DE69622815T2

DE69622815T2 - Drehgeschwindigkeitssensor

Info

Publication number: DE69622815T2
Application number: DE69622815T
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Nozoe; Masami Tamura; Takeshi Uemura
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1995-05-30
Filing date: 1996-05-29
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2016-05-30
Also published as: CN1160574C; EP0773430B1; EP0773430A4; DE69622815D1; EP1174683A3; EP1174683B1; CN1090313C; WO1996038712A1; CN1142436C; CN1154741A; CN1352395A; DE69637287T2; EP1174683A2; CN1352394A; US6244095B1; DE69637287D1; EP0773430A1; US6089091A; US5939630A

Description

ERFINDUNGSFELD

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit einer Selbstdiagnosefunktion.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Zum Beispiel weist ein Winkelgeschwindigkeitssensor des Stimmgabeltyps Detektorplatten an der Oberseite von zwei Ansteuerplatten des Stimmgabel-Ansteuerteils auf, die sich in der orthogonalen Richtung gegenüberstehen. Wenn eine Winkelgeschwindigkeit in einem kontinuierlichen Ansteuerzustand des Ansteuerteils angelegt wird, wird die Winkelgeschwindigkeit durch dei Ausgabe der Detektorplatten bestimmt, die in entgegengesetzter Richtung und in Übereinstimmung mit der angelegten Winkelgeschwindigkeit vibrieren.
In einem Winkelgeschwindigkeitssensor aus dem Stand der Technik wird ein gedichteter Raum vorgesehen, indem ein Deckel 2 aus Kunstharz wie in Fig. 18 gezeigt an einer Öffnung an einem Ende eines Gehäuses 1 aus Kunstharz befestigt wird.
In dem gedichteten Raum sind eine Leiterplatte 3 und eine Gewichtsplatte 4 aus Metall enthalten. Haltestifte 5 sind an vier Ecken innerhalb des Gehäuses 1 befestigt, wobei die Gewichtsplatte 4 und die Leiterplatte 3 elastisch durch die Haltestifte 5 gehalten und fixiert werden. Dämpfer 6 aus Gummi sind an den vier Ecken der Gewichtsplatte 4 vorgesehen, um für eine elastische Halterung zu sorgen. Haltebeine 7 aus Kunstharz sind zwischen den Dämpfern 6 und der Leiterplatte 3 angeordnet. Die Haltestifte 5 werden an den Spitzen zu der Leiterplatte 3 gebogen, nachdem sie durch die Dämpfer 6, die Haltebeine 7 und die Leiterplatte 3 hindurchgegangen sind. Auf diese Weise werden die Leiterplatte 3 und die Gewichtsplatte 4 elastisch gehalten und fixiert. Ein Haltestift 8 aus Metall wird eingeführt und vertikal zu der Gewichtsplatte 4 auf der Seite der Leiterplatte 3 an der Gewichtsplatte 4 wie in Fig. 19 gezeigt befestigt, und ein Ende eines Haltestiftes 9 aus Metall wird eingeführt und parallel zu der Gewichtsplatte 4 mit dem Haltestift 8 verbunden. Der Haltestift 9 weist nur ungefähr ein Fünftel des Durchmessers des Haltestiftes 8 auf und ist aus einem elastischen Metallmaterial wie etwa Saitendraht hergestellt, wobei das andere Ende des Haltestiftes 9 durch Löten auf einer Metallplatte 10 fixiert wird.
Die einen Enden der gegenüberliegenden Ansteuerplatten 11 und 12 aus Metall mit den dazwischen angeordneten Haltestiften 8 und 9 sind jeweils an den Seiten der Metallplatte 10 befestigt. Plattenförmige piezoelektrische Elemente 11a und 12a sind jeweils an den Oberflächen der Ansteuerplatten 11 und 12 aus Metall befestigt. Auf diese Weise wird der Ansteuerteil des Stimmgabeltyps gebildet. Die anderen Enden der Ansteuerplatten 11 und 12 sind orthogonal zu den piezoelektrischen Elementen 11a und 12a gebogen, wobei andere plattenförmige piezoelektrische Elemente 13a und 14a wie in Fig. 19 gezeigt auf Detektorplatten 13 und 14 befestigt sind. Auf diese Weise wird der Detektorteil gebildet. Ein Sensorelement setzt sich aus dem Ansteuerteil und dem Detektorteil zusammen.
Bei Winkelgeschwindigkeitssensoren des oben angegebenen Typs muss der Benutzer die Leistung der Sensoren auf einfache, zuverlässige und möglichst kostengünstige Weise testen können.
Aus diesem Grund wurden im Stand der Technik mehrere Lösungen vorgeschlagen. Zum Beispiel gibt EP 0 638 782 einen Winkelgeschwindigkeitssensor des Stimmgabeltyps an, der einen Ansteuerteil, eine Ansteuereinrichtung und eine Feststellungseinrichtung umfasst.
Während des Testbetriebsmodus wird ein Signal erfasst, das der Summe aus dem Drehratensignal und einem simulierten Ratensignal entspricht. Wenn sich die Größe des Gesamtsignals innerhalb einer spezifizierten Toleranz ändert, dann wird der Sensor korrekt betrieben, während ansonsten ein Defekt oder eine Fehlfunktion festgestellt wird.
Ein weiteres Beispiel für einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit einer Diagnoseeinrichtung ist in EP 0 490 244 angegeben. In diesem Fall werden mechanische Kopplungssignale erfasst, die durch die piezoelektrischen Elemente der Stimmgabel erzeugt werden; wenn ein Fehler beispielsweise aufgrund eines Bruchs von einer der Detektorplatten auftritt, weicht das erfasste mechanische Kopplungssignal von Standardwerten ab, so dass dementsprechend die Information erhalten wird, dass der Geschwindigkeitssensor nicht korrekt funktioniert.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, die Feststellungsleistungen von Geschwindigkeitssensoren aus dem Stand der Technik zu verbessern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch einen Sensor nach Anspruch 1 gelöst, wobei das von den Detektorplatten erhaltene mechanische Kopplungssignal verstärkt, gleichgerichtet, gefiltert und schließlich zu einer Bestimmungsschaltung gegeben wird, die wiederum selbst ein Diagnosesignal ausgibt.
Auf diese Weise sind die Wellenformen, die den an verschiedenen Positionen der Schaltung ausgegebenen Signalen entsprechen, frei von Rauschen, so dass eine entsprechend verbesserte Zuverlässigkeit der Bestimmungsschaltung erhalten wird und Fehler und/oder Fehlfunktionen des Sensors besser festgestellt werden können.
Andere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in entsprechenden abhängigen Ansprüchen definiert.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt Wellenformen an verschiedenen Punkten des Winkelgeschwindigkeitssensors.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt Wellenformen an verschiedenen Punkten des Winkelgeschwindigkeitssensors.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 zeigt Wellenformen an verschiedenen Punkten des Winkelgeschwindigkeitssensors.
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 8 zeigt Wellenformen an verschiedenen Punkten des Winkelgeschwindigkeitssensors.
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 10 zeigt Wellenformen an verschiedenen Punkten des Winkelgeschwindigkeitssensors.
Fig. 11(a) ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines wesentlichen Teils des Winkelgeschwindigkeitssensors.
Fig. 11(b) ist eine Querschnittansicht des wesentlichen Teils des Winkelgeschwindigkeitssensors.
Fig. 11(c) ist ein Schaltungsdiagramm des Winkelgeschwindigkeitssensors.
Fig. 12 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltkonfiguration des wesentlichen Teils des Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt.
Fig. 13 ist ein Blockdiagramm eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer sechsten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 14 ist ein Schaltungsdiagramm des wesentlichen Teils des Winkelgeschwindigkeitssensors.
Fig. 15 zeigt Wellenformen an verschiedenen Punkten des Winkelgeschwindigkeitssensors.
Fig. 16 ist ein Blockdiagramm eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer siebten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 17 zeigt Wellenformen an verschiedenen Punkten des Winkelgeschwindigkeitssensors.
Fig. 18 ist eine perspektivische Ansicht der Montage eines wesentlichen Teils eines Winkelgeschwindigkeitssensors aus dem Stand der Technik.
Fig. 19 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines wesentlichen Teils des Winkelgeschwindigkeitssensors.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

