CN112748259B - 物理量传感器、电子设备和移动体 - Google Patents

物理量传感器、电子设备和移动体 Download PDF

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Abstract

物理量传感器、电子设备和移动体，在从元件部收集用于检测物理量的第1信号的期间，为了监视该元件部是否异常而收集作为监视信号的第2信号，由物理量传感器单体判定元件部的状况。物理量传感器具有：第1元件部，根据物理量而变化的第1电容具有因第1物理量而饱和的第1饱和电容值；第2元件部，根据物理量而变化的第2电容具有因绝对值比第1物理量小的第2物理量而饱和的第2饱和电容值；驱动电路，向第1元件部和第2元件部输出驱动信号；多路复用器，以时分方式输出来自第1元件部的第1信号和来自第2元件部的第2信号；判定电路，将第2物理量作用时的第2信号的电平设为阈值，判定经由多路复用器输入的第2信号的电平是否达到阈值。

Description

物理量传感器、电子设备和移动体
技术领域
本发明涉及物理量传感器、电子设备和移动体等。
背景技术
近年来，开发了利用在设置于物理量检测元件的对置的电极间产生的静电电容的电容值根据物理量(加速度、角速度等)的大小以及方向而变化来检测物理量的静电电容型的物理量传感器。例如，使用硅MEMS(Micro Electro Mechanical System：微机电系统)技术的静电电容型的加速度传感器、角速度传感器广为人知。
在这样的静电电容型的物理量传感器中，例如，若产生对置的电极之间的贴附，则静电电容变得非常大，因此物理量检测元件输出像始终施加了大的加速度那样的检测信号。另外，例如，当传送检测信号的布线被切断时，物理量检测元件输出像始终没有施加加速度那样的检测信号。因此，如果不能立即检测出这样的物理量检测元件的异常，则基于从物理量传感器输出的物理量信号进行处理的外部装置可能会发生误动作。
与此相对，在专利文献1中记载了如下方法：具有判定车辆是否为停止状态的停止状态判定单元，仅在由停止状态判定单元判定为车辆为停止状态时，判定加速度检测元件的输出是否异常(技术方案5)。
专利文献1：日本特开2009-19898号公报
但是，由于物理量传感器中的异常判定仅在判定为车辆为停止状态时进行，因此只要车辆不因信号等交通状况或驾驶员的判断等而停止，则有可能在比较长的时间内无法进行异常判定。
发明内容
本公开的一个方式涉及一种物理量传感器，其具有：第1元件部，其包含根据物理量而变化的第1电容，所述第1电容具有根据第1物理量而饱和的第1饱和电容值；第2元件部，其包含根据所述物理量而变化的第2电容，所述第2电容具有根据绝对值比所述第1物理量小的第2物理量而饱和的第2饱和电容值；驱动电路，其向所述第1元件部和所述第2元件部输出驱动信号；多路复用器，其以时分的方式输出来自所述第1元件部的第1信号和来自所述第2元件部的第2信号；以及判定电路，其将所述第2物理量作用时的所述第2信号的电平作为阈值，判定经由所述多路复用器输入的所述第2信号的电平是否达到所述阈值。
附图说明
图1是示出实施方式的物理量传感器、惯性计测装置以及用户侧设备的关系的框图。
图2是实施方式的物理量传感器的框图。
图3是示出第1电容和第2电容的关系的特性图。
图4是示出第1电容和第2电容的关系的其他特性图。
图5是示出直接连接在共用线和端子之间的第1电容和第2电容的图。
图6是说明元件部的驱动的时序图。
图7是示出图2的自诊断电路的一部分的电路图。
图8是自诊断电路的时序图。
图9是示出实施方式的物理量传感器以及惯性计测装置的动作的流程图。
图10是用于判定动作以及自诊断动作的时序图。
图11是其他实施方式的电子设备的框图。
图12是示出另一其他实施方式的移动体的一例的图。
图13是示出移动体的结构例的框图。
标号说明
1：物理量传感器；2：元件部；3：物理量检测电路；10：多路复用器；26：接口；28：驱动电路；30：判定电路；40：自诊断电路；100：物理量计测装置；200：用户侧外部设备；300：电子设备；500：移动体；C1X、C3X、C1Y、C3Y、C1Z、C3Z：第1电容；C2X、C4X、C2Y、C4Y、C2Z、C4Z：第2电容；C1XS：第1饱和电容值；C2XS：第2饱和电容值；DRV：驱动信号；XP1、XN1、YP1、YN1、ZP1、ZN1：第1端子；XP2、XN2、YP2、YN2、ZP2、ZN2：第2端子。
具体实施方式
以下，对本实施方式进行说明。另外，以下说明的本实施方式并不对权利要求书的记载内容进行不当限定。另外，在本实施方式中说明的结构并非全部为必须结构要素。
1.物理量传感器、物理量计测装置以及用户侧外部设备
图1示出物理量传感器例如加速度传感器(ACC)1、物理量计测装置例如惯性计测装置(IMU)100以及用户侧外部设备200的关系。物理量传感器1与物理量计测装置100连接，物理量计测装置100与用户侧外部设备200连接。加速度传感器(ACC)1和惯性计测装置(IMU)100也可以搭载于用户侧外部设备200。在本实施方式中，在物理量传感器1从第1元件部收集用于检测物理量的第1信号的期间，为了监视第1元件部是否异常，而从第2元件部收集作为监视信号的第2信号。根据作为监视信号的第2信号，能够以物理量传感器1单体判定元件部的状况。这样，能够从物理量传感器1经由物理量计测装置100向用户侧外部设备200呼叫对物理量传感器1进行自诊断的定时。由此，物理量传感器1以及物理量计测装置100不仅能够等待来自用户侧外部设备200的自诊断的请求，还能够在判定为需要自诊断时督促来自用户侧外部设备200的自诊断的请求。这样，能够消除在比较长的时间内元件部未进行自诊断，元件部的异常判定延迟的情况。
