(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量の変化に応じて静電容量が変化するコンデンサを複数含みかつスイッチを含むスイッチドキャパシタ回路と、
前記コンデンサの静電容量を電圧に変換する静電容量−電圧変換回路と、
第１周波数の第１制御信号および第２周波数の第２制御信号を含む複数の制御信号を発生する制御信号発生回路とを有するセンサであって、
前記コンデンサが、共振周波数ｆ０を有する周波数−静電容量特性を有し、
前記第１周波数は、共振現象による影響を避けた静電容量測定ができるように、前記共振周波数ｆ０よりも大きく、または、小さく設定された周波数であり、
前記第２周波数はｆ０＋ａと表され、前記ａは、共振現象によって前記周波数−静電容量特性が急峻に変化する範囲内に設定され、
前記物理量の測定の際には、前記制御信号発生回路からの前記第１周波数の前記第１制御信号に応じて前記コンデンサの充放電を行い、前記コンデンサに充電された電荷量を前記静電容量−電圧変換回路により電圧に変換することにより行われる前記コンデンサの静電容量の測定が、前記コンデンサごとに前記複数のコンデンサについて行われ、
前記センサの自己診断の際には、前記制御信号発生回路からの前記第２周波数の前記第２制御信号に応じて前記コンデンサの充放電を行い、前記コンデンサに充電された電荷量を前記静電容量−電圧変換回路により電圧に変換することにより行われる前記コンデンサの静電容量の測定が、前記コンデンサごとに前記複数のコンデンサについて行われることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のセンサにおいて、
前記ａは、５０ｋＨｚ以内であることを特徴とするセンサ。
【請求項３】
請求項１記載のセンサにおいて、
前記第２周波数の前記第２制御信号により測定された前記コンデンサの静電容量値を所定の値と比較することにより前記センサの自己診断を行うことを特徴とするセンサ。
【請求項４】
請求項１記載のセンサにおいて、
前記コンデンサは、
固定電極と、
前記固定電極と空隙を介し、対向して設置され、物理量の変化に応じて変位する可動電極とを有することを特徴とするセンサ。
【請求項５】
請求項１記載のセンサにおいて、
前記物理量が圧力であることを特徴とするセンサ。
【請求項６】
請求項１記載のセンサにおいて、
前記コンデンサが、表面ＭＥＭＳによって形成されていることを特徴とするセンサ。
【請求項７】
請求項１記載のセンサにおいて、
前記コンデンサおよび静電容量−電圧変換回路が同一の半導体基板上に形成されていることを特徴とするセンサ。
【請求項８】
請求項１記載のセンサにおいて、
更に、昇圧回路を有しており、
前記センサの自己診断の際に、前記昇圧回路によって昇圧されたバイアス電圧を前記コンデンサに印加して、前記コンデンサの静電容量が測定されることを特徴とするセンサ。
【請求項９】
請求項１記載のセンサにおいて、
更に、前記コンデンサ周辺にヒータを有しており、
前記センサの自己診断の際に、前記ヒータによって加熱された状態で前記コンデンサの静電容量が測定されることを特徴とするセンサ。
【請求項１０】
物理量の変化に応じて静電容量が変化するコンデンサを複数含みかつスイッチを含むスイッチドキャパシタ回路と、
前記コンデンサの静電容量を電圧に変換する静電容量−電圧変換回路と、
第１周波数の第１制御信号および第２周波数の第２制御信号を含む複数の制御信号を発生する制御信号発生回路とを有するセンサであって、
前記コンデンサが、共振周波数ｆ０を有する周波数−静電容量特性を有し、
前記第１周波数は、共振現象による影響を避けた静電容量測定ができるように、前記共振周波数ｆ０よりも大きく、または、小さく設定された周波数であり、
前記第２周波数はｆ０＋ａと表され、前記ａは、共振現象によって前記周波数−静電容量特性が急峻に変化する範囲内に設定され、
前記制御信号発生回路からの前記第１周波数の前記第１制御信号に応じて前記コンデンサの充放電を行い、前記コンデンサに充電された電荷量を前記静電容量−電圧変換回路により電圧に変換することにより前記コンデンサの静電容量を測定する第１測定が、前記コンデンサごとに前記複数のコンデンサについて行われ、
前記第１測定の結果が規格外である、もしくは、その偏差が規格外である場合、または、前記第１測定が所定回数行われた場合に、前記制御信号発生回路からの前記第２周波数の前記第２制御信号に応じて前記コンデンサの充放電を行い、前記コンデンサに充電された電荷量を前記静電容量−電圧変換回路により電圧に変換することにより前記コンデンサの静電容量を測定する第２測定が、前記コンデンサごとに前記複数のコンデンサについて行われることを特徴とするセンサ。
