JP2015052510A - 振動型角速度センサ装置の補正装置および補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＧＰＳ衛星システムの測位データなどを用いることなく、しかもセンサ素子の個体毎に異なる特性を備えていたとしても当該センサ素子の検知信号を個体毎に高精度に補正できるようにした角速度センサ装置の補正装置及び角速度センサ装置の補正方法を提供する。
【解決手段】システムＬＳＩ２５は、当該ＬＳＩ２５に車速パルス入力器２７が車速パルスを入力させておらず車速パルスが検出されていないことを条件として角速度が発生していないと判定する。このときシステムＬＳＩ２５は、温度センサ２３の温度情報と共にオフセット値を順次メモリ２６に記憶し続ける。そして、車両が走行開始すると、車速パルス入力器２７は車速パルスをメインマイコン２４に入力させるが、システムＬＳＩ２５はメモリ２６に記憶された温度情報及びオフセット値を用いて再度オフセット処理する。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動型角速度センサ装置の補正装置および補正方法に関する。

従来、振動型角速度センサは、例えば車両（例えば自動車）の回転、横滑り等を検出するための用途に使用されている。また、この種の振動型角速度センサは例えば進行方向の移動距離、方位変化量などを計測するために用いられる。このような角速度センサは、振動体を所定の駆動軸方向に振動させ、当該駆動軸方向に交差する検知軸方向に生じる振動体の変位に応じた信号を検知することで角速度信号を検出する。

しかし、この角速度センサ装置の信号特性は、振動体の個体差、温度環境等に応じて大きく変動しその計測値に誤差を生じる。したがって、正確な計測を行うため、角速度センサの信号を補正し誤差を低減することが行われている。従来、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星を利用してセンサ信号補正を行う技術が提供されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１記載の技術によれば、ＧＰＳ衛星からの信号をもとに測位された対象物の測位データと、角速度センサから出力された対象物の角速度とを取得し、推定した対象物の走行状態に応じて測位データと角速度との組合せを変更しながら、仮のオフセット値を逐次導出した後、仮のオフセット値に対して統計処理を実行することによってオフセット値を導出している。

特開２０１２−１０３０２３号公報

しかしながら、特許文献１記載の補正技術はＧＰＳ衛星からの信号を取得する必要があり、例えば電磁層の乱れなどによりＧＰＳ衛星からの測位データの信頼度が低いときにはセンサ信号を正確に誤差補正できない。

また、角速度センサ装置は、角速度を検出するセンサ素子の振動体の個体差に応じて補正すべきオフセットが異なっている。そこで、従来センサ素子の後段に当該素子特性の補正処理を総括的に行うための半導体集積回路を設けている。したがって当該センサ素子が個体毎に異なる特性を備えていたとしても装置の検査時に所定の検査に合格すれば「問題なし」となる。

しかし、例えば１サンプルに着目した場合、例えば温度特性などの再現性は非常に高いものとなっている。近年では、このような出力再現性の高い個々のセンサ素子を用い、しかもＧＰＳ測位システムなどを使用することなく高精度に補正できるようにしたセンサ補正装置を構成することが望まれている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、ＧＰＳ衛星システムの測位データなどを用いることなく、しかもセンサ素子の個体毎に異なる特性を備えていたとしても当該センサ素子の検知信号を個体毎に高精度に補正できるようにした角速度センサ装置の補正装置および補正方法を提供することにある。

請求項１記載の発明は、個体毎に特性が異なるセンサ素子の補正処理を行うものである。この発明によれば、第１処理手段がセンサ素子に駆動信号を出力して第１方向に振動させ当該第１方向に交差する第２方向に生じる振動体の変位に応じたセンサ素子の検知信号を入力し温度検出手段の検出結果に応じたセンサ素子の検知信号の誤差を総括的にオフセット補正処理するものの、個体毎に異なる特性について補正処理が十分ではない。

