JP2008170294A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、補正データの分解能を高くしても、記憶手段の容量が大きくなって、角速度センサおよびその出力信号が入力される車両制御装置が大きくなるということがない小形の角速度センサを提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明の角速度センサは、検出回路３７からの出力信号を補正する補正データを少なくとも２次曲線以上の較正曲線で構成するとともに、この較正曲線の係数を記憶手段５０に記憶するようにしたものである。
【選択図】図６

Description

本発明は、特に、航空機、自動車、ロボット、船舶、自動車両等の移動体の姿勢制御に用いられる角速度センサに関するものである。

従来のこの種の角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。

図８は従来の角速度センサにおける回路構成を示すブロック図である。

図８において、１は三角柱状の振動子で、この振動子１の２つの側面には２つの圧電素子２がＧＮＤ電極３を介して駆動用かつ検出用として設けられている。また、振動子１における圧電素子２の表面には各々駆動用かつ検出用として機能する電極４を設けている。そしてまた、振動子１における残りの１つの側面には、ＧＮＤ電極３を介してモニタ圧電素子５を設けており、さらにこのモニタ圧電素子５の表面にはモニタ電極６を設けている。７は駆動制御回路で、この駆動制御回路７は発振回路８と位相回路９とにより構成されており、発振回路８にモニタ電極６の信号を入力するとともに、発振回路８の出力信号を位相回路９を介して電極４に入力することにより、振動子１を安定して振動させる。１０は検出回路で、この検出回路１０は一対の電極４の出力信号の双方を入力する差動増幅回路１１と、この差動増幅回路１１の出力信号を入力するとともに、駆動制御回路７における位相回路９の出力信号に応じて同期検波をする同期検波回路１２と、この同期検波回路１２の出力信号を入力するとともに、整流し、かつ増幅する整流増幅回路１３とにより構成されている。１４は温度センサからなる温度検出手段で、この温度検出手段１４は振動子１の近傍に配設され、振動子１の周囲の温度を検出している。１５はＡ／Ｄ変換器で、このＡ／Ｄ変換器１５は温度検出手段１４のアナログ信号を入力するとともに、デジタル信号に変換する。１６はＣＰＵからなる演算手段で、ＥＰＲＯＭからなる記憶手段１７に予め記憶した動作プログラムにより、ＥＥＰＲＯＭからなる記憶手段１８に予め記憶した補正データをもとに、Ａ／Ｄ変換器１５の出力信号を演算し、その演算した結果を出力信号として出力する。１９は加算器で、この加算器１９はＣＰＵからなる演算手段１６の出力信号をＤ／Ａ変換器２０によりアナログ信号からなる出力信号に変換し、検出回路１０における整流増幅回路１３の出力信号に加算するものである。

以上のように構成された従来の角速度センサについて、次にその動作を説明する。

振動子１における一対の電極４に交流電圧を加えると、モニタ電極６から出力される出力信号を基に発振回路８および位相回路９により振動子１が一定の振動数で自励振動駆動する。そして、自励振動駆動している振動子１に角速度が加わるとコリオリ力により、一対の圧電素子２に電荷が発生する。この電荷を検出回路１０における差動増幅回路１１により、差動の出力電圧に変換した後、同期検波回路１２により、位相回路９の位相に合わせて同期検波し、さらに整流増幅回路１３により増幅し、出力信号として加算器１９に入力する。

ここで、角速度センサの周囲の温度が−２０℃〜６０℃まで変化する場合を考えてみると、従来の角速度センサにおいては、（表１）に示すように、振動子１の近傍の温度を温度検出手段１４により検出するとともに、そのときの温度毎の補正値を（表２）に示すように、個別にＥＥＰＲＯＭからなる記憶手段１８に記憶させておき、さらにＥＰＲＯＭからなる記憶手段１７に記憶させた補正プログラムにより、補正量を算出する。そして、この補正量を加算器１９における出力信号に加算し、角速度センサにおける出力信号を補正するようにしていた。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平５−２９６７７１号公報

