JP3216955B2 - 容量式センサ装置 - Google Patents

容量式センサ装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は静電容量の変化により物
理量を検出する容量式センサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の容量式センサ装置としては、例え
ば特開平5−223844 号に記載されている静電容量式セン
サの故障診断装置にセンサ容量をリニアに検出する容量
式センサ装置がある。この従来の容量式センサを図２に
示す。図２において、検出器はスイッチ１０，１２，セ
ンサ部１１，コンデンサ１３，演算増幅器１４，サンプ
ルホールド回路１５から構成され、スイッチ１０により
センサ部１１の静電容量を充放電し、この時流れる充放
電電流をスイッチ１２，コンデンサ１３，演算増幅器１
４によって構成されるリセット機能付き積分器によって
充電することにより図３に示すようにセンサ部１１の容
量値に応じた波高値を持つパルス波形が演算増幅器１４
の出力に得られる。このパルス波形の波高値をサンプル
ホールド回路１５によりサンプリングすることで静電容
量の変化を検出するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
容量検出器では演算増幅器１４の出力は図３に示したよ
うにパルス状に変化する。このため、演算増幅器１４に
は非常に速い応答性と大きな出力電流が要求された。ま
た、演算増幅器１４の出力がパルス波形であることから
後段にサンプルホールド回路１５を設け、連続信号に変
換する必要があった。このようなことから上記従来技術
では回路規模が大きくなってしまった。また、従来技術
の容量検出器を集積化する場合、容量検出器の感度を決
めるコンデンサ１３としてＭＯＳ容量が使用されるが、
ＭＯＳ容量の電圧依存性によりセンサ部１１の容量値と
容量検出器の出力電圧の関係に大きな非直線性が生じて
しまった。また、従来技術の容量検出器の感度を上げる
ためにはコンデンサ１３の容量値を小さくする必要があ
るが、センサ部１１には非常に大きなオフセット容量
（検出する物理量によって変化しない静電容量分）があ
りコンデンサ１３の容量値を小さくすると演算増幅器１
４の安定性や応答性が低下するので感度を上げることに
限界があった。
【０００４】本発明の目的は、構造が簡単で、ＭＯＳ容
量の電圧依存性により直線性が劣化せず、且つ、感度の
大きい容量式センサ装置を提供することある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的は、センサ部の
静電容量の変化により物理量を検出する容量式センサ装
置において、前記静電容量を充放電させる手段と，第１
のコンデンサを有し前記静電容量を充放電させることに
より生じる充電あるいは放電する電流を積分する積分手
段と，前記積分手段の出力電圧を充電する第２のコンデ
ンサと，前記コンデンサに充電した電荷を前記積分手段
にフィードバックする手段とを有することにより達成さ
れる。 また、上記目的は、センサ部の静電容量の変化に
より物理量を検出する容量式センサ装置であり、前記静
電容量を充放電させる手段と，前記静電容量を充放電さ
せることにより生じる充電あるいは放電する電流を積分
する積分手段と，前記積分手段の出力電圧を充電するコ
ンデンサと，前記コンデンサに充電した電荷を前記積分
手段にフィードバックする手段とを有する容量式センサ
装置において、前記積分手段の出力電圧の直流レベルを
一定に保つ保持手段を有することにより達成される。 ま
た、上記目的は、センサ部の静電容量の変化により物理
量を検出する容量式センサ装置であり、前記静電容量を
充放電させる手段と，前記静電容量を充放電させること
により生じる充電あるいは放電する電流を積分する積分
手段と，前記積分手段の出力電圧を充電するコンデンサ
と，前記コンデンサに充電した電荷を前記積分手段にフ
ィードバックする手段とを有する容量式センサ装置にお
いて、前記出力電圧を積分する手段と上記容量検出器の
出力電圧を積分する手段の出力に応じてオフセット電圧
