JP4178658B2 - 容量式物理量検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速度、角速度、圧力等の物理量を検出する容量式物理量検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来、可動電極と固定電極を対向配置し、可動電極と固定電極間の容量に基づいて物理量を検出する容量式物理量検出装置において、その自己診断を行う場合、可動電極と固定電極間に静電気力を発生させ、擬似的に物理量が発生したような状態にして自己診断を行うようにしたものが種々提案されている。
【０００３】
例えば、特開平５−３２２９２１号公報には、昇圧回路を用いた自己診断用電源と加算器を備え、自己診断時に、固定電極に診断信号を加えて、可動電極に疑似的な加速度を与え、この擬似的な加速度により自己診断を行うようにしたものが開示されている。
また、米国特許第５，５４０，０９５号明細書には、自己診断を行うときに、可動電極に対向する２つの固定電極の一方への搬送波信号のレベルを自己診断の間低下させて、可動電極に擬似的な物理量を発生させ、この擬似的な物理量により自己診断を行うようにしたものが開示されている。
【０００４】
また、米国特許第５，５８３，２９０号明細書には、可動電極に対向する２つの固定電極のそれぞれに、中心電圧が異なる搬送波信号を印加して容量検出を行うとともに、自己診断を行うときに、可動電極に印加する電圧を自己診断の間変化させて、可動電極に擬似的な物理量を発生させ、この擬似的な物理量により自己診断を行うようにしたものが開示されている。
【０００５】
本発明は、このように擬似的に物理量を発生させて自己診断を行うものにおいて、新規な方式で自己診断を行うことができる容量式物理量検出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１乃至４に記載の発明においては、物理量の変化に応じて変位する可動電極（２ｄ）と、前記可動電極に対向して配置された固定電極（３、４）と、自己診断時には容量変化を検出するための期間と、自己診断を行うために前記可動電極を変位させるための期間とを有する信号を前記可動電極と前記固定電極との間に周期的に印加し、自己診断でない通常動作時には前記可動電極を変位させるための期間を含まず前記容量変化を検出するための期間を有する信号を前記可動電極と前記固定電極との間に周期的に印加する信号印加手段（２３、２４）と、前記容量変化を検出するための期間における信号が前記可動電極と前記固定電極との間に印加されているときに、前記可動電極と前記固定電極からなる容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路（２１）と、前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力電圧を信号処理して前記物理量の変化に応じた信号を出力する信号処理回路（２２）とを備え、前記Ｃ−Ｖ変換回路は、前記可動電極に一方の入力端子が接続される演算増幅器（２１ａ）を有して構成されており、前記信号印加手段は、前記容量変化を検出するための期間では、第１の電圧（Ｖ／２）を前記演算増幅器の他方の入力端子に印加し、前記可動電極を変位させるための期間では、前記可動電極に擬似的な物理量を発生させるために第２の電圧（Ｖ１）を前記演算増幅器の他方の入力端子に印加する手段（２３）を有することを特徴としている。
【０００７】
従って、自己診断時には、容量変化を検出するための期間と、自己診断を行うために可動電極を変位させるための期間とを有する信号が周期的に可動電極と固定電極との間に印加されるため、可動電極と固定電極の間に静電気力を発生させて可動電極に疑似的に物理量が発生した状態にすることができる。この場合、可動電極の変位を、容量変化を検出する期間におけるＣ−Ｖ変換回路の出力電圧に基づいて検出することにより、自己診断を行うことができる。
【０００９】
また、通常動作時には可動電極を変位させる期間をなくしているため、Ｃ−Ｖ変換回路の出力信号の周波数を高くすることができる。このようにＣ−Ｖ変換回路の出力信号の周波数を高くすることによって、検出感度を高めたり信号処理回路におけるノイズ除去のためのローパルフィルタの設定を容易にするなどの効果を奏する。
【００１０】
なお、請求項３に記載の発明のように、可動電極と固定電極との間に周期的に印加される信号の中にサーボ制御を行うための期間の信号を有し、その期間に信号処理回路からの信号を可動電極に印加して可動電極を所定の位置に保持させるようにすれば、サーボ制御を用いた容量検出手段において自己診断を行うことができる。
【００１２】
なお、容量検出感度は、一対の固定電極に印加する信号の振幅に比例するため、高い感度を得るには、できるだけ振幅を大きくすることが望ましい。そのためには、請求項４に記載の発明のように、容量変化を検出するための期間において、可動電極の両側に対向して配置された一対の固定電極に印加するそれぞれの信号を、中心電圧が等しく振幅が同一でかつ電圧レベルが反転した搬送波信号とすれば、電源電圧範囲で最大の振幅が得られるため、Ｃ−Ｖ変換回路における感度を高くすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、容量式加速度センサにおけるセンサ部の模式的構成を示す。このセンサ部は、センサエレメント１０および検出回路２０から構成されている。
センサエレメント１０は、梁構造体２を有する構造になっており、この梁構造体２は、梁構造体２を基板１の上面に固定するための４つのアンカ部２ａと、４つの梁部２ｂと、質量部２ｃと、質量部２ｃの両側に形成された複数の可動電極２ｄから構成されている。また、それぞれの可動電極２ｄには、固定電極３、４が対向配置され、固定電極３、４は基板１上に固定されている。
【００１４】
このような構成において、質量部２ｃが加速度を受けて変位すると、可動電極２ｄもそれに応じて変位する。可動電極２ｄと固定電極３および可動電極２ｄと固定電極４は差動の容量を構成しており、可動電極２ｄの変位に応じてそれらの容量が変化する。
検出回路２０は、可動電極２ｄと固定電極３、４による差動容量の変化に基づいて加速度を検出する。
【００１５】
