JPH09236436A - 角速度センサの自己診断方法 - Google Patents

角速度センサの自己診断方法

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JPH09236436A
JPH09236436A JP8045035A JP4503596A JPH09236436A JP H09236436 A JPH09236436 A JP H09236436A JP 8045035 A JP8045035 A JP 8045035A JP 4503596 A JP4503596 A JP 4503596A JP H09236436 A JPH09236436 A JP H09236436A
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    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis

Abstract

(57)【要約】 【課題】高度の信頼性を有する車両制御用の角速度セン
サの自己診断方法。 【解決手段】直交座標系第2軸方向に、振動質量を振動
駆動することにより機能を診断するか、または、振動質
量に直交座標系第1軸方向の駆動振幅を可変とすること
により機能を診断するか、または、振動質量に直交座標
系第3軸方向の力を印加し、振動質量の可動支持状態を
診断する自己診断方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、駆動状態の振動質
量に対して回転運動を与えた場合に、駆動方向と直交方
向に発生するコリオリ力を検出し前記回転の角速度を検
出する角速度センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
〈従来技術の構成〉従来、半導体を用いた角速度センサ
は、IEEE Micro Erectro MechanicalSystems,Flori
da(1993),p143〜p148に開示されており、これは、図1
9(a)、(b)に示すような構成を有するものであ
る。以下、この構成について図19を用いて説明する。
本従来技術は振動子は絶縁膜6を有するシリコン基板7
上に構成されている。振動系は振動質量1及び支持体2
から構成されている。振動質量1及び支持体2は結晶シ
リコン(またはポリシリコン)または鍍金法により堆積
した金属により構成されている。支持体2はアンカー部
3によってシリコン基板7に固定されている。またアン
カー部3において振動質量1及び支持体2への電気的接
続部が構成されている。図面の簡略化のため電気配線は
図示していない。振動質量1の側面には静電引力で振動
質量1を駆動するための櫛場電極5が構成されている。
振動質量1の直下には振動質量1のy軸方何の変位を静
電容量の変化として検出するための電極8が構成されて
いる。振動質量1は静電引力により駆動される。図19
中の各電圧端子には例えば、図20のタイムチャートに
示されるような電圧が印加される。その結果2つの振動
質量は基板面と平行なx軸方向に、逆位相で駆動され
る。この状態で振動質量1及び支持部2より構成される
振動系をz軸方向に角速度Ωで回転すると、振動質量1
にはy軸方向にコリオリ力が発生する。それぞれの振動
質量1に発生するコリオリ力は(数1)式で表わされ
る。
【0003】 Fc(t)≒2m・Vm(t)・Ω …(数1) ここで、mは振動質量1個当りの質量、Vm(t)静電引
力により駆動される振動質量1の速度である。Vm(t)
は各々の振動質量で常に逆符号であるため、発生するコ
リオリ力も各々の振動質量で常に逆符号となる。従って
各々の振動質量1と検出電極8間の静電容量値の差動値
より角速度Ωを検出する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】角速度センサを車載電
子システムに適用する場合には、小型、軽量、廉価で、
故障を未然に検知することができ、他の電子システムに
悪影響を及ぼさないことが重要である。上記従来技術は
小型で廉価の条件を一応備えているが、例えば、車載電
子システムとして角速度入力による車両の運動制御シス
テムを考えると、常時、角速度について入力を監視する
必要がある。従って前記のシステム動作時に角速度セン
サの故障が発生すると対処不可能となる。従って、角速
度センサの故障によるシステムへの悪影響を回避するた
めには、車両の停止時に角速度センサの自己診断を行な
い故障を未然に検知し、運転者に警告する必要がある。
【0005】前記従来技術の振動ジャイロにおける角速
度の検出は、振動質量の駆動軸方向の振動状態におい
て、検出軸方向に発生するコリオリ力による振動を検出
するものである。従って、駆動軸方向の振動振幅を監視
することにより、振動質量の動作が阻害される異常は直
ちに検出可能である。しかし、駆動軸方向には所定の振
幅で振動しているが、検出軸方向は、振動質量と基坂間
への可動ゴミの侵入などにより、所定振幅以上の振動が