(Erste beispielhafte Ausführungsform)

Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein alternierendes Signal von ungefähr 1 Vp-p und 1,5 kHz wird an einem piezoelektrischen Element 11a einer Ansteuerplatte 11, die als Sensorelement dient, von einer Ansteuerschaltung 15 angelegt. Dementsprechend beginnen die Ansteuerplatten 11 und 12 eine nach außen und nach innen gerichtete Stimmgabelvibration um das Zentrum des Haltestifts 9. Eine zu dem angelegten Signal proportionale Spannung wird an einem piezoelektrischen Element 12a der Ansteuerplatte 12 durch eine Stimmgabelvibration induziert und in Punkt A von Fig. 1 nach dem Durchgang durch einen Stromverstärker 16 und einen Bandpassfilter 17 zu einem Überwachungssignal A gewandelt, was in Fig. 12 als Wellenform A gezeigt ist. Dieses Signal wird über einen Vollweggleichrichter 18 und eine AGC-Schaltung 19 zu einer Ansteuerschaltung 15 zurückgeführt, sodass ein Ansteuersignal automatisch in seiner Amplitude gesteuert wird.
Wenn in dem Detektorteil die piezoelektrischen Elemente 13a und 14a eine Winkelgeschwindigkeit feststellen, geben beide piezoelektrischen Elemente 13a und 14a Winkelgeschwindigkeitssignale von +Q aus. Diese Winkelgeschwindigkeitssignale sind in Fig. 2 als Wellenformen B und C gezeigt, die in dem in Fig. 1 gezeigten Punkt D synthetisiert werden und zu einem in Fig. 2 als Wellenform D gezeigten Winkelgeschwindigkeitssignal umgewandelt werden. Das Winkelgeschwindigkeitssignal D wird aus einem Ausgangsanschluss 24 ausgegeben, nachdem es durch einen Ladeverstärker 20, einen Bandpassfilter 21, einen Synchrondetektor 22 und einen Tiefpassfilter 23 hindurchgegangen ist. Die Winkelgeschwindigkeitssignale an den in Fig. 1 gezeigten Punkten E, F und G sind in Fig. 2 jeweils als Wellenformen E, F und G gezeigt.
Die Detektorplatten 13 und 14 müssen in der beispielhaften Ausführungsform orthogonal zu den Ansteuerplatten 11 und 12 angeordnet werden, wobei es jedoch schwierig ist, diese in einer orthogonalen Ausrichtung anzuordnen. Außerdem ist es unmöglich, piezoelektrische Elemente 13a und 14a mit exakt gleicher Größe und gleicher Befestigung vorzusehen. Deshalb erzeugen die piezoelektrischen Elemente 13a und 14a immer mechanische Kopplungssignale, die in Fig. 2 als Wellenformen B und C gezeigt sind und sich von den oben beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssignalen unterscheiden. In diesem Fall werden die piezoelektrischen Elemente 13a und 14a auf denselben seitlichen Oberflächen der Detektorplatten 13 und 14 aufgeklebt, wobei die Schwerkraftzentren der Detektorplatten 13 und 14 geringfügig zu den geklebten Seiten der piezoelektrischen Elemente 13a und 14a hin abweichen. Wenn also die Ansteuerplatten 11 und 12 eine Stimmgabelvibration machen, weil sie beispielsweise nach außen geöffnet werden, dann öffnen sie sich zu den Seiten der piezoelektrischen Element 13a und 14a hin lehnend. Dementsprechend sind die in den piezoelektrischen Elementen 13a und 14a erzeugten mechanischen Kopplungssignale wie in Fig. 2 als Wellenformen B und C gezeigt in einer reziproken Phase. Und wenn die mechanischen Kopplungssignale in dem in Fig. 1 gezeigten Punkt D synthetisiert werden, wird das synthetisierte mechanische Kopplungssignal klein. Das synthetisierte mechanische Kopplungssignal wird in einem Ladeverstärker 20 und in einem Verstärker 15 verstärkt und in einem Gleichrichter 27 gleichgerichtet, wobei dann der Signalpegel in einer Bestimmungsschaltung 28 bestimmt wird und das bestimmte Ergebnis von einem Signalausgangsanschluss 29 ausgegeben wird. Die Signale an den in Fig. 1 gezeigten Punkten H, I und J sind in Fig. 2 jeweils als Wellenformen H, I und J gezeigt. Wenn das aus dem Filter 27 ausgegebene Signal I zwischen dem Pegel a und dem Pegel b ist, weist die Ausgabe aus der Bestimmungsschaltung 28 einen niedrigen Pegel auf (in Fig. 2 als Wellenform J gezeigt) und wird aus dem Anschluss 29 ausgegeben.
Falls beispielsweise die in Fig. 1 gezeigte Detektorplatte 14 beschädigt ist oder ihr Leitungsdraht gebrochen ist, gehen aufgrund der Fehlfunktion sowohl das Winkelgeschwindigkeitssignal als auch das mechanische Kopplungssignal aus dem piezoelektrischen Element 14a auf null, was in Fig. 2 als Wellenform C gezeigt ist. Deshalb erscheint an dem in Fig. 1 gezeigten Punkt D nur ein mechanisches Kopplungssignal von dem piezoelektrischen Element 13a, das ein viel größeres mechanisches Kopplungssignal wird als zuvor. Deshalb wird die Ausgabe des Filters 27 größer als der Pegel a, was in Fig. 2 als Wellenform I gezeigt ist, und es wird ein Signal mit hohem Pegel aus der Bestimmungsschaltung 28 ausgegeben, was in Fig. 2 als Wellenform J gezeigt ist. Wenn beide Detektorplatten 13 und 14 beschädigt werden oder wenn beide Leitungsdrähte brechen, wird die Ausgabe des Filters 27 kleiner als der Pegel b, was in Fig. 2 als Wellenform I gezeigt ist, und es wird ein Signal mit hohem Pegel aus der Bestimmungsschaltung 28 ausgegeben, was in Fig. 2 als Wellenform J gezeigt ist. Wenn ein derartiges Signal mit hohem Pegel ausgegeben wird, wird eine Information übertragen, dass der Geschwindigkeitssensor nicht korrekt funktioniert.

