JP2001056224A - 角速度センサ - Google Patents

角速度センサ

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JP2001056224A
JP2001056224A JP11231098A JP23109899A JP2001056224A JP 2001056224 A JP2001056224 A JP 2001056224A JP 11231098 A JP11231098 A JP 11231098A JP 23109899 A JP23109899 A JP 23109899A JP 2001056224 A JP2001056224 A JP 2001056224A
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潤一 湯河
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克憲 松原
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    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5607Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating tuning forks

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 角速度センサに検出電極または回路に異常が
生じた場合の故障検出を目的とする。 【解決手段】 振動体1にドライブ振動を与える第1励
振部2a,2bと、振動体1の振動レベルを検出する振
動検出部3と、入力角速度に応じたコリオリ振動を検出
するコリオリ検出部4a,4bとを持つ圧電体で構成し
た素子部と、振動検出部3の信号を入力とし第1励振部
2a,2bへの信号を出力する駆動回路8と、コリオリ
検出部4a,4bの信号を入力とする検出回路を持つ回
路部9で構成し、回路部9はコリオリ検出部の電荷の異
常レベルを判定するレベル判定回路11bを有し、異常
を検出した時に出力する出力手段であるフェール検出部
11を持つ角速度センサで、コリオリ検出部4a,4b
には単独ではレベル判定回路11bの基準レベル以上の
ドライブ振動成分を含み、合成後は基準レベル以下にな
るよう素子部の電極配置を調整した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は車両のブレーキ制御
やロールエアバックシステムに用いられる角速度センサ
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の角速度センサとして電装技術会会
報(Vol.38,No.3、1994年)第26ペー
ジから33ページに発表されたものが知られている。こ
の角速度センサは音叉振動体に振動を与える励振部と、
振動体の振動レベルを検出する手段と、角速度に応じて
生ずるコリオリ力を検出する検出手段と、前記振動レベ
ルを検出する手段の出力信号を増幅する第1の増幅器と
前記第1の増幅器からの出力電圧の位相を90度シフト
した電圧を前記比較部からの出力電圧によって増幅する
増幅度が変化し音叉振動体の振幅を一定に制御するよう
に前記励振部に接続した可変利得増幅器より構成してい
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では検出
電極と検出回路との接続ラインの断線、もしくは検出電
極の劣化による感度の変化、検出回路の故障が生じたと
してもこれを検出することが困難でありセンサの信頼性
を確保する妨げとなっていた。
【0004】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で角速度センサの故障、劣化に対してもこれを検出でき
る機能を有する角速度センサを提供することを目的とす
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、振動体にドライブ振動を与える第1励振部
と、振動体の振動レべルを検出する振動検出部と、入力
角速度に応じて生ずるコリオリ振動を検出する少なくと
