(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する可動電極と固定電極を備える静電容量型センサのセンサ特性を測定する装置であって、
可動電極と固定電極の間に第１の所定電圧を印加して両電極間の静電容量を測定する手段と、両電極間に第２の所定電圧を印加して両電極間の静電容量を測定する手段と、各静電容量測定手段で測定される２種類の静電容量を比較する手段とを備え、
静電容量測定手段は静電容量を電圧に変換する手段を持ち、正常な両電極間に第１の所定電圧を印加したときに出力される電圧と、正常な両電極間に第２の所定電圧を印加したときに出力される電圧とがほぼ等しくなるように構成された静電容量型センサのセンサ特性測定装置。
【請求項２】
対向する可動電極と固定電極を持つ静電容量型センサと、可動電極と固定電極の間に第１の所定電圧を印加して両電極間の静電容量を測定する手段と、両電極間に第２の所定電圧を印加して両電極間の静電容量を測定する手段と、各静電容量測定手段で測定される２種類の静電容量を比較する手段とを備え、
静電容量測定手段は静電容量を電圧に変換する手段を持ち、正常な両電極間に第１の所定電圧を印加したときに出力される電圧と、正常な両電極間に第２の所定電圧を印加したときに出力される電圧とがほぼ等しくなるように構成された静電容量型センサ装置。
【請求項３】
対向する可動電極と固定電極を備える静電容量型センサのセンサ特性を測定する集積回路チップであって、
可動電極と固定電極の間に第１の所定電圧を印加して両電極間の静電容量を測定する手段と、両電極間に第２の所定電圧を印加して両電極間の静電容量を測定する手段と、各静電容量測定手段で測定される２種類の静電容量を比較する手段とを備え、
静電容量測定手段は、静電容量を電圧に変換する手段を持ち、正常な両電極間に第１の所定電圧を印加したときに出力される電圧と、正常な両電極間に第２の所定電圧を印加したときに出力される電圧とがほぼ等しくなるように構成された集積回路チップ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対向する可動電極と固定電極を備える静電容量型センサのセンサ特性測定装置、静電容量型センサ装置および集積回路チップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧力、加速度、振動、音圧等の各種の物理量が作用することによって可動電極と固定電極間の距離が変化し、両電極間の距離が変化することによって両電極間の静電容量が変化する事象を利用して、静電容量の大きさを検出することによって作用している物理量の大きさを検出する静電容量型センサが知られている。この静電容量型センサは、作用する物理量が電極間距離を変化させるものであるために、経時的にセンサ特性が変化することがあり、ときには故障してしまうことがある。そこで、静電容量型センサのセンサ特性を測定し、意図したセンサ特性が確保されているか否かを測定できる技術の実現が望まれている。
【０００３】
静電容量の変化から加速度を検出するセンサの正常・異常を判別する技術の一例が、特開平６−１６０４２９号公報に記載されている。この公報に記載の技術では、対向する可動電極と固定電極の間に所定の電圧を印加して両電極が接触するか否かを判別する。両電極間に電圧を印加すると、両電極間に静電吸引力が発生するために、電極間距離は小さくなる。特開平６−１６０４２９号公報に記載の技術では、センサが所望の特性を備えていない場合には、両電極間に所定の電圧を印加する前に両電極が接触したり、あるいは、両電極間に所定の電圧を印加しても両電極が接触しないために、センサが所望の特性を備えていないことを判別することができる。一方、センサが所望の特性を備えている場合には、両電極間に所定の電圧を印加する前には両電極が接触せず、両電極間に所定の電圧を印加したときに電極が接触することから、センサが所望の特性を備えていることを判別することができる。
また、この公報の従来技術には、加速度検出用の可動電極と固定電極の他に、センサ特性診断用の可動電極と固定電極を付加し、センサ特性診断用の電極間に診断用の電位を加えることによって加速度検出用の電極間距離を変化させ、このときに測定される加速度検出用電極対の静電容量から、センサ故障を診断する技術が紹介されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
