(57)【要約】【課題】振動や電磁ノイズの影響が大きい環境に角速度検出センサを設置した場合でも高精度な角速度検出を実現すること。【解決手段】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、前記振動体を第１の方向に振動させた状態で前記振動体の第２の方向への変位を角速度として検出する角速度検出装置において、前記振動体を第１の方向に振動させる駆動信号の周波数変化に応じて、第２の方向の変位量から角速度を検出するためのサーボ信号の周波数を変化させる。【選択図】  図１
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【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、前記振動体を第１の方向に振動させた状態で前記振動体の第２の方向への変位を角速度として検出する角速度検出装置において、
前記振動体を第１の方向に振動させる駆動信号の周波数変化に応じて、第２の方向の変位量から角速度を検出するためのサーボ信号の周波数を変化させることを特徴とする角速度検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の角速度検出装置において、
前記サーボ信号の周波数を、前記第１の方向に振動させる手段の周波数と同じにしたことを特徴とする角速度検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載の角速度検出装置において、
前記サーボ信号の周波数を、前記第１の方向の共振周波数と同じにしたことを特徴とする角速度検出装置。
【請求項４】
請求項１に記載の角速度検出装置において、
前記サーボ信号を発生する手段の動作周波数を前記第１の方向の振動周波数の整数倍としたことを特徴とする角速度検出装置。
【請求項５】
請求項１に記載の前記角速度検出装置をエンジンコントロールユニットが設けられている基板と同一の基板上に設置したことを特徴とする横滑り防止装置。
【請求項６】
動作保障する温度範囲が−４０℃から１２５℃であることを特徴とする請求項１に記載の角速度検出装置。
【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と、
前記振動体を第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前記振動体が第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、
前記デジタル情報から前記振動体を第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の方向への変位を抑制するように作用するサーボ信号を出力する手段と、
前記周波数を調整する手段の出力に応じて前記サーボ信号の周波数を変更する手段と、を有することを特徴とする角速度検出装置。
【請求項８】
請求項７に記載の前記角速度検出装置をエンジンコントロールユニットが設けられている基板と同一の基板上に設置したこと特徴とする横滑り防止装置。
【請求項９】
動作保障する温度範囲が−４０℃から１２５℃であることを特徴とする請求項７に記載の角速度検出装置。
【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共振周波数変動の影響を低減する角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、例えば、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３７２９１９１号公報
【特許文献２】特開２０００−１０５１２５号公報
【特許文献３】特公平８−７０７０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の横滑り防止装置においては、圧雪路や凍結路での横滑りや旋回等で生じる角速度を検出するセンサの精度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、サーボ制御により角速度を検出する例が示されている。また、特許文献２では、周波数調整制御により振動体を共振周波数で駆動する例が示されている。さらに、特許文献３では、複数周期分のセンサデータをサンプリングし、デジタル制御する例が示されている。
【０００５】
しかしながら、エンジンルーム等の温度変化範囲が広く、振動や電磁ノイズの影響が大きい環境に角速度センサを設置して動作させる場合には、上記の技術に加え、更に、センサの精度を保つ技術が必要となる。
【０００６】
本発明の目的は、振動や電磁ノイズの影響が大きい環境に角速度検出センサを設置した場合でも高精度な角速度検出を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、前記振動体を第１の方向に振動させた状態で前記振動体の第２の方向への変位を角速度として検出する角速度検出装置において、前記振動体を第１の方向に振動させる駆動信号の周波数変化に応じて、第２の方向の変位量から角速度を検出するためのサーボ信号の周波数を変化させる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、振動や電磁ノイズの影響が大きい環境に角速度検出センサを設置した場合でも高精度な角速度検出を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施例のセンサ制御回路のブロック図。
【図２】振動軸方向と検出軸方向の周波数−振幅特性を示す図。
【図３】第１の実施例の駆動周波数調整部のタイミングチャート。
【図４】第１の実施例のサーボ制御を示すタイムチャート。
【図５】第１の実施例のサーボ信号の周波数変化を示すタイムチャート。
【図６】第２の実施例のデジタル・シグナル・プロセッサを用いた角速度センサの制御回路のブロック図。
【図７】実施例の横滑り防止装置のブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例を図１〜図７により説明する。
【００１１】
まず、第１の実施例について図１乃至図５を用いて説明する。
【００１２】
