サーボ型静電容量式センサ装置
【課題】サーボ型静電容量式センサ装置において、構造体の振動を打ち消すサーボ力がゼロであるときを含めて、信号処理回路からセンサ素子へ供給されるサーボ信号が流通する信号線の断線有無を検出する。
【解決手段】信号処理回路１４は、サーボ信号生成回路３６により生成されるサーボ信号に、周波数が構造体の共振周波数に比べて十分に高い断検用信号を加算して得られる信号を、第２の信号線を介してサーボ電極に向けて供給する加算回路５２と、センサ素子２０からの変位信号から前記断検用信号の成分を抽出する断検用信号成分抽出回路５４と、断検用信号成分抽出手段により抽出される断検用信号の成分に基づいて、第２の信号線に断線が生じているか否かを判別する断線判定回路５６と、を有する。
【解決手段】信号処理回路１４は、サーボ信号生成回路３６により生成されるサーボ信号に、周波数が構造体の共振周波数に比べて十分に高い断検用信号を加算して得られる信号を、第２の信号線を介してサーボ電極に向けて供給する加算回路５２と、センサ素子２０からの変位信号から前記断検用信号の成分を抽出する断検用信号成分抽出回路５４と、断検用信号成分抽出手段により抽出される断検用信号の成分に基づいて、第２の信号線に断線が生じているか否かを判別する断線判定回路５６と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ装置に係り、特に、信号処理回路からセンサ素子へ向けてセンサ素子の有する構造体の振動を打ち消すためのサーボ信号を供給するために設けられる信号線の断線有無を判定するうえで好適なサーボ型静電容量式センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、センサ素子に、基板に対して振動可能な構造体をＸ軸方向に励振するための駆動電極と、構造体にＸ軸方向に直交するＹ軸方向に加わる振動を検出するための検出電極と、を設け、構造体のＹ軸方向への振動に基づいて、センサ素子にＸ軸及びＹ軸の双方に直交するＺ軸回りに作用する角速度を検出する静電容量式センサ装置が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００３】
また、特許文献１記載のセンサ装置は、センサ素子が更に構造体にＹ軸方向に加わる振動を打ち消すためのサーボ電極を有するサーボ型センサ装置である。かかるサーボ電極には、構造体のＹ軸方向への振動を打ち消すサーボ力が構造体に付与されるように信号処理回路からのサーボ信号が印加される。信号処理回路は、構造体のＹ軸方向への振動を打ち消すサーボ力の大きさをＺ軸回りの角速度として出力する。
【０００４】
また、特許文献２記載のセンサ装置において、センサ素子は、故障診断用信号が入力される診断用電極を有している。診断用電極に入力された故障診断用信号は、検出電極に伝わった後、信号線を介して信号処理回路に供給される。信号処理回路は、供給された故障診断用信号が基準電圧近傍にあるか否かに基づいて、検出電極から信号処理回路に向けて信号が流通する信号線の断線有無を判定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−００４１２７号公報
【特許文献２】特開２０００−１４６５９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記した特許文献１記載の如きサーボ型センサ装置では、信号処理回路とセンサ素子との間に、信号処理回路からセンサ素子へ向けてサーボ信号が流通する信号線が介在する。かかるサーボ信号は、構造体に振動を打ち消すサーボ力を付与する信号であるので、信号処理回路から信号線を介してセンサ素子に入力されるサーボ信号をセンサ素子側から見ると、構造体に付与すべきサーボ力がゼロである場合とサーボ信号が流通する信号線が断線している場合とを区別することは困難である。一方、上記した特許文献２記載の如きセンサ装置では、センサ素子から信号処理回路への信号しか断線を検出することができず、また、素子に設ける電極の数が増大する。
【０００７】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、構造体の振動を打ち消すサーボ力がゼロであるときを含めて、信号処理回路からセンサ素子へ供給されるサーボ信号が流通する信号線の断線有無を検出することが可能なサーボ型静電容量式センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的は、基板に対して振動可能な構造体と、前記構造体に前記基板に対して第１軸方向に加わる振動に応じた静電容量変化が生じる検出電極と、前記構造体の前記第１軸方向への振動を打ち消すサーボ力が前記構造体に付与されるように電圧印加されるサーボ電極と、を有し、前記検出電極の前記静電容量変化に応じた変位信号を出力するセンサ素子と、前記センサ素子からの前記変位信号から前記構造体の前記第１軸方向への振動成分を抽出する振動成分抽出回路と、前記振動成分抽出回路により抽出される前記振動成分に基づいて算出される前記サーボ力の大きさを物理量として出力する出力回路と、前記サーボ力を前記構造体に付与するうえで前記サーボ電極に供給すべきサーボ信号を生成するサーボ信号生成回路と、を有する信号処理回路と、前記センサ素子から前記信号処理回路へ向けて前記変位信号が流通する第１の信号線と、前記信号処理回路から前記センサ素子へ向けて前記サーボ信号が流通する第２の信号線と、を備え、前記信号処理回路は、更に、前記サーボ信号生成回路により生成される前記サーボ信号に、周波数が前記構造体の共振周波数に比べて十分に高い断検用信号を加算して得られる信号を、前記第２の信号線を介して前記サーボ電極に向けて供給する加算回路と、前記センサ素子からの前記変位信号から前記断検用信号の成分を抽出する断検用信号成分抽出回路と、前記断検用信号成分抽出手段により抽出される前記断検用信号の成分に基づいて、前記第２の信号線に断線が生じているか否かを判別する断線判定回路と、を有するサーボ型静電容量式センサ装置により達成される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、構造体の振動を打ち消すサーボ力がゼロであるときを含めて、信号処理回路からセンサ素子へ供給されるサーボ信号が流通する信号線の断線有無を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例であるサーボ型静電容量式センサ装置の回路構成図である。
【図２】本発明の一実施例であるサーボ型静電容量式センサ装置の備えるセンサ素子を模式的に表した図である。
【図３】本発明の一実施例であるサーボ型静電容量式センサ装置におけるサーボ信号の周波数ｆｄと断検用信号の周波数ｆｏｄとの関係を表した図である。
【図４】本発明の一実施例であるサーボ型静電容量式センサ装置において信号処理回路が有する断検用信号成分抽出回路及び断線判定回路の構成図である。
【図５】本発明の一実施例であるサーボ型静電容量式センサ装置における断検用信号と信号線の非断線時における出力波形との関係を表した図である。
【図６】本発明の一実施例であるサーボ型静電容量式センサ装置における、信号線の断線なし時及び断線あり時それぞれにおける角速度が発生していないとき及びその角速度が発生しているときそれぞれのチャージアンプ出力波形を表した図である。
【図７】本発明の変形例であるサーボ型静電容量式センサ装置において信号処理回路が有する断検用信号成分抽出回路の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を用いて、本発明に係るサーボ型静電容量式センサ装置の具体的な実施の形態について説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施例であるサーボ型静電容量式センサ装置１０の回路構成図を示す。また、図２は、本実施例のサーボ型静電容量式センサ装置１０の備えるセンサ素子を模式的に表した図を示す。
【００１３】
本実施例のサーボ型静電容量式センサ装置（以下、単にセンサ装置と称す）１０は、例えば車両などに搭載されるセンサ装置であって、Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ軸回りに生じる角速度を検出するための角速度検出装置に適用される。センサ装置１０は、シリコンなどの半導体基板上に形成されるセンサ素子１２と、信号処理を行う信号処理回路１４と、を備えている。
【００１４】
センサ素子１２は、所定質量を有する構造体２０と、構造体２０をＸ軸方向に励振駆動するための駆動電極２２−１，２２−２と、半導体基板上で構造体２０に生じるＹ軸方向の振動を検出するための検出電極２４−１，２４−２と、構造体２０のＹ軸方向への振動を抑制するためのサーボ電極２６−１，２６−２と、を有している。駆動電極２２−１，２２−２、検出電極２４−１，２４−２、及びサーボ電極２６−１，２６−２はそれぞれ、構造体２０に形成されて半導体基板に対して可動する可動電極と、半導体基板に対して固定される固定電極と、からなる。
