JP6972845B2 - 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では、故障診断モード時に、駆動信号とは異なる周波数の角速度疑似信号を生成し、生成した角速度疑似信号を駆動信号に重畳して、振動子の駆動電極に供給する。そして振動子の駆動電極と検出電極との間の静電結合容量を介して角速度疑似信号が検出電極に伝播した信号に基づいて、擬似的角速度検出信号を生成して、故障診断を実現する。

特開平８−３２７３６３号公報 特開２０００−１７１２５７号公報 特開２０１０−２５６９５号公報 特開２０１０−４３９６２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。例えば前述の特許文献４では、故障診断用に、別途、信号生成が必要となり、信号の生成回路や重畳回路の不具合によっても故障であると判定されてしまい、駆動経路及び検出経路における故障を確実に判定することが難しかった。

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、駆動電極と検出電極とを有し、前記駆動電極と前記検出電極との間に結合容量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、前記検出電極から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、前記故障診断回路は、前記結合容量による静電漏れ成分を、前記検出信号又は前記検出信号の増幅信号から抽出する静電漏れ成分抽出回路を有し、抽出された前記静電漏れ成分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、駆動信号によりセンサー素子の駆動電極を駆動回路が駆動すると、駆動電極と検出電極との間に形成された結合容量により、駆動信号の静電漏れ成分が検出信号側に伝播される。そして故障診断回路が有する静電漏れ成分抽出回路が、検出信号又は検出信号の増幅信号から、当該静電漏れ成分を抽出する。そして故障診断回路は、抽出された静電漏れ成分に基づいて物理量測定装置の故障診断を行う。このように本発明の一態様では、駆動電極と検出電極の結合容量により生じる静電漏れ成分を利用して、故障診断を行っている。静電漏れ成分は駆動電極と検出電極の構造等から決まる結合容量であるため、センサー素子の個体ばらつきの影響を受けにくくなり、故障診断の判定精度を向上できる。また検出信号又はその増幅信号を用いて故障診断が行われるため、より小規模で簡素な回路構成で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、前記静電漏れ成分抽出回路は、矩形波の前記駆動信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジによる前記検出信号又は前記増幅信号の変化を、前記静電漏れ成分として抽出してもよい。

このように矩形波の駆動信号で駆動することで、静電漏れ成分による電圧レベルの変化幅を大きくすることが可能になり、正弦波の駆動信号を用いる場合に比べて、故障診断の判定精度を向上できるようになる。

また本発明の一態様では、前記静電漏れ成分抽出回路は、前記検出信号又は前記増幅信号が入力される微分回路を有し、前記微分回路により前記静電漏れ成分を抽出してもよい。

このような微分回路を用いれば、微分回路の出力信号に現れるパルス信号を、静電漏れ成分として抽出できるようになり、より高い判定精度の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、前記微分回路の出力信号のパルス信号の波高値を変換して変換電圧を出力する波高値変換回路と、前記波高値変換回路からの前記変換電圧としきい値電圧との比較判定を行って、前記故障診断の判定を行う判定回路と、を含んでもよい。

このようにすれば、静電漏れ成分に対応するパルス信号の波高値を変換電圧に変換し、この変換電圧としきい値電圧とを比較する簡素な判定処理により、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、前記微分回路の出力信号であるパルス信号のカウント処理を行うカウンター回路と、前記カウンター回路のカウント値に基づいて、前記故障診断の判定を行う判定回路と、を含んでもよい。

このようにすれば、微分回路の出力信号に現れるパルス信号のカウント処理を行うという簡素な回路構成で、静電漏れ成分を用いた故障診断の判定処理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、前記検出回路が前記物理量情報を検出する検出期間において、前記故障診断を行ってもよい。

このようにすれば、物理量測定装置が正常に動作してるかを例えば常時に確認する常時故障診断等を実現できるようになる。

また本発明の一態様では、前記センサー素子は、基部と駆動アームと検出アームとを含み、前記基部には駆動用端子と検出用端子とが設けられ、前記基部の前記駆動用端子と前記検出用端子を覆うように誘電体が設けられてもよい。

このような誘電体を設けることで、駆動電極と検出電極の間に形成される結合容量の容量値を大きくすることができ、静電漏れ成分を大きくできるため、高い判定精度の故障診断の実現が可能になる。

