JP2007285745A

JP2007285745A - 角速度センサ

Info

Publication number: JP2007285745A
Application number: JP2006110652A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Murakami; 英之村上; Keisuke Kuroda; 啓介黒田; Takashi Kawai; 孝士川井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-04-13
Filing date: 2006-04-13
Publication date: 2007-11-01

Abstract

【課題】故障時の角速度センサの出力信号を即座に認識可能な信頼性の向上した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】検出回路４６からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器６０と、このＡ／Ｄ変換器６０により変換されたデジタル信号を記憶する記憶手段６２と、外部に設けたマスタコンピュータ６８とチップセレクト端子６４、クロック端子６７、入力端子６５および出力端子６６を介して電気的に接続された通信制御回路６３とを備え、前記Ａ／Ｄ変換器６０から出力されるデジタル信号からなる角速度情報に故障情報を付加させる構成としたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等に利用でき、かつ故障診断機能を有する角速度センサに関するものである。

従来、この種の角速度センサは、図６および図７に示されるような構成をしていた。

以下、従来の角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。

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。

図６、図７において、１はＨ型の音叉からなる水晶製の振動子で、この振動子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、この検知部３に角速度検出用電極（図示せず）を設けている。

また前記振動子１の駆動部２の一方には駆動用電極４を設けるとともに、駆動部２の他方には駆動検出用電極５を設けている。６は駆動回路で、この駆動回路６は前記振動子１における駆動用電極４および駆動検出用電極５と電気的に接続されており、振動子１を一定の振幅になるように制御している。また、駆動回路６にはＥＥＰＲＯＭ６ａを設けており、このＥＥＰＲＯＭ６ａに保存したデータにより、駆動信号を補正している。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は振動子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。

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。

振動子１の駆動用電極４に交流電圧を加えると前記振動子１が共振し、前記振動子１の駆動検出用電極５に、振動子１の振動振幅に応じた電荷が発生する。そして、この電荷を駆動回路６により増幅、調整した後、駆動用電極４に入力することにより、振動子１が一定の振幅で振動するように制御している。また、振動子１のバラツキにより、振幅が所定の値と外れている場合には、駆動回路６におけるＥＥＰＲＯＭ６ａのデータを書き換えることにより、振幅を微調整している。

そしてまた、前記振動子１に角速度ωが加わると、一対の検知部３に設けた角速度検出用電極（図示せず）に電荷が発生する。そしてこの角速度検出用電極（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、前記入出力端子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る。

さらに、前記振動子１が破損して故障する場合には、振動子１における駆動用検出電極５から発生する電荷が減少し、駆動回路６の出力信号がモニタしている故障診断回路７におけるウインドウコンパレータ８の基準電圧より、低下する。そうすると、ＢＩＴ論理９から図８に示す無効データが出力された後、入出力端子１１からの角速度としての出力信号が停止し、故障信号が出力されるものであった。

ここで、図９に示すように、デジタル処理技術の進歩に伴い、相手側のコンピュータをマスタコンピュータ１２として設定するとともに、このマスタコンピュータ１２により制御されるスレブ側として、第１の角速度センサ１３、第２の角速度センサ１４、加速度センサ１５および回転数センサ１６を制御する場合を考える。このような場合には、マスタコンピュータ１２にチップセレクト端子１７を設けるとともに、第１の角速度センサ１３、第２の角速度センサ１４、加速度センサ１５および回転数センサ１６の全てにチップセレクト端子１８を設ける。

