JP3861652B2

JP3861652B2 - 容量式物理量センサ

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Publication number: JP3861652B2
Application number: JP2001318467A
Authority: JP
Inventors: 敏和板倉
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-10-16
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2021-10-16
Also published as: DE10247467B4; JP2003121457A; US6668614B2; DE10247467A1; US20030070484A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数軸での物理量検出を行う容量式物理量センサに関するもので、特に加速度センサに用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開２０００−８１４４９号公報に示されるように、容量式物理量センサにおいて、センサ故障等を自己診断するものが提案されている。この容量式物理量センサでは、センサエレメントと自己診断電圧の印加周期（以下、自己診断周波数という）との共振現象を利用して自己診断を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来公報に示されるような自己診断機能を２軸用の容量式物理量センサに備えた場合、自己診断にセンサエレメントと自己診断周波数との共振現象を利用しているために、２個のセンサエレメント間で共振現象が発生し得ることが分かった。すなわち、センサエレメントと自己診断周波数との共振現象の他に、自己診断中のセンサエレメント同士の共振現象が発生する可能性がある。このような共振現象が発生すると自己診断時に期待する出力に誤差が生じ、正確な自己診断が行えなくなることが懸念される。
【０００４】
本発明は上記点に鑑みて、複数軸の容量式物理量センサにおいて、センサエレメントと自己診断周波数との共振現象を用いた自己診断を行っても、正確な自己診断が行えるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、物理量の変化に応じて変位する可動電極（１ａ〜１ｄ）、および前記可動電極に対向して配置された固定電極（２ａ〜２ｄ）を有するセンサエレメント（１０ａ、１０ｂ）と、自己診断でない通常動作時には容量変化を検出するための信号を可動電極と固定電極との間に周期的に印加し、自己診断時には容量変化を検出するための信号に代えて、自己診断を行うために可動電極を変位させるための信号を可動電極と固定電極との間に周期的に印加する信号印加手段（６０）と、可動電極と固定電極からなる容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路（２１、３１）と、Ｃ−Ｖ変換回路の出力電圧を信号処理して物理量の変化に応じた信号を出力する信号処理回路（２３、３３）とを有し、前記センサエレメントと前記可動電極を変位されるための信号の周波数との共振現象を用いて自己診断するものであり、可動電極、固定電極、Ｃ−Ｖ変換回路および信号処理回路が複数軸分備えられ、該複数軸それぞれにおける物理量検出を行うように構成されており、信号印加手段は、自己診断時には、複数軸それぞれの可動電極と固定電極との間に印加する信号の印加タイミングをずらし、複数軸のいずれかにおいて、可動電極と固定電極との間に信号を印加して可動電極を変位させたのち、予め決められた時間経過後に、複数軸のうちの他の軸において、可動電極と固定電極との間に信号を印加して可動電極を変位させるようになっていることを特徴としている。
【０００６】
