JP5112039B2 - 自己診断回路及びこれを用いた角速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、水晶振動子等の圧電振動子を含めた発振回路全体の動作状態と、寄生発振及びスプリアス発振等の異常を判定する自己診断回路と、これを用いた角速度センサに関するものである。

従来、角速度センサに関する技術としては、例えば、次のような文献に記載されるものがあった。

特開２００３−８７０５７号公報 特開２００５−２０１６５２号公報

この特許文献１には、圧電振動子を用いた角速度センサの原理的な構成が記載されている。又、特許文献２には、音叉振動子上に特別の異常診断用信号入力電極や角速度検出の誤差を低減するための基準電位接地電極を設けることなしに、異常診断を行うことが可能な自己診断回路を備えた角速度センサの技術が記載されている。

図６は、特許文献２に記載された従来の自己診断回路を有する角速度センサの概略の構成図である。

この角速度センサは、非圧電材料であるシリコンからなる音叉振動子１０と、この音叉振動子１０を駆動するための発振回路２０と、音叉振動子１０の出力電荷から角速度を検出する角速度検出回路３０と、この角速度検出回路３０中の回路素子と共用される回路素子を有し、角速度センサ全体の動作の正常／異常状態を検出する自己診断回路４０とにより構成されている。

音叉振動子１０は、シリコンからなる基部１１を有し、この基部１１からＹ軸方向に、２本のアーム１２，１３が並列に延設されている。一方のアーム１２上には、Ｙ軸方向に延びる駆動電極１４−１、検出電極１５−１及び駆動電極１４−２が並列に配設され、他方のアーム１３上にも、Ｙ軸方向に延びる駆動電極１４−３、検出電極１５−２及び駆動電極１４−４が並列に配設されている。更に、２本のアーム１２，１３の付け根付近に、モニタ用電極１６が設けられている。

発振回路２０は、音叉振動子１０のモニタ用電極１６から出力されるモニタ電圧を入力する入力端子２１を有し、そのモニタ電圧を図示しない入力段の増幅器（以下「アンプ」という。）で増幅し、自動利得制御（以下「ＡＧＣ」という。）回路によりその増幅利得（ゲイン）を制御し、バンドパスフィルタ（以下「ＢＰＦ」という。）により所定の発振周波数帯域のみ抽出した後、出力段のアンプにより増幅して交流（以下「ＡＣ」という。）の駆動信号を出力端子２２又は２３から出力する回路である。出力端子２２から出力される駆動信号は、音叉振動子１０の駆動電極１４−１，１４−３へ供給され、出力端子２３から出力される駆動信号は、駆動電極１４−２，１４−４へ供給される。

角速度検出回路３０は、音叉振動子１０の検出電極１５−１，１５−２からそれぞれ出力される電荷をそれぞれ入力する入力端子３１，３２を有し、これらの入力端子３１，３２に、アンプ３３，３４がそれぞれ接続されている。アンプ３３及び３４の出力側には、差動アンプ３５、位相器３６、同期検波器３７、ローパスフィルタ（以下「ＬＰＦ」という。）３８、及び角速度信号兼自己診断信号出力用の出力端子３９が縦続接続されている。

自己診断回路４０は、角速度検出回路３０と共用するアンプ３３，３４及び差動アンプ３５を有し、これらの出力側に、全波整流回路４１，４２，４３がそれぞれ接続されている。各全波整流回路４１，４２，４３の出力側には、各基準電圧Ｖｔ１，Ｖｔ２，Ｖｔ３との比較を行う比較器４４，４５，４６がそれぞれ接続され、更に、これらの比較器４４，４５，４６の出力側に、自己診断信号出力用の出力端子４７，４８，３９がそれぞれ接続されている。

次に、図６の角速度センサの動作を説明する。
電源を投入すると、発振回路２０が発振して出力端子２２及び２３から同相の駆動信号が出力され、音叉振動子１０のアーム１２及び１３が同じＺ軸方向に撓む。アーム１２及び１３が同じＺ軸方向に撓むと、検出電極１５−１，１５−２から大きな電荷が出力される。この電荷は、アンプ３３，３４によりそれぞれ増幅された後、この増幅された２つの電圧が差動アンプ３５により差動増幅される。

各アンプ３３，３４，３５の出力電圧は、各全波整流回路４１，４２，４３により直流（以下「ＤＣ」という。）電圧にそれぞれ変換された後、各比較器４４，４５，４６によって各基準電圧Ｖｔ１，Ｖｔ２，Ｖｔ３とそれぞれ比較されて正常／異常の判定が行われ、これらの判定結果である自己診断信号（自己診断出力情報）が各出力端子４７，４８，３９からそれぞれ出力される。例えば、基準電圧Ｖｔ１，Ｖｔ２を２０００ｍＶに設定しておくと、検出電極１５−１，１５−２から規定の電荷が発生しないか、又は、断線が発生して２０００ｍＶを下回る場合は、各比較器４４，４５から異常と判断された自己診断信号が各出力端子４７，４８から出力される。基準電圧Ｖｔ３を１００ｍＶに設定しておくと、何らかの劣化により検出電極１５−１，１５−２から規定の電荷が発生せず、極わずかのアンバランスが発生し、設定された１００ｍＶを超えた場合には、異常と判断し、比較器４６から異常と判断された自己診断信号が出力端子３９から出力される。