【請求項１１】
請求項１０記載のセンサにおいて、
前記ａは、５０ｋＨｚ以内であることを特徴とするセンサ。
【請求項１２】
請求項１０記載のセンサにおいて、
更に、昇圧回路を有しており、
前記第２測定の結果が規格外の場合、
前記昇圧回路によって昇圧されたバイアス電圧を前記コンデンサに印加して、前記コンデンサの静電容量を測定する第３測定が行われることを特徴とするセンサ。
【請求項１３】
請求項１２記載のセンサにおいて、
更に、前記コンデンサ周辺にヒータを有しており、
前記第３測定の結果が規格外の場合、
前記ヒータによって加熱された状態で前記コンデンサの静電容量を測定する第４測定が行われることを特徴とするセンサ。
【請求項１４】
タイヤ内の圧力の変化に応じて静電容量が変化するコンデンサを複数含みかつスイッチを含むスイッチドキャパシタ回路と、
前記コンデンサの静電容量を電圧に変換する静電容量−電圧変換回路と、
第１周波数の第１制御信号および第２周波数の第２制御信号を含む複数の制御信号を発生する制御信号発生回路と、
前記静電容量−電圧変換回路および前記制御信号発生回路を駆動するための定電圧源とを有するセンサモジュールであって、
前記コンデンサが、共振周波数ｆ０を有する周波数−静電容量特性を有し、
前記第１周波数は、共振現象による影響を避けた静電容量測定ができるように、前記共振周波数ｆ０よりも大きく、または、小さく設定された周波数であり、
前記第２周波数はｆ０＋ａと表され、前記ａは、共振現象によって前記周波数−静電容量特性が急峻に変化する範囲内に設定され、
前記制御信号発生回路からの前記第１周波数の前記第１制御信号に応じて前記コンデンサの充放電を行い、前記コンデンサに充電された電荷量を前記静電容量−電圧変換回路により電圧に変換することにより前記コンデンサの静電容量を測定する第１測定が、前記コンデンサごとに前記複数のコンデンサについて行われ、
前記第１測定の結果が規格外である、もしくは、その偏差が規格外である場合、または、前記第１測定が所定回数行われた場合に、前記制御信号発生回路からの前記第２周波数の前記第２制御信号に応じて前記コンデンサの充放電を行い、前記コンデンサに充電された電荷量を前記静電容量−電圧変換回路により電圧に変換することにより前記コンデンサの静電容量を測定する第２測定が、前記コンデンサごとに前記複数のコンデンサについて行われることを特徴とするセンサモジュール。
【請求項１５】
請求項１４記載のセンサモジュールにおいて、
前記ａは、５０ｋＨｚ以内であることを特徴とするセンサモジュール。
【請求項１６】
請求項１４記載のセンサモジュールにおいて、
前記コンデンサおよび静電容量−電圧変換回路が少なくとも形成された半導体チップと、
前記定電圧源となるバッテリーとを有するパッケージからなることを特徴とするセンサモジュール。
【請求項１７】
請求項１４記載のセンサモジュールにおいて、
前記コンデンサは、
固定電極と、
前記固定電極と空隙を介し、対向して設置され、物理量の変化に応じて変位する可動電極とを有することを特徴とするセンサモジュール。
【請求項１８】
請求項１４記載のセンサモジュールにおいて、
前記コンデンサが、表面ＭＥＭＳによって形成されていることを特徴とするセンサモジュール。
【請求項１９】
請求項１４記載のセンサモジュールにおいて、
更に、昇圧回路を有しており、
前記第２測定の結果が規格外の場合、
前記昇圧回路によって昇圧されたバイアス電圧を前記コンデンサに印加して、前記コンデンサの静電容量を測定する第３測定が行われることを特徴とするセンサモジュール。
【請求項２０】
請求項１９記載のセンサモジュールにおいて、
更に、前記コンデンサ周辺にヒータを有しており、
前記第３測定の結果が規格外の場合、
前記ヒータによって加熱された状態で前記コンデンサの静電容量を測定する第４測定が行われることを特徴とするセンサモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサおよびセンサモジュールに関し、特に、ＴＰＭＳ（タイヤ空気圧モニタリングシステム：Tire Pressure Monitoring System）に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開平５−３２２９２１号公報（特許文献１）では、可動電極と固定電極を対向配置させた静電容量式のセンサにおいて自己診断を行うために、ある物理量によりセンサ構造体が変形・振動している状態を、静電力を加えることにより模擬し、センサが正常に動作しているかを判定する技術が開示されている。
