JP2014153204A - 容量式物理量検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全差動型のＣ−Ｖ変換回路を用いて低ノイズ化を図りながら物理量を静電容量の変化として検出するものにあって、自己診断を常時実行することを可能とする。
【解決手段】センサチップ１２からの信号を処理する信号処理回路１３を、チョッピング回路２４、全差動型のＣ−Ｖ変換回路２６、制御回路２７等から構成する。第５、第６のスイッチ３５、３６がオンされる正転区間、第７、第８のスイッチ３７，３８がオンされる反転区間、第３、第４のスイッチ３３，３４がオンされる第３区間を周期的に繰返す。制御回路２７は、正転区間におけるＡ出力と反転区間におけるＢ出力とが一致するかどうかの第１の判定、正転区間におけるＢ出力と反転区間におけるＡ出力とが一致するかどうかの第２の判定、第３区間におけるＡ出力、Ｂ出力が予め予測された出力に一致するかどうかの第３の判定を行い、それらから異常診断を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば加速度センサ装置やヨーレートセンサ装置等の、物理量を静電容量の変化として検出する容量式物理量検出装置に関する。

この種の容量式物理量検出装置として、例えば自動車のエアバッグシステムに搭載されている加速度センサ装置がある（例えば、特許文献１参照）。この加速度センサ装置は、半導体加速度センサチップ（センサエレメント）と、そのセンサチップからの検出信号を処理する処理回路とを備えている。前記センサチップは、ばね部を介して支持され加速度の作用に応じて変位する可動電極部と、この可動電極部の変位方向両側に隙間をもって配置された一対の固定電極部とを形成して構成される。

これにて、可動電極部と一方の固定電極部との間、及び、可動電極部と他方の固定電極部との間に、夫々コンデンサが形成され、それらコンデンサの静電容量は、センサチップに対する加速度の作用に伴う可動電極部の変位に応じて差動的に変化する。従って、加速度を容量値の変化として取出すことができる。また、近年では、この種の加速度センサ装置において、低ノイズ化を図るために、例えば特許文献２に示されるように、処理回路に、全差動型のＣ−Ｖ変換回路を採用することも考えられている。

ところで、特許文献１に示されるように、この種の加速度センサ装置では、エンジン始動時に、自らが正常に動作するかどうか（所定の感度が得られるか或いはセンサチップの隙間部分に異物がないか等）を診断するための自己診断機能を設けることが行われる。尚、特許文献１では、自己診断回路を用いて加速度センサの正常・異常を診断すると共に、同時に自己診断回路とＡ／Ｄコンバータとの間の導線の短絡の有無を検出する工夫がなされている。

特開２００５−２１２５６０号公報 特開２０１２−１１２６９５号公報

処理回路に全差動型のＣ−Ｖ変換回路を採用した加速度センサ装置の具体例を、図５に示す。この図５において、センサチップ（センサエレメント）１には、可動電極部と一方の固定電極部との間、及び、可動電極部と他方の固定電極部との間に、夫々コンデンサＣ１，Ｃ２が形成される。一方、処理回路２は、容量変化を電圧変化に変換する全差動型のＣ−Ｖ変換回路を備えていると共に、図示はしないが、センサチップ１の可動電極部にパルス状の搬送波（ＦＥ１、ＦＥ２）を印加する搬送波出力回路や、マイコン等からなり全体を制御する制御回路等を備えている。

前記Ｃ−Ｖ変換回路は、２個の入力端子と２個の出力端子とを有する全差動アンプ３と、この全差動アンプ３の非反転入力端子と−側の出力端子との間に並列に接続されたコンデンサ４（帰還容量Ｃｆ）及び第１のスイッチ５（ＳＷ１）と、全差動アンプ３の反転入力端子と＋側の出力端子との間に並列に接続されたコンデンサ６（帰還容量Ｃｆ）及び第２のスイッチ７（ＳＷ２）とを備えている。

前記センサチップ１の一方の固定電極部が全差動アンプ３の非反転入力端子に接続され、他方の固定電極部が全差動アンプ３の反転入力端子に接続されている。また、前記センサチップ１の一方の固定電極部は、第３のスイッチ８（ＳＷ３）を介してＨｉレベル（５Ｖ）の電源に接続され、他方の固定電極部は、第４のスイッチ９（ＳＷ４）を介してＬｏレベル（０Ｖ）の電源に接続されている。全差動アンプ３の２個の出力端子はコンパレータ１０に接続されている。