しかしながら、上記従来の構成においては、温度による補正値を個別にＥＥＰＲＯＭからなる記憶手段１８に記憶させていたため、補正データの分解能を高くすると、補正データの量が多くなり、これにより、記憶手段１８の容量が大きくなって、角速度センサおよびその出力信号が入力される車両制御装置が大型化してしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、補正データの分解能を高くしても、記憶手段の容量が大きくなって、角速度センサおよびその出力信号が入力される車両制御装置が大きくなるということがない小形の角速度センサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、駆動電極、検出電極およびモニタ電極を設けた振動子と、この振動子におけるモニタ電極からのモニタ信号を処理して駆動電極に入力することにより、振動子を一定の振幅で振動させるようにした駆動回路と、前記振動子に角速度が加わった際に働くコリオリ力により発生する電荷を処理して出力信号を発生させる検出回路と、この検出回路からの出力信号の温度変化による変動量を補正する補正データを記憶する記憶手段とを備え、前記検出回路からの出力信号を補正する補正データを少なくとも２次曲線以上の較正曲線で構成するとともに、この較正曲線の係数を前記記憶手段に記憶するようにしたもので、この構成によれば、検出回路からの出力信号を補正する補正データを少なくとも２次曲線以上の較正曲線で構成するとともに、この較正曲線の係数を前記記憶手段に記憶するようにしているため、補正データの分解能を高くしても、補正データの量が多くなるということはなくなり、これにより、記憶手段の容量を小さくすることができるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の角速度センサは、駆動電極、検出電極およびモニタ電極を設けた振動子と、この振動子におけるモニタ電極からのモニタ信号を処理して駆動電極に入力することにより、振動子を一定の振幅で振動させるようにした駆動回路と、前記振動子に角速度が加わった際に働くコリオリ力により発生する電荷を処理して出力信号を発生させる検出回路と、この検出回路からの出力信号の温度変化による変動量を補正する補正データを記憶する記憶手段とを備え、前記検出回路からの出力信号を補正する補正データを少なくとも２次曲線以上の較正曲線で構成するとともに、この較正曲線の係数を前記記憶手段に記憶するようにしているため、補正データの分解能を高くしても、補正データの量が多くなるということはなくなり、これにより、記憶手段の容量を小さくすることができるため、角速度センサおよびその出力信号が入力される車両制御装置を小型にできるという優れた効果を奏するものである。

以下、本発明の一実施の形態における角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態における角速度センサの回路構成を示すブロック図、図２は同角速度センサにおける振動子の斜視図である。

図１、図２において、２１は音叉形状の水晶製の振動子で、この振動子２１は四角柱状の検出電極振動体２２と、この検出電極振動体２２と平行に設けられた四角柱状の駆動電極振動体２３と、前記検出電極振動体２２の一端と駆動電極振動体２３の一端を接続する水晶製の接続部２４とにより構成されている。そしてまた、振動子２１における駆動電極振動体２３には、４つの側面に金からなる駆動電極２５が設けられている。また前記振動子２１における検出電極振動体２２の表面および裏面には金からなるモニタ電極２６がそれぞれ設けられるとともに、この検出電極振動体２２における内側の側面には金からなるＧＮＤ電極２７が設けられ、かつ外側の側面には金からなる第１の検出電極２８ａおよび第２の検出電極２８ｂが設けられている。２９は駆動回路で、この駆動回路２９は、振動子２１の一方のモニタ電極２６の電荷を入力する増幅器３０と、この増幅器３０の出力信号を入力するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１と、このバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１の出力信号を入力する整流器３２と、この整流器３２の出力信号を入力する平滑回路３３とにより構成されている。３４はＡＧＣ回路で、このＡＧＣ回路３４は駆動回路２９における平滑回路３３の出力信号を入力し、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１の出力信号を増幅あるいは減衰させるものである。３５は駆動制御回路で、この駆動制御回路３５はＡＧＣ回路３４の出力信号を入力するとともに、振動子２１における駆動電極２５に駆動信号を入力する。３６は反転アンプで、この反転アンプ３６は駆動制御回路３５の出力信号を入力するとともに、振動子２１における駆動電極２５に駆動制御回路３５の出力信号を反転させた駆動信号を入力するものである。