を変化させる手段を有することにより達成される。 ま
た、上記目的は、センサ部の静電容量の変化により物理
量を検出する容量式センサ装置であり、前記静電容量を
充放電させる手段と，前記静電容量を充放電させること
により生じる充電あるいは放電する電流を積分する積分
手段と，前記積分手段の出力電圧を充電するコンデンサ
と，前記コンデンサに充電した電荷を前記積分手段にフ
ィードバックする手段とを有する容量式センサ装置にお
いて、前記物理量は加速度であることにより達成され
る。
【０００６】また、上記目的は、センサ部に構成された
コンデンサの静電容量の変化により物理量の交流成分を
検出する容量式センサ装置において、前記コンデンサの
容量値があらかじめ定められた容量値から外れたときに
出力電圧を電源電圧あるいは接地電圧に接続する手段を
有することによって達成される。
【０００７】
【作用】出力電圧は連続的に変化する。このため、容量
検出器に使用する演算増幅器は低速の応答性で、且つ、
小出力電流で動作させることができる。また、容量検出
器の出力電圧が連続的に変化することからサンプルホー
ルド回路も不要である。
【０００８】
【実施例】図１に本発明による容量検出器の基本回路を
示す。容量検出器はスイッチ１，３，５，演算増幅器
７，コンデンサ４，６により構成され、センサ部２の容
量値の変化に応じたアナログ電圧を発生させる回路であ
る。スイッチ１，３，５は同期して動作し、ａ側とｂ側
を交互に開閉する。まず、スイッチ１，３，５がｂ側に
閉じた時にはセンサ部２は放電され、コンデンサ４には
容量検出器の出力電圧が充電される。次に、スイッチ
１，３，５がａ側に閉じた時にはセンサ部２は充電さ
れ、この充電電流はコンデンサ６を介して流れ、センサ
部２に充電された電荷と同じ量の電荷がコンデンサ６に
追加充電される。また、コンデンサ４はスイッチ５がａ
側に閉じることで放電され、この放電電流はコンデンサ
６に蓄えられる。この関係は次のように表される。
【０００９】ＱC6(n)＝ＱC6(n−1)＋ＱCS＋ＱC4 −Ｃ6ＶOUT(n)＝−Ｃ6ＶOUT(n−1)＋ＶCCＣS＋Ｃ4ＶOUT
(n−1) ＱC6(n) ：現在のコンデンサ６の充電電荷量 ＱC6(n−1) ：１回前のコンデンサ６の充電電荷量 ＱCS ：センサ部２の充電電荷量 ＱC4 ：コンデンサ４の充電電荷量 ＶOUT(n) ：現在の容量検出器の出力電圧 ＶOUT(n−1)：１回前の容量検出器の出力電圧 ＶCC ：電源電圧 ＣS ：現在のセンサ部２容量値 Ｃ6 ：コンデンサ６の容量値 Ｃ4 ：コンデンサ４の容量値 この関係から容量検出器の出力電圧の最終値を求めると
次のように表される。
【００１０】
【数１】
【００１１】ＶOUT(∞)：容量検出器の出力電圧の最終
値 つまり、容量検出器の出力電圧の最終値はセンサ部２の
容量値に比例して変化することがわかる。
【００１２】また、容量検出器の出力電圧は上記従来例
のようにパルス状に変化はせず、図４に示すように連続
的に変化する。このため、容量検出器に使用する演算増
幅器は低速の応答性で、且つ、小出力電流で動作させる
ことができる。また、容量検出器の出力電圧が連続的に
変化することからサンプルホールド回路も不要である。
【００１３】また、容量検出器の感度を決定するコンデ
ンサ４に電圧依存性がでないようにバイアス電圧を印加
することが可能であるから本容量検出器を集積化して
も、センサ容量の容量値と容量検出器の出力電圧の関係
に非直線性がでないようにできる。図１ではコンデンサ
４の一端を電源電圧に接続することでコンデンサ４の電
源に接続されている側を常に高電位に維持している。
【００１４】また、本容量検出器ではコンデンサ４の容
量値を小さくすることにより感度を増加できる。言い換
えればコンデンサ６の容量値に本容量検出器の感度は依
存しない。従って、演算増幅器７の応答性や安定性はコ
ンデンサ６の容量値を大きくすることで達成でき、セン
サ部２に大きなオフセット容量があっても演算増幅器７
の応答性や安定性を低下させない。また、本容量検出器
ではコンデンサ４の容量値を小さくしても演算増幅器７
の応答性や安定性を低下させることがないから、コンデ
ンサ４の容量値を小さくでき、従来技術と比較すると容