2.物理量传感器
2.1.元件部
图2是示出本实施方式的物理量传感器1的功能结构的图。本实施方式的物理量传感器1包含元件部2和物理量检测电路3。首先，对元件部2进行说明。元件部2检测相互交叉例如垂直的3轴(X轴、Y轴、Z轴)的物理量例如加速度。如图2所示，元件部2包含：X轴检测元件Cx(C1X～C4X)，其输出与沿X轴方向施加的加速度对应的检测信号；Y轴检测元件CY(C1Y～C4Y)，其输出与沿Y轴方向施加的加速度对应的检测信号；以及Z轴检测元件Cz(C1Z～C4Z)，其输出与沿Z轴方向施加的加速度对应的检测信号。物理量检测元件CX、CY、CZ的各检测轴为X轴、Y轴、Z轴。
在本实施方式中，物理量检测元件CX、CY、CZ分别包含设置有第1固定电极和第2固定电极的固定部以及可动电极(可动部)。第1固定电极和可动电极对置，由它们构成第1电容形成部。同样，第2固定电极和可动电极对置，由它们构成第2电容形成部。X轴检测元件CX包含第1电容形成部C1X～C2X和第2电容形成部C3X～C4X。Y轴检测元件CY包含第1电容形成部C1Y～C2Y和第2电容形成部C3Y～C4Y。Z轴检测元件CZ包含第1电容形成部C1Z～C2Z和第2电容形成部C3Z～C4Z。
若施加物理量检测元件CX、CY、CZ检测轴方向的加速度a，则对质量m的可动部作用F＝m×a的力F。通过该力F，可动部相对于固定部相对位移。此时，根据加速度a的方向，第1电容形成部的静电电容值减小，并且第2电容形成部的静电电容值增大，或者，第1电容形成部的静电电容值增大，并且第2电容形成部的静电电容值减小。因此，当在向第1电容形成部和第2电容形成部的共同端提供电荷的状态下，加速度a作用于物理量检测元件CX、CY、CZ时，从第1电容形成部的一端和第2电容形成部的一端分别输出的电荷(信号)成为绝对值相等且符号相反的差动信号对。绝对值相等除了绝对值相等之外，还包含绝对值实质上相等的状态。即，意味着也包含如下情况：考虑到制造上可能产生的误差等，一方的电荷(信号)相对于另一方的电荷(信号)稍微偏离例如偏离10％以内的程度。物理量检测电路3将从物理量检测元件CX、CY、CZ分别输出的差动信号对作为检测信号，生成3轴物理量信号(X轴加速度信号、Y轴加速度信号以及Z轴加速度信号)。
这样的物理量检测元件CX、CY、CZ都是差动电容型传感器，例如由Si(硅)等半导体材料和使用了半导体加工技术的MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微电子机械系统)形成。
2.2.元件部的电容
在本实施方式中，不仅物理量传感器1等待来自用户侧外部设备200的自诊断的请求，而且还具有如下结构：元件部2收集用于向用户督促物理量传感器1的自诊断的作为判定对象的监视信号。因此，第1电容形成部包含第1电容和第2电容，第2电容形成部也包含第1电容和第2电容。具体而言，X轴检测元件CX的第1电容形成部包含第1电容C1X和第2电容C2X。X轴检测元件CX的第2电容形成部包含第1电容C3X和第2电容C4X。同样地，Y轴检测元件CY的第1电容形成部包含第1电容C1Y和第2电容C2Y。Y轴检测元件CY的第2电容形成部包含第1电容C3Y和第2电容C4Y。同样地，Z轴检测元件CZ的第1电容形成部包含第1电容C1Z和第2电容C2Z。Z轴检测元件CZ的第2电容形成部包含第1电容C3Z和第2电容C4Z。因此，与元件部2连接的物理量检测电路3具有与X、Y、Z轴的第1电容以及第2电容连接的12个端子XP1、XP2、XN1、XN2、YP1、YP2、YN1、YN2、ZP1、ZP2、ZN1、ZN2。
第1电容C1X和第2电容C2X的关系如图3或图4所示。另外，其他第1电容以及第2电容的关系也如图3或图4所示，省略其说明。图3和图4中，纵轴表示电容值Co，横轴表示施加于电容的电压V。在物理量传感器1中，电容值因加速度而变化，对该电容值进行电压转换。因此，与图3以及图4的纵轴的电容值对应的电压相当于加速度。
在图3和图4中，都是第1电容C1X具有第1饱和电容值C1XS，第2电容C2X具有第2饱和电容值C2XS，与第2饱和电容值C2XS对应的第2物理量(与第2饱和电压SL2(+)或SL2(-)相当的物理量)的绝对值比与第1饱和电容值C1XS对应的第1物理量(与第1饱和电压SL1(+)或者SL1(－)相当的物理量)的绝对值小。即，只要在作用了相同的加速度的情况下，第2电容C2X必定比第1电容C1X先饱和即可。根据该关系，将第1电容C1X用于物理量的检测，在第2电容C2X先饱和的定时，向用户督促第1电容C1X的自诊断。关于第2物理量的绝对值，考虑相对于规格上能够检测的最大的第1物理量的绝对值而言物理量的绝对值比其小并且使用频率比其高的通常使用范围(不需要自诊断的使用范围)的使用状况，例如能够设为第1物理量的绝对值的50％～90％。换言之，由于是比较安全的使用范围而不需要自诊断的通常使用范围是比能够检测的最大的第1物理量的绝对值的50％～90％小的范围。关于在规格上能够检测的最大的第1物理量的绝对值的50％～90％的范围(更优选的是第1物理量的绝对值的60％～90％的范围)，使用频率比较少，即使使用也被认为是瞬时的。在判定为作用的物理量的大小处于达到第2物理量的通常使用范围外时，向用户侧请求自诊断。由此，能够减少无用地将用于自诊断的机会设定得过多的弊端，并且能够在必要性高时向用户侧请求自诊断。