阻害される場合は、従来の振動ジャイロでは容易に異常
状態を検出することは困難である。また、検出軸以外の
2軸方向の振動質量の振動範囲の直近に振動を阻害する
可動ゴミが存在する場合でも、角速度センサの故障を引
き起こす可能性がある。本発明は、上記のような状況を
直ちに検出し、角速度センサの故障を未然に検知可能な
角速度センサの自己診断方法を提供することを目的とし
てなされたものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、振動質量のコリオリ力の検出軸方向の振動振幅を
所定の値に制御、または駆動振幅を動作時とは異なる値
に制御または振動質量の角速度入力軸方向に疑似力を印
加することにより、その電気機械系の機能診断を図るも
のである。すなわち本発明は、振動質量と、前記振動質
量を支持する支持部と、前記振動質量と静電的に結合し
た対向電極とを有し、前記振動質量を直交座標系第1軸
方向に駆動し、前記直交座標系第3軸方向の角速度が印
加された場合に、前記直交座標系第2軸方向に発生する
コリオリ力を検出する角速度センサにおいて、前記直交
座標系第2軸方向に、前記振動質量を振動駆動すること
により機能を診断するか、または、前記振動質量の前記
直交座標系第1軸方向の駆動振幅値を可変とすることに
より機能を診断するか、または、前記振動質量に前記直
交座標系第3軸方向の力を印加し、前記振動質量が可動
状態で支持されていることを診断することにより角速度
センサの自己診断を行なうものである。上記の構成によ
り、前記のようなゴミが侵入したとしても、支持体やア
ンカ部にマイクロクラックが発生したり、動作中に振動
系を破壊させることもなく、機能上の不具合を未然に検
知することができる。
【0007】
【発明の効果】本発明に係る角速度センサの自己診断を
実施することにより、予想される故障を未然に検出する
ことができるという効果が得られる。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。 〈実施の形態1〉本実施の形態は、請求項1、請求項
4、及び、請求項6〜請求項11に関連するものであ
る。
【0009】図1、図2は、薄膜構造材で形成した角速
度センサの振動質量と対向電極部を示す平面模式図であ
る。図1、図2において、16は振動質量で、後述する
ような支持部(図示せず)により支持され、振動質量1
6は、この支持部を介して共通電位に接続されている。
20は振動質量の側面から延設した櫛歯電極である。櫛
歯電極20には両側面に、それぞれ対向電極18、19
が、所定の電極間ギャップを隔てて対設されている。図
1では1本の櫛歯電極20の両側面にそれぞれ対向電極
l8、19が対設されている。図2では1本の櫛歯電極
20の一方の側面に対向電極18、または19が対向し
て一対で構成されている。対向電極18、19は接続部
17において引き出し電極21により周辺回路(図示せ
ず)に接続されている。対向電極18、19は、電気的
にそれぞれ独立しており、振動質量16との間において
静電容量を構成している。図示したような振動質量16
及び対向電極は、公知の技術により結晶シリコンまたは
多結晶シリコンを用いて形成可能である。通常、振動質
量及び対向電極の厚さは数μm程度である。
【0010】図3及び図4は、薄膜構造材で形成した振
動質量22の支持状態を示す平面図である。図3及び図
4では、図1に示した対向電極構造について例示した
が、図2の電極構造についても、同様に実現可能であ
る。振動質量22は、四隅においても同じく薄膜構造材
で形成され、図3では、等しいバネ定数を有する支持部
23によりx、y両軸方向に接続されており、x−y平
面方向に変位可能で、かつ同じ共振周波数を有するよう
に構成されている。支持部23はx、y両軸に対して対
称に配置されている。支持部23の振動質量22と反対
側の端部は、固定部24において基板に固定されると共
に、図示しない導電材と配線により電気的に接続されて
いる。図4の場合には支持部26は、x−y平面内で変
位可能な複数の弾性構造体を、x軸とy軸のなす角度を
2等分する軸方向に対称に配置して構成されている。こ
のような弾性構造体を備えるため、支持部26は両軸方
向に等しいバネ定数を有し、支持された振動質量22は
x軸及びy軸方向に変位可能で、かつ同じ共振周波数を
有する。
【0011】次に、検出回路構成を図5によって説明す
る。図5において、図3、図4に示した独立した対向電
極端子R1、R2、L1、L2と振動質量22間の静電容量
をそれぞれCR1、CR2、CL1、CL2とし、図5にお
ける点線で囲まれた部分27は、振動質量を示し、CR
1、CR2、CL1、CL2の接続されたノ−ドが振動質量
の電位を表わし、支持部を介してこれを共通電位に接続
している。対向電極端子R1、R2、L1、L2はそれぞれ
等しいDCバイアス値Vbiasに保持される。図5では省
略したが、実際には図7に示すように、参照容量とCR
1、CR2、CL1、CL2それぞれに平行に抵抗を接続し
て出力電圧のDCバイアス値を安定化させる。図7では
