JP5360362B2

JP5360362B2 - 角速度検出装置用回路、角速度検出装置及び故障判定システム

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Inventors: 健二佐藤
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Description

本発明は、角速度検出回路及び角速度検出装置に関する。

振動子に働くコリオリの力を利用して角速度を検出する角速度検出装置が広く使用されている。近年、このような角度検出装置において、振動子の励振振動に基づく自己振動成分を利用して自己の故障検出が可能な角速度検出装置が開発されている。
特開２０００−１７１２５７号公報

振動子の励振振動に基づく自己振動成分の大きさには、振動子ごとに個体差がある。したがって、従来の角速度検出装置では、角速度検出装置ごとに判定条件を変更しなければ精度のよい故障判定は難しかった。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、振動子の故障検出精度を高めた角速度検出回路及び角速度検出装置を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る角速度検出装置用回路は、
駆動信号に基づいて励振振動する振動子に接続され、角速度を検出する角速度検出回路であって、
前記振動子から、コリオリの力に基づく角速度成分と、前記振動子の励振振動に基づく自己振動成分とを含む検出信号が入力され、前記検出信号から前記自己振動成分を抽出する自己振動成分抽出手段と、
前記自己振動成分抽出手段の出力信号を積分する積分手段を含む直流変換手段と、
前記直流変換手段の出力信号にオフセット値を加えるオフセット加算手段とを含むことを特徴とする。
また、振動子から、角速度の大きさに応じた角速度成分と、励振振動に基づく自己振動成分と、を含む信号が入力され、前記信号から前記自己振動成分を抽出する自己振動成分抽出手段と、前記自己振動成分抽出手段の出力信号を積分する積分手段を含む直流変換手段と、前記直流変換手段の出力信号に、前記振動子が有する自己振動成分の大きさに応じたオフセット値を加えるオフセット加算手段と、を含むことを特徴としてもよい。

オフセット値は、正の値、負の値、０を含む任意の値とすることができる。

本発明によれば、オフセット加算手段を設けることにより、振動子の個体差による励振振動に基づく自己振動成分の大きさのばらつきを補正することができる。したがって、角速度検出装置ごとに判定条件を変更することなく、振動子の故障検出精度を高めた角速度検出回路を実現することができる。

（２）この角速度検出装置用回路であって、
前記オフセット値を記憶する記憶手段を含み、
前記オフセット加算手段は、前記直流変換手段の出力信号に、前記記憶手段に記憶された前記オフセット値を加えてもよい。

（３）本発明に係る角速度検出装置用回路は、
駆動信号に基づいて励振振動する振動子に接続される角速度を検出する角速度検出回路であって、
前記振動子から、コリオリの力に基づく角速度成分と、前記振動子の励振振動に基づく自己振動成分とを含む検出信号が入力され、前記検出信号から前記自己振動成分を抽出する自己振動成分抽出手段と、
前記自己振動成分抽出手段の出力信号を積分する積分手段を含む直流変換手段と、
前記自己振動成分抽出手段の出力にオフセット値を加えるオフセット入力手段と、を含むことを特徴としてもよい。
また、振動子から、角速度の大きさに応じた角速度成分と、励振振動に基づく自己振動成分と、を含む信号が入力され、前記信号から前記自己振動成分を抽出する自己振動成分抽出手段と、前記自己振動成分抽出手段の出力信号を積分する積分手段を含む直流変換手段と、前記自己振動成分抽出手段の出力に、前記振動子が有する自己振動成分の大きさに応じたオフセット値を加えるオフセット加算手段と、を含むことを特徴としてもよい。

（４）この角速度検出装置用回路であって、
前記自己振動成分抽出手段は、被同期信号を反転して反転信号を出力する反転手段と、
前記被同期信号と反転信号とを交互に選択して出力するスイッチと、を有し、
前記オフセット値は、前記被同期信号と反転信号の一方に加算されてもよい。
また、前記自己振動成分抽出手段は、被同期検波信号が一方と他方に分岐されており、一方の被同期検波信号を反転して反転信号を出力する反転手段と、他方の被同期検波信号と前記反転信号とを交互に選択して出力するスイッチと、を有し、前記オフセット値は、前記他方の被同期検波信号と前記反転信号の一方に加算されることを特徴としてもよい。

（５）この角速度検出装置用回路であって、
前記オフセット加算手段又は前記直流変換手段の出力信号に基づいて角速度検出装置の故障の有無を判定する自己故障判定手段を含んでもよい。

（６）この角速度検出装置用回路であって、
前記オフセット加算手段又は前記直流変換手段の出力信号を出力する出力端子を含んでもよい。
また、前記直流変換手段は、前記積分手段の前段と後段の少なくとも一方に信号の増幅率を調整できる可変増幅手段を含むことを特徴としてもよい。
また、前記直流変換手段の出力信号の温度による変動を補正する温度特性補正手段を含むことを特徴としてもよい。
また、前記振動子は、検出用基部から延出している連結腕と、前記連結腕に配置された駆動用基部から前記連結腕の延出方向と交差する方向に延出している駆動振動片と、前記検出用基部から前記連結腕の延出方向と交差する方向に延出している検出振動片と、を含むことを特徴としてもよい。

