JPWO2018155057A1 - Sensor device - Google Patents
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Abstract
本発明の目的は、検出エレメントが共振周波数でのゲインを持たないようにダンピングを調整されたセンサ装置において、出荷前の特性取得にかかるコストを抑制しつつ、出荷後の検出エレメントの応答性診断を可能にすることにある。気密封止されたキャビティに設けられ振動子を有する検出エレメント102を備えたセンサ装置100において、振動子の加振に対する検出エレメント102の応答振幅を検出する応答振幅検出部は、応答振幅の周波数軸上又は時間軸上の異なる二点である第1周波数及び第2周波数又は第1時刻及び第2時刻に対応する第1応答振幅及び第2応答振幅を取得する応答振幅取得部103,104,108,111〜113と、第1応答振幅と第2応答振幅との相対関係に基づいてキャビティ501における圧力異常の有無を判定する判定部114と、を備える。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a sensor device whose damping is adjusted such that the detection element does not have a gain at a resonant frequency, wherein the response diagnosis of the detection element after shipment is suppressed while suppressing the cost for acquiring characteristics before shipment. Is to make it possible. In the sensor device 100 including the detection element 102 provided in the hermetically sealed cavity and including the vibrator, the response amplitude detection unit that detects the response amplitude of the detection element 102 with respect to the vibration of the vibrator is a frequency axis of the response amplitude. Response amplitude acquisition units 103, 104, and 108 that acquire the first response amplitude and the second response amplitude corresponding to the first frequency and the second frequency, or the first time and the second time, which are two different points on the upper or time axis. , 111 to 113 and a determination unit 114 that determines the presence or absence of pressure abnormality in the cavity 501 based on the relative relationship between the first response amplitude and the second response amplitude.
Description
本発明は、圧力を一定に保った検出エレメントを有して物理量を検知するセンサ装置に係わり、センサ装置を含むシステムの応答性診断技術に関する。 The present invention relates to a sensor device having a pressure-detecting sensor element for detecting a physical quantity, and relates to a technique for diagnosing responsiveness of a system including the sensor device.
自動車の安全支援・自動運転、ロボット制御、およびUAV(Unmanned Aerial Vehicle)と呼ばれる自律飛行装置など、姿勢や加速度、圧力等を検知するアプリケーションがMEMS(MicroElectro Mechanical Systems)技術の発展によって普及しつつある。MEMSとは半導体の微細加工技術を用いて微小な機械デバイスを作製し、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等で構成される制御部との組み合わせによってセンサやアクチュエータを含むシステムである。物理量を検知するMEMS型センサでは、半導体製造技術の特徴であるバッチ処理を用いて検出エレメント部を製造できる。このため、MEMS型センサは、センサ自身の低コスト化を実現し、ひいてはセンサの活用を必須とする前述のようなアプリケーションを低コストに実現するものとして、産業上重要な役目を担うようになった。 Applications that detect attitude, acceleration, pressure, etc., such as automotive safety support and automatic driving, robot control, and autonomous flight devices called UAV (Unmanned Aerial Vehicle), are becoming popular with the development of MEMS (MicroElectro Mechanical Systems) technology . The MEMS is a system including a sensor and an actuator in combination with a control unit configured by fabricating a minute mechanical device using a semiconductor microfabrication technology and configured by an application specific integrated circuit (ASIC) or the like. In the MEMS type sensor which detects a physical quantity, a detection element part can be manufactured using batch processing which is a feature of semiconductor manufacturing technology. For this reason, the MEMS type sensor plays an important role in the industry as realizing the cost reduction of the sensor itself and, at the same time, realizing the above-mentioned application requiring the utilization of the sensor at low cost. The
MEMS型センサでは、検出エレメントがミクロン(1e-6m:1×10-6m)やそれ以下のオーダで加工されるため、作製後の検出エレメントの物理的変化がセンサの特徴に影響を及ぼす。したがって、産業上、この物理的変化を低コストに解決することが課題となっている。In the MEMS type sensor, since the detection element is processed on the order of microns (1e-6m: 1 × 10 −6 m) or less, physical changes of the detection element after fabrication affect the characteristics of the sensor. Therefore, it is an issue in the industry to solve this physical change at low cost.
特に、圧力を一定に保つことが重要な加速度センサの検出エレメントや、圧力センサの検出エレメントにおいては、検出エレメント内のわずかな圧力変動が、センサとしての応答性や感度に影響を及ぼす。従って、出荷後にこの圧力が所望の値に保たれていることをセンサが自己診断できることが、自動車の安全支援・自動運転、ロボット制御、およびUAV等、検出不良が許容されないアプリケーションにおいては特に重要となる。 In particular, in a detection element of an acceleration sensor where it is important to keep the pressure constant or a detection element of a pressure sensor, slight pressure fluctuation in the detection element affects the responsiveness and sensitivity as a sensor. Therefore, the ability of the sensor to self-diagnose that this pressure is maintained at the desired value after shipment is particularly important in applications where detection defects are not acceptable such as automotive safety support, automatic operation, robot control, and UAV. Become.
本技術分野の背景技術として、例えば特開2016−170089号公報(特許文献1)がある。特許文献1では、真空に保った圧力検出エレメントにおいて、検出エレメントの共振周波数近傍での加振を行い、この応答(半値幅や振幅の時定数)から圧力の変動を検出する手法が開示されている。
As background art of this technical field, there exists Unexamined-Japanese-Patent No. 2016-170089 (patent document 1), for example.
また、特開2002−162413号公報(特許文献2)では、地震検出装置においてあらかじめ出荷前に検出エレメントの周波数応答を様々な温度で取得し、これをメモリに保存した上で、出荷後に検出エレメントの周波数応答を再度取得し、取得した周波数応答をメモリに保存した出荷前の周波数応答と比較することで圧力の変動を検出する手法が開示されている。 In addition, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-162413 (Patent Document 2), the frequency response of the detection element is obtained at various temperatures before shipment in the earthquake detection device, and is stored in the memory, and then the detection element is shipped. A method is disclosed for detecting pressure fluctuation by again acquiring the frequency response of the above and comparing the acquired frequency response with the frequency response before shipment stored in the memory.
特許文献1に示されるような手法の場合、共振周波数でのゲインを持たないダンピングを有するようにした検出エレメントでは、圧力変動の診断を行うことができない。
In the case of the method as disclosed in
特許文献2の技術は、出荷前に検出エレメントの周波数応答を様々な温度で取得する必要があるため、この周波数応答の取得に関わるコストが課題となる。
In the technique of
本発明の目的は、検出エレメントが共振周波数でのゲインを持たないようにダンピングを調整されたセンサ装置において、出荷前の特性取得にかかるコストを抑制しつつ、出荷後の検出エレメントの応答性診断を可能にすることにある。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a sensor device whose damping is adjusted such that the detection element does not have a gain at a resonant frequency, wherein the response diagnosis of the detection element after shipment is suppressed while suppressing the cost for acquiring characteristics before shipment. In making it possible.
上記目的を達成するために、本発明のセンサ装置は、
気密封止されたキャビティと、前記キャビティの内側に設けられ振動子を有する検出エレメントと、を備えたセンサ装置において、
前記振動子を加振する加振部と、前記振動子の加振に対する前記検出エレメントの応答振幅を検出する応答振幅検出部と、を備え、
前記応答振幅検出部は、前記応答振幅の周波数軸上又は時間軸上の異なる二点である第1周波数及び第2周波数又は第1時刻及び第2時刻に対応する第1応答振幅及び第2応答振幅を取得する応答振幅取得部と、前記第1応答振幅と前記第2応答振幅との相対関係に基づいて前記キャビティにおける圧力異常の有無を判定する判定部と、を備える。In order to achieve the above object, the sensor device of the present invention is
A sensor device comprising: a hermetically sealed cavity; and a detection element provided inside the cavity and having a vibrator.
And a response amplitude detection unit configured to detect a response amplitude of the detection element with respect to the vibration of the vibrator.
The response amplitude detection unit is configured to generate a first response amplitude and a second response corresponding to a first frequency and a second frequency, or a first time and a second time, which are two different points on the frequency axis or the time axis of the response amplitude. And a determination unit that determines the presence or absence of pressure abnormality in the cavity based on a relative relationship between the first response amplitude and the second response amplitude.
