CN1595172A - 动态量传感器 - Google Patents
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Abstract
一种动态量传感器，包括两个压电振动器，被设置成以相反相位将诸如加速度等动态量所产生的应力加给该二压电振动器。电流－电压变换和信号相加电路把在压电振动器中流动的电流信号变换成电压信号。反馈信号处理电路将两个电压信号的组合信号放大，并将组合信号反馈给加速度检测元件，从而实现振动。包含开关电路和电容器的自诊断电路被设置在参考电位(接地)与一个压电振动器和电阻器间的节点之间，其中所述一个压电振动器的电流流入该电阻器中。根据开关电路接通和断开时信号是否正常改变实行诊断。
Description
技术领域
本发明涉及用于检测动态量，如加速度、角加速度、角速度或负载的动态量传感器。
背景技术
本申请的受让人在日本专利No.3097464中提出一种含有压电振动器的加速度传感器。这种加速度传感器包含用于检测加速度的压电陶瓷元件，用于对压电陶瓷元件的输出信号进行处理的信号处理电路，以及用于将自诊断信号输出给压电陶瓷元件的缺陷自诊断电路。
此外，在日本专利申请未审公开No.2002-267448中，披露了一种角速度传感器。这种角速度传感器包括含有振动部分和用于检测角速度的传感部分的传感元件；以及驱动电路，用以将驱动信号输送给传感元件的振动部分。
另外，本申请的受让人在日本专利申请No.2002-326605中提出一种包含压电振动器的动态量传感器。日本专利申请No.2002-326605与2002年12月27日递交的序列号为No.10/329,507的美国专利申请相应。这种动态量传感器包括两个压电振动器，动态量产生的应力以相反的相位被加给这两个压电振动器；电压信号加给电路，用于将公共电压信号加给压电振动器；电流-电压变换电路，用于将流经压电振动器的电流信号转变成电压信号；以及相位差信号处理电路，用于检测电流-电压变换电路输出的电压信号之间的相位差，并输出动态量传感信号。
以下参照图8描述日本专利申请No.2002-326605中所述动态量传感器结构的一种举例。所述动态量传感器包括：加速度检测元件10，电流-电压变换和信号相加电路11，反馈信号处理电路12，相位差电压变换电路13和放大及滤波电路14。
加速度检测元件10包括压电振动器Sa和Sb，以相反的相位将所述动态量产生的应力加给它们。压电振动器Sa和Sb分别与电阻器RLa和RLb串联连接。电流-电压变换和信号相加电路11将流经压电振动器Sa和Sb的电流信号分别变换成要被输出的电压信号，作为Sa信号和Sb信号。此外，电流-电压变换和信号相加电路11输出由两个信号产生的组合信号。
反馈信号处理电路12放大所述组合信号的电压，限制幅值，并将电压信号Vosc输出给加速度检测元件10。电压信号Vosc被加于压电振动器Sa与Sb之间的节点。
相位差电压变换电路13产生电压信号，该信号与转换成电压信号的Sa信号和Sb信号之间的相位差成正比。
放大及滤波电路14以预定的增益放大经相位差电压变换电路13变换的电压信号，并消除所不希望的频率范围内的成分，输出加速度传感信号。
在图8所示的电路中，调节压电振动器Sa和Sb两者的谐振频率，使其等于电压信号Vosc的频率，并将不同相位的应力，即压应力(或张应力)和张应力(或压应力)分别加给压电振动器Sa和Sb，从而自放大及滤波电路14获取输出信号。
日本专利No.3097464描述一种电路，通过将自诊断信号发送给压电陶瓷元件，根据传感器输出的变化确定缺陷的存在。此外，在日本专利申请未审公开No.2002-267448中描述了这样一种结构，其中通过加给与解调器上游的检测元件驱动信号同步的信号执行自诊断。例如，如果将所述动态量传感器用于车辆，则这种自诊断功能必须保证高度可靠性。
