WO1996038712A1 - Capteur de vitesse angulaire - Google Patents

Description

明 細 書

発明 の名称

角速度セ ン サ

技術分野

本発明は、 自 己診断機能を も つ角速度セ ン サ に関す る も の で あ る 。

背景技術

例え ば音叉形の角速度セ ン サ は、 音叉形の駆動部の両駆動板 の先端に、 そ れ と は直交す る方向 に検知板を設け、 前記駆動板 を常時音叉駆動 させた状態で角速度が加わ る と 、 そ れに呼応 し て互い に逆方向 に振動す る前記検知板か ら の出力で角速度を検 出す る も ので あ っ た。

従来の角速度セ ン サ は、 第 1 8 図に示す よ う に、 樹脂製よ り な る一端が開口 し た ケ ー ス 1 の開口部に樹脂製の蓋 2 が装着さ れ る こ と に よ り 密封空間が形成さ れて い る

こ の密封空間の内部に は、 回路基板 3 と 、 金属製の ゥ ヱ イ ト 板 4 が収納 さ れてい る 。 すな わ ち、 ケ ー ス 1 の内部四隅 に は支 持 ピ ン 5 が植設さ れて お り 、 こ の支持 ピ ン 5 に よ り ゥ ヱ イ ト 板 4 と 回路基板 3 が弾性的に支持、 固定 さ れて い る 。 ゥ ヱ イ ト 板 4 に は こ の弾性支持の た め に、 四隅に ゴ ム 製 の ダ ン パ 一 6 が装 着 さ れて お り 、 ま た こ の ダ ン パ ー 6 と 回路基板 3 の間に は樹脂 製の支持脚 7 が設け ら れ、 支持 ピ ン 5 は下方 よ り ダ ンノ、。 — 6 、 支持脚 7 、 回路基板 3 を貫通後、 そ の先端が回路基板 3 側に押 し 潰 さ れ て お り 、 こ れ に よ り 回路基板 3 、 ゥ ヱ イ ト 板 4 は弾性 的 に支持、 固定 さ れて い る 。 ま た、 ウ ェ イ ト 板 4 の回路基板 3 側 に は第 1 9 図 に示す如 く 、 金属製の支持 ピ ン 8 が垂直方向 に 圧入、 固定 さ れて お り 、 こ の支持 ピ ン 8 の上部 に は水平方向 に 金属製の支持 ピ ン 9 の一端が圧入、 固定 さ れて い る 。 こ の支持 ピ ン 9 の径は支持 ピ ン 8 の径の約 5 分の 1 と 細 く 、 し か も 材質 は ピ ア ノ 線 な ど の 様 に パ ネ 性 を持つ 金属 材料 で形成 さ れ て お り 、 そ の他端 に金属製の基板 1 0 がは ん だ に よ り 固定 さ れて い る o

こ の基板 1 0 の支持 ピ ン 8 ， 9 を挟む両側に は金属製 の駆動 板 1 1 ， 1 2 の一端が固定 さ れ、 さ ら に そ れ ら の表面 に は板状 の圧電素子 1 1 a ， 1 2 a が固定 さ れ、 こ れ に よ り 音叉形の駆 動部が形成さ れて い る。 ま た、 駆動板 1 1， 1 2 の他端は第 1 9 図 に示す如 く 、 圧電素子 1 1 a ， 1 2 a 部 と は直交す る 方向 に 折 り 曲 げ ら れ、 そ の後延長形成 さ れた検知板 1 3 ， 1 4 に板状 の圧電素子 1 3 a ， 1 4 a が固定 さ れ、 こ れ に よ り 検知部が構 成 さ れて い る 。 こ こ で、 駆動部 と 検知部 と に よ り セ ン サ素子が 構成 さ れ る 。

し か し な が ら 、 従来 の 角 速度 セ ン サ に お い て 問題 と な る の は、 セ ン サ起動後、 構成す る 部品の故障発生に対 し て そ の故障 を外部へ知 ら せ る 、 ま た は外部か ら 故障 と 判断す る た め の 目 安 と な る 情報を持た す為の機能を備え て い な い事で あ っ た。

本発明 は 、 そ の 一部 が損傷 し て正常 な 検知動作 が で き な く な っ て い る 状態を外部か ら 検出す る こ と が で き る よ う に し 、 信 頼性の高い角 速度セ ン サ の使用 を可能 に す る 事を 目 的 と す る も の で あ る 。

発明 の開示 こ の 目的を達成す る為に本発明の角速度セ ン サ は、 駆動部 と 角速度を検知す る検知部 と を有す る セ ン サ素子 と 、 前記セ ン サ 素子の駆動部 に駆動信号を供給す る ド ラ イ バ回路 と 前記セ ン サ 素子か ら の モ ニ タ 信号が加え ら れる モ ニ タ 回路 と を含み、 前記 モ ニ タ 回路の 出力を A G C 回路を介 し て前記 ド ラ イ バ回路に加 え る こ と に よ り 前記セ ン サ素子の駆動部を安定に駆動 し振動 さ せ る駆動手段 と 、 前記セ ン サ素子の検知部か ら の出力が加え ら れ る チ ャ ー ジ ア ン プ と こ の チ ャ ー ジ ア ン プ の出力が ン ス フ ィ ル タ を介 し て加え ら れる 同期検波器 と を含み、 前記パ ン ド パ ス フ ィ ル タ の出力を前記駆動手段か ら の駆動信号に同期 し て 検波 し角速度信号を出力す る検出手段 と 、 前記検出手段よ り 当 該検出手段に得 ら れ る 角速度信号以外の機械結合信号を得、 前 記セ ン サ素子の異常を検出 し 自 己診断信号を出力す る 自 己診断 手段 と を備え た も ので あ る。

