(57)【要約】【課題】本発明は、角速度検出素子の感度変化の如く、緩やかな故障モードについても検知することが可能な角速度センサを提供することを目的とするものである。【解決手段】本発明の角速度センサは、センスドライブ信号により角速度検出素子２０を検出方向に振動させて得られる出力信号と、第１の擬似信号発生手段３６、第２の擬似信号発生手段３８からの出力信号をセンス回路３２に入力することで得られる出力信号とを比較回路４２で比較することにより、角速度検出素子２０の出力信号の感度を監視する構成としたものである。【選択図】図１
2015125100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドライブ電極、センス電極、およびセンスドライブ電極を設けた角速度検出素子と、前記角速度検出素子を駆動振動させるドライブ回路と、前記センス電極からの出力信号を処理するセンス回路と、前記センス回路に擬似信号を入力する擬似信号発生手段と、前記ドライブ回路からの出力信号の位相をシフトさせる位相調整回路と、前記センス回路と接続された比較回路とを備え、前記比較回路は、前記擬似信号発生手段からの出力信号をセンス回路に入力することにより発生する第１の出力信号と、前記位相調整回路からの出力信号を前記角速度検出素子におけるセンスドライブ電極に入力することによりセンス回路から発生する第２の出力信号とを比較する角速度センサ。
【請求項２】
前記擬似信号発生手段を一対の電流源で構成するとともに、この一対の電流源からセンス回路に注入する電荷を、互いに逆極性でかつ絶対値が略同一となるように構成した請求項１記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記センスドライブ電極を角速度検出素子の先端部表面に設けた請求項１記載の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型の角速度検出素子を用いた角速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の角速度センサは、図６および図７に示すように構成されていた。
【０００３】
図６は従来の角速度センサの回路ブロック図、図７は同角速度センサにおける駆動回路およびその故障検出回路のブロック図である。
【０００４】
図６、図７において、１はＨ型の圧電体からなる水晶製の角速度検出素子で、この角速度検出素子１は一対の駆動部２と、この一対の駆動部２の反対側に配設された一対の検知部３とにより構成されており、検知部３にセンス電極（図示せず）を設けている。
【０００５】
また、角速度検出素子１は駆動部２の一方に駆動電極４を設けるとともに、駆動部２の他方にモニタ電極５を設けている。６はドライブ回路で、このドライブ回路６は角速度検出素子１における駆動電極４およびモニタ電極５に電気的に接続されており、角速度検出素子１を一定の振幅になるように制御している。
【０００６】
７は故障診断回路で、この故障診断回路７は、ウインドウコンパレータ８と、このウインドウコンパレータ８の出力信号をモニタするＢＩＴ論理回路９とにより構成されている。１０は検出回路で、この検出回路１０は角速度検出素子１における検知部３から出力される電荷を増幅して、電圧に変換し、出力信号として入出力端子１１から外部に出力している。
【０００７】
以上のように構成された従来の角速度センサについて、次にその動作を説明する。
【０００８】
角速度検出素子１の駆動電極４に交流電圧を加えると角速度検出素子１が共振し、角速度検出素子１のモニタ電極５に、角速度検出素子１の振動振幅に応じた電荷が発生する。そして、この電荷をドライブ回路６により増幅、調整した後、駆動電極４に入力することにより、角速度検出素子１が一定の振幅で振動するように制御している。
【０００９】
また、角速度検出素子１に角速度ωが加わると、一対の検知部３に設けたセンス電極（図示せず）に電荷が発生する。そしてこのセンス電極（図示せず）に発生する電荷を検出回路１０により出力電圧に変換して、入出力端子１１より角速度の信号として相手側のコンピュータ（図示せず）等に入力し、角速度を検出するものであった。
【００１０】
ここで、従来の角速度センサにおける角速度検出素子１が破損することにより、ＡＧＣが機能しなくなる場合を考えると、従来の角速度センサにおいては、ウインドウコンパレータ８からの出力信号が、上下の閾値以上または閾値以下になるため、角速度検出素子１の破損を検知することができるものであった。
【００１１】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−１７４５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記した従来の構成においては、角速度検出素子１の破損のように致命的な故障は検知することができる反面、例えば、角速度センサの長時間の使用による、角速度検出素子の感度変化の如く、緩やかな故障モードについては検知できないという課題を有していた。
