JP2002228452A - 振動ジャイロおよびそれを用いた電子装置および振動ジャイロの自己診断方法 - Google Patents
振動ジャイロおよびそれを用いた電子装置および振動ジャイロの自己診断方法Info
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Abstract
ことのできる振動ジャイロおよび振動ジャイロの自己診
断方法を提供する。 【解決手段】 スイッチ13で圧電振動子2の検出負荷
インピーダンス14の抵抗値を切り換えて検出負荷イン
ピーダンス15の抵抗値と異ならせることによって、検
出電極2Lおよび2Rから差動回路7に入力される信号
の振幅を互いに異ならせ、これによるコリオリ信号の変
化を検出する。 【効果】 振動子の検出電極の短絡も含めて、振動ジャ
イロの自己診断を行うことができる。
Description
び振動ジャイロの自己診断方法に関する。
装置や、自動車のナビゲーションシステムなどに用いら
れる振動ジャイロには、その異常を自己診断する機能が
求められている。自己診断に関する公知文献としては、
特開平3−159877号公報、特開平4−21501
7号公報、特開平5−133755号公報、特開平6−
58760号公報、特開平6−207946号公報、特
開平9−281138号公報、特開平11−51655
号公報、特開2000−2542号公報などがある。
(1)振動子の駆動信号および差動出力信号をモニター
して、そのレベルが所定の範囲を超えると異常と判断す
る、(2)差動回路と同期検波回路の間に同期検波信号
に同期した信号を印加して出力信号をモニターし、その
値が所定の範囲を超えると異常と判断する、というもの
である。
自己診断方法(1)では、異常かどうかの診断はできる
が、振動ジャイロのどこにその異常の原因があるのか分
からないという問題があった。
動回路の後に同期検波信号に同期した信号を印加するた
め、その信号を印加した位置より後段の回路の異常は診
断できるが、振動子そのものの異常、例えば振動子の複
数の検出電極の短絡あるいは開放などは診断できないと
いう問題があった。また、この方法では付加する回路が
多く、回路規模が大きくなるため、コストや信頼性の面
でも問題となりやすい。
的とするもので、振動子とその周辺回路の異常を、より
安価に、より信頼性高く自己診断することのできる振動
ジャイロおよびそれを用いた電子装置および振動ジャイ
ロの自己診断方法を提供する。
に、本発明の振動ジャイロは、複数の検出電極を有する
とともに駆動信号および印加される角速度に応じた振動
をする振動子と、該振動子を振動させるための駆動信号
を前記振動子に印加する振動子駆動手段と、前記複数の
検出電極に接続されて、前記振動子の振動によって前記
複数の検出電極に発生する電荷をそれぞれ電圧信号に変
換する複数の検出負荷インピーダンスと、前記複数の電
圧信号から角速度に応じたコリオリ信号を出力するコリ
オリ力検出手段とを備えた振動ジャイロであって、前記
複数の検出負荷インピーダンスの中の少なくとも1つの
インピーダンス値を切り換えるインピーダンス切換手段
を備えたことを特徴とする。
の検出負荷インピーダンスの中の少なくとも1つのイン
ピーダンス値が切り換えられることによる前記コリオリ
信号の変化から自己診断をする自己診断手段を備えたこ
とを特徴とする。
診断手段が、前記検出負荷インピーダンスの中の少なく
とも1つのインピーダンス値が切り換えられることによ
る前記コリオリ信号の過渡特性から自己診断をすること
を特徴とする。
負荷インピーダンスが抵抗であることを特徴とする。
法は、複数の検出電極を有するとともに駆動信号および
印加される角速度に応じた振動をする振動子と、該振動
子を振動させるための駆動信号を前記振動子に印加する
振動子駆動手段と、前記振動子の振動によって前記複数
の検出電極に発生する電荷をそれぞれ電圧信号に変換す
る複数の検出負荷インピーダンスと、前記複数の電圧信
号から角速度に応じたコリオリ信号を出力するコリオリ
力検出手段とを備えた振動ジャイロの自己診断方法であ
って、前記複数の検出負荷インピーダンスの中の少なく
とも1つのインピーダンス値が切り換えられることによ
る前記コリオリ信号の変化から自己診断をすることを特
徴とする。