このような自己診断が行われた後は、発振回路２０内の図示しないスイッチの切り替えにより、出力端子２２，２３から逆相の駆動信号が出力され、音叉振動子１０のアーム１２，１３がＸ軸方向に振動する。Ｙ軸周りに角速度が入力されると、検出電極１５−１，１５−２から電荷が出力される。この電荷は、アンプ３３，３４によりそれぞれ増幅され、この増幅された２つの電圧が差動アンプ３５により差動増幅され、この差動増幅された電圧が、位相器３６で位相調整が行われる。同期検波器３７は、発振回路２０内の図示しない前段のアンプの出力電圧に基づき、位相器３６の出力電圧を同期検波する。この同期検波結果から、ＬＰＦ３８により高周波成分が除去されて角速度信号が生成され、出力端子３９から出力される。

しかしながら、図６に示す従来の角速度センサ中の自己診断回路４０では、アンプ３３，３４及び差動アンプ３５の出力電圧を全波整流回路４１，４２，４３によりＤＣ電圧に変換しているので、振幅情報は得ることができるが、寄生発振やスプリアス発振等の周波数情報を得ることができないため、誤った自己診断結果を出力する虞があるという課題があった。

本発明は、前記従来回路が持つ課題を解決し、圧電振動子を含む発振回路全体の動作が、寄生発振あるいは圧電振動子の高調波成分等によるスプリアス発振であるか否かを的確に自己診断できる自己診断回路と、これを用いた角速度センサを提供することを目的とする。

本発明のうちの請求項１に係る発明は、第１及び第２の駆動電極と、第１及び第２の検出電極と、前記第１及び第２の検出電極に併設された第３及び第４の駆動電極とを有し、前記第１及び第２の駆動電極にＡＣ電圧が印加されると特定方向の振動が励起され、外部から角速度が加えられると前記第１及び第２の検出電極に前記角速度に応じた電荷が発生してコリオリ検出電流が出力され、且つ、前記第３及び第４の駆動電極にＡＣ電圧が印加されると前記特定方向とは異なる方向の振動が励起されて前記角速度が加わった状態と等価な状態が得られ、前記第１及び第２の検出電極から前記コリオリ検出電流と同等の電流が出力される圧電振動子に対する自己診断回路であって、次のような回路を備えている。

即ち、請求項１に係る発明の自己診断回路では、回路の動作を制御する制御回路と、前記制御回路によって制御される第１のループゲイン変更回路を有し、前記第１のループゲイン変更回路によりループゲイン変更前の値と変更後の値とでそれぞれ発振して前記第１及び第２の駆動電極を駆動する第１の発振回路と、前記制御回路によって計数（以下「カウント」という。）タイミングが制御され、前記第１のループゲイン変更回路のループゲイン変更前の値で発振する前記第１の発振回路の発振周波をカウントする第１のカウンタと、前記制御回路によってカウントタイミングが制御され、前記第１のループゲイン変更回路のループゲイン変更後の値で発振する前記第１の発振回路の発振周波をカウントする第２のカウンタと、前記第１及び第２のカウンタのカウント値に対する判定を行う第１の判定回路とを備えている。

更に、前記制御回路によって制御される第２のループゲイン変更回路を有し、前記第２のループゲイン変更回路によりループゲイン変更前の値と変更後の値とでそれぞれ発振して前記第３及び第４の駆動電極を駆動する第２の発振回路と、前記制御回路によってカウントタイミングが制御され、前記第２のループゲイン変更回路のループゲイン変更前の値で発振する前記第２の発振回路の発振周波をカウントする第３のカウンタと、前記制御回路によってカウントタイミングが制御され、前記第２のループゲイン変更回路のループゲイン変更後の値で発振する前記第２の発振回路の発振周波をカウントする第４のカウンタと、前記第３及び第４のカウンタのカウント値に対する判定を行う第２の判定回路と、前記第１及び第２の検出電極からの出力電流を検出する検出回路と、前記第１の発振回路の出力値、前記第１の判定回路の判定結果、前記第２の判定回路の判定結果、及び前記検出回路の検出結果に対するそれぞれの診断の一致を判定するゲート回路とが設けられている。

請求項２に係る発明は、請求項１と同様の圧電振動子に対する自己診断回路であって、回路の動作を制御する制御回路と、前記制御回路によって制御される第１のループゲイン変更回路を有し、前記第１のループゲイン変更回路によりループゲイン変更前の値と変更後の値とでそれぞれ発振して前記第１及び第２の駆動電極を駆動する第１の発振回路と、前記制御回路によってカウントタイミングが制御され、前記第１のループゲイン変更回路のループゲイン変更前の値と変更後の値とでそれぞれ発振する前記第１の発振回路における各発振周波をアップダウンカウントする第１のアップダウンカウンタと、前記第１のアップダウンカウンタのカウント値に対する判定を行う第１の判定回路とを備えている。

更に、前記制御回路によって制御される第２のループゲイン変更回路を有し、前記第２のループゲイン変更回路によりループゲイン変更前の値と変更後の値とでそれぞれ発振して前記第３及び第４の駆動電極を駆動する第２の発振回路と、前記制御回路によってカウントタイミングが制御され、前記第２のループゲイン変更回路のループゲイン変更前の値と変更後の値とでそれぞれ発振する前記第２の発振回路における各発振周波をアップダウンカウントする第２のアップダウンカウンタと、前記第２のアップダウンカウンタのカウント値に対する判定を行う第２の判定回路と、前記第１及び第２の検出電極からの出力電流を検出する検出回路と、前記第１の発振回路の出力値、前記第１の判定回路の判定結果、前記第２の判定回路の判定結果、及び前記検出回路の検出結果に対するそれぞれの診断の一致を判定するゲート回路とが設けられている。

請求項３に係る発明の角速度センサは、請求項１又は２記載の圧電振動子及び自己診断回路を備え、前記第１の発振回路により前記第１及び第２の駆動電極が駆動された状態で、前記圧電振動子に加わる角速度によって前記第１及び第２の検出電極から出力される前記コリオリ検出電流を、前記検出回路により検出して前記角速度を求めるようにしている。

