(57)【要約】【課題】静電容量式センサ装置の異常の検出を簡易に行う。【解決手段】駆動信号発生回路２０の第１端子１からは、パルス電圧である第１駆動信号ＶＸ１が出力される。第２端子２からは、前記パルス電圧又はその反転電圧である第２駆動信号ＶＸ２が出力される。第１センサ容量ＣＸ１と第２センサ容量ＣＸ２は等しい特性を持つ。制御信号発生回路３８は、第２端子２から前記パルス電圧又はその反転電圧のいずれを出力するかを制御する。電荷−電圧変換回路２６は、第２端子２から前記反転電圧が出力された場合は、第１センサ容量ＣＸ１の変化値ΔＣＸ１から第２センサ容量ＣＸ２の変化値ΔＣＸ２を減算した値（ΔＣＸ１−ΔＣＸ２）に応じた電圧値ＶＯＰを出力する。判定回路３６は、前記出力値ＶＯＰ（直接的にはＬＰＦ３４の出力ＶＯＵＴ）に基づいて、異常検出信号を出力する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振幅値が経時的に所定値変化する第１電圧とともに、振幅値が経時的に前記所定値とほぼ等しい値変化する第２電圧又はその反転電圧を出力する第１手段と、
第１電圧が印加されるとともに、作用する物理量に応じて容量値が変化する第１センサ容量と、
第２電圧又はその反転電圧が印加されるとともに、作用する物理量に応じて容量値が変化し、所定の物理量が作用したときの容量変化値の絶対値及び基準容量値が第１センサ容量とほぼ等しい第２センサ容量と、
第１手段から第２電圧とその反転電圧のいずれを出力するかを制御する制御手段と、
第１手段から第１電圧とともに第２電圧が出力された場合は、第１センサ容量の容量変化値の絶対値と第２センサ容量の容量変化値の絶対値を加算した値に応じた信号値を出力し、第１手段から第１電圧とともに第２電圧の反転電圧が出力された場合は、一方のセンサ容量の容量変化値の絶対値から他方のセンサ容量の容量変化値の絶対値を減算した値に応じた信号値を出力する第２手段と、
第１手段から第２電圧の反転電圧が出力された場合の第２手段の出力信号値に基づいて、異常検出信号を出力する異常検出手段を備えた静電容量式センサ装置。
【請求項２】
振幅値が経時的に所定値変化する第１電圧を出力する第１端子と、振幅値が経時的に前記所定値とほぼ等しい値変化する第２電圧又はその反転電圧を出力する第２端子を有する第１手段と、
一対の電極を有し、一方の電極が第１端子に接続されているとともに、作用する物理量に応じて容量値が変化する第１センサ容量と、
一対の電極を有し、一方の電極が第２端子に接続されているとともに、作用する物理量に応じて容量値が変化し、所定の物理量が作用したときの容量変化値の絶対値及び基準容量値が第１センサ容量とほぼ等しい第２センサ容量と、
第１手段の第２端子から第２電圧とその反転電圧のいずれを出力するかを制御する制御手段と、
各センサ容量の他方の電極が接続されているとともに、各センサ容量に蓄積された電荷の量及び極性に応じた信号値を出力する第２手段と、
第２手段の出力信号値に基づいて異常検出信号を出力する異常検出手段を備えた静電容量式センサ装置。
【請求項３】
制御手段は、第１手段から第２電圧とその反転電圧を交互に繰返し出力するように制御可能である請求項１又は２に記載の静電容量式センサ装置。
【請求項４】
作用する物理量に応じて容量値が変化するとともに所定の物理量が作用したときの容量変化値の絶対値及び基準容量値がほぼ等しい２つのセンサ容量を使用する方法であって、
第１センサ容量に対し振幅値が経時的に所定値変化する第１電圧を印加し、第２センサ容量に対し振幅値が経時的に前記所定値とほぼ等しい値変化する第２電圧を印加することで、第１センサ容量の容量変化値の絶対値と第２センサ容量の容量変化値の絶対値を加算した値を直接的又は間接的に求める第１工程と、
第１センサ容量に第１電圧を印加し、第２センサ容量に第２電圧の反転電圧を印加することで、一方のセンサ容量の容量変化値の絶対値から他方のセンサ容量の容量変化値の絶対値を減算した値を直接的又は間接的に求める第２工程を有するセンサ容量の使用方法。
【請求項５】
第１工程と第２工程を交互に繰返し行う請求項４に記載のセンサ容量の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、静電容量式センサ装置と、センサ容量の使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】圧力、加速度、振動、音圧等の各種の物理量を検知する静電容量式センサ装置が知られている。この静電容量式センサ装置では、センサ装置（特にセンサ素子部）の異常をその装置自身で検出するような異常検出機能（故障診断機能、自己診断機能とも呼ばれる）を持つものがある。
【０００３】
