(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体（２ａ，２ｂ；１１；１００）の第１周期振動によって測定量を検出するためのこの振動可能な構造体（２ａ，２ｂ；１１；１００）、この測定量に依存する出力信号を生成するための素子（５；１５；２５）及び前記構造体（２ａ，２ｂ；１１；１００）の第１振動に重畳された第２周期振動によって生成される出力信号から試験信号成分を検出しかつ分離するか、又は検出若しくは分離するための手段（４１，４５；６０ａ，６０ｂ）を有するセンサにおいて、
アクチュエータユニット（３ａ，３ｂ；７）が、前記構造体（２ａ，２ｂ；１１；１００）を第１周期振動させ、別の手段（３ａ，３ｂ，３３ａ，３３ｂ，７，５０，５１）が、測定量の検出に使用される第１振動モードに重畳している第２振動モードで前記構造体（２ａ，２ｂ；１１；１００）を振動させ、振動可能な前記構造体（１００）は、共振器（１１０) 及びこの共振器（１１０）に連結された振動可能な重り（１２０）を有し、この重り（１２０）は、偏向時にこの共振器（１１０) の共振周波数を変え、測定中に試験信号成分を生成するため、この重り（１２０）は、振動動作に移行可能であることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
試験信号を、前記構造体（２ａ，２ｂ；１１；１００）を振動させるための信号に変調する装置（３０，３１；５０，５１）を特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記試験信号成分（４１，４５；６０ａ，６０ｂ）を分離するための前記手段は、出力信号の周波数及び位相又は周波数若しくは位相を解析するための装置を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記試験信号の振幅及び周波数又は振幅若しくは周波数を周期的に可変するための手段（３０，３７）を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項５】
前記センサは、回転速度センサ，加速度センサ又は圧力センサであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項６】
前記試験信号成分を用いて前記センサを校正するための手段を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項７】
前記アクチュエータユニット（７）は、共振器（１１０）及びこの共振器（１１０）に連結された重り（１２０）を異なるモードの振動に移行させ、前記試験信号成分を生成するため、この振動重り（１２０）は、この共振器（１１０）の共振周波数を周期的に変化させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項８】
有効信号成分に重畳されている試験信号成分を、センサの周期的な出力信号から分離する手段（４１；４５；６０ａ，６０ｂ）を有し、かつ、前記試験信号成分を予め定義した値又は前記センサに入力された試験信号と比較するための比較手段（４３；６０ｄ）を有するセンサであって、振動可能な構造体（２ａ，２ｂ；１１；１００）に関する測定量を検出し、その測定量に依存して周期的な出力信号を生成する、請求項１〜７いずれか１項に記載のセンサを自己試験する装置において、
前記構造体（２ａ，２ｂ；１１；１００）を第１周期振動させるアクチュエータユニット（３ａ，３ｂ；７）、及び、前記測定量の検出に使用される第１振動モードに重畳している第２振動モードで前記構造体（２ａ，２ｂ；１１；１００）を振動させるための手段（３ａ，３ｂ，３３ａ，３３ｂ，７，５０，５１）を特徴とする装置。
【請求項９】
試験信号を、前記構造体（２ａ，２ｂ，１１，１００）を振動させるための信号に変調する装置（３０，３１；５０，５１）を特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記分離するための手段（４１，４５；６０ａ，６０ｂ）は、前記出力信号の周波数及び位相又は周波数若しくは位相を解析するための装置を有することを特徴とする請求項８〜９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記試験信号の振幅及び周波数又は振幅若しくは周波数を周期的に変化させるための手段（３０，３７，５０）を特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
構造体（２ａ，２ｂ；１１；１００）の第１振動を第２周期振動に重畳させ、この振動する構造体（２ａ，２ｂ；１１；１００）に関連する測定量に関する情報を含む出力信号を検出し、そして前記構造体（２ａ，２ｂ；１１；１００）の前記第２周期振動によって生成される前記出力信号中に含まれる試験信号成分を監視するこれらのステップから成る、振動可能な前記構造体（２ａ，２ｂ；１１；１００）を有する、請求項１〜７いずれか１項に記載のセンサを自己試験するための方法において、
前記測定量及び前記試験信号成分を同時に検出するため、振動可能な前記構造体（２ａ，２ｂ；１１；１００）は、アクチュエータユニット（３ａ，３ｂ，３３ａ，３３ｂ，７，５０，５１）によって第１の振動モードと第２の振動モードとの重畳された振動に励振されることを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記構造体（２ａ，２ｂ；１１；１００）用の振動信号が、試験信号によって変調されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記出力信号は、周波数解析及び位相解析又は周波数解析若しくは位相解析されることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記試験信号の周波数及び振幅又は周波数若しくは振幅が、前記センサの測定動作中に変化することを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記出力信号中の試験信号成分が、前記センサを校正するために使用されることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記構造体は、少なくとも２つの周波数で振動され、第１周波数が測定すべき量を表す一方で、第２周波数が試験信号を表すことを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
