JPH09218040A - 角速度センサの自己診断方法 - Google Patents
角速度センサの自己診断方法Info
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- JPH09218040A JPH09218040A JP8026896A JP2689696A JPH09218040A JP H09218040 A JPH09218040 A JP H09218040A JP 8026896 A JP8026896 A JP 8026896A JP 2689696 A JP2689696 A JP 2689696A JP H09218040 A JPH09218040 A JP H09218040A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】高度の信頼性を有する車両制御用の角速度セン
サの自己診断方法。 【解決手段】コントローラ９の制御出力により、ＡＣ電
源１１を所定時間ＯＮして駆動の後ＯＦＦにすることに
より、振動質量１を減衰振動させ、これから振動系の振
動振幅、振動周波数を算出する。
サの自己診断方法。 【解決手段】コントローラ９の制御出力により、ＡＣ電
源１１を所定時間ＯＮして駆動の後ＯＦＦにすることに
より、振動質量１を減衰振動させ、これから振動系の振
動振幅、振動周波数を算出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、駆動状態の振動質
量に対して回転運動を与えた場合に、駆動方向と直交方
向に発生するコリオリ力を検出し前記回転の角速度を検
出する角速度センサに関する。
量に対して回転運動を与えた場合に、駆動方向と直交方
向に発生するコリオリ力を検出し前記回転の角速度を検
出する角速度センサに関する。
【０００２】
〈従来技術１〉従来の角速度センサとしては、例えば、
特開平２−５１０６６号公報に図５に示すような構成を
有するものが開示されており、その構成について説明す
ると、１７はエンリバ材等の恒弾性を有する金属を用い
て三角柱状に形成された振動子である。振動子１７は、
固有振動数で振動すると共に支持体２０により支持され
ている。振動子１７の一面には駆動用圧電素子１８が配
置されている。また、振動子１７の他の二面には検出用
圧電素子１９が設置されている。次にこの角速度センサ
の動作については、駆動用圧電素子１８に電圧を印加す
ることにより、振動子１７は図５のｘ軸方向に固有の振
動数により振動する。この振動状態で図５のｚ軸まわり
の角速度Ωが入力すると、図５のｙ軸方向にコリオリ力
が発生し、振動子１７はｙ軸方向にも振動成分を有する
ようになる。検出用圧電素子１９の出力の差動から、前
記ｙ軸方向に対する振動変位、すなわちコリオリ力を求
めることにより角速度Ωを検出するように構成されてい
る。
特開平２−５１０６６号公報に図５に示すような構成を
有するものが開示されており、その構成について説明す
ると、１７はエンリバ材等の恒弾性を有する金属を用い
て三角柱状に形成された振動子である。振動子１７は、
固有振動数で振動すると共に支持体２０により支持され
ている。振動子１７の一面には駆動用圧電素子１８が配
置されている。また、振動子１７の他の二面には検出用
圧電素子１９が設置されている。次にこの角速度センサ
の動作については、駆動用圧電素子１８に電圧を印加す
ることにより、振動子１７は図５のｘ軸方向に固有の振
動数により振動する。この振動状態で図５のｚ軸まわり
の角速度Ωが入力すると、図５のｙ軸方向にコリオリ力
が発生し、振動子１７はｙ軸方向にも振動成分を有する
ようになる。検出用圧電素子１９の出力の差動から、前
記ｙ軸方向に対する振動変位、すなわちコリオリ力を求
めることにより角速度Ωを検出するように構成されてい
る。
【０００３】図６は、上記角速度の検出用に開示された
回路のブロック図である。すなわち振動子１７、駆動用
圧電素子１８及び検出用圧電素子１９により構成される
振動系は模式図で示されている。駆動用圧電素子１８は
発振回路２１に接続して駆動される。振動子１７の駆動
振幅は一対の検出用圧電素子１９により検出される。検
出用圧電素子１９の出力は、位相補正回路２２に接続さ
れ、自励発振のために発振回路２１に帰還する。コリオ
リ力による振動子１７の変位は、検出用圧電素子１９の
出力差として検出され、差動増幅器２３により増幅され
る。差動増幅器２３の出力は、同期検波器２４により、
振動子の振動振幅信号である位相補正回路２２の出力と
同期検波され直流信号に変換し、直流増幅器２５により
所定の感度に増幅する。
回路のブロック図である。すなわち振動子１７、駆動用
圧電素子１８及び検出用圧電素子１９により構成される
振動系は模式図で示されている。駆動用圧電素子１８は
発振回路２１に接続して駆動される。振動子１７の駆動
振幅は一対の検出用圧電素子１９により検出される。検
出用圧電素子１９の出力は、位相補正回路２２に接続さ
れ、自励発振のために発振回路２１に帰還する。コリオ
リ力による振動子１７の変位は、検出用圧電素子１９の
出力差として検出され、差動増幅器２３により増幅され
る。差動増幅器２３の出力は、同期検波器２４により、
振動子の振動振幅信号である位相補正回路２２の出力と
同期検波され直流信号に変換し、直流増幅器２５により
所定の感度に増幅する。
【０００４】〈従来技術２〉また、近年角速度センサの
車載側御システムへの応用に関するの潜在需要の高揚に
より、より小型、軽量で廉価な角速度センサが求められ
ている。この要求に応えるためより半導体プロセスによ
り実現する角速度センサの研究がなされている。この技
術は、ＩＥＥＥ Micro Erectro Mechanical Systems,Fl
orida(1993),p143〜p148に開示されている。図７（ａ）
はこの半導体角速度センサの構成を示す図、図７（ｂ）
は図７（ａ）のＡ−Ａ断面を示す図、図８は図７の半導
