JPH07181042A - 角速度センサの故障診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 角速度検出中に角速度センサの故障診断を行
う。 【構成】 角速度検出用圧電素子１６，１８を有するセ
ンサ本体１と、駆動制御回路部２と、チャージアンプ３
１およびバンドパスフィルタ３２を有する検出回路部３
と、差動アンプ４１、整流器４２、平滑回路４３、比較
器４４および基準電圧器４５を有する故障診断回路部４
とを備える角速度センサの故障診断回路に適用され、差
動アンプ４１にはチャージアンプ３１とバンドパスフィ
ルタ３２の各出力が入力され、それらの差分が基準電圧
器４５に設定された値よりも大きい場合には、角速度セ
ンサに故障が起こったと判断する。これにより、角速度
センサによる角速度検出中にその故障診断が行えるた
め、故障を即座に検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転あるいは旋回運動
する被測定物に圧電素子を取り付け、この圧電素子に働
くコリオリ力を測定することで、被測定物に発生した角
速度を検出する角速度センサの故障診断に関する。

【０００２】

【従来の技術】角速度を検出する角速度センサが知られ
ている（例えば、特開平３−２２６６２０号公報参
照）。この種の従来の角速度センサは、駆動用圧電素子
と電荷検出用圧電素子とを音叉片に取り付けて音叉振動
させるセンサ本体と、駆動用圧電素子に印加する駆動電
圧を制御する駆動制御回路と、電荷検出用圧電素子に発
生した電荷を検出して角速度を演算する検出回路とから
成る。この種の角速度センサは、応答速度や感度に優れ
るため、ビデオカメラの手振れ検出や車両の走行制御等
に広く用いられる。例えば、車両に角速度センサを設け
ることにより、車両に発生するヨーレートを検出するこ
とができ、これにより車両の後輪舵角の制御が可能とな
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】角速度センサを駆動す
る駆動制御回路やセンサ本体等が故障すると、角速度セ
ンサからは、車両に発生した角速度による出力（実ヨー
レート出力）と故障による感度変動出力とが重畳されて
出力される。ここで、実ヨーレート出力の周波数成分と
故障による感度変動出力の周波数成分とが近接すると、
センサ出力をバンドパスフィルタ等で処理しても、実ヨ
ーレート分だけを分離・抽出することはできない。この
ため、上記公報では、スイッチの切り換えによって角速
度センサの故障診断を行えるようにしている。しかし、
故障診断の際のセンサ出力は実際の角速度検出結果とは
異なるため、車両に発生した実際の角速度を検出するた
めには、再度スイッチを切り換える必要がある。すなわ
ち、従来の装置では角速度検出と故障診断を同時に行う
ことができないため、角速度センサに故障が発生して
も、その故障を即座に検出できない。また、故障診断を
行うためには、そのたびに手動または制御回路等により
スイッチを切り換える必要があり、その制御が面倒であ
る。

【０００４】本発明の目的は、角速度検出中に角速度セ
ンサの故障診断を行えるようにした角速度センサの故障
診断装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】実施例を示す図１に対応
づけて本発明を説明すると、本発明は、駆動信号によっ
て振動する振動子１と、この振動子１の振動を第１の電
圧信号に変換する第１の電圧変換手段２１と、第１の電
圧信号のうち振動子の共振周波数と等しい周波数成分の
みを抽出する第１の濾過手段２２と、振動子の最大振動
振幅と振動周波数が変化しないように、第１の濾過手段
２２で抽出された信号に基づいて駆動信号を制御する駆
動制御手段２と、振動子１に発生した角速度に応じた電
荷信号を出力する角速度検出手段１６，１８と、電荷信
号を第２の電圧信号に変換する第２の電圧変換手段３１
と、第２の電圧信号のうち振動子の共振周波数と等しい
周波数成分のみを抽出する第２の濾過手段３２とを備え
る角速度センサの故障診断装置に適用され、第１の電圧
信号と第１の濾過手段２２の出力との差分、および、第
２の電圧信号と第２の濾過手段３２の出力との差分のう
ちいずれか一方に応じた差分信号を出力する差分出力手
段４１と、差分信号に基づいて角速度センサが故障か否
かを判定する判定手段４４とを備えることにより、上記
目的は達成される。請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載された角速度センサの故障診断装置において、角
速度検出手段１６，１８は、第１の角速度検出用圧電素
子１６と第２の角速度検出用圧電素子１８とを有し、駆
動信号によって振動する駆動用圧電素子１５および第１
の角速度検出用圧電素子１６を直交接合した第１の振動
ユニット１１と、振動子１の振動を検出するモニタ用圧
電素子１７および第２の角速度検出用圧電素子１８を直
交接合した第２の振動ユニット１２とを、駆動信号によ
って音叉振動するように連結板１３で連結して振動子１
を構成したものである。