また本発明の一態様では、前記検出回路には、前記検出信号として第１の検出信号と第２の検出信号が入力され、前記故障診断回路は、前記第１、第２の検出信号又は前記第１、第２の検出信号の増幅信号である第１、第２の増幅信号に基づいて、前記故障診断を行ってもよい。

このようにすれば、第１、第２の検出信号の両方の検出経路で故障が発生した場合のみならず、第１、第２の検出信号の一方の検出経路で故障が発生した場合にも、適正に故障の発生を検出できるようになる。

また本発明の一態様では、前記検出回路は、前記第１の検出信号を増幅して第１の増幅信号を出力する第１の電荷／電圧変換回路と、前記第２の検出信号を増幅して第２の増幅信号を出力する第２の電荷／電圧変換回路を含み、前記静電漏れ成分抽出回路は、前記第１、第２の電荷／電圧変換回路からの前記第１、第２の増幅信号の前記静電漏れ成分を抽出してもよい。

このように第１、第２の電荷／電圧変換回路からの第１、第２の増幅信号を用いれば、第１、第２の検出信号を用いる場合に比べて、静電漏れ成分が増幅された状態で当該漏れ成分を抽出できるようになるため、故障診断の判定精度の向上を図れる。

また本発明の一態様では、前記検出回路は、前記故障診断回路に入力される前記第１、第２の増幅信号の差動増幅を行う差動アンプと、前記差動アンプによる差動増幅後の信号に基づいて同期検波を行う同期検波回路を含んでもよい。

このようにすれば、故障診断に利用される駆動電極と検出電極の結合容量による漏れ信号（静電漏れ成分）を、差動増幅により相殺しながら、同期検波を行うことが可能になるため、検出精度の向上を図りながら、故障診断の精度も向上できるようになる。

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。 故障診断回路の動作を説明する信号波形図。 故障診断回路の動作を説明する信号波形図。 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結合容量の説明図。 波高値変換回路の構成例。 波高値変換回路の動作を説明する信号波形図。 波高値変換回路の動作を説明する信号波形図。 波高値変換回路の動作を説明する信号波形図。 波高値変換回路の動作を説明する信号波形図。 波高値変換回路の他の構成例。 物理量測定装置の他の構成例。 物理量測定装置の他の構成例。 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を有し、駆動電極１３と検出電極１５との間に結合容量（静電結合容量）が形成されている。例えば駆動電極１３と検出電極１５との間に寄生容量による結合容量が形成（構成）されている。駆動電極１３は、後述の図１５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１４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。

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。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Ｓ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から電流信号又は電圧信号である検出信号Ｓが出力される。検出回路６０は、この検出信号Ｓに基づいて、物理量に対応する所望波（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Ｓの信号増幅を行い、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、所望波を検出する。

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。具体的には故障診断回路１５０は静電漏れ成分抽出回路１５２を有する。静電漏れ成分抽出回路１５２は、駆動電極１３と検出電極１５の結合容量による静電漏れ成分を、検出信号Ｓ又は検出信号Ｓの増幅信号から抽出する。即ち本実施形態では、結合容量を介した駆動信号ＤＳの静電漏れ成分が検出信号Ｓに対して伝播し、静電漏れ成分抽出回路１５２が、この静電漏れ成分を抽出する。そして故障診断回路１５０は、静電漏れ成分抽出回路１５２により抽出された静電漏れ成分に基づいて、故障診断を行う。ここで検出信号Ｓの増幅信号は、増幅回路６１による増幅後の検出信号である。この検出信号Ｓ又は検出信号Ｓの増幅信号は、同期検波回路８１による同期検波前の信号である。即ち故障診断回路１５０は、同期検波後の信号ではなく、検出信号Ｓ又はその増幅信号である同期検波前の信号に基づいて、故障診断の判定を行う。

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１５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。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１５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。

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、帰還抵抗素子、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（又は正弦波）の駆動信号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。

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。

検出回路６０は、増幅回路６１、差動アンプ７０、ＡＣアンプ７２、同期検波回路８１、フィルター部９０、オフセット＆感度調整部９２、ＳＣＦ回路９４、出力アンプ９６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。例えば検出回路６０は、Ａ／Ｄ変換回路を含むデジタル方式の回路であってもよい。この場合にはオフセット調整や感度調整は、Ａ／Ｄ変換回路の後段に設けられるデジタル信号処理部（ＤＳＰ）により実現される。

