(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２のコンデンサ部を有し、前記第１のコンデンサ部が固定部に設けられた第１の検出電極と可動部に設けられた可動電極よりなり、前記第２のコンデンサ部が前記固定部に設けられた第２の検出電極と前記可動部に設けられた可動電極よりなるように構成された検知素子と、前記検知素子の可動電極に交流バイアス信号電圧を印加するためのドライブ回路と、前記検知素子に印加された加速度に応じて前記可動電極が変位し、前記第１の検出電極に発生する電荷量が増加する場合は前記第２の検出電極に発生する電荷量が減少し、逆に前記第１の検出電極に発生する電荷量が減少する場合は前記第２の検出電極に発生する電荷量が増加するように構成された前記第１、第２の検出電極の電荷量の差を検出するための差動型検出器と前記交流バイアス信号電圧に同期し前記差動型検出器の出力信号を同期復調するための同期復調器と前記同期復調器からの出力信号を調整する出力増幅器とを有する検出回路と、前記差動型検出器から出力される信号を整流器に入力し、前記整流器からの出力を参照信号と比較することにより、前記検出素子と前記差動型検出器との間の断線を検出するための診断信号を供給する自己診断回路とを備えた加速度センサ。
【請求項２】
固定部に設けられた第１、第２の検出電極は所定の間隙を有して対向し、可動部に設けられた可動電極は前記第１、第２の検出電極間のほぼ中間に、かつ、前記第１、第２の検出電極にそれぞれ対向するように配置され、対向する前記第１、第２の検出電極面に直交する方向に加速度が印加されることにより、前記可動電極面が前記第１、第２の検出電極面に直交する方向に変位するように構成された請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
固定部に設けられた第１、第２の検出電極は同一平面内に所定の間隙を設けて配置され、可動部の両端が前記固定部により支持されるとともに、前記可動部に設けられた可動電極は所定の間隙を有して前記第１、第２の検出電極とそれぞれ対向し、さらに前記可動部に設けられた前記可動電極とは反対側に付加質量部が設けられ、前記第１、第２の検出電極面に平行な方向に加速度が印加されることにより、前記可動部に設けられた前記可動電極が前記付加質量部を中心に前記第１、第２の検出電極面の方向に回転し、回転する前記可動電極面の一端側が前記第１の検出電極面に近づく場合は前記可動電極面の他端側が前記第２の検出電極面から遠ざかる方向に変位し、逆に前記可動電極面の一端側が前記第１の検出電極面から遠ざかる場合は前記可動電極面の他端側が前記第２の検出電極面に近づく方向に変位するように構成された請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項４】
固定部、可動部は、水晶、シリコンまたはセラミックスからなる請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項５】
前記自己診断回路は、ドライブ回路と検知素子における異常を常時監視し外部に診断信号を出力するために、交流バイアス信号電圧のレベルを監視するドライブ系判定器をさらに備え、前記ドライブ系判定器と前記診断信号を外部に出力する論理和回路とをさらに備えた請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項６】
第１及び第２のコンデンサ部を有し、前記第１のコンデンサ部が固定部に設けられた第１の検出電極と可動部に設けられた第１の可動電極よりなり、前記第２のコンデンサ部が前記固定部に設けられた第２の検出電極と前記可動部に設けられた第２の可動電極よりなり、前記第１、第２の検出電極は前記固定部の同一平面内に所定の間隙を設けて配置され、前記可動部の両端が前記固定部により支持されるとともに、前記第１、第２の可動電極は前記可動部の同一平面内に所定の間隙を設けて配置され、かつ、前記第１、第２の検出電極とそれぞれ対向し、さらに前記可動部に設けられた前記第１、第２の可動電極とは反対側に付加質量部が設けられ、前記第１、第２の検出電極面に平行な方向に加速度が印加されることにより、前記第１、第２の可動電極が前記付加質量部を中心に前記第１、第２の検出電極面の方向に回転し、回転する前記第１の可動電極面が前記第１の検出電極面に近づく場合は前記第２の可動電極面が前記第２の検出電極面から遠ざかる方向に変位し、逆に前記第１の可動電極面が前記第１の検出電極面から遠ざかる場合は前記第２の可動電極面が前記第２の検出電極面に近づく方向に変位するように構成された検知素子と、前記第１、第２の可動電極にそれぞれに交流バイアス信号電圧を印加するためのドライブ回路と、前記第１、第２の検出電極面に平行な方向に印加された加速度に応じて前記第１、第２の可動電極が変位し、前記第１の検出電極に発生する電荷量が増加する場合は前記第２の検出電極に発生する電荷量が減少し、逆に前記第１の検出電極に発生する電荷量が減少する場合は前記第２の検出電極に発生する電荷量が増加する前記第１、第２の検出電極の電荷量の差を検出するための差動型検出器と前記交流バイアス信号電圧に同期し前記差動型検出器の出力信号を同期復調するための同期復調器と前記同期復調器からの出力信号を調整する出力増幅器とを有する検出回路と、前記ドライブ回路と前記第１の可動電極または第２の可動電極のいずれかとの間に前記交流バイアス信号電圧値とは異なる所定の交流バイアス信号電圧値に設定可能にするために挿入されたネットワーク抵抗網と、前記ネットワーク抵抗網の一端とグランドとの間に挿入された開閉器とを備え、加速度を検出する場合には前記開閉器を開の状態にし、前記検知素子、前記ドライブ回路または前記検出回路の少なくともいずれか１つの異常を検出するための診断信号を供給する場合には前記開閉器を閉の状態にするように構成した加速度センサ。
【請求項７】