以上の構成 と すれば、 構成上必ず検出手段か ら得 ら れ る機械 結合信号を 自 己診断の た め の信号 と す る こ と に よ り 、 こ の角速 度信号が正常な検知動作がで き る状態に あ る のか否かを検知す る こ と がで き る よ う に な り 、 しか も機械結合信号は必ず発生す る も の で あ る の で 、 こ の機械結合信号を発生さ せ る た め の手段 を別個 に設 け る 必要が な く 、 そ の 分構成が き わ め て シ ン プ ル で、 自 己診断に対す る 信頼性の高い も の と す る こ と がで き る ば か り でな く 、 セ ン サ起動後、 特性が安定す る タ イ ミ ン グを知る こ と ができ、 起動後、 よ り早 く セ ン サ出力を利用でき る よ う にな o

図面の簡単な説明 第 1 図は本発明の角速度セ ン サ の第 1 の実施例を示す回路 ブ ロ ッ ク 図、 第 2 図は同 セ ン サ の各部の動作波形図、 第 3 図は本 発明の角速度セ ン サ の第 2 の実施例を示す回路 ブ ロ ッ ク 図、 第 4 図は同 セ ン サ の各部の動作波形図、 第 5 図は本発明の角速度 セ ン サ の第 3 の実施例を示す回路 ブ ロ ッ ク 図、 第 6 図は同 セ ン ザ の各部の動作波形図、 第 7 図は本発明の角速度セ ン サ の第 4 の実施例を示す回路 ブ ロ ッ ク 図、 第 8 図は同 セ ン サ の各部の動 作波形図、 第 9 図は本発明の角速度セ ン サ の第 5 の実施例を示 す回路 プ ロ ッ ク 図、 第 1 0 図は同 セ ン サ の各部の動作波形図、 第 1 1 図（a)は同 セ ン サ の要部を切欠いた拡大斜視図、 第 1 1 図 (b) は そ の断面図、 第 1 1 図（c) は同 セ ン サ の等価回路図、 第 1 2 図は同 セ ン サ の要部の回路構成を示す回路図、 第 1 3 図は本発 明の角速度セ ン サ の第 6 の実施例を示す回路プロ ッ ク 図、 第 1 4 図は同 セ ン サ の要部の回路構成を示す回路図、 第 1 5 図は同 セ ン サ の各部の動作波形図、 第 1 6 図は本発明の角速度セ ン サ の 第 7 の実施例を示す回路 プ ロ ッ ク 図、 第 1 7 図は同 セ ン サ の各 部の動作波形図、 第 1 8 図は従来の角速度セ ン サ の要部組立斜 視図、 第 1 9 図 は 同 セ ン サ の要部を切欠 い た拡大斜視図で あ る 。

発明 を実施す る た めの最良の形態

(実施例 1 )

第 1 図は本発明の角速度セ ン サ の第 1 の実施例 に おけ る制御 回路の回路図で あ る。 セ ン サ素子 と し ての駆動板 1 1 の圧電素 子 1 1 a に は ド ラ イ バ 1 5 か ら 約 1 V P-P、 1 . 5 k Hz の交流信 号が印加 さ れ る 。 こ れ に よ り 、 駆動板 1 1 , 1 2 に は支持 ピ ン 9 に対 し て内外方向 に音叉振動を始め る。 駆動板 1 2 の圧電素 子 1 2 a は音叉振動に よ り 、 印加信号に比例 し た電圧が誘起 さ れ、 そ れは カ レ ン ト ア ン プ 1 6 、 パ ン ド パ ス フ ィ ル タ 1 7 を通 過 し、 第 2 図の A点に モ ニ タ 信号 と な る。 こ れは次に全波整流 器 1 8 、 A G C 回路 1 9 を介 し て ド ラ イ バ 1 5 に フ ィ ー ド パ ッ ク さ れ、 駆動信号の A G C 制御が行われて い る 。 検知部に おい て は、 圧電素子 1 3 a ， 1 4 a が角速度を検知す る と 、 圧電素 子 1 3 a ， 1 4 a は共に + Q の角速度信号を出力 し、 そ の様子 は第 2 図の B ， C に角速度信号 と し て示さ れてお り 、 こ れは第 1 図の D点に おいて合成さ れ、 第 2 図の D の様な角速度信号 と な る 。 こ の角速度信号は次に チ ャ ー ジ ア ン プ 2 0 、 パ ン ド パ ス フ ィ ル タ 2 1 、 同期検波器 2 2、 ロ ーパ ス フ ィ ル タ 2 3 を介 し て出力端子 2 4 か ら 出力 さ れ る 。 そ の間の E 点、 F 点、 G点の 信号波形は第 2 図の E， F , G に角速度信号 と し て示 さ れて い る 。

