DE10203367A1 - Vibrationsgyroskop, elektronisches Gerät, das dasselbe verwendet und Eigendiagnoseverfahren für ein Vibrationsgyroskop - Google Patents

Abstract

Ein Vibrationsgyroskop umfaßt ein piezoelektrisches Schwingungselement und eine Mehrzahl von Erfassungslastimpedanzelementen. Der Widerstandswert von einem der Erfassungslastimpedanzelemente wird durch einen Schalter geändert, so daß sich der Widerstandswert von dem des anderen Erfassungslastimpedanzelements unterscheidet, wodurch ein Unterschied zwischen der Amplitude von Signalen, die von zwei Erfassungselektroden zu einer Differenzschaltung eingegeben werden, hergestellt wird, und die Schwankung bei einem Coriolissignal erfaßt wird. Dementsprechend kann eine Eigendiagnose für das Vibrationsgyroskop, beispielsweise eine Diagnose eines Kurzanschlusses bei den Erfassungselektroden des Schwingungselements, durchgeführt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Vibrations­ gyroskop und ein Eigendiagnoseverfahren für ein Vibrations­ gyroskop.

Von einem Vibrationsgyroskop, das bei einem Sicherheitssy­ stem zum Steuern der Lage eines Fahrzeugs oder zum Erfas­ sen, wenn das Fahrzeug überschlägt, einem Fahrzeugnavigati­ onssystem und andere Vorrichtungen verwendet wird, wird er­ wartet, daß es Funktionsstörungen selbst diagnostiziert. Bekannte Geräte zum Durchführen der Eigendiagnosefunktion sind beispielsweise in den japanischen ungeprüften Patents­ veröffentlichungen Nr. 3-159877, 4-215017, 5-133755, 6-58760, 6-207946, 9-281138, 11-51655, und 2000-2542 offen­ bart.

Die bekannten Eigendiagnoseverfahren umfassen (1) Überwa­ chen eines Treibersignals und eines Differenzausgangssi­ gnals eines Schwingungselements und Erfassen einer Funkti­ onsstörung, wenn der Pegel der Signale einen vorbestimmten Bereich überschreitet, und (2) Überwachen eines Ausgangssi­ gnals durch Anlegen eines Signals, das mit einem Synchron­ erfassungssignal zwischen einer Differenzschaltung und ei­ ner Synchronerfassungsschaltung synchronisiert ist, und Er­ fassen einer Funktionsstörung, wenn der Wert des Ausgangs­ signales einen vorbestimmten Bereich überschreitet.

Obwohl das Vibrationsgyroskop bei dem oben beschriebenen ersten Verfahren selbst diagnostizieren kann, ob eine Funk­ tionsstörung aufgetreten ist oder nicht, kann das Vibrati­ onsgyroskop nicht die Ursache der Funktionsstörung erfas­ sen.

Bei dem zweiten oben beschriebenen Verfahren wird das Si­ gnal, das mit dem Synchronerfassungssignal synchronisiert ist, nach der Differenzschaltung angelegt, und somit kann eine Funktionsstörung in einer Schaltung nach der Position, an die das Signal angelegt wird, diagnostiziert werden. Ei­ ne Funktionsstörung in dem Schwingungselement selbst, bei­ spielsweise ein Kurzschluß oder eine Öffnung einer Mehrzahl von Erfassungselektroden des Schwingungselements, kann je­ doch nicht diagnostiziert werden. Da dieses Verfahren viele und große Schaltungen benötigt, ergeben sich außerdem Pro­ bleme bei den Kosten und der Zuverlässigkeit.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Vibrati­ onsgyroskop und ein Eigendiagnoseverfahren für dasselbe mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Vibrationsgyroskop gemäß An­ spruch 1 und durch ein Eigendiagnoseverfahren gemäß An­ spruch 14 gelöst.

Um die oben beschriebenen Probleme zu überwinden, liefern bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ein Vibrationsgyroskop, das in der Lage ist, eine Fehlfunk­ tion bei einem Schwingungselement und den Peripherieschal­ tungen mit geringen Kosten und stark erhöhter Zuverlässig­ keit selbst zu diagnostizieren, ein elektronisches Gerät, das ein solches neuartiges Vibrationsgyroskop umfaßt, und ein Eigendiagnoseverfahren für ein Vibrationsgyroskop.

Gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung umfaßt das Vibrationsgyroskop ein Schwingungselement mit einer Mehrzahl von Erfassungselek­ troden, das ansprechend auf ein Treibersignal und eine an­ gelegte Winkelgeschwindigkeit schwingt, eine Schwingungs­ elementtreibereinheit zum Anlegen eines Treibersignals an das Schwingungselement, eine Mehrzahl von Erfassungslastim­ pedanzelementen, die mit der Mehrzahl von Erfassungselek­ troden verbunden sind, zum Umwandeln von Ladungen, die in der Mehrzahl von Erfassungselektroden aufgrund der Schwin­ gung des Schwingungselements erzeugt werden, in Spannungs­ signale, eine Corioliskrafterfassungseinheit zum Ausgeben eines Coriolissignals, das der Winkelgeschwindigkeit auf der Basis der Mehrzahl von Spannungssignalen entspricht, und eine Impedanzänderungseinheit zum Ändern der Impedanz des zumindest einen der Mehrzahl von Erfassungslastimpe­ danzelementen.

