JP2010127794A

JP2010127794A - 角速度検出装置

Info

Publication number: JP2010127794A
Application number: JP2008303376A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Nakamura; 敏明中村; Masahiro Matsumoto; 昌大松本
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-11-28
Also published as: JP5244562B2; US20100132462A1; EP2199740A2; EP2199740A3

Abstract

【課題】
角速度検出装置において、複数のサーボ制御を時分割して処理することにより、１つの演算回路、またはソフトウェアで実現する。
【解決手段】
振動体からの変位信号を複数の同期検波信号で交互に同期検波を行う１つの同期検知手段と、その複数の出力を交互に積分演算を行う１つの積分演算手段と、前記の積分演算手段で得られた２つの出力に対して複数の交流信号を交互に乗算する手段と、前記２つの乗算出力を加算する手段と、その出力を振動子に帰還させる手段とで構成される。
【効果】
複数の同様な処理を１つの演算回路により時分割して逐次的に実行できるため、１つのＣＰＵまたはＤＳＰとその実行プログラムで実現可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動式の角速度センサに係り、特に振動体の変位信号の位相変動の影響を低減する角速度センサに関する。

振動式の角速度センサを高精度に制御する方法としては、特許文献１，２，３に記載のような装置が開示されている。

特許第３６０３５０１号公報特許第３７２９１９１号公報特開平５−２９６７７１号公報

特許文献１記載の技術は、振動体を検出軸方向に補正振動させる補正振動発生手段を設け、角速度が加わっていないときに検出軸方向に発生する漏れ振動を抑え、角速度の検出感度を高めている。したがって、角速度検出素子の中に補正振動発生手段を、また制御部に補正駆動回路を設ける必要がある。

特許文献２記載の技術は、２つのサーボ回路を同時に作動させることにより、振動子の振動軸方向からの漏れ振動の抑制と、振動軸と直角方向に生じる角速度による振動を抑制する。したがって複数の制御を並列に実行する回路が必要となる。また、この機能をＣＰＵ（セントラル・プロセッシング・ユニット）またはＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）を用いてソフトウェアで実現しようとすると、２つの機能を同時に動作させるため、２組のＣＰＵまたはＤＳＰとソフトウェアが必要となる。

特許文献３記載の技術は、温度が変化しても角速度を精度よく検出するために、検出した温度データをもとにＣＰＵにて補正データを演算により求め、その値を検出した角速度の値に合成することで検出の精度を高めている。したがって、ＣＰＵを角速度検出結果の補正に使っているが、角速度検出素子の制御には使っていない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、１つの回路により時分割に複数の制御機能を実現するものであり、また１組のＣＰＵまたはＤＳＰとソフトウェアにより上記の機能を実現するものである。

振動体からの変位信号を複数の同期検波信号で交互に同期検波を行う１つの同期検知手段と、その複数の出力を交互に積分演算を行う１つの積分演算手段と、前記の積分演算手段で得られた２つの出力に対して複数の交流信号を交互に乗算する手段と、前記２つの乗算出力を加算する手段と、その出力を振動子に帰還させる手段とで構成される。

複数の同一な処理を時分割して１つの処理回路により実行するため、アナログ回路やデジタル回路で実現する場合、回路規模を小さくできる。また、複数の同様な処理を１つの演算回路により時分割して逐次的に実行できるため、１つのＣＰＵまたはＤＳＰとその実行プログラムで実現可能である。

振動体からの変位信号を同期検波する手段と、それらの出力を演算する手段と、その出力を用いてサーボ処理を行う手段が最良の形態である。以下、本発明の実施例を図１〜図８により説明する。