異常検出機能を持つ静電容量式センサ装置では、センサ用のセンサ容量とは別個に異常検出用の電極対を付加し、その電極対を利用することで、センサ装置の異常を検出するものが知られている。しかし、異常検出用の電極対を別個に付加すると、装置の構成が複雑化する等の問題があった。また、センサ装置の中には、このような電極対を付加すること自体が困難なものもあった。
【０００４】
これに対し、特許文献１には、センサ用の複数のセンサ容量を異常検出用としても利用するセンサ装置が示されている。このセンサ装置によると、異常検出用の電極対を別個に付加する必要がない。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−４００４７号公報（その公報の図１、図３、〔００４０〕〜〔００４６〕参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特許文献１の静電容量式センサ装置によると、異常を検出するためには、センサ用には使用しない電圧源を別個に用意する必要があるという問題があった。
【０００７】
本発明は、静電容量式センサ装置の異常の検出を従来よりも簡易に行える技術を実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び作用と効果】本発明の１つの態様の静電容量式センサ装置は、第１手段と、第２手段と、第１センサ容量と、第２センサ容量と、制御手段と、異常検出手段を備えている。
第１手段は、振幅値が経時的に所定値変化する第１電圧とともに、振幅値が経時的に前記所定値とほぼ等しい値変化する第２電圧又はその反転電圧を出力する。第１センサ容量は、第１電圧が印加されるとともに、作用する物理量に応じて容量値が変化する。第２センサ容量は、第２電圧又はその反転電圧が印加されるとともに、作用する物理量に応じて容量値が変化し、所定の物理量が作用したときの容量変化値の絶対値及び基準容量値が第１センサ容量とほぼ等しい。制御手段は、第１手段から第２電圧とその反転電圧のいずれを出力するかを制御する。第２手段は、第１手段から第１電圧とともに第２電圧が出力された場合は、第１センサ容量の容量変化値の絶対値と第２センサ容量の容量変化値の絶対値を加算した値に応じた信号値を出力し、第１手段から第１電圧とともに第２電圧の反転電圧が出力された場合は、一方のセンサ容量の容量変化値の絶対値から他方のセンサ容量の容量変化値の絶対値を減算した値に応じた信号値を出力する。異常検出手段は、第１手段から第２電圧の反転電圧が出力された場合の第２手段の出力信号値に基づいて、異常検出信号を出力する。
【０００９】
本態様では、第１手段から第１電圧とともに第２電圧が出力された場合は、第２手段は、第１センサ容量の容量変化値の絶対値と第２センサ容量の容量変化値の絶対値を加算した値に応じた信号値を出力する。この場合は、この信号値から、センサ容量に作用した物理量の大きさを検出できる。
【００１０】
これに対し、第１手段から第１電圧とともに第２電圧の反転電圧が出力された場合は、第２手段は、一方のセンサ容量の容量変化値の絶対値から他方のセンサ容量の容量変化値の絶対値を減算した値に応じた信号値を出力する。第１センサ容量と第２センサ容量は、正常であれば、所定の物理量が作用したときの容量変化値の絶対値がほぼ等しい。よって、上記減算値は、正常時はほぼゼロとなる。これに対し、上記減算値がほぼゼロとなっていない場合は、第１センサ容量及び／又は第２センサ容量に異常が生じていると推定できる。このため、上記減算値がほぼゼロか否かによって、第１センサ容量及び／又は第２センサ容量に異常が生じているか否かを精度良く検出できる。
【００１１】
このように、本態様では、第１手段から第２電圧が出力されている場合は、センサモードとなり、第１センサ容量に加えて第２センサ容量もセンサ用の素子として機能する。よって、センサ容量が１つの場合に比べて、高い感度で物理量を検出できる。
【００１２】
これに対し、第１手段から第２電圧の反転電圧が出力されている場合は、異常検出モードとなり、第１センサ容量と第２センサ容量は異常検出用の素子として機能する。よって、センサ容量と別個に異常検出用の電極対を付加する必要がない。また、センサモードから異常検出モードに切換えるには、第１手段から第２電圧を出力する状態から、第２電圧の反転電圧を出力する状態に切換えればよい。よって、センサ用に使用しない電圧源を異常検出のために別個に用意する必要がない。
【００１３】
このように、本態様によると、静電容量式センサ装置の異常の検出を従来よりも簡易に行うことができる。
【００１４】
本発明の他の態様の静電容量式センサ装置は、第１手段と、第２手段と、第１センサ容量と、第２センサ容量と、制御手段と、異常検出手段を備えている。