如果满足该条件，则可以如图3所示(第1饱和电容值C1XS)＞(第2饱和电容值C2XS)，或者也可以如图4所示(第1饱和电容值C1XS)＜(第2饱和电容值C2XS)。这里，与图2不同，如图5所示，也可以不串联连接第1电容C1X和第2电容C2X，而采用将第1电容C1X连接在共用线和端子XP1之间，将第2电容C2X连接在共用线和端子XP2之间的方式。设电容值为C，设电容的两端电压为V，设电荷为Q，则Q＝CV成立。因此，向端子XP1输出与作为单一电容的第1电容C1X的电容值成比例的电荷，向端子XP2输出与作为单一电容的第2电容C2X的电容值成比例的电荷。并且，在图3以及图4中，都能够基于来自与端子XP1连接的第1信号线的第1信号，将第1饱和电压SL1(+)～SL1(-)的宽范围用作物理量检测范围。另一方面，在图3以及图4中，都能够基于来自与端子XP2连接的第2信号线的第2信号，将第2饱和电压SL2(+)～SL2(-)的范围A用于不需要第1电容C1X的自诊断的判定。即，如果相当于第2信号的电压的绝对值超过范围A，则能够向用户侧督促需要第1电容C1X的自诊断。在这种情况下，与第2信号比较的阈值电压Vref是第2饱和电压SL2(+)或SL2(-)的绝对值。换言之，阈值电压Vref是在使第2电容C2X达到第2饱和电容值C2XS的第2物理量作用时输出到端子XP2的第2信号的电压电平。
与图5不同，如图2所示，第1电容C1X和第2电容C2X例如也可以串联连接。在该情况下，向图2的端子XP1输出与作为与图5相同的单一电容的第1电容C1X成比例的电荷，另一方面，向图2的端子XP2输出与如下的合成电容成比例的电荷。
端子XP1：C1X
端子XP2：(C1X×C2X)/(C1X+C2X)
由于(C1X×C2X)/(C1X+C2X)＜C1X，因此在图2的例子中，通过将与第1电容C1X连接的端子XP1用作物理量检测端子，能够将图3所示的第1饱和电压SL1(+)～SL1(-)的电压范围用作物理量检测范围。另一方面，在图2的例子中，将与第2电容C2X连接的端子XP2用于判定是否需要第1电容C1X的自诊断。即，第2信号可以是与第1电容C1X和第2电容C2X的合成电容成比例的信号。在这种情况下，在不需要第1电容C1X的自诊断的范围内，不能将仅通过图3的第2电容C2X求出的第2饱和电压SL2(+)或SL2(-)作为阈值电压。因此，在该情况下，预先求出使第2电容C2X达到第2饱和电容值C2XS的第2物理量作用时输出到端子XP2的第2信号、即与合成电容(C1X×C2X)/(C1X+C2X)成比例的电荷(电压)，将该电压电平作为阈值电压Vref。这样，在第2物理量作用时，电容C2X饱和，但输出到端子XP2的第2信号的电压不饱和。因此，只要将来自与端子XP2连接的第2信号线的第2信号的电压电平与阈值电压Vref进行对比，当达到阈值电压Vref时判定为需要自诊断即可。即，在图2以及图5所示的元件部的结构中，都是只要判定第2信号的电平是否达到了在第2物理量作用时预先求出的阈值电压Vref即可。阈值电压Vref也可以设定为计算上的设计值。
在其他端子中，也输出与以下的电容成比例的电荷。
端子XN1：C3X
端子XN2：(C3X×C4X)/(C3X+C4X)
端子YP1：C1Y
端子YP2：(C1Y×C2Y)/(C1Y+C2Y)
端子YN1：C3Y
端子YN2：(C3Y×C4Y)/(C3Y+C4Y)
端子ZP1：C1Z
端子ZP2：(C1Z×C2Z)/(C1Z+C2Z)
端子ZN1：C3Z
端子ZN2：(C3Z×C4Z)/(C3Z+C4Z)
因此，能够使用来自端子XP1、XN1的差动信号进行X轴的加速度检测，能够使用来自端子YP1、YN1的差动信号进行Y轴的加速度检测，能够使用来自端子ZP1、ZN1的差动信号进行Z轴的加速度检测。另外，能够将来自端子XP2、XN2的差动信号作为X轴的判定信号，将来自端子YP2、YN2的差动信号作为Y轴的判定信号，将来自端子ZP2、ZN2的差动信号作为Z轴的判定信号。
另外，在元件部2设置有未图示的屏蔽用的接地图案，经由物理量检测电路3的屏蔽端子SLD1、SLD2向各接地图案提供屏蔽电压(例如0V)。
2.3.物理量检测电路
如图2所示，物理量检测电路3可以包含多路复用器(MUX)10、偏置控制电容器12、Q/V放大器(QVA)14、可编程增益放大器(PGA)16、温度传感器18、A/D转换电路(ADC)20、数字滤波器22、寄存器24、串行接口26和驱动电路28。
多路复用器10根据相互排他地成为有效(在本实施方式中为高电平)的图6所示的时钟信号DRVCLK＿X1、DRVCLK＿Y1、DRVCLK＿Z1、DRVCLK＿X2、DRVCLK＿Y2、DRVCLK＿Z2，而选择从12个端子XP1、XN1…ZP2、ZN2的2个端子输入的差动信号对的任意一个并输出差动信号对PIN、NIN。
