WO2017072897A1 - 加速度センサシステム、及び自己診断方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an acceleration sensor system and a self-diagnosis method.
- Patent Document 1 states that “the capacitor has a frequency-capacitance characteristic having a resonance frequency, so that the capacitance of the capacitor is measured with a control signal having a first frequency that is extremely higher or lower than the resonance frequency. The normal measurement is performed, and a self-diagnosis is performed in which the capacitance of the capacitor is measured with a control signal of the second frequency in the vicinity including the resonance frequency.
- Some capacitive acceleration sensors that require high sensitivity include a movable electrode having a high resonance Q value.
- a servo capacitive acceleration sensor has a movable electrode having a high Q value.
- the higher the Q value of the movable electrode the easier it is to generate vibration when a voltage is applied. Therefore, the movable electrode having a high Q value is more likely to remain vibrated after the voltage application is stopped, compared to the movable electrode having a low Q value. This causes a problem that when the application of the voltage for self-diagnosis is stopped, it takes a long time for the movable electrode to be stationary, and normal measurement after the self-diagnosis cannot be started immediately.
- an object of the present invention is to more accurately control the stop of the vibration of the movable electrode and to shorten the self-diagnosis time.
- the present application includes a plurality of means for solving at least a part of the above-described problems, and examples thereof are as follows.
- An acceleration sensor system includes a sensor that outputs an output signal indicating a change in capacitance in accordance with displacement of a movable electrode, and a self-diagnosis signal for diagnosing the sensor.
- a self-diagnosis unit that outputs the self-diagnosis signal including a displacement signal for displacing the movable electrode, and stops outputting the self-diagnosis signal according to the level of the output signal.
- the stop of the vibration of the movable electrode can be controlled more accurately, and the self-diagnosis time can be shortened.
- the servo-type capacitive acceleration sensor includes a movable electrode having a high Q value (for example, higher than 0.5).
- the acceleration sensor keeps the movable electrode in an equilibrium state by applying an electrostatic force that cancels the force applied to the movable electrode by acceleration.
- a PWM (Pulse Width Modulation) voltage can be used as a servo signal that generates an electrostatic force.
- the acceleration sensor system for example, sets the pulse density according to the acceleration so that the pulse density is low when the detected acceleration is large and the pulse density is high when the detected acceleration is small. adjust. This acceleration sensor system can detect acceleration with high sensitivity while reducing mechanical noise.
- An acceleration sensor system for improving reliability is required to have a self-diagnosis function for detecting the failure.
- a periodic predetermined voltage is applied between the fixed electrode and the movable electrode included in the acceleration sensor to displace the position of the movable electrode.
- a method of detecting an abnormality of the acceleration sensor by evaluating whether or not the displacement amount is within a predetermined range can be adopted. In this method, the resonance frequency of the movable electrode is measured, and the acceleration sensor is diagnosed based on the measured resonance frequency.
- each embodiment of the present invention relates to a servo-type capacitive acceleration sensor (hereinafter also simply referred to as an acceleration sensor) and a system including the acceleration sensor (hereinafter also simply referred to as an acceleration sensor system).
- an acceleration sensor a servo-type capacitive acceleration sensor
- an acceleration sensor system a system including the acceleration sensor
- FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of the acceleration sensor system according to the first embodiment of the present invention.
- the acceleration sensor system includes an acceleration sensor 101, a signal detection unit 102, a servo control unit 110, a detection signal generation unit 120, a self-diagnosis unit 130, an output unit 140, and a mode switching unit 150.
- the acceleration sensor 101 detects acceleration as an electric signal representing a change in capacitance, and outputs a detected electric signal S1 (hereinafter referred to as an output signal S1) to the signal detection unit 102.
- the acceleration sensor 101 includes, for example, a capacitance type acceleration detection element mainly composed of an electrode structure. The acceleration sensor 101 will be described in detail later with reference to FIG.
- the signal detection unit 102 receives the output signal S1 from the acceleration sensor 101, converts the output signal S1 that is the received analog electrical signal into a voltage, amplifies the voltage, converts the voltage signal into a digital signal, and outputs a servo control unit. 110 and the self-diagnosis unit 130.
- the servo control unit 110 receives the output signal from the signal detection unit 102, generates a servo signal S6 based on the received output signal, and outputs the servo signal S6 to the mode switching unit 150.
- the servo control unit 110 generates, as a servo signal, a PWM (Pulse ⁇ Width Modulation) voltage signal in which both the pulse density and the level are adjusted according to the magnitude of the change in capacitance corresponding to the acceleration.
- the servo signal S6 is a voltage signal and is applied to two fixed electrodes (to be described later) of the acceleration sensor 101 via the mode switching unit 150.
- the servo control unit 110 receives an output signal which is a received digital signal, and generates a servo signal by performing signal processing on the digital signal.
- PID control Proportional-Integral-Derivative-Control
- PID control is a method in which control of an input value to a controlled object is performed by a deviation between an output value from the controlled object and a target value, integration and differentiation thereof.
- the servo control unit 110 derives a value (voltage, digital value, etc.) corresponding to the electrostatic force necessary to maintain the movable electrode of the acceleration sensor 101 in an equilibrium state based on the received digital signal by PID control. It has a function.
- the detection signal generation unit 120 generates a detection signal S7 and outputs it to the mode switching unit 150.
- the detection signal S7 is an electric signal that is applied to the acceleration sensor 101 to detect acceleration and causes the acceleration sensor 101 to detect a change in capacitance as an electric signal.
- the detection signal S ⁇ b> 7 is a voltage signal and is applied to two fixed electrodes (described later) of the acceleration sensor 101 via the mode switching unit 150.
- the self-diagnosis unit 130 receives an output signal from the signal detection unit 102.
- the self-diagnosis unit 130 generates a self-diagnosis signal S8 and outputs it to the mode switching unit 150.
- the self-diagnosis unit 130 determines the stop timing of the self-diagnosis signal S8 based on the output signal from the signal detection unit 102.
- the self-diagnosis unit 130 includes a diagnostic signal generation unit 131 and an output signal evaluation unit 132.
- the self-diagnosis unit 130 includes an analysis unit 133.
- Diagnostic signal generation unit 131 generates a self-diagnosis signal S8 and outputs it to mode switching unit 150 when a self-diagnosis mode to be described later is selected under the control of mode switching unit 150.
- the self-diagnosis signal S8 is applied to the acceleration sensor 101 for detecting displacement and an electric signal for applying displacement to the movable electrode of the acceleration sensor 101, and causes the acceleration sensor 101 to detect a change in capacitance as an electric signal. Including electrical signals.
- the self-diagnosis signal S ⁇ b> 8 is a voltage signal and is applied to two fixed electrodes (described later) of the acceleration sensor 101 via the mode switching unit 150.
- the diagnostic signal generation unit 131 stops generation and output of the self-diagnosis signal S8 when receiving a stop signal described later from the output signal evaluation unit 132.
- the output signal evaluation unit 132 Based on the signal level of the capacitance indicated by the output signal corresponding to the self-diagnosis signal S8, the output signal evaluation unit 132 sets the signal level to a predetermined value after the application of the self-diagnosis signal S8 and the peak value of the signal level. Measure the cycle time to reach. This predetermined value is desirably set according to the Q value of the movable electrode of the acceleration sensor. The output signal evaluation unit 132 determines whether or not the signal level has reached a predetermined value, and outputs a stop signal to the diagnostic signal generation unit 131 when the signal level reaches the predetermined value, and the peak value of the measured signal level and The cycle time is output to the analysis unit 133.
- the analysis unit 133 receives the peak value of the signal level and the period time measured from the output signal evaluation unit 132.
- the analysis unit 133 determines whether or not the capacitance change is normal based on at least one of the received peak value and cycle time, and uses the determination result as the diagnosis result S5, for example, a PC (Persona Computer) or the like.
- the diagnosis result S5 can take various forms such as a data signal, a data file, and screen data.
- the self-diagnosis unit 130 will be described in detail later with reference to FIG.
- the output unit 140 receives the servo signal S6 from the servo control unit 110, and outputs an acceleration based on the received servo signal. In order to implement such a function, the output unit 140 includes an acceleration output unit 141. The output unit 140 includes an analysis unit 142.
- the acceleration output unit 141 calculates acceleration based on the servo signal S6, generates acceleration information S3 including the acceleration, and outputs it to an external device such as a PC.
- the acceleration output unit 141 may receive an output signal from the signal detection unit 102, calculate acceleration based on the output signal, generate acceleration information S3 including the acceleration, and output the acceleration information S3 to an external device.
- the acceleration output unit 141 outputs the calculated acceleration to the analysis unit 142. Since the process for calculating the acceleration based on the servo signal or the output signal can use a general technique, a description thereof will be omitted.
- the analysis unit 142 receives acceleration from the acceleration output unit 141, performs predetermined analysis processing on the received acceleration, generates analysis information S4 including the analysis result, and outputs the analysis information S4 to an external device such as a PC, for example. . Since a general technique can be used for the analysis process of acceleration, description is abbreviate
- the analysis information S4 can be in various forms such as a data signal, a data file, and screen data.
- the mode switching unit 150 receives the servo signal S6 from the servo control unit 110, the detection signal S7 from the detection signal generation unit 120, and the self-diagnosis signal S8 from the self-diagnosis unit 130.
- the mode switching unit 150 selects one signal corresponding to the selected operation mode from these three types of signals, and outputs the selected signal to the acceleration sensor 101 as a signal S2. That is, the signal S2 includes any one of the servo signal S6, the detection signal S7, and the self-diagnosis signal S8.
- the signal S2 is a voltage signal and is applied to two fixed electrodes (to be described later) of the acceleration sensor 101.
- the acceleration sensor system has a servo control mode, a detection mode, and a self-diagnosis mode as three operation modes.
- the servo control mode (corresponding to the first mode of the present invention) is a mode for executing servo control.
- the detection mode (corresponding to the first mode of the present invention) is a mode for detecting acceleration.
- the self-diagnosis mode (corresponding to the second mode of the present invention) is a mode for diagnosing the state of the acceleration sensor 101.
- the servo signal S6 is selected in the servo control mode.
- the detection signal S7 is selected in the detection mode.
- the self-diagnosis signal S8 is selected in the self-diagnosis mode.
- the mode switching unit 150 basically selects an operation mode by controlling switching of the operation mode based on a preset time division. For example, the mode switching unit 150 alternately switches between the servo control mode and the detection mode based on a predetermined time division.
