JP2023105141A - 物理量検出回路、物理量センサー、電子機器、及び移動体物理量センサー - Google Patents
物理量検出回路、物理量センサー、電子機器、及び移動体物理量センサー Download PDFInfo
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Abstract
【課題】物理量検出素子に発生する漏れ振動に基づいて故障診断に利用可能な信号を生成し、かつ、物理量検出信号に対する漏れ振動の影響を低減させることが可能な物理量検出回路を提供すること。【解決手段】第1の物理量成分と第1の振動漏れ成分とを含む第1の信号、及び前記第1の物理量成分と逆相である第2の物理量成分と前記第1の振動漏れ成分と同相である第2の振動漏れ成分とを含む第2の信号に基づく信号対を差動増幅する差動増幅回路と、前記信号対を加算する加算回路と、前記差動増幅回路の出力信号に基づく信号を同期検波する第1の同期検波回路と、前記加算回路の出力信号に基づく信号を同期検波する第2の同期検波回路と、前記第1の同期検波回路の出力信号に基づいて物理量検出信号を生成する物理量検出信号生成回路と、前記第2の同期検波回路の出力信号に基づいて振動漏れ信号を生成する振動漏れ信号生成回路と、を備える、物理量検出回路。【選択図】図1
Description
本発明は、物理量検出回路、物理量センサー、電子機器、移動体及び物理量センサーの故障診断方法に関する。
現在、様々なシステムや電子機器において、角速度を検出するジャイロセンサーや加速度を検出する加速度センサー等、各種の物理量を検出可能な物理量センサーが広く利用されている。近年、物理量センサーを用いたシステムにおいて、高い信頼性を実現するために、物理量センサーに故障が発生しているか否かを診断する手法が提案されている。
例えば、特許文献1には、異常診断モードにおいて、物理量検出素子の2つの駆動振動腕の屈曲振動に起因して2つの検出振動腕に発生する漏れ振動を検出し、漏れ振動の大きさに応じた信号を出力する物理量検出回路を備えた物理量検出装置が記載されている。具体的には、特許文献1に記載の物理量検出装置では、物理量検出回路は、物理量検出モードにおいて、物理量検出素子の2つの検出電極から出力される信号を差動増幅回路で差動増幅した信号を同期検波回路で同期検波して物理量成分に応じた信号を生成し、異常診断モードでは、差動増幅回路及び同期検波回路を兼用し、同期検波回路に入力される検波信号の位相を変更することで振動漏れ成分に応じた信号を出力する。物理量検出素子に破損等の故障が発生した場合、漏れ振動の大きさが変化するため、異常診断モードにおいて物理量検出回路から出力される信号の大きさが変化するので、物理量検出回路から出力される信号に基づいて故障診断を行うことができる。
しかしながら、特許文献1に記載の物理量検出装置では、2つの検出電極から出力される信号に含まれる振動漏れ成分が互いに逆相になるように物理量検出素子をチューニングしており、差動増幅回路の出力信号には物理量成分とともに比較的大きな振動漏れ成分が含まれるため、物理量検出モードにおいて、製造ばらつき等に起因して検波信号の位相が設計値からずれると、同期検波回路の出力信号に比較的大きな振動漏れ成分が含まれることになる。そのため、物理量検出モードにおいて、物理量検出回路から出力される信号に含まれるノイズ成分が増加するとともに、物理量が加わっていないときの物理量検出信号の大きさであるゼロ点が設計値から不定量ずれるおそれがある。
本発明に係る物理量検出回路の一態様は、
物理量を検出する物理量検出素子から出力される第1の信号及び第2の信号に基づいて、前記物理量検出素子が検出した前記物理量に応じた物理量検出信号を生成する物理量検出回路であって、
前記第1の信号は、前記物理量検出素子が検出した前記物理量に基づく第1の物理量成分と、前記物理量検出素子の振動に基づく第1の振動漏れ成分とを含み、
前記第2の信号は、前記物理量検出素子が検出した前記物理量に基づく第2の物理量成分と、前記物理量検出素子の前記振動に基づく第2の振動漏れ成分とを含み、
前記第1の物理量成分と前記第2の物理量成分とは互いに逆相であり、
前記第1の振動漏れ成分と前記第2の振動漏れ成分とは互いに同相であり、
前記第1の信号及び前記第2の信号に基づく信号対を差動増幅する差動増幅回路と、
前記信号対を加算する加算回路と、
前記差動増幅回路の出力信号に基づく信号を同期検波して前記第1の物理量成分と前記第2の物理量成分との差に応じた信号を出力する第1の同期検波回路と、
前記加算回路の出力信号に基づく信号を同期検波して前記第1の振動漏れ成分と前記第2の振動漏れ成分との和に応じた信号を出力する第2の同期検波回路と、
前記第1の同期検波回路の出力信号に基づいて前記物理量検出信号を生成する物理量検出信号生成回路と、
前記第2の同期検波回路の出力信号に基づいて振動漏れ信号を生成する振動漏れ信号生成回路と、を備える。
物理量を検出する物理量検出素子から出力される第1の信号及び第2の信号に基づいて、前記物理量検出素子が検出した前記物理量に応じた物理量検出信号を生成する物理量検出回路であって、
前記第1の信号は、前記物理量検出素子が検出した前記物理量に基づく第1の物理量成分と、前記物理量検出素子の振動に基づく第1の振動漏れ成分とを含み、
前記第2の信号は、前記物理量検出素子が検出した前記物理量に基づく第2の物理量成分と、前記物理量検出素子の前記振動に基づく第2の振動漏れ成分とを含み、
前記第1の物理量成分と前記第2の物理量成分とは互いに逆相であり、
前記第1の振動漏れ成分と前記第2の振動漏れ成分とは互いに同相であり、
前記第1の信号及び前記第2の信号に基づく信号対を差動増幅する差動増幅回路と、
前記信号対を加算する加算回路と、
前記差動増幅回路の出力信号に基づく信号を同期検波して前記第1の物理量成分と前記第2の物理量成分との差に応じた信号を出力する第1の同期検波回路と、
前記加算回路の出力信号に基づく信号を同期検波して前記第1の振動漏れ成分と前記第2の振動漏れ成分との和に応じた信号を出力する第2の同期検波回路と、
前記第1の同期検波回路の出力信号に基づいて前記物理量検出信号を生成する物理量検出信号生成回路と、
前記第2の同期検波回路の出力信号に基づいて振動漏れ信号を生成する振動漏れ信号生成回路と、を備える。
前記物理量検出回路の一態様において、
前記第1の振動漏れ成分と前記第2の振動漏れ成分との差分量は実質的にゼロであってもよい。
前記第1の振動漏れ成分と前記第2の振動漏れ成分との差分量は実質的にゼロであってもよい。
前記物理量検出回路の一態様は、
前記第1の信号が入力される第1のチャージアンプ回路と、
前記第2の信号が入力される第2のチャージアンプ回路と、を備え、
前記信号対は、前記第1のチャージアンプ回路の出力信号及び前記第2のチャージアンプ回路の出力信号であってもよい。
前記第1の信号が入力される第1のチャージアンプ回路と、
前記第2の信号が入力される第2のチャージアンプ回路と、を備え、
前記信号対は、前記第1のチャージアンプ回路の出力信号及び前記第2のチャージアンプ回路の出力信号であってもよい。
前記物理量検出回路の一態様は、
前記振動漏れ信号に基づいて故障診断を行う故障診断回路を備えてもよい。
前記振動漏れ信号に基づいて故障診断を行う故障診断回路を備えてもよい。
前記物理量検出回路の一態様において、
前記故障診断回路は、前記振動漏れ信号の大きさが第1の範囲に含まれない場合に故障であると診断してもよい。
前記故障診断回路は、前記振動漏れ信号の大きさが第1の範囲に含まれない場合に故障であると診断してもよい。
前記物理量検出回路の一態様において、
前記第1の範囲は可変であってもよい。
前記第1の範囲は可変であってもよい。
本発明に係る物理量センサーの一態様は、
前記物理量検出回路の一態様と、
前記物理量検出素子と、を備えている。
前記物理量検出回路の一態様と、
前記物理量検出素子と、を備えている。
本発明に係る電子機器の一態様は、
前記物理量センサーの一態様と、
前記物理量センサーの出力信号に基づく処理を行う処理回路と、を備えている。
前記物理量センサーの一態様と、
前記物理量センサーの出力信号に基づく処理を行う処理回路と、を備えている。
本発明に係る移動体の一態様は、
前記物理量センサーの一態様と、
前記物理量センサーの出力信号に基づく処理を行う処理回路と、を備えている。
前記物理量センサーの一態様と、
前記物理量センサーの出力信号に基づく処理を行う処理回路と、を備えている。
本発明に係る物理量センサーの故障診断方法の一態様は、
物理量を検出し、第1の信号及び第2の信号を出力する物理量検出素子と、前記第1の信号及び前記第2の信号に基づいて、前記物理量検出素子が検出した前記物理量に応じた物理量検出信号を生成する物理量検出回路と、を含む物理量センサーの故障診断方法であって、
前記第1の信号は、前記物理量検出素子が検出した前記物理量に基づく第1の物理量成分と、前記物理量検出素子の振動に基づく第1の振動漏れ成分とを含み、
前記第2の信号は、前記物理量検出素子が検出した前記物理量に基づく第2の物理量成分と、前記物理量検出素子の前記振動に基づく第2の振動漏れ成分とを含み、
前記第1の物理量成分と前記第2の物理量成分とは互いに逆相であり、
