JPH09133708A

JPH09133708A - 静電容量式加速度センサおよびその較正，診断方法

Info

Publication number: JPH09133708A
Application number: JP8275824A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Shimada; 嶋田　　智; Kiyomitsu Suzuki; 清光鈴木; Shigeki Tsuchiya; 茂樹土谷; Seiichi Ukai; 征一鵜飼; Masami Kaneyasu; 昌美兼安; Hiroshi Kuroiwa; 弘黒岩; Yoshihiro Yokota; ▲吉▼弘横田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-10-18
Filing date: 1996-10-18
Publication date: 1997-05-20
Anticipated expiration: 2016-10-18
Also published as: JP3145040B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、自己診断，自己較正あるいは
補正機能付の検出装置を提供することである。【解決手段】静電容量式加速度センサにおいて、検出部
に刺激を与える手段と、検出部の較正または診断を行う
手段と備えること。【効果】正確な検出出力を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は物理量を電気信号に
変換し、この値から物理量を検出する検出装置に係り、
特に自己診断機能，自己較正機能あるいは特性補正を備
えた検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の装置は例えば特開昭61−31952 号
公報に記載のように校正動作中は計測動作を中止しオフ
ラインで校正動作を行う。検出装置に現われる特性を分
析することにより劣化診断を行う装置として特開昭61−
212753号が挙げられるが、同様にオフラインで劣化だけ
診断するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の較正は
オフラインでの作業の自動化という観点からなされてい
る。また、オンラインでは鑑視を行って警報を出すとい
うレベルで、検出装置の信頼性を上げる提案がされてい
る。しかし、オンライン中の較正について配慮されてな
いため較正中は測定値の変動時間に比べて長い時間に亘
り測定できないという問題があった。

【０００４】本発明はオンライン中に自己診断あるいは
自己較正することを目的としており、その達成手段また
は方法を備えた検出装置を提供することを目的とする。

【０００５】本発明の他の目的は、これらの診断，較正
あるいは補正を離間，遠隔位置から広域、多数を対象に
行い保守性，安全性の高い検出装置システムを提供する
ことである。

【０００６】本発明のさらに他の目的は小形で生産性の
高い自己診断，自己較正あるいは補正機能付の検出装置
を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
には、測定値の変動周期に比べて十分短い時間に診断，
較正あるいは補正処理を実行する必要がある。オンライ
ン中、つまり測定動作中の診断，較正あるいは補正処理
により測定中のデータに擾乱，誤差を与えてはならない
からである。電気信号の処理装置に関しては近年のＬＳ
Ｉ技術の進歩により極めて高速の半導体ＩＣが製品化さ
れている故、比較的変動が早い自動車などの計測に用い
る場合の数１０〜１００μｓには対応できる。従って解
決すべき問題は検出手段を駆動させる時間の短縮化であ
る。そこで本発明では検出手段に近接させてこれを刺激
駆動する手段を設ける構成とした。近年進歩しているシ
リコン等のマイクロマシニング技術を応用すれば小形の
例えば数１００μｍサイズのセンサ即ち検出装置とアク
チュエータ即ち刺激装置を一体化構成させることも可能
である。このような小形で一体化の構成により検出装置
に対する遅れなく診断あるいは較正信号としての刺激を
与えることができる。

【０００８】上記他の目的を達成するために正確な診断
あるいは較正信号を検出装置に与え、その応答を正確に
測定処理することが必要である。このため一実施例とし
ては高精度，高分解能なアナログ・ディジタル変換器を
含む信号処理回路を用いて診断あるいは較正信号を与え
検出装置固有の応答電気信号を処理すると共に、マイク
ロプロセッサを用いて工夫された自己診断あるいは較正
のアルゴリズムを正確かつ迅速に実行することで実現で
きる。

【０００９】上記他の目的を達成するため一実施例とし
ては処置装置に通信機能を持たせ、別に用意した通信機
から遠隔離間して自己診断，自己較正あるいは特性補正
を指令しその結果を確認できるようにしたものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】まず、作用について説明する。本
発明の検出装置は、検出手段に近接一体化させて刺激手
段を設け、これを通じて較正用信号を与える構成をとっ
ている故検出装置からの応答遅れが極めて少ない。併せ
て高速信号処理回路を用いている故、自己較正をする際
の所要時間を測定値の変動時間に比べ短くすることがで
きる。従って測定中において、自己較正を行っても検出
装置の出力に擾乱を与えることがなく、いわゆるオンラ
イン較正が可能である。

