JP2010204038A

JP2010204038A - 角速度検出装置

Info

Publication number: JP2010204038A
Application number: JP2009052410A
Authority: JP
Inventors: Kazushi Yamanaka; 一志山中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】エネルギー消費を抑制しつつ、振動子の高次振動による誤差を抑制すること。
【解決手段】励振振動される振動子と、前記振動子を励振振動させるための励振駆動信号を出力する駆動手段と、前記振動子における前記励振振動とは異なる方向の変位を検出するための検出手段と、前記検出手段により検出された変位に基づいて、前記励振振動の方向と前記検出手段により検出される変位の方向の双方に直交する方向周りの角速度を検出する角速度検出手段と、温度を検出する温度検出手段と、発熱可能な発熱手段と、前記温度検出手段により検出された温度が、前記振動子の高次共振周波数と励振振動の周波数の奇数倍が一致する温度となるのを回避するように前記発熱手段を作動させる温度制御手段と、を備える角速度検出装置。
【選択図】図２

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、その高次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）をすることが挙げられる。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。この結果、出力する角速度信号に高次成分が重畳し、誤差が生じることになる。

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。

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。

一方、振動子が実装された回路基板上に発熱体を設け、回路基板及び振動子を断熱材でケーシングした定温型圧電振動ジャイロについての発明が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この定温型圧電振動ジャイロによれば、内部温度を高温で一定に保つことにより、圧電振動ジャイロの出力が周囲の温度変化に対して左右されないものとしている。

高次共振周波数や励振振動の周波数は、温度によって変化する。そして、角速度信号に高次成分が重畳するのは、装置の構成パラメータや高次成分の次数に応じて一意に決定される。従って、上記特許文献２に記載の構成によって、角速度信号に高次成分が重畳しやすい温度以上に保つことにより、高次振動による誤差を更に抑制することができるとも考えられる。

特開２００６−４７１４４号公報特開平８−１８４４４７号公報

しかしながら、特許文献２に記載の圧電振動ジャイロでは、常に内部を高温にすることにより、エネルギー消費が増大するという問題が生じる。振動子の高次振動を回避或いは抑制可能な温度帯は、必ずしも高温の一定領域ではないため、特許文献１に記載の圧電振動ジャイロのように常に発熱体を作動させるのは無駄が大きい。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、エネルギー消費を抑制しつつ、振動子の高次振動による誤差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、
励振振動される振動子と、
前記振動子を励振振動させるための励振駆動信号を出力する駆動手段と、
前記振動子における前記励振振動とは異なる方向の変位を検出するための検出手段と、
前記検出手段により検出された変位に基づいて、前記励振振動の方向と前記検出手段により検出される変位の方向の双方に直交する方向周りの角速度を検出する角速度検出手段と、
温度を検出する温度検出手段と、
発熱可能な発熱手段と、
前記温度検出手段により検出された温度が、前記振動子の高次共振周波数と励振振動の周波数の奇数倍が一致する温度となるのを回避するように前記発熱手段を作動させる温度制御手段と、
を備える角速度検出装置である。

この本発明の一態様によれば、温度検出手段により検出された温度が、振動子の高次共振周波数と励振振動の周波数の奇数倍が一致する温度となるのを回避するように発熱手段を作動させるため、エネルギー消費を抑制しつつ、振動子の高次振動による誤差を抑制することができる。

本発明によれば、エネルギー消費を抑制しつつ、振動子の高次振動による誤差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。

本発明の一実施例に係る角速度検出装置１の全体構成を模式的に示す模式図である。本発明の一実施例に係る角速度検出装置１のシステム構成例である。励振振動の周波数、高次共振周波数、及び励振振動の周波数の３倍の周波数の、温度変化に応じた変化を示す図である。現実の角速度がゼロである場合の、温度変化に応じた角速度信号の変化を示す図である。発熱制御回路３８によって実行される特徴的な処理の流れを示すフローチャートである。本発明の他の実施例に係る角速度検出装置の全体構成を模式的に示す模式図である。

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

以下、図面を参照し、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。

［構成］
図１は、本発明の一実施例に係る角速度検出装置１の全体構成を模式的に示す模式図である。図示するように、角速度検出装置１は、センサ素子１０がダイボン材（接着材）２０等を介して、回路基板上に形成された制御ＩＣ３０に接合された構成となっている。制御ＩＣ３０は発熱体（抵抗）４２を備えており、センサ素子１０を加熱することが可能となっている。

