JP2009244203A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高次振動の影響を抑制することが可能な角速度検出装置を提供すること。
【解決手段】振動子を第１の軸方向に励振振動させ、前記振動子の第１の軸に直交する第２の軸方向の変位を検出することにより、前記振動子の前記第１の軸及び第２の軸の双方に直交する第３の軸周りの角速度を検出する角速度検出装置（１）であって、前記励振振動の周波数に揺らぎを発生させるための揺らぎ発生手段（３６）を有することを特徴とする、角速度検出装置（１）。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動子を励振振動させることにより振動子に生じた角速度を検出する角速度検出装置に関する。

従来、振動子を三次元直交座標系における第１の軸に沿って励振振動させ、第２の軸周りの角速度によって生じる第３の軸に沿った振動を検出することにより、第２の軸周りの角速度を算出する角速度検出装置が知られている。係る角速度検出装置は、第２の軸を鉛直軸とする向きで車両に搭載されることにより、ヨーレートセンサーとして用いられている。

このような角速度検出装置において生じる問題点の一つに、振動子が、その共振周波数に応じて、励振振動に対する高次振動（周波数が励振振動のｎ倍の振動）をする場合がある。振動子が高次振動をすると、角速度と高次振動との関係で、上記第３の軸に沿った振動が高次成分を含んでしまうこととなる。この結果、検出した角速度に高次振動による誤差が生じることとなる。

これを解消することを主眼とする角速度センサについての発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。このセンサでは、基本波を同期検波する主同期検波回路とは別に、主同期検波回路では除去不可能な、基本波に重畳する奇数次高調波を選択的に抽出する高調波同期検波回路を設け、主同期検波回路からの主検波波形から、高調波同期検波回路が抽出した奇数次高調波検波波形を用いて残留奇数次高調波成分を減少させる信号処理を行うものとしている。
特開２００６−４７１４４号公報

しかしながら、上記従来のセンサにおいては、以下の如き不都合が生じる。まず、奇数次高調波は、基本波に係る成分を含んでいるため、奇数次高調波のみを反映させたものとならない。従って、基本波から奇数次高調波を差し引いた信号は基本波のみを反映させた信号とならない。この結果、最終的に出力される角速度が不正確なものとなってしまう。また、奇数次高調波として何倍の周波数の振動が発生するかが予め判明していないため、これらの全てを網羅しようとすると、複数パターンの高調波同期検波回路を設ける必要が生じ、装置のサイズやコストが増大する。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、高次振動の影響を抑制することが可能な角速度検出装置を提供することを、主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
振動子を第１の軸方向に励振振動させ、前記第１の軸に直交する第２の軸方向の前記振動子の変位を検出することにより、前記振動子に生じた前記第１の軸及び第２の軸の双方に直交する第３の軸周りの角速度を検出する角速度検出装置であって、
前記励振振動の周波数に揺らぎを発生させるための揺らぎ発生手段を有することを特徴とする、
角速度検出装置である。

この本発明の一態様によれば、励振振動の周波数に揺らぎを発生させるための揺らぎ発生手段を有するため、高次振動による誤差成分が揺らぎの周波数で周期的に変動することとなり、高次振動の影響を抑制することができる。

本発明の一態様において、前記揺らぎ発生手段は、例えば、前記振動子を励振振動させるための励振駆動信号の周波数に揺らぎを発生させることにより前記励振振動の周波数に揺らぎを発生させる手段である。

また、本発明の一態様において、前記揺らぎ発生手段は、例えば、前記振動子の振動係数に揺らぎを発生させることにより前記励振振動の周波数に揺らぎを発生させる手段である。

また、本発明の一態様において、
前記第２の軸に沿った変位に基づく信号に対して平均化処理を行なうためのローパスフィルターを備え、
前記揺らぎ発生手段は、前記励振振動の周波数に発生させる揺らぎの周波数を、前記ローパスフィルターのカットオフ周波数以上にすることを特徴とするものとしてもよい。

また、本発明の一態様において、
前記揺らぎ発生手段は、前記励振振動の周波数に発生させる揺らぎの周期を、抑制すべき高次振動の周期の１／２近傍とすることを特徴とするものとしてもよい。