【０００６】

【作用】請求項１に記載の発明では、第１の電圧変換手
段２１によって変換された第１の電圧信号と第１の濾過
手段２２の出力、あるいは第２の電圧変換手段３１によ
って変換された第２の電圧信号と第２の濾過手段３２の
出力のいずれかが差分出力手段４１に入力されてそれら
の差分信号が求められる。判定手段４４では、この差分
信号に基づいて角速度センサが故障か否かが判定され
る。請求項２に記載の発明では、駆動信号によって振動
する駆動用圧電素子１５および角速度検出手段１６，１
８の一部を構成する第１の角速度検出用圧電素子１６を
直交接合した第１の振動ユニット１１と、振動子１の振
動を検出するモニタ用圧電素子１８および角速度検出手
段１６，１８の一部を構成する第２の角速度検出用圧電
素子１８を直交接合した第２の振動ユニット１２とを連
結板１３で連結して振動子１を構成するため、駆動用圧
電素子１６に駆動信号を印加すると、第１の振動ユニッ
ト１１と第２の振動ユニット１２とは音叉振動する。

【０００７】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【０００８】

【実施例】図１は本実施例による角速度センサの故障診
断装置の一実施例のブロック図である。以下では、この
ブロック図に基づいて、車両の走行制御を行う角速度セ
ンサの故障診断について説明する。図１において、１は
音叉構造をした角速度センサ本体（以下、センサ本体と
呼ぶ）であり、中央部で直角にねじられた一対の音叉片
１１，１２を平行に並べて接合ブロック１３で接合して
作製される。接合ブロック１３には支持ピン１４が取り
付けられ、この支持ピン１４を回転軸として音叉片１
１，１２は回転可能とされている。また、音叉片１１の
接合ブロック側の表面には駆動制御回路部２からの駆動
電圧によって振動する駆動用圧電素子１５が、音叉片１
１の自由端側の表面には角速度に応じた電荷を発生する
角速度検出用圧電素子１６がそれぞれ接着固定されてい
る。音叉片１２の接合ブロック側の表面には音叉振動に
よって発生する電荷を検出する振動検出用圧電素子１７
が、音叉片１２の自由端側の表面には角速度に応じた電
荷を発生する角速度検出用圧電素子１８がそれぞれ接着
固定されている。このセンサ本体１は駆動電圧に応じて
図示の矢印の向きに振動するとともに、センサ本体１の
回転軸の回りに発生する角速度を検出する。

【０００９】２は駆動用圧電素子１５に印加する駆動電
圧を制御する駆動制御回路部であり、電流アンプ２１、
バンドパスフィルタ２２、整流器２３、平滑回路２４、
ＡＧＣ（Auto Gain Control）回路２５および駆動制御
回路２６で構成される。電流アンプ２１は振動検出用圧
電素子１７で検出された電荷を電圧に変換し、バンドパ
スフィルタ２２は電流アンプ２１の出力のうち音叉振動
の共振周波数成分のみを抽出し、整流器２３はバンドパ
スフィルタ２２の出力のうち負電圧成分を正電圧に変換
し、平滑回路２４は整流器２３の出力を直流電圧に変換
する。また、ＡＧＣ回路２５はバンドパスフィルタ２２
の出力が一定になるように制御し、駆動制御回路２６は
ＡＧＣ回路２５の出力に基づいて駆動用圧電素子１５に
印加する駆動電圧を出力する。この実施例では、駆動電
圧として正弦波電圧信号を駆動制御回路２６から出力す
る。