検出用キャパシタの両電極間に所定の電圧を印加することによって両電極が接触するか否かを測定する技術では、センサ特性を測定する度に可動電極を大きく変位させる必要がある。可動電極が固定電極に接触してしまうと、それ以降には加速度等の物理量は測定できない。即ち、両電極が接触するか否かでセンサ特性を測定する技術では、センサ特性を測定する度に、センサの検出限界を超えて大きく変形させることになる。このために、可動電極が形成されたダイアフラムや、可動電極が形成されたマスを変位可能に支持するビーム（梁）等が何回も大きく変形し、ダイアフラムやビーム等の寿命、ひいてセンサの寿命が低くなってしまうという問題があった。
また、検出用電極対の他にセンサ特性診断用の電極対を付加する技術では、余分な電極対が必要とされる他、ダイアフラムを利用する静電容量型のセンサにはセンサ特性診断用の電極対を付加しづらいという問題があった。
【０００５】
本発明は、余分な電極対を必要とせず、しかも、静電容量型センサの寿命を低下させることなくセンサ特性を測定できる技術を実現することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段および作用と効果】
本発明の一つは、対向する可動電極と固定電極を備えた静電容量型センサのセンサ特性を測定する装置を提供する。この装置では、可動電極と固定電極の間に第１の所定電圧を印加して両電極間の静電容量を測定する手段と、両電極間に第２の所定電圧を印加して両電極間の静電容量を測定する手段と、各静電容量測定手段で測定される２種類の静電容量を比較する手段とを備える。また、この装置では、静電容量測定手段は静電容量を電圧に変換する手段を持ち、正常な両電極間に第１の所定電圧を印加したときに出力される電圧と、正常な両電極間に第２の所定電圧を印加したときに出力される電圧とがほぼ等しくなるように構成されている（請求項１）。
ここで、第１の静電容量と第２の静電容量を「比較」するとは、典型的には、２つの静電容量の差、比、和、積あるいは、各静電容量の２乗の差等を求めることをいう。要するに、何らかの意味で、第１の静電容量と第２の静電容量の関係を求めることを意味する。
可動電極の支持の態様は様々であり、ダイアフラムに形成されたり、ビームによって変位可能に支持されたマスに形成されていたりする。
【０００７】
対向する可動電極と固定電極を備えた静電容量型センサの場合、静電容量を測定するためには電極間に電圧を印加する。このとき、帯電した電極間に静電吸引力が発生し、その静電吸引力が静電容量を変化させる。図１（Ｂ）は、これを模式的に示し、例えば、ダイアフラムに形成されている可動電極と、それに対向する固定電極の間に電圧Ｖ２を印加すると、それぞれの電極には絶対値でＣＸ２Ｖ２の電荷が帯電し、電極間には静電吸引力Ｆ２が作用する。ここで、ＣＸ２は、ダイアフラムに物理量Ｐが作用し、さらに電極間に静電吸引力Ｆ２が作用しているときの静電容量である。同じ条件下で電極間に電圧Ｖ１を印加すると、それぞれの電極には絶対値でＣＸ１Ｖ１の電荷が帯電し、電極間には静電吸引力Ｆ１が作用する。ここで、ＣＸ１は、ダイアフラムに物理量Ｐが作用し、さらに電極間に静電吸引力Ｆ１が作用しているときの静電容量である。この場合、Ｖ２＞Ｖ１とすると、Ｆ２＞Ｆ１となり、ＣＸ２＞ＣＸ１となる。図１（Ｂ）の例示から明らかに、静電容量型センサの場合、静電容量と物理量は１：１に対応せず、静電容量検出用の電圧が影響する。即ち、静電容量型センサの場合、ダイアフラムやビームを撓ませる物理量によって静電容量が変化する現象に、静電容量検出用電圧が静電容量を変化させる現象が重畳することが避けられない。
【０００８】
この影響を避けるために、通常は静電容量検出用電圧を小さなものに抑え、静電容量検出用電圧が静電容量を変化させる現象を抑えながら測定する。図１（Ｂ）の右側がそれを模式的に示し、静電容量検出用電圧Ｖ１は低く、静電吸引力Ｆ１は小さく、静電容量ＣＸ１に静電容量検出用電圧Ｖ１がほとんど影響しない場合を例示している。
【０００９】
段落「０００３」に記載した従来技術に、電極間に電圧を与えて電極間距離を変化させる技術が利用されているが、この従来技術では、物理量検出用の電極対の他にセンサ特性診断用の電極対を付加し、センサ特性診断用電極対には大きな電圧を印加して電極間距離を変化させ、検出用の電極対には電極間距離に影響を与えない小さな電圧しか印加しない方式を採用している。この方式では、検出用の電極対の他にセンサ特性診断用の電極対を付加する必要がある。
【００１０】
本発明では、物理量に応じて静電容量が変化する現象に、静電容量検出用電圧が静電容量を変化させる現象が重畳するという事象を積極的に利用する。この方式では、静電容量検出用電圧が静電容量を変化させるために、物理量を正確に測定するには適さない。従って、従来では全く採用されなかった方式である。
【００１１】
しかしながら、本発明者の研究によって、この方式によってセンサ特性が簡単に測定できることが確認された。
