JP5251667B2

JP5251667B2 - 電子部品

Info

Publication number: JP5251667B2
Application number: JP2009078419A
Authority: JP
Inventors: 真樹中村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: JP2010230491A

Description

本発明は、機械的振動を電気信号に変換する機械−電気変換素子から出力されるアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換し所定の信号処理を施し出力信号を形成する電子部品に関する。

機械的振動を電気信号に変換する機械−電気変換素子、例えばカーナビゲーションシステムに用いられる角速度センサのように、素子を振動させて角速度により生じるコリオリ力による撓み振動を圧電膜により検出し所定の信号処理を施すことで角速度情報を出力するといった機械−電気変換素子を用いた電子部品は、素子自体の温度特性を考慮する必要があり、電子部品の内部に温度検出回路を設け、この温度検出回路から出力される温度情報を信号処理回路にフィードバックさせる構成となっている。また、温度検出回路は信号処理回路へのフィードバック経路とは別に温度情報を出力し、電子部品の外部に設けられたプルダウン回路などの周辺回路にて故障診断を行っていた。

そして、このような機械−電気変換素子を含む電子部品の小型化及び省電力化を検討した場合、機械−電気変換素子の駆動電圧を小さくし、これに伴い機械−電気変換素子からの出力信号のデジタル処理化が検討されるようになってきた。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００８−１２８８５９号公報

しかしながら、電子部品から出力される温度センサの故障診断用の温度情報が温度検出回路により形成されたアナログ電気信号の状態で出力していれば、例え電子部品を小型化したとしても後段のプルダウン回路などの周辺回路まで削減することが出来ず、この電子部品に纏わる周辺回路部分までの小型化が困難なものとなっていた。

そこで、本発明はこのような課題を解決し、機械−電気変換素子を含む電子部品の小型且つ省電力化に加え周辺回路の削減を目的とする。

この目的を達成するために本発明は、機械的振動を電気信号に変換する機械−電気変換素子から出力されるアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換し所定の信号処理を施し出力信号を形成する電子部品において、動作環境温度を検出する温度検出回路と信号処理回路の出力間に温度検出回路の故障診断を行う故障診断回路を設け、この故障診断回路により温度検出回路に対して機械−電気変換素子を制御する第１の制御電圧を基準電圧として得た第１の出力結果と、信号処理回路を制御する第２の制御電圧を基準電圧として得た第２の出力結果との差分データを予め定められた所定の範囲内にあるかどうかを判断し、この判断結果を前記信号処理回路の出力信号に付加する構成としたのである。

この構成により本発明は、機械−電気変換素子を含む電子部品の小型且つ省電力化に加え周辺回路の削減が出来る。

以下、本発明の一実施形態について図を用いて説明する。

図１は機械的振動を電気信号に変換する機械−電気変換素子から出力されるアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換し所定の信号処理を施し出力信号を形成する電子部品の一例である角速度センサユニット１を示したものであり、その基本構造はパッケージ２の内部に角速度センサ素子３および角速度センサ素子３を制御するＩＣ４が配置され、パッケージ２の開口部をリッド５で封口した構造となっている。

また、角速度センサ素子３は、図２に示されるごとく音叉型に形成されたシリコンからなる基板６の振動アーム７にそれぞれ駆動電極８、検知電極９を設けた構成であり、各電極の構造は図３に示すようにＡｕからなる上部電極１０とＰｔからなる下部電極１１と、これらの間に配置されたＰＺＴからなる圧電体層１２により形成され、下部電極１１をグランド接続した状態で上部電極１０に正電圧を印加すると電極の積層方向に対して圧縮力が働き、この圧縮力により電極パターンが延びる方向に応力が発生し、上部電極１０に負電圧を印加すると電極に引張力が働き、この引張力により電極パターンが縮む方向に応力が発生するものである。また、これとは逆に振動アーム７の撓みにより検知電極９が縮めば負電圧が生じ、検知電極９が延びれば正電圧が生じる。

従って、角速度センサ素子３の駆動電極８に駆動信号を印加することで振動アーム７を矢印で示すよう並設方向に駆動振動させ、角速度が加わり振動アーム７にコリオリ力が働くことで振動アーム７が並設方向と直交する方向に撓み振動が生じ、この撓み振動を検知電極９で電気信号に変換し出力するものである。つまり、角速度センサ素子３はコリオリ力による振動アーム７の撓み振動つまり機械的振動を検知電極９により電気信号に変換する機械−電気変換素子を構成したものである。

