JP2006250643A - Abnormality detection device for angular velocity sensor - Google Patents

Abnormality detection device for angular velocity sensor Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the detection precision regarding the abnormality of the angular velocity sensor by detecting the oscillation frequency of the oscillator from the signal corresponding to the oscillation state. <P>SOLUTION: The angular velocity sensor comprises: the oscillator 1; the piezoelectric bodies 13, 14 being impressed with a driving signal for exciting the oscillator 1; the piezoelectric bodies 15, 16 for detecting the monitor signal corresponding to the oscillation of the oscillator 1; and the signal process circuit 100 for outputting the driving signal adjusted capable of keeping a certain oscillation amplitude of the ossillator 1. The signal process circuit 100 is provided with: a frequency dividing circuit 121 for outputting the frequency dividing signal by dividing the monitor signal or the driving signal; and the abnormality detection circuit 121 for detecting the abnormality of the oscillation, on the basis of whether the frequency of the frequency divided signal belongs to a prescribed frequency range. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、角速度センサの異常検出装置に関するものである。   The present invention relates to an abnormality detection device for an angular velocity sensor.

角速度センサの異常を検出可能な従来装置が、例えば特許文献1に開示されている。この従来装置は、角速度センサの振動子からのフィードバック信号(振動モニタ信号)の波形が正常及び異常のいずれの状態にあるかを判断するための波形判断手段を備えている。   A conventional apparatus capable of detecting an abnormality of an angular velocity sensor is disclosed in Patent Document 1, for example. This conventional apparatus includes waveform determining means for determining whether the waveform of the feedback signal (vibration monitor signal) from the vibrator of the angular velocity sensor is in a normal state or an abnormal state.

具体的には、振動子のフィードバック信号の振幅を検出して、この振幅が予め規定した振幅となっているか否かによって波形の正常・異常を判断している。ただし、その振幅に代えて、フィードバック信号の位相や周波数を検出しても良い旨が記載されている。
特開2002−188921号公報
Specifically, the amplitude of the feedback signal of the vibrator is detected, and whether the waveform is normal or abnormal is determined based on whether or not this amplitude is a predetermined amplitude. However, it is described that the phase and frequency of the feedback signal may be detected instead of the amplitude.
JP 2002-188921 A

角速度センサの駆動回路においては、通常、振動子を固有の共振周波数で励振するために、フィードバックループが形成される。すなわち、駆動回路は、AGC回路を備え、このAGC回路は、フィードバック信号の振幅に応じて、駆動信号の大きさを制御する。これにより、振動子の振動振幅は一定となり、その結果、振動子の振動周波数は、上述した共振周波数に一致することになる。   In an angular velocity sensor drive circuit, a feedback loop is usually formed in order to excite the vibrator at a specific resonance frequency. That is, the drive circuit includes an AGC circuit, and the AGC circuit controls the magnitude of the drive signal in accordance with the amplitude of the feedback signal. As a result, the vibration amplitude of the vibrator becomes constant, and as a result, the vibration frequency of the vibrator matches the resonance frequency described above.

ただし、例えば振動子に異物が付着していたり、振動子の一部が破損して振動子の形状が変化した場合には、上述したように振動子の振動振幅が一定となるように振動子を励振すると、振動子の振動周波数は、上述した共振周波数からずれる。従って、振動子の振動周波数の共振周波数からのずれ監視することで、振動子への異物付着や形状変化等の異常を検出することができる。   However, for example, when a foreign object adheres to the vibrator or a part of the vibrator is damaged and the shape of the vibrator is changed, the vibrator has a constant vibration amplitude as described above. Is excited, the vibration frequency of the vibrator deviates from the resonance frequency described above. Therefore, by monitoring the deviation of the vibration frequency of the vibrator from the resonance frequency, it is possible to detect abnormalities such as adhesion of foreign matter to the vibrator and shape change.

ここで、振動子の振動周波数は、外乱振動等の影響を受けないように、例えば2kHz以上の高周波に設定されることが多い。しかしながら、例えば内部に発振回路を備える電子部品は、このような高周波帯域に属する高周波ノイズを発生する場合がある。このような高周波ノイズが、振動周波数の監視回路に作用すると、振動子からのフィードバック信号に基づいて、振動子の振動周波数を精度良く検出することが困難になる。   Here, the vibration frequency of the vibrator is often set to a high frequency of, for example, 2 kHz or more so as not to be affected by disturbance vibration or the like. However, for example, an electronic component having an oscillation circuit therein may generate high frequency noise belonging to such a high frequency band. When such high frequency noise acts on the vibration frequency monitoring circuit, it becomes difficult to accurately detect the vibration frequency of the vibrator based on the feedback signal from the vibrator.

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、振動子の振動状態に応じた信号から、振動子の振動周波数を精度良く検出し、もって角速度センサの異常に関する検出精度を向上した角速度センサの異常検出装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described points, and can accurately detect the vibration frequency of the vibrator from a signal corresponding to the vibration state of the vibrator, thereby improving the detection accuracy regarding abnormality of the angular velocity sensor. An object of the present invention is to provide a sensor abnormality detection device.