３７は検出回路で、この検出回路３７は振動子２１における第１の検出電極２８ａにコリオリ力によって発生する電荷を電圧に変換する第１の増幅器３９と、第２の検出電極２８ｂにコリオリ力によって発生する電荷を電圧に変換する第２の増幅器４１と、第１の増幅器３９および第２の増幅器４１の出力信号を入力する差動増幅器４２と、この差動増幅器４２の出力信号を入力する位相器４３と、この位相器４３の出力信号を入力する同期検波器４４と、この同期検波器４４の出力信号を入力する平滑回路４５と、この平滑回路４５の出力信号を入力するとともに、増幅して角速度信号を出力する直流アンプ４６とにより構成されている。また、検出回路３７における直流アンプ４６からの角速度信号に補正データを加算する加算器４７を設けるとともに、振動子２１の近傍に位置して温度センサ４８を設け、かつこの温度センサ４８のアナログ出力信号をデジタル出力信号に変換するＡ／Ｄ変換器４９を設けている。さらに、ＥＥＰＲＯＭからなる記憶手段５０を設けており、この記憶手段５０は検出回路３７と電気的に接続されていないとともに、検出回路３７における直流アンプ４６から出力される出力信号の誤差を補正するデータを保管している。

以上のように構成された本発明の一実施の形態における角速度センサについて、次にその動作を説明する。

振動子２１の駆動電極２５に交流電圧を加えると振動子２１が共振し、振動子２１のモニタ電極２６に電荷が発生する。このモニタ電極２６に発生した電荷は、駆動制御回路３５における増幅器３０に入力され、正弦波形の出力電圧として出力される。そしてこの増幅器３０の出力電圧をバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１に入力し、振動子２１の共振周波数のみを抽出するとともに、ノイズ成分を除去し、図３（ａ）に示すような正弦波形を出力する。そしてまた、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１の出力信号を整流器３２に入力することにより、負電圧成分を正電圧に変換し、その後、平滑回路３３に入力することにより、直流電圧信号に変換する。そしてＡＧＣ回路３４は平滑回路３３の直流電圧信号が大の場合にはバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１の出力信号を減衰させるような信号を、また、平滑回路３３の直流電圧信号が小の場合にはバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１の出力信号を増幅させるような信号を駆動制御回路３５に入力し、振動子２１の振動を一定振幅になるように調整するものである。ここで、振動子２１の駆動電極振動体２３が振動方向に速度ｖで屈曲振動している状態において、振動子２１の長手方向の中心軸周りに振動子２１が角速度ωで回転すると、この振動子２１の検出電極振動体２２にＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力によって検出電極振動体２２に設けた第１の検出電極２８ａに図３（ｂ）に示すような電荷が発生するとともに、第２の検出電極２８ｂに図３（ｃ）に示すような電荷が発生する。そして第１の増幅器３９により、第１の検出電極２８ａから発生する電荷を図３（ｄ）に示すような出力電圧に変換する。また第２の増幅器４１は、第２の検出電極２８ｂから発生する電荷を反転増幅し、図３（ｅ）に示すような出力電圧に変換する。そしてまた、差動増幅器４２は第１の増幅器３９および第２の増幅器４１の出力信号の差動を取り、さらにこの差動増幅器４２の出力信号の位相を位相器４３により９０度遅らせて、図３（ｆ）に示すような出力電圧に変換する。そして、この位相器４３の出力信号を同期検波器４４に入力し、駆動制御回路３５におけるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１の振動の周期で位相検波させるとともに、位相器４３の出力電圧の負電圧成分を正電圧に変換し、図３（ｇ）に示すような出力信号を得る。そして、同期検波器４４の出力電圧を平滑回路４５および直流アンプ４６により平滑化するとともに増幅し、図３（ｈ）に示すような出力信号を得る。そして、検出回路３７の直流アンプ４６の出力信号を角速度の信号として、外部に出力する。

ここで、自動車におけるエンジンルーム内に角速度センサを設置し、そしてこの角速度センサの近傍の温度が−４０℃から１００℃まで変化する場合を考えてみる。

まず、図４に示すように、温度槽５２の内部に設けた検査器５３に角速度センサを組み付けるとともに、自動車におけるエンジンルーム内と条件が同じになるように、角速度センサの近傍の温度を−４０℃から１００℃まで変化させる。そして、各温度における温度センサ４８からの出力信号をＡ／Ｄ変換器４９を介して検査器５３におけるＣＰＵ５４に入力すると同時に、角速度を与えない状態における角速度センサの出力信号をＣＰＵ５４に入力する。そして、図５に示すように、検査器５３におけるＣＰＵ５４により、各温度毎の角速度センサの出力信号が、常に零出力である２．５Ｖになるような各温度毎の補正データを算出する。次に、この補正データを図５に示すように２次方程式で近似させ、（表３）の補正係数ａ＝７×１０^-6、ｂ＝９×１０^-4、ｃ＝２．５をＥＥＰＲＯＭからなる記憶手段５０に保管する。