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。具体的には増幅回路６１（検出回路６０）は、検出信号Ｓ１（第１の検出信号）を増幅するＱ／Ｖ変換回路６４（第１の電荷／電圧変換回路）と、検出信号Ｓ２（第２の検出信号）を増幅するＱ／Ｖ変換回路６６（第２の電荷／電圧変換回路）を含む。差動アンプ７０（差動型増幅回路）は、増幅回路６１（Ｑ／Ｖ変換回路６４、６６）からの差動の増幅信号ＳＡ１、ＳＡ２の差動増幅を行う。ＡＣアンプ７２は、差動アンプ７０の出力信号を増幅して、同期検波回路８１に出力する。同期検波回路８１は、ＡＣアンプ７２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から所望波を抽出するための同期検波を行う。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を行う。オフセット＆感度調整部９２は、オフセット調整（ゼロ点補正処理）や感度調整（ゲイン補正）を行う。ＳＣＦ回路９４はスイッチドキャパシターフィルターによるフィルター処理を行う。例えば同期検波等によっては除去しきれなかった不要信号を減衰させるフィルター処理を行う。出力アンプ９６は、ＳＣＦ回路９４の出力信号が入力されて信号増幅を行い、センサー出力電圧ＶＯＵＴを出力する。センサー出力電圧ＶＯＵＴは、例えばセンサー素子１０により検出された角速度等の物理量に応じた電圧レベルの電圧である。なお検出回路６０としてＡ／Ｄ変換回路を有するデジタル方式の回路を用いる場合には、センサー出力電圧ＶＯＵＴの代わりに、検出回路６０は、デジタルのセンサー出力データ（角速度データ等）を出力することになる。

このように図２では、検出回路６０は、故障診断回路１５０に入力される増幅信号ＳＡ１、ＳＡ２（第１、第２の増幅信号）の差動増幅を行う差動アンプ７０と、差動アンプ７０による差動増幅後の信号に基づいて同期検波を行う同期検波回路８１を含む。このようにすれば、故障診断に用いられる、駆動電極１３と検出電極１５、１６の結合容量による漏れ信号（静電漏れ信号）を、差動アンプ７０による差動増幅により相殺できるようになる。例えばセンサー信号（検出信号）と同相の不要信号である静電漏れ信号（静電結合漏れ信号）を除去できる。そして結合容量による漏れ信号が相殺された後の信号に基づいて、同期検波回路８１による同期検波が行われるため、検出精度の向上を図れる。また同期検波前の信号である増幅信号ＳＡ１、ＳＡ２を用いて故障診断が行われることで、故障診断の判定精度の向上も図れるようになる。なお図２では差動アンプ７０と同期検波回路８１の間にＡＣアンプ７２を設ける構成としているが、ＡＣアンプ７２の構成を省略して、差動アンプ７０の出力信号を同期検波回路８１に入力してもよい。

故障診断回路１５０は、静電漏れ成分抽出回路１５２、波高値変換回路１６０、判定回路１８０を含む。静電漏れ成分抽出回路１５２は微分回路１５４、１５６を含む。上述したように検出信号Ｓ１、Ｓ２は増幅回路６１により信号増幅される。そして微分回路１５４、１５６には、検出信号Ｓ１、Ｓ２の増幅信号ＳＡ１、ＳＡ２が入力される。なお微分回路１５４、１５６に対して検出信号Ｓ１、Ｓ２を入力する変形実施も可能である。そして静電漏れ成分抽出回路１５２は、微分回路１５４、１５６を用いて、例えば矩形波の駆動信号ＤＳの立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジによる増幅信号ＳＡ１、ＳＡ２（検出信号Ｓ１、Ｓ２）の変化（電圧変化）を、センサー素子１０の静電漏れ成分として抽出する。このように静電漏れ成分抽出回路１５２は、微分回路１５４、１５６により、静電漏れ成分を抽出する。例えば微分回路１５４、１５６の出力信号ＱＡ１、ＱＡ２により振動漏れ成分を抽出する。

波高値変換回路１６０は、微分回路１５４、１５６の出力信号ＱＡ１、ＱＡ２のパルス信号の波高値を変換して変換電圧ＱＤを出力する。例えば波高値（パルス振幅）が大きくなるほど大きくなるような変換電圧ＱＤを出力する。そして判定回路１８０は、波高値変換回路１６０からの変換電圧ＱＤとしきい値電圧との比較判定を行って、故障診断の判定を行う。