【００１５】
信号処理回路１４は、駆動電極２２−１，２２−２に供給すべき駆動信号を生成する駆動信号生成回路（図示せず）を有している。この駆動信号生成回路により生成される駆動信号は、構造体２０をその構造体２０の共振周波数にほぼ等しい周波数ｆｄでＸ軸方向に一定振幅で励振駆動する駆動力をその構造体２０に付与すべく、駆動電極２２−１，２２−２の固定電極と可動電極との間に印加すべき駆動電圧であって、構造体２０の共振周波数にほぼ等しい駆動周波数ｆｄを有している。駆動電極２２−１，２２−２は、この駆動信号生成回路から駆動信号が供給されると、固定電極と可動電極との間で構造体２０をＸ軸方向に励振駆動する駆動力を発生させる。尚、駆動電極２２−１に供給される駆動信号と駆動電極２２−２に供給される駆動信号とは、互いに逆相であり、駆動電極２２−１と駆動電極２２−２とは、互いに逆相で駆動力を発生させる。
【００１６】
信号処理回路１４は、また、検出電極２４−１，２４−２から出力される信号を受信するチャージアンプ３０を有している。検出電極２４−１，２４−２は、構造体２０に半導体基板に対してＹ軸方向に加わる振動変位に応じて、固定電極と可動電極との間で静電容量変化が生じる。尚、検出電極２４−１での静電容量変化と検出電極２４−２での静電容量変化とは、互いに逆相である。この検出電極２４−１，２４−２の静電容量変化は、構造体２０のＹ軸方向への振動変位量がゼロである場合は略ゼロであって、構造体２０のＹ軸方向への振動変位量が大きいほど大きくなる。検出電極２４−１，２４−２は、その静電容量変化を検出変位信号としてチャージアンプ３０へ向けて出力する。
【００１７】
検出電極２４−１，２４−２（具体的には、その固定電極）には、構造体２０のＹ軸方向への振動変位を検出するための搬送波（一定電圧）が入力されている。検出電極２４−１，２４−２から出力される検出変位信号は、チャージアンプ３０に入力される。検出電極２４−１，２４−２の静電容量が変化すると、その検出電極２４−１，２４−２（具体的には、その固定電極）とチャージアンプ３０との間で電荷が移動する。チャージアンプ３０は、検出電極２４−１，２４−２からの検出変位信号としての電荷移動量を電圧に変換して出力する。チャージアンプ３０から出力される電圧信号は、構造体２０のＹ軸方向への振動成分に応じた振幅を有する周波数ｆｄの信号である。
【００１８】
チャージアンプ３０には、検波回路３２及びサーボアンプ３４が接続されている。検波回路３２は、チャージアンプ３０から出力される電圧信号を検波する。具体的には、そのチャージアンプ３０からの電圧信号から周波数ｆｄの信号成分（構造体２０のＹ軸方向への振動成分）を抽出し、Ｚ軸回りの角速度に応じた構造体２０のＹ軸方向への振動の大きさ（振幅）に比例する直流信号を生成する。サーボアンプ３４は、検波回路３２の検波した電圧信号を所定信号と比較し差電圧を積分して出力する。
【００１９】
サーボアンプ３４には、サーボ信号生成回路３６が接続されている。サーボ信号生成回路３６は、サーボアンプ３４から出力される構造体２０のＹ軸方向への振動の大きさ（振幅）に応じた直流サーボ制御信号に基づいて、構造体２０のＹ軸方向への振動を打ち消すサーボ力を構造体２０に付与するのに必要なサーボ電極２６−１，２６−２に供給すべきサーボ信号を生成する。サーボ信号生成回路３６により生成されるサーボ信号は、上記のサーボ力を構造体２０に付与すべくサーボ電極２６−１，２６−２の固定電極と可動電極との間に印加すべきサーボ電圧であって、駆動周波数ｆｄと等しい周波数ｆｄを有している。尚、サーボ電極２６−１に供給されるサーボ信号とサーボ電極２６−２に供給されるサーボ信号とは、互いに逆相であり、サーボ電極２６−１とサーボ電極２６−２とは、互いに逆相でサーボ力を発生させる。サーボアンプ３４から出力される上記の直流サーボ制御信号は、Ｚ軸回りの角速度を表すヨーレート信号であって、車両にＺ軸回りに生じる角速度として出力される。サーボアンプ３４は、構造体２０に付与するサーボ力の大きさを、検出されたＺ軸回りの角速度として信号出力する。
【００２０】
センサ素子１２と信号処理回路１４との間には、第１の信号線４０、第２の信号線４２、及び第３の信号線４４が接続されている。第１の信号線４０は、センサ素子１２の検出電極２４−１，２４−２から信号処理回路１４のチャージアンプ３０へ向けて、構造体２０のＹ軸方向への振動変位を表す検出変位信号を流通させるための信号線である。第２の信号線４２は、信号処理回路１４側からセンサ素子１２のサーボ電極２６−１，２６−２へ向けて、構造体２０にサーボ力を付与するうえでサーボ電極２６−１，２６−２に供給すべきサーボ信号を流通させるための信号線である。また、第３の信号線４４は、信号処理回路１４の電圧源４６からセンサ素子１２の検出電極２４−１，２４−２へ向けて、構造体２０のＹ軸方向への振動変位を検出するために必要なサーボ電極２６−１，２６−２に供給すべき一定電圧を流通させるための信号線である。サーボ電極２６−１，２６−２にはそれぞれ、互いに異なる電圧が付与される。
【００２１】
次に、本実施例のセンサ装置１０のセンサ動作について説明する。
【００２２】
上記したセンサ装置１０において、Ｘ軸及びＹ軸の双方に直交するＺ軸回りの角速度の検出が行われる場合、信号処理回路１４は、まず、センサ素子１２の駆動電極２２−１，２２−２を励振駆動させる。具体的には、信号処理回路１４の駆動信号生成回路が、構造体２０の共振周波数にほぼ等しい駆動周波数ｆｄを有する駆動信号を生成して、その駆動電極２２−１，２２−２に向けて供給する。かかる駆動信号が駆動電極２２−１，２２−２に供給されると、駆動電極２２−１，２２−２の固定電極と可動電極との間に構造体２０をＸ軸方向に励振駆動する駆動力が発生することで、構造体２０が周波数ｆｄでＸ軸方向に一定振幅で励振駆動される。
【００２３】
角速度検出が行われる場合、信号処理回路１４は、また、電圧源４６から第３の信号線４４を介して検出電極２４−１，２４−２へ向けて一定電圧を供給させる。かかる電圧が検出電極２４−１，２４−２に供給されている間、その検出電極２４−１，２４−２は、Ｚ軸回りの角速度が発生した際に静電容量変化に応じた検出変位信号を信号処理回路１４側へ向けて出力することが可能である。
【００２４】
構造体２０がＸ軸方向に励振駆動されている状態でＺ軸回りの角速度が発生していない場合は、構造体２０にコリオリ力が作用しない。この場合は、検出電極２４−１，２４−２がＹ軸方向に振動変位せず、検出電極２４−１，２４−２の固定電極と可動電極との間の静電容量変化が生じない。かかる静電容量変化が生じないと、検出電極２４−１，２４−２からチャージアンプ３０へ向けて電荷は移動せず、検出電極２４−１，２４−２から出力される検出変位信号は、振幅が略ゼロである信号となる。
【００２５】
一方、構造体２０がＸ軸方向に励振駆動されている状態でＺ軸回りの角速度が発生する場合は、構造体２０にコリオリ力が作用する。この場合は、かかるコリオリ力の作用により検出電極２４−１，２４−２がＹ軸方向に振動変位して、検出電極２４−１，２４−２の固定電極と可動電極との間の静電容量変化が生じる。かかる静電容量変化が生じると、検出電極２４−１，２４−２から第１の信号線４０を介してチャージアンプ３０へ向けて電荷が移動することで、検出電極２４−１，２４−２から出力される検出変位信号は、発生する角速度の大きさに応じた振幅を有する信号となる。
【００２６】
信号処理回路１４は、検出電極２４−１，２４−２から出力される検出変位信号としての電荷移動量をチャージアンプ３４にて電圧に変換し、その変換された電圧信号を検波回路３２にて周波数ｆｄで検波し、その検波された電圧信号をサーボアンプ３４にて積分して出力する。サーボアンプ３４から出力される直流サーボ制御信号は、サーボ信号生成回路３６に供給されると共に、Ｚ軸回りの角速度を表すヨーレート信号として外部へ出力される。
【００２７】
また、信号処理回路１４は、サーボ信号生成回路３６にて、サーボアンプ３４から出力される直流サーボ制御信号に基づいて、構造体２０のＹ軸方向への振動変位を打ち消すサーボ力を構造体２０に付与するのに必要なサーボ電極２６−１，２６−２に供給すべきサーボ信号を生成し、そのサーボ信号を第２の信号線４２を介してサーボ電極２６−１，２６−２へ供給する。かかるサーボ信号がサーボ電極２６−１，２６−２に供給されると、サーボ電極２６−１，２６−２の固定電極と可動電極との間に構造体２０のＹ軸方向への振動変位を打ち消すサーボ力が発生することで、構造体２０のＹ軸方向への振動変位が抑制される。
【００２８】
従って、センサ装置１０によれば、Ｚ軸回りの角速度が発生していないときは、構造体２０のＹ軸方向への振動変位を打ち消すサーボ力の大きさをゼロと算出し、Ｚ軸回りの角速度がゼロであることを表すヨーレート信号を出力することができる。一方、Ｚ軸回りの角速度が発生しているときは、構造体２０に実際に生じているＹ軸方向への振動変位を打ち消すサーボ力の大きさを算出し、Ｚ軸回りの角速度の大きさを表すヨーレート信号を出力することができる。
