JP3254257B2 - 振動ジャイロセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車の旋回判定など
に用いられ、回転角速度を検出するジャイロセンサ、特
に正三角柱形音片形振動ジャイロセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】振動ジャイロセンサは、センサに印加さ
れる回転角速度を、直接、高精度に検出することができ
るので、車両に搭載すると、該車両の旋回方向や旋回時
のヨーレートの検出が可能となる。これらの検出結果
は、ナビゲーション装置や四輪操舵装置およびアンチロ
ックブレーキ制御装置などにとって非常に有用であり、
採用の検討が盛んに行われている。

【０００３】しかしながら、たとえば前記正三角柱形音
片形振動ジャイロセンサの場合には、恒弾性材料から成
る正三角柱状の振動子に、いわゆるＰＺＴなどの圧電素
子が取付けられて構成されている。したがって機構部品
が多く、材料のばらつきや製造時の公差などによって、
信号処理後に、センサ出力電圧の変動範囲の中間値であ
り、回転角速度が入力されていない状態での出力電圧で
ある零点電圧を補正する必要がある。また、前記構成部
品の熱弾性係数の違いなどによって、経時変化や、温度
等による環境変化に対してドリフトが発生してしまうと
いう問題がある。

【０００４】このようなドリフトを補正するために、た
とえば下記のような方法が提案されている。

【０００５】車両に搭載された場合には、他のセンサ
によって車両が定常走行しているか否かを判定すること
が可能であるので、定常走行時におけるセンサ出力をソ
フトウエア処理によって補正する。

【０００６】センサ信号を高速でアナログ／デジタル
変換し、いわゆるＦＦＴ法などでセンサ信号の周波数成
分を解析することによって、低周波のセンサ出力成分
と、極低周波のドリフト成分とを判別し、ドリフト成分
のみを演算によって除去する。

【０００７】センサ信号を交流結合して直流成分を阻
止し、極低周波のドリフト成分を電気的に除去する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記の方法では、補
正回路に、ステアリングセンサや左右の車輪速センサな
どでの検出結果を入力する必要があり、構成が大掛かり
になるとともに、ソフトウエア処理を必要とするので、
ジャイロセンサ単体での汎用性に著しく劣る。また、ド
リフトが大きい場合には前記零点電圧がセンサのダイナ
ミックレンジの中心から大きくずれてしまい、センサの
ダイナミックレンジを充分に活用することができないと
いう問題もある。

【０００９】前記の方法では、高速の演算機能を備え
るデジタルシグナルプロセッサなどが必要となり、構成
が大形化するとともにセンサの汎用性に欠ける。

【００１０】前記の方法では、構成が比較的簡便であ
り、したがってそのようなドリフト補正回路をセンサに
内蔵することができ、汎用性に優れている。しかしなが
ら、継続して一定の回転角速度が入力された場合には、
センサ出力は回転角速度が入力されていない状態での出
力である零点電圧にまで変化してしまい、回転角速度が
印加されているにも拘わらず、印加されていない状態と
同じ出力しか得られなくなっていしまうという問題があ
る。

【００１１】本発明の目的は、汎用性に富んだ簡便な構
成で、経時変化や環境変化によるドリフトを補正するこ
とができる振動ジャイロセンサを提供することである。

【００１２】

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、振動子の側面
に形成された圧電素子の出力電圧のうちコリオリ力によ
る成分から回転角速度に対応した出力電圧を導出する信
号処理回路を有する振動ジャイロセンサにおいて、前記
出力電圧の予め定める時間当りの変化量から定常状態で
あるか否かを判定し、定常状態であるときには補正許可
信号を出力する定常判定手段と、前記定常判定手段から
の補正許可信号に応答し、定常状態であると判定された
時点での前記出力電圧を目標電圧として記憶し、前記定
常状態である期間中は前記出力電圧が前記目標電圧と等
しくなるような補正電圧を前記信号処理回路に与え、ま
た非定常状態となると前記補正電圧を保持して前記信号
処理回路に与える補正電圧発生手段とを備えることを特
徴とする振動ジャイロセンサである。

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【作用】本発明に従えば、圧電素子の出力電圧を処理す
る信号処理回路に、定常判定手段と補正電圧発生手段と
を備えるドリフト補正手段を設ける。前記定常判定手段
は、圧電素子の出力電圧の予め定める時間当りの変化
量、すなわち前記出力電圧の変化率から定常状態である
か否かを判定し、回転角速度が変化していない定常状態
であるときには補正電圧発生手段に補正許可信号を出力
する。

