CN102803897B - 物理量检测装置和物理量检测装置的控制方法、异常诊断系统和异常诊断方法 - Google Patents

物理量检测装置和物理量检测装置的控制方法、异常诊断系统和异常诊断方法 Download PDF

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Abstract

角速度检测装置(1)(物理量检测装置的一例)具有：陀螺仪传感器元件(100)(物理量检测元件的一例)，其使检测电极产生与角速度(物理量的一例)的大小对应的检测信号和基于驱动信号(矩形波电压信号22)的振动的泄漏信号；驱动电路(20)，其生成驱动信号；同步检波电路(350)，其根据与驱动信号同步的检波信号(34)，针对包含检测信号和泄漏信号的被检波信号(36)进行同步检波；以及相位变更电路(352)，其根据控制信号(64)，变更检波信号(34)的上升沿和下降沿中的至少一方相对于被检波信号(36)的相对定时，使得通过同步检波输出泄漏信号的至少一部分。

Description

物理量检测装置和物理量检测装置的控制方法、异常诊断系统和异常诊断方法
技术领域
本发明涉及物理量检测装置和物理量检测装置的控制方法、异常诊断系统和异常诊断方法等。
背景技术
以往，已知有各种检测物理量的物理量检测装置。例如，已知有作为物理量检测角速度的角速度检测装置，广泛使用搭载角速度检测装置，根据由角速度检测装置检测到的角速度进行预定控制的各种电子设备或系统。例如，在汽车的车辆行驶控制系统中，根据由角速度检测装置检测到的角速度，进行防止汽车侧向打滑的行驶控制。
在这些电子设备或系统中，当角速度检测装置发生故障时会进行错误的控制，因此，采取了在发生故障时点亮警告灯等对策，提出了用于进行角速度检测装置的故障诊断的各种技术。例如在日本专利第3520821号公报中提出了如下的具有自诊断电路的振动陀螺装置：将偏置信号与来自振子检测单元的至少一个输出信号叠加，由此能够检测该检测单元的断路或短路。此外，在日本特开2001-304871号公报中提出了如下的角速度传感器的异常诊断装置：在初始检查时，根据对传感器元件(element)施加了旋转伪信号等检查信号后的状态下的角速度输出的信号电平，进行异常诊断。
发明内容
发明要解决的课题
但是，在日本专利第3520821号公报记载的振动陀螺装置中，作为检测异常的手段，使差动运算单元的前级产生偏置信号，根据偏置信号引起的信号分量来检测检测单元的异常。但是，在该方法中，虽然能够检测差动放大单元以后的电路异常，但是，无法捕捉差动放大单元以前的电路异常或者元件的异常。
另一方面，根据日本特开2001-304871号公报记载的角速度传感器的异常诊断装置，根据对传感器元素施加了旋转伪信号等检查信号后的状态下的角速度输出的信号电平，进行异常诊断，因此，可认为也能够检测元件异常。但是，在日本特开2001-304871号公报记载的角速度传感器的异常诊断装置中，对传感器元件输入了在通常的角速度检测时不存在的旋转伪信号等检查信号，因而无法严密地检测在通常的角速度检测时产生的元件异常，可靠性存在问题。
本发明正是鉴于上述问题而完成的，根据本发明的几个方式，可提供一种能够进行可靠性更高的异常诊断的物理量检测装置和物理量检测装置的控制方法、异常诊断系统和异常诊断方法。
用于解决课题的手段
(1)本发明提供一种物理量检测装置，其检测预定的物理量，其特征在于，该物理量检测装置具有：物理量检测元件，其具有驱动电极和检测电极，根据提供给上述驱动电极的驱动信号而振动，由此，使上述检测电极产生与上述物理量的大小对应的检测信号和基于上述驱动信号的振动的泄漏信号；驱动部，其生成上述驱动信号；同步检波部，其根据与上述驱动信号同步的检波信号，针对包含上述检测信号和上述泄漏信号的被检波信号进行同步检波；以及定时变更部，其根据控制信号，变更上述检波信号的上升沿和下降沿中的至少一方相对于上述被检波信号的相对定时，使得通过同步检波输出上述泄漏信号的至少一部分。
预定的物理量例如是角速度、加速度、地磁、压力等。
定时变更部可以变更检波信号的上升沿和下降沿中的至少一方的定时，由此变更上述相对定时，也可以变更被检波信号的上升沿和下降沿中的至少一方的定时，由此变更上述相对定时。
检波信号例如可以是矩形波(方形波)也可以是正弦波，上升沿是检波信号从极小变化到极大时与预定的阈值一致的定时，下降沿是检波信号从极大变化到极小时与预定的阈值一致的定时。
在本发明中，变更检波信号的上升沿和下降沿中的至少一方相对于被检波信号的相对定时来进行同步检波，由此检测泄漏信号的至少一部分。另一方面，如果物理量检测元件的振动状态变动，则检测信号的量和泄漏信号的量都变动。因此，根据本发明，能够根据同步检波部的输出信号，诊断电路异常和元件异常。
此外，在本发明中，在异常诊断中利用了泄漏信号。该泄漏信号是由于驱动振动的振动平衡而产生的，因此，泄漏信号也会表现出驱动振动的微妙变化。通过用泄漏信号检测成为产生科里奥利力的基础的驱动振动的变化，能够在异常诊断时可靠地检测包含元件的异常。因此，能够进行可靠性更高的异常诊断。
(2)在该物理量检测装置中，也可以是，上述定时变更部根据上述控制信号，变更上述检波信号与上述被检波信号的相位差。
例如，可以通过变更检波信号的相位来变更检波信号与被检波信号的相位差，也可以通过变更被检波信号的相位来变更检波信号与被检波信号的相位差。
在本发明中，定时变更部变更检波信号与被检波信号的相位差，由此，变更检波信号的上升沿和下降沿中的至少一方相对于被检波信号的相对定时。因此，根据本发明，通过同步检波来检测泄漏信号的至少一部分，因此，能够根据同步检波部的输出信号诊断元件异常。
(3)在该物理量检测装置中，也可以是，上述定时变更部根据上述控制信号，变更上述检波信号的占空比。
在本发明中，定时变更部变更检波信号的占空比，由此，变更检波信号的上升沿和下降沿中的至少一方相对于被检波信号的相对定时。因此，根据本发明，通过同步检波来检测泄漏信号的至少一部分，因此，能够根据同步检波部的输出信号诊断元件异常。
