JP4524571B2

JP4524571B2 - 振動型角速度センサ

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Publication number: JP4524571B2
Application number: JP2004090459A
Authority: JP
Inventors: 研二平野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2024-03-25
Also published as: JP2005274458A

Description

この発明は、振動型角速度センサに関し、特に、角速度出力の異常検出機能を有した振動型角速度センサに関する。

特開２００３−２１５１７号公報

角速度センサ（ジャイロセンサ）の方式には、回転体の歳差運動を利用する機械式、筐体内で周回するレーザー光の筐体回転に伴う受光タイミング変化を利用する光学式、筐体内でセンシング用のガスを熱線に噴射し、その噴射量が筐体の回転により変化するのを熱線温度で検知する流体式などが知られている。他方、カーナビゲーションシステム等における車両方向検知用の角速度センサの需要が近年急速に高まっており、上記各方式と比較してより安価で軽量な振動式角速度センサが主流となりつつある。振動式角速度センサは、予め定められた基準方向に振動する振動子に角速度が作用したとき、基準方向と直交する検出方向へのコリオリ力に基づく新たな振動成分（以下、角速度振動成分という）を検出し、該振動成分に基づいて角速度情報を出力するものである。

従来、角速度センサを用いて車両制御を行なうシステムとして、車両の横滑りを検出し、各車輪のブレーキやトルクを最適に制御することにより、車両を正常状態に保つ車両安定制御システムや、車両の後輪あるいは前輪の舵角を制御する４輪舵角制御システム等が周知である。この種のシステムは、車両の横滑りといった車両の異常状態を角速度センサにて検出しており、この角速度信号の信頼性を高めることが求められている。

振動型角速度センサにおいては、角速度検出中に車両に並進的な加速度が加わった場合、コリオリ力に基づく角速度検出波形にノイズとして重畳することになる。特許文献１には、逆相駆動される２組の振動型センサユニットを組み合わせ、逆相出力される各センサユニットの出力を差動増幅することで、加速度成分をキャンセルする方式が採用されている。また、特許文献１には、車両制御に使用する場合の常套的な手段として、角速度センサの出力系統をメインとサブとに分割し、サブ出力をメイン出力のバックアップ用として使用することが行われている。サブ出力系統とメイン出力系統との出力比較を行なうことで、いずれかの出力系統に異常を生じた場合にこれを検出することができる。

上記特許文献１に開示の技術では、加速度キャンセルのために２つのセンサユニットの出力は予め合成され、その合成後の出力がサブ出力とメイン出力とに分岐させる方式を採用している。しかし、この方法では、センサ出力の根幹をなす第一及び第二のセンサユニットの内部（例えば振動子や、振動検知用の電極）に不具合が生じた場合は、出力系統に異常を生じていない限り、サブ出力とメイン出力との間には特段の差異は生じず、その検知を行なうことができない問題がある。

本発明の課題は、個々のセンサユニットの内部に異常が発生した場合も、その検出を容易にかつ確実に行なうことができる振動型角速度センサを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の課題を解決するために、本発明の振動型角速度センサは、
予め定められた基準方向に振動する振動子と、該振動子を一定の振幅で駆動する振動駆動部と、振動子に角速度が加わるに伴い、基準方向と交差するように定められた角速度検出方向への被検出振動成分を検出し、該被検出振動成分に基づいて角速度検出波形を生成する検出波形生成部とをそれぞれ有する第一の角速度センサユニット及び第二の角速度センサユニットと、
それら第一の角速度センサユニット及び第二の角速度センサユニットとを同期振動駆動する振動駆動部と、
第一の角速度センサユニットからの第一の角速度検出波形と、第二の角速度センサユニットからの第二の角速度検出波形とを、互いに同相となる位相関係にて合成する同相波形合成部を有し、その同相合成波形を、第一及び第二の角速度検出波形にそれぞれ重畳する加速度波形成分が相殺された角速度信号として出力する角速度信号出力部と、
第一の角速度センサユニットからの第一の角速度検出波形と、第二の角速度センサユニットからの第二の角速度検出波形とを、互いに逆相となる位相関係にて合成する逆相波形合成部を有し、その逆相合成波形に基づいてセンサ出力の異常監視信号を生成・出力する異常監視信号生成出力部と、を備えたことを特徴とする。

