WO2001013066A1 - Anglular velocity sensor - Google Patents

Description

明 細 書 角速度センサ 技術分野

本発明は車両のブレーキ制御やロールエアバックシステムに用いられる角 速度センサに関するものである。 背景技術

従来の角速度センサとして電装技術会会報 （V o し 3 8 , N o . 3、 1 9 9 4年）第 2 6ページから 3 3ページに発表されたものが知られている。 この角速度センサは音叉振動体に振動を与える励振部と、 振動体の振動レべ ルを検出する手段と、 角速度に応じて生ずるコリオリカを検出する検出手段 と、 前記振動レベルを検出する手段の出力信号を増幅する第 1の増幅器と前 記第 1の増幅器からの出力電圧の位相を 9 0度シフトした電圧を前記比較部 からの出力電圧によって増幅する増幅度が変化し音叉振動体の振幅を一定に 制御するように前記励振部に接続した可変利得増幅器より構成している。 上記従来技術では検出電極と検出回路との接続ラインの断線、 もしくは検 出電極の劣化による感度の変化、 検出回路の故障が生じたとしてもこれを検 出することが困難でありセンサの信頼性を確保する妨げとなっていた。 発明の開示

本発明は上記従来の問題点を解決するもので角速度センサの故障、 劣化に 対してもこれを検出できる機能を有する角速度センサを提供することを目的 とする。 上記課題を解決するために本発明は、 振動体にドライブ振動を与える第 1 励振部と、 振動体の振動レベルを検出する振動検出部と、 入力角速度に応じ て生ずるコリオリ振動を検出する少なくとも 2つのコリオリ検出部とを有す る圧電体で構成された素子部と、 前記振動検出部からの信号を入力とし前記 第 1励振部への信号を出力する駆動回路と、 前記コリオリ検出部からの信号 を入力とする検出回路を有する回路部によって構成され、 前記回路部は少な くともコリオリ検出部に生ずる電荷の異常レベルを判定するレベル判定回路 を有し、 異常を検出した場合に出力する出力手段を有した角速度センサにお いて、 前記各々のコリオリ検出部には単純では前記レベル判定回路の基準レ ベル以上のドライブ振動成分を含み、 かつ合成後は基準レベル以下になるよ うに前記素子部の電極配置を調整した構成であるため、 コリオリ検出部から 検出回路への入力線が 1本断線した際にレベル判定回路によりこの異常を検 出することが可能となる。 図面の簡単な説明

第 1図 （a ) は本発明の実施例 1における角速度センサの構成図、 第 1図 ( b ) は同回路部の回路図、 第 2図 （a ) は本発明の実施例 1における角速 度センサの信号波形を説明する図、 第 2図 （b ) は本発明の実施例 1におけ る角速度センサの信号波形を説明する図、 第 3図 （a ) は本発明の実施例 2 における角速度センサの構成図、第 3図（b )は回路部の回路図、第 4図（a ) は本発明の実施例 2における角速度センサの信号波形を説明する図、 第 4図

( b ) は本発明の実施例 2における角速度センサの信号波形を説明する図、 第 5図（a )は本発明の実施例 3における角速度センサの構成図、第 5図（b ) は同回路の回路図である。 発明を実施するための最良の形態

実施例 1

第 1図は本発明の実施例 1における角速度センサを示す図である。

第 1図 （a) において 1は圧電体によって構成され厚み方向に積層された バイモルフ音叉型角速度センサの振動体で、 7 a， 7 bはそれぞれの層の分 極軸方向を示したもので、 2 a， 2 bは振動体 1に駆動振動を誘発させるた めの第 1励振部、 3は振動体 1の振動レベルを検出するために振動体 1に設 けられた電極からなる振動検出部、 5は振動検出部 3に対向する面に配置さ れ、 かつ振動検出部 3の電極よりもその幅が小さくなるように形成されたフ エール信号発生部、 4 a, 4 bは角速度センサに応じて生ずるコリオリカを 検出するために振動体 1に設けられた電極からなるコリオリ検出部を示す。 一方第 1図 （b) は回路部 8を示し、 9は駆動回路、 1 0はコリオリ検出 部 4 a, 4 bの電極に生ずる電荷を入力とし角速度の大きさに応じた電圧に 変換する検出回路、 1 1はコリオリ検出部 4 a, 4 bに過大な電荷が発生す ることによる検出回路 10の動作の不具合を検出するためにレベル判定回路 を設けたフェール検出部である。

駆動回路 9は振動体 1の振動検出部 （M端子） 3に接続され、 振動検出部 3が検出した振動体 1の振動に起因する電荷を増幅するモニタアンプ 9 aと， その出力を全波整流する整流回路 9 bと、 振動体 1の振幅を一定にコント口 ールするためのオート ·ゲイン ·コントロール （AGC) 9 cと、 振動体 1 の第 1励振部 2 a (D+端子）、 2 b (D—端子） に接続され振動体 1を駆 動する駆動アンプ 9 d， 9 eより構成され、 振動体 1をその共振周波数で振 動させる。

