JP4449110B2 - 角速度センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車両のブレーキ制御やロールエアバックシステムに用いられる角速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の角速度センサとして電装技術会会報（Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．３、１９９４年）第２６ページから３３ページに発表されたものが知られている。この角速度センサは音叉振動体に振動を与える励振部と、振動体の振動レベルを検出する手段と、角速度に応じて生ずるコリオリ力を検出する検出手段と、前記振動レベルを検出する手段の出力信号を増幅する第１の増幅器と前記第１の増幅器からの出力電圧の位相を９０度シフトした電圧を前記比較部からの出力電圧によって増幅する増幅度が変化し音叉振動体の振幅を一定に制御するように前記励振部に接続した可変利得増幅器より構成している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では検出電極と検出回路との接続ラインの断線、もしくは検出電極の劣化による感度の変化、検出回路の故障が生じたとしてもこれを検出することが困難でありセンサの信頼性を確保する妨げとなっていた。
【０００４】
本発明は上記従来の問題点を解決するもので角速度センサの故障、劣化に対してもこれを検出できる機能を有する角速度センサを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、振動体にドライブ振動を与える第１励振部と、振動体の振動レベルを検出する振動検出部と、入力角速度に応じて生ずるコリオリ振動を検出するコリオリ検出部とを有する圧電体で構成された素子部と、振動検出部からの信号を入力とし第１励振部への信号を出力する駆動回路と、コリオリ検出部からの信号を入力とする検出回路を有する回路部によって構成され、振動検出部の信号を入力として９０°位相シフトした信号を出力する第２駆動回路と、それにより疑似コリオリ振動を誘発させる第２励振部と、外部トリガーにより第２駆動回路の第２励振部への接続を断続するスイッチ部とを有する構成である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、振動体にドライブ振動を与える第１励振部と、振動体の振動レベルを検出する振動検出部と、入力角速度に応じて生ずるコリオリ振動を検出するコリオリ検出部とを有する圧電体で構成された素子部と、前記振動検出部からの信号を入力とし前記励振部への信号を出力する駆動回路と、前記コリオリ検出部からの信号を入力とする検出回路を有する回路部によって構成され、前記振動検出部の信号を入力として９０°位相シフトした信号を出力する第２駆動回路と、それにより疑似コリオリ振動を誘発させる第２励振部と、外部トリガーにより前記第２駆動回路の第２励振部への接続を断続するスイッチ部とを備えた構成であるため、疑似コリオリ振動を発生させることにより回路部を含めた角速度センサトータルでの自己診断が可能となる。
【０００７】
本発明の請求項２に記載の発明は、振動体にドライブ振動を与える第１励振部と、振動体の振動レベルを検出する振動検出部と、入力角速度に応じて生ずるコリオリ振動を検出するコリオリ検出部とを有する圧電体で構成された素子部と、前記振動検出部からの信号を入力とし前記第１励振部への信号を出力する駆動回路と、前記コリオリ検出部からの信号を入力とする検出回路を有する回路部によって構成され、第２の振動検出部と、第２の振動検出部から出力される信号を入力として９０°位相シフトした信号を出力する第２駆動回路と、それにより疑似コリオリ振動を誘発させる第２励振部と、外部トリガーにより前記第２駆動回路の第２励振部への接続を断続するスイッチ部とを備えた構成であるため、請求項１と同様に疑似コリオリ振動を発生させることにより回路部を含めた角速度センサトータルでの自己診断が可能となる。
【０００８】
本発明の請求項３に記載の発明は、回路部は、コリオリ検出部からの信号を振動検出部からの信号を用いて同期検波する同期検波器と、同期検波器からの信号を平滑化するローパスフィルタと、外部トリガーが第２駆動回路を第２励振部へ接続している場合に、ローパスフィルタから出力されるＤＣオフセットに基づいて、正常であるか否かを判定する第１の判定回路を備えた請求項１又は請求項２に記載の角速度センサであるため、第１の判定回路は、ＤＣオフセットを監視することにより、信号線の断線はもとより、回路部品の故障による温度変化等についても正常であるか否かを判定することが可能となる。
【０００９】
本発明の請求項４に記載の発明は、低周波の発振器と、変調器とを有し、前記変調器は第２駆動回路の信号を搬送波として前記発振器の信号で振幅変調をかけた信号を出力し、この信号を第２励振部に印加した請求項１又は請求項２に記載の角速度センサであるため、疑似コリオリ振動の発生により交流の角速度信号相当を発生させることが可能となる。これにより角速度センサのローパス・フィルタを含めたほぼ完全な自己診断が可能となる。
【００１０】
