(57)【要約】  加速度センサシステムに関し、高感度を確保しつつ、低消費電力を実現できる技術を提供する。加速度センサシステムは、加速度に応じて静電容量変化を表す信号を出力するセンサと、前記信号を入力して検出信号として検出する信号検出部と、前記信号を得るための検出用信号を生成し前記センサに印加する検出用信号生成部と、前記検出信号に基づいて、サーボ制御のためのサーボ信号としてＰＷＭ電圧信号を生成し前記センサに印加するサーボ信号生成部と、前記検出信号に基づいて、加速度を含む情報を出力する出力部と、を備え、前記サーボ信号生成部は、前記静電容量変化の大きさに応じて、前記ＰＷＭ電圧信号のレベルを、第１のレベルと前記第１のレベルよりも低い第２のレベルとを含む少なくとも２つのレベルで切り替えて調整する。
2016189690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度を検出する加速度センサシステムであって、
前記加速度に応じて静電容量変化を表す信号を出力するセンサと、
前記信号を入力して検出信号として検出する信号検出部と、
前記信号を得るための検出用信号を生成し前記センサに印加する検出用信号生成部と、
前記検出信号に基づいて、サーボ制御のためのサーボ信号としてＰＷＭ電圧信号を生成し前記センサに印加するサーボ信号生成部と、
前記検出信号に基づいて、加速度を含む情報を出力する出力部と、
を備え、
前記サーボ信号生成部は、前記静電容量変化の大きさに応じて、前記ＰＷＭ電圧信号のレベルを、第１のレベルと前記第１のレベルよりも低い第２のレベルとを含む少なくとも２つのレベルで切り替えて調整する、
加速度センサシステム。
【請求項２】
請求項１記載の加速度センサシステムにおいて、
前記サーボ信号生成部は、前記静電容量変化の大きさに応じて、前記ＰＷＭ電圧信号のパルス密度を、少なくとも２つのパルス密度で切り替えて調整する、
加速度センサシステム。
【請求項３】
請求項２記載の加速度センサシステムにおいて、
前記信号検出部は、前記信号を電圧に変換し増幅したアナログ信号を前記検出信号として出力し、
前記サーボ信号生成部は、
前記検出信号であるアナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤＣと、
前記ディジタル信号を信号処理してＰＩＤ制御信号を出力するＰＩＤ制御部と、
前記ＰＩＤ制御信号に応じて、前記ＰＷＭ電圧信号のパルス密度を切り替えるためのサーボ切替信号を生成する比較器と、
前記ＰＩＤ制御信号に応じて、前記ＰＷＭ電圧信号のレベルを切り替えるためのＰＷＭ電圧レベル切替信号を生成するＰＷＭ電圧レベル切替部と、
前記ＰＷＭ電圧レベル切替信号及び前記サーボ切替信号に基づいて、前記レベル及び前記パルス密度を調整した前記ＰＷＭ電圧信号を生成するマルチレベルサーボ信号生成部と、
を含む、加速度センサシステム。
【請求項４】
請求項１記載の加速度センサシステムにおいて、
前記サーボ信号と前記検出用信号とを時分割で切り替えて前記センサに印加する動作モード切替部を備える、
加速度センサシステム。
【請求項５】
請求項１記載の加速度センサシステムにおいて、
前記出力部は、
前記ＰＷＭ電圧レベル切替信号と前記サーボ切替信号とを用いて前記加速度を計算し、前記加速度を含む情報を出力する加速度出力部と、
前記加速度を用いて、用途に応じた分析処理を行うことにより、有用情報を出力する分析部と、
を含む、加速度センサシステム。
【請求項６】
請求項１記載の加速度センサシステムにおいて、
前記サーボ信号生成部は、
前記ＰＷＭ電圧信号における前記第１のレベル及び前記第２のレベルを設定するための電圧源として第１高側電圧源及び第２高側電圧源と、
前記ＰＷＭ電圧信号における低側電圧を設定するための低側電圧源と、
前記ＰＷＭ電圧レベル切替信号に従い、前記第１高側電圧源と前記第２高側電圧源とを切り替えて出力するレベル切替器と、
前記サーボ切替信号に従い、前記低側電圧源と、前記レベル切替器の出力とを切り替えて出力するサーボ切替器と、
を有する、加速度センサシステム。
【請求項７】
請求項１記載の加速度センサシステムにおいて、
前記サーボ信号生成部は、
前記検出信号であるアナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤＣを含み、
前記ＡＤＣの前記ディジタル信号のサンプリングのタイミング毎に、前記ディジタル信号の値と、閾値とを比較し、当該値が当該閾値を超える場合には、前記ＰＷＭ電圧信号を前記第１のレベルに設定し、当該値が当該閾値以下である場合には、前記ＰＷＭ電圧信号を前記第２のレベルに設定する、
加速度センサシステム。
【請求項８】
請求項１記載の加速度センサシステムにおいて、
前記サーボ信号生成部は、
前記検出信号であるアナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤＣを含み、
前記ＡＤＣの前記ディジタル信号のサンプリングのタイミング毎に、前記ディジタル信号の値を取得し、当該値と比較値とを比較し、
前記値が前記比較値以下である場合には、カウンタ値を１増加し、前記値が前記比較値を超える場合には、前記カウンタ値を０にし、
前記ＰＷＭ電圧信号が前記第１のレベルであり、かつ、前記カウンタ値がカウンタ閾値を超える場合には、前記ＰＷＭ電圧信号を前記第２のレベルに切り替え、
前記ＰＷＭ電圧信号が前記第２のレベルであり、かつ、前記カウンタ値が０である場合には、前記ＰＷＭ電圧信号を前記第１のレベルに切り替える、
加速度センサシステム。
【請求項９】
請求項１記載の加速度センサシステムにおいて、
前記センサは、
前記加速度に応じて第１方向で変位し、前記信号を出力する可動電極と、
前記可動電極を挟むように前記第１方向で両側に距離を置いて配置され、前記検出用信号及び前記サーボ信号が印加される一対の固定電極と、
を含む、加速度センサシステム。
【請求項１０】
請求項１記載の加速度センサシステムにおいて、
前記センサは、
前記加速度に応じて第１方向で変位し、前記信号を出力する可動電極と、
前記可動電極を挟むように前記第１方向で両側に距離を置いて配置され、第２方向で分離されて配置される、前記検出用信号が印加される第１の一対の固定電極、及び、前記サーボ信号が印加される第２の一対の固定電極と、
を含む、加速度センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度センサ技術に関する。また、本発明は、静電容量型及びサーボ式の加速度センサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
センサを用いて対象の加速度を検出し、加速度を用いて所定の分析処理により有用情報を出力する加速度センサシステムがある。加速度センサシステムは、多岐の用途及び製品に利用される。用途の一例としては、地震計測検知装置、自動車のエアバッグ装置、自動車部品の異常や故障の検知装置、石油や鉱脈等の資源探査システム、携帯機器やゲーム機器、等が挙げられる。例えば、地震計測検知の場合、加速度センサシステムは、振動の加速度から地震兆候等を検知し、有用情報としてその地震兆候検知情報を出力する。【０００３】
加速度センサシステムとして、高感度、即ち高精度な加速度の検出を実現するための構成としては、静電容量型及びサーボ式の加速度センサシステムがある。以下の説明は、主に静電容量型及びサーボ式の加速度センサシステムを対象とする。【０００４】
静電容量型及びサーボ式の加速度センサシステムに係わる先行技術例として、特開平４−３３７４６８号（特許文献１）が挙げられる。特許文献１には、加速度センサとして、以下の旨が記載されている。この加速度センサは、可動電極及び固定電極を持つ加速度検出素子と、電極間の静電容量差を検出する容量検出手段と、検出に基づいて可動電極が基準位置に戻れるような静電気力を電極間に発生させる静電気力発生手段とを備える。静電気力発生手段は、所定の繰り返し周期で電極にパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）による矩形波電圧を印加し、静電容量差に応じて電圧印加時間の割合及び繰り返し周期を変化させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−３３７４６８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
