JP4066916B2 - 力学量センサ - Google Patents

Description

この発明は、加速度、角加速度、角速度、荷重等の力学量を検出する力学量センサに関するものである。

圧電振動子を備えた加速度センサとして、本願出願人は特許文献１を出願している。この加速度センサは、加速度を検出する圧電セラミック素子と、この圧電セラミック素子からの出力信号を処理する信号処理回路と、特に圧電セラミック素子に対して自己診断用信号を出力する自己故障診断回路を備えている。

また、振動部と角速度を検知する検知部とを有するセンサ素子と、このセンサ素子の振動部に駆動信号を供給するドライバ回路を備えた角速度センサとして特許文献２が開示されている。

また、本願出願人は、圧電振動子を備えた力学量センサとして特願２００２−３２６６０５を出願している。この力学量センサは、力学量によって加わる応力が互いに逆である２つの圧電振動子と、それらの圧電振動子に対して共通に電圧信号を印加する電圧信号印加回路と、それらの圧電振動子に流れる電流信号をそれぞれ電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、該電流電圧変換回路の出力信号同士の位相差を検出して力学量検出信号を出力する位相差信号処理回路とを備えている。

ここで、特願２００２−３２６６０５の力学量センサの構成例を図８を基に説明する。

図８において、加速度検出素子１０は、加速度によって加わる応力の方向が互いに逆である２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂからなる。この圧電振動子Ｓａ，Ｓｂには直列に抵抗ＲＬａ，ＲＬｂを接続している。電流電圧変換−信号加算回路１１は、加速度検出素子１０の２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂに流れる電流信号を電圧信号に変換して、Ｓａ信号およびＳｂ信号を出力する。また、両信号の加算信号を出力する。

帰還信号処理回路１２は、上記加算信号を電圧増幅するとともに、その振幅制限を行い、加速度検出素子１０に対して電圧信号Ｖｏｓｃを出力する。この電圧信号Ｖｏｓｃは、２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂの共通接続点に印加する。

位相差電圧変換回路１３は、電圧信号として変換されたＳａ信号とＳｂ信号との位相差に比例した電圧信号を生成する。
増幅−フィルタ回路１４は、位相差電圧変換回路１３により変換された電圧信号を所定のゲインで増幅し、不要な周波数帯域の成分を除去して、加速度検出信号として出力する。

図８の回路で、圧電振動子ＳａとＳｂの共振周波数を揃え、Ｖｏｓｃの周波数をＳａとＳｂの共振周波数とし、圧電振動子Ｓａ、圧電振動子Ｓｂに、それぞれ圧縮（引っ張り) 、引っ張り（圧縮）という具合に、逆相の応力が印加することにより、増幅−フィルタ回路１４から出力信号を取り出す。
特許第３０９７４６４号公報 特開２００２−２６７４４８公報

特許文献１には圧電セラミック素子に対して自己診断用信号を与えることにより、センサ出力の変化に基づいて故障の有無を判定する回路が示されている。また特許文献２にはセンサ素子駆動信号に同期した信号を復調器よりも前段に加えることにより自己診断する構成が示されている。例えば車載用として力学量センサを適用する場合、高い信頼性を確保するためにこのような自己診断機能が必須である。

ところが、特願２００２−３２６６０５に示した力学量センサでは、力学量によって加わる応力が互いに逆である２つの圧電振動子に流れる電流信号を電圧信号に変換し、帰還回路によって自励発振動作するものであるので、特許文献１または２で示されているような自己診断回路を適用することはできなかった。

そこで、この発明の目的は、力学量によって加わる応力が互いに逆である２つの圧電振動子に対して電圧信号を印加し、圧電振動子に流れる電流の位相差を検出して力学量を検出するように構成するとともに自己診断機能を備えた力学量センサを提供することにある。