上述した目的を達成するために、請求項1に記載の角速度センサの異常検出装置は、
振動子と、
振動子が励振されたときに、当該振動子の振動に応じたモニタ信号を出力するモニタ信号出力手段と
振動子を励振させるための駆動信号を出力するものであって、モニタ信号に基づいて、振動子の振動振幅が一定となるように調整された駆動信号を出力する駆動信号出力回路とを有する角速度センサにおける異常検出装置であって、
モニタ信号又は駆動信号を分周して分周信号を出力する分周手段と、
分周信号の周波数が、所定の周波数範囲に属するか否かに基づいて、振動子の異常を判定する判定手段とを備えることを特徴とする。
In order to achieve the above-described object, an abnormality detection device for an angular velocity sensor according to claim 1 is provided.
A vibrator,
When the vibrator is excited, it outputs a monitor signal output means for outputting a monitor signal corresponding to the vibration of the vibrator and a drive signal for exciting the vibrator, and based on the monitor signal, An abnormality detection device in an angular velocity sensor having a drive signal output circuit that outputs a drive signal adjusted so that the vibration amplitude of the vibrator becomes constant,
Frequency dividing means for dividing the monitor signal or the drive signal and outputting the divided signal;
And determining means for determining abnormality of the vibrator based on whether or not the frequency of the frequency-divided signal belongs to a predetermined frequency range.

上述したように、請求項1に記載の角速度センサの異常検出装置は、分周回路を備えているので、モニタ信号又は駆動信号を、それよりも周波数が低下された分周信号に変換することができる。この分周信号の周波数帯は、電子回路が発生する高周波ノイズの周波数帯よりも低い。このため、分周信号から、高周波ノイズの影響によらず、振動子の振動周波数を精度良く検出することができ、振動子への異物付着や形状変化による振動周波数の微小変化の検出も可能になる。   As described above, since the abnormality detection device for an angular velocity sensor according to claim 1 includes a frequency dividing circuit, the monitor signal or the drive signal is converted into a frequency divided signal having a frequency lower than that. Can do. The frequency band of this frequency-divided signal is lower than the frequency band of high-frequency noise generated by the electronic circuit. For this reason, the vibration frequency of the vibrator can be accurately detected from the frequency-divided signal regardless of the influence of high-frequency noise, and it is also possible to detect minute changes in the vibration frequency due to foreign matter adhering to the vibrator or shape change Become.

請求項2に記載するように、分周回路は、分周信号の周波数が1kHz以下の周波数となるように、モニタ信号又は駆動信号を分周することが好ましい。高周波ノイズの多くは、2kHz以上の周波数帯に属するため、それらと確実に分離するためには、分周信号の周波数を1kHz以下とすることが好ましい。   The frequency dividing circuit preferably divides the monitor signal or the drive signal so that the frequency of the frequency-divided signal is 1 kHz or less. Since most of the high frequency noise belongs to a frequency band of 2 kHz or higher, it is preferable to set the frequency of the frequency-divided signal to 1 kHz or lower in order to reliably separate it.

請求項3に記載したように、異常検出手段は、分周信号を電圧信号に変換する変換手段と、当該変換手段によって変換された電圧信号と、所定の周波数範囲の上限及び下限に相当する上限電圧値及び下限電圧値とを比較する比較手段とを有することが好ましい。このような構成により、振動子の振動周波数が、共振周波数を基準とする所定の周波数範囲に属しているか否かを確実に検出することができる。   According to a third aspect of the present invention, the abnormality detection means includes a conversion means for converting the frequency-divided signal into a voltage signal, a voltage signal converted by the conversion means, and an upper limit corresponding to an upper limit and a lower limit of a predetermined frequency range. It is preferable to have a comparison means for comparing the voltage value and the lower limit voltage value. With such a configuration, it is possible to reliably detect whether the vibration frequency of the vibrator belongs to a predetermined frequency range based on the resonance frequency.

(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態に係わる角速度センサの異常検出装置について説明する。まず、図1及び図2に基づいて、角速度センサの振動子1の構造について説明する。図1は、振動子1の斜視図であり、図2は、図1のA−A断面図である。
(First embodiment)
The angular velocity sensor abnormality detection apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described below. First, based on FIG.1 and FIG.2, the structure of the vibrator | oscillator 1 of an angular velocity sensor is demonstrated. 1 is a perspective view of the vibrator 1, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.

図1に示すように、振動子1は、振動子基部10から2本の振動片11、12が同方向に突出した音叉型振動子である。この振動子1は、例えばセラミックのような非圧電材料から構成され、その振動片11,12上にPZTなどの圧電体が貼り付けられている。   As shown in FIG. 1, the vibrator 1 is a tuning fork vibrator in which two vibrator elements 11 and 12 protrude from the vibrator base 10 in the same direction. The vibrator 1 is made of, for example, a non-piezoelectric material such as ceramic, and a piezoelectric body such as PZT is pasted on the vibrating pieces 11 and 12.

圧電体は、振動片11の外側側面及び振動片12の内側側面に貼り付けられた駆動用圧電体13,14を含む。この駆動用圧電体13,14には逆位相の交流電圧が印加される。すると、駆動用圧電体13,14が逆圧電効果により伸長または収縮するように歪んで、振動片11、12は、X方向に沿って、互いに接近/離間するように対照的な振動を繰り返す。   The piezoelectric body includes driving piezoelectric bodies 13 and 14 attached to the outer side surface of the vibrating piece 11 and the inner side surface of the vibrating piece 12. An AC voltage having an opposite phase is applied to the driving piezoelectric bodies 13 and 14. Then, the driving piezoelectric bodies 13 and 14 are distorted so as to expand or contract due to the inverse piezoelectric effect, and the resonator elements 11 and 12 repeat symmetrical vibrations so as to approach / separate from each other along the X direction.