上記本発明の構成によると、２つの角速度センサユニットの異常検出を行なうために、第一の角速度検出波形及び角速度検出波形を互いに逆相となる位相関係にて合成し、その逆相合成波形に基づく異常監視信号を出力するようにした。２つのセンサユニットは、ハードウェア的に等価に構成されていれば、同じ角速度が与えられたとき、原理上はほぼ同じ振幅で角速度検出波形を出力する。従って、それら角速度検出波形を逆相合成すると、両センサユニットに異常が生じていなければ、波形が互いにキャンセルしあい、逆相合成波形の振幅は非常に小さくなる。しかし、センサユニットの一方に異常が生じると、異常が生じたほうの角速度検出波形に変化が生じ、両波形のキャンセルバランスが崩れて逆相合成波形の出力が大きくなる。そこで、該逆相合成波形に基づいてセンサ出力の異常監視信号を生成・出力するようにすれば、両センサユニットの出力系統のみならず、振動子や振動検出用の電極などの内部的な異常が発生した場合でも、その検知を確実に行なうことができる。

本発明の振動型角速度センサは、第一の角速度センサユニット及び第二の角速度センサユニットにおいて、各振動子を基準方向において互いに逆位相にて同期振動させることにより、角速度検出波形が、互いに位相反転した第一及び第二の角速度検出波形として生成するものとして構成できる。この場合、角速度信号出力部の同相波形合成部を、第一の角速度検出波形と第二の角速度波形との差分波形を演算する差分波形演算手段にて構成し、異常監視信号生成出力部の逆相波形合成部を、第一の角速度検出波形と第二の角速度波形との加算波形を演算する加算波形演算手段にて構成することができる。このように構成すると、振動型の角速度センサ部の角速度出力から並進的な加速度成分を、互いに逆相となる２つの角速度波形の差分波形を取ることで、両波形において同相に重畳する角速度成分を効果的に相殺でき、かつ、２つの角速度波形は結果的に互いに加算されて振幅を増すので、最終的に得られる角速度信号に残留する加速度成分の影響を大幅に縮小することができる。他方、差分波形演算手段とは別に設けられた逆相合成部としての加算波形演算手段により、２つのセンサユニットの異常検知も確実に行なうことができる。

なお、上記の構成においては、角速度信号として用いられる同相合成波形のレベル検知によっても異常検知を行なうことができる場合がある。しかし、この方式では、センサユニットの振動子や電極等に軽微な異常が生じただけでは、正常時と比較したときの同相合成波形の変化が小さく、どちらかのユニットの角速度検出波形の振幅によほど大きな変化が生じない限り、確実な異常検知が難しい難点がある。また、異常非発生の状態でも同相合成波形は角速度検知状態によって大きく変化し、非異常時の波形を異常検知のベースとして使用できないことも欠点の一つである。しかし、本発明で異常検知用に採用する逆相合成波形の出力は、正常時はほとんどゼロに近い振幅レベルを示すために、角速度の検知状態によらず非異常時の波形はほぼフラットであり、これを異常検知のベースとして利用できる。その結果、わずかな異常発生でも該逆相合成波形の出力変化を容易に読み取ることができ、異常検知を確実に行なうことができる。

次に、本発明の振動型角速度センサにおいては、第一の角速度センサユニットと第二の角速度センサユニットの検出波形生成部は、検出すべき波形振動に合わせて電極間隔を変化させる振動検出用コンデンサであり、該振動検出用コンデンサの信号出力側となる電極を複数個の部分電極に分割し、角速度波形を与える振動検出用コンデンサの電荷変化出力を、各部分電極から分割出力の形で取り出し、異常監視信号生成出力部は、該分割出力に基づいて異常監視信号を生成するものとすることができる。振動検出用コンデンサを用いた角速度波形の検知出力においては、あるいは電極の欠損やゆがみといった部分的不具合により、その出力状態にも影響が及び、誤差や動作不良の原因となりうる。しかし、電極の正常な部分からの出力の寄与が大きければ、電極全体としての出力変化は小さなものにとどまるので精密な異常検出は不可能となり、将来の大きな不具合につながる前兆異常検出などといったようなことも概して難しくなる。しかし、１つの電極を部分電極に分け、各部分電極から分割出力の形で個別に取り出すようにすれば、部分電極形成に対応して振動検出用コンデンサの容量変化は並列分割されるので、個々の部分電極にとどまるような小さなん異常が生じた場合でも、その部分電極の分割出力内では異常の影響が大きく現れるので、より精密な異常検出が可能となる。