【０００３】
また、特開２００３−１２１４５７号公報（特許文献２）には、共振現象を利用した容量式（静電容量式）のセンサにおいて、自己診断を共振周波数より高い周波数を用いた測定で行うことで、共振現象によるセンサ値（測定値）の急激な変化を避け、正確な自己診断を行う技術が開示されている。
【特許文献１】特開平５−３２２９２１号公報
【特許文献２】特開２００３−１２１４５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の技術は、物理量を静電力で模擬するために高電圧を必要としており、バッテリー（電池）で動作するセンサにとっては消費電力が大きくなることなどの不利な部分があった。
【０００５】
また、例えば可動電極の変形による静電容量の変化を検出する圧力センサにおいては、例えば、可動電極にピンホールが存在した場合や、可動電極に異物が付着していた場合などの可動電極に故障が生じている場合、圧力に対して本来期待される容量変化は起こらず、あたかも違う圧力の際の容量値を示す可能性がある。このような故障に対しては、静電力と圧力を等価にできない状態となり、静電力による従来の技術では、自己診断として不完全であるという課題があった。また、センサを構成する可動電極の一部分が故障した場合に、故障による測定値の変化は僅かであり、正しくない測定結果を使用して、誤った圧力を出力してしまう可能性があり、このような場合には、従来の技術で自己診断を行うのは難しかった。
【０００６】
また、煩雑な手法を用いることなく、できる限り簡便な手段によって、このような故障状態を判別したい。
【０００７】
本発明の目的は、消費電力が少なく、信頼性が高いセンサおよびセンサモジュールを提供することにある。
【０００８】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１０】
本発明は、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想定する自己診断が行われるものである。
【００１１】
具体的には、特別な回路や機構を用いることなく、センサ特性の自己診断を行うための技術を達成するために、以下の課題解決手段を提案する。コンデンサの共振周波数近傍における、静電容量の測定周波数依存性を測定する。コンデンサは、その大きさ・材質・構造によって決定される共振周波数を持っており、共振周波数は、可動電極の状態に敏感であり、破損があった場合、異物が付着した場合、液中に沈めた場合など、可動電極の状態により大きく変化、もしくは共振しなくなる。ゆえに、可動電極になんらかの故障・異常が発生した場合、共振周波数が変化する可能性が高い。
【００１２】
可動電極と固定電極間の静電容量を測定する際、制御信号（測定パルス）の周波数を掃引しながら静電容量を測定することで、上記静電容量の周波数特性（周波数スペクトル）を得ることができる。共振周波数近傍において、周波数特性は大きな変化を示すことから、共振周波数を知る事ができる。上記共振周波数は可動電極に故障・異常が発生した場合に変化するので、正常な可動電極が共振する周波数を事前に測定しておき、共振周波数の変化の有無を確認することで、センサが正常状態か、異常状態にあるかを自己診断する。この自己診断をすることによって、センサの信頼性が向上する。
【００１３】
また、消費電力の少ない自己診断を行うための技術を達成するために、上記共振周波数による技術と、以下に述べる技術との組み合わせにより、自己診断を行う。
【００１４】
第一に、１つの基板（チップ）上に可動電極を複数用意し、それぞれの静電容量を測定できる機構を用意しておく。ここで各可動電極は同一形状・構造となるようにしておく。故障を判定する際は、可動電極ごとに測定を行い、測定結果に対して統計処理を実施し、平均値と偏差を調査し自己診断を行う。
【００１５】
この場合、ある一定の上限閾値よりも偏差が大きければ、いずれかの可動電極が故障していると判定される。また、正常に動作しており、特に振動が多い環境にセンサを設置している場合、上限閾値の範囲内である程度の偏差が存在するはずである。よって、偏差が極端に小さい、すなわち、別に設定した下限閾値よりも小さい場合も故障している可能性が高いと判定する。
【００１６】
第二に、可動電極と固定電極間の静電容量に電圧を印加し、静電力をかけた状態で静電容量を測定し、電圧無印加時と比較する。電圧印加時と無印加時と比較して一定の変化が見られなければ故障状態にあると判定する。昇圧回路を内蔵し、できるだけ高電圧を印加できるのが望ましい。
