JP7009923B2 - 物理量測定装置、電子機器及び移動体 - Google Patents

Description

本発明は、物理量測定装置、電子機器及び移動体等に関する。

従来より、センサー素子からの検出信号に基づいて物理量を検出する物理量測定装置が知られている。ジャイロセンサーを例にとれば、物理量測定装置は物理量として角速度等を検出する。ジャイロセンサーは、例えばデジタルカメラ、スマートフォン等の電子機器や、車、飛行機等の移動体に組み込まれ、検出された角速度等の物理量を用いて、手振れ補正、姿勢制御、ＧＰＳ自律航法等が行われる。

このような物理量測定装置における故障診断手法としては、例えば特許文献１、２、３、４に開示される従来技術が知られている。特許文献１では、センサー素子の検知板（検出素子）と駆動板（駆動素子）との機械結合に起因する機械結合信号を検出手段により検出することで、故障診断を実現している。特許文献２でも同様に、振動子自身が励振することによって発生する自己振動成分（漏れ振動）を監視することで、故障診断を実現している。特許文献３では、自己振動成分を抽出し、温度特性補正手段によって温度補正を行うことで、精度の高い故障診断を実現している。特許文献４の角度センサーは、第１、第２のＤ／Ａ変換回路と第１、第２の積分回路と比較回路を備えるΣΔ変調器を有している。そして互いに逆電位となる電源電圧を供給する第１、第２の電圧源と第１、第２のスイッチを用いて、第１、第２の検出電極のいずれかの検出電極周りの断線を検出する故障診断を実現している。

特開平８－３２７３６３号公報 特開２０００－１７１２５７号公報 特開２０１０－２５６９５号公報 特開２０１１－２７４５５号公報

しかしながら、物理量測定装置の故障診断に振動漏れ成分（自己振動成分、機械結合信号）を用いる特許文献１～３の手法では、センサー素子の個体ばらつきの影響を受けやすく、故障診断の判定精度が悪くなる傾向があった。また振動漏れ成分が構造上少ないセンサー素子では、確実な故障診断を行うため、所望の振動漏れ成分をトリミング技術等を用いて精度よく作り込む必要があった。また振動漏れ成分を電気的に抽出するため、コリオリ力を検波する回路とは別に振動漏れ成分を検波する同期検波回路が必要であり、チップサイズが大きくなり、製品の小型化や低コスト化の妨げとなっていた。また振動漏れ成分の抽出回路が必要になり、この抽出回路のトラブルによっても故障と判断されてしまうという問題があった。また特許文献４の従来技術では、故障診断用に逆電位の電源電圧を供給する第１、第２の基準電圧が別途に必要になり、第１、第２の検出電極のどちらの検出電極周りに断線が生じたのかを判別できないという問題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は態様として実現することが可能である。

本発明の一態様は、駆動電極と第１の検出電極と第２の検出電極とを有し、前記駆動電極と前記第１の検出電極との間及び前記駆動電極と前記第２の検出電極との間に容量結合が形成されるセンサー素子と、前記駆動電極に駆動信号を供給する駆動回路と、前記第１の検出電極からの第１の検出信号及び前記第２の検出電極からの第２の検出信号に基づいて物理量に対応した物理量情報を検出する検出回路と、故障診断回路と、を有する回路装置と、を含み、前記回路装置は、前記第１の検出信号が入力される第１の端子と前記検出回路との間に設けられる第１のスイッチと、前記第２の検出信号が入力される第２の端子と前記検出回路との間に設けられる第２のスイッチと、を有し、前記故障診断回路は、前記第１、第２のスイッチの接続状態を変化させたときの前記検出回路の検出結果に基づいて、故障診断を行う物理量測定装置に関係する。

本発明の一態様では、センサー素子の駆動電極と第１の検出電極との間及び駆動電極と第２の検出電極との間に容量結合が形成される。これにより、駆動回路の駆動信号の信号成分が当該容量結合を介して回路装置の第１、第２の端子に伝わるようになる。また回路装置では、センサー素子からの第１の検出信号が入力される第１の端子と検出回路との間に第１のスイッチが設けられ、センサー素子からの第２の検出信号が入力される第２の端子と検出回路との間に第２のスイッチが設けられる。そして故障診断の際に第１、第２のスイッチの接続状態が変化する。これにより、容量結合を介して回路装置の第１、第２の端子に伝わった信号成分が、第１、第２のスイッチがオンであるか、オフであるかに応じて、検出回路に伝わったり、伝わらなかったりする。従って、第１、第２のスイッチの接続状態に応じて、検出回路からの検出結果が変化するようになり、故障診断回路は、この検出結果の変化に基づき、第１、第２の検出信号のいずれの信号経路で故障が発生したのかを判別して検出できるようになる。従って、第１、第２のスイッチの接続状態を変化させるという簡素な処理、構成で、第１、第２の検出信号の信号経路での故障を判別して検出できる物理量測定装置等の提供が可能になる。

また本発明の一態様では、前記接続状態は、前記第１のスイッチがオフとなり、前記第２のスイッチがオンとなる第１の接続状態と、前記第１のスイッチがオンとなり、前記第２のスイッチがオフとなる第２の接続状態を含み、前記故障診断回路は、前記第１、第２のスイッチが前記第１の接続状態であるときの前記検出回路の検出結果値である第１の故障診断値と、前記第１、第２のスイッチが前記第２の接続状態であるときの前記検出回路の検出結果値である第２の故障診断値とに基づいて、故障診断を行ってもよい。

このようにすれば、第１の接続状態においては、第１のスイッチがオフになり、第２のスイッチがオンになることで、容量結合を介した信号成分が、第１の検出信号の信号経路では検出回路に伝わらず、第２の検出信号の信号経路では検出回路に伝わるようになる。一方、第２の接続状態においては、第１のスイッチがオンになり、第２のスイッチがオフになることで、容量結合を介した信号成分が、第１の検出信号の信号経路では検出回路に伝わり、第２の検出信号の信号経路では検出回路に伝わらないようになる。従って、故障診断回路が検出回路の検出結果に基づき故障診断を行うことで、第１、第２の検出信号の信号経路での故障を判別して検出できるようになる。

また本発明の一態様では、前記接続状態は、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチがオンになる第３の接続状態を含み、前記故障診断回路は、前記第１、第２の故障診断値と、前記第１、第２のスイッチが前記第３の接続状態であるときの前記検出回路の検出結果値である第３の故障診断値とに基づいて、故障診断を行ってもよい。

このようにすれば、第１、第２の故障診断値に加えて、第３の故障診断値を用いて、故障診断を行うことが可能になり、故障診断の判定精度の向上等を図れる。

また本発明の一態様では、前記故障診断回路は、前記第１、第２、第３の故障診断値の比較判定処理により、故障診断を行ってもよい。

このようにすれば、第１、第２、第３の故障診断値の比較判定を行うという簡素な処理で、適切な故障診断を実現できるようになる。

また本発明の一態様では、前記駆動回路は、矩形波の前記駆動信号を出力し、前記検出回路は、前記駆動信号に基づく同期検波を行う同期検波回路を含んでもよい。

このように矩形波の駆動信号で駆動して、容量結合を介して検出可能な信号（静電漏れ信号）の同期検波を行うことで、正弦波の駆動信号で駆動する場合に比べて、安定した故障診断を実現でき、判定精度を向上できる。例えば同期検波回路の同期検波により、矩形波の駆動信号の立ち上がりエッジや立ち下がりエッジでの検出回路の検出結果が適切に取り込まれるようになり、故障診断の判定精度の向上等を図れる。

また本発明の一態様では、一端が前記第１の端子に接続される前記第１のスイッチの他端と、アナロググランドのノードとの間に設けられ、前記第１のスイッチがオフのときにオンになる第３のスイッチと、一端が前記第２の端子に接続される前記第２のスイッチの他端と、前記アナロググランドのノードとの間に設けられ、前記第２のスイッチがオフのときにオンになる第４のスイッチと、を含んでもよい。

このようにすれば、第１のスイッチがオフの場合には第３のスイッチがオンになることで、第１の端子のノードをアナロググランドに設定し、第２のスイッチがオフの場合には第４のスイッチがオンになることで、第２の端子のノードをアナロググランドに設定することができ、適切な故障診断の実現が可能になる。

また本発明の一態様では、前記検出回路は、第１の出力端子と第１の入力端子との間に設けられた第１のキャパシターと、第２の出力端子と第２の入力端子との間に設けられた第２のキャパシターとを有し、前記第１、第２の検出信号の差動増幅を行う増幅回路を含み、前記増幅回路の前記第１の入力端子と前記回路装置の前記第１の端子との間に前記第１のスイッチが設けられ、前記増幅回路の前記第２の入力端子と前記回路装置の前記第２の端子との間に前記第２のスイッチが設けられてもよい。

このようにすれば、容量結合の結合キャパシターと増幅回路の第１、第２のキャパシターを利用して、検出回路の検出結果に基づく故障診断を実現できるようになる。

また本発明の一態様では、前記故障診断回路は、前記第１、第２のスイッチの接続状態を変化させたときの前記検出回路のデジタルデータの検出結果値に基づいて、故障診断を行ってもよい。

このようにすれば、検出回路の検出結果値を用いたデジタル演算処理により、故障の発生を検出できるようになり、簡素な処理での故障診断を実現することが可能になる。

また本発明の一態様では、前記故障診断回路は、前記センサー素子の発振起動期間において、故障診断を行ってもよい。

このように発振駆動期間で故障診断を行えば、第１、第２の検出信号の信号経路にある第１、第２のスイッチのオン、オフを行っても、検出回路の検出処理には影響を与えないため、適切な故障診断と検出処理を両立して実現できるようになる。

また本発明の一態様では、前記故障診断回路は、前記駆動回路による前記センサー素子の駆動開始後の前記発振起動期間において、故障診断を行ってもよい。

このようにすれば、発振起動期間において駆動回路の駆動信号の電圧レベルを変化させながら、第１、第２のスイッチの接続状態を変化させて、故障診断を行うことなどが可能になる。

また本発明の一態様では、前記故障診断回路は、前記検出回路の検出期間において、前記検出回路で発生するフロアノイズの指標情報を、前記検出回路の検出結果に基づいて求め、前記指標情報に基づいて故障診断を行ってもよい。

このようにフロアノイズの指標情報を用いることで、故障の発生を適切に検出することが可能になる。また、検出処理を行う検出期間においても故障検出が可能になり、常時故障診断の実現が可能になる。

また本発明の他の態様は、上記に記載の物理量測定装置を含む電子機器に関係する。

また本発明の他の態様は、上記に記載の物理量測定装置を含む移動体に関係する。

本実施形態の物理量測定装置の構成例。 物理量測定装置の詳細な構成例。 センサー出力電圧の温度特性の例。 駆動電極と検出電極の間に形成される容量結合の説明図。 本実施形態の故障診断手法についての説明図。 本実施形態の故障診断手法についての説明図。 本実施形態の動作の一例を説明する信号波形図。 本実施形態の動作の一例を説明する信号波形図。 フロアノイズ検出により故障診断を行う場合の物理量測定装置の構成例。 増幅回路のフロアノイズの説明図。 ノイズゲイン（ノイズ伝達関数）の特性例。 ノイズゲイン（ノイズ伝達関数）の特性例。 フロアノイズ検出回路の構成例。 センサー素子の構成例。 駆動用端子、検出用端子を覆うように誘電体を設ける手法の説明図。 センサー素子の動作説明図。 電子機器の構成例。 移動体の構成例。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施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く、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

１．物理量測定装置
図１に本実施形態の物理量測定装置５の構成例を示す。物理量測定装置５（物理量検出装置、センサーデバイス）は、センサー素子１０と回路装置２０を含む。なお物理量測定装置５は図１の構成に限定されず、これらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

