JP4899781B2 - 容量式力学量検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、力学量の印加に応じて前記可動電極が変位すると、可動電極と固定電極間の静電容量が変化するセンサ部を有するものであって、特に、可動電極の異常を診断する自己診断機能を備えた容量式力学量検出装置に関する。

自己診断機能を備えた容量式力学量検出装置として、例えば特許文献１に記載された装置が公知である。この特許文献１に記載された装置では、容量変化を検出するための期間と可動電極を変位させるための期間とを別個に設定している。つまり、容量変化を検出する期間においては、周期的に変化する信号を、可動電極と、その可動電極の両サイドに配置された固定電極との間に印加することにより、Ｃ−Ｖ変換回路により可動電極と両サイドの固定電極間のそれぞれの容量の差である差動容量の変化に応じた電圧を出力させて、加速度検出を行う。一方、可動電極を変位させる期間においては、可動電極２ｄにあたかも加速度が作用しているように、可動電極を変位させるための駆動信号を与えて、自己診断を行う。
特開２０００−８１４４９号公報

上述したように、従来装置では、加速度に応じた容量変化を検出する期間と、可動電極を変位させて自己診断を行うための期間を分けている。このため、自己診断を行う際には、加速度の検出を中断する必要があるとともに、加速度の検出を行う際には、自己診断を行うことができない。

本発明は上述した点に鑑みてなされたものであり、力学量の検出と、自己診断とを同時に実行可能な容量式力学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に記載の容量式力学量検出装置は、
検出対象である力学量の印加に応じて変位する可動電極と、当該可動電極に対向して配置された固定電極とからなり、力学量の印加に応じて可動電極が変位すると、可動電極と固定電極間の静電容量が変化するセンサ部と、
センサ部における静電容量の変化を電圧信号の変化に変換するＣ−Ｖ変換回路と、
検出対象である力学量が変化する周波数の上限よりも高い周波数で、可動電極を振動させるための駆動電圧を、可動電極と固定電極間に与える駆動手段と、
駆動手段によって可動電極と固定電極間に駆動電圧が与えられた時に、Ｃ−Ｖ変換回路から出力される電圧信号に基づいて、可動電極の異常を診断する自己診断手段と、
Ｃ−Ｖ変換回路によって変換された電圧信号に対して、駆動手段による可動電極の振動周波数に相当する周波数成分を除去するフィルタ処理を行い、可動電極に印加された力学量に応じた信号を出力するフィルタ手段とを備え、
固定電極は、可動電極の変位方向に沿って、当該可動電極の両側に設けられた第１固定電極と第２固定電極とからなり、
Ｃ−Ｖ変換回路は、可動電極と第１固定電極間の第１静電容量と、可動電極と第２固定電極間の第２静電容量との差を、電圧信号に変換するものであり、
駆動手段は、第１及び第２固定電極の一方と可動電極間に、当該可動電極を変位させる大きさの電位差を与え、第１及び第２固定電極の他方と可動電極間に、当該可動電極の変位を生じさせない大きさの電位差を与え、これらの電位差を周期的に切り換える態様で、可動電極と第１及び第２固定電極間に駆動電圧を与えるものであり、
フィルタ手段が出力する信号を、可動電極を変位させる大きさの電位差に応じてオフセット補正するオフセット補正手段を備えることを特徴とする。

上述したように、請求項１に記載の容量式力学量検出装置では、検出対象である力学量が変化する周波数の上限よりも高い周波数で可動電極を振動させたときにＣ−Ｖ変換回路から出力される電圧信号に基づいて、可動電極の異常を自己診断する。すなわち、可動電極が駆動電圧に従って振動していれば、可動電極は正常であり、振動していない場合、固着等の異常が生じていると診断できる。この請求項１に記載の容量式力学量検出装置は、さらに、Ｃ−Ｖ変換回路によって変換された電圧信号に対して、駆動手段による可動電極の振動周波数に相当する周波数成分を除去するフィルタ処理を行うフィルタ手段を備えている。可動電極の振動周波数と、検出対象である力学量が変化する周波数とが異なるため、フィルタ手段は、Ｃ−Ｖ変換回路より出力される電圧信号から、可動電極の振動周波数に対応する周波数成分を除去することができる。その結果、Ｃ−Ｖ変換回路から出力される電圧信号から、可動電極に印加された力学量に応じた信号を得ることができる。このようにして、請求項１に記載の容量式力学量検出装置は、力学量の検出と、自己診断とを同時に実行することができるようになる。