（７）本発明に係る角速度検出装置は、
振動子と、前記振動子に接続され、角速度を検出する角速度検出回路とを有する角速度検出装置であって、
前記振動子は、駆動信号に基づいて励振振動し、回転運動と前記励振振動とによって生じるコリオリの力を得て、前記コリオリの力に基づく角速度成分と、前記励振振動に基づく励振振動成分と、を含む検出信号を出力し、
前記角速度検出回路は、前記検出信号が入力され、前記検出信号から前記自己振動成分を抽出する自己振動成分抽出手段と、前記自己振動成分抽出手段の出力信号を積分する積分手段を含む直流変換手段と、前記直流変換手段の出力信号にオフセット値を加えるオフセット加算手段と、を含むことを特徴とする。
また、角速度の大きさに応じた角速度成分と、励振振動に基づく自己振動成分と、を含む信号を発生させる振動子と、前記信号が入力され、前記信号から前記自己振動成分を抽出する自己振動成分抽出手段と、前記自己振動成分抽出手段の出力信号を積分する積分手段を含む直流変換手段と、前記直流変換手段の出力信号に、前記振動子が有する自己振動成分の大きさに応じたオフセット値を加えるオフセット加算手段と、を含むことを特徴としてもよい。
また、前記オフセット値を記憶する記憶手段を含み、前記オフセット加算手段は、前記記憶手段に記憶された前記オフセット値を前記直流変換手段の出力信号に加えることを特徴としてもよい。

（８）本発明に係る角速度検出装置は、
振動子と、前記振動子に接続され、角速度を検出する角速度検出回路とを有する角速度検出装置であって、
前記振動子は、駆動信号に基づいて励振振動し、回転運動と前記励振振動とによって生じるコリオリの力を得て、前記コリオリの力に基づく角速度成分と、前記励振振動に基づく励振振動成分と、を含む検出信号を出力し、
前記角速度検出回路は、前記検出信号が入力され、前記検出信号から前記自己振動成分を抽出する自己振動成分抽出手段と、前記自己振動成分抽出手段の出力信号を積分する積分手段を含む直流変換手段と、前記自己振動成分抽出手段の出力にオフセット値を加えるオフセット入力手段と、を含むことを特徴としてもよい。
また、角速度の大きさに応じた角速度成分と、励振振動に基づく自己振動成分と、を含む信号を発生させる振動子と、前記信号が入力され、前記信号から前記自己振動成分を抽出する自己振動成分抽出手段と、前記自己振動成分抽出手段の出力信号を積分する積分手段を含む直流変換手段と、前記自己振動成分抽出手段の出力に、前記振動子が有する自己振動成分の大きさに応じたオフセット値を加えるオフセット入力手段と、を含むことを特徴としてもよい。
また、前記自己振動成分抽出手段は、被同期検波信号が一方と他方に分岐されており、一方の被同期検波信号を反転して反転信号を出力する反転手段と、他方の被同期検波信号と前記反転信号とを交互に選択して出力するスイッチと、を有し、前記オフセット値は、前記他方の被同期検波信号と前記反転信号の一方に加算されることを特徴としてもよい。
また、前記オフセット加算手段又は前記直流変換手段の出力信号に基づいて角速度検出装置の故障の有無を判定する自己故障判定手段を含むことを特徴としてもよい。
また、前記オフセット加算手段又は前記直流変換手段の出力信号を出力する出力端子を含むことを特徴としてもよい。
また、前記直流変換手段は、前記積分手段の前段と後段の少なくとも一方に信号の増幅率を調整できる可変増幅手段を含むことを特徴としてもよい。
また、前記直流変換手段の出力信号の温度による変動を補正する温度特性補正手段を含むことを特徴としてもよい。
また、前記振動子は、検出用基部から延出している連結腕と、前記連結腕に配置された駆動用基部から前記連結腕の延出方向と交差する方向に延出している駆動振動片と、前記検出用基部から前記連結腕の延出方向と交差する方向に延出している検出振動片と、を含むことを特徴としてもよい。
また、本発明に係る故障判定システムは、
前記角速度検出装置の出力信号が入力され、前記角速度検出装置の故障の有無を判定する外部故障判定手段と、を含むことを特徴としてもよい。

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。

１．角速度検出装置
図１は、本実施の形態に係る角速度検出装置の一例を示す回路ブロック図である。

本実施の形態に係る角速度検出装置１は、駆動回路２０及び検出回路３０を含む角速度検出回路５と、振動子１０とを含んで構成されている。なお、駆動回路２０と検出回路３０は、同一基板上に構成することが可能である。

２．振動子
振動子１０は、駆動振動端子１３、１４から入力される駆動信号に基づいて励振振動し、励振振動した状態において、角速度運動が働くと、コリオリの力を得る。そして、振動子１０は、コリオリの力に基づく角速度成分と、励振振動に基づく励振振動成分を含む検出信号を出力する。ここで、励振振動成分とコリオリ力に基づく角速度成分とは９０°位相がずれている。

次に、水晶などの圧電材料の薄板から形成される振動子１０の一例を図７、図８を用いて説明する。振動子１０は、駆動用基部４４から駆動振動腕１１（広義には、駆動用振動片）が水晶のＹ軸方向に延出している。駆動用基部４４は、水晶のＸ軸方向に延びる連結腕４５を介して検出用基部４９に接続されている。検出振動腕１２（広義には、検出振動片）は、検出用基部４９からＹ軸方向に延出されている。