- the mode switching unit 150 switches the servo control mode or the detection mode to the self-diagnosis mode at an arbitrary timing. For example, the mode switching unit 150 determines whether or not a normal measurement period (a period including two of the servo control mode and the detection mode) has passed a predetermined time, and when the predetermined period has elapsed, the mode switching unit 150 selects the servo control mode or the detection mode. Switch to self-diagnosis mode. For example, the mode switching unit 150 acquires values such as environmental temperature and environmental humidity measured by another sensor (not shown), and performs self-diagnosis when the value exceeds or falls below a predetermined threshold. You may switch to the mode.
- the mode switching unit 150 determines whether or not the self-diagnosis signal S8 from the self-diagnosis unit 130 has stopped, and if so, the self-diagnosis mode is normally measured (servo control mode or detection). Mode).
- FIG. 2 is a diagram for explaining an example of the structure of the acceleration sensor according to the first embodiment.
- FIG. 2 shows the X direction and the Z direction as directions for explanation.
- the X direction is a direction in which the main surface of the electrode extends, and corresponds to the left-right direction in FIG.
- the Z direction is a direction in which the electrodes overlap each other at a distance, and corresponds to the vertical direction in FIG.
- the acceleration sensor 101 includes a pair of fixed electrodes 1011a and 1011b, and one movable electrode 1013. These two fixed electrodes are connected to the mode switching unit 150 through signal lines.
- the movable electrode 1013 is connected to the signal detection unit 102 through a signal line.
- the movable electrode 1013 has a wide main surface in the X direction.
- the fixed electrode 1011a and the fixed electrode 1011b include a surface region that overlaps the main surface of the movable electrode 1013 when viewed in plan in the Z direction in order to generate an electrostatic force on the movable electrode 1013.
- the surface area of the fixed electrode 1011a and the surface area of the fixed electrode 1011b are arranged at a predetermined distance in the Z direction so as to face the corresponding main surfaces on both sides of the movable electrode 1013, respectively.
- the signal lines of the fixed electrode 1011a and the fixed electrode 1011b transmit a signal S2 (servo signal S6, detection signal S7, or self-diagnosis signal S8) corresponding to the operation mode.
- the servo signal S6 includes a servo signal S6a applied to the fixed electrode 1011a and a servo signal S6b applied to the fixed electrode 1011b.
- the servo signal S6a is, for example, a voltage signal generated by repeating rectangular wave pulses.
- the servo signal S6b is a voltage signal inverted with respect to the servo signal S6a.
- the detection signal S7 includes a detection signal S7a applied to the fixed electrode 1011a and a detection signal S7b applied to the fixed electrode 1011b.
- the detection signal S7a is, for example, a voltage signal generated by repeating rectangular wave pulses.
- the detection signal S7b is a voltage signal inverted with respect to the detection signal S7a.
- the self-diagnosis signal S8 includes a self-diagnosis signal S8a applied to the fixed electrode 1011a and a self-diagnosis signal S8b applied to the fixed electrode 1011b.
- the self-diagnosis signal S8a includes a displacement signal S8c (not shown) for displacing the movable electrode 1013 and a detection signal S8e (not shown) for detecting a change in capacitance.
- Self-diagnosis signal S8b includes a displacement signal S8d (not shown) corresponding to displacement signal S8c and a detection signal S8f (not shown) corresponding to detection signal S8e.
- the displacement signal S8c and the displacement signal S8d are adjusted so that the movable electrode 1013 is displaced.
- the displacement signal S8c is set to the same voltage as the movable electrode voltage and the displacement signal S8d is set to a voltage different from the movable electrode voltage
- an electrostatic force is generated between the fixed electrode 1011b and the movable electrode 1013, and the movable electrode 1013 is generated. Is displaced toward the fixed electrode 1011b.
- the detection signal S8e is, for example, a voltage signal generated by repeating rectangular wave pulses.
- the detection signal S8f is a voltage signal inverted with respect to the detection signal S8e.
- the signal line of the movable electrode 1013 transmits the output signal S1.
- the change in the position of the movable electrode 1013 in the Z direction according to the acceleration (d in the figure) changes the capacitance between the fixed electrode 1011a and the fixed electrode 1011b and the movable electrode 1013.
- the capacitance between the fixed electrode 1011a and the movable electrode 1013 is represented as C1
- the capacitance between the fixed electrode 1011b and the movable electrode 1013 is represented as C2.
- the output signal S1 is a voltage signal representing a change in capacitance including the capacitance difference deltaC.
- the output signal S1 at a certain point in time represents the capacitance difference deltaC corresponding to the displacement state of the movable electrode 1013.
- the output signal S1 at two points in time represents a change with time in the capacitance difference deltaC.
- FIG. 3 is a timing chart showing an example of the timing of the input signal to the acceleration sensor and the output signal from the acceleration sensor in the first embodiment.
- the servo control mode and the detection mode are alternately switched as described above. Specifically, the servo signal S6 and the detection signal S7 are repeatedly applied to the acceleration sensor 101 alternately. As a result, the position of the movable electrode is maintained in an equilibrium state, and a signal corresponding to the change in capacitance is output. Since the position of the movable electrode is held in an equilibrium state or a state close to equilibrium by servo control, the output signal S1 is 0 or a value close to 0.
- the self-diagnosis mode starts when selected by the mode switching unit 150 as described above. Specifically, in the self-diagnosis mode, the diagnostic signal generator 131 outputs the displacement signal S8c, the displacement signal S8d, the detection signal S8e, and the detection signal S8f alternately and repeatedly to the acceleration sensor 101. That is, the self-diagnosis period includes a displacement period P1 in which the movable electrode is displaced by the displacement signal, and a detection period P2 in which the change in capacitance is detected by the detection signal. In the displacement period P1, a voltage is applied between the fixed electrode and the movable electrode in order to displace the movable electrode. This voltage is mainly a DC voltage.
- a signal having the same frequency and voltage as the detection signal S7 is applied to the fixed electrode.
- the lengths of the displacement period P1 and the detection period P2 are set in advance. As a result, the position of the movable electrode is displaced and a signal corresponding to the change in capacitance is output.
- the Q value of the movable electrode When the Q value of the movable electrode is higher than 0.5, the position of the movable electrode is gradually displaced away from the equilibrium state (T 1 to T 2 ) when a DC voltage is applied during the movable electrode displacement period P1. Then, after reaching the peak (T 2 ), it gradually displaces so as to gradually return to the equilibrium state (T 2 to T 3 ). This change corresponds to the first period of a phenomenon called ringing. The higher the Q value of the movable electrode, the larger the displacement amount returning to the equilibrium state after the peak. When the Q value of the movable electrode is 0.5 or less, ringing does not occur.
- the vibration of the movable electrode remains and normal measurement is performed until the vibration stops. Cannot resume. For example, if the self-diagnosis signal is stopped prior to T 3, the vibration of the movable electrode is left later than T 3.
- the output signal evaluation unit 132 repeatedly measures the displacement level D (n) from the equilibrium state of the movable electrode based on the output signal output in each detection period P2. Further, the output signal evaluation unit 132 determines whether or not each measured displacement level D (n) is below a predetermined threshold value Dth.
- the threshold value Dth is a value for determining an equilibrium state (including a state close to the equilibrium state), and is set in advance. The threshold value Dth is set smaller as the Q value is higher. The set value of the threshold value Dth may be changed based on an instruction from an external device.
- the output signal evaluation unit 132 outputs a stop signal to the diagnostic signal generation unit 131.
- the self-diagnosis signal is stopped at the timing when the movable electrode returns to the equilibrium state, the subsequent vibration of the movable electrode is completely or smallly suppressed, and the time until stationary is shortened.
- the self-diagnosis signal is stopped by the displacement level D (n) is equal to or greater than the threshold value Dth timing, vibration subsequent movable electrode remains later than T 3, the time until stationary prolonged.
- FIG. 4 is a flowchart showing an example of self-diagnosis processing according to the first embodiment.
- FIG. 7 shows a case where the self-diagnosis mode is started.
- the initial value of n is “0”.
- the initial value of Dpeak is “0”.
- the value of D (0) may be set, for example, by the output signal evaluation unit 132 acquiring and setting the output signal level immediately before the start of the flowchart of this figure, or by setting a predetermined value, for example, “0”. Good. After the output signal evaluation unit 132 starts the flowchart of this figure, the elapsed time is measured.
- the diagnostic signal generation unit 131 increments n by 1 (step S100).
- the diagnostic signal generator 131 outputs a displacement signal during the displacement period P1 (step S101).
- the diagnostic signal generation unit 131 outputs a detection signal during the detection period P2 after the displacement period P1 (step S102).
- the output signal evaluation unit 132 acquires the output signal level D (n) output from the acceleration sensor 101 via the signal detection unit 102 in accordance with the detection signal in step S102 (step S103).
- step S103 the output signal evaluation unit 132 acquires the time when the output signal level D (n) is acquired, that is, the elapsed time t (n).
- the output signal evaluation unit 132 determines whether or not the output signal level D (n) acquired in step S103 is equal to or lower than the output signal level D (n ⁇ 1) acquired last time (step S104). If the output signal evaluation unit 132 determines that the output signal level D (n) exceeds the output signal level D (n ⁇ 1) (no in step S104), the process returns to step S100.
- step S104 When the output signal evaluation unit 132 determines that the output signal level D (n) is equal to or lower than the output signal level D (n ⁇ 1) (yes in step S104), whether the output signal level peak value Dpeak is 0 or not. It is determined whether or not (step S105). When the output signal evaluation unit 132 determines that the peak value Dpeak of the output signal level is 0 (yes in step S105), the output signal evaluation unit 132 sets the output signal level D (n ⁇ 1) to the peak value Dpeak (step S106).
- step S105 When the output signal evaluation unit 132 determines that the peak value Dpeak of the output signal level is not 0 (no in step S105), or after executing the process of step S106, the output signal level D (n) is greater than the threshold value Dth. It is determined whether it is small (step S107). If the output signal evaluation unit 132 determines that the output signal level D (n) is greater than or equal to the threshold value Dth (no in step S107), the process returns to step S100.
- step S107 When the output signal evaluation unit 132 determines that the output signal level D (n) is smaller than the threshold value Dth (yes in step S107), the elapsed time t (n) of the output signal level D (n) acquired in step S103 is obtained. The cycle time ts is set (step S108).
- the analysis unit 133 determines whether or not the peak value Dpeak of the output signal level is included in the normal range (from the minimum value Dmin to the maximum value Dmax) (step S109).
- the peak value Dpeak has a correlation with the sensitivity of the acceleration sensor 101. If the analysis unit 133 determines that the peak value Dpeak is included in the normal range (yes in step S109), the analysis unit 133 determines whether the cycle time ts is included in the normal range (from the minimum value tmin to the maximum value tmax). (Step S110).
