JP4336066B2 - 静電容量型センサ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量型センサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の静電容量型センサ装置の一例を、図６を参照して説明する。図６は、従来の静電容量型センサ装置の回路ブロック図を示している。
図６に示す静電容量型センサ装置１は、１つの静電容量型センサ２０と、センサ２０の出力を装置１の出力に変換する手段（具体的には、静電容量を電圧に変換する回路）４０を備えている。
静電容量型センサ２０は、可動電極と固定電極からなる電極対を有する検出用キャパシタ２（検出容量ＣＸ）と、一対の固定電極からなる電極対を有する基準キャパシタ４（基準容量ＣＲ）を有している。静電容量型センサ２０と変換回路４０との接続線を検出用キャパシタ２と基準キャパシタ４の容量差に応じた電荷が移動する。変換手段４０は、この電荷移動量を電圧ＶＯＵＴに変換する回路であり、オペアンプ８と帰還キャパシタ６を有している。検出用キャパシタ２の可動電極が形成されているダイアフラム等に圧力や加速度等の物理量が作用すると、検出用キャパシタ２の可動電極と固定電極の間の距離が変化する。この結果、検出容量ＣＸと基準容量ＣＲの差が変化し、その容量差が電圧ＶＯＵＴに変換される。
この静電容量型センサ装置１では、静電容量型センサ２０に作用する物理量に応じて変化する静電容量型センサ２０の出力（静電容量型センサ２０と変換回路４０との接続線に生じる電荷移動量）が変換回路４０によって電圧に変換され、変換回路４０から物理量に対応する電圧ＶＯＵＴが出力される。電圧ＶＯＵＴは、静電容量型センサ装置１から出力される装置出力であり、作用する物理量に対応する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
静電容量型センサは、物理量を精度良く検出することが要求されるために、作用する物理量によって変形しやすいことが必要とされ、静電容量型センサ装置内の他の部品に比較して脆弱である。このために生産段階でうまく生産できない場合がある。また、静電容量型センサの可動電極が形成されているダイアフラムや可動電極を変位可能に支持するビーム等は、使用中に繰り返し変形するために、他の部品に比較して故障が生じやすい。
【０００４】
静電容量型センサ装置の場合、装置内の故障したセンサ（キャパシタ）を新しいセンサに交換する作業は困難である。特にセンサ装置が集積化されている場合は非常に困難である。あるいは、新しいセンサに取換えることができたとしても、新たにセンサ装置を製造するより却ってコスト高になってしまうのが通常である。このため、センサ装置の完成後にセンサの異常が検知された場合は、他の部品群を含むセンサ装置全体を廃棄せざるを得なかった。しかしながら、センサの異常によってセンサ装置全体を廃棄するのは不経済である。また、例えば自動車の内部に組込んだセンサ装置が使用中に故障した場合には、センサないしはセンサ装置の取換えがさらに困難になる。
【０００５】
本発明は、上記した問題を解決するためになされたものであり、静電容量型センサ装置の生産時の歩留まりの向上、あるいは使用中の信頼性を向上させ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】
本発明の静電容量型センサ装置は、可動電極と固定電極からなる物理量検出用キャパシタ群を有する静電容量型センサと、センサ出力を装置出力に変換する変換手段と、変換手段に接続されるキャパシタを切換え可能な切換え手段を備える。この変換手段では、接続されるキャパシタの切換えに連動してキャパシタの可動電極と固定電極間に印加される電圧が切換えられ、同じ大きさの物理量が作用している間は、接続されるキャパシタを問わないでほぼ同じ大きさの装置出力が出力される。