加速度センサシステムは、装置性能向上に伴い、更なる高感度及び低消費電力の実現に対する要求が高まっている。【０００７】
静電容量型及びサーボ式の加速度センサシステムは、加速度センサである加速度検出素子の電極に静電気力を印加して当該電極を平衡状態にする、いわゆるサーボ制御により、高感度を実現する。この加速度センサシステムは、加速度検出素子から検出された加速度に応じて、静電気力を発生させるための電気信号であるサーボ信号を、加速度検出素子の例えば固定電極に印加する。この静電気力は、加速度により可動電極に加わる力、言い換えると変位、を相殺するための静電気力である。【０００８】
サーボ信号として、ＰＷＭによる電圧信号を用いてサーボ制御を行う方式がある。このサーボ式の加速度センサシステムでは、検出された静電容量差または加速度に応じて、サーボ信号であるＰＷＭ電圧信号のパルス密度を調整する。パルス密度は、言い換えると、繰り返し周期における矩形波パルスの切り替え回数や電圧印加時間の割合に対応する。この方式では、加速度が大きい場合には、大きい静電気力を与えるために、ＰＷＭ電圧信号のパルス密度を、低密度にし、加速度が小さい場合には、小さい静電気力を与えるために、高密度になるように調整する。【０００９】
従来の静電容量型及びサーボ式の加速度センサシステムでは、予め、ＰＷＭ電圧信号のレベル、言い換えるとパルスの振幅、が一定値に設定されている。この一定値は、最大入力加速度に対応して可動電極を平衡状態に維持可能な静電気力を発生できる値に相当する。ＰＷＭ電圧信号による消費電力（Ｗとする）は、ＰＷＭ電圧信号のレベル（Ｖとする）と、センサの電極間の静電容量（Ｃとする）と、１秒あたりのＰＷＭ電圧信号のパルスの切り替え回数（Ｎとする）とを用いて計算できる。消費電力（Ｗ）は、静電容量（Ｃ）、レベル（Ｖ）の二乗、及び切り替え回数（Ｎ）、のそれぞれに比例して大きくなる。従来のサーボ制御では、ＰＷＭ電圧信号のレベルを一定値としたまま、加速度が小さい場合には、切り替え回数（Ｎ）が多くなる。よって、消費電力（Ｗ）は、加速度が小さい場合には、加速度が大きい場合に対して相対的に大きくなる。【００１０】
このため、従来の加速度センサシステムを各種の用途に適用する場合、消費電力の点で効率的ではない場合がある。例えば、地震計測検知の場合、加速度の時間変化の典型例として、平常時には加速度が定常的で微小であり、地震による振動初期には加速度が大きく、振動初期後に時間が経過すると共に加速度が小さくなる。この場合、振動初期には大きなＰＷＭ電圧信号レベルにより効率的に制御できるが、平常時や時間経過後には、加速度が小さく必要な静電気力が小さいのに対して不必要にＰＷＭ電圧信号レベルが大きい。即ち、加速度が小さい時間が長い用途ほど、総合的な消費電力が大きい。【００１１】
本発明の目的は、加速度センサシステムに関して、高感度を確保しつつ、低消費電力を実現できる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のうち代表的な実施の形態は、加速度を検出する加速度センサシステムであって、以下に示す構成を有することを特徴とする。【００１３】
一実施の形態の加速度センサシステムは、加速度に応じて静電容量変化を表す信号を出力するセンサと、前記信号を入力して検出信号として検出する信号検出部と、前記信号を得るための検出用信号を生成し前記センサに印加する検出用信号生成部と、前記検出信号に基づいて、サーボ制御のためのサーボ信号としてＰＷＭ電圧信号を生成し前記センサに印加するサーボ信号生成部と、前記検出信号に基づいて、加速度を含む情報を出力する出力部と、を備え、前記サーボ信号生成部は、前記静電容量変化の大きさに応じて、前記ＰＷＭ電圧信号のレベルを、第１のレベルと前記第１のレベルよりも低い第２のレベルとを含む少なくとも２つのレベルで切り替えて調整する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のうち代表的な実施の形態によれば、加速度センサシステムに関して、高感度を確保しつつ、低消費電力を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１の加速度センサシステムの構成を示す図である。
【図２】実施の形態１における、センサの構造を示す図である。
【図３】実施の形態１における、マルチレベルサーボ信号生成部の回路構成一例を示す図である。
【図４】実施の形態１における、第１のサーボ制御の動作及び波形を示す図である。
【図５】実施の形態１における、第２のサーボ制御の動作及び波形を示す図である。
【図６】実施の形態１における、第３のサーボ制御の動作及び波形を示す図である。
【図７】実施の形態１における、加速度出力部の回路構成を示す図である。
【図８】実施の形態１における、用途として自動車部品故障検知に適用した場合の構成例を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態２の加速度センサシステムにおける、サーボ制御の動作及び波形を示す図である。
【図１０】実施の形態２における、サーボ制御の動作の処理フローを示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態３の加速度センサシステムの構成を示す図である。
【図１２】実施の形態３における、センサの構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において同一部には原則として同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。各実施の形態の加速度センサシステムは、静電容量型及びサーボ式の加速度センサシステムである。
【００１７】
（実施の形態１）
図１〜図８を用いて本発明の実施の形態１の加速度センサシステムについて説明する。
【００１８】
［加速度センサシステム］
図１は、実施の形態１の加速度センサシステムの構成を示す。実施の形態１の加速度センサシステムは、センサ１０１と、検出用信号生成部１１０と、信号検出部１０２と、サーボ信号生成部１２０と、出力部１３０と、動作モード切替部１１１と、を含む。
【００１９】
センサ１０１は、対象の加速度を静電容量の変化を表す電気信号として出力及び検出する、静電容量型の加速度検出素子であり、後述の図２のように、主に電極構造物により構成される。
【００２０】
検出用信号生成部１１０は、検出用信号Ｓ８を生成及び出力する。検出用信号Ｓ８は、加速度の検出のためにセンサ１０１に印加する電気信号であり、センサ１０１で静電容量変化を電気信号として検出するための信号である。実施の形態１では、検出用信号Ｓ８は、電圧信号であり、センサ１０１の２つの固定電極に印加される。この検出用信号Ｓ８は、２つの信号から成り、一方の固定電極に印加する第１検出用信号は、矩形波パルスの繰り返しによる信号であり、他方の固定電極に印加する第２検出用信号は、第１検出用信号に対して反転した矩形波パルスの繰り返しによる信号である。
【００２１】
信号検出部１０２は、センサ１０１の可動電極からのセンサ出力信号Ｓ１を入力し、センサ出力信号Ｓ１が示す静電容量変化を電圧に変換して増幅し、その電圧信号であるアナログ信号を、検出信号Ｓ２として検出及び出力する。
【００２２】
サーボ信号生成部１２０は、信号検出部１０２からの検出信号Ｓ２を入力し、サーボ信号Ｓ７としてＰＷＭ電圧信号を生成し出力する。サーボ信号生成部１２０は、加速度に対応した静電容量変化の大きさに応じて、パルス密度及びレベルの両方を調整したＰＷＭ電圧信号を生成する。サーボ信号生成部１２０は、詳しい構成として、ＡＤＣ１０３と、ＰＩＤ制御部１０４と、マルチレベルサーボ信号生成部１０５と、ＰＷＭ電圧レベル切替部１０６と、比較器１０７と、を含む。
【００２３】