(4)在该物理量检测装置中，也可以是，上述定时变更部能调整上述相对定时的变更量。
例如，也可以预先调整该相对定时的变更量，使得通过同步检波检测的泄漏信号的量为预定量，使非易失性存储器预先存储该变更量。
一般而言，由于制造偏差等，每个物理量检测元件在检测电极产生的泄漏信号的大小不同。在本发明中，可调整检波信号的上升沿和下降沿中的至少一方相对于被检波信号的相对定时的变更量，因此，能够按照物理量检测元件的特性进行调整，使得通过同步检波检测的泄漏信号的量恒定。因此，根据本发明，能够降低物理量检测元件的特性偏差的影响，因此能够提高异常诊断的精度。
(5)在该物理量检测装置中，也可以是，上述物理量检测装置具有异常判定部，该异常判定部根据上述同步检波部的输出信号判定该物理量检测装置有无异常。
根据本发明，通过异常判定部判定该物理量检测装置有无异常，因此如果监视异常判定部的输出信号，则能够直接识别该物理量检测装置有无异常。
(6)在该物理量检测装置中，也可以是，上述物理量是角速度。
(7)本发明提供一种物理量检测装置的异常诊断系统，其特征在于，该异常诊断系统具有：上述任意一个物理量检测装置；以及异常诊断装置，其向该物理量检测装置提供上述控制信号，接收该物理量检测装置根据上述同步检波部的输出信号而生成的信号，根据该信号诊断该物理量检测装置的异常。
根据本发明，能够诊断物理量检测装置的电路异常和元件异常，并且，能够进行可靠性更高的异常诊断。
(8)本发明提供一种物理量检测装置的控制方法，该物理量检测装置具有：物理量检测元件，其具有驱动电极和检测电极，根据提供给上述驱动电极的驱动信号而振动，由此，使上述检测电极产生与预定的物理量的大小对应的检测信号和基于上述驱动信号的振动的泄漏信号；驱动部，其生成上述驱动信号；以及同步检波部，其根据与上述驱动信号同步的检波信号，针对包含上述检测信号和上述泄漏信号的被检波信号进行同步检波，其特征在于，该控制方法具有如下步骤：使该物理量检测装置变更上述检波信号的上升沿和下降沿中的至少一方相对于上述被检波信号的相对定时来进行同步检波，使得输出上述泄漏信号的至少一部分；以及使该物理量检测装置根据上述同步检波部的输出信号生成与上述泄漏信号对应的信号。
根据本发明，能够诊断物理量检测装置的电路异常和元件异常，并且，能够进行可靠性更高的异常诊断。
(9)本发明提供一种物理量检测装置的控制方法，该物理量检测装置具有：物理量检测元件，其具有驱动电极和检测电极，根据提供给上述驱动电极的驱动信号而振动，由此，使上述检测电极产生与预定的物理量的大小对应的检测信号和基于上述驱动信号的振动的泄漏信号；驱动部，其生成上述驱动信号；以及同步检波部，其根据与上述驱动信号同步的检波信号，针对包含上述检测信号和上述泄漏信号的被检波信号进行同步检波，其特征在于，该控制方法具有如下步骤：使该物理量检测装置变更上述检波信号的上升沿和下降沿中的至少一方相对于上述被检波信号的相对定时来进行同步检波，使得输出上述泄漏信号的至少一部分；以及使该物理量检测装置根据上述同步检波部的输出信号判定该物理量检测装置有无异常。
根据本发明，能够诊断物理量检测装置的电路异常和元件异常，并且，能够进行可靠性更高的异常诊断。
此外，根据本发明，通过监视异常判定部的输出信号，能够直接识别该物理量检测装置有无包含元件异常的异常。
(10)本发明提供一种物理量检测装置的异常诊断方法，该物理量检测装置具有：物理量检测元件，其具有驱动电极和检测电极，根据提供给上述驱动电极的驱动信号而振动，由此，使上述检测电极产生与预定的物理量的大小对应的检测信号和基于上述驱动信号的振动的泄漏信号；驱动部，其生成上述驱动信号；以及同步检波部，其根据与上述驱动信号同步的检波信号，针对包含上述检测信号和上述泄漏信号的被检波信号进行同步检波，其特征在于，该异常诊断方法具有如下步骤：使该物理量检测装置变更上述检波信号的上升沿和下降沿中的至少一方相对于上述被检波信号的相对定时来进行同步检波，使得输出上述泄漏信号的至少一部分；使该物理量检测装置根据上述同步检波部的输出信号生成与上述泄漏信号对应的信号；以及根据与上述泄漏信号对应的信号，诊断该物理量检测装置的异常。
根据本发明，能够诊断物理量检测装置的电路异常和元件异常，并且，能够进行可靠性更高的异常诊断。
附图说明
图1是用于说明第1实施方式的角速度检测装置的结构的图。
图2是陀螺仪传感器元件的振动片的俯视图。
图3是用于说明陀螺仪传感器元件的动作的图。
图4是用于说明陀螺仪传感器元件的动作的图。
图5是示出相位变更电路的结构的一例的图。
图6是示出第1实施方式的在角速度检测模式(通常动作时)下角速度检测装置静止时的信号波形的一例的图。
图7是示出第1实施方式的在角速度检测模式(通常动作时)下对角速度检测装置施加了角速度时的信号波形的一例的图。
图8是示出第1实施方式的异常诊断模式的信号波形的一例的图。
图9是用于说明第2实施方式的角速度检测装置的结构的图。
图10是示出占空比变更电路的结构的一例的图。
图11是示出第2实施方式的异常诊断模式的信号波形的一例的图。
图12是用于说明第3实施方式的角速度检测装置的结构的图。
图13是用于说明第1实施方式的异常诊断系统的结构的图。
图14是示出第1实施方式的异常诊断方法的流程图的一例的图。
图15是用于说明第2实施方式的异常诊断系统的结构的图。
图16是示出第2实施方式的异常诊断方法的流程图的一例的图。
具体实施方式
以下使用附图详细说明本发明的优选实施方式。另外，以下说明的实施方式并非不当地限定权利要求书记载的本发明的内容。此外，以下说明的结构并非全是本发明的必要构成要件。
1.物理量检测装置
以下，以作为物理量检测角速度的物理量检测装置(角速度检测装置)为例进行说明，本发明能够应用于可检测角速度、加速度、地磁、压力等各种物理量的任意一个的装置。
[第1实施方式]
图1是用于说明第1实施方式的角速度检测装置的结构的图。
第1实施方式的角速度检测装置1构成为包含陀螺仪传感器元件100和角速度检测用IC10。