駆動振動腕１１の側面の駆動電極４１と、駆動振動腕１１の上面の駆動電極４２との間に交番電圧／交番電流からなる駆動信号が与えられると、圧電効果によって駆動振動腕１１は、矢印Ｂのように屈曲振動する。ここで、図８のように振動子１０が水晶のＺ軸を回転軸とした回転運動をすると、駆動振動腕１１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、連結腕４５は矢印Ｃで示すような振動をする。そして、検出振動腕１２は、連結腕４５の振動（矢印Ｃ）に連動して、連結腕４５と矢印Ｄのような屈曲振動をする。

また、駆動振動腕１１の振動は、駆動用基部４４と連結部４５と検出用基部４９とを伝わり、検出振動腕１２に漏れ振動を発生させる。この漏れ振動は、コリオリの力に基づいた振動と同様に矢印Ｄに示す屈曲振動であるが、位相が９０°ずれている。

そして、これらの屈曲振動に基づいて、発生する逆圧電効果によって、検出振動腕の側面の検出電極４７と、上面の検出電極４６との間には、交番電圧／交番電流が発生する。
検出振動腕の側面の検出電極４７と上面の検出電極４６の一方を接地端子１７に接続し、もう一方を検出端子１５、１６に接続する。以上のようにして、検出端子１５、１６へ出力される検出信号は、コリオリの力に基づく角速度成分と、駆動振動の励振振動に基づく漏れ成分（自己振動成分）とが含まれる。

図７、図８の構成では、振動子のバランスを良くするために、検出用基部４９を中央に配置し、検出用基部４９から＋Ｙ軸と−Ｙ軸の両方向に検出振動腕１２を延出させている。さらに、検出用基部４９から＋Ｘ軸と−Ｘ軸の両方向に連結腕４５を延出させ、連結腕のそれぞれから、＋Ｙ軸と−Ｙ軸の両方向に駆動振動腕１１を延出させている。

また、駆動振動腕１１の先端を幅広の幅広部４３にし、さらに、錘を付けることでコリオリの力を大きくしている。また、錘効果によって、所望の共振周波数を、短い振動腕で得ることができる。同様の理由で、検出振動腕１２の先端を幅広の幅広部４８にし、さらに、錘を付けている。

なお、振動子１０は、上述の構成に限らず、コリオリの力に基づく角速度成分と、励振振動に基づく漏れ成分とを含む検出信号を出力する振動子であれば良い。例えば、駆動振動腕と検出振動腕とを兼ねる構成であっても良く、また、駆動振動腕や検出振動腕に圧電膜を形成した構成であっても良い。

３．角速度検出回路
角速度検出回路は、駆動回路２０と検出回路３０を含む。検出用振動片１２には検出端子１５及び１６と接地端子１７が設けられ、検出端子１５及び１６は検出回路３０に接続されている。検出端子１５及び１６からは、互いに逆位相の検出信号が出力されるように構成されている。

図２（Ａ）〜図２（Ｇ）は、図１に示す回路ブロック図内の各点（Ａ）〜（Ｇ）において、検出信号の角速度成分に着目した場合のタイミングチャートであり、図３（Ａ）〜図３（Ｇ）は、図１に示す回路ブロック図内の各点（Ａ）〜（Ｇ）において、検出信号の自己振動成分に着目した場合のタイミングチャートである。横軸は時間、縦軸は電圧を表す。

駆動回路２０は、駆動信号を出力して振動子１０を駆動し、振動子１０からフィードバック信号を受ける。これにより振動子１０を励振させる。検出回路３０は、駆動信号により駆動される振動子１０からの検出信号を受け、検出信号からコリオリの力に基づく角速度成分を抽出する。

本実施の形態における駆動回路２０は、電流電圧変換器２１、ＡＣ増幅器２２、自動利得制御回路２３及びコンパレータ２４を含んで構成されている。

駆動用振動片１１が振動すると、圧電効果に基づく電流がフィードバック信号として駆動端子１４から出力され、電流電圧変換器２１に入力される。電流電圧変換器２１は、駆動用振動片１１の振動周波数と同一の周波数の交流電圧信号が出力する（図２（Ａ）、図３（Ａ））。

電流電圧変換器２１から出力された交流電圧信号は、ＡＣ増幅器２２に入力される。ＡＣ増幅器は、入力される交流電圧信号を増幅する。

ＡＣ増幅器２２から出力された交流電圧信号は自動利得制御回路２３に入力される。自動利得制御回路２３は、入力された交流電圧信号の振幅を一定値に保持するように利得を制御し、利得制御後の交流電圧信号を駆動端子１３に出力する。この駆動端子１３に入力される交流電圧信号により振動子１０が駆動される。

ＡＣ増幅器２２が増幅した交流電圧信号はコンパレータ２４に入力され、交流電圧信号の振幅中心を基準電圧として、交流電圧信号と基準電圧信号との比較結果に応じて出力レベルを切り替える方形波電圧信号（図２（Ｂ））を、検出回路３０に出力する。