この発明は、力学量によって加わる応力が互いに逆である２つの圧電振動子（Ｓａ，Ｓｂ）と、該２つの圧電振動子に対して共通に電圧信号を印加する電圧信号印加回路と、前記２つの圧電振動子に流れる電流信号をそれぞれ電圧信号に変換する電流電圧変換回路（１１）と、該電流電圧変換回路の出力信号同士の位相差を検出して力学量検出信号を出力する位相差信号処理回路（１３，１４）とを設けてなる力学量センサにおいて、前記電流電圧変換回路は前記２つの圧電振動子の電流経路にそれぞれ挿入した電流検出用抵抗（ＲＬａ，ＲＬｂ）を含み、
トランジスタ（Ｑ２）のコレクタを電源端子側にして、当該トランジスタとスイッチ素子（ＡＳＷ）と第１のバイアス抵抗（Ｒ６）との直列回路を前記電源端子と一定電位部（ＧＮＤ）との間に設け、前記トランジスタ（Ｑ２）のベースと前記電源端子間に第２のバイアス抵抗（Ｒ４）を設け、前記トランジスタのベースと前記一定電位部との間に第３のバイアス抵抗（Ｒ５）を設け、前記２つの圧電振動子のうちの一方の圧電振動子（Ｓｂ）と前記電流検出用抵抗（ＲＬｂ）との接続点と前記トランジスタ（Ｑ２）のエミッタとの間にキャパシタ（Ｃ１）を接続してなり、
前記スイッチ素子（ＡＳＷ）は制御端子への制御信号に応じて２つの入出力端子間を導通／遮断するＣ−ＭＯＳ型アナログスイッチであり、前記第１のバイアス抵抗（Ｒ６）は前記スイッチ素子（ＡＳＷ）の導通時の前記トランジスタ（Ｑ２）のオン時に当該トランジスタのエミッタに流れるエミッタ電流による降下電圧に等しい一定電圧を前記キャパシタの一端に印加するものである、
自己診断回路（１５）を設けたことを特徴としている。

この発明は、前記力学量を例えば加速度、角加速度、角速度、荷重とする。

この発明によれば、２つの圧電振動子の一方の圧電振動子と抵抗との接続点の電位がキャパシタを介して一定電位部の電位（基準電位）に固定された際に、圧電振動子の位相特性が変化し、それに伴って位相差信号処理回路が検出する力学量検出信号のレベルが変化する。そのため、この出力変化によって自己診断が可能となる。

またこの発明によれば、制御端子への制御信号に応じて２つの入出力端子間を導通／遮断するスイッチ素子と該スイッチ素子に対して直列接続したトランジスタと、スイッチ素子の導通時にトランジスタを導通させるバイアス回路とをスイッチ回路に備えたことにより、スイッチ素子の遮断時にトランジスタも遮断状態となり、スイッチ素子とトランジスタとの接続点に接続したキャパシタの端部は等価的に開放状態となる。したがって該キャパシタが接続されていない状態と等価となり、上記電圧信号印加回路と電流電圧変換回路と位相差信号処理回路とを備えた力学量センサ本来の動作が行われ、自己診断回路を設けたことによる特性劣化が生じない。

第１の実施形態に係る力学量センサの構成を図１〜図３を基に説明する。
図１は加速度センサ全体の構成を示すブロック図である。ここで、加速度検出素子１０は、加速度によって加わる応力の方向が互いに逆である２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂからなる。電流電圧変換−信号加算回路１１は、加速度検出素子１０の２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂに流れる電流信号を電圧信号に変換してＳａ信号およびＳｂ信号を出力する。また、両信号の加算信号を出力する。帰還信号処理回路１２は、この発明に係る「電圧信号印加回路」に相当し、上記加算信号を電圧増幅するとともに、その振幅制限を行い、さらに位相制御をして２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂの共通接続点に電圧信号を帰還させる。位相差電圧変換回路１３は、この発明に係る「位相差信号処理回路」に相当し、電圧信号として変換されたＳａ信号とＳｂ信号との位相差に比例した電圧信号を生成する。