このように、複数軸それぞれに対して自己診断用の信号を印加するタイミングを時間的にずらしている。具体的には、複数軸のいずれかにおいて、可動電極と固定電極との間に信号を印加して可動電極を変位させたのち、予め決められた時間経過後に、複数軸のうちの他の軸において、可動電極と固定電極との間に信号を印加して可動電極を変位させる。このため、各軸におけるセンサエレメントの共振が互いに影響を与えないようにでき、センサの出力誤差を低減することができる。これにより、複数軸の容量式加速度センサにおいて、センサエレメントと自己診断周波数との共振現象を用いた自己診断を行っても、正確な自己診断が行えるようにすることができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、信号印加手段は、自己診断時には、複数軸のいずれかにおいて、可動電極と固定電極との間に信号を印加して可動電極を変位させたのち、変位させた可動電極が静止してから、複数軸のうちの他の軸において、可動電極と固定電極との間に信号を印加して可動電極を変位させるようになっていることを特徴としている。
【０００８】
このように、変位させた可動電極が静止してから、他の軸に対して自己診断用の信号を印加するようにするのが好ましい。
【０００９】
具体的には、請求項３に示すように、通常動作時には、容量変化を検出するための信号として、Ｃ−Ｖ変換回路を介して可動電極に第１電圧を印加し、自己診断時には、可動電極を変位させるための信号として、Ｃ−Ｖ変換回路を介して可動電極に第１電圧とは異なる第２電圧を印加するセンサであれば、信号印加手段により、複数軸それぞれに備えられる可動電極に第２電圧を印加するタイミングをずらすようにする。
【００１０】
請求項４に記載の発明では、信号印加手段は、自己診断時には、複数軸それぞれの可動電極と固定電極との間に、周波数の異なる信号を印加するようになっていることを特徴としている。このように、複数軸それぞれの可動電極と固定電極との間に印加する信号の周波数を異ならせるようにすれば、周波数を一致させた場合と比べ、波の干渉を抑えることができる。これにより、請求項１と同様の効果を得ることができる。
【００１１】
請求項５に記載の発明では、複数軸それぞれの可動電極と固定電極との間に印加される信号の周波数は、複数軸のうちの他の軸の可動電極と固定電極との間に印加される信号の周波数の倍の周波数となっていないことを特徴としている。このようにすれば、２次共振による影響で出力誤差が発生することを防止することができる。
【００１２】
請求項６に記載の発明では、複数軸それぞれの可動電極と固定電極との間に印加される信号の各周波数は、当該各周波数の最小公倍数に相当する周波数を最小公倍数周波数とすると、当該各周波数それぞれに対して４以上の正数倍しなければ最小公倍数周波数とならない関係を満たしていることを特徴としている。このようにすれば、各軸の互いの干渉が無視できる程度まで共振を抑えることが可能となる。
【００１３】
具体的には、請求項７に示すように、通常動作時には、容量変化を検出するための信号として、Ｃ−Ｖ変換回路を介して可動電極に第１電圧を印加し、自己診断時には、可動電極を変位させるための信号として、Ｃ−Ｖ変換回路を介して可動電極に第１電圧とは異なる第２電圧を印加するセンサであれば、信号印加手段により、Ｃ−Ｖ変換回路を介して、複数軸それぞれに備えられる可動電極に異なる周波数の第２電圧を印加する。
【００１４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる半導体式の容量式加速度センサの一部断面斜視図を図１に示す。また、図２に、図１に示す容量式加速度センサの回路構成を示す。以下、図１、図２に基づいて加速度センサの構成を説明する。
【００１６】
加速度センサは、Ｘ軸における加速度検出を行う第１の検出部と、Ｘ軸と直交するＹ軸における加速度検出を行う第２の検出部とを備えた構成となっている。そして、この加速度センサは、例えば図１に示すＸ軸が車両前後方向、Ｙ軸が車両左右方向と一致するように車両に組み付けられる。
【００１７】
図２に示すように、第１の検出部は、可動電極１ａ、１ｂ及び固定電極２ａ、２ｂを備えたセンサエレメント１０ａと、可動電極１ａ、１ｂと固定電極２ａ、２ｂによる差動容量の変化に基づいて加速度を検出する検出回路２０とを有した構成となっている。また、第２の検出部は、可動電極１ｃ、１ｄ及び固定電極２ｃ、２ｄを備えたセンサエレメント１０ｂと、可動電極１ｃ、１ｄと固定電極２ｃ、２ｄによる差動容量の変化に基づいて加速度を検出する検出回路３０とを有した構成となっている。そして、図１に示すように、センサエレメント１０ａ、１０ｂは、別チップで構成され、検出回路２０、３０が形成された回路チップ４０上に各チップが配置され、これらセンサエレメント１０ａ、１０ｂ及び回路チップ４０がパッケージ５０内に収容された構成となっている。