第１手段は、振幅値が経時的に所定値変化する第１電圧を出力する第１端子と、振幅値が経時的に前記所定値とほぼ等しい値変化する第２電圧又はその反転電圧を出力する第２端子を有する。第１センサ容量は、一対の電極を有し、一方の電極が第１端子に接続されているとともに、作用する物理量に応じて容量値が変化する。第２センサ容量は、一対の電極を有し、一方の電極が第２端子に接続されているとともに、作用する物理量に応じて容量値が変化し、所定の物理量が作用したときの容量変化値の絶対値及び基準容量値が第１センサ容量とほぼ等しい。制御手段は、第１手段の第２端子から第２電圧とその反転電圧のいずれを出力するかを制御する。第２手段は、各センサ容量の他方の電極が接続されているとともに、各センサ容量に蓄積された電荷の量及び極性に応じた信号値を出力する。異常検出手段は、第２手段の出力信号値に基づいて異常検出信号を出力する。
【００１５】
本態様によると、第１手段の第２端子から第２電圧とその反転電圧の一方が出力された場合は、第２手段は、第１センサ容量の容量変化値の絶対値と第２センサ容量の容量変化値の絶対値を加算した値に応じた信号値を出力する。これに対し、第１手段の第２端子から第２電圧とその反転電圧の他方が出力された場合は、第２センサ容量に蓄積される電荷の極性が、前記一方が出力された場合と逆になる。この結果、第２手段は、一方のセンサ容量の容量変化値の絶対値から他方のセンサ容量の容量変化値の絶対値を減算した値に応じた信号値を出力する。
従って、本態様によっても、静電容量式センサ装置の異常の検出を従来よりも簡易に行うことができる。
【００１６】
制御手段は、第１手段から第２電圧とその反転電圧を交互に繰返し出力するように制御可能であることが好ましい。
【００１７】
本態様によると、物理量の検知と、異常検査を実質的に並行して行うことができる。
【００１８】
ここで、「第１センサ容量」と「第２センサ容量」の容量値の変化する向きは同じ向きのみならず、逆向きであってもよい。第１センサ容量と第２センサ容量の容量変化値の絶対値が「ほぼ等しい」とは、容量変化値の絶対値の５％程度のずれは許容する趣旨である。例えば、製造誤差による容量変化値のばらつき等は許容され、本発明の適用範囲に含まれる。
【００１９】
「加算した値に応じた信号値」は、前記加算した値のみに直接的に対応する信号値だけでなく、例えば基準容量値に前記加算した値が重畳された値に直接的に対応する信号値も含まれる。即ち、センサ容量の基準容量値を除去し、容量変化分だけを抽出するための基準容量等が設けられていない構成にも本発明は適用される。
【００２０】
上記各「手段」は、ハードウェアによって実現されたものに限らず、ソフトウェアによって実現されたものや、ハードウェアとソフトウェアが並存するものによって実現されたものも含む。また、上記各「手段」は、物理的に複数に分けられていてもよい。
【００２１】
「第２手段の出力信号値に基づいて」という態様は、第２手段の出力信号値を直接的に用いて、異常か否かを判定し、異常検出信号を出力する態様には限られない。例えば第２手段が電荷−電圧変換手段の場合、その手段の後段にサンプル・ホールド手段やフィルタ手段等が配置され、これらを経由した後に出力された信号を用いて、異常か否かを判定し、異常検出信号を出力する態様も含まれる。あるいは、上記の場合は、電荷−電圧変換手段と、サンプル・ホールド手段と、フィルタを合わせたもの全体を第２手段と考えてもよい。
【００２２】
「第１電圧」は、振幅値が周期的に所定値変化するものが好ましい。「第１電圧」の電圧波形の例としては、パルス状の波形や、正弦波状の波形が挙げられる。「第１電圧」と「第２電圧」は同期していることが好ましい。「第１電圧」と「第２電圧」は同位相であることが好ましい。「第１電圧」と「第２電圧」は電圧波形の形状がほぼ等しいことが好ましい。「第１電圧」を反転させたものを「第２電圧」とすることも、構成によっては採用し得る。「第２電圧の反転電圧」の態様には、例えば、第２電圧の振幅値が第１期間では０Ｖで、第２期間では５Ｖで、第１期間と第２期間が繰返される場合に、（１）反転電圧が第１期間では５Ｖとなり、第２期間では０Ｖとなる態様や、（２）反転電圧が第１期間では０Ｖとなり、第２期間では−５Ｖとなる態様が含まれる。
【００２３】
異常検出手段は、第１手段から第２電圧の反転電圧が出力された場合の第２手段の出力信号値の絶対値が所定値以上である場合に、異常検出信号を出力することが好ましい。
【００２４】
第１手段は、第１センサ容量に印加される電圧（第１電圧）を反転させた第３電圧と、第２センサ容量に印加される電圧（第２電圧又はその反転電圧）を反転させた第４電圧をさらに出力することが好ましい。