Das Vibrationsgyroskop kann ferner eine Eigendiagnoseein­ heit zum Durchführen einer Eigendiagnose auf der Basis der Schwankung des Coriolissignals umfassen, die durch Ändern der Impedanz des zumindest einen der Mehrzahl von Erfas­ sungslastimpedanzelementen bewirkt wird.

Vorzugsweise führt die Eigendiagnoseeinheit bei dem Vibra­ tionsgyroskop eine Eigendiagnose auf der Basis eines Über­ gangsverhaltens des Coriolissignales durch, das durch Än­ dern der Impedanz von zumindest einem der Mehrzahl von Er­ fassungslastimpedanzelementen bewirkt wird.

Außerdem kann jedes der Erfassungslastimpedanzelemente ein Widerstand oder eine andere geeignete Komponente sein.

Gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Eigendiagnoseverfahren für ein Vibrationsgyroskop offenbart, das folgende Merkmale um­ faßt: ein Schwingungselement mit einer Mehrzahl von Erfas­ sungselektroden, das ansprechend auf ein Treibersignal und eine angelegte Winkelgeschwindigkeit schwingt, eine Schwin­ gungselementtreibereinheit zum Anlegen eines Treibersignals an das Schwingungselement, eine Mehrzahl von Erfassungs­ lastimpedanzelementen zum Umwandeln von Ladungen, die bei der Mehrzahl von Erfassungselektroden aufgrund der Schwin­ gung des Schwingungselements erzeugt werden, in Spannungs­ signale, und eine Corioliskrafterfassungseinheit zum Ausge­ ben eines Coriolissignales, das der Winkelgeschwindigkeit entspricht, auf der Basis der Mehrzahl von Spannungssigna­ len, wobei das Verfahren den Schritt des Durchführens einer Eigendiagnose auf der Basis der Schwankung des Coriolissi­ gnals umfaßt, die durch Ändern der Impedanz von zumindest einer der Mehrzahl von Erfassungslastimpedanzelementen be­ wirkt wird.

Bei dem Verfahren des vorliegenden bevorzugten Ausführungs­ beispiels der vorliegenden Erfindung wird die Eigendiagnose vorzugsweise auf der Basis eines Übergangsverhaltens des Coriolissignals durchgeführt, das durch Ändern der Impedanz von zumindest einem der Mehrzahl von Erfassungslastimpe­ danzelementen bewirkt wird.

Außerdem kann jedes der Erfassungslastimpedanzelemente ein Widerstand oder eine andere geeignete Komponente sein.

Mit den oben beschriebenen Merkmalen können Funktionsstö­ rungen des Schwingungselements und der Peripherieschaltun­ gen bei dem Vibrationsgyroskop und dem Eigendiagnoseverfah­ ren gemäß den verschiedenen bevorzugten Ausführungsbeispie­ len der vorliegenden Erfindung selbst diagnostiziert wer­ den.

Außerdem kann gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungs­ beispiel der vorliegenden Erfindung ein sehr viel zuverläs­ sigeres elektronisches Gerät geliefert werden.

Andere Merkmale, Elemente, Schritte, Charakteristika und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgen­ den detaillierten Beschreibung offensichtlich werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Vibrationsgyroskops gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht, die ein piezoelek­ trisches Schwingungselement des Vibrationsgyro­ skops in Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 umfaßt Signalverlaufdiagramme, die Signale zei­ gen, die während einer Eigendiagnose des Vibrati­ onsgyroskops in Fig. 1 erzeugt werden;

Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels des Vibrations­ gyroskops gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ein schematisches Blockdiagramm noch eines weite­ ren bevorzugten Ausführungsbeispiels des Vibrati­ onsgyroskops gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 ein Schaltbild, das ein Tiefpaßfilter zeigt, das bei dem Vibrationsgyroskop gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und

Fig. 7 umfaßt Signalverlaufdiagramme, die ein Übergangs­ verhalten des Ausgangssignals des Tiefpaßfilters in Fig. 6 zeigen.

Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels eines Vibrationsgyroskops gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt das Vibrationsgyroskop 1 vorzugsweise ein piezoelek­ trisches Schwingungselement 2, das ein Typ von Schwingungs­ element ist, das vorzugsweise verwendet wird, aber andere Typen von Schwingungselementen können auch verwendet wer­ den, Widerstände R1, R2 und R3, eine Addierschaltung 3, Phasenschieberschaltungen 4 und 17, eine Verstärkerschal­ tung 5, eine Differenzschaltung 7, eine Synchronerfassungs­ schaltung 8, eine Glättungsschaltung 9, eine Gleichstrom­ verstärkerschaltung 10 und einen Schalter 13.

Fig. 2 zeigt die Konfiguration des piezoelektrischen Schwingungselements 2. Das piezoelektrische Schwingungsele­ ment 2 umfaßt vorzugsweise ein piezoelektrisches Substrat 2U, das in der Dickerichtung polarisiert ist und eine Hauptoberfläche aufweist, auf der Erfassungselektroden 2L und 2R vorgesehen sind, und ein piezoelektrisches Substrat 2D, das in der Dickerichtung polarisiert ist und eine Hauptoberfläche aufweist, auf der eine gemeinsame Elektrode 2C vorgesehen ist. Diese piezoelektrischen Substrate 2U und 2D sind an den anderen Hauptoberflächen derselben über eine Zwischenelektroden 2F verbunden.

