(57)【要約】【課題】エンジンルーム等の温度変化範囲が広く、また振動や電磁ノイズの影響が大きい環境に設置して動作させる場合、これらのセンサの信頼性を高く保つ必要がある。【解決手段】角速度検出素子の共振周波数の変動を検出し、その変動に検出素子を駆動する信号の周波数と、センサ素子の共振周波数と制御回路のクロック周波数を同期化する手段と、角速度の駆動，検出と検出結果の特性補正を並列で実行する２つのＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）と、制御プログラムが格納されたＲＯＭの先頭番地から最終番地までのプログラムを１番地ずつかつ周期的に繰り返し実行する手段と、通信路上でのノイズや電源変動によるデータ誤りを検出するための誤り検出符号をセンサ出力と一緒に送信する手段とで構成される。【効果】位相の変動を補正する手段を設けることなく常に検出精度を一定に保てる。【選択図】  図１
2011064515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交する第１の方向および第２の方向に変位可能な振動体を有し、振動体を第１の方向に振動させた状態において、角速度の発生により、振動体が第２の方向に変位したときの変位量を角速度として検出し、および、第１の方向および第２の方向の変位量を加速度として検出する角速度，加速度検出装置において、第１の方向の振動の周波数に対し、その整数倍のクロックで制御回路を動作させる手段を有することを特徴とする角速度および加速度検出装置。
【請求項２】
互いに直交する第１の方向および第２の方向に変位可能な振動体を有し、振動体を第１の方向に振動させた状態において、角速度の発生により、振動体が第２の方向に変位したときの変位量を角速度として検出し、および、第１の方向および第２の方向の変位量を加速度として検出する角速度，加速度検出装置において、第一の方向の振動制御および第２の方向の変位検出を実行する演算器と変位検出結果の特性補正を実行する演算器を有することを特徴とする角速度および加速度検出装置。
【請求項３】
互いに直交する第１の方向および第２の方向に変位可能な振動体を有し、振動体を第１の方向に振動させた状態において、角速度の発生により、振動体が第２の方向に変位したときの変位量を角速度として検出し、および、第１の方向および第２の方向の変位量を加速度として検出する角速度，加速度検出装置において、外部装置に対し検出情報および診断情報とともに誤り検出符号を送出することを特徴とする角速度および加速度検出装置。
【請求項４】
請求項１において、
制御回路は、振動体を第１の方向に駆動する信号の周波数および振幅を調整する手段と、第２の方向の変位量から角速度を検出する手段と、検出した角速度検出信号および第１の方向および第２の方向の加速度検出信号を温度補正する手段と、前記の手段を診断する手段からなることを特徴とする角速度および加速度検出装置。
【請求項５】
請求項２において、
前記演算器が、０番地からプログラムカウンタの最大カウント値までのアドレスを巡回する巡回型のプログラムで動作し、電源投入時でのリセットを不要に構成されていることを特徴とする角速度および加速度検出装置。
【請求項６】
請求項３において、
外部装置に対し送出する信号は、角速度検出信号と加速度検出信号と診断結果と誤り検出符号であることを特徴とする角速度および加速度検出装置。
【請求項７】
互いに直交する第１の方向および第２の方向に変位可能な振動体を有し、振動体を第１の方向に振動させた状態において、角速度の発生により、振動体が第２の方向に変位したときの変位量を静電容量の変化として検出する手段と、前記静電容量の変化をデジタル情報に変換する手段と、第１の方向に変位可能な振動体を有し、その変位量を静電容量の変化として検出する手段と、前記静電容量の変化をデジタル情報に変換する手段と、第２の方向に変位可能な振動体を有し、その変位量を静電容量の変化として検出する手段と、前記静電容量の変化をデジタル情報に変換する手段と、前記、互いに直交する第１の方向および第２の方向に変位可能な振動体を第１の方向に振動させる駆動信号の周波数を調整する手段と、前記周波数を調整する手段の出力に応じて制御回路の基本動作クロックの周波数および前記駆動信号の周波数を変更する手段と、前記第１の方向に振動させる駆動信号の振幅を調整する手段と、前記振動体の第２の方向から角速度を検出する手段と、周囲温度を検出する手段と、前記角速度の検出情報に対し特性変動を補正する手段と、第１の方向の加速度