変換手段は、例えば、静電容量型センサから出力される電荷移動量を、電圧、電流あるいは周波数等に変換する手段をいい、増幅手段やノイズ除去手段等を含んでいることがある。要するに静電容量型センサの出力を何らかの意味で変換してセンサ装置外の装置に認識可能な出力に変換して静電容量型センサ装置から出力させる手段をいう。
【０００７】
本発明の静電容量型センサ装置は、可動電極と固定電極からなる物理量検出用キャパシタ群を有する静電容量型センサを備えているため、キャパシタが１つしかないセンサ装置に比較するとキャパシタ数は増えるが、センサ装置の完成時またはセンサ装置の使用中にキャパシタの異常が検知された場合には、異常が検知されたキャパシタと変換手段との間の接続状態を切り離し、他のキャパシタを変換手段に接続することによって、センサ装置に必要な機能を維持することができる。このために、キャパシタの異常時にもセンサ装置全体を廃棄したり交換したりする必要がない。またセンサ装置の使用中にキャパシタの異常が生じた場合でも、異常が生じたキャパシタと変換手段との間の接続を切って他のキャパシタを変換手段に接続することによってそのままセンサ装置を使用し続けることができる。
例えば、物理量検出用キャパシタ群のうちのいずれか１つのキャパシタのみを変換手段に接続するという態様で使用する場合を考える。この場合、キャパシタ１つ当りの生産時の不合格率あるいは使用中の単位時間当りの故障率を１／Ｘとし、センサ装置が有するキャパシタ数をＹとすると、センサ装置の不合格率または故障率は、１／（Ｘ・Ｙ）ではなく１／ＸＹとなる。このため、センサ装置としての不合格率あるいは故障率を大幅に減少させることができる。
また、本発明の静電容量型センサ装置に用いられる変換手段では、変換手段に接続されるキャパシタの切換えに連動してキャパシタの可動電極と固定電極間に印加される電圧を切換える。これによって、１つのキャパシタが異常となって他のキャパシタに切換える際に、センサ装置外からみたセンサ装置の特性は切換えの前後を通じて変わらず、センサ装置外に影響を及ぼすことなくキャパシタを切換えることができる。
【０００８】
本発明の１つの改良された静電容量型センサ装置は、センサ出力の異常を判断する手段をさらに備え、切換え手段は、異常と判断されたキャパシタと変換手段との間を非接続状態に切換えて他のキャパシタと変換手段との間を接続状態に切換えることを特徴とする。
本装置によると、センサ出力の異常を検知した場合に、異常が検知されたキャパシタを切り離し、他のキャパシタを変換手段に接続する切換えが自動的に実行され、センサ装置を継続して使用することができる。
【０００９】
本発明の他の１つの改良された静電容量型センサ装置は、センサ装置出力の異常を判断する装置に接続されて用いられる。このセンサ装置の切換え手段は、異常と判断された時に接続されていたキャパシタと変換手段との間を非接続状態として他のキャパシタと変換手段との間を接続状態とすることを特徴とする。
本装置によると、センサ装置外に存在する装置がセンサ装置の出力の異常をモニタし、異常時には異常と判断された時に接続されていたキャパシタと変換手段との間を非接続状態として他のキャパシタと変換手段との間を接続状態とするために、センサ装置を継続して使用することができる。
【００１１】
本発明の他の静電容量型センサ装置は、可動電極と固定電極からなる物理量検出用キャパシタ群を有する静電容量型センサと、センサ出力を装置出力に変換する変換手段とを備え、各キャパシタと変換手段との間の接続・非接続状態が切換え可能である。
本発明の他の静電容量型センサ装置は、接続されるキャパシタの切換えに連動してキャパシタの可動電極と固定電極間に印加される電圧が切換えられ、同じ大きさの物理量が作用している間は、接続されるキャパシタを問わないでほぼ同じ大きさの装置出力が出力されることを特徴とする。
