JP4543869B2 - 振動型角速度センサにおけるセンサ回路 - Google Patents

振動型角速度センサにおけるセンサ回路 Download PDF

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Description

本発明は、異常検出手段を備えた振動型角速度センサにおけるセンサ回路に関するもので、例えば、車両制御等に用いられる振動型角速度センサに適用され、特に、振動体への異物付着等による駆動インピーダンスの変化を高精度に検出できる異常検出手段を備えたセンサ回路に関するものである。
従来より、角速度センサを用いて車両制御を行うシステムとして、車両の横滑りを検出して各車輪のブレーキやトルクを最適に制御することにより、車両を正常状態に保つ車両安定制御システムや、車両の後輪あるいは前輪の舵角を制御する4輪舵角制御システム等が周知である。
この種のシステムは、車両の横滑りといった車両の異常状態をヨーレート信号つまり角速度センサにて検出しており、このヨーレート信号が異常となると車両が思わぬ挙動を呈して、車両の走行特性が不安定になる可能性がある。
上記課題を解決する手段の一例として、特許文献1に示される手段がある。この特許文献1に示される手段は、角速度センサが正常に動作しているか否かを診断する装置であり、振動体への駆動力に相当する駆動電圧が規定電圧から外れたことを定電圧回路とコンパレータで検出し、自己診断であるダイアグとして出力するようになっている。
一方、特許文献2において、角速度信号の0点・感度を安定化させるため、振動体の駆動方向振幅を検出し、振幅制御と90°移相を行って駆動信号としてフィードバック制御する手段が開示されている。
従来、これら特許文献1および特許文献2に示された手段が組み合わせられた異常検出回路が角速度センサにおけるセンサ回路に備えられ、一般的には、図4に示すような異常検出回路を備えたセンサ回路が採用されている。
図4に示されるように、角速度センサにおけるセンサ回路は、振動体30、振幅制御回路40および異常検出回路50などを備えて構成されている。
振動体30は、駆動用およびヨー検出用のセンサエレメント(図示せず)を備えており、駆動用のセンサエレメントが駆動振動を行っている際にヨーが発生すると、コリオリ力によって1対で構成された検出用のセンサエレメントが振動するようになっている。この振動体30が、一対の検出用のセンサエレメントそれぞれでの振動に応じた出力を発生させるため、この出力に基づいてヨーが検出されることになるが、駆動用のセンサエレメントが的確に駆動振動しているかを検出するために駆動振動に応じた出力を発生させるようにもなっている。
この振動体30の駆動振動に応じた出力、つまり駆動方向の振動振幅がi/v変換回路(もしくはC−V変換回路)41で電圧に変換され、振動振幅に相当するDC電圧を得るため整流回路42に通される。そして、差動増幅器44で第1基準電圧発生回路43が発生させるVref1との誤差電圧が誤差信号61として検出される。
一方、i/v変換回路41の出力である振動振幅に相当する信号は、振動体30の固有振動周波数(共振周波数)で振動体30を振動させるために、90°移相回路46に通され、振幅制御回路40内の掛算器45にて差動増幅回路44の出力である誤差信号61と掛算され、駆動電圧として振動体30にフィードバックされる。その結果、振動体30は、その共振周波数で振幅が一定となるように振動が行われる。
ここで、振動体30に異物付着等の異常が生じ、駆動インピーダンスが増大すると、振動体30の振動振幅の低下を招くため、整流回路42の出力が低下して、第1基準電圧発生回路43が発生させるVref1との差が大きくなる。そのため、結果として、差動増幅回路44の出力である誤差信号61が増大し、掛算器45の出力である駆動電圧が大きくなる。このようにして、振動体30の駆動振幅が一定に保たれるように駆動振動が制御される。
以上のように構成された振動体30および駆動回路40において、異物付着等による振動体30の異常を検出するには、差動増幅回路44の出力であり駆動インピーダンスに相当する誤差信号61が規定範囲内かどうかを検出してやれば良い。
