CN102510996A - 惯性传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的惯性传感器形成包括了振子、使振子振动的驱动单元、检测对振子从外部提供的惯性量的检测单元、以及设置在振子和驱动单元之间的故障诊断单元的结构。而且，驱动单元具有：对振子供给基准电位的基准电位供给单元；以及基于从振子输出的监视信号，对振子供给驱动信号的驱动信号供给单元。故障诊断单元基于从基准电位供给单元至振子中流过的电流值来诊断有无故障。根据该结构，可以检测在驱动单元或振子上发生的故障。

Description

惯性传感器

技术领域

本发明涉及用于车辆控制用途或汽车导航等各种电子设备的惯性传感器。

背景技术

图14是表示以往的惯性传感器的方框图。如图14所示，以往的惯性传感器130包括振子131、驱动单元132、以及检测(detection)单元133。在振子131中，形成监视电极131a、驱动电极131e、131c以及检出电极131b、131d。驱动单元132放大从监视电极131a输入的信号并供给到驱动电极131e、131c。检测单元133基于从检出电极131b、131d输入的信号检出从外部对振子131提供的惯性量。

此外，检测单元133包括振荡器135f、开关135e、电流电压变换器135c、电流电压变换器135d、差动放大器135g、检波器135h、以及故障诊断单元135j。开关135e与振荡器135f连接。电流电压变换器135c与检出电极131d及开关135e连接。电流电压变换器135d与检出电极131b连接。差动放大器135g与电流电压变换器135c及电流电压变换器135d连接。

检波器135h基于从差动放大器135g输出的信号而输出对振子131所施加的惯性量。故障诊断单元135j基于来自检波器135h的信号来诊断有无故障。

在该结构中，在进行故障诊断时，对于开关135e进行控制，以输出来自振荡器135f的振荡信号。而且，通过在故障诊断单元135j中监视DC变动值，诊断角速度传感器130有无故障。

但是，在以往的惯性传感器中，存在不能诊断在驱动单元或振子上发生的故障的问题。此外，存在进行故障的诊断期间，不能检出惯性量的问题。

再有，作为本发明的现有技术文献，例如，已知专利文献1。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2002-267448号公报

发明内容

本发明的惯性传感器形成包括了振子、使振子振动的驱动单元、检测对振子从外部提供的惯性量的检测单元、以及设置在振子和驱动单元之间的故障诊断单元的结构。驱动单元具有：对振子供给基准电位的基准电位供给单元；以及基于从振子输出的监视信号，对振子供给驱动信号的驱动信号供给单元。故障诊断单元包括基于从基准电位供给单元至振子中流过的电流值来诊断有无故障的诊断单元。根据该结构，可以诊断在驱动单元或振子上发生的故障，同时在进行故障的诊断期间也可以进行惯性量的检出。

