WO2015128922A1 - 容量式物理量検出装置 - Google Patents
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Definitions
- This disclosure relates to a capacitive physical quantity detection device that detects physical quantities such as acceleration, angular velocity, and pressure.
- FIG. 4 is a schematic diagram of a conventional capacitive physical quantity detection device 100.
- the conventional capacitive physical quantity detection device 100 includes a movable electrode 102 that is displaced according to acceleration, and a fixed electrode 103 that is disposed to face the movable electrode 102.
- the capacitive physical quantity detection device 100 detects acceleration by detecting displacement of the movable electrode 102 caused by acceleration as a change in capacitance between the movable electrode 102 and the fixed electrode 103. That is, the movable electrode 102 is displaced by the electrostatic force generation means 104.
- the capacitance detection unit 105 detects a change in capacitance between the movable electrode 102 and the fixed electrode 103 caused by this displacement.
- the capacitance detection unit 105 determines whether or not the change in capacitance exceeds a predetermined threshold value, thereby determining whether or not the movable electrode is operating normally and disconnecting the signal path to the capacitance detection unit. Failure diagnosis is performed to determine whether or not As prior art document information related to this application, for example, Patent Document 1 is known.
- the capacitive physical quantity detection device includes a sensor unit, a control circuit, and a CV conversion circuit.
- the sensor unit has a movable electrode, a first fixed electrode, and a second fixed electrode.
- the movable electrode is displaced according to a change in physical quantity.
- the 1st fixed electrode is arrange
- the second fixed electrode is disposed to face the second portion of the movable electrode.
- the control circuit inputs signals between the movable electrode and the first fixed electrode and between the movable electrode and the second fixed electrode.
- the CV conversion circuit receives a reference voltage and outputs a voltage corresponding to a change in capacitance between the movable electrode and the first fixed electrode and between the movable electrode and the second fixed electrode.
- the control circuit inputs a first signal to the first fixed electrode, inputs a second signal having an opposite phase to the first signal to the second fixed electrode, In this period, the reference voltage is input to the first fixed electrode, and the second signal is input to the second fixed electrode.
- FIG. 1 is a perspective view of a sensor portion of the acceleration sensor according to the present embodiment.
- FIG. 2 is a circuit diagram of the acceleration sensor according to the present embodiment.
- FIG. 3 is a diagram illustrating the relationship between the signal waveform of the carrier wave of the acceleration sensor and the opening / closing timing of the switch according to the present embodiment.
- FIG. 4 is a schematic diagram of a conventional capacitive physical quantity detection device.
- the conventional capacitive physical quantity detection device 100 displaces the movable electrode 102 during failure diagnosis, it may take time for failure diagnosis. For example, when the signal path to the capacitance detection unit 105 is disconnected, if a failure diagnosis is performed without displacing the movable electrode 102, the signal detected by the capacitance detection unit is zero. However, this is indistinguishable from the case where the input physical quantity is zero when the signal path is normal, so that a failure cannot be detected.
- FIG. 1 is a perspective view of the sensor unit 1 of the acceleration sensor 30 according to the present embodiment.
- FIG. 2 is a circuit diagram of the acceleration sensor 30 in the present embodiment.
- the capacitive physical quantity detection device includes a sensor unit 1, a control circuit 24, and a CV conversion circuit 21.
- the sensor unit 1 includes a movable electrode 2c, a first fixed electrode 3a, and a second fixed electrode 3b.
- the movable electrode 2c is displaced according to a change in physical quantity.
- the 1st fixed electrode 3a is arrange
- the second fixed electrode 3b is disposed to face the second portion of the movable electrode 2c.
- the control circuit 24 inputs signals between the movable electrode 2c and the first fixed electrode 3a and between the movable electrode 2c and the second fixed electrode 3b.
- the CV conversion circuit 21 receives a reference voltage and outputs a voltage corresponding to a change in capacitance between the movable electrode 2c and the first fixed electrode 3a and between the movable electrode 2c and the second fixed electrode 3b. .