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（共振周波数）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固定電極（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（サーボ信号印加手段）により構成される。
【００１３】
また、角速度検出素子１０１と固定電極１０４の間の静電容量および角速度検出素子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角速度検出素子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から成る同期検波部１３１と、同期検波部１３１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。
【００１４】
また、同期検波部１３１の出力と、予め設定した振幅基準値レジスタ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。
【００１５】
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、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から成る角速度検出部１５３を有す。
【００１６】
また、積分器１２０の出力と検波信号Φ１を乗算する乗算器１２１から成るサーボ信号生成部１５４を有す。
【００１７】
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。
【００１８】
また、温度センサ１３７の出力に応じて、角速度センサの出力を補正する特性補正部１３９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。
【００１９】
つぎに動作について説明する。図２に角速度検出素子１０１の振動軸方向と検出軸方向の周波数特性を示す。図２より、振動軸方向の振動振幅は共振周波数を頂点に急峻な減衰特性を示しており、共振周波数以外の周波数で駆動すると振幅は極端に小さくなり、同時に検出軸方向の振動振幅も減衰することがわかる。角速度の発生により生じる検出軸方向の変位振動の周波数は、振動軸方向の振動周波数と一致する。したがって、検出軸方向の振動振幅を大きくするためには、常に振動軸方向を共振周波数で駆動することが必要である。
【００２０】
以上の理由から、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１３１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、同期検波部１３１で得られた信号を積分する。
【００２１】
図３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（振動軸方向の共振周波数）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ゼロ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３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、周波数が常に駆動信号に対し一定の整数倍になるように制御する。
【００２２】
次に、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１３１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。同期検波部１３１の出力が振幅基準値レジスタ１２５と一致するとき、差分は０となる。その結果、積分器１１９の出力は一定値に収束する。そして、積分器１１９で得られた信号を乗算器１２４に出力する。乗算器１２４では、クロック生成部１２３の出力と駆動振幅調整部１５２の出力を乗算し駆動信号を生成する。
【００２３】
図４にサーボ制御のタイムチャートを示す。角速度検出部１５３では、コリオリ力による振動子１０２の検出軸方向（振動軸と垂直方向）の変位を固定電極１０６，１０７と容量検出器１１２により検出する。容量検出器１１２とＡＤ変換器１４６を介して得られる振動子の検出変位信号に対し、同期検波部１３２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、同期検波部１３２で得られた信号を積分する。そして、サーボ信号生成部１５４から固定電極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、振動軸と垂直方向に生じるコリオリ力による振動子１０２の変位をゼロにするような信号をセンサに帰還するようサーボ制御を行う。具体的には積分器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、検出サーボ信号を生成する。そして、振動子１０２の固定電極１０８へ、また、極性反転１２６で反転した信号を固定電極１０９に印加することで検出変位振動を打ち消す。この変位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。
【００２４】
図５にサーボ信号生成部１５４のタイムチャートを示す。検出サーボ信号は、駆動信号と同じく、クロック生成部１２３から出力されるΦ１から生成される。したがって、振動子１０２の共振周波数がｆｄの場合、駆動周波数調整部１５１により、クロック生成部１２３の出力Φ１の周波数はｆｄになり、駆動信号の周波数はｆｄとなる。この状態で、角速度による変位が生じると、検出軸方向の変位振動の周波数はｆｄであるため、周波数ｆｄの検出サーボ信号を帰還することにより検出変位を抑制することができる。一方、製造ばらつきにより、共振周波数がｆ１の振動子の場合や、常温時の共振周波数がｆｄであるが周囲温度上昇によりｆ１に変動した場合には、駆動信号の周波数は駆動周波数調整部１５１により、クロック生成部１２３の出力Φ１の周波数はｆ１になり駆動信号の周波数はｆ１になる。この状態で、角速度による変位が生じると、検出軸方向の変位振動の周波数はｆ１であるため、周波数ｆ１の検出サーボ信号を帰還することにより検出変位を抑制することができる。
【００２５】