センサー素子１０（物理量トランスデューサー、振動子）は、物理量を検出するための素子である。例えばセンサー素子１０は振動片（振動子）を有し、この振動片の振動を利用して物理量が検出される。例えばセンサー素子１０がジャイロセンサー素子である場合には、物理量として角速度が検出される。なおセンサー素子１０により検出される物理量は、角速度以外の物理量（例えば加速度、角加速度、速度、移動距離又は圧力等）であってもよい。

センサー素子１０は、駆動電極１３と検出電極１５、１６を有し、駆動電極１３と検出電極１５（第１の検出電極）との間、及び、駆動電極１３と検出電極１６（第２の検出電極）との間に容量結合（静電容量結合）が形成されている。例えば駆動電極１３と検出電極１５、１６との間に寄生容量による容量結合が形成（構成）されている。駆動電極１３は、後述の図１４で説明するような駆動アーム１８Ａ～１８Ｄに設けられた駆動電極（駆動用導電体パターン）であってもよいし、当該駆動電極に接続されている駆動用配線（駆動配線導電体パターン）であってもよい。検出電極１５、１６も、検出アーム１９Ａ、１９Ｂに設けられた検出電極（検出用導電体パターン）であってもよいし、当該検出電極に接続されている検出用配線（検出配線導電体パターン）であってもよい。なお、本実施形態では、検出電極１５（第１の検出電極）と検出電極１６（第２の検出電極）とが、差動信号の関係にある検出信号Ｓ１（第１の検出信号）と検出信号Ｓ２（第２の検出信号）とをそれぞれ出力するように設けられている例となっている。

回路装置２０は、駆動回路３０と検出回路６０と故障診断回路１５０を含む。また回路装置２０は、スイッチＳＷ１（第１のスイッチ）、スイッチＳＷ２（第２のスイッチ）や、端子ＴＤ、ＴＳ１、ＴＳ２（パッド）を含む。駆動回路３０は、センサー素子１０の駆動電極１３に駆動信号ＤＳを供給する。例えば端子ＴＤ（駆動用端子）を介して駆動信号ＤＳをセンサー素子１０に供給する。例えば駆動電極１３に駆動信号ＤＳが供給されることでセンサー素子１０の振動片が振動する。検出回路６０は、センサー素子１０の検出電極１５からの検出信号Ｓ１（第１の検出信号）が端子ＴＳ１（第１の端子）を介して入力され、検出電極１６からの検出信号Ｓ２（第２の検出信号）が、端子ＴＳ２（第２の端子）を介して入力される。そして検出電極１５、１６からの検出信号Ｓ１、Ｓ２に基づいて物理量に対応した物理量情報（角速度、加速度等）を検出する。例えば駆動信号ＤＳによりセンサー素子１０の振動片が振動し、これにより検出電極１５、１６から電流信号又は電圧信号である検出信号Ｓ１、Ｓ２が出力される。検出回路６０は、これらの検出信号Ｓ１、Ｓ２に基づいて、物理量に対応する所望信号（コリオリ力信号等）を検出して、物理量情報を検出する。例えば検出回路６０は、増幅回路６１と同期検波回路８１を有する。増幅回路６１は検出信号Ｓ１、Ｓ２の信号増幅（差動増幅）を行い、同期検波回路８１は、増幅回路６１による増幅後の信号に基づいて同期検波を行い、所望信号（所望波）を検出する。

回路装置２０はスイッチＳＷ１、ＳＷ２を含む。スイッチＳＷ１（第１のスイッチ）は、検出信号Ｓ１（第１の検出信号）が入力される端子ＴＳ１（第１の端子）と検出回路６０（増幅回路６１）との間に設けられる。スイッチＳＷ２（第２のスイッチ）は、検出信号Ｓ２（第２の検出信号）が入力される端子ＴＳ２（第２の端子）と検出回路６０（増幅回路６１）との間に設けられる。これらのスイッチＳＷ１、ＳＷ２は、例えば故障診断回路１５０（処理回路）によりオン、オフ制御される。なお検出回路６０がスイッチＳＷ１、ＳＷ２のオン、オフ制御を行ったり、後述する図９のレジスター部１８０によりスイッチＳＷ１、ＳＷ２のオン、オフ制御を行ってもよい。またスイッチＳＷ１、ＳＷ２はトランジスターにより実現できる。具体的にはスイッチＳＷ１、ＳＷ２としてはＭＯＳトランジスターを用いることができる。またスイッチＳＷ１、ＳＷ２をトランスファーゲートにより実現してもよい。

故障診断回路１５０（異常診断回路）は、物理量測定装置５の故障診断（異常状態の診断）を行う回路である。故障診断回路１５０は、ゲートアレイなどの自動配置配線で実現される回路であってもよいし、ＤＳＰ、ＭＰＵ等のプロセッサーにより実現される回路であってもよい。例えば故障診断回路１５０は、検出回路６０の検出結果である検出結果値ＤＱに基づいて故障診断を行う。検出回路６０がＡ／Ｄ変換回路を有している場合に、この検出結果値ＤＱは、Ａ／Ｄ変換回路によりＡ／Ｄ変換されたデジタルデータである。故障診断回路１５０は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態を変化させたときの検出回路６０の検出結果である検出結果値ＤＱに基づいて、故障診断を行う。このようにすれば、スイッチＳＷ１、ＳＷ２のオン、オフを制御することで、その接続状態を変化させ、各接続状態での検出結果をモニターするだけで、故障診断を実現できるようになる。従って、スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオン、オフするという簡素な処理、構成で、検出信号Ｓ１、Ｓ２の信号経路での故障を判別して検出できる故障診断の実現が可能になる。また結合容量の容量値を小さくしてノイズを低減することと、故障診断とを両立して実現することも可能になる。なお接続状態は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の各々がオン又はオフになることによる複数の状態である。検出回路６０の検出結果は、物理量情報を検出する通常の検出処理と同様の検出処理により得られる結果である。例えば通常の検出処理においては、検出回路６０の検出結果である検出結果値ＤＱは、検出された物理量情報を表す値となる。

例えばスイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態は、スイッチＳＷ１がオフとなり、スイッチＳＷ２がオンとなる第１の接続状態と、スイッチＳＷ１がオンとなり、スイッチＳＷ２がオフとなる第２の接続状態を含む。この場合に故障診断回路１５０は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２が第１の接続状態であるときの検出回路６０の検出結果値ＤＱである第１の故障診断値と、スイッチＳＷ１、ＳＷ２が第２の接続状態であるときの検出回路６０の検出結果値ＤＱである第２の故障診断値とに基づいて、故障診断を行う。このようにすれば、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態を第１、第２の接続状態に設定し、第１、第２の接続状態での検出結果値ＤＱを、第１、第２の故障診断値として故障診断回路１５０が取得することで、物理量測定装置５の故障診断を実現できるようになる。これにより、例えば検出信号Ｓ１、Ｓ２のいずれの信号経路で故障が発生したのかを判別して検出できるようになる。

またスイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態は、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２がオンになる第３の接続状態を含むことができる。この場合に故障診断回路１５０は、上記の第１、第２の故障診断値と、スイッチＳＷ１、ＳＷ２が第３の接続状態であるときの検出回路６０の検出結果値ＤＱである第３の故障診断値とに基づいて、故障診断を行う。このようにすれば、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態を第１、第２、第３の接続状態に設定し、第１、第２、第３の接続状態での検出結果値ＤＱを、第１、第２、第３の故障診断値として故障診断回路１５０が取得することで、物理量測定装置５の故障診断を実現できるようになる。これにより、例えば第１、第２の故障診断値と第３の故障診断値とを比較するなどの判定処理を実現でき、より適切な故障診断の判定処理を実現できるようになる。

また故障診断回路１５０は、第１、第２、第３の故障診断値の比較判定処理により、故障診断を行う。例えば第１の故障診断値と第２の故障診断値を比較したり、第１の故障診断値と第３の故障診断値を比較したり、第２の故障診断値と第３の故障診断値を比較するなどの処理を行って、故障診断の判定処理を行う。このようにすれば、第１、第２、第３の故障診断値を用いた簡素な演算処理で、故障診断の判定処理を実現できるようになり、故障診断回路１５０の小規模化や判定処理の簡素化などを図れる。

図２に本実施形態の物理量測定装置５の詳細な構成例を示す。センサー素子１０は、振動片１１、１２と、駆動電極１３、１４と、検出電極１５、１６と、接地電極１７を有する。振動片１１、１２は、例えば水晶などの圧電材料の薄板から形成される圧電型振動片である。具体的には、振動片１１、１２は、Ｚカットの水晶基板により形成された振動片である。なお振動片１１、１２の圧電材料は、水晶以外のセラミックスやシリコン等の材料であってもよい。

駆動電極１３には駆動回路３０からの駆動信号ＤＳが端子ＴＤを介して供給され、これにより駆動用の振動片１１が振動する。振動片１１は例えば後述の図１４の駆動アーム１８Ａ～１８Ｄである。そして駆動電極１４からのフィードバック信号ＤＧが駆動回路３０に対して端子ＴＧを介して入力される。例えば振動片１１が振動することによるフィードバック信号ＤＧが駆動回路３０に入力される。

そして駆動用の振動片１１が振動することにより検出用の振動片１２が振動し、この振動により発生した電荷（電流）が検出信号Ｓ１、Ｓ２として検出電極１５、１６から検出回路６０に入力される。具体的にはセンサー素子１０からの検出信号Ｓ１、Ｓ２は、端子ＴＳ１、ＴＳ２及びスイッチＳＷ１、ＳＷ２を介して検出回路６０に入力される。ここで接地電極１７は接地電位（ＧＮＤ）に設定されている。検出回路６０は、これらの検出信号Ｓ１、Ｓ２に基づいて、検出信号Ｓ１、Ｓ２に対応する物理量情報（角速度等）を検出する。

なお以下ではセンサー素子１０がジャイロセンサー素子である場合を主に例にとり説明するが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、加速度等の他の物理量を検出する素子であってもよい。またセンサー素子１０としては例えば後述の図１４のようなダブルＴ字型の振動片を用いることができるが、音叉型又はＨ型等の振動片であってもよい。

回路装置２０は、駆動回路３０、スイッチＳＷ１～ＳＷ４、検出回路６０、処理回路１４０、不揮発性メモリー１７０、レジスター部１８０を含む。駆動回路３０は、センサー素子１０からのフィードバック信号ＤＧが入力される増幅回路３２と、自動ゲイン制御を行うゲイン制御回路４０（ＡＧＣ回路）と、駆動信号ＤＳをセンサー素子１０に出力する駆動信号出力回路５０を含む。また駆動回路３０は、同期信号ＳＹＣを検出回路６０に出力する同期信号出力回路５２を含む。なお、駆動回路３０の構成は図２に限定されず、これらの構成要素の一部を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

増幅回路３２（Ｉ／Ｖ変換回路）は、センサー素子１０からのフィードバック信号ＤＧを増幅する。例えばセンサー素子１０からの電流のフィードバック信号ＤＧを電圧の信号ＤＶに変換して出力する。この増幅回路３２は、演算増幅器、帰還抵抗、帰還キャパシターなどにより実現できる。