振動検出用コンデンサの電極は、振動子の側に設けられ櫛歯状の検出側可動電極と、振動子を収容するフレーム側に設けられ、可動電極とかみ合う櫛歯状の検出側固定電極とを有するものとして構成できる。この場合、振動駆動される可動電極よりも、該検出側固定電極を部分電極に分割するほうが、分割に際しての電極間のアイソレーションも容易であり、構造的に単純化できる利点がある。また、検出容量増大のために櫛歯化された電極は、電極形成時あるいはアセンブリ時に製造上の要因により櫛歯をなす単位電極の欠損やゆがみなどの不具合を生じやすく、部分電極に分割することによる前述の効果を特に顕著に発揮させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態である振動型角速度センサ１の回路図である。該回路は、振動ユニット４、振動駆動部６及び角速度検出部７とを有する。図２に示すように、振動ユニット４は第一のセンサユニット１００及び第二のセンサユニット２００を備える。各センサユニットは、予め定められたＸ方向（基準方向）に振動する振動子４１ａ，４１ｂを備え、それら振動子４１ａ，４１ｂに角速度が加わるに伴い、Ｘ方向と直交するように定められたＹ方向（角速度検出方向）への被検出振動成分を検出するものである。図１において、この被検出振動成分の波形検出を行なう検出波形生成部は、検出すべき波形振動に合わせて電極間隔を変化させる振動検出用コンデンサ４５Ｓ１，４５Ｓ２であり、各振動検出用コンデンサ４７の電荷変化出力を電荷電圧変換部（例えば周知のチャージアンプで構成できる）ＣＡ１〜ＣＡ４にて電圧波形とすることにより角速度検出波形を生成する。なお、被検出振動波形は、並進的な加速度が加わっている場合は角速度波形成分に加速度波形成分が重畳したものとなる。第一のセンサユニット１００と第二のセンサユニット２００とは、振動子４１ａ，４１ｂの逆相振動駆動により、それらの被検出振動波形が、角速度波形成分とこれに重畳する加速度波形成分との一方において互いに同相となり、他方において互いに逆相となるように（すなわち、加算又は差分により、加速度波形成分又は角速度波形成分の一方をキャンセルできるように）、上記の基準方向と角速度検出方向とが定められている。本実施形態においては、第一のセンサユニット１００と第二のセンサユニット２００とはＸ方向に互いに隣接して配置され、該Ｘ方向において振動子４１ａ，４１ｂとが鏡映的な対称関係にて振動駆動されるようになっているが、これに限られるものではない。

該振動ユニット４は、例えばＳｉ等の半導体マイクロマシニングの技術を用いて形成される。図２に例示した構成では、第一のセンサユニット１００の振動子４１ａは梁４２ａにより、第二のセンサユニット２００の振動子４１ｂは梁４２ｂにより、一体のフレーム４０に対し、それぞれ互いに直交するＸ方向とＹ方向とに独立に振動可能に結合されている。

両センサユニット１００，２００の各フレーム４０には、Ｘ方向（つまり振動駆動方向）の端部内面に、Ｘ方向の単位電極がＹ方向に一定間隔で配列した櫛歯状の駆動側固定電極５６ａ，５６ｂが取り付けられている。また、振動子４１ａ，４１ｂのＸ方向側端面には、Ｘ方向の単位電極がＹ方向に一定間隔で配列した櫛歯状の駆動側可動電極６６ａ，６６ｂが、駆動側固定電極５６ａ，５６ｂとの間に隙間をもって交互に配列する形で取り付けられている。

一方、両センサユニット１００，２００の、Ｙ方向（つまり角速度検出方向）の各端部には振動検出用コンデンサ４５Ｓ１，４５Ｓ２が設けられている。具体的には、フレーム４０のＹ方向の各端部内面に、Ｙ方向の単位電極がＸ方向に一定間隔で配列した櫛歯状の検出側固定電極５５ａ，５５ｂが取り付けられている。また、振動子４１ａ，４１ｂの対応するＹ方向側端面には、Ｙ方向の単位電極がＸ方向に一定間隔で配列した櫛歯状の検出側可動電極６５ａ，６５ｂが検出側固定電極５５ａ，５５ｂとの間に隙間をもって交互に配列する形で取り付けられている。これら検出側可動電極６５ａ，６５ｂと検出側固定電極５５ａ，５５ｂとが、上記振動検出用コンデンサ４５Ｓ１，４５Ｓ２を形成している。

さらに、両センサユニット１００，２００のＸ方向の互いに近い側の端部には、駆動振動数をフィードバック制御するための振幅モニタ用コンデンサ４７ａ，４７ｂが設けられている。具体的には、フレーム４０の対応する端部（隣接するセンサユニット１００，２００を仕切る隔壁部となっている）内面に、Ｘ方向の単位電極がＹ方向に一定間隔で配列した櫛歯状のモニタ側固定電極５７ａ，５７ｂが取り付けられている。また、振動子４１ａ，４１ｂの対応するＸ方向側端面には、Ｘ方向の単位電極Ｙ方向に一定間隔で配列した櫛歯状のモニタ側可動電極６７ａ，６７ｂが、モニタ側固定電極５７ａ，５７ｂとの間に隙間をもって交互に配列する形で取り付けられている。これらモニタ側可動電極６７ａ，６７ｂとモニタ側固定電極５７ａ，５７ｂとが、上記振幅モニタ用コンデンサ４７ａ，４７ｂを形成している。

