JP4375579B2 - 容量式物理量検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、加速度、角速度、圧力などの物理量を検出する容量式物理量検出装置に関する。

従来、加速度、角速度、圧力などの物理量を検出する容量式物理量センサとして、正確なセンサ出力がなされているか否かを診断する自己診断機能を備えたものが知られている（例えば特許文献１参照）。

このようなセンサは、Ｃ−Ｖ変換回路を構成する差動増幅器の一方の入力（例えば非反転入力端子）に、スイッチを介して、容量変化を検出するための基準電位と基準電位とは異なる自己診断用電位の、いずれかが入力されるように構成されている。そして、自己診断ではない通常動作時には基準電位と接続され、自己診断時にはスイッチが駆動されて自己診断用電位と接続される。
特開２００２−４００４７号公報

ところで、このような自己診断機能を有するセンサを複数（同一構成のセンサを複数）動作させた場合、自己診断時の出力は同電位となる。したがって、短絡が生じても正常時のセンサ出力と変化しないため、正常な自己診断出力なのか短絡異常による出力なのかの区別がつかない。

本発明は上記問題点に鑑み、自己診断出力の短絡異常を判別可能な容量式物理量検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、物理量の変化に応じて変位する可動電極と該可動電極に対向配置された固定電極からなる検出部と、一方の入力が可動電極に接続され、他方の入力が、自己診断でない通常動作時には容量変化を検出するための基準電位に接続され、自己診断時には基準電位と異なる自己診断用電位に接続される差動増幅器を含み、可動電極と固定電極との間の容量変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路と、Ｃ−Ｖ変換回路の出力電圧を信号処理して、物理量の変化に応じた信号とする信号処理回路と、を有する容量式物理量センサを複数備え、複数の容量式物理量センサにおいて、基準電位が互いに同電位であり、同一のタイミングで自己診断がなされる容量式物理量検出装置であって、複数の容量式物理量センサのうち、２つの容量式物理量センサにおける各差動増幅器は、自己診断用電位としての複数の電位にそれぞれ接続され、２つの差動増幅器において、自己診断用電位の電位が切り替わるタイミングが同一とされ、２つの差動増幅器が接続される自己診断用電位は、同一のタイミングにおいて、互いに異なることを特徴とする。

このように、それぞれの容量式物理量センサに対して、複数の自己診断電位が接続される構成とすると、２つの容量式物理量センサの自己診断出力の組合せが少なくとも２パターンできる。したがって、２パターン以上において、２つの容量式物理量センサの自己診断出力が等しい電位であれば、短絡異常であると判別することができる。また、複数のパターンのうち、１つのパターンでも２つの容量式物理量センサの自己診断出力が異なれば、短絡異常ではないと判別することもできる。

請求項２に記載のように、２つの容量式物理量センサの各差動増幅器が、自己診断用電位として、基準電位よりも高い電位と基準電位よりも低い電位にそれぞれ接続され、一方の差動増幅器が基準電位よりも高い電位と接続されるタイミングでは、他方の差動増幅器が基準電位よりも低い電位と接続され、一方の差動増幅器が基準電位よりも低い電位と接続されるタイミングでは、他方の差動増幅器が基準電位よりも高い電位と接続される構成を採用することができる。このように、それぞれの容量式物理量センサにおける２つの自己診断用電位の電位差を大きくすると、短絡異常であるか否かを高精度に判別することが可能となる。

請求項３に記載のように、２つの容量式物理量センサのうち、少なくとも検出部が異なる半導体基板にそれぞれ構成された構成としても良いし、請求項４に記載のように、少なくとも検出部が同一の半導体基板に集積化された構成としても良い。

請求項１〜４いずれか１項に記載の発明は、例えば請求項５に記載のように、２つの容量式物理量センサとして、可動電極の変位方向が互いに直交するように配置された加速度センサを含む構成に好適である。なお、加速度センサ以外にも、角速度センサや圧力センサなどの容量式物理量センサに適用することができる。

なお、請求項１〜５いずれか１項に記載の発明は、請求項６に記載のように、車両に搭載される容量式物理量検出装置として好適である。特に請求項１又は請求項２に記載の構成は、例えば傾斜地などにおいても短絡異常であるか否かを判別することができるので、車両用として好適である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。なお、以下の実施形態においては、物理量としての加速度を検出する容量式加速度センサを例にとり、説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る容量式物理量検出装置の概略構成を示す平面図である。図２は、容量式物理量検出装置の回路構成の概略を示すブロック図である。図３は、自己診断時におけるセンサ出力を示す図である。図４は、容量式物理量検出装置を含む短絡異常を判定・報知するシステムの概略構成を示すブロック図である。