駆動信号出力回路５０は、増幅回路３２による増幅後の信号ＤＶに基づいて、駆動信号ＤＳを出力する。ゲイン制御回路４０（ＡＧＣ）は、駆動信号出力回路５０に制御電圧ＧＣを出力して、駆動信号ＤＳの振幅を制御する。具体的には、ゲイン制御回路４０は、信号ＤＶを監視して、発振ループのゲインを制御する。例えば駆動回路３０では、センサーの感度を一定に保つために、センサー素子１０（駆動用の振動片１１）に供給する駆動電圧の振幅を一定に保つ必要がある。このため、駆動振動系の発振ループ内に、ゲインを自動調整するためのゲイン制御回路４０が設けられる。ゲイン制御回路４０は、センサー素子１０からのフィードバック信号ＤＧの振幅（振動片の振動速度ｖ）が一定になるように、ゲインを可変に自動調整する。このゲイン制御回路４０は、増幅回路３２からの信号ＤＶを全波整流する全波整流器や、全波整流器の出力信号の積分処理を行う積分器などにより実現できる。

例えば駆動信号出力回路５０が、矩形波の駆動信号ＤＳを出力する場合には、駆動信号出力回路５０はコンパレーターとバッファー回路などにより構成できる。コンパレーターは信号ＤＶの電圧と基準電圧（ＡＧＮＤ）とを比較する。バッファー回路は、コンパレーターの出力信号をバッファリングして、駆動信号ＤＳとして出力する。この場合にバッファー回路は、ゲイン制御回路４０からの制御電圧ＧＣが電源電圧レベル（高電位側電源電圧）となる駆動信号ＤＳを出力する。これにより、矩形波信号である駆動信号ＤＳの振幅が、ゲイン制御回路４０からの制御電圧ＧＣにより制御されるようになる。例えば制御電圧ＧＣが高くなれば、矩形波信号である駆動信号ＤＳの振幅が大きくなり、制御電圧ＧＣが低くなれば、駆動信号ＤＳの振幅は小さくなる。このように駆動信号ＤＳによる矩形波駆動を行えば、矩形波信号は広い範囲の周波数成分を含むため、物理量測定装置５の発振の起動期間を短縮化できる。なお駆動信号出力回路５０が正弦波の駆動信号ＤＳを出力するようにしてもよい。

同期信号出力回路５２は、増幅回路３２による増幅後の信号ＤＶを受け、同期信号ＳＹＣ（参照信号）を検出回路６０に出力する。この同期信号出力回路５２は、正弦波（交流）の信号ＤＶの２値化処理を行って矩形波の同期信号ＳＹＣを生成するコンパレーターや、同期信号ＳＹＣの位相調整を行う位相調整回路（移相器）などにより実現できる。

検出信号Ｓ１が入力される端子ＴＳ１と検出回路６０の間にはスイッチＳＷ１が設けられ、検出信号Ｓ２が入力される端子ＴＳ２と検出回路６０の間にはスイッチＳＷ２が設けられる。そして図２の回路装置２０は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２に加えて、スイッチＳＷ３（第３のスイッチ）とスイッチＳＷ４（第４のスイッチ）を含む。これらのスイッチＳＷ３、ＳＷ４は例えばトランジスター（ＭＯＳトランジスター）により実現される。

スイッチＳＷ３は、一端が端子ＴＳ１に接続されるスイッチＳＷ１の他端（ＮＩ１）と、ＡＧＮＤ（アナロググランド）のノードＮＧ１との間に設けられ、スイッチＳＷ１がオフのときにオンになるスイッチである。スイッチＳＷ４は、一端が端子ＴＳ２に接続されるスイッチＳＷ２の他端（ＮＩ２）と、ＡＧＮＤ（アナロググランド）のノードＮＧ２との間に設けられ、スイッチＳＷ２がオフのときにオンになるスイッチである。ノードＮＧ１、ＮＧ２は、ＡＧＮＤの電位に設定されるノードである。

このようなスイッチＳＷ３を設けることで、故障診断時にスイッチＳＷ１がオフになった際に、スイッチＳＷ３がオンになることで、スイッチＳＷ１の他端のノードＮＩ１を、ＡＧＮＤの電位に設定できる。またスイッチＳＷ４を設けることで、故障診断時にスイッチＳＷ２がオフになった際に、スイッチＳＷ４がオンになることで、スイッチＳＷ２の他端のノードＮＩ２を、ＡＧＮＤの電位に設定できる。従って、故障診断時にスイッチＳＷ１、ＳＷ２がオフになった際に、ノードＮＩ１、ＮＩ２が不定の電位になって、不定の電位の信号が検出回路６０に入力されるのを防止できる。これにより検出回路６０の誤検出などの事態が生じてしまうのを防止できる。

検出回路６０は、増幅回路６１、ＰＧＡ回路７０、同期検波回路８１、フィルター部９０、Ａ／Ｄ変換回路１００を含む。なお、検出回路６０の構成は図２に限定されず、これらの構成要素の一部を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

増幅回路６１は、センサー素子１０からの検出信号Ｓ１と検出信号Ｓ２を受けて、電荷－電圧変換や信号増幅を行う。検出信号Ｓ１、Ｓ２は差動信号を構成している。この増幅回路６１は例えばＱ／Ｖ変換回路（電荷／電圧変換回路）などにより構成される。Ｑ／Ｖ変換回路は例えば演算増幅器と、演算増幅器の出力端子と入力端子の間に設けられる抵抗やキャパシターなどの帰還用の受動素子により実現できる。増幅回路６１の具体的な構成については後述する。

ＰＧＡ回路７０は、いわゆるプログラマブルゲインアンプ（Programmable Gain Amplifier）であり、増幅回路６１による増幅後の信号のゲイン調整を行う回路である。例えばＰＧＡ回路７０は、増幅回路６１からの差動の入力信号のゲイン調整を行って、差動の出力信号を出力する。

同期検波回路８１は、ＰＧＡ回路７０の出力信号が入力され、駆動回路３０からの同期信号ＳＹＣを用いた同期検波を行う。例えば検出信号Ｓ１、Ｓ２から所望信号を抽出するための同期検波を行う。例えば同期検波回路８１は、ＰＧＡ回路７０からの差動の入力信号に対して同期検波を行って、同期検波後の差動の出力信号を出力する。同期検波回路８１は例えばスイッチングミキサーなどにより実現できる。スイッチングミキサーは、同期信号ＳＹＣに基づいて差動の同期検波を行うミキサーであり、複数のスイッチにより構成される。同期検波回路８１による同期検波により、前段の回路（増幅回路６１、ＰＧＡ回路７０）が発生したノイズ（１／ｆノイズ）などの不要信号が高周波帯域に周波数変換される。また、コリオリ力に応じた信号である所望信号が直流信号に落とし込まれる。

フィルター部９０は、同期検波回路８１の出力信号に対して例えばローパスのフィルター処理（ＬＰＦ）を行う。例えばフィルター部９０は、同期検波回路８１からの差動の入力信号に対してフィルター処理を行って、差動の出力信号を出力する。フィルター部９０により、例えば同期検波回路８１により高周波帯域に周波数変換された１／ｆノイズ等の不要信号が除去される。フィルター部９０は、例えばパッシブ素子で構成されるパッシブフィルターである。即ち、フィルター部９０としては、演算増幅器を用いずに、抵抗やキャパシターなどのパッシブ素子で構成されるパッシブフィルターを採用できる。

Ａ／Ｄ変換回路１００は、フィルター部９０の出力信号のＡ／Ｄ変換を行い、デジタルデータである検出結果値ＤＱを出力する。Ａ／Ｄ変換回路１００は、フィルター部９０からの差動の入力信号に対してＡ／Ｄ変換を行って、Ａ／Ｄ変換結果である検出結果値ＤＱを後段の処理回路１４０に出力する。例えばＡ／Ｄ変換回路１００は、フィルター部９０をアンチエイリアシング用のフィルター（前置きフィルター）として、フィルター部９０からの差動の入力信号のサンプリングを行ってＡ／Ｄ変換を行う。Ａ／Ｄ変換回路１００としては、例えばΔシグマ型や逐次比較型などの種々の方式のＡ／Ｄ変換回路を採用できる。

図２の検出回路６０の構成によれば、増幅回路６１やＰＧＡ回路７０で発生した１／ｆノイズ等は、同期検波回路８１（スイッチングミキサー）での周波数変換とフィルター部９０によるローパスフィルター特性により除去される。そしてＰＧＡ回路７０とＡ／Ｄ変換回路１００の間には、ゲインは稼げないが１／ｆノイズが発生しないスイッチングミキサーで構成される同期検波回路８１や、低ノイズのパッシブ素子により構成されるフィルター部９０が設けられる構成となっている。従って、増幅回路６１やＰＧＡ回路７０で発生したノイズが除去されると共に、同期検波回路８１やフィルター部９０が発生するノイズも最小限に抑えることができる。そして低ノイズの状態の差動の入力信号をＡ／Ｄ変換回路１００に入力して、Ａ／Ｄ変換できるため、Ｓ／Ｎ比を大幅に向上できるようになる。なお検出回路６０の構成は図２の構成には限定されず、種々の変形実施が可能である。例えば増幅回路６１がシングルエンドの信号を出力し、ＰＧＡ回路７０、同期検波回路８１等のアナログ回路がシングルエンドの信号のアナログ回路処理を行ってもよい。

処理回路１４０（ＤＳＰ）は、各種のデジタル信号処理を行う。処理回路１４０は、例えば所望信号のアプリケーションに応じた帯域制限のデジタルフィルター処理や、Ａ／Ｄ変換回路１００等により発生したノイズを除去するデジタルフィルター処理を行う。また、ゲイン補正（感度調整）、オフセット補正などのデジタル補正処理を行う。この処理回路１４０は、例えばゲートアレイなどの自動配置配線で実現される回路であってもよいし、ＤＳＰ、ＭＰＵ等のプロセッサーにより実現される回路であっても。そして図２では、故障診断回路１５０は処理回路１４０に設けられている。例えば処理回路１４０が本実施形態の故障診断処理を行う。

不揮発性メモリー１７０は回路装置２０についての種々の情報を記憶する。例えば不揮発性メモリー１７０は回路動作設定情報や回路定数情報を記憶する。不揮発性メモリー１７０は例えばＭＯＮＯＳ（metal-oxide-nitride-oxide-silicon）のメモリーなどにより実現できる。レジスター部１８０は、レジスター１８２とＭＯＮＯＳレジスター１８４（不揮発性メモリー用レジスター）を含む。レジスター１８２は通常のレジスターであり、各種の情報（データ、コマンド）が設定される。ＭＯＮＯＳレジスター１８４は、不揮発性メモリー１７０に記憶される情報が回路装置２０の起動時に転送されて記憶されるレジスターである。

２．故障診断手法
次に本実施形態の故障診断手法について詳細に説明する。前述の特許文献１～３では、自己振動成分とも呼ばれる振動漏れ成分を用いて故障診断を行っていた。この振動漏れ成分は、センサー素子１０の構造に起因して生じる不要成分であり、角速度等の物理量を検出する際に好ましくない成分となる。

また後述の図１４に示すようなダブルＴ字型構造のセンサー素子１０では、駆動アーム１８Ａ～１８Ｄと検出アーム１９Ａ、１９Ｂとが分離した構造となっているため、検出アーム１９Ａ、１９Ｂについての不要振動が発生しにくい。またダブルＴ字型構造のセンサー素子１０は、駆動系を回転対称に配置した形状であるため、互いの駆動系から漏れるわずかな振動を相殺することができる。このため、振動漏れ成分による不要振動が発生しにくく、Ｓ／Ｎ比に優れた構造であり、ノイズ成分が小さく、コリオリ力を感度良く検出できるという特徴を持つ。従って、振動漏れ成分が小さくなる方向になるため、振動漏れ成分を用いる手法では、適正な故障診断を実現できないという課題があった。

また、振動漏れ成分を用いて故障診断を行う従来例の故障診断回路では、所望信号（コリオリ力）を検波する同期検波回路とは別に、振動漏れ成分を検波する同期検波回路が必要になってしまう。このため、チップサイズが大きくなり、製品の小型化や低コスト化の妨げとなってしまうという課題があった。

