(57)【要約】  容量式物理量検出装置は、センサ部と、制御回路と、ＣＶ変換回路とを備える。センサ部は、可動電極と、第１の固定電極と、第２の固定電極とを有する。ＣＶ変換回路は基準電圧を入力し、容量の変化に応じた電圧を出力する。制御回路は、第１の期間において、第１の固定電極に第１の信号を入力するとともに、第２の固定電極に第１の信号とは逆位相の第２の信号を入力し、第２の期間において、第１の固定電極に、基準電圧を入力するとともに、第２の固定電極に第２の信号を入力する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量の変化に応じて変位する可動電極と、
前記可動電極の第１の箇所に対向して配置された第１の固定電極と、
前記可動電極の第２の箇所に対向して配置された第２の固定電極と、
を有するセンサ部と、
前記可動電極と前記第１の固定電極との間および、前記可動電極と前記第２の固定電極との間に信号を入力する制御回路と、
基準電圧が入力され、前記可動電極と前記第１の固定電極との間および、前記可動電極と前記第２の固定電極との間の容量の変化に応じた電圧を出力するＣＶ変換回路と、
を備え、
前記制御回路は、
第１の期間において、前記第１の固定電極に第１の信号を入力するとともに、前記第２の固定電極に前記第１の信号とは逆位相の第２の信号を入力し、
第２の期間において、前記第１の固定電極に、前記基準電圧を入力するとともに、前記第２の固定電極に前記第２の信号を入力する
容量式物理量検出装置。
【請求項２】
前記ＣＶ変換回路は増幅器を有し、
前記増幅器の第１の入力端子は、前記可動電極に接続されている
請求項１に記載の容量式物理量検出装置。
【請求項３】
前記増幅器の第２の入力端子に、前記基準電圧が入力される
請求項２に記載の容量式物理量検出装置。
【請求項４】
前記ＣＶ変換回路に接続されたサンプルホールド回路を更に備え、
前記サンプルホールド回路のサンプリング周期は、前記第１の期間と前記第２の期間とを合わせた期間よりも長い
請求項１に記載の容量式物理量検出装置。
【請求項５】
前記容量式物理量検出装置は、前記第１の期間と前記第２の期間とを合わせた期間よりも長いデータ更新周期を有する
請求項１に記載の容量式物理量検出装置。
【請求項６】
前記増幅器の前記第１の入力端子と出力端子との間に接続され、互いに並列に接続されたスイッチとコンデンサとをさらに有する
請求項１に記載の容量式物理量検出装置。
【請求項７】
前記物理量は加速度である
請求項１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】
本開示は、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する。
【背景技術】
【０００２】
図４は、従来の容量式物理量検出装置１００の模式図である。従来の容量式物理量検出装置１００は、加速度に応じて変位する可動電極１０２と、可動電極１０２に対向して配置された固定電極１０３と、を備えている。容量式物理量検出装置１００は、加速度によって生じる可動電極１０２の変位を、可動電極１０２と固定電極１０３との間の静電容量の変化として検出することにより、加速度を検出している。すなわち、静電気力発生手段１０４により、可動電極１０２が変位する。この変位によって生じる可動電極１０２と固定電極１０３との間の静電容量の変化を、容量検出手段１０５が検出する。容量検出手段１０５は、この静電容量の変化が所定の閾値を越えるか否かを判定することにより、可動電極が正常に動作しているか否か、及び容量検出手段への信号経路が断線しているか否か、という故障診断を行う。なお、この出願に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２２３８４４号公報
【発明の概要】
【０００４】
