JPH06207946A

JPH06207946A - 角速度センサ装置

Info

Publication number: JPH06207946A
Application number: JP5003117A
Authority: JP
Inventors: Jiro Terada; 二郎寺田; Hiroshi Takenaka; 寛竹中; Masami Tamura; 雅己田村; Masaharu Ushihara; 正晴牛原; Toshihiko Ichise; 俊彦市瀬; Sumitake Yoshida; 純威吉田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-01-12
Filing date: 1993-01-12
Publication date: 1994-07-26

Abstract

(57)【要約】【目的】フェールセーフ機能を前提としたシステム制
御が可能な角速度センサ装置を提供することを目的とす
る。【構成】圧電素子を用いた振動型センサと、これを駆
動して角速度を信号情報に変換する検知回路１００およ
び駆動回路１０４と、さらにセンサの駆動振動信号と検
知信号の信号値をある所定の値と比較判定する比較検出
手段１０８，１０９により信号の比較を行ない、異常動
作を検出する構成としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、振動を用いたジャイロ
スコープや角速度センサ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ジャイロスコープを用いた慣性航
法装置として、飛行機、船舶の様な移動する物体の方位
を知る方法として機械式ジャイロが主に使われていた。

【０００３】これらは、安定した方位が得られるが、機
械式であることから、装置が大がかりであり、コストも
高く、と高信頼性が望まれる機器への応用は困難であっ
た。

【０００４】一方、回転力を使わずに物体を振動させて
振動された検知素子から［コリオリの力］を検出する振
動型角速度センサがある。多くは圧電式と電磁式のメカ
ニズムを採用している構造のものである。これらはジャ
イロを構成する質量の運動が一定速度の運動でない振動
となっている。従って角速度が加わった場合、コリオリ
の力は、質量の振動数と等しい振動数の振動トルクとし
て生じるものである。このトルクによる振動を検出する
ことによって角速度を測定するのが振動型角速度センサ
の原理であり、特に圧電体を用いたセンサが多く考案さ
れている（日本航空宇宙学会誌第２３巻第２５７号
２３９−３５０Ｐ）。このようなセンサ及びセンサ装置
は上述に示した高信頼性を要求される飛行機、船舶等の
用途に使われる場合が多い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の原理に基づく構
成による角速度センサが発明されているが、下記のよう
な課題があった。

【０００６】制御系においては角速度がゼロの時は角速
度センサ装置を駆動させていても装置からの角速度ＤＣ
出力信号はゼロで発生しないため、センサ装置が正常か
異常であるか判断ができず、もし、センサ部を含めた角
速度センサ装置が異常を示した場合、これを用いたシス
テム側の制御系において、間違った大きなミス制御をす
る可能性がある。

【０００７】本発明は、かかる点に注目してなされたも
ので、入力角速度がゼロの時、センサ装置として正常に
動作しているかを検出し、角速度信号を利用した制御装
置系へのフェールセーフを行なうことを目的としてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決するために、圧電素子を用いた振動型センサと、この
振動型センサを駆動して角速度を信号情報に変換する駆
動・検知回路と、前記振動型センサの駆動振動信号と検
知信号のうち少なくとも一方の信号値をある所定の値で
比較判定する比較検出手段とを有し、前記比較検出手段
による検出信号により、異常動作を検出し、フェールセ
ーフ機能を持たせたものである。

【０００９】

【作用】一般に振動型角速度センサ装置は、駆動回路に
よりセンサ部に駆動振動を与えて検出素子部より角速度
信号情報を抽出する構成となっている。センサ部の駆動
状態を駆動の振幅検出手段により、ある設定の値を維持
しているかをモニタし、比較検出して判断することによ
り、センサ部内の駆動系または、センサ駆動回路系の異
常を検出し、これらを用いたシステム制御系へのミス制
御を未然に防ぐ。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明の実施例のブロックダイヤグ
ラムである。以下実施例について説明する。

