CN101990626B - 惯性力传感器 - Google Patents

Abstract

提供抑制角速度的检测精度的劣化，并且提高故障诊断的诊断精度的惯性力传感器。该惯性力传感器包括：具有驱动电极、监视电极、检测电极的振子；对驱动电极通电驱动信号并使振子振动的驱动电路；基于起因于惯性力并从检测电极输出的检测信号检测角速度的检测电路；基于从监视电极输出的监视信号而控制驱动信号的通电量的振动控制电路；以及对检测电路输入模拟角速度信号并进行故障诊断的故障诊断电路，在故障诊断时，是设置了切换在检测电路中包含的滤波器电路的特性并缩短延迟时间的滤波器切换电路的结构。

Description

惯性力传感器

技术领域

本发明涉及飞机、汽车、机器人、船舶、车辆等移动体的姿态控制和导航等各种电子设备中使用的惯性力传感器。

背景技术

图11是以往的角速度传感器的电路方框图。在图11中，以往的角速度传感器包括：具有驱动电极2、监视电极3、检测电极4的振子1；驱动电路5；振动控制电路6；检测电路7；故障诊断电路8；以及滤波器电路9。驱动电路5对驱动电极2通电驱动信号并使振子1振动。检测电路7基于起因于惯性力而从检测电极4输出的检测信号检测角速度。振动控制电路6基于从监视电极3输出的监视信号控制驱动信号的通电量。故障诊断电路8对检测电路7输入模拟角速度信号并进行故障诊断。

图12是检测电路7中包含的滤波器电路9的等效电路图。该滤波器电路9是，输入信号被输入到一个输入端子10a，另一个输入端子10b被接地，输出信号从输出端子11输出的电路。输入信号通过电阻20(R1)输入到输入部分(IN)，在输入端子10a和输出端子11上电阻12(R2)和电容器13(C1)被并联连接。从滤波器电路9的输出部分(OUT)输出滤波后的信号。

通过该检测电路7中的滤波器电路9，检测信号被滤波并作为期望的信号输出，基于该期望的信号检测角速度。滤波器是低通滤波器或是高通滤波器。滤波器电路9的截止频率为10Hz左右。

在上述惯性力传感器中，如图11所示，它的故障诊断是，例如，在电源接通后的起动时，将故障诊断用的模拟角速度信号从故障诊断电路8输入到检测电路7。然后，若基于模拟角速度信号检测出角速度，则可以判断没有故障。

再有，作为有关本发明的现有技术文献信息，例如，已知专利文献1。在上述以往的结构中，检测信号通过检测电路7中的滤波器电路9被滤波。在该滤波器电路9中，如图12所示，包括电阻20(R1)、电阻12(R2)和电容器13(C1)，但它们一般是一个延迟元件。这里，滤波器电路9中的传递函数如(式1)那样，相位特性如(式2)那样，延迟时间如(式3)那样。

$T\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{-R2}{R1(1+\mathrm{j\ω}\·C1\·R2)}$           ...(式1)

Φ(ω)＝arctan(-ω·C1·R2)           ...(式2)

T＝δΦ(ω)/δω                ...(式3)

根据上述的(式1)～(式3)，滤波器电路9的延迟时间起因于延迟元件，如果电阻12(R2)和电容器13(C1)大，则按以下的(式4)规定的时间常数τ增大，所以延迟时间加长。

τ＝C1×R2         ...(式4)

若延迟时间加长，则如图13所示，检测信号对故障诊断用的模拟角速度信号21的输出延迟，故障诊断时的响应性低，所以故障诊断的诊断精度劣化。为了缩短延迟时间，减小延迟元件即电阻12(R2)和电容器13(C1)的值即可，但在减小了延迟元件即电阻12(R2)和电容器13(C1)的值的情况下，截止频率增大，所以对角速度的检测精度产生不良影响。即，在上述结构中，存在一面降低截止频率，一面缩短延迟时间，从而不能提高故障诊断的精度的问题。