また、請求項１に記載の発明によれば、Ｃ−Ｖ変換回路が、可動電極と第１固定電極間の第１静電容量と、可動電極と第２固定電極間の第２静電容量との差を電圧信号に変換することにより、可動電極の変位の検知精度を向上することができる。さらに、駆動手段が、上述したような駆動電圧を可動電極と第１及び第２固定電極間に与える場合、第１及び第２固定電極の一方と、可動電極との間に、可動電極を変位させる大きさの電圧を周期的に与えれば済む。但し、この場合、可動電極は、第１及び第２固定電極の一方のみに接近する態様で振動するため、フィルタ手段が、その振動によって電圧信号に含まれる高周波成分を平滑化して除去するものであると、フィルタ手段は、本来の力学量に対応する信号に、その平滑化した成分を上乗せした信号を出力することになる。

そのため、請求項１に記載の容量式力学量検出装置は、オフセット補正手段を備え、フィルタ手段が出力する信号を、本来の力学量に対応する信号に上乗せされた成分を相殺するように、駆動電圧に応じてオフセット補正する。これにより、上述した構成を採用する場合であっても、可動電極に印加された力学量に対応した信号を得ることができるようになる。

請求項２に記載したように、駆動手段は、間欠的に、可動電極を振動させるための駆動電圧を、可動電極と固定電極間に与えるようにしても良い。この場合、可動電極に異常が生じても、即座にその異常を検出することができない可能性が生じるが、自己診断のための消費電力を低減できるメリットがある。さらに、間欠的に可動電極を振動させた場合、本来の力学量に上乗せされる平滑化成分も減少するので、オフセット補正手段を省略することも可能になる。

間欠的に可動電極を振動させて、自己診断を行う場合、請求項３、６に記載したように、駆動手段は、電圧信号が所定時間変化しないときに、可動電極を振動させるための駆動電圧を、可動電極と固定電極間に与えることが好ましい。フィルタ手段から出力された信号が所定時間変化しない場合、可動電極の固着等の異常が発生している可能性があるためである。

請求項４、５に記載したように、駆動手段によって可動電極を振動させるための駆動電圧が与えられていない間、フィルタ手段はフィルタ処理の実施を停止し、Ｃ−Ｖ変換回路によって変換された電圧信号をそのまま出力することが好ましい。フィルタ処理を実施すると、少なからず信号の位相の遅れが生じる。従って、駆動手段によって可動電極を振動させるための駆動電圧が与えられていなければ、フィルタ処理の実施を停止して、位相遅れの無い信号を出力することが好ましい。

なお、自己診断手段が、Ｃ−Ｖ変換回路から出力される電圧信号に基づいて、可動電極の異常を診断するには、請求項７に記載したように、駆動電圧が与えられる前にＣ−Ｖ変換回路から出力された電圧信号と、駆動電圧が与えられたときにＣ−Ｖ変換回路から出力された電圧信号とを対比して、駆動電圧が与えられたときに電圧信号が変動しているかを判定しても良いし、請求項８に記載したように、フィルタ手段によりフィルタ処理が施される前後の信号を対比して、電圧信号が駆動電圧に応じて変動しているかを判定しても良い。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態による容量式力学量検出装置について、図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、力学量として加速度を検出する容量式加速度検出装置として具現化した例について説明するが、その他にも、角速度や圧力などを力学量として検出する用途に適用することも可能である。

まず、図１に基づいて、容量式加速度検出装置におけるセンサ部について説明する。図１は、容量式加速度検出装置におけるセンサ部２０の斜視断面図である。

センサ部２０は、図１に示すように、例えばシリコンからなる第１半導体層１と第２半導体層２との間に、例えば酸化シリコンからなる絶縁層３が形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板４において、半導体製造技術を利用した周知のマイクロマシニング技術により形成される。具体的には、センサ部２０は、第２半導体層２から形成された可動部５と、可動部５の両側に設けられた一対の固定部６，７、及びこれらを取り囲む周囲部８を有し、各部位５〜８の間には所定の隙間が設けられ、相互に絶縁されている。