体角速度センサの端子電圧を示すタイムチャートであ
る。
車載側御システムへの応用に関するの潜在需要の高揚に
より、より小型、軽量で廉価な角速度センサが求められ
ている。この要求に応えるためより半導体プロセスによ
り実現する角速度センサの研究がなされている。この技
術は、ＩＥＥＥ Micro Erectro Mechanical Systems,Fl
orida(1993),p143〜p148に開示されている。図７（ａ）
はこの半導体角速度センサの構成を示す図、図７（ｂ）
は図７（ａ）のＡ−Ａ断面を示す図、図８は図７の半導
体角速度センサの端子電圧を示すタイムチャートであ
る。
【０００５】以下、図７、図８を用いて従来技術２を説
明する。従来技術２の振動子は、酸化膜６を有するシリ
コン基板７上に形成され、振動系は振動質量１及び支持
体２により構成されている。振動質量１及び支持体２は
結晶シリコンまたはポリシリコン、若しくは鍍金法によ
り堆積した金属により形成されている。支持体２はアン
カ部３によりシリコン基板７に固定さると共に、アンカ
部３において振動質量１及び支持体２に対して図示しな
い配線回路により電気的に接続されている。振動質量１
の側面には静電引力で駆動するための櫛場電極５が構成
されている。振動質量１の直下には振動質量１のｙ軸方
向の変位を静電容量の変化として検出するための電極８
が構成されている。通常、櫛歯電極５の相互間隔及び振
動質量１と検出電極８の間隔は数μｍ程度である。
明する。従来技術２の振動子は、酸化膜６を有するシリ
コン基板７上に形成され、振動系は振動質量１及び支持
体２により構成されている。振動質量１及び支持体２は
結晶シリコンまたはポリシリコン、若しくは鍍金法によ
り堆積した金属により形成されている。支持体２はアン
カ部３によりシリコン基板７に固定さると共に、アンカ
部３において振動質量１及び支持体２に対して図示しな
い配線回路により電気的に接続されている。振動質量１
の側面には静電引力で駆動するための櫛場電極５が構成
されている。振動質量１の直下には振動質量１のｙ軸方
向の変位を静電容量の変化として検出するための電極８
が構成されている。通常、櫛歯電極５の相互間隔及び振
動質量１と検出電極８の間隔は数μｍ程度である。
【０００６】振動質量１は、静電引力により駆動され
る。駆動の詳細は引用した前記文献には明示されていな
いが、図７に示した端子に対しては、例えば、図８のタ
イムチヤートに示す電圧を印加する。すなわち端子ｃに
は、ＤＣバイアス電圧Ｖbiasに重畳した振動子の固有振
動と同じ振動数のＡＣ電圧を印加する。また端子ａ、端
子ｂは、ＤＣバイアス電圧Ｖbiasに保持する。その結果
２つの振動質量１、１は基板面と平行方向すなわちｘ軸
方向に、互いに逆位相で駆動される。この状態で振動質
量１及び支持部２により構成される振動系をｚ軸まわり
の角速度Ωにより回転させると、振動質量１、１にはｙ
軸方向にコリオリ力が発生する。振動質量１、１に発生
するコリオリ力は（数１）式で表わされる。
る。駆動の詳細は引用した前記文献には明示されていな
いが、図７に示した端子に対しては、例えば、図８のタ
イムチヤートに示す電圧を印加する。すなわち端子ｃに
は、ＤＣバイアス電圧Ｖbiasに重畳した振動子の固有振
動と同じ振動数のＡＣ電圧を印加する。また端子ａ、端
子ｂは、ＤＣバイアス電圧Ｖbiasに保持する。その結果
２つの振動質量１、１は基板面と平行方向すなわちｘ軸
方向に、互いに逆位相で駆動される。この状態で振動質
量１及び支持部２により構成される振動系をｚ軸まわり
の角速度Ωにより回転させると、振動質量１、１にはｙ
軸方向にコリオリ力が発生する。振動質量１、１に発生
するコリオリ力は（数１）式で表わされる。
【０００７】
【数１】
【０００８】ここで、ｍは振動質量１の質量、Ｖｍ
（ｔ）は静電引力により駆動される振動質量１の速度で
ある。各振動質量１、１の速度Ｖｍ（ｔ）はで常時、互
いに逆符号であるため、発生するコリオリ力も各振動質
量１、１では常に逆符号となる。従って、振動質量１、
１と検出電極８間の静電容量値の差動値から角速度Ωを
検出することができる。
（ｔ）は静電引力により駆動される振動質量１の速度で
ある。各振動質量１、１の速度Ｖｍ（ｔ）はで常時、互
いに逆符号であるため、発生するコリオリ力も各振動質
量１、１では常に逆符号となる。従って、振動質量１、
１と検出電極８間の静電容量値の差動値から角速度Ωを
検出することができる。
【０００９】また、（数１）式から明らかなように、発
生コリオリ力は駆動速度Ｖｍ（ｔ）に比例するため、通
常は振動系の固有振動数で駆動、すなわち、共振状態で
駆動する。その場合、振動子周辺の気体によるダンピン
グの効果を同避し、共振時のＱ値（数８式参照）を大き
くするため振動子を真空中に保持する。具体的な実装形
態は引用文献には明示されていないが、例えば、カンパ
ッケージ等を用いることで真空実装は可能である。
生コリオリ力は駆動速度Ｖｍ（ｔ）に比例するため、通
常は振動系の固有振動数で駆動、すなわち、共振状態で
駆動する。その場合、振動子周辺の気体によるダンピン
グの効果を同避し、共振時のＱ値（数８式参照）を大き
くするため振動子を真空中に保持する。具体的な実装形
態は引用文献には明示されていないが、例えば、カンパ
ッケージ等を用いることで真空実装は可能である。
【００１０】従来技術２として引用した文献には検出回
路が明示してないが、一般的には例えば、図９のように
検出回路を構成すればよい。但し、図９には１対の振動
質量のうち片方のみを示した。また振動質量１を静電引
力で駆動する櫛歯電極５を簡略化して示した。以下、構
成を説明する。１０は、ＤＣバイアス電圧を発生する電
源、１１は、ＡＣ電源で振動質量１の固有振動と同じ周
波数の電圧を発生する。ＡＣ電源１１の出力はコンデン
サ１２を介し、抵抗１３を介したＤＣバイアス電源１０
と接続され、図７（ａ）における端子ｃに入力する。従
って端子ｃに印加される電圧は、ＡＣ電源１１とＤＣバ