Mit erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 ist die Erfassungselek­ trode 2L des piezoelektrischen Schwingungselementes 2 über den Widerstand R1 mit einem gemeinsamen Anschluß des Schal­ ters 13 verbunden. Einer der Schaltanschlüsse des Schalters 13 ist direkt mit einem Bezugspotential verbunden, und der andere der Schaltanschlüsse ist über den Widerstand R3 mit dem Bezugspotential verbunden. Die Erfassungselektrode 2R des piezoelektrischen Schwingungselements 2 ist über den Widerstand R2 mit dem Bezugspotential verbunden. Die Wider­ stände R1 und R3 und der Schalter 13 bilden ein Erfassungs­ lastimpedanzelement 14. Außerdem bildet der Widerstand R2 alleine ein Erfassungslastimpedanzelement 15. Die zwei Er­ fassungselektroden 2L und 2R sind mit der Addierschaltung 3 verbunden, und der Ausgang derselben ist über die Phasen­ schieberschaltung 4 und die Verstärkerschaltung 5 mit der gemeinsamen Elektrode 2C des piezoelektrischen Schwingungs­ elements 2 verbunden. Außerdem sind die beiden Erfassungs­ elektroden 2L und 2R mit der Differenzschaltung 7 verbun­ den, und der Ausgang derselben ist über die Synchronerfas­ sungsschaltung 8, die Glättungsschaltung 9, und die Gleich­ stromverstärkerschaltung 10 mit einem Ausgangsanschluß 12 verbunden. Der Ausgang der Addierschaltung 3 ist über die Phasenschieberschaltung 17 ebenfalls mit der Synchronerfas­ sungsschaltung 8 verbunden. Ein Steuersignaleingangsan­ schluß 16 ist mit einem Steueranschluß des Schalters 13 verbunden.

Bei dem Vibrationsgyroskop 1 mit dem oben beschriebenen einmaligen Aufbau wird eine Ladung, die in den beiden Er­ fassungselektroden 2L und 2R erzeugt wird, durch die Erfas­ sungslastimpedanzelemente 14 und 15 zu einer Spannung umge­ wandelt, die Spannung wird in die Addierschaltung 3 einge­ geben und addiert, die Phase derselben wird in der Phasen­ schieberschaltung 4 eingestellt, die Spannung wird in der Verstärkerschaltung 5 verstärkt und an die gemeinsame Elek­ trode 2C angelegt. Dementsprechend wird das piezoelektri­ sche Schwingungselement 2 mit einer Biegeschwingung in der Dickerichtung (der Dickerichtung der piezoelektrischen Sub­ strate 2U und 2D) durch Eigenschwingung getrieben. Folglich bilden die Addierschaltung 3, die Phasenschiebeschaltung 4 und die Verstärkerschaltung 5 eine Treibereinheit für das piezoelektrische Schwingungselement 6. Da der gemeinsame Anschluß des Schalters 13 normalerweise mit einem der Schaltanschlüsse verbunden ist, ist der Widerstandswert des Erfassungslastimpedanzelements 14 im wesentlichen gleich wie derjenige des Widerstands R1. Außerdem ist der Wider­ standswert des Widerstands R1 wie oben beschrieben wurde, vorzugsweise im wesentlichen gleich wie derjenige des Wi­ derstands R2. Dementsprechend ist der Widerstandswert des Erfassungslastimpedanzelements 14 vorzugsweise im wesentli­ chen gleich wie derjenige des Erfassungslastimpedanzele­ ments 15 und es gibt keinen Unterschied zwischen den Signa­ len, die in den beiden Erfassungselektroden 2L und 2R er­ zeugt werden, bis der Widerstandswert des Erfassungslastim­ pedanzelements 14 geändert ist und bis eine Winkelgeschwin­ digkeit angelegt ist. Hierin nachfolgend bedeutet "das Si­ gnal, das in der Erfassungselektrode erzeugt wird" "das Si­ gnal, das durch Umwandeln der Ladung, die in der Erfas­ sungselektrode erzeugt wird, in eine Spannung in dem Erfas­ sungslastimpedanzelement erhalten wird".

Wenn eine Winkelgeschwindigkeit mit einer Rotationsachse, die diejenige Achse ist, die im wesentlichen parallel zu der longitudinalen Richtung des piezoelektrischen Schwin­ gungselements 2 ist, an das piezoelektrische Schwingungs­ element 2 angelegt wird, das durch Biegen in der Dickerich­ tung des Vibrationsgyroskops 1 schwingt, schwingt das pie­ zoelektrische Schwingungselement 2 ebenfalls durch Biegen in der Breiterichtung (die Breiterichtung der piezoelektri­ schen Substrate 2U und 2D) aufgrund der Corioliskraft. Dem­ entsprechend ändern sich die Signale, die in den zwei Er­ fassungselektroden 2L und 2R gemäß der Corioliskraft bezüg­ lich zueinander in entgegengesetzten Richtungen erzeugt werden.