专利文献1：特开2002-267448号公报

发明内容

本发明提供抑制角速度的检测精度的劣化，并且提高故障诊断的诊断精度的惯性力传感器。

本发明的惯性力传感器包括：具有驱动电极、监视电极、检测电极的振子；对所述驱动电极通电驱动信号并使所述振子振动的驱动电路；基于起因于惯性力并从所述检测电极输出的检测信号检测角速度的检测电路；基于从所述监视电极输出的监视信号控制所述驱动信号的通电量的振动控制电路；以及对所述检测电路输入模拟角速度信号并进行故障诊断的故障诊断电路，所述检测电路具有对所述检测信号进行滤波的滤波器电路，所述滤波器电路根据时钟频率决定其响应性，所述故障诊断电路在进行所述故障诊断时切换所述滤波器电路的特性，使进行所述故障诊断时的时钟频率大于通常时的时钟频率，并对所述检测电路输入模拟角速度信号来进行故障诊断。

根据上述结构，由于切换滤波器电路的特性而缩短延迟时间，所以在故障诊断时，在对检测电路输入了模拟角速度信号时，该电路的响应性良好，可以提高故障诊断的诊断精度。

附图说明

图1是本发明的一实施方式的角速度传感器的电路方框图。

图2是一实施方式的滤波器电路部分的等效电路图。

图3是表示控制滤波器电路的时钟和SW1、SW2的导通、关断之间的关系的图。

图4是控制滤波器电路的时钟为“高(High)的区间的滤波器电路部分的等效电路图。

图5是控制滤波器电路的时钟为“低(Low)的区间的滤波器电路部分的等效电路图。

图6是表示一实施方式的全体的信号的流动的图。

图7是一实施方式的通常时的动作图。

图8是一实施方式的故障诊断时的动作图。

图9是表示一实施方式的故障诊断时的响应性的特性图。

图10是一实施方式的数字滤波器电路的等效电路图。

图11是以往的角速度传感器的电路方框图。

图12是以往的滤波器电路的等效电路图。

图13是表示以往的故障诊断时的响应性的特性图。

标号说明

31 振子

32 驱动电极

33 监视电极

34 检测电极

35 驱动电路

36 振动控制电路

37 检测电路

38 故障诊断电路

39 滤波器电路

40a 输入端子

40b 输入端子

41 输出端子

42a 第1开关部分

42b 第2开关部分

43 电容器

44 开关

45 时钟频率切换电路

50 电容器

51 数字滤波器电路

52 第1放大器

53 第2放大器

54 延迟器

55 加法器

56 A/D变换电路

60 开关

61 开关

62 开关

63 开关

70 电容器

具体实施方式

以下，一边参照附图一边说明本发明的一实施方式的惯性力传感器。图1是本发明的一实施方式的角速度传感器的电路方框图。在图1中，本角速度传感器包括：具有驱动电极32、监视电极33、检测电极34的振子31；驱动电路35；振动控制电路36；检测电路37；以及故障诊断电路38。驱动电路35对驱动电极32通电驱动信号并使振子31振动。检测电路37基于起因于惯性力而从检测电极34输出的检测信号检测角速度。振动控制电路36基于从监视电极33输出的监视信号控制驱动信号的通电量。故障诊断电路38对检测电路37输入模拟角速度信号进行故障诊断。

此外，检测电路37具有根据时钟频率决定其响应性，对检测信号进行滤波的滤波器电路39，该滤波器电路39设为开关电容滤波器。

如图2所示，该滤波器电路39将从输入部分(IN)输入的信号以规定的特性进行滤波，从输出部分(OUT)输出。输入信号被输入到一个输入端子40a，另一个输入端子40b被接地，输出信号从输出端子41输出。电容器50(C2)和多个开关60(SW2)、61(SW1)构成的第1开关部分42a连接到输入端子40a和输入端子40b，输入信号通过该第1开关部分42a被输入。电容器43(C3)和多个开关62(SW2)、63(SW1)构成的第2开关部分42b连接到输入端子40a和输入端子40b及输出端子41。时钟从时钟频率切换电路45分别被输入到这些第1开关部分42a和第2开关部分42b，开关部分的通断受到控制。

第1开关部分42a、第2开关部分42b、电容器70(C4)分别相当于图12中的电阻20(R1)、电阻12(R2)、电容器13(C1)。第1开关部分42a具有输入电阻的功能，第2开关部分42b具有将输出端子41的输出信号反馈到输入端子40a的反馈电阻的功能，电容器70(C4)具有将输出端子41的输出信号反馈到输入端子40a的反馈电容器的功能。