(Zweite beispielhafte Ausführungsform)

Fig. 3 ist ein Schaltungsdiagramm eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser beispielhaften Ausführungsform ist ein Synchrondetektor 30 zwischen dem Verstärker 25 und dem Filter 27 vorgesehen und es wird eine Synchronfeststellung durch ein Rückkopplungssignal der Rückkopplungsschaltung für ein Ansteuersignal durchgeführt, das ein durch den Phasenverschieber 31 von Fig. 3 gegenüber dem Signal von Punkt A phasenverschobenes Signal ist. Weil mit anderen Worten das in den Verstärker 25 fließende mechanische Kopplungssignal ein Winkelgeschwindigkeitssignal enthält, wird der Pegel des mechanischen Kopplungssignals eng an einen korrekten Wert herangebracht, indem das Winkelgeschwindigkeitssignal aufgehoben wird. Das in Fig. 4 als Wellenform A gezeigte Signal, das in dem in Fig. 3 gezeigten Punkt fließt, wird in dem Phasenverschieber 31 um 90 Grad verzögert. Wenn die Ausgabe aus dem Verstärker 25 als mit einem Signal H synchronisiert festgestellt wird, das um 90 Grad verzögert ist (in Fig. 4 als Wellenform H gezeigt), wird das Winkelgeschwindigkeitssignal wie in Fig. 4 als Wellenform H gezeigt aufgehoben, so dass der in das Filter 27 eingegebene Pegel des mechanischen Kopplungssignals eng an einen korrekten Wert heran gebracht werden kann.

(Dritte beispielhafte Ausführungsform)

Fig. 5 ist ein Schaltungsdiagramm eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wenn in dieser beispielhaften Ausführungsform die aus den piezoelektrischen Elementen 13a und 14a ausgegebenen mechanischen Kopplungssignale in dem in Fig. 5 gezeigten Punkt D addiert werden, wird die Summe als Anfangseinstellung auf null gesetzt. Während die Summen in der ersten und der zweiten beispielhaften Ausführungsform nicht gleich null sind, wird die Summe der aus den piezoelektrischen Elementen 13a und 14a ausgegebenen mechanischen Kopplungssignale in der dritten beispielhaften Ausführungsform gleich null gesetzt, indem entweder die Detektorplatte 13 oder die Detektorplatte 14 in der Anfangseinstellung zugeschnitten wird. Dies wird in Fig. 6 als Wellenform D gezeigt. Beispielsweise wird in einem Normalzustand vor einer Fehlfunktion wie etwa einer Beschädigung des Detektors 14 oder einem Bruch des Leitungsdrahts in dem in Fig. 14 gezeigten Punkt D kein mechanisches Kopplungssignal gezeigt. Nach der Fehlfunktion kann das mechanische Kopplungssignal von dem piezoelektrischen Element 14a jedoch kaum erzeugt werden, so dass das mechanische Kopplungssignal in dem in Fig. 6 gezeigten Punkt als Wellenform D erscheint. Daraus resultiert, dass die Ausgabe der Bestimmungsschaltung 28 bei einer Fehlfunktion einen hohen Pegel aufweist, was in Fig. 6 als Wellenform J gezeigt ist, wobei ein Signal, das die Fehlfunktion des Winkelgeschwindigkeitssensors angibt, aus dem Signalausgangsanschluss 29 über eine Logiksummenschaltung 32 ausgegeben wird, was in Fig. 6 als Wellenform L gezeigt ist. In dieser beispielhaften Ausführungsform wird ein Ansteuersignal für die Rückkopplung, d. h. eine Ausgabe des Vollweggleichrichters 18 über die Bestimmungsschaltung 33 zu einer Logiksummenschaltung 32 ausgegeben. Damit wird bezweckt, auch dann eine Fehlfunktion am Signalausgangsanschluss angeben zu können, wenn die Ansteuerplatten 11 und 12 nicht betrieben werden. Deshalb wird das Ansteuersignal über die Bestimmungsschaltung 33 zu der Logiksummenschaltung 32 ausgegeben. Die Bestimmungsschaltung 33 gibt einen hohen Pegel aus, wenn das Rückkopplungssignal null ist, weil die Ansteuerplatten 11 und 12 nicht betrieben werden, und gibt weiterhin ein Signal, das die Fehlfunktion angibt, über die Logiksummenschaltung 32 an dem Signalausgangsanschluss 29 aus.
Falls die Ausgabe des Ladeverstärkers 20 zur Selbstdiagnose in den Verstärker 25 eingegeben wird, wie dies in der ersten, zweiten und dritten beispielhaften Ausführungsform gezeigt ist, und ein Signal, das einen Eingabebereich des Synchrondetektors 22 überschreitet, aus dem Bandpassfilter 21 ausgegeben wird, variiert das Ausgabesignal am Ausgangsanschluss 24 manchmal, obwohl kein Winkelgeschwindigkeitssignal hinzugefügt wird. In diesem Fall ist es vorteilhaft, statt dessen das Ausgabesignal des Bandpassfilters 21 in den Verstärker 25 einzugeben, die Sättigung des Synchrondetektors 22 als Bestimmungskriterium festzustellen und eine Zeitkonstante des Filters 27 mit einer Zeitkonstante des Tiefpassfilters 23 abzugleichen.