本発明によれば、検出エレメントが共振周波数でのゲインを持たないようにダンピングを調整されたセンサないしはシステムにおいて、出荷前の特性取得にかかるコストを抑制しつつ、出荷後の検出エレメントの応答性診断が可能になる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 According to the present invention, in a sensor or system whose damping is adjusted such that the detection element does not have gain at the resonance frequency, the responsiveness of the detection element after shipment is suppressed while suppressing the cost for acquiring characteristics before shipment. Diagnosis is possible. Problems, configurations, and effects other than those described above will be apparent from the description of the embodiments below.
以下の実施の形態においては、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施例に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施例において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。例えば、共振周波数や圧力に対するダンピング係数の関係、周波数応答は全て設計で決まるものであり,以下に示す実施例は単に一つの設計の例を示しているものである。 In the following embodiment, when it is necessary for the sake of convenience, it will be described by dividing into a plurality of sections or examples, but unless specifically stated otherwise, they are not mutually unrelated, one is the other Some or all of the variations, details, supplementary explanations, etc. are in a relation. Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, amount, range, etc.), unless otherwise specified or in principle when clearly limited to a specific number, etc. The number is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number. For example, the relationship between the resonance frequency and the damping coefficient with respect to pressure, and the frequency response are all determined by design, and the following embodiment merely shows an example of one design.
さらに、以下の実施例において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施例において、構成要素等の形状や位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記要素の数等についても同様である。 Furthermore, in the following embodiments, it is needless to say that the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily essential unless specifically stated or considered to be obviously essential in principle. Yes. Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes, positional relationships and the like of components, etc., the shapes and the like are substantially excluded unless particularly clearly stated and where it is considered to be obviously not clear in principle. It includes those that are similar or similar to The same applies to the number of the above elements and the like.
[実施例1]
図1Aおよび図1Bを参照して、本発明の一実施例(実施例1)である加速度センサ装置の検出エレメントについて説明する。図1Aは、診断に使う静電力を発生させるための電極を有する加速度検出エレメントの構造を示す模式図(平面図)である。図1Bは、診断に使う静電力を発生させるための電極を有する加速度検出エレメントの構造を示す断面図である。Example 1
Referring to FIGS. 1A and 1B, detection elements of an acceleration sensor device according to an embodiment (Embodiment 1) of the present invention will be described. FIG. 1A is a schematic view (plan view) showing the structure of an acceleration detection element having an electrode for generating an electrostatic force used for diagnosis. FIG. 1B is a cross-sectional view showing the structure of an acceleration detection element having an electrode for generating an electrostatic force used for diagnosis.
実施例1に示す加速度センサ装置100(図1参照)の検出エレメントでは、キャビティ501内に、検出マス(おもり)502が弾性変形部507を介して固定部514に懸架された形で作製される。また、封止されたキャビティ501内の圧力は空気の粘性(空気抵抗)によってダンパ508を構成する。従って、前記の検出エレメント102(図2参照)はいわゆるバネマス系であり、検出マス502および弾性変形部507を含む振動子を構成している。ダンパ508は振動子の一部とみなしてもよい。
In the detection element of the acceleration sensor device 100 (see FIG. 1) shown in the first embodiment, the detection mass (weight) 502 is produced in a form suspended in the
振動子である加速度検出エレメント102は加速度の印加を受けると、弾性変形部507の変形を伴って検出マス502が変位する。この変位を静電容量型検出電極正側503および同負側504の容量変化として検出することにより、印加された加速度を得るというのが本実施例の加速度センサ装置100の検出原理である。
When the
この容量変化を検出するため、検出マス502には直流電圧505および交流電圧506が印加される。交流電圧印加の結果、静電容量型検出電極正側503と同負側504の容量は配線部515を通じて電流の形で容量電圧変換 (Capacitor to Voltage変換)器516に入力される。この結果、静電容量の変化は電圧レベル517の変化として容量電圧変換器516の後段に出力される。
In order to detect this change in capacitance, a
また、診断電極正側509と同負側510は、それぞれ診断電圧印加部正側511と同負側512より電圧の印加を受け、静電力を発生する。この静電力によって、検出マス502は加振方向513に沿って加振される。この加振による変位(変位量)を静電容量型検出電極正側503と同負側504の容量変化として検出する。そして、加振による変位量が印加電圧と周波数応答の関係から期待される範囲内であるかどうかを判定し、検出エレメント102の不良を診断することができる。診断電圧印加部正側511および同負側512は検出マス502を加振するための電極であり、加振電極正側511および同負側512と呼んでもよい。
The diagnostic electrode
本実施例では、キャビティ501は、上部層518、デバイス層521、酸化膜層520およびハンドル層519によって構成され、故障のない状態では気密封止される。なお、本実施例のキャビティ501は、いかなる形状であっても構わない。
In the present embodiment, the
次に、図2を参照して、検出回路130について説明する。図2は、実施例1における加速度センサ装置の構成を示す図であり、加速度検出エレメントとその検出回路の構成を示す図である。以下、加速度検出エレメント102は検出エレメント102と呼んで説明する。ここで検出エレメント102は図1Aに示した検出エレメント全体を示している。また図2の検出エレメント102を除く構成要素が検出回路130を構成している。
Next, the
検出回路130では、発振器として構成されたクロック源106より生成されるクロックを分周器107によって適切な周波数に調整し、第1のDAC(Digital to Analog Convertor)118を通じて一般にキャリアと呼ばれる交流信号(直流成分を含む)を検出エレメント102内の検出マス502に与える。この結果、容量電圧変換器103(図5の516と同等)を通じて、検出エレメント102の検出マス502の変位に伴う静電容量変化を電圧の変化として得る。さらにこの電圧信号は、ADC(Analog to Digital Convertor)104によりデジタル値に変換される。
In the
印加された加速度の検出エレメント102による検出信号は、デジタル値に変換された後、LPF(Low Pass Filter)105や温度、感度およびオフセットを補正する補正部120、信号の上下限に出力をクリップするリミッタ121を介して調整され、加速度出力115として上位のシステムに伝達される。ここで補正部120は、温度センサ117からの温度出力を用いて、センサパッケージ101がおかれている環境の温度を検出し、これに応じた感度およびオフセットの補正を行う。これにより、加速度センサ装置100の入出力仕様を満たすように出力が補正される。
A detection signal of the applied acceleration by the
次に、図3を参照して、検出エレメント102の周波数応答について説明する。図3は、実施例1における、複数の圧力に対する加速度検出エレメントの周波数応答の例を示す図である。図3は設計のごく一例として1kHz近傍に共振周波数を持つ加速度センサ装置100の検出エレメント102における周波数応答を、様々な封止圧力ごとに示している。ここで周波数応答は共振周波数とダンピングの設計に応じて変動するものであり、ここに示す周波数応答は一例として示すものである。
Next, referring to FIG. 3, the frequency response of the
周波数応答201〜206は、封止圧力ごとに示した、検出エレメント102の周波数応答である。周波数応答201は100kPa(概ね大気圧)で封止した場合の周波数応答であり、さらに周波数応答202,203,204,205,206の順に、封止圧力がより高真空となる場合の周波数応答を示している。
The
周波数応答203〜206では、共振周波数付近でのゲインが0dBを超えている。これは封止した圧力が低圧のため、空気抵抗によるダンピングが効かず、共振周波数付近の周波数で共振振動が発生しているためである。
In the
ところが、検出エレメント102がこのような0dBを超える共振起因のピークを有する場合は、加速度センサ装置100が外乱振動の印加される環境に設置されると、耐振性の面で問題を生じる。
However, when the
すなわち、検出エレメント102に外乱振動が印加され、その振動に検出エレメント102のゲインが0dBを越える周波数成分が含まれている場合は、その周波数成分のメカニカルゲイン(0dBを超えるゲイン)によって検出エレメント102の検出マス部が大きく変位する。これは、検出回路130の信号の飽和や、それに伴うオフセットの変動を引き起こす原因となる。
That is, when disturbance vibration is applied to the
このような事態を防ぐため、外乱振動のある環境に設置することを想定する加速度センサ装置100では、検出エレメント102の封止圧力を高めてダンピングを強め、0dBを超える共振起因のピークを抑制する手法をとる。すなわち、検出エレメント102の周波数応答が周波数応答201ないしは202のような周波数応答となるよう、封止圧力を設計する。
In order to prevent such a situation, in the
次に、一般にゲインが−3dBとなる周波数(カットオフ周波数)で定義される「センサの応答性」を広く(例えば、直流〜200Hz)確保する場合を考える。 Next, a case will be considered in which a wide (e.g., direct current to 200 Hz) "sensor responsiveness" defined by a frequency (cutoff frequency) at which the gain is -3 dB is generally secured.