【００２９】
次に、本実施例のセンサ装置１０において、センサ素子１２と信号処理回路１４との間に介在するサーボ信号が流通する第２の信号線４２の断線有無を判定する手法について説明する。図３は、本実施例のセンサ装置１０におけるサーボ信号の周波数ｆｄと後述の断検用信号の周波数ｆｏｄとの関係を表した図を示す。
【００３０】
本実施例のセンサ装置１０において、信号処理回路１４は、第２の信号線４２の断線有無を判定するうえで必要なハイとローとが繰り返される矩形波状の信号（以下、断検用信号と称す）を生成する断線検出用信号生成回路５０を有している。この断線検出用信号生成回路５０により生成される断検用信号は、第２の信号線４２の断線有無の判定を実現すべくサーボ電極２６−１，２６−２の固定電極と可動電極との間に印加すべき電圧であって、サーボ信号生成回路３６により生成されるサーボ信号の周波数ｆｄ（すなわち、構造体２０の共振周波数）よりも十分に高い周波数ｆｏｄを有している。
【００３１】
信号処理回路１４は、また、加算回路５２を有している。加算回路５２には、サーボ信号生成回路３６の出力が接続されていると共に、断線検出用信号生成回路５０の出力が接続されている。加算回路５２は、サーボ信号生成回路３６から出力されるサーボ信号と、断線検出用信号生成回路５０から出力される断検用信号と、を加算する処理を行う。加算回路５２により加算されて得られる信号は、サーボ信号に断検用信号が重畳された信号である。加算回路５２の出力は、第２の信号線４２を介してセンサ素子１２のサーボ電極２６−１，２６−２に供給される。
【００３２】
尚、サーボ電極２６−１に供給される加算回路５２の出力とサーボ電極２６−２に供給される加算回路５２の出力とはそれぞれ、サーボ電極２６−１側で断検用信号により発生する電荷とサーボ電極２６−２側で断検用信号により発生する電荷とが相殺されない極性で、断線検出用信号生成回路５０により生成される断検用信号が加算されたものである。
【００３３】
第２の信号線４２が断線していない場合は、加算回路５２から出力される断検用信号の重畳されたサーボ信号は、サーボ電極２６−１，２６−２に到達する。かかるサーボ信号がサーボ電極２６−１，２６−２に到達すると、サーボ電極２６−１，２６−２の固定電極と可動電極との間に、断検用信号の成分による電荷の移動が発生する。このため、第２の信号線４２が断線していない場合は、構造体２０のＹ軸方向への振動変位を打ち消すサーボ信号が、断検用信号の成分が重畳された状態で構造体２０に付与される。
【００３４】
断検用信号の成分が重畳されたサーボ信号が構造体２０に付与されると、検出電極２４−１，２４−２の固定電極と可動電極との間に、断検用信号の成分に応じた電荷移動が生じる。かかる電荷移動が生じると、検出電極２４−１，２４−２から第１の信号線４０を介してチャージアンプ３０へ向けて生じた電荷が移動し、チャージアンプ３４から出力される電圧信号に、断検用信号の成分が含まれることとなる。
【００３５】
一方、第２の信号線４２が断線している場合は、加算回路５２から出力されるサーボ信号及び断検用信号がサーボ電極２６−１，２６−２に到達しないため、サーボ電極２６−１，２６−２の固定電極と可動電極との間に、断検用信号の成分が重畳された信号が構造体２０に印加されない。この場合は、検出電極２４−１，２４−２の固定電極と可動電極との間に、断検用信号の成分に応じた電荷移動が生じないので、チャージアンプ３４から出力される電圧信号に、断検用信号の成分が含まれないこととなる。
【００３６】
信号処理回路１４は、また、サーボアンプ３４に接続される断検用信号成分抽出回路５４と、その断検用信号成分抽出回路５４に接続される断線判定回路５６と、を有している。断検用信号成分抽出回路５４は、チャージアンプ３０から出力される電圧信号から、断検用信号の有する周波数ｆｏｄの信号成分を抽出する。また、断線判定回路５６は、断検用信号成分抽出回路５４から抽出される信号成分に基づいて、第２の信号線４２に断線が生じているか否かを判別する。
【００３７】
図４は、本実施例のセンサ装置１０において信号処理回路１４が有する断検用信号成分抽出回路５４及び断線判定回路５６の構成図を示す。図５は、本実施例のセンサ装置１０における断検用信号と第２の信号線４２の非断線時における出力波形との関係を表した図を示す。また、図６は、第２の信号線４２の断線なし時及び断線あり時それぞれにおけるＺ軸回りの角速度が発生していないとき及びその角速度が発生しているときそれぞれのチャージアンプ出力波形を表した図を示す。
【００３８】
断検用信号成分抽出回路５４は、チャージアンプ３０の出力が入力される２つのサンプルホールド回路５８，６０と、それらの２つのサンプルホールド回路５８，６０の出力がそれぞれ入力される差分検出回路６２と、により構成されている。
【００３９】
サンプルホールド回路５８は、断線検出用信号生成回路５０が生成する周波数ｆｏｄの断検用信号がハイであるタイミングでチャージアンプ３０からの電圧信号をサンプリングし、そのサンプリングした信号を断検用信号がローであるタイミングでホールドする回路である（図４におけるＡ点での出力）。一方、サンプルホールド回路６０は、断線検出用信号生成回路５０が生成する周波数ｆｏｄの断検用信号がローであるタイミングでチャージアンプ３０からの電圧信号をサンプリングし、そのサンプリングした信号を断検用信号がハイであるタイミングでホールドする回路である（図４におけるＢ点での出力）。
【００４０】
差分検出回路６２は、サンプルホールド回路５８の出力レベル（すなわち、断検用信号のハイ時におけるサンプリング信号の電圧レベル；Ａ出力）とサンプルホールド回路６０の出力レベル（すなわち、断検用信号のロー時におけるサンプリング信号の電圧レベル；Ｂ出力）とのレベル差に応じた信号（電圧レベル差）を断検用信号成分として出力する回路である。差分検出回路６２の出力としての断検用信号成分は、第２の信号線４２に断線が生じていない場合は、断線検出用信号生成回路５０の生成する断検用信号のハイとローとのレベル差に応じた振幅を有する一方、第２の信号線４２に断線が生じている場合は、断線検出用信号生成回路５０の生成する断検用信号のハイとローとのレベル差に応じた振幅を有さない。
【００４１】
断線判定回路５６は、コンパレータにより構成されている。断線判定回路５６には、上記の差分検出回路６２の出力が入力される。断線判定回路５６は、差分検出回路６２からの出力である断検用信号成分を基準電圧Ｖ０と比較する回路である。尚、この基準電圧Ｖ０は、検出電極２４−１，２４−２からの電圧信号に、サーボ信号に重畳されるハイとローとが繰り返される周波数ｆｏｄの断検用信号の信号成分が含まれている場合に、その電圧信号における断検用信号のハイとローとのレベル差として通常現れ得る最低限の電圧レベルに設定されている。
【００４２】
断線判定回路５６は、差分検出回路６２からの断検用信号成分による電圧レベル差が基準電圧Ｖ０未満であるか否かを判別する。断線判定回路５６は、その電圧レベル差が基準電圧Ｖ０以上であると判別する場合は、センサ素子１２からの検出変位信号に周波数ｆｏｄの断検用信号に基づいてハイとローとが繰り返される信号成分が含まれていると判断できるので、第２の信号線４２に断線は生じていないと判定し、出力するサーボ断線信号をオフとする。一方、上記の電圧レベル差が基準電圧Ｖ０未満であると判別する場合は、センサ素子１２からの検出変位信号に周波数ｆｏｄの断検用信号に基づくハイとローとが繰り返される信号成分が含まれていないと判断できるので、第２の信号線４２に断線が生じていると判定し、出力するサーボ断線信号をオンとする。
【００４３】
このように、本実施例のセンサ装置１０においては、信号処理回路１４から第２の信号線４２を介してセンサ素子１２へ供給されるサーボ信号に、構造体２０の共振周波数よりも十分に高い周波数ｆｏｄを有する断検用信号を加算すると共に、センサ素子１２から第１の信号線４０を介して信号処理回路１４へ供給された検出変位信号に、上記の断検用信号によるハイとローとが周波数ｆｏｄで繰り返される信号成分が含まれているか否かを判別することにより、サーボ信号が流通する第２の信号線４２に断線が生じているか否かを判別することができる。従って、本実施例のセンサ装置１０によれば、信号処理回路１４からセンサ素子１２へ向けてサーボ信号が流通する第２の信号線４２の断線有無を判定することが可能である。
【００４４】
また、本実施例のセンサ装置１０においては、図６に示す如く、Ｚ軸回りの角速度が発生しているか否かに関係なく、第２の信号線４２に断線が生じていないときは、センサ素子１２から第１の信号線４０を介して信号処理回路１４へ供給された検出変位信号に、上記の断検用信号によるハイとローとが周波数ｆｏｄで繰り返される信号成分が含まれるので、その信号成分を抽出することで第２の信号線４２に断線が生じていないと判定することができ、一方、第２の信号線４２に断線が生じているときは、センサ素子１２から第１の信号線４０を介して信号処理回路１４へ供給された検出変位信号に、上記の断検用信号によるハイとローとが周波数ｆｏｄで繰り返される信号成分が含まれないので、その信号成分を抽出することで第２の信号線４２に断線が生じていると判定することができる。