図１は第１の実施例の角速度センサの制御回路のブロック図である。図２は第１の実施例の角速度センサの制御回路のタイミングチャートである。本実施例の角速度センサの検出素子１は所定の質量を持ち所定の振動周波数ｆｄで図１中の振動軸方向に振動する振動子４と、振動子４に対向して配置され、角速度の印加で生じるコリオリ力により振動軸と直角の方向に振動子４に生じる変位を静電容量の変化で検出する固定電極３および６（変位検出手段）と、振動子４に働くコリオリ力を打ち消すように振動子４に静電気力を働かせる固定電極２および５により構成される。また、信号処理部は振動子４と固定電極３の間の静電容量および振動子４と固定電極６の間の静電容量の差分を検出することにより、振動子４に働くコリオリ力による変位を検出する容量検出器７と、容量検出器７の出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換器８と、図２に示すように周波数が駆動周波数ｆｄで、位相が振動子４の振動変位に対して９０度遅れた信号Φ１と位相が振動子４の振動変位と同一の信号Φ２と、前記Φ１およびΦ２を駆動周波数ｆｄの４倍の周波数の信号Φ３で切り替える切替器９と、その出力を乗算する同期検波部１０とで構成する２時分割同期検波部２８と、積分ゲインを決める係数器１２と、積分演算を行う加算器１３と、振動周波数ｆｄの８倍の周波数の逆数の時間の遅延を持つ遅延回路１４および１５から成るシフトレジスタとで構成する２時分割積分部１１と、切替信号Φ３が“１”状態の中間時点で加算器１３の出力を保持するラッチ回路１６と、切替信号Φ３が“０”状態の中間時点で加算器１３の出力を保持するラッチ回路１７と、ラッチ回路１６の出力の直流成分を抽出するＬＰＦ（ローパスフィルタ）１８と、ラッチ回路１６の出力と信号Φ２の反転信号を乗算することでラッチ回路１６の出力を振幅値とし周波数が駆動周波数ｆｄで位相が振動子４の振動変位に対して９０度遅れた信号を発生する乗算器１９と、ラッチ回路１７の出力と信号Φ１を乗算することでラッチ回路１７の出力を振幅値とし周波数が駆動周波数ｆｄで位相が振動子４の振動変位に一致した信号を発生する乗算器２０と、乗算器１９と乗算器２０の加算信号を作る加算器２１と、加算器２１の出力に一定のバイアス電圧Ｖｂを加算する加算器２３と、加算器２３の出力を固定電極５に印加するためにアナログ信号電圧に変換するＤＡ変換器２５と、加算器２１の信号を反転する反転器２２と、反転器２２に一定のバイアス電圧Ｖｂを加算する加算器２４と、加算器２４の出力を固定電極２に印加するためにアナログ信号電圧に変換するＤＡ変換器２６とにより構成する角速度振動制御２７により構成したものである。

つぎに動作について説明する。本実施例の角速度センサでは振動子４に働くコリオリ力による振動子４の変位を固定電極３，６と容量検出器７により検出する。そして、固定電極２，５に電圧を印加することで電極と振動子の間に発生する静電気力により、振動子４に働くコリオリ力と振動体の構造上の歪等に起因する振動軸方向からの漏れ振動を打ち消す動作を行う。その手段として振動軸と直角方向に生じるコリオリ力および漏れ振動による振動子４の変位をゼロにするような電圧をセンサに帰還するようサーボ制御を行う。そして、そのときの帰還電圧の一部を角速度の検出信号とみなして出力する。最初に、容量検出器７とＡＤ変換器８を介して得られる振動子の変位信号に対し、図２に示す同期信号Φ１により２時分割同期検波部２８で同期検波を行い、振動軸と直角方向の振動変位（以下、コリオリ成分と称す）を検出する。つぎに、２時分割積分部１１において、２時分割同期検波部２８で得られた信号を積分する。同様に、振動子の変位信号に対し、図２に示す同期信号Φ２により同期検波を行い、振動軸方向から漏れこむ振動変位（以下エラー成分と称す）を検出して積分する。そして、２時分割積分部１１で得られた信号を振動子４に帰還させるため、角速度振動制御部２７で、コリオリ成分に対しては図２に示す、Φ２の反転信号を乗算器１９で乗算し、振動子４の振動軸と直角方向の角速度による振動変位に対する帰還信号を生成する。またエラー成分に対しては図２に示すΦ１の信号を乗算器２０で乗算し、振動子４の振動軸方向の振動からの漏れ振動変位に対する帰還信号を生成する。加算器２１で上記２つの帰還信号を合成し、最後に直流バイアス電圧Ｖｂを加算器２３，２４で加算して振動子４の固定電極２，５に印加することで振動軸と直角方向の振動変位を打ち消す。また、この振動が打ち消されている状態でのラッチ回路１６の出力をローパスフィルタ１８で処理し、角速度に相当する出力電圧を得る。本実施例では、切替器９により、同期検波部１０で振動変位信号に乗算する信号Φ１，Φ２をｆｄの８倍の周波数である切り替え信号Φ３により切り替えることで、振動変位信号を２つの位相により同期検波を行う。次に、信号Φ３の変化に同期して遅延回路１４，１５で構成するシフトレジスタのデータシフト動作をｆｄの８倍の周波数で行うことにより、信号Φ１で同期検波した信号の積分演算と信号Φ２で同期検波した信号成分の積分演算を８×ｆｄの周波数で交互に繰り返す。上記処理により、それぞれ４×ｆｄの周波数での２つのサーボ動作を実現する。

