JP4924912B2

JP4924912B2 - 角速度測定方法および角速度測定装置の診断回路

Info

Publication number: JP4924912B2
Application number: JP2011182765A
Authority: JP
Inventors: 徹榎島; 昭二横井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2011-08-24
Filing date: 2011-08-24
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2021-07-06
Also published as: JP2011257428A

Description

本発明は、振動子に加えられている回転の回転角速度を検出するための角速度測定方法、およびこれらに使用するための診断回路に関するものである。

本出願人は、振動型ジャイロスコープの応用について種々検討を進めており、例えば自動車の車体回転速度フィードバック式の車両制御方法に用いる回転速度センサーに振動型ジャイロスコープを使用することを検討した。こうしたシステムにおいては、操舵輪の方向自身は、ハンドルの回転角度によって検出する。これと同時に、実際に車体が回転している回転速度を振動ジャイロスコープによって検出する。そして、操舵輪の方向と実際の車体の回転速度を比較して差を求め、この差に基づいて車輪トルク、操舵角に補正を加えることによって、安定した車体制御を実現する。本出願人は、特許文献１（特開平１１−２８１３７２号公報）において、主として平面内に延びる振動子を用いた、横置き型に適した振動型ジャイロスコープを提案した。

こうした振動型ジャイロスコープは、車体の挙動を把握するために使用される。車体の挙動の把握は、車両の横滑りやスピンなどの車体の挙動の乱れを防止するためのシステムに必要である。また、複数の車両の車間距離を一定に保つためのシステムを構築するために必要である。こうしたシステムにおいては、振動型ジャイロスコープが故障すると、車体の位置について誤った情報が出力され、誤った制御が行われ、車体の挙動が不安定になるおそれがある。このため、振動型ジャイロスコープの故障を検出するシステムが必要となる。

振動型ジャイロスコープの故障を検出するには、次の２つの方法が知られている。
（１）車両の速度、舵角、車体横方向の加速度情報から車両の角速度を推定する。この推定値を、振動型ジャイロスコープから出力された角速度の実測値と対比する。そして、この推定値と実測値との偏差が大きくなった場合には、振動型ジャイロスコープが故障したものと推定し、出力する。
（２）振動ジャイロセンサー内に故障診断回路を内蔵し、振動子を自励発振回路によって発振させ、振動子の振動状態を監視する。

特開平１１−２８１３７２号公報

しかし、（１）の方法では、例えばバンク角を有する道路など、道路の形状が特異な場合には、車両の速度、舵角、車体横方向の加速度情報から角速度を推定しても、実際の角速度との誤差が大きくなることがある。

また、（２）の方法では、振動子の発振状態に異常が発生した場合には検出できる。しかし、実際に車両の位置制御を行うような場合には、次の問題点が発生することが分かった。例えば、先行車両と後続車両との車間距離を一定に維持する制御を行う場合には、車間距離が規定値から外れた場合には、短時間で応答し、迅速かつスムーズに緻密な制御を行うことが必要不可欠である。このような迅速かつスムーズな制御が行われないと、車両の搭乗者に不快感、不安感を与える結果となる。

しかし、このような観点から見ると、振動子の発振状態に異常が発生した場合に検出するという従来の故障診断方法では不十分となることが分かった。即ち、実際の車両走行時においては、振動子の発振状態が正常であっても、実際の検出信号から算出した角速度値は実際の角速度と大きく外れることがあった。このような場合には、振動型ジャイロスコープの故障診断回路から故障の出力がなされない。このため、実際の車両の位置と振動型ジャイロスコープに基づく車両位置の計算値とが外れるに至る。このため、実際には制御が必要であるにもかかわらず、振動型ジャイロスコープの故障診断回路から故障を検出した旨の出力がないために、制御を行うべきかどうかを迅速に判断することができない。たとえ最終的には必要な制御がなされるものとしても、制御の正当性を判断するための待機時間が必要となり、制御開始はかなり遅れる。この結果、迅速かつスムーズな制御が短い応答時間で行われず、車間距離が規定値から大きく外れたまま放置されるおそれがあり、車両の搭乗者に不快感、不安感を与えることとなる。

本発明の課題は、振動子に加わる回転の角速度を測定するのに際して、装置の稼働時に故障が生じたときに、故障検出を早期に行い、故障の有無を判断するための待機時間を短縮できるようにすることである。