【００１１】処理手段に用意した較正，補正アルゴリズ
ムにより検出装置の初期特性と使用時の特性を比較し、
常に補正するため初期性能を保持し信頼度を向上させる
ことができる。

【００１２】図１により一実施例としての基本構成を説
明する。１は検出手段、２はこれに近接一体化して設け
た刺激手段、３はその部組体、４は図２に示すような構
成であって検出手段１，刺激手段２を励起するための電
源電圧Ｅ_Xを供給したり、刺激手段２へ与える較正用の
信号を作成したり、また検出手段１からの応答出力信号
を増幅，変換する、いわゆる信号調整機能とマイクロコ
ンピュータ４４を用いたディジタルデータ処理により入
出力間の較正や特性補正機能を有する信号処理手段であ
る。５はこれらを含んだ検出装置である。通常は、全体
として検出装置は圧力，流量，加速度などの入力物理量
をあるビッド数のディジタル量に変換して出力する。７
は通信器で信号処理手段４との間で指令信号，出力信号
を送受信したり表示する機能を有する。

【００１３】図２は信号処理手段の具体的回路でメモリ
４５を有するマイクロコンピュータ４４からの指令によ
りマルチプレクサ４１１が動作して検出手段１の出力信
号を増幅器４１２ａおよびアナログディジタル変換器４
２に取り込みディジタル信号に変換する。この値を基に
電源電圧Ｅ_Xを供給したり、刺激手段２へ増幅器421bを
介して較正信号を加えたりする。これにより誤差が補正
できる高精度の検出出力が得られる。

【００１４】次に具体的例として静電容量式圧力センサ
を例としてスパン校正原理を図３〜図５を用いて説明す
る。

【００１５】容量式圧力センサは図３のように、面積Ａ
の電極板１ａと１ｂの中間に差圧ΔＰによって変位する
中間極板３０２を挾んだ構造となっている。差圧が負荷
されていないときの各極板間隔をＸ₀とする。またこれ
らの極板間は誘電率εの物質で満たされているとする。

【００１６】差圧ΔＰが負荷されたとき、図４のように
中間電極はΔＸだけ変位する。変位量はΔＸはほぼ差圧
に比例するため、ΔＸ＝ｋ・ΔＰとなる。ここで、ｋは
コンプライアンス（バネ定数の逆数）である。

【００１７】ｋが経時変化すると仮定し時間Ｔの関数と
してｋ(Ｔ)と表わす。上記、中間極板３０２の変位によ
り電極３０１ａと中間極板３０２間の容量Ｃ₁と中間極
板３０２と電極１ｂ間の容量Ｃ₂の間に容量差ΔＣが生
じる。

【００１８】図５のような回路構成とすることにより、
差圧による容量差ΔＣが次の式で検出できる。

【００１９】

【数１】

【００２０】ここでＥは励起電圧、ｅは検出される電
圧、ΔＣはＣ₂−Ｃ₁である。またこれを負荷された差圧
ΔＰで表現すると、

【００２１】

【数２】

【００２２】となる。この式より、最大差圧ΔＰ_maxを
負荷したときの検出電圧ｅ_maxすなわち出力スパンはも
しコンプライアンスｋが経時変化すると経時変化するこ
とが分かる。