さ て、 本実施例に おいて は、 駆動板 1 1 ， 1 2 に対 し て検知 板 1 3 ， 1 4 を直交す る方向 に設け な ければな ら な いが、 真に こ れを直交方向 と す る こ と は実質的 に困難で、 し か も圧電素子 1 3 a , 1 4 a の大き さ やそ の取 り 付け方 も全 く 同 じ も の と す る事がで き な い ので、 そ の結果 と し て圧電素子 1 3 a ， 1 4 a か ら は常時第 2 図の B， C に示す機械結合信号が発生 し て し ま う 。 こ の場合圧電素子 1 3 a ， 1 4 a 側は検知扳 1 3 ， 1 4 の 同一面に貼 り 付けてお り 、 検知板 1 3， 1 4 の重心が若干圧電素 子 1 3 a , 1 4 a 貼付側にずれる ため、 駆動板 1 1， 1 2 が音叉 振動す る場合に、 例え ば外方に広が る場合、 圧電素子 1 3 a ， 1 4 a 側 に た わ ん で広が る こ と に な る 。 従 っ て こ れ ら の圧電素 子 1 3 a ， 1 4 a に発生す る 機械結合信号 は第 2 図の B ， C の 如 く 逆相 の伏態 と な る の で 、 第 1 図 の D 点に お い て、 そ の機械 結合信号が合成 さ れた場合 に は、 機械結合信号は小 さ く な る 。 こ の機械結合信号は チ ャ ー ジ ア ン プ 2 0 、 増幅器 2 5 で増幅 し た後、 整流器 2 6 で整流 さ れ、 そ の後平滑器 2 7 で平滑後、 判 定器 2 8 で レ ベ ル判定が行わ れ、 信号端子 2 9 か ら そ の判定結 果が出力 さ れ る 。 第 1 図の H , I ， J 各点の 出力 は第 2 図 に そ れぞれ示 し て い る 。 即 ち 、 平滑器 2 7 の 出力 I が レ ベ ル a , b 間に あ る 時に は、 信号端子 2 9 の 出力 は第 2 図の J に示す如 く ロ ー レ ベ ル と な る 。 こ れ に 対 し て 例 え ば第 1 図 に 示 す検知板 1 4 が破損 も し く は そ の リ ー ド線な どが断線 し た場合 に は第 2 図の C に示す如 く 、 角速度信号 も 機械結合信号 も ゼ ロ レ ベ ル と な っ て し ま う 。 こ の結果 D 点 に おい て は圧電素子 1 3 a か ら だ け の機械結合信号が発生す る こ と と な り 、 今ま で よ り も は る か に大 き な機械結合信号 レ ベ ル と な っ て し ま う 。 従 っ て こ の時 に は平滑器 2 7 の 出力 は第 2 図の I に示す如 く 、 a 点 よ り 大 き く な り 、 こ の結果判定器 2 8 か ら は、 第 2 図の J に示す如 く ハ イ レ ベ ル の 出力が発生す る 事 と な る 。 ま た検知板 1 3 ， 1 4 両方 が損傷 し た り 、 両方の リ ー ド線が断線 し た場合 な ど に は平滑器 2 7 の 出力 は第 2 図の I の b 点よ り も 小 さ く 、 こ の 時 に も 判定 器 2 8 の 出力 は ハ イ レ ベ ル の 出力 を 出 す こ と に な る 。 そ し て こ の様な ハ イ レ ベ ル の 出力 が出 た場合 に は 、 こ の角 速度 セ ン サ が 故障 し た と し て使用機器へ情報伝達を す る 。

(実施例 2 ) 第 3 図は他の実施例を示 し、 こ の実施例においては増幅器 2 5 と 、 平滑器 2 7 の間に同期検波器 3 0 を介在さ せ、 駆動信号の フ ィ ー ドパ ッ ク 回路の フ ィ ー ド ノ ツ ク 信号、 つ ま り 第 3 図の A 点よ り 位相器 3 1 を介 し た信号に よ り 、 同期検波を行 う も の で あ る 。 すなわ ち増幅器 2 5 に流入す る機械結合信号中 に は、 角 速度信号 も 混入 し て い る の で、 こ の角 速度信号を キ ャ ン セ ル し、 機械結合信号 レ ベ ルを正確な値に近づ け る も ので あ る 。 そ の為に上述の如 く 、 第 3 図の A点に流れ る第 4 図の A の信号を 位相器 3 1 で 9 0 度位相を遅 らせ、 こ の 9 0 度位相遅れの あ る 信号で、 増幅器 2 5 か ら の出力を同期検波すれば、 第 4 図の I に示す如 く 角速度信号がキ ャ ン セ ル さ れ、 機械結合信号 レ ベ ル を正確な値に近づけ る事がで き る のであ る 。

(実施例 3 )

第 5 図は他の実施例を示 し、 こ の実施例に おいて は初期設定 と し て、 圧電素子 1 3 a ， 1 4 a か ら得 ら れ る機械結合信号を 第 5 図の D点で加算 し た場合、 0 と な る様に し た も ので あ る 。 すなわ ち、 第 1 図、 第 3 図に示す も の は、 こ の加算が 0 以外の 状態に な っ て いた の に対 し、 こ の実施例に おいて は検知板 1 3 あ る い は 1 4 を ト リ ミ ン グす る こ と に よ り 、 圧電素子 1 3 a ， 1 4 a か ら生 じ る機械結合信号を加算 し た も の を 0 に初期設定 す る も のであ る 。 第 6 図の D は そ れを示 し てお り 、 例え ば検知 板 1 4 が損傷 し た り 、 リ ー ド線が外れた り す る ま で は機械結合 信号は発生 していない。 しか し、 こ の故障以後は圧電素子 1 4 a か ら の機械結合信号が発生 し な く な る ので、 第 6 図の D の如 く 機械結合信号が現出す る こ と に な る 。 こ の結果、 第 6 図の J に 示す如 く 、 判定器 2 8 の 出力 は ハ イ レ ベ ル と な り 、 こ れ が論理 和回路 3 2 を介 し て信号端子 2 9 か ら 第 6 図の L に示す如 く 角 速度 セ ン サ が故障 し た こ と を知 ら せ る 信号が出力 さ れ る こ と に な る 。 ま た、 本実施例 に お い て は論理和回路 3 2 に判定器 3 3 を 介 し て 駆動信号の フ ィ ー ド パ ッ ク 信号、 つ ま り 全波整流器 1 8 の 出力 を供給す る 様に し て い る 。 こ れは、 本実施例 に お い て、 駆動板 1 1 ， 1 2 が駆動 さ れて い な い時に も 信号端子 2 9 か ら故障を報知で き る 様に す る た め の も の で あ る 。 そ の為 に本 実施例で は、 駆動信号を判定器 3 3 を介 し て論理和回路 3 2 へ 供給 す る こ と に し た も の で あ り 、 判定器 3 3 は こ の フ ィ ー ド パ ッ ク 信号が 0 の時に ハ イ レ ベ ルを 出力 し 、 こ れが論理和回路 3 2 を介 し て信号端子 2 9 か ら 出力 さ れ故障を報知す る こ と が で き る の で あ る 。