【００１０】３はセンサ本体１に発生した角速度に応じ
た角速度信号を出力する検出回路部であり、チャージア
ンプ３１、バンドパスフィルタ３２、同期検波回路３
３、平滑回路３４および直流アンプ３５で構成される。
チャージアンプ３１は角速度検出用圧電素子１６，１８
で検出された角速度に応じた電荷を電圧に変換し、バン
ドパスフィルタ３２はバンドパスフィルタ２２と全く同
様に構成され、チャージアンプ３１の出力のうち音叉振
動の共振周波数成分のみを抽出する。同期検波回路３３
はバンドパスフィルタ３２の出力の負電圧成分を正電圧
に変換し、平滑回路３４は同期検波回路３３の出力を直
流電圧に変換する。直流アンプ３５は平滑回路３４の出
力を増幅し、この直流アンプ３５から最終的な角速度検
出結果が出力される。

【００１１】４は、センサ本体１、駆動制御回路部２ま
たは検出回路部３に故障が起こったか否かを診断する故
障診断回路部であり、差動アンプ４１、整流器４２、平
滑回路４３、比較器４４および基準電圧器４５で構成さ
れる。差動アンプ４１はチャージアンプ３１とバンドパ
スフィルタ３２の各出力の差分を増幅し、整流器４２は
差分アンプ４１の負電圧成分を正電圧に変換する。平滑
回路４３は整流器４２の出力を直流電圧に変換し、比較
器４４は平滑回路４３の出力と予め基準電圧器４５に設
定されている基準電圧とを比較し、平滑回路４３の出力
が基準電圧を越えている場合には角速度センサが故障し
ていることを示す故障信号を出力する。

【００１２】以下、上記のように構成される角速度セン
サの故障診断装置の動作を説明する。不図示の電源スイ
ッチが投入されると、駆動制御回路部２から駆動電圧が
出力され、駆動用圧電素子１５は駆動電圧の周波数およ
び振幅に応じて振動する。駆動用圧電素子１５が振動す
ると、その振動により音叉片１１，１２がその材質等に
よって定まる所定の共振周波数によって振動する。この
振動により、振動検出用圧電素子１７の表面に圧電変換
によって電荷が発生する。この電荷は電流アンプ２１に
よって電圧信号に変換され、バンドパスフィルタ２２に
よって音叉振動の共振周波数成分のみが抽出される。こ
のように、バンドパスフィルタ２２を設けることによ
り、振動検出用圧電素子１７に発生する電荷信号のうち
音叉振動の共振周波数成分以外の雑音、例えば共振周波
数の高調波成分等が除去される。

【００１３】バンドパスフィルタ２２の出力は整流器２
３とＡＧＣ回路２５に入力され、整流器２３で整流され
た電圧は平滑回路２４に入力されて直流電圧に変換され
る。この平滑回路２４から出力される直流電圧（以下、
ＡＧＣ制御電圧と呼ぶ）信号は、ＡＧＣ回路２５のコン
トロール端子ＣＯＮＴに入力される。このＡＧＣ制御電
圧信号は、バンドパスフィルタ２２の出力の振幅に応じ
て電圧レベルが変化する信号である。ＡＧＣ回路２５
は、ＡＧＣ制御電圧レベルが高ければ、ＡＧＣ回路出力
値を低くするように制御し、ＡＧＣ制御電圧レベルが低
ければ、ＡＧＣ回路出力値を高くするように制御する。
このＡＧＣ回路出力値は駆動制御回路２６に入力されて
駆動電圧に変換された後、駆動用圧電素子１５に印加さ
れる。

【００１４】このように、駆動制御回路部２は、振動検
出用圧電素子１７の電圧レベルに応じて駆動用圧電素子
１５に印加する駆動電圧レベルを調整するため、センサ
本体１に発生する音叉振動の最大振動振幅および振動周
波数を一定にすることができる。