また、ＩＣ４は図４に示す如く、角速度センサ素子３の駆動振動を制御する駆動制御回路１３と、角速度センサ素子３により出力された検出信号の信号処理を行う信号処理回路１４から構成されており、駆動制御回路１３は一対の振動アーム７が一定の振幅で駆動振動するよう、駆動電極８に印加する駆動電圧を制御する回路であり、信号処理回路１４は角速度センサ素子３の検知電極９から出力される検出信号から不要信号の除去など所定の信号処理を施し出力信号を形成する回路である。なお、駆動制御回路１３は制御電圧１５により駆動され、信号処理回路１４は制御電圧１５とは異なる電圧の制御電圧１６により駆動させている。

また、信号処理回路１４においては、角速度センサ素子３を構成する基板６が有する温度特性の影響を低減するため、温度変化に応じた補正情報を予めＥＥＰＲＯＭなどの記憶媒体（特に図示せず）に記憶させておき、この補正情報と温度検出回路１７から得る温度情報を信号処理回路１４にて統合し温度保証を行っている。

なお、温度検出回路１７は図５に示すように、抵抗素子１８とサーミスタ素子１９を基準電位とグランドとの間に直列接続し、抵抗素子１８とサーミスタ素子１９の間から信号を取り出す構成とし、温度変化に伴うサーミスタ素子１９の抵抗値変化による出力信号における電圧降下を温度情報として出力するといった一般的な回路を用いている。

また、この角速度センサユニット１においては、小型化及び省電力化のため信号処理回路１４がデジタル回路で構成されており、図４に示すように信号処理回路１４に入力される角速度センサ素子３からの出力信号及び温度検出回路１７からの出力信号はそれぞれＡ／Ｄ変換器２０，２１によりデジタル電気信号に変換し信号処理回路１４に入力している。

そして、この角速度センサユニット１においては、温度検出回路１７の故障診断を行い、この診断情報を信号処理回路１４からの出力信号に加算する故障診断回路２２を設けている。

この故障診断回路２２は、温度検出回路１７に対して電位の異なる二つのチェック電圧２３，２４を用い、それぞれのチェック電圧２３，２４における温度検出回路１７の出力値をＡ／Ｄ変換器２１によりデジタル信号化しそれぞれの出力結果をチェック電圧２３，２４に応じたバッファ２５，２６に格納する。次にそれぞれのバッファ２５，２６に格納された出力結果を演算器２７により差分データを形成し、この差分データと判定値２８を比較器２９で比較し予め定められた範囲内にあるかどうかを判定し、その判定結果を信号処理回路１４から出力される出力信号に加算する構成としている。

なお、このような温度検出回路１７は断線故障が発生した場合、通常の温度情報に関する出力信号は断線前の電位から徐々に低下し不特定な個別値に収束してしまうもので、この出力だけを監視していては故障診断が出来ない。

そこで、異なる２つのチッェク電圧２３，２４を用いそれぞれの電圧に応じた出力を検出しその差分データを監視することとしたのである。この手法によれば、図６に示すように断線のない正常状態においては単位時間Δｔの間隔で交互に温度検出回路１７から出力される出力電圧をサンプリングし、それらの差分を取るので、この差分データの値Ｖ１はチェック電圧２３と２４の差で概ね一定値を示すことになるが、温度検出回路１７に断線故障が発生した場合、断線後に出力される情報はチェック電圧を切り換えたとしても断線前に接続されていたチェック電圧（図中、チェック電圧２３）に対する電圧低下していく信号からサンプリングするため、その差分データの値Ｖ２はＶ１に比べて遙かに小さい値となってしまう。

従って、正常時の異なるチェック電圧２３，２４から得た出力結果の差分データの値Ｖ１と、断線後の低下していく一方の信号だけから得た出力結果の差分データの値Ｖ２の差が大きく、この間に閾値を設けることが可能となり故障診断が出来るのである。