ネットワーク抵抗網は、ドライブ回路と第１の可動電極または第２の可動電極のいずれかとの間に挿入された第１の抵抗と、前記第１の可動電極または第２の可動電極のいずれかと前記第１の抵抗との接続点と開閉器との間に挿入された第２の抵抗から構成された請求項６に記載の加速度センサ。
【請求項８】
振動素子と前記振動素子の振幅を一定に維持するための自励発振ループ信号電圧の励振周波数が５０ｋＨｚ以下である自励発振ループ回路を有した角速度センサと、請求項１または請求項６に記載の加速度センサを備え、前記加速度センサの交流バイアス信号電圧に前記角速度センサの自励発振ループ信号電圧を用いた複合センサ。
【請求項９】
請求項１または請求項６に記載の加速度センサを２個備え、前記２個の加速度センサの交流バイアス信号電圧の位相が互いに９０度異なるように前記２個の加速度センサのドライブ回路の少なくともいずれか１つには位相遷移器を有した請求項８に記載の複合センサ。
【請求項１０】
前記２個の加速度センサのドライブ回路の内のいずれか１つには、９０度位相遷移器を有した請求項９に記載の複合センサ。
【請求項１１】
２個の加速度センサの検出軸の方向が互いに直交するように構成された請求項９に記載の複合センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に加速度を検出する慣性センサ及びそれを用いた複合センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両の加速度を検知してナビゲーションにおける高精度化、車両の安全制御を行うシステムが普及してきている。その中、車両の慣性量である加速度、あるいは角速度を検出するための様々なセンサが提供されてきており、今後、安価で高機能のセンサを提供するために複数のセンサを複合化する兆しも見え始めてきている。
【０００３】
従来の静電容量式の加速度センサとしては、印加された加速度に応じて変位するカンチレバーの近傍に配置された対向電極との間に生じる二つの静電容量（つまり２個のコンデンサの容量）の変化として捕らえるものであった。
【０００４】
このようなものとして、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１では、図１０に示すように２つのコンデンサ１０１，１０２を直列にブリッジ接続し、このコンデンサ１０１，１０２からなるブリッジに発振器１０３より交流バイアス信号電圧が印加され、加速度が加えられることによりカンチレバー（図示せず）が変位する。したがって、このカンチレバーの変位に対応したブリッジの接続点１０４に発生する分圧電位を増幅器１０５により検出し、次に整流器１０６により整流し、最後にＬＰＦ１０７により増幅して印加された加速度に対応する信号を得ている。
【０００５】
また、別のタイプとして、特許文献２に記載されたものが知られている。特許文献２では、図１１に示すように２つのコンデンサ１０８，１０９にそれぞれ直列に抵抗１１０，１１１を接続したＣＲブリッジ構成にして、このＣＲブリッジに発振器１０３より交流バイアス信号電圧が印加され、加速度が加えられることによりカンチレバー（図示せず）が変位する。したがって、このカンチレバーの変位に対応したＣＲブリッジの接続点１１２，１１３のインピーダンスバランスの変化による各接続点１１２，１１３の電位を差動増幅器１１４により検出し、次に整流器１１５により整流し、最後にＬＰＦ１１６により増幅して印加された加速度に対応する信号を得ている。
【特許文献１】特表平４−５０４００３号公報
【特許文献２】特開平７−１２８３５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の静電容量式の加速度センサでは、印加された加速度に対応する信号を得ることはできたが、センサ自体に異常がないかどうかを能動的に診断することはできないという課題を有していた。
【０００７】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、センサ自体に異常がないかどうかを能動的に診断することができる慣性センサ及びそれを用いた複合センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。
【０００９】
本発明の請求項１に記載の発明は、特に、第１及び第２のコンデンサ部を有し、前記第１のコンデンサ部が固定部に設けられた第１の検出電極と可動部に設けられた可動電極よりなり、前記第２のコンデンサ部が前記固定部に設けられた第２の検出電極と前記可動部に設けられた可動電極よりなるように構成された検知素子と、前記検知素子の可動電極に交流バイアス信号電圧を印加するためのドライブ回路と、前記検知素子に印加された加速度に応じて前記可動電極が変位し、前記第１の検出電極に発生する電荷量が増加する場合は前記第２の検出電極に発生する電荷量が減少し、逆に前記第１の検出電極に発生する電荷量が減少する場合は前記第２の検出電極に発生する電荷量が増加するように構成された前記第１、第２の検出電極の電荷量の差を検出するための差動型検出器と前記交流バイアス信号電圧に同期し前記差動型検出器の出力信号を同期復調するための同期復調器と前記同期復調器からの出力信号を調整する出力増幅器とを有する検出回路と、前記差動型検出器から出力される信号を整流器に入力し、前記整流器からの出力を参照信号と比較することにより、前記検出素子と前記差動型検出器との間の断線を検出するための診断信号を供給する自己診断回路とを備えた構成を有しており、これにより、加速度センサの出力信号端子から予め決められたＤＣオフセット信号が得られるかどうかを監視するだけで、センサ自体に異常がないかどうかを能動的に診断することができる加速度センサを得ることができる。
【００１０】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、特に、固定部に設けられた第１、第２の検出電極は所定の間隙を有して対向し、可動部に設けられた可動電極は前記第１、第２の検出電極間のほぼ中間に、かつ、前記第１、第２の検出電極にそれぞれ対向するように配置され、対向する前記第１、第２の検出電極面に直交する方向に加速度が印加されることにより、前記可動電極面が前記第１、第２の検出電極面に直交する方向に変位するように構成されており、これにより、シンプルな構造の加速度センサを得ることができる。