尚、 上記の実施例 1 , 2 ， 3 に示すよ う に チ ャ ー ジ ア ン プ 2 0 の 出力 を 自 己診断手段 と し て の増幅器 2 5 に入力 す る 構成 と し た場合、 同期検波器 2 2 の入力 レ ン ジ を越え た信号がパ ン ド パ ス フ ィ ル タ 2 1 よ り 入力 さ れ る と 、 出力端子 2 4 に 出力 さ れ る 信号は角速度信号が加わ っ て い な い に も かかわ ら ず変化 し て し ま う こ と があ る 。 こ の時に は、 増幅器 2 5 に は ノ ン ド パ ス フ ィ ル タ 2 1 の 出力 を入力 す る よ う に変更 し 、 判定器 2 8 の判定基 準 を 同期検波器 2 2 の 飽和 を 検 出 す る よ う に 設定 す る と と も に 、 平滑器 2 7 の時定数を ロ ー パ ス フ ィ ル タ 2 3 の 時定数 に合 わせ る と 良 い。

(実施例 4 )

第 7 図 は他 の実施例 を示 し 、 こ の実施例 に お い て も 圧電素子 1 3 a ， 1 4 a か ら得 ら れ る 機械結合信号を加算 し た場合 0 と な る様に検知板 1 3 あ る い は 1 4 を ト リ ミ ン グ し て初期設定 し て い る 。 そ し て圧電素子 1 3 a か ら の信号 は チ ャ ー ジ ア ン プ 2 0 a で増幅 し、 ま た圧電素子 1 4 a の信号は チ ャ ー ジ ア ン プ 2 0 b で増幅 し、 そ れ ら を加算器 3 4 で加算 し た も のが、 そ の 後 の処理 に よ り 出力端子 2 4 か ら 角 速度出力 と し て取出 さ れ る 。 ま た 、 減算器 3 5 に て チ ャ ー ジ ア ン プ 2 0 a の 出力 か ら チ ャ ー ジ ア ン プ 2 0 b の出力 を減算 し た も の が、 そ の 後 の処理 に よ り 、 信号端子 2 9 か ら 自 己診断のた め の信号 と し て出力 さ れ る様に な つ て い る。 な お各部の波形は第 8 図に示 し て い る 。 な お上記実施例においては、 い く つ かの例を示 し たが、 増幅器 2 5 、 整流器 2 6 、 平滑器 2 7 は省いて も良い。 ま た音叉形の 角 速度 セ ン サ を 用 い て説明 し た が、 三角柱 タ イ プ、 円柱 タ イ プ、 音片 タ イ プ、 円筒 タ イ プ、 の角速度セ ン サ に お い て も機械 結合信号が必ず発生す る の で 、 こ の機械結合信号を用 いて故障 検出をす る こ と が で き る 。

(実施例 5 )

第 9 図は本発明の角速度セ ン サ の他の実施例に おけ る 制御回 路の回路図で あ る 。

駆動板 1 1 の圧電素子 1 1 a には ド ラ イ バ 1 5 から約 1 V P-P、 1 . 5 k Hzの交流信号が印加さ れる。 こ れ に よ り 、 駆動板 1 1 ， 1 2 に は支持 ピ ン 9 に対 し て内外方向 に音叉振動を始め る 。 駆 動板 1 2 の圧電素子 1 2 a は音叉振動に よ り 印加信号に比例 し た電圧 が誘起 さ れ、 そ れ は カ レ ン ト ア ン プ 1 6 、 パ ン ド ノ、。 ス フ ィ ル タ 1 7 を通過 し 、 A点に第 6 図に示す モ ニ タ 信号を出力 す る 。 こ れは次に全波整流器 1 8 、 A G C 回路 1 9 を介 し て ド ラ イ パ 1 5 に フ ィ ー ド パ ッ ク さ れ、 A点での信号振幅が常に一 定に な る よ う に駆動信号の A G C 制御が行われて い る。 検知部 に おいては、 圧電素子 1 3 a 1 4 a の信号は共に D点に おい て合成 さ れ、 チ ャ ー ジ ア ン プ 2 0 に入力 さ れる。 ま た A点よ り の音叉振動に同期 し た モ ニ タ 信号が減衰器 3 6 に よ っ て減衰さ れ、 注入器 3 7 を経て チ ャ ー ジ ア ン プ 2 0 の非反転入力端子に 加え ら れる。 チ ャ ー ジ ア ン プ 2 0 の出力 は ' ン ス フ ィ ル タ 2 1 、 同期検波器 2 2 、 ロ ー パ ス フ ィ ル タ 2 3 を介 し て出力端 子 2 4 か ら出力 される。 モ ニ タ信号から減衰器 3 6 、 注入器 3 7 を経て チ ャ ー ジ ア ン プ 2 0 に加え ら れた信号 に よ る I 点、 H 点、 E 点、 F 点、 G 点の信号波形は第 1 0 図の E F , G , H I に示さ れて い る 。