特性補正部１３９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。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。通信部１４３では、特性補正部１３９で特性補正が行われた３つのセンサ出力と診断部１４２で行った診断結果を外部に送信する。
【００２６】
以上のように、サーボ信号の周波数を常に振動子１０２の共振周波数に一致するように制御することで振動子の検出軸方向の変位振動を高精度に抑制でき、振動や電磁ノイズの影響を受けたとしても常に正確な角速度の検出ができる。さらには、検出素子の共振周波数の個別ばらつきを出荷時に人手で調整する必要がなく自動的に調整できるという効果も奏する。
【００２７】
次に、第２の実施例について図６を用いて説明する。
【００２８】
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）、すなわち、ＤＳＰ−Ａ２０４およびＤＳＰ−Ｂ２０５と２つのＲＯＭ（リード・オンリー・メモリ）、すなわち、ＲＯＭ−Ａ２０２およびＲＯＭ−Ｂ２０３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の振動軸方向の共振周波数の整数倍の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。
【００２９】
ＤＳＰ−Ａ２０４は、図１で説明した同期検波部１３１，駆動周波数調整部１５１，駆動振幅調整部１５２，角速度検出部１５３およびサーボ信号生成部１５４での処理を実行する。ＤＳＰ−Ｂ２０５は、角速度の特性補正部１３９および診断部１４２での処理を実行する。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−Ａ２０４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。
【００３０】
次に動作について説明する。２つのＤＳＰ、すなわち、ＤＳＰ−Ａ２０４，ＤＳＰ−Ｂ２０５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、同期検波部１３１からサーボ信号生成部１５４までの処理を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）に格納した角速度の特性補正部１３９と診断処理部１４２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ＲＯＭ、すなわち、ＲＯＭ−Ａ２０２，ＲＯＭ−Ｂ２０３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、図２のタイムチャートに示すように、共振周波数が変動した場合、ＶＣＯ１２２の出力がそれに追従するため、ＤＳＰ−Ａ２０４，ＤＳＰ−Ｂ２０５に入力される基本クロックも変化し、常にＤＳＰ−Ａ２０４の処理の繰り返し周期は共振周波数の４倍、ＤＳＰ−Ｂ２０５の処理の繰り返し周期は共振周波数の１／４倍を維持する。この結果、サーボ信号生成部１５４から出力されるサーボ信号は、常に振動子１０２の振動方向の共振周波数に一致するように制御できる。
【００３１】
これにより、検出素子の共振周波数の変動に応じて振動軸方向の駆動信号と検出軸方向のサーボ信号の周波数が共振周波数に一致するように調整されるので、振動軸方向の振動と同じ周波数で生じる検出軸方向の変位振動を抑制でき、振動や電磁ノイズの影響を受けたとしても高精度な角速度検出が実現できる。
【００３２】
図７は、本発明を搭載する横滑り防止装置のシステム構成例である。制御ユニット１は、走行中の自動車の横滑りや旋回などの兆しを複数のセンサで検出し、車のブレーキを制御して横滑りや旋回を抑制する機能である。角速度センサ１１は、走行中の旋回時に生じる角速度を検出するセンサである。加速度センサ１２は、走行中の横滑りに生じる加速度を検出するセンサである。車速センサ１３は、走行中の自動車の速度を検出するセンサである。舵角センサ１４は、自動車のハンドルの角度を検出するセンサである。ＥＣＵ１０は、上記複数のセンサ出力を基に、車両の姿勢を保持するように制御するエンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵと称す）である。油圧ユニット２はＥＣＵ１０の制御により油圧を介して前後左右の４輪のブレーキ圧を制御する機能である。ブレーキ装置３は油圧により車輪４のブレーキディスク６とブレーキパッド５の摩擦によりブレーキ力をかける機能である。上記システムは自動車のエンジン近傍に配置される。そのため、動作環境は−４０℃から＋１２５℃と高温度範囲であり、角速度センサ１１をＥＣＵ１０と一緒に制御ユニット１に搭載した場合、広範囲な温度変化により角速度センサ１１の検出素子の共振周波数が変動する。上記環境下において、本発明を適用すると駆動周波数と検出サーボ信号の周波数を変動後の共振周波数に一致させるよう制御することができ、正確な角速度出力を得ることができる。
【符号の説明】
【００３３】
１０１  角速度検出素子
１０２  振動子
１０３  固定電極（外力印加手段）
１０４，１０５，１０６，１０７  固定電極（変位検出手段）
１０８，１０９  固定電極（サーボ信号印加手段）
１１０，１１２  容量検出器
１１３，１１５，１２１，１２４  乗算器
１１６  位相調整器
１１７  減算器
１１８，１１９，１２０  積分器
１２２  ＶＣＯ（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  振幅基準値レジスタ
１３７  温度センサ
１３８，１４５，１４６  ＡＤ変換器
１３９  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
１５４  サーボ信号生成部
２０１  アドレスカウンタ
２０２  ＲＯＭ−Ａ
２０３  ＲＯＭ−Ｂ
２０４  ＤＳＰ−Ａ
２０５  ＤＳＰ−Ｂ
２０６  ＰＲＯＭ
２０７  ＲＡＭ
３０１，３０２，３０３，３０４  レジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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