も2つのコリオリ検出部とを有する圧電体で構成された
素子部と、前記振動検出部からの信号を入力とし前記第
1励振部への信号を出力する駆動回路と、前記コリオリ
検出部からの信号を入力とする検出回路を有する回路部
によって構成され、前記回路部は少なくともコリオリ検
出部に生ずる電荷の異常レベルを判定するレベル判定回
路を有し、異常を検出した場合に出力する出力手段を有
した角速度センサにおいて、前記各々のコリオリ検出部
には単純では前記レベル判定回路の基準レベル以上のド
ライブ振動成分を含み、かつ合成後は基準レベル以下に
なるように前記素子部の電極配置を調整した構成である
ため、コリオリ検出部から検出回路への入力線が1本断
線した際にレベル判定回路によりこの異常を検出するこ
とが可能となる。
【0006】
【発明の実施の形態】本発明の請求項1に記載の発明
は、振動体にドライブ振動を与える第1励振部と、振動
体の振動レべルを検出する振動検出部と、入力角速度に
応じて生ずるコリオリ振動を検出する少なくとも2つの
コリオリ検出部とを有する圧電体で構成された素子部
と、前記振動検出部からの信号を入力とし前記第1励振
部への信号を出力する駆動回路と、前記コリオリ検出部
からの信号を入力とする検出回路を有する回路部によっ
て構成され、前記回路部は少なくともコリオリ検出部に
生ずる電荷の異常レベルを判定するレベル判定回路を有
し、異常を検出した場合に出力する出力手段を有した角
速度センサにおいて、前記各々のコリオリ検出部には単
独では前記レベル判定回路の基準レベル以上のドライブ
振動成分を含み、かつ合成後は基準レベル以下になるよ
うに前記素子部の電極配置を調整した構成であるため、
コリオリ検出部から検出回路への入力線が1本断線した
際にレベル判定回路によりこの異常を検出することが可
能となる。
【0007】本発明の請求項2に記載の発明は、電極を
トリミングすることにより、2つのコリオリ検出部の出
力の合成後のドライブ振動成分をほぼ0に調整した請求
項1に記載の角速度センサであるため、検出回路の周期
検波回路部に入力される駆動振動成分を極めて低く抑え
ることが可能となるため、検出回路の位相ずれの温度特
性に起因する角速度センサの出力の温度ドリフトを低減
することが可能となる。
【0008】本発明の請求項3に記載の発明は、振動体
にドライブ振動を与える第1励振部と、振動体の振動レ
ベルを検出する振動検出部と、入力角速度に応じて生ず
るコリオリ振動を検出するコリオリ検出部とを有する圧
電体で構成された素子部と、前記振動検出部からの信号
を入力とし前記励振部への信号を出力する駆動回路と、
前記コリオリ検出部からの信号を入力とする検出回路を
有する回路部によって構成され、前記振動検出部の信号
を入力として90°位相シフトした信号を出力する第2
駆動回路と、それにより疑似コリオリ振動を誘発させる
第2励振部と、外部トリガーにより前記第2駆動回路の
第2励振部への接続を断続するスイッチ部とを備えた構
成であるため、疑似コリオリ振動を発生させることによ
り回路部を含めた角速度センサトータルでの自己診断が
可能となる。
【0009】本発明の請求項4に記載の発明は、振動体
にドライブ振動を与える第1励振部と、振動体の振動レ
ベルを検出する振動検出部と、入力角速度に応じて生ず
るコリオリ振動を検出するコリオリ検出部とを有する圧
電体で構成された素子部と、前記振動検出部からの信号
を入力とし前記第1励振部への信号を出力する駆動回路
と、前記コリオリ検出部からの信号を入力とする検出回
路を有する回路部によって構成され、第2の振動検出部
と、その信号を入力として90°位相シフトした信号を
出力する第2駆動回路と、それにより疑似コリオリ振動
を誘発させる第2励振部と、外部トリガーにより前記第
2駆動回路の第2励振部への接続を断続するスイッチ部
とを備えた構成であるため、請求項3と同様に疑似コリ
オリ振動を発生させることにより回路部を含めた角速度
センサトータルでの自己診断が可能となる。
【0010】本発明の請求項5に記載の発明は、低周波
の発振器と、変調器とを有し、前記変調器は第2駆動回
路の信号を搬送波として前記発振器の信号で振幅変調を
かけた信号を出力し、この信号を第2励振部に印加した
請求項3または請求項4記載の角速度センサであるた
