JP2010107326A

JP2010107326A - 角速度センサ

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Publication number: JP2010107326A
Application number: JP2008279033A
Authority: JP
Inventors: Satoru Asano; 哲浅野; Masahiro Matsumoto; 昌大松本; Koji Okada; 康志岡田
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2010-05-13
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: US8746033B2; JP5408961B2; EP2351982A4; EP2351982A1; EP2351982B1; US20110252886A1; WO2010050393A1

Abstract

【課題】
周囲温度が変化しても、又は外乱振動が加わっても優れた精度で故障を検出する。
【解決手段】
基板上に弾性的に変位可能に支持された振動子と前記基板表面に水平な駆動軸方向に前記振動子を振動させる駆動手段と前記基板表面に水平かつ駆動軸方向と垂直な検出軸方向の前記振動子の変位を検出する検出軸方向変位検出手段と前記振動子の検出軸方向の変位に基づいて角速度を検出する角速度検出手段と駆動軸方向への前記振動子の振動が検出軸方向に漏れ込む事が原因で生じる前記振動子の自己振動を検出する自己振動検出手段と、前記振動子の自己振動をゼロにする自己振動帰還回路と、前記自己振動検出手段の出力を利用して異常を判定する異常判定手段とを有する角速度センサとで構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動式の角速度センサに係り、特に角速度センサの異常を常時診断する常時自己診断機能を備えた振動式の角速度センサに関する。

振動型角速度センサとは、角速度センサ内部の振動子を共振駆動（以下、駆動振動と呼称）させ、振動子の駆動軸方向に直交する回転軸方向に角速度が印加されると、回転軸方向と駆動軸方向に直交する検出軸方向にコリオリ力が加わることにより振動（以下、コリオリ振動と呼称）が発生することを利用したものであり、この発生したコリオリ振動の振幅を電気的に処理することで印加された角速度を取得するものである。

このため振動子には、振動子を駆動振動させるための駆動電極、またコリオリ振動を検出するための検出電極が振動子に設置される。検出電極には静電容量の変化により振幅を検出する静電容量式、または圧電効果を用いて振幅を検出する圧電式などの検出方式がある。

しかし実際には、角速度が印加されない状態でも微小振動が検出軸方向に発生していることが知られている。これは振動子の駆動軸方向に印加された駆動振動が振動子やその支持部を含んだセンサ素子構造の微小誤差等により検出軸方向に漏れ込んだ結果生じる検出軸方向の振動（以下、自己振動と呼称）であり、この自己振動は駆動振動と同一位相で発生する。またこの自己振動は角速度センサを構成するセンサ素子及び信号処理回路において構造的な異常が発生しない限り定常振幅となる。

特許文献１にはこの自己振動を用いて故障診断を行う振動型角速度センサが記載されており、この例では、振動子から出力され、角速度に応じたコリオリ振動及び自己振動を含む電気的信号から、コリオリ振動の振幅を抽出して角速度を検出する角速度センサにおいて、自己振動の振幅を監視することにより自己診断を行うものとなっている。

特開２０００−１７１２５７号公報

角速度センサの周囲温度は、角速度センサの設置場所や車両状況，季節等によって大きく変化する。また走行中に発生する路面振動やエンジンノイズ等の車両が発生する機械振動などの外乱振動も車体を通して角速度センサに伝達されることとなる。角速度センサを車載用に使用しようとした場合、この様な環境の中でも優れた精度で故障を検出する故障検出の高信頼性や優れた精度で角速度を検出する角速度検出の高信頼性が要求される。

特に、故障検出の高信頼性の観点においては、特許文献１に記載の角速度センサの場合、エンジンルーム内等の高温になる場所では振動子の共振周波数が変化するため、コリオリ振動及び自己振動を含んだ検出軸方向の振動振幅が変化し、その結果自己振動の変動許容量を大きく設定する必要がある。また路面や車両から発生した外乱振動も振動子の振動振幅に影響を与えるため振動子に印加された外力が共振特性を持つ振動子を介して出力される事となり、大きな検出誤差が生じる可能性もあり、精度の良い故障検出が行えない可能性がある。これらの事に関して前記従来例は配慮が欠けていた。

本発明の目的は、周囲温度が変化しても、又は外乱振動が加わっても優れた精度で故障検出が可能な角速度センサを提供する事にある。

上記目的は、基板上に弾性的に変位可能に支持された振動子と前記基板表面に水平な駆動軸方向に前記振動子を振動させる駆動手段と前記基板表面に水平かつ駆動軸方向と垂直な検出軸方向の前記振動子の変位を検出する検出軸方向変位検出手段と前記振動子の検出軸方向の変位に基づいて角速度を検出する角速度検出手段と駆動軸方向への前記振動子の振動が検出軸方向に漏れ込む事が原因で生じる前記振動子の自己振動を検出する自己振動検出手段と、前記振動子の自己振動をゼロにする自己振動帰還回路と、前記自己振動検出手段の出力を利用して異常を判定する異常判定手段とを有する角速度センサなどにより達成される。

周囲温度が変化しても、又は外乱振動が加わっても優れた精度で故障検出が可能な角速度センサを提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

まず、本発明の第１の実施例である角速度センサを図１により説明する。

尚、図１は本発明が提供する角速度センサの、第１の実施例における構成を表すものである。

本実施例の角速度センサにおいて、センサ素子２００は振動子１と、振動子１を駆動振動させるため外力を印加する駆動電極２，３と、振動子１の駆動軸方向の変位を検出する駆動検出電極４，５と、振動子１の検出軸方向の変位を検出する検出電極６，７と、振動子１に働くコリオリ力を打ち消す外力を印加するサーボ電極８，９とで構成される。