イアス電源１０の和となる。振動質量１はアンカ部３で
接地されている。振動振幅は端子ａまたは端子ｂに接続
したＣ−Ｖコンバー夕１４を用いて櫛歯電極５の容量値
の変化により検出する。Ｃ−Ｖコンバー夕１４から得ら
れた振動質量１の駆動振幅信号の一部は自励発振と駆動
振幅一定制御のためＡＣ電源１１に帰還する。コリオリ
力による振動質量１の変位は、検出用電極８に接続した
Ｃ−Ｖコンバー夕１４を用いて容量値の変化により検出
する。コリオリ力による振動質量の変位は、（数１）式
より明らかなように、駆動振幅と同じ周波数で変化する
ので、検出した駆動振幅を用いて復調器１５において同
期検出する。同期検出後得られた信号は増幅器２６にお
いて所定の感度に増幅される。
路が明示してないが、一般的には例えば、図９のように
検出回路を構成すればよい。但し、図９には１対の振動
質量のうち片方のみを示した。また振動質量１を静電引
力で駆動する櫛歯電極５を簡略化して示した。以下、構
成を説明する。１０は、ＤＣバイアス電圧を発生する電
源、１１は、ＡＣ電源で振動質量１の固有振動と同じ周
波数の電圧を発生する。ＡＣ電源１１の出力はコンデン
サ１２を介し、抵抗１３を介したＤＣバイアス電源１０
と接続され、図７（ａ）における端子ｃに入力する。従
って端子ｃに印加される電圧は、ＡＣ電源１１とＤＣバ
イアス電源１０の和となる。振動質量１はアンカ部３で
接地されている。振動振幅は端子ａまたは端子ｂに接続
したＣ−Ｖコンバー夕１４を用いて櫛歯電極５の容量値
の変化により検出する。Ｃ−Ｖコンバー夕１４から得ら
れた振動質量１の駆動振幅信号の一部は自励発振と駆動
振幅一定制御のためＡＣ電源１１に帰還する。コリオリ
力による振動質量１の変位は、検出用電極８に接続した
Ｃ−Ｖコンバー夕１４を用いて容量値の変化により検出
する。コリオリ力による振動質量の変位は、（数１）式
より明らかなように、駆動振幅と同じ周波数で変化する
ので、検出した駆動振幅を用いて復調器１５において同
期検出する。同期検出後得られた信号は増幅器２６にお
いて所定の感度に増幅される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】角速度センサを車両用
の制御システムに適用する場合には、小型、軽量、廉価
であることとともに、故障率が低く、高度の信頼性を有
し、故障を未然に検知できることが特に重要である。上
記従来技術１、２は何れも、角速度センサの機能を診断
し、故障を未然に検知する、いわゆる自己診断機能を備
えてはいない。
の制御システムに適用する場合には、小型、軽量、廉価
であることとともに、故障率が低く、高度の信頼性を有
し、故障を未然に検知できることが特に重要である。上
記従来技術１、２は何れも、角速度センサの機能を診断
し、故障を未然に検知する、いわゆる自己診断機能を備
えてはいない。
【００１２】特に、上記従来技術２においては、真空度
の低下は、前記共振時のＱ値の低下をもたらし角速度セ
ンサの感度低下を招く。また、可動する振動質量１と固
定された電極との間隔は数μｍ程度であるので、実装工
程中等に発生した可動のゴミが、前記間隔に侵入すれ
ば、振動質量１の動作を阻害し角速度の検出を不可能に
する。さらに支持体２やアンカ部３にマイクロクラック
が発生し動作中に振動系を破壊させる至ることも想定さ
れる。本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、
角速度センサの機能の診断を行ない、上述のような機能
上の不具合を未然に検知する自己診断法を提供するもの
である。
の低下は、前記共振時のＱ値の低下をもたらし角速度セ
ンサの感度低下を招く。また、可動する振動質量１と固
定された電極との間隔は数μｍ程度であるので、実装工
程中等に発生した可動のゴミが、前記間隔に侵入すれ
ば、振動質量１の動作を阻害し角速度の検出を不可能に
する。さらに支持体２やアンカ部３にマイクロクラック
が発生し動作中に振動系を破壊させる至ることも想定さ
れる。本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、
角速度センサの機能の診断を行ない、上述のような機能
上の不具合を未然に検知する自己診断法を提供するもの
である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
を目的とする本発明は、振動質量と、前記振動質量を支
持する支持部とを有し、前記振動質量を直交座標系の第
１軸方向に駆動し、前記直交座標系の第３軸まわりの角
速度が印加された場合に、前記直交座標系の第２軸方向
に発生するコリオリ力を検出する角速度センサにおい
て、前記振動質量を一定時間駆動し、前記一定時間の後
駆動を停止し、駆動停止後の振動質量の減衰振動を測定
することにより振動系の自己診断を行なう角速度センサ
の診断方法である。これにより振動系の振動振幅、振動
周波数を算出することができる。例えば、振動周波数
は、振動質量の０変位点が発生する時間間隔の計測によ
り求められ、また、０変位点は、振動質量停止時のＣ−
Ｖコンバータの出力から求められる。振動周波数の計測
結果から減衰定数と減衰無しのときの固有角速度の関係
を求めることができる。
を目的とする本発明は、振動質量と、前記振動質量を支
持する支持部とを有し、前記振動質量を直交座標系の第
１軸方向に駆動し、前記直交座標系の第３軸まわりの角
速度が印加された場合に、前記直交座標系の第２軸方向
に発生するコリオリ力を検出する角速度センサにおい
て、前記振動質量を一定時間駆動し、前記一定時間の後
駆動を停止し、駆動停止後の振動質量の減衰振動を測定
することにより振動系の自己診断を行なう角速度センサ
の診断方法である。これにより振動系の振動振幅、振動
周波数を算出することができる。例えば、振動周波数
は、振動質量の０変位点が発生する時間間隔の計測によ
り求められ、また、０変位点は、振動質量停止時のＣ−
Ｖコンバータの出力から求められる。振動周波数の計測
