(57)【要約】【課題】簡単な構成で複数の検出素子を含めた系の故障と特性劣化を自己チェックすることができる物理量センサを提供する。【解決手段】物理量に応じて周波数が変化するセンサ部１と、センサ部１の故障を検出する故障検出部３０と、を備え、故障検出部３０は、センサ部１に低周波信号を供給するＬＦＯ３１と、センサ部１の出力信号とＬＦＯ３１の低周波信号とを比較し、その比較結果を出力する差動増幅器３３及びコンパレータ３４と、センサ部１の出力ラインと差動増幅器３３との間に設けられるスイッチ回路と、外部信号に基づいてＬＦＯ３１の動作とスイッチ回路３２のオン／オフ制御を行うと共に、コンパレータ３４からの比較結果に基づいてセンサ部１の故障の有無を検出する制御回路３５と、を備えるようにした。【選択図】図１
2008256582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量に応じて周波数が変化する物理量センサの故障検出方法であって、
センサ手段と比較手段とに低周波発振器から低周波信号を入力するステップと、
前記センサ手段の出力ラインと比較回路との間に設けられるスイッチ手段をオンにするステップと、
前記スイッチ手段をオンにした状態で前記比較手段に入力される信号を比較するステップと、
を含むことを特徴とする物理量センサの故障検出方法。
【請求項２】
前記スイッチ手段をオフするステップと、
前記スイッチ手段をオフにした状態で前記比較手段に入力される信号を比較するステップと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の物理量センサの故障検出方法。
【請求項３】
物理量に応じて周波数が変化するセンサ手段と、前記センサ手段の故障を検出する故障検出手段と、を備え、
前記故障検出手段は、
前記センサ手段に低周波信号を供給する低周波発振器と、
前記センサ手段の出力信号と前記低周波発振器の低周波信号とを比較し、その比較結果を出力する比較回路と、
前記センサ手段の出力ラインと比較回路との間に設けられ、前記比較回路への前記出力信号の入力をオン／オフするスイッチと、
外部信号に基づいて前記低周波発振器の動作と前記スイッチのオン／オフ動作の制御を行うと共に、前記比較回路からの比較結果に基づいて前記センサ手段の故障の有無を検出する制御回路と、
を備えることを特徴とする物理量センサ。
【請求項４】
前記センサ手段は、
基準信号を出力する基準発振回路と、加速度検出回路とからなり、
前記各加速度検出回路は、応力感応素子を備え、該応力感応素子により決定される共振周波数に基づいて前記基準発振回路から出力される出力信号を移相する共振回路と、
前記基準発振回路から出力される出力信号と前記共振回路から出力される出力信号の位相を比較する位相比較回路と、
前記位相比較回路から出力される位相差信号を直流化して出力するローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタから出力される出力信号を微分する微分回路と、を備え、
前記応力感応素子の応力検知方向を加速度検出方向と一致させ、前記微分回路の出力信号を加速度検出信号として出力することを特徴とする請求項３に記載の物理量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は物理量に応じて周波数が変化する物理量センサと、その故障検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、加速度を検出する加速度センサは、次世代の自動車、ロボット、宇宙産業など幅広い応用を目指して研究、開発が行われている。民生機器向けに開発されている加速度センサとしては、加速度検知機構を半導体プロセスにより作製したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサが良く知られている。一方、例えば気体や液体などの圧力の測定を行う圧力センサ等においては、ＭＥＭＳセンサ以外にも音叉型振動子を利用したものが開発されている。また、加速度センサとしては、圧電素子を利用した圧電方式の加速度センサ等も知られている。