(Vierte beispielhafte Ausführungsform)

Fig. 7 ist ein Schaltungsdiagramm eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Auch in dieser beispielhaften Ausführungsform wird eine anfängliche Einstellung vorgenommen, so dass wenn die mechanischen Kopplungssignale aus den piezoelektrischen Elementen 13a und 14a addiert werden, die Summe derselben auf null gesetzt wird, indem wie in der dritten beispielhaften Ausführungsform entweder die Detektorplatte 13 oder die Detektorplatte 14 zugeschnitten wird. Das Signal aus dem piezoelektrischen Element 13a wird in einem Ladeverstärker 20a verstärkt, und das Signal aus dem piezoelektrischen Element 14a wird in einem Ladeverstärker 20b verstärkt. Dann werden beide im Addierer 34 addiert, und das Summensignal wird nach der Verarbeitung aus dem Ausgangsanschluss 24 als Winkelgeschwindigkeitssignal ausgegeben. Die Ausgabe der Ladeverstärkers 20b wird im Subtrahierer 35 von der Ausgabe des Ladeverstärkers 20b subtrahiert und nach der Verarbeitung am Signalausgangsanschluss 29 als Selbstdiagnosesignal ausgegeben. Die Wellenformen an den Punkten in Fig. 7 sind in Fig. 8 gezeigt. Der Verstärker 25, der Gleichrichter 26 und das Filter 27 können weggelassen werden. Die Erläuterungen nehmen auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor des Stimmgabeltyps Bezug, wobei jedoch zu beachten ist, dass ein mechanisches Kopplungssignal in einem Winkelgeschwindigkeitssensor des Dreieckprismentyps, des Solidzylindertyps, des Stimmgabeltyps oder des Rohrtyps erzeugt werden kann, so dass bei allen diesen Typen eine Fehlfunktion unter Verwendung des mechanischen Kopplungssignals festgestellt werden kann.

(Fünfte beispielhafte Ausführungsform)