容量式物理量検出装置は、自己診断機能を有する複数の容量式物理量センサを含むものである。本実施形態においては、図１及び図２に示すように、Ｘ軸における加速度検出を行う加速度センサ１００と、Ｘ軸と直交するＹ軸における加速度検出を行う加速度センサ２００とを含む構成となっている。なお、加速度センサ１００，２００は、例えば図１に示すＸ軸が車両前後方向、Ｙ軸が車両左右方向と一致するように車両に組み付けられ、容量式物理量検出装置は、車両の運転支援システム（例えばＶＳＣなどの姿勢制御システム）の一部として適用される。

２つの加速度センサ１００，２００は、基本的に同一構成とされている。図２に示すように、加速度センサ１００は、可動電極１１１，１１２及び固定電極１１３，１１４を備えた検出部１１０と、可動電極１１１，１１２と固定電極１１３，１１４による差動容量の変化に基づいて加速度を検出する検出回路１２０とを有している。また、加速度センサ２００は、可動電極２１１，２１２及び固定電極２１３，２１４を備えた検出部２１０と、可動電極２１１，２１２と固定電極２１３，２１４による差動容量の変化に基づいて加速度を検出する検出回路２２０とを有している。このような容量式の加速度センサ１００，２００の構成及び動作は、例えば本出願人による特開２００２−４００４７号公報や特開２００６−２９２４６９号公報などに開示されているので参照されたい。なお、本実施形態においては、図１に示すように、各センサ１００，２００の検出部１１０，２１０が別チップ１、２で構成され、検出回路１２０，２２０が同一の回路チップ３に形成されている。そして、回路チップ３上に各チップ１，２が配置された状態で、図示されないパッケージ内に収容されている。

検出部１１０，２１０は梁構造体を有する構造となっており、この梁構造体によって可動電極１１１，１１２，２１１，２１２及び固定電極１１３，１１４，２１３，２１４が構成されている。そして、対向配置された可動電極１１１，１１２，２１１，２１２と固定電極１１３，１１４，２１３，２１４とによって差動の容量を構成し、各固定電極１１３，１１４，２１３，２１４に対して互いに反転する所定電圧Ｖｄｄで構成される信号（搬送波）Ｐ１ａ、Ｐ２ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ２ｂを周期的に印加することで、可動電極１１１，１１２，２１１，２１２の変位に応じた差動容量変化に基づく加速度検出が行われるようになっている。

検出回路１２０，２２０は、Ｃ−Ｖ変換回路１３０，２３０、スイッチ回路１４０，２４０、信号処理回路１５０，２５０、及び制御信号発生回路１６０を含んでいる。

Ｃ−Ｖ変換回路１３０，２３０は、可動電極１１１，１１２，２１１，２１２と固定電極１１３，１１４，２１３，２１４からなる差動容量の変化を電圧に変換するもので、オペアンプ１３１，２３１、コンデンサ１３２，２３２、及びスイッチ１３３，２３３をそれぞれ有している。オペアンプ１３１，２３１の反転入力端子は可動電極１１１，１１２，２１１，２１２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１３２，２３２及びスイッチ１３３，２３３が並列に接続されている。スイッチ１３３は制御信号発生回路１６０からの信号Ｓ２ａによって駆動され、スイッチ２３３は制御信号発生回路１６０からのＳ２ｂによって駆動されるようになっている。また、オペアンプ１３１，２３１の非反転入力端子には、スイッチ回路１４０，２４０を介して、所定電圧が入力されるようになっている。

