DE19853063B4

DE19853063B4 - Winkelgeschwindigkeitssensor und Diagnosesystem dafür

Info

Publication number: DE19853063B4
Application number: DE19853063A
Authority: DE
Inventors: Katsuhide Aichi Akimoto; Takehiro Aichi Watarai; Kenji Aichi Kato; Kazuhiko Aichi Miura
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-11-18
Filing date: 1998-11-17
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2018-11-18
Also published as: US6167744B1; US6282957B1; DE19853063A1

Abstract

Winkelgeschwindigkeitssensor mit einer Vibrationseinrichtung (1; 601; 701), einer an der Vibrationseinrichtung (1; 601; 701) vorgesehenen Ansteuerelektrodeneinrichtung (11, 12; 620; 707) zur Ansteuerung der Vibrationseinrichtung (1; 601; 701), einer an der Vibrationseinrichtung (1; 601; 701) vorgesehenen Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrodeneinrichtung (21–22; 622, 623; 709, 710) zur Erzeugung eines Erfassungssignals, das eine auf die Vibrationseinrichtung (1; 601; 701) beaufschlagte Winkelgeschwindigkeit darstellt, eine mit der Ansteuerelektrodeneinrichtung (11, 12; 620; 707) verbundene Ansteuerschaltung (A1; B1; C1; D1) zur Zufuhr eines Ansteuersignals mit einer vorbestimmten Frequenz (fd) zu der Ansteuerelektrodeneinrichtung (11, 12; 620; 707), um die Vibrationseinrichtung (1; 601; 701) in Vibration zu versetzen, und eine mit der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrodeneinrichtung (21, 22; 622, 623; 709, 710) verbundene Winkelgeschwindigkeitserfassungsschaltung (207–209, A2; B2; C2; D2) zur Erfassung einer Vibrationsbewegung, die in einer Richtung verursacht wird, die senkrecht zu einer Richtung einer erregten Oszillation der Vibrationseinrichtung (1; 601; 701) verläuft, auf der Grundlage des Erfassungssignals der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrodeneinrichtung...

Description

Die Erfindung betrifft einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der bei verschiedenen Steuerungssystemen wie beispielsweise sowohl bei einem Fahrzeugbewegungs-/Verhaltenssteuerungssystem als auch bei einem Navigationssystem oder bei einer Videokamera zur Kompensation der Handbewegungen der Bedienperson angewandt werden kann, und genauer einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der eine Winkelgeschwindigkeit unter Verwendung einer piezoelektrischen Vibrationseinrichtung erfaßt.
Die 1995 veröffentlichte japanische Offenlegungsschrift JP 7-181042 A offenbart einen herkömmlichen Winkelge- schwindigkeitssensor, der eine Stimmgabel-Vibrationseinrichtung, eine Ansteuerschaltungseinrichtung, um diese Vibrationseinrichtung in Vibration zu versetzen, und eine Winkelgeschwindigkeitserfassungseinrichtung zur Erfassung einer Vibrationsbewegung aufweist, die in einer zu der Oszillationsrichtung der Vibrationseinrichtung senkrechten Richtung verursacht wird, wodurch eine um eine vorbestimmte Achse auftretende Winkelgeschwindigkeit der Vibrationseinrichtung erhalten wird.
Weiterhin ist zur Erfassung eines Fehlers in dem System eine Diagnoseschaltung vorgesehen. Ein Ladungsverstärker erzeugt ein Ausgangssignal, das eine erfaßte Winkelgeschwindigkeit darstellt. Ein Bandpaßfilter (BPF) ist mit dem Ausgangsanschluß dieses Ladungsverstärkers verbunden. Ein Differenzverstärker vergleicht das Ausgangssignal des Ladungsverstärkers mit dem Ausgangssignal des Bandpaßfilters. Wenn das erhaltene Differenzausgangssignal größer als ein vorbestimmter Referenzwert ist, wird beurteilt, daß bei dem Sensor ein Versagen (wie ein Abblättern eines an einem piezoelektrischen Aufbau angebrachten piezoelektrischen Elementes) auftritt.
Jedoch erzeugt bei dieser Diagnoseschaltung der Differenzverstärker kein Differenzausgangssignal, wenn ein Erfassungsdraht (Sensordraht) da sowohl der Ladungsverstärker als auch der Bandpaßfilter kein Ausgangssignal ausgeben (0 V). Anders ausgedrückt kann die Diagnoseschaltung dieses herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensors nicht eine Unterbrechung von Sensordrähten erfassen.
Die Druckschrift DE 195 44 338 A1 beschreibt einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Spezifisch umfasst der Winkelgeschwindigkeitssensor einen Schwingungserzeuger, der aus piezoelektrischem Material besteht und ein Schenkelpaar aufweist. Ein Ansteuerelektrodenpaar ist an den Schenkeln angebracht, um Schwingungen in den Schenkeln zu erzeugen. Ein Erfassungselektrodenpaar, welches an den Schenkeln angebracht ist, erfasst die Schwingungen der Schenkel. Die Druckschriften EP 0 642 216 B1 und US 5 491 725 A beschreiben einen Nachlauffilter und Phasenquadraturreferenzgenerator.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit einem Diagnosesystem bereitzustellen, das ein Versagen des Sensors einschließlich der Unterbrechung von Sensordrähten erfassen kann. Dabei soll ein Winkelgeschwindigkeitssensor mit einer Elektrodenanordnung bereitgestellt werden, der den Fehler bei der Erfassung der Winkelgeschwindigkeit verringern kann.
Diese Aufgabe wird durch die in den beiliegenden Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht der Gesamtanordnung eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einem ersten und einem zweiten Ausführungsbeispiel,
2A bis 2D Ansichten einer Elektrodenanordnung, die auf jeweiligen Flächen einer in 1 gezeigten Vibrationseinrichtung ausgebildet sind,
3 ein Blockschaltbild eines Steuerungsschaltkreises des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
4 eine Ansicht, die ein Verfahren zur Erfassung der Unterbrechung von Drähten gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht,
5 einen Graphen, der ein Ausgangssignal einer Strom-Spannungswandlerschaltung in Bezug auf eine Kapazität zwischen einer Diagnoseelektrode und einer Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt,
6 einen Graphen, der die Kapazität zwischen der Diagnoseelektrode und der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode in Bezug auf die Größe der Diagnoseelektrode des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt,
7 einen Graphen, der das Ausgangssignal des Strom-Spannungswandlerschaltkreises in Bezug auf das Diagnosesignal des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt,
8A bis 8D Ansichten, die eine andere Elektrodenanordnung darstellen, die auf jeweiligen Oberflächen einer Vibrationseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet sind,
9 ein Blockschaltbild einer weiteren Steuerschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
10 ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
11A und 11B Ansichten, die ein Verfahren zur Erfassung von Drahtunterbrechungen gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulichen,
12 eine perspektivische Ansicht der Gesamtanordnung eines weiteren Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel,
13A bis 13D Ansichten einer Elektrodenanordnung, die auf jeweiligen Oberflächen einer in 12 gezeigten Vibrationseinrichtung ausgebildet sind,
14 eine perspektivische Ansicht der Gesamtanordnung eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einem dritten und einem vierten Ausführungsbeispiel,
15A bis 15D Ansichten einer Elektrodenanordnung, die jeweils auf Oberflächen einer in 14 gezeigten Vibrationseinrichtung ausgebildet sind,
16 ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
17 eine Ansicht, die ein Verfahren zur Erfassung von Drahtunterbrechungen gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel veranschaulicht,
18 ein Blockschaltbild einer anderen Steuerschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
19 ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
20A und 20B Ansichten, die ein Verfahren zur Erfassung von Drahtunterbrechungen gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel veranschaulichen,
21 eine perspektivische Ansicht der Gesamtanordnung eines abgeänderten Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
22 eine perspektivische Ansicht der Gesamtanordnung eines anderen abgeänderten Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
23 eine perspektivische Ansicht der Gesamtanordnung eines abgeänderten Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
24 eine perspektivische Ansicht der Gesamtanordnung eines weiteren abgeänderten Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
25 eine perspektivische Ansicht der Gesamtanordnung eines weiteren abgeänderten Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
26A bis 26D Ansichten einer Elektrodenanordnung eines weiteren abgeänderten Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
27 eine perspektivische Ansicht der Gesamtanordnung eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel,
28A bis 28D Ansichten einer Elektrodenanordnung, die jeweils auf Oberflächen einer in 27 gezeigten Vibrationseinrichtung ausgebildet sind,
29 ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
30A bis 30D Ansichten einer experimentellen Elektrodenanordnung des Winkelgeschwindigkeitssensors,
31A bis 31D Ansichten einer weiteren experimentellen Elektrodenanordnung des Winkelgeschwindigkeitssensors,
32 einen Graphen, der einen Winkelgeschwindigkeitseinfluß in Bezug auf die Position der Diagnoseelektrode darstellt,
33 einen Graphen, der eine Versagensempfindlichkeit in Bezug auf die Position der Diagnoseelektrode darstellt,
34 einen Graphen, der das Verhältnis zwischen dem Einfluß auf die Winkelgeschwindigkeit (Winkelgeschwindigkeitseinfluß) und der Diagnoseelektrodengröße darstellt,
35 einen Graphen, der ein Verhältnis zwischen der Versagensempfindlichkeit und der Diagnoseelektrodengröße darstellt,
36 einen Graphen, der ein Verhältnis zwischen dem Einfluß auf die Winkelgeschwindigkeit und dem Elektrodenabstand darstellt,
37 einen Graphen, der ein Verhältnis zwischen der Versagensempfindlichkeit und dem Elektrodenabstand darstellt,
38 einen Graphen, bei dem experimentelle Daten in Bezug auf den Einfluß auf die Winkelgeschwindigkeit zusammengefaßt sind,
39 einen Graphen, bei dem experimentelle Daten in Bezug auf die Versagensempfindlichkeit zusammengefaßt sind,
40 eine perspektivische Ansicht der Gesamtanordnung eines abgeänderten Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
41 eine perspektivische Ansicht der Gesamtanordnung eines weiteren abgeänderten Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
42 eine perspektivische Ansicht der Gesamtanordnung eines weiteren abgeänderten Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel und
43A bis 43D Ansichten einer Elektrodenanordnung eines anderen abgeänderten Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht der Anordnung eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. 2A bis 2D zeigen Ansichten einer Elektrodenanordnung des in 1 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors.
Wie in 1 gezeigt, weist ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eine Vibrationseinrichtung 1 auf, die als eine Stimmgabel mit einem U-förmigen Stab mit einem geschlossenen Sockelende (d. h. einem Verbindungsstab 6) und verzweigten, von dem Sockel wegführenden Enden (d. h. einem rechten Schenkelstab bzw. Schenkel 4 und einem linken Schenkel 5) aufgebaut ist. Die rechten und linken Schenkel 4 und 5 sowie der Verbindungsstab 6 sind als rechtwinklige Quader ausgebildet. Diese Stababschnitte 4, 5 und 6 sind einstückig und aus einem piezoelektrischen Körper wie einem keramischen piezoelektrischen Körper oder einem Kristall gebildet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird PZT, ein keramisches piezoelektrisches Teil, angewendet, das hinsichtlich von Polarisationseigenschaften flexibel justierbar ist sowie leicht herzustellen ist.
Wie in 2A gezeigt, weist die Vibrationseinrichtung 1 eine U-förmige glatte Vorderfläche X1 auf, an der symmetrisch in Bezug auf eine vertikale Achse oder eine Mittelachse in Längsrichtung (d. h. Z-Achse) der Vibrationseinrichtung 1 parallele Ansteuerelektroden 11 und 12 vorgesehen sind. Die zur Ansteuerung bzw. zum Antrieb der Vibrationseinrichtung 1 verwendeten parallelen Ansteuerelektroden 11 und 12 verlaufen in der Längsrichtung (lateralen Richtung) des Verbindungsstabs 6 und knicken dann rechtwinklig ab (d. h. gemäß 1 aufwärts), um weiter parallel miteinander entlang der Vorderfläche X1 der jeweiligen Schenkel 4 und 5 zu verlaufen. Somit überbrücken die jeweils in einem U-förmigen Aufbau ausgebildeten parallelen Ansteuerelektroden 11 und 12 jeweils die Schenkel 4 und 5 über den Verbindungsstab 6. Die oberen Enden der Ansteuerelektroden 11 und 12 sind jeweils auf derselben Höhe der Schenkel 4 und 5 positioniert.
Die nachstehend als innere Ansteuerelektrode 12 bezeichnete Ansteuerelektrode 12 verläuft entlang des inneren umlaufenden Rands der U-förmigen Vorderfläche X1. Die nachstehend als äußere Ansteuerelektrode 11 bezeichnete andere Ansteuerelektrode 11 verläuft entlang des äußeren umlaufenden Rands der U-förmigen Vorderfläche X1.