の検出情報に対し特性変動を補正する手段と、第２の方向の加速度の検出情報に対し特性変動を補正する手段と、前記振動体および制御回路に対して自己診断を行う手段と、角速度の検出情報と、互いに異なる２つの方向の加速度の検出情報と診断情報を外部装置に通信にて送出する手段とを有することを特徴とする角速度および加速度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動式の角速度センサに係り，特に振動体の変位信号の位相変動の影響を低減する角速度および加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動式の角速度センサを高精度に制御する方法としては、特許文献１，２，３に記載のような装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３６０３５０１号公報
【特許文献２】特許第３７２９１９１号公報
【特許文献３】特開平５−２９６７７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
自動車での走行時の安全を確保するために必要な角速度や加速度を検出するセンサを、エンジンルーム等の温度変化範囲が広く、また振動や電磁ノイズの影響が大きい環境に設置して動作させる場合、これらのセンサの信頼性を高く保つ必要がある。このような課題に対して、特許文献１では、角速度センサ出力の温度変動を補正するため、得られたセンサ出力に対し、マイクロプロセッサにより補正を行う例が示されている。特許文献２では、角速度検出素子の出力が変動しても検出精度を保つため、複数の同期検波回路の出力値を用いる例が示されている。また特許文献３では、センサ内の故障の有無を判定し、センサ出力に故障検出結果を付加して出力する例が開示されている。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
角速度検出素子の共振周波数の変動量を検出し、検出素子を駆動する信号の周波数と、センサ制御を行う回路の基本クロックの周波数を追従させることで、常にセンサ素子の共振周波数と制御回路のクロック周波数を同期化する手段と、角速度検出素子の駆動と角速度の検出を高速に実行する演算手段と、角速度および加速度の検出結果に対し、低速で特性補正を実行する演算手段を並列で動作させ安定したセンサ動作を実現する手段と、上記２つの演算手段で実行する演算命令から成る制御プログラムが格納された情報記憶手段の先頭番地から最終番地までのプログラムを１番地ずつ順番に実行し、その一連の処理を周期的に繰り返す手段と、外部へのセンサ出力および診断結果を通信にて出力する際に、通信路上でのノイズや電源変動によるデータ誤りを検出するための誤り検出符号を一緒に送信する手段とで構成される。
【発明の効果】
【０００７】
角速度検出素子の共振周波数と制御回路の動作クロックが同期しているため、位相の変動を補正する手段を設けることなく常に検出精度を一定に保てる。また、制御プログラムが０番地から最終番地までに格納された命令コードを単純に１番地ずつ実行し、最終番地の命令を実行後、再び０番地から最終番地までの命令実行を繰り返す構造のため、分岐命令や、条件ジャンプ命令に起因する、特定の処理の繰り返しの状態（いわゆるプログラムの暴走）が回避される。さらにセンサ出力を外部装置に送信する際に誤り検出符号を付加することで、外部装置側で受信したデータの正誤判定ができ、送信した情報の信頼性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例のセンサ制御回路のブロック図。
【図２】実施例の駆動周波数調整部のタイミングチャート。
【図３】実施例のデジタル・シグナル・プロセッサによるブロック図。
【図４】実施例の通信部のブロック図。
【図５】実施例の誤り符合生成部のブロック図。
【図６】実施例の通信部のタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例を図１〜図６により説明する。
【００１０】
図１は第１の実施例の角速度センサおよび加速度センサの制御回路のブロック図である。本実施例の角速度検出素子１０１は所定の質量を持ち所定の振動周波数ｆｄで振動軸方向に振動する振動子１０２と、振動子１０２の振動方向の振動振幅および振動周波数を調整するために静電気力を働かせる固定電極（外力印加手段）１０３と、振動子１０２の振動振幅および振動周波数を静電容量の変化で検出する電極（変位検出手段）１０４および１０５と、角速度の印加で生じるコリオリ力により振動軸と直角の方向に振動子１０２に生じる変位を静電容量の変化で検出する固定電極１０６および１０７（変位検出手段）と、振動子１０２に働くコリオリ力を打ち消すように振動子１０２に静電気力を働かせる固定電極１０８および１０９（サーボ電圧印加手段）により構成される。