この時、 第 1励振部 2 a， 2 bには駆動アンプ 9 d， 9 eより逆相の交流 信号が印加されている。 この第 1励振部 2 aの電極に印加された駆動電流は 中継電極 12 a， 1 2 bを経て第 1励振部 2 bの電極に流れ、 この電流の X 軸方向成分により駆動振動を引き起こす応力が発生する。 ここで振動体 1は 圧電体により構成されているため、中継電極 12 a， 12 bは第 1励振部 2 a, 2 bの電極とで形成される容量成分で自動的に第 1励振部 2 a， 2 bの両電 極間の中点電位にバイアスされる。

検出回路 1 0は、 コリオリ検出部 4 a (S I端子）、 4 b (S 2端子） に 接続され、 振動体 1に回転角速度が加わりコリオリカに基づきコリオリ検出 部 4 a, 4 bに発生した電荷を増幅するセンサアンプ 10 a， 10 bとそれ を差動合成する差動合成部 10 cと、 90° の位相シフトを行う位相シフ夕 10 dと、 振動体 1の振動により変調されたコリオリ振動による信号を復調 する同期検波器 1 0 eと、 不要帯域を遮断すると共に DC増幅を行うローバ スフィル夕 10 f より構成され、 角速度信号を出力する。

フェール検出部 1 1は、 位相シフ夕 10 dの出力を入力とし、 それを全波 整流する整流回路 1 1 aと、 そのレベルを判定するレベル判定回路 1 l bか ら構成され、 センサの異常時には D I AG信号を外部のコンピュータ等へ出 力する。

ここで第 1図 （a) は振動体 1の断面図で、 駆動振動状態のある瞬間を示 しており、 その駆動振動に起因する電荷が 6 a， 6 bである。

通常バイモルフ音又構造振動型角速度センサでは電荷 6 a, 6 bは等しく なるため、 コリオリ検出部 4 a， 4 bの電極には振動検出部 3より電荷 6 a が流れ込み、 回路部 8の G N D端子に接続されたフェール信号発生部 5に電 荷 6 bが吐出されることにより駆動振動成分は相殺され、 コリオリ振動成分 のみが出力される。

しかしながら本発明のフェール信号発生部 5の電極幅 （L 2) を振動検出 部 3の電極幅 （L 1) よりも小さくなるように形成することにより、 あえて 駆動振動成分をアンバランスさせコリォリ検出部 4 a， 4 bに駆動振動成分 を出力させている。

このアンバランスで発生する駆動振動成分はコリオリ検出部 4 a， 4 bで 同相信号となるため、 検出回路 1 0の差動合成部 10 cによりキャンセルさ れる。

第 2図はこの様子を説明するもので、 第 2図 （a) は通常動作時の回路部 8の各波形を表したもので、 ①， ②はコリオリ検出部 4 a， 4 bに現れた駆 動振動に基づく電荷を電圧変換したもので、 第 1図の TP 1， TP 2の信号 を表している。

同じく第 2図 （a) の③は前記 2つの信号の差分で、 第 1図の TP 3の信 号を表したもので、 前記 2つの信号がそれぞれ同相であるため、 レベルが等 しい場合は差分の信号は 0となる。 一方第 2図 （a) の④はこれを 90° 位 相シフトすると共に増幅した信号で、 第 1図の TP 2の信号を示し、 第 2図 (a) の⑤はこれを全波整流した波形を示すもので、 第 1図の TP 5の信号 を示し、 これを平滑した信号レベルは続くレベル判定回路 1 1 bの判定基準 を下回っている。

一方第 2図 （b) はコリオリ検出部 4 b (S 2端子） の断線時を表したも ので、 ②の TP 2の信号が失われるため差動合成後の波形③ （TP 3) には ① （TP 1) の波形がそのまま現れ、 それを位相シフタで 90° シフト及び 増幅した波形が④ （TP 4)、 これを全波整流した波形が⑤ （TP 5) で、 これを平滑した信号レベルは続くレベル判定回路 1 1 bの判定基準を上回る ため、 センサは外部のコンピュータへフェール信号を出力する。

この時電極ずれ等により差動合成部 1 0 cでのキャンセルが不十分な際に は前記フェール検出部等の電極をトリミングすることにより高精度化を図る ことも可能である。 実施例 2