このため、図4に示されるように、誤差信号61を異常検出回路50におけるウィンドウコンパレータ53に入力し、その誤差信号61の電圧が第2基準電圧発生回路51で発生させるVref2および反転回路52によって形成される−Vref2との電圧幅に入っているかどうかを検出するようにしている。そして、誤差信号61の電圧がその電圧幅に入っていない場合には、ダイアグ信号62が出力されるようになっている。
特開平11−51655号公報 特許2084567号公報
しかしながら、振動体30の駆動インピーダンスは、振動体30の寸法精度等によりどうしてもバラツキが発生し、更には、温度に対する変動や経年変化による変動が発生するため、振動体30の駆動インピーダンスに相当する誤差信号に対し、振動体30の異常を検出する判定値として、前述の誤差を含めた設定値にせざるを得ない状況であった。従って、本来異常検出に必要な設定値に設定できず、誤差を含めた設定値としていたため、高精度な異常検出ができない問題があった。
また、最近振動子30の小型化に伴い、静電容量で検出する半導体タイプの振動子に切り替わりつつあり、従来まで問題とならなかった微小な異物の付着等に対しても角速度センサの0点や感度に影響を及ぼすようになっている。従って、異常検出手段に対し、益々の高精度化・高信頼性化が求められている。
本発明は上記点に鑑みて、振動体への異物付着等による駆動インピーダンス変動を検出する異常検出手段として、振動体のバラツキや温度変動、経年変化を吸収し、高精度に検出できるものを備えた振動型角速度センサにおけるセンサ回路を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、異常検出手段(10)は、誤差電圧(21)に基づき、誤差電圧(21)の変化よりも緩やかに追従する信号を形成する追従信号形成手段(11)と、追従信号形成手段(11)が形成した信号を基準として上限基準電圧および下限基準電圧を設定し、これら上限基準電圧および下限基準電圧によって正常電圧範囲を規定する正常電圧範囲形成手段(13、14)と、誤差電圧(21)が正常電圧範囲形成手段(13、14)が規定した正常電圧範囲内に含まれるか否かを判定し、含まれている場合には正常であることを意味し、含まれていない場合に異常であることを意味するダイアグ信号(24)を出力する判定手段(15)と、を有していることを特徴としている。
このように、誤差信号(21)に基づいて正常電圧範囲を規定している。このため、振動体(30)のバラツキや温度変動、経年変化によって誤差信号(21)が変動しても、それを基準として上限基準電圧(22)および下限基準電圧(23)を形成することができる。よって、振動体(30)のバラツキや温度変動、経年変化を吸収した正常電圧範囲を規定することができる。
そして、誤差信号(21)に対して、上限基準電圧(22)および下限基準電圧(23
が緩やかに追従するようにしている。このため、誤差信号(21)が振動体(30)のバラツキや温度変動、経年変化とは違う異常によって変化した場合に、それを検出することが可能となる。したがって、振動体(30)のバラツキや温度変動、経年変化を吸収でき、高精度に検出できる異常検出手段(10)とすることが可能となる。
例えば、請求項2に示されるように、追従信号形成手段(11)は、ローパスフィルタで構成される。この場合、例えばローパスフィルタは、0.1Hxや0.01Hz程度のカットオフ周波数を有するものとして構成されるのが好ましい。
請求項3に記載の発明では、異常検出手段(10)は、さらに、判定手段(15)の出力に基づいてラッチ信号(25)を出力するラッチ信号発生手段(17)と、ラッチ信号発生手段(17)からラッチ信号が出力されると、判定手段(15)の出力をラッチするラッチ手段(16)とを有していることを特徴としている。
このように、異常検出手段(10)がラッチ手段(16)およびラッチ信号発生手段(17)を備えた構成としている。このため、センサ回路に瞬間的な異常が発生した場合と長期的な異常が発生した場合とを区別することも可能となる。
具体的には、請求項4の示されるように、ラッチ信号発生手段(17)は、判定手段(15)が出力する正常であることを意味するダイアグ信号(24)から異常であることを意味するダイアグ信号(24)への切り替わりをトリガとしてタイマを開始し、タイマが所定期間に達する前に異常であることを意味するダイアグ信号(24)が正常であることを意味するダイアグ信号(24)に切り替わった場合にタイマを停止してリセットするタイマ手段で構成される。この場合、タイマ手段は、タイマが所定期間に達したときに、ラッチ信号を出力する。