図２に、その検出回路２０の具体的な構成を示す。検出回路２０は、Ｃ−Ｖ変換回路２１、信号処理回路２２、スイッチ回路２３および制御回路２４から構成されている。なお、スイッチ回路２３および制御回路２４は、可動電極２ｄと固定電極３、４の間に周期的に信号を印加する信号印加手段を構成しており、またスイッチ回路２３は、可動電極を変位させるための期間における信号を、自己診断でない時の信号と自己診断時の信号との間で切り替える切替手段、あるいは可動電極２ｄと固定電極３、４の間に静電気力を発生させて可動電極２ｄに擬似的な物理量を発生させるための信号にする手段を構成している。
【００１６】
Ｃ−Ｖ変換回路２１は、可動電極２ｄと固定電極３、４からなる差動容量の変化を電圧に変換するもので、演算増幅器２１ａ、コンデンサ２１ｂ、およびスイッチ２１ｃから構成されている。演算増幅器２１ａの反転入力端子は、可動電極２ｄに接続されており、反転入力端子と出力端子との間には、コンデンサ２１ｂおよびスイッチ２１ｃが並列に接続されている。また、演算増幅器２１ａの非反転入力端子には、スイッチ回路２３を介してＶ／２の電圧とＶ１の電圧のいずれかが入力される。
【００１７】
信号処理回路２２は、サンプルホールド回路２２ａ、増幅回路（ＡＭＰ）２２ｂ、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２ｃから構成されている。サンプルホールド回路２２ａは、Ｃ−Ｖ変換回路２１の出力電圧をサンプリングして一定期間保持し、増幅回路２２ｂは、サンプルホールド回路２２ａの出力電圧を所定の感度まで増幅し、ローパスフィルタ２２ｃは、増幅回路２２ｂの出力電圧から所定の周波数帯域の成分のみを取り出して、加速度検出信号を出力する。なお、サンプルホールド回路２２ａは、ボルテージフォロワを構成する演算増幅器２２１ａと、スイッチ２２１ｂと、コンデンサ２２１ｃにより構成されている。
【００１８】
スイッチ回路２３は、Ｃ−Ｖ変換回路２１における演算増幅器２１ａの非反転入力端子に、図示しないそれぞれの電圧源からのＶ／２の電圧とＶ１の電圧のいずれかを入力するもので、スイッチ２３ａとスイッチ２３ｂから構成されている。スイッチ２３ａとスイッチ２３ｂは、一方が閉じているときに他方が開くようになっている
制御回路２４は、基準クロックＣＬＫ、自己診断信号ＴＥＳＴに基づいて、固定電極３、４に印加する振幅Ｖの搬送波信号Ｐ１、Ｐ２およびスイッチ２１ｃ、スイッチ２２１ｂ、スイッチ２３ａ、スイッチ２３ｂを開閉させるスイッチ信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３（バー）、Ｓ３をそれぞれ生成して出力する。それぞれのスイッチは、半導体スイッチ等のスイッチ手段で構成されており、制御回路２４からのスイッチ信号がハイレベルのとき閉成する。なお、スイッチ信号Ｓ３（バー）は、スイッチ信号Ｓ３を反転した信号である。
【００１９】
上記構成においてその作動を、図３、図４に示す信号波形図を参照して説明する。
制御回路２４から出力される搬送波信号Ｐ１、Ｐ２は、図３、図４に示すように、３つの期間（φ１〜３）でハイレベル（Ｈｉ）とローレベル（Ｌｏ）が変化する一定振幅の矩形波信号となっており、搬送波信号Ｐ２は、搬送波信号Ｐ１に対して電圧レベルが反転した信号となっている。この実施形態においては、第１、第２の期間φ１、φ２が容量変化を検出するための期間で、φ３が可動電極を変位させるための期間となっている。
【００２０】
まず、通常動作時の作動について図３を参照して説明する。
第１の期間φ１では、搬送波信号Ｐ１はＨｉ、搬送波信号Ｐ２はＬｏになっている。また、制御回路２４からのスイッチ信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３（バー）、Ｓ３により、スイッチ２１ｃは閉、スイッチ２２１ｂは開、スイッチ２３ａは閉、スイッチ２３ｂは開になっている。このことにより、演算増幅器２１ａの非反転入力端子にＶ／２の電圧が印加され、可動電極２ｄにＶ／２の電圧が印加されるとともに、コンデンサ２１ｂの電荷が放電される。
【００２１】
この状態において、可動電極２ｄと固定電極３の間には、Ｑ１＝−Ｃ１・Ｖ／２という電荷がたまる。−の符号は可動電極２ｄの固定電極３側の表面に負の電荷がたまることを意味している。また、可動電極２ｄと固定電極４の間には、Ｑ２＝Ｃ２・Ｖ／２という電荷がたまる。
第２の期間φ２においては、搬送波信号Ｐ１、Ｐ２の電圧レベルが反転（Ｐ１がＬｏ、Ｐ２がＨｉ）し、スイッチ２１ｃが開くとともにスイッチ２２１ｂが閉じる。
【００２２】
このとき、可動電極２ｄと固定電極３間にはＱ１’＝Ｃ１・Ｖ／２という電荷がたまり、可動電極２ｄと固定電極４間にはＱ２’＝−Ｃ２・Ｖ／２という電荷がたまる。φ１のときに可動電極２ｄにたまっていた電荷（Ｑ１＋Ｑ２）とφ２のときに可動電極２ｄにたまっていた電荷（Ｑ１’＋Ｑ２’）の差ΔＱは、ΔＱ＝（Ｑ１＋Ｑ２）−（Ｑ１’＋Ｑ２’）＝−（Ｃ１−Ｃ２）Ｖとなる。
【００２３】
ここで、差動容量Ｃ１、Ｃ２が異なっていると、ΔＱという電荷が可動電極２ｄに生じるが、演算増幅器２１ａの作用によって可動電極２ｄの電圧はＶ／２に保持されるため、ΔＱの電荷は、コンデンサ２１ｂの可動電極２ｄ側にたまり、コンデンサ２１ｂの反対側の電極には、逆の極性の電荷ΔＱ’＝（Ｃ１−Ｃ２）Ｖがたまる。その結果、演算増幅器２１ａの出力端子にΔＱ’／Ｃｆ＋Ｖ／２＝（Ｃ１−Ｃ２）Ｖ／Ｃｆ＋Ｖ／２という電圧が生じ、容量の差（Ｃ１−Ｃ２）に応じた電圧が出力される。
【００２４】
この電圧はサンプルホールド回路２２ａにてサンプルホールドされ、増幅回路２２ｂ、ローパルフィルタ２２ｃを介して加速度検出信号として出力される。すなわち、サンプルホールド回路２２ａは、φ２の期間において演算増幅器２１ａの出力電圧をサンプリングし、それ以外の期間ではサンプリングした電圧を保持する。そして、このサンプルホールド回路２２ａからの出力電圧により、増幅回路２２ｂ、ローパルフィルタ２２ｃを介して加速度検出信号が出力される。
【００２５】
また、可動電極を変位させるための期間である第３の期間φ３においては、通常動作時では、スイッチ２３ａが閉じており、演算増幅器２１ａの非反転入力端子にＶ／２という電圧が印加される。また、スイッチ２１ｃも閉じるため、演算増幅器２１ａはボルテージフォロワとなり、可動電極２ｄにはＶ／２という電圧が印加される。この状態では、可動電極２ｄと固定電極３、４のそれぞれの間には、Ｖ／２という電位差により、相反する方向に同じ力の静電気力が生じるため、可動電極２ｄを変位させるような静電気力は発生しない。すなわち、後述するような擬似的な加速度を生じさせるような静電気力は発生しない。