結果から減衰定数と減衰無しのときの固有角速度の関係
を求めることができる。
【００１４】
【発明の効果】上記本発明に係る自己診断を行なうこと
により、角速度センサを用いて予想される故障を未然に
検出することができるという効果が得られる。
により、角速度センサを用いて予想される故障を未然に
検出することができるという効果が得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。本実施の形態は、前記従来技術２と
同様の構成を有する静電引力で駆動する半導体角速度セ
ンサに適用したものを示すが、本実施の形態に限定せ
ず、従来技術１のような圧電素子で駆動される角速度セ
ンサにも適用可能である。
の形態を説明する。本実施の形態は、前記従来技術２と
同様の構成を有する静電引力で駆動する半導体角速度セ
ンサに適用したものを示すが、本実施の形態に限定せ
ず、従来技術１のような圧電素子で駆動される角速度セ
ンサにも適用可能である。
【００１６】〈実施の形態１〉図１は本発明の実施の形
態１の検出回路の構成を示す図である。図１には単体の
振動質量１のみによる構成を示した。但し、本発明の主
張する効果は、従来技術２のように１対で構成した振動
質量１、１の場合であっても同じである。また振動質量
１を静電引力で駆動する櫛歯電極５を簡略化して示し
た。さらに振動質量１の駆動に関する構成のみ示し、コ
リオリ力による振動質量１の変位を検出する構成部に関
しては図面を簡略化したため記載していない。
態１の検出回路の構成を示す図である。図１には単体の
振動質量１のみによる構成を示した。但し、本発明の主
張する効果は、従来技術２のように１対で構成した振動
質量１、１の場合であっても同じである。また振動質量
１を静電引力で駆動する櫛歯電極５を簡略化して示し
た。さらに振動質量１の駆動に関する構成のみ示し、コ
リオリ力による振動質量１の変位を検出する構成部に関
しては図面を簡略化したため記載していない。
【００１７】以下、本実施の形態の回路を説明する。１
０はＤＣバイアス電圧を発生する電源、１１はＡＣ電源
であって、振動質量１の固有振動と同じ周波数の電圧を
発生する。ＡＣ電源１１はコントローラ９の制御出力に
よりＯＮ−ＯＦＦが可能となっている。ＡＣ電源１１の
出力は、コンデンサ１２、抵抗１３を介したＤＣバイア
ス電源と接続され、駆動用の櫛歯電極５に入力する。従
って、駆動用の櫛歯電極５に印加される電圧は、ＡＣ電
源１１とＤＣバイアス電源１０の和となる。振動質量１
はアンカ部３によって接地されている。振動振幅は、振
動振幅検出用の櫛歯電極５に接続したＣ−Ｖコンバー夕
１４を用いて、櫛歯電極５の容量値の変化により検出す
る。Ｃ−Ｖコンバー夕１４により得られた振動質量の駆
動振幅信号の一部は自励発振と駆動振幅一定制御のた
め、ＡＣ電源１１に帰還する。１６は、信号処理回路
で、後述するように振動質量１の駆動振幅信号の周波数
計測、積分等の信号処理と、コントローラ９との情報伝
達のインタフェース機能を有する。コントローラ９はＡ
Ｃ電源１１のＯＮ−ＯＦＦのタイミングの制御と信号処
理回路１６の出力から角速度センサの機能判断を行な
い、必要であれば警報を出力する。角速度センサとして
は、図１のＡで示す点線で囲われた部分によって、信号
処理回路１６及びコントローラ９を角速度センサとは別
のユニットで構成してもよいが、Ｂで示す点線で囲われ
た部分の機能を全て包含するようなインテリジェントセ
ンサを構成することも可能である。
０はＤＣバイアス電圧を発生する電源、１１はＡＣ電源
であって、振動質量１の固有振動と同じ周波数の電圧を
発生する。ＡＣ電源１１はコントローラ９の制御出力に
よりＯＮ−ＯＦＦが可能となっている。ＡＣ電源１１の
出力は、コンデンサ１２、抵抗１３を介したＤＣバイア
ス電源と接続され、駆動用の櫛歯電極５に入力する。従
って、駆動用の櫛歯電極５に印加される電圧は、ＡＣ電
源１１とＤＣバイアス電源１０の和となる。振動質量１
はアンカ部３によって接地されている。振動振幅は、振
動振幅検出用の櫛歯電極５に接続したＣ−Ｖコンバー夕
１４を用いて、櫛歯電極５の容量値の変化により検出す
る。Ｃ−Ｖコンバー夕１４により得られた振動質量の駆
動振幅信号の一部は自励発振と駆動振幅一定制御のた
め、ＡＣ電源１１に帰還する。１６は、信号処理回路
で、後述するように振動質量１の駆動振幅信号の周波数
計測、積分等の信号処理と、コントローラ９との情報伝
達のインタフェース機能を有する。コントローラ９はＡ
Ｃ電源１１のＯＮ−ＯＦＦのタイミングの制御と信号処
理回路１６の出力から角速度センサの機能判断を行な
い、必要であれば警報を出力する。角速度センサとして
は、図１のＡで示す点線で囲われた部分によって、信号
処理回路１６及びコントローラ９を角速度センサとは別
のユニットで構成してもよいが、Ｂで示す点線で囲われ
た部分の機能を全て包含するようなインテリジェントセ
ンサを構成することも可能である。
【００１８】次に本実施の形態による角速度センサによ
る自己診断手順及びその作用について説明する。コント
ローラ９の制御出力により、ＡＣ電源１１は所定時間Ｏ
Ｎして振動質量１を駆動し、その後出力をＯＦＦにす
る。その結果、振動質量１は図２に示すように駆動振幅
が変化する。すなわち、ＡＣ電源１１がＯＮの間は、駆
動電圧が印加状態にあり、所定の振幅で振動している。
しかし電源電圧のＯＦＦにより、駆動力は失われ、その
後は周囲の気体とのダンピングや、支持体における振動
エネルギーから熱エネルギーへの散逸により、減衰振動
を開始し次第にその振幅が減少する。このときの振動質
量１の駆動軸方向、すなわちｘ軸方向の減衰振動は、
（数２）式に示すような運動方程式で表される。
る自己診断手順及びその作用について説明する。コント
ローラ９の制御出力により、ＡＣ電源１１は所定時間Ｏ
Ｎして振動質量１を駆動し、その後出力をＯＦＦにす
る。その結果、振動質量１は図２に示すように駆動振幅
が変化する。すなわち、ＡＣ電源１１がＯＮの間は、駆