本発明によれば、高次振動の影響を抑制することが可能な角速度検出装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。

以下、本発明の一実施例に係る角速度検出装置１について説明する。

［基本構成］
図１は、本発明の一実施例に係る角速度検出装置１の構成例である。角速度検出装置１は、主要な構成として、振動子１０と、励振回路２０と、検出回路４０と、を備える。

図２は、振動子１０とその周囲に配設される電極、振動子１０の振動方向等を概念的に示す図である。振動子１０は、図２におけるＸ軸方向に励振されると共にＹ軸方向に振動可能に構成される。振動子１０の周囲には励振用及び振動検出用の複数の電極が配設されており、それぞれが振動子１０との間の静電容量の変化を励振回路２０及び検出回路４０に出力している。そして、振動子１０がＸ軸方向に駆動されているときにＸ軸方向に直交するＺ軸周りの角速度（角速度）が発生すると、コリオリ力によってＹ軸方向の振動が発生する。本装置は、Ｙ軸方向の振動の大きさを検出することにより、Ｚ軸周りの角速度を検出するものである。なお、振動子１０の形状や電極の配設位置について特段の制限はなく、如何なるものを用いても構わない。

励振回路２０は、ＰＬＬ（Phase-Locked Loop）を基本として構成される回路であり、振動子１０の共振点で駆動周波数をロックすることができる。励振回路２０は、駆動回路２２と、励振変位検出部２４と、オートゲインコントロール２６と、位相比較器２８と、フィルター３０と、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）３２と、分周器３４と、ディザ発生回路３６と、を備える。

駆動回路２２は、振動子１０の周囲に配設された電極にＡＣ成分を有する電圧の印可を行なって、振動子１０をＸ軸方向に振動させる。なお、これに限らず、モーターやソレノイドを用いて機械的に振動子１０を振動させる構成であってもよい。

励振変位検出部２４は、振動子１０の周囲（Ｘ軸方向）に配設された電極により検出された静電容量を電圧に変換する（Ｑ／Ｖ変換）すると共に、これを復調して、振動子１０のＸ軸方向の振動に応じた信号（以下、励振検出信号と称する）を生成し、オートゲインコントロール２６及び位相比較器２８に出力する。

オートゲインコントロール２６は、振動子１０の目標変位（振れ幅）と実際の変位との比較により駆動回路２２への指示信号を生成する。より具体的には、振動子１０の目標変位と実際の変位とを一致させるためのフィードバック制御における差分要素及び積分要素のゲイン等を決定して駆動回路２２に出力する。

位相比較器２８は、励振変位検出部２４から入力された励振検出信号と、分周器３４から入力された参照信号との位相差を電圧に変換してフィルター３０に出力する。フィルター３０は、例えばローパスフィルターである。

ＶＣＯ３２は、例えば入力された電圧によって周波数が決定されるパルス信号を出力する。分周器３４は、プログラマブルカウンターであり、本実施例においてはＶＣＯ３２から入力されたパルス信号の位相を９０度シフトさせたクロック信号である参照信号を生成し、駆動回路２２、位相比較器２８、及び検波部４４に出力する。

参照信号は、駆動回路２２の電圧印可のタイミングを決定するための信号であり、フィードバック制御における入力信号に相当する。一方、励振検出信号は、実際に振動子１０が振動した結果としての変位を検出したものであり、フィードバック制御における出力信号に相当する。これらに対し位相比較器２８は、参照信号の位相を励振検出信号の位相に一致させるような信号を出力するため、振動子１０の共振点で駆動回路２２の駆動周波数をロックすることができる。

ディザ発生回路３６については、後述する。

検出回路４０は、角速度による変位検出部４２と、検波部４４と、平均化処理部４６と、を備える。

角速度による変位検出部４２は、振動子１０の周囲（Ｙ軸方向）に配設された電極により検出された静電容量を電圧に変換する（Ｑ／Ｖ変換）すると共に、これを復調して、振動子１０のＹ軸方向の振動に応じた信号（以下、角速度検出信号と称する）を生成し、検波部４４に出力する。