【００２６】
従って、通常の動作時においては、上記したφ１〜φ３の期間の作動を繰り返し、可動電極２ｄが加速度を受けて変位すると、それに応じて加速度検出信号が信号処理回路２２から出力される。
次に、自己診断時の作動について図４を参照して説明する。
この自己診断時においては、制御回路２４に自己診断信号ＴＥＳＴが入力される。そして、制御回路２４は、図４に示す信号を出力し、第３の期間φ３において、スイッチ信号Ｓ３をハイレベルにし、スイッチ信号Ｓ３（バー）をローレベルにする。
【００２７】
その結果、第３の期間φ３において、スイッチ２３ｂが閉じ、スイッチ２３ａが開くため、演算増幅器２１ａの非反転入力端子にはＶ１の電圧が印加される。このとき、スイッチ２１ｃが閉じているため、演算増幅器２１ａはボルテージフォロワとなり、可動電極２ｄと固定電極３の間にはＶ１という電位差が生じ、可動電極２ｄと固定電極４の間にはＶ−Ｖ１という電位差が生じるため、可動電極２ｄと固定電極３、４とのそれぞれの間に、相反する静電気力が生じることとなり、各々の静電気力の差の力により可動電極２ｄを変位させようとする力が生じることとなる。
【００２８】
例えば、Ｖ１がＶ／２より高い電圧であればＶ１＞Ｖ−Ｖ１となり、固定電極３の方向に働く静電気力の方が固定電極４の方向に働く力より大きくなり、可動電極２ｄは固定電極３の方向に変位する。また、その逆であれば、固定電極４の方向に変位する。
この静電気力は、搬送波信号Ｐ１、Ｐ２の周波数を可動電極２ｄの検出方向の共振周波数より十分高い周波数（例えば、２倍以上の周波数）に設定しておけば、可動電極２ｄの共振周波数より十分高い周波数で発生することになるため、あたかもＤＣ的な加速度が可動電極２ｄに生じた状態となる。このときの可動電極２ｄのＤＣ的な変位を容量の変化として検出することにより、自己診断を行うことができる。
【００２９】
すなわち、自己診断により可動電極２ｄが変位して差動の容量が各々Ｃ１からＣ１’、Ｃ２からＣ２’に変化すれば、Ｃ−Ｖ変換回路２１の出力もＶ／２＋（Ｃ１’−Ｃ２’）Ｖ／Ｃｆに変化するため、このときの信号処理回路２２の出力電圧から可動電極２ｄの変位を検出することができる。
例えば、可動電極２ｄと固定電極３、４間にゴミが付着して容量が変化しない場合には、信号処理回路２２の出力電圧が変化しないため、図示しない自己診断回路によって故障を検出することができる。また、経時変化等で感度が変化した場合も、信号処理回路２２の出力電圧の変化量により感度変化を検出することができる。
【００３０】
上記した実施形態によれば、搬送波信号Ｐ１、Ｐ２を、同一の中心電圧Ｖ／２（例えば２．５Ｖ）、同一の振幅Ｖ（例えば５Ｖ）でかつ電圧レベルが反転した信号としているので、米国特許第５，５８３，２９０号明細書に記載されているように２つの搬送波信号の中心電圧を異なるようにした場合、中心電圧を異ならせるための抵抗やコンデンサが必要になるのに対し、上記した実施形態のように２つの中心電圧および振幅を等しくした場合には、搬送波を生成する回路手段を例えばインバータにより容易に形成することができる。
【００３１】
また、上記した実施形態では、自己診断時に、第３の期間φ３に可動電極２ｄにＶ１の電圧を印加し、容量検出を行う第１、第２のφ１、φ２において可動電極２ｄに印加する電圧をＶ／２に戻して容量検出を行うようにしている。可動電極２ｄと演算増幅器２１ａの間の配線には寄生コンデンサがあるため、米国特許第５，５８３，２９０号明細書に記載されているように可動電極に印加する電圧を変化させたままＣ−Ｖ変換を行うと、寄生コンデンサによってＣ−Ｖ変換回路２１の出力に誤差が生じるが、この実施形態では、容量検出を行うときに可動電極２ｄに印加する電圧をＶ／２に戻しているため、寄生コンデンサによって生じるＣ−Ｖ変換回路２１の出力誤差を小さくすることができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態における検出回路２０の構成を図５に示す。
【００３２】
第１実施形態と異なる点は、Ｃ−Ｖ変換回路２１の非反転入力端子にＶ／２の電圧を印加し、スイッチ回路２３を制御回路２４と固定電極３の間に設けた点である。
通常動作時には、スイッチ２３ａが閉、スイッチ２３ｂが開となって、搬送波信号Ｐ１を固定電極３に印加し、自己診断時には、φ３の期間だけスイッチ２３ａが開、スイッチ２３ｂが閉となって、Ｖ１の電圧を固定電極３に印加する。このように、自己診断時の期間φ３において、固定電極３にＶ１の電圧を印加することにより、可動電極２ｄと固定電極３の間にはＶ／２−Ｖ１という電位差が生じ、可動電極２ｄと固定電極４の間にはＶ／２という電位差が生じるため、可動電極２ｄと固定電極３、４とのそれぞれの間には相反する方向に異なる静電気力が生じ、各々の静電気力の差の力により可動電極２ｄを変位させる。従って、第１実施形態と同様、自己診断を行うことができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。この第３実施形態における検出回路２０の構成を図６に示す。
【００３３】
第１実施形態と異なる点は、Ｃ−Ｖ変換回路２１の非反転入力端子にＶ／２の電圧を印加し、スイッチ回路２３を可動電極２ｄとＣ−Ｖ変換回路２１の間に設けた点である。
通常動作時には、スイッチ２３ａが閉、スイッチ２３ｂが開となって、可動電極２ｄを演算増幅器２１ａに接続し、自己診断時には、φ３の期間だけスイッチ２３ａが開、スイッチ２３ｂが閉となって、Ｖ１の電圧を可動電極２ｄに印加する。このように、自己診断時の期間φ３において、可動電極２ｄにＶ１の電圧を印加することにより、第１実施形態と同様、自己診断を行うことができる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。この第４実施形態における検出回路２０の構成を図７に示す。また、通常動作時の信号波形を図８に、自己診断時の信号波形を図９に示す。
【００３４】
この第４実施形態においては、サーボ式の加速度検出装置としている。このため、第１実施形態の構成に対し、可動電極２ｄとＣ−Ｖ変換回路２１の間にスイッチ２５を設けるとともに、信号処理回路２２の出力電圧を可動電極２ｄにスイッチ２６を介してフィードバックする経路を設け、スイッチ２５、２６の開閉を制御回路２４にて制御している。なお、スイッチ２５、２６は、制御回路２４からのスイッチ信号Ｓ４、Ｓ５によって開閉するもので、スイッチ２１ｃ、スイッチ２２１ｂ、スイッチ２３ａ、スイッチ２３ｂと同様、半導体スイッチ等のスイッチ手段で構成されている。
