JPH07218270A - 車両運動検出装置およびその検出感度調整方法 - Google Patents
車両運動検出装置およびその検出感度調整方法Info
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Abstract
ンサ)を検出する装置において、高インピーダンス部品
を使用せず、検出感度を調整容易とする。 【構成】 圧電効果を有する検出用圧電素子24,25
からの出力をスイッチドキャパシタ回路の入力コンデン
サCa,Cbに接続し、演算増幅器41,42の出力側
と反転入力端子との間に接続されている調整用コンデン
サC1〜C5,C11〜C15の入り切りをアナログス
イッチ51〜55,61〜65により設定し、両コンデ
ンサの容量比(即ち増幅度)を調整する。この結果、検
出用圧電素子24,25がコリオリの力により生じる電
荷を電圧に変換し、電荷の漏洩や外部ノイズの影響を受
けることなく、精度良く角速度を検出することが可能と
なる。また、アナログスイッチにより容量比を調整でき
るので、角速度の検出感度の調整も容易となる。
Description
び車両運動の検出感度の調整方法に関し、詳しくは車両
運動に起因する力が加わる位置に配置された圧電効果を
有する素子の出力に基づいて車両運動を検出する車両運
動検出装置およびその検出感度の調整方法に関する。
て、例えば角速度に起因するコリオリの力が作用する位
置に圧電効果を有する素子を配置し、その出力(電荷)
を電圧信号に変換して増幅し、角速度に対応した信号と
して出力する装置が知られている(例えば特開平4−2
95716号公報)。また、この種の検出装置では、検
出の感動を調整できるよう増幅器を設計する必要があ
る。図6および図7に、従来の感度調整回路を備えた増
幅回路の例を示す。これらの検出装置では、圧電素子に
生じた電荷は、オペアンプ(演算増幅器)OP1,OP
2を用いた電荷−電圧変換回路のトリミング抵抗器VR
1,VR2(図6)、または抵抗器R1,R2(図7)
により電圧信号に変換される。尚、図6,図7におい
て、増幅器OP3,OP4は、増幅度1の反転増幅器で
あり、可変抵抗器VR3,VR4は、感度バランス調整
用の抵抗器(アテネータ)であり、演算器OP5,OP
6は、加算器である。
た従来の検出装置では、電荷−電圧変換用のトリミング
抵抗器VR1,VR2や抵抗器R1,R2など非常に高
い抵抗値を持った部材が必要となるという問題があっ
た。こうした高いインピーダンスの部材は、半導体の製
造工程では組み込めないから、通常ハイブリッドIC
上、あるいはプリント基板上に高インピーダンス部材を
設けた構造となる。この場合、圧電効果を有する素子か
らの微少な電荷が基板側に漏れたり、外部からのノイズ
の影響を受け易いという問題があった。また、こうした
部材は、半導体集積回路と比較してかなり大きいため、
検出装置全体の小型化の要請に対して、開発上の隘路と
なっていた。
は、検出感度の調整とトリミングの工程とを同時に実施
することが困難なため、検出感度を精度良く調整するこ
とができないという問題も指摘されていた。こうした問
題は、ひとり角速度検出装置だけのものではなく、車両
加速度など車両運動に起因する力を検出する装置には、
共通のものであった。
の調整方法は、こうした問題を解決し、高インピーダン
ス部品を使用せずに装置を構成し、検出感度の調整を容
易とすることを目的としてなされ、次の構成を採った。
置は、圧電効果を有し車両運動に起因する力が加わる位
置に配置された素子の出力に基づいて該車両運動を検出
する車両運動検出装置であって、該素子の出力を、スイ
ッチドキャパシタ回路の入力コンデンサに接続すると共
に、該スイッチドキャパシタ回路の演算増幅器の出力と
反転入力との間に接続された第2のコンデンサと、前記
入力コンデンサとの容量比を可変するキャパシタンス可
変手段を設けたことを要旨とする。
法は、圧電効果を有する素子を車両運動に起因する力が
加わる位置に配置し、該素子からの出力をスイッチドキ
ャパシタ回路の入力コンデンサに接続し、前記素子に所
定の車両運動に起因する力を加えた条件下で、所定の大
きさの出力が得られるよう、前記スイッチドキャパシタ
回路の演算増幅器の出力と反転入力との間に接続された