量検出器の感度を５倍以上増加できる。
【００１５】また、本容量検出器の変形例として図５に
示すような構成もある。本容量検出器はセンサ部２１を
充放電するスイッチ２０，２２，積分器を構成するコン
デンサ２６，演算増幅器２７，容量検出器の出力電圧を
充電して積分器に充電電荷をフィードバックするスイッ
チ２３，２５，コンデンサ２４より構成され先に説明し
た容量検出器と同様な特徴を持っている。
【００１６】実施例の説明に先立ち、容量式センサの概
要を図６，図７より説明する。図６は容量式加速度セン
サの断面、図７は容量式圧力センサの断面である。
【００１７】まず、容量式加速度センサの構成を図６よ
り説明する。本容量式加速度センサはガラス層３０，シ
リコン層３１，ガラス層３２，シリコン層３３よりなる
４層構造である。シリコン層３１にはエッチングにより
カンチレバー３５を形成している。また、ガラス層３２
にはカンチレバー３５に対抗するように固定電極３４を
形成し、スルーホール３６を介してシリコン層３３に接
続している。この容量式加速度センサに図面左右方向の
加速度が働くとカンチレバー３５は慣性力により図面左
右方向に移動し、固定電極３４とカンチレバー３５間の
ギャップが変化する。カンチレバー３５と固定電極３４
間のギャップが変化するとカンチレバー３５と固定電極
３４間の静電容量が変化するからこの静電容量の変化を
検出することにより加速度を検出するものである。ま
た、本容量式センサは絶縁性の接着剤３７(シリコーン
ゴム，エポキシ接着剤等)により金属基板３８に接着し
て固定される。この時、金属基板３８はシリコン層３１
とシリコン層３３間の浮遊容量を低減するために接地し
ている。また、シリコン層３１と金属基板３８間の浮遊
容量を低減するためにシリコン層３１と金属基板３８間
の間隔を広げている。
【００１８】次に、容量式圧力センサの構成を図７より
説明する。本圧力センサはガラス層４２とシリコン層４
３よりなる２層構造で、シリコン層４３には薄膜部４１
を形成し、ガラス層４２には薄膜部４１に対抗するよう
に固定電極４０を形成している。従って、薄膜部４１に
圧力が働くことにより薄膜部４１は図面上下方向に移動
する。薄膜部４１が図面上下方向に移動することにより
薄膜部４１と固定電極４０間のギャップが変化し、薄膜
部４１と固定電極４０間の静電容量が変化する。この静
電容量の変化を検出することにより、薄膜部４１に加わ
った圧力を検出するものである。
【００１９】次に、本発明の第１の実施例である容量式
センサ装置を図８により説明する。図８は本発明による
容量式センサ装置の第１の実施例の構成である。本容量
検出器はセンサ容量５３，容量検出の基本回路を構成す
るスイッチ５０，５５，５７，コンデンサ５６，５８，
演算増幅器６６，容量検出器のオフセットを調整するた
めのスイッチ６０，６２，６３，６５，コンデンサ６
１，６４，出力信号の感度を調整するゲイン可変増幅器
を構成する可変抵抗５９，演算増幅器６７，基準電圧を
発生する抵抗６８，６９と、出力電圧の直流成分をフィ
ードバックして出力電圧の直流レベルを一定化する積分
器を構成する抵抗７２，コンデンサ７１，演算増幅器７
０，起動時に出力電圧の直流レベルを高速に基準値に到
達させる抵抗７３，起動回路７４，センサの診断を実行
するスイッチ５１，５４，電池５２より構成される。
【００２０】まず、容量検出動作について説明する。本
容量検出器はスイッチ５０，５５，５７，コンデンサ５
６，５８，演算増幅器６６により構成される基本回路に
スイッチ６０，６２，６３，６５，コンデンサ６１，６
４を付加して出力電圧のオフセットを変化できるように
した容量検出器である。これはセンサ部５３の大きなオ
フセット容量を差し引くための回路であるから、スイッ
チ５０とスイッチ６０，６３を逆位相で動作させて、セ
ンサ部５３とコンデンサ６１，６４の充放電電流の差分
に比例した電圧が容量検出器の出力に得られるようにし
ている。また、スイッチ６３側を充放電させる電圧は変
化できるようにしており、センサ部５３の浮遊容量など
が変化しても出力電圧のオフセット値を適当な電圧に調
整できるようにしている。また、センサ部５３に大きな
オフセット容量（検出する物理量によって変化しない静