本発明の他の静電容量型センサ装置においても、センサ出力の異常を判断する手段と、異常と判断されたキャパシタと変換手段との間を非接続状態に切換えて他のキャパシタと変換手段との間を接続状態に切換える手段をさらに備えていてもよい。また、異常と判断された時に接続されていたキャパシタと変換手段との間を非接続状態として他のキャパシタと変換手段との間を接続状態とする手段をさらに備えていてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第１実施例）第１実施例の静電容量型センサ装置を、図１を参照して説明する。図１は、第１実施例の静電容量型センサ装置の回路ブロック図である。
図１に示すように、第１実施例の静電容量型センサ装置１００は、制御回路１１０と、静電容量型センサ１２０と、静電容量を電圧に変換する変換回路１４０と、判定回路１７０等を備えている。制御回路１１０は、センサ装置１００の外部にある電圧発生器１８０に接続されて用いられる。
静電容量型センサ１２０は、４組の、物理量検出用キャパシタ群１２１〜１２４と、検出スイッチ群１３１〜１３４と、基準キャパシタ１２６を有している。基準キャパシタ１２６は、物理量検出用キャパシタ群１２１〜１２４に作用する物理量によって変化する静電容量のみを直接検出するために用いている。なお、物理量検出用キャパシタ１２１〜１２４は同一のものであり、同じ大きさの物理量が加えられた場合の容量変化の大きさは同一である。
【００１３】
各物理量検出用キャパシタ１２１〜１２４は、物理量が作用すると固定電極１２１ａ〜１２４ａとの間の距離（または固定電極１２１ａ〜１２４ａに対向する面積）を変える可動電極１２１ｂ〜１２４ｂを備える。検出用キャパシタ１２１〜１２４の可動電極１２１ｂ〜１２４ｂ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１２６は、固定された基準上部電極１２６ｂと、それに対向して固定された基準下部電極１２６ａ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１２１ｂ〜１２４ｂを設け、あまり変形しない周辺部分に基準上部電極１２６ｂ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１２１ｂ〜１２４ｂを設け、ダイアフラム外に基準上部電極１２６ｂを形成することもできる。
【００１４】
制御回路１１０には、静電容量型センサ群１２０の４つの物理量検出用キャパシタ１２１〜１２４の下部電極１２１ａ〜１２４ａが検出スイッチ１３１ａ〜１３４ａを介して接続されている。４つの物理量検出用キャパシタ１２１〜１２４の上部電極１２１ｂ〜１２４ｂは、検出スイッチ１３１ｂ〜１３４ｂを介して変換回路１４０に接続されている。また、制御回路１１０は、基準キャパシタ１２６の下部電極１２６ａに接続されている。制御回路１１０は、電圧発生器１８０から供給される電圧を適切なタイミングで検出用キャパシタ１２１〜１２４のいずれかと、基準キャパシタ１２６に送る。
さらに制御回路１１０は、検出スイッチ１３１ａ〜１３４ａと、検出スイッチ１３１ｂ〜１３４ｂと、変換回路１４０のリセットスイッチ１６４と、判定回路１７０に接続されている。制御回路１１０は、電圧発生器１８０から供給される電圧を適切なタイミングで、リセットスイッチ１１４に送る。さらに、制御回路１１０は、判定回路１７０から送られる異常判定信号に基づいて、検出スイッチ１３１ａ〜１３４ａと、検出スイッチ１３１ｂ〜１３４ｂのオン・オフを切換える。
【００１５】
変換回路１４０は、オペアンプ１６２と、リセットスイッチ１６４と、帰還キャパシタ１４１を有している。
