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【発明の名称】 振動ジャイロ用自己診断回路
【発明者】 【氏名】久万田 明

【氏名】森 章

【氏名】江原 和博
【要約】 【課題】検知回路部分の断線のみならず基準電圧とパターンのショートに対しても異常検出の効果を有する振動ジャイロの自己診断回路を提供する。

【解決手段】振動子１の検出電極１Ｌと１ＲにはインピーダンスＺ１，Ｚ２を介してオフセット電圧Ｖ１，Ｖ２が与えられ、振動子１の複数の検出信号は差動増幅器２によって差動演算される。正常時には差動増幅器２の出力にはＶ１−Ｖ２のＤＣオフセット電圧が出力され、ショートなどの異常時には、差動増幅器２の出力のＤＣオフセットがなくなる。これにより、ショートの有無を判別できる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 振動子をＸ軸方向に励振させ、Ｚ軸まわりに回転したときにＹ軸方向に発生したコリオリ力による振動を検出する振動ジャイロにおいて、前記振動子に設けられて前記コリオリ力による振動を検出する複数の検出手段、前記複数の検出手段から出力される出力信号間の差動をとる差動演算手段、前記複数の検出手段から出力される信号の少なくとも１つにオフセット信号を重畳するオフセット信号源、および前記差動演算手段の出力信号中に含まれるオフセット信号に起因する信号成分の有無を検出する信号検出手段を備えた、振動ジャイロ用自己診断回路。
【請求項２】 前記オフセット信号源は、オフセット信号としてオフセット電圧を出力する電圧信号源を含むことを特徴とする、請求項１に記載の振動ジャイロ用自己診断回路。
【請求項３】 前記オフセット信号源は、オフセット信号としてオフセット電流を出力する電流信号源を含むことを特徴とする、請求項１に記載の振動ジャイロ用自己診断回路。
【請求項４】 さらに、前記差動演算手段の出力電圧とその位相とに基づいて異常を検出する手段を含むことを特徴とする、請求項１に記載の振動ジャイロ用自己診断回路。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は振動ジャイロ用自己診断回路に関し、特に、高信頼性の要求される車両姿勢制御などに使用される車載電装用の振動ジャイロの短絡事故を診断できるような自己診断回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】図９は振動ジャイロに用いられるバイモルフ振動子の一例を示す外観図であり、（ａ）は平面図を示し、（ｂ）は側面図である。図９において、バイモルフ振動子１は、圧電素子を分極方向逆向きにして２枚貼り付けて断面が四角形となるように形成したものである。この振動子１を面垂直方向（Ｘ軸方向）に屈曲振動モードで振動させておき、軸方向（Ｚ軸方向）にある角速度（Ω）で回転させると、コリオリ力によって駆動面と垂直方向（Ｙ軸方向）に屈曲振動モードで振動が生ずる。
【０００３】この振動の振幅は角速度に比例するので、これを利用して角速度の値が検出される。振動子１には左右の検出電極１Ｌ，１Ｒと全面電極１Ｃが設けられていて、左右の検出電極１Ｌ，１ＲからＬ出力とＲ出力の信号が出力される。
【０００４】図１０は、図９に示したバイモルフ振動子の振動波形を示し、特に（ａ），（ｂ）は角速度が印加されていないときの波形図を示し、たとえば１．５Ｖの振動入力に対して１Ｖの駆動出力を得た場合を示す。（ｃ），（ｄ）は角速度が印加されているときの波形図を示し、たとえば０．２Ｖのコリオリ信号が発生した場合を示している。
【０００５】振動子１に図１０（ａ）に示す駆動信号が全面電極１Ｃに与えられると、Ｒ側出力とＬ側出力は図１０（ｂ）に示すように同相のｓｉｎ波となる。このとき、振動子１はＸ軸方向に曲げモードの振動をしている。しかし、Ｚ軸まわりの角速度は加わっていないので、コリオリ力は発生せず、Ｙ軸方向の曲げモードの振動は発生しない。振動子のＬ側出力とＲ側出力はＸ軸方向のみの変位に対して生じ、結果として同一の信号が出力される。
