(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動電極とモニタ電極と検出電極とを有する振動子と、前記駆動電極に駆動信号を通電し前記振動子を振動させる駆動回路と、慣性力に起因して前記検出電極から出力される検出信号に基づいて角速度を検出する検出回路と、
前記検出回路に擬似角速度信号を入力して故障診断する故障診断回路と、を備え、前記検出回路は前記検出信号をフィルタするフィルタ回路を有し、
前記故障診断回路は、故障診断時の前記フィルタ回路におけるカットオフ周波数が通常時における前記フィルタ回路におけるカットオフ周波数よりも大きく、
前記フィルタ回路は、クロック周波数に応じてその応答性が決定され、前記故障診断回路は、故障診断時には前記クロック周波数を通常時におけるクロック周波数よりも大きくして故障診断する慣性力センサ。
【請求項２】
起動時のみに故障診断する請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項３】
起動時または安定駆動時のいずれかにおいて故障診断する請求項１に記載の慣性力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いる慣性力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１１は従来の角速度センサの回路ブロック図である。図１１において、従来の角速度センサは、駆動電極２、モニタ電極３、検出電極４を有する振動子１と、駆動回路５と、振動制御回路６と、検出回路７と、故障診断回路８と、フィルタ回路９とを備えている。駆動回路５は、駆動電極２に駆動信号を通電し振動子１を振動させる。検出回路７は、慣性力に起因して検出電極４から出力される検出信号に基づいて角速度を検出する。振動制御回路６は、モニタ電極３から出力されるモニタ信号に基づいて駆動信号の通電量を制御する。故障診断回路８は、検出回路７に擬似角速度信号を入力して故障診断する。【０００３】
図１２は検出回路７に含まれるフィルタ回路９の等価回路図である。このフィルタ回路９は、一方の入力端子１０ａに入力信号が入力され、他方の入力端子１０ｂは接地され、出力端子１１から出力信号が出力されるものである。入力信号は抵抗２０（Ｒ１）を介して入力部（ＩＮ）に入力され、入力端子１０ａと出力端子１１に抵抗１２（Ｒ２）とコンデンサ１３（Ｃ１）が並列接続されている。フィルタ回路９の出力部（ＯＵＴ）からフィルタされた信号が出力される。【０００４】
この検出回路７におけるフィルタ回路９によって、検出信号はフィルタされて所望の信号として出力され、この所望の信号に基づいて角速度が検出される。フィルタは、ローパスフィルタであったり、ハイパスフィルタであったりする。フィルタ回路９のカットオフ周波数は１０Ｈｚ程度である。【０００５】
上記慣性力センサにおいて、その故障診断は、図１１に示すように、例えば、電源投入後の起動時に、故障診断回路８より故障診断用の擬似角速度信号を検出回路７に入力する。そして、擬似角速度信号に基づいて角速度が検出されれば、故障していないことが判断できる。【０００６】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。上記従来の構成では、検出信号は検出回路７におけるフィルタ回路９によってフィルタされる。このフィルタ回路９には、図１２に示すように、抵抗２０（Ｒ１）、抵抗１２（Ｒ２）やコンデンサ１３（Ｃ１）が含まれているが、これらは、一般的に、遅延素子の一つである。ここで、フィルタ回路９における伝達関数は（式１）の通りであり、位相特性は（式２）の通りであり、遅延時間は（式３）の通りである。【０００７】
【数１】
0005494477.tif 000002
【０００８】
【数２】
0005494477.tif 000003
【０００９】
【数３】
0005494477.tif 000004
【００１０】
上記の（式１）〜（式３）によれば、フィルタ回路９の遅延時間は、遅延素子に起因しており、抵抗１２（Ｒ２）やコンデンサ１３（Ｃ１）が大きければ、以下の（式４）で規定される時定数τ（タウ）が大きくなるので、遅延時間が長くなる。【００１１】
【数４】
0005494477.tif 000005
【００１２】
遅延時間が長くなると、図１３に示すように、故障診断用の擬似角速度信号２１に対して検出信号の出力が遅くなり、故障診断時における応答性が低くなるので、故障診断の診断精度が劣化する。遅延時間を短縮するためには、遅延素子である抵抗１２（Ｒ２）やコンデンサ１３（Ｃ１）の値を小さくすれば良いが、遅延素子である抵抗１２（Ｒ２）やコンデンサ１３（Ｃ１）の値を小さくした場合、カットオフ周波数が大きくなるので、角速度の検出精度に悪影響が生じる。すなわち、上記構成では、カットオフ周波数を低くしつつ、遅延時間を短縮して、故障診断の精度を向上することができないという問題点を有していた。