然而，按照日本专利申请No.2002-326605描述的动态量传感器，在以相反相位加给动态量所产生之应力的两个压电振动器中流动的电流信号被转换成电压信号，并因反馈电路而产生自激振荡。因此，不能使用日本专利No.3097464或日本专利申请未审公开No.2002-267448中所用的自诊断电路。
发明内容
为克服上述问题，本发明的优选实施例提供一种动态量传感器，通过将电压信号加给两个压电振动器，并检测流经压电振动器的电流之间的相位差而检测动态量，并且具有自诊断功能，其中动态量产生的应力以相反相位加给这两个压电振动器。
本发明优选实施例的动态量传感器包括：两个压电振动器，以相反的相位将动态量所产生的应力加给该二压电振动器；连接于每个压电振动器的电流通路中的电阻器；电压信号加给电路，用以将公共电压信号加给压电振动器；电流-电压变换电路，用以将在各压电振动器中流动的电流信号转换成电压信号；相位差信号处理电路，用于检测电流-电压变换电路输出的电压信号之间的相位差，并输出动态量传感信号；以及串联电路，包含电容器和开关电路，其中所述开关电路与外部控制信号同步地通或断，所述串联电路被设在恒定电位与一个压电振动器和电阻器间的节点之间。
所述开关电路可包括：开关元件，用于根据输入控制端的控制信号使两个输入/输出端电连接或解除连接；与开关元件串联的晶体管；以及偏置电路，用于在开关元件接通时开启晶体管。包含开关元件和晶体管的串联电路设在电源电压线与地线之间，并且电容器的一端可以与开关元件和晶体管之间的节点连接。
所述动态量可以是，比如加速度、角加速度、角速度或负载。
按照本发明的优选实施例，当因开关电路的接通，使两个压电振动器中之一与晶体管之间的节点通过电容器被连接到作为参考电位的恒定电位时，所述一个压电振动器的相位特性改变，并且由此二使相位差信号处理电路所测得的动态量传感信号的大小发生改变。因此，可根据输出的变化进行自诊断。
此外，按照本发明的优选实施例，所述开关电路包括：开关元件，根据输入控制端的控制信号，使两个输入/输出端电连接或解除连接；与开关元件串联的晶体管；以及偏置电路，当开关元件接通时开启晶体管。因而，当开关元件断开时，晶体管中断，并且电容器与开关元件和晶体管之间的节点连接的一端相当于开路。从而，等效于没有连接电容器。包含电压信号加给电路，电流-电压变换电路和相位差信号处理电路的动态量传感器，执行它们的固有动作，并且不会发生由于设有自诊断电路而导致的性质劣化。
通过以下参照附图对本发明优选实施例的详细说明，将使本发明的其它特点、要素、特性及优点愈为清晰。
附图说明
图1为表示本发明第一优选实施例加速度传感器的结构方块图；
图2为由加速度传感器自诊断电路检查特性改变的电路图；
图3A和3B分别表示图2所示电路输出信号的相位特性和增益特性；
图4为表示本发明第二优选实施例加速器传感器的结构方块图；
图5为表示自诊断电路中开关元件结构的电路图；
图6A表示执行自诊断时控制信号电压的变化，图6B至6D中的每一个表示执行自诊断时输出电压改变的一个例子；
图7为表示本发明第三优选实施例加速度传感器的结构方块图；
图8为表示现有技术加速度传感器结构的方块图。
具体实施方式
以下参照图1，2，3A和3B描述本发明第一优选实施例动态量传感器的结构。
图1为表示加速度传感器结构的方块图。这种加速度传感器优选地包括加速度检测元件10、电流-电压变换和信号相加电路11、反馈信号处理电路12、相位差电压变换电路13、放大及滤波电路14以及自诊断电路15。
