DE102006024474A1

DE102006024474A1 - Gyrosensor vom elektrostatisch antreibenden und kapazitiv erfassenden Typ

Info

Publication number: DE102006024474A1
Application number: DE102006024474A
Authority: DE
Inventors: Yuji Kariya Kutsuna
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2006-12-28
Also published as: CN1880915A; JP2006349409A; US7322237B2; CN1880915B; US20060277995A1

Abstract

Ein Gyrosensor mit einem Schwingungselement und einer Startschaltung erzeugt in Antwort auf ein von der Startschaltung gesendetes Startsignal mit einer Startfrequenz durch Verstärken einer ersten Spannung auf eine Spannung des Signals ein Oszillationsanregungssignal. Das Schwingungselement wird in Antwort auf das Oszillationsanregungssignal in Schwingung versetzt. Wenn das Schwingungselement selbterregt ist, gibt das Schwingungselement ein erstes Erfassungssignal aus, das ein Maß für eine Oszillationsamplitude und eine Oszillationsfrequenz in der Schwingung des Schwingungselements ist. Der Sensor verstärkt in Antwort auf das erste Erfassungssignal die erste Spannung auf eine zweite Spannung und erzeugt ein Antriebssignal mit einer Antriebsfrequenz und die zweite Spannung. Die Selbsterregung des Schwingungselements wird in Antwort auf das Antriebssignal fortgesetzt. Das Schwingungselement gibt ein zweites Erfassungssignal aus, das ein Maß für eine der Bewegung des Schwingungselements überlagerte Gierbewegung ist. Der Sensor erzeugt aus dem zweiten Erfassungssignal ein Sensorsignal, das der Gierbewegung entspricht.

Description

Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung 2005-173710, eingereicht am 14. Juni 2005, so dass deren Inhalt durch Bezugnahme hierin enthalten ist.
Die Erfindung betrifft einen Gyrosensor bzw. Gierratensensor, wobei eine physikalische Größe wie etwa eine Gierbewegung, die der Bewegung des Sensors überlagert ist, auf der Grundlage eines von einem Schwingungselement ausgesendeten Erfassungssignals erfasst wird, wenn das Schwingungselement in Antwort auf ein von dem Schwingungselement ausgesendetes Antriebssignal in Selbsterregung in Schwingung versetzt wird.

Ein herkömmlicher Gyrosensor ist zum Beispiel in einem Fahrzeug eingebaut, um eine Gierrate zu erfassen, die in Maß für eine Winkelgeschwindigkeit um eine vertikale Achse des Fahrzeugs ist. In diesem Sensor ist aus einem Schwingungselement und einer Steuerschaltung ein Regelkreis gebildet, um das Schwingungselement in seiner Eigenfrequenz selbst zu erregen, und eine der Bewegung des Schwingungselements überlagerte Gierbewegung wird in einer Gierbewegung-Erfassungsschaltung erfasst. Als ein Typ von Gyrosensoren ist ein Mikrogyrosensor vom elektrostatisch antreibenden und kapazitiv erfassenden Typ in der japanischen Patentveröffentlichungsschrift Nr. 2084567 offenbart.

In einem Schwingungselement dieses Mikrosensors ist ein festgelegtes Antriebselement durch einen Raum von ei nem beweglichen Element getrennt als Antriebssensorelement angeordnet, und ein Paar von festgelegten Erfassungselementen sind durch einen Raum von dem beweglichen Element getrennt als ein Paar von Erfassungssensorelementen auf der linken und der rechten Seite des Schwingungselements angeordnet. Wenn ein von einer Antriebsschaltung des Sensors übertragenes Steuersignal dem Antriebselement zugeführt wird, wird das bewegliche Element in Selbsterregung entlang einer Antriebsrichtung in Schwingung versetzt. Wenn der Bewegung des Sensors eine Gierbewegung überlagert wird, wird das bewegliche Element außerdem entlang einer zu der Antriebsrichtung senkrechten Erfassungsrichtung in Schwingung versetzt, und eine Kapazität zwischen einem jeweiligen Erfassungselement und dem beweglichen Element wird periodisch verändert. Jedes Erfassungselement gibt ein Erfassungssignal aus, das ein Maß für die Schwingungskapazität ist. In einer Gierbewegung-Erfassungsschaltung des Sensors wird jedes Erfassungssignal in einem Ladungsverstärker auf ein Spannungssignal geändert. Ein Differenzausgangssignal wird aus den Spannungssignalen in einem Differenzverstärker gewonnen. Dieses Ausgangssignal tritt durch eine Synchronphasen-Erfassungsschaltung, ein Tiefpassfilter und eine Schaltung zur Einstellung des Nullpunkts und einer temperaturabhängigen Empfindlichkeit, und schließlich wird ein Sensorsignal ausgegeben, das ein Maß für eine Rate der Gierbewegung ist.