図３、図４は故障診断回路１５０の動作を説明する信号波形図である。図３は増幅回路６１による検出信号Ｓ１、Ｓ２の増幅信号ＳＡ１、ＳＡ２の信号波形例である。図３においてＴＭは、矩形波の駆動信号ＤＳの立ち上がりエッジ（立ち下がりエッジ）のタイミングに対応する。図３のＡ１、Ａ２に示すように、矩形波の駆動信号ＤＳの立ち上がりエッジ（立ち下がりエッジ）により増幅信号ＳＡ１、ＳＡ２（検出信号Ｓ１、Ｓ２）が大きく変化している。故障診断回路１５０は、Ａ１、Ａ２に示す増幅信号ＳＡ１、ＳＡ２（検出信号Ｓ１、Ｓ２）の変化を、静電漏れ成分として抽出する。即ち、センサー素子１０の駆動電極１３と検出電極１５、１６との間には結合容量が形成されており、この結合容量に起因して、検出信号Ｓ１、Ｓ２やその増幅信号ＳＡ１、ＳＡ２には、センサー素子１０の静電漏れ成分が現れる。例えば図３のＡ１、Ａ２に示すような大きな段差の電圧レベルの変化が、増幅信号ＳＡ１、ＳＡ２に現れる。故障診断回路１５０は、Ａ１、Ａ２の変化を静電漏れ成分として抽出する。

具体的には、増幅信号ＳＡ１、ＳＡ２が入力された微分回路１５４、１５６は、図４に示すような出力信号ＱＡ１、ＱＡ２を出力する。そして図３のタイミングＴＭにおいて、図４に示すように出力信号ＱＡ１、ＱＡ２にパルス信号ＰＬ１、ＰＬ２が現れる。波高値変換回路１６０は、このパルス信号ＰＬ１、ＰＬ２の波高値ＷＨ１、ＷＨ２を変換して、変換電圧ＱＤを出力する。例えば図３のＡ１、Ａ２の電圧レベルの変化が大きいほど大きくなる変換電圧ＱＤを出力する。判定回路１８０は、波高値変換回路１６０からの変換電圧ＱＤに基づいて、故障診断の判定を行い、故障診断信号ＤＩＡＧを出力する。具体的には、変換電圧ＱＤとしきい値電圧との比較判定を行って、物理量測定装置５に故障が発生しているか否かを判定する。例えば変換電圧ＱＤがしきい値電圧よりも低い場合に、故障が発生していると判定して、例えばＨレベル（第１の電圧レベル）の故障診断信号ＤＩＡＧを出力する。

例えば前述の特許文献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１５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、所望波（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５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５に示すようにセンサー出力電圧ＶＯＵＴの温度変動特性が悪化してしまう。なお図５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の結合容量（静電結合容量）により生じる静電漏れ成分を利用して、故障診断を行う手法を採用している。例えば図６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、結合容量ＣＣ１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、結合容量ＣＣ２が形成されている。後述の図１５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容量（静電結合容量）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容量（静電結合容量）である。このように電極の物理的構造に起因して結合容量ＣＣ１、ＣＣ２が形成され、この結合容量ＣＣ１、ＣＣ２に起因する静電漏れ成分が検出信号Ｓ１、Ｓ２に現れる。具体的には図３のＡ１、Ａ２に示すように、静電漏れ成分に起因する電圧レベルの段差が発生する。本実施形態では、Ａ１、Ａ２に示す電圧レベルの段差を故障診断に用いる。

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、１６との間に結合容量（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、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を検出する検出回路６０と、故障診断回路１５０を含む。故障診断回路１５０は、結合容量（ＣＣ１、ＣＣ２）による静電漏れ成分を、同期検波前の信号である、検出信号Ｓ１、Ｓ２又は検出信号Ｓ１、Ｓ２の増幅信号ＳＡ１、ＳＡ２から抽出する静電漏れ成分抽出回路１５２を有する。そして故障診断回路１５０は、抽出された静電漏れ成分に基づいて故障診断を行う。即ち図３のＡ１、Ａ２に示すような静電漏れ成分を抽出して、物理量測定装置５についての故障診断を行う。