電容量分）がある場合にもコンデンサ６４を充放電させ
る電圧を調整することにより、容量検出器の感度を上げ
ても容量検出器の出力電圧が飽和しないようにできるか
ら、容量検出器の感度を大きくすることが可能である。
【００２１】次に、診断動作について説明する。車両の
衝突を検出するクラッシュセンサ等ではセンサ部５３の
動作を診断する必要があり、本容量検出器にもセンサ部
５３の動作を診断する機能を付加している。本容量検出
器ではセンサ部５３の静電容量を充放電する合間に空き
時間があり、この空き時間にスイッチ５１，５４を短絡
してセンサ部５３の両端に電池５２から供給される電圧
を印加する。この電圧によりセンサ部５３の電極間に静
電気力が発生し、この静電気力によりセンサ部５３の容
量値が変化する。この変化が容量検出器により出力電圧
に反映されるからこの変化を検出することによりセンサ
の診断ができるようにしている。
【００２２】次に、本容量検出器の出力電圧の直流レベ
ルを一定にする動作について説明する。これは演算増幅
器７０，抵抗７２，コンデンサ７１により構成される積
分器により、容量検出器の出力電圧を積分し、この積分
器の出力電圧でコンデンサ６４を充放電する電圧を変化
させることにより、容量検出器の出力電圧の直流レベル
を一定化している。これは容量検出器の感度を決定する
コンデンサ５６の電圧依存性により、容量検出器の感度
が変化することを低減するために、コンデンサ５６の両
端の電圧を常に一定にするために行っている。これを行
うことにより本容量検出器を利用した容量式センサの直
流出力はカットされるがクラッシュセンサのように車両
の衝突を検出するようなセンサでは直流成分は不要であ
るからこのような用途に適応可能である。
【００２３】クラッシュセンサではセンサの直流ドリフ
トの除去やオフセット調整の省略のために直流成分をカ
ットする方法は従来から知られており、図９に示すよう
にＨＰＦ（ハイパスフィルタ）を直列に挿入する方法が
ある。この方法と図８で説明した本発明による方法を比
較し、本発明の利点を説明する。まず、図９の構成を説
明する。本構成はセンサ部８１を充放電するスイッチ８
０，８２と容量検出器を構成するコンデンサ８３，８
５，スイッチ８４，演算増幅器８８とＨＰＦとゲイン調
整回路を構成するコンデンサ８６，可変抵抗８７，演算
増幅器８９より構成される。本構成においてセンサ部８
１が短絡あるいは断線した場合、出力信号はセンサ部８
１が正常に動作している時となんら変わらない。つま
り、本構成では出力信号を観測するだけではセンサ部の
断線あるいは短絡を判断できない。これに対して、図８
で説明した本発明の容量検出器ではセンサ部５３の容量
値がコンデンサ６１の容量値とコンデンサ６１とコンデ
ンサ６４の和の容量値の間の容量値から外れると出力電
圧は電源電圧あるいは接地電圧に固定されてしまう。ま
た、センサ部５３が断線あるいは短絡した時にはセンサ
容量の容量値は０あるいは無限大になるため、センサ部
５３の容量値はコンデンサ６１の容量値とコンデンサ６
１とコンデンサ６４の和の容量値の間の容量値から外
れ、出力電圧は電源電圧あるいは接地電圧に固定され
る。つまり、出力電圧が電源電圧あるいは接地電圧に固
定されていることを確認することでセンサ部５３の異常
を検出することができる。
【００２４】次に、起動回路７４について説明する。前
述したように容量検出器の出力電圧の直流レベルを一定
にするためには積分器を使用する。しかし、積分器が充
電され容量検出器の出力電圧の直流レベルが一定値に到
達するまでには時間を要し、この時間が本容量検出器の
起動時間を遅らせる可能性があった。このことから、こ
の起動時間を短縮するために抵抗７３と起動回路７４を
設けている。
【００２５】まず、起動回路７４の動作を図１０により
説明する。図１０は起動回路７４の動作フローチャート
である。起動回路７４は電源投入時のみ動作し、容量検
出器の出力電圧を判定し、目標値よりも小さい場合は出
力ポートＰの電圧を０Ｖに、これとは逆に目標値よりも
大きい場合には出力ポートＰの電圧を５Ｖにして、抵抗
７３を介してつながっている積分器を急速に充放電する
ことで容量検出器の出力電圧を短時間に目標値に近付