- the period time ts has a correlation with the resonance frequency of the acceleration sensor 101.
- the analysis unit 133 determines that the peak value Dpeak is not included in the normal range (no in step S109). For example, the analysis unit 133 outputs information indicating that the sensor has failed to the external device as the diagnosis result S5.
- the diagnosis result S5 may include a peak value Dpeak.
- the analyzing unit 133 determines that the cycle time ts is not included in the normal range (no in step S110). For example, the analysis unit 133 outputs information indicating that the sensor has failed to the external device as the diagnosis result S5.
- the diagnosis result S5 may include a cycle time ts.
- the analysis unit 133 determines that the cycle time ts is included in the normal range (yes in step S110), the analysis unit 133 determines that the acceleration sensor 101 is normal (step S112). For example, the analysis unit 133 outputs information indicating that the sensor is normal to the external device as the diagnosis result S5.
- the diagnosis result S5 may include a peak value Dpeak and a cycle time ts. The analysis unit 133 may not output the diagnosis result S5. And the analysis part 133 complete
- the output signal evaluation unit 132 determines that the output signal level D (n) is smaller than the threshold value Dth (yes in step S107), the output signal evaluation unit 132 outputs a stop signal to the diagnostic signal generation unit 131. Without being limited to this timing, the output signal evaluation unit 132 may output a stop signal between S107 and the end of this flowchart.
- the acceleration sensor system determines whether or not the output signal level has fallen below a predetermined value after the start of the self-diagnosis mode. In addition, the acceleration sensor system stops the self-diagnosis signal when the output signal level falls below a predetermined value. Thereby, the acceleration sensor system stops the self-diagnosis signal at the timing when the movable electrode returns to the equilibrium state or the vicinity thereof, more accurately controls the stop of the vibration of the movable electrode, and shortens the self-diagnosis time. be able to. The acceleration sensor system stops the self-diagnosis signal when the output signal level exceeds the peak value and the output signal level falls below a predetermined value.
- the acceleration sensor system displaces the movable electrode by a period as close as possible to T 0 corresponding to one period of the resonance frequency f 0 (period T 1 to T 3 in the example of FIG. 3), and performs self-diagnosis in a short period. It can be carried out.
- the acceleration sensor system does not require a large-scale logic circuit such as a frequency sweep function or a peak frequency detection function, power consumption can be reduced.
- the acceleration sensor of the second embodiment is different in electrode structure from the acceleration sensor of the first embodiment. A description will be given centering on differences from the first embodiment.
- FIG. 5 is a block diagram showing an example of the configuration of the acceleration sensor system according to the second embodiment of the present invention.
- the acceleration sensor system includes an acceleration sensor 201, a signal detection unit 102, a servo control unit 110, a detection signal generation unit 220, a self-diagnosis unit 130, an output unit 140, and a mode switching unit 250.
- the acceleration sensor 201 outputs an output signal S1 indicating a change in capacitance to the signal detection unit 102.
- the acceleration sensor 201 will be described in detail later with reference to FIG.
- the detection signal generation unit 220 generates a detection signal S7 and outputs it to the acceleration sensor 201.
- the detection signal S7 is applied to one set of fixed electrodes of two sets of fixed electrodes described later of the acceleration sensor 201.
- the self-diagnosis unit 130 includes a diagnostic signal generation unit 231 and an output signal evaluation unit 132. In addition, the self-diagnosis unit 130 includes an analysis unit 133.
- the diagnostic signal generation unit 231 When the self-diagnosis mode is selected by the control of the mode switching unit 250, the diagnostic signal generation unit 231 generates a self-diagnosis signal S8 and outputs the self-diagnosis signal S8 to the mode switching unit 250.
- the self-diagnosis signal S8 includes a displacement signal and does not include a detection signal.
- the mode switching unit 250 receives the servo signal S6 from the servo control unit 110 and the self-diagnosis signal S8 from the self-diagnosis unit 130.
- the mode switching unit 250 selects one signal corresponding to the selected operation mode from these two types of signals, and outputs the selected signal to the acceleration sensor 201 as a signal S2. That is, the signal S2 includes any one of the servo signal S6 and the self-diagnosis signal S8.
- the signal S ⁇ b> 2 is applied to the other set of fixed electrodes of the acceleration sensor 201, which will be described later.
- the acceleration sensor system of the second embodiment has two operation modes: a servo control mode (corresponding to the first mode of the present invention) and a self-diagnosis mode (corresponding to the second mode of the present invention).
- a servo control mode corresponding to the first mode of the present invention
- a self-diagnosis mode corresponding to the second mode of the present invention.
- the servo signal S6 is selected in the servo control mode.
- the self-diagnosis signal S8 is selected in the self-diagnosis mode.
- the detection signal S7 is output to the acceleration sensor 201 regardless of which operation mode is selected.
- the mode switching unit 250 switches the servo control mode to the self-diagnosis mode at an arbitrary timing.
- the mode switching unit 250 can determine, for example, whether or not the normal measurement period (period including the servo control mode) exceeds a predetermined time, and can switch the servo control mode to the self-diagnosis mode when it exceeds.
- the mode switching unit 250 acquires values such as environmental temperature and environmental humidity measured by other sensors (not shown), and performs self-diagnosis when the value exceeds or falls below a predetermined threshold value. You may switch to the mode.
- the mode switching unit 250 determines whether or not the self-diagnosis signal S8 from the self-diagnosis unit 130 has stopped, and if so, the self-diagnosis mode is changed to normal measurement (servo control mode). Switch.
- FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the structure of the acceleration sensor according to the second embodiment.
- FIG. 6 shows the X direction (left-right direction) and the Z direction (up-down direction) as directions for explanation.
- the acceleration sensor 201 includes a pair of fixed electrodes 2011a and 2011b, a pair of fixed electrodes 2012a and 2012b, and one movable electrode 2013.
- the fixed electrode 2011a and the fixed electrode 2011b are connected to the detection signal generation unit 220 through a signal line.
- the fixed electrode 2012a and the fixed electrode 2012b are connected to the mode switching unit 250 through a signal line.
- the movable electrode 2013 is connected to the signal detection unit 102 through a signal line.
- the movable electrode 2013 has a wide main surface in the X direction.
- the fixed electrode 2011a and the fixed electrode 2011b include a surface region that overlaps a part of the main surface of the movable electrode 2013 (one end in the X direction) when viewed in plan in the Z direction.
- the surface area of the fixed electrode 2011a and the surface area of the fixed electrode 2011b are arranged at a predetermined distance in the Z direction so as to face the corresponding main surfaces on both sides of the one end of the movable electrode 2013, respectively.
- the fixed electrode 2012a and the fixed electrode 2012b include a surface region that overlaps a part of the main surface of the movable electrode 2013 (the other end in the X direction) when viewed in plan in the Z direction.
- the surface area of the fixed electrode 2012a and the surface area of the fixed electrode 2012b are arranged at a predetermined distance in the Z direction so as to face the corresponding main surfaces on both sides of the other end of the movable electrode 2013, respectively. ing.
- the signal lines of the fixed electrode 2011a and the fixed electrode 2011b transmit the detection signal S7.
- the signal lines of the fixed electrode 2012a and the fixed electrode 2012b transmit a signal S2 (servo signal S6 or self-diagnosis signal S8) corresponding to the operation mode.
- the detection signal S7 includes a detection signal S7a applied to the fixed electrode 2011a and a detection signal S7b applied to the fixed electrode 2011b.
- the servo signal S6 includes a servo signal S6a applied to the fixed electrode 2012a and a servo signal S6b applied to the fixed electrode 2012b.
- the self-diagnosis signal S8 includes a self-diagnosis signal S8a applied to the fixed electrode 2012a and a self-diagnosis signal S8b applied to the fixed electrode 2012b.
- the self-diagnosis signal S8a includes a displacement signal S8c (not shown) for displacing the movable electrode 2013.
- Self-diagnosis signal S8b includes a displacement signal S8d (not shown) corresponding to displacement signal S8c.
- the signal line of the movable electrode 2013 transmits the output signal S1.
- a change in the position of the movable electrode 2013 in the Z direction according to the acceleration (d in the figure) changes the capacitances C1 and C2 between the fixed electrode 2011a and the fixed electrode 2011b and the movable electrode 2013.
- the output signal S1 is a voltage signal representing a change in capacitance including the capacitance difference deltaC.
- the servo signal S6 and the self-diagnosis signal S8 are switched in a time division manner and the detection signal S7 is always applied to the acceleration sensor 201. Thereby, the displacement of the movable electrode 2013 can be continuously measured regardless of the operation mode.
- FIG. 7 is a timing chart showing an example of the timing of the input signal to the acceleration sensor and the output signal from the acceleration sensor in the second embodiment.
- the servo control mode is selected as described above. Specifically, the servo signal S6 is applied to the acceleration sensor 201. The detection signal S7 is also applied to the acceleration sensor 201. As a result, the position of the movable electrode is maintained in an equilibrium state, and a signal corresponding to the change in capacitance is output.
- the self-diagnosis mode is started by being selected by the mode switching unit 250 as described above. Specifically, in the self-diagnosis mode, the diagnostic signal generation unit 231 outputs the displacement signal S8c and the displacement signal S8d to the acceleration sensor 201. The detection signal S7 is also applied to the acceleration sensor 201. As a result, the position of the movable electrode is displaced and a signal corresponding to the change in capacitance is output.
- the output signal evaluation unit 132 repeatedly measures the displacement level D (n) from the equilibrium state of the movable electrode based on the output signal output during the self-diagnosis mode. Further, the output signal evaluation unit 132 determines whether or not each measured displacement level D (n) is less than the threshold value Dth. When the displacement level D (n) falls below the threshold value Dth, the output signal evaluation unit 132 outputs a stop signal to the diagnostic signal generation unit 231.
- FIG. 8 is a flowchart showing an example of self-diagnosis processing according to the second embodiment.
- FIG. 8 shows a case where the self-diagnosis mode is started. A description will be given centering on differences from FIG.
- the diagnostic signal generator 231 starts outputting a displacement signal (step S201).
- the diagnostic signal generation unit 231 increments n by 1 (step S202).
- the output signal evaluation unit 132 acquires the output signal level D (n) output from the acceleration sensor 201 via the signal detection unit 102 in accordance with the detection signal (step S203).
- the output signal evaluation unit 132 acquires the time when the output signal level D (n) is acquired, that is, the elapsed time t (n).
- steps S104 to S112 The processing in steps S104 to S112 is the same as in FIG.
- the process returns to step S202.