請求項１に係る発明の自己診断回路によれば、圧電振動子からは振幅情報だけではなく、周波数情報を得ることができるので、従来の回路では困難であった寄生発振及び圧電振動子の高調波成分等によるスプリアス発振の判定が可能である。更に、カウンタによるディジタル処理を行っているので、アナログフィルタでは得ることができない理想フィルタ特性を備え、正確な寄生発振及びスプリアス発振の判定が可能になり、自己診断機能の信頼度が極めて高くなる。又、本発明の自己診断回路は、集積回路により構成することが容易であり、特に、相補型ＭＯＳトランジスタ（以下「ＣＭＯＳ」という。）にて構成した場合には、非動作時の消費電力を極めて小さくすることが可能である。加えて本発明の自己診断回路は、例えば、カウンタに用いるフリップフロップ回路（以下「ＦＦ」という。）と論理ゲートを主体として構成できるので、動作マージンが十分に確保でき、自己診断回路としての信頼度が極めて高い。

請求項２に係る発明の自己診断回路によれば、請求項１に係る発明の効果に加え、使用するカウンタの個数を減少でき、更に、アップダウンカウンタを用いているので、カウント差分が自動的に得られ、既に判定回路の判定プロセスの大半が実行されていることになり、判定回路を簡略化できて大幅に小型化することができる。そのため、集積回路で構成した場合に、チップサイズを小さくすることができ、極めて経済的である。

請求項３に係る発明によれば、請求項１又は２の自己診断回路を用いて角速度センサを構成したので、車載用等の安全性に対する装置の信頼度保証を極めて強く要求されるシステムを構築することができる。

本発明の新規な特徴は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、より完全に明らかになるであろう。但し、以下の図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

（実施例１の構成）
図１は、本発明の実施例１を示す自己診断回路を有する角速度センサの概略の構成図、及び、図２は、本発明の実施例１における図１中の圧電振動子の構成例を示す斜視図である。

図１に示す角速度センサは、圧電振動子５０と、この圧電振動子５０に接続され、角速度検出機能を有する自己診断回路６０とを備えている。

圧電振動子５０は、図２において全体の斜視図が示され、図１においてその図２中のＩ１−Ｉ２線断面図が示されている。圧電振動子５０は、圧電材料（例えば、水晶）で形成された音叉型の振動子であり、水晶からなる板状の基部５１を有し、この基部５１からＹ軸方向に、２本の角柱状のＸ振動アーム５２と角柱状のＺ振動アーム５３とが並列に延設されている。Ｘ振動アーム５２とＺ振動アーム５３は、Ｘ軸方向において対向して配置されている。Ｘ振動アーム５２の対向する側面には、組になってＹ軸方向に延びる第１の駆動電極５４−１ａ，５４−１ｂと、組になってＹ軸方向に延びる第２の駆動電極５４−２ａ，５４−２ｂとが、それぞれ形成されている。Ｚ振動アーム５３の対向する側面にも、組になってＹ軸方向に延びる自己診断用の第３の駆動電極５４−３ａ，５４−３ｂと、組になってＹ軸方向に延びる自己診断用の第４の駆動電極５４−４ａ，５４−４ｂとが、それぞれ形成され、更に、組になってＹ軸方向に延びる第１の検出電極５５−１ａ，５５−１ｂと、組になってＹ軸方向に延びる第２の検出電極５５−２ａ，５５−２ｂとが、それぞれ併設されている。

この圧電振動子５０では、自己診断回路６０から供給されるＡＣ電圧が第１の駆動電極５４−１ａ，５４−１ｂ及び第２の駆動電極５４−２ａ，５４−２ｂに印加されると、Ｘ振動アーム５２に対して特定方向（Ｘ軸方向）の振動が励起され、外部からＹ軸の回りに角速度が加えられると、Ｚ軸方向に、その角速度の大きさに応じたコリオリ力が発生し、第１の検出電極５５−１ａ，５５−１ｂ及び第２の検出電極５５−２ａ，５５−２ｂに角速度（即ち、コリオリ力）に応じた電荷が発生してコリオリ検出電流が出力され、自己診断回路６０へ与えられる。又、自己診断回路６０から供給されるＡＣ電圧が自己診断用の第３の駆動電極５４−３ａ，５４−３ｂ及び自己診断用の第４の駆動電極５４−４ａ，５４−４ｂに印加されると、Ｚ振動アーム５３に対して前記特定方向とは異なる方向（Ｚ軸方向）の振動が励起されて角速度が加わった状態と等価な状態が得られ、第１の検出電極５５−１ａ，５５−１ｂ及び第２の検出電極５５−２ａ，５５−２ｂからコリオリ検出電流と同等の電流が出力され、自己診断回路６０へ与えられる。

自己診断回路６０は、他の回路の動作を制御するために順序回路等で構成された制御回路６１を有し、この制御回路６１に、第１、第２の発振回路６２−１，６２−２、及び第１、第２、第３、第４のカウンタ６３−１，６３−２，６３−３，６３−４が接続されている。第１及び第２のカウンタ６３−１，６３−２の出力側には、第１の判定回路６４−１が接続され、更に、第３及び第４のカウンタ６３−３，６３−４の出力側にも、第２の判定回路６４−２が接続されている。この自己診断回路６０には、更に、角速度検出用の検出回路６５が設けられている。これらの第１、第２の発振回路６２−１，６２−２、第１、第２の判定回路６４−１，６４−２、及び検出回路６５の出力側には、ゲート回路６６及び角速度検出出力端子６５ａが接続され、このゲート回路６６の出力側に、自己診断用出力端子６７が接続されている。