ＡＤＣ１０３は、アナログ・ディジタル変換器であり、信号検出部１０２からのアナログ信号である検出信号Ｓ２を入力して、所定のサンプリングによりディジタル信号Ｓ３に変換し、そのディジタル信号Ｓ３を出力する。ＡＤＣ１０３は、検出加速度帯域よりも高いサンプリングレートで、ディジタル信号Ｓ３への変換を行う。検出加速度帯域とは、検出信号Ｓ２自体の帯域に対応する。このサンプリングレートは、望ましくは、検出加速度帯域の１００倍以上のサンプリングレートである。
【００２４】
ＰＩＤ制御部１０４は、ＡＤＣ１０３からのディジタル信号Ｓ３を入力し、ディジタル信号Ｓ３を信号処理することによりＰＩＤ制御信号Ｓ４を生成し出力する。ＰＩＤ制御（Proportional-Integral-Derivative Control）は、フィードバック制御の一種であり、入力値の制御を、出力値と目標値との偏差、その積分及び微分によって行う方式である。ＰＩＤ制御部１０４は、ディジタル信号Ｓ３を用いて、センサ１０１の可動電極を平衡状態に維持するために必要な静電気力に相当する電圧やディジタル値等の値を導出する機能を有する。ＰＩＤ制御部１０４は、導出した値により、ＰＩＤ制御信号Ｓ４を生成する。
【００２５】
ＰＩＤ制御信号Ｓ４は、比較器１０７及びＰＷＭ電圧レベル切替部１０６に入力され、比較器１０７でサーボ切替信号Ｓ６に変換されると共に、ＰＷＭ電圧レベル切替部１０６でＰＷＭレベル切替信号Ｓ７に変換される。
【００２６】
比較器１０７は、ＰＩＤ制御部１０４からのＰＩＤ制御信号Ｓ４を、基準信号との比較に基づいて、２値のサーボ切替信号Ｓ６に変換し出力する。サーボ切替信号Ｓ６は、サーボ制御としてパルス密度の調整を行うための信号である。実施の形態１では、サーボ切替信号Ｓ６は、２値の電圧信号であり、２値における一方の値は、パルスの高側電圧を選択するための値であり、他方の値は、パルスの低側電圧を選択するための値である。サーボ切替信号Ｓ６は、ＰＩＤ制御信号Ｓ４に従い、２値の印加時間が調整されており、これにより、パルス密度が少なくとも２段階で調整されている。
【００２７】
ＰＷＭ電圧レベル切替部１０６は、ＰＩＤ制御部１０４からのＰＩＤ制御信号Ｓ４に応じて、演算処理により、ＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５を生成し出力する。ＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５は、ＰＷＭ電圧信号のレベルであるパルスの振幅を切り替えるための信号である。実施の形態１では、ＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５は、２値の電圧信号であり、２値における一方の値は、相対的に高レベル、大きい振幅にするための値であり、他方の値は、相対的に低レベル、小さい振幅にするための値である。
【００２８】
マルチレベルサーボ信号生成部１０５は、ＰＷＭ電圧レベル切替部１０６からのＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５と、比較器１０７からのサーボ切替信号Ｓ６とを入力し、それら２種類の信号に応じて、マルチレベルのサーボ信号Ｓ７であるＰＷＭ電圧信号を生成し出力する。マルチレベルのサーボ信号Ｓ７は、検出された加速度に応じた２種類の信号に応じて、ＰＷＭ電圧信号のレベル及びパルス密度の両方が調整された信号である。実施の形態１では、マルチレベルサーボ信号生成部１０５は、ＰＷＭ電圧信号のレベルを、少なくとも２段階のレベルで切り替える機能を有する。
【００２９】
動作モード切替部１１１は、マルチレベルサーボ信号生成部１０５からのサーボ信号Ｓ７であるＰＷＭ電圧信号と、検出用信号生成部１１０からの検出用信号Ｓ８とを入力する。動作モード切替部１１１は、それら２種類の信号を、動作モードに応じて時分割で切り替えて、動作モードに応じた信号Ｓ９として出力し、センサ１０１の一対の固定電極に印加する。実施の形態１では、２つの動作モードとして、サーボ制御モードと、検出モードとがある。サーボ制御モードは、サーボ制御を行うモードであり、検出モードは、加速度を検出するモードである。動作モードに応じた信号Ｓ９は、動作モードがサーボ制御モードの時にはサーボ信号Ｓ７であり、動作モードが検出モードの時には検出用信号Ｓ８である。動作モード切替部１１１における動作モードの時分割の制御は、予め規定されており、自動的に実行される。
【００３０】
出力部１３０は、加速度出力部１３１と、分析部１３２と、を含む。出力部１３０は、ＰＷＭ電圧レベル切替部１０６からのＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５と、比較器１０７からのサーボ切替信号Ｓ６とを入力する。
【００３１】
加速度出力部１３１は、ＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５とサーボ切替信号Ｓ６とを用いて、加速度を計算し、その加速度を含む加速度情報Ｓ１０を外部のユーザに対して出力する。
【００３２】
分析部１３２は、加速度出力部１３１で計算及び出力される加速度を用いて、用途に応じた所定の分析処理を行い、その分析結果として所定の有用情報Ｓ１１を抽出し、外部のユーザに対して出力する。なお、加速度Ｓ１０や有用情報Ｓ１１の出力は、画面表示やデータ出力等、各種の形態が可能である。
【００３３】
［センサ］
図２は、実施の形態１におけるセンサ１０１の構造を示す。なお、説明上の方向として、Ｘ方向、Ｚ方向を示す。Ｘ方向は、図２の左右方向、電極の主面が延在する方向に対応し、Ｚ方向は、図２の上下方向、電極同士が距離を置いて重なる方向に対応する。
【００３４】
センサ１０１は、一対の２つの固定電極である固定電極２０１，２０２と、１つの可動電極２０３とで構成されている。固定電極２０１は第１固定電極であり、固定電極２０２は第２固定電極である。２つの固定電極は、信号線を通じて、動作モード切替部１１１に接続されている。可動電極２０３は、信号線を通じて、信号検出部１０２に接続されている。
【００３５】
可動電極２０３は、主面としてＸ方向で広い面を有する。可動電極２０３の主面に対して、Ｚ方向の両側に所定の距離を置いて、可動電極２０３を挟むように対向して、所定位置に、固定電極２０１，２０２が配置されている。一対の固定電極は、可動電極２０３に静電気力を発生させるために、可動電極２０３の主面に対してＺ方向で平面視した場合に重なる面領域を含む。
【００３６】
固定電極２０１，２０２の信号線は、動作モードに応じた信号Ｓ９として、サーボ制御モードの時にはサーボ信号Ｓ７を伝送し、検出モードの時には検出用信号Ｓ８を伝送する。サーボ信号Ｓ７は、詳しくは、固定電極２０１に印加される第１サーボ信号２１１と、固定電極２０２に印加される第２サーボ信号２１２とから成る。第２サーボ信号２１２は、第１サーボ信号２１１に対して反転された電圧信号である。検出用信号Ｓ８は、詳しくは、固定電極２０１に印加される第１検出用信号２２１と、固定電極２０２に印加される第２検出用信号２２２とから成る。第２検出用信号２２２は、第１検出用信号２２１に対して反転された電圧信号である。
【００３７】
可動電極２０３の信号線は、センサ出力信号Ｓ１を伝送する。センサ１０１は、加速度に応じて可動電極２０３がＺ方向で変位し、これにより、２つの固定電極と可動電極２０３との間の静電容量が変化する。固定電極２０１と可動電極２０３との間の静電容量をＣ１、固定電極２０２と可動電極２０３との間の静電容量をＣ２とする。それらの静電容量における静電容量差をΔＣとする（ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２）。可動電極２０３から信号線を通じて出力されるセンサ出力信号Ｓ１は、静電容量差ΔＣを含む、静電容量変化を表す電圧信号である。ある時点のセンサ出力信号Ｓ１は、変位の状態に応じた静電容量差ΔＣを表している。時間経過に応じた２つの時点のセンサ出力信号Ｓ１は、静電容量差ΔＣの時間変化を表している。
【００３８】
［マルチレベルサーボ信号生成部］