共振器（１１０）が、振動する重り（１２０）に連結されている結果、この共振器（１１０）の周波数が、前記重り（１２０）の偏向時に変化するこの共振器（１１０）を有し、この共振器を振動させるためのアクチュエータユニット（７）を有し、この共振器（１１０）の共振周波数に依存する出力信号を生成させるための検出器（２５）を有する当該共振器（１１０）を備えたセンサにおいて、
前記共振器（１１０）及び前記重り（１２０）を異なるモードの振動に同時に励振させるため、少なくとも２つの周波数を含む振動信号を生成するための制御部を有し、前記重り（１２０）の振動モードを、試験信号として前記出力信号から分離する評価段を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１９】
請求項８〜１１のいずれか１項に記載の自己試験を行うための装置を特徴とする請求項１８に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載のセンサ、及び請求項８，１２の上位概念に記載のセンサを自己試験するための装置と方法に関する。さらに、本発明は、請求項１８の上位概念に記載の加速度センサに関する。
【０００２】
一般に、システム内のセンサは、測定量を検出するため使用される。慣性センサ系の分野に関しては、例えば回転速度センサや加速度センサが運動量を検出するため使用される。信頼性に適した使用が少なくとも重要であるので、これらのセンサの信頼性が極めて高くなくてはならないし、測定量を確実に検出する必要がある。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許発明第 195 28 961 号明細書中には、音叉原理による回転速度センサが記されている。この回転速度センサは、シリコンから製造されている。作動中、音叉が振動して、センサ素子が、音叉の懸架部の捩れを記録する。この捩れは、このセンサの回転時にこの音叉の懸架部に対して平行な軸の周りで発生する。
【０００４】
例えばセンサのノイズやドリフトを検出するため、センサが作動中に試験を受けることが必要である。これによって、検出された測定量の信頼性と精度が上がる。
【０００５】
ヨーロッパ特許発明第 0708 925 号明細書中には、衝撃センサ系中で誤差を検出する装置が記されている。この装置では、試験の応答がセンサ素子を操作することによって生成され、その結果が、予期すべき応答の結果と比較される。米国特許発明第 5,060,504号明細書中には、加速度センサを自己校正する方法が記されている。この加速度センサでは、１つの感知体が、１つのフレームに対して相対的にずれる。この場合、そのずれは、既知の加速度に相当する。このときその出力値が、基準値として以下に続く校正に対して利用される。米国特許第 5,103,667号明細書中に記されている自己試験可能な加速度センサでも、センサを試験又は校正するため、１つの重りが定義されて移動されて、その運動量が測定される。
【０００６】
しかしながら、これらの公知のシステムには、実際の測定過程がセンサの試験中に中断される必要があるという欠点がある。測定と試験が時間的に交互に実行される。測定信号が、時間的に連続しないからである。しかも、所定の予め定義した測定量しか比較に対して生成されない。すなわち、試験が、センサの全ての測定範囲にわたって実行されない。
【０００７】
加速度センサは、例えば車両にあってはランニングギアの制御，ナビゲーションシステム，車両運動システム及び受動式安全システム（エアバッグの使用）に対して使用される。絶え間なく増大するセンサの数は、基本的には可能な最も高い信頼性を効果的にもたらす。将来的には、多数のシステムが、常に危険の発生に能動的にかかわり、そして固定式の機械的な接続が電子信号に取って代られるようになる(drive-by-wire) 。ここでは、自己試験性能や適切な信号監視が絶対に必要である。さらに、加速度センサは、民間と軍用の航空のナビゲーションシステムにも使用される。
【０００８】
例えば、C. LemaireとB.Sulouff によって論文Surface Micromachined Sensors for Vehicle Navigation System in Advanced Microsystems for Automotive Applications (D.E. Ricken and W. Gessner, edts., Springer, Berlin 1998, 第103 〜112 頁) 中に著されているように、特に車両では静電容量式の加速度センサが多くの場合に使用される。このシステムは、静電容量的に検出する電極が重りを偏向させるためにも利用できる。このことは、不連続な時間間隔で可能であるが、連続的には不可能である。
【０００９】
米国特許第 5,834,646号明細書中には、主に何重にも固定された１枚の板から構成された共振式の加速度センサが記されている。この板は、共振周波数が外部の加速度によって決定される共振器としても、振動重りとしても使用される。その重り−弾性系の完全性が、この配置によって検査され得るが、加速度の作用はシミュレートされ得ない。