法は、前記複数の検出負荷インピーダンスの中の少なく
とも1つのインピーダンス値が切り換えられることによ
る前記コリオリ信号の過渡特性から自己診断をすること
を特徴とする。
法は、前記検出負荷インピーダンスが抵抗であることを
特徴とする。
振動ジャイロおよびその自己診断方法においては、振動
子とその周辺回路の異常を自己診断することができる。
性の向上を図ることができる。
一実施例の概略ブロック図を示す。図1において、振動
ジャイロ1は、振動子の一種である圧電振動子2、抵抗
R1、R2およびR3、加算回路3、移相回路4および
17、増幅回路5、差動回路7、同期検波回路8、平滑
回路9、直流増幅回路10、スイッチ13から構成され
ている。
す。圧電振動子2は、厚み方向に分極されるとともに一
方主面に検出電極2L、2Rが形成された圧電体基板2
Uと、厚み方向に分極されるとともに一方主面に共通電
極2Cが形成された圧電体基板2Dが、中間電極2Fを
介して他方主面同士で貼り合わされて構成されている。
振動子2の検出電極2Lは、抵抗R1を介してスイッチ
13の共通端子に接続されている。スイッチ13の切り
換え端子の一方側は直接基準電位に接続され、他方側は
抵抗R3を介して基準電位に接続されている。また、圧
電振動子2の検出電極2Rは、抵抗R2を介して基準電
位に接続されている。このうち、抵抗R1、R3、スイ
ッチ13は検出負荷インピーダンス14を構成してい
る。また、抵抗R2は単独で検出負荷インピーダンス1
5を構成している。2つの検出電極2L、2Rは、加算
回路3に接続され、その出力は移相回路4と増幅回路5
を順に介して圧電振動子2の共通電極2Cに接続されて
いる。また、同じく2つの検出電極2L、2Rは、差動
回路7に接続され、その出力は同期検波回路8、平滑回
路9、および直流増幅回路10を介して出力端子12に
接続されている。加算回路3の出力は移相回路17を介
して同期検波回路8にも接続されている。制御信号入力
端子16はスイッチ13の制御端子に接続されている。
いて、2つの検出電極2L、2Rに発生する電荷は検出
負荷インピーダンス14、15によって電圧に変換さ
れ、加算回路3に入力されて加算され、移相回路4で位
相が調節され、増幅回路5で増幅されて共通電極2Cに
印加される。これによって、圧電振動子2は厚み方向
(圧電体基板2U、2Dの厚み方向)に屈曲振動するよ
うに自励発振で駆動される。したがって、加算回路3、
移相回路4、および増幅回路5は圧電振動子駆動手段6
を構成している。なお、スイッチ13の共通端子は通常
は切換端子の一方側に接続されているため、検出負荷イ
ンピーダンス14の抵抗値は抵抗R1の抵抗値となって
いる。また、前述のように抵抗R1と抵抗R2の抵抗値
は等しい。そのため、検出負荷インピーダンス14の抵
抗値が切り換えられる前の状態であって、しかも角速度
の印加されない状態においては、検出負荷インピーダン
ス14と15の抵抗値は等しく、2つの検出電極2L、
2Rで発生する信号に差はない。なお、これ以降、「検
出電極で発生する信号」と言うような場合は、「検出電
極で発生する電荷を検出負荷インピーダンスで電圧に変
換して得られる信号」を意味するものとする。
曲振動する圧電振動子2に、その長手方向に平行な軸を
回転の軸とする角速度が印加されると、圧電振動子2は
コリオリ力によって幅方向(圧電体基板2U、2Dの幅
方向)にも屈曲振動する。これによって、2つの検出電
極2L、2Rで発生する信号にも、コリオリ力に応じて
互いに逆方向の変化が生じる。
は差動回路7にも入力されて、その差の信号(差動信
号)が出力される。この差動信号はコリオリ力に応じた
ものとなる。差動信号は同期検波回路8で移相回路17
から入力された同期信号によって同期検波され、平滑回
路9で平滑され、直流増幅回路10で増幅されて出力端
子12から出力される。したがって、移相回路17、差
動回路7、同期検波回路8、平滑回路9、および直流増
幅回路10はコリオリ力検出手段11を構成している。
なお、ここでは、この出力端子12から出力される信号
をコリオリ信号と称する。
れていないときに、制御信号入力端子16から入力され
る制御信号に応じて、スイッチ13の共通端子の接続さ
れる相手が切換端子の一方側から他方側に切り換えられ