しかし、第２処理手段が、オフセット補正信号について、角速度が発生していないと検出されていることを条件として温度検出手段の温度検出結果と共にオフセット補正信号を順次記憶させ、記憶された温度検出結果及びオフセット補正信号を用いて再度オフセット処理する。

すると、個体毎に異なる特性を備えていたとしても補正処理を十分に行うことができる。これにより、ＧＰＳ衛星システムの測位データなどを用いることなく、当該センサ素子の検知信号を個体毎に高精度に補正できるようになる。

本発明の第１実施形態の電気的構成を概略的に示すブロック図 ジャイロ出力の概要を示す説明図 （ａ）は総括的補正後のオフセットエラーの温度特性を概略的に示す特性図、（ｂ）はある個体のセンサ素子のオフセットエラーの温度特性を概略的に示す特性図 補正処理の流れを概略的に示すフローチャート 記憶手段に記憶されるオフセット値の温度特性を概略的に示す図

以下、振動型角速度センサ装置の補正装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。車両内では、舵角、車輪速、加速度の各センサの情報から、各車輪の駆動トルク、ブレーキ力を適切に制御することにより車両のスピンやドリフトを抑制したりする。したがって、振動型角速度センサ装置は、車両性能を向上させる上で重要なセンサとなる。

図１は、振動型角速度センサの電気的なブロック構成を概略的に示している。
振動型角速度センサ装置１０は、センサ素子としての振動体１１と半導体集積回路１２とを備える。半導体集積回路１２は、例えばＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）により構成されている。第１処理手段としての半導体集積回路１２は、増幅器１３、ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）１４、同期検波回路１５、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）１６、ＤＣオフセットキャンセル回路１７、増幅器１８、ＡＤ変換器１９、Ｉ／Ｆ２０、ＡＧＣ（Automatic Gain Control）２１、発振器２２を内部に備える。

また、この半導体集積回路１２は、温度検出手段としての温度センサ２３を外部に接触して構成されており、温度センサ２３により半導体集積回路１２の温度を検出するように構成されている。

振動体１１は、例えば音叉型に形成されており、ＡＧＣ２１によりゲインコントロールされた発振器２２から駆動信号が与えられることにより基準方向（第１方向：Ｘ方向）に振動する。振動体１１には固有振動数が存在し、角速度振動信号を効率良く検出するためには、振動体１１に適切な周波数の駆動信号を印加すると良く、位相同期回路を用いて駆動信号を適切な周波数および位相に制御すると良い。したがって、振動体１１の基準方向に振動する方向の振動成分を検知し駆動信号にフィードバック処理しても良いが図１には図示を省略している。

振動した振動体１１に角速度Ωが加わると、基準方向と交差する検出方向にコリオリ力が働く。例えば、質量ｍの物体が角速度Ωで回転する平面上を速度ベクトルｖで移動すると、その物体に発生するコリオリ力Ｆｃは、
Ｆｃ ＝ ２ｍｖ×Ω（×は外積を示す） …（１）
で表される。

振動体１１には電極が構成され、この電極に生じる信号が増幅器１３に与えられている。増幅器１３は例えばＣＶ変換増幅回路により構成されており、振動体１１に生じたコリオリ力に応じた角速度振動信号を増幅する。この増幅器１３は振動体１１の検知方向の変位に応じた検知信号を増幅する。

ＨＰＦ１４は、この増幅器１３の増幅信号をハイパスフィルタ処理し、同期検波回路１５はこのハイパス処理後の信号について発振器２２の発振信号を用いて同期検波する。ＬＰＦ１６は、この同期検波回路１５により同期検波された信号について駆動信号に応じたノイズ成分を除去する。

そして、ＤＣオフセットキャンセル回路１７は、標準温度における振動体１１のＤＣオフセットをキャンセルするための処理を行う。例えば、標準温度２５度に設定されているときには、２５度のＤＣオフセットを０とすると共に、その他の温度においては、その２５度におけるオフセットと同一値のＤＣオフセット補正処理を行う。このＤＣオフセットキャンセル回路１７は、個体毎に異なる振動体１１の温度特性について一律一定基準の補正処理を総括的に行うものである。

