JPH11118827A

JPH11118827A - 容量式物理量検出装置

Info

Publication number: JPH11118827A
Application number: JP28065997A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Ito; 弘明伊藤; Hayashi Nonoyama; 林野々山; Shigenori Yamauchi; 重徳山内
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-10-14
Filing date: 1997-10-14
Publication date: 1999-04-30

Abstract

(57)【要約】【課題】サーボ制御を行う容量式加速度検出装置にお
いて、自己診断用の電極を設けることなく自己診断を行
えるようにする。【解決手段】加速度検出を行う検出回路２０は、可動
電極２ｄと固定電極３、４間の容量を電圧に変換するＣ
−Ｖ変換器２１と、その電圧に応じたデューティ比のパ
ルス信号を発生するＰＷＭ信号発生回路２２と、そのパ
ルス信号により固定電極３、４に互いに逆相になるパル
ス信号を印加するインバータ２３〜２５から構成されて
おり、可動電極２ｄを所定の位置に保つようにサーボ制
御を行って、加速度を検出する。また、インバータ２３
には、電圧変調器３１が設けられており、自己診断時に
インバータ２３の出力パルス信号の振幅を変調し、可動
電極２ｄに疑似的な加速度を発生させる。ＥＣＵ３０
は、そのときにＰＷＭ信号発生回路２２から出力される
パルス信号のデューティ比の変化量から自己診断を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【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
し、特にその自己診断を行う機能を備えたものに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、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、疑似的に物理量が変
化したような状態にして自己診断を行うようにしたもの
がある。例えば、特開平５−３２２９２１号公報には、
非サーボの状態で、固定電極に印加する信号の振幅やデ
ューティ比を変化させて、可動電極に疑似的な加速度を
発生させ、そのときの出力信号で自己診断を行うように
したものが開示されている。また、特開平８−１１０３
５５公報には、サーボ式の加速度センサにおいて、疑似
的な加速度を発生させるための自己診断用の専用電極を
設けて、自己診断を行うようにしたものが開示されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
ものは、非サーボ式の加速度センサにおいて自己診断を
行うものである。また、後者のものは、自己診断用の専
用電極を必要とする。本発明は上記問題に鑑みたもの
で、サーボ制御を行う容量式物理量検出装置において、
自己診断用の電極を設けることなく自己診断を行えるよ
うにすることを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明においては、可動電極（２
ｄ）と固定電極（３、４）間の容量変化を検出し可動電
極（２ｄ）を所定の位置に保持するように固定電極
（３、４）への印加信号をサーボ制御して、物理量に応
じた信号を出力する検出手段（２０）を備え、さらに自
己診断時に固定電極（３、４）への印加信号を変調して
可動電極（２ｄ）に疑似的な物理量を与え、サーボ制御
によって検出手段（２０）から出力される信号に基づい
て、自己診断を行う自己診断手段（３０、３１、３２、
２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）を備えたことを特徴としてい
る。

【０００５】従って、サーボ制御を行う容量式物理量検
出装置において、サーボ系を含めて自己診断を行うこと
ができる。上記した検出手段（２０）は、具体的には、
請求項２に記載の発明のように、可動電極（２ｄ）と固
定電極（３、４）によって形成される容量を電圧に変換
する変換手段（２１）と、この変換手段（２１）によっ
て変換された電圧に応じたデューティ比のパルス信号を
発生するパルス信号発生手段（２２）と、このパルス信
号発生手段（２２）からのパルス信号により固定電極
（３、４）に印加信号を印加する印加手段（２３〜２
５）とを有して構成することができる。

【０００６】また、上記した自己診断手段としては、請
求項３に記載の発明のように、印加手段（２３〜２５）
から出力される印加信号の振幅を変調する手段（３１）
を有して構成することができる。また、請求項４に記載
の発明のように、印加手段（２３〜２５）から出力され
る印加信号のバイアス電圧を変調する手段（３２）を有
して構成することができる。さらに、請求項５に記載の
発明のように、パルス信号発生手段（２２）から出力さ
れるパルス信号のデューティ比を変化させる手段（２２
ｂ、２２ｃ、２２ｄ）を有して構成することができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）図１に、容量式加速度検出装置におけ
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。

【０００８】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２
ｄ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による容量の変
化を検出し、可動電極２ｄを所定の位置に保持するよう
に固定電極３、４に印加する印加電圧を制御する。すな
わちサーボ制御を行う。

【０００９】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、可動電極２ｄと固定電極３、
４によって形成される容量を電圧に変換するＣ−Ｖ変換
器２１と、このＣ−Ｖ変換器２１によって変換された電
圧に応じたデューティ比のパルス信号を発生するＰＷＭ
信号発生回路２２と、このＰＷＭ信号発生回路２２から
のパルス信号により固定電極３、４に互いに逆相になる
パルス信号を印加するインバータ２３〜２５により構成
されている。