- the output signal evaluation unit 132 determines that the output signal level D (n) is equal to or higher than the threshold value Dth (no in step S107)
- the process returns to step S202.
- the output signal evaluation unit 132 determines that the output signal level D (n) is smaller than the threshold value Dth (yes in step S107)
- the elapsed time t (n) of the output signal level D (n) acquired in step S203 is determined. , And set to the cycle time ts.
- the output signal evaluation unit 132 determines that the output signal level D (n) is smaller than the threshold value Dth (yes in step S107), the output signal evaluation unit 132 outputs a stop signal to the diagnostic signal generation unit 231. Without being limited to this timing, the output signal evaluation unit 132 may output a stop signal between S107 and the end of this flowchart.
- the second embodiment of the present invention has been described above.
- the acceleration sensor system according to the second embodiment can obtain the following effects in addition to the same effects as those of the first embodiment.
- the acceleration sensor system continuously applies a displacement signal to the movable electrode after the start of the self-diagnosis mode and continuously measures the displacement of the movable electrode. Thereby, the evaluation accuracy and diagnosis accuracy of sensor characteristics such as peak value and cycle time can be improved.
- the displacement period and the detection period are time-divided, and the displacement of the movable electrode is intermittently detected.
- the acceleration sensor system performs self-diagnosis using characteristics (peak value and cycle time) related to the resonance frequency.
- the Q value is measured as a characteristic related to the resonance frequency, and self-diagnosis is performed using the measured Q value, thereby improving the diagnostic accuracy of the acceleration sensor.
- the description will focus on the differences from the first and second embodiments.
- FIG. 9 is a diagram for explaining an example of the displacement of the movable electrode when a diagnostic signal is applied.
- the movable electrode displacement x (t) varies according to, for example, the equation (1).
- f 0 represents the resonance frequency of the acceleration sensor
- Q represents the Q value of the movable electrode
- t represents the elapsed time from the start of application of the self-diagnosis signal S8, and
- x 0 represents the proportionality constant.
- the movable electrode displacement x is zero.
- the movable electrode displacement x reaches a peak.
- t 2 and the movable electrode displacement x are expressed by, for example, Expression (2) and Expression (3), respectively.
- the movable electrode displacement x starts to return toward zero.
- the movable electrode displacement x is closest to the position 0 at the self-diagnosis starting.
- T 3 and the movable electrode displacement x at this time are respectively represented by, for example, equations (4) and (5).
- t 3 varies according to f 0 and Q. However, t 3 is approximately equal to the reciprocal of the resonance frequency f 0 when Q is 5 or more. Based on such a relationship, the resonance frequency f 0 can be derived from the time t 3 . Further, as can be seen from the equation (5), the movable electrode displacement x at t 3 changes according to Q. Based on this relationship, you are possible to derive the Q value from the movable electrode displacement x in t 3.
- step S107 the output signal evaluation unit 132 determines whether or not the movable electrode displacement x has reached a minimum. For example, the output signal evaluation unit 132 calculates a differential value of the output signal level D (n) and determines whether or not the differential value is zero. Alternatively, the output signal evaluation unit 132 determines whether the differential value of the previous output signal level D (n ⁇ 1) is a negative value and the differential value of the current output signal level D (n) is a positive value. It may be determined. If the output signal evaluation unit 132 determines that the differential value of the output signal level D (n) is 0, or the previous differential value is negative and the current differential value is positive, the process proceeds to step S108. In other cases, the process returns to step S100 or step S202.
- the output signal evaluation unit 132 sets the elapsed time t (n) of the movable electrode displacement x determined to have reached the minimum in step S108 as the cycle time ts. ts corresponds to t 3 in the above equation (5). D (n) corresponds to the movable electrode displacement x (t 3 ) in the above equation (5). Further, the output signal evaluation unit 132 calculates the Q value. For example, the output signal evaluation unit 132 calculates Q by substituting the movable electrode displacement x at t 3 calculated by the output signal evaluation unit 132 into the above equation (5).
- the output signal evaluation unit 132 determines that the movable electrode displacement x has reached a minimum, the output signal evaluation unit 132 outputs a stop signal to the diagnostic signal generation unit. Without being limited to this timing, the output signal evaluation unit 132 may output a stop signal between S107 and the end of this flowchart.
- the analysis unit 133 determines whether or not the Q value calculated as described above is included in the normal range in addition to steps S109 and S110. When determining that the Q value is not included in the normal range, the analysis unit 133 determines that the acceleration sensor is abnormal (failed). For example, the analysis unit 133 outputs information indicating that the sensor has failed to the external device as the diagnosis result S5.
- the diagnosis result S5 may include a Q value.
- the analysis unit 133 determines that the peak value, the cycle time, and the Q value are all included in the corresponding normal range, for example, as the diagnosis result S5, the analysis unit 133 outputs information indicating that the sensor is normal to the external device.
- the diagnosis result S5 may include a Q value. The analysis unit 133 may not output the diagnosis result S5.
- the third embodiment of the present invention has been described above.
- the acceleration sensor system according to the third embodiment stops the self-diagnosis signal when the displacement of the movable electrode reaches a minimum after the start of the self-diagnosis mode.
- the timing at which the movable electrode returns to the equilibrium state or its vicinity is determined with higher accuracy. It is possible to more accurately control the stop of vibration and to shorten the time for self-diagnosis.
- the acceleration sensor system measures the Q value in addition to the peak value and the period time as the characteristic relating to the resonance frequency, and performs self-diagnosis using this. Thereby, the diagnostic accuracy of the acceleration sensor can be improved.
- the acceleration sensor system of each embodiment described above measures one period of resonance of the movable electrode and performs diagnosis based on characteristics such as a peak value of the one period.
- the acceleration sensor system may measure characteristics such as a peak value of the movable electrode in N cycles (N is an integer greater than 1). In this case, the self-diagnosis time becomes longer, but the characteristics can be measured more accurately.
- the acceleration sensor system of the third embodiment described above does not have to calculate the Q value while determining whether or not the movable electrode displacement x has reached a minimum.
- the acceleration sensor system according to the third embodiment may evaluate at least one of the peak value, the period time, and the Q value.
- the acceleration sensor system according to the first embodiment and the second embodiment may evaluate at least one of a peak value and a cycle time.
- the acceleration sensor system of each embodiment described above includes one acceleration sensor.
- the acceleration sensor system may include a plurality of acceleration sensors.
- the acceleration sensor system may perform self-diagnosis for a plurality of acceleration sensors.
- the plurality of acceleration sensors may be divided into a plurality of groups, and the acceleration sensor system may execute self-diagnosis at different timings for each group by time division. In this way, acceleration can be measured without stopping the entire system.
- the processing units of the flowcharts shown in FIGS. 4 and 8 are divided according to the main processing contents in order to make the self-diagnosis processing easy to understand.
- the present invention is not limited by the way of dividing the processing unit or the name.
- the self-diagnosis process can be divided into more processing units according to the processing content. Moreover, it can also divide
- the processing order of the above flowchart is not limited to the illustrated example as long as the object and effect of the present invention can be achieved.
- the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications.
- each of the above-described embodiments has been described in detail for easy understanding of the present invention, and the present invention is not necessarily limited to the one provided with all the constituent elements described.
- a part of the configuration of a certain embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of a certain embodiment.
- the above-described configurations, functions, processing units, processing means, and the like may be realized in hardware by designing a part or all of them, for example, with an integrated circuit.
- Each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software by the processor interpreting and executing a program that realizes each function.
- Information such as programs, tables, and files for realizing each function can be stored in a recording device such as a memory, a hard disk, an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card, an SD card, or a DVD.
- the control lines and information lines indicate what is considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.