増幅−フィルタ回路１４は、位相差電圧変換回路１３により変換された電圧信号を所定のゲインで増幅し、不要な周波数帯域の成分を除去して加速度の検出信号として出力する。

加速度検出素子１０の一方の圧電振動子Ｓｂと電流電圧変換−信号加算回路１１の入力部に設けた抵抗ＲＬｂとの接続点と、基準電位部（この例では接地）との間にスイッチ回路ＳＷとキャパシタＣ１による直列回路からなる自己診断回路１５を設けている。

電流電圧変換−信号加算回路１１において、加速度検出素子１０の圧電振動子Ｓａ，Ｓｂの通電電流は抵抗ＲＬａ，ＲＬｂを介して流れる。この電流電圧変換−信号加算回路１１は、抵抗ＲＬａ，ＲＬｂに生じる降下電圧を加算するものである。すなわち、オペアンプＯＰ１，ＯＰ２は入力インピーダンスが非常に高く、利得が１の電圧フォロア回路を構成していて、オペアンプＯＰ３と抵抗Ｒ２５，Ｒ２６は非反転増幅回路を構成している。さらに、この非反転増幅回路と抵抗Ｒ２３，Ｒ２４とによって加算回路を構成していて、オペアンプＯＰ１，ＯＰ２の出力電圧の加算信号を出力する。

この図１に示した加速度センサにおいて、自己診断の際に、スイッチ回路ＳＷを導通（オン）させる。スイッチ回路ＳＷがオンすると、圧電振動子Ｓｂの位相特性が変化し、これに伴い電流電圧変換−信号加算回路１１のＳｂ信号の位相が変化する。この位相変化による出力が所定の変化を示すか否かによって診断を行う。

次に、上記スイッチ回路ＳＷのオンオフによる圧電振動子Ｓｂの位相特性変化について示す。
図２は、その特性試験のための回路である。ここでは、加速度検出素子１０の共通接続点と接地との間に試験信号を入力し、電流電圧変換−信号加算回路１１のＳｂ信号を測定した。

図３は、上記Ｓｂ信号の位相特性とゲイン特性を示している。（Ａ），（Ｂ）の横軸はいずれも周波数、（Ａ）の縦軸は位相、（Ｂ）の縦軸はゲインである。（Ａ）に示すように、スイッチ回路ＳＷをオンすると、オフ状態に比べてＳｂ信号の位相が、圧電振動子Ｓｂの共振周波数と反共振周波数を含む比較的広い周波数帯域に亘って略一定の位相差分変位する。このときゲインも変化するが、その変化幅は非常に小さい。また、もう一方の圧電振動子Ｓａについての電圧変換信号であるＳａ信号については、スイッチ回路ＳＷのオンオフ状態に関わらず位相特性・ゲイン特性共に殆ど変化がなかった。したがって、図１に示したように帰還信号処理回路１２を介して帰還させることによって発振動作する際に、スイッチ回路ＳＷのオンオフ状態が変化しても発振動作に大きな影響が与えられることがなく安定した発振動作を維持できる。

次に、第２の実施形態として、自己診断回路１５の具体的な回路構成とそれを備えた加速度センサの特性について図４〜図６を基に説明する。
図４の自己診断回路１５において、Ｖｃｃはこの自己診断回路１５およびその他の加速度センサ各部の電源電圧ライン、ＧＮＤは接地部である。またＤｇｎは制御信号入力端子である。ＡＳＷは、後に示すようにＣ−ＭＯＳ型のアナログスイッチによるスイッチ素子である。自己診断回路１５において、Ｒ３はトランジスタＱ１の負荷抵抗であり、Ｒ１，Ｒ２はトランジスタＱ１のバイアス回路を構成している。また、抵抗Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６はトランジスタＱ２のバイアス回路を構成している。

この自己診断回路１５の動作は次の通りである。
まず、制御信号入力端子Ｄｇｎがローレベル（接地電位）の時、トランジスタＱ１がオンし、Ｑ１のコレクタ電位がハイレベル（略Ｖｃｃの電圧）となり、それによりスイッチ素子ＡＳＷが導通する。これにより、トランジスタＱ２のベース電流が流れてトランジスタＱ２はオン状態となる。したがって、抵抗Ｒ６に流れるトランジスタＱ２のエミッタ電流による降下電圧に等しい一定電位がキャパシタＣ１の一端に印加されることになる。