【００１５】駆動用圧電素子１５に駆動電圧を印加して
センサ本体１を音叉振動させている最中に、センサ本体
１の回転軸ＡＸの回りに角速度が発生すると、角速度検
出用圧電素子１６，１８にコリオリ力Ｆ_Cが発生する。
このコリオリ力Ｆ_Cは、回転軸ＡＸ方向の回転角速度ベ
クトルをω（なお、この明細書ではベクトルを示す記号
には下線をつける）、センサの振動速度ベクトルをＶと
すると、Ｖとωの外積Ｖ×ωに比例し、その方向は図２
の矢印の向きで示される。このコリオリ力Ｆ_Cによって
センサ本体１はコリオリ力Ｆ_Cの働く方向に変形し、こ
の変形によって角速度検出用圧電素子１６，１８に音叉
振動の共振周波数に同期して変化する電荷が発生する。
角速度検出用圧電素子１６，１８を分極方向が互いに逆
になるようにそれぞれ音叉片１１，１２に接着固定し、
角速度検出用圧電素子１６，１８とチャージアンプ３１
の入力端子とを接続すると、チャージアンプ３１には角
速度検出用圧電素子１６，１８に発生した電荷の和が入
力される。このようにすることで、チャージアンプ３１
に入力される角速度検出結果である電荷信号レベルを大
きくすることができ、角速度検出の感度が向上する。

【００１６】ここで、センサ本体１の固有振動数をΩと
すると、センサ本体１に発生する振動信号Ａは時間ｔを
用いると、

【数１】Ａ＝ｓｉｎΩｔ ・・・（１） で示される。コリオリ力Ｆ_Cは、前述したようにセンサ
本体１に発生する音叉振動の振動速度に比例するため、
（１）式の関係を使うと、以下に示す（２）式に比例す
る。

【数２】 ｄＡ／ｄｔ＝Ω・ｃｏｓΩｔ＝Ω・ｓｉｎ（Ω＋π／２）ｔ ・・・（２） したがって、角速度検出用圧電素子１６，１８に発生す
る電荷も（２）式に比例し、センサ本体１に発生する音
叉振動よりも位相がπ／２（９０度）進む（図３
（ａ），（ｂ））。

【００１７】また、角速度検出用圧電素子１６，１８に
発生した電荷はチャージアンプ３１によって電圧に変換
されるが、その際、チャージアンプ３１内部に設けられ
た不図示のコンデンサの影響により、位相がさらにπ／
２進む。このため、センサ本体１に発生する音叉振動よ
りも、位相がπ（１８０度）進んだ信号がチャージアン
プ３１から出力される（図３（ｃ））。

【００１８】チャージアンプ３１の出力はバンドパスフ
ィルタ３２に入力され、バンドパスフィルタ２２と同様
に音叉振動の共振周波数成分のみが抽出される。バンド
パスフィルタ３２の出力は同期検波回路３３に入力さ
れ、バンドパスフィルタ３２の出力が零になる箇所で同
期検波されて負電圧成分が正電圧に変換される（図３
（ｄ），（ｅ））。この同期検波回路３３にはバンドパ
スフィルタ２２からの出力が入力され、この出力に応じ
てバンドパスフィルタ３２の出力の同期検波が行われ
る。同期検波回路３３の出力は平滑回路３４に入力され
て直流電圧に変換された後、直流アンプ３５で増幅され
て最終的な角速度信号が出力される（図３（ｆ））。

【００１９】このように、検出回路部３は、角速度検出
用圧電素子１６，１８で検出された電荷信号のうち、セ
ンサ本体１に発生する音叉振動の共振周波数成分のみを
抽出して角速度信号を作成するため、雑音に影響されず
に精度よく角速度検出を行なうことができる。