また、駆動制御部２０１は駆動検出電極４の出力を位相反転する反転器２２と，反転器２２と駆動検出電極５の出力を振動子１の駆動軸方向の変位量に応じた電圧信号に変換増幅する変換増幅器１０と、変換増幅器１０の出力から振動子１の駆動振動の振幅及び周期を一定に保つ制御を行う駆動制御回路１１と、駆動制御回路１１の出力を位相反転する反転器２１で構成される。

また、サーボ制御部２０２は検出電極６，７からの出力を振動子の検出軸方向の変位量に応じた電圧信号に変換する変換増幅器１２と、変換増幅器１２の出力を振動子１の駆動制御回路１１の出力信号と位相が９０°遅れた信号Φ１で同期検波する同期検波回路１３と、同期検波回路１３の出力を積分演算する積分回路１４と、変換増幅器１２の出力を振動子１の駆動制御回路１１の出力信号と同一位相の信号Φ３で同期検波する同期検波回路１６と、同期検波回路１６の出力を積分演算する積分回路１７とで構成される検出部と、積分回路１４の出力に振動子１の駆動制御回路１１の出力信号と同一位相の信号Φ２を乗算して変調を行う変調回路１５と、積分回路１７の出力に振動子１の駆動制御回路１１の出力信号と位相が９０°遅れた信号Φ４を乗算して変調を行う変調回路１８と、変調回路１５，１８の出力を加算する加算器２３と、加算器２３の出力を位相反転する反転器２４と、加算器２３の出力と反転器２４の出力に一定のバイアス電圧Ｖｂを加算してサーボ電極８，９に印加する加算器２５，２６とで構成される帰還部とで構成される。

また、本角速度センサは積分回路１７の出力と所定の値との比較を行う比較回路１９と、同期検波回路１３，１６及び変調回路１５，１８において用いる信号Φ１，Φ２，Φ３，Φ４の駆動制御回路１１の出力信号に対する位相を調整する位相遅延回路２０によっても構成される。

尚、積分回路１４の出力は出力端子１００に出力され、積分回路１７の出力は出力端子１０１に出力され、比較回路１９の出力は出力端子１０２に出力され、加算器２６の出力は出力端子１０３に出力され、加算器２５の出力は出力端子１０４に出力される。

次に本実施例における角速度センサの動作について説明する。

本実施例の角速度センサにおいては、駆動電極２，３から外力を加えて振動子１を駆動軸方向に駆動振動させ、この振動子１が駆動振動に変位する事により駆動検出電極４，５に発生する微小電圧変化を、前置増幅器や差動増幅器等で構成される変換増幅器１０を用いて振動子１の駆動軸方向の変位量に応じた変位信号に変換し、この変換後の信号に基づいて振動子１の駆動振幅を一定に保ち且つ駆動周波数を振動子１の共振周波数で駆動振動するフィードバック制御を、乗算器や積分回路，リミッタ回路等で構成される駆動制御回路１１により行い、駆動制御回路１１により生成された駆動信号を駆動電極２，３に対して互いに逆位相で印加する事により振動子１を駆動振動している。

また、コリオリ振動により振動子１が変位する事により検出電極６，７に発生する微小電圧変化を前置増幅器や差動増幅器等により構成される変換増幅器１２を用いて振動子１の検出軸方向の変位量に応じた変位信号に変換し、コリオリ振動及び自己振動による振動子１の変位をゼロにする様なサーボ電圧をサーボ電極８，９に互いに逆位相で印加するサーボ制御をサーボ制御部２０２により行う。このサーボ電圧の一部を角速度の検出信号とみなして取り出す事により角速度を得る。

また、サーボ制御部２０２において、検出部では、変換増幅器１２により出力される振動子１の変位信号に対し、Φ１により同期検波回路１３を用いて同期検波を行い、コリオリ振動による振動子１の変位（以下、コリオリ成分と呼称）を検出する。次に積分回路１４において同期検波回路１３で得られた信号を積分演算する。同様に、変換増幅器１２により出力される振動子１の変位信号に対し、Φ３により同期検波回路１６を用いて同期検波を行い、自己振動による振動子１の変位（以下、自己振動成分と呼称）を検出する。次に積分回路１７において同期検波回路１６で得られた信号を積分演算する。

次に帰還部では、次に前記積分回路１４，１７により取得された信号を振動子１に帰還させるため、コリオリ成分に関してはΦ２により変調回路１５を用いて変調し、振動子１の検出軸方向のコリオリ振動による変位に対する帰還信号（以下、コリオリ帰還信号と呼称）を生成する。また自己振動成分に関してはΦ４により変調回路１８を用いて変調し、振動子１の検出軸方向の自己振動による変位に対する帰還信号（以下、自己振動帰還信号と呼称）を生成する。次に加算器２３を用いて前記２つの帰還信号を合成し、合成した帰還信号と反転器２４を用いて位相反転させた帰還信号に対して加算器２５，２６を用いてバイアス電圧Ｖｂを加算し、振動子１のサーボ電極８，９に印加する。

サーボ制御部２０２においては以上に記載した検出部と帰還部の動作により振動子１の検出軸方向の変位を打ち消すサーボ制御を行っている。

このサーボ制御を行っている状態において、積分回路１４の出力を出力端子１００に出力する事でコリオリ成分に応じた出力電圧を取得し、また積分回路１７の出力を出力端子１０１に出力する事で自己振動成分に応じた出力電圧を取得する。

また、出力端子１０１に出力される出力電圧は自己振動成分に応じたものであり、角速度センサに断線やショート，振動子の破損，固着等の異常が生じた際には自己振動成分が変化するため、この自己振動成分を監視する事により、角速度センサの故障を検出する事が可能となる。具体的には、比較回路１９に予め自己振動成分の境界値を設定しておき、出力端子１０１に出力される出力電圧に応じた自己振動成分と境界値とを比較する事により、境界値を逸脱していた際は故障と判定し故障検出信号を出力端子１０２に出力するものである。