附图说明

图1是本发明的实施方式1的惯性传感器的方框图。

图2A是本发明的实施方式1的惯性传感器具有的音叉型振子的驱动振动的说明图。

图2B是本发明的实施方式1的惯性传感器具有的音叉型振子的检出振动的说明图。

图3A是本发明的实施方式1的惯性传感器具有的多轴检出振子的说明图。

图3B是本发明的实施方式1的惯性传感器具有的多轴检出振子的说明图。

图4是本发明的实施方式1的惯性传感器具有的故障诊断单元、基准电位供给单元和振子的方框图。

图5是表示本发明的实施方式1的惯性传感器具有的故障诊断单元的电压波形的图。

图6是本发明的实施方式1的惯性传感器具有的诊断单元的方框图。

图7是本发明的实施方式1的惯性传感器具有的包括了电流镜电路的故障诊断单元的方框图。

图8是本发明的实施方式2的惯性传感器的方框图。

图9是表示本发明的实施方式2的惯性传感器具有的故障诊断单元的电压波形的图。

图10是本发明的实施方式3的惯性传感器的方框图。

图11是本发明的实施方式3的惯性传感器具有的故障诊断单元、基准电位供给单元和振子的方框图。

图12是本发明的实施方式3的惯性传感器具有的诊断单元的方框图。

图13A是表示本发明的实施方式3的惯性传感器具有的故障诊断单元的电压波形的图。

图13B是表示本发明的实施方式3的惯性传感器具有的全波整流单元的输出信号的图。

图13C是表示本发明的实施方式3的惯性传感器具有的低通滤波器的输出信号的图。

图14是以往的惯性传感器的方框图。

标号说明

10、80、100惯性传感器

10a、10b输出单元

11振子

11a、11b、11c、11d电极

12驱动单元

12a基准电位供给单元

12b、12c电阻

12d基准电位供给放大器

12e驱动信号供给单元

12f IV变换放大器

12g输出放大器

12h滤波器

13检测单元

13a IV变换放大器

13b检波单元

13c低通滤波器

14、81、104故障诊断单元

20音叉型振子

21、34驱动振动

22、36、38检出振动

23、35、37角速度

30多轴检出振子

31锤

32臂

33支承体

44a、44b、44c电阻

44d、70运算放大器(放大器)

44e、104e诊断单元

50、50a、50b电压波形

90、90a、90b电压波形

110、110a、110b电压波形

61最大值测定单元

62最小值测定单元

63、64、123比较单元

65、82故障信号输出单元

71电流镜晶体管

72输出驱动晶体管

73监视电阻

74缓冲放大器

75输出端子

111输出信号

112输出信号

121全波整流单元

122低通滤波器

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。但是，本发明不因这些实施方式而受到限定。

(实施方式1)

图1是本发明的实施方式1的惯性传感器10的方框图。在图1中，惯性传感器10包括振子11、使振子11振动的驱动单元12、检测对振子11从外部提供的惯性量的检测单元13、以及设置在振子11和驱动单元12之间的故障诊断单元14。

以下，详细说明各个结构块。驱动单元12具有：对振子11供给基准电位的基准电位供给单元12a；以及基于从振子11输出的监视信号，对振子11供给驱动信号的驱动信号供给单元12e。

基准电位供给单元12a通过将电源电压和地(ground)使用电阻12b、12c进行电阻分割而生成基准电位，使用基准电位供给放大器12d对振子11供给基准电位。

驱动信号供给单元12e使用IV变换放大器12f将监视信号的电流值变换为电压值，使用AGC(Auto Gain Control；自动增益控制)放大器(未图示)成为大致固定振幅值。进而，使用滤波器12h抑制不需要信号，从输出放大器12g对振子11供给驱动信号。再有，监视信号也可以按正和负的差动形式输入。同样地，驱动信号也可以按正和负的差动形式输出。

振子11基于从电极11a输入的基准电位及从电极11b输入的驱动信号，以依赖于振子11的形状等的驱动振动频率进行驱动振动。从电极11c输出由该驱动振动产生的监视信号。此外，形成振子11，以使其根据从外部提供的惯性量进行检出振动。从电极11d输出由该检出振动产生的检出信号。再有，基于驱动信号而将驱动振动激振的方式也可以按压电方式、静电容量方式、电磁驱动方式的任何方式进行。同样地，由驱动振动生成监视信号的方式或由检出振动生成检出信号的方式，也可以按压电方式、静电容量方式、电磁驱动方式的任何方式进行。

检测单元13包括IV变换放大器13a、检波单元13b、以及低通滤波器13c。IV变换放大器13a将检出信号的电流值变换为电压值。检波单元13b将从IV变换放大器13a输出的信号使用监视信号进行检波。低通滤波器13c将从检波单元13b输出的信号进行平滑。根据该结构，检测单元13将与对振子11从外部提供的惯性量对应的电压值输出到输出单元10b。