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Abstract
可動電極の振動の停止をより正確に制御し、かつ、自己診断の時間を短縮する。 加速度センサシステムは、可動電極の変位に応じて静電容量変化を表す出力信号を出力するセンサと、前記センサを診断するための自己診断信号を前記センサに出力する自己診断部と、を有する。前記自己診断部は、前記可動電極を変位させるための変位信号を含む前記自己診断信号を出力し、前記出力信号のレベルに応じて前記自己診断信号の出力を停止する。
Description
本発明は、加速度センサシステム、及び自己診断方法に関する。
特許文献1には、「コンデンサが共振周波数を有する周波数-静電容量特性を有しているため、共振周波数より極めて大きい、または、極めて小さい第1周波数の制御信号でコンデンサの静電容量を測定する通常測定が行われ、共振周波数を含むその近傍の第2周波数の制御信号でコンデンサの静電容量を測定する自己診断が行われる」と記載されている。
高い感度が求められる静電容量型加速度センサには、共振のQ値が高い可動電極を有するものがある。例えば、サーボ式の静電容量型加速度センサは、Q値が高い可動電極を有する。可動電極は、Q値が高いほど、電圧を印加した際の振動が発生し易い。そのため、Q値が高い可動電極は、Q値が低い可動電極と比べると、電圧の印加を停止した後に振動が残り易い。これは、自己診断のための電圧の印加が停止された場合に、可動電極が静止するために掛かる時間が長くなり、自己診断後の通常測定を直ぐに開始できない、という問題を引き起こす。
そこで、本発明は、可動電極の振動の停止をより正確に制御し、かつ、自己診断の時間を短縮することを目的とする。
本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下のとおりである。
本発明の一態様に係る加速度センサシステムは、可動電極の変位に応じて静電容量変化を表す出力信号を出力するセンサと、前記センサを診断するための自己診断信号を前記センサに出力する自己診断部と、を有し、前記自己診断部は、前記可動電極を変位させるための変位信号を含む前記自己診断信号を出力し、前記出力信号のレベルに応じて前記自己診断信号の出力を停止する。
本発明によれば、可動電極の振動の停止をより正確に制御し、かつ、自己診断の時間を短縮することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の各実施形態を説明する前に、サーボ式の静電容量型加速度センサ、及び当該加速度センサを含む加速度センサシステムについて補足的に説明する。
サーボ式の静電容量型加速度センサは、高いQ値(例えば、0.5より高い)を有する可動電極を備える。この加速度センサは、加速度により可動電極に加わる力を相殺する静電気力が印加されることにより、可動電極を平衡状態に保つ。静電気力を発生させるサーボ信号には、PWM(Pulse Width Modulation)電圧を用いることができる。加速度センサシステムは、例えば、検出される加速度が大きい場合はパルス密度を低密度になるように、検出される加速度が小さい場合はパルス密度を高密度になるように、加速度に応じてパルス密度を調整する。この加速度センサシステムは、機械的雑音を低減しつつ、高感度に加速度を検出することができる。
近年では、加速度センサシステムは、性能の向上に伴い、更なる高信頼性と省電力化が要求されている。信頼性を向上するための加速度センサシステムは、その故障を検知するための自己診断機能を備えることが要求される。上記のサーボ式の加速度センサシステムに自己診断機能を実装する場合、例えば、加速度センサが備える固定電極と可動電極の間に、周期的な所定の電圧を印加して可動電極の位置を変位させ、その変位量が所定の範囲にあるかどうかを評価することにより加速度センサの異常を検知する方法を採用することができる。この方法は、可動電極の共振周波数を測定し、測定した共振周波数に基づいて、加速度センサの診断を行う。
しかし、上述の方法においては、可動電極が共振周波数近辺で振動することにより、可動電極の振動が静止するまで通常測定を開始できないため、診断時間が長期化する。また、上記の方法では、共振周波数を測定するために所定の周波数を掃引するために、周波数掃引機能やピーク周波数検出機能などの大規模な論理回路を設ける必要があり、これは消費電力を増大させる。
以下、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。各実施形態は、サーボ式の静電容量型加速度センサ(以下、単に加速度センサともいう)、及び当該加速度センサを含むシステム(以下、単に加速度センサシステムともいう)に関する。なお、各実施形態を説明するための全図において同一部には原則として同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係る加速度センサシステムの構成の一例を示すブロック図である。加速度センサシステムは、加速度センサ101と、信号検出部102と、サーボ制御部110と、検出信号生成部120と、自己診断部130と、出力部140と、モード切替部150とを含む。
図1は、本発明の第1実施形態に係る加速度センサシステムの構成の一例を示すブロック図である。加速度センサシステムは、加速度センサ101と、信号検出部102と、サーボ制御部110と、検出信号生成部120と、自己診断部130と、出力部140と、モード切替部150とを含む。
加速度センサ101は、静電容量の変化を表す電気信号として加速度を検出し、検出した電気信号S1(以下、出力信号S1という)を信号検出部102に出力する。加速度センサ101は、例えば、主に電極構造物により構成された静電容量型の加速度検出素子を含む。加速度センサ101については図2を参照して後に詳述する。
信号検出部102は、加速度センサ101から出力信号S1を受信し、受信したアナログ電気信号である出力信号S1を電圧に変換して増幅し、その電圧信号をディジタル信号に変換して、サーボ制御部110及び自己診断部130に出力する。
サーボ制御部110は、信号検出部102から出力信号を受信し、受信した出力信号に基づいてサーボ信号S6を生成し、モード切替部150に出力する。例えば、サーボ制御部110は、加速度に対応した静電容量の変化の大きさに応じて、パルス密度及びレベルの両方を調整したPWM(Pulse Width Modulation)電圧信号をサーボ信号として生成する。本実施形態では、サーボ信号S6は、電圧信号であり、モード切替部150を介して加速度センサ101の後述する2つの固定電極に印加される。
サーボ制御部110は、受信したディジタル信号である出力信号を受信し、当該ディジタル信号を信号処理することによりサーボ信号を生成する。サーボ信号を生成する信号処理の一例として、PID制御(Proportional-Integral-Derivative Control)を用いることができる。PID制御は、制御対象への入力値の制御を、制御対象からの出力値と目標値との偏差、その積分及び微分によって行う方式である。サーボ制御部110は、PID制御により、受信したディジタル信号に基づいて、加速度センサ101の可動電極を平衡状態に維持するために必要な静電気力に相当する値(電圧、ディジタル値など)を導出する機能を有する。
検出信号生成部120は、検出信号S7を生成し、モード切替部150に出力する。検出信号S7は、加速度の検出のために加速度センサ101に印加され、加速度センサ101に静電容量変化を電気信号として検出させるための電気信号である。本実施形態では、検出信号S7は、電圧信号であり、モード切替部150を介して加速度センサ101の後述する2つの固定電極に印加される。
自己診断部130は、信号検出部102から出力信号を受信する。自己診断部130は、自己診断信号S8を生成し、モード切替部150に出力する。自己診断部130は、信号検出部102から出力信号に基づいて、自己診断信号S8の停止タイミングを判定する。このような機能を実装するため、自己診断部130は、診断信号生成部131と、出力信号評価部132とを含む。また、自己診断部130は、解析部133を含む。
診断信号生成部131は、モード切替部150の制御により後述する自己診断モードが選択されると、自己診断信号S8を生成し、モード切替部150に出力する。自己診断信号S8は、加速度センサ101の可動電極に変位を与えるための電気信号と、加速度の検出のために加速度センサ101に印加され、加速度センサ101に静電容量変化を電気信号として検出させるための電気信号とを含む。本実施形態では、自己診断信号S8は、電圧信号であり、モード切替部150を介して加速度センサ101の後述する2つの固定電極に印加される。診断信号生成部131は、出力信号評価部132から後述する停止信号を受信した場合に、自己診断信号S8の生成及び出力を停止する。
出力信号評価部132は、自己診断信号S8に応じた出力信号が示す静電容量の信号レベルに基づいて、信号レベルのピーク値と、自己診断信号S8の印加の開始後に信号レベルが所定値に達するまでの周期時間を測定する。この所定値は、加速度センサの可動電極のQ値に応じて設定するのが望ましい。出力信号評価部132は、信号レベルが所定値に達したか否かを判定し、所定値に達した場合に停止信号を診断信号生成部131に出力するとともに、測定した信号レベルのピーク値及び周期時間を解析部133に出力する。
解析部133は、出力信号評価部132から測定された信号レベルのピーク値及び周期時間を受信する。解析部133は、受信したピーク値及び周期時間の少なくとも一方に基づいて、静電容量変化が正常であるか否かを判定し、その判定結果を診断結果S5として、例えばPC(Persona Computer)などの外部装置に出力する。診断結果S5は、データ信号、データファイル、画面データなど、各種の形態とすることができる。
自己診断部130については図3を参照して後に詳述する。
出力部140は、サーボ制御部110からサーボ信号S6を受信し、受信したサーボ信号に基づいて加速度を出力する。このような機能を実装するため、出力部140は、加速度出力部141を含む。また、出力部140は、解析部142を含む。
加速度出力部141は、サーボ信号S6に基づいて加速度を計算し、その加速度を含む加速度情報S3を生成し、例えばPCなどの外部装置に出力する。加速度出力部141は、信号検出部102から出力信号を受信して、出力信号に基づいて加速度を計算し、その加速度を含む加速度情報S3を生成し、外部装置に出力してもよい。加速度出力部141は、計算した加速度を解析部142に出力する。サーボ信号あるいは出力信号に基づいて加速度を計算する処理は、一般的な技術を用いることができるため、説明を省略する。
解析部142は、加速度出力部141から加速度を受信し、受信した加速度に対して所定の解析処理を実施し、その解析結果を含む解析情報S4を生成し、例えばPCなどの外部装置に出力する。加速度の解析処理は、一般的な技術を用いることができるため、説明を省略する。解析情報S4は、データ信号、データファイル、画面データなど、各種の形態とすることができる。
モード切替部150は、サーボ制御部110からのサーボ信号S6と、検出信号生成部120からの検出信号S7と、自己診断部130からの自己診断信号S8とを受信する。モード切替部150は、これらの3種類の信号の中から、選択した動作モードに対応する1つの信号を選択し、選択した信号を信号S2として加速度センサ101に出力する。すなわち、信号S2は、サーボ信号S6、検出信号S7、及び自己診断信号S8のいずれか1つからなる。信号S2は、電圧信号であり、加速度センサ101の後述する2つの固定電極に印加される。
加速度センサシステムは、3つの動作モードとして、サーボ制御モードと、検出モードと、自己診断モードとを有する。サーボ制御モード(本発明の第1のモードに相当する)は、サーボ制御を実行するモードである。検出モード(本発明の第1のモードに相当する)は、加速度を検出するモードである。自己診断モード(本発明の第2のモードに相当する)は、加速度センサ101の状態を診断するモードである。サーボ信号S6は、サーボ制御モードにおいて選択される。検出信号S7は、検出モードにおいて選択される。自己診断信号S8は、自己診断モードにおいて選択される。