容量式物理量検出装置は、センサ部と、制御回路と、ＣＶ変換回路と、を備える。
【０００５】
センサ部は、可動電極と、第１の固定電極と、第２の固定電極と、を有する。可動電極は、物理量の変化に応じて変位する。第１の固定電極は、可動電極の第１の箇所に対向して配置されている。第２の固定電極は、可動電極の第２の箇所に対向して配置されている。
【０００６】
制御回路は、可動電極と第１の固定電極との間および、可動電極と第２の固定電極との間に信号を入力する。
【０００７】
ＣＶ変換回路は、基準電圧を入力し、可動電極と第１の固定電極との間および、可動電極と第２の固定電極との間の容量の変化に応じた電圧を出力する。
【０００８】
制御回路は、第１の期間において、第１の固定電極に第１の信号を入力するとともに、第２の固定電極に第１の信号とは逆位相の第２の信号を入力し、第２の期間において、第１の固定電極に、基準電圧を入力するとともに、第２の固定電極に第２の信号を入力する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本実施の形態における加速度センサのセンサ部の斜視図である。
【図２】図２は、本実施の形態における加速度センサの回路図である。
【図３】図３は、本実施の形態における加速度センサの搬送波の信号波形とスイッチの開閉のタイミングとの関係を示す図である。
【図４】図４は、従来の容量式物理量検出装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
従来の容量式物理量検出装置１００は、故障診断に際して可動電極１０２を変位させるために、故障診断に時間が掛かる場合がある。また、例えば容量検出手段１０５への信号経路が断線している場合、可動電極１０２を変位させずに故障診断を行おうとすると、容量検出手段が検出する信号はゼロとなる。しかし、これは信号経路が正常な場合において入力物理量がゼロだった場合と見分けがつかないので、故障を検出することが出来ない。
【００１１】
（実施の形態）
以下、本開示の容量式物理量検出装置の一例である加速度センサについて図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は、本実施の形態における加速度センサ３０のセンサ部１の斜視図である。図２は、本実施の形態における加速度センサ３０の回路図である。
【００１３】
容量式物理量検出装置は、センサ部１と、制御回路２４と、ＣＶ変換回路２１と、を備える。
【００１４】
センサ部１は、可動電極２ｃと、第１の固定電極３ａと、第２の固定電極３ｂと、を有する。可動電極２ｃは、物理量の変化に応じて変位する。第１の固定電極３ａは、可動電極２ｃの第１の箇所に対向して配置されている。第２の固定電極３ｂは、可動電極２ｃの第２の箇所に対向して配置されている。
【００１５】
制御回路２４は、可動電極２ｃと第１の固定電極３ａとの間および、可動電極２ｃと第２の固定電極３ｂとの間に信号を入力する。
【００１６】
ＣＶ変換回路２１は基準電圧を入力し、可動電極２ｃと第１の固定電極３ａとの間および、可動電極２ｃと第２の固定電極３ｂとの間の容量の変化に応じた電圧を出力する。
【００１７】
制御回路２４は、第１の期間において、第１の固定電極３ａに第１の信号Ｐ１を入力するとともに、第２の固定電極３ｂに第１の信号とは逆位相の第２の信号Ｐ２を入力し、第２の期間において、第１の固定電極３ａに、基準電圧を入力するとともに、第２の固定電極３ｂに第２の信号Ｐ２を入力する。
【００１８】
以下、加速度センサ３０の詳細を説明する。センサ部１は、加速度センサ素子２と、上蓋３と、下蓋４とを有している。加速度センサ素子２は、上蓋３と下蓋４との間に狭持されている。加速度センサ素子２は、梁２ａと、梁２ｂと、可動電極２ｃと、枠部２ｄと、を有する。上蓋３に、固定電極３ａ（第１の固定電極）と、固定電極３ｂ（第２の固定電極）が形成されている。固定電極３ａは、可動電極２ｃの第１の箇所に対向して配置されている。固定電極３ｂは、可動電極２ｃの第２の箇所に対向して配置されている。