故障诊断单元14测定从基准电位供给单元12a向振子11流过的电流量，基于该电流量诊断驱动单元12或振子11有无故障。从输出单元10a输出该诊断结果。

图2A是本发明的实施方式1的惯性传感器具有的音叉型振子的驱动振动的说明图。图2B是本发明的实施方式1的惯性传感器具有的音叉型振子的检出振动的说明图。图2A及图2B表示作为振子11一例的音叉型振子20。通过将该音叉型振子20用作图1的振子11，可以检出对音叉型振子20从外部提供的角速度。以下说明使用音叉型振子20检测角速度的方法。

图2A表示音叉型振子20的驱动振动21，图2B表示音叉型振子20的检出振动22。

音叉型振子20通过从驱动单元12提供驱动信号，产生固有的驱动振动频率的驱动振动21。在该状态下，如图2B所示，若被输入角速度23，则通过科里奥利(Coriolis)的力在与驱动振动21及角速度23的旋转轴垂直的方向上产生检出振动22。基于该检出振动22，从音叉型振子20输出的检出信号成为与驱动振动21相同的频率，并且依赖于角速度23的振幅的信号。因此，检测单元13通过将该检出信号使用监视信号进行检波，可以检测角速度23。

图3A及图3B是本发明的实施方式1的惯性传感器具有的多轴检出振子的说明图。图3A及图3B表示作为振子11的其他例子的多轴检出振子30。该多轴检出振子30通过在X轴方向上提供驱动振动，可以检测绕Y轴及绕Z轴旋转的角速度。以下将多轴检出振子30用作图1的振子11来说明检测绕Y轴及绕Z轴旋转的角速度的方法。

图3A是检测绕Z轴旋转的角速度的情况下的说明图。在图3A中，多轴检出振子30的四个锤31分别通过臂32连结到支承体33。以下说明将该多轴检出振子30用作图1的振子11的情况下的动作。多轴检出振子30通过从驱动单元12提供驱动信号，以X轴方向的固有的驱动振动频率产生驱动振动34。在该状态下，若被输入绕Z轴旋转的角速度35，则通过科里奥利的力在与X轴方向的驱动振动34及Z轴方向的角速度35垂直的Y轴方向上产生检出振动36。基于该检出振动36，从多轴检出振子30输出的检出信号成为与驱动振动34相同的频率，并且依赖于角速度35的振幅的信号。因此，检测单元13通过将该检出信号使用监视信号进行检波，可以检测角速度35。

图3B是检测绕Y轴旋转的角速度的情况下的说明图。该情况下，若被输入绕Y轴旋转的角速度37，则通过科里奥利的力在与X轴方向的驱动振动34及Y轴方向的角速度37垂直的Z轴方向上产生检出振动38。基于该检出振动38，从多轴检出振子30输出的检出信号成为与驱动振动34相同的频率，并且依赖于角速度37的振幅的信号。因此，检测单元13通过将该检出信号使用监视信号进行检波，可以检测角速度37。

图4是本发明的实施方式1的惯性传感器具有的故障诊断单元14、基准电位供给单元12a和振子11的方框图。故障诊断单元14通过测定在基准电位供给单元12a和振子11之间设置的电阻44a两端的电压降，测定从基准电位供给单元12a至振子11中流过的电流量。为了测定电阻44a两端的电压降，电阻44a的输入侧通过电阻44b连接到反相端子。而且，电阻44a的输出侧通过同相端子连接到运算放大器44d(放大器44d)，电阻44c连接在运算放大器44d的输出端子和反相端子之间。而且，故障诊断单元14包括基于从运算放大器44d输出的电压来进行故障诊断的诊断单元44e。

诊断单元44e构成为在从运算放大器44d输出的交流电压为规定的电压范围外的情况下，输出故障信号。通过该诊断单元44e，可以检测在电阻44a中流过的电流量中添加固定值的偏移量(offset)那样的故障模式。

以下说明使用该故障诊断单元14，进行驱动单元12或振子11的故障诊断的方法。

图5是表示本发明的实施方式1的惯性传感器具有的故障诊断单元的电压波形的图。图5表示诊断单元44e的电压波形。图5中所示的横轴表示时间，纵轴表示电压。电压波形50是输入到诊断单元44e的信号的电压波形。驱动单元12将由振子11的驱动振动生成的交流的监视信号进行波形整形，并将交流的驱动信号提供给振子11，所以流过电阻44a的电流为交流电流。因此，输入到诊断单元44e的信号的电压波形50为如图示的交流波形。