モード切替部150は、基本的には予め設定された時分割に基づいて動作モードの切り替えを制御することにより、動作モードを選択する。モード切替部150は、例えば、予め定めた時分割に基づいて、サーボ制御モードと検出モードとを交互に切り替える。モード切替部150は、任意のタイミングでサーボ制御モード又は検出モードを自己診断モードに切り替える。モード切替部150は、例えば、通常測定期間(サーボ制御モード及び検出モードの2つを含む期間)が所定の時間を経過したか否かを判定し、経過した場合にサーボ制御モード又は検出モードを自己診断モードに切り替えることができる。また、モード切替部150は、例えば、他のセンサ(図示せず)により計測された環境温度や環境湿度などの値を取得し、当該値が所定の閾値を超えた又は下回った場合に自己診断モードに切り替えてもよい。
モード切替部150は、自己診断モードを選択した後、自己診断部130からの自己診断信号S8が停止したか否かを判定し、停止した場合、自己診断モードを通常測定(サーボ制御モード又は検出モード)に切り替える。
図2は、第1実施形態おける加速度センサの構造の一例を説明する図である。図2は、説明のための方向として、X方向及びZ方向を示す。X方向は、電極の主面が延在する方向であり、図2の左右方向に対応する。Z方向は、電極同士が距離を置いて重なる方向であり、図2の上下方向に対応する。
加速度センサ101は、一対の固定電極1011a及び固定電極1011bと、1つの可動電極1013とを備える。これらの2つの固定電極は、信号線を通じてモード切替部150に接続されている。可動電極1013は、信号線を通じて信号検出部102に接続されている。
可動電極1013は、X方向において広い主面を有する。固定電極1011a及び固定電極1011bは、可動電極1013に静電気力を発生させるために、Z方向で平面視した場合に可動電極1013の主面に対して重なる面領域を含む。固定電極1011aの面領域及び固定電極1011bの面領域は、それぞれ、可動電極1013の両側の対応する主面に対して面するように、Z方向に所定の距離を置いて配置されている。
固定電極1011a及び固定電極1011bの信号線は、動作モードに応じた信号S2(サーボ信号S6、検出信号S7、又は自己診断信号S8)を伝送する。
サーボ信号S6は、詳細には、固定電極1011aに印加されるサーボ信号S6aと、固定電極1011bに印加されるサーボ信号S6bとから成る。サーボ信号S6aは、例えば、矩形波パルスの繰り返しによる電圧信号である。サーボ信号S6bは、サーボ信号S6aに対して反転された電圧信号である。
検出信号S7は、詳細には、固定電極1011aに印加される検出信号S7aと、固定電極1011bに印加される検出信号S7bとから成る。検出信号S7aは、例えば、矩形波パルスの繰り返しによる電圧信号である。検出信号S7bは、検出信号S7aに対して反転された電圧信号である。
自己診断信号S8は、詳細には、固定電極1011aに印加される自己診断信号S8aと、固定電極1011bに印加される自己診断信号S8bとから成る。また、自己診断信号S8aは、可動電極1013を変位させるための変位信号S8c(図示せず)と、静電容量変化を検出する検出信号S8e(図示せず)を含む。自己診断信号S8bは、変位信号S8cに対応する変位信号S8d(図示せず)と、検出信号S8eに対応する検出信号S8f(図示せず)とを含む。変位信号S8c及び変位信号S8dは、可動電極1013が変位するように調整される。例えば、変位信号S8cは、可動電極電圧と同じ電圧とし、変位信号S8dは、可動電極電圧と異なる電圧とすることにより、固定電極1011bと可動電極1013の間に静電気力が発生し、可動電極1013が固定電極1011b側に変位する。検出信号S8eは、例えば、矩形波パルスの繰り返しによる電圧信号である。検出信号S8fは、検出信号S8eに対して反転された電圧信号である。
可動電極1013の信号線は、出力信号S1を伝送する。加速度に応じた可動電極1013のZ方向の位置の変化(図中のd)は、固定電極1011a及び固定電極1011bと可動電極1013との間の静電容量を変化させる。詳細には、例えば、固定電極1011aと可動電極1013との間の静電容量をC1と表し、固定電極1011bと可動電極1013との間の静電容量をC2と表す。これらの静電容量の静電容量差deltaCは、例えばdeltaC=C1-C2と計算することができる。出力信号S1は、静電容量差deltaCを含む静電容量変化を表す電圧信号である。ある時点の出力信号S1は、可動電極1013の変位の状態に応じた静電容量差deltaCを表している。2つの時点の出力信号S1は、静電容量差deltaCの時間変化を表している。
図3は、第1実施形態における加速度センサへの入力信号及び加速度センサからの出力信号のタイミングの一例を示すタイミングチャートである。
通常測定の期間では、上述したように、サーボ制御モードと検出モードとが交互に切り替えられる。具体的には、サーボ信号S6と検出信号S7とが交互に繰り返し加速度センサ101に印加される。これにより、可動電極の位置が平衡状態に維持されるとともに静電容量変化に応じた信号が出力される。サーボ制御により可動電極の位置が平衡状態又は平衡に近い状態に保持されるため、出力信号S1は、0又は0に近い値である。
自己診断モードは、上述したように、モード切替部150により選択されることで開始する。具体的には、自己診断モードでは、診断信号生成部131は、変位信号S8c及び変位信号S8dと検出信号S8e及び検出信号S8fとを、交互に繰り返し加速度センサ101に出力する。すなわち、自己診断の期間は、変位信号により可動電極を変位させる変位期間P1と、検出信号により静電容量変化を検出する検出期間P2とを含む。変位期間P1では、可動電極を変位させるために固定電極と可動電極間に電圧が印加される。この電圧は主に直流電圧である。検出期間P2では、検出信号S7と同じ周波数及び電圧の信号が固定電極に印加される。変位期間P1及び検出期間P2の長さは、予め設定される。これにより、可動電極の位置が変位するとともに静電容量変化に応じた信号が出力される。
可動電極のQ値が0.5よりも高い場合、この可動電極の位置は、可動電極変位期間P1に直流電圧を印加すると、平衡状態から離れるように徐々に変位し(T1からT2)、ピーク(T2)に達した後、徐々に平衡状態に戻るように徐々に変位する(T2からT3)。この変化は、リンギングと呼ばれる現象の最初の1周期に相当する。可動電極のQ値が高いほど、ピーク後に平衡状態に向かって戻る変位量は大きい。可動電極のQ値が0.5以下である場合、リンギングは発生しない。さらに、Q値が0.5よりも高い可動電極の場合、自己診断モードが終了する(自己診断信号S8が停止する)タイミングによっては、可動電極の振動が残り、振動が静止するまで通常測定を再開できない。例えば、T3より前に自己診断信号が停止した場合、可動電極の振動がT3よりも後に残る。
本実施形態では、出力信号評価部132は、各検出期間P2に出力される出力信号に基づいて、可動電極の平衡状態からの変位レベルD(n)を繰り返し測定する。また、出力信号評価部132は、測定した各変位レベルD(n)について、所定の閾値Dthを下回ったか否かを判定する。閾値Dthは、平衡状態(平衡状態に近い状態を含む)を判定するための値であり、予め設定されている。閾値Dthは、Q値が高いほど小さく設定される。閾値Dthの設定値は、外部装置からの指示に基づいて変更できてもよい。変位レベルD(n)が閾値Dthを下回った場合、出力信号評価部132は、停止信号を診断信号生成部131に出力する。このようにすることで、可動電極が平衡状態に戻ったタイミングで自己診断信号が停止され、その後の可動電極の振動が完全に或いは小さく抑制され、静止までの時間が短縮される。一方、仮に、変位レベルD(n)が閾値Dth以上のタイミングで自己診断信号が停止された場合は、その後の可動電極の振動がT3よりも後に残り、静止までの時間が長期化する。
図4は、第1実施形態に係る自己診断処理の一例を示すフローチャートである。図7は、自己診断モードが開始された場合を示している。
nの初期値は、「0」である。Dpeakの初期値は、「0」である。D(0)の値は、例えば、本図のフローチャートの開始直前の出力信号レベルを出力信号評価部132が取得して設定してもよいし、所定値、例えば「0」を設定してもよい。出力信号評価部132、本図のフローチャートの開始後、経過時間を計測する。
まず、診断信号生成部131は、nを1インクリメントする(ステップS100)。次に、診断信号生成部131は、変位期間P1の間、変位信号を出力する(ステップS101)。次に、診断信号生成部131は、変位期間P1の後、検出期間P2の間、検出信号を出力する(ステップS102)。次に、出力信号評価部132は、ステップS102の検出信号に応じて加速度センサ101から信号検出部102を介して出力された出力信号レベルD(n)を取得する(ステップS103)。ステップS103では、出力信号評価部132は、出力信号レベルD(n)を取得した時刻、すなわち経過時間t(n)を取得する。
次に、出力信号評価部132は、ステップS103で取得した出力信号レベルD(n)が、前回取得した出力信号レベルD(n-1)以下であるか否かを判定する(ステップS104)。出力信号評価部132は、出力信号レベルD(n)が出力信号レベルD(n-1)を超えると判定した場合(ステップS104でno)、処理をステップS100に戻す。
出力信号評価部132は、出力信号レベルD(n)が出力信号レベルD(n-1)以下であると判定した場合(ステップS104でyes)、出力信号レベルのピーク値Dpeakが0であるか否かを判定する(ステップS105)。出力信号評価部132は、出力信号レベルのピーク値Dpeakが0であると判定した場合(ステップS105でyes)、ピーク値Dpeakに出力信号レベルD(n-1)を設定する(ステップS106)。
出力信号評価部132は、出力信号レベルのピーク値Dpeakが0でないと判定した場合(ステップS105でno)、又は、ステップS106の処理を実行した後、出力信号レベルD(n)が閾値Dthより小さいか否かを判定する(ステップS107)。出力信号評価部132は、出力信号レベルD(n)が閾値Dth以上であると判定した場合(ステップS107でno)、処理をステップS100に戻す。
出力信号評価部132は、出力信号レベルD(n)が閾値Dthより小さいと判定した場合(ステップS107でyes)、ステップS103で取得した出力信号レベルD(n)の経過時間t(n)を、周期時間tsに設定する(ステップS108)。
次に、解析部133は、出力信号レベルのピーク値Dpeakが、正常範囲(最小値Dminから最大値Dmaxまで)に含まれるか否かを判定する(ステップS109)。ピーク値Dpeakは、加速度センサ101の感度と相関を有する。解析部133は、ピーク値Dpeakが正常範囲に含まれると判定した場合(ステップS109でyes)、周期時間tsが正常範囲(最小値tminから最大値tmaxまで)に含まれるか否かを判定する(ステップS110)。周期時間tsは、加速度センサ101の共振周波数と相関がある。
解析部133は、ピーク値Dpeakが正常範囲に含まれないと判定した場合(ステップS109でno)、加速度センサ101が異常である(故障している)と判定する(ステップS111)。解析部133は、例えば、診断結果S5として、センサが故障していることを示す情報を外部装置に出力する。診断結果S5は、ピーク値Dpeakを含んでいてもよい。
解析部133は、周期時間tsが正常範囲に含まれないと判定した場合(ステップS110でno)、加速度センサ101が異常である(故障している)と判定する(ステップS111)。解析部133は、例えば、診断結果S5として、センサが故障していることを示す情報を外部装置に出力する。診断結果S5は、周期時間tsを含んでいてもよい。
解析部133は、周期時間tsが正常範囲に含まれると判定した場合(ステップS110でyes)、加速度センサ101は正常であると判定する(ステップS112)。解析部133は、例えば、診断結果S5として、センサが正常であることを示す情報を外部装置に出力する。診断結果S5は、ピーク値Dpeak及び周期時間tsを含んでいてもよい。解析部133は、診断結果S5を出力しなくてもよい。そして、解析部133は、本フローチャートに示す処理を終了する。