【００１１】
また、検出素子１０１と固定電極１０４の間の静電容量および検出素子１０１と固定電極１０５の間の静電容量の差分を検出することにより検出素子１０１に働く振動方向の変位を検出する容量検出器１１０と、容量検出器１１０の出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換器１４５と、検波信号Φ１で同期検波を行う乗算器１１３と、乗算器１１３の出力を一定周期ごとに加算する積分器１１８から成る駆動周波数調整部１５１を有す。
【００１２】
また、位相調整器１１６でΦ１の位相を９０°遅らせた検波信号Φ２で同期検波を行う乗算器１１４と、予め設定した基準振幅値レジスタ１２５の値との差分を取る減算器１１７と、減算器１１７の出力を一定周期ごとに加算する積分器１１９から成る駆動振幅調整部１５２を有す。
【００１３】
また、振動子１０２と固定電極１０６の間の静電容量および振動子１０２と固定電極１０７の間の静電容量の差分を検出することで、振動子１０２に働くコリオリ力による変位を検出し、デジタル信号に変換する容量検出器１１２と、容量検出器１１２の出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換器１４６と、検波信号Φ２で同期検波を行うための乗算器１１５と、乗算器１１５の出力を一定周期ごとに加算する積分器１２０と、積分器１２０の出力と検波信号Φ１を乗算する乗算器１２１から成る角速度検出部１５３を有す。
【００１４】
また、積分器１１８の出力に応じた周波数の基本クロックを出力するＶＣＯ（ボルテージ・コントロール・オシレータ）１２２と、ＶＣＯ１２２の出力を分周して駆動信号および検波信号Φ１を出力するクロック生成部１２３を有す。
【００１５】
また、左右方向（以下Ｘ軸方向と称す）に加速度が加わったときに変位する振動子１２８と前後方向（以下Ｙ軸方向と称す）に加速度が加わったときに変位する振動子１２９と、Ｘ軸およびＹ軸方向の変位量を静電容量の変化で検出する電極１３０および１３２と、電圧を印加し、強制的に振動子１２８をＸ軸方向に、振動子１２９をＹ軸方向に変位させる電極１３１および１３３と、変位による静電容量の変化を検出し電圧として出力する容量検出器１３５および１３６と、検出した電圧をデジタル信号に変換するＡＤ変換器１４８および１４９と、周囲温度を検出し電圧に変換して出力する温度センサ１３７と、その出力電圧をデジタル信号に変換するＡＤ変換器１３８を有す。
【００１６】
また、温度センサ１３７の出力に応じて、角速度センサ出力と加速度センサの出力を補正する特性補正１３９，１４０および１４１と、センサ内の各機能に対し、自己診断を行う診断部１４２と、センサ出力を外部装置に出力する通信部１４３で構成する。
【００１７】
つぎに動作について説明する。駆動周波数調整部１５１では、振動子１０２の駆動方向の振動が共振状態となるように駆動信号の周波数を調整する。駆動信号による角速度検出素子１０１の変位を固定電極１０４，１０５により検出し容量検出器１１０に入力する。容量検出器１１０とＡＤ変換器１４５を介して得られる振動子の変位信号に対し、同期検波部１１３で同期検波を行い、振動軸方向の振動変位を検出する。つぎに、積分器１１８において、同期検波１１３で得られた信号を積分する。図２に駆動周波数調整部１５１のタイムチャートを示す。駆動信号と変位信号は、共振状態すなわちｆｖ（駆動信号の周波数）＝ｆｄ（駆動方向の共振周波数）のとき、位相が９０°異なるという特性がある。したがって、変位信号に対し検波信号Φ１で同期検波を行ったとき、同期検波の出力が差し引き０になれば共振状態ということである。そのとき積分器１１８の出力は一定値に収束する。そして、積分器１１８で得られた信号をＶＣＯ１２２に出力する。さらにクロック生成部１２３で駆動信号を作成する。また、図２のタイムチャートに示すように、ＶＣＯが出力する基本クロックは、駆動信号の変化に追従して周波数が変化する。
【００１８】