図３は、実施の形態１におけるマルチレベルサーボ信号生成部１０５の回路構成を示す。このマルチレベルサーボ信号生成部１０５は、ＰＷＭレベル電圧源３０１，３０２と、ローレベル電圧源３０３と、レベル切替器３０４と、サーボ切替器３０５と、を有する。レベル切替器３０４の入力にはＰＷＭレベル電圧源３０１，３０２が接続されており、出力にはサーボ切替器３０５が接続されている。サーボ切替器３０５の入力には、レベル切替器３０４の出力と、ローレベル電圧源３０３とが接続されている。
【００３９】
ＰＷＭレベル電圧源３０１，３０２は、ＰＷＭ電圧信号における２つの高側電圧、ハイレベルを生成するための電圧源である。ＰＷＭレベル電圧源３０１は、第１のレベルに対応した第１高側電圧を生成する第１高側電圧源である。ＰＷＭレベル電圧源３０２は、第２のレベルに対応した第２高側電圧を生成する第２高側電圧源である。ＰＷＭレベル電圧源３０１の第１高側電圧は、ＰＷＭレベル電圧源３０２の第２高側電圧よりも高い電圧に設定されている。ローレベル電圧源３０３は、ＰＷＭ電圧信号における１つの低側電圧、ローレベルを生成するための電圧源である。
【００４０】
レベル切替器３０４は、スイッチを含み、入力される制御信号であるＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５に従い、ＰＷＭレベル電圧源３０１とＰＷＭレベル電圧源３０２とを切り替える。レベル切替器３０４は、ＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５が、第１の値である場合には、ＰＷＭレベル電圧源３０１の第１高側電圧を選択し、第２の値である場合には、ＰＷＭレベル電圧源３０２の第２高側電圧を選択する。
【００４１】
マルチレベルサーボ信号生成部１０５と、その前段のＰＷＭ電圧レベル切替部１０６及びＰＩＤ制御部１０４とを含むサーボ信号生成部１２０は、以下のように、ＰＷＭ電圧のレベル及び振幅に関する制御のためにレベル切替器３０４を制御する。即ち、サーボ信号生成部１２０は、検出信号Ｓ２に基づいて、加速度が大きく、ＰＷＭ電圧信号のレベルを高くする必要がある場合には、第１高側電圧を選択し、加速度が小さく、ＰＷＭ電圧信号のレベルが低くてもよい場合には、第２高側電圧を選択するように、レベル切替器３０４を切り替える。
【００４２】
サーボ切替器３０５は、スイッチを含み、入力される制御信号であるサーボ切替信号Ｓ６に従い、ローレベル電圧源３０３とレベル切替器３０４の出力とを切り替える。サーボ切替器３０５は、サーボ切替信号Ｓ６が、第１の値である場合には、ローレベル電圧源３０３の低側電圧を選択し、第２の値である場合には、レベル切替器３０４の出力電圧である第１高側電圧または第２高側電圧を選択する。サーボ切替器３０５の出力端子３０６は、サーボ信号Ｓ７を出力する。この出力端子３０６に接続される信号線は、前述の動作モード切替部１１１を通じて、センサ１０１の一対の固定電極に接続される。
【００４３】
マルチレベルサーボ信号生成部１０５は、上記２種類の信号であるサーボ切替信号Ｓ６及びＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５に従い、パルス密度及びレベルの両方を調整したＰＷＭ電圧信号を生成し、マルチレベルのサーボ信号Ｓ７として出力する。実施の形態１では、マルチレベルサーボ信号生成部１０５は、サーボ切替信号Ｓ６に応じてパルス密度を調整したＰＷＭ電圧信号と、ＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５に応じてパルスのレベル及び振幅を調整したＰＷＭ電圧信号と、を合成した信号を、サーボ信号Ｓ７として出力する。
【００４４】
［サーボ制御（１）＿パルス密度切り替え］
実施の形態１の加速度センサシステムは、従来の加速度センサシステムがＰＷＭ電圧信号のパルス密度のみを調整する構成であるのに対し、ＰＷＭ電圧信号のパルス密度及びレベルの両方を調整する構成である。実施の形態１の加速度センサシステムは、ＰＷＭ電圧信号のレベルを調整するための構成要素として、ＰＷＭ電圧レベル切替部１０６及びマルチレベルサーボ信号生成部１０７を含む。実施の形態１の加速度センサシステムは、機能としては、ＰＷＭ電圧信号のパルス密度のみの調整と、ＰＷＭ電圧信号のレベルのみの調整と、パルス密度及びレベルの両方の調整と、のいずれも可能である。
【００４５】
実施の形態１の加速度センサシステムは、まず、従来のサーボ制御と同様にＰＷＭ電圧信号のパルス密度のみを調整する場合、以下の第１のサーボ制御で示す構成及び動作である。この第１のサーボ制御は、図１のサーボ信号生成部１２０内でＰＷＭ電圧信号のレベルの調整を行わない場合に対応する。その場合、ＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５については、切り替え無しを表す一定値である。
【００４６】
図４は、実施の形態１の加速度センサシステムにおける、第１のサーボ制御の動作として、ＰＷＭ電圧信号のパルス密度のみを切り替える場合の動作、時間波形を示す。図４の（ａ）は、センサ１０１に働く加速度［ｍ／ｓ２］を示す。図４の（ｂ）は、センサ１０１の可動電極２０３の位置を示す。この位置は、図２のＺ方向の変位に対応した位置を示す。図４の（ｃ）は、検出用電圧Ｓ８の電圧［Ｖ］の時間波形を示す。この検出用電圧Ｓ８は、一定の周期における一定の印加時間及びレベルを持つ矩形波パルスの繰り返しによる電圧である。図４の（ｄ）は、２値のサーボ切替信号Ｓ６に基づいた、サーボ信号Ｓ７であるＰＷＭ電圧信号の電圧［Ｖ］の時間波形を示す。サーボ切替信号Ｓ６の値が第１の値の場合には、ＰＷＭ電圧信号が低側電圧となり、第２の値の場合には高側電圧となる。
【００４７】
センサ１０１に図４の（ａ）のような加速度が加わった場合、図４の（ｂ）のように、センサ１０１の可動電極２０３の位置が僅かに変化する。検出モードの時には、検出用信号生成部１１０から、図４の（ｃ）のような検出用信号Ｓ８である電圧信号が、センサ１０１の固定電極２０１，２０２に印加される。これにより、センサ１０１の電極間静電容量と、検出用信号Ｓ８とに比例した電圧信号が、センサ出力信号Ｓ１として、信号検出部１０２へ出力される。
【００４８】
ここでいう電極間静電容量とは、図２の可動電極２０３と固定電極２０１及び固定電極２０２との間の静電容量である。詳しく言えば、この電極間静電容量は、可動電極２０３と固定電極２０１との間の静電容量Ｃ１と、可動電極２０３と固定電極２０２との間の静電容量Ｃ２と、の差分である静電容量差ΔＣ、を表す静電容量である。この電極間静電容量は、加速度の変化に応じて時間軸上で変化する。即ち、センサ出力信号Ｓ１及び検出信号Ｓ２は、ある時点の電圧値と別の時点の電圧値とで変化する。センサ１０１は、このように加速度を電極間静電容量の変化として検出するための検出素子であり、この電極間静電容量の変化を表す電圧信号をセンサ出力信号Ｓ１として出力する。信号検出部１０２は、そのセンサ出力信号Ｓ１から、電極間静電容量の変化を、検出信号Ｓ２として検出する。
【００４９】
第１のサーボ制御では、図４の（ａ）のようにセンサ１０１から検出される加速度及びそれに対応した静電容量変化の大きさに応じて、図４の（ｄ）のようにサーボ信号Ｓ７であるＰＷＭ電圧信号のパルス密度を少なくとも２段階で変化するように切り替えて調整している。この第１のサーボ制御では、加速度が相対的に大きい場合には、パルス密度を相対的に小さくし、加速度が相対的に小さい場合にはパルス密度を相対的に大きくする。
【００５０】
図４の（ａ）の期間４０１は、加速度が大きい期間の例を示す。その期間４０１に対応して、サーボ切替信号Ｓ６は、一定時間における高側電圧と低側電圧との切り替えが少ない信号が生成される。これに対応して、図４の（ｄ）のサーボ信号Ｓ７のように、パルス密度が小さくなる。図４の（ａ）の期間４０２は、加速度が小さい期間の例を示す。その期間４０２に対応して、サーボ切替信号Ｓ６は、一定時間における高側電圧と低側電圧との切り替えが多い信号が生成される。これに対応して、図４の（ｄ）のサーボ信号Ｓ７のように、パルス密度が大きくなる。
【００５１】