可動部５は、可動電極９、錘部１０、梁部１１、アンカ１２、可動電極用パッド１３から構成され、加速度が作用する質量部としての錘部１０の両端を、四角枠形状の梁部１１を介して絶縁層３と接続するアンカ１２に連結した構造となっている。可動電極９は、錘部１０の両側面から錘部１０の長手方向と直交するように突出して形成され、例えば夫々の側面に３個ずつ設けられる。

可動電極９、錘部１０、梁部１１の直下は、選択的エッチングにより絶縁層３が除去され中空部が存在する。また錘部１０に連結した梁部１１は、その長手方向と直交する方向に変位するばね機能を有している。そのため、錘部１０が、その長手方向の成分を含む加速度を受けると、錘部１０及び可動電極９が、錘部１０の長手方向に沿って変位し、加速度の消失により元の位置に戻る。

可動部５における一方のアンカ１２の所定の位置に可動電極用パッド１３が形成されており、この可動電極用パッド１３を介して、可動部５に駆動電圧の印加を行うことができる。

固定部６，７は、それぞれ固定電極１４ａ，１４ｂ、固定電極配線部１５ａ，１５ｂ及び固定電極用パッド１６ａ，１６ｂからなる。夫々は第１半導体層１上に絶縁層３を介して固定されている。固定電極配線部１５ａ，１５ｂは錘部１０と平行に配置される。この固定電極配線部１５ａ，１５ｂから延びる固定電極１４ａ、１４ｂは、錘部１０の両側面から突出する可動電極９に対して、夫々所定の検出間隔（隙間）を有しつつ、平行状態で対向配置される。

ここで、固定電極１４ａが対向する可動電極９の側面と反対側の側面に、固定電極１４ｂが対向するように、固定電極１４ａ，１４ｂが配置されている。また、固定電極１４ａ，１４ｂは、可動電極９と同じ数だけ設けられている。固定電極配線部１５ａ，１５ｂには、それぞれ固定電極用パッド１６ａ，１６ｂが接続されており、この固定電極用パッド１６ａ，１６ｂを介して、固定部６，７に駆動電圧を印加することができる。

上記のように構成されたセンサ部２０において、錘部１０の長手方向の加速度を受けると、錘部１０が変位し、それに伴って可動電極９も変位する。このため、可動電極９の対向面とそれに対向配置された固定電極１４ａ、１４ｂの対向面との間の距離が増減することとなる。従って、加速度が印加されたとき、可動電極９と固定電極１４ａ，１４ｂとの間に形成されたコンデンサの各静電容量は、一方が増加し、一方が減少する。これらの静電容量の差の大きさは、印加された加速度の大きさに応じて変化するので、静電容量の差に基づいて、加速度を検出することができる。

なお、本実施形態では、センサ部２０において、可動電極９と固定電極１４ａとからなるコンデンサの静電容量の総和をＣＳ１とし、可動電極９と固定電極１４ｂとからなるコンデンサの静電容量の総和をＣＳ２とすると、加速度が印加されていない状態で静電容量の差ΔＣ（＝ＣＳ１−ＣＳ２）が略０となるように、各電極９、１４ａ，１４ｂの大きさ、形状、初期位置等が設定されている。

加速度を検出するための処理回路について、本実施形態による容量式加速度検出装置の全体構成を示す図２に基づいて説明する。図２に示すように、加速度センサ３０は、上述したセンサ部２０に加えて、当該センサ部２０と一体的に構成されたＣ−Ｖ変換回路２１、サンプルホールド差動増幅回路２２、ＡＭＰ２３、制御回路２４、及び自己診断回路２５などの信号処理回路も備えている。

Ｃ−Ｖ変換回路２１は、センサ部２０から出力された、印加加速度に応じた静電容量の差に相当する信号を入力し、その静電容量の差に相当する信号を、電圧信号に変換するものである。サンプルホールド差動増幅回路２２は、所定の周期で、Ｃ−Ｖ変換回路２１から出力される電圧信号をサンプリングし、その電圧信号を増幅して出力するものである。

これらのＣ−Ｖ変換回路２１、サンプルホールド差動増幅回路２２の回路構成の一例を、図３を用いて説明する。まず、Ｃ−Ｖ変換回路（スイッチドキャパシタ回路）２１は、可動電極９と固定電極１４ａとからなるコンデンサ５０の静電容量ＣＳ１と、可動電極９と固定電極１４ｂとからなるコンデンサ５１の静電容量ＣＳ２との差を電圧に変換して出力するもので、図３に示すように、演算増幅器６１、コンデンサ６２、及びスイッチ６３から構成される。