【００１１】図１において、センサ部は、検知部５１と
駆動部５２からなり、駆動・検知回路部は、角速度情報
を検知する検知回路１００とセンサを駆動する駆動回路
１０４、そして駆動回路１０４側の駆動振動信号レベル
をある基準値と比較検出する第１の比較検出手段１０８
と、検知回路１００側の検知信号レベルをある基準値と
比較検出する第２の比較検出手段１０９とを具備してい
る。

【００１２】上記センサ部及び、駆動・検知回路部が正
常に動作している状態では角速度ＤＣ（直流）出力信号
１０６はゼロであるので出力信号１０６から、正常か異
常か判断することができない。もし、センサ部が、なに
かの原因により、ワイヤの断線や回路異常等が発生した
場合、検知部５１または、駆動部５２の動作状態が変化
するため、比較検出手段１０８，１０９は基準値と比較
検出して検出信号１１０，１１１の両方又は、いずれか
一方の値を確認することにより、異常動作の検出ができ
る。

【００１３】次に、より具体的な実施例について、以下
に説明する。図８は、本発明による角速度センサ装置に
用いたセンサ部構造の一例である。

【００１４】まず、センサ部の振動部分の構造より説明
する。図８において、１，２はＦｅ，Ｎｉを主体とした
金属板を折曲げて構成した左右対象の一対の振動部材で
あり、この振動部材１，２は、駆動部と検知部が、一体
化した構造で、かつ駆動部と検知部が、同一方向上に互
に向い合うように直交に配置されている。この直交配置
は、駆動部の端部と検知部の向い合う方向の綾線部で折
曲げ、その折曲げ位置が側部より中央で直角になるよう
に折曲げることにより行われている。１ａ，２ａは折曲
部で、この中央で折曲げた折曲部１ａ，２ａより上部が
検知部となり、下部が、駆動部となる。

【００１５】次に、３，４，５，６は圧電素子であり、
圧電セラミックスの両面にＡｇ電極を設けることにより
構成されている。次に、圧電素子３，４，５，６は、振
動部材１，２に、エポキシ接着剤にて接着し、一体化接
合し、圧電素子の片面は、電気的にも導通されている。

【００１６】次に、この様にして、得られた左右一対の
振動部材１，２を金属ブロック７により振動部材１，２
を平行に接合保持する。金属ブロック７は中央部に穴が
空いており、支持棒８により支持させ、１，２，３，
４，５，６，７から成る音叉部全体を支える。そして、
この支持棒８は、端子ベース９に固定されている。

【００１７】端子ベース９は、Ｆｅを主体とし、リード
端子１０，１１，１２，１３，１４，１５と支持棒８と
を、絶縁ガラス１６，１７，１８，１９，２０，２１，
２２で介在させ、植設させている。そして、リード端子
１０，１１，１２，１３は、４箇所の圧電素子３，４，
５，６からの電気信号を外部に導き取り出す端子であ
る。

【００１８】また、リードワイヤ２３，２４，２５，２
６は、圧電素子３，４，５，６とリード端子１０，１
２，１３とを接続するためのものである。次に、端子ベ
ース９とＦｅを主体とした缶キャップ２７とを溶接にて
接合し、角速度センサとしている。

【００１９】以上のように構成されたセンサ部につい
て、以下その動作概要を図２のブロックダイヤグラムに
より、詳細に説明する。

【００２０】まず、音叉振動部材１，２を駆動するに
は、音叉振動部材１に設けた駆動部側の圧電素子５に、
駆動回路１０４側よりある信号が印加されると、圧電素
子５は駆動振動を開始し、振動部材１，２に振動が伝搬
し、圧電素子６を経て駆動回路１０４へと信号が送ら
れ、支持棒８を中心に対称な音叉振動を始める。

