JP7243352B2 - センサー故障予知システム、センサー故障予知方法、物理量センサー、電子機器および移動体 - Google Patents

Description

本発明は、センサー故障予知システム、センサー故障予知方法、物理量センサー、電子機器および移動体に関する。

振動型のジャイロセンサー等の物理量センサーの故障を判定する技術が知られている。例えば、特許文献１に記載の技術は、角速度検出装置における振動子の漏れ信号に基づいて、角速度検出装置の故障を判定する。より具体的には、漏れ信号の振幅に応じて変化する積分回路の出力信号を監視し、当該出力信号が所定範囲内にある場合、異常なしの旨の信号を出力し、一方、当該出力信号が所定範囲外にある場合、異常ありの旨の信号を出力する。

特開２０００－１７１２５７号公報

特許文献１に記載の技術では、異常なしと異常ありとの２種の信号を出力するだけであるため、角速度検出装置が故障するまでの状態を事前に検知することができないという課題がある。

本発明の一態様に係るセンサー故障検知システムは、駆動信号により駆動振動し、物理量に基づく検出信号を出力する振動素子片を含む物理量センサーの故障を予知するセンサー故障予知システムであって、前記駆動信号または前記検出信号の基準値に関する基準情報を記憶するメモリーと、前記駆動信号または前記検出信号の計測値に関する信号情報と前記基準情報とに基づいて、前記物理量センサーの故障に至るまでの段階的または連続的な状態に関する予知情報を出力するプロセッサーと、を有する。

本発明の一態様に係るセンサー故障予知方法は、駆動信号により駆動振動し、物理量に基づく検出信号を出力する振動素子片を含む物理量センサーから、前記駆動信号または前記検出信号の計測値に関する信号情報を取得し、前記信号情報と前記駆動信号または前記検出信号の基準値に関する基準情報とに基づいて、前記物理量センサーの故障に至るまでの段階的または連続的な状態に関する予知情報を出力する。

本発明の一態様に係る物理量センサーは、駆動信号により駆動振動し、物理量に基づく検出信号を出力する振動素子片と、前記駆動信号または前記検出信号の基準値に関する基準情報を記憶するメモリーと、前記駆動信号または前記検出信号の計測値に関する信号情報と前記基準情報とに基づいて、物理量センサーの故障に至るまでの段階的または連続的な状態に関する予知情報を出力するプロセッサーと、を有する。

実施形態に係るセンサー故障予知システムの概略構成を示す図である。 実施形態に係る物理量センサーの構成例を示す断面図である。 実施形態における物理量センサーが有する回路素子の構成を示すブロック図である。 物理量センサーにおけるパッケージ内の真空度と駆動電圧との関係を示すグラフである。 基準情報と判定結果との関係を示す判定テーブルの一例を示す図である。 基準情報と判定結果との関係を示す判定テーブルの他の例を示す図である。 実施形態に係るセンサー故障予知システムの動作の流れを示す図である。 電子機器の一例であるモバイル型またはノート型のパーソナルコンピューターの構成を概略的に示す斜視図である。 電子機器の一例であるスマートフォンの構成を概略的に示す平面図である。 電子機器の一例であるディジタルスチルカメラの構成を概略的に示す斜視図である。 移動体の一例である自動車を概略的に示す斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態を説明する。なお、図面において各部の寸法または縮尺は実際とは適宜異なり、理解を容易にするために模式的に示している部分もある。また、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られない。

Ａ－１．センサー故障予知システムの概要
図１は、実施形態に係るセンサー故障予知システム１００の概略構成を示す図である。図２は、実施形態に係る物理量センサーの構成例を示す断面図である。センサー故障予知システム１００は、物理量センサー１の故障を予知するシステムである。センサー故障予知システム１００は、物理量センサー１とプロセッサー１０１とメモリー１０２と入力装置１０３と表示装置１０４とを有する。これらは、バス１０５を介して、相互に通信可能に接続される。

物理量センサー１は、物理量の一例である角速度を検出するジャイロセンサーである。図１に示す例では、物理量センサー１は、振動素子片１０を有する振動型のジャイロセンサーである。振動素子片１０は、駆動信号ＤＱにより駆動振動し、物理量の一例である角速度ωに基づく検出信号ＩＱ１およびＩＱ２を出力する。振動素子片１０には、回路素子３０が電気的に接続される。回路素子３０は、振動素子片１０からのフィードバック信号ＤＩを受けながら振動素子片１０を駆動する駆動信号ＤＱを出力する機能と、振動素子片１０からの検出信号ＩＱ１およびＩＱ２を検出する機能と、および、物理量センサー１の故障に至るまでの予知情報Ｄ２を出力する機能と、を有する。物理量センサー１は、予知情報Ｄ２を含む信号を外部に出力する。当該信号は、物理量センサー１で検出される物理量に関する検出情報等の他の情報が含まれてもよい。当該信号の出力は、例えば、外部からの信号ＳＧを契機として行われる。なお、物理量センサー１については、後に詳述する。

プロセッサー１０１は、センサー故障予知システム１００の各部を制御する機能、および各種データを処理する機能を有する装置である。プロセッサー１０１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサーを含んで構成される。なお、プロセッサー１０１は、単一のプロセッサーで構成されてもよいし、複数のプロセッサーで構成されてもよい。また、プロセッサー１０１の機能の一部または全部を、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアで実現してもよい。

メモリー１０２は、プロセッサー１０１が実行するプログラムＰ０を含む各種プログラム、およびプロセッサー１０１が処理する各種データを記憶する装置である。メモリー１０２は、例えば、ハードディスクドライブまたは半導体メモリーを含んで構成される。なお、メモリー１０２の一部または全部は、センサー故障予知システム１００の外部のメモリーまたはサーバー等に設けてもよい。