第１の発振回路６２−１は、第１の駆動電極５４−１ａ，５４−１ｂ、第２の駆動電極５４−２ａ，５４−２ｂ、及びゲート回路６６に接続され、制御回路６１により制御される演算増幅器（以下「オペアンプ」という。）等の帰還抵抗値変更回路等で構成された第１のループゲイン変更回路６２−１ａを有し、この第１のループゲイン変更回路６２−１ａによりループゲイン変更前の値と変更後の値とでそれぞれ発振してその第１の駆動電極５４−１ａ，５４−１ｂ及び第２の駆動電極５４−２ａ，５４−２ｂを駆動する回路である。この第１の発振回路６２−１は、例えば、第１の駆動電極５４−１ａ，５４−１ｂの出力電流を電圧に変換してＡＣ電圧を出力する電流／電圧変換器（以下「Ｉ／Ｖ変換器」という。）、そのＡＣ電圧の低周波成分のみを通過させるＬＰＦ、及びこのＬＰＦの出力側に接続されたＡＧＣ回路を通して駆動電極５４−２ａ、５４−２ｂに帰還を掛けると共に、制御回路６１からの制御によって第１の発振回路６２−１の第１のループゲインＧ１を自己診断時にのみ一時的に変更する第１のループゲイン変更回路６２−１ａにより構成されている。

第２の発振回路６２−２は、第３の駆動電極５４−３ａ，５４−３ｂ及び第４の駆動電極５４−４ａ，５４−４ｂに接続され、制御回路６１により制御されるオペアンプ等の帰還抵抗値変更回路等で構成された第２のループゲイン変更回路６２−２ａを有し、この第２のループゲイン変更回路６２−２ａにより第２の発振回路６２−２の第２のループゲインＧ２を自己診断時にのみ一時的に変更した状態で発振してその第３の駆動電極５４−３ａ，５４−３ｂ及び第４の駆動電極５４−４ａ，５４−４ｂを駆動する回路であり、例えば、第１の発振回路６２−１とほぼ同様の回路で構成されている。

第１のカウンタ６３−１は、この入力側が第２の駆動電極５４−２ａ，５４−２ｂに接続され、制御回路６１によりカウントタイミングが制御されて、第１のループゲインＧ１の変更前の値で発振する第１の発振回路６２−１の発振周波をカウントする回路であり、例えば、ＦＦ及び論理ゲート等により構成されている。第２のカウンタ６３−２は、この入力側が第２の駆動電極５４−２ａ，５４−２ｂに接続され、制御回路６１によりカウントタイミングが制御されて、第１のループゲインＧ１の変更後の値で発振する第１の発振回路６２−１の発振周波をカウントする回路であり、例えば、第１のカウンタ６３−１とほぼ同様の回路で構成されている。

第３のカウンタ６３−３は、この入力側が第３の駆動電極５４−３ａ，５４−３ｂに接続され、制御回路６１によりカウントタイミングが制御されて、第２のループゲインＧ２の変更前の値で発振する第２の発振回路６２−２の発振周波をカウントする回路である。更に、第４のカウンタ６３−４は、この入力側が第３の駆動電極５４−３ａ，５４−３ｂに接続され、制御回路６１によりカウントタイミングが制御されて、第２のループゲインＧ２の変更後の値で発振する第２の発振回路６２−２の発振周波をカウントする回路である。これらの第３及び第４のカウンタ６３−３，６３−４は、例えば、第１のカウンタ６３−１とほぼ同様の回路でそれぞれ構成されている。

第１の判定回路６４−１は、第１のカウンタ６３−１のカウント値と第２のカウンタ６３−２のカウント値とを判定し、第１のループゲインＧ１の変更前後のカウント値とから第１の発振回路６２−１が正常発振又は異常発振しているか否かを判定する回路である。更に、第２の判定回路６４−２は、第３のカウンタ６３−３のカウント値と第４のカウンタ６３−４のカウント値とを判定し、第２のループゲインＧ２の変更前後のカウント値とから第２の発振回路６２−２が正常発振又は異常発振しているか否かを判定する回路である。これらの第１及び第２の判定回路６４−１，６４−２は、例えば、論理ゲート等によりそれぞれ構成されている。

角速度検出用の検出回路６５は、この入力側が第１の検出電極５５−１ａ，５５−１ｂ及び第２の検出電極５５−２ａ，５５−２ｂに接続され、出力側がゲート回路６６及び角速度検出出力端子６５ａに接続され、その第１、第２の検出電極５５−１ａ，５５−１ｂ，５５−２ａ，５５−２ｂの出力電流（即ち、コリオリ検出電流及びこれと同等の電流）を検出して角速度検出結果等を出力する回路である。この検出回路６５は、例えば、第１、第２の検出電極５５−１ａ，５５−１ｂ，５５−２ａ，５５−２ｂの出力電流を入力してＡＣ検出電圧を検出する角速度検出部と、第１の発振回路６２−１から出力されたＡＣ電圧に基づいてそのＡＣ検出電圧の同期検波を行う同期検波部と、この同期検波部の同期検波結果をＤＣ電圧に変換して角速度検出結果等をゲート回路６６及び角速度検出出力端子６５ａへ出力するＤＣ化出力部とにより構成されている。

ゲート回路６６は、第１の発振回路６２−１の出力値、第１の判定回路６４−１の判定結果、第２の判定回路６４−２の判定結果、及び検出回路６５の検出結果に対するそれぞれの正常出力値の一致判定を行って自己診断用出力端子６７から出力する回路であり、排他的論理和ゲート又は排他的否定論理和ゲート等により構成されている。