図２において、第一の角速度センサユニット１００及び第二の角速度センサユニット２００は、各振動子４１ａ、４１ｂがＸ方向において、一定振幅で互いに逆位相にて同期振動駆動される。この状態で、Ｘ，Ｙ両方向のいずれとも直交するＺ方向（例えば自動車搭載の場合は、路面と直交する向き）周りに角速度が入力されると、振動子４１ａ，４１ｂにはコリオリ力により、その角速度の大きさに応じた振幅でＹ方向（角速度検出方向）の角速度振動成分が互いに逆位相にて発生する。この振動は、振動検出用コンデンサ４５Ｓ１，４５Ｓ２の容量変化として検知され、端子Ｓ１〜Ｓ８から取り出された後、電荷電圧変換器にて電圧変換され、角速度検出波形として出力される。

なお、コリオリ力はそれぞれの振動子４１ａ，４１ｂに対し互いに逆方向に作用するため、第一のセンサユニット１００側の第一の振動検出用コンデンサ４５Ｓ１と、第二のセンサユニット２００側の第二の振動検出用コンデンサ４５Ｓ２とは、Ｙ方向における互いに反対側に位置するもの同士（端子Ｓ１，Ｓ４と端子Ｓ５，Ｓ８及び端子Ｓ２，Ｓ３と端子Ｓ６，Ｓ７）が、互いに同相の角速度検出波形を生ずる。それら角速度検出波形は、図１に示すように、同じユニット内で互いに逆相となるもの同士を対にして、差動増幅機能を有する電荷／電圧変換部ＣＡ１〜ＣＡ４にて合成され、互いに同相の４つの合成波形Σ１〜Σ４として取りまとめられた後、角速度検出部７において全体が加算され、角速度信号ＳＧとされる。

図２において、逆相振動駆動される両ユニット１００，２００においては、Ｚ方向周りに角速度が加わった時にＹ方向に発生するコリオリ力は互いに逆方向に検知されるが、回転遠心力や突発振動などによるＹ方向への並進的な加速度に対しては同一方向に検知され、角速度波形成分から見れば一種のノイズ成分となる。しかし、両ユニット１００，２００間において、重畳加速度波形成分が互いに同相であり、角速度波形成分が逆相となる波形同士を差分演算すれば（あるいは、重畳加速度波形成分が互いに逆相であり、角速度波形成分が同相となる波形同士を加算演算すれば）、この加速度成分はキャンセルされ、角速度波形のみを取り出すことができる。

次に、振動駆動部６は、振幅モニタ用コンデンサ４７ａ，４７ｂの蓄積電荷を電圧変換する電荷電圧変換器１０、その振動交流電圧出力を直流変換するＡＣ／ＤＣ変換器（整流部）１１、ＡＣ／ＤＣ変換器１１の出力電圧を振幅モニタ値として、その基準電圧Ｖｒｅｆを与える基準電圧発生部１２、振幅モニタ値と基準電圧Ｖｒｅｆ１との差分を増幅する差動増幅器１３、電荷電圧変換器１０からの振動電圧出力を９０°移相する移相器１４、差動増幅器１３と移相器１４との各出力を乗算する乗算器１５とを有する。乗算器１５の出力が振動駆動電圧波形として、第一のセンサユニット１００及び第二のセンサユニット２００の各駆動端子Ｄ１，Ｄ２に入力される。

振動駆動部６においては、振動子４１ａ，４１ｂのＸ方向の振動が、振幅モニタ用コンデンサ４７ａ，４７ｂの容量変化により、振動モニタ信号としてモニタ端子Ｍから取り出される。図２では、両センサユニット１００，２００にて振幅モニタ用コンデンサ４７ａ，４７ｂの可動側電極６７ａ，６７ｂは、固定側電極５７ａ，５７ｂに対し、振動方向（つまりＸ方向）においてどちらも同じ側（図２では左側）に配置されている。従って、振動子４１ａ，４１ｂがＸ方向に互いに逆相で同期振動すれば、振幅モニタ用コンデンサ４７ａ，４７ｂからの振動モニタ波形も互いに逆相となる。振動モニタ信号波形は、電荷電圧変換器ＣＡ５にて電圧信号に変換され、これを移相器１４及び乗算器１５を介して駆動端子Ｄ１，Ｄ２に帰還させることにより自励式振動駆動機構が構成される。