サーボ制御モードの時には、サーボ信号生成部１２０は、加速度に応じてセンサ１０１の可動電極２０３に加わる力を相殺するような静電気力を与えるためのサーボ信号Ｓ７を生成する。そのために、サーボ信号生成部１２０は、検出モードの際に取得した信号である、加速度に応じた電極間静電容量変化を表す信号に基づいて、パルス密度を調整するためのサーボ切替信号Ｓ６を生成する。サーボ信号生成部１２０は、サーボ切替信号Ｓ６に基づいて、図４の（ｄ）のように、パルス密度を調整したＰＷＭ電圧信号を生成し、サーボ信号Ｓ７として出力する。
【００５２】
このサーボ信号Ｓ７が、サーボ制御モードの時に、センサ１０１の固定電極２０１，２０２に印加される。これにより、センサ１０１の可動電極２０３は、固定電極２０１，２０２を通じて、静電気力が与えられ、平衡状態を維持する。即ち、可動電極２０３は、所定の基準位置へ戻される。
【００５３】
第１のサーボ制御では、図４の（ｄ）のＰＷＭ電圧信号のように、パルスの高側電圧に対応したレベル４１１、低側電圧に対応したレベル４１２、及び振幅４２０は、一定値である。この一定値は、前述のように、検出可能とする最大入力加速度に対応して十分な静電気力を発生できることを考慮して予め決定されている。
【００５４】
ここで、加速度により可動電極２０１に加わる力をＦａとする。加速度をＡとする。可動電極２０１の質量をＭとする。力Ｆａは、下記の式１で表される。なお、「・」は乗算を示す。
【数１】
2016189690.tif 000003
【００５５】
可動電極２０１に加わる静電気力をＦｅとする。固定電極２０１，２０２と可動電極２０３との間の静電容量である前述の電極間静電容量をＣとする。固定電極２０１と可動電極２０３との電極間電位差をＶｐとする。このｐは正極を示す。固定電極２０２と可動電極２０３との電極間電位差をＶｎとする。このｎは負極を示す。
【００５６】
静電気力Ｆｅは、静電容量Ｃ、電極間電位差Ｖｐ，Ｖｎを用いて、下記の式２で表される。
【数２】
2016189690.tif 000004
【００５７】
効率よく静電気力を誘起させる場合、一方の電極間電位差、例えばＶｐ、を与えた場合に他方の電極間電位差、例えばＶｎ、をゼロとする。この場合、可動電極２０３を平衡状態に維持するためには、加速度Ａの平方根に比例した電極間電位差ＶｐまたはＶｎを印加する必要がある。
【００５８】
ＰＷＭ電圧信号を用いたサーボ制御では、式１及び式２に基づいて、最大入力加速度で、可動電極２０３を平衡状態に維持可能な静電気力を発生できるような値に、ＰＷＭ電圧信号のレベルが設定される。このレベルに対応した電圧値をＶmaxとする。
【００５９】
ＰＷＭ電圧信号による消費電力をＷとし、ＰＷＭ電圧信号の１秒あたりのパルスの切り替え回数をＮとする。消費電力Ｗは、静電容量Ｃと、切り替え回数Ｎと、電圧値Ｖmaxとを用いて、下記の式３で表される。
【数３】
2016189690.tif 000005
【００６０】
即ち、消費電力Ｗは、静電容量Ｃ、切り替え回数Ｎ、電圧値Ｖmaxの二乗、のそれぞれに比例して大きくなる。
【００６１】
従来のパルス密度のみを調整するサーボ制御では、ＰＷＭ電圧信号について、電圧値Ｖmaxを一定値としたまま、加速度が大きい場合、静電気力を大きくするために、パルス密度を低密度にする。また、このサーボ制御では、加速度が小さい場合、静電気力を小さくするために、パルス密度を高密度にする。パルス密度が低い場合、切り替え回数Ｎが少なく、パルス密度が高い場合、切り替え回数Ｎが多い。即ち、加速度が小さい場合には、加速度が大きい場合に対し、相対的に消費電力が大きくなる。
【００６２】
加速度センサシステムの用途として、例えば地震計測検知等の用途では、前述のように、加速度が小さい期間が長い場合には、総合的に消費電力が大きくなる。この用途では、定常時や振動初期から時間経過した時の加速度を測定する際には、対象の加速度は相対的に小さい。この期間では、ＰＷＭ電圧信号のレベルは、必要なレベルに対し不必要に大きい電圧値Ｖmax、及び振幅となっており、切り替え回数Ｎが多い。よって、この期間では、電圧値Ｖmaxや切り替え回数Ｎに比例して、消費電力が大きくなる。
【００６３】
［サーボ制御（２）＿レベル切り替え］
図５は、実施の形態１の加速度センサシステムにおける、第２のサーボ制御の動作として、ＰＷＭ電圧信号のレベルを切り替える動作、時間波形を示す。図５の（ａ）は、検出信号Ｓ２に基づいてサーボ信号生成部１２０のＡＤＣ１０３によりサンプリングされたディジタル信号Ｓ３を示す。サンプリングのタイミングをｎ１等で示す。サンプリングのタイミングに応じたディジタル信号Ｓ３の値をＤｎで示す。図５の（ｂ）は、ＰＷＭ電圧信号のレベルを２段階で切り替えるためのＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５を示す。ここでは、ＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５の電圧をＶｓとし、その高側電圧をＶＨ、低側電圧をＶＬで示す。なお、図示しないが、第２のサーボ制御の際の検出用信号Ｓ８は、図４の（ｃ）の検出用信号Ｓ８と同様である。
【００６４】
第２のサーボ制御では、サーボ信号生成部１２０は、検出信号Ｓ２に基づいたディジタル信号Ｓ３の値Ｄｎを、所定の閾値と比較判定し、その判定結果に応じて、ＰＷＭ電圧信号のレベルを２段階で切り替える。図５の（ａ）で、閾値をＤｔｈとする。ＰＩＤ制御部１０４は、サンプリングのタイミング毎に、ディジタル信号Ｓ３の値Ｄｎを判別し、その値Ｄｎと閾値Ｄｔｈとを比較し、その値Ｄｎが閾値Ｄｔｈを越えるか否かを判定する。ＰＷＭ電圧レベル切替部１０５は、値Ｄｎが閾値Ｄｔｈを超えた場合（Ｄｎ＞Ｄｔｈ）には、図５の（ｂ）のように、ＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５の電圧Ｖｓのレベルを、高側電圧ＶＨに設定し、値Ｄｎが閾値Ｄｔｈ以下である場合（Ｄｎ≦Ｄｔｈ）には、低側電圧ＶＨに設定する。例えば、タイミングｎ２〜ｎ４の期間５０１では、値Ｄｎが閾値Ｄｔｈを超えるので、高側電圧ＶＨになり、タイミングｎ５〜ｎ８の期間５０２では、値Ｄｎが閾値Ｄｔｈ以下なので、低側電圧ＶＨになる。
【００６５】
マルチレベルサーボ信号生成部１０６は、図５の（ｂ）のＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５に従い、マルチレベルのサーボ信号Ｓ７として、レベルを２段階で調整したＰＷＭ電圧信号を生成する。即ち、マルチレベルサーボ信号生成部１０６は、ＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５が、高側電圧ＶＨの時には、図３のＰＷＭレベル電圧源３０１の選択により、第１のレベル５１１及び第１の振幅５２１を持つパルスを発生させる。マルチレベルサーボ信号生成部１０６は、ＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５が、低側電圧ＶＬの時には、図３のＰＷＭレベル電圧源３０２の選択により、第２のレベル５１２及び第２の振幅５２２を持つパルスを発生させる。第１のレベル５１１は第２のレベル５１２よりも高く、第１の振幅５２１は第２の振幅５２２よりも大きい。
【００６６】
上記のように、第２のサーボ制御では、閾値Ｄｔｈによる区分に基づいた、加速度に対応した静電容量変化の大小に応じて、ＰＷＭ電圧信号のパルスのレベル及び振幅を２段階で切り替えたサーボ信号Ｓ７を生成する。第２のサーボ制御では、加速度が相対的に小さい期間では、センサ１０１の固定電極に印加されるＰＷＭ電圧信号のレベル及び振幅を、第２のレベル５１２のように小さくし、加速度が相対的に大きい期間では、第１のレベル５１１のように大きくする。第２のサーボ制御では、加速度が小さい期間に応じて、レベルに対応する電圧値Ｖmaxを小さくし、これにより、前述の計算式に基づいて、消費電力Ｗを低減することができる。
【００６７】
なお、第２のサーボ制御のみを実行する場合、サーボ信号生成部１２０は、比較器１０７を休止させ、サーボ切替信号Ｓ６としては、パルス密度を一定にすることを表す信号を出力する。そして、マルチレベルサーボ信号生成部１０５は、ＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５に基づいて、レベルを切り替えたサーボ信号Ｓ７を生成する。
【００６８】