第2のコンデンサと前記入力コンデンサとの容量比を可
変することを要旨とする。
装置は、圧電効果を有する素子が車両運動に起因する力
の加わる位置に配置されているから、車両運動が加わる
と、この素子には車両運動に起因する力に対応した電荷
を生じる。この素子の出力は、スイッチドキャパシタ回
路の入力コンデンサに接続されており、スイッチドキャ
パシタ回路には、スイッチドキャパシタ回路の演算増幅
器の出力と反転入力との間に接続された第2のコンデン
サと入力コンデンサとの容量比を可変するキャパシタン
ス可変手段が設けられている。従って、素子の電荷は、
入力コンデンサにより電圧信号に変換され、スイッチド
キャパシタ回路により所定の増幅度で増幅される。スイ
ッチドキャパシタ回路の増幅度は、両コンデンサの容量
比により定まるから、このキャパシタンス可変手段によ
り、容量比を可変することにより、増幅度を設定し、感
度バランスの調整が可能となる。
法によれば、実際に車両運動加えた状態で両コンデンサ
の容量比を可変することにより、検出感度を調整するの
で、調整を容易に行なうことができる。
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。図1は、本発明の一実施例として車両運動の中
でも角速度を検出する角速度センサ1の構成を示したブ
ロック図、図2は、センサ素子10の外観を示す斜視図
である。
子であるセンサ素子10と、センサ素子10に所定の定
常振動を与える励振回路30と、センサ素子10からの
信号を処理し角速度信号として出力する信号処理回路4
0とから構成される。センサ素子10からの信号は、図
1,図2に示すy軸方向の振動状態を反映した電気信号
に相当する。
されるように音叉形をしており、2つの振動部12,1
4と、2つの振動部12,14を支持する支持部16
と、支持部16により振動部12,14を自由端として
固定する固定部18とから構成されている。なお、図1
のセンサ素子10は、図2に示されるセンサ素子10を
z軸方向に沿って上から図示したものである。
2,14のy−z平面と平行な側面のうち外側の2面に
は、圧電素子である励振用圧電素子22,23が接着・
固定されており、励振用圧電素子22,23は、導電ラ
インにより励振回路30に接続されている。また、振動
部12,14のx−z平面と平行な側面の一方の面に
は、圧電効果を有する検出用圧電素子24,25が接着
・固定されている。検出用圧電素子24,25は、高い
絶縁を有する導電ラインで信号処理回路40に接続され
ている。
周波数の交流電圧を励振用圧電素子22,23に同じ位
相で印加することにより、振動部12,14に、図1に
示すx軸方向の一定振幅の定常振動を生じさせる。かか
る励振回路30は、単純な正弦波の発振回路とその発振
回路の出力を電力増幅する回路とにより構成することが
できる。
いるのは、音叉型のセンサ素子10では振動子が2組あ
り、ここに圧電効果を有する素子を2個取り付けること
で、横加速度による影響を取り除くことができるからで
ある。即ち、検出用圧電素子24,25を取り付けた両
振動子は、x軸方向に位相が180度異なった振動をし
ているから、角速度によるコリオリの力は反対方向にな
り、角速度センサ1に横加速度によるたわみが加わって
も、両振動子からの信号を反転して加えることで、横加
速度による出力を相殺して、角速度による信号だけを取
り出すことができる。
いて説明する。信号処理回路40の内部構成を、図3に
示す。図示するように、信号処理回路40は、検出用圧
電素子24,25の各々に対応して、ほぼ同一の回路が
2系統設けられており、両回路の出力が加算器45に入
力されて、最終的な出力信号が得られる構成となってい
る。2系統設けられたほぼ同一の回路とは、いわゆるス
イッチドキャパシタ回路である。その一方は、検出用圧
電素子24の出力を処理する回路であり、スイッチング
回路48に両端が接続された入力コンデンサCa、演算
増幅器41、演算増幅器41の反転入力端子と出力端子
との間に並列的に設けられアナログスイッチ51ないし
55を介して出力端子に接続された調整用コンデンサC
1ないしC5、および演算増幅器41の反転入力端子と
出力端子とを短絡するアナログスイッチ50を基本的な
構成とする回路である。