【００１７】
第三に、センサ全体を外部もしくは内部に設置したヒータで昇温し、温度による静電容量測定結果の変化を調べる。物理状態を測定するセンサについては、静電容量、電気抵抗などの温度に依存する要因が存在するため、測定結果にも温度依存性が存在する。センサが正常状態にあるときの、測定結果の温度依存性を記憶しておき、これを比較対照とすることにより、センサが故障状態にあるかを判別できる。
【発明の効果】
【００１８】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１９】
本発明によれば、消費電力の少ない自己診断機能を有するセンサおよびセンサモジュールを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２１】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係るセンサの回路構成の説明図を図１に示す。図１に示すように、本実施の形態１に係るセンサ１は、コンデンサ２を含むスイッチドキャパシタ回路（switched capacitor circuit）８と、Ｃ（静電容量）−Ｖ（電圧）変換回路３と、制御信号発生回路４とを有して構成されている。このセンサ１には、定電圧電源（バッテリー）５から電圧が供給される。なお、図示しないが、Ｃ−Ｖ変換回路３の出力側（オペアンプ６の出力端子側）にはＬＰＦ（ローパスフィルタ）回路および増幅回路からなる信号処理回路が配置され、Ｃ−Ｖ変換回路３の出力のうち所定の周波数帯域の成分のみを取り出した後、増幅する。
【００２２】
このコンデンサ２は、後述するが物理量の変化に応じて静電容量が変化する可変容量コンデンサである。コンデンサ２は、基板に設置された固定電極と、固定電極と空隙を介し、対向してダイアフラムに設置された可動電極とを有している。この可動電極が、物理量の変化に応じて変位し、固定電極と静電容量を構成するものである。なお、物理量が圧力である場合、コンデンサ２は圧力センサでもある。
【００２３】
Ｃ−Ｖ変換回路３は、コンデンサ２の可動電極と固定電極とからなる静電容量を電圧に変換するものであり、オペアンプ６およびコンデンサ７を有している。オペアンプ６の反転入力端子は、スイッチドキャパシタ回路８に接続されており、また、オペアンプ６の出力端子とコンデンサ７を介してフィードバックして接続されている。また、オペアンプ６の非反転入力端子は、定電圧電源５と接続されている。このようなＣ−Ｖ変換回路３は、いわゆる積分回路である。
【００２４】
スイッチドキャパシタ回路８は、コンデンサ２をスイッチ９で繋ぎ換えて、定電圧電源５からの電荷を移送する回路である。このスイッチ９の切り替え周波数は、制御信号発生回路４からの制御信号によって、制御される。なお、スイッチ９には例えばＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）トランジスタが用いられる。
【００２５】
制御信号発生回路４は、コンデンサ２の固定電極への電圧印加タイミングを示す制御信号およびスイッチ９の切り替えタイミングを示す制御信号を出力するものである。スイッチ９への制御信号は、例えば図１に図示されるような通常測定および自己診断の制御信号がある。この通常測定の制御信号と、自己診断の制御信号との切り替えは、例えば制御信号発生回路の内部クロックに基づいて行われる。
【００２６】
このようにセンサ１は、制御信号発生回路４からの切り替え信号により、スイッチドキャパシタ回路８のスイッチ９を切り替え、コンデンサ２へ充放電を行い、Ｃ−Ｖ変換回路３により充電された電荷量を電圧に変換する。なお、以下では、コンデンサ２の充放電を切り替える制御信号発生回路４からの信号の周波数をｆ、コンデンサ２の共振周波数の設計値をｆ０とし、周波数ｆで測定した静電容量値をＣ（ｆ）として説明する。
【００２７】
図２は、本実施の形態１に係るセンサ１の要部を模式的に示す断面図であり、コンデンサ２が示されている。このコンデンサ２は、基板１３の表面上に形成された固定電極１１と、固定電極１１と空洞（空隙）１５を介し、対向して設置され、圧力（物理量）の変化に応じて変位する可動電極１２と、例えば酸化シリコンからなる封止膜１４とを有している。この封止膜１４は、固定電極１１、可動電極１２などを封止し、また、可動電極１２が変位する場合に弾性変形する。したがって、可動電極１２および封止膜１４は、いわゆるダイアフラムを構成するものである。また、１つの基板１３上に可動電極１２を複数用意し、それぞれの静電容量を測定できる機構を用意しておくことで、より安定した物理量の測定をすることができる。この場合、各可動電極１２は同一形状・構造となるようにしておく。