陀螺仪传感器元件100(本发明的物理量检测元件的一例)是在未图示的封装内密封着配置有驱动电极和检测电极的振动片而构成的。一般而言，为了尽量减小振动片的阻抗来提高振动效率而确保封装内的气密性。
陀螺仪传感器元件100的振动片可以使用例如石英(SiO2)、钽酸锂(LiTaO3)、铌酸锂(LiNbO3)等压电单晶体以及锆钛酸铅(PZT)等压电陶瓷等的压电材料构成，也可以是在硅半导体的表面的一部分配置被驱动电极夹着的氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)等压电薄膜的构造。
此外，该振动片例如可以是具有2个T形的驱动振动臂的所谓双T形，也可以是音叉形，还可以是三棱柱、四棱柱、圆柱状等形状的音片形。
在本实施方式中，陀螺仪传感器元件100由以石英为材料的双T形的振动片构成。
图2是本实施方式的陀螺仪传感器元件100的振动片的俯视图。
本实施方式的陀螺仪传感器元件100具有由Z切石英基板形成的双T形的振动片。以石英为材料的振动片的谐振频率相对于温度变化的变动极小，因此，具有能够提高角速度的检测精度的优点。另外，图2中的X轴、Y轴、Z轴表示石英的晶轴。
如图2所示，在陀螺仪传感器元件100的振动片中，驱动振动臂101a、101b分别从2个驱动用基部104a、104b在+Y轴方向和-Y轴方向延伸。在驱动振动臂101a的侧表面和上表面分别形成有驱动电极112、113，在驱动振动臂101b的侧表面和上表面分别形成有驱动电极113、112。驱动电极112、113分别经由图1所示的角速度检测用IC10的外部输出端子11、外部输入端子12与驱动电路20连接。
驱动用基部104a、104b分别经由在-X轴方向和+X轴方向延伸的连接臂105a、105b与矩形的检测用基部107连接。
检测振动臂102从检测用基部107在+Y轴方向和-Y轴方向延伸。在检测振动臂102的上表面形成有检测电极114、115，在检测振动臂102的侧表面形成有公共电极116。检测电极114、115分别经由图1所示的角速度检测用IC10的外部输入端子13、14与检测电路30连接。此外，公共电极116接地。
在驱动振动臂101a、101b的驱动电极112与驱动电极113之间施加交流电压作为驱动信号时，如图3所示，驱动振动臂101a、101b由于逆压电效应，如箭头B所示，进行2个驱动振动臂101a、101b的末端反复进行彼此接近和离开的弯曲振动(励振振动)。
另外，在本申请中，假定在没有对陀螺仪传感器元件施加角速度的状态下进行上述弯曲振动(励振振动)时的各驱动振动臂的振动能量的大小或者振动的振幅的大小在2个驱动振动臂中相等时，取得了驱动振动臂的振动能量的平衡。
在此，在对陀螺仪传感器元件100的振动片施加以Z轴为旋转轴的角速度时，驱动振动臂101a、101b在与箭头B的弯曲振动的方向和Z轴双方垂直的方向上得到科里奥利力。结果，如图4所示，连接臂105a、105b如箭头C所示进行振动。并且，检测振动臂102与连接臂105a、105b的振动(箭头C)联动地如箭头D所示进行弯曲振动。
此外，对于驱动振动臂101a、101b的励振振动，在驱动振动臂的振动能量的平衡由于陀螺仪传感器元件的制造偏差等而被破坏时，检测振动臂102产生泄漏振动。该泄漏振动与基于科里奥利力的振动同样地是箭头D所示的弯曲振动，但是相位与驱动信号相同。另外，伴随科里奥利力的振动的相位与驱动振动相差90°。
并且，由于压电效应，在检测振动臂102的检测电极114、115产生基于这些弯曲振动的交流电荷。在此，基于科里奥利力而产生的交流电荷根据科里奥利力的大小(换言之，施加到陀螺仪传感器元件100的角速度的大小)而变化。另一方面，基于泄漏振动而产生的交流电荷与施加到陀螺仪传感器元件100的角速度的大小无关。
另外，在图2的结构中，为了使振动片的平衡良好，将检测用基部107配置在中央，使检测振动臂102从检测用基部107在+Y轴方向和-Y轴方向延伸。并且，使连接臂105a、105b从检测用基部107在+X轴方向和-X轴方向延伸，使驱动振动臂101a、101b分别从连接臂105a、105b在+Y轴方向和-Y轴方向延伸。
此外，在驱动振动臂101a、101b的末端形成有宽度比驱动振动臂101a、101b宽的矩形的施重部103。通过在驱动振动臂101a、101b的末端形成施重部103，能够增大科里奥利力，并且以较短的振动臂得到期望的谐振频率。同样地，在检测振动臂102的末端形成有宽度比检测振动臂102宽的施重部106。通过在检测振动臂102的末端形成施重部106，能够增大在检测电极114、115产生的交流电荷。
如上所述，陀螺仪传感器元件100以Z轴为检测轴经由检测电极114、115输出基于科里奥利力的交流电荷(即检测信号)和基于励振振动的泄漏振动的交流电荷(即泄漏信号)。
其中，对陀螺仪传感器元件100施加的科里奥利力Fc利用下式(1)计算。
Fc＝2mvΩ(1)
在式(1)中，m是等效质量，v是振动速度，Ω是角速度。根据式(1)，即使角速度Ω恒定，如果等效质量m或者振动速度v变化，科里奥利力也会随之变化。因此，等效质量m或者振动速度v变化会导致角速度的检测灵敏度变化。在陀螺仪传感器元件100的振动片的振动状态由于某些故障而变化时，驱动振动的等效质量m或者振动速度v变化，因此，导致检测灵敏度变化。同时，泄漏信号的电平也变化。即，在泄漏信号的电平与角速度的检测灵敏度之间存在相关性。
返回图1，角速度检测用IC10构成为包含驱动电路20、检测电路30、基准电源电路40、存储器50以及控制部60。
驱动电路20构成为包含I/V转换电路(电流电压转换电路)210、AC放大电路220以及振幅调整电路230。
流入陀螺仪传感器元件100的振动片的驱动电流由I/V转换电路210转换成交流电压信号。
从I/V转换电路210输出的交流电压信号被输入到AC放大电路220和振幅调整电路230。AC放大电路220对输入的交流电压信号进行放大，以预定的电压值钳位而输出矩形波电压信号22。振幅调整电路230按照I/V转换电路210输出的交流电压信号的电平，使矩形波电压信号22的振幅变化，控制AC放大电路220以使驱动电流保持恒定。
