專利名稱：動態(tài)量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢測動態(tài)量，如加速度、角加速度、角速度或負載的動態(tài)量傳感器。
背景技術(shù)：
本申請的受讓人在日本專利No.3097464中提出一種含有壓電振動器的加速度傳感器。這種加速度傳感器包含用于檢測加速度的壓電陶瓷元件，用于對壓電陶瓷元件的輸出信號進行處理的信號處理電路，以及用于將自診斷信號輸出給壓電陶瓷元件的缺陷自診斷電路。
此外，在日本專利申請未審公開No.2002-267448中，披露了一種角速度傳感器。這種角速度傳感器包括含有振動部分和用于檢測角速度的傳感部分的傳感元件；以及驅(qū)動電路，用以將驅(qū)動信號輸送給傳感元件的振動部分。
另外，本申請的受讓人在日本專利申請No.2002-326605中提出一種包含壓電振動器的動態(tài)量傳感器。日本專利申請No.2002-326605與2002年12月27日遞交的序列號為No.10/329,507的美國專利申請相應(yīng)。這種動態(tài)量傳感器包括兩個壓電振動器，動態(tài)量產(chǎn)生的應(yīng)力以相反的相位被加給這兩個壓電振動器；電壓信號加給電路，用于將公共電壓信號加給壓電振動器；電流-電壓變換電路，用于將流經(jīng)壓電振動器的電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號；以及相位差信號處理電路，用于檢測電流-電壓變換電路輸出的電壓信號之間的相位差，并輸出動態(tài)量傳感信號。
以下參照圖8描述日本專利申請No.2002-326605中所述動態(tài)量傳感器結(jié)構(gòu)的一種舉例。所述動態(tài)量傳感器包括加速度檢測元件10，電流-電壓變換和信號相加電路11，反饋信號處理電路12，相位差電壓變換電路13和放大及濾波電路14。
加速度檢測元件10包括壓電振動器Sa和Sb，以相反的相位將所述動態(tài)量產(chǎn)生的應(yīng)力加給它們。壓電振動器Sa和Sb分別與電阻器RLa和RLb串聯(lián)連接。電流-電壓變換和信號相加電路11將流經(jīng)壓電振動器Sa和Sb的電流信號分別變換成要被輸出的電壓信號，作為Sa信號和Sb信號。此外，電流-電壓變換和信號相加電路11輸出由兩個信號產(chǎn)生的組合信號。
反饋信號處理電路12放大所述組合信號的電壓，限制幅值，并將電壓信號Vosc輸出給加速度檢測元件10。電壓信號Vosc被加于壓電振動器Sa與Sb之間的節(jié)點。
相位差電壓變換電路13產(chǎn)生電壓信號，該信號與轉(zhuǎn)換成電壓信號的Sa信號和Sb信號之間的相位差成正比。
放大及濾波電路14以預(yù)定的增益放大經(jīng)相位差電壓變換電路13變換的電壓信號，并消除所不希望的頻率范圍內(nèi)的成分，輸出加速度傳感信號。
在圖8所示的電路中，調(diào)節(jié)壓電振動器Sa和Sb兩者的諧振頻率，使其等于電壓信號Vosc的頻率，并將不同相位的應(yīng)力，即壓應(yīng)力(或張應(yīng)力)和張應(yīng)力(或壓應(yīng)力)分別加給壓電振動器Sa和Sb，從而自放大及濾波電路14獲取輸出信號。
日本專利No.3097464描述一種電路，通過將自診斷信號發(fā)送給壓電陶瓷元件，根據(jù)傳感器輸出的變化確定缺陷的存在。此外，在日本專利申請未審公開No.2002-267448中描述了這樣一種結(jié)構(gòu)，其中通過加給與解調(diào)器上游的檢測元件驅(qū)動信號同步的信號執(zhí)行自診斷。例如，如果將所述動態(tài)量傳感器用于車輛，則這種自診斷功能必須保證高度可靠性。