本発明の請求項５に記載の発明は、素子部はさらにもう１つのコリオリ検出部を有し、回路部は素子部が有する２つのコリオリ検出部から出力される信号を差動合成する差動合成部と、差動合成部から出力される信号に基づいてコリオリ検出部に生ずる電荷の異常レベルを判定する第２の判定回路を有した角速度センサにおいて、素子部が有する２つのコリオリ検出部は、単独ではレベル判定回路の基準レベル以上のドライブ振動成分を含み、かつ差動合成部から出力される信号は基準レベル以下のドライブ振動成分を含むように配置された構成であるため、コリオリ検出部から検出回路への入力線が１本断線した際にレベル判定回路によりこの異常を検出することが可能となる。
【００１１】
本発明の請求項６に記載の発明は、素子部が圧電体のバイモルフ構造である請求項１又は請求項２に記載の角速度センサであるため、極めて簡単な構成でこれらの発明を実現可能となる。
【００１２】
本発明の請求項７に記載の発明は、第２駆動回路は素子部のドライブインピーダンスの温度特性に応じた補正を施した請求項１又は請求項２に記載の角速度センサであるため、環境温度によらず安定した疑似コリオリ振動を発生させることが可能となり、更に信頼性の高い自己診断が可能となる。
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における角速度センサを示す図である。
【００１５】
図１（ａ）において１は圧電体によって構成され厚み方向に積層されたバイモルフ音叉型角速度センサの振動体で、７ａ，７ｂはそれぞれの層の分極軸方向を示したもので、２ａ，２ｂは振動体１に駆動振動を誘発させるための第１励振部、３は振動体１の振動レベルを検出するために振動体１に設けられた電極からなる振動検出部、５は振動検出部３に対向する面に配置され、かつ振動検出部３の電極よりもその幅が小さくなるように形成されたフェール信号発生部、４ａ，４ｂは角速度に応じて生ずるコリオリ力を検出するために振動体１に設けられた電極からなるコリオリ検出部を示す。
【００１６】
一方図１（ｂ）は回路部８を示し、９は駆動回路、１０はコリオリ検出部４ａ，４ｂの電極に生ずる電荷を入力とし角速度の大きさに応じた電圧に変換する検出回路、１１はコリオリ検出部４ａ，４ｂに過大な電荷が発生することによる検出回路１０の動作の不具合を検出するためにレベル判定回路を設けたフェール検出部である。
【００１７】
駆動回路９は振動体１の振動検出部（Ｍ端子）３に接続され、振動検出部３が検出した振動体１の振動に起因する電荷を増幅するモニタアンプ９ａと、その出力を全波整流する整流回路９ｂと、振動体１の振幅を一定にコントロールするためのオート・ゲイン・コントロール（ＡＧＣ）９ｃと、振動体１の第１励振部２ａ（Ｄ＋端子）、２ｂ（Ｄ−端子）に接続され振動体１を駆動する駆動アンプ９ｄ，９ｅより構成され、振動体１をその共振周波数で振動させる。
【００１８】
この時第１励振部２ａ，２ｂには駆動アンプ９ｄ，９ｅより逆相の交流信号が印加されている。この第１励振部２ａの電極に印加された駆動電流は中継電極１２ａ，１２ｂを経て第１励振部２ｂの電極に流れ、この電流のＸ軸方向成分により駆動振動を引き起こす応力が発生する。ここで振動体１は圧電体により構成されているため、中継電極１２ａ，１２ｂは第１励振部２ａ，２ｂの電極とで形成される容量成分で自動的に第１励振部２ａ，２ｂの両電極間の中点電位にバイアスされる。
【００１９】
検出回路１０は、コリオリ検出部４ａ（Ｓ１端子）、４ｂ（Ｓ２端子）に接続され、振動体１に回転角速度が加わりコリオリ力に基づきコリオリ検出部４ａ，４ｂに発生した電荷を増幅するセンサアンプ１０ａ，１０ｂとそれを差動合成する差動合成部１０ｃと、９０°の位相シフトを行う位相シフタ１０ｄと、振動体１の振動により変調されたコリオリ振動による信号を復調する同期検波器１０ｅと、不要帯域を遮断すると共にＤＣ増幅を行うローパスフィルタ１０ｆより構成され、角速度信号を出力する。
【００２０】
フェール検出部１１は、位相シフタ１０ｄの出力を入力とし、それを全波整流する整流回路１１ａと、そのレベルを判定するレベル判定回路１１ｂから構成され、センサの異常時にはＤＩＡＧ信号を外部のコンピュータ等へ出力する。
【００２１】
ここで図１（ａ）は振動体１の断面図で、駆動振動状態のある瞬間を示しており、その駆動振動に起因する電荷が６ａ，６ｂである。
【００２２】
通常バイモルフ音叉構造振動型角速度センサでは電荷６ａ，６ｂは等しくなるため、コリオリ検出部４ａ，４ｂの電極には振動検出部３より電荷６ａが流れ込み、回路部８のＧＮＤ端子に接続されたフェール信号発生部５に電荷６ｂが吐出されることにより駆動振動成分は相殺され、コリオリ振動成分のみが出力される。
【００２３】
しかしながら本発明ではフェール信号発生部５の電極幅（Ｌ２）を振動検出部３の電極幅（Ｌ１）よりも小さくなるように形成することにより、あえて駆動振動成分をアンバランスさせコリオリ検出部４ａ，４ｂに駆動振動成分を出力させている。
【００２４】
このアンバランスで発生する駆動振動成分はコリオリ検出部４ａ，４ｂで同相信号となるため、検出回路１０の差動合成部１０ｃによりキャンセルされる。
【００２５】