例えば、駆動用電極D+を介して駆動用圧電体13にある位相の電圧を印加し、駆動用電極D−を介して駆動用圧電体14にその電圧とは逆位相の電圧を印加したとき、駆動用圧電体13は収縮し、駆動用圧電体14は伸張したとする。この場合、駆動用圧電体13の収縮及び駆動用圧電体14の伸張によって、振動片11,12はともには外側に屈曲する。逆に、駆動用圧電体13が伸張し、駆動用圧電体14が収縮したときには、振動片11,12はともに内側に屈曲する。このような電圧印加を交流電圧を用いて周期的に行うことで、振動片11,12の形状や材質で決まる固有の共振周波数で、振動片11,12をX方向に逆位相で振動させることができる。   For example, when a voltage having a phase is applied to the driving piezoelectric body 13 via the driving electrode D + and a voltage having a phase opposite to that of the driving piezoelectric body 14 is applied to the driving piezoelectric body 14 via the driving electrode D−, It is assumed that the driving piezoelectric body 13 contracts and the driving piezoelectric body 14 expands. In this case, the vibrating bars 11 and 12 are both bent outward due to the contraction of the driving piezoelectric member 13 and the extension of the driving piezoelectric member 14. On the contrary, when the driving piezoelectric member 13 expands and the driving piezoelectric member 14 contracts, both the vibrating pieces 11 and 12 bend inward. By periodically applying such a voltage using an AC voltage, the resonator elements 11 and 12 are vibrated in the opposite phase in the X direction at a specific resonance frequency determined by the shape and material of the resonator elements 11 and 12. Can do.

さらに、圧電体は、モニタ用圧電体15,16及び検出用圧電体17,18を含む。モニタ用圧電体15,16は、駆動用圧電体13,14にそれぞれ対向して、振動片11,12の内側側面及び外側側面に貼り付けられている。そして、振動片11,12が、駆動用圧電体13,14への交流電圧の印加によって励振されると、モニタ用圧電体15,16は、その振動によって歪んで、正圧電効果によって、その歪に応じた電荷を発生する。従って、モニタ用圧電体15,16によって振動片11,12の励振状態を検出することができる。   Further, the piezoelectric body includes monitor piezoelectric bodies 15 and 16 and detection piezoelectric bodies 17 and 18. The monitor piezoelectric members 15 and 16 are attached to the inner side surface and the outer side surface of the resonator elements 11 and 12 so as to face the driving piezoelectric members 13 and 14, respectively. When the vibration pieces 11 and 12 are excited by application of an alternating voltage to the driving piezoelectric bodies 13 and 14, the monitoring piezoelectric bodies 15 and 16 are distorted by the vibrations, and the positive piezoelectric effect causes the distortion. The electric charge according to is generated. Therefore, the excitation state of the resonator elements 11 and 12 can be detected by the monitor piezoelectric members 15 and 16.

また、検出用圧電体17,18は、駆動用圧電体13,14及びモニタ用圧電体15,16が貼り付けられた外側側面及び内側側面と直交する側面(正面)に貼り付けられている。振動片11,12の励振時にY軸回りに角速度が発生すると、その角速度に応じたコリオリ力によって振動片11,12がZ軸方向に沿って振動する。検出用圧電体17,18は、そのZ軸方向における振動の大きさに応じた電荷を発生する。   The detection piezoelectric members 17 and 18 are attached to the outer side surface to which the driving piezoelectric members 13 and 14 and the monitor piezoelectric members 15 and 16 are attached and the side surface (front surface) orthogonal to the inner side surface. When an angular velocity is generated around the Y axis when the vibrating pieces 11 and 12 are excited, the vibrating pieces 11 and 12 vibrate along the Z-axis direction by Coriolis force according to the angular velocity. The detection piezoelectric members 17 and 18 generate electric charges according to the magnitude of vibration in the Z-axis direction.

ここで、図3を用いて、角速度の検出原理を簡単に説明する。振動子1の振動片11,12が、図3に示すようにX方向に逆位相で振動され、この状態で振動子1がY軸を中心に角速度Ωで回転すると、振動片11,12には、F=2mV×Ωで表されるコリオリ力FがZ方向に作用する。なおmは振動片の質量、Vは振動速度である。   Here, the detection principle of the angular velocity will be briefly described with reference to FIG. The vibrating bars 11 and 12 of the vibrator 1 are vibrated in the opposite direction in the X direction as shown in FIG. 3, and when the vibrator 1 rotates at an angular velocity Ω around the Y axis in this state, the vibrating bars 11 and 12 The Coriolis force F expressed by F = 2 mV × Ω acts in the Z direction. Note that m is the mass of the resonator element, and V is the vibration speed.

このコリオリ力Fの作用によって、振動片11,12はX方向の振動に対し90°位相がずれて、Z方向に互いに逆位相で振動する。従って、Z軸方向における振動の大きさに応じた電荷を発生する検出用圧電体17,18によって、Y軸回りに作用する角速度を検出することができる。   Due to the action of the Coriolis force F, the vibrating bars 11 and 12 are 90 ° out of phase with respect to the vibration in the X direction, and vibrate in the Z direction in opposite phases. Therefore, the angular velocity acting around the Y axis can be detected by the detecting piezoelectric members 17 and 18 that generate charges according to the magnitude of vibration in the Z-axis direction.