制御入力端子Ｄｇｎがハイレベル（Ｖｃｃの電圧）になれば、トランジスタＱ１がオフし、スイッチ素子ＡＳＷもオフする。そのことにより、トランジスタＱ２のベース電流が遮断されてＱ２がオフし、キャパシタＣ１の一端は等価的に開放状態となる。したがって、キャパシタＣ１が等価的に存在しないことになり、通常の発振動作がなされる。

図４に示した自己診断回路１５の構成では、スイッチ素子ＡＳＷが遮断状態の時、トランジスタＱ１，Ｑ２もオフ状態となって、自己診断タイミングでない通常時には、この自己診断回路１５による電力消費が極めて低く抑えられる。

図５は、上記スイッチ素子ＡＳＷの構成を示す回路図である。このスイッチ素子ＡＳＷは２つのＭＯＳトランジスタＱ１１，Ｑ１２およびインバータＩＮＶから構成している。制御信号入力端子ＣＮＴがハイレベルの時、Ｑ１１，Ｑ１２が共に導通して、入出力端子ＩＮ／ＯＵＴ−ＯＵＴ／ＩＮ端子間が導通する。逆に、制御信号入力端子ＣＮＴがローレベルの時、Ｑ１１，Ｑ１２が共にオフして、入出力端子ＩＮ／ＯＵＴ−ＯＵＴ／ＩＮ端子間が遮断状態となる。なお、インバータＩＮＶは１段のＣ−ＭＯＳ回路からなり、このスイッチ素子ＡＳＷがオフ状態の時、消費電力は極めて低く抑えられる。

図６は、自己診断タイミングとその時の加速度センサからの出力信号の例を示している。この例では、２００［ｍｓ］の区間を自己診断区間としている。すなわち、この自己診断区間で図４に示した制御信号入力端子Ｄｇｎをローレベルにする。

図６の（Ｂ）は、正常時の自己診断出力波形である。図６の（Ｂ）〜（Ｄ）は縦軸に加速度センサの出力電圧をとっていて、自己診断区間の出力電圧が２．５Ｖから４．５Ｖに変化するように回路各部の定数を設定している。

図６の（Ｃ）は、加速度検出素子１０の圧電振動子Ｓａ，Ｓｂの一方が破損した（折れた）場合の自己診断出力波形である。圧電振動子の一方が機械的に破損した場合には発振動作するが、電流電圧変換−信号処理回路の出力であるＳａ信号，Ｓｂ信号の位相差に変化が生じないため、位相差電圧変換回路１３からの出力信号に変化が生じない。その結果、自己診断区間の内外に関わらず出力電圧は一定となる。したがって、自己診断区間とそれ以外の区間とで出力電圧の変化が正常時と異なり小さくなったなら故障（圧電振動子の破損）であるものと判定できる。

図６の（Ｄ）は、増幅−フィルタ回路１４の故障（増幅−フィルタ回路１４内のハイパスフィルタの故障）の場合の自己診断出力波形である。このように自己診断区間での出力電圧が一定でない場合には、例えば或る回路素子の故障によって時定数が変化するフィルタ回路部分の故障であるものと判定できる。

上記自己診断区間は、加速度センサの使用開始時に設けてもよいが、通常の使用状態でも一定時間間隔でこの自己診断区間を挿入して、実質上連続的に自己診断を行うようにしてもよい。

