JP2018141638A - 容量式加速度センサ - Google Patents

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。

特開平８−１１０３５５号公報 特開２００１−９１５３５号公報

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。

実施例１の構成図 実施例１の制御回路の出力信号タイムチャート 通常の加速度検出時の回路動作説明図（上側） 通常の加速度検出時の回路動作説明図（下側） 診断時の回路動作説明図（上側） 診断時の回路動作説明図（下側） 実施例２の構成図 実施例２の制御回路の出力信号タイムチャート

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。

＜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。

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。

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。

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。

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

Claims (5)

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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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