JPH08178668A - 角速度センサの振動オフセット低減装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】振動子の振動方向と直交する回転軸回りの角速
度を検出する角速度検出素子に付加される外乱振動によ
るオフセット値を低減するに好適な角速度センサ。 【構成】角速度検出用圧電素子１７、１８に発生したコ
リオリ力に比例した電荷量をチャージアンプ３１により
電圧信号に変換し、Ｂ．Ｐ．Ｆ．３２によりノイズを除
去し、同期検波回路３３において検波し角速度信号成分
を抽出したのち、基準電圧器４４のしきい値と平滑回路
４３の出力値を比較して外乱振動の大小を判定する振動
オフセット低減回路を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、移動物体の方位を検知
するジャイロスコープに使用する角速度センサに係り、
特に外乱振動によるノイズ、すなわち、オフセットの周
波数成分を低減するに好適な角速度センサの振動オフセ
ット低減装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の角速度センサは、駆動用圧電バイ
モルフ素子と検知用バイモルフ素子を互いに直交接合し
た１対のセンサ素子を、検知軸に沿って互いに平行に配
列し、駆動用圧電バイモルフ素子の端部を導電部材で接
合し、センサ素子とベース部材との間を金属弾性部材を
用いて支持した構造を有する。この種の装置は、特開昭
６０−２１６２０号、特開昭６０−２２８９１５号の各
公報に開示されており、前者は、外乱ノイズに対するキ
ャンセル効果を期待したものであり、後者は、一方の駆
動用圧電バイモルフ素子により駆動し、他方の駆動圧電
バイモルフ素子を駆動検知用圧電バイモルフ素子として
振動の基準信号を取り出すように構成したもので、ＤＣ
ドリフトが少なく、外乱ノイズに影響されない角速度セ
ンサを追及したものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、何れ
も、車両の走行制御、例えば、４ＷＳ制御において、車
両に発生するヨーレート（ヨーイングの程度を示す指
数）を角速度センサによって検出し、この検出値に基づ
き、後輪の舵角を制御している場合、車両の走行中に角
速度センサに対して路面からくる外乱振動が伝達された
とき、角速度センサの出力信号には、車両に発生する実
際のヨーレート検出分データと、外乱振動に起因するオ
フセット値（制御差異値）とが重畳してしまうおそれが
ある。外乱振動によるオフセット値は、外乱振動と角速
度センサの振動子支持部の共振点とのビートの周波数成
分を有しているため、車両に発生するヨーレートの周波
数成分と外乱振動によるオフセットの周波数成分とが近
接する場合は、角速度センサの出力信号をモニタし、ロ
ーパスフィルタ等を用いて処理したとしても、外乱振動
によるオフセット値を分離することができず、ヨーレー
トの周波数成分と外乱振動によるオフセットの周波数成
分を識別することは困難であった。また、ヨーレートの
周波数成分とノイズの周波数を分離し、ノイズをフィル
タで除去したとしても、ノイズ本来の周波数成分以外に
高調波成分が存在し、この高調波成分がヨーレートの周
波数成分と近接していると、正常なヨーレートを検出す
ることができないという問題点があった。

【０００４】一方、外乱振動によるオフセット値を、機
械的手段を用いて小さく抑えるためには、振動子を支持
する支持部材の径などのサイズを大きくして、支持部材
の剛性を高めることにより、外乱振動が振動子に伝達さ
れるのを防止する必要があった。しかし、支持部材の剛
性を高めれば高めるほど、角速度を検出するために必要
な振動子の固有振動が支持部材を介して外部に伝播さ
れ、このため振動子の固有振動振幅が小さくなったり、
振動速度が減少することになり、振動子の感度が低下し
てしまう。さらに、電源投入時の駆動振動も支持部材を
介して外部に伝播されるため、起動時の応答性も低下す
るという問題点が生じ、上記のように支持部材の剛性を
高めることには限界があり、外乱振動によるオフセット
値を低減することは困難であった。本発明は、上記の問
題点を解決することを目的としてなされたものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、角速度センサの振動子の角速度検出回路の前段に
設けた振動駆動回路の電荷増幅器の出力信号から、振動
子支持部材の共振周波数にほぼ等しい成分を抽出し、そ
の検出値から実際には検出していない高調波成分の大き
さを推定することにより、ノイズによる影響が大である
と判断した場合には、前記出力信号を保持し、外乱振動
の大小を識別することに着眼したものである。すなわち
本発明は、振動子、例えば、駆動用圧電素子と検知用圧
電素子とが検知軸に平行、かつ、互いに直交接合された
音叉型振動子、を振動させる振動子駆動手段、例えば、
後記図１に示す音叉駆動回路２により、駆動信号を付与
すると、音叉型振動子１は振動する。この振動軸に直交
する回転軸方向に回転角速度を付加し、発生したコリオ
リ力による角速度信号成分を制御するものであって、図
１に示した角速度検出用圧電素子１７、１８の表面に発
生したコリオリ力に比例した電荷量をチャージアンプ３
１により電圧信号に変換すると共に、ノイズを除去し、
同期検波回路３３において検波し角速度信号成分を抽出
したのち、その検出値から高調波成分の大きさを推定し
てノイズの影響、外乱振動の大小を判定し、外乱振動の
影響が大きいと判断した場合は、角速度センサの出力を
保持する回路を設けることにより、振動オフセットの低
減を図るものである。すなわち予め設定された振動判定
のしきい値電圧信号を出力する基準電圧器４４と、基準
電圧器４４の出力信号と波形整流器の出力信号を入力す
る比較器４５と、比較器４５の出力信号と角速度検出回
路３からの出力信号を入力する角速度信号保持回路４６
とを備える角速度センサの振動オフセット低減装置を構
成したものである。