請求項5に記載の発明では、正常電圧範囲形成手段(13、14)は、追従信号形成手段(11)が形成した信号を基準として、第2参照電圧(Vref3)を加算して上限基準電圧を形成する加算手段(13)と、該第2参照電圧(Vref3)を減算して下限基準電圧を形成する減算手段(14)とを有していることを特徴としている。
このように、追従信号形成手段(11)が形成した信号を基準として第2参照電圧(Vref3)を加減算することで、上限基準電圧および下限基準電圧を形成し、正常電圧範囲を規定することができる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。
(第1実施形態)
本発明の一実施形態を適用した振動型角速度センサのセンサ回路を図1に示す。以下、図1を参照して本実施形態におけるセンサ回路の構成について説明するが、振動体30を含む駆動回路40など、つまり上述した図4に示す構成と同様の部分に関しての詳細や動作は上記の通りである。このため、ここでは、センサ回路に備えられた異常検出回路10についてのみ説明する。
異常検出回路10には、差動増幅器44の出力する誤差信号21が入力されるようになっている。この誤差信号21が、振動体のバラツキや温度・経年変化を持つ駆動インピーダンスに相当するもので、この誤差信号21に基づいて高精度でかつ高信頼性を持った異常検出が行われる。
図1に示されるように、異常検出回路10は、ローパスフィルタ(LPF)11、第3参照電圧発生部12、加算器(ADD)13、減算器(SUB)14、ウィンドウコンパレータ15を備えて構成されている。
LPF11は、大きな時定数を有しており、誤差信号21を受け取り、この誤差信号21に対して緩やかに追従する出力信号を発生させる。つまり、LPF11は、基本的には誤差信号21と同等の電圧を有する出力を発生させるが、誤差信号21が急激に変動する場合には、それに対して完全に一致するようには追従せずに、若干遅れた状態で追従する出力信号を発生させるようになっている。具体的には、LPF11としては、温度変動や経年変化を吸収するために、0.1Hzや0.01Hz程度のカットオフ周波数を持つものが用いられる。このLPF11の出力がADD13およびSUB14に入力されるようになっている。
第3参照電圧発生回路12は、参照電圧(第2参照電圧)Vref3を発生させるものである。この参照電圧Vref3は、ウィンドウコンパレータ15での判定しきい値の範囲を決定するものである。この参照電圧Vref3もADD13およびSUB14に入力されるようになっている。
ADD13およびSUB14は、正常電圧範囲形成手段に相当するものである。
ADD13は、LPF11の出力に対して参照電圧Vref3を加算した電圧22を出力するものである。このADD13が出力する電圧22がウィンドウコンパレータ15に入力されるようになっており、ウィンドウコンパレータ15における上限基準電圧として設定されるようになっている。以下、ADD13が出力する電圧22を上限基準電圧という。
SUB14は、LPF11の出力に対して参照電圧Vref3を減算した電圧23を出力するものである。このSUB14が出力する電圧23がウィンドウコンパレータ15に入力されるようになっており、ウィンドウコンパレータ15における下限基準電圧として設定されるようになっている。以下、SUB14が出力する電圧23を下限基準電圧という。
ウィンドウコンパレータ15は、誤差信号21の電圧が、ADD13から出力される上限基準電圧22とSUB14から出力される下限基準電圧23とによって規定される正常電圧範囲の間に入っているか否かを判定するものである。そして、ウィンドウコンパレータ15は、誤差信号21の電圧が正常電圧範囲の間に入っているか否かに応じたダイアグ検出信号24を発生させるようになっており、例えばその正常電圧範囲内であればダイアグ検出信号24は正常であることを意味するハイレベル、正常電圧範囲外であればダイアグ検出信号24は異常であることを意味するローレベルとなる。
また、本実施形態における異常検出回路10には、ラッチ回路16とタイマ回路17とが備えられている。