このとき、加速度を検出する通常動作時においては、センサチップ１の可動電極部に第１の搬送波ＦＥ１が印加されると共に、第３のスイッチ８（ＳＷ３）及び第４のスイッチ９（ＳＷ４）はオフ状態とされる。第１の搬送波ＦＥ１は、図６に示すように、例えば５Ｖと０Ｖとの間で振幅し、周波数が１２０ｋＨｚとされたパルス（矩形波）状をなしている。図６に示すように、この通常動作時には、第１の搬送波ＦＥ１の周期に合わせて、ＣＶ変換モード（ＣＶ１，ＣＶ２）、ＡＤ変換モード、待機モードが、周期的（４０ｋＨｚ）に繰返される。これにて、センサチップ１（可動電極部）に作用する加速度をそれら固定電極部と可動電極部との間の静電容量の変化として検出することができる。

これに対し、自己診断時においては、センサチップ１の可動電極部に自己診断用の第２の搬送波ＦＥ２が印加されると共に、第３のスイッチ８（ＳＷ３）及び第４のスイッチ９（ＳＷ４）がオン・オフ制御される。図７に示すように、自己診断用の第２の搬送波ＦＥ２は、例えば３Ｖと２．５Ｖとの間で所定のデューティ比で振幅し、その１周期のうち、３Ｖ側の時間が十分に短く、２．５Ｖ側の時間が十分に長いものとされている。この自己診断時には、第２の搬送波ＦＥ２の周期に合わせて、ＣＶ変換モード、ＡＤ変換モード、待機モードが、周期的（３０ｋＨｚ）に繰返される。そして、待機モードにおいて、第３のスイッチ８（ＳＷ３）及び第４のスイッチ９（ＳＷ４）がオンされる。

これにより、待機モードにおいて、センサチップ１の可動電極部と一方の固定電極部との間に静電気力を発生させ、可動電極部を強制的に変位させる。これにて、コンデンサＣ１，Ｃ２の静電容量が、通常時（加速度が作用していない状態）の静電容量に対して変動するので、ＣＶ変換モード及びＡＤ変換モードにおいて、全差動アンプ３の出力を監視し、可動電極部の変位に見合った静電容量の変化があったか（可動電極部が正常に動作しているか）を判断することにより、自己診断が可能となる。

しかしながら、上記したような従来の自己診断の機能では、車両のエンジンの始動時といった、実際の加速度検出を行う前のセンサを使用していないときにしか、自己診断を行うことができなかった。これに対し、車両の走行中（センサの使用中）においても、自己診断機能を実行できることが望まれるのである。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、全差動型のＣ−Ｖ変換回路を用いて低ノイズ化を図りながら物理量を静電容量の変化として検出するものにあって、自己診断を常時実行することを可能とした容量式物理量検出装置を提供するにある。

上記目的を達成するために、本発明の容量式物理量検出装置は、ばね部を介して支持され物理量の作用に応じて変位する可動電極部と、この可動電極部の変位方向両側に夫々隙間をもって配置された第１、第２の一対の固定電極部とを有するセンサエレメントを備えると共に、前記各固定電極部が接続される非反転及び反転の２個の入力端子と、第１及び第２の２個の出力端子とを有する全差動型のＣ−Ｖ変換回路を備えて構成され、前記可動電極部にパルス状の搬送波を印加した状態で、前記可動電極部の変位に応じた前記各固定電極部と可動電極部との間の静電容量の変化を、前記Ｃ−Ｖ変換回路の２個の出力端子間の電位差として出力するようにしたものであって、前記第１の固定電極部を前記Ｃ−Ｖ変換回路の非反転入力端子に接続し且つ前記第２の固定電極部を前記Ｃ−Ｖ変換回路の反転入力端子に接続した正転状態と、前記第１の固定電極部を前記Ｃ−Ｖ変換回路の反転入力端子に接続し且つ前記第２の固定電極部を前記Ｃ−Ｖ変換回路の非反転入力端子に接続した反転状態とを選択的に切替えるためのチョッピング回路と、前記第１、第２の固定電極部に夫々一定電圧を印加する電圧印加手段と、前記正転状態で前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力を検出する正転区間と、前記反転状態で前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力を検出する反転区間と、前記信号印加手段により第１、第２の固定電極部に夫々一定電圧を印加した状態で前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力を検出する第３区間とを、周期的に繰返すように前記チョッピング回路及び電圧印加手段の切替え制御を行う切替制御手段と、前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力から装置異常を診断する異常診断手段とを備えると共に、前記異常診断手段は、前記３つの区間のうち、前記正転区間における第１の出力端子の出力と前記反転区間における第２の出力端子の出力とが一致するかどうかの第１の判定、前記正転区間における第２の出力端子の出力と前記反転区間における第１の出力端子の出力とが一致するかどうかの第２の判定、前記第３区間における第１の出力端子の出力及び第２の出力端子の出力が予め予測された出力に一致するかどうかの第３の判定を行い、前記第３の判定が一致し且つ前記第１の判定又は第２の判定の少なくともいずれかに不一致があった場合に前記センサエレメントに異常があり、前記第３の判定に不一致があった場合に前記Ｃ−Ｖ変換回路に異常があると診断するところに特徴を有している。