【００１４】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、角速度検出素子の感度変化の如く、緩やかな故障モードについても検知することが可能な角速度センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。
【００１６】
本発明の請求項１に記載の発明は、駆動電極とセンス電極とモニタ電極およびセンスドライブ電極とを設けた角速度検出素子と、この角速度検出素子を所定の駆動周波数で駆動振動させるドライブ回路と、前記角速度検出素子におけるセンス電極からの出力信号を処理するセンス回路と、このセンス回路に擬似信号を入力する擬似信号発生手段と、前記ドライブ回路からの出力信号の位相をセンス電極からの出力信号と略一致させるようにシフトさせる位相調整回路と、前記センス回路からの出力信号を比較する比較回路とを備え、擬似信号発生手段からの出力信号をセンス回路に入力することにより発生する第１の出力信号と、前記位相調整回路からの出力信号を前記角速度検出素子におけるセンスドライブ電極に入力することにより発生するセンス回路からの第２の出力信号とを比較回路で比較するようにしたものである。この構成によれば、長時間の使用により、角速度検出素子の特性が変化すると、センス回路から出力される第２の出力信号が変動するのに比較して、第１の出力信号は不変であるため、比較回路からの出力信号が大きくなる。その結果、角速度検出素子の感度変化の如く、緩やかな故障モードについても故障を検知することができるという作用効果を有するものである。
【００１７】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、擬似信号発生手段を一対の電流源で構成するとともに、この一対の電流源からセンス回路に注入する電荷を、互いに逆極性で、絶対値が略同一となるようにしたものである。この構成によれば、一対の電流源から注入する電荷を互いに逆極性で、絶対値が略同一とすることで、作動増幅の方式をとるセンス回路が故障した場合、第２の出力信号は約半分になるため、これにより、センス回路の故障を特定することができるという作用効果を有するものである。
【００１８】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、センスドライブ電極を角速度検出素子の先端部表面に設けたものである。この構成によれば、センスドライブ電極にセンス信号と略同相のセンスドライブ信号を入力することで、角速度が加わっていない状態においても角速度検出素子を検出方向に振動させ、センス回路を通して第２の出力信号を出力できるという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように本発明の角速度センサは、擬似信号発生手段からの出力信号をセンス回路に入力することにより発生する第１の出力信号と、前記位相調整回路からの出力信号を前記角速度検出素子におけるセンスドライブ電極に入力することにより発生するセンス回路からの第２の出力信号とを比較回路で比較するようにしたものである。この構成によれば、長時間の使用により、角速度検出素子の特性が変化すると、センス回路から出力される第２の出力信号が変動するのに比較して、第１の出力信号は不変であるため、比較回路からの出力信号が大きくなる。その結果、角速度検出素子の感度変化の如く、緩やかな故障モードについても故障を検知することが可能な角速度センサを提供することができるという効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施の形態における角速度センサの回路ブロック図
【図２】同角速度センサにおける角速度検出素子の上面図
【図３】同角速度センサにおける比較回路のブロック図
【図４】本発明の一実施の形態における角速度センサが動作する状態を示す出力波形図
【図５】同角速度センサにおけるセンスドライブ信号により動作する状態を示す出力波形図
【図６】従来の角速度センサの回路ブロック図
【図７】同角速度センサにおける駆動回路およびその故障検出回路を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施の形態における角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施の形態における角速度センサの回路ブロック図、図２は同角速度センサにおける角速度検出素子の上面図、図３は同角速度センサにおける比較回路のブロック図である。
【００２２】
図１〜図３において、２０は音叉型の圧電薄膜からなる角速度検出素子で、一対のアーム２１ａ、２１ｂを設けている。
【００２３】
角速度検出素子２０には図２に示すように一対のドライブ電極２２ａ、２２ｂを設けており、このドライブ電極２２ａと２２ｂとに互いに逆相となる交流電圧を印加することによって角速度検出素子２０を駆動振動させている。
【００２４】