Die Signale, die in den zwei Erfassungselektroden 2L und 2R erzeugt werden, werden in die Differenzschaltung 7 eingege­ ben und ein Differenzsignal wird ausgegeben. Das Differenz­ signal entspricht der Corioliskraft. Das Differenzsignal wird in der Synchronerfassungsschaltung 8 durch ein Syn­ chronisationssignal synchron erfaßt, das von der Phasen­ schieberschaltung 17 eingegeben wird, in der Glättungs­ schaltung 9 geglättet wird, in der Gleichstromverstärker­ schaltung 10 verstärkt wird und von dem Ausgangsanschluß 12 ausgegeben wird. Folglich bilden die Phasenschieberschal­ tung 17, die Differenzschaltung 7, die Synchronerfassungs­ schaltung 8, die Glättungsschaltung 9 und die Gleichstrom­ verstärkerschaltung 10 eine Corioliskrafterfassungseinheit 11. Hierin wird das Signal, das von dem Ausgangsanschluß 12 ausgegeben wird, als Coriolissignal bezeichnet.

Wenn bei dem Vibrationsgyroskop 1 keine Winkelgeschwindig­ keit angelegt ist, schwankt der Widerstandswert des Erfas­ sungslastimpedanzelements 14, das mit der Erfassungselek­ trode 2L verbunden ist, indem bewirkt wird, daß der Schalt­ anschluß, der mit dem gemeinsamen Anschluß des Schalters 13 verbunden ist, ansprechend auf einen Steuersignaleingang von dem Steuersignaleingangsanschluß 16 von einer Position zu der anderen schaltet. Genauer gesagt, der Wert des Er­ fassungslastimpedanzelements 14, das mit der Erfassungs­ elektrode 2L verbunden ist, wird von dem Widerstandswert des Widerstands R1 allein zu dem Gesamtwiderstandswert der Widerstände R1 und R3 geändert. Da andererseits der Wider­ standswert des Erfassungslastimpedanzelements 15 im wesent­ lichen gleich ist wie derjenige des Widerstands R2 und sich nicht ändert, gibt es einen Unterschied zwischen den Wider­ standswerten der beiden Erfassungslastimpedanzelemente 14 und 15. Folglich gibt es auch einen Unterschied bei der Am­ plitude der Signale, die von den Erfassungselektroden 2L und 2R zu der Differenzschaltung eingegeben werden.

Die Schwankung bei der Amplitude der Signale, die von den Erfassungselektroden 2L und 2R zu der Differenzschaltung 7 eingegeben werden, bevor und nachdem der Widerstandswert des Erfassungslastimpedanzelements 14 geändert wird, wird mit Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben.

Bevor der Widerstandswert des Erfassungslastimpedanzele­ ments 14 geändert wird, und wenn keine Winkelgeschwindig­ keit angelegt ist, bilden die Signale, die von den Erfas­ sungselektroden 2L und 2R zu der Differenzschaltung 7 ein­ gegeben werden, Sinuswellen mit einer im wesentlichen glei­ chen Amplitude, wie es bei dem linken Abschnitt in Fig. 3 gezeigt ist, weil die Signale der Biegeschwingung in der Dickerichtung des piezoelektrischen Schwingungselements 2 entsprechen. Hierin wird das Signal, das von der Erfas­ sungselektrode 2L zu der Differenzschaltung 7 eingegeben wird, durch eine durchgezogene Linie gezeigt, und das Si­ gnal, das von der Erfassungselektrode 2R zu der Differenz­ schaltung 7 eingegeben wird, ist durch eine gestrichelte Linie gezeigt. Diese Linien überlappen einander jedoch und erscheinen als eine durchgezogene Linie. In diesem Zustand ist das Ausgangssignal von der Differenzschaltung 7 Null, weil die beiden Signale zusammenfallen. Dementsprechend sind das Ausgangssignal von der Synchronerfassungsschaltung 8 und das Ausgangssignal von der Gleichstromverstärker­ schaltung 10 ebenfalls Null.

Wenn der Schalter 13 ansprechend auf den Steuersignalein­ gang von dem Steuersignaleingangsanschluß 16 geschaltet wird, und der gemeinsame Anschluß mit dem anderen Schaltan­ schluß verbunden ist, ist der Widerstandswert des Erfas­ sungslastimpedanzelements 14 geändert. Wenn der Wider­ standswert des Erfassungslastimpedanzelements 14 geändert ist, wie es bei dem rechten Abschnitt in Fig. 3 gezeigt ist, variiert die Amplitude des Signals (durch eine durch­ gezogene Linie gezeigt), das von der Erfassungselektrode 2L zu der Differenzschaltung 7 eingegeben wird, gemäß der Schwankung des Widerstandswerts. Andererseits schwankt das Signal (durch eine gestrichelte Linie gezeigt), das von der Erfassungselektrode 2R zu der Differenzschaltung 7 eingege­ ben wird, nicht. Dementsprechend wird das Signal, das der Differenz entspricht, d. h. das Sinuswellensignal mit einer Amplitude, die der Differenz bei den Erfassungslastimpe­ danzelementen entspricht, von der Differenzschaltung 7 aus­ gegeben. Dieses Signal wird in der Synchronerfassungsschal­ tung 8 synchron erfaßt, in der Glättungsschaltung 9 geglät­ tet, in der Gleichstromverstärkerschaltung 10 verstärkt und an dem Ausgangsanschluß 12 als ein Coriolissignal ausgege­ ben.