動電圧が印加状態にあり、所定の振幅で振動している。
しかし電源電圧のＯＦＦにより、駆動力は失われ、その
後は周囲の気体とのダンピングや、支持体における振動
エネルギーから熱エネルギーへの散逸により、減衰振動
を開始し次第にその振幅が減少する。このときの振動質
量１の駆動軸方向、すなわちｘ軸方向の減衰振動は、
（数２）式に示すような運動方程式で表される。
【００１９】
【数２】
【００２０】この方程式から振動質量１の振動振幅及び
振動周波数は（数３）式、（数４）式のように表わされ
る。
振動周波数は（数３）式、（数４）式のように表わされ
る。
【００２１】
【数３】
【００２２】
【数４】
【００２３】信号処理回路１６ではＣ−Ｖコンバー夕１
４の出力より振動質量の振動振幅の振動周波数計測及び
積分を行なう。振動周波数計測は、例えば、振動質量の
０変位点が発生する時間間隔を計測することにより求め
られる。０変位点は振動質量の停止時のＣ−Ｖコンバー
夕１４の出力により容易に求められる。振動周波数計測
より（数４）式から減衰定数と固有角速度の関係を求め
ることができる。
４の出力より振動質量の振動振幅の振動周波数計測及び
積分を行なう。振動周波数計測は、例えば、振動質量の
０変位点が発生する時間間隔を計測することにより求め
られる。０変位点は振動質量の停止時のＣ−Ｖコンバー
夕１４の出力により容易に求められる。振動周波数計測
より（数４）式から減衰定数と固有角速度の関係を求め
ることができる。
【００２４】減衰振動のｎ周期から（ｎ＋１）周期につ
いて１周期間、振動質量の振動振幅を積分すると（数
５）式のようになる。
いて１周期間、振動質量の振動振幅を積分すると（数
５）式のようになる。
【００２５】
【数５】
【００２６】実際には振動振幅はＣ−Ｖコンバー夕１４
の出力として計測するので（数５）式の結果に所定係数
を乗じたものとなる。積分範囲を決定する振動周波数計
測は振動周波数計測により求められる。（数５）式のよ
うな１周期間の積分を連続する２つの周期についてそれ
ぞれ行ない、積分値の比の対数を求めると（数６）式の
ようになる。
の出力として計測するので（数５）式の結果に所定係数
を乗じたものとなる。積分範囲を決定する振動周波数計
測は振動周波数計測により求められる。（数５）式のよ
うな１周期間の積分を連続する２つの周期についてそれ
ぞれ行ない、積分値の比の対数を求めると（数６）式の
ようになる。
【００２７】
【数６】
【００２８】従って（数６）式より減衰定数γが求めら
れる。
れる。
【００２９】結果として、振動振幅をＣ−Ｖコンバー夕
を用いて計測し出力より減衰振動の振動周波数及び振動
振幅の積分値を求めることにより、（数４）式、（数
６）式を用いて振動質量１と支持体２により構成される
振動系の減衰定数γと、固有角速度ω0を求めることが
できる。減衰定数は振動質量と気体とのダンピングや支
持体における振動ネルギーから熱工ネルギーへの散逸に
依存するためこれらに変化があれば直ちに検出が可能で
ある。また、固有角速度は支持体のバネ定数ｋ及び振動
質量の質量ｍと（数７）式のような関係にある。
を用いて計測し出力より減衰振動の振動周波数及び振動
振幅の積分値を求めることにより、（数４）式、（数
６）式を用いて振動質量１と支持体２により構成される
振動系の減衰定数γと、固有角速度ω0を求めることが
できる。減衰定数は振動質量と気体とのダンピングや支
持体における振動ネルギーから熱工ネルギーへの散逸に
依存するためこれらに変化があれば直ちに検出が可能で
ある。また、固有角速度は支持体のバネ定数ｋ及び振動
質量の質量ｍと（数７）式のような関係にある。
【００３０】
【数７】
【００３１】従ってｋ又はｍに変化があれば固有角速度
の変化として検出できる。
の変化として検出できる。
【００３２】〈実施の形態１の効果〉角速度センサ、特
に半導体角速度センサにおいては以下のような故障モー
ドが想定される。
に半導体角速度センサにおいては以下のような故障モー
ドが想定される。
【００３３】１）経時劣化により実装の真空度が低下、
振動系のＱ値が低下し、所定の感度を実現できなくな
る。
振動系のＱ値が低下し、所定の感度を実現できなくな
る。
【００３４】２）振動系付近に可動のゴミ等の異物が存
在し、これが振動質量に付着、振動系の固有振動数に変
化をもたらし効率の良い駆動ができなくなる。さらには
前記可動の異物が振動質量等の可動部と固定された櫛歯
電極との間に侵入して動作を阻害する。
在し、これが振動質量に付着、振動系の固有振動数に変
化をもたらし効率の良い駆動ができなくなる。さらには
前記可動の異物が振動質量等の可動部と固定された櫛歯
電極との間に侵入して動作を阻害する。
【００３５】３）経時劣化により支持部やアンカ部にマ
イクロクラツクが発生し、最悪の場合動作中に振動系の
破壊に至る。共振状態におけるＱ値は（数８）式のよう
に記述され、減衰定数に依存する。
イクロクラツクが発生し、最悪の場合動作中に振動系の
破壊に至る。共振状態におけるＱ値は（数８）式のよう
に記述され、減衰定数に依存する。
【００３６】
【数８】
【００３７】従って、真空度の低下が発生すれば減衰定
数の増加として検出される。この変化が所定レベル以上
となれば、コントローラでＱ値異常の１）のケースとし
て判断され警告出力により角速度センサの故障を未然に
検知することができる。２）のケースでは振動質量の質
量ｍに、３）のケースでは支持体のバネ定数ｋに変化が
現れるので式（７）により固有角速度の変化として検出
することができ、１）のケースと同様に故障を未然に検
知することができる。
数の増加として検出される。この変化が所定レベル以上
となれば、コントローラでＱ値異常の１）のケースとし
て判断され警告出力により角速度センサの故障を未然に
検知することができる。２）のケースでは振動質量の質
量ｍに、３）のケースでは支持体のバネ定数ｋに変化が
現れるので式（７）により固有角速度の変化として検出
することができ、１）のケースと同様に故障を未然に検