【００１０】この構成において、可動電極２ｄが加速度
に応じて変位をすると、可動電極２ｄと固定電極３、４
による容量が変化し、そのときの容量に応じた電圧がＣ
−Ｖ変換器２１から出力される。そして、その出力電圧
に応じたパルス幅のパルス信号電圧がＰＷＭ信号発生回
路２２から出力され、インバータ２４は一方の固定電極
３にそのパルス信号と同相のパルス信号を印加し、イン
バータ２３は他方の固定電極４にそれと逆相のパルス信
号を印加する。その結果、可動電極２ｄと固定電極３、
４のそれぞれの間に、可動電極２ｄを所定の位置に保つ
ような静電気力が発生する。

【００１１】そして、Ｃ−Ｖ変換器２１、ＰＷＭ信号発
生回路２２、インバータ２３〜２５によるサーボ制御に
よって、可動電極２ｄは所定の位置に保持される。ま
た、ＰＷＭ信号発生回路２２から出力されるパルス信号
はＥＣＵ３０に入力され、ＥＣＵ３０は、そのパルス信
号のデューティ比の変化量から加速度を検出する。この
ような容量式加速検出装置において、自己診断を行うた
めの手段が設けられている。具体的には、インバータ２
３から出力されるパルス信号の振幅を変調するための電
圧変調器３１が設けられている。この電圧変調器３１
は、自己診断時にＥＣＵ３０から出力される信号によっ
てインバータ２３の出力パルス信号の振幅を小さくする
ようにする。

【００１２】このようにインバータ２３から出力される
パルス信号の振幅が小さくなると、固定電極３、４に印
加されるパルス信号の振幅が等しくならなくなり、可動
電極２ｄと固定電極３、４のそれぞれの間に発生する静
電気力が異なって、可動電極に疑似的な加速度が与えら
れる。この場合、上述したサーボ制御によって、ＰＷＭ
信号発生回路２２から出力されるパルス信号のデューテ
ィ比が変化し、その結果、疑似的な加速度が変化してし
まうが、ＰＷＭ信号発生回路２２から出力されるパルス
信号は、あるデューティ比で安定する。ＥＣＵ３０は、
そのときのデューティ比に基づいて、センサエレメント
１０および検出回路２０によるセンサ部が正常に動作し
ているか否かを自己診断する。すなわち、センサエレメ
ント１０を含めたサーボ系が正常に動作しているか否か
を自己診断する。

【００１３】なお、自己診断時にＰＷＭ信号発生回路２
２から出力されるパルス信号のデューティ比の変化量か
ら感度の経時変化を求めることができるため、ＥＣＵ３
０において、デューティ比の変化量から感度補正を行う
ようにしてもよい。図３に、インバータ２３および電圧
変調器３１の具体的な構成を示す。インバータ２３は、
２つのＦＥＴ２３ａ、２３ｂによるＣＭＯＳ回路にて構
成され、電圧変調器３１は、２つのＦＥＴ３１ａ、３１
ｂ、抵抗３１ｃ、ダイオード３１ｄ、およびインバータ
３１ｅから構成されている。

【００１４】自己診断でない通常動作時には、ＥＣＵ３
０からローレベルの信号が出力されＦＥＴ３１ａ側がオ
ンしているため、インバータ２３にはＶｄｄの通常電圧
が供給される。また、自己診断時にはＥＣＵ３０からハ
イレベルの自己診断信号（テスト信号）が出力されるた
めＦＥＴ３１ｂ側がオンし、インバータ２３にはＶｄｄ
より低い電圧が供給される。従って、自己診断時にイン
バータ２３の出力パルス信号の振幅を変調することがで
きる。

【００１５】図４に、通常動作時と自己診断時における
インバータ２３、２４の出力パルス信号の波形を示す。
通常動作時において、加速度が発生していないときに
は、図４（ａ）に示すように、インバータ２３からのパ
ルス信号（図の上段に示す）とインバータ２４からのパ
ルス信号（図の下段に示す）の振幅は共にＶ₀で等しく
なっている。そして、加速度が発生すると、図４（ｂ）
に示すように、インバータ２３、２４からのパルス信号
のパルス幅が互いに逆方向に変化し、これによって上述
したように可動電極２ｄを所定の位置に保つようにサー
ボ制御が行われる。