Überwachungselektroden 13 und 14 sowie Hilfmasselektroden 15 und 16 sind nahe an den Ansteuerelektroden 12 und 11 an Abschnitten vorgesehen, die von dem Verbindungsstab 6 entfernt liegen (d. h. näher an den entfernten Enden der jeweiligen Schenkel 4 und 5 als an den Ansteuerelektroden 12 und 11 liegen). Die Überwachungselektroden 13 und 14 überwachen nicht nur den Ansteuerzustand der Vibrationseinrichtung 1 sondern verursachen ebenfalls eine Oszillation der Vibrationseinrichtung 1. Eine an dem rechten Schenkel 4 vorgesehene Überwachungselektrode 13 ist von dem rechten oberen Ende der inneren Ansteuerelektrode 12 um einen vorbestimmten Abstand beabstandet und verläuft in der selben Richtung wie die innere Ansteuerelektrode 12 entlang des inneren umlaufenden Rands der U-förmigen Vorderfläche X1. Die an dem linken Schenkel 5 vorgesehene Überwachungselektrode 14 ist von dem linken oberen Ende der inneren Ansteuerelektrode 12 um einen vorbestimmten Abstand beabstandet und verläuft in derselben Richtung wie die innere Ansteuerelektrode 12 entlang des inneren umlaufenden Randes der U-förmigen Vorderfläche X1. Die eine an dem rechten Schenkel 4 vorgesehene Hilfsmasseelektrode 15 ist von dem rechten oberen Ende der äußeren Ansteuerelektrode 11 um einen vorbestimmten Abstand beabstandet und verläuft in derselben Richtung wie die äußere Ansteuerelektrode 11 entlang dem äußeren umlaufenden Rand der U-förmigen Vorderfläche X1. Die andere an dem linken Schenkel 5 vorgesehene Hilfsmasseelektrode 16 ist von dem linken oberen Ende der äußeren Ansteuerelektrode um einen vorbestimmten Abstand beabstandet und verläuft in derselben Richtung wie die äußere Ansteuerelektrode 11 entlang dem äußeren umlaufenden Rand der U-förmigen Vorderfläche X1. Die Überwachungselektroden 14a und 14b sowie die Hilfsmasseelektroden 16a und 16b weisen dieselbe vertikale Länge (Länge in Längsrichtung) auf und sind in derselben Höhe angeordnet.
Diagnoseelektroden 17 und 18 sind nahe an den Überwachungs- und Hilfsmassenelektroden 13, 14, 15 und 16 an Abschnitten vorgesehen, die von dem Verbindungsstab 8 abgelegen angeordnet sind (d. h. näher an den entfernten Enden der jeweiligen Schenkel 4 und 5 als die Monitor- und Hilfsmasseelektroden 13, 14, 15 und 16 liegen). Die Diagnoseelektroden 17 und 18 weisen dieselbe vertikale Länge (Länge in Längsrichtung) auf und sind in derselben Höhe mit Seitenbreiten (lateralen Breiten) angeordnet, die identisch zu denen der entsprechenden Schenkel 4 und 5 sind. Die Diagnoseelektroden 17 und 18 dienen nicht nur als Elektroden zur Eingabe eines Diagnosesignals, sondern dienen ebenfalls als Elektroden zur Polarisation des piezoelektrischen Körpers der Vibrationseinrichtung 1. In 1 zeigen weiße ganzflächige Pfeile die Polarisation des piezoelektrischen Körpers der Vibrationseinrichtung 1 an. Jeweils an den entferntest liegenden Enden der Vorderfläche X1 der Schenkel 4 und 5 vorgesehene Anschlußflächenelektroden (Pad-Elektroden) 19 und 20 entnehmen die erfaßten Winkelgeschwindigkeitssignale aus den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22.
Die Vibrationseinrichtung 1 weist eine U-förmige glatte Rückfläche (Rückseite) X2 auf, die im Aufbau vollständig die gleiche wie die Vorderfläche X1 ist. Die Vorderfläche X1 und die Rückfläche verlaufen parallel. An der Rückfläche X2 ist eine U-förmige gemeinsame Elektrode 25 vollständig an einem Bereich vorgesehen, der allen vorstehend beschriebenen Ansteuerelektroden 11 und 12 Überwachungselektroden 13 und 14, Hilfsmasseelektroden 15 und 16 sowie Erfassungselektroden 17 und 18 entspricht bzw. zugewandt ist, wie in 2D gezeigt ist.
Der rechte Schenkel 4 weist wie in 2B gezeigt eine äußere Seitenfläche Y1 auf, die mit einer Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 21 an einer Höhenposition entsprechend zu der Diagnoseelektrode 17 und einer Kurzschlußelektrode 26 an einer Höhenposition entsprechend zu der Hilfsmasseelektrode 15 versehen ist. Der linke Schenkel 5 weist wie in 2C gezeigt eine äußere Seitenfläche Y2 auf, die mit der anderen Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 22 an einer Höhenposition entsprechend zu der anderen Diagnoseelektrode 18 sowie einer anderen Kurzschlußelektrode 27 an einer Höhenposition entsprechend zu der Hilfsmasseelektrode 16 versehen ist. Die Kurzschlußelektroden 26 und 27 verbinden die gemeinsame Elektrode 25 jeweils elektrisch mit den Hilfsmasseelektroden 15 und 16.
Die Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 sind über Leiterelektroden 23 und 24 jeweils einstückig mit den Anschlußflächenelektroden 19 und 20 ausgebildet. Die Leiterelektroden 23 und 24 verlaufen von den Winkelgechwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 aufwärts und knicken rechtwinklig zu den Anschlußflächenelektroden 19 und 20 ab.
Alle diese jeweils auf den Flächen der Vibrationseinrichtung 1 ausgebildeten Elektroden sind mit Bezug auf die vertikale Mittelachse bzw. oder Mittelachse in Längsrichtung (d. h. Z-Achse) der Vibrationseinrichtung 1 symmetrisch angeordnet.
Bei der vorstehend beschriebenen Elektrodenanordnung ist es möglich, die Position der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 21 von der äußeren Seitenfläche Y1 zu der inneren Seitenfläche des rechten Schenkels 4 zu verändern, die der äußeren Seitenfläche Y1 gegenüberliegt. In derselben Weise ist es möglich, die Position der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 22 von der äußeren Seitenfläche Y2 zu der inneren Seitenfläche des linken Schenkels 5 zu verändern, die der äußere Seitenfläche Y2 gegenüberliegt. Es ist ebenfalls möglich, eine der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 wegzulassen.
Die Vibrationseinrichtung ist wie in 1 gezeigt durch einen geeigneten Kleber wie einem Epoxydkleber an einen Träger 3 geklebt. Der Träger 3 weist einen Hals 3A auf, der als Vibrationseinrichtung wie ein Torsionsbalken dient. Der Träger 3 ist aus einem geeigneten Metallmaterial wie 42N (42-Legierung) hergestellt.
Der Träger 3 ist an einer Oberfläche K1 einer Grundplatte 2 wie einem Gehäuse des Winkelgeschwindigkeitssensors oder einem Fahrzeuggehäuse über einen Abstandshalter 3b wie einem Vibrationen abhaltenden Gummi befestigt. Somit hält der Träger 3 die Vibrationseinrichtung 1 in einer frei schwebenden Bedingung in Bezug auf die Grundplatte 2, so daß die Vorder- und Rückflächen X1 und X2 der Vibrationseinrichtung 1 parallel zu der Oberfläche K1 der Grundplatte 2 verlaufen.
Insgesamt sind zehn an der Grundplatte 2 vorgesehene Anschlüsse T1 bis T10 mit den Ansteuerelektroden 11 und 12, den Überwachungselektroden 13 und 14, den Hilfsmasselektroden 15 und 16, den Diagnoseelektroden 17 und 18 sowie den Anschlußflächenelektroden 19 und 20 verbunden. Diese Anschlüsse T1 bis T10 sind entlang zwei bezüglich der vertikalen Mittelachse (d. h. der Z-Achse) der Vibrationseinrichtung 1 symmetrischen rechten und linken Reihen angeordnet.
Diese als Zwischenstationen dienenden Anschlüsse T1 bis T10 sind zwischen den vorstehend beschriebenen Elektroden und einer (nicht gezeigten) Ansteuer-/Erfassungsschaltung angeordnet. Zur elektrischen Verbindung drahtgebondete Metalldrahte W1 bis W10 sind zwischen den Anschlüssen T1 bis T10 und deren entsprechenden Elektroden gespannt. Die Grundplatte 2 ist von diesen Anschlüssen T1 bis T10 elektrisch isoliert.
Der vorstehend beschriebene Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird zur Erfassung einer Winkelgeschwindigkeit betrieben. Für diesen Betrieb erhalten die Hilfsmasseelektroden 15 und 16 sowie die gemeinsame Elektrode 25 über die Anschlüsse T3 und T8 ein elektrisches Referenzpotential. Die Ansteuerelektroden 11 und 12 empfangen jeweils Wechselstromansteuersignale aus den Anschlüssen T10 und T5. Die zueinander um 180° phasenverschobenen Wechselstromansteuersignale verursachen eine zyklische Spannungsänderung, wie das Referenzpotential als Mitte aufweist und sowohl in positive als auch in negative Richtungen schwankt. Die Frequenz jedes Ansteuersignals ist gleich einer Resonanzfrequenz der Vibrationseinrichtung 1, die in Richtung der Ansteuerachse (d. h. Y-Achse) wie in 1 gezeigt oszilliert. Der rechte Schenkel 4 und der linke Schenkel 5 sind entlang dieser Ansteuerachse ausgerichtet. Das Referenzpotential kann auf Massepotential (Erdpotential) eingestellt sein oder derart mit einer Vorspannung beaufschlagt werden, daß es auf ein konstantes Potential wie 2,5 V beibehalten wird.
Somit werden Wechselspannungen mit zueinander invertierten Phasen zwischen den jeweiligen Ansteuerelektroden 11 und 12 an der Vorderfläche X1 und der gemeinsamen Elektrode 25 an der Rückfläche X2 angelegt. Die Schenkel 4 und 6 befinden sich in Richtung der Ansteuerachsen (d. h. X-Achse) in Resonanz. Während des Ansteuerbetriebs fließt zwischen der Überwachungselektrode 13 und der gemeinsamen Elektrode 25 ein signifikanter Strom. Dieser Strom wird überwacht und über den Anschluß T4 als Ausgangssignal abgegeben. In derselben Weise wird der zwischen der anderen Überwachungselektrode 14 und der gemeinsamen Elektrode 25 fließende Strom überwacht und über den Anschluß T9 als Ausgangssignal ausgegeben. Jedes Ansteuersignal wird auf der Grundlage des überwachten Wertes geregelt, damit die Amplitude jede Schenkels 4 und 5 in der Y-Richtung ungeachtet jeglicher Temperaturänderung stabilisiert wird.
Unter einem derartigen gesteuerten selbsterregenden Oszillationszustand kann die Vibrationseinrichtung 1 einer Winkelgeschwindigkeit Ω ausgesetzt werden, die um die vertikale Mittelachse (d. h. der Z-Achse) jedes Schenkels 4 und 5 beaufschlagt wird. Diese Winkelgeschwindigkeit Ω erzeugt eine Coriolis-Kraft, die die Schenkel 4 und 5 in Richtung der X-Achse (d. h. Richtung der Erfassungsachse), die senkrecht zu der Vorderfläche X1 und der Rückfläche X2 verläuft, in Vibrationen versetzt.
Die X-Achsen-Komponente der in jedem Schenkel 4 und 5 verursachten Vibration ist proportional zu dem zwischen der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 21 oder 22 und der gemeinsamen Elektrode 25 fließenden Strom. Dieser Stromwert ist als ein Ausgangssignal erfaßbar, das über die mit der Anschlußflächenelektrode 19 oder 20 verbundenen Anschluß T1 oder T6 erhalten wird.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung des vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors. Die Steuerschaltung weist einen Ansteuerabschnitt A1, einen Erfassungsabschnitt A2 und einen Diagnoseabschnitt A3 auf.
Ein zwischen den Überwachungselektroden 13 und 14 sowie dem Antriebsabschnitt A1 geschalteter Ladungsverstärker 201 wandelt die Ausgangswerte (Stromwerte) der Überwachungselektrode 13 und 14 in entsprechende Spannungen um. Der Ansteuerabschnitt A1 weist eine AGC-Schaltung (automatische Verstärkersteuerschaltung) 202 und eine Inverterschaltung 203 auf. Die AGC-Schaltung 202 empfängt ein internes Signal des Ladungsverstärkers 201, das als (nachstehend auch als FB-Signal bezeichnetes) Rückkopplungssignal mit einer Frequenz fd dient. Die AGC-Schaltung 202 justiert die Verstärkung des Ansteuersignals derart, daß das Rückkopplungssignal mit einer konstanten Spannung erzeugt wird. Die Inverterschaltung 203 invertiert das aus der AGC-Schaltung 202 zugeführte Ansteuersignal. Somit empfangen die Ansteuerelektroden 11 und 12 Wechselspannungen (d. h. Ansteuersignale) mit zueinander invertierten Phasen.
Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 202 und 208 wandeln die über den Anschlußflächenelektroden 19 und 20 jeweils gesendeten Ausgangssignale der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 in entsprechende Spannungen um. Eine Differenzschaltung 209 empfängt die Ausgangsspannungen der Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 207 und 208 und erzeugt ein Differenzsignal, das die Differenz zwischen diesen Ausgangsspannungen darstellt.