スイッチ回路１４０，２４０は、Ｃ−Ｖ変換回路１３０，２３０におけるオペアンプ１３１，２３１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電圧を入力するもので、スイッチ１４１，１４２とスイッチ２４１，２４２とからそれぞれ構成されている。これらのうち、スイッチ１４１，１４２は制御信号発生回路１６０からの信号Ｓ１ａに基づいて駆動され、一方が閉じている時には他方が開くようになっている。また、スイッチ２４１，２４２は制御信号発生回路１６０からの信号Ｓ１ｂに基づいて駆動され、一方が閉じている時には他方が開くようになっている。スイッチ１４１，２４１は、制御信号発生回路１６０からの信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂに基づいて、自己診断でない通常動作時に閉状態、自己診断時に開状態とされ、閉状態で、オペアンプ１３１，２３１の非反転入力端子には上述した容量変化を検出するための基準電圧Ｖ１が入力される。このように、２つの加速度センサ１００，２００で、通常動作時（通常の加速度検出時）の基準電圧Ｖ１が同一とされている。なお、本実施形態においては、基準電圧Ｖ１が、固定電極１１３，１１４，２１３，２１４に印加された電圧Ｖｄｄの半分の電圧（すなわち中点電圧Ｖｄｄ／２）とされている。また、スイッチ１４２，２４２は、制御信号発生回路１６０からの信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂに基づいて、自己診断時に閉状態、自己診断でない通常動作時（通常の加速度検出時）に開状態とされ、閉状態で、オペアンプ１３１，２３１の非反転入力端子には基準電圧Ｖ１とは異なる自己診断用電圧Ｖ２，Ｖ３がそれぞれ入力される。自己診断用電圧Ｖ２，Ｖ３は互いに異なる電圧であり、本実施形態においては、加速度センサ１００の自己診断用電圧Ｖ２がＶ１＋ＶＸとされ、加速度センサ２００の自己診断用電圧Ｖ３がＶ１−ＶＸとなっている。このように本実施形態に係る加速度センサ１００，２００は、自己診断用電圧Ｖ２，Ｖ３が互いに異なる電圧とされているが、それ以外の構成は同一となっている。

信号処理回路１５０，２５０は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）回路１５１，２５１とＧＡＩＮ回路１５２，２５２とを有している。ＬＰＦ回路１５１，２５１は、Ｃ−Ｖ変換回路１３０，２３０の出力から高周波数成分を除去し、所定の周波数帯域の成分のみを取り出す役割を果たす。このＬＰＦ回路１５１，２５１には、サンプルホールド回路が含まれており、このサンプルホールド回路によってＣ−Ｖ変換回路１３０，２３０の出力電圧をサンプルホールドできるようになっている。また、ＧＡＩＮ回路１５２，２５２は、ＬＰＦ回路１５１，２５１を通過した後の出力を増幅し、加速度信号ＯＵＴ１、ＯＵＴ２として出力する。

制御信号発生回路１６０は、固定電極１１３，１１４，２１３，２１４への電圧印加タイミングを示す信号（搬送波）Ｐ１ａ、Ｐ２ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ２ｂ、スイッチ回路１４０，２４０のスイッチの切替えタイミングを示す信号Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ、スイッチ１３３，２３３の切替えタイミングＳ２ａ、Ｓ２ｂを出力する。この制御信号発生回路１６０が発生させる各種信号は、通常動作時と自己診断時とで変化する。すなわち、制御信号発生回路１６０はクロック信号ＣＬＫに基づいて各種信号を出力するが、自己診断指令信号がローレベルの場合には通常動作用の信号を出力し、自己診断指令信号がハイレベルになると自己診断用の信号を出力するようになっている。そして、２つの加速度センサ１００，２００において、同一のタイミングで加速度の検出がなされ、同一のタイミングで自己診断がなされるようになっている。

次に、このように構成される容量式物理量検出装置（加速度センサ１００，２００）の作動について、通常動作（加速度検出）時と、自己診断時とに分けて説明する。

通常動作時には、信号Ｓ１ａ、Ｓ１ｂが図３に示すようにローレベルとなり、信号Ｓ１ａ、Ｓ１ｂに基づいてスイッチ１４２，２４２がオフ、スイッチ１４１，２４１がオンされることで、オペアンプ１３１，２３１の非反転入力端子に基準電圧Ｖ１（Ｖｄｄ／２）がそれぞれ印加され、可動電極１１１，１１２，２１１，２１２が基準電圧Ｖ１（Ｖｄｄ／２）とされる。

制御信号発生回路１６０から出力される信号Ｐ１ａ、Ｐ２ａ及びＰ１ｂ、Ｐ２ｂは互いに電圧レベルが反転した電圧Ｖｄｄ相当の振幅を有する信号となっており、４つの期間ｔ１〜ｔ４でハイレベルとローレベルが変化する一定振幅の矩形波信号となっている。