【００３５】
この実施形態では、φ１、φ２の期間において、スイッチ２５を閉、スイッチ２６を開として、第１実施形態と同様、Ｃ−Ｖ変換回路２１にてＣ−Ｖ変換を行う。また、この実施形態では、φ３の期間をサーボ制御を行うための期間とし、φ４を可動電極を変位させるための期間としている。そして、サーボ制御を行うためのφ３の期間においては、スイッチ２５を開、スイッチ２６を閉として、信号処理回路２２の出力電圧を可動電極２ｄに印加する。この場合、増幅回路２２ｂは、可動電極２ｄを加速度による変位方向と逆方向に変位させて所定の位置に保持するように動作する。
【００３６】
また、可動電極を変位させるφ４の期間においては、スイッチ２５を閉、スイッチ２６を開とする。ここで、自己診断時には、第１実施形態と同様、スイッチ２３ａを開、スイッチ２３ｂを閉として、自己診断の動作を行う。
従って、この第４実施形態においては、可動電極２ｄを所定の位置に保持するサーボ制御を行うとともに、自己診断を行うことができる。
【００３７】
なお、この実施形態において、スイッチ回路２３は、第２、第３実施形態の位置に配置するようにしてもよい。
（第５実施形態）
上記した第１乃至第４実施形態においては、通常動作時においても可動電極を変位させる期間を設けて動作させるものを示したが、通常動作時においては可動電極を変位させる期間をなくすようにしてもよい。
【００３８】
例えば、第１乃至第３実施形態の場合、通常動作時における制御回路２４からの出力信号波形を図１０に示すようにし、第１、第２の期間φ１、φ２のみとして容量検出を行うようにする。また、自己診断を行うときには図４に示す第１、第２、第３の期間φ１、φ２、φ３により自己診断を行うようにする。このように通常動作時に可動電極を変位させる期間をなくすことによって、Ｃ−Ｖ変換回路２１の出力信号の周波数を高くし、検出感度を高めることができる。また、Ｃ−Ｖ変換回路２１の出力信号の周波数が低い場合、外部ノイズを除去するためにローパスフィルタ２２ｃのフィルタ特性を急峻にする必要があるが、この実施形態のように可動電極を変位させる期間をなくしてＣ−Ｖ変換回路２１の出力信号の周波数を高くした場合、ローパスフィルタ２２ｃのフィルタ特性をなだらかなものにして外部ノイズの除去を行うことができるため、ローパスフィルタ２２ｃの設定を容易にすることができる。
【００３９】
同様に、第４実施形態に対しても、通常動作時における制御回路２４からの出力信号波形を図１１に示すように、可動電極を変位させる期間φ４をなくし、自己診断を行うときに図９に示すように第１、第２、第３、第４の期間φ１、φ２、φ３、φ４により自己診断を行うようにすれば、上記と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
なお、上記した種々の実施形態において、制御回路２４は、基準クロックＣＬＫをカウンタなどの計数手段により計数することによって、φ１、φ２、φ３、φ４などの各期間における図３、図４、図８乃至図１１の信号波形を生成しており、例えば図３に示す実施形態の場合、φ１＋φ２を基準クロックＣＬＫの１０パルス分、φ３を基準クロックＣＬＫの４０パルス分というように設定して信号生成を行うことができる。
【００４１】
また、本発明は、上記した種々の実施形態に示す加速度センサに適用するものに限らず、圧力センサ、ヨーレートセンサなどの静電容量式の物理量検出装置にも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における加速度センサのセンサ部の模式的構成を示す図である。
【図２】図１中の検出回路２０の具体的な構成を示す図である。
【図３】図２に示す回路の通常動作時の作動説明に供する信号波形図である。
【図４】図２に示す回路の自己診断時の作動説明に供する信号波形図である。
【図５】本発明の第２実施形態における検出回路２０の具体的な構成を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態における検出回路２０の具体的な構成を示す図である。
【図７】本発明の第４実施形態における検出回路２０の具体的な構成を示す図である。
【図８】図７に示す回路の通常動作時の作動説明に供する信号波形図である。
【図９】図７に示す回路の自己診断時の作動説明に供する信号波形図である。
【図１０】本発明の第５実施形態を説明するための信号波形図である。
【図１１】本発明の第５実施形態を説明するための他の信号波形図である。
【符号の説明】
２…梁構造体、２ｄ…可動電極、３、４…固定電極、
１０…センサエレメント、２０…検出回路、２１…Ｃ−Ｖ変換回路、
２２…信号処理回路、２３…スイッチ回路、２４…制御回路。
２５、２６…スイッチ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速度、角速度、圧力等の物理量を検出する容量式物理量検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来、可動電極と固定電極を対向配置し、可動電極と固定電極間の容量に基づいて物理量を検出する容量式物理量検出装置において、その自己診断を行う場合、可動電極と固定電極間に静電気力を発生させ、擬似的に物理量が発生したような状態にして自己診断を行うようにしたものが種々提案されている。
【０００３】
例えば、特開平５−３２２９２１号公報には、昇圧回路を用いた自己診断用電源と加算器を備え、自己診断時に、固定電極に診断信号を加えて、可動電極に疑似的な加速度を与え、この擬似的な加速度により自己診断を行うようにしたものが開示されている。
また、米国特許第５，５４０，０９５号明細書には、自己診断を行うときに、可動電極に対向する２つの固定電極の一方への搬送波信号のレベルを自己診断の間低下させて、可動電極に擬似的な物理量を発生させ、この擬似的な物理量により自己診断を行うようにしたものが開示されている。
【０００４】
また、米国特許第５，５８３，２９０号明細書には、可動電極に対向する２つの固定電極のそれぞれに、中心電圧が異なる搬送波信号を印加して容量検出を行うとともに、自己診断を行うときに、可動電極に印加する電圧を自己診断の間変化させて、可動電極に擬似的な物理量を発生させ、この擬似的な物理量により自己診断を行うようにしたものが開示されている。