検波部４４は、分周器３４が生成した参照信号を基準とし、角速度検出信号のうち位相が所定範囲の信号の符号を反転させた検波信号を生成して、平均化処理部４６に出力する。

平均化処理部４６は、例えばローパスフィルターを含み、検波信号を平均化して角速度信号を生成する。図３は、角速度検出信号から検波信号が生成され、検波信号から角速度信号が生成される様子を示す図である。

係る構成によって、振動子１０が励振される方向（図２におけるＸ軸方向）に直交するＺ軸周りの角速度が発生すると、コリオリ力によってＹ軸方向の振動が発生する。Ｙ軸方向の振動は、検出回路４０によって角速度信号に変換され、外部に出力される。

［問題点］
ところが、係る構成において振動子１０は、その共振周波数に応じて、励振振動に対する高次振動（周波数が励振振動のｎ倍の振動）をする場合がある。すなわち、温度変化等により励振振動の周波数や高次共振の周波数が徐々に変化し、励振振動の周波数の奇数倍と高次共振の周波数が近づくのに応じて、角速度検出信号に重畳している高次振動の周波数成分が平均化処理部４６の出力における低周波成分として現れることとなる。その周波数は、次式（１）の如くなり、周波数が値ゼロとなったときに、係る現象に起因して平均化処理部４６の出力に現れる誤差成分が最大となる。

周波数 ＝ ｜（励振振動の周波数）×ｎ−（高次振動の共振周波数）｜ …（１）

以下、これについて説明する。振動子１０が高次振動をすると、角速度と高次振動との関係で、角速度検出信号が高次成分を含んでしまうこととなる（図４（Ａ）参照）。なお、高次振動は、温度等の環境に応じて発生点が変更する上に、何通りもの倍数が存在するため、装置の設計及び励振振動の制御により発生を回避するのが困難である。以下、高次振動でない振動子１０の振動を、基本振動と称する。

そして、奇数倍の高次成分を含んだ角速度検出信号を、分周器３４が生成した参照信号を基準として符号反転を行なうと、高次振動による誤差成分が発生する（図４（Ｂ）参照）なお、原理的には、偶数倍の高次成分は打ち消し合ってゼロとなるため問題は生じない。

この問題を回避する手法として、参照信号の３倍以上の奇数倍周波数を有する高次参照信号を生成して、これを用いて角速度検出信号から高次検波信号を生成し、参照信号に基づき生成される検波信号から高次検波信号を差し引いて角速度信号を生成する手法が考えられる。

しかしながら、係る手法を用いた場合には、以下の如き不都合が生じる。まず、高次検波信号は、基本振動に係る成分を含んでいるため、高次振動のみを反映させたものとならず、正確さに欠ける。このため、検波信号から高次検波信号を差し引いた信号は基本振動のみを反映させた信号とならない。この結果、最終的に出力する角速度信号が不正確なものとなってしまう。

また、高次振動として何倍の周波数の振動が発生するかが予め判明していないため、これらの全てを網羅しようとすると、複数パターンの高次検波信号を生成する必要が生じ、装置のサイズやコストが増大する。

［特徴的な構成］
そこで、本実施例の角速度検出装置１は、振動子１０の励振振動に揺らぎを生じさせるための構成として、ディザ発生回路３６を備えることとした。ディザ発生回路３６は、ＶＣＯ３２が出力するパルス信号に干渉して、パルス信号の周波数に揺らぎを持たせる。

これにより、高次振動による誤差成分が揺らぎの周波数で周期的に変動することとなり（図５参照）、この結果、平均化処理部４６の出力に現れる誤差成分、すなわち高次振動による角速度の誤差成分を低減することができる。

ここで、揺らぎの周波数は、平均化処理部４６におけるカットオフ周波数以上に設定することが望ましい。誤差成分の周波数は揺らぎの周波数と等しくなるため、これを平均化処理部４６におけるカットオフ周波数以上に設定することで、そのゲインを１以下とし、誤差成分のピーク値を抑制することができるからである。