61、63的开关SW1和60、62的开关SW2分别具有成对动作的功能，根据时钟，SW1和SW2的导通、关断相反地构成。图3中表示时钟的“高(High)”、“低(Low)”和SW1、SW2的导通(On)、关断(Off)之间的关系。

在时钟为“高”的区间，SW1关断，SW2导通，图2的滤波器电路部分的等效电路图如图4所示。

在时钟为“低”的区间，SW1导通，SW2关断，图2的滤波器电路部分的等效电路图如图5所示。

根据以上结构，滤波器电路39作为开关电容滤波器进行动作。

图6表示滤波器电路39、时钟频率切换电路45、故障诊断电路38之间的全体的信号的流动。

80是由故障诊断电路38输出的故障诊断用的模拟角速度信号。81是切换通常模式和故障诊断模式的模式切换信号。模式切换信号81将时钟频率切换电路45的时钟在通常模式时选择为频率fclk1，在故障诊断时选择为其频率比fclk1高的fclk2。

图7表示不进行故障诊断的通常时的动作。在滤波器电路39中，从时钟频率切换电路45输入时钟频率fclk1的时钟，不从故障诊断电路38输出模拟角速度信号80。

相对于此，图8表示故障诊断的动作。在故障诊断时，通过模式切换信号81，从故障诊断电路38输出的模拟角速度信号80被输入到检测电路37。此外，时钟频率比fclk1高的频率为fclk2的时钟通过时钟频率切换电路45被输入到滤波器电路39，从而切换滤波器电路39的特性。

通过该检测电路37中的滤波器电路39，检测信号被滤波并作为期望的信号被输出，规定的角速度基于该期望的信号被检测。滤波器是低通滤波器，或是高通滤波器，使用期望的滤波器特性的滤波器即可。滤波器电路39的截止频率约为10Hz。

在上述惯性力传感器中，如图1所示，其故障诊断在电源接通后的起动时，通过故障诊断电路38，将故障诊断用的模拟角速度信号输入到检测电路37。然后，若基于模拟角速度信号检测出规定的角速度，则可以判断没有故障。

此时，时钟频率通过时钟频率切换电路45被切换，以在故障诊断时使时钟频率比通常时的时钟频率大，在通常时使时钟频率比故障诊断时的时钟频率小。这里，滤波器电路39的传递函数在时钟的时钟频率为fclk1时，如以下的(式5)那样，相位特性如(式6)那样，延迟时间如(式7)那样。

$T\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{-C2}{C3}\·\frac{1}{1+\frac{\mathrm{j\ω}\·C4}{C3\·\mathrm{fclk}}}$       ...(式5)

$\mathrm{\Φ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\arctan (-\mathrm{\ω}\·C4\·\frac{1}{C3\·\mathrm{fclk}})$         ...(式6)

T＝δΦ(ω)/δω          ...(式7)

根据上述(式5)～(式7)，滤波器电路39的延迟时间起因于延迟元件的电容器43(C3)和电容器70(C4)。此外，还起因于时钟频率fclk，特别地，如(式6)所示，时钟频率fclk增大时，延迟时间被缩短。即，在故障诊断时将时钟频率增大到fclk2以缩短延迟时间，在通常时将时钟频率减小到fclk1。

根据上述结构，设有将起因于检测电路37中包含的延迟元件的延迟时间缩短进行故障诊断的诊断手段，所以在检测电路37中输入了模拟角速度信号时，响应性良好，可以提高故障诊断的诊断精度。如图9所示，对于故障诊断用的模拟角速度信号的输入，检测信号的响应性变快。

此外，具有根据时钟频率决定其响应性，将检测信号滤波的滤波器电路39。该滤波器电路39是开关电容滤波器，通过时钟频率切换电路45切换时钟频率，以在故障诊断时使时钟频率比通常时的时钟频率大，在通常时使时钟频率比故障诊断时的时钟频率小。因此，容易地提高故障诊断的诊断精度，并且可以抑制角速度的检测精度的劣化。