在电压波形50中，时间t1之前的电压波形50a表示驱动单元12或振子11正常地工作的情况下的电压波形。时间t1之后的电压波形50b表示驱动单元12或振子11发生了故障的情况下的电压波形。

例如，在驱动单元12的内部电路短路的情况下产生泄漏电流(leakcurrent)，在电阻44a中流过的电流中添加固定值的偏移量。该故障模式可以通过将电压波形50与正常的电压的上限阈值TH1及下限阈值TH2进行比较来检出。

图6是本发明的实施方式1的惯性传感器具有的诊断单元的方框图。图6表示诊断单元44e的方框图。诊断单元44e包括最大值测定单元61、最小值测定单元62、比较单元63、比较单元64、以及故障信号输出单元65。最大值测定单元61保持输入信号的振幅的上限值。最小值测定单元62保持输入信号的振幅的下限值。比较单元63在最大值测定单元61的输出值大于上限阈值TH1的情况下输出Hi信号。比较单元64在来自最小值测定单元62的输出值小于下限阈值TH2的情况下输出Hi信号。故障信号输出单元65在从比较单元63或比较单元64的任何一个输出了Hi信号的情况下输出Hi信号作为表示故障的信号。通过这样的诊断单元44e，可以检测在电阻44a中流过的电流量上添加固定值的偏移量那样的故障模式。

如以上说明，使用故障诊断单元14，可以诊断在驱动单元12或振子11上发生的故障。此外，在故障诊断单元14进行故障诊断期间，基准电位供给单元12a也对于振子11供给基准电位，所以惯性传感器10可以检测对振子11从外部提供的惯性量。

再有，在本实施方式中，如图4所示，通过电阻44a两端的电压降来测定从基准电位供给单元12a至振子11流过的电流量。但是，测定从基准电位供给单元12a向振子11流过的电流量的方法不限于该结构。

图7是本发明的实施方式1的惯性传感器具有的包括了电流镜电路的故障诊断单元的方框图。图7表示作为运算放大器44d的一例的、使用了电流镜电路的运算放大器70。运算放大器70将电流镜晶体管71和输出驱动晶体管72并联地连接。在该结构中，将镜比(输出驱动晶体管72的放大率和电流镜晶体管71的放大率之比)例如设定为10∶1。于是，可以使流过电流镜晶体管71的电流为流过输出驱动晶体管72的电流的1/10。通过测定流过该电流镜晶体管71的电流量，可以防止电流测定造成的消耗电流的过度增加。流过电流镜晶体管71的监视电流流过监视电阻73，被变换为电压，通过缓冲放大器74从输出端子75输出作为电流监视输出。根据该结构，可以防止***图4的电阻44a时的电压降造成的放大器输出的动态范围下降。再有，在图7中将运算放大器70的输出级结构设为了以恒流源和N型的输出驱动晶体管构成的吸入电流控制型的结构。但是，不限于该输出级结构，也可以是以P型的输出驱动晶体管和恒流源构成的排出电流控制型的结构。此外，也可以是在输出级中使用了P型激励晶体管(driver transistor)和N型激励晶体管的推挽型的结构等的输出级结构。例如，在使用了推挽型的情况下，使用N型激励晶体管的电流镜电路和P型激励晶体管的电流镜电路，可以监视排出电流和吸入电流。

再有，根据测定从输出放大器12g向振子11流过的电流量，还可以诊断在驱动单元12或振子11上发生的故障，同时在进行故障的诊断期间也可以进行惯性量的检出。

(实施方式2)