【００２３】中間電極の電圧Ｖを印加し静電力により変
位Δｘ_Vを生じしめこの時の出力電圧ｅを測定しこれら
の関係から上記のスパン変化を校正する。

【００２４】まず、図５に示す較正電圧Ｖを（３）式の
ように選ぶ。

【００２５】

【数３】Ｖ＝Ｅ／２＋ｖ …（３）ただし、ｖ≪Ｅ／２とするとき、電圧Ｖによる変位は図
６のΔｘのようになり、

【００２６】

【数４】

【００２７】（４）式で与えられる。

【００２８】このとき出力電圧ｅは

【００２９】

【数５】

【００３０】となるため、Ｖを変化させることによりｋ
(Ｔ)が分かり、スパン校正が可能となる。

【００３１】以下にその手法を示す。

【００３２】校正電圧ｖ₁，ｖ₂印加時の出力をｅ₁，ｅ₂
と定義する。（５）式から圧力依存の項を除くため、

【００３３】

【数６】

【００３４】を計算し、初期Ｔ＝０のときのΔｅとの比
を

【００３５】

【数７】

【００３６】とする。このｄを用いて校正電圧ｅ′は

【００３７】

【数８】ｅ′＝ｄ・ｅ …（８）のように計算できる（ただしｖ＝０である）。

【００３８】図７にマイクロコンピュータにおける処理
の流れ図を示す。図７（ａ）はメインルーチンであり通
常の測定作業は経路１を流れる。該経路では（５）式に
おけるｖ＝０の時の検出電圧ｅを測定し、較正係数ｄを
乗じて較正電圧ｅ′を算出する。該ｅ′が最終検出値で
ある。ここで、較正係数ｄは経路７０２で算出される。
マイコンプログラムには図７（ｂ）に示す較正測定サブ
ルーチンが設けられており、較正用パルス電圧Ｖ₁およ
びＶ₂を印加してそれぞれの検出電圧ｅ₁およびｅ₂を
測定し、これら検出電圧の差分値Δｅを算出する。

【００３９】較正には初期較正と任意較正の２系統があ
る。初期較正は製品出荷時に実施され、経路７０３の実
行によって初期の差分値Δｅ−initを算出し記憶する。
経路７０２は任意時刻の較正時に実行され、現在の差分
値Δｅ−present を算出しΔｅ−initとの比である較正
係数ｄを算出し記憶更新する。

【００４０】このように、検出電圧ｅに較正係数ｄを乗
じた較正電圧ｅ′により感度ドリフトが補正された圧力
を得ることができる。

【００４１】図８，図９はシリコンのマイクロマシーニ
ング技術を用いた半導体加速度センサの代表的な２つの
方式である静電容量式及びピエゾ抵抗式の基本的な構造
である。

【００４２】加速度センサは、加速度が存在する場合、
ある一定の質量に作用する慣性力の測定から加速度を求
めるものである。図８，図９の加速度センサでは、５１
の中部シリコン基板に異方性エッチングによって荷重５
３と荷重を支持するカンチレバー５４を形成する。加速
度αが印加されると荷重（質量ｍ）には慣性力Ｆ₁＝ｍ
αが働き変位しようとする。一方、カンチレバーにはば
ねとしての作用があり、荷重に変位方向とは逆方向の復
元力Ｆ₂＝ｋｘ（ｋ：ばね定数，ｘ：変位量）を与え
る。そして荷重は２つの力がつり合う位置まで変位す
る。この時の変位量ｘは、Ｆ₁＝Ｆ₂より

【００４３】

【数９】ｘ＝ｍｄ／ｋ …（９）となる。従って、変位ｘから加速度αを求めることがで
きる。

【００４４】図８の静電容量式加速度センサでは、中部
シリコン基板の上，下に位置する上部基板５２ａ及び下
部基板５２ｂの荷重に対向した面に上部固定電極５５
ａ，５５ｂを形成し、固定電極と荷重（可動電極）との
間の静電容量から式（９）の変位ｘを求め、加速度を測
定する。

【００４５】一方、図９のピエゾ抵抗式では、カンチレ
バー上に不純物拡散領域からなるゲージ部５８を形成す
る。加速度によって荷重が変位するとカンチレバーが変
形し、ピエゾ抵抗効果によってゲージ部の電気抵抗が変
化する。このゲージ部の電気抵抗から変位さらに加速度
を求めるものである。

【００４６】荷重と固定電極間の静電容量又はゲージ部
の電気抵抗から信号処理回路によって、加速度に対応し
た出力信号Ｖ(α)が得られる。多くの場合、出力と加速
度αは直線関係になるよう信号処理されることから、出
力Ｖ(α)を次式で表す。

【００４７】

【数１０】Ｖ(α)＝ｐα＋ｑ …（１０）今、センサが何らかの原因で経時変化を起こすとする。
加速度と出力の直線関係が維持（近似的にでも良い）さ
れたまま変化するとすると、出力は時間の関数にもな
り、