Der Erfassungsabschnitt A2 weist eine erste Synchronisationserfassungseinrichtung 210 und einen ersten Tiefpaßfilter (TPF) 211 auf. Die erste Synchronisationserfassungseinrichtung 210 empfängt das von der Differenzschaltung 209 erzeugte Differenzsignal und führt die Synchronisationserfassung auf der Grundlage des Rückkopplungssignals mit der Frequenz fd durch. Der erste Tiefpaßfilter 211 glättet das Ausgangssignal der ersten Synchronisationserfassungseinrichtung 210 zur Umwandlung dieses Signals in ein Gleichspannungssignal.
Der Diagnoseabschnitt A3 weist einen Signaleingabeabschnitt A31 und einen Signalerfassungsabschnitt A32 auf. Der Signaleingabeabschnitt A31 führt den Diagnoseelektroden 17 und 18 ein Diagnosesignal VB zu. Der Signalerfassungsabschnitt 32 erfaßt ein Ausgangssignal im Ansprechend auf aus den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 erhaltene Diagnosesignal.
Genauer weist der Signaleingabeabschnitt 31 einen Multiplizierer (eine Modulationseinrichtung) 204, einen Bandpaßfilter (BPF) 205 und eine Amplitudeneinstelleinrichtung 206 auf. Der Multiplizierer 204 erzeugt ein modifiziertes Rückkopplungssignal mit einer erhöhte Frequenz, die das geradzahlige Vielfache (beispielsweise das Doppelte) der Frequenz (fd) des ursprünglichen Rückkopplungssignals ist. Der Bandpaßfilter 205 läßt lediglich das modifizierte Rückkopplungssignal mit der vorbestimmten erhöhten Frequenz (beispielsweise 2fd) durch. Die Amplitudeneinstelleinrichtung 206 stellt die Amplitude des modifizierten Rückkopplungssignals ein und erzeugt das Diagnosesignal VB mit der Frequenz 2fd und der eingestellten Amplitude, das zu den Diagnoseelektroden 17 und 18 gesendet wird. Somit dient die Amplitudeneinstelleinrichtung 206 als eine Amplitudenänderungseinrichtung zur Änderung der Amplitude des Diagnosesignals VB, das den Diagnoseelektroden 17 und 18 zugeführt wird.
Der Signalerfassungsabschnitt A32 weist eine zweite Synchronisationserfassungseinrichtung (212) und einen zweiten Tiefpaßfilter 213 auf. Die zweite Synchronisationserfassungseinrichtung 212 empfängt das Differenzsignal der Differenzschaltung 209 und führt die Synchronisationserfassung auf der Grundlage eines Signals mit derselben Phase wie die Phase des Diagnosesignals VB mit der Frequenz 2fd durch. Der zweite Tiefpaßfilter 213 glättet das Ausgangssignal der zweiten Synchronisationserfassungseinrichtung 212 zur Umwandlung dieses Signals in ein Gleichspannungssignal.
Ein grundsätzlicher Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorgang wird durch den Ansteuerabschnitt A1 und den Erfassungsabschnitt A2 durchgeführt. Zunächst wird eine Wechselspannung (beispielsweise 400 mV eff. bzw. 400 mVrms) zwischen der Ansteuerelektrode 11 und der gemeinsamen Elektrode 25 angelegt. Eine Wechselspannung, die dieselbe Amplitude (beispielsweise 400 mV eff.) aufweist, jedoch um 180° phasenverschoben ist, wird zwischen der Ansteuerelektrode 12 und der gemeinsamen Elektrode 25 angelegt. Somit oszilliert die Vibrationseinrichtung 1 in Richtung der Y-Achse.
Die Überwachungselektroden 13 und 14, der Ladungsverstärker 201, die automatische Verstärkungssteuerschaltung 202, die Inverterschaltung 203 sowie die Ansteuerelektroden 11 und 12 bilden gemeinsam eine selbsterregte Oszillationsgruppe. Die Überwachungselektroden 13 und 14 erzeugen Ausgangssignale (Stromsignale), die die überwachten Oszillationen darstellen. Auf der Grundlage der Ausgangssignale der Überwachungselektroden 13 und 14 werden die den Ansteuerelektroden 11 und 12 zugeführten Ansteuersignale derart geregelt, daß eine konstante selbsterregte Oszillation ungeachtet jeglicher Temperaturänderung verwirklicht wird. Das Ansteuersignal weist dieselbe Frequenz wie die Frequenz fd des Rückkopplungssignals auf. Somit oszilliert die Vibrationseinrichtung 1 bei der Resonanzfrequenz fd.
Unter einer derartigen gesteuerten selbsterregten Oszillationsbedingung kann die Vibrationseinrichtung 1 der Winkelgeschwindigkeit Ω ausgesetzt werden, die um die vertikale Mittelachse (d. h. die Z-Achse) jedes Schenkels 4 und 5 auftritt. Diese Winkelgeschwindigkeit Ω erzeugt die Coriolis-Kraft, die die Schenkel 4 und 5 in Richtung der X-Achse (d. h. in Richtung der Erfassungsachse) in Vibrationen versetzt. Die Amplitude der verursachten Vibration ist proportional zu der Winkelgeschwindigkeit Ω. Die X-Achsenkomponente der verursachten Vibration in jedem Schenkel 4 und 5 wird als ein Ausgangssignal (Istsignal) der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 21 oder 22 erfaßt. Die Resonanzfrequenz der vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibration ist identisch mit der Resonanzfrequenz fd der durch die Ansteuerelektroden 11 und 12 verursachten Vibration.
Der Erfassungsabschnitt A2 verarbeitet die Ausgangssignale der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22. Genauer wandeln die Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 207 und 208 die Ausgangssignale der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 in entsprechende Spannungssignale um. Die Differenzschaltung 209 erzeugt ein Differenzspannungssignal zwischen den umgewandelten Spannungssignalen. Die erste Synchronisationserfassungseinrichtung 210 empfängt das erzeugte Differenzspannungssignal und führt die Synchronisationserfassung auf der Grundlage des Rückkopplungssignals mit der Frequenz fd durch. Der erste Tiefpaßfilter (TPF) 211 empfängt das Ausgangssignal der ersten Synchronisationserfassungseinrichtung 210 und erzeugt ein Winkelgeschwindigkeitssignal S1 als ein Gleichspannungssignal.
Der Diagnoseabschnitt A3 führt die Diagnoseverarbeitung durch. Genauer legt der Signaleingabeabschnitt A das Diagnosesignal VB zwischen den Diagnoseelektroden 17 und 18 sowie der gemeinsamen Elektrode 25 an. Das Diagnosesignal VB wird in der nachstehend beschriebenen Weise erzeugt. Der Multiplizierer 204 erzeugt das modifizierte Rückkopplungssignal mit der doppelten Frequenz 2fd. Das modifizierte Rückkopplungssignal gelangt durch den Bandpaßfilter 205. Die Amplitudeneinstelleinrichtung 206 stellt die Amplitude des modifizierten Rückkopplungssignals ein und erzeugt das Diagnosesignal VB mit der vorbestimmten Amplitude (beispielsweise 10 mV eff.), das den Diagnoseelektroden 17 und 18 zugeführt wird.
Wenn keine Winkelgeschwindigkeit Ω beaufschlagt wird, wird das Diagnosesignal VB von den Diagnoseelektroden 17 und 18 zu den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 übermittelt und über die Anschlußflächenelektroden 19 und 20 zu den Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 207 und 208 gesendet. Somit erzeugen die Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 207 und 208 Signale im Ansprechen auf die Diagnoseelektroden VB.
Wenn eine Winkelgeschwindigkeit Ω beaufschlagt wird, erzeugen die Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 ein zusammengesetztes Signal, das eine Winkelgeschwindigkeitssignalkomponente (Frequenz, fd) und eine Diagnosesignalkomponente (Frequenz: 2fd) aufweist, die durch die Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 207 und 208 sowie die Differenzschaltung 209 erfaßbar sind.
Die Winkelgeschwindigkeitssignalkomponente (Frequenz: fd) wird durch den Erfassungsabschnitt A2 zur Erzeugung des Winkelgeschwindigkeitssignals S1 verarbeitet. Demgegenüber wird die Diagnosesignalkomponente (Frequenz: 2fd) gelöscht, wenn die erste Synchronisationserfassungseinrichtung 210 die Synchronisationserfassung auf der Grundlage des Rückkopplungssignals (Frequenz: fd) ausführt.
Die Signalkomponente mit der Frequenz 2fd (d. h. die Diagnosesignalkomponente, die auf das Diagnosesignal VB anspricht) wird bei der Versagenserfassung zur Überprüfung des Drahtbruchs verwendet.
Die zweite Synchronisationserfassungseinrichtung 212 empfängt das Differenzsignal der Differenzschaltung 209 und führt die Synchronisationserfassung auf der Grundlage eines von dem Bandpaßfilter 205 erzeugten Referenzsignals aus, bei dem es sich um das VB-Signal mit der Frequenz 2fd handelt. Das zweite Tiefpaßfilter (TPF) 213 glättet das Ausgangssignal der zweiten Synchronisationserfassungseinrichtung 212 zur Erzeugung eines Gleichspannungssignals als ein Versagenssignal R1. Die Signalkomponente mit der Frequenz fd wird gelöscht, wenn die zweite Synchronisationserfassungseinrichtung 212 die Synchronisationserfassung auf der Grundlage des VB-Signals (Frequenz: 2fd) durchführt.
Beispielsweise erzeugen die Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 bei einem normalen Zustand der Drähte W1 und W6 gleichphasige Signale im Ansprechen auf das Signal mit der Frequenz 2fd. Diese gleichphasigen Signale werden durch die Differenzschaltung 209 gelöscht. Folglich wird das Versagenssignal R1 auf einem Referenzpotential (beispielsweise 0 V) beibehalten.
Wenn demgegenüber einer der Drähte W1 und W6 gebrochen ist, erzeugt einer der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 kein Ausgangssignal. Somit weist das Versagenssignal R1 einen (nachstehend als Zustand 1 bezeichneten) positiven oder negativen Potentialversatz von dem (als Zustand 0 bezeichneten) Referenzpotential auf, wie in 4 gezeigt. Somit ist ein Versagen der Drähte W1 und W6 stets erfaßbar.
In derselben Weise kann ein Versagen der Drähte W2 und W7 durch Anlegen des vorbestimmten Signals VB zur Erfassung einer Änderung des Versagenssignals R1 von dem Zustand 0 auf den Zustand 1 erfaßt werden.
Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung ist die Erfassung einer kleinen Änderung in der Empfindlichkeit oder eines kleinen Verlusts in der Schaltung aufgrund eines losen Kontakts usw. durch Überwachung der Schwankung des Versagenssignals R1 innerhalb eines Bereichs zwischen dem Zustand 0 und dem Zustand 1 möglich. Die Verwendung des Diagnosesignals VB mit der Frequenz, die sich von der des Winkelgeschwindigkeitserfassungssignals unterscheidet, stellt eine hervorragende Überwachungsgenauigkeit bereit und ermöglicht es, das Versagenssignal von dem Winkelgeschwindigkeitssignal sicher zu unterscheiden.
Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung rührt das Diagnosesignal VB von dem Rückkopplungssignal her und wird bei dem Erfassungsabschnitt A2 gelöscht, falls kein Versagen erfaßt wird. Somit wird kein negativer Einfluß auf die Sensoreigenschaften ausgeübt.
Hinsichtlich der Effektivität des Löschens während der Synchronisationserfassungsverarbeitung ist es vorzuziehen, daß die Frequenz des Diagnosesignals VB ein geradzahliges Vielfaches (2, 4, 6, ...) der Frequenz des ursprünglichen Rückkopplungssignals ist.
Das Vorsehen des Bandpaßfilters 205 bewirkt eine exklusive Zufuhr des Diagnosesignals VB der Frequenz 2fd zu den Diagnoseelektroden 17 und 18.
Als eine Abänderung des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels ist die Erfassung des Signals im Ansprechen auf das Diagnosesignal VB aus den Ansteuerelektroden 11 und 12 über eine ähnliche Schaltungsanordnung mit Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen und einer Differenzschaltung möglich. In diesem Fall ist der Bruch der Drähte W5 und W10 erfaßbar.
Obwohl das Diagnosesignal VB an die Diagnoseelektroden 17 und 18 gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel angelegt wird, ist es möglich, eine Niedrigstromschaltung zur direkten Zufuhr von Strom der Frequenz 2fd an die Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 vorzusehen. Es ist ebenfalls möglich, ein invertiertes Diagnosesignal VB derart zuzuführen, daß das Versagenssignal R1 ein gewisses Versatzpotential aufweist, wenn die Drähte sich in einem normalen Zustand befinden, und das Referenzpotential aufweisen, wenn ein Versagen erfaßt wird.
Es ist möglich, jeweils zwei Amplitudeneinstelleinrichtungen 206 zur Verarbeitung der Diagnoseelektroden 17 und 18 vorzusehen.
Es ist möglich, zwei Signalerfassungsabschnitte A32 vorzusehen, die jeweils die zweite Synchronisationserfassungseinrichtung 212 und den zweiten Tiefpaßfilter 213 aufweisen, um die Ausgangssignale der Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 207 und 208 unabhängig voneinander zu verarbeiten.