本実施の形態における検出回路３０は、検出信号増幅部３１、角速度成分抽出部３２及び自己振動成分抽出部３３を含んで構成されている。

検出信号増幅部３１は、チャージアンプ３１１及び３１２、差動増幅器３１３並びにＡＣ増幅器３１４を含んで構成されている。

チャージアンプ３１１及び３１２は、それぞれ検出端子１５及び１６に接続され、互いに逆位相の検出信号が入力される。チャージアンプ３１１及び３１２で電荷電圧変換された信号は差動増幅器３１３に入力される。差動増幅器３１３は（チャージアンプ３１１の出力信号）−（チャージアンプ３１２の出力信号）として差動増幅する。差動増幅器３１３の出力信号は、さらにＡＣ増幅器３１４で増幅される。なお、チャージアンプ３１１及び３１２での増幅の際には信号の位相が９０度進む。

検出端子１５及び１６から出力される検出信号は、振動子１０に働くコリオリの力に基づく角速度成分と、振動子１０の励振振動に基づく自己振動成分（漏れ信号成分）を含んでいる。角速度成分抽出部３２は、検出信号増幅部３１の出力信号から角速度成分を抽出する。また、自己振動成分抽出部３３は、検出信号増幅部３１の出力信号から自己振動成分を抽出する。

角速度成分抽出部３２は、同期検波回路３２１、ＡＣ増幅器３２５、積分回路３２２、ＤＣ増幅器３２３及び出力端子３２４を含んで構成されている。同期検波回路３２１は、コンパレータ２４が出力する方形波電圧信号（図２（Ｂ））を基に、検出信号増幅部３１の出力信号を同期検波することにより角速度成分を抽出する。同期検波回路３２１で抽出された角速度成分信号は、ＡＣ増幅器３２５で増幅され、積分回路３２２で積分された後、ＤＣ増幅器３２３で増幅され、出力端子３２４から直流電圧信号として出力される。

自己振動成分抽出部３３は、自己振動成分抽出手段３３１、直流変換手段３３２及び温度特性補正手段３３３を含んで構成されている。

自己振動成分抽出手段３３１は、位相を９０度進ませる移相器３３４と同期検波回路３３５で構成されている。自己振動成分抽出手段３３１は、コンパレータ２４が出力する方形波電圧信号（図２（Ｂ））を移相器３３４により位相を９０度進ませた信号を基に、検出信号増幅部３１の出力信号を同期検波することにより自己振動成分を抽出する。

直流変換手段３３２は、自己振動成分抽出手段３３１の出力信号を積分する積分手段として機能する積分回路３３６を含んで構成され、自己振動成分抽出手段３３１の出力信号を直流電圧信号に変換する。また、積分回路３３６の前段にＡＣ増幅器３４３、積分回路３３６の後段にＤＣ増幅器３３９を設ける。

これらの回路の動作を、図２（Ａ）〜図２（Ｇ）及び図３（Ａ）〜図３（Ｇ）を用いて説明する。検出信号の角速度成分に着目した場合の動作は図２（Ａ）〜図２（Ｇ）を用いて、検出信号の自己振動成分に着目した場合の動作は図３（Ａ）〜図３（Ｇ）を用いて説明する。本実施の形態においては、検出端子１５から出力される検出信号の角速度成分は、駆動端子１４から出力されるフィードバック信号よりも位相が９０度遅れた信号となるものとし、検出端子１５から出力される検出信号の自己振動成分は、駆動端子１４から出力されるフィードバック信号と同位相の信号となるものとする。

まず、検出信号の角速度成分に着目した場合の動作について説明する。検出端子１５から出力される検出信号の角速度成分はチャージアンプ３１１で電荷電圧変換される。この際、位相が９０度進む。したがって、差動増幅器３１３及びＡＣ増幅器３１４で増幅された後の信号は、図２（Ｃ）に示すように、図２（Ａ）に示すフィードバック信号と同位相となる。

このＡＣ増幅器３１４の出力信号を、図２（Ｂ）に示すコンパレータ２４の出力信号を基に同期検波回路３２１で同期検波すると、同期検波回路３２１の出力信号は図２（Ｄ）に示す全波整流波形となる。この同期検波回路３２１の出力信号を積分回路３２２で積分することにより、検出信号の角速度成分を直流電圧として検出することができる。このように、角速度成分抽出部３２では検出信号の角速度成分を抽出することができる。また、積分回路３２２の前段のＡＣ増幅回路や後段のＤＣ増幅器３２３で信号を増幅することで、感度を調整する。

一方、ＡＣ増幅器３１４の出力信号を、コンパレータ２４の出力信号を移相器３３４で位相を９０度進めた信号（図２（Ｅ））を基に同期検波回路３３５で同期検波すると、同期検波回路３３５の出力信号は図２（Ｆ）に示す波形となる。この同期検波回路３３５の出力信号を積分回路３３６で積分すると、図２（Ｇ）に示すように直流電圧は０となる。このように、自己振動成分抽出部３３では検出信号の角速度成分は打ち消されることになる。

次に、検出信号の自己振動成分に着目した場合の動作について説明する。検出端子１５から出力される検出信号の自己振動成分はチャージアンプ３１１で電荷電圧変換される。この際、位相が９０度進む。したがって、差動増幅器３１３及びＡＣ増幅器３１４で増幅された後の信号は、図３（Ｃ）に示すように、図３（Ａ）に示すフィードバック信号よりも位相が９０度進んだ信号となる。