【００４８】

【数１１】Ｖ(α，ｔ)＝ｐ(ｔ)α＋ｑ(ｔ) …（１１）となる。この時、加速度−出力特性（１１）のスパンｐ
(ｔ)および零点ｑ(ｔ)が正しくわかっていれば、出力Ｖ
(α，ｔ)の測定から加速度αを正確に求めることができ
る。

【００４９】式（１１）において、ｐ(ｔ)とｑ(ｔ)が未
知である時、これを求めるためには、何らかの方法で２
つの異なった加速度α₁，α₂を発生させ、それに対応し
た出力Ｖ(α₁，ｔ)，Ｖ(α₂，ｔ)を測定すれば良いこと
がわかる。すなわち、

【００５０】

【数１２】Ｖ(α₁，ｔ)＝ｐ(ｔ)α₁＋ｑ(ｔ) Ｖ(α₂，ｔ)＝ｐ(ｔ)α₂＋ｑ(ｔ) …（１２）という２つの連立方程式からｐ(ｔ)，ｑ(ｔ)を求めるこ
とができる。

【００５１】一方、加速度αは荷重の変位ｘと式（９）
式によって与えられる関係で対応している。従って、加
速度α₁，α₂を設定することは、それに対応した変位ｘ
₁，ｘ₂を設定することと等価となる。式（９)，(１
２）から

【００５２】

【数１３】Ｖ(ｘ₁，ｔ)＝ｐ′(ｔ)ｘ₁＋ｑ(ｔ) Ｖ(ｘ₂，ｔ)＝ｐ′(ｔ)ｘ₂＋ｑ(ｔ) …（１３）となる。ここで

【００５３】

【数１４】ｐ′(ｔ)＝ｋｐ(ｔ)／ｍ …（１４）式（１３）における定まった変位ｘ₁，ｘ₂は比較的容易
に実現することができる。すなわち、荷重をアクチュエ
ータによって強制的に変位させ、ある特定の変位ｘ₁及
びｘ₂の所でセンサ出力Ｖ(ｘ，ｔ)の性質が急に変化す
るように構成するか、それ以上変位しないようにすれば
良い。

【００５４】図１０及び図１１はその一例である。これ
らの実施例では、荷重に加速度又は外力が働いてもある
一定の値以上変位しないようストッパ６０ａ，６０ｂが
設けられている。荷重がこれらのストッパに接触した時
の変位量ｘ₁，ｘ₂があらかじめ既知であれば、この時の
センサの出力Ｖ(ｘ₁，ｔ）及びＶ(ｘ₂，ｔ）を測定する
と、式（１３)，(１４）よりｐ(ｔ)，ｑ(ｔ)を求めるこ
とができる。

【００５５】荷重を任意の時に変位させ、ストッパに接
触させるには、静電容量式の場合、加速度に対応した静
電容量を求めるための上部固定電極５５ａ又は下部固定
電極５５ｂと荷重との間に電圧を印加して両者の間に静
電気力を加える。ピエゾ抵抗式でも同様に上部固定電極
５５ａ及び下部固定電極５５ｂを形成し、荷重との間に
電圧を印加する。

【００５６】以上のように、定期的に固定電極と荷重と
の間に電圧を印加し、その出力から簡単な演算によって
加速−出力特性の経時変化を補正することができる効果
がある。しかも、この補正はセンサに加速度が印加され
ている状態でも可能であるという特長がある。

【００５７】以上の実施例では、荷重の変位量を測定
し、これから加速度を求めるというものであった。代表
的な加速度センサにはこれら以外にサーボ式がある。こ
の方式は、加速度による荷重の変位量を計測し、この変
位量信号をフィードバックして信号に応じてセンサ内部
で何らかの方法によって荷重に逆向きの力を印加し、荷
重を元の位置にもどしてやるというもので、フィードバ
ック量が加速度の大きさに対応することから、このフィ
ードバック量から加速度を求める。この方式では、変位
量は加速度によらず常にほぼ一定である。

【００５８】変位量の計測には、上の実施例と同様静電
容量やピエゾ抵抗がよく用いられる。また、フィードバ
ック量に応じて荷重に力を加えるのには、静電気力や磁
気力がよく用いられる。

