(57)【要約】【課題】振動子の振動状態に応じた信号から、振動子の振動周波数を精度良く検出し、もって角速度センサの異常に関する検出精度を向上すること。【解決手段】角速度センサは、振動子１と、振動子１を励振するための駆動信号が印加される駆動用圧電体１３，１４と、振動子１の振動に応じたモニタ信号を検出するためのモニタ用圧電体１５，１６と、モニタ信号に基づいて、振動子１の振動振幅が一定となるように調整された駆動信号を出力する信号処理回路１００とを備える。この信号処理回路１００は、モニタ信号又は駆動信号を分周して分周信号を出力する分周回路１２１を含み、分周信号の周波数が、所定の周波数範囲に属するか否かに基づいて、振動子の異常を検出する異常検出回路１２１を備える。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子と、
前記振動子が励振されたときに、当該振動子の振動に応じたモニタ信号を出力するモニタ信号出力手段と
前記振動子を励振させるための駆動信号を出力するものであって、前記モニタ信号に基づいて、前記振動子の振動振幅が一定となるように調整された駆動信号を出力する駆動信号出力回路とを有する角速度センサにおける異常検出装置であって、
前記モニタ信号又は駆動信号を分周して分周信号を出力する分周手段と、
前記分周信号の周波数が、所定の周波数範囲に属するか否かに基づいて、前記振動子の異常を判定する判定手段とを備えることを特徴とする角速度センサの異常検出装置。
【請求項２】
前記分周回路は、前記分周信号の周波数が１ｋＨｚ以下の周波数となるように、前記モニタ信号又は駆動信号を分周することを特徴とする請求項１に記載の角速度センサの異常検出装置。
【請求項３】
前記異常検出手段は、前記分周信号を電圧信号に変換する変換手段と、当該変換手段によって変換された電圧信号と、前記周波数範囲の上限及び下限に相当する上限電圧値及び下限電圧値とを比較する比較手段とを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の角速度センサの異常検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度センサの異常検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
角速度センサの異常を検出可能な従来装置が、例えば特許文献１に開示されている。この従来装置は、角速度センサの振動子からのフィードバック信号（振動モニタ信号）の波形が正常及び異常のいずれの状態にあるかを判断するための波形判断手段を備えている。
【０００３】
具体的には、振動子のフィードバック信号の振幅を検出して、この振幅が予め規定した振幅となっているか否かによって波形の正常・異常を判断している。ただし、その振幅に代えて、フィードバック信号の位相や周波数を検出しても良い旨が記載されている。
【特許文献１】特開２００２−１８８９２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
角速度センサの駆動回路においては、通常、振動子を固有の共振周波数で励振するために、フィードバックループが形成される。すなわち、駆動回路は、ＡＧＣ回路を備え、このＡＧＣ回路は、フィードバック信号の振幅に応じて、駆動信号の大きさを制御する。これにより、振動子の振動振幅は一定となり、その結果、振動子の振動周波数は、上述した共振周波数に一致することになる。
【０００５】
ただし、例えば振動子に異物が付着していたり、振動子の一部が破損して振動子の形状が変化した場合には、上述したように振動子の振動振幅が一定となるように振動子を励振すると、振動子の振動周波数は、上述した共振周波数からずれる。従って、振動子の振動周波数の共振周波数からのずれ監視することで、振動子への異物付着や形状変化等の異常を検出することができる。
【０００６】
ここで、振動子の振動周波数は、外乱振動等の影響を受けないように、例えば２ｋＨｚ以上の高周波に設定されることが多い。しかしながら、例えば内部に発振回路を備える電子部品は、このような高周波帯域に属する高周波ノイズを発生する場合がある。このような高周波ノイズが、振動周波数の監視回路に作用すると、振動子からのフィードバック信号に基づいて、振動子の振動周波数を精度良く検出することが困難になる。
【０００７】
本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、振動子の振動状態に応じた信号から、振動子の振動周波数を精度良く検出し、もって角速度センサの異常に関する検出精度を向上した角速度センサの異常検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するために、請求項１に記載の角速度センサの異常検出装置は、