【００１０】
もう１つ別の共振式の加速度センサが、ドイツ連邦共和国特許出願公開第 198 12 773 号明細書中に記されている。この加速度センサは、第１電気信号によって振動され、その測定値に依存して第２電気信号を出力する共振構造を有する。
【００１１】
連続的な自己試験は、上述したこれらの静電容量式のセンサにとっても今日まで不可能である。おそらくは、例えばコンデンサーストリップを追加しようとするような付加構造が考えられる。しかしながら、これらの付加構造は、広い所要面積を必要とし、かつ高いコストを伴う。それ故に、これらの公知の静電容量式のセンサは、せいぜい中断した時間間隔中でしか静的な自己試験を実施することができない。
【００１２】
したがって、精確な共振信号評価を伴うセンサ、特に回転速度センサ又は加速度センサが必要である。この場合、連続的なつまり持続する自己試験が実施され得る。
【００１３】
本発明の課題は、測定が自己試験中に中断しないか、又は、測定信号が自己試験中に減衰しなく、かつ、この自己試験が測定動作中に連続的に実施され得るセンサ並びにセンサを自己試験するための装置及び方法を提供することにある。
【００１４】
この課題は、請求項１に記載のセンサ，請求項８に記載のセンサを自己試験するための装置，請求項１２に記載のセンサを自己試験するための方法及び請求項１８に記載の加速度センサによって解決される。
【００１５】
本発明のその他の有利な特徴，側面及び細部は、従属請求項，説明及び図面に記載されている。
【００１６】
本発明のセンサは、測定量を検出するための振動可能な構造体，この構造体を第１周期振動させるためのアクチュエータユニット，これらの測定量に依存する出力信号を生成させるための素子，及びこの第１振動に重畳したこの構造体の第２振動によって生成される試験信号を検出するための手段、つまりこの試験信号をこの出力信号から分離するための手段を有する。このセンサは、自己試験可能であり、かつ時間的に連続した測定信号を出力するのと同時に、このセンサの機能性に関する情報を示す試験信号を出力することが可能である。この情報は、測定を中断したり又は測定信号を減衰したりしない。
【００１７】
この場合、このセンサは、構造体の第２周期振動を生成するための手段つまりアクチュエータ素子も有益的に有する。この場合、第１と第２の周期振動は、例えば同一のアクチュエータ素子によって生成可能である。しかし、この第２振動は、機械的な不平衡によっても生成され得る。作動中に出力信号を生成するため、この構造体の振動が検出される。
【００１８】
本発明のその他の側面によれば、センサを自己試験するための装置が提供される。この場合、センサが、振動可能な構造体に関する測定量を検出し、その測定値に依存して周期的な出力信号を生成する。そしてこのとき、この自己試験のための装置は、有効信号成分に重畳している試験信号成分をこのセンサの周期的な出力信号から分離するための手段を有する。好ましくは、この自己試験のための装置は、この試験信号成分を予め定義した値又はこのセンサに入力された試験信号と比較するための比較手段も有する。センサの自己試験が、この装置によって実施可能になる。このセンサの自己試験は、時間的に連続であり、かつ実際の測定作業に影響を与えることなしにセンサの全ての測定範囲内と動的範囲内で実施できる。
【００１９】
有益的には、このセンサ又はこの装置は、試験信号を、振動可能な構造体を振動させるための信号に変調する装置を有する。これによって、自己試験が、センサの全ての測定範囲にわたって調整され得る。
【００２０】
このセンサは、機械的な不平衡、つまり試験信号成分をつくりだす不平衡を呈してもよい。この試験信号成分は、このセンサの試験に利用される。これによって、構成要素が節減され得る。そして、廉価な製造が実現される。このセンサは、試験信号成分をつくりだす第２振動を生成するためのアクチュエータ素子を有益的に有する。また、この装置は、構造体を第２振動モードで振動させるための手段を効果的に有する。この第２振動モードは、測定量を検出するために使用される第１振動モードに重畳している。これによって、特定の試験信号が変調され得る。そして、センサの出力信号が、システムの測定値と応答に応じてその試験信号によって評価され得る。
【００２１】
出力信号が、周波数解析及び位相解析又は周波数解析若しくは位相解析のための装置によって効果的に解析される。試験信号の振幅及び周波数又は振幅若しくは周波数を周期的に変化させるための手段によって、試験が、センサの全ての測定範囲及び動的範囲又は測定範囲若しくは動的範囲にわたって実施され得る。特に、このセンサは、回転速度センサ，加速度センサ又は圧力センサでもよい。
【００２２】
本発明のセンサは、例えば振動可能な構造体として１つの共振器及びこの共振器に連結された振動可能な１つの重りを有する。この重りは、偏向時にこの共振器の共振周波数を変える。測定中に試験信号成分を生成するため、この重りを振動状態に移すことが可能である。
【００２３】
特に好ましくは、試験信号成分はセンサの校正に使用される。
【００２４】
アクチュエータユニットが、作動中に例えば１つの共振器及びこの共振器に連結された１つの重りを異なるモードの振動に移行させる。この場合、試験信号成分を生成するため、この振動重りは、この共振器の共振周波数を周期的に変化させる。
【００２５】
センサは、例えば測定信号を復調するための手段を有する。この場合、この信号は、振幅変調又は周波数変調され得る。
【００２６】
１つの振動可能な構造体によってセンサを自己試験するためのこの本発明の方法は：
この構造体の測定量の検出に使用される第１振動に第２周期振動を重畳し；この振動する構造体に依存するこの測定量に関する情報を含む出力信号を検出し；そして、この出力信号中に含まれ、この構造体の第２周期振動によって生成される試験信号成分を監視するこれらのステップから成る。