さ て、 本実施例においては、 角速度を検出する圧電素子 1 3 a , 1 4 a は第 1 1 図（a) に示す よ う に検知板 1 3 に接着剤 8 を介 し て接着 さ れ、 角速度信号電荷を検出す る為の銀電極 1 3 b が形 成 さ れて い る 。

こ こ で、 検知板 1 3 と圧電素子 1 3 a と銀電極 1 3 b は第 1 1 図 (b)の様に平行平板 コ ン デ ン サ を形成 し、 等価的な回路は第 1 1 図何 の 様 に な る 。 こ の時、 圧電素子 1 3 a に よ る コ ン デ ン サ の 容量は（1)式で示さ れ る 。

C si ^ ε · S / d (1)

ε ： 圧電体の誘電率

S ： 面積

d : 圧電体の厚み ま た 同様に し て圧電素子 4 a に よ る コ ン デ ン ザ の容量は（2> 式で示 さ れる 。

C s2 - ε · S / d (2)

ε ： 圧電体の誘電率

S ： 面積

d ： 圧電体の厚み

こ こ で 、 角速度を検出す る 圧電体の感度 と （1)， （2)式で表 さ れ る 容量 C si , C s2と の間に は以下の関係が成立つ。

• 感度は面積 S に比例す る 。

· 容量 C は面積 S に比例す る。

然る に、 · 感度は容量 C に比例す る。

し たがっ て、 容量の変化を検出で き れば感度の変化を推測す る こ と が可能であ り 、 感度の異常検出が可能 と な る。

さ て、 第 1 0 図に示すよ う に A点のモニ タ 信号 Aは減衰器 3 6 で第 1 0 図の波形 I に示すよ う に '减衰さ れて注入器 3 7 に加え ら れる 。 注入器 3 7 は、 例えば第 1 2 図に示す よ う に コ ン デ ン ザ と 抵抗等か ら構成さ れ、 こ こ で第 1 0 図の波形 H の よ う に モ ニ タ 信号 A に対 し て位相ずれを持たせてチ ャ ー ジ ア ン プ 2 0 の 非反転入力端子に加え ら れる 。 こ こ で チ ャ ー ジ ア ン プ 2 0 の反 転入力 と 非反転入力 は仮想的 に同 じ電位で あ る ので、 非反転入 力端子に加え ら れた注入器 3 7 か ら の信号は第 1 0 図の波形 D の よ う に チ ャ ー ジ ア ン プ 2 0 の反転入力端子に も表れ る 。

こ の結果、 反転入力端子に接続さ れる圧電素子 1 3 a， 1 4 a の容量成分 C si、 C s2に は第 1 0 図の波形 D に示す変位電流 I D が発生 し、 こ の結果チ ャ ー ジ ア ン プ 2 0 の 出力 に は第 1 0 図の 波形 E な る 電圧が出力 さ れ る 。 こ の時の E 点の 出力電圧 v eは 次のは）式で表 さ れ る。

V e = V m a · ( 1 / C 0) · ( C si + C s2) · I D ·· (3) v e チ ャ ー ジ ア ン プ の出力電圧 E ( V P-P)

V m モ ニ タ 電圧 （ V P - P)

a 減衰器 3 6 の減衰率 （ 0 < α < 1 )

△ Φ 注入器に よ る位相ずれ （ 0 < 0 < 9 0 )

C 0 チ ャ ー ジ ア ン プ 2 0 の帰還容量 （ p F )

I D 変位電流 （ p A )

ま た、 出力端子 2 4 か ら得 ら れ る 信号 V outは（4)式で表 さ れ る

V out = A · D · V πι· a · ( 1 / C 0) · ( C s 1+ C s2) · I D-sin ø - (4)

D ： 同期検波器 2 2 の検波定数

A : L P F 2 3 の D C ゲ イ ン

第 1 0 図の信号 E は モ ニ タ 信号 A に対 し て位相が ずれて い る の で 、 B P F 2 1 で増幅 さ れて後、 同期検波器 2 2 で検波 さ れ、 位相ずれに応 じ た信号成分の みが抽出 さ れ、 L P F 2 3 で増幅 さ れて D C オ フ セ ッ ト 分 と な っ て端子 2 4 か ら 出力 さ れ る。 通常は こ の D C オ フ セ ッ ト 分を踏ま えて出力の オ フ セ ッ ト を例え ば 2. 5 V に調整 し ておけば良い。

こ こ で（3)式か ら、 第 1 0 図の信号 E は角速度検出用圧電素子 1 3 a , 1 4 & の持っ容量 じ 81， C s2に比例 し て い る の で 、 例 え ば第 9 図の B 点な い し C 点で断線等が発生 し た場合、 第 1 0 図 の 波形 E ， F に示す よ う に信号 レ ベ ル の変化が発生 し 、 結 果、 出力端子 2 4 の電圧 レ ベ ル が変化す る 。 こ の レ ベ ル変化を • 例え ば し き い値判定すれば、セ ン サ の故障 と し て異常を判定で さ る O