例えばチェック電圧２３，２４をそれぞれ２．３Ｖ，１．５Ｖ、チェック電圧２３を基準としたＡ／Ｄ変換器２１の分解能を１０ｂｉｔ、温度検出回路１７において２５℃で中点出力とすると、正常時にはバッファ２５に５１２ＬＳＢ、バッファ２６に３３３ＬＳＢが格納されることになるため、演算器２７の結果は１７９ＬＳＢとなる。一方断線時にはバッファ２５に５１２ＬＳＢ格納されるとチェック電圧を切り換えたとしてもバッファ２６にバッファ２５とほぼ同じ値である５１２ＬＳＢが格納されることとなり演算器２７の結果は０ＬＳＢとなる。そのため閾値を設けることにより故障診断が出来るのである。

なお、異なる２つのチェック電圧２３，２４としては駆動制御回路１３に印加する制御電圧１５と、信号処理回路１４に印加する制御電圧１６を用いることで、別途で故障診断用の専用電圧端子を設ける必要がなくなる。

また、このように故障診断情報をデジタル電気信号により形成したことにより、信号処理回路１４で形成した出力信号に加算できるため、従来のような故障診断用の専用出力端子を設ける必要が無く、温度検出回路１７の故障診断情報を信号処理回路１４からの出力信号に加算できるため、角速度センサユニット１の外部端子数が削減できるのである。

つまり、この角速度センサユニット１は、信号処理回路１４及び故障診断回路２２をデジタル化することで省電力化が図れるとともに、デジタル化による回路配置の小スペース化及び故障診断用端子の削減ができ、さらには角速度センサユニット１の後段に設けられていた故障診断用のプルダウン回路などの周辺回路を設ける必要が無くなるので、角速度センサユニット１の小型且つ省電力化に加え周辺回路の削減が出来るのである。

なお、上述した一実施形態においては機械的振動を電気信号に変換する機械−電気変換素子から出力されるアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換し所定の信号処理を施し出力信号を形成する電子部品の一例として角速度センサユニット１をあげて説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、温度依存性を有する機械−電気変換素子、例えば加速度や衝撃といった慣性力を検出する電子部品に対しても同様の効果を奏するものである。

また、温度検出回路１７として抵抗素子１８とサーミスタ素子１９を基準電位とグランドとの間に直列接続した構成をあげて説明したが、基準電位に対して温度変化情報を形成し出力する形態の回路で有れば同様の効果を得ることが出来る。

本発明は、機械的振動を電気信号に変換する機械−電気変換素子から出力されるアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換し所定の信号処理を施し出力信号を形成する電子部品に関して電子部品の小型且つ省電力化に加え周辺回路の削減が出来るという効果を有し、特に小型で且つ省電力性が求められる車載機器用途や携帯機器用途の電子部品に有用である。

本発明の一実施形態における角速度センサユニットの分解斜視図同角速度センサユニットを構成する角速度センサ素子の構成図同角速度センサ素子に設けられる電極の構成図同角速度センサユニットの回路ブロック図同角速度センサユニットを構成する温度検出回路の回路ブロック図同温度検出回路の故障診断フローを示す図

１角速度センサユニット（電子部品）
３角速度センサ素子（機械−電気変換素子）
１４信号処理回路
１５（第１の）制御電圧
１６（第２の）制御電圧
１７温度検出回路
２０（第１の）Ａ／Ｄ変換器
２１（第２の）Ａ／Ｄ変換器
２２故障診断回路
２３、２４チェック電圧

Claims

機械的振動を電気信号に変換する機械−電気変換素子と、この機械−電気変換素子を制御する駆動制御回路と、この駆動制御回路を駆動する第１の制御電圧と、前記機械−電気変換素子から出力されるアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換器と、この第１のＡ／Ｄ変換器から出力されたデジタル電気信号に所定の信号処理を施し出力信号を形成する信号処理回路と、この信号処理回路を駆動する第２の制御電圧と、前記信号処理回路に温度情報を提供する温度検出回路と、この温度検出回路から出力されるアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換し前記信号処理回路に伝達する第２のＡ／Ｄ変換器と、前記第２のＡ／Ｄ変換器の出力と前記信号処理回路の出力間に設けられ、前記温度検出回路の故障診断を行う故障診断回路を備え、前記故障診断回路は前記温度検出回路に対して前記第１の制御電圧を印加することで得る第１の出力結果と前記第２の制御電圧を印加することで得る第２の出力結果との差分データが予め定められた所定の範囲内にあるかどうか判定し、この判断結果を前記信号処理回路の出力信号に加算し出力することを特徴とした電子部品。