本発明の方法では、ダイアフラムやビーム等を撓ませる物理量によって静電容量が変化する現象に、電極間に第１の所定電圧を印加することによって静電容量が変化する現象が重畳して現れる事象を積極的に利用し、この状態での静電容量を測定する。次に、物理量によって静電容量が変化する現象に、電極間に第２の所定電圧を印加することによって静電容量が変化する現象を重畳して現れる事象を積極的に利用し、この状態での静電容量を測定する。
測定された２つの静電容量の差、比、和、積あるいは、各静電容量の２乗の差等は、第１の所定電圧を印加することによって生じる静電容量の変化と、第２の所定電圧を印加することによって生じる静電容量の変化の差、比、和、積あるいは、各静電容量の変化の２乗の差等に相当する。これらを測定することによって、センサ特性が簡単に測定できる。
【００１２】
例えば、ダイアフラムやビーム等が意図したものよりも撓みやすい場合には、静電吸引力を同じだけ変化させることによって静電容量は大きく変化する。異物等が入ってダイアフラムやビーム等が意図したものよりも撓みにくい場合には、同じだけ静電吸引力を変化させても静電容量は小さくしか変化しない。ダイアフラムやビーム等が意図した撓みやすさを備えていれば、静電吸引力を予定しただけ変化させたときに、静電容量は予め定められただけ変化する。
【００１３】
本装置によると、従来技術とは相違し、センサを測定限界まで変形させる必要は無い。このために、センサ特性の測定によってセンサ寿命を低下させる影響を小さく抑えることができる。また、物理量検出用の電極対の他に、センサ特性診断用の電極対を付加する必要が無い。このために、センサ構成を単純化できる他、センサ特性診断用電極対を付加しづらいダイアフラムタイプの診断が可能となる。
【００１５】
本装置を利用すると、センサ特性診断用の電極対を付加されていない静電容量型センサのセンサ特性を、センサを大きく変形することなく測定することができる。
【００１７】
また、センサ特性が正常である場合、静電容量測定のために電極間に印加する電圧を切換えても、静電容量に対応する電圧はほぼ等しく、その差がゼロ前後となる。出力される２種類の電圧の差がほぼゼロであれば正常であり、ほぼゼロでなければ異常であるとすることができる。
この場合、いずれの静電容量測定電圧を用いても、電圧計の測定レンジをフルに活用でき、精度よく測定することができる。
【００１８】
請求項２に記載の静電容量型センサ装置または請求項３に記載の集積回路チップによっても、センサ特性診断用の電極対を付加されていない静電容量型センサのセンサ特性を、センサを大きく変形することなく測定することができる。
【００１９】
また、請求項２に記載の静電容量型センサ装置または請求項３に記載の集積回路チップによっても、いずれの静電容量測定電圧を用いても、電圧計の測定レンジをフルに活用でき、精度よく測定することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
最初に本発明の主要な実施の形態を列記する。
（形態１）  静電容量型センサはダイアフラムを持ち、変形しやすいダイアフラムの中心近傍に物理量検出用キャパシタが形成され、変形しづらいダイアフラム周辺に基準キャパシタが形成されている。
物理量検出用キャパシタに２種類の電圧を加え、そのときに測定される基準キャパシタに対する物理量検出用キャパシタの静電容量を比較してダイアフラム型静電容量センサのセンサ特性を測定する。
この場合、物理量検出用キャパシタの静電容量を正確に検出しやすい。
【００２１】
【実施例】
（第１実施例）静電容量型センサのセンサ特性測定装置の第１実施例を図１を参照して説明する。測定精度から評価すると第２実施例の方が好ましいが、理解の便宜のために、第１実施例を先に説明する。
第１実施例のセンサ特性測定装置は、図１（Ｂ）に例示するように、ダイアフラムに可動電極が形成され、それに向き合って固定電極が形成されているダイアフラム型の静電容量型センサのセンサ特性を測定することができる。この形式の静電容量型センサは、圧力を検出するのに適している。
また、図１（Ｃ）に例示するように、櫛刃状の固定電極に櫛刃状の可動電極が向き合っている静電容量型センサのセンサ特性を測定することもできる。ビーム１０が変形すると、マス１２に形成されている可動電極が上下方向に変位し、固定電極と可動電極が向かい合う面積が変化する。電極の対向面積が変化すると、電極対の静電容量が変化する、この形式の静電容量型センサは、マス１２に作用する加速度を検出するのに適している。
【００２２】
このセンサ特性測定装置では、図１（Ａ）に示すように、センサ特性を測定したいキャパシタＣＸに基準キャパシタＣＲを直列に接続し、直列回路の一方を接地し、他方に検出用電圧を印加する。検出用電圧は、Ｖ１またはＶ２のいずれかに切換える。ここで、Ｖ２＞Ｖ１とする。キャパシタＣＸの静電容量を測定するために、図示の電圧ＶＯＵＴを測定する。