Die Form der Diagnoseelektrode 17 kann von der der Diagnoseelektrode 18 unterschiedlich sein. In diesem Falle verarbeiten zwei Amplitudeneinstelleinrichtungen (d. h. Amplitudenänderungseinrichtungen) unabhängig voneinander die den Diagnoseelektroden 17 und 18 zugeführten Signale derart, daß die Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 207 und 208 im Ansprechen auf das Diagnosesignal VB dieselben Ausgangssignale erzeugen. Die erzeugten Ausgangssignale der Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 207 und 208 können durch die Differenzschaltung 209 gelöscht werden. Somit wird das Versagenssignal R1 auf dem Referenzpotential (beispielsweise 0 V) beibehalten, wenn kein Drahtbruch erfaßt wird.
Wenn das Diagnosesignal VB (10 mV eff.) an die Diagnoseelektrode 17 angelegt wird, ist das Ausgangssignal der Strom-Spannungs-Wandlerschaltung 207 proportional zu der Kapazität zwischen der Diagnoseelektrode 17 und der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 21 wie in 5 gezeigt. Die Größe (Fläche) der Diagnoseelektrode 17 ist proportional zu der Kapazität zwischen der Diagnoseelektrode 17 und der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 21.
Anhand der in 5 und 6 gezeigten Beziehungen ist verständlich, daß das Ausgangssignal der Strom-Spannungs-Wandlerschaltung 207 proportional zu der Größe der Diagnoseelektrode 17 ist. In ähnlicher Weise ist das Ausgangssignal der Strom-Spannungs-Wandlerschaltung 208 proportional zu der Größe der Diagnoseelektrode 18.
Das Ausgangssignal der Strom-Spannungs-Wandlerschaltung variiert proportional zu dem Diagnosesignal wie in 7 gezeigt, wobei die Größe der Diagnoseelektrode 17 2 mm² beträgt.
Vorzugsweise ist das Größenverhältnis zwischen der Diagnoseelektrode 17 und der Diagnoseelektrode 18 reziprok zu dem Amplitudenverhältnis der den Diagnoseelektroden 17 und 18 beaufschlagten Diagnosesignalen, so daß die Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 207 und 208 dieselben Ausgangssignale im Ansprechen auf das Diagnosesignal VB erzeugen und die erzeugten Ausgangssignale durch die Differenzschaltung 209 gelöscht werden.
Beispielsweise beträgt die Amplitude des an die Diagnoseelektrode 17 angelegten Diagnosesignals die Hälfte der Amplitude des an die Diagnoseelektrode 18 angelegten Diagnosesignals, wenn die Größe der Diagnoseelektrode 17 doppelt so groß wie die der anderen Diagnoseelektrode 18 ist. Das Versagenssignal R1 wird somit auf dem Referenzpotential (beispielsweise 0 V) beibehalten, wenn kein Drahtbruch erfaßt wird.
8A bis 8D zeigen eine andere Elektrodenanordnung, die bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel anwendbar ist. Bei der Elektrodenanordnung gemäß 8A bis 8D sind die Diagnoseelektroden 17 und 18 in Längsrichtung (d. h. in Richtung der Z-Achse) des Winkelgeschwindigkeitssensors versetzt. In diesem Fall verarbeiten die zwei Amplitudeneinstelleinrichtungen (d. h. Amplitudenänderungseinrichtungen) die den Diagnoseelektroden 17 und 18 zugeführten Signale derart unabhängig voneinander, daß die Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 207 und 208 dieselben Ausgangssignale im Ansprechen auf das Diagnosesignal VB erzeugen. Die erzeugten Ausgangssignale der Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 207 und 208 können durch die Differenzschaltungen 209 ausgelöscht werden. Das Versagenssignal R1 wird somit auf dem Referenzpotential (beispielsweise 0 V) beibehalten, wenn kein Drehtbruch erfaßt wird. Falls ein Bruch der Drähte W1 oder W6 erfaßt wird, ändert sich das Versagenssignal R1 von dem Zustand 0 (d. h. 0 V) zu dem Zustand 1 (ein positiver oder negativer Potentialversatz). Somit ist ein Bruch der Drähte W1 oder W6 erfaßbar.
9 zeigt eine andere Steuerschaltung, die bei dem Winkelgeschwindigkeitserfassungssensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel anwendbar ist. Die Steuerschaltung gemäß 9 unterscheidet sich von der Steuerschaltung gemäß 3 hinsichtlich der Anordnung des Signaleingangabschnitts. Genauer weist bei der Steuerschaltung gemäß 9 ein Signaleingabeabschnitt E31 eine Versatzeinstelleinrichtung 501 auf, die zwischen dem Ladungsverstärker 201 und dem Multiplizierer 204 angeordnet ist. Diese Versatzeinstelleinrichtung 501 dient als Gleichspannungsänderungseinrichtung zur Änderung einer Gleichspannungskomponente des zu modifizierenden Rückkopplungssignals. Außerdem entfällt der Bandpaßfilter 205.
Das Rückkopplungssignal bzw. FB-Signal (Frequenz: fd) wird aus dem Ladungsverstärker 201 der Versatzeinstelleinrichtung 501 zugeführt. Die Versatzeinstelleinrichtung 501 macht die Gleichspannungskomponente des zugeführten Rückkopplungssignals gleich dem Referenzpotential. Somit wird, wenn das Rückkopplungssignal der Frequenzumwandlung in dem Multiplizierer 204 unterzogen wird, die Frequenz jeder Wechselstromsignalkomponente in die Frequenz 2fd umgewandelt, wohingegen die ursprüngliche Frequenzkomponente fd vollständig beseitigt wird. Anders ausgedrückt, erzeugt der Multiplizierer 204 ein Ausgangssignal, das lediglich die Komponente mit der Frequenz 2fd ohne eine Störungskomponente mit Ausnahme der Komponente 2fd erzeugt. Daher wird der Bandpaßfilter 205 weggelassen.
Nachstehend ist ein zweites Ausführungsbeispiel beschrieben. 10 zeigt eine Steuerschaltung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, die bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß 1 und 2A–2D anwendbar ist. Die Steuerschaltung gemäß 10 weist einen Ansteuerabschnitt B1, einen Erfassungsabschnitt B2 und einen Diagnoseabschnitt B3 zusätzlich zu dem Ladungsverstärker 201, den Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 207 und 208 sowie der Differenzschaltung 209 auf.
Der Ansteuerabschnitt B1, der identisch zu dem Ansteuerabschnitt A1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist, weist die automatische Verstärkungssteuerschaltung 202 und die Inverterschaltung 203 auf. Der Erfassungsabschnitt B2 weist eine Synchronisationserfassungseinrichtung 312 und einen Tiefpaßfilter 313 auf. Die Synchronisationserfassungseinrichtung 312 empfängt das Differenzausgangssignal der Differenzschaltung 209 und führt die Synchronisationserfassung auf der Grundlage des Rückkopplungssignals (Frequenz: fd) durch, das aus dem Ladungsverstärker 201 zugeführt wird. Der Tiefpaßfilter 313 glättet das Ausgangssignal der Synchronisationserfassungseinrichtung 312 zur Umwandlung dieses Signals in ein Gleichspannungssignal. Der Erfassungsabschnitt B2 dient als Teil (d. h. Signalerfassungsabschnitt B32) des Diagnoseabschnitts B3.
Der Diagnoseabschnitt B3 weist einen Signaleingabeabschnitt B31 und den vorstehend beschriebenen Signalerfassungsabschnitt B32 auf. Der Signaleingabeabschnitt B31 führt den Diagnoseelektroden 17 und 18 das Diagnosesignal VB zu. Der Signalerfassungsabschnitt B32 ist mit den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 zur Erfassung eines Signals im Ansprechen auf das Diagnosesignal VB verbunden.
Genauer weist der Signaleingabeabschnitt B31 einen Bandpaßfilter 304, der das Ausgangssignal des Ladungsverstärkers 201 empfängt, einen Schalter 305, einen Phasenschieber 314 und Amplitudeneinstelleinrichtungen (Amplitudenänderungseinrichtungen) 307 und 308 auf.
Der Ansteuerabschnitt B1 und der Erfassungsabschnitt B2 arbeiten in derselben Weise wie der Antriebsabschnitt A1 und der Erfassungsabschnitt A2 gemäß dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel.
Der Diagnoseabschnitt B3 arbeitet in der nachstehend beschriebenen Weise. Das Diagnosesignal VB wird zwischen den Diagnoseelektroden 17, 18 und der gemeinsamen Elektrode 25 im Ansprechen auf ein aus einer ECU (elektrischen Steuereinheit) 306 zugeführten Signal intermittierend angelegt. 11A und 11B zeigen das aus der ECU 306 zugeführte intermittierende Signal.
Der Bandpaßfilter 304 filtert das aus dem Ladungsverstärker 201 zugeführte Rückkopplungssignal (Frequenz: fd). Das gefilterte Rückkopplungssignal wird intermittierend dem Phasenschieber 314 über den Schalter 305 zugeführt, der im Ansprechen auf das ECU-Signal ein- und ausschaltet. Der Phasenschieber 314 gleicht die Phase des intermittierend zugeführten Rückkopplungssignals an die Phase der Coriolis-Kraft an. Jede der Amplitudeneinstelleinrichtung 307 und 308 stellt die Amplitude des Ausgangssignals des Phasenschiebers 314 ein und erzeugt das intermittierende Diagnosesignal VB (Frequenz: fd).
Ein auf das der Diagnoseelektrode 17 zugeführte Diagnosesignal Vb ansprechendes Signal ist über die Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 21 und die Strom-Spannungs-Wandlerschaltung 207 erfaßbar. Ein auf das der Diagnoseelektrode 18 zugeführte Diagnosesignal VB ansprechendes Signal ist über die Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 22 und die Strom-Spannungs-Wandlerschaltung 208 erfaßbar. Die Differenzschaltung 209 empfängt die Ausgangssignale der Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 207 und 208. Die Einstellung der Amplitudeneinstelleinrichtungen 307 und 308 wird derart ausgeführt, daß zwei auf das Diagnosesignal VB ansprechende Signale vollständig in der Differenzschaltung 209 gelöscht werden können, wenn der Sensor sich in einem normalen Zustand befindet. 11A zeigt ein von dem Tiefpaßfilter 313 erzeugtes endgültiges Ausgangssignal P1, das keinen Einfluß (d. h. fd-Komponente) des Diagnosesignals VB aufweist.
Wenn durch die Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 21 oder 22 eine Winkelgeschwindigkeit Ω erfaßt wird, wird das endgültige Ausgangssignale W1 von dem Referenzpotential gemäß 11A um einen positiven oder negativen Pegelversatz verschoben. Der Versatzbetrag ist proportional zu der erfaßten Winkelgeschwindigkeit. Somit erfaßt der Erfassungsabschnitt W2 diesen Versatzbetrag als Winkelgeschwindigkeitssignal.
Falls der Draht W1 gebrochen ist, wird das auf das Diagnosesignal VB ansprechende Signal durch die Strom-Spannungs-Wandlerschaltung 207 nicht erfaßt. Die Differenzschaltung 209 empfängt lediglich das aus der Strom-Spannungs-Wandlerschaltung 208 zugeführte Signal. Die auf die Diagnosesignal ansprechende Signale können nicht in der Differenzschaltung 209 ausgelöscht werden. Somit weist das endgültige Ausgangssignal P1 einen signifikanten Einfluß (d. h. eine fd-Komponente) des Diagnosesignals VB wie in 11B gezeigt auf. Anders ausgedrückt kann der Bruch des Drahtes W1 durch Überwachung des endgültigen Ausgangssignals 21 überprüft werden.
Der Bruch anderer Drähte W6, W2 und W7 kann in derselben Weise durch den vorstehend beschriebenen Diagnoseabschnitt B3 überprüft werden. Außerdem ist es möglich, eine kleine Veränderung in der Empfindlichkeit oder einen kleinen Verlust der Schaltung aufgrund eines losen Kontaktes usw. durch Überwachung der Schwankung des endgültigen Ausgangssignals 21 zu erfassen. Da das Diagnosesignal VB aus dem Rückkopplungssignal (FB-Signal) entsteht, das durch die automatische Verstärkungssteuerschaltung (AGC-Schaltung) 202 gesteuert wird, übt das Diagnosesignal VB keinen negativen Einfluß auf die Sensoreigenschaften aus.
Der vorstehend beschriebene Diagnoseabschnitt B3 kann zur Erfassung des auf das von den Ansteuerelektroden 11 und 12 erhaltene Diagnosesignal VB ansprechenden Signals abgeändert werden.
Es ist möglich, eine Niederstromschaltung zur direkten Zufuhr des Stroms zu den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 vorzusehen. Es ist ebenfalls möglich, ein invertiertes Diagnosesignal VB derart zuzuführen, daß das endgültige Ausgangssignal P1 ein gewisses Versatzpotential aufweist, wenn die Drähte in einem normalen Zustand sind, und das Referenzpotential aufweist, wenn irgendein Versagen erfaßt wird.
Die Frequenz des aus der ECU 306 zugeführten intermittierenden Signals ist nicht auf fd beschränkt.