そして、第３電圧が印加されるとともに、物理量が作用しても容量値が実質的に変化せず、基準容量値が第１センサ容量とほぼ等しい第１基準容量と、第４電圧が印加されるとともに、物理量が作用しても容量値が実質的に変化せず、基準容量値が第１センサ容量とほぼ等しい第２基準容量をさらに備えていることが好ましい。
あるいは、第３電圧が印加されるとともに、作用する物理量に応じて容量値が第１センサ容量と逆向きに変化し、基準容量値が第１センサ容量とほぼ等しい第１差動容量と、第４電圧が印加されるとともに、作用する物理量に応じて容量値が第２センサ容量と逆向きに変化し、基準容量値が第２センサ容量とほぼ等しい第２差動容量をさらに備えていることが好ましい。
【００２５】
上記のような基準容量又は差動容量をさらに備えると、センサ容量から基準容量値を除去して、容量変化分だけを抽出することができる。そして、上記態様によると、このような基準容量又は差動容量が設けられている場合でも、異常の検出を簡易に行うことができる。
【００２６】
本発明の他の態様のセンサ容量の使用方法は、作用する物理量に応じて容量値が変化するとともに所定の物理量が作用したときの容量変化値の絶対値及び基準容量値がほぼ等しい２つのセンサ容量を使用する方法である。この方法は、第１工程と、第２工程を有する。第１工程では、第１センサ容量に対し振幅値が経時的に所定値変化する第１電圧を印加し、第２センサ容量に対し振幅値が経時的に前記所定値とほぼ等しい値変化する第２電圧を印加することで、第１センサ容量の容量変化値の絶対値と第２センサ容量の容量変化値の絶対値を加算した値を直接的又は間接的に求める。第２工程では、第１センサ容量に第１電圧を印加し、第２センサ容量に第２電圧の反転電圧を印加することで、一方のセンサ容量の容量変化値の絶対値から他方のセンサ容量の容量変化値の絶対値を減算した値を直接的又は間接的に求める。
【００２７】
本態様によると、センサ容量の異常の検出を従来よりも簡易に行うことができる。
【００２８】
第１工程と第２工程を交互に繰返し行うことが好ましい。
【００２９】
本態様によると、物理量の検知と、異常検査を実質的に並行して行うことができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１実施例）  図１に示す第１実施例の異常検出機能付き静電容量式センサ装置は、制御信号発生回路３８と、駆動信号発生回路２０と、第１センサ素子部２２と、第２センサ素子部２４と、電荷−電圧変換回路２６と、サンプル・ホールド回路（Ｓ／Ｈ回路）３２と、ローパス・フィルタ（ＬＰＦ）３４と、判定回路３６を備えている。このセンサ装置は、後述するように、物理量（例えば圧力、加速度、振動、音圧等）を検出するセンサモードと、センサ装置（特にセンサ素子部２２、２４）の異常を検出する異常検出モードに設定することができる。なお、センサモードは、センサ装置本来の動作を行うモードであるので、通常動作モードといってもよい。また、異常検出モードは、故障診断モード又は自己診断モードといってもよい。
【００３１】
制御信号発生回路３８は、センサ装置の各部に制御信号Ｓ１〜Ｓ４を出力する。これにより、センサ装置の動作を制御する。具体的には、制御信号発生回路３８は、駆動信号発生回路２０にモード設定信号Ｓ１を出力する。電荷−電圧変換回路２６のスイッチ２８にリセット信号Ｓ２を出力する。サンプル・ホールド回路３２にサンプリング指令信号Ｓ３を出力する。判定回路３６に判定指令信号Ｓ４を出力する。
【００３２】
駆動信号発生回路２０は、第１端子１、第２端子２、第３端子３、第４端子４を有する。各端子１〜４からはそれぞれ独立して第１駆動信号ＶＸ１、第２駆動信号ＶＸ２、第３駆動信号ＶＲ１、第４駆動信号ＶＲ２を出力できる。これらの駆動信号は、振幅ＶＰの方形波パルス電圧の繰返し信号である（図２と図３参照）。
【００３３】
制御信号発生回路３８からモード設定信号Ｓ１としてセンサモード設定信号が出力される場合は、第２駆動信号ＶＸ２は、第１駆動信号ＶＸ１と同じ電圧波形でかつ同位相の信号に設定される（図２参照）。これに対し、制御信号発生回路３８からモード設定信号Ｓ１として異常検出モード設定信号が出力される場合は、第２駆動信号ＶＸ２は、第１駆動信号ＶＸ１と同じ電圧波形でかつ同位相の信号を反転させた信号に設定される（図３参照）。本実施例では、第１駆動信号ＶＸ１と同じ電圧波形でかつ同位相の信号の位相を逆位相にすることで、反転させる。
【００３４】
第３駆動信号ＶＲ１は、第１駆動信号ＶＸ１を反転させた信号である。本実施例では、第３駆動信号ＶＲ１は、第１駆動信号ＶＸ１を逆位相にすることで反転させたものである（図２と図３参照）。第４駆動信号ＶＲ２は、第２駆動信号ＶＸ２を反転させた信号である。本実施例では、第４駆動信号ＶＲ２は、第２駆動信号ＶＸ２を逆位相にすることで反転させたものである（図２と図３参照）。
【００３５】