【００２８】
このように本実施の形態１のコンデンサ２は、固定電極１１と可動電極１２の間は空洞１５となっており、絶縁性の封止膜１４によって封止されているため、外部の圧力（物理量）によって可動電極１２（ダイアフラム）が変形し、静電容量が変化する。つまり、コンデンサ２は、圧力により静電容量が変化する可変容量コンデンサ（圧力センサ）である。
【００２９】
このコンデンサ２は、表面ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）によって形成される。この表面ＭＥＭＳは、例えば半導体基板などの表面に薄膜を堆積、パターニングを繰り返すことにより形成するものであって、いわゆる半導体製造プロセス技術が適用される。
【００３０】
ここで、コンデンサ２の製造方法について説明する。まず、例えばシリコンからなる基板１３上に、例えばタングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）またはタングステンシリコン（ＷＳｉ）などの導電体からなる固定電極１１を形成する。次いで、後の空洞１５となる領域に、例えばポリシリコンからなる犠牲層を形成し、その犠牲層に例えばＷ、ＡｌまたはＷＳｉなどの導電体からなる可動電極１２を形成した後、例えば酸化シリコンからなる封止膜１４を堆積する。次いで、上記犠牲層へ達するエッチング穴（図示しない）を形成した後、上記エッチング穴を介して、ポリシリコンからなる上記犠牲層をエッチング除去し、空洞１５を形成し、コンデンサ２が完成する。なお、本実施の形態１では、固定電極１１は、基板１３上に形成したが、例えば窒化シリコンからなる下地上に形成しても良い。すなわち、上記下地の下部に、例えばＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）トランジスタや、ＭＩＳトランジスタなどからなる集積回路が形成されていても良い。
【００３１】
このように表面ＭＥＭＳによって形成されたコンデンサ２は、同様の半導体製造プロセスで形成されるＣ−Ｖ変換回路３および制御信号発生回路４と共に同一の基板１３に形成することができる。すなわち、コンデンサ２、Ｃ−Ｖ変換回路および制御信号発生回路４が１つの半導体チップに形成される。
【００３２】
本実施の形態１に係るコンデンサ２の周波数−静電容量特性を図３に示す。図３に示すように、コンデンサ２が正常に可変容量コンデンサとして動作するコンデンサ２の正常動作時では、共振周波数ｆ０（共振現象）を有する周波数特性が示される。この共振周波数ｆ０は、特に可動電極１２の大きさ、材質、構造によって決定されるものであるため、図３の周波数−静電容量特性は一例を示すものである。これに対し、コンデンサ２に何らかの異常が生じている異常動作時では、共振周波数（共振現象）が変化する周波数特性が示される。この特性を利用し、正常な可動電極１２が共振する共振周波数ｆ０を事前に測定しておき、共振周波数ｆ０の変化の有無を確認することで、コンデンサ２を有するセンサ１が正常状態か、異常状態にあるかを診断することができる。
【００３３】
故障を判定する際は、可動電極１２ごとに測定を行い、測定結果に対して統計処理を実施し、平均値と偏差を調査し自己診断を行う。この場合、ある一定の上限閾値よりも偏差が大きければ、いずれかの可動電極１２が故障していると判定される。また、正常に動作しており、特に振動が多い環境にセンサを設置している場合、上限閾値の範囲内である程度の偏差が存在するはずである。よって、偏差が極端に小さい、すなわち、別に設定した下限閾値よりも小さい場合も故障している可能性が高いと判定することができる。
【００３４】
本発明の実施の形態１に係るセンサモジュール２１の回路構成のブロック図を図４に示す。なお、センサモジュール２１には、前述した自己診断機能を備えたセンサが搭載されている。
【００３５】
図４に示すように、センサモジュール２１は、圧力センサでもあるコンデンサ２と、Ｃ−Ｖ変換回路３（スイッチドキャパシタ回路８）と、制御信号発生回路４と、温度センサ２２と、信号処理回路２３と、アンテナ２４と、定電圧電源（バッテリー）５とを有して構成されている。このセンサモジュール２１は、例えば、コンデンサ２、Ｃ−Ｖ変換回路３（スイッチドキャパシタ回路８）、制御信号発生回路４、温度センサ２２および信号処理回路２３が形成された１つのチップと、定電圧電源５となるバッテリーと、アンテナ２４となるコイルとを実装基板に搭載し、それらをパッケージングして構成されるものである。なお、コンデンサ２、Ｃ−Ｖ変換回路３（スイッチドキャパシタ回路８）、制御信号発生回路４、温度センサ２２および信号処理回路２３を１つのチップに形成された場合でなくとも、コンデンサ２、Ｃ−Ｖ変換回路３（スイッチドキャパシタ回路８）、温度センサ２２および信号処理回路２３を１つのチップ、制御信号発生回路４を１つのチップとすることもできる。