ここで、圧電振動子５０、第１の発振回路６２−１、及び検出回路６５により、角速度センサが構成される。この角速度センサでは、第１の発振回路６２−１により第１の駆動電極５４−１ａ，５４−１ｂ及び第２の駆動電極５４−２ａ，５４−２ｂが駆動された状態で、圧電振動子５０に加わる角速度によって第１の検出電極５５−１ａ，５５−１ｂ及び第２の検出電極５５−２ａ，５５−２ｂから出力されるコリオリ検出電流を、検出回路６５により検出して角速度を求める機能を有している。

（実施例１の動作）
図３は、図１の動作説明図である。この図３を参照しつつ、自己診断動作を説明する。
ステップＳ１において、自己診断回路６０に電源が投入されると、一方のステップＳ２−１において、第１の発振回路６２−１に接続された圧電振動子５０のＸ振動アーム５２が振動し、発振する。ステップＳ２−２において、制御回路６１の制御により、第１のカウンタ６３−１のゲートを一定時間開き、Ｘ振動アーム５２の発振周波をカウントする。ステップＳ２−３において、制御回路６１の制御により、第１の発振回路６２−１中の第１のループゲイン変更回路６２−１ａによって発振帰還ループの第１のループゲインＧ１を変更した状態で、次のステップＳ２−４において、制御回路６１の制御により、第２のカウンタ６３−２のゲートを、第１のカウンタ６３−１と同じ時間だけ開き、Ｘ振動アーム５２の発振周波をカウントする。そして、ステップＳ２−５において、第１のカウンタ６３−１と第２のカウンタ６３−２のカウント結果を、第１の判定回路６４−１によって、第１のループゲインＧ１の変更前後の周波数変化は、正常発振ならばｐｐｍオーダ（１／１００万）であることを利用して、Ｘ振動アーム５２を含む発振回路全体の寄生発振であるかどうかの判定を行うと共に、基本波発振が行われていてスプリアス発振ではないかどうかを判定する。

電源投入後の他方のステップＳ３−１では、第２の発振回路６２−２に接続された圧電振動子５０のＺ振動アーム５３が振動し、発振する。ステップＳ３−２において、制御回路６１の制御により、第３のカウンタ６３−３のゲートを一定時間開き、Ｚ振動アーム５３の発振周波をカウントする。ステップＳ３−３において、制御回路６１の制御により、第２の発振回路６２−２中の第２のループゲイン変更回路６２−２ａによって、発振帰還ループの第２のループゲインＧ２を変更した状態で、次のステップＳ３−４において、制御回路６１の制御により、第４のカウンタ６３−４のゲートを、第３のカウンタ６３−３と同じ時間だけ開き、Ｚ振動アーム５３の発振周波をカウントする。そして、ステップＳ３−５において、第３のカウンタ６３−３と第４のカウンタ６３−４のカウント結果を、第２の判定回路６４−２によって、第２のループゲインＧ２の変更前後の周波数変化は、正常発振ならばｐｐｍオーダであることを利用して、Ｚ振動アーム５３を含む発振回路全体の寄生発振であるかどうかの判定を行うと共に、基本波発振が行われていてスプリアス発振ではないかどうかを判定する。

更に、ステップＳ４において、第２の発振回路６２−２により、Ｚ振動アーム５３が振動すると、第１の検出電極５５−１ａ，５５−１ｂと第２の検出電極５５−２ａ，５５−２ｂに電荷が発生してコリオリ検出電流と同等の電流が出力されるので、この電流を検出回路６５によって検出する。その後、ステップＳ５において、第１の発振回路６２−１、第１の判定回路６４−１、第２の判定回路６４−２、及び検出回路６５の出力結果を、ゲート回路６６によって診断の一致を判定し、自己診断用出力端子６７から全体判定結果を出力する。

なお、角速度を検出する場合は、ステップＳ２−１においてＸ振動アーム５２を発振させ、圧電振動子５０に外部から角速度が加えられると、ステップＳ４における検出回路６５の動作により、第１及び第２の検出電極５５−１ａ，５５−１ｂ，５５−２ａ，５５−２ｂから出力されるコリオリ検出電流から、角速度を検出することができる。

（実施例１の効果）
本実施例１によれば、次の（ａ）〜（ｅ）のような効果がある。

（ａ） 圧電振動子５０からは振幅情報だけではなく、周波数情報を得ることができるので、従来技術では困難であった寄生発振及び振動子の高調波成分等によるスプリアス発振の判定が可能である。又、ゲート回路６６を用いて自己診断出力を１本化しているが、ゲート回路６６を通さないで出力することが可能であり、各々の部分の個別詳細情報を得ることが可能である。

（ｂ） カウンタ６３−１〜６３−４によるディジタル処理を行っているので、アナログフィルタでは得ることができない理想フィルタ特性を備え、正確な寄生発振及びスプリアス発振の判定が可能になり、自己診断機能の信頼度が極めて高くなる。

（ｃ） 集積回路で構成することが容易であり、例えば、それをＣＭＯＳ回路で構成した場合には、非動作時の消費電力を極めて小さくすることが可能である。

（ｄ） 自己診断回路６０は、カウンタ６３−１〜６３−４に用いるＦＦと論理ゲートを主体として構成できるので、動作マージンが十分に確保でき、自己診断回路６０としての信頼度が極めて高い。

（ｅ） 自己診断回路６０中の第１の発振回路６２−１及び検出回路６５を用いて角速度センサを構成できるので、角速度センサの一部を共通利用した経済的な自己診断回路６０を構築することが可能である。更に、車載用等の安全性に対する装置の信頼度保証を極めて強く要求されるシステムを構築することが可能になる。