子25の出力を処理する回路であり、スイッチング回路
49に両端が接続された入力コンデンサCb、演算増幅
器42、この演算増幅器42の反転入力端子と出力端子
との間に並列的に設けられアナログスイッチ61ないし
65を介して出力端子に接続された調整用コンデンサC
11ないしC15、演算増幅器42の反転入力端子と出
力端子とを短絡するアナログスイッチ60、および演算
増幅器42の出力を反転増幅する増幅度1の反転増幅器
43を基本的な構成とする回路である。これら2系統の
回路の出力は、最終的に加算器45に入力さている。な
お、信号処理回路40には、この他、切替信号φ1を生
成する発振回路47が設けられている。
ンデンサC11〜C15は、本実施例では、各々5組と
したが、更に多数設けても差し支えない。また、これら
の調整用コンデンサは、半導体の製造工程において、高
誘電率絶縁膜を用いたスタックトキャパシタセルや溝を
形成したトレンチキャパシタなどにより、必要な容量の
ものを容易に形成することができる。
11〜C15に直列に接続されたアナログスイッチ51
〜55,61〜65は、そのオン・オフにより、並列接
続される調整コンデンサ全体の容量を設定するのに用い
られる。このアナログスイッチ51〜55,61〜65
は、MOS−FETを用いたものであり、そのゲートに
電圧を加えると、導通状態となり、そのアナログスイッ
チに接続されたコンデンサの容量が加算されて全体の容
量となる。これらの調整用コンデンサC1〜C5,C1
1〜C15は、本実施例では、この順に容量が1/2に
なるよう調整されている。従って、最も小さい容量のコ
ンデンサC5またはC15の容量を基本容量c0 とする
と、この基本容量c0 から31・c0まで、容量を可変
することができる。例えば、アナログスイッチ51,5
3,55がオンとなれば、全体の容量は、 (1+4+16)c0=21・c0 となる。
び61〜65のゲートは、不揮発的ゲートJ1〜J5,
J11〜J15に接続されている。この不揮発的ゲート
は、外部から電圧を加えることで、その状態を設定でき
しかもその状態を次の電圧の印加まで不揮発的に記憶し
ている。図3では、その機能を分かりやすく示すため
に、等価的に、調整用ヒューズとして図示し、このゲー
トがオン状態でアナログスイッチのゲートをハイレベル
に保持するよう電源ラインにプルアップされているもの
とした。この不揮発的ゲートのいずれかに電圧を印加し
て、その状態をオンとすれば、対応するアナログスイッ
チもオン状態となり、直列に接続された調整用コンデン
サC1〜C5,C11〜C15の容量が、スイッチドキ
ャパシタ回路に寄与するものとなる。不揮発的ゲートJ
1〜J5、および不揮発的ゲートJ11〜J15を、そ
れぞれ調整用コンデンサによるキャパシタンス(容量)
の可変手段と見て、キャパシタンス可変回路71,72
と呼ぶ。なお、本実施例では、演算増幅器41,42の
反転入力端子と出力端子間に設けられたコンデンサのキ
ャパシタンスを可変する構成としているが、後述する用
に、このスイッチドキャパシタ回路のゲインは、入力コ
ンデンサCと調整用コンデンサとの容量比で定まるか
ら、入力コンデンサCのキャパシタンスもしくは両コン
デンサCのキャパシタンスを可変する構成も、等価なも
のとして扱うことができる。
たスイッチング回路48,49は、各々二つのトランス
ファ接点を備え、そのコモン端子が入力コンデンサC
a,Cbの両端に接続されている。スイッチング回路4
8,49の一方のトランスファ接点の切替側は、検出用
圧電素子24,25の出力と接地ラインに、他方のトラ
ンスファ接点の切替側は、演算増幅器41,42反転入
力端子と接地ラインに、各々接続されている。両トラン
スファ接点は、切替信号φ1により逆相に切り替えられ
る回路であり、図3に示したデフォルトの切替状態で
は、検出用圧電素子24,25の電荷により入力コンデ
ンサCa,Cbを充電する。一方、切替信号φ1がオン
となっている期間では、その切替状態は反転し、入力コ
ンデンサCa,Cbに蓄えられた電荷による電圧が、演
算増幅器41,42の反転入力に加えられる。検出用圧
電素子24,25から入力コンデンサCa,Cbに蓄え
られた電荷をQa,Qbとすると、その出力電圧Va,
Vbは、 Va=−Qa/Ca Vb=−Qb/Cb となる。
