JP4765171B2

JP4765171B2 - 振動ジャイロおよび振動ジャイロの自己診断方法

Info

Publication number: JP4765171B2
Application number: JP2001020437A
Authority: JP
Inventors: 和博江原
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-01-29
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2021-01-29
Also published as: JP2002228451A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動ジャイロおよび振動ジャイロの自己診断方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両の姿勢制御や横転検出のような安全装置や、自動車のナビゲーションシステムなどに用いられる振動ジャイロには、その異常を自己診断する機能が求められている。自己診断に関する公知文献としては、特開平３−１５９８７７号公報、特開平４−２１５０１７号公報、特開平５−１３３７５５号公報、特開平６−５８７６０号公報、特開平６−２０７９４６号公報、特開平９−２８１１３８号公報、特開平１１−５１６５５号公報、特開２０００−２５４２号公報などがある。
【０００３】
公知文献における自己診断方法としては、（１）振動子の駆動信号および差動出力信号をモニターして、そのレベルが所定の範囲を超えると異常と判断する、（２）差動回路と同期検波回路の間に同期検波信号に同期した信号を印加して出力信号をモニターし、その値が所定の範囲を超えると異常と判断する、というものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の自己診断方法（１）では、異常かどうかの診断はできるが、振動ジャイロのどこにその異常の原因があるのか分からないという問題があった。
【０００５】
また、従来の自己診断方法（２）では、差動回路の後に同期検波信号に同期した信号を印加するため、その信号を印加した位置より後段の回路の異常は診断できるが、振動子そのものの異常、例えば振動子の複数の検出電極の短絡あるいは開放などは診断できないという問題があった。また、この方法では付加する回路が多く、回路規模が大きくなり、コストや信頼性の面でも問題になりやすい。
【０００６】
本発明は上記の問題点を解決することを目的とするもので、振動子とその周辺回路の異常をより安価に、より信頼性高く自己診断することのできる振動ジャイロおよび振動ジャイロの自己診断方法を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の振動ジャイロは、複数の検出電極を有するとともに駆動信号および印加される角速度に応じた振動をする振動子と、該振動子を振動させるための駆動信号を前記振動子に印加する振動子駆動手段と、前記振動子の振動によって前記複数の検出電極に発生する電荷をそれぞれ電圧信号に変換する複数の電荷電圧変換手段と、前記複数の電圧信号から角速度に応じたコリオリ信号を出力するコリオリ力検出手段とを備えた振動ジャイロであって、前記複数の電荷電圧変換手段が、制御信号に応じて前記複数の電圧信号の中の少なくとも１つの電圧信号の直流バイアスを印加されたりされなかったりと切り換えられる直流バイアス切換手段を備え、前記コリオリ力検出手段が、角速度および直流バイアスを検出可能な検波手段を備え、前記直流バイアスが切り換えられることによる前記コリオリ信号の変化が、所定の範囲内に入っているかどうかから正常か異常か自己診断し、診断結果を出力する自己診断手段を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の振動ジャイロは、前記直流バイアス切換手段が、前記複数の検出電極の中の少なくとも１つの検出電極の印加電圧を切り換えることによって、その検出電極に対