第１センサ素子部２２は、第１センサ容量ＣＸ１と、第１基準容量ＣＲ１を有する。第２センサ素子部２４は、第２センサ容量ＣＸ２と、第２基準容量ＣＲ２を有する。第１センサ容量ＣＸ１と第２センサ容量ＣＸ２は等しい特性を持つ。また、第１基準容量ＣＲ１と第２基準容量ＣＲ２は等しい特性を持つ。具体的には、第１センサ容量ＣＸ１と第２センサ容量ＣＸ２は、作用する物理量に応じて容量値が変化する。センサ容量ＣＸ１、ＣＸ２は、それぞれ可動電極と固定電極を有する。可動電極と固定電極は対向する位置に配置されている。物理量が作用すると、可動電極が変位する。これにより、可動電極と固定電極の間の距離が変化する。この結果、容量値が変化する。本実施例では、第１センサ容量ＣＸ１と第２センサ容量ＣＸ２は、所定の物理量が作用したときにはそれぞれ、容量値がΔＣＸ１とΔＣＸ２だけ増加する。これらの容量増加値（容量変化値）ΔＣＸ１とΔＣＸ２は等しい。また、第１センサ容量ＣＸ１と第２センサ容量ＣＸ２は、基準容量値（基準物理量が作用したときの容量値）が等しい。
【００３６】
これに対し、第１基準容量ＣＲ１と第２基準容量ＣＲ２は、物理量が作用しても容量値が実質的に変化しない。基準容量ＣＲ１、ＣＲ２は、それぞれ２つの固定電極を有する。即ち、物理量が作用しても、各基準容量ＣＲ１、ＣＲ２を構成する２つの電極とも固定されているため、電極間の距離は変化しない。このため、容量値も変化しない。基準容量ＣＲ１、ＣＲ２の容量値はそれぞれ、センサ容量ＣＸ１、ＣＸ２の基準容量値と等しくなるように設計されている。即ち、基準容量ＣＲ１、ＣＲ２の容量値はそれぞれ、容量変化値ΔＣＸ１、ΔＣＸ２がゼロの場合のセンサ容量ＣＸ１、ＣＸ２の容量値と等しい。基準容量ＣＲ１、ＣＲ２は、それぞれセンサ容量ＣＸ１、ＣＸ２から容量変化分ΔＣＸ１、ΔＣＸ２だけを取出すためのものである。
【００３７】
第１センサ容量ＣＸ１の一端（一方の電極）は、第１端子１に接続されている。第１基準容量ＣＲ１の一端（一方の電極）は、第３端子３に接続されている。第２センサ容量ＣＸ２の一端（一方の電極）は、第２端子２に接続されている。第２基準容量ＣＲ２の一端（一方の電極）は、第４端子４に接続されている。これらの容量ＣＸ１、ＣＸ２、ＣＲ１、ＣＲ２の他端は、後述する電荷−電圧変換回路２６の入力端子（オペアンプ３０の反転入力端子）に共通に接続されている。オペアンプ３０の非反転入力端子は接地されている。よって、例えば第１センサ容量ＣＸ１に第１端子１から振幅ＶＰのパルス電圧である第１駆動信号ＶＸ１が出力されると、その電圧振幅値ＶＰが第１センサ容量ＣＸ１に印加される。この結果、その電圧値ＶＰと第１センサ容量ＣＸ１の容量値の積により求められる電荷ＱＸ１が第１センサ容量ＣＸ１に蓄積される。他の容量ＣＸ２、ＣＲ１、ＣＲ２についても同様である。
【００３８】
電荷−電圧変換回路２６は、センサ容量ＣＸ１、ＣＸ２や基準容量ＣＲ１、ＣＲ２に蓄積された電荷量を電圧値に変換して出力するものである。この回路２６は、チャージアンプ回路といってもよい。電荷−電圧変換回路２６は、オペアンプ（チャージアンプ）３０と、帰還容量ＣＦと、スイッチ２８を有する。この回路２６は、先に述べたようにオペアンプ３０の反転入力端子のみに各容量ＣＸ１、ＣＸ２、ＣＲ１、ＣＲ２の他端が接続されており、シングル入力型となっている。帰還容量ＣＦとスイッチ２８は、オペアンプ３０の反転入力端子と出力端子の間に並列接続されている。スイッチ２８は、制御信号発生回路３８からリセット信号Ｓ２が入力されると、オンする。スイッチ２８がオンすると、帰還容量ＣＦの両端が短絡するため、帰還容量ＣＦに蓄積されていた電荷は放電される。電荷−電圧変換回路２６（詳細にはオペアンプ３０）の出力電圧ＶＯＰは、サンプル・ホールド回路３２に入力される。
【００３９】
サンプル・ホールド回路３２は、制御信号発生回路３８からサンプリング信号Ｓ３が入力されると、オペアンプ３０の出力電圧ＶＯＰをサンプリングする。そして、そのサンプリングした信号の値を所定時間ホールドする。サンプル・ホールド回路３２の出力電圧信号は、ローパス・フィルタ３４に入力される。
【００４０】
ローパス・フィルタ３４は、所定のカットオフ周波数を持ち、サンプル・ホールド回路３２の出力信号の高周波成分をカットし、帯域制限された電圧信号ＶＯＵＴを出力する。ローパス・フィルタ３４の出力電圧ＶＯＵＴは、判定回路３６に入力される。
【００４１】
判定回路３６は、センサモードでは使用されず、異常検出モードにおいて使用される。異常検出モードにおいて、制御信号発生回路３８から判定指令信号Ｓ４が入力されると、電荷−電圧変換回路２６（オペアンプ３０）の出力電圧ＶＯＰが、分岐線４２を通って判定回路３６に入力される。判定回路３６は、その出力電圧値ＶＯＰが所定の異常判定値（しきい値）ＶＴＨ以上か否かを判定し、判定信号ＶＤＥＴを出力する。判定回路３６は、出力電圧値ＶＯＰが所定のしきい値ＶＴＨよりも小さい場合は、判定信号ＶＤＥＴとして、正常である旨の信号を出力する。これに対し、判定回路３６は、出力電圧値ＶＯＰが所定のしきい値ＶＴＨ以上の場合は、判定信号ＶＤＥＴとして、異常検出信号を出力する。