【００１１】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、特に、固定部に設けられた第１、第２の検出電極は同一平面内に所定の間隙を設けて配置され、可動部の両端が前記固定部により支持されるとともに、前記可動部に設けられた可動電極は所定の間隙を有して前記第１、第２の検出電極とそれぞれ対向し、さらに前記可動部に設けられた前記可動電極とは反対側に付加質量部が設けられ、前記第１、第２の検出電極面に平行な方向に加速度が印加されることにより、前記可動部に設けられた前記可動電極が前記付加質量部を中心に前記第１、第２の検出電極面の方向に回転し、回転する前記可動電極面の一端側が前記第１の検出電極面に近づく場合は前記可動電極面の他端側が前記第２の検出電極面から遠ざかる方向に変位し、逆に前記可動電極面の一端側が前記第１の検出電極面から遠ざかる場合は前記可動電極面の他端側が前記第２の検出電極面に近づく方向に変位するように構成されており、これにより、検出のためのコンデンサ部を片側にのみ設けた構造の加速度センサを得ることができる。
【００１２】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、特に、固定部、可動部が、水晶、シリコンまたはセラミックスから構成されており、これにより、安定した形状の検知素子を有する加速度センサを得ることができる。
【００１３】
また、特に、自己診断回路が、ドライブ回路から出力される交流バイアス信号電圧を調整するための調整器と、この調整器からの信号を同期復調器より前に加えるための注入器とからなる構成を有しており、これにより、センサ自体に異常がないかどうかを能動的に診断するためのＤＣオフセット信号を任意に調整可能な加速度センサを得ることができる。
【００１４】
また、自己診断回路を動作状態または非動作状態のいずれかであるように切替える切替器をさらに備え、前記切替器は調整器と注入器との間に配置された構成を有しており、これにより、外部からの診断要求次第で常時または任意の時間のみ能動的に診断することができる。
【００１５】
また、外部からの操作に応じて、ドライブ回路から出力される交流バイアス信号電圧を注入器に対して接続または切断する開閉器である構成を有しており、これにより、簡易な構造で自己診断回路を動作状態または非動作状態にすることができる。
【００１６】
また、切替器は外部からの操作に応じて、ドライブ回路から出力される交流バイアス信号電圧を注入器に対して一定時間接続または切断するためのタイマー回路を備えた開閉器である構成を有しており、これにより、外部からの診断要求に対して一定時間能動的に診断することができる。
【００１７】
また、調整器が減衰器または位相遷移器である構成を有しており、これにより、能動的に診断するためのＤＣオフセット信号量を精度よく初期設定することができる。
【００１８】
また、注入器がコンデンサである構成を有しており、これにより、簡易な構造で能動的に診断するためのＤＣオフセット信号量を精度よく初期設定することができる。
【００１９】
また、注入器が抵抗器である構成を有しており、これにより、簡易な構造で能動的に診断するためのＤＣオフセット信号量を精度よく初期設定することができる。
【００２０】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、特に、自己診断回路に、ドライブ回路と検知素子における異常を常時監視し外部に診断信号を出力するために、交流バイアス信号電圧のレベルを監視するドライブ系判定器をさらに備え、前記ドライブ系判定器と前記診断信号を外部に出力する論理和回路とをさらに備えた構成を有しており、これにより、交流バイアス信号電圧のレベルと差動型検出器の出力信号のレベルを常時監視し、ドライブ系（引き回しの線も含む）や検出系（検知素子から検出回路の間の引き回しの線も含む）に異常があれば、センサ外へ瞬時に異常診断信号を出力することができる。
【００２１】
本発明の請求項６に記載の発明は、特に、第１及び第２のコンデンサ部を有し、前記第１のコンデンサ部が固定部に設けられた第１の検出電極と可動部に設けられた第１の可動電極よりなり、前記第２のコンデンサ部が前記固定部に設けられた第２の検出電極と前記可動部に設けられた第２の可動電極よりなり、前記第１、第２の検出電極は前記固定部の同一平面内に所定の間隙を設けて配置され、前記可動部の両端が前記固定部により支持されるとともに、前記第１、第２の可動電極は前記可動部の同一平面内に所定の間隙を設けて配置され、かつ、前記第１、第２の検出電極とそれぞれ対向し、さらに前記可動部に設けられた前記第１、第２の可動電極とは反対側に付加質量部が設けられ、前記第１、第２の検出電極面に平行な方向に加速度が印加されることにより、前記第１、第２の可動電極が前記付加質量部を中心に前記第１、第２の検出電極面の方向に回転し、回転する前記第１の可動電極面が前記第１の検出電極面に近づく場合は前記第２の可動電極面が前記第２の検出電極面から遠ざかる方向に変位し、逆に前記第１の可動電極面が前記第１の検出電極面から遠ざかる場合は前記第２の可動電極面が前記第２の検出電極面に近づく方向に変位するように構成された検知素子と、前記第１、第２の可動電極にそれぞれに交流バイアス信号電圧を印加するためのドライブ回路と、前記第１、第２の検出電極面に平行な方向に印加された加速度に応じて前記第１、第２の可動電極が変位し、前記第１の検出電極に発生する電荷量が増加する場合は前記第２の検出電極に発生する電荷量が減少し、逆に前記第１の検出電極に発生する電荷量が減少する場合は前記第２の検出電極に発生する電荷量が増加する前記第１、第２の検出電極の電荷量の差を検出するための差動型検出器と前記交流バイアス信号電圧に同期