また、実際の角速度センサの動作では、信号処理回路に含まれる各種フィルタ回路により信号の位相遅延が生じる事により、振動子１のコリオリ振動及び自己振動の位相と変換増幅器１２の出力に含まれるコリオリ成分及び自己振動成分の位相は一致しておらず、同様に振動子１のコリオリ振動及び自己振動の位相とコリオリ帰還信号及び自己振動帰還信号の位相は一致していない。従って駆動制御回路１１の出力信号に対し９０°位相が遅れたΦ１を用いて同期検波を行っても同期検波回路１３の出力には正確なコリオリ成分は出力されない。同様にΦ２，Φ３，Φ４各々についても同期検波回路１６及び変調回路１５，１８の出力には正確な出力値が出力されない事となる。

そのため位相遅延回路２０を設け、駆動信号の位相に対する各検波信号Φ１，Φ２，Φ３，Φ４の位相を個別に遅延する処理を行っている。具体的には、変換増幅回路１２からの出力に含まれるコリオリ振動の位相とΦ１の位相が一致する様に、駆動信号に対するΦ１の位相を遅延し、振動子１のコリオリ振動とΦ２の位相が一致する様に、駆動振動に対するΦ２の位相を遅延し、変換増幅回路１２からの出力に含まれる自己振動の位相とΦ３の位相が一致する様に、駆動信号に対するΦ３の位相を遅延し、振動子１の自己振動とΦ４の位相が一致する様に、駆動振動に対するΦ４の位相を遅延するものである。この様な位相遅延回路は、アナログ処理の場合は例えばＣＲフィルタ等により実現でき、デジタル処理の場合は例えば１６段構成のシフトレジスタの内、任意に選択した１つを出力する事により実現できる。

次に本実施例において得られる利点について説明する。

まず第１の利点は、サーボ制御部２０２が帰還部の動作により振動子１の検出軸方向の変位を打ち消すサーボ制御を行っている事により、振動子の検出軸方向への変位はゼロとなるため、温度変化等による振動子１の共振特性変化の影響を受けずに精度の高いコリオリ成分及び自己振動成分の検出が実現される事である。

駆動振動は駆動制御回路１１により駆動周波数が一定に制御されるため、特許文献１に記載の従来例において角速度センサの周囲温度が変化する事により振動子１の共振周波数が変化する場合、振動子１の検出軸方向の変位量が変化してしまい精度の高いコリオリ成分及び自己振動成分の検出が出来ない。

次に第２の利点は、サーボ制御部２０２が帰還部の動作により振動子１の検出軸方向の変位を打ち消すサーボ制御を行っている事により、外乱が振動子１に入力した際の影響を抑えて精度の高いコリオリ成分及び自己振動成分の検出が実現される事である。

特許文献１に記載の従来例の場合では、角速度センサに路面の凹凸や車体が発する機械振動等の外乱が入力すると振動子１の検出軸方向の振動振幅に影響を与え、入力された外力が検出誤差として出力されるため精度の高いコリオリ成分及び自己振動成分の検出が出来ない。

次に第３の利点は、検出部において変換増幅回路１２により出力された振動子１の変位信号に対して同期検波回路１３，１６を用いてコリオリ成分と自己振動成分を分離して抽出している事により精度の高いコリオリ成分と自己振動成分の検出が実現される事である。

次に第４の利点は、機関部において積分回路１４，１７により出力された振動子１のコリオリ成分及び自己振動成分に対し変調回路１５，１８を用いて振動子１のコリオリ振動と自己振動に同期した帰還信号を生成する事により、振動子１の検出軸方向の変位を高い精度で打ち消すサーボ制御を実現し、コリオリ成分と自己振動成分の高い精度の検出を実現する事である。

次に第５の利点は、位相遅延回路２０を設け、駆動信号の位相に対する各検波信号Φ１，Φ２，Φ３，Φ４の位相を個別に遅延する処理を行う事により、コリオリ成分及び自己振動成分の精度の高い検出が実現できる事である。

特許文献１に記載の従来例の場合では、信号処理回路に含まれる各種フィルタ回路等により信号の位相遅延が生じ、振動子１のコリオリ振動及び自己振動の位相と変換増幅器１２の出力に含まれるコリオリ成分及び自己振動成分の位相は一致していないため、同期検波回路１３，１６の出力には正確なコリオリ成分及び自己振動成分が出力されない。

本発明の第１の実施例である角速度センサの変形例としては、比較回路１９を除き、帰還信号に対し、Φ１により同期検波を行う同期検波回路と、同期検波回路の出力を積分演算する積分回路と、積分回路の出力と所定の値との比較を行う比較回路を設けた構成でも良い。また、位相遅延回路２０の変形例として、Φ１，Φ２，Φ３，Φ４それぞれについて位相遅延回路を設ける事ももちろん可能である。また、センサ素子２００を構成する電極は静電容量式・圧電式共に対応可能である。また、駆動制御部２０１及びサーボ制御部２０２及び比較回路１９及び位相遅延回路２０と等価な機能を有するデジタル信号処理装置を用いる事により角速度センサを構成する事も可能である。