然而，按照日本專利申請No.2002-326605描述的動態(tài)量傳感器，在以相反相位加給動態(tài)量所產(chǎn)生之應(yīng)力的兩個壓電振動器中流動的電流信號被轉(zhuǎn)換成電壓信號，并因反饋電路而產(chǎn)生自激振蕩。因此，不能使用日本專利No.3097464或日本專利申請未審公開No.2002-267448中所用的自診斷電路。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述問題，本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供一種動態(tài)量傳感器，通過將電壓信號加給兩個壓電振動器，并檢測流經(jīng)壓電振動器的電流之間的相位差而檢測動態(tài)量，并且具有自診斷功能，其中動態(tài)量產(chǎn)生的應(yīng)力以相反相位加給這兩個壓電振動器。
本發(fā)明優(yōu)選實施例的動態(tài)量傳感器包括兩個壓電振動器，以相反的相位將動態(tài)量所產(chǎn)生的應(yīng)力加給該二壓電振動器；連接于每個壓電振動器的電流通路中的電阻器；電壓信號加給電路，用以將公共電壓信號加給壓電振動器；電流-電壓變換電路，用以將在各壓電振動器中流動的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；相位差信號處理電路，用于檢測電流-電壓變換電路輸出的電壓信號之間的相位差，并輸出動態(tài)量傳感信號；以及串聯(lián)電路，包含電容器和開關(guān)電路，其中所述開關(guān)電路與外部控制信號同步地通或斷，所述串聯(lián)電路被設(shè)在恒定電位與一個壓電振動器和電阻器間的節(jié)點之間。
所述開關(guān)電路可包括開關(guān)元件，用于根據(jù)輸入控制端的控制信號使兩個輸入/輸出端電連接或解除連接；與開關(guān)元件串聯(lián)的晶體管；以及偏置電路，用于在開關(guān)元件接通時開啟晶體管。包含開關(guān)元件和晶體管的串聯(lián)電路設(shè)在電源電壓線與地線之間，并且電容器的一端可以與開關(guān)元件和晶體管之間的節(jié)點連接。
所述動態(tài)量可以是，比如加速度、角加速度、角速度或負載。
按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例，當(dāng)因開關(guān)電路的接通，使兩個壓電振動器中之一與晶體管之間的節(jié)點通過電容器被連接到作為參考電位的恒定電位時，所述一個壓電振動器的相位特性改變，并且由此二使相位差信號處理電路所測得的動態(tài)量傳感信號的大小發(fā)生改變。因此，可根據(jù)輸出的變化進行自診斷。
此外，按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述開關(guān)電路包括開關(guān)元件，根據(jù)輸入控制端的控制信號，使兩個輸入/輸出端電連接或解除連接；與開關(guān)元件串聯(lián)的晶體管；以及偏置電路，當(dāng)開關(guān)元件接通時開啟晶體管。因而，當(dāng)開關(guān)元件斷開時，晶體管中斷，并且電容器與開關(guān)元件和晶體管之間的節(jié)點連接的一端相當(dāng)于開路。從而，等效于沒有連接電容器。包含電壓信號加給電路，電流-電壓變換電路和相位差信號處理電路的動態(tài)量傳感器，執(zhí)行它們的固有動作，并且不會發(fā)生由于設(shè)有自診斷電路而導(dǎo)致的性質(zhì)劣化。
通過以下參照附圖對本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細說明，將使本發(fā)明的其它特點、要素、特性及優(yōu)點愈為清晰。


圖1為表示本發(fā)明第一優(yōu)選實施例加速度傳感器的結(jié)構(gòu)方塊圖；圖2為由加速度傳感器自診斷電路檢查特性改變的電路圖；圖3A和3B分別表示圖2所示電路輸出信號的相位特性和增益特性；圖4為表示本發(fā)明第二優(yōu)選實施例加速器傳感器的結(jié)構(gòu)方塊圖；圖5為表示自診斷電路中開關(guān)元件結(jié)構(gòu)的電路圖；圖6A表示執(zhí)行自診斷時控制信號電壓的變化，圖6B至6D中的每一個表示執(zhí)行自診斷時輸出電壓改變的一個例子；圖7為表示本發(fā)明第三優(yōu)選實施例加速度傳感器的結(jié)構(gòu)方塊圖；圖8為表示現(xiàn)有技術(shù)加速度傳感器結(jié)構(gòu)的方塊圖。