例えば特許文献１には、入力電極−アース電極間の圧電素子の諸特性を利用した自励発振器を設けることにより、圧電素子を自励発振させ、出力電極から自励発振量相当の出力電圧を発生させる。そして、自励発振相当量の出力信号により圧電素子の故障や信号処理回路の断線の有無を診断するようにした加速度センサが開示されている。
【特許文献１】特開平５−２３２１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１の加速度センサは、圧電素子に故障検出用の電極を設ける必要があるため、圧電素子の設計に制約がある。
また、圧電素子に故障検出用の電極を形成した場合は、圧電素子の振動により故障検出用の電極が剥離するおそれがある。このため、加速度センサとしての機能には何ら問題ない場合でも故障検出用の電極の剥離によって故障率が高くなるという問題点がある。
さらに圧電素子が複数設けられている場合は、圧電素子の数だけ発振回路及び検出回路が必要になるという問題点がある。
本発明は上記したような点を鑑みてなされたものであり、簡単な構成で圧電素子を含む系の故障や特性劣化を自己チェック可能な物理量センサと、その故障検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するため、本発明の物理量センサの故障検出方法は、物理量に応じて周波数が変化する物理量センサの故障検出方法であって、センサ手段と比較手段とに低周波発振器から低周波信号を入力するステップと、センサ手段の出力ラインと比較手段との間に設けられるスイッチ手段をオンにするステップと、スイッチ手段をオンにした状態で比較手段に入力される信号を比較するステップと、を含むことを特徴とする。
このような本発明によれば、センサ手段の故障や特性劣化を簡単に自己チェックすることが可能になる。
【０００５】
また本発明の物理量センサの故障検出方法は、スイッチ手段をオフするステップと、スイッチ手段をオフにした状態で比較回路に入力される信号を比較するステップと、を含むことを特徴とする。
このような本発明によれば、物理量センサの故障を検出する故障検出部の故障を簡単に自己チェックすることが可能になる。
【０００６】
また本発明の物理量センサは、物理量に応じて周波数が変化するセンサ手段と、センサ手段の故障を検出する故障検出手段と、を備え、故障検出手段は、センサ手段に低周波信号を供給する低周波発振器と、センサ手段の出力信号と低周波発振器の低周波信号とを比較し、その比較結果を出力する比較回路と、センサ手段の出力ラインと比較回路との間に設けられ、比較回路への出力信号の入力をオン／オフするスイッチと、外部信号に基づいて低周波発振器の動作とスイッチのオン／オフ動作の制御を行うと共に、比較回路からの比較結果に基づいてセンサ手段の故障の有無を検出する制御回路と、を備えることを特徴とする。
このような本発明によれば、簡単な構成でセンサ手段を含む系の故障と特性劣化を自己チェックすることが可能になる。
【０００７】
また本発明の物理量センサは、センサ手段が、基準信号を出力する基準発振回路と、加速度検出回路とからなり、加速度検出回路は、応力感応素子を備え、該応力感応素子により決定される共振周波数に基づいて基準発振回路から出力される出力信号を移相する共振回路と、基準発振回路から出力される出力信号と共振回路から出力される出力信号の位相を比較する位相比較回路と、位相比較回路から出力される位相差信号を直流化して出力するローパスフィルタと、ローパスフィルタから出力される出力信号を微分する微分回路と、を備え、応力感応素子の応力検知方向を加速度検出方向と一致させ、微分回路の出力信号を加速度検出信号として出力する。
このような本発明によれば、加速度を検出する加速度検出回路の応力感応素子に故障検出用の電極を設ける必要がないため、応力感応素子の設計に制約を受けるといったことがない。また故障検出用の電極の断線や剥離等が発生しないため、故障率が高くなるといったこともない。また本発明のようにセンサ手段を構成すれば、加速度検出回路が複数設けられている場合でも応力感応素子の数だけ発振回路及び検出回路を設ける必要がない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る物理量センサの構成を示したブロック図である。
この図１に示す物理量センサは、例えば物理量に応じて周波数が変化するセンサ部（センサ手段）１と、センサ部１の故障を検出する故障検出部（故障検出手段）３０とにより構成される。