【００４２】
次に、上記構成の静電容量式センサ装置の動作について説明する。このセンサ装置の動作は、センサモードでの動作と異常検出モードでの動作に分けられる。まず、センサモードでの動作について図２のタイミングチャートを参照して説明する。なお、図２と後述する図３では、Ｈｉ信号を「Ｈ」と表示し、Ｌｏｗ信号を「Ｌ」と表示している。
図２に示すように、制御信号発生回路３８が出力するモード設定信号Ｓ１がＬｏｗ信号の場合は、センサモードとなる。センサモードでは、第２駆動信号ＶＸ２は第１駆動信号ＶＸ１と同位相である。第３駆動信号ＶＲ１は第１駆動信号ＶＸ１に対して逆位相となっている。第４駆動信号ＶＲ２は第３駆動信号ＶＲ１と同位相である。
【００４３】
図４は、期間Ｔ１０〜Ｔ１２における静電容量式センサ装置の状態を示す。期間Ｔ１０〜Ｔ１２中は、リセット信号Ｓ２がＨｉ信号である。この場合は、スイッチ２８がオンする。スイッチ２８がオンすると、帰還容量ＣＦの両端が短絡する。よって、帰還容量ＣＦに蓄積された電荷は放電する。このため、スイッチ２８がオンしている間は、オペアンプ３０の出力電圧ＶＯＰはゼロである。また、期間Ｔ１０〜Ｔ１２中は、第１駆動信号ＶＸ１がＶＰであり、第３駆動信号ＶＲ１がゼロである。この場合、第１センサ容量ＣＸ１には、ＱＸ１＝ＣＸ１ＶＰ＝（ＣＲ１＋ΔＣＸ１）ＶＰの電荷が蓄積される。
【００４４】
図５は、期間Ｔ１４〜Ｔ１６における静電容量式センサ装置の状態を示す。図２に示すように、時刻Ｔ１２において、リセット信号Ｓ２はＨｉ信号からＬｏｗ信号に切換わっており、期間Ｔ１４〜Ｔ１６中は、リセット信号Ｓ２がＬｏｗ信号である。この場合は、スイッチ２８がオフとなっている。また、時刻Ｔ１４において、第１駆動信号ＶＸ１はゼロとなり、第３駆動信号ＶＲ１はＶＰに切換わる。このように、図４に示す状態から、図５に示すようにスイッチ２８がオフとなり、また、第１駆動信号ＶＸ１がゼロになると、第１センサ容量ＣＸ１の一方の電極（帰還容量ＣＦの一方の電極と接続された電極）に蓄積されていた負電荷は、帰還容量ＣＦの前記一方の電極に移動する。これに伴い、帰還容量ＣＦの他方の電極には、正電荷が誘起される。これにより、帰還容量ＣＦには、第１センサ容量ＣＸ１に蓄積されていた電荷と等量の電荷ＱＸ１が蓄積される。
【００４５】
また、第３駆動信号ＶＲ１がＶＰになると、第１基準容量ＣＲ１には、ＱＲ１＝ＣＲ１ＶＰの電荷が蓄積される。この場合、第１基準容量ＣＲ１の一方の電極（帰還容量ＣＦの前記一方の電極と接続された電極）には、負電荷が蓄積される。この結果、帰還容量ＣＦの前記一方の電極には、電荷量保存の法則によって、第１基準容量ＣＲ１の前記一方の電極に蓄積された負電荷と等量で、反対符号の電荷（即ち、正電荷）が誘起される。これに伴い、帰還容量ＣＦの前記他方の電極には、負電荷が誘起される。これにより、帰還容量ＣＦには、第１基準容量ＣＲ１に蓄積された電荷と等量の電荷ＱＲ１が蓄積される。
【００４６】
但し、帰還容量ＣＦに蓄積される電荷ＱＸ１とＱＲ１の極性は逆向きである。よって、第１センサ素子部２２に蓄積された電荷ＱＸ１、ＱＲ１に起因して、帰還容量ＣＦには電荷ＱＸ１−ＱＲ１が蓄積される。この結果、第１センサ素子部２２に蓄積された電荷ＱＸ１、ＱＲ１に起因する分のオペアンプ３０の出力電圧ＶＯＰ１は、非反転入力端子が接地されているため、次式（１）となる。
2004347493.tif 000003
【００４７】
上記では、第１センサ素子部２２の動作について説明したが、第２センサ素子部２４でも同様の動作が行われる。これにより、第２センサ容量ＣＸ２には、電荷ＱＸ２（＝ＣＸ２ＶＰ＝（ＣＲ２＋ΔＣＸ２）ＶＰ）が蓄積される。第２基準容量ＣＲ２には、電荷ＱＲ２（＝ＣＲ２ＶＰ）が蓄積される。
よって、第２センサ素子部２４に蓄積された電荷ＱＸ２、ＱＲ２に起因して、帰還容量ＣＦには電荷ＱＸ２−ＱＲ２が蓄積される。この結果、第２センサ素子部２４に蓄積された電荷ＱＸ２、ＱＲ２に起因する分のオペアンプ３０の出力電圧ＶＯＰは、次式（２）となる。
2004347493.tif 000004
【００４８】
以上から、第１センサ素子部２２に蓄積された電荷ＱＸ１、ＱＲ１と第２センサ素子部２４に蓄積された電荷ＱＸ２、ＱＲ２に起因するオペアンプ３０の出力電圧ＶＯＰは、式（１）のＶＯＰ１と式（２）のＶＯＰ２を加算した次式（３）となる。
ＶＯＰ＝ＶＯＰ１＋ＶＯＰ２＝（ΔＣＸ１＋ΔＣＸ２）ＶＰ／ＣＦ        （３）
【００４９】