まず、第１の期間ｔ１では、信号Ｐ１ａ、Ｐ２ａ及びＰ１ｂ、Ｐ２ｂに基づいて固定電極１１３，２１３の電位がＶｄｄ、固定電極１１４，２１４の電位が０にされると共に、制御信号発生回路１６０からの信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂによりスイッチ１３３，２３３が閉じられる。このため、オペアンプ１３１，２３１の働きにより可動電極１１１，１１２，２１１，２１２がＶ１の電位にバイアスされると共に、帰還容量となるコンデンサ１３２，２３２の電極間に蓄えられた電荷が放電される。このとき、仮に可動電極１１１、２１１と固定電極１１３、２１３との間の容量Ｃ１と、可動電極１１２、２１２と固定電極１１４、２１４との間の容量Ｃ２とが、Ｃ１＞Ｃ２の関係となっている場合には、この関係と固定電極１１３，１１４，２１３，２１４に印加される電位の関係とから、可動電極１１１，１１２，２１１，２１２は負の電荷が多い状態になる。

次に、第２の期間ｔ２では、信号Ｐ１ａ、Ｐ２ａ及びＰ１ｂ、Ｐ２ｂに基づいて固定電極１１３，２１３の電位がＶｄｄ、固定電極１１４，２１４の電位が０のままにされると共に、制御信号発生回路１６０からの信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂによりスイッチ１３３，２３３が開かれる。このため、可動電極１１１，１１２，２１１，２１２の状態に応じた電荷がコンデンサ１３２，２３２に蓄えられる。そして、このときコンデンサ１３２，２３２に蓄えられた電荷に応じた電圧値がＣ−Ｖ変換回路１３０，２３０から出力されると、ＬＰＦ回路１５１，２５１にＣ−Ｖ変換回路１３０，２３０の出力電圧が入力され、ＬＰＦ回路１５１，２５１に含まれるサンプリング回路によってサンプリングされ、ホールドされる。

続いて、第３の期間ｔ３では、信号Ｐ１ａ、Ｐ２ａ及びＰ１ｂ、Ｐ２ｂに基づいて固定電極１１３，２１３の電位が０、固定電極１１４，２１４の電位がＶｄｄとなるように電位が入れ替えられると共に、制御信号発生回路１６０からの信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂによりスイッチ１３３，２３３が開かれたままにされる。このとき、可動電極１１１，１１２，２１１，２１２の電荷の状態は信号Ｐ１ａ、Ｐ２ａ及びＰ１ｂ、Ｐ２ｂの反転により、第２の期間ｔ２と逆になる。すなわち、上述したようにＣ１＞Ｃ２の関係を満たす場合には、固定電極１１３，１１４，２１３，２１４への印加電位の反転により、可動電極１１１，１１２，２１１，２１２は正の電荷が多い状態になる。

しかしながら、このとき、可動電極１１１，１１２，２１１，２１２とコンデンサ１３２，２３２との間が閉回路となっており、第１の期間ｔ１の電荷量が保存されているため、可動電極１１１，１１２，２１１，２１２の電荷量のバランスから溢れ出した電荷がコンデンサ１３２，２３２に移動して蓄えられる。そして、Ｑ＝ＣＶの関係から、移動してきた電荷量に比例すると共にコンデンサ１３２，２３２の容量Ｃに反比例した電圧値がＣ−Ｖ変換回路１３０，２３０から出力される。

さらに、第４の期間ｔ４、すなわち信号Ｐ１ａ、Ｐ２ａ及びＰ１ｂ、Ｐ２ｂに基づいて固定電極１１３，２１３の電位が０、固定電極１１４，２１４の電位がＶｄｄにされたのちＣ−Ｖ変換回路１３０，２３０の出力が十分に安定すると、Ｃ−Ｖ変換回路１３０，２３０の出力電圧がＬＰＦ回路１５１，２５１に入力され、サンプリングされる。

そして、最終的に、第２の期間ｔ２にサンプリングされた電圧値と第４の期間ｔ４にサ
ンプリングされた電圧値とがサンプルホールド回路で差動演算され、これがＧＡＩＮ回路１５２，２５２でさらに増幅されて、加速度信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２が出力される。これにより、サンプルホールド回路でのサンプリング時に発生するＴｒのスイッチングノイズの温度特性やオペアンプの１／ｆノイズ、オペアンプのオフセット電圧と温度特性などがキャンセルされた出力が得られ、この出力に基づいて可動電極１１１，１１２，２１１，２１２の変位に応じた加速度検出が行われる。