入力装置１０３は、ユーザーからの操作を受け付ける機器である。例えば、入力装置１０３は、タッチパッド、タッチパネルまたはマウス等のポインティングデバイスを含んで構成される。ここで、入力装置１０３は、タッチパネルを含んで構成される場合、表示装置１０４を兼ねてもよい。なお、入力装置１０３は、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。

表示装置１０４は、プロセッサー１０１による制御のもとで各種の画像を表示する。表示装置１０４は、例えば、液晶表示パネルまたは有機ＥＬ（electro-luminescence）表示パネル等の各種の表示パネルを含む表示装置である。なお、表示装置１０４は、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。

以上の概略構成のセンサー故障予知システム１００では、プロセッサー１０１がプログラムＰ０を読み込んで実行することで制御部１０１ａとして機能する。制御部１０１ａは、物理量センサー１からの予知情報Ｄ２に基づいて所定の処理を行う。当該所定の処理は、センサー故障予知システム１００が組み込まれる電子機器または移動体の種類に応じて適宜に決められる。例えば、制御部１０１ａは、予知情報Ｄ２に基づく画像を表示装置１０４に表示させたり、予知情報Ｄ２に基づいて当該電子機器または当該移動体における物理量センサー１の検出結果による動作を停止させたりする。なお、当該所定の処理については、後述する電子機器および移動体の説明において具体例を挙げる。

Ａ－２.物理量センサーの構成
図２は、実施形態に係る物理量センサー１の構成例を示す断面図である。以下、図１および図２に基づいて、物理量センサー１の構成例について説明する。以下では、説明の便宜上、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を適宜に用いて説明を行う。図１および図２には、これらの軸を表す矢印が適宜に図示される。当該矢印の指し示す側が＋側、その反対側が－側である。また、＋Ｘ方向および－Ｘ方向のうちの一方または両方を単に「Ｘ方向」、＋Ｙ方向および－Ｙ方向のうちの一方または両方を単に「Ｙ方向」、＋Ｚ方向および－Ｚ方向のうちの一方または両方を単に「Ｚ方向」という。ここで、Ｚ方向は、振動素子片１０の厚さ方向である。－Ｚ方向または＋Ｚ方向からみることを「平面視」という。

図１および図２に示す物理量センサー１は、Ｚ軸まわりの角速度ωを検出する振動型のジャイロセンサーである。図２に示すように、物理量センサー１は、振動素子片１０と支持部材２０と回路素子３０とパッケージ４０とを有する。振動素子片１０、支持部材２０および回路素子３０のそれぞれは、パッケージ４０に収容される。ここで、振動素子片１０は、支持部材２０を介してパッケージ４０に支持される。以下、物理量センサー１の各部を簡単に順次説明する。

図１および図２に示す振動素子片１０は、圧電材料で構成されるセンサー素子片である。当該圧電材料としては、例えば、水晶、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム等の圧電材料が挙げられる。これらの中でも、振動素子片１０の構成材料としては、水晶を用いることが好ましい。この場合、他の圧電材料を用いる場合に比べて、振動素子片１０の周波数温度特性を高めることができる。以下、振動素子片１０を水晶で構成する場合を説明する。各図に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、振動素子片１０を構成する水晶の結晶軸である電気軸、機械軸および光軸にそれぞれ対応する。なお、図１および図２では、振動素子片１０の表面に設けられる電極の図示が省略される。

振動素子片１０は、いわゆるダブルＴ型と呼ばれる構造を有する。具体的に説明すると、振動素子片１０は、基部１１と、基部１１から＋Ｙ方向および－Ｙ方向に延びる第１検出腕１２ａおよび第２検出腕１２ｂと、基部１１から＋Ｘ方向および－Ｘ方向に延びる第１連結腕１３ａおよび第２連結腕１３ｂと、第１連結腕１３ａから＋Ｙ方向および－Ｙ方向に延びる第１駆動腕１４ａおよび第１駆動腕１４ｂと、第２連結腕１３ｂから＋Ｙ方向および－Ｙ方向に延びる第２駆動腕１５ａおよび第２駆動腕１５ｂと、を有する。なお、振動素子片１０の各部の形状は、図１に示す形状に限定されない。例えば、振動素子片１０の各腕には、Ｚ方向に向けて開口する溝または孔が腕の延びる方向に沿って適宜に設けられてもよい。また、各腕の幅は、一定でもよい。

第１駆動腕１４ａ、第１駆動腕１４ｂ、第２駆動腕１５ａおよび第２駆動腕１５ｂには、図示しないが、これらの駆動腕のそれぞれをＸ方向に屈曲振動させる１対の駆動電極が設けられる。当該１対の駆動電極のうち、一方に駆動信号ＤＱが入力され、他方からフィードバック信号ＤＩが出力される。また、第１検出腕１２ａおよび第２検出腕１２ｂには、図示しないが、これらの検出腕のそれぞれのＸ方向での屈曲振動に伴って生じる電荷を検出する１対の検出電極が設けられる。当該１対の検出電極のうち、一方から検出信号ＩＱ１が出力され、他方から検出信号ＩＱ２が出力される。また、基部１１には、前述の１対の駆動電極および１対の検出電極に電気的に接続される複数の端子が設けられる。以上の駆動電極、検出電極および端子の構成材料としては、それぞれ、特に限定されないが、例えば、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）等の金属材料が挙げられる。

以下、振動素子片１０を用いる角速度ωの検出について簡単に説明すると、まず、図示しない１対の駆動電極の間に駆動信号ＤＱにより交番電圧が印加される。そうすると、図１中矢印Ａで示すように、第１駆動腕１４ａと第２駆動腕１５ａとがＸ方向に互いに反対側に屈曲振動するとともに、第１駆動腕１４ａおよび第２駆動腕１５ａと同相で、第１駆動腕１４ｂと第２駆動腕１５ｂとがＸ方向に互いに反対側に屈曲振動する。このとき、振動素子片１０に角速度が加わらない場合、第１駆動腕１４ａおよび１４ｂと第２駆動腕１５ａおよび１５ｂとが振動素子片１０の重心Ｇを通るＹＺ平面に対して面対称に振動するため、基部１１、第１連結腕１３ａ、第２連結腕１３ｂ、第１検出腕１２ａおよび第２検出腕１２ｂは、ほとんど振動しない。

