DE69637287T2

DE69637287T2 - Winkelgeschwindigkeitssensor

Info

Publication number: DE69637287T2
Application number: DE69637287T
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Kyoto-shi NOZOE; Masami Uji-shi TAMURA; Takeshi Hirakata-shi Uemura
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1995-05-30
Filing date: 1996-05-29
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2016-05-30
Also published as: CN1160574C; EP0773430B1; EP0773430A4; DE69622815D1; EP1174683A3; EP1174683B1; CN1090313C; WO1996038712A1; CN1142436C; CN1154741A; CN1352395A; DE69622815T2; EP1174683A2; CN1352394A; US6244095B1; DE69637287D1; EP0773430A1; US6089091A; US5939630A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit einer Selbstdiagnosefunktion.
Zum Beispiel weist ein Winkelgeschwindigkeitssensor des Stimmgabeltyps Detektorplatten an der Oberseite von zwei Ansteuerplatten des Stimmgabel-Ansteuerteils auf, die sich in der orthogonalen Richtung gegenüberstehen, und wenn eine Winkelgeschwindigkeit in einem kontinuierlichen Ansteuerzustand des Ansteuerteils angelegt wird, wird die Winkelgeschwindigkeit durch den Ausgang der Detektorplatten bestimmt, die in entgegengesetzter Richtung und in Übereinstimmung mit der angelegten Winkelgeschwindigkeit vibrieren.
In einem Winkelgeschwindigkeitssensor in Übereinstimmung mit dem bisherigen Stand der Technik wird ein gedichteter Raum ausgebildet, indem ein Deckel 2 aus Kunstharz, wie in 18 gezeigt, an einer Öffnung an einem Ende eines Gehäuses 1 aus Kunstharz befestigt wird.
In dem gedichteten Raum sind eine Leiterplatte 3 und eine Gewichtsplatte 4 aus Metall enthalten. Haltestifte 5 sind an vier Ecken innerhalb des Gehäuses 1 befestigt, und die Gewichtsplatte 4 und die Leiterplatte 3 werden elastisch durch die Haltestifte 5 gehalten und befestigt. Dämpfer 6 aus Gummi sind an den vier Ecken der Gewichtsplatte 4 für die elastische Halterung vorgesehen. Halteschenkel 7 aus Kunstharz sind zwischen dem Dämpfer 6 und der Leiterplatte 3 angeordnet. Die Haltestifte 5 werden an den Spitzen zu der Leiterplatte 3 hin gebogen, nachdem sie durch die Dämpfer 6, die Halteschenkel 7 und die Leiterplatte 3 hindurchgeführt worden sind. Auf diese Weise werden die Leiterplatte 3 und die Gewichtsplatte 4 elastisch gehalten und befestigt. Ein Haltestift 8 aus Metall wird eingeführt und vertikal zu der Gewichtsplatte 4 und auf der Seite der Leiterplatte 3 an der Gewichtsplatte 4 befestigt, wie in 19 gezeigt, und ein Ende eines Haltestiftes 9 aus Metall wird eingeführt und parallel zu der Gewichtsplatte 4 mit dem Haltestift 8 verbunden. Der Haltestift 9 weist nur ungefähr ein Fünftel des Durchmessers des Haltestiftes 8 auf, ist aus einem elastischen Metallmaterial, wie beispielsweise Sai tendraht, hergestellt, und das andere Ende des Haltestiftes 9 ist durch Löten auf einer Metallplatte 10 befestigt.
Jedes der Enden der einander gegenüberliegenden Ansteuerplatten 11 und 12 aus Metall mit den dazwischen angeordneten Haltestiften 8 und 9 ist jeweils an den Seiten der Metallplatte 10 befestigt. Plattenförmige piezoelektrische Elemente 11a und 12a sind jeweils an den Oberflächen der Ansteuerplatten 11 und 12 aus Metall befestigt. Auf diese Weise wird der Ansteuerteil des Stimmgabeltyps gebildet. Die anderen Enden der Ansteuerplatten 11 und 12 sind orthogonal zu den piezoelektrischen Elementen 11a und 12a gebogen, und andere plattenförmige piezoelektrische Elemente 13a und 14a sind auf Detektorplatten 13 und 14 befestigt, wie in 19 gezeigt. Auf diese Weise wird der Detektorteil gebildet. Ein Sensorelement setzt sich aus dem Ansteuerteil und dem Detektorteil zusammen.
Das Problem eines üblichen Winkelgeschwindigkeitssensors besteht jedoch darin, dass er, nachdem der Sensor zu arbeiten begonnen hat, keine Funktion zum Übermitteln von Informationen nach außen, mit dem Ziel, über eine Fehlfunktion zu informieren, oder zum Empfangen von Informationen von außen, um das Vorhandensein einer Fehlfunktion zu bestimmen, aufweist, wenn die Fehlfunktion von Komponenten auftritt.