また検出信号Ｓ１、Ｓ２に所定量以上の振動漏れ成分が含まれていると、図３に示すように温度に応じてセンサー出力電圧（ＶＯＵＴ）が変動してしまう。即ち、故障診断の判定精度を高めるために、振動漏れ成分を大きくしてしまうと、図３に示すようにセンサー出力電圧の温度変動特性が悪化してしまう。なお図３の破線は、振動漏れ成分がゼロである場合の温度変動特性を表している。

そこで本実施形態では、駆動電極１３と検出電極１５、１６の容量結合（静電容量結合）を利用して、故障診断を行う手法を採用している。例えば図４に示すように、駆動信号ＤＳが供給される駆動電極１３と検出信号Ｓ１が出力される検出電極１５との間には、結合キャパシターＣＣ１による容量結合が形成され、駆動電極１３と検出信号Ｓ２が出力される検出電極１６との間には、結合キャパシターＣＣ２による容量結合が形成されている。後述の図１４を例にとれば、ＣＣ１は、駆動電極１３の駆動用端子２３と、検出電極１５の検出用端子２５との間に形成される結合キャパシター（静電結合キャパシター）である。ＣＣ２は、駆動電極１３の駆動用端子２３と、検出電極１６の検出用端子２６との間に形成される結合キャパシター（静電結合キャパシター）である。このように電極の物理的構造に起因して容量結合（ＣＣ１、ＣＣ２）が形成され、この容量結合に起因する静電漏れ成分が検出信号Ｓ１、Ｓ２に現れる。

即ち本実施形態の物理量測定装置５は、図１、図２に示すように、駆動電極１３と検出電極１５、１６とを有し、駆動電極１３と検出電極１５の間及び駆動電極１３と検出電極１６との間に容量結合（ＣＣ１、ＣＣ２）が形成されるセンサー素子１０と、回路装置２０を含む。回路装置２０は、駆動電極１３に駆動信号ＤＳを供給する駆動回路３０と、検出電極１５からの検出信号Ｓ１及び検出電極１６からの検出信号Ｓ２に基づいて物理量に対応した物理量情報を検出する検出回路６０と、故障診断回路１５０を含む。

そして回路装置２０は、検出信号Ｓ１が入力される端子ＴＳ１と検出回路６０との間に設けられるスイッチＳＷ１と、検出信号Ｓ２が入力される端子ＴＳ２と検出回路６０との間に設けられるスイッチＳＷ２を更に有する。そして故障診断回路１５０は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態を変化させたときの検出回路６０の検出結果に基づいて、故障診断を行う。

図５は本実施形態の故障診断手法の説明図である。図５に示すようにセンサー素子１０の検出電極１５用の端子ＴＥ１は、配線ＷＲ１（金属線）により、回路装置２０の端子ＴＳ１に接続されている。検出電極１６用の端子ＴＥ２は、配線ＷＲ２（金属線）により、回路装置２０の端子ＴＳ２に接続されている。従って検出電極１５からの検出信号Ｓ１は、端子ＴＥ１、配線ＷＲ１、端子ＴＳ１を介して回路装置２０に入力される。検出電極１６からの検出信号Ｓ２は、端子ＴＥ２、配線ＷＲ２、端子ＴＳ２を介して回路装置２０に入力される。

検出回路６０は増幅回路６１を含む。増幅回路６１は、第１の出力端子（反転出力端子）と第１の入力端子（非反転入力端子）との間に設けられたキャパシターＣＦ１（第１のキャパシター）と、第２の出力端子（非反転出力端子）と第２の入力端子（反転入力端子）との間に設けられたキャパシターＣＦ２（第２のキャパシター）を含む。そして検出信号Ｓ１、Ｓ２の差動増幅を行う。また増幅回路６１は、第１の出力端子（－）と第１の入力端子（＋）との間に設けられた抵抗ＲＦ１（第１の抵抗）と、第２の出力端子（＋）と第２の入力端子（－）との間に設けられた抵抗ＲＦ２（第２の抵抗）を含むことができる。増幅回路６１は、Ｑ／Ｖ変換（電荷／電圧変換）を行う増幅回路であり、例えば帰還用のキャパシターＣＦ１、ＣＦ２、抵抗ＲＦ１、ＲＦ２により検出信号Ｓ１、Ｓ２のＱ／Ｖ変換が実現される。

そしてスイッチＳＷ１は、増幅回路６１の第１の入力端子（＋）と端子ＴＳ１との間に設けられる。スイッチＳＷ２は、増幅回路６１の第２の入力端子（－）と端子ＴＳ２との間に設けられる。またスイッチＳＷ１の他端のノードＮＩ１とＡＧＮＤのノードＮＧ１の間にはスイッチＳＷ３が設けられ、スイッチＳＷ２の他端のノードＮＩ２とＡＧＮＤのノードＮＧ２の間にはスイッチＳＷ４が設けられる。

また図２、図４で説明したように駆動電極１４と検出電極１５の間には、結合キャパシターＣＣ１による容量結合が形成され、駆動電極１４と検出電極１６の間には、結合キャパシターＣＣ２による容量結合が形成される。

ここで駆動信号ＤＳの電圧（高電位側電圧レベルと低電位側電圧レベルの電圧差）をｖｄｓとし、結合キャパシターＣＣ１、ＣＣ２の容量値をｃｐ１、ｃｐ２とし、キャパシターＣＦ１、ＣＦ２の容量値をｃｆとする。また増幅回路６１の第１、第２の出力端子の電圧をｖ１、ｖ２とし、ｖ１とｖ２の電圧差をΔＯＵＴとする。演算増幅器ＯＰの第１、第２の入力端子は仮想接地（ＡＧＮＤ）される。従って、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオンの場合には、下式（１）、（２）が成り立つ。

ｃｐ１＊ｖｄｓ＝ｃｆ＊ｖ１ （１）
ｃｐ２＊ｖｄｓ＝ｃｆ＊ｖ２ （２）
上式（１）は、電圧ｖ１が、駆動信号ＤＳの電圧ｖｄｓを、ｃｐ１とｃｆの比により設定されるゲインで増幅した電圧であることを表している。上式（２）は、電圧ｖ２が、駆動信号ＤＳの電圧ｖｄｓを、ｃｐ２とｃｆの比により設定されるゲインで増幅した電圧であることを表している。上式（１）、（２）から、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオンの場合の電圧差ΔＯＵＴ＝ｖ１－ｖ２は、下式（３）のように表されることになる。

ΔＯＵＴ＝ｖ１－ｖ２＝｛（ｃｐ１－ｃｐ２）／ｃｆ｝＊ｖｄｓ （３）
一方、スイッチＳＷ１がオフで、スイッチＳＷ２がオンの場合には、ΔＯＵＴ＝ｖ１－ｖ２は下式（４）のように表され、スイッチＳＷ１がオンで、スイッチＳＷ２がオフの場合には、ΔＯＵＴ＝ｖ１－ｖ２は下式（５）のように表される。

ΔＯＵＴ＝－（ｃｐ２／ｃｆ）＊ｖｄｓ （４）
ΔＯＵＴ＝ （ｃｐ１／ｃｆ）＊ｖｄｓ （５）
なおスイッチＳＷ１がオフの場合には、スイッチＳＷ３がオンになってノードＮＩ１はＡＧＮＤに設定され、スイッチＳＷ２がオフの場合には、スイッチＳＷ４がオンになってノードＮＩ２はＡＧＮＤに設定される。

図６は本実施形態の故障診断手法を説明するための図である。図６において、Ｄ１は、スイッチＳＷ１がオフで、スイッチＳＷ２がオンである場合の接続状態を示し、Ｄ２は、スイッチＳＷ１がオンで、スイッチＳＷ２がオフである場合の接続状態を示す。Ｄ３は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の両方がオンである場合の接続状態を示し、Ｄ４は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の両方がオフである場合の接続状態を示す。

図６に示すように、配線ＷＲ１、ＷＲ２が断線しておらず、正常である場合には、Ｄ１の接続状態（第１の接続状態）では、上式（４）からΔＯＵＴ＝－（ｃｐ２／ｃｆ）＊ｖｄｓになる。またＤ２の接続状態（第２の接続状態）では、上式（５）からΔＯＵＴ＝（ｃｐ１／ｃｆ）＊ｖｄｓになる。またＤ３の接続状態（第３の接続状態）では、上式（３）からΔＯＵＴ＝｛（ｃｐ１－ｃｐ２）／ｃｆ｝＊ｖｄｓになり、Ｄ４の接続状態（第４の接続状態）ではΔＯＵＴ＝０になる。

一方、配線ＷＲ１が断線している場合には、Ｄ１、Ｄ３の接続状態ではΔＯＵＴ＝－（ｃｐ２／ｃｆ）＊ｖｄｓになり、Ｄ２、Ｄ４の接続状態ではΔＯＵＴ＝０になる。また配線ＷＲ２が断線している場合には、Ｄ２、Ｄ３の接続状態ではΔＯＵＴ＝（ｃｐ１／ｃｆ）＊ｖｄｓになり、Ｄ１、Ｄ４の接続状態ではΔＯＵＴ＝０になる。また配線ＷＲ１及びＷＲ２の両方が断線している場合には、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４の接続状態においてΔＯＵＴ＝０になる。

ここで、検出回路６０から故障診断回路１５０に入力される検出結果値ＤＱは、増幅回路６１の出力電圧の電圧差ΔＯＵＴ＝Ｖ１－Ｖ２に対応している。そして図６に示すように、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４に応じて、電圧差ΔＯＵＴが変化するため、故障診断回路１５０に入力される検出結果値ＤＱも変化することになる。また配線ＷＲ１、ＷＲ２が断線しておらず正常の場合と、配線ＷＲ１、ＷＲ２の少なくとも１つが断線している場合とで、電圧差ΔＯＵＴも異なった値になり、検出結果値ＤＱも異なった値になる。

そこで本実施形態では、故障診断回路１５０が、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態を、例えばＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４に示すように変化させたときの検出回路６０の検出結果値ＤＱを用いて、配線などの故障の検出を行う。このようにすれば、スイッチＳＷ１、ＳＷ２のオン、オフを制御して、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４のように接続状態を変化させ、各接続状態での検出結果をモニターするだけで、故障診断を実現できるようになるため、小規模な回路構成での適切な故障診断の実現が可能になる。

例えば振動漏れ成分（自己振動成分、機械漏れ信号）を用いる従来例の手法では、別の信号入力が必要となったり、振動漏れ成分の抽出回路が必要になるという問題があった。これに対して本実施形態では、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態を変化させるという簡素な処理、構成により故障診断を実現できるため、このような別の信号入力や抽出回路を不要にできるという利点がある。また本実施形態によれば、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態を図６に示すように様々に変化させることで、検出信号Ｓ１の信号経路での故障と、検出信号Ｓ２の信号経路での故障とを、区別して判定できるようになる。また本実施形態によれば、結合キャパシターＣＣ１、ＣＣ２の容量値ｃｐ１、ｃｐ２を小さくしても故障検出が可能なため、当該容量値ｃｐ１、ｃｐ２を小さくしてノイズを低減することと、適切な故障診断とを両立して実現できるという利点がある。

なお本実施形態の故障診断の対象となる故障としては、配線ＷＲ１、ＷＲ２の断線のみならず、検出信号Ｓ１、Ｓ２の信号経路における種々の異常が含まれる。例えば断線は、センサー素子１０や回路装置２０の内部での配線（信号線）の断線でもよい。或いは、完全な断線である必要は無く、配線が切れかかった状態になったような場合も含まれる。即ち、本実施形態の故障診断の対象となる故障は、配線ＷＲ１、ＷＲ２の断線など、検出信号Ｓ１、Ｓ２の信号経路での何らかの異常である。