第 3図は本発明の実施例 2における角速度センサを示す図である。

第 3図 （a ) において 1は圧電体によって構成され厚み方向に積層された バイモルフ音又型角速度センサの振動体で、 7 a , 7 bはそれぞれの層の分 極軸方向を示したもので、 2 a， 2 bは第 1励振部、 1 2 bは疑似コリオリ 振動を誘発させるための中継電極と兼用の第 2励振部、 3は振動体 1の振動 レベルを検出するために圧電体に設けられた電極である振動検出部、 5は振 動検出部 3に対向する面に配置された接地電極、 4 a， 4 bは角速度に応じ て生ずるコリオリカを検出するために圧電体に設けられた電極であるコリオ リ検出部を示す。

次に第 3図 （b ) は回路部 8を示し、 9は駆動回路、 1 0はコリオリ検出 部 4 a , 4 bの電極に生ずる電荷を入力とし角速度の大きさに応じた電圧に 変換する検出回路、 1 3は外部トリガー 1 6により前記第 2励振部 1 2 bに 印加して疑似コリオリ振動を誘発させるための第 2駆動回路を示す。

振動体 1は駆動回路 9によってその共振周波数で振動する。 この時第 1励 振部 2 a， 2 bには駆動アンプ 9 d， 9 eより逆相の交流信号が印加されて いる。 この第 1励振部 2 aの電極に印加された駆動電流は第 2励振部 1 2 a， 1 2 bである中継電極を経て第 1励振部 2 bの電極に流れ、 この電流の X軸 方向成分により駆動振動を引き起こす応力が発生する。

このセンサに回転角速度が印加されるとコリオリの力が生じその電荷がコ リオリ検出部 4 a， 4 bの電極に生じる。 このコリオリ検出部 4 a， 4 bの 電極に生ずる電荷は逆位相となるように配置されているため検出回路 1 0の 差動合成部 1 0 cで差動合成され、 位相シフ夕 1 0 dで 9 0 ° 位相をシフト した後に同期検波器 1 0 eで検波し、 その後ローパスフィル夕 1 0 f で高域 遮断をすると共に増幅して角速度信号を出力する。 ここで第 2駆動回路 1 3は、 駆動回路 9よりの振動体 1の駆動振動に基づ く振動検出部 3からの信号をアンプ 13 aへの入力とし、 それを次段の位相 シフ夕で 90° の位相シフトを行い、 駆動振動とは 90° 位相のずれた信号 を作り出し、 外部トリガー 1 6の ONZOF Fに基づき第 2励振部の電極 12 bに印加させている。

第 3図（a)はこの疑似コリオリ振動を誘発させるために第 2励振部 12 b に信号が印加された 1瞬間を示した振動体 1の電流の流れを示す図であるが、 この信号により第 2励振部 1 2 bから流れる電流を示したのが 1 4 a， 14 bであり、 電流 14 aにより縮みの応力を、 電流 14 bにより伸びの応 力を作り出すことにより疑似コリオリ振動を作り出している。

次に第 4図はこの様子を信号波形で示した図で、 （a) はこの外部トリガ 一 1 6が OFFの通常状態を示し、 （b) は外部トリガー 1 6が ONの状態 を示している。 また第 4図 （b) における③の信号は振動検出部 3の信号を 90° 位相シフトさせたもので、 前記第 2励振部 1 2 bに入力される。 これ は駆動振動の波形である①に対しても 90° 位相がずれた信号であり、 これ によりコリオリ振動と同位相の振動を作り出すことが可能となる。

この疑似コリオリ振動により発生した電荷は 2つのコリオリ検出部 4 a, 4 bに対して逆相で現れ、 差動合成後の波形が⑥に示す通りである。 これに は駆動振動成分も含めて表わしており、 これを続く位相シフ夕、 及び同期検 波回路を経て⑧のような波形となる。

ここで （a) の外部トリガー OFF時は検波された波形の上下で面積比が 等しくなるため、 平滑後の DC波形 （出力 1 5) は 0を示すのに対し、 （b) の外部トリガー O N時は検波波形の上下で面積比に差が生じることにより出 力 1 5には DCオフセッ卜が生まれる。

このような構成の角速度センサで、 センサが使用されるシステムのコント ロールュニッ卜の指令により外部トリガーを O Nすることで振動体 1に規定 の疑似コリオリ振動を発生させることができるため、 検出回路 1 0の出力 1 5に D Cオフセットを発生させることができる。

これを監視することにより前記信号線の断線はもとより、 回路部品の故障 による感度変化等についても正常であるか否かを判定することが可能となる。 更に第 2駆動回路 1 3に振動体 1の圧電特性や流体抵抗に起因するィンピ —ダンスの温度特性を補正する手段、 例えばサーミス夕補正 1 3 d等を設け ることにより、 環境温度の如何に関わらず安定な疑似コリォリ振動を作り出 すことができ、 故障判定の精度を上げることが可能となる。

