JP2009276086A - 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る励振振動手段と、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直交方向変位検出手段と、該直交方位検出手段により検出された変位に対して周期的な反転処理を行なう反転処理手段と、を備え、該反転処理手段による反転処理の結果に基づいて、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、前記反転処理手段は、前記励振振動手段による励振振動の位相に対して、略３０度、略１８度、略１３度、略８度、略７度のうちいずれかの位相角分シフトさせた位相で、前記周期的な反転処理を行なうことを特徴とする。
【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１の軸に直交する第２の軸に沿った振動を検出することにより、振動子に生じた第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が知られている。係る角速度検出装置は、第３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、高調波同期検波回路を設けるため、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第１の態様は、
振動子を第１の軸方向に励振振動させる励振振動手段と、
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直交方向変位検出手段と、
該直交方位検出手段により検出された変位に対して周期的な反転処理を行なう反転処理手段と、を備え、
該反転処理手段による反転処理の結果に基づいて、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、
前記反転処理手段は、前記励振振動手段による励振振動の位相に対して、略３０度、略１８度、略１３度、略８度、略７度のうちいずれかの位相角分シフトさせた位相で、前記周期的な反転処理を行なうことを特徴とする、
角速度検出装置である。

この本発明の第１の態様によれば、高次振動の影響を抑制することができる。

本発明の第２の態様は、
振動子を第１の軸方向に励振振動させる励振振動手段と、
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直交方向変位検出手段と、
該直交方位検出手段により検出された変位に対して周期的な反転処理を行なう反転処理手段と、を備え、
該反転処理手段による反転処理の結果に基づいて、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、
前記反転処理手段は、複数の位相角から一の位相角を選択し、前記励振振動手段による励振振動の位相に対して該選択した位相角分シフトさせた位相で、前記周期的な反転処理を行なうことを特徴とする、
角速度検出装置である。

この本発明の第２の態様によれば、高次振動の影響を効果的に抑制することができる。

本発明の第２の態様において、
前記複数の位相角は、例えば、略３０度、略１８度、略１３度、略８度、略７度のうち一部又は全部である。

また、本発明の第２の態様において、
温度を検出する温度検出手段を備え、
前記反転処理手段は、該温度手段により検出された温度に基づいて、複数の位相角から一の位相角を選択する手段であるものとしてもよい。

また、本発明の第２の態様において、
前記反転処理手段は、前記振動子の励振振動の周波数に基づいて、複数の位相角から一の位相角を選択する手段であ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。

＜第１実施例＞
以下、本発明の第１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、本発明の第１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、駆動回路２０と、励振変位検出回路２２と、ＰＬＬ回路２４と、分周器２６と、位相調整回路２８と、角速度による変位検出回路３０と、検波装置３２と、積分器３４と、増幅器３６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。

駆動回路２０は、分周器２６から入力される駆動タイミング信号を基準として、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い、振動子１０を上記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。

励振変位検出回路２２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、駆動回路２０及びＰＬＬ回路２４に出力する。駆動回路２０に入力された励振検出信号は、励振振動の振れ幅を安定化するために用いられる。

ＰＬＬ回路２４は、励振変位検出部２２から入力された励振検出信号と、分周器３４から入力された駆動タイミング信号との位相差を電圧に変換する位相比較器、ローパスフィルター、入力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ＶＣＯ（Voltage-Controlled Oscillator）等を有し、励振検出信号と駆動タイミング信号との位相差に基づくクロック信号を出力して、振動子１０の共振点で駆動周波数をロックする。

分周器２６は、例えばプログラマブルカウンターを有し、所定カウント数毎に駆動タイミングを指示するための駆動信号を駆動回路２０及びＰＬＬ回路２４に出力する。また、プログラマブルカウンターのカウンター出力値を位相調整回路２８に出力する。位相調整回路２８については後述する。

角速度による変位検出回路３０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、検波装置３２に出力する。

検波装置３２は、角速度による変位検出回路３０により角速度検出信号に対して周期的な反転処理を行なって検波信号を生成し、積分器３４に出力する。積分器３４では、検波信号を平均化して角速度信号を生成する。増幅器３６については後述する。