具体而言，如图6所示，多路复用器10在时钟信号DRVCLK_X1为高电平(电源电压VDD)的期间T1，选择从端子XP1、XN1输入的差动信号对，并作为差动信号对PIN、NIN而输出。此外，多路复用器10在时钟信号DRVCLK_Y1为高电平的期间T2，选择从端子YP1、YN1输入的差动信号对，并作为差动信号对PIN、NIN而输出。此外，多路复用器10在时钟信号DRVCLK_Z1为高电平的期间T3，选择从端子ZP1、ZN1输入的差动信号对，并作为差动信号对PIN、NIN而输出。此外，多路复用器10在时钟信号DRVCLK_X2为高电平的期间T4，选择从端子XP2、XN2输入的差动信号对，并作为差动信号对PIN、NIN而输出。此外，多路复用器10在时钟信号DRVCLK_Y2为高电平的期间T5，选择从端子YP2、YN2输入的差动信号对，并作为差动信号对PIN、NIN而输出。此外，多路复用器10在时钟信号DRVCLK_Z2为高电平的期间T6，选择从端子ZP2、ZN2输入的差动信号对，并作为差动信号对PIN、NIN而输出。此外，多路复用器10在所有时钟信号DRVCLK_X1～DRVCLK_Z2均为低电平(电源电压VSS(例如0V))的期间T7，均输出零的差动信号对PIN、NIN。
在驱动电路28中，如图6所示，在期间T1～T6中，驱动信号DRV的电压分别按照基准电压VCOM(例如，VDD/2)
Figure BDA0002747592950000081
的顺序周期性地变化，在期间T7中，驱动信号DRV的电压为VCOM。
在期间T1～T3中，通过来自驱动电路28的驱动信号DRV驱动第1电容C1X、C3X、C1Y、C3Y、C1Z、C3Z。首先，在期间T1中，从第1电容C1X、C3X输出与X轴加速度对应的差动信号对，并输入到端子XP1、XN1，多路复用器10将其作为差动信号对PIN、NIN而输出。接着，在期间T2中，从第1电容C1Y、C3Y输出与Y轴加速度对应的差动信号对，并输入到端子YP1、YN1，多路复用器10将其作为差动信号对PIN、NIN而输出。接着，在期间T3中，从第1电容C1Z、C3Z输出与Z轴加速度对应的差动信号对，并输入到端子ZP1、ZN1，多路复用器10将其作为差动信号对PIN、NIN而输出。
在期间T4～T6中，通过来自驱动电路28的驱动信号DRV驱动第2电容C2X、C4X、C2Y、C4Y、C2Z、C4Z。首先，在期间T4中，从第2电容C2X、C4X输出与X轴加速度对应的差动信号对，并输入到端子XP2、XN2，多路复用器10将其作为差动信号对PIN、NIN而输出。接着，在期间T5中，从第2电容C2Y、C4Y输出与Y轴加速度对应的差动信号对，并输入到端子YP2、YN2，多路复用器10将其作为差动信号对PIN、NIN而输出。接着，在期间T6中，从第2电容C2Z、C4Z输出与Z轴加速度对应的差动信号对，并输入到端子ZP2、ZN2，多路复用器10将其作为差动信号对PIN、NIN而输出。另外，在期间T7中，所有时钟信号DRVCLK_X1～DRVCLK_Z2均为低电平，因此差动信号对PIN、NIN均为零。另外，为了使差动信号对PIN、NIN都为零，在多路复用器10的差动信号对输出线上连接有偏置控制电容器12。偏置控制电容器12按照第1电容和第2电容各自的每个X轴、Y轴、Z轴进行零点调整。
在图2中，Q/V放大器14将从多路复用器10输出的电荷的差动信号对PIN、NIN转换为电压的差动信号对并输出。可编程增益放大器(PGA)16被输入从Q/V放大器14输出的差动信号对(差动的电压信号)，并输出放大了该差动信号的差动信号对POP、PON。PGA 16可以基于由温度传感器18检测到的温度来校正依赖于温度而漂移的偏压。A/D转换电路20根据时钟信号，对PGA 16输出的差动信号对进行采样，将该差动信号对的电位差转换为数字信号。数字滤波器22对从A/D转换电路20输出的数字信号进行滤波处理。由于通过A/D转换电路20的A/D转换处理产生的高频噪声叠加在从A/D转换电路20输出的数字信号上，因此数字滤波器22作为降低该高频噪声的低通滤波器发挥功能。根据需要，数字滤波器22还可以作为高通滤波器发挥功能。
寄存器24存储物理量检测电路3的动作所需的数据、经由串行接口26输入输出的数据等。串行接口26是用于与图1所示的惯性计测装置100进行通信的电路。惯性计测装置100能够经由串行接口26对寄存器24进行数据的写入或读出。特别是，经由串行接口26向惯性计测装置100输出与基于从连接于第1电容C1X、C3X、C1Y、C3Y、C1Z、C3Z的第1信号线在期间T1～T3输出的XYZ差动信号对的X轴、Y轴、Z轴加速度相当的信号。串行接口26例如可以是3端子或4端子的SPI(Serial Peripheral Interface：串行外设接口)接口电路，也可以是2端子的I2C(Inter-Integrated Circuit：内置集成电路)接口电路，还可以是能够在双方之间切换。
2.3.1.判定电路
图2所示的物理量检测电路3还包含判定电路30。判定电路30经由数字滤波器22而输入有与基于从连接于第2电容C2X、C4X、C2Y、C4Y、C2Z、C4Z的第2信号线在期间T4～T6输出的XYZ差动信号对的X轴、Y轴、Z轴加速度相当的第2信号(比较对象信号)，并与上述的阈值电压Vref进行比较。如使用图3以及图4说明的那样，在比较对象信号的电平超过阈值电压Vref时，成为有效的判定信号WD从判定电路30输出并存储在寄存器24中。该有效的判定信号WD作为警告信号，经由串行接口26传送到惯性计测装置100，进而传送到用户侧外部设备200。另外，在比较对象信号的电平超过阈值电压Vref时，判定电路30向驱动电路28输出停止从驱动电路28输出驱动信号DRV的指令。由此，传感检测被停止。
2.3.2.自诊断电路
图2所示的物理量检测电路3还可以包含自诊断电路40。自诊断电路40在后述的需要自诊断的定时，根据数字比较器的对比结果诊断元件部2的第1电容C1X、C3X、C1Y、C3Y、C1Z、C3Z是否存在异常。参照图7以及图8说明自诊断电路40的结构以及动作。