【００１８】
図１に示すように、各センサエレメント１０ａ、１０ｂは、半導体基板にて形成された梁構造体を有する構造となっており、この梁構造体によって可動電極１ａ〜１ｄ及び固定電極２ａ〜２ｄが構成されている。そして、対向配置された可動電極１ａ〜１ｄと固定電極２ａ〜２ｄとによって差動の容量を構成し、各固定電極２ａ〜２ｂに対して互いに反転する電圧を周期的に印加することで、可動電極１ａ〜１ｄの変位に応じた差動容量変化に基づく加速度検出が行われるようになっている。
【００１９】
一方、図２に示すように、検出回路２０、３０には、Ｃ−Ｖ変換回路２１、３１、スイッチ回路２２、３２、信号処理回路２３、３３、及び制御信号発生回路６０が備えられている。
【００２０】
Ｃ−Ｖ変換回路２１、３１は、可動電極１ａ〜１ｄと固定電極２ａ〜２ｄからなる差動容量の変化を電圧に変換するもので、オペアンプ２１ａ、３１ａ、コンデンサ２１ｂ、３１ｂ、スイッチ２１ｃ、３１ｃとを有した構成となっている。オペアンプ２１ａ、３１ａの反転入力端子は可動電極１ａ〜１ｄに接続されており、反転入力端子と出力端子との間には、コンデンサ２１ｂ、３１ｂ及びスイッチ２１ｃ、３１ｃが並列に接続されている。スイッチ２１ｃは制御信号発生回路６０からの信号Ｓ１Ｘ、スイッチ３１ｂは制御信号発生回路６０からのＳ１Ｙによってそれぞれ駆動されるようになってる。そして、オペアンプ２１ａ、３１ａの非反転入力端子にはスイッチ回路２２、３２を介して、固定電極２ａ〜２ｄに印加された電圧の半分の電圧（すなわち中点電圧、本実施形態の場合には２．５Ｖ）と、この中点電圧とは異なる電圧（本実施形態の場合には４Ｖ）のいずれかが入力されるようになっている。
【００２１】
スイッチ回路２２、３２は、Ｃ−Ｖ変換回路２１、３１におけるオペアンプ２１ａ、３１ａの非反転入力端子に、図示しないそれぞれの電圧源からの電圧を入力するもので、スイッチ２２ａ、３２ａとスイッチ２２ｂ、３２ｂとから構成されている。これらのうち、スイッチ２２ａ、２２ｂは制御信号発生回路６０からの信号Ｓ２Ｘ、スイッチ３２ａ、３２ｂは制御信号発生回路６０からの信号Ｓ２Ｙに基づいて駆動され、一方が閉じている時には他方が開くようになっている。
【００２２】
信号処理回路２３、３３は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）回路２３ａ、３３ａとＧＡＩＮ回路２３ｂ、３３ｂとを有した構成となっている。ＬＰＦ回路２３ａ、３３ａは、Ｃ−Ｖ変換回路２１、３１の出力から高周波数成分を除去し、所定の周波数帯域の成分のみを取り出す役割を果たす。ＧＡＩＮ回路２３ｂ、３３ｂは、ＬＰＦ回路２３ａ、３３ａを通過した後の出力を増幅し、加速度信号ＧｏｕｔＸ、ＧｏｕｔＹとして出力する。
【００２３】
制御信号発生回路６０は、固定電極２ａ〜２ｄへの電圧印加タイミングを示す信号（搬送波）Ｐ１Ｘ、Ｐ２Ｘ、Ｐ１Ｙ、Ｐ２Ｙ、スイッチ回路２２、３２のスイッチの切替えタイミングを示す信号Ｓ２Ｘ、Ｓ２Ｙ、スイッチ２１ｃ、３１ｃの切替えタイミングＳ１Ｘ、Ｓ１Ｙを出力する。この制御信号発生回路６０が発生させる各種信号は、通常の加速度検出時（自己診断でない時）と自己診断時とで変化する。すなわち、制御信号発生回路６０はクロック信号ＣＬＫに基づいて各種信号を出力するが、自己診断指令信号がＬｏｗレベルの場合には加速度検出用の信号を出力し、自己診断指令信号がＨｉレベルになると自己診断用の信号を出力するようになっている。
【００２４】
このように構成された加速度センサの作動について、図３、図４に示す信号波形図を参照して説明する。なお、図３は、通常の加速度検出時から自己診断時に切替えた時の信号波形を示したものであり、図４は、加速度検出時における信号波形を拡大したものである。
【００２５】
まず、図３に示すように、通常の加速度検出時には自己診断指令信号がＬｏｗレベルとされ、加速度検出が行われる。このときの作動を図４に基づいて説明する。なお、図４中には示していないが、通常の加速度検出時には信号Ｓ２Ｘ、Ｓ２Ｙに基づいて、スイッチ２２ａ、３２ａが開、スイッチ２２ｂ、３２ｂが閉となり、オペアンプ２１ａ、３１ａの非反転入力端子に中点電圧Ｖ１（本実施形態の場合は２．５Ｖ）が印加され、可動電極１ａ〜１ｄが中点電圧Ｖ１とされる。