【００１８】補正電圧発生手段は、補正許可信号が入力
されると、その時点での圧電素子の出力電圧を目標電圧
として記憶し、その定常状態が継続している期間中は前
記出力電圧が記憶された目標電圧と等しくなるような補
正電圧を前記信号処理回路に与える。また、非定常状態
となると、その非定常状態となる直前の補正電圧を保持
して信号処理回路に与える。信号処理回路は、圧電素子
の出力電圧に前記補正電圧を加算して該振動ジャイロセ
ンサの出力信号として導出する。したがって、定常判定
のために特別にセンサなどを設けることなく、簡便な構
成でドリフト補正を行うことができる。

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【００２２】

【実施例】図１は、本発明の一実施例のドリフト補正回
路２１を備える振動ジャイロセンサ２２の電気的構成を
示すブロック図である。この振動ジャイロセンサ２２
は、正三角柱形音片形の振動子１を用いており、該振動
子１の２辺には駆動用の左右の圧電素子２，３がそれぞ
れ設けられ、残余の１辺には帰還用の圧電素子４が設け
られている。前記圧電素子２，３には、発振回路５から
の、たとえば８ｋＨｚの駆動信号が、位相補正回路６を
介して９０°だけ位相がずれた状態で印加され、振動子
１を励振させる。その状態で振動子１を矢符７方向に回
転させると、回転角速度に比例したコリオリ力によって
発生した電圧が前記駆動信号に重畳し、ライン８，９に
それぞれ参照符８ａ，９ａで示される出力電圧が導出さ
れる。なお、前記出力電圧にはドリフト成分も含まれて
いる。

【００２３】前記圧電素子２，３からの出力電圧を、振
幅補正回路１０で振幅補正を行い、かつ差動増幅回路１
１で差動増幅を行うと、位相補正回路６からの駆動信号
は相殺され、該差動増幅回路１１からライン１２へは参
照符１２ａで示されるようにコリオリ力およびドリフト
による電圧成分のみを抽出することができる。前記差動
増幅回路１１からの出力を同期検波回路１３において発
振回路５からの駆動信号に同期して半波整流を行うと、
ライン１４を介して直流増幅回路１５へは参照符１４ａ
で示される出力が与えられる。この出力が直流増幅回路
１５で平滑されることによって、ライン１６へは参照符
１６ａで示されるような回転角速度に比例した出力が導
出される。

【００２４】この直流増幅回路１５からの出力は、該振
動ジャイロセンサ２２のセンサ出力として、ナビゲーシ
ョン装置やアンチロックブレーキ制御装置などに与えら
れ、旋回判定やヨーレート演算のために用いられる。な
おこのセンサ出力はまた、ドリフト補正回路２１に与え
られており、このドリフト補正回路２１からは、後述す
るようにして作成されたドリフト補正電圧がライン１７
を介して前記直流増幅回路１５に与えられており、した
がってこの直流増幅回路１５からのセンサ出力は、ドリ
フト成分が除去された、回転角速度のみに対応した出力
電圧となる。

【００２５】前記ドリフト補正回路２１には、前記各回
路５，１１，１３などへ電力を供給する電源回路２３か
ら、ライン２４を介してハイレベルの電圧Ｖｃｃが与え
られており、またライン２５を介して前記電圧Ｖｃｃの
１／２の基準電圧Ｖｒｅｆが印加されている。またライ
ン２６を介して発振回路５からの駆動信号が与えられて
いる。

【００２６】図２は、前記ドリフト補正回路２１の電気
的構成を示すブロック図である。自動車のイグニション
キースイッチがＡｃｃもしくはＩＧ接点に導通される
と、前記電源回路２３から該振動ジャイロセンサ２２の
各部へ電力供給が開始される。これによってリセット回
路３１は、前記電圧Ｖｃｃの立上がりタイミングで、ラ
イン３２を介して目標電圧設定回路３３に第１補正許可
信号を出力する。これに応答して目標電圧設定回路３３
は、前記ライン２５を介して電源回路２３から入力され
ている基準電圧Ｖｒｅｆを目標電圧としてライン３４に
導出し、これに対応してレベルシフト回路３５からは、
前記ライン１７を介してドリフト補正電圧が直流増幅回
路１５へ帰還される。