【０００５】
本発明は、このように擬似的に物理量を発生させて自己診断を行うものにおいて、新規な方式で自己診断を行うことができる容量式物理量検出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１乃至４に記載の発明においては、物理量の変化に応じて変位する可動電極（２ｄ）と、前記可動電極に対向して配置された固定電極（３、４）と、自己診断時には容量変化を検出するための期間と、自己診断を行うために前記可動電極を変位させるための期間とを有する信号を前記可動電極と前記固定電極との間に周期的に印加し、自己診断でない通常動作時には前記可動電極を変位させるための期間を含まず前記容量変化を検出するための期間を有する信号を前記可動電極と前記固定電極との間に周期的に印加する信号印加手段（２３、２４）と、前記容量変化を検出するための期間における信号が前記可動電極と前記固定電極との間に印加されているときに、前記可動電極と前記固定電極からなる容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路（２１）と、前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力電圧を信号処理して前記物理量の変化に応じた信号を出力する信号処理回路（２２）とを備え、前記Ｃ−Ｖ変換回路は、前記可動電極に一方の入力端子が接続される演算増幅器（２１ａ）を有して構成されており、前記信号印加手段は、前記容量変化を検出するための期間では、第１の電圧（Ｖ／２）を前記演算増幅器の他方の入力端子に印加し、前記可動電極を変位させるための期間では、前記可動電極に擬似的な物理量を発生させるために第２の電圧（Ｖ１）を前記演算増幅器の他方の入力端子に印加する手段（２３）を有することを特徴としている。
【０００７】
従って、自己診断時には、容量変化を検出するための期間と、自己診断を行うために可動電極を変位させるための期間とを有する信号が周期的に可動電極と固定電極との間に印加されるため、可動電極と固定電極の間に静電気力を発生させて可動電極に疑似的に物理量が発生した状態にすることができる。この場合、可動電極の変位を、容量変化を検出する期間におけるＣ−Ｖ変換回路の出力電圧に基づいて検出することにより、自己診断を行うことができる。
【０００９】
また、通常動作時には可動電極を変位させる期間をなくしているため、Ｃ−Ｖ変換回路の出力信号の周波数を高くすることができる。このようにＣ−Ｖ変換回路の出力信号の周波数を高くすることによって、検出感度を高めたり信号処理回路におけるノイズ除去のためのローパルフィルタの設定を容易にするなどの効果を奏する。
【００１０】
なお、請求項３に記載の発明のように、可動電極と固定電極との間に周期的に印加される信号の中にサーボ制御を行うための期間の信号を有し、その期間に信号処理回路からの信号を可動電極に印加して可動電極を所定の位置に保持させるようにすれば、サーボ制御を用いた容量検出手段において自己診断を行うことができる。
【００１２】
なお、容量検出感度は、一対の固定電極に印加する信号の振幅に比例するため、高い感度を得るには、できるだけ振幅を大きくすることが望ましい。そのためには、請求項４に記載の発明のように、容量変化を検出するための期間において、可動電極の両側に対向して配置された一対の固定電極に印加するそれぞれの信号を、中心電圧が等しく振幅が同一でかつ電圧レベルが反転した搬送波信号とすれば、電源電圧範囲で最大の振幅が得られるため、Ｃ−Ｖ変換回路における感度を高くすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、容量式加速度センサにおけるセンサ部の模式的構成を示す。このセンサ部は、センサエレメント１０および検出回路２０から構成されている。
センサエレメント１０は、梁構造体２を有する構造になっており、この梁構造体２は、梁構造体２を基板１の上面に固定するための４つのアンカ部２ａと、４つの梁部２ｂと、質量部２ｃと、質量部２ｃの両側に形成された複数の可動電極２ｄから構成されている。また、それぞれの可動電極２ｄには、固定電極３、４が対向配置され、固定電極３、４は基板１上に固定されている。
【００１４】
このような構成において、質量部２ｃが加速度を受けて変位すると、可動電極２ｄもそれに応じて変位する。可動電極２ｄと固定電極３および可動電極２ｄと固定電極４は差動の容量を構成しており、可動電極２ｄの変位に応じてそれらの容量が変化する。
検出回路２０は、可動電極２ｄと固定電極３、４による差動容量の変化に基づいて加速度を検出する。
【００１５】
図２に、その検出回路２０の具体的な構成を示す。検出回路２０は、Ｃ−Ｖ変換回路２１、信号処理回路２２、スイッチ回路２３および制御回路２４から構成されている。なお、スイッチ回路２３および制御回路２４は、可動電極２ｄと固定電極３、４の間に周期的に信号を印加する信号印加手段を構成しており、またスイッチ回路２３は、可動電極を変位させるための期間における信号を、自己診断でない時の信号と自己診断時の信号との間で切り替える切替手段、あるいは可動電極２ｄと固定電極３、４の間に静電気力を発生させて可動電極２ｄに擬似的な物理量を発生させるための信号にする手段を構成している。
【００１６】
Ｃ−Ｖ変換回路２１は、可動電極２ｄと固定電極３、４からなる差動容量の変化を電圧に変換するもので、演算増幅器２１ａ、コンデンサ２１ｂ、およびスイッチ２１ｃから構成されている。演算増幅器２１ａの反転入力端子は、可動電極２ｄに接続されており、反転入力端子と出力端子との間には、コンデンサ２１ｂおよびスイッチ２１ｃが並列に接続されている。また、演算増幅器２１ａの非反転入力端子には、スイッチ回路２３を介してＶ／２の電圧とＶ１の電圧のいずれかが入力される。
【００１７】
信号処理回路２２は、サンプルホールド回路２２ａ、増幅回路（ＡＭＰ）２２ｂ、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２ｃから構成されている。サンプルホールド回路２２ａは、Ｃ−Ｖ変換回路２１の出力電圧をサンプリングして一定期間保持し、増幅回路２２ｂは、サンプルホールド回路２２ａの出力電圧を所定の感度まで増幅し、ローパスフィルタ２２ｃは、増幅回路２２ｂの出力電圧から所定の周波数帯域の成分のみを取り出して、加速度検出信号を出力する。なお、サンプルホールド回路２２ａは、ボルテージフォロワを構成する演算増幅器２２１ａと、スイッチ２２１ｂと、コンデンサ２２１ｃにより構成されている。