加速度检测元件10包括压电振动器Sa和Sb，以相反的相位将由加速度所产生的应力加给该二压电振动器。电流-电压变换和信号相加电路11把在加速度检测元件10的压电振动器Sa和Sb中流动的电流信号转换成要输出的电压信号，作为Sa信号和Sb信号。电流-电压变换和信号相加电路11还输出两个信号的组合信号。反馈信号处理电路12对应于本发明优选实施例中的“电压信号施加电路”。反馈信号处理电路12放大组合信号的电压，限制幅值，控制相位，并将电压信号回送到压电振动器Sa与Sb之间的节点。相位差电压变换电路13对应于本发明优选实施例中的“相位差信号处理电路”。相位差电压变换电路13产生电压信号，与变换成电压信号的Sa信号和Sb信号之间的相位差成正比。
放大及滤波电路14以预定大小的增益将相位差电压变换电路13变换的电压信号放大，并消除所不希望的频率范围内的成分，输出加速度传感信号。
自诊断电路15是一个串联电路，包括开关电路SW与电容器C1，它被设置在加速度检测元件10的压电振动器Sb和电阻器RLb之间的节点与参考电位(本例中为地电位)之间，电阻器RLb处于电流-电压变换和信号相加电路11的输入端。
在电流-电压变换和信号相加电路11中，在加速度检测元件10的压电振动器Sa和Sb中流动的传导电流Ia和Ib分别流过电阻器RLa和RLb。电流-电压变换和信号相加电路11将电阻器RLa和RLb中的电压降相加。换言之，每个运算放大器OP1和OP2具有非常高的输入阻抗，并限定一个增益为1的电压跟随器电路。运算放大器OP3与电阻器R25和R26限定一个同相放大电路。此外，同相向放大电路与电阻器R23和R24限定一个加法电路，用于输出运算放大器OP1与OP2输出电压的组合信号。
在图1中所示的加速度传感器中，连接(接通)开关电路SW，用以自诊断。开关电路SW的接通会改变压电振动器Sb的相位特性。由此，改变电流-电压变换和信号相加电路11的信号Sb的相位。根据输出是否表示由于这种相位改变所致的预定变化，实行诊断。
下面描述基于开关电路SW的接通和断开，压电振动器Sb的相位特性的改变。
图2表示用于检测压电振动器Sb的相位特性的电路。其中，在加速度检测元件10与地线之间的节点处输入检测信号，并测量电流-电压变换和信号相加电路11的Sb信号。
图3A和3B分别表示Sb信号的相位特性和增益特性。图3A和3B中的水平轴代表频率。图3A中的纵轴代表相位，图3B中的纵轴代表增益。如图3A所示，与开关电路SW的断开状态相比，在开关电路SW的接通状态下，在包括压电振动器Sb谐振频率和反谐振频率在内的相当宽的频率范围内，Sb信号的相位呈现出大体恒定的偏移。此时，尽管增益也发生变化，但变化的宽度非常小。相反，Sa信号作为压电振动器Sa的变换电压信号，其相位特性或增益特性几乎不改变，而与开关元件SW的接通和断开无关。因此，当如图1中所示那样，通过反馈信号处理电路12的反馈实现振动时，可获得稳定振动，开关电路SW的接通或断开不会极大地影响振动。
以下参照图4，5，6A，6B，6C和6D描述第二优选实施例的自诊断电路15和包含自诊断电路15的加速度传感器的特定电路结构。
参照图4，在自诊断电路15中，Vcc表示用于自诊断电路15和加速度传感器中其他部件的电源电压线，GND表示接地。Dgn表示控制信号输入端，ASW表示开关元件，是一种下面有述的互补金属氧化物半导体(C-MOS)模拟开关。在自诊断电路15中，电阻器R3作为晶体管Q1的负载电阻，电阻器R1和R2限定用于晶体管Q1的偏置电路。此外，电阻器R4、R5和R6限定晶体管Q2的偏置电路。
以下描述所述自诊断电路15的工作过程。