し前記差動型検出器の出力信号を同期復調するための同期復調器と前記同期復調器からの出力信号を調整する出力増幅器とを有する検出回路と、前記ドライブ回路と前記第１の可動電極または第２の可動電極のいずれかとの間に前記交流バイアス信号電圧値とは異なる所定の交流バイアス信号電圧値に設定可能にするために挿入されたネットワーク抵抗網と、前記ネットワーク抵抗網の一端とグランドとの間に挿入された開閉器とを備え、加速度を検出する場合には前記開閉器を開の状態にし、前記検知素子、前記ドライブ回路または前記検出回路の少なくともいずれか１つの異常を検出するための診断信号を供給する場合には前記開閉器を閉の状態にするような構成を有しており、これにより、開閉器の開閉状態の如何によって加速度を検出する状態か、異常を検出するための診断信号を供給する状態かが明確になるばかりか、第１、第２の可動電極にそれぞれ印加される交流バイアス信号電圧の大きさにより、能動的に診断するためのＤＣオフセット信号量を予め設定することができる。
【００２２】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、特に、ネットワーク抵抗網は、ドライブ回路と第１の可動電極または第２の可動電極のいずれかとの間に挿入された第１の抵抗と、前記第１の可動電極または第２の可動電極のいずれかと前記第１の抵抗との接続点と開閉器との間に挿入された第２の抵抗から構成されており、これにより、簡易な構成でありながら能動的に診断し、センサ出力端子から所定のＤＣオフセット信号量を供給するために、第１、第２の可動電極のそれぞれに印加する交流バイアス信号電圧の大きさを予め精度よく設定することができる。
【００２３】
本発明の請求項８に記載の発明は、特に、振動素子と前記振動素子の振幅を一定に維持するための自励発振ループ信号電圧の励振周波数が５０ｋＨｚ以下である自励発振ループ回路を有した角速度センサと、請求項１または請求項６に記載の加速度センサを備え、前記加速度センサの交流バイアス信号電圧に前記角速度センサの自励発振ループ信号電圧を用いた複合センサから構成されており、これにより、加速度センサの交流バイアス信号電圧の発生のためだけの専用回路が不要となるばかりか、加速度センサの交流バイアス信号電圧としても安定な信号が得られる。
【００２４】
本発明の請求項９に記載の発明は、請求項１または請求項６に記載の加速度センサを２個備え、前記２個の加速度センサの交流バイアス信号電圧の位相が互いに９０度異なるように前記２個の加速度センサのドライブ回路の少なくともいずれか１つには位相遷移器を有した構成であり、これにより、接近した２個の加速度センサ同士の信号の漏れによる相互干渉を抑制することができる。
【００２５】
本発明の請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、特に、前記２個の加速度センサのドライブ回路の内のいずれか１つには、９０度位相遷移器を有した構成であり、これにより、片方の加速度センサ内にのみ位相遷移器を設けるだけで接近した２個の加速度センサ同士の信号の漏れによる相互干渉を抑制することができる。
【００２６】
本発明の請求項１１に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、特に、２個の加速度センサの検出軸の方向が互いに直交するように構成されており、これにより、２個の加速度センサ同士の信号の漏れによる相互干渉が抑制されていることと相俟って、互いに直交する２軸の加速度を精度良く検出できる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の加速度センサは、第１及び第２のコンデンサ部を有し、前記第１のコンデンサ部が固定部に設けられた第１の検出電極と可動部に設けられた可動電極よりなり、前記第２のコンデンサ部が前記固定部に設けられた第２の検出電極と前記可動部に設けられた可動電極よりなるように構成された検知素子と、前記検知素子の可動電極に交流バイアス信号電圧を印加するためのドライブ回路と、前記検知素子に印加された加速度に応じて前記可動電極が変位し、前記第１の検出電極に発生する電荷量が増加する場合は前記第２の検出電極に発生する電荷量が減少し、逆に前記第１の検出電極に発生する電荷量が減少する場合は前記第２の検出電極に発生する電荷量が増加するように構成された前記第１、第２の検出電極の電荷量の差を検出するための差動型検出器と前記交流バイアス信号電圧に同期し前記差動型検出器の出力信号を同期復調するための同期復調器と前記同期復調器からの出力信号を調整する出力増幅器とを有する検出回路と、前記差動型検出器から出力される信号を整流器に入力し、前記整流器からの出力を参照信号と比較することにより、異常を検出するための診断信号を供給する自己診断回路とを備えた構成であるため、加速度センサの出力信号端子から予め決められたＤＣオフセット信号が得られるかどうかを監視するだけで、センサ自体に異常がないかどうかを能動的に診断することができるという効果を奏するものである。
【００２８】
また、本発明の複合センサは、振動素子と前記振動素子の振幅を一定に維持するための自励発振ループ信号電圧の励振周波数が５０ｋＨｚ以下である自励発振ループ回路を有した角速度センサと、加速度センサを備え、前記加速度センサの交流バイアス信号電圧に前記角速度センサの自励発振ループ信号電圧を用いた構成であるため、加速度センサの交流バイアス信号電圧の発生のためだけの専用回路が不要となるばかりか、加速度センサの交流バイアス信号電圧としても安定な信号が得られるという効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における慣性センサのブロック図、図２は同センサを構成する検知素子の等価回路図、図３は同センサの各部の動作波形図、図４は同センサにおいてＹ点、Ｚ点で断線した場合の各部の動作波形図、図５は同センサにおいて外部から診断要求信号が加えられた時の各部の動作波形図である。
【００３０】