【００２６】
制御信号発生回路６０から出力される信号Ｐ１Ｘ、Ｐ２Ｘ及びＰ１Ｙ、Ｐ２Ｙは互いに電圧レベルが反転した振幅Ｖ（本実施形態の場合は５Ｖ）を有する信号となっており、４つの期間ｔ１〜ｔ４でＨｉレベルとＬｏｗレベルが変化する一定振幅の矩形波信号となっている。
【００２７】
まず、第１の期間ｔ１では、信号Ｐ１Ｘ、Ｐ２Ｘ及びＰ１Ｙ、Ｐ２Ｙに基づいて固定電極２ａ、２ｃの電位がＶ、固定電極２ｂ、２ｄの電位が０にされると共に、制御信号発生回路６０からの信号Ｓ１Ｘ、Ｓ１Ｙによりスイッチ２１ｃ、３１ｃが閉じられる。このため、オペアンプ２１ａ、３１ａの働きにより可動電極１ａ〜１ｄがＶ／２の電位にバイアスされると共に、帰還容量となるコンデンサ２１ｂ、３１ｂの電極間に蓄えられた電荷が放電される。
【００２８】
このとき、仮に可動電極１ａ、１ｃと固定電極２ａ、２ｃとの間の容量Ｃ１と、可動電極１ｂ、１ｄと固定電極２ｂ、２ｄとの間の容量Ｃ２とが、Ｃ１＞Ｃ２の関係となっている場合には、この関係と固定電極２ａ〜２ｄに印加される電位の関係とから、可動電極１ａ〜１ｄは負の電荷が多い状態になる。
【００２９】
次に、第２の期間ｔ２では、信号Ｐ１Ｘ、Ｐ２Ｘ及びＰ１Ｙ、Ｐ２Ｙに基づいて固定電極２ａ、２ｃの電位がＶ、固定電極２ｂ、２ｄの電位が０のままにされると共に、制御信号発生回路６０からの信号Ｓ１Ｘ、Ｓ１Ｙによりスイッチ２１ｃ、３１ｃが開かれる。このため、可動電極１ａ〜１ｄの状態に応じた電荷がコンデンサ２１ｂ、３１ｂに蓄えられる。そして、このときコンデンサ２１ｂ、３１ｂに蓄えられた電荷に応じた電圧値がＣ−Ｖ変換回路２１、３１から出力されると、ＬＰＦ回路２３ａおよびＧＡＩＮ回路２３ｂを介してこのときの出力ＧｏｕｔＸ、ＧｏｕｔＹがサンプリングされる。
【００３０】
続いて、第３の期間ｔ３では、信号Ｐ１Ｘ、Ｐ２Ｘ及びＰ１Ｙ、Ｐ２Ｙに基づいて固定電極２ａ、２ｃの電位が０、固定電極２ｂ、２ｄの電位がＶとなるように電位が入れ替えられると共に、制御信号発生回路６０からの信号Ｓ１Ｘ、Ｓ１Ｙによりスイッチ２１ｃ、３１ｃが開かれたままにされる。
【００３１】
このとき、可動電極１ａ〜１ｄの電荷の状態は信号Ｐ１Ｘ、Ｐ２Ｘ及びＰ１Ｙ、Ｐ２Ｙの反転により、第２の期間ｔ２と逆になる。すなわち、上述したようにＣ１＞Ｃ２の関係を満たす場合には、固定電極２ａ〜２ｄへの印加電位の反転により、可動電極１ａ〜１ｄは正の電荷が多い状態になる。
【００３２】
しかしながら、このとき、可動電極１ａ〜１ｄとコンデンサ２１ｂ、３１ｂの間が閉回路となっており、第１の期間ｔ１の電荷量が保存されているため、可動電極１ａ〜１ｄの電荷量のバランスから溢れ出した電荷がコンデンサ２１ｂ、３１ｂに移動して蓄えられる。そして、Ｑ＝ＣＶの関係から、移動してきた電荷量に比例すると共にコンデンサ２１ｂ、３１ｂの容量Ｃに反比例した電圧値がＣ−Ｖ変換回路２１、３１から出力される。
【００３３】
さらに、第４の期間ｔ４、すなわち信号Ｐ１Ｘ、Ｐ２Ｘ及びＰ１Ｙ、Ｐ２Ｙに基づいて固定電極２ａ、２ｃの電位が０、固定電極２ｂ、２ｄの電位がＶのままにされ、Ｃ−Ｖ変換回路２１、３１の出力が十分に安定すると、ＬＰＦ回路２３ａ、３３ａおよびＧＡＩＮ回路２３ｂ、３３ｂを介してこのときの値がＧｏｕｔＸ、ＧｏｕｔＹに出力される。
【００３４】
最終的に、第２の期間ｔ２にサンプリングされた出力ＧｏｕｔＸ、ＧｏｕｔＹと第４の期間ｔ４にサンプリングされた出力ＧｏｕｔＸ、ＧｏｕｔＹとが差動演算される。そして、これに基づいて可動電極１ａ〜１ｄの変位に応じた加速度検出が行われる。
【００３５】
次に、図３に基づいて自己診断時における作動を説明する。自己診断時には、制御信号発生回路６０に自己診断指令信号がＨｉレベルとされ、制御信号発生回路６０から自己診断用の各種信号が出力される。この各種信号が出力されると、第１の検出部→第２の検出部の順に自己診断が行われる。
【００３６】
まず、第１の検出部に対する自己診断の際には、信号Ｐ１Ｘ、Ｐ２Ｘ及びＰ１Ｙ、Ｐ２Ｙに基づいて固定電極２ａ、２ｃと固定電極２ｂ、２ｄとの間に電位差が形成される。そして、第１の検出部に関しては、信号Ｓ２Ｘに基づいて、スイッチ回路２２のスイッチ２２ａが閉、スイッチ２２ｂが開とされる。このため、オペアンプ２１ａの非反転入力端子には、自己診断用に、固定電極２ａ、２ｂの中点電圧Ｖ１とは異なる電圧Ｖ２（本実施形態では４Ｖ）が印加される。
【００３７】