また、角速度検出素子２０にはモニタ電極２３を設けており、このモニタ電極２３は角速度検出素子２０の駆動振動状態に応じたモニタ信号２４を出力している。
【００２５】
２５は第１のセンス電極で、この第１のセンス電極２５は角速度検出素子２０における一方のアーム２１ａに設けられるとともに、角速度が加わった場合に角速度の検出信号である電荷からなる第１のセンス信号２６を出力する。
【００２６】
２７は第２のセンス電極で、この第２のセンス電極２７は角速度検出素子２０における他方のアーム２１ｂに設けられるとともに、角速度が加わった場合に角速度の検出信号である電荷からなる第２のセンス信号２８を出力する。
【００２７】
そして、第１のセンス電極２５と第２のセンス電極２７とは互いに逆極性となる電荷を発生するものである。
【００２８】
２９ａは一方のセンスドライブ電極で、このセンスドライブ電極２９ａは角速度検出素子２０における一方のアーム２１ａの先端部表面に設けられている。同様に、２９ｂは他方のセンスドライブ電極で、このセンスドライブ電極２９ｂは角速度検出素子２０における他方のアーム２１ｂの先端部表面に設けられている。
【００２９】
そして、センスドライブ電極２９ａと２９ｂとに互いに逆相となる交流電圧を印加することで角速度検出素子２０を検出方向に振動させることができ、角速度が加わっていない状態においても、第１のセンス電極２５から第１のセンス信号２６を出力させるとともに、第２のセンス電極２７から第２のセンス信号２８とを出力させるように構成されている。
【００３０】
３０はドライブ回路で、このドライブ回路３０は角速度検出素子２０におけるモニタ電極２３から出力されるモニタ信号２４をフィードバックし、角速度検出素子２０を所定の振動周波数で駆動振動させている。そして、このドライブ回路３０は、互いに逆相となるドライブ信号３１ａ、３１ｂをそれぞれ角速度検出素子２０におけるドライブ電極２２ａ、２２ｂに入力している。
【００３１】
３２はセンス回路で、このセンス回路３２は第１のＩＶ変換器３３を設けており、この第１のＩＶ変換器３３に角速度検出素子２０における第１のセンス電極２５からの電荷からなる信号を入力している。また、センス回路３２には、第２のＩＶ変換器３４を設けており、この第２のＩＶ変換器３４に第２のセンス電極２７からの出力信号を入力している。さらに、センス回路３２には、差動増幅器３５を設けており、この差動増幅器３５に第１のＩＶ変換器３３および第２のＩＶ変換器３４からの出力信号を入力し、両者の差動信号を出力している。
【００３２】
３６は第１の擬似信号発生手段で、この第１の擬似信号発生手段３６はセンス回路３２における第１のＩＶ変換器３３の前段に電荷からなる第１の擬似信号３７を入力している。
【００３３】
３８は第２の擬似信号発生手段で、この第２の擬似信号発生手段３８はセンス回路３２における第２のＩＶ変換器３４の前段に電荷からなる第２の擬似信号３９を入力している。
【００３４】
そして、第１の擬似信号発生手段３６と第２の擬似信号発生手段３８とは一対の電流源で構成されており、この一対の電流源からセンス回路３２に注入する電荷は、互いに逆極性で、絶対値が略同一となるように構成されている。
【００３５】
４０は位相調整回路で、この位相調整回路４０はドライブ信号３１ａ、３１ｂの位相を第１のセンス信号２６及び第２のセンス信号２８と略一致させるように各々約９０度遅らせて、互いに逆相となるセンスドライブ信号４１ａ、４１ｂを出力する。
【００３６】
４２は比較回路で、この比較回路４２は、図３に示すようにセンス回路３２からの出力信号４４を入力されている。そして、比較回路４２はＡＤ変換器４５を設けるとともに、このＡＤ変換器４５により、アナログ信号からなる出力信号をデジタル信号に変換している。さらに、比較回路４２にはＡＤ変換器４５からの出力信号を入力されて一旦、データを保持されるシフトレジスト４６を設けている。さらに、比較回路４２には比較器４７を設けており、この比較器４７により、センス回路３２から遅れて出力される出力信号と、シフトレジスタ４６から出力される出力信号とを比較している。
【００３７】
以上のように構成された本発明の一実施の形態における角速度センサについて、以下にその動作を説明する。
【００３８】
角速度検出素子２０のドライブ電極２２ａ、２２ｂにドライブ信号３１ａ、３１ｂからなる交流電圧を加えると角速度検出素子２０が共振し、角速度検出素子２０のモニタ電極２３に、角速度検出素子２０の振動振幅に応じた電荷が発生する。そして、この電荷をドライブ回路３０により増幅、調整した後、ドライブ電極２２ａ、２ｂに入力することにより、角速度検出素子２０が一定の振幅及び周波数で振動するように制御されている。
【００３９】
また、角速度検出素子２０に角速度が加わると、第１のセンス電極２５に電荷からなる第１のセンス信号２６が発生するとともに、第２のセンス電極２７に電荷からなる第２のセンス信号２８が発生する。そして第１のセンス信号２６および第２のセンス信号２８をセンス回路３２により出力信号に変換して、入出力端子（図示せず）より角速度の信号として相手側のコンピュータ（図示せず）等に入力し、角速度を検出するものである。
