JP2018141638A - 容量式加速度センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明の目的は、低電源電圧でも、可動電極へ所望の変位を与えて自己診断を行なう加速度センサを提供することにある。【解決手段】上記課題を解決するために、本発明の容量式加速度センサでは、前記基準電圧生成回路は、第一の電圧と、第一の電圧よりも低電圧な第二の電圧を生成可能であり、自己診断時に第二の電圧を前記CV変換回路と前記診断電圧生成回路に出力し、前記第一の固定部側の診断時は、前記CV変換回路のスイッチのON/OFF周期と、前記変調信号生成回路の出力のH/L周期は同相で制御され、前記第二の固定部側の診断時は、前記CV変換回路のスイッチのON/OFF周期と、前記変調信号生成回路の出力のH/L周期は逆相で制御する【選択図】図1
Description
本発明は、加速度、角速度等の物理量を検出する容量式センサであって、特に自己診断機能を有する容量式加速度センサに関する。
自動車において安全性向上の面から、車両の挙動状態を把握するために多数のセンサが組み込まれており、車両の傾きの変化、急加減速を検知する加速度センサもその一つである。加速度センサは高い信頼性が求められるため、自己診断機能を有するものが多い。
物理量を検出する容量式センサの自己診断を機能について、例えば特許文献1に記載のように、加速度検出用の電極とは別に自己診断専用の電極を持ち、この電極に強制的に電圧を印加することで、可動電極を変位させて診断する加速度センサがある。
また、例えば特許文献2の記載のように、自己診断用の電極を設けることなく、加速度検出用電極のみで自己診断を行なう加速度センサも提案されている。
加速度センサが小型センサチップ化されるに従い、ECU(Electronic Control Unit)へ直接実装されるようになった。これにより、センサへ供給される電源電圧は、他の基板実装電子部品と同様に、低電圧化が求められるようになった。前記容量式センサの自己診断は、診断用電圧印加により可動電極を変位させる仕組みであるが、電源電圧が下がってくると、診断用電圧も下がるため、可動電極へ所望の変位を与えられなくなるという課題がある。変位を得るためには、診断電圧を印加する電極面積を拡大すればよいが、センサ自体が大きくなるため、サイズ的、コスト的な課題が残る。
本発明の目的は、低電源電圧でも、可動電極へ所望の変位を与えて自己診断を行なう加速度センサを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の容量式加速度センサでは、前記基準電圧生成回路は、第一の電圧と、第一の電圧よりも低電圧な第二の電圧を生成可能であり、自己診断時に第二の電圧を前記CV変換回路と前記診断電圧生成回路に出力し、前記第一の固定部側の診断時は、前記CV変換回路のスイッチのON/OFF周期と、前記変調信号生成回路の出力のH/L周期は同相で制御され、前記第二の固定部側の診断時は、前記CV変換回路のスイッチのON/OFF周期と、前記変調信号生成回路の出力のH/L周期は逆相で制御する
自己診断の方向に応じて、CV変換回路のスイッチ制御信号と、センサエレメントへ与える変調信号の位相関係を切り替えることができるため、自己診断時の基準電圧を通常動作時より低く設定することで診断に必要な擬似加速度印加範囲の拡大と、診断検出範囲の維持を両立することができる。
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
[実施例1]
本発明の実施例1について、図1〜図4を用いて説明する。
本発明の実施例1について、図1〜図4を用いて説明する。
<構成要素の説明>
図1に示すように、加速度センサは、センサエレメント100と、センサエレメント100の容量値を電気信号に変換するCV変換回路110と、その出力をサンプルホールドするS/H回路150と、サンプルホールドされた電圧で、診断結果を判定する診断判定回路160と、CV変換回路110に与える基準電圧を生成する基準電圧生成回路130と、CV変換回路110の変換動作に必要な変調信号を生成する変調信号生成回路120と、加速度センサの診断処理に必要な診断電圧を生成する診断電圧生成回路140と、またこれらの動作に必要なタイミング制御信号を生成する制御回路170で構成される。以下、それぞれの構成要素について説明する。
