(57)【要約】【課題】検知感度を高めるために、固定構造体と可動構造体の電極間に静電引力を生じさせる状態では、印加された加速度の大きさだけで制御する場合、車両走行路面の状態による、不規則な衝撃的振動には対応できない。【解決手段】加速度に応じて変位する質量部を有し、この質量部の変位を電気信号に変換する加速度センサにおいて、最新の変位量及びそれ以前の変位量の情報を元に、検出ダイナミックレンジの上限までの余裕度合いを判定する手段を設け、その判定結果に基づき質量部の変位感度を切替える手段を備える【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度に応じて変位する質量部を有し、この質量部の変位を電気信号に変換する加速度センサにおいて、最新の変位量及びそれ以前の変位量の情報を元に、検出ダイナミックレンジの上限までの余裕度合いを判定する手段を設け、その判定結果に基づき質量部の変位感度を切替える手段を備えることを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
請求項１において、検出ダイナミックレンジの上限までの余裕度合いを判定する手段は、最新の変位量と、最新の変位量と一つ前に検出した変位量の差分を用いて判断することを特徴とする加速度センサ
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、質量部の変位感度を切替える手段は、質量部とこれに対向して配置される固定部の補助電極に電位差を与えることにより、質量部への静電気力を与えることを特徴とする加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量を検出する慣性力センサに関し、特に、センサの小型化を目的とした回路制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の走行制御システムに搭載されるセンサでは、エンジン動作により発生する振動、路面の状態による車両の振動に対して、センサ出力が影響を受けにくいことが求められる。特に、車両にかかる加速度を検知する加速度センサにおいては、車両振動の加速度の影響を受け易いため、高い耐振動性能が必要である。
【０００３】
加速度センサには、固定構造体と、それと梁を介して接続される可動構造体で構成され、加速度が加わった際の可動構造体の空間的移動を物理量に変換して検出する方式がある。
【０００４】
例えば、固定構造体と可動構造体間の静電容量変化として検出する方式は特許文献１で開示されている。また、検出された物理量に対し、補正処理を施しセンサ出力とする方法については、特許文献２で開示されている。
【０００５】
また、特許文献３では、可動構造体の応力変化を抵抗値変化として検知する方式ではあるが、検知感度を高めるために固定構造体と可動構造体間の静電引力を切替えることにより、検出される物理量を変化させる（物理量の検出感度を変化させる）方法と、それにより、検出できる加速度のダイナミックレンジを拡大できること、及びＳＮ比が改善するという効果が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−３２２９２１号公報
【特許文献２】特開平２−５２６３０号公報
【特許文献３】特開平７−１２０４９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
検知感度を高めるために、固定構造体と可動構造体の電極間に静電引力を生じさせる状態では、可動構造体の梁の復元力よりも静電引力が強くなり、電極が接近したままの固定される状態（スティック状態）になりやすい。スティック状態が発生すると、センサの電源を再起動するまで回復しない場合もある。走行中に電源再起動のできない車載向けセンサでは、スティック状態の発生を回避する必要がある。特許文献３のように、印加された加速度の大きさだけで制御する場合、車両走行路面の状態による、不規則な衝撃的振動には対応できない。本発明の目的は、耐振動性が高く、S/N比が高い加速度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願において開示される発明は次のとおりである。
所定の値を超えた加速度が印加されたことを検知する検知手段と
過去の加速度検出結果を加味して、過大な加速度印加を予測する予測手段を具備し
前記検知手段と前記予測手段の結果から、センサエレメントの感度切り替え制御を行なう。
【発明の効果】
【０００９】
本願において開示される発明の効果は以下の通りである。
平坦面を走行中のように、ゆっくりとした加速度の変化や、振幅の小さい振動が印加されている状態では、センサの検出感度を高め、S/N比の改善を図るとともに、未舗装面を走行中のように、大きく且つ高い周波数の振動が印加される状態では、センサのスティック状態発生回避を優先させた、耐振動性能の高いセンサを実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第一の実施形態に係る加速度センサのブロック構成図
【図２】第一の実施形態に用いるセンサエレメントの回路図と簡易構造モデル