【００５９】サーボ式のセンサでも最終的な出力信号と
加速度の関係は式（１０）で表わされる場合が多い。こ
こで、荷重にサーボ系のフィードバック量に応じた力以
外に第２の力Ｆを加えたとする。この時のセンサ出力は
次式で表わされる。

【００６０】

【数１５】Ｖ(α，Ｆ)＝ｐ(α＋Ｆ／ｍ)＋ｑ …（１５）ある定まった２種類の大きさの第２の力Ｆ₁，Ｆ₂を加え
た場合は、

【００６１】

【数１６】Ｖ(α，Ｆ₁)＝ｐ(α＋Ｆ₁／ｍ)＋ｑＶ(α，Ｆ₂)＝ｐ(α＋Ｆ₂／ｍ)＋ｑ …（１６）上式から下式を引くと、

【００６２】

【数１７】Ｖ(α，Ｆ₁)−Ｖ(α，Ｆ₂)＝ｐ(Ｆ₁−Ｆ₂)／ｍ …（１７）Ｖ(α，Ｆ₁)，Ｖ(α，Ｆ₂)，Ｆ₁，Ｆ₂，ｍが既知であれ
ばｐを求めることができる。

【００６３】また、力Ｆを加えたまま（Ｆ＝０でもよ
い）モータなどのアクチュエータでセンサ素子の上下を
逆転してやると、センサに対して印加される加速度及び
第２の力は逆向きになるので出力は次式のようになる。

【００６４】

【数１８】Ｖ(−α，−Ｆ)＝ｐ(−α−Ｆ／ｍ)＋ｑ …（１８）式（１５）と（１８）を加えると

【００６５】

【数１９】Ｖ(α，Ｆ)＋Ｖ(−α，−Ｆ)＝２ｑ …（１９）ｑは式（１９）より求めることができる。

【００６６】具体的なセンサ素子構造の一例を図１２，
図１３に示す。図１２では静電容量で、また図１３では
ピエゾ抵抗素子で荷重の変位量を測定する。また両者と
もサーボ系を形成するためのフィードバック量に応じた
荷重への力の印加及び図２の力の印加は静電気力で行
う。６１ａ，６１ｂは変位に応じた静電容量検出用電
極、６２ａ，６２ｂはサーボ用静電気力印加電圧、６３
ａ，６３ｂは荷重に第２の力を加えるための静電気力印
加電極である。これらの電極は適当なサーボ系及び静電
気力印加用の回路構成をとればお互いに兼用することが
できる。

【００６７】サーボ式においては、荷重の変位は常にほ
ぼ一定であることから、静電気力印加電極６３ａ，６３
ｂと荷重の間の間隙の大きさは一定であるので、式（１
６）における一定の力Ｆ₁及びＦ₂は静電気力印加電極
に加える電圧を変えるだけで与えられる。電極面積，間
隙の大きさ，印加電圧がわかっていれば、Ｆ₁，Ｆ₂の大
きさは計算できる。

【００６８】以上の実施例によれば、サーボ式加速度セ
ンサの加速度−出力特性の経時変化を補正できる効果が
ある。

【００６９】本発明による自己診断機能付センサの概念
を自動車用空燃比センサへ適用した場合の例を以下に述
べる。空気過剰率λと排ガス成分濃度及び起電力の関係
を図１４に示す。良く知られているように、リーン領域
（λ＞１）では残存酸素濃度が、リッチ領域（λ＜１）
では一酸化炭素や水素などの未燃ガス濃度が空気過剰率
λに対応して増加する。自動車の排ガス規制へ対応する
ために、これまで理論空燃比（λ＝１）で階段状の出力
特性を示す起電力ｅ_λを利用したＯ₂センサがエンジン
制御用のキイセンサとして実用されている。しかし、リ
ッチ領域での高出力化，理論空燃比での排ガス浄化性及
びリーン領域での経済性を両立させるためには、理論空
燃比のみしか検出できないＯ₂センサでは対応できな
い。それ故、エンジンの最適な燃焼制御を達成するため
に、リッチ領域からリーン領域に渡る広い範囲の空気過
剰率λを連続的に、しかも高精度に検出できる空燃比セ
ンサの実現が強く望まれている。この目的のために、ガ
ス拡散膜における前述の各種ガス成分の拡散律速現象と
ジルコニア固体電解質の酸素ポンプ現象を利用した方式
の空燃比センサが知られている。