図1に示すように、加速度センサは、センサエレメント100と、センサエレメント100の容量値を電気信号に変換するCV変換回路110と、その出力をサンプルホールドするS/H回路150と、サンプルホールドされた電圧で、診断結果を判定する診断判定回路160と、CV変換回路110に与える基準電圧を生成する基準電圧生成回路130と、CV変換回路110の変換動作に必要な変調信号を生成する変調信号生成回路120と、加速度センサの診断処理に必要な診断電圧を生成する診断電圧生成回路140と、またこれらの動作に必要なタイミング制御信号を生成する制御回路170で構成される。以下、それぞれの構成要素について説明する。
センサエレメント100は、梁構造体を有する構造となっている。センサエレメント100は、梁で支持された錘に相当する可動部101と、上側固定部102と、下側固定部103で構成される。上側固定部102は、容量式センサとしてのコンデンサを構成要素である上側固定電極1022と、診断時に使用する上側診断電極1021を有する。下側固定部103には、容量式センサとしてのコンデンサを構成要素である下側固定電極1032と、診断時に使用する下側診断電極1031を有する。可動固定部101には、前記上側固定電極1022に対向する上側可動電極1012と、前記下側固定電極1032に対向する下側可動電極1014と、前記上側診断電極1021に対向する上側診断用可動電極1011、前記下側診断電極1031に対向する下側診断用可動電極1013を有する。
上側可動電極1012と下側可動電極1014と上側診断用可動電極1011と下側診断用可動電極1013は、電気的に同電位になるように、アルミ、銅などの金属またはそれに準ずる電気的に低抵抗な材料で接続されている。このため、本明細書の中では、総称として可動電極と記すこともある。
CV変換回路110は、オペアンプ111と、帰還用コンデンサ112と、スイッチ113で構成される。スイッチ113は、制御回路170からのスイッチ制御信号sig113でON/OFFが切り替わる。オペアンプ111の非反転入力端子には、基準電圧生成回路130からの基準電圧が接続され、反転入力端子には可動電極101が接続される。
S/H回路150は、スイッチ151とコンデンサ152で構成され、CV変換回路110の出力電圧をサンプリングし保持する。サンプリングのタイミングは、制御回路170からのスイッチ制御信号sig151で決定される。
変調信号生成回路120は、変調信号の高電圧側の電圧を生成する電圧生成部121と、変調信号の低電圧側の電圧を生成する低電圧生成部122と、上側固定電極1022へ導く変調信号の電圧を選択するスイッチ123aおよびスイッチ123bと、下側固定電極1032へ導く変調信号の電圧を選択するスイッチ124aおよびスイッチ124bで構成される。スイッチ123a、123b、124a、124aは、制御回路170からのスイッチ制御信号sig123、sig124でON/OFFが切り替わる。電圧生成部121の生成する電圧値と低電圧生成部122の生成する電圧値の中心値が、基準電圧と一致するようにそれぞれの電圧を決定することが望ましいが、スイッチの切り替わり周波数が、センサエレメントの機械的共振特性が大きく減衰している領域であれば、この限りではない。
基準電圧生成回路130は、通常動作時の基準電圧生成部131と、診断動作時の基準電圧生成部132と、CV変換回路110および診断電圧生成部140へ導く基準電圧を選択するスイッチ133aおよびスイッチ133bで構成される。ここで、基準電圧生成部131の生成する電圧は本加速度センサに供給される電源電圧の半分の電圧であり、基準電圧生成部132の生成する電圧は本加速度センサに供給される電源電圧の半分の電圧よりも低い電圧である。
診断電圧生成回路140は、診断電圧生成部141と、上側診断電極1021へ導く電圧を選択するスイッチ142aおよびスイッチ142bと、下側診断電極1031へ電圧を選択するスイッチ143aおよびスイッチ143bで構成される。スイッチ142a、142b、143a、143aは、制御回路170からのスイッチ制御信号sig142、sig143でON/OFFが切り替えられ、診断電圧生成部141で生成された診断電圧か基準電圧生成回路130で生成された基準電圧のいずれかを診断電極1021,1031へ導くように動作する。診断電圧生成部141が出力する電圧は、少なくとも診断動作時は、本加速度センサに供給される電源電圧とすることが望ましい。