【特許文献１】特開２００２−２６７４４８号公報
【発明の開示】
【００１３】
本発明は、角速度の検出精度の劣化を抑制しつつ、故障診断の診断精度を向上させた慣性力センサを提供する。
【００１４】
本発明は、駆動電極とモニタ電極と検出電極とを有する振動子と、駆動電極に駆動信号を通電し振動子を振動させる駆動回路と、慣性力に起因して検出電極から出力される検出信号に基づいて角速度を検出する検出回路と、モニタ電極から出力されるモニタ信号に基づいて駆動信号の通電量を制御する振動制御回路と、検出回路に含まれるフィルタ回路の特性を切り換え、検出回路に擬似角速度信号を入力して故障診断する故障診断回路とを備えている。
【００１５】
上記構成により、フィルタ回路の特性を切り換えて遅延時間を短縮しているので、故障診断時において、検出回路に擬似角速度信号を入力した際、その応答性が良く、故障診断の診断精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は本発明の一実施の形態における角速度センサの回路ブロック図である。
【図２】図２は一実施の形態のフィルタ回路部の等価回路図である。
【図３】図３はフィルタ回路を制御するクロックとＳＷ１，ＳＷ２のオン、オフとの関係を示す図である。
【図４】図４はフィルタ回路を制御するクロックが“Ｈｉｇｈ”の区間のフィルタ回路部の等価回路図である。
【図５】図５はフィルタ回路を制御するクロックが“Ｌｏｗ”の区間のフィルタ回路部の等価回路図である。
【図６】図６は一実施の形態における全体的な信号の流れを示す図である。
【図７】図７は一実施の形態における通常時の動作図である。
【図８】図８は一実施の形態における故障診断時の動作図である。
【図９】図９は一実施の形態における故障診断時の応答性を示す特性図である。
【図１０】図１０は一実施の形態におけるデジタルフィルタ回路の等価回路図である。
【図１１】図１１は従来の角速度センサの回路ブロック図である。
【図１２】図１２は従来のフィルタ回路の等価回路図である。
【図１３】図１３は従来の故障診断時の応答性を示す特性図である。
【符号の説明】
【００１７】
３１    振動子
３２    駆動電極
３３    モニタ電極
３４    検出電極
３５    駆動回路
３６    振動制御回路
３７    検出回路
３８    故障診断回路
３９    フィルタ回路
４０ａ    入力端子
４０ｂ    入力端子
４１    出力端子
４２ａ    第１スイッチ部
４２ｂ    第２スイッチ部
４３    コンデンサ
４４    スイッチ
４５    クロック周波数切替回路
５０    コンデンサ
５１    デジタルフィルタ回路
５２    第１の増幅器
５３    第２の増幅器
５４    遅延器
５５    加算器
５６    Ａ／Ｄ変換回路
６０    スイッチ
６１    スイッチ
６２    スイッチ
６３    スイッチ
７０    コンデンサ
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施の形態における慣性力センサについて図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施の形態における角速度センサの回路ブロック図である。図１において、本角速度センサは、駆動電極３２、モニタ電極３３、検出電極３４を有する振動子３１と、駆動回路３５と、振動制御回路３６と、検出回路３７と、故障診断回路３８とを備えている。駆動回路３５は、駆動電極３２に駆動信号を通電し振動子３１を振動させる。検出回路３７は、慣性力に起因して検出電極３４から出力される検出信号に基づいて角速度を検出する。振動制御回路３６は、モニタ電極３３から出力されるモニタ信号に基づいて駆動信号の通電量を制御する。故障診断回路３８は、検出回路３７に擬似角速度信号を入力して故障診断する。【００１９】
また、検出回路３７は、クロック周波数に応じてその応答性が決定され、検出信号をフィルタするフィルタ回路３９を有しており、このフィルタ回路３９はスイッチドキャパシタフィルタとしている。【００２０】
図２に示すように、このフィルタ回路３９は、入力部（ＩＮ）から入力された信号が所定の特性でフィルタされ、出力部（ＯＵＴ）から出力される。一方の入力端子４０ａに入力信号が入力され、他方の入力端子４０ｂは接地され、出力端子４１から出力信号が出力されるものである。コンデンサ５０（Ｃ２）と複数のスイッチ６０（ＳＷ２）、６１（ＳＷ１）から構成される第１スイッチ部４２ａが入力端子４０ａと入力端子４０ｂに接続され、この第１スイッチ部４２ａを介して入力信号が入力される。コンデンサ４３（Ｃ３）と複数のスイッチ６２（ＳＷ２）、６３（ＳＷ１）から構成される第２スイッチ部４２ｂが入力端子４０ａと入力端子４０ｂと出力端子４１に接続される。これらの第１スイッチ部４２ａと第２スイッチ部４２ｂの各々にクロック周波数切替回路４５からクロックが入力され、スイッチ部の開閉が制御される。【００２１】