Bei Winkelgeschwindigkeitssensoren des oben angegebenen Typs muss der Benutzer daher die Leistung des Sensors testen können. Ein Beispiel für einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit einer Selbsttest-Fähigkeit ist in EP-A-0 638 782 beschrieben. Das Dokument beschreibt einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit einer eingebauten Testschaltung. Der Winkelgeschwindigkeitssensor ist vom Stimmgabeltyp und umfasst eine piezoelektrische Struktur. Die Testschaltung erzeugt ein Testsignal, das einer simulierten Drehung eines Sensors entspricht. Testen ist während der Erfassung möglich.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Winkelgeschwindigkeitssensor mit einer Selbstdiagnosefunktion bereitzustellen, der eine vereinfachte Struktur aufweist, die den gewünschten Hardware-Aufwand minimiert.
Dies wird durch die Merkmale der selbstständigen Ansprüche erreicht.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
1 ist ein Blockschaltbild eines Winkelgeschwindigkeitssensors in Übereinstimmung mit einem ersten Beispiel.
2 zeigt Wellenformen an verschiedenen Punkten des Winkelgeschwindigkeitssensors.
3 ist ein Blockschaltbild eines Winkelgeschwindigkeitssensors in Übereinstimmung mit einem zweiten Beispiel.
4 zeigt Wellenformen an verschiedenen Punkten des Winkelgeschwindigkeitssensors.
5 ist ein Blockschaltbild eines Winkelgeschwindigkeitssensors in Übereinstimmung mit einem dritten Beispiel.
6 zeigt Wellenformen an verschiedenen Punkten des Winkelgeschwindigkeitssensors.
7 ist ein Blockschaltbild eines Winkelgeschwindigkeitssensors in Übereinstimmung mit einem vierten Beispiel.
8 zeigt Wellenformen an verschiedenen Punkten des Winkelgeschwindigkeitssensors.
9 ist ein Blockschaltbild eines Winkelgeschwindigkeitssensors in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt Wellenformen an verschiedenen Punkten des Winkelgeschwindigkeitssensors.
11(a) ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines wesentlichen Teils des Winkelgeschwindigkeitssensors.
11(b) ist eine Querschnittansicht des wesentlichen Teils des Winkelgeschwindigkeitssensors.
11(c) ist ein entsprechender Schaltplan des Winkelgeschwindigkeitssensors.
12 ist ein Schaltplan, der eine Schaltkonfiguration des wesentlichen Teils des Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt.
13 ist ein Blockschaltbild eines Winkelgeschwindigkeitssensors in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 ist ein Schaltplan des wesentlichen Teils des Winkelgeschwindigkeitssensors.
15 zeigt Wellenformen an verschiedenen Punkten des Winkelgeschwindigkeitssensors.
16 ist ein Blockschaltbild eines Winkelgeschwindigkeitssensors in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
17 zeigt Wellenformen an verschiedenen Punkten des Winkelgeschwindigkeitssensors.
18 ist eine perspektivische Ansicht zur Montage eines wesentlichen Teils eines Winkelgeschwindigkeitssensors in Übereinstimmung mit dem bisherigen Stand der Technik.
19 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines wesentlichen Teils des Winkelgeschwindigkeitssensors.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
(Erstes Beispiel)
1 ist ein Schaltplan eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung, das als Vergleichsbeispiel dient. Ein alternierendes Signal von ungefähr 1 Vp-p und 1,5 kHz wird an ein piezoelektrisches Element 11a einer Ansteuerplatte 11, die als Sensorelement dient, von einer Ansteuerschaltung 15 angelegt. Dementsprechend beginnen die Ansteuerplatten 11 und 12 eine nach außen und nach innen gerichtete Stimmgabelvibration um einen Haltestift 9 als Zentrum. Eine zu dem angelegten Signal proportionale Spannung wird an einem piezoelektrischen Element 12a einer Ansteuerplatte 12 durch eine Stimmgabelvibration induziert und wird zu einem Überwachungssignal A, das am Punkt A in 1 nach dem Durchgang durch einen Stromverstärker 16 und ein Bandpassfilter 17 in 12 als Wellenform A gezeigt ist. Dieses Signal wird über einen Doppelweggleichrichter 18 und eine AGC-Schaltung 19 zu einer Ansteuerschaltung 15 zurückgeführt, und somit wird ein Ansteuersignal automatisch in seiner Amplitude gesteuert.
Wenn in dem Detektorteil die piezoelektrischen Elemente 13a und 14a eine Winkelgeschwindigkeit erfassen, geben beide piezoelektrischen Elemente 13a und 14a Winkelgeschwindigkeitssignale von +Q aus. Diese Winkelgeschwindigkeitssignale sind in 2 als Wellenformen B und C gezeigt, die an dem in 1 gezeigten Punkt D synthetisiert werden und zu einem Winkelgeschwindigkeitssignal werden, wie in 2 als Wellenform D gezeigt. Das Winkelgeschwindigkeitssignal D wird von einem Ausgangsanschluss 24 ausgegeben, nachdem es einen Ladeverstärker 20, ein Bandpassfilter 21, einen Synchrondetektor 22 und ein Tiefpassfilter 23 durchquert hat. Die Winkelgeschwindigkeitssignale an den in 1 gezeigten Punkten E, F und G sind in 2 jeweils als Wellenformen E, F und G gezeigt.