In diesem Mikrosensor wird das Antriebssignal von einem von dem Antriebselement ausgegebenen Schwingungserfassungssensor gewonnen, wobei eine Versorgungsquelle verwendet wird, die normalerweise bei 5 V eingestellt und außerhalb des Sensors angeordnet ist. Jedoch wird das Schwingungselement, obwohl das bei 5 V eingestellte Antriebssignal dem Schwingungselement zugeführt wird, um eine Selbsterregung des Schwingungselements aufrecht zu erhalten, in Antwort auf das Antriebssignal von 5 V nicht kontinuierlich selbsterregt. Daher kann ein Sensorausgangssignal, das korrekt eine Gierrate anzeigt bzw. angibt, nicht ausreichend gewonnen werden. Um die Selbsterregung des Schwingungselements zuverlässig fortzusetzen, ist es erforderlich, eine Spannung des Antriebssignals auf eine hohe Spannung von nicht weniger als 5 V zu verstärken.

Ferner wird bei einem herkömmlichen Gyrosensor, der von dem Mikrogyrosensor verschieden ist, wenn die Versorgung des Sensors mit elektrischer Energie gestartet wird, in Antwort auf ein Rauschen, das in einer Energiequelle von 5 V erzeugt wird, eine Selbsterregung des Schwingungselements gestartet. Im Gegensatz dazu kann in dem Mikrosensor eine Selbsterregung des Schwingungselements in Antwort auf ein in einer Versorgungsquelle von 5 V erzeugtes Rauschen nicht gestartet werden. Daher ist es zum zuverlässigen Starten der Selbsterregung des Schwingungselements in dem Mikrosensor erforderlich, 5 V eines von der Versorgungsquelle gewonnenen Signals auf eine hohe Spannung zu verstärken und ein Signal der hohen Spannung an das Schwingungselement anzulegen.

Insbesondere wird in dem Mikrosensor in Antwort auf ein Antriebssignal eine Selbsterregung des Schwingungselements in seiner Eigenfrequenz fortgesetzt, wenn eine Frequenz des Antriebssignals mit der Eigenfrequenz übereinstimmt, und ein von dem selbsterregten Schwingungselement ausgegebenes Taktsignal wird darüber hinaus als ein Verstärkungstaktsignal verwendet, das zur Erzeugung des Antriebssignals hoher Spannung durch Verstärken von 5 V eines von einer Versorgungsquelle gewonnenen Signals auf die hohe Spannung erforderlich ist. Daher kann das Antriebssignal der hohen Spannung solange nicht gewonnen werden, bis die Selbsterregung des Schwingungselements gestartet ist, um das Taktsignal in einer Regelungsschleife einer Sensorschaltung zu erzeugen, und die Selbsterregung des Schwingungselements kann solange nicht schnell gestartet werden, bis das Antriebssignal der hohen Spannung nicht schnell gewonnen wird.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, unter entsprechender Berücksichtigung der Nachteile des herkömmlichen Gyrosensors einen Gyrosensor bereitzustellen, bei dem eine Selbsterregung eines Schwingungselements, das in Antwort auf ein Antriebssignal hoher Spannung in Schwingung versetzt werden soll, schnell gestartet wird, um schnell das Antriebssignal der hohen Spannung von einem von dem selbsterregten Schwingungselement gewonnenen Taktsignal zu erzeugen und bei einer vorbestimmten Spannung, die niedriger als die hohe Spannung ist, einzustellen.

Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung wird das Ziel durch die Bereitstellung eines Gyrosensors erreicht, der ein Schwingungselement, eine Antriebsschaltung und eine Gierbewegung-Erfassungsschaltung umfasst. Das Schwingungselement kann in Selbsterregung zum Schwingen gebracht werden, gibt ein erstes Erfassungssignal aus, das ein Maß für eine Oszillationsamplitude und eine Oszillationsfrequenz in der Schwingung des Schwingungselements ist, wenn das Schwingungselement in einem Zustand der Selbsterregung eingestellt ist, und gibt ein zweites Erfassungssignal aus, das ein Maß für eine Gierbewegung ist, die der Bewegung des Schwingungselements überlagert ist. Die Antriebsschaltung erzeugt eine erste Spannung, erzeugt ein Steuersignal aus dem von dem Schwingungselement ausgegebenen ersten Erfassungssignal, verstärkt die erste Spannung auf eine zweite Spannung in Antwort auf das Steuersignal, um aus dem Steuersignal ein Antriebssignal mit der zweiten Spannung und einer Antriebsfre quenz zu erzeugen, und sendet das Antriebssignal zu dem Schwingungselement, um die Selbsterregung des Schwingungselements in Antwort auf das Antriebssignal fortzusetzen. Die Gierbewegung-Erfassungsschaltung erzeugt ein Sensorsignal, das der Gierbewegung entspricht, aus dem zweiten Erfassungssignal des selbsterregten Schwingungselements und gibt das Sensorsignal aus.

Der Sensor umfasst ferner eine Startschaltung, die der Antriebsschaltung ein Startsignal mit einer Startfrequenz zuführt und bewirkt, dass das Antriebsschaltung in Antwort auf das Startsignal dadurch ein Oszillationsanregungssignal erzeugt, dass die erste Spannung auf eine Spannung des Oszillationsanregungssignals verstärkt wird, so dass die Selbsterregung des Schwingungselements in Antwort auf das Oszillationsanregungssignal gestartet wird.