このように本実施形態では、駆動電極１３と検出電極１５、１６との間の結合容量で生じる静電漏れ成分を故障診断信号として用いている。静電漏れ成分は駆動電極１３と検出電極１５、１６の構造から一意的に決まる結合容量であるため、センサー素子１０の個体ばらつきの影響を受けにくくなり、故障診断の判定精度を向上できる。

また本実施形態によれば、故障診断に振動漏れ成分を用いなくても済むため、振動漏れ成分をゼロに近づけて、図５の破線に示すような理想的な温度変動特性のセンサー出力（ＶＵＯＴ）を得ることが可能になる。即ち、振動漏れ成分を故障診断に用いる従来例の手法に比べて、温度変動に対するセンサー出力の変動量を小さくすることができる。これにより、使用温度範囲が広い場合にも高精度な角速度等の物理量の検出が可能となる。

また故障診断回路１５０は、同期検波前の信号である検出信号Ｓ１、Ｓ２又はその増幅信号ＳＡ１、ＳＡ２を用いて故障診断を行うため、小規模で簡素な回路構成の故障診断回路１５０により故障診断を実現できる。例えば従来例のような故障診断用の同期検波回路を設けなくても済むようになる。従って、回路装置２０のチップサイズの小型化や、物理量測定装置５の製品の小型化や、物理量測定装置５、回路装置２０の低コスト化などを図れる。

また本実施形態では駆動回路３０は、矩形波の駆動信号ＤＳを出力し、静電漏れ成分抽出回路１５２は、矩形波の駆動信号ＤＳの立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジによる検出信号Ｓ１、Ｓ２又は増幅信号ＳＡ１、ＳＡ２の変化を、静電漏れ成分として抽出する。例えば図３のＡ１、Ａ２に示すように、駆動信号ＤＳの立ち上がりエッジ（立ち下がりエッジ）のタイミングＴＭでの増幅信号ＳＡ１、ＳＡ２の電圧変化を、静電漏れ成分として抽出して、故障診断を行っている。このように矩形波の駆動信号ＤＳで駆動することで、図３のＡ１、Ａ２に示すように、静電漏れ成分による電圧レベルの段差の変化幅を大きくすることができる。従って、例えば正弦波の駆動信号ＤＳを用いる場合に比べて、故障診断の判定精度を向上できるようになる。

また本実施形態では、静電漏れ成分抽出回路１５２は、検出信号Ｓ１、Ｓ２又はその増幅信号ＳＡ１、ＳＡ２が入力される微分回路１５４、１５６を有し、微分回路１５４、１５６により静電漏れ成分を抽出する。このような微分回路１５４、１５６を用いれば、図３のＡ１、Ａ２の段差に対応する静電漏れ成分を、図４のパルス信号ＰＬ１、ＰＬ２として抽出できるようになる。即ち、微分回路１５４、１５６の出力信号ＱＡ１、ＱＡ２に現れるパルス信号ＰＬ１、ＰＬ２を、静電漏れ成分として抽出できるようになる。従って、このパルス信号ＰＬ１、ＰＬ２を用いることで、高い判定精度の故障診断を実現することが可能になる。

また本実施形態では、図２に示すように、故障診断回路１５０は、微分回路１５４、１５６の出力信号ＱＡ１、ＱＡ２のパルス信号ＰＬ１、ＰＬ２の波高値ＷＨ１、ＷＨ２を変換して変換電圧ＱＤを出力する波高値変換回路１６０と、波高値変換回路１６０からの変換電圧ＱＤとしきい値電圧との比較判定を行って、故障診断の判定を行う判定回路１８０を有する。このようにすれば、静電漏れ成分に対応するパルス信号ＰＬ１、ＰＬ２の波高値ＷＨ１、ＷＨ２を変換電圧ＱＤに変換し、この変換電圧ＱＤとしきい値電圧を比較する簡素な判定処理により、故障診断を実現できるようになる。例えば、検出経路や駆動経路での信号配線の断線（Ｓ１、Ｓ２、ＤＧ、ＤＳの信号配線の断線）、電極（検出電極、駆動電極）の不具合の発生、回路（検出回路、駆動回路）の不具合の発生などの故障が発生すると、静電漏れ成分が消失し、パルス信号ＰＬ１、ＰＬ２の波高値ＷＨ１、ＷＨ２が小さくなり、変換電圧ＱＤも低くなる。従って、例えば変換電圧ＱＤがしきい値電圧よりも低くなったことを判定回路１８０が検出することで、故障の発生を適正に検出できるようになる。