自己診断時にも、通常動作時と同様、制御信号発生回路１６０から出力される信号Ｐ１ａ、Ｐ２ａ及びＰ１ｂ、Ｐ２ｂが固定電極１１３，１１４，２１３，２１４に印加される。そして、信号信号Ｓ１ａ、Ｓ１ｂが図３に示すようにハイレベルとなり、スイッチ１４２，２４２がオン、スイッチ１４１，２４１がオフされることで、オペアンプ１３１，２３１の非反転入力端子に基準電圧Ｖ１とは異なる自己診断用電圧Ｖ２，Ｖ３がそれぞれ印加され、可動電極１１１，１１２が自己診断用電圧Ｖ２、可動電極２１１，２１２が自己診断用電圧Ｖ３とされる。

このように、オペアンプ１３１，２３１の非反転入力端子に自己診断用電圧Ｖ２，Ｖ３がそれぞれ入力されることで、可動電極１１１，２１１と固定電極１１３，２１３との間の電位差よりも可動電極１１２，２１２と固定電極１１４，２１４との間の電位差の方が大きくなり、静電気力が増大するため、この静電気力によって可動電極１１１，１１２，２１１，２１２が強制的に中心点から移動させられる。

続いて、信号Ｓ１ａ、Ｓ１ｂに基づいてスイッチ回路１４０，２４０によるスイッチ切替えが行われ、通常動作時と同様に、オペアンプ１３１，２３１の非反転入力端子に基準電圧Ｖ１（中点電圧Ｖｄｄ／２）が印加されるようにする。

この後、上記した通常動作時と同様の作動を行い、可動電極１１１，１１２，２１１，２１２の変位量に応じた加速度信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２を得る。このとき、上記静電気力による可動電極１１１，１１２，２１１，２１２の変位量はオペアンプ１３１，２３１の非反転入力端子に印加される電圧によって一義的に決まるため、可動電極１１１，１１２，２１１，２１２の変位量に応じた出力も一義的に決まり、得られた出力と一義的に決まっている自己診断量（出力）とを比較することによって自己診断が行われる。

ここで本実施形態においては、上述したように、加速度センサ１００の自己診断用電圧をＶ２（Ｖ１＋ＶＸ）とし、加速度センサ２００の自己診断用電圧をＶ２とは異なるＶ３（Ｖ１−ＶＸ）としている。したがって、加速度センサ１００の出力ＯＵＴ１は、電圧Ｖ２＋α（ゲイン増分）となる。また、加速度センサ２００の出力ＯＵＴ２は、電圧Ｖ３＋β（ゲイン増分）となる。すなわち、図３に示すように、加速度センサ１００と加速度センサ２００とで出力電圧（自己診断出力）が異なっている。したがって、加速度センサ１００と加速度センサ２００との間で短絡が生じたとしても、短絡による電圧と加速度センサ１００，２００の出力電圧とが異なるものとなるので、短絡異常であることを判定することができる。

なお、短絡異常の判定の仕方としては種々考えられる。本実施形態においては、加速度センサ１００，２００の出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２が、図４に示すように演算や比較判定の機能を有する制御回路３００に入力され、自己診断時においては、制御回路３００において基準となる自己診断量との比較がそれぞれなされる。そして、出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２が自己診断量とそれぞれ一致すれば制御回路３００は正常と判定し、自己診断量と一致しなければ異常であると判定する。短絡異常が生じれば、出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２が同電位となり、各出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２と対応する自己診断量が不一致となるので、上述の判定により、短絡異常の有無も判定される。

そして、正常判定の場合には、通常動作時の出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２を例えばＶＳＣの制御回路に出力する。また、短絡異常を含む異常判定の場合には、異常を知らせる信号を、例えばナビ画面やインパネ表示部などの報知部３１０に出力する。さらには、通常動作時の出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２を例えばＶＳＣの制御回路に出力しないようにする。本実施形態において、制御回路３００は容量式物理量検出装置と別のＥＣＵとして構成されているが、容量式物理量検出装置の一部として備える構成としても良い。

このように本実施形態によれば、２つの加速度センサ１００，２００の自己診断用電圧Ｖ２，Ｖ３を互いに異なるものとしている。このため、自己診断時のそれぞれのセンサ出力を互いに異なる電位とすることが可能であり、通常動作時の基準電圧が互いに等しい電圧Ｖ１であり、同一のタイミングで自己診断がなされる構成でありながら、自己診断出力の短絡異常を判別することができる。