センサ部１は、例えば物理量に応じて周波数が変化する加速度センサとされる。なお、センサ部１の詳細な構成は後述する。
故障検出部３０は、低周波発振器（以下、ＬＦＯ（Low Frequency Oscillator）と称する）３１、スイッチ回路３２、差動増幅器３３、コンパレータ３４、及び制御回路３５により構成される。
【０００９】
ＬＦＯ３１は、制御回路３５の制御に基づいて故障検出用信号として、例えば１０Ｈｚ〜２０Ｈｚ程度の低周波信号を出力する。この低周波信号はセンサ部１と差動増幅器３３に出力される。
スイッチ回路３２は、センサ部１の出力と差動増幅器３３との間に設けられ、制御回路３５によりスイッチのオン／オフが制御される。
差動増幅器３３は、ＬＦＯ３１から出力される低周波信号とスイッチ回路３２を介して入力される信号とのレベルを比較し、その差分レベルを増幅して出力する。
コンパレータ３４は、差動増幅器３３の出力信号を予め設定した閾値と比較して、その比較結果を制御回路３５に出力する。
制御回路３５は、外部から入力される外部信号に基づいて、ＬＦＯ３１やスイッチ回路３２の制御を行うと共に、コンパレータ３４からの入力信号に基づいて、センサ部１の故障や特性劣化の判別、或いは故障検出部３１の故障の有無を判別し、その判別結果を故障判別信号として外部に出力する。
【００１０】
このように構成される本実施の形態の物理量センサでは、外部入力信号に基づいて、故障検出部３０の制御回路３５によりセンサ部１の故障診断を行うようにしている。故障診断を行う際には、ＬＦＯ３１から低周波信号を発生させてセンサ部１に入力する。この場合、センサ部１は、ＬＦＯ３１からの低周波信号を加速度信号とみなして、入力される低周波信号に応じた加速度検出信号を出力する。
なお、例えば信号レベルを整える必要があれば、ＬＦＯ３１と差動増幅器３３とを波形整形回路を介して接続すると共に、スイッチ回路３２と差動増幅器３３とを波形整形回路を介して接続しても良い。
そこで、本実施の形態では、差動増幅器３３において、センサ部１から出力される加速度検出信号と、ＬＦＯ３１から出力される低周波信号とを比較するようにしている。
【００１１】
ここで、センサ部１が故障していなければ、センサ部１から出力される加速度検出信号とＬＦＯ３１から出力される低周波信号とは同じ位相となるので、差動増幅器３３から出力される信号はほぼ零となる。この場合、コンパレータ３４はローレベルの信号を出力する。従って、制御回路３５は、コンパレータ３４からの信号がローレベルであればセンサ部１が正常に機能していると判別する。
一方、センサ部１が故障している場合、或いはセンサ部１の特性が著しく劣化している場合は、センサ部１から出力される加速度検出信号とＬＦＯ３１から出力される低周波信号とは異なる位相になるので、差動増幅器３３から出力される出力信号は位相差に応じた信号となる。この場合、コンパレータ３４は、差動増幅器３３からの信号を閾値と比較し、差動増幅器３３からの信号が閾値以上のときはハイレベルの信号を出力する。つまり、センサ部１が故障していたり、或いは特性が著しく劣化しており、差動増幅器３３からの信号のレベルがコンパレータ３４の許容範囲（閾値）以上の場合はハイレベルの信号を出力する。従って、制御回路３５は、コンパレータ３４からの信号がＬＦＯ３１の低周波信号に応じた信号であれば、センサ部１が故障している或いは特性が劣化していると判別する。
【００１２】
また、本実施の形態の物理量センサにおいては、センサ部１の故障の他に、故障検出部３０自身の故障検出を行うようにしている。故障検出部３０の故障検出を行う際は、スイッチ回路３２のスイッチをオフにしたまま、又はスイッチ回路３２のスイッチを差動増幅器３３の反転入力端子を接地等の基準電位に接続した状態で、ＬＦＯ３１から低周波信号を発生させる。この場合、スイッチ回路３２のスイッチはオフなので、差動増幅器３３には低周波信号だけが入力される。このため、差動増幅器３３からは低周波信号に応じた信号が出力される。コンパレータ３４は、差動増幅器３３からの出力信号を閾値と比較し、その比較結果を出力するので、制御回路３５は、コンパレータ３４から信号がＬＦＯ３１の低周波信号に応じた信号であれば故障検出部３０は正常に作動していると判別する。一方、コンパレータ３４から信号がローレベルであれば、故障検出部３０が故障していると判別する。