次に、本発明の第２の実施例である角速度センサを図２により説明する。

尚、図２は本発明が提供する角速度センサの、第２の実施例における構成を表すものである。

本実施例は、図１に記載した第１の実施例におけるサーボ制御部２０２の代わりにサーボ制御部２０３を設けた構成であり、サーボ制御部２０３はサーボ制御部２０２における変調回路１５，１８及び加算器２３を除き、積分回路２６を設けた構成であり、サーボ制御部２０３は変換増幅器１２の出力を積分演算する積分回路２７と、積分回路２７の出力に対しΦ１により同期検波を行う同期検波回路１３と、同期検波回路１３の出力を積分演算する積分回路１４と、積分回路２７の出力に対しΦ３により同期検波を行う同期検波回路１６と、同期検波回路１６の出力を積分演算する積分回路１７とで構成される検出部と、積分回路２７の出力を位相反転する反転器２４と、積分回路２７の出力と反転器２４の出力に一定のバイアス電圧Ｖｂを加算してサーボ電極８，９に印加する加算器２５，２６とで構成される帰還部とで構成される。尚、本実施例においては実施例１に対して同期検波回路の数を２つに減少させる事ができ、位相遅延回路２０の出力においてΦ１，Φ３の２つの検波信号の調整を行うだけで良い。

次に本実施例におけるサーボ制御部２０３の動作について説明する。

本実施例のサーボ制御部２０３において、帰還部では変換増幅器１２により出力された振動子１の変位信号を積分回路２７により積分演算して振動子１に帰還させる帰還信号を生成し、この帰還信号と反転器２４によって位相反転した帰還信号に対して加算器２５，２６を用いてバイアス電圧Ｖｂを加算し、振動子１のサーボ電極８，９に印加する。

次に、検出部では積分回路２７により出力される帰還信号に対しΦ１により同期検波回路１３を用いて同期検波を行い、コリオリ成分を検出する。次に積分回路１４において同期検波回路１３で得られた信号を積分演算する。同様に、変換増幅器２７により出力される帰還信号に対し、Φ３により同期検波回路１６を用いて同期検波を行い、自己振動成分を検出する。次に積分回路１７において同期検波回路１６で得られた信号を積分演算する。

サーボ制御部２０３においては以上に記載した検出部と帰還部の動作により振動子１の検出軸方向の変位を打ち消すサーボ制御を行っている。

本実施例においても第１の実施例における第１，２，３，５の利点と同様の利点があるが、サーボ制御部２０３における帰還部においてコリオリ成分及び自己振動成分を分離せずに帰還信号を生成している事により、帰還部の回路構成をより単純化することが出来る。

次に、本発明の第３の実施例である角速度センサを図３により説明する。

尚、図３は本発明が提供する角速度センサの、第３の実施例における構成を表すものである。

本実施例は、図１に記載した第１の実施例に示される角速度センサを複数個並列（以下、角速度センサ１，２，・・・Ｎと呼称）に配置し、各角速度センサ１〜Ｎの比較回路１９を除き、比較回路２８と演算回路２９を設ける事で構成される。

本実施例の角速度センサにおいては、各角速度センサ１〜Ｎの出力端子１００に出力したコリオリ成分に応じた出力電圧を演算回路２９に入力し、各角速度センサ１〜Ｎの出力端子１０１に出力した自己振動成分に応じた出力電圧を比較回路２８に入力する。次に比較回路２８に入力した各角速度センサ１〜Ｎの自己振動成分に応じた出力電圧と予め比較回路２８に設定した境界値を比較回路２８により比較する事により、各角速度センサ１〜Ｎの故障を判定し、故障判定信号を演算回路２９に出力する。次に演算回路２９により比較回路２８により出力された故障判定信号に基づいて故障とみなされていない角速度センサ１〜Ｎのコリオリ成分に応じた出力電圧に対し平均化演算を行い出力端子１０５−１に出力する。また、比較回路２８の出力によって故障とみなされた角速度センサの個数を認識し、故障と認識された角速度センサの個数が所定の数を超えた場合に警告信号を出力端子１０５−２に出力する。

本実施例においても第１の実施例と同様の利点があるが、演算回路２９により比較回路２８により出力された故障判定信号に基づいて故障とみなされていない角速度センサ１〜Ｎのコリオリ成分に応じた出力電圧を平均化演算する事でより安定した角速度情報を取得する事が出来る。また、本実施例における角速度センサを複数の第１の実施例に記載した角速度センサにより構成する事により、いずれか１つの角速度センサに異常が発生しても、他の角速度センサにより正常な角速度情報を継続的に取得する事が可能となる。また、演算回路２９を用いて比較回路２８の出力によって故障とみなされた角速度センサの個数を認識し、故障と認識された角速度センサの個数が所定の数を超えた場合に警告信号を出力する事で、本実施例における角速度センサの動作状態を監視する事が可能となる。

次に、本発明の第４の実施例である角速度センサを図４により説明する。

尚、図４は本発明が提供する角速度センサの、第４の実施例における構成を表すものである。

本実施例は、図３に記載した第３の実施例におけるサーボ制御部２０２の代わりにサーボ制御部２０３を設ける事で構成される。

本実施例におけるサーボ制御部２０３の動作については第２の実施例の中で記述した為省略する。また、本実施例における角速度センサの動作については第３の実施例の中で記述した為省略する。

尚、本実施例においても第２の実施例と同様の利点があるが、演算回路２９により比較回路２８により出力された故障判定信号に基づいて故障とみなされていない角速度センサ１〜Ｎのコリオリ成分に応じた出力電圧を平均化演算する事でより安定した角速度情報を取得する事が出来る。また、本実施例における角速度センサを複数の第１の実施例に記載した角速度センサにより構成する事により、いずれか１つの角速度センサに異常が発生しても、他の角速度センサにより正常な角速度情報を継続的に取得する事が可能となる。また、演算回路２９を用いて比較回路２８の出力によって故障とみなされた角速度センサの個数を認識し、故障と認識された角速度センサの個数が所定の数を超えた場合に警告信号を出力する事で、本実施例における角速度センサの動作状態を監視する事が可能となる。