具體實施例方式
以下參照圖1，2，3A和3B描述本發(fā)明第一優(yōu)選實施例動態(tài)量傳感器的結(jié)構(gòu)。
圖1為表示加速度傳感器結(jié)構(gòu)的方塊圖。這種加速度傳感器優(yōu)選地包括加速度檢測元件10、電流-電壓變換和信號相加電路11、反饋信號處理電路12、相位差電壓變換電路13、放大及濾波電路14以及自診斷電路15。
加速度檢測元件10包括壓電振動器Sa和Sb，以相反的相位將由加速度所產(chǎn)生的應(yīng)力加給該二壓電振動器。電流-電壓變換和信號相加電路11把在加速度檢測元件10的壓電振動器Sa和Sb中流動的電流信號轉(zhuǎn)換成要輸出的電壓信號，作為Sa信號和Sb信號。電流-電壓變換和信號相加電路11還輸出兩個信號的組合信號。反饋信號處理電路12對應(yīng)于本發(fā)明優(yōu)選實施例中的“電壓信號施加電路”。反饋信號處理電路12放大組合信號的電壓，限制幅值，控制相位，并將電壓信號回送到壓電振動器Sa與Sb之間的節(jié)點。相位差電壓變換電路13對應(yīng)于本發(fā)明優(yōu)選實施例中的“相位差信號處理電路”。相位差電壓變換電路13產(chǎn)生電壓信號，與變換成電壓信號的Sa信號和Sb信號之間的相位差成正比。
放大及濾波電路14以預(yù)定大小的增益將相位差電壓變換電路13變換的電壓信號放大，并消除所不希望的頻率范圍內(nèi)的成分，輸出加速度傳感信號。
自診斷電路15是一個串聯(lián)電路，包括開關(guān)電路SW與電容器C1，它被設(shè)置在加速度檢測元件10的壓電振動器Sb和電阻器RLb之間的節(jié)點與參考電位(本例中為地電位)之間，電阻器RLb處于電流-電壓變換和信號相加電路11的輸入端。
在電流-電壓變換和信號相加電路11中，在加速度檢測元件10的壓電振動器Sa和Sb中流動的傳導(dǎo)電流Ia和Ib分別流過電阻器RLa和RLb。電流-電壓變換和信號相加電路11將電阻器RLa和RLb中的電壓降相加。換言之，每個運算放大器OP1和OP2具有非常高的輸入阻抗，并限定一個增益為1的電壓跟隨器電路。運算放大器OP3與電阻器R25和R26限定一個同相放大電路。此外，同相向放大電路與電阻器R23和R24限定一個加法電路，用于輸出運算放大器OP1與OP2輸出電壓的組合信號。
在圖1中所示的加速度傳感器中，連接(接通)開關(guān)電路SW，用以自診斷。開關(guān)電路SW的接通會改變壓電振動器Sb的相位特性。由此，改變電流-電壓變換和信號相加電路11的信號Sb的相位。根據(jù)輸出是否表示由于這種相位改變所致的預(yù)定變化，實行診斷。
下面描述基于開關(guān)電路SW的接通和斷開，壓電振動器Sb的相位特性的改變。
圖2表示用于檢測壓電振動器Sb的相位特性的電路。其中，在加速度檢測元件10與地線之間的節(jié)點處輸入檢測信號，并測量電流-電壓變換和信號相加電路11的Sb信號。
圖3A和3B分別表示Sb信號的相位特性和增益特性。圖3A和3B中的水平軸代表頻率。圖3A中的縱軸代表相位，圖3B中的縱軸代表增益。如圖3A所示，與開關(guān)電路SW的斷開狀態(tài)相比，在開關(guān)電路SW的接通狀態(tài)下，在包括壓電振動器Sb諧振頻率和反諧振頻率在內(nèi)的相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)，Sb信號的相位呈現(xiàn)出大體恒定的偏移。此時，盡管增益也發(fā)生變化，但變化的寬度非常小。相反，Sa信號作為壓電振動器Sa的變換電壓信號，其相位特性或增益特性幾乎不改變，而與開關(guān)元件SW的接通和斷開無關(guān)。因此，當(dāng)如圖1中所示那樣，通過反饋信號處理電路12的反饋實現(xiàn)振動時，可獲得穩(wěn)定振動，開關(guān)電路SW的接通或斷開不會極大地影響振動。