本発明は、振動子に加わる回転の角速度を測定するための角速度測定方法であって、
前記振動子に駆動振動を励振し、前記振動子からの出力信号を検出信号出力回路によって処理し、前記角速度に対応する検出信号を得るのに際して、前記振動子から複数の前記出力信号が出力され、前記出力信号が、前記検出信号および前記駆動振動に基づいて前記振動子に発生する前記駆動振動と同周波数かつ位相の異なる駆動信号容量結合成分を含んでおり、前記診断回路が、前記出力信号を処理し、信号処理後の前記駆動信号容量結合成分を出力する容量結合成分出力回路を備えており、前記容量結合成分出力回路において、前記振動子からの前記複数の出力信号を加算することによって、前記複数の出力信号に含まれる互いに逆相の前記検出信号を相殺しかつ前記駆動信号容量結合成分を増幅し、前記増幅後の駆動信号容量結合成分を前記検出信号を得るための駆動信号に基づく移相信号で検波し、前記検波後の検波出力をローパスフィルターで処理し、駆動信号容量結合成分を検出することによって前記検出信号出力回路を診断することを特徴とする。

また、本発明は、振動子に加わる回転の角速度を測定するための角速度測定装置において前記振動子からの出力信号を処理し、前記角速度に対応する検出信号を得るための検出信号出力回路を診断するための診断回路であって、
前記振動子から複数の前記出力信号が出力され、前記出力信号が、前記検出信号および前記駆動振動に基づいて前記振動子に発生する前記駆動振動と同周波数かつ位相の異なる駆動信号容量結合成分を含んでおり、前記出力信号を処理し、信号処理後の前記駆動信号容量結合成分を出力する容量結合成分出力回路を備えており、前記容量結合成分出力回路において、前記振動子からの前記複数の出力信号を加算することによって、前記複数の出力信号に含まれる互いに逆相の前記検出信号を相殺しかつ前記駆動信号容量結合成分を増幅し、次いで増幅後の駆動信号容量結合成分を前記検出信号を得るための駆動信号に基づく移相信号で検波し、前記検波後の検波出力をローパスフィルターで処理し、前記駆動信号容量結合成分を検出することによって前記検出信号出力回路を診断することを特徴とする。

本発明者は、振動型ジャイロスコープを車両などの移動体において稼働させ、移動体の位置を制御しようとする場合に、従来見逃されていた検出信号出力回路について、その機能を診断するための診断回路を設けることによって、装置の稼働時に故障が生じたときに、故障検出を早期に行い、故障の有無を判断するための待機時間を短縮できることを見いだした。このような検出信号出力回路の故障や機能不全による誤差は、振動子の発振状態、振動状態の異常を検出することによっては把握することができない。

参考例に係る装置を模式的に示すブロック図であり、検出信号出力回路２０Ｂおよび対比信号出力回路２０Ａを備えている。本発明に係る装置を模式的に示すブロック図であり、検出信号出力回路２０Ｂおよび容量結合成分出力回路２０Ｃを備えている。参考例に係る装置を模式的に示すブロック図であり、検出信号出力回路２０Ｂおよび漏れ振動成分出力回路２０Ｄを備えている。角速度測定装置２１と外部電気系統２６との接続部分を示す模式図である。

発明の実施の形態

検出信号出力回路とは、振動子から出力された生の出力信号を受け、以下の処理を施す回路を言う。本発明に言う検出信号出力回路は、以下の処理を施す検出系統の全体を指している。
（１）出力信号を処理して、角速度に対応する所定の検出信号以外のノイズ信号成分を除去または低減する。
（２）出力信号の中から、角速度に対応する検出信号を増幅する。

診断回路とは、検出信号出力回路における機能を診断するための回路を意味している。ここで、検出信号出力回路における機能を診断するとは、検出信号出力回路の少なくとも一つの機能部分における異常、機能不善、機能停止、または誤動作を検出し、出力することを意味している。

本発明の好適な実施形態においては、検出信号出力回路は、振動子からの出力信号（交流信号）を増幅する交流増幅器と、交流増幅後の信号を検波する検波器と、検波器からの検波出力を直流信号に変換する整流器と、この直流信号を増幅する直流増幅器とを備えている。また、本発明では、検波出力から不要な高周波数の信号成分を除去するローパスフィルターを使用する。