移相器１４は、梁６０を介した振動子４１ａ，４１ｂの共振点付近での機械的振動を持続させる役割を果たす。また、差動増幅器１０からの合成後の振動モニタ信号は、別途ＡＣ／ＤＣ変換器１１で平滑化されて振幅レベル信号とされ、制御振幅レベルに対応した基準電圧発生部１２からの基準電圧信号との差分が差動増幅器１３にて演算される。この差動増幅器１３の出力を振幅補正信号として、乗算器１５にて振動モニタ信号と乗ずることにより、駆動振幅が一定に制御されることとなる。なお、第一のセンサユニット１００と第二のセンサユニット２００との駆動端子Ｄ１，Ｄ２は、フレーム４０に対し、Ｘ方向にて互いに異なる端部側に形成されており、乗算器１５からの駆動出力が同相入力される。これにより、両ユニット１００，２００の振動子４１ａ，４１ｂは、Ｘ方向において、その共振周波数で互いに逆位相で振動駆動される。

次に、角速度検出部７において上記角速度信号ＳＧは、同期検波部２２にて振幅変調された角速度波形が復調された後、ローパスフィルタ２３でリップルが除去され、入力角速度に比例した直流の加速度信号Ｖｙとして出力される。同期検波部２２の参照周波数信号は、本実施形態では移相器１４からの振動モニタ信号力が流用される。コリオリ力は、振動子の速度と加わる角速度とのベクトル積に比例して発生するので、駆動振動波形に対し、コリオリ力の検出波形は必ず９０°進角して検知される。従って、移相器１４にて９０°進角した駆動振動波形はコリオリ力の検出波形（つまり、角速度波形）と位相が一致し、同期検波用の参照周波数信号として好適に採用できる。

図１において、第一の角速度センサユニット１００からの第一の角速度検出波形Σ１，Σ２と、第二の角速度センサユニット２００からの第二の角速度検出波形Σ３，Σ４とは、異常監視信号生成出力部８に入力される。上記の第一の角速度検出波形Σ１，Σ２と第二の角速度検出波形Σ３，Σ４とは、すでに全て互いに同相となるように合成済みであり、これらを互いに逆相となる位相関係にて合成するために、逆相波形合成部をなす差動増幅器１２１に入力される。そして、その逆相合成波形信号Ｓｋは同期検波部１２２と経て、電圧検出部をなすウィンドコンパレータ１２３を経て異常監視信号ＶＪとして出力される。

図２において、２つのセンサユニット１００，２００は、ハードウェア的に等価に構成されているので、同じ角速度が与えられたとき、原理上はほぼ同じ振幅で角速度検出波形を出力する（図１：Σ１＋Σ２、Σ３＋Σ４）。従って、図４に示すように、それら角速度検出波形（Σ１＋Σ２とΣ３＋Σ４）を差動増幅器１２１にて逆相合成すると、両センサユニット１００，２００に異常が生じていなければ、波形が互いにキャンセルしあい、差動増幅器１２１の出力Ｓｋは中立点に近い位置でフラットな波形を示すことになる。しかし、どちらかのセンサユニット１００，２００の駆動振幅に異常を生じていれば、角速度検出波形Σ１＋Σ２とΣ３＋Σ４とに異常要因による差αが生じ、キャンセルのバランスが崩れる結果、差動増幅器１２１の出力Ｓｋの振幅値は中立点からシフトする。従って、上記中立点を包含した基準電圧範囲［Ｖｒｅｆ２，Ｖｒｅｆ３］を有するウィンドコンパレータ１２３に同期検波後の信号出力Ｓｋを入力することで、該信号出力Ｓｋが規定範囲内か否か、つまり異常かどうかを異常監視信号ＶＪとして該ウィンドコンパレータ１２３から出力することができる。

次に、本実施形態においては図２に示すように、振動検出用コンデンサ４５Ｓ１，４５Ｓ２の信号出力側となる電極、つまり検出側固定電極が複数個の部分電極に分割されている。具体的には、第一のセンサユニット１００側では、部分電極５５Ｓ１と部分電極５５Ｓ４及び部分電極５５Ｓ２と部分電極５５Ｓ４、第二のセンサユニット２００側では、部分電極５５Ｓ６と部分電極５５Ｓ７及び部分電極５５Ｓ５と部分電極５５Ｓ８にそれぞれ分割されている。各振動検出用コンデンサ４５Ｓ１，４５Ｓ２の電荷変化出力は、各部分電極５５Ｓ１〜５５Ｓ８から分割出力（端子Ｓ１〜Ｓ８）の形で取り出される。振動検出用コンデンサ４５Ｓ１，４５Ｓ２の固定側電極を部分電極に分け、その電荷変化を各部分電極から分割出力の形で個別に取り出すようにすれば、櫛歯電極を構成する単位電極の欠損やゆがみなど、個々の部分電極にとどまるような小さな異常が生じた場合でも、その部分電極の分割出力内では異常の影響が大きく現れるので、より精密な異常検出が可能となる。