Das Coriolissignal, das an dem Ausgangsanschluß 12 durch Ändern des Widerstandswerts des Erfassungslastimpedanzele­ ments 14 der Erfassungselektrode 2L ausgegeben wird, schwankt gemäß der Schwankung des Widerstandswerts. Diese Schwankung kann jedoch im voraus geschätzt werden oder auf der Basis des Widerstandswerts der Widerstände R1 oder R3, usw. gemessen werden. Daher kann das Vibrationsgyroskop 1 eine Eigendiagnose durchführen, um zu bestimmen, ob es nor­ mal funktioniert, durch Bestimmen unter Verwendung einer geeigneten Schaltung, die mit dem Ausgangsanschluß 12 ver­ bunden ist, ob die Größe des Coriolissignals in einem vor­ bestimmten Bereich schwankt.

Wenn beispielsweise die Größe des Coriolissignals höher oder niedriger ist als ein vorbestimmter Wert, wenn der Wi­ derstandswert des Erfassungslastimpedanzelements 14 der Er­ fassungselektrode 2L geändert ist, wird bestimmt, daß die Corioliskrafterfassungseinheit 11 eine Funktionsstörung er­ lebt hat.

Wenn die zwei Erfassungselektroden 2L und 2R kurzgeschlos­ sen sind, fallen die Erfassungslastimpedanzelemente der zwei Erfassungselektroden 2L und 2R zusammen, wodurch das Coriolissignal nicht schwankt. Auf diese Weise kann das Vi­ brationsgyroskop 1 durch Ändern des Widerstandswerts des Erfassungslastimpedanzelements 14 eine Funktionsstörung des piezoelektrischen Schwingungselements 2 diagnostizieren. Das heißt, das Vibrationsgyroskop 1 weist einen hervorra­ genden Vorteil auf, da es eine Eigendiagnose mit einer sehr einfachen Konfiguration durchführen kann, bei der nur die Impedanzelemente und die Schalteinheit hinzugefügt werden.

Fig. 4 ist ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels des Vibrationsgyroskops gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei Fig. 4 sind die glei­ chen Bezugszeichen Komponenten zugewiesen, die identisch oder äquivalent zu denjenigen in Fig. 1 sind, und die ent­ sprechende Beschreibung ist ausgelassen, um eine Wiederho­ lung zu vermeiden.

Bei Fig. 4 umfaßt ein Vibrationsgyroskop 20 vorzugsweise eine Eigendiagnoseschaltung 21, die eine Eigendiagnoseein­ heit ist, die mit dem Ausgangsanschluß 12 der Gleichstrom­ verstärkerschaltung 10 verbunden ist, zusammen mit den Kom­ ponenten des in Fig. 1 gezeigten Vibrationsgyroskops 1. Die Eigendiagnoseschaltung 21 weist einen Diagnoseergebnisaus­ gangsanschluß 22 auf.

Das Vibrationsgyroskop 20 mit dem oben beschriebenen einma­ ligen Aufbau weist die Eigendiagnoseschaltung 21 auf, und somit gibt es keine Notwendigkeit, eine Schaltung für eine Eigendiagnose außerhalb des Vibrationsgyroskops 20 bereit­ zustellen.

Fig. 5 ist ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels des Vibrationsgyroskops gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei Fig. 5 sind die glei­ chen Bezugszeichen Komponenten zugewiesen, die identisch oder äquivalent zu denjenigen in Fig. 1 sind, und die ent­ sprechende Beschreibung ist ausgelassen, um eine Wiederho­ lung zu vermeiden.

Bei einem in Fig. 5 gezeigten Vibrationsgyroskop 30 ist die Erfassungselektrode 2R des piezoelektrischen Schwingungs­ elements 2 über einen Widerstand R2 mit dem gemeinsamen An­ schluß eines Schalters 31 verbunden. Einer der Schaltan­ schlüsse des Schalters 31 ist direkt mit einem Bezugspoten­ tial verbunden, und der anderen Schaltanschluß ist über ei­ nen Widerstand R4 mit dem Bezugspotential verbunden. Die Widerstände R2 und R4 und der Schalter 31 bilden ein Erfas­ sungslastimpedanzelement 32. Außerdem ist der Steuersignal­ eingangsanschluß 16 mit dem Steueranschluß des Schalters 31 verbunden, und auch mit dem Steueranschluß des Schalters 13. Der Widerstandswert des Widerstands R1 ist vorzugsweise im wesentlichen gleich zu demjenigen des Widerstands R2, und der Widerstandswert des Widerstands R3 unterscheidet sich von demjenigen des Widerstands R4.

Da bei dem Vibrationsgyroskop 30 mit dem oben beschriebenen einmaligen Aufbau der gemeinsame Anschluß des Schalters 13 normalerweise mit einem der Schaltanschlüsse verbunden ist, ist der Widerstandswert des Erfassungslastimpedanzelements 14 im wesentlichen gleich zu demjenigen des Widerstands R1. Da außerdem der gemeinsame Anschluß des Schalters 31 norma­ lerweise ebenfalls mit einem der Schaltanschlüsse verbunden ist, ist der Widerstandswert des Erfassungslastimpedanzele­ ments 32 im wesentlichen gleich zu demjenigen des Wider­ stands R2. Wie es oben beschrieben ist, ist der Wider­ standswert des Widerstands R1 vorzugsweise im wesentlichen gleich zu demjenigen des Widerstands R2 und somit fällt der Widerstandswert des Erfassungslastimpedanzelements 14 nor­ malerweise mit demjenigen des Erfassungslastimpedanzele­ ments 32 zusammen. Dementsprechend besteht kein Unterschied zwischen den Signalen, die in den zwei Erfassungselektroden 2L und 2R erzeugt werden, bis die Widerstandswerte der Er­ fassungslastimpedanzelemente 14 und 32 geändert werden, und bis eine Winkelgeschwindigkeit angelegt ist.