また、本実施形態においては、２つの加速度センサ１００，２００において、一方のセンサ１００の自己診断用電圧Ｖ２（Ｖ１＋ＶＸ）と基準電圧Ｖ１との差電圧（ＶＸ）と、他方のセンサ２００の自己診断用電圧Ｖ３（Ｖ１−ＶＸ）と基準電圧Ｖ１との差電圧（ＶＸ）を等しくしている。このため、それぞれの自己診断用出力も、例えば加速度の作用しない通常動作時の出力に対して対称な関係となるので、制御回路３００の構成を簡素化することができる。しかしながら、自己診断用電圧Ｖ２，Ｖ３は上記例に限定されるものではない。自己診断用電圧Ｖ２，Ｖ３は、基準電圧Ｖ１とは異なり、且つ、互いに異なるように設定されれば良いので、例えば自己診断用電圧Ｖ２，Ｖ３がともに基準電圧よりも高く（又は低く）、且つ、互いに異なるように設定されても良い。

なお、本実施形態においては、自己診断時の出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２を対応する自己診断量とそれぞれ比較することで、短絡異常の有無を判定する構成例を示した。しかしながら、出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の一致・不一致で、短絡異常の有無を判定する構成としても良い。また、本実施形態においては、２つの加速度センサ１００，２００において、一方のセンサ１００の自己診断用電圧Ｖ２を基準電圧Ｖ１よりも高くし、他方のセンサ２００の自己診断用電圧Ｖ３を基準電圧Ｖ１よりも低くしている。このため、それぞれの自己診断出力は、例えば加速度の作用しない通常動作時の出力に対して出力ＯＵＴ１は立ち上がり、出力ＯＵＴ２は立ち下がる所謂逆相となる。したがって、制御回路３００が自己診断時の出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２を微分処理し、その極性から短時間で短絡異常の有無を判定する構成としても良い。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図５〜図７に基づいて説明する。図５は、第２実施形態の容量式物理量検出装置において、一方の加速度センサにおける、スイッチ回路周辺の概略構成を示す図である。図６は、容量式物理量検出装置において、他方の加速度センサにおける、スイッチ回路周辺の概略構成を示す図である。図７は、自己診断時におけるセンサ出力を示す図である。

第２実施形態に係る容量式物理量検出装置は、第１実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、第１実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。

第１実施形態においては、自己診断用電圧が１つの加速度センサ１００，２００について、1つずつ設定される例を示した。しかしながら、例えば、車両が斜面にいる状態で自己診断を実施した場合、可動電極１１１，１１２，２１１，２１２の変位に対して重力の影響も加算されるため、影響の度合いによっては、加速度センサ１００，２００の出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２が等しい電位となることも考えられる。このように、可動電極の変位に対して重力などの外乱の影響がある場合、影響の度合いによっては、２つの容量式物理量センサにおいて自己診断用電圧が互いに異なっていても、自己診断出力が等しい電位となることも考えられる。

そこで、本実施形態においては、Ｃ−Ｖ変換回路１３０，２３０におけるオペアンプ１３１，２３１の非反転入力端子に、自己診断時において、互いに異なる電圧が異なるタイミングで（切り替わって）それぞれ入力されるようにしている。換言すれば、自己診断時における出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の波形パターンの組合せを複数としている。一例としては、図５に示すように、加速度センサ１００のスイッチ回路１４０において、自己診断時にスイッチ１４２を介して入力される自己診断用電圧Ｖ２を、電圧源側において、自己診断と関連付けてあるタイミングで切り替えるようにしている。本実施形態においては、自己診断用電圧Ｖ２を、第１実施形態に示したＶ１＋ＶＸとＶ１−ＶＸとで交互に切り替えている。また、図６に示すように、加速度センサ２００のスイッチ回路２４０において、自己診断時にスイッチ２４２を介して入力される自己診断用電圧Ｖ３を、電圧源側において、自己診断と関連付けてあるタイミングで切り替えるようにしている。本実施形態においては、自己診断用電圧Ｖ３を、第１実施形態に示したＶ１−ＶＸとＶ１＋ＶＸとで交互に切り替えている。なお、自己診断用電圧Ｖ２がＶ１＋ＶＸのときは自己診断用電圧Ｖ３がＶ１−ＶＸとなり、自己診断用電圧Ｖ２がＶ１−ＶＸのときは自己診断用電圧Ｖ３がＶ１＋ＶＸとなるように、同一のタイミングで自己診断用電圧Ｖ２，Ｖ３が切り替えられる。