上記構成において、センサエレメントの２つの出力とＣ−Ｖ変換回路の２つの入力との切替を行うチョッピング回路を設けて、正転区間と反転区間とを交互に設ける制御を行うことにより、センサエレメント及びＣ−Ｖ変換回路の双方に異常のない正常時においては、正転区間における第１の出力端子の出力と反転区間における第２の出力端子の出力とが一致する（第１の判定が一致する）と共に、正転区間における第２の出力端子の出力と反転区間における第１の出力端子の出力とが一致する（第２の判定が一致する）。

また、上記正転区間及び反転区間に加えて、信号印加手段により第１、第２の固定電極部に夫々一定電圧を印加した状態でＣ−Ｖ変換回路の出力を検出する第３区間を設けたことにより、Ｃ−Ｖ変換回路に異常のない状態では、第３区間における第１の出力端子の出力及び第２の出力端子の出力が予め予測された出力に一致する（第３の判定が一致する）ようになる。

これに対し、Ｃ−Ｖ変換回路に異常がある場合には、第３の判定に不一致が生ずるようになる。そして、第３の判定が一致している、つまりＣ−Ｖ変換回路に異常がないにもかかわらず、第１の判定又は第２の判定の少なくともいずれかに不一致があった場合には、センサエレメントに異常があると判断することができる。正転区間及び反転区間における出力に基づいて、物理量の変動を常時検出できることは勿論である。

従って、本発明によれば、切替制御手段により、正転区間、反転区間、第３区間とを、周期的に繰返すように制御が行われると共に、異常診断手段により、第１、第２、第３の判定を行うことにより、常時、物理量の検出を行うと共に、自己診断を行うことができる。しかも、第１、第２、第３の判定に基づいて、異常が判定された際に、センサエレメントと回路部とのどちらに異常があるかの切分けを行うことも可能となるものである。

本発明の一実施例を示すもので、半導体加速度センサ装置の要部の電気的構成を概略的に示す図 センサチップの概略的な平面図（ａ）及び縦断正面図（ｂ） 搬送波の波形、各スイッチのオン・オフ制御の様子、モード及び区間、並びに通常時の出力の例を示すタイミングチャート 回路部Ａに異常があった場合の出力の例を示すタイミングチャート 従来例を示す図１相当図 通常時における搬送波の波形、モードを示すタイミングチャート 自己診断時における搬送波の波形、モード等を示すタイミングチャート

以下、本発明を具体化した一実施例について、図１ないし図４を参照しながら説明する。図１は、本実施例に係る容量式物理量検出装置たる半導体加速度センサ装置１１の電気的構成を概略的に示す図であり、図２は、そのうちセンサエレメントたるセンサチップ１２の構成を概略的に示す図である。ここで、詳しく図示はしないが、この半導体加速度センサ装置１１は、センサチップ１２を、信号処理回路１３（図１参照）を形成した回路チップに実装したスタック構造を備え、それらを例えばセラミック製のパッケージ（図示せず）内に収容して構成される。

そのうち、まず、前記センサチップ１２の構成の概略について述べる。図２（ｂ）に示すように、このセンサチップ１２は、例えば、シリコンからなる支持基板１２ａ上に酸化膜１２ｂを介して単結晶シリコン層１２ｃを形成した矩形状（正方形状）のＳＯＩ基板をベースとし、マイクロマシニング技術によって、その表面の単結晶シリコン層１２ｃに溝を形成することにより、中央部の矩形領域に位置して物理量検出部としての加速度検出部１４を有している。

この場合、加速度検出部１４は、一方向の検出軸（Ｘ軸）を有するものとされ、図２（ａ）で前後方向（Ｘ軸方向）の加速度を検出するものとなっている。この加速度検出部１４は、加速度の作用に応じてＸ軸方向に変位する可動電極部１５と、左右一対の第１、第２の固定電極部１６、１７とを有して構成される。そのうち可動電極部１５は、加速度検出部１４の中心部を前後方向に延びる錘部１５ａの前後両端部に左右方向に細長い矩形枠状をなすばね部１５ｂを有すると共に、図で手前側のばね部１５ｂの更に前端側にアンカ部１５ｃを有している。そして、前記錘部１５ａから左右方向に夫々いわば櫛歯状に延びる多数本の細幅状の可動電極１５ｄを有して構成されている。