12 zeigt die Gesamtanordnung eines anderen Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel. 13A bis 13D zeigen eine Elektrodenanordnung, die jeweils auf einer Fläche einer in 12 gezeigten Vibrationseinrichtung ausgebildet ist. Bei dieser Anordnung weisen die Diagnoseelektroden 17 und 18 verringerte Größen auf. Stattdessen verlaufen die Hilfsmasseelektroden 15 und 16 aufwärts. Obwohl die in 12 gezeigten Diagnoseelektroden 17 und 18 nicht als Polarisationselektroden arbeiten können, arbeitet dieser Winkelgeschwindigkeitssensor in derselben Weise wie der in 1 und 2A–2D gezeigte Winkelgeschwindigkeitssensor.
Nachstehend ist ein drittes Ausführungsbeispiel beschrieben. 14 zeigt die Gesamtanordnung eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. 15A bis 15D zeigen eine Elektrodenanordnung, die jeweils auf Flächen einer in 14 gezeigten Vibrationseinrichtung ausgebildet ist. Bei dieser Anordnung weist die Vibrationseinrichtung 1 zwei Hilfsansteuerelektroden 17a und 18a auf, die an den äußeren Seitenflächen Y1 und Y2 ausgebildet sind und als Diagnoseelektroden (d. h. Diagnosesignaleingabeeinrichtungen) dienen. Die Hilfsansteuerelektroden 17a und 18a liegen näher an den Ansteuerelektroden 11 und 12 als die Winkelgeschwindigkeitserfassungselemente 21 und 22.
Eine elektrisch mit der Hilfsansteuerelektrode 17a verbundene Anschlußflächenelektrode 17b ist an der Vorderfläche X1 des rechten Schenkels 4 ausgebildet. Eine weitere mit der Hilfsansteuerelektrode 18a elektrisch verbundene Anschlußflächenelektrode 18b ist an der Vorderfläche X1 des linken Schenkels 5 ausgebildet.
Die Hilfsmasseelektroden 15 und 16 sind derart stark vergrößert, daß sie als Polarisationselektroden dienen.
Die Drähte W5 und W10 verbinden die Ansteuerelektroden 11 und 12 jeweils mit den Anschlüssen T5 und T10. Die Drähte W4 und W9 verbinden die Anschlußflächenelektroden 17b und 18b jeweils mit den Anschlüssen T4 und T9. Die Drähte W3 und W8 verbinden jeweils die Überwachungselektroden 13 und 14 mit den Anschlüssen T3 und T4. Die Drähte W2 und W7 verbinden die Hilfsmasseelektroden 15 und 16 jeweils mit den Anschlüssen T2 und T7. Die Drähte W1 und W6 verbinden die Anschlußflächenelektroden 19 und 20 jeweils mit den Anschlüssen T1 und T6.
16 zeigt eine Steuerschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Die in 16 gezeigte Steuerschaltung weist einen Ansteuerabschnitt C1, einen Erfassungsabschnitt C2 und einen Diagnoseabschnitt C3 zusätzlich zu dem Ladungsverstärker 201, den Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 207 und 208 sowie der Differenzschaltung 209 auf.
Der das Ausgangssignal des Ladungsverstärkers 201 empfange Ansteuerabschnitt C1 weist die automatische Verstärkungssteuerschaltung (AGC-Schaltung) 202 und die Inverterschaltung 203 in derselben Weise wie der Ansteuerabschnitt A1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auf. Der Erfassungsabschnitt C2 weist die erste Synchronisationserfassungseinrichtung 210 und den ersten Tiefpaßfilter 211 auf.
Der Diagnoseabschnitt C3 weist einen Signaleingabeabschnitt C31 und einen Signalerfassungsabschnitt C32 auf. Der Signaleingabeabschnitt C31 führt den Hilfsansteuerelektroden 17a und 18a ein Diagnosesignal VD derart zu, daß die Vibrationseinrichtung 1 in Richtung der Erfassungsachse (X-Achse) vibriert, die senkrecht zu der Richtung der Ansteuerachse (d. h. Y-Achse) der Vibrationseinrichtung verläuft. Der Signalerfassungsabschnitt C32 erfaßt ein Ausgangssignal im Ansprechen auf das Diagnosesignal VD, das aus den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 erhalten wird.
Genauer weist der Signaleingabeabschnitt C31 den Multiplizierer 204, den Bandpaßfilter 205, die Amplitudeneinstelleinrichtung 206 und eine Inverterschaltung 214 auf. Der Multiplizierer 204 erzeugt das modifizierte Rückkopplungssignal mit einer erhöhten Frequenz, die ein Vielfaches (beispielsweise das Doppelte) der Frequenz (fd) des ursprünglichen Rückkopplungssignals beträgt. Der Bandpaßfilter 205 läßt lediglich das modifizierte Rückkopplungssignal mit der vorbestimmten erhöhten Frequenz (2fd) durch. Die Amplitudeneinstelleinrichtung 206 stellt die Amplitude des modifizierten Rückkopplungssignals ein und erzeugt das Diagnosesignal VD mit der Frequenz 2fd und der eingestellten Amplitude. Die Inverterschaltung 214 empfängt das Diagnosesignal VD und erzeugt ein invertiertes Diagnosesignal VD mit einer invertierten Phase. Somit wird das Diagnosesignal VD direkt der Hilfsansteuerelektrode 17a zugeführt, wohingegen das invertierte Diagnosesignal VD der anderen Hilfsansteuerelektrode 18a zugeführt wird. Im Ansprechen auf die phaseninvertierten Diagnosesignale VD vibriert die Vibrationseinrichtung 1 nicht nur in Richtung der Ansteuerachse (d. h. Y-Achse) mit der Frequenz fd, sondern vibriert ebenfalls in Richtung der Erfassungsachse (d. h. X-Achse) bei der Frequenz 2fd. Diese Vibration wird als Hilfsansteueroszillation bezeichnet. Der Signaleingabeabschnitt C31 kann als Hilfsansteuerschaltung dienen. Das erzeugte Diagnosesignal VD dient als Hilfsansteuersignal.
Der Signalerfassungsabschnitt C32 weist einen Addierer 215, die zweite Synchronisationserfassungseinrichtung 212 und den zweiten Tiefpaßfilter 213 auf. Der Addierer 215 addiert das Ausgangssignal der Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 207 und 208. Die zweite Synchronisationserfassungseinrichtung 212 empfängt das Summensignal des Addierers 215 und führt die Synchronisationserfassung auf der Grundlage des Signals durch, das die Frequenz 2fd aufweist und aus dem Bandpaßfilter 205 zugeführt wird. Der zweite Tiefpaßfilter 213 glättet das Ausgangssignal der zweiten Synchronisationserfassungseinrichtung 212 zur Umwandlung dieses Signals in ein Gleichspannungssignal.
Der Ansteuerabschnitt C1 und der Erfassungsabschnitt C2 arbeiten in derselben Weise wie der Ansteuerabschnitt A1 und der Erfassungsabschnitt A2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Der Diagnoseabschnitt C3 arbeitet in der folgenden Weise. Das Diagnosesignal VD wird zwischen den Hilfsansteuerelektroden 17a, 18a und der gemeinsamen Elektrode 25 angelegt. Der Multiplizierer 204 modifiziert die Frequenz des Rückkopplungssignals. Durch diese Frequenzmodifikation erzeugt der Multiplizierer 204 das modifizierte Rückkopplungssignal mit einer doppelten Frequenz 2fd.
Der Bandpaßfilter 205 filtert das von dem Multiplizierer 204 erzeugte modifizierte Rückkopplungssignal. Die Amplitudeneinstelleinrichtung 206 stellt die Amplitude des modifizierten Rückkopplungssignals ein und erzeugt das Diagnosesignal VD mit der vorbestimmten Amplitude (beispielsweise 400 mV eff.), das direkt der Hilfsansteuerelektrode 17a zugeführt wird. Die Inverterschaltung 214 invertiert das Diagnosesignal VD und führt das invertierte Diagnosesignal VD der anderen Hilfsansteuerelektrode 18a zu.
Wenn keine Winkelgeschwindigkeit Ω beaufschlagt wird, vibriert die Vibrationseinrichtung 1 in Richtung der Erfassungsachse (d. h. X-Achse), die senkrecht zu der Richtung der Ansteuerachse (Y-Achse) verläuft, im Ansprechen auf das zugeführte Diagnosesignal VD.
Wenn eine Winkelgeschwindigkeit Ω beaufschlagt wird, erzeugen die Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 ein zusammengesetztes Signal mit einer Winkelgeschwindigkeitssignalkomponente (Frequenz: fd) und einer Diagnosesignalkomponente (Frequenz: 2fd), die durch die Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 207 und 208 sowie der Differenzschaltung 209 erfaßbar ist.
Die Winkelgeschwindigkeitssignalkomponente (Frequenz: fd) wird durch den Erfassungsabschnitt C2 zur Erzeugung eines Winkelgeschwindigkeitssignals S2 verarbeitet. Demgegenüber wird die Diagnosesignalkomponente (Frequenz: 2fd) gelöscht, wenn die erste Synchronisationserfassungseinrichtung 210 die Synchronisationserfassung auf der Grundlage des Rückkopplungssignals (Frequenz: fd) ausführt.
Die Signalkomponente mit der Frequenz 2fd (d. h. die auf das Diagnosesignal VD ansprechende Diagnosesignalkomponente) wird bei der Versagenserfassung zur Überprüfung des Drahtbruchs verwendet.
Die zweite Synchronisationserfassungseinrichtung 212 empfängt das Summensignal des Addierers 215 und führt die Synchronisationserfassung auf der Grundlage des von dem Bandpaßfilter 205 erzeugten Referenzsignals aus, bei dem es sich um das VD-Signal mit der Frequenz 2fd handelt. Der zweite Tiefpaßfilter 213 glättet das Ausgangssignal der zweiten Synchronisationserfassungseinrichtung 212 zur Erzeugung eines Gleichspannungssignals als ein Versagenssignal R2. Die Signalkomponente mit der Frequenz fd wird gelöscht, wenn die zweite Synchronisationserfassungseinrichtung 212 die Synchronisationserfassung auf der Grundlage des VD-Signals (Frequenz: 2fd) ausführt.
Beispielsweise erzeugen, wenn die Drähte W1 und W6 in einem normalen Zustand sind, die Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 Signale mit zueinander entgegengesetzten Phasen, die auf das Diagnosesignal VD mit der Frequenz 2fd ansprechen. Diese Signale mit zueinander entgegengesetzten Phasen werden durch den Addierer 215 ausgelöscht. Folglich wird das Versagenssignal R2 auf einem Referenzpotential (beispielsweise 0 V) beibehalten.
Demgegenüber erzeugt, wenn einer der Drähte W1 und W6 gebrochen ist, eine der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 kein Ausgangssignal. Somit weist das Versagenssignal R2 einen (als Zustand 1 bezeichneten) positiven oder negativen Potentialversatz von dem (als Zustand 0 bezeichneten) Referenzpotential auf, wie in 17 gezeigt. Somit ist ein Versagen der Drähte W1 und W6 stets erfaßbar.
In derselben Weise kann ein Versagen der Drähte W2 und W7 durch Anlegen des vorstehenden Signals VD zur Erfassung einer Änderung des Versagens des Signals R2 von dem Zustand 0 zu dem Zustand 1 erfaßt werden.
Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung ist es möglich, eine kleine Änderung in der Empfindlichkeit oder einen kleinen Verlust in der Schaltung aufgrund eines losen Kontaktes usw. durch Überwachung der Schwankung des Versagenssignals R2 innerhalb eines Bereiches zwischen dem Zustand 0 und dem Zustand 1 zu erfassen. Die Verwendung des Diagnosesignals VD mit der Frequenz, die sich von dem Winkelgeschwindigkeitserfassungssignal unterscheidet, stellt eine hervorragende Überwachungsgenauigkeit bereit und ermöglicht es, das Versagenssignal von dem Winkelgeschwindigkeitserfassungssignal sicher zu unterscheiden.
Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung entsteht das Diagnosesignal VB aus dem durch die automatische Verstärkungssteuerschaltung 202 gesteuerten Rückkopplungssignal und wird in dem Erfassungsabschnitt C2 gelöscht, falls kein Versagen erfaßt wird. Somit wird auf die Sensoreigenschaften kein negativer Einfluß ausgeübt.
Hinsichlich der Eff.ität des Löschens während der Synchronisationserfassungsverarbeitung beträgt vorzugsweise die Frequenz des Diagnosesignals VD ein dreizahliges Vielfaches (2, 4, 6, ...) der Frequenz des ursprünglichen Rückkopplungssignals.
Das Vorsehen des Bandpaßfilters 205 bewirkt eine ausschließliche Zufuhr des Diagnosesignals VD der Frequenz 2fd zu den Hilfsansteuerelektroden 17a und 18a.
Als eine Abänderung des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels ist es möglich, das auf das Diagnosesignal VD aus den Ansteuerelektroden 11 und 12 ansprechende Signal über eine ähnliche Schaltungsanordnung mit Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen und einer Differenzschaltung zu erfassen. In diesem Fall ist der Bruch der Drähte W5 und W10 erfaßbar.
Es ist möglich, zwei Amplitudeneinstelleinrichtungen 206 zur Verarbeitung der den Hilfsansteuerelektroden 17a und 18a jeweils zugeführten Signale vorzusehen.