Wenn in dieser Konfiguration das Schwingungselement noch nicht selbsterregt ist, gibt die Startschaltung ein Startsignal mit einer Startfrequenz als Verstärkungstaktsignal an die Antriebsschaltung. Die Antriebsschaltung verstärkt die erste Spannung entsprechend dem Startsignal, um ein Oszillationsanregungssignal mit einer verstärkten Spannung zu erzeugen. Die Schwingung des Schwingungselements wird in Antwort auf das Oszillationsanregungssignal gestartet. Wenn das Schwingungselement stabil in Schwingung versetzt ist, wird die Selbsterregung des Schwingungselements gestartet. Anschließend gibt das selbsterregte Schwingungselement ein erstes Erfassungssignal an die Antriebsschaltung und ein zweites Erfassungssignal an die Gierbewegung-Erfassungsschaltung aus. Die Antriebsschaltung erzeugt aus dem ersten Erfassungssignal ein Steuersignal und durch Verstärken der ersten Spannung auf die zweite Spannung entsprechend dem Steuersignal aus dem Steuersignal ein Antriebssignal mit einer zweiten Spannung und einer Antriebsfrequenz. Daher wird die Selbsterregung des Schwingungselements in Antwort auf das Antriebssignal fortgesetzt. Die Gierbewegung-Erfassungsschaltung erzeugt aus dem zweiten Erfassungssignal ein Sensorsignal, das einer Gierbewegung entspricht, die der Bewegung des Sensors überlagert ist, und gibt das Sensorsignal aus.

Demzufolge kann die Selbsterregung des Schwingungselements, da die Startschaltung das Startsignal für die Antriebsschaltung als ein Verstärkungstaktsignal zur Erzeugung des Oszillationsanregungssignals in der Antriebsschaltung liefert, zuverlässig und schnell in Antwort auf das Oszillationsanregungssignal mit verstärkter Spannung gestartet werden.

Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, deutlicher ersichtlich, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, sofern nichts anderes erwähnt ist. In den Zeichnungen sind:
1 ein Blockschaltbild eines Gyrosensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Blockschaltbild eines Gyrosensors gemäß einer Modifikation der ersten Ausführungsform; und
3 ein Blockschaltbild eines Gyrosensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
(Erste Ausführungsform)
Ein Gyrosensor vom elektrostatisch antreibenden und kapazitiv erfassenden Typ gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 1 gezeigt.
Wie es in 1 gezeigt ist, umfasst ein Gyrosensor (oder Gierratensensor), der an einem Fahrzeug angeordnet ist, ein Schwingungselement 10, eine Antriebsschaltung 20 und eine Gierbewegung-Erfassungsschaltung 30. Das Schwingungselement 10 umfasst ein Antriebssensorelement (nicht gezeigt) und ein Paar von Gierbewegung-Erfassungssensorelementen (nicht gezeigt). Wenn das Antriebssensorelement in Schwingung versetzt wird, gibt das Schwingungselement 10 ein Schwingungserfassungsignal an die Schaltung 20 aus. Wenn der Bewegung des Schwingungselements 10 während der Schwingung des Antriebssensorelements eine Gierbewegung überlagert wird, werden die Gierbewegung-Erfassungssensorelemente aufgrund der Corioliskraft in Schwingung versetzt, und die Gierbewegung-Erfassungssensorelemente des Schwingungselements 10 geben ein erstes bzw. ein zweites Gierbewegung-Erfassungssignal an die Schaltung 30 aus.
Die Schaltung 20 erzeugt eine vorbestimmte Spannung, erzeugt ein Steuersignal aus dem von dem Schwingungselement 10 ausgegebenen ersten Erfassungssignal, verstärkt in Antwort auf das Steuersignal die vorbestimmte Spannung auf eine hohe Spannung, um aus dem Steuersignal ein Antriebssignal mit der hohen Spannung und einer Antriebsfrequenz fd zu erzeugen, und gibt das Antriebssignal an das Schwingungselement 10, um in Antwort auf das Antriebssignal die Selbsterregung des Schwingungselements 10 fortzusetzen. Insbesondere umfasst die Schaltung 20 einen Ladungsverstärker 22, einen Phasenschieber 23, einen Amplituden-Controller 24 und einen Aufwärtswandler 21, der eine Versorgungsquelle 29 von 5 V umfasst. Der Verstärker 22 empfängt ein Schwingungserfassungssignal von dem Schwingungselement 10, das in einen Selbsterregungszustand gesetzt ist. Dieses Signal ist ein Maß für eine Oszillationskapazität und eine Oszillationsfrequenz der Schwingung des Schwingungselements 10. Der Verstärker 22 wandelt die Kapazität in eine oszillierende Spannung um und verstärkt die oszillierende Spannung. Der Wandler 21 verstärkt eine Spannung eines in der Versorgungsquelle 29 erzeugten, vorbestimmten Signals in Antwort auf das von dem Verstärker 22 gesendete Schwingungserfassungssignal und erzeugt ein Antriebssignal hoher Spannung.
Der Phasenschieber 23 erzeugt aus dem Schwingungserfassungssignal ein Phasenkorrektursignal, um eine Phase des Antriebssignals einzustellen. Eine Phase des Schwingungserfassungssignals, das zur Erzeugung des Antriebssignals verwendet wird, unterscheidet sich von der eines idealen Antriebssignals, das erwünscht ist, um das Antriebssensorelement stabil in Schwingung zu versetzen. Daher kann das Antriebssensorelement, unter der Annahme, dass das Antriebssignal, das die gleiche Phase wie das Schwingungserfassungssignal hat, an das Schwingungselement 10 gegeben wird, nicht stabil in Schwingung versetzt werden. Um dieses Problem zu verhindern, stellt der Wandler 21 die Phase des Antriebssignals entsprechend dem Phasenkorrektursignal ein, und das Antriebssignal hat eine Antriebsfrequenz fd, die erforderlich ist, um das Antriebssensorelement mit der vorbestimmten Frequenz in Schwingung zu versetzen.
Der Controller 24 erzeugt aus dem Schwingungserfassungssignal ein Amplitudensteuersignal, um die Amplitude des Antriebssignals auf einem konstanten Wert zu halten. Der Wandler 21 stellt die Amplitude des Antriebssignals entsprechend dem Amplitudensteuersignal ein.
Da aus dem Schwingungselement 10, dem Wandler 21 dem Verstärker 22, dem Phasenschieber 23 und dem Controller 24 ein Regelkreis gebildet ist, kann der Wandler 21 das Antriebssignal aus dem Schwingungserfassungssignal erzeugen, das die Schwingung des Antriebssensorelements anzeigt, das in Antwort auf das Antriebssignal zu Schwingungen angeregt wird. Ferner kann das Antriebssensorelement weiter mit der vorbestimmten Amplitude und seiner Eigenfrequenz in Antwort auf das Ansteuersignal schwingen, da der Wandler 21 das Antriebssignal auf der Grundlage von Steuersignalen (Schwingungserfassungssignal, Phasenkorrektursignal und Amplitudensteuersignal) erzeugt.