図１、図２において、１はシリコンからなる固定部、２ａ，２ｂは固定部１上に所定の間隙を有して対向するように設けられた第１、第２の検出電極、３ａ，３ｂは第１、第２の検出電極２ａ，２ｂから電荷を取り出す第１、第２の出力端子、４は対向する第１、第２の検出電極２ａ，２ｂのほぼ中間に固定部１から延出した可動部、４ａ，４ｂは可動部４の両表面上に第１、第２の検出電極２ａ，２ｂに対向するように設けられた第１、第２の可動電極、５は第１、第２の可動電極４ａ，４ｂに信号を伝えるための可動部４の固定部１側に設けられた入力端子、６は固定部１、検出電極２ａ，２ｂ、第１、第２の出力端子３ａ，３ｂ、可動部４、第１、第２の可動電極４ａ，４ｂと入力端子５とからなる検知素子、１０は電源端子、１１はグランド端子、１２は入力端子５へ交流バイアス信号電圧を供給するためのドライブ回路、１３は交流バイアス信号電圧の位相を９０度遷移させるための位相遷移器、２０ａ，２０ｂは第１、第２の検出電極２ａ，２ｂに発生する電荷がそれぞれ入力されるカレントアンプ、２１はカレントアンプ２０ａ，２０ｂの出力がそれぞれ入力される差動検出器、２２はカレントアンプ２０ａ，２０ｂと差動検出器２１から構成された差動型検出器、２３は差動検出器２１の出力が入力される利得増幅器、２４は利得増幅器２３の出力を位相遷移器１３を通過した交流バイアス信号電圧により同期検波するための同期復調器、２５は同期復調器２４の出力が入力される出力増幅器、２６は出力増幅器２５により平滑、出力調整された後、外部に出力するためのセンサ出力端子、２７は差動型検出器２２、利得増幅器２３、同期復調器２４、出力増幅器２５とセンサ出力端子２６から構成された検出回路、３０は位相遷移器１３を通過した交流バイアス信号電圧が入力される調整器としての減衰器、３１は減衰器３０の出力が入力され、その出力がカレントアンプ２０ｂの反転入力端子に供給される注入器としてのコンデンサ、３２は減衰器３０とコンデンサ３１の間に設けられた切替器としての開閉器、３３は外部からの診断要求信号を受付け、この診断要求信号により減衰器３０の出力をコンデンサ３１に供給するために開閉器３２を開の状態から閉の状態に変えるための信号を開閉器３２に送り出すための診断端子、３４は位相遷移器１３を通過した交流バイアス信号電圧が入力され、整流後、平滑するための整流器、３５は整流器３４の出力が入力され、その出力レベルを比較判定するための比較器、３６は利得増幅器２３の出力が入力され、整流後、平滑するための整流器、３７は整流器３６の出力が入力され、その出力レベルを比較判定するための比較器、３８は比較器３５，３７の出力がそれぞれ入力される論理和回路、３９は論理和回路３８の出力が入力されるフェイル出力端子、４０は整流器３４，３６、比較器３５，３７、論理和回路３８とフェイル出力端子３９から構成された論理和回路ブロック、４１は減衰器３０、コンデンサ３１、開閉器３２、診断端子３３と論理和回路ブロック４０から構成された自己診断回路である。
【００３１】
図２において、第１の出力端子３ａに接続された第１の検出電極２ａと対向する第１の可動電極４ａにより静電容量がＣ１である第１のコンデンサ部が形成され、第２の出力端子３ｂに接続された第２の検出電極２ｂと対向する第２の可動電極４ｂにより静電容量がＣ２である第２のコンデンサ部が形成され、第１の可動電極４ａと第２の可動電極４ｂは互いに接続され、さらに入力端子５に接続されている。通常設計においては、静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２がほぼ等しくなるように初期調整されている。
【００３２】
図１〜図３を用いて、本慣性センサの基本動作を以下に説明する。ドライブ回路１２より位相遷移器１３を通して、交流バイアス信号電圧Ｖ（Ａ点に示す波形）が入力端子５を介して第１の可動電極４ａと第２の可動電極４ｂに印加される。次に、図１に示す検出軸の方向に加速度が印加されると可動部４が撓む。例えば、可動部４の撓みにより、第１の可動電極４ａと第１の検出電極２ａの間の距離が接近すると、静電容量Ｃ１が増加し、電荷Ｑ１＝Ｃ１・Ｖが増加する。したがって、第２の可動電極４ｂと第２の検出電極２ｂの間の距離が遠ざかり、静電容量Ｃ２が減少し、電荷Ｑ２＝Ｃ２・Ｖが減少する。可動部４の撓みが、上述の場合と逆の場合は、電荷Ｑ１，Ｑ２の増減の現象も逆となる。次に、第１の検出電極２ａに接続された第１の出力端子３ａは、カレントアンプ２０ｂの反転入力端子に接続され、第２の検出電極２ｂに接続された第２の出力端子３ｂは、カレントアンプ２０ａの反転入力端子に接続され、カレントアンプ２０ａ，２０ｂの非反転入力端子は、それぞれ一定電圧（たとえば、２．５Ｖの仮想グランドに設定）に保たれているため、図１に示すＣ点、Ｄ点の変位電流の波形は、図３に示すようにそれぞれｉ２＝ｄＱ２／ｄｔ、ｉ１＝ｄＱ１／ｄｔとなる。さらに、カレントアンプ２０ａ，２０ｂの出力は差動検出器２１にそれぞれ入力され、その出力（図１に示すＥ点）は、図３に示す波形のようになる。次に、差動検出器２１の出力は利得増幅器２３により位相が９０°進められ、かつ、増幅された後出力（図１に示すＦ点）される（その波形は、図３に示す通り）。次に、利得増幅器２３の出力が同期復調器２４に入力されると同時に図１のＡ点に示す信号が入力端子５を経由して（図１に示すＢ点）同期復調器２４に入力されることにより、利得増幅器２３の出力がＢ点に示す信号（すなわち、交流バイアス信号電圧Ｖ）により同期検波される。同期検波後の同期復調器２４の出力（図１に示すＧ点）波形は図３に示す通りである。最後に、出力増幅器２５により同期復調器２４の出力を平滑し、出力調整した後（図１に示すＨ点）、センサ出力端子２６に印加した加速度の大きさに対応した信号（図３に示すＨ点の波形）を供給する。
【００３３】
