JP5671699B2 - 角速度センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動型のセンサ素子を用いた角速度センサ装置に関する。

一般に角速度センサ装置は図１に示すように、角速度の印加により生じるコリオリ力を電気信号に変換し出力する振動型のセンサ素子１と、このセンサ素子１を基本振動させるとともにセンサ素子１から出力された検出信号から角速度信号を形成する制御ＩＣ２とをパッケージ３の内部に収容しリッド４で封口した構造となっている。

また、センサ素子１は図２に示すように、センサ素子１を基本振動させる駆動手段５やコリオリ力を電気信号に変換する検出手段６を有しており、これら駆動手段５や検出手段６は図３に示すようにＰＺＴからなる圧電体層７を電極８，９で挟み込んだ積層体により構成され、駆動手段５であれば上側の電極８に対して制御ＩＣ２から駆動信号が印加され、下側の電極９は制御ＩＣ２から駆動信号が印加されるか制御ＩＣ２にて形成される基準電圧に接続される。検出手段６であれば下側の電極９が基準電圧に接続され、上側の電極８から制御ＩＣ２に検出信号が出力される。

そして、このような角速度センサ装置における故障検知は、従来、駆動信号や検出信号といった上側の電極８に起因する信号を検出し判定していた。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２０００−１９３４５９号公報

しかしながら、これらの故障検知を行う中で、故障でないとする診断結果の下で検出信号が不安定となる現象が生じ、結果として角速度センサ装置としての検出精度が劣化してしまうという問題があった。

そこで、本発明はこのような問題を解決し、角速度センサ装置の検出精度を向上させることを目的とする。

この目的を達成するために本発明は、センサ素子とこれを制御する制御ＩＣとからなる角速度センサ装置において、センサ素子に設けられる検出手段は圧電体層を電極で挟み込んだ積層体で形成するとともに、一方の電極を検出回路に接続し、他方の電極を基準電圧に接続した構成において、他方の電極から基準電圧に至る接続経路に断線検知手段を設けた構成とした。

本発明の角速度センサ装置は、モニタ手段および前記検出手段の他方の電極に前記制御ＩＣの動作電圧、グランド電圧または基準電圧のいずれかを切り換え接続することにより印加できる断線検知手段を設けたものである。断線故障が無い場合、定電圧の信号が切り替えに応じて変動し、断線故障がある場合、切換手段を切り換えたとしても浮き電極となった他方の電極電圧変動がないこととなる。その結果、他方の電極から基準電圧に至る接続経路の断線故障を検出できる。また、駆動回路に、駆動手段における一方の電極に印加する駆動信号の電圧を制限するリミッター手段を設けている。そのため、モニタ手段および検出手段の他方の電極に制御ＩＣのグランド電圧を切り換え接続した状態で、センサ素子からのモニター信号が急激に低下しても、ＡＧＣ回路の働きにより、駆動回路からセンサ素子に過大な信号が入力されるということが無くなる。これにより、センサ素子が過大な振幅で加振されることを防止する角速度センサ装置を提供することができるという効果を有するものである。

本発明の実施の形態１における角速度センサ装置を示す分解斜視図 同角速度センサ装置を構成するセンサ素子を示す上面図 同センサ素子に設けられた電極の断面図 同角速度センサ装置のシステム構成を示すブロック図 同角速度センサ装置の検出信号を示す出力波形図 本発明の実施の形態２における角速度センサ装置の回路ブロック図 同駆動回路のリミッター手段の回路図 同角速度センサ装置の動作状態を示す出力波形図 本発明の実施の形態２におけるなお書き記載の回路ブロック図

（実施の形態１）
以下、実施の形態１における角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。なお、上述した従来の技術と同様の構成については同じ符号を付して説明する。

図１は本発明の実施の形態１の角速度センサ装置を示したものであり、その基本構造は振動型の角速度センサ素子１と、この角速度センサ素子１を制御する制御ＩＣ２とをセラミックからなるパッケージ３の内部に配置しリッド４で封止した構造としている。

センサ素子１は図２に示すように、シリコンからなる一対の駆動アーム１０を有する音叉型基板に駆動アーム１０を基本振動させる駆動手段５と、基本振動の振幅量を監視するモニタ手段５ａと角速度の印加に伴うコリオリ力による駆動アーム１０の撓み成分を検出する検出手段６を有している。また、センサ素子１に設けられた駆動手段５やモニタ手段５ａや検出手段６は、それぞれ図３に示すようにＡｕからなる上側の電極８とＰｔからなる下側の電極９と、これらの間に配置されたＰＺＴからなる圧電体層７により形成された積層体である。