本実施形態の故障診断の際の接続状態は、図６に示すように、スイッチＳＷ１がオフとなり、スイッチＳＷ２がオンとなる接続状態Ｄ１（第１の接続状態）と、スイッチＳＷ１がオンとなり、スイッチＳＷ２がオフとなる接続状態Ｄ２（第２の接続状態）を含む。この場合には故障診断回路１５０は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２が接続状態Ｄ１であるときの故障診断値ＤＶ１（第１の故障診断値）と、スイッチＳＷ１、ＳＷ２が接続状態Ｄ２であるときの故障診断値ＤＶ２（第２の故障診断値）とに基づいて故障診断を行う。また本実施形態の故障診断の際の接続状態は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の両方がオンになる接続状態Ｄ３（第３の接続状態）を含んでもよい。この場合には故障診断回路１５０は、故障診断値ＤＶ１、ＤＶ２と、スイッチＳＷ１、ＳＷ２が接続状態Ｄ３であるときの故障診断値ＤＶ３（第３の故障診断値）とに基づいて故障診断を行う。また接続状態は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の両方がオフになる接続状態Ｄ４（第４の接続状態）を含んでもよく、故障診断回路１５０が、第１、第２、第３故障診断値ＤＶ１、ＤＶ２、ＤＶ３と、スイッチＳＷ１、ＳＷ２が接続状態Ｄ４であるときの故障診断値ＤＶ４（第４の故障診断値）に基づいて故障診断を行ってもよい。

例えば配線ＷＲ１、ＷＲ２の断線等が発生しておらず、正常状態である場合には、接続状態Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４での故障診断値ＤＶ１、ＤＶ２、ＤＶ３、ＤＶ４は、図６のΔＯＵＴ＝－（ｃｐ２／ｃｆ）＊ｖｄｓ、ΔＯＵＴ＝（ｃｐ１／ｃｆ）＊ｖｄｓ、ΔＯＵＴ＝｛（ｃｐ１－ｃｐ２）／ｃｆ｝＊ｖｄｓ、ΔＯＵＴ＝０に対応する検出結果値ＤＱになるはずである。なお、以下では説明の簡素化のために、検出結果値ＤＱ＝ΔＯＵＴとして説明する。即ち、正常状態である場合の故障診断値が、ＤＶ１＝－（ｃｐ２／ｃｆ）＊ｖｄｓ、ＤＶ２＝（ｃｐ１／ｃｆ）＊ｖｄｓ、ＤＶ３＝｛（ｃｐ１－ｃｐ２）／ｃｆ｝＊ｖｄｓ、ＤＶ４＝０となるとして説明を行う。

一方、配線ＷＲ１が断線している場合（或いは検出信号Ｓ１に異常がある場合。以下、同様）は、ＤＶ１＝－（ｃｐ２／ｃｆ）＊ｖｄｓになるが、ＤＶ２＝０になる。また配線ＷＲ２が断線している場合（或いは検出信号Ｓ２に異常がある場合。以下、同様）は、ＤＶ２＝（ｃｐ１／ｃｆ）＊ｖｄｓになるが、ＤＶ１＝０になる。また配線ＷＲ１、ＷＲ２の両方が断線している場合は、ＤＶ１＝０、ＤＶ２＝０になる。このため、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態をＤ１、Ｄ２というように変化したときの検出回路６０の検出結果に基づいて、配線ＷＲ１、ＷＲ２の断線等の故障の発生を検出できるようになる。従って、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態をＤ１、Ｄ２というように変化させるという簡素な構成、処理により、適切な故障検出を実現することが可能になる。

また接続状態Ｄ３での検出回路６０の検出結果を用いることで、故障の発生を更に適切に検出できるようになる。例えば図６に示すように正常状態の場合には、ＤＶ３＝｛（ｃｐ１－ｃｐ２）／ｃｆ｝＊ｖｄｓになるが、配線ＷＲ１が断線している場合は、ＤＶ３＝－（ｃｐ２／ｃｆ）＊ｖｄｓになり、配線ＷＲ２が断線している場合は、ＤＶ３＝（ｃｐ１／ｃｆ）＊ｖｄｓになる。また配線ＷＲ１、ＷＲ２の両方が断線している場合には、ＤＶ３＝０になる。従って、３つの故障診断値ＤＶ１、ＤＶ２、ＤＶ３を用いて故障を検出できるようになり、故障診断値ＤＶ１、ＤＶ２を用いて故障検出を行う場合に比べて、更に適切に故障を検出できるようになる。例えば接続状態Ｄ１、Ｄ２の変化だけでは、２つの故障診断値ＤＶ１、ＤＶ２を用いた比較判定処理等により故障を検出することになるが、接続状態をＤ１、Ｄ２、Ｄ３というよう変化させることで、３つの故障診断値ＤＶ１、ＤＶ２、ＤＶ３を用いた比較判定処理等により故障を検出できるようになり、故障検出の精度の向上を図れる。なお、接続状態Ｄ４での検出回路６０の検出結果を用いてもよい。即ち故障診断値ＤＶ１、ＤＶ２、ＤＶ３に加えて、故障診断値ＤＶ４を用いて、故障の発生を検出する。

また本実施形態では故障診断回路１５０は、故障診断値ＤＶ１、ＤＶ２、ＤＶ３の比較判定処理により故障診断を行う。例えばＤＶ１とＤＶ２の比較判定処理、ＤＶ１とＤＶ３の比較判定、ＤＶ２とＤＶ３の比較判定処理などにより故障の発生を検出する。例えば増幅回路６１のキャパシターＣＦ１、ＣＦ２の容量値ｃｆは回路設計で決定されるものであるが、製造プロセス変動や環境変動によるバラツキがある。また結合キャパシターＣＣ１、ＣＣ２の容量値ｃｐ１、ｃｐ２は回路設計で決定されるものではなく、バラツキが大きい。従って、故障診断時に検出される故障診断値と図６に示す故障診断値の期待値との間にはズレが生じてしまう。この点、故障診断値ＤＶ１、ＤＶ２、ＤＶ３の比較判定処理により故障診断を行えば、故障診断値ＤＶ１、ＤＶ２、ＤＶ３の相対的な比較判定により、故障の発生を検出できる。従って、上記のようなズレが生じた場合にも、故障の発生を適切に検出できるようになる。

また本実施形態によれば、故障診断の際に、スイッチＳＷ１がオフになった場合には、スイッチＳＷ３がオンになることで、ノードＮＩ１がＡＧＮＤに設定され、スイッチＳＷ２がオフになった場合には、スイッチＳＷ４がオンになることで、ノードＮＩ２がＡＧＮＤに設定される。従って、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態を変化させたときに、ノードＮＩ１、ＮＩ２が不定の電位になって、適切な故障診断値を得ることができなくなってしまう事態を防止できる。例えばスイッチＳＷ１、ＳＷ２がオフの場合に、ノードＮＩ１、ＮＩ２がＡＧＮＤに設定されることで、図６に示すような故障診断値を用いた故障検出を適切に実現できるようになる。

また本実施形態によれば、スイッチＳＷ１は、第１の入力端子と第１の出力端子の間にキャパシターＣＦ１を有する増幅回路６１の当該第１の入力端子と、端子ＴＳ１との間に設けられる。スイッチＳＷ２は、第２の入力端子と第２の出力端子の間にキャパシターＣＦ２を有する増幅回路６１の当該第２の入力端子と、端子ＴＳ２との間に設けられる。従って、故障診断の際にスイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態が変化することで、図６に示すように、結合キャパシターＣＣ１、ＣＣ２の容量値ｃｐ１、ｃｐ２とキャパシターＣＦ１、ＣＦ２の容量値ｃｆに基づく検出結果値ＤＱを、故障診断値として故障診断回路１５０に入力できるようになる。従って故障診断回路１５０は、容量値ｃｐ１、ｃｐ２と容量値ｃｆに基づく故障診断値を用いた演算処理により、故障の発生を適切に検出することが可能になる。

また本実施形態では故障診断回路１５０は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態を変化させたときの検出回路６０のデジタルデータの検出結果値ＤＱに基づいて、故障診断を行う。このようにすれば、検出結果値ＤＱである図６に示すような故障診断値ＤＶ１～ＤＶ４を用いたデジタル演算処理により、故障の発生を検出できるようになり、簡素な処理、構成での故障診断を実現することが可能になる。

例えば故障診断回路１５０は、以下に説明するような演算処理により故障診断を行うことが可能である。

例えば｜ＤＶ１｜≒｜ＤＶ２｜＞｜ＤＶ３｜＞｜ＤＶ４｜である場合には故障が発生していないと判断する。ここで｜Ｘ｜はＸの絶対値を表している。また結合キャパシターＣＣ１、ＣＣ２の容量値ｃｐ１、ｃｐ２は、ほぼ等しいものとしている（ｃｐ１≒ｃｐ２）。例えば図６に示すように、故障が発生しておらず正常な場合には、｜（ｃｐ１／ｃｆ）＊ｖｄｓ｜≒｜－（ｃｐ２／ｃｆ）＊ｖｄｓ｜となり、｜ＤＶ１｜≒｜ＤＶ２｜が成り立つ。またｃｐ１≒ｃｐ２であるため、ｃｐ１－ｃｐ２は非常に小さな値になり、｜ＤＶ１｜≒｜ＤＶ２｜＞｜ＤＶ３｜＝｜｛（ｃｐ１－ｃｐ２）／ｃｆ｝＊ｖｄｓ｜が成り立つ。またＤＶ４＝０になるため｜ＤＶ３｜＞｜ＤＶ４｜＝０が成り立つ。

また｜ＤＶ１｜≒｜ＤＶ３｜＞｜ＤＶ２｜＝｜ＤＶ４｜である場合には、配線ＷＲ１に断線が発生するなど、検出信号Ｓ１の信号経路に故障（異常）が発生していると判断する。例えば図６に示すように、配線ＷＲ１が断線した場合にＤＶ１、ＤＶ３は－（ｃｐ２／ｃｆ）＊ｖｄｓと表されるため、検出信号Ｓ１の経路に故障が発生すると、｜ＤＶ１｜≒｜ＤＶ３｜になる。またＤＶ２＝ＤＶ４＝０になるため、｜ＤＶ１｜≒｜ＤＶ３｜＞｜ＤＶ２｜＝｜ＤＶ４｜が成り立つ。

また｜ＤＶ２｜≒｜ＤＶ３｜＞｜ＤＶ１｜＝｜ＤＶ４｜である場合には、配線ＷＲ２に断線が発生するなど、検出信号Ｓ２の信号経路に故障が発生していると判断する。例えば図６に示すように、配線ＷＲ２が断線した場合にＤＶ２、ＤＶ３は（ｃｐ１／ｃｆ）＊ｖｄｓと表されるため、検出信号Ｓ２の経路に故障が発生すると、｜ＤＶ２｜≒｜ＤＶ３｜になる。またＤＶ１＝ＤＶ４＝０になるため、｜ＤＶ２｜≒｜ＤＶ３｜＞｜ＤＶ１｜＝｜ＤＶ４｜が成り立つ。

また｜ＤＶ１｜＝｜ＤＶ２｜＝｜ＤＶ３｜＝｜ＤＶ４｜である場合には、配線ＷＲ１及びＷＲ２の両方に断線が発生するなど、検出信号Ｓ１、Ｓ２の両方の信号経路に故障が発生していると判断する。例えば図６に示すように、配線ＷＲ１及びＷＲ２の両方が断線した場合に、ＤＶ１＝ＤＶ２＝ＤＶ３＝ＤＶ４＝０になるため、｜ＤＶ１｜＝｜ＤＶ２｜＝｜ＤＶ３｜＝｜ＤＶ４｜が成り立つ。このように故障診断回路１５０の故障診断処理は、故障診断値ＤＶ１、ＤＶ２、ＤＶ３、ＤＶ４を用いた比較判定処理などにより実現できる。