また、マスタコンピュータ１２に出力端子１９を設けるとともに、この出力端子１９に対応する入力端子２０を、第１の角速度センサ１３、第２の角速度センサ１４、加速度センサ１５および回転数センサ１６の全てに設ける。また、第１の角速度センサ１３、第２の角速度センサ１４、加速度センサ１５および回転数センサ１６の全てに出力端子２１を設けるとともに、この出力端子２１に対応する入力端子２２をマスタコンピュータ１２に設ける。ここで、例えば、第１の角速度センサ１３を動作させる場合を考えると、マスタコンピュータ１２におけるチップセレクト端子１７から、第１の角速度センサ１３におけるチップセレクト端子１８に信号を出力する。そして、マスタコンピュータ１２における出力端子１９から第１の角速度センサ１３における入力端子２０に８ｂｉｔ信号からなるコマンド信号を発信し、そのコマンド信号に対応する８ｂｉｔのデータを第１の角速度センサ１３における出力端子２１からマスタコンピュータ１２における入力端子２２に出力する。そして、上記のコマンド信号としては、第１の角速度センサ１３からの角速度情報の出力、第１の角速度センサ１３における駆動回路６のＥＥＰＲＯＭ６ａへのデータの書き込み、ＥＥＰＲＯＭ６ａからのデータの読み出し、ＢＩＴ論理９からの故障情報の読み出しが挙げられる。同様に、マスタコンピュータ１２におけるチップセレクト端子１７により、第２の角速度センサ１４、加速度センサ１５および回転数センサ１６のチップセレクト端子１８を選択することにより、マスタコンピュータ１２における出力端子１９および入力端子２２を共用して使用することができるから、マスタコンピュータ１２における端子数を大幅に削減できるものであった。

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。
特開２００２−１７４５２１号公報

上記従来の構成においては、マスタコンピュータ１２が第１の角速度センサ１３または第２の角速度センサ１４から角速度情報を得るためには、マスタコンピュータ１２における出力端子１９から角速度情報を出力するコマンドを出力する必要があり、一方、マスタコンピュータ１２が第１の角速度センサ１３および第２の角速度センサ１４から故障情報を得るためには、マスタコンピュータ１２における出力端子１９から故障情報の読み出しをするコマンドを第１の角速度センサ１３または第２の角速度センサ１４における入力端子２０に出力する必要がある。したがって、両者は別個のコマンドに応答するものであるから、第１の角速度センサ１３または第２の角速度センサ１４が故障した場合にも、故障情報の読み出しをするコマンドをマスタコンピュータ１２における出力端子１９から第１の角速度センサ１３または第２の角速度センサ１４における入力端子２０に到達してからしか、故障情報を出力できないため、どの角度情報が故障情報であるかを明確にできないこととなり、これにより、瞬時の故障判断が出来ないという問題点を有していた。

本発明は上記従来の問題点を解決するもので、故障時の角速度センサの出力信号を即座に認識可能な信頼性の向上した角速度センサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために本発明は、特に、振動子と、この振動子を振動させる駆動回路と、前記振動子に角速度が付加された際にコリオリ力により発生する電荷をアナログ信号の出力信号として検出する検出回路と、この検出回路からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器により変換されたデジタル信号を記憶する記憶手段と、外部に設けたマスタコンピュータとチップセレクト端子、クロック端子、入力端子および出力端子を介して電気的に接続された通信制御回路とを備え、前記Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号からなる角速度情報に故障情報を付加させた構成である。

上記構成によれば、記憶手段から出力されるデジタル信号からなる角速度情報に故障情報を付加させたため、角速度センサが故障した場合には、角速度センサから出力される角速度情報が誤情報であることを認識できることとなり、これにより、マスタコンピュータが受信した角速度情報が誤情報であるか否かを正確に把握できるものである。