（実施例２の構成）
図４は、本発明の実施例２を示す自己診断回路を有する角速度センサの概略の構成図であり、実施例１を示す図１中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。

本実施例２の角速度センサは、実施例１と同様の圧電振動子５０と、この圧電振動子５０に接続され、実施例１の自己診断回路６０とは構成の異なる自己診断回路６０Ａとを備えている。

自己診断回路６０Ａは、実施例１の制御回路６１とは制御順序（以下「制御シーケンス」という。）が異なる制御回路６１Ａを有している。この制御回路６１Ａには、実施例１と同様の第１及び第２の発振回路６２−１，６２−２と、実施例１の第１及び第２のカウンタ６３−１，６３−２に代えて設けられた第１のアップダウンカウンタ６３−１２と、実施例１の第３及び第４のカウンタ６３−３，６３−４に代えて設けられた第２のアップダウンカウンタ６３−３４とが接続されている。第１及び第２のアップダウンカウンタ６３−１２，６３−３４の出力側には、実施例１の第１及び第２の判定回路６４−１，６４−２とは判定機能が異なる第１及び第２の判定回路６４−１Ａ、６４−２Ａがそれぞれ接続されている。更に、実施例１と同様の検出回路６５が設けられ、これらの検出回路６５、第１の発振回路６２−１、及び第１、第２の判定回路６４−１Ａ，６４−２Ａの出力側には、実施例１と同様のゲート回路６６が接続され、更に、このゲート回路６６の出力側に、実施例１と同様の自己診断用出力端子６７が接続されている。

第１の発振回路６２−１は、圧電振動子５０の第１の駆動電極５４−１ａ，５４−１ｂ、第２の駆動電極５４−２ａ，５４−２ｂ、及びゲート回路６６に接続され、制御回路６１Ａにより制御される第１のループゲイン変更回路６２−１ａを有し、この第１のループゲイン変更回路６２−１ａにより第１の発振回路６２−１の第１のループゲインＧ１を自己診断時にのみ一時的に変更した状態で発振してその第１の駆動電極５４−１ａ，５４−１ｂ及び第２の駆動電極５４−２ａ，５４−２ｂを駆動する回路である。同様に、第２の発振回路６２−２は、圧電振動子５０の第３の駆動電極５４−３ａ，５４−３ｂ、及び第４の駆動電極５４−４ａ，５４−４ｂに接続され、制御回路６１Ａにより制御される第２のループゲイン変更回路６２−２ａを有し、この第２のループゲイン変更回路６２−２ａにより第２の発振回路６２−２の第２のループゲインＧ２を自己診断時にのみ一時的に変更した状態で発振してその第３の駆動電極５４−３ａ，５４−３ｂ及び第４の駆動電極５４−４ａ，５４−４ｂを駆動する回路である。

第１のアップダウンカウンタ６３−１２は、この入力側が第２の駆動電極５４−２ａ，５４−２ｂに接続され、制御回路６１Ａによりカウントタイミングが制御されて、第１のループゲインＧ１の変更前の値と変更後の値とでそれぞれ発振する第１の発振回路６２−１における各発振周波をアップダウンカウントする回路であり、例えば、ＦＦ及び論理ゲート等により構成されている。第２のアップダウンカウンタ６３−３４は、この入力側が第３の駆動電極５４−３ａ，５４−３ｂに接続され、制御回路６１Ａによりカウントタイミングが制御されて、第２のループゲインＧ２の変更前の値と変更後の値とでそれぞれ発振する第２の発振回路６２−２における各発振周波をアップダウンカウントする回路であり、例えば、第１のアップダウンカウンタ６３−１２とほぼ同様の回路で構成されている。

第１の判定回路６４−１Ａは、第１のアップダウンカウンタ６３−１２におけるアップカウント値とダウンカウント値とを判定し、第１のループゲインＧ１の変更前後の周波数変化から第１の発振回路６２−１が正常発振又は異常発振しているか否かを判定する回路である。更に、第２の判定回路６４−２Ａは、第２のアップダウンカウンタ６３−３４におけるアップカウント値とダウンカウント値とを判定し、第２のループゲインＧ２の変更前後の周波数変化から第２の発振回路６２−２が正常発振又は異常発振しているか否かを判定する回路である。これらの第１及び第２の判定回路６４−１Ａ，６４−２Ａは、例えば、論理ゲート等によりそれぞれ構成されている。その他の構成は、実施例１と同様である。

（実施例２の動作）
図５は、図４の動作説明図である。この図５を参照しつつ、自己診断動作を説明する。
ステップＳ１１において、自己診断回路６０Ａに電源が投入されると、一方のステップＳ１２−１において、第１の発振回路６２−１に接続された圧電振動子５０のＸ振動アーム５２が振動し、発振する。ステップＳ１２−２において、制御回路６１Ａの制御により、第１のアップダウンカウンタ６３−１２のゲートを一定時間開いてアップカウントを行い、Ｘ振動アーム５２の発振周波をカウントする。ステップＳ１２−３において、制御回路６１Ａの制御により、第１の発振回路６２−１中の第１のループゲイン変更回路６２−１ａによって発振帰還ループの第１のループゲインＧ１を変更した状態で、次のステップＳ１２−４において、制御回路６１Ａの制御により、第１のアップダウンカウンタ６３−１２のゲートを、アップカウントと同じ時間だけ開いてダウンカウントを行い、Ｘ振動アーム５２の発振周波をカウントする。そして、ステップＳ１２−５において、第１のアップダウンカウンタ６３−１２のアップカウント結果とダウンカウント結果とを、第１の判定回路６４−１Ａによって、第１のループゲインＧ１の変更前後の周波数変化は、正常発振ならばｐｐｍオーダであることを利用して、Ｘ振動アーム５２を含む発振回路全体の寄生発振であるかどうかの判定を行うと共に、基本波発振が行われていてスプリアス発振ではないかどうかを判定する。