ラッチ回路16は、ウィンドウコンパレータ15のダイアグ検出信号24をラッチするものである。具体的には、このラッチ回路16は、後述するタイマ回路17からのラッチ信号25に基づいてダイアグ検出信号24をラッチするようになっており、タイマ回路17からのラッチ信号が入力されるまではウィンドウコンパレータ15のダイアグ検出信号24と一致する電圧を出力信号26として発生させ、ラッチ信号25が入力されるとラッチ信号25が入力されたときのウィンドウコンパレータ15のダイアグ検出信号24をラッチして出力信号26として発生させるようになっている。
タイマ回路17は、ウィンドウコンパレータ15のダイアグ検出信号24の立上がりおよび立下りをトリガとして起動するようになっている。具体的には、タイマ回路17は、ダイアグ検出信号24の立下りを検出したときにはタイマをオンさせ、そのタイマが規定期間(例えば1s程度が望ましい)に達する前までにダイアグ検出信号24の立上がりを検出したときにはタイマを停止してリセットし、タイマが規定期間に達した場合にはラッチ信号25を出力するようになっている。
以上のように、本実施形態のセンサ回路が構成されている。続いて、このように構成されたセンサ回路における異常検出回路の作動について説明する。
まず、異常検出回路10に誤差信号21が入力されると、LPF11から誤差信号21に追従する出力が発生させられる。そして、LPF11の出力と第3参照電圧発生部12が発生させている参照電圧Vref3とから、ADD13およびSUB14にて、上限基準電圧22および下限基準電圧23が形成され、これらがウィンドウコンパレータ15に入力される。このため、LPF11の出力を中心として±Vref3の幅の範囲が正常電圧範囲として規定される。
したがって、ウィンドウコンパレータ15にて、誤差信号21の電圧が上限基準電圧22と下限基準電圧23との間、つまり正常電圧範囲内であるか否かが判定される。そして、誤差信号21の電圧が正常電圧範囲内であれば、ウィンドウコンパレータ15からのダイアグ検出信号24が正常であることを意味する電圧となり、逆に、正常電圧範囲内でなければ、ウィンドウコンパレータ15からのダイアグ検出信号24が異常であることを意味する電圧となる。
そして、ダイアグ検出信号24がハイレベルのままの状態であれば、ラッチ回路16からの出力信号26も正常であることを意味する電圧のままとなる。しかしながら、ダイアグ信号24が瞬間的にでも正常であることを意味する電圧から異常であることを意味する電圧に切り替わると、ラッチ回路16から異常であることを意味する電圧が出力信号26として出力される。
このため、ウィンドウコンパレータ15からのダイアグ検出信号24が瞬間的にでも異常であることを意味する電圧に切り替わったときには、それが外部に出力されることになり、センサ回路に異常が発生したことが検出される。
そして、ダイアグ信号24が正常であることを意味する電圧から異常であることを意味する電圧に切り替わると、それをトリガとしてタイマ回路17がタイマを開始する。
このとき、タイマが規定期間に達する前にダイアグ検出信号24が異常であることを意味する電圧から正常であることを意味する電圧に切り替わった場合には、タイマが停止されてリセットされるため、タイマ回路17からラッチ信号25が出力されず、ラッチ回路16で異常であることを意味する電圧がラッチされない。このため、ラッチ回路17の出力信号26は正常であることを意味する電圧に戻る。したがって、この場合には、センサ回路に発生した異常は瞬間的なものであることが検出されることになる。
一方、タイマが規定期間に達するまでダイアグ検出信号24が異常であることを意味する電圧のままであった場合には、タイマ回路17からラッチ信号25が出力され、ラッチ回路16で異常であることを意味する電圧がラッチされる。このため、ラッチ回路17の出力信号26は異常であることを意味する電圧のままとなる。したがって、この場合には、センサ回路に発生した異常は長期的なものであることが検出されることになる。
このように異常検出回路が動作する。このような動作が行われる場合のタイミングチャートを図2及び図3に示す。
図2は、角速度センサに長期的な異常が発生した場合のタイミングチャート、図3は、ノイズや過大衝撃印加等により誤差信号21が一時的に異常状態になった場合のタイミングチャートを示す。なお、図2および図3では、誤差信号21が温度変動や経年変化により緩やかに変動した場合の上限基準電圧22及び下限基準電圧23の動作も示している。