知することができる。
【００３８】また、従来技術１で述べたような金属の振
動子を圧電素子で駆動するタイプの角速度センサにおい
ては、真空実装は必要でないので前述の１）のケースの
ように真空度の低下によるＱ値の減少は発生しない。し
かし、図５の支持部２０の振動子１７の支持状態の変化
によりＱ値は変化する。例えば落下の際の衝撃によりＱ
値が低下することがある。また、振動子の腐食またはク
ラツク等によりバネ定数ｋ、質量ｍが変化することもあ
り得る。以上のケースにおいても、前述の自己診断手段
により、半導体角速度センサと同様に故障を未然に検出
することができる。以上、述べたように振動系の減衰振
動を計測することにより、振動系の故障を未然に検出す
ることが可能となる。
動子を圧電素子で駆動するタイプの角速度センサにおい
ては、真空実装は必要でないので前述の１）のケースの
ように真空度の低下によるＱ値の減少は発生しない。し
かし、図５の支持部２０の振動子１７の支持状態の変化
によりＱ値は変化する。例えば落下の際の衝撃によりＱ
値が低下することがある。また、振動子の腐食またはク
ラツク等によりバネ定数ｋ、質量ｍが変化することもあ
り得る。以上のケースにおいても、前述の自己診断手段
により、半導体角速度センサと同様に故障を未然に検出
することができる。以上、述べたように振動系の減衰振
動を計測することにより、振動系の故障を未然に検出す
ることが可能となる。
【００３９】次に、本発明の実施の形態２について述べ
る。大部分の回路構成は実施の形態１と同一であるの
で、差異のある部分のみ記載する。 〈実施の形態２〉図３は本発明の実施の形態２の検出回
路図である。本実施の形態は、コントローラ９によりＡ
Ｃ電源１１のＯＮ−ＯＦＦとＤＣバイアス電源１０の制
御とＯＮ−ＯＦＦを行なう。コントローラ９の制御出力
によりＡＣ電源のＯＦＦ状態でＤＣバイアス電源１０は
通常動作時より昇圧され、所定時間ＯＮし、振動質量１
を駆動しその後出力をＯＦＦにする。その結果、振動質
量１は図４のような駆動振幅変化を示す。すなわち、Ｄ
Ｃバイアス電源１０がＯＮの間はＤＣ駆動電圧が印加状
態にあり、所定の振幅に保持されている。しかし電圧の
ＯＦＦに伴い、ＤＣ駆動力は失われ、その後は周囲の気
体とのダンピングや支持体における振動エネルギーから
熱エネルギーへの散逸により、減衰振動を開始し次第に
その振動振幅は減少する。その後の振動質量の挙動は式
（３）における駆動振幅Ｘ0がＤＣ変位量Ｘ0’に置き換
えられるだけで同一である。
る。大部分の回路構成は実施の形態１と同一であるの
で、差異のある部分のみ記載する。 〈実施の形態２〉図３は本発明の実施の形態２の検出回
路図である。本実施の形態は、コントローラ９によりＡ
Ｃ電源１１のＯＮ−ＯＦＦとＤＣバイアス電源１０の制
御とＯＮ−ＯＦＦを行なう。コントローラ９の制御出力
によりＡＣ電源のＯＦＦ状態でＤＣバイアス電源１０は
通常動作時より昇圧され、所定時間ＯＮし、振動質量１
を駆動しその後出力をＯＦＦにする。その結果、振動質
量１は図４のような駆動振幅変化を示す。すなわち、Ｄ
Ｃバイアス電源１０がＯＮの間はＤＣ駆動電圧が印加状
態にあり、所定の振幅に保持されている。しかし電圧の
ＯＦＦに伴い、ＤＣ駆動力は失われ、その後は周囲の気
体とのダンピングや支持体における振動エネルギーから
熱エネルギーへの散逸により、減衰振動を開始し次第に
その振動振幅は減少する。その後の振動質量の挙動は式
（３）における駆動振幅Ｘ0がＤＣ変位量Ｘ0’に置き換
えられるだけで同一である。
【００４０】〈実施の形態２の効果〉実施の形態１と概
ね同一の効果が得られる。しかし、ＤＣバイアス電源１
０がＯＦＦの時点から減衰振動が開始されるため、滅哀
振動測定における時問原点の設定は実施の形態１よりも
容易である。
ね同一の効果が得られる。しかし、ＤＣバイアス電源１
０がＯＦＦの時点から減衰振動が開始されるため、滅哀
振動測定における時問原点の設定は実施の形態１よりも
容易である。
【図１】本発明に係る角速度センサの実施の形態１の検
出回路図である。
出回路図である。
【図２】実施の形態１における自己診断中の振動質量の
振動振幅の変化を示す特性図である。
振動振幅の変化を示す特性図である。
【図３】本発明に係る角速度センサの実施の形態２の検
出回路図である。
出回路図である。
【図４】実施の形態２における自己診断中の振動質量の
振動振幅の変化を示す特性図である。
振動振幅の変化を示す特性図である。
【図５】従来技術１の角速度センサの要部外観を示す斜
視図である。
視図である。
【図６】従来技術１のブロック構成図である。
【図７】従来技術２の半導体角速度センサの構成を示す
図（ａ）、及び図（ａ）のＡ−Ａ断面を示す図（ｂ）で
ある。
図（ａ）、及び図（ａ）のＡ−Ａ断面を示す図（ｂ）で
ある。
【図８】従来技術２の半導体角速度センサの端子電圧を
示すタイムチャートである。
示すタイムチャートである。
【図９】従来技術２の半導体角速度センサの検出回路の
ブロック図である。
ブロック図である。
１…振動質量 ２…支持体３…
アンカ部 ５…櫛歯電極 ６…酸化膜 ７…シリコン基板 ８…検出電極 ９…コントローラ １０…ＤＣバイア
ス電源 １１…ＡＣ電源 １２…コンデン
サ １３…抵抗 １４…Ｃ−Ｖコ
ンバー夕 １５…復調器 １６…信号処理
回路 １７…振動子 １８…駆動用圧
電素子 １９…検出用圧電素子 ２０…支持体 ２１…発振回路 ２２…位相補正
回路 ２３…差動増幅器 ２４…同期検波
器 ２５…直流増幅器 ２６…増幅器
アンカ部 ５…櫛歯電極 ６…酸化膜 ７…シリコン基板 ８…検出電極 ９…コントローラ １０…ＤＣバイア
ス電源 １１…ＡＣ電源 １２…コンデン
サ １３…抵抗 １４…Ｃ−Ｖコ
ンバー夕 １５…復調器 １６…信号処理
回路 １７…振動子 １８…駆動用圧
電素子 １９…検出用圧電素子 ２０…支持体 ２１…発振回路 ２２…位相補正
回路 ２３…差動増幅器 ２４…同期検波
器 ２５…直流増幅器 ２６…増幅器