駆動振幅調整部１５２では、振動子１０２の駆動方向の振動の振幅が振幅基準値レジスタ１２５の値に一致するように駆動信号の振幅を調整する。ＡＤ変換器１４５を介して得られる振動子の変位信号に対し、同期検波部１１４で同期検波を行い、振動軸方向の振動変位を検出する。つぎに、減算器１１７で目標値との差分を求め、積分器１１９において積分する。同期検波１１４の出力が振幅基準値１２５と一致するとき、差分は０となる。その結果、積分器１１８の出力は一定値に収束する。そして、積分器１１８で得られた信号を乗算器１２４に出力する。乗算器１２４では、分周１２３の出力と駆動振幅調整部１６２の出力を乗算し駆動信号を作成する。
【００１９】
角速度検出部１５３では、コリオリ力による振動子１０２の変位を固定電極１０６，１０７と容量検出器１１２により検出する。そして、固定電極１０８，１０９に電圧を印加することで電極と振動子の間に発生する静電気力により振動子１０２に働くコリオリ力による変位を打ち消す動作を行う。すなわち、振動軸と直角方向に生じるコリオリ力よる振動子１０２の変位をゼロにするような電圧をセンサに帰還するようサーボ制御を行う。そして、そのときの帰還電圧の振幅を角速度の検出信号として出力する。具体的には、容量検出器１１２とＡＤ変換器１４６を介して得られる振動子の変位信号に対し、同期検波部１１５で同期検波を行い、振動軸と直角方向の振動変位を検出する。つぎに、積分器１２０において、同期検波１１５で得られた信号を積分する。そして、積分器１２０で得られた信号を振動子１０２に帰還させるため、Φ１を乗算器１２１で乗算し、振動子１０２の振動軸と直角方向の角速度による振動変位に対する帰還信号を生成する。そして、振動子１０２の固定電極１０８へ、また、極性反転１２５で反転した電圧を１０９に印加することで振動軸と直角方向の振動変位を打ち消す。この振動が打ち消されている状態での積分器１２０の出力を角速度検出信号として出力する。
【００２０】
次に、加速度センサの動作について説明する。振動子１２８はＸ軸方向に加わる加速度により、変位に応じた容量の変化が固定電極１３０に生じる。そして容量検出器１３５とＡＤ変換器１４８を介して得られる振動子の変位信号を加速度として検出する。Ｙ軸方向の加速度を検出するための振動子１２９の系についても同様である。
【００２１】
次に、特性補正１３９〜１４１は、温度センサ１３７の検出値により、角速度出力および２方向の加速度出力に対し、温度補正演算と、ローパスフィルタによる高周波ノイズ成分の除去を行う。
【００２２】
次に、診断部１４２では、角速度検出については、駆動機能、角速度検出機能の診断を行う。加速度センサについては、２つの振動子１２８，１２９の固定電極１３１，１３３に診断用の電圧を印加し、強制的に振動子を変位させることで検出素子の正常動作を診断する。
【００２３】
次に、通信１４３では、特性補正された３つのセンサ出力と診断結果を外部に送信する。詳細については図４〜図６で説明する。
【００２４】
図３は、本発明のセンサ制御を実現する回路構成例を示したものである。本実施例のセンサ制御は、２つのＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）２０４および２０５と２つのＲＯＭ（リード・オンリー・メモリ）２０２および２０３に格納した制御プログラムで実現する。ＶＣＯ１２２は、図１の実施例で示したように、角速度検出素子１０１の第１の方向の共振周波数に同期した周波数のクロックを発生する手段である。アドレスカウンタ２０１は、ＶＣＯ１２２から入力する基本クロックにより単純にカウントアップを行うカウンタである。ＤＳＰ−Ａ２０４は、図１で説明した、駆動周波数調整１５１，駆動振幅調整１５２、および角速度検出１５３を実行する。ＤＳＰ−Ｂ２０５は、角速度および加速度の特性補正１３９〜１４１，診断１４２を実行する。ＰＲＯＭ２０６は、積分の係数や特性補正演算の係数を格納するメモリである。またＲＡＭ２０７はＤＳＰ−Ａで演算した結果をＤＳＰ−Ｂ２０５に受け渡すための一次格納バッファである。
【００２５】
次に動作について説明する。２つのＤＳＰはＶＣＯ１２２から出力される基本クロックで動作する。ＤＳＰ−Ａ２０４はＲＯＭ−Ａ２０２の０番地から最終番地（例えば２５５番地）に格納した駆動周波数制御，駆動振幅制御および角速度検出制御を１周期として、例えば共振周波数の４倍の周波数で繰り返し実行する。また、ＤＳＰ−Ｂ２０５はＲＯＭ−Ｂ２０３の０番地から最終番地（例えば４０９５番地）に格納した角速度・加速度の特性補正，診断処理を１周期として、例えば共振周波数の１／４の周波数で繰り返し実行する。したがって、ＤＳＰ−Ｂ２０５の１周期の処理の期間に、ＤＳＰ−Ａ２０４は１周期の処理を１６周期分繰り返す。また、２つのＲＯＭ２０２，２０３に格納された制御プログラムは、条件判断による分岐処理やサブルーチンの呼び出し等の実効番地の飛び越しはなく、メモリの０番地から最終番地までを単純に繰り返すような構成のため、ノイズ等により、１周期の処理が異常となってもまた、正常動作に復帰する方式となっている。そのため、電源投入後、どの番地から処理が開始されても、最長１周期分の処理結果は不定となるが、再度０番地からの処理に戻るので、アドレスカウンタ２０１に対しての電源投入時のリセット機能が不要となる。