【００４０】
ここで、長時間の使用により、角速度検出素子２０の特性が変化する場合を考える。
【００４１】
以下に本発明の一実施の形態における角速度センサにおいて、その故障診断の動作を説明する。
【００４２】
角速度センサに角速度が加わっていない第１の状態において、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように第１の擬似信号発生手段３６および第２の擬似信号発生手段３８からセンス回路３２に第１の擬似信号３７および第２の擬似信号３９を入力する。入力された第１の擬似信号３７および第２の擬似信号３９はセンス回路３２により第１の出力信号４４ａに変換される。ここで、第１の擬似信号３７及び第２の擬似信号３９の入力振幅を略一定とし、所定の第１の出力信号４４ａが得られるように調整する。
【００４３】
そして、このセンス回路３２から出力される第１の信号４４ａは、長時間の使用により角速度検出素子２０の感度が変化しても出力値は不変となる。
【００４４】
この構成により、センス回路３２における第１のＩＶ変換器３３または第２のＩＶ変換器３４のいずれか一方が故障した場合、差動増幅器３５の出力４３は正常な状態の図４（ｃ）に対して図４（ｄ）に示すように約半分になる。そのため、差動増幅器３５の出力４３を処理して得られる第１の出力信号４４ａは正常な状態の図４（ｅ）に対して、図４（ｆ）に示すように約半分になる。これにより、センス回路３２の故障の特定を行うことができるものである。
【００４５】
次に、角速度センサに角速度が加わっていない第２の状態において、位相調整回路４０から出力される互いに逆相のセンスドライブ信号４１ａ、４１ｂをセンスドライブ電極２９ａ、２９ｂに入力する。センスドライブ信号４１ａ、４１ｂにより角速度検出素子２０の検出方向の振動が発生し、図５（ｃ）に示すように第１のセンス電極２５から第１のセンス信号２６が出力されるとともに、図５（ｄ）に示すように第２のセンス電極２７から第２のセンス信号２８が出力される。そして、センス回路３２で第２の出力信号４４ｂに変換される。
【００４６】
ここで、センスドライブ電極２９ａ、２９ｂへの入力振幅を略一定とし、第２の出力信号４４ｂが所定の第１の出力信号４４ａと略同一の値となるように調整する。
【００４７】
この構成により、角速度検出素子２０の感度が変化した場合、角速度検出素子２０からの第１のセンス信号２６または第２のセンス信号２８の出力量が変化し、差動増幅器３５の出力４３は正常な状態における図５（ｅ）に対して図５（ｆ）に示すように変化する。そのため、差動増幅器３５の出力４３を処理して得られる第２の出力信号４４ｂは正常な状態における図５（ｇ）に対して図５（ｈ）に示すように変化する。これにより、角速度検出素子２０の故障の特定を行うことができるものである。
【００４８】
第１の状態において第１の出力信号４４ａをＡＤ変換し、その値を図３に示す比較回路４２におけるシフトレジスタ４６に保持する。第２の状態において第２の出力信号４４ｂを比較器４７に入力し、シフトレジスタ４６内に保持されていた第１の出力信号４４ａとの差分を比較する。この差分が事前に設定したある閾値以上となった場合、故障検出信号４９を出力する。
【００４９】
すなわち、長時間の使用により、角速度検出素子２０の特性が変化すると、センス回路３２から出力される第２の出力信号４４ｂが変動するのに比較して、第１の出力信号４ａは不変であるため、比較回路４２からの出力信号が大きくなる。その結果、角速度検出素子２０の感度変化の如く、緩やかな故障モードについても故障を検知することができるという作用効果を有するものである。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明に係る角速度センサは、角速度検出素子の感度変化の如く、緩やかな故障モードについても検知することが可能な角速度センサを提供することができるという効果を有するものであり、特に、航空機、車両などの移動体の姿勢制御やナビゲーションシステム等に用いられる角速度センサとして有用なものである。
【符号の説明】
【００５１】
２０  角速度検出素子
２２ａ、２２ｂ  ドライブ電極
２３  モニタ電極
２５  第１のセンス電極
２７  第２のセンス電極
２９ａ、２９ｂ  センスドライブ電極
３０  ドライブ回路
３２  センス回路
３６  第１の擬似信号発生手段
３８  第２の擬似信号発生手段
４０  位相調整回路
４２  比較回路
【図１】
2015125100.tif 000003
【図２】
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【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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