第１スイッチ部４２ａ、第２スイッチ部４２ｂ、コンデンサ７０（Ｃ４）は、図１２におけるそれぞれ抵抗２０（Ｒ１）、抵抗１２（Ｒ２）、コンデンサ１３（Ｃ１）に相当する。第１スイッチ部４２ａは入力抵抗、第２スイッチ部４２ｂは出力端子４１の出力信号を入力端子４０ａに帰還する帰還抵抗、コンデンサ７０（Ｃ４）は出力端子４１の出力信号を入力端子４０ａに帰還する帰還コンデンサとして動作する。【００２２】
６１、６３のスイッチＳＷ１と、６０，６２のスイッチＳＷ２はそれぞれペアーとして動作し、クロックに応じてＳＷ１とＳＷ２とはオン、オフが逆となるよう構成されている。図３にクロックのハイ（Ｈｉｇｈ）、ロー（Ｌｏｗ）とＳＷ１、ＳＷ２のオン（Ｏｎ）、オフ（Ｏｆｆ）の関係を示す。【００２３】
クロックが“Ｈｉｇｈ”の区間では、ＳＷ１はオフ、ＳＷ２はオンし、図２のフィルタ回路部の等価回路図は図４のようになる。【００２４】
クロックが“Ｌｏｗ”の区間では、ＳＷ１はオン、ＳＷ２はオフし、図２のフィルタ回路部の等価回路図は図５のようになる。【００２５】
以上の構成より、フィルタ回路３９はスイッチドキャパシタフィルタとして動作を行う。【００２６】
図６に、フィルタ回路３９，クロック周波数切替回路４５，故障診断回路３８間での、全体的な信号の流れを示す。【００２７】
８０は、故障診断回路３８で出力される故障診断用の疑似角速度信号である。８１は、通常モードと故障診断モードとを切り替えるモード切替信号である。モード切替信号８１は、クロック周波数切替回路４５のクロックを、通常モード時は周波数ｆｃｌｋ１に、故障診断時はｆｃｌｋ１よりも高い周波数のｆｃｌｋ２に選択する。【００２８】
図７に、故障診断を行わない通常時の動作を示す。フィルタ回路３９には、クロック周波数切替回路４５よりクロック周波数ｆｃｌｋ１のクロックが入力され、故障診断回路３８から疑似角速度信号８０は出力されない。【００２９】
これに対し、図８に故障診断の動作を示す。故障診断時には、モード切替信号８１によって、故障診断回路３８から出力される擬似角速度信号８０が検出回路３７に入力される。またクロック周波数切替回路４５によってクロック周波数がｆｃｌｋ１よりも高い周波数のｆｃｌｋ２のクロックがフィルタ回路３９に入力されることにより、フィルタ回路３９の特性を切り替える。【００３０】
この検出回路３７におけるフィルタ回路３９によって、検出信号はフィルタされて所望の信号として出力され、この所望の信号に基づいて所定の角速度が検出される。フィルタは、ローパスフィルタであったり、ハイパスフィルタであったり、所望のフィルタ特性のものを用いればよい。フィルタ回路３９のカットオフ周波数は約１０Ｈｚである。【００３１】
上記慣性力センサにおいて、その故障診断は、図１に示すように、例えば、電源投入後の起動時に、故障診断回路３８より、故障診断用の擬似角速度信号を検出回路３７に入力する。そして、擬似角速度信号に基づいて所定の角速度が検出されれば、故障していないことが判断できる。【００３２】
この際、故障診断時にはクロック周波数を通常時におけるクロック周波数よりも大きくし、通常時にはクロック周波数を故障診断時におけるクロック周波数よりも小さくするように、クロック周波数切替回路４５によってクロック周波数が切り替えられている。ここで、フィルタ回路３９における伝達関数は、クロックのクロック周波数がｆｃｌｋの場合、以下の（式５）の通りであり、位相特性は（式６）の通りであり、遅延時間は（式７）の通りである。【００３３】
【数５】
0005494477.tif 000006
【００３４】
【数６】
0005494477.tif 000007
【００３５】
【数７】
0005494477.tif 000008
【００３６】
上記の（式５）〜（式７）によれば、フィルタ回路３９の遅延時間は、遅延素子のコンデンサ４３（Ｃ３）やコンデンサ７０（Ｃ４）に起因している。また、クロック周波数ｆｃｌｋにも起因しており、特に、（式６）に示すように、クロック周波数ｆｃｌｋが大きくなると、遅延時間が短縮される。すなわち、故障診断時において遅延時間を短縮するようにクロック周波数をｆｃｌｋ２へと大きくし、通常時にはクロック周波数をｆｃｌｋ１へと小さくしている。【００３７】
上記構成により、検出回路３７に含まれる遅延素子に起因した遅延時間を短縮して故障診断する診断手段を設けているので、検出回路３７に擬似角速度信号を入力した際、応答性が良く、故障診断の診断精度を向上できる。図９に示すように、故障診断用の擬似角速度信号の入力に対して、検出信号の応答性が早くなるものである。【００３８】