図２に示すように、期間Ｔ１４〜Ｔ１６の間の所定の時点において、制御信号発生回路３８は、サンプル・ホールド回路３２に対して、サンプリング指令信号Ｓ３を出力する。サンプリング指令信号Ｓ３が入力されると、サンプル・ホールド回路３２は、オペアンプ３０の出力電圧ＶＯＰ（図２ではＶ１）をサンプリングし、その値をホールドする。サンプル・ホールド回路３２の出力信号は、さらにローパス・フィルタ３４に入力される。これにより、ローパス・フィルタ３４からは、高周波成分がカットされ、帯域制限された出力信号ＶＯＵＴが出力される。
【００５０】
なお、センサモードでは、制御信号発生回路３８から判定回路３６に向けて出力される判定指令信号Ｓ４はＬｏｗ状態であり、判定動作は行われない。よって、判定回路３６の出力信号ＶＤＥＴもＬｏｗ状態となっている。
センサモードでは、以上の動作が繰返し行われる。
【００５１】
次に、異常検出モードでの動作について図３のタイミングチャートを参照して説明する。制御信号発生回路３８が出力するモード設定信号Ｓ１がＨｉ信号の場合は、異常検出モードとなる。異常検出モードでは、制御信号発生回路３８からサンプル・ホールド回路３２に向けて出力されるサンプリング指令信号Ｓ３はＬｏｗ状態であり、サンプリング動作は行われない。よって、ローパス・フィルタ３４の出力信号ＶＯＵＴもＬｏｗ状態となっている。異常検出モードでは、センサモードと異なり、第３駆動信号ＶＸ２は第１駆動信号ＶＸ１に対して逆位相であり、第４駆動信号ＶＲ２は第２駆動信号ＶＲ１に対して逆位相である。第２駆動信号ＶＲ１が第１駆動信号ＶＸ１に対して逆位相であるのは、センサモードの場合と同様である。この結果、異常検出モードでは、第２センサ容量ＣＸ２と第２基準容量ＣＲ２に蓄積される電荷の極性が、センサモードの場合と逆になる。このため、オペアンプ３０の出力電圧ＶＯＰは、式（１）のＶＯＰ１から式（２）のＶＯＰ２を減算した次式（４）となる。
ＶＯＰ＝ＶＯＰ１−ＶＯＰ２＝（ΔＣＸ１−ΔＣＸ２）ＶＰ／ＣＦ        （４）
【００５２】
第１センサ容量ＣＸ１と第２センサ容量ＣＸ２は正常であれば、先に述べたように、作用する物理量の大きさとは無関係に容量増加値（容量変化値）ΔＣＸ１とΔＣＸ２が等しい。このため、オペアンプ３０の出力電圧ＶＯＰは、センサ素子部２２、２４が正常の場合は、作用する物理量の大きさとは無関係に実質的にゼロとなる。
【００５３】
図３において、期間Ｔ５４〜Ｔ５６の間は、センサ素子部２２、２４が正常で、オペアンプ３０の出力電圧ＶＯＰがゼロとなっている。この出力電圧ＶＯＰは判定回路３６に入力される。異常検出モードでは、期間Ｔ５４〜Ｔ５６の所定の時点で、制御信号発生回路３８から判定回路３６へＨｉ状態の判定指令信号Ｓ４が出力される。判定回路３６は、判定指令信号Ｓ４が入力されると、出力電圧ＶＯＰの値（絶対値）が異常判定値ＶＴＨ以上か否かを判定する。出力電圧ＶＯＰの値が異常判定値ＶＴＨよりも小さい場合は、判定回路３６は、判定信号ＶＤＥＴとしてＬｏｗ信号（正常である旨を示す信号）を出力する。上記のように出力電圧ＶＯＰの値が異常判定値ＶＴＨよりも小さいゼロの場合は、判定回路３６は、判定信号ＶＤＥＴとしてＬｏｗ信号を出力する。
【００５４】
これに対し、センサ素子部２２、２４に異常がある場合は、（ΔＣＸ１−ΔＣＸ２）がほぼゼロにはならない場合が生じる。例えば、センサ容量ＣＸ１、ＣＸ２を構成する可動電極と固定電極の間に異物（ゴミ等）が挟まった場合は、センサ容量ＣＸ１、ＣＸ２に所定の物理量が加わっても、可動電極が意図した分だけ変位することができず、意図した容量変化値が得られない場合が生じる。
この場合、オペアンプ３０の出力電圧ＶＯＰの値がほぼゼロとはならない。
【００５５】
期間Ｔ６２〜Ｔ６４の間は、センサ素子部２２、２４に異常が生じており、オペアンプ３０の出力電圧ＶＯＰががほぼゼロとならず、Ｖ３となった場合を示している。異常検出モードでは、期間Ｔ６２〜Ｔ６４の間の所定の時点で、制御信号発生回路３８から判定回路３６へＨｉ状態の判定指令信号Ｓ４が出力される。判定回路３６が、その判定指令信号Ｓ４を受けた時点で、出力電圧ＶＯＰの値が異常判定値ＶＴＨ以上の場合は、判定回路３６は、判定信号ＶＤＥＴとしてＨｉ信号（異常検出信号）を出力する。上記のように、出力電圧ＶＯＰが異常判定値ＶＴＨよりも大きいＶ３の場合は、判定回路３６は、判定信号ＶＤＥＴとしてＨｉ信号を出力する。
【００５６】
センサ容量ＣＸ１、ＣＸ２は、異物（ゴミ等）の存在が異常を引き起こす可能性がセンサ装置の中でも相対的に高い。センサ容量ＣＸ１、ＣＸ２の可動電極と固定電極の間に異物が挟まった場合は、物理量が作用しても可動電極が変位しにくくなり、意図した容量変化値が得られなくなるからである。また、センサ容量ＣＸ１、ＣＸ２を構成する可動電極は、変位させることを前提した部位である。よって、繰返し使用されることで劣化し、物理量が作用しても意図した変位量（容量変化値）が得られない等の異常が生じる可能性が相対的に高い。