【図３】第一の実施形態におけるセンサエレメントの変位量とセンサ出力の関係
【図４】第一の実施形態における入力レベル検出回路
【図５】第一の実施形態における予測回路
【図６】第一の実施形態における制御モード決定回路の判定アルゴリズム
【図７】第一の実施形態における印加加速度とセンサ出力の関係を示す図
【図８】第一の実施形態における予測回路の必要性を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る加速度センサのブロック図である。制御回路１０１の構成要素である搬送波生成部１０２は、センサエレメント２０１の差動搬送波入力端子Ｐ２４１及び差動搬送波入力端子Ｎ２４２へ差動搬送波を出力する。センサエレメント２０１は、変調搬送波出力端子２４３から、印加加速度に応じた静電容量の変化ΔＣで変調した変調搬送波信号を、ＣＶ変換回路１０３へ出力する。ＣＶ変換回路１０３は、搬送波生成部１０２からの搬送波で同期検波、前記変調搬送波信号を復調する。復調信号は調整回路１０５で、補正係数回路１０４で指定されたゲインで補正処理され、規格化されたセンサ出力信号として出力されるとともに、予測回路１０６と、入力レベル検出回路１０７に導かれる。予測回路１０６と入力レベル検出回路１０７は、最新のセンサ出力及びそれ以前のセンサ出力を元に、それぞれ判定結果を出力する。
制御モード決定回路１０８は、前記２つの判定結果に基づき、複数の制御モードのいずれかでセンサを動作させるか判定し、それに応じた制御モード識別信号を、補助電圧生成部１０９及び前記補正係数回路１０４へ出力する。補助電圧生成部１０９は、前記制御モード識別信号に基づき、前記センサエレメント２０１へ、補助電圧Ｈと補助電圧Ｌを出力する。
【００１２】
図２は前記センサエレメントの等価回路と、機械的構造の簡略化モデルである。機械的構造として、可動マス２０３が支持梁２０４を介して、固定構造体２０２へ接続されている。この支持梁２０４は、図の左右方向に印加される加速度に応じて、可動マスが左右方向に移動できるように弾性特性が設定されている。
【００１３】
可動マス２０３には、共通補助電極Ｐ２１２、共通補助電極Ｎ２１４が配置され、それぞれに対向して固定構造体２０２に、補助電極Ｐ２１１、補助電極Ｎ２１３が配置されている。共通補助電極Ｐ２１１と共通補助電極Ｎ２１４は、補助電圧入力端子Ｌ２３３に接続されている。補助電極Ｐ２１１と補助電極Ｎ２１３は、補助電圧入力端子Ｈ２３１に接続されている。また、可動マス２０３には、前記静電容量の変化ΔＣを検出するために、共通検出電極Ｐ２２２、共通検出電極Ｎ２２４が配置され、それぞれに対向して固定構造体２０２に、検出電極Ｐ２２１、検出電極Ｎ２２３が配置されている。共通検出電極Ｐ２２４と共通検出電極Ｎ２２４は、変調搬送波出力端子２４３接続されている。検出電極Ｐ２２１は、前記差動搬送波入力端子Ｐ２４１に接続されている。検出電極Ｎ２２３は、前記差動搬送波入力端子Ｎ２４２に接続されている。
【００１４】
次に、上記の構成を踏まえ、本実施例の具体的動作について説明する。図３は補助電極への印加電圧有無における、印加加速度と可動マス２０３の変位量の関係を示したものである。補助電極への電圧印加無の場合の特性は直線３０２となる。スティック状態となる可動マスの限界変位は点３０５であるため、加速度は点３１３まで入力することができる。補助電極への電圧印加有の場合の特性は直線３０１となる。可動マスの限界変位は、電圧印加無の場合より低い点３０４であるため、加速度は点３１２までしか入力することができない。このため、電圧印加有として使用する場合は、ノイズや微小振動に対するマージンを考え、入力加速度は点３１１を電圧印加有無の切り替え点とする。このように制御したときの、印加加速度と可動マス２０３の変位量の関係は、直線３０１の太線部、直線３０２の太線部となる。
【００１５】
前記制御モード識別信号が指示する電圧印加有無の切り替えと連動し、ＣＶ変換出力へのゲイン補正も切替える。ここで、前記可動マス２０３の変位量と、ＣＶ変換回路１０３の出力は線形の関係とする。電圧印加有のとき、エレメント感度は高い状態（感度：α、α≧１）であり、このとき補正係数回路１０４は、低Ｇ用補正係数（ゲイン：Ｋ/α、Ｋ≧１）を調整回路１０５へ出力する。調整回路１０５ではＣＶ変換回路１０３からの出力に対し、Ｋ/αのゲイン補正を行い、センサ検出結果として出力する。印加加速度ｇに対する静電容量変化をｇ・（ΔＣ・α）とすると、センサ出力は、ｇ・ΔＣ・α・Ｋ/α、つまりｇ・ΔＣ・Ｋとなる。
【００１６】
次に、電圧印加無のとき、エレメント感度は低い状態（感度：１）であり、このとき補正係数回路１０４は、高Ｇ用補正係数（ゲイン：Ｋ、Ｋ≧１）を調整回路１０５へ出力する。調整回路１０５ではＣＶ変換回路１０３からの出力に対し、Ｋのゲイン補正を行い、センサ検出結果として出力する。印加加速度ｇ対する静電容量変化をｇ・ΔＣとすると、センサ出力は、ｇ・ΔＣ・Ｋとなる。つまり、上記のように、エレメント感度と補正係数の関係を定めることにより、印加加速度ｇにおけるセンサ検出結果は、図７の直線３０１のように一様増加の直線で表現できる。
【００１７】