そして、自動車（図示せず）に角速度が加わると、角速度センサにおける検出回路３７から角速度信号が出力される。この場合、図６に示すように、記憶手段５０に保管した補正データをもとに、自動車（図示せず）の車両制御装置５５におけるＣＰＵ５６により算出した補正信号を、Ｄ／Ａ変換器５７によりアナログ信号に変換する。そして、このアナログ信号を加算器４７によって、前記検出回路３７から出力される角速度信号に加算することにより、検出回路３７からの出力信号、すなわち角速度信号を補正するものである。

このとき、従来の角速度センサにおいては、図７に示すように、−４０℃から１００℃までの１℃毎の角速度を与えない状態における角速度センサの出力信号をプロットし、（表４）に示すような、各温度毎の補正データをＥＥＰＲＯＭからなる記憶手段５０に記憶していたため、角速度センサおよびその出力信号が入力される車両制御装置５５が大型なものとなっていた。

しかるに、本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、各温度毎の補正データを図５に示すように２次曲線で近似させ、そしてＥＥＰＲＯＭからなる記憶手段５０に２次曲線からなる較正曲線の係数であるａ＝７×１０^-6、ｂ＝９×１０^-4、ｃ＝２．５を（表３）のように記憶させている。すなわち、検出回路３７からの出力信号を補正する補正データを２次曲線の較正曲線で構成するとともに、この較正曲線の係数を前記記憶手段５０に記憶するようにしているため、補正データの分解能を高くしても、補正データの量が多くなるということはなくなり、これにより、記憶手段５０の容量を小さくすることができるという効果が得られるものである。

また、本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、記憶手段５０をＥＥＰＲＯＭで構成しているが、これ以外の例えば、フラッシュメモリーあるいはＥＰＲＯＭで構成してもよく、そしてこのフラッシュメモリーあるいはＥＰＲＯＭを利用して記憶手段５０を構成した場合でも、上記本発明の一実施の形態と同様の効果を有するものである。

なお、上記本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、補正データを２次曲線からなる較正曲線で構成しているが、３次曲線以上の多項式、ラグランジェの補間曲線、フアーグソン曲線、スプライン補間曲線、ベジェ多項式曲線またはベジェスプライン曲線等により補間するための較正曲線を設定し、その係数をＥＥＰＲＯＭからなる記憶手段５０に保管するようにした場合でも、上記本発明の一実施の形態と同様の効果を有するものである。

本発明に係る角速度センサは、補正データの分解能を高くしても、記憶手段の容量が大きくなって、角速度センサおよびその出力信号が入力される車両制御装置が大きくなるということがない小形の角速度センサを提供することができるという効果を有するものであり、特に航空機、自動車、ロボット、船舶、自動車両等の移動体の姿勢制御に用いられる角速度センサとして有用となるものである。

本発明の一実施の形態における角速度センサの回路構成を示すブロック図 同角速度センサにおける振動子の斜視図 （ａ）〜（ｈ）同角速度センサにおける出力信号を示す図 同角速度センサにおける出力特性を検査する状態を示すブロック図 同角速度センサにおける出力信号の補正データを２次曲線で近似させる状態を示す図 同角速度センサにおける記憶手段の補正データを車両制御装置を介して出力信号に加算させる状態を示すブロック図 同角速度センサにおける出力信号の補正データを個別のデータで補正させる状態を示す図 従来の角速度センサにおける回路構成を示すブロック図

符号の説明

２１ 振動子
２５ 駆動電極
２６ モニタ電極
２８ａ，２８ｂ 検出電極
２９ 駆動回路
３７ 検出回路
５０ 記憶手段

Claims (1)

1. 駆動電極、検出電極およびモニタ電極を設けた振動子と、この振動子におけるモニタ電極からのモニタ信号を処理して駆動電極に入力することにより、振動子を一定の振幅で振動させるようにした駆動回路と、前記振動子に角速度が加わった際に働くコリオリ力により発生する電荷を処理して出力信号を発生させる検出回路と、この検出回路からの出力信号の温度変化による変動量を補正する補正データを記憶する記憶手段とを備え、前記検出回路からの出力信号を補正する補正データを少なくとも２次曲線以上の較正曲線で構成するとともに、この較正曲線の係数を前記記憶手段に記憶するようにした角速度センサ。

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