Fig. 9 ist ein Schaltungsdiagramm eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ein alternierendes Signal von ungefähr 1 Vp-p und 1,5 kHz wird von einer Ansteuerschaltung 15 an einem piezoelektrischen Element einer Ansteuerplatte 11 angelegt. Die Ansteuerplatten 11 und 12 beginnen eine nach innen und außen gerichtete Stimmgabelvibration um das Zentrum eines Haltestiftes 9. Eine dem angelegten Signal proportionale Spannung wird durch die Stimmgabelvibration in einem piezoelektrischen Element 12a der Ansteuerplatte 12 induziert und wird am Punkt A als Überwachungssignal ausgegeben, nachdem sie durch einen Stromverstärker 16 und einen Bandpassfilter 17 hindurchgegangen ist. Das Ausgabesignal ist in Fig. 10 als Wellenform A gezeigt. Dieses Signal wird über eine AGC-Schaltung 19 zu einer Ansteuerschaltung 15 zurückgeführt, und der Pegel des Ansteuersignals wird derart gesteuert, dass er in Punkt A immer konstant ist. In dem Detektorteil werden die Signale aus den piezoelektrischen Elementen 13a und 14a im Punkt D synthetisiert, und das synthetisierte Signal wird zu einem Ladeverstärker 20 ausgegeben. Das mit einer Stimmgabelvibration synchronisierte Überwachungssignal aus Punkt A wird durch einen Dämpfer 36 gedämpft und nach dem Durchgang durch einen Injektor 37 zu einem nicht- invertierten Eingangsanschluss eines Ladefilters 20 ausgegeben. Die Ausgabe des Ladeverstärkers 20 wird aus einem Ausgangsanschluss 24 über einen Bandpassfilter 20, einen Synchrondetektor 22 und einen Tiefpassfilters 23 ausgegeben. Die Signalwellenformen am Punkt I (die Ausgabe des Dämpfers 36), H (die Ausgabe des Injektors 37), E (die Ausgabe des Ladeverstärkers 20), F (die Ausgabe des Synchrondetektors 22) und G (die Ausgabe des Tiefpassfilters 23) sind in Fig. 10 jeweils als Wellenformen I, H, E, F und G gezeigt.
In dieser beispielhaften Ausführungsform ist ein piezoelektrisches Element 13a zum Feststellen einer Winkelgeschwindigkeit mittels eines Klebers 8 an der Detektorplatte 13 festgeklebt, wobei wie in Fig. 11(a) gezeigt eine Silberelektrode 13b auf den piezoelektrischen Elementen 13a ausgebildet ist.
Die Detektorplatte 13, die piezoelektrischen Elemente 13a und die Silberelektrode 13b bilden wie in Fig. 11(b) gezeigt einen Parallelplattenkondensator, dessen Schaltungsaufbau in Fig. 11(c) gezeigt ist. Die durch das piezoelektrische Element 13a gebildete Kapazität des Kondensators wird durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt:
Cs1 = &epsi;·S/d (1)
wobei
&epsi; die Durchlässigkeit des piezoelektrischen Elements ist
S die Fläche der Elektrode ist, und
d die Dicke des piezoelektrischen Elements ist.
Entsprechend wird die Kapazität eines durch das piezoelektrische Element 14a gebildeten Kondensators durch die Gleichung (2) ausgedrückt:
Cs2 = &epsi;·S/d (2)
wobei
&epsi; die Durchlässigkeit des piezoelektrischen Elements ist
S die Fläche der Elektrode ist, und
d die Dickes des piezoelektrischen Elements ist.
Es sind die folgenden Beziehungen zwischen den Empfindlichkeiten des piezoelektrischen Elemente zum Feststellen der Winkelgeschwindigkeit und den durch die Gleichungen (1) und (2) ausgedrückten Kapazitäten Cs1 und Cs2 gegeben:
Die Empfindlichkeit ist proportional zu der Fläche S und die Kapazität C ist proportional zu der Fläche S, während die Empfindlichkeit proportional zu der Kapazität C ist.
Wenn also eine Kapazitätsvariation festgestellt werden kann, kann eine Empfindlichkeitsvariation angenommen werden, wobei eine Empfindlichkeitsanormalität festgestellt werden kann.