このように第１駆動腕１４ａ、１４ｂ、第２駆動腕１５ａおよび１５ｂが屈曲振動する状態で、振動素子片１０にＺ軸まわりの角速度ωが加わる場合、これらの駆動腕には、それぞれ、Ｙ方向のコリオリ力が働く。このコリオリ力により、図１中矢印Ｂで示すように、第１連結腕１３ａと第２連結腕１３ｂとがＹ方向に互いに反対側に屈曲振動する。これに伴い、この屈曲振動を打ち消すように、図１中矢印Ｃで示すように、第１検出腕１２ａおよび第２検出腕１２ｂにおけるＸ方向の屈曲振動が検出振動として励振される。この検出振動によって１対の検出電極の間に生じる電荷が検出信号として出力される。当該検出信号に基づいて、角速度ωが求められる。以上のように、角速度ωを検出することができる。

図２に示すように、支持部材２０は、ＴＡＢ（Tape Automated Bonding）実装用の基板である。支持部材２０は、フィルム２１と複数の配線２２とを有する。フィルム２１は、ポリイミド等の樹脂材料で構成される絶縁性の基材である。フィルム２１の中央部には、デバイスホール２１ａが設けられる。複数の配線２２は、前述の振動素子片１０における図示しない１対の駆動電極および１対の検出電極に対応して設けられる。複数の配線２２は、フィルム２１の一方の面上からデバイスホール２１ａを介してフィルム２１の他方の面側に折り曲げられて延びる。以上の複数の配線２２は、それぞれ、金属バンプ７２を介して、前述の振動素子片１０の基部１１に対して接続される。この接続により、複数の配線２２は、振動素子片１０における図示しない１対の駆動電極および１対の検出電極に電気的に接続される状態で、振動素子片１０を支持する。

図１に示すように、回路素子３０は、プロセッサー３１とメモリー３２と駆動回路３３と検出回路３４と診断回路３５と故障検出回路３６とを有する集積回路である。なお、回路素子３０の各回路については、後に詳述する。また、図示しないが、回路素子３０には、前述のフィードバック信号ＤＩ、駆動信号ＤＱ、検出信号ＩＱ１およびＩＱ２等のための複数の端子が設けられる。

図２に示すように、パッケージ４０は、振動素子片１０、支持部材２０および回路素子３０を収容する容器である。パッケージ４０は、ベース４１とリッド４２と接合部材４３とを有する。ベース４１とリッド４２とは、接合部材４３を介して互いに接合される。図２に示すように、ベース４１とリッド４２との間には、振動素子片１０、支持部材２０および回路素子３０を収容する空間Ｓが形成される。空間Ｓは、例えば、１０Ｐａ以下の減圧状態である。なお、空間Ｓには、アルゴンまたは窒素等の不活性ガスが封入されてもよい。

ベース４１は、凹部４１１を有する箱状の部材である。ベース４１の平面視での外形は、略矩形である。ベース４１の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、酸化アルミニウム等の各種セラミックスが挙げられる。図２に示す例では、ベース４１は、平板状の基板４１ａと枠状の３つの基板４１ｂ、４１ｃおよび４１ｄとを有し、これらが＋Ｚ方向に向けてこの順に積層される。図示しないが、ベース４１を構成する複数の基板の間には、金属等で構成される配線が適宜に設けられる。なお、ベース４１の形状またはベース４１を構成する基板の数は、図２に示す例に限定されず、任意である。

凹部４１１は、基板４１ａの＋Ｚ方向側の面で構成される底面４１１ａと、基板４１ｂの＋Ｚ方向側の面で構成される段差面４１１ｂと、基板４１ｃの＋Ｚ方向側の面で構成される段差面４１１ｃと、を有する。

底面４１１ａには、回路素子３０が基板４１ｂの内側に収まる状態で固定部材５１を介して固定される。固定部材５１は、例えば、エポキシ樹脂またはアクリル樹脂等を含んで構成される接着剤である。段差面４１１ｂには、複数の内部端子６１が設けられる。複数の内部端子６１は、回路素子３０の図示しない複数の端子に複数の配線７１を介して電気的に接続される。複数の配線７１のそれぞれは、例えば、ボンディングワイヤーで構成される。段差面４１１ｃには、複数の内部端子６２が設けられる。複数の内部端子６２は、前述の支持部材２０の複数の配線２２に対応して設けられる。複数の内部端子６２には、支持部材２０の複数の配線２２が導電性の複数の固定部材５２を介して固定される。この固定により、複数の内部端子６２は、前述の振動素子片１０における図示しない１対の駆動電極および１対の検出電極に電気的に接続される。複数の固定部材５２のそれぞれは、例えば、半田、銀ペースト、導電性接着剤等で構成される。

複数の内部端子６１および複数の内部端子６２は、図示しないが、ベース４１の内部に設けられる複数の配線に適宜に接続される。具体的には、当該複数の配線は、複数の内部端子６１の一部と複数の内部端子６２とを接続する複数の配線と、複数の内部端子６１の残部とベース４１の外面上の複数の外部端子６３とを接続する複数の配線と、を含む。複数の外部端子６３は、物理量センサー１を図示しない外部機器に実装する際に用いられる。内部端子６１、６２および外部端子６３等は、それぞれ、例えば、タングステン（Ｗ）等のメタライズ層にニッケル（Ｎｉ）または金（Ａｕ）等の被膜をメッキ等により形成することで得られる金属膜で構成される。