次に、本発明の第５の実施例である角速度センサを図５により説明する。

尚、図５は本発明が提供する角速度センサの、第５の実施例における構成を表すものである。

本実施例は、図１に記載した第１の実施例における角速度センサから比較回路１９を除いた角速度センサにおいて、互いに特性の揃った角速度センサを１対並列に配置し、１対の振動子１が互いに差動振動を行う様に電極２〜９を配置し、振動子間の差動振動の変位位相を補償するために１対の振動子１を弾性的に連結する弾性連結部３０を設け、演算回路３１と比較回路３２を設ける事で構成される。

本実施例の角速度センサにおいては、１対の角速度センサの出力端子１０１に出力した自己振動成分に応じた出力電圧を演算回路３１に入力する。次に演算回路３１は入力された１対の信号を減算し比較回路３２に出力する。次に比較回路３２は予め設定された境界値と入力した減算後の信号を比較する事により角速度センサの故障を判定し、故障判定信号を出力端子１０６に出力する。

ここで、各角速度センサにおいて検出する自己振動成分は弾性連結部３０により運動量保存の法則が保たれるため理想的には同じ出力電圧値として出力端子１０１に出力される。従って演算回路３１の出力には出力端子１０１に出力される電圧の２倍の電圧値が出力される事となるため、比較回路３２に設定する境界値に出力端子１０１に出力される電圧値の２倍の電圧値を中心とした一定範囲の値を設ける事としている。ただし、振動子１の自己振動による変位量に応じて振動子１の検出軸方向に外力を与える支持部等がある場合は運動量保存の法則は成立しないため、比較回路３２に設定する境界値の中心に出力端子１０１に出力される電圧値の２倍の電圧値を設定する事はできない。

また、本実施例おいて演算回路３１は減算処理を行うものとして記載したが、加算処理を行う事としても良い。１対の振動子１間の運動量保存則が成立し、互いに同一の自己振動振幅により差動振動する場合には、加算後の出力は理想的にはゼロとなる。この出力を監視する事によっても角速度センサの故障を検出する事が可能となる。

尚、本実施例においても第１の実施例と同様の利点があるが、１対の角速度センサにより検出した自己振動成分を加算乃至は減算し、その出力を比較回路３２により故障を判定する事により、第１の実施例における角速度センサよりも優れた精度での故障の検出が可能となる。

次に、本発明の第６の実施例である角速度センサを図６により説明する。

尚、図６は本発明が提供する角速度センサの、第６の実施例における構成を表すものである。

本実施例は、図５に記載した第５の実施例におけるサーボ制御部２０２の代わりにサーボ制御部２０３を設ける事で構成される。

本実施例におけるサーボ制御部２０３の動作については第２の実施例の中で記述した為省略する。また、本実施例における角速度センサの動作については第５の実施例の中で記述した為省略する。

尚、本実施例においても第２の実施例と同様の利点があるが、１対の角速度センサにより検出した自己振動成分を加算乃至は減算し、その出力を比較回路３２により故障を判定する事により、第２の実施例における角速度センサよりも優れた精度での故障の検出が可能となる。

次に、本発明の第７の実施例である角速度センサを図７により説明する。

尚、図７は本発明が提供する角速度センサの、第７の実施例における構成を表すものである。

本実施例は、図１に記載した第１の実施例における角速度センサに擬似自己振動出力手段３３と積分回路１７の出力に擬似自己振動出力手段３３の出力を加算する加算器３４を設ける事により構成される。擬似自己振動出力手段３３は、例えば固定値を定常的に出力する方法等により構成できる。

本実施例の角速度センサにおいては、積分回路１７の出力に対して擬似自己振動出力手段３３の出力を加算器３４により加算した信号に対しΦ４により変調回路１８を用いて変調する事により、自己振動帰還信号に加えて振動子１を検出軸方向に自己振動と同位相で振動する擬似的な自己振動を起こす外力（以下、擬似自己振動力と呼称）を生成し、加算器２３により変調回路１５により出力されるコリオリ帰還信号と、自己振動帰還信号及び擬似自己振動力を加算した帰還信号を生成しする。次に帰還信号と反転器２４により位相反転した帰還信号に対し加算器２５，２６を用いてバイアス電圧Ｖｂを加算してサーボ電極８，９に印加する。その結果、サーボ電極８，９に印加した電圧により振動子１が検出軸方向に力を受け擬似自己振動が生じる。次に振動子１の検出軸方向の変位を検出電極６，７及び変換増幅器１２により変位信号に変換し、この変位信号に対しΦ３により同期検波回路１６を用いて同期検波する事により自己振動及び擬似自己振動による振動子１の変位を検出する。次に積分回路１７において同期検波回路１６で得られた信号を積分演算する。そして積分回路１７の出力に擬似自己振動出力手段３３の出力を加算器３４により加算して再び変調回路１８に入力する。

本実施例における角速度センサは以上に記載した動作により振動子１の検出軸方向の自己振動と擬似自己振動による変位を打ち消すサーボ制御を行っている。

このサーボ制御を行っている状態において、積分回路１７の出力を出力端子１０１に出力する事により自己振動成分及び擬似自己振動成分を加算した変位に応じた出力電圧を取得する。

また、出力端子１０１に出力される出力電圧は自己振動成分及び擬似自己振動成分を加算した変位に応じたものであり、角速度センサに断線やショート，振動子の破損，固着等の異常が生じた際には振動子１に与えた自己振動帰還信号と擬似自己振動力の合力に対する振動子１の変位信号が変化するため、この積分回路１７の出力を監視する事により、角速度センサの故障を検出する事が可能となる。具体的には、比較回路１９に予め自己振動成分の境界値を設定しておき、出力端子１０１に出力される出力電圧に応じた自己振動成分と境界値とを比較する事により、境界値を逸脱していた際は故障と判定し故障検出信号を出力端子１０２に出力するものである。