これにより、可動電極１ａと固定電極２ａとの間の電位差（１Ｖ）よりも可動電極１ｂと固定電極２ｂとの間の電位差（４Ｖ）の方が大きくなり、静電気力が増大するため、この静電気力によって可動電極１ａ、１ｂが強制的に中心点から移動させられる。
【００３８】
このとき、静電気力によって可動電極１ａ、１ｂの変位量が十分となり、その変位量が十分に検出できるように、スイッチ回路２２の駆動信号Ｓ２Ｘの周期を設定し、静電気力を発生させる時間を制御している。例えば、可動電極１ａ、１ｂに与える電圧の入力周波数に対する共振周波数特性は図５のように表される。そして、共振と自己診断出力との関係は図６のように表され、共振点に近づくと出力が大きくなる。このため、図６に示す出力が大きくなる範囲を自己診断に使用するようにしている。
【００３９】
一方、第１の検出部の自己診断時には、第２の検出部に関しては、信号Ｓ２Ｙに基づいて、スイッチ回路３２のスイッチ３２ａが開、スイッチ３２ｂが閉とされる。このため、オペアンプ３１ａの非反転入力端子には、通常の加速度検出時と同様に、固定電極２ｃ、２ｄの中点電位Ｖ１が印加され、自己診断が行われない状態となる。
【００４０】
続いて、信号Ｓ２Ｘに基づいてスイッチ回路２２によるスイッチ切替えが行われ、通常の加速度検出時と同様に、オペアンプ２１ａの非反転入力端子に固定電極２ａ、２ｂの中点電圧Ｖ１が印加されるようにする。
【００４１】
この後、第１の検出部に関して上記した通常の加速度検出と同様の作動を行い、可動電極１ａ、１ｂの変位量に応じた出力ＧｏｕｔＸを得る。このとき、上記静電気力による可動電極１ａ、１ｂの変位量はオペアンプ２１ａの非反転入力端子に印加される電圧によって一義的に決まるため、可動電極１ａ、１ｂの変位量に応じた出力も一義的に決まっており、得られた出力と一義的に決まっている自己診断量（出力）とを比較することによって第１の検出部に対しての自己診断が行われる。
【００４２】
次に、第１の検出部に対する自己診断を終えてから所定時間経過後に、第２の検出部に対する自己診断が行われる。第１の検出部と第２の検出部との自己診断の間隔は、第１の検出部の自己診断時に強制的に変位させた可動電極１ａ、１ｂの振れが止まる程度の時間とされる。
【００４３】
第２の検出部に対する自己診断の際には、信号Ｐ１Ｘ、Ｐ２Ｘ及びＰ１Ｙ、Ｐ２Ｙに基づいて固定電極２ａ、２ｃと固定電極２ｂ、２ｄとの間に電位差が形成される。そして、第２の検出部に関しては、信号Ｓ２Ｙに基づいて、スイッチ回路３２のスイッチ３２ａが閉、スイッチ３２ｂが開とされる。このため、オペアンプ３１ａの非反転入力端子には、自己診断用に、固定電極２ｃ、２ｄの中点電圧Ｖ１とは異なる電圧Ｖ２（本実施形態では４Ｖ）が印加される。
【００４４】
これにより、可動電極１ｃと固定電極２ｃとの間の電位差（１Ｖ）よりも可動電極１ｄと固定電極２ｄとの間の電位差（４Ｖ）の方が大きくなり、静電気力が増大するため、この静電気力によって可動電極１ｃ、１ｄが強制的に中心点から移動させられる。このとき、静電気力によって可動電極１ｃ、１ｄの変位量が十分となり、その変位量が十分に検出できるように、スイッチ回路３２の駆動信号Ｓ２Ｙの周期を設定し、静電気力を発生させる時間を制御している。
【００４５】
一方、第２の検出部の自己診断時には、第１の検出部に関しては、信号Ｓ２Ｘに基づいて、スイッチ回路２２のスイッチ２２ａが開、スイッチ２２ｂが閉とされる。このため、オペアンプ２１ａの非反転入力端子には、通常の加速度検出時と同様に、固定電極２ａ、２ｂの中点電位Ｖ１が印加され、自己診断が行われない状態となる。
【００４６】
続いて、信号Ｓ２Ｙに基づいてスイッチ回路３２によるスイッチ切替えが行われ、通常の加速度検出時と同様に、オペアンプ３１ａの非反転入力端子に固定電極２ｃ、２ｄの中点電圧が印加されるようにする。
【００４７】