矩形波电压信号22被经由外部输出端子11提供给陀螺仪传感器元件100的振动片的驱动电极112。这样，陀螺仪传感器元件100持续激励图3所示的预定的驱动振动。此外，通过使驱动电流保持恒定，陀螺仪传感器元件100的驱动振动臂101a、101b能够得到恒定的振动速度。因此，成为产生科里奥利力的基础的振动速度恒定，能够使灵敏度更加稳定。
另外，驱动电路20作为本发明的驱动部发挥作用。
检测电路30构成为包含电荷放大电路310、320、差动放大电路330、AC放大电路340、同步检波电路350、平滑电路360、可变放大电路370、滤波电路380以及相位变更电路352。
从陀螺仪传感器元件100的振动片的检测电极114经由外部输入端子13向电荷放大电路310输入由检测信号和泄漏信号构成的交流电荷。
同样地，从陀螺仪传感器元件100的振动片的检测电极115经由外部输入端子14向电荷放大电路320输入由检测信号和泄漏信号构成的交流电荷。
该电荷放大电路310、320分别将输入的交流电荷转换成以基准电压Vref为基准的交流电压信号。另外，基准电压Vref是由基准电源电路40根据从电源输入端子15输入的外部电源而生成的。
差动放大电路330对电荷放大电路310的输出信号和电荷放大电路320的输出信号进行差动放大。差动放大电路330用于消去同相分量，对反相分量进行相加放大。
AC放大电路340对差动放大电路330的输出信号进行放大。该AC放大电路340的输出信号包含有检测信号和泄漏信号，作为被检波信号36输入到同步检波电路350。
同步检波电路350利用检波信号34对被检波信号36进行同步检波。同步检波电路350例如可构成为开关电路，该开关电路在检波信号34的电压电平高于基准电压Vref时，选择AC放大电路340的输出信号，在检波信号34的电压电平低于基准电压Vref时，选择使AC放大电路340的输出信号相对于基准电压Vref反转后的信号。
例如，同步检波电路350作为本发明的同步检波部发挥作用。
相位变更电路352在控制信号64为第1电位(以下称作低电位)时生成与矩形波电压信号22相同相位的检波信号34，在控制信号64为第2电位(以下称作高电位)时，生成相对于矩形波电压信号22具有与存储在存储器50的相位变更量52对应的相位差的检波信号34。
如图5所示，相位变更电路352例如可使用延迟电路353和开关电路354来实现。开关电路354在控制信号64为低电位时选择矩形波电压信号22作为检波信号34，在控制信号64为高电位时，选择由延迟电路353按照相位变更量52使矩形波电压信号22延迟后的信号作为检波信号34。
另外，相位变更电路352作为本发明的定时变更部发挥作用。
控制部60在角速度检测模式下(通常动作时)将控制信号64固定于低电位，当经由外部输入端子16提供异常诊断模式设定信号62时，将控制信号64固定于高电位。该控制部60可由例如专用的逻辑电路或通用的CPU实现。
同步检波电路350的输出信号在由平滑电路360平滑成直流电压信号之后，输入到可变放大电路370。
可变放大电路370以设定的放大率(或衰减率)对平滑电路360的输出信号(直流电压信号)进行放大(或衰减)，调整检测灵敏度。由可变放大电路370放大(或衰减)后的信号被输入到滤波电路380。
滤波电路380是将可变放大电路370的输出信号限制在适于使用的频带的电路，滤波电路380生成角速度检测信号32。然后，将角速度检测信号32经由外部输出端子17输出到外部。
接着，示出图1的Z点和A点～H点的信号波形的一例，更具体地说明第1实施方式的角速度检测装置1的角速度检测模式(通常动作时)下的动作。
图6是示出角速度检测装置1静止时的信号波形的一例的图。在图6中横轴表示时间，纵轴表示电压。
在图6中，由于是角速度检测模式(通常动作时)，因而控制信号64(Z点的信号)固定于低电位。
在陀螺仪传感器元件100的振动片振动的状态下，在I/V转换电路210的输出端(A点)产生由从陀螺仪传感器元件100的振动片的驱动电极113反馈的电流转换而成的恒定频率的交流电压。即，在I/V转换电路210的输出端(A点)产生恒定频率的正弦波电压信号。
并且，在AC放大电路220的输出端(B点)产生将I/V转换电路210的输出信号(A点的信号)放大而成的振幅为恒定值Vc的矩形波电压信号。
在没有对陀螺仪传感器元件100施加角速度的情况下，在陀螺仪传感器元件100的振动片的检测电极114、115不产生角速度的检测信号，但是产生泄漏信号。
在陀螺仪传感器元件100的检测电极114、115产生的泄漏信号(交流电荷)分别被电荷放大电路310、320转换成交流电压信号。在此，假定从电荷放大电路310、320输出的交流电压信号相位相反。结果，在电荷放大电路310、320的输出端(C点和D点)产生频率与AC放大电路220的输出信号(B点的信号)相同的正弦波电压信号。在此，电荷放大电路310的输出信号(C点的信号)的相位与AC放大电路220的输出信号(B点的信号)相差90°。此外，电荷放大电路320的输出信号(D点的信号)的相位与电荷放大电路310的输出信号(C点的信号)的相位相反(相差180°)。
电荷放大电路310、320的输出信号(C点的信号和D点的信号)由差动放大电路330进行差动放大，在AC放大电路340的输出端(E点)产生频率和相位与在电荷放大电路310的输出端(C点)产生的正弦波电压信号相同的正弦波电压信号。在AC放大电路340的输出端(E点)产生的该正弦波电压信号是对应于在陀螺仪传感器元件100的振动片的检测电极114、115产生的泄漏信号的信号。
AC放大电路340的输出信号(E点的信号)由同步检波电路350根据检波信号34进行同步检波。在此，控制信号64(Z点的信号)被固定在低电位，因而检波信号34(相位变更电路352的输出信号(F点的信号))成为相位与AC放大电路220输出的矩形波电压信号(B点的信号)相同的矩形波电压信号。