Obwohl die Detektorplatten 13 und 14 in dem Beispiel orthogonal zu den Ansteuerplatten 11 und 12 angeordnet werden müssen, liegt die wesentliche Schwierigkeit darin, sie in echten orthogonalen Richtungen zu positionieren, und außerdem ist es unmöglich, piezoelektrische Elemente 13a und 14a mit exakt gleicher Größe und gleichem Befestigungsverfahren herzustellen. Deshalb erzeugen die piezoelektrischen Elemente 13a und 14a immer mechanische Kopplungssignale, die in 2 als Wellenformen B und C gezeigt sind und sich von den oben beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssignalen unterscheiden. In diesem Fall werden die piezoelektrischen Elemente 13a und 14a auf die gleichen Seitenflächen der Detektorplatten 13 und 14 geklebt, und die Schwerpunkte der Detektorplatten 13 und 14 weichen ein wenig zu den geklebten Seiten der piezoelektrischen Elemente 13a und 14a hin ab. Wenn also die Ansteuerplatten 11 und 12 eine Stimmgabelvibration durchführen, wenn sie beispielsweise nach außen geöffnet werden, dann öffnen sie sich, indem sie sich zu den Seiten der piezoelektrischen Element 13a und 14a hinlehnen. Dementsprechend befinden sich die in den piezoelektrischen Elementen 13a und 14a erzeugten mechanischen Kopplungssignale in einer reziproken Phase, wie in 2 als Wellenformen B und C gezeigt, und wenn die mechanischen Kopplungssignale an dem in 1 gezeigten Punkt D synthetisiert werden, wird das synthetisierte mechanische Kopplungssignal klein. Das synthetisierte mechanische Kopplungssignal wird in einem Ladeverstärker 20 und einem Verstärker 15 verstärkt und in einem Gleichrichter 27 gleichgerichtet, und dann wird der Signalpegel in einer Bestimmungsschaltung 28 bestimmt, und das bestimmte Ergebnis wird von einem Signalausgangsanschluss 29 ausgegeben. Die Signale an den in 1 gezeigten Punkten H, I und J sind in 2 jeweils als Wellenformen H, I und J gezeigt. Wenn das aus dem Filter 27 ausgegebene Signal I zwischen dem Pegel a und dem Pegel b liegt, weist der Ausgang der Bestimmungsschaltung 28 einen niedrigen Pegel auf, der in 2 als Wellenform J gezeigt ist und vom Anschluss 29 ausgegeben wird.
In dem Fall, in dem beispielsweise die in 1 gezeigte Detektorplatte 14 beschädigt ist oder ihr Leitungsdraht gebrochen ist, werden aufgrund der Fehlfunktion sowohl das Winkelgeschwindigkeitssignal als auch das mechanische Kopplungssignal aus dem piezoelektrischen Element 14a Null, wie in 2 als Wellenform C gezeigt. Deshalb erscheint an dem in 1 gezeigten Punkt D nur ein mechanisches Kopplungssignal von dem piezoelektrischen Element 13a, und es wird zu einem viel größeren mechanischen Kopplungssignal als vorher. Daher wird der Ausgang des Filters 27 größer als der Pegel a, wie in 2 als Wellenform l gezeigt, und es wird ein Signal mit hohem Pegel von der Bestimmungsschaltung 28 ausgegeben, wie in 2 als Wellenform J gezeigt. Wenn beide Detektorplatten 13 und 14 beschädigt werden oder beide Leitungsdrähte gebrochen sind, wird der Ausgang des Filters 27 kleiner als der Pegel b, wie in 2 als Wellenform l gezeigt, und es wird ebenfalls ein Signal mit hohem Pegel von der Bestimmungsschaltung 28 ausgegeben, wie in 2 als Wellenform J gezeigt. Wenn ein derartiges Signal mit hohem Pegel ausgegeben wird, wird eine Information übertragen, dass der Geschwindigkeitssensor nicht korrekt funktioniert.
