JP4697373B2

JP4697373B2 - 物理量測定方法、物理量測定装置および物理量測定器への電力供給方法

Info

Publication number: JP4697373B2
Application number: JP2001245950A
Authority: JP
Inventors: 昭二横井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-08-14
Filing date: 2001-08-14
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2021-08-14
Also published as: JP2003057037A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動子を用いた測定方法および測定装置、例えば振動型ジャイロスコープに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電振動型ジャイロスコープは、振動している物体に角速度が加わると、その振動と直角方向にコリオリ力が生じることを利用している。そして、その原理は力学的モデルで解析される（例えば、「弾性波素子技術ハンドブック」、オーム社、第４９１〜４９７頁）。
【０００３】
本出願人は、振動型ジャイロスコープの応用について種々検討を進めており、例えば自動車の車体回転速度フィードバック式の車両制御方法に用いる回転速度センサーに振動型ジャイロスコープを使用することを検討した。こうしたシステムにおいては、操舵輪の方向自身は、ハンドルの回転角度によって検出する。これと同時に、実際に車体が回転している回転速度を振動ジャイロスコープによって検出する。そして、操舵輪の方向と実際の車体の回転速度を比較して差を求め、この差に基づいて車輪トルク、操舵角に補正を加えることによって、安定した車体制御を実現する。
【０００４】
特開平７−２１９１４９号公報に記載の技術においては、上記のような角速度センサーにおいて、振動子の駆動回路に動作電力を供給するのに際して、駆動レベルを自動利得制御回路（ＡＧＣ回路）によって制御し、電源電圧をＡＧＣ回路の制御素子に供給している。そして、振動子から出力された駆動電圧を駆動レベルに変換した後、この駆動レベルを、駆動回路の制御素子に供給された電源電圧の大きさと対比する。そして、駆動レベルが電源電圧よりも小さい場合には利得を増大させ、駆動レベルが電源電圧よりも大きい場合には利得を低下させることによって、駆動レベルを電源電圧に合わせて調節している。これによって、駆動信号の大きさと、振動子からの出力信号の大きさとを、動作電圧に比例させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の技術を本発明者が検討したところ、以下の問題点が生じてきた。例えば振動型ジャイロスコープにおいて、振動子の駆動回路に電源電圧（基準電圧）を供給し、この電源電圧と振動子からの出力電圧とを比例させる場合には、電源電圧は一定値、例えば５ボルトに制御されていなければならない。つまり、電源電圧は、時間的な変動が少なく、安定している必要がある。このため、車両用バッテリー電源のような不安定な電源は使用できない。従って、外部のバッテリー電源からの電圧を、いったん電圧調整機構に通し、一定の基準電圧を得る必要がある。
【０００６】
この振動型ジャイロスコープから出力されるアナログ検出信号は、車両のＥＣＵ（電子制御ユニット）のアナログ−デジタル変換器においてデジタル信号に変換される。そして、得られたデジタル信号を演算処理装置に送り、車両の運動状態の判断、各種アクチュエーターの駆動に利用する。
【０００７】
ここで、アナログ−デジタル変換器の電源電圧が変動すると、変換器からの出力も変動する。従って、変換器へと供給する電圧も一定値に調節する必要があり、このためＥＣＵにも電圧調整機構を設置する必要がある。以上のことから、時間が経過したり、環境温度が変化したりしたときに、振動子の駆動回路用の電圧調整機構と、ＥＣＵ側の電圧調整機構との双方に高度の安定性が必要である。かりに、時間経過や環境温度変化に応じて、各電圧調整機構が異なる特性を示すと、最終的に得られるデジタル信号の誤差の増大を招きかねない。このような誤差を抑制するためには、各電圧調整機構の安定度をそれぞれ高く維持する必要がある。
【０００８】