【０００６】

【作用】上記の構成の振動子の角速度検出回路、及び、
角速度信号保持回路によれば、外乱振動が小さく、角速
度センサの出力として、平滑回路からの出力信号が、前
記しきい値電圧信号以下のとき、前記角速度検出手段か
らの信号を前記充電器に保持し、角速度センサの出力と
して、平滑回路からの出力信号が、前記しきい値電圧信
号を超えたとき、前記充電器に保持された前記信号を出
力するようにスイッチによる切り替え制御を行なうこと
ができ、これにより、外乱振動が角速度センサに印加さ
れたとき、オフセットを小さく抑えることができる。

【０００７】

【実施例】本発明の実施例を図面と共に説明する。図１
は、本発明の角速度センサの一実施例の構成を示すブロ
ック図である。図１において、音叉型振動子１は、対向
して設けた１対の音叉片１１、１２と、これらを音叉型
に形成されるように接合する接合ブロック１３と、音叉
型振動子１全体を角速度センサの筐体に支持する支持部
材１４と、音叉型振動子１を固有振動数で発振させるた
め、一方側の音叉片１１の固定端に接着して固定された
音叉駆動用圧電素子１５と、音叉型振動子１の振動状態
を検出するため、他方側の音叉片１２の固定端に接着し
て固定された音叉振動検出用圧電素子１６と、音叉型振
動子１に発生する角速度を検出するため、音叉片１１、
１２の自由端に接着、固定された角速度検出用圧電素子
１７、１８からなる。信号処理部は、音叉駆動回路２、
角速度検出回路３、振動オフセット低減回路４からな
る。音叉駆動回路２は、音叉振動検出用圧電素子１６に
発生する電荷信号を電流アンプ２１の入力信号とし、バ
ンドパスフィルタ（以下Ｂ．Ｐ．Ｆ．と記す）２２、オ
ートゲインコントロール（以下ＡＧＣと記す）回路２
３、駆動回路２４を介して、音叉振動用圧電素子１５に
駆動電圧を供給する。またＢ．Ｐ．Ｆ．２２の出力端子
は、整流器２５、平滑回路２６を介して、ＡＧＣ回路２
３の利得制御端子に接続されている。

【０００８】角速度検出回路３は、角速度検出用圧電素
子１７、１８に発生する電荷信号をチャージアンプ３１
の入力信号とし、Ｂ．Ｐ．Ｆ．３２、同期検波回路３
３、Ｌ．Ｐ．Ｆ．３４、直流アンプ３５を介して、角速
度信号を出力する。Ｂ．Ｐ．Ｆ．２２の出力端子は、同
期検波回路３３の檢波タイミング制御端子に接続され、
振動オフセット低減回路４は、チャージアンプ３１の信
号を入力するＢ．Ｐ．Ｆ．４１と、Ｂ．Ｐ．Ｆ．４１、
整流器４２、平滑回路４３を介した信号と、基準電圧器
４４の信号を入力とする信号保持回路４６からなり、振
動によるオフセットを低減した信号を出力する。信号保
持回路４６は、図２に示すように、直流アンプ３５の信
号を入力とし、比較器４５の信号を制御信号とする入力
端スイッチ４６１と、入力端スイッチ４６１の出力端
と、角速度センサの中点電位との間に接続される充電器
４６２と、入力端スイッチと、直流アンプ３５の出力端
を入力とし、比較器４５の信号の信号を制御信号とする
出力端スイッチ４６３からなる。