次に、上述した角速度センサの振動子1を駆動するための駆動信号(交流電圧信号)を生成したり、検出用圧電体17,18が発生する電荷に基づいて、作用している角速度に応じた角速度信号を出力するための信号処理回路100について、図4に基づいて説明する。   Next, a driving signal (AC voltage signal) for driving the vibrator 1 of the above-described angular velocity sensor is generated, or based on the electric charges generated by the detection piezoelectric members 17 and 18 according to the acting angular velocity. The signal processing circuit 100 for outputting the angular velocity signal will be described with reference to FIG.

図4は、信号処理回路100の回路構成を示すブロック図である。図4において、チャージアンプ101〜104は、それぞれ、モニタ用圧電体15,16及び検出用圧電体17,18に発生した電荷を、モニタ用電極M+,M−及び検出用電極S+,S−を介して入力し、その電荷量を反転増幅して電圧値に変換する回路である。   FIG. 4 is a block diagram showing a circuit configuration of the signal processing circuit 100. In FIG. 4, charge amplifiers 101 to 104 use the monitor electrodes M + and M− and the detection electrodes S + and S−, respectively, for the charges generated in the monitor piezoelectric bodies 15 and 16 and the detection piezoelectric bodies 17 and 18. The charge amount is inverted and amplified and converted into a voltage value.

差動増幅回路105は、チャージアンプ101,102の出力電圧差を増幅して出力する回路であり、その出力電圧は振動片11,12のX方向の振動振幅を表す。すなわち、モニタ用圧電体15,16は、それぞれ逆位相で振動する振動片11,12の内側側面及び外側側面に貼り付けられているので、チャージアンプ101,102から出力される電圧値も逆位相となる。このため、チャージアンプ101,102の出力電圧差を増幅すれば、その増幅出力電圧は、振動片11,12のX方向の振動振幅に対応したものとなる。   The differential amplifier circuit 105 is a circuit that amplifies and outputs the output voltage difference between the charge amplifiers 101 and 102, and the output voltage represents the vibration amplitude in the X direction of the resonator elements 11 and 12. That is, since the monitor piezoelectric members 15 and 16 are attached to the inner side surface and the outer side surface of the resonator elements 11 and 12 that vibrate in opposite phases, the voltage values output from the charge amplifiers 101 and 102 are also opposite in phase. It becomes. For this reason, if the output voltage difference between the charge amplifiers 101 and 102 is amplified, the amplified output voltage corresponds to the vibration amplitude in the X direction of the resonator elements 11 and 12.

位相変調回路106は、差動増幅回路105の出力電圧を約90°だけ位相をずらすように位相変調を行って位相変調モニタ信号を生成する。駆動用圧電体13,14に駆動信号を印加して、振動片11,12を振動させたとき、その駆動信号の位相と、モニタ用圧電体15,16が発生する電荷に基づいて生成される電圧信号(モニタ信号)の位相とが約90°ずれる。このため、そのモニタ信号と駆動信号との位相を一致するために、位相変調回路106が設けられている。この位相変調回路106から出力される位相変調モニタ信号は、整流回路107とゲインコントロール回路110に与えられる。   The phase modulation circuit 106 performs phase modulation so as to shift the phase of the output voltage of the differential amplifier circuit 105 by about 90 ° to generate a phase modulation monitor signal. When a drive signal is applied to the drive piezoelectric members 13 and 14 to vibrate the resonator elements 11 and 12, the vibration pieces 11 and 12 are generated based on the phase of the drive signal and the charges generated by the monitor piezoelectric members 15 and 16. The phase of the voltage signal (monitor signal) is shifted by about 90 °. Therefore, a phase modulation circuit 106 is provided in order to match the phases of the monitor signal and the drive signal. The phase modulation monitor signal output from the phase modulation circuit 106 is supplied to the rectifier circuit 107 and the gain control circuit 110.

整流回路107は、位相変調モニタ信号を整流して、振動振幅の大きさを示す振動振幅信号を出力する。差動増幅器109は、この振動振幅信号と、駆動基準値出力回路108が出力する目標振動振幅の大きさを示す駆動基準値とを入力し、両信号の電圧差を出力する。なお、この整流回路107には、位相変調前のモニタ信号を入力するように構成しても良い。   The rectifier circuit 107 rectifies the phase modulation monitor signal and outputs a vibration amplitude signal indicating the magnitude of the vibration amplitude. The differential amplifier 109 receives the vibration amplitude signal and a drive reference value indicating the magnitude of the target vibration amplitude output from the drive reference value output circuit 108, and outputs a voltage difference between the two signals. The rectifier circuit 107 may be configured to input a monitor signal before phase modulation.

ゲインコントロール回路110は、位相変調回路106から入力される位相変調モニタ信号に同期した駆動信号(交流電圧信号)を発生する。その際、振動片11,12の振動振幅の大きさが目標振動振幅の大きさと一致するように、差動増幅器109からの出力電圧差に基づいて、駆動信号を出力する際のゲイン調整を行う。   The gain control circuit 110 generates a drive signal (AC voltage signal) synchronized with the phase modulation monitor signal input from the phase modulation circuit 106. At that time, the gain adjustment at the time of outputting the drive signal is performed based on the output voltage difference from the differential amplifier 109 so that the magnitude of the vibration amplitude of the vibration pieces 11 and 12 matches the magnitude of the target vibration amplitude. .