本発明の課題は、振動子に駆動信号を供給するための駆動回路、振動子から出力される出力信号を処理し、物理量に対応するアナログの検出信号を得るための検出回路、および検出信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器を使用し、物理量を測定するのに際して、物理量の変化に応じて振動子の検出感度を制御可能とすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、振動子を用いて物理量を測定する方法であって、
振動子に駆動信号を供給するための駆動回路、振動子から出力される出力信号を処理し、物理量に対応するアナログの検出信号を得るための検出回路、および検出信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器を使用し、駆動回路およびアナログ−デジタル変換器に対して共通の基準電圧源から電力を供給するのに際して、基準電圧源から駆動回路へと供給された電圧と、基準電圧源からアナログ−デジタル変換器へと供給された電圧との比率を制御する制御手段を使用して前記比率を変化させることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、振動子を用いて物理量を測定する装置であって、
振動子、振動子に駆動信号を供給するための駆動回路、振動子から出力される出力信号を処理し、物理量に対応するアナログの検出信号を得るための検出回路、検出信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器、駆動回路とアナログ−デジタル変換器とに対して電力を供給する共通の基準電圧源、および基準電圧源から駆動回路へと供給された電圧と、基準電圧源からアナログ−デジタル変換器へと供給された電圧との比率を制御し、変化させることのできる制御手段を備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、振動子を用いて物理量を測定する物理量測定器に対して電力を供給する方法であって、
物理量測定器が、振動子に駆動信号を供給するための駆動回路、振動子から出力される出力信号を処理し、物理量に対応するアナログの検出信号を得るための検出回路、および検出信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器を備えており、駆動回路およびアナログ−デジタル変換器に対して共通の基準電圧源から電力を供給し、この際基準電圧源から駆動回路へと供給された電圧と、基準電圧源からアナログ−デジタル変換器へと供給された電圧との比率を制御する制御手段を使用して前記比率を変化させることを特徴とする。
【００１２】
特開平７−２１９１４９号公報に記載の技術では、駆動用の自励発振回路の制御素子に対して、基準電圧源からの電圧を印加し、発振ループの増幅利得を制御している。しかし、この技術では、ＥＣＵ系のアナログ−デジタル変換器に対して別個の基準電圧源が必要である。そして、２つの基準電圧源において同程度の変動が生じている場合には問題ないが、２つの基準電圧源において異なる傾向の偏差が生じた場合には、デジタル信号出力の誤差が大きくなってくる。
【００１３】
本発明においては、駆動回路およびアナログ−デジタル変換器に対して共通の基準電圧源から電力を供給することで、振動子からの検出信号が基準電圧源からの印加電圧に比例するのと同時に、アナログ−デジタル変換器におけるアナログ検出信号からデジタル出力信号への変換係数も、基準電圧源からの印加電圧に比例させることができる。この結果、たとえ基準電圧源からの印加電圧が変動しても、この変動に対して、振動子からの検出信号が比例して変動するのと同時に、アナログ−デジタル変換器における変換係数も比例して変動する。更に、電圧源から駆動回路へと供給された電圧と、基準電圧源からアナログ−デジタル変換器へと供給された電圧との比率を制御する制御手段を使用して前記比率を変化させることで、物理量の変化に応じて振動子の検出感度を制御可能とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明において測定されるべき物理量は、特に限定はされない。振動子に駆動振動を励振し、駆動振動中の振動子に対する物理量の影響によって振動子の振動状態に変化が生じたときに、この振動状態の変化から検出回路を通して検出可能な物理量を対象とする。こうした物理量としては、振動子に印加される加速度、角速度、角加速度が特に好ましい。また、測定装置としては慣性センサーが好ましい。