演算増幅器６１の反転入力端子は、可動電極用パッド１３を介して可動電極９に接続されており、反転入力端子と出力端子と間には、コンデンサ６２及びスイッチ６３が並列に接続されている。また、演算増幅器６１の非反転入力端子には、図示しない電圧源からＶ０／２の電圧が入力されている。従って、可動電極９には、電位がＶ０／２となる駆動電圧が与えられる。

また、一対の固定電極１４ａ，１４ｂには、固定電極用パッド１６ａ，１６ｂを介して、駆動電圧信号１と駆動電圧信号２とがそれぞれ入力される。駆動電圧信号１は、可動部５を変位させることが可能な静電気力を発生させる電圧Ｖ１と０（ｖ）との間で、交互に周期的に変化する。一方、駆動電圧信号２は、可動部５を変位させることが不可能な電圧Ｖ０（＜Ｖ１）と０（ｖ）との間で、交互に周期的に変化するもので、駆動電圧信号２の位相は、駆動電圧信号１の位相と１８０°ずれている。

駆動電圧信号１及び駆動電圧信号２における電圧の切換周波数は、検出対象である加速度が変化する周波数の上限よりも高い周波数に設定される。例えば、本実施形態による容量式加速度検出装置が車両に搭載され、車両に作用する加速度を検出する場合、加速度が変化する周波数の上限は約１０Ｈｚ程度となる。従って、このような用途においては、１０Ｈｚよりも高い周波数で、駆動電圧信号１，２における電圧の切換えが行われる。

駆動電圧信号１が立ち上がり、同時に駆動電圧信号２が立ち下がると、コンデンサ５０は充電され、コンデンサ５１は放電される。逆に、駆動電圧信号１が立ち下がり、駆動電圧信号２が立ち上がると、コンデンサ５０は放電され、コンデンサ５１は充電される。それぞれのコンデンサ５０，５１の充放電がなされるときに、可動電極９が加速度の印加によって変位していると、各々のコンデンサ５０，５１の静電容量ＣＳ１，ＣＳ２が変化するので、充放電量も変化する。そして、コンデンサ５０，５１における充放電量に応じた電荷がコンデンサ６２に蓄えられ、そのコンデンサ６２に蓄えられた電荷に応じて、演算増幅器６１によって出力される電圧Ｖｏｕｔは以下のように示される。
（数１）
Ｖｏｕｔ＝−（ＣＳ１／Ｖ１−ＣＳ２／Ｖ０）／Ｃｆ＋Ｖ０／２
なお、Ｃ−Ｖ変換回路２１において、コンデンサ６２の充電電荷をキャンセルするため、スイッチ６３は駆動電圧信号１，２の周期に併せて所定の周期をもって開閉がなされ、スイッチ６３が開の時に、電圧Ｖｏｕｔが出力される。

サンプルホールド差動増幅回路２２は、Ｃ−Ｖ変換回路２１から加速度に応じた電圧Ｖｏｕｔが出力されたときに、その電圧をサンプリングし、増幅して出力するものである。このサンプルホールド差動増幅回路２２は、図３に示すように、スイッチ７１、演算増幅器７２及びコンデンサ７３から構成されている。

スイッチ７１は、Ｃ−Ｖ変換回路２１から、加速度に応じた電圧Ｖｏｕｔが出力されているときにオンとなり、その電圧Ｖｏｕｔをコンデンサ７３にサンプルホールドする。コンデンサ７３によってサンプルホールドされて電圧Ｖｏｕｔは、演算増幅器７２によって増幅され、後述するＡＭＰ２３に向けて出力される。

一対の固定電極１４ａ，１４ｂに、上述したような駆動電圧信号１，２がそれぞれ与えられることにより、センサ部２０の可動部５は、検出すべき加速度の変化よりも高い周波数で振動する。この振動は、固定電極１４ａに対してのみ、可動電極９を変位させる電位Ｖ１を持つ駆動電圧信号１を与えているため、固定電極１４ａに接近する方向へ周期的に変位する態様で発生する。