また、振動子の少なくとも２箇所の検出振動部分からそれぞれ出力信号を得る。そして、各出力信号は、角速度に対応する真正の検出信号と、不要な信号成分とを含んでいる。ここで，複数の出力信号を減算あるいは加算することによって、不要な信号成分をできるだけ相殺し、真正の検出信号を取り出すようにする。

参考形態においては、診断回路が、検出信号を処理し、角速度に対応する対比信号を得る対比信号出力回路と、検出信号と対比信号とを比較するための比較装置とを備えている。図１を参照しつつ、この実施形態について説明する。

図１は、本装置のブロック図である。振動子には、所定の駆動手段３、およびたとえば２つの検出手段４Ａ、４Ｂが設けられている。１は駆動振動部分であり、２Ａ、２Ｂは検出振動部分である。駆動手段３には、外部の自励発振回路８が接続されている。

起動時には、自励発振回路８に対して起動回路から雑音を入力する。この雑音は、振動子の駆動部１を通過して周波数選択を受け、次いで交流増幅器５に入力されて増幅を受ける。交流増幅器５からの出力信号の一部を取り出し、整流器に入力し、振幅の水準（大きさ）に変換する。この振幅の信号を振幅制御増幅器６に入力する。自励発振装置８は診断回路（電圧比較器）７Ａに連結されており、診断回路７Ａの出力はＤＩＡＧ端子１６Ａを通して外部に出力される。

本例の検出系統は、検出信号出力回路２０Ｂと、対比信号出力回路２０Ａとを備えている。検出信号出力回路は、振動子の出力信号を処理し、真正の検出信号を抽出するための回路である。振動子の検出振動部２Ａ、２Ｂからの出力信号を検出手段４Ａ、４Ｂによって検出し、各前置増幅器１０Ａ、１０Ｂによって増幅する。各増幅器１０Ａ、１０Ｂからの各出力は、少なくとも、角速度に対応する真正の検出信号を含んでいる。本例では、各出力信号に含まれる各検出信号は逆位相となっている。従って、各出力信号を減算器１１に入力して減算し、真正の検出信号を残す。次いで、減算器１１からの出力を、交流増幅器１２Ｂ、検波器１３Ｂ、ローパスフィルター１４Ｂ、リミッタ１５Ｂに通し、端子１６Ｃから検出信号を得る。

ここで、本例においては、検波器１３Ｂにおいて、駆動信号に基づく移相信号を利用して出力信号を検波する。即ち、出力信号からの出力信号は、真正の検出信号の他、漏れ信号を含んでいる。駆動信号から派生信号を分岐させる。派生信号は、そのもととなる駆動信号と同じ周波数と位相とを有している。真正の検出信号は、派生信号と同じ周波数を有しており、かつ派生信号とは９０°位相がずれているはずである。これは、振動子が、コリオリ力を利用して回転角速度の検出を行っているからである。

これに対して、駆動信号によって振動子内に引き起こされた駆動振動は、そのまま機械的に振動子を伝搬して検出手段４Ａ、４Ｂに伝わり、検出手段からの出力信号内に漏れ信号を発生させる。漏れ信号の位相は、そのもととなる駆動信号の位相と同じである。

従って、移相信号の位相は、漏れ信号の位相とは９０°ずれているはずである。そこで、駆動振動からの派生信号を移相器９に通して例えば９０°移相させ、移相信号を得る。検波回路１３Ｂに移相信号を入力し、出力信号を検波すると、検波出力からは、不要な漏れ信号は消去されており、真正の検出信号が得られるはずである。この検波信号を平滑化回路に入力し、その出力を増幅する。

本例においては、上記の検出信号出力回路２０Ｂに加えて、対比信号出力回路２０Ａを設ける。回路２０Ａは、回路２０Ｂと実質的に同様の仕様からなっており、交流増幅器１２Ａ、検波器１３Ａ、ローパスフィルター１４Ａを備えている。これらの動作は、上述した検出信号出力回路２０Ｂと同様である。そして、１５Ａの出力と１５Ｂの出力とを、対比装置７Ｂにおいて比較し、比較結果を端子１６Ｂから取り出す。

なお、電圧比較器は、他の電気的特性を比較するような他の比較手段であってよい。

検出信号出力回路２０Ｂが正常に機能している場合には、対比装置７Ｂからの出力は、回路２０Ａからの出力とほぼ同等であるはずである。従って、本例においては、対比装置１６Ｂからの出力を監視することによって、回路２０Ａからの出力と回路２０Ｂからの出力が大きく相違する場合に早期に検出可能である。これによって、検出系統の通常では検出しにくい故障、例えば中点固定を検出できる。