【００１８】
スイッチ回路２３は、Ｃ−Ｖ変換回路２１における演算増幅器２１ａの非反転入力端子に、図示しないそれぞれの電圧源からのＶ／２の電圧とＶ１の電圧のいずれかを入力するもので、スイッチ２３ａとスイッチ２３ｂから構成されている。スイッチ２３ａとスイッチ２３ｂは、一方が閉じているときに他方が開くようになっている
制御回路２４は、基準クロックＣＬＫ、自己診断信号ＴＥＳＴに基づいて、固定電極３、４に印加する振幅Ｖの搬送波信号Ｐ１、Ｐ２およびスイッチ２１ｃ、スイッチ２２１ｂ、スイッチ２３ａ、スイッチ２３ｂを開閉させるスイッチ信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３（バー）、Ｓ３をそれぞれ生成して出力する。それぞれのスイッチは、半導体スイッチ等のスイッチ手段で構成されており、制御回路２４からのスイッチ信号がハイレベルのとき閉成する。なお、スイッチ信号Ｓ３（バー）は、スイッチ信号Ｓ３を反転した信号である。
【００１９】
上記構成においてその作動を、図３、図４に示す信号波形図を参照して説明する。
制御回路２４から出力される搬送波信号Ｐ１、Ｐ２は、図３、図４に示すように、３つの期間（φ１〜３）でハイレベル（Ｈｉ）とローレベル（Ｌｏ）が変化する一定振幅の矩形波信号となっており、搬送波信号Ｐ２は、搬送波信号Ｐ１に対して電圧レベルが反転した信号となっている。この実施形態においては、第１、第２の期間φ１、φ２が容量変化を検出するための期間で、φ３が可動電極を変位させるための期間となっている。
【００２０】
まず、通常動作時の作動について図３を参照して説明する。
第１の期間φ１では、搬送波信号Ｐ１はＨｉ、搬送波信号Ｐ２はＬｏになっている。また、制御回路２４からのスイッチ信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３（バー）、Ｓ３により、スイッチ２１ｃは閉、スイッチ２２１ｂは開、スイッチ２３ａは閉、スイッチ２３ｂは開になっている。このことにより、演算増幅器２１ａの非反転入力端子にＶ／２の電圧が印加され、可動電極２ｄにＶ／２の電圧が印加されるとともに、コンデンサ２１ｂの電荷が放電される。
【００２１】
この状態において、可動電極２ｄと固定電極３の間には、Ｑ１＝−Ｃ１・Ｖ／２という電荷がたまる。−の符号は可動電極２ｄの固定電極３側の表面に負の電荷がたまることを意味している。また、可動電極２ｄと固定電極４の間には、Ｑ２＝Ｃ２・Ｖ／２という電荷がたまる。
第２の期間φ２においては、搬送波信号Ｐ１、Ｐ２の電圧レベルが反転（Ｐ１がＬｏ、Ｐ２がＨｉ）し、スイッチ２１ｃが開くとともにスイッチ２２１ｂが閉じる。
【００２２】
このとき、可動電極２ｄと固定電極３間にはＱ１’＝Ｃ１・Ｖ／２という電荷がたまり、可動電極２ｄと固定電極４間にはＱ２’＝−Ｃ２・Ｖ／２という電荷がたまる。φ１のときに可動電極２ｄにたまっていた電荷（Ｑ１＋Ｑ２）とφ２のときに可動電極２ｄにたまっていた電荷（Ｑ１’＋Ｑ２’）の差ΔＱは、ΔＱ＝（Ｑ１＋Ｑ２）−（Ｑ１’＋Ｑ２’）＝−（Ｃ１−Ｃ２）Ｖとなる。
【００２３】
ここで、差動容量Ｃ１、Ｃ２が異なっていると、ΔＱという電荷が可動電極２ｄに生じるが、演算増幅器２１ａの作用によって可動電極２ｄの電圧はＶ／２に保持されるため、ΔＱの電荷は、コンデンサ２１ｂの可動電極２ｄ側にたまり、コンデンサ２１ｂの反対側の電極には、逆の極性の電荷ΔＱ’＝（Ｃ１−Ｃ２）Ｖがたまる。その結果、演算増幅器２１ａの出力端子にΔＱ’／Ｃｆ＋Ｖ／２＝（Ｃ１−Ｃ２）Ｖ／Ｃｆ＋Ｖ／２という電圧が生じ、容量の差（Ｃ１−Ｃ２）に応じた電圧が出力される。
【００２４】
この電圧はサンプルホールド回路２２ａにてサンプルホールドされ、増幅回路２２ｂ、ローパルフィルタ２２ｃを介して加速度検出信号として出力される。すなわち、サンプルホールド回路２２ａは、φ２の期間において演算増幅器２１ａの出力電圧をサンプリングし、それ以外の期間ではサンプリングした電圧を保持する。そして、このサンプルホールド回路２２ａからの出力電圧により、増幅回路２２ｂ、ローパルフィルタ２２ｃを介して加速度検出信号が出力される。
【００２５】
また、可動電極を変位させるための期間である第３の期間φ３においては、通常動作時では、スイッチ２３ａが閉じており、演算増幅器２１ａの非反転入力端子にＶ／２という電圧が印加される。また、スイッチ２１ｃも閉じるため、演算増幅器２１ａはボルテージフォロワとなり、可動電極２ｄにはＶ／２という電圧が印加される。この状態では、可動電極２ｄと固定電極３、４のそれぞれの間には、Ｖ／２という電位差により、相反する方向に同じ力の静電気力が生じるため、可動電極２ｄを変位させるような静電気力は発生しない。すなわち、後述するような擬似的な加速度を生じさせるような静電気力は発生しない。
【００２６】
従って、通常の動作時においては、上記したφ１〜φ３の期間の作動を繰り返し、可動電極２ｄが加速度を受けて変位すると、それに応じて加速度検出信号が信号処理回路２２から出力される。
次に、自己診断時の作動について図４を参照して説明する。
この自己診断時においては、制御回路２４に自己診断信号ＴＥＳＴが入力される。そして、制御回路２４は、図４に示す信号を出力し、第３の期間φ３において、スイッチ信号Ｓ３をハイレベルにし、スイッチ信号Ｓ３（バー）をローレベルにする。
【００２７】
その結果、第３の期間φ３において、スイッチ２３ｂが閉じ、スイッチ２３ａが開くため、演算増幅器２１ａの非反転入力端子にはＶ１の電圧が印加される。このとき、スイッチ２１ｃが閉じているため、演算増幅器２１ａはボルテージフォロワとなり、可動電極２ｄと固定電極３の間にはＶ１という電位差が生じ、可動電極２ｄと固定電極４の間にはＶ−Ｖ１という電位差が生じるため、可動電極２ｄと固定電極３、４とのそれぞれの間に、相反する静電気力が生じることとなり、各々の静電気力の差の力により可動電極２ｄを変位させようとする力が生じることとなる。
【００２８】
例えば、Ｖ１がＶ／２より高い電圧であればＶ１＞Ｖ−Ｖ１となり、固定電極３の方向に働く静電気力の方が固定電極４の方向に働く力より大きくなり、可動電極２ｄは固定電極３の方向に変位する。また、その逆であれば、固定電極４の方向に変位する。