【００２０】角速度センサによる角速度検出中に、チャ
ージアンプ３１の出力とバンドパスフィルタ３２の出力
はともに差動アンプ４１に入力され、それらの差分が差
動アンプ４１から出力される。この差分は整流器４２と
平滑回路４３とによって直流電圧に変換され、比較器４
４に入力される。この比較器４４には基準電圧器４５か
らの基準電圧も入力され、平滑回路４３からの直流電圧
と基準電圧とが比較される。そして、平滑回路４３から
の直流電圧が基準電圧を越えた場合には故障が起こった
と判断され、比較器４４から故障信号が出力される。

【００２１】ここで、角速度センサが正常に動作してい
る場合は、チャージアンプ３１からは音叉振動の共振周
波数成分だけが出力されるため、チャージアンプ３１の
出力とバンドパスフィルタ３２の出力はほぼ一致する。
一方、車両に生じた振動等によって、音叉片に接着固定
している圧電素子が剥がれたり、駆動制御回路部２や検
出回路部３内部の半田接続部に亀裂が生じて抵抗値・容
量値が変化したり、結露によって抵抗値や容量値が変化
する等の故障が発生すると、各回路の回路特性値が変化
して発振し、センサ本体１の音叉振動が不安定になる。
そして、このような場合には、チャージアンプ３１の出
力とバンドパスフィルタ３２の出力とが一致しなくな
る。

【００２２】図４（ａ）は、駆動制御回路部２等の出力
が発振した場合の検出回路部３の出力を示す波形図、図
４（ｂ）は発振時のチャージアンプ３１の出力を示す波
形図、図４（ｃ）は角速度センサが正常に動作している
際のチャージアンプ３１の出力を示す波形図を示す。回
路の発振等の故障が生じると、角速度センサ１６，１８
から出力される電荷信号に音叉振動の共振周波数成分以
外の雑音が加わるため、電荷信号は（２）式に比例しな
くなり、チャージアンプ３１の出力とバンドパスフィル
タ３２の出力とが一致しなくなる。そこで、両出力の差
分を差動アンプ４１で検出して、差分が所定値より大き
い場合には故障と判断する。

【００２３】このように、故障診断回路部４では、角速
度センサによる角速度検出中に、チャージアンプ３１と
バンドパスフィルタ３２の各出力を比較して角速度セン
サの故障診断を行なうため、例えば、故障によって発生
した信号の周波数成分と角速度センサの本来の検出信号
の周波数成分とが近接しているような場合でも、その故
障を正確に検出できる。また、デジタルデータに変換す
ることなくアナログデータのままで診断できるため、よ
り正確かつ迅速に故障を検出できる。

【００２４】なお、上記のように構成される角速度セン
サの故障診断装置において、回路の断線等によりチャー
ジアンプ３１に入力される電圧が０ボルトになると、バ
ンドパスフィルタ３２の出力値も０ボルトになるため、
差動アンプ４１に入力される電圧は両方とも０ボルトに
なり、このままでは上述した故障診断を行えない。しか
し、このような故障については、車両に設けられる車速
センサや舵角センサの出力結果と照らし合わせることに
より、容易に検出することができる。

【００２５】上記実施例では、チャージアンプ３１とバ
ンドパスフィルタ３２の各出力との差分によって故障検
出を行ったが、電流アンプ２１とバンドパスフィルタ２
２との差分によって故障検出を行ってもよい。この場合
も、角速度センサが正常な場合には両者の信号レベルは
ほぼ等しく、故障発生時には上記差分が大きくなるた
め、同様に故障検出が行える。上記実施例では、２つの
角速度検出用圧電素子１６，１８に発生する電荷をそれ
ぞれ検出して角速度検出を行っているが、片方の角速度
検出用圧電素子に発生する電荷だけを検出するようにし
てもよい。上記実施例では、音叉構造のセンサ本体１を
用いたが、センサの形状はこれに限定されず、例えば角
柱形状や円柱形状等の金属部材に圧電素子を接着したも
の等を用いてもよい。