「センサの応答性」が広い(高い)ことは加速度センサ装置100が動作する周波数範囲(すなわち、周波数の帯域幅:周波数帯域)が広いことを意味する。本実施例では、加速度センサ装置100が動作する周波数範囲は、この周波数範囲の下限周波数である0Hzから上限周波数(前述のカットオフ周波数:上限側カットオフ周波数)までの間としている。下限周波数および上限周波数は仕様により種々の周波数に設定可能である。
“Sensor responsiveness” is wide (high) means that the frequency range in which the
検出エレメント102は、圧力を高くすることで共振起因のピークを抑制できるものの、応答性が低くなるというトレードオフがあるため、単に圧力を高めるだけでは応答性の仕様を満たすことができない。例えば、今回の実施例で示した設計例では、大気圧で封止した際の応答性は約100Hzである(周波数応答201の通り)。従って、応答性を確保しつつ耐振性を確保するには、封止圧力を大気圧よりも低くとり、かつ検出エレメント102の周波数応答にピークの出ない圧力となるように封止圧力を調整し、これを維持することが重要である。
Although the
図4を参照して、圧力変動によって生じる検出エレメント102の周波数応答の変化の一例を説明する。図4は、実施例1における、加速度検出エレメントのリーク前後における周波数応答の変化の一例を示す図であり、応答性診断において測定する周波数点を示す図である。
An example of the change in frequency response of the
周波数応答302は大気圧よりも低い圧力で封止した検出エレメント102の周波数応答である。本実施例の加速度センサ装置100は、200Hzの周波数応答性仕様(すなわち、0〜200Hzでのゲインは−3dBより大きいものとする)を実現するため、やや余裕をもって約600Hzで−3dBのゲインを得る設計とした。次に周波数応答301は、同じ検出エレメント102の構造で、キャビティ501の圧力が大気圧(約100kPa)になった場合の周波数応答である。このようなキャビティ501の圧力の変動(圧力の異常)は、例えばこの検出エレメント102のキャビティ501にリークが生じた場合や、気密性に問題がなくても,キャビティ501内の脱ガスによる圧力の増加等によって発生する。
The
キャビティ501の圧力が大気圧になった場合は、周波数応答301に示すように、検出エレメント102の周波数応答は周波数応答性仕様の「200Hzでのゲイン−3dB」を実現できなくなってしまう。本実施例は、このような圧力の変動、特に真空のリークに伴う応答性不良を低コストに検出可能とする。
When the pressure of the
図2の検出回路130の動作について説明する。ここでは、図2の他に図5を参照して、検出回路130の処理フローも説明する。図5は、検出回路の処理フローを示す図である。
The operation of the
分周器107は、診断に使用する少なくとも2つの交流信号(第1周波数および第2周波数)を時分割ないしは周波数分割にて共通のクロック源106より生成し、診断用の交流信号を第2のDAC119を通じて図1A記載の検出エレメント102の診断電極正側509と同負側510とに印加する(図5のS101)。ここで、診断電圧印加部正側511と同負側512は図2の第2のDAC119に相当する。DACは複数チャネルの出力を有し、正負の交流電圧を生成してもよいし、1チャネルで交流電圧を出し、反転回路で正負の交流電圧を生成しても良く、または診断電極正側509のみに交流電圧を印加し、診断電極負側510には直流電圧のみの印加としても、同様に応答性不良を検出することができる。
The
また、集積回路では一般に正確な正弦波信号を生成することは困難であるが、ハードウェアとしてLPFやBPF(Band Pass Filter)を付与したり、正弦波の出力デジタル値をテーブルに保管し、DACにこれを出力したりするソフト処理を実装することで低コストに正弦波に近い波形を生成できる。 In addition, although it is generally difficult to generate an accurate sine wave signal in an integrated circuit, an LPF or BPF (Band Pass Filter) is added as hardware, or an output digital value of a sine wave is stored in a table. It is possible to generate a near-sinusoidal waveform at low cost by implementing a soft process that outputs this.
上述したクロック源106、分周器107、第2のDAC119、診断電極正側509、同負側510、診断電圧印加部正側511および同負側512等は、振動子を加振する加振部(加振回路部)130Aを構成する。特に、クロック源106および分周器107等は、振動子を加振する加振信号を生成する加振信号生成部(加振信号生成回路部)130A1を構成する。
The
前記2つの周波数について、図4を用いてより詳細に説明する。 The two frequencies will be described in more detail with reference to FIG.
ここで、前記2つの診断電極509,510に印加する交流信号(電圧)の周波数の一例として、図4の20Hz(第1周波数)および200Hz(第2周波数)を選択する。このとき、第1周波数20Hzは、検出エレメント102のキャビティ501の圧力が大気圧まで変動してもゲイン(第1ゲイン)が変動しない周波数であり、また、第2周波数200Hzは、検出エレメント102のキャビティ501の圧力が大気圧まで変動するとゲイン(第2ゲイン)が変動する周波数である。前者のゲイン(第1ゲイン)は圧力変動前後で共通のゲイン401であり、後者のゲイン(第2ゲイン)は圧力変動前のゲインをゲイン402、圧力変動後のゲインをゲイン403と呼ぶことにする。
Here, 20 Hz (first frequency) and 200 Hz (second frequency) of FIG. 4 are selected as an example of the frequency of the AC signal (voltage) applied to the two
それぞれのゲイン401,402,403の計算手順を説明する。図2の検出回路130において、診断用の交流信号(電圧)を印加した結果、静電容量型検出電極正側503と同負側504生じた容量変動を、CV変換器103・ADC104経由でデジタル信号として取得する(図5のS102)。取得した容量変動を同期検波部108において復調器109、位相遅延器110、LPF111を通じて同相・直交成分の振幅成分に変換する(図5のS103)。変換した振幅成分の絶対値を絶対値計算部112および振幅検出部113で処理することで第1ゲイン401および第2ゲイン402,403をそれぞれ計算する(図5のS104)。
The calculation procedure of each
なお本明細書で説明するゲインの計算方法は一例であり、説明する以外のいかなる方法でゲインを計算してもよい。 The method of calculating the gain described in this specification is an example, and the gain may be calculated by any method other than that described.