Claims (7)
- 【請求項１】振動質量と、前記振動質量を支持する支持
部とを有し、前記振動質量を直交座標系の第１軸方向に
駆動し、前記直交座標系の第３軸まわりの角速度が印加
された場合に前記直交座標系の第２軸方向に発生するコ
リオリ力を検山する角速度センサにおいて、 前記振動質量を一定時間駆動し、この駆動を停止した
後、前記振動質量の減衰振動を測定することにより振動
系の診断を行なうことを特徴とする角速度センサの自己
診断方法。 - 【請求項２】前記振動質量の駆動は、前記直交座標系の
第１軸方向の振動駆動であることを特徴とする請求項１
記載の角速度センサの自己診断方法。 - 【請求項３】前記振動質量の駆動は、前記直交座標系の
第１軸方向の正または負のいずれか一方の静的な力によ
る駆動であることを特徴とする請求項１記載の角速度セ
ンサの自己診断方法。 - 【請求項４】前記振動質量の一定時間の駆動停止後、減
衰振動の振幅の積分値から減衰定数を求め、振動系の診
断を行なうことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れ
かに記載の角速度センサの自己診断方法。 - 【請求項５】前記振動質量の一定時間の駆動停止後、減
衰振動の周波数から振動系の診断を行なうことを特徴と
する請求項１〜請求項３の何れかに記載の角速度センラ
の自己診断方法。 - 【請求項６】前記振動質量の駆動は、静電引力を利用す
ることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載
の角速度センサの自己診断方法。 - 【請求項７】前記振動質量の駆動は、圧電効果を利用す
ることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載
の角速度センサの自己診断方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8026896A JPH09218040A (ja) | 1996-02-14 | 1996-02-14 | 角速度センサの自己診断方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8026896A JPH09218040A (ja) | 1996-02-14 | 1996-02-14 | 角速度センサの自己診断方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09218040A true JPH09218040A (ja) | 1997-08-19 |
Family
ID=12206017
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8026896A Pending JPH09218040A (ja) | 1996-02-14 | 1996-02-14 | 角速度センサの自己診断方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09218040A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6608425B2 (en) | 2001-01-29 | 2003-08-19 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Vibrating gyroscope, electronic device using the same, and self-diagnosis method for vibrating gyroscope |
| WO2005001379A1 (de) * | 2003-06-30 | 2005-01-06 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zur überwachung eines vibrationskreisels |
| EP1515116A3 (en) * | 2000-07-04 | 2007-03-21 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Method and device for diagnosing trouble with sensor function |
| WO2007031402A1 (de) * | 2005-09-12 | 2007-03-22 | Siemens Vdo Automotive Ag | Verfahren zum betrieb eines vibrationskreisels und sensoranordnung |
| JP2010117374A (ja) * | 2010-02-24 | 2010-05-27 | Epson Toyocom Corp | ジャイロモジュール |
| US20100179722A1 (en) * | 2009-01-09 | 2010-07-15 | Mitsubishi Electric Corporation | Device and method for performing self-diagnosis as to whether or not acceleration or angular-velocity sensor is in normal status |
| JP2010286371A (ja) * | 2009-06-12 | 2010-12-24 | Seiko Epson Corp | 物理量検出装置、物理量検出装置の異常診断システム及び物理量検出装置の異常診断方法 |
| US7895893B2 (en) | 2005-09-12 | 2011-03-01 | Vdo Automotive Ag | Method for operating a vibrating gyroscope and sensor arrangement |