【００２７】
この場合、好ましくは、構造体の第１振動を生成するための振動信号が、試験信号によって振幅変調される。この試験信号の周波数及び振幅又は周波数若しくは振幅は、センサの測定動作中に変化しうる。電子機器を含むセンサ全体の機能が、この本発明の方法によってその全ての動的範囲にわたって検査され得る。センサ自身の高い信頼性が、この方法によって実現される。このことは、特に信頼に関連する用途で重要である。
【００２８】
測定動作中に自己試験をするため、試験信号による振動信号の周波数変調も可能である。
【００２９】
特に、出力信号中の試験信号成分が、センサの校正に使用され得る。好ましくは、構造体が、少なくとも２つの周波数つまりモードによって振動される。この場合、第１の周波数つまりモードが測定すべき量を表す一方で、第２の周波数つまりモードが試験信号を表す。
【００３０】
本発明の加速度センサは、重りに連結されている共振器，この共振器を振動させるためのアクチュエータユニット，共振周波数に依存する出力信号を生成するための検出器，この共振器とこの重りを同時に振動させるために少なくとも２つの周波数を含む振動信号を生成するための制御ユニット，この重りの振動モードを試験信号成分として出力信号から分離する評価段を有する。その結果、この共振器の共振周波数が、この重りの偏向時に変化する。
【００３１】
評価電子機器に関連する全ての要素が、自己試験時に本発明のセンサによって一緒に試験され得る。再校正も、プリセットされた時間間隔で可能である。
【００３２】
以下に、本発明を図面に基づいて例示的に説明する。
【００３３】
図１中に示されたセンサ１は、音叉原理による回転速度センサである。このセンサ１は、シリコンで製造されている。互いに平行に指向された２つの歯が、回転速度を検出するため使用される振動可能な構造つまり共振構造を形成する。二重電極３ａ，３ｂが、上側の歯２ａ上に配置されている。この二重電極３ａ，３ｂは、特にこれらの歯２ａ，２ｂをＺ軸方向に周期的に振動させるため使用される。音叉懸架部４が、トーションバーとして形成されている。ピエゾ抵抗素子５が、このトーションバーに固定されている。このピエゾ抵抗素子５は、音叉懸架部４をねじったときに生成される出力信号を生成するため使用される。回転速度センサが音叉懸架部を通って延在しているＸ軸周りに回転する一方で、歯２ａ，２ｂがＺ軸方向に振動するときに、この捩れは、コリオリの力に基づいて周期的に誘起される。このピエゾ抵抗素子５は、後続接続された電子機器ユニットと共に、これらの歯の別の周期的な振動によって生成される試験信号成分を検出して出力信号から分離するためにも使用される。
【００３４】
第１の振動に重畳したこのもう１つ別の周期的な振動は、例えばセンサ１が不平衡であることによって発生しうる。この不平衡は、例えば振動重りの非対称性によって誘起される。この場合、センサ１は、機械的に不平衡である。出力信号中のこの機械的に不平衡な信号成分が、実際の有効信号つまり回転速度信号に重畳されていて、そして試験信号成分として利用される。
【００３５】
他方では、歯２ａ，２ｂは、二重電極３ａ，３ｂによってもう１つ別の振動つまり捩れ振動を起こしうる。この捩れ振動は、Ｚ軸方向の振動振動に重畳して、試験信号成分を出力信号中に生成する。トーションバー４の近くでは、もう１つのピエゾ抵抗素子６が上側の歯２ａ上に存在する。Ｚ軸方向の歯の振動が、このピエゾ抵抗素子６によって記録されるか又はこの振動の振幅が監視される。
【００３６】
歯２ａ，２ｂは、測定動作中にＺ軸方向に逆位相に振動する。システムがＸ軸周りに回転する場合は、捩れ振動がトーションバーに接したピエゾ抵抗素子５によって検出される。このねじり振動の位相は、歯の振幅に対して 90 °だけずれている。製造許容差又は意図した非対称性に起因して、もう１つ別の測定信号が、ピエゾ抵抗素子５によって生成される。この測定信号は、回転速度に依存しない。そして、捩れの固有振動数と振動の固有振動数との間に十分な周波数のひらきのある複数のセンサの場合、この測定信号の位相は、実際の測定信号つまり回転速度信号に対して 90 °ずれている。機械的な不平衡によってもたらされるこの信号成分は、本発明の実施形では試験信号成分として使用されて、センサの自己試験のため評価される。
【００３７】
機械的な不平衡によってもたらされる試験信号成分、すなわち出力信号の一部分の位相のずれに基づいて、この試験信号成分が、この出力信号から分離されて評価又は監視され得る。試験信号成分がセンサに固有の所定の値からずれた場合には、警報が発せられる。
【００３８】
さらに、センサ１のこのような機械的な不平衡は、非対称性がセンサ中に存在することなしにシミュレートされ得る。この目的のため、両電極３ａ，３ｂが、もう１つ別の信号によって逆位相に制御される。その結果、歯２ａ，２ｂが、Ｘ軸周りに捩れ振動を起こす。この捩れ振動は、Ｚ軸方向の歯の振動に重畳されている。すなわち、二重電極３ａ，３ｂが、付加的な周期信号によって制御される。この付加的な周期信号は、歯の振動をＺ軸方向に発生させるための振動信号に重畳されている。この場合、両信号は同期している。その結果、ピエゾ抵抗素子５の出力信号中のこの付加的な周期信号の成分が、回転速度によって生成された有効信号の位相に対して 90 °だけずれるように、振動がこの付加的な信号によって実施される。すなわち、試験信号が、歯をＺ軸方向に振動させる信号に変調される。その結果が、振動信号に加算される。そして、センサの出力信号が、試験信号へのシステムの応答に関してと同時に測定値に関して評価される。
【００３９】
したがって、不平衡がシミュレートされる場合でも、出力信号中に含まれる試験信号成分の位相が、その出力信号中に含まれる有効信号に対して 90 °だけずれていることが利用される。この自己試験方法には、回転速度に対する位相の選択度に起因して、測定信号との干渉が試験信号の周波数範囲内で起こり得ないという利点がある。測定信号つまり回転速度信号がセンサに入力される間に、自己試験が、試験信号の振幅を変えることによってセンサの全ての測定範囲内で実施され得る。