検出用電圧をＶ２としたとき、図１（Ｂ）に示すように、ダイアフラムの可動電極と固定電極のそれぞれには、絶対値でＣＸ２Ｖ２の電荷が帯電し、電極間には静電吸引力Ｆ２が作用する。ここで、ＣＸ２は、ダイアフラムに物理量Ｐが作用し、さらに電極間に静電吸引力Ｆ２が作用しているときの静電容量である。検出用電圧をＶ１とすると、それぞれの電極には絶対値でＣＸ１Ｖ１の電荷が帯電し、電極間には静電吸引力Ｆ１が作用する。ここで、ＣＸ１は、ダイアフラムに物理量Ｐが作用し、電極間に静電吸引力Ｆ１が作用しているときの静電容量である。
静電容量ＣＸ２とＣＸ１は、図１（Ｄ）から計算することができる。ここで、ＣＲは基準キャパシタの静電容量であり、物理量Ｐや静電吸引力Ｆによって変化することはない。
【００２３】
ダイアフラムが意図した柔軟性を備えている場合、Ｆ２＞Ｆ１となり、ＣＸ２＞ＣＸ１となるはずである。しかも、ＣＸ２−ＣＸ１の値は、予めわかっている値に近いはずである。即ち、静電容量ＣＸ２が図１（Ｅ）のＢ領域にあれば、センサ特性は意図した特性を備えていることが分かる。これに対して、例えばダイアフラムが劣化して意図したよりも柔軟過ぎる場合、静電吸引力がＦ１からＦ２に増大するのに対応して静電容量は大きく増大する。静電容量ＣＸ２が図１（Ｅ）のＡ領域にあれば、ダイアフラムが意図したよりも柔軟過ぎることがわかる。異物等の影響によってダイアフラムが撓みづらい場合、静電吸引力がＦ１からＦ２に増大しても静電容量はあまり増大しない。静電容量ＣＸ２が図１（Ｅ）のＣ領域にあれば、ダイアフラムが意図したよりも変形しづらいことがわかる。
【００２４】
上記の測定は、図１（Ｃ）のタイプの静電容量型センサのセンサ特性を測定するのにも有効である。静電容量検出用電圧がＶ１からＶ２に増大すると、電極間に働く静電吸引力が増大し、可動電極が深く引き込まれ、電極対の対向電極面積が増大して静電容量は増大する。静電容量検出用電圧にＶ１とＶ２の２種類を用い、それぞれでの静電容量ＣＸ１とＣＸ２を比較することによって、ビーム１０の柔軟性を測定することができる。
【００２５】
第１実施例のセンサ特性測定装置は、対向する可動電極と固定電極を備える静電容量型センサのセンサ特性を測定する装置であって、可動電極と固定電極の間に第１の所定電圧Ｖ１を印加して両電極間の静電容量ＣＸ１を測定する手段と、両電極間に第２の所定電圧Ｖ２を印加して両電極間の静電容量ＣＸ２を測定する手段と、前記手段で測定される２種類の静電容量の差ＣＸ２−ＣＸ１を算出する手段とを備えている。
このセンサ特性装置によると、可動電極と固定電極の間に第１の所定電圧Ｖ１を印加して両電極間の静電容量ＣＸ１を測定し、ついで、両電極間に第２の所定電圧Ｖ２を印加して両電極間の静電容量ＣＸ２を測定し、第１の所定電圧を印加して測定した第１の静電容量と第２の所定電圧を印加して測定した第２の静電容量の差ＣＸ２−ＣＸ１を求めることによって、静電容量型センサのセンサ特性が測定される。
【００２６】
（第２実施例）図２は第２実施例のセンサ特性測定装置の回路ブロック図を示す。図２に示すセンサ特性測定装置１０２は、物理量検出用キャパシタ１０８と基準キャパシタ１１０を持つ静電容量型センサ１０７のセンサ特性を測定する。物理量検出用キャパシタ１０８に作用する物理量によって変化する静電容量のみを静電容量検出回路１１１で検出するために、基準キャパシタ１１０が設けられている。物理量検出用キャパシタ１０８の静電容量は、作用する物理量と、静電容量検出用電圧の影響を受ける。一方、基準キャパシタ１１０の静電容量は、作用する物理量と静電容量検出用電圧の影響はほとんど受けない。
【００２７】
検出用キャパシタ１０８は、物理量や静電吸引力が作用すると固定電極１０８ａとの間の距離（または固定電極１０８ａに対向する面積）を変える可動電極１０８ｂを備える。検出用キャパシタ１０８の可動電極１０８ｂは、図示しないダイアフラムに形成されていたり、図示されないビーム等の変形によって変位するマスに形成されていたりする。
基準キャパシタ１１０は、固定された基準上部電極１１０ｂと、それに対向して固定された基準下部電極１１０ａを備えている。
ダイアフラムの大きく変形する中央部分に検出用可動電極１０８ｂを設け、あまり変形しない周辺部分に基準上部電極１１０ｂを形成することもできる。また、ダイアフラムに検出用可動電極１０８ｂを設け、ダイアフラム外に基準上部電極１１０ｂを形成することもできる。
【００２８】
図２に示すように、第２実施例のセンサ特性測定装置１０２は、制御回路１０６と、静電容量検出回路１１１と、差分回路１２２と、判定回路１２４等を備えている。制御回路１０６は、センサ特性測定装置１０２の外部にある電圧発生器１０４に接続されて用いられる。制御回路１０６と静電容量検出回路１１１の間に、測定対象である静電容量型センサ１０７が接続される。