制御ＩＣ２は図４に示す如く駆動回路１１と検出回路１２から構成され、駆動回路１１はセンサ素子１における基本振動が一定の振幅となるよう駆動手段５に印加する駆動信号１３を形成する部分であり、特に図示はしていないがＡＧＣや増幅器により構成されている。検出回路１２はセンサ素子１の検出手段６から出力される検出信号１４からノイズ成分などの不要成分を除去し角速度信号１５を形成する部分であり、特に図示していないが検波回路やフィルタ回路により構成されている。

ここで、駆動アーム１０を基本振動させる場合は駆動手段の下側の電極９を図４に示すように制御ＩＣ２で形成する基準電圧Ｖ_refに接続した状態で上側の電極８に駆動回路１１からの駆動信号１３を印加することで、駆動信号１３の電圧が基準電圧Ｖ_refより大きい場合、圧電体層７に積層方向における圧縮力が働き駆動手段５が駆動アーム１０の延伸方向に伸び、駆動信号１３の電圧が基準電圧Ｖ_refより小さい場合、圧電体層７に積層方向における引張力が働き駆動手段５が駆動アーム１０の延伸方向に縮むもので、この駆動手段５の伸縮を制御することで駆動アーム１０を図２におけるＹ軸方向に一定の振幅で基本振動させることができる。

また、角速度の検出にあたっては、図２におけるＺ軸方向に働くコリオリ力に伴う駆動アーム１０の撓み成分により圧電体層７に伸びが生じた場合、上側の電極８に基準電圧Ｖ_refより大きい電圧Ｖ₁が形成され、また圧電体層７に縮みが生じた場合、上側の電極８に基準電圧Ｖ_refより小さい電圧Ｖ₂が形成され、図４に示す検出信号１４としては基準電圧Ｖ_refを中心とした正弦波が検出回路１２に出力される。

そして、この角速度センサ装置においては角速度センサの故障検知として、駆動信号１３や検出信号１４といった上側の電極８に対する入出力信号を用いた従来の故障検知に加え、制御ＩＣ２の基準電圧Ｖ_refに対する下側の電極９の接続状態を検出する断線検知手段１６を付加したのである。

すなわち、下側の電極９は上述したように制御ＩＣ２の基準電圧Ｖ_refに接続されて上側の電極８に電圧の比較基準を形成するものであるが、この下側の電極９が接続不良により基準電圧Ｖ_refと非接続となった場合、この下側の電極９は単なる浮き電極となってしまい周囲の電圧環境に影響されてしまうことになるがその電圧変化が小さく従来の上側の電極８に入出力する信号（駆動信号１３や検出信号１４）を用いた故障検知では検出できなかった。しかし、この下側の電極９と制御ＩＣ２の基本電圧との接続状態を判別する断線検知手段１６を設けることで、下側の電極９の断線故障を検出して故障モードの一つとして判別することができ、角速度センサ装置の検出精度が向上できるのである。

なお、制御ＩＣ２の基準電圧Ｖ_refに対する下側の電極９の接続状態を検知する断線検知手段１６としては、図４に示すように下側の電極９から基準電圧Ｖ_refへの接続経路１７に切換手段１８を設け、下側の電極９を制御ＩＣ２の動作電圧Ｖ_Hやグランド電圧Ｖ_Lや基準電圧Ｖ_refといった異なる電圧に切り換え接続できる構成とする。

この構成によれば、通常動作における角速度センサの出力１５は図５の（ａ）に示すように角速度が印加されない状態においては基準電圧Ｖ_refの定電圧信号１９が出力され、角速度の印加状態においては基準電圧Ｖ_refを中心とし振幅が動作電圧Ｖ₁とグランド電圧Ｖ₂となる正弦波信号２０が出力される。そして、（ｂ）に実線２１で示す切り換えタイミングで下側の電極９の接続を基準電圧Ｖ_refから動作電圧Ｖ_H、グランド電圧Ｖ_L、基準電圧Ｖ_refというように切り換え接続することで、断線故障がない場合で角速度が非印加の状態では（ｃ）の実線２２で示すように定電圧の信号が切換手段１８の切り換えに応じて変動し、また角速度が印加された状態においては（ｄ）の実線２３で示すように正弦波の信号が切換手段１８の切り換えに応じて変動する。また、断線故障がある場合には、切換手段１８を切り換えたとしても浮き電極となった下側の電極９の電圧変動がないため、角速度の印加状態でも非印加状態でもセンサ出力は基準電圧Ｖ_refの変動の影響を受けない。従って、これらの信号変動を検出することで下側の電極９から基準電圧Ｖ_refに至る接続経路１７の断線故障が検出でき、結果的に角速度センサ装置の検出精度が向上できるのである。