【００３６】
コンデンサ２、Ｃ−Ｖ変換回路３（スイッチドキャパシタ回路８）、制御信号発生回路４、信号処理回路２３、定電圧電源５は前述したものと同様である。温度センサ２２は、コンデンサ２を構成する固定電極１１、可動電極１２などの材料の物性値、例えば弾性率などには温度依存性が存在するので、温度を測定するためのものである。アンテナ２４は、例えば、センサモジュール２１とは遠隔の管理装置に、センサモジュール２１の異常を知らせる信号を送信するためのものである。
【００３７】
このセンサモジュール２１は、例えば、図５に示すような自動車３１のタイヤ３２の空気圧を測定するために、タイヤ３２内のバルブ部分に組み込まれ、タイヤ空気圧モニタリングシステム（ＴＰＭＳ：Tire Pressure Monitoring System）に用いられる。タイヤの空気圧をモニターすることは、自動車を安全に運転することに重要である。そこで、タイヤの空気圧を測定するセンサモジュールの信頼性を高めることが重要であり、本実施の形態１に係るセンサモジュール２１のように正常に動作していることを確認できる自己診断機能が必要となる。
【００３８】
ここで、センサモジュール２１の自己診断について説明する。一定の期間毎、もしくは、通常の測定を行って異常と疑わしい値が測定された場合に自己診断を行う。なお、通常の測定時には、ｆ＜＜ｆ０（もしくはｆ０＜＜ｆ）となるように周波数ｆを設定し、共振現象による測定結果への影響を避けた測定が行われる。
【００３９】
図１に示したように、まず、周波数ｆがｆ＜＜ｆ０（もしくはｆ０＜＜ｆ）における通常の測定を行い、そのときの静電容量Ｃ（ｆ）を記憶しておく。次に、周波数ｆを例えばｆ０＋ａとして静電容量Ｃ（ｆ０＋ａ）を測定する。ここで、ａは例えば０〜５０ｋＨｚ程度の任意の定数であり、共振現象の影響によって静電容量が急峻に変化する範囲である。共振周波数ｆ０で共振現象が起こる正常動作時の場合、図３に示したような大きな変化がｆ０近傍に現れるため、Ｃ（ｆ０＋ａ）はＣ（ｆ）と一致しない。これに対し、何らかの原因でｆ０から共振周波数が変化した異常動作時の場合、Ｃ（ｆ）とＣ（ｆ０＋ａ）はほぼ同じ値となる。以上により、設計値であるｆ０から共振周波数が変化していないかどうかを判断でき、共振が起きていれば正常動作、起きていなければ異常動作であるということが自己診断できる。
【００４０】
また、正常だと判っている状態において、あらかじめＣ（ｆ０＋ａ）の値を測定した結果を記憶しておき、自己診断時にＣ（ｆ０＋ａ）を測定し、記憶しておいた正常時の値と比較することで、正常か異常状態にあるかを自己診断しても良い。なお、Ｃ（ｆ０＋ａ）の1点のみで比較するのではなく、様々なaを用いて点数を増やした測定を行い、統計的に比較し判断しても良い。
【００４１】
また、前述の自己診断の方式は、マイコン等の制御部（例えば、制御信号発生回路）から送る信号の周波数を変更するのみで、周波数特性を取得できるため、測定回路の変更は最低限で行えること、さらに、測定点数を増やすことや、周波数を変更することも制御部のプログラム変更のみで可能であることも利点である。したがって、本発明は、消費電力が少なく、信頼性が高いセンサおよびセンサモジュールを提供することができる。
【００４２】
また、本発明は、本発明を逸脱しない範囲において、センサ構造、回路構成、システム構成等、本実施例に示したものに限定されず適用可能である。
【００４３】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、前記実施の形態１で説明した共振周波数を用いた方式（自己診断）に、更に複数の方式（自己診断）を組み合わせて、より信頼性が高くなる自己診断を行うセンサおよびセンサモジュールについて説明する。なお、前記実施の形態１と同様にセンサモジュールの構成にセンサが含まれる。また、以下は、前記実施の形態１と重複する説明は省略する。
【００４４】
本発明の実施の形態２に係るセンサ５１の回路構成の説明図を図６に示す。図６に示すように、センサ５１は、コンデンサ２を含む信号印加・切り替え回路５２と、Ｃ−Ｖ変換回路３と、制御信号発生回路４とを有して構成されている。この信号印加・切り替え回路５２は、前記実施の形態１のスイッチドキャパシタ回路の他に、コンデンサ２に一定電圧を印加するための回路から構成されている。