(Zweites Beispiel)
3 ist ein Schaltplan eines Winkelgeschwindigkeitssensors in Übereinstimmung mit einem zweiten Beispiel, das als Vergleichsbeispiel dient. In diesem Beispiel ist ein Synchrondetektor 30 zwischen den Verstärker 25 und das Filter 27 eingefügt, und eine synchrone Erfassung wird durch ein Rückkopplungssignal der Rückkopplungsschaltung für ein Ansteuersignal durchgeführt, das ein gegenüber dem Signal von Punkt A durch den Phasenverschieber 31 von 3 phasenverschobenes Signal ist. Weil mit anderen Worten das in den Verstärker 25 fließende mechanische Kopplungssignal ein Winkeige schwindigkeitssignal enthält, wird der Pegel des mechanischen Kopplungssignals nahe an einen korrekten Wert herangebracht, indem das Winkelgeschwindigkeitssignal aufgehoben wird. Das in 4 als Wellenform A gezeigte Signal, das an dem in 3 gezeigten Punkt fließt, wird in dem Phasenverschieber 31 um 90 Grad verzögert. Wenn der Ausgang vom Verstärker 25 als mit einem Signal H synchronisiert erfasst wird, das um 90 Grad verzögert ist, (in 4 als Wellenform H gezeigt), wird das Winkelgeschwindigkeitssignal, wie in 4 als Wellenform H gezeigt, aufgehoben, und es ist möglich, den in das Filter 27 eingegebenen Pegel des mechanischen Kopplungssignals nahe an einen korrekten Wert heranzubringen.
(Drittes Beispiel)
5 ist ein Schaltplan eines Winkelgeschwindigkeitssensors in Übereinstimmung mit einem dritten Beispiel, das als Vergleichsbeispiel dient. Wenn in diesem Beispiel die aus den piezoelektrischen Elementen 13a und 14a ausgegebenen mechanischen Kopplungssignale an dem in 5 gezeigten Punkt D addiert werden, wird die Summe als Anfangseinstellung auf Null gesetzt. Während die Summen in dem ersten und dem zweiten Beispiel nicht gleich Null sind, wird die Summe der aus den piezoelektrischen Elementen 13a und 14a ausgegebenen mechanischen Kopplungssignale in dem dritten Beispiel auf Null gesetzt, indem entweder die Detektorplatte 13 oder die Detektorplatte 14 in der Anfangseinstellung abgeglichen wird. Dies wird in 6 als Wellenform D gezeigt. Beispielsweise wird in einem Normalzustand vor einer Fehlfunktion, wie etwa einer Beschädigung des Detektors 14 oder einem Bruch des Leitungsdrahts, in dem in 14 gezeigten Punkt D kein mechanisches Kopplungssignal erzeugt. Nach der Fehlfunktion kann das mechanische Kopplungssignal von dem piezoelektrischen Element 14a jedoch kaum erzeugt werden, und das mechanische Kopplungssignal erscheint an dem in 6 gezeigten Punkt D als Wellenform D. Als Ergebnis dessen weist der Ausgang der Bestimmungsschaltung 28 bei der Fehlfunktion einen hohen Pegel auf, wie in 6 als Wellenform J gezeigt, und ein Signal, das über die Fehlfunktion des Winkelgeschwindigkeitssensors informiert, wird aus dem Signalausgangsanschluss 29 über eine Logiksurnmenschaltung 32 ausgegeben, wie in 6 als Wellenform L gezeigt. In diesem Beispiel wird ein Ansteuersignal für die Rückkopplung, d.h. ein Ausgang des Doppelweggleichrichters 18, über die Bestimmungsschaltung 33 zu einer Logiksummenschaltung 32 ausgegeben. Damit wird bezweckt, auch dann über eine Fehlfunktion am Signalausgangsanschluss informieren zu können, wenn die Ansteuerplatten 11 und 12 nicht betrieben werden. Deshalb wird das Ansteuersignal über die Bestimmungsschaltung 33 der Logiksummenschaltung 32 zugeführt. Die Bestimmungsschaltung 33 gibt einen hohen Pegel aus, wenn das Rückkopplungssignal Null ist, weil die Ansteuerplatten 11 und 12 nicht betrieben werden, und gibt ein Signal, das über die Fehlfunktion informiert, von dem Signalausgangsanschluss 29 über die Logiksummenschaltung 32 aus.
In dem Fall einer Anordnung, bei der der Ausgang des Ladeverstärkers 20 in den Verstarker 25 als Selbstdiagnosemittel eingegeben wird, wie im ersten, zweiten und dritten Beispiel gezeigt, wenn ein Signal, das einen Eingangs bereich des Synchrondetektors 22 überschreitet, aus dem Bandpassfilter 21 eingegeben wird, variiert das Ausgangssignal am Ausgangsanschluss 24 manchmal, obwohl kein Winkelgeschwindigkeitssignal hinzugefügt wird. In diesem Fall ist es wünschenswert, stattdessen das Ausgangssignal des Bandpassfilters 21 in den Verstärker 25 einzugeben, die Erfassungssättigung des Synchrondetektors 22 als Bestimmungskriterium einzustellen und eine Zeitkonstante des Filters 27 mit einer Zeitkonstante des Tiefpassfilters 23 abzugleichen.