如图7所示，自诊断电路40为了在自诊断时驱动第1电容C1X、C3X、C1Y、C3Y、C1Z、C3Z，而包含第1测试信号提供部50、第2测试信号提供部60。第1测试信号提供部50在自诊断时，向第1电容C1X、C3X、C1Y、C3Y、C1Z、C3Z的一端提供第1测试信号TSTP。第2测试信号提供部60在自诊断时，向第1电容C1X、C3X、C1Y、C3Y、C1Z、C3Z的另一端提供第2测试信号TSTN。另外，在图7所示的元件部2中，省略了第2电容C2X、C4X、C2Y、C4Y、C2Z、C4Z和与它们连接的端子XP2、XN2、YP2、YN2、ZP2、ZN2。
参照图8的时序图说明第1测试信号提供部50、第2测试信号提供部60的结构以及动作。自诊断电路40以判定电路30判定为需要进行第1电容C1X、C1Y、C1Z或第1电容C3X、C3Y、C3Z的自诊断(判定信号WD变为有效的情况)为必要条件，如以下说明的那样进行动作。
图8是自诊断电路的时序图。图8示出未图示的测试模式信号变为有效的自诊断时的时钟信号DRVCLK_X、DRVCLK_Y、DRVCLK_Z、第1测试信号TSTP、第2测试信号TSTN、驱动信号DRV以及差动信号对PIN、NIN的波形的一例。图8的期间T1～T4表示第1电容C1X、C1Y、C1Z的自诊断动作，图8的期间T5～T8表示第1电容C3X、C3Y、C3Z的自诊断动作。
首先，对图8的期间T1～T4的动作进行说明。在该情况下，图7所示的第1测试信号提供部50通过开关组SW1的一个，而如图8所示，选择基准电压VCOM(例如0V)作为第1测试信号TSTP的电压。另外，通过图7所示的第1测试信号提供部50切换开关组SW1，而如图8所示，使得第1测试信号TSTP在期间T1、T2、T3中分别通过图7的开关组SW1的切换而以基准电压
Figure BDA0002747592950000101
的顺序周期性地变化，在期间T4成为VCOM。另外，关于±Vs的电压电平，使用图10在后面叙述。如图8所示，在期间T1～T4中，驱动信号DRV成为与第1测试信号TSTP相同的波形。
在图8的期间T1中，通过图7所示的开关组SW2、SW4的选择，向图7所示的第1电容C1X的两端分别提供驱动信号DRV和第1测试信号TSTP。由此，成为与对第1电容C1X施加规定的大小以及方向的加速度的情况相同的状态。然后，经由与第1电容C1X连接的端子XP1，从信号线PIN输出由多路复用器10选择的第1信号(X)。该第1信号(X)的电平在自诊断电路40中与阈值电压进行比较，对第1电容C1X是否异常进行自诊断。
同样，在图8的期间T2中，对图7所示的第1电容C1Y的两端施加电压，经由与第1电容C1Y连接的端子YP1，从信号线PIN输出由多路复用器10选择的第1信号(Y)。该第1信号(Y)的电平在自诊断电路40中与阈值电压进行比较，对第1电容C1Y是否异常进行自诊断。同样地，在图8的期间T3中，对图7所示的第1电容C1Z的两端施加电压，经由与第1电容C1Z连接的端子ZP1，从信号线PIN输出由多路复用器10选择的第1信号(Z)。该第1信号(Z)的电平在自诊断电路40中与阈值电压进行比较，对第1电容C1Z是否异常进行自诊断。也可以通过反复多次该期间T1～T4，来对第1电容C1X、C1Y、C1Z分别进行多次自诊断。
接着，对图8的期间T5～T8的动作进行说明。在该情况下，通过图7所示的第2测试信号提供部60切换开关组SW3，而如图8所示，使得第2测试信号TSTN在期间T5、T6、T7中，分别通过图7的开关组SW3的切换，而以基准电压
Figure BDA0002747592950000111
Figure BDA0002747592950000112
的顺序周期性地变化，在期间T8中成为VCOM。另外，图7所示的第2测试信号提供部60通过开关组SW3的一个，而如图8所示选择基准电压VCOM作为第2测试信号TSTN。如图8所示，在期间T5～T8中，驱动信号DRV成为与第2测试信号TSTN相同的波形。由此，在期间T5～T8中，能够与期间T1～T4同样地进行第1电容C3X、C3Y、C3Z的自诊断。也可以通过反复多次该期间T5～T8，来对第1电容C3X、C3Y、C3Z分别进行多次自诊断。
2.3.3.整体动作
接着，参照图9以及图10，对物理量传感器(ACC)1以及惯性计测装置(IMU)100的整体动作进行说明。在图9中，首先，当惯性计测装置(IMU)100接通电源时(步骤1)，由物理量传感器(ACC)1开始图6所示的传感检测(步骤2)。在该传感检测中，在图6的期间T1～T3，驱动第1电容C1X、C3X、C1Y、C3Y、C1Z、C3Z，收集XYZ轴的加速度信号(第1信号)。XYZ轴的加速度信号(第1信号)经由寄存器24和串行接口26传送到惯性计测装置(IMU)100。XYZ轴的加速度信号(第1信号)根据需要而从惯性计测装置(IMU)100传送到用户侧外部设备200。
另一方面，在图6的期间T4～T6中，驱动第2电容C2X、C4X、C2Y、C4Y、C2Z、C4Z，收集XYZ轴的判定对象信号(第2信号)。XYZ轴的判定对象信号(第2信号)的电平在判定电路30中与阈值电压Vref进行比较(步骤3)。如果步骤3的判断为“否”，则接着反复进行图6的传感检测动作。