［サーボ制御（３）＿パルス密度及びレベル切り替え］
図６は、図４及び図５に続き、実施の形態１における、第３のサーボ制御の動作として、ＰＷＭ電圧信号のパルス密度及びレベルの両方を切り替える動作、時間波形を示す。図６の（ａ）は、図４の（ａ）と同様に加速度を示す。図６の（ｂ）は、図４の（ｂ）と同様にセンサ１０１の可動電極２０３の位置、変位を示す。図６の（ｃ）は、マルチレベルのサーボ信号Ｓ７であるＰＷＭ電圧信号の時間波形を示す。なお、図示しないが、第３のサーボ制御の検出用信号Ｓ８は、図４の（ｃ）の検出用信号Ｓ８と同様である。
【００６９】
サーボ信号生成部１２０は、図４のＰＷＭ電圧信号のパルス密度を調整する第１のサーボ制御と、図５のＰＷＭ電圧信号のレベルを調整する第２のサーボ制御とを同時に実行することにより、図６のＰＷＭ電圧信号のパルス密度及びレベルの両方を調整する第３のサーボ制御を行う。即ち、第３のサーボ制御における図６の（ｃ）のサーボ信号Ｓ７は、図４の（ｄ）のサーボ信号Ｓ７と、図５の（ｃ）のサーボ信号Ｓ７との合成によるＰＷＭ電圧信号である。
【００７０】
図６の（ａ）のような加速度がセンサ１０１に加わると、図６の（ｂ）のように、センサ１０１の可動電極２０３の位置が、平衡状態から僅かに変化する。即ち、可動電極２０３は、図２の基準位置からＺ方向に僅かに変位する。サーボ信号生成部１２０は、この加速度に応じた変化量及び静電容量変化に対応した検出信号Ｓ２に応じて、センサ１０１の可動電極２０３が平衡状態となるように静電気力を発生させる第３のサーボ制御を行う。
【００７１】
サーボ信号生成部１２０は、検出信号Ｓ２に応じて、第１のサーボ制御及び図４と同様に、ＰＷＭ電圧信号のパルス密度を調整するためのサーボ切替信号Ｓ６を生成すると共に、第２のサーボ制御及び図５と同様に、ＰＷＭ電圧信号のレベルを調整するためのＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５を生成する。マルチレベルサーボ信号生成部１０５は、サーボ切替信号Ｓ６と、ＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５とに基づいて、図６の（ｃ）のように、パルス密度及びレベルの両方を調整したＰＷＭ電圧信号を生成し、マルチレベルのサーボ信号Ｓ７として出力する。出力されたサーボ信号Ｓ７は、サーボ制御モードの時に、センサ１０１の固定電極２０１，２０２に印加される。
【００７２】
前述の図５の閾値Ｄｔｈによる区分に基づいて、加速度が相対的に大きい期間の場合、図６の（ｃ）の期間６０１の例のように、レベル及び振幅が大きい第１のＰＷＭ電圧信号が出力される。この期間６０１では、ＰＷＭ電圧信号のレベルが、第１高側電圧に対応した第１のレベル６１１となり、対応して第１の振幅６２１となる。加速度が相対的に小さい期間の場合、図６の（ｃ）の期間６０２の例のように、レベル及び振幅が小さい第２のＰＷＭ電圧信号が出力される。この期間６０２では、ＰＷＭ電圧信号のレベルが、第２高側電圧に対応した第２のレベル６１２となり、対応して第１の振幅６２２となる。
【００７３】
また、期間６０１の第１のＰＷＭ電圧信号、及び期間６０２の第２のＰＷＭ電圧信号では、それぞれ、図示するように、当該期間内の加速度の大小に応じてパルス密度の大小が図４の（ｄ）と同様に調整されている。
【００７４】
上記のように、実施の形態１の加速度センサシステムは、第３のサーボ制御により、加速度に対応する静電容量変化の大きさに応じて、ＰＷＭ電圧信号のレベル及びパルス密度の両方を調整する。第３のサーボ制御では、加速度が相対的に小さい期間では、ＰＷＭ電圧信号のレベル及び振幅を小さくして電圧値Ｖmaxを小さくし、かつ、加速度に応じてパルス密度を高くして切り替え回数Ｎを多くする。これにより、この期間では、前述の計算式に基づいて、電圧値Ｖmaxや切り替え回数Ｎに比例して増えてしまう消費電力（Ｗ）を、従来よりも低減できる。
【００７５】
［加速度出力部］
図７は、出力部１３０の詳細として、加速度検出部１３１の回路構成例を示す。図７の加速度検出部１３１は、ディジタルフィルタ部１３１Ａと、可変ゲイン部１３１Ｂとを含む。この加速度検出部１３１は、ＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５とサーボ切替信号Ｓ６とから、公知の加速度算出処理により、加速度を算出する。ディジタルフィルタ部１３１Ａには、ＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５が入力される。可変ゲイン部１３１Ｂには、ディジタルフィルタ１３１Ａの出力信号が入力され、サーボ切替信号Ｓ６が制御信号として入力される。
【００７６】
ディジタルフィルタ部１３１Ａは、ローパスフィルタ特性を持つ。ディジタルフィルタ部１３１Ａは、ＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５の加速度信号帯域の周波数成分を通過させる周波数特性を持つように設計されている。
【００７７】
可変ゲイン部１３１Ｂは、サーボ切替信号Ｓ６に応じてゲインを切り替える。可変ゲイン部１３１Ｂでは、サーボ切替信号Ｓ６に応じて増幅率を切り替えて、ディジタルフィルタ部１３１Ａの出力信号を増幅し、加速度信号として出力する。この加速度信号が前述の加速度情報Ｓ１０に相当する。
【００７８】
［効果等］
以上説明したように、実施の形態１の加速度センサシステムによれば、静電容量型及びサーボ式の構成により高感度を確保しつつ、かつ、加速度の大きさに応じてＰＷＭ電圧信号のレベル及びパルス密度を調整する第３のサーボ制御を行う。これにより、実施の形態１の加速度センサシステムによれば、ＰＷＭ電圧信号のレベルを調整していない従来の加速度センサシステムよりも、低消費電力を実現できる。特に、実施の形態１の加速度センサシステムによれば、レベルの調整により、加速度が小さい期間における消費電力を低減できる。実施の形態１の加速度センサシステムによれば、用途に応じて加速度が小さい期間が長い場合にも、総合的に消費電力を低減でき、加速度センサシステム全体の省電力が実現できる。
【００７９】
図８は、実施の形態１の加速度センサシステムの用途の例として、自動車部品故障検知に適用した例を示す。実施の形態１の加速度センサシステムは、前述の地震計測検知の用途に限らず、自動車部品故障検知等の各種の用途にも適用可能である。
【００８０】
自動車７００内には、モータ７０１の近辺に加速度センサシステム７０４が設置され、車軸７０２，７０３の近辺に加速度センサシステム７０５，７０６が設置されている。これらの加速度センサシステムは、それぞれ、対応する部位の加速度をその経時変化を含めて検出する。加速度センサシステムは、検出した加速度を用いて、図１の分析部１３２により用途に応じた分析処理を行い、これにより用途に応じた有用情報Ｓ１１を出力する。
【００８１】
この用途の場合、分析部１３２は、モータ７０１や車軸７０２，７０３の故障や故障予兆を検知する。例えば、加速度センサシステム７０４は、モータ７０１の振動の加速度を検出し、分析部１３２は、その加速度の分析処理により、モータ７０１に関する故障や故障予兆を検知し、その検知情報を含む有用情報Ｓ１１を出力する。自動車やそのシステムは、加速度センサシステムにより出力される加速度及び有用情報を有効活用することができ、例えば従来のシステムよりも安全性や燃費の向上に寄与できる。実施の形態１の加速度センサシステムによれば、高感度の加速度を用いて、地震計測検知や自動車部品故障検知等の各種の用途における分析の精度を向上でき、有用情報の精度や効果を高めることができる。
【００８２】
加速度センサシステムの用途が例えば地震計測検知である場合には以下である。この加速度センサシステムは、計測対象に応じて１つ以上の箇所に設置される。なお、加速度センサシステムは、複数のセンサ１０１を備えてもよく、１つの出力部１３０に複数のセンサ１０１からの複数のデータを入力して、加速度や有用情報を算出する形態でもよい。
【００８３】
地震計測検知の場合、分析部１３２では、例えば複数の箇所に設置されたセンサ１０１からのデータを入力し、当該データの分析処理に基づいて、地震波の到来方向や加速度の減衰率等を算出し、震源地や地震強度を同定し、有用情報Ｓ１１として出力する。
