JP5949589B2

JP5949589B2 - Capacitive physical quantity detector

Info

Publication number: JP5949589B2
Application number: JP2013023301A
Authority: JP
Inventors: 直樹有坂
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2013-02-08
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2033-02-08
Also published as: JP2014153204A

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。 The present invention relates to a capacitive physical quantity detection device that detects a physical quantity as a change in capacitance, such as an acceleration sensor device or a yaw rate sensor device.

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。 As this type of capacitive physical quantity detection device, there is, for example, an acceleration sensor device mounted in an automobile airbag system (see, for example, Patent Document 1). This acceleration sensor device includes a semiconductor acceleration sensor chip (sensor element) and a processing circuit that processes a detection signal from the sensor chip. The sensor chip is configured by forming a movable electrode portion that is supported via a spring portion and is displaced according to the action of acceleration, and a pair of fixed electrode portions that are disposed with gaps on both sides in the displacement direction of the movable electrode portion. Is done.

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。 As a result, capacitors are formed between the movable electrode portion and one fixed electrode portion, and between the movable electrode portion and the other fixed electrode portion, respectively, and the capacitance of these capacitors is relative to the sensor chip. It changes differentially according to the displacement of the movable electrode part accompanying the action of acceleration. Therefore, acceleration can be taken out as a change in capacitance value. In recent years, in this type of acceleration sensor device, in order to reduce noise, for example, as shown in Patent Document 2, a fully differential CV conversion circuit may be employed as a processing circuit. It is considered.

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。 By the way, as shown in Patent Document 1, in this type of acceleration sensor device, whether or not the device operates normally when the engine starts (whether a predetermined sensitivity is obtained or there is no foreign object in the gap portion of the sensor chip). Etc.) is provided. In Patent Document 1, the self-diagnosis circuit is used to diagnose the normality / abnormality of the acceleration sensor, and at the same time, a device for detecting the presence or absence of a short circuit of the lead wire between the self-diagnosis circuit and the A / D converter is made. .

特開２００５−２１２５６０号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-212560 特開２０１２−１１２６９５号公報JP 2012-112695 A

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。 FIG. 5 shows a specific example of an acceleration sensor device that employs a fully differential CV conversion circuit as a processing circuit. In FIG. 5, the sensor chip (sensor element) 1 includes capacitors C1 and C2 between the movable electrode portion and one fixed electrode portion and between the movable electrode portion and the other fixed electrode portion, respectively. It is formed. On the other hand, the processing circuit 2 includes a fully-differential CV conversion circuit that converts a capacitance change into a voltage change. Although not shown, the processing circuit 2 has a pulsed carrier wave (FE1) on the movable electrode portion of the sensor chip 1. , FE2), a carrier wave output circuit, a control circuit composed of a microcomputer and the like for overall control.

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。 The CV conversion circuit includes a fully differential amplifier 3 having two input terminals and two output terminals, and a non-inverting input terminal and a negative output terminal of the fully differential amplifier 3. A capacitor 4 (feedback capacitor Cf) and a first switch 5 (SW1) connected in parallel, and a capacitor 6 (connected in parallel between the inverting input terminal and the + side output terminal of the fully differential amplifier 3) A feedback capacitor Cf) and a second switch 7 (SW2).

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。 One fixed electrode portion of the sensor chip 1 is connected to the non-inverting input terminal of the fully differential amplifier 3, and the other fixed electrode portion is connected to the inverting input terminal of the fully differential amplifier 3. In addition, one fixed electrode portion of the sensor chip 1 is connected to a Hi level (5 V) power supply via a third switch 8 (SW3), and the other fixed electrode portion is connected to a fourth switch 9 (SW4). ) To the Lo level (0 V) power source. Two output terminals of the fully differential amplifier 3 are connected to the comparator 10.

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。 At this time, in the normal operation of detecting acceleration, the first carrier wave FE1 is applied to the movable electrode portion of the sensor chip 1, and the third switch 8 (SW3) and the fourth switch 9 (SW4) are It is turned off. As shown in FIG. 6, the first carrier wave FE1 has a pulse (rectangular wave) shape having an amplitude between 5 V and 0 V and a frequency of 120 kHz, for example. As shown in FIG. 6, during this normal operation, the CV conversion mode (CV1, CV2), AD conversion mode, and standby mode are repeated periodically (40 kHz) in accordance with the period of the first carrier wave FE1. As a result, the acceleration acting on the sensor chip 1 (movable electrode portion) can be detected as a change in capacitance between the fixed electrode portion and the movable electrode portion.