【００４５】
すなわち、Ｚ軸回りの角速度が発生していない場合は、センサ素子１２の検出電極２４−１，２４−２から出力される検出変位信号における周波数ｆｄの信号成分の振幅はゼロとなるが、この場合であっても、第２の信号線４２に断線が生じていないときは、上記の検出変位信号に周波数ｆｏｄの信号成分が含まれる一方、第２の信号線４２に断線が生じているときは、上記の検出変位信号に周波数ｆｏｄの信号成分が含まれないこととなる。一方、Ｚ軸回りの角速度が発生している場合は、検出電極２４−１，２４−２からの検出変位信号に周波数ｆｄの信号成分の角速度に応じた振幅が現れると共に、第２の信号線４２に断線が生じていないときは、上記の検出変位信号に周波数ｆｏｄの信号成分が含まれる一方、第２の信号線４２に断線が生じているときは、上記の検出変位信号に周波数ｆｏｄの信号成分が含まれないこととなる。
【００４６】
従って、本実施例のセンサ装置１０によれば、構造体２０のサーボ動作を含む通常のセンサ動作を維持しつつ、構造体の振動を打ち消すサーボ力がゼロであるときすなわちＺ軸回りの角速度が発生していないときを含めて常時、信号処理回路１４からセンサ素子１２へ供給されるサーボ信号が流通する第２の信号線４２の断線有無を判定することが可能である。このため、本実施例によれば、第２の信号線４２に断線が発生した際に速やかに、信号処理回路１４から出力するサーボ断線信号をオンとすることが可能であるので、第２の信号線４２に断線が生じた際にその断線に速やかに対応した措置（例えば、第２の信号線４２の交換や故障ランプの点灯など）を行うことが可能である。
【００４７】
尚、サーボ信号に加算される断検用信号は、そのサーボ信号の周波数ｆｄすなわち構造体２０の共振周波数よりも十分に高い周波数ｆｏｄを有している。このため、断検用信号が、サーボ電極２６−１，２６−２を通じて、構造体２０のＹ軸方向への振動変位を打ち消すサーボ力に大きな影響を与えることは回避され、断検用信号の成分に基づいて構造体２０がＹ軸方向へ振動することは抑制される。従って、本実施例のセンサ装置１０によれば、サーボ信号が流通する第２の信号線４２の断線有無の判定を、サーボ信号に重畳される断検用信号によってセンサ素子１２（具体的には、検出電極２４−１，２４−２）からの検出変位信号に大きな影響を生じさせることなく実現することが可能である。
【００４８】
また、本実施例においては、断検用信号の周波数ｆｏｄが、駆動電極２２−１，２２−２への電圧印加により構造体２０が半導体基板に対してＸ軸方向に励振される駆動周波数ｆｄと同期されていること、具体的には、周波数ｆｏｄが駆動周波数ｆｄの整数倍に設定されていることが望ましい（ｆｏｄ＝ｎ・ｆｄ；但し、ｎは“２”以上の整数）。かかる同期がとられていれば、センサ素子１２の検出電極２４−１，２４−２から出力されて信号処理回路１４に入力した検出変位信号に対して周波数ｆｄによる検波を行ううえで、断検用信号の成分による影響を一定に保つことが可能である。このような一定に保たれる影響は、トリミングなどの手法で排除されることが可能である。従って、かかる構成によれば、信号処理回路１４での周波数ｆｄによる検波に際し断検用信号成分による影響を排除することができるので、サーボ信号の生成やＺ軸回りの角速度検出を精度よく行うことが可能である。
【００４９】
ところで、上記の実施例においては、Ｙ軸が特許請求の範囲に記載した「第１軸」に、検波回路３２が特許請求の範囲に記載した「振動成分抽出回路」に、サーボアンプ３４が特許請求の範囲に記載した「出力回路」に、Ｘ軸が特許請求の範囲に記載した「第２軸」に、Ｚ軸が特許請求の範囲に記載した「第３軸」に、それぞれ相当している。
【００５０】
尚、上記の実施例においては、断検用信号成分抽出回路５４を、図４に示す如く、チャージアンプ３０からの電圧信号を断検用信号のレベルがハイとなるタイミングでサンプリングしてホールドするサンプルホールド回路５８と、チャージアンプ３０からの電圧信号を断検用信号のレベルがローとなるタイミングでサンプリングしてホールドするサンプルホールド回路６０と、両レベル差を断検用信号成分として出力する差分検出回路６２と、からなるものとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、チャージアンプ３０からの電圧信号を周波数ｆｏｄで検波することで、断検用信号成分を抽出して出力することとしてもよい。また、このようにチャージアンプ４０からの電圧信号から断検用信号成分を抽出するのに周波数ｆｏｄによる検波を用いた変形例は、信号処理回路１４における回路構成が図７に示す如き全差動型である場合に適している。これは、全差動型であれば反転信号が生成されていることで周波数ｆｏｄによる検波を行い易いためである。
【００５１】
また、上記の実施例においては、センサ素子１２が構造体２０を唯一つ備えることとしているが、２つ或いは２つ以上の構造体２０をセンサ素子１２が備えるものとしてもよい。尚、この変形例では、センサ素子１２に４つ以上のサーボ電極２６を設けることとすればよく、各サーボ電極２６それぞれへの各サーボ信号に断検用信号を加算することとすればよい。
【００５２】
更に、上記の実施例においては、センサ装置１０が検出する物理量として、構造体２０のＸ軸方向への励振駆動中にコリオリ力の作用によりＺ軸回りに生じる角速度を用いることとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、少なくとも、サーボ信号が流通する信号線を介して信号処理回路からセンサ素子へサーボ信号が供給されることで、構造体のＹ軸方向への振動変位を打ち消すサーボ力が発生するものであればよく、例えば加減速度が検出される加速度センサに適用することとしてもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１０ サーボ型静電容量式センサ装置
１２ センサ素子
１４ 信号処理回路
２０ 構造体
２２−１，２２−２ 駆動電極
２４−１，２４−２ 検出電極
２６−１，２６−２ サーボ電極
３０ チャージアンプ
３２ 検波回路
３４ サーボアンプ
３６ サーボ信号生成回路
４０ 第１の信号線
４２ 第２の信号線
５０ 断線検出用信号生成回路
５２ 加算回路
５４ 断検用信号成分抽出回路
５６ 断線判定回路
５８，６０ サンプルホールド回路
６２ 差分検出回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ装置に係り、特に、信号処理回路からセンサ素子へ向けてセンサ素子の有する構造体の振動を打ち消すためのサーボ信号を供給するために設けられる信号線の断線有無を判定するうえで好適なサーボ型静電容量式センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、センサ素子に、基板に対して振動可能な構造体をＸ軸方向に励振するための駆動電極と、構造体にＸ軸方向に直交するＹ軸方向に加わる振動を検出するための検出電極と、を設け、構造体のＹ軸方向への振動に基づいて、センサ素子にＸ軸及びＹ軸の双方に直交するＺ軸回りに作用する角速度を検出する静電容量式センサ装置が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００３】
また、特許文献１記載のセンサ装置は、センサ素子が更に構造体にＹ軸方向に加わる振動を打ち消すためのサーボ電極を有するサーボ型センサ装置である。かかるサーボ電極には、構造体のＹ軸方向への振動を打ち消すサーボ力が構造体に付与されるように信号処理回路からのサーボ信号が印加される。信号処理回路は、構造体のＹ軸方向への振動を打ち消すサーボ力の大きさをＺ軸回りの角速度として出力する。
【０００４】
また、特許文献２記載のセンサ装置において、センサ素子は、故障診断用信号が入力される診断用電極を有している。診断用電極に入力された故障診断用信号は、検出電極に伝わった後、信号線を介して信号処理回路に供給される。信号処理回路は、供給された故障診断用信号が基準電圧近傍にあるか否かに基づいて、検出電極から信号処理回路に向けて信号が流通する信号線の断線有無を判定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−００４１２７号公報
【特許文献２】特開２０００−１４６５９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記した特許文献１記載の如きサーボ型センサ装置では、信号処理回路とセンサ素子との間に、信号処理回路からセンサ素子へ向けてサーボ信号が流通する信号線が介在する。かかるサーボ信号は、構造体に振動を打ち消すサーボ力を付与する信号であるので、信号処理回路から信号線を介してセンサ素子に入力されるサーボ信号をセンサ素子側から見ると、構造体に付与すべきサーボ力がゼロである場合とサーボ信号が流通する信号線が断線している場合とを区別することは困難である。一方、上記した特許文献２記載の如きセンサ装置では、センサ素子から信号処理回路への信号しか断線を検出することができず、また、素子に設ける電極の数が増大する。