比較器(比較部)114では、ゲイン401とゲイン402またはゲイン403との比較を行い、加速度センサ装置100の正常/異常を判定する(図5のS105)。この意味において、比較器114は判定部と呼んでもよい。ここで、以下、比較とは両者の比を計算するものとして例を示すが、必ずしも比を利用する必要はない。
The comparator (comparison unit) 114 compares the
比較に比を用いた場合、検出エレメント102のキャビティ501の圧力(キャビティ圧力)に変化がないとき、ゲイン401とゲイン402との比は理想的には1であり、ノイズ等外乱成分を考慮しても1に近い値になる。一方、キャビティ501の圧力に変化があるときは、ゲイン401とゲイン403との比較となるが、ゲイン403が−5dB程度まで落ちているため、その比は1ないしそれに近い値とはならない。そこで、正常とみなせる比の範囲と異常と判定すべき比の範囲とを仕切る所定の閾値を設定し、比の値がこの閾値よりも大きい場合に加速度センサ装置100は正常な状態と判定し、比の値がこの閾値よりも小さい場合に加速度センサ装置100は異常な状態と判定する。比の値が閾値と等しい場合は、正常と判定するようにしてもよいし、或いは異常と判定するようにしてもよい。この閾値は1に近い値に設定される。
When the ratio is used for comparison, when there is no change in the pressure (cavity pressure) of the
本実施例において、検出回路130は上述した加振部(加振回路部)130Aと応答振幅検出部(応答振幅検出回路部)130Bとで構成される。応答振幅検出部130Bは、検出エレメント102の応答振幅(ゲイン)を検出する部分(回路部)であり、CV変換器103、ADC104、同期検波部108(復調器109、位相遅延器110、LPF111)、絶対値計算部112、振幅検出部113、比較器114および温度センサ117により構成される。特に、CV変換器103、ADC104、同期検波部108(復調器109、位相遅延器110、LPF111)、絶対値計算部112および振幅検出部113は、応答振幅の周波数軸上の異なる二点である第1周波数及び第2周波数に対応する第1応答振幅及び第2応答振幅を取得する応答振幅取得部(応答振幅取得回路部)130B1を構成する。比較器114および温度センサ117は、第1応答振幅と第2応答振幅との相対関係に基づいてキャビティ501における圧力異常の有無を判定する判定部(判定回路部)130B2を構成する。
In the present embodiment, the
図2において、CV変換器103、ADC104、LPF105、補正部120およびリミッタ121は加速度を検出する加速度検出部130Cを構成する。
In FIG. 2, the
以上説明したように、診断に用いる少なくとも2つの周波数のうちの一方の周波数(第1周波数)を検出エレメント102のキャビティ圧力が大気圧になったときに周波数応答のゲインが変化しない周波数とし、他方の周波数(第2周波数)を検出エレメント102のキャビティ圧力が大気圧になったときに周波数応答のゲインが変化する周波数とすることで、単純に両者の周波数応答の比較を行うことによりキャビティ501の圧力変化を検出することができる。通常、第1周波数は低域側に存在するため低域側周波数と呼び、第2周波数は高域側に存在するため高域側周波数と呼んでもよい。特に、各種ゲインの絶対値が検出エレメント102の温度特性や検出回路130の温度特性によって変化したとしても、診断を周波数応答のゲイン比で行い、さらにキャビティ501の圧力変化に問わず0dBのゲインを有する周波数を用いてこれを基準とするため、事前に取得したデータや温度特性を考慮することなく診断を実施することができる。
As described above, one of the at least two frequencies used for diagnosis (the first frequency) is a frequency at which the gain of the frequency response does not change when the cavity pressure of the
以上示した手順で診断を実施することで、あらかじめ検出エレメント102の周波数応答を取得してメモリに保存することなく、共振周波数でのゲインが0dBを超えないような検出エレメント102の応答性診断を、設置環境の温度によらず実施することが可能となる。
By performing diagnosis according to the above-described procedure, it is possible to diagnose the responsiveness of the
なお、前記2つの診断電極509,510に印加する電圧の周波数の一例として、少なくとも1つは検出エレメント102のキャビティ501の圧力が大気圧まで変動してもゲインが変動しない周波数であるという例を示したが,必ずしも大気圧としなくても良く,例えば使用が想定される環境の圧力であったり、脱ガスによって生じる最大の圧力であったりしても良い。
As an example of the frequency of the voltage applied to the two
更に後者の周波数(ゲイン402,403を得る周波数)を、加速度センサ装置100の周波数応答性仕様(帯域幅の上限値)の近傍(例えば、ゲインが0dBから-60dBとなる周波数)に設定することは、加速度センサ装置100の周波数応答性仕様の診断ができるので有益である。先の例では、後者の周波数を周波数応答性仕様である200Hzに設定することに相当する。このとき、ゲイン401が0dBのゲインであることから、ゲイン402をゲイン401で除した値はそのままゲイン402の絶対値ゲインを示すことになり、例えばこれが−3dB以下のときに加速度センサ装置100の周波数応答性仕様(200Hzでゲイン−3dB以上)を満たしていないため故障(圧力異常)と判断することができる。
Further, the latter frequency (frequency for obtaining
次に、図6を参照して、常温では不良と診断できない検出エレメント102の診断について説明する。図6は、実施例1における、加速度検出エレメントのリーク前後における周波数応答の変化の一例を示す図であり、応答性診断において図4とは異なる測定周波数点の例を示す図である。
Next, diagnosis of the
図6で、周波数応答406,407は大気圧よりも低い圧力で封止された検出エレメント102において、作製後に圧力増加があった場合を模擬した周波数応答である。ここで周波数応答407は常温、周波数応答406は125℃での周波数応答である。
In FIG. 6,
キャビティ501の圧力が当初の圧力に維持されている状態では、環境温度が変化しても周波数応答性は所定の仕様に維持することができる。しかし、キャビティ501の圧力が増加すると、環境温度が高くなった場合に、周波数応答性が低下して所定の周波数応答性仕様を維持することができなくなる場合がある。この場合、常温で本実施例の診断を実施すると、正常と判断される可能性がある。以下、詳細に説明する。
When the pressure of the
今、加速度センサ装置100の周波数応答性仕様を1000Hz(1kHz)、利用環境温度を常温〜125℃とする。また、診断に用いる2つの周波数は、第1周波数(低域側周波数)を100Hzとし、第2周波数(高域側周波数)を1000Hzとする。この場合、100Hzにおけるゲイン(第1ゲイン)408は温度によらず一定であるが、1000Hzにおけるゲイン(第2ゲイン)は、常温ではゲイン409でほぼ0dBであるの対して、125℃ではゲイン410で−3dBより小さいも値に変化する。この変化は、上述したように、キャビティ501の圧力が増加しているために生じる。
Now, it is assumed that the frequency response specification of the
この加速度センサ装置100を常温設置環境で診断した場合は、第1周波数のゲイン408と第2周波数のゲイン409とが共に0dBとなり、診断結果は「正常」となる。しかし、加速度センサ装置100の環境温度が125℃へ変化した場合、ゲイン410は−3dB未満になるため、加速度センサ装置100は周波数応答性仕様を達成できない。このように、常温で正常と診断される個体であっても、キャビティ501にリークが生じており、異常と診断されるべき個体が存在し得る。このような状況は、キャビティ501のリークの程度が軽度な場合に起こり易い。
When the
このような現象に対して、加速度センサ装置100を常温設置環境で診断した段階で、125℃環境にて発生しうる不具合を予測し、加速度センサ装置100自身が故障としてこの不具合を検知できることが望ましい。
With respect to such a phenomenon, it is desirable that when the
式1に検出エレメントの伝達関数を示す。
G(s)=K ωn 2 / (s2 + (s ωn / Q(P,T)) + ωn 2) (式1)
ここで、ωnは検出エレメント102の固有振動数、Qは検出エレメント102の封止雰囲気(すなわち、圧力Pおよび温度T)によって決定される機械品質係数(Q値)、Kは検出エレメント102のスケールファクター(感度)や検出回路130によって得るゲインである。なお、Qは圧力Pに関係することから、ダンピングに関係する係数である。G (s) = K ω n 2 / (s 2 + (s ω n / Q (P, T)) + ω n 2 ) (Equation 1)
Here, ω n is a natural frequency of the
図7Aおよび図7Bを参照して、式1に複数のQ値を適用して周波数応答を示す。
Referring to FIGS. 7A and 7B, a plurality of Q values are applied to
図7Aは、式1のQに複数のQ値を適用して求めた周波数応答の変化の一例を示す図である。
FIG. 7A is a diagram showing an example of change in frequency response obtained by applying a plurality of Q values to Q in
A1からA4まで、それぞれ順にQ値が低い条件からQ値が高い条件における周波数応答を示す。一般的に、温度が高くなるほど、Q値は低くなる。 A1 to A4 show frequency responses under the condition of low Q value to high Q value respectively in order. Generally, the higher the temperature, the lower the Q value.
今、Kは定数であり、固有振動数ωnは構造で決まるため、周波数応答はQ値のみによって決まる。そこで、A5とA6に示すように100Hzと3000Hzでの常温のゲインを用いれば、式1のKとωnを固定した式1を用いて、常温におけるQ値をデータフィッティングの手法によって得ることができる。すなわち、A5とA6とを通り式1を満たすQを数値解析的に解くことができる。Now, since K is a constant and the natural frequency ω n is determined by the structure, the frequency response is determined only by the Q value. Therefore, using gains at room temperature at 100 Hz and 3000 Hz as shown in A5 and A6, using
図7Bは、圧力をある値に固定した検出エレメントの、温度とQ値との関係を示す図である。 FIG. 7B is a view showing the relationship between the temperature and the Q value of the detection element in which the pressure is fixed to a certain value.