【００４０】
図１中に示された音叉式の回転速度センサによって、別の自己試験方法が実施され得る。この自己試験方法では、回転速度が、試験信号によってシミュレートされる。すなわち、振動が、回転速度に相当する信号で変調される。Ｚ軸方向に振動する歯２ａ，２ｂの振幅を監視する出力信号が、周期的な試験信号によって振幅変調されることによって、この変調はその回転速度に等価な信号によって実施され得る。この出力信号は、ピエゾ抵抗素子６によって測定される。次いで、この振幅変調された信号は、歯２ａ，２ｂをＺ軸方向に振動させる周期的な制御信号と加算される。この場合、両信号の位相は、互いに 90 °だけずれている。このことは、トーションバー４に作用する回転モーメントをセンサ１中に発生させる。この回転モーメントは、試験信号の試験周波数によって変化する回転速度に相当する。この場合、ピエゾ抵抗素子５の出力信号中に含まれる試験信号成分が、帯域通過フィルタを通すことによって再生（復調）する必要がある。機械的な不平衡をシミュレートするときのように、回転速度のこのシミュレーションのときでも、出力信号中に含まれる試験信号成分が、二重電極３ａ，３ｂによってセンサに入力される試験信号と比較される。このセンサの出力信号が、測定値、この場合には検出される回転速度に関してと同時に試験信号へのシステムの応答に関して評価される。
【００４１】
変調された試験信号の振幅を変え、出力信号中の再生された試験信号と比較することによって、センサの完全な自己試験が可能である。この自己試験は、その測定範囲の全体に及ぶ。したがって、例えば、二重電極３ａ，３ｂによって発生した捩れ振動の振幅が小さいときでも、センサの試験が、回転速度の小さい測定範囲内で可能である。その一方で、捩れ振動の振幅が意図的に大きく生成された場合は、センサの自己試験が、比較的大きい回転速度の測定範囲内で実施される。二重電極３ａ，３ｂによって歯２ａ，２ｂの回転振動を発生させる信号の振幅を変調することによって、センサの測定範囲が、自己試験時に絶え間なく走査される。この回転振動は、歯２ａ，２ｂのＺ軸方向の振動に重畳している。
【００４２】
変調された試験信号の試験周波数を変えることによって、さらにセンサの全ての動的範囲も、自己試験時に走査される。しかしながら、回転速度に等価な信号によって変調する場合には、変調された試験信号の周波数、すなわち試験周波数が測定される回転速度の周波数スペクトルの外側に存在する点に留意する必要がある。回転速度の周波数スペクトルが未知か、又はその周波数内で測定される回転速度と区別がつく試験信号を選択することが不可能である場合には、機械的な不平衡が、上述したようにシミュレートされ得る。
【００４３】
図２は、音叉式の回転速度センサ用の回路を示す。自己試験を実施するため、このセンサの不平衡が、このセンサによってシミュレートされる。歯２ａ，２ｂのＺ軸方向の共振振動を発生させるため、これらの歯２ａ，２ｂの振動が、その振幅方向に沿って上側の歯２ａ上のピエゾ抵抗素子６によって測定され、そして増幅器１７と 90 °移相器１３とを経由して二重電極３ａ，３ｂに入力される。この場合、振幅制御部１４が、帯域通過フィルタ１６に後続接続されている。この振幅制御部１４は、この振動の振幅を制御する。この振動にあっては、これらの双方の歯２ａ，２ｂが、互いに平行に指向されている。トーションバー４に接したピエゾ抵抗素子５によって生成された出力信号が、前置増幅器２６と帯域通過フィルタ２７の通過後に掛算器２１に入力される。この掛算器２１は、有効信号成分、すなわち測定信号のうちのＸ軸周りのシステムの回転によって生成される部分を濾波する。この有効信号は、その位相において歯のＺ軸方向の振動に対して90°だけずれている。その結果、その有効信号成分が、移相器２２と掛算器２１とによってセンサの出力信号から得られる。
【００４４】
信号発生器３０が、周波数ｆTestの周期的な試験信号を生成する。この試験信号は、掛算器３１によって歯をＺ軸方向に振動させる信号に変調される。逆位相の信号が、増幅器３２によって生成される。これらの逆位相の信号が、加算器３３ａ，３３ｂによってこれらの歯をＺ軸方向に振動させるこれらの信号と加算されて、二重電極３ａ，３ｂに入力される。その結果、これらの歯２ａ，２ｂが、一定の振幅でＺ軸方向に振動する。これらの歯のＸ軸周りの捻れ振動が、このＺ軸方向の振動に重畳されている。こうして生成された捻れ振動は、Ｚ軸方向のこの振動と同じ周波数及び試験周波数ｆTestで周期的に変化する振幅を有する。試験周波数は零でもよい。その結果、この付加的な捻れ振動の振幅は一定である。
【００４５】
二重電極３ａ，３ｂの逆位相の制御によって生成されたこの捻れ振動は、歯をＺ軸方向に振動させる信号と同期している信号によって励振される。それ故に、ピエゾ抵抗素子５の出力信号中に含まれるこの試験信号成分の位相が、測定される回転速度に基づく有効信号成分に対して 90 °だけずれていて、かつピエゾ抵抗素子６によって測定される歯２ａ，２ｂのＺ軸方向の振動信号と同期している。この理由から、歯の振動と同期して変化する成分が、掛算器４１によってセンサの出力信号から濾波される。センサのシミュレートされた不平衡を示す出力信号のうちのこの成分が、帯域通過フィルタ４５を経由して自己試験評価部４３に入力される。この自己試験評価部４３は、試験信号の振幅をセンサの出力信号中のこの試験信号成分の振幅と比較する。これらの信号は、互いに或る一定の関係にある。この関係は、例えば実験室で確認され得、或る与えられた役割を果たす能力のあるセンサの下で或る一定の役割を果たす。このセンサ又は電子機器の一部が妨害された場合には、その振幅関係が目標値からずれて、エラーメッセージが出力される。