このゲインコントロール回路110からの駆動信号が駆動用電極D+,D−に出力されることによって、振動子1は、その振動振幅の大きさが一定となるように励振される。なお、位相反転回路111は、駆動用電極D−に、駆動用電極D+とは逆位相の駆動信号を印加するために、駆動信号の位相を反転させるものである。   When the drive signal from the gain control circuit 110 is output to the drive electrodes D + and D−, the vibrator 1 is excited so that the magnitude of the vibration amplitude is constant. The phase inversion circuit 111 inverts the phase of the drive signal in order to apply a drive signal having a phase opposite to that of the drive electrode D + to the drive electrode D−.

一方、差動増幅回路112は、チャージアンプ103,104の出力電圧差を増幅して出力する回路であり、その出力電圧信号は振動片11,12のZ方向の振動に応じたものとなる。上述したように、振動子1にY軸回りの回転が加わると、X方向に振動している振動片11,12に対しZ方向にコリオリ力が作用し、駆動信号と90°位相のずれた振動が発生する。このとき、振動片11,12はZ方向に逆位相で振動するため、チャージアンプ103,104の出力電圧の差をとることで角速度に応じた出力電圧が得られる。   On the other hand, the differential amplifier circuit 112 is a circuit that amplifies and outputs the output voltage difference between the charge amplifiers 103 and 104, and the output voltage signal corresponds to the vibration of the vibrating pieces 11 and 12 in the Z direction. As described above, when rotation about the Y axis is applied to the vibrator 1, Coriolis force acts in the Z direction on the vibrating pieces 11 and 12 vibrating in the X direction, and the drive signal is shifted in phase by 90 °. Vibration occurs. At this time, since the resonator elements 11 and 12 vibrate in the opposite direction in the Z direction, an output voltage corresponding to the angular velocity can be obtained by taking the difference between the output voltages of the charge amplifiers 103 and 104.

ただし、差動増幅回路112の出力は、角速度の発生に起因するコリオリ力によって生じた振動に同期するものである。このため、同期検波回路113は、位相変調回路106から出力される駆動信号に同期した位相変調モニタ信号を用いて同期検波し、駆動信号による振動周波数相当の周波数成分を差動増幅回路112の出力から抽出して整流する。さらに、平滑回路114において、同期検波回路113の出力を平滑化する。これにより、Y軸周りの角速度に応じた角速度検出信号が、出力端子115から出力することができる。   However, the output of the differential amplifier circuit 112 is synchronized with the vibration generated by the Coriolis force resulting from the generation of the angular velocity. Therefore, the synchronous detection circuit 113 performs synchronous detection using the phase modulation monitor signal synchronized with the drive signal output from the phase modulation circuit 106, and outputs the frequency component corresponding to the vibration frequency by the drive signal to the output of the differential amplifier circuit 112. Extract from and rectify. Further, the smoothing circuit 114 smoothes the output of the synchronous detection circuit 113. Thereby, an angular velocity detection signal corresponding to the angular velocity around the Y axis can be output from the output terminal 115.

次に、本実施形態の特徴部分に係わる、振動片11,12への異物の付着や、破損等によって振動片11,12の形状が変化する等の異常が生じたときに、振動片11,12の振動周波数の変化に基づいて、その異常を検出するための異常検出回路について説明する。   Next, when an abnormality such as a change in the shape of the vibrating bars 11, 12 due to adhesion of foreign matter to the vibrating bars 11, breakage or the like related to the characteristic part of the present embodiment occurs, the vibrating bars 11, 12 An abnormality detection circuit for detecting the abnormality based on the change in the vibration frequency of 12 will be described.

まず、振動片11,12への異物付着や振動片11,12の形状変化による、振動周波数の変化について説明する。振動片11,12の運動モデルは図5に示すように簡易化することができ、このとき、振動片11,12の固有の共振周波数fnは以下の数式1によって表すことができる。
(数1) fn=1/2π×(k/m)1/2
ただし、mは振動片の質量、kは振動片のバネ定数である。
First, changes in the vibration frequency due to foreign matter adhesion to the vibration pieces 11 and 12 and changes in the shape of the vibration pieces 11 and 12 will be described. The motion model of the vibrating reeds 11 and 12 can be simplified as shown in FIG. 5, and at this time, the inherent resonance frequency fn of the vibrating reeds 11 and 12 can be expressed by the following Equation 1.
(Formula 1) fn = 1 / 2π × (k / m) 1/2
Here, m is the mass of the resonator element, and k is the spring constant of the resonator element.

振動片11,12に異常が生じていない場合、は、振動振幅を目標振動振幅に一致させるように振動片11,12を駆動することで、振動片11,12は、図6(a)に示すように一定周波数fnで励振される。しかしながら、振動片11,12に異物が付着したり、振動片11,12の一部が破損して振動片11,12の形状が変化した場合には、振動片11,12の振動振幅が一定となるように振動片11,12を励振すると、振動片11,12の振動周波数は、上述した共振周波数からずれる。   When there is no abnormality in the vibration pieces 11 and 12, the vibration pieces 11 and 12 are driven as shown in FIG. 6A by driving the vibration pieces 11 and 12 so that the vibration amplitude matches the target vibration amplitude. As shown, it is excited at a constant frequency fn. However, when a foreign object adheres to the vibration pieces 11 and 12 or a part of the vibration pieces 11 and 12 is damaged and the shape of the vibration pieces 11 and 12 changes, the vibration amplitude of the vibration pieces 11 and 12 is constant. When the vibration pieces 11 and 12 are excited so that the vibration frequency becomes as follows, the vibration frequency of the vibration pieces 11 and 12 is deviated from the resonance frequency described above.