4つの容量のうち、1つによって模式的に示されてい
る。さらに対向電極端子R1、R2、L1、L2にはそれぞ
れ参照電気容量Crefが接続されており、CR1、CR
2、CL1、CL2には参照電気容量Crefを介して駆動電
圧V1、V2、V1-、V2-が印加される。従って対向電極
端子R1、R2、L1、L2にはDCバイアス値Vbiasと参
照電気容量Crefを介した駆動電圧V1、V2、V1-、V2
-の和が印加される。対向電極端子R1、R2、L1、L2
の電圧は、バッフア30に入力されインピ−ダンス変換
を行なった後信号処理を行なう。
【0012】R1とR2及びL1とL2の電圧は加算器31
によって加算された後、減算器32により、差を求めこ
れをバイパスフィルタ39を介して復調器33に入力す
る。復調器33において発振器36と同期検出を行なっ
た後、ローパスフルタ34を経て、一部は振動質量の自
励発振のために発振器35に帰還され、他の一部は再
度、復調器33に入力し、発振器35と同期検出を行な
った後、ローパスフィルタ34を経て振動質量の振幅情
報として制御回路37に入力される。
【0013】制御回路37からは角速度に比例した出力
と、発振器35に同期した電圧信号が出力される。発振
器35に同期した電圧信号は一部はインバータ38に入
力した後、一部はそのままに加算器31に入力し、それ
ぞれの信号は発振器36の出力と加算され、それらの出
力は参照電気容量Crefに印加され振動質量を駆動す
る。
【0014】L1とR1及びL2とR2の電圧は加算器31
において加算された後、減算器32において差を求めこ
れをバイパスフィル夕39を介して復調器33に入力す
る。復調器33において発振器36と同期検出を行なっ
た後、ローパスフィルタ34を経て、再度復調器33に
入力し、今度は発振器35と同期検出を行なった後、ロ
ーパスフィルタ34を経て振動質量のコリオリ力による
変位情報として制御回路37に入力する。制御回路37
はコントロ−ラ44に接続されており、コントローラ4
4からの制御用出力により自己診断を開始し、制御出力
に対する応答信号を出力する。自己診断は後述のよう
に、イグニッションキ−SWと運転席側のドアSWによ
りコントローラ44おいてその時期を判断する。
【0015】制御回路37は、例えば図8のようにして
実現される。変位情報と振幅情報は演算器41に入力す
る。演算器41において、通常動作時においては変位情
報は0レベルからの偏差に、振幅情報は設定した参照レ
ベルとの偏差に応じた駆動電圧の変調量を演算する。自
己診断時においては変位情報は設定した参照レベルから
の偏差に応じた駆動電圧の変調量を演算する。通常動作
時と自己診断時における参照レベルの変換は、コントロ
ーラ44からの制御信号により切り替わるスイッチ45
により行なう。図中で変調量は、変位情報に対しては
a、振幅情報に関してはbとして示した。変調量aは増
幅器43を介して入力した角速度として出力される。さ
らに変調量aは一部はそのまま、他の一部は、インバー
夕38により符号を反転した後、加算器31によって変
調量bと加算され、駆動電圧の変調量Δ1、Δ2が算出さ
れる。すなわち Δ1=a+b …(数2) Δ2=−a+b …(数3) である。算出された変調量Δ1、Δ2は振幅変調器42に
入力され発振器35の振幅をそれぞれに応じて変調し、
駆動電圧V1d、V2dを出力する。すなゎち、発振器3
5、の振幅をVdとすると(数4)式、(数5)式のよ
うになる。 V1d=Vd(1+Δ1) …(数4) V2d=Vd(1+Δ2) …(数5) 制御回路37により出力されたV1dは加算器31にて発
振器36の出力と加算され、V1として参照容量を介し
て振動質量に対向する電極R1(図1、図2)に印加さ
れる。V1dはまた、インバータ38によって符号を反転
し、加算器31にて発振器36の出力と加算され、V2-
として参照容量を介して振動質量に対向する電極L2に
印加される。V2dは加算器31にて発振器36の出力と
加算され、V2として参照容量を介して振動質量に対向
する電極L1に印加される。V2dはまたインバータ38
にて符号を反転し、加算器3lにて発振器36の出力と
加算され、V1-として参照容量を介して振動質量に対向
する電極R2に印加される。
【0016】復調器33における発振器36による同期
検出は、図10に示すようにPLL素子39を用いて信
号の周波数を検知し、その周波数で同期検出を行なうホ
モダイン方式で検出を行なってもよい。また、復調器3
3において発振器35で同期検出した信号を振幅情報、
変位情報として制御回路37に入力しているが、これは
復調器33を積分回路に置き換えてもよい。まず、振動
質量の駆動作用について述べる。参照電気容量Crefを
介して対向電極R1、R2、L1、L2に電圧Vを印加する
と振動質量の駆動軸方向に(数6)式で示すような静電
引力Fdが発生する。
【0017】 Fd=(−n/2)・ε0・(t/d0)・V2 …(数6) 但し、 n:振動質量の櫛歯電極に対向する電極数 ε0:誘電率 t:櫛歯電極の厚さ d0:電極間隔 を示し、負符号は電極の重なりが増すように駆動力が発