【００７０】良く知られたこの方式の空燃比センサのＶ
−Ｉ特性の一例を図１５に示す。この図は検出部に印加
した励起電圧Ｅと検出部を流れるポンプ電流Ｉ_pの関係
を示したものである。図に示すように、ポンプ電流Ｉ_p
はある範囲の励起電圧に渡って一定値を示す。これは、
ガス拡散膜における拡散抵抗Ｒと空気過剰率λによって
決まる値であり、限界電流値と呼ばれている。この限界
電流値Ｉ_pの大きさから、空気過剰率λを測定するもの
である。

【００７１】拡散抵抗Ｒはガス拡散膜へのゴミの付着や
ガス拡散膜自体のマイクロクラックによって変化し、こ
れに応じて限界電流値Ｉ_pも変る。前者の場合は、拡散
抵抗が大きくなる故、限界電流値は減少する。これに対
して、後者の場合は拡散抵抗が小さくなって、限界電流
値は増加する。いずれの場合も、空気過剰率λの高精度
な検出はできなくなる。

【００７２】空気過剰率λに対応した限界電流値を出力
電圧Ｖ₀に変換した特性を図１６に示す。図中へ、空燃
比センサの初期特性を実線で示した。ガス拡散孔部の拡
散抵抗Ｒが経時変化によって大きくなった場合の出力特
性を一点鎖線で、拡散抵抗Ｒが小さくなった場合の出力
特性を二点鎖線で示した。図に示すように、空燃比セン
サの零点、即ち理論空燃比点（λ＝１）における出力電
圧は変化しない。これは、図１５に示すように、理論空
燃比点における限界電流値が零であるからである。リッ
チ領域（λ＜１）あるいはリーン領域（λ＞１）におけ
る出力電圧が変化するのみ、即ち空燃比センサの感度が
変化するのみである。

【００７３】次に、本発明による較正用の電気信号を加
えたときのセンサ固有の変量の変化分を測定し、この電
気信号と変量の変化分に基づき、感度の経時変化を補正
した自己診断機能付空燃比センサを図１７により説明す
る。

【００７４】図１７において、空燃比センサの検出部は
ジルコニア固体電解質１００，多孔質電極１０１，１０
２及びガス拡散膜１０３よりなる。ジルコニア固体電解
質１００は袋管形状よりなり、その内面に多孔質電極１
０１，外面に多孔質電極１０２とガス拡散膜１０３が形
成される。ジルコニア固体電解質１００を隔壁として、
前者は大気雰囲気へ、後者は排ガス雰囲気中へさらされ
る。

【００７５】検出手段はスイッチ１０４，限界電流値Ｉ
_p測定部１０５よりなり、刺激手段は定電流Ｉ_p*供給部
１０６よりなる。処理手段１０７は、自己較正機能を有
し、望ましくはマイクロ・コンピュータで構成される。
スイッチ１０４は接点１０８，１０９及び１１０よりな
り、接点１０８が接点１０９と接続されたときは定電流
Ｉ_p*供給部１０６が動作し、接点１０８が接点１１０と
接続されたときは限界電流値Ｉ_p測定部１０５が動作す
ることを模式的に示している。なお、接点108が接点１
０９と１１０のいずれにも接続されていないときは、限
界電流値Ｉ_p測定部１０５，定電流Ｉ_p*供給部１０６の
両方とも動作しない。

【００７６】排ガス雰囲気中のガス濃度は空気過剰率λ
によって変り、残存酸素や一酸化炭素などの未燃ガス成
分の濃度に応じた限界電流値Ｉ_pは接点１０８と１１０
が閉じているとき、限界電流値Ｉ_p測定部１０５によっ
て計測される。空燃比センサの出力特性は所定時間毎
（例えば、約１ケ月毎）に自己診断される。即ち、ある
所定の空気過剰率λ(望ましくは、理論空燃比点λ＝１)
の状態が長く続いているとき、自己診断機能部１０７は
スイッチ１０４を制御して接点１０８と１０９を接続
し、定電流Ｉ_p*供給部１０６を駆動する。定電流Ｉ_p*供
給部１０６は検出部へ較正用の電気信号Ｉ_p*を強制的に
供給して、大気雰囲気側の多孔質電極１０１部よりジル
コニア固体電解質１００を介して排ガス雰囲気側の多孔
質電極１０２部へ定電流Ｉ_p*に応じた一定量の酸素を送
り込むことができる。