例えば、振動片11,12に異物が付着した場合、振動片11,12の質量がmからm+Δmに変化するため、図6(b)の異常時1に示すように振動周波数の低下が生じる。また、例えば振動片11,12の根元にひびが入るように、あるいは振動片先端の一部が欠けるように振動片11,12が破損して、振動片11,12の形状が変化した場合、振動片11,12の長さが変化する。その結果、ばね定数がkからk±Δkに変化するので、図6(b)の異常時1または図6(c)の異常時2に示す周波数変動が生じる。   For example, when a foreign object adheres to the vibrating bars 11 and 12, the mass of the vibrating bars 11 and 12 changes from m to m + Δm, so that the vibration frequency is lowered as shown in FIG. In addition, for example, when the vibration pieces 11 and 12 are damaged such that the bases of the vibration pieces 11 and 12 are cracked or a part of the tip of the vibration piece is broken, the shape of the vibration pieces 11 and 12 is changed. The length of the vibrating bars 11 and 12 changes. As a result, since the spring constant changes from k to k ± Δk, the frequency fluctuation shown in the abnormal time 1 of FIG. 6B or the abnormal time 2 of FIG. 6C occurs.

このような振動片11,12の異常が生じた場合、目標とする励振状態が得られないばかりでなく、角速度が入力されていないにも関わらず、擬似的な角速度検出信号が出力される場合もあり、検出精度の劣化に繋がる。そこで、第1実施形態では、角速度センサの信号処理回路100に、振動片11,12の振動周波数を常時監視し、振動異常時にはダイアグ信号を出力する異常検出回路120を追加した。つまり、振動片11,12への異物付着や形状変化等の異常が生じた場合、振動片11,12の振動周波数が共振周波数からずれるので、異常検出回路120は、振動周波数の共振周波数のずれを振動異常として検出し、ダイアグ信号を出力する。   When such abnormalities of the vibrating bars 11 and 12 occur, not only the target excitation state cannot be obtained but also a pseudo angular velocity detection signal is output even though the angular velocity is not input. This also leads to deterioration of detection accuracy. Therefore, in the first embodiment, an abnormality detection circuit 120 is added to the signal processing circuit 100 of the angular velocity sensor to constantly monitor the vibration frequency of the vibration pieces 11 and 12 and output a diagnosis signal when vibration is abnormal. That is, when an abnormality such as adhesion of foreign matter or shape change to the vibrating bars 11 and 12 occurs, the vibration frequency of the vibrating bars 11 and 12 deviates from the resonance frequency. Is detected as a vibration abnormality and a diagnosis signal is output.

この異常検出回路120の回路構成及びその動作について、図4を用いて説明する。図4に示すように、異常検出回路120は、差動増幅器105から出力される、振動片11,12のX方向の振動振幅を表す信号(モニタ信号)を分周して分周モニタ信号を出力する分周回路121を備える。すなわち、分周回路121は、振動片11,12の振動振幅を表すモニタ信号を、それよりも周波数を低下した分周モニタ信号に変換する。   The circuit configuration and operation of the abnormality detection circuit 120 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, the abnormality detection circuit 120 divides a signal (monitor signal) representing the vibration amplitude in the X direction of the resonator elements 11 and 12 output from the differential amplifier 105 to generate a divided monitor signal. A frequency dividing circuit 121 is provided. In other words, the frequency dividing circuit 121 converts the monitor signal representing the vibration amplitude of the vibrating reeds 11 and 12 into a frequency divided monitor signal with a frequency lower than that.

ここで、振動片11,12の振動周波数は、外乱振動等の影響を受けないように、例えば2kHz以上の高周波に設定される。しかしながら、例えば内部に発振回路を備える電子部品は、このような高周波帯域に属する高周波ノイズを発生する場合がある。このような高周波ノイズが、異常検出回路120に作用して、モニタ信号に混入等すると、モニタ信号に基づいて、振動片11,12の振動周波数を精度良く検出することが困難になる。   Here, the vibration frequency of the resonator elements 11 and 12 is set to, for example, a high frequency of 2 kHz or more so as not to be affected by disturbance vibration or the like. However, for example, an electronic component having an oscillation circuit therein may generate high frequency noise belonging to such a high frequency band. When such high-frequency noise acts on the abnormality detection circuit 120 and is mixed into the monitor signal, it becomes difficult to accurately detect the vibration frequency of the resonator elements 11 and 12 based on the monitor signal.

そのような問題に対して、上述した分周回路121を設けることにより、分周モニタ信号の周波数帯を、電子回路が発生する高周波ノイズの周波数帯からずらすことができる。このため、高周波ノイズの影響によらず、分周モニタ信号から、振動子の振動周波数を精度良く検出することができ、振動片11,12への異物付着や形状変化による振動周波数の微小変化の検出も可能になる。   For such a problem, by providing the above-described frequency dividing circuit 121, the frequency band of the frequency division monitor signal can be shifted from the frequency band of the high frequency noise generated by the electronic circuit. For this reason, it is possible to accurately detect the vibration frequency of the vibrator from the divided monitor signal regardless of the influence of the high frequency noise, and the minute change in the vibration frequency due to the adhesion of foreign matter to the vibration pieces 11 and 12 and the shape change. Detection is also possible.