【００４５】
センサ５１では、前記実施の形態１で示した自己診断のための制御信号に、バイアス電圧を加えた制御信号をコンデンサ２に印加して静電容量を測定できるようにしている。このため、信号印加・切り替え回路５２では、バイアス電圧の有無を切り替えられるようにする。また、より静電容量の変化を検出できるように、バイアス電圧は高電圧であることが望ましく、５〜３０Ｖが出力できると良い。また、コンデンサ２は、表面ＭＥＭＳによって形成されるため、Ｃ−Ｖ変換回路３などと共に同一の半導体基板（半導体チップ）に形成することができる。すなわち、センサ５１は、１つの半導体チップに形成することができる。なお、１つの半導体チップ上に複数のセンサ５１を形成することもできる。
【００４６】
図７は、本実施の形態２に係るセンサ５１の要部を模式的に示す断面図であり、コンデンサ２が示されている。このコンデンサ２は、前記実施の形態１とほぼ同様であるが、基板３内にヒータ５３が設けられている点で相違する。後述するがこのヒータ５３は、コンデンサ２の静電容量が温度依存性を有することから、温度を変化させることに伴う静電容量を測定し、自己診断の判定に利用するものである。このヒータは、センサ５１を極力、省エネルギーで昇温できればどこに設置しても良い。また、図８に示すように、パッケージ化されたセンサモジュール５５の場合、パッケージ外部などにヒータ５４を設置しても良い。なお、図８は、本実施の形態２に係るセンサモジュール５５を模式的に示す斜視図である。
【００４７】
図９は、通常測定および自己診断が行われるフロー図である。本実施に形態２に係るセンサ５１が正常に動作しているかどうかの自己診断を図９のフローチャートに従って行う。通常測定において、規格外の測定値が得られた場合、もしくは、ある任意の定数をＮとし、通常測定を行った回数ｘが、Ｎ＞ｘとなった時に、故障状態にあるかを判定する自己診断モードに入る。また、通常測定時に複数の圧力センサを測定し、それぞれの測定結果を統計処理して偏差を確認、偏差が一定の値を超える、もしくは下回った場合も自己診断モードへ入るものとする。自己診断モードでは、以下に述べる自己診断方法を順次試す。全ての測定で異常と診断された場合、故障したと判定する。また、正常であると診断された場合に、再び通常の静電容量測定を行い、その結果が再度異常（エラー）であった場合も、故障したと判定する。
【００４８】
自己診断モードでは、最初に、前記実施の形態１と同様の自己診断を行い、異常が確認できなかった場合、再び通常測定を行う。
【００４９】
その結果が再度異常であった場合に、静電容量測定で用いる共振周波数の制御信号（パルス出力）に一定電圧、例えば１２Ｖのバイアス電圧を印加して静電容量測定を行う。電圧を印加することで、コンデンサ２の固定電極１１および可動電極１２の間に静電力が発生するため、圧力を印加した場合と同様の変形がコンデンサ２に発生し、図１０に示すような静電容量の変化が見られる。なお、図１０は、コンデンサ２の静電容量の電圧依存性を示す説明図である。
【００５０】
事前に、一定電圧を加えた際の静電容量変化量を測定し記憶しておくことで、静電力による変形が期待される値かどうかを判定でき、期待される量でなければコンデンサ２に異常が発生していると診断することができる。可動電極１２と固定電極１１間の静電容量に電圧を印加し、静電力をかけた状態で静電容量を測定し、電圧無印加時と比較する。電圧印加時と無印加時と比較して一定の変化が見られなければ故障状態にあると判定する。なお、昇圧回路をセンサに内蔵し、できるだけ高電圧を印加できるのが望ましい。したがって、本実施の形態２のセンサ５１は、前記実施の形態１のセンサより、信頼性が高いのである。
【００５１】
さらに、コンデンサ２の異常が確認できなかった場合、再び通常測定を行い、その結果が再度異常であった場合に、ヒータ５３に通電し、コンデンサ２を昇温する。コンデンサ２を構成する材料の物性値、例えば弾性率などには温度依存性があるため、温度によってコンデンサ２の特性も例えば図１１に示すような変化が見られる。なお、図１１は、コンデンサ２の静電容量の温度依存性を示す説明図である。
【００５２】
ゆえに、正常に動作しているコンデンサ２を昇温した状態で静電容量値を測定し、コンデンサ２の温度特性を測定した結果を記憶しておくことで、自己診断時にヒータ５３による昇温で期待される温度特性の変化が得られれば正常であると診断できる。すなわち、センサ全体を内部（または外部）に設置したヒータ５３で昇温し、温度による静電容量測定結果の変化を調べた後、センサが正常状態にあるときの、測定結果の温度依存性を記憶しておき、これを比較対照とすることにより、センサが故障状態にあるかを判別できる。したがって、本実施の形態２のセンサ５１は、前記実施の形態１のセンサより信頼性が高いのである。