また、クロック周波数に応じてその応答性が決定され、検出信号をフィルタするフィルタ回路３９を有する。このフィルタ回路３９はスイッチドキャパシタフィルタであって、故障診断時にはクロック周波数を通常時におけるクロック周波数よりも大きくし、通常時にはクロック周波数を故障診断時におけるクロック周波数よりも小さくするように、クロック周波数切替回路４５によってクロック周波数を切り替えられている。よって、容易に故障診断の診断精度を向上しつつ、角速度の検出精度の劣化を抑制できる。【００３９】
また、故障診断時は電源投入直後の起動時とし、通常時は電源投入後の安定駆動状態時とした場合、起動時にクロック周波数を大きくして遅延時間を短縮し故障診断の診断精度を向上させる。また、安定駆動状態時にはクロック周波数を小さくして遅延時間を元に戻し、所望の低周波域におけるカットオフ周波数を確保することによって、角速度の検出精度の劣化を抑制してもよい。特に、起動時に故障診断すれば、起動時直後から誤検出を抑制できるので効果的である。なお、故障診断は、起動時以外にも安定駆動状態時に行なってもよい。安定駆動状態時において、常時、故障診断すれば、常時、角速度の検出精度の劣化を抑制できるので、効果的である。【００４０】
さらに、上記に替えて、フィルタ回路３９におけるカットオフ周波数を故障診断時には通常時におけるカットオフ周波数よりも大きくし、通常時にはカットオフ周波数を故障診断時におけるカット周波数よりも小さくするように、クロック周波数を切り替えても良い。【００４１】
この場合、クロック周波数を大きくすれば、カットオフ周波数が大きく（遅延時間が短く）なり、クロック周波数を小さくすれば、カットオフ周波数が小さく（遅延時間が長く）なる。このため、起動時にクロック周波数を大きくして遅延時間を短縮し、故障診断の診断精度を向上しつつ、通常時にクロック周波数を小さくして遅延時間を元に戻し、所望の低周波域におけるカットオフ周波数を確保して、角速度の検出精度の劣化を抑制できる。【００４２】
なお、図２に示したフィルタ回路３９の代わりとして、図１０に示すようなデジタルフィルタ回路５１を用いて構成しても良い。具体的には、図１に示した検出電極３４からの検出信号及び、故障診断回路３８からの出力信号とが図１０に示したＡ／Ｄ変換回路５６に入力されると共に、デジタル信号に変換される。このデジタル信号が、増幅度αである第１の増幅器５２、及びクロック周波数切替回路４５から供給されるクロック周波数ｆｃｌｋのクロックによりその遅延時間Ｔが決定される遅延器５４に入力される。そして、この遅延器５４からの出力が増幅度βである第２の増幅器５３に入力され、前記第１の増幅器５２、及び前記第２の増幅器５３の出力が、加算器５５により加算され、出力されるような構成である。【００４３】
ここで、デジタルフィルタ回路５１における伝達関数は（式８）の通りであり、位相特性は（式９）の通りであり、遅延時間は（式１０）の通りである。【００４４】
【数８】
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【００４５】
【数９】
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【００４６】
【数１０】
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【００４７】
本構成においては、遅延器５４における遅延時間Ｔはクロック周波数切替回路４５から供給されるクロックのクロック周波数ｆｃｌｋの逆数に比例する。クロック周波数を大きくすることにより、遅延器５４における遅延時間Ｔを小さくすることができ、デジタルフィルタ回路５１の入出力遅延時間も短くすることができ、その結果として、故障診断の精度を向上させることができるのである。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明に係る角速度センサは、動作モードに応じて検出感度を向上でき、特に故障診断時には高速かつ高精度な故障診断を実現出来、各種電子機器に適用できるものである。
【図１】
0005494477.tif 000012
【図２】
0005494477.tif 000013
【図３】
0005494477.tif 000014
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005494477.tif 000019
【図９】
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【図１０】
0005494477.tif 000021
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0005494477.tif 000024