なお、上述したように基準電圧Ｖ_refと異なる電圧を駆動回路１１や検出回路１２の動作に要する動作電圧Ｖ_Hやグランド電圧Ｖ_Lを用いることで故障検知用の電圧を別途生成する必要がない。

また、別電圧として動作電圧Ｖ_Hとグランド電圧Ｖ_Lの２つの別電圧を用いて、これらの切り換えタイミングを図５に示したように４分の１波長周期で行うことで効率よく故障検知が出来るのである。

なお、上述した実施の形態１においては下側の電極９を基準電圧Ｖ_refに接続し上側の電極８を駆動回路１１或いは検出回路１２に接続した構成を挙げて説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、基準電圧Ｖ_refとこれに接続される電圧との接続経路１７に断線検知手段１６を設けることで同様の作用効果を得ることができる。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２における角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。

図６は本発明の実施の形態２における角速度センサ装置の回路ブロック図である。図７は同角速度センサにおける駆動回路のリミッター手段の回路図である。

なお、実施の形態１の図２に同じものは、同一符号を付し説明を省略する。

実施の形態１と相違するのは、駆動回路３２がＡＤ変換器３３、バンドパスフィルタ３４、ＡＧＣ回路３５、ＤＡ変換器３６およびリミッター手段３７とにより構成されている点である。そして、このリミッター手段３７は、図７に示すように、抵抗３８と、第１のダイオード３９および第２のダイオード４０を直列に接続するように構成されている。前記第１のダイオード３９は逆方向バイアスになるように、アノードを低電位Ｖ₂に接続するとともに、カソードを抵抗３８に接続している。また、第２のダイオード４０も逆方向バイアスになるように、カソードを高電位Ｖ₁に接続するとともに、アノードを抵抗３８に接続している。そうすることにより、リミッター手段３７からセンサ素子１における駆動手段の電極８へは、Ｖ₂以下あるいはＶ₁以上の電圧が印加されないものである。

以上のように構成された本発明の実施の形態２における角速度センサ装置について、次にその動作を説明する。

制御ＩＣ２からセンサ素子１における駆動手段の電極８に駆動信号が入力されると、センサ素子１が駆動方向に駆動振動する。そして、センサ素子１の駆動振動に応じてセンサ素子１におけるモニタ手段５ａから駆動回路３２におけるＡＤ変換器３３にモニタ信号２８が入力され、ＡＤ変換器３３により、アナログ信号からなる出力信号がデジタル信号に変換される。そして、このデジタル信号からバンドパスフィルタ３４により、ノイズ信号を除去して、さらに、ＡＧＣ回路３５により、検出した信号が小さい場合には、センサ素子１の駆動手段における電極８に大きな信号を入力して、駆動振動の振幅を増加させ、一方、検出した信号が大きい場合には、センサ素子１の駆動手段における電極８に小さな信号を入力して、駆動振動の振幅を減少させるものである。そして、この状態において角速度センサ装置に角速度が付加されると、センサ素子１にコリオリ力が発生し、検出手段における電極８に電荷が発生する。そして、この電荷を制御ＩＣ２における検出回路１２により信号処理して、角速度の信号を出力するものである。

ここで、制御ＩＣ２における動作電圧Ｖ_H、グランド電圧Ｖ_Lおよび基準電圧Ｖ_refのいずれか一つと切換手段１８を介してセンサ素子１駆動手段における電極９に接続し、基準電圧Ｖ_refと接続経路１７との接続状態を検出する場合を説明する。

通常の使用状態においては、センサ素子１の駆動振動に伴い駆動回路３２から図８（ａ）に示すような正弦波形からなる出力信号が出力される。

そして、図８（ｂ）に示すように、駆動回路３２からセンサ素子１における駆動手段の電極８に信号が付加されていない状態においては、センサ素子１が駆動振動しない。そうすると、切換手段１８の切換えに応じて、接続経路１７を介して駆動手段における電極９の電位が図８（ｂ）に示すように変化する。そして、センサ素子１からモニター信号として、図８（ｃ）に示す信号が出力される。