このＡＣ増幅器３１４の出力信号を、図３（Ｂ）に示すコンパレータ２４の出力信号を基に同期検波回路３２１で同期検波すると、同期検波回路３２１の出力信号は図３（Ｄ）に示す波形となる。この同期検波回路３２１の出力信号を積分回路３２２で積分すると、直流電圧は０となる。このように、角速度成分抽出部３２では検出信号の自己振動成分は打ち消されることになる。

一方、ＡＣ増幅器３１４の出力信号を、図３（Ｅ）に示すコンパレータ２４の出力信号を移相器３３４で位相を９０度進めた信号を基に同期検波回路３３５で同期検波すると、同期検波回路３３５の出力信号は図３（Ｆ）に示す全波整流波形となる。この同期検波回路３３５の出力信号を積分回路３３６で積分すると、図３（Ｇ）に示すように図３（Ｆ）に示す全波整流波形の波高に比例した直流電圧となる。このように、自己振動成分抽出部３３では検出信号の自己振動成分を抽出することができる。

振動子１０に故障があった場合、例えば振動子１０に異物が付着したり、振動子１０が破損したりした場合には、振動子１０の励振振動に基づく自己振動成分の大きさが変化する。したがって、自己振動成分抽出部３３で検出信号の自己振動成分を抽出し、角速度検出装置１の内部又は外部で検出信号の自己振動成分の大きさを監視することにより、振動子１０に故障があるか否かを判定することができる。例えば、検出信号の自己振動成分の大きさが上限基準値を上回った場合や下限基準値を下回った場合には、振動子１０に故障があるものと判定することができる。

しかし、振動子１０の励振振動に基づく自己振動成分の大きさは、振動子ごとに個体差がある。したがって、従来の角速度検出装置では、角速度検出装置ごとに判定条件を変更しなければ精度のよい故障判定は難しかった。

本実施の形態に係る角速度検出回路５は、オフセット加算手段３４２を有している。オフセット加算手段３４２は、オフセット加算手段３４２の出力電圧が所望の値となるようなオフセット値を直流変換手段３３２の出力信号に加えて出力する。これにより、振動子１０の個体差による励振振動に基づく自己振動成分の大きさのばらつきを補正し、出力電圧の大きさを揃えることができる。したがって、角速度検出装置ごとに判定条件を変更することなく、振動子の故障検出精度を高めた角速度検出回路を実現することができる。

さらに、角速度検出装置１はオフセット値を記憶する記憶手段３３７を含み、オフセット加算手段３４２は、直流変換手段３３２の出力信号に記憶手段３３７に記憶されたオフセット値を加えるように構成してもよい。記憶手段３３７は、例えばＥＥＰＲＯＭのような不揮発性メモリで構成することができる。これにより、例えば角速度検出装置１の検査工程においてオフセット加算手段３３３の出力電圧を測定し、この出力電圧が所望の値となるようなオフセット値を記憶手段３３７に書き込むことにより、振動子１０の個体差による励振振動に基づく自己振動成分の大きさのばらつきを補正し、出力電圧の大きさを揃えることができる。

本実施の形態に係る角速度検出回路５は、例えば直流変換手段３３２の後段に温度特性補正手段３３３を含むことも可能である。温度特性補正手段３３３は、直流変換手段３３２の出力信号の温度による変動を補正する。例えば、温度特性補正手段３３３は、直流変換手段３３２の出力信号の大きさが温度によらず一定となるように補正することができる。このため、直流変換手段３３２の出力信号の温度による変動を打ち消すことができ、故障による変動を精度よく検出することができる。したがって、振動子の故障検出精度を高めた角速度検出回路を実現することができる。

図４は、本実施の形態に係る角速度検出回路５に適用可能なオフセット加算手段３４２の一例を示す回路図である。図４に示すオフセット加算手段３４２は、演算増幅器４０１、Ｄ／Ａコンバータ４０２、抵抗４０３乃至４０５を含んで構成されている。

直流変換手段３３２の出力信号は、抵抗４０３を介して演算増幅器４０１の非反転入力端子に入力される。Ｄ／Ａコンバータ４０２は、記憶手段３３７に記憶されたオフセット値に基づき電圧信号を出力する。Ｄ／Ａコンバータ４０２が出力した電圧信号は、抵抗４０５を介して演算増幅器４０１の反転入力端子に入力される。演算増幅器４０１は、非反転入力端子に入力された信号と反転入力端子に入力された信号を差動増幅し、出力電圧Ｖｏｕｔ１として出力する。出力電圧Ｖｏｕｔ１は、抵抗４０４を介して演算増幅器４０１の反転入力端子にもフィードバックされる。

このように、オフセット加算手段３４２を図４に示すように構成した場合には、記憶手段３３７に記憶されるオフセット値を適切に設定することにより、出力電圧Ｖｏｕｔ１を所望の値に設定することができる。

なお、上述したとおり、直流変換手段３３２の後段に温度特性補正手段３３３を含むことも可能である。この場合、温度特性補正手段３３３の出力信号が抵抗４０３を介して演算増幅器４０１の非反転入力端子に入力される。オフセット加算手段３４２のその他の動作は上述の内容と同様である。