【０００９】上記の構成において、先ず、音叉型振動子
１の駆動方法を説明する。音叉駆動回路２により、音叉
駆動用圧電素子１５に正弦波駆動電圧信号を印加する
と、音叉型振動子１は固有振動数で振動を開始する。こ
の振動振幅に比例して、音叉振動検出用圧電素子１６の
表面に電荷が発生する。この電荷量を、電流アンプ２１
により電圧に変換し、Ｂ．Ｐ．Ｆ．２２により音叉共振
周波数に一致しないノイズ成分を除去して、音叉振動振
幅信号とする。なお、Ｂ．Ｐ．Ｆ．２２の中心周波数
は、音叉型振動子１の共振周波数に一致するように設定
する。この音叉振動振幅信号を、整流器２４、平滑回路
２５により音叉振動振幅に比例した直流電圧信号に変換
し、ＡＧＣ回路２３の利得制御信号とする。一方Ｂ．
Ｐ．Ｆ．２２からＡＧＣ回路２３に直接入力された音叉
振動振幅信号は、ＡＧＣ回路２３で利得が調整され、駆
動回路２４に入力される。ＡＧＣ回路２３での利得は、
音叉振動振幅信号が大きい場合小さくなり、音叉振動振
幅信号が小さい場合大きくなるように設定する。これに
より、駆動回路２４から、音叉駆動用圧電素子１５に供
給される駆動電圧は、音叉振動振幅が大きい場合は小さ
くなり、音叉振動振幅が小さい場合大きくなるため、音
叉振動振幅を一定に保持するすることができる。ここで
ヨーレートの周波数成分は約８３０Ｈｚ、ノイズの周波
数成分が約４００Ｈｚであり、ノイズの高周波成分は約
８００Ｈｚ近傍に出現する。図１のＢ．Ｐ．Ｆ．３２は
８３０Ｈｚの信号を通過させＢ．Ｐ．Ｆ．４１は４００
Ｈｚの信号を通過させるものとすれば、ノイズを除去す
ることはできるが、ノイズの高周波成分を除去すること
は、フィルタの性能を向上すれば分離不可能ではない
が、金額が嵩んで原価的に引き合わなくなる。本実施例
では、Ｂ．Ｐ．Ｆ．４１で４００Ｈｚのノイズを選択し
てその大きさを検出し、所定の大きさ以上の場合、各速
度検出回路３の出力を保持させ、ノイズの高周波の影響
を受けないように構成している。

【００１０】次に、角速度の検出方法を図３、図４によ
り説明する。図３は、本発明の一実施例の音叉型振動子
１の動作と作用を示す図、図４は、図３における音叉振
動振幅信号とコリオリ力による角速度信号成分につい
て、各部における信号波形の変化を示す図である。音叉
型振動子１の回転軸方向に回転角速度ωを与えると、音
叉振動速度Ｖと回転角速度ωとのベクトル積に比例する
コリオリ力Ｆ_Cが発生する。すなわち、 Ｆ_C∝Ｖ×ω ………（数１） で示されるコリオリ力Ｆ_Cが角速度検出用圧電素子１
７、１８に付加され、このコリオリ力Ｆ_Cに比例した電
荷が、角速度検出用圧電素子１７、１８の表面に発生す
る。角速度検出用圧電素子１７、１８の分極方向を互い
に１８０°反転させて音叉片１１、１２に接着すれば、
それぞれの素子に発生する電荷の和がチャージアンプ３
１に入力される。この電荷量をチャージアンプ３１によ
り電圧に変換しＢ．Ｐ．Ｆ．２２の周波数特性に一致し
ないノイズ成分を除去する。Ｂ．Ｐ．Ｆ．３２の周波数
特性は、Ｂ．Ｐ．Ｆ．２２の周波数特性に一致させる。
ここで音叉振動振幅信号をＡ、音叉の固有振動数をΩ、
ｔを時間（秒）とすると、 Ａ＝ｓｉｎΩｔ ………（数２） の関係があり、また式（数２）より ｄＡ／ｄｔ＝ΩｃｏｓΩｔ ………（数３） が得られ、式（数１）によりコリオリ力Ｆ_Cは音叉の振
動速度に比例し、角速度検出用素子１７、１８に発生す
る電荷信号は、チャージアンプ３１により、さらに位相
が９０°進むから、同期検波回路３３において音叉振動
振幅信号のゼロクロス点で検波すれば、角速度信号成分
を抽出することができる。その後Ｌ．Ｐ．Ｆ．３４で平
滑し、直流アンプ３５で増幅して角速度信号とする。