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。 On the other hand, at the time of self-diagnosis, the second carrier wave FE2 for self-diagnosis is applied to the movable electrode portion of the sensor chip 1, and the third switch 8 (SW3) and the fourth switch 9 (SW4). Is controlled on / off. As shown in FIG. 7, the second carrier wave FE2 for self-diagnosis has an amplitude with a predetermined duty ratio between 3V and 2.5V, for example, and the time on the 3V side is sufficiently short in one cycle. The time on the 2.5 V side is sufficiently long. During this self-diagnosis, the CV conversion mode, AD conversion mode, and standby mode are repeated periodically (30 kHz) in accordance with the cycle of the second carrier wave FE2. In the standby mode, the third switch 8 (SW3) and the fourth switch 9 (SW4) are turned on.

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。 Thereby, in the standby mode, an electrostatic force is generated between the movable electrode portion of the sensor chip 1 and one fixed electrode portion, and the movable electrode portion is forcibly displaced. As a result, the capacitances of the capacitors C1 and C2 fluctuate with respect to the capacitance at the normal time (when acceleration is not applied), so that the fully differential amplifier 3 is used in the CV conversion mode and AD conversion mode. The self-diagnosis can be performed by determining whether or not there has been a change in the electrostatic capacity commensurate with the displacement of the movable electrode portion (whether the movable electrode portion is operating normally).

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。 However, with the conventional self-diagnosis function as described above, self-diagnosis can be performed only when the sensor prior to actual acceleration detection is not used, such as when the vehicle engine is started. On the other hand, it is desired that the self-diagnosis function can be executed even while the vehicle is running (while the sensor is being used).

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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to detect a physical quantity as a change in capacitance while reducing noise using a fully differential CV conversion circuit. Therefore, it is an object of the present invention to provide a capacity type physical quantity detection device that can always execute self-diagnosis.

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、前記電圧印加手段により第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。 In order to achieve the above object, the capacitive physical quantity detection device of the present invention has a movable electrode part supported via a spring part and displaced in accordance with the action of the physical quantity, and a gap on both sides in the displacement direction of the movable electrode part. A sensor element having a first and a second pair of fixed electrode portions arranged, two non-inverted and inverted input terminals to which the respective fixed electrode portions are connected, and a first and a second Each of which corresponds to the displacement of the movable electrode portion in a state in which a pulsed carrier wave is applied to the movable electrode portion. A change in capacitance between the fixed electrode portion and the movable electrode portion is output as a potential difference between two output terminals of the CV conversion circuit, and the first fixed electrode Connected to the non-inverting input terminal of the CV conversion circuit A normal rotation state in which the second fixed electrode portion is connected to the inverting input terminal of the CV conversion circuit; and the first fixed electrode portion is connected to the inverting input terminal of the CV conversion circuit; A chopping circuit for selectively switching the inversion state in which the second fixed electrode portion is connected to the non-inverting input terminal of the CV conversion circuit, and a constant voltage to each of the first and second fixed electrode portions. Voltage applying means for applying, a forward rotation section for detecting the output of the CV conversion circuit in the forward rotation state, an inversion section for detecting the output of the CV conversion circuit in the reverse state, and the voltage application The chopping circuit and the voltage applying means so as to periodically repeat the third period in which the output of the CV conversion circuit is detected in a state where a constant voltage is applied to the first and second fixed electrode portions by the means. Switching control means for performing switching control of, An abnormality diagnosing means for diagnosing an apparatus abnormality from the output of the CV conversion circuit, and the abnormality diagnosing means includes the output of the first output terminal in the forward rotation section and the inversion of the three sections. First determination as to whether or not the output of the second output terminal in the section matches, whether or not the output of the second output terminal in the forward rotation section and the output of the first output terminal in the inversion section match A second determination of whether or not, a third determination of whether or not the output of the first output terminal and the output of the second output terminal in the third interval match the output predicted in advance, and the third If the determination is consistent and there is a mismatch in at least one of the first determination or the second determination, the sensor element has an abnormality, and if there is a mismatch in the third determination, the CV Abnormality in conversion circuit It has the feature in the place to diagnose.