以上のような構成により、検知素子６に重畳した外来ノイズ、他回路からの静電的な結合等による同相ノイズ成分は、差動型検出器２２を用いることで大幅に低減可能である。また、同期復調器２４を通過する信号は、図３に示すＦ点の波形のように交流バイアス信号電圧Ｖ（Ａ点に示す波形）と同相（あるいは逆相）な成分だけであり、混入ノイズ、回路的なＤＣオフセットなど交流バイアス信号電圧Ｖと同期しない成分は全て排除されるため、前述の差動型検出器２２との組合せによりＳ／Ｎ比の大きな慣性センサを構成することができる。このことは、より小型な検知素子を想定した時に、性能を維持しつつサイズ、コストを抑えるという通常では、相反するような要件を成立させるために非常に効果的である。
【００３４】
次に、図１、図４を用いて、図１に示すＹ点、Ｚ点で断線した場合の常時診断機能の基本動作を以下に説明する。
【００３５】
最初に、図１に示すＹ点で断線した場合の基本動作について説明する。正常時は、第１の出力端子３ａからの出力信号（Ｄ点の波形）と第２の出力端子３ｂからの出力信号（Ｃ点の波形）がほぼ同一であるため、互いにキャンセルされてしまい差動検出器２１の出力信号（Ｅ点の波形）はゼロになる。しかし、Ｙ点で断線が発生すると、第１の出力端子３ａからの出力信号と第２の出力端子３ｂからの出力信号が差動検出器２１でキャンセルされなくなり、差動検出器２１から大きな振幅の信号（Ｅ点の波形）となって現れる。この信号が利得増幅器２３を通過し位相が９０度進んだ大きな振幅の信号（Ｆ点の波形）となって現れる。この信号を整流器３６に入力し、整流器３６からの出力（Ｌ点の波形）を比較器３７により参照電圧Ｍ（図４にそのレベルの一例を示す）と比較、判定した後、比較器３７から出力（Ｎ点の波形）する。この信号が論理和回路３８を経由してフェイル出力端子３９に出力（Ｏ点の波形）される。これにより、瞬時に検出回路系に異常があることを示す信号をセンサの外部に出力することができる。また、初期設計時に差動検出器２１の出力信号（Ｅ点の波形）をゼロ以外の一定の信号となるようにしておくと同時に比較器３７の設定レベルを別の一定値にすることにより、例えば差動検出器２１の出力信号（Ｅ点の波形）がゼロになるような地絡などによる検知素子６の異常を瞬時に検出することも可能である。
【００３６】
次に、図１に示すＺ点で断線した場合の基本動作について説明する。Ｚ点で断線が発生すると、交流バイアス信号電圧Ｖ（Ａ点に示す波形）が整流器３４に到達しなくなるため、整流器３４の出力信号（Ｉ点の波形）はゼロとなる。したがって、この整流器３４の出力信号（Ｉ点の波形）が、比較器３５により参照電圧Ｊ（図４にそのレベルの一例を示す）と比較、判定された後、比較器３５から出力（Ｋ点の波形）される。この信号が論理和回路３８を経由してフェイル出力端子３９に出力（Ｏ点の波形）される。これにより、瞬時にドライブ回路系に異常があることを示す信号をセンサの外部に出力することができる。
【００３７】
次に、図１に示す同センサにおいて外部から診断要求信号が加えられた時の基本動作を図１、図５を用いて、以下に説明する。診断端子３３に診断要求信号（例えば、図５のＰ点に示すハイレベルの信号）が加えられている間、開閉器３２が閉の状態となり、交流バイアス信号電圧Ｖ（Ａ点、Ｂ点に示す波形）が減衰器３０で減衰された信号（Ｑ点に示す波形）となる。次に、Ｑ点に示す信号を開閉器３２を介してＲ点に示す波形のような信号としてコンデンサ３１に加える。Ｒ点に示す信号は、コンデンサ３１を介してＳ点に示す波形のような信号（この信号は実際に印加された加速度に対応するものではなく、擬似の電気信号である）としてカレントアンプ２０ｂの反転入力端子に加えられる。これにより、差動検出器２１から図５に示すＥ点のような信号が得られ、この差動検出器２１の出力が利得増幅器２３により位相が９０°進められ、かつ、増幅された後出力（図１のＦ点に示す）される（その波形は、図５に示す通り）。次に、この利得増幅器２３の出力が同期復調器２４により同期検波される。同期検波後の同期復調器２４の出力（図１のＧ点に示す）波形は図５に示す通りである。最後に、出力増幅器２５により同期復調器２４の出力を平滑し、出力調整した後、図５のＨ点に示すようなＤＣ出力が得られる。これにより、例えば診断要求信号Ｐが加えられた時、センサが正常であれば、Ｈ点に示すＤＣ出力が５００ｍＶであるように設定されていれば、検出回路２７を構成する部品（例えば、図示されない増幅用の帰還抵抗）のショートや経時変化などセンサの出力感度に多大な影響を与える異常についても精度良く検出することが可能である。上述に示すような構成であれば、検知素子６に専用の電極を設けるなどの特別なことをする必要がないため、小型でシンプルな検知素子６にできる。
【００３８】
以上のように、常時診断機能と外部からの診断要求信号に応える診断機能を複合させた自己診断回路４１を備えることにより、センサのあらゆる異常モードをほぼ完全に検出することが可能となり、信頼性の高いセンサとすることができる。
【００３９】
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２における慣性センサのブロック図である。本実施の形態において、検出回路や自己診断回路は前述の実施の形態１と同様に構成されるため、異なる部分についてのみ詳述する。
【００４０】
図６において、５０は固定部、５１，５２は固定部５０に設けられた第１、第２の検出電極、５３は可動部、５４，５５は可動部５３の両端と固定部５０とをそれぞれ接続する支持部、５６は第１、第２の検出電極５１，５２と対向するように可動部５３に設けられた可動電極、５７は可動部５３において可動電極５６とは反対側に設けられた付加質量部である。第１、第２の検出電極５１，５２は、固定部５０の同一平面内に所定の間隙を設けて配置されている。また、可動電極５６は第１、第２の検出電極５１，５２とそれぞれ所定の間隙を有し、かつ、対向するように配置されている。さらに、付加質量部５７は、その中心が第１、第２の検出電極５１，５２の中間に位置するように設けられている。
【００４１】