め、疑似コリオリ振動の発生により交流の角速度信号相
当を発生させることが可能となる。これにより角速度セ
ンサのローパス・フィルタを含めたほぼ完全な自己診断
が可能となる。
【0011】本発明の請求項6に記載の発明は、素子部
が圧電体のバイモルフ構造である請求項1〜5のいずれ
か1つに記載の角速度センサであるため、極めて簡単な
構成でこれらの発明を実現可能となる。
【0012】本発明の請求項7に記載の発明は、第2駆
動回路は素子部のドライブインピーダンスの温度特性に
応じた補正を施した請求項3〜6のいずれか1つに記載
の角速度センサであるため、環境温度によらず安定した
疑似コリオリ振動を発生させることが可能となり、更に
信頼性の高い自己診断が可能となる。
【0013】以下、本発明の実施の形態について図面を
用いて説明する。
【0014】(実施の形態1)図1は本発明の実施の形
態1における角速度センサを示す図である。
【0015】図1(a)において1は圧電体によって構
成され厚み方向に積層されたバイモルフ音叉型角速度セ
ンサの振動体で、7a,7bはそれぞれの層の分極軸方
向を示したもので、2a,2bは振動体1に駆動振動を
誘発させるための第1励振部、3は振動体1の振動レベ
ルを検出するために振動体1に設けられた電極からなる
振動検出部、5は振動検出部3に対向する面に配置さ
れ、かつ振動検出部3の電極よりもその幅が小さくなる
ように形成されたフェール信号発生部、4a,4bは角
速度に応じて生ずるコリオリ力を検出するために振動体
1に設けられた電極からなるコリオリ検出部を示す。
【0016】一方図1(b)は回路部8を示し、9は駆
動回路、10はコリオリ検出部4a,4bの電極に生ず
る電荷を入力とし角速度の大きさに応じた電圧に変換す
る検出回路、11はコリオリ検出部4a,4bに過大な
電荷が発生することによる検出回路10の動作の不具合
を検出するためにレベル判定回路を設けたフェール検出
部である。
【0017】駆動回路9は振動体1の振動検出部(M端
子)3に接続され、振動検出部3が検出した振動体1の
振動に起因する電荷を増幅するモニタアンプ9aと、そ
の出力を全波整流する整流回路9bと、振動体1の振幅
を一定にコントロールするためのオート・ゲイン・コン
トロール(AGC)9cと、振動体1の第1励振部2a
(D+端子)、2b(D−端子)に接続され振動体1を
駆動する駆動アンプ9d,9eより構成され、振動体1
をその共振周波数で振動させる。
【0018】この時第1励振部2a,2bには駆動アン
プ9d,9eより逆相の交流信号が印加されている。こ
の第1励振部2aの電極に印加された駆動電流は中継電
極12a,12bを経て第1励振部2bの電極に流れ、
この電流のX軸方向成分により駆動振動を引き起こす応
力が発生する。ここで振動体1は圧電体により構成され
ているため、中継電極12a,12bは第1励振部2
a,2bの電極とで形成される容量成分で自動的に第1
励振部2a,2bの両電極間の中点電位にバイアスされ
る。
【0019】検出回路10は、コリオリ検出部4a(S
1端子)、4b(S2端子)に接続され、振動体1に回
転角速度が加わりコリオリ力に基づきコリオリ検出部4
a,4bに発生した電荷を増幅するセンサアンプ10
a,10bとそれを差動合成する差動合成部10cと、
90°の位相シフトを行う位相シフタ10dと、振動体
1の振動により変調されたコリオリ振動による信号を復
調する同期検波器10eと、不要帯域を遮断すると共に
DC増幅を行うローパスフィルタ10fより構成され、
角速度信号を出力する。
【0020】フェール検出部11は、位相シフタ10d
の出力を入力とし、それを全波整流する整流回路11a
と、そのレベルを判定するレベル判定回路11bから構
成され、センサの異常時にはDIAG信号を外部のコン
ピュータ等へ出力する。
【0021】ここで図1(a)は振動体1の断面図で、
駆動振動状態のある瞬間を示しており、その駆動振動に
起因する電荷が6a,6bである。
【0022】通常バイモルフ音叉構造振動型角速度セン
サでは電荷6a,6bは等しくなるため、コリオリ検出
部4a,4bの電極には振動検出部3より電荷6aが流
れ込み、回路部8のGND端子に接続されたフェール信
号発生部5に電荷6bが吐出されることにより駆動振動
成分は相殺され、コリオリ振動成分のみが出力される。