また、本実施例における角速度センサにおいて、擬似自己振動出力手段３３の出力を周期的に変化させている状態において積分回路１７の出力を監視する事により、振動子１の検出軸方向の変位が擬似自己振動出力手段３３の出力の変化に応じた変位をしているかどうかを検知する事ができ、角速度センサの故障を検出する事が可能となる。

尚、本実施例においても第１の実施例と同様の利点があるが、本実施例に記載した方法で発生させた擬似自己振動をサーボ制御により打ち消しながら故障診断を行うことで、振動子１に大きな振動を生じる事はないため振動子１に負担を与えないアクティブ診断方法を可能とする。

次に、本発明の第８の実施例である角速度センサを図８により説明する。

尚、図８は本発明が提供する角速度センサの、第８の実施例における構成を表すものである。

本実施例は、図２に記載した第２の実施例における角速度センサに擬似自己振動出力手段３５とΦ１により変調を行う変調回路３６と積分回路２７の出力に変調回路３６を加算する加算器３７を設ける事により構成される。擬似自己振動出力手段３５は、例えば固定値を定常的に出力する方法等により構成できる。

本実施例の角速度センサにおいては、擬似自己振動出力手段３５の出力に対しΦ１により変調回路３６を用いて変調する事により擬似自己振動力を生成し、積分回路２７から出力された信号に対して加算器３７により議事自己振動力を加算した帰還信号を生成する。次に帰還信号と反転器２４により位相反転した帰還信号に対し加算器２５，２６を用いてバイアス電圧Ｖｂを加算してサーボ電極８，９に印加する。その結果、サーボ電極８，９に印加した電圧により振動子１が検出軸方向に力を受け擬似自己振動が生じる。次に振動子１の検出軸方向の変位を検出電極６，７及び変換増幅器１２により変位信号に変換し、この変位信号を積分回路２７により積分演算した後に加算器３７により変調回路３６の出力を加算する事で帰還信号を生成する。

本実施例における角速度センサは以上に記載した動作により振動子１の検出軸方向の変位を打ち消すサーボ制御を行っている。

次に、積分回路２７により出力される変位信号に対しΦ３により同期検波回路１６を用いて同期検波する事により自己振動及び擬似自己振動による振動子１の変位を検出し、積分回路１７において同期検波回路１６の出力を積分演算する。そして積分回路１７の出力を出力端子１０１に出力する事自己振動成分及び擬似自己振動成分を加算した変位に応じた出力電圧を取得する。

また、本実施例における角速度センサにおいて、擬似自己振動出力手段３５の出力を周期的に変化させている状態において積分回路１７の出力を監視する事により、振動子１の検出軸方向の変位が擬似自己振動出力手段３５の出力の変化に応じた変位をしているかどうかを検知する事ができ、角速度センサの故障を検出する事が可能となる。

尚、本実施例においても第２の実施例と同様の利点があるが、本実施例に記載した方法で発生させた擬似自己振動をサーボ制御により打ち消しながら故障診断を行うことで、振動子１に大きな振動を生じる事はないため振動子１に負担を与えないアクティブ診断方法を可能とする。

次に、本発明の第９の実施例である角速度センサを図９により説明する。

尚、図９は本発明が提供する角速度センサの、第９の実施例における検出軸方向重心移動手段の構成を表すものである。

本実施例における角速度センサの検出軸方向重心移動手段は、振動子３８と固定された基板３９と振動子３８と基板３９を弾性的に連結する支持部４０，４１，４２，４３と振動子３８に静電気力をあたえる電極４４，４５と電極４４，４５を固定する固定部４６，４７とで構成されるセンサ素子２０４と、電極４４，４５にそれぞれ直流電圧を印加する電圧印加部４８，４９とで構成される。

本実施例における角速度センサの検出軸方向重心移動手段は、電圧印加部４６，４７により電極３９，４０に印加された電圧により静電気力を発生し、振動子３８は静電気力に応じて変位する事により検出軸方向に振動子３８の重心を移動する事で実現できる。この時振動子３８は基板３９と支持部４０，４１，４２，４３により変位に応じた外力を受けるため、電極４４，４５により振動子３８に対して連続的に静電気力を印加する必要がある。

ここで、自己振動は支持部４０，４１，４２，４３等の振動子を基板に支持する支持部及び駆動電極２，３が振動子に与える外力の合力中心の位置と振動子３８の重心位置が検出軸上においてずれているために生じ、このずれの大きさに比例して振動振幅が発生する振動である。このため、本実施例により記載した検出軸方向重心移動手段を用いて振動子３８の重心位置を検出軸方向に移動する事で、振動子３８の自己振動による変位量を制御する事が可能となる。この効果により、センサ素子の製造誤差による固体毎の自己振動成分のバラつきを補正することが出来る。また、製造誤差がなく自己振動が発生しないセンサ素子に対しても、検出軸方向重心移動手段により振動子の重心位置を移動する事により第１〜８の実施例において記載した故障検出方法を用いた角速度センサの故障検出を行う事が可能となる。

また、本実施例において検出軸方向重心移動手段の実現手段として振動子３８の検出軸方向に外力を印加する電極４４，４５を設けたが、センサ素子２００における検出電極６，７に電圧印加部４８，４９の出力電圧を印加する事でも実現可能である。