【００１１】最後に、振動低減機能について説明する。
車両の走行制御、例えば、４ＷＳ制御において、車両に
発生するヨーレートを検出するため、角速度センサを車
体に固定した場合、車体振動により、音叉型振動子１に
外乱振動が伝達される。音叉型振動子１は、１対の音叉
片１１、１２、接合ブロック１３が、支持部材１４で支
持される片持構造であるため、外乱振動の伝達により、
片持構造の固有振動数で共振する。この場合、正規の音
叉固有振動が阻害され、角速度検出用圧電素子１７、１
８に発生する電荷は、角速度信号に比例しなくなり、角
速度センサ出力に、振動によるオフセットが重畳するこ
とになる。本発明の振動オフセット低減回路４は、片持
構造の共振現象に起因するノイズ成分を、チャージアン
プ３１の角速度成分から抽出し、外乱振動の大小を判定
することにより、振動オフセットを低減することを特徴
としている。振動が小さいときは、角速度検出用圧電素
子１７、１８に発生する電荷は、角速度信号に比例して
いる。外乱振動が音叉型振動子１に伝達すると、音叉型
振動子１の固有振動に、片持構造の共振が重畳するた
め、角速度検出用圧電素子１７、１８に発生する電荷信
号には、角速度に比例した信号成分に、外乱振動に起因
したノイズ成分が重畳する。Ｂ．Ｐ．Ｆ．４１の中心周
波数は、音叉型振動子１の片持構造の共振周波数に一致
するように設定する。これにより、Ｂ．Ｐ．Ｆ．４１で
は、外乱振動に起因したノイズ成分を抽出することがで
きる。

【００１２】図５に、外乱振動が小さいときに角速度が
印加された場合のＢ．Ｐ．Ｆ．４１後の出力信号波形の
一例と、角速度センサ出力信号波形の一例を示す。ま
た、図６に、角速度０のときに大きい外乱振動が印加さ
れた場合のＢ．Ｐ．Ｆ．４１後の信号波形の一例と、角
速度センサ出力信号波形の一例を示す。図１に示した
Ｂ．Ｐ．Ｆ．４１の出力信号は、整流器４２、平滑回路
４３により外乱振動振幅に比例した直流電圧信号に変換
される。その後比較器４５において、平滑回路４３の出
力信号と、基準電圧器４４で設定された振動判定しきい
値の電圧信号とを比較する。比較器４５は、平滑回路４
３の出力信号が基準電圧器４４の電圧値信号を超えた場
合には、信号保持回路４６に、入力端スイッチ４６１及
び出力端スイッチ４６３（図２）の切り替え制御信号を
出力する。

【００１３】図２（ａ）に示すように、外乱振動が小さ
いときには、入力端スイッチ４６１及び出力端スイッチ
４６３の接続状態は、角速度センサ出力としては、直流
アンプ３５の信号を直接入力し、同時に直流アンプ３５
の信号を充電器４６２によって保持する。図２（ｂ）に
示すように、外乱振動により平滑回路４３の出力信号が
基準電圧器４４の電圧値信号を超えたときには、入力端
スイッチ４６１、出力端スイッチ４６３の接続を切り替
え、充電器４６２で保持された信号を出力する。これに
より、角速度センサ出力として振動オフセットが発生し
た直後の信号を保持し出力することができるため、外乱
振動が角速度センサに印加されたとき、電気的にオフセ
ットを小さく抑えることができる。図７は、角速度と外
乱振動が同時に印加された場合におけるＢ．Ｐ．Ｆ．４
１後の信号波形図（ａ）、従来のセンサ出力信号波形図
（ｂ）、本発明実施例のセンサ出力波形図（ｃ）であ
る。図示するように、本発明の実施例によれば、Ａ区間
では、角速度センサに角速度信号が入力されている状態
が示され、Ｂ区間では、角速度信号と外乱振動とが角速
度センサに入力されている状態が示されており、同図
（ａ）に示した外乱振動が所定値より大きいＰ点、Ｑ点
の値は、同図（ｃ）に示すように、本実施例の角速度セ
ンサによれば、Ｐ′、Ｑ′にようにフラットになり、セ
ンサの出力を保持するため外乱振動信号の影響が完全に
除去されていることがわかる。