【００４６】
周期的な試験信号の振幅は、素子３７によって鋸歯状にさらに変化する。これによって、誤差が、全ての測定範囲にわたって非常に精確に検出される。何故なら、自己試験の振幅が、その全ての測定範囲にわたって合わせられるからである。
【００４７】
図３は、１つの回路を示す。回転速度が、自己試験を実施するためこの回路によってシミュレートされる。機能が同じ素子は、図２と同じ符号でｄ示されている。歯の振動は、図２中に示された回路のときと同様に前置増幅器１７，移相器１３，振幅制御部１４及び加算器３３ａ，３３ｂによって励振される。歯をＺ軸方向に振動させる信号自身が、歯の振動に対して 90 °だけ進む。しかしながら、ピエゾ抵抗素子５によって検出されたトーションバーの捩れが、システムの回転時に歯の振幅に対して 90 °だけ位相がずれて起こる。それ故に、出力信号のうちのその歯の振幅に対して 90 °ずれた成分が、移相器２２と掛算器２１とによって濾波される。そして、そのシステムの回転速度に関する目安が、低域通過フィルタ２３の通過後に出力される。
【００４８】
信号発生器３０が、周波数ｆTestの試験信号を生成する。この試験信号は、掛算器つまりＡＭ変調器３１によって振幅変調信号に変調される。この振幅変調信号は、ピエゾ抵抗素子６によって測定される。したがって、図２中に示された回路とは反対に、歯の振動の位相のずれていない信号が試験信号によって変調される。逆位相の信号が、別の掛算器３６によって生成される。これらの逆位相の信号は、加算器３３ａ，３３ｂによって歯をＺ軸方向に振動させる振幅制御信号と加算されて両電極３ａ，３ｂに入力される。これによって、回転速度の作用がシミュレートされる。センサのこの出力信号が、周波数ｆTestのその変調された出力信号に関して解析される。この目的のため、この出力信号の一部が、帯域通過フィルタ４５を通過し、次いで自己試験評価部４３に入力される。出力信号中の試験信号成分を有効信号から分離するため、回転速度がシミュレートされるときに、周波数ｆTestが測定値つまり回転速度の周波数範囲の外側に存在する必要がある。
【００４９】
センサの第２の振動モード、すなわち歯２ａ，２ｂの意図的に生成された捩れ振動が、その振幅においてセンサの測定範囲に応じて変調される。可能な限り精確な自己試験をいろいろな測定範囲で得るため、印加された周期的な試験信号が、素子３７によって鋸歯状にさらに周期的に変化する。図２中に示された場合と同様に、センサ中の又はこのセンサの後方に接続された電子機器の誤差を測定するため、試験信号成分の振幅が自己試験の振幅と比較される。
【００５０】
さらに、不平衡調整部６１がセンサ内に設けられてもよい。余計な振動モードが予期できない誤差の許容差によって発生しないように、この不平衡調整部６１は作用する。
【００５１】
ここで示された音叉式の回転速度センサは、本発明の非常に優れた実施形である。一般に、本発明は、測定値が振動する構造つまり共振構造によって検出されるシステムに対して適用可能である。この場合、例えば加速度センサや圧力センサやジンバル式の回転速度センサのような多数の用途で使用可能である。
【００５２】
図４は、例として加速度センサ１０を概略的に示す。この加速度センサ１０では、重り１１が１本の梁１２に固定されている。Ｘ軸方向のセンサ１０の加速度を測定するため、この梁１２はＺ軸方向に振動される。加速度がＸ軸方向に発生すると、この梁１２の張力が変化する。その結果、この重りの振動の周波数がＺ軸方向に変化し、その加速度に関する目安を示す。このセンサの自己試験を実施するため、第２振動モードがこの梁１２に沿って発生する。この第２振動モードは、加速度を検出するために使用される第１振動モードに重畳している。この目的のため、梁１２が、Ｙ軸方向に撓み振動する。この梁１２の振動が、ピエゾ抵抗素子１５によって両振動モードで検出される。有効信号成分が、周波数解析及び位相解析又は周波数解析若しくは位相解析によって第２振動モードを引き起こす試験信号成分から分離される。したがって、加速度センサが作動している、つまり加速度を検出している間に、出力信号中の試験信号成分が監視され得る。
【００５３】
ここで図示しなかったもう１つの本発明の実施形では、自己試験可能なセンサが圧力センサとして実現されている。この圧力センサでは、１枚の振動板に作用する圧力を測定するため、この振動板が振動される。この振動板の張力は、圧力に依存し、共振振動の周波数に影響を与える。その結果、圧力が、この振動する振動板によって測定され得る。自己試験を実施するため、もう１つ別の振動が、アクチュエータユニットによって振動板上で変調される。すなわち、第２振動モードが振動板に重畳している。振動板の重畳された第２振動モードによって生成される成分を出力信号から分離するため、振動板の振動の出力信号が、周波数及び位相又は周波数若しくは位相に関して解析される。ここでも、試験信号の振幅を出力信号中に含まれる試験信号成分の振幅と比較することによって、センサの自己試験を測定信号の中断なしに実施することができる。
【００５４】
振動を発生させるアクチュエータ素子は電極に限定されない。この振動は、様々な方法で、特に例えば静電的に若しくは圧電的に又は熱的にも作用する素子によって実現できる。同様に、ピエゾ抵抗素子には、センサの異なる振動モードを識別する可能性しかない。ここでも、静電的なつまり静電容量的な又は誘導的な検出が実施できる。この自己試験可能なセンサ又はセンサを自己試験するための装置と方法は、いわゆる連続自己試験(ongoing self test) を測定信号の中断又は減衰なしに可能にする。この場合、センサの全ての測定範囲及び動的範囲又は測定範囲若しくは動的範囲にわたる試験が、変調された試験信号の振幅及び周波数又は振幅若しくは周波数を可変することによって実施できる。
【００５５】