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およびその故障診断回路を示すブロック図である。

図１において、３１は振動子で、この振動子３１は一対の駆動部３２と、この一対の駆動部３２のそれぞれの先端に配設された一対の検知部３３とにより構成されている。また前記振動子３１の駆動部３２の一方には駆動用電極３４を設けるとともに、前記駆動部３２の他方には駆動検出用電極３５を設けている。そしてまた前記振動子３１における一対の検知部３３には角速度検出用電極３６を設けている。３７はモニタ回路で、このモニタ回路３７は前記振動子３１の駆動検出用電極３５の電荷を入力する電流アンプ３８と、この電流アンプ３８の出力信号を入力するバンドパスフィルタ３９と、このバンドパスフィルタ３９の出力信号を入力する整流器４０と、この整流器４０の出力信号を入力する平滑回路４１とにより構成されている。４２はＡＧＣ回路で、このＡＧＣ回路４２は前記モニタ回路３７における平滑回路４１の出力信号を入力し、かつ前記モニタ回路３７におけるバンドパスフィルタ３９の出力信号を増幅あるいは減衰させるものである。４３は制御回路で、この制御回路４３は前記ＡＧＣ回路４２の出力信号を入力するとともに、前記振動子３１の駆動用電極３４に駆動信号を入力するものである。そして、前記モニタ回路３７、ＡＧＣ回路４２および制御回路４３とで、駆動回路４４を構成している。

４５はチャージアンプで、このチャージアンプ４５は前記振動子３１における一対の角速度検出用電極３６にコリオリ力により発生する電荷を電圧に変換するものである。４６は第１の検出回路で、この第１の検出回路４６は、前記チャージアンプ４５の出力信号を入力する第１のバンドパスフィルタ４７と、この第１のバンドパスフィルタ４７の出力信号を入力する第１の同期検波器４８と、この第１の同期検波器４８の出力信号を入力する第１の平滑回路４９と、この第１の平滑回路４９の出力信号を入力するとともに、増幅して角速度信号を出力する第１の直流アンプ５０とにより構成されている。５１は第２の検出回路で、この第２の検出回路５１は、前記チャージアンプ４５の出力信号を入力する第２のバンドパスフィルタ５２と、この第２のバンドパスフィルタ５２の出力信号を入力する第２の同期検波器５３と、この第２の同期検波器５３の出力信号を入力する第２の平滑回路５４と、この第２の平滑回路５４の出力信号を入力するとともに、増幅して角速度信号を出力する第２の直流アンプ５５とにより構成されている。５６は故障検出回路で、この故障検出回路５６は、前記第１の検出回路４６の直流アンプ５０の出力信号と、前記第２の検出回路５１の第２の直流アンプ５５の出力信号とを比較して、両者の電圧差を出力する差動アンプ５７と、この差動アンプ５７の出力信号を入力するとともに、基準電圧器５８の電圧と比較して、故障情報を出力電圧として出力する比較器５９とにより構成されている。６０は第１のＡ／Ｄ変換器で、この第１のＡ／Ｄ変換器６０は第１の検出回路４６における第１の直流アンプ５０から出力されるアナログからなる出力信号をデジタル信号に変換する。６１は第２のＡ／Ｄ変換器で、このＡ／Ｄ変換器６１は故障検出回路５６における比較器５９から出力されるアナログからなる故障信号をデジタル信号に変換するものである。６２はレジスタで、このレジスタ６２は角速度情報としての出力信号、駆動回路４４の補正データおよび故障検出回路５６から出力された故障情報等がデータとして保存されている。６３は３線式シリアル通信におけるスレブに相当する通信制御回路で、この通信制御回路６３はレジスタ６２とデータのやり取りを行うとともに、チップセレクト端子６４、入力端子６５、出力端子６６およびクロック端子６７を設けている。６８は外部に設けられたマスタコンピュータで、このマスタコンピュータ６８は３線式シリアル通信方式における通信をコントロールしており、角速度センサにおけるチップセレクト端子６４と接続されたチップセレクト端子６９、角速度センサにおける入力端子６５と接続された出力端子７０および角速度センサにおける出力端子６６と接続された入力端子７１、および角速度センサにおけるクロック端子６７と接続されたクロック端子７２とを設けている。そして、このマスタコンピュータ６８はその他のセンサである他の角速度センサ（図示せず）、加速度センサ（図示せず）および回転数センサ（図示せず）等とも接続されており、これらの他のセンサの通信もコントロールするものである。