リッド４２は、平面視で略矩形の外形を有し、前述のベース４１の凹部４１１の開口を塞ぐ板状の部材である。リッド４２の構成材料としては、ベース４１または接合部材４３に対してシーム溶接可能な材料であればよく、例えば、コバール、４２アロイ、ステンレス鋼等の金属が挙げられる。また、リッド４２におけるベース４１側の面には、例えば、ニッケル（Ｎｉ）等の被膜がメッキ等により適宜に設けられる。

接合部材４３は、ベース４１とリッド４２との間に介在し、これらを接合する枠状の部材である。接合部材４３は、一般に、シールリングとも称される。接合部材４３は、例えば、コバール、４２アロイ、ステンレス鋼等の金属で構成される。また、接合部材４３の表面には、例えば、ニッケル（Ｎｉ）または金（Ａｕ）等の被膜がメッキ等により適宜に設けられる。以上の接合部材４３は、ベース４１に対して、銀ろう等を用いるろう付け等により気密的に接合される。また、接合部材４３は、リッド４２に対して、シーム溶接により気密的に接合される。これらの接合により、接合部材４３を介してベース４１とリッド４２とが接合される。なお、接合部材４３に代えて、ベース４１に、タングステン（Ｗ）等のメタライズ層にニッケル（Ｎｉ）または金（Ａｕ）等の被膜をメッキ等により形成することで得られる金属膜を設けてもよい。

Ａ－３.回路素子の詳細
図３は、実施形態における物理量センサー１が有する回路素子３０の構成を示すブロック図である。図３に示すように、回路素子３０は、プロセッサー３１とメモリー３２と駆動回路３３と検出回路３４と診断回路３５と故障検出回路３６とを有する。

プロセッサー３１は、物理量センサー１の各部を制御する機能、および各種データを処理する機能を有する装置である。プロセッサー３１は、例えば、ＣＰＵ等のプロセッサーを含んで構成される。なお、プロセッサー３１は、単一のプロセッサーで構成されてもよいし、複数のプロセッサーで構成されてもよい。また、プロセッサー３１の機能の一部または全部を、ＤＳＰ、ＡＳＩＣ、ＰＬＤ、ＦＰＧＡ等のハードウェアで実現してもよい。

メモリー３２は、プロセッサー３１が実行するプログラムＰ１を含む各種プログラム、およびプロセッサー３１が処理する判定テーブルＴ１および予知情報Ｄ２を含む各種データを記憶する装置である。メモリー３２は、例えば、半導体メモリーを含んで構成される。判定テーブルＴ１には、基準情報Ｄ１が含まれる。なお、判定テーブルＴ１および予知情報Ｄ２については、後に詳述する。

駆動回路３３は、振動素子片１０からのフィードバック信号ＤＩを受けながら振動素子片１０を駆動する駆動信号ＤＱを出力する回路である。駆動回路３３は、増幅回路３３ａと駆動信号出力回路３３ｂとゲイン制御回路３３ｃと同期信号出力回路３３ｄとを有する。増幅回路３３ａは、振動素子片１０からのフィードバック信号ＤＩを増幅するとともに電流信号から電圧信号に変換して出力する。増幅回路３３ａは、例えば、演算増幅器、帰還抵抗素子および帰還キャパシター等を含んで構成される。駆動信号出力回路３３ｂは、増幅回路３３ａから出力される信号に基づいて、駆動信号ＤＱを出力する。駆動信号出力回路３３ｂは、例えば、駆動信号ＤＱの波形が矩形波または正弦波である場合、コンパレーター等を含んで構成される。ゲイン制御回路（ＡＧＣ）３３ｃは、増幅回路３３ａから出力される信号に基づいて、駆動信号出力回路３３ｂの駆動を制御することにより、駆動信号ＤＱの振幅を制御する。ゲイン制御回路３３ｃは、例えば、増幅回路３３ａからの信号を全波整流する全波整流器と、当該全波整流器の出力信号の積分処理を行う積分器とを含んで構成される。同期信号出力回路３３ｄは、増幅回路３３ａから出力される信号に基づく同期信号を検出回路３４および診断回路３５のそれぞれに出力する。同期信号出力回路３３ｄは、例えば、増幅回路３３ａから出力される正弦波の信号を２値化処理して矩形波の同期信号を生成するコンパレーターと、当該同期信号の位相調整を行う位相調整回路とを含んで構成される。

検出回路３４は、振動素子片１０からの検出信号ＩＱ１およびＩＱ２を検出する回路である。検出回路３４は、増幅回路３４ａと同期検波回路３４ｂとフィルター部３４ｃとＡＤ変換回路３４ｄとＤＳＰ部３４ｅとを有する。増幅回路３４ａは、振動素子片１０からの検出信号ＩＱ１およびＩＱ２を差動増幅するとともに電荷信号から電圧信号に変換して出力する。同期検波回路３４ｂは、駆動回路３３からの同期信号に基づいて、増幅回路３４ａからの信号の同期検波を行う。フィルター部３４ｃは、同期検波回路３４ｂから出力される信号の不要信号成分を除去するローパスフィルターである。ＡＤ変換回路３４ｄは、同期検波回路３４ｂからの信号がフィルター部３４ｃを介して入力され、入力される信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。ＤＳＰ部３４ｅは、ＡＤ変換回路３４ｄからのデジタル信号に対してデジタルフィルター処理およびデジタル補正処理等のデジタル信号処理を行う。

診断回路３５は、検出回路３４を診断するための回路である。例えば、診断回路３５は、検出回路３４を診断するための疑似的な角速度信号等を生成し、検出回路３４に供給するための動作を行う。そして、この疑似的な角速度信号等の検出結果に基づいて、検出回路３４等が正常に動作しているか否かを判断する診断が行われる。なお、診断回路３５は、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。

故障検出回路３６は、検出回路３４に含まれる増幅回路３４ａの故障検出を行う回路である。例えば、故障検出回路３６は、増幅回路３４ａにおいて差動増幅回路を構成する２つの増幅器の出力電圧に基づいて、当該出力電圧が判定電圧範囲内にあるか否かにより、増幅回路３４ａの故障検出を行う。なお、故障検出回路３６は、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。

