JP2005114440A - 故障診断可能な静電容量検出型加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単な構造でセンサの破損の有無をセンサ起動中であっても常時診断することが可能となる静電容量検出型加速度センサを提供する。
【解決手段】錘体１を取り付けた方形ダイアフラム２と、絶縁体３からなるベースと、方形ダイアフラム上に設けられた可動電極とベース上に設けられた固定電極Ｘ，Ｙ，Ｚとを対向して配置し、加速度による可動電極と固定電極間の静電容量の変化を検出して出力する検出回路４−１，４−２，４−３を備え、方形ダイアフラムの枠表面上に故障診断用電極２−１を設け、錘体１上に故障診断用電極と対向し、近接した領域に導体を設け、故障診断用電極と錘体上の導体間に故障診断用信号を印加し（発振回路５−１）、故障診断用電極の電圧をモニタして、予め設定された電圧値と比較し、加速度センサの破損故障を検知する（抵抗Ｒｏ，整流回路５−２，判定回路５−３）故障診断回路５を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は破損故障を常時モニタできる静電容量検出型加速度センサに関する。

（従来例１）
従来の故障の検出が可能な半導体式（静電容量検出型）加速度センサの構造を図４に示す（特許文献１ 参照）。半導体式加速度センサは、加速度センサ１０と診断出力検出部２０とコントロールユニット３０から構成される。
加速度センサ１０は、加速度検出部１１、容量検出部１８、増幅部１９より構成される。加速度検出部１１は、ガラス／シリコン／ガラスの３層積層構造である。中央のシリコン基板１２には重錘機能を有する可動電極１５と、これを支持するカンチレバー１４が形成されている。一方、シリコン基板１２の両側には、２つのガラス基板１３が陽極接合を用いて接続されており、２つのガラス基板１３には、それぞれ可動電極１５に対向して固定電極１６，１７がアルミニウム等の金属で形成されている。このように構成された加速度検出部１１の可動電極１５、固定電極１６，１７は容量検出部１８と電気的に接続されている。

図示された方向に印加された加速度Ｃに応じて可動電極１５は慣性力によって加速度と逆の方向に移動する。例えば、可動電極１５が印加された加速度に対して右側に移動したとすると、可動電極１５と固定電極１６間の静電容量Ｃ１は小さくなり、逆に可動電極１５と固定電極１７間の静電容量Ｃ２は大きくなる。容量検出部１８は、この静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分を検知し、サンプルホールド回路等で電圧Ｖｓに変換する。このことにより、加速度検出部に作用する加速度を電気的に検出できる。次に、電圧Ｖｓを増幅部１９に入力し所定の電圧に調整し、電圧Ｖｂを出力する。
次に、診断出力検出部２０は、制御・変換回路部２２、発光素子部２１、受光素子部２３よりなり、常時、発光素子部２１より光を出力し、加速度検出部１１を通して、受光素子部２３で光を検出するように構成されている。ここで、検出された信号は、制御・変換回路部２２で電圧Ｖａに変換され出力される。
以上の加速度センサと診断出力検出部の出力信号Ｖａ，Ｖｂは、コントロールユニット３０の加速度検出回路部３２、診断出力回路部３１に、それぞれ入力され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭで演算、処理されるように構成される。

以上の半導体式加速度センサにおいては、図３（ｂ），（ｃ）に示すように、診断出力検出部２０の発光素子部２１、受光素子部２３が、加速度検出部１１の可動電極１５の下側に構成されており、不具合によりカンチレバー１４が切断され可動電極が落下した場合に、発光素子部２１から出力された光が可動電極１５により遮断され、受光素子部２３に入力される光量が変化することにより加速度検出部１１の故障を診断するものである。ここで、故障を検出する診断出力検出部２０は、回路上、加速度検出部１１とは別系統でコントロールユニットに入力されるため、エアバッグ等の用途に用いた場合、フェイルセーフ回路となる。

（従来例２）
図４（ａ）に従来の故障の有無を検出できる感震器に用いられる振動センサの断面図を示す（特許文献２ 参照）。
振動板５４は、フレーム５５内の中心部においてマス部５８を細いビーム５９によって片持ち状に支持させたものであり、マス部５８の下面には可動電極５３が設けられている。この振動板５４はベース５１の上に載置され、フレーム５５の下面をベース５１の上面に接着されており、ベースの上面には可動電極５３と対向させて固定電極５２が設けられており、可動電極と固定電極との間には小さなギャップが形成されている。また、振動板５４の上面にはスペーサ５６を介してカバー６０が取付けられており、ビーム及びマス部がフレーム、ベース及びカバーによって密閉された構造となっている。また、２つのリード６１，６２は固定電極５２と可動電極５３に接続され、センサ出力が出力される。
この振動センサに振動（または加速度）が加わると、ビームを撓ませてマス部が厚み方向（矢印方向）に振動するので、可動電極と固定電極との間の電極間距離が変化し、両電極間の容量が変化する。したがって、この容量変化△Ｃをセンサ出力としてリードから取り出すことにより、機械的振動を電気信号に変換することができる。