まず、図2の時点T1〜時点T2の期間に関しては、基本的には誤差信号21を中心として上限基準電圧22および下限基準電圧23が形成される。このとき、ウィンドウコンパレータ15のダイアグ検出信号24は正常であることを意味するハイレベルとなっており、タイマ回路17のラッチ信号25はローレベルとなる。したがって、ラッチ回路16の出力信号26も正常であることを意味するハイレベルのままとなる。
そして、期間T2においてセンサ回路に長期的な異常が発生すると、異常が発生した瞬間に誤差信号21が急激に変化することになるが、上限基準電圧22及び下限基準電圧23はそれに追従できない。このため、誤差信号21が上限基準電圧22及び下限基準電圧23で示される正常電圧範囲から外れる。
これにより、ウィンドウコンパレータ15のダイアグ検出信号24は異常であることを意味するローレベルとなり、ラッチ回路16の出力信号26も異常であることを意味するローレベルとなる。このとき、タイマ回路17のラッチ信号25に関してはローレベルのままであるが、タイマ回路17によるタイマは開始される。
そして、時点T3までダイアグ検出信号24が異常であることを意味するローレベルのままの状態であると、タイマ回路17のラッチ信号25がハイレベルとなり、ラッチ回路16でダイアグ検出信号24がラッチされることになる。したがって、ラッチ回路16の出力信号26が異常であることを意味するローレベルのままとなる。このため、時点T4において、上限基準電圧22及び下限基準電圧23の誤差信号21への追従が完了して、誤差信号21が上限基準電圧22及び下限基準電圧23の範囲内となり、ダイアグ検出信号24がハイレベルに戻っても、ラッチ回路16の出力信号26は異常であることを意味するローレベルのままとなる。
また、図3の時点T1〜時点T2の期間に関しては、図2の時点T1〜時点T2と同様に、誤差信号21に追従して上限基準電圧22及び下限基準電圧23が形成される。
そして、時点T2においてセンサ回路に瞬間的な異常が発生した場合にも、図2の時点T2と同様に、誤差信号21が急激に変化することになるが、上限基準電圧22及び下限基準電圧23はそれに追従できないため、誤差信号21が上限基準電圧22及び下限基準電圧23で示される正常電圧範囲から外れる。
このため、図2の場合と同様に、ラッチ回路16の出力信号26が異常であることを意味するローレベルとなり、タイマ回路17ではタイマを開始する。しかしながら、時点T3において、誤差信号21が正常時の電圧に戻るため、ラッチ回路16の出力信号26が正常であることを意味するハイレベルに直ぐに戻り、タイマ回路17でのタイマも停止されてリセットされる。
したがって、このような場合には、瞬間的にラッチ回路16から異常であることを意味するローレベルが出力されるが、その後は、正常であることを意味するハイレベルが出力されることなる。
以上説明したように、本実施形態では、誤差信号21を基準として上限基準電圧22および下限基準電圧23を形成している。このため、振動体30のバラツキや温度変動、経年変化によって誤差信号21が変動しても、それを基準として上限基準電圧22および下限基準電圧23を形成することができる。よって、振動体30のバラツキや温度変動、経年変化を吸収した上限基準電圧22および下限基準電圧23とすることができる。
そして、誤差信号21に対して、上限基準電圧22および下限基準電圧23が緩やかに追従するようにしている。このため、誤差信号21が振動体30のバラツキや温度変動、経年変化とは違う異常によって変化した場合に、それを検出することが可能となる。したがって、振動体30のバラツキや温度変動、経年変化を吸収でき、高精度に検出できる異常検出回路10とすることが可能となる。
さらに、本実施形態では、ラッチ回路16およびタイマ回路17を用いるようにしている。このため、センサ回路に瞬間的な異常が発生した場合と長期的な異常が発生した場合とを区別することも可能となる。
(他の実施形態)
上記実施形態では、LPF11を用いて誤差信号21に対して上限基準電圧22および下限基準電圧23が緩やかに追従するようにしている。しかしながら、これは単なる一例であり、必ずしもLPF11を用いる必要は無い。例えば、LPF11は、積分回路によって構成されるものであるが、一般的には、変化量を見るためには用いる微分回路を適用することも可能である。ただし、車両用のジャイロセンサのように、振動型角速度センサがノイズが多いような環境下で用いられるような場合には、そのノイズを敏感に検出できる積分回路とする方が好ましい。