(Viertes Beispiel)
7 ist ein Schaltplan eines Winkelgeschwindigkeitssensors in Übereinstimmung mit einem vierten Beispiel, das als Vergleichsbeispiel dient. Auch in diesem Beispiel wird eine anfängliche Einstellung so vorgenommen, dass, wenn die mechanischen Kopplungssignale aus den piezoelektrischen Elementen 13a und 14a addiert werden, ihre Summe Null wird, indem wie in der dritten beispielhaften Ausführungsform die Detektorplatte 13 oder 14 abgeglichen wird. Das Signal aus dem piezoelektrischen Element 13a wird an einem Ladeverstärker 20a verstärkt, das Signal aus dem piezoelektrischen Element 14a wird an einem Ladeverstärker 20b verstärkt, sie werden am Addierer 34 addiert, und das Summensignal wird nach der Verarbeitung vom Ausgangsanschluss 24 als Winkelgeschwindigkeitssignal ausgegeben. Ein am Ausgang der Ladeverstärkers 20b vom Subtrahierer 35 subtrahiertes Signal wird vom Ausgang des Ladeverstärkers 20b nach der Verarbeitung am Signalausgangsanschluss 29 als Selbstdiagnosesignal ausgegeben. Die Wellenformen an den Punkten in 7 sind in 8 gezeigt. Der Verstärker 25, der Gleichrichter 26 und das Filter 27 können weggelassen werden. Zwar wurden die Erläuterungen in Bezug auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor des Stimmgabeltyps vorgenommen, doch weil ein mechanisches Kopplungssignal immer erzeugt wird, ist es auch in einem Winkelgeschwindigkeitssensor eines Dreieckprismentyps, Zylinderkörpertyps, Stimmgabeltyps oder Rohrtyps möglich, eine Fehlfunktion unter Verwendung des mechanischen Kopplungssignals zu erfassen.
(Erste Ausführungsform)
9 ist ein Schaltplan eines Winkelgeschwindigkeitssensors einer ersten Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Ein alternierendes Signal von ungefähr 1 Vp-p und 1,5 kHz wird von einer Ansteuerschaltung 15 an ein piezoelektrisches Element 11a einer Ansteuerplatte 11 angelegt. Die Ansteuerplatten 11 und 12 beginnen eine nach innen und außen gerichtete Stimmgabelvibration um einen Haltestift 9 als Zentrum. Eine zu einem angelegten Signal proportionale Spannung wird durch Stimmgabelvibration an einem piezoelektrischen Element 12a der Ansteuerplatte 12 induziert und am Punkt A als ein Überwachungssignal ausgegeben, nachdem sie einen Stromverstärker 16 und ein Bandpassfilter 17 durchquert hat. Das Ausgangssignal ist in 10 als Wellenform A gezeigt. Dieses Signal wird über eine AGC-Schaltung 19 zu einer Ansteuerschaltung 15 zurückgeführt, und der Pegel des Ansteuersignals wird derart gesteuert, dass er an Punkt A immer konstant ist. In dem Detektorteil werden die Signale von den piezoelektrischen Elementen 13a und 14a am Punkt D synthetisiert, und das synthetisierte Signal wird einem Ladeverstärker 20 zugeführt. Das mit einer Stimmgabelvibration synchronisierte Überwachungssignal von Punkt A wird durch einen Dämpfer 36 gedämpft und nach dem Durchgang durch einen Injektor 37 einem nicht-invertierten Eingangsanschluss eines Ladefilters 20 zugeführt. Der Ausgang des Ladeverstärkers 20 wird von einem Ausgangsanschluss 24 über ein Bandpassfilter 20, einen Synchrondetektor 22 und ein Tiefpassfilters 23 ausgegeben. Die Signalwellenformen am Punkt I (Ausgang des Dämpfers 36), H (Ausgang des Injektors 37), E (Ausgang des Ladeverstärkers 20), F (Ausgang des Synchrondetektors 22) und G (Ausgang des Tiefpassfilters 23) sind in 10 jeweils als Wellenformen I, H, E, F und G gezeigt.
In dieser ersten Ausführungsform ist ein piezoelektrisches Element 13a zum Erfassen einer Winkelgeschwindigkeit mittels eines Klebers 8 an die Detektorplatte 13 geklebt, und eine Silberelektrode 13b ist auf den piezoelektrischen Elementen 13a ausgebildet, wie in 11(a) gezeigt.
Die Detektorplatte 13, die piezoelektrischen Elemente 13a und die Silberelektrode 13b bilden einen Parallelplattenkondensator aus, wie in 11(b) gezeigt, und sein Schal tungsaufbau ist in 11(c) gezeigt. Die durch das piezoelektrische Element 13a gebildete Kapazität des Kondensators wird durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt: Cs1 = ε·S/d (1)

ε:: Durchlässigkeit des piezoelektrischen Elements,
S:: Fläche der Elektrode, und
D:: Dicke des piezoelektrischen Elements.

Desgleichen wird die Kapazität eines durch das piezoelektrische Element 14a gebildeten Kondensators durch die Gleichung (2) ausgedrückt: Cs2 = ε·S/d (2)

Folgende Beziehungen sind zwischen den Empfindlichkeiten von piezoelektrischen Elementen zum Erfassen der Winkelgeschwindigkeit und den durch die Gleichungen (1) und (2) ausgedrückten Kapazitäten Cs1 und Cs2 vorhanden.