この静電気力は、搬送波信号Ｐ１、Ｐ２の周波数を可動電極２ｄの検出方向の共振周波数より十分高い周波数（例えば、２倍以上の周波数）に設定しておけば、可動電極２ｄの共振周波数より十分高い周波数で発生することになるため、あたかもＤＣ的な加速度が可動電極２ｄに生じた状態となる。このときの可動電極２ｄのＤＣ的な変位を容量の変化として検出することにより、自己診断を行うことができる。
【００２９】
すなわち、自己診断により可動電極２ｄが変位して差動の容量が各々Ｃ１からＣ１’、Ｃ２からＣ２’に変化すれば、Ｃ−Ｖ変換回路２１の出力もＶ／２＋（Ｃ１’−Ｃ２’）Ｖ／Ｃｆに変化するため、このときの信号処理回路２２の出力電圧から可動電極２ｄの変位を検出することができる。
例えば、可動電極２ｄと固定電極３、４間にゴミが付着して容量が変化しない場合には、信号処理回路２２の出力電圧が変化しないため、図示しない自己診断回路によって故障を検出することができる。また、経時変化等で感度が変化した場合も、信号処理回路２２の出力電圧の変化量により感度変化を検出することができる。
【００３０】
上記した実施形態によれば、搬送波信号Ｐ１、Ｐ２を、同一の中心電圧Ｖ／２（例えば２．５Ｖ）、同一の振幅Ｖ（例えば５Ｖ）でかつ電圧レベルが反転した信号としているので、米国特許第５，５８３，２９０号明細書に記載されているように２つの搬送波信号の中心電圧を異なるようにした場合、中心電圧を異ならせるための抵抗やコンデンサが必要になるのに対し、上記した実施形態のように２つの中心電圧および振幅を等しくした場合には、搬送波を生成する回路手段を例えばインバータにより容易に形成することができる。
【００３１】
また、上記した実施形態では、自己診断時に、第３の期間φ３に可動電極２ｄにＶ１の電圧を印加し、容量検出を行う第１、第２のφ１、φ２において可動電極２ｄに印加する電圧をＶ／２に戻して容量検出を行うようにしている。可動電極２ｄと演算増幅器２１ａの間の配線には寄生コンデンサがあるため、米国特許第５，５８３，２９０号明細書に記載されているように可動電極に印加する電圧を変化させたままＣ−Ｖ変換を行うと、寄生コンデンサによってＣ−Ｖ変換回路２１の出力に誤差が生じるが、この実施形態では、容量検出を行うときに可動電極２ｄに印加する電圧をＶ／２に戻しているため、寄生コンデンサによって生じるＣ−Ｖ変換回路２１の出力誤差を小さくすることができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態における検出回路２０の構成を図５に示す。
【００３２】
第１実施形態と異なる点は、Ｃ−Ｖ変換回路２１の非反転入力端子にＶ／２の電圧を印加し、スイッチ回路２３を制御回路２４と固定電極３の間に設けた点である。
通常動作時には、スイッチ２３ａが閉、スイッチ２３ｂが開となって、搬送波信号Ｐ１を固定電極３に印加し、自己診断時には、φ３の期間だけスイッチ２３ａが開、スイッチ２３ｂが閉となって、Ｖ１の電圧を固定電極３に印加する。このように、自己診断時の期間φ３において、固定電極３にＶ１の電圧を印加することにより、可動電極２ｄと固定電極３の間にはＶ／２−Ｖ１という電位差が生じ、可動電極２ｄと固定電極４の間にはＶ／２という電位差が生じるため、可動電極２ｄと固定電極３、４とのそれぞれの間には相反する方向に異なる静電気力が生じ、各々の静電気力の差の力により可動電極２ｄを変位させる。従って、第１実施形態と同様、自己診断を行うことができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。この第３実施形態における検出回路２０の構成を図６に示す。
【００３３】
第１実施形態と異なる点は、Ｃ−Ｖ変換回路２１の非反転入力端子にＶ／２の電圧を印加し、スイッチ回路２３を可動電極２ｄとＣ−Ｖ変換回路２１の間に設けた点である。
通常動作時には、スイッチ２３ａが閉、スイッチ２３ｂが開となって、可動電極２ｄを演算増幅器２１ａに接続し、自己診断時には、φ３の期間だけスイッチ２３ａが開、スイッチ２３ｂが閉となって、Ｖ１の電圧を可動電極２ｄに印加する。このように、自己診断時の期間φ３において、可動電極２ｄにＶ１の電圧を印加することにより、第１実施形態と同様、自己診断を行うことができる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。この第４実施形態における検出回路２０の構成を図７に示す。また、通常動作時の信号波形を図８に、自己診断時の信号波形を図９に示す。
【００３４】
この第４実施形態においては、サーボ式の加速度検出装置としている。このため、第１実施形態の構成に対し、可動電極２ｄとＣ−Ｖ変換回路２１の間にスイッチ２５を設けるとともに、信号処理回路２２の出力電圧を可動電極２ｄにスイッチ２６を介してフィードバックする経路を設け、スイッチ２５、２６の開閉を制御回路２４にて制御している。なお、スイッチ２５、２６は、制御回路２４からのスイッチ信号Ｓ４、Ｓ５によって開閉するもので、スイッチ２１ｃ、スイッチ２２１ｂ、スイッチ２３ａ、スイッチ２３ｂと同様、半導体スイッチ等のスイッチ手段で構成されている。
【００３５】
この実施形態では、φ１、φ２の期間において、スイッチ２５を閉、スイッチ２６を開として、第１実施形態と同様、Ｃ−Ｖ変換回路２１にてＣ−Ｖ変換を行う。また、この実施形態では、φ３の期間をサーボ制御を行うための期間とし、φ４を可動電極を変位させるための期間としている。そして、サーボ制御を行うためのφ３の期間においては、スイッチ２５を開、スイッチ２６を閉として、信号処理回路２２の出力電圧を可動電極２ｄに印加する。この場合、増幅回路２２ｂは、可動電極２ｄを加速度による変位方向と逆方向に変位させて所定の位置に保持するように動作する。
【００３６】
また、可動電極を変位させるφ４の期間においては、スイッチ２５を閉、スイッチ２６を開とする。ここで、自己診断時には、第１実施形態と同様、スイッチ２３ａを開、スイッチ２３ｂを閉として、自己診断の動作を行う。
従って、この第４実施形態においては、可動電極２ｄを所定の位置に保持するサーボ制御を行うとともに、自己診断を行うことができる。
【００３７】
なお、この実施形態において、スイッチ回路２３は、第２、第３実施形態の位置に配置するようにしてもよい。
（第５実施形態）
上記した第１乃至第４実施形態においては、通常動作時においても可動電極を変位させる期間を設けて動作させるものを示したが、通常動作時においては可動電極を変位させる期間をなくすようにしてもよい。