図４（ｂ）に上記振動センサを用いた感震器のブロック図を示す。
信号処理回路６０は、振動センサ５０から出力されるセンサ出力を取り込み、センサ出力から振動波形を取り出す。この信号処理回路６０は、メモリやＩＣカード等によって、例えば、その地域の地理や特性に応じた地震波データを保持しており、振動センサのセンサ出力から得た振動波形を解析することにより、検知している振動が地震であるか地震以外の振動であるかを判別し、地震であると判断した場合には地震出力を外部へ出力する。
振動センサの故障を検出するための自己診断回路７０は、昇圧回路７２とセンサ故障検知回路７１とからなる。昇圧回路７２は、リード６１，６２を通して振動センサの電極間に数レベルの高電圧を印加することができ、センサ故障検知回路は診断用の高電圧を印加されたときの電極間容量の変化△Ｃをセンサ出力から読み取り、当該容量変化△Ｃの様子が正常時の容量変化であるか否かを判断し、異常であると判断した場合には故障出力を外部へ出力する。
特開平８−７５７８３号公報（図１、段落（０００８〜００１２）） 特許第３０９７１７３号（図１、図２、段落（００１０〜００１２））

従来例１における半導体式（静電容量検出型）加速度センサの故障を診断する方法は、カンチレバーが破断して錘が落下した時に発光素子と受光素子との光路を遮断することによって故障を検出しているが、錘が落下して光路を遮断させるために枠（ガラス基板等のガイド）がカンチレバーの破断時の錘の動きを制限するような構造になっている。したがって、この構造では故障診断を機能するためにはセンサの取付け姿勢（例えば、斜めに設置）によっては正しく機能しない場合がある。
また、従来例２の故障診断方法は、故障診断用の昇圧回路からセンサの検出電極間に高電圧を印加し故障検知回路で電極間容量の変化をセンサ出力から読み取り、当該容量変化の様子が正常時の容量変化であるか否かを判断し、異常であると判断した場合には故障出力を外部へ出力するものである。この方法では検出電極を故障診断に利用しているため、診断時には振動センサの検出出力を得られない。

本発明は、半導体エッチング形成等による方形ダイアフラム上の可動電極と、ガラス等絶縁体上の固定電極との加速度に基づく静電容量変化によって検出可能な加速度センサにおいて、表面を導体として接地した錘と、ダイアフラム枠の錘に近接した領域に酸化膜を介して設けた故障診断用電極と、発振回路とフィルタによる故障診断回路を用いることにより、ダイアフラム破損時に起きる故障診断用電極の容量変化を電気的にセンサの起動中に常時判定することが可能となる。

本発明は、静電容量検出型加速度センサにおいて、比較的簡単な構造でセンサの破損の有無をセンサ起動中であっても常時診断することが可能となる。

図１、図２を参照して本発明の実施例を説明する。
本発明の電極配置の一例を図１に示す。
シリコン等半導体のエッチング形成等による方形ダイアフラム２上の可動電極（可動電極はダイアフラム自体を導電材料で形成するか、ダイアフラム表面に導電膜を形成する）と、ガラス等絶縁体によるベース基板３上の固定電極（検出用電極）Ｘ1，Ｘ2、Ｙ1，Ｙ2、Ｚとで静電容量検出型加速度センサ素子が構成され、可動電極はダイアフラム自身を共通（ＧＮＤ）電極としている。可動電極（ダイアフラム）の加速度により可動電極が変位し固定電極との間の静電容量が変化する。検出回路４は、この静電容量の変化を電気信号に変換してセンサ出力を得るものである。検出回路（Ｘ）４−１，検出回路（Ｙ）４−２は、電極対Ｘ1，Ｘ2と電極対Ｙ1，Ｙ2はそれぞれの電極対での静電容量差を入力加速度の信号として扱うため、電極対Ｘ1，Ｘ2は図中（１）、電極対Ｙ1，Ｙ2は図中（２）の方向の加速度に対して検出可能となる。また、電極Ｚは図中（３）の加速度に対して検出可能で、検出回路（Ｚ）４−３は、単体の容量変化またはバイアス相殺用の固定容量（基準容量）ＣＺとの静電容量差を入力加速度の信号として扱う構成となる。また電極Ｚは検出感度を最も効率的にするため、可動電極の変位量が最大となるダイアフラムの中心部分に配置されている。