【0023】しかしながら本発明ではフェール信号発生
部5の電極幅(L2)を振動検出部3の電極幅(L1)
よりも小さくなるように形成することにより、あえて駆
動振動成分をアンバランスさせコリオリ検出部4a,4
bに駆動振動成分を出力させている。
【0024】このアンバランスで発生する駆動振動成分
はコリオリ検出部4a,4bで同相信号となるため、検
出回路10の差動合成部10cによりキャンセルされ
る。
【0025】図2はこの様子を説明するもので、図2
(a)通常動作時の回路部8の各波形を表したもので、
,はコリオリ検出部4a,4bに現れた駆動振動に
基づく電荷を電圧変換したもので、図1のTP1,TP
2の信号を表している。
【0026】同じく図2(a)のは前記2つの信号の
差分で、図1のTP3の信号を表したもので、前記2つ
の信号がそれぞれ同相であるため、レベルが等しい場合
は差分の信号は0となる。一方図2(a)のはこれを
90°位相シフトすると共に増幅した信号で、図1のT
P4の信号を示し、図2(a)のはこれを全波整流し
た波形を示すもので、図1のTP5の信号を示し、これ
を平滑した信号レベルは続くレベル判定回路11bの判
定基準を下回っている。
【0027】一方図2(b)はコリオリ検出部4b(S
2端子)の断線時を表したもので、のTP2の信号が
失われるため差動合成後の波形(TP3)には(T
P1)の波形がそのまま現れ、それを位相シフタで90
°シフト及び増幅した波形が(TP4)、これを全波
整流した波形が(TP5)で、これを平滑した信号レ
ベルは続くレベル判定回路11bの判定基準を上回るた
め、センサは外部のコンピュータへフェール信号を出力
する。
【0028】この時電極ずれ等により差動合成部10c
でのキャンセルが不十分な際には前記フェール検出部等
の電極をトリミングすることにより高精度化を図ること
も可能である。
【0029】(実施の形態2)図3は本発明の実施の形
態2における角速度センサを示す図である。
【0030】図3(a)において1は圧電体によって構
成され厚み方向に積層されたバイモルフ音叉型角速度セ
ンサの振動体で、7a,7bはそれぞれの層の分極軸方
向を示したもので、2a,2bは第1励振部、12bは
疑似コリオリ振動を誘発させるための中継電極と兼用の
第2励振部、3は振動体1の振動レベルを検出するため
に圧電体に設けられた電極である振動検出部、5は振動
検出部3に対向する面に配置された接地電極、4a,4
bは角速度に応じて生ずるコリオリ力を検出するために
圧電体に設けられた電極であるコリオリ検出部を示す。
【0031】次に図3(b)は回路部8を示し、9は駆
動回路、10はコリオリ検出部4a,4bの電極に生ず
る電荷を入力とし角速度の大きさに応じた電圧に変換す
る検出回路、13は外部トリガー16により前記第2励
振部12bに印加して疑似コリオリ振動を誘発させるた
めの第2駆動回路を示す。
【0032】振動体1は駆動回路9によってその共振周
波数で振動する。この時第1励振部2a,2bには駆動
アンプ9d,9eより逆相の交流信号が印加されてい
る。この第1励振部2aの電極に印加された駆動電流は
第2励振部12a,12bである中継電極を経て第1励
振部2bの電極に流れ、この電流のX軸方向成分により
駆動振動を引き起こす応力が発生する。
【0033】このセンサに回転角速度が印加されるとコ
リオリの力が生じその電荷がコリオリ検出部4a,4b
の電極に生じる。このコリオリ検出部4a,4bの電極
に生ずる電荷に生ずる電荷は逆位相となるように配置さ
れているため検出回路10の差動合成部10cで差動合
成され、位相シフター10dで90°位相をシフトした
後に同期検波器10eで検波し、その後ローパスフィル
タ10fで高域遮断をすると共に増幅して角速度信号を
出力する。
【0034】ここで第2駆動回路13は、駆動回路9よ
りの振動体1の駆動振動に基づく振動検出部3からの信
号をアンプ13aへの入力とし、それを次段の位相シフ
タで90°の位相シフトを行い、駆動振動とは90°位
相のずれた信号を作り出し、外部トリガー16のON/
OFFに基づき第2励振部の電極12bに印加させてい
る。
【0035】図3(a)はこの疑似コリオリ振動を誘発
させるために第2励振部12bに信号が印加された1瞬
間を示した振動体1の電流の流れを示す図であるが、こ