生することを示す。
【0018】電気容量のインビ−ダンスは(数7)式の
ように示される。
【0019】 Zc=(1/j)・ω・C …(数7) よって、図5のように参照容量Crefを介して振動質量
にAC駆動電圧を印加した場合、振動質量と対向電極間
の電気容量CR1、CL1、CR2、CL2に印加されるA
C駆動電圧は(数8)式のように表される。
【0020】
【数8】
【0021】但し V':振動質量と対向電極間の電気容量CR1、CL1、
CR2、CL2に印加されるAC駆動電圧 V'drive:電気容量Crefを介し印加する駆動電圧V1、
V2、V1-、V2- Cs:振動質量と対向電極間の電気容量CR1、CL1、
CR2、CL2 従って、Crefを、振動質量と対向電極間の電気容量C
R1、CL1、CR2、CL2よりを充分大きくすれば、駆
動電圧のCrefにおける損失は殆ど無視することができ
る。また振動駆動により電気容量CR1、CL1、CR
2、CL2が変化しても、印加されるAC駆動電圧は、電
気容量Crefを介したAC駆動電圧V1、V2、V1-、V2
-に比例する。実際上のCR1、CL1、CR2、CL2の
値は〜pF程度であるので同一基板上においてもCref
は容易に実現する。V1、V2、V1-、V2-に印加される
AC駆動電圧は、図5、図8に示したように、振動質量
の共振周波数と一致した周期を有する発振器35の出力
を変調した信号と発振器35より充分高い周期で、かつ
出力振幅の小さい発振器36の出力の和を用いる。AC
駆動電圧の模式図を図10に示す。
【0022】振動質量に対向する電極R1、R2、L1、
L2に印加される電圧VR1、VR2、VL1、VL2はD
Cデバイス電圧と前述のAC駆動電圧の和となり、それ
ぞれ(数9)式〜(数12)式のように示される。
【0023】 VR1=Vbias+C・[Vd(1+a+b)・sinω1t+Vc・sinω2t] …(数9) VR2=Vbias+C・[Vd(1−a+b)・sinω2t+Vc・sinω2t] …(数10) VL1=Vbias+C・[−Vd(1−a+b)・sinω1t+Vc・sinω2t] …(数11) VL2=Vbias+C・[−Vd(1+a+b)・sinω1t+Vc・sinω2t] …(数12) 但し、Vbias:対向電極端子R1、R2、L1、L2のDC
バイアス電圧 ω1:発振器35の発振周波数 Vd:発振器35の出力に比例する振幅 ω2:発振器36の発振周波数 Vc:発振器36の出力振幅 C :参照容量Crefによる駆動電圧降下を示す係数 (数9)式〜(数12)式を(数6)式に代入して得ら
れる静電引力はR1及びR2と、L1及びL2とは互いに逆
方向となり、結果として、振動質量には(数13)式に
示されるような静電駆動力が発生する。
【0024】 Fdrive∝Vbias・Vd・(1+b)・sinω1t …(数13) 但し、ω1より高周波数を有する駆動力は、ω1付近に共
振周波数を有する振動系に影響を与えないので無視し
た。(数13)式から、変調量bにより駆動力の調整が
可能であることがわかる。
【0025】対向電極端子R1、R2、L1、L2と振動質
量間の静電容量をCs、静止時の櫛歯電極の重なりを
L、櫛歯電極間隔をdとすると、振動質量の駆動x及び
コリオリ力による変位yによるCsの変化は(数14)
式のように示される。
【0026】
【数14】
【0027】但しCs0:静止時の静電容量 対向電極端子R1、R2、L1、L2と振動質量間の静電容
量Csが変化することにより、対向電極端子R1、R2、
L1、L2のAC電圧V'R1、V'R2、V'L1、V'L2
は、(数8)式、(数9)式〜(数11)式、及び(数
14)式から、それぞれ(数15)式〜(数18)式に
示される。但し、(x/L)及び(y/d)の1次項の
みで展開した。
【0028】 V'R1=(1/B)・[1-A・(x/L)+A・(y/d)]・[Vd(1+a+b)sinω1t+Vc・sinω2t] …(数15) V'R2=(1/B)・[1-A・(x/L)-A・(y/d)]・[Vd(1-a+b)sinω1t+Vc・sinω2t] …(数16) V'L1=(1/B)・[1-A・(x/L)+A・(y/d)]・[-Vd(1-a+b)sinω1t+Vc・sinω2t] …(数17) V'L2=(1/B)・[1-A・(x/L)-A・(y/d)]・[-Vd(1+a+b)sinω1t+Vc・sinω2t] …(数18) 但し
【0029】
【数19】
【0030】
【数20】
【0031】Cr:参照容量である。
【0032】振動質量の駆動によるX軸方向の変位は以
下のように求める。端子R1、R2、L1、L2はバッファ
30に接続して低出力のインピーダンスとなり、それぞ
れの電圧V'R1、V'R2、V'L1、V'L2は加算器31
にて加算の後、減算器32により差を求める。その結果
は(数21)式のように示される。図5ではV1で示し
た。V1の時間変化を図11により模式的に示す。
【0033】 (V'R1+V'R2)−(V'L1+V'L2) =(4/B)・[Vd(1+b)sinω1t−A・(x/L)Vc・sinω2t] …(数21) 第1項はバイパスフィルタ39を介して除去する。第1