【００８４】
分析部１３２は、用途に応じて例えば以下のような分析処理を行ってもよい。分析部１３２は、加速度の値やその時間波形を、所定の閾値範囲や時間波形パターンと比較する。分析部１３２は、その閾値範囲や時間波形パターンに該当する場合には、その閾値範囲や時間波形パターンに関連付けられた所定の出力値に決定する。
【００８５】
［変形例］
実施の形態１の加速度センサシステムの変形例として、以下が可能である。
【００８６】
（１）  実施の形態１では、図５等に示したように、サーボ制御としてＰＷＭ電圧信号のレベル及び振幅を２段階で切り替える方式とした。これに限らず、ＰＷＭ電圧信号のレベル及び振幅を、３段階以上の複数段階で切り替える方式も同様に可能である。例えば、３段階で切り替える形態は、以下のようになる。
【００８７】
図１のサーボ信号生成部１２０は、図５のディジタル信号Ｓ３の比較判定の際、２つの閾値として、第１閾値Ｄｔｈ１、及び第２閾値Ｄｔｈ２（Ｄｔｈ１＞Ｄｔｈ２）を用いる。ＰＩＤ制御部１０４及びＰＷＭ電圧レベル切替部１０６は、ディジタル信号Ｓ３の値Ｄｎが、第１閾値Ｄｔｈ１を越える場合には第１のレベル、第１閾値Ｄｔｈ１以下で第２閾値Ｄｔｈ２を越える範囲内の場合には第２のレベル、第２閾値Ｄｔｈ２以下の場合には第３のレベルとなるように、ＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５を生成する。マルチレベルサーボ信号生成部１０５の回路は、上記３段階のレベルに対応したＰＷＭレベル電圧源を含み、ＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５に応じてそれらの電圧源から選択する。この変形例の加速度センサシステムの構成は、実施の形態１の構成に対して、少し回路増加になるが、その代わり、ＰＷＭ電圧信号のレベルをより細かく調整でき、より低消費電力を実現できる。
【００８８】
（２）  実施の形態１は、ユーザ設定に応じて第１、第２、第３のサーボ制御から選択したサーボ制御の方式を利用可能である形態とした。これに限らず、第２のサーボ制御のみ、または第３のサーボ制御のみを実行する形態も勿論可能である。更に、他の変形例では、サーボ信号生成部１２０は、加速度等に応じて、第１のサーボ制御を実行するモード、第２のサーボ制御を実行するモード、第３のサーボ制御を実行するモード、を使い分けてもよい。
【００８９】
（３）  センサ１０１からのセンサ出力信号Ｓ１及び検出信号Ｓ２は、電圧信号に限らず、電流信号も可能である。また、サーボ信号生成部１２０の詳しい構成は、図１以外の構成も可能である。例えば、図３のマルチレベルサーボ信号生成部１０５のようなアナログ回路に限らず、ディジタル信号処理回路も可能であり、また、ＣＰＵ等によりソフトウェアプログラム処理を行う構成も可能である。
【００９０】
（４）  第２のサーボ制御に係わる変形例として以下も可能であり、同様の効果が得られる。サーボ信号生成部１２０は、ディジタル信号Ｓ３のサンプリングのタイミング間の差分値を用いて、所定の閾値との比較判定に応じて、ＰＷＭ電圧信号のレベルを切り替えてもよい。即ち、サーボ信号生成部１２０は、あるタイミングｎiの値Ｄｎiと、その１つ前のタイミングｎi-1の値Ｄｎi-1との差分値を、所定の閾値と比較し、その差分値が閾値を超えるか否かによって、レベルを２段階で切り替える。
【００９１】
また、サーボ信号生成部１２０は、ディジタル信号Ｓ３の複数のタイミングの値Ｄｎから、平均値等の統計値を計算し、その統計値を用いて、所定の閾値との比較判定に応じて、ＰＷＭ電圧信号のレベルを切り替えてもよい。サーボ信号生成部１２０は、例えば、連続する所定回数のタイミングｎの値Ｄｎの平均値を計算し、その平均値と閾値とを比較し、その平均値が閾値を超えるか否かによって、レベルを２段階で切り替える。また、上記の各方式を組み合わせて構成される方式も可能である。
【００９２】
（実施の形態２）
図９、図１０を用いて本発明の実施の形態２の加速度センサシステムについて説明する。実施の形態２の加速度センサシステムの基本的な構成は、実施の形態１の加速度センサシステムの構成と同様であり、異なる構成部分として、サーボ制御におけるＰＷＭ電圧信号のレベル切り替え制御の方式を更に工夫している。
【００９３】
前述の実施の形態１の図５及び図６のようなレベル切り替え制御の方式でも、低消費電力を実現できるが、加速度の状況によっては、効率的ではない場合もある。例えば、検出された加速度に対応する、ＡＤＣ１０３のディジタル信号Ｓ３の値Ｄｎとして、図５の閾値Ｄｔｈ付近の値が多い場合、ＰＷＭ電圧信号のレベルの切り替えが頻繁に起こる場合がある。その場合、レベルの頻繁な切り替えによって、消費電力の増大が生じ、また、システム動作が不安定になる可能性がある。そこで、実施の形態２の加速度センサシステムでは、サーボ制御の方式として、ＰＷＭ電圧信号のレベルの切り替えの頻度を削減することにより、低消費電力及び高安定性を実現する方式を示す。
【００９４】
［サーボ制御］
図９は、実施の形態２の加速度センサシステムにおける、サーボ制御の動作及び時間波形を示す。図９の（ａ）は、ＡＤＣ１０４でのサンプリングによるディジタル信号Ｓ３を、図５の（ａ）と同様に示す。図９の（ｂ）は、ディジタル信号Ｓ３の値Ｄｎに応じたカウンタ値を示す。カウンタ値をＣｎとする。「ｎ」はサンプリングタイミングに対応する。カウンタ値Ｃｎに関する所定の閾値を、Ｃｔｈとする。図９の（ｃ）は、ＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５の電圧Ｖｓの時間波形を示す。
【００９５】
実施の形態２では、サーボ信号生成部１２０は、ディジタル信号Ｓ３の値Ｄｎを閾値Ｄｔｈと比較判定し、値Ｄｎが閾値Ｄｔｈを越える場合には、ＰＷＭ電圧信号のレベルを、第１高側電圧に対応した第１のレベルに切り替える。また、サーボ信号生成部１２０は、値Ｄｎが閾値Ｄｔｈ以下である状態が続く場合には、カウンタ値Ｃｎをカウントし続け、カウンタ値Ｃｎが閾値Ｃｔｈ以下である場合には、ＰＷＭ電圧信号のレベルを、第１のレベルに維持し、カウンタ値Ｃｎが閾値Ｃｔｈを越える場合には、より低い第２高側電圧に対応した第２のレベルに切り替える。このサーボ制御では、値Ｄｎが閾値Ｄｔｈ以下になっても、すぐに第１のレベルから第２のレベルへ切り替えるのではなく、その状態がある程度続く場合に、第２のレベルへ切り替える。
【００９６】
図１０は、実施の形態２のサーボ信号生成部１２０における、図９の動作に対応したＰＷＭ電圧レベルの切り替え制御方式の処理フローを示す。以下、図１０のステップS901〜S911を説明する。
【００９７】
S901で、サーボ信号生成部１２０は、サーボ制御の処理を開始する。S902で、サーボ信号生成部１２０は、ディジタル信号Ｓ３の値Ｄｎを取得する。サーボ信号生成部１２０は、S902で取得したディジタル信号の値Ｄｎを、S903で、所定の比較値Ｄｔｈと比較し、判定する。この比較値Ｄｔｈは、実施の形態１の閾値Ｄｔｈと同様に、レベルを２段階で切り替えるための閾値であり、実施の形態１と同じ値でもよいし、異なる値でもよい。
【００９８】
サーボ信号生成部１２０は、値Ｄｎと比較値Ｄｔｈとの比較の結果、値Ｄｎが比較値Ｄｔｈ以下である場合（S903−Ｙ）、S904で、カウンタ値Ｃｎをカウントする。即ち、サーボ信号生成部１２０は、カウンタ値Ｃｎの値に、１つ前のサンプリングのタイミング(n-1)のカウンタ値Ｃ(n-1)に１をプラスした値を代入する。また、サーボ信号生成部１２０は、値Ｄｎが比較値Ｄｔｈを超える場合（S903−Ｎ）、S905で、カウンタ値Ｃｎを０にする。
【００９９】