次に、本発明の第１０の実施例である角速度センサを図１０により説明する。

尚、図１０は本発明が提供する角速度センサの、第１０の実施例における検出軸方向重心移動手段の構成を表すものである。

本実施例における角速度センサの検出軸方向重心移動手段は、振動子５０と固定された基板６４と振動子５０と基板６４を連結する支持部６３と振動子５０を構成する駆動脚５１，５２と検出脚５３，５４と駆動脚５１，５２を駆動振動する駆動電極５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂ，５７ａ，５７ｂ，５８ａ，５８ｂと振動子５０と線膨張係数の異なる素材で構成され且つ切り込みを形成した平板５９，６０，６１，６２とで構成される駆動部と、定電圧発生装置６３により構成される。ここで平板５９，６０，６１，６２は、例えば駆動脚５１，５２を構成するシリコン（線膨張係数２.６×１０^-6／Ｋ）に対しアルミニウム（２３×１０^-6／Ｋ）や銅（線膨張係数１７×１０^-6／Ｋ）等で構成する事ができる。また駆動電極は駆動制御回路１１の出力を印加する電極５５ａ，５５ｂ，５７ａ，５７ｂと電極５５ａ，５５ｂ，５７ａ，５７ｂに印加された信号に応じた駆動力を駆動脚５１，５２に伝達する電極５６ａ，５６ｂ，５８ａ，５８ｂにより構成される。

本実施例における角速度センサの検出軸方向重心移動手段は、定電圧発生装置６３により平板に電圧を印加する事でジュール熱を駆動部に与え、ジュール熱による平板と駆動脚の線膨張の差分により駆動部に一定の反りを生じさせ、駆動脚５１，５２の検出軸方向に重心を移動する事により実現できる。

ここで、自己振動は駆動電極５６ａ，５６ｂ，５８ａ，５８ｂが駆動脚に与える駆動力の合力中心の位置と駆動脚５１，５２の重心位置が検出軸上においてずれているために生じ、このずれの大きさに比例して振動振幅が発生する振動である。このため、本実施例により記載した検出軸方向重心移動手段を用いて駆動脚５１，５２の重心位置を検出軸方向に移動する事で、駆動脚５１，５２の自己振動による変位量を制御する事が可能となる。この効果により、センサ素子の製造誤差による固体毎の自己振動成分のバラつきを補正することが出来る。また、製造誤差がなく自己振動が発生しないセンサ素子に対しても、検出軸方向重心移動手段により振動子の重心位置を移動する事により第１〜８の実施例において記載した故障検出方法を用いた角速度センサの故障検出を行う事が可能となる。

第１の実施例における角速度センサの構成。第２の実施例における角速度センサの構成。第３の実施例における角速度センサの構成。第４の実施例における角速度センサの構成。第５の実施例における角速度センサの構成。第６の実施例における角速度センサの構成。第７の実施例における角速度センサの構成。第８の実施例における角速度センサの構成。第９の実施例における角速度センサの検出軸方向重心移動手段の概略構造。第１０の実施例における角速度センサの検出軸方向重心移動手段の概略構造。

符号の説明

１，３８，５０振動子
１０，１２変換増幅器
１１駆動制御回路
１３，１６同期検波回路
１４，１７積分回路
１５，１８，３６変調回路
１９，２８，３２比較回路
２０位相遅延回路