前記第1の振動漏れ成分と前記第2の振動漏れ成分とは互いに同相であり、
前記物理量検出素子から出力される前記第1の信号及び前記第2の信号に基づく信号対を差動増幅する差動増幅工程と、
前記信号対を加算する加算工程と、
前記差動増幅工程で得られた信号に基づく信号を同期検波して前記第1の物理量成分と前記第2の物理量成分との差に応じた信号を生成する第1の同期検波工程と、
前記加算工程で得られた信号に基づく信号を同期検波して前記第1の振動漏れ成分と前記第2の振動漏れ成分との和に応じた信号を生成する第2の同期検波工程と、
前記第1の同期検波工程で生成された信号に基づいて前記物理量検出信号を生成する物理量検出信号生成工程と、
前記第2の同期検波工程で生成された信号に基づいて振動漏れ信号を生成する振動漏れ信号生成工程と、
前記振動漏れ信号に基づいて、前記物理量センサーの故障診断を行う故障診断工程と、を含む。
物理量を検出し、第1の信号及び第2の信号を出力する物理量検出素子と、前記第1の信号及び前記第2の信号に基づいて、前記物理量検出素子が検出した前記物理量に応じた物理量検出信号を生成する物理量検出回路と、を含む物理量センサーの故障診断方法であって、
前記第1の信号は、前記物理量検出素子が検出した前記物理量に基づく第1の物理量成分と、前記物理量検出素子の振動に基づく第1の振動漏れ成分とを含み、
前記第2の信号は、前記物理量検出素子が検出した前記物理量に基づく第2の物理量成分と、前記物理量検出素子の前記振動に基づく第2の振動漏れ成分とを含み、
前記第1の物理量成分と前記第2の物理量成分とは互いに逆相であり、
前記第1の振動漏れ成分と前記第2の振動漏れ成分とは互いに同相であり、
前記物理量検出素子から出力される前記第1の信号及び前記第2の信号に基づく信号対を差動増幅する差動増幅工程と、
前記信号対を加算する加算工程と、
前記差動増幅工程で得られた信号に基づく信号を同期検波して前記第1の物理量成分と前記第2の物理量成分との差に応じた信号を生成する第1の同期検波工程と、
前記加算工程で得られた信号に基づく信号を同期検波して前記第1の振動漏れ成分と前記第2の振動漏れ成分との和に応じた信号を生成する第2の同期検波工程と、
前記第1の同期検波工程で生成された信号に基づいて前記物理量検出信号を生成する物理量検出信号生成工程と、
前記第2の同期検波工程で生成された信号に基づいて振動漏れ信号を生成する振動漏れ信号生成工程と、
前記振動漏れ信号に基づいて、前記物理量センサーの故障診断を行う故障診断工程と、を含む。
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
以下では、物理量として角速度を検出する物理量センサー、すなわち角速度センサーを例に挙げて説明する。
1.物理量センサー
1-1.物理量センサーの構成
図1は、本実施形態の物理量センサーの機能ブロック図である。本実施形態の物理量センサー1は、物理量を検出する物理量検出素子100と、物理量検出回路200とを含む。
1-1.物理量センサーの構成
図1は、本実施形態の物理量センサーの機能ブロック図である。本実施形態の物理量センサー1は、物理量を検出する物理量検出素子100と、物理量検出回路200とを含む。
物理量検出素子100は、駆動電極と検出電極が配置された振動片を有し、一般的に、振動片のインピーダンスをできるだけ小さくして発振効率を高めるために、振動片は気密性が確保されたパッケージに封止されている。本実施形態では、物理量検出素子100は、T型の2つの駆動振動腕を有するいわゆるダブルT型の振動片を有する。
図2は、本実施形態の物理量検出素子100の振動片の平面図である。物理量検出素子100は、例えば、Zカットの水晶基板により形成されたダブルT型の振動片を有する。
水晶を材料とする振動片は、温度変化に対する共振周波数の変動が極めて小さいので、角速度の検出精度を高めることができるという利点がある。なお、図2におけるX軸、Y軸、Z軸は水晶の軸を示す。
水晶を材料とする振動片は、温度変化に対する共振周波数の変動が極めて小さいので、角速度の検出精度を高めることができるという利点がある。なお、図2におけるX軸、Y軸、Z軸は水晶の軸を示す。
図2に示すように、物理量検出素子100の振動片は、2つの駆動用基部104a,104bからそれぞれ駆動振動腕101a,101bが+Y軸方向及び-Y軸方向に延出している。駆動振動腕101aの側面及び上面にはそれぞれ駆動電極112及び113が形成されており、駆動振動腕101bの側面及び上面にはそれぞれ駆動電極113及び112が形成されている。駆動電極112,113は、それぞれ、図1に示した物理量検出回路200のDS端子,DG端子を介して駆動回路20に接続される。
駆動用基部104a,104bは、それぞれ-X軸方向と+X軸方向に延びる連結腕105a,105bを介して矩形状の検出用基部107に接続されている。
検出振動腕102は、検出用基部107から+Y軸方向及び-Y軸方向に延出している。検出振動腕102の上面には検出電極114及び115が形成されており、検出振動腕102の側面には共通電極116が形成されている。検出電極114,115は、それぞれ、図1に示した物理量検出回路200のS1端子、S2端子を介して検出回路30に接続される。また、共通電極116は接地される。
駆動振動腕101a,101bの駆動電極112と駆動電極113との間に駆動信号として交流電圧が与えられると、図3に示すように、駆動振動腕101a,101bは逆圧電効果によって矢印Bのように、2本の駆動振動腕101a,101bの先端が互いに接近と離間を繰り返す屈曲振動をする。以下では、駆動振動腕101a,101bの屈曲振動を「励振振動」ということもある。
この状態で、物理量検出素子100の振動片にZ軸を回転軸とした角速度が加わると、駆動振動腕101a,101bは、矢印Bの屈曲振動の方向とZ軸の両方に垂直な方向にコリオリの力を得る。その結果、図4に示すように、連結腕105a,105bは矢印Cで示すような振動をする。そして、検出振動腕102は、連結腕105a,105bの振動に連動して矢印Dのように屈曲振動をする。このコリオリ力に伴う検出振動腕102の屈曲振動と駆動振動腕101a,101bの屈曲振動とは位相が90°ずれている。
ところで、駆動振動腕101a,101bが屈曲振動をするときの振動エネルギーの大きさ又は振動の振幅の大きさが2本の駆動振動腕101a,101bで等しければ、駆動振動腕101a,101bの振動エネルギーのバランスがとれており、物理量検出素子100に角速度がかかっていない状態では検出振動腕102は屈曲振動しない。ところが、2つの駆動振動腕101a,101bの振動エネルギーのバランスがくずれると、物理量検出素子100に角速度がかかっていない状態でも検出振動腕102に屈曲振動が発生する。この屈曲振動は漏れ振動と呼ばれ、コリオリ力に基づく振動と同様に矢印Dの屈曲振動であるが、コリオリ力に基づく振動とは位相が90°ずれている。
そして、圧電効果によってこれらの屈曲振動に基づいた交流電荷が、検出振動腕102の検出電極114,115に発生する。ここで、コリオリ力に基づいて発生する交流電荷は、コリオリ力の大きさ、すなわち、物理量検出素子100に加わる角速度の大きさに応じて変化する。一方、漏れ振動に基づいて発生する交流電荷は、物理量検出素子100に加わる角速度の大きさに関係せず一定である。
なお、駆動振動腕101a,101bの先端には、駆動振動腕101a,101bよりも幅の広い矩形状の錘部103が形成されている。駆動振動腕101a,101bの先端に錘部103を形成することにより、コリオリ力を大きくするとともに、所望の共振周波数を比較的短い振動腕で得ることができる。同様に、検出振動腕102の先端には、検出振動腕102よりも幅の広い錘部106が形成されている。検出振動腕102の先端に錘部106を形成することにより、検出電極114,115に発生する交流電荷を大きくすることができる。
以上のようにして、物理量検出素子100は、検出した物理量に基づく交流電荷と、励振振動の漏れ振動に基づく交流電荷とを検出電極114,115を介して出力する。以下では、物理量に基づく交流電荷を「物理量成分」といい、漏れ振動に基づく交流電荷を「振動漏れ成分」ということもある。なお、本実施形態では、物理量検出素子100が検出した物理量は、コリオリ力に応じた角速度である。
図1の説明に戻り、物理量検出回路200は、基準電圧回路10、駆動回路20、検出回路30、アナログ/デジタル変換回路41、アナログ/デジタル変換回路42、デジタル信号処理回路51、デジタル信号処理回路52、故障診断回路60、インターフェース回路70、記憶部80及び発振回路90を含む。物理量検出回路200は、例えば、1チップの集積回路(IC:Integrated Circuit)で実現されてもよい。なお、物理量検出回路200は、これらの要素の一部を省略又は変更し、あるいは他の要素を追加した構成であってもよい。
基準電圧回路10は、物理量検出回路200のVDD端子及びVSS端子からそれぞれ供給される電源電圧及びグラウンド電圧に基づいて、アナロググラウンド電圧である基準電圧などの定電圧や定電流を生成し、駆動回路20や検出回路30に供給する。