ることによって、検出電極2Lに接続されている検出負
荷インピーダンス14の抵抗値が変化する。具体的には
検出電極2Lに接続される検出負荷インピーダンスの値
は、抵抗R1のみの抵抗値から抵抗R1と抵抗R3の抵
抗値を足した値に変化する。一方、検出負荷インピーダ
ンス15の抵抗値は抵抗R2の抵抗値のまま変わらない
ため、2つの検出負荷インピーダンス14、15の抵抗
値に差が生じる。その結果として、検出電極2L、2R
から差動回路7に入力される信号の振幅にも差が生じ
る。
抗値が切り換えられる前後における検出電極2L、2R
から差動回路7に入力される信号の振幅の変化について
図3を参照して説明する。
り換えられる前の状態であって、しかも角速度の印加さ
れない状態においては、検出電極2Lと2Rから差動回
路7に入力される信号は、圧電振動子2の厚み方向の屈
曲振動に対応する信号であるため、図3に示すように振
幅の一致した正弦波となる。ここでは、検出電極2Lか
ら差動回路7に入力される信号を実線で、検出電極2R
から差動回路7に入力される信号を破線で示している
が、重なっているために図3においては実線にしか見え
ない。差動回路7からは2つの信号の差に相当する信号
が出力されるが、2つの信号が一致しているために差の
信号はゼロとなる。そのため、同期検波回路8からの出
力や直流増幅回路10からの出力もゼロとなる。
れる制御信号にしたがってスイッチ13を切り換えて、
共通端子を切換端子の他方側と接続することによって、
検出負荷インピーダンス14の抵抗値を切り換えた状態
を考える。検出負荷インピーダンス14の抵抗値を切り
換えると、図3に示すように、検出電極2Lから差動回
路7に入力される信号(実線で示す)の振幅が抵抗値の
変化に応じて変化する。一方、検出電極2Rから差動回
路7に入力される信号(破線で示す)には変化はない。
そのため、差動回路7からはその差に応じた信号、すな
わち検出負荷インピーダンスの差に応じた振幅の正弦波
信号が出力される。この信号は同期検波回路8で同期検
波され、平滑回路9で平滑され、直流増幅回路10で増
幅されて出力端子12にコリオリ信号として出力され
る。
ンス14の抵抗値を切り換えることによって出力端子1
2に出力されるコリオリ信号は、抵抗値の変化に応じた
大きさだけ変化するが、この変化は抵抗R1や抵抗R3
の抵抗値などからあらかじめ予測される、あるいは測定
し得るものである。そこで、出力端子2に接続される何
らかの回路によって、このコリオリ信号の大きさの変化
が所定の範囲に入っているかどうかを確認することによ
って、振動ジャイロ1が正常に動作しているかどうかを
自己診断することができる。
ダンス14の抵抗値を切り換えたときのコリオリ信号が
所定値より大きかったり小さかったりすると、コリオリ
力検出手段11のどこかに異常があるということが分か
る。
短絡している場合には、2つの検出電極2L、2Rの検
出負荷インピーダンスが一致することになるため、本来
検出電極2Lの検出負荷インピーダンス14の抵抗値の
切換によって変化すべきコリオリ信号が変化しないとい
うことになる。このように、振動ジャイロ1において
は、検出負荷インピーダンス14の抵抗値を切り換える
ことによって、圧電振動子2自身の異常についても診断
することができるようになる。すなわち、インピーダン
ス素子と切換手段を付加するだけという非常にシンプル
な構成で、自己診断が可能となるという優れた効果を有
している。
例の概略ブロック図を示す。図4において、図1と同一
もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省
略する。
に示した振動ジャイロ1に加えて、直流増幅回路10の
出力に接続された自己診断手段である自己診断回路21
を備えている。自己診断回路21の出力は診断結果出力
端子22に接続されている。
おいては、振動ジャイロ20自身が自己診断回路21を
備えており、外部に自己診断のための回路を新たに設け
る必要がない。
の実施例の概略ブロック図を示す。図5において、図1
と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説
明を省略する。
圧電振動子2の検出電極2Rは抵抗R2を介してスイッ
チ31の共通端子に接続されている。スイッチ31の切