なお、出力信号評価部132は、出力信号レベルD(n)が閾値Dthより小さいと判定した場合(ステップS107でyes)、停止信号を診断信号生成部131に出力する。このタイミングに限定されず、出力信号評価部132は、S107から本フローチャートの終了までの間に停止信号を出力すればよい。
以上、本発明の第1実施形態について説明した。第1実施形態に係る加速度センサシステムは、自己診断モードの開始後、出力信号レベルが所定値を下回ったか否かを判定する。また、加速度センサシステムは、出力信号レベルが所定値を下回った場合に、自己診断信号を停止する。これにより、加速度センサシステムは、可動電極が平衡状態又はその近辺に戻ったタイミングで自己診断信号を停止させ、可動電極の振動の停止をより正確に制御し、かつ、自己診断の時間を短縮することができる。また、加速度センサシステムは、出力信号レベルがピーク値を過ぎ、且つ、出力信号レベルが所定値を下回った場合に、自己診断信号を停止する。これにより、加速度センサシステムは、可動電極をその共振周波数f0の1周期分T0にできる限り近い期間(図3の例ではT1~T3の期間)変位させ、短い期間で自己診断を行うことができる。また、加速度センサシステムは、周波数掃引機能やピーク周波数検出機能などの大規模な論理回路を設ける必要がないため、消費電力を低減できる。
[第2実施形態]
第2実施形態の加速度センサは、第1実施形態の加速度センサと電極構造が異なる。第1実施形態と異なる点を中心に説明する。
第2実施形態の加速度センサは、第1実施形態の加速度センサと電極構造が異なる。第1実施形態と異なる点を中心に説明する。
図5は、本発明の第2実施形態に係る加速度センサシステムの構成の一例を示すブロック図である。加速度センサシステムは、加速度センサ201と、信号検出部102と、サーボ制御部110と、検出信号生成部220と、自己診断部130と、出力部140と、モード切替部250とを含む。
加速度センサ201は、静電容量の変化を表す出力信号S1を信号検出部102に出力する。加速度センサ201については図6を参照して後に詳述する。
検出信号生成部220は、検出信号S7を生成し、加速度センサ201に出力する。検出信号S7は、加速度センサ201の後述する2組の固定電極のうち一方の組の固定電極に印加される。
自己診断部130は、診断信号生成部231と、出力信号評価部132とを含む。また、自己診断部130は、解析部133を含む。診断信号生成部231は、モード切替部250の制御により自己診断モードが選択されると、自己診断信号S8を生成し、モード切替部250に出力する。自己診断信号S8は、変位信号を含み、検出信号を含まない。
モード切替部250は、サーボ制御部110からのサーボ信号S6と、自己診断部130からの自己診断信号S8とを受信する。モード切替部250は、これらの2種類の信号の中から、選択した動作モードに対応する1つの信号を選択し、選択した信号を信号S2として加速度センサ201に出力する。すなわち、信号S2は、サーボ信号S6、及び自己診断信号S8のいずれか1つからなる。信号S2は、加速度センサ201の後述する2組の固定電極のうち他方の組の固定電極に印加される。
第2実施形態の加速度センサシステムは、2つの動作モードとして、サーボ制御モード(本発明の第1のモードに相当する)と、自己診断モード(本発明の第2のモードに相当する)とを有する。サーボ信号S6は、サーボ制御モードにおいて選択される。自己診断信号S8は、自己診断モードにおいて選択される。検出信号S7は、いずれの動作モードが選択されていても、加速度センサ201に出力される。
モード切替部250は、任意のタイミングでサーボ制御モードを自己診断モードに切り替える。モード切替部250は、例えば、通常測定期間(サーボ制御モード含む期間)が所定の時間を超えたか否かを判定し、超えた場合にサーボ制御モードを自己診断モードに切り替えることができる。また、モード切替部250は、例えば、他のセンサ(図示せず)により計測された環境温度や環境湿度などの値を取得し、当該値が所定の閾値を超えた又は下回った場合に自己診断モードに切り替えてもよい。
モード切替部250は、自己診断モードを選択した後、自己診断部130からの自己診断信号S8が停止したか否かを判定し、停止した場合、自己診断モードを通常測定(サーボ制御モード)に切り替える。
図6は、第2実施形態おける加速度センサの構造の一例を説明する図である。図6は、説明のための方向として、X方向(左右方向)及びZ方向(上下方向)を示す。
加速度センサ201は、一対の固定電極2011a及び固定電極2011bと、一対の固定電極2012a及び固定電極2012bと、1つの可動電極2013とを備える。固定電極2011a及び固定電極2011bは、信号線を通じて、検出信号生成部220に接続されている。固定電極2012a及び固定電極2012bは、信号線を通じて、モード切替部250に接続されている。可動電極2013は、信号線を通じて信号検出部102に接続されている。
可動電極2013は、X方向において広い主面を有する。固定電極2011a及び固定電極2011bは、Z方向で平面視した場合に可動電極2013の主面の一部(X方向の一端)に対して重なる面領域を含む。固定電極2011aの面領域及び固定電極2011bの面領域は、それぞれ、可動電極2013の前記一端の両側の対応する主面に対して面するように、Z方向に所定の距離を置いて配置されている。固定電極2012a及び固定電極2012bは、Z方向で平面視した場合に可動電極2013の主面の一部(X方向の他端)に対して重なる面領域を含む。固定電極2012aの面領域及び固定電極2012bの面領域は、それぞれ、可動電極2013の前記他端の両側の対応する主面に対して面するように、Z方向に所定の距離を置いて配置されている。
固定電極2011a及び固定電極2011bの信号線は、検出信号S7を伝送する。固定電極2012a及び固定電極2012bの信号線は、動作モードに応じた信号S2(サーボ信号S6、又は自己診断信号S8)を伝送する。
検出信号S7は、詳細には、固定電極2011aに印加される検出信号S7aと、固定電極2011bに印加される検出信号S7bとから成る。
サーボ信号S6は、詳細には、固定電極2012aに印加されるサーボ信号S6aと、固定電極2012bに印加されるサーボ信号S6bとから成る。
自己診断信号S8は、詳細には、固定電極2012aに印加される自己診断信号S8aと、固定電極2012bに印加される自己診断信号S8bとから成る。また、自己診断信号S8aは、可動電極2013を変位させるための変位信号S8c(図示せず)を含む。自己診断信号S8bは、変位信号S8cに対応する変位信号S8d(図示せず)を含む。
可動電極2013の信号線は、出力信号S1を伝送する。加速度に応じた可動電極2013のZ方向の位置の変化(図中のd)は、固定電極2011a及び固定電極2011bと可動電極2013との間の静電容量C1及びC2を変化させる。出力信号S1は、静電容量差deltaCを含む静電容量変化を表す電圧信号である。
上記の加速度センサ201の電極構造は、サーボ信号S6及び自己診断信号S8が時分割で切り替えて印加されると共に、検出信号S7が常に加速度センサ201に印加される。これにより、可動電極2013の変位を動作モードに関わらず継続的に測定することができる。
図7は、第2実施形態における加速度センサへの入力信号及び加速度センサからの出力信号のタイミングの一例を示すタイミングチャートである。
通常測定の期間では、上述したように、サーボ制御モードが選択される。具体的には、サーボ信号S6が加速度センサ201に印加される。検出信号S7も、加速度センサ201に印加される。これにより、可動電極の位置が平衡状態に維持されるとともに静電容量変化に応じた信号が出力される。
自己診断モードは、上述したように、モード切替部250により選択されることで開始される。具体的には、自己診断モードでは、診断信号生成部231は、変位信号S8c及び変位信号S8dを加速度センサ201に出力する。検出信号S7も、加速度センサ201に印加される。これにより、可動電極の位置が変位するとともに静電容量変化に応じた信号が出力される。
可動電極のQ値が0.5よりも高い場合、この可動電極の位置は、直流電圧を印加すると、平衡状態から離れるように徐々に変位し(T1からT2)、ピーク(T2)に達した後、徐々に平衡状態に戻るように徐々に変位する(T2からT3)。
第1実施形態と同様に、出力信号評価部132は、自己診断モードの期間に出力される出力信号に基づいて、可動電極の平衡状態からの変位レベルD(n)を繰り返し測定する。また、出力信号評価部132は、測定した各変位レベルD(n)について、閾値Dthを下回ったか否かを判定する。変位レベルD(n)が閾値Dthを下回った場合、出力信号評価部132は、停止信号を診断信号生成部231に出力する。
図8は、第2実施形態に係る自己診断処理の一例を示すフローチャートである。図8は、自己診断モードが開始された場合を示している。図4と異なる点を中心に説明する。
まず、診断信号生成部231は、変位信号の出力を開始する(ステップS201)。次に、診断信号生成部231は、nを1インクリメントする(ステップS202)。次に、出力信号評価部132は、検出信号に応じて加速度センサ201から信号検出部102を介して出力された出力信号レベルD(n)を取得する(ステップS203)。ステップS203では、出力信号評価部132は、出力信号レベルD(n)を取得した時刻、すなわち経過時間t(n)を取得する。
ステップS104~S112の処理は、図4と同様である。なお、出力信号評価部132は、出力信号レベルD(n)が出力信号レベルD(n-1)を超えると判定した場合(ステップS104でno)、処理をステップS202に戻す。出力信号評価部132は、出力信号レベルD(n)が閾値Dth以上であると判定した場合(ステップS107でno)、処理をステップS202に戻す。出力信号評価部132は、出力信号レベルD(n)が閾値Dthより小さいと判定した場合(ステップS107でyes)、ステップS203で取得した出力信号レベルD(n)の経過時間t(n)を、周期時間tsに設定する。出力信号評価部132は、出力信号レベルD(n)が閾値Dthより小さいと判定した場合(ステップS107でyes)、停止信号を診断信号生成部231に出力する。このタイミングに限定されず、出力信号評価部132は、S107から本フローチャートの終了までの間に停止信号を出力すればよい。
以上、本発明の第2実施形態について説明した。第2実施形態に係る加速度センサシステムは、第1実施形態と同様の効果に加え、次の効果を得ることができる。加速度センサシステムは、自己診断モードの開始後、変位信号を連続的に可動電極に印加するとともに、可動電極の変位を連続的に測定する。これにより、ピーク値や周期時間などのセンサ特性の評価精度及び診断精度を向上することができる。第1実施形態の加速度センサシステムでは、自己診断モードにおいて、変位期間と検出期間が時分割され、可動電極の変位が間欠的に検出される。
[第3実施形態]
第1実施形態及び第2実施形態の加速度センサシステムは、共振周波数に係る特性(ピーク値及び周期時間)を使って自己診断を行う。第3実施形態は、共振周波数に係る特性としてQ値を測定して、これを用いて自己診断を行うことで、加速度センサの診断精度を向上する。第1実施形態及び第2実施形態と異なる点を中心に説明する。
第1実施形態及び第2実施形態の加速度センサシステムは、共振周波数に係る特性(ピーク値及び周期時間)を使って自己診断を行う。第3実施形態は、共振周波数に係る特性としてQ値を測定して、これを用いて自己診断を行うことで、加速度センサの診断精度を向上する。第1実施形態及び第2実施形態と異なる点を中心に説明する。
まず、Q値の導出方法について説明する。図9は、診断信号を印加した場合の可動電極の変位の一例を説明する図である。
可動電極変位x(t)は、例えば式(1)に従って変化する。f0は加速度センサの共振周波数を表し、Qは可動電極のQ値を表し、tは自己診断信号S8の印加の開始からの経過時間を表し、x0は比例定数を表す。t1(=0)では、可動電極変位xは0である。