項除去後における信号の模式図を図12に示す。図5で
はv2で示した。v2は復調器33に入力し復調器33に
て発振器36と同期検出を行なう。同期検出後の信号を
図13に示す。図5ではv3で示した。v3はさらにロー
パスフィルタ34にて平滑化を行なう。平滑化された信
号は発振器35と同じ周期を有し、振幅は振動質量の駆
動振幅に比例した信号である。この信号を発振器35に
帰還し自励発振させる。同時にAGC機能実現のため再
度、復調器33にて発振器35と同期検出を行なった
後、ローパスフィルタ34にて平滑化を行ない、駆動電
圧V1、V2、V1-、V2-の振幅を制御する制御回路37
に入力する。振動質量のコリオリ力による変位yは以下
のように求める。発生するコリオリ力は(数1)式に示
すように、振動質量の振動速度に比例するため、本実施
の形態の場合、発振器35と同じ周期で、信号の振幅は
コリオリ力による変位に比例する。
【0034】端子R1、L1、R2、L2は、バッファ30
に接続して低出力インピーダンス化し、それぞれの電圧
V'R1とV'L1及びV'R2とV'L2を加算器31にて加
算し減算器32にて差を求める。その結果は(数22)
式のように示される。
【0035】 (V'R1+V'L1)−(V'R2+V'L2) =(4/B)・[Vd・a・sinω1t+A・(y/d)・Vc・sinω2t] …(数22) 第1項はハイパスフィルタ39を介して除去する。第1
項除去後の信号の模式図を図14に示す。図5ではv4
で示した。v4は復調器33にて発振器36と同期検出
を行なう。同期検出後の信号を図15に示す。図5では
v5で示した。v5はさらにローパスフィルタ34にて平
滑化を行なう。平滑化された信号は発振器35と同じ周
期で、振幅はコリオリ力による変位に比例した信号とな
る。再度、復調器33に入力し、今度は発振器35と同
期検出を行った後、ローパスフィルタ34にて平滑化を
行なう。平滑化された信号はコリオリ力による振動質量
の変位に比例した信号となり、駆動電圧V1、V2、V1
-、V2-の変調のため制御回路37に入力される。復調
器33における発振器36による同期検出において図6
に示すようにPLL素子39を用いて信号の周波数を検
知し、その周波数で同期検出を行なうホモダイン検出を
行なうことにより、より高精度な復調が可能となる。
【0036】次に、駆動電圧V1、V2、V1-、V2-の変
調による振動質量の駆動振幅一定制御及びコリオリ力の
補償の方法について述べる。変調された駆動電圧V1、
V2、V1-、V2-の印加により振動質量と対向電極間に
は図1、図2の検出軸方向、すなわちy軸方向に数(2
3)式〜(数26)式で示すような静電引力が発生す
る。
【0037】 FsVR1=ε0m・(Lt/d0 2)・(VR1)2 …(数23) FsVR2=−ε0m・(Lt/d0 2)・(VR2)2 …(数24) FsVL1=ε0m・(Lt/d0 2)・(VL1)2 …(数25) FsVL2=−ε0m・(Lt/d0 2)・(VL2)2 …(数26) 但し、 m:対向電極対数 ε0:誘電率 L:電極の対向する長さ t:電極の厚さ (数8)式〜(数11)式を代入すると、y軸方向に発
生する静電引力は(数27)式のようになる。
【0038】FsTotal≒ε0m・(Lt/d0 2)・Vbias・C・
Vd・4a・sinω1t …(数27)また、駆動軸方向、す
なわちX軸方向に発生する駆動力は、前述の(数13)
式を書き下すと(数28)式のようになる。
【0039】 Fdrive≒ε0m・(t/d0)・Vbias・C・4Vd(1+b) …(数28) 駆動軸方向及び検出軸方向ともに共振状態であれば、発
生するコリオリ力と(数27)式による静電引力は同位
相となり、変調量aの調整のみでコリオリ力の補償が可
能である。また、振動質量の駆動振幅が外乱入力等の影
響により変化が発生した場合は、変調量bにより(数2
8)式のように駆動力を変化させ、振幅をコントロール
することができる。
【0040】さらに、(数27)、(数28)式より明
らかなように、コリオリ力の補償と振動質量の駆動振幅
一定制御は、それぞれ変調量a、bの調整によりそれぞ
れ独立に実行可能である。
【0041】制御回路37においては、振動質量の振幅
情報とコリオリ力による変位情報を同時に入力すること
により、前述の駆動電圧変調を行ない、駆動振幅の均一
化とコリオリ力の補償を同時に実現することができ、簡
易な構造の角速度センサでより高精度な検出が可能であ
る。
【0042】角速度センサの自己診断は、運転者が車両
を停止している状態から始動を開始する時点で実行され
る。車両停止の判断は、例えば、イグニッションキーが
ロック位置で、かつ、運転席のドアロックSWがオフで
あることから判断される。従って自己診断は、図18に
示すように、イグニッションキーがロック位置で、かつ
運転席のドアロックSWがオフからオンに変化する時点
で実行すればよく、図8におけるコントローラ44で判