Der Sensor umfasst ferner eine Schwingungsstartschaltung 28. Wenn der Sensor nicht betrieben wird, wird das Schwingungselement 10 nicht in Schwingung versetzt. Wenn ein Betrieb des Sensors gestartet wird, gibt die Schaltung 28 ein Startsignal mit einer Startfrequenz an die Antriebsschaltung 20 und bewirkt, dass die Antriebsschaltung 10 aus dem Startsignal ein Oszillationsanregungssignal erzeugt, indem eine Spannung des Startsignals auf eine Spannung des Oszillationsanregungssignals verstärkt wird. Die Selbsterregung des Schwingungselements wird in Antwort auf das Oszillationsanregungssignal eingeleitet. Insbesondere umfasst die Schaltung 28 einen Starttaktgenerator 25 wie etwa einen CR-Oszillator und einen Umschalter 26, der als Wähler wirkt. Der Generator 25 wird in Antwort auf eine niedrige Spannung mit einer vorbestimmten Taktfrequenz oszilliert, so dass der Generator 25 stabil ein Starttaktsignal mit der vorbestimmten Taktfrequenz erzeugt. Das vorbestimmte Taktfrequenzsignal ist gleich hoch wie oder höher als die Oszillationsfrequenz (oder Eigenfrequenz) des selbsterregten Schwingungselements 10. Um die Selbsterregung des Schwingungselements 10 schnell zu starten, wird die vorbestimmte Taktfrequenz vorzugsweise höher als die Oszillationsfrequenz eingestellt. Die niedrige Spannung ist niedriger als die 5 V der Versorgungsquelle 29. Um in dem Generator 25 elektrische Energie zu sparen, wird die niedrige Spannung vorzugsweise auf unter 4 V eingestellt. Der Schalter 26 wählt entweder ein von dem Verstärker 22 ausgegebenes Signal oder das Starttaktsignal des Generators 25 aus und gibt das ausgewählte Signal als Verstärkungstaktsignal an den Wandler 21. Der Schalter 26 wählt automatisch das Signal des Generators 25, bis eine vorbestimmte Zeitspanne seit dem Start des Betriebs des Sensors verstrichen ist. Dann, wenn die vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist, ändert der Schalter 26 automatisch die Auswahl zu dem Signal des Verstärkers 22.
Die vorbestimmte Zeitspanne ist durch eine Zeitspanne definiert, die zum Starten der Selbsterregung des Schwingungselements 10 auf der Grundlage des Starttaktsignals des Generators 25 erforderlich ist. Zum Beispiel ist die vorbestimmte Zeitspanne äquivalent zu einer Zeitspanne von einem Startzeitpunkt der Verstärkung in dem Wandler 21 in Antwort auf das Starttaktsignal zu einem Startzeitpunkt der Selbsterregung des Schwingungselements 10 auf der Grundlage eines Signals einer verstärkten Spannung. Diese vorbestimmte Zeitspanne wird bestimmt, indem eine Zeitspanne von dem Verstärkungszeitpunkt zu dem Startzeitpunkt in diesem Sensor tatsächlich gemessen wird.
Die Schaltung 30 erzeugt ein Sensorausgangssignal aus dem ersten und dem zweiten Gierbewegung-Erfassungssignal, die von dem Schwingungselement 10 ausgegeben werden. Das Sensorausgangssignal gibt eine Gierrate an, die der Bewegung des Schwingungselements 10 überlagert wird. Insbesondere umfasst die Schaltung 30 zwei Ladungsverstärker 31 und 32, einen Differenzverstärker 33, einen Synchronphasendetektor 34, ein Tiefpassfilter (TPF) 35 und eine Schaltung 36 zur Einstellung des Nullpunkts und einer temperaturabhängigen Empfindlichkeit.
Jeder der Verstärker 31 und 32 empfängt ein jeweiliges der Gierbewegung-Erfassungssignale von dem Schwingungselement 10 und wandelt eine Oszillationskapazität des Signals in eine oszillierende Spannung um. Der Verstärker 33 erzeugt ein Differenzausgangssignal, das eine Differenz zwischen den Spannungen der Gierbewegung-Erfassungssignale anzeigt. Die Schaltung 34 extrahiert aus dem Differenzausgangssignal und synchron mit einem Signal der Frequenz fd, das in dem Phasenschieber 23 erzeugt wird, Komponenten. Diejenigen der extrahierten Komponenten mit einer Frequenz, die gleich der vorbestimmten Frequenz oder niedriger ist, passieren das TPF 35. Da die Komponenten, die das TPF 35 passieren, einen Ausgangsoffset haben und von einer temperaturabhängigen Empfindlichkeit abhängen, werden die Komponenten in der Einstellungsschaltung 36 eingestellt. Das Sensorausgangssignal wird von der Schaltung 36 ausgegeben.
Nachfolgend ist ein Betrieb des Sensors beschrieben.
Wenn eine Batterie (nicht gezeigt) in Antwort auf das Einschalten eines Zündschalters (nicht gezeigt) beginnt, den Schaltungen 20 und 30 elektrische Energie zuzuführen, wird der Betrieb des Sensors gestartet. Zu dieser Zeit gibt der Verstärker 22 kein Signal aus, da das Schwingungselement 10 noch nicht in Schwingung versetzt wurde. Um eine Selbsterregung des Schwingungselements 10 zu starten, erzeugt der Generator 25 automatisch ein Starttaktsignal mit einer vorbestimmten Taktfrequenz und sendet das Signal als Verstärkungstaktsignal über den Schalter 26 an den Wandler 21. Der Wandler 21 verstärkt eine Spannung (z.B. 5 V) der Versorgungsquelle 29 in Antwort auf das Taktsignal auf die hohe Spannung, um ein Oszilla tionsanregungssignal mit der konstant hohen Spannung zu erzeugen. Das Schwingungselement 10 startet das Schwingen in Antwort auf das Oszillationsanregungssignal. Da das in dem Generator 25 erzeugte Taktsignal die vorbestimmte Taktfrequenz besitzt, die höher als die Oszillationsfrequenz des Schwingungselements 10 ist, kann das Oszillationsanregungssignal in dem Wandler 21 im Vergleich zu einem von einem Signal mit der Oszillationsfrequenz erzeugten Antriebssignal schnell erzeugt werden. Da der Wandler 21 das Oszillationsanregungssignal schnell erzeugt, kann das Schwingungselement 10 in Antwort auf dieses Signal schnell zu schwingen beginnen. Da die Frequenz des Taktsignals erhöht ist, ist eine Zeitspanne, die erforderlich ist, um die Schwingung des Schwingungselements 10 auf der Grundlage des Starttaktsignals zu starten, verkürzt.