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、次にその動作を説明する。

振動子３１の駆動用電極３４に交流電圧を加えると、前記振動子３１が共振し、前記振動子３１の駆動検出用電極３５に電荷が発生する。この駆動検出用電極３５に発生した電荷を駆動回路４４における電流アンプ３８に入力し、正弦波形の出力電圧に変換する。そしてこの電流アンプ３８の出力電圧をモニタ回路３７におけるバンドパスフィルタ３９に入力し、前記振動子３１の共振周波数のみを抽出し、ノイズ成分を除去した図２（ａ）に示すような正弦波形を出力する。そしてまた、前記モニタ回路３７におけるバンドパスフィルタ３９の出力信号を整流器４０に入力することにより、負電圧成分を正電圧に変換した後、平滑回路４１に入力することにより、直流電圧信号に変換する。そしてＡＧＣ回路４２は前記平滑回路４１の直流電圧信号が大の場合には前記モニタ回路３７におけるバンドパスフィルタ３９の出力信号を減衰させるような信号を、一方、前記平滑回路４１の直流電圧信号が小の場合には前記モニタ回路３７におけるバンドパスフィルタ３９の出力信号を増幅させるような信号を制御回路４３に入力し、前記振動子３１の振動が一定振幅となるように調整するものである。また前記振動子３１の駆動部３２が駆動方向に速度Ｖで屈曲振動している状態において、前記振動子３１の長手方向の中心軸周りに振動子３１が角速度ωで回転すると、この振動子３１の検知部３３にＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により前記検知部３３における一対の角速度検出用電極３６に、図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように電荷が発生する。そしてこの角速度検出用電極３６に発生する電荷はコリオリ力により発生するため、前記駆動検出用電極３５に発生する信号より位相が９０度進んでいる。そしてまた、前記一対の角速度検出用電極３６に発生した出力信号を重ね合わせることにより図２（ｄ）に示すような電荷の信号を得る。さらにチャージアンプ４５により、図２（ｅ）に示すような出力電圧に変換する。このとき、前記チャージアンプ４５はコンデンサ（図示せず）を設けており、前記角速度検出用電極３６の出力をさらに９０度進めるものである。そしてこのチャージアンプ４５の出力信号を２つの出力信号に分岐するとともに、分岐した出力信号の一方を第１の検出回路４６における第１のバンドパスフィルタ４７により前記振動子３１の共振周波数成分のみを抽出し、ノイズ成分を除去するとともに、この第１のバンドパスフィルタ４７の出力を第１の同期検波器４８に入力し、前記モニタ回路３７におけるバンドパスフィルタ３９の振動の周期で位相検波させるとともに、前記第１のバンドパスフィルタ４７の電力電圧の負電圧成分を正電圧に変換し、図２（ｆ）に示すような出力信号を得る。そしてこの第１の同期検波器４８の出力電圧を第１の平滑回路４９および第１の直流アンプ５０により平滑化するとともに、増幅し、図２（ｇ）に示すような出力信号を得る。また同様に、前記チャージアンプ４５の出力信号のうちの他方の出力信号から第２の検出回路５１における第２のバンドパスフィルタ５２により前記振動子３１の共振周波数成分のみを抽出し、ノイズ成分を除去するとともに、この第２のバンドパスフィルタ５２の出力を第２の同期検波器５３に入力し、前記モニタ回路３７におけるバンドパスフィルタ３９の振動の周期で位相検波させるとともに、前記第２のバンドパスフィルタ５２の出力電圧の負電圧成分を正電圧に変換し、図２（ｆ）に示すような出力信号を得る。そしてこの第２の同期検波器５３の出力電圧を第２の平滑回路５４および第２の直流アンプ５５により平滑化するとともに、増幅し、図２（ｇ）に示すような出力信号を得る。そして、前記第１の検出回路４６における第１の直流アンプ５０あるいは前記第２の検出回路５１における第２の直流アンプ５５の出力信号をアナログからなる角速度情報として第１のＡ／Ｄ変換器６０に入力する。そして、第１のＡ／Ｄ変換器６０は、前記直流アンプ５０から出力されるアナログからなる出力情報をデジタルからなる出力信号に変換するものである。