このようにして可動電極９（可動部５）が振動したときに、サンプルホールド差動増幅回路２２によって、Ｃ−Ｖ変換回路２１からの出力電圧Ｖｏｕｔを、駆動電圧信号１，２における電圧切換周期よりも早い所定周期でサンプルホールドすることにより、図４に示すセンサ信号に相当する電圧信号が、サンプルホールド差動増幅回路２２から連続的に出力される。

センサ部２０の可動部５が振動しているときには、Ｃ−Ｖ変換回路２１（サンプルホールド差動増幅回路２２）から、図４に示すように、その振動に応じて増減するセンサ信号が出力される。従って、上述した駆動電圧信号１，２を与えたときに、図４に示すような、その駆動電圧信号１，２の電圧切換周波数と同等の周波数で振動するセンサ信号が検出できれば、可動部５は正常であり、検出できない場合には、可動部５に固着等の異常が生じていると診断できる。

再び、図２に戻り、加速度を検出するための処理回路の残りの構成について説明する。図２において、ＡＭＰ２３は、サンプルホールド差動増幅回路２２から出力された電圧信号をさらに増幅して出力するものである。制御回路２４は、前述したＣ−Ｖ変換回路２１におけるスイッチ６３や、サンプルホールド差動増幅回路２２におけるスイッチ７１の開閉タイミングを制御するものである。また、制御回路２４は、後述するマイコン４０からの診断指示信号に基づいて、上述した駆動電圧信号１，２の発生を、自己診断回路２５に指示する。自己診断回路２５は、制御回路２４からの指示に基づいて、駆動電圧信号１，２を発生し、固定電極用パッド１６ａ，１６ｂにそれぞれ供給する。

次に、加速度センサ３０から出力されるセンサ信号に基づいて、可動部５の異常の有無を自己診断するための構成について説明する。この自己診断は、加速度センサ３０とは別に設けられたマイクロコンピュータ４０にて実行される。図２では、マイクロコンピュータ４０において実行される各種の機能をブロック図として示している。

マイクロコンピュータ４０は、入力されたセンサ信号をアナログデジタル変換するＡ／Ｄ変換回路３１を備えている。このＡ／Ｄ変換回路３１によってデジタル値に変換されたセンサ信号は、デジタルフィルタ３２及び判定部３４に入力される。デジタルフィルタ３２は、上述した駆動電圧信号１，２による可動部５の振動のセンサ信号に対する影響を除去するため、可動部５の振動の周波数に相当する周波数成分を除去するローパスフィルタ処理を実行するものである。

可動部５の振動の周波数と、検出対象である加速度が変化する周波数とが異なるため、デジタルフィルタ３２は、センサ信号から、可動部５の振動の周波数に対応する周波数成分のみを除去することができる。ただし、デジタルフィルタ３２が、可動部５の振動によってセンサ信号に含まれる高周波成分を平滑化して除去するものであると、図４に示すように、デジタルフィルタ３２から出力される平滑化信号には、本来の加速度に対応する信号に、その平滑化した成分が上乗せされることになる。

そのため、マイクロコンピュータ４０は、オフセット補正部３３を備えている。このオフセット補正部３３は、デジタルフィルタ３２が出力する平滑化信号を、本来の加速度に対応する信号に上乗せされた成分を相殺するように、駆動電圧信号１における電圧Ｖ１に応じてオフセット補正する。つまり、電圧Ｖ１による可動部５の変位量は予め判っているため、その電圧Ｖ１による変位量分を減じるように、平滑化信号を補正するのである。これにより、マイクロコンピュータ４０のオフセット補正部３３からは、印加された加速度による変位に相当する信号が出力される。

判定部３４は、上述したＡ／Ｄ変換回路３１の出力信号に加えて、デジタルフィルタ３２からの平滑化信号を入力する。そして、これらの信号を対比することにより、加速度センサ３０から、駆動電圧信号１，２の電圧切換周波数に相当する周波数で振動するセンサ信号が出力されているか否かを判定する。この判定において、センサ信号が振動していないと判定した場合には、異常信号を出力するとともに、加速度センサ３０に対して診断指示信号の出力を停止する。一方、センサ信号が振動していると判定した場合には、異常の発生を監視するために、継続して、診断指示信号を加速度センサ３０に出力する。

以上、説明したように、本実施形態の容量式加速度検出装置によれば、加速度の検出と、センサ部２０の自己診断とを同時に実行することが可能である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による容量式力学量検出装置（容量式加速度検出装置）について、図面に基づいて説明する。