断される。自己診断時の制御回路37における駆動電圧
V1、V2、V1-、V2-の変調は以下のようにして行なわ
れる。自己診断時にはコントローラ44の制御入力によ
り、スイッチ45の切り替えを行ない、演算器41にお
いて変位情報は、設定した参照レベルからの偏差に応じ
た駆動電圧の変調量a'を演算する。
【0043】従って(数9)式〜(数12〕式に示した
ように駆動電圧を変調し、変調a'を印加することによ
り、(数29)式に示すように振動質量の駆動振幅に影
響を与えることなく静電引力よる疑似コリオリ力F'cを
発生することができる。 F'c≒ε0m・(Lt/d0 2)・Vbias・C・Vd・4a'・sinω1t …(数29) 自己診断時の出力は、変調量a'に比例した出力とな
る。出力は演算器で設定した参照レベルにより決定する
ので、出力をモニタすることにより検出軸方向の電気−
機械振動系及び検出回路の機能を診断することができ
る。機能の診断はコントローラ44で行ない、その結果
は判定出力として出力される。さらに参照レベルを複数
設定すれば、各レベルをコントローラ44からの制御出
力により切り替え、それぞれの出力をモニタすることに
より、より高精度の自己診断機能を実現することができ
る。
【0044】以上述べたように本実施の形態において
は、新たに構造を付加することなく、駆動電圧を変調す
るコリオリ力の補償機能を用いて、検出軸正負方向の疑
似コリオリ力を発生し、これに相当する出力をモニタす
ることにより、角速度センサの自己診断機能を実現する
ことができる。また、疑似入力の値を任意の値に設定す
ることにより、所望の範囲で振動質量の検出軸方向の変
位が確保されていることを確認できる。
【0045】〈実施の形態2〉本実施の形態は、請求項
2、請求項5、請求項6〜請求項11に関連するもので
ある。角速度センサの構成は実施の形態1と同一であ
る。検出回路構成は、制御回路37のみが実施の形態1
と相違しており、図8に示した実施の形態1と相違する
部分のみについて記述する。実施の形態2における制御
回路37は、例えば、図9のようにして実現する。変位
情報と振幅情報は演算器41に入力する。演算器41に
おいて、通常動作時においては変位情報は0レベルから
の偏差に、振動質量の駆動振幅情報は設定した参照レベ
ルとの偏差に応じた駆動電圧の変調量を演算する。自己
診断時においては、振動質量の駆動振幅情報は、別に設
定した参照レベルからの偏差に応じた駆動電圧の変調量
を演算する。また、コリオリ力補償のための変調量aを
出力1(応答1)として、振動振幅制御のための変調量
bを出力2(応答2)として出力する。
【0046】実施の形態1と同様に、角速度センサの自
己診断は、運転者が車両を停止している状態から始動を
開始する時点で実行される。自己診断時の制御回路37
における駆動電圧V1、V2、V1-、V2-の変調は以下の
ようにして行なわれる。自己診断時にはコントローラ4
4の制御入力により、スイッチ45の切り替えを行な
い、演算器41において振動質量の駆動振幅情報は、動
作時とは別に設定した参照レベルからの偏差に応じた駆
動電圧の変調量b'を演算する。変調量b'により、(数
9)式〜(数12)式に示したように駆動電圧を変調し
変調量b'を印加することにより(数30)式のよう
に、振動質量に検出軸力方向の静電力を発生することな
く駆動力を変化させ、振幅を動作時とは別の振幅にコン
トロ−ルすることができる。 F'drive≒ε0m・(t/d0)・Vbias・C・4Vd(1+b) …(数30) 自己診断時の出力2は変調量b'に比例した出力とな
る。出力は演算器で設定した参照レベルにより決定する
ので、出力をモニタすることにより駆動軸方向の電気−
機械振動系及び検出回路の機能を診断することができ
る。機能の診断はコントローラに44で行ない、その結
果は判定出力として出力される。さらに参照レベルを複
数設定にすれば、各レベルをコントローラ44からの制
御出力により切り替え、各々の出力をモニタすることに
より、より高度の自己診断機能が実現できる。
【0047】以上述べたように本実施の形態において
は、動作時とは異なった振幅に振動質量の駆動振幅を制
御、特に動作時より大きい振幅に制御することにより、
振動質量の周辺の振動を妨げる障害物の存在を未然に検
出することができる。例えば、角速度センサを車両用に
適用する場合、本実施の形態による自己診断をエンジン
始動直後に実施すれば、車両の走行開始前にその機能の
診断ができ角速度センサの信頼性をより一層向上させる
ことができる。
【0048】〈実施の形態3〉本実施の形態は、特に請
求項3に関連する。角速度センサの構成については、平
面図は実施の形態1、実施の形態2と概ね同様である
が、断面図のみ一部相違するのでこれを図16に示す。
16は振動質量で、17、18は対向電極である。振動
質量16は基板7上に、所定間隔を隔てて図示しない支
持部に支持されている。基板7表面には絶縁膜47が形
成されおり、絶縁膜上に疑似力印加用電極46が形成さ
れている。
【0049】検出回路構成は実施の形態1、実施の形態