- control circuit 24 inputs the first signal P1 to the first fixed electrode 3a and the second signal P2 having the opposite phase to the first signal to the second fixed electrode 3b.
- the reference voltage is input to the first fixed electrode 3a and the second signal P2 is input to the second fixed electrode 3b.
- the sensor unit 1 includes an acceleration sensor element 2, an upper lid 3, and a lower lid 4.
- the acceleration sensor element 2 is sandwiched between the upper lid 3 and the lower lid 4.
- the acceleration sensor element 2 includes a beam 2a, a beam 2b, a movable electrode 2c, and a frame portion 2d.
- a fixed electrode 3 a (first fixed electrode) and a fixed electrode 3 b (second fixed electrode) are formed on the upper lid 3.
- the fixed electrode 3a is disposed to face the first portion of the movable electrode 2c.
- the fixed electrode 3b is disposed so as to face the second portion of the movable electrode 2c.
- the movable electrode 2c and the fixed electrode 3a, and the movable electrode 2c and the fixed electrode 3b each constitute a capacitance.
- the capacitance thereof changes in accordance with the displacement of the movable electrode 2c.
- the detection circuit 20 to be described later detects acceleration based on a change in differential capacitance between the movable electrode 2c and the fixed electrode 3a and between the movable electrode 2c and the fixed electrode 3b.
- the acceleration sensor 30 has a sensor unit 1 and a detection circuit 20.
- the detection circuit 20 includes a CV conversion circuit 21, a signal processing circuit 22, a control circuit 24, and a determination circuit 25.
- the control circuit 24 is a signal applying unit that periodically applies a signal between the movable electrode 2c and the fixed electrodes 3a and 3b.
- the CV conversion circuit 21 includes an amplifier 21a, a capacitor 21b, and a switch 21c.
- the CV conversion circuit 21 converts a change in differential capacitance between the movable electrode 2c and the fixed electrodes 3a and 3b into a voltage.
- An inverting input terminal (first input terminal) of the amplifier 21a is connected to the movable electrode 2c.
- a capacitor 21b and a switch 21c are connected between the inverting input terminal and the output terminal of the amplifier 21a.
- the capacitor 21b and the switch 21c are connected in parallel with each other.
- the reference voltage V0 is input to the non-inverting input terminal (second input terminal) of the amplifier 21a.
- the reference voltage V0 is set to 0V for simplification.
- the signal processing circuit 22 includes a sample and hold circuit 22a, an amplifier circuit 22b, and a low-pass filter 22c.
- the sample hold circuit 22a samples (measures) the output voltage of the CV conversion circuit 21 and holds it for a certain period.
- the amplifier circuit 22b amplifies the output voltage of the sample hold circuit 22a to a predetermined sensitivity.
- the low-pass filter 22c extracts only a component in a predetermined frequency band from the output voltage of the amplifier circuit 22b, and outputs an acceleration detection signal.
- the control circuit 24 generates and outputs carrier signals P1 and P2 and switch signals S1 and S2 based on the reference clock CLK and the failure diagnosis signal T, respectively.
- the carrier wave signal P1 (first signal) is a signal with an amplitude of ⁇ V input to the fixed electrode 3a.
- the carrier signal P2 (second signal) is a signal with an amplitude of ⁇ V input to the fixed electrode 3b.
- the switch signal S1 is a signal for opening and closing the switch 21c.
- the switch signal S2 is a signal for opening and closing the switch 221b.
- the switches 21c and 221b are constituted by semiconductor switches or the like, and are closed when the switch signal from the control circuit 24 is at a high level.
- FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the signal waveform of the carrier wave of the acceleration sensor 30 and the switch opening / closing timing in the present embodiment.
- P1 indicates a carrier wave signal P1 input to the fixed electrode 3a.
- P2 indicates a carrier wave signal P2 input to the fixed electrode 3b.
- Reference numeral 21c indicates the opening / closing timing of the switch 21c.
- Reference numeral 221b indicates the opening / closing timing of the switch 221b.