また本実施形態では、故障診断回路１５０は、検出回路６０が物理量情報を検出する検出期間において、故障診断を行う。例えば角速度等の物理量情報を検出回路６０が通常に検出している検出期間において、故障診断回路１５０が、検出信号Ｓ１、Ｓ２の静電漏れ成分による故障検出を行う。これにより、例えばセンサー素子１０（振動子）の起動期間のみならず、通常の測定期間においても、故障診断を行うことが可能になる。従って、物理量測定装置５（検出回路６０、駆動回路３０）が正常に動作しているか否かを常時確認する常時故障診断を実現できる。この結果、物理量測定装置５の通常動作時に常時に故障を診断できるようになるため、信頼性の向上等を図れるようになる。

また本実施形態では、検出回路６０には、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）が入力される。例えば検出電極１５から検出信号Ｓ１が入力され、検出電極１６から検出信号Ｓ２が入力される。そして故障診断回路１５０は、検出信号Ｓ１、Ｓ２又は検出信号Ｓ１、Ｓ２の増幅信号ＳＡ１、ＳＡ２に基づいて故障診断を行う。このようにすればセンサー素子１０からの検出信号が、差動信号を構成する検出信号Ｓ１、Ｓ２である場合に、これらの差動信号の検出経路での故障診断が可能になる。例えば検出信号Ｓ１、Ｓ２の両方の検出経路で故障が発生した場合のみならず、検出信号Ｓ１、Ｓ２の一方の検出経路でのみ故障が発生した場合にも、適正に故障の発生を検出できるようになる。

また本実施形態では検出回路６０は、検出信号Ｓ１を増幅して増幅信号ＳＡ１（第１の増幅信号）を出力するＱ／Ｖ変換回路６４（第１の電荷／電圧変換回路）と、検出信号Ｓ２を増幅して増幅信号ＳＡ２（第２の増幅信号）を出力するＱ／Ｖ変換回路６６（第１の電荷／電圧変換回路）を含む。そして静電漏れ成分抽出回路１５２は、Ｑ／Ｖ変換回路６４、６６からの増幅信号ＳＡ１、ＳＡ２の静電漏れ成分を抽出する。このように増幅信号ＳＡ１、ＳＡ２を用いれば、検出信号Ｓ１、Ｓ２を用いる場合に比べて、静電漏れ成分が増幅された状態で当該漏れ成分を抽出できるようになる。例えば図３のＡ１、Ａ２に示すような大きな段差の電圧変化を静電漏れ成分として抽出できるようになり、故障診断の判定精度の向上を図れる。

２．詳細な構成例、変形例
図７に波高値変換回路１６０の詳細な構成例を示す。また図８、図９、図１０、図１１に、波高値変換回路１６０の動作を説明する信号波形例を示す。

図７の波高値変換回路１６０は、全波整流回路１６１、１６２、ローパスフィルター回路１６３、１６４、加算回路１６８を含む。図８に示すように、微分回路１５４、１５６からは出力信号ＱＡ１、ＱＡ２としてパルス信号が出力される。全波整流回路１６１、１６２は、図９に示すように、微分回路１５４、１５６から出力される上下方向（正方向、負方向）のパルス信号の絶対値化処理を行い、パルス発生方向を揃える。ローパスフィルター回路１６３、１６４は、図１０に示すように、全波整流回路１６１、１６２の出力信号ＱＢ１、ＱＢ２を所与の時定数で平滑化して、直流信号ＱＣ１、ＱＣ２に変換する。即ち、パルス信号の大きさ（波高値）に比例した電圧レベルの直流信号ＱＣ１、ＱＣ２（ＤＣ電圧レベル）に変換して出力する。加算回路１６８は、図１１に示すように、ローパスフィルター回路１６３、１６４から出力される直流信号ＱＣ１、ＱＣ２を加算する。