図２はこの様子を説明するもので、図２（ａ）通常動作時の回路部８の各波形を表したもので、▲１▼，▲２▼はコリオリ検出部４ａ，４ｂに現れた駆動振動に基づく電荷を電圧変換したもので、図１のＴＰ１，ＴＰ２の信号を表している。
【００２６】
同じく図２（ａ）の▲３▼は前記２つの信号の差分で、図１のＴＰ３の信号を表したもので、前記２つの信号がそれぞれ同相であるため、レベルが等しい場合は差分の信号は０となる。一方図２（ａ）の▲４▼はこれを９０°位相シフトすると共に増幅した信号で、図１のＴＰ４の信号を示し、図２（ａ）の▲５▼はこれを全波整流した波形を示すもので、図１のＴＰ５の信号を示し、これを平滑した信号レベルは続くレベル判定回路１１ｂの判定基準を下回っている。
【００２７】
一方図２（ｂ）はコリオリ検出部４ｂ（Ｓ２端子）の断線時を表したもので、▲２▼のＴＰ２の信号が失われるため差動合成後の波形▲３▼（ＴＰ３）には▲１▼（ＴＰ１）の波形がそのまま現れ、それを位相シフタで９０°シフト及び増幅した波形が▲４▼（ＴＰ４）、これを全波整流した波形が▲５▼（ＴＰ５）で、これを平滑した信号レベルは続くレベル判定回路１１ｂの判定基準を上回るため、センサは外部のコンピュータへフェール信号を出力する。
【００２８】
この時電極ずれ等により差動合成部１０ｃでのキャンセルが不十分な際には前記フェール検出部等の電極をトリミングすることにより高精度化を図ることも可能である。
【００２９】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における角速度センサを示す図である。
【００３０】
図３（ａ）において１は圧電体によって構成され厚み方向に積層されたバイモルフ音叉型角速度センサの振動体で、７ａ，７ｂはそれぞれの層の分極軸方向を示したもので、２ａ，２ｂは第１励振部、１２ｂは疑似コリオリ振動を誘発させるための中継電極と兼用の第２励振部、３は振動体１の振動レベルを検出するために圧電体に設けられた電極である振動検出部、５は振動検出部３に対向する面に配置された接地電極、４ａ，４ｂは角速度に応じて生ずるコリオリ力を検出するために圧電体に設けられた電極であるコリオリ検出部を示す。
【００３１】
次に図３（ｂ）は回路部８を示し、９は駆動回路、１０はコリオリ検出部４ａ，４ｂの電極に生ずる電荷を入力とし角速度の大きさに応じた電圧に変換する検出回路、１３は外部トリガー１６により前記第２励振部１２ｂに印加して疑似コリオリ振動を誘発させるための第２駆動回路を示す。
【００３２】
振動体１は駆動回路９によってその共振周波数で振動する。この時第１励振部２ａ，２ｂには駆動アンプ９ｄ，９ｅより逆相の交流信号が印加されている。この第１励振部２ａの電極に印加された駆動電流は第２励振部１２ａ，１２ｂである中継電極を経て第１励振部２ｂの電極に流れ、この電流のＸ軸方向成分により駆動振動を引き起こす応力が発生する。
【００３３】
このセンサに回転角速度が印加されるとコリオリの力が生じその電荷がコリオリ検出部４ａ，４ｂの電極に生じる。このコリオリ検出部４ａ，４ｂの電極に生ずる電荷に生ずる電荷は逆位相となるように配置されているため検出回路１０の差動合成部１０ｃで差動合成され、位相シフター１０ｄで９０°位相をシフトした後に同期検波器１０ｅで検波し、その後ローパスフィルタ１０ｆで高域遮断をすると共に増幅して角速度信号を出力する。
【００３４】
ここで第２駆動回路１３は、駆動回路９よりの振動体１の駆動振動に基づく振動検出部３からの信号をアンプ１３ａへの入力とし、それを次段の位相シフタで９０°の位相シフトを行い、駆動振動とは９０°位相のずれた信号を作り出し、外部トリガー１６のＯＮ／ＯＦＦに基づき第２励振部の電極１２ｂに印加させている。
【００３５】
図３（ａ）はこの疑似コリオリ振動を誘発させるために第２励振部１２ｂに信号が印加された１瞬間を示した振動体１の電流の流れを示す図であるが、この信号により第２励振部１２ｂから流れる電流を示したのが１４ａ，１４ｂであり、電流１４ａにより縮みの応力を、電流１４ｂにより伸びの応力を作り出すことにより疑似コリオリ振動を作り出している。
【００３６】
次に図４はこの様子を信号波形で示した図で、（ａ）はこの外部トリガー１６がＯＦＦの通常状態を示し、（ｂ）は外部トリガー１６がＯＮの状態を示している。また図４（ｂ）における▲３▼の信号は振動検出部３の信号を９０°位相シフトさせたもので、前記第２励振部１２ｂに入力される。これは駆動振動の波形である▲１▼に対しても９０°位相がずれた信号であり、これによりコリオリ振動と同位相の振動を作り出すことが可能となる。
【００３７】
この疑似コリオリ振動により発生した電荷は２つのコリオリ検出部４ａ，４ｂに対して逆相で現れ、差動合成後の波形が▲６▼に示す通りである。これには前記駆動振動成分も含めて表わしており、これを続く位相シフタ、及び同期検波回路を経て▲８▼のような波形となる。
【００３８】
ここで（ａ）の外部トリガーＯＦＦ時は検波された波形の上下で面積比が等しくなるため、平滑後のＤＣ波形（出力１５）は０を示すのに対し、（ｂ）の外部トリガーＯＮ時は検波波形の上下で面積比に差が生じることにより出力１５にはＤＣオフセットが生まれる。
【００３９】
