JP2015152521A - ジャイロセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】様々な用途において共通使用することができるジャイロセンサを提供する。
【解決手段】周波数設定部８は、駆動信号の周波数を可変設定する。増幅器９は、センサエレメント２から出力されるセンサ出力信号を増幅する。増幅率設定部１０は、増幅器９の増幅率を可変設定する。信号処理部１８は、増幅器９の出力信号に対して同期検波、帯域制限などの信号処理を行い、角速度を表す角速度検出信号を抽出する。温度センサ４は、周囲の温度に応じた温度検出信号を出力する。メモリ５には、角速度検出信号の温度による変動の態様を表す近似直線を描くための係数である温度補正用パラメータが記憶される。通信Ｉ／Ｆ１７は、角速度検出信号、温度検出信号および温度補正用パラメータを外部のＣＰＵ１９に出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、角速度を検出する振動型のジャイロセンサに関する。

振動型のジャイロ（角速度）センサは、振動体を所定の駆動軸方向に振動させ、その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に基づいて、角速度を検出する。このようなジャイロセンサは、例えば車両制御用、ＥＳＣ（横滑り防止システム）用、ナビゲーション装置用など、様々な用途に用いられる。そして、ジャイロセンサに求められる角速度の検出精度および検出範囲などの仕様は、それら用途毎に大きく異なっている。

特許文献１には、ジャイロセンサの角速度の検出精度を高めるための技術が開示されている。すなわち、ジャイロセンサの信号特性は、その周囲の温度環境に応じて大きく変動する。このような信号特性の温度による変動は、検出誤差が生じる原因となる。そこで、このような温度特性に起因する検出誤差を低減して高精度化を図るべく、検出信号の温度による変動をキャンセルする温度補正が行われる。特許文献１記載の角速度センサでは、温度毎の補正データを近似した２次曲線を描くための近似係数が装置内部のＥＥＰＲＯＭなどの記憶手段に記憶されており、装置内部のＣＰＵが、その近似係数を用いて角速度の検出信号を補正するようになっている。

また、ジャイロセンサの角速度の検出範囲は、センサエレメントから出力される信号を増幅する初段のアンプのゲイン（増幅率）や、振動体の駆動周波数（発振周波数）などの値を調整することにより変更することができる。ただし、角速度の検出範囲を変更すると、上述した検出信号の温度特性が変化する。

特開２００８−１７０２９４号公報

このような事情から、従来のジャイロセンサは、使用される用途毎に、システム全体（ハードウェアおよびソフトウェア）の作り込みが行われていた。従って、従来のジャイロセンサは、様々な用途において共通使用することが難しく、汎用性が乏しいという課題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、様々な用途において共通使用することができるジャイロセンサを提供することにある。

請求項１に記載のジャイロセンサは、センサ素子に駆動信号を出力して振動体を第１方向に振動させ、その第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てセンサ素子から出力されるセンサ出力信号に基づいて角速度を検出する。ジャイロセンサは、周波数設定部、増幅部、増幅率設定部、信号処理部、温度検出部、記憶部および出力部を備えている。増幅部は、例えば初段のアンプなどであり、センサ出力信号を増幅する。信号処理部は、増幅部の出力信号に対して信号処理（例えば、同期検波、帯域制限など）を行い、角速度を表す角速度検出信号を抽出する。温度検出部は、ジャイロセンサ周囲の温度に応じた温度検出信号を出力する。記憶部には、角速度検出信号の温度による変動を補償するための温度補正用パラメータが記憶される。出力部は、角速度検出信号、温度検出信号および温度補正用パラメータを外部に出力する。上記構成のジャイロセンサから出力される各信号が与えられる例えばＣＰＵなどを含む外部の装置は、角速度検出信号に対し、温度検出信号および温度補正用パラメータを用いた所定の補正演算を行うことで、温度による変動が補償された精度の高い角速度の検出値を得ることが可能となる。

さて、従来技術の説明でも述べたように、振動型のジャイロセンサでは、増幅部の増幅率や駆動信号の周波数を変更することにより、角速度の検出範囲を変更することができる。そして、本手段では、増幅部の増幅率を可変設定する増幅率設定部および駆動信号の周波数を可変設定する周波数設定部を備えている。従って、本手段では、例えば装置の製造段階などにおいて、角速度の検出範囲を用途に合わせて適宜設定することができる。ただし、角速度の検出範囲を変更すると、角速度検出信号の温度特性が変化する。そのため、検出精度を良好に維持するためには、温度補正用パラメータを変更する必要が生じる。