图8是本发明的实施方式2的惯性传感器的方框图。关于实施方式2的特征部分，以与实施方式1的不同方面为中心进行说明。图8表示一例作为测定从输出放大器12g向振子11流过的电流量的结构的惯性传感器80。在惯性传感器80中，在一组输出放大器12g和一组电极11b之间，设置一组故障诊断单元81。此外，包括了在一组故障诊断单元81的任何一个单元输出了故障信号的情况下对输出单元10a输出故障信号的故障信号输出单元82。

根据该结构，不仅可以检测在图5所示那样的电流量上添加固定值的偏移量的故障模式，还可以检测电流的振幅变大的故障模式。

故障诊断单元81可以用与故障诊断单元14同样的结构实现。在诊断单元中也可以用与诊断单元44e同样的结构实现。

图9是表示本发明的实施方式2的惯性传感器具有的故障诊断单元的电压波形的图。图9表示发生了电压的振幅变大那样的故障模式的情况。在电压波形90中，电压波形90a表示刚刚发生了断线的电压波形。时间t1之后的电压波形90b表示电压的振幅变大的情况下的电压波形。

这样的故障模式，例如在一组的输出放大器12g的一方发生了故障的情况、或在一组的输出放大器12g和一组的电极11b之间的布线的一方发生了断线的情况下发生。这种情况下，由于仅从未断线方的输出放大器12g供给驱动信号，所以供给到振子11的驱动信号的电流量及监视信号的电流量暂时性地变小。但是，驱动信号供给单元12e内的AGC放大器(未图示)进行控制以使监视信号的电流量为固定值，所以受到控制以使从未断线方的输出放大器12g输出的电流量增大。其结果，成为电压波形90b所示的电压波形，通过与上限阈值TH1及下限阈值TH2进行比较，可以检测该故障模式。

(实施方式3)

图10是本发明的实施方式3的惯性传感器的方框图。图11是本发明的实施方式3的惯性传感器具有的故障诊断单元、基准电位供给单元及振子的方框图。图12是本发明的实施方式3的惯性传感器具有的诊断单元的方框图。关于实施方式3的特征部分，以与实施方式1的不同方面为中心进行说明。

图11表示故障诊断单元104、基准电位供给单元12a和振子11。如图11所示，故障诊断单元104是将图4的诊断单元44e置换为诊断单元104e的结构。

诊断单元104e为以下结构：在从运算放大器44d输出的交流电压的振幅值为规定值以下的情况下，输出故障信号。通过该诊断单元104e，可以检测在电阻44a中流过的电流量几乎为0那样的故障模式。

图12表示诊断单元104e的方框图。诊断单元104e包括全波整流单元121、低通滤波器122、以及比较单元123。全波整流单元121对输入的交流电压进行全波整流。低通滤波器122对来自全波整流单元121的输出信号进行平滑。比较单元123在来自低通滤波器122的输出值小于阈值TH3的情况下输出Hi信号。通过这样的诊断单元104e，可以检测在电阻44a中流过的电流几乎为0那样的故障模式。

以下说明使用该故障诊断单元104进行驱动单元12或振子11的故障诊断的方法。

图13A是表示本发明的实施方式3的惯性传感器具有的故障诊断单元的电压波形的图。图13A表示诊断单元104e的电压波形。图13A中，横轴表示时间，纵轴表示电压。电压波形110是输入到诊断单元104e的信号的电压波形。

在电压波形110中，时间t1之前的电压波形110a表示驱动单元12或振子11正常地工作的情况下的电压波形。时间t1之后的电压波形110b表示驱动单元12或振子11发生了故障的情况下的电压波形。

例如，在起因于驱动单元12的异常等而停止了振子11的振荡的情况或连接驱动单元12和振子11的导线发生了断线的情况下，电阻44a中流过的电流量几乎为0。如图13A所示，发生了故障的情况下的电压波形110b的电压在上限阈值TH1和下限阈值TH2之间，所以不能使用诊断单元44e检测该故障模式。但是，可以按电压波形110的振幅值是否在规定值以下来诊断故障。

图13B是表示本发明的实施方式3的惯性传感器具有的全波整流单元的输出信号的图。图13B表示诊断单元104e具备的全波整流单元121的输出信号111。输出信号111在至时间t1为止是正常的状态的波形，时间t1以后是发生了故障的状态的波形。