接着，也参照图10对步骤3的判断为“是”的情况进行说明。在图10中，在时刻t1，XYZ轴的判定对象信号(第2信号)中的某一个达到阈值1(+)。另外，阈值1(+)是在判定电路30中设定的阈值电压+Vref，如上所述，该阈值1(+)在与和图2的单一电容成比例的第2信号进行对比的情况下以及与和图5的合成电容成比例的第2信号进行对比的情况下是不同的。图10所示的阈值1(-)也同样。
如果在图10的时刻t1，步骤3的判断为“是”，则从判断电路30输出图10所示的成为有效的判断信号WD，经由寄存器24以及串行接口26，从物理量传感器(ACC)1向惯性计测装置(IMU)100传送(步骤4)。进而，成为有效的判定信号WD从惯性计测装置(IMU)100传送到用户侧外部设备200(步骤5)。由此，物理量传感器(ACC)1能够对用户侧外部设备200督促使物理量传感器1实施自诊断的来自用户侧外部设备200的请求。另外，当判定电路30输出成为有效的判定信号WD时，如图10所示，在时刻t2，停止驱动电路28的驱动，停止传感检测(步骤6)，准备开始自诊断。
然后，自诊断功能命令经由惯性计测装置(IMU)100从用户侧外部设备200发送到物理量传感器(ACC)1的串行接口26(步骤7)。也可以与此不同，而从用户侧外部设备200经由惯性计测装置(IMU)100向图2所示的物理量传感器1的外部端子OT提供开始自诊断的触发信号。也可以根据自诊断功能命令或触发信号，而如图10所示，在时刻t3解除驱动电路28的驱动停止。但是，在图7的实施方式中，由于自诊断电路40能够代替驱动电路28而提供驱动信号DRV，因此驱动电路28的驱动停止也可以持续到图10的时刻t5。
在图10的时刻t4，物理量传感器(ACC)1的自诊断电路40开始图8所示的自诊断(步骤8)。另外，当用户侧外部设备200例如是车辆，物理量传感器(ACC)1检测作用于车辆的加速度的情况下，车辆在送出自诊断功能命令之前停止。但是，如果用户侧外部设备200例如是地震仪等，则不需要停止用户侧外部设备200的驱动。在此，在自诊断电路40中，针对通过判定电路30与阈值1(+)进行比较的第2电容C2X、C2Y、C2Z中的任意一个，当判定信号WD成为有效时(图10的时刻t1)，在时刻t4～t5之间，实施图8的期间T1～T4的自诊断动作。由此，能够对第1电容C1X、C1Y、C1Z中的任意一个是否存在异常进行自诊断。另一方面，在自诊断电路40中，针对通过判定电路30与阈值1(-)进行比较的第2电容C4X、C4Y、C4Z中的任意一个，当判定信号WD成为有效时(图10的时刻t6)，在图10的时刻t7使驱动电路28停止后的时刻t9～t10之间，实施图8的期间T5～T8的自诊断动作。由此，能够对第1电容C3X、C3Y、C3Z中的任意一个是否存在异常进行自诊断。
自诊断电路40诊断与被施加±Vs的电压的第1电容C1X、C1Y、C1Z的电容值成比例的第1信号的电平是否在阈值1(+)与阈值2(+)之间的设定范围内(步骤9)。只要该第1信号的电平为处于设定范围内的电压V2，就正常。换言之，±Vs的电压电平被设定为使与正常的第1电容C1X、C1Y、C1Z的电容值成比例的第1信号的电平成为处于阈值1(+)与阈值2(+)之间的电压V2的电平。如果与施加±Vs的电压的第1电容C1X、C1Y、C1Z中的任意一个的电容值成比例的第1信号的电平如图10中虚线所示那样是正常范围外的电压电平V0、V1、V3中的任意一个(步骤9中的诊断为“失败”)，则判定为第1电容C1X、C1Y、C1Z中的任意一个发生固定/可动电极彼此的贴附或勾挂等异常。同样，自诊断电路40诊断与被施加±Vs的电压的第1电容C3X、C3Y、C3Z的电容值成比例的第1信号的电平是否在图10所示的阈值1(-)与阈值2(-)之间的设定范围内。如果图9的步骤9中的诊断为“通过”，则返回步骤2重新开始传感检测。
若自诊断电路40诊断为异常，则来自自诊断电路40的警告信号经由寄存器24以及串行接口26，从物理量传感器(ACC)1向惯性计测装置(IMU)100传送(步骤11)。进而，该警告信号从惯性计测装置(IMU)100传送到用户侧外部设备200(步骤12)。另外，当自诊断电路40诊断为异常时，惯性计测装置(IMU)100断开电源(步骤13)，全部动作结束。
3.电子设备、移动体
图11是示出本实施方式的电子设备300的结构例的框图。电子设备300包含与上述实施方式的物理量传感器1连接的惯性计测装置100和基于惯性计测装置100的计测结果进行处理的处理装置320。另外，电子设备300还可以包含通信接口310、操作接口330、显示部340、存储器350和天线312。
通信接口310例如是无线电路，进行经由天线312从外部接收数据或向外部发送数据的处理。处理装置320进行电子设备300的控制处理、经由通信接口310发送和接收的数据的各种数字处理等。另外，处理装置320基于惯性计测装置100的计测结果进行处理。具体而言，处理装置320对作为惯性计测装置100的计测结果的输出信号进行校正处理、滤波处理等信号处理，或者基于该输出信号对电子设备300进行各种控制处理。该处理装置320的功能例如能够通过MPU、CPU等处理器来实现。操作接口330用于供用户进行输入操作，能够通过操作按钮或触摸面板显示器等实现。显示部340显示各种信息，可以通过液晶或有机EL等显示器来实现。存储器350存储数据，其功能可以通过RAM或ROM等半导体存储器等来实现。