図7Bの関係はあらかじめ設計ないしは実測によって得ることができるため、定数が得られた式1と、図7Bに示す温度とQ値の関係とにより、任意の周波数および温度におけるゲインを推定できる。
Since the relationship of FIG. 7B can be obtained in advance by design or measurement, the gain at any frequency and temperature can be estimated by
以上示した方法により、常温の100Hzのゲインと3000Hzのゲインとにより、125℃における1000Hzのゲインを推定できる。 According to the method described above, the gain of 1000 Hz at 125 ° C. can be estimated by the gain of 100 Hz at normal temperature and the gain of 3000 Hz.
この計算による、125℃環境下の1000Hzでのゲインが−3dB以下のときに故障(圧力異常)判定することで、前述のような本来故障と判定すべき状況を正常と誤判定することを防ぐことができる。 By determining a failure (pressure abnormality) when the gain at 1000 Hz in a 125 ° C. environment is less than or equal to −3 dB according to this calculation, it is possible to prevent the erroneous determination of the condition which should be determined as the above-mentioned failure as normal. be able to.
また、これまでの例とは異なり、診断に用いる少なくとも2つの周波数(第1周波数および第2周波数)のいずれもが、検出エレメント102のキャビティ圧力が大気圧になったときに周波数応答のゲインが変化する周波数であっても良い。例えば、図4の200Hz(第1周波数)と600Hz(第2周波数)とを用いる例では,ゲイン402とゲイン404との比と、ゲイン403とゲイン405との比が明らかに異なっているので、このゲインの比の変化から、キャビティ501の圧力変化を検出することも可能である。
Also, unlike the previous examples, at least two of the at least two frequencies (first and second frequencies) used for diagnosis have a gain of frequency response when the cavity pressure of the
すなわち、正常な状態では、ゲイン402とゲイン404との比は1に近い値であるのに対して、ゲイン403とゲイン405との比(ゲイン405/ゲイン403の絶対値)は1よりもはるかに大きな値になる。従って、適当な閾値を設定し、ゲイン403とゲイン405との比(ゲイン405/ゲイン403の絶対値)が閾値以上になった場合、または閾値を超えた場合に、キャビティ501にリークが生じ、キャビティ501の圧力異常が発生したものと判定することができる。
That is, in a normal state, while the ratio of
この場合、ゲインの比の変化の判定は、比較器114により、上述した図5のステップS105に替えて、実行するようにすると良い。
In this case, the change of the ratio of the gains may be determined by the
このゲインの比の変化の検出及び判定は、図2の比較器114で行うようにする。
The change in the ratio of the gains is detected and determined by the
検出エレメント102のキャビティ圧力が大気圧になったときに周波数応答における第1周波数のゲイン(第1ゲイン)と第2周波数のゲイン(第2ゲイン)との両方が変化する場合は、温度によってゲインが変化するため、温度によるゲイン比の補正が必要になる(温度対ダンピング係数の関係を用いる)ものの、あらかじめ検出エレメント102の周波数応答を取得してメモリに保存するという作業工程は必要なく、この作業工程にかかるコストも発生しない。
If both the gain of the first frequency (first gain) and the gain of the second frequency (second gain) in the frequency response change when the cavity pressure of the
次に、図8を参照して、実施例1で示す加速度センサ装置100を他のシステムと連携するようにした構成について説明する。図8は、実施例1において、バスを介して加速度センサ装置と複数のシステムとが接続されたアプリケーションシステムの構成を示すブロック図である。なお、図8では、加速度センサ装置100を他のシステムと連携するように構成しているが、加速度センサ装置100に限らず、本発明を適用した他のセンサ装置を他のシステムと連携するように構成してもよい。
Next, with reference to FIG. 8, a configuration in which the
図8では、故障発生時に安全系に関係しないアプリ(システム)ではセンサの利用を継続し、安全系のアプリ(システム)にはセンサにおける故障の発生を通知するなどしてセンサの利用を停止させるような応用例を示している。ここでは加速度センサ装置100は通信バス601を介してECU(Electronic Control Unit)602、ナビゲーションシステム603および車両制御システム604等の複数の機器に接続され、加速度センサ装置100の出力はナビゲーションシステム603の誤差の補完や、車両制御システム604での車両の姿勢検知に利用される。
In FIG. 8, the application (system) not related to the safety system at the time of failure occurrence continues the use of the sensor, and the application (system) of the safety system is notified of the occurrence of the failure in the sensor to stop the use of the sensor. An example application is shown. Here, the
加速度センサ装置100に対する各システムの持続可否を決定する処理フローについて、図9を参照して説明する。図9は、加速度センサ装置に対する各システムの持続可否を決定する処理フローを示す図である。
A process flow of determining whether each system can maintain the
ステップS201において、上述した加速度センサ装置100の自己診断を実行する。加速度センサ装置100の自己診断の結果、検出回路130の比較器114において、キャビティ501内の圧力が異常であると検知された場合(S202)は、加速度センサ装置100が通信バス601を介してECU602へこれを通知する(S203)。ステップS203の通知を受けたECU602は、車両制御システム604のようにあらゆるセンサの故障に対してセンシティブなシステムへは、加速度センサ装置100の出力の利用停止指示または加速度センサ装置100の故障フラグを出す(S204)。一方、ECU602は、ナビゲーションシステム603やその他エンターテイメントシステム等、センサの故障にセンシティブでないシステムに対しては、加速度センサ装置100の出力利用を停止する指示を出さず、加速度センサ装置100の出力を継続して利用させる(S205)。すなわちECU602は、機能の重大性に応じて、加速度センサ装置100に対する各システムの持続可否を決定する。なおステップS204の処理は、ステップS205の処理に対して優先度が高く、ステップS205の処理よりも先行して実行される。
In step S201, the self-diagnosis of the above-mentioned
図9の処理フローの実現には必ずしもECU602は必要でなく、加速度センサ装置100が自身の故障を検知して故障フラグを付与した信号を通信バス601に流したり,故障フラグを兼ねる送信IDを利用したりして、他のシステムへ故障を通知し、それぞれのシステムが加速度センサ装置100の出力利用可否を自己判断する形を採っても良い。
The
以上のように、本実施例において得られる検出エレメント102の応答性診断方法は、診断を実施したその瞬間の、少なくとも2つの異なる周波数におけるゲインから圧力状態の診断ができる。このため、あらかじめ検出エレメント102の周波数応答を取得してメモリに保存する必要が無い。また、共振周波数でのゲインが0dBを超えないような検出エレメント102の応答性診断を、設置環境の温度によらず実施することが可能となる。
As described above, the method for diagnosing responsiveness of the
また、本実施例では加速度センサ装置の例を説明したが、例えば圧力検出エレメントなど、加速度検出エレメント102と同様に、大気圧と異なる圧力状態のキャビティ内にバネマス系の振動子を構成するような、他の物理量を検出するエレメントであってもよい。
Further, although the example of the acceleration sensor device has been described in the present embodiment, a spring-mass based vibrator is configured in a cavity of a pressure state different from atmospheric pressure, like the pressure detection element or the
[実施例2]
図10および図11を参照して、本発明の一実施例(実施例2)である加速度センサ装置100の構成について説明する。図10は、実施例2における加速度センサ装置の構成を示す図であり、圧力センサ装置を用いて補正を行ったり二重系を構成したりする例を示す図である。図11は、実施例2における検出回路の処理フローを示す図である。図2および図5に記載の内容と同一の機能を有する部分については、同じ符号を付し、説明を省略する。Example 2
The configuration of an
本実施例では、圧力センサ701を用いて大気圧の補正を行ったり、大気圧と加速度検出エレメント102の封止圧力との矛盾から故障を診断する二重系をつくったりする場合のシステム構成例を説明する。
In this embodiment, a system configuration example in the case of correcting the atmospheric pressure using the
本実施例では、圧力センサ701が加速度センサ装置100に内蔵されている。
In the present embodiment, the