Wenn bei dem Vibrationsgyroskop 30 keine Winkelgeschwindig­ keit angelegt ist, schwanken die Widerstandswerte der Er­ fassungslastimpedanzelemente 14 und 32, die mit der Erfas­ sungselektrode 2L bzw. 2R verbunden sine, indem bewirkt wird, daß die Schaltanschlüsse, die mit den gemeinsamen An­ schlüssen der Schalter 13 und 31 verbunden sind, anspre­ chend auf einen Steuersignaleingang von dem Steuersignal­ eingangsanschluß 16 von einer Position zu der anderen schalten. Genauer gesagt wird der Wert des Erfassungslast­ impedanzelements 14, das mit der Erfassungselektrode 2L verbunden ist, von dem Widerstandswert des Widerstands R1 allein zu dem Gesamtwiderstandswert der Widerstände R1 und R3 geändert. Andererseits wird der Wert des Erfassungslast­ impedanzelements 32, das mit der Erfassungselektrode 2R verbunden ist, von dem Widerstandswert des Widerstands R2 allein zu dem Gesamtwiderstandswert der Widerstände R2 und R4 geändert. Obwohl der Widerstandswert des Widerstands R1 vorzugsweise im wesentlichen gleich ist zu demjenigen des Widerstands R2, unterscheidet sich der Widerstandswert des Widerstands R3 von demjenigen des Widerstands R4. Dement­ sprechend gibt es einen Unterschied zwischen den Wider­ standswerten der zwei Erfassungslastimpedanzelemente 14 und 32. Folglich gibt es ebenfalls einen Unterschied bei der Amplitude der Signale, die von den Erfassungselektroden 2L und 2R zu der Differenzschaltung 7 eingegeben werden. Au­ ßerdem wird wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Vibrationsgyro­ skop 1 das Coriolissignal, das der Schwankung des Wider­ standswerts des Erfassungslastimpedanzelements entspricht, an dem Ausgangsanschluß 12 ausgegeben.

Wie oben beschrieben ist, können die Widerstandswerte einer Mehrzahl von Erfassungslastimpedanzelementen ebenfalls ge­ ändert werden. In diesem Fall können die gleichen Funktio­ nen und Vorteile, wie sie auch durch das in Fig. 1 gezeigte Vibrationsgyroskop erreicht werden, erhalten werden.

Das Verfahren zum Ändern des Widerstandswerts des Erfas­ sungslastimpedanzelements ist nicht auf dasjenige begrenzt, das die in Fig. 1 und 5 gezeigten Konfigurationen verwen­ det. Statt dessen kann jede Konfiguration angenommen wer­ den.

Ferner kann das in Fig. 5 gezeigte Vibrationsgyroskop 30 wie das in Fig. 4 gezeigte Vibrationsgyroskop 20 eine Ei­ gendiagnoseschaltung umfassen, obwohl dies nicht gezeigt ist. In diesem Fall können die gleichen Funktionen und Vor­ teile erhalten werden, die durch das Vibrationsgyroskop 20 erreicht werden.

Bei den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispie­ len wird die Eigendiagnose für das Vibrationsgyroskop durch Bestimmen der Größe des Coriolissignals durchgeführt, das von dem Ausgangsanschluß ausgegeben wird, wenn der Wert von zumindest einem der Erfassungslastimpedanzelemente geändert wird. Die Eigendiagnose kann jedoch auf der Basis eines Übergangsverhaltens des Coriolissignals beim Ändern der Im­ pedanz durchgeführt werden. Die Beschreibung eines solchen Verfahrens wird nachfolgend bereitgestellt.

Bei der Corioliskrafterfassungseinheit 11 bei jedem der Vi­ brationsgyroskope 1, 20 und 30, ist vorzugsweise ein Tief­ paßfilter 40, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, zum Dämpfen ho­ her Frequenzen als ein Element der Glättungsschaltung 9 in der nachfolgenden Stufe der Synchronerfassungsschaltung 8 vorgesehen.

Bei Fig. 6 umfaßt das Tiefpaßfilter 40 vorzugsweise einen Operationsverstärker Q3, einen Widerstand R5, der zwischen den Eingangsanschluß "Ein" und den invertierenden Eingangs­ anschluß des Operationsverstärkers Q3 geschaltet ist, und einen Widerstand R6 und einen Kondensator C1, die beide zwischen den Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers Q3 und den invertierenden Eingangsanschluß des Operationsver­ stärkers Q3 geschaltet sind. Der nicht-invertierende Ein­ gangsanschluß des Operationsverstärkers Q3 ist mit dem Be­ zugspotential verbunden, und der Ausgangsanschluß des Ope­ rationsverstärkers Q3 ist mit dem Ausgangsanschluß "Aus" verbunden.