例えばローパスフィルター回路１６３、１６４が出力する直流信号ＱＣ１、ＱＣ２の電圧レベルが、各々、２．５Ｖ、２．０Ｖであったとする。この場合には加算回路１６８は、２．５Ｖと２．０Ｖの合算値となる４．５Ｖを、波高値変換回路１６０の変換電圧ＱＤとして出力する。ここで、判定回路１８０が故障診断の判定に使用するしきい値電圧が３．０Ｖに設定されていたとする。この場合、波高値変換回路１６０（加算回路１６８）から出力される変換電圧ＱＤ（加算値）は４．５Ｖであるため、判定回路１８０は、故障は発生しておらず、正常であると判定する。一方、検出信号Ｓ１側又はＳ２側の経路で故障が発生している場合には、変換電圧ＱＤは３．０Ｖ以下になり、しきい値電圧以下になるため、判定回路１８０は、故障が発生していると判定する。このように波高値に対応する変換電圧ＱＤを用いることで、判定精度の高い適切な故障診断が可能になる。

図１２に波高値変換回路１６０の他の構成例を示す。図１２では図７のローパスフィルター回路１６３、１６４に代えて、周波数を電圧に変換するＦ／Ｖ変換回路１６５、１６６が設けられている。ＱＡ１、ＱＡ２、ＱＢ１、ＱＢ２、ＱＣ１、ＱＣ２、ＱＤの信号波形は図８〜図１１と同様になる。

図１３に物理量測定装置５の第２の構成例を示す。図１３では図１の構成例と比べて、故障診断回路１５０の構成が異なっている。即ち図１３の故障診断回路１５０は、静電漏れ成分抽出回路１５２、カウンター回路１７０、判定回路１８０を含む。

静電漏れ成分抽出回路１５２は微分回路１５４、１５６を含む。微分回路１５４、１５６は、図８に示すような出力信号ＱＡ１、ＱＡ２を出力する。カウンター回路１７０は、微分回路１５４、１５６の出力信号ＱＡ１、ＱＡ２であるパルス信号のカウント処理を行う。即ちパルス信号の個数を計数するカウント処理を行い、カウント値をインクリメントする。そして判定回路１８０は、カウンター回路１７０のカウント値に基づいて、故障診断の判定を行う。例えば判定期間におけるカウント値を、しきい値となる所定数と比較することなどで、故障診断の判定を行う。

例えば、検出経路や駆動経路での信号配線の断線、電極の不具合の発生、回路の不具合の発生などの故障が発生すると、静電漏れ成分が消失し、微分回路１５４、１５６の出力信号ＱＡ１、ＱＡ２のパルス信号も発生しなくなる。従って、例えば判定期間におけるカウンター回路１７０のカウント値（パルス信号の個数）が、しきい値となる所定数以下となったことを判定回路１８０が検出することで、故障の発生を検出できるようになる。

図１４に物理量測定装置５の他の構成例を示す。図１４では、波高値変換回路１６０（或いは図１３のカウンター回路１７０）からの出力信号ＱＤ１、ＱＤ２（変換電圧、カウント値）が判定回路１８０に入力される。そして判定回路１８０は、これらの出力信号ＱＤ１、ＱＤ２に基づいて故障診断の判定を行う。例えば出力信号ＱＤ１は、駆動電極１３と検出電極１５の結合容量による静電漏れ成分に対応する信号であり、出力信号ＱＤ２は、駆動電極１３と検出電極１６の結合容量による静電漏れ成分に対応する信号である。従って、判定回路１８０が、出力信号ＱＤ１、ＱＤ２の各々に基づいて故障診断の判定を行うことで、検出電極１５と検出電極１６を区別して故障診断を行うことが可能になるため、より綿密な故障診断の判定処理を実現できるようになる。

３．センサー素子
図１５にセンサー素子１０の構成の一例を示す。図１５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１５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１５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１５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、検出用アーム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１５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１５のセンサー素子１０の場合には、図６で説明した結合容量ＣＣ１、ＣＣ２（静電結合容量）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結合容量が寄与していると考えられる。

図１６は図１５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６で説明した結合容量ＣＣ１、ＣＣ２（静電結合容量）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、結合容量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、前述した静電漏れ成分は、駆動電極と検出電極の構造から一意的に決まる結合容量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、結合容量の容量値を大きくすることができる。これにより、図３のＡ１、Ａ２の電圧レベルの変化に対応する静電漏れ成分を大きくできる。従って、静電漏れ成分を感度良く検出することが可能となり、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１７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１７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。

４．移動体、電子機器
図１８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１９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１９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。