ここで、上記の構成に含まれるスイッチにおいて、スイッチ(記号)+a、とスイッチ(記号)+bと記載したものについては、制御信号に対し、それぞれ逆極性で動作する。例えば、sig133=Hのとき、スイッチ133aはON、スイッチ133bはOFFである。反対にsig133=Lのとき、スイッチ133aはOFF、スイッチ133bはONである。
続いて、制御回路170の生成する制御信号と、それに応じた加速度センサの動作について、通常の加速度検出時と自己診断時に分けて説明する。
<通常時動作の説明>
まず、通常の加速度検出時の動作について説明する。制御回路170は、基準電圧生成部131の出力を選択するためsig133=Hに固定する。また上側診断電極1021及び下側診断電極1031へ電圧として基準電圧を選択するためにsig142=H、sig143=Hに固定する。変調信号生成回路120を制御するsig123、sig124は、図2のように、CV変換回路110を制御するsig113と同期した状態でH/Lを周期的に切り替える。ここでは、sig113=Hでオペアンプ111の入出力間がショートされているときをクリアフェーズ、sig113=Lでオペアンプ111の入出力間がコンデンサ112を介して帰還されているときをアンプフェーズとする。
まず、通常の加速度検出時の動作について説明する。制御回路170は、基準電圧生成部131の出力を選択するためsig133=Hに固定する。また上側診断電極1021及び下側診断電極1031へ電圧として基準電圧を選択するためにsig142=H、sig143=Hに固定する。変調信号生成回路120を制御するsig123、sig124は、図2のように、CV変換回路110を制御するsig113と同期した状態でH/Lを周期的に切り替える。ここでは、sig113=Hでオペアンプ111の入出力間がショートされているときをクリアフェーズ、sig113=Lでオペアンプ111の入出力間がコンデンサ112を介して帰還されているときをアンプフェーズとする。
例えば、加速度印加により、図3(a)のように、可動電極101が上側固定電極1022側に変位し、電極間容量が上側でΔC/2増加、下側でΔC/2減少した場合、CV変換回路110のアンプフェーズの出力Voutは、Vout=Vb+Vc*ΔC/Cf であらわされる。ここでVbは基準電圧、CfはCV変換回路の帰還容量112の容量値である。
図3(b)のように、可動電極101が下側固定電極1032側に変位し、電極間容量が上側でΔC/2減少、下側でΔC/2増加した場合、CV変換回路110のアンプフェーズの出力Voutは、Vout=Vb−Vc*ΔC/Cf であらわされる。つまり、CV変換器110の出力は、基準電圧Vbを中心に±Vc*ΔC/Cfの範囲で変化する。
<自己診断時の動作の説明>
次に、自己診断時の動作について説明する。
次に、自己診断時の動作について説明する。
図4(a)を用いて、上側固定電極1022と上側可動電極1012間の診断をする場合について説明する。制御回路170は、上側診断電極1021の電圧として診断電圧生成部141の出力電圧を選択するため、sig142=Lとし、下側診断電極1031の電圧として基準電圧を選択するためにsig143=Hに固定する。また、基準電圧生成部132の出力を選択するためsig133=Lに固定する。ここで、sig133=Lとする理由は、可動電極と診断電極間の電位差を大きくするほど、電極間の静電引力が大きくなり、センサエレメントの診断範囲が広がるためである。その他の信号は、図2の上側診断時(Phase1)の極性及び位相関係に示すように、通常の加速度検出時と同じである。従って、上側診断電極1021に診断電圧を印加した状態でのCV変換回路110のアンプフェーズの出力Voutは、図3(a)と同様に、Vout=Vbd+Vc*ΔC/Cf となる。Vout≦Vddの条件があるため、センサの診断範囲は、ΔC≦(Vdd-Vbd)*Cf/Vcで制限される。しかし、Vbd<Vbであるため、通常動作の検出範囲(ΔC≦(Vdd-Vb)*Cf/Vc)を充分に診断できる。