一方、通常の使用状態において、切換手段１８からセンサ素子１の駆動手段における電極９に動作電圧Ｖ_H、グランド電圧Ｖ_Lおよび基準電圧Ｖ_refを切換えることにより、順次入力すると、センサ素子１からモニター信号として、図８（ｄ）に示す信号が出力される。

ここで、さらに、センサ素子１からの出力信号が駆動回路３２に加わることにより、動作する場合を考える。切換手段１８をグランド電圧Ｖ_Lに接続した状態で角速度が付加されると、図８（ｅ）に示すように、センサ素子１からのモニター信号４１が急激に低下する。そうすると、図８（ｆ）に示す駆動回路３２からセンサ素子１に入力される信号４２が小さくなる。そして、図８（ｅ）に示すように、センサ素子１から出力されるモニター信号４３が小さくなり、駆動回路３２におけるＡＧＣ回路３５の働きにより、駆動回路３２からセンサ素子１に過大な信号４４が入力され、センサ素子１が過大な振幅で加振され、センサ素子１の縦弾性係数が変化し、角速度センサ装置の出力特性が変動してしまう恐れがある。そこで、本発明の実施の形態２における角速度センサ装置においては、駆動回路３２に、リミッター手段３７を設け、このリミッター手段３７により、図８（ｇ）に示すように、駆動回路３２からセンサ素子１に入力される信号をＶ₁以上の高電位あるいはＶ₂以下の低電位にならないように制限することにより、センサ素子１が過大な振幅で加振されることを防止することができるものである。

なお、本発明の実施の形態２における角速度センサ装置においては、制御ＩＣ２の基準電圧Ｖ_refに対する下側の電極９の接続状態を検知する断線検知手段１６としては、図６に示すように、下側の電極９から基準電圧Ｖ_refへの接続経路１７に切換手段１８を設け、下側の電極９を制御ＩＣ２の動作電圧Ｖ_Hやグランド電圧Ｖ_Lや基準電圧Ｖ_refといった異なる電圧に切り換え接続できる構成としたが、図９に示すように、断線検知手段４５に可変抵抗器４６を設け、モニタ手段５ａの他方の電極９に基準電圧Ｖ_refと異なる電圧を印加するようにしても同様の効果を有するものである。

本発明は、角速度センサ装置の検出精度を向上させることが出来るという効果を有し、特に小型の角速度センサ装置において有用である。

１ センサ素子
２ 制御ＩＣ
５ 駆動手段
５ａ モニタ手段
６ 検出手段
７ 圧電体層
８，９ 電極
１０ 駆動アーム
１１，３２ 駆動回路
１２ 検出回路
１４ 検出信号
１６，４５ 断線検知手段
１７ 接続経路
１８ 切換手段
３５ ＡＧＣ回路
３７ リミッター手段
４６ 可変抵抗器
Ｖ_ref 基準電圧
Ｖ_H 動作電圧
Ｖ_L グランド電圧

Claims (1)

1. 駆動手段とモニタ手段と検出手段とを設けたセンサ素子と、前記モニタ手段からのモニタ信号が入力され前記駆動手段に振動を励起させる駆動信号を出力するＡＧＣ回路を有する駆動回路と、前記検出手段から出力された検出信号から角速度信号を形成する検出回路と、前記駆動回路と検出回路とを有する制御ＩＣと、前記センサ素子に基準電圧を印加する基準電圧回路とを備えた角速度センサ装置であって、前記駆動手段、前記モニタ手段および前記検出手段はそれぞれ圧電体層を一対の電極で挟み込んだ積層体により構成され、前記駆動手段の電極の少なくとも一方の電極を前記駆動回路に接続し、前記モニタ手段の電極の一方を前記駆動回路に接続し、前記検出手段の電極の一方を前記検出回路に接続し、前記モニタ手段および前記検出手段の他方の電極を前記基準電圧回路に接続した構成において、前記モニタ手段および前記検出手段の他方の電極に前記制御ＩＣの動作電圧、グランド電圧または基準電圧のいずれかを切り換え接続することにより印加できる断線検知手段を設け、さらに、前記駆動回路に、駆動手段における一方の電極に印加する駆動信号の電圧を制限するリミッター手段を設けたことを特徴とする角速度センサ装置。

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