【００１６】また、自己診断における信号印加時には、
図４（ｃ）に示すように、インバータ２３からのパルス
信号の振幅がＶ₁に変化する。これによりインバータ２
３、２４からのパルス信号の振幅にアンバランスが生
じ、可動電極２ｄと固定電極３、４のそれぞれの間の静
電気力が等しくなくなり、可動電極２ｄに疑似的な加速
度が発生する。例えば、インバータ２３、２４からのパ
ルス信号のそれぞれのデューティ比が５０％であると
き、可動電極には、εＳ（Ｖ₀ ²−Ｖ₁ ²）／２ｄ²の静
電気力が作用する。ここで、εは誘電率、Ｓは電極の面
積、ｄは電極間の距離である。

【００１７】そして、この後のサーボ動作によって、イ
ンバータ２３、２４からのパルス信号は、図４（ｄ）に
示すように変化して安定する。このとき、ＰＷＭ信号発
生回路２２から出力されるパルス信号によりＥＣＵ３０
は、自己診断を行う。なお、上記した構成において、自
己診断時にインバータ２３に供給する電源電圧は、ＥＣ
Ｕ３０から出力される電圧を用いるようにしてもよく、
また昇圧回路等を用いて通常動作時の電源電圧より高く
してもよい。また、インバータ２３およびインバータ２
４の両方の出力パルス信号を異なる電圧源で振幅を変調
するようにしてもよい。

【００１８】また、上記した自己診断は、例えば電源投
入時などの加速度が発生しないときに行えば検出回路２
０からの出力信号に基づいて自己診断を行うことができ
るが、通常動作時に自己診断を行う場合には、検知すべ
き加速度と自己診断の信号が重なりあって実際の加速度
信号と自己診断の結果の信号を分離するのが難しくな
る。そこで、ＥＣＵ３０から出力される振幅変調を行う
信号としては、パルスのような、検知すべき加速度と異
なる周波数帯域の信号とするのが好ましい。（第２実施形態）第１実施形態では、インバータ２３か
ら出力されるパルス信号の振幅を変調するものを示した
が、この第２実施形態ではそれに加えてそのパルス信号
のバイアス電圧を変調するようにしている。

【００１９】図５にその具体的な構成を示す。インバー
タ２３の出力側に加算器３２が設けられており、この加
算器３２は、自己診断時にＥＣＵ３０から出力されるオ
フセット電圧をインバータ２３から出力されるパルス信
号に加えて、バイアス電圧の変調を行う。例えば、可動
電極２ｄの電位を０Ｖとし、インバータ２３から出力さ
れるパルス信号を、図６（ａ）に示すように、０Ｖ中心
で±Ｖ₁の振幅を有するパルス信号波形にすると、可動
電極２ｄには、εＳ（Ｖ₀ ²−Ｖ₁ ²／２）／２ｄ²の
静電気力が作用し、可動電極２ｄに疑似的な加速度を発
生させることができる。

【００２０】そして、サーボ動作によって、インバータ
２３、２４から出力されるパルス信号は、図６（ｂ）に
示すように変化する。なお、図６（ａ）、（ｂ）におけ
る上段、下段は、インバータ２３、２４から出力される
パルス信号をそれぞれ示している。また、この実施形態
において、インバータ２３から出力されるパルス信号に
対し振幅変調を行わずにバイアス電圧の変調のみを行う
ことも可能である。（第３実施形態）この第３実施形態では、ＰＷＭ信号発
生回路２２から出力されるパルス信号のデューティ比を
変化させて、可動電極２ｄに疑似的な加速度を発生させ
るようにしている。

【００２１】図７に、この実施形態におけるＰＷＭ信号
発生回路２２の構成を示す。なお、この実施形態におい
て、ＰＷＭ信号発生回路２２以外の構成は、第１、第２
実施形態のものと同じである。図７において、Ｃ−Ｖ変
換器２１の出力電圧は、増幅器２２ａに入力される。こ
の増幅器２２ａの出力側には、抵抗２２ｂ、２２ｃ、演
算増幅器２２ｄで構成される差動増幅回路が設けられて
おり、増幅器２２ａの出力とＥＣＵ３０から出力される
所定電圧のテスト信号との差電圧が、差動増幅回路から
出力される。その出力は、比較器２２ｅの非反転入力端
子に入力される。また、比較器２２ｅの反転入力端子に
は、三角波信号が入力されている。

【００２２】通常動作時には、ＥＣＵ３０から一定の電
圧が出力され、その電圧とＣ−Ｖ変換器２１の出力電圧
との差の電圧を三角波信号と比較することにより、Ｃ−
Ｖ変換器２１の出力電圧に応じたデューティ比のパルス
信号がＰＷＭ信号発生回路２２から出力される。その結
果、インバータ２３、２４からは、図８（ａ）の上段、
下段に示すパルス信号がそれぞれ出力される。