変換回路１４０のオペアンプ１６２の反転入力端子１６２ａには、静電容量型センサ群１２０の４つの物理量検出用キャパシタ１２１〜１２４の上部電極１２１ｂ〜１２４ｂが検出スイッチ１３１ｂ〜１３４ｂを介して接続されている。また、オペアンプ１６２の反転入力端子１６２ａには、基準キャパシタ１２６の上部電極１２６ｂも接続されている。また、オペアンプ１６２の反転入力端子１６２ａと出力端子１６２ｃの間には、リセットスイッチ１６４と、帰還キャパシタ１４１が並列に接続されている。オペアンプ１６２の非反転入力端子１６２ｂはアースされている。
変換回路１４０は、検出用キャパシタ１２１〜１２４の上部電極（可動電極）１２１ｂ〜１２４ｂが形成されたダイアフラム等に加えられた物理量によって生じる物理量検出用キャパシタ１２１〜１２４の静電容量の変化を検出し、その静電容量の変化を電圧ＶＯＵＴとして出力する。
【００１６】
判定回路１７０の入力端子は、変換回路１４０のオペアンプ１６２の出力端子１６２ｃに接続されている。判定回路１７０は、変換回路１４０の出力電圧ＶＯＵＴが所定の範囲内にないときに異常判定信号ＶＤＥＣを出力する。
なお、第１実施例では、判定回路１７０をセンサ装置１００内に組込んでいるが、判定回路１７０はいわゆる外付けのものであってもよい。
【００１７】
なお、第１実施例の静電容量型センサ装置１００には、センサ装置の出力電圧ＶＯＵＴ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、第１実施例のセンサ装置１００は、図示しない操作部を備えており、その操作部によって判定回路１７０のしきい値の大きさ等を自由に調整できる。
【００１８】
次に、第１実施例の静電容量型センサ装置１００の異常診断動作を図２のタイムチャートを主に参照して説明する。以下で説明する動作は、センサ装置１００の出荷時あるいは使用中に行われる。
最初は、第１検出用キャパシタ１２１の両側の第１検出スイッチ１３１ａと１３１ｂがオンしており、その他の検出スイッチ１３２ａと１３２ｂ、１３３ａと１３３ｂ、１３４ａと１３４ｂはオフされている。
センサ装置１００によって測定する場合には、制御回路１１０から物理量検出用キャパシタ群に検出電圧ＶＸを印加する。印加される検出電圧ＶＸは、時刻Ｔ１０からＴ３０に示すように、Ｈ（ハイ）レベルの電圧値がＶ１でＬ（ロー）レベルの電圧値が０の方形波パルスである。物理量検出用キャパシタ群１２１〜１２４に印加される検出電圧ＶＸと、基準キャパシタ１１０に印加される基準電圧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レベルのときには基準電圧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レベルのときには基準電圧ＶＲはＨレベルである。
【００１９】
時刻Ｔ１０に制御回路１１０から第１物理量検出用キャパシタ１２１にＨレベル（電圧値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になると、上記したように、検出電圧ＶＸと基準電圧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Ｖ１になる。すると、第１物理量検出用キャパシタ１２１に蓄積されていた電荷ＣＸＶ１は放電され、逆に、基準キャパシタ１１０には電荷ＣＲＶ１が蓄積される。このため、第１検出用キャパシタ１４１の上部電極１４１ｂに蓄積されていた電荷（ＣＸＶ１）は帰還キャパシタ１４１の下部電極１４１ａに移動し、基準キャパシタ１２６の上部電極１２６ｂに蓄積された電荷（ＣＲＶ１）と逆符号で同量の電荷ＣＲＶ１が帰還キャパシタ１４１の下部電極１４１ａに移動する。
【００２０】
この結果、帰還キャパシタ１４１の下部電極１４１ａに、−ＣＸＶ１＋ＣＲＶ１＝−（ＣＸ−ＣＲ）Ｖ１＝−ΔＣＸＶ１の電荷が蓄積される。従って、変換回路１４０のオペアンプ１６２の出力電圧ＶＯＵＴをＶＡとすると、ＶＡ＝（ＣＸ−ＣＲ）Ｖ１／ＣＦとなる。