Es ist möglich, zwei Signalerfassungsabschnitte C32, die jeweils die zweite Synchronisationserfassungseinrichtung 212 und den Tiefpaßfilter 213 aufweisen, zur unabhängigen Verarbeitung der Ausgangssignale der Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 207 und 208 vorzusehen.
18 zeigt eine andere Steuerschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Die in 18 gezeigte Steuerschaltung unterscheidet sich von der in 16 gezeigten Steuerschaltung hinsichtlich der Anordnung des Signaleingabeabschnitts. Genauer weist bei der Steuerschaltung gemäß 18 ein Signaleingabeabschnitt F31 eine Versatzeinstelleinrichtung 501 auf, die zwischen dem Ladungsverstärker 201 und dem Multiplizierer angeordnet ist. Diese Versatzeinstelleinrichtung 501 dient als Gleichspannungsänderungseinrichtung zur Änderung einer Gleichspannung des zu modifizierenden Rückkopplungssignals. Außerdem entfällt der Bandpaßfilter 205.
Das Rückkopplungssignal (Frequenz: fd) wird aus dem Ladungsverstärker 201 der Versatzeinstelleinrichtung 501 zugeführt. Die Versatzeinstelleinrichtung 501 gleicht die Gleichspannungskomponente des zugeführten Rückkopplungssignals an das Referenzpotential an. Somit wird, wenn das Rückkopplungssignal der Frequenzumwandlung durch den Multiplizierer 204 unterzogen wird, die Frequenz jeder Wechselspannungssignalkomponente in die Frequenz 2fd umgewandelt, wohingegen die ursprüngliche Komponente mit der Frequenz fd vollständig beseitigt wird. Anders ausgedrückt erzeugt der Multiplizierer 204 ein Ausgangssignal mit lediglich der 2fd-Komponente der Frequenz 2fd ohne Störungskomponente mit Ausnahme der 2fd-Komponente. Daher wird der Bandpaßfilter 205 weggelassen.
Nachstehend ist ein viertes Ausführungsbeispiel beschrieben. 19 zeigt eine Steuerschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Die in 19 gezeigte Steuerschaltung weist einen Ansteuerabschnitt D1, einen Erfassungsabschnitt D2 und einen Diagnoseabschnitt D3 zusätzlich zu dem Ladungsverstärker 201, der Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 207 und 208 sowie der Differenzschaltung 209 auf.
Der das Ausgangssignal des Ladungsverstärkers 201 empfangende Ansteuerabschnitt D1 weist die automatische Verstärkungssteuerschaltung (AGC-Schaltung) 202 und die Inverterschaltung 203 in derselben Weise wie der Ansteuerabschnitt A1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auf. Der Erfassungsabschnitt D2 weist die Synchronisationserfassungseinrichtung 312 und den Tiefpaßfilter 313 in derselben Weise wie der Erfassungsabschnitt B2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel auf. Der Diagnoseabschnitt D3 weist einen Signaleingabeabschnitt D31 und einen Signalerfassungsabschnitt D32 auf. Der Signaleingabeabschnitt D31 führt das Diagnosesignal VD den Hilfsansteuerelektroden 17a und 18a derart zu, daß die Vibrationseinrichtung 1 in Richtung der Erfassungsachse (d. h. X-Achse) vibriert, die senkrecht zu der Richtung der Ansteuerachse (d. h. Y-Achse) verläuft. Der Signalerfassungsabschnitt D32 erfaßt ein Ausgangssignal, das auf das aus den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 erhaltene Diagnosesignal VD anspricht.
Genauer gesagt weist der Signaleingabeabschnitt D31 den Bandpaßfilter 304, den Schalter 305, den Phasenschieber 314, die Amplitudeneinstelleinrichtung 307 und die Inverterschaltung 214 auf.
Im Ansprechen auf das aus dem Signaleingabeabschnitt zugeführte Diagnosesignal VD vibriert die Vibrationseinrichtung 1 nicht nur in Richtung der Ansteuerachse (d. h. Y-Achse) bei der Frequenz fd, sondern vibriert ebenfalls in Richtung der Erfassungsachse (d. h. X-Achse) bei der Frequenz 2fd. Dementsprechend kann der Signaleingabeabschnitt D31 als Hilfsansteuerschaltung dienen. Das erzeugte Diagnosesignal VD dient als Hilfsansteuersignal.
Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel dient der Erfassungsabschnitt D2 als Teil (d. h. Signalerfassungsabschnitt D32) des Diagnoseabschnitts D3.
Der Ansteuerabschnitt D1 und der Erfassungsabschnitt D2 arbeiten in derselben Weise wie der Ansteuerabschnitt A1 und der Erfassungsabschnitt A2 gemäß dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel.
Der Diagnoseabschnitt D3 arbeitet in der folgenden Weise. Das Diagnosesignal VD wird zwischen den Hilfsansteuerelektroden 17a bzw. 18a und der gemeinsamen Elektrode 25 im Ansprechen auf ein aus der ECU 306 zugeführtes Signal intermittierend angelegt. 20A und 20B zeigen das aus der ECU 306 zugeführte intermittierende Signal. Die Frequenz dieses ECU-Signals ist identisch zu der Frequenz fd des Rückkopplungssignals.
Der Bandpaßfilter 304 filtert das aus dem Ladungsverstärker 201 zugeführte Rückkopplungssignal (Frequenz: fd). Das gefilterte Rückkopplungssignal wird über den Schalter 305, der im Ansprechen auf das ECU-Signal ein- und ausschaltet, dem Phasenschieber 314 intermittierend zugeführt. Der Phasenschieber 314 gleicht die Phase des intermittierend zugeführten Rückkopplungssignals an die Phase der Coriolis-Kraft an. Jede der Amplitudeneinstelleinrichtungen 307 stellt die Amplitude des Ausgangssignals des Phasenschiebers 314 ein und erzeugt das intermittierende Diagnosesignal VD (Frequenz: fd), das direkt der Hilfsansteuerelektrode 17a zugeführt wird. Die Inverterschaltung 214 invertiert das erzeugte Diagnosesignal VD mit einer invertierten Phase. Somit wird das invertierte Diagnosesignal VD der Hilfselektrode 18a zugeführt.
Ein auf das der Hilfsansteuerelektrode 17a ansprechendes Signal ist über die winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 21 und die Strom-Spannungs-Wandlerschaltung 207 erfaßbar. Ein auf das der Hilfsansteuerelektrode 18a zugeführte Diagnosesignal VD ansprechendes Signal ist über die Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 22 und die Strom-Spannungs-Wandlerschaltung 208 erfaßbar. Die Differenzschaltung 209 erfaßt die Ausgangssignale der Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen 207 und 208. Die Einstellung in der Amplitudeneinstelleinrichtung 307 wird derart durchgeführt, daß die Differenzschaltung 209 ein Ausgangssignal mit einem vorbestimmten Pegel erzeugt, wenn der Sensor sich in einem normalen Zustand befindet. 20A zeigt ein endgültiges Ausgangssignal 22, das von dem Tiefpaßfilter 313 erzeugt wird und einen intermittierenden Signalverlauf mit einem vorbestimmten Spitzenpegel (Amplitudenpegel) aufweist.
Wenn durch die Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 21 oder 22 eine Winkelgeschwindigkeit Ω erfaßt wird, wird das endgültige Ausgangssignal 22 von dem in 20A gezeigten Potentialpegel zu einem positiven oder negativen Pegelversatz verschoben. Der Versatzbetrag ist proportional zu der erfaßten Winkelgeschwindigkeit. Somit erfaßt der Erfassungsabschnitt D2 diesen Versatzbetrag als Winkelgeschwindigkeitssignal.
Falls der Draht W1 gebrochen ist, wird das auf das Diagnosesignal ansprechende Signal von der Strom-Spannungs-Wandlerschaltung 207 nicht erfaßt. Die Differenzschaltung 209 empfängt lediglich das aus der Strom-Spannungs-Wandlerschaltung 208 zugeführte Signal. In diesem Fall wird von dem Tiefpaßfilter 313 ein verringertes endgültiges Ausgangssignal erzeugt, wie in 20B gezeigt ist. Anders ausgedrückt kann ein Bruch des Drahtes W1 durch Überwachung des endgültigen Ausgangssignals 22 überprüft werden.
Brüche anderer Drähte W6, W4 und W9 können in derselben Weise durch den vorstehend beschriebenen Diagnoseabschnitt D3 überprüft werden. Außerdem ist es möglich, eine kleine Änderung in der Empfindlichkeit oder einen kleinen Verlust in der Schaltung aufgrund eines losen Kontaktes usw. durch Überwachung der Schwankung des endgültigen Ausgangssignals P2 zu erfassen. Da das Diagnosesignal VB aus dem Rückkopplungssignal entsteht, das durch die automatische Verstärkungssteuerschaltung 202 gesteuert wird, übt das Diagnosesignal VD keinen negativen Einfluß auf die Sensoreigenschaften aus.
Der vorstehend beschriebene Diagnoseabschnitt D3 kann zur Erfassung des Signals abgeändert werden, das auf das von den Ansteuerelektroden 11 und 12 erhaltene Diagnosesignal anspricht.
Es ist ebenfalls möglich, die Einstellung der Amplitudeneinstelleinrichtung 307 derart auszuführen, daß das endgültige Ausgangssignal P2 ein Referenzpotential (beispielsweise 0 V) aufweist, wenn die Drähte in einem normalen Zustand sind, und ein bestimmtes Versatzpotential aufweisen, wenn ein Versagen erfaßt wird.
Die Frequenz des aus der ECU 306 zugeführten intermittierenden Signals ist nicht auf fd beschränkt.
Nachstehend sind andere Abänderungen beschrieben. Es ist möglich, die vorstehend beschriebenen ersten bis vierten Ausführungsbeispiele derart abzuändern, daß das Diagnosesignal VB oder VD den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 zugeführt wird.
Weiterhin ist es möglich, daß auf das Diagnosesignal VB oder VD ansprechende Signal aus anderen Elektroden als den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21, 22 und den Ansteuerelektroden 11 und 12 zu erfassen.
Der Aufbau der Vibrationseinrichtung 1 ist nicht auf den in 1, 12 und 14 gezeigten beschränkt. Die Vibrationseinrichtung 1 kann einen dreieckigen Querschnitt (dreieckiges Prisma) oder einen piezoelektrischen Körper aufweisen, der durch einen Klebstoff geklebt ist, oder kann eine Siliziumvibrationseinrichtung sein, die eine Kapazitätsänderung erfassen kann.
21 und 22 zeigen abgeänderte Winkelgeschwindigkeitssensoren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Winkelgeschwindigkeitssensor weist eine metallische Vibrationseinrichtung 401 auf, die als eine rechteckige Stimmgabel aufgebaut ist, wobei auf deren Oberflächen eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen mittels eines Klebers geklebt sind. Zwei piezoelektrische Elemente 402 arbeiten in derselben Weise wie die in 1 gezeigten Ansteuerelektroden 11 und 12. Zwei piezoelektrische Elemente 403 arbeiten in derselben Weise wie die Überwachungselektroden 13 und 14. Zwei piezoelektrische Elemente 404 arbeiten in derselben Weise wie die Winkelgeschwindgigkeitserfassungselektroden 21 und 22.
Das Ansteuersignal mit der Frequenz fd wird von den piezoelektrischen Elementen 402 zugeführt. Die selbsterregte Oszillation wird auf der Grundlage des Rückkopplungssignals (Frequenz: fd) gesteuert, das von den piezoelektrischen Elementen 403 erhalten wird. Dabei wird das Diagnosesignal VB mit der Frequenz 2fd von den piezoelektrischen Elementen 404 zugeführt, damit dieselben Wirkungen wie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erhalten werden.
23 und 24 zeigen abgeänderte Winkelgeschwindigkeitssensoren gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Das piezoelektrische Element 402 ist in zwei Abschnitte 402a und 402b aufgeteilt. Das Ansteuersignal mit der Frequenz fd wird von den aufgeteilten Abschnitten 402a und 402b zugeführt. Einer dieser aufgeteilten Abschnitte 402a und 402b (beispielsweise 402a gemäß 23 und 24) arbeitet als Diagnoseelektrode. Somit wird das Diagnosesignal VB (Frequenz: 2fd) von dem piezoelektrischen Element 402a zum Erhalt derselben Wirkung wie gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel zugeführt.
25 zeigt die Gesamtanordnung eines anderen abgeänderten Winkelgeschindigkeitssensors gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.
Bei der Anordnung gemäß 25 oszillieren zwei innere Schenkel 603 und 604 einer Vibrationseinrichtung 601 in der Richtung der Ansteuerachse (d. h. Y-Achse) im Ansprechen auf ein Ansteuersignal, das einer Ansteuerelektrode 620 zugeführt wird und durch eine Überwachungselektrode 621 überwacht. Wenn um die Z-Achse der Vibrationseinrichtung 601 eine Winkelgeschwindigkeit Ω beaufschlagt wird, vibrieren zwei äußere Schenkel 602 und 605 in Richtung der Erfassungsachse (d. h. X-Achse) im Ansprechen auf die von den inneren Schenkel 603 und 604 erzeugte Coriolis-Kraft.