ま た、 注入器 3 7 の入力信号は駆動回路の モ ニ タ 信号か ら得 てお り 、 かつ 出力信号を チ ャ ー ジ ア ン プ 2 0 の入力端子に加え 5 て い る の で、 （4)式か ら も分か る よ う に音叉、 駆動回路、 検出回 路そ れぞれの 内部の ど こ が故障 し て も 出力端子 2 4 の D C オ フ セ ッ ト 変化 と し て現れ る の で 、 セ ン サ の故障を常時検出 で き 0

第 1 3 図 は本発明 の角 速度セ ン サ の他の実施例 を示す も の

10 で、 減衰器 3 6 か ら の信号を開閉器 3 8 に よ っ て外部か ら注入 器 3 7 への入力を開閉で き る の う に し た も のであ る 。 具体回路 を第 1 4 図に、 動作波形を第 1 5 図に示す。

減衰器 3 6 で減衰さ れた モ ニ タ 信号 I は通常は開閉器 3 8 で カ ツ ト さ れて い る の で注入器 3 7 に は伝わ ら ず、 従 っ て セ ン サ

15 出力 も通常の ま ま であ る。 外部か ら の信号、 例え ば コ ン ピ ュ ー 夕 か ら のチ ェ ッ ク信号な どが第 1 5 図の J のよ う に制御端子 3 9 に印加 さ れた時、 開閉器 3 8 が閉 じ て減衰器 3 6 か ら の信号 I を注入器 3 7 に伝達す る。 そ の結果、 各部の波形は第 1 5 図の H , D , E , F の よ う に変化 し、 結果、 出力端子 2 4 に は第 1 5

20 図の G の よ う に制御端子 3 9 に加え ら れた チ - ッ ク 信号に連動 し た オ フ セ ッ ト 変動が発生す る 。 こ の オ フ セ ッ ト 変動は先の（4) 式に よ っ て決 ま る の で、 こ の変動量を モ ニ タ すれば セ ン サ の異 常状態を知る こ と がで き る。

第 1 6 図 は本発明 の角 速度 セ ン サ の更 な る 他 の実施例 を示

'25 し、 動作波形を第 1 7 図に示す。 こ の例は開閉器 3 8 の外部か ら の入力端子を他の判定器 2 8 の 出力端子 と 共用 化す る も の で あ る 。 判定器 2 8 は例 え ばチ ャ ー ジ ア ン プ 2 0 の 出力 E を モ ニ 夕 し て 、 例 え ば音叉 に か か る 外部 か ら の 異常 な 衝撃 や 振動 に よ っ て発生す る 異常電圧 を検出 し 、 端子 2 9 よ り 外部へ異常を 出力す る も の で あ る 。 こ こ で、 開閉器 3 8 の入力 を端子 2 9 と 共用す る が、 前記判定器 2 8 の論理出力に対 して前記開閉器 3 8 の開閉論理値が逆に な る よ う に設定 し て い る 。 し た が っ て、 開 閉器 3 8 を作動 さ せ な い通常時は音叉 に かか る 外部か ら の異常 な衝撃や振動 に よ っ て発生す る 異常電圧 を検出 し 外部へ異常を 知 ら せ る 。 一方、 セ ン サ の チ ヱ ッ ク 時に は端子 2 9 よ り チ ヱ ッ ク 信号を入力 し て端子 2 4 の セ ン サ 出力 を モ ニ タ す る こ と に よ り 、 1 個 の端子に よ っ て多機能の故障診断を行な え、 高 い コ ス ト ノヽ。 フ ォ ー マ ン ス を実現す る 。

ま た、 前記判定器 2 8 の論理出力 に対 し て前記開閉器 3 8 の 開閉論理値が等 し く な る よ う に設定 し た場合 に は、 前記判定器 2 8 の論理出力 に よ り 前記開閉器 3 8 を強制的 に作動 さ せて 自 己診断 モ ー ド に移行 さ せ る こ と がで き 、 外部か ら の 自 己診断の リ セ ッ ト 信号が加え ら れ る ま で端子 2 9 に異常検出状態 と し て の信号の 出力 を維持 し つ づ け る こ と がで き る 。

な お、 こ こ で は、 モ ニ タ 信号を用 い て セ ン サ の動作状態を知 る 為の実例 を述べた が、 同 じ 回路構成 に よ っ て、 セ ン サ 出力 の オ フ セ ッ ト 調整が可能で あ る 。 こ の時は、 減衰器 3 6 で減衰量 を調整す る か、 も し く は、 注入器 3 7 で位相 ズ レ量を調整 し て 所望 の オ フ セ ッ ト 調整 を す れ ば良 い 。 ま た 、 感温素子 を 用 い て、 減衰量や位相 ズ レ を温度 に よ っ て変化す る よ う に す れば、 セ ン サ 出力 の温度補正が可能 と な る 。

ま た、 注入器 3 7 の 出力をパ ン ド パ ス フ ィ ル タ 2 1 、 同期検 波器 2 2 に加えて も 同様であ る。

産業上の利用可能性

以上の よ う に本発明 の角速度セ ン サ は、 検出手段よ り 当該検 出手段に得 ら れる角速度信号以外の機械結合信号を検出す る よ う に し た の で、 こ の角速度信号が正常な検知動作がで き る状態 に あ る のか否かを検知す る こ と がで き る よ う に な り 、 し か も機 械結合信号は必ず発生す る も の で あ る の で、 こ の機械結合信号 を発生さ せ る た め の手段を別個に設け る必要がな く 、 そ の分構 成が極めて シ ン プ ル で 、 自 己診断に対す る 信頼性の高い も の と す る こ と がで き る 。