この結果、図７に示すように、自己診断時における出力ＯＵＴ１、ＯＵＴ２は、自己診断用電圧Ｖ２がＶ１＋ＶＸ、自己診断用電圧Ｖ３がＶ１−ＶＸのパターンと、自己診断用電圧Ｖ２がＶ１−ＶＸ、自己診断用電圧Ｖ３がＶ１＋ＶＸのパターンとの、２つのパターンを示すこととなる。重力が作用しない状態における、一方のパターン側の出力ＯＵＴ１、ＯＵＴ２の差電圧と、他方のパターン側の出力ＯＵＴ１、ＯＵＴ２の差電圧とには差があるので、重力の影響によって、一方のパターン側の出力ＯＵＴ１、ＯＵＴ２が同電位となったとしても、他方のパターン側の出力ＯＵＴ１、ＯＵＴ２が同電位となることはない。

このように、本実施形態によれば、加速度センサ１００，２００の自己診断時の出力ＯＵＴ１、ＯＵＴ２の組合せが少なくとも２パターンできるので、２パターン以上において、加速度センサ１００，２００の自己診断時の出力ＯＵＴ１、ＯＵＴ２が等しければ、短絡異常であると判定することができる。また、複数のパターンのうち、１つのパターンでも加速度センサ１００，２００の自己診断時の出力ＯＵＴ１、ＯＵＴ２が異なれば、短絡異常ではないと判別することもできる。したがって、例えば傾斜地などにおいても短絡の有無を判定することが可能であり、車両用として好適である。なお、本実施形態においても、第１実施形態に示したように、制御回路３００にて出力ＯＵＴ１、ＯＵＴ２が比較されて、短絡異常の有無が判定されるように構成されている。

また、本実施形態においては、オペアンプ１３１，２３１の非反転入力端子に、基準電圧Ｖ１よりも高い電圧（Ｖ１＋ＶＸ）と低い電圧（Ｖ１−ＶＸ）が、それぞれ入力されるように構成されている。したがって、各加速度センサ１００，２００において、２つの自己診断用電圧の差が大きいので、短絡の有無を高精度に判別することができる。しかしながら、自己診断用電圧Ｖ２としての複数の電圧と、自己診断用電圧Ｖ３としての複数の電圧は上記例に限定されるものではない。複数の電圧は、基準電圧Ｖ１とは異なり、且つ、互いに異なるように設定されれば良いので、例えばともに基準電圧よりも高く（又は低く）設定されても良い。

なお、本実施形態においては、図７に示すように、自己診断用電圧Ｖ２，Ｖ３の切り替え（１パターン目と２パターン目との間）に間が設けられた例を示した。しかしながら、自己診断用電圧Ｖ２，Ｖ３の切り替えタイミングは特に限定されるものではない。所定の自己診断期間において、少なくとも２パターンの出力がなされれば良い。したがって、自己診断用電圧Ｖ２，Ｖ３が、それぞれ連続して切り替えられる構成としても良い。

また、本実施形態においては、電圧源側において、自己診断と関連付けて自己診断用電圧Ｖ２，Ｖ３がそれぞれ切り替えられる例を示した。しかしながら、例えば図８及び図９に示すように、電圧源及び対応するスイッチ１４１〜１４３、２４１〜２４３を増やしても良い。なお、図８においては、スイッチ回路１４０が、基準電圧Ｖ１に対応するスイッチ１４１、自己診断用電圧Ｖ２１（Ｖ１＋ＶＸ）に対応するスイッチ１４２、及び自己診断用電圧Ｖ２１とは異なる電圧である自己診断用電圧Ｖ２２（Ｖ１−ＶＸ）に対応するスイッチ１４３とを有している。また、図９においては、スイッチ回路２４０が、基準電圧Ｖ１に対応するスイッチ２４１、自己診断用電圧Ｖ３１（Ｖ１−ＶＸ）に対応するスイッチ２４２、及び自己診断用電圧Ｖ２１とは異なる電圧である自己診断用電圧Ｖ３２（Ｖ１＋ＶＸ）に対応するスイッチ２４３とを有している。そして、自己診断時において、スイッチ１４２，２４２が閉でスイッチ１４３，２４３が開の状態と、スイッチ１４３，２４３が閉でスイッチ１４２，２４２が開の状態とで切り替えられる構成となっている。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態においては、容量式物理量センサとして加速度センサを例に挙げて説明したが、それ以外のセンサ、例えば圧力センサや角速度センサ（ヨーレートセンサ）にも本発明を適用することが可能である。