【００２１】
なお、時刻Ｔ２１に制御回路１１０からリセットスイッチ１６４に送られるリセット信号がオンされ、リセットスイッチ１６４がオンされると、オペアンプ１６２の反転入力端子１６２ａと出力端子１６２ｃの間が短絡される。この結果、帰還キャパシタ１４１に蓄積されていた電荷（ＣＸ−ＣＲ）Ｖ１は徐々に放電され、時刻Ｔ３０には出力電圧ＶＯＵＴは０になる。
【００２２】
時刻Ｔ２０からＴ３０の間にオペアンプ１６２から出力された電圧ＶＯＵＴ＝ＶＡは、判定回路１７０に入力される。判定回路１７０では、出力電圧ＶＡが所定のしきい値ＶＴＨ１とＶＴＨ２の間であるときには、異常判定信号ＶＤＥＣを出力しない。図２の時刻Ｔ２０からＴ３０に示すように、ＶＯＵＴ＝ＶＡの値は、定常状態となった後はＶＴＨ１とＶＴＨ２の間にあるため、異常判定信号ＶＤＥＣは出力されない。これは、第１物理量検出用キャパシタ１２１の静電容量が正常の範囲内であることを示している。
前記したように、ＶＡ＝（ＣＸ−ＣＲ）Ｖ１／ＣＦである。ここでＣＸ、は検出用キャパシタ１２１の静電容量であり、厳密には、電極間に電圧Ｖ１を印加したときの静電容量である。異常判定に用いる閾値ＶＴＨ１とＶＴＨ２は、検出用キャパシタ１２１が正常であるときに、検出用キャパシタ１２１に電圧Ｖ１を印加したときに測定されるはずであるところの静電容量ＣＸを上記式によって電圧に変換した値の前後に設定されている。
【００２３】
一方、時刻Ｔ３０からＴ５０では、上記で説明した時刻Ｔ１０からＴ３０の動作と同様の動作が繰返される。ここでは、時刻Ｔ４０からＴ５０に示すように、オペアンプ１６２の出力電圧ＶＯＵＴがＶＢ＝（ＣＸ−ＣＲ）Ｖ１／ＣＦとなったとする。
オペアンプ１６２から出力された電圧ＶＯＵＴ＝ＶＢは、判定回路１７０に入力される。判定回路１７０では、出力電圧ＶＢが所定のしきい値ＶＴＨ１とＶＴＨ２の間にないときは、異常判定信号ＶＤＥＣを出力する。図２の時刻Ｔ４０からＴ５０に示すように、ＶＯＵＴ＝ＶＢの値はＶＴＨ１とＶＴＨ２の間にないため、異常判定信号ＶＤＥＣが出力される。これは、第１物理量検出用キャパシタ１２１を形成するダイアフラムや、あるいは第１物理量検出用キャパシタ１２１を支えるビーム等に異常が生じていることを示している。
【００２４】
判定回路１７０から制御回路１１０に異常判定信号が送られると、制御回路１１０は、第１物理量検出用キャパシタ１２１に異常が発生していると認識し、第１検出用キャパシタ１２１の両側の第１検出スイッチ１３１ａと１３１ｂをオフする。そして、次に、第２物理量検出用キャパシタ１２２の両側の第２検出スイッチ１３２ａと１３２ｂをオンする。そして、再び上記時刻Ｔ１０からＴ３０と同様の動作が繰返される。第１物理量検出用キャパシタ１２１に異常が生じれば、そのことが判定回路１７０で検出され、異常が生じたキャパシタ１２１を変換回路１４０から切り離し、正常なキャパシタ１２２を変換回路１４０に接続し、以後、正常なキャパシタ１２２を利用して物理量の検出を続ける。
第２物理量検出用キャパシタ１２２を利用している間に、判定回路１７０が第２検出用キャパシタ１２２に異常が発生したことを認識すると、第２検出スイッチ１３２ａと１３２ｂをオフし、第３検出スイッチ群１３３ａと１３３ｂをオンする。また、判定回路１７０が第３検出用キャパシタ１２３に異常が発生したことを認識すると、第３検出スイッチ１３３ａと１３３ｂをオフし、第４検出スイッチ群１３４ａと１３４ｂをオンする。
この方式によると、４つの検出用キャパシタ１２１〜１３４の全部が異常となるまで、静電容量センサ装置１００を継続的に使用することができる。
【００２５】