駆動回路20は、物理量検出素子100を励振振動させるための駆動信号を生成し、DS端子を介して物理量検出素子100の駆動電極112に供給する。また、駆動回路20は、物理量検出素子100の励振振動により駆動電極113に発生する発振電流がDG端子を介して入力され、この発振電流の振幅が一定に保持されるように駆動信号の振幅レベルをフィードバック制御する。また、駆動回路20は、駆動信号と位相が同じ検波信号SDET及び駆動信号と位相が90°異なる検波信号QDETを生成し、検出回路30に出力する。
検出回路30は、物理量検出回路200のS1端子及びS2端子を介して、物理量検出素子100の2つの検出電極114,115に発生する交流電荷がそれぞれ入力され、検波信号SDETを用いて、これらの交流電荷に含まれる物理量成分を検出し、物理量成分の大きさに応じた電圧レベルのアナログ信号である物理量検出信号SAOを生成して出力する。また、検出回路30は、S1端子及びS2端子を介して入力される交流電荷に含まれる振動漏れ成分を検出し、振動漏れ成分の大きさに応じた電圧レベルのアナログ信号である振動漏れ信号QAOを生成して出力する。
記憶部80は、不図示の不揮発性メモリーを有し、当該不揮発性メモリーには、駆動回路20や検出回路30に対する各種のトリミングデータ、例えば、調整データや補正データが記憶されている。不揮発性メモリーは、例えば、MONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Silicon)型メモリーやEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)として構成されてもよい。さらに、記憶部80は、不図示のレジスターを有し、物理量検出回路200の電源投入時に、すなわち、VDD端子の電圧が0Vから所望の電圧まで立ち上がる時に、不揮発性メモリーに記憶されている各種のトリミングデータがレジスターに転送されて保持され、レジスターに保持された各種のトリミングデータが駆動回路20や検出回路30に供給されるように構成されてもよい。
アナログ/デジタル変換回路41は、クロック信号ADCLKに基づいて動作し、アナログ信号である物理量検出信号SAOをデジタル信号である物理量検出信号SDOに変換して出力する。
アナログ/デジタル変換回路42は、クロック信号ADCLKに基づいて動作し、アナログ信号である振動漏れ信号QAOをデジタル信号である振動漏れ信号QDOに変換して出力する。
デジタル信号処理回路51は、マスタークロック信号MCLKに基づいて動作し、アナログ/デジタル変換回路41から出力される物理量検出信号SDOに対して所定の演算処理を行い、演算処理により得られた物理量検出信号SDOXを出力する。
デジタル信号処理回路52は、マスタークロック信号MCLKに基づいて動作し、アナログ/デジタル変換回路42から出力される振動漏れ信号QDOに対して所定の演算処理を行い、演算処理により得られた振動漏れ信号QDOXを出力する。
故障診断回路60は、マスタークロック信号MCLKによって動作し、振動漏れ信号QDOXに基づいて物理量センサー1の故障診断を行う。そして、故障診断回路60は、物理量センサー1が故障しているか否かを示す故障診断結果信号QFを出力する。物理量センサー1が正常であれば振動漏れ信号QDOXの大きさは所定の範囲に含まれる。これに対して、例えば、物理量検出素子100の一部が破損した場合や、物理量検出素子100の検出電極114と電気的に接続される配線の一部が切断又は短絡し、あるいは、物理量検出素子100の検出電極115と電気的に接続される配線の一部が切断又は短絡した場合には、振動漏れ信号QDOXの大きさは所定の範囲から外れる。したがって、故障診断回路60は、振動漏れ信号QDOXの大きさが第1の範囲に含まれない場合に物理量センサー1が故障であると診断してもよい。例えば、第1の範囲は、振動漏れ信号QDOXの設計値を含むとともに、経時変化によって当該設計値から変化し得る範囲を含むように設定されてもよい。また、第1の範囲は、固定であってもよいし、可変であってもよい。例えば、記憶部80が有する、物理量検出回路200の外部から書き換え可能なレジスターに記憶されている値に応じて第1の範囲が可変に設定されてもよい。
インターフェース回路70は、物理量検出回路200の外部装置であるMCU(Micro Control Unit)5からの要求に応じて、デジタル信号処理回路51から出力される物理量検出信号SDOX及び故障診断結果信号QFをMCU5に出力する処理を行う。また、インターフェース回路70は、MCU5からの要求に応じて、デジタル信号処理回路52から出力される振動漏れ信号QDOXをMCU5に出力する処理を行ってもよい。また、インターフェース回路70は、MCU5からの要求に応じて、記憶部80の不揮発性メモリーやレジスターに記憶されているデータを読み出してMCU5に出力する処理や、MCU5から入力されたデータを記憶部80の不揮発性メモリーやレジスターに書き込む処理を行う。例えば、MCU5は、所定のレジスターに、前述した第1の範囲を設定するための値を書き込む処理を行ってもよい。
インターフェース回路70は、例えば、SPI(Serial Peripheral Interface)バスのインターフェース回路であり、MCU5から送信された選択信号、クロック信号、データ信号が、それぞれ、物理量検出回路200のSS端子,SCLK端子,SI端子を介して入力され、物理量検出回路200のSO端子を介してデータ信号をMCU5に出力する。なお、インターフェース回路70は、SPIバス以外の各種のバス、例えば、I2C(Inter-Integrated Circuit)バス等に対応するインターフェース回路であってもよい。
発振回路90は、マスタークロック信号MCLKを発生させ、マスタークロック信号MCLKをデジタル信号処理回路51,52及び故障診断回路60に供給する。また、発振回路90は、マスタークロック信号MCLKを分周してクロック信号ADCLKを生成し、クロック信号ADCLKをアナログ/デジタル変換回路41,42に供給する。発振回路90は、例えば、リングオシレーターやCR発振回路によってマスタークロック信号MCLKを発生させてもよい。
このように構成されている物理量センサー1では、物理量検出素子100は、検出電極114に発生する交流電荷である第1の信号、及び検出電極115に発生する交流電荷である第2の信号を出力し、物理量検出回路200は、物理量検出素子100から出力される第1の信号及び第2の信号に基づいて、物理量検出素子100が検出した物理量に応じた物理量検出信号SDOXを生成する。
1-2.駆動回路の構成
図5は、駆動回路20の構成例を示す図である。図5に示すように、駆動回路20は、電流電圧変換回路21、AC増幅回路22、振幅調整回路23及び移相回路24を含む。
図5は、駆動回路20の構成例を示す図である。図5に示すように、駆動回路20は、電流電圧変換回路21、AC増幅回路22、振幅調整回路23及び移相回路24を含む。
物理量検出素子100の励振振動により駆動電極113に発生する発振電流は、DG端子を介して電流電圧変換回路21に入力され、電流電圧変換回路21によって交流電圧信号に変換される。電流電圧変換回路21から出力される交流電圧信号は、AC増幅回路22及び振幅調整回路23に入力される。
AC増幅回路22は、入力された交流電圧信号を増幅し、所定の電圧値でクリップさせて方形波の駆動信号を出力する。振幅調整回路23は、電流電圧変換回路21が出力する交流電圧信号のレベルに応じて、駆動信号の振幅を変化させ、発振電流の振幅が一定に保持するようにAC増幅回路22を制御する。
AC増幅回路22から出力される駆動信号は、DS端子を介して物理量検出素子100の駆動電極112に供給される。物理量検出素子100は、駆動信号が供給されることで、励振振動を継続することができる。また、発振電流を一定に保つことにより、物理量検出素子100の駆動振動腕101a,101bは一定の振動速度を得ることができる。そのため、コリオリ力を発生させる元となる振動速度は一定となり、感度をより安定にすることができる。
また、AC増幅回路22は、駆動信号と同相である方形波の検波信号SDETを出力し、移相回路24は、検波信号SDETの位相を90°進めた検波信号QDETを出力する。そして、検波信号SDET及び検波信号QDETは、検出回路30に供給される。
1-3.検出回路の構成
図6は、検出回路30の構成例を示す図である。図6に示すように、検出回路30は、チャージアンプ回路31A,31B、差動増幅回路32、加算回路33、AC増幅回路34A,34B、同期検波回路35A,35B、平滑回路36A,36B、可変増幅回路37A,37B及びフィルター回路38A,38Bを含む。
図6は、検出回路30の構成例を示す図である。図6に示すように、検出回路30は、チャージアンプ回路31A,31B、差動増幅回路32、加算回路33、AC増幅回路34A,34B、同期検波回路35A,35B、平滑回路36A,36B、可変増幅回路37A,37B及びフィルター回路38A,38Bを含む。
チャージアンプ回路31Aには、S1端子を介して第1の信号が入力される。第1の信号は、物理量検出素子100の検出電極114に発生する交流電荷であり、物理量検出素子100が検出した物理量に基づく第1の物理量成分と、物理量検出素子100の振動に基づく第1の振動漏れ成分とを含む。