また、図２は、本発明の一実施例に係る角速度検出装置１のシステム構成例である。図示するように、センサ素子１０と、駆動回路３２、角速度検出回路３４、温度センサ３６、発熱制御回路３８、レジスタ４０、及び抵抗４２を有する制御ＩＣ３０と、を備える。

センサ素子１０は、例えば、振動子と、励振用及び振動検出用（Ｘ方向の振動検出用、及びＸ方向に直交するＹ方向の振動検出用）の複数の電極を有する。

励振用電極は、静電駆動によって振動子をＸ方向に振動させる。Ｘ方向の変位は、Ｘ方向の振動検出用電極によって検出され、駆動回路３２に出力される。一方、Ｘ方向とＹ方向の双方に直交するＺ方向周りの角速度に起因して、コリオリ力によって生じるＹ方向の変位は、Ｙ方向の振動検出用電極によって検出され、角速度検出回路３４に出力される。なお、振動子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３２は、ＰＬＬ（Phase-Locked Loop）を基本として構成される回路であり、センサ素子１０の振動子の共振点で駆動周波数をロックすることができる。駆動回路３２は、励振変位検出部、オートゲインコントロール、位相比較器、ローパスフィルター、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）、分周器、駆動信号生成回路等を備える。

励振変位検出部は、上記Ｘ方向の振動検出用電極の静電容量を電圧に変換し（Ｑ／Ｖ変換）、これを復調した励振検出信号をオートゲインコントロールや位相比較器に出力する。

オートゲインコントロールは、振動子の目標変位（振れ幅）と実際の変位との比較により駆動信号生成回路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信号生成回路に出力する。

位相比較器は、励振変位検出部から入力された励振検出信号と、分周器から入力された参照信号との位相差を電圧に変換して、ローパスフィルターを介してＶＣＯに出力する。分周器は、プログラマブルカウンターであり、ＶＣＯ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、駆動信号生成回路、位相比較器等に出力する。

駆動信号生成回路は、振動子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、振動子をＸ方向に振動させる。

係る構成によって、駆動回路３２は、振動子の共振点で駆動回路３２の駆動周波数をロックすることができる。

角速度検出回路３４は、変位検出部、同期検波部、平均化処理部等を有する。変位検出部は、Ｙ方向の振動検出用電極により検出された静電容量を電圧に変換し（Ｑ／Ｖ変換）、これを復調した角速度検出信号を検波部に出力する。

検波部は、分周器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、平均化処理部に出力する。

平均化処理部は、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。

係る構成によって、Ｚ方向周りの角速度により発生するＹ方向周りの振動の振れ幅に応じた角速度信号が生成され、外部に出力される。

［問題点］
ところで、係る構成においてセンサ素子１０の振動子は、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一致すると、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角速度信号に含まれてしまうことになる。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。

図３は、励振振動の周波数、高次共振周波数、及び励振振動の周波数の３倍（奇数倍周波数のうち誤差の原因となりやすいのが３倍であるため例示した）の周波数の、温度変化に応じた変化を示す図である。図中、温度Ｔｘが、高次共振周波数、と励振振動の周波数の３倍の周波数が一致する温度である。

そして、図４は、現実の角速度がゼロである場合の、温度変化に応じた角速度信号の変化を示す図である。図示するように、装置の温度が温度Ｔｘになると、共振による振動に起因して、現実の角速度がゼロであるにも拘わらず疑似の角速度が出力されてしまうことになる。

［特徴的な構成及び処理］
そこで、本実施例の角速度検出装置１は、温度センサ３６、発熱制御回路３８、レジスタ４０、及び抵抗４２を有し、温度センサ３６により検出された温度Ｔが、振動子の高次共振周波数と励振振動の周波数の３倍の周波数が一致する温度Ｔｘとなるのを回避するように、抵抗４２を通電させることにした。なお、３倍に代えて５倍、７倍、９倍、…としてもよい。また、温度センサ３６により検出された温度Ｔが、励振振動の周波数の奇数倍である複数の周波数に対応した複数の温度となるのを回避するように制御が行なわれてもよい。