Anschließend, wenn seit der Verstärkung in dem Wandler 21 auf der Grundlage des Starttaktsignals des Generators 25 die vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist, wird das Schwingungselement 10 stabil in Schwingung versetzt, und eine Selbsterregung des Schwingungselements 10 wird gestartet. Da das Schwingungselement 10 schnell zu schwingen beginnt, kann die Selbsterregung des Schwingungselements 10 schnell gestartet werden. Nach der Selbsterregung des Schwingungselements 10 erzeugt das Schwingungselement 10 stabil das Schwingungserfassungssignal, welches korrekt die Oszillationsfrequenz und die Oszillationskapazität in der Schwingung des Schwingungselements 10 anzeigt. Der Verstärker 22 wandelt die Oszillationskapazität dieses Signals in eine oszillierende Spannung um. Ferner ändert der Schalter 26 die Auswahl in ein Signal des Verstärkers 22 um, wenn die vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist. Daher sendet der Verstärker 22 das Signal, das die oszillierende Spannung anzeigt, an den Wandler 21, den Phasenschieber 23 und den Controller 24. Der Wandler 21 verstärkt eine von der Versorgungs quelle 29 gelieferte Spannung in Antwort auf das Erfassungssignal auf eine hohe Spannung, um ein Antriebssignal mit der hohen Spannung zu erzeugen, und korrigiert eine Phase des Antriebssignals entsprechend Signalen von dem Phasenschieber 23 und dem Controller 24, die bei der Antriebsfrequenz fd eingestellt sind. Da das auf der Grundlage des Antriebssignals erzeugte Schwingungserfassungssignal von dem Schwingungselement 10 wieder dem Wandler 21 zugeführt wird, kann das Antriebssignal in dem Wandler 21 von dem Phasenschieber 23 und dem Controller 24 korrekt eingestellt werden, so dass das Antriebssignal bei der hohen Spannung und Antriebsfrequenz fd eingestellt wird. Daher wird die Selbsterregung des Schwingungselements 10 in Antwort auf das Antriebssignal zuverlässig fortgesetzt.
In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass die CR-Oszillation in dem Generator 25 gestoppt wird, wenn die vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist. In diesem Fall kann die Erzeugung von Rauschen, bewirkt durch das Taktsignal in dem Generator 25, minimiert werden, und das Schwingungselement 10 kann stabil in Schwingung versetzt werden.
In der Gierbewegung-Erfassungsschaltung 30 werden das in den Verstärkern 31 und 32 empfangene erste bzw. zweite Gierbewegung-Erfassungssignal in dem Verstärker 33, dem Detektor 34, dem TPF 35 und der Einstellungsschaltung 36 verarbeitet. Anschließend wird ein Sensorausgangssignal von der Schaltung 30 ausgegeben. Wenn der Bewegung des Sensors eine Gierbewegung überlagert wird, zeigt das Sensorausgangssignal eine Rate bzw. Geschwindigkeit der überlagerten Gierbewegung.
Wie es oben beschrieben ist, wird gemäß dieser Ausführungsform, wenn eine Operation des Sensors gestartet wird, um das Schwingungselement 10 in Selbsterregung zu versetzen, ein Taktsignal des Generators 25 automatisch über den Schalter 26 dem Wandler 21 zugeführt, bis die vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist, das heißt, die Selbsterregung des Schwingungselements 10 gestartet ist. Wenn die Selbsterregung des Schwingungselements 10 gestartet ist, wird das auf der Grundlage der Selbsterregung des Schwingungselements 10 erzeugte Schwingungserfassungssignal über den Schalter 26 automatisch dem Wandler 21 zugeführt. Demzufolge kann ein Antriebssignal einer hohen Spannung schnell erzeugt werden, indem in Antwort auf das Taktsignal von dem Generator 25 eine Spannung schnell auf die hohe Spannung verstärkt wird, und die Selbsterregung des Schwingungselements, bewirkt durch das Antriebssignal, kann schnell gestartet werden. Ferner kann eine der Bewegung des Sensors überlagerte Gierrate- bzw. geschwindigkeit entsprechend den auf der Grundlage der Selbsterregung des Schwingungselements 10 erzeugten Gierbewegung-Erfassungssignalen schnell erfasst werden.
In dieser Ausführungsform ist der Taktgenerator 25 in der Antriebsschaltung 20 angeordnet. Jedoch kann der Generator 25 auch außerhalb der Antriebsschaltung 20 oder des Sensors angeordnet sein. Ferner ist es nicht erforderlich, den Generator 25 zusätzlich in dem Sensor anzuordnen. Zum Beispiel kann, wenn der Sensor als Trägheitssensor in einem Fahrzeug verwendet wird, wie es in 2 gezeigt ist, statt dem Generator 25 ein Beschleunigungssensor oder ein Mikrocomputer, der in bzw. an einem Fahrzeug angeordnet ist, als Starttaktgenerator verwendet werden. In diesem Fall kann ein von dem Sensor eingenommener Bereich verkleinert sein, und die Herstellungskosten des Sensors können reduziert sein.