次に、本慣性センサの基本動作を以下に説明する。第１、第２の検出電極５１，５２面に平行な方向（図６に示す検出軸の方向）に加速度が印加されることにより、可動電極５６が付加質量部５７を中心に第１、第２の検出電極５１，５２面の方向に回転し、回転する可動電極５６面の一端側が第１の検出電極５１面に近づく場合は可動電極５６面の他端側が第２の検出電極５２面から遠ざかる方向に変位し、逆に可動電極５６面の一端側が第１の検出電極５１面から遠ざかる場合は可動電極５６面の他端側が第２の検出電極５２面に近づく方向に変位する。また、可動電極５６には、交流バイアス信号電圧Ｖが加えられている。したがって、このように印加された加速度による可動電極５６面の回転によってもたらされる電荷Ｑ１（第１の検出電極５１面に発生する電荷）、Ｑ２（第２の検出電極５２面に発生する電荷）の増減を実施の形態１に示したような検出回路２７により検出することで、センサ出力端子２６に印加した加速度の大きさに対応した信号を供給することができる。
【００４２】
本実施の形態のような構成であるため、検出のためのコンデンサ部を片側にのみ設けることができる。
【００４３】
（実施の形態３）
図７は本発明の実施の形態３における慣性センサのブロック図である。本実施の形態において、前述の実施の形態１、２と同様な構成の部分には同一番号を付し詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ詳述する。
【００４４】
図７において、５８，５９は可動部５３の同一平面内に所定の間隙を設けて配置され、かつ、第１、第２の検出電極５１，５２とそれぞれ対向するように設けられた第１、第２の可動電極、６０はドライブ回路１２と第２の可動電極５９との間に交流バイアス信号電圧Ｖとは異なる所定の交流バイアス信号電圧値に設定可能にするために挿入された第１の抵抗、６１は第２の可動電極５９と第１の抵抗６０との接続点、６２は接続点６１に接続された第２の抵抗、６３はグランド、６４は第２の抵抗６２とグランド６３との間に挿入された切替器としての開閉器、６５は外部からの診断要求信号を受付け、この診断要求信号により開閉器６４を開の状態から閉の状態に変えるための信号を開閉器６４に送り出すための診断端子である。
【００４５】
次に、本慣性センサの基本動作を以下に説明する。外部からの診断要求信号のない場合（すなわち、開閉器６４が開の状態の場合）は、第１、第２の可動電極５８，５９には交流バイアス信号電圧Ｖが印加されている（すなわち、第１、第２の可動電極５８，５９は同一電位である）。このような時には、実施の形態２で説明したような通常の加速度の検出が行なわれる。
【００４６】
次に、外部からの診断要求信号のある場合（すなわち、開閉器６４が閉の状態の場合）は、例えば第１の抵抗６０の値Ｒ１と第２の抵抗６２の値Ｒ２が等しいと第２の可動電極５９に印加される交流バイアス信号電圧の値が第１の可動電極５８に印加される交流バイアス信号電圧の値の半分になる。この構成により、センサに異常のない場合は、センサ出力端子２６から所定のＤＣオフセット出力が供給される。しかし、検知素子、ドライブ回路または検出回路の少なくともいずれか１つに異常が発生すると前記所定のＤＣオフセット出力が供給されなくなる。
【００４７】
これにより、簡易な構成でありながら能動的に診断し、センサ出力端子２６から所定のＤＣオフセット出力を供給するために、第１、第２の可動電極５８，５９のそれぞれに印加する交流バイアス信号電圧の大きさを予め精度よく設定することができる。
【００４８】
本実施の形態においては、第１の抵抗６０の値Ｒ１と第２の抵抗６２の値Ｒ２が等しい場合について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。また、第１の抵抗６０と第２の抵抗６２を用いた構成についてのみ説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、ネットワーク抵抗網やその他様々な構成を採用することも可能である。
【００４９】
（実施の形態４）
図８は本発明の実施の形態４における複合センサのブロック図、図９は同センサの各部の動作波形図である。本実施の形態において、前述の実施の形態１と同様な構成の部分には同一番号を付し詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ詳述する。
【００５０】
図８において、７０は振動素子、７１は振動素子７０のドライブ回路、７２は振動素子７０から抽出された入力角速度Ωに対応する電気量を処理するための検出回路、７３は電源端子、７４はグランド端子、７５は音叉型角速度センサ、８０，９０は第１、第２の慣性センサ、９１は第１の慣性センサ８０へ入力される交流バイアス信号電圧と第２の慣性センサ９０の検出信号との間に形成される結合容量、９２は第２の慣性センサ９０へ入力される交流バイアス信号電圧と第１の慣性センサ８０の検出信号との間に形成される結合容量である。また、第１の慣性センサ８０と第２の慣性センサ９０は互いに検出軸が直交している（例えば、それぞれＸ軸、Ｙ軸と設定する）。
【００５１】
次に、本複合センサの基本動作を図８、図９を用いて、以下に説明する。図８において、振動素子７０の振幅を一定に維持するためにドライブ回路（ＡＧＣ回路を含む自励発振ループ回路）から５０ｋＨｚ以下の励振周波数で振動素子７０を駆動する。駆動されている振動素子７０の振幅をモニターするモニター信号がＡ点に現れる。このモニター信号が第１の慣性センサ８０内に設けられた位相遷移器１３を経由して入力端子５にＡ点に示すモニター信号より位相が９０度遅れた交流バイアス信号電圧（図８のＢ点に示す）として加えられている。また、このモニター信号が第２の慣性センサ９０内の入力端子５に交流バイアス信号電圧（図８のＧ点に示す）として直接加えられている。
【００５２】
次に、第１の慣性センサ８０のＸ軸方向に加速度が印加された場合、第１の慣性センサ８０内の利得増幅器２３の出力（図９のＤ点に示す波形）には、印加された加速度に対応する信号以外に結合容量９２に基づく漏れ信号も含まれる。利得増幅器２３の出力は同期復調器２４でＢ点に示す交流バイアス信号電圧により検波され、図９のＥ点に示すような波形が得られる。この同期復調器２４の出力（図９のＥ点に示すような波形）を出力増幅器２５で平滑し、出力調整することにより、結合容量９２に基づく漏れ信号はキャンセルされたＦ点に示すような波形が得られる。