Claims

基板上に弾性的に変位可能に支持された振動子と、
前記基板表面に水平な駆動軸方向に前記振動子を振動させる駆動手段と、
前記基板表面に水平かつ駆動軸方向と垂直な検出軸方向の前記振動子の変位を検出する検出軸方向変位検出手段と、
前記振動子の検出軸方向の変位に基づいて角速度を検出する角速度検出手段と、
を備えた角速度センサにおいて、
前記駆動軸方向への前記振動子の振動が検出軸方向に漏れ込むことが原因で生じる前記振動子の自己振動を検出する自己振動検出手段と、
前記振動子の自己振動をゼロにする自己振動帰還回路と、
前記自己振動検出手段の出力を利用して異常を判定する異常判定手段と
を有することを特徴とする角速度センサ。
請求項１において、
前記自己振動検出手段が、前記検出軸方向変位検出手段の出力を前記振動子の駆動軸方向の振動に応じた信号で同期検波する第１同期検波回路と、前記第１同期検波回路の出力を積分する第１積分回路とで構成されることを特徴とする角速度センサ。
請求項１において、
前記自己振動帰還回路が、前記振動子の自己振動をゼロにする外力を前記振動子に印加するために前記第１積分回路の出力を変調する第１変調回路で構成されることを特徴とする角速度センサ。
請求項１において、
前記振動子に対し所定の角速度を与えた際の前記第１積分回路の出力と、
前記振動子に対し所定の角速度を与え無かった際の前記第１積分回路の出力と
を等しくする位相調整手段を有することを特徴とする角速度センサ。
請求項１において、
前記振動子に角速度を印加することにより前記振動子に働くコリオリ力により生じる前記振動子の検出軸方向のコリオリ振動をゼロにする第２帰還回路を有することを特徴とした角速度センサ。
請求項１において、
前記角速度検出手段が、前記検出軸方向変位検出手段の出力を前記振動子の駆動軸方向の振動と位相が９０°ずれた信号で同期検波する第２同期検波回路と、前記第１同期検波回路の出力を積分する第２積分回路とで構成されることを特徴とする角速度センサ。
請求項５において、
前記第２帰還回路が、前記振動子のコリオリ振動をゼロにする外力を前記振動子に印加するために前記第２積分回路の出力を変調する第２変調回路で構成されることを特徴とする角速度センサ。
請求項６において、
前記振動子に対し所定の角速度を与えた際の前記第２積分回路の出力と、
前記振動子に対し所定の角速度を与え無かった際の前記第２積分回路の出力と
の出力差を最大とする位相調整手段を備えたことを特徴とする角速度センサ。
請求項１において、
前記異常判定手段が前記第１積分回路の出力と所定の値を比較する比較回路により構成されることを特徴とした角速度センサ。
請求項１において、
前記自己振動帰還回路が、前記検出軸方向変位検出手段の出力を積分する第３積分回路
で構成されることを特徴とする角速度センサ。
請求項１０において、
前記自己振動検出手段が、前記第３積分回路の出力を前記振動子の駆動軸方向の振動に応じた信号で同期検波する第３同期検波回路と、前記第３同期検波回路の出力を積分する第４積分回路とで構成されることを特徴とする角速度センサ。
請求項１０において、
前記角速度検出手段が、前記第３積分回路の出力を前記振動子の駆動軸方向の振動と位相が９０°ずれた信号で同期検波する第４同期検波回路と、
前記第４同期検波回路の出力を積分する第５積分回路と
を有することを特徴とする角速度センサ。
前記請求項１０において、
前記振動子に対し所定の角速度を与えた際の前記第４積分回路の出力と、
前記振動子に対し所定の角速度を与え無かった際の前記第４積分回路の出力と
を等しくする位相調整手段を有することを特徴とする角速度センサ。
前記請求項１０において、
前記異常判定手段が前記第４積分回路の出力と所定の値を比較する比較回路により構成されることを特徴とした角速度センサ。
請求項２において、
互いに特性の揃った複数の前記請求項２〜９に記載の角速度センサにより構成し、
各々の角速度センサの有する前記異常判定手段に代えて全ての角速度センサの有する第１積分回路の出力を入力として個々の角速度センサについて異常を判定する第２異常判定手段を設け、
前記異常判定手段の出力に応じて複数の正常な角速度センサの前記角速度検出手段の出力から１つの最終的な出力を出力する演算回路
を有することを特徴とした角速度センサ。
互いに特性の揃った複数の請求項１０に記載の角速度センサにより構成し、
各々の角速度センサの有する前記異常判定手段に代えて全ての角速度センサの有する第１積分回路の出力を入力として個々の角速度センサについて異常を判定する第２異常判定手段を設け、
前記異常判定手段の出力に応じて複数の正常な角速度センサの前記角速度検出手段の出力から１つの最終的な出力を出力する演算回路
を有することを特徴とした角速度センサ。
基板上に弾性的に変位可能に支持された第１及び第２振動子と、
前記基板表面に水平な駆動軸方向に前記第１及び第２振動子を互いに差動振動させる駆動手段と、
駆動軸方向に垂直な検出軸方向の前記第１及び第２振動子の変位を検出する検出軸方向変位検出手段と、
を備えた角速度センサにおいて、
駆動軸方向への前記第１及び第２振動子の振動が検出軸方向に漏れ込むことが原因で生じる前記第１及び第２振動子の自己振動を検出する、
前記検出軸方向変位検出手段の出力を前記振動子の駆動軸方向の振動に応じた信号で同期検波する同期検波回路及び前記同期検波回路の出力を積分する積分回路、
により構成した第１及び第２自己振動検出手段と、
前記第１及び第２振動子の自己振動をゼロにする第１及び第２帰還回路と、
１対の前記積分回路の出力に基づいて所定の演算を行う演算手段と、
前記演算手段の出力に基づいて異常を判定する異常判定手段と
を有することを特徴とする角速度センサ。
基板上に弾性的に変位可能に支持された第１及び第２振動子と、
前記基板表面に水平な駆動軸方向に前記第１及び第２振動子を互いに差動振動させる駆動手段と、
駆動軸方向に垂直な検出軸方向の前記第１及び第２振動子の変位を検出する検出軸方向変位検出手段と、
前記振動子の検出軸方向の変位をゼロにする、
前記検出軸方向変位検出手段の出力を積分する積分回路、
により構成された帰還回路と、
を備えた角速度センサにおいて、
駆動軸方向への前記第１及び第２振動子の振動が検出軸方向に漏れ込むことが原因で生じる前記第１及び第２振動子の自己振動を検出する、
前記検出軸方向変位検出手段の出力を前記振動子の駆動軸方向の振動に応じた信号で同期検波する同期検波回路及び前記同期検波回路の出力を積分する積分回路、
により構成した第１及び第２自己振動検出手段と、
１対の前記積分回路の出力に基づいて所定の演算を行う演算手段と、
前記演算手段の出力に基づいて異常を判定する異常判定手段と
を有することを特徴とする角速度センサ。
請求項１８において、
前記振動子の検出軸方向に自己振動と同位相の外力を印加する擬似自己振動印加手段
を有することを特徴とする角速度センサ。
基板上に弾性的に変位可能に支持された振動子と、
前記基板と前記振動子を弾性的に連結する弾性連結梁と、
前記基板表面に水平な駆動軸方向に前記振動子を振動させる駆動手段と、
駆動軸方向に垂直な検出軸方向の前記振動子の変位を検出する検出軸方向変位検出手段と、
を備えた角速度センサにおいて、
前記弾性連結梁の合力中心に対する前記振動子の質量中心の位置を検出軸方向に移動する検出軸方向重心移動手段を有することを特徴とする角速度センサ。
請求項２０において、
前記検出軸方向重心移動手段が、
前記振動子の検出軸方向に所定の外力を印加する検出軸方向外力印加手段
により構成されることを特徴とする角速度センサ。
請求項２０において、
前記検出軸方向重心移動手段は、前記振動子が互いに線膨張係数の異なる物質を検出軸方向に直列に重ね合わせることにより構成され、
前記振動子の温度調整が可能な温度調整手段により構成されることを特徴とする角速度センサ。