け、容量検出器の出力電圧が目標値に到達すると同時に
出力ポートＰをハイインピーダンスにして、処理を終了
する。なお、この抵抗７３の駆動回路はマイクロコンピ
ュータを使用した装置においてはマイクロコンピュータ
を利用することにより容易に構成できる。
【００２６】次に、本発明の第２の実施例である容量式
センサの容量検出器を図１１，図１２により説明する。
図１１は本発明による容量式センサの容量検出器の第２
の実施例の構成、図１２は起動回路９７の動作フローチ
ャートである。本容量検出器は第１の実施例とほぼ同じ
であるが、抵抗９０，９１，９２，９３，９４，９５，
９６により構成される減衰器と、起動回路９７の構成を
変えたものである。本容量検出器でも出力電圧の直流レ
ベルを一定にするよう動作するため、直流及び直流に近
い低周波成分がカットされるが本容量検出器では減衰器
を設けることで第１の実施例の容量検出器よりも、より
直流に近い周波数成分まで検出できるようにした容量検
出器である。
【００２７】次に、起動回路９７の動作を図１２により
説明する。起動回路９７は電源投入時のみ動作し、容量
検出器の出力電圧を判定し、目標値よりも小さい場合は
出力ポートＰ1，Ｐ2，Ｐ3，Ｐ4の電圧を０Ｖに、これと
は逆に目標値よりも大きい場合には出力ポートＰ1，
Ｐ2，Ｐ3，Ｐ4の電圧を５Ｖにして、積分器を急速に充
放電することにより、容量検出器の出力電圧を短時間に
目標値に近付け、容量検出器の出力電圧が目標値に到達
すると同時にあらかじめ決めておいた電圧レベルを各出
力ポートＰ1，Ｐ2，Ｐ3，Ｐ4に出力して、処理を終了す
る。ここで、処理終了時に各出力ポートＰ1，Ｐ2，
Ｐ3，Ｐ4に出力する電圧レベル（０或いは電源電圧５
Ｖ）は容量検出器の出力電圧の直流レベルが最も目標値
に近くなるように設定している。これは、減衰器を構成
する抵抗９０，９１，９２，９３，９４，９５，９６の
バラツキや演算増幅器のオフセット電圧等により、容量
検出器の出力電圧の直流レベルが目標値からずれるの
で、これを調整するために行っている。なお、出力ポー
トＰ1，Ｐ2，Ｐ3，Ｐ4に出力する電圧レベルの組合せは
図１３に示した１２通りがあり、これらの設定は起動回
路９７に最初に電源を投入したときに自動的に起動回路
９７内部にある記憶装置に記憶されるようにしてある。
次に、本発明の第３の実施例である容量式センサの容量
検出器を図１４により説明する。図１４は本発明による
容量式センサの容量検出器の第３の実施例の構成であ
る。本容量検出器は第１の実施例とほぼ同じであるが、
抵抗１００，101,１０２により構成される減衰器と、抵
抗１００，１０２を短絡するスイッチ103と、起動回路
１０４の構成を変えたものである。本実施例での起動回
路１０４は電源投入時に動作し、一定時間以上あるいは
容量検出器の出力電圧が目標値に到達するまでスイッチ
１０３を短絡することにより、容量検出器の出力電圧が
短時間で目標値に到達するように働く。なお、起動回路
１０４の動作として容量検出器の出力電圧が一定時間以
上ゼロあるいは電源電圧に固定した場合にスイッチ１０
３を短絡するように動作させることでも電源投入時に容
量検出器の出力電圧を短時間に目標値に到達させること
ができる。
【００２８】次に、本発明の第４の実施例である容量式
センサの容量検出器を図１５，図１６，図１７により説
明する。図１５は本発明による容量式センサ装置の第３
の実施例の構成、図１６は非診断時のスイッチ１１２，
１１３，１１４，１１７，１１８，１１９の動作シーケ
ンス、図１７は診断時のスイッチ１１２，１１３，１１
４，１１７，１１８，１１９動作シーケンスである。本
容量検出器は基準電圧を発生する抵抗１１０，１１１，
センサ部１１６を充放電するスイッチ１１２，１１３，
１１４，診断のために静電気力を発生させるための電圧
を印加するスイッチ１１７，電池１１５，容量検出器の
基本回路を構成するスイッチ１１８，１１９，１２１，
コンデンサ１２０，１２２，演算増幅器１２３，基準電
圧を発生する抵抗１２４，１２５より構成される。
【００２９】まず、非診断時の動作を図１６より説明す
る。本容量検出器の動作は容量検出期間と診断期間に分
けられる。容量検出期間はスイッチ１１２，１１４，１