【００７７】この酸素は多孔質電極１０２部よりガス拡
散膜１０３を介して排ガス雰囲気中へ放出される。酸素
の放出速度はガス拡散膜１０３の拡散抵抗Ｒによって決
まる故、多孔質電極１０２部とガス拡散膜１０３部界面
の酸素濃度の変化を計測することによって、空燃比セン
サの感度の経時変化を診断することが可能になる。ガス
拡散膜１０３部の拡散抵抗Ｒが大きいときは酸素の放出
速度は遅く、拡散抵抗が小さいときは早くなる。

【００７８】前に述べたように、酸素の放出速度が初期
値より遅くなったときは空燃比センサの感度が低下、逆
に早くなったときは感度が増加した証拠である。定電流
Ｉ_p*供給部１０６を動作させた直後に、自己診断機能部
１０７の指令によって限界電流値Ｉ_p測定部１０５を間
欠的に駆動し、酸素の放出速度の経時的な変化（即ち、
拡散抵抗Ｒの経時的な変化）が推定される。拡散抵抗Ｒ
の経時的な変化が分れば、空燃比センサの感度を自己診
断機能部１０７部で補正し、空気過剰率λに対応した正
確な出力電圧Ｖ_outを取り出すことができる。

【００７９】拡散抵抗Ｒの経時的な変化の診断方法を図
１８により詳細に説明する。図１８において、（ａ）は
限界電流値Ｉ_p測定部１０５の出力特性、（ｂ）は限界
電流値Ｉ_p測定部１０５の動作状態、（ｃ）は定電流Ｉ
_p*供給部１０６の動作状態、（ｄ）は接点１０８の完全
なオープン状態を示したものである。

【００８０】（ａ）に示すように、空気過剰率λは自動
車の運転状態に対応した適当な空燃比へ、λ′→λ＝１
→λ″のように制御される。理論空燃比（λ＝１）での
運転状態がある期間経過した後、スイッチ１０４内の接
点１０８を接点１１０から１０９へ切換えて一定の時間
（ｔ₀）だけ定電流Ｉ_p*供給部１０６を駆動し、多孔質
電極１０１部より１０２部へ強制的に一定量の酸素を供
給する。次に、限界電流値Ｉ_p測定部１０５を間欠的に
駆動し、検出部でのＩ_p変化を検出する。検出される電
流値Ｉ_pは（ａ）中へ一点鎖線で示す如く次第に減少
し、所定のＩ_p値（即ち、Ｉ_pc）へ下るまでに時間τを
要する。このようなＩ_p値の減少は、多孔質電極１０２
部とガス拡散膜１０３部との界面における酸素が排ガス
雰囲気中へ放出され、この界面の酸素濃度が次第に減少
するからである。

【００８１】ガス拡散膜１０３部の拡散抵抗Ｒが小さく
なったとき、前記の時間τは初期値τ₀より小さくな
る。逆に、拡散抵抗が大きくなったときは初期値τ₀よ
り大きくなる。従って、空燃比センサの感度は前者の場
合に小さくなるように、後者の場合は逆に大きくなるよ
うに自己診断機能部１０７で補正される。この結果、高
い精度の出力電圧Ｖ_outを常に取り出すことができる。

【００８２】このように、較正用の電気信号（Ｉ_p*）を
加えたときの空燃比センサ固有の放置（Ｉ_p）の変化分
を測定し、この変化分の値に基づき感度の経時的な変化
を診断して、補正することが可能になった。

【００８３】

【発明の効果】本発明によれば、較正または診断を行う
ことにより、正確な検出出力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の基本構成を示す図。