次に、本発明の第２の実施例である角速度センサを図３，図４により説明する。図３は第２の実施例の角速度センサの信号処理回路のブロック図である。図４は第２の実施例の角速度センサの制御プログラムのフローチャートである。本実施例は、図１の実施例１における、２時分割同期検波部２８と２時分割積分部１１をデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）とその制御プログラムにより実現する構成を示すものである。ＤＳＰ部３０は、入力信号をサンプリングし保持する入力ポート３１と、入力ポートで保持したデータを使い、制御プログラム部３５から順次入力する命令コードに従い乗算，除算，加算，減算等の演算を実行する演算部３２と、演算部３２で得られた演算結果を一時保持し、外部へ出力する出力ポート３３と、入力すべき命令コードの格納アドレス信号を制御プログラム部３５へ出力するプログラムカウンタ３４で構成される。制御プログラム部３５は、ＤＳＰ部３０を制御する命令コードを格納し、プログラムカウンタ３４から入力するアドレス信号に対応するメモリ番地に格納された命令コードをＤＳＰ部３０へ出力する機能であり、汎用の読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）で実現できる。タイミング調整部６８は、ＤＳＰ部３０の入力側と出力側のハードウェアと、ＤＳＰ部３０の内部で実行する制御プログラムとの間でデータの受け渡しタイミングを調整する機能である。具体的にはＡＤ変換器８の出力データを、図２のタイムチャートに示す切り替え信号Φ３のハイレベル期間の中間時点およびローレベル区間の中間時点でＡＤ変換出力データをラッチするラッチ回路６５と、図２のタイムチャートに示すラッチＬ１およびＬ２の出力タイミングを満足させるために、制御プログラム部３５によりＤＳＰ部３０から出力される２時分割積分処理結果を制御プログラム側のタイミングで一旦ラッチする２つのラッチ回路６６，６７で構成する。

次に動作について、図４のフローチャートで説明する。フローチャート中のＲｅｇ.Ａ〜Ｒｅｇ.ＥはＤＳＰ内部にて、入力データ，演算結果そして出力データを一次保持するレジスタを示している。最初に電源がＯＮ状態になり、初期リセットが解除されると、プログラムカウンタ３４が動作を開始し、制御プログラム部３５に格納されている〔１〕の命令コードから〔１１〕の命令コードまでを順次実行し、処理終了の指令が来ない限り、再度〔１〕の命令コードに戻り、一連の処理を繰り返し実行する。〔１〕〜〔１１〕までの１サイクル期間は１／ｆｄであり、１サイクル中、〔３〕〜〔６〕で実現される２時分割積分処理は、コリオリ成分用とエラー成分用に２回実行される。上記処理により、実施例１と等価な処理を実現する。

次に、本発明の第３の実施例である角速度センサを図５，図６により説明する。図５は第３の実施例の角速度センサの信号処理回路のブロック図である。図６は第３の実施例の角速度センサの信号処理回路のタイミングチャートである。本実施例は、図１の実施例１に駆動軸方向の振動制御機能を追加した構成である。実施例１に対し、変更および追加した機能について以下説明する。検出素子１において、固定電極６１および６２は、振動子４の振動振幅および振動周波数を静電容量の変化で検出する電極（変位検出手段）である。また固定電極６３および６４は、振動子４の振動方向の振動振幅および振動周波数を調整するために静電気力を働かせる電極（外力印加手段）である。

振動子４と固定電極６１の間の静電容量および振動子４と固定電極６２の間の静電容量の差分を検出することにより振動子４に働く振動方向の変位を検出する容量検出器４１と、容量検出器４１の出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換器４２と、図５のタイムチャートに示すように周波数が切り替え信号Φ３と同じで、位相がΦ３に対して９０度遅れた信号Φ４により、ＡＤ変換器８の出力とＡＤ変換器４２の出力を切り替える切替器４３と、信号Φ１と信号Φ２を信号Φ３で切り替える切替器９と、その出力を乗算する同期検波部１０とで構成する４時分割同期検波部５７と、積分ゲインを決める係数器１２と、積分演算を行う加算器１３と、振動周波数ｆｄの１６倍の周波数でデータをシフトさせるため遅延回路１４，１５，４４，４５で構成するシフトレジスタとで構成される４時分割積分部５６と、切替信号Φ３の“１”および“０”の状態とΦ４の“１”および“０”の状態の組み合わせ４通りでそれぞれ加算器１３の出力を保持するラッチ回路１６，１７，４６，４７と、ラッチ回路４６の出力に対応した周波数の交流信号を出力する電圧制御発振器であるＶＣＯ（ボルテージコントロールオシレータ）４９と、ラッチ回路４７の出力とＶＣＯ４９の出力を乗算する乗算器５０と、乗算器５０の出力に一定のバイアス電圧Ｖｂを加算する加算器５２と、加算器５２の出力を固定電極６４に印加するためにアナログ信号電圧に変換するＤＡ変換器５４と、乗算器５０の信号を反転する反転器５１と、反転器５１に一定のバイアス電圧Ｖｂを加算する加算器５３と、加算器５３の出力を固定電極６３に印加するためにアナログ信号電圧に変換するＤＡ変換器５５とで構成する駆動振動制御部４８とにより構成したものである。