Die Empfindlichkeit ist proportional zu der Fläche S und
die Kapazität C ist proportional zu der Fläche S,
während die Empfindlichkeit proportional zu der Kapazität C ist.
Wenn daher eine Kapazitätsvariation erfasst werden kann, kann eine Empfindlichkeitsvariation angenommen werden, und es ist möglich, eine Empfindlichkeitsabnormalität zu erfassen.
Das Überwachungssignal A am Punkt A wird dann durch den Dämpfer 36 gedämpft, wie durch die Wellenform l von 10 gezeigt, und dem Injektor 37 zugeführt. Der Injektor 37 umfasst beispielsweise einen Kondensator und einen Widerstand, die in 12 gezeigt sind, und ein gegenüber dem Überwachungssignal A phasenverschobenes Signal, wie durch die Wellenform H von 10 gezeigt, wird einem nicht-invertierten Eingangsanschluss des Ladeverstärkers 20 zugeführt. Weil jedoch der invertierte Eingang und der nicht-invertierte Eingang des Ladeverstärkers 20 im Wesentlichen das gleiche Potential aufweisen, erscheint das Signal, das vom Injektor 37 dem nicht-invertierten Eingangsanschluss zugeführte wird, auch an dem invertierten Eingangsanschluss des Ladeverstärkers 20, wie durch die Wellenform D in 10 gezeigt.
Als Ergebnis dessen wird ein Verschiebungsstrom ID, der durch die Wellenform D (unterbrochene Linie) von 10 gezeigt wird, an den Kapazitätskomponenten Cs1 und Cs2 der piezoelektrischen Elemente 13a und 14a erzeugt, die mit dem invertierten Eingangsanschluss verbunden sind, und eine durch die Wellenform E von 10 gezeigte Spannung wird vom Ladeverstärker 20 ausgegeben. Die Ausgangsspannung ve am Punkt E wird durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt: ve = Vm·α·(1/C0)·(Cs1 + Cs2)·IDL⌀ (3)

ve:: Ausgangsspannung E (Vp-p) des Ladeverstärkers.
Vm:: Überwachungsspannung (Vp-p),
α:: Dämpfungsfaktor (0 < α < 1) des Dämpfers 36,
L: ⌀: Phasenverschiebung (0°< ⌀ < 90°) durch den Injektor 37,
C0:: Rückkopplungskapazität (pF) des Ladeverstärkers 20, und
ID:: Verschiebungsstrom (pA).

Das am Ausgangsanschluss 24 erhaltene Signal Vout wird durch die folgende Gleichung (4) ausgedrückt. Vout = A·D·Vm·α·(1/C0)·(Cs1 + Cs2)·ID·sinα (4)

D:: Erfassungskonstante des Synchrondetektors 22, und
A:: Gleichstromverstärkung des Tiefpassfilters 23.

Weil das in 10 gezeigte Signal E um/o gegenüber dem Überwachungssignal A phasenverschoben ist, wird das Signal E am Synchrondetektor 22 erfasst, nachdem es am Bandpassfilter 21 verstärkt wurde, wobei nur eine der Phasenverschiebung entsprechende Signalkomponente extrahiert, am Tiefpassfilter 23 verstärkt und vom Anschluss 24 als Gleichstrom-Offset-Komponente ausgegeben wird. Normalerweise ist es von Nutzen, die Offset-Spannung des Ausgangs, die beispielsweise 2,5 V beträgt, unter Berücksichtigung dieser Gleichstrom-Offset-Komponente anzupassen.
Aus Gleichung (3), weil das in 10 gezeigte Signal jeweils proportional zu der Kapazität Cs1 oder Cs2 des piezoelektrischen Elements 13a oder 14a für Winkelgeschwindigkeitserfassung ist, wenn beispielsweise an dem Punkt B oder C von 9 eine Unterbrechung auftritt, ergibt sich eine Signalpegelvariation, wie durch die Wellenformen E und F von 10 gezeigt, und als Ergebnis dessen variiert der Spannungspegel an dem Ausgangsanschluss 24. Die Abnormalität wird beispielsweise durch eine Schwellenwertbestimmung dieser Pegelvariation als Fehlfunktion des Sensors ermittelt.
Weil das Eingangssignal des Injektors 37 aus einem Überwachungssignal der Ansteuerschaltung erhalten wird und das Ausgangssignal an den Eingangsanschluss des Ladeverstärkers 20 angelegt wird, erscheint bei einer Fehlfunktion einer Komponente oder irgendeines Teils der Stimmgabel, der Ansteuerschaltung oder der Erfassungsschaltung ein Signal am Ausgangsanschluss 24 als eine Variation der Gleichstrom-Offset-Komponente, und es ist immer möglich, eine Fehlfunktion des Sensors zu erfassen.