t2では、可動電極変位xはピークに達する。このときのt2及び可動電極変位xは、それぞれ、例えば式(2)及び式(3)で表される。
さらに時間が経過すると、可動電極変位xは0に向かって戻り始める。t3では、可動電極変位xは、自己診断開始時の位置0に最も近づく。このときのt3及び可動電極変位xは、それぞれ、例えば式(4)及び式(5)で表される。
式(4)から分かるように、t3は,f0およびQに応じて変化する。ただし、t3は、Qが5以上のとき、ほぼ共振周波数f0の逆数に等しくなる。このような関係に基づいて、時間t3から共振周波数f0を導出することができる。また、式(5)から分かるように、t3における可動電極変位xは、Qに応じて変化する。このような関係に基づいて、t3における可動電極変位xからQ値を導出することができる。
図4又は図8を参照しながら、自己診断部130の処理を説明する。
出力信号評価部132は、ステップS107において、可動電極変位xが極小に達したか否かを判定する。例えば、出力信号評価部132は、出力信号レベルD(n)の微分値を算出し、微分値が0であるか否かを判定する。あるいは、出力信号評価部132は、前回の出力信号レベルD(n-1)の微分値が負の値であり且つ今回の出力信号レベルD(n)の微分値が正の値であるか否かを判定してもよい。出力信号評価部132は、出力信号レベルD(n)の微分値が0である、又は前回の微分値が負であり且つ今回の微分値が正であると判定した場合、処理をステップS108に進め、この場合以外は、処理をステップS100又はステップS202に戻す。
出力信号評価部132は、ステップS108において、極小に達したと判定した可動電極変位xの経過時間t(n)を、周期時間tsに設定する。tsは、上述の式(5)におけるt3に相当する。D(n)は、上述の式(5)における可動電極変位x(t3)に相当する。また、出力信号評価部132は、Q値を算出する。出力信号評価部132は、例えば、出力信号評価部132により算出されたt3における可動電極変位xを上述の式(5)に代入して、Qを算出する。
なお、出力信号評価部132は、可動電極変位xが極小に達したと判定した場合、停止信号を診断信号生成部に出力する。このタイミングに限定されず、出力信号評価部132は、S107から本フローチャートの終了までの間に停止信号を出力すればよい。
解析部133は、ステップS109及びS110に加えて、上述のように算出されたQ値が、正常範囲に含まれるか否かを判定する。解析部133は、Q値が正常範囲に含まれないと判定した場合、加速度センサが異常である(故障している)と判定する。解析部133は、例えば、診断結果S5として、センサが故障していることを示す情報を外部装置に出力する。診断結果S5は、Q値を含んでいてもよい。解析部133は、ピーク値、周期時間、及びQ値が全て対応する正常範囲に含まれる判定した場合、例えば、診断結果S5として、センサが正常であることを示す情報を外部装置に出力する。診断結果S5は、Q値を含んでいてもよい。解析部133は、診断結果S5を出力しなくてもよい。
以上、本発明の第3実施形態について説明した。第3実施形態に係る加速度センサシステムは、自己診断モードの開始後、可動電極の変位が極小に達した場合に、自己診断信号を停止する。これにより、第1実施形態及び第2実施形態のように出力信号レベルと所定値を比較する場合と比べて、可動電極が平衡状態又はその近辺に戻ったタイミングをより精度よく判定し、可動電極の振動の停止をより正確に制御し、かつ、自己診断の時間を短縮することができる。また、加速度センサシステムは、共振周波数に係る特性として、ピーク値及び周期時間に加えてQ値を測定して、これを用いて自己診断を行う。これにより、加速度センサの診断精度を向上することができる。
本発明は、上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
上述の各実施形態の加速度センサシステムは、可動電極の共振の1周期を測定し、その1周期のピーク値等の特性に基づいて診断を行う。もちろん、加速度センサシステムは、N周期(Nは1より大きい整数)における可動電極のピーク値等の特性を測定してもよい。この場合、自己診断時間は長くなるが、特性をより正確に測定することができる。
上述の第3実施形態の加速度センサシステムは、可動電極変位xが極小に達したか否かを判定する一方で、Q値を算出しなくてもよい。また、第3実施形態の加速度センサシステムは、ピーク値、周期時間、及びQ値のうち少なくとも1つを評価してもよい。第1実施形態及び第2実施形態の加速度センサシステムは、ピーク値、及び周期時間の少なくとも1つを評価してもよい。
上述の各実施形態の加速度センサシステムは、1つの加速度センサを含む。もちろん、加速度センサシステムは、複数の加速度センサを含んでもよい。この場合、加速度センサシステムは、複数の加速度センサについて自己診断を行えばよい。また、複数の加速度センサを複数のグループに分け、加速度センサシステムは、時分割により各グループに対して異なるタイミングで自己診断を実行してもよい。このようにすれば、システム全体を停止することなく加速度を計測することができる。
図4及び図8で示したフローチャートの処理単位は、自己診断処理を理解容易にするために、主な処理内容に応じて分割したものである。処理単位の分割の仕方や名称によって、本願発明が制限されることはない。自己診断処理は、処理内容に応じて、さらに多くの処理単位に分割することもできる。また、1つの処理単位がさらに多くの処理を含むように分割することもできる。さらに、本発明の目的及び効果を達成できるのであれば、上記のフローチャートの処理順序も、図示した例に限られるものではない。
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した各実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明が、必ずしも説明した全ての構成要素を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を、他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に、他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
上記した各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現されてもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリーや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
101…加速度センサ、102…信号検出部、110…サーボ制御部、120…検出信号生成部、130…自己診断部、131…診断信号生成部、132…出力信号評価部、133…解析部、140…出力部、141…加速度出力部、142…解析部、150…モード切替部、201…加速度センサ、220…検出信号生成部、231…診断信号生成部、250…モード切替部、1011a…固定電極、1011b…固定電極、1013…可動電極、2011a…固定電極、2011b…固定電極、2012a…固定電極、2012b…固定電極、2013…可動電極、S1…出力信号、S2…信号、S3…加速度情報、S4…解析情報、S5…診断結果、S6…サーボ信号、S6a…サーボ信号、S6b…サーボ信号、S7…検出信号、S7a…検出信号、S7b…検出信号、S8…自己診断信号、S8a…自己診断信号、S8b…自己診断信号、S8c…変位信号、S8d…変位信号、S8e…検出信号、S8f…検出信号
Claims (11)
- 加速度センサシステムであって、
可動電極の変位に応じて静電容量変化を表す出力信号を出力するセンサと、
前記センサを診断するための自己診断信号を前記センサに出力する自己診断部と、を有し、
前記自己診断部は、前記可動電極を変位させるための変位信号を含む前記自己診断信号を出力し、前記出力信号のレベルに応じて前記自己診断信号の出力を停止する
加速度センサシステム。 - 請求項1に記載の加速度センサシステムであって、
前記自己診断部は、前記出力信号のレベルを複数回測定し、前記レベルが所定の閾値に達したか否かを判定し、前記レベルが前記所定の閾値に達した場合に、前記自己診断信号の出力を停止する
加速度センサシステム。 - 請求項2に記載の加速度センサシステムであって、
前記自己診断部は、前記レベルがピーク値に達した後、前記レベルが前記所定の閾値に達した場合に、前記自己診断信号の出力を停止する
加速度センサシステム。 - 請求項2又は3に記載の加速度センサシステムであって、
前記所定の閾値は、前記レベルの極小値である
加速度センサシステム。 - 請求項1に記載の加速度センサシステムであって、
加速度の測定を行うための第1のモードと、
自己診断を行うための第2のモードと、
前記第1のモードと前記第2のモードとを相互に切り替えるモード切替部と、を有し、
前記モード切替部は、前記自己診断信号の出力が停止した場合に、前記第2モードを前記第1のモードに切り替える
加速度センサシステム。 - 請求項1に記載の加速度センサシステムであって、
前記出力信号を得るための検出信号を前記センサに出力する検出信号生成部と、
サーボ制御のためのサーボ信号を前記センサに出力するサーボ制御部と、
前記検出信号及び前記サーボ信号が出力される第1のモードと、
前記自己診断信号が出力される第2のモードと、を有し、
前記自己診断部は、前記第2のモードにおいて、
前記変位信号と前記検出信号とを交互に含む前記自己診断信号を出力し、
前記検出信号に応じて得られた前記出力信号のレベルに応じて、前記自己診断信号の出力を停止する
加速度センサシステム。 - 請求項1に記載の加速度センサシステムであって、
前記出力信号を得るための検出信号を前記センサに出力する検出信号生成部と、
サーボ制御のためのサーボ信号を前記センサに出力するサーボ信号生成部と、
前記検出信号及び前記サーボ信号が出力される第1のモードと、
前記検出信号及び前記自己診断信号が出力される第2のモードと、を有し、
前記自己診断部は、前記第2のモードにおいて、
前記検出信号に応じて得られた前記出力信号のレベルに応じて、前記自己診断信号の出力を停止する
加速度センサシステム。 - 請求項1に記載の加速度センサシステムであって、
前記自己診断部は、
前記出力信号のレベルを複数回測定し、前記レベルが所定の閾値に達したか否かを判定し、前記レベルが前記所定の閾値に達した場合に、前記自己診断信号の出力を停止し、
前記自己診断信号の出力の開始後、前記レベルが前記所定の閾値に達するまでの時間を測定し、前記測定した時間と所定の時間範囲とを比較することにより、前記センサが正常か否かを判定する
加速度センサシステム。 - 請求項1に記載の加速度センサシステムであって、
前記自己診断部は、
前記出力信号のレベルを複数回測定し、前記レベルが所定の閾値に達したか否かを判定し、前記レベルが前記所定の閾値に達した場合に、前記自己診断信号の出力を停止し、
前記自己診断信号の出力の開始後、前記レベルのピーク値を測定し、前記ピーク値と所定の値範囲とを比較することにより、前記センサが正常か否かを判定する
加速度センサシステム。 - 請求項1に記載の加速度センサシステムであって、
前記自己診断部は、
前記出力信号のレベルを複数回測定し、前記レベルが所定の閾値に達したか否かを判定し、前記レベルが前記所定の閾値に達した場合に、前記自己診断信号の出力を停止し、
前記自己診断信号の出力の開始後、前記レベルが前記所定の閾値に達するまでの時間を測定し、前記測定した時間に基づいて前記センサのQ値を算出し、前記Q値と所定の値範囲とを比較することにより、前記センサが正常か否かを判定する
加速度センサシステム。 - 可動電極の変位に応じて静電容量変化を表す出力信号を出力する加速度センサの自己診断方法であって、
前記加速度センサを診断するための自己診断信号を前記加速度センサに出力する自己診断工程を含み、
前記自己診断工程では、前記可動電極を変位させるための変位信号を含む前記自己診断信号が出力され、前記出力信号のレベルに応じて前記自己診断信号の出力が停止される
自己診断方法。
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