このような構成の角速度センサで、センサが使用されるシステムのコントロールユニットの指令により外部トリガーをＯＮすることで振動体１に規定の疑似コリオリ振動を発生させることができるため、検出回路１０の出力１５にＤＣオフセットを発生させることができる。
【００４０】
これを監視することにより前記信号線の断線はもとより、回路部品の故障による感度変化等についても正常であるか否かを判定することが可能となる。
【００４１】
更に第２駆動回路１３に振動体１の圧電特性や流体抵抗に起因するインピーダンスの温度特性を補正する手段、例えばサーミスタ補正１３ｄ等を設けることにより、環境温度の如何に関わらず安定な疑似コリオリ振動を作り出すことができ、故障判定の精度を上げることが可能となる。
【００４２】
また、更にこの第２駆動回路１３に低周波の発振器と掛け算回路を加え、位相シフタ１３ｂの信号を搬送波として前記発振器の信号で振幅変調をかけた信号をスイッチ部１３ｃを経て前記第２励振部１２ｂに印加する構成とすることにより、検出回路１０の出力１５に交流信号を発生させることが可能となるため、前記検出回路１０のローパスフィルタ１０ｆの特性を含めた形での診断も可能となる。
【００４３】
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３における角速度センサを示す図である。
【００４４】
実施の形態２の中では第２励振部１２ｂを駆動する信号の源を振動検出部３の電荷に基づく信号より得ていたが、本実施の形態３ではこれを振動検出部３と対向する第２振動検出部１７より得るもので、その他の構成並びに動作原理も実施の形態２と同様である。しかしながらこのような構成とすることにより振動体１上に設けられた各電極からＧＮＤ接続電極を完全に排除することに成功している。
【００４５】
従って実施の形態２に比べてもより高い信頼性を得ることが可能となる。
【００４６】
【発明の効果】
これらの構成によりコリオリ検出部からの検出回路への入力線の断線検知が可能となり、また外部入力により疑似コリオリ力を発生させることにより回路部を含めたトータルの故障診断が可能となり、車両制御やエアバックシステム等の高度の信頼性が要求されるアプリケーションに対応した角速度センサが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における角速度センサの構成図
（ｂ）同回路部の回路図
【図２】（ａ）（ｂ）本発明の実施の形態１における角速度センサの信号波形を説明する図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態２における角速度センサの構成図
（ｂ）同回路部の回路図
【図４】（ａ）（ｂ）本発明の実施の形態２における角速度センサの信号波形を説明する図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態３における角速度センサの構成図
（ｂ）同回路部の回路図
【符号の説明】
１ 振動体
２ａ，２ｂ 第1励振部
３ 振動検出部
４ａ，４ｂ コリオリ検出部
５ フェール信号発生部
６ａ，６ｂ 駆動振動に基づく電荷
７ａ，７ｂ 分極軸方向を示す矢印
８ 回路部
９ 駆動回路
９ａ モニタアンプ
９ｂ，１１ａ 整流回路
９ｃ ＡＧＣ
９ｄ，９ｅ 駆動アンプ
１０ 検出回路
１０ａ，１０ｂ センサアンプ
１０ｃ 差動合成部
１０ｄ，１３ｄ 位相シフタ
１０ｅ 同期検波器
１０ｆ ローパスフィルタ
１１ フェール検出部
１１ｂ レベル判定回路
１２ａ 中継電極
１２ｂ 中継電極兼第２励振部
１３ 第２駆動回路
１３ａ アンプ
１３ｃ スイッチ部
１３ｄ サーミスタ
１４ａ，１４ｂ 電流方向を示す矢印
１５ 出力（ｏｕｔ）
１６ 外部トリガー
１７ 第２振動検出部
【発明の属する技術分野】
本発明は車両のブレーキ制御やロールエアバックシステムに用いられる角速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の角速度センサとして電装技術会会報（Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．３、１９９４年）第２６ページから３３ページに発表されたものが知られている。この角速度センサは音叉振動体に振動を与える励振部と、振動体の振動レベルを検出する手段と、角速度に応じて生ずるコリオリ力を検出する検出手段と、前記振動レベルを検出する手段の出力信号を増幅する第１の増幅器と前記第１の増幅器からの出力電圧の位相を９０度シフトした電圧を前記比較部からの出力電圧によって増幅する増幅度が変化し音叉振動体の振幅を一定に制御するように前記励振部に接続した可変利得増幅器より構成している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では検出電極と検出回路との接続ラインの断線、もしくは検出電極の劣化による感度の変化、検出回路の故障が生じたとしてもこれを検出することが困難でありセンサの信頼性を確保する妨げとなっていた。
【０００４】