具体的には、例えば発熱制御回路３８において温度センサ３６により検出された温度Ｔを監視し、温度Ｔが、温度Ｔｘよりも若干低い温度である基準温度Ｔ１を上回ると、抵抗４２に電圧を印加して発熱させる。これによって、センサ素子１０の温度が温度Ｔｘを超えて上昇するため、角速度に高調波成分が重畳するのを抑制し、検出精度を向上させることができる。一方、温度Ｔが基準温度Ｔ１以下である場合は抵抗４２に電圧印加を行なわないため、常時温度制御を行なうものと比較すると、エネルギー消費を抑制することができる。

なお、基準温度Ｔ１や温度Ｔｘに関する情報は、レジスタ４０に予め記憶されており、発熱制御回路３８は、レジスタ４０から読み出された信号と温度センサ３６から入力される信号とを比較するコンパレータ等を内蔵している。

また、温度Ｔが温度Ｔｘよりも十分に高い基準温度Ｔ２を上回った場合には、抵抗４２への電圧印加を停止してもよい。こうすれば、エネルギー消費を更に抑制することができる。図５は、このような制御を行なう場合に、発熱制御回路３８によって実行される特徴的な処理の流れを示すフローチャートである。

まず、発熱制御回路３８では、温度センサ３６により検出された温度Ｔが基準温度Ｔ１を上回るか否かを判定する（Ｓ１００）。

温度センサ３６により検出された温度Ｔが基準温度Ｔ１以下である場合は、抵抗４２への電圧印加を行なわない（Ｓ１０２）。

温度センサ３６により検出された温度Ｔが基準温度Ｔ１を上回る場合は、まず、発熱制御回路３８では、温度センサ３６により検出された温度Ｔが基準温度Ｔ２を上回るか否かを判定する（Ｓ１０４）。

温度センサ３６により検出された温度Ｔが基準温度Ｔ２を上回る場合は、抵抗４２への電圧印加を行なわない（Ｓ１０２）。

一方、温度センサ３６により検出された温度Ｔが、基準温度Ｔ１を上回り、且つ基準温度Ｔ２以下である場合は、抵抗４２への電圧印加を行なう（Ｓ１０６）。

更に、本実施例の場合、上記接着材や制御ＩＣ３０の上部（ここでは、センサ素子１０側を上側とする）に存在するポリイミドの硬化を進めることができるという効果を奏することができる。本実施例の如く、センサ素子１０と制御ＩＣ３０が積層されたスタック構造となっている場合、センサ素子１０は下側からの応力を受けやすくなる。そして、センサ素子１０が応力を受けるとセンサ素子１０の感度が変化し、角速度の検出精度を低下させてしまう。

センサ素子１０が受ける応力源は、接着剤やポリイミドが代表的である。ここで、接着剤やポリイミドの効果が不十分であると、使用中に制御ＩＣ３０の発熱等でこれらの硬化が進み、センサ素子１０が受ける応力が変化するため、センサ素子１０の感度が変化し、角速度の検出精度を低下させる。

そのため、バーンイン等により予め接着剤やポリイミドを硬化させるが、その際に、制御ＩＣ３０が有する発熱体（抵抗４２）によっても発熱を行なうことで、効率よくこれらの硬化を進めることが可能となる。この結果、角速度の検出精度を向上させることができる。

以上説明した本実施例の角速度検出装置１によれば、エネルギー消費を抑制しつつ、振動子の高次振動による誤差を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。

例えば、実施例のようなスタック構造において制御ＩＣが発熱体を備えるのではなく、図６に示すように、センサ素子と制御ＩＣがパッケージされた装置を囲む筐体が発熱体を備える構成であってもよい。

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。

１角速度検出装置
１０センサ素子
２０ダイボン材（接着材）
３０制御ＩＣ
３２駆動回路
３４角速度検出回路
３６温度センサ
３８発熱制御回路
４０レジスタ
４２抵抗

Claims

励振振動される振動子と、
前記振動子を励振振動させるための励振駆動信号を出力する駆動手段と、
前記振動子における前記励振振動とは異なる方向の変位を検出するための検出手段と、
前記検出手段により検出された変位に基づいて、前記励振振動の方向と前記検出手段により検出される変位の方向の双方に直交する方向周りの角速度を検出する角速度検出手段と、
温度を検出する温度検出手段と、
発熱可能な発熱手段と、
前記温度検出手段により検出された温度が、前記振動子の高次共振周波数と励振振動の周波数の奇数倍が一致する温度となるのを回避するように前記発熱手段を作動させる温度制御手段と、
を備える角速度検出装置。