次に故障診断について説明する。
ダイアフラム２の枠上の全周に酸化膜等による絶縁層２−２を設けた上に故障診断用電極２−１が配置されている。錘体１はダイアフラム枠の幅と同じ寸法で、加速度応答によるダイアフラムの変動によって錘体がダイアフラム枠にぶつからないように段差を構成している。錘体１（錘体は導電材料で形成するか、表面に導電膜を形成する）は表面が導体でダイアフラム２に電気的に接続されているため、故障診断用電極２−１はＧＮＤとの間に静電容量Ｃａを有する。ここで、センサが基準となる入力加速度条件にある時の静電容量を基準値Ｃｏとする。故障診断用電極２−１は故障診断回路５に接続されている。
故障診断回路５は正弦電圧を発生する発振回路５−１と抵抗Ｒｏと整流回路５−２と判定回路５−３から構成されており、Ｒｏと前記静電容量Ｃａで低域通過フィルタを構成している。なお、発振回路５−１の周波数とＲｏとＣｏとで構成される同フィルタの遮断周波数はほぼ同値とする。
図２（ａ）に示すように、基準状態（正常時）でのフィルタ出力（整流回路の入力）Ｖｏは発振回路出力Ｖ１の約１／２の振幅となるように、予め発振周波数とＲｏを設定し、入力加速度に応じて静電容量Ｃａが変化するためフィルタ出力も増減する。フィルタ出力は整流回路５−２で直流化され判定回路５−３に入力される。判定回路５−３では、入力電圧が所定の範囲内にあるか否かを判定する機能を有する。所定の範囲とはセンサが検出可能な入力加速度範囲での錘体の変位による静電容量Ｃａの変化に伴うフィルタ出力の変動範囲（正常域）であり、０Ｖや発振回路出力の振幅と同じ電圧値の場合は異常と判断する構成となっている。このためダイアフラムが破損していない場合は判定回路の入力は上記の範囲内であり、正常であると判断できる。

ここでダイアフラムが破損した時のセンサの状態と実施例での作用を述べる。
ダイアフラムが破損した時、錘体は座屈してダイアフラム枠に接するか、またはダイアフラム枠外に外れる。図２（ｂ）に示すように、錘体がダイアフラム枠に接した時、静電容量Ｃａは短絡しフィルタ出力は０Ｖとなり、判定回路５−３では範囲外の電圧となるため、異常であると判断することができる。また、図２（ｃ）に示すように、錘体がダイアフラム枠外に外れた時の静電容量Ｃａは開放、即ち静電容量がないためフィルタ出力は発振回路出力と同じ振幅となる。これにより判定回路では範囲外の電圧となるため異常であると判定することができる。
以上説明したように、本発明は、例えばＸ，Ｙ，Ｚ方向に検出用電極が必要とされる３軸静電容量検出型加速度センサにおいて、ダイアフラムの枠表面上に設けた故障診断用電極と錘体の故障診断用電極に対向して設けた導体を用いてダイアフラムの破損を検出することができるので、比較的簡単な構造でセンサの破損の有無をセンサ起動中は常時診断することが可能となる。
なお、上記実施例において方形ダイアフラムに代えて他の形状、例えば円盤状ダイアフラムとしてもよく、また、図１（ｃ）の加速度センサを上下逆としても同様に機能する。さらに故障診断回路として静電容量Ｃａを直接計測するようにしてもよい。

本発明の可動電極と固定電極の構成例、及び故障診断可能な静電容量検出型加速度センサの構成例を示す図。 本発明の故障診断可能な静電容量検出型加速度センサの動作説明図。 従来例１の半導体式加速度センサの構成を示す図。 従来例２の感震器の構成を示す図。

符号の説明

１・・・錘体
２・・・ダイアフラム、２−１・・・故障診断用電極、２−２・・・絶縁層、２−３・・・錘体接合部
３・・・ベース基板、Ｘ，Ｙ，Ｚ・・・電極
４・・・検出回路
５・・・故障診断回路、５−１・・・発振回路、５−２・・・整流回路、５−３・・・判定回路

Claims (1)

1. 錘体を取り付けたダイアフラムと絶縁体からなるベース基板を備え、ダイアフラム上に設けた可動電極と絶縁体からなるベース基板上に設けた固定電極とを対向して配置し、加速度による可動電極と固定電極間の静電容量の変化を検出して出力する静電容量検出型加速度センサにおいて、
   ダイアフラムの枠表面上に故障診断用電極を設け、
   錘体上に故障診断用電極と対向し、近接した領域に導体を設け、
   故障診断用電極と錘体上の導体間に故障診断用信号を印加し、故障診断用電極の電圧をモニタして、予め設定された電圧値と比較し、加速度センサの破損故障を検知する故障診断回路を備えた、
   ことを特徴とする故障診断可能な静電容量検出型加速度センサ。
   

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