在此，AC放大电路340的输出信号(E点的信号)与检波信号34(相位变更电路352的输出信号(F点的信号))相位相差90°，因此，在同步检波电路350的输出信号(G点的信号)中，高于基准电压Vref的电压的积分量与低于基准电压Vref的电压的积分量相等。结果，泄漏信号被消除，在滤波电路380的输出端(H点)产生表示角速度为0的基准电压Vref的直流电压信号。
图7是示出对角速度检测装置1施加了角速度时的信号波形的一例的图。在图7中横轴表示时间，纵轴表示电压。
在图7中，由于是角速度检测模式(通常动作时)，因而控制信号64(Z点的信号)固定于低电位。
A点和B点的各个信号波形与图6相同，省略其说明。
在对陀螺仪传感器元件100施加角速度时，在陀螺仪传感器元件100的振动片的检测电极114、115产生检测信号和泄漏信号。该检测信号的电平根据科里奥利力的大小而变化。另一方面，泄漏信号成为与图6相同的信号波形，被消除。因此，在图7中，示出了仅着眼于检测信号的信号波形，在以下的说明中也仅着眼于检测信号进行说明。
在陀螺仪传感器元件100的振动片的检测电极114、115产生的检测信号(交流电荷)分别被电荷放大电路310、320转换成交流电压信号。结果，在电荷放大电路310、320的输出端(C点和D点)产生频率与AC放大电路220的输出信号(B点的信号)相同的正弦波电压信号。在此，电荷放大电路310的输出信号(C点的信号)的相位与AC放大电路220的输出信号(B点的信号)相同。此外，电荷放大电路320的输出信号(D点的信号)的相位与电荷放大电路310的输出信号(C点的信号)的相位相反(相差180°)。
电荷放大电路310、320的输出信号(C点的信号和D点的信号)由差动放大电路330进行差动放大，在AC放大电路340的输出端(E点)产生频率和相位与在电荷放大电路310的输出端(C点)产生的正弦波电压信号相同的正弦波电压信号。在AC放大电路340的输出端(E点)产生的该正弦波电压信号是对应于在陀螺仪传感器元件100的检测电极114、115产生的检测信号的信号。
AC放大电路340的输出信号(E点的信号)由同步检波电路350根据检波信号34进行同步检波。在此，AC放大电路340的输出信号(E点的信号)与检波信号34(相位变更电路352的输出信号(F点的信号))相位相同。因此，同步检波电路350的输出信号(G点的信号)成为对AC放大电路340的输出信号(E点的信号)进行全波整流而成的信号。结果，在滤波电路380的输出端(H点)产生与角速度的大小对应的电压值V1的直流电压信号(即角速度检测信号32)。
另外，在对角速度检测装置1施加了方向与图7相反的角速度的情况下，电荷放大电路310的输出信号(C点的信号)和电荷放大电路320的输出信号(D点的信号)都成为以基准电压Vref为中心反转的波形。结果，角速度检测信号32与图7相反地成为低于基准电压Vref的电压的信号。
这样角速度检测装置1能够检测角速度。并且，角速度检测信号32的电压值与科里奥利力的大小(角速度的大小)成正比，其极性取决于旋转方向，因此能够根据角速度检测信号32计算对角速度检测装置1施加的角速度。
另外，在角速度检测模式(通常动作时)下，即使发生了异常，如果滤波电路380的输出信号(H点的信号)的电压值是可检测范围内的电压值，则也无法检测异常。异常是由于各种原因而产生的。例如，在振动片的一部分破损的情况下，陀螺仪传感器元件的振动状态发生变化，因而作为科里奥利力的基础的驱动振动发生变化，从而异常。除了这样的陀螺仪传感器元件100引起的异常以外，还要考虑角速度检测用IC10的内部电路引起的异常。例如，由于断路或短路等电路故障、存储在存储器50中的数据被破坏等，如果可变放大电路370的放大率(或者衰减率)的设定值不正常，则产生异常。
接着，示出图1的Z点和A点～H点的信号波形的一例，更具体地说明第1实施方式的角速度检测装置1的异常诊断模式下的动作。
图8是示出异常诊断模式下的信号波形的一例的图。在图8中横轴表示时间，纵轴表示电压。此外，在图8中假定角速度检测装置1静止。
在图8中是异常诊断模式，因而控制信号64(Z点的信号)固定于高电位。由于角速度检测装置1静止，因而A点、B点、C点、D点、E点的各个信号波形与图6相同，省略其说明。
AC放大电路340的输出信号(E点的信号)由同步检波电路350根据检波信号34进行同步检波。在此，控制信号(Z点的信号)被固定在高电位，因而检波信号34(相位变更电路352的输出信号(F点的信号))成为相对于AC放大电路220输出的矩形波电压信号(B点的信号)具有与相位变更量52对应的相位差(设为ΔΦ)的矩形波电压信号。在此，AC放大电路340的输出信号(E点的信号)与检波信号34(相位变更电路352的输出信号(F点的信号))相位相差90°-ΔΦ。因此，在同步检波电路350的输出信号(G点的信号)中，高于基准电压Vref的电压的积分量与低于基准电压Vref的电压的积分量不一致，其差按照泄漏信号的电平而变化。结果，在滤波电路380的输出端(H点)产生与泄漏信号的电平和相位变更量52对应的电压值V2的直流电压信号(角速度检测信号32)。
如以上说明的那样，在第1实施方式的角速度检测装置1中，由相位变更电路352根据控制信号64是低电位(角速度检测模式(通常动作时))还是高电位(异常诊断模式)，变更检波信号34的上升沿和下降沿相对于AC放大电路340的输出信号(被检波信号36)的相对定时。结果，角速度检测信号32在角速度检测模式(通常动作时)下泄漏信号被消除而成为与角速度的大小对应的电压值，在异常诊断模式下成为与泄漏信号的电平对应的电压值。
因此，根据第1实施方式的角速度检测装置1，能够根据异常诊断模式下的角速度检测信号32的电压值，容易地从外部判断电路异常乃至元件异常。
此外，在第1实施方式的角速度检测装置1中，在异常诊断模式和角速度检测模式(通常动作时)下陀螺仪传感器元件100的振动状态不变。因此，根据第1实施方式的角速度检测装置1，在异常诊断模式下也能够可靠地检测在角速度检测模式(通常动作时)下产生的异常，因此能够进行可靠性更高的异常诊断。