また、 更にこの第 2駆動回路 1 3に低周波の発振器と掛け算回路を加え、 位相シフ夕 1 3 bの信号を搬送波として前記発振器の信号で振幅変調をかけ た信号をスィッチ部 1 3 cを経て前記第 2励振部 1 2 bに印加する構成とす ることにより、 検出回路 1 0の出力 1 5に交流信号を発生させることが可能 となるため、 前記検出回路 1 0のローパスフィル夕 1 0 f の特性を含めた形 での診断も可能となる。

実施例 3

第 5図は本発明の実施例 3における角速度センサを示す図である。

実施例 2の中では第 2励振部 1 2 bを駆動する信号の源を振動検出部 3の 電荷に基づく信号より得ていたが、 本実施例 3ではこれを振動検出部 3と対 向する第 2振動検出部 1 7より得るもので、 その他の構成並びに動作原理も 実施例 2と同様である。 しかしながらこのような構成とすることにより振動 体 1上に設けられた各電極から G N D接続電極を完全に排除することに成功 している。

従って実施例 2に比べてもより高い信頼性を得ることが可能となる。 産業上の利用可能性

これらの構成によりコリオリ検出部からの検出回路への入力線の断線検知 が可能となり、 また外部入力により疑似コリオリカを発生させることにより 回路部を含めたトータルの故障診断が可能となり、 車両制御やエアバックシ ステム等の高度の信頼性が要求されるアプリケーションに対応した角速度セ ンサが提供できる。

Claims

請 求 の 範 囲 振動体にドライブ振動を与える第 1励振部と、 振動体の振動レベルを検 出する振動検出部と、 入力角速度に応じて生ずるコリオリ振動を検出す る少なくとも 2つのコリオリ検出部とを有する圧電体で構成された素子 部と、 前記振動検出部からの信号を入力とし前記第 1励振部への信号を 出力する駆動回路と、 前記コリオリ検出部からの信号を入力とする検出 回路を有する回路部によって構成され、 前記回路部は少なくともコリオ リ検出部に生ずる電荷の異常レベルを判定するレベル判定回路を有し、 異常を検出した場合に出力する出力手段を有した角速度センサにおいて, 前記各々のコリオリ検出部には単純では前記レベル判定回路の基準レべ ル以上のドライブ振動成分を含み、 かつ合成後は基準レベル以下になる ように前記素子部の電極配置を調整した角速度センサ。

電極をトリミングすることにより、 2つのコリオリ検出部の出力の合成 後のドライブ振動成分をほぼ 0に調整した請求の範囲第 1項に記載の角 速度センサ。

振動体にドライブ振動を与える第 1励振部と、 振動体の振動レベルを検 出する振動検出部と、 入力角速度に応じて生ずるコリオリ振動を検出す るコリオリ検出部とを有する圧電体で構成された素子部と、 前記振動検 出部からの信号を入力とし前記第 1励振部への信号を出力する駆動回路 と、 前記コリオリ検出部からの信号を入力とする検出回路を有する回路 部によって構成され、 前記振動検出部の信号を入力として 9 0 ° 位相シ フ卜した信号を出力する第 2駆動回路と、 それにより疑似コリオリ振動 を誘発させる第 2励振部と、 外部トリガーにより前記第 2駆動回路の第 2励振部への接続を断続するスィツチ部とを有する角速度センサ。

. 振動体にドライブ振動を与える第 1励振部と、 振動体の振動レベルを検 出する振動検出部と、 入力角速度に応じて生ずるコリオリ振動を検出す るコリオリ検出部とを有する圧電体で構成された素子部と、 前記振動検 出部からの信号を入力とし前記第 1励振部への信号を出力する駆動回路 と、 前記コリオリ検出部からの信号を入力とする検出回路を有する回路 部によって構成され、第 2の振動検出部と、その信号を入力として 9 0 ° 位相シフトした信号を出力する第 2駆動回路と、 それにより疑似コリォ リ振動を誘発させる第 2励振部と、 外部トリガ一により前記第 2駆動回 路の第 2励振部への接続を断続するスィツチ部とを有する角速度センサ。

5 . 低周波の発振器と、 変調器とを有し、 前記変調器は第 2駆動回路の信号 を搬送波として前記発振器の信号で振幅変調をかけた信号を出力し、 こ の信号を第 2励振部に印加した請求の範囲第 3項または第 4項に記載の 角速度センサ。

6 . 素子部が圧電体のバイモルフ構造である請求の範囲第 1項〜第 5項のい ずれか 1つに記載の角速度センサ。

7 . 第 2駆動回路は素子部のドライブインピ一ダンスの温度特性に応じた補 正を施した請求の範囲第 3項〜第 6項のいずれか 1つに記載の角速度セ ンサ。