本発明は上記従来の問題点を解決するもので角速度センサの故障、劣化に対してもこれを検出できる機能を有する角速度センサを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、振動体にドライブ振動を与える第１励振部と、振動体の振動レベルを検出する振動検出部と、入力角速度に応じて生ずるコリオリ振動を検出するコリオリ検出部とを有する圧電体で構成された素子部と、振動検出部からの信号を入力とし第１励振部への信号を出力する駆動回路と、コリオリ検出部からの信号を入力とする検出回路を有する回路部によって構成され、振動検出部の信号を入力として９０°位相シフトした信号を出力する第２駆動回路と、それにより疑似コリオリ振動を誘発させる第２励振部と、外部トリガーにより第２駆動回路の第２励振部への接続を断続するスイッチ部とを有する構成である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、振動体にドライブ振動を与える第１励振部と、振動体の振動レベルを検出する振動検出部と、入力角速度に応じて生ずるコリオリ振動を検出するコリオリ検出部とを有する圧電体で構成された素子部と、前記振動検出部からの信号を入力とし前記励振部への信号を出力する駆動回路と、前記コリオリ検出部からの信号を入力とする検出回路を有する回路部によって構成され、前記振動検出部の信号を入力として９０°位相シフトした信号を出力する第２駆動回路と、それにより疑似コリオリ振動を誘発させる第２励振部と、外部トリガーにより前記第２駆動回路の第２励振部への接続を断続するスイッチ部とを備えた構成であるため、疑似コリオリ振動を発生させることにより回路部を含めた角速度センサトータルでの自己診断が可能となる。
【０００７】
本発明の請求項２に記載の発明は、振動体にドライブ振動を与える第１励振部と、振動体の振動レベルを検出する振動検出部と、入力角速度に応じて生ずるコリオリ振動を検出するコリオリ検出部とを有する圧電体で構成された素子部と、前記振動検出部からの信号を入力とし前記第１励振部への信号を出力する駆動回路と、前記コリオリ検出部からの信号を入力とする検出回路を有する回路部によって構成され、第２の振動検出部と、第２の振動検出部から出力される信号を入力として９０°位相シフトした信号を出力する第２駆動回路と、それにより疑似コリオリ振動を誘発させる第２励振部と、外部トリガーにより前記第２駆動回路の第２励振部への接続を断続するスイッチ部とを備えた構成であるため、請求項１と同様に疑似コリオリ振動を発生させることにより回路部を含めた角速度センサトータルでの自己診断が可能となる。
【０００８】
本発明の請求項３に記載の発明は、回路部は、コリオリ検出部からの信号を振動検出部からの信号を用いて同期検波する同期検波器と、同期検波器からの信号を平滑化するローパスフィルタと、外部トリガーが第２駆動回路を第２励振部へ接続している場合に、ローパスフィルタから出力されるＤＣオフセットに基づいて、正常であるか否かを判定する第１の判定回路を備えた請求項１又は請求項２に記載の角速度センサであるため、第１の判定回路は、ＤＣオフセットを監視することにより、信号線の断線はもとより、回路部品の故障による温度変化等についても正常であるか否かを判定することが可能となる。
【０００９】
本発明の請求項４に記載の発明は、低周波の発振器と、変調器とを有し、前記変調器は第２駆動回路の信号を搬送波として前記発振器の信号で振幅変調をかけた信号を出力し、この信号を第２励振部に印加した請求項１又は請求項２に記載の角速度センサであるため、疑似コリオリ振動の発生により交流の角速度信号相当を発生させることが可能となる。これにより角速度センサのローパス・フィルタを含めたほぼ完全な自己診断が可能となる。
【００１０】
本発明の請求項５に記載の発明は、素子部はさらにもう１つのコリオリ検出部を有し、回路部は素子部が有する２つのコリオリ検出部から出力される信号を差動合成する差動合成部と、差動合成部から出力される信号に基づいてコリオリ検出部に生ずる電荷の異常レベルを判定する第２の判定回路を有した角速度センサにおいて、素子部が有する２つのコリオリ検出部は、単独ではレベル判定回路の基準レベル以上のドライブ振動成分を含み、かつ差動合成部から出力される信号は基準レベル以下のドライブ振動成分を含むように配置された構成であるため、コリオリ検出部から検出回路への入力線が１本断線した際にレベル判定回路によりこの異常を検出することが可能となる。
【００１１】
本発明の請求項６に記載の発明は、素子部が圧電体のバイモルフ構造である請求項１又は請求項２に記載の角速度センサであるため、極めて簡単な構成でこれらの発明を実現可能となる。
【００１２】
本発明の請求項７に記載の発明は、第２駆動回路は素子部のドライブインピーダンスの温度特性に応じた補正を施した請求項１又は請求項２に記載の角速度センサであるため、環境温度によらず安定した疑似コリオリ振動を発生させることが可能となり、更に信頼性の高い自己診断が可能となる。
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における角速度センサを示す図である。
【００１５】