また、同期検波回路３３５として、図９に示すような、同期検波回路３３５（自己振動抽出手段３３１）の出力信号にオフセット値を加えるオフセット入力手段を有する同期検波回路を用いても良い。被同期検波信号信号（Ｃ）は、分岐して、一方は、反転せずに非反転信号としてスイッチ３５９に入力され、もう一方は反転アンプ３５７によって反転して、スイッチ３５８に入力される。基準信号によって、スイッチ３５８、３５９が交互に接続されることで、非反転信号と、反転信号が交互に出力されることによって同期検波信号（Ｆ）が出力される。また、オフセット入力端子３５１からオフセット信号が反転信号に重畳される。その結果、スイッチ３５８、３５９が被同期信号の反転信号を選択して出力するタイミングにおいて、オフセット信号が同期検波信号（Ｆ）に重畳され、スイッチ３５８、３５９が被同期信号の非反転信号を選択して出力するタイミングにおいて、オフセット信号が同期検波信号（Ｆ）に重畳されない。このようにして、オフセット信号は重畳／非重畳を繰り返すが、後段の積分回路３３６において平滑化され、一定レベルのオフセット値を得ることになる。なお、オフセット信号を非反転信号に重畳する構成にすることも可能である。

また、同様に、角速度検出部３２の同期検波回路３２１にオフセット信号入力手段を有する同期検波回路を用いても良い。

本実施の形態に係る角速度検出回路５は、さらに、オフセット加算手段３４２の出力信号Ｖｏｕｔ１に基づいて角速度検出装置１の故障の有無を判定する自己故障判定手段３３８を含んでもよい。自己故障判定手段３３８は、オフセット加算手段３４２の出力信号Ｖｏｕｔ１が上限基準値を上回った場合や下限基準値を下回った場合に、振動子１０に故障があるものと判定し、判定結果に基づく出力信号を出力する。図１に示す回路ブロック図においては、出力端子３４１を介して角速度検出装置１の外部に出力信号を出力している。角速度検出回路５が自己故障判定手段３３８を含むことにより、角速度検出装置１自身が振動子１０に故障があるか否かを判定することができる。

なお、自己故障判定手段３３８は、他の故障判定信号に基づく故障判定機能を有していてもよい。図５は、複数の故障判定機能を有する自己故障判定手段３３８の一例を示す回路ブロック図である。図５に示す例では、自己故障判定手段３３８には、振動子１０の故障の有無の判定に用いるオフセット加算手段３４２の出力信号Ｖｏｕｔ１の他に、駆動回路２０の故障の有無の判定に用いる駆動回路診断判定信号と、検出回路３０の故障の有無の判定に用いる検出回路診断判定信号が入力されるものとする。

図５に示す自己故障判定手段３３８は、故障判定回路５０１乃至５０３とＯＲ回路５０４を含んで構成されている。故障判定回路５０１乃至５０３は、それぞれの入力信号に基づき、故障があるものと判定した場合にはＨｉｇｈレベルの出力信号を、故障がないものと判定した場合にはＬｏｗレベルの出力信号を出力するものとする。

故障判定回路５０１は、オフセット加算手段３４２の出力信号Ｖｏｕｔ１が上限基準値を上回った場合や下限基準値を下回った場合に、振動子１０に故障があるものと判定し、判定結果に基づく出力信号をＯＲ回路５０４に出力する。故障判定回路５０２は、駆動回路診断判定信号が上限基準値を上回った場合や下限基準値を下回った場合に、駆動回路２０に故障があるものと判定し、判定結果に基づく出力信号をＯＲ回路５０４に出力する。故障判定回路５０３は、検出回路診断判定信号が上限基準値を上回った場合や下限基準値を下回った場合に、検出回路３０に故障があるものと判定し、判定結果に基づく出力信号をＯＲ回路５０４に出力する。

ＯＲ回路５０４は、故障判定回路５０１乃至５０３のいずれかからＨｉｇｈレベルの出力信号が入力された場合には、Ｈｉｇｈレベルの出力信号Ｖｏｕｔ２を出力する。故障判定回路５０１乃至５０３のいずれもからＬｏｗレベルの出力信号が入力された場合には、Ｌｏｗレベルの出力信号Ｖｏｕｔ２を出力する。

このように、自己故障判定回路３３８を図５に示す回路ブロック図のように構成すると、角速度検出装置１のいずれかに故障があるか否かを判定し、出力信号Ｖｏｕｔ２として出力することができる。

本実施の形態に係る角速度検出回路５の直流変換手段３３２は、積分手段として機能する積分回路３３６の前段のＡＣ増幅器３４３又は後段のＤＣ増幅器３３９に、信号を所望の倍率で増幅又は減衰する増幅手段を含んでもよい。図１に示す回路ブロック図においては、積分回路３３６の後段に設けられているＤＣ増幅器３３９が増幅手段として機能する。

振動子１０の励振振動に基づく自己振動成分の大きさは、振動子１０の故障モードのよって異なる。例えば振動子１０が破損した場合の振動子１０の励振振動に基づく自己振動成分の変動は、振動子１０に異物が付着した場合の振動子１０の励振振動に基づく自己振動成分の変動よりも大きい。