ここで、前記第１の検出回路４６における第１のバンドパスフィルタ４７が故障した場合について説明する。このような場合には、前記第１の検出回路４６における第１のバンドパスフィルタ４７からの出力信号が図３（ａ）に示すように、前記第１のバンドパスフィルタ４７の故障時から出力電圧を発生させなくなる。これにより、前記第１の同期検波器４８からの出力信号が図３（ｂ）のようになるとともに、前記第１の直流アンプ５０の出力信号が図３（ｃ）のようになる。しかしながら、前記第２の検出回路５１における第２のバンドパスフィルタ５２は正常に動作しているため、前記第２の直流アンプ５５からの出力信号は図２（ｇ）のようになる。このような状態において、前記故障検出回路５６の差動アンプ５７に前記第１の検出回路４６における第１の直流アンプ５０の出力信号および前記第２の検出回路５１における第２の直流アンプ５５の出力信号を入力すると、前記第１の直流アンプ５０の出力信号と、前記第２の直流アンプ５５の出力信号とに差が生じているため、前記差動アンプ５７に出力電圧が生じる。そして、この差動アンプ５７の出力信号を比較器５９により、図３（ｄ）に示すように、基準電圧器５８の基準電圧Ｖ_thH、およびＶ_thLと比較し、前記差動アンプ５７の出力が基準電圧Ｖ_thH以上あるいはＶ_thL以下の場合には、図３（ｅ）に示すように、角速度センサが故障しているとして、アナログ信号からなる故障情報を出力して、このアナログからなる出力信号を第２のＡ／Ｄ変換器６１により、デジタル信号に変換し、そのデジタル信号をレジスタからなる記憶手段６２に入力する。

ここで、通常の動作状態として、マスタコンピュータ６８からの指令により、デジタル信号からなる角速度情報を角速度センサが出力する場合を考える。１０ビットからなる角速度情報として、角速度センサの静止状態すなわち０［度／秒］を（1000000000）とし、測定範囲の最大角速度５１１［度／秒］を（1111111111）とし、測定範囲の最小角速度−５１１［度／秒］を（0000000000）と定義する。

そして、マスタコンピュータ６８におけるチップセレクト端子６９から角速度センサにおける通信制御回路６３におけるチップセレクト端子６４に図４（ａ）に示すように、ローの信号を入力することにより、マスタコンピュータ６８のコマンドを受ける対象として、本発明の一実施の形態における角速度センサを選択する。

その後、マスタコンピュータ６８におけるクロック端子７２から通信制御回路６３におけるクロック端子６７に図４（ｃ）のクロック信号が入力され、このクロック信号の立ち上がり時に図４（ｂ）に示す例えば、角速度情報を要求する１番目のコマンド７３がマスタコンピュータ６８における出力端子７０から通信制御回路６３における入力端子６５に入力される。そうすると、図４（ｃ）のクロック信号の立下りに合わせて図４（ｄ）に示すように、角速度信号からなる応答信号７４を通信制御回路６３における出力端子６６からマスタコンピュータ６８における入力端子７２に入力する。

この角速度信号からなる応答信号７４は、一般的に３線式シリアル通信方式で使用可能な１バイトを８ビットの条件を満たすようにするため、上述の１０ビットからなる角速度情報を５ビットからなる上位バイトおよび下位バイトに分割して、さらに故障情報を付加してデータとしている。具体的には、図５（ａ）に示すように、上位バイトのうちの下位ビットｂ０〜ｂ４に角速度情報を入力し、ｂ５に故障情報を入力する。故障情報ｂ５はＤＰ＝０の場合には、角速度センサが故障していることを示しており、一方、ＤＰ＝１の場合には、角速度センサが正常であることを示している。また、同様に、図５（ｂ）に示すように、下位バイトのうちの下位ビットｂ０〜ｂ４に角速度情報を入力し、ｂ５に故障情報を入力する。故障情報ｂ５はＤＮ＝１の場合には、角速度センサが故障していることを示しており、一方、ＤＮ＝０の場合には、角速度センサが正常であることを示している。