図２（ｂ）に示すように、この可動電極部１５は、前記アンカ部１５ｃを除いて、下面側の絶縁膜１２ｂが除去されており、アンカ部１５ｃのみが支持基板１２ａに支持されたいわゆる片持ち状に浮いた状態とされている。また、前記アンカ部１５ｃの上面部には、図１にも示すように、電極パッドからなる入力端子１８が設けられている。後述するように、この入力端子１８には、搬送波ＦＥが入力されるようになっている。

これに対し、左側の第１の固定電極部１６は、矩形状の基部１６ａから右方に櫛歯状に延びる複数本の固定電極１６ｂを有すると共に、基部１６ａから前方に延びる固定電極配線部１６ｃを有して構成されている。前記各固定電極１６ｂは、前記各可動電極１５ｄのすぐ後側に微小な隙間を介して平行に隣合うように設けられている。前記固定電極配線部１６ｃの前端部の上面に、図１にも示すように、電極パッドからなる第１の出力端子１９が設けられている。

右側の第２の固定電極部１７は、矩形状の基部１７ａから左方に櫛歯状に延びる複数本の固定電極１７ｂを有すると共に、基部１７ａから前方に延びる固定電極配線部１７ｃを有して構成されている。前記各固定電極１７ｂは、前記各可動電極１５ｄのすぐ前側に微小な隙間を介して平行に隣合うように設けられている。固定電極配線部１７ｃの前端部の上面に、図１にも示すように、電極パッドからなる第２の出力端子２０が設けられている。

これにて、前記可動電極部１５（可動電極１５ｄ）と第１の固定電極部１６（固定電極１６ｂ）との間、及び、可動電極部１５（可動電極１５ｄ）と第２の固定電極部１７（固定電極１７ｂ）との間に可動電極部１５を共通の電極としたコンデンサＣ１，Ｃ２（図１参照）が夫々形成され、これらコンデンサＣ１，Ｃ２の静電容量は、Ｘ軸方向の加速度の作用に伴う可動電極部１５の変位に応じて差動的に変化することになり、もって、加速度を容量値の変化として取出すことができるようになっている。

尚、図２では図示していないが、このセンサチップ１２には、ＧＮＤ端子２１（図１参照）となる電極パッドも設けられている。また、図１に示すように、このセンサチップ１２の第１、第２の出力端子（電極パッド１９、２０）は、夫々、回路チップ（信号処理回路１３）に設けられた第１の入力端子２２、第２の入力端子２３に接続される。この電気的接続は、ボンディングワイヤによる接続、或いは、バンプ接続によりなされるようになっている。

次に、前記回路チップは、図１に要部を示すように、前記センサチップ１２からの信号を処理するための信号処理回路１３を有して構成されている。この信号処理回路１３は、前記可動電極部１５（入力端子１８）に印加する搬送波ＦＥを発生する制御信号発生回路（図示せず）、チョッピング回路２４、容量変化を電圧変化に変換する全差動型のＣ−Ｖ変換回路２６、マイコン等からなり全体を制御する制御回路２７、コンパレータ２５、図示しない波形整形回路、出力アンプ回路、異常検出回路、発振回路、ＥＰＲＯＭ等を備えて構成されている。

前記制御信号発生回路により可動電極部１５（入力端子１８）に入力される搬送波ＦＥは、図３に示すように、電圧Ｖｐ（例えば電源電圧に等しい５Ｖ）と０Ｖとの間で振幅し、周波数が例えば１２０ｋＨｚとされたパルス状（矩形波状）をなしている。このとき、加速度センサ装置１１の動作時には、搬送波ＦＥは、可動電極部１５に常時印加されるようになっている。

図１に示すように、前記Ｃ−Ｖ変換回路２６は、非反転及び反転の２個の入力端子と、第１及び第２の２個の出力端子とを有する全差動アンプ２８と、この全差動アンプ２８の非反転入力端子と−側の第１の出力端子との間に並列に接続されたコンデンサ２９（帰還容量Ｃｆ）及び第１のスイッチ３１（ＳＷ１）と、全差動アンプ２８の反転入力端子と＋側の第２の出力端子との間に並列に接続されたコンデンサ３０（帰還容量Ｃｆ）及び第２のスイッチ３２（ＳＷ２）とを備えている。

前記全差動アンプ２８の２つの出力は、前記コンパレータ２５に入力される。尚、以下の説明においては、便宜上、全差動アンプ２８の第１、第２の出力端子からの出力を、夫々、Ａ出力、Ｂ出力と称することとする。また、全差動アンプ２８の非反転入力端子と第１の出力端子との間に設けられたコンデンサ２９と第１のスイッチ３１（ＳＷ１）との並列接続回路を、便宜上、回路部Ａと称し、全差動アンプ２８の反転入力端子と第２の出力端子との間に設けられたコンデンサ３０と第２のスイッチ３２（ＳＷ２）との並列接続回路を、便宜上、回路部Ｂと称することとする。