積分回路３３６の前段のＡＣ増幅器３４３又は後段のＤＣ増幅器３３９を設けると、ＤＣ増幅器３３９の増幅率を変更することで、直流変換手段３３２の出力感度を変更することが可能になる。したがって、検出したい故障モードに応じてＤＣ増幅器３３９の増幅率を設定することにより、所望の故障モードに対応した故障判定が可能になる。

また、温度特性補正手段として、ＤＣ増幅器３３９のゲインを調整するゲイン調整回路を設けても良い。その場合、ＤＣ増幅器３３９の出力の温度依存が低下する。

本実施の形態に係る角速度検出回路５は、オフセット加算手段３４２の出力信号Ｖｏｕｔ１を出力する出力端子３４０を含んでもよい。オフセット加算手段３４２の出力信号Ｖｏｕｔ１を角速度検出回路５の外部に出力することにより、角速度検出装置１の外部において、より詳細な故障判定が可能になる。例えば、角速度検出装置１の大きさなどの制約により角速度検出装置１の内部ではできない複雑な演算処理を、角速度検出装置１の外部に設けられたマイコンなどによって行うことにより、より詳細な故障判定が可能になる。

また、出力端子３４０は、角速度検出装置１の検査工程においてオフセット加算手段３４２の出力電圧を測定するために用いることも可能である。

４．故障判定システム
図６は、本実施の形態に係る故障判定システムの一例を示す回路ブロック図である。

本実施の形態に係る故障判定システム２は、角速度検出装置１を含む。なお、角速度検出装置１の構成及び動作は図１乃至図５を用いて説明した通りであるため、同一の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施の形態に係る故障判定システム２は、角速度検出装置１の出力端子３４０からの出力信号Ｖｏｕｔ１に基づいて角速度検出装置１の故障の有無を判定する外部故障判定手段６００を含む。外部故障判定手段６００は、例えばマイコンにより構成することが可能である。

外部故障判定手段６００は、例えば、角速度検出装置１の出力信号Ｖｏｕｔ１が上限基準値を上回った場合や下限基準値を下回った場合に、角速度検出装置１の振動子１０に故障があるものと判定することができる。また例えば、外部故障判定手段６００は、角速度検出装置１の大きさなどの制約により角速度検出装置１の内部ではできない複雑な演算処理を行うことにより、より詳細な故障判定を行うこともできる。

なお、本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

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。

本実施の形態に係る角速度検出装置の一例を示す回路ブロック図。図２（Ａ）〜図２（Ｇ）は、検出信号の角速度成分に着目した場合のタイミングチャート。図３（Ａ）〜図３（Ｇ）は、検出信号の自己振動成分に着目した場合のタイミングチャート。オフセット加算手段の一例を示す回路図。複数の故障判定機能を有する自己故障判定手段の一例を示す回路ブロック図。本実施の形態に係る故障判定システムの一例を示す回路ブロック図。振動子の一例を示す平面図。振動子の一例を示す平面図。オフセット入力手段を有する同期検波回路の一例を示す回路図。

符号の説明

１角速度検出装置、２故障判定システム、５角速度検出回路、１０振動子、１１駆動用振動片（駆動振動腕）、１２検出用振動片（検出振動腕）、１３，１４駆動端子、１５，１６検出端子、１７接地端子、２０駆動回路、２１電流電圧変換器、２２ＡＣ増幅器、２３自動利得制御回路、２４コンパレータ、４１，４２駆動電極、４３，４８幅広部、４４駆動用基部、４５連結腕、４６，４７検出電極、４９検出用基部、３０検出回路、３１検出信号増幅部、３２角速度信号抽出部、３３自己振動成分抽出部、３１１，３１２チャージアンプ、３１３差動増幅器、３１４ＡＣ増幅器、３２１同期検波回路、３２２積分回路、３２３ＤＣ増幅器、３２４出力端子、３３１自己振動成分抽出手段、３３２直流変換手段、３３３温度特性補正手段、３３４移相器、３３５同期検波回路、３３６積分回路、３３７記憶手段、３３８自己故障判定手段、３３９ＤＣ増幅器、３４０，３４１出力端子、３４２オフセット加算手段、３４３ＡＣ増幅器、３５１オフセット入力端子、３５７反転アンプ、３５８，３５９スイッチ、４０１演算増幅器、４０２Ｄ／Ａコンバータ、４０３，４０４，４０５抵抗、５０１，５０２，５０３故障判定回路、５０４ＯＲ回路、６００外部故障判定手段