電源投入後の他方のステップＳ１３−１では、第２の発振回路６２−２に接続された圧電振動子５０のＺ振動アーム５３が振動し、発振する。ステップＳ１３−２において、制御回路６１Ａの制御により、第２のアップダウンカウンタ６３−３４のゲートを一定時間開いてアップカウントを行い、Ｚ振動アーム５３の発振周波をカウントする。ステップＳ１３−３において、制御回路６１Ａの制御により、第２の発振回路６２−２中の第２のループゲイン変更回路６２−２ａによって、発振帰還ループの第２のループゲインＧ２を変更した状態で、次のステップＳ１３−４において、制御回路６１Ａの制御により、第２のアップダウンカウンタ６３−３４のゲートを、アップカウントと同じ時間だけ開いてダウンカウントを行い、Ｚ振動アーム５３の発振周波をカウントする。そして、ステップＳ１３−５において、第２のアップダウンカウンタ６３−３４のアップカウント結果とダウンカウント結果とを、第２の判定回路６４−２Ａによって、第２のループゲインＧ２の変更前後の周波数変化は、正常発振ならばｐｐｍオーダであることを利用して、Ｚ振動アーム５３を含む発振回路全体の寄生発振であるかどうかの判定を行うと共に、基本波発振が行われていてスプリアス発振ではないかどうかを判定する。

更に、ステップＳ１４において、第２の発振回路６２−２により、Ｚ振動アーム５３が振動すると、第１の検出電極５５−１ａ，５５−１ｂと第２の検出電極５５−２ａ，５５−２ｂに電荷が発生してコリオリ検出電流と同等の電流が出力されるので、この電流を検出回路６５によって検出する。その後、ステップＳ１５において、第１の発振回路６２−１、第１の判定回路６４−１Ａ、第２の判定回路６４−２Ａ、及び検出回路６５の出力結果を、ゲート回路６６によって診断の一致を判定し、自己診断用出力端子６７から全体判定結果を出力する。

なお、角速度を検出する場合は、ステップＳ１２−１においてＸ振動アーム５２を発振させ、圧電振動子５０に外部から角速度が加えられると、ステップＳ１４における検出回路６５の動作により、第１及び第２の検出電極５５−１ａ，５５−１ｂ，５５−２ａ，５５−２ｂから出力されるコリオリ検出電流から、角速度を角速度検出出力端子６５ａから検出することができる。

（実施例２の効果）
本実施例２によれば、実施例１の効果（ａ）〜（ｅ）と同様の効果がある他に、更に、次の（ｆ）のような効果がある。

（ｆ） 第１、第２のアップダウンカウンタ６３−１２，６３−３４を用いているので、使用するカウンタの個数を減少できる。更に、アップカウントとダウンカウントのカウント差分が自動的に得られるため、既に判定回路６４−１Ａ，６４−２Ａの判定プロセスの大半が実行されていることになり、判定回路６４−１Ａ，６４−２Ａの回路規模を大幅に小型化することができる。そのため、集積回路で構成した場合にはチップサイズを小さくすることができるので、極めて経済的である。

（変形例）
本発明は上記実施例１、２に限定されず、種々の変形が可能である。この変形例としては、例えば次の（１）〜（４）のようなものがある。

（１） 圧電振動子５０は、音叉型水晶振動子を例にとって説明したが、音叉以外の音片型、Ｈ型、リング型等の他の形式のものを用いたり、振動子材料として水晶以外の他の圧電材料を用いることも可能である。更に、駆動電極５４−１ａ，５４−１ｂ〜５４−４ａ，５４−４ｂ、及び検出電極５５−１ａ，５５−１ｂ，５５−２ａ，５５−２ｂの数や配置位置等は、適宜変更可能である。

（２） 図３及び図５に示す自己診断回路６０，６０Ａの動作シーケンスでは、Ｘ振動アーム５２とＺ振動アーム５３の並列動作を行うようになっているが、制御回路６１，６１Ａの制御タイミングを直列動作に変更することも可能である。

（３） 自己診断回路６０，６０Ａでは、寄生発振及びスプリアス発振判定のために、第１の発振回路６２−１中の第１のループゲイン変更回路６２−１ａと、第２の発振回路６２−２中の第２のループゲイン変更回路６２−２ａとを用いているが、これらを圧電振動子５０の各電極に容量等の擬似負荷を接続する方法に変更することも可能である。

（４） 実施例１、２の自己診断回路６０，６０Ａは、角速度センサ以外の他の回路や装置等に設けることも可能である。

本発明の実施例１を示す自己診断回路を有する角速度センサの概略の構成図である。 本発明の実施例１における図１中の圧電振動子の構成例を示す斜視図である。 図１の動作説明図である。 本発明の実施例２を示す自己診断回路を有する角速度センサの概略の構成図である。 図４の動作説明図である。 従来の自己診断回路を有する角速度センサの概略の構成図である。