本実施形態においては、複数の容量式物理量センサとして、可動電極の変位方向が互いに直交するように配置された加速度センサ１００，２００を含む例を挙げたが、複数のセンサの個数は上記例に限定されるものではなく、３個以上のセンサを備える構成においても本発明を適用することができる。この場合、複数のセンサのうち、短絡有無を調べる任意の２個のセンサが上述した構成であれば良い。また、２つの加速度センサの配置も上記例に限定されるものではない。例えば、２つの加速度センサが同軸方向を検出するように配置された構成にも本発明を適用することができる。

本実施形態においては、加速度センサ１００，２００の検出部１１０，２１０が別のチップ１，２にそれぞれ構成される例を挙げて説明したが、１つのチップに少なくとも検出部１１０，２１０が集積化された構成も本発明を適用することができる。

本発明の第１実施形態に係る容量式物理量検出装置の概略構成を示す平面図である。 容量式物理量検出装置の回路構成の概略を示すブロック図である。 自己診断時におけるセンサ出力を示す図である。 容量式物理量検出装置を含む短絡異常を判定・報知するシステムの概略構成を示すブロック図である。 第２実施形態の容量式物理量検出装置において、一方の加速度センサにおける、スイッチ回路周辺の概略構成を示す図である。 容量式物理量検出装置において、他方の加速度センサにおける、スイッチ回路周辺の概略構成を示す図である。 自己診断時におけるセンサ出力を示す図である。 変形例を示す図である。 変形例を示す図である。

符号の説明

１００，２００・・・加速度センサ
１１０，２１０・・・検出部
１１１，１１２，２１１，２１２・・・可動電極
１１３，１１４，２１３，２１４・・・固定電極
１３０，２３０・・・Ｃ−Ｖ変換回路
１３１，２３１・・・オペアンプ
１４０，２４０・・・スイッチ回路
１４１〜１４３，２４１〜２４３・・・スイッチ
１５０，２５０・・・信号処理回路

Claims (6)

1. 物理量の変化に応じて変位する可動電極と該可動電極に対向配置された固定電極からなる検出部と、
   一方の入力が前記可動電極に接続され、他方の入力が、自己診断でない通常動作時には容量変化を検出するための基準電位に接続され、自己診断時には前記基準電位と異なる自己診断用電位に接続される差動増幅器を含み、前記可動電極と前記固定電極との間の容量変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路と、
   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とする信号処理回路と、を有する容量式物理量センサを複数備え、
   複数の前記容量式物理量センサにおいて、前記基準電位が互いに同電位であり、同一のタイミングで自己診断がなされる容量式物理量検出装置であって、
   複数の前記容量式物理量センサのうち、２つの前記容量式物理量センサにおける各差動増幅器は、前記自己診断用電位としての複数の電位にそれぞれ接続され、
   ２つの前記差動増幅器において、前記自己診断用電位の電位が切り替わるタイミングが同一とされ、
   ２つの前記差動増幅器が接続される前記自己診断用電位は、同一のタイミングにおいて、互いに異なることを特徴とする容量式物理量検出装置。
2. ２つの前記容量式物理量センサの各差動増幅器は、前記自己診断用電位として、前記基準電位よりも高い電位と前記基準電位よりも低い電位にそれぞれ接続され、
   一方の前記差動増幅器が前記基準電位よりも高い電位と接続されるタイミングでは、他方の前記差動増幅器が前記基準電位よりも低い電位と接続され、
   一方の前記差動増幅器が前記基準電位よりも低い電位と接続されるタイミングでは、他方の前記差動増幅器が前記基準電位よりも高い電位と接続され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。
3. 複数の前記容量式物理量センサは、少なくとも前記検出部が異なる半導体基板にそれぞれ構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の容量式物理量検出装置。
4. 複数の前記容量式物理量センサは、少なくとも前記検出部が同一の半導体基板に集積化されていることを特徴とする請求項１または２に記載の容量式物理量検出装置。
5. ２つの前記容量式物理量センサは、前記可動電極の変位方向が互いに直交するように配置された加速度センサであることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の容量式物理量検出装置。
6. 車両に搭載されることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の容量式物理量検出装置。

Images