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）。 In the above configuration, by providing a chopping circuit that switches between two outputs of the sensor element and two inputs of the CV conversion circuit, and performing control to alternately provide a forward rotation section and an inversion section, the sensor element In the normal state where there is no abnormality in both the CV conversion circuit and the CV conversion circuit, the output of the first output terminal in the forward rotation section coincides with the output of the second output terminal in the inversion section (the first determination matches). In addition, the output of the second output terminal in the forward rotation section coincides with the output of the first output terminal in the inversion section (the second determination matches).

また、上記正転区間及び反転区間に加えて、電圧印加手段により第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。 In addition to the forward rotation section and the inversion section, a third section is provided for detecting the output of the CV conversion circuit in a state where a constant voltage is applied to the first and second fixed electrode portions by the voltage applying means. As a result, in a state where there is no abnormality in the CV conversion circuit, the output of the first output terminal and the output of the second output terminal in the third section coincide with the outputs predicted in advance (the third determination is made). Match).

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。 On the other hand, when there is an abnormality in the CV conversion circuit, a mismatch occurs in the third determination. If there is a mismatch in at least one of the first determination and the second determination even though the third determination matches, that is, there is no abnormality in the CV conversion circuit, the sensor It can be determined that there is an abnormality in the element. Of course, a change in physical quantity can always be detected based on the outputs in the forward rotation section and the reverse rotation section.

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。 Therefore, according to the present invention, the switching control means performs control to periodically repeat the forward rotation section, the inversion section, and the third section, and the abnormality diagnosis means performs the first, second, and second control. By performing the determination of 3, it is possible to always detect a physical quantity and perform self-diagnosis. Moreover, when an abnormality is determined based on the first, second, and third determinations, it is possible to determine which of the sensor element and the circuit unit is abnormal. .

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The one which shows one Example of this invention and the figure which shows schematically the electric constitution of the principal part of a semiconductor acceleration sensor apparatus センサチップの概略的な平面図（ａ）及び縦断正面図（ｂ）Schematic plan view of sensor chip (a) and longitudinal front view (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Timing chart showing examples of carrier wave waveform, on / off control of each switch, mode and interval, and normal output 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Timing chart showing an example of output when there is an abnormality in the circuit part A 従来例を示す図１相当図1 equivalent diagram showing a conventional example 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Timing chart showing carrier waveform and mode in normal operation 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Timing chart showing carrier waveform, mode, etc. during self-diagnosis

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。 Hereinafter, an embodiment embodying the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram schematically showing an electrical configuration of a semiconductor acceleration sensor device 11 as a capacitive physical quantity detection device according to the present embodiment. FIG. 2 schematically shows a configuration of a sensor chip 12 as a sensor element. FIG. Here, although not shown in detail, the semiconductor acceleration sensor device 11 includes a stack structure in which the sensor chip 12 is mounted on a circuit chip on which a signal processing circuit 13 (see FIG. 1) is formed. It is configured to be accommodated in a package (not shown).

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。 First, an outline of the configuration of the sensor chip 12 will be described. As shown in FIG. 2B, the sensor chip 12 is, for example, a rectangular (square) SOI substrate in which a single crystal silicon layer 12c is formed on a support substrate 12a made of silicon via an oxide film 12b. By using a micromachining technique as a base, grooves are formed in the single crystal silicon layer 12c on the surface, thereby having an acceleration detection unit 14 as a physical quantity detection unit located in a rectangular region in the center.

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。 In this case, the acceleration detection unit 14 has a detection axis (X axis) in one direction, and detects acceleration in the front-rear direction (X axis direction) in FIG. The acceleration detection unit 14 includes a movable electrode unit 15 that is displaced in the X-axis direction according to the action of acceleration, and a pair of left and right first and second fixed electrode units 16 and 17. Among them, the movable electrode portion 15 has spring portions 15b each having a rectangular frame shape elongated in the left-right direction at both front and rear ends of the weight portion 15a extending in the front-rear direction at the center of the acceleration detection portion 14, and the spring portion on the near side in the drawing. An anchor portion 15c is provided on the further front end side of 15b. And it has many narrow-width movable electrodes 15d extending from the weight portion 15a in the left-right direction so as to be comb-like.

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。 As shown in FIG. 2 (b), the movable electrode portion 15 is so-called that the lower insulating film 12b is removed except for the anchor portion 15c, and only the anchor portion 15c is supported by the support substrate 12a. It is in a cantilevered state. Further, as shown in FIG. 1, an input terminal 18 made of an electrode pad is provided on the upper surface of the anchor portion 15c. As will be described later, a carrier wave FE is input to the input terminal 18.