Claims

請 求 の 範 囲

駆動部 と こ の駆動部を駆動振動 さ せ る 為の駆動手段 と 角速 度を検出す る検出手段か ら な る 検知体か ら角速度出力を取 り 出す出力端子 と を備え、 前記検知体か ら得 ら れ る 角速度 出力以外の機械結合信号を検知 し て 自 己診断の た め の信号 を出力す る 自 己診断手段を設け た角速度セ ン サ 。

. 請求の範囲第 1 項 に お い て、 検知体は . . 音叉形の駆動部 と 、 こ の駆動部を構成す る両方の駆動板の先端に、 そ れ と は直交す る方向に設け ら れた検知板 と に よ り 構成 し た角速 度セ ン サ 。

. 請求の範囲第 1 項に おいて、 駆動部が圧電性を有す る材料 に よ っ て構成 し た角速度セ ン サ 。

. 請求の範囲第 2 項において、 検知板か ら 、 こ の検知板 と 駆 動板 と の機械結合に起因す る機械結合信号を検知 し て 自 己 診断信号 と す る角速度セ ン サ 。

. 請求の範囲第 4 項にお い て 、 出力端子か ら得 ら れる 信号か ら機械結合信号成分を検知 して 自 己診断信号 と す る 角速度 セ ン サ 。

. 請求の範囲第 4 項に お い て 、 機械結合信号の レ ベ ル低下を 検出 し て 自 己診断信号 と す る角速度セ ン サ o

- 請求の範囲第 4 項に おいて、 2 つ の検知体か ら得 ら れ る機 械結合信号を チ ヤ ー ジ ア ン プ で増幅、 整流、 平滑後、 判定 回路に供給す る構成 と し た角速度セ ン サ 0

. 請求の範囲第 7 項に おい て、 2 つ の検知体か ら得 ら れ る機 械結合信号の和を 0 以外の所定値に初期設定す る構成 と し • た角速度セ ン サ 。

9 . 請求の範囲第 7 項におい て、 2 つ の検知板か ら得 ら れ る機 械結合信号の和を 0 に初期設定す る構成 と し た角速度セ ン サ

10 . 請求の範囲第 9 項に おいて、 駆動部の判定回路出力 と モ ニ タ 信号出力を論理和回路に供給す る構成 と し た角速度セ ン サ

1 1 . 請求の範囲第 4 項において、 2 つ の検知板か ら得 ら れ る機 械結合信号の和 を 0 以外 の所定値 に初期設定す る と と も に、 こ れ ら の検知板か ら得 ら れた機械結合信号を チ ャ ー ジ ア ン プ で増幅 し、 こ の チ ャ ー ジ ア ン プ で増幅 さ れた機械結 合信号を駆動信号の フ ィ 一 ドパ ッ ク 回路に流れ る フ ィ 一 ド パ ッ ク 信号を 9 0 度位相器で位相変換 し た信号に よ り 同期 検波 し平滑後、 判定回路に供給す る構成 と し た角速度セ ン サ 。

12 . 請求の範囲第 4 項におい て、 2 つ の検知板か ら得 ら れ る機 械結合信号の和を 0 に初期設定す る と と も に、 2 つ の検知 板か ら得 ら れる機械結合信号を そ れぞれ別の チ ャ 一 ジ ァ ン プ で増幅 し、 こ れ ら 別 の チ ャ ー ジ ア ン プ の 出 力 を引 き 算 し た信号を整流、 平滑後、 判定回路に供給す る 構成に し た角 速度セ ン サ 。

1 3 . 駆動部 と 角 速度を検知す る 検知部 と を有す る セ ン サ素子 と 、 前記セ ン サ素子の駆動部に駆動信号を供給す る ド ラ イ パ回路 と 前記セ ン サ素子か ら の モ ニ タ 信号が加え ら れ る モ5 ニ タ 回路 と を含み、 前記モ ニ タ 回路の 出力を A G C 回路を 介 し て前記 ド ラ イ パ回路に加え る し と に よ り 前記セ ン サ 素 子の駆動部を安定に駆動 し振動 させ る駆動手段 と 、 前記セ ン サ 素子の検知部か ら の出力が加え ら れる チ ャ ー ジ ア ン プ と こ の チ ャ ー ジ ァ ン プ の 出力が ン パ ス フ ィ ル タ を介 し て加え ら れる 同期検波器 と を含み 、 前記パ ン ドパ ス フ ィ メレ 夕 の出力を前記駆動手段か .ら の駆動信号に同期 し て検波 し 角速度信号を出力す る検出手段 と 、 刖記駆動手段の駆動信 号に同期 し た信号を前記検出手段を構成す る 同期検波器よ り 前段に加え る こ と に よ り 前記セ ン サ素子の異常を検出 し 自 己診断信号を出力す る 自 己診断手段 と を備え た角速度セ ン サ

14 . 請求の範囲第 1 3 項に おいて、 自 己診断の た めの駆動信号 に同期 し た信号は前記検出手段を構成す る チ ヤ 一 ジ ァ ン ブ の入力端子に加え る よ う に構成 し た角速度セ ン サ

15 . 請求の範囲第 1 3 項において、 自 己診断のた め の駆動信号 に同期 し た信号は前記検出手段を構成す る ン ド パ ス フ ィ ノレ 夕 の入力端子に加え る よ う に構成 し た角速度セ ン サ

16 請求の範囲第 1 4 項に おいて、 自 己診断のた めの駆動信号 に同期 し た信号は前記検出手段を構成す る 同期検波器の入 力端子に加え る よ う に'構成 し た角速度セ ン サ 。