次に、S906で、サーボ信号生成部１２０は、ＰＷＭ電圧信号に対応したＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５の電圧Ｖｓ（ｎ）が、高側電圧ＶＨであるかを評価する。電圧Ｖｓ（ｎ）は、タイミングｎにおける電圧値を示す。電圧Ｖｓ（ｎ）が高側電圧ＶＨである場合（S906−Ｙ）、S907へ進む。S907で、サーボ信号生成部１２０は、カウンタ値Ｃｎがカウンタ閾値Ｃｔｈを超えるかを評価する。カウンタ値Ｃｎがカウンタ閾値Ｃｔｈを超える場合（S907−Ｙ）、S908へ進む。S908で、サーボ信号生成部１２０は、次のタイミング(n+1)のＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５の電圧Ｖｓ(n+1)を、高側電圧ＶＨから低側電圧ＶＬへ切り替える。カウンタ値Ｃｎがカウンタ閾値Ｃｔｈ以下である場合（S907−Ｎ）には、S911へ進み、高側電圧ＶＨが維持される。
【０１００】
一方、S906で、電圧Ｖｓ（ｎ）が高側電圧ＶＨではない場合、即ち低側電圧ＶＬである場合（S906−Ｎ）、S909へ進む。S909で、サーボ信号生成部１２０は、カウンタ値Ｃｎが０であるかを評価する。カウンタ値Ｃｎが０である場合（S909−Ｙ）、S910へ進み、S910で、サーボ信号生成部１２０は、次のタイミング(n+1)のＰＷＭ電圧レベル切替信号Ｓ５の電圧Ｖｓ(n+1)を、低側電圧ＶＬから高側電圧ＶＨへ切り替える。カウンタ値Ｃｎが０ではない場合（S910−Ｎ）には、S911へ進み、低側電圧ＶＬが維持される。
【０１０１】
上記S910までの処理が終わると、S911で、サーボ信号生成部１２０は、タイミングｎを１増加し、即ちｎに(n+1)を代入し、ＡのようにS902へ戻り、以降のタイミングｎについても同様にループ処理を繰り返す。
【０１０２】
図１０の処理により、図９の例のような動作が実現される。図９で、最初、ＰＷＭ電圧信号は、高側電圧ＶＨに対応した第１のレベルである。例えばタイミングｎ５では、値Ｄｎが閾値Ｄｔｈを越えたので、カウンタ値Ｃｎが０になっている。期間８０１は、値Ｄｎが閾値Ｄｔｈ以下である期間の例を示す。期間８０２では、値Ｄｎが閾値Ｄｔｈ以下である状態が連続し、カウンタ値Ｃｎがカウントアップされている。タイミングｎ１０では、カウンタ値Ｃｎがカウンタ閾値Ｃｔｈを超えている。これにより、ＰＷＭ電圧信号は、低側電圧ＶＬに対応した第２のレベルに切り替えられている。期間８０３では、更にカウンタ値Ｃｎがカウントアップされている。そして、タイミングｎ１４で、値Ｄｎが閾値Ｄｔｈを越えている。これにより、カウンタ値Ｃｎが０に戻され、ＰＷＭ電圧信号は、高側電圧ＶＨに対応した第１のレベルに切り替えられている。期間８０３では、再びカウントアップされている。
【０１０３】
上記のように、実施の形態２のサーボ制御の方式では、加速度に応じて、ディジタル信号Ｓ３における閾値Ｄｔｈ以下の値Ｄｎが、カウント閾値Ｃｔｈに対応した所定回数連続でカウントされた場合のみ、ＰＷＭ電圧信号のレベルが、高側電圧ＶＨから低側電圧ＶＬへ切り替えられる。一方、値Ｄｎが閾値Ｄｔｈを超えた場合、即座にＰＷＭ電圧信号のレベルが低側電圧ＶＬから高側電圧ＶＨへ切り替えられる。
【０１０４】
よって、実施の形態２の加速度センサシステムによれば、値Ｄｎが閾値Ｄｔｈ付近で変動する場合であっても、ＰＷＭ電圧信号のレベルの頻繁な切り替えをせず、切り替え回数を低減できる。これにより、実施の形態２によれば、省電力と高安定性を実現できる。
【０１０５】
（実施の形態３）
図１１〜図１２を用いて本発明の実施の形態３の加速度センサシステムについて説明する。
【０１０６】
［加速度センサシステム］
図１１は、実施の形態３の加速度センサシステムの構成を示す。実施の形態３の構成は、図１の実施の形態１の構成に対して、異なる構成部分として、センサ１０１Ｃを有し、動作モード切替部１１１を有さない。
【０１０７】
センサ１０１Ｃは、実施の形態１のセンサ１０１と同様に、加速度検出素子であるが、電極構造が異なる。センサ１０１Ｃは、検出用信号Ｓ８とサーボ信号Ｓ７とを同時に印加可能な電極構造として、一対の固定電極に関し、分離型の構造を有する。
【０１０８】
実施の形態３の加速度センサシステムは、センサ１０１Ｃに対して、動作モードに応じた時分割制御を行わない。検出用信号Ｓ８とサーボ信号Ｓ７は、同時にセンサ１０１の固定電極に印加される。検出用信号生成部１１０からの検出用信号Ｓ８は、直接、センサ１０１の固定電極のうちの第１の一対の固定電極に印加される。また、サーボ信号生成部１２０からのサーボ信号Ｓ７は、直接、センサ１０１の固定電極のうちの第２の一対の固定電極に印加される。
【０１０９】
信号検出部１０２は、実施の形態１と同様に、センサ１０１の可動電極からのセンサ出力信号Ｓ１を検出信号Ｓ２として検出する。サーボ信号生成部１２０は、実施の形態１と同様に、検出信号Ｓ２で示す加速度に応じて、レベル及びパルス密度の両方を調整したＰＷＭ電圧信号を生成し、サーボ信号Ｓ７として出力する。
【０１１０】
［センサ］
図１２は、実施の形態３の加速度センサシステムにおけるセンサ１０１Ｃの電極構造を示す。センサ１０１Ｃは、可動電極２０３と、固定電極２０１Ａ，２０１Ｂ，２０２Ａ，２０２Ｂとを有する。４つの固定電極は、二組に分離されており、第１の一対の固定電極２３０である固定電極２０１Ａ及び固定電極２０２Ａと、第２の一対の固定電極２４０である固定電極２０１Ｂ及び固定電極２０２Ｂとから成る。実施の形態３では、実施の形態１の固定電極２０１は、固定電極２０１Ａと固定電極２０１Ｂとに分離されており、実施の形態１の固定電極２０２は、固定電極２０２Ａと固定電極２０２Ｂとに分離されている。
【０１１１】
Ｘ方向において、可動電極２０３の中心に対し、左寄りの位置に、第１の一対の固定電極２３０である固定電極２０１Ａ及び固定電極２０２Ａが、Ｚ方向で可動電極２０３を挟んで対向するように配置されており、右寄りの位置に、第２の一対の固定電極２４０である固定電極２０１Ｂ及び固定電極２０２Ｂが同様に配置されている。それぞれの固定電極は、可動電極２０３の主面に対してＺ方向で平面視した場合に重なる面領域を含む。
【０１１２】
センサ１０１Ｃの可動電極２０３は、実施の形態１と同様に、信号線を通じて、信号検出部１０２に接続されており、加速度に応じた電極間静電容量の変化をセンサ出力信号Ｓ１として出力する。なお、可動電極２０３の詳しい構造は各種可能であり、例えば可動電極をＺ方向で上下両側からバネ等によって保持する構造も可能である。
【０１１３】
第１の一対の固定電極２３０は、信号線を通じて、検出用信号生成部１１０に接続されており、検出用信号Ｓ８が印加される。詳しくは、検出用信号Ｓ１における第１検出用信号２２１が固定電極２０１Ａに印加され、反転信号である第２検出用信号２２２が固定電極２０２Ａに印加される。
【０１１４】
第２の一対の固定電極２４０は、信号線を通じて、サーボ信号生成部１２０に接続されており、サーボ信号Ｓ７が印加される。詳しくは、サーボ信号Ｓ７における第１サーボ信号２１１が固定電極２０１Ｂに印加され、反転信号である第２サーボ信号２１２が固定電極２０２Ｂに印加される。
【０１１５】
上記のように、実施の形態３によれば、実施の形態１と同様に、高感度を確保しつつ、従来の加速度センサシステムよりも低消費電力を実現できる。実施の形態３のセンサ１０１Ｃは、分離型の構造を有するので、検出用信号Ｓ８及びサーボ信号Ｓ７の印加に関する時分割制御が不要であり、同時印加が可能である。よって、実施の形態３では、センサ１０１Ｃ以外の構成として、動作モード切替部１１１等を無くし、実施の形態１の回路構成よりも簡便な構成にできる。また、実施の形態３では、実施の形態１で検出用信号Ｓ８とサーボ信号Ｓ７とを時分割で切り替える際に生じるスイッチングノイズ及びスイッチング電流についても低減でき、その分、消費電力を低減できる。
【０１１６】
以上、本発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【符号の説明】
【０１１７】
１０１…センサ、１０２…信号検出部、１０３…ＡＤＣ、１０４…ＰＩＤ制御部、１０５…マルチレベルサーボ信号生成部、１０６…     ＰＷＭ電圧レベル切替部、１０７…比較器、１１０…検出用信号生成部、１１１…動作モード切替部、１２０…サーボ信号生成部、１３０…出力部、１３１…加速度出力部、１３２…分析部。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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