【００１９】
可動電極２ｃと固定電極３ａ、および可動電極２ｃと固定電極３ｂは、それぞれ容量を構成している。可動電極２ｃが加速度を受けて変位すると、可動電極２ｃの変位に応じてそれらの容量が変化する。後述する検出回路２０は、可動電極２ｃと固定電極３ａとの間、及び、可動電極２ｃと固定電極３ｂとの間の差動容量の変化に基づいて加速度を検出する。
【００２０】
加速度センサ３０は、センサ部１と、検出回路２０とを有している。検出回路２０は、ＣＶ変換回路２１と、信号処理回路２２と、制御回路２４と、判定回路２５と、を有している。制御回路２４は、可動電極２ｃと、固定電極３ａ、３ｂとの間に周期的に信号を印加する信号印加手段である。
【００２１】
ＣＶ変換回路２１は、増幅器２１ａと、コンデンサ２１ｂと、スイッチ２１ｃとを有する。ＣＶ変換回路２１は、可動電極２ｃと、固定電極３ａ、３ｂとの差動容量の変化を電圧に変換する。増幅器２１ａの反転入力端子（第１の入力端子）は、可動電極２ｃに接続されている。増幅器２１ａの反転入力端子と出力端子との間には、コンデンサ２１ｂおよびスイッチ２１ｃが接続されている。コンデンサ２１ｂとスイッチ２１ｃは、互いに並列になるように接続されている。増幅器２１ａの非反転入力端子（第２の入力端子）には、基準電圧Ｖ０が入力される。以下、簡単化のために基準電圧Ｖ０を０Ｖとする。
【００２２】
信号処理回路２２は、サンプルホールド回路２２ａと、増幅回路２２ｂと、ローパスフィルタ２２ｃとを有している。サンプルホールド回路２２ａは、ＣＶ変換回路２１の出力電圧をサンプリング（測定）して一定期間保持する。増幅回路２２ｂは、サンプルホールド回路２２ａの出力電圧を所定の感度まで増幅する。ローパスフィルタ２２ｃは、増幅回路２２ｂの出力電圧から所定の周波数帯域の成分のみを取り出して、加速度検出信号を出力する。
【００２３】
制御回路２４は、基準クロックＣＬＫと、故障診断信号Ｔに基づいて、搬送波信号Ｐ１、Ｐ２と、スイッチ信号Ｓ１、Ｓ２とをそれぞれ生成して出力する。搬送波信号Ｐ１（第１の信号）は、固定電極３ａに入力する振幅±Ｖの信号である。搬送波信号Ｐ２（第２の信号）は、固定電極３ｂに入力する振幅±Ｖの信号である。スイッチ信号Ｓ１は、スイッチ２１ｃを開閉させる信号である。スイッチ信号Ｓ２は、スイッチ２２１ｂ、を開閉させる信号である。スイッチ２１ｃ、スイッチ２２１ｂは、半導体スイッチ等で構成されており、制御回路２４からのスイッチ信号がハイレベルのとき閉の状態になる。
【００２４】
加速度センサの動作を、図３を参照して説明する。図３は、本実施の形態における加速度センサ３０の搬送波の信号波形とスイッチの開閉のタイミングとの関係を示す図である。Ｐ１は、固定電極３ａに入力される搬送波信号Ｐ１を示している。Ｐ２は、固定電極３ｂに入力される搬送波信号Ｐ２を示している。２１ｃは、スイッチ２１ｃの開閉のタイミングを示している。２２１ｂは、スイッチ２２１ｂの開閉のタイミングを示している。
【００２５】
第１の期間Ｔ１、Ｔ２において、入力された物理量に応じた容量の変化が測定される（通常動作）。そして、第２の期間Ｔ３、Ｔ４において、容量検出手段への信号経路が断線しているか否かが判定される（故障診断動作）。これにより、可動電極を変位させずに故障診断を行うことができ、故障診断の時間が短縮される。
【００２６】
制御回路２４から搬送波信号Ｐ１と、搬送波信号Ｐ２とが出力される。図３に示すように、搬送波信号Ｐ１は、第１の期間Ｔ１、Ｔ２において、ハイレベル（＋Ｖ）とローレベル（−Ｖ）が変化する一定振幅の矩形波信号である。また、搬送波信号Ｐ２は、第１の期間Ｔ１、Ｔ２において、搬送波信号Ｐ１に対して電圧レベルが反転した信号である。
【００２７】