振動子と、
振動子が励振されたときに、当該振動子の振動に応じたモニタ信号を出力するモニタ信号出力手段と
振動子を励振させるための駆動信号を出力するものであって、モニタ信号に基づいて、振動子の振動振幅が一定となるように調整された駆動信号を出力する駆動信号出力回路とを有する角速度センサにおける異常検出装置であって、
モニタ信号又は駆動信号を分周して分周信号を出力する分周手段と、
分周信号の周波数が、所定の周波数範囲に属するか否かに基づいて、振動子の異常を判定する判定手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
上述したように、請求項１に記載の角速度センサの異常検出装置は、分周回路を備えているので、モニタ信号又は駆動信号を、それよりも周波数が低下された分周信号に変換することができる。この分周信号の周波数帯は、電子回路が発生する高周波ノイズの周波数帯よりも低い。このため、分周信号から、高周波ノイズの影響によらず、振動子の振動周波数を精度良く検出することができ、振動子への異物付着や形状変化による振動周波数の微小変化の検出も可能になる。
【００１０】
請求項２に記載するように、分周回路は、分周信号の周波数が１ｋＨｚ以下の周波数となるように、モニタ信号又は駆動信号を分周することが好ましい。高周波ノイズの多くは、２ｋＨｚ以上の周波数帯に属するため、それらと確実に分離するためには、分周信号の周波数を１ｋＨｚ以下とすることが好ましい。
【００１１】
請求項３に記載したように、異常検出手段は、分周信号を電圧信号に変換する変換手段と、当該変換手段によって変換された電圧信号と、所定の周波数範囲の上限及び下限に相当する上限電圧値及び下限電圧値とを比較する比較手段とを有することが好ましい。このような構成により、振動子の振動周波数が、共振周波数を基準とする所定の周波数範囲に属しているか否かを確実に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係わる角速度センサの異常検出装置について説明する。まず、図１及び図２に基づいて、角速度センサの振動子１の構造について説明する。図1は、振動子１の斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。
【００１３】
図１に示すように、振動子１は、振動子基部１０から２本の振動片１１、１２が同方向に突出した音叉型振動子である。この振動子１は、例えばセラミックのような非圧電材料から構成され、その振動片１１，１２上にＰＺＴなどの圧電体が貼り付けられている。
【００１４】
圧電体は、振動片１１の外側側面及び振動片１２の内側側面に貼り付けられた駆動用圧電体１３，１４を含む。この駆動用圧電体１３，１４には逆位相の交流電圧が印加される。すると、駆動用圧電体１３，１４が逆圧電効果により伸長または収縮するように歪んで、振動片１１、１２は、Ｘ方向に沿って、互いに接近／離間するように対照的な振動を繰り返す。
【００１５】
例えば、駆動用電極Ｄ＋を介して駆動用圧電体１３にある位相の電圧を印加し、駆動用電極Ｄ−を介して駆動用圧電体１４にその電圧とは逆位相の電圧を印加したとき、駆動用圧電体１３は収縮し、駆動用圧電体１４は伸張したとする。この場合、駆動用圧電体１３の収縮及び駆動用圧電体１４の伸張によって、振動片１１，１２はともには外側に屈曲する。逆に、駆動用圧電体１３が伸張し、駆動用圧電体１４が収縮したときには、振動片１１，１２はともに内側に屈曲する。このような電圧印加を交流電圧を用いて周期的に行うことで、振動片１１，１２の形状や材質で決まる固有の共振周波数で、振動片１１，１２をＸ方向に逆位相で振動させることができる。
【００１６】
さらに、圧電体は、モニタ用圧電体１５，１６及び検出用圧電体１７，１８を含む。モニタ用圧電体１５，１６は、駆動用圧電体１３，１４にそれぞれ対向して、振動片１１，１２の内側側面及び外側側面に貼り付けられている。そして、振動片１１，１２が、駆動用圧電体１３，１４への交流電圧の印加によって励振されると、モニタ用圧電体１５，１６は、その振動によって歪んで、正圧電効果によって、その歪に応じた電荷を発生する。従って、モニタ用圧電体１５，１６によって振動片１１，１２の励振状態を検出することができる。
【００１７】
また、検出用圧電体１７，１８は、駆動用圧電体１３，１４及びモニタ用圧電体１５，１６が貼り付けられた外側側面及び内側側面と直交する側面（正面）に貼り付けられている。振動片１１，１２の励振時にＹ軸回りに角速度が発生すると、その角速度に応じたコリオリ力によって振動片１１，１２がＺ軸方向に沿って振動する。検出用圧電体１７，１８は、そのＺ軸方向における振動の大きさに応じた電荷を発生する。