本発明においては、振動子からの出力信号が、角速度に対応する真正の検出信号および駆動振動に基づいて振動子に発生する駆動信号容量結合成分を含んでおり、診断回路が、駆動信号容量結合成分を検出する容量結合成分出力回路を備えている。振動子から複数の出力信号が出力され、容量結合成分出力回路が、振動子からの複数の出力信号を加算することによって、複数の出力信号に含まれる検出信号を相殺し、容量結合成分を増幅する加算手段を備えている。図２を参照しつつ説明する。

出力信号中には、駆動信号容量結合成分が含まれている場合がある。この成分の周波数は、駆動信号の周波数と同じである。そして、本実施形態においては、検出部２Ａから出力される検出信号の位相と、検出部２Ｂから出力される検出信号の位相とは逆相となるように設定されている。一方、検出部２Ａからの出力信号に含まれる容量結合成分の位相と、検出部２Ｂからの出力信号に含まれる容量結合成分の位相とは同相になる。

従って、検出部２Ａからの出力信号と検出部２Ｂからの出力信号とを減算器１１において減算すると、各出力信号に含まれる真正の検出信号は増幅される。また、各出力信号に含まれる容量結合成分は相殺される。この減算後の信号を検出信号出力回路２０Ｂにおいて前述のように処理し、角速度に対応する検出信号を得る。

一方、容量結合成分出力回路２０Ｃにおいては、以下の処理を行う。即ち、まず検出部２Ａからの出力信号と２Ｂからの出力信号とを加算器２１において加算する。すると、各出力信号に含まれる真正の検出信号は相殺され、消去される。同時に、各出力信号に含まれる容量結合成分は、同相であることから増幅される。この加算後の出力信号を、前述したように、交流増幅器１２Ｃにおいて増幅し、検波器１３Ｃにおいて前述の派生信号（位相後の信号）によって検波し、駆動信号と同位相の漏れ信号成分をカットする。位相の異なる容量結合成分が残る、検波後の信号をローパスフィルター１４Ｃ、電圧比較器７Ｃに通す。電圧比較器７Ｃにおいて容量結合成分を診断し、異常が見られた場合には端子１６Ｄからアラームを出力する。

駆動振動容量結合成分の異常を検出することによって、発振状態の診断によっては検出できない振動子と電気回路との接続部分の断線や抵抗値変化を検出できる。また、初段前置増幅器１０Ａ、１０Ｂの故障を検出することができる。

また、参考形態においては、出力信号が、駆動振動に基づいて振動子に発生する漏れ信号成分を含んでおり、診断回路が、漏れ信号成分を検出する漏れ信号成分出力回路を備えている。漏れ信号成分は、前述したように駆動振動と同じ周波数を有しており、かつ同位相である。発振回路が正常であっても、振動子に何らかの異常が発生し、振動状態が変化すると、漏れ信号成分に異常ないし大きな変化がもたらされる。従って、漏れ信号成分を監視することによって、駆動信号を監視するだけでは検出できない振動子の異常を検出できる。

図３は、この形態に係る装置を模式的に示すブロック図である。漏れ信号出力回路２０Ｄにおいては、まず各出力信号を減算器１１で減算することによって、容量結合成分をカットし、漏れ信号成分と、角速度に対応する真正の検出信号とを増幅する。次いで、減算器１１からの出力を交流増幅器１２Ｄで増幅し、検波器１３Ｄで検波する。この際、検波器１３Ｄには、駆動信号から１８０°移相された移相信号を使用する。即ち、前述した派生信号を移相器９に供して例えば９０°移相した後、この移相信号を再び移相器１９に供し、再度９０°移相する。こうして得られた移相信号を使用して検波を行うと、角速度に対応する真正の検出信号が検波され、カットされる。これと共に、漏れ信号成分は検波されず、検波器１３Ｄを通過する。

この検波後の検波出力を、ローパスフィルター１４Ｄに通し、次いで電圧比較器１７Ｄに供給し、診断に供する。漏れ信号成分に異常が見られた場合には、端子１６Ｅからアラームを出力する。

また、参考形態においては、検出信号出力回路からの出力を外部電気系統に接続するための検出端子と、角速度測定装置の電源の負極端子あるいは正極端子とを、抵抗を介して接続する。ごの実施形態について、図４を参照しつつ説明する。