応する前記電圧信号の直流バイアスを切り換えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の振動ジャイロは、前記自己診断手段が、前記直流バイアスが切り換えられることによる前記コリオリ信号の過渡特性が、所定の範囲内に入っているかどうかから正常か異常か自己診断し、診断結果を出力することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の振動ジャイロの自己診断方法は、複数の検出電極を有するとともに駆動信号および印加される角速度に応じた振動をする振動子と、該振動子を振動させるための駆動信号を前記振動子に印加する振動子駆動手段と、前記振動子の振動によって前記複数の検出電極に発生する電荷をそれぞれ電圧信号に変換する複数の電荷電圧変換手段と、前記複数の電圧信号から角速度に応じたコリオリ信号を出力するコリオリ力検出手段とを備えた振動ジャイロの自己診断方法であって、制御信号に応じて前記複数の電荷電圧変換手段から出力される前記複数の電圧信号の中の少なくとも１つの電圧信号の直流バイアスを印加されたりされなかったりと切り換え、直流バイアスが切り換えられることによる前記コリオリ信号の変化が、所定の範囲内に入っているかどうかから正常か異常か自己診断し、診断結果を出力することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の振動ジャイロの自己診断方法は、直流バイアスが切り換えられることによる前記コリオリ信号の過渡特性が、所定の範囲内に入っているかどうかから正常か異常か自己診断し、診断結果を出力することを特徴とする。
【００１３】
このように構成することにより、本発明の振動ジャイロおよびその自己診断方法においては、振動子とその周辺回路の異常を自己診断することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の振動ジャイロの一実施例の概略ブロック図を示す。図１において、振動ジャイロ１は、振動子の一種である圧電振動子２、抵抗Ｒ１およびＲ２、加算回路３、移相回路４および１７、増幅回路５、差動回路７、半波整流タイプの同期検波回路８、平滑回路９、直流増幅回路１０、スイッチ１３、およびバイアス電圧を発生する電圧源１４から構成されている。
【００１５】
ここで、図２に圧電振動子２の構成を示す。圧電振動子２は、厚み方向に分極されるとともに一方主面に検出電極２Ｌ、２Ｒが形成された圧電体基板２Ｕと、厚み方向に分極されるとともに一方主面に共通電極２Ｃが形成された圧電体基板２Ｄが、中間電極２Ｆを介して他方主面同士で貼り合わされて構成されている。
【００１６】
図１に戻って、このように構成された圧電振動子２の検出電極２Ｌは、抵抗Ｒ１を介してスイッチ１３の共通端子に接続されている。スイッチ１３の切り換え端子の一方側は直接基準電位に接続され、他方側は電圧源１４を介して基準電位に接続されている。また、圧電振動子２の検出電極２Ｒは、抵抗Ｒ２を介して基準電位に接続されている。このうち、抵抗Ｒ１、Ｒ２、スイッチ１３、および電圧源１４は電荷電圧変換手段１６を構成している。スイッチ１３は直流バイアス切換手段を構成している。２つの検出電極２Ｌ、２Ｒは、加算回路３に接続され、その出力は移相回路４と増幅回路５を順に介して圧電振動子２の共通電極２Ｃに接続されている。また、同じく２つの検出電極２Ｌ、２Ｒは、差動回路７に接続され、その出力は同期検波回路８、平滑回路９、および直流増幅回路１０を介して出力端子１２に接続されている。加算回路３の出力は移相回路１７を介して同期検波回路８にも接続されている。制御信号入力端子１５はスイッチ１３の制御端子に接続されている。
【００１７】