本実施例によると、このように、センサ装置の中でも相対的に異常が生じ易いセンサ素子部２２、２４の異常を、従来よりも簡易に、しかも精度良く検出することができる。
【００５７】
また、制御信号発生回路３８は、第２端子２から図２に示すパルス電圧（第２駆動信号）ＶＸ２と、これを反転させた図３に示すパルス電圧（第２駆動信号）ＶＸ２を、交互に繰返し出力するように制御可能であることが好ましい。即ち、制御信号発生回路３８は、センサモードと異常検査モードを交互に繰返すように制御可能であることが好ましい。
【００５８】
このようにすると、本実施例のセンサ装置によって、製造後の出荷時における異常検査のみならず、センサ装置の本来の動作であるセンサ動作を行いながら、その合間に異常検査を行うようなオンライン検査をも行うことができる。本実施例では、第２端子２と第４端子４から出力する電圧を反転させるだけで、センサモードと異常検査モードを容易に切換えることができるので、センサモードと異常検査モードを短い時間間隔で繰返すことが容易に行える。
【００５９】
（第２実施例）  図６に示す第２実施例の静電容量式センサ装置は、電荷−電圧変換回路２６を差動入力型にしたものである。第２センサ素子部２４の出力はオペアンプ３０の非反転入力端子に入力される。また、オペアンプ３０の非反転入力端子は、第２帰還容量ＣＦ２を介して接地されている。第２帰還容量ＣＦ２には、第２スイッチ２９が並列に接続されている。
【００６０】
（第３実施例）  図７に示す第３実施例の静電容量式センサ装置は、駆動信号ＶＸ１、ＶＸ２、ＶＲ１、ＶＲ２の電圧波形を方形波から正弦波に変更したものである。また、第１実施例のサンプル・ホールド回路３２に代えて、同期整流回路４０を用いている。また、同期整流回路４０の出力電圧が分岐線４４を通じて判定回路３６に入力される。なお、第２実施例と同様に、電荷−電圧変換回路２６は差動入力型としている。
【００６１】
第２実施例及び第３実施例の静電容量式センサ装置によっても、第１実施例の静電容量式センサ装置と同様の作用効果を得ることができる。
【００６２】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
（１）例えば、上記実施例で使用した基準容量ＣＲ１に代えて、作用する物理量に応じて容量値がセンサ容量ＣＸ１と逆向きに変化し、基準容量値（基準物理量が作用したときの容量値）がセンサ容量ＣＸ２とほぼ等しい差動容量を用いてもよい。この構成によると、センサ容量ＣＸ１と前記差動容量の基準容量値が相殺され、センサ容量ＣＸ１の容量変化値と、前記差動容量の容量変化値の合計値だけを抽出できる。同様に、基準容量ＣＲ２に代えて、差動容量を用いてもよい。
（２）また、上記実施例では、帰還容量ＣＦと並列にスイッチ２８を設けた場合について説明したが、例えば帰還容量ＣＦと並列に抵抗を設けてもよい。このようなスイッチ２８や抵抗を設けることで、電荷−電圧変換回路２６の直流動作点を適切に設定することができる。具体的には、オペアンプ３０の逆相入力端子の直流電位を適切な値に設定することができる。
【００６３】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の静電容量式センサ装置のブロック図を示す。
【図２】第１実施例の静電容量式センサ装置のセンサモードでの動作を示すタイミングチャートである。
【図３】第１実施例の静電容量式センサ装置の異常検出モードでの動作を示すタイミングチャートである。
【図４】静電容量式センサ装置の動作を説明するための図を示す（１）。
【図５】静電容量式センサ装置の動作を説明するための図を示す（２）。
【図６】第２実施例の静電容量式センサ装置のブロック図を示す。
【図７】第３実施例の静電容量式センサ装置のブロック図を示す。
【符号の説明】
２０：駆動信号発生回路
２２：第１センサ素子部
２４：第２センサ素子部
２６：電荷−電圧変換回路
２８：スイッチ
３０：オペアンプ
３２：サンプル・ホールド回路
３４：ローパス・フィルタ
３６：判定回路
３８：制御信号発生回路
ＣＸ１、ＣＸ２：センサ容量
ＣＲ１、ＣＲ２：基準容量
ＣＦ：帰還容量
ＶＸ１：第１駆動信号
ＶＸ２：第２駆動信号
ＶＲ１：第３駆動信号
ＶＲ２：第４駆動信号
Ｓ１：モード設定信号
Ｓ２：リセット信号
Ｓ３：サンプリング指令信号
Ｓ４：判定指令信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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