图13C是表示本发明的实施方式3的惯性传感器具有的低通滤波器的输出信号的图。图13C表示低通滤波器122的输出信号112。至时间t1为止是正常的状态的波形，时间t1以后是发生了故障的状态的波形。输出信号112有起因于低通滤波器122的延迟时间，所以在从时间t1起经过了规定时间的时间t2成为小于阈值TH3的电压值。因此，在时间t2从诊断单元104e输出故障诊断信号。

再有，也可以在输出放大器12g和振子11之间设置故障诊断单元104。根据该结构，可以检测从输出放大器12g输出到振子11的电流的振幅为规定值以下那样的故障模式。在输出放大器12g为差动输出的情况下，如图8所示的一组故障诊断单元81，也可以在各个输出放大器12g的输出侧设置故障诊断单元104。由此，可以检出从任何一方的输出放大器12g输出的电流的振幅为规定值以下那样的故障模式。

工业实用性

本发明的惯性传感器可以诊断在驱动单元或振子上发生的故障，同时在进行故障的诊断的期间也可以进行惯性量的检出，特别在作为用于车辆控制用途、汽车导航等各种电子设备的传感器是有用的。

Claims (7)

1.惯性传感器，包括：

振子；

驱动单元，使所述振子振动；

检测单元，检测对所述振子从外部提供的惯性量；以及

故障诊断单元，设置在所述振子和所述驱动单元之间，

所述驱动单元具有：

基准电位供给单元，对所述振子供给基准电位；以及

驱动信号供给单元，基于从所述振子输出的监视信号，对所述振子供给驱动信号，

所述故障诊断单元包括基于从所述基准电位供给单元至所述振子中流过的电流值来诊断有无故障的诊断单元。

2.如权利要求1所述的惯性传感器，

所述故障诊断单元具有：

电阻，串联连接在所述基准电位供给单元和所述振子之间；以及

放大器，放大所述电阻两端的电压降量，

所述诊断单元基于从所述放大器输出的电压值来诊断有无故障。

3.惯性传感器，包括：

振子；

驱动单元，使所述振子振动；

检测单元，检测对所述振子从外部提供的惯性量；以及

故障诊断单元，设置在所述振子和所述驱动单元之间，

所述驱动单元具有：

基准电位供给单元，对所述振子供给基准电位；以及

驱动信号供给单元，基于从所述振子输出的监视信号，对所述振子供给驱动信号，

所述故障诊断单元包括基于从所述驱动信号供给单元至所述振子中流过的电流值来诊断有无故障的诊断单元。

4.如权利要求3所述的惯性传感器，

所述故障诊断单元具有：

电阻，串联连接在所述驱动信号供给单元和所述振子之间；以及

放大器，放大所述电阻两端的电压降量，

所述诊断单元基于从所述放大器输出的电压值来诊断有无故障。

5.如权利要求1或权利要求3所述的惯性传感器，

所述诊断单元包括：

最大值测定单元，输出所述电流值的最大值；

最小值测定单元，输出所述电流值的最小值；

第1比较单元，在所述最大值大于预先确定的上限阈值的情况下输出故障信号；

第2比较单元，在所述最小值小于预先确定的下限阈值的情况下输出故障信号；以及

故障信号输出单元，在所述第1比较单元或所述第2比较单元的任何一个输出了故障信号的情况下输出故障信号。

6.如权利要求5所述的惯性传感器，

所述故障信号输出单元在所述第1比较单元输出了故障信号的情况和所述第2比较单元输出了故障信号的情况下输出不同的故障信号。

7.如权利要求1或权利要求3所述的惯性传感器，

所述诊断单元包括：

全波整流单元，将所述电压值进行全波整流；

低通滤波器，将来自所述全波整流单元的输出信号进行平滑；以及

比较单元，在来自所述低通滤波器的输出信号小于预先确定的阈值的情况下输出故障信号。

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