このように構成された振動ジャイロ１において、２つの検出電極２Ｌ、２Ｒに発生する電荷は電荷電圧変換手段１６の抵抗Ｒ１、Ｒ２によって電圧に変換され、加算回路３に入力されて加算され、移相回路４で位相が調節され、増幅回路５で増幅されて共通電極２Ｃに印加される。これによって、圧電振動子２は厚み方向（圧電体基板２Ｕ、２Ｄの厚み方向）に屈曲振動するように自励発振で駆動される。したがって、加算回路３、移相回路４、および増幅回路５は圧電振動子駆動手段６を構成している。なお、スイッチ１３の共通端子は通常は切換端子の一方側に接続されているため、検出電極２Ｌに印加されるバイアス電圧は基準電位となっており、検出電極２Ｒに印加されるバイアス電圧と一致している。そのため、角速度の印加されない状態においては、２つの検出電極２Ｌ、２Ｒで発生する信号およびその直流バイアスに差はない。なお、これ以降、「検出電極で発生する信号」と言うような場合は、「検出電極で発生する電荷を電荷電圧変換手段で電圧に変換して得られる信号」を意味するものとする。
【００１８】
このような振動ジャイロ１の厚み方向に屈曲振動する圧電振動子２に、その長手方向に平行な軸を回転の軸とする角速度が印加されると、圧電振動子２はコリオリ力によって幅方向（圧電体基板２Ｕ、２Ｄの幅方向）にも屈曲振動する。これによって、２つの検出電極２Ｌ、２Ｒで発生する信号にも、コリオリ力に応じて互いに逆方向の変化が生じる。
【００１９】
２つの検出電極２Ｌ、２Ｒで発生した信号は差動回路７にも入力されて、その差の信号（差動信号）が出力される。この差動信号はコリオリ力に応じたものとなる。差動信号は同期検波回路８で移相回路１７から入力された同期信号によって同期検波され、平滑回路９で平滑され、直流増幅回路１０で増幅されて出力端子１２から出力される。したがって、移相回路１７、差動回路７、同期検波回路８、平滑回路９、および直流増幅回路１０はコリオリ力検出手段１１を構成している。なお、ここでは、この出力端子１２から出力される信号をコリオリ信号と称する。
【００２０】
振動ジャイロ１において、スイッチ１３が制御信号入力端子１５から入力される制御信号に応じて切り換えられることによって、検出電極２Ｌに電圧源１４の電圧、すなわちバイアス電圧が印加されたりされなかったりする。その結果として、電荷電圧変換回路１６から差動回路７に入力される信号の直流バイアスが切り換えられる。
【００２１】
ここで、検出電極２Ｌから差動回路７に入力される信号の直流バイアスが切り換えられる前後の動作について図３を参照して説明する。
【００２２】
検出電極２Ｌから差動回路７に入力される信号の直流バイアスが切り換えられる前の状態においては、検出電極２Ｌと２Ｒから差動回路７に入力される信号は、圧電振動子２の厚み方向の屈曲振動に対応する信号と、それに重畳したコリオリ力に対応する信号であるため、図３に示すように直流バイアスがゼロでわずかに振幅の異なる正弦波となる。ここでは、検出電極２Ｌから差動回路７に入力される信号を実線で、検出電極２Ｒから差動回路７に入力される信号を破線で示している。差動回路７からは２つの信号の振幅の差に相当するコリオリ力に対応した正弦波が出力され、同期検波回路８からはその正弦波が半波長ごとに出力される。同期検波回路８からの出力が半波長毎になるのは、直流バイアス成分の検出が可能なように、半波整流タイプの同期検波回路としているためである。そして、それを平滑・増幅した信号が直流増幅回路１０から出力される。
【００２３】
ここで、制御信号入力端子１５から入力される制御信号にしたがってスイッチ１３を切り換えて、共通端子を切換端子の他方側と接続することによって、検出電極２Ｌにバイアス電圧を印加した状態を考える。検出電極２Ｌにバイアス電圧を印加すると、図３に示すように、検出電極２Ｌから差動回路７に入力される信号（実線で示す）の直流バイアスが切り換えられ、印加されたバイアス電圧の分だけシフトする。一方、検出電極２Ｒから差動回路７に入力される信号（破線で示す）には変化はない。そのため、差動回路７からはその差に応じた信号、すなわちコリオリ力に対応した正弦波をバイアス電圧の分だけかさ上げした信号が出力される。この信号は直流バイアス成分の検出が可能な半波整流タイプの同期検波回路８で同期検波され、かさ上げされた正弦波が半波長毎に出力され、平滑回路９で平滑され、直流増幅回路１０で増幅されて出力端子１２にコリオリ信号として出力される。
【００２４】