另外，本实施方式的电子设备300能够适用于例如车载设备、数字静态照相机或摄像机等影像相关设备、头戴型显示装置或钟表相关设备等可佩戴设备、喷墨式喷出装置、机器人、个人计算机、便携信息终端、印刷装置、投影装置、医疗设备或测定设备等各种设备。车载设备是汽车导航装置或自动驾驶用的设备等。钟表相关设备是钟表、智能手表等。作为喷墨式喷出装置，存在喷墨打印机等。便携信息终端是智能手机、便携电话机、便携型游戏装置、笔记本电脑或平板终端等。
图12示出使用本实施方式的惯性计测装置100的移动体500的一例。图13是示出移动体500的结构例的框图。如图13所示，本实施方式的移动体500包含惯性计测装置100和基于惯性计测装置100的计测结果进行处理的处理装置530。
具体而言，如图12所示，移动体500具有车身502和车轮504。另外，在移动体500上安装有定位装置510。另外，在移动体500的内部设置有进行车辆控制等的控制装置570。另外，如图13所示，移动体500具有发动机或电动机等驱动机构580、盘式制动器或鼓式制动器等制动机构582、由方向盘或转向齿轮箱等实现的转向机构584。这样，移动体500是具有驱动机构580、制动机构582、转向机构584并且在地面、天空、海上移动的设备、装置。另外，作为移动体500，存在四轮汽车或摩托车等汽车、自行车、电车、飞机或船等，但在本实施方式中以四轮汽车为例进行说明。
定位装置510安装在移动体500上，是进行移动体500的定位的装置。定位装置510包含惯性计测装置100和处理装置530。还可以包含GPS接收部520和天线522。作为主机设备的处理装置530接收作为惯性计测装置100的计测结果的加速度数据、角速度数据，对这些数据进行惯性导航运算处理，输出惯性导航定位数据。惯性导航定位数据是表示移动体500加速度或姿势的数据。
GPS接收部520经由天线522接收来自GPS卫星的信号。处理装置530根据GPS接收部520接收到的信号，求出表示移动体500的位置、速度、方位的GPS定位数据。然后，处理装置530基于惯性导航定位数据和GPS定位数据，计算移动体500在地面的哪个位置行驶。例如，即使GPS定位数据中包含的移动体500的位置相同，如图12所示，如果由于地面的倾斜(θ)等的影响而导致移动体500的姿势不同，则也成为移动体500在地面的不同位置行驶的情况。因此，仅通过GPS定位数据无法计算出移动体500的准确位置。因此，处理装置530使用惯性导航定位数据中的特别是与移动体500的姿势相关的数据，计算移动体500在地面的哪个位置行驶。
控制装置570进行移动体500的驱动机构580、制动机构582、转向机构584的控制。控制装置570是车辆控制用的控制器，进行车辆控制或自动驾驶控制等各种控制。
本实施方式的移动体500包含惯性计测装置100和处理装置530。处理装置530基于来自惯性计测装置100的计测结果，进行如上所述的各种处理，求出移动体500的位置、姿势的信息。例如，如上所述，移动体500的位置的信息能够根据GPS定位数据和惯性导航定位数据来求出。另外，移动体500的姿势的信息例如可以根据惯性导航定位数据中包含的角速度数据等求出。然后，控制装置570例如根据通过处理装置530的处理求出的移动体500的姿势的信息，进行移动体500的姿势的控制。该姿势的控制例如可以通过控制装置570控制转向机构584来实现。或者，在滑动控制等使移动体500的姿势稳定化的控制中，控制装置570也可以控制驱动机构580或控制制动机构582。根据本实施方式，能够高精度地求出根据惯性计测装置100的输出信号求出的姿势的信息，因此能够实现移动体500的适当的姿势控制等。另外，在本实施方式中，也能够实现移动体500的自动驾驶控制。在该自动驾驶控制中，除了移动体500的位置以及姿势的信息以外，还使用周围的物体的监视结果、地图信息、行驶路径信息等。
4.实施方式的总结
如上所述，如图2、图5所示，本实施方式的物理量传感器1具有：第1元件部，其包含根据物理量而变化的第1电容C1X、C3X、C1Y、C3Y、C1Z、C3Z，第1电容具有根据第1物理量而饱和的第1饱和电容值(图3和图4的C1XS)；第2元件部，其包含根据物理量而变化的第2电容C2X、C4X、C2Y、C4Y、C2Z、C4Z，第2电容具有根据绝对值比第1物理量小的第2物理量而饱和的第2饱和电容值(图3和图4的C2XS)；驱动电路28，其向第1元件部和第2元件部输出驱动信号DRV；多路复用器10，其以时分的方式输出来自第1元件部的第1信号(来自图2或图5的端子XP1、XN1、YP1、YN1、ZP1、ZN1的信号)和来自第2元件部的第2信号(来自图2或图5的端子XP2、XN2、YP2、YN2、ZP2、ZN2的信号)；以及判定电路30，其将第2物理量作用时的第2信号的电平设为阈值(图10的阈值1(+)或阈值1(-))，判定经由多路复用器输入的第2信号的电平是否达到阈值。
根据本实施方式，在本实施方式中，在物理量传感器1从第1元件部收集用于检测物理量的第1信号的期间，为了监视第1元件部是否异常，可以从第2元件部收集成为监视信号的第2信号。根据成为监视信号的第2信号，能够以物理量传感器1单体判定元件部2的状况。
在本实施方式中，第2物理量的绝对值能够设为第1物理量的绝对值的50％～90％。关于在规格上能够检测的最大的第1物理量的绝对值的50％～90％的范围(更优选的是第1物理量的绝对值的60％～90％的范围)，使用频率比较少，即使使用也被认为是瞬时的。在判定为作用的物理量的大小处于达到第2物理量的通常使用范围外时，向用户侧请求自诊断。由此，能够减少无用地将用于自诊断的机会设定得过多的弊端，并且能够在必要性高时向用户侧请求自诊断。