【０００６】次に、振動子１のＺ軸まわりに角速度Ωが印加されると、ΩとＸ軸方向の速度ｖxに比例した−Ｙ方向の力が発生する。これがコリオリ力である。このコリオリ力により振動子１はＹ軸方向に曲げられ、Ｘ軸方向の曲げ振動と同じ周波数の−Ｙ軸方向の曲げ振動が発生する。すると、このＹ軸方向の曲げ振動に応じて、Ｒ側とＬ側の出力には逆相のコリオリ信号が発生する。このコリオリ信号は角速度に比例して、図１０（ｃ），（ｄ）では一定の大きさの直流の角速度が加わった場合を示している。
【０００７】振動子１のＲ側出力とＬ側出力よりコリオリ信号成分を抽出するためには、Ｒ出力とＬ出力に同相で含まれる駆動出力成分を差動増幅器にて除去する。これによって、ＲとＬ出力に逆相で含まれるコリオリ信号は駆動出力信号とは反対に２倍になって出力される。また、Ｒ出力とＬ出力の和をとると、ＲとＬに逆相で含まれるコリオリ信号は互いに打ち消し合い、駆動出力信号は２倍となって出力される。この出力を自励発振に用いることができる。
【０００８】なお、Ｚ軸まわりにダイナミック（交流成分を持つ）な角速度が加わった場合には、発生するコリオリ信号も角速度と同じ交流成分を持つ。差動増幅器の出力に現れるコリオリ信号は、Ｘ軸方向の曲げモード発振周波数のｓｉｎ波が角速度の交流成分でＡＭ変調された波形となる。図１１（ａ）は印加された角速度を示し、図１１（ｂ）は差動出力に現れた発振周波数のｓｉｎ波がＡＭ変調された波形になることを示している。
【０００９】一方、車載用振動ジャイロでは、自動車の基本機能制御に関わるため、異常検出機能や自己診断機能が不可欠なものとして扱われてきた。その異常検出の手段として、振動子発振ループの振幅や周波数をモニタする構成や、検出回路内の差動増幅器の出力振幅をモニタする構成がとられている。
【００１０】具体的には、たとえば特許番号２５４１３７５号には、音片型振動ジャイロの発振信号振幅と検出信号（検出回路差動増幅器の出力）振幅を整流回路を用いて同時にモニタし、発振停止や検出回路信号線の断線を検出するための回路手段が開示されている。
【００１１】また、特開平５−２６４２７９号公報には、検出回路差動増幅器の出力振幅をモニタすることで断線検知を行なう構成が、特開平６−１８２７０号公報には発振回路信号の共振周波数をモニタすることで、発振回路の異常検出を行なう構成が開示されている。
【００１２】このような従来例では、ジャイロ正常動作時の発振ループ信号の振幅や周波数が一定となることや、検出回路の出力振幅が正常動作時には一定値以上に大きくならないこと、といった振動ジャイロに固有の技術的な知識に基づいた検知回路の構成が述べられている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来例で検出可能な故障モードは、「ジャイロ振動子の発振停止」と、「検知回路部の断線」のみであり、たとえば高温多湿のような環境下で発生し得るジャイロ内部回路配線パターン材やジャイロ振動子の電極材のマイグレーション現象による「検知回路部のショート」については十分な検知機能を有さない構成となっていた。
【００１４】それゆえに、この発明の主たる目的は、検知回路部分の断線のみならずショートに対しても異常検出の効果を有する振動ジャイロ用自己診断回路を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、振動子をＸ軸方向に励振させ、Ｚ軸まわりに回転したときにＹ軸方向に発生したコリオリ力による振動を検出する振動ジャイロにおいて、振動子に設けられてコリオリ力による振動を検出する複数の検出手段と、複数の検出手段から出力される出力信号間の差動をとる差動演算手段と、複数の検出手段から出力される信号の少なくとも１つにオフセット信号を重畳するオフセット信号源と、差動演算手段の出力信号中に含まれるオフセット信号に起因する信号成分の有無を検出する信号検出手段を備えて構成される。