以上の構成の回路素子３０では、プロセッサー３１がメモリー３２からプログラムＰ１を読み込んで実行する。この実行により、プロセッサー３１は、取得部３１ａ、判定部３１ｂおよび生成部３１ｃとして機能する。

取得部３１ａは、駆動回路３３から駆動信号ＤＱの計測値に関する信号情報ＳＤを取得する。本実施形態における当該計測値は、駆動信号ＤＱの電圧値である。判定部３１ｂは、メモリー３２から基準情報Ｄ１を読み込み、信号情報ＳＤと基準情報Ｄ１とに基づいて、物理量センサー１の故障に至るまでの状態を判定する。より具体的には、判定部３１ｂは、メモリー３２から判定テーブルＴ１を読み込み、信号情報ＳＤと基準情報Ｄ１とを比較し、その比較結果に基づいて、物理量センサー１の故障に至るまでの段階的な状態を判定する。生成部３１ｃは、判定部３１ｂの判定結果に基づいて、予知情報Ｄ２を生成する。より具体的には、生成部３１ｃは、メモリー３２から判定テーブルＴ１を読み込み、判定テーブルＴ１と判定部３１ｂの判定結果とに基づいて、物理量センサー１の故障に至るまでの段階的な状態に関する予知情報Ｄ２を生成する。

物理量センサー１は、前述のように、振動素子片１０を収容するパッケージ４０を有する。そして、予知情報Ｄ２は、パッケージ４０内の真空度を要因とする故障の予知に関する情報を含む。パッケージ４０内の真空度が何らかの原因で低下すると、物理量センサー１の特性も低下して、物理量センサー１がやがて故障となる。ここで、パッケージ４０内の真空度の低下は、通常、緩慢である。このため、パッケージ４０内の真空度を要因とする故障の予知に関する情報は、物理量センサー１の故障に至るまでの段階的または連続的な状態に関する予知情報Ｄ２に適する。

図４は、物理量センサー１におけるパッケージ４０内の真空度と駆動信号ＤＱの電圧値である駆動電圧との関係を示すグラフである。図４に示すように、パッケージ４０内の真空度が低くなるほど、すなわち、パッケージ４０の空間Ｓの圧力が大きくなるほど、駆動電圧が高くなる。ここで、前述の増幅回路３３ａからの電圧信号がゲイン制御回路３３ｃの調整可能な範囲内である場合、駆動電圧が規定値またはその近傍で一定に保たれる。したがって、この場合、物理量センサー１の検出感度が所望の範囲内に維持される。一方、前述の増幅回路３３ａからの電圧信号がゲイン制御回路３３ｃの調整可能な範囲内でない場合、駆動電圧が規定値からずれていく。したがって、この場合、物理量センサー１の検出感度が低下する。以上のことから、本実施形態では、駆動信号ＤＱの計測値として、駆動電圧、すなわち駆動信号ＤＱの電圧値を用いる。そして、判定部３１ｂは、駆動信号ＤＱの電圧値に関する信号情報ＳＤと基準情報Ｄ１とに基づいて、物理量センサー１の故障に至るまでの状態を判定する。より具体的には、判定部３１ｂは、以下のように判定テーブルＴ１を用いて、物理量センサー１の故障に至るまでの状態を判定する。

図５は、基準情報Ｄ１と判定結果との関係を示す判定テーブルＴ１の一例を示す図である。図６は、基準情報Ｄ１と判定結果との関係を示す判定テーブルＴ１の他の例を示す図である。判定部３１ｂは、例えば、図５または図６に示す判定テーブルＴ１を用いて、物理量センサー１の故障に至るまでの状態を判定する。図５または図６に示す判定テーブルＴ１は、基準情報Ｄ１中の各基準値と判定結果との対応付けを示す情報である。なお、判定テーブルＴ１中の各数値範囲等は、図５および図６に示す例に限定されず、任意である。

図５に示す判定テーブルＴ１を用いる場合、判定部３１ｂは、駆動電圧がＶ１以上Ｖ２未満である場合、正常レベルであると判定する。また、判定部３１ｂは、駆動電圧がＶ１未満またはＶ３以上である場合、故障レベルであると判定する。また、判定部３１ｂは、駆動電圧がＶ２以上Ｖ３未満である場合、故障の予知レベルであると判定する。ここで、Ｖ１は、規定値である基準値Ｖａよりも若干低い値であり、例えばＶａに対して０．９倍程度の値である。Ｖ２は、基準値Ｖａよりも若干高い値であり、例えばＶａに対して１．２倍程度の値である。Ｖ３は、Ｖ２よりも高い値であり、Ｖａに対して１．３倍程度の値である。

図６に示す判定テーブルＴ１を用いる場合、判定部３１ｂは、駆動電圧が基準値Ｖａに対して１．０倍以上１．２倍未満である場合、正常レベルであると判定する。また、判定部３１ｂは、駆動電圧が基準値Ｖａに対して０．８倍未満または１．４倍以上である場合、故障であると判定する。また、判定部３１ｂは、駆動電圧が基準値Ｖａに対して０．９倍以上１．０倍未満または１．２倍以上１．３倍未満である場合、故障の予知レベル１であると判定する。また、判定部３１ｂは、駆動電圧が基準値Ｖａに対して０．８倍以上０．９倍未満または１．３倍以上１．４倍未満である場合、故障の予知レベル１よりも故障の状態に近い予知レベル２であると判定する。ここで、０．９倍以上１．０倍未満または１．２倍以上１．３倍未満の範囲が基準値Ｖａに対する範囲を示す第１範囲であり、０．８倍以上０．９倍未満または１．３倍以上１．４倍未満の範囲が第１範囲とは異なる範囲で基準値Ｖａに対する範囲を示す第２範囲である。このように、図６に示す判定テーブルＴ１を用いる場合、基準情報Ｄ１は、第１範囲および第２範囲を含み、プロセッサー３１は、駆動信号ＤＱの計測値が第１範囲内である場合、第１予知情報である予知レベル１を出力し、駆動信号ＤＱの計測値が第２範囲内である場合、第１予知情報とは異なる第２予知情報である予知レベル２を出力する。このため、物理量センサー１の故障に至る前の段階的な状態に関する予知情報Ｄ２を出力することができる。