次に動作について説明する。本実施例の角速度センサでは、振動子４を振動軸方向に振動させるため交流電圧を固定電極６３，６４に印加し、それによる振動子４の振動軸方向の変位（振幅および周波数）を固定電極６１，６２と容量検出器４１により検出する。そして固定電極６３，６４に印加する電圧により発生する静電気力により、振動子４の振動軸方向の振動振幅と振動周波数を所定の値になるような電圧をセンサに帰還するようサーボ制御を行う。また、実施例１と同様に、コリオリ力による振動子４の変位を固定電極３，６と容量検出器７により検出する。そして、固定電極２，５に印加する電圧により発生する静電気力により、振動軸と直角方向に生じるコリオリ力と漏れ振動による振動子４の変位をゼロにするため、印加電圧のサーボ制御を行う。そして、そのときの帰還電圧の一部を角速度の検出信号とみなして取り出す。具体的な動作としては、容量検出器４１とＡＤ変換器４２を介して得られる振動軸方向の変位信号および、容量検出器７とＡＤ変換器８を介して得られる振動軸と直角方向の変位信号に対し４時分割同期検波部５７で、図６のタイムチャートに示すように、Φ１とΦ２およびΦ３とΦ４の状態の組み合わせによる４通りの同期検波を時分割に実行する。この処理は１周期である１／ｆｄの期間に４回実行する。つぎに４時分割積分部５６において、４時分割同期検波部５７で得られた信号を順次積分する。それと同時に、加算器１３の出力である各積分演算結果を、遅延回路１４，１５，４４，４５で構成するシフトレジスタに格納しシフトする。つぎに、４時分割積分部５６で得られた信号を振動子４に帰還させるため、４時分割積分部５６の出力をラッチ回路１６，１７で保持し、それらの出力を角速度振動制御２７で実施例１で説明した内容で処理し、振動子４の固定電極２，５に入力することで振動軸と直角方向の振動変位を打ち消す。一方、振動軸方向の制御を行うため、４時分割積分部５６の出力をラッチ回路４６，４７で保持し、それらの出力を駆動振動制御４８で処理し、振動子４の固定電極６３，６４に入力することで振動子４の振動軸方向での所定の振幅と周波数の振動を実現する。

次に、本発明の第４の実施例である角速度センサを図７，図８により説明する。図７は第４の実施例の角速度センサの信号処理回路のブロック図である。図８は第４の実施例の角速度センサの信号処理プログラムのフローチャートである。本実施例では、図５の実施例３における、４時分割同期検波部５７と４時分割積分部５６を、図３の実施例２で説明したデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）とその制御プログラムにより実現する構成である。また、タイミング調整部７２は、ＤＳＰ部３０の入力側と出力側のハードウェアと、ＤＳＰ部３０の内部で実行する制御プログラムとの間でデータの受け渡しタイミングを調整する機能である。具体的にはＡＤ変換器８の出力データを、図６のタイムチャートに示す切り替え信号Φ３のハイレベルおよびローレベル期間のそれぞれ中間時点でＡＤ変換出力データをラッチするラッチ回路６５と、ＡＤ変換器の出力データを、図６のタイムチャートに示す切り替え信号Φ４のハイレベルおよびローレベル期間のそれぞれ中間時点でＡＤ変換出力データをラッチするラッチ回路６９と、図６のタイムチャートに示すラッチＬ１〜Ｌ４の出力タイミングを満足させるために、制御プログラム部３５によりＤＳＰ部３０から出力される４時分割積分処理結果を制御プログラム側のタイミングで一旦ラッチする４つのラッチ回路６６〜７１で構成する。

次に動作について、図８のフローチャートで説明する。例えば、電源がＯＮ状態になると、プログラムカウンタ３４が動作を開始し、制御プログラム部３５に格納されている〔１〕の命令コードから〔１９〕の命令コードまでを順次実行し、処理終了の指令が来ない限り、再度〔１〕の命令コードに戻り、一連の処理を繰り返し実行する。〔１〕〜〔１９〕までの１サイクル中、〔３〕〜〔８〕で実現される４時分割積分処理は、角速度振動制御（コリオリ成分用とエラー成分用）と駆動振動制御（振幅および周波数）用に４回実行される。