【００２３】また、自己診断時には、ＥＣＵ３０から通
常動作時に出力される電圧とは異なる電圧のテスト信号
が出力される。従って、比較器２２ｅからは通常動作時
とは異なる電圧が出力され、ＰＷＭ信号発生回路２２か
ら出力されるパルス信号のデューティ比が変化する。こ
のため、インバータ２３、２４からは、図８（ｂ）の上
段、下段に示すパルス信号がそれぞれ出力され、可動電
極２ｄに疑似的な加速度を発生させることができる。

【００２４】この場合、上述したセンサエレメント１０
を含めたサーボ系が正常であれば、可動電極２ｄを所定
の位置に保つようにサーボ制御が行われるので、ＰＷＭ
信号発生回路２２から出力されるパルス信号が一定にな
るように動作する。すなわち、増幅器２２ａに入力され
る電圧とＥＣＵ３０から出力されるテスト信号とが等し
くなる。ＥＣＵ３０は、増幅器２２ａに入力される電圧
とテスト信号が等しくなったか否かにより、サーボ系を
含めてセンサ部が正常に動作しているか否かを自己診断
することができる。

【００２５】なお、本発明は、上記したような加速検出
を行うものに限らず、角速度、圧力等の物理量を検出す
るものに適用することができる。また、本発明は、可動
電極の両側に固定電極が配置される構成のものに限ら
ず、可動電極の片側にのみ固定電極が配置される構成の
ものにも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実施形態において容量式加速度検
出装置のセンサ部の模式的構成を示す図である。

【図２】本発明の第１実施形態にかかる容量式加速度検
出装置の電気的構成を示す図である。

【図３】図２中の電圧変調器３１の具体的構成を示す図
である。

【図４】図２中のインバータ２３、２４から出力される
パルス信号の波形を示す図である。

【図５】本発明の第２実施形態にかかる容量式加速度検
出装置の電気的構成を示す図である。

【図６】図５中のインバータ２３、２４から出力される
パルス信号の波形を示す図である。

【図７】本発明の第３実施形態におけるＰＷＭ信号発生
回路２２の具体的な構成を示す図である。

【図８】本発明の第３実施形態においてインバータ２
３、２４から出力されるパルス信号の波形を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０…センサエレメント、１…基板、２…梁構造体、２
ａ…アンカ部、２ｂ…梁部、２ｃ…質量部、２ｄ…可動
電極、３、４…固定電極、２０…検出回路、２１…Ｃ−
Ｖ変換器、２２…ＰＷＭ信号発生回路、２３〜２５…イ
ンバータ、３０…ＥＣＵ、３１…電圧変調器、３２…加
算器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物理量に応じて変位する可動電極（２
ｄ）と、この可動電極（２ｄ）と対向配置される固定電極（３、
４）と、前記可動電極（２ｄ）と前記固定電極（３、４）間の容
量変化を検出し、前記可動電極（２ｄ）を所定の位置に
保持するように前記固定電極（３、４）への印加信号を
サーボ制御して、前記物理量に応じた信号を出力する検
出手段（２０）と、自己診断時に前記固定電極（３、４）への印加信号を変
調して前記可動電極（２ｄ）に疑似的な物理量を与え、
前記サーボ制御によって前記検出手段（２０）から出力
される信号に基づいて、自己診断を行う自己診断手段
（３０、３１、３２、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）とを備
えたことを特徴とする容量式物理量検出装置。
【請求項２】前記検出手段（２０）は、前記可動電極
（２ｄ）と前記固定電極（３、４）によって形成される
容量を電圧に変換する変換手段（２１）と、この変換手
段（２１）によって変換された電圧に応じたデューティ
比のパルス信号を発生するパルス信号発生手段（２２）
と、このパルス信号発生手段（２２）からのパルス信号
により前記固定電極（３、４）に前記印加信号を印加す
る印加手段（２３〜２５）とを有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。
【請求項３】前記自己診断手段は、前記印加手段（２
３〜２５）から出力される前記印加信号の振幅を変調す
る手段（３１）を有することを特徴とする請求項２に記
載の容量式物理量検出装置。
【請求項４】前記自己診断手段は、前記印加手段（２
３〜２５）から出力される前記印加信号のバイアス電圧
を変調する手段（３２）を有することを特徴とする請求
項２又は３に記載の容量式物理量検出装置。
【請求項５】前記自己診断手段は、前記パルス信号発
生手段（２２）から出力されるパルス信号のデューティ
比を変化させる手段（２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）を有す
ることを特徴とする請求項２に記載の容量式物理量検出
装置。