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。 On the other hand, the first fixed electrode portion 16 on the left side has a plurality of fixed electrodes 16b extending in a comb-like shape from the rectangular base portion 16a to the right, and the fixed electrode wiring portion 16c extending forward from the base portion 16a. It is comprised. Each of the fixed electrodes 16b is provided adjacent to the movable electrode 15d in parallel immediately behind the movable electrode 15d via a minute gap. As shown in FIG. 1, a first output terminal 19 made of an electrode pad is provided on the upper surface of the front end portion of the fixed electrode wiring portion 16c.

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。 The second fixed electrode portion 17 on the right side has a plurality of fixed electrodes 17b extending in a comb-like shape to the left from the rectangular base portion 17a and a fixed electrode wiring portion 17c extending forward from the base portion 17a. It is configured. Each of the fixed electrodes 17b is provided in front of each of the movable electrodes 15d so as to be adjacent to each other in parallel through a minute gap. As shown in FIG. 1, a second output terminal 20 made of an electrode pad is provided on the upper surface of the front end portion of the fixed electrode wiring portion 17c.

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。 Thus, between the movable electrode portion 15 (movable electrode 15d) and the first fixed electrode portion 16 (fixed electrode 16b), and between the movable electrode portion 15 (movable electrode 15d) and the second fixed electrode portion 17. Capacitors C1 and C2 (see FIG. 1) having the movable electrode portion 15 as a common electrode are formed between the fixed electrode 17b and the capacitance of the capacitors C1 and C2, respectively. It changes differentially according to the displacement of the movable electrode portion 15 due to the action, so that the acceleration can be taken out as a change in capacitance value.

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。 Although not shown in FIG. 2, the sensor chip 12 is also provided with an electrode pad to be the GND terminal 21 (see FIG. 1). As shown in FIG. 1, the first and second output terminals (electrode pads 19 and 20) of the sensor chip 12 are first input terminals provided on the circuit chip (signal processing circuit 13), respectively. 22, connected to the second input terminal 23. This electrical connection is made by a bonding wire connection or a bump connection.

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。 Next, the circuit chip includes a signal processing circuit 13 for processing a signal from the sensor chip 12, as shown in FIG. The signal processing circuit 13 includes a control signal generation circuit (not shown) that generates a carrier wave FE to be applied to the movable electrode portion 15 (input terminal 18), a chopping circuit 24, and a fully differential that converts a capacitance change into a voltage change. It comprises a CV conversion circuit 26 of a type, a control circuit 27 for controlling the whole, a comparator 25, a waveform shaping circuit (not shown), an output amplifier circuit, an abnormality detection circuit, an oscillation circuit, an EPROM, etc. .

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。 As shown in FIG. 3, the carrier wave FE input to the movable electrode portion 15 (input terminal 18) by the control signal generation circuit has an amplitude between a voltage Vp (for example, 5V equal to the power supply voltage) and 0V, and a frequency. For example, has a pulse shape (rectangular wave shape) of 120 kHz. At this time, the carrier wave FE is constantly applied to the movable electrode portion 15 during the operation of the acceleration sensor device 11.

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。 As shown in FIG. 1, the CV conversion circuit 26 includes a fully-differential amplifier 28 having two non-inverted and inverted input terminals and first and second output terminals. A capacitor 29 (feedback capacitor Cf) and a first switch 31 (SW1) connected in parallel between the non-inverting input terminal of the fully differential amplifier 28 and the first output terminal on the negative side, and a fully differential amplifier The capacitor 30 (feedback capacitance Cf) and the second switch 32 (SW2) are connected in parallel between the 28 inverting input terminals and the second output terminal on the + side.

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。 Two outputs of the fully differential amplifier 28 are input to the comparator 25. In the following description, for the sake of convenience, the outputs from the first and second output terminals of the fully-differential amplifier 28 are referred to as A output and B output, respectively. Further, a parallel connection circuit of the capacitor 29 and the first switch 31 (SW1) provided between the non-inverting input terminal and the first output terminal of the fully differential amplifier 28 is referred to as a circuit unit A for convenience. The parallel connection circuit of the capacitor 30 and the second switch 32 (SW2) provided between the inverting input terminal and the second output terminal of the fully differential amplifier 28 is referred to as a circuit unit B for convenience. To do.