【００１３】
図２は本実施の形態の物理量センサにおける故障検出処理を示したフローチャートである。なお、以下に説明する故障検出処理は、制御回路３５の制御により実行される。
この場合、先ず、制御回路３５は、ＬＦＯ３１をオン（Ｓ１）、スイッチ回路３２のスイッチをオフにする（Ｓ２）。この後、制御回路３５は、コンパレータの出力をチェックし（Ｓ３）、コンパレータ３４の出力が正常であるか否かの判別を行う（Ｓ４）。ここで、コンパレータ３４の出力が正常であると判別した場合、すなわち、コンパレータ３４から低周波信号に応じた信号が入力された場合（Ｓ４で「Ｙ」）、故障検出部３０は正常に機能していると判別する。
次に、スイッチ回路３２をオンにして（Ｓ５）、コンパレータの出力をチェックし（Ｓ６）、センサ部１が正常に機能しているか否かの判別を行う。ここで、制御回路３５は、コンパレータ３４の出力が正常であると判別した場合（Ｓ７で「Ｙ」）、すなわち、コンパレータ３４からの信号がＬｏｗレベルであった場合、センサ部１は正常に機能していると判断して（Ｓ８）、処理を終了する。
【００１４】
一方、ステップＳ７において、制御回路３５は、コンパレータ３４からの出力が正常でないと判別した場合（Ｓ７で「Ｎ」）、すなわち、コンパレータ３４からの信号がＬｏｗレベルでない場合、センサ部１は正常に機能していない判断して（Ｓ９）、処理を終了する。またステップＳ４において、コンパレータ３４からの出力が正常でない判別した場合（Ｓ４で「Ｎ」）、故障検出部３０が正常に機能していないと判断して（Ｓ１０）、処理を終了する。なお、故障検出部３１における判別結果は、制御回路３５から外部へと出力される。
従って、このような本実施の形態の物理量センサによれば、簡単な構成でセンサ部１や故障検出部３０といったセンサ部１を含むセンサ回路系の故障や特性劣化を自己チェックすることが可能になる。
【００１５】
次に、センサ部１の一例を説明する。
図３は、センサ部１の一例を示したブロック図である。
この図３に示すセンサ部１は加速度センサであり、基準発振回路２、分周回路３、９０°移相回路４、第１の矩形化回路５、及び複数の加速度検出回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃから構成される。そして、本実施の形態では、基準発振回路２のコントロール端子にＬＦＯ３１からの低周波信号を入力することにより、基準発振回路２から出力される基準信号に周波数変調を掛けるようにする。これにより、センサ部１において擬似的な加速度信号を与えるようにしている。
また複数の加速度検出回路１２ａ〜１２ｃが設けられている場合は、スイッチ回路１２に複数のスイッチを設け、スイッチを切り替えて加速度検出回路１２ａ〜１２ｃごとに故障チェックを行うようにすれば良い。
【００１６】
センサ部１の加速度検出回路１２ａは、共振回路６ａ、第２の矩形化回路７ａ、位相比較回路８ａ、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと称する）９ａ、微分回路１０ａ、及び緩衝増幅回路（以下、バッファアンプと称する）１１ａにより構成される。また加速度検出回路１２ｂは、共振回路６ｂ、第２の矩形化回路７ｂ、位相比較回路８ｂ、ＬＰＦ９ｂ、微分回路１０ｂ、及びバッファアンプ１１ｂにより構成される。また加速度検出回路１２ｃは、共振回路６ｃ、第２の矩形化回路７ｃ、位相比較回路８ｃ、ＬＰＦ９ｃ、微分回路１０ｃ、及びバッファアンプ１１ｃにより構成される。
基準発振回路２は、例えばＡＴカットの水晶振動子等を用いて構成され、所定の周波数で発振する。分周回路３は、基準発振回路２からの基準信号が所定の周波数となるように分周して出力する。分周回路３の出力信号は分岐されて９０°移相回路４及び各加速度検出回路１２ａ〜１２ｃの共振回路６ａ〜６ｃに入力される。
【００１７】
９０°移相回路４は、分周回路３から出力される出力信号の位相を９０°移相する。なお、９０°移相回路４の構成にもよるが、通常、９０°移相回路４において移相可能な信号波形は正弦波とされるので、分周回路３は、その出力信号波形が正弦波形となるように回路を構成することが望ましい。