また、チャージアンプ回路31Bには、S2端子を介して第2の信号が入力される。第2の信号は、物理量検出素子100の検出電極115に発生する交流電荷であり、物理量検出素子100が検出した物理量に基づく第2の物理量成分と、物理量検出素子100の振動に基づく第2の振動漏れ成分とを含む。
本実施形態では、図4に示したように、物理量検出素子100に角速度が加わると、検出電極114が形成された検出振動腕102と検出電極115が形成された検出振動腕102とが、バランスをとるように互いに逆向きに屈曲振動する。そのため、第1の物理量成分と第2の物理量成分とは互いに逆相である。ここで、第1の物理量成分と第2の物理量成分とが互いに逆相であるとは、第1の物理量成分と第2の物理量成分との位相差が正確に180°である場合だけでなく、物理量検出素子100の製造誤差や、信号伝搬経路の遅延時間の誤差等に起因して第1の物理量成分と第2の物理量成分との位相差が180°に対して微差を有する場合も含まれる。
また、本実施形態では、第1の振動漏れ成分と第2の振動漏れ成分とは互いに同相である。ここで、第1の振動漏れ成分と第2の振動漏れ成分とが互いに同相であるとは、第1の振動漏れ成分と第2の振動漏れ成分との位相差が正確に0°である場合だけでなく、物理量検出素子100の製造誤差や、信号伝搬経路の遅延時間の誤差等に起因して第1の振動漏れ成分と第2の振動漏れ成分との位相差が0°に対して微差を有する場合も含まれる。
例えば、2つの駆動振動腕101aの振動エネルギーが等しく、かつ、2つの駆動振動腕101bの振動エネルギーが等しく、かつ、2つの駆動振動腕101aの振動エネルギーの和と2つの駆動振動腕101bの振動エネルギーの和とに差が生じるように、4つの錘部103の重量をそれぞれチューニングすることにより、第1の振動漏れ成分と第2の振動漏れ成分とが互いに同相であるようにすることができる。また、2つの駆動振動腕101aの振動エネルギーの和と2つの駆動振動腕101bの振動エネルギーの和との差が大きいほど第1の振動漏れ成分及び第2の振動漏れ成分が大きくなる。錘部103の重量のチューニングは、例えば、錘部103にレーザーを照射して錘部103の一部を削ることにより行うことができる。
チャージアンプ回路31Aは、第1の信号を、基準電圧回路10により生成される基準電圧Vrefを基準とした交流電圧信号に変換して出力し、チャージアンプ回路31Bは
、第2の信号を、基準電圧Vrefを基準とした交流電圧信号に変換して出力する。なお
、チャージアンプ回路31Aは「第1のチャージアンプ回路」の一例であり、チャージアンプ回路31Bは「第2のチャージアンプ回路」の一例である。
、第2の信号を、基準電圧Vrefを基準とした交流電圧信号に変換して出力する。なお
、チャージアンプ回路31Aは「第1のチャージアンプ回路」の一例であり、チャージアンプ回路31Bは「第2のチャージアンプ回路」の一例である。
差動増幅回路32は、チャージアンプ回路31Aの出力信号及びチャージアンプ回路31Bの出力信号からなる信号対を差動増幅する。この信号対は、第1の信号及び第2の信号に基づく信号対である。前述の通り、第1の物理量成分と第2の物理量成分とは互いに逆相であるため、差動増幅回路32によって物理量成分は増幅される。一方、第1の振動漏れ成分と第2の振動漏れ成分とは互いに同相であるため、差動増幅回路32によって振動漏れ成分は減衰される。したがって、差動増幅回路32の出力信号において物理量成分に対する振動漏れ成分の影響が小さくなる。なお、差動増幅回路32の出力信号において、実質的に物理量成分に対する振動漏れ成分の影響を無くすために、第1の振動漏れ成分と第2の振動漏れ成分との差分量は実質的にゼロであることが好ましい。なお、第1の振動漏れ成分と第2の振動漏れ成分との差分量が実質的にゼロであるとは、差分量が正確にゼロである場合だけでなく、第1の振動漏れ成分や第2の振動漏れ成分の最小調整分解能等に起因して差分量がゼロに対して微差を有する場合や、第1の振動漏れ成分と第2の振動漏れ成分との差分量の測定誤差に起因して測定値がゼロに対して微差を有する場合も含まれることを意味する。
AC増幅回路34Aは、差動増幅回路32の出力信号を増幅する。AC増幅回路34Aの出力信号は、同期検波回路35Aに入力される。
同期検波回路35Aは、AC増幅回路34Aの出力信号を被検波信号として、検波信号SDETにより同期検波を行う。この同期検波回路35Aにより、AC増幅回路34Aの出力信号に含まれる物理量成分が抽出される。すなわち、同期検波回路35Aは、差動増幅回路32の出力信号に基づく信号であるAC増幅回路34Aの出力信号を同期検波して、第1の信号に含まれる第1の物理量成分と第2の信号に含まれる第2の物理量成分との差に応じた信号を出力する。同期検波回路35Aは、例えば、検波信号SDETの電圧レベルが基準電圧Vrefよりも高いときはAC増幅回路34Aの出力信号を選択し、検波
信号SDETの電圧レベルが基準電圧Vrefよりも低いときはAC増幅回路34Aの出
力信号を基準電圧Vrefに対して反転した信号を選択するスイッチ回路であってもよい
。なお、同期検波回路35Aは、「第1の同期検波回路」の一例である。
信号SDETの電圧レベルが基準電圧Vrefよりも低いときはAC増幅回路34Aの出
力信号を基準電圧Vrefに対して反転した信号を選択するスイッチ回路であってもよい
。なお、同期検波回路35Aは、「第1の同期検波回路」の一例である。
同期検波回路35Aの出力信号は、平滑回路36Aで直流電圧信号に平滑化された後、可変増幅回路37Aに入力される。
可変増幅回路37Aは、平滑回路36Aの出力信号を、設定された利得で増幅又は減衰して検出感度を調整する。可変増幅回路37Aで増幅又は減衰された信号は、フィルター回路38Aに入力される。
フィルター回路38Aは、可変増幅回路37Aの出力信号を所望の周波数帯域に制限する回路である。フィルター回路38Aの出力信号は、物理量検出信号SAOとして検出回路30から出力される。
なお、平滑回路36A、可変増幅回路37A、フィルター回路38A、アナログ/デジタル変換回路41及びデジタル信号処理回路51は、同期検波回路35Aの出力信号に基づいて物理量検出信号SDOXを生成する回路であり、「物理量検出信号生成回路」の一例である。
加算回路33は、チャージアンプ回路31Aの出力信号及びチャージアンプ回路31Bの出力信号からなる信号対を加算する。前述の通り、第1の物理量成分と第2の物理量成分とは互いに逆相であるため、加算回路33によって物理量成分は減衰される。一方、第1の振動漏れ成分と第2の振動漏れ成分とは互いに同相であるため、加算回路33によって振動漏れ成分は増幅される。
AC増幅回路34Bは、加算回路33の出力信号を増幅する。AC増幅回路34Bの出力信号は、同期検波回路35Bに入力される。
同期検波回路35Bは、AC増幅回路34Bの出力信号を被検波信号として、検波信号QDETにより同期検波を行う。この同期検波回路35Bにより、AC増幅回路34Bの出力信号に含まれる振動漏れ成分が抽出される。すなわち、同期検波回路35Bは、加算回路33の出力信号に基づく信号であるAC増幅回路34Bの出力信号を同期検波して、第1の信号に含まれる第1の振動漏れ成分と第2の信号に含まれる第2の振動漏れ成分との和に応じた信号を出力する。同期検波回路35Bは、例えば、検波信号QDETの電圧レベルが基準電圧Vrefよりも高いときはAC増幅回路34Bの出力信号を選択し、検
波信号QDETの電圧レベルが基準電圧Vrefよりも低いときはAC増幅回路34Bの
出力信号を基準電圧Vrefに対して反転した信号を選択するスイッチ回路であってもよ
い。なお、同期検波回路35Bは、「第2の同期検波回路」の一例である。
波信号QDETの電圧レベルが基準電圧Vrefよりも低いときはAC増幅回路34Bの
出力信号を基準電圧Vrefに対して反転した信号を選択するスイッチ回路であってもよ
い。なお、同期検波回路35Bは、「第2の同期検波回路」の一例である。
同期検波回路35Bの出力信号は、平滑回路36Bで直流電圧信号に平滑化された後、可変増幅回路37Bに入力される。
可変増幅回路37Bは、平滑回路36Bの出力信号を、設定された利得で増幅又は減衰する。可変増幅回路37Bで増幅又は減衰された信号は、フィルター回路38Bに入力される。
フィルター回路38Bは、可変増幅回路37Bの出力信号を所望の周波数帯域に制限する回路である。フィルター回路38Bの出力信号は、振動漏れ信号QAOとして検出回路30から出力される。
なお、平滑回路36B、可変増幅回路37B、フィルター回路38B、アナログ/デジタル変換回路42及びデジタル信号処理回路52は、同期検波回路35Bの出力信号に基づいて振動漏れ信号QDOXを生成する回路であり、「振動漏れ信号生成回路」の一例である。
1-4.信号波形の例
図7は、物理量検出素子100から出力される交流電荷に含まれる物理量成分に対する各種信号の波形の一例を示す図である。図7では、図5に示したA点からC点の各信号の波形及び図6に示したD点からK点の各信号の波形が示されており、各信号の波形について、横軸は時間であり、縦軸は電圧である。なお、図7は、物理量検出素子100に一定の角速度が加わった場合の例である。