Die Amplituden dieser an den äußeren Schenkel 602 und 605 auftretenden X-Achsen-Vibrationen sind von den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 622 und 623 über Leiterelektroden 624 und 625 sowie eine Anschlußflächenelektrode 626 erfaßbar, damit ein Signal erhalten wird, das die erfaßte Winkelgeschwindigkeit darstellt. An der Vorderfläche X1 des Schenkels 605 ist eine gemeinsame Elektrode 627 ausgebildet. Die gemeinsame Elektrode 627 ist über eine Leiterelektrode 628, eine Anschlußflächenelektrode 629 und einen Draht W21 mit einem Anschluß T21 verbunden. Die gemeinsame Elektrode 627 ist mit einer auf der Rückfläche X2 ausgebildeten anderen gemeinsamen Elektrode über eine Leiterelektrode 630 verbunden.
Eine Diagnoseelektrode JS1 ist an der Vorderfläche X1 der Vibraitonseinrichtung 601 ausgebildet. Das Diagnosesignal wird von der Diagnoseelektrode JS1 zugeführt, so daß das auf das Diagnosesignal ansprechende Signal von den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 622 und 623 oder den Leiterelektroden 624 und 625 oder der Anschlußflächenelektrode 626 erfaßt werden kann. Mit dieser Anordnung ist es möglich, den Bruch von an Anschlüssen T20 bis T24 angeschlossenen Drähten W20 bis W24 in derselben Weise wie gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel zu prüfen.
26A bis 26D zeigen Ansichten einer Elektrodenanordnung eines weiteren abgeänderten Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Der Winkelgeschwindigkeitssensor weist eine Vibrationseinrichtung 701 auf, die als eine H-förmige Stimmgabel aufgebaut ist und vier rechtwinklige Schenkel 702, 703, 704 und 705 aufweist, die von einem Verbindungsabschnitt 706 weg verlaufen.
Eine Ansteuerelektrode 707 und eine Überwachungselektrode 708 sind an der Vorderfläche X1 der Vibrationseinrichtung 701 ausgebildet, um die Schenkel 702 und 703 anzusteuern. Eine Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 709 ist an der äußeren Seitenfläche Y2 des Schenkels 704 ausgebildet. Eine weitere Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 710 ist an der äußeren Seitenfläche Y1 des Schenkels 705 ausgebildet. Diese Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 709 und 710 sind mit Anschlußflächenelektroden 713 und 714 an der Vorderfläche X1 über Leiterelektroden 711 und 712 verbunden. Drei gemeinsame Elektroden 715, 716 und 717 mit dem Referenzpotential sind für die Ansteuerelektrode 707, die Überwachungselektrode 708 und die Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 709 und 710 vorgesehen. Die gemeinsamen Elektroden 715, 716 und 717 sind über Leiterelektroden 718 und 719 verbunden.
Die Schenkel 702 und 703 oszillieren in Richtung der Antriebsachse (d. h. Y-Achse) im Ansprechen auf das zwischen der Ansteuerelektrode 707 und der gemeinsamen Elektrode 715 angelegte Ansteuersignal. Diese selbsterregte Oszillation wird auf der Grundlage eines Ausgangssignals der Überwachungselektrode 708 geregelt, damit dieselbe Amplitude beibehalten wird.
Wenn um die Z-Achse eine Winkelgeschwindigkeit Ω beaufschlagt wird, vibriert das Schenkelpaar 704 und 705 in Richtung der Erfassungsachse (d. h. X-Achse) im Ansprechen auf die von den Schenkel 702 und 703 erzeugte Coriolis-Kraft.
Die Amplituden dieser X-Achsen-Vibrationen der Schenkel 704 und 705 sind von den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 709 und 710 über die Leiterelektroden 711 und 712 sowie den Anschlußflächenelektroden 713 und 714 erfaßbar, damit ein die erfaßte Winkelgeschwindigkeit darstellendes Signal erhalten wird.
An der Vorderfläche X1 der Vibrationseinrichtung 701 sind zwei Diagnoseelektroden JS10 und JS11 ausgebildet. Das Diagnosesignal wird von den Diagnoseelektroden JS10 und JS11 zugeführt, so daß das auf das Diagnosesignal ansprechende Signal von den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 709 und 710, oder den Leiterelektroden 711 und 712 oder den Anschlußflächenelektroden 713 und 714 erfaßt werden kann. Mit dieser Anordnung ist es möglich, einen Drahtbruch in derselben Weise wie gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel zu prüfen.
Nachstehend ist ein fünftes Ausführungsbeispiel beschrieben. 27 zeigt eine Gesamtanordnung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel. 28A bis 28D zeigen eine an jeweiligen Flächen einer in 27 gezeigten Vibrationseinrichtung ausgebildeten Elektrodenanordnung.
Bei dieser Anordnung ist die Diagnoseelektrode 17 auf der Vorderfläche X1 des rechten Schenkels 4 nahe an einer inneren Fläche Y3 ausgebildet. Die innere Seitenfläche Y3 des rechten Schenkels 4 liegt der äußeren Seitenfläche Y1 gegenüber, an der die Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 21 ausgebildet ist. Die Hilfsmasseelektrode 15 ist an der Vorderfläche X1 des rechten Schenkels 4 nahe an der äußeren Seitenfläche Y1 ausgebildet und zwischen der Diagnoseelektrode 17 sowie der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 21 angeordnet. Die Diagnoseelektrode 18 ist an der Vorderfläche X1 des linken Schenkels 5 nahe an einer inneren Seitenfläche Y4 ausgebildet. Die innere Seitenfläche Y4 des linken Schenkels 5 liegt der äußeren Seitenfläche Y2 gegenüber, an der die Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 22 ausgebildet ist. Die Hilfsmasselektrode 16 ist an der Vorderfläche X1 des linken Schenkels 5 nahe an der äußeren Seitenfläche Y2 ausgebildet und zwischen der Diagnoseelektrode 18 und der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 22 angeordnet.
Die Hilfsmasseelektroden 15 und 16 sowie die Diagnoseelektroden 17 und 18 sind in einem Höhenbereich zwischen den Ansteuerelektroden 11 und 12, die an dem unteren Abschnitt (d. h. dem Sockelende) der Vibrationseinrichtung 1 angeordnet sind, und den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 angeordnet, die an dem höheren Abschnitt (d. h. an dem distalen bzw. von dem Sockelende entfernt liegenden Ende) der Vibrationseinrichtung 1 angeordnet sind.
Jede Diagnoseelektrode 17 und 18 weist eine Fläche in einem Bereich von 1,5 mm² bis 2,5 mm² auf. 28A zeigt einen Abstand M1 in einem Bereich von 0,4 mm bis 0,6 mm, die zwischen der Diagnoseelektrode und der entsprechenden Hilfsmasselektrode vorgesehen ist.
Die vorstehend beschriebene Elektrodenanordnung kann in verschiedener Weise abgeändert werden. Beispielsweise sind die Diagnoseelektroden 17 und 18 nahe an den äußeren Seitenflächen Y1 und Y2 vorgesehen, wenn die Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 an den inneren Seitenflächen Y3 und Y4 ausgebildet sind, so daß die Hilfsmasseelektroden 15 und 16 zwischen den Diagnoseelektroden 17, 18 und den Hilfsmasseelektroden 15, 16 angeordnet sind. Es ist ebenfalls möglich, eine der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 wegzulassen.
29 zeigt eine Steuerschaltung des in 27 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors. Die in 29 gezeigte Steuerschaltung unterscheidet sich von der in 3 gezeigten Steuerschaltung dahingehend, daß der Bandpaßfilter 205 aufgrund der erhöhten Genauigkeit bei der Erfassung der Winkelgeschwindigkeit weggelassen ist. Anders ausgedrückt ermöglicht die Elektrodenanordnung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel die Verringerung des Erfassungsfehlers, der aus dem Diagnosesignal VB (Frequenz: 2fd) und dem Ansteuersignal (Frequenz: fd) herrührt.
Jedoch können selbstverständlich die Steuerschaltungen gemäß 3, 9 und 10 zur Erfassung des Winkelgeschwindigkeitssignals aus dem in 28 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor und zur Durchführung der Systemdiagnose (einschließlich der Versagensprüfung der Drähte) verwendet werden.
Die Elektrodenanordnung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel ist erstens dadurch gekennzeichnet, daß die Diagnoseelektroden 17 und 18 zwischen den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21, 22 sowie den Ansteuerelektroden 11, 12 angeordnet sind.
Da die Elektroden an einem piezoelektrischen Vibrationseinrichtungskörper ausgebildet sind, ist die Signalübertragung zwischen diesen Elektroden proportional zu der Kapazität dazwischen, d. h. proportional zur jeweiligen Elektrodengröße und umgekehrt proportional zu dem Abstand zwischen den Elektroden.
Zur Verringerung des negativen Einflusses des Ansteuersignals auf das Winkelgeschwindigkeitssignal S1 sind die Ansteuerelektroden 11, 12 weit entfernt von den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21, 22 positioniert.
Zur genauen Erfassung des auf das Diagnosesignal VB ansprechenden Signals werden die Diagnoseelektroden 17, 18 nahe an den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21, 22 positioniert.
Daher sind die Diagnoseelektroden 17 und 18 zwischen den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21, 22 und den Ansteuerelektroden 11, 12 angeordnet.
Zweitens ist die Elektrodenanordnung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel dadurch gekennzeichnet, daß die Diagnoseelektroden 17 und 18 nahe an den Seitenflächen angeordnet sind, die den anderen Seitenflächen gegenüberliegen, an denen die Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21, 22 ausgebildet sind. Jede Diagnoseelektroden 17, 18 weist eine Fläche in dem Bereich von 1,5 mm bis 2,5 mm auf und ist von den entsprechenden Hilfsmasseelektroden 15 und 16 mit einem Abstand M1 in dem Bereich 0,4 mm bis 0,6 mm beabstandet.
Nachstehend sind die durch die Position und die Größe der Diagnoseelektroden 17, 18 sowie des Abstands M1 eingebrachten Einflüsse beschrieben.
30A bis 30D zeigen eine experimentelle Elektrodenanordnung, wobei die Diagnoseelektroden 17 und 18 nahe an den inneren Seitenflächen Y3 und Y4 angeordnet sind, die den äußeren Seitenflächen Y1 und Y2 gegenüberliegen, an denen die Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 ausgebildet sind. Diese Anordnung wird als Layout an gegenüberliegenden bzw. entgegengesetzten Seiten bezeichnet. 31A bis 31D zeigen eine weitere experimentelle Elektrodenanordnung, wobei die Diagnoseelektroden 17 und 18 nahe an den äußeren Seitenflächen Y1 und Y2 ausgebildet sind, an denen die Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 ausgebildet sind. Diese Anordnung wird als gleichseitiges Layout (Layout an gleichen Seiten) bezeichnet.
32 zeigt einen Graphen des auf das Winkelgeschwindigkeitssignal S1 ausgeübten Einflusses, der beobachtet wird, wenn das Diagnosesignal VB (mit sowohl fd- als auch 2fd-Komponenten) den vorstehend beschriebenen experimentellen Vibrationseinrichtungen gemäß 30A bis 30D und 31A bis 31D zugeführt wird. Die Diagnoseelektroden 17 und 18 weisen in Richtung der Y-Achse eine Länge von 3 mm und in Richtung der X-Achse eine Länge von 0,7 mm auf.
Der in 32 gezeigte Winkelgeschwindigkeitseinfluß bzw. Einfluß auf die Winkelgeschwindigkeit ist eine Differenz zwischen dem Winkelgeschwindigkeitssignal, das bei Zufuhr eines Diagnosesignals von 50 mV eff. an die Diagnoseelektroden 17 und 18 erhalten wird, und einem Winkelgeschwindigkeitssignal, das erhalten wird, wenn kein Diagnosesignal den Diagnoseelektroden 17 und 18 zugeführt wird.
33 zeigt einen Graphen, der die Versagensempfindlichkeit (des Versagenssignals) darstellt, die beobachtet wird, wenn der Draht W1 oder W6 unter der Bedingung gebrochen ist, daß das Diagnosesignal von 50 mV eff. den Diagnoseelektroden 17 und 18 zugeführt wird.
In 32 und 33 sind der Einfluß auf die Winkelgeschwindigkeit und die Versagensempfindlichkeit jeweils durch Werte ausgedrückt, die durch Teilen der erfaßten Daten durch die Sensorempfindlichkeit erhalten werden.
Wie aus 32 und 33 hervorgeht, ist es verständlich, daß sowohl der Einfluß auf die Winkelgeschwindigkeit als auch die Versagensempfindlichkeit groß werden, wenn die Diagnoseelektroden 17 und 18 nahe an den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 angeordnet sind. Dies beruht auf der Tatsache, daß die elektrostatische Kopplungskraft umgekehrt proportional zu dem Abstand zwischen den Elektroden ist.
Dementsprechend kann der von dem Diagnosesignal auf das Winkelgeschwindigkeitssignal ausgeübte negative Einfluß durch Anordnen der Diagnoseelektroden 17 und 18 weit von den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22, wie in 30A bis 30D gezeigt, verringert werden.