本実施形態では、振動検出用コンデンサ４５Ｓ１，４５Ｓ２は、角速度検出方向における振動子４１ａ，４１ｂの第一端部側に設けられる第一の振動検出用コンデンサ４５Ｓ１Ａ，４５Ｓ２Ａと、同じく第二端部側に設けられる第二の振動検出用コンデンサ４５Ｓ１Ｂ，４５Ｓ２Ｂとを有する。それら第一の振動検出用コンデンサ４５Ｓ１Ａ，４５Ｓ２Ａ及び第二の振動検出用コンデンサ４５Ｓ１Ｂ，４５Ｓ２Ｂは角速度検出波形を互いに逆位相にて発生するものであり、各々信号出力側となる電極が第一の部分電極５５Ｓ１，５５Ｓ２，５５Ｓ６，５５Ｓ５と及び第二の部分電極５５Ｓ４，５５Ｓ３，５５Ｓ７，５５Ｓ８に分割されている。振動子４１ａ，４１ｂの第一端部側と第二端部側とを両方利用することで、振動検出用コンデンサの数を増やすことができ、角速度信号の出力を高めることができる。また、それらの信号出力側となる電極を部分電極に分割することで、異常検知の感度を向上できる。なお、同じセンサユニット内で、第一の振動検出用コンデンサ４５Ｓ１Ａ，４５Ｓ２Ａと第二の振動検出用コンデンサ４５Ｓ１Ｂ，４５Ｓ２Ｂとは、角速度波形成分も加速度波形成分も互いに逆相となって表れる。

なお、振動子４１ａ，４１ｂは、その表面に形成された各電極６５ａ，６６ａ，６７ａ，６５ｂ，６６ｂ，６７ｂとともに、梁４２ｂ及びフレーム４０を介してＧＮＤ端子Ｇ１，Ｇ２に接続され、外部でＧＮＤに接続されるようになっている。また、フレーム４０の表面には、駆動側固定電極５６ａ，５６ｂに接続される駆動端子Ｄ１，Ｄ２、検出側固定電極５５ａ，５５ｂ（部分電極５５Ｓ１〜５５Ｓ８）に接続され角速度波形検出端子Ｓ１〜Ｓ８、及びモニタ側固定電極５７ａ，５７ｂに接続される振動モニタ端子Ｍが形成されており、アイソレーション部６０で互いに電気的に分離されている。

図３に示すように、第一の角速度センサユニット１００と第二の角速度センサユニット２００のそれぞれにおいて、第一の振動検出用コンデンサ４５Ｓ１及び第二の振動検出用コンデンサ４５Ｓ２の、第一の部分電極からの分割出力同士（Ｓ１，Ｓ２及びＳ３，Ｓ４）及び第二の部分電極からの分割出力同士（Ｓ５，Ｓ６及びＳ７，Ｓ８）がそれぞれ差分演算部（本実施形態では電荷電圧変換部に兼用されている）ＣＡ１〜ＣＡ４により合成される。互いに同相の第一の異常監視準備信号Σ１，Σ２及び第二の異常監視準備信号Σ３，Σ４とされる。図５に示すように、このように形成される異常監視準備信号Σ１，Σ２，Σ３，Σ４は、いずれも逆相の分割出力同士が差動増幅される形で振幅加算されるので、各部分電極に異常を生ずると、振動検出用コンデンサ毎に設けられた差分演算部ＣＡ１〜ＣＡ４は、いずれもその出力に異常発生した部分電極の影響が大きく現れるので、これに基づく異常監視準備信号Σ１，Σ２，Σ３，Σ４により、振動検出用コンデンサの電極の異常検知を精密に行なうことができる。

図３の回路構成では、第一の異常監視準備信号Σ１，Σ２と第二の異常監視準備信号Σ３，Σ４とを、第一の角速度センサユニット１００と第二の角速度センサユニット２００とのそれぞれにおいて予め加算演算した後、両ユニット１００，２００からの各加算演算後の信号を差分演算する差分演算部（差動増幅器）１２１が設けられ、該差分演算後の信号を異常監視信号として用いている。第一の異常監視準備信号Σ１，Σ２と第二の異常監視準備信号Σ３，Σ４とを加算演算と差分演算との組み合わせにより統合し、一系統の異常監視信号として出力することで、異常監視信号発生に係るハードウェア構成を簡略化することができる。