Das Überwachungssignal A im Punkt A wird durch den Dämpfer 36 gedämpft, was durch die Wellenform I von Fig. 10 gezeigt ist, und zu dem Injektor 37 ausgegeben. Der Injektor 37 umfasst beispielsweise einen Kondensator und einen Widerstand, die in Fig. 12 gezeigt, sind, wobei ein gegenüber dem Überwachungssignal A phasenverschobenes Signal wie durch die Wellenform H von Fig. 10 gezeigt zu einem nicht-invertierten Eingangsanschluss des Ladeverstärkers 20 ausgegeben wird. Weil jedoch die invertierte Eingabe und die nicht- invertierte Eingabe des Ladeverstärkers 20 im wesentlichen dasselbe Potential aufweisen, erscheint das von dem Injektor 37 zu dem nicht-invertierten Eingangsanschluss ausgegebene Signal auch an dem invertierten Eingangsanschluss des Ladeverstärkers 20, was durch die Wellenform D in Fig. 10 gezeigt wird.
Daraus resultiert, dass ein Verschiebungsstrom ID, der durch die Wellenform D (unterbrochene Linie) von Fig. 10 gezeigt wird, in den Kapazitätskomponenten Cs1 und Cs2 der piezoelektrischen Elemente 13a und 14a erzeugt wird, die mit dem invertierten Eingangsanschluss verbunden sind, und eine durch die Wellenform E von Fig. 10 gezeigte Spannung aus dem Ladeverstärker 20 ausgegeben wird. Die Ausgabespannung ve am Punkt E wird durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt:
ve = Vm·α·(1/C0)·(Cs1 + Cs2)·IDLø (3)
wobei
ve die Ausgabespannung E (Vp-p) des Ladeverstärkers ist
Vm die Überwachungsspannung (Vp-p) ist
α der Dämpfungsfaktor (0 < α < 1) des Dämpfers 36 ist
Lø die Phasenverschiebung (0º < ø < 90º) durch den Injektor 37 ist
C0 die Rückkopplungskapazität (pF) des Ladeverstärkers 20 ist,
und
ID der Verschiebungsstrom (pA) ist.
Das am Ausgangsanschluss 24 erhaltene Signal Vout wird durch die folgende Gleichung (4) ausgedrückt.
Vout = A·D·Vm·α·(1/C0)·(Cs1 + Cs2)·ID·sinø (4)
wobei
D die Feststellungskonstante des Synchrondetektors 22 ist, und
A die Gleichstromverstärkung des Tiefpassfilters 23 ist.
Weil das in Fig. 10 gezeigte Signal E um /o gegenüber dem Überwachungssignal A phasenverschoben ist, wird das Signal E am Synchrondetektor 22 festgestellt, nachdem es am Bandpassfilter 21 verstärkt wurde, wobei nur eine der Phasenverschiebung entsprechende Signalkomponente extrahiert, am Tiefpassfilter 23 verstärkt und aus dem Anschluss 24 als Gleichstrom-Versatzkomponente ausgegeben wird. Gewöhnlich ist es vorteilhaft, die Versatzspannung der Ausgabe, die beispielsweise 2,5 V beträgt, mit Bezug auf diese Gleichstrom-Versatzkomponente anzupassen.
Aus Gleichung (3) wird Folgendes deutlich: weil das in Fig. 10 gezeigte Signal proportional zu der Kapazität Cs1 oder Cs2 des piezoelektrischen Elements 13a oder 14a für die Winkelgeschwindigkeitsfeststellung ist, wenn beispielsweise an dem Punkt B oder C von Fig. 9 eine Unterbrechung auftritt, ist eine wie durch die Wellenformen E und F von Fig. 10 gezeigte Signalpegelvariation gegeben, was zur Folge hat, dass der Spannungspegel an dem Ausgangsanschluss 24 variiert. Die Anormalität wird beispielsweise durch eine Schwellwertbestimmung dieser Pegelvariation als Fehlfunktion des Sensors bestimmt.
Weil das Eingangssignal des Injektors 37 aus einem Überwachungssignal der Ansteuerschaltung erhalten wird und das Ausgangssignal an dem Eingangsanschluss des Ladeverstärkers 20 angelegt wird, erscheint bei einer Fehlfunktion einer Komponente oder eines Teils der Stimmgabel, der Ansteuerschaltung oder der Feststellungsschaltung ein Signal am Ausgang 24 als eine Variation der Gleichstrom-Versatzkomponente, so dass eine Fehlfunktion des Sensors immer festgestellt werden kann.