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。 As shown in FIG. 1, the first input terminal 22 and thus the first fixed electrode portion 16 are connected to an intermediate potential (Vp / 2) of the carrier wave FE via a third switch 33 (SW3), in this case. It is connected to a 2.5V power supply. At the same time, the second input terminal 23 and thus the second fixed electrode portion 17 are supplied with a power supply of 2.5 V which is also the intermediate potential (Vp / 2) of the carrier wave FE via the fourth switch 34 (SW4). It is connected to the. As will be described later, the third and fourth switches 33 and 34 are controlled by the control circuit 27, so that voltage applying means for applying a constant voltage to the first and second fixed electrode portions 16 and 17, respectively. Is configured.

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。 The chopping circuit 24 includes a fifth switch 35 (SW5) inserted between the first input terminal 22 and the non-inverting input terminal of the fully-differential amplifier 28, the second input terminal 23, A sixth switch 36 (SW6) inserted between the inverting input terminal of the fully differential amplifier 28 and an insert between the first input terminal 22 and the inverting input terminal of the fully differential amplifier 28. A seventh switch 37 (SW7), and an eighth switch 38 (SW8) inserted between the second input terminal 23 and the non-inverting input terminal of the fully-differential amplifier 28. Yes.

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。 The chopping circuit 24, that is, the fifth to eighth switches 35 to 38 are also controlled to be turned on / off by the control circuit 27. At this time, the fifth switch 35 (SW5) and the sixth switch 36 (SW6) of the chopping circuit 24 are turned on, and the seventh switch 37 (SW7) and the eighth switch 38 (SW8) are turned off. The state is called a normal rotation state. In this forward rotation state, the first fixed electrode portion 16 is connected to the non-inverting input terminal of the fully-differential amplifier 28, and the second fixed electrode portion 17 is connected to the inverting input terminal.

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。 On the other hand, the fifth switch 35 (SW5) and the sixth switch 36 (SW6) of the chopping circuit 24 are turned off, and the seventh switch 37 (SW7) and the eighth switch 38 (SW8) are turned on. This state is called an inverted state. In this inversion state, the first fixed electrode portion 16 is connected to the inverting input terminal of the fully-differential amplifier 28, and the second fixed electrode portion 17 is connected to the non-inverting input terminal. The first and second switches 31 and 32 are for refreshing the capacitors 29 and 30 and are turned on at an appropriate time by the control circuit 27, but are related to the gist of the present invention. Since it is thin, the following description will be made assuming that it is off.

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。 As will be described later in the description of the operation, the control circuit 27 controls the control signal generation circuit, the first to eighth switches 31 to 38, and the like by its software configuration (and hardware configuration). At this time, as shown in FIGS. 3 and 4, the control circuit 27 detects the output of the CV conversion circuit 26 in the normal rotation state and the CV conversion circuit 26 in the reverse state. In the inversion period for detecting the output of, and in a state where the third and fourth switches 33 and 34 are turned on and a fixed voltage (2.5 V) is applied to the first and second fixed electrode portions 16 and 17, respectively. Switching control of the chopping circuit 24 and the third and fourth switches 33 and 34 so as to periodically repeat the third period in which the output of the CV conversion circuit 26 is detected in accordance with the period of the carrier FE. I do.

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。 As shown in FIGS. 3 and 4, in the forward rotation section, the CV conversion mode is performed for each cycle of the carrier FE (more specifically, two modes of CV1 that takes a reference and CV2 that detects a change amount). The AD conversion mode and the standby mode are executed. Even in the inversion section, the CV conversion mode, the AD conversion mode, and the standby mode are similarly executed for each cycle of the carrier wave FE. Similarly, in the third section, the CV conversion mode, the AD conversion mode, and the standby mode are executed for each cycle of the carrier wave FE. The detection signals (A output and B output) from the fully differential amplifier 28 are output at the timing after the AD conversion mode in each section.

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。 At this time, the control circuit 27 detects acceleration acting on the sensor chip 12 (vehicle) from the outputs (A output and B output) of the CV conversion circuit 26 in the forward rotation section and the reverse section. This acceleration detection signal is output to the outside. Along with this, the control circuit 27 functions as an abnormality diagnosing means for diagnosing an apparatus abnormality from the outputs (A output, B output) of the CV conversion circuit 26 in the above three sections.