(Zweite Ausführungsform)
13 ist ein Schaltplan eines Winkelgeschwindigkeitssensors einer zweiten Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich zu der ersten Ausführungsform ist der Eingang des Injektors 37 in dieser Ausführungsform wählbar gemacht worden, um eine Verbindung zum Ausgang des Dämpfers 36 oder zur Erdung über einen Schalter 38 herzustellen, der durch ein externes Signal von einem Steueranschluss 39 gesteuert wird. Ein Schaltplan des wesentlichen Teils ist in 14 gezeigt, und die Wellenformen sind in 15 gezeigt.
Weil das am Dämpfer gedämpfte Überwachungssignal I sich normalerweise durch den Schalter 38 in einem Trennungszustand vom Injektor 37 befindet, wird das Überwachungssignal I nicht zu dem Injektor übertragen, und dementsprechend befinden sich die Sensorausgänge in einem normalen Zustand. Wenn ein durch die Wellenform J von 15 gezeigtes Signal, wie beispielsweise ein Prüfsignal, von einem Computer an den in 13 gezeigten Steueranschluss 39 angelegt wird, schließt sich der Schalter 38 und das Signal I vom Dämpfer 36 wird zum Injektor 37 übertragen. Als Ergebnis dessen variieren die Signale an jedem Punkt, wie durch die Wellenformen H, D, E und F von 15 gezeigt, und eine mit einem Prüfsignal verknüpfte und an den Steueranschluss 39 angelegte Offset-Spannung wird am Ausgangsanschluss 24 erzeugt, wie durch die Wellenform G von 15 gezeigt. Weil diese Offset-Variation durch die Gleichung (4) der ersten Ausführungsform bestimmt wird, lässt sich eine Sensorabnormalität durch Überwachen dieser Offset-Variation erkennen.
(Dritte Ausführungsform)
16 ist ein Schaltplan eines Winkelgeschwindigkeitssensors einer dritten Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Wellenformen sind in 17 gezeigt. Die dritte Ausführungsform sieht vor, dass ein Eingangsanschluss für das externe Signal gemeinsam mit einem Ausgangsanschluss 29 der Bestimmungsschaltung 28 verwendet wird. Die Bestimmungsschaltung 28 überwacht beispielsweise den Ausgang E der Ladeverstärkers 20 und erfasst eine abnormale Spannung, die beispielsweise durch einen abnormalen Stoß oder eine von außen verursachte Vibration der Stimmgabel erzeugt wird, und gibt ein Signal, das über die Anormalität informiert, vom Anschluss 29 nach außen aus. Obwohl der Steuersignal-Eingangsanschluss des Schalters 38 gemeinsam mit dem Ausgangsanschluss 29 verwendet wird, wird der Verbindungs-/Trennungs-Logikwert so eingestellt, dass er zum Logikausgang der Bestimmungsschaltung 28 invers ist. Daher wird in einem normalen Zustand, in dem der Schalter 38 nicht arbeitet, eine abnormale Spannung, die durch einen abnormalen Stoß oder eine von außen verursachte Vibration erzeugt wird, erfasst und die Abnormalität wird nach außen gemeldet. In einem Zustand, in dem der Sensor geprüft wird, indem ein Prüfsignal vom Anschluss 29 eingegeben wird und der Sensorausgang des Anschlusses 24 überwacht wird, kann eine Multifunktionsdiagnose der Fehlfunktion vorgenommen werden, indem nur ein Anschluss verwendet wird, und eine hohe Kostenleistung kann verwirklicht werden.
In dem Fall, in dem der Verbindungs-/Trennungs-Logikwert des Schalters 38 gleich dem logischen Wert der Bestimmungsschaltung 28 gesetzt wird, ist es möglich, in einen Selbstdiagnosemodus zu wechseln, indem der Schalter 38 durch den logischen Ausgang der Bestimmungsschaltung 28 erzwungen betätigt wird, und es ist des Weiteren möglich, ein Signal als einen Abnormalitäts-Erfassungszustand am Anschluss 29 auszugeben, bis ein Rücksetzsignal für eine Selbstdiagnose von außen zugeführt wird.
Obwohl hier eine Ausführungsform beschrieben wird, in der ein Sensorbetriebszustand unter Verwendung eines Sensorsignals mitgeteilt wird, kann der Sensorausgang auch im Offset eingestellt werden. In diesem Fall ist es von Nutzen, eine Dämpfungsgröße des Dämpfers 36 einzustellen oder das Offset einzustellen, indem die Phasenverschiebungsgröße durch den Injektor 37 eingestellt wird. Es ist möglich, einen Temperaturausgleich für den Sensorausgang vorzunehmen, indem unter Verwendung eines temperaturempfindlichen Elements veranlasst wird, dass eine Dämpfungsgröße oder eine Phasenverschiebungsgröße mit der Temperatur variieren.
Dergleichen ist der Fall, wenn der Ausgang des Injektors 37 an das Bandpassfilter 21 und den Synchrondetektor 22 angelegt wird.