Bei diesem Tiefpaßfilter 40 wird der Signalpegel des Ein­ gangsanschlusses "Ein" erhöht, beispielsweise von 0 V zu einer vorbestimmten Spannung auf eine schrittweise Art, wenn das Steuersignal den Wert des Erfassungslastimpedanz­ elements ändert. Obwohl das Signal des Ausgangsanschlusses "Aus" schließlich einen bestimmten Pegel erreicht, ändert dasselbe nicht auf schrittweise Art und die Anstiegszeit unterscheidet sich, abhängig von der Zeitkonstante des Wi­ derstands R6 und des Kondensator C1, wie es in Fig. 7 ge­ zeigt ist. Daher kann bestimmt werden, ob sich die Werte der Widerstände R5 und R6 und des Kondensators C1 geändert haben oder nicht, durch Bestimmen der Anstiegszeit und des ansteigenden Signalverlaufs, d. h. dem Übergangsverhalten und der Änderung bei der Spannung. Wenn das Ausgangssignal nicht ansteigt oder durch eine Versorgungsspannung geklemmt wird, kann bestimmt werden, ob die Widerstände R5 oder R6 oder der Kondensator C1 kurzgeschaltet oder geöffnet sind.

Wie oben beschrieben ist, kann das Element, das eine Ände­ rung bei dem charakteristischen Wert in einer Schaltung des Vibrationsgyroskops erlebt, durch Bestimmen des Übergangs­ verhaltens des Coriolissignals gefunden werden, wenn der Widerstandswert des Erfassungslastimpedanzelements geändert ist.

Bei dem Vibrationsgyroskop verschiedener bevorzugter Aus­ führungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfaßt das Schwingungselement vorzugsweise das Erfassungslastimpedanz­ element zum Umwandeln der Wechselstromladung, die in der Erfassungselektrode des Schwingungselements erzeugt wird, in eine Wechselstromspannung. Darüber hinaus ist die Konfi­ guration des Schwingungselements nicht begrenzt. Bei den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen wird vorzugsweise das Schwingungselement, das einen Schwingungs­ körper aus einer piezoelektrischen Substanz und mit einer Mehrzahl von Erfassungselektroden verwendet. Das Schwin­ gungselement kann jedoch durch Verbinden eines piezoelek­ trischen Elements, das eine Elektrode aufweist, mit einem Schwingungskörper aufgebaut sein, der aus einem anderen Ma­ terial als einer piezoelektrischen Substanz, wie z. B. Me­ tall, besteht. In diesem Fall sind Erfassungselektroden auf der Oberfläche des piezoelektrischen Elements gegenüber der Oberfläche, die mit dem Schwingungskörper verbunden ist, vorgesehen.

Die Form des Schwingungselements ist nicht auf diejenige bei jedem der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungs­ beispiele begrenzt, und dieselbe kann ein polygonales Pris­ ma sein, wie z. B. ein dreieckiges Prisma, eine Säule, oder eine Stimmgabel, oder eine andere geeignete Form oder Kon­ figuration.

Außerdem ist das Erfassungslastimpedanzelement nicht auf einen Widerstand begrenzt, und es kann ein Induktivitäts­ element, ein Kapazitätselement oder eine Kombination sol­ cher Komponenten, einschließlich eines Widerstands sein.

Gemäß dem Vibrationsgyroskop und dem Verfahren zum Erstel­ len einer Eigendiagnose des Vibrationsgyroskops von ver­ schiedenen bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegen­ den Erfindung wird der Wert von zumindest einem der Mehr­ zahl von Erfassungslastimpedanzelementen ansprechend auf das Steuersignal geändert, und die Schwankung des Coriolis­ signales wird zu diesem Zeitpunkt erfaßt. Dementsprechend kann die Eigendiagnose für das Vibrationsgyroskop mit ge­ ringen Kosten und mit hoher Zuverlässigkeit durchgeführt werden.

Claims (19)

1. Vibrationsgyroskop (1, 20, 30), das folgende Merkmale umfaßt:
ein Schwingungselement (2), das eine Mehrzahl von Er­ fassungselektroden (2L, 2R) umfaßt, und ansprechend auf ein Treibersignal und eine angelegte Winkelge­ schwindigkeit schwingt;
eine Schwingungselementtreibereinheit (6) zum Anlegen eines Treibersignals an das Schwingungselement;
eine Mehrzahl von Erfassungslastimpedanzelementen (14, 15), die mit der Mehrzahl von Erfassungselektroden (2L, 2R) verbunden sind, zum Umwandeln von Ladungen, die in der Mehrzahl von Erfassungselektroden (2L, 2R) ansprechend auf die Schwingung des Schwingungselements (2) erzeugt werden, in Spannungssignale;
eine Corioliskrafterfassungseinheit (11) zum Ausgeben eines Coriolissignals, das der Winkelgeschwindigkeit entspricht, auf der Basis der Mehrzahl von Spannungs­ signalen; und
eine Impedanzänderungseinheit zum Ändern der Impedanz von zumindest einem der Mehrzahl von Erfassungslastim­ pedanzelementen (14, 15).

2. Vibrationsgyroskop gemäß Anspruch 1, das ferner eine Eigendiagnoseeinheit (21) zum Durchführen einer Eigen­ diagnose auf der Basis der Schwankung des Coriolissi­ gnals, die durch Ändern der Impedanz von zumindest ei­ nem der Mehrzahl von Erfassungslastimpedanzelementen (14, 15) bewirkt wird.