ナログスイッチ50,60にも出力されており、入力コ
ンデンサCa,Cbが演算増幅器41,42に接続され
た状態で、アナログスイッチ50,60をオフ状態に制
御する。即ち、演算増幅器41,42は、その反転入力
端子に上記電圧が印加されたとき、その演算増幅機能に
より、反転入力端子−出力端子間の調整用コンデンサの
両端に次の電圧Vc1,Vc2を生起する。即ち、調整
用コンデンサの容量がCcであるとして、 Vc1=−(Ca/Cc)×Va Vc2=−(CB/Cc)×Vb となる。即ち、このスイッチドキャパシタ回路の増幅度
Aa,Abは、 Aa=−Ca/Cc Ab=−CB/Cc である。なお、発振回路47が出力する切替信号φ1
は、検出用圧電素子24,25の電荷信号の変化に較べ
て、非常に高い周波数、通常2桁程度以上高い周期の矩
形波であり、その信号のデューティは50パーセントで
ある。
のように製造、調整、使用される。まず、半導体の製造
工程において、半導体の製造プロセスにより、演算増幅
器40,41,43や加算器45はもとより、アナログ
スイッチ50〜55、60〜65、スイッチング回路4
8,49、更に入力コンデンサCa,コンデンサCbお
よび調整用コンデンサC1〜C5,C11〜C15が形
成される。また、キャパシタンス可変回路71,72も
半導体の製造工程により、半導体基板上に作り込むこと
ができる。図3には示していないが、このキャパシタン
ス可変回路71,72の不揮発的ゲートJ1〜J5,J
11〜J15を設定する回路も組み込まれ、その制御端
子が外部に引き出される。
出用圧電素子24,25に接続し、実際に角速度を加え
る。検出用圧電素子24,25の感度の相違は、キャパ
シタンス可変回路71,72の不揮発的ゲートを外部か
ら設定することにより自由に行なうことができる。特
に、本実施例では、センサ素子10として音叉型のもの
を用いているから、検出用圧電素子24,25の出力
を、演算増幅器43で反転して加算器45により加える
ことで、センサ素子10に加わる横加速度のような回転
に起因しない同相成分を除去することができる。そこ
で、センサ素子10にこうした横加速度を加え、信号処
理回路40の出力がオフセットしないよう、キャパシタ
ンス可変回路71,72を調整することで、感度,精度
に優れた角速度センサ1を実現することができる。
は、例えば角速度センサ1を車両に取り付け、ヨーレー
トセンサとして利用する。信号処理回路40が角速度セ
ンサに接続され、全体の電源ONされると、励振回路3
0から励振用圧電素子22,23に振動部12,14の
共振周波数の交流電圧が印加され、振動部12,14に
x軸方向に一定振幅の定常振動が生じる。このx軸方向
の定常振動が生じている状態で、角速度センサ1に回転
角速度ωが作用すると、振動部12,14にコリオリ力
F(F=2mV・ω、ここでmは振動子の質量、Vは振
動の速度)が作用し、振動部12,14は、y軸方向に
も振動して、全体として楕円運動を生起する。このy軸
方向の振動成分は、検出用圧電素子24,25の圧電効
果により電気信号として信号処理回路40に出力され、
この電気信号は、2系統のスイッチドキャパシタ回路に
より増幅され、加算器45で反転の上、重ね合わされ
る。従って、横加速度などの同相成分は打ち消され、回
転角速度ωに起因する振動部12,14の振動状態を反
映した信号のみが得られる。
高インピーダンス部材を使用する必要がなく、従って、
検出用圧電素子24,25からの電荷の漏れや、外部か
らのノイズの影響などを格段に軽減することができる。
しかも、装置全体を半導体の製造工程のみで製造できる
ので、装置を小型化でき、信頼性も高めることができ
る。更に、検出用圧電素子24,25からの信号に基づ
いて角速度を検出する回路の感度の調整を抵抗器のトリ
ミングや外付け可変抵抗器などによる必要がないので、
装置の組立後に、実際に検出を行ないつつ、調整するこ
とができる。
て、第2のコンデンサと並列に設けられた容量の異なる
複数のコンデンサと、複数のコンデンサの接続を入り切
りするスイッチング素子とを併設する構成を、更に具体
化した構成を採用したが、複数のコンデンサの数は幾つ
でも良く、またその接続は直列であっても差し支えな