【００１６】請求項２に係る発明では、請求項１の発明の構成に加えて、オフセット信号源はオフセット信号としてオフセット電圧を出力する電圧信号源を含む。
【００１７】請求項３に係る発明では、請求項１の発明の構成に加えて、オフセット信号源はオフセット信号としてオフセット電流を出力する電流信号源を含む。
【００１８】請求項４に係る発明では、請求項１の発明の構成に加えて、さらに差動演算手段の出力電圧とその位相とに基づいて異常を検出する手段を含む。
【００１９】
【発明の実施の形態】図１はこの発明の第１の実施形態の自己診断回路の回路図である。図１において、振動子１には、複数の検出手段となる左側の検出電極１Ｌと右側の検出電極１Ｒとが設けられていて、これらの検出電極１Ｌと１Ｒから左右の検出信号が出力され、抵抗Ｒｓ１，Ｒｓ２を介して差動増幅器２の−，＋入力に与えられる。差動増幅器２の＋入力には抵抗Ｒｆ１を介して基準電圧が与えられ、−入力と出力との間には抵抗Ｒｆ２が接続される。
【００２０】さらに、電極１Ｒと電極１Ｌには、同時に参照するためにインピーダンスＺ１，Ｚ２を介してオフセット電圧Ｖ１，Ｖ２が与えられる。
【００２１】正常時には、差動増幅器２の出力にはＶ１−Ｖ２の直流オフセット電圧が出力されるが、左右の検出電極１Ｌ，１Ｒが短絡したような異常時には、電極１Ｌ，電極１Ｒには同じオフセット電圧が印加されるため、差動増幅器２の出力の直流オフセット電圧がなくなる。これを検出することによって、左側の検出電極１Ｌと右側の検出電極１Ｒの短絡の有無を判別することが可能となる。
【００２２】図２はこの発明の第２の実施形態の自己診断回路の回路図である。図２において、振動子１には、振動子１を自己励振させるための駆動信号が与えられる全面電極１Ｃが設けられている。この全面電極１Ｃには駆動回路３から駆動信号が与えられる。駆動回路３は２つの検出電極１Ｌ，１Ｒに発生される各検出信号を加算回路４で加算した和信号を基準信号として、この和信号が一定になるようにするためのＡＧＣ回路と、自己励振の発振ループが継続するのに最適な位相状態を付与するための移相回路とから構成されている。
【００２３】駆動回路３によって振動子１を自励振で駆動すると、振動子に角速度が印加された場合に振動子の２つの検出電極１Ｌ，１Ｒに発生する検出信号をもとに、差動増幅器２から角速度信号が得られる。この差動増幅器２の出力は、駆動回路３の駆動信号に同期した検波回路を経て平滑・直流増幅され、最終的には角速度の大きさに応じた直流電圧信号として出力される。
【００２４】ここで、検出電極１Ｌ，１Ｒに発生する信号は、駆動信号により励起された駆動モード振動に起因する交流信号と、角速度の印加により振動子１に発生するコリオリ力により励起された検出モード振動に起因する交流信号の２種類である。そして、この信号はいずれも振動子１の共振周波数と同じ交流信号である。また、振動子１の検出電極は回路側から見ると圧電体により構成されたコンデンサとして機能する。駆動モードならびに検出モードにより発生する交流信号は、このコンデンサと並列に接続された交流電流源とみなすことができる。
【００２５】チューニングのなされた振動子１では、駆動モードによりそれぞれの検出電極１Ｌ，１Ｒに発生する交流信号は振幅と位相が一致しており、角速度が印加されない状態でオフセット信号がない場合には、差動増幅器２の出力は基準電圧に等しくなる。
【００２６】このようにジャイロが正常動作している場合には、差動増幅器２の出力には上述の駆動モード振動や検出モード振動に起因する交流信号の他に、オフセット電圧Ｖ１およびＶ２に起因する直流信号が重畳することとなる。この直流信号の大きさＶ０は、差動増幅器２のアンプを理想アンプとすると、基準電圧に対して次式で与えられる。