【００２７】一方、前記ライン１６を介する直流増幅回
路１５からのセンサ出力は、ホロワ回路３６からスイッ
チＳＷ１，ＳＷ２を介して、２つのホールド回路３７，
３８にそれぞれ入力されている。スイッチＳＷ１は、後
述する定常判定回路３９からの第２補正許可信号が反転
バファ４０によって反転されて、したがって前記第２補
正許可信号が出力されていない期間中は、タイミング信
号発生回路４１からのタイミング信号がＡＮＤゲート４
２を介して入力されてスイッチング動作を行う。

【００２８】前記タイミング信号発生回路４１へは、ラ
イン２６を介する発振回路５からの駆動信号が、いわゆ
るゲートＩＣなどによって実現される分周回路４３で、
たとえば２５６分周されて入力されている。したがって
前記８ｋＨｚの駆動信号に応答して、該タイミング信号
発生回路４１からスイッチＳＷ１に１２８ｍｓｅｃ毎に
図３（３）で示されるタイミング信号が導出され、ホー
ルド回路３７のホールド値が更新される。また、タイミ
ング信号発生回路４１からは、前記スイッチＳＷ１のタ
イミング信号に対して半周期ずれて、すなわち６４ｍｓ
ｅｃだけずれて、スイッチＳＷ２へ、図３（４）で示さ
れるタイミング信号が導出されている。したがって、前
記定常判定回路３９から第２補正許可信号が導出されて
いないときには、２つのホールド回路３７，３８は相互
に半周期ずつずれて、直流増幅回路１５からのセンサ出
力を更新して保持している。

【００２９】前記ホールド回路３７，３８のホールド値
は、前記定常判定回路３９の差動増幅および比較回路４
４に与えられており、この差動増幅および比較回路４４
は、両ホールド回路３７，３８のホールド値の変化量
が、たとえば前記６４ｍｓｅｃ当り±５〔ｍＶ〕以内で
あるときには定常状態、すなわち車両が停止もしくは直
進走行、もしくは一定の回転角速度で旋回しているもの
と判断して、フィルタ回路４５を介して、ライン１８，
１９へ前記第２補正許可信号を出力する。フィルタ回路
４５は、非定常状態において変動しているホールド回路
３７，３８のホールド値が、一瞬の間でも偶然に前記電
圧５〔ｍＶ〕以内となったときに、誤った定常判定を防
止するためのたとえば２秒程度のディレー回路である。

【００３０】この第２補正許可信号が導出されると、前
記タイミング信号発生回路４１からのスイッチＳＷ１へ
のタイミング信号はＡＮＤゲート４２で阻止されて、ホ
ールド回路３７のホールド値は、非定常状態となる直前
の値で保持される。前記第２補正許可信号はまた前記目
標電圧設定回路３３に与えられており、この目標電圧設
定回路３３はまた、第２補正許可信号が入力されるとラ
イン４６を介して入力されるホールド回路３７のホール
ド値を前記目標電圧に設定し、ライン３４を介してレベ
ルシフト回路３５に導出する。

【００３１】図３（２）で示される前記第１および第２
補正許可信号はまた、ＯＲゲート４７を介してスイッチ
ＳＷ３に与えられている。このスイッチＳＷ３は、前記
第１および第２補正許可信号が導出されている期間中
は、前記ホロア回路３６の出力を積分回路４８に与え
る。この積分回路４８にはまた、前記目標電圧設定回路
３３から目標電圧が与えられており、したがってこの積
分回路４８からは、前記ホロア回路３６の出力が前記目
標電圧に近付くような補正電圧が発生され、前記レベル
シフト回路３５を介してライン１７からドリフト補正電
圧として直流増幅回路１５に帰還され、こうしてドリフ
ト補正が行われる。

【００３２】したがって、図３において時刻ｔ１から電
力付勢が開始され、ドリフト補正が行われないセンサ出
力が図３（１）において参照符α１で示されるように変
化するとき、ドリフト補正が行われると参照符α２で示
されるセンサ出力が得られる。

【００３３】図４は、ドリフト補正回路２１の具体的構
成を示す電気回路図であり、前述の図１および図２に対
応する部分には同一の参照符を付す。前記分周回路４３
は、分周用の集積回路４３ａを含んで構成されており、
この集積回路４３ａからのパラレル出力がタイミング信
号発生回路４１内のゲートＩＣ４１ａ，４１ｂにそれぞ
れ与えられ、前述のように駆動信号が２５６分周されて
前記６４ｍｓｅｃ毎に、スイッチＳＷ１，ＳＷ２に交互
にタイミング信号が出力される。