この、検出電極２Ｌにバイアス電圧を印加することによって出力端子１２に出力されるコリオリ信号は、印加されたバイアス電圧に応じた大きさだけ変化するが、この変化は電圧源１４の電圧などからあらかじめ予測される、あるいは測定し得るものである。そこで、出力端子２に接続される何らかの回路によって、このコリオリ信号の大きさの変化が所定の範囲に入っているかどうかを確認することによって、振動ジャイロ１が正常に動作しているかどうかを自己診断することができる。
【００２５】
例えば、検出電極２Ｌにバイアス電圧を印加したときのコリオリ信号が所定値より大きかったり小さかったりすると、コリオリ力検出手段１１のどこかに異常があるということが分かる。
【００２６】
また、２つの検出電極２Ｌと２Ｒが短絡している場合には、バイアス電圧が２つの検出電極２Ｌ、２Ｒに同時に印加されることになるため、本来検出電極２Ｌへのバイアス電圧の印加によって変化すべきコリオリ信号が変化しないということになる。このように、振動ジャイロ１においては、バイアス電圧を検出電極に印加することによって、圧電振動子２自身の異常についても診断することができるようになる。
【００２７】
図４に、本発明の振動ジャイロの別の実施例の概略ブロック図を示す。図４において、図１と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。
【００２８】
図４において、振動ジャイロ２０は、図１に示した振動ジャイロ１に加えて、直流増幅回路１０の出力に接続された自己診断手段である自己診断回路２１を備えている。自己診断回路２１の出力は診断結果出力端子２２に接続されている。
【００２９】
このように構成された振動ジャイロ２０においては、振動ジャイロ２０自身が自己診断回路２１を備えており、外部に自己診断のための回路を新たに設ける必要がない。
【００３０】
図５に、本発明の振動ジャイロのさらに別の実施例の概略ブロック図を示す。図５において、図１と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。
【００３１】
図５に示した振動ジャイロ３０において、検出電極２ＬはオペアンプＱ１の反転入力端子に接続されている。オペアンプＱ１の非反転入力端子はスイッチ３１の共通端子に接続されており、スイッチ３１の切り換え端子の一方は直接基準電位に、他方はバイアス電圧を発生する電圧源３２を介して基準電位に接続されている。オペアンプＱ１の出力端子は抵抗Ｒ３を介して反転入力端子に接続されるとともに、差動回路７および加算回路３にそれぞれ接続されている。制御信号入力端子１５はスイッチ１３２の制御端子に接続されている。一方、検出電極２ＲはオペアンプＱ２の反転入力端子に接続されている。オペアンプＱ２の非反転入力端子は基準電位に接続されている。オペアンプＱ２の出力端子は抵抗Ｒ４を介して反転入力端子に接続されるとともに、差動回路７および加算回路３にそれぞれ接続されている。ここで、オペアンプＱ１、Ｑ２、抵抗Ｒ３、Ｒ４、スイッチ３１、および電圧源３２は電荷電圧変換手段３３を構成している。また、スイッチ３１は直流バイアス切換手段を構成している。
【００３２】
このように構成された振動ジャイロ３０において、オペアンプＱ１の反転入力端子の電圧は、イマジナリショートの原理で非反転入力端子の電圧と同じになる。そのため、検出電極２Ｌにはスイッチ３１の状態に応じて基準電位もしくはバイアス電圧が印加されることになる。そのため、オペアンプＱ１の非反転入力端子にバイアス電圧が印加された場合には、オペアンプＱ１から出力されて差動回路７に入力される信号もバイアス電圧の分だけシフトすることになる。オペアンプＱ２の反転入力端子の電圧も、同じくイマジナリショートの原理で非反転入力端子の電圧、すなわち基準電位となる。そのため、オペアンプＱ２から出力されて差動回路７に入力される信号は特にシフトしない。
【００３３】
このように、検出電極２Ｌに電圧源３２で発生するバイアス電圧を直接印加する構成とせず間接的に印加する構成としても差動回路７に入力される信号の直流バイアスを切り換えることができ、図１に示した振動ジャイロ１の場合と同様に、出力端子１２からは切り換えられた直流バイアスに応じたコリオリ信号が出力され、同様に自己診断を行うことができる。