3. Vibrationsgyroskop gemäß Anspruch 2, bei dem die Ei­ gendiagnoseeinheit (21) eine Eigendiagnose durchführt auf der Basis eines Übergangsverhaltens des Coriolis­ signals, das durch Ändern der Impedanz von zumindest einem der Mehrzahl von Erfassungslastimpedanzelementen (14, 15) bewirkt wird.

4. Vibrationsgyroskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem jedes der Erfassungslastimpedanzelemente (14, 15) ein Widerstand ist.

5. Vibrationsgyroskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, das ferner eine Mehrzahl von Widerständen (R1, R2, R3), eine Addierschaltung (3), eine Mehrzahl von Pha­ senschieberschaltungen (4, 15), eine Verstärkerschal­ tung (5), eine Differenzschaltung (7), eine Synchron­ erfassungsschaltung (8), eine Glättungsschaltung (9), eine Gleichstromverstärkerschaltung (10) und einen Schalter (13) umfaßt.

6. Vibrationsgyroskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Schwingungselement (2) zumindest ein pie­ zoelektrisches Substrat (2U) umfaßt, das in einer Dic­ kerichtung desselben polarisiert ist und die Erfas­ sungselektroden (2L, 2R) auf demselben angeordnet um­ faßt.

7. Vibrationsgyroskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zumindest eines der Mehrzahl von Erfassungs­ lastimpedanzelementen (14) eine Mehrzahl von Wider­ ständen (R1, R3) und einen Schalter (13) umfaßt, die elektrisch miteinander verbunden sind.

8. Vibrationsgyroskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem zumindest eines der Mehrzahl von Erfassungs­ lastimpedanzelementen (15) einen einzelnen Widerstand (R2) umfaßt.

9. Vibrationsgyroskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Schwingungselement (2) ein piezoelektri­ sches Schwingungselement (2) umfaßt, das durch Eigen­ schwingung mit einer Biegeschwingung in einer Dicke­ richtung desselben getrieben wird.

10. Vibrationsgyroskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Schwingungselementtreibereinheit (6) eine Addierschaltung (3), eine Phasenschieberschaltung (4) und eine Verstärkerschaltung (5) umfaßt.

11. Vibrationsgyroskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, das ferner eine Eigendiagnoseschaltung (21) umfaßt, die eine Eigendiagnoseeinheit umfaßt, die mit einem Ausgangsanschluß (12) der Gleichstromverstärkerschal­ tung (10) und dem Vibrationsgyroskop verbunden ist.

12. Vibrationsgyroskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Form des Schwingungselements (2) entweder ein polygonales Prisma, eine Säule oder eine Stimmga­ bel ist.

13. Vibrationsgyroskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem jedes der Mehrzahl von Erfassungslastimpedanz­ elementen (14, 15) zumindest entweder einen Wider­ stand, ein Induktivitätselement oder ein Kapazitäts­ element umfaßt.

14. Eigendiagnoseverfahren für ein Vibrationsgyroskop, das folgende Merkmale aufweist: ein Schwingungselement (2) mit einer Mehrzahl von Erfassungselektroden (2L, 2R), das ansprechend auf ein Treibersignal und eine ange­ legte Winkelgeschwindigkeit schwingt, eine Schwin­ gungselementtreibereinheit (6) zum Anlegen eines Trei­ bersignals an das Schwingungselement, eine Mehrzahl von Erfassungslastimpedanzelementen (14, 15) zum Um­ wandeln von Ladungen, die in der Mehrzahl von Erfas­ sungselektroden (2L, 2R) aufgrund der Schwingung des Schwingungselements (2) erzeugt werden, in Spannungs­ signale, und eine Corioliskrafterfassungseinheit (11) zum Ausgeben eines Coriolissignals, das der Winkelge­ schwindigkeit entspricht, auf der Basis der Mehrzahl von Spannungssignalen, wobei das Verfahren den Schritt des Durchführens einer Eigendiagnose auf der Basis der Schwankung des Coriolissignals umfaßt, die durch Än­ dern der Impedanz von zumindest einem der Mehrzahl von Erfassungslastimpedanzelementen (14, 15) bewirkt wird.

15. Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem die Eigendiagnose auf der Basis eines Übergangsverhaltens des Coriolis­ signals durchgeführt wird, das durch Ändern der Impe­ danz von zumindest einem der Mehrzahl von Erfassungs­ lastimpedanzelementen (14, 15) bewirkt wird.

16. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem jedes der Erfassungslastimpedanzelemente (14, 15) ein Widerstand ist.

17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem zumindest eines der Mehrzahl von Erfassungslastimpe­ danzelementen (14) eine Mehrzahl von Widerständen (R1, R3) und einen Schalter (13) umfaßt, die elektrisch miteinander verbunden sind.

18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem zumindest eines der Mehrzahl von Erfassungslastimpe­ danzelementen (15) einen einzelnen Widerstand (R2) um­ faßt.

19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, bei dem jedes der Mehrzahl von Erfassungslastimpedanzelementen (14, 15) zumindest entweder einen Widerstand, ein In­ duktivitätselement oder ein Kapazitätselement umfaßt.