(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。【選択図】図２
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【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（２ｄ）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）によって形成される容量の変化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）に印加信号を印加する印加手段（２３〜２５）とを有し、前記可動電極（２ｄ）を所定の位置に保持するように前記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、
前記印加手段（２３〜２５）から出力される前記印加信号の振幅を変調する手段（３１）を有し、自己診断時に前記印加信号の振幅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】
前記自己診断手段は、前記印加手段（２３〜２５）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１に記載の容量式物理量検出装置。
【請求項３】
物理量に応じて変位する可動電極（２ｄ）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）によって形成される容量の変化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）に印加信号を印加する印加手段（２３〜２５）とを有し、前記可動電極（２ｄ）を所定の位置に保持するように前記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、
前記印加手段（２３〜２５）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）を有し、自己診断時に前記印加信号のバイアス電圧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４】
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１乃至請求項３の何れか一つに記載の容量式物理量検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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８−１１０３５５号公報には、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。
【特許文献１】特開平５−３２２９２１号公報
【特許文献２】特開平８−１１０３５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
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（２ｄ）と固定電極（３、４）によって形成される容量の変化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（２３〜２５）とを有し、可動電極（２ｄ）を所定の位置に保持するように前記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）と、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、自己診断時に印加信号の振幅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）と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。
【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。
【０００７】
さらに、請求項４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（２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）を有して構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（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。
【０００９】
このような構成において、質量部２ｃが加速度を受けて変位すると、可動電極２ｄもそれに応じて変位する。可動電極２ｄと固定電極３および可動電極２ｄと固定電極４は差動の容量を構成しており、可動電極２ｄの変位に応じてそれらの容量が変化する。検出回路２０は、可動電極２ｄと固定電極３、４による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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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２３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。
【００１３】
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。
【００１４】
なお、自己診断時に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感度の経時変化を求めることができるため、ＥＣＵ３０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、３１ｂ、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。
【００１５】
自己診断でない通常動作時には、ＥＣＵ３０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。
【００１６】
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。
【００１７】
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２３、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（Ｖ０２−Ｖ１２）／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。
【００１８】
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、ＥＣＵ３０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２４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。
【００１９】
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２０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。
【００２０】
（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。
【００２１】
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（Ｖ０２−Ｖ１２／２）／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。
【００２２】
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。
【００２３】
（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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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】
【００２９】
【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２３、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】
【００３０】
１０…センサエレメント、１…基板、２…梁構造体、２ａ…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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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