【００２６】
図４は、通信１４３の処理を示したものである。レジスタ３０１〜３０３は特性補正１３９〜１４１から出力した３つのセンサ出力を格納する。またレジスタ３０４は診断１４２の診断結果を格納する。カウンタ３０９は、転送クロックが１６個入力する毎に１ずつカウントアップし、０から４までの値を繰り返し出力する機能である。セレクタ３０５は４つのレジスタ出力をカウンタ３０９の出力に応じて選択して出力する機能である。
パラレル・シリアル変換３０６は、セレクタ３０５から出力する１６ビットのパラレルデータを１ビットのシリアルデータに変換する機能である。誤り符号生成３０７は、送出される４つのデータについて送信側と受信側の間の通信路上のノイズによる通信誤りを検出するための符号データを生成する機能である。セレクタ３０８はカウンタ３０９の出力が４のとき誤り符号生成３０７の出力を選択し、それ以外はセンサ出力データと診断結果データを選択する機能である。
【００２７】
図５は、誤り符号生成の一実施例として、ＣＲＣ（巡回冗長検査）方式の誤り検出符号を生成する機能を示したものである。加算器３１０，３１１，３１２は２つの入力データを加算する機能である。ラッチ３１３〜３１８は転送クロックの立ち上がりエッジで入力データを保持する機能であり、図５ではラッチを一部省略して記述しているが、合計１６個のラッチ回路Ｌ０〜Ｌ１５によるビットシフト回路で構成される。レジスタ３０１〜３０４に格納された４つの１６ビットのパラレルデータ（合計６４ビット）を１ビットずつ順次、転送クロックにて入力することにより、１ビットずつ誤り検出符号が出力される仕組みである。
【００２８】
つぎに動作について説明する。図６は本実施例の通信のタイムチャートを示したものである。転送クロックが受信側の外部装置から入力されると、６４クロック目まではレジスタ３０１〜３０４に格納されたデータが順番に１ビットずつ出力され、６５クロック目から８０クロック目までは、前記４つのデータについての誤り検出符号が出力される。受信側の外部装置では５番目の誤り検出符号を用いて、前記４つのデータに通信路上での誤りが無いか否かを検証する。誤りがあった場合は、再度転送クロックを入力し、前記データの通信を再実行する。
【符号の説明】
【００２９】
１０１  角速度検出素子
１０２  振動子
１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８，１０９，１３０，１３１，１３２，１３３  固定電極
１１０，１１２，１３５，１３６  容量検出器
１１３，１１４，１１５  同期検波部
１１６  位相調整器
１１７  減算器
１１８，１１９，１２０  積分器
１２１，１２４  乗算器
１２２  ボルテージ・コントロール・オシレータ
１２３  クロック生成部
１２５  レジスタ
１２８，１２９  加速度検出素子
１３７  温度センサ
１３８，１４５，１４６，１４８，１４９  ＡＤ変換器
１３９  角速度特性補正部
１４０  Ｘ加速度特性補正部
１４１  Ｙ加速度特性補正部
１４２  診断部
１４３  通信部
１４７  ＤＡ変換器
１５１  駆動周波数調整部
１５２  駆動振幅調整部
１５３  角速度検出部
２０１  アドレスカウンタ
２０２，２０３  ＲＯＭ
２０４，２０５  デジタル・シグナル・プロセッサ
２０６  ＰＲＯＭ
２０７  ＲＡＭ
３０１，３０２，３０３，３０４  レジスタ
３０５，３０８  セレクタ
３０６  パラレル・シリアル変換器
３０７  誤り符号生成部
３０９  カウンタ
３１０，３１１，３１２  加算器
３１３，３１４，３１５，３１６，３１７，３１８  ラッチ回路
【図１】
2011064515.tif 000003
【図２】
2011064515.tif 000004
【図３】
2011064515.tif 000005
【図４】
2011064515.tif 000006
【図５】
2011064515.tif 000007
【図６】
2011064515.tif 000008