また、基準情報Ｄ１または判定テーブルＴ１は、物理量センサー１の工場出荷前等に事前にメモリー３２に記憶されてもよいし、物理量センサー１の使用時にユーザーによってメモリー３２に記憶されてもよい。ただし、基準情報Ｄ１または判定テーブルＴ１は、メモリー３２に予め記憶されることが好ましい。この場合、物理量センサー１の起動後に基準情報Ｄ１を作成する必要がない。この結果、物理量センサー１の起動直後に迅速に予知情報Ｄ２を出力することができる。

以上のような判定の結果に基づいて、生成部３１ｃは、予知情報Ｄ２を生成する。すなわち、生成部３１ｃは、判定部３１ｂの判定結果が予知レベル、予知レベル１または予知レベル２である場合、予知情報Ｄ２を生成する。また、生成部３１ｃは、判定部３１ｂの判定結果が故障レベルである場合、物理量センサー１が故障状態であることを示す故障情報を生成する。なお、判定結果における故障レベルの程度によっては、当該故障情報は、「予知情報」であるともいえる。

以上の予知情報Ｄ２の生成および出力のタイミングは、特に限定されないが、少なくとも物理量センサー１の起動時を含むことが好ましい。すなわち、プロセッサー３１は、物理量センサー１の起動時に駆動信号ＤＱの信号情報を取得して予知情報Ｄ２を出力することが好ましい。この場合、物理量センサー１が故障した状態で使用されることを低減することができる。なお、予知情報Ｄ２の生成および出力は、物理量センサー１の動作中に常時連続的に行ってもよい。

図７は、実施形態に係るセンサー故障予知システム１００の動作の流れを示す図である。図７に示すように、まず、取得部３１ａが駆動電圧に関する情報を取得し、判定部３１ｂが駆動電圧と基準情報Ｄ１中の基準値とを比較して、物理量センサー１の状態を判定する（ステップＳ１）。その後、生成部３１ｃは、判定結果が正常レベルか否かを判断する（ステップＳ２）。判定結果が正常レベルである場合、ステップＳ１に戻る。

判定結果が正常レベルでない場合、生成部３１ｃは、判定結果が予知レベルであるか否かを判断する（ステップＳ３）。判定結果が予知レベルである場合、生成部３１ｃは、予知情報Ｄ２を生成してメモリー３２に記憶する（ステップＳ４）。その後、ステップＳ１に戻る。

判定結果が予知レベルでない場合、生成部３１ｃは、判定結果が故障レベルか否かを判断する（ステップＳ５）。判定結果が故障レベルでない場合、ステップＳ１に戻る。一方、判定結果が故障レベルである場合、生成部３１ｃは、故障情報を生成してメモリー３２に記憶し（ステップＳ６）、その後、物理量センサー１の動作を終了する。

以上のセンサー故障予知システム１００は、プロセッサー３１とメモリー３２とを有し、メモリー３２には、振動素子片１０を含む物理量センサー１における駆動信号ＤＱの基準値に関する基準情報Ｄ１が記憶される。そして、プロセッサー３１は、駆動信号ＤＱの計測値に関する信号情報ＳＤを取得し、信号情報ＳＤと基準情報Ｄ１とに基づいて、物理量センサー１の故障に至るまでの段階的な状態に関する予知情報Ｄ２を出力する。以上のセンサー故障予知システム１００では、物理量センサー１の故障に至るまでの段階的または連続的な状態に関する予知情報Ｄ２が出力されるので、物理量センサー１が故障するまでの状態を事前に検知することができる。

ここで、振動素子片１０は、駆動信号ＤＱにより駆動振動し、物理量に基づく検出信号ＩＱ１およびＩＱ２を出力する。本実施形態では、物理量センサー１が振動素子片１０のほか前述のプロセッサー３１およびメモリー３２を有する。このため、物理量センサー１が組み込まれる機器における処理を低減することができる。

Ｂ．電子機器
図８は、電子機器の一例であるモバイル型またはノート型のパーソナルコンピューター１１００の構成を概略的に示す斜視図である。この図において、パーソナルコンピューター１１００は、キーボード１１０２を備える本体部１１０４と、表示部１１０８を備える表示ユニット１１０６と、により構成される。表示ユニット１１０６は、本体部１１０４に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持される。以上のパーソナルコンピューター１１００には、前述の物理量センサー１およびセンサー故障予知システム１００が内蔵される。

図９は、電子機器の一例であるスマートフォン１２００の構成を概略的に示す平面図である。この図において、スマートフォン１２００は、複数の操作ボタン１２０２、受話口１２０４および不図示の送話口を備え、操作ボタン１２０２と受話口１２０４との間には、表示部１２０８が配置されている。以上のスマートフォン１２００には、前述の物理量センサー１およびセンサー故障予知システム１００が内蔵される。

図１０は、電子機器の一例であるディジタルスチルカメラ１３００の構成を概略的に示す斜視図である。この図には、外部機器との接続についても簡易的に示される。ディジタルスチルカメラ１３００は、被写体の光像をＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の撮像素子により光電変換して撮像信号（画像信号）を生成する。

ディジタルスチルカメラ１３００におけるケース１３０２の背面には、ＣＣＤによる撮像信号に基づいて表示を行う表示部１３１０が設けられる。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（図中裏面側）には、光学レンズ（撮像光学系）およびＣＣＤ等を含む受光ユニット１３０４が設けられる。