そこで、本手段では、角速度検出信号の温度特性（感度変化）が駆動信号の周波数に依存してほぼ直線を描くことに着目し、温度補正用パラメータは、角速度検出信号の温度による変動の態様を表す近似直線を描くための係数としている。そのため、角速度の検出範囲を変更した場合でも、上記係数の値を変更するだけで、その検出精度を良好に維持することが可能となる。従って、例えば、装置の製造段階などにおいて、使用される用途に合わせて角速度の検出範囲および検出精度を適宜設定することが可能となる。従って、本手段によれば、同一構成のジャイロセンサを様々な用途において共通使用することができ、その汎用性が高まるという効果が得られる。

本発明の一実施形態を示すもので、振動型の角速度センサ装置の構成図 角速度センサ装置における感度の温度に伴う変化率を示す図 用途毎における角速度の検出範囲および検出精度の要求スペックを表す図

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、振動型の角速度センサ装置１（ジャイロセンサに相当）は、センサエレメント２および検出装置３を備えている。センサエレメント２（センサ素子に相当）の振動体２ａは、例えば音叉型に形成されている。振動体２ａは、検出装置３から電極２ｂなどを通じて駆動信号が与えられることにより、基準方向（図１では幅広の矢印で示す方向であり、第１方向に相当する）に振動する。

振動した振動体２ａに角速度Ωが加わると、基準方向と交差する検出方向（図１では幅狭の矢印で示す方向であり、第２方向に相当する）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、下記（１）式により表すことができる。ただし、×は外積を示す。
Ｆｃ＝２ｍｖ×Ω …（１）
センサエレメント２は、振動体２ａに生じたコリオリ力に応じたセンサ出力信号を、電極２ｃなどを通じて検出装置３に出力する。

検出装置３は、温度センサ４、メモリ５、発振回路６、ＡＧＣ回路７、周波数設定部８、増幅器９、増幅率設定部１０、ハイパスフィルタ１１、同期検波回路１２、ローパスフィルタ１３、ＤＣオフセットキャンセル回路１４、増幅器１５、Ａ／Ｄ変換器１６、通信Ｉ／Ｆ１７などを備えている。検出装置３の各構成要素のうち温度センサ４以外の構成要素は、例えばＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）として構成されている。温度センサ４（温度検出部に相当）は、検出装置３の周囲温度を検出し、その温度の検出値を表す温度検出信号を出力する（デジタル出力）。メモリ５（記憶部に相当）は、不揮発性メモリであり、後述する温度補正用パラメータなどが記憶される。

発振回路６は、所定の周波数を持つ駆動信号を生成し、センサエレメント２に出力する。ＡＧＣ回路７は、発振回路６による発振を安定化させるため、そのゲイン調整を行う。周波数設定部８は、駆動信号の周波数を可変設定する。増幅器９（増幅部に相当）は、初段のＬＮＡ（Low Noise Amplifier）であり、センサエレメント２から出力される微弱なセンサ出力信号の交流成分（ＡＣ成分）を増幅する（ＡＣ増幅する）。増幅率設定部１０は、増幅器９の増幅率（ゲイン）を可変設定する。

ハイパスフィルタ１１（ＨＰＦ）は、増幅器９から出力される信号の低周波成分を除去する（帯域制限）。同期検波回路１２は、ハイパスフィルタ１１から出力される信号に対し、同一周波数且つ同一位相の参照信号を乗算することで、同期検波を行う。なお、参照信号は、発振回路６から与えられる駆動信号に基づいて生成される。

ローパスフィルタ１３は、同期検波回路１２から出力される同期検波後の信号の交流成分を除去し（帯域制限）、直流成分（ＤＣ成分）を抽出する。このように抽出される直流成分は、センサエレメント２に与えられる角速度に応じて変化する成分である。ＤＣオフセットキャンセル回路１４は、基準温度（例えば２５℃）でのばらつき（オフセット）を補正するものであり、ローパスフィルタ１３から出力される直流信号のレベル補正（ＤＣ成分の補正）を行う。

増幅器１５は、ＤＣオフセットキャンセル回路１４から出力される信号の直流成分を増幅する。すなわち、増幅器１５は、センサエレメント２に与えられる角速度に応じて増減する直流成分（感度が与えられた状態の差分）を増幅する。増幅器１５から出力される信号が、角速度の検出値を表す角速度検出信号に相当する。従って、本実施形態では、ハイパスフィルタ１１、同期検波回路１２、ローパスフィルタ１３、ＤＣオフセットキャンセル回路１４および増幅器１５により信号処理部１８が構成されている。

Ａ／Ｄ変換器１６（ＡＤＣ）は、増幅器１５の出力信号をデジタルデータに変換する（Ａ／Ｄ変換）。通信Ｉ／Ｆ１７（出力部に相当）は、角速度センサ装置１外部の装置に設けられたＣＰＵ１９との間で通信（例えばシリアル通信）を行うためのインターフェース（ＳＰＩ）である。角速度センサ装置１は、通信Ｉ／Ｆ１７を介して、Ａ／Ｄ変換器１６から出力される角速度検出信号を表すデジタルデータ（以下、このデジタルデータのことを単に角速度検出信号とも呼ぶ）、温度センサ４から出力される温度検出信号、メモリ５に記憶されている温度補正用パラメータなどをＣＰＵ１９に送信する。