この後、第２の検出部に関して上記した通常の加速度検出と同様の作動を行い、可動電極１ｃ、１ｄの変位量に応じた出力ＧｏｕｔＹを得る。このとき、上記静電気力による可動電極１ｃ、１ｄの変位量はオペアンプ３１ａの非反転入力端子に印加される電圧によって一義的に決まるため、可動電極１ｃ、１ｄの変位量に応じた出力も一義的に決まっており、得られた出力と一義的に決まっている自己診断量（出力）とを比較することによって第２の検出部に対しての自己診断が行われる。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態では、第１の検出部に対して自己診断用の電圧を印加するタイミングと第２の検出部に対して自己診断用の電圧を印加するタイミングを時間的にずらしている。このため、第１の検出部におけるセンサエレメントの共振が第２の検出部におけるセンサエレメントの共振に影響を与えないようにでき、センサの出力誤差を低減することができる。これにより、複数軸の容量式加速度センサにおいて、センサエレメントと自己診断周波数との共振現象を用いた自己診断を行っても、正確な自己診断が行えるようにすることができる。
【００４９】
なお、ここでは、第１の検出部の自己診断時に強制的に変位させた可動電極１ａ、１ｂが静止するまで第２の検出部の自己診断を行わないようにする例を示したが、可動電極１ａ、１ｂが多少動いていたとしても自己診断時における出力誤差を減少させることが可能である。
【００５０】
（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる方法によって正確な自己診断が行えるようにする。なお、本実施形態における容量式加速度センサの全体構成、回路構成および基本作動については第１実施形態と同様であるため、ここでは第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００５１】
第１実施形態では、第１の検出部の自己診断用の電圧を印加するタイミングと第２の検出部の自己診断用の電圧を印加するタイミングとを時間的にずらしていたが、本実施形態では、これらの電圧の周波数を変化させる。
【００５２】
図７に、本実施形態における加速度センサの作動時における信号波形図を示す。まず、通常の加速度検出時においては、自己診断指令信号がＬｏｗレベルとされ、第１実施形態と同様の方法により加速度検出が成される。一方、自己診断時には、自己診断指令信号がＨｉレベルとされ、以下のような作動を行う。
【００５３】
まず、信号Ｐ１Ｘ、Ｐ２Ｘ及びＰ１Ｙ、Ｐ２Ｙに基づいて固定電極２ａ、２ｃと固定電極２ｂ、２ｄとの間に電位差が形成される。そして、第１の検出部に関しては、信号Ｓ２Ｘに基づいて、スイッチ回路２２のスイッチ２２ａが閉、スイッチ２２ｂが開とされ、第２の検出部に関しては、信号Ｓ２Ｙに基づいて、スイッチ回路３２のスイッチ３２ａが閉、スイッチ３２ｂが開とされる。このため、オペアンプ２１ａ、３１ａの非反転入力端子には、自己診断用に、固定電極２ａ〜２ｄの中点電圧Ｖ１とは異なる電圧Ｖ２が入力電圧として印加される。
【００５４】
このとき、図７に示すように、第１の検出部への入力電圧と第２の検出部への入力電圧はそれぞれ周波数の異なるものとされている。ただし、各周波数とも、第１、第２の検出部それぞれの出力ＧｏｕｔＸ、ＧｏｕｔＹがある程度大きくされる程度のものとされている。例えば、第１の検出部への入力電圧の周波数（以下、第１周波数という）が７ｋＨｚ、第２の検出部への入力電圧の周波数（以下、第２周波数という）が１０ｋＨｚとされている。
【００５５】
そして、上記した自己診断用の電圧が入力されると、可動電極１ａ、１ｃと固定電極２ａ、２ｃとの間の電位差（１Ｖ）よりも可動電極１ｂ、１ｄと固定電極２ｂ、２ｄとの間の電位差（４Ｖ）の方が大きくなり、静電気力が増大するため、この静電気力によって可動電極１ａ〜１ｄが強制的に中心点から移動させられる。
【００５６】
続いて、信号Ｓ２Ｘ、Ｓ２Ｙに基づいてスイッチ回路２２、３２によるスイッチ切替えが行われ、通常の加速度検出時と同様に、オペアンプ２１ａ、３１ａの非反転入力端子に固定電極２ａ〜２ｄの中点電圧Ｖ１が印加されるようにする。
【００５７】
この後、第１、第２の検出部に関して上記した通常の加速度検出と同様の作動を行い、可動電極１ａ〜１ｄの変位量に応じた出力ＧｏｕｔＸ、ＧｏｕｔＹを得る。そして、得られた出力と一義的に決まっている自己診断量（出力）とを比較することによって第１、第２の検出部に対しての自己診断が行われる。
【００５８】
以上説明した自己診断においては、第１、第２の検出部への入力電圧の周波数を異ならせている。このため、第１、第２周波数に対応するそれぞれの波の山と山、谷と谷の位置がずれ、第１、第２周波数が一致して互いの山と山もしくは谷と谷とが干渉する場合と比べ、波の干渉を抑えることができる。これにより、第１、第２の検出部それぞれのセンサエレメントの共振が互いに与える影響を少なくすることができ、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