【０００７】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、構造体の振動を打ち消すサーボ力がゼロであるときを含めて、信号処理回路からセンサ素子へ供給されるサーボ信号が流通する信号線の断線有無を検出することが可能なサーボ型静電容量式センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的は、基板に対して振動可能な構造体と、前記構造体に前記基板に対して第１軸方向に加わる振動に応じた静電容量変化が生じる検出電極と、前記構造体の前記第１軸方向への振動を打ち消すサーボ力が前記構造体に付与されるように電圧印加されるサーボ電極と、を有し、前記検出電極の前記静電容量変化に応じた変位信号を出力するセンサ素子と、前記センサ素子からの前記変位信号から前記構造体の前記第１軸方向への振動成分を抽出する振動成分抽出回路と、前記振動成分抽出回路により抽出される前記振動成分に基づいて算出される前記サーボ力の大きさを物理量として出力する出力回路と、前記サーボ力を前記構造体に付与するうえで前記サーボ電極に供給すべきサーボ信号を生成するサーボ信号生成回路と、を有する信号処理回路と、前記センサ素子から前記信号処理回路へ向けて前記変位信号が流通する第１の信号線と、前記信号処理回路から前記センサ素子へ向けて前記サーボ信号が流通する第２の信号線と、を備え、前記信号処理回路は、更に、前記サーボ信号生成回路により生成される前記サーボ信号に、周波数が前記構造体の共振周波数に比べて十分に高い断検用信号を加算して得られる信号を、前記第２の信号線を介して前記サーボ電極に向けて供給する加算回路と、前記センサ素子からの前記変位信号から前記断検用信号の成分を抽出する断検用信号成分抽出回路と、前記断検用信号成分抽出手段により抽出される前記断検用信号の成分に基づいて、前記第２の信号線に断線が生じているか否かを判別する断線判定回路と、を有するサーボ型静電容量式センサ装置により達成される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、構造体の振動を打ち消すサーボ力がゼロであるときを含めて、信号処理回路からセンサ素子へ供給されるサーボ信号が流通する信号線の断線有無を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例であるサーボ型静電容量式センサ装置の回路構成図である。
【図２】本発明の一実施例であるサーボ型静電容量式センサ装置の備えるセンサ素子を模式的に表した図である。
【図３】本発明の一実施例であるサーボ型静電容量式センサ装置におけるサーボ信号の周波数ｆｄと断検用信号の周波数ｆｏｄとの関係を表した図である。
【図４】本発明の一実施例であるサーボ型静電容量式センサ装置において信号処理回路が有する断検用信号成分抽出回路及び断線判定回路の構成図である。
【図５】本発明の一実施例であるサーボ型静電容量式センサ装置における断検用信号と信号線の非断線時における出力波形との関係を表した図である。
【図６】本発明の一実施例であるサーボ型静電容量式センサ装置における、信号線の断線なし時及び断線あり時それぞれにおける角速度が発生していないとき及びその角速度が発生しているときそれぞれのチャージアンプ出力波形を表した図である。
【図７】本発明の変形例であるサーボ型静電容量式センサ装置において信号処理回路が有する断検用信号成分抽出回路の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を用いて、本発明に係るサーボ型静電容量式センサ装置の具体的な実施の形態について説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施例であるサーボ型静電容量式センサ装置１０の回路構成図を示す。また、図２は、本実施例のサーボ型静電容量式センサ装置１０の備えるセンサ素子を模式的に表した図を示す。
【００１３】
本実施例のサーボ型静電容量式センサ装置（以下、単にセンサ装置と称す）１０は、例えば車両などに搭載されるセンサ装置であって、Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ軸回りに生じる角速度を検出するための角速度検出装置に適用される。センサ装置１０は、シリコンなどの半導体基板上に形成されるセンサ素子１２と、信号処理を行う信号処理回路１４と、を備えている。
【００１４】
センサ素子１２は、所定質量を有する構造体２０と、構造体２０をＸ軸方向に励振駆動するための駆動電極２２−１，２２−２と、半導体基板上で構造体２０に生じるＹ軸方向の振動を検出するための検出電極２４−１，２４−２と、構造体２０のＹ軸方向への振動を抑制するためのサーボ電極２６−１，２６−２と、を有している。駆動電極２２−１，２２−２、検出電極２４−１，２４−２、及びサーボ電極２６−１，２６−２はそれぞれ、構造体２０に形成されて半導体基板に対して可動する可動電極と、半導体基板に対して固定される固定電極と、からなる。
【００１５】
信号処理回路１４は、駆動電極２２−１，２２−２に供給すべき駆動信号を生成する駆動信号生成回路（図示せず）を有している。この駆動信号生成回路により生成される駆動信号は、構造体２０をその構造体２０の共振周波数にほぼ等しい周波数ｆｄでＸ軸方向に一定振幅で励振駆動する駆動力をその構造体２０に付与すべく、駆動電極２２−１，２２−２の固定電極と可動電極との間に印加すべき駆動電圧であって、構造体２０の共振周波数にほぼ等しい駆動周波数ｆｄを有している。駆動電極２２−１，２２−２は、この駆動信号生成回路から駆動信号が供給されると、固定電極と可動電極との間で構造体２０をＸ軸方向に励振駆動する駆動力を発生させる。尚、駆動電極２２−１に供給される駆動信号と駆動電極２２−２に供給される駆動信号とは、互いに逆相であり、駆動電極２２−１と駆動電極２２−２とは、互いに逆相で駆動力を発生させる。
【００１６】
信号処理回路１４は、また、検出電極２４−１，２４−２から出力される信号を受信するチャージアンプ３０を有している。検出電極２４−１，２４−２は、構造体２０に半導体基板に対してＹ軸方向に加わる振動変位に応じて、固定電極と可動電極との間で静電容量変化が生じる。尚、検出電極２４−１での静電容量変化と検出電極２４−２での静電容量変化とは、互いに逆相である。この検出電極２４−１，２４−２の静電容量変化は、構造体２０のＹ軸方向への振動変位量がゼロである場合は略ゼロであって、構造体２０のＹ軸方向への振動変位量が大きいほど大きくなる。検出電極２４−１，２４−２は、その静電容量変化を検出変位信号としてチャージアンプ３０へ向けて出力する。
【００１７】
検出電極２４−１，２４−２（具体的には、その固定電極）には、構造体２０のＹ軸方向への振動変位を検出するための搬送波（一定電圧）が入力されている。検出電極２４−１，２４−２から出力される検出変位信号は、チャージアンプ３０に入力される。検出電極２４−１，２４−２の静電容量が変化すると、その検出電極２４−１，２４−２（具体的には、その固定電極）とチャージアンプ３０との間で電荷が移動する。チャージアンプ３０は、検出電極２４−１，２４−２からの検出変位信号としての電荷移動量を電圧に変換して出力する。チャージアンプ３０から出力される電圧信号は、構造体２０のＹ軸方向への振動成分に応じた振幅を有する周波数ｆｄの信号である。
【００１８】
チャージアンプ３０には、検波回路３２及びサーボアンプ３４が接続されている。検波回路３２は、チャージアンプ３０から出力される電圧信号を検波する。具体的には、そのチャージアンプ３０からの電圧信号から周波数ｆｄの信号成分（構造体２０のＹ軸方向への振動成分）を抽出し、Ｚ軸回りの角速度に応じた構造体２０のＹ軸方向への振動の大きさ（振幅）に比例する直流信号を生成する。サーボアンプ３４は、検波回路３２の検波した電圧信号を所定信号と比較し差電圧を積分して出力する。
【００１９】
サーボアンプ３４には、サーボ信号生成回路３６が接続されている。サーボ信号生成回路３６は、サーボアンプ３４から出力される構造体２０のＹ軸方向への振動の大きさ（振幅）に応じた直流サーボ制御信号に基づいて、構造体２０のＹ軸方向への振動を打ち消すサーボ力を構造体２０に付与するのに必要なサーボ電極２６−１，２６−２に供給すべきサーボ信号を生成する。サーボ信号生成回路３６により生成されるサーボ信号は、上記のサーボ力を構造体２０に付与すべくサーボ電極２６−１，２６−２の固定電極と可動電極との間に印加すべきサーボ電圧であって、駆動周波数ｆｄと等しい周波数ｆｄを有している。尚、サーボ電極２６−１に供給されるサーボ信号とサーボ電極２６−２に供給されるサーボ信号とは、互いに逆相であり、サーボ電極２６−１とサーボ電極２６−２とは、互いに逆相でサーボ力を発生させる。サーボアンプ３４から出力される上記の直流サーボ制御信号は、Ｚ軸回りの角速度を表すヨーレート信号であって、車両にＺ軸回りに生じる角速度として出力される。サーボアンプ３４は、構造体２０に付与するサーボ力の大きさを、検出されたＺ軸回りの角速度として信号出力する。