当控制信号输入端Dgn处于低电平(接地电位)时，晶体管Q1导通。晶体管Q集电极的电位为高电平(近似与电源电压线Vcc的电压相同)，开关元件ASW被连接或接通。开关元件ASW的接通引起晶体管Q2的基极电流流动，晶体管Q2被导通。因此，等于由于晶体管Q2的发射极电流流入电阻器R6中所引起的电压降的恒定电位被加给电容器C1的一端。
当控制信号输入端Dgn为高电平(电源电压线Vcc的电压)时，晶体管Q1断开，开关元件ASW也断开。开关元件ASW的断开导致晶体管Q2的基极电流受到阻挡，晶体管Q2断开。因此，电容器C1的一端等效于开路。从而，由于这等效于没有电容器C1，所以实现正常振动。
在图4中所示的自诊断电路15中，当开关元件ASW断开时，晶体管Q1和Q2也断开。当不进行自诊断时，可使自诊断电路15产生的功耗极小。
图5是表示开关元件ASW结构的电路图。开关元件ASW包括MOS晶体管Q11和Q12以及反相器INV。当控制信号输入端CNT为高电平时，晶体管Q11和Q12导通，输入/输出端IN/OUT和输出/输入端OUT/IN电连接。相反，当控制信号输入端CNT为低电平时，晶体管Q11和Q12断开，输入/输出端IN/OUT和输出/输入端OUT/IN解除电连接。反相器INV为单级C-MOS电路。当开关元件ASW断开时，可使功耗极小。
图6A表示执行自诊断时控制信号电压的改变，图6B至6D中的每一个表示执行自诊断时加速度传感器输出信号改变的举例。在各例中，将代表200ms的时间段设定为自诊断时间段。换言之，在自诊断时间段期间，图4中所示控制信号输入端Dgn处的控制信号电压较低。
在图6B至6D中，纵轴代表加速度传感器的输出电压。将每一个电路都设计成使自诊断时间段期间的输出电压从大约2.5V改变到大约4.5V。
图6B表示正常状态下自诊断输出波形。
图6C表示当加速度检测元件10的压电振动器Sa和Sb中一个发生故障(坏掉)时的自诊断输出波形。尽管即使压电振动器Sa和Sb中之一发生机械故障时也发生振动，但作为电流-电压变换和信号相加电路11输出信号的Sa信号与Sb信号之间的相位差不改变。因此，相位差电压变换电路13的输出信号不改变。由此，输出电压恒定，与自诊断时间段无关。因此，如果减小自诊断时间段和其他状态之间输出电压的改变，或者如果所有时刻输出电压都恒定，则判断发生故障(压电振动器中的故障)。
图6D表示当放大及滤波电路14(放大及滤波电路14中的高通滤波器)存在故障时的自诊断输出波形。当自诊断时间段期间输出电压不恒定时，判断比如滤波电路部分存在故障，其中由于电路元件的缺陷导致时间常数改变。
虽然可以把自诊断时间段设在加速度传感器开始使用的时候，但可以将自诊断时间段设在正常工作状态下的预定时间间隔时，从而可大体上连续地进行自诊断。
图7表示本发明第三优选实施例加速度传感器的结构。在电流-电压变换和信号相加电路11的结构方面，第三优选实施例加速度传感器的结构不同于图4所示第二优选实施例加速度传感器的结构。在第三优选实施例中，所述电流-电压变换和信号相加电路11包括含有运算放大器OP1和反馈电阻器R21的第一电流-电压变换电路，以及含有运算放大器OP2和反馈电阻器R22的第二电流-电压变换电路。此外，所述电流-电压变换和信号相加电路11包括含有运算放大器OP3和电阻器R23、R24和R25的加法电路。加速度检测元件10的压电振动器Sa和Sb的传导电流Ia和Ib分别流入电阻器RLa和RLb。另外，所述自诊断电路15设在压电振动器Sb和电阻器RLb之间的节点与地线之间。自诊断电路15的结构与图4中所示相同。对于这种电路结构来说，加速度传感器的输出电压也随自诊断电路15的开关操作而改变。因此，可根据改变是否正常而执行诊断。