１８，１１９を開閉することにより、センサ部１１６を
充放電させて、この充放電電流をコンデンサ１２２に充
電することでセンサ容量を検出する期間である。非診断
時における診断期間ではスイッチ１１３，１１９を閉じ
て、センサ部１１６の両端の電圧を０にしてセンサ部１
１６の電極間に静電気力が働かないようしている。当然
のことであるが電極間に静電気力が働くと、この静電気
力により容量式センサの特性に誤差が発生する。
【００３０】次に、診断時の動作を図１７より説明す
る。容量検出期間の動作は非診断時と同様である。診断
時における診断期間ではスイッチ１１４，１１７を閉じ
て、電池１１５から供給される電圧をセンサ部１１６の
両端に印加して、センサ部116の電極間に静電気力を発
生させる。この静電気力によりセンサ部１１６の容量値
が変化するからこの容量値の変化を検出することにより
センサの診断をすることができる。
【００３１】次に、診断動作と起動動作を外部のマイコ
ンにより制御する一例を図１８より説明する。本例では
センサ部１３０の静電容量を診断機能と起動機能を有す
る容量検出器１３１により検出し、マイクロコンピュー
タ１３３に出力する構成である。マイクロコンピュータ
１３３は容量検出器１３１の診断動作と起動動作の実行
を制御信号により管理する。制御信号は周波数弁別器１
３２により、診断信号と起動信号に分けられる。つま
り、マイクロコンピュータ１３３により制御信号として
パルス信号を送った時には周波数弁別器１３２により診
断信号が容量検出器１３１に送られ、制御信号にローレ
ベルの信号を送った時には周波数弁別器１３２により起
動信号が容量検出器１３１に送られ、制御信号にハイレ
ベルの信号を送った時には診断信号，起動信号共に出力
しないようにしている。これにより、マイクロコンピュ
ータ１３３の出力ポート数の低減と、診断の実行をパル
ス信号により行うことにより、マイクロコンピュータ１
３３の誤動作により誤診断の実行を防ぐことができる。
【００３２】次に、本発明による容量検出器を使った応
用システムであるエアバッグシステムについて図１９よ
り説明する。図１９はエアバッグシステムの構成であ
る。本エアバッグシステムは本発明による容量検出器と
容量式加速度センサ（センサ容量）を組合せたクラッシ
ュセンサ１４１と、クラッシュセンサ１４１の出力電圧
を基に車両の衝突を検出しエアバッグ１４３を展開する
マイクロコンピュータ１４２と、衝突時展開して運転者
を保護するエアバッグ１４３，クラッシュセンサ１４
１，マイクロコンピュータ１４２及びエアバッグ１４３
に電源を供給する電源回路１４０より構成される。エア
バッグシステムにおいては非常に高精度の信頼性が要求
され、特に電源投入時に全ての部品に異常がないことを
検査する必要がある。この点から本発明による容量検出
器の特徴を見直すと、本容量検出器のほとんどの部品に
おいて短絡あるいは断線故障を発生した時に容量検出器
の出力電圧が電源電圧あるいは接地電圧に固定される特
徴を持っている。つまり、本容量検出器ではほとんどの
部品で短絡あるいは断線故障を発生しても、出力電圧が
電源電圧あるいは接地電圧に固定されるから、電源投入
時に容量検出器の出力電圧を観測することにより、容量
検出器内部の故障を検出することができる。このこと
は、容量検出器の出力電圧を積分器を介して容量検出器
の入力側へフィードバックしてフィードバックループを
構成することにより、容量検出器の全ての部品がフィー
ドバックループの内部にあるから容量検出器のほとんど
の部品の故障が容量検出器の出力電圧に反映されるから
である。
【００３３】次に、前述した静電気力を使った容量式セ
ンサ装置の診断を使って、図１４で説明した第３の実施
例の容量式センサ装置の診断をする方法を図２０を使っ
て説明する。なお、図２０は故障検出時の各部の波形で
ある。抵抗１００，１０２の短絡故障あるいはコンデン
サ７１の断線故障の検出は３状態を移行することにより
達成できる。まず、第１の状態は起動信号を与え、ポー
トＰ1 をハイレベルにしてスイッチ１０３を短絡して容
量検出器の出力電圧を短時間に目標値に到達させる。第
２の状態では診断信号を与え、静電力を使った容量式セ