なお、分周回路121は、分周モニタ信号の周波数が1kHz以下の周波数となるように、モニタ信号を分周することが好ましい。高周波ノイズの多くは、2kHz以上の周波数帯に属するため、それらと確実に分離するためである。   The frequency dividing circuit 121 preferably divides the monitor signal so that the frequency of the divided monitor signal is 1 kHz or less. This is because most of the high-frequency noise belongs to the frequency band of 2 kHz or higher, so that it is reliably separated from them.

分周回路121によって周波数が低下された分周モニタ信号は、その周波数を電圧信号に変換する周波数カウンタ122に入力される。周波数カウンタ122の出力する電圧信号は、比較器125に入力される。この比較器125には、さらに、上限値出力回路123及び下限値出力回路124から、分周モニタ信号から変換された電圧信号に対して、共振周波数を基準とする所定の周波数範囲の上限及び下限に相当する上限電圧値及び下限電圧値とが入力される。比較器125は、分周モニタ信号から変換された電圧信号が、上限電圧値及び下限電圧値によって規定される範囲から外れた場合に、出力端子126を介して、ダイアグ信号を出力する。   The frequency division monitor signal whose frequency is lowered by the frequency dividing circuit 121 is input to a frequency counter 122 that converts the frequency into a voltage signal. The voltage signal output from the frequency counter 122 is input to the comparator 125. The comparator 125 further includes an upper limit and a lower limit of a predetermined frequency range based on the resonance frequency for the voltage signal converted from the frequency division monitor signal from the upper limit value output circuit 123 and the lower limit value output circuit 124. An upper limit voltage value and a lower limit voltage value corresponding to are input. The comparator 125 outputs a diagnosis signal via the output terminal 126 when the voltage signal converted from the frequency division monitor signal is out of the range defined by the upper limit voltage value and the lower limit voltage value.

このように、本実施形態では、分周回路121を備える異常検出回路120を設けたので、振動子1の異常に基づく、振動周波数の微小変化をも精度良く検出し、その旨をダイアグ信号によって報知することができる。   As described above, in the present embodiment, the abnormality detection circuit 120 including the frequency dividing circuit 121 is provided, so that even a minute change in the vibration frequency based on the abnormality of the vibrator 1 can be detected with high accuracy, and this is indicated by a diagnosis signal. Can be notified.

なお、上述した第1実施形態では、分周回路121は、差動増幅回路105が出力するモニタ信号を分周するものであったが、ゲインコントロール回路110から出力される駆動信号を分周するように構成しても良い。   In the first embodiment described above, the frequency dividing circuit 121 divides the monitor signal output from the differential amplifier circuit 105, but divides the drive signal output from the gain control circuit 110. You may comprise as follows.

(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態に係わる角速度センサの異常検出装置について説明する。図7及び図8は、本発明の第2の実施形態に係わる角速度センサの振動子2の構成を示すものであり、図7は、振動子2の斜視図であり、図8は、図7のB−B断面図である。
(Second Embodiment)
Next, an abnormality detection device for an angular velocity sensor according to a second embodiment of the present invention will be described. 7 and 8 show the configuration of the vibrator 2 of the angular velocity sensor according to the second embodiment of the present invention, FIG. 7 is a perspective view of the vibrator 2, and FIG. It is BB sectional drawing of.

振動子2は、第1実施形態と同様に、振動子基部20から2本の振動片21,22が突出した音叉型振動子である。第1実施形態との違いは、振動子2の材質である。この振動子2は、例えば水晶のような圧電材料からなり、振動子2の振動片21,22自体が、逆圧電効果や正圧電効果を発揮する。   Similar to the first embodiment, the vibrator 2 is a tuning fork vibrator in which two vibrating pieces 21 and 22 protrude from the vibrator base 20. The difference from the first embodiment is the material of the vibrator 2. The vibrator 2 is made of, for example, a piezoelectric material such as quartz, and the vibrator elements 21 and 22 themselves of the vibrator 2 exhibit a reverse piezoelectric effect or a positive piezoelectric effect.

そのため、振動片21,22には、電圧を印加するための駆動電極や、振動片21,22が歪んだ際に、振動片21,22に発生する誘導分極を検出するモニタ電極及び検出電極が貼り付けられている。従って、駆動電極用端子D+、D−を介して駆動電極に交流電圧信号からなる駆動信号を印加することにより、振動片21,22自身が逆圧電効果により歪んで、振動片21,22はX方向に沿って逆位相で振動する。そして、この振動による振動片21、22の歪みに応じた電荷は、モニタ電極によって検出され、モニタ電極用端子M1+,M1−,M2+,M2−を介して信号処理回路に入力される。さらに、Y軸回りに角速度が発生すると、その角速度に応じたコリオリ力によって振動片21,22がZ軸方向に沿って逆向きに振動する。その振動による振動片21,22の歪みに応じた電荷は検出電極によって検出され、検出電極用端子S1+,S1−,S2+,S2−を介して信号処理回路に入力される。   Therefore, the vibration pieces 21 and 22 include a drive electrode for applying a voltage, and a monitor electrode and a detection electrode for detecting the induced polarization generated in the vibration pieces 21 and 22 when the vibration pieces 21 and 22 are distorted. It is pasted. Therefore, by applying a drive signal composed of an AC voltage signal to the drive electrodes via the drive electrode terminals D + and D−, the resonator elements 21 and 22 themselves are distorted by the inverse piezoelectric effect, and the resonator elements 21 and 22 It vibrates in the opposite phase along the direction. The electric charges corresponding to the distortion of the vibrating bars 21 and 22 due to the vibration are detected by the monitor electrode and input to the signal processing circuit via the monitor electrode terminals M1 +, M1-, M2 +, and M2-. Further, when an angular velocity is generated around the Y axis, the resonator elements 21 and 22 vibrate in the opposite direction along the Z axis direction by Coriolis force according to the angular velocity. Charges corresponding to the distortion of the vibrating bars 21 and 22 due to the vibration are detected by the detection electrodes and input to the signal processing circuit via the detection electrode terminals S1 +, S1-, S2 +, and S2-.