増幅器１８は、このＤＣオフセットキャンセル回路１７の出力信号を増幅する。ＡＤ変換器１９は、この増幅器１８の増幅信号をＡ／Ｄ変換処理し、インタフェース回路２０に出力する。インタフェース回路２０は、Ａ／Ｄ変換処理されたデジタルデータをジャイロ出力としてメインマイコン２４のシステムＬＳＩ２５に出力する。また、温度センサ２３の出力もまたメインマイコン２４のシステムＬＳＩ２５に与えられている。

メインマイコン２４は、第２処理手段としてのシステムＬＳＩ２５、および、記憶手段としてのメモリ２６を備える。システムＬＳＩ２５は、インタフェース回路２０からジャイロ出力を入力すると共に、温度センサ２３から温度センサ信号を入力する。このシステムＬＳＩ２５は、接続されたメモリ２６に記憶された各種プログラムを実行することで個体毎のオフセット補正処理を行い、角速度を算出する。メモリ２６は揮発性メモリおよび不揮発性メモリ（何れも図示せず）を備える。

メインマイコン２４には車速パルス入力器２７が接続されている。この車速パルス入力器２７は、車両の車輪の回転速度に応じた車速パルスを発生しメインマイコン２４に入力させるものである。

また、メインマイコン２４にはパーキングブレーキ入力器２８が接続されている。パーキングブレーキ入力器２８は、車両のパーキングブレーキの状態（ＯＮ／ＯＦＦ）をメインマイコン２４に入力させる。

このメインマイコン２４は車内ネットワーク（例えばＣＡＮ）２９に接続されている。この車内ネットワーク２９には、他用途に使用されるＥＣＵ３０が接続されている。他のＥＣＵ３０には例えばジャイロセンサ３１（例えばロールオーバーセンサ、ロールレートセンサ、ヨーレートセンサ）が搭載されており、ＥＣＵ３０はこのジャイロセンサ３１のセンサ情報について車内ネットワーク２９を通じてメインマイコン２４に送信可能になっている。

上記構成の作用について説明する。図２は角速度センサ装置１０のジャイロ出力の概要を示している。この図２に示すように、角速度センサ装置１０は、車両が静止した状態であればジャイロ出力は原則的にオフセット補正レベル（Offset）となり、車両が時計回り（ＣＷ）に回転すると角速度信号が負方向に増加し、車両が反時計回り（ＣＣＷ）に回転すると角速度信号が正方向に増加する。このとき回転数が多くなるとジャイロ出力が増加し回転数が少なくなるとジャイロ出力が減少する。

基準となるオフセット補正レベル（Offset）は、ＤＣオフセットキャンセル回路１７がＤＣオフセットキャンセルした後のオフセット補正レベルであり、総括的に補正処理された後のオフセットレベルとなっている。

図３（ａ）はこのときの総括的補正後のオフセットエラーの温度特性Ｃ１を概略的に示しており、図３（ｂ）はある個体のセンサ素子のオフセットエラーの温度特性Ｃ２を概略的に示す。

オフセットエラーは、その温度特性Ｃ１、Ｃ２が各個体毎に所定の傾きを有するように得られている。図３（ａ）に示すように、全ての個体の特性Ｃ１のオフセットエラーは、車両の使用温度範囲Ｔ１（例えば−４０℃〜＋１０５℃）で仕様値内Ｗ１には収まっているものの、温度標準値Ｔtyp（例えば２５℃）の周辺以外の温度条件下では、各個体毎のバラつきを生じてしまうことが確認されている。図３（ｂ）に示すように、各個体毎の特性Ｃ２は温度毎に異なるオフセットエラーを備える。

そこで本実施形態では、システムＬＳＩ２５が図４に示すオフセット補正処理を再度行うことで個体毎のオフセットを求めて高精度に角速度を算出するようにしている。例えば車両内のイグニッションスイッチがオンされ車両が起動すると、角速度センサ装置１０、メインマイコン２４に電源が投入されるようになり、システムＬＳＩ２５は図４に示す処理を実行する。