図１（ａ）において１は圧電体によって構成され厚み方向に積層されたバイモルフ音叉型角速度センサの振動体で、７ａ，７ｂはそれぞれの層の分極軸方向を示したもので、２ａ，２ｂは振動体１に駆動振動を誘発させるための第１励振部、３は振動体１の振動レベルを検出するために振動体１に設けられた電極からなる振動検出部、５は振動検出部３に対向する面に配置され、かつ振動検出部３の電極よりもその幅が小さくなるように形成されたフェール信号発生部、４ａ，４ｂは角速度に応じて生ずるコリオリ力を検出するために振動体１に設けられた電極からなるコリオリ検出部を示す。
【００１６】
一方図１（ｂ）は回路部８を示し、９は駆動回路、１０はコリオリ検出部４ａ，４ｂの電極に生ずる電荷を入力とし角速度の大きさに応じた電圧に変換する検出回路、１１はコリオリ検出部４ａ，４ｂに過大な電荷が発生することによる検出回路１０の動作の不具合を検出するためにレベル判定回路を設けたフェール検出部である。
【００１７】
駆動回路９は振動体１の振動検出部（Ｍ端子）３に接続され、振動検出部３が検出した振動体１の振動に起因する電荷を増幅するモニタアンプ９ａと、その出力を全波整流する整流回路９ｂと、振動体１の振幅を一定にコントロールするためのオート・ゲイン・コントロール（ＡＧＣ）９ｃと、振動体１の第１励振部２ａ（Ｄ＋端子）、２ｂ（Ｄ−端子）に接続され振動体１を駆動する駆動アンプ９ｄ，９ｅより構成され、振動体１をその共振周波数で振動させる。
【００１８】
この時第１励振部２ａ，２ｂには駆動アンプ９ｄ，９ｅより逆相の交流信号が印加されている。この第１励振部２ａの電極に印加された駆動電流は中継電極１２ａ，１２ｂを経て第１励振部２ｂの電極に流れ、この電流のＸ軸方向成分により駆動振動を引き起こす応力が発生する。ここで振動体１は圧電体により構成されているため、中継電極１２ａ，１２ｂは第１励振部２ａ，２ｂの電極とで形成される容量成分で自動的に第１励振部２ａ，２ｂの両電極間の中点電位にバイアスされる。
【００１９】
検出回路１０は、コリオリ検出部４ａ（Ｓ１端子）、４ｂ（Ｓ２端子）に接続され、振動体１に回転角速度が加わりコリオリ力に基づきコリオリ検出部４ａ，４ｂに発生した電荷を増幅するセンサアンプ１０ａ，１０ｂとそれを差動合成する差動合成部１０ｃと、９０°の位相シフトを行う位相シフタ１０ｄと、振動体１の振動により変調されたコリオリ振動による信号を復調する同期検波器１０ｅと、不要帯域を遮断すると共にＤＣ増幅を行うローパスフィルタ１０ｆより構成され、角速度信号を出力する。
【００２０】
フェール検出部１１は、位相シフタ１０ｄの出力を入力とし、それを全波整流する整流回路１１ａと、そのレベルを判定するレベル判定回路１１ｂから構成され、センサの異常時にはＤＩＡＧ信号を外部のコンピュータ等へ出力する。
【００２１】
ここで図１（ａ）は振動体１の断面図で、駆動振動状態のある瞬間を示しており、その駆動振動に起因する電荷が６ａ，６ｂである。
【００２２】
通常バイモルフ音叉構造振動型角速度センサでは電荷６ａ，６ｂは等しくなるため、コリオリ検出部４ａ，４ｂの電極には振動検出部３より電荷６ａが流れ込み、回路部８のＧＮＤ端子に接続されたフェール信号発生部５に電荷６ｂが吐出されることにより駆動振動成分は相殺され、コリオリ振動成分のみが出力される。
【００２３】
しかしながら本発明ではフェール信号発生部５の電極幅（Ｌ２）を振動検出部３の電極幅（Ｌ１）よりも小さくなるように形成することにより、あえて駆動振動成分をアンバランスさせコリオリ検出部４ａ，４ｂに駆動振動成分を出力させている。
【００２４】
このアンバランスで発生する駆動振動成分はコリオリ検出部４ａ，４ｂで同相信号となるため、検出回路１０の差動合成部１０ｃによりキャンセルされる。
【００２５】
図２はこの様子を説明するもので、図２（ａ）通常動作時の回路部８の各波形を表したもので、▲１▼，▲２▼はコリオリ検出部４ａ，４ｂに現れた駆動振動に基づく電荷を電圧変換したもので、図１のＴＰ１，ＴＰ２の信号を表している。
【００２６】
同じく図２（ａ）の▲３▼は前記２つの信号の差分で、図１のＴＰ３の信号を表したもので、前記２つの信号がそれぞれ同相であるため、レベルが等しい場合は差分の信号は０となる。一方図２（ａ）の▲４▼はこれを９０°位相シフトすると共に増幅した信号で、図１のＴＰ４の信号を示し、図２（ａ）の▲５▼はこれを全波整流した波形を示すもので、図１のＴＰ５の信号を示し、これを平滑した信号レベルは続くレベル判定回路１１ｂの判定基準を下回っている。
【００２７】
一方図２（ｂ）はコリオリ検出部４ｂ（Ｓ２端子）の断線時を表したもので、▲２▼のＴＰ２の信号が失われるため差動合成後の波形▲３▼（ＴＰ３）には▲１▼（ＴＰ１）の波形がそのまま現れ、それを位相シフタで９０°シフト及び増幅した波形が▲４▼（ＴＰ４）、これを全波整流した波形が▲５▼（ＴＰ５）で、これを平滑した信号レベルは続くレベル判定回路１１ｂの判定基準を上回るため、センサは外部のコンピュータへフェール信号を出力する。
【００２８】
この時電極ずれ等により差動合成部１０ｃでのキャンセルが不十分な際には前記フェール検出部等の電極をトリミングすることにより高精度化を図ることも可能である。
【００２９】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における角速度センサを示す図である。