まず、通常動作時の測定について図３を参照して説明する。ここで、Ｐ１は、固定電極３ａに与えられる電圧信号を示し、Ｐ２は、固定電極３ｂに与えられる電圧信号を示している。
【００２８】
第１の期間のＴ１では、搬送波信号Ｐ１は＋Ｖ、搬送波信号Ｐ２は−Ｖになっている。また、制御回路２４からのスイッチ信号Ｓ１、Ｓ２により、スイッチ２１ｃは閉（ＨＩＧＨ）、スイッチ２２１ｂは開（ＬＯＷ）になっている。このことにより、増幅器２１ａの非反転入力端子にＶ０の電圧が印加され、可動電極２ｃにＶ０の電圧が印加されるとともに、コンデンサ２１ｂの電荷が放電される。なお、通常動作時の測定において、スイッチ２３ａ、スイッチ２３ｂは基準電圧Ｖ０に接続されず、搬送波Ｐ１、Ｐ２を可動電極２ｃに入力するように接続される。
【００２９】
この状態において、可動電極２ｃと固定電極３ａとの間には、Ｑ１＝−Ｃ１・Ｖという電荷がたまる。−の符号は、可動電極２ｃの固定電極３ａと対向する側の表面に負の電荷がたまることを意味している。また、可動電極２ｃと固定電極３ｂとの間には、Ｑ２＝＋Ｃ２・Ｖという電荷がたまる。＋の符号は、可動電極２ｃの固定電極３ｂと対向する側の表面に正の電荷がたまることを意味している。可動電極２ｃの総電荷量はＱ１とＱ２の合計値となるので、Ｑ１＋Ｑ２＝（Ｃ２−Ｃ１）・Ｖとなる。
【００３０】
第１の期間のＴ２において、搬送波信号Ｐ１、Ｐ２の電圧レベルが反転し、Ｐ１が−ＶとなりＰ２が＋Ｖとなり、スイッチ２１ｃが開くとともにスイッチ２２１ｂが閉じる。
【００３１】
このとき、可動電極２ｃと固定電極３ａとの間にはＱ１’＝＋Ｃ１・Ｖという電荷がたまり、可動電極２ｃと固定電極３ｂとの間にはＱ２’＝−Ｃ２・Ｖという電荷がたまる。可動電極２ｃの総電荷量はＱ１’とＱ２’の合計値となるので、Ｑ１’＋Ｑ２’＝（Ｃ１−Ｃ２）・Ｖとなる。
【００３２】
Ｔ１のときに可動電極２ｃにたまっていた電荷（Ｑ１＋Ｑ２）とＴ２のときに可動電極２ｃにたまっていた電荷（Ｑ１’＋Ｑ２’）との差ΔＱは、ΔＱ＝（Ｑ１＋Ｑ２）−（Ｑ１’＋Ｑ２’）＝−（Ｃ１−Ｃ２）・２Ｖとなる。
【００３３】
ここで、差動容量Ｃ１、Ｃ２が異なっていると、ΔＱという電荷が可動電極２ｃに生じるが、増幅器２１ａの作用によって可動電極２ｃの電圧はＶ０に保持されるため、ΔＱの電荷は、コンデンサ２１ｂの可動電極２ｃ側にたまり、コンデンサ２１ｂの反対側の電極には、逆の極性の電荷ΔＱ’＝（Ｃ１−Ｃ２）・２Ｖがたまる。その結果、コンデンサ２１ｂの容量をＣｆとすると、増幅器２１ａの出力端子にΔＱ’／Ｃｆ＝（Ｃ１−Ｃ２）・２Ｖ／Ｃｆという電圧が生じ、容量の差（Ｃ１−Ｃ２）に応じた電圧が出力される。
【００３４】
この電圧はサンプルホールド回路２２ａにてサンプルホールド（ｓａｍｐｌｅ  ａｎｄ  ｈｏｌｄ）され、増幅回路２２ｂ、ローパスフィルタ２２ｃを介して加速度検出信号として出力される。すなわち、サンプルホールド回路２２ａは、Ｔ２の期間において増幅器２１ａの出力電圧をサンプリング（測定）し、それ以外の期間では、そのサンプリングした電圧を保持する。そして、このサンプルホールド回路２２ａからの出力電圧により、増幅回路２２ｂ、ローパスフィルタ２２ｃを介して加速度検出信号が出力される。
【００３５】
次に、故障診断時の動作について図３を参照して説明する。
【００３６】
故障診断時においては、第２の期間のＴ３、Ｔ４において、スイッチ２３ａもしくはスイッチ２３ｂのどちらかが基準電圧Ｖ０へ接続されるように切り替わる。
【００３７】
例として、スイッチ２３ａが基準電圧Ｖ０へ接続される場合を説明する。この状態においては、第２の期間のＴ３において、可動電極２ｃと固定電極３ａの電位はともにＶ０であり、電位差がゼロとなるため、電荷Ｑ１もゼロとなる。一方、可動電極２ｃと固定電極３ｂとの間には、第１の期間のＴ１と同じようにＱ２＝＋Ｃ２・Ｖという電荷がたまる。これより、可動電極２ｃの総電荷量は、Ｑ１＋Ｑ２＝０＋Ｃ２・Ｖ＝Ｃ２・Ｖとなる。
【００３８】