［問題点］
一般的に、検波装置３２の如く反転処理によって検波を行なう機能部は、励振振動と位相同期した反転処理を行なう。すなわち、励振振動による変位の符号が変化するタイミング（＝角速度検出信号の符号が変化するタイミング）で、角速度検出信号を反転させるか否かを切り替えている。

図３は、係る一般的な処理により、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。これにより、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。

ところが、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積分器３４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積分器３４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（誤差）を含んでしまうこととなる（図４左側参照）。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。

そして、奇数倍の高次成分を含んだ角速度検出信号に対して、前述の如く励振振動と同位相で反転処理を行なうと、高次振動による誤差成分が発生する（図４右側参照）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、従来、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公開されている。以下、高次振動を高調波と称し（３倍、５倍、…の奇数次のものを特に奇数次高調波と称する）、高次振動でない振動を基本波と称する。

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、基本波に係る成分を含んでいるため、高調波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、高次検波信号を生成する機能部を備える必要が生じ、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では、位相調整回路２８が、励振振動の符号が反転するタイミングから、励振振動の奇数次高調波の略１／４周期に相当する位相角分シフトさせたタイミングで、検波装置３２に検波タイミング信号を出力することとした。励振振動の奇数次高調波とは、励振振動の３倍、５倍、７倍、１１倍、１３倍…の周波数の振動波をいう（現実的には１３倍程度までカバーすれば十分である）。励振振動の奇数次高調波の略１／４周期に相当する位相角は、下記の通りとなる。

３６０［度］／３／４ ＝ ３０［度］
３６０［度］／５／４ ＝ １８［度］
３６０［度］／７／４ ＝ １２．８６［度］ ≒ １３［度］
３６０［度］／１１／４ ＝ ８．１８［度］ ≒ ８［度］
３６０［度］／１３／４ ＝ ６．９２［度］ ≒ ７［度］

位相調整回路２８は、これらのうち、装置の設計上発生しやすい奇数次高調波に対応する位相角を予め選択しておき、励振振動の位相から当該位相角分の位相シフトを行なった検波タイミング信号を生成する。また、後述する如く、温度や励振振動の周波数に応じてターゲットとする奇数次高調波を切り替える（従って位相シフト量を切り替える）ものとしてもよい。

検波装置３２では、位相調整回路２８から検波タイミング信号が入力されたタイミングで反転処理を行なうか否かを切り替える。従って、本実施例では、励振振動の位相に比して、上記のいずれかの位相角分シフトされた（位相が進んだ、又は遅れた）位相で反転処理を行なうこととなる。なお、厳密に３０［度］等に合わせる必要はなく、例えば３０［度］や１８［度］については±２［度］程度のズレは許容される。また、１３［度］や８［度］、７［度］については±１［度］程度のズレは許容される。

図５は、反転処理の位相を励振振動の位相に対して３０［度］遅らせた場合に、基準波及び３次高調波により生成される角速度信号を示す図である。この場合、図示する如く、角速度信号における高次成分（誤差）は相殺されてゼロとなっている。従って、係る構成により、高次振動の影響を抑制することができる。

ここで、角速度信号における基準波成分は、本来出力すべき角速度信号よりも定常的に小さく出力されることとなるが、これについては、増幅器３６により容易に復元することができる。反転処理の位相を励振振動の位相に対して所定角度遅らせた場合に、角速度信号における基準波成分が定常的にどの程度小さく出力されるかは、容易に予測（解析）することができるため、増幅器３６の増幅程度を予め適切に設定しておけばよい。

一方、３次高調波により生成される角速度信号は、定常的に出力されるため、増幅器３６等を用いて修正するのが困難である。従って、角速度信号における基準波成分が定常的に小さくなるデメリットに比して、角速度信号における高調波成分を抑制することができるメリットの方が大きいのである。