Claims

振動子から、角速度の大きさに応じた角速度成分と、励振振動に基づく自己振動成分と、を含む信号が入力され、前記信号から前記自己振動成分を抽出する自己振動成分抽出手段と、
前記自己振動成分抽出手段の出力信号を積分する積分手段を含む直流変換手段と、
前記直流変換手段の出力信号に、前記振動子が有する自己振動成分の大きさに応じたオフセット値を加えるオフセット加算手段と、を含むことを特徴とする角速度検出装置用回路。
請求項１において、
前記オフセット値を記憶する記憶手段を含み、
前記オフセット加算手段は、前記直流変換手段の出力信号に、前記記憶手段に記憶された前記オフセット値を加えることを特徴とする角速度検出装置用回路。
振動子から、角速度の大きさに応じた角速度成分と、励振振動に基づく自己振動成分と、を含む信号が入力され、前記信号から前記自己振動成分を抽出する自己振動成分抽出手段と、
前記自己振動成分抽出手段の出力信号を積分する積分手段を含む直流変換手段と、
前記自己振動成分抽出手段の出力に、前記振動子が有する自己振動成分の大きさに応じたオフセット値を加えるオフセット加算手段と、を含むことを特徴とする角速度検出装置用回路。
請求項３において、
前記自己振動成分抽出手段は、被同期検波信号が一方と他方に分岐されており、一方の被同期検波信号を反転して反転信号を出力する反転手段と、他方の被同期検波信号と前記反転信号とを交互に選択して出力するスイッチと、を有し、
前記オフセット値は、前記他方の被同期検波信号と前記反転信号の一方に加算されることを特徴とする角速度検出装置用回路。
請求項１乃至４のいずれか一項において
前記オフセット加算手段又は前記直流変換手段の出力信号に基づいて角速度検出装置の故障の有無を判定する自己故障判定手段を含むことを特徴とする角速度検出装置用回路。
請求項１乃至５のいずれか一項において、
前記オフセット加算手段又は前記直流変換手段の出力信号を出力する出力端子を含むことを特徴とする角速度検出装置用回路。
請求項１乃至６のいずれか一項において、
前記直流変換手段は、前記積分手段の前段と後段の少なくとも一方に信号の増幅率を調整できる可変増幅手段を含むことを特徴とする角速度検出装置用回路。
請求項１乃至７のいずれか一項において、
前記直流変換手段の出力信号の温度による変動を補正する温度特性補正手段を含むことを特徴とする角速度検出装置用回路。
請求項１乃至８のいずれか一項において、
前記振動子は、検出用基部から延出している連結腕と、前記連結腕に配置された駆動用基部から前記連結腕の延出方向と交差する方向に延出している駆動振動片と、前記検出用基部から前記連結腕の延出方向と交差する方向に延出している検出振動片と、を含むことを特徴とする角速度検出装置用回路。
角速度の大きさに応じた角速度成分と、励振振動に基づく自己振動成分と、を含む信号を発生させる振動子と、
前記信号が入力され、前記信号から前記自己振動成分を抽出する自己振動成分抽出手段と、
前記自己振動成分抽出手段の出力信号を積分する積分手段を含む直流変換手段と、
前記直流変換手段の出力信号に、前記振動子が有する自己振動成分の大きさに応じたオフセット値を加えるオフセット加算手段と、を含むことを特徴とする角速度検出装置。
請求項１０において、
前記オフセット値を記憶する記憶手段を含み、
前記オフセット加算手段は、前記記憶手段に記憶された前記オフセット値を前記直流変換手段の出力信号に加えることを特徴とする角速度検出装置。
角速度の大きさに応じた角速度成分と、励振振動に基づく自己振動成分と、を含む信号を発生させる振動子と、
前記信号が入力され、前記信号から前記自己振動成分を抽出する自己振動成分抽出手段と、
前記自己振動成分抽出手段の出力信号を積分する積分手段を含む直流変換手段と、
前記自己振動成分抽出手段の出力に、前記振動子が有する自己振動成分の大きさに応じたオフセット値を加えるオフセット加算手段と、を含むことを特徴とする角速度検出装置。
請求項１２において、
前記自己振動成分抽出手段は、被同期検波信号が一方と他方に分岐されており、一方の被同期検波信号を反転して反転信号を出力する反転手段と、他方の被同期検波信号と前記反転信号とを交互に選択して出力するスイッチと、を有し、
前記オフセット値は、前記他方の被同期検波信号と前記反転信号の一方に加算されることを特徴とする角速度検出装置。
請求項１０乃至１３のいずれか一項において
前記オフセット加算手段又は前記直流変換手段の出力信号に基づいて角速度検出装置の故障の有無を判定する自己故障判定手段を含むことを特徴とする角速度検出装置。
請求項１０乃至１４のいずれか一項において、
前記オフセット加算手段又は前記直流変換手段の出力信号を出力する出力端子を含むことを特徴とする角速度検出装置。
請求項１０乃至１５のいずれか一項において、
前記直流変換手段は、前記積分手段の前段と後段の少なくとも一方に信号の増幅率を調整できる可変増幅手段を含むことを特徴とする角速度検出装置。
請求項１０乃至１６のいずれか一項において、
前記直流変換手段の出力信号の温度による変動を補正する温度特性補正手段を含むことを特徴とする角速度検出装置。
請求項１０乃至１７のいずれか一項において、
前記振動子は、検出用基部から延出している連結腕と、前記連結腕に配置された駆動用基部から前記連結腕の延出方向と交差する方向に延出している駆動振動片と、前記検出用基部から前記連結腕の延出方向と交差する方向に延出している検出振動片と、を含むことを特徴とする角速度検出装置。
請求項１０乃至１８のいずれか一項に記載の角速度検出装置と、
前記角速度検出装置の出力信号が入力され、前記角速度検出装置の故障の有無を判定する外部故障判定手段と、を含むことを特徴とする故障判定システム。