図１に示すように、前記第１の入力端子２２ひいては第１の固定電極部１６は、第３のスイッチ３３（ＳＷ３）を介して、前記搬送波ＦＥの中間電位（Ｖｐ／２）、この場合２．５Ｖの電源に接続されている。これと共に、前記第２の入力端子２３ひいては第２の固定電極部１７は、第４のスイッチ３４（ＳＷ４）を介して、やはり搬送波ＦＥの中間電位（Ｖｐ／２）である２．５Ｖの電源に接続されている。後述するように、前記第３、第４のスイッチ３３、３４は、制御回路２７により制御され、以て、第１、第２の固定電極部１６、１７に夫々一定電圧を印加する電圧印加手段が構成されている。

前記チョッピング回路２４は、前記第１の入力端子２２と全差動アンプ２８の非反転入力端子との間に挿設された第５のスイッチ３５（ＳＷ５）と、前記第２の入力端子２３と全差動アンプ２８の反転入力端子との間に挿設された第６のスイッチ３６（ＳＷ６）と、前記第１の入力端子２２と全差動アンプ２８の反転入力端子との間に挿設された第７のスイッチ３７（ＳＷ７）と、前記第２の入力端子２３と全差動アンプ２８の非反転入力端子との間に挿設された第８のスイッチ３８（ＳＷ８）とを備えている。

このチョッピング回路２４つまり前記第５〜第８のスイッチ３５〜３８についても、前記制御回路２７によりオン・オフ制御されるようになっている。このとき、チョッピング回路２４の第５のスイッチ３５（ＳＷ５）及び第６のスイッチ３６（ＳＷ６）がオンし、第７のスイッチ３７（ＳＷ７）及び第８のスイッチ３８（ＳＷ８）がオフしている状態を正転状態という。この正転状態では、第１の固定電極部１６が全差動アンプ２８の非反転入力端子に接続され、且つ、第２の固定電極部１７が反転入力端子に接続される。

これに対し、チョッピング回路２４の第５のスイッチ３５（ＳＷ５）及び第６のスイッチ３６（ＳＷ６）がオフし、第７のスイッチ３７（ＳＷ７）及び第８のスイッチ３８（ＳＷ８）がオンしている状態を反転状態という。この反転状態では、第１の固定電極部１６が全差動アンプ２８の反転入力端子に接続され、第２の固定電極部１７が非反転入力端子に接続される。尚、前記第１、第２のスイッチ３１、３２は、コンデンサ２９、３０のリフレッシュ用であり、やはり制御回路２７により適宜の時期にオンされるのであるが、本願発明の要旨とは関連性が薄いので、以下、オフしているものとして説明する。

さて、後の作用説明でも述べるように、前記制御回路２７は、そのソフトウエア構成（及びハードウエア構成）により、前記制御信号発生回路や第１〜第８のスイッチ３１〜３８等を制御する。このとき、図３、図４に示すように、制御回路２７は、前記正転状態でＣ−Ｖ変換回路２６の出力を検出する正転区間と、前記反転状態で前記Ｃ−Ｖ変換回路２６の出力を検出する反転区間と、前記第３、第４のスイッチ３３、３４をオンして第１、第２の固定電極部１６，１７に夫々一定電圧（２．５Ｖ）を印加した状態で前記Ｃ−Ｖ変換回路２６の出力を検出する第３区間とを、前記搬送波ＦＥの周期に合わせて周期的に繰返すように前記チョッピング回路２４及び第３、第４のスイッチ３３，３４の切替え制御を行う。

図３、図４に示すように、正転区間にあっては、搬送波ＦＥの１周期分ずつ、ＣＶ変換モード（より詳細には、基準を取るＣＶ１、変化量を検出するＣＶ２の２つのモード）、ＡＤ変換モード、待機モードが実行される。反転区間にあっても、同様に、搬送波ＦＥの１周期分ずつ、ＣＶ変換モード、ＡＤ変換モード、待機モードが実行される。第３区間においても、同様に、搬送波ＦＥの１周期分ずつ、ＣＶ変換モード、ＡＤ変換モード、待機モードが実行される。全差動アンプ２８からの検出信号（Ａ出力、Ｂ出力）は、各区間で、ＡＤ変換モード後のタイミングで出力される。

このとき、前記制御回路２７は、正転区間及び反転区間のＣ−Ｖ変換回路２６の出力（Ａ出力、Ｂ出力）から、センサチップ１２（車両）に作用する加速度を検出する。この加速度検出信号は外部に出力される。これと共に、制御回路２７は、上記３つの区間のＣ−Ｖ変換回路２６の出力（Ａ出力、Ｂ出力）から装置異常を診断する異常診断手段として機能するようになっている。