り換え端子の一方側は直接基準電位に接続され、他方側
は抵抗R4を介して基準電位に接続されている。このう
ち、抵抗R2、抵抗R4、スイッチ31は検出負荷イン
ピーダンス32を構成している。また、制御信号入力端
子16はスイッチ13の制御端子に加えてスイッチ31
の制御端子にも接続されている。そして、抵抗R1と抵
抗R2の抵抗値は等しく、抵抗R3と抵抗R4の抵抗値
は異なっている。
おいて、スイッチ13の共通端子は通常は切換端子の一
方側に接続されているため、検出負荷インピーダンス1
4の抵抗値は抵抗R1の抵抗値となっている。一方、ス
イッチ31の共通端子も通常は切換端子の一方側に接続
されているため、検出負荷インピーダンス32の抵抗値
は抵抗R2の抵抗値となっている。前述のように抵抗R
1と抵抗R2の抵抗値は一致しているため、検出負荷イ
ンピーダンス14と検出負荷インピーダンス32の抵抗
値も通常は一致している。そのため、検出負荷インピー
ダンス14および32の抵抗値が切り換えられる前の状
態であって、しかも角速度の印加されない状態において
は、2つの検出電極2L、2Rで発生する信号に差はな
い。
されていないときに、制御信号入力端子16から入力さ
れる制御信号に応じて、スイッチ13およびスイッチ3
1の共通端子の接続される相手が切換端子の一方側から
他方側に切り換えられることによって、検出電極2L、
2Rに接続されている検出負荷インピーダンス14、3
2の抵抗値が変化する。具体的には検出電極2Lに接続
される検出負荷インピーダンスの値は、抵抗R1のみの
抵抗値から抵抗R1と抵抗R3の抵抗値を足した値に変
化する。一方、検出電極2Rに接続される検出負荷イン
ピーダンス32の値は、抵抗R2のみの抵抗値から抵抗
R2と抵抗R4の抵抗値を足した値に変化する。抵抗R
1と抵抗R2の抵抗値は等しいが、抵抗R3と抵抗R4
の抵抗値は異なっているため、2つの検出負荷インピー
ダンス14、32の抵抗値に差が生じる。その結果とし
て、検出電極2L、2Rから差動回路7に入力される信
号の振幅にも差が生じ、図1に示した振動ジャイロ1の
場合と同様に、出力端子12に検出負荷インピーダンス
の抵抗値の変化に応じたコリオリ信号が出力される。
インピーダンスの抵抗値を変える構成としても構わない
もので、図1に示した振動ジャイロ1の場合と同様の作
用効果を奏するものである。
変える方法としては図1や図5に示した構成に限定され
るものではなく、どのような構成でも構わないものであ
る。
動ジャイロ1に対する図4に示した振動ジャイロ20の
ように、図5に示した振動ジャイロ30において自己診
断回路を備えても構わないもので、振動ジャイロ20の
場合と同様の作用効果を奏するものである。
出負荷インピーダンスの中の少なくとも1つのインピー
ダンス値を切り換えた時に出力端子から出力されるコリ
オリ信号の大きさを確認することによって自己診断を行
う場合について説明してきたが、インピーダンス値を切
り換えることによるコリオリ信号の過渡特性から自己診
断をすることも可能である。その点について以下に示
す。
検出手段11においては、同期検波回路8の後段に、平
滑回路9の一部として図6に示すような高域の周波数を
減衰させるためのローパスフィルタ40が設けられる。
オペアンプQ3と入力端子inとオペアンプQ3の反転
入力端子の間に接続された抵抗R5と、オペアンプQ3
の出力端子と反転入力端子の間にそれぞれ接続された抵
抗R6およびコンデンサC1から構成されている。オペ
アンプQ3の非反転入力端子は基準電位に接続され、出
力端子は出力端子outに接続されている。
て、制御信号によって検出負荷インピーダンスのインピ
ーダンス値が切り換えられると、その入力端子inの信
号レベルが例えば0Vから所定の電圧までステップ状に
上昇する。しかしながら、出力端子outの信号レベル
は最終的には一定のレベルに達するものの、ステップ状
に変化することはなく、図7に示すように抵抗R6、コ
ンデンサC1の時定数によって立上り時間が異なる。そ
こで、この立上り時間や立上り波形、すなわち過渡特性
や電圧変化量を確認することによって、抵抗R5、R6
やコンデンサC1の値の変化があったかどうかを確認す
ることができる。また、出力信号が立ち上がらなかった