加速度検出エレメント102の封止の圧力が80kPaであったとすると、検出エレメント102のキャビティ501にリークが生じても、リークを検出できない場合がある。例えば高山地方では、大気圧が80kPaとなる可能性があるため、実施例1の構成ではリークを検出できない。検出エレメント102を通常の環境では発生し得ないくらいの低圧で封止していればこのような問題は生じない。本実施例では、80kPaのような通常の環境で発生しうる封止圧力を選択した場合について説明する。
If the sealing pressure of the
本実施例では、圧力センサ701が検知する加速度センサ装置100の設置環境の圧力が、検出エレメント102の封止圧力に近い場合は、加速度センサ装置100の診断において、比較器701が故障を示すフラグを出力する。このために、圧力センサ701の検出する設置環境の圧力が比較器701に入力され、比較器701はステップ106において設置環境の圧力と封止圧力との比較を行う。比較器701は設置環境の圧力と封止圧力との差分圧力について、差分圧力がゼロまたはゼロに近いことを判定するための圧力範囲の閾値を保存している。比較器701は差分圧力と圧力範囲の閾値と比較し(S106)、差分圧力が閾値よりも小さければ故障フラグを出力し(S107)、差分圧力が閾値よりも大きければステップ101に進む。差分圧力の値が閾値と等しい場合は、ステップ107に進んで故障フラグを出力するようにしてもよいし、或いはステップ101に進むようにしてもよい。
In the present embodiment, when the pressure of the installation environment of the
前述の通り検出エレメント102のキャビティ501にリークが生じても、これを検出できない環境に加速度センサ装置100が設置されているので、圧力センサ701が設置環境の圧力が検出エレメント102の封止圧力に近いことを検出した際は、実際にリークが生じているかどうかに関わらず、加速度センサ装置100としての出力を各種システムで利用しないように通知する。これにより、各システムをより安全側に維持するものである。
As described above, even if a leak occurs in the
なお、この通知を受けた場合に、車両制御システム604のようにあらゆるセンサの故障に対してセンシティブなシステムは、加速度センサ装置100の出力の利用を停止し、ナビゲーションシステム603やその他エンターテイメントシステム等、センサの故障にセンシティブでないシステムは、加速度センサ装置100の出力利用を継続して行うようにしてもよい。
Note that when this notification is received, a system that is sensitive to the failure of any sensor, such as the
本実施例では、圧力センサ701が判定部(判定回路部)130B2に含まれている。
In the present embodiment, the
[実施例3]
図12を参照して、本発明の一実施例(実施例3)である加速度センサ装置100の構成について説明する。図12は、実施例3にける加速度センサ装置の構成を示す図であり、加速度センサを角速度センサと同一のASICで制御するセンサ装置を構成する場合のシステム構成を示す図である。ここで、図2に記載の内容と同一の機能を有する部分については、同じ符号を付し、説明を省略する。[Example 3]
The configuration of an
一般に角速度と加速度を1つのASICで制御する場合、ASICのクロックは角速度検出エレメント802に同期する。従って、ASIC自身は発振している周波数を自身で知ることができない(接続された角速度検出エレメント802の共振周波数次第)。よって、角速度検出エレメント802の共振周波数の値をメモリに記憶し、これをベースに振動を行うシステム構成となる。以下、具体的に説明する。
In general, when angular velocity and acceleration are controlled by one ASIC, the clock of the ASIC is synchronized with the angular
本実施例では、角速度を検知する振動型角速度センサ装置800が、センサパッケージ801に内蔵されている。
In the present embodiment, a vibration type angular
振動型角速度センサ装置800は、角速度検出エレメント802を共振周波数で所定の振幅にて振動させた際に角速度に比例して発生するコリオリ力を検知し、角速度を得る検出原理を採用している。
The vibration type angular
ここで振動振幅の維持および共振周波数での振動維持のため、CV変換器803およびADC804を通じて駆動振幅と周波数を制御する駆動制御部805が、発振器(PLL,Phase Locked Loop,またはVCO,Voltage Controlled Oscillator)814に接続されている。発振器814はDAC815に接続され、発振器814の出力はDAC815に入力される。DAC815は発振器814の出力信号の周波数を有する駆動電圧を出力する。DAC815は加速度センサ装置100の検出回路130の分周器107に接続され、DAC815が出力する駆動電圧は分周器107に入力される。
Here, the
この制御ループによって、角速度検出エレメント802は共振周波数および所定振幅の振動を維持する。
By this control loop, the angular
また、角速度印加によるコリオリ力は、角速度検出エレメント802の変位として現れるため、変位をCV変換器806、ADC807、変位検出回路808、LPF809、補正部810およびリミッタ811を通じて出力し、振動型角速度センサ装置800で検出される角速度出力812を上位システムに通知する。
Further, since the Coriolis force caused by the application of the angular velocity appears as a displacement of the angular
センサパッケージ801に搭載される加速度センサ装置100は、角速度検出エレメント802を振動させる発振器814の出力が分周器107に入力され、以下実施例1と同様に動作して実施例1と同様の機能を実現する。
In the
かかる構成とすることで、センサパッケージ801内に2つの発振器を持つ必要がないので、検出回路130の大きさを縮小することができる。
With this configuration, the size of the
なお、ここに示す構成のように発振器(PLL)814の発振周波数を角速度検出エレメント802の共振周波数にロックする構成では、角速度検出エレメント802の共振周波数がばらつく場合、発振器(PLL)814が生成する周波数も角速度検出エレメント802のばらつきに準じてばらつく。本実施例では、分周器107で発振器(PLL)814の周波数を分周(ないしは逓倍)して作るため、加速度センサ装置100の診断のために生成する診断信号の周波数もまた、角速度検出エレメント802の共振周波数ばらつきに準じてばらつく。
Note that in the configuration in which the oscillation frequency of the oscillator (PLL) 814 is locked to the resonance frequency of the angular
ここで、発振器(PLL)814は角速度検出エレメント802の共振周波数にロックしているかどうかの判断はできるものの、自身が生成している信号の周波数を知ることはできない。従って、加速度センサ装置100の診断のために生成する診断信号の周波数も、検出回路130単体ではこれを知ることはできない。
Here, although the oscillator (PLL) 814 can determine whether it is locked to the resonance frequency of the angular
この課題を解決するため、本実施例では検出回路130に不揮発メモリ813を備え、ここに角速度検出エレメント802の共振周波数を保存している。発振器(PLL)814が角速度検出エレメント802の共振周波数にロックした後は、発振器(PLL)814が生成するのは角速度検出エレメント802の共振周波数(ないしはその分周・逓倍波)である。そこで、この不揮発メモリ813に保存された共振周波数を元に、分周器107の分周比を変更し、加速度検出エレメント102の応答性診断のために定めた、少なくとも2つの診断用周波数信号を生成する。
In order to solve this problem, in the present embodiment, the
かかる構成とすることで、角速度検出エレメント802の共振周波数にロックする発振器814の出力を、加速度検出エレメント102の応答性診断に利用することができる。
With such a configuration, the output of the
本実施例では、実施例1で説明した加振信号生成部(加振信号生成回路部)130A1に、不揮発メモリ813および発振器(PLL)814が含まれる。その代りに、加振信号生成部にはクロック源106が含まれていない。
In this embodiment, the vibration signal generation unit (vibration signal generation circuit unit) 130A1 described in the first embodiment includes a
本実施例では、加速度センサ装置100は実施例1に記載した構成としているが、実施例2に記載した構成であっても構わない。
In the present embodiment, the
[実施例4]
図13を参照して、本発明の一実施例(実施例4)である加速度センサ装置100の構成について説明する。図13は、実施例4に係り、マイコン等外部のクロック源からセンサ装置にクロックが入力される応用例を示す図である。ここで、加速度センサパッケージ101は、基板901に実装され、配線904を通じてマイコン902と接続されている。マイコン902は水晶外部発振器903からクロックの供給を受けている。Example 4
The configuration of an
本実施例では、実施例1および実施例2におけるクロック源106の機能を水晶外部発振器903が、分周器107の機能をマイコン902が、それぞれ担っている。すなわち、水晶外部発振器903は加振信号生成部(加振信号生成回路部)130A1の構成要素である。
In this embodiment, the crystal
配線904を通じて、加速度検出エレメント102の診断のための交流信号(クロックないし検出マス502を直接駆動する正弦波信号でもよい)を与えている。このため、一般に高精度な水晶外部発振器を利用して、実施例1と同等の構成を実現でき、高い周波数精度によってさらに診断の精度を高めることができる。
An alternating current signal (which may be a clock or a sine wave signal directly driving the detection mass 502) for diagnosis of the
なお、本実施例ではマイコンと水晶外部発振器を用いる例を示したが、センサパッケージ外に設けた発振器を利用する構成であってもよい。 Although this embodiment shows an example using a microcomputer and a crystal external oscillator, a configuration using an oscillator provided outside the sensor package may be used.