1 7 請求の範囲第 1 3 項に おいて、 自 己診断のた め の駆動信号 に同期 し た信号は前記セ ン サ 素子か ら の モ ニ タ 信号で あ る 角速度セ ン サ 。

1 8 請求の範囲第 1 3 項に おいて、 自 己診断手段は、 駆動信号 に同期 し た信号を減衰す る減衰器 と 、 こ の減衰器か ら の信 • 号を前記検出手段を構成する同期検波器よ り前段の回路部位に注 入す る 注入器を含む角速度セ ン サ 。

19 . 請求の範囲第 1 8 項において、 前記減衰器は減衰量を可変 で き る よ う に構成 し た角速度セ ン サ 。

20 . 請求の範囲第 1 8 項において、 前記注入器は駆動信号に同 期 し た信号の位相 を可変 し て出力す る よ う に構成 し た角速 度セ ン サ 。

2 1 . 駆動部 と 角 速度を検知す る 検知部 と を有す る セ ン サ素子 と 、 前記セ ン サ素子の駆動部に駆動信号を供給す る ド ラ イ パ回路 と 前記セ ン サ素子か ら の モ ニ タ 信号が加え ら れ る モ ニ タ 回路 と を含み、 前記モ ニ タ 回路の出力を A G C 回路を 介 し て前記 ド ラ イ バ回路に加え る こ と に よ り 前記セ ン サ素 子の駆動部を安定に駆動 し振動 させ る駆動手段 と 、 前記セ ン サ素子の検知部か ら の 出力が加え ら れる チ ャ ー ジ ァ ン プ と こ の チ ャ ー ジ ア ン プ の 出力が * ン ⁰ ス フ ィ ル タ を介 し て加え ら れる 同期検波器 と を含み、 前記バ ン ド パ ス フ ィ ル 夕 の出力 を前記駆動手段か ら の駆動信号に同期 し て検波 し 角速度信号を出力す る検出手段 と 、 前記駆動手段の駆動信 号に同期 し た信号を前記検出手段を構成す る 同期検波器よ0 り 前段に加え る こ と に よ り 前記セ ン サ素子の異常を検出 し 自 己診断信号を出力す る 自 己診断手段 と 、 前記自 己診断手 段を動作 · 非動作伏態 と す る よ う に切替え る切替手段 と を 備え た角速度セ ン サ 。

22 . 請求の範囲第 2 1 項に おいて、 前記自 己診断手段は駆動信5 号に同期 し た信号を減衰す る 減衰器 と 、 こ の減衰器か ら の • 信号を前記検出手段を構成す る 同期検波器よ り 前段の回路 部位に注入器 と を含み、 前記切替手段は前記 自 己診断手段 を構成す る減衰器 と 注入器の間に設け た開閉器であ る 角速 度セ ン サ 。

23 . 請求の範囲第 2 1 項に おいて、 前記切替手段は、 外部か ら の操作に応動 し て前記同期検波器よ り 前段の回路部位に注 入す る駆動信号に同期 し た信号を断続す る 開閉器で あ る角 速度セ ン サ 。

2 4 . 駆動部 と 角 速度を検知す る 検知部 と を有す る セ ン サ素子 と 、 前記セ ン サ素子の駆動部に駆動信号を供給す る ド ラ イ パ回路 と 前記セ ン サ素子か ら の モ ニ タ 信号が加え ら れる モ ニ タ 回路 と を含み、 前記モ ニ タ 回路の 出力を A G C 回路を 介 し て前記 ド ラ イ バ回路に加え る こ と に よ り 前記セ ンサ素 子の駆動部を安定に駆動 し振動 させ る駆動手段 と 、 前記セ ン サ素子の検知部か ら の出力が加え ら れる チ ャ ー ジ ア ン プ と こ の チ ャ ー ジ ア ン プ の 出力が * ン 、。 ス フ ィ ル タ を介 し て加え ら れ る 同期検波器 と を含み、 前記パ ン ドパ ス フ ィ ル 夕 の出力を前記駆動手段か ら の駆動信号に同期 し て検波 し 角速度信号を出力す る検出手段 と 、 前記駆動手段の駆動信 号に同期 し た信号を前記検出手段を構成す る 同期検波器よ り 前段に加え る こ と に よ り 前記セ ン サ素子の異常を検出 し 自 己診断信号を出力す る 自 己診断手段 と 、 前記自 己診断手 段を動作 · 非動作状態 と す る よ う に切替え る切替手段 と 、 前記自 己診断の非動作中 に前記検出手段の信号 レ ベ ルを検5 出 し上記セ ン サ素子の異常を常時判定す る判定手段 と を備 え た角速度セ ン サ 。

請求の範囲第 2 4 項に おいて、 前記判定手段 と し て の判定 器の s冊 理出力 に対 し て前記切替手段 と し ての開閉器の開閉 論理値を逆に な る よ う に前記開閉器の駆動信号に入力端子 と 前記判定器の出力端子 と を電気的に結合 し、 前記判定器 の論理出力 に よ り 前記切替手段が誤動作 し な い よ う に構成 し た角 31度セ ン サ 。

請求の範囲第 2 4 項に おいて、 前記判定手段 と し て の判定 器の論理出力 に対 して前記切替手段 と し ての開閉器の開閉 論理値が等 し く な る よ う に前記開閉器の駆動信号の入力端 子 と 前記判定器の出力端子を電気的に結合 し、 前記判定器 の論理出力 に よ り 前記切替手段を強制的に作動 させて 自 己 診断モ ー ド に移行す る よ う に構成 し た角速度セ ン サ 。