另外，在泄漏信号大的情况下，如果不减小相位变更量52则会导致角速度检测信号32的电压值饱和，无法进行异常判定。因此，在实际设计时，优选考虑相位变更量52的精度进行调整，使得流向差动放大电路330的输出端的基于泄漏信号的电流，成为经由外部输出端子11流向陀螺仪传感器元件100的驱动电流的1％以下。
在本实施方式中，陀螺仪传感器元件100使用双T形的振动片构成。因此，通过激光加工等使多个驱动振动臂101a的末端的施重部103的质量产生差异，容易使驱动振动臂101a的弯曲振动和驱动振动臂101b的弯曲振动失去平衡，从而积极地产生期望电平的泄漏信号。但是，实际上，泄漏信号的电平按照每个陀螺仪传感器元件而存在偏差。因此，例如在角速度检测装置1的出厂检查时等，调整相位变更量52以使控制信号64为低电平时的角速度检测信号32为预定的电压值。只要预先写入非易失性的存储器50(例如EEPROM(ElectricallyErasableProgrammableReadOnlyMemory：电可擦写只读存储器))即可。
另外，如果在异常诊断模式下对角速度检测装置1施加角速度，则角速度检测信号32成为叠加与泄漏信号的电平对应的电压值和与角速度的大小对应的电压值(与角速度检测模式不同，是不正确的电压值)而成的电压值，因而难以判定有无异常。因此，优选在没有对角速度检测装置1施加角速度的状态(例如静止状态)下设定为异常诊断模式。例如，在将本实施方式的角速度检测装置1搭载于车辆的情况下，只要在该车辆的发动机启动时的初始检查中设定为异常诊断模式即可。
[第2实施方式]
图9是用于说明第2实施方式的角速度检测装置的结构的图。在图9中，对与图1相同的结构标注相同的符号，省略或简化其说明。
在第2实施方式中，相对于第1实施方式，将相位变更电路352置换成占空比变更电路356。
占空比变更电路356在控制信号64为低电位时，生成占空比为50％且相位与矩形波电压信号22相同的检波信号34，在控制信号64为高电位时，相对于矩形波电压信号22生成与存储在存储器50中的占空比变更量54对应的占空比的检波信号34。
如图10所示，占空比变更电路356例如可使用延迟电路357、开关电路358以及逻辑和电路359来实现。开关电路358在控制信号64为低电位时选择接地电位，在控制信号64为高电位时，选择由延迟电路357使矩形波电压信号22按照占空比变更量54延迟后的信号。然后，由逻辑和电路359取矩形波电压信号22与开关电路358的输出信号的逻辑和，生成检波信号34。
另外，占空比变更电路356作为本发明的定时变更部发挥作用。
在控制信号64为低电位时(角速度检测模式(通常动作时))，占空比为50％的检波信号34与泄漏信号的相位差为90°，因此泄漏信号被消除，角速度检测信号32成为与角速度的大小对应的电压值。
另一方面，在控制信号64为高电位时(异常诊断模式)，检波信号34的占空比不是50％，因此，角速度检测信号32成为与泄漏信号的电平对应的电压值和与角速度的大小对应的电压值叠加而成的电压值。不过，如果在没有对角速度检测装置1施加加速度的状态(例如静止状态)下设定为异常诊断模式，则由于角速度为0，因而角速度检测信号32成为与泄漏信号的电平对应的电压值。
接着，示出图9的Z点和A点～H点的信号波形的一例，更具体地说明第2实施方式的角速度检测装置1的异常诊断模式下的动作。另外，角速度检测模式(通常动作时)下的信号波形与图6、图7所示的信号波形相同，因而省略其说明。
图11是示出异常诊断模式下的信号波形的一例的图。在图11中横轴表示时间，纵轴表示电压。此外，在图11中假定角速度检测装置1静止。
在图11中是异常诊断模式，因而控制信号64(Z点的信号)固定于高电位。A点、B点、C点、D点、E点的各个信号波形与图8相同，因而省略其说明。
由于控制信号64(Z点的信号)被固定于高电位，因而检波信号34(占空比变更电路356的输出信号(F点的信号))成为与占空比变更量54对应的占空比(不是50％)的矩形波电压信号。另外，在本申请中，占空比是将矩形波的脉宽除以周期再乘以100％而得到的值。因此，在同步检波电路350的输出信号(G点的信号)中，高于基准电压Vref的电压的积分量与低于基准电压Vref的电压的积分量不一致，其差按照泄漏信号的电平而变化。结果，在滤波电路380的输出端(H点)产生与泄漏信号的电平和占空比变更量54对应的电压值V3的直流电压信号(角速度检测信号32)。
如以上说明的那样，在第2实施方式的角速度检测装置1中，由占空比变更电路356根据控制信号64是低电位(角速度检测模式(通常动作时))还是高电位(异常诊断模式)，变更检波信号34的下降沿相对于AC放大电路340的输出信号(被检波信号36)的相对定时。结果，角速度检测信号32在角速度检测模式(通常动作时)下消除泄漏信号而成为与角速度的大小对应的电压值，在异常诊断模式下成为与泄漏信号的电平对应的电压值。
因此，根据第2实施方式的角速度检测装置1，能够根据异常诊断模式下的角速度检测信号32的电压值，容易地从外部判断电路异常乃至元件异常。
此外，在第2实施方式的角速度检测装置1中，与第1实施方式相同地，在异常诊断模式和角速度检测模式(通常动作时)下陀螺仪传感器元件100的振动状态不变。因此，根据第2实施方式的角速度检测装置1，在异常诊断模式下也能够可靠地检测在角速度检测模式(通常动作时)下产生的异常，因此能够进行可靠性更高的异常诊断。
[第3实施方式]
图12是用于说明第3实施方式的角速度检测装置的结构的图。在图12中，对与图1相同的结构标注相同的符号，省略或简化其说明。
在第3实施方式中，相对于第1实施方式，追加了异常判定电路70。
在控制信号64为低电位时(角速度检测模式(通常动作时))，异常判定电路70生成第1电位(例如低电位)的异常判定信号72。另一方面，在控制信号64为高电位时(异常诊断模式)，异常判定电路70判定角速度检测信号32的电压值是否在正常范围内，如果正常则生成第1电位(例如低电位)的异常判定信号72，如果异常则生成第2电位(例如高电位)的异常判定信号72。并且，异常判定信号72经由外部输出端子18输出到外部。