(Sechste beispielhafte Ausführungsform)

Fig. 13 ist ein Schaltungsdiagramm eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer sechsten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich zu der fünften beispielhaften Ausführungsform kann in dieser Ausführungsform der Eingang des Injektors 37 gewählt werden, um eine Verbindung zu dem Ausgang des Dämpfers 36 oder zu der Erde vorzusehen. Dies wird durch einen Schalter 38 bewerkstelligt, der durch ein externes Signal von einem Steuernanschluss 39 gesteuert wird. Ein Schaltungsdiagramm des wesentlichen Teils ist in Fig. 14 gezeigt, und die Wellenformen sind in Fig. 15 gezeigt.
Weil das im Dämpfer gedämpfte Überwachungssignal I gewöhnlich durch den Schalter 38 von dem Injektor 37 getrennt ist, wird das Überwachungssignal I nicht zu dem Injektor übertragen, so dass dementsprechend die Sensorausgaben in einem gewöhnlichen Zustand sind. Wenn ein durch die Wellenform J von Fig. 15 gezeigtes Signal wie etwa ein Prüfsignal aus einem Computer an dem in Fig. 13 gezeigten Steueranschluss 39 angelegt wird, wird der Schalter 38 geschlossen und wird das Signal I von dem Dämpfer 36 zu dem Injektor 37 übertragen. Daraus resultiert, dass die Signale an jedem Punkt wie durch die Wellenformen H, D, E und F von Fig. 15 gezeigt variieren und dass eine mit einem Prüfsignal verknüpfte und an dem Steueranschluss 39 angelegte Versatzspannung wie durch die Wellenform G von Fig. 15 gezeigt an dem Ausgangsanschluss 24 erzeugt wird. Weil diese Versatzvariation durch die Gleichung (4) der fünften beispielhaften Ausführungsform bestimmt wird, kann die eine Sensoranormalität durch eine Überwachung dieser Versatzvariation bestimmt werden.

(Siebte beispielhafte Ausführungsform)