また、揺らぎの周期は、高次振動の周期の１／２程度とすることが望ましい。図５に示す如く、高次振動による誤差は、揺らぎの周期が高次振動の周期の１／２ズレたときに最少となり（図５における最上列と最下列がこれに相当する）、揺らぎの周期が高次振動の周期の１／２ズレた状態が最も多く出現するのが、揺らぎの周期を高次振動の周期の１／２程度とした場合だからである。従って、例えば励振振動の周波数が４［ｋＨｚ］である場合に１１倍の高次振動による誤差を抑制するためには、揺らぎの周波数を±２００［Ｈｚ］程度とすればよい。すなわち、周波数４［ｋＨｚ］の１１倍の振動の周期の１／２は１１．４［μｓ］であり、これを周波数４［ｋＨｚ］の周期である２５０［μｓ］に加減した周期は２３８．６［μｓ］〜２６１．４［μｓ］となる。この周期を周波数に変換すると、３．８２５［ｋＨｚ］〜４．１９１［ｋＨｚ］となる。

更に、高次振動の共振は、周波数の一致と同時に現れるのではなく、ある程度の振動期間を経て現れるのが通常であるため、振動子１０の励振振動に揺らぎを生じさせること自体によっても発生を抑制することができる。

以上説明した本実施例の角速度検出装置１によれば、振動子１０の励振振動の周波数に揺らぎを生じさせるため、高次振動の影響を抑制することができる。

［他の実施例］
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、振動子１０の励振振動に揺らぎを生じさせるための構成は、ＶＣＯ３２の出力信号に干渉する位置に配設されるのに限らず、他の位置に配設されてもよい。以下、その例について述べる。

［角速度検出装置２について］
図６は、本発明の他の実施例に係る角速度検出装置２の構成例である。図示する如く、本実施例の角速度検出装置２は、振動子のＸ軸方向に電気バネ５０と、電気バネ５０に一定の電圧を印可する電源装置５２と、ディザ発生回路５４と、を備える。その他の構成要素については実施例で説明したものと同様の機能を有するため、同一の符号を付して説明を省略する。本実施例のディザ発生回路５４は、電気バネ５０に印可される電圧に揺らぎを生じさせる。係る構成によって、電気バネ５０によるバネ定数が揺らぐため、高次振動の共振周波数が揺らぐこととなり、励振振動と完全に同期するのを防止することができる。すなわち、振動子１０の振動係数を揺らがせることにより、振動子１０の励振振動の周波数に揺らぎを生じさせることとなり、角速度検出装置１と同様の原理によって高次振動の影響を抑制することができる。また、類似の構成として、振動子１０のＸ軸方向に配設された励振用電極を電気バネ５０として用いることとし、そのＤＣバイヤス電圧を揺らがせてもよい。

また、これに限らず、ＶＣＯ３２内部で生成される基準信号に揺らぎを生じさせてもよいし、分周器３４や駆動回路２２に揺らぎを生じさせるための機能を持たせてもよい。

［角速度検出装置３について］
また、分周器３４での位相シフトのシフト量を調整するための回路等を備えてもよい。以下、これについて説明する。図７は、本発明の他の実施例に係る角速度検出装置３の構成例である。角速度検出装置３は、角速度検出装置１におけるディザ発生回路３６に代えて、分周器３４の位相量を調節するシフト量調整回路６２を備える。分周器３４及びシフト量調整回路６２は、通常ロジック回路で構成され、分周器３４による位相シフト量に揺らぎが生じるように動作する。係る構成によって、分周器３４がシフトさせる位相量に揺らぎが生じることとなり、駆動信号と変位信号との位相が揺らぎ、その結果、振動子１０の励振振動の周波数に揺らぎが生じる。このようにして、角速度検出装置１と同様の原理によって高次振動の影響を抑制することができる。