次に、図4(b)を用いて、下側固定電極1032と下側可動電極1014間の診断をする場合について説明する。制御回路170は、下側診断電極1031の電圧として診断電圧生成部141の出力電圧を選択するため、sig143=Lとし、上側診断電極1021の電圧として基準電圧を選択するためにsig142=Hに固定する。また、基準電圧生成部132の出力を選択するためsig133=Lに固定する。さらに、sig123とsig124は、sig113と180℃位相がずれた状態(逆相)の信号波形とする。この理由を以下に説明する。上側診断時と同様に、sig123とsig124を、sig113と位相ずれが無い状態(正相)の信号波形とした場合、図3(b)で示したように、Voutは、Vout=Vbd−Vc*ΔC/Cf となる。Vout≧0の条件があるため、センサの診断範囲は、ΔC≦Vbd*Cf/Vcで制限される。Vbd<Vbであるため、通常動作の検出範囲ΔC≦Vb*Cf/Vcよりも狭い範囲しか診断できないことがわかる。
その他の信号は、図2の下側診断時(Phase2)の極性及び位相関係とする。このように制御することで、下側診断電極1031に診断電圧を印加した状態でのCV変換回路110のアンプフェーズの出力Voutは、図4(b)に示すように、Vout=Vbd+Vc*ΔC/Cf となり、上側診断と同様、通常動作の検出範囲(ΔC≦(Vdd-Vb)*Cf/Vc)を充分に診断できる。
以上説明したように、本実施の形態によれば、自己診断の方向に応じて、CV変換回路110のスイッチ制御信号113と、センサエレメントへ与える変調信号の位相関係を切り替えることができるため、自己診断時の基準電圧を通常動作時より低く設定することで診断に必要な擬似加速度印加範囲の拡大と、診断検出範囲の維持を両立することができる。
[実施例2]
次に、本発明の実施例2について図5と図6を用いて説明する。なお、実施例と同様の構成については説明を省略する。
次に、本発明の実施例2について図5と図6を用いて説明する。なお、実施例と同様の構成については説明を省略する。
図5に示すように、本実施例では、実施例1の構成に加えて復調回路180を備え、制御回路190は、復調回路180に対する制御信号sig180を出力するものである。
図6に制御回路190の制御信号波形を示す。図2との違いは、図2のsig123とsig124を、sig180で変調した波形となっている点である。sig180は、通常動作時は、sig113よりも低い周波数で変化し、復調回路180は、sig180の極性により、入力された信号の交流成分の符号を反転させる機能を持つ。このような構成の加速度センサは、変復調の効果により回路起因の低周波ノイズを除去する優位点を持つが、診断時では第一の実施例の効果は得られなくなる。このため、診断時に限って変復調動作を停止するように、sig123、sig124、sig180の波形を生成する。
以上説明したように、本実施の形態によれば、通常時の回路起因の低周波ノイズを除去する優位点を維持しながらも、自己診断の方向に応じて、CV変換回路のスイッチ制御信号と、センサエレメントへ与える変調信号の位相関係を切り替えることができるため、自己診断時の基準電圧を通常動作時より低く設定することで診断に必要な擬似加速度印加範囲の拡大と、診断検出範囲の維持を両立することができる。
100 センサエレメント
101 可動部
1011 上側診断用可動電極
1012 上側可動電極
1013 下側診断用可動電極
1014 下側可動電極
102 上側固定部
1021 上側診断電極
1022 上側固定電極
103 下側固定部
1031 下側診断電極
1032 下側固定電極
110 CV変換回路
111 オペアンプ
112 帰還用コンデンサ
113 スイッチ
120 変調信号生成回路
121 電圧生成部
122 低電圧生成部
123a スイッチ
123b スイッチ
124a スイッチ
124b スイッチ
130 基準電圧生成回路
131 基準電圧生成部
132 基準電圧生成部
133a スイッチ
133b スイッチ
140 診断電圧生成回路
141 診断電圧生成部
142a スイッチ
142b スイッチ
143a スイッチ
143b スイッチ
150 S/H回路
151 スイッチ
152 コンデンサ
160 診断判定回路
170 制御回路
180 復調回路
190 制御回路
101 可動部
1011 上側診断用可動電極
1012 上側可動電極
1013 下側診断用可動電極
1014 下側可動電極
102 上側固定部
1021 上側診断電極
1022 上側固定電極