図7は、物理量検出素子100から出力される交流電荷に含まれる物理量成分に対する各種信号の波形の一例を示す図である。図7では、図5に示したA点からC点の各信号の波形及び図6に示したD点からK点の各信号の波形が示されており、各信号の波形について、横軸は時間であり、縦軸は電圧である。なお、図7は、物理量検出素子100に一定の角速度が加わった場合の例である。
A点の信号は、電流電圧変換回路21の出力信号であり、基準電圧Vrefを中心とする一定周波数の信号である。
B点の信号は、AC増幅回路22の出力信号、すなわち検波信号SDETであり、A点の信号と同相であり、かつ、振幅が一定値Vcの方形波電圧信号である。
C点の信号は、移相回路24の出力信号、すなわち検波信号QDETであり、B点の信号に対して位相が90°進み、かつ、振幅が一定値Vcの方形波電圧信号である。
D点の信号は、チャージアンプ回路31Aの出力信号に含まれる第1の物理量成分であり、A点の信号に対して同相であり、かつ、基準電圧Vrefを中心とする一定周波数の信号である。
E点の信号は、チャージアンプ回路31Bの出力信号に含まれる第2の物理量成分であり、A点の信号に対して位相が180°異なり、かつ、基準電圧Vrefを中心とする一定周波数の信号である。D点の信号に含まれる第1の物理量成分とE点の信号に含まれる第2の物理量成分は、互いに逆相であり、かつ、実質的に振幅が同じである。
F点の信号は、AC増幅回路34Aの出力信号に含まれる物理量成分、すなわちD点の信号に含まれる第1の物理量成分及びE点の信号に含まれる第2の物理量成分が差動増幅された信号であり、A点の信号と同相であり、かつ、基準電圧Vrefを中心とする一定周波数の信号である。
G点の信号は、同期検波回路35Aの出力信号に含まれる物理量成分、すなわちF点の信号に含まれる物理量成分がB点の信号によって基準電圧Vrefを基準に全波整流された信号である。
H点の信号は、フィルター回路38Aの出力信号に含まれる物理量成分であり、物理量検出素子100が検出した物理量に応じた電圧値V1の信号である。
I点の信号は、AC増幅回路34Bの出力信号に含まれる物理量成分、すなわちD点の信号に含まれる第1の物理量成分及びE点の信号に含まれる第2の物理量成分が加算増幅されてほとんど除去された信号であり、電圧値が基準電圧Vrefの信号である。
J点の信号は、同期検波回路35Bの出力信号に含まれる物理量成分、すなわちI点の信号に含まれる物理量成分がC点の信号によって基準電圧Vrefを基準に全波整流された信号であり、電圧値が基準電圧Vrefの信号である。
K点の信号は、フィルター回路38Bの出力信号に含まれる物理量成分であり、電圧値が基準電圧Vrefの信号である。
図8は、物理量検出素子100から出力される交流電荷に含まれる振動漏れ成分に対する各種信号の波形の一例を示す図である。図8では、図5に示したA点からC点の各信号の波形及び図6に示したD点からK点の各信号の波形が示されており、各信号の波形について、横軸は時間であり、縦軸は電圧である。
図8において、A点の信号、B点の信号及びC点の信号は、図7と同じである。
D点の信号は、チャージアンプ回路31Aの出力信号に含まれる第1の振動漏れ成分であり、A点の信号に対して位相が90°進み、かつ、基準電圧Vrefを中心とする一定周波数の信号である。
E点の信号は、チャージアンプ回路31Bの出力信号に含まれる第2の振動漏れ成分であり、A点の信号に対して位相が90°進み、かつ、基準電圧Vrefを中心とする一定周波数の信号である。D点の信号に含まれる第1の振動漏れ成分とE点の信号に含まれる第2の振動漏れ成分は、互いに同相であり、かつ、実質的に振幅が同じである。
F点の信号は、AC増幅回路34Aの出力信号に含まれる振動漏れ成分、すなわちD点の信号に含まれる第1の振動漏れ成分及びE点の信号に含まれる第2の振動漏れ成分が差動増幅されてほとんど除去された信号であり、電圧値が基準電圧Vrefの信号である。
G点の信号は、同期検波回路35Aの出力信号に含まれる振動漏れ成分、すなわちF点の信号に含まれる振動漏れ成分がB点の信号によって基準電圧Vrefを基準に全波整流された信号であり、電圧値が基準電圧Vrefの信号である。
H点の信号は、フィルター回路38Aの出力信号に含まれる振動漏れ成分であり、電圧値が基準電圧Vrefの信号である。
I点の信号は、AC増幅回路34Bの出力信号に含まれる振動漏れ成分、すなわちD点の信号に含まれる第1の振動漏れ成分及びE点の信号に含まれる第2の振動漏れ成分が加算増幅された信号であり、A点の信号に対して位相が90°進み、かつ、基準電圧Vrefを中心とする一定周波数の信号である。
J点の信号は、同期検波回路35Bの出力信号に含まれる振動漏れ成分、すなわちI点の信号に含まれる振動漏れ成分がC点の信号によって基準電圧Vrefを基準に全波整流された信号である。
K点の信号は、フィルター回路38Bの出力信号に含まれる振動漏れ成分であり、物理量検出素子100に発生した振動漏れに応じた電圧値V2の信号である。
実際には、D点からK点の各信号は、図7の各波形と図8の各波形とを加算した波形になる。ここで、図8におけるH点の信号は電圧値が基準電圧Vrefの信号であるから、フィルター回路38Aの出力信号、すなわち物理量検出信号SAOは、振動漏れ成分をほとんど含まず、図7におけるH点の信号とほぼ一致し、物理量成分に応じた電圧レベルの信号となる。したがって、MCU5は、物理量検出信号SAOに基づいて生成される物理量検出信号SDOXを読み出すことにより、物理量センサー1に加わった物理量を測定することができる。
また、図7におけるK点の信号は電圧値が基準電圧Vrefの信号であるから、フィルター回路38Bの出力信号、すなわち振動漏れ信号QAOは、物理量成分をほとんど含まず、図8におけるK点の信号とほぼ一致し、振動漏れ成分に応じた電圧レベルの信号となる。そして、物理量センサー1が正常であれば、振動漏れ信号QAOの電圧レベルはほぼ一定である。したがって、故障診断回路60は、振動漏れ信号QAOに基づいて生成される振動漏れ信号QDOXの大きさが第1の範囲と異なる場合に物理量センサー1が故障であると診断することができる。
1-5.故障診断方法の手順
図9は、本実施形態の物理量センサー1の故障診断方法の手順の一例を示すフローチャート図である。なお、図9のフローチャートにおいて、各工程の処理を適宜入れ替えてもよい。
図9は、本実施形態の物理量センサー1の故障診断方法の手順の一例を示すフローチャート図である。なお、図9のフローチャートにおいて、各工程の処理を適宜入れ替えてもよい。
図9に示すように、本実施形態の物理量センサー1の故障診断方法では、まず、物理量検出回路200のチャージアンプ回路31A,31Bが、物理量検出素子100から出力される第1の信号及び第2の信号に基づく信号対を生成する(工程S1)。ここで、第1の信号は、物理量検出素子100が検出した物理量に基づく第1の物理量成分と、物理量検出素子100の振動に基づく第1の振動漏れ成分とを含む信号であり、S1端子を介してチャージアンプ回路31Aに入力される信号である。また、第2の信号は、物理量検出素子100が検出した物理量に基づく第2の物理量成分と、物理量検出素子100の振動に基づく第2の振動漏れ成分とを含む信号であり、S2端子を介してチャージアンプ回路31Bに入力される信号である。そして、図7におけるD点の信号及びE点の信号のように、第1の物理量成分と第2の物理量成分とは互いに逆相である。また、図8におけるD点の信号及びE点の信号のように、第1の振動漏れ成分と第2の振動漏れ成分とは互いに同相である。
次に、物理量検出回路200の差動増幅回路32が、工程S1で生成された、第1の信号及び第2の信号に基づく信号対を差動増幅する(工程S2)。
次に、物理量検出回路200の同期検波回路35Aが、工程S2で得られた信号に基づく信号を同期検波して第1の物理量成分と第2の物理量成分との差に応じた信号を生成する(工程S3)。
次に、物理量検出回路200の物理量検出信号生成回路が、工程S3で生成された信号に基づいて物理量検出信号SDOXを生成する(工程S4)。ここで、物理量検出信号生成回路は、平滑回路36A、可変増幅回路37A、フィルター回路38A、アナログ/デジタル変換回路41及びデジタル信号処理回路51により構成される回路である。
また、物理量検出回路200は、工程S2、工程S3及び工程S4の処理と並行して、工程S5、工程S6、工程S7及び工程S8の処理を行う。
具体的には、まず、物理量検出回路200の加算回路33が、工程S1で生成された、第1の信号及び第2の信号に基づく信号対を加算する(工程S5)。
次に、物理量検出回路200の同期検波回路35Bが、工程S5で得られた信号に基づく信号を同期検波して第1の振動漏れ成分と第2の振動漏れ成分との和に応じた信号を生成する(工程S6)。
次に、物理量検出回路200の振動漏れ信号生成回路が、工程S6で生成された信号に基づいて振動漏れ信号QDOXを生成する(工程S7)。ここで、振動漏れ信号生成回路は、平滑回路36B、可変増幅回路37B、フィルター回路38B、アナログ/デジタル変換回路42及びデジタル信号処理回路52により構成される回路である。