図４に示すように、システムＬＳＩ２５は、角速度センサ装置１０のジャイロ出力が存在する（Ｓ１：ＹＥＳ）と共に、温度センサ２３の出力が存在する（Ｓ２：ＹＥＳ）と、車速パルス入力器２７から車速パルスが入力されているか否か判定する（Ｓ３）。

電源投入時には、車両は道路を走行せず静止しているため、ステップＳ３でＮＯとなり、システムＬＳＩ２５はメモリ２６にオフセット値（オフセット補正信号相当）と温度情報を書込む（Ｓ５）。車速パルスが入力されなければ、車両は走行中ではないことが確認できるため、角速度が本来発生していないことがわかる。

そこで、システムＬＳＩ２５は、車速パルスが入力されておらず、車両が停止中と想定されている間、オフセット値を温度情報と共にメモリ２６に記憶し続ける（Ｓ５）。このとき、メモリ２６の記憶領域の空きがなくなれば上書きすると良い。図５に示すように、システムＬＳＩ２５は角速度センサ装置１０のオフセット出力を各温度毎にマトリクス状態にしてメモリ２６に記憶させ続ける。

図５はメモリに記憶されるオフセット値と温度情報との関係を概略的に示す。メモリ２６には温度センサ２３から取得される温度情報とオフセット値が順次記憶されており、これらの値は前述の個体毎に特性Ｃ２に概ね一致するように得られる。

その後、車両が走行を開始すると、車速パルス入力器２７は、車速パルスをメインマイコン２４に入力させるが、すると、システムＬＳＩ２５はメモリ２６に記憶されている温度情報およびオフセット値を用いて角速度を算出処理する（Ｓ４）。

この場合、システムＬＳＩ２５は、まず温度センサ出力を参照して温度情報を取得し、この温度情報に応じたオフセット値をメモリ２６から取得する。そして、システムＬＳＩ２５は、オフセット値からジャイロ出力を減算しその減算値を感度で除算した値を角速度として取得する。ここで「感度」は角速度センサ装置１０のダイナミックレンジを規定するための値であり、振動体１１の個体毎にシステムＬＳＩ２５に予め記憶されている値である。

振動型角速度センサ装置１０の出力ばらつき要因は以下の３要素が挙げられる。
（１）感度のばらつき
（２）温度オフセット特性のばらつき
（３）時間経過に伴う経年劣化オフセット特性のばらつき
このうち、（１）の感度のバラつきは、振動体１１の機械的精度などセンサ素子の個体毎に決定されるものであり、本実施形態の方法ではその補正は困難であるが、（２）の温度オフセット特性のバラつき、（３）の時間経過に伴う経年劣化オフセット特性のバラつきについては、本実施形態の補正方法で当該要因に基づくバラつきを抑制できるようになる。

以上説明したように本実施形態によれば、システムＬＳＩ２５は、角速度が発生していないと検出されていることを条件として、温度センサ２３の温度情報と共にオフセット値を順次記憶させ、当該記憶された温度情報及びオフセット値を用いて再度オフセット処理している。すると、個体毎に異なる特性を備えていたとしても補正処理を十分に行うことができる。これにより、ＧＰＳ衛星システムの測位データなどを用いることなく、振動体１１の検知信号を個体毎に高精度に補正できるようになる。

また、システムＬＳＩ２５に車速パルス入力器２７が車速パルスを入力させておらず車速パルスが検出されていないことを条件として角速度が発生していないと判定しているため、車両が停止していることを正確に判定でき、個体毎のオフセット補正を正確に行うことができる。

（他の実施形態）
本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に示す変形または拡張が可能である。振動型角速度センサ１０の振動体１１としては、セラミック音叉型、シリコン音叉型、容量式等の何れに適用しても良い。