另外，异常判定电路70作为本发明的异常判定部发挥作用。
另外，在图12所示的结构中，相对于图1所示的第1实施方式的结构追加了异常判定电路70，但是，也可以相对于图9所示的第2实施方式的结构与图12同样地追加异常判定电路70。
根据第3实施方式的角速度检测装置1，如果在使角速度检测装置1静止的状态下设定为异常诊断模式而监视异常判定信号72，则能够从外部直接地识别有无包含角速度检测装置1的元件异常在内的异常。因此，与根据角速度检测信号32的电压值判断角速度检测装置1有无异常的情况相比，能够降低外部装置的负荷。
2.物理量检测装置的异常诊断系统和异常诊断方法
以下，以作为物理量检测角速度的物理量检测装置(角速度检测装置)的异常诊断系统和异常诊断方法为例进行说明，本发明能够应用于可检测角速度、加速度、地磁、压力等各种物理量的任意一个的装置的异常诊断系统和异常诊断方法。
[第1实施方式]
图13是示出第1实施方式的角速度检测装置的异常诊断系统的结构的一例的图。
如图13所示，第1实施方式的异常诊断系统1000构成为包含角速度检测装置1和微计算机2。
角速度检测装置1例如是图1所示的第1实施方式的角速度检测装置或图9所示的第2实施方式的角速度检测装置。
微计算机2向角速度检测装置1的外部输入端子16提供异常诊断模式设定信号62，根据从外部输入端子17输出的角速度检测信号32判定有无异常，输出异常判定信号4。即，微计算机2作为本发明的异常诊断装置发挥作用。并且，异常判定信号4例如被输入到未图示的显示装置，如果角速度检测装置1异常则显示警告。
另外，微计算机2在不实施异常诊断时，也可以根据角速度检测信号32进行预定的运算。例如，微计算机2对角速度检测信号32的电压值进行积分，从而计算搭载有角速度检测装置1的移动体的角度，也可以与从未图示的速度传感器得到速度信息组合来计算当前的位置。
图14是示出基于图13所示的异常诊断系统1000的、角速度检测装置的异常诊断的流程图的一例的图。
如图14所示，当发生异常诊断开始事件时(步骤S10中“是”的情况下)，微计算机2向角速度检测装置1的外部输入端子16提供异常诊断模式设定信号62(步骤20)。也可以是在没有对角速度检测装置1施加角速度的状态下(例如静止状态)，例如如果角速度检测装置1搭载于车辆，则在该车辆的发动机启动时等发生异常诊断开始事件。
角速度检测装置1在接收到异常诊断模式设定信号62时，通过前述的相位变更电路352或者占空比变更电路356，变更成检波信号34的相位或者占空比进行同步检波，检测泄漏信号的至少一部分(步骤30)。
并且，角速度检测装置1如前所述，根据同步检波电路350的输出信号，输出与泄漏信号的电平对应的电压值的角速度检测信号32(步骤40)。
然后，微计算机2接收角速度检测信号32来诊断角速度检测装置1的异常，输出异常判定信号4(步骤50)。例如，微计算机2判定角速度检测信号32的电压值是否在正常范围内，如果正常则输出第1电位(例如低电位)的异常判定信号4，如果异常则输出第2电位(例如高电位)的异常判定信号4。
第1实施方式的异常诊断系统1000通过使用前述第1实施方式或者第2实施方式的角速度检测装置1，能够进行可靠性更高的异常诊断。
[第2实施方式]
图15是示出第2实施方式的角速度检测装置的异常诊断系统的结构的一例的图。
如图15所示，第2实施方式的异常诊断系统1000构成为包含角速度检测装置1和微计算机2。
角速度检测装置1例如是图12所示的第3实施方式的角速度检测装置。
微计算机2向角速度检测装置1的外部输入端子16提供异常诊断模式设定信号62，角速度检测装置1接收异常诊断模式设定信号62，从外部输出端子18输出异常判定信号72。异常判定信号72例如被输入到未图示的显示装置，如果角速度检测装置1异常则显示警告。
另外，微计算机2也可以接收角速度检测装置1从外部输出端子17输出的角速度检测信号32进行预定的运算。并且，微计算机2也可以接收异常判定信号72，如果角速度检测装置1异常则不进行基于角速度检测信号32的运算。
图16是示出基于图15所示的异常诊断系统1000的、角速度检测装置的异常诊断的流程图的一例的图。
图16的流程图的步骤S110、S120、S130的处理分别与图14的流程图的步骤S10、S20、S30的处理相同，因而省略说明。
通过步骤S110、S120、S130的处理，在角速度检测装置1中，通过同步检波检测泄漏信号的至少一部分。
然后，角速度检测装置1如前所示，根据同步检波信号350的输出信号生成异常判定信号72，从外部输出端子18输出。
第2实施方式的异常诊断系统1000通过使用前述第3实施方式的角速度检测装置1，能够进行可靠性更高的异常诊断。并且，微计算机2能够通过异常判定信号72直接地识别有无角速度检测装置1的异常，因此，能够降低微计算机2的负荷。
另外，本发明不限于本实施方式，可在本发明要旨的范围内实施各种变形。
例如，在第1实施方式的角速度检测装置1中，如图1所示，通过变更检波信号34的相位，来变更检波信号34的上升沿和下降沿相对于AC放大电路340的输出信号(被检波信号36)的相对定时。但是，也可以构成为通过变更差动放大电路330的输出信号或AC放大电路340的输出信号的相位，来变更检波信号34的上升沿和下降沿相对于AC放大电路340的输出信号(被检波信号36)的相对定时。
此外，例如在第2实施方式的角速度检测装置1中，如图9所示，通过变更检波信号34的占空比，来变更检波信号34的下降沿相对于AC放大电路340的输出信号(被检波信号36)的相对定时。但是，也可以构成为变更检波信号34的上升沿的相对定时。
此外，例如在第1实施方式～第3实施方式的角速度检测装置1中，也可以串联连接相位变更电路352和占空比变更电路356，通过变更检波信号34的相位和占空比双方，变更检波信号34的上升沿和下降沿中的至少一方相对于AC放大电路340的输出信号(被检波信号36)的相对定时。