図６は、反転処理の位相を励振振動の位相に対して１８［度］遅らせた場合に、基準波及び５次高調波により生成される角速度信号を示す図である。この場合、図示する如く、角速度信号における高次成分（誤差）は相殺されてゼロとなっている。従って、係る構成により、高次振動の影響を抑制することができる。この場合、増幅器３６の増幅程度を、反転処理の位相を励振振動の位相に対して１８［度］遅らせた場合に対応できるように、予め設定しておく。

なお、角速度検出装置１の出力を利用する側において適宜復元処理を行なうものとして、角速度検出装置１の構成から増幅器３６を省略しても構わない。

以上説明した本実施例の角速度検出装置１によれば、高次振動の影響を抑制することができる。また、角速度信号における基準波成分が定常的に小さくなるが、これについては容易に復元することができる。更に、位相調整回路２８はデジタル回路で構成可能であり、増幅器３６は簡易な構成で実現することが可能であるため、これらの付加により装置のサイズやコストが増大するデメリットは比較的小さい。

図７は、分周器２６、位相調整回路２８、及び検波装置３２についてより詳細な構成例を示した図である。図示する如く、分周器２６は、カウンター２６Ａと、駆動タイミング生成回路２６Ｂとを有する。位相調整回路２８は、位相調整設定部２８Ａと、検波タイミング生成回路２８Ｂとを有する。検波装置３２は、非反転アンプ３２Ａと、反転アンプ３２Ｂと、スイッチ３２Ｃ、３２Ｄとを有する。

カウンター２６Ａは、ＰＬＬ回路２４から出力されるクロック信号に基づいて、周期的なカウンター値を出力する。駆動タイミング生成回路２６Ｂは、係る周期的なカウンター値を読み取って駆動タイミング信号を出力する。

位相調整設定部２８Ａは、現在設定されているシフト分の位相角を保持している記憶装置及び／又はマイクロコンピューター等である。検波タイミング生成回路２８Ｂは、カウンター２６Ａが出力する周期的なカウンター値を読み取って逆位相の検波タイミング信号α、βをそれぞれ出力する。ここで、検波タイミング信号α、βは、例えばＨｉｇｈ／Ｌｏｗの２値信号である。

スイッチ３２Ｃ、３２Ｄは、Ｈｉｇｈ信号が入力されたときにオン状態となり、Ｌｏｗ信号が入力されたときにオフ状態となる。

図８は、これらの信号等の状態変化を示すタイミングチャートである。

＜第２実施例＞
以下、本発明の第２実施例に係る角速度検出装置２について説明する。

図９は、本発明の第２実施例に係る角速度検出装置２の構成例である。角速度検出装置２は、第１実施例の角速度検出装置１が有するハードウエア構成に加え、温度計４０を備える。なお、図９は、図７に示した角速度検出装置１のより詳細な構成例を基本構成とした。

本実施例における位相調整設定部２８Ａは、温度計４０により検出された装置内部の温度に基づいて、検波タイミング信号においてシフトさせる位相角を変更する。

これにより、装置の温度に応じて打ち消すターゲットとなる奇数次高調波を動的に変更することができる。何次の高調波が発生しやすいかは、装置の全体設計においてまず決定され、更に装置の温度によっても変化するため、係る構成によって、高次振動の影響を効果的に抑制することができる。なお、装置の温度に応じて発生しやすい奇数次高調波を予め実験等によって確認しておき、温度（より厳密には、温度範囲）と位相角を対応付けたデータを位相調整設定部２８Ａに保持させておくものとする。

＜第３実施例＞
以下、本発明の第３実施例に係る角速度検出装置３について説明する。

図１０は、本発明の第３実施例に係る角速度検出装置３の構成例である。図１０は、図７に示した角速度検出装置１のより詳細な構成例を基本構成とした。

本実施例における位相調整設定部２８Ａには、ＰＬＬ回路２４が有するＶＣＯに印可される電圧の値が入力される。そして、位相調整設定部２８Ａは、係る電圧値から振動子１０の励振振動の周波数を認識し、この励振振動の周波数に基づいて、検波タイミング信号においてシフトさせる位相角を変更する。