具体的には、制御回路２７は、前記３つの区間のうち、正転区間における全差動アンプ２８の第１の出力端子のＡ出力（ａ１）と、反転区間における全差動アンプ２８の第２の出力端子のＢ出力（ｂ２）とが一致するかどうかの第１の判定、正転区間における第２の出力端子のＢ出力（ｂ１）と反転区間における第１の出力端子のＡ出力（ａ２）とが一致するかどうかの第２の判定、前記第３区間における第１の出力端子のＡ出力（ａ３）及び第２の出力端子のＢ出力（ｂ３）が予め予測された出力（この場合基準値Ｓ）に一致するかどうかの第３の判定を行う。

そして、制御回路２７は、前記第３の判定が一致し且つ前記第１の判定又は第２の判定の少なくともいずれかに不一致（閾値以上の差）があった場合に前記センサチップ１２に異常があると判断する。前記第３の判定に不一致（閾値以上の差）があった場合に、前記Ｃ−Ｖ変換回路２６に異常があると診断する。またこの場合、第３の判定に不一致（閾値以上の差）があった場合には、Ａ出力（信号ａ３）に不一致があった場合には回路部Ａの異常、Ｂ出力（信号ｂ３）に不一致があった場合には回路部Ｂの異常と判断する。

次に、上記構成の作用について述べる。図３は、半導体加速度センサ装置１１の動作時における、センサチップ１２の可動電極部１５に入力される搬送波ＦＥの波形と、制御回路２７により制御される第３〜第８の各スイッチ３３〜３８のオン・オフの切替えの様子とを、モード及び区間と共に示している。また、各区間におけるＡ出力、Ｂ出力の例を併せて示しており、この図３では、センサチップ１２及び回路部（Ｃ−Ｖ変換回路２６）に異常は存在せず、また、比較的小さな加速度が作用している様子を示している。

上記したように、半導体加速度センサ装置１１の動作時には、常に、正転区間、反転区間、第３区間の３つの区間が周期的に繰返される。正転区間では、第５のスイッチ３５及び第６のスイッチ３６がオンされ、第７、第８のスイッチ３７，３８はオフされる。第３、第４のスイッチ３３，３４もオフされている。この正転区間における、全差動アンプ２８の第１の出力端子から出力される電圧信号（Ａ出力）をａ１とし、第２の出力端子から出力される電圧信号（Ｂ出力）をｂ１とする。

反転区間では、第７のスイッチ３７及び第８のスイッチ３８がオンされ、第５、第６のスイッチ３５，３６はオフされ、第３、第４のスイッチ３３，３４もオフされている。この反転区間においては、全差動アンプ２８の２つの入力端子に対する第１、第２の固定電極部１６，１７の接続状態が切替わる。この反転区間における、全差動アンプ２８の第１の出力端子から出力される電圧信号（Ａ出力）をａ２とし、第２の出力端子から出力される電圧信号（Ｂ出力）をｂ２とする。

第３区間においては、第３のスイッチ３３及び第４のスイッチ３４がオンされる。また、正転区間と同様に、第５、第６のスイッチ３５，３６がオンされ、第７、第８のスイッチ３７，３８はオフされる。尚、第３区間では、第５、第６のスイッチ３５，３６がオフ、第７、第８のスイッチ３７，３８がオンでも良い。この第３区間では、第１、第２の固定電極部１６，１７の電位が、強制的に２．５Ｖとなり、全差動アンプ２８の２つの入力端子に、共に２．５Ｖの電位信号が入力される。この第３区間における、全差動アンプ２８の第１の出力端子から出力される電圧信号（Ａ出力）をａ３とし、第２の出力端子から出力される電圧信号（Ｂ出力）をｂ３とする。

ここで、センサチップ１２に加速度が作用していない状態では、第１、第２の固定電極部１６、１７の電位が共にＶｐ／２（例えば２．５Ｖ）となってつりあった状態となり、コンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量が等しくなる。センサチップ１２に加速度が作用すると、可動電極部１５がＸ軸方向に変位する。すると、コンデンサＣ１、Ｃ２間で、可動電極部１５の変位量つまり加速度の大きさに応じた容量変化（＋ΔＣ，−ΔＣ）があり、それに応じた第１、第２の固定電極部１６，１７の電位信号が、第１，第２の出力端子１９，２０から出力される。