【００３８】
例えば、第１乃至第３実施形態の場合、通常動作時における制御回路２４からの出力信号波形を図１０に示すようにし、第１、第２の期間φ１、φ２のみとして容量検出を行うようにする。また、自己診断を行うときには図４に示す第１、第２、第３の期間φ１、φ２、φ３により自己診断を行うようにする。このように通常動作時に可動電極を変位させる期間をなくすことによって、Ｃ−Ｖ変換回路２１の出力信号の周波数を高くし、検出感度を高めることができる。また、Ｃ−Ｖ変換回路２１の出力信号の周波数が低い場合、外部ノイズを除去するためにローパスフィルタ２２ｃのフィルタ特性を急峻にする必要があるが、この実施形態のように可動電極を変位させる期間をなくしてＣ−Ｖ変換回路２１の出力信号の周波数を高くした場合、ローパスフィルタ２２ｃのフィルタ特性をなだらかなものにして外部ノイズの除去を行うことができるため、ローパスフィルタ２２ｃの設定を容易にすることができる。
【００３９】
同様に、第４実施形態に対しても、通常動作時における制御回路２４からの出力信号波形を図１１に示すように、可動電極を変位させる期間φ４をなくし、自己診断を行うときに図９に示すように第１、第２、第３、第４の期間φ１、φ２、φ３、φ４により自己診断を行うようにすれば、上記と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
なお、上記した種々の実施形態において、制御回路２４は、基準クロックＣＬＫをカウンタなどの計数手段により計数することによって、φ１、φ２、φ３、φ４などの各期間における図３、図４、図８乃至図１１の信号波形を生成しており、例えば図３に示す実施形態の場合、φ１＋φ２を基準クロックＣＬＫの１０パルス分、φ３を基準クロックＣＬＫの４０パルス分というように設定して信号生成を行うことができる。
【００４１】
また、本発明は、上記した種々の実施形態に示す加速度センサに適用するものに限らず、圧力センサ、ヨーレートセンサなどの静電容量式の物理量検出装置にも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における加速度センサのセンサ部の模式的構成を示す図である。
【図２】図１中の検出回路２０の具体的な構成を示す図である。
【図３】図２に示す回路の通常動作時の作動説明に供する信号波形図である。
【図４】図２に示す回路の自己診断時の作動説明に供する信号波形図である。
【図５】本発明の第２実施形態における検出回路２０の具体的な構成を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態における検出回路２０の具体的な構成を示す図である。
【図７】本発明の第４実施形態における検出回路２０の具体的な構成を示す図である。
【図８】図７に示す回路の通常動作時の作動説明に供する信号波形図である。
【図９】図７に示す回路の自己診断時の作動説明に供する信号波形図である。
【図１０】本発明の第５実施形態を説明するための信号波形図である。
【図１１】本発明の第５実施形態を説明するための他の信号波形図である。
【符号の説明】
２…梁構造体、２ｄ…可動電極、３、４…固定電極、
１０…センサエレメント、２０…検出回路、２１…Ｃ−Ｖ変換回路、
２２…信号処理回路、２３…スイッチ回路、２４…制御回路。
２５、２６…スイッチ。
Claims (4)
- 物理量の変化に応じて変位する可動電極（２ｄ）と、
前記可動電極に対向して配置された固定電極（３、４）と、
自己診断時には容量変化を検出するための期間と、自己診断を行うために前記可動電極を変位させるための期間とを有する信号を前記可動電極と前記固定電極との間に周期的に印加し、自己診断でない通常動作時には前記可動電極を変位させるための期間を含まず前記容量変化を検出するための期間を有する信号を前記可動電極と前記固定電極との間に周期的に印加する信号印加手段（２３、２４）と、
前記容量変化を検出するための期間における信号が前記可動電極と前記固定電極との間に印加されているときに、前記可動電極と前記固定電極からなる容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路（２１）と、
前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力電圧を信号処理して前記物理量の変化に応じた信号を出力する信号処理回路（２２）とを備え、
前記Ｃ−Ｖ変換回路は、前記可動電極に一方の入力端子が接続される演算増幅器（２１ａ）を有して構成されており、
前記信号印加手段は、前記容量変化を検出するための期間では、第１の電圧（Ｖ／２）を前記演算増幅器の他方の入力端子に印加し、前記可動電極を変位させるための期間では、前記可動電極に擬似的な物理量を発生させるために第２の電圧（Ｖ１）を前記演算増幅器の他方の入力端子に印加する手段（２３）を有することを特徴とする容量式物理量検出装置。 - 前記信号印加手段は、前記自己診断時には前記容量変化を検出するための期間と前記可動電極を変位させるための期間とのみからなる信号を前記可動電極と前記固定電極との間に周期的に印加し、前記通常動作時には前記容量変化を検出するための期間のみからなる信号を前記可動電極と前記固定電極との間に周期的に印加することを特徴とする請求項１に記載の容量式物理量検出装置。
- 前記可動電極と前記固定電極との間に周期的に印加される信号は、サーボ制御を行うための期間の信号を有しており、
さらに前記サーボ制御を行うための期間に前記信号処理回路からの信号を前記可動電極に印加して前記可動電極を所定の位置に保持させる手段（２５、２６）を備えたことを特徴とする請求項１に記載の容量式物理量検出装置。 - 前記固定電極は、前記可動電極の両側に対向して配置された一対の固定電極であって、前記容量変化を検出するための期間において前記一対の固定電極に印加されるそれぞれの信号は、中心電圧が等しく振幅が同一でかつ電圧レベルが反転した搬送波信号になっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の容量式物理量検出装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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