これにより、励振振動の周波数に応じて打ち消すターゲットとなる奇数次高調波を動的に変更することができる。何次の高調波が発生しやすいかは、前述した装置の全体設計、温度に加え、励振振動の周波数によっても変化するため、係る構成によって、高次振動の影響を効果的に抑制することができる。なお、励振振動の周波数に応じて発生しやすい奇数次高調波を予め実験等によって確認しておき、励振振動の周波数（より厳密には、励振振動の周波数の範囲）と位相角を対応付けたデータを位相調整設定部２８Ａに保持させておくものとする。

＜その他＞
第２実施例の機能と第３実施例の機能を併せ持つ装置として角速度検出装置が構成されてもよい。すなわち、装置の温度と励振振動の周波数の双方を位相調整設定部２８Ａに入力し、位相調整設定部２８Ａでは、両データからシフトさせる位相角を導出するマップや関数等を用いて、シフトさせる位相角を変更する。係る構成によっても、高次振動の影響を効果的に抑制することができる。

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。

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。

本発明の第１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。 一般的な処理により、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。 振動子１０が共振周波数に応じて励振振動に対する高次振動をする場合について説明するための説明図である。 反転処理の位相を励振振動の位相に対して３０［度］遅らせた場合に、基準波及び３次高調波により生成される角速度信号を示す図である。 反転処理の位相を励振振動の位相に対して１８［度］遅らせた場合に、基準波及び５次高調波により生成される角速度信号を示す図である。 分周器２６、位相調整回路２８、及び検波装置３２についてより詳細な構成例を示した図である。 本発明の第１実施例に係る各種信号等の状態変化を示すタイミングチャートである。 本発明の第２実施例に係る角速度検出装置２の構成例である。 本発明の第３実施例に係る角速度検出装置３の構成例である。

符号の説明

１、２、３ 角速度検出装置
１０ 振動子
２０ 駆動回路
２２ 励振変位検出回路
２４ ＰＬＬ回路
２６ 分周器
２６Ａ カウンター
２６Ｂ 駆動タイミング生成回路
２８ 位相調整回路
２８Ａ 位相調整設定部
２８Ｂ 検波タイミング生成回路
３０ 角速度による変位検出回路
３２ 検波装置
３２Ａ 非反転アンプ
３２Ｂ 反転アンプ
３２Ｃ、３２Ｄ スイッチ
３４ 積分器
３６ 増幅器
４０ 温度計

Claims (5)

1. 振動子を第１の軸方向に励振振動させる励振振動手段と、
   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直交方向変位検出手段と、
   該直交方位検出手段により検出された変位に対して周期的な反転処理を行なう反転処理手段と、を備え、
   該反転処理手段による反転処理の結果に基づいて、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、
   前記反転処理手段は、前記励振振動手段による励振振動の位相に対して、略３０度、略１８度、略１３度、略８度、略７度のうちいずれかの位相角分シフトさせた位相で、前記周期的な反転処理を行なうことを特徴とする、
   角速度検出装置。
2. 振動子を第１の軸方向に励振振動させる励振振動手段と、
   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直交方向変位検出手段と、
   該直交方位検出手段により検出された変位に対して周期的な反転処理を行なう反転処理手段と、を備え、
   該反転処理手段による反転処理の結果に基づいて、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、
   前記反転処理手段は、複数の位相角から一の位相角を選択し、前記励振振動手段による励振振動の位相に対して該選択した位相角分シフトさせた位相で、前記周期的な反転処理を行なうことを特徴とする、
   角速度検出装置。
3. 前記複数の位相角は、略３０度、略１８度、略１３度、略８度、略７度のうち一部又は全部である、
   請求項２に記載の角速度検出装置。
4. 温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記反転処理手段は、該温度手段により検出された温度に基づいて、複数の位相角から一の位相角を選択する手段である、
   請求項２又は３に記載の角速度検出装置。
5. 前記反転処理手段は、前記振動子の励振振動の周波数に基づいて、複数の位相角から一の位相角を選択する手段である、
   請求項２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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