【００１４】

【発明の効果】本発明の実施により、振動が小さいとき
は、角速度センサ出力として角速度検出回路の信号を直
接入力し、外乱振動により、角速度検出回路の信号に、
角速度に比例した信号成分と、外乱振動に起因したノイ
ズ成分とが含まれるときは、角速度センサ出力として振
動オフセットが発生した直後の信号を保持し出力するよ
うに構成したたため、外乱振動が角速度センサに印加さ
れたとき、オフセットを電気的に小さく抑えることがで
きるという効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の信号保持回路の一実施例を示す図であ
る。

【図３】本発明の一実施例の動作と作用を示す図であ
る。

【図４】図３における各部の信号波形図である。

【図５】小さい外乱振動が付加されたときの信号波形図
である。

【図６】大きい外乱振動が印加されたときの信号波形図
である。

【図７】従来技術と本発明の実施例の角速度センサ出力
信号波形の比較を示す図である。

【符号の説明】

１…音叉型振動子 １１、１２…音叉片 １３…接合ブロック １４…支持部材 １５…音叉駆動用圧
電素子 １６…音叉検出用圧電素子 １７、１８…角速度検出用
圧電素子 ２…音叉駆動回路 ２１…電流アンプ ２２、３２、４１…バンドパスフィルタ（Ｂ．Ｐ．
Ｆ．） ２３…オートゲインコントロール（ＡＧＣ）回路 ２４…駆動回路 ２５…整流器 ２６…平滑回路 ３…角速度検出回路 ３１…チャージアンプ ３３…同期検波回路 ３４…ローパスフィ
ルタ（Ｌ．Ｐ．Ｆ．） ３５…直流アンプ ４…振動オフセット低減回路 ４２…整流器 ４３…平滑回路 ４４…基準電圧器 ４５…比較器 ４６…信号保持回路 ４６１…入力端スイッチ ４６２…充
電器 ４６３…出力端スイッチ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動子、この振動子を振動させる振動子駆
   動手段、前記振動子に固定され前記振動子の振動方向と
   直交する回転軸回りの角速度を検出する角速度検出素
   子、この角速度検出素子に発生する電荷信号から角速度
   信号を抽出する角速度検出手段を有する角速度センサの
   振動オフセット低減装置において、 前記角速度検出手段は、 前記角速度検出素子に発生する電荷信号を電圧信号に変
   換する電荷増幅器と、 この電荷増幅器の出力信号を入力し前記振動子の共振周
   波数に等しい周波数成分を通過させる第１の帯域通過濾
   波器と、この帯域通過濾波器の出力を同期検波し直流増
   幅器を介して角速度信号として出力する角速度検出回路
   を有し、 前記電荷増幅器の出力信号を入力する第２の帯域通過濾
   波器と、 この第２の帯域通過濾波器の出力信号を入力する波形整
   流器と、 予め設定された振動判定のしきい値電圧信号を出力する
   基準電圧器と、 この基準電圧器の出力信号と前記波形整流器の出力信号
   を入力する比較器と、 この比較器の出力信号と前記角速度検出手段からの出力
   信号を入力する角速度信号保持回路とを備えることを特
   徴とする角速度センサの振動オフセット低減装置。
2. 【請求項２】 前記波形整流器は、前記第２の帯域通過
   濾波器の出力信号を入力する整流器とこの整流器の出力
   信号を入力する平滑回路からなることを特徴とする請求
   項１記載の角速度センサの振動オフセット低減装置。
3. 【請求項３】前記角速度信号保持回路は、 前記角速度検出手段からの出力信号を入力し、前記比較
   器の出力信号を制御信号とする入力端スイッチと、 この入力端スイッチの出力端と前記振動子の中点電位と
   の間に接続された充電器と、 前記角速度検出手段からの出力信号を入力とし、前記比
   較器の出力信号を制御信号とする出力端スイッチを有す
   ることを特徴とする請求項１記載の角速度センサの振動
   オフセット低減装置。
4. 【請求項４】前記平滑回路からの出力信号が、前記しき
   い値電圧信号以下のとき、前記角速度検出手段からの信
   号を前記充電器に保持し、 前記平滑回路からの出力信号が、前記しきい値電圧信号
   を超えたとき、前記充電器に保持された前記信号を出力
   するように前記入力端スイッチと前記出力端スイッチの
   切り替え制御を行なうことを特徴とする請求項３記載の
   角速度センサの振動オフセット低減装置。