の信号により第2励振部12bから流れる電流を示した
のが14a,14bであり、電流14aにより縮みの応
力を、電流14bにより伸びの応力を作り出すことによ
り疑似コリオリ振動を作り出している。
【0036】次に図4はこの様子を信号波形で示した図
で、(a)はこの外部トリガー16がOFFの通常状態
を示し、(b)は外部トリガー16がONの状態を示し
ている。また図4(b)におけるの信号は振動検出部
3の信号を90°位相シフトさせたもので、前記第2励
振部12bに入力される。これは駆動振動の波形である
に対しても90°位相がずれた信号であり、これによ
りコリオリ振動と同位相の振動を作り出すことが可能と
なる。
【0037】この疑似コリオリ振動により発生した電荷
は2つのコリオリ検出部4a,4bに対して逆相で現
れ、差動合成後の波形がに示す通りである。これには
前記駆動振動成分も含めて表わしており、これを続く位
相シフタ、及び同期検波回路を経てのような波形とな
る。
【0038】ここで(a)の外部トリガーOFF時は検
波された波形の上下で面積比が等しくなるため、平滑後
のDC波形(出力15)は0を示すのに対し、(b)の
外部トリガーON時は検波波形の上下で面積比に差が生
じることにより出力15にはDCオフセットが生まれ
る。
【0039】このような構成の角速度センサで、センサ
が使用されるシステムのコントロールユニットの指令に
より外部トリガーをONすることで振動体1に規定の疑
似コリオリ振動を発生させることができるため、検出回
路10の出力15にDCオフセットを発生させることが
できる。
【0040】これを監視することにより前記信号線の断
線はもとより、回路部品の故障による感度変化等につい
ても正常であるか否かを判定することが可能となる。
【0041】更に第2駆動回路13に振動体1の圧電特
性や流体抵抗に起因するインピーダンスの温度特性を補
正する手段、例えばサーミスタ補正13d等を設けるこ
とにより、環境温度の如何に関わらず安定な疑似コリオ
リ振動を作り出すことができ、故障判定の精度を上げる
ことが可能となる。
【0042】また、更にこの第2駆動回路13に低周波
の発振器と掛け算回路を加え、位相シフタ13bの信号
を搬送波として前記発振器の信号で振幅変調をかけた信
号をスイッチ部13cを経て前記第2励振部12bに印
加する構成とすることにより、検出回路10の出力15
に交流信号を発生させることが可能となるため、前記検
出回路10のローパスフィルタ10fの特性を含めた形
での診断も可能となる。
【0043】(実施の形態3)図5は本発明の実施の形
態3における角速度センサを示す図である。
【0044】実施の形態2の中では第2励振部12bを
駆動する信号の源を振動検出部3の電荷に基づく信号よ
り得ていたが、本実施の形態3ではこれを振動検出部3
と対向する第2振動検出部17より得るもので、その他
の構成並びに動作原理も実施の形態2と同様である。し
かしながらこのような構成とすることにより振動体1上
に設けられた各電極からGND接続電極を完全に排除す
ることに成功している。
【0045】従って実施の形態2に比べてもより高い信
頼性を得ることが可能となる。
【0046】
【発明の効果】これらの構成によりコリオリ検出部から
の検出回路への入力線の断線検知が可能となり、また外
部入力により疑似コリオリ力を発生させることにより回
路部を含めたトータルの故障診断が可能となり、車両制
御やエアバックシステム等の高度の信頼性が要求される
アプリケーションに対応した角速度センサが提供でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)本発明の実施の形態1における角速度セ
ンサの構成図 (b)同回路部の回路図
【図2】(a)(b)本発明の実施の形態1における角
速度センサの信号波形を説明する図
【図3】(a)本発明の実施の形態2における角速度セ
ンサの構成図 (b)同回路部の回路図
【図4】(a)(b)本発明の実施の形態2における角
速度センサの信号波形を説明する図
【図5】(a)本発明の実施の形態3における角速度セ
ンサの構成図 (b)同回路部の回路図
【符号の説明】