ＣＰＵ１９（制御装置に相当）は、図示しない通信Ｉ／Ｆを介して、角速度検出信号、温度検出信号および温度補正用パラメータを受信する。ＣＰＵ１９は、これらの信号を受信すると、図示しない不揮発性メモリに記憶された各種プログラムを実行することにより、角速度検出信号に対し、温度検出信号および温度補正用パラメータを用いた補正演算を行い、角速度の検出値を取得する。

続いて、メモリ５に記憶される温度補正用パラメータについて説明する。図２は、駆動周波数を変更した３つのパターン（それぞれを、実線、点線および一点鎖線で示す）における角速度検出信号の温度に伴う変化率（％）を表すものである。図２における変化率（感度変化率）は、基準温度である２５℃のときの角速度検出信号のレベルＬ０を基準（０％）とした誤差に相当する。従って、所定温度のときの感度変化率は、下記（２）式により表すことができる。ただし、所定温度のときの角速度検出信号のレベルをＬとする。
感度変化［％］＝（（Ｌ／Ｌ０）−１）×１００ …（２）

図２から分かるように、角速度検出信号の温度に伴う変化率（感度変化率）は、概ね直線で表すこと（直線近似）ができる。そして、その近似直線は、駆動周波数に応じて変化する（駆動周波数に依存する）ものの、傾きおよびオフセットが変化するだけである。本実施形態では、このような特性を踏まえ、温度補正用パラメータは、角速度検出信号の温度による変動の態様（図２参照）を表す近似直線（ｙ＝ａｘ＋ｂ）を描くための係数（ａ、ｂ）としている。

図３は、用途毎における角速度の検出範囲および検出精度の要求スペックを表している。角速度センサ装置１が車両制御（例えばカーブでの加減速の制御など）に用いられる場合、検出範囲（角速度検出範囲）としては±６０°が求められ、検出精度（角速度出力精度）としてはナビゲーション装置用の１０倍の精度が求められる。また、角速度センサ装置１がＥＳＣ（横滑り防止システム）に用いられる場合、検出範囲としては±１００°が求められ、検出精度としてはナビゲーション装置用の２倍の精度が求められる。

また、角速度センサ装置１がナビゲーション装置（例えば自車位置の検出など）に用いられる場合、検出範囲としては±６０°が求められる。この場合、検出精度としては、車両制御用やＥＳＣ用に比べると、低い精度でよい。このように、角速度センサ装置１に求められる角速度の検出範囲および検出精度は、使用される用途毎に大きく異なる。

上記構成の角速度センサ装置１が車両制御用として用いられる場合、次のような流れとなる。すなわち、角速度センサ装置１の製造工程において、角速度の検出範囲が±６０°となるように、駆動信号の周波数（駆動周波数）および増幅器９の増幅率の設定が行われる。その後、メモリ５に、設定された駆動周波数に対応した温度補正用パラメータが書き込まれ、製品として出荷される。

このようにして出荷された角速度センサ装置１が組み込まれた車両制御システムのＣＰＵ１９は、角速度センサ装置１から温度補正用パラメータを受信すると、近似直線を算出する。そして、ＣＰＵ１９は、角速度検出信号および温度検出信号を受信すると、算出した近似直線に基づいて、角速度検出信号の温度補正を行う。ＣＰＵ１９は、温度補正後の角速度検出信号に基づいて角速度を検出し、その取得した角速度の値に基づいて、例えばカーブでの加減速などの制御を行う。

また、上記構成の角速度センサ装置１がＥＳＣ用として用いられる場合、次のような流れとなる。すなわち、角速度センサ装置１の製造工程において、角速度の検出範囲が±１００°となるように、駆動信号の周波数（駆動周波数）および増幅器９の増幅率の設定が行われる。その後、メモリ５に、設定された駆動周波数に対応した温度補正用パラメータが書き込まれ、製品として出荷される。

このようにして出荷された角速度センサ装置１が組み込まれたＥＳＣシステムのＣＰＵ１９は、角速度センサ装置１から温度補正用パラメータを受信すると、近似直線を算出する。そして、ＣＰＵ１９は、角速度検出信号および温度検出信号を受信すると、算出した近似直線に基づいて、角速度検出信号の温度補正を行う。ＣＰＵ１９は、温度補正後の角速度検出信号に基づいて角速度を取得し、その取得した角速度の値に基づいて、車両の横滑り防止に係る各種の制御を行う。