このように補正されたセンサ出力は、過大な加速度印加を予測する予測回路１０６と、入力レベル検出回路１０７に導かれる。ここで、本発明である予測回路の必要性について図８を用いて簡単に説明する。この図は、横軸は時間、縦軸は可動マスの変位、横軸に交差した破線は、センサ出力の更新タイミングを示している。点Ａと、点Ｄは、エレメント感度切替え点よりも小さい可動マス変位であるが、それぞれの次のセンサ出力をみると、点Ｄの場合はエレメント感度切替え点よりも小さい点Ｅであるが、点Ａの場合は変位限界である点Ｂまで到達しており、スティック状態となる。このように印加される加速度の特性によっては、現時点のセンサ出力の大きさだけの判断では、スティック状態を回避できないことがわかる。
【００１８】
もし、点Ａの時点で、一つ前のセンサ出力である点Ｃとの差が大きいので、次のセンサ出力（点Ｂ）が切り替え点を越えると予想できれば、スティック状態を回避できる。
【００１９】
このような考え方に基づき、予測回路１０６は、現在のセンサ出力値と、一つ前のセンサ出力値の差分値を求めることにより、差分値が所定の閾値よりも大きい場合は、次のセンサ出力値も大きいと予測し、感度を下げる要求フラグを出力する。予測回路１０６の実現回路について、図４に示しておく。入力端子４０１から入力される現在のセンサ出力を、一つ前のセンサ出力を保持する遅延回路４０２の出力と、減算回路４０３で差分を抽出し、絶対値化回路４０４を介して、比較回路４０５へ導く。この出力値が、閾値設定部４０６からの出力値よりも大きい場合は、比較回路４０５は、感度を下げる要求フラグを出力端子４０７より出力する。
【００２０】
入力レベル検出回路１０７は、現在のセンサ出力値が所定の閾値よりも大きい場合は、スティック発生までのマージンが少ないと判断し、感度を下げる要求フラグを出力する。入力レベル検出回路１０７の実現回路について、図５に示しておく。入力端子５０１から入力される現在のセンサ出力を、絶対値化回路５０２を介して、比較回路５０３へ導く。この出力値が、閾値設定部５０４からの出力値よりも大きい場合は、比較回路５０３は、感度を下げる要求フラグを出力端子５０５より出力する。
【００２１】
制御モード決定回路１０８は、予測回路１０６及び入力レベル検出回路１０７から導かれた感度下げ要求フラグを元に所定のアルゴリズムにより、制御モードを決定する。アルゴリズムの一例を図６に示す。どちらか片方から感度下げ要求フラグが入力された場合、感度を下げることを決定する。決定された制御モードは、制御モード識別信号として、補助電圧生成回路１１０、補助電圧生成回路１１１と補正係数回路１０４へ導かれる。
【００２２】
制御モード識別信号が、感度高い状態（補助電圧への電圧印加有）を指定している場合、補助電圧生成回路１１０、補助電圧生成回路１１１は、予め定められた前記変調搬送波出力端子２４３よりも高い電圧を出力する。制御モード識別信号が、感度低い状態（補助電圧への電圧印加無し）を指定している場合、補助電圧生成回路１１０、補助電圧生成回路１１１は、前記変調搬送波出力端子２４３と同じ電圧を出力する。補正係数回路１０４と、調整回路１０５の動作については、既に記述した通りである。
【００２３】
以上のように、本実施例に示す発明によれば、加速度の低周波数変動や、振幅の小さい振動が印加されている状態では、センサの検出感度を高め、S/N比の改善を図るとともに、大きく且つ高い周波数の振動が印加される状態では、スティック状態発生回避を優先させた、耐振動性能の高いセンサを実現することができる。
【００２４】
なお、制御モードの切り替えは、本実施例のような２段階に切替える構成に限らず、２以上の複数の段階での切り替え制御として構成してもよいことは言うまでもない。また、本実施例の実現回路は、アナログ回路、デジタル回路、またはその混合回路のいずれでも可能であるし、本実施例に記載した補正係数回路及び閾値設定部の係数や閾値は、センサ外部から更新可能としてもよい。また、予測回路について、実施例では、一つ前の出力値との差分を取る構成のみ示したが、回路制約の許す範囲で、二つ前以前の複数のデータを用いたフィルタ処理や、周波数解析処理などを用いて、より複雑かつ精密に予測する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００２５】
１０１  制御回路
１０２  搬送波生成部
１０３  ＣＶ変換回路
１０５  調整回路
１０４  補正係数回路
１０８  制御モード決定回路
１０９  補助電圧生成部
２０１  センサエレメント
２０２  固定構造体
２０３  可動マス
２０４  支持梁
２１１  補助電極Ｐ
２１２  共通補助電極Ｐ
２１３  補助電極Ｎ
２１４  共通補助電極Ｎ
２２１  検出電極Ｐ
２２２  共通検出電極Ｐ
２２３  検出電極Ｎ
２２４  共通検出電極Ｎ
２３１  補助電圧入力端子Ｐ
２３３  補助電圧入力端子Ｎ
２４１  差動搬送波入力端子Ｐ
２４２  差動搬送波入力端子Ｎ
２４３  変調搬送波出力端子
【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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