【００１５】
好適な実施形態においては、物理量が車両の運動に関する物理量であり、基準電圧源が、車両の電子制御ユニット内に設けられている。
【００１６】
好適な実施形態においては、駆動回路が自励発振回路である。この場合、特に好ましくは、自励発振回路において、振動子から出力された駆動電圧のレベルと、基準電圧源から駆動回路へと供給された電圧との比較に基づいて、自励発振回路における増幅利得を制御する。
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の１実施形態に係る測定装置の要部を示すブロック図であり、図２は、測定器２の構成の一例を示すブロック図である。
【００１９】
本例では、移動体の回転角速度を測定する測定装置について述べる。本測定装置は、測定部１とアナログ−デジタル変換部３とを備えている。測定部１には、図２に示すような測定器２が設けられている。アナログ−デジタル変換部３には、アナログ−デジタル変換器４、基準電圧源５、自己診断情報入力部２４が設けられている。アナログ−デジタル変換器３は、移動体の電子制御ユニット（ＥＣＵ）内に設けられている。
【００２０】
基準電圧源５には、電源線と接地線とが接続されている。電源線はバッテリーなどの外部電源に接続されている。基準電圧源５では、端子ａ、ｂから電力を受け入れ、所定の基準電圧の電力を出力する。基準電圧源５の端子ｃは、伝送線２５Ｃを介して測定器２に接続されており、かつ、伝送線２５Ｂを介してアナログ−デジタル変換器４に接続されている。
【００２１】
駆動振動系の発振ループについて述べる。図２に示すように、振動子の駆動部７Ａには励振手段８が取り付けられており、励振手段８は自励発振回路１０に対して接続されている。駆動信号を電流−電圧変換器１１によって電圧信号に変換する。そして、この電圧信号の一部を整流器１３に取り出し、振幅の水準（レベル）に変換する。このレベルを制御部１４に入力する。そして、制御部１４からの出力信号を増幅器１２に送り、増幅器１２において所定の増幅利得をもって信号を増幅する。
【００２２】
基準電圧源５からの電圧を矢印Ｃのように制御部１４に入力する。制御部１４においては、その時点での振動子の駆動信号の振幅の水準を、基準電圧源５から入力された印加電圧の水準と対比する。そして、駆動信号の振幅のレベルが印加電圧に比べて大きい場合には、増幅利得を小さくし、駆動信号の振幅のレベルが印加電圧に比べて小さい場合には、増幅利得を大きくする。これによって、振動子の感度が、基準電圧源からの印加電圧に比例するようにする。
【００２３】
また、自励発振回路１０からの出力を診断回路２３に入力し、自励発振状態を診断する。診断回路２３の出力を伝送線２５Ｆを介して矢印ＦのようにＤＩＡＧ端子２４に送り、端子２４、伝送線２５Ｃを介して伝送し、端子ｃから伝送線２５Ｇを介して矢印Ｇのように診断結果入力部２４に伝送する。このように、自励発振回路における自己診断の結果を、基準電圧源５からの電力を伝送する伝送線２５Ｃを通してＥＣＵ側へと出力することによって、伝送線２５Ｃを共通とし、設計を単純化できる。
【００２４】
振動子の検出部７Ｂにおける振動を検出部９によって検出し、出力信号として出力する。この出力信号を検出回路２１によって処理し、所定のアナログ検出信号を得る。例えば、出力信号を電流−電圧変換器１７によって電圧に変換し、検波器１８によって位相検波する。この際には、駆動信号の一部を派生させ、派生信号を移相器１６に通し、移相信号を得る。移相信号の位相は、漏れ信号の位相とは、所定角度、例えば９０°ずれている。この移相信号を位相検波器１８に入力し、振動子からの出力信号を検波する。この結果、検波後の出力信号においては、不要な漏れ信号は消去されており、あるいは少なくとも低減されているはずである。この検波後の出力信号をローパスフィルター１９に入力し、平滑化し、次いで０点調整回路２０に入力する。この検出信号を伝送線２５Ａを通して矢印ＡのようにＥＣＵへと伝送し、アナログ−デジタル変換器４に入力する。
【００２５】
本発明においては、基準電圧源から駆動回路へと供給された電圧と、基準電圧源からアナログ−デジタル変換器へと供給された電圧との比率を制御するための制御手段を設ける。これによって、両方の電圧の比率を所望の値に設定することができる。
【００２６】