尽管上述各优选实施例描述的加速度传感器用于检测由加速度产生的加给压电振动器Sa和Sb的应力差，但通过以相反相位将动态量所产生的应力加给两个压电振动器可以得到各种检测动态量的传感器。例如，通过设置要由角加速度在两个压电振动器之间产生应力差，可获得角加速度传感器。此外，通过设置要由角速度在两个压电振动器之间产生应力差，可以获得角速度传感器。另外，通过设置要由负载在两个压电振动器之间产生应力差，可以获得负载传感器。
虽然上面描述了本发明的优选实施例，但应能理解，在不偏离本发明范围和精髓的条件下，本领域技术人员显然可以想到变化和改型。从而，本发明的范围仅由所附权利要求确定。
Claims (15)
1.一种动态量传感器，包括：
两个压电振动器，以相反的相位将动态量所产生的应力加给该二压电振动器；电阻器连接在每个压电振动器的电流路径中；
用于将公共电压信号加给压电振动器的电压信号加给电路；
用于将在各压电振动器中流动的电流信号变换成电压信号的电流-电压变换电路；
相位差信号处理电路，用于检测电流-电压变换电路输出的电压信号，并输出动态量检测信号；以及
串联电路，包含电容器和开关电路，所述开关电路与外部控制信号同步地接通或断开，所述串联电路设在恒定电位与所述压电振动器之一和电阻器间的节点之间。
2.根据权利要求1所述的动态量传感器，其中：
所述开关电路包括开关元件，用于根据输入控制端的控制信号使两个输入/输出端电连接或解除连接；与开关元件串联的晶体管；以及偏置电路，当开关元件接通时该偏置电路用于接通晶体管；以及
串联电路，包含开关元件和晶体管，所述串联电路设在电源电压线与地线之间；并且电容器的一端与开关元件和晶体管之间的节点相连。
3.根据权利要求1所述的动态量传感器，其中，所述动态量为加速度。
4.根据权利要求1所述的动态量传感器，其中，所述动态量为角加速度。
5.根据权利要求1所述的动态量传感器，其中，所述动态量为角速度。
6.根据权利要求1所述的动态量传感器，其中，所述动态量为负载。
7.根据权利要求1所述的动态量传感器，其中，所述电流-电压变换电路用于输出组合信号，所述组合信号包括两个压电振动器中每一个的输出信号。
8.根据权利要求1所述的动态量传感器，其中，所述电压信号加给电路放大所述组合信号的电压，限制幅值，控制相位，并将电压信号反馈回到两个压电振动器之间的节点。
9.根据权利要求1所述的动态量传感器，其中，所述相位差信号处理电路输出的动态量检测信号与两个压电振动器输出信号之间的相位差成正比。
10.根据权利要求1所述的动态量传感器，其中，还包括放大及滤波电路，所述放大及滤波电路以预定的增益放大相位差信号处理电路的输出信号，并消除不希望的频率范围内的成分，以输出加速度传感信号。
11.根据权利要求1所述的动态量传感器，其中，所述包含电容器和开关电路的串联电路为自诊断电路，用以判断相位差信号处理电路的输出是否表现因相位改变引起的预定变化。
12.根据权利要求1所述的动态量传感器，其中，所述串联电路的开关电路为互补金属氧化物半导体模拟开关。
13.如权利要求2所述的动态量传感器，其中，所述串联电路包含限定晶体管负载电阻的电阻器，以及用于限定晶体管偏置电路的附加电阻器。
14.根据权利要求1所述的动态量传感器，其中，所述电流-电压变换电路包括含有运算放大器和反馈电阻器的第一电流-电压变换电路，以及含有运算放大器和反馈电阻器的第二电流-电压变换电路。
15.根据权利要求14所述的动态量传感器，其中，所述电流-电压变换电路还包括含有运算放大器和电阻器的加法电路。
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