【００３４】
また、図示は割愛するが、図１に示した振動ジャイロ１に対する図４に示した振動ジャイロ２０のように、図５に示した振動ジャイロ３０において自己診断回路を備えても構わないもので、振動ジャイロ２０の場合と同様の作用効果を奏するものである。
【００３５】
なお、図１、図４、図５に示した振動ジャイロ１、２０、３０においては、検出電極２Ｌから差動回路７に入力される信号の直流バイアスを切り換えていたが、直流バイアスを切り換える方法はこれに限られるものではなく、２つの検出電極２Ｌ、２Ｒから差動回路７に入力される信号の直流バイアスを互いに異なるようにできるものであれば、例えば検出電極２Ｒから差動回路７に入力される信号の直流バイアスを切り換えたり、あるいは検出電極の一方をプラスにバイアスするときには他方をマイナスにバイアスするするなど、どのような構成でも構わないもので、検出電極２Ｌからの信号の直流バイアスを切り換える場合と同様の作用効果を奏するものである。
【００３６】
ところで、上記の各実施例においては、電荷電圧変換手段から出力される電圧信号の直流バイアスを切り換えた時に出力端子から出力されるコリオリ信号の大きさを確認することによって自己診断を行う場合について説明してきたが、直流バイアスを切り換えることによるコリオリ信号の過渡特性から自己診断をすることも可能である。その点について以下に示す。
【００３７】
振動ジャイロ１、２０、３０のコリオリ力検出手段１１においては、同期検波回路８の後段に、平滑回路９の一部として図６に示すような高域の周波数を減衰させるためのローパスフィルタ４０が設けられる。
【００３８】
図６において、ローパスフィルタ４０は、オペアンプＱ３と入力端子ｉｎとオペアンプＱ３の反転入力端子の間に接続された抵抗Ｒ５と、オペアンプＱ３の出力端子と反転入力端子の間にそれぞれ接続された抵抗Ｒ６およびコンデンサＣ１から構成されている。オペアンプＱ３の非反転入力端子は基準電位に接続され、出力端子は出力端子ｏｕｔに接続されている。
【００３９】
このようなローパスフィルタ４０において、制御信号によって直流バイアスが切り換えられると、その入力端子ｉｎの信号レベルが例えば０Ｖから所定の電圧までステップ状に上昇する。しかしながら、出力端子ｏｕｔの信号レベルは最終的には一定のレベルに達するものの、ステップ状に変化することはなく、図７に示すように抵抗Ｒ６、コンデンサＣ１の時定数によって立上り時間が異なる。そこで、この立上り時間や立上り波形、すなわち過渡特性と電圧変動量を確認することによって、抵抗Ｒ５、Ｒ６やコンデンサＣ１の値の変化があったかどうかを確認することができる。また、出力信号が立ち上がらなかったり電源電圧にクランプされた状態になった場合には、抵抗Ｒ５、Ｒ６やコンデンサＣ１の短絡や開放があったかどうかを確認することができる。
【００４０】
このように、コリオリ力検出手段に入力される電圧信号の直流バイアスが切り換えられたときのコリオリ信号の過渡特性を確認することによって、振動ジャイロの回路における異常のある場所を推定することもできる。
【００４１】
なお、本発明の振動ジャイロとしては、検出電極に発生する交流電荷を交流電圧に変換するための電荷電圧変換手段を有するものであれば振動子の構成に関しては何等限定されるものではない。上記の各実施例においては、圧電体からなる振動体に複数の検出電極を形成してなる振動子を用いて説明してきたが、例えば金属などの圧電体ではない振動体に面状の圧電体を貼りつけて構成された振動子でも構わないものである。なおその場合には、圧電体の、振動体に貼りつけられる面ではない面に形成される電極が検出電極となる。
【００４２】