| US7926347B2 (en) | 2005-09-12 | 2011-04-19 | Vdo Automotive Ag | Method and system for monitoring a sensor arrangement |
-
1996
- 1996-02-14 JP JP8026896A patent/JPH09218040A/ja active Pending
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1229304B1 (en) * | 2000-07-04 | 2007-12-12 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Method and device for diagnosing trouble with sensor function |
| EP1515116A3 (en) * | 2000-07-04 | 2007-03-21 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Method and device for diagnosing trouble with sensor function |
| DE10203367B4 (de) * | 2001-01-29 | 2004-05-13 | Murata Manufacturing Co., Ltd., Nagaokakyo | Vibrationsgyroskop, elektronisches Gerät, das dasselbe verwendet und Eigendiagnoseverfahren für ein Vibrationsgyroskop |
| US6608425B2 (en) | 2001-01-29 | 2003-08-19 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Vibrating gyroscope, electronic device using the same, and self-diagnosis method for vibrating gyroscope |
| WO2005001379A1 (de) * | 2003-06-30 | 2005-01-06 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zur überwachung eines vibrationskreisels |
| US7263454B2 (en) | 2003-06-30 | 2007-08-28 | Siemens Aktiengesellschaft | Method for monitoring a vibrating gyroscope |
| US7895893B2 (en) | 2005-09-12 | 2011-03-01 | Vdo Automotive Ag | Method for operating a vibrating gyroscope and sensor arrangement |
| WO2007031402A1 (de) * | 2005-09-12 | 2007-03-22 | Siemens Vdo Automotive Ag | Verfahren zum betrieb eines vibrationskreisels und sensoranordnung |
| US7926347B2 (en) | 2005-09-12 | 2011-04-19 | Vdo Automotive Ag | Method and system for monitoring a sensor arrangement |
| US8042395B2 (en) | 2005-09-12 | 2011-10-25 | Vdo Automotive Ag | Method for operating a vibrating gyroscope and sensor arrangement |
| US20100179722A1 (en) * | 2009-01-09 | 2010-07-15 | Mitsubishi Electric Corporation | Device and method for performing self-diagnosis as to whether or not acceleration or angular-velocity sensor is in normal status |
| KR101160539B1 (ko) * | 2009-01-09 | 2012-06-28 | 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 | 가속도 또는 각속도 센서가 정상인지 아닌지를 자기진단하는 장치 및 방법 |
| US8423229B2 (en) | 2009-01-09 | 2013-04-16 | Mitsubishi Electric Corporation | Device and method for performing self-diagnosis as to whether or not acceleration or angular-velocity sensor is in normal status |
| JP2010286371A (ja) * | 2009-06-12 | 2010-12-24 | Seiko Epson Corp | 物理量検出装置、物理量検出装置の異常診断システム及び物理量検出装置の異常診断方法 |
| JP2010117374A (ja) * | 2010-02-24 | 2010-05-27 | Epson Toyocom Corp | ジャイロモジュール |
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