[実施例5]
図14、図15および図16を参照して、本発明の一実施例(実施例5)である加速度センサ装置100の構成について説明する。[Example 5]
The configuration of an
図14は、実施例5における、ステップ応答を実現するセンサ装置(加速度センサ装置)の回路の構成例を示す図である。図15は、実施例5における検出回路の処理フローを示す図である。図2および図5に記載の内容と同一の機能を有する部分については、同じ符号を付し、説明を省略する。 FIG. 14 is a diagram showing a configuration example of a circuit of a sensor device (acceleration sensor device) which realizes a step response in the fifth embodiment. FIG. 15 is a diagram showing a process flow of the detection circuit in the fifth embodiment. About the part which has the function same as the content as described in FIG. 2 and FIG. 5, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
本実施例では、加速度検出エレメント102の応答性診断に、実施例1とは異なり、ステップ入力を用いる。ステップ入力はステップトリガー1102のトリガーを受けたDAC1101で生成され、図1Aに記載の検出エレメント102(図2参照)の診断電極正側509または同負側510に印加される(図15のステップS301)。このステップ入力によって生じる静電力は、加速度検出エレメント102の検出マス502にステップ応答状の変位を与える。このステップ応答変位は、CV変換器103で検出し、検出したステップ応答変位を、ADC104を通じてデジタル値に変換する(図15のステップS302)。デジタル値に変換されたステップ応答変位は、サンプラ1103にて、ステップトリガー1102のステップ入力タイミングに同期してサンプリングされる(図15のステップS303)。
In the present embodiment, different from the first embodiment, the step input is used for the responsiveness diagnosis of the
DAC1101、診断電極正側509、同負側510、診断電圧印加部正側511および同負側512等は、振動子を加振する加振部(加振回路部)130を構成する。ステップトリガー1102も加振部130の構成要素に含まれる。特にステップトリガー1102は振動子を加振する加振信号を生成する加振信号生成部(加振信号生成回路部)130A1を構成する。
The DAC 1101, the diagnostic electrode
図16は、実施例5に係り、ステップ応答によって同じ診断を実現する例を示す図である。なお図16では、サンプラ1103で得る時系列信号を示している。
FIG. 16 is a diagram according to the fifth embodiment and shows an example in which the same diagnosis is realized by the step response. FIG. 16 shows time-series signals obtained by the
ステップ応答1001は加速度検出エレメント102のキャビティ圧力が正常であり、応答性仕様を満たす状態でのステップ応答を示している。ステップ応答1002は加速度検出エレメント102のキャビティ圧力がリーク等によって増加し、応答性仕様に対し不足した状態でのステップ応答を示している。サンプラ1103では、ステップトリガー1102の入力に同期してADC104の出力のサンプリングを開始する。また、あらかじめ定められた、サンプリング開始時点からある一定の時間経過後のステップ応答出力を、後段の振幅比較器(振幅比較部)1104に送る(図15のステップS304)。ここでは、例えば正規化時間1秒の時点(第2時刻)でのステップ応答(第2ステップ応答、第2正規化振幅)と、正規化時間1.8秒の時点(第1時刻)でのステップ応答(第1ステップ応答、第1正規化振幅)とを得る例を示している。すなわち、第2ステップ応答である1秒の時点でのテップ応答値1004またはステップ応答値1005と、第1ステップ応答である1.8秒の時点でのステップ応答値1003とが、後段の振幅比較器1104に送られる。第1ステップ応答値1004はキャビティ圧力に異常がない場合のステップ応答値であり、第2ステップ応答値1005はキャビティ圧力に異常がある場合のステップ応答値である。また、1.8秒の時点での第1ステップ応答値1003は、キャビティ圧力の異常の有無に関わらず一定の値であり、正規化振幅値が1である。
The
振幅比較器1104では、第2ステップ応答値1004または第2ステップ応答値1005と第1ステップ応答値1003との比を計算する(図15のステップS305)。ここでは実施の形態1で示した複数の周波数応答のゲインの比較と同様に,キャビティ圧力異常がないときは比が1に,キャビティ圧力異常があるときは比が1から乖離した値になる原理を利用して診断(正常/異常の判定)を行う(図15のステップS306)。
The
本実施例において、検出回路130は上述した加振部(加振回路部)130Aと応答振幅検出部(応答振幅検出回路部)130Bとで構成される。応答振幅検出部130Bは、検出エレメント102の応答振幅(正規化振幅)を検出する部分(回路部)であり、CV変換器103、ADC104、ステップトリガー1102、サンプラ1103、振幅比較器1104および温度センサ117により構成される。特に、CV変換器103、ADC104、ステップトリガー1102、サンプラ1103は、応答振幅の周波数軸上の異なる二点である第1時刻および第2時刻に対応する第1応答振幅及び第2応答振幅を取得する応答振幅取得部(応答振幅取得回路部)130B1を構成する。また、振幅比較器114および温度センサ117は、第1応答振幅と第2応答振幅との相対関係に基づいてキャビティ501における圧力異常の有無を判定する判定部(判定回路部)130B2を構成する。
In the present embodiment, the
図14において、CV変換器103、ADC104、LPF105、補正部120およびリミッタ121は加速度を検出する加速度検出部130Cを構成する。
In FIG. 14, the
かかる構成とすることで、診断を実施したその瞬間の少なくとも2つのステップ応答の出力から診断が実施できるので、あらかじめ検出エレメント102のステップ応答を取得してメモリに保存する必要がなく、共振周波数でのゲインが0dBを超えないような検出エレメント102の応答性診断を、設置環境の温度によらず実施することが可能となる。
With this configuration, the diagnosis can be performed from the output of at least two step responses at the moment when the diagnosis is performed, so it is not necessary to obtain the step response of the
上述した実施例では、周波数応答301,302,406,407を利用する実施例と、ステップ応答1001,1002を利用する実施例とがある。周波数応答301,302,406,407を利用する実施例では、振動子502,507の加振に対する検出エレメント102(または振動子502,507)の応答振幅(すなわち、ゲイン)を取得する。すなわち、周波数応答を表すボード線図におけるゲイン特性において、第1周波数及び第2周波数に対応する第1応答振幅(第1ゲイン)401,402,403及び第2応答振幅(第2ゲイン)402,403,405,405を取得する。ステップ応答1001,1002を利用する実施例では、ステップ入力による振動子502,507の加振に対する検出エレメント102(または振動子502,507)の応答振幅(すなわち、正規化振幅)を取得する。すなわち、ステップ応答において、第1時刻及び第2時刻に対応する第1応答振幅(第1正規化振幅)1003及び第2応答振幅(第2正規化振幅)1003,1005を取得する。そして、第1応答振幅と第2応答振幅との相対関係に基づいてキャビティ501における圧力異常の有無を判定する。
In the embodiments described above, there are an embodiment using
なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes various modifications. For example, the embodiments described above are described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations. Also, part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. In addition, with respect to a part of the configuration of each embodiment, it is possible to add, delete, and replace other configurations.