【００２１】この音叉振動は、振動している系に入力角
速度を加えると、物理的な力（コリオリの力）が作用
し、振動部材１，２に設けた検知部側の圧電素子３，４
より、角速度情報を含む信号が検出される。圧電素子
３，４より得た微弱な電荷信号はチャージ増幅器１０１
により増幅され、増幅された検知信号１０７は駆動部側
の同期信号２０１と同期整流回路１０２により、同期整
流され、ＬＰフィルタ１０３で、角速度情報のみ抽出
し、センサ部に加えた入力角速度に対応した角速度ＤＣ
出力信号１０６として検出することができる。図３に入
力角速度と角速度ＤＣ出力信号との特性を示す。

【００２２】次に、駆動回路１０４からセンサ部の圧電
素子５への印加電圧、すなわち駆動振幅の信号１０５
は、比較検出手段１０８により、１０８内部に設定され
たある基準値で比較検出し、検出した信号１１０によ
り、異常動作か正常動作かを比較判定する。比較検出
は、前記駆動振動信号が第１の所定値と比較して正常レ
ベルより大きいか小さいかを比較検出手段１０８により
比較判定（Ｈ・Ｌ）を行ない、正常か異常動作であるか
を検出するものである。

【００２３】さらに、角速度信号の検知側においても同
様に考えることができる。検知側の信号は、音叉駆動側
の駆動部と検知部とで、いくら高精度に直交させても駆
動部の振動方向の成分が検知側に若干ではあるが廻り込
むため、検知側の信号はゼロにはならない。従って、検
知側の信号レベルをある値で比較検出させれば、検知側
の断線や信号レベル等の異常信号の検出ができる。

【００２４】すなわち、センサ部の検出部より得た角速
度情報を含む検知信号１０７は第２の比較検出手段１０
９により、ある基準値で比較検出し、検出した信号１１
１により、異常動作か正常動作かを検出するものであ
る。

【００２５】従って、比較検出手段１０８，１０９の検
出信号１１０，１１１を検出することにより、正常か異
常動作かを判定できる。

【００２６】図４に本発明の第２の実施例を示してお
り、この実施例においては第１の実施例に加えて１つの
出力信号ラインで異常信号と角速度ＤＣ出力信号を切換
えて出力するものである。

【００２７】図４において、例えば、駆動振動信号が低
下または増加し、異常が有るとき、比較検出手段１０８
により異常であると言う信号が入力信号切換器１１２に
指示され、入力信号切換器１１２は異常検出信号（Ｈま
たはＬ）１１３側に切換え出力ラインよりＨ（ハイレベ
ル）またはＬ（ローレベル）の出力信号１１５を出力す
る。すなわち、図４は、角速度ＤＣ出力信号１０６と異
常動作検出信号１１５とを一つの出力信号ラインで切換
え出力することができるのである。

【００２８】この図４の出力信号１１５の一例を図５に
示している。図５のＡは正常時、角速度情報を得ている
時の出力信号であり、Ｘ軸は入力角速度、Ｙ軸は出力信
号１１５である。また、異常時、出力信号１１５はＨま
たはＬに張付いたＢ１やＢ２の信号になる。従って、Ｂ
１やＢ２の出力信号は角速度ＤＣ出力信号Ａのモードと
は異なるので制御システム側で識別することができる。

【００２９】しかし、入力角速度がセンサ部に加わらな
いときは、ＬＰフィルタ１０３の角速度ＤＣ出力信号も
ゼロであるため、仮に、センサ検知側に動作異常があっ
た場合、異常を知ることができない。

【００３０】そこで、検知側に断線や信号レベル等の異
常が生じた場合、フェールセーフとして、検出する装置
を図６に示す。

【００３１】図６は検知側に異常検出を行なうブロック
ダイヤグラム構成図を示すものであり、以下に説明す
る。

【００３２】センサ検知側の信号は、上述したように、
音叉駆動側の駆動部と検知部とで、いくら高精度に直交
させても駆動部の振動方向の成分が検知側に若干ではあ
るが廻り込むため、検知側の信号はゼロにはならない。