Fig. 16 ist ein Schaltungsdiagramm eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer siebten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Wellenformen sind in Fig. 17 gezeigt. Die siebte beispielhafte Ausführungsform sieht vor, dass ein Eingangsanschluss für das externe Signal gemeinsam mit einem Ausgangsanschluss 29 der Bestimmungsschaltung 28 verwendet wird. Die Bestimmungsschaltung 28 überwacht beispielsweise die Ausgabe E der Ladeverstärkers 20 und stellt eine anormale Spannung fest, die beispielsweise durch einen anormalen Stoß oder eine von außen verursachte Vibration der Stimmgabel erzeugt wird, und gibt ein Signal, das die Anormalität angibt, am Anschluss 29 aus. Obwohl der Steuersignal-Eingangsanschluss des Schalters 38 gemeinsam mit dem Ausgangsanschluss 29 verwendet wird, wird der Verbindungs/Trenungs-Logikwert umgekehrt zu der Logikausgabe der Bestimmungsschaltung 28 gesetzt. Deshalb wird in einem gewöhnlichen Zustand, in dem der Schalter 38 nicht betrieben wird, eine anormale Spannung, die durch einen anormalen Stoß oder eine von außen verursachte Vibration erzeugt wird, festgestellt und nach außen gemeldet. In einem Zustand, in dem der Sensor geprüft wird, indem ein Prüfsignal von einem Anschluss 29 eingegeben wird und die Sensorausgabe des Anschlusses 24 überwacht wird, kann eine multifunktionale Diagnose der Fehlfunktion vorgenommen werden, indem nur ein Anschluss verwendet wird. Dadurch kann eine hohe Kostenleistung realisiert werden.
Wenn der Verbindungs-/Trennungs-Logikwert des Schalters 38 gleich dem logischen Wert der Bestimmungsschaltung 28 gesetzt wird, kann zu einem Selbstdiagnosemodus übergegangen werden, indem der Schalter 38 durch die logische Ausgabe der Bestimmungsschaltung 28 erzwungen betätigt wird, wobei weiterhin ein Signal als Anormalitätsfeststellungszustand am Anschluss 29 ausgegeben werden kann, bis ein Rücksetzsignal für eine Selbstdiagnose von außen zugeführt wird.
Während hier eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wird, in der ein Sensorbetriebszustand unter Verwendung eines Sensorsignals mitgeteilt wird, kann die Sensorausgabe auch versetzt eingestellt werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, eine Dämpfungsgröße des Dämpfers 36 einzustellen oder den Versatz einzustellen, indem die Phasenverschiebungsgröße durch den Injektor 37 eingestellt wird. Es ist möglich, eine Temperaturkompensation für die Sensorausgabe vorzusehen, indem eine Dämpfungsgröße oder eine Phasenverschiebungsgröße mit der Temperatur variiert, wobei ein temperaturempfindliches Element verwendet wird.
Ähnliches kann vorgesehen werden, wenn die Ausgabe des Injektors 37 an dem Bandpassfilter 21 und dem Synchrondetektor 22 angelegt wird.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor der vorliegenden Erfindung kann also aus dem Zustand des mechanischen Kopplungssignals feststellen, ob sich das Winkelgeschwindigkeitssignal in einem Zustand befindet, in dem eine korrekte Feststellung vorgesehen werden kann oder nicht. Weil weiterhin immer das mechanische Kopplungssignal zur Erzeugung verwendet wird, muss keine unabhängige Einrichtung vorgesehen werden, um das mechanische Kopplungssignal zu erzeugen. Dadurch wird der Aufbau des Sensors stark vereinfacht. Außerdem kann ein sehr zuverlässiger Betrieb für die Selbstdiagnose vorgesehen werden.

Claims

1. Winkelgeschwindigkeitssensor mit:

einer Ansteuerschaltung (15) zum Ausgeben eines Ansteuersignals zu einem Stimmgabel-Ansteuersteil eines Sensors, wobei der Ansteuerteil Ansteuerplatten (11, 12) und Detektorplatten (13, 14) umfasst,

einem Detektor zum Feststellen eines Winkelgeschwindigkeitssignals von den Detektorplatten des Sensors,

einer Selbstdiagnoseschaltung zum Empfangen eines mechanischen Kopplungssignals von dem Detektorteil des Sensors,

wobei das mechanische Kopplungssignal auf eine mechanische Kopplung zwischen den Detektorplatten und den Ansteuerplatten bezogen ist und eine Fehlfunktion der mechanischen Kopplung in dem Sensor angibt,

wobei entsprechende Enden der Detektorplatten an entsprechenden Enden der Ansteuerplatten befestigt sind, die orthogonal zu den Ansteuerplatten ausgerichtet sind,

und weiterhin mit:

einem Ladeverstärker (20),

einem Gleichrichter (26),

einem Filter (27), und

einer Bestimmungsschaltung (28), und

wobei das mechanische Kopplungssignal von den Detektorplatten (13, 14) erhalten wird und durch den Ladeverstärker (20) verstärkt, durch den Gleichrichter (26) gleichgerichtet, durch das Filter (27) gefiltert und zu der Bestimmungsschaltung (28) ausgegeben wird, die ein Selbstdiagnosesignal vorsieht.

2. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansteuerteil ein piezoelektrisches Material umfasst.

3. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Detektorplatte (13, 14) ein separates mechanisches Kopplungssignal ausgibt, das eine Fehlfunktion in einer mechanischen Kopplung für eine Detektorplatte angibt, und wobei die mechanischen Kopplungssignale von jeder Detektorplatte summiert werden und zu dem Ladeverstärker (20) gegeben werden.

4. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3, wobei die Summe der mechanischen Kopplungssignale, die von den Detektorplatten erhalten werden, zu Beginn auf einen angegebenen Wert gesetzt werden.

5. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 4, wobei die Summe der von den zwei Detektorplatten (13, 14) erhaltenen mechanischen Kopplungssignale durch einen Ladeverstärker (20) verstärkt wird, in Synchronisation mit einem Signal festgestellt wird, das um 90 Grad gegenüber einem in einer Rückkopplungsschaltung fließenden Rückkopplungssignal verzögert ist, durch das Filter (27) gefiltert wird und an die Bestimmungsschaltung (28) ausgegeben wird.

6. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3, wobei die Summe der von den zwei Detektorplatten (13, 14) erhaltenen mechanischen Kopplungssignale zu Beginn auf null gesetzt wird und wobei eine Ausgabe einer Bestimmungsschaltung des Ansteuerteils und eine Ausgabe einer Überwachungsschaltung zu einer logischen Summenschaltung ausgegeben werden.