他方、図６に示す構成では、第一の角速度センサユニット１００と第二の角速度センサユニット１００とに、両ユニット１００，２００間での第一の異常監視準備信号同士、及び第二の異常監視準備信号同士を個別に差分演算する差分演算部１２１Ａ，１２１Ｂが設けられ、各ユニット１００，２００にて差分演算部１２１Ａ，１２１Ｂの出力電圧ΔΣ１，ΔΣ２に対し異常判定を個別に行い、それら２つの異常判定信号に基づいて最終的な異常判定を行なうようにしている。この構成によると、異常判定信号は２系統発生することになるが、各系統に統合される部分出力（部分電極）の数が図３の８つから４つへと減少する。その結果、部分電極のどれかに異常や故障を生じた場合、個々の異常判定信号は、部分出力の統合数が少ない分だけ異常発生時の相対的な出力変化も大きくなるので、より高感度な異常検知が可能となる。本実施形態では、各差分演算部１２１Ａ，１２１Ｂの出力毎に同期検波部１２２Ａ，１２２Ｂとウィンドコンパレータ（電圧検出部）１２３Ａ，１２３Ｂを設け、各ウィンドコンパレータ１２３Ａ，１２３Ｂからの二値の判定出力の論理和をゲート１２４にて演算し、その出力を最終的な異常監視信号ＶＪとして用いるようにしている。

さらに、図７の構成では、第一の角速度センサユニット１００と第二の角速度センサユニット２００との間で、図１の第一の振動検出用コンデンサ４５Ｓ１Ａ，４５Ｓ２Ａの第一部分電極５５Ｓ１，５５Ｓ６からの分割出力同士（Ｓ１，Ｓ５）及び第二部分電極５５Ｓ４，５５Ｓ７からの分割出力同士（Ｓ４，Ｓ７）、ならびに第二の振動検出用コンデンサ４５Ｓ１Ｂ，４５Ｓ２Ｂの第一部分電極５５Ｓ２，５５Ｓ５からの分割出力同士（Ｓ２，Ｓ５）及び第二部分電極５５Ｓ３，５５Ｓ８からの分割出力同士（Ｓ３，Ｓ８）を個別に差分演算する、４つの差分演算部１２１Ａ１，１２１Ａ２，１２１Ｂ１，１２１Ｂ２が設けられ、それら差分演算部１２１Ａ１，１２１Ａ２，１２１Ｂ１，１２１Ｂ２の出力電圧に対する異常判定を個別に行い、それら４つの異常判定信号に基づいて最終的な異常判定を行なうようにしている。この構成によると、異常判定信号は４系統発生することになるが、各系統に統合される部分出力（部分電極）の数が図６の４つから２つへと減少する。その結果、部分電極のどれかに異常や故障を生じた場合の、個々の異常判定信号は、異常発生時の相対的な出力変化がさらに大きくなり、異常検知の感度がさらに高められる。本実施形態では、各差分演算部１２１Ａ１，１２１Ａ２，１２１Ｂ１，１２１Ｂ２の出力毎に同期検波部１２２Ａ１，１２２Ａ２，１２２Ｂ１，１２２Ｂ２とウィンドコンパレータ（電圧検出部）１２３Ａ１，１２３Ａ２，１２３Ｂ１，１２３Ｂ２を設け、各ウィンドコンパレータ１２３Ａ１，１２３Ａ２，１２３Ｂ１，１２３Ｂ２からの二値の判定出力の論理和をゲート１２４にて演算し、その出力を最終的な異常監視信号ＶＪとして用いるようにしている。

本発明の振動型角速度センサの一実施形態を示す回路図。第一及び第二のセンサユニットの構造を模式的に示す図。異常監視信号を発生させる回路の第一例を示す図。本発明の作用・効果の説明図。異常監視準備信号の生成概念図。異常監視信号を発生させる回路の第二例を示す図。異常監視信号を発生させる回路の第三例を示す図。

符号の説明

１振動型角速度センサ
４１ａ，４１ｂ振動子
６振動駆動部
７角速度検出部
ＣＡ１〜ＣＡ４電荷電圧変換部（同相波形合成部）
８異常監視信号生成出力部
１０差動増幅器（同相波形合成部）
４５Ｓ１Ａ，４５Ｓ２Ａ第一の振動検出用コンデンサ
４５Ｓ１Ｂ，４５Ｓ２Ｂ第二の振動検出用コンデンサ
５５Ｓ１〜５５Ｓ８部分電極
１００第一のセンサユニット
２００第二のセンサユニット
１２１，１２１Ａ，１２１Ｂ，１２１Ａ１，１２１Ａ２，１２１Ｂ１，１２１Ｂ２差分演算部