り電源電圧にクランプされた状態になった場合には、抵
抗R5、R6やコンデンサC1の短絡や開放があったか
どうかを確認することができる。
抗値が切り換えられたときのコリオリ信号の過渡特性を
確認することによって、振動ジャイロの回路における異
常のある場所を推定することもできる。
動子の検出電極に発生する交流電荷を交流電圧に変換す
るための検出負荷インピーダンスを有するものであれば
振動子の構成に関しては何等限定されるものではない。
上記の各実施例においては、圧電体からなる振動体に複
数の検出電極を形成してなる振動子を用いて説明してき
たが、例えば金属などの圧電体ではない振動体に面状の
圧電体を貼りつけて構成された振動子でも構わないもの
である。なおその場合には、圧電体の、振動体に貼りつ
けられる面ではない面に形成される電極が検出電極とな
る。
ような形状に限られるものではなく、三角柱などの多角
柱状や円柱状でも構わず、音叉状でも構わないものであ
る。
抵抗に限られるものではなく、インダクタンス素子やキ
ャパシタンス素子、あるいは抵抗を含めたそれらの合成
されたものであっても構わないものである。
ロの自己診断方法によれば、制御信号に応じて複数の検
出負荷インピーダンスの中の少なくとも1つのインピー
ダンス値を切り換え、そのときのコリオリ信号の変化を
検出することによって、安価で、しかも高い信頼性を持
って振動ジャイロの自己診断を行うことができる。
ロック図である。
斜視図である。
を示す波形図である。
ブロック図である。
す概略ブロック図である。
ィルタを示す回路図である。
す波形図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 複数の検出電極を有するとともに駆動信
号および印加される角速度に応じた振動をする振動子
と、該振動子を振動させるための駆動信号を前記振動子
に印加する振動子駆動手段と、前記複数の検出電極に接
続されて、前記振動子の振動によって前記複数の検出電
極に発生する電荷をそれぞれ電圧信号に変換する複数の
検出負荷インピーダンスと、前記複数の電圧信号から角
速度に応じたコリオリ信号を出力するコリオリ力検出手
段とを備えた振動ジャイロであって、 前記複数の検出負荷インピーダンスの中の少なくとも1
つのインピーダンス値を切り換えるインピーダンス切換
手段を備えたことを特徴とする振動ジャイロ。 - 【請求項2】 前記複数の検出負荷インピーダンスの中
の少なくとも1つのインピーダンス値が切り換えられる
ことによる前記コリオリ信号の変化から自己診断をする
自己診断手段を備えたことを特徴とする、請求項1に記
載の振動ジャイロ。 - 【請求項3】 前記自己診断手段は、前記検出負荷イン
ピーダンスの中の少なくとも1つのインピーダンス値が
切り換えられることによる前記コリオリ信号の過渡特性
から自己診断をすることを特徴とする、請求項2に記載
の振動ジャイロ。 - 【請求項4】 前記検出負荷インピーダンスが抵抗であ
ることを特徴とする、請求項1ないし3のいずれかに記
載の振動ジャイロ。 - 【請求項5】 複数の検出電極を有するとともに駆動信
号および印加される角速度に応じた振動をする振動子
と、該振動子を振動させるための駆動信号を前記振動子
に印加する振動子駆動手段と、前記振動子の振動によっ
て前記複数の検出電極に発生する電荷をそれぞれ電圧信
号に変換する複数の検出負荷インピーダンスと、前記複
数の電圧信号から角速度に応じたコリオリ信号を出力す
るコリオリ力検出手段とを備えた振動ジャイロの自己診
断方法であって、 前記複数の検出負荷インピーダンスの中の少なくとも1
つのインピーダンス値が切り換えられることによる前記
コリオリ信号の変化から自己診断をすることを特徴とす
る振動ジャイロの自己診断方法。 - 【請求項6】 前記複数の検出負荷インピーダンスの中
の少なくとも1つのインピーダンス値が切り換えられる
ことによる前記コリオリ信号の過渡特性から自己診断を
することを特徴とする、請求項5に記載の振動ジャイロ
の自己診断方法。 - 【請求項7】 前記検出負荷インピーダンスが抵抗であ
ることを特徴とする、請求項5または6に記載の振動ジ
ャイロの自己診断方法。
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