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。 Specifically, among the three sections, the control circuit 27 outputs the A output (a1) of the first output terminal of the fully differential amplifier 28 in the normal rotation section and the first output of the fully differential amplifier 28 in the inversion section. 1st judgment whether B output (b2) of 2 output terminals corresponds, B output (b1) of the 2nd output terminal in a normal rotation area, and A output of the 1st output terminal in an inversion area ( a second determination as to whether or not a2) matches, the A output (a3) of the first output terminal and the B output (b3) of the second output terminal in the third section are predicted outputs (this A third determination is made as to whether or not the reference value S) is met.

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。 Then, the control circuit 27 detects that the sensor chip 12 has an abnormality when the third determination matches and at least one of the first determination and the second determination does not match (difference greater than or equal to a threshold value). Judge that there is. If there is a mismatch (difference greater than or equal to the threshold value) in the third determination, the CV conversion circuit 26 is diagnosed as having an abnormality. In this case, if there is a mismatch in the third determination (difference greater than or equal to the threshold), if there is a mismatch in the A output (signal a3), the circuit section A is abnormal, and the B output (signal b3) If there is a mismatch, it is determined that the circuit part B is abnormal.

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。 Next, the operation of the above configuration will be described. 3 shows the waveform of the carrier wave FE input to the movable electrode portion 15 of the sensor chip 12 and the third to eighth switches 33 to 38 controlled by the control circuit 27 when the semiconductor acceleration sensor device 11 is in operation. The state of on / off switching is shown together with the mode and interval. Also, examples of A output and B output in each section are shown together. In FIG. 3, there is no abnormality in the sensor chip 12 and the circuit unit (CV conversion circuit 26), and it is relatively small. It shows how acceleration is acting.

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。 As described above, during the operation of the semiconductor acceleration sensor device 11, the three sections of the forward rotation section, the inversion section, and the third section are always repeated periodically. In the forward rotation section, the fifth switch 35 and the sixth switch 36 are turned on, and the seventh and eighth switches 37 and 38 are turned off. The third and fourth switches 33 and 34 are also turned off. In this forward rotation section, a voltage signal (A output) output from the first output terminal of the fully differential amplifier 28 is a1, and a voltage signal (B output) output from the second output terminal is b1. .

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。 In the inversion period, the seventh switch 37 and the eighth switch 38 are turned on, the fifth and sixth switches 35 and 36 are turned off, and the third and fourth switches 33 and 34 are also turned off. In this inversion section, the connection state of the first and second fixed electrode portions 16 and 17 to the two input terminals of the fully differential amplifier 28 is switched. In this inversion section, a voltage signal (A output) output from the first output terminal of the fully-differential amplifier 28 is a2, and a voltage signal (B output) output from the second output terminal is b2.

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。 In the third section, the third switch 33 and the fourth switch 34 are turned on. Similarly to the forward rotation section, the fifth and sixth switches 35 and 36 are turned on, and the seventh and eighth switches 37 and 38 are turned off. In the third section, the fifth and sixth switches 35 and 36 may be off, and the seventh and eighth switches 37 and 38 may be on. In this third section, the potentials of the first and second fixed electrode portions 16 and 17 are forcibly set to 2.5 V, and a potential signal of 2.5 V is applied to the two input terminals of the fully differential amplifier 28. Entered. In this third section, the voltage signal (A output) output from the first output terminal of the fully-differential amplifier 28 is a3, and the voltage signal (B output) output from the second output terminal is b3. .

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。 Here, in a state where no acceleration is applied to the sensor chip 12, the first and second fixed electrode portions 16 and 17 are both suspended at a potential of Vp / 2 (for example, 2.5 V), and the capacitor The capacitances of C1 and C2 are equal. When acceleration acts on the sensor chip 12, the movable electrode portion 15 is displaced in the X-axis direction. Then, there is a capacitance change (+ ΔC, −ΔC) according to the amount of displacement of the movable electrode portion 15, that is, the magnitude of acceleration between the capacitors C 1 and C 2, and the first and second fixed electrode portions 16 and 17 corresponding thereto. Are output from the first and second output terminals 19 and 20.