次に、物理量検出回路200の故障診断回路60が、工程S7で生成された振動漏れ信号QDOXに基づいて、物理量センサー1の故障診断を行う(工程S8)。
そして、物理量検出回路200は、工程S1~S8の処理を繰り返し行う。
なお、図9の工程S2は、「差動増幅工程」の一例である。また、図9の工程S3は、「第1の同期検波工程」の一例である。また、図9の工程S4は、「物理量検出信号生成工程」の一例である。また、図9の工程S5は、「加算工程」の一例である。また、図9の工程S6は、「第2の同期検波工程」の一例である。また、図9の工程S7は、「振動漏れ信号生成工程」の一例である。また、図9の工程S8は、「故障診断工程」の一例である。
1-6.作用効果
本実施形態の物理量センサー1では、物理量検出素子100は、検出した物理量に基づく第1の物理量成分と、物理量検出素子100の振動に基づく第1の振動漏れ成分とを含む第1の信号、及び、検出した物理量に基づく第2の物理量成分と、物理量検出素子100の振動に基づく第2の振動漏れ成分とを含む第2の信号を出力する。また、物理量検出回路200は、物理量検出素子100から出力される第1の信号及び第2の信号に基づく信号対を加算する加算回路33と、加算回路33の出力信号に基づく信号を同期検波して第1の振動漏れ成分と第2の振動漏れ成分との和に応じた信号を出力する同期検波回路35Bと、同期検波回路35Bの出力信号に基づいて振動漏れ信号QDOXを生成する振動漏れ信号生成回路と、を備える。そして、第1の振動漏れ成分と第2の振動漏れ成分とは互いに同相であるため、加算回路33によって振動漏れ成分は増幅される。さらに、例えば、物理量検出素子100の一部が破損し、あるいは、物理量検出素子100と電気的に接続される配線の一部が切断又は短絡した場合には、第1の振動漏れ成分又は第2の振動漏れ成分の大きさが変化するため、振動漏れ信号QDOXの大きさが変化する。したがって、本実施形態の物理量センサー1、物理量検出回路200又は物理量センサー1の故障診断方法によれば、物理量検出素子100に発生する漏れ振動に基づいて故障診断に利用可能な振動漏れ信号QDOXを生成することができる。
本実施形態の物理量センサー1では、物理量検出素子100は、検出した物理量に基づく第1の物理量成分と、物理量検出素子100の振動に基づく第1の振動漏れ成分とを含む第1の信号、及び、検出した物理量に基づく第2の物理量成分と、物理量検出素子100の振動に基づく第2の振動漏れ成分とを含む第2の信号を出力する。また、物理量検出回路200は、物理量検出素子100から出力される第1の信号及び第2の信号に基づく信号対を加算する加算回路33と、加算回路33の出力信号に基づく信号を同期検波して第1の振動漏れ成分と第2の振動漏れ成分との和に応じた信号を出力する同期検波回路35Bと、同期検波回路35Bの出力信号に基づいて振動漏れ信号QDOXを生成する振動漏れ信号生成回路と、を備える。そして、第1の振動漏れ成分と第2の振動漏れ成分とは互いに同相であるため、加算回路33によって振動漏れ成分は増幅される。さらに、例えば、物理量検出素子100の一部が破損し、あるいは、物理量検出素子100と電気的に接続される配線の一部が切断又は短絡した場合には、第1の振動漏れ成分又は第2の振動漏れ成分の大きさが変化するため、振動漏れ信号QDOXの大きさが変化する。したがって、本実施形態の物理量センサー1、物理量検出回路200又は物理量センサー1の故障診断方法によれば、物理量検出素子100に発生する漏れ振動に基づいて故障診断に利用可能な振動漏れ信号QDOXを生成することができる。
また、本実施形態の物理量センサー1では、物理量検出回路200は、物理量検出素子100から出力される第1の信号及び第2の信号に基づく信号対を差動増幅する差動増幅回路32と、差動増幅回路32の出力信号に基づく信号を同期検波して第1の物理量成分と第2の物理量成分との差に応じた信号を出力する同期検波回路35Aと、同期検波回路35Aの出力信号に基づいて物理量検出信号SDOXを生成する物理量検出信号生成回路と、を備える。そして、第1の信号に含まれる第1の物理量成分と、第2の信号に含まれる第2の物理量成分とは互いに逆相であるため、差動増幅回路32によって物理量成分は増幅される。さらに、物理量検出素子100が検出した物理量の大きさに応じて第1の物理量成分及び第2の物理量成分の大きさが変化するため、物理量検出信号SDOXの大きさが変化する。したがって、本実施形態の物理量センサー1、物理量検出回路200又は物理量センサー1の故障診断方法によれば、物理量検出素子100が検出した物理量に応じた物理量検出信号SDOXを生成することができる。
また、本実施形態の物理量センサー1では、第1の信号に含まれる第1の振動漏れ成分と、第2の信号に含まれる第2の振動漏れ成分とは互いに同相であるため、差動増幅回路32によって振動漏れ成分は減衰される。そのため、製造ばらつき等に起因して、同期検波回路35Aに入力される検波信号SDETの位相が設計値からずれても、同期検波回路35Aの出力信号に含まれる振動漏れ成分が小さくなるので、物理量検出信号SDOXに含まれるノイズ成分が増加するおそれやゼロ点が設計値から不定量だけずれるおそれが低減される。したがって、本実施形態の物理量センサー1、物理量検出回路200又は物理量センサー1の故障診断方法によれば、物理量検出信号SDOXに対する漏れ振動の影響を低減させることができる。特に、第1の振動漏れ成分と第2の振動漏れ成分との差分量が実質的にゼロであるように、物理量検出素子100がチューニングされていれば、差動増幅回路32の出力信号に含まれる振動漏れ成分は実質的にゼロである。したがって、検波信号SDETの位相が設計値からずれても、同期検波回路35Aの出力信号には振動漏れ成分がほとんど含まれず、物理量検出信号SDOXに対する漏れ振動の影響がほとんど生じない。
また、本実施形態の物理量センサー1では、第1の信号に含まれる第1の物理量成分と、第2の信号に含まれる第2の物理量成分とは互いに逆相であるため、加算回路33によって物理量成分は減衰される。そのため、製造ばらつき等に起因して、同期検波回路35Bに入力される検波信号QDETの位相が設計値からずれても、同期検波回路35Bの出力信号に含まれる物理量成分が小さくなるので、振動漏れ信号QDOXに含まれるノイズ成分が増加するおそれが低減される。したがって、本実施形態の物理量センサー1、物理量検出回路200又は物理量センサー1の故障診断方法によれば、振動漏れ信号QDOXに対する検出された物理量の影響を低減させることができ、物理量の検出と並行して故障診断を常時行うことができる。
また、本実施形態の物理量センサー1では、物理量検出回路200は、振動漏れ信号に基づいて故障診断を行う故障診断回路60を備える。そして、故障診断回路60は、振動漏れ信号QDOXの大きさが第1の範囲に含まれない場合に故障であると診断する。したがって、本実施形態の物理量センサー1、物理量検出回路200又は物理量センサー1の故障診断方法によれば、外部装置であるMCU5が故障診断を行う必要がないので、MCU5の処理負荷を低減させることができる。さらに、第1の範囲が可変であれば、第1の振動漏れ成分及び第2の振動漏れ成分の大きさに応じた適切な第1の範囲を設定可能であるので、故障診断回路60による誤診断のおそれが低減される。あるいは、物理量検出回路200の設計を変更することなく、第1の振動漏れ成分及び第2の振動漏れ成分の大きさが異なる複数種類の物理量検出素子100のうちの任意の1つを物理量検出回路200に接続することができる。
1-7.変形例
例えば、上記の実施形態では、物理量検出回路200は、故障診断回路60を含むが、故障診断回路を含んでいなくてもよい。例えば、外部装置であるMCU5が、振動漏れ信号QDOXに基づいて物理量センサー1の故障診断を行ってもよい。
例えば、上記の実施形態では、物理量検出回路200は、故障診断回路60を含むが、故障診断回路を含んでいなくてもよい。例えば、外部装置であるMCU5が、振動漏れ信号QDOXに基づいて物理量センサー1の故障診断を行ってもよい。
また、上記の実施形態では、物理量検出回路200は、外部装置であるMCU5からの要求に応じて、インターフェース回路70を介して、物理量検出信号SDOX及び故障診断結果信号QFをMCU5に出力するが、インターフェース回路70を介して、物理量検出信号SDOXとは独立して故障診断結果信号QFを出力してもよい。また、物理量検出回路200は、インターフェース回路70を介さずに、外部端子を介して故障診断結果信号QFを出力してもよい。
また、上記の実施形態では、物理量検出回路200は、デジタル信号である物理量検出信号SDOX及び振動漏れ信号QDOXを、インターフェース回路70を介して出力しているが、アナログ信号である物理量検出信号及び振動漏れ信号を、外部端子を介して出力してもよい。
また、上記の実施形態では、アナログ/デジタル変換回路41が物理量検出信号SAOを物理量検出信号SDOに変換し、アナログ/デジタル変換回路42が振動漏れ信号QAOを振動漏れ信号QDOに変換しているが、1つのアナログ/デジタル変換回路が、物理量検出信号SAOを物理量検出信号SDOに変換する処理と振動漏れ信号QAOを振動漏れ信号QDOに変換する処理とを時分割に行ってもよい。