【００３４】また、前記定常判定回路３９の差動増幅お
よび比較回路４４は、差動増幅器４４ａとウインドコン
パレータ４４ｂとを含んで構成されており、差動増幅器
４４ａはホールド回路３７，３８のホールド値の差に対
応した出力を、たとえば２０倍のゲインで増幅してウイ
ンドコンパレータ４４ｂに導出する。ウインドコンパレ
ータ４４ｂは、一対の比較器４４ｍ，４４ｎおよび分圧
抵抗Ｒ１〜Ｒ３を含んで構成されており、抵抗Ｒ１〜Ｒ
３は電圧Ｖｃｃのライン２４と接地レベルのライン４９
との間に直列に介在されている。したがって、前記差動
増幅器４４ａの出力電圧が、これらの抵抗Ｒ１〜Ｒ３の
分圧によって作成された電圧Ｖｒｅｆ±１００〔ｍＶ〕
の２つの基準電圧Ｖ１，Ｖ２以内であるときには、比較
器４４ｍ，４４ｎからはフィルタ回路４５にハイレベル
の出力が導出される。

【００３５】フィルタ回路４５は、２つの差動増幅器４
５ａ，４５ｂおよびコンデンサＣ３を含んで構成されて
おり、差動増幅器４５ａ，４５ｂの反転入力端子には、
ライン２５からライン５３を介して、基準電圧Ｖｒｅｆ
が与えられている。差動増幅器４５ａは前記差動増幅器
４４ａとウインドコンパレータ４４ｂの基準電圧との差
に対応した出力を導出し、コンデンサＣ３を充放電させ
る。差動増幅器４５ｂは、前記コンデンサＣ３の充電電
圧と、ライン２５からライン５３を介する基準電圧Ｖｒ
ｅｆとを比較し、コンデンサＣ３の充電電圧が高いと
き、すなわちホールド回路３７，３８への入力変動がな
いときには前記ライン１８，１９へ第２補正許可信号を
出力する。

【００３６】前記リセット回路３１は、コンデンサＣ４
と２つの反転バッファ３１ａ，３１ｂとを含んで構成さ
れており、前述のように電源が投入されるとコンデンサ
Ｃ４の充電が開始され、このコンデンサＣ４での端子間
電圧降下が予め定めるレベルとなるまで、反転バッファ
３１ａ，３１ｂからライン３２を介して、スイッチＳＷ
３にはハイレベルの第１補正許可信号が導出されること
になる。また、前記ライン１９を介する第２補正許可信
号によってもスイッチＳＷ３は導通する。このようにス
イッチＳＷ３が導通されている期間中は、積分回路４８
は、該スイッチＳＷ３を介して入力されるセンサ出力
と、目標電圧設定回路３３からライン３４を介して入力
される目標電圧との偏差が零となるような出力を、レベ
ルシフト回路３５へ導出する。

【００３７】一方、目標値設定回路３３において、前記
第２補正許可信号がライン１９から入力されると、スイ
ッチＳＷ５が導通し、かつ反転バッファ５１を介してス
イッチＳＷ４が遮断し、前記積分回路４８へは、前記ラ
イン４６を介するホールド回路３７のホールド値に後述
するような補正が行われた後、目標電圧として入力され
る。またリセット回路３１からライン５２を介してハイ
レベルの第１補正許可信号が導出されると、スイッチＳ
Ｗ５は遮断し、スイッチＳＷ４が導通し、前記ライン２
５を介する基準電圧Ｖｒｅｆが目標電圧として積分回路
４８に入力される。

【００３８】しかしながら、このような目標電圧の切換
わり時には、その目標電圧の差に対応して積分回路４８
の出力も変移してしまう。このため補償回路であるレベ
ルシフト回路３５において、前記スイッチＳＷ４が導通
しているときには、スイッチＳＷ７が導通し、ライン５
３を介する基準電圧Ｖｒｅｆに積分回路４８の出力電圧
が加算された後、差動増幅器３５ａで増幅されて前記ド
リフト補正電圧が作成される。これに対してスイッチＳ
Ｗ５が導通しているときには、差動増幅器３５ｂによっ
て前記基準電圧Ｖｒｅｆと目標値設定回路３３の出力電
圧との差を増幅した電圧に前記積分回路４８の電圧が加
算された後、前記演算増幅器３５を介してドリフト補正
電圧が発生される。こうして目標電圧の切換わり時にお
ける積分回路４８の出力変移をも吸収することができ
る。