半導体集積回路１２とメインマイコン２４、又は、半導体集積回路１２とシステムＬＳＩ２５とは別体に構成した形態を示したが、これらは一体に構成しても良い。この場合も本願発明に包含されるものである。

メインマイコン２４のシステムＬＳＩ２５は、パーキングブレーキ入力器２８によりパーキングブレーキがオン状態であることを入力されたことを条件として角速度が発生していないと判定しても良い。

また、メインマイコン２４のシステムＬＳＩ２５は、車両に搭載された他のＥＣＵ３０に搭載されるジャイロセンサ３１（例えばロールオーバーセンサ、ロールレートセンサ、ヨーレートセンサ等）の検知出力信号について、車内ネットワーク（例えばＣＡＮ）２９を通じて入力し、この出力に応じて角速度の発生の有無を判定するようにしても良い。このような場合、前述実施形態と同様の作用効果を奏する。

なお、特許請求の範囲に付した括弧付き符号は本願明細書の構成要素に対応する符号を付したものであり構成要素の一例を挙げたものである。したがって、本願に係る発明は当該特許請求の範囲の構成要素に付した符号に限られるわけではなく、特許請求の範囲内の用語又はその均等の範囲で様々な拡張が可能であることは言うまでもない。

図面中、１０は振動型角速度センサ、１１は振動体（センサ素子）、１２は半導体集積回路（第１処理手段）、２３は温度センサ（温度検出手段）、２５はシステムＬＳＩ（第２処理手段）、２８はパーキングブレーキ入力器、３１はジャイロセンサ（他の角速度センサ）を示す。

Claims (5)

1. 温度検出手段（２３）と、個体毎に特性が異なるセンサ素子（１１）に駆動信号を出力して第１方向に振動させ当該第１方向に交差する第２方向に生じる振動体の変位に応じた前記センサ素子の検知信号を入力し前記温度検出手段の検出温度情報に応じて当該センサ素子の検知信号の誤差を総括的にオフセット補正処理する第１処理手段（１２）と、を備えた角速度センサ装置（１０）についての補正装置（２４）であって、
   前記第１処理手段により総括的にオフセット補正処理が行われたオフセット補正信号について、角速度が発生していないと検出されていることを条件として前記温度検出手段の温度情報と共にオフセット補正信号を順次記憶させ、当該記憶された温度情報及びオフセット補正信号を用いて再度オフセット処理する第２処理手段（２５）、を備えることを特徴とする角速度センサ装置の補正装置。
2. 請求項１記載の角速度センサ装置の補正装置において、
   前記第２処理手段は、車速パルスが検出されていないことを条件として角速度が発生していないと判定することを特徴とする角速度センサ装置の補正装置。
3. 請求項１又は２記載の角速度センサ装置の補正装置において、
   前記第２処理手段は、車両に搭載された他の角速度センサの出力に応じて角速度の発生の有無を判定することを特徴とする角速度センサ装置の補正装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の角速度センサ装置の補正装置において、
   前記第２処理手段は、パーキングブレーキ入力器（２８）によりパーキングブレーキがオン状態であることが入力されることを条件として角速度が発生していないと判定することを特徴とする角速度センサ装置の補正装置。
5. 温度検出手段（２３）と、個体毎に特性が異なるセンサ素子（１１）に駆動信号を出力して第１方向に振動させ当該第１方向に交差する第２方向に生じる振動体の変位に応じた前記センサ素子の検知信号を入力し前記温度検出手段の検出温度情報に応じて当該センサ素子の検知信号の誤差を総括的にオフセット補正処理する第１処理手段（１２）と、を備えた角速度センサ装置（１０）についての補正方法であって、
   前記第１処理手段により総括的にオフセット補正処理が行われたオフセット補正信号について、角速度が発生していないと検出されていることを条件として前記温度情報と共にオフセット補正信号を順次記憶させ、当該記憶された温度情報及びオフセット補正信号を用いて再度オフセット処理することを特徴とする角速度センサ装置の補正方法。

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