【００５３】
また、第２の慣性センサ９０のＹ軸方向に加速度が印加された場合、第２の慣性センサ９０内の利得増幅器２３の出力（図９のＨ点に示す波形）には、印加された加速度に対応する信号以外に結合容量９１に基づく漏れ信号も含まれる。利得増幅器２３の出力は同期復調器２４でＧ点に示す交流バイアス信号電圧（Ａ点に示す信号と同相）により検波され、図９のＩ点に示すような波形が得られる。この周期復調器２４の出力（図９のＩ点に示すような波形）を出力増幅器２５で平滑し、出力調整することにより、結合容量９１に基づく漏れ信号はキャンセルされたＪ点に示すような波形が得られる。
【００５４】
本複合センサにおいては、第１の慣性センサ８０と第２の慣性センサ９０に加えられる交流バイアス信号電圧の位相が互いに９０度異なるため、第１の慣性センサ８０と第２の慣性センサ９０のそれぞれの出力増幅器２５から結合容量９２に基づく漏れ信号と結合容量９１に基づく漏れ信号が現れない（相互干渉を抑制できる）。また、本実施の形態のように第１の慣性センサ８０内に位相を９０度遅らせるための位相遷移器１３が設けられているため、片方の慣性センサ内にのみ位相遷移器を設けるだけで済む。
【００５５】
本実施の形態においては、第１の慣性センサ８０内にのみＡ点に示すモニター信号より位相が９０度遅れた交流バイアス信号電圧を発生させる例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく第１の慣性センサ８０と第２の慣性センサ９０に加えられる交流バイアス信号電圧の位相が互いに９０度異なりさえすればよい。
【００５６】
また、本複合センサにおいては、第１、第２の慣性センサ８０，９０の交流バイアス信号電圧に角速度センサ７５のドライブ回路（ＡＧＣ回路を含む自励発振ループ回路）７１から供給される５０ｋＨｚ以下の励振周波数を用いているため、第１、第２の慣性センサ８０，９０の交流バイアス信号電圧の発生のためだけの専用回路が不要となるばかりか、第１、第２の慣性センサ８０，９０の交流バイアス信号電圧としても安定な信号が得られる。
【００５７】
本発明の技術思想により、慣性センサの検知素子の集積化、複合化による相互干渉を防止し、かつ、感度や温度特性の劣化を抑えた複合センサを提供することが可能になる。
【００５８】
本実施の形態においては、慣性センサ内に図１に示すような自己診断回路を有していない例について説明したが、自己診断回路を適宜備えることは当然可能である。
【００５９】
また、本実施の形態においては、複合センサを構成する角速度センサに音叉型のセンサ、慣性センサの検知素子として図１に示すようなセンサの例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく様々なセンサを組み合わせることも可能であり、かつ、設計の自由度も向上する。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明にかかる慣性センサは、交流バイアス信号電圧を同期復調器よりも前に加えることにより、検知素子または検出回路の少なくともいずれか１つの異常を検出するための診断信号を供給する自己診断回路とを備えた構成であるため、慣性センサの出力信号端子から予め決められたＤＣオフセット信号が得られるかどうかを監視するだけで、センサ自体に異常がないかどうかを能動的に診断することができる。この慣性センサにさらに角速度センサを併設することで、慣性センサの交流バイアス信号電圧の発生のためだけの専用回路が不要であり、かつ、交流バイアス信号電圧としても安定な信号が要望されている複合センサに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施の形態１における慣性センサのブロック図
【図２】同センサを構成する検知素子の等価回路図
【図３】同センサの各部の動作波形図
【図４】同センサのＹ点、Ｚ点で断線した場合の各部の動作波形図
【図５】同センサの外部から診断要求信号が加えられた時の各部の動作波形図
【図６】本発明の実施の形態２における慣性センサのブロック図
【図７】本発明の実施の形態３における慣性センサのブロック図
【図８】本発明の実施の形態４における複合センサのブロック図
【図９】同センサの各部の動作波形図
【図１０】従来の静電容量式の加速度センサのブロック図
【図１１】従来の別の静電容量式の加速度センサのブロック図
【符号の説明】
【００６２】
１，５０  固定部
２ａ，５１  第１の検出電極
２ｂ，５２  第２の検出電極
３ａ，３ｂ  第１、第２の出力端子
４，５３  可動部
４ａ，５８  第１の可動電極
４ｂ，５９  第２の可動電極
５  入力端子
６  検知素子
１０，７３  電源端子
１１，７４  グランド端子
１２，７１  ドライブ回路
１３  位相遷移器
２０ａ，２０ｂ  カレントアンプ
２１  差動検出器
２２  差動型検出器
２３  利得増幅器
２４  同期復調器
２５  出力増幅器
２６  センサ出力端子
２７，７２  検出回路
３０  減衰器
３１  コンデンサ
３２，６４  開閉器
３３，６５  診断端子
３４，３６  整流器
３５，３７  比較器
３８  理論和回路
３９  フェイル出力端子
４０  論理和回路ブロック
４１  自己診断回路
５４，５５  支持部
５６  可動電極
５７  付加質量部
６０  第１の抵抗
６１  接続点
６２  第２の抵抗
６３  グランド
７０  振動素子
７５  音叉型角速度センサ
８０，９０  第１、第２の慣性センサ
９１，９２  結合容量
【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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