第１の矩形化回路５は、例えばコンパレータなどにより構成され、９０°移相回路４の出力信号を矩形波信号に変換して各加速度検出回路１２ａ〜１２ｃの各位相比較器８ａ〜ｃに出力する。
加速度検出回路１２ａの共振回路６ａは、音叉型水晶振動素子２０ａを備え、音叉型水晶振動素子２０ａにより決定される共振周波数に基づいて分周回路３の出力信号を移相して出力する。第２の矩形化回路７ａもまた、例えばコンパレータなどにより構成され、共振回路６ａからの出力信号を矩形波信号に変換して位相比較回路８ａに出力する。
【００１８】
位相比較回路８ａは、第１の矩形化回路５からの出力信号と、第２の矩形化回路７ａからの出力信号との位相を比較し、その比較結果を出力する。このとき、各位相比較回路８ａは、９０°の位相差を基準に位相比較を行って、その位相差を位相差信号として出力する。ＬＰＦ９ａは、位相比較回路８ａから出力される位相差信号を直流化して出力する。微分回路１０ａは、ＬＰＦ９ａからの位相差信号を微分して出力する。そして、微分回路１０ａで微分された信号を、バッファアンプ１１ａを介して加速度検出信号Ｓα１として出力する。
加速度検出回路１２ｂの共振回路６ｂは、音叉型水晶振動素子２０ｂを備え、音叉型水晶振動素子２０ｂにより決定される共振周波数に基づいて分周回路３の出力信号を移相して出力する。第２の矩形化回路７ｂは、上記同様、例えばコンパレータなどにより構成され、共振回路６ｂからの出力信号を矩形波信号に変換して位相比較回路８ｂに出力する。
【００１９】
位相比較回路８ｂは、第１の矩形化回路５からの出力信号と、第２の矩形化回路７ｂからの出力信号との位相を比較し、その比較結果を出力する。ＬＰＦ９ｂは、位相比較回路８ｂから出力される位相差信号を直流化して出力する。微分回路１０ｂは、ＬＰＦ９ｂからの位相差信号を微分して出力する。そして、微分回路１０ｂで微分された信号を、バッファアンプ１１ｂを介して加速度検出信号Ｓα２として出力する。
加速度検出回路１２ｃの共振回路６ｃは、音叉型水晶振動素子２０ｃを備え、音叉型水晶振動素子２０ｃにより決定される共振周波数に基づいて分周回路３の出力信号を移相して出力する。第２の矩形化回路７ｃは、上記同様、例えばコンパレータなどにより構成され、共振回路６ｃからの出力信号を矩形波信号に変換して位相比較回路８ｃに出力する。
【００２０】
位相比較回路８ｃは、第１の矩形化回路５からの出力信号と、第２の矩形化回路７ｃからの出力信号との位相を比較し、その比較結果を出力する。ＬＰＦ９ｃは、位相比較回路８ｃから出力される位相差信号を直流化して出力する。微分回路１０ｃは、ＬＰＦ９ｃからの位相差信号を微分して出力する。そして、微分回路１０ｃで微分された信号を、バッファアンプ１１ｃを介して加速度検出信号Ｓα３として出力する。
なお、位相比較回路８ａ〜８ｃにおいて位相比較を行う場合には、入力信号の少なくとも一方の波形が矩形である必要があるため、位相比較回路８ａ〜８ｃの前段に第１の矩形化回路５とそれぞれ第２の矩形化回路７ａ〜７ｃを設けるようにしたが、矩形化回路は、少なくとも何れか一方だけを設けるようにすれば良い。
【００２１】
また、分周回路３の出力波形が矩形波であれば、第１の矩形化回路５及び第２の矩形化回路７ａ〜７ｃは必ずしも設ける必要はない。但し、通常、共振回路６ａ〜６ｃや９０°移相回路４等に入力する信号波形を正弦波形にする必要があるため、本実施形態では分周回路３の出力波形を正弦波形とし、位相比較回路８ａ〜８ｃに入力する際に第１の矩形化回路５及び第２の矩形化回路７ａ〜７ｃにより矩形化することが望ましい。
さらに、位相比較回路８ａ〜８ｃに入力される２つの信号のレベルが一致していないと検波結果に２つの入力信号の位相差以外に信号レベルの差に基づく値も含まれてしまい正確な加速度検知結果を得ることができない可能性がある。従って、このような不具合の発生を防止する為にも第１の矩形化回路５及び第２の矩形化回路７ａ〜７ｃにより矩形化（波形整形）することが望ましい。
【００２２】
ここで、微分回路１０ａ〜１０ｃの機能について説明する。なお、ここでは微分回路１０ａを例に挙げて説明する。
例えば、音叉型水晶振動素子等を加速度センサとして加速度検出を行う場合は、加速度値と、センサ周波数の周波数変位とが比例関係になる。即ち、加速度∝Δセンサ周波数（ＦＭ検波出力）の関係を満たすことになる。