また、誤差信号21の所定時間分の平均値などを基準として上限基準電圧22および下限基準電圧23を形成しても構わない。この場合、例えば誤差信号21の所定時間分の平均値から±Vref3の幅で正常電圧範囲が規定されることになる。
本発明の第1実施形態における振動型角速度センサのセンサ回路のブロック構成を示す図である。 角速度センサに長期的な異常が発生した場合のタイミングチャートである。 角速度センサに長期的な異常が発生した場合のタイミングチャートである。 従来の振動型角速度センサのセンサ回路のブロック構成を示す図である。
符号の説明
10…異常検出回路(異常検出手段)、11…LPF(追従信号形成手段)、
12…第3参照電圧発生部、13…ADD(加算手段)、
14…SUB(減算手段)、15…ウィンドウコンパレータ(判定手段)、
16…ラッチ回路(ラッチ手段)、17…タイマ回路(ラッチ信号発生手段)、
21…誤差信号、22…上限基準電圧、23…下限基準電圧、
24…ダイアグ検出信号、25…ラッチ信号、26…出力信号、30…振動体、
40…駆動回路。

Claims (5)

  1. 振動体(30)と、
    前記振動体(30)に対して駆動電圧を印加することで前記振動体(30)を振動させると共に、前記振動体(30)を所定の振幅で振動させるべく、前記振動体(30)の振動振幅に応じた電圧と第1参照電圧(Vref1)との差を示す誤差信号(21)をフィードバックするように構成された駆動手段(40)と、
    前記駆動手段(40)における前記誤差信号(21)に基づいて異常検出を行う異常検出手段(10)とを有してなる振動型角速度センサにおけるセンサ回路において、
    前記異常検出手段(10)は、
    前記誤差信号(21)に基づき、前記誤差信号(21)の変化よりも緩やかに追従する信号を形成する追従信号形成手段(11)と、
    前記追従信号形成手段(11)が形成した信号を基準として上限基準電圧および下限基準電圧を設定し、これら上限基準電圧および下限基準電圧によって正常電圧範囲を規定する正常電圧範囲形成手段(13、14)と、
    前記誤差信号(21)の電圧が前記正常電圧範囲形成手段(13、14)の規定した前記正常電圧範囲内に含まれるか否かを判定し、含まれている場合には正常であることを意味し、含まれていない場合に異常であることを意味するダイアグ信号(24)を出力する判定手段(15)と、を有していることを特徴とする振動型角速度センサにおけるセンサ回路。
  2. 前記追従信号形成手段(11)は、ローパスフィルタであることを特徴とする請求項1に記載の振動型角速度センサにおけるセンサ回路。
  3. 前記異常検出手段(10)は、さらに、
    前記判定手段(15)の出力に基づいてラッチ信号(25)を出力するラッチ信号発生手段(17)と、
    前記ラッチ信号発生手段(17)からラッチ信号が出力されると、前記判定手段(15)の出力をラッチするラッチ手段(16)とを有していることを特徴とする請求項1または2に記載の振動型角速度センサにおけるセンサ回路。
  4. 前記ラッチ信号発生手段(17)は、前記判定手段(15)が出力する前記正常であることを意味するダイアグ信号(24)から前記異常であることを意味するダイアグ信号(24)への切り替わりをトリガとしてタイマを開始し、前記タイマが所定期間に達する前に前記異常であることを意味するダイアグ信号(24)が前記正常であることを意味するダイアグ信号(24)に切り替わった場合に前記タイマを停止してリセットするタイマ手段であり、
    前記タイマ手段は、前記タイマが前記所定期間に達したときに、前記ラッチ信号を出力するようになっていることを特徴とする請求項3に記載の振動型角速度センサにおけるセンサ回路。
  5. 前記正常電圧範囲形成手段(13、14)は、前記追従信号形成手段(11)が形成した信号を基準として、第2参照電圧(Vref3)を加算して前記上限基準電圧を形成する加算手段(13)と、該第2参照電圧(Vref3)を減算して前記下限基準電圧を形成する減算手段(14)とを有していることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の振動型角速度センサにおけるセンサ回路。
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