なお、｜ＤＶ１｜≒｜ＤＶ２｜の判定処理は、｜ＤＶ１｜と｜ＤＶ２｜の差分値が所与のしきい値よりも小さいか否かを判定することで実現できる。｜ＤＶ１｜≒｜ＤＶ３｜、｜ＤＶ２｜≒｜ＤＶ３｜の判定処理も同様である。

また本実施形態では故障診断回路１５０は、センサー素子１０の発振起動期間において故障診断を行う。具体的には故障診断回路１５０は、駆動回路３０によるセンサー素子１０の駆動開始後の発振起動期間において、故障診断を行う。

例えば図７、図８は本実施形態の動作の一例を説明する信号波形図である。例えば図７において、電源（ＶＤＤＬ）が立ち上がって、パワーオンリセット（ＸＰＯＲ）が行われると、メモリー転送が行われる。そして発振起動期間において駆動回路３０が動作を開始して、駆動信号ＤＳを出力する。その後、図８に示すようにスイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態を変化させて、故障診断が行われる。そして故障診断が終了した後、検出期間になり、検出信号Ｓ１、Ｓ２についての通常の検出処理が行われる。

具体的には、パワーオンリセット（ＸＰＯＲ）の後、図７のタイミングＴＭ１とＴＭ２の間の期間において、図２のＭＯＮＯＳレジスター１８４のレジスター値が初期値に設定される。そしてタイミングＴＭ２とＴＭ３の間の期間において、不揮発性メモリー１７０からＭＯＮＯＳレジスター１８４に情報が転送（メモリー転送）され、当該情報に基づくレジスター値が設定される。そしてタイミングＴＭ３において、駆動回路３０が動作を開始し、発振起動期間になる。発振起動期間においては、例えば駆動回路３０に設けられた種回路（不図示）を用いてセンサー素子１０の振動片の発振が起動される。そしてタイミングＴＭ４で検出期間になり、検出信号Ｓ１、Ｓ２から所望信号を検出する通常の検出処理が行われる。

そして本実施形態では図７の発振起動期間（ＴＭ３～ＴＭ４）において、故障診断回路１５０が故障診断を行う。例えば図７において、ＳＷがＨレベルである場合には、スイッチＳＷ１、ＳＷ２のオン、オフが制御されて、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態が変化する。具体的には図８に示すようにスイッチＳＷ１、ＳＷ２のオン、オフが制御される。図８において、ＨレベルはスイッチＳＷ１、ＳＷ２がオンであることを示し、ＬレベルはスイッチＳＷ１、ＳＷ２がオフであることを示している。図８では、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態を、Ｄ３、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ４というように変化させている。即ち、まずスイッチＳＷ１、ＳＷ２が共にオンになる接続状態Ｄ３にする。次にスイッチＳＷ１がオフで、スイッチＳＷ２がオンになる接続状態Ｄ１にし。次にスイッチＳＷ１がオンで、スイッチＳＷ２がオフになる接続状態Ｄ２にする、最後にスイッチＳＷ１、ＳＷ２が共にオフになる接続状態Ｄ４にする。またＤ３、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ４の各接続状態の期間において、駆動信号ＤＳを低電位側電圧レベル及び高電位側電圧レベルの一方のレベルから他方のレベルに変化させる。また他方のレベルから一方のレベルに変化させる。このようにすれば、接続状態Ｄ３、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ４において故障診断値ＤＶ３、ＤＶ１、ＤＶ２、ＤＶ４を取得できる。そして、取得された故障診断値ＤＶ３、ＤＶ１、ＤＶ２、ＤＶ４の比較判定処理を行うことで、図６等で説明した故障診断を実現できるようになる。

そして本実施形態では、図７に示すセンサー素子１０の発振起動期間（ＴＭ３～ＴＭ４において、図８に示すような故障診断を行っている。このような発振駆動期間であれば、検出信号Ｓ１、Ｓ２の信号経路にあるスイッチＳＷ１、ＳＷ２のオン、オフを行っても、所望信号の検出処理には影響を与えない。従って、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態を変化させるという簡素な処理、構成での故障診断と、検出期間での所望信号の検出処理とを両立して実現することが可能になる。

また本実施形態では、例えば駆動回路３０によるセンサー素子１０の駆動開始後の発振起動期間において、故障診断を行う。具体的には図８に示すように発振起動期間において、駆動回路３０の駆動信号ＤＳの電圧レベルに変化させながら、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態を変化させて、故障診断を行う。このようにすれば、駆動信号ＤＳの信号成分が、容量結合を形成する結合キャパシターＣＣ１、ＣＣ２と、増幅回路６１のキャパシターＣＦ１、ＣＦ２を介して伝わり、故障診断回路１５０は、図６に示すような故障診断値を取得できるようになる。従って、発振起動期間での駆動信号ＤＳを有効利用して、故障の発生を検出できるようになる。

また図８に示すように本実施形態では、駆動信号ＤＳを、Ｄ３、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ４の各接続状態の期間（ＴＰ）において、Ｌレベル（低電位側電圧レベル）及びＨレベル（高電位側電圧レベル）の一方のレベルから他方のレベルに変化させる。また、更にＨレベル及びＬレベルの他方のレベルから一方のレベルに変化させる。同期検波回路８１により同期検波が行われることで、各接続状態の期間（ＴＰ）において、駆動信号ＤＳがＬレベルからＨレベルにする場合とＨレベルからＬレベルに変化する場合の両方での故障診断値（検出結果値）を取得できる。例えば各接続状態の期間において、駆動信号ＤＳを、複数回（例えば１０回以上）、変化させて、複数の故障診断値を取得することで、故障診断の判定精度を向上できる。例えば、取得された複数の故障診断値の平均値を求めることで、故障診断の判定精度の更なる向上を図れる。

また本実施形態では駆動回路３０は、矩形波の駆動信号ＤＳを出力することが望ましい。そして検出回路６０は、矩形波の駆動信号ＤＳに基づく同期検波を行う同期検波回路８１を含んでいる。例えば図８では駆動信号ＤＳは矩形波の信号になっている。このように駆動信号ＤＳを矩形波の信号にすれば、図８に示すようにＤ３、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ４の各接続状態の期間（ＴＰ）において、矩形波の駆動信号ＤＳの立ち上がりエッジや立ち下がりエッジで、故障診断値が適切に取り込まれるようになる。例えば同期検波回路８１の同期検波により、矩形波の駆動信号ＤＳの立ち上がりエッジや立ち下がりエッジでの故障診断値（検出結果）が適切に取り込まれるようになり、故障診断の判定精度の向上等を図れる。

そしてスイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態を変化させる故障診断の期間においては、駆動信号ＤＳの振幅を大きくする。例えば発振起動期間における故障診断期間以外の期間に比べて、故障診断期間では駆動信号ＤＳの振幅を大きくする。ここで駆動信号ＤＳの振幅は、例えば高電位側電圧レベルと低電位側電圧レベルの電位差ｖｄｓに対応する。

このように駆動信号ＤＳの振幅を大きくすれば、ｖｄｓが大きくなり、（ｃｐ１／ｃｆ）＊ｖｄｓ、－（ｃｐ２／ｃｆ）＊ｖｄｓ、｛（ｃｐ１－ｃｐ２）／ｃｆ｝＊ｖｄｓで表される故障診断値の絶対値も大きくなる。従って、故障診断処理において、故障診断値の比較判定処理を行った場合に、より確度の高い比較判定処理が可能になる。例えば、前述したような｜ＤＶ１｜≒｜ＤＶ２｜＞｜ＤＶ３｜＞｜ＤＶ４｜であるかを比較判定する処理において、故障診断値の絶対値である｜ＤＶ１｜、｜ＤＶ２｜、｜ＤＶ３｜などの値が大きくなることで、より確度の高い比較判定処理を実現できるようになり、故障診断の判定精度の向上を図れる。

３．フロアノイズに基づく故障診断
図９に本実施形態の物理量測定装置５の第２の構成例を示す。図９が図２と異なるのは、図９ではフロアノイズ検出回路１６０が更に設けられている点である。例えば図９では処理回路１４０の故障診断回路１５０がフロアノイズ検出回路１６０を有する。故障診断回路１５０は、このフロアノイズ検出回路１６０を用いて故障診断を行う。即ち図７において、発振駆動期間では、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続状態を変化させることで故障診断を行い、検出期間では、フロアノイズの検出処理を行うことで故障診断を行う。具体的には故障診断回路１５０は、検出回路６０で発生するフロアノイズの指標情報を、検出回路６０の検出結果（検出結果値、出力信号）に基づいて求め、求められた指標情報に基づいて故障診断を行う。

物理量測定装置５に故障（異常）が発生した場合に、検出回路６０の検出結果値ＤＱを単純に監視したとしても、その故障を検出することは困難である。なぜなら、検出回路６０の検出結果値ＤＱが所定値になったときに、その所定値に対応する物理量の変化（例えばジャイロセンサーでは所定値に対応する角速度の回転）があったのか、故障によるものなのかを判別できないからである。

そこで本実施形態では、故障診断回路１５０は、検出期間において、検出回路６０で発生するフロアノイズの指標情報を、検出回路６０の検出結果である検出結果値ＤＱに基づいて求め、求められた指標情報に基づいて故障診断を行う。

ここで、フロアノイズとは、検出回路６０などにおいて発生するノイズを表し、例えばサーマルノイズや１／ｆノイズ等である。具体的には、フロアノイズは、例えば増幅回路６１などで発生するフロアノイズである。フロアノイズは、回路の設計や使用時の温度、信号の周波数等に応じて変動する可能性はあるが、一定のレベル（振幅）を有するものである。以下、フロアノイズに基づいて故障診断が可能である理由について説明する。

図１０は、増幅回路６１を、説明の簡素化のためにシングルエンド入力、シングルエンド出力の構成例として示した図である。増幅回路６１は、演算増幅器ＯＰと帰還用のキャパシターＣＦ及び抵抗ＲＦを有する。ここで図１０はセンサー素子１０が接続された状態での増幅回路６１の構成例を示している。但しスイッチＳＷ１、ＳＷ２については省略して示している。センサー素子１０が接続された状態では、増幅回路６１の入力側からは、容量結合の結合キャパシターＣＣが接続されているようにみえる。増幅回路６１では、回路全体でのノイズが入力箇所（図１０のＮｉｎ）で発生したものと仮定し（入力換算ノイズ）、当該入力換算ノイズがノイズ伝達関数ＮＴＦ（ノイズゲイン）により増幅されるものとするモデルが広く用いられる。図１０の例ではノイズ伝達関数ＮＴＦは、下式（６）により表される。ｒｆは抵抗ＲＦの抵抗値であり、ｃｆ、ｃｐはキャパシターＣＦ、結合キャパシターＣＣの容量値である。

ＮＴＦ＝ＶＱ／Ｖｎ
＝｛１＋ｓ＊ｒｆ＊（ｃｆ＋ｃｐ）｝／（１＋ｓ＊ｒｆ＊ｃｆ） （６）
図１１、図１２は、上式（６）に示したノイズ伝達関数ＮＴＦの周波数特性を表す図である。図１１、図１２の横軸は周波数、縦軸はゲイン（増幅率、単位ｄＢ）を表す。図１１は、ｒｆ＝１００ＭΩ、ｃｆ＝１ｐＦ、ｃｐ＝２ｐＦの例である。図１２は、ｒｆ＝１００ＭΩ、ｃｆ＝１ｐＦ、ｃｐ＝１ｐＦの例である。