Ｓ、Ｓ１、Ｓ２…検出信号、ＤＳ…駆動信号、ＤＧ…フィードバック信号、
ＳＡ１、ＳＡ２…増幅信号、ＳＹＣ…同期信号、ＶＯＵＴ…センサー出力電圧、
ＤＩＡＧ…故障診断信号、ＷＨ１、ＷＨ２…波高値、ＰＬ１、ＰＬ２…パルス信号、
ＣＣ１、ＣＣ２…結合容量、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、
６４、６６…Ｑ／Ｖ変換回路、７０…差動アンプ、７２…ＡＣアンプ、
８１…同期検波回路、９０…フィルター部、９２…オフセット＆感度調整部、
９４…ＳＣＦ回路、９６…出力アンプ、
１５０…故障診断回路、１５２…静電漏れ成分抽出回路、１５４、１５６…微分回路、
１６０…波高値変換回路、１６１、１６３…全波整流回路、
１６３、１６４…ローパスフィルター回路、１６５、１６６…Ｆ／Ｖ変換回路、
１６８…加算回路、１７０…カウンター回路、１８０…判定回路、
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 (10)

1. 第１、第２の駆動電極と第１、第２の検出電極とを有し、前記第１、第２の駆動電極と前記第１、第２の検出電極との間に結合容量が形成されるセンサー素子と、
   前記第１の駆動電極に駆動信号を供給し、前記第２の駆動電極からのフィードバック信号が入力される駆動回路と、前記第１の検出電極からの第１の検出信号と前記第２の検出電極からの第２の検出信号と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、
   前記故障診断回路は、
   前記結合容量による静電漏れ成分を抽出する静電漏れ成分抽出回路を有し、抽出された前記静電漏れ成分に基づいて故障診断を行い、
   前記駆動回路は、
   矩形波の前記駆動信号を出力し、
   前記静電漏れ成分抽出回路は、
   前記第１の検出信号又は前記第１の検出信号の増幅信号である第１の増幅信号が入力される第１の微分回路と、前記第２の検出信号又は前記第２の検出信号の増幅信号である第２の増幅信号が入力される第２の微分回路とを有し、前記第１、第２の微分回路により、矩形波の前記駆動信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジによる前記第１、第２の検出信号又は前記第１、第２の増幅信号の変化を、前記静電漏れ成分として抽出し、
   前記センサー素子は、基部と駆動アームと検出アームとを含み、
   前記基部には、
   前記駆動信号が入力される第１の駆動用端子と、前記フィードバック信号が出力される第２の駆動用端子とが、第１の方向に沿って配置され、
   前記第１の検出信号が出力される第１の検出用端子と、前記第２の検出信号が出力される第２の検出用端子とが、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って配置される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、
   前記第２の駆動用端子が、前記第１の駆動用端子と前記第１、第２の検出用端子との間において前記第１の駆動用端子を囲むように延在して設けられることを特徴とする物理量測定装置。
3. 請求項１又は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の微分回路の出力信号のパルス信号の波高値を変換して変換電圧を出力する波高値変換回路と、
   前記波高値変換回路からの前記変換電圧としきい値電圧との比較判定を行って、前記故障診断の判定を行う判定回路と、
   を含むことを特徴とする物理量測定装置。
4. 請求項１又は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の微分回路の出力信号であるパルス信号のカウント処理を行うカウンター回路と、
   前記カウンター回路のカウント値に基づいて、前記故障診断の判定を行う判定回路と、
   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、
   前記故障診断回路は、
   前記検出回路が前記物理量情報を検出する検出期間において、前記故障診断を行う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、
   前記基部の前記第１、第２の駆動用端子と前記第１、第２の検出用端子を覆うように誘電体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、
   前記検出回路は、
   前記第１の検出信号を増幅して前記第１の増幅信号を出力する第１の電荷／電圧変換回路と、
   前記第２の検出信号を増幅して前記第２の増幅信号を出力する第２の電荷／電圧変換回路を含み、
   前記静電漏れ成分抽出回路は、
   前記第１、第２の電荷／電圧変換回路からの前記第１、第２の増幅信号の前記静電漏れ成分を抽出することを特徴とする物理量測定装置。
8. 請求項７に記載の物理量測定装置において、
   前記検出回路は、
   前記故障診断回路に入力される前記第１、第２の増幅信号の差動増幅を行う差動アンプと、
   前記差動アンプによる差動増幅後の信号に基づいて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。
9. 請求項１乃至８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。
10. 請求項１乃至８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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