【００３９】また、ライン１６を介して入力されるセン
サ出力と、ホールド回路３７でホールドされ、ライン４
６に導出される電圧ＶＡとの間には、ホロワ回路３６お
よびホールド回路３７のオフセットなどのために僅かに
ずれが生じてしまうこともある。したがって、このずれ
が生じたままでドリフト補正が行われると、センサ出力
にずれが生じてしまい、したがって定常と非定常とが繰
返されると前記ずれが蓄積されてゆくことになる。

【００４０】このような不具合を解消するために本実施
例では、前記目標電圧設定回路３３内に補正回路５５が
設けられている。この補正回路５５は、２つの差動増幅
器５５ａ，５５ｂを含んで構成されており、ホールド回
路３７のホールド値ＶＡが基準電圧Ｖｒｅｆより大きい
ときには、点５６の電圧Ｖｃは抵抗ＲＡによって決定さ
れる僅かな電圧Ｖｒだけ高くなる。したがって比較器５
５の出力電圧ＶＢは、ＶＡ−Ｖｒとなる。これに対して
電圧ＶＡが基準電圧Ｖｒｅｆよりも小さいときには、Ｖ
Ｂ＝ＶＡ＋Ｖｒとなる。なおこの補正回路５５は、ホロ
ア回路３６およびホールド回路３７などのオフセット値
が整合されているときには削除されてもよい。

【００４１】このように本発明に従うドリフト補正回路
２１では、電源投入時に零点電圧を基準電圧Ｖｒｅｆに
設定することができ、該振動ジャイロセンサ２２の製造
時における徴調整が不要となり、工程を簡略化すること
ができる。また、前記零点電圧の補正による経時変化だ
けでなく温度変化等の環境変化に対しても、定常時のセ
ンサ出力に対応して補正するので、ソフトウエア処理に
よることなく、簡便な構成でドリフト補正を行うことが
できる。さらにまた、温度特性に優れない材料であって
も機械的強度を優先して使用することができ、耐衝撃性
等の信頼性を向上することができる。さらにまた本発明
に従うドリフト補正回路２１は、ゲートＩＣや差動増幅
回路あるいはアナログスイッチなどの基本的な回路の集
合体で構成されており、したがっていわゆるカスタムＩ
Ｃ化が容易で、小形化および低コスト化を図ることがで
きるとともに、センサと一体化して、汎用性を向上する
ことができる。

【００４２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ソフトウ
エア処理によることなく、簡便な構成で、振動子や圧電
素子のばらつき、ならびにそれらの経時変化や環境変化
によって発生するドリフトを補正することができる。し
たがって、センサ側にこれら補正回路を一体化して汎用
性を向上することができる。また、製造時の調整を簡素
化することができるとともに、必ずしも温度特性が良好
でなくとも機械的強度の良好な部品を使用することがで
き、耐衝撃性能などの信頼性を向上することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のドリフト補正回路２１を備
える振動ジャイロセンサ２２の電気的構成を示すブロッ
ク図である。

【図２】ドリフト補正回路２１の電気的構成を示すブロ
ック図である。

【図３】前記ドリフト補正回路２１の動作を説明するた
めの波形図である。

【図４】前記ドリフト補正回路２１の具体的構成を示す
電気回路図である。

【符号の説明】

１ 振動子 ２〜４ 圧電素子 ２１ ドリフト補正回路 ２２ 振動ジャイロセンサ ３１ リセット回路 ３３ 目標電圧設定回路 ３５ レベルシフト回路 ３６ ホロア回路 ３７，３８ ホールド回路 ３９ 定常判定回路 ４４ 差動増幅および比較回路 ４５ フィルタ回路 ４８ 積分回路

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−235310（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−199972（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−4215（ＪＰ，Ｕ) 実開 平４−38512（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/00 - 19/72 G01P 9/00 - 9/04 G01C 21/00 - 21/36

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動子の側面に形成された圧電素子の出
   力電圧のうちコリオリ力による成分から回転角速度に対
   応した出力電圧を導出する信号処理回路を有する振動ジ
   ャイロセンサにおいて、 前記出力電圧の予め定める時間当りの変化量から定常状
   態であるか否かを判定し、定常状態であるときには補正
   許可信号を出力する定常判定手段と、 前記定常判定手段からの補正許可信号に応答し、定常状
   態であると判定された時点での前記出力電圧を目標電圧
   として記憶し、前記定常状態である期間中は前記出力電
   圧が前記目標電圧と等しくなるような補正電圧を前記信
   号処理回路に与え、また非定常状態となると前記補正電
   圧を保持して前記信号処理回路に与える補正電圧発生手
   段とを備えることを特徴とする振動ジャイロセンサ。