正転区間及び反転区間にあっては、それら信号が、Ｃ−Ｖ変換回路２６の全差動アンプ２８の入力端子に入力されて増幅され、第１、第２の出力端子からＡ出力（ａ１，ａ２）、Ｂ出力（ｂ１、ｂ２）として出力される。それらの出力信号は、コンパレータ２５に入力され、Ａ出力、Ｂ出力間の電位差から加速度検出信号を取出すことができる。このとき、全差動型のＣ−Ｖ変換回路２６（全差動アンプ２８）が用いられていることにより、低ノイズ化を図ることができる。

上記のように、制御回路２７は、異常診断を行うにあたり、正転区間における第１の出力端子のＡ出力（信号ａ１）と、反転区間における第２の出力端子のＢ出力（信号ｂ２）とが一致するかどうかの第１の判定を行う。また、正転区間における第２の出力端子のＢ出力（信号ｂ１）と、反転区間における第１の出力端子のＡ出力（信号ａ２）とが一致するかどうかの第２の判定を行う。さらに、第３区間における第１の出力端子のＡ出力（信号ａ３）及び第２の出力端子のＢ出力（信号ｂ３）が予め予測された出力（この場合、共に基準値Ｓ）に一致するかどうかの第３の判定を行う。

このとき、センサチップ１２の２つの出力とＣ−Ｖ変換回路２６（全差動アンプ２８）の２つの入力との切替を行うチョッピング回路２４を設けて、正転区間と反転区間とを交互に設ける制御を行うことにより、センサチップ１２やＣ−Ｖ変換回路２６の双方に異常のない正常時においては、正転区間における第１の出力端子のＡ出力（信号ａ１）と反転区間における第２の出力端子のＢ出力（信号ｂ２）とが一致する（第１の判定が一致する）。これと共に、正転区間における第２の出力端子のＢ出力（信号ｂ１）と反転区間における第１の出力端子のＡ出力（信号ａ２）とが一致する（第２の判定が一致する）。

また、第３区間を設けたことにより、Ｃ−Ｖ変換回路２６に異常がない場合には、センサチップ１２の異常の有無にかかわりなく、第３区間における第１の出力端子のＡ出力（信号ａ３）及び第２の出力端子のＢ出力（信号ｂ３）が、夫々、予め予測された出力（基準値Ｓ）に一致する（第３の判定が一致する）ようになる。

これに対し、Ｃ−Ｖ変換回路２６に異常がある場合には、第３の判定に不一致が生ずるようになる。そして、第３の判定が一致している、つまりＣ−Ｖ変換回路２６に異常がないにもかかわらず、第１の判定又は第２の判定の少なくともいずれかに不一致があった場合には、センサチップ１２に異常があると判断することができる。図４は、Ｃ−Ｖ変換回路２６のうち回路部Ａ（図１で上側）に異常が発生した場合の、各区間におけるＡ出力（信号ａ１，ａ２，ａ３）及びＢ出力（信号ｂ１，ｂ２，ｂ３）の例を示している。

図３と比較すれば明らかなように、図４の例では、第３区間において、Ａ出力（信号ａ３）が、基準値Ｓからずれており、Ｂ出力（信号ｂ３）は、基準値Ｓに一致している。このことから、Ｃ−Ｖ変換回路２６のうち回路部Ａに異常が発生していると判断することができる。尚、この場合には、Ｃ−Ｖ変換回路２６のうちの回路部Ａの異常に伴って、正転区間、反転区間における出力（信号ａ１，ａ２、信号ｂ１，ｂ２）にもずれ（例えば第１の判定の不一致）が生じているが、第３の判定が優先され、Ｃ−Ｖ変換回路２６の回路部の異常と判断される。

以上のように、本実施例の構成においては、全差動型のＣ−Ｖ変換回路２６を用いて低ノイズ化を図りながら加速度をセンサチップ１２における静電容量の変化として検出するものにあって、常時、加速度の検出を行うと共に、自己診断を行うことができるのである。尚、図示はしないが、制御回路２７は、上記した自己診断により装置異常と診断した場合には、異常がある旨や異常の個所（種類）を示す異常検知信号を外部に出力する。

このように本実施例によれば、自己診断機能の実行可能な時期がエンジン始動時にのみ限定されるといった従来技術と異なり、制御装置２７（切替制御手段）により、正転区間、反転区間、第３区間を、周期的に繰返すように制御が行われると共に、制御装置２７（異常診断手段）により、第１、第２、第３の判定を行うことにより、常時、加速度の検出と共に自己診断を行うことができるという優れた効果を奏する。しかも、第１、第２、第３の判定に基づいて、異常が判定された際に、センサチップ１２とＣ−Ｖ変換回路２６とのどちらに異常があるかの切分けを行うことも可能となるものである。