此外，在将故障诊断时设为电源接通之后立即起动时，将通常时设为电源接通后的稳定驱动状态时的情况下，在起动时增大时钟频率而缩短延迟时间，并使故障诊断的诊断精度提高。此外，通过在稳定驱动状态时减小时钟频率而将延迟时间返回到原来的延迟时间，并确保期望的低频带的截止频率，从而还可以抑制角速度的检测精度的劣化。特别地，若在起动时进行故障诊断，则起动时起立即可以抑制误检测，所以是有效的。再有，也可以在起动时以外，在稳定驱动状态时进行故障诊断。在稳定驱动状态时，若平时进行故障诊断，则平时可以抑制角速度的检测精度的劣化，所以是有效的。

而且，也可以取代上述方式来切换时钟频率，以使滤波器电路39中的截止频率在故障诊断时比通常时的时钟频率大，在通常时使截止频率比故障诊断时的截止频率小。

这种情况下，若增大时钟频率，则截止频率增大(延迟时间缩短)，若减小时钟频率，则截止频率减小(延迟时间增长)。因此，在起动时增大时钟频率而缩短延迟时间，并提高故障诊断的诊断精度，而在通常时减小时钟频率而将延迟时间返回到原来的延迟时间，并确保期望的低频带的截止频率，从而可以抑制角速度的检测精度的劣化。

再有，作为取代图2所示的滤波器电路39的电路，也可以使用图10所示的数字滤波器电路51来构成。具体地说，来自图1所示的检测电极34的检测信号及来自故障诊断电路38的输出信号被输入到图10所示的A/D变换电路56，并且被变换为数字信号。该数字信号被输入到从放大率为α的第1放大器52及根据时钟频率切换电路45供给的时钟频率fclk的时钟决定其延迟时间T的延迟器54。然后，来自该延迟器54的输出被输入到放大率为β的第2放大器53，所述第1放大器52及所述第2放大器53的输出通过加法器55被相加，并被输出。

这里，数字滤波器电路51的传递函数如(式8)那样，相位特性如(式9)那样，延迟时间如(式10)那样。

T(ω)＝α+β(cosωT-j·sinωT)        ...(式8)

$\mathrm{\Φ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\arctan \left(\frac{-\mathrm{\β}\·\sin \mathrm{\ωT}}{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}\cos \mathrm{\ωT}}\right)$           ...(式9)

T＝δΦ(ω)/δω           ...(式10)

在本结构中，延迟器54的延迟时间T与从时钟频率切换电路45供给的时钟的时钟频率fclk的倒数成比例。通过增大时钟频率，可以减小延迟器54的延迟时间，还可以缩短数字滤波器电路51的输入输出延迟时间，作为其结果，可以提高故障诊断的精度。

工业实用性

本发明的角速度传感器，可以根据动作模式提高检测灵敏度，特别地在故障诊断时能够实现高速并且高精度的故障诊断，可以适用于各种电子设备。

Claims (4)

1.惯性力传感器，包括：具有驱动电极、监视电极、检测电极的振子；对所述驱动电极通电驱动信号并使所述振子振动的驱动电路；基于起因于惯性力并从所述检测电极输出的检测信号检测角速度的检测电路；基于从所述监视电极输出的监视信号控制所述驱动信号的通电量的振动控制电路；以及对所述检测电路输入模拟角速度信号并进行故障诊断的故障诊断电路，

所述检测电路具有对所述检测信号进行滤波的滤波器电路，所述滤波器电路根据时钟频率决定其响应性，

所述故障诊断电路在进行所述故障诊断时切换所述滤波器电路的特性，使进行所述故障诊断时的时钟频率大于通常时的时钟频率，并对所述检测电路输入模拟角速度信号来进行故障诊断。

2.如权利要求1所述的惯性力传感器，所述滤波器电路根据时钟频率决定其响应性，所述故障诊断电路在故障诊断时使所述滤波器电路中的截止频率大于通常时的截止频率来进行故障诊断。

3.如权利要求1或权利要求2所述的惯性力传感器，仅在起动时进行故障诊断。

4.如权利要求1或权利要求2所述的惯性力传感器，在起动时或稳定驱动时的其中之一中进行故障诊断。

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