【００１８】
ここで、図３を用いて、角速度の検出原理を簡単に説明する。振動子１の振動片１１，１２が、図３に示すようにＸ方向に逆位相で振動され、この状態で振動子１がＹ軸を中心に角速度Ωで回転すると、振動片１１，１２には、Ｆ＝２ｍＶ×Ωで表されるコリオリ力ＦがＺ方向に作用する。なおｍは振動片の質量、Ｖは振動速度である。
【００１９】
このコリオリ力Ｆの作用によって、振動片１１，１２はＸ方向の振動に対し９０°位相がずれて、Ｚ方向に互いに逆位相で振動する。従って、Ｚ軸方向における振動の大きさに応じた電荷を発生する検出用圧電体１７，１８によって、Ｙ軸回りに作用する角速度を検出することができる。
【００２０】
次に、上述した角速度センサの振動子１を駆動するための駆動信号（交流電圧信号）を生成したり、検出用圧電体１７，１８が発生する電荷に基づいて、作用している角速度に応じた角速度信号を出力するための信号処理回路１００について、図４に基づいて説明する。
【００２１】
図４は、信号処理回路１００の回路構成を示すブロック図である。図４において、チャージアンプ１０１〜１０４は、それぞれ、モニタ用圧電体１５，１６及び検出用圧電体１７，１８に発生した電荷を、モニタ用電極Ｍ＋，Ｍ−及び検出用電極Ｓ＋，Ｓ−を介して入力し、その電荷量を反転増幅して電圧値に変換する回路である。
【００２２】
差動増幅回路１０５は、チャージアンプ１０１，１０２の出力電圧差を増幅して出力する回路であり、その出力電圧は振動片１１，１２のＸ方向の振動振幅を表す。すなわち、モニタ用圧電体１５，１６は、それぞれ逆位相で振動する振動片１１，１２の内側側面及び外側側面に貼り付けられているので、チャージアンプ１０１，１０２から出力される電圧値も逆位相となる。このため、チャージアンプ１０１，１０２の出力電圧差を増幅すれば、その増幅出力電圧は、振動片１１，１２のＸ方向の振動振幅に対応したものとなる。
【００２３】
位相変調回路１０６は、差動増幅回路１０５の出力電圧を約９０°だけ位相をずらすように位相変調を行って位相変調モニタ信号を生成する。駆動用圧電体１３，１４に駆動信号を印加して、振動片１１，１２を振動させたとき、その駆動信号の位相と、モニタ用圧電体１５，１６が発生する電荷に基づいて生成される電圧信号（モニタ信号）の位相とが約９０°ずれる。このため、そのモニタ信号と駆動信号との位相を一致するために、位相変調回路１０６が設けられている。この位相変調回路１０６から出力される位相変調モニタ信号は、整流回路１０７とゲインコントロール回路１１０に与えられる。
【００２４】
整流回路１０７は、位相変調モニタ信号を整流して、振動振幅の大きさを示す振動振幅信号を出力する。差動増幅器１０９は、この振動振幅信号と、駆動基準値出力回路１０８が出力する目標振動振幅の大きさを示す駆動基準値とを入力し、両信号の電圧差を出力する。なお、この整流回路１０７には、位相変調前のモニタ信号を入力するように構成しても良い。
【００２５】
ゲインコントロール回路１１０は、位相変調回路１０６から入力される位相変調モニタ信号に同期した駆動信号（交流電圧信号）を発生する。その際、振動片１１，１２の振動振幅の大きさが目標振動振幅の大きさと一致するように、差動増幅器１０９からの出力電圧差に基づいて、駆動信号を出力する際のゲイン調整を行う。
【００２６】
このゲインコントロール回路１１０からの駆動信号が駆動用電極Ｄ＋，Ｄ−に出力されることによって、振動子１は、その振動振幅の大きさが一定となるように励振される。なお、位相反転回路１１１は、駆動用電極Ｄ−に、駆動用電極Ｄ＋とは逆位相の駆動信号を印加するために、駆動信号の位相を反転させるものである。
【００２７】
一方、差動増幅回路１１２は、チャージアンプ１０３，１０４の出力電圧差を増幅して出力する回路であり、その出力電圧信号は振動片１１，１２のＺ方向の振動に応じたものとなる。上述したように、振動子１にＹ軸回りの回転が加わると、Ｘ方向に振動している振動片１１，１２に対しＺ方向にコリオリ力が作用し、駆動信号と９０°位相のずれた振動が発生する。このとき、振動片１１，１２はＺ方向に逆位相で振動するため、チャージアンプ１０３，１０４の出力電圧の差をとることで角速度に応じた出力電圧が得られる。
【００２８】
ただし、差動増幅回路１１２の出力は、角速度の発生に起因するコリオリ力によって生じた振動に同期するものである。このため、同期検波回路１１３は、位相変調回路１０６から出力される駆動信号に同期した位相変調モニタ信号を用いて同期検波し、駆動信号による振動周波数相当の周波数成分を差動増幅回路１１２の出力から抽出して整流する。さらに、平滑回路１１４において、同期検波回路１１３の出力を平滑化する。これにより、Ｙ軸周りの角速度に応じた角速度検出信号が、出力端子１１５から出力することができる。