【図２】信号処理手段を示す回路図。

【図３】静電容量式圧力センサの動作説明図。

【図４】静電容量式圧力センサの動作説明図。

【図５】静電容量式圧力センサの動作説明図。

【図６】静電容量式圧力センサの動作説明図。

【図７】（ａ)，(ｂ）はマイクロコンピュータにおける
処理フロー図。

【図８】半導体加速度センサの動作説明図。

【図９】半導体加速度センサの動作説明図。

【図１０】半導体加速度センサの動作説明図。

【図１１】半導体加速度センサの動作説明図。

【図１２】加速度センサの他の実施例を示す図。

【図１３】加速度センサの他の実施例を示す図。

【図１４】空燃比センサの空気過剰率に対する特性図。

【図１５】空燃比センサの電圧−電流特性図。

【図１６】空燃比センサの出力特性図。

【図１７】自己診断機能付センサの構造図。

【図１８】自己診断動作の説明図。

【符号の説明】

１…検出手段、２…刺激手段、４…信号処理手段、７…
通信機、４４…マイクロコンピュータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鵜飼征一茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者兼安昌美茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者黒岩弘茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者横田 ▲吉▼弘茨城県勝田市大字高場2520番地株式会社日立製作所佐和工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の電極と、前記第１の電極に対向して配置され、ばね手段により支
持され、前記第１の電極に向かって変位する第２の電極
と、前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量に基
づいて加速度を検出する検出手段と、前記第２の電極を変位させるように前記第１の電極と前
記第２の電極との間に較正電圧を与える刺激手段と、前記較正電圧によって引き起こされる前記第２の電極の
変位を測定する測定手段と、前記第２の電極の変位に基づいて、前記検出手段の較正
を行う較正手段と、を備えたことを特徴とする静電容量
式加速度センサ。
【請求項２】第１の電極と、前記第１の電極に対向して配置され、ばね手段により支
持され、前記第１の電極に向かって変位する第２の電極
と、前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量に基
づいて加速度を検出する検出手段と、前記第２の電極を変位させるように前記第１の電極と前
記第２の電極との間に診断電圧を与える刺激手段と、前記診断電圧によって引き起こされる前記第２の電極の
変位を測定する測定手段と、前記第２の電極の変位に基づいて、前記検出手段の診断
を行う診断手段と、を備えたことを特徴とする静電容量
式加速度センサ。
【請求項３】請求項２において、前記測定手段は、前記第１の電極と前記第２の電極との
間の静電容量の変化に基づいて、前記第２の電極の変位
を測定することを特徴とする静電容量式加速度センサ。
【請求項４】請求項２または３において、前記第１の電極は、前記第２の電極の両側に配置された
一対の固定電極であることを特徴とする加速度センサ。
【請求項５】請求項２または３において、前記診断電圧は、パルス状の電圧であることを特徴とす
る静電容量式加速度センサの診断方法。
【請求項６】請求項１または２において、前記第２の電
極の変位を制限する手段を有することを特徴とする加速
度センサ。
【請求項７】第１の電極と前記第１の電極に向かって変
位する第２の電極とからなる検出部を有する静電容量式
加速度センサの診断方法において、 (ａ) 前記第１の電極と前記第２の電極との間に診断電
圧を加え、前記第２の電極を変位させるステップａと、 (ｂ) 前記診断電圧を加えることによって生じる、前記
第２の電極の変位を検出するステップｂと、 (ｃ) 前記第２電極の変位に基づいて、前記検出部の診
断を行うステップｃと、とからなる静電容量式加速度センサの診断方法。
【請求項８】請求項７において、前記ステップｂは、前記第１の電極と前記第２電極との
間の静電容量の変化量に基づいて、前記第２の電極の変
位を求めることを特徴とする静電容量式加速度センサの
診断方法。
【請求項９】請求項７または８において、前記診断電圧は、パルス状の電圧であることを特徴とす
る静電容量式加速度センサの診断方法。
【請求項１０】第１の電極と前記第１の電極に向かって
変位する第２の電極とからなる検出部を有する静電容量
式加速度センサの較正方法において、 (ａ) 前記第１の電極と前記第２の電極との間に較正電
圧を加え、前記第２の電極を変位させるステップａと、 (ｂ) 前記較正電圧を加えることによって生じる、前記
第２の電極の変位を検出するステップｂと、 (ｃ) 前記第２電極の変位に基づいて、前記検出部の較
正を行うステップｃと、とからなる静電容量式加速度センサの較正方法。
【請求項１１】請求項７または１０において、前記診断または前記較正をオンライン中に行うことを特
徴とする静電容量式加速度センサの診断または較正方
法。