ンサ装置の診断を実行する。この時、センサ部５３の容
量値が静電気力により変化するので容量検出器の出力も
図２０に示すように変化する。この時、容量検出器の出
力電圧は時間の経過とともに容量検出器の出力電圧を一
定にする作用が働き徐々に目標値に戻ろうとする。ここ
で、抵抗１００，１０２の短絡故障あるいはコンデンサ
７１の断線故障が起きていると容量検出器の出力電圧を
一定にする作用の時定数が変化し、図２０の点線に示す
ように高速に変化する。この時定数の変化を検出するこ
とにより、抵抗１００，１０２の短絡故障あるいはコン
デンサ７１の断線故障を検出することができる。第３の
状態は再び起動信号を与え、ポートＰ1 をハイレベルに
してスイッチ１０３を短絡し、容量検出器の出力電圧を
目標値に再度安定させる動作である。
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば、容量式センサ装置を低
応答性で且つ小出力電流の演算増幅器で構成でき、且
つ、サンプルホールド回路を不要にすることで容量式セ
ンサの回路規模を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の容量式センサ装置の基本回路図。
【図２】従来の容量式センサ装置の基本回路図。
【図３】図２の演算増幅器の出力波形図。
【図４】本発明の容量式センサ装置の出力波形図。
【図５】本発明の容量式センサ装置の変形例を示す回路
図。
【図６】容量式加速度センサの断面図。
【図７】容量式圧力センサの断面図。
【図８】本発明による容量式センサ装置の第１の実施例
の構成図。
【図９】従来のクラッシュセンサの直流成分のカット方
法を示す図。
【図１０】起動回路の動作フローチャート。
【図１１】本発明による容量式センサ装置の第２の実施
例の構成図。
【図１２】起動回路の動作フローチャート。
【図１３】起動回路の出力ポートの出力電圧の組合せを
示した図。
【図１４】本発明による容量式センサ装置の第３の実施
例の構成図。
【図１５】本発明による容量式センサ装置の第４の実施
例の構成図。
【図１６】非診断時のスイッチ１１２，１１３，１１
４，１１７，１１８，１１９の動作シーケンスを示した
図。
【図１７】診断時のスイッチ１１２，１１３，１１４，
１１７，１１８，１１９の動作シーケンスを示した図。
【図１８】診断動作と起動動作を外部のマイクロコンピ
ュータによる制御例を示した図。
【図１９】本発明による容量検出器を使ったエアバッグ
システムの構成図。
【図２０】故障診断時の各部の波形図。
【符号の説明】
１，３，５，１０，１２，２０，２２，２３，２５，５
０，５１，５４，５５，５７，６０，６２，６３，６
５，８０，８２，８４，１０３，１１２，１１３，１１
４，１１７，１１８，１１９，１２１…スイッチ、２，
１１，２１，５３，８１，１１６，１３０…センサ部、
４，６，１３，２４，２６，５６，５８，６１，６４，
７１，８３，８５，８６，１２０，１２２…コンデン
サ、７，１４，２７，６６，６７，７０，８８，８９，
１２３…演算増幅器、１５…サンプルホールド回路、３
０，３２，４２…ガラス層、３１，３３，４３…シリコ
ン層、３４…固定電極、３５…カンチレバー、３６…ス
ルーホール、３７…接着剤、３８…金属基板、４０…固
定電極、４１…薄膜部、５２，１１５…電池、５９，８
７…可変抵抗、６８，６９，７２，７３，９０，９１，
９２，９３，９４，９５，９６，１００，１０１，１０
２，１１０，１１１，１２４，１２５…抵抗、７４，９
７，１０４…起動回路、１３１…容量検出器、１３２…
周波数弁別器、１３３，１４２…マイクロコンピュー
タ、１４０…電源回路、１４１…クラッシュセンサ、１