［角速度検出装置４について］
また、振動子１０の共振点での励振を、励振検出信号の位相をアナログ的に９０度シフトさせた信号で励振駆動することにより達成する構成としてもよい。以下、これについて説明する。図８は、本発明の他の実施例に係る角速度検出装置４が有する励振回路７０の構成例である。なお、検出回路４０については角速度検出装置１が有する検出回路４０と同様の機能を有する。励振回路７０は、駆動回路７２と、励振変位検出部７４と、オートゲインコントロール７６と、位相シフト回路７８と、シフト量調整回路８０と、を備える。図９は、位相シフト回路７８及びシフト量調整回路８０の構成例である。本構成では、励振検出信号の位相をアナログ的に９０度シフトさせた信号で振動子１０を駆動することにより、振動子１０を共振点で励振させている。励振変位検出部７４及びオートゲインコントロール７６については角速度検出装置１が有する励振変位検出部２４及びオートゲインコントロール２６と同様の機能を有する。位相シフト回路７８は、原則的に入力信号の位相を９０度シフトさせた出力信号を出力する。また、シフト量調整回路８０は、内部マイコン等により生成された周波数の揺らいだクロック信号に応じてスイッチ６４のオン／オフ制御を行なう。これにより、位相シフト回路７８が出力する信号の周波数に揺らぎが生じることとなり、駆動信号と変位信号との位相が揺らぎ、その結果、振動子１０の励振振動の周波数に揺らぎが生じることとなる。このようにして、角速度検出装置１と同様の原理によって高次振動の影響を抑制することができる。

本発明は、自動車製造業や自動車部品製造業等に利用可能である。

本発明の一実施例に係る角速度検出装置１の構成例である。 振動子１０とその周囲に配設される電極、振動子１０の振動方向等を概念的に示す図である。 角速度検出信号から検波信号が生成され、検波信号から角速度信号が生成される様子を示す図である。 角速度検出信号が高次成分を含む様子、及び高次振動による誤差成分が発生する様子を示す図である。 高次振動による誤差成分が揺らぎの周波数で周期的に変動する様子を示す図である。 本発明の他の実施例に係る角速度検出装置２の構成例である。 本発明の他の実施例に係る角速度検出装置３の構成例である。 本発明の他の実施例に係る角速度検出装置４の構成例である。 位相シフト回路７８及びシフト量調整回路８０の構成例である。

符号の説明

１ 角速度検出装置
１０ 振動子
２０、７０ 励振回路
２２、７２ 駆動回路
２４、７４ 励振変位検出部
２６、７６ オートゲインコントロール
２８ 位相比較器
３０ フィルター
３２ ＶＣＯ
３４ 分周器
３６、５４ ディザ発生回路
４０ 検出回路
４２ 角速度による変位検出部
４４ 検波部
４６ 平均化処理部
５０ 電気バネ
５２ 電源装置
６０、７８ 位相シフト回路
６２、８０ シフト量調整回路
６４ スイッチ

Claims (5)

1. 振動子を第１の軸方向に励振振動させ、前記第１の軸に直交する第２の軸方向の前記振動子の変位を検出することにより、前記振動子に生じた前記第１の軸及び第２の軸の双方に直交する第３の軸周りの角速度を検出する角速度検出装置であって、
   前記励振振動の周波数に揺らぎを発生させるための揺らぎ発生手段を有することを特徴とする、
   角速度検出装置。
2. 前記揺らぎ発生手段は、前記振動子を励振振動させるための励振駆動信号の周波数に揺らぎを発生させることにより前記励振振動の周波数に揺らぎを発生させる手段である、
   請求項１に記載の角速度検出装置。
3. 前記揺らぎ発生手段は、前記振動子の振動係数に揺らぎを発生させることにより前記励振振動の周波数に揺らぎを発生させる手段である、
   請求項１に記載の角速度検出装置。
4. 前記第２の軸に沿った変位に基づく信号に対して平均化処理を行なうためのローパスフィルターを備え、
   前記揺らぎ発生手段は、前記励振振動の周波数に発生させる揺らぎの周波数を、前記ローパスフィルターのカットオフ周波数以上にすることを特徴とする、
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載の角速度検出装置。
5. 前記揺らぎ発生手段は、前記励振振動の周波数に発生させる揺らぎの周期を、抑制すべき高次振動の周期の１／２近傍とすることを特徴とする、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の角速度検出装置。

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