JP2006250643A - Abnormality detection device for angular velocity sensor - Google Patents
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Abstract
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
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。
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
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
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 |
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
Claims (3)
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.
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