【００２７】
Ｖ０＝（Ｖ１−Ｖ２）×（Ｒｆ／（Ｒｓ＋ＲＬ））
今、検出電極１Ｌ，１Ｒが何らかの原因でショートした場合を考える。この場合ショートした検出電極１Ｌ，１Ｒの電位は、オフセット電位Ｖ１，Ｖ２の値によらず同じ値となり、その結果差動増幅器２の出力の直流信号Ｖ０は差し引き０となり、差動増幅器２の直流電圧は基準電圧に等しくなる。
【００２８】また、検出電極１Ｌまたは検出電極１Ｒのどちらかがたとえば基準電圧電位にショートした場合には、ショートしていない方のオフセット電位に応じた直流電圧Ｖ０が出力されることとなる。たとえば、右側の検出電極１Ｒ側が基準電圧電位にショートしたとすると、直流電圧Ｖ０は基準電圧に対して次式で与えられる値となる。
【００２９】Ｖ０＝−Ｖ２×（Ｒｆ／（Ｒｓ＋ＲＬ））
したがって、基準電圧に対する差動増幅器２の直流電圧Ｖ０は検出電極の状態にそれぞれ対応した値をとることが可能となり、直流電圧Ｖ０をモニタして検出電極の状態を把握することが可能となる。そのような具体例について図３および図４に示す。
【００３０】図３はウィンドウコンパレータを用いて検出電極の状態を把握する実施形態を示す図である。図３において、差動増幅器２の出力には複数のウィンドウコンパレータ５１，５２…の＋入力が接続される。各ウィンドウコンパレータ５１，５２…の−入力にはそれぞれ異なる電位の基準電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２…が与えられる。これらの基準電位は、図２の実施形態で説明したように、検出電極１Ｌと１Ｒがショートした場合に差動増幅器２から出力される直流電圧を識別できる電位に設定したり、検出電極１Ｌまたは１Ｒのいずれかがたとえば基準電圧電位とショートした場合に差動増幅２から出力される直流電圧を識別できる電位に設定しておくことにより、複数の原因の検出が可能となる。各ウィンドウコンパレータ５１，５２の出力はＡＮＤゲート６に与えられ、状態検知出力が得られる。
【００３１】図４はデジタル的に検出電極の状態を把握する実施形態を示す回路図である。図４において、差動増幅器２の出力の直流電圧はＡ／Ｄコンバータ７に与えられてデジタル信号に変換され、ＭＰＵ８へ与えられる。ＭＰＵ８は、デジタル信号に変換された直流電圧を判別し、図３で説明した複数の原因を判別する。
【００３２】図５はこの発明の第３の実施形態を示す回路図である。この図５に示した自己診断回路は、図２に示したオフセット電圧Ｖ１，Ｖ２に代えてオフセット電流源Ｉ１，Ｉ２を用いるようにしたものであり、その他の構成は図２と同じである。この場合、オフセット電流は負荷抵抗ＲＬを介して検出電極１Ｌ，１Ｒにそれぞれオフセット電圧Ｉ１×ＲＬとＩ２×ＲＬを発生させる。
【００３３】図２の実施形態と同様にして、検出電極１Ｌ，１Ｒが正常な状態にある場合には、差動増幅器２の出力電圧Ｖ０は基準電圧を基準として次式の値を出力する。
【００３４】Ｖ０＝（Ｉ１−Ｉ２）×Ｒｆこれに対して、たとえば検出電極１Ｌと１Ｒがショートした場合には、差動増幅器２の出力電圧Ｖ０は基準電圧をＶｒｅｆとすると、Ｖ０＝Ｖｒｅｆとなる。また、たとえば検出電極１Ｒが基準電圧にショートした場合には、差動増幅器２の出力Ｖ０は基準電圧を基準としてＶ０＝−Ｉ２×Ｒｆとなる。したがって、図２と同様にして検出電極の状態のモニタが可能となる。
【００３５】図６はこの発明の第４の実施形態を示す回路図である。この実施形態は、図２に示した直流オフセット電圧Ｖ１，Ｖ２を交流オフセット電圧Ｖ１０，Ｖ２０に変更したものである。ただし、この実施形態では、差動増幅器２の出力に現れる信号が交流であるため、図２とは異なった検出方法が必要となる。すなわち、具体的には、差動増幅器２の出力に接続されるモニタ回路は、それぞれのオフセット電圧Ｖ１０とＶ２０に同期した検波回路によって構成される。