図７は、第３の実施形態に係る加速度センサの構成を示す図である。図４に示した構成と異なるのは、電流電圧変換−信号加算回路１１の構成である。この第３の実施形態では、電流電圧変換−信号加算回路１１はオペアンプＯＰ１と帰還抵抗Ｒ２１とで第１の電流電圧変換回路を構成し、オペアンプＯＰ２と帰還抵抗Ｒ２２とで第２の電流電圧変換回路を構成している。さらに、オペアンプＯＰ３と抵抗Ｒ２３，Ｒ２４，Ｒ２５とによって加算回路を構成している。抵抗ＲＬａ，ＲＬｂには加速度検出素子１０の圧電振動子Ｓａ，Ｓｂの通電電流Ｉａ、Ｉｂがそれぞれ流れる。圧電振動子Ｓｂと抵抗ＲＬｂとの接続点と接地との間には自己診断回路１５を設けている。この自己診断回路１５の構成は図４に示したものと同様である。このような回路構成の場合でも、自己診断回路１５のスイッチ動作によってこの加速度センサの出力電圧が変化し、その変化が正常であるか否かによって診断が行える。

なお、各実施形態では、２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂに加速度によって加わる応力差を検出する加速度センサについて示したが、その他の力学量によって圧電振動子Ｓａ，Ｓｂに逆向きの応力が加わるように構成すれば、その力学量を検出するセンサが同様にして構成できる。たとえば、角加速度により２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂに応力差が発生するように構成すれば角加速度センサとして用いることができる。また、角速度により２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂに応力差が発生するように構成すれば角速度センサとして用いることができる。同様に、荷重により２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂに応力差が発生するように構成すれば荷重センサとして用いることができる。

第１の実施形態に係る加速度センサの全体の構成を示すブロック図 同加速度センサの自己診断回路による特性変化を試験するための回路図 図２に示した回路による出力信号の位相特性とゲイン特性を示す図 第２の実施形態に係る加速度センサの全体の構成を示す図 自己診断回路１５内のスイッチ素子ＡＳＷの構成を示す回路図 自己診断区間のタイミングと出力電圧の変化の例を示す図 第３の実施形態に係る加速度センサの全体の構成を示す図 従来の加速度センサの構成を示すブロック図

符号の説明

１０−加速度検出素子
１１−電流電圧変換−信号加算回路
１２−帰還信号処理回路
１３−位相差電圧変換回路
１４−増幅−フィルタ回路
１５−自己診断回路
Ｃ１−キャパシタ
ＳＷ−スイッチ回路
ＡＳＷ−スイッチ素子
Ｄｇｎ−制御信号入力端子

Claims (5)

1. 力学量によって加わる応力が互いに逆である２つの圧電振動子と、該２つの圧電振動子に対して共通に電圧信号を印加する電圧信号印加回路と、前記２つの圧電振動子に流れる電流信号をそれぞれ電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、該電流電圧変換回路の出力信号同士の位相差を検出して力学量検出信号を出力する位相差信号処理回路とを設けてなる力学量センサにおいて、
   前記電流電圧変換回路は前記２つの圧電振動子の電流経路にそれぞれ挿入した電流検出用抵抗を含み、
   トランジスタのコレクタを電源端子側にして、当該トランジスタとスイッチ素子と第１のバイアス抵抗との直列回路を前記電源端子と一定電位部との間に設け、前記トランジスタのベースと前記電源端子間に第２のバイアス抵抗を設け、前記トランジスタのベースと前記一定電位部との間に第３のバイアス抵抗を設け、前記２つの圧電振動子のうちの一方の圧電振動子と前記電流検出用抵抗との接続点と前記トランジスタのエミッタとの間にキャパシタを接続してなり、
   前記スイッチ素子は制御端子への制御信号に応じて２つの入出力端子間を導通／遮断するＣ−ＭＯＳ型アナログスイッチであり、前記第１のバイアス抵抗は前記スイッチ素子の導通時の前記トランジスタのオン時に当該トランジスタのエミッタに流れるエミッタ電流による降下電圧に等しい一定電圧を前記キャパシタの一端に印加するものである、
   自己診断回路を設けたことを特徴とする力学量センサ。
2. 前記力学量は加速度である請求項１に記載の力学量センサ。
3. 前記力学量は角加速度である請求項１に記載の力学量センサ。
4. 前記力学量は角速度である請求項１に記載の力学量センサ。
5. 前記力学量は荷重である請求項１に記載の力学量センサ。

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