一般に、本発明は、例えば回転速度センサに基づいても以下のように実施することができる：
回転速度センサの作動中に、１．モードのほかにシステムの２．モードも直接起動（振動）される。つまり、１．モードのほかにシステムの２．モードも、１．モードの偏向に関連していて、かつさらに交互に起こる試験信号によって振幅変調されている信号によって起動される。
【００５６】
すなわち、２．モードでシステムを作動させる信号が、コリオリ効果に基づく実際の測定信号のほかに試験信号によって生成される成分を有する。測定成分及び２．モードでシステムを作動させる信号の試験成分が、周波数解析及び位相解析又は周波数解析若しくは位相解析によって後で互いに分離され得る。次いで、２．モードの試験信号成分と試験信号自身との間の関係が予め設定された条件を満たしているか否かが検査される。その試験信号が入力されない場合は、センサがエラーメッセージを出力する。
【００５７】
この場合、例えば弾性部材面に接したセンサによって検出されるときには、２．モードの起動（振動）が１．モードの動作と同期している。それとは反対に、２．モードのコリオリ成分の位相は、１．モードの動作に比べて 90 °だけずれている。
【００５８】
図５は、本発明の加速度センサの断面を原理図で示す。この加速度センサは、アクチュエータユニットとして作用する振動構造体７と振動可能な構造体１００とから構成される。この振動可能な構造体１００は、共振器つまり共振ウェブ１１０及びこの共振ウェブ１１０に連結された振動重り１２０を有する。この振動可能な共振器１１０とこの共振可能な重り１２０とは、もう１つ別のウェブ１２５を介して互いに連結されている。すなわち、これらは、単一の素子で一体化されていない。検出素子２５が、共振ウェブ１１０の基本モードをピエゾ抵抗的に検出するために使用される。好適な実施形では、共振ウェブ１１０の基本モードは、400-500kHzである。Ｘ軸方向の加速度の場合には、重りがその慣性に起因して偏向されて、共振器１１０が引張り応力又は押圧応力を受取る。この応力は、共振周波数の変化をもたらし、そして測定信号として検出される。説明した振動構造体７が振動重り１２０の固有モードも振動できるように、この振動構造体７は決められている。このシステムの基本モードは、重り１２０の側面からの振動である。この側面からの振動の周波数は、この好適な実施形では約 16kHzである。このモードの振動は、Ｘ軸方向の周期的で正弦波状の加速度に相当する。この共振ウェブと重り１２０の側面からの振動モードとの振動信号の連続的な重畳によって、連続的な自己試験が実現される。振動重り１２０によって生成され、かつこの好適な実施形では 16kHzの周波数を有する試験信号をその測定信号から分離するため、検出器２５によって生成されたこれらの信号は、適切な評価電子機器を用いて解析つまりフーリエ解析される。
【００５９】
振動構造体つまりアクチュエータユニット７は、例えば熱的な、静電容量的な又は圧電的なアクチュエータを有する。スペースとコストを節減するため、共振ウェブ１１０と重り１２０とを振動させるアクチュエータが、１つだけ使用される。共振ウェブ１１０と重り１２０とを隔てられた２つのアクチュエータ素子によって振動させることも可能である。この場合、両アクチュエータ素子を熱的、静電容量的又は圧電的に各々組合わせることが可能である。
【００６０】
検出ユニット２５は、双方の振動つまり振動モードを監視するために使用され、静電容量的に、圧電的に又はピエゾ抵抗的にも構成され得る。しかしながら、これらの双方の振動つまり振動モードを監視するため、隔てられた２つの検出ユニットも構成され得る。この場合、同様に、静電容量的な検出と圧電的な検出とピエゾ抵抗的な検出とを各々組合わせることが可能である。
【００６１】
振動のため及び信号検出のため２つの相違する素子を設ける代わりに、これらの素子を、両信号を生成して検出するただ１つの素子にしてもよい。
【００６２】
図６は、制御回路及び評価回路の原理構成をブロック回路図として示す。加速度センサ９０が、振動する共振器１１０を振動させる熱的な振動段９１，測定すべき物理量つまり加速度を振動系に伝える接続段９２及び共振器１１０の振動を検出する圧電センサ９３を有する。この評価回路の心臓部は、ＰＬＬ回路９５である。このＰＬＬ回路９５は、電圧制御される発振器９５ａ，位相比較器９５ｂ及び低域通過フィルタ９５ｃを有する。この電圧制御される発振器は、作動中に振動信号を生成する。この振動信号は振動段９１に入力される。位相比較器９５ｂは、この振動信号の位相を圧電センサ９３によって供給される検出信号の位相と比較する。
【００６３】
結果として、共振ウェブが常に共振して作動するように電圧制御される発振器９５ａの振動周波数をロックするため、位相比較器９５ｂが電圧を出力する。この制御電圧は、ここで示された好適な実施形では測定信号としても使用される。
【００６４】
加算器５１は、電圧制御される発振器９５ａによって供給される振動信号に付加的な振動信号を重畳し、その結果振動重り１２０を横からの振動を起こさせるために使用される。この横からの振動は、Ｘ方向、すなわち共振ウェブ１１０の長手方向に実施される（図２参照）。この付加的な振動電圧は、発振器５０によって生成される。この場合、この付加的な振動電圧の周波数と振幅は、調整可能である。その結果、共振器１１０の基本モードで振動させる信号に加えて、例えば約 16kHzの周波数を有する自己試験信号が、この加算器５１の出力部で得られる。
【００６５】
この変調された振動信号は、加速度センサ９０に入力されて、別の周波数で振動する振動重り１２０と同様に共振器１１０をこの共振器１１０の固有周波数で振動させる。この場合、共振ウェブ１１０の基本モードは、約 400- 500kHzの周波数を有する一方で、振動重りは、約 16kHzの周波数で振動する。この重り１２０の振動は、内部に印加された周期的な加速度に相当する。