1 振動体 2a,2b 第1励振部 3 振動検出部 4a,4b コリオリ検出部 5 フェール信号発生部 6a,6b 駆動振動に基づく電荷 7a,7b 分極軸方向を示す矢印 8 回路部 9 駆動回路 9a モニタアンプ 9b,11a 整流回路 9c AGC 9d,9e 駆動アンプ 10 検出回路 10a,10b センサアンプ 10c 差動合成部 10d,13d 位相シフタ 10e 同期検波器 10f ローパスフィルタ 11 フェール検出部 11b レベル判定回路 12a 中継電極 12b 中継電極兼第2励振部 13 第2駆動回路 13a アンプ 13c スイッチ部 13d サーミスタ 14a,14b 電流方向を示す矢印 15 出力(out) 16 外部トリガー 17 第2振動検出部

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 振動体にドライブ振動を与える第1励振
    部と、振動体の振動レべルを検出する振動検出部と、入
    力角速度に応じて生ずるコリオリ振動を検出する少なく
    とも2つのコリオリ検出部とを有する圧電体で構成され
    た素子部と、前記振動検出部からの信号を入力とし前記
    第1励振部への信号を出力する駆動回路と、前記コリオ
    リ検出部からの信号を入力とする検出回路を有する回路
    部によって構成され、前記回路部は少なくともコリオリ
    検出部に生ずる電荷の異常レベルを判定するレベル判定
    回路を有し、異常を検出した場合に出力する出力手段を
    有した角速度センサにおいて、前記各々のコリオリ検出
    部には単独では前記レベル判定回路の基準レベル以上の
    ドライブ振動成分を含み、かつ合成後は基準レベル以下
    になるように前記素子部の電極配置を調整した角速度セ
    ンサ。
  2. 【請求項2】 電極をトリミングすることにより、2つ
    のコリオリ検出部の出力の合成後のドライブ振動成分を
    ほぼ0に調整した請求項1に記載の角速度センサ。
  3. 【請求項3】 振動体にドライブ振動を与える第1励振
    部と、振動体の振動レベルを検出する振動検出部と、入
    力角速度に応じて生ずるコリオリ振動を検出するコリオ
    リ検出部とを有する圧電体で構成された素子部と、前記
    振動検出部からの信号を入力とし前記第1励振部への信
    号を出力する駆動回路と、前記コリオリ検出部からの信
    号を入力とする検出回路を有する回路部によって構成さ
    れ、前記振動検出部の信号を入力として90°位相シフ
    トした信号を出力する第2駆動回路と、それにより疑似
    コリオリ振動を誘発させる第2励振部と、外部トリガー
    により前記第2駆動回路の第2励振部への接続を断続す
    るスイッチ部とを有する角速度センサ。
  4. 【請求項4】 振動体にドライブ振動を与える第1励振
    部と、振動体の振動レベルを検出する振動検出部と、入
    力角速度に応じて生ずるコリオリ振動を検出するコリオ
    リ検出部とを有する圧電体で構成された素子部と、前記
    振動検出部からの信号を入力とし前記第1励振部への信
    号を出力する駆動回路と、前記コリオリ検出部からの信
    号を入力とする検出回路を有する回路部によって構成さ
    れ、第2の振動検出部と、その信号を入力として90°
    位相シフトした信号を出力する第2駆動回路と、それに
    より疑似コリオリ振動を誘発させる第2励振部と、外部
    トリガーにより前記第2駆動回路の第2励振部への接続
    を断続するスイッチ部とを有する角速度センサ。
  5. 【請求項5】 低周波の発振器と、変調器とを有し、前
    記変調器は第2駆動回路の信号を搬送波として前記発振
    器の信号で振幅変調をかけた信号を出力し、この信号を
    第2励振部に印加した請求項3または4に記載の角速度
    センサ。
  6. 【請求項6】 素子部が圧電体のバイモルフ構造である
    請求項1〜5のいずれか1つに記載の角速度センサ。
  7. 【請求項7】 第2駆動回路は素子部のドライブインピ
    ーダンスの温度特性に応じた補正を施した請求項3〜6
    のいずれか1つに記載の角速度センサ。
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