Ferner ist diese Ausführungsform nicht auf die Schwingungsstartschaltung 28 mit dem Schalter 26 be grenzt. Zum Beispiel kann eine Ausgangssignalleitung des Verstärkers 22 immer direkt, ohne einen Schalter zu verwenden, mit einem Eingangsanschluss des Wandlers 21 verbunden sein. Wenn in diesem Fall das Schwingungselement 10 nicht selbsterregt ist, wird praktisch kein Signal des Verstärkers 22 zu dem Wandler 21, der direkt mit dem Verstärker 22 verbunden ist, übertragen. Ferner kann eine Ausgangssignalleitung des Generators 25 immer direkt, ohne einen Schalter zu verwenden, mit einem Eingangsanschluss des Wandlers 21 verbunden sein. Wenn in diesem Fall das Schwingungselement 10 selbsterregt ist, wird die Erzeugung eines Taktsignals in dem Generator 25 gestoppt. Daher übt der Generator 25 während der Selbsterregung des Schwingungselements 10 praktisch keinen Einfluss auf den Wandler 21, der mit dem Generator 25 verbunden ist, aus.
(Zweite Ausführungsform)
3 ist ein Blockschaltbild eine Gyrosensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der in 3 gezeigte Sensor unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten dahingehend, dass in der Schwingungsstartschaltung 28 des Sensors zusätzlich eine Überwachungsvorrichtung 27 angeordnet ist. Die Überwachungsvorrichtung 27 erfasst und beurteilt, ob die Selbsterregung des Schwingungselements 10 gestartet ist oder nicht. Wenn die Selbsterregung des Schwingungselements 10 gestartet ist, steuert die Überwachungsvorrichtung 27 den Schalter 26 derart, dass er von der Verbindung des Wandlers 21 mit dem Generator 25 zu der Verbindung des Wandlers 21 mit dem Verstärker 22 umschaltet.
Insbesondere umfasst die Überwachungsvorrichtung 27 einen Komparator zum Vergleichen einer Referenzspannung Vref mit einer Spannung eines von dem Verstärker 22 ausgegebenen Schwingungserfassungssignals. Die Referenzspan nung Vref wird so voreingestellt, dass die Spannung des stabil schwingenden Erfassungssignals die Spannung Vref überschreitet. Daher überschreitet die Spannung des Erfassungssignals die Spannung Vref, wenn die Selbsterregung des Schwingungselements 10 gestartet ist. Insbesondere wird, nachdem die Schwingung des Schwingungselements 10 gestartet ist, eine Oszillationsamplitude des Schwingungselements 10 erhöht. Wenn die Oszillationsamplitude des Schwingungselements 10 einen im Wesentlichen stabilen Wert erreicht hat, wird die Selbsterregung des Schwingungselements 10 gestartet. Eine Übergangsspannung des Erfassungssignals, die der Oszillationsamplitude des noch nicht selbsterregten Schwingungselements 10 entspricht, wird angenommen oder gemessen, und eine stabile Spannung des Erfassungssignals, die der Oszillationsamplitude des selbsterregten Schwingungselements 10 entspricht, wird angenommen und gemessen. Die Referenzspannung Vref wird so voreingestellt, dass die Spannung Vref höher als die Übergangsspannung und niedriger als die stabile Spannung wird.
Da die Überwachungsvorrichtung 27 erfassen kann, dass die Selbsterregung des Schwingungselements 10 gestartet ist, kann folglich der Schalter 26 zuverlässig die Verbindung umschalten, wenn die Selbsterregung des Schwingungselements 10 gestartet ist. Das heißt, der Wandler 21 kann die Erzeugung des Antriebssignals aus dem Signal des Verstärkers 25 zuverlässig starten, wenn die Selbsterregung des Schwingungselements 10 gestartet ist.
In dieser Ausführungsform steuert die Überwachungsvorrichtung 27 den Schalter 26, wenn die Überwachungsvorrichtung 27 erfasst, dass die Selbsterregung des Schwingungselements 10 gestartet ist (erste Bedingung). Im Gegensatz dazu steuert in der ersten Ausführungsform die Überwachungsvorrichtung 27 den Schalter 26, wenn die vor bestimmte Zeitspanne seit dem Startzeitpunkt des Betriebs des Sensors verstrichen ist (zweite Bedingung). wenn jedoch entweder die erste oder die zweite Bedingung erfüllt ist oder die erste und die zweite Bedingung erfüllt sind, kann die Überwachungsvorrichtung 27 den Schalter 26 so steuern, dass die Verbindung umgeschaltet wird.
Ferner erfasst die Überwachungsvorrichtung 27 in dieser Ausführungsform das Ausgangssignal des Verstärkers 22. Jedoch kann die Überwachungsvorrichtung 27 ein Ausgangssignal jedes Bauelements erfassen, wobei das Ausgangssignal verändert wird, wenn die Selbsterregung des Schwingungselements 10 gestartet wird. Zum Beispiel kann die Überwachungsvorrichtung 27 ein Ausgangssignal des Phasenschiebers 23, der Controllers 24, der Verstärker 31 oder 32, des Verstärkers 33, des Detektors 34, des TPF 35 oder der Einstellschaltung 36 erfassen.
Ferner ist diese Ausführungsform nicht auf den Überwachungsvorrichtung 27 begrenzt, der die Amplitude des Schwingungsantriebssignals erfasst. Zum Beispiel kann die Überwachungsvorrichtung 27 erfassen und beurteilen, ob die Frequenz des Schwingungsantriebssignals im Wesentlichen die gleiche wie diejenige ist, die angenommen wird, wenn die Selbsterregung des Schwingungselements 10 gestartet wird.