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。 In the normal rotation period and the inversion period, these signals are input to the input terminal of the fully differential amplifier 28 of the CV conversion circuit 26 and amplified, and output from the first and second output terminals (A1, (a1, a2) and B output (b1, b2). These output signals are input to the comparator 25, and an acceleration detection signal can be extracted from the potential difference between the A output and the B output. At this time, noise can be reduced by using the fully differential CV conversion circuit 26 (fully differential amplifier 28).

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。 As described above, when performing abnormality diagnosis, the control circuit 27 outputs the A output (signal a1) of the first output terminal in the forward rotation section and the B output (signal b2) of the second output terminal in the inversion section. A first determination is made as to whether the two match. Further, a second determination is made as to whether or not the B output (signal b1) of the second output terminal in the forward rotation section matches the A output (signal a2) of the first output terminal in the inversion section. Furthermore, whether the A output (signal a3) of the first output terminal and the B output (signal b3) of the second output terminal in the third section match the outputs predicted in advance (in this case, the reference value S). A third determination is made.

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）。 At this time, a chopping circuit 24 for switching between the two outputs of the sensor chip 12 and the two inputs of the CV conversion circuit 26 (full differential amplifier 28) is provided, and the forward rotation section and the inversion section are alternately switched. By performing control to be provided, when there is no abnormality in both the sensor chip 12 and the CV conversion circuit 26, the A output (signal a1) of the first output terminal in the forward rotation section and the second in the inversion section. And the output B of the output terminal (signal b2) match (first determination matches). At the same time, the B output (signal b1) of the second output terminal in the forward rotation section matches the A output (signal a2) of the first output terminal in the inversion section (the second determination matches).

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。 In addition, since the third section is provided, if there is no abnormality in the CV conversion circuit 26, the A output (signal) of the first output terminal in the third section regardless of whether the sensor chip 12 is abnormal or not. a3) and the B output (signal b3) of the second output terminal respectively match the output (reference value S) predicted in advance (the third determination matches).

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。 On the other hand, when there is an abnormality in the CV conversion circuit 26, a mismatch occurs in the third determination. When the third determination is coincident, that is, when there is no abnormality in at least one of the first determination and the second determination even though there is no abnormality in the CV conversion circuit 26, It can be determined that the sensor chip 12 is abnormal. FIG. 4 shows an A output (signals a1, a2, a3) and a B output (signals b1, b2) in each section when an abnormality occurs in the circuit portion A (upper side in FIG. 1) of the CV conversion circuit 26. , B3).

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。 As apparent from comparison with FIG. 3, in the example of FIG. 4, the A output (signal a <b> 3) is deviated from the reference value S and the B output (signal b <b> 3) is set to the reference value S in the third section. Match. From this, it can be determined that an abnormality has occurred in the circuit portion A of the CV conversion circuit 26. In this case, due to the abnormality of the circuit portion A of the CV conversion circuit 26, the outputs (signals a1, a2, signals b1, b2) in the forward rotation section and the inversion section are also shifted (for example, the first 1), the third determination is prioritized and it is determined that the circuit portion of the CV conversion circuit 26 is abnormal.

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。 As described above, in the configuration of this embodiment, the acceleration is detected as a change in capacitance in the sensor chip 12 while reducing noise using the fully differential CV conversion circuit 26. Thus, acceleration can be constantly detected and self-diagnosis can be performed. Although not shown, the control circuit 27 outputs an abnormality detection signal indicating that there is an abnormality and the location (type) of the abnormality to the outside when the device abnormality is diagnosed by the above self-diagnosis.

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。 Thus, according to the present embodiment, unlike the prior art in which the time when the self-diagnosis function can be executed is limited only at the time of engine start, the control device 27 (switching control means) allows the forward rotation section, the reverse section, The control is performed so as to periodically repeat the three sections, and the control device 27 (abnormality diagnosis means) performs the first, second, and third determinations so that the self-diagnosis is always performed together with the acceleration detection. There is an excellent effect that it can be performed. Moreover, when an abnormality is determined based on the first, second, and third determinations, it is possible to determine which of the sensor chip 12 and the CV conversion circuit 26 is abnormal. It will be.

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。 Although not described in the above embodiment, the voltage applied to the first and second fixed electrode portions 16 and 17 by the voltage applying means in the third section is an intermediate potential (Vp / 2) of the carrier wave. Not limited to this, different voltages (for example, 3.5 V and 1.5 V) may be used. In this case, if it is determined whether the A output (signal a3) and the B output (signal b3) in the third section match the expected outputs (reference values S1, S2) in the third determination. good.