34 zeigt einen Graphen, der das von der in 30A bis 30D gezeigten experimentellen Vibrationseinrichtung erhaltenes Verhältnis zwischen dem Einfluß auf die Winkelgeschwindigkeit und der Diagnoseelektrodengröße darstellt. 35 zeigt einen Graphen, der das von derselben Vibrationseinrichtung erhaltene Verhältnis zwischen der Versagensempfindlichkeit und der Diagnoseelektrodengröße darstellt.
Wie aus 34 und 35 hervorgeht, ist es verständlich, daß sowohl der Einfluß auf die Winkelgeschwindigkeit als auch die Versagensempfindlichkeit proportional zu der Diagnoseelektrodengröße ansteigen. Dies beruht auf der Tatsache, daß die elektrostatische Kopplungskraft proportional zu der Elektrodengröße ist.
Gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel sind die (auf dem Referenzpotential gehaltenen) Hilfsmasseelektroden 15 und 16 zwischen den Diagnoseelektroden 17 und 18 und den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21 und 22 angeordnet. Diese Anordnung ist dahingehend vorteilhaft, daß ein Teil des Diagnosesignals über die Hilfsmasseelektroden 15 und 16 nach außen verloren geht. Der auf das Winkelgeschwindigkeitssignal ausgeübte negative Einfluß des Diagnosesignals kann verringert werden.
36 zeigt einen Graphen, der das Verhältnis zwischen dem Einfluß auf die Winkelgeschwindigkeit und dem Elektrodenabstand M1 (vergleiche 28A) darstellt. 37 zeigt einen Graphen, der das Verhältnis zwischen der Versagensempfindlichkeit und dem Elektrodenabstand M1 darstellt.
Wie aus 36 und 37 hervorgeht, ist es verständlich, daß sowohl der Einfluß auf die Winkelgeschwindigkeit als auch die Versagensempfindlichkeit proportional mit dem Elektrodenabstand ansteigt. Die Größe der Hilfsmasselektroden 15 und 16 steigen umgekehrt proportional zu dem Abstand M1 an. Der vorstehend beschriebene Verlust des Diagnosesignals steigt mit ansteigender Größe der Hilfsmasseelektrode an. Deshalb steigen sowohl der Einfluß auf die Winkelgeschwindigkeit als auch die Versagensempfindlichkeit proportional zu dem Elektrodenabstand M1 an.
38 und 39 zeigen Graphen, die die experimentellen Daten in Bezug auf den Einfluß auf die Winkelgeschwindigkeit und die Versagensempfindlichkeit jeweils zusammenfassen, die bei Zufuhr eines Diagnosesignals von 50 mV eff. zu den Diagnoseelektroden 17 und 18 erhalten werden.
Bei Optimierung der Dimension der Diagnoseelektroden 17 und 18 ist es vorzuziehen, daß die Versagensempfindlichkeit groß ist, während der Einfluß auf die Winkelgeschwindigkeit klein ist. Jedoch widersprechen sich die Erfordernisse auf die Versagensempfindlichkeit und auf den Einfluß auf die Winkelgeschwindigkeit. Genauer ist gemäß einem Leistungstest eine wünschenswerte Versagensempfindlichkeit größer als 100°/sec, wohingegen ein wünschenswerter Einfluß auf die Winkelgeschwindigkeit geringer als 1°/sec ist.
Zur Befriedigung dieser Erfordernisse liegt ein optimaler Wert des Abstands M1 in dem Bereich von 0,4 mm bis 0,6 mm, wohingegen ein optimaler Wert der Diagnoseelektrodengröße (Fläche) in dem Bereich von 1,5 mm² bis 2,5 mm² liegt.
40 zeigt einen abgeänderten Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel, der sich von dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß 27 dahingehend unterscheidet, daß die Diagnoseelektroden 17 und 18 in einer elliptischen Form ausgebildet sind.
41 zeigt einen weiteren abgeänderten Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel, der sich von dem in 27 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor dahingehend unterscheidet, daß lediglich eine Überwachungselektrode 13 an der Vorderfläche X1 des rechten Schenkels 4 vorgesehen ist.
42 zeigt einen anderen abgeänderte Winkelgeschwindigkeitssensor mit dem vierschenkligen Vibrator 601 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel, der sich von dem in 25 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor dahingehend unterscheidet, daß eine (auf dem Referenzpotential gehaltene) Hilfselektrode 650 zwischen der Diagnoseelektrode JS1 und der Anschlußflächenelektrode 626 angeordnet ist, die über die Leiterelektroden 624 und 625 mit den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 622 und 623 verbunden ist.
43A bis 43D zeigen eine weitere Elektrodenanordnung des Winkelgeschwindigkeitssensors mit einer H-förmigen Vibrationseinrichtung 701 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel, die sich von der in 26A bis 26D gezeigten Elektrodenanordnung dahingehend unterscheidet, daß eine (auf dem Referenzpotential gehaltene) Hilfsmasseelektrode 750 zwischen den Diagnoseelektroden JS2 und JS3 und den Anschlußflächenelektroden 713 und 714 angeordnet ist, die über die Leiterelektroden 711 und 712 mit den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 709 und 710 verbunden sind.
Wie vorstehend beschrieben führt eine Ansteuerschaltung A1 ein Rückkopplungssignal mit einer vorbestimmten Frequenz fd Ansteuerelektroden 11, 12 zu, um eine Vibrationseinrichtung 1 in Vibration zu versetzen. Eine Winkelgeschwindigkeitserfassungsschaltung A2 erfaßt eine Vibrationsbewegung, die in einer zu der Oszillationsrichtung der Vibrationseinrichtung 1 senkrechten Richtung verursacht wird, auf der Grundlage eines Erfassungssignals von Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21, 22, wodurch ein Winkelgeschwindigkeitssignal S1 erzeugt wird. Eine Signaleingabeschaltung A31 führt ein Diagnosesignal VB mit einer Frequenz 2fd zu, die sich von der des Rückkopplungssignals unterscheidet, das über Diagnoseelektroden 17, 18 in die Vibrationseinrichtung 1 eingegeben wird. Eine Diagnoseschaltung A32 erzeugt ein Versagenssignal R1 auf der Grundlage eines auf das Diagnosesignal ansprechenden Signals, das von zumindest entweder den Ansteuerelektroden 11, 12 oder den Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 21, 22 erhalten wird.

Claims

Winkelgeschwindigkeitssensor mit einer Vibrationseinrichtung (1; 601; 701), einer an der Vibrationseinrichtung (1; 601; 701) vorgesehenen Ansteuerelektrodeneinrichtung (11, 12; 620; 707) zur Ansteuerung der Vibrationseinrichtung (1; 601; 701), einer an der Vibrationseinrichtung (1; 601; 701) vorgesehenen Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrodeneinrichtung (21–22; 622, 623; 709, 710) zur Erzeugung eines Erfassungssignals, das eine auf die Vibrationseinrichtung (1; 601; 701) beaufschlagte Winkelgeschwindigkeit darstellt, eine mit der Ansteuerelektrodeneinrichtung (11, 12; 620; 707) verbundene Ansteuerschaltung (A1; B1; C1; D1) zur Zufuhr eines Ansteuersignals mit einer vorbestimmten Frequenz (fd) zu der Ansteuerelektrodeneinrichtung (11, 12; 620; 707), um die Vibrationseinrichtung (1; 601; 701) in Vibration zu versetzen, und eine mit der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrodeneinrichtung (21, 22; 622, 623; 709, 710) verbundene Winkelgeschwindigkeitserfassungsschaltung (207–209, A2; B2; C2; D2) zur Erfassung einer Vibrationsbewegung, die in einer Richtung verursacht wird, die senkrecht zu einer Richtung einer erregten Oszillation der Vibrationseinrichtung (1; 601; 701) verläuft, auf der Grundlage des Erfassungssignals der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrodeneinrichtung (21, 22; 622, 623; 709, 710), wodurch eine Winkelgeschwindigkeit der Vibrationseinrichtung (1; 601; 701) erhalten wird, die um eine vorbestimmte Achse auftritt, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor umfasst: eine Signaleingabeschaltung (A31; B31; C31; D31; E31; F31) zur Zufuhr eines Diagnosesignals mit einer zu der vorbestimmten Frequenz (fd) des Ansteuersignals unterschiedlichen Frequenz, so dass die Vibrationseinrichtung (1; 601; 701) im Ansprechen auf das Diagnosesignal in einer Richtung oszilliert, die senkrecht zu der Richtung der erregten Oszillation der Vibrationseinrichtung (1; 601; 701) verläuft, eine Diagnosesignaleingabeelektrodeneinrichtung (17, 18, 17a, 18a; JS1; JS10, JS11), die an der Vibrationseinrichtung (1; 601; 701) vorgesehen ist, zur Zufuhr des Diagnosesignals zu der Vibrationseinrichtung (1; 601; 701) und eine Versagenserfassungsschaltung (A32; B32; C32; D32) zur Diagnose des Winkelgeschwindigkeitssensors auf der Grundlage eines auf das Diagnosesignal ansprechenden Signals, das zumindest entweder von der Ansteuerelektrodeneinrichtung (11, 12; 620; 707) oder der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrodeneinrichtung (21, 22; 622, 623; 709, 710) erhalten wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versagenserfassungsschaltung (A32; C32) eine Synchronisationserfassungseinrichtung (212; 312) zur Synchronisationserfassung des auf das Diagnosesignal ansprechenden Signals unter Verwendung eines Signals aufweist, das sich in Phase mit dem Diagnosesignal befindet.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Versagenserfassungsschaltung (A32; B32; C32; D32) eine veränderte Gleichstromkomponente des auf das Diagnosesignal ansprechenden Signals erfaßt.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signaleingabeschaltung (A31; B31; C31; D31; E31; F31) das Diagnosesignal durch Verwenden eines Eingangssignals erzeugt, das in die Ansteuerschaltung (A1; B1; C1; D1) einzugeben ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung (A1; B1; C1; D1) die Oszillationsamplitude der Vibrationseinrichtung (1; 601; 701) unter Verwendung eines Rückkopplungssignals steuert, das die Oszillation der Vibrationseinrichtung (1; 601; 701) wiedergibt, und die Signaleingabeschaltung (A31; B31; C31; D31; E31; F31) das Rückkopplungssignal als das Eingangssignal zur Erzeugung des Diagnosesignals verwendet.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signaleingabeschaltung (A31; C31; E31; F31) eine Multiplikationseinrichtung (204) umfasst, die die Frequenz (fd) des Rückkopplungssignals mit einer geraden konstanten Zahl (d. h. 2 × fd, 4 × fd, E × fd, 8 × fd...) zur Erzeugung des Diagnosesignals multipliziert.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signaleingabeschaltung (A31; B31; C31; D31) einen Bandpaßfilter (205; 304) zum Filtern des in das Diagnosesignal zu verwendenden Eingangssignals aufweist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signaleingabeschaltung (E31; F31) eine Gleichspannungsänderungseinrichtung (501) zur Änderung der Gleichspannung des für das Diagnosesignal zu verwendenden Eingangssignals aufweist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signaleingabeschaltung (B31; D31) eingerichtet ist, das Diagnosesignal intermittierend zuzuführen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Signaleingabeschaltung eine Amplitudenänderungseinrichtung (206; 307, 308) zur Änderung der Amplitude des Diagnosesignals aufweist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationseinrichtung einen piezoelektrischen Körper (1; 601; 701) aufweist, und der Winkelgeschwindigkeitssensor eine Referenzpotentialelektrodeneinrichtung (15, 16; 650; 750) zum Erhalt eines auf einem vorbestimmten Referenzpotential gehaltenen Elektrodenbereichs zwischen der Diagnosesignaleingabeelektrodeneinrichtung (17, 18; JS1–JS3) und der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrodeneinrichtung (21, 22; 622, 623; 709, 710) umfasst.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzpotentialelektrodeneinrichtung (15, 16; 650; 750) zwischen der Ansteuerelektrodeneinrichtung (11, 12; 620; 707) und der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrodeneinrichtung (21, 22; 622, 623; 709, 710) angeordnet ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagnosesignaleingabeelektrodeneinrichtung zwischen der Ansteuerelektrodeneinrichtung (11, 12; 620; 707) und der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrodeneinrichtung (21, 22; 622, 623; 709, 710) angeordnet ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationseinrichtung (1) zumindest einen Schenkel (4, 5) mit einer Vorderfläche (X1) und gegenüberliegenden Seitenflächen (Y1 bis Y2, Y3 bis Y4) aufweist, die Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrodeneinrichtung (21, 22) an einer Seitenfläche (Y1, Y2) ausgebildet ist wohingegen die Diagnosesignaleingabeelektrodeneinrichtung (17, 18) an der Vorderfläche (X1) nahe an der anderen Seitenfläche (Y3, Y4) ausgebildet ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Diagnosesignaleingabeelektrodeneinrichtung (17, 18) in dem Bereich von 1,5 mm² bis 2,5 mm² liegt.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzpotentialelektrodeneinrichtung (15, 16) an der Vorderfläche (X1) des Schenkels angeordnet ist, und daß die Diagnosesignaleingabeelektrodeneinrichtung (17, 18) von der Referenzpotentialelektrodeneinrichtung (15, 16) mit einem Abstand (M1) in dem Bereich von 0,4 mm bis 0,6 mm beabstandet sind.