第１実施形態による容量式加速度検出装置では、可動電極９と一対の固定電極１４ａ、１４ｂ間に、常時、可動部５を振動させるための駆動電圧信号１，２を印加していた。このようにすれば、可動部５に異常が生じたとき、遅滞なく、その異常を検出できるとのメリットがある。

しかし、可動部５に異常が生じたとき、その異常を検出するまでに、ある程度の時間遅れがあっても、それほど問題とはならない場合（用途）もある。本実施形態では、このような点に着目して、間欠的に可動部５を振動させて、可動部５の自己診断を行うようにするものである。このように、間欠的に可動部５を振動させるようにすると、振動発生に必要な消費電力を低減できるとともに、本来の加速度に上乗せされる平滑化成分も減少するので、オフセット補正部を省略できるメリットがある。

図５は、本実施形態による容量式加速度検出装置の全体構成を示すブロック図である。本実施形態では、マイクロコンピュータ４０において、所定のタイミング（所定周期）で加速度センサ３０に対して診断指示信号を発生させるための診断指示出力部３５が追加されている。加速度センサ３０の制御回路２４は、この診断指示信号を受けた場合、自己診断回路２５に対して、図６に示すように、１回だけ、可動電極９と固定電極１４ａ間に、可動電極９を変位させるための電圧Ｖ１を印加するように指示する。自己診断回路２５は、制御回路２４から電圧Ｖ１の印加を指示されたときには、電圧Ｖ１を発生して固定電極用パッド１６ａに与えるが、なんら指示がないときには、電圧Ｖ０を発生して固定電極用パッド１６ａに与える。

これにより、加速度センサ３０から出力される加速度信号は、電圧Ｖ１が印加されたときのみ、振動するようになる。判定部３４は、この振動が生じたとき、デジタルフィルタ３２によるフィルタ処理前後のセンサ信号を取り込み、センサ信号が振動しているか否かに基づいて、加速度センサ３０の異常の有無を自己診断する。

なお、図５に示す構成においては、上述したように、可動部５の振動によるセンサ信号に対する影響がほぼ無視できる程度に微小であるため、オフセット補正部３３が省略され、デジタルフィルタ３２から直接、印加加速度を示す信号が出力されるようになっている。

（第３実施形態）
上述した第２実施形態では、所定周期で加速度センサ３０の可動部５を間欠的に振動させるものであった。それに対して、第３実施形態による容量式力学量検出装置（容量式加速度検出装置）では、加速度センサ３０から出力されるセンサ信号が所定時間変化しないときに、加速度センサ３０の可動部５を振動させて、加速度センサ３０の自己診断を行うものである。

加速度センサ３０に作用する加速度が変化している間、加速度センサ３０が正常に機能していれば、加速度センサ３０から出力されるセンサ信号も変化する。このセンサ信号が変化しているときには、可動部５に固着等の異常は発生していないとみなすことができる。換言すれば、可動部５に固着等の異常が発生すると、センサ信号は変化せず一定となる。

本実施形態による容量式加速度検出装置は、このような点に鑑みて、加速度センサ３０から出力されるセンサ信号が所定時間変化せず、加速度センサ３０に異常が発生した可能性が生じたときにのみ、自己診断を実施する。

本実施形態による容量式加速度検出装置の構成は、基本的に第２実施形態による容量式加速度検出装置の構成と同様である。ただし、判定部３４は、センサ信号が振動しているか否かの自己診断のための判定に加え、加速度センサ３０からのセンサ信号が所定時間変化せず一定であるとみなすことができるか否かも判定する。具体的には、図７に示すように、センサ信号の変化幅が所定範囲に収まっている時間が所定時間に達した場合、判定部３４はセンサ信号が所定時間一定であると判定する。

判定部３４によって、センサ信号が所定時間一定であると判定されると、判定部３４は診断指示出力部３５に対して、診断指示信号を出力するように指示する。これにより、加速度センサ３０において、センサ信号が所定時間変化しないときに自己診断が実施されるようになる。

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何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。

例えば、上述した第２、第３実施形態のように、間欠的に可動部５を振動させて、自己診断を行う場合には、その自己診断の実施期間以外の期間において、デジタルフィルタ３２によるフィルタ処理の実施を停止し、加速度センサ３０のセンサ信号をそのまま出力するようにしても良い。デジタルフィルタ３２によるフィルタ処理を実施すると、図４に示すように、センサ信号の変化時に、少なからず信号の位相の遅れが生じる。従って、可動部５を振動させるための駆動電圧信号１，２が与えられていなければ、デジタルフィルタ３２によるフィルタ処理の実施を停止して、位相遅れの無い信号を出力することが好ましいためである。