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に転送されて格納される。また、このディジタルスチルカメラ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とが設けられる。そして、図示されるように、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に格納される撮像信号がテレビモニター１４３０またはパーソナルコンピューター１４４０に出力される。以上のディジタルスチルカメラ１３００には、前述の物理量センサー１およびセンサー故障予知システム１００が内蔵される。

以上の電子機器は、センサー故障予知システム１００を有する。このため、予知情報Ｄ２に基づいて、物理量センサー１が故障する前に、事前に適切な処理を行うことができる。当該適切な処理としては、例えば、予知情報Ｄ２が予知レベルを示す場合、ディスプレイへの表示または音声等によりメンテナンスを促す処理等が挙げられる。ここで、故障情報が出力される場合、例えば、警告ランプを点灯させる処理等が行われる。なお、センサー故障予知システム１００の一部または全部が電子機器の他の構成と一体でもよい。

なお、物理量センサー１を搭載する電子機器としては、前述のパーソナルコンピューター、スマートフォンおよびディジタルスチルカメラの他にも、例えば、スマートフォン以外の携帯電話機、タブレット端末、時計、車体姿勢検出装置、ポインティングデバイス、ヘッドマウントディスプレイ、インクジェットプリンター、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、ナビゲーション装置、ページャ、電子手帳、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ゲームコントローラー、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（Point of sale system）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、魚群探知機、各種測定機器、計器類およびフライトシミュレータ等が挙げられる。

Ｃ．移動体
図１１は、移動体の一例である自動車１５００を概略的に示す斜視図である。この図において、自動車１５００には、前述の物理量センサー１およびセンサー故障予知システム１００が内蔵される。物理量センサー１は、キーレスエントリー、イモビライザー、ナビゲーションシステム、エアコン、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ：Antilock Brake System）、エアバック、タイヤプレッシャーモニタリングシステム（ＴＰＭＳ：Tire Pressure Monitoring System）、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システム等の電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１５０１に広く適用できる。なお、電子デバイスを搭載する移動体としては、自動車の他にも、例えば、車両、航空機、ロケットおよび船舶等が挙げられる。なお、センサー故障予知システム１００の一部または全部が移動体の他の構成と一体でもよい。

以上の移動体は、センサー故障予知システム１００を有する。このため、予知情報Ｄ２に基づいて、物理量センサー１が故障する前に、事前に適切な処理を行うことができる。移動体が自動車である場合における当該適切な処理としては、例えば、予知情報Ｄ２が予知レベル１を示す場合、自動車の電子制御ユニット１５０１内の警告灯を点灯させる処理、予知情報Ｄ２が予知レベル２を示す場合、カーナビ等のディスプレイへの表示または音声等によりメンテナンスを促す処理等が挙げられる。ここで、故障情報が出力される場合、例えば、警告ランプを点灯させる処理等が行われる。

また、移動体がドローン等の飛行体である場合、例えば、予知情報Ｄ２が予知レベル１を示す場合、警告灯を点灯させる処理のみが行われ、予知情報Ｄ２が予知レベル２を示す場合、警告灯を点灯させる処理に加えて操作条件を限定する処理が行われる。ここで、故障情報が出力される場合、例えば、故障ランプを点灯させて、飛行体の動作を禁止する処理が行われる。

Ｄ．変形例
以上、本発明のセンサー故障予知システム、センサー故障予知方法、物理量センサー、電子機器および移動体について図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。また、本発明の各部の構成は、前述した実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。また、本発明は、前述した各実施形態の任意の構成同士を組み合わせるようにしてもよい。

前述の実施形態では、駆動信号の電圧値である駆動電圧を用いて予知情報を生成する場合が例示されるが、当該例示に限定されず、例えば、計測値として駆動信号の電流値に基づく抵抗値を用いて、予知情報を生成してもよい。物理量センサーが振動素子片を収容するパッケージ内の真空度が何らかの原因で低下すると、その低下に伴って駆動信号の電流値に基づく抵抗値が上昇する。このため、基準値を電圧値とし、駆動信号の電流値に基づく抵抗値を計測値とすることで、パッケージ内の真空度を要因とする物理量センサーの故障の予知に関する予知情報を出力することができる。当該抵抗値は、例えば、振動素子片の等価回路における等価直列抵抗値、いわゆるＣＩ（クリスタルインピーダンス）値である。なお、基準値は、適宜に設定される。

また、前述の実施形態では、駆動信号を用いて予知情報を生成する場合が例示されるが、当該例示に限定されず、例えば、検出信号を用いて予知情報を生成してもよい。例えば、物理量の有無にかかわらず検出信号に含まれる漏れ振動に基づく振動成分の値、いわゆるゼロ点信号の値も、物理量センサーの故障に至るまでの状態に応じて変化する。したがって、当該ゼロ点信号の値を用いて、予知情報を生成してもよい。なお、基準値は、適宜に設定される。

さらに、前述の実施形態では、予知情報が物理量センサーの故障に至るまでの段階的な情報である場合が例示されるが、当該例示に限定されず、予知情報が物理量センサーの故障に至るまでの連続的な情報であってもよい。この場合、例えば、駆動信号または検出信号の計測値と基準値との差または比に応じて予知情報を連続的に変化させる演算を行えばよい。

また、前述の実施形態では、物理量センサーに内蔵される回路素子が予知情報を生成する場合が例示されるが、当該例示に限定されず、例えば、物理量センサーの外部装置が物理量センサーから振動素子片の駆動信号または検出信号の計測値を取得して予知情報を生成してもよい。当該外部装置は、例えば、図１に示すプロセッサー１０１およびメモリー１０２を含む装置である。