本発明においては、前記制御手段を使用し、基準電圧源から駆動回路へと供給された電圧と、基準電圧源からアナログ−デジタル変換器へと供給された電圧との比率を、必要に応じて変化させることができる。駆動回路への供給電圧を相対的に大きくすることによって、振動子それ自体の検出感度を大きくすることができ、駆動回路への供給電圧を相対的に小さくすることによって、振動子それ自体の検出感度を低くすることができる。このような振動子の検出感度の調整は、例えば移動体の横転を検出する際に有用である。
【００２７】
移動体、例えば車両は、通常はＸ−Ｙ平面内のみで回動している（平面内方向転換）。これに対して、移動体が横転する際には、Ｘ−Ｚ平面内の回転角速度が発生する（Ｚは垂直軸方向）。ここで、車両が横転する際に、初期段階においては、Ｘ−Ｚ平面内の回転角速度は比較的に小さい。従って、車両の横転を早期に検出するためには、通常は生じにくいＸ−Ｚ平面内の角速度を高感度で監視する必要がある。この目的を達成するためには、駆動回路への印加電圧を大きくすることが必要である。
【００２８】
一方、車両の横転が進行すると、ある時点から、つまり車両のバランスが失われた時点から、回転角速度が急激に大きくなる。従って、駆動回路への印加電圧が大きく設定されていると、瞬時に回転角速度の検出限界を超えてしまい、測定不能となる。従って、駆動回路への印加電圧を相対的に小さくすることが必要である。
【００２９】
従って、基準電圧源から駆動回路へと印加する印加電圧の割合を制御することによって、振動子の検出感度を制御することは有効である。図３、図４は、それぞれこの実施形態に係る装置を示すブロック図である。図１に示した構成部分と同じ構成部分には同じ符号を付け、その説明は省略する。
【００３０】
図３においては、アナログ−デジタル変換部３中に、電圧比率制御手段２２が設けられている。この制御手段２２は、端子ｃと変換器４との間に設けられている。そして、基準電圧源５から伝送線２５Ｂを通して供給される電圧に所定の倍率を乗算し、乗算後の電圧が伝送線２５Ｄを通して矢印Ｄのように変換器４に供給される。
【００３１】
図４においては、測定部１中に、電圧比率制御手段２２が設けられている。この制御手段２２は、端子ｃと測定器２との間に設けられている。そして、基準電圧源５から伝送線２５Ｃを通して供給される電圧に所定の倍率を乗算し、乗算後の電圧が伝送線２５Ｅを通して矢印Ｅのように駆動回路に供給される。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、基準電圧源からの印加電圧と、アナログ−デジタル変換器において変換した後のデジタル出力信号とが比例するように制御し、電圧調整機構の安定度に関する裕度を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る測定装置の要部を示すブロック図である。
【図２】測定器２の構成の一例を示すブロック図である。
【図３】他の実施形態に係る測定装置の要部を示すブロック図である。
【図４】更に他の実施形態に係る測定装置の要部を示すブロック図である。
【符号の説明】
１測定部２測定器３アナログ−デジタル変換部４アナログ−デジタル変換器５基準電圧源
７Ａ振動子の駆動部７Ｂ振動子の検出部８励振手段
９検出手段１０自励発振回路１１電流−電圧変換器
１２増幅器１３整流器１４制御部１６移相器１７増幅器１８検波器１９ローパスフィルター２０増幅器２１検出回路２２電圧比率制御手段２４診断結果入力部２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ、２５Ｅ、２５Ｆ、２５Ｇ伝送線Ａ検出回路２１から出力されたアナログ検出信号Ｂ、Ｄ基準電圧源５からアナログ−デジタル変換器に印加される電圧Ｃ基準電圧源５から駆動回路に印加される電圧
Ｆ、Ｇ自己診断結果

Claims

振動子を用いて物理量を測定する方法であって、
前記振動子に駆動信号を供給するための駆動回路、前記振動子から出力される出力信号を処理し、前記物理量に対応するアナログの検出信号を得るための検出回路、および前記検出信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器を使用し、前記駆動回路および前記アナログ−デジタル変換器に対して共通の基準電圧源から電力を供給するのに際して、前記基準電圧源から前記駆動回路へと供給された電圧と、前記基準電圧源から前記アナログ−デジタル変換器へと供給された電圧との比率を制御する制御手段を使用して前記比率を変化させることを特徴とする、物理量測定方法。