尚、上記実施例では説明しなかったが、第３区間において電圧印加手段により第１、第２の固定電極部１６、１７に印加される電圧としては、搬送波の中間電位（Ｖｐ／２）とに限らず、異なる電圧（例えば３．５Ｖと１．５Ｖ）としても良い。この場合、第３区間のＡ出力（信号ａ３）、Ｂ出力（信号ｂ３）の夫々について、第３の判定において、予想される出力（基準値Ｓ１、Ｓ２）に一致するかどうかを判定すれば良い。

また、本発明においては、センサエレメント（センサチップ）を、可動電極部に物理量が作用していない中立状態で、予め静電容量に差が生じるように、可動電極部と第１の固定電極部との間の隙間、及び、可動電極部と第２の固定電極部との間の隙間が、アンバランスになるように構成しても良い。これによれば、加速度が作用していない状態で、予め、Ａ出力とＢ出力との間で差分が生じるので、第１の判定、第２の判定を行う場合に、異常判定をより確実に行うことが可能となる。

その他、上記実施例では、本発明を半導体加速度センサに適用するようにしたが、例えばヨーレートセンサなど、他の容量式の半導体センサ装置（物理量検出装置）にも適用することができ、更には、二方向以上の検出軸を有する物理量センサに適用することもできる。また、上記した各電圧（Ｖｐ）や周波数などの具体的数値は、あくまでも一例を示したに過ぎず、実使用に応じて適切な値を設定すれば良い等、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得る。

図面中、１１は半導体加速度センサ装置（容量式物理量検出装置）、１２はセンサチップ（センサエレメント）、１４は加速度検出部、１５は可動電極部、１６は第１の固定電極部、１７は第２の固定電極部、２４はチョッピング回路、２６はＣ−Ｖ変換回路、２７は制御回路（切替制御手段、異常診断手段）、２８は全差動アンプ、３１〜３８はスイッチを示す。

Claims (3)

1. ばね部を介して支持され物理量の作用に応じて変位する可動電極部と、この可動電極部の変位方向両側に夫々隙間をもって配置された第１、第２の一対の固定電極部とを有するセンサエレメントを備えると共に、前記各固定電極部が接続される非反転及び反転の２個の入力端子と、第１及び第２の２個の出力端子とを有する全差動型のＣ−Ｖ変換回路を備えて構成され、
   前記可動電極部にパルス状の搬送波を印加した状態で、前記可動電極部の変位に応じた前記各固定電極部と可動電極部との間の静電容量の変化を、前記Ｃ−Ｖ変換回路の２個の出力端子間の電位差として出力するようにした容量式物理量検出装置であって、
   前記第１の固定電極部を前記Ｃ−Ｖ変換回路の非反転入力端子に接続し且つ前記第２の固定電極部を前記Ｃ−Ｖ変換回路の反転入力端子に接続した正転状態と、前記第１の固定電極部を前記Ｃ−Ｖ変換回路の反転入力端子に接続し且つ前記第２の固定電極部を前記Ｃ−Ｖ変換回路の非反転入力端子に接続した反転状態とを選択的に切替えるためのチョッピング回路と、
   前記第１、第２の固定電極部に夫々一定電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記正転状態で前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力を検出する正転区間と、前記反転状態で前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力を検出する反転区間と、前記信号印加手段により第１、第２の固定電極部に夫々一定電圧を印加した状態で前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力を検出する第３区間とを、周期的に繰返すように前記チョッピング回路及び電圧印加手段の切替え制御を行う切替制御手段と、
   前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力から装置異常を診断する異常診断手段とを備えると共に、
   前記異常診断手段は、前記３つの区間のうち、前記正転区間における第１の出力端子の出力と前記反転区間における第２の出力端子の出力とが一致するかどうかの第１の判定、前記正転区間における第２の出力端子の出力と前記反転区間における第１の出力端子の出力とが一致するかどうかの第２の判定、前記第３区間における第１の出力端子の出力及び第２の出力端子の出力が予め予測された出力に一致するかどうかの第３の判定を行い、
   前記第３の判定が一致し且つ前記第１の判定又は第２の判定の少なくともいずれかに不一致があった場合に前記センサエレメントに異常があり、前記第３の判定に不一致があった場合に前記Ｃ−Ｖ変換回路に異常があると診断することを特徴とする容量式物理量検出装置。
2. 前記センサエレメントは、前記可動電極部に物理量が作用していない中立状態で、予め静電容量に差が生じるように、前記可動電極部と前記第１の固定電極部との間の隙間、及び、該可動電極部と前記第２の固定電極部との間の隙間が、アンバランスに構成されていることを特徴とする請求項１記載の容量式物理量検出装置。
3. 前記信号印加手段は、前記第３区間において、前記第１、第２の固定電極部の双方に、前記搬送波の中間電位となる電圧を夫々印加することを特徴とする請求項１又は２記載の容量式物理量検出装置。

Images