以下參照圖4，5，6A，6B，6C和6D描述第二優(yōu)選實施例的自診斷電路15和包含自診斷電路15的加速度傳感器的特定電路結(jié)構(gòu)。
參照圖4，在自診斷電路15中，Vcc表示用于自診斷電路15和加速度傳感器中其他部件的電源電壓線，GND表示接地。Dgn表示控制信號輸入端，ASW表示開關(guān)元件，是一種下面有述的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(C-MOS)模擬開關(guān)。在自診斷電路15中，電阻器R3作為晶體管Q1的負載電阻，電阻器R1和R2限定用于晶體管Q1的偏置電路。此外，電阻器R4、R5和R6限定晶體管Q2的偏置電路。
以下描述所述自診斷電路15的工作過程。
當(dāng)控制信號輸入端Dgn處于低電平(接地電位)時，晶體管Q1導(dǎo)通。晶體管Q集電極的電位為高電平(近似與電源電壓線Vcc的電壓相同)，開關(guān)元件ASW被連接或接通。開關(guān)元件ASW的接通引起晶體管Q2的基極電流流動，晶體管Q2被導(dǎo)通。因此，等于由于晶體管Q2的發(fā)射極電流流入電阻器R6中所引起的電壓降的恒定電位被加給電容器C1的一端。
當(dāng)控制信號輸入端Dgn為高電平(電源電壓線Vcc的電壓)時，晶體管Q1斷開，開關(guān)元件ASW也斷開。開關(guān)元件ASW的斷開導(dǎo)致晶體管Q2的基極電流受到阻擋，晶體管Q2斷開。因此，電容器C1的一端等效于開路。從而，由于這等效于沒有電容器C1，所以實現(xiàn)正常振動。
在圖4中所示的自診斷電路15中，當(dāng)開關(guān)元件ASW斷開時，晶體管Q1和Q2也斷開。當(dāng)不進行自診斷時，可使自診斷電路15產(chǎn)生的功耗極小。
圖5是表示開關(guān)元件ASW結(jié)構(gòu)的電路圖。開關(guān)元件ASW包括MOS晶體管Q11和Q12以及反相器INV。當(dāng)控制信號輸入端CNT為高電平時，晶體管Q11和Q12導(dǎo)通，輸入/輸出端IN/OUT和輸出/輸入端OUT/IN電連接。相反，當(dāng)控制信號輸入端CNT為低電平時，晶體管Q11和Q12斷開，輸入/輸出端IN/OUT和輸出/輸入端OUT/IN解除電連接。反相器INV為單級C-MOS電路。當(dāng)開關(guān)元件ASW斷開時，可使功耗極小。
圖6A表示執(zhí)行自診斷時控制信號電壓的改變，圖6B至6D中的每一個表示執(zhí)行自診斷時加速度傳感器輸出信號改變的舉例。在各例中，將代表200ms的時間段設(shè)定為自診斷時間段。換言之，在自診斷時間段期間，圖4中所示控制信號輸入端Dgn處的控制信號電壓較低。
在圖6B至6D中，縱軸代表加速度傳感器的輸出電壓。將每一個電路都設(shè)計成使自診斷時間段期間的輸出電壓從大約2.5V改變到大約4.5V。
圖6B表示正常狀態(tài)下自診斷輸出波形。
圖6C表示當(dāng)加速度檢測元件10的壓電振動器Sa和Sb中一個發(fā)生故障(壞掉)時的自診斷輸出波形。盡管即使壓電振動器Sa和Sb中之一發(fā)生機械故障時也發(fā)生振動，但作為電流-電壓變換和信號相加電路11輸出信號的Sa信號與Sb信號之間的相位差不改變。因此，相位差電壓變換電路13的輸出信號不改變。由此，輸出電壓恒定，與自診斷時間段無關(guān)。因此，如果減小自診斷時間段和其他狀態(tài)之間輸出電壓的改變，或者如果所有時刻輸出電壓都恒定，則判斷發(fā)生故障(壓電振動器中的故障)。
圖6D表示當(dāng)放大及濾波電路14(放大及濾波電路14中的高通濾波器)存在故障時的自診斷輸出波形。當(dāng)自診斷時間段期間輸出電壓不恒定時，判斷比如濾波電路部分存在故障，其中由于電路元件的缺陷導(dǎo)致時間常數(shù)改變。