【００２０】
センサ素子１２と信号処理回路１４との間には、第１の信号線４０、第２の信号線４２、及び第３の信号線４４が接続されている。第１の信号線４０は、センサ素子１２の検出電極２４−１，２４−２から信号処理回路１４のチャージアンプ３０へ向けて、構造体２０のＹ軸方向への振動変位を表す検出変位信号を流通させるための信号線である。第２の信号線４２は、信号処理回路１４側からセンサ素子１２のサーボ電極２６−１，２６−２へ向けて、構造体２０にサーボ力を付与するうえでサーボ電極２６−１，２６−２に供給すべきサーボ信号を流通させるための信号線である。また、第３の信号線４４は、信号処理回路１４の電圧源４６からセンサ素子１２の検出電極２４−１，２４−２へ向けて、構造体２０のＹ軸方向への振動変位を検出するために必要なサーボ電極２６−１，２６−２に供給すべき一定電圧を流通させるための信号線である。サーボ電極２６−１，２６−２にはそれぞれ、互いに異なる電圧が付与される。
【００２１】
次に、本実施例のセンサ装置１０のセンサ動作について説明する。
【００２２】
上記したセンサ装置１０において、Ｘ軸及びＹ軸の双方に直交するＺ軸回りの角速度の検出が行われる場合、信号処理回路１４は、まず、センサ素子１２の駆動電極２２−１，２２−２を励振駆動させる。具体的には、信号処理回路１４の駆動信号生成回路が、構造体２０の共振周波数にほぼ等しい駆動周波数ｆｄを有する駆動信号を生成して、その駆動電極２２−１，２２−２に向けて供給する。かかる駆動信号が駆動電極２２−１，２２−２に供給されると、駆動電極２２−１，２２−２の固定電極と可動電極との間に構造体２０をＸ軸方向に励振駆動する駆動力が発生することで、構造体２０が周波数ｆｄでＸ軸方向に一定振幅で励振駆動される。
【００２３】
角速度検出が行われる場合、信号処理回路１４は、また、電圧源４６から第３の信号線４４を介して検出電極２４−１，２４−２へ向けて一定電圧を供給させる。かかる電圧が検出電極２４−１，２４−２に供給されている間、その検出電極２４−１，２４−２は、Ｚ軸回りの角速度が発生した際に静電容量変化に応じた検出変位信号を信号処理回路１４側へ向けて出力することが可能である。
【００２４】
構造体２０がＸ軸方向に励振駆動されている状態でＺ軸回りの角速度が発生していない場合は、構造体２０にコリオリ力が作用しない。この場合は、検出電極２４−１，２４−２がＹ軸方向に振動変位せず、検出電極２４−１，２４−２の固定電極と可動電極との間の静電容量変化が生じない。かかる静電容量変化が生じないと、検出電極２４−１，２４−２からチャージアンプ３０へ向けて電荷は移動せず、検出電極２４−１，２４−２から出力される検出変位信号は、振幅が略ゼロである信号となる。
【００２５】
一方、構造体２０がＸ軸方向に励振駆動されている状態でＺ軸回りの角速度が発生する場合は、構造体２０にコリオリ力が作用する。この場合は、かかるコリオリ力の作用により検出電極２４−１，２４−２がＹ軸方向に振動変位して、検出電極２４−１，２４−２の固定電極と可動電極との間の静電容量変化が生じる。かかる静電容量変化が生じると、検出電極２４−１，２４−２から第１の信号線４０を介してチャージアンプ３０へ向けて電荷が移動することで、検出電極２４−１，２４−２から出力される検出変位信号は、発生する角速度の大きさに応じた振幅を有する信号となる。
【００２６】
信号処理回路１４は、検出電極２４−１，２４−２から出力される検出変位信号としての電荷移動量をチャージアンプ３４にて電圧に変換し、その変換された電圧信号を検波回路３２にて周波数ｆｄで検波し、その検波された電圧信号をサーボアンプ３４にて積分して出力する。サーボアンプ３４から出力される直流サーボ制御信号は、サーボ信号生成回路３６に供給されると共に、Ｚ軸回りの角速度を表すヨーレート信号として外部へ出力される。
【００２７】
また、信号処理回路１４は、サーボ信号生成回路３６にて、サーボアンプ３４から出力される直流サーボ制御信号に基づいて、構造体２０のＹ軸方向への振動変位を打ち消すサーボ力を構造体２０に付与するのに必要なサーボ電極２６−１，２６−２に供給すべきサーボ信号を生成し、そのサーボ信号を第２の信号線４２を介してサーボ電極２６−１，２６−２へ供給する。かかるサーボ信号がサーボ電極２６−１，２６−２に供給されると、サーボ電極２６−１，２６−２の固定電極と可動電極との間に構造体２０のＹ軸方向への振動変位を打ち消すサーボ力が発生することで、構造体２０のＹ軸方向への振動変位が抑制される。
【００２８】
従って、センサ装置１０によれば、Ｚ軸回りの角速度が発生していないときは、構造体２０のＹ軸方向への振動変位を打ち消すサーボ力の大きさをゼロと算出し、Ｚ軸回りの角速度がゼロであることを表すヨーレート信号を出力することができる。一方、Ｚ軸回りの角速度が発生しているときは、構造体２０に実際に生じているＹ軸方向への振動変位を打ち消すサーボ力の大きさを算出し、Ｚ軸回りの角速度の大きさを表すヨーレート信号を出力することができる。
【００２９】
次に、本実施例のセンサ装置１０において、センサ素子１２と信号処理回路１４との間に介在するサーボ信号が流通する第２の信号線４２の断線有無を判定する手法について説明する。図３は、本実施例のセンサ装置１０におけるサーボ信号の周波数ｆｄと後述の断検用信号の周波数ｆｏｄとの関係を表した図を示す。
【００３０】
本実施例のセンサ装置１０において、信号処理回路１４は、第２の信号線４２の断線有無を判定するうえで必要なハイとローとが繰り返される矩形波状の信号（以下、断検用信号と称す）を生成する断線検出用信号生成回路５０を有している。この断線検出用信号生成回路５０により生成される断検用信号は、第２の信号線４２の断線有無の判定を実現すべくサーボ電極２６−１，２６−２の固定電極と可動電極との間に印加すべき電圧であって、サーボ信号生成回路３６により生成されるサーボ信号の周波数ｆｄ（すなわち、構造体２０の共振周波数）よりも十分に高い周波数ｆｏｄを有している。
【００３１】
信号処理回路１４は、また、加算回路５２を有している。加算回路５２には、サーボ信号生成回路３６の出力が接続されていると共に、断線検出用信号生成回路５０の出力が接続されている。加算回路５２は、サーボ信号生成回路３６から出力されるサーボ信号と、断線検出用信号生成回路５０から出力される断検用信号と、を加算する処理を行う。加算回路５２により加算されて得られる信号は、サーボ信号に断検用信号が重畳された信号である。加算回路５２の出力は、第２の信号線４２を介してセンサ素子１２のサーボ電極２６−１，２６−２に供給される。
【００３２】
尚、サーボ電極２６−１に供給される加算回路５２の出力とサーボ電極２６−２に供給される加算回路５２の出力とはそれぞれ、サーボ電極２６−１側で断検用信号により発生する電荷とサーボ電極２６−２側で断検用信号により発生する電荷とが相殺されない極性で、断線検出用信号生成回路５０により生成される断検用信号が加算されたものである。
【００３３】
第２の信号線４２が断線していない場合は、加算回路５２から出力される断検用信号の重畳されたサーボ信号は、サーボ電極２６−１，２６−２に到達する。かかるサーボ信号がサーボ電極２６−１，２６−２に到達すると、サーボ電極２６−１，２６−２の固定電極と可動電極との間に、断検用信号の成分による電荷の移動が発生する。このため、第２の信号線４２が断線していない場合は、構造体２０のＹ軸方向への振動変位を打ち消すサーボ信号が、断検用信号の成分が重畳された状態で構造体２０に付与される。
【００３４】
断検用信号の成分が重畳されたサーボ信号が構造体２０に付与されると、検出電極２４−１，２４−２の固定電極と可動電極との間に、断検用信号の成分に応じた電荷移動が生じる。かかる電荷移動が生じると、検出電極２４−１，２４−２から第１の信号線４０を介してチャージアンプ３０へ向けて生じた電荷が移動し、チャージアンプ３４から出力される電圧信号に、断検用信号の成分が含まれることとなる。
【００３５】
一方、第２の信号線４２が断線している場合は、加算回路５２から出力されるサーボ信号及び断検用信号がサーボ電極２６−１，２６−２に到達しないため、サーボ電極２６−１，２６−２の固定電極と可動電極との間に、断検用信号の成分が重畳された信号が構造体２０に印加されない。この場合は、検出電極２４−１，２４−２の固定電極と可動電極との間に、断検用信号の成分に応じた電荷移動が生じないので、チャージアンプ３４から出力される電圧信号に、断検用信号の成分が含まれないこととなる。
【００３６】
信号処理回路１４は、また、サーボアンプ３４に接続される断検用信号成分抽出回路５４と、その断検用信号成分抽出回路５４に接続される断線判定回路５６と、を有している。断検用信号成分抽出回路５４は、チャージアンプ３０から出力される電圧信号から、断検用信号の有する周波数ｆｏｄの信号成分を抽出する。また、断線判定回路５６は、断検用信号成分抽出回路５４から抽出される信号成分に基づいて、第２の信号線４２に断線が生じているか否かを判別する。