【００５３】
本実施の形態２によれば、センサ５１の未知の故障モードにも対応でき、前記実施の形態１のセンサより、信頼性を向上することができる。すなわち、前記実施の形態１の共振周波数での自己診断の他に、バイアス電圧を印加して静電容量を測定する自己診断、さらにヒータ５３に通電して静電容量を測定する自己診断をすることでセンサ５１が高い信頼性となっている。また、このような高い信頼性のセンサ５１を実現するにあたり、低消費電力の自己診断方法から、順次、消費電力の大きい自己診断方法を実施していくことにより、必要最小限の消費電力で自己診断を行えることができる。すなわち、本実施の形態２のように、前記実施の形態１の共振周波数での自己診断の他に、バイアス電圧を印加して静電容量を測定する自己診断、さらにータに通電して静電容量を測定する自己診断をすることで必要最小限の消費電力で自己診断を行えることができる。
【００５４】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００５５】
例えば、前記実施の形態では、圧力によって静電容量が変化するコンデンサを備えたセンサに適用した場合について説明したが、本発明における自己診断は静電型ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ（探触子）にも適用することができる。この静電型ＭＥＭＳ超音波トランスデューサも同様に、半導体プロセス技術によって例えばシリコンからなる半導体基板を用いて形成される。また、本発明における自己診断方法は静電容量を測定する、加速度、角速度、超音波などの他の物理量センサにも利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、高い信頼性を必要とするセンサに幅広く利用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施の形態におけるセンサの回路構成を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施の形態におけるセンサの要部を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態におけるコンデンサの周波数−静電容量特性を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施の形態におけるセンサモジュールの回路構成を示すブロック図である。
【図５】タイヤ空気圧モニタリングシステムに適用されるセンサモジュールを示す説明図である。
【図６】本発明の一実施の形態におけるセンサの回路構成を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施の形態におけるセンサの要部を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の一実施の形態におけるセンサモジュールを模式的に示す斜視図である。
【図９】本発明の一実施の形態における通常測定および自己診断が行われるフローを示す説明図である。
【図１０】本発明の一実施の形態におけるコンデンサの静電容量の電圧依存性を示す説明図である。
【図１１】本発明の一実施の形態におけるコンデンサの静電容量の温度依存性を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１      センサ
２      コンデンサ
３      Ｃ−Ｖ変換回路
４      制御信号発生回路
５      定電圧電源（バッテリー）
６      オペアンプ
７      コンデンサ
８      スイッチドキャパシタ回路
９      スイッチ
１１    固定電極
１２    可動電極
１３    基板
１４    封止膜
１５    空洞（空隙）
２１    センサモジュール
２２    温度センサ
２３    信号処理回路
２４    アンテナ
３１    自動車
３２    タイヤ
５１    センサ
５２    信号印加・切り替え回路
５３、５４    ヒータ
５５    センサモジュール
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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