【００３３】従って、検知側の検知信号１０７を比較検
出手段により、ある第２の所定値で比較検出させれば、
検知側の断線等の異常状態が検出できる。そこで、図６
は検知側に第２の比較検出手段１０９を設け、センサ検
出部の断線や検知信号１０７等の異常時は、第２の比較
検出手段１０９により検出した異常検出信号により、入
力信号切換器１１２で異常検出信号（たとえば、Ｈまた
はＬ）１１３側に切換え、図５のＢ１またはＢ２の様に
必要角速度信号領域有効範囲外の範囲に張付いた出力信
号１１５を出力する。

【００３４】また、図７は本発明の第３の実施例を示す
ものであり、第１及び第２の実施例に加えて、第１及び
第２の比較検出手段の信号の論理和信号で入力信号切換
器１１２を制御させたものである。

【００３５】例えば、駆動側、あるいは検知側のいずれ
かに異常が生じた場合、第１，第２の比較検出手段１０
８，１０９と、前記第１，第２の比較検出手段１０８，
１０９により検出したそれぞれの検出信号の論理和（Ｏ
Ｒ）をとる論理和回路１１４による論理和信号により、
入力信号切換器１１２で異常検出信号（たとえば、Ｈま
たはＬ）１１３側に切換えることにより、図５で示した
Ｂ１またはＢ２の様な出力信号１１５が出力され、異常
時の検出が１つの出力ラインで可能となるのである。

【００３６】すなわち、駆動側、または、検知側の少な
くとも一方に異常が発生しても異常検出ができる特徴が
ある。

【００３７】なお、ここで、上記実施例においては、図
８に示す構造のセンサを例にとり説明したが、図９に示
した３角柱型音片振動体３１に圧電素子３２を貼り付け
た形状の振動型センサや、図１０の４角柱型音片振動体
３４の形状をした振動型センサやさらに図１１のＨ型音
片振動体３５の形状をした振動型センサ、その他の振動
型センサであっても同様に実現することができるもので
ある。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、入
力角速度がゼロの場合でも、角速度センサ装置が正常に
動作しているかどうかを検出することができるため、よ
り安全な角速度センサ装置を用いたフェールセーフ機能
を有したシステム制御が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による角速度センサ装置を示す
ブロックダイヤグラム

【図２】本発明の別の実施例を示すブロックダイヤグラ
ム

【図３】同実施例における入力角速度と角速度出力信号
との関係を示す特性図

【図４】本発明の別の実施例を示すブロックダイヤグラ
ム

【図５】入力角速度と角速度出力信号との関係を示す特
性図

【図６】本発明の別の実施例を示すブロックダイヤグラ
ム

【図７】本発明の別の実施例を示すブロックダイヤグラ
ム

【図８】本実施例に用いた音叉型振動タイプの角速度セ
ンサ部の構成を示す斜視図

【図９】他の振動型センサのセンサ部の構成を示す斜視
図

【図１０】同じく斜視図

【図１１】同じく斜視図

【符号の説明】

５１検知部５２駆動部１００検知回路１０４駆動回路１０８第１の比較検出手段１０９第２の比較検出手段１１０，１１１比較検出信号１１２入力信号切換器１１３異状検出信号１１４論理和回路１１５出力信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者牛原正晴大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者市瀬俊彦大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者吉田純威大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子を用いた振動型センサと、この
振動型センサを駆動して角速度を信号情報に変換する駆
動・検知回路と、前記振動型センサの駆動振動信号と角
速度検知信号のうち少なくとも一方の信号値をある所定
の値で比較判定する比較検出手段とを有し、前記比較検
出手段による検出信号により、異常動作を検出するよう
に構成したことを特徴とする角速度センサ装置。
【請求項２】振動型センサの駆動振動信号と角速度検
知信号のうち少なくとも一方の信号値をある所定の値と
比較検出する比較検出手段と、この比較検出手段による
信号により角速度出力信号と異常出力信号とを切換える
入力切換回路とを設け、異常動作時、前記比較検出手段
による出力信号で入力切換回路の入力信号を異常出力信
号に切換えることで、１つの出力ラインで角速度出力信
号と異常出力信号とを出力するように構成したことを特
徴とする角速度センサ装置。