なお、本実施形態における第１、第２周波数は、基本的にはどのような周波数に設定されても良いが、好ましくは第１周波数が第２周波数の倍の周波数もしくはその逆の関係になっていない方が良い。これは、第１周波数が第２周波数の倍の周波数もしくはその逆の関係になっていると、２次共振による影響で出力誤差が発生する可能性があるためである。
【００６０】
さらに、互いの干渉が無視できない程度となるのが３次共振までであると想定すれば、第１、第２周波数の最小公倍数となる周波数（例えば第１周波数が３ｋＨｚ、第２周波数が４ｋＨｚであれば１２ｋＨｚが相当）を最小公倍数周波数とすると、第１周波数×ｎ＝第２周波数×ｍ＝最小公倍数周波数の関係を満たす場合におけるｎ、ｍが４以上の正数であるとより望ましい。
【００６１】
（他の実施形態）
上記実施形態では容量型物理量検出装置として加速度センサを例に挙げて説明したが、それ以外のセンサ、例えば圧力センサやヨーレートセンサにも本発明を適用することが可能である。
【００６２】
また、上記各実施形態ではＸ軸とＹ軸を備えた２軸のセンサにおける共振現象について説明したが、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸を備えた３軸のセンサ中の任意の２軸における共振現象に対しても本発明を適用することが可能である。
【００６３】
さらに、図１では、Ｘ軸側の加速度検出を行うセンサエレメント１０ａとＹ軸側の加速度検出を行うセンサエレメント１０ｂとを別チップで形成した例を示したが、同一チップで形成することも可能である。
【００６４】
なお、Ｘ軸側の加速度検出を行うセンサエレメント１０ａのバネ定数とＹ軸側の加速度検出を行うセンサエレメント１０ｂのバネ定数とが異なるものであっても、上記各実施形態を適用することができる。
【００６５】
また、上記各実施形態は、Ｘ軸−Ｘ軸という同軸における物理量の検出を行う２軸センサに対しても適用可能である。この場合、検出方向（軸）は同じになるが、各センサエレメントでの検出レンジを異なるものとすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における容量式加速度センサの一部断面模式図である。
【図２】図１に示す容量式加速度センサの回路構成を示す図である。
【図３】図１に示す容量式加速度センサの作動時におけるタイミングチャートである。
【図４】図３中の通常の加速度検出時の詳細を示すタイミングチャートである。
【図５】可動電極に与える電圧の入力周波数に対する共振周波数特性を示す図である。
【図６】共振と自己診断出力との関係を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に示す容量式加速度センサの作動時におけるタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ａ〜１ｄ…可動電極、２ａ〜２ｄ…固定電極、
１０ａ、１０ｂ…センサエレメント、２０、３０…第１、第２検出回路、
２１、３１…Ｃ−Ｖ変換回路、２２、３２…スイッチ回路、
２３、３３…信号処理回路、６０…制御信号発生回路。

Claims

物理量の変化に応じて変位する可動電極（１ａ〜１ｄ）、および前記可動電極に対向して配置された固定電極（２ａ〜２ｄ）を有するセンサエレメント（１０ａ、１０ｂ）と、
自己診断でない通常動作時には容量変化を検出するための信号を前記可動電極と前記固定電極との間に周期的に印加し、自己診断時には前記容量変化を検出するための信号に代えて、自己診断を行うために前記可動電極を変位させるための信号を前記可動電極と前記固定電極との間に周期的に印加する信号印加手段（６０）と、
前記可動電極と前記固定電極からなる容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路（２１、３１）と、
前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力電圧を信号処理して前記物理量の変化に応じた信号を出力する信号処理回路（２３、３３）とを有し、前記センサエレメントと前記可動電極を変位されるための信号の周波数との共振現象を用いて自己診断するものであり、