さらに、前述の実施形態では、振動素子片が圧電体材料で構成される場合が例示されるが、振動素子片の構成材料は、当該例示に限定されず、例えば、シリコンまたは石英等の非圧電体材料でもよい。この場合、例えば、非圧電体材料で構成される基体上に圧電体素子を設ければよい。また、シリコンで振動素子片を構成する場合、エッチング等の公知の微細加工技術を用いて寸法精度の高い振動素子片を比較的安価に製造することができる。

また、前述の実施形態では、振動素子片の駆動方式として圧電駆動方式を用いる場合が例示されるが、振動素子片の駆動方式は、当該例示に限定されず、例えば、静電駆動方式または電磁駆動方式等でもよい。同様に、前述の実施形態では、振動素子片の検出方式として圧電検出方式を用いる場合が例示されるが、振動素子片の検出方式は、これに限定されず、例えば、静電容量検出方式、ピエゾ抵抗検出方式または電磁検出方式等でもよい。

さらに、前述の実施形態では、振動素子片がダブルＴ型のセンサー素子片である場合が例示されるが、振動素子片は、当該例示に限定されず、例えば、Ｈ音叉型または音叉型等の他のセンサー素子片でもよい。また、振動素子片をパッケージに支持する支持部材は、前述のＴＡＢ実装用の部材に限定されず、例えば、振動素子片と同一材料で一体に構成されてもよい。

また、前述の実施形態では、物理量センサーが角速度を検出するジャイロセンサーである場合が例示されるが、当該例示に限定されない。例えば、物理量センサーは、物理量として加速度を検出する加速度センサー等でもよい。

さらに、前述の実施形態では、ベースが箱状をなし、リッドが板状をなす構成が例示されるが、当該例示に限定されない。例えば、ベースが板状をなし、リッドが箱状またはハット状をなしてもよい。

１…物理量センサー、１０…振動素子片、３１…プロセッサー、３２…メモリー、４０…パッケージ、１００…センサー故障予知システム、１１００…パーソナルコンピューター、１２００…スマートフォン、１３００…ディジタルスチルカメラ、１４４０…パーソナルコンピューター、１５００…自動車、Ｄ１…基準情報、Ｄ２…予知情報、ＤＱ…駆動信号、ＩＱ１…検出信号、ＩＱ２…検出信号、Ｖａ…基準値。

Claims (10)

1. 駆動信号により駆動振動し、物理量に基づく検出信号を出力する振動素子片を含む物理量センサーの故障を予知するセンサー故障予知システムであって、
   前記駆動信号または前記検出信号の基準値に関する基準情報を記憶するメモリーと、
   前記駆動信号または前記検出信号の計測値に関する信号情報と前記基準情報とに基づいて、前記物理量センサーの故障に至るまでの段階的または連続的な状態に関する予知情報を出力するプロセッサーと、を有し、
   前記基準情報は、前記基準値に対する範囲を示す第１範囲に関する情報と、前記第１範囲とは異なる範囲で前記基準値に対する範囲を示す第２範囲に関する情報と、を含み、
   前記プロセッサーは、前記計測値が前記第１範囲内である場合、故障の予知レベルを示す第１予知情報を前記予知情報として出力し、前記計測値が前記第２範囲内である場合、前記第１予知情報とは異なる予知レベルを示す第２予知情報を前記予知情報として出力する、
   センサー故障予知システム。
2. 前記メモリーには、前記基準情報が予め記憶される、
   請求項１に記載のセンサー故障予知システム。
3. 前記プロセッサーは、前記物理量センサーの起動時に前記予知情報を出力する、
   請求項１または２に記載のセンサー故障予知システム。
4. 前記計測値は、前記駆動信号の電圧値である、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサー故障予知システム。
5. 前記計測値は、前記駆動信号の電流値に基づく抵抗値である、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサー故障予知システム。
6. 前記物理量センサーは、前記振動素子片を収容するパッケージを有し、
   前記予知情報は、前記パッケージ内の真空度を要因とする故障の予知に関する情報を含む、
   請求項１から５のいずれか１項に記載のセンサー故障予知システム。
7. 駆動信号により駆動振動し、物理量に基づく検出信号を出力する振動素子片を含む物理量センサーの故障を予知するセンサー故障予知方法であって、
   前記駆動信号または前記検出信号の計測値に関する信号情報を取得し、
   前記信号情報と前記駆動信号または前記検出信号の基準値に関する基準情報とに基づいて、前記物理量センサーの故障に至るまでの段階的または連続的な状態に関する予知情報を出力する場合において、
   前記基準情報は、前記基準値に対する範囲を示す第１範囲に関する情報と、前記第１範囲とは異なる範囲で前記基準値に対する範囲を示す第２範囲に関する情報と、を含み、
   前記計測値が前記第１範囲内である場合、故障の予知レベルを示す第１予知情報を前記予知情報として出力し、前記計測値が前記第２範囲内である場合、前記第１予知情報とは異なる予知レベルを示す第２予知情報を前記予知情報として出力する、
   センサー故障予知方法。
8. 駆動信号により駆動振動し、物理量に基づく検出信号を出力する振動素子片と、
   前記駆動信号または前記検出信号の基準値に関する基準情報を記憶するメモリーと、
   前記駆動信号または前記検出信号の計測値に関する信号情報と前記基準情報とに基づいて、物理量センサーの故障に至るまでの段階的または連続的な状態に関する予知情報を出力するプロセッサーと、を有し、
   前記基準情報は、前記基準値に対する範囲を示す第１範囲に関する情報と、前記第１範囲とは異なる範囲で前記基準値に対する範囲を示す第２範囲に関する情報と、を含み、
   前記プロセッサーは、前記計測値が前記第１範囲内である場合、故障の予知レベルを示す第１予知情報を前記予知情報として出力し、前記計測値が前記第２範囲内である場合、前記第１予知情報とは異なる予知レベルを示す第２予知情報を前記予知情報として出力する、
   物理量センサー。
9. 請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサー故障予知システムを有する、
   電子機器。
10. 請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサー故障予知システムを有する、
    移動体。

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