４３…エアバッグ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三木 政之 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 鈴木 政善 茨城県勝田市大字高場2520番地 株式会 社 日立製作所 自動車機器事業部内 (72)発明者 半沢 恵二 茨城県勝田市大字高場字鹿島谷津2477番 地３ 日立オートモティブエンジニアリ ング株式会社内 (72)発明者 笹山 隆生 茨城県勝田市大字高場2520番地 株式会 社 日立製作所 自動車機器事業部内 (56)参考文献 特開 昭59−173703（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−281256（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−223844（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−32372（ＪＰ，Ａ) 独国特許出願公開4142101（ＤＥ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01P 15/125 G01L 9/12

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】センサ部の静電容量の変化により物理量を
    検出する容量式センサ装置において， 前記静電容量を充放電させる手段と， 第１のコンデンサを有し前記静電容量を充放電させるこ
    とにより生じる充電あるいは放電する電流を積分する積
    分手段と， 前記積分手段の出力電圧を充電する第２のコンデンサ
    と， 前記第２のコンデンサに充電した電荷を前記積分手段に
    フィードバックする手段とを有することを特徴とする容
    量式センサ装置。
  2. 【請求項２】センサ部の静電容量の変化により物理量を
    検出する容量式センサ装置であり、前記静電容量を充放
    電させる手段と，前記静電容量を充放電させることによ
    り生じる充電あるいは放電する電流を積分する積分手段
    と，前記積分手段の出力電圧を充電するコンデンサと，
    前記コンデンサに充電した電荷を前記積分手段にフィー
    ドバックする手段とを有する容量式センサ装置におい
    て、 前記積分手段の出力電圧の直流レベルを一定に保つ保持
    手段を有することを特徴とする容量式センサ装置。
  3. 【請求項３】請求項２において、 静電気力により前記センサ部に構成されたコンデンサの
    容量値を変化させることにより出力電圧を変化させる手
    段を有し、その手段により変化した出力電圧が前記保持
    手段により一定に戻るための時間から故障であるか否か
    を判断することを特徴とする容量式センサ装置。
  4. 【請求項４】請求項２において、 起動時に前記出力電圧の直流レベルを電源起動時に短時
    間で一定値に到達させる手段を有することを特徴とする
    容量式センサ装置。
  5. 【請求項５】センサ部の静電容量の変化により物理量を
    検出する容量式センサ装置であり、前記静電容量を充放
    電させる手段と，前記静電容量を充放電させることによ
    り生じる充電あるいは放電する電流を積分する積分手段
    と，前記積分手段の出力電圧を充電するコンデンサと，
    前記コンデンサに充電した電荷を前記積分手段にフィー
    ドバックする手段とを有することを特徴とする容量式セ
    ンサ装置において、 前記出力電圧を積分する手段と上記容量検出器の出力電
    圧を積分する手段の出力に応じてオフセット電圧を変化
    させる手段を有することを特徴とする容量式センサ装
    置。
  6. 【請求項６】センサ部の静電容量の変化により物理量を
    検出する容量式センサ装置であり、前記静電容量を充放
    電させる手段と，前記静電容量を充放電させることによ
    り生じる充電あるいは放電する電流を積分する積分手段
    と，前記積分手段の出力電圧を充電するコンデンサと，
    前記コンデンサに充電した電荷を前記積分手段にフィー
    ドバックする手段とを有する容量式センサ装置におい
    て、 前記物理量は加速度であることを特徴とする容量式加速
    度センサ装置。
  7. 【請求項７】請求項１ないし５のいずれかにおいて、前
    記物理量は圧力であることを特徴とする容量式圧力セン
    サ装置。
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