図４において、角速度測定装置２１は、外部電気系統２６に対してワイヤー２５によって接続されている。２２Ａは電源の正極端子であり、２２Ｃは電源の負極端子であり、２２Ｂは検出信号出力回路からの出力端子である。本例では、検出端子２２Ｂと正極端子２２Ａとの間に抵抗２４が介在している。各端子は外部電気系統側の端子２３に接続されている。この結果、検出端子２２Ｂからの出力の大きさは、電源電圧の大きさに比べて、抵抗２４の抵抗値の分だけ低下する。例えば電源の定格電圧が５ボルトであるとすると、検出端子からの出力は例えば４．５ボルト以下に設定できる（最大４．５ボルトに設定される）。ここで、ワイヤーハーネス部に短絡が発生したり、あるいは開放故障が発生すると、検出端子２２Ｂからの出力が４．５ボルトを超え、例えば５ボルト近辺に達するので、異常を検出できる。

（符号の説明）
１振動子の駆動部２Ａ、２Ｂ振動子の検出部
３駆動手段４Ａ、４Ｂ検出手段７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ電圧比較器
８自励発振回路９、１９移相器１０Ａ、１０Ｂ前置増幅器
１１減算器１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ交流増幅器
１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ検波器
１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄローパスフィルター１５Ａ、１５Ｂリミッタ
１６Ａ自励発振状態の診断端子１６Ｂ対比信号による診断端子
１６Ｃ検出信号の出力端子１６Ｄ駆動振動容量結合成分の出力端子
１６Ｅ漏れ信号の出力端子２０Ａ対比信号出力回路
２０Ｂ検出信号出力回路２０Ｃ容量結合成分出力回路
２０Ｄ漏れ振動成分出力回路２１角速度測定装置
２２Ａ、２２Ｃ電源の端子２２Ｂ検出端子２６外部電気系統

Claims

振動子に加わる回転の角速度を測定するための角速度測定方法であって、
前記振動子に駆動振動を励振し、前記振動子からの出力信号を検出信号出力回路によって処理し、前記角速度に対応する検出信号を得るのに際して、前記振動子から複数の前記出力信号が出力され、前記出力信号が、前記検出信号および前記駆動振動に基づいて前記振動子に発生する前記駆動振動と同周波数かつ位相の異なる駆動信号容量結合成分を含んでおり、診断回路が、前記出力信号を処理し、信号処理後の前記駆動信号容量結合成分を出力する容量結合成分出力回路を備えており、前記容量結合成分出力回路において、前記振動子からの前記複数の出力信号を加算することによって、前記複数の出力信号に含まれる互いに逆相の前記検出信号を相殺しかつ前記駆動信号容量結合成分を増幅し、前記増幅後の駆動信号容量結合成分を前記検出信号を得るための駆動信号に基づく移相信号で検波し、前記検波後の検波出力をローパスフィルターで処理し、前記駆動信号容量結合成分を検出することによって前記検出信号出力回路を診断することを特徴とする、角速度測定方法。
前記振動子からの出力信号を交流増幅器によって増幅してから加算することを特徴とする、請求項１記載の方法。
振動子に加わる回転の角速度を測定するための角速度測定装置において前記振動子からの出力信号を処理し、前記角速度に対応する検出信号を得るための検出信号出力回路を診断するための診断回路であって、
前記振動子から複数の前記出力信号が出力され、前記出力信号が、前記検出信号および前記駆動振動に基づいて前記振動子に発生する前記駆動振動と同周波数かつ位相の異なる駆動信号容量結合成分を含んでおり、前記出力信号を処理し、信号処理後の前記駆動信号容量結合成分を出力する容量結合成分出力回路を備えており、前記容量結合成分出力回路において、前記振動子からの前記複数の出力信号を加算することによって、前記複数の出力信号に含まれる互いに逆相の前記検出信号を相殺しかつ前記駆動信号容量結合成分を増幅し、次いで増幅後の駆動信号容量結合成分を前記検出信号を得るための駆動信号に基づく移相信号で検波し、前記検波後の検波出力をローパスフィルターで処理し、前記駆動信号容量結合成分を検出することによって前記検出信号出力回路を診断することを特徴とする、角速度測定装置の診断回路。
前記振動子からの出力信号を交流増幅器によって増幅してから加算することを特徴とする、請求項３記載の回路。