【００２９】
次に、本実施形態の特徴部分に係わる、振動片１１，１２への異物の付着や、破損等によって振動片１１，１２の形状が変化する等の異常が生じたときに、振動片１１，１２の振動周波数の変化に基づいて、その異常を検出するための異常検出回路について説明する。
【００３０】
まず、振動片１１，１２への異物付着や振動片１１，１２の形状変化による、振動周波数の変化について説明する。振動片１１，１２の運動モデルは図５に示すように簡易化することができ、このとき、振動片１１，１２の固有の共振周波数ｆｎは以下の数式１によって表すことができる。
（数１）  ｆｎ＝１／２π×（ｋ／ｍ）１／２ 
ただし、ｍは振動片の質量、ｋは振動片のバネ定数である。
【００３１】
振動片１１，１２に異常が生じていない場合、は、振動振幅を目標振動振幅に一致させるように振動片１１，１２を駆動することで、振動片１１，１２は、図６（ａ）に示すように一定周波数ｆｎで励振される。しかしながら、振動片１１，１２に異物が付着したり、振動片１１，１２の一部が破損して振動片１１，１２の形状が変化した場合には、振動片１１，１２の振動振幅が一定となるように振動片１１，１２を励振すると、振動片１１，１２の振動周波数は、上述した共振周波数からずれる。
【００３２】
例えば、振動片１１，１２に異物が付着した場合、振動片１１，１２の質量がｍからｍ＋Δｍに変化するため、図６（ｂ）の異常時１に示すように振動周波数の低下が生じる。また、例えば振動片１１，１２の根元にひびが入るように、あるいは振動片先端の一部が欠けるように振動片１１，１２が破損して、振動片１１，１２の形状が変化した場合、振動片１１，１２の長さが変化する。その結果、ばね定数がｋからｋ±Δｋに変化するので、図６（ｂ）の異常時１または図６（ｃ）の異常時２に示す周波数変動が生じる。
【００３３】
このような振動片１１，１２の異常が生じた場合、目標とする励振状態が得られないばかりでなく、角速度が入力されていないにも関わらず、擬似的な角速度検出信号が出力される場合もあり、検出精度の劣化に繋がる。そこで、第１実施形態では、角速度センサの信号処理回路１００に、振動片１１，１２の振動周波数を常時監視し、振動異常時にはダイアグ信号を出力する異常検出回路１２０を追加した。つまり、振動片１１，１２への異物付着や形状変化等の異常が生じた場合、振動片１１，１２の振動周波数が共振周波数からずれるので、異常検出回路１２０は、振動周波数の共振周波数のずれを振動異常として検出し、ダイアグ信号を出力する。
【００３４】
この異常検出回路１２０の回路構成及びその動作について、図４を用いて説明する。図４に示すように、異常検出回路１２０は、差動増幅器１０５から出力される、振動片１１，１２のＸ方向の振動振幅を表す信号（モニタ信号）を分周して分周モニタ信号を出力する分周回路１２１を備える。すなわち、分周回路１２１は、振動片１１，１２の振動振幅を表すモニタ信号を、それよりも周波数を低下した分周モニタ信号に変換する。
【００３５】
ここで、振動片１１，１２の振動周波数は、外乱振動等の影響を受けないように、例えば２ｋＨｚ以上の高周波に設定される。しかしながら、例えば内部に発振回路を備える電子部品は、このような高周波帯域に属する高周波ノイズを発生する場合がある。このような高周波ノイズが、異常検出回路１２０に作用して、モニタ信号に混入等すると、モニタ信号に基づいて、振動片１１，１２の振動周波数を精度良く検出することが困難になる。
【００３６】
そのような問題に対して、上述した分周回路１２１を設けることにより、分周モニタ信号の周波数帯を、電子回路が発生する高周波ノイズの周波数帯からずらすことができる。このため、高周波ノイズの影響によらず、分周モニタ信号から、振動子の振動周波数を精度良く検出することができ、振動片１１，１２への異物付着や形状変化による振動周波数の微小変化の検出も可能になる。
【００３７】
なお、分周回路１２１は、分周モニタ信号の周波数が１ｋＨｚ以下の周波数となるように、モニタ信号を分周することが好ましい。高周波ノイズの多くは、２ｋＨｚ以上の周波数帯に属するため、それらと確実に分離するためである。
【００３８】