2(図5)と同じであるが、自己診断時には一部信号処
理を追加する。自己診断時の信号処理回路を図17に示
し、同図の点線部分により、図5との差異についてのみ
述べる。自己診断は発振器35の出力をオフにして実行
する。従って駆動電圧V1、V2、V1-、V2-は発振器3
6の出力のみになる。対向電極R1、R2、L1、L2の電
圧VR1、VR2、VL1、VL2を全て加算器31にて加
算する。その後この信号をバイパスフイルタ39を介し
て復調器33に入力し、発振器36と同期した復調を行
なう。復調信号はローパスフィルタを介してコントロ−
ラ44に入力する。コントローラ44からは疑似入力印
加用電極46への電圧も出力される。
【0050】角速度センサの自己診断は、実施の形態1
と同様に車両が停止している状態から始動を開始する時
点で実行され、自己診断は発振器35の出力をオフにし
て実行する。コントローラ44からは、疑似入力印加用
電極46へ電圧印加することにより、振動質量16には
図16(a)、(b)に示すように、静電引力が印加さ
れて振動質量は基板方向に変位する。この結果、対向電
極17、18と振動質量の櫛歯電極20の対向電極が振
動質量の変位に応じて変化し、電気容量CR1、CR2、
CL1、CL2は減少する。電気容量CR1、CR2、CL
1、CL2の減少量は、駆動電圧V1、V2、V1-、V2-に
発振器36の出力を印加し、VR1、VR2、VL1、V
L2を発振器36と同期して復調することにより得られ
る。したがって、復調量から振動質量の変位量が求めら
れる。よってコントロ−ラで印加電圧と変位量を監視す
ることにより、振動質量が支持体に可動状態で支持され
ているかの診断ができる。以上述べたように、本実施の
形態においては、振動質量がx、y、z軸の3軸方向に
変位可能であるため、発振器35の出力をオフの状態、
すなわち振動質量が振動していない状態でも支持状態の
診断が可能である。また、比較的簡単な回路により、支
持状態が確認できるため製造工程時の検査手法としても
応用が可能である。
【0051】本発明においては、振動質量と、前記振動
質量を支持する支持部と、前記振動質量に対向した対向
電極とを有し、前記振動質量を直交座標系第1軸方向に
駆動し、前記直交座標系の第3軸方向の角速度が印加さ
れた場合に、前記直交座標系第2軸方何に発生するコリ
オリ力を検出する角速度センサにおいて、前記直交座標
系第2軸方向に前記振勧質量を振動駆動することにより
機能を診断するか、または、前記振動質量の前記直交座
標系第l軸方向の駆動振幅値を可変とすることにより、
機能を診断するか、または、前記振動質量に前記直交座
標系第3軸方向の力を印加し、前記振動質量が可動状態
で支持されていることを診断することにより角速度セン
サの自己診断機能を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る実施の形態1の角速度センサ
(a)を示す平面図である。
【図2】本発明に係る実施の形態1の角速度センサ
(b)を示す平面図である。
【図3】本発明に係る実施の形態1の角速度センサの支
持平面図(a)である。
【図4】本発明に係る実施の形態1の角速度センサの支
持平面図(b)である。
【図5】本発明に係る実施の形態1の角速度センサの検
出回路を示す図である。
【図6】本発明に係るPLL素子によるホモダイン検出
方式を示す図である。
【図7】本発明に係る検出電極の等価回路図である。
【図8】本発明に係る角速度センサの自己診断回路の実
施の形態1を示す図である。
【図9】本発明に係る角速度センサの自己診断回路の実
施の形態2を示す図である。
【図10】本発明に係る振動質量の駆動電圧の発生を示
す図である。
【図11】図5のV1における信号の時間変化を示す模
式図である。
【図12】図5のV2における信号の時間変化を示す模
式図である。
【図13】図5のV3における信号の時間変化を示す模
式図である。
【図14】図5のV4における信号の時間変化を示す模
式図である。
【図15】図5のV5における信号の時間変化を示す模
式図である。
【図16】本発明に係る角速度センサの実施の形態3の
断面模式図である。
【図17】本発明に係る角速度センサの自己診断回路の
実施の形態3を示す図である。
【図18】自己診断の実行夕イミングを示す図である。
【図19】従来の角速度センサの平面模式図(a)、同
断面模式図(b)である。
【図20】図19の端子における信号の時間変化を示す
模式図である。
【符号の説明】
1…振動質量 2…支持体 3…アンカー部 6…絶縁膜 5、18、19、20…櫛歯電極 7…基板 8…検出電極 16、27…振動質量 17…接続部 21…引き出し電極 22…振動質量 23、26…支持部 24…固定部 25…電極部 28…検出電気容量 29…参照電気容量 30…バッファ 31…加算器 32…減算器 33…復調器 34…ローパスフィルタ 35、36…発振器 37…制御回路 38…インバー夕 39…バイパスフィルタ 40…理想ダイオ−
ド回路 41…演算器 42…振幅変調器 43…増幅器 44…コントロ−ラ 45…スイッチ 46…疑似力印加電極 47…絶縁膜