図１１、図１２からわかるように、抵抗値ｒｆ及び容量値ｃｆが同じであっても（同じ増幅回路６１であっても）、結合キャパシターＣＣの容量値ｃｐが変化すれば、ノイズ伝達関数ＮＴＦが変化する。つまり、増幅回路６１の入力換算ノイズのレベルが同程度であっても、容量値ｃｐが変化すれば、増幅回路６１のフロアノイズ（検出回路６０のフロアノイズ）が変化することになる。

ここで、センサー素子１０と検出回路６０が正常に接続されていれば、検出回路６０から見える結合キャパシターＣＣの容量値ｃｐは、設計により決まる所定値に十分近いと考えられる。それに対して、センサー素子１０と検出回路６０（回路装置２０）とを接続する配線が断線状態になるなどの接続異常が発生した場合には、結合キャパシターＣＣの容量値ｃｐが検出回路６０から見えなくなってしまう。接続異常は、例えば配線ＷＲ１、ＷＲ２などにより検出電極１５、１６と検出回路６０の端子ＴＳ１、ＴＳ２（パッド）を電気的に接続した場合において、接合部分での接合面積が狭くなる（配線が剥離する）ことなどにより生じる。

フロアノイズのレベルは、ある一定のレベルとなり、当該レベルより極端に小さくなることは想定されない。しかし故障時には、容量値ｃｐが見えなくなることで、フロアノイズのレベルが、正常状態でのフロアノイズのレベルに比べて識別可能な程度に小さくなる。従って、本実施形態では、フロアノイズの指標値を求め、当該指標値を用いて、フロアノイズのレベルを判定する。故障診断回路１５０は、フロアノイズのレベルが正常状態に比べて小さくなっている場合に、故障（異常）が発生していると判定する。

以上のように、故障診断回路１５０は、フロアノイズの指標情報に基づいて故障診断を行う。このようにフロアノイズの指標情報を用いることで、故障の発生を適切に検出することが可能になる。そして本実施形態では、検出回路６０の検出結果値ＤＱをモニターし、検出結果値ＤＱからフロアノイズの指標情報を求めているため、所望信号の検出処理を行う検出期間においても故障検出が可能になり、常時故障診断の実現が可能になる。

図１３に故障診断回路１５０が有するフロアノイズ検出回路１６０の構成例を示す。フロアノイズ検出回路１６０は、ハイパスフィルター１６１と、演算回路１６２を有する。演算回路１６２は、二乗演算処理部１６３と、二乗演算処理部１６３の出力を平滑化する平滑化回路１６４を有する。

ハイパスフィルター１６１は、検出回路６０からの検出結果値ＤＱに対するフィルター処理（ハイパスフィルター処理）を行い、ＤＣ成分を除去する。二乗演算処理部１６３は、ＤＣ成分除去後の値ＴＱの二乗演算を行う。平滑化回路１６４は、二乗演算処理部１６３により二乗演算された値を平滑化し、二乗平均を求める。この二乗平均によりノイズ成分が抽出される。平滑化回路１６４は、例えばローパスフィルターにより実現できる。平滑化回路１６４からは、フロアノイズの実効値（フロアノイズの分散）が出力される。

このようなフロアノイズ検出回路１６０を用いることで、フロアノイズのレベルを表す指標情報（分散、絶対値平均等）が求められる。故障診断回路１５０は、フロアノイズの指標情報である指標値と閾値とを比較し、故障検出を行う。ここでの閾値は、正常状態でのフロアノイズの指標値と、故障状態（異常状態）でのフロアノイズの指標値とを識別可能な値である。フロアノイズのノイズレベルが高いほど指標値が大きくなる例であれば、故障診断回路１５０は、指標情報により表される指標値が閾値より小さい場合に、異常が発生したと判定する。

４．センサー素子
図１４にセンサー素子１０の構成の一例を示す。図１４はダブルＴ字型のジャイロセンサー素子の例である。

センサー素子１０は、駆動アーム１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄと、検出アーム１９Ａ、１９Ｂと、基部２１と、連結アーム２２Ａ、２２Ｂを有する。矩形状の基部２１に対して＋Ｙ軸方向、－Ｙ軸方向に検出アーム１９Ａ、１９Ｂが延出している。また基部２１に対して＋Ｘ軸方向、－Ｘ軸方向に連結アーム２２Ａ、２２Ｂが延出している。そして連結アーム２２Ａに対して、その先端部から＋Ｙ軸方向、－Ｙ軸方向に駆動アーム１８Ａ、１８Ｂが延出しており、連結アーム２２Ｂに対して、その先端部から＋Ｙ軸方向、－Ｙ軸方向に駆動アーム１８Ｃ、１８Ｄが延出している。駆動アーム１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ及び検出アーム１９Ａ、１９Ｂの先端側に設けられるハンマーヘッド部は、例えば周波数調整用の錘として用いられる。Ｚ軸をセンサー素子１０の厚さ方向とすると、ジャイロセンサー素子であるセンサー素子１０は、Ｚ軸回りでの角速度を検出する。Ｘ軸及びＹ軸は、Ｚ軸に直交する座標軸であり、Ｘ軸とＹ軸は互いに直交する。センサー素子１０の振動片は、例えば水晶、タンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムなどの圧電材料により形成できる。これらの中でも振動片の構成材料としては水晶を用いることが好ましい。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、各々、水晶基板の電気軸、機械軸、光軸とも呼ばれる。水晶基板は、Ｚ軸方向に厚みを有する板状のＺカット水晶板などで構成される。

駆動アーム１８Ａ、１８Ｂの上面及び下面には、駆動電極１３が形成され、駆動アーム１８Ａ、１８Ｂの右側面及び左側面には、駆動電極１４が形成される。駆動アーム１８Ｃ、１８Ｄの上面及び下面には、駆動電極１４が形成され、駆動アーム１８Ｃ、１８Ｄの右側面及び左側面には駆動電極１３が形成される。そして駆動回路３０からの駆動信号ＤＳは駆動電極１３に供給され、駆動電極１４からのフィードバック信号ＤＧが駆動回路３０に入力される。

検出アーム１９Ａの上面及び下面には、検出電極１５が形成され、検出アーム１９Ａの右側面及び左側面には、接地電極１７が形成される。検出アーム１９Ｂの上面及び下面には、検出電極１６が形成され、検出アーム１９Ｂの右側面及び左側面には、接地電極１７が形成される。そして検出電極１５、１６からの検出信号Ｓ１、Ｓ２は検出回路６０に入力される。

なお駆動アーム１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ、検出アーム１９Ａ、１９Ｂの上面及び下面には、電極間の電界効果を向上させるための溝部（不図示）が設けられている。溝部を設けることで、比較的少ない歪み量で比較的大きな電荷量を発生させることが可能になる。また上面は、＋Ｚ軸方向側（Ｚ軸の正方向側）の面であり、下面は、－Ｚ軸方向側（Ｚ軸の負方向側）の面である。右側面は、＋Ｘ軸方向側（Ｘ軸の正方向側）の側面であり、左側面は、－Ｘ軸方向側（Ｘ軸の負方向側）の側面である。

基部２１には、駆動用端子２３、２４と検出用端子２５、２６が設けられている。これらの端子間には接地電極１７が形成されている。駆動用端子２３には、駆動回路３０からの駆動信号ＤＳが入力され、駆動用端子２４からは、駆動回路３０へのフィードバック信号ＤＧが出力される。検出用端子２５からは、検出回路６０への検出信号Ｓ１が出力され、検出用端子２６からは、検出回路６０への検出信号Ｓ２が出力される。

例えば駆動用端子２３、２４には、第１、第２の電極リード（不図示）が接続される。そして駆動信号ＤＳは、第１の電極リードを介して駆動回路３０から供給され、フィードバック信号ＤＧは、第２の電極リードを介して駆動回路３０に出力される。また検出用端子２５、２６には、第３、第４の電極リード（不図示）が接続される。そして検出信号Ｓ１、Ｓ２は、第３、第４の電極リードを介して検出回路６０に出力される。

なお図１４のセンサー素子１０の駆動電極は、駆動アーム１８Ａ～１８Ｄに設けられる駆動電極１３、１４と、それらに接続される駆動用配線と、を含むものである。この駆動用配線は、連結アーム２２Ａ、２２Ｂに形成（配置）されている駆動電極１３、１４と、基部２１に形成（配置）されている駆動用端子２３、２４と、駆動アーム１８Ａ～１８Ｄの連結アームとの接続部に形成（配置）されている駆動電極１３、１４と、を含む。なお本実施形態は、図１４の駆動電極１３、１４および駆動用端子２３、２４の例に限定されない。また図１４のセンサー素子１０の検出電極は、検出アーム１９Ａ、１９Ｂに設けられる検出電極１５、１６と、それらに接続される検出用配線と、を含むものである。この検出用配線は、基部２１に形成（配置）されている検出用端子２５、２６と、検出アーム１９Ａ、１９Ｂの基部との接続部に形成（配置）されている検出電極１５、１６と、を含む。なお本実施形態は、図１４の検出電極１５、１６および検出用端子２５、２６の例に限定されない。また、図１４のセンサー素子１０の場合には、図４で説明した容量結合（ＣＣ１、ＣＣ２）に、基部２１に形成されている駆動用端子２３と、検出用端子２５、２６との間に生じている容量結合が寄与していると考えられる。

図１５は図１４のＥ－Ｅ’での断面図である。基部２１には駆動用端子２３、２４や検出用端子２５（検出用端子２６）が形成されている。また接地電極１７も形成されている。そして駆動用端子２３、２４、検出用端子２５等を覆うように誘電体２８が形成されている。例えば絶縁物質である誘電体２８（絶縁体）が形成される。

このように本実施形態では、センサー素子１０は、基部２１と駆動アーム１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｃと検出アーム１９Ａ、１９Ｂを含む。そして基部２１には駆動用端子２３、２４と検出用端子２５、２６が設けられ、基部２１の駆動用端子２３、２４と検出用端子２５、２６を覆うように誘電体２８が設けられる。例えばポリイミド等の絶縁体物質を塗布することで、誘電体２８が形成される。このようにすれば、絶縁物質を塗布しなかった場合に比べて、絶縁物質の誘電率εａの分だけ、図４で説明した容量結合の結合キャパシターＣＣ１、ＣＣ２の容量値を大きくできるようなる。なお、電極間の絶縁体の量をトリミング技術により調整することで、結合キャパシターＣＣ１、ＣＣ２を所望の容量値に調整するようにしてもよい。

例えば、静電漏れ成分は、駆動電極と検出電極の構造から一意的に決まる容量結合に基づくものであるが、ポリイミド等の絶縁物質をセンサー素子１０の表面（基部２１の正面）に塗布することで、結合キャパシターの容量値を大きくすることができる。これにより、静電漏れ成分を大きくできる。従って、静電漏れ成分に基づく故障診断値も大きな値になり、判定精度が高い故障診断の実現が可能になる。なおセンサー素子１０は、駆動用端子２３、２４、検出用端子２５、２６に接続される電極リードを支持部として、物理量測定装置５のパッケージ内において、回路装置２０の上方に支持される構造とすることができる。この場合には駆動用端子２３、２４、検出用端子２５、２６の部分に開口を形成して、電極リードの一端を接続する。例えば金属バンプなどの導電性のバンプを用いて電極リードを接続してもよい。