第２の期間のＴ４においては、電荷Ｑ１’は第２の期間のＴ３と同じくゼロであり、電荷Ｑ２’は第１の期間のＴ２と同じくＱ２’＝−Ｃ２・Ｖとなる。これより、可動電極２ｃの総電荷量は、Ｑ１’＋Ｑ２’＝０−Ｃ２・Ｖ＝−Ｃ２・Ｖとなる。
【００３９】
Ｔ３のときに可動電極２ｃにたまっていた電荷（Ｑ１＋Ｑ２）とＴ４のときに可動電極２ｃにたまっていた電荷（Ｑ１’＋Ｑ２’）の差ΔＱは、ΔＱ＝（Ｑ１＋Ｑ２）−（Ｑ１’＋Ｑ２’）＝Ｃ２・２Ｖとなる。その結果、増幅器２１ａの出力端子に−ΔＱ／Ｃｆ＝−Ｃ２・２Ｖ／Ｃｆという電圧が生じる。
【００４０】
信号経路が正常な場合には、ＣＶ変換回路２１の出力電圧が−Ｃ２・２Ｖ／Ｃｆとなる。しかし、信号経路が断線している場合にはＣＶ変換回路２１の出力はゼロとなる。そのため、判定回路２５によってＣＶ変換回路２１の出力電圧が所定の閾値を超えているか否かを判定することにより、信号経路が断線しているか否かを判定できる。また、本構成によると、センサ部１に印加される加速度がゼロの場合においても、Ｃ２はゼロにはならないので、正常時のＣＶ変換回路２１の出力電圧（−Ｃ２・２Ｖ／Ｃｆ）と断線時のＣＶ変換回路２１の出力電圧（ゼロ）とを判別できる。
【００４１】
なお、故障診断時の第２の期間Ｔ３、Ｔ４において、サンプルホールド回路２２ａは、第１の期間のＴ２においてサンプリング（測定）した電圧を保持する。そのため、故障診断動作中のＣＶ変換回路２１の出力電圧の変動は、加速度センサ３０から出力される加速度の測定値に影響を及ぼさない。サンプルホールド回路２２ａのサンプリング周期、あるいは加速度センサ３０の出力のデータ更新周期を、第１の期間Ｔ１、Ｔ２と第２の期間Ｔ３、Ｔ４とを合わせた期間よりも長く設定することにより、故障診断動作中に加速度検出動作が中断される事なく、加速度検出信号が得られる。すなわち、故障診断のために余計な時間を必要としない。
【００４２】
本開示の容量式物理量検出装置は、第１の期間Ｔ１、Ｔ２においては入力された物理量に応じた容量の変化を測定するという通常動作を行う。また、第２の期間Ｔ３、Ｔ４においては容量検出手段への信号経路が断線しているか否かを判定する故障診断動作を行う。これにより、可動電極を変位させずに故障診断を行うことができ、故障診断の時間が短縮できる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本開示の容量式物理量検出装置は、車両制御用の加速度センサ等として有用である。
【符号の説明】
【００４４】
１  センサ部
２  加速度センサ素子
２ａ，２ｂ  梁
２ｃ  可動電極
２ｄ  枠部
３  上蓋
３ａ，３ｂ  固定電極
４  下蓋
２０  検出回路
２１  ＣＶ変換回路
２１ａ  増幅器
２１ｂ  コンデンサ
２１ｃ，２２１ｂ，２３ａ，２３ｂ  スイッチ
２２  信号処理回路
２２ａ  サンプルホールド回路
２２ｂ  増幅回路
２２ｃ  ローパスフィルタ
２４  制御回路
２５  判定回路
３０  加速度センサ
１００  容量式物理量検出装置
１０２  可動電極
１０３  固定電極
１０４  静電気力発生手段
１０５  容量検出手段
【図１】
2015128922.tif 000003
【図２】
2015128922.tif 000004
【図３】
2015128922.tif 000005
【図４】
2015128922.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成28年6月27日(2016.6.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2015128922.tif 000007
【国際調査報告】
2015128922.tif 000008
2015128922.tif 000009
2015128922.tif 000010
2015128922.tif 000011