い。また、実施例では、音叉型の振動子を採用したが、
圧電効果を有する素子を、音叉型、ロの字型などの振動
子であって位相の反転した振動箇所を少なくとも2箇所
有する振動子上に各々設けると共に、スイッチドキャパ
シタ回路を二組設け、素子からの出力を、各々スイッチ
ドキャパシタ回路に接続し、スイッチドキャパシタ回路
の出力の一方を反転した上で両者を加算する構成とすれ
ば、振動子に加わる同相モードの力(例えば横加速度)
をキャンセルできるので、検出精度の向上に資すること
ができる。両信号を加算する構成などは、種々のものを
考えることができる。
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、例えば信号処理回路40をセンサ素子10上に一体
に作り込んだ構成、スイッチドキャパシタ回路を図4の
ように調整用コンデンサを挟む2つのアナログスイッチ
と共に構成したもの、あるいは図5に示すように出力側
にも切替信号φ1により入力側のスイッチング回路4
8,49と同期して動作するスイッチング素子81とコ
ンデンサCR ,CQ を設けて出力信号を平滑化した構成
など、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々
なる態様で実施し得ることは勿論である。
れるものではなく、車両運動に伴う力を検出するあらゆ
る装置に適用可能である。例えば、車両加速度(進行方
向に限らず、上下方向、横方向の加速度などにも適用で
きる)、衝突による衝撃(負の加速度)、たわみやロー
ルの力などの検出とその感度調整に適用することもでき
る。また、本発明の構成によれば、発生する電荷が小さ
い圧電素子であっても、実用に耐える検出装置を構成す
ることが可能であり、例えは水晶のように、発生する電
荷が非常に小さい圧電素子を用いる場合、特にその効果
が大きい。
出装置では、圧電効果を有する素子からの信号を処理す
る回路に高インピーダンス部材を必要としないので、圧
電効果を有する素子からの電荷の漏洩や外部ノイズの混
入を低減することができ、車両運動を精度良く検出する
ことが可能となるという優れた効果を奏する。また、キ
ャパシタンス可変手段により検出感度を調整できるか
ら、感度の調整を抵抗器のトリミングなどによる必要が
なく、感度調整を容易に行なうことができるという効果
も得られる。
くなり、半導体の製造工程によりそのまま装置全体が構
成可能であるという効果、装置の小型化、対ノイズ性能
を向上し得るといった効果が得られる。
方法によれば、実際に車両運動による力を加えた状態で
両コンデンサの容量比を可変することにより、検出感度
を調整するので、調整を容易に行なうことができ、検出
精度を高めることができるという優れた効果を奏する。
構成図である。
視図である。
る。
の構成例を示す回路図である。
に他の構成例を示す回路図である。
る回路図である。
ある。
Claims (2)
- 【請求項1】 圧電効果を有し車両運動に起因する力が
加わる位置に配置された素子の出力に基づいて該車両運
動を検出する車両運動検出装置であって、 該素子の出力を、スイッチドキャパシタ回路の入力コン
デンサに接続すると共に、 該スイッチドキャパシタ回路の演算増幅器の出力と反転
入力との間に接続された第2のコンデンサと、前記入力
コンデンサとの容量比を可変するキャパシタンス可変手
段を設けた車両運動検出装置。 - 【請求項2】 圧電効果を有する素子を車両運動に起因
する力が加わる位置に配置し、 該素子からの出力をスイッチドキャパシタ回路の入力コ
ンデンサに接続し、 前記素子に所定の車両運動に起因する力を加えた条件下
で、所定の大きさの出力が得られるよう、前記スイッチ
ドキャパシタ回路の演算増幅器の出力と反転入力との間
に接続された第2のコンデンサと前記入力コンデンサと
の容量比を可変する車両運動の検出感度調整方法。
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JP06032866A JP3141676B2 (ja) | 1994-02-03 | 1994-02-03 | 車両運動検出装置およびその検出感度調整方法 |
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