図１６はセンサー素子１０の動作を模式的に説明する図である。角速度センサーであるセンサー素子１０により、Ｚ軸回りの角速度が検出される。

駆動回路３０により駆動電極１３に対して駆動信号ＤＳが印加されると、駆動アーム１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄは、逆圧電効果により図１６の矢印Ｃ１に示すような屈曲振動（励振振動）を行う。例えば実線の矢印で示す振動姿態と点線の矢印で示す振動姿態を所定の周波数で繰り返す。即ち、駆動アーム１８Ａ、１８Ｃの先端が互いに接近と離間を繰り返し、駆動アーム１８Ｂ、１８Ｄの先端も互いに接近と離間を繰り返す屈曲振動を行う。このとき駆動アーム１８Ａ及び１８Ｂと駆動アーム１８Ｃ及び１８Ｄとが、基部２１の重心位置を通るＸ軸に対して線対称の振動を行っているので、基部２１、連結アーム２２Ａ、２２Ｂ、検出アーム１９Ａ、１９Ｂはほとんど振動しない。

この状態で、センサー素子１０に対してＺ軸を回転軸とした角速度が加わると（センサー素子１０がＺ軸回りで回転すると）、コリオリ力により駆動アーム１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄは矢印Ｃ２に示すように振動する。即ち、矢印Ｃ１の方向とＺ軸の方向とに直交する矢印Ｃ２の方向のコリオリ力が、駆動アーム１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄに作用することで、矢印Ｃ２の方向の振動成分が発生する。この矢印Ｃ２の振動が連結アーム２２Ａ、２２Ｂを介して基部２１に伝わり、これにより検出アーム１９Ａ、１９Ｂが矢印Ｃ３の方向で屈曲振動を行う。この検出アーム１９Ａ、１９Ｂの屈曲振動による圧電効果で発生した電荷信号が、検出信号Ｓ１、Ｓ２として検出回路６０に入力されて、Ｚ軸回りでの角速度が検出されるようになる。

例えば、Ｚ軸回りでのセンサー素子１０の角速度をωとし、質量をｍとし、振動速度をｖとすると、コリオリ力はＦｃ＝２ｍ・ｖ・ωと表される。従って検出回路６０が、コリオリ力に応じた信号である所望信号を検出することで、Ｚ軸回りでの角速度ωを求めることができる。

５．移動体、電子機器
図１７に本実施形態の物理量測定装置５を含む電子機器５００の構成例を示す。電子機器５００は、センサー素子１０及び回路装置２０を有する物理量測定装置５と、処理部５２０を含む。また電子機器５００は、通信部５１０、操作部５３０、表示部５４０、記憶部５５０、アンテナＡＮＴを含むことができる。

通信部５１０（無線回路）は、アンテナＡＮＴを介して外部からデータを受信したり、外部にデータを送信する処理を行う。処理部５２０（処理回路）は、電子機器５００の制御処理や、物理量測定装置５で測定された物理量情報の信号処理や、通信部５１０を介して送受信されるデータの信号処理などを行う。処理部５２０の機能は、例えばマイクロコンピューターなどのプロセッサーにより実現できる。操作部５３０は、ユーザーが入力操作を行うためのものであり、操作ボタンやタッチパネルディスプレイなどにより実現できる。表示部５４０は、各種の情報を表示するものであり、液晶や有機ＥＬなどのディスプレイにより実現できる。記憶部５５０は、データを記憶するものであり、その機能はＲＡＭやＲＯＭなどの半導体メモリーやＨＤＤ（ハードディスクドライブ）などにより実現できる。

本実施形態の物理量測定装置５は、デジタルスチルカメラ又はビデオカメラ等のカメラ、車載機器、ウェアラブル機器、又はロボットなどの種々の電子機器に適用できる。例えばカメラにおいて物理量測定装置５を用いた手ぶれ補正等を行うことができる。車載機器は、自動車や自動二輪車などに搭載される電子機器であり、例えば自動運転用の機器、ナビゲーション機器又は車載通信機器などである。ウェアラブル機器は、ユーザーが身体に装着する機器であり、例えばリスト型ウェアラブル機器、頭部装着型表示装置、脈拍計、歩数計又は活動量計等である。例えばウェアラブル機器において、物理量測定装置５を用いて、ユーザーの体動を検出したり、運動状態を検出できる。また物理量測定装置５はロボットの可動部（アーム、関節）や本体部にも適用できる。ロボットは、移動体（走行・歩行ロボット）、電子機器（非走行・非歩行ロボット）のいずれも想定できる。走行・歩行ロボットの場合には、例えば自律走行に本実施形態の物理量測定装置５を利用できる。また本実施形態の物理量測定装置５は、携帯情報端末（スマートフォン等）、印刷装置、投影装置又は物理量を計測する計測機器などの種々の電子機器に適用できる。

図１８に本実施形態の物理量測定装置５を含む移動体の例を示す。本実施形態の物理量測定装置５は、例えば、車、飛行機、バイク、自転車、或いは船舶等の種々の移動体に組み込むことができる。移動体は、例えばエンジンやモーター等の駆動機構、ハンドルや舵等の操舵機構、各種の電子機器を備えて、地上や空や海上を移動する機器・装置である。図１８は移動体の具体例としての自動車２０６を概略的に示している。自動車２０６には、センサー素子１０と回路装置２０を有する物理量測定装置５が組み込まれている。物理量測定装置５は車体２０７の姿勢を検出することができる。物理量測定装置５で測定された角速度等の物理量情報は、車体姿勢制御などを行う制御装置２０８に供給される。制御装置２０８は例えば車体２０７の姿勢に応じてサスペンションの硬軟を制御したり個々の車輪２０９のブレーキを制御したりすることができる。その他、こういった姿勢制御は二足歩行ロボットや航空機、ヘリコプター等の各種の移動体において利用されることができる。姿勢制御の実現にあたって物理量測定装置５は組み込まれることができる。

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、物理量測定装置、回路装置、センサー素子、電子機器、移動体の構成等も、本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４…スイッチ、ＴＳ１、ＴＳ２、ＴＧ、ＴＤ…端子、
Ｓ１、Ｓ２…検出信号、ＤＳ…駆動信号、ＤＧ…フィードバック信号、
ＤＱ…検出結果値、ＣＣ１、ＣＣ２…結合キャパシター、
ＣＣ１、ＣＣ２、ＣＣ…結合キャパシター、ＲＦ、ＲＦ１、ＲＦ２…抵抗、
ＣＦ１、ＣＦ２、ＣＦ…キャパシター、ＷＲ１、ＷＲ２…配線、ＡＮＴ…アンテナ、
５…物理量測定装置、１０…センサー素子、１１、１２…振動片、
１３、１４…駆動電極、１５、１６…検出電極、１７…接地電極、
１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ…駆動アーム、１９Ａ、１９Ｂ…検出アーム、
２０…回路装置、２１…基部、２２Ａ、２２Ｂ…連結アーム、
２３、２４…駆動用端子、２５、２６…検出用端子、２８…誘電体、
３０…駆動回路、３２…増幅回路、４０…ゲイン制御回路、５０…駆動信号出力回路、
５２…同期信号出力回路、６０…検出回路、６１…増幅回路、７０…ＰＧＡ回路、
８１…同期検波回路、９０…フィルター部、１００…Ａ／Ｄ変換回路、
１４０…処理回路、１５０…故障診断回路、１６０…フロアノイズ検出回路、
１６１…ハイパスフィルター、１６２…演算回路、１６３…二乗演算処理部、
１６４…平滑回路、１７０…不揮発性メモリー、１８０…レジスター部、
１８２…レジスター、１８４…ＭＯＮＯＳレジスター、
２０６…自動車、２０７…車体、２０８…制御装置、２０９…車輪、
５００…電子機器、５１０…通信部、５２０…処理部、５３０…操作部、
５４０…表示部、５５０…記憶部

Claims (12)

1. 駆動電極と第１の検出電極と第２の検出電極とを有し、前記駆動電極と前記第１の検出電極との間及び前記駆動電極と前記第２の検出電極との間に容量結合が形成されるセンサー素子と、
   前記駆動電極に駆動信号を供給する駆動回路と、前記第１の検出電極からの第１の検出信号及び前記第２の検出電極からの第２の検出信号に基づいて物理量に対応した物理量情報を検出する検出回路と、故障診断回路と、を有する回路装置と、
   を含み、
   前記回路装置は、
   前記第１の検出信号が入力される第１の端子と前記検出回路との間に設けられる第１のスイッチと、
   前記第２の検出信号が入力される第２の端子と前記検出回路との間に設けられる第２のスイッチと、
   を有し、
   前記故障診断回路は、
   前記第１、第２のスイッチの接続状態を変化させたときの前記検出回路の検出結果に基づいて、故障診断を行い、
   前記接続状態は、前記第１のスイッチがオフとなり、前記第２のスイッチがオンとなる第１の接続状態と、前記第１のスイッチがオンとなり、前記第２のスイッチがオフとなる第２の接続状態を含み、
   前記故障診断回路は、
   前記第１、第２のスイッチが前記第１の接続状態であるときの前記検出回路の検出結果値である第１の故障診断値と、前記第１、第２のスイッチが前記第２の接続状態であるときの前記検出回路の検出結果値である第２の故障診断値とに基づいて、故障診断を行うことを特徴とする物理量測定装置。
2. 請求項１に記載の物理量測定装置において、
   前記接続状態は、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチがオンになる第３の接続状態を含み、
   前記故障診断回路は、
   前記第１、第２の故障診断値と、前記第１、第２のスイッチが前記第３の接続状態であるときの前記検出回路の検出結果値である第３の故障診断値とに基づいて、故障診断を行うことを特徴とする物理量測定装置。
3. 請求項２に記載の物理量測定装置において、
   前記故障診断回路は、
   前記第１、第２、第３の故障診断値の比較判定処理により、故障診断を行うことを特徴とする物理量測定装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
   前記駆動回路は、
   矩形波の前記駆動信号を出力し、
   前記検出回路は、
   前記駆動信号に基づく同期検波を行う同期検波回路を含むことを特徴とする物理量測定装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
   一端が前記第１の端子に接続される前記第１のスイッチの他端と、アナロググランドのノードとの間に設けられ、前記第１のスイッチがオフのときにオンになる第３のスイッチと、
   一端が前記第２の端子に接続される前記第２のスイッチの他端と、前記アナロググランドのノードとの間に設けられ、前記第２のスイッチがオフのときにオンになる第４のスイッチと、
   を含むことを特徴とする物理量測定装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
   前記検出回路は、
   第１の出力端子と第１の入力端子との間に設けられた第１のキャパシターと、第２の出力端子と第２の入力端子との間に設けられた第２のキャパシターとを有し、前記第１、第２の検出信号の差動増幅を行う増幅回路を含み、
   前記増幅回路の前記第１の入力端子と前記回路装置の前記第１の端子との間に前記第１のスイッチが設けられ、
   前記増幅回路の前記第２の入力端子と前記回路装置の前記第２の端子との間に前記第２のスイッチが設けられることを特徴とする物理量測定装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
   前記故障診断回路は、
   前記第１、第２のスイッチの接続状態を変化させたときの前記検出回路のデジタルデータの検出結果値に基づいて、故障診断を行うことを特徴とする物理量測定装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
   前記故障診断回路は、
   前記センサー素子の発振起動期間において、故障診断を行うことを特徴とする物理量測定装置。
9. 請求項８に記載の物理量測定装置において、
   前記故障診断回路は、
   前記駆動回路による前記センサー素子の駆動開始後の前記発振起動期間において、故障診断を行うことを特徴とする物理量測定装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
    前記故障診断回路は、
    前記検出回路の検出期間において、前記検出回路で発生するフロアノイズの指標情報を、前記検出回路の検出結果に基づいて求め、前記指標情報に基づいて故障診断を行うことを特徴とする物理量測定装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の物理量測定装置を含むことを特徴とする電子機器。
12. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の物理量測定装置を含むことを特徴とする移動体。

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