そして、レジスタ６２から出力される角速度信号からなる応答信号７４および角速度信号からなる応答信号７６に、上述の如く、図５（ａ）、（ｂ）に示す故障情報を付加させたため、角速度センサが故障した場合には、角速度センサから出力される角速度情報が誤情報であることを認識できるという作用効果を有するものである。

この１番目のコマンド７３である角速度情報の上位バイトを要求するコマンドに対し、図５（ａ）に示すような上位バイトの信号を含む角速度信号からなる応答信号７４を通信制御回路６３からマスタコンピュータ６８に出力する。次に、２番目のコマンド７５である角速度情報の下位バイトを要求するコマンドに対し、図５（ｂ）に示すような、下位バイトの信号を含む角速度信号からなる応答信号７６を通信制御回路６３からマスタコンピュータ６８に出力する。そして、マスタコンピュータ６８にて、上位バイトの角速度信号からなる応答信号７４と下位バイトの角速度信号からなる応答信号７６を結合することにより、１０ビットからなる角速度情報を受信するものである。

すなわち、角速度信号からなる応答信号７４を図５（ａ）に示す上位バイトからなる角速度情報とするとともに、角速度信号からなる応答信号７６を図５（ｂ）に示す下位バイトからなる角速度情報としてレジスタからなる記憶手段６２に記憶するとともに、角速度センサの出力信号を受信するマスタコンピュータ６８において、角速度信号からなる応答信号７４と角速度信号からなる応答信号７６とを足し合わせたため、通常の８ビットからなるデジタル信号のシリアル通信方式においても、９ビット以上の高分解能な角速度情報を出力することができるという作用効果を有するものである。

本発明にかかる角速度センサは、故障時の角速度センサの出力信号を即座に認識可能であるという効果を有し、故障診断機能を有する角速度センサ等として有用である。

本発明の一実施の形態における角速度センサおよびその故障検出回路を示すブロック図同角速度センサの動作状態における出力信号を示す図同角速度センサにおける第１のバンドパスフィルタが故障した場合に故障検出回路が動作したときの出力信号を示す図同角速度センサへのマスタコンピュータからの指令により、角速度情報を出力する状態を示す図同角速度センサにおける応答信号を示す図従来の角速度センサの回路ブロック図従来の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従来の角速度センサにおける故障情報を保存する状態を示す図従来の角速度センサをマスタコンピュータと接続する状態を示す図

符号の説明

３１振動子
４４駆動回路
４６検出回路
６０Ａ／Ｄ変換器
６２記憶手段
６３通信制御回路
６４チップセレクト端子
６５入力端子
６６出力端子
６７クロック端子
７４、７６デジタル信号からなる角速度情報

Claims

振動子と、この振動子を振動させる駆動回路と、前記振動子に角速度が付加された際にコリオリ力により発生する電荷をアナログ信号の出力信号として検出する検出回路と、この検出回路からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器により変換されたデジタル信号を記憶する記憶手段と、外部に設けたマスタコンピュータとチップセレクト端子、クロック端子、入力端子および出力端子を介して電気的に接続された通信制御回路とを備え、前記記憶手段から出力されるデジタル信号からなる角速度情報に故障情報を付加させた角速度センサ。
デジタル信号からなる角速度情報を上位バイトおよび下位バイトに分割して記憶手段に記憶するとともに、角速度センサの出力信号を受信するマスタコンピュータにおいて、記憶手段に記憶した上位バイトと下位バイトとを足し合わせることにより、角速度情報を受信する構成とした請求項１記載の角速度センサ。