静電容量検出回路１１１は、オペアンプ１１２と、リセットスイッチ１１４と、第１帰還キャパシタ１１６と、第２帰還キャパシタ１１８と、モード切換スイッチ１２０を有している。静電容量型センサ１０７は、検出用キャパシタ１０８と基準キャパシタ１１０を有している。
【００２９】
制御回路１０６は、静電容量型センサ１０７の検出用キャパシタ１０８の固定電極１０８ａと基準キャパシタ１１０の基準下部電極１１０ａにそれぞれ接続されている。また、制御回路１０６は、静電容量検出回路１１１のモード切換スイッチ１２０とリセットスイッチ１１４にそれぞれ接続されている。制御回路１０６は、電圧発生器１０４から印加される電圧を適切なタイミングで検出用キャパシタ１０８の固定電極１０８ａと基準キャパシタ１１０の基準下部電極１１０ａに送る役割を果たす。また、検出用キャパシタ１０８と基準キャパシタ１１０に印加する電圧の大きさを切換える役割を果たす。さらに、制御回路１０６は、適切なタイミングでモード切換スイッチ１２０とリセットスイッチ１１４にオン・オフ信号を送る。
【００３０】
静電容量検出回路１１１のオペアンプ１１２の反転入力端子１１２ａには、静電容量型センサ１０７の検出用キャパシタ１０８の可動電極１０８ｂと基準キャパシタ１１０の基準上部電極１１０ｂがそれぞれ接続されている。また、オペアンプ１１２の反転入力端子１１２ａと出力端子１１２ｃの間には、リセットスイッチ１１４と、第１帰還キャパシタ１１６と、第２帰還キャパシタ１１８が並列に接続されている。第２帰還キャパシタ１１８には、モード切換スイッチ１２０が直列に接続されている。オペアンプ１１２の非反転入力端子１１２ｂはアースされている。静電容量検出回路１１１は、検出用キャパシタ１０８の静電容量と基準キャパシタ１１０の静電容量の差を検出し、その静電容量の差を電圧ＶＯＵＴとして出力する。
【００３１】
差分回路１２２の入力端子は、静電容量検出回路１１１のオペアンプ１１２の出力端子１１２ｃに接続されている。差分回路１２２は、後記する各モードで出力されるオペアンプ１１２の出力端子１１２ｃの出力電圧ＶＯＵＴの差分の絶対値ＶＳＵＢをとる。本実施例の差分回路１１２は、各モードで出力される出力電圧ＶＯＵＴを一時的に記憶しておく機能を内蔵している。
判定回路１２４の入力端子は、差分回路１２２の出力端子に接続されている。判定回路１２４は、差分回路１２２の出力電圧ＶＳＵＢが所定のしきい値以上のときは異常判定信号ＶＤＥＣを出力する。
第２実施例のセンサ特性測定装置１０２には、電圧ＶＯＵＴと電圧ＶＳＵＢと異常判定信号ＶＤＥＣの出力端子が設けられており、これらの出力端子に電圧波形表示装置（オシロスコープ等）を接続することによって各電圧の経時的な変化をみることができる。また、図示しない操作部によって、制御回路１０６からモード切換スイッチ１２０に送られるモード切換信号のタイミングや、判定回路１２４のしきい値の大きさ等を自由に調整できる。
【００３２】
次に、第２実施例のセンサ特性測定装置１０２の動作を図３のタイムチャートを主に参照して説明する。
以下では、圧力が作用すると撓むダイアフラムに検出用可動電極１０８ａが形成され、そのダイアフラムとは別に基準キャパシタ１１０が形成されている静電容量型センサのセンサ特性を測定する場合を例示する。
図２の時刻Ｔ１０からＴ３０は第１モードの状態を示している。第１モードでは、時刻Ｔ１０からＴ３０等に示すように、図１の制御回路１０６からモード切換スイッチ１２０に送られるモード切換信号がオフしている。この状態では、モード切換スイッチ１２０がオフしているため、第２帰還キャパシタ１１８はオペアンプ１１２の反転入力端子１１２ａと出力端子１１２ｃの間に接続されていない状態となる。このため、第１モードでは、オペアンプ１１２の反転入力端子１１２ａと出力端子１１２ｃの間に接続されたキャパシタは、第１帰還キャパシタ１１６のみとなる。
圧力測定時には、後述する第２モードには切換えずに、第１モードのみで圧力を測定する。
【００３３】
第１モード中に制御回路１０６から検出用キャパシタ１０８に印加される検出電圧ＶＸは、時刻Ｔ１０からＴ３０に示すように、Ｈレベルでの電圧値がＶ１（第１の所定電圧）で、Ｌレベルでの電圧値がゼロの方形波パルスである。基準キャパシタ１１０に印加される検出電圧ＶＲも、Ｈレベルでの電圧値がＶ１（第１の所定電圧）で、Ｌレベルでの電圧値がゼロの方形波パルスである。検出用キャパシタ１０８に印加される検出電圧ＶＸと基準キャパシタ１１０に印加される検出電圧ＶＲは互いに反転した関係にあり、時刻Ｔ１０からＴ２０等に示すように、検出電圧ＶＸがＨレベルのときには検出電圧ＶＲはＬレベルであり、時刻Ｔ２０からＴ３０等に示すように、検出電圧ＶＸがＬレベルのときには検出電圧ＶＲはＨレベルである。