また、振動子の形状も、上記の各実施例のような形状に限られるものではなく、三角柱などの多角柱状や円柱状でも構わず、音叉状でも構わないものである。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の振動ジャイロおよび振動ジャイロの自己診断方法によれば、制御信号に応じて検出電極から電荷電圧変換手段を介してコリオリ力検出手段に入力される信号の中の少なくとも１つのバイアス電圧を切り換え、そのときのコリオリ信号の変化を検出することによって、振動ジャイロの自己診断を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の振動ジャイロの一実施例を示す概略ブロック図である。
【図２】図１の振動ジャイロにおける圧電振動子を示す斜視図である。
【図３】図１の振動ジャイロにおける自己診断時の信号を示す波形図である。
【図４】本発明の振動ジャイロの別の実施例を示す概略ブロック図である。
【図５】本発明の振動ジャイロのさらに別の実施例を示す概略ブロック図である。
【図６】本発明の振動ジャイロに用いられるローパスフィルタを示す回路図である。
【図７】図６のローパスフィルタの出力の過渡特性を示す波形図である。
【符号の説明】
１、２０、３０…振動ジャイロ
２…圧電振動子
２Ｌ、２Ｒ…検出電極
３…加算回路
４…移相回路
５…増幅回路
６…圧電振動子駆動手段
７…差動回路
８…同期検波回路
９…平滑回路
１０…直流増幅回路
１１…コリオリ力検出手段
１３、３１…スイッチ
１４、３２…電圧源
１５…制御信号入力端子
１６、３３…電荷電圧変換回路
２１…自己診断回路
４０…ローパスフィルタ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４…抵抗
Ｑ１、Ｑ２…オペアンプ

Claims

複数の検出電極を有するとともに駆動信号および印加される角速度に応じた振動をする振動子と、該振動子を振動させるための駆動信号を前記振動子に印加する振動子駆動手段と、前記振動子の振動によって前記複数の検出電極に発生する電荷をそれぞれ電圧信号に変換する複数の電荷電圧変換手段と、前記複数の電圧信号から角速度に応じたコリオリ信号を出力するコリオリ力検出手段とを備えた振動ジャイロであって、
前記複数の電荷電圧変換手段が、制御信号に応じて前記複数の電圧信号の中の少なくとも１つの電圧信号の直流バイアスを印加されたりされなかったりと切り換えられる直流バイアス切換手段を備え、
前記コリオリ力検出手段が、角速度および直流バイアスを検出可能な検波手段を備え、前記直流バイアスが切り換えられることによる前記コリオリ信号の変化が、所定の範囲内に入っているかどうかから正常か異常か自己診断し、診断結果を出力する自己診断手段を備えたことを特徴とする振動ジャイロ。
前記直流バイアス切換手段が、前記複数の検出電極の中の少なくとも１つの検出電極の印加電圧を切り換えることによって、その検出電極に対応する前記電圧信号の直流バイアスを切り換えることを特徴とする、請求項１に記載の振動ジャイロ。
前記自己診断手段は、前記直流バイアスが切り換えられることによる前記コリオリ信号の過渡特性が、所定の範囲内に入っているかどうかから正常か異常か自己診断し、診断結果を出力することを特徴とする、請求項２に記載の振動ジャイロ。
複数の検出電極を有するとともに駆動信号および印加される角速度に応じた振動をする振動子と、該振動子を振動させるための駆動信号を前記振動子に印加する振動子駆動手段と、前記振動子の振動によって前記複数の検出電極に発生する電荷をそれぞれ電圧信号に変換する複数の電荷電圧変換手段と、前記複数の電圧信号から角速度に応じたコリオリ信号を出力するコリオリ力検出手段とを備えた振動ジャイロの自己診断方法であって、
制御信号に応じて前記複数の電荷電圧変換手段から出力される前記複数の電圧信号の中の少なくとも１つの電圧信号の直流バイアスを印加されたりされなかったりと切り換え、直流バイアスが切り換えられることによる前記コリオリ信号の変化が、所定の範囲内に入っているかどうかから正常か異常か自己診断し、診断結果を出力することを特徴とする振動ジャイロの自己診断方法。
直流バイアスが切り換えられることによる前記コリオリ信号の過渡特性が、所定の範囲内に入っているかどうかから正常か異常か自己診断し、診断結果を出力することを特徴とする、請求項４に記載の振動ジャイロの自己診断方法。