【００３０】
図３（ａ）において１は圧電体によって構成され厚み方向に積層されたバイモルフ音叉型角速度センサの振動体で、７ａ，７ｂはそれぞれの層の分極軸方向を示したもので、２ａ，２ｂは第１励振部、１２ｂは疑似コリオリ振動を誘発させるための中継電極と兼用の第２励振部、３は振動体１の振動レベルを検出するために圧電体に設けられた電極である振動検出部、５は振動検出部３に対向する面に配置された接地電極、４ａ，４ｂは角速度に応じて生ずるコリオリ力を検出するために圧電体に設けられた電極であるコリオリ検出部を示す。
【００３１】
次に図３（ｂ）は回路部８を示し、９は駆動回路、１０はコリオリ検出部４ａ，４ｂの電極に生ずる電荷を入力とし角速度の大きさに応じた電圧に変換する検出回路、１３は外部トリガー１６により前記第２励振部１２ｂに印加して疑似コリオリ振動を誘発させるための第２駆動回路を示す。
【００３２】
振動体１は駆動回路９によってその共振周波数で振動する。この時第１励振部２ａ，２ｂには駆動アンプ９ｄ，９ｅより逆相の交流信号が印加されている。この第１励振部２ａの電極に印加された駆動電流は第２励振部１２ａ，１２ｂである中継電極を経て第１励振部２ｂの電極に流れ、この電流のＸ軸方向成分により駆動振動を引き起こす応力が発生する。
【００３３】
このセンサに回転角速度が印加されるとコリオリの力が生じその電荷がコリオリ検出部４ａ，４ｂの電極に生じる。このコリオリ検出部４ａ，４ｂの電極に生ずる電荷に生ずる電荷は逆位相となるように配置されているため検出回路１０の差動合成部１０ｃで差動合成され、位相シフター１０ｄで９０°位相をシフトした後に同期検波器１０ｅで検波し、その後ローパスフィルタ１０ｆで高域遮断をすると共に増幅して角速度信号を出力する。
【００３４】
ここで第２駆動回路１３は、駆動回路９よりの振動体１の駆動振動に基づく振動検出部３からの信号をアンプ１３ａへの入力とし、それを次段の位相シフタで９０°の位相シフトを行い、駆動振動とは９０°位相のずれた信号を作り出し、外部トリガー１６のＯＮ／ＯＦＦに基づき第２励振部の電極１２ｂに印加させている。
【００３５】
図３（ａ）はこの疑似コリオリ振動を誘発させるために第２励振部１２ｂに信号が印加された１瞬間を示した振動体１の電流の流れを示す図であるが、この信号により第２励振部１２ｂから流れる電流を示したのが１４ａ，１４ｂであり、電流１４ａにより縮みの応力を、電流１４ｂにより伸びの応力を作り出すことにより疑似コリオリ振動を作り出している。
【００３６】
次に図４はこの様子を信号波形で示した図で、（ａ）はこの外部トリガー１６がＯＦＦの通常状態を示し、（ｂ）は外部トリガー１６がＯＮの状態を示している。また図４（ｂ）における▲３▼の信号は振動検出部３の信号を９０°位相シフトさせたもので、前記第２励振部１２ｂに入力される。これは駆動振動の波形である▲１▼に対しても９０°位相がずれた信号であり、これによりコリオリ振動と同位相の振動を作り出すことが可能となる。
【００３７】
この疑似コリオリ振動により発生した電荷は２つのコリオリ検出部４ａ，４ｂに対して逆相で現れ、差動合成後の波形が▲６▼に示す通りである。これには前記駆動振動成分も含めて表わしており、これを続く位相シフタ、及び同期検波回路を経て▲８▼のような波形となる。
【００３８】
ここで（ａ）の外部トリガーＯＦＦ時は検波された波形の上下で面積比が等しくなるため、平滑後のＤＣ波形（出力１５）は０を示すのに対し、（ｂ）の外部トリガーＯＮ時は検波波形の上下で面積比に差が生じることにより出力１５にはＤＣオフセットが生まれる。
【００３９】
このような構成の角速度センサで、センサが使用されるシステムのコントロールユニットの指令により外部トリガーをＯＮすることで振動体１に規定の疑似コリオリ振動を発生させることができるため、検出回路１０の出力１５にＤＣオフセットを発生させることができる。
【００４０】
これを監視することにより前記信号線の断線はもとより、回路部品の故障による感度変化等についても正常であるか否かを判定することが可能となる。
【００４１】
更に第２駆動回路１３に振動体１の圧電特性や流体抵抗に起因するインピーダンスの温度特性を補正する手段、例えばサーミスタ補正１３ｄ等を設けることにより、環境温度の如何に関わらず安定な疑似コリオリ振動を作り出すことができ、故障判定の精度を上げることが可能となる。
【００４２】
また、更にこの第２駆動回路１３に低周波の発振器と掛け算回路を加え、位相シフタ１３ｂの信号を搬送波として前記発振器の信号で振幅変調をかけた信号をスイッチ部１３ｃを経て前記第２励振部１２ｂに印加する構成とすることにより、検出回路１０の出力１５に交流信号を発生させることが可能となるため、前記検出回路１０のローパスフィルタ１０ｆの特性を含めた形での診断も可能となる。
【００４３】
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３における角速度センサを示す図である。
【００４４】
実施の形態２の中では第２励振部１２ｂを駆動する信号の源を振動検出部３の電荷に基づく信号より得ていたが、本実施の形態３ではこれを振動検出部３と対向する第２振動検出部１７より得るもので、その他の構成並びに動作原理も実施の形態２と同様である。しかしながらこのような構成とすることにより振動体１上に設けられた各電極からＧＮＤ接続電極を完全に排除することに成功している。