雖然可以把自診斷時間段設(shè)在加速度傳感器開始使用的時候，但可以將自診斷時間段設(shè)在正常工作狀態(tài)下的預(yù)定時間間隔時，從而可大體上連續(xù)地進行自診斷。
圖7表示本發(fā)明第三優(yōu)選實施例加速度傳感器的結(jié)構(gòu)。在電流-電壓變換和信號相加電路11的結(jié)構(gòu)方面，第三優(yōu)選實施例加速度傳感器的結(jié)構(gòu)不同于圖4所示第二優(yōu)選實施例加速度傳感器的結(jié)構(gòu)。在第三優(yōu)選實施例中，所述電流-電壓變換和信號相加電路11包括含有運算放大器OP1和反饋電阻器R21的第一電流-電壓變換電路，以及含有運算放大器OP2和反饋電阻器R22的第二電流-電壓變換電路。此外，所述電流-電壓變換和信號相加電路11包括含有運算放大器OP3和電阻器R23、R24和R25的加法電路。加速度檢測元件10的壓電振動器Sa和Sb的傳導(dǎo)電流Ia和Ib分別流入電阻器RLa和RLb。另外，所述自診斷電路15設(shè)在壓電振動器Sb和電阻器RLb之間的節(jié)點與地線之間。自診斷電路15的結(jié)構(gòu)與圖4中所示相同。對于這種電路結(jié)構(gòu)來說，加速度傳感器的輸出電壓也隨自診斷電路15的開關(guān)操作而改變。因此，可根據(jù)改變是否正常而執(zhí)行診斷。
盡管上述各優(yōu)選實施例描述的加速度傳感器用于檢測由加速度產(chǎn)生的加給壓電振動器Sa和Sb的應(yīng)力差，但通過以相反相位將動態(tài)量所產(chǎn)生的應(yīng)力加給兩個壓電振動器可以得到各種檢測動態(tài)量的傳感器。例如，通過設(shè)置要由角加速度在兩個壓電振動器之間產(chǎn)生應(yīng)力差，可獲得角加速度傳感器。此外，通過設(shè)置要由角速度在兩個壓電振動器之間產(chǎn)生應(yīng)力差，可以獲得角速度傳感器。另外，通過設(shè)置要由負載在兩個壓電振動器之間產(chǎn)生應(yīng)力差，可以獲得負載傳感器。
雖然上面描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但應(yīng)能理解，在不偏離本發(fā)明范圍和精髓的條件下，本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可以想到變化和改型。從而，本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求確定。
權(quán)利要求
1.一種動態(tài)量傳感器，包括兩個壓電振動器，以相反的相位將動態(tài)量所產(chǎn)生的應(yīng)力加給該二壓電振動器；電阻器連接在每個壓電振動器的電流路徑中；用于將公共電壓信號加給壓電振動器的電壓信號加給電路；用于將在各壓電振動器中流動的電流信號變換成電壓信號的電流-電壓變換電路；相位差信號處理電路，用于檢測電流-電壓變換電路輸出的電壓信號，并輸出動態(tài)量檢測信號；以及串聯(lián)電路，包含電容器和開關(guān)電路，所述開關(guān)電路與外部控制信號同步地接通或斷開，所述串聯(lián)電路設(shè)在恒定電位與所述壓電振動器之一和電阻器間的節(jié)點之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)量傳感器，其中所述開關(guān)電路包括開關(guān)元件，用于根據(jù)輸入控制端的控制信號使兩個輸入/輸出端電連接或解除連接；與開關(guān)元件串聯(lián)的晶體管；以及偏置電路，當(dāng)開關(guān)元件接通時該偏置電路用于接通晶體管；以及串聯(lián)電路，包含開關(guān)元件和晶體管，所述串聯(lián)電路設(shè)在電源電壓線與地線之間；并且電容器的一端與開關(guān)元件和晶體管之間的節(jié)點相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