在本实施方式中，第1信号的电平和第2信号的电平各自可以是绝对值相等且符号相反的差动信号对。即，如图2所示，物理量传感器1也可以是差动电容型传感器。
在本实施方式中，如图2所示，第2信号也可以是与第1电容和第2电容的合成电容成比例的信号。此外，如图5所示，第2信号也可以是与单一的第2电容成比例的信号。
在本实施方式中，驱动电路28能够在第2信号的电平达到阈值的情况下停止驱动信号DRV的输出。这样，能够迅速停止被怀疑为异常的元件部的驱动。另外，可以停止驱动电路28，为之后的自诊断做准备。
在本实施方式中，物理量传感器1还具有串行接口26等接口电路(以下称作接口电路26)，接口电路26能够基于来自判定电路30的判定信号WD，在来自第2元件部的信号达到阈值的情况下输出判定结果。由此，物理量传感器1能够对搭载有该物理量传感器1的用户侧外部设备200督促使物理量传感器1实施自诊断的来自用户侧外部设备200的请求。
在本实施方式中，物理量传感器1还具有对第1元件部进行自诊断的自诊断电路40，自诊断电路40生成输入到第1元件部的测试信号TSTP、TSTN，根据响应于测试信号而从第1元件部输出的信号，能够诊断第1元件部有无异常。这样，自诊断电路40能够使用自身生成的测试信号TSTP、TSTN，在使驱动电路28停止的状态下驱动第1元件部，对第1元件部进行自诊断。
在本实施方式中，接口电路26能够在自诊断电路40判定为异常时输出警告信号。根据警告信号，搭载有物理量传感器1的用户侧外部设备200等能够立即取得物理量传感器1无法工作的信息。
在本实施方式中，自诊断电路40可以基于输入到接口电路26的命令来动作。或者，也可以是，物理量传感器1还具有外部端子OT，自诊断电路40根据输入到外部端子OT的触发信号进行动作。特别是在将物理量传感器1搭载于用户侧外部设备200并检测作用于移动的用户侧外部设备200的物理量的情况等下，在自诊断时必须停止用户侧外部设备200的移动。因此，如果根据来自外部的命令或触发信号使自诊断电路40动作，则能够保证仅由物理量传感器1无法具备的用于自诊断的外部环境。
另外，在本实施方式中，物理量检测电路3通过内置A/D转换电路(ADC)20而进行数字输出，但也可以进行模拟输出。在这种情况下，判断电路30和自诊断电路40可以具有模拟比较器，或者可以具有对A/D转换后的信号进行比较的数字比较器。
本实施方式的电子设备可以具有上述物理量传感器1和根据从该物理量传感器输出的检测信号进行控制的控制部。通过减少持续使用元件部具有异常的物理量传感器1的情况，降低来自物理量传感器1的检测信号的误差，提高电子设备的控制的可靠性。
本实施方式的移动体可以具有上述物理量传感器1和基于从该物理量传感器1输出的检测信号进行姿势的控制的姿势控制部。通过减少持续使用元件部具有异常的物理量传感器的情况，降低来自物理量传感器1的检测信号的误差，提高移动体的姿势控制的可靠性。

Claims (11)

1.一种物理量传感器，其具有：
第1元件部，其包含根据物理量而变化的第1电容，所述第1电容具有根据第1物理量而饱和的第1饱和电容值；
第2元件部，其包含根据所述物理量而变化的第2电容，所述第2电容具有根据绝对值比所述第1物理量小的第2物理量而饱和的第2饱和电容值；
驱动电路，其向所述第1元件部和所述第2元件部输出驱动信号；
多路复用器，其以时分的方式输出来自所述第1元件部的第1信号和来自所述第2元件部的第2信号；
判定电路，其将所述第2物理量作用时的所述第2信号的电平作为阈值，判定经由所述多路复用器输入的所述第2信号的电平是否达到所述阈值；以及
接口电路，其根据来自所述判定电路的判定信号，在来自所述第2元件部的信号达到所述阈值的情况下输出判定结果。
2.根据权利要求1所述的物理量传感器，其中，
所述第2物理量的绝对值为所述第1物理量的绝对值的50％～90％。
3.根据权利要求1或2所述的物理量传感器，其中，
所述第1信号的电平和所述第2信号的电平分别是绝对值相等且符号相反的差动信号对。
4.根据权利要求1所述的物理量传感器，其中，
所述第2信号是与所述第1电容和所述第2电容的合成电容成比例的信号。
5.根据权利要求1所述的物理量传感器，其中，
所述驱动电路在所述第2信号的电平达到所述阈值的情况下停止所述驱动信号的输出。
6.根据权利要求1所述的物理量传感器，其中，
该物理量传感器还具有对所述第1元件部进行自诊断的自诊断电路，
所述自诊断电路生成向所述第1元件部输入的测试信号，根据响应于所述测试信号而从所述第1元件部输出的信号，诊断所述第1元件部有无异常。
7.根据权利要求6所述的物理量传感器，其中，
所述接口电路在所述自诊断电路判定为异常时输出警告信号。
8.根据权利要求6或7所述的物理量传感器，其中，
所述自诊断电路根据输入到所述接口电路的命令进行动作。
9.根据权利要求6或7所述的物理量传感器，其中，
该物理量传感器还具有外部端子，
所述自诊断电路根据输入到所述外部端子的触发信号进行动作。
10.一种电子设备，其具有：
权利要求1至9中的任意一项所述的物理量传感器；以及
控制部，其根据从所述物理量传感器输出的检测信号进行控制。
11.一种移动体，其具有：
权利要求1至9中的任意一项所述的物理量传感器；以及
姿势控制部，其根据从所述物理量传感器输出的检测信号进行姿势的控制。
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