【００４５】
従って実施の形態２に比べてもより高い信頼性を得ることが可能となる。
【００４６】
【発明の効果】
これらの構成によりコリオリ検出部からの検出回路への入力線の断線検知が可能となり、また外部入力により疑似コリオリ力を発生させることにより回路部を含めたトータルの故障診断が可能となり、車両制御やエアバックシステム等の高度の信頼性が要求されるアプリケーションに対応した角速度センサが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における角速度センサの構成図
（ｂ）同回路部の回路図
【図２】（ａ）（ｂ）本発明の実施の形態１における角速度センサの信号波形を説明する図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態２における角速度センサの構成図
（ｂ）同回路部の回路図
【図４】（ａ）（ｂ）本発明の実施の形態２における角速度センサの信号波形を説明する図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態３における角速度センサの構成図
（ｂ）同回路部の回路図
【符号の説明】
１ 振動体
２ａ，２ｂ 第1励振部
３ 振動検出部
４ａ，４ｂ コリオリ検出部
５ フェール信号発生部
６ａ，６ｂ 駆動振動に基づく電荷
７ａ，７ｂ 分極軸方向を示す矢印
８ 回路部
９ 駆動回路
９ａ モニタアンプ
９ｂ，１１ａ 整流回路
９ｃ ＡＧＣ
９ｄ，９ｅ 駆動アンプ
１０ 検出回路
１０ａ，１０ｂ センサアンプ
１０ｃ 差動合成部
１０ｄ，１３ｄ 位相シフタ
１０ｅ 同期検波器
１０ｆ ローパスフィルタ
１１ フェール検出部
１１ｂ レベル判定回路
１２ａ 中継電極
１２ｂ 中継電極兼第２励振部
１３ 第２駆動回路
１３ａ アンプ
１３ｃ スイッチ部
１３ｄ サーミスタ
１４ａ，１４ｂ 電流方向を示す矢印
１５ 出力（ｏｕｔ）
１６ 外部トリガー
１７ 第２振動検出部
Claims (7)
- 振動体にドライブ振動を与える第１励振部と、振動体の振動レベルを検出する振動検出部と、入力角速度に応じて生ずるコリオリ振動を検出するコリオリ検出部とを有する圧電体で構成された素子部と、前記振動検出部からの信号を入力とし前記第１励振部への信号を出力する駆動回路と、前記コリオリ検出部からの信号を入力とする検出回路を有する回路部によって構成され、前記振動検出部の信号を入力として９０°位相シフトした信号を出力する第２駆動回路と、それにより疑似コリオリ振動を誘発させる第２励振部と、外部トリガーにより前記第２駆動回路の第２励振部への接続を断続するスイッチ部とを有する角速度センサ。
- 振動体にドライブ振動を与える第１励振部と、振動体の振動レベルを検出する振動検出部と、入力角速度に応じて生ずるコリオリ振動を検出するコリオリ検出部とを有する圧電体で構成された素子部と、前記振動検出部からの信号を入力とし前記第１励振部への信号を出力する駆動回路と、前記コリオリ検出部からの信号を入力とする検出回路を有する回路部によって構成され、第２の振動検出部と、前記第２の振動検出部から出力される信号を入力として９０°位相シフトした信号を出力する第２駆動回路と、それにより疑似コリオリ振動を誘発させる第２励振部と、外部トリガーにより前記第２駆動回路の第２励振部への接続を断続するスイッチ部とを有する角速度センサ。
- 前記回路部は、前記コリオリ検出部からの信号を前記振動検出部からの信号を用いて同期検波する同期検波器と、前記同期検波器からの信号を平滑化するローパスフィルタと、前記外部トリガーが前記第２駆動回路を第２励振部へ接続している場合に、前記ローパスフィルタから出力されるＤＣオフセットに基づいて、正常であるか否かを判定する第１の判定回路を備えた請求項１又は請求項２に記載の角速度センサ。
- 低周波の発振器と、変調器とを有し、前記変調器は第２駆動回路の信号を搬送波として前記発振器の信号で振幅変調をかけた信号を出力し、この信号を第２励振部に印加した請求項１又は請求項２に記載の角速度センサ。
- 前記素子部はさらにもう１つのコリオリ検出部を有し、前記回路部は前記素子部が有する２つのコリオリ検出部から出力される信号を差動合成する差動合成部と、前記差動合成部から出力される信号に基づいてコリオリ検出部に生ずる電荷の異常レベルを判定する第２の判定回路を有した角速度センサにおいて、前記素子部が有する２つのコリオリ検出部は、単独では前記レベル判定回路の基準レベル以上のドライブ振動成分を含み、かつ前記差動合成部から出力される信号は基準レベル以下のドライブ振動成分を含むように配置された請求項１又は請求項２に記載の角速度センサ。
- 素子部が圧電体のバイモルフ構造である請求項１又は請求項２に記載の角速度センサ。
- 第２駆動回路は素子部のドライブインピーダンスの温度特性に応じた補正を施した請求項１又は請求項２に記載の角速度センサ。
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