前述したように、角速度センサ装置１がＥＳＣ用として用いられる場合、車両制御用として用いられる場合に比べ、角速度の検出精度に関する要求スペックは低い。そこで、外部のＣＰＵ１９による上記温度補正に代えて、角速度センサ装置１内部で簡易的な温度補正を行うことも可能である。以下、このような簡易的な温度補正の手法について説明する。

この場合、ＤＣオフセットキャンセル回路１４および増幅器１５により温度補正が行われることになる。ＤＣオフセットキャンセル回路１４は、前述した基準温度でのオフセットを補正するためのレベル補正を実行した後、メモリ５から温度補正用パラメータを読み込むとともに、温度検出信号に基づいて温度を検出する。そして、ＤＣオフセットキャンセル回路１４は、温度補正用パラメータのうち近似直線のオフセットを示す係数の値と、温度の検出値とに基づいて、温度による変動分をキャンセルするべく、直流信号のレベル補正を行う。増幅器１５は、ＤＣオフセットキャンセル回路１４から出力される温度による変動分がキャンセルされた信号の直流成分を増幅する。このようにすれば、増幅器１５から出力される信号は、簡易的な温度補正が施された角速度検出信号となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、駆動信号の周波数を可変設定する周波数設定部８および増幅器９の増幅率を可変設定する増幅率設定部１０を備えているため、製造工程において、角速度の検出範囲を用途に合わせて適宜設定することができる。また、温度補正用パラメータは、角速度検出信号の温度による変動の態様を表す近似直線を描くための係数となっている。そのため、角速度の検出範囲を変更した場合でも、メモリ５に書き込む２つの係数の値を変更するだけで、その検出精度を良好に維持することができる。このように、角速度センサ装置１は、その製造工程において、使用される用途に合わせて角速度の検出範囲および検出範囲を適宜設定することが可能となる。

従って、本実施形態の角速度センサ装置１は、用途毎に作り込みを行うことなく、つまり同一構成のまま、高精度が要求される車両制御用や広検出範囲が要求されるＥＳＣ用など、様々な用途において共通使用することができる。このように、角速度センサ装置１の汎用性が高まれば、その生産台数が増加して製造コストが低減するといった効果が得られる。

また、角速度センサ装置１は、感度の温度補正を行うためのＣＰＵを装置内部に設ける必要がないため、装置内部にＣＰＵを設けることが必要となる従来技術の構成に比べると、製造コストを低く抑えることができる。さらに、温度補正用パラメータは、近似直線を描くための２つの係数であるため、それを記憶するメモリ５として比較的小容量のものを使用することができるというメリットもある。

なお、本発明は上記し且つ図面に記載した実施形態に限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
センサエレメント２の振動体２ａとしては、セラミック音叉型、シリコン音叉型、容量式など、種々の構成を用いることができる。
角速度センサ装置１は、振動体２ａの振動（発振）をフィードバック制御する構成であってもよい。
検出装置３において、ハイパスフィルタ１１に代えて、同様の低周波成分を除去するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を用いてもよい。

図面中、１は角速度センサ装置（ジャイロセンサ）、２はセンサエレメント（センサ素子）、２ａは振動体、４は温度センサ（温度検出部）、５はメモリ（記憶部）、８は周波数設定部、９は増幅器（増幅部）、１０は増幅率設定部、１７は通信Ｉ／Ｆ（出力部）、１８は信号処理部、１９はＣＰＵ（制御装置）を示す。

Claims (3)

1. センサ素子（２）に駆動信号を出力して振動体（２ａ）を第１方向に振動させ、その第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て前記センサ素子から出力されるセンサ出力信号に基づいて角速度を検出するジャイロセンサ（１）であって、
   前記駆動信号の周波数を可変設定する周波数設定部（８）と、
   前記センサ出力信号を増幅する増幅部（９）と、
   前記増幅部の増幅率を可変設定する増幅率設定部（１０）と、
   前記増幅部の出力信号に対して信号処理を行い、角速度を表す角速度検出信号を抽出する信号処理部（１８）と、
   周囲の温度に応じた温度検出信号を出力する温度検出部（４）と、
   前記角速度検出信号の温度による変動の態様を表す近似直線を描くための係数である温度補正用パラメータが記憶される記憶部（５）と、
   前記角速度検出信号、前記温度検出信号および前記温度補正用パラメータを外部に出力する出力部（１７）と、
   を備えていることを特徴とするジャイロセンサ。
2. 前記出力部は、車両制御を行うための制御装置（１９）に対し、前記角速度検出信号、前記温度検出信号および前記温度補正用パラメータを出力することを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサ。
3. 前記出力部は、車両の横滑り防止システムを制御する制御装置（１９）に対し、前記角速度検出信号、前記温度検出信号および前記温度補正用パラメータを出力することを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサ。

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