しかし、位相比較回路８ａにおいて加速度センサから得られる２つの周波数の位相比較を行っているので、位相比較回路８ａからは位相検波出力Φが得られることになる。この位相検波出力Φは、Δセンサ周波数を積分値と等しくなる。即ち、位相検波出力Φ＝∫センサ周波数（ＦＭ検波出力）の関係を満たすことになる。
そこで、センサ部１では微分回路１０ａを設け、微分回路１０ａにおいて、ＬＰＦ９ａから出力信号として出力される位相検波出力Φを微分することにより加速度値を得るようにしている。これにより、ＦＭ検波＝ｄΦ／ｄｔ∝加速度の関係を満たすことになる。
【００２３】
図４（ａ）は共振回路に備えられる音叉型水晶振動素子の構成を模式的に示した図である。
この図４（ａ）に示す音叉型水晶振動素子２０は、並列に配置された２本の振動腕２１ａ、２１ｂと、この２本の振動腕２１ａ、２１ｂの延長方向一端を結合する結合部２２とから成る。そして、音叉型水晶振動素子２０の結合部２２を、当該音叉型水晶振動素子２０が搭載される基板（図示しない）に固定するようにしている。このとき、図４（ａ）に示すように音叉型水晶振動素子２０の各振動腕２１ａ、２１ｂの延長方向を加速度検出軸方向に一致させるようにしている。このように構成される音叉型水晶振動素子２０は、図示しない駆動電極に交流電圧を印加すると、並列する２本の振動腕２１ａ、２１ｂが破線で示すように対称的に屈曲振動する。
【００２４】
そして、このような屈曲振動している状態で、例えば、図４（ａ）に示す矢印方向の加速度αが加わると、音叉型水晶振動素子２０には見かけ上では加速度αの方向とは逆方向の慣性力が発生するので、この影響により音叉型水晶振動素子２０の振動腕２１ａ、２１ｂは加速度αとは逆の方向へ引っ張られる引張応力を受けることになる。この場合、音叉型水晶振動素子２０の周波数は引張応力の影響を受けて高くなる。
一方、図４（ａ）に示す加速度αの矢印方向とは逆方向の加速度が加わると、音叉型水晶振動素子２０には見かけ上では加速度の方向とは逆方向の慣性力が発生するので、この影響により音叉型水晶振動素子２０の振動腕２１ａ、２１ｂは、結合部２２の方向へ圧縮する圧縮応力を受けることになる。この場合、音叉型水晶振動素子２０の周波数は圧縮応力の影響を受けて低くなる。そこで、センサ部１では、音叉型水晶振動素子２０に加速度が加わったとき発生する周波数変化に基づき加速度検出信号Ｓαを得るようにしている。
このような音叉型水晶振動素子２０は、従来のＭＥＭＳ加速度センサに比べて、ダイナミックレンジが広く（例えば±３ｇ〜±４００ｇ）、しかも高リニアリティ（例えば、０．０５％Ｆ．Ｓ．）であるといった利点がある。
なお、図４（ａ）においては説明を分かり易くするために音叉型水晶振動素子２０の屈曲振動の概念を破線により示したが、実際には音叉型水晶振動素子２０の形状自体は殆ど変位しないのである。
【００２５】
次に、センサ部１の動作を説明する。
図５は共振回路６の位相特性を示した図である。なお、ここでは共振回路６ａを例に挙げて説明する。
定速運動状態における共振回路６ａの位相特性を図５に実線で示すような特性に設定しておく。この場合、共振回路６ａでは周波数Ａの信号が入力されたときは、入力信号と共振回路６ａから出力される出力信号との位相差は「０」となる。
ここで、共振回路６ａの音叉型水晶振動素子２０ａの振動腕２１ａ、２１ｂの延長方向へ加速運動が生じ、音叉型水晶振動素子２０ａの振動腕２１ａ、２１ｂに引っ張り方向の慣性力が加わったとする。すると、音叉型水晶振動素子２０ａは慣性力の影響を受けて周波数が高くなる。音叉型水晶振動素子２０の周波数が高くなった場合、共振回路６の位相特性は図５に実線で示した特性から破線で示した特性へと推移することになる。即ち、特性が全体的に高周波側へシフトしたようになる。従って、共振回路６ａから出力される信号の位相は、ΔＡの位相差を有するものとなる。
【００２６】
従って、図３に示すセンサ部１においては、共振回路６ａ〜６ｃの出力信号と９０°移相回路４の出力信号との位相を位相比較回路８ａ〜８ｃでそれぞれ比較し、その位相比較結果をＬＰＦ９ａ〜９ｃにより直流化し、さらに微分回路１０ａ〜１０ｃで微分することにより、共振回路６ａ〜６ｃに備えた音叉型水晶振動素子２０ａ〜２０ｃを利用して加速度を検出することが可能になる。また、センサ部１においては、図４（ｂ）に示すように、加速度検出回路１２ａの共振回路６ａに備えられる音叉型水晶振動素子２０ａの検出軸をＸ軸、加速度検出回路１２ｂの共振回路６ｂに備えられる音叉型水晶振動素子２０ａの検出軸をＹ軸、加速度検出回路１２ｃの共振回路６ｃに備えられる音叉型水晶振動素子２０ｃの検出軸をＺ軸に合わせて配置すれば、少ない素子数で加速度検出装置の多軸化を図ることができる。