前記物理量が、移動体の運動に関する物理量であり、前記基準電圧源が前記移動体の電子制御ユニット内に設けられていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
前記物理量は、前記移動体が横転する際に発生する回転角速度であり、前記回転角速度は、前記移動体の横転が始まる初期段階よりも横転の進行段階の方が大きく、前記進行段階において前記基準電圧源から前記駆動回路へと供給された電圧を、前記初期段階において前記基準電圧源から前記駆動回路へと供給された電圧よりも小さくすることを特徴とする、請求項２記載の方法。
前記駆動回路が自励発振回路であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の方法。
前記自励発振回路において、前記駆動信号の電圧のレベルと、前記基準電圧源から前記駆動回路へと供給された電圧との比較に基づいて、前記自励発振回路における増幅利得を制御することを特徴とする、請求項４記載の方法。
前記自励発振回路における自励発振状態の自己診断結果を、前記基準電圧源から前記駆動回路へと前記電力を伝送する伝送手段を通して出力することを特徴とする、請求項４または５記載の方法。
振動子を用いて物理量を測定する装置であって、
振動子、前記振動子に駆動信号を供給するための駆動回路、前記振動子から出力される出力信号を処理し、前記物理量に対応するアナログの検出信号を得るための検出回路、前記検出信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器、前記駆動回路と前記アナログ−デジタル変換器とに対して電力を供給する共通の基準電圧源、および基準電圧源から前記駆動回路へと供給された電圧と、前記基準電圧源から前記アナログ−デジタル変換器へと供給された電圧との比率を制御し、変化させるための制御手段を備えていることを特徴とする、物理量測定装置。
前記物理量が、移動体の運動に関する物理量であり、前記基準電圧源が前記車両の電子制御ユニット内に設けられていることを特徴とする、請求項７記載の装置。
前記物理量は、前記移動体が横転する際に発生する回転角速度であり、前記回転角速度は、前記移動体の横転が始まる初期段階よりも横転の進行段階の方が大きく、前記進行段階において前記基準電圧源から前記駆動回路へと供給された電圧を、前記初期段階において前記基準電圧源から前記駆動回路へと供給された電圧よりも小さくすることを特徴とする、請求項８記載の装置。
前記駆動回路が自励発振回路であることを特徴とする、請求項８または９記載の装置。
前記自励発振回路が、前記駆動信号を増幅する増幅器、および、前記駆動信号の電圧のレベルと、前記基準電圧源から前記駆動回路へと供給された電圧との比較に基づいて、前記増幅器における増幅利得を制御するレベル調整手段を備えていることを特徴とする、請求項１０記載の装置。
前記基準電圧源から前記駆動回路へと前記電力を伝送する伝送手段、および前記自励発振回路における自励発振状態を自己診断する診断手段を備えており、前記自己診断の結果を前記伝送手段を通して出力することを特徴とする、請求項１０または１１記載の装置。
振動子を用いて物理量を測定する物理量測定器に対して電力を供給する方法であって、
前記物理量測定器が、前記振動子に駆動信号を供給するための駆動回路、前記振動子から出力される出力信号を処理し、前記物理量に対応するアナログの検出信号を得るための検出回路、および前記検出信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器を備えており、前記駆動回路および前記アナログ−デジタル変換器に対して共通の基準電圧源から電力を供給し、この際前記基準電圧源から前記駆動回路へと供給された電圧と、前記基準電圧源から前記アナログ−デジタル変換器へと供給された電圧との比率を制御する制御手段を使用して前記比率を変化させることを特徴とする、電力供給方法。
前記物理量が、移動体の運動に関する物理量であり、前記基準電圧源が前記移動体の電子制御ユニット内に設けられていることを特徴とする、請求項１３記載の方法。
前記物理量は、前記移動体が横転する際に発生する回転角速度であり、前記回転角速度は、前記移動体の横転が始まる初期段階よりも横転の進行段階の方が大きく、前記進行段階において前記基準電圧源から前記駆動回路へと供給された電圧を、前記初期段階において前記基準電圧源から前記駆動回路へと供給された電圧よりも小さくすることを特徴とする、請求項１４記載の方法。