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。 In the present invention, the sensor element (sensor chip) is arranged in a neutral state where no physical quantity is applied to the movable electrode portion, and the movable electrode portion and the first fixed electrode portion so that a difference in capacitance occurs in advance. And the gap between the movable electrode portion and the second fixed electrode portion may be unbalanced. According to this, since a difference is generated in advance between the A output and the B output in a state where the acceleration is not acting, the abnormality determination is more reliably performed when the first determination and the second determination are performed. Can be done.

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。 In addition, in the said Example, although this invention was applied to a semiconductor acceleration sensor, it can apply also to other capacitive semiconductor sensor apparatuses (physical quantity detection apparatus), such as a yaw rate sensor, for example. It can also be applied to a physical quantity sensor having detection axes in two or more directions. In addition, the specific numerical values such as each voltage (Vp) and frequency described above are merely examples, and the present invention is not limited to the above-described embodiments. For example, an appropriate value may be set according to actual use. It is not limited, and can be implemented with appropriate modifications within a range not departing from the gist.

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。 In the drawing, 11 is a semiconductor acceleration sensor device (capacitive physical quantity detection device), 12 is a sensor chip (sensor element), 14 is an acceleration detection unit, 15 is a movable electrode unit, 16 is a first fixed electrode unit, and 17 is a first electrode. 2 fixed electrode sections, 24 is a chopping circuit, 26 is a CV conversion circuit, 27 is a control circuit (switching control means, abnormality diagnosis means), 28 is a fully differential amplifier, and 31 to 38 are switches.

Claims

A sensor having a movable electrode portion supported via a spring portion and displaced in accordance with the action of a physical quantity, and a first and a second pair of fixed electrode portions disposed with gaps on both sides in the displacement direction of the movable electrode portion. A fully differential CV conversion circuit including an element, two non-inverted and inverted input terminals to which the fixed electrode portions are connected, and first and second output terminals Configured with
In a state where a pulsed carrier wave is applied to the movable electrode portion, a change in electrostatic capacitance between the fixed electrode portion and the movable electrode portion according to the displacement of the movable electrode portion is converted into the CV conversion circuit. A capacitance type physical quantity detection device that outputs a potential difference between two output terminals of
A normal rotation state in which the first fixed electrode portion is connected to a non-inverting input terminal of the CV conversion circuit and the second fixed electrode portion is connected to an inverting input terminal of the CV conversion circuit; An inversion state in which the first fixed electrode portion is connected to the inverting input terminal of the CV conversion circuit and the second fixed electrode portion is connected to the non-inverting input terminal of the CV conversion circuit is selectively performed. A chopping circuit for switching;
Voltage applying means for applying a constant voltage to each of the first and second fixed electrode portions;
A normal rotation period in which the output of the CV conversion circuit is detected in the normal rotation state, an inversion period in which the output of the CV conversion circuit is detected in the inversion state, and the first and second voltages applied by the voltage application unit. Switching control for performing switching control of the chopping circuit and the voltage applying means so as to periodically repeat the third period in which the output of the CV conversion circuit is detected in a state where a fixed voltage is applied to each of the fixed electrode portions of Means,
An abnormality diagnosis means for diagnosing an apparatus abnormality from the output of the CV conversion circuit,
The abnormality diagnosing means is configured to first determine whether the output of the first output terminal in the normal rotation section and the output of the second output terminal in the inversion section match among the three sections, Second determination as to whether or not the output of the second output terminal in the forward rotation section and the output of the first output terminal in the inversion section match, the output of the first output terminal in the third section and the second A third determination is made as to whether or not the output at the output terminal matches the output predicted in advance,
When the third determination matches, and when there is a mismatch in at least one of the first determination or the second determination, there is an abnormality in the sensor element, and there is a mismatch in the third determination A capacity type physical quantity detection device that diagnoses that the CV conversion circuit is abnormal.

The sensor element has a gap between the movable electrode portion and the first fixed electrode portion so that a difference in capacitance is generated in a neutral state where no physical quantity acts on the movable electrode portion, and 2. The capacitive physical quantity detection device according to claim 1, wherein a gap between the movable electrode portion and the second fixed electrode portion is configured to be unbalanced.

The voltage applying means applies a constant voltage that is an intermediate potential of the carrier wave to both the first and second fixed electrode portions in the third section, respectively. Capacitive physical quantity detection device.