【００２７】
また、基準発振回路２を分周回路３で分周して出力される正弦波信号を移相する移相回路として９０°移相回路４を設けるようにしているが、移相回路は必ずしも９０°移相回路である必要はない。また、位相比較回路８ａ〜８ｃの特性によっては移相回路を必ずしも設ける必要はない。但し、移相回路４を設け、分周回路３から分岐して出力される出力信号の一方を位相比較回路８ａ〜８ｃの位相特性に併せて移相することで、位相比較回路８ａ〜８ｃにおいて音叉型水晶振動素子２０ａ〜２０ｃから出力される出力信号の位相差を確実に検出することが可能になる。
特に、位相比較回路８ａ〜８ｃが９０°位相比較回路であり、移相回路として９０°移相回路を設けると、位相比較回路８において音叉型水晶振動素子２０ａ〜２０ｃから出力される出力信号の位相差から加速度の向きを検出することが可能になる。つまり、図５に於いて加速度αの方向であるか、或いは加速度αと逆の方向であるかを検出可能になる。
【００２８】
即ち、位相比較回路８ａ〜８ｃが０°位相比較回路である場合、位相比較回路８ａ〜８ｃからは定速度状態から加速度が増減した何れの状況に対しても位相差が大きくなるような出力結果が得られる。従ってこの場合は、加速度の方向を確認することはできない。
一方、位相比較回路８ａ〜８ｃが９０°位相比較回路であり、９０°移相回路４を設けた構成では、位相比較回路８ａ〜８ｃの出力結果は、例えば定速度状態から加速した場合であれば位相差が大きくなるような信号が、また定速度状態から減速した場合であれば位相差が小さくなるような信号となる。従って、この場合は加速度の方向を確認することが可能になるという利点がある。なお、上記した音叉型水晶振動素子の構成はあくまでも一例であり、音叉型水晶振動素子としては、例えば双音叉型水晶振動子を用いることも可能である。
【００２９】
従って、上記のようにセンサ部１を構成すれば、加速度検出回路１２ａ〜１２ｃの音叉型水晶振動素子２０ａ〜２０ｃに故障検出用の電極を設ける必要がないため、音叉型水晶振動素子２０ａ〜２０ｃの設計に制約を受けるといったことがない。また振動により電極等の剥離しやすい音叉型水晶振動素子２０ａ〜２０ｃに故障検出用の電極を設ける必要がないため、電極形成に伴って故障率が高くなるといったこともない。また上記のようにセンサ部１を構成すれば、複数の加速度検出回路１２ａ〜１２ｃが設けられている場合でも、音叉型水晶振動素子２０ａ〜２０ｃの数だけ発振回路や検出回路を設ける必要がないため、回路規模を小型化することが可能になる。
なお、本実施の形態では、センサ部１に複数の加速度検出回路１２ａ〜１２ｃが設けられている場合を例に挙げて説明したが、これはあくまでも一例であり、加速度検出回路は少なくとも一つ備えていればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態の物理量センサの構成を示したブロック図である。
【図２】本実施の形態の物理量センサの故障検出処理を示したフローチャートである。
【図３】センサ部の一例として加速度センサの構成を示した図である。
【図４】音叉型水晶振動素子の構成を示した図である。
【図５】共振回路の移相特性を示した図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…センサ部、２…基準発振回路、３…分周回路、４、１２…共振回路、５…第１の矩形化回路、６…位相比較回路、７…９０°移相回路、８…第２の矩形化回路、９…ＬＰＦ、１０…微分回路、１１…バッファアンプ、２０、２０ａ、２０ｂ…音叉型水晶振動素子、２１ａ、２１ｂ…振動腕、２２…結合部、２３…双音叉型水晶振動素子、３０…故障検出部、３１…ＬＦＯ、３２…スイッチ回路、３３…差動増幅器、３４…コンパレータ、３５…制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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