また、上述した各実施形態では、デジタルフィルタ３２のフィルタ処理前後の信号を対比することにより、センサ信号が振動しているか否かを判定した。しかしながら、上述した第２、第３実施形態のように、間欠的に可動部５を振動させて、自己診断を行う場合には、その振動の前後のセンサ信号を対比することにより、センサ信号が振動しているか否かを判定することもできる。

さらに、上述した各実施形態では、容量式加速度検出装置が、加速度センサ３０とマイクロコンピュータ４０とを備える構成について説明した。しかしながら、図８に示すように、加速度センサ３０が、すべての構成を備えるものであってもよい。すなわち、図８に示すように、加速度センサ３０が、デジタルフィルタ３２に代えて、アナログ信号のままフィルタ処理を行うＬＰＦ１３２、ＬＰＦ１３２が出力する平滑化信号に対してオフセット補正を行う補正回路１３３、及びＬＰＦ１３２によるフィルタ処理前後の信号を対比して、自己診断を行う判定部１３４を備えるように構成しても良い。

第１実施形態による容量式加速度検出装置におけるセンサ部の斜視断面図である。 第１実施形態による容量式加速度検出装置の全体構成を示すブロック図である。 Ｃ−Ｖ変換回路２１、サンプルホールド差動増幅回路２２の回路構成の一例を示す回路図である。 第１実施形態による容量式加速度検出装置における各部の信号波形を示す波形図である。 第２実施形態による容量式加速度検出装置の全体構成を示すブロック図である。 第２実施形態による容量式加速度検出装置における各部の信号波形を示す波形図である。 第３実施形態による容量式加速度検出装置における各部の信号波形を示す波形図である。 変形例による容量式加速度検出装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

２０ センサ部
２１ Ｃ−Ｖ変換回路
２２ サンプルホールド差動増幅回路
２４ 制御回路
２５ 自己診断回路
３０ 加速度センサ
３１ Ａ／Ｄ変換回路
３２ デジタルフィルタ
３３ オフセット補正部
３４ 判定部

Claims (8)