【００２６】このように構成した実施例にあっては、角
速度センサ本体１が振動子に、電流アンプ２１が第１の
電圧変換手段に、バンドパスフィルタ２２が第１の濾過
手段に、駆動制御回路部２が駆動手段に、角速度検出用
圧電体１６，１８が角速度検出手段に、チャージアンプ
３１が第２の電圧変換手段に、バンドパスフィルタ３２
が第２の濾過手段に、差動増幅器４１が差分出力手段
に、比較器４４が判定手段に、音叉片１１が第１の振動
ユニットに、音叉片１２が第２の振動ユニットに、それ
ぞれ対応する。

【００２７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、第１の濾過手段または第２の濾過手段の入出力信
号の差分によって角速度センサの故障診断を行うように
したため、例えば角速度センサの出力信号の周波数成分
と故障により発生した信号の周波数成分とが近接してい
る場合でも故障を検出でき、故障診断の検出精度が向上
する。また、角速度検出を継続して行いながら角速度セ
ンサの故障診断をすることができるため、発生した故障
を即座に検出できる。さらに、判定手段で故障と判定さ
れた場合には、車速センサや舵角センサの出力結果を参
照する必要もないため、故障診断の処理が簡易化する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による角速度センサの故障診断装置の一
実施例のブロック図である。

【図２】角速度センサ本体に働くコリオリ力を示す図で
ある。

【図３】検出回路部内の各部の波形図である。

【図４】角速度センサ内部の回路が発振した場合と正常
な場合の波形図である。

【符号の説明】

１ 角速度センサ本体 ２ 駆動制御回路部 ３ 検出回路部 ４ 故障診断回路部 １１，１２ 音叉片 １３ 接合ブロック １４ 支持ピン １５ 駆動用圧電素子 １６，１８ 角速度検出用圧電素子 １７ 振動検出用圧電素子 ２１ 電流アンプ ２２ バンドパスフィルタ ２３ 整流器 ２４ 平滑回路 ２５ ＡＧＣ回路 ２６ 駆動制御回路 ３１ チャージアンプ ３２ バンドパスフィルタ ３３ 同期検波回路 ３４ 平滑回路 ３５ 直流アンプ ４１ 差動アンプ ４２ 整流器 ４３ 平滑回路 ４４ 比較器 ４５ 基準電圧器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動信号によって振動する振動子と、 この振動子の振動を第１の電圧信号に変換する第１の電
   圧変換手段と、 前記第１の電圧信号のうち前記振動子の共振周波数と等
   しい周波数成分のみを抽出する第１の濾過手段と、 前記振動子の最大振動振幅と振動周波数が変化しないよ
   うに、前記第１の濾過手段で抽出された信号に基づいて
   前記駆動信号を制御する駆動制御手段と、 前記振動子に発生した角速度に応じた電荷信号を出力す
   る角速度検出手段と、 前記電荷信号を第２の電圧信号に変換する第２の電圧変
   換手段と、 前記第２の電圧信号のうち前記振動子の共振周波数と等
   しい周波数成分のみを抽出する第２の濾過手段とを備え
   る角速度センサの故障診断装置において、 前記第１の電圧信号と前記第１の濾過手段の出力との差
   分、および、前記第２の電圧信号と前記第２の濾過手段
   の出力との差分のうちいずれか一方に応じた差分信号を
   出力する差分出力手段と、 前記差分信号に基づいて角速度センサが故障か否かを判
   定する判定手段と、を備えることを特徴とする角速度セ
   ンサの故障診断装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載された角速度センサの故
   障診断装置において、 前記角速度検出手段は、第１の角速度検出用圧電素子と
   第２の角速度検出用圧電素子とを有し、 前記振動子は、前記駆動信号によって振動する駆動用圧
   電素子および前記第１の角速度検出用圧電素子を直交接
   合した第１の振動ユニットと、前記振動子の振動を検出
   するモニタ用圧電素子および前記第２の角速度検出用圧
   電素子を直交接合した第２の振動ユニットとを有し、前
   記駆動信号によって音叉振動するように前記第１の振動
   ユニットと前記第２の振動ユニットとを連結板で連結す
   ることを特徴とする角速度センサの故障診断装置。