【００３６】オフセット電圧Ｖ１０とＶ２０をそれぞれＶ１０＝Ｖａ×ｓｉｎω１ｔ、Ｖ２０＝Ｖｂ×ｓｉｎω２ｔとすると、正常動作時には差動増幅器２の出力Ｖ０は振動子１の自励振ならびに角速度検出に起因する交流信号に重畳する形でＶ１０およびＶ２０に起因する信号が出力される。したがって、差動増幅器２の出力に２つのオフセット信号と同期して駆動される検波回路を接続しておけば、正常動作時にはＶ１０およびＶ２０それぞれに起因する交流信号を検出することができる。
【００３７】図７はモニタ回路として２つのオフセット信号と同期して駆動される検波回路を示す図である。図７において、差動増幅器２の出力には同期検波回路９１と９２が接続される。同期検波回路９１と９２には、それぞれ交流オフセット電圧Ｖ１０，Ｖ２０が与えられる。同期検波回路９１，９２はこれらのオフセット電圧Ｖ１０，Ｖ２０に同期して差動増幅器２の出力を検出する。すなわち、正常動作時には、オフセット電圧Ｖ１０，Ｖ２０のそれぞれに起因する交流信号を検出し、検出電極１Ｌまたは１Ｒが基準電圧などにショートした場合には、それぞれのオフセット信号の検波出力が０となることにより、ショート状態の検出が可能となる。
【００３８】ただし、この実施形態の場合には、検出電極１Ｌと１Ｒとがショートしても差動増幅器２の出力にはそれぞれのオフセット電圧の合成信号が出力されるために、ショートを検出することはできない。ショート検出には、同期検波回路９１，９２の後段に検波信号の直流レベルモニタ回路を設ける必要がある。
【００３９】図８はこの発明の第５の実施形態を示す自己診断回路の回路図である。この図８に示した実施形態は、図５に示したオフセット信号源の直流電流源Ｉ１，Ｉ２を交流電流源Ｉ１０，Ｉ２０に変更したものである。この実施形態の場合、差動増幅器２の出力には図６に示した実施形態と同様にして、２つの交流信号源Ｉ１０とＩ２０の周波数成分を含んだ信号が出力される。したがって、図７に示したような周波数ごとの同期検波回路９１，９２を設けることにより、検出電極１Ｌと１Ｒの状態検知を行なうことが可能となる。
【００４０】なお、上述の実施形態では、この発明をバイモルフ型の圧電振動子に適用した場合について説明したが、これに限ることなく、金属の四角柱や三角柱に圧電素子を貼り付けた振動子や、円柱状の圧電素子を使用した振動子、さらには音叉型の振動子などのようにＬ／Ｒ信号が出力され、基準信号と励振電圧や和電圧が現れる圧電振動ジャイロにすべてこの発明を適用できる。
【００４１】さらに、磁気式振動ジャイロや光学的な振動ジャイロであってもこの発明を適用することができる。
【００４２】今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００４３】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、振動子のコリオリ力による振動を検出して出力される信号の少なくとも１つにオフセット信号を重畳し、検出出力の差動をとる差動演算手段の出力信号中に含まれるオフセット信号に起因する信号成分の有無を検出することによって、これまで困難であった検出電極相互のショートや検出電極と接地電位または電源電圧ならびに回路基準電位との間のショートを検出することが可能となる。これによって、従来以上に高い自己診断能力と信頼性を有する振動ジャイロを実現できる。
【出願人】 【識別番号】０００００６２３１
【氏名又は名称】株式会社村田製作所
【出願日】 平成１１年１０月２９日（１９９９．１０．２９）
【代理人】 【識別番号】１０００６４７４６
【弁理士】
【氏名又は名称】深見 久郎 （外１名）
【公開番号】 特開２００１−１２４５６３（Ｐ２００１−１２４５６３Ａ）
【公開日】 平成１３年５月１１日（２００１．５．１１）
【出願番号】 特願平１１−３０８７００