Claims

Gyrosensor mit: – einem Schwingungselement, das in Selbsterregung in Schwingung versetzt werden kann, ein erstes Erfassungssignal ausgibt, das ein Maß für eine Oszillationsamplitude und eine Oszillationsfrequenz in der Schwingung des Schwingungselements ist, wenn das Schwingungselement in einen Zustand der Selbsterregung versetzt ist, und ein zweites Erfassungssignal ausgibt, das ein Maß für eine Gierbewegung ist, die der Bewegung des Schwingungselements überlagert ist; – einer Antriebsschaltung, die eine erste Spannung erzeugt, ein Steuersignal aus dem von Schwingungselement ausgegebenen ersten Erfassungssignal erzeugt, die erste Spannung in Antwort auf das Steuersignal auf eine zweite Spannung verstärkt, um aus dem Steuersignal ein Antriebssignal mit der zweiten Spannung und einer Antriebsfrequenz zu erzeugen, und das Antriebssignal an das Schwingungselement sendet, um die Selbsterregung des Schwingungselements in Antwort auf das Antriebssignal fortzusetzen; und – einer Gierbewegung-Erfassungsschaltung, die aus dem zweiten Erfassungssignal des selbsterregten Schwingungselements ein der Gierbewegung entsprechendes Sensorsignal erzeugt und das Sensorsignal ausgibt; – wobei der Sensor ferner eine Startschaltung umfasst, die ein Startsignal mit einer Startfrequenz an die Antriebsschaltung liefert und bewirkt, dass die Antriebsschaltung in Antwort auf das Startsignal durch Verstärken der ersten Spannung auf eine Spannung eines Oszillationsanregungsignals das Oszillationsanregungssignal erzeugt, so dass die Selbsterregung des Schwingungselements in Antwort auf das Oszillationsanregungssignals gestartet wird.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Startschaltung angepasst ist, um zu bewirken, dass die Antriebsschaltung in Antwort auf das Startsignal das Oszillationsanregungssignal erzeugt, bis die Selbsterregung des Schwingungselements gestartet ist, und um zu bewirken, dass die Antriebsschaltung das Antriebssignal aus dem ersten Erfassungssignal erzeugt, wenn das Schwingungselement selbsterregt wurde.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Startschaltung angepasst ist, um zu bewirken, dass die Antriebsschaltung das Oszillationsanregungssignal aus dem Startsignal erzeugt, bis eine seit dem Start der Erzeugung des Oszillationsanregungssignals verstrichene Zeitspanne eine vorbestimmte Zeitspanne erreicht hat, und um zu bewirken, dass die Antriebsschaltung das Antriebssignal aus dem ersten Erfassungssignal erzeugt, wenn die verstrichene Zeitspanne die vorbestimmte Zeitspanne erreicht hat.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Startschaltung eine Überwachungsvorrichtung umfasst, die angepasst ist, um zu erfassen, ob das Schwingungselement selbsterregt ist oder nicht, und die Startschaltung angepasst ist, um zu bewirken, dass die Antriebsschaltung das Antriebssignal aus dem ersten Erfassungsignal erzeugt, wenn die Überwachungsvorrichtung die Selbsterregung des Schwingungselements erfasst.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsschaltung einen Ladungsverstärker umfasst, der eine erfasste Kapazität, die durch das erste Erfassungssignal des Schwingungselements gegeben ist, auf eine erfasste Spannung ändert, die der erfassten Kapazität entspricht, und die Startschaltung bewirkt, dass die Antriebsschaltung, wenn die Selbsterregung des Schwingungselements gestartet ist, das Steuersignal aus dem ersten Erfassungssignal, dass die erfasste Spannung anzeigt, erzeugt und das Antriebssignal in Antwort auf das Steuersignal erzeugt.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Startschaltung einen Starttaktgenerator, der ein Starttaktsignal mit der Startfrequenz erzeugt, und einen Wähler, der das Starttaktsignal des Starttaktgenerators auswählt, wenn eine Operation des Sensors gestartet wird, um zu bewirken, dass die Antriebsschaltung in Antwort auf das Starttaktsignal das Oszillationsanregungssignal erzeugt und das erste Erfassungssignal des Schwingungselements auswählt, wenn die Selbsterregung des Schwingungselements gestartet ist, um zu bewirken, dass die Antriebsschaltung das Antriebssignal aus dem ersten Erfassungssignal erzeugt, umfasst.
Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Starttaktgenerator ein CR-Oszillator ist, der Taktimpulse mit der Startfrequenz erzeugt.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Startschaltung ein Wähler ist, der das außerhalb des Sensors erzeugte Startsignal auswählt, wenn eine Operation des Sensors gestartet wird, um zu bewirken, dass die Antriebsschaltung das Oszillationsanregungssignal in Antwort auf das Starttaktsignal erzeugt.
Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gyrosensor als Trägheitssensor verwendet wird, und das Startsignal ein Taktsignal ist, das in einem Beschleunigungssensor oder einem Mikrocomputer erzeugt wird, die jeweils außerhalb des Sensors angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsschaltung einen Phasenschieber, der ein Phasenkorrektursignal zur Einstellung einer Phase des Antriebssignals erzeugt, einen Amplituden-Controller, der ein Amplitudensteuersignal zur Aufrechterhaltung einer Amplitude des Antriebssignals auf einem konstanten Wert und einen Aufwärtswandler, der die erste Spannung in Antwort auf das Startsignal verstärkt, wenn die Startschaltung das Startsignal dem Aufwärtswandler zuführt, um das Oszillationsanregungssignal zu erzeugen, und der in Antwort auf das erste Erfassungssignal die erste Spannung verstärkt, wenn die Startschaltung dem Aufwärtswandler das erste Erfassungssignal zuführt, um das Antriebssignal entsprechend dem Phasenkorrektursignal und dem Amplitudensteuersignal zu erzeugen, umfasst.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Startfrequenz des Startsignals gleich hoch wie oder höher als die Oszillationsfrequenz des Schwingungselements ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannung des Startsignals niedriger als die erste Spannung ist.