Claims

予め定められた基準方向に振動する振動子と、該振動子を一定の振幅で駆動する振動駆動部と、前記振動子に角速度が加わるに伴い、前記基準方向と交差するように定められた角速度検出方向への被検出振動成分を検出し、該被検出振動成分に基づいて角速度検出波形を生成する検出波形生成部とをそれぞれ有する第一の角速度センサユニット及び第二の角速度センサユニットと、
それら第一の角速度センサユニット及び第二の角速度センサユニットとを同期振動駆動する振動駆動部と、
前記第一の角速度センサユニットからの第一の角速度検出波形と、前記第二の角速度センサユニットからの第二の角速度検出波形とを、互いに同相となる位相関係にて合成する同相波形合成部を有し、その同相合成波形を、前記第一及び第二の角速度検出波形にそれぞれ重畳する加速度波形成分が相殺された角速度信号として出力する角速度信号出力部と、
前記第一の角速度センサユニットからの第一の角速度検出波形と、前記第二の角速度センサユニットからの第二の角速度検出波形とを、互いに逆相となる位相関係にて合成する逆相波形合成部を有し、その逆相合成波形に基づいてセンサ出力の異常監視信号を生成・出力する異常監視信号生成出力部と、を備え、
前記第一の角速度センサユニットと前記第二の角速度センサユニットの前記検出波形生成部は、検出すべき波形振動に合わせて電極間隔を変化させる振動検出用コンデンサであり、該振動検出用コンデンサの信号出力側となる電極を複数個の部分電極に分割し、前記角速度波形を与える前記振動検出用コンデンサの電荷変化出力を、各前記部分電極から分割出力の形で取り出し、前記異常監視信号生成出力部は、該分割出力に基づいて前記異常監視信号を生成するものであり、
前記第一の角速度センサユニットと前記第二の角速度センサユニットのそれぞれにおいて、前記振動検出用コンデンサは、前記角速度検出方向における前記振動子の第一端部側に設けられる第一の振動検出用コンデンサと、同じく第二端部側に設けられる第二の振動検出用コンデンサとを有し、それら第一及び第二の振動検出用コンデンサは、前記角速度検出波形を互いに逆位相にて発生するものであり、かつ、各々信号出力側となる電極が第一及び第二の部分電極に分割されていることを特徴とする振動型角速度センサ。
前記第一の角速度センサユニット及び前記第二の角速度センサユニットにおいて、各前記振動子を前記基準方向において互いに逆位相にて同期振動させることにより、前記角速度検出波形が、互いに位相反転した第一及び第二の角速度検出波形として生成され、
前記角速度信号出力部の前記同相波形合成部は、前記第一の角速度検出波形と前記第二の角速度波形との差分波形を演算する差分波形演算手段にて構成され、
前記異常監視信号生成出力部の前記逆相波形合成部は、前記第一の角速度検出波形と前記第二の角速度波形との加算波形を演算する加算波形演算手段にて構成されている請求項１記載の振動型角速度センサ。
前記振動検出用コンデンサの電極は、前記振動子の側に設けられ櫛歯状の検出側可動電極と、前記振動子を収容するフレーム側に設けられ、前記可動電極とかみ合う櫛歯状の検出側固定電極とを有し、該検出側固定電極が前記部分電極に分割されている請求項１又は請求項２に記載の振動型角速度センサ。
前記第一の角速度センサユニットと前記第二の角速度センサユニットのそれぞれにおいて、前記第一の振動検出用コンデンサ及び前記第二の振動検出用コンデンサの、第一の部分電極からの分割出力同士及び第二の部分電極からの分割出力同士がそれぞれ差分演算部により合成されて、互いに同相の第一及び第二の異常監視準備信号とされる請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動型角速度センサ。
前記第一の異常監視準備信号と前記第二の異常監視準備信号とを、前記第一の角速度センサユニットと前記第二の角速度センサユニットとのそれぞれにおいて予め加算演算した後、両ユニットからの各加算演算後の信号を差分演算する差分演算部が設けられ、該差分演算後の信号を前記異常監視信号として用いる請求項４記載の振動型角速度センサ。
前記第一の角速度センサユニットと前記第二の角速度センサユニットとに、両ユニット間での前記第一の異常監視準備信号同士、及び前記第二の異常監視準備信号同士を個別に差分演算する差分演算部が設けられ、各ユニットにて前記差分演算部の出力電圧に対し異常判定を個別に行い、それら２つの異常判定信号に基づいて最終的な異常判定を行なうようにした請求項４記載の振動型角速度センサ。
前記第一の角速度センサユニットと前記第二の角速度センサユニットとの間で、前記第一の振動検出用コンデンサの前記第一部分電極からの分割出力同士及び第二部分電極からの分割出力同士、ならびに前記第二の振動検出用コンデンサの前記第一部分電極からの分割出力同士及び第二部分電極からの分割出力同士を個別に差分演算する４つの差分演算部が設けられ、それら前記差分演算部の出力電圧に対し異常判定を個別に行い、それら４つの異常判定信号に基づいて最終的な異常判定を行なうようにした請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動型角速度センサ。