なお、図9に、第2実施形態における信号処理回路の構成を示すが、その回路構成及び動作は、前述した第1実施形態の信号処理回路100とほぼ同様であるため、説明を省略する。   FIG. 9 shows the configuration of the signal processing circuit according to the second embodiment, but the circuit configuration and operation are substantially the same as those of the signal processing circuit 100 according to the first embodiment described above, and thus the description thereof is omitted.

上述したように、振動子2自体を圧電材料によって構成した場合であっても、分周回路を用いて振動子2の振動異常を監視することにより、振動子1の異常に基づく、振動周波数の微小変化をも精度良く検出し、その旨をダイアグ信号によって報知することができる。   As described above, even when the vibrator 2 itself is made of a piezoelectric material, the vibration abnormality of the vibrator 1 based on the abnormality of the vibrator 1 is monitored by monitoring the vibration abnormality of the vibrator 2 using a frequency dividing circuit. Even a minute change can be detected with high accuracy, and the fact can be notified by a diagnosis signal.

第1実施形態に係わる角速度センサの振動子の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the vibrator | oscillator of the angular velocity sensor concerning 1st Embodiment. 図1のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 角速度の検出原理を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the detection principle of angular velocity. 第1実施形態における信号処理回路の回路構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the circuit structure of the signal processing circuit in 1st Embodiment. 振動片の運動モデルを示すモデル図である。It is a model figure which shows the motion model of a vibration piece. 振動片の振動状態を示すものであり、(a)は正常時の振動周波数を示し、(b)は振動周波数が低下した状態を示し、(c)は振動周波数が上昇した状態を示す。The vibration state of the resonator element is shown. (A) shows a normal vibration frequency, (b) shows a state where the vibration frequency is lowered, and (c) shows a state where the vibration frequency is increased. 第2実施形態に係わる角速度センサの振動子の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the vibrator | oscillator of the angular velocity sensor concerning 2nd Embodiment. 図7のB−B断面図である。It is BB sectional drawing of FIG. 第2実施形態における信号処理回路の回路構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the circuit structure of the signal processing circuit in 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 振動子
11,12 振動片
13,14 駆動用圧電体
15,16 モニタ用圧電体
17,18 検出用圧電体
100 信号処理回路
120 異常検出回路
121 分周回路
122 周波数カウンタ
123 上限値出力回路
124 下限値出力回路
125 比較器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vibrator 11, 12 Vibrating piece 13,14 Drive piezoelectric body 15,16 Monitor piezoelectric body 17,18 Detection piezoelectric body 100 Signal processing circuit 120 Abnormality detection circuit 121 Frequency dividing circuit 122 Frequency counter 123 Upper limit output circuit 124 Lower limit output circuit 125 comparator

Claims (3)

振動子と、
前記振動子が励振されたときに、当該振動子の振動に応じたモニタ信号を出力するモニタ信号出力手段と
前記振動子を励振させるための駆動信号を出力するものであって、前記モニタ信号に基づいて、前記振動子の振動振幅が一定となるように調整された駆動信号を出力する駆動信号出力回路とを有する角速度センサにおける異常検出装置であって、
前記モニタ信号又は駆動信号を分周して分周信号を出力する分周手段と、
前記分周信号の周波数が、所定の周波数範囲に属するか否かに基づいて、前記振動子の異常を判定する判定手段とを備えることを特徴とする角速度センサの異常検出装置。
A vibrator,
A monitor signal output means for outputting a monitor signal corresponding to the vibration of the vibrator when the vibrator is excited; and a drive signal for exciting the vibrator, An abnormality detection device in an angular velocity sensor, having a drive signal output circuit that outputs a drive signal adjusted so that the vibration amplitude of the vibrator is constant,
Frequency dividing means for dividing the monitor signal or the drive signal and outputting a divided signal;
An abnormality detection apparatus for an angular velocity sensor, comprising: a determination unit configured to determine abnormality of the vibrator based on whether or not a frequency of the divided signal belongs to a predetermined frequency range.
前記分周回路は、前記分周信号の周波数が1kHz以下の周波数となるように、前記モニタ信号又は駆動信号を分周することを特徴とする請求項1に記載の角速度センサの異常検出装置。   2. The angular velocity sensor abnormality detection device according to claim 1, wherein the frequency dividing circuit divides the monitor signal or the drive signal so that a frequency of the frequency-divided signal is 1 kHz or less. 前記異常検出手段は、前記分周信号を電圧信号に変換する変換手段と、当該変換手段によって変換された電圧信号と、前記周波数範囲の上限及び下限に相当する上限電圧値及び下限電圧値とを比較する比較手段とを有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の角速度センサの異常検出装置。   The abnormality detection means includes: a conversion means for converting the frequency-divided signal into a voltage signal; a voltage signal converted by the conversion means; and an upper limit voltage value and a lower limit voltage value corresponding to an upper limit and a lower limit of the frequency range. The abnormality detecting device for an angular velocity sensor according to claim 1 or 2, further comprising a comparison means for comparing.
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