符号の説明

５０ 圧電振動子
５２ Ｘ振動アーム
５３ Ｚ振動アーム
５４−１ａ，５４−１ｂ〜５４−４ａ，５４−４ｂ 駆動電極
５５−１ａ，５５−１ｂ，５５−２ａ，５５−２ｂ 検出電極
６０，６０Ａ 自己診断回路
６１，６１Ａ 制御回路
６２−１，６２−２ 発振回路
６２−１ａ，６２−２ａ ループゲイン変更回路
６３−１〜６３−４ カウンタ
６３−１２，６３−３４ アップダウンカウンタ
６４−１，６４−２，６４−１Ａ，６４−２Ａ 判定回路
６５ 検出回路
６５ａ 角速度検出出力端子
６６ ゲート回路
６７ 自己診断用出力端子

Claims (3)

1. 第１及び第２の駆動電極と、第１及び第２の検出電極と、前記第１及び第２の検出電極に併設された第３及び第４の駆動電極とを有し、前記第１及び第２の駆動電極に交流電圧が印加されると特定方向の振動が励起され、外部から角速度が加えられると前記第１及び第２の検出電極に前記角速度に応じた電荷が発生してコリオリ検出電流が出力され、且つ、前記第３及び第４の駆動電極に交流電圧が印加されると前記特定方向とは異なる方向の振動が励起されて前記角速度が加わった状態と等価な状態が得られ、前記第１及び第２の検出電極から前記コリオリ検出電流と同等の電流が出力される圧電振動子に対する自己診断回路であって、
   回路の動作を制御する制御回路と、
   前記制御回路によって制御される第１のループゲイン変更回路を有し、前記第１のループゲイン変更回路によりループゲイン変更前の値と変更後の値とでそれぞれ発振して前記第１及び第２の駆動電極を駆動する第１の発振回路と、
   前記制御回路によって計数タイミングが制御され、前記第１のループゲイン変更回路のループゲイン変更前の値で発振する前記第１の発振回路の発振周波を計数する第１のカウンタと、
   前記制御回路によって計数タイミングが制御され、前記第１のループゲイン変更回路のループゲイン変更後の値で発振する前記第１の発振回路の発振周波を計数する第２のカウンタと、
   前記第１及び第２のカウンタの計数値に対する判定を行う第１の判定回路と、
   前記制御回路によって制御される第２のループゲイン変更回路を有し、前記第２のループゲイン変更回路によりループゲイン変更前の値と変更後の値とでそれぞれ発振して前記第３及び第４の駆動電極を駆動する第２の発振回路と、
   前記制御回路によって計数タイミングが制御され、前記第２のループゲイン変更回路のループゲイン変更前の値で発振する前記第２の発振回路の発振周波を計数する第３のカウンタと、
   前記制御回路によって計数タイミングが制御され、前記第２のループゲイン変更回路のループゲイン変更後の値で発振する前記第２の発振回路の発振周波を計数する第４のカウンタと、
   前記第３及び第４のカウンタの計数値に対する判定を行う第２の判定回路と、
   前記第１及び第２の検出電極からの出力電流を検出する検出回路と、
   前記第１の発振回路の出力値、前記第１の判定回路の判定結果、前記第２の判定回路の判定結果、及び前記検出回路の検出結果に対するそれぞれの診断の一致を判定するゲート回路と、
   を備えたことを特徴とする自己診断回路。
2. 第１及び第２の駆動電極と、第１及び第２の検出電極と、前記第１及び第２の検出電極に併設された第３及び第４の駆動電極とを有し、前記第１及び第２の駆動電極に交流電圧が印加されると特定方向の振動が励起され、外部から角速度が加えられると前記第１及び第２の検出電極に前記角速度に応じた電荷が発生してコリオリ検出電流が出力され、且つ、前記第３及び第４の駆動電極に交流電圧が印加されると前記特定方向とは異なる方向の振動が励起されて前記角速度が加わった状態と等価な状態が得られ、前記第１及び第２の検出電極から前記コリオリ検出電流と同等の電流が出力される圧電振動子に対する自己診断回路であって、
   回路の動作を制御する制御回路と、
   前記制御回路によって制御される第１のループゲイン変更回路を有し、前記第１のループゲイン変更回路によりループゲイン変更前の値と変更後の値とでそれぞれ発振して前記第１及び第２の駆動電極を駆動する第１の発振回路と、
   前記制御回路によって計数タイミングが制御され、前記第１のループゲイン変更回路のループゲイン変更前の値と変更後の値とでそれぞれ発振する前記第１の発振回路における各発振周波をアップダウン計数する第１のアップダウンカウンタと、
   前記第１のアップダウンカウンタの計数値に対する判定を行う第１の判定回路と、
   前記制御回路によって制御される第２のループゲイン変更回路を有し、前記第２のループゲイン変更回路によりループゲイン変更前の値と変更後の値とでそれぞれ発振して前記第３及び第４の駆動電極を駆動する第２の発振回路と、
   前記制御回路によって計数タイミングが制御され、前記第２のループゲイン変更回路のループゲイン変更前の値と変更後の値とでそれぞれ発振する前記第２の発振回路における各発振周波をアップダウン計数する第２のアップダウンカウンタと、
   前記第２のアップダウンカウンタの計数値に対する判定を行う第２の判定回路と、
   前記第１及び第２の検出電極からの出力電流を検出する検出回路と、
   前記第１の発振回路の出力値、前記第１の判定回路の判定結果、前記第２の判定回路の判定結果、及び前記検出回路の検出結果に対するそれぞれの診断の一致を判定するゲート回路と、
   を備えたことを特徴とする自己診断回路。
3. 請求項１又は２記載の圧電振動子及び自己診断回路を備え、
   前記第１の発振回路により前記第１及び第２の駆動電極が駆動された状態で、前記圧電振動子に加わる角速度によって前記第１及び第２の検出電極から出力される前記コリオリ検出電流を、前記検出回路により検出して前記角速度を求めることを特徴とする角速度センサ。

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