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】振動質量と、前記振動質量を支持する支持
    部と、前記振動質量と静電的に結合した対向電極とを有
    し、前記振動質量を直交座標系の第1軸方向に駆動し、
    前記直交座標系の第3軸まわりの角速度が印加された場
    合に、前記直交座標系の第2軸方向に発生するコリオリ
    力を検出する角速度センサにおいて、 前記直交座標系の第2軸軸方向に、前記振動質量を振動
    駆動することにより、前記角速度センサの機能診断を行
    なうことを特徴とする角速度センサの自己診断方法。
  2. 【請求項2】前記振動質量の前記直交座標系の第1軸方
    向の駆動振幅を可変とすることにより、前記角速度セン
    サの機能を診断することを特徴とする請求項1記載の角
    速度センサの自己診断方法。
  3. 【請求項3】前記振動質量に前記直交座標系の第3軸方
    向の力を印加し、前記振動質量の可動支持状態を診断す
    ることを特徴とする請求項1記載の角速度センサの自己
    診断方法。
  4. 【請求項4】前記振動質量を直交座標系の第1軸方向に
    一定振幅で振動の駆動制御を行なう駆動制御手段と、 前記直交座標系の第3軸まわりの角速度が印加された場
    合に、前記直交座標系の第2軸方向に発生するコリオリ
    力を補償する補償手段と、 前記コリオリ力を補償する補償量から角速度を検出する
    手段を有し、 前記コリオリ力の補償手段を用いて、前記直交座標系の
    第2軸方向に、前記振動質量を一定振幅に振動駆動制御
    することにより、前記角速度センサの機能を診断するこ
    とを特徴とする請求項1記載の角速度センサの自己診断
    方法。
  5. 【請求項5】前記振動質量を直交座標系の第1軸方向に
    一定振幅で振動の駆動制御を行なう駆動制御手段と、 前記直交座標系の第3軸まわりの角速度が印加された場
    合に、前記直交座標系の第2軸方向に発生するコリオリ
    力を補償する補償手段と、 前記コリオリ力を補償する補償量から角速度を検出する
    手段を有し、 前記振動質量の前記直交座標系の第1軸方向に駆動制御
    される前記駆動振幅を可変とすることにより、前記角速
    度センサの機能を診断することを特徴とする請求項1記
    載の角速度センサの自己診断方法。
  6. 【請求項6】前記振動質量と前記支持部は、共通電位に
    接続され、 前記コリオリ力を補償する補償手段は、静電引力を用い
    ることを特徴とする請求項4〜請求項5の何れか1項に
    記載の角速度センサの自己診断方法。
  7. 【請求項7】前記振動質量と前記支持部は、共通電位に
    接続され、 前記振動質量の駆動は、静電引力を用いることを特徴と
    する請求項4〜請求項5の何れか1項に記載の角速度セ
    ンサの自己診断方法。
  8. 【請求項8】前記支持部は、前記直交座標系の第1軸と
    第2軸の方向に対称に配置され、前記第1軸方向並びに
    第2軸方向に対し、等しいバネ定数を有する少なくとも
    2つの支持体によって形成されていることを特徴とする
    請求項1〜請求項7の何れか1項に記載の角速度センサ
    の自己診断方法。
  9. 【請求項9】前記支持部は、半導体の基板主面内で変位
    変形可能であり、 前記基板主面内の前記第1軸と第2軸のなす角度を2等
    分する軸に関して対称な構造を有し、 前記第1軸及び第2軸方向に対して等しいバネ定数を有
    することを特徴とする請求項8記載の角速度センサの自
    己診断方法。
  10. 【請求項10】前記対向電極は、電気的に独立した少な
    くとも4つの電極で構成され、これら電極のうち少なく
    とも2つの電極に同時に駆動電圧V1、V2を印加して前
    記対向電極と前記振動質量間に生じる静電引力により前
    記第1軸方向に駆動させ、 前記対向電極を構成する電極と前記振動質量間の静電容
    量のうち、少なくとも2つの静電容量C1とC2の和か
    ら、振動質量の第1軸方向の振動振幅に関する情報を検
    出し、 前記静電容量C1とC2の差から、前記振動質量のコリオ
    リ力による第2軸方向の変位に関する情報を検出するこ
    とを特徴とする請求項4〜請求項9の何れか1項記載の
    角速度センサの自己診断方法。
  11. 【請求項11】前記振動質量の前記第1軸方向の振動振
    幅の制御または前記振動質量に発生する前記第2軸方向
    のコリオリ力の補償は、 前記対向電極を構成する電極のうち、少なくとも2つの
    電極に同時に印加する駆動電圧V1、V2の振幅をそれぞ
    れ調整することにより行なうことを特徴とする請求項1
    0記載の角速度センサの自己診断方法。
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