100…加速度センサ装置、101…センサパッケージ、102…検出エレメント、103…容量電圧変換器、104…ADC、105…LPF、106…クロック源、107…分周器、108…同期検波部、109…復調器、110…位相遅延器、111…LPF、112…絶対値計算部、113…振幅検出部、114…比較器、117…温度センサ、118…第1のDAC、119…第2のDAC、120…補正部、121…リミッタ、130…検出回路、130A…加振部(加振回路部)、130A1…加振信号生成部(加振信号生成回路部)、130B…応答振幅検出部、130B1…応答振幅取得部(応答振幅取得回路部)、130B2…判定部(判定回路部)、130C…加速度検出部、201〜206,301,302…周波数応答、401〜405…ゲイン、406,407…周波数応答、408…第1ゲイン、409,410…第2ゲイン、501…キャビティ、502…検出マス、503…静電容量型検出電極正側、504…静電容量型検出電極負側、505…直流電圧、506…交流電圧、507…弾性変形部、508…ダンパ、509…診断電極正側、510…診断電極負側、511…診断電圧印加部正側、512…診断電圧印加部負側、514…固定部、515…配線部、516…容量電圧変換器、601…通信バス、602…ECU、603…ナビゲーションシステム、604…車両制御システム、701…圧力センサ、800…振動型角速度センサ装置、801…センサパッケージ、802…角速度検出エレメント、803…CV変換器、804…ADC、805…駆動制御部、806…CV変換器、807…ADC、808…変位検出回路、809…LPF、810…補正部、811…リミッタ、814…発振器、815…DAC、901…基板、902…マイコン、903…水晶外部発振器、904…配線、1001,1002,1003…ステップ応答、1102…ステップトリガー、1103…サンプラ、1104…振幅比較器。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記振動子を加振する加振部と、前記振動子の加振に対する前記検出エレメントの応答振幅を検出する応答振幅検出部と、を備え、
前記応答振幅検出部は、前記応答振幅の周波数軸上又は時間軸上の異なる二点である第1周波数及び第2周波数又は第1時刻及び第2時刻に対応する第1応答振幅及び第2応答振幅を取得する応答振幅取得部と、前記第1応答振幅と前記第2応答振幅との相対関係に基づいて前記キャビティにおける圧力異常の有無を判定する判定部と、を備えたことを特徴とするセンサ装置。A sensor device comprising: a hermetically sealed cavity; and a detection element provided inside the cavity and having a vibrator.
And a response amplitude detection unit configured to detect a response amplitude of the detection element with respect to the vibration of the vibrator.
The response amplitude detection unit is configured to generate a first response amplitude and a second response corresponding to a first frequency and a second frequency, or a first time and a second time, which are two different points on the frequency axis or the time axis of the response amplitude. A response amplitude acquiring unit that acquires an amplitude, and a determination unit that determines the presence or absence of pressure abnormality in the cavity based on a relative relationship between the first response amplitude and the second response amplitude. Sensor device.
前記第1周波数及び前記第2周波数又は前記第1時刻及び前記第2時刻のうち、前記第1周波数又は前記第1時刻は前記キャビティの封止圧力が大気圧に変動した際に前記検出エレメントの前記第1応答振幅に変化が生じない周波数又は時刻であり、前記第2周波数又は前記第2時刻は前記キャビティの封止圧力が大気圧に変動した際に前記検出エレメントの前記第2応答振幅に変化が生じる周波数又は時刻であることを特徴とするセンサ装置。In the sensor device according to claim 1,
Among the first frequency and the second frequency or the first time and the second time, the first frequency or the first time corresponds to a change in the sealing pressure of the cavity to atmospheric pressure. The first response amplitude is a frequency or time at which no change occurs, and the second frequency or the second time corresponds to the second response amplitude of the detection element when the sealing pressure of the cavity changes to atmospheric pressure. Sensor device characterized in that it is a frequency or time at which a change occurs.
前記第1応答振幅及び前記第2応答振幅はそれぞれ前記振動子を加振する前記第1周波数及び前記第2周波数に対応する応答振幅であり、
前記第1周波数は,前記検出エレメントの前記応答振幅に基づくゲイン特性が−3dB以上を有する周波数であり,前記第2周波数は、前記検出エレメントの前記応答振幅に基づくゲイン特性が0dB以下かつ−60dB以上を有する周波数であることを特徴とするセンサ装置。In the sensor device according to claim 2,
The first response amplitude and the second response amplitude are respectively response amplitudes corresponding to the first frequency and the second frequency for vibrating the vibrator,
The first frequency is a frequency having a gain characteristic based on the response amplitude of the detection element of -3 dB or more, and the second frequency is a gain characteristic based on the response amplitude of the detection element of 0 dB or less and -60 dB A sensor device characterized by having a frequency having the above.
前記検出エレメントは、前記キャビティの圧力が正常な状態において、前記検出エレメントの共振周波数で加振した際に共振現象による振動振幅の増幅が生じない圧力で封止されていることを特徴とするセンサ装置。In the sensor device according to claim 1,
A sensor characterized in that the detection element is sealed at a pressure at which amplification of vibration amplitude due to a resonance phenomenon does not occur when excited at the resonance frequency of the detection element in a state where the pressure of the cavity is normal. apparatus.
前記第1応答振幅及び前記第2応答振幅はそれぞれ前記第1周波数及び前記第2周波数に対応する応答振幅であり、
前記第1周波数及び前記第2周波数は、同一の発振器が出力する出力信号を用いて生成されることを特徴とするセンサ装置。In the sensor device according to claim 1,
The first response amplitude and the second response amplitude are response amplitudes corresponding to the first frequency and the second frequency, respectively.
The sensor device, wherein the first frequency and the second frequency are generated using output signals output from the same oscillator.
前記検出エレメントは、加速度を検知することを特徴とするセンサ装置。In the sensor device according to claim 5,
The sensor device, wherein the detection element detects an acceleration.
角速度検出エレメントと、前記角速度検出エレメントを駆動するための発振器と、を備え、
前記角速度検出エレメントを駆動するための発振器は、前記第1周波数及び前記第2周波数を生成するための前記発振器を兼ねることを特徴とするセンサ装置。In the sensor device according to claim 6,
An angular velocity detection element; and an oscillator for driving the angular velocity detection element,
A sensor device characterized in that an oscillator for driving the angular velocity detection element doubles as the oscillator for generating the first frequency and the second frequency.
前記角速度検出エレメントの共振周波数の値を保存するメモリを備え、
前記発振器が前記共振周波数にロックされて前記共振周波数に同期している間に、前記共振周波数を分周ないし逓倍して前記第1周波数及び前記第2周波数を得ることを特徴とするセンサ装置。In the sensor device according to claim 7,
A memory for storing a value of a resonant frequency of the angular velocity detection element;
A sensor device characterized in that while the oscillator is locked to the resonant frequency and synchronized with the resonant frequency, the resonant frequency is divided or multiplied to obtain the first frequency and the second frequency.
温度とダンピングとに関係する係数を用いて、温度が上昇した際の前記検出エレメントの応答性変化を計算し、前記応答性変化の計算結果に基づいて前記検出エレメントの診断を行うことを特徴とするセンサ装置。In the sensor device according to claim 1,
Using a coefficient related to temperature and damping, calculate the change in responsiveness of the detection element when the temperature rises, and diagnose the detection element based on the calculation result of the change in responsiveness. Sensor device.
前記発振器は当該センサ装置の外部に設置される発振器によって構成されることを特徴とするセンサ装置。In the sensor device according to claim 5,
A sensor device characterized in that the oscillator is configured by an oscillator installed outside the sensor device.
当該センサ装置が設置される環境圧力を検知する圧力センサを備え、
前記環境圧力が前記キャビティの気密封止された圧力との差圧が所定値よりも小さい場合は、故障を示すフラグを出力することを特徴とするセンサ装置。In the sensor device according to claim 5,
It has a pressure sensor that detects the environmental pressure at which the sensor device is installed,
The sensor device characterized by outputting a flag which shows a fault, when the pressure difference with the pressure by which the environmental pressure was sealed airtightly of the said cavity is smaller than predetermined value.
前記判定部において前記キャビティに圧力異常があることを判定した場合に、前記センサ装置の出力利用を継続する機器と、前記センサ装置の出力利用を停止する機器とを含むことを特徴とするシステム。A system comprising the sensor device according to claim 1 and a plurality of devices using the output of the sensor device.
A system comprising: an apparatus for continuing the output use of the sensor device and an apparatus for stopping the output use of the sensor device when the determination unit determines that there is pressure abnormality in the cavity.
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