103 下側固定部
1031 下側診断電極
1032 下側固定電極
110 CV変換回路
111 オペアンプ
112 帰還用コンデンサ
113 スイッチ
120 変調信号生成回路
121 電圧生成部
122 低電圧生成部
123a スイッチ
123b スイッチ
124a スイッチ
124b スイッチ
130 基準電圧生成回路
131 基準電圧生成部
132 基準電圧生成部
133a スイッチ
133b スイッチ
140 診断電圧生成回路
141 診断電圧生成部
142a スイッチ
142b スイッチ
143a スイッチ
143b スイッチ
150 S/H回路
151 スイッチ
152 コンデンサ
160 診断判定回路
170 制御回路
180 復調回路
190 制御回路
Claims (5)
- 物理量に応じて変位する可動部と、前記可動部と対向する面を有する第一の固定部と、前記可動部と対向する面を有する第二の固定部と、を備えるセンサエレメントと、
前記第一の固定部は、物理量を検出するための第一の検出電極と、可動部を変位させるための第一の診断電極と、を有し、
前記第二の固定部は、物理量を検出するための第二の検出電極と、前記可動部を変位させるための第二の診断電極と、を有し、
前記可動部は、前記第一の検出電極と対向する第一の可動電極と、前記第二の検出電極と対向する第二の可動電極と、前記第一の診断電極に対向する第一の診断用可動電極と、前記第二の診断電極に対向する第二の診断用可動電極と、を有し、
前記第一及び第二の検出電極に、変位検出に必要な変調信号を印加する変調信号生成回路と、
前記可動電極と前記検出電極間の静電容量の変化に応じた電圧を出力するCV変換回路と、
前記第一及び第二の診断電極に診断電圧を与える診断電圧生成回路と、
前記CV変換回路及び前記診断電圧生成回路へ電圧を入力する基準電圧生成回路と、を備え、
前記基準電圧生成回路は、第一の電圧と、第一の電圧よりも低電圧な第二の電圧を生成可能であり、自己診断時に第二の電圧を前記CV変換回路と前記診断電圧生成回路に出力し、
前記第一の固定部側の診断時は、前記CV変換回路のスイッチのON/OFF周期と、前記変調信号生成回路の出力のH/L周期は同相で制御され、
前記第二の固定部側の診断時は、前記CV変換回路のスイッチのON/OFF周期と、前記変調信号生成回路の出力のH/L周期は逆相で制御する容量式加速度センサ - 前記CV変換回路の出力を周期的にサンプルホールドするサンプルホールド回路と、を備え、前記サンプルホールド回路のスイッチのON/OFF周期は、前記CV変換回路のスイッチのON/OFF周期と逆相である請求項1に記載の容量式加速度センサ
- 前記サンプルホールド回路の出力を、前記変調信号に応じて復調する復調回路と、を備え、
前記復調回路は、診断時に復調動作を停止する請求項2に記載の容量式加速度センサ - 前記変調信号生成回路は、可動部を電気的に変位させる自己診断時と、そうでない通常動作時とで、異なる波形の変調信号を出力する請求項1乃至3の何れかに記載の容量式加速度センサ
- 前記診断電圧生成回路は、
前記基準電圧生成回路から入力される電圧と異なる診断電圧を生成する診断電圧生成部を備え、
通常時には、第一及び第二の診断電極に基準電圧生成回路から入力される電圧を出力し、
前記第一の固定部側の診断時には、前記第一の診断電極に前記診断電圧を出力し、前記第二の診断電極に前記基準電圧生成回路から入力される電圧を出力し、
前記第二の固定部側の診断時には、前記第二の診断電極に前記診断電圧を出力し、前記第一の診断電極に前記基準電圧生成回路から入力される電圧を出力する請求項1乃至4の何れかに記載の容量式加速度センサ
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---|---|---|---|
JP2017034277A JP2018141638A (ja) | 2017-02-27 | 2017-02-27 | 容量式加速度センサ |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2020153830A (ja) * | 2019-03-20 | 2020-09-24 | アンリツインフィビス株式会社 | 金属検出機 |
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