また、上記の実施形態では、デジタル信号処理回路51が物理量検出信号SDOに対して所定の演算処理を行って物理量検出信号SDOXを生成し、デジタル信号処理回路52が振動漏れ信号QDOに対して所定の演算処理を行って振動漏れ信号QDOXを生成しているが、1つのデジタル信号処理回路が、物理量検出信号SDOXを生成する処理と振動漏れ信号QDOXを生成する処理とを時分割に行ってもよい。
また、上記の実施形態では、物理量センサー1は、物理量として角速度を検出する物理量検出素子100を含むが、角速度以外の物理量を検出する物理量検出素子を含んでもよい。例えば、物理量センサー1は、加速度、角加速度、速度、力などの物理量を検出する物理量検出素子を含んでもよい。
また、上記の実施形態では、物理量センサー1は、1つの物理量検出素子を含むが、複数の物理量検出素子を含んでもよい。例えば、物理量センサー1は、複数の物理量検出素子を含み、複数の物理量検出素子の各々が、互いに直交する2軸以上のいずれか1つを検出軸として物理量を検出してもよい。また、例えば、物理量センサー1は、複数の物理量検出素子を含み、複数の物理量検出素子の各々が、角速度、加速度、角加速度、速度、力等の複数の種類の物理量のいずれか1つを検出してもよい。すなわち、物理量センサー1は、複合センサーであってもよい。
また、上記の実施形態では、物理量検出素子100の振動片がダブルT型の水晶振動片である例を挙げたが、各種の物理量を検出する物理量検出素子の振動片は、例えば、音叉型やくし歯型であってもよいし、三角柱、四角柱、円柱状等の形状の音片型であってもよい。また、物理量検出素子の振動片の材料としては、水晶(SiO2)の代わりに、例えば、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)等の圧電単結晶やジルコン酸チタン酸鉛(PZT)等の圧電セラミックスなどの圧電性材料を用いてもよいし、シリコン半導体を用いてもよい。また、物理量検出素子の振動片は、例えば、シリコン半導体の表面の一部に、駆動電極に挟まれた酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)等の圧電薄膜を配置した構造であってもよい。例えば、物理量検出素子は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)素子であってもよい。
また、上記の実施形態では、圧電型の物理量検出素子を例示したが、各種の物理量を検出する物理量検出素子は、圧電型の素子に限らず、静電容量型、動電型、渦電流型、光学型、ひずみゲージ型等の素子であってもよい。また、物理量検出素子の検出方式は、振動式に限らず、例えば、光学式、回転式、流体式であってもよい。
2.電子機器
図10は、本実施形態の電子機器の構成の一例を示す機能ブロック図である。図10に示すように、本実施形態の電子機器300は、物理量センサー310、処理回路320、操作部330、ROM(Read Only Memory)340、RAM(Random Access Memory)350、通信部360、表示部370を含む。なお、本実施形態の電子機器は、図10の構成要素の一部を省略又は変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
図10は、本実施形態の電子機器の構成の一例を示す機能ブロック図である。図10に示すように、本実施形態の電子機器300は、物理量センサー310、処理回路320、操作部330、ROM(Read Only Memory)340、RAM(Random Access Memory)350、通信部360、表示部370を含む。なお、本実施形態の電子機器は、図10の構成要素の一部を省略又は変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
物理量センサー310は、物理量を検出して検出結果を処理回路320に出力する。物理量センサー310として、例えば、上述した本実施形態の物理量センサー1を適用することができる。
処理回路320は、物理量センサー310の出力信号に基づく処理を行う。具体的には、処理回路320は、ROM340等に記憶されているプログラムに従い、物理量センサー310と通信し、物理量センサー310の出力信号を用いて各種の計算処理や制御処理を行う。その他、処理回路320は、操作部330からの操作信号に応じた各種の処理、外部装置とデータ通信を行うために通信部360を制御する処理、表示部370に各種の情報を表示させるための表示信号を送信する処理等を行う。
操作部330は、操作キーやボタンスイッチ等により構成される入力装置であり、ユーザーによる操作に応じた操作信号を処理回路320に出力する。
ROM340は、処理回路320が各種の計算処理や制御処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。
RAM350は、処理回路320の作業領域として用いられ、ROM340から読み出されたプログラムやデータ、操作部330から入力されたデータ、処理回路320が各種プログラムに従って実行した演算結果等を一時的に記憶する。
通信部360は、処理回路320と外部装置との間のデータ通信を成立させるための各種制御を行う。
表示部370は、LCD(Liquid Crystal Display)等により構成される表示装置であり、処理回路320から入力される表示信号に基づいて各種の情報を表示する。表示部370には操作部330として機能するタッチパネルが設けられていてもよい。
物理量センサー310として、例えば上述した本実施形態の物理量センサー1を適用することにより、物理量検出素子に発生する漏れ振動に基づいて故障診断に利用可能な信号を生成し、かつ、物理量検出信号に対する漏れ振動の影響を低減させることができるので、例えば、信頼性の高い電子機器を実現することができる。
このような電子機器300としては種々の電子機器が考えられ、例えば、モバイル型、ラップトップ型、タブレット型などのパーソナルコンピューター、スマートフォンや携帯電話機などの移動体端末、デジタルカメラ、インクジェットプリンターなどのインクジェット式吐出装置、ルーターやスイッチなどのストレージエリアネットワーク機器、ローカルエリアネットワーク機器、移動体端末基地局用機器、テレビ、ビデオカメラ、ビデオレコーダー、カーナビゲーション装置、リアルタイムクロック装置、ページャー、電子手帳、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ゲーム用コントローラー、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡等の医療機器、魚群探知機、各種測定機器、車両、航空機、船舶等の計器類、フライトシミュレーター、ヘッドマウントディスプレイ、モーショントレース、モーショントラッキング、モーションコントローラー、歩行者自立航法(PDR:Pedestrian Dead Reckoning)装置等が挙げられる。
図11は、本実施形態の電子機器300の一例であるデジタルカメラ1300を模式的に示す斜視図である。なお、図11には、外部機器との接続についても簡易的に示している。ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、デジタルカメラ1300は、被写体の光像をCCD(Charge Coupled Device)などの撮像素子により光電変換して撮像信号を生成する。
デジタルカメラ1300におけるケース1302の背面には、表示部1310が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部1310は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース1302の正面側には、光学レンズやCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。撮影者が表示部1310に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン1306を押下すると、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリー1308に転送・格納される。
また、このデジタルカメラ1300においては、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用の入出力端子1314とが設けられている。そして、ビデオ信号出力端子1312には、テレビモニター1430が、データ通信用の入出力端子1314には、パーソナルコンピューター1440が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー1308に格納された撮像信号が、テレビモニター1430や、パーソナルコンピューター1440に出力される構成になっている。デジタルカメラ1300は、例えば、角速度センサーである物理量センサー310を有し、物理量センサー310の出力信号を用いて、例えば手振れ補正等の処理を行う。