前記可動電極、前記固定電極、前記Ｃ−Ｖ変換回路および前記信号処理回路が複数軸分備えられ、該複数軸それぞれにおける物理量検出を行うように構成されており、
前記信号印加手段は、前記自己診断時には、前記複数軸それぞれの前記可動電極と前記固定電極との間に印加する信号の印加タイミングをずらし、前記複数軸のいずれかにおいて、前記可動電極と前記固定電極との間に信号を印加して前記可動電極を変位させたのち、予め決められた時間経過後に、前記複数軸のうちの他の軸において、前記可動電極と前記固定電極との間に信号を印加して前記可動電極を変位させるようになっていることを特徴とする容量式物理量センサ。
前記信号印加手段は、前記自己診断時には、前記複数軸のいずれかにおいて、前記可動電極と前記固定電極との間に信号を印加して前記可動電極を変位させたのち、変位させた前記可動電極が静止してから、前記複数軸のうちの他の軸において、前記可動電極と前記固定電極との間に信号を印加して前記可動電極を変位させるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の容量式物理量センサ。
前記通常動作時には、前記容量変化を検出するための信号として、前記Ｃ−Ｖ変換回路を介して前記可動電極に第１電圧を印加し、前記自己診断時には、前記可動電極を変位させるための信号として、前記Ｃ−Ｖ変換回路を介して前記可動電極に第１電圧とは異なる第２電圧を印加するように構成されており、
前記信号印加手段は、前記第２電圧を前記複数軸それぞれに備えられる前記可動電極に印加するタイミングをずらすものであることを特徴とする請求項１または２に記載の容量式物理量センサ。
物理量の変化に応じて変位する可動電極（１ａ〜１ｄ）、および前記可動電極に対向して配置された固定電極（２ａ〜２ｄ）を有するセンサエレメント（１０ａ、１０ｂ）と、
自己診断でない通常動作時には容量変化を検出するための信号を前記可動電極と前記固定電極との間に周期的に印加し、自己診断時には前記容量変化を検出するための信号に代えて、自己診断を行うために前記可動電極を変位させるための信号を前記可動電極と前記固定電極との間に周期的に印加する信号印加手段（６０）と、
前記可動電極と前記固定電極からなる容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路（２１、３１）と、
前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力電圧を信号処理して前記物理量の変化に応じた信号を出力する信号処理回路（２３、３３）とを有し、前記センサエレメントと前記可動電極を変位されるための信号の周波数との共振現象を用いて自己診断するものであり、
前記可動電極、前記固定電極、前記Ｃ−Ｖ変換回路および前記信号処理回路が複数軸分備えられ、該複数軸それぞれにおける物理量検出を行うように構成されており、
前記信号印加手段は、前記自己診断時には、前記複数軸それぞれの前記可動電極と前記固定電極との間に、周波数の異なる信号を印加するようになっていることを特徴とする容量式物理量センサ。
前記複数軸それぞれの前記可動電極と前記固定電極との間に印加される信号の周波数は、前記複数軸のうちの他の軸の前記可動電極と前記固定電極との間に印加される信号の周波数の倍の周波数となっていないことを特徴とする請求項４に記載の容量式物理量センサ。
前記複数軸それぞれの前記可動電極と前記固定電極との間に印加される信号の各周波数は、当該各周波数の最小公倍数に相当する周波数を最小公倍数周波数とすると、当該各周波数それぞれに対して４以上の正数倍しなければ前記最小公倍数周波数とならない関係を満たしていることを特徴とする請求項４に記載の容量式物理量センサ。
前記通常動作時には、前記容量変化を検出するための信号として、前記Ｃ−Ｖ変換回路を介して前記可動電極に第１電圧を印加し、前記自己診断時には、前記可動電極を変位させるための信号として、前記Ｃ−Ｖ変換回路を介して前記可動電極に第１電圧とは異なる第２電圧を印加するように構成されており、
前記信号印加手段は、前記Ｃ−Ｖ変換回路を介して、前記複数軸それぞれに備えられる前記可動電極に異なる周波数の前記第２電圧を印加するものであることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１つに記載の容量式物理量センサ。