- the change in capacity according to the input physical quantity is measured (normal operation). Then, in the second period T3, T4, it is determined whether or not the signal path to the capacity detection means is disconnected (failure diagnosis operation). Thereby, failure diagnosis can be performed without displacing the movable electrode, and the time for failure diagnosis is shortened.
- the carrier signal P1 and the carrier signal P2 are output from the control circuit 24.
- the carrier signal P1 is a rectangular wave signal having a constant amplitude in which the high level (+ V) and the low level ( ⁇ V) change in the first periods T1 and T2.
- the carrier signal P2 is a signal whose voltage level is inverted with respect to the carrier signal P1 in the first periods T1 and T2.
- P1 represents a voltage signal applied to the fixed electrode 3a
- P2 represents a voltage signal applied to the fixed electrode 3b.
- the carrier signal P1 is + V and the carrier signal P2 is -V.
- the switch signals S1 and S2 from the control circuit 24 cause the switch 21c to be closed (HIGH) and the switch 221b to be open (LOW).
- the voltage V0 is applied to the non-inverting input terminal of the amplifier 21a, the voltage V0 is applied to the movable electrode 2c, and the charge in the capacitor 21b is discharged.
- the switches 23a and 23b are not connected to the reference voltage V0, but are connected so as to input the carrier waves P1 and P2 to the movable electrode 2c.
- This voltage is sampled and held by the sample and hold circuit 22a and output as an acceleration detection signal through the amplifier circuit 22b and the low-pass filter 22c. That is, the sample hold circuit 22a samples (measures) the output voltage of the amplifier 21a in the period T2, and holds the sampled voltage in other periods. Then, an acceleration detection signal is output through the amplifier circuit 22b and the low-pass filter 22c by the output voltage from the sample hold circuit 22a.
- the output voltage of the CV conversion circuit 21 is ⁇ C2 ⁇ 2V / Cf.
- the output of the CV conversion circuit 21 is zero. Therefore, by determining whether or not the output voltage of the CV conversion circuit 21 exceeds a predetermined threshold by the determination circuit 25, it can be determined whether or not the signal path is disconnected. Further, according to this configuration, even when the acceleration applied to the sensor unit 1 is zero, C2 does not become zero, so that the output voltage ( ⁇ C2 ⁇ 2V / Cf) of the CV conversion circuit 21 at normal time is disconnected. The output voltage (zero) of the CV conversion circuit 21 at the time can be determined.
- the sample hold circuit 22a holds the voltage sampled (measured) at T2 in the first period. Therefore, fluctuations in the output voltage of the CV conversion circuit 21 during the failure diagnosis operation do not affect the measured acceleration value output from the acceleration sensor 30.
- Fault diagnosis is performed by setting the sampling period of the sample hold circuit 22a or the data update period of the output of the acceleration sensor 30 to be longer than the combined period of the first period T1, T2 and the second period T3, T4. An acceleration detection signal can be obtained without interrupting the acceleration detection operation during the operation. That is, no extra time is required for failure diagnosis.
- the capacity type physical quantity detection device of the present disclosure performs a normal operation of measuring a change in capacity according to the input physical quantity in the first period T1 and T2.
- a failure diagnosis operation is performed to determine whether or not the signal path to the capacity detection unit is disconnected. Thereby, failure diagnosis can be performed without displacing the movable electrode, and the time for failure diagnosis can be shortened.
- the capacitive physical quantity detection device of the present disclosure is useful as an acceleration sensor for vehicle control.
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Abstract
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。
Description
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。
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。
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。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。
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。
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。
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。
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。
（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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
Claims (7)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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-
2014
- 2014-12-25 WO PCT/JP2014/006450 patent/WO2015128922A1/ja active Application Filing
- 2014-12-25 US US15/114,777 patent/US10088495B2/en active Active
- 2014-12-25 DE DE112014006428.9T patent/DE112014006428T5/de active Pending
- 2014-12-25 JP JP2016504872A patent/JP6371984B2/ja active Active
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