【００３７】
図４は、本実施例のセンサ装置１０において信号処理回路１４が有する断検用信号成分抽出回路５４及び断線判定回路５６の構成図を示す。図５は、本実施例のセンサ装置１０における断検用信号と第２の信号線４２の非断線時における出力波形との関係を表した図を示す。また、図６は、第２の信号線４２の断線なし時及び断線あり時それぞれにおけるＺ軸回りの角速度が発生していないとき及びその角速度が発生しているときそれぞれのチャージアンプ出力波形を表した図を示す。
【００３８】
断検用信号成分抽出回路５４は、チャージアンプ３０の出力が入力される２つのサンプルホールド回路５８，６０と、それらの２つのサンプルホールド回路５８，６０の出力がそれぞれ入力される差分検出回路６２と、により構成されている。
【００３９】
サンプルホールド回路５８は、断線検出用信号生成回路５０が生成する周波数ｆｏｄの断検用信号がハイであるタイミングでチャージアンプ３０からの電圧信号をサンプリングし、そのサンプリングした信号を断検用信号がローであるタイミングでホールドする回路である（図４におけるＡ点での出力）。一方、サンプルホールド回路６０は、断線検出用信号生成回路５０が生成する周波数ｆｏｄの断検用信号がローであるタイミングでチャージアンプ３０からの電圧信号をサンプリングし、そのサンプリングした信号を断検用信号がハイであるタイミングでホールドする回路である（図４におけるＢ点での出力）。
【００４０】
差分検出回路６２は、サンプルホールド回路５８の出力レベル（すなわち、断検用信号のハイ時におけるサンプリング信号の電圧レベル；Ａ出力）とサンプルホールド回路６０の出力レベル（すなわち、断検用信号のロー時におけるサンプリング信号の電圧レベル；Ｂ出力）とのレベル差に応じた信号（電圧レベル差）を断検用信号成分として出力する回路である。差分検出回路６２の出力としての断検用信号成分は、第２の信号線４２に断線が生じていない場合は、断線検出用信号生成回路５０の生成する断検用信号のハイとローとのレベル差に応じた振幅を有する一方、第２の信号線４２に断線が生じている場合は、断線検出用信号生成回路５０の生成する断検用信号のハイとローとのレベル差に応じた振幅を有さない。
【００４１】
断線判定回路５６は、コンパレータにより構成されている。断線判定回路５６には、上記の差分検出回路６２の出力が入力される。断線判定回路５６は、差分検出回路６２からの出力である断検用信号成分を基準電圧Ｖ０と比較する回路である。尚、この基準電圧Ｖ０は、検出電極２４−１，２４−２からの電圧信号に、サーボ信号に重畳されるハイとローとが繰り返される周波数ｆｏｄの断検用信号の信号成分が含まれている場合に、その電圧信号における断検用信号のハイとローとのレベル差として通常現れ得る最低限の電圧レベルに設定されている。
【００４２】
断線判定回路５６は、差分検出回路６２からの断検用信号成分による電圧レベル差が基準電圧Ｖ０未満であるか否かを判別する。断線判定回路５６は、その電圧レベル差が基準電圧Ｖ０以上であると判別する場合は、センサ素子１２からの検出変位信号に周波数ｆｏｄの断検用信号に基づいてハイとローとが繰り返される信号成分が含まれていると判断できるので、第２の信号線４２に断線は生じていないと判定し、出力するサーボ断線信号をオフとする。一方、上記の電圧レベル差が基準電圧Ｖ０未満であると判別する場合は、センサ素子１２からの検出変位信号に周波数ｆｏｄの断検用信号に基づくハイとローとが繰り返される信号成分が含まれていないと判断できるので、第２の信号線４２に断線が生じていると判定し、出力するサーボ断線信号をオンとする。
【００４３】
このように、本実施例のセンサ装置１０においては、信号処理回路１４から第２の信号線４２を介してセンサ素子１２へ供給されるサーボ信号に、構造体２０の共振周波数よりも十分に高い周波数ｆｏｄを有する断検用信号を加算すると共に、センサ素子１２から第１の信号線４０を介して信号処理回路１４へ供給された検出変位信号に、上記の断検用信号によるハイとローとが周波数ｆｏｄで繰り返される信号成分が含まれているか否かを判別することにより、サーボ信号が流通する第２の信号線４２に断線が生じているか否かを判別することができる。従って、本実施例のセンサ装置１０によれば、信号処理回路１４からセンサ素子１２へ向けてサーボ信号が流通する第２の信号線４２の断線有無を判定することが可能である。
【００４４】
また、本実施例のセンサ装置１０においては、図６に示す如く、Ｚ軸回りの角速度が発生しているか否かに関係なく、第２の信号線４２に断線が生じていないときは、センサ素子１２から第１の信号線４０を介して信号処理回路１４へ供給された検出変位信号に、上記の断検用信号によるハイとローとが周波数ｆｏｄで繰り返される信号成分が含まれるので、その信号成分を抽出することで第２の信号線４２に断線が生じていないと判定することができ、一方、第２の信号線４２に断線が生じているときは、センサ素子１２から第１の信号線４０を介して信号処理回路１４へ供給された検出変位信号に、上記の断検用信号によるハイとローとが周波数ｆｏｄで繰り返される信号成分が含まれないので、その信号成分を抽出することで第２の信号線４２に断線が生じていると判定することができる。
【００４５】
すなわち、Ｚ軸回りの角速度が発生していない場合は、センサ素子１２の検出電極２４−１，２４−２から出力される検出変位信号における周波数ｆｄの信号成分の振幅はゼロとなるが、この場合であっても、第２の信号線４２に断線が生じていないときは、上記の検出変位信号に周波数ｆｏｄの信号成分が含まれる一方、第２の信号線４２に断線が生じているときは、上記の検出変位信号に周波数ｆｏｄの信号成分が含まれないこととなる。一方、Ｚ軸回りの角速度が発生している場合は、検出電極２４−１，２４−２からの検出変位信号に周波数ｆｄの信号成分の角速度に応じた振幅が現れると共に、第２の信号線４２に断線が生じていないときは、上記の検出変位信号に周波数ｆｏｄの信号成分が含まれる一方、第２の信号線４２に断線が生じているときは、上記の検出変位信号に周波数ｆｏｄの信号成分が含まれないこととなる。
【００４６】
従って、本実施例のセンサ装置１０によれば、構造体２０のサーボ動作を含む通常のセンサ動作を維持しつつ、構造体の振動を打ち消すサーボ力がゼロであるときすなわちＺ軸回りの角速度が発生していないときを含めて常時、信号処理回路１４からセンサ素子１２へ供給されるサーボ信号が流通する第２の信号線４２の断線有無を判定することが可能である。このため、本実施例によれば、第２の信号線４２に断線が発生した際に速やかに、信号処理回路１４から出力するサーボ断線信号をオンとすることが可能であるので、第２の信号線４２に断線が生じた際にその断線に速やかに対応した措置（例えば、第２の信号線４２の交換や故障ランプの点灯など）を行うことが可能である。
【００４７】
尚、サーボ信号に加算される断検用信号は、そのサーボ信号の周波数ｆｄすなわち構造体２０の共振周波数よりも十分に高い周波数ｆｏｄを有している。このため、断検用信号が、サーボ電極２６−１，２６−２を通じて、構造体２０のＹ軸方向への振動変位を打ち消すサーボ力に大きな影響を与えることは回避され、断検用信号の成分に基づいて構造体２０がＹ軸方向へ振動することは抑制される。従って、本実施例のセンサ装置１０によれば、サーボ信号が流通する第２の信号線４２の断線有無の判定を、サーボ信号に重畳される断検用信号によってセンサ素子１２（具体的には、検出電極２４−１，２４−２）からの検出変位信号に大きな影響を生じさせることなく実現することが可能である。
【００４８】
また、本実施例においては、断検用信号の周波数ｆｏｄが、駆動電極２２−１，２２−２への電圧印加により構造体２０が半導体基板に対してＸ軸方向に励振される駆動周波数ｆｄと同期されていること、具体的には、周波数ｆｏｄが駆動周波数ｆｄの整数倍に設定されていることが望ましい（ｆｏｄ＝ｎ・ｆｄ；但し、ｎは“２”以上の整数）。かかる同期がとられていれば、センサ素子１２の検出電極２４−１，２４−２から出力されて信号処理回路１４に入力した検出変位信号に対して周波数ｆｄによる検波を行ううえで、断検用信号の成分による影響を一定に保つことが可能である。このような一定に保たれる影響は、トリミングなどの手法で排除されることが可能である。従って、かかる構成によれば、信号処理回路１４での周波数ｆｄによる検波に際し断検用信号成分による影響を排除することができるので、サーボ信号の生成やＺ軸回りの角速度検出を精度よく行うことが可能である。
【００４９】
ところで、上記の実施例においては、Ｙ軸が特許請求の範囲に記載した「第１軸」に、検波回路３２が特許請求の範囲に記載した「振動成分抽出回路」に、サーボアンプ３４が特許請求の範囲に記載した「出力回路」に、Ｘ軸が特許請求の範囲に記載した「第２軸」に、Ｚ軸が特許請求の範囲に記載した「第３軸」に、それぞれ相当している。
【００５０】