【００６６】
加速度センサ９０の圧電センサ９３から発生した出力信号は、増幅器９６と帯域通過フィルタ９７とを経由して加算器９８に入力する。別の信号９９ａ，９９ｂが、この加算器９８に入力される。これらの信号９９ａ，９９ｂは、熱的な不平衡（信号９９ａ）又は電気的な不平衡（９９ｂ）を除去するために使用される。その測定信号は、この加算器９８の後に正弦波−矩形波変換器（シュミット回路）を通過して、上述したＰＬＬ回路９５に入力される。
【００６７】
このＰＬＬ回路９５の出力信号は、制御可能な増幅器６０ａによって増幅される。次いで、その信号が周波数解析される。外部の加速度に起因する信号が、低域通過フィルタ６０ｃによって濾波される。その結果、加速度信号Ｕacc が、この低域通過フィルタ６０ｃの出力部で任意に処理される。
【００６８】
この場合、約16kHz の周波数を有する自己試験信号が、帯域通過フィルタ６０ｂによって分離される。次いで、この自己試験信号と試験振動信号との差が、スイッチング素子６０ｄ中で生成される。このとき、電圧UΔeff が生成される。この電圧UΔeff が所定の限界を超えたときには、誤差が存在している。したがって、電子回路を含む全てのセンサが試験される。すなわち、この試験は、センサ自身だけに関するものではなくて、評価電子機器の主要部分にも関するものである。
【００６９】
電圧UΔeff が感度に関する目安であるので、センサの自己校正がこれによって実施可能である。この目的のために、この電圧は、制御可能な増幅器６０ａによってプリセットされた一定の値に向けて制御される。この回路は、図６中に破線によって示されている。
【００７０】
図７は、上述した評価電子機器の出力信号のフーリエ解析を示す。この場合、共振ウェブの基本モードが、400kHz- 500kHzの範囲内の周波数で熱的に振動された。この場合、振動重り１２０の固有モードも、付加的に振動された。このシステムの基本モードは、周波数が 16kHzのこの重り１２０の横からの振動である。このモードの振動は、Ｘ軸方向の正弦波状の周期的な加速度に相当する（図５参照）。この場合、共振ウェブ１１０と重り１２０の横からの振動モードとの連続的な重畳によって、連続的な自己試験が実施された。さらにセンサが自己試験モードで作動する間に、Ｘ軸方向の1kHzの正弦波状の加速度が、振動制御部によって生成された。図７中に示された出力信号のフーリエ解析は、1kHzでの外部加速度の信号、及び誘導された加速度つまり約 16kHzでの自己試験の信号を示す。
【００７１】
ここに示された自己試験可能な加速度センサは、適切に変更することによって重り１２０に或る力を加えるその他の値を測定するためにも使用できる。この加速度センサは、共振的な検出原理を有する。そして、連続的な自己試験が、測定中に実施され得る。試験加速度が、時間的に連続な試験信号によって印加される。これによって、付加的な加速度信号が、出力部で任意に処理される。
【００７２】
以上により、実際の測定を中断することなしにセンサがそのセンサ自身を試験するセンサが、本発明によって提供される。この場合、経費のかかるその他の素子をさらに必要としない。その結果、この自己試験可能なセンサは、より小さくて廉価な構造で製造され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  マイクロ機構的な回転速度センサの正面図を本発明の好適な実施形として示す。
【図２】  不平衡のシミュレーションによって自己試験をするための回路を示す。
【図３】  回転速度のシミュレーションによって自己試験をするための回路を示す。
【図４】  加速度センサを本発明のその他の実施形として示す。
【図５】  自己試験可能な共振式の加速度センサを本発明のとりわけ好適な実施形として原理図で示す。
【図６】  図５の加速度センサの自己試験をするための制御回路つまり評価回路を示す。
【図７】  図５の加速度センサの出力信号のフーリエ解析を示す。
【符号の説明】
１      センサ
２ａ    歯
２ｂ    歯
３ａ    二重電極
３ｂ    二重電極
４      音叉懸架部（トーションバー）
５      ピエゾ抵抗素子（圧電抵抗素子）
６      ピエゾ抵抗素子（圧電抵抗素子）
７      振動構造体
１０    加速度センサ
１１    重り
１２    梁
１３    移相器
１４    振幅制御部
１６    帯域通過フィルタ
１７    （前置）増幅器
２１    掛算器
２２    移相器
２３    低域通過フィルタ
３２    増幅器
３３ａ  加算器
３３ｂ  加算器
２５    検出素子，検出ユニット
２６    前置増幅器
２７    帯域通過フィルタ
３０    信号発生器
３１    掛算器（ＡＭ変調器）
３６    掛算器
３７    素子
４１    掛算器
４３    自己試験評価部
４５    帯域通過フィルタ
５０    発振器
５１    加算器
６０ａ  増幅器
６０ｂ  帯域通過フィルタ
６０ｃ  低域通過フィルタ
６０ｄ  スイッチング素子
６１    不平衡調整部
９０    加速度センサ
９１    熱的な振動段
９２    接続段
９３    圧電センサ（ピエゾセンサ）
９５    ＰＬＬ回路
９５ａ  発振器
９５ｂ  位相比較器
９５ｃ  低域通過フィルタ
９６    増幅器
９７    帯域通過フィルタ
９８    加算器
９９ａ  信号
９９ｂ  信号
１００  振動可能な構造体
１１０  共振ウェブ
１２０  振動重り
１２５  ウェブ
【図１】
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【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】
0004691255.tif 000008