此外，例如在第1实施方式或第3实施方式的角速度检测装置1中，AC放大电路220输出矩形波电压信号，但是也可以输出例如正弦波电压信号。在该情况下，同步检波电路350只要变更成通过正弦波的检波信号34进行同步检波的结构即可。
本发明包含与在实施方式中说明的结构实质相同的结构(例如功能、方法以及结果相同的结构或者目的和效果相同的结构)。此外，本发明包含将在实施方式中说明的结构的非本质的部分置换而成的结构。此外，本发明包含与在实施方式中说明的结构起到相同的作用效果的结构或者能够达到相同目的的结构。此外，本发明包含对在实施方式中说明的结构附加公知技术而成的结构。
符号说明
1角速度检测装置；2微计算机；4异常判定信号；10角速度检测用IC；11外部输出端子；12～16外部输入端子；17～18外部输出端子；20驱动电路；22矩形波电压信号；30检测电路；32角速度检测信号；34检波信号；36被检波信号；40基准电源电路；50存储器；52相位变更量；54占空比变更量；60控制部；62异常诊断模式设定信号；64控制信号；70异常判定电路；72异常判定信号；100陀螺仪传感器元件；101a～101b驱动振动臂；102检测振动臂；103施重部；104a～104b驱动用基部；105a～105b连接臂；106施重部；107检测用基部；112～113驱动电极；114～115检测电极；116公共电极；210I/V转换电路(电流电压转换电路)；220AC放大电路；230振幅调整电路；310电荷放大电路；320电荷放大电路；330差动放大电路；340AC放大电路；350同步检波电路；352相位变更电路；353延迟电路；354开关电路；356占空比变更电路；357延迟电路；358开关电路；359逻辑和电路；360平滑电路；370可变放大电路；380滤波电路；1000异常诊断系统。

Claims (10)

1.一种物理量检测装置，其特征在于，该物理量检测装置具有：
物理量检测元件，其具有驱动电极和检测电极，根据提供给上述驱动电极的驱动信号而振动，由此，使上述检测电极产生与预定的物理量的大小对应的检测信号和基于上述驱动信号的振动的泄漏信号；
驱动部，其生成上述驱动信号；
同步检波部，其根据与上述驱动信号同步的检波信号，针对包含上述检测信号和上述泄漏信号的被检波信号进行同步检波；以及
定时变更部，其根据控制信号，变更上述检波信号的上升沿和下降沿中的至少一方相对于上述被检波信号的相对定时，使得通过上述同步检波部的同步检波输出上述泄漏信号的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的物理量检测装置，其特征在于，上述定时变更部根据上述控制信号，变更上述检波信号与上述被检波信号的相位差。
3.根据权利要求1或2所述的物理量检测装置，其特征在于，上述定时变更部根据上述控制信号，变更上述检波信号的占空比。
4.根据权利要求1所述的物理量检测装置，其特征在于，上述定时变更部能调整上述相对定时的变更量。
5.根据权利要求1所述的物理量检测装置，其特征在于，上述物理量检测装置具有异常判定部，该异常判定部根据上述同步检波部的输出信号判定该物理量检测装置有无异常。
6.根据权利要求1所述的物理量检测装置，其特征在于，上述物理量是角速度。
7.一种物理量检测装置的异常诊断系统，其特征在于，该异常诊断系统具有：
权利要求1所述的物理量检测装置；以及
异常诊断装置，其向该物理量检测装置提供上述控制信号，接收该物理量检测装置根据上述同步检波部的输出信号而生成的信号，根据该信号诊断该物理量检测装置的异常。
8.一种物理量检测装置的控制方法，该物理量检测装置具有：
物理量检测元件，其具有驱动电极和检测电极，根据提供给上述驱动电极的驱动信号而振动，由此，使上述检测电极产生与预定的物理量的大小对应的检测信号和基于上述驱动信号的振动的泄漏信号；
驱动部，其生成上述驱动信号；以及
同步检波部，其根据与上述驱动信号同步的检波信号，针对包含上述检测信号和上述泄漏信号的被检波信号进行同步检波，
其特征在于，该控制方法具有如下步骤：
使该物理量检测装置变更上述检波信号的上升沿和下降沿中的至少一方相对于上述被检波信号的相对定时来在上述同步检波部中进行同步检波，使得输出上述泄漏信号的至少一部分；以及
使该物理量检测装置根据上述同步检波部的输出信号生成与上述泄漏信号对应的信号。
9.一种物理量检测装置的控制方法，该物理量检测装置具有：
物理量检测元件，其具有驱动电极和检测电极，根据提供给上述驱动电极的驱动信号而振动，由此，使上述检测电极产生与预定的物理量的大小对应的检测信号和基于上述驱动信号的振动的泄漏信号；
驱动部，其生成上述驱动信号；以及
同步检波部，其根据与上述驱动信号同步的检波信号，针对包含上述检测信号和上述泄漏信号的被检波信号进行同步检波，
其特征在于，该控制方法具有如下步骤：
使该物理量检测装置变更上述检波信号的上升沿和下降沿中的至少一方相对于上述被检波信号的相对定时来在上述同步检波部中进行同步检波，使得输出上述泄漏信号的至少一部分；以及
使该物理量检测装置根据上述同步检波部的输出信号判定该物理量检测装置有无异常。
10.一种物理量检测装置的异常诊断方法，该物理量检测装置具有：
物理量检测元件，其具有驱动电极和检测电极，根据提供给上述驱动电极的驱动信号而振动，由此，使上述检测电极产生与预定的物理量的大小对应的检测信号和基于上述驱动信号的振动的泄漏信号；
驱动部，其生成上述驱动信号；以及
同步检波部，其根据与上述驱动信号同步的检波信号，针对包含上述检测信号和上述泄漏信号的被检波信号进行同步检波，
其特征在于，该异常诊断方法具有如下步骤：
使该物理量检测装置变更上述检波信号的上升沿和下降沿中的至少一方相对于上述被检波信号的相对定时来在上述同步检波部中进行同步检波，使得输出上述泄漏信号的至少一部分；
使该物理量检测装置根据上述同步检波部的输出信号生成与上述泄漏信号对应的信号；以及
根据与上述泄漏信号对应的信号，诊断该物理量检测装置的异常。
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