分周回路１２１によって周波数が低下された分周モニタ信号は、その周波数を電圧信号に変換する周波数カウンタ１２２に入力される。周波数カウンタ１２２の出力する電圧信号は、比較器１２５に入力される。この比較器１２５には、さらに、上限値出力回路１２３及び下限値出力回路１２４から、分周モニタ信号から変換された電圧信号に対して、共振周波数を基準とする所定の周波数範囲の上限及び下限に相当する上限電圧値及び下限電圧値とが入力される。比較器１２５は、分周モニタ信号から変換された電圧信号が、上限電圧値及び下限電圧値によって規定される範囲から外れた場合に、出力端子１２６を介して、ダイアグ信号を出力する。
【００３９】
このように、本実施形態では、分周回路１２１を備える異常検出回路１２０を設けたので、振動子１の異常に基づく、振動周波数の微小変化をも精度良く検出し、その旨をダイアグ信号によって報知することができる。
【００４０】
なお、上述した第１実施形態では、分周回路１２１は、差動増幅回路１０５が出力するモニタ信号を分周するものであったが、ゲインコントロール回路１１０から出力される駆動信号を分周するように構成しても良い。
【００４１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係わる角速度センサの異常検出装置について説明する。図７及び図８は、本発明の第２の実施形態に係わる角速度センサの振動子２の構成を示すものであり、図７は、振動子２の斜視図であり、図８は、図７のＢ−Ｂ断面図である。
【００４２】
振動子２は、第１実施形態と同様に、振動子基部２０から２本の振動片２１，２２が突出した音叉型振動子である。第１実施形態との違いは、振動子２の材質である。この振動子２は、例えば水晶のような圧電材料からなり、振動子２の振動片２１，２２自体が、逆圧電効果や正圧電効果を発揮する。
【００４３】
そのため、振動片２１，２２には、電圧を印加するための駆動電極や、振動片２１，２２が歪んだ際に、振動片２１，２２に発生する誘導分極を検出するモニタ電極及び検出電極が貼り付けられている。従って、駆動電極用端子Ｄ＋、Ｄ−を介して駆動電極に交流電圧信号からなる駆動信号を印加することにより、振動片２１，２２自身が逆圧電効果により歪んで、振動片２１，２２はＸ方向に沿って逆位相で振動する。そして、この振動による振動片２１、２２の歪みに応じた電荷は、モニタ電極によって検出され、モニタ電極用端子Ｍ１＋，Ｍ１−，Ｍ２＋，Ｍ２−を介して信号処理回路に入力される。さらに、Ｙ軸回りに角速度が発生すると、その角速度に応じたコリオリ力によって振動片２１，２２がＺ軸方向に沿って逆向きに振動する。その振動による振動片２１，２２の歪みに応じた電荷は検出電極によって検出され、検出電極用端子Ｓ１＋，Ｓ１−，Ｓ２＋，Ｓ２−を介して信号処理回路に入力される。
【００４４】
なお、図９に、第２実施形態における信号処理回路の構成を示すが、その回路構成及び動作は、前述した第１実施形態の信号処理回路１００とほぼ同様であるため、説明を省略する。
【００４５】
上述したように、振動子２自体を圧電材料によって構成した場合であっても、分周回路を用いて振動子２の振動異常を監視することにより、振動子１の異常に基づく、振動周波数の微小変化をも精度良く検出し、その旨をダイアグ信号によって報知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】第１実施形態に係わる角速度センサの振動子の構成を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】角速度の検出原理を説明するための説明図である。
【図４】第１実施形態における信号処理回路の回路構成を示すブロック図である。
【図５】振動片の運動モデルを示すモデル図である。
【図６】振動片の振動状態を示すものであり、（ａ）は正常時の振動周波数を示し、（ｂ）は振動周波数が低下した状態を示し、（ｃ）は振動周波数が上昇した状態を示す。
【図７】第２実施形態に係わる角速度センサの振動子の構成を示す斜視図である。
【図８】図７のＢ−Ｂ断面図である。
【図９】第２実施形態における信号処理回路の回路構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  振動子
１１，１２  振動片
１３，１４  駆動用圧電体
１５，１６  モニタ用圧電体
１７，１８  検出用圧電体
１００  信号処理回路
１２０  異常検出回路
１２１  分周回路
１２２  周波数カウンタ
１２３  上限値出力回路
１２４  下限値出力回路
１２５  比較器
【図１】
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【図２】
2006250643.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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