)量傳感器，其中，所述動態(tài)量為加速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)量傳感器，其中，所述動態(tài)量為角加速度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)量傳感器，其中，所述動態(tài)量為角速度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)量傳感器，其中，所述動態(tài)量為負載。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)量傳感器，其中，所述電流-電壓變換電路用于輸出組合信號，所述組合信號包括兩個壓電振動器中每一個的輸出信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)量傳感器，其中，所述電壓信號加給電路放大所述組合信號的電壓，限制幅值，控制相位，并將電壓信號反饋回到兩個壓電振動器之間的節(jié)點。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)量傳感器，其中，所述相位差信號處理電路輸出的動態(tài)量檢測信號與兩個壓電振動器輸出信號之間的相位差成正比。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)量傳感器，其中，還包括放大及濾波電路，所述放大及濾波電路以預(yù)定的增益放大相位差信號處理電路的輸出信號，并消除不希望的頻率范圍內(nèi)的成分，以輸出加速度傳感信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)量傳感器，其中，所述包含電容器和開關(guān)電路的串聯(lián)電路為自診斷電路，用以判斷相位差信號處理電路的輸出是否表現(xiàn)因相位改變引起的預(yù)定變化。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)量傳感器，其中，所述串聯(lián)電路的開關(guān)電路為互補金屬氧化物半導(dǎo)體模擬開關(guān)。
13.如權(quán)利要求2所述的動態(tài)量傳感器，其中，所述串聯(lián)電路包含限定晶體管負載電阻的電阻器，以及用于限定晶體管偏置電路的附加電阻器。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)量傳感器，其中，所述電流-電壓變換電路包括含有運算放大器和反饋電阻器的第一電流-電壓變換電路，以及含有運算放大器和反饋電阻器的第二電流-電壓變換電路。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的動態(tài)量傳感器，其中，所述電流-電壓變換電路還包括含有運算放大器和電阻器的加法電路。
全文摘要
一種動態(tài)量傳感器，包括兩個壓電振動器，被設(shè)置成以相反相位將諸如加速度等動態(tài)量所產(chǎn)生的應(yīng)力加給該二壓電振動器。電流－電壓變換和信號相加電路把在壓電振動器中流動的電流信號變換成電壓信號。反饋信號處理電路將兩個電壓信號的組合信號放大，并將組合信號反饋給加速度檢測元件，從而實現(xiàn)振動。包含開關(guān)電路和電容器的自診斷電路被設(shè)置在參考電位(接地)與一個壓電振動器和電阻器間的節(jié)點之間，其中所述一個壓電振動器的電流流入該電阻器中。根據(jù)開關(guān)電路接通和斷開時信號是否正常改變實行診斷。
文檔編號G01C19/56GK1595172SQ20041005768
公開日2005年3月16日 申請日期2004年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月8日
發(fā)明者山下宗治 申請人:株式會社村田制作所