1. 検出対象である力学量の印加に応じて変位する可動電極と、当該可動電極に対向して配置された固定電極とからなり、前記力学量の印加に応じて前記可動電極が変位すると、前記可動電極と固定電極間の静電容量が変化するセンサ部と、
   前記センサ部における静電容量の変化を電圧信号の変化に変換するＣ−Ｖ変換回路と、
   前記検出対象である力学量が変化する周波数の上限よりも高い周波数で、前記可動電極を振動させるための駆動電圧を、前記可動電極と固定電極間に与える駆動手段と、
   前記駆動手段によって前記可動電極と固定電極間に前記駆動電圧が与えられた時に、前記Ｃ−Ｖ変換回路から出力される電圧信号に基づいて、前記可動電極の異常を診断する自己診断手段と、
   前記Ｃ−Ｖ変換回路によって変換された電圧信号に対して、前記駆動手段による前記可動電極の振動周波数に相当する周波数成分を除去するフィルタ処理を行い、前記可動電極に印加された力学量に応じた信号を出力するフィルタ手段とを備え、
   前記固定電極は、前記可動電極の変位方向に沿って、当該可動電極の両側に設けられた第１固定電極と第２固定電極とからなり、
   前記Ｃ−Ｖ変換回路は、前記可動電極と前記第１固定電極間の第１静電容量と、前記可動電極と前記第２固定電極間の第２静電容量との差を、電圧信号に変換するものであり、
   前記駆動手段は、前記第１及び第２固定電極の一方と可動電極間に、当該可動電極を変位させる大きさの電位差を与え、前記第１及び第２固定電極の他方と可動電極間に、当該可動電極の変位を生じさせない大きさの電位差を与え、これらの電位差を周期的に切り換える態様で、前記可動電極と前記第１及び第２固定電極間に駆動電圧を与えるものであり、
   前記フィルタ手段が出力する信号を、前記可動電極を変位させる大きさの電位差に応じてオフセット補正するオフセット補正手段を備えることを特徴とする自己診断機能を備えた容量式力学量検出装置。
2. 前記駆動手段は、間欠的に、前記可動電極を振動させるための駆動電圧を、前記可動電極と固定電極間に与えることを特徴とする請求項１に記載の容量式力学量検出装置。
3. 前記駆動手段は、前記電圧信号が所定時間変化しない場合に、前記可動電極を振動させるための駆動電圧を、前記可動電極と固定電極間に与えることを特徴とする請求項２に記載の容量式力学量検出装置。
4. 前記駆動手段によって前記可動電極を振動させるための駆動電圧が与えられていない間、前記フィルタ手段は前記フィルタ処理の実施を停止し、前記Ｃ−Ｖ変換回路によって変換された電圧信号をそのまま出力することを特徴とする請求項２又は３に記載の容量式力学量検出装置。
5. 検出対象である力学量の印加に応じて変位する可動電極と、当該可動電極に対向して配置された固定電極とからなり、前記力学量の印加に応じて前記可動電極が変位すると、前記可動電極と固定電極間の静電容量が変化するセンサ部と、
   前記センサ部における静電容量の変化を電圧信号の変化に変換するＣ−Ｖ変換回路と、
   前記検出対象である力学量が変化する周波数の上限よりも高い周波数で、前記可動電極を振動させるための駆動電圧を、前記可動電極と固定電極間に与える駆動手段と、
   前記駆動手段によって前記可動電極と固定電極間に前記駆動電圧が与えられた時に、前記Ｃ−Ｖ変換回路から出力される電圧信号に基づいて、前記可動電極の異常を診断する自己診断手段と、
   前記Ｃ−Ｖ変換回路によって変換された電圧信号に対して、前記駆動手段による前記可動電極の振動周波数に相当する周波数成分を除去するフィルタ処理を行い、前記可動電極に印加された力学量に応じた信号を出力するフィルタ手段とを備え、
   前記駆動手段は、間欠的に、前記可動電極を振動させるための駆動電圧を、前記可動電極と固定電極間に与えるものであり、
   前記駆動手段によって前記可動電極を振動させるための駆動電圧が与えられていない間、前記フィルタ手段は前記フィルタ処理の実施を停止し、前記Ｃ−Ｖ変換回路によって変換された電圧信号をそのまま出力することを特徴とする容量式力学量検出装置。
6. 前記駆動手段は、前記電圧信号が所定時間変化しない場合に、前記可動電極を振動させるための駆動電圧を、前記可動電極と固定電極間に与えることを特徴とする請求項５に記載の容量式力学量検出装置。
7. 前記自己診断手段は、前記駆動電圧が与えられる前に、前記Ｃ−Ｖ変換回路から出力された電圧信号と、前記駆動電圧が与えられたときに、前記Ｃ−Ｖ変換回路から出力された電圧信号とを対比して、前記駆動電圧が与えられたときに前記電圧信号が変動しているかを判定することにより、前記可動電極の異常を診断することを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の容量式力学量検出装置。
8. 検出対象である力学量の印加に応じて変位する可動電極と、当該可動電極に対向して配置された固定電極とからなり、前記力学量の印加に応じて前記可動電極が変位すると、前記可動電極と固定電極間の静電容量が変化するセンサ部と、
   前記センサ部における静電容量の変化を電圧信号の変化に変換するＣ−Ｖ変換回路と、
   前記検出対象である力学量が変化する周波数の上限よりも高い周波数で、前記可動電極を振動させるための駆動電圧を、前記可動電極と固定電極間に与える駆動手段と、
   前記駆動手段によって前記可動電極と固定電極間に前記駆動電圧が与えられた時に、前記Ｃ−Ｖ変換回路から出力される電圧信号に基づいて、前記可動電極の異常を診断する自己診断手段と、
   前記Ｃ−Ｖ変換回路によって変換された電圧信号に対して、前記駆動手段による前記可動電極の振動周波数に相当する周波数成分を除去するフィルタ処理を行い、前記可動電極に印加された力学量に応じた信号を出力するフィルタ手段とを備え、
   前記自己診断手段は、前記フィルタ手段によりフィルタ処理が施される前後の信号を対比して、前記電圧信号が前記駆動電圧に応じて変動しているかを判定することにより、前記可動電極の異常を診断することを特徴とする容量式力学量検出装置。

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