また、このデジタルカメラ1300においては、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用の入出力端子1314とが設けられている。そして、ビデオ信号出力端子1312には、テレビモニター1430が、データ通信用の入出力端子1314には、パーソナルコンピューター1440が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー1308に格納された撮像信号が、テレビモニター1430や、パーソナルコンピューター1440に出力される構成になっている。デジタルカメラ1300は、例えば、角速度センサーである物理量センサー310を有し、物理量センサー310の出力信号を用いて、例えば手振れ補正等の処理を行う。
3.移動体
図12は、本実施形態の移動体の一例を示す図である。図12に示す移動体400は、物理量センサー410、処理回路440,450,460、バッテリー470、ナビゲーション装置480を含む。なお、本実施形態の移動体は、図12の構成要素の一部を省略し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
図12は、本実施形態の移動体の一例を示す図である。図12に示す移動体400は、物理量センサー410、処理回路440,450,460、バッテリー470、ナビゲーション装置480を含む。なお、本実施形態の移動体は、図12の構成要素の一部を省略し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
物理量センサー410、処理回路440,450,460、ナビゲーション装置480は、バッテリー470から供給される電源電圧で動作する。
物理量センサー410は、物理量を検出して検出結果を処理回路440,450,460に出力する。
処理回路440,450,460は、物理量センサー410の出力信号に基づく処理を行う。例えば、処理回路440,450,460は、それぞれ、物理量センサー410の出力信号を用いて、姿勢制御システム、横転防止システム、ブレーキシステム等の各種の制御を行う。
ナビゲーション装置480は、内蔵のGPS受信機の出力情報に基づき、移動体400の位置や時刻その他の各種の情報をディスプレイに表示する。また、ナビゲーション装置480は、GPSの電波が届かない時でも物理量センサー410の出力信号に基づいて移動体400の位置や向きを特定し、必要な情報の表示を継続する。
例えば、物理量センサー410として、上述した各実施形態の物理量センサー1を適用することにより、物理量検出素子に発生する漏れ振動に基づいて故障診断に利用可能な信号を生成し、かつ、物理量検出信号に対する漏れ振動の影響を低減させることができるので、例えば、信頼性の高い移動体を実現することができる。
このような移動体400としては種々の移動体が考えられ、例えば、電気自動車等の自動車、ジェット機やヘリコプター等の航空機、船舶、ロケット、人工衛星等が挙げられる。
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
1…物理量センサー、5…MCU、10…基準電圧回路、20…駆動回路、21…電流電圧変換回路、22…AC増幅回路、23…振幅調整回路、24…移相回路、30…検出回路、31A…チャージアンプ回路、31B…チャージアンプ回路、32…差動増幅回路、33…加算回路、34A…AC増幅回路、34B…AC増幅回路、35A…同期検波回路、35B…同期検波回路、36A…平滑回路、36B…平滑回路、37A…可変増幅回路、37B…可変増幅回路、38A…フィルター回路、38B…フィルター回路、41…アナログ/デジタル変換回路、42…アナログ/デジタル変換回路、51…デジタル信号処理回路、52…デジタル信号処理回路、60…故障診断回路、70…インターフェース回路、80…記憶部、90…発振回路、100…物理量検出素子、101a,101b…駆動振動腕、102…検出振動腕、103…錘部、104a,104b…駆動用基部、105a,105b…連結腕、106…錘部、107…検出用基部、112,113…駆動電極、114,115…検出電極、116…共通電極、200…物理量検出回路、300…電子機器、310…物理量センサー、320…処理回路、330…操作部、340…ROM、350…RAM、360…通信部、370…表示部、400…移動体、410…物理量センサー、440,450,460…処理回路、470…バッテリー、480…ナビゲーション装置、1300…デジタルカメラ、1302…ケース、1304…受光ユニット、1306…シャッターボタン、1308…メモリー、1310…表示部、1312…ビデオ信号出力端子、1314…入出力端子、1430…テレビモニター、1440…パーソナルコンピューター
Claims (10)
- 物理量を検出する物理量検出素子から出力される第1の信号及び第2の信号に基づいて、前記物理量検出素子が検出した前記物理量に応じた物理量検出信号を生成する物理量検出回路であって、
前記第1の信号は、前記物理量検出素子が検出した前記物理量に基づく第1の物理量成分と、前記物理量検出素子の振動に基づく第1の振動漏れ成分とを含み、
前記第2の信号は、前記物理量検出素子が検出した前記物理量に基づく第2の物理量成分と、前記物理量検出素子の前記振動に基づく第2の振動漏れ成分とを含み、
前記第1の物理量成分と前記第2の物理量成分とは互いに逆相であり、
前記第1の振動漏れ成分と前記第2の振動漏れ成分とは互いに同相であり、
前記第1の信号及び前記第2の信号に基づく信号対を差動増幅する差動増幅回路と、
前記信号対を加算する加算回路と、
前記差動増幅回路の出力信号に基づく信号を同期検波して前記第1の物理量成分と前記第2の物理量成分との差に応じた信号を出力する第1の同期検波回路と、
前記加算回路の出力信号に基づく信号を同期検波して前記第1の振動漏れ成分と前記第2の振動漏れ成分との和に応じた信号を出力する第2の同期検波回路と、
前記第1の同期検波回路の出力信号に基づいて前記物理量検出信号を生成する物理量検出信号生成回路と、
前記第2の同期検波回路の出力信号に基づいて振動漏れ信号を生成する振動漏れ信号生成回路と、を備える、物理量検出回路。 - 前記第1の振動漏れ成分と前記第2の振動漏れ成分との差分量は実質的にゼロである、請求項1に記載の物理量検出回路。
- 前記第1の信号が入力される第1のチャージアンプ回路と、
前記第2の信号が入力される第2のチャージアンプ回路と、を備え、
前記信号対は、前記第1のチャージアンプ回路の出力信号及び前記第2のチャージアンプ回路の出力信号である、請求項1又は2に記載の物理量検出回路。 - 前記振動漏れ信号に基づいて故障診断を行う故障診断回路を備える、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の物理量検出回路。
- 前記故障診断回路は、前記振動漏れ信号の大きさが第1の範囲に含まれない場合に故障であると診断する、請求項4に記載の物理量検出回路。
- 前記第1の範囲は可変である、請求項5に記載の物理量検出回路。
- 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の物理量検出回路と、
前記物理量検出素子と、を備えた、物理量センサー。 - 請求項7に記載の物理量センサーと、
前記物理量センサーの出力信号に基づく処理を行う処理回路と、を備えた、電子機器。 - 請求項7に記載の物理量センサーと、
前記物理量センサーの出力信号に基づく処理を行う処理回路と、を備えた、移動体。 - 物理量を検出し、第1の信号及び第2の信号を出力する物理量検出素子と、前記第1の信号及び前記第2の信号に基づいて、前記物理量検出素子が検出した前記物理量に応じた物理量検出信号を生成する物理量検出回路と、を含む物理量センサーの故障診断方法であって、
前記第1の信号は、前記物理量検出素子が検出した前記物理量に基づく第1の物理量成分と、前記物理量検出素子の振動に基づく第1の振動漏れ成分とを含み、
前記第2の信号は、前記物理量検出素子が検出した前記物理量に基づく第2の物理量成分と、前記物理量検出素子の前記振動に基づく第2の振動漏れ成分とを含み、
前記第1の物理量成分と前記第2の物理量成分とは互いに逆相であり、
前記第1の振動漏れ成分と前記第2の振動漏れ成分とは互いに同相であり、
前記物理量検出素子から出力される前記第1の信号及び前記第2の信号に基づく信号対を差動増幅する差動増幅工程と、
前記信号対を加算する加算工程と、
前記差動増幅工程で得られた信号に基づく信号を同期検波して前記第1の物理量成分と前記第2の物理量成分との差に応じた信号を生成する第1の同期検波工程と、
前記加算工程で得られた信号に基づく信号を同期検波して前記第1の振動漏れ成分と前記第2の振動漏れ成分との和に応じた信号を生成する第2の同期検波工程と、
前記第1の同期検波工程で生成された信号に基づいて前記物理量検出信号を生成する物理量検出信号生成工程と、
前記第2の同期検波工程で生成された信号に基づいて振動漏れ信号を生成する振動漏れ信号生成工程と、
前記振動漏れ信号に基づいて、前記物理量センサーの故障診断を行う故障診断工程と、を含む、物理量センサーの故障診断方法。
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