尚、上記の実施例においては、断検用信号成分抽出回路５４を、図４に示す如く、チャージアンプ３０からの電圧信号を断検用信号のレベルがハイとなるタイミングでサンプリングしてホールドするサンプルホールド回路５８と、チャージアンプ３０からの電圧信号を断検用信号のレベルがローとなるタイミングでサンプリングしてホールドするサンプルホールド回路６０と、両レベル差を断検用信号成分として出力する差分検出回路６２と、からなるものとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、チャージアンプ３０からの電圧信号を周波数ｆｏｄで検波することで、断検用信号成分を抽出して出力することとしてもよい。また、このようにチャージアンプ４０からの電圧信号から断検用信号成分を抽出するのに周波数ｆｏｄによる検波を用いた変形例は、信号処理回路１４における回路構成が図７に示す如き全差動型である場合に適している。これは、全差動型であれば反転信号が生成されていることで周波数ｆｏｄによる検波を行い易いためである。
【００５１】
また、上記の実施例においては、センサ素子１２が構造体２０を唯一つ備えることとしているが、２つ或いは２つ以上の構造体２０をセンサ素子１２が備えるものとしてもよい。尚、この変形例では、センサ素子１２に４つ以上のサーボ電極２６を設けることとすればよく、各サーボ電極２６それぞれへの各サーボ信号に断検用信号を加算することとすればよい。
【００５２】
更に、上記の実施例においては、センサ装置１０が検出する物理量として、構造体２０のＸ軸方向への励振駆動中にコリオリ力の作用によりＺ軸回りに生じる角速度を用いることとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、少なくとも、サーボ信号が流通する信号線を介して信号処理回路からセンサ素子へサーボ信号が供給されることで、構造体のＹ軸方向への振動変位を打ち消すサーボ力が発生するものであればよく、例えば加減速度が検出される加速度センサに適用することとしてもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１０ サーボ型静電容量式センサ装置
１２ センサ素子
１４ 信号処理回路
２０ 構造体
２２−１，２２−２ 駆動電極
２４−１，２４−２ 検出電極
２６−１，２６−２ サーボ電極
３０ チャージアンプ
３２ 検波回路
３４ サーボアンプ
３６ サーボ信号生成回路
４０ 第１の信号線
４２ 第２の信号線
５０ 断線検出用信号生成回路
５２ 加算回路
５４ 断検用信号成分抽出回路
５６ 断線判定回路
５８，６０ サンプルホールド回路
６２ 差分検出回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に対して振動可能な構造体と、前記構造体に前記基板に対して第１軸方向に加わる振動に応じた静電容量変化が生じる検出電極と、前記構造体の前記第１軸方向への振動を打ち消すサーボ力が前記構造体に付与されるように電圧印加されるサーボ電極と、を有し、前記検出電極の前記静電容量変化に応じた変位信号を出力するセンサ素子と、
前記センサ素子からの前記変位信号から前記構造体の前記第１軸方向への振動成分を抽出する振動成分抽出回路と、前記振動成分抽出回路により抽出される前記振動成分に基づいて算出される前記サーボ力の大きさを物理量として出力する出力回路と、前記サーボ力を前記構造体に付与するうえで前記サーボ電極に供給すべきサーボ信号を生成するサーボ信号生成回路と、を有する信号処理回路と、
前記センサ素子から前記信号処理回路へ向けて前記変位信号が流通する第１の信号線と、
前記信号処理回路から前記センサ素子へ向けて前記サーボ信号が流通する第２の信号線と、を備え、
前記信号処理回路は、更に、前記サーボ信号生成回路により生成される前記サーボ信号に、周波数が前記構造体の共振周波数に比べて十分に高い断検用信号を加算して得られる信号を、前記第２の信号線を介して前記サーボ電極に向けて供給する加算回路と、前記センサ素子からの前記変位信号から前記断検用信号の成分を抽出する断検用信号成分抽出回路と、前記断検用信号成分抽出手段により抽出される前記断検用信号の成分に基づいて、前記第２の信号線に断線が生じているか否かを判別する断線判定回路と、を有することを特徴とするサーボ型静電容量式センサ装置。
【請求項２】
前記断検用信号成分抽出手段は、前記断検用信号のレベルがハイとなるタイミング及び前記断検用信号のレベルがローとなるタイミングでそれぞれ、前記センサ素子からの前記変位信号のレベルを検出すると共に、
前記断線判定回路は、前記断検用信号のレベルがハイとなるタイミングで前記断検用信号成分抽出手段により抽出される前記変位信号のレベルと、前記断検用信号のレベルがローとなるタイミングで前記断検用信号成分抽出手段により抽出される前記変位信号のレベルと、の差が所定未満である場合に、前記第２の信号線に断線が生じていると判定することを特徴とする請求項１記載のサーボ型静電容量式センサ装置。
【請求項３】
前記センサ素子は、更に、前記構造体が前記基板に対して前記第１軸方向に直交する第２軸方向に励振されるように電圧印加される駆動電極を有し、
前記物理量は、前記構造体に前記第１軸方向及び前記第２軸方向の双方に直交する第３軸の回りに生じる角速度であることを特徴とする請求項１又は２記載のサーボ型静電容量式センサ装置。
【請求項４】
前記断検用信号の周波数は、前記駆動電極への電圧印加により前記構造体が前記基板に対して前記第２軸方向に励振される駆動周波数と同期されていることを特徴とする請求項３記載のサーボ型静電容量式センサ装置。
【請求項１】
基板に対して振動可能な構造体と、前記構造体に前記基板に対して第１軸方向に加わる振動に応じた静電容量変化が生じる検出電極と、前記構造体の前記第１軸方向への振動を打ち消すサーボ力が前記構造体に付与されるように電圧印加されるサーボ電極と、を有し、前記検出電極の前記静電容量変化に応じた変位信号を出力するセンサ素子と、
前記センサ素子からの前記変位信号から前記構造体の前記第１軸方向への振動成分を抽出する振動成分抽出回路と、前記振動成分抽出回路により抽出される前記振動成分に基づいて算出される前記サーボ力の大きさを物理量として出力する出力回路と、前記サーボ力を前記構造体に付与するうえで前記サーボ電極に供給すべきサーボ信号を生成するサーボ信号生成回路と、を有する信号処理回路と、
前記センサ素子から前記信号処理回路へ向けて前記変位信号が流通する第１の信号線と、
前記信号処理回路から前記センサ素子へ向けて前記サーボ信号が流通する第２の信号線と、を備え、
前記信号処理回路は、更に、前記サーボ信号生成回路により生成される前記サーボ信号に、周波数が前記構造体の共振周波数に比べて十分に高い断検用信号を加算して得られる信号を、前記第２の信号線を介して前記サーボ電極に向けて供給する加算回路と、前記センサ素子からの前記変位信号から前記断検用信号の成分を抽出する断検用信号成分抽出回路と、前記断検用信号成分抽出手段により抽出される前記断検用信号の成分に基づいて、前記第２の信号線に断線が生じているか否かを判別する断線判定回路と、を有することを特徴とするサーボ型静電容量式センサ装置。
【請求項２】
前記断検用信号成分抽出手段は、前記断検用信号のレベルがハイとなるタイミング及び前記断検用信号のレベルがローとなるタイミングでそれぞれ、前記センサ素子からの前記変位信号のレベルを検出すると共に、
前記断線判定回路は、前記断検用信号のレベルがハイとなるタイミングで前記断検用信号成分抽出手段により抽出される前記変位信号のレベルと、前記断検用信号のレベルがローとなるタイミングで前記断検用信号成分抽出手段により抽出される前記変位信号のレベルと、の差が所定未満である場合に、前記第２の信号線に断線が生じていると判定することを特徴とする請求項１記載のサーボ型静電容量式センサ装置。
【請求項３】
前記センサ素子は、更に、前記構造体が前記基板に対して前記第１軸方向に直交する第２軸方向に励振されるように電圧印加される駆動電極を有し、
前記物理量は、前記構造体に前記第１軸方向及び前記第２軸方向の双方に直交する第３軸の回りに生じる角速度であることを特徴とする請求項１又は２記載のサーボ型静電容量式センサ装置。
【請求項４】
前記断検用信号の周波数は、前記駆動電極への電圧印加により前記構造体が前記基板に対して前記第２軸方向に励振される駆動周波数と同期されていることを特徴とする請求項３記載のサーボ型静電容量式センサ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１３７３０７（Ｐ２０１２−１３７３０７Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８７８８７（Ｐ２０１０−２８７８８７）
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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