なお、上記実施例では、検出用キャパシタ１２１〜１２４に検出電圧ＶＸを印加したときの静電容量と基準容量の差を電圧に変換した値によって検出用キャパシタ１２１〜１２４の正常・異常を判断しているが、異常診断の方法は上記実施例の方法には限られず、公知のあらゆる異常診断技術を用いることができる。
例えば、所定の圧力等の物理量を物理量検出用キャパシタの可動電極が形成されたダイアフラム等に加えて、その変形量が所定の範囲にあるときは正常と判断し、所定の範囲にないときは異常と判断してもよい。
【００２６】
（第２実施例）次に、第２実施例の静電容量型センサ装置を図３を参照して説明する。図３は、第２実施例の静電容量型センサ装置の回路ブロック図である。
図３に示す第２実施例の静電容量型センサ装置２００は、静電容量型センサ群２２０（４組の検出用キャパシタ２２１〜２２４を含む）と、変換回路２４０の構成が第１実施例のセンサ装置１００の場合と異なる。以下では、第２実施例のセンサ装置２００に特徴的な構成を中心に説明する。
静電容量型センサ装置２２０の各物理量検出用キャパシタ２２１〜２２４は、ある大きさの物理量が加えられたときの容量変化の大きさがそれぞれに異なる。各物理量検出用キャパシタ２２１〜２２４の容量変化の大きさをそれぞれ異ならせるには、所定の物理量を加えたときの変形量（たわみ量）がそれぞれ異なる４つのダイアフラムに各物理量検出用キャパシタ２２１〜２２４の可動電極を形成すればよい。
本実施例の場合、同じ大きさの物理量が加えられたときの各物理量検出用キャパシタの容量変化が、第１物理量検出用キャパシタ２２１ではΔＣＸ１＝ΔＣＸ、第２物理量検出用キャパシタ２２２ではΔＣＸ２＝２ΔＣＸ、第３物理量検出用キャパシタ２２３ではΔＣＸ３＝３ΔＣＸ、第４物理量検出用キャパシタ２２４ではΔＣＸ４＝４ΔＣＸとしている。第４物理量検出用キャパシタ２２４は、第１物理量検出用キャパシタ２２１の４倍の感度を持つ。一方、第１物理量検出用キャパシタ２２１は、第４物理量検出用キャパシタ２２１の４倍の測定レンジを持つ。
【００２７】
変換回路２４０は、オペアンプ２６２とリセットスイッチ２６４に加えて、４つの帰還キャパシタ２４１〜２４４と、４組の帰還スイッチ２５１〜２５４を有している。
各帰還キャパシタ２４１〜２４４の両側には、それぞれ帰還スイッチ群２５１ａ〜２５４ａと２５１ｂ〜２５４ｂが接続されている。このため、帰還スイッチ群２５１〜２５４のいずれか１組（例えば第１帰還スイッチ２５１ａと２５１ｂの組）がオンすることで帰還キャパシタ２４１〜２４４のいずれか（例えば第１帰還キャパシタ２４１）が、オペアンプ２６２の反転入力端子２６２ａと出力端子２６２ｃの間に接続される。
各帰還キャパシタ２４１〜２４４の容量値はそれぞれ異なる。具体的には、第１帰還キャパシタ２４１の容量はＣＦ１＝ＣＦ、第２帰還キャパシタ２４２の容量はＣＦ２＝２ＣＦ、第３帰還キャパシタ２４３の容量はＣＦ３＝３ＣＦ、第４帰還キャパシタ２４４の容量はＣＦ４＝４ＣＦとなっている。
【００２８】
図示しない操作部では、判定回路２７０のしきい値の大きさを自由に調整できる。また、静電容量型センサ２２０の検出スイッチ群２３１〜２３４のいずれをオンさせるかを自由に設定できる。 この操作部で、第１検出スイッチ群２３１ａ、２３１ｂをオンさせると、これに連動して制御回路２１０から変換回路２４０の第１帰還スイッチ２５１ａ、２５１ｂにオン信号が送られる。同様に、第２検出スイッチ２３２ａ、２３２ｂと第２帰還スイッチ２５２ａ、２５２ｂが連動しており、第３検出スイッチ２３３ａ、２３３ｂと第３帰還スイッチ２５３ａ、２５３ｂが連動しており、第４検出スイッチ２３４ａ、２３４ｂと第４帰還スイッチ２５４ａ、２５４ｂが連動している。
【００２９】
変換回路２４０に第１物理量検出用キャパシタ２２１が接続されている場合の出力電圧ＶＯＵＴは、ある大きさの物理量を加えたときの第１物理量検出用キャパシタ２２１の容量変化がΔＣＸ１＝ΔＣＸであり、第１帰還キャパシタ２４１の容量