【００３４】
時刻Ｔ１０に制御回路１０６から検出用キャパシタ１０８にＨレベル（第１の所定電圧Ｖ１）の検出電圧ＶＸが入力され、時刻Ｔ２０に検出電圧ＶＸの値がＶ１から０に切換えられる。上記したように、検出電圧ＶＸと検出電圧ＶＲは互いに反転した関係にあるから、時刻Ｔ１０に基準キャパシタ１１０にＬレベル（電圧値ゼロ）の検出電圧ＶＲが入力され、時刻Ｔ２０に検出電圧ＶＲの値が０からＶ１になる。
【００３５】
時刻Ｔ２０では、検出用キャパシタ１０８に蓄積されていた電荷ＣＸ１Ｖ１が放電され、逆に、基準キャパシタ１１０には電荷ＣＲＶ１が蓄積される。ここで、ＣＸ１は検出用キャパシタ１０８に検出電圧Ｖ１が加えられている間の静電容量であり、ダイアフラムにかかる圧力と電圧Ｖ１がかけられた電極間に作用する静電吸引力とによってダイアフラムが撓んだときの静電容量である。一方、ＣＲは基準キャパシタ１１０の静電容量であり、圧力や電極間の静電吸引力によって影響されない。
時刻Ｔ２０では、第１帰還キャパシタ１１６の電極１１６ａに、−ＣＸ１Ｖ１＋ＣＲＶ１＝−（ＣＸ１−ＣＲ）Ｖ１の電荷が蓄積される。従って、第１モードでのオペアンプ１１２の出力電圧ＶＯＵＴをＶＡとすると、ＶＡ＝（ＣＸ１−ＣＲ）Ｖ１／ＣＦ１となる。この式から、ＣＸ１＝ＶＡＣＦ１／Ｖ１+ＣＲの式が得られる。
ここで、ＣＲは基準キャパシタ１１０の静電容量であり、圧力や電極間の静電吸引力によって影響されない既知の値である。従って、時刻Ｔ２０以降に生じるオペアンプ１１２の出力電圧ＶＡから、ダイアフラムにかかる圧力と電圧Ｖ１がかけられた電極間に作用する静電吸引力とによってダイアフラムが撓んだときの検出用キャパシタ１０８の静電容量ＣＸ１が算出される。
時刻Ｔ２０以降に生じるオペアンプ１１２の出力電圧ＶＡは、ダイアフラムにかかる圧力と電圧Ｖ１がかけられた電極間に作用する静電吸引力とによってダイアフラムが撓んだときの検出用キャパシタ１０８の静電容量ＣＸ１と基準キャパシタ１１０の静電容量ＣＲの差に関する値である。換言すると、基準キャパシタ１１０の静電容量ＣＲに対する検出用キャパシタ１０８の静電容量ＣＸ１の関係を示している。
【００３６】
なお、時刻Ｔ２１に制御回路１０６からリセットスイッチ１１４に送られるリセット信号がオンされ、リセットスイッチ１１４がオンされる。この結果、オペアンプ１１２の反転入力端子１１２ａと出力端子１１２ｃの間が短絡される。この結果、第１帰還キャパシタ１１６に蓄積されていた電荷は放電され、時刻Ｔ３０には出力電圧ＶＯＵＴは０になる。
【００３７】
時刻Ｔ３０からＴ５０は第２モードの状態を示している。第２モードでは、時刻Ｔ３０からＴ５０等に示すように制御回路１０６からモード切換スイッチ１２０に送られるモード切換信号がオンしている。この状態では、モード切換スイッチ１２０もオンするため、第２帰還キャパシタ１１８もオペアンプ１１２の反転入力端子１１２ａと出力端子１１２ｃの間に接続された状態となる。このため、第２モードでは、オペアンプ１１２の反転入力端子１１２ａと出力端子１１２ｃの間には、第１帰還キャパシタ１１６と第２帰還キャパシタ１１８が並列に接続された状態となる。
センサ１０７の特性測定時には、上記した第１モードと第２モードを交互に切換える。図３はこの特性測定時のタイムチャートを示している。
【００３８】
第２モード中に制御回路１０６から検出用キャパシタ１０８に印加される検出電圧ＶＸは、時刻Ｔ３０からＴ５０に示すように、Ｈレベルでの電圧値がＶ２（第２の所定電圧であり、第１の所定電圧Ｖ１よりも大きい）で、Ｌレベルでの電圧値がゼロの方形波パルスである。基準キャパシタ１１０に印加される検出電圧ＶＲも、Ｈレベルでの電圧値がＶ２（第２の所定電圧）で、Ｌレベルでの電圧値がゼロの方形波パルスである。検出用キャパシタ１０８に印加される検出電圧ＶＸと基準キャパシタ１１０に印加される検出電圧ＶＲは互いに反転した関係にあり、時刻Ｔ３０からＴ４０等に示すように、検出電圧ＶＸがＨレベルのときには検出電圧ＶＲはＬレベルであり、時刻Ｔ４０からＴ５０等に示すように、検出電圧ＶＸがＬレベルのときには検出電圧ＶＲはＨレベルである。
【００３９】
時刻Ｔ３０に検出用キャパシタ１０８にＨレベル（第２の所定電圧Ｖ２）の検出電圧ＶＸが入力され、時刻Ｔ４０に検出電圧ＶＸの値がＶ２から０になると、上記したように検出電圧ＶＸと検出電圧ＶＲは互いに反転した関係にあるから、基準電圧ＶＲの値は０からＶ２になる。すると、検出用キャパシタ１０８に蓄積されていた電荷ＣＸ２Ｖ２は放電され、逆に、基準キャパシタ１１０には電荷ＣＲＶ２が蓄積される。このため、検出用キャパシタ１０８の可動電極１０８ｂに蓄積されていた電荷−ＣＸ２Ｖ２は第１帰還キャパシタ１１６の下部電極１１６ａあるいは第２帰還キャパシタ１１８の下部電極１１８ａに移動する。また、基準キャパシタ１１０の基準上部電極１１０ｂに蓄積された電荷−ＣＲＶ２と逆符号で同量の電荷ＣＲＶ２が第１帰還キャパシタ１１６の下部電極１１６ａあるいは第２帰還キャパシタ１１８の下部電極１１８ａに移動する。
【００４０】
この結果、第１帰還キャパシタ１１６の下部電極１１６ａと第２帰還キャパシタ１１８の下部電極１１８ａには、合計して−ＣＸ２Ｖ２＋ＣＲＶ２＝−（ＣＸ２−ＣＲ）Ｖ２の電荷が蓄積される。従って、第２モードでのオペアンプ１１２の出力電圧ＶＯＵＴをＶＢとすると、ＶＢ＝（ＣＸ２−ＣＲ）Ｖ２／（ＣＦ１＋ＣＦ２）となる。この式から、ＣＸ２＝ＶＢ（ＣＦ１＋ＣＦ２）／Ｖ２+ＣＲの式が得られる。
【００４１】
時刻Ｔ４０以降に生じるオペアンプ１１２の出力電圧ＶＢから、ダイアフラムにかかる圧力と電圧Ｖ２がかけられた電極間に作用する静電吸引力とによってダイアフラムが撓んだときの検出用キャパシタ１０８の静電容量ＣＸ２が算出される。
時刻Ｔ４０以降に生じるオペアンプ１１２の出力電圧ＶＢは、ダイアフラムにかかる圧力と電圧Ｖ２がかけられた電極間に作用する静電吸引力とによってダイアフラムが撓んだときの検出用キャパシタ１０８の静電容量ＣＸ２と基準キャパシタ１１０の静電容量ＣＲの差に関する値である。換言すると、基準キャパシタ１１０の静電容量ＣＲに対する検出用キャパシタ１０８の静電容量ＣＸ２の関係を示している。
【００４２】
なお、時刻Ｔ４１に制御回路１０６からリセットスイッチ１１４に送られるリセット信号がオンされ、リセットスイッチ１１４がオンされると、オペアンプ１１２の反転入力端子１１２ａと出力端子１１２ｃの間が短絡される。この結果、第１帰還キャパシタ１１６と第２帰還キャパシタ１１８に蓄積されていた電荷ΔＣＸ１Ｖ２は徐々に放電され、時刻Ｔ５０には出力電圧ＶＯＵＴは０になる。
【００４３】
ダイアフラムの特性は様々な指標で示される。最も原理的には、ＣＸ２とＣＸ１の差によって、ダイアフラムの特性を示すことができる。
それに代えて、ＶＡ＝（ＣＸ１−ＣＲ）Ｖ１／ＣＦ１とＶＢ＝（ＣＸ２−ＣＲ）Ｖ２／（ＣＦ１＋ＣＦ２）の差でダイアフラム特性を示すこともできる。この場合、ＶＢ−ＶＡ＝ＣＸ２Ｖ２／（ＣＦ１＋ＣＦ２）−ＣＸ１Ｖ１／ＣＦ１＋定数となり、ダイアフラムが柔軟なほど大きな値を持つ。
【００４４】
図２に示した第２実施例の装置では、ＣＦ１とＣＦ２とＶ１とＶ２の値が、ダイアフラムが意図した柔軟性を備えている場合に、ＶＢ−ＶＡ＝０となるように設定されている。
差分回路１２２は、時刻Ｔ２１の直前にＶＡを記憶し、時刻Ｔ４１の直前にＶＢ−ＶＡを計算する。そして、時刻Ｔ５０からＴ６０に示すように、ＶＡ−ＶＢの絶対値を示す電圧ＶＳＵＢを判定回路１２４に出力する。
時刻Ｔ２０からＴ５０の間は、非常に短い時刻であるから、印加される圧力はほぼ同じ値であるとすることができる。即ち、第１モードでの出力電圧ＶＡと第２モードでの出力電圧ＶＢの差をとることで、圧力の影響は相殺することができる。前記したように、センサに特段の異常がなければ、差分絶対値信号ＶＳＵＢ＝｜ＶＡ−ＶＢ｜はほぼゼロになる関係に設定されている。
【００４５】
差分回路１２２から出力された差分信号ＶＳＵＢ＝｜ＶＡ−ＶＢ｜は、判定回路１２４に入力される。判定回路１２４では、電圧ＶＳＵＢが所定のしきい値ＶＴＨ以下であるときは、異常判定信号ＶＤＥＣを出力しない。図２の時刻Ｔ５０からＴ６０では、ＶＳＵＢ＝｜ＶＡ−ＶＢ｜の値は常にＶＴＨ以下であるため、異常判定信号ＶＤＥＣは出力されない。
【００４６】
時刻Ｔ５０からＴ９０では、上記で説明した第１モードと第２モードの動作が繰返されて、時刻Ｔ６０からＴ７０に示す第１モードでの出力電圧ＶＯＵＴがＶＣとなり、時刻Ｔ８０からＴ９０に示す第２モードでの出力電圧ＶＯＵＴがＶＤとなった場合を例示する。時刻Ｔ９０からＴ１００に示すように、差分回路１２２の出力ＶＳＵＢ＝｜ＶＣ−ＶＤ｜がＶＴＨより大きい値になったために、判定回路１２４から異常判定信号ＶＤＥＣが出力される。
【００４７】
ダイアフラムが意図した特性を備えている場合、第１モードでの出力電圧ＶＡと第２モードでの出力電圧ＶＢがはほぼ等しい。ＶＳＵＢ＝｜ＶＡ−ＶＢ｜＜ＶＴＨであれば、ダイアフラムが意図した特性を備えていることがわかる。
ダイアフラムが意図した特性よりも柔軟すぎる場合、ＶＢ−ＶＡ＞ＶＴＨとなる。ＶＢ−ＶＡ＞ＶＴＨであれば、ダイアフラムが意図したよりも柔軟すぎることがわかる。一方、ダイアフラムが意図した特性よりも変形しづらい場合、ＶＢ−ＶＡ＜−ＶＴＨとなる。ＶＢ−ＶＡ＜−ＶＴＨであれば、ダイアフラムが意図したよりも変形しづらいことがわかる。
【００４８】
以上で説明した第２実施例の装置１０２の出力端子を外部の電圧波形表示装置（オシロスコープ等）に接続することで、図３に示すＶＯＵＴとＶＳＵＢとＶＤＥＣの経時的な変化をみることができる。
【００４９】
静電容量検出回路１１１の出力電圧ＶＯＵＴによると、第１モード（検出用キャパシタ１０８に小さな電圧Ｖ１を加えた状態）での出力電圧波形と、第２モード（検出用キャパシタ１０８に大きな電圧Ｖ２を加えた状態）での出力電圧波形を認識できる。それぞれの電圧波形の電圧値や過渡応答特性を検討することで、測定対象であるセンサ１０７の性能をより多角的に検討することができる。また、本実施例では、第１モードでの電圧波形と第２モードでの電圧波形は正常な状態では同じ大きさとなるように調整されているから、第１モードでの電圧波形と第２モードでの電圧波形の比較検討が容易である。
また、第１モードでの電圧波形が極端に大きいときは、検出用キャパシタ１０８に小さな電圧Ｖ１を加えたのに、検出用キャパシタ１０８の上部電極（可動電極）１０８ａが形成されたダイアフラムあるいは、可動電極１０８ａを支えるビームが大きく変形したことを示しているから、ダイアフラムやビームにひび等の傷が発生している可能性が高いことを認識できる。また、第２モードでの電圧波形が極端に小さいときは、検出用キャパシタ１０８に大きな電圧Ｖ２を加えたのに、ダイアフラムあるいは、ビームがあまり変形しなかったことを示しているから、電極間に異物等が混入している可能性が高いことを認識できる。
差分回路１２２の出力電圧ＶＳＵＢによると、第１モードでの電圧波形と第２モードでの電圧波形の差の絶対値がわかるため、第１モードでの電圧波形と第２モードでの電圧波形の比較検討がより容易となる。上記したＶＯＵＴとＶＳＵＢの検討は、特に、センサ１０７の製造時の出来映え検査や直接圧力によらないセンサ１０７の感度調整等に有用である。
判定回路１２４の異常判定信号ＶＤＥＣによると、ＶＳＵＢが所定のしきい値ＶＴＨより大きくなった異常状態を認識できるから、センサ１１０の取換えや修理等を迅速、確実に行うことができる。
【００５０】
また、第２実施例の装置１０２によると、異常検知を行うときに検出用キャパシタ１０８の可動電極１０８ｂと固定電極１０８ａを何回も接触させる必要がないため、ダイアフラムやビーム等の寿命、ひいてセンサの寿命を長くすることできる。また、異常検知用の電極を別途設ける必要もない。
【００５１】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明の適用範囲は上記の実施例になんら限定されるものではない。すなわち、本発明は、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
例えば、本発明は、静電容量型の圧力センサ、加速度センサ、慣性力センサ、振動センサ、音圧センサ等の静電容量型の物理量センサ一般に適用することができる。また、第２実施例では、第１モードでの電圧ＶＡと第２モードでの電圧ＶＢを比較する回路として差分回路１２２を用いたが、例えば、ＶＡとＶＢの比をとる回路や、ＶＡとＶＢの和あるいは積をとる回路や、ＶＡの２乗とＶＢの２乗の差をとる回路等を用いて、その比、和、積、２乗の差等が所定の値でないときに判定回路１２４から異常判定信号を出力するようにしてもよい。
また、本発明は、第２実施例で説明したような静電容量型センサ１０７とその特性測定装置１０２が一体となった静電容量型センサ装置にも適用することができる。
さらに、本発明は、第２実施例で説明したような静電容量型センサ１０７の特性測定装置１０２が集積回路化された図４に模式的に示すような集積回路チップ１０３にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の静電容量型センサの特性測定装置の説明図。
【図２】第２実施例の静電容量型センサの特性測定装置の回路ブロック図。
【図３】第２実施例の静電容量型センサの特性測定装置の動作のタイムチャート。
【図４】静電容量型センサの特性測定装置が集積回路化された状態を模式的に示した図。
【符号の説明】
１０２：静電容量型センサのセンサ特性測定装置
１０４：電圧発生器
１０６：制御回路
１０７：静電容量型センサ
１０８：検出用キャパシタ
１１０：基準キャパシタ
１１１：静電容量検出回路
１１２：オペアンプ
１１４：リセットスイッチ
１１６：第１帰還キャパシタ
１１８：第２帰還キャパシタ
１２０：モード切換スイッチ
１２２：差分回路
１２４：判定回路
【図１】
0004508480.tif 000002
【図２】
0004508480.tif 000003
【図３】
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【図４】
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