第１の実施例の角速度センサの信号処理回路の構成。第１の実施例の角速度センサの信号処理回路のタイミングチャート。第２の実施例の角速度センサの信号処理回路の構成。第２の実施例の角速度センサの信号処理プログラムのフローチャート。第３の実施例の角速度センサの信号処理回路の構成。第３の実施例の角速度センサの信号処理回路のタイミングチャート。第４の実施例の角速度センサの信号処理回路の構成。第４の実施例の角速度センサの信号処理プログラムのフローチャート。

符号の説明

１検出素子
２，３，５，６，６１，６２，６３，６４固定電極
４振動子
７，４１容量検出器
８，４２ＡＤ変換器
９，４３切替器
１０同期検波部
１１２時分割積分部
１２係数器
１３加算器
１４，１５，４４，４５遅延回路
１６，１７，４６，４７，６５，６６，６７，６９，７０，７１ラッチ回路
１８ローパスフィルタ
１９，２０，５０乗算器
２１，２３，２４，５２，５３加算器
２２，５１反転器
２５，２６，５４，５５ＤＡ変換器
２７角速度振動制御部
２８２時分割同期検波部
３０ＤＳＰ部
３１入力ポート
３２演算部
３３出力ポート
３４プログラムカウンタ
３５制御プログラム部
４８駆動振動制御部
４９電圧制御発振器
５６４時分割積分部
５７４時分割同期検波部
６８，７２タイミング調整部

Claims

互いに直交する第１の方向および第２の方向に変位可能な振動体を有し、振動体を第１の方向に振動させた状態において、角速度の発生により、振動体が第２の方向に変位したときの変位量を検出する角速度検出装置において、
前記第１の方向または第２の方向の変位量検出制御を時分割して実行する機能を有することを特徴とする角速度検出装置。
請求項１において、
前記第１の方向の振動制御の項目は、振動振幅と振動周波数であることを特徴とする角速度検出装置。
請求項２において、
前記第２の方向の変位量検出制御は、角速度により発生する変位量を抑制するように働くサーボ制御と、第１の方向からの漏れ振動による変位を抑制するように働くサーボ制御であることを特徴とする角速度検出装置。
請求項３において、
前記第１の方向の振動制御の項目は、振動振幅と振動周波数であることを特徴とする角速度検出装置。
請求項４において、
前記第２の方向の変位量検出制御は、角速度により発生する変位量を抑制するように働くサーボ制御と、前記第１の方向からの漏れ振動による変位を抑制するように働くサーボ制御であることを特徴とする角速度検出装置。
互いに直交する第１の方向および第２の方向に変位可能な振動体を有し、振動体を第１の方向に振動させた状態において、角速度の発生による振動体の第２の方向への変位を抑制するように働くサーボ機能を有する角速度検出装置において、
複数のサーボ制御演算を時分割して実行する手段を有することを特徴とする角速度検出装置。
請求項６において、
前記第１の方向の振動制御の項目は、振動振幅と振動周波数であることを特徴とする角速度検出装置。
請求項６において、
前記第２の方向の変位量検出制御は、角速度により発生する変位量を抑制するように働くサーボ制御と、前記第１の方向からの漏れ振動による変位を抑制するように働くサーボ制御であることを特徴とする角速度検出装置。
互いに直交する第１の方向および第２の方向に変位可能な振動体を有し、振動体を第１の方向に振動させた状態において、角速度の発生により、振動体が第２の方向に変位したときの変位量を検出する角速度検出装置において、第１の方向の振動制御または第２の方向の変位量検出制御を実行するマイクロコンピュータまたはデジタルシグナルプロセッサと、前記制御プログラムを格納する手段と、該接続する回路部とのデータの入出力タイミングを調整する手段を有することを特徴とする角速度検出装置。
振動子と、
前記振動子に力を印加する印加手段と、
前記印加手段を制御して前記振動子を振動させる加振手段と、
前記振動子の変位に基づいた量を検出する検出手段と、
前記変位を打ち消すように前記印加手段または前記加振手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段の制御量に基づいて角速度を検出する角速度検出装置において、
前記検出手段からの信号を第１の信号と、前記第１の信号に対して略９０度遅れた第２の信号とに時分割する時分割手段と、
時分割された前記第１の信号と前記第２の信号を個々に処理する処理手段と、
処理された前記第１の信号と前記第２の信号を合成する合成手段とを備え、
前記制御手段が前記合成手段からの信号に基づいて前記印加手段または前記加振手段を制御することを特徴する角速度検出装置。