Claims

Winkelgeschwindigkeitssensor, der umfasst: ein Sensorelement mit einem Ansteuerteil (11, 11a, 12, 12a) und einem Detektorteil (13, 13a, 14, 14a) zum Erfassen einer Winkelgeschwindigkeit; eine Ansteuereinrichtung, die eine Ansteuerschaltung (15) zum Zuführen eines Ansteuersignals zu dem Ansteuerteil des Sensorelements sowie eine Überwachungsschaltung enthält, an die ein Überwachungssignal (A) von dem Sensorelement angelegt wird, wobei die Ansteuereinrichtung den Ansteuerteil (11, 11a, 12, 12a) des Sensorelements stabil ansteuert und in Schwingung versetzt, indem sie einen Ausgang der Überwachungsschaltung über eine AGC-Schaltung (19) an die Ansteuerschaltung (15) anlegt; eine Erfassungseinrichtung, die einen Ladeverstärker (20), an den ein Ausgang von dem Detektorteil (13, 13a, 14, 14a) des Sensorelementes angelegt wird, und einen Synchrondetektor (22) enthält, an den ein Ausgang des Ladeverstärkers über ein Bandpassfilter (21) angelegt wird, wobei die Erfassungseinrichtung synchron einen Ausgang des Bandpassfilters erfasst, der mit dem Ansteuersignal von der Ansteuereinrichtung synchronisiert ist, und ein Winkelgeschwindigkeitssignal ausgibt; und eine Selbstdiagnoseeinrichtung (36, 37), die eine Abnormalität des Sensors erfasst und ein Selbstdiagnosesignal ausgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstdiagnoseeinrichtung (36, 37) eine Abnormalität des Sensors erfasst, indem sie direkt ein mit dem Ansteuersignal der Ansteuereinrichtung synchronisiertes Signal an einen nicht invertierten Eingangsanschluss des Ladeverstärkers (20) anlegt.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, wobei ein mit einem Ansteuersignal zur Selbstdiagnose synchronisiertes Signal ein Überwachungssignal (A) von dem Sensorelement ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Selbstdiagnoseeinrichtung umfasst: einen Dämpfer (36), der ein mit dem Ansteuersignal synchronisiertes Signal dämpft, und einen Injektor (37), der das Signal von dem Dämpfer in den nicht invertierten Eingang des Ladeverstärkers (20) injiziert.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3, wobei der Dämpfer (36) so zusammengesetzt ist, dass er den Dämpfungsfaktor ändern kann.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Injektor (37) so zusammengesetzt ist, dass er die Phase eines mit dem Ansteuersignal synchronisierten Signals variiert und ausgibt.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, der des Weiteren umfasst: eine Selektionseinrichtung (38), die die Selbstdiagnoseeinrichtung (36, 37) entweder in einen Arbeitszustand und einen Nichtarbeitszustand selektiert.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach den Ansprüchen 3 und 6, wobei die Selektionseinrichtung ein Schalter (38) ist, der zwischen dem Dämpfer (36), der die Selbstdiagnoseeinrichtung bildet, und dem Injektor (37) vorhanden ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 6, wobei die Selektionseinrichtung ein Schalter (38) ist, der ein mit einem Ansteuersignal synchronisiertes Signal, das dem Synchron-Detektor (22) vorangehenden Schaltungen zugeführt wird, gemäß einer externen Handhabung verbindet oder trennt.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 6, der des Weiteren eine Bestimmungseinrichtung (28) enthält, die einen Signalpegel der Erfassungseinrichtung während des Nicht-Arbeitszustandes der Selbstdiagnoseeinrichtung (36, 37) erfasst und der kontinuierlich eine Abnormalität des Sensorelementes bestimmt.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 9, der so zusammengesetzt ist, dass er einen Eingangsanschluss für das Ansteuersignal der Selektionseinrichtung (38) elektrisch mit einem Ausgangsanschluss (29) der Bestimmungseinrichtung (28) verbindet, so dass ein logischer Verbindungs-/Trenn-Wert als die Selektionseinrichtung (38) invers zu einem logischen Ausgang einer Bestimmungs schaltung als der Bestimmungseinrichtung (28) ist und es nicht zu Fehlfunktion der Selektionseinrichtung (38) durch den logischen Ausgang der Bestimmungsschaltung kommt.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 9, der so zusammengesetzt ist, dass er einen Eingangsanschluss für das Ansteuersignal der Selektionseinrichtung (38) elektrisch mit einem Ausgangsanschluss (29) der Bestimmungseinrichtung (28) verbindet, so dass eine logischer Verbindungs-/Trenn-Wert als die Selektionseinrichtung (38) einem logischen Ausgang einer Bestimmungsschaltung als der Bestimmungseinrichtung (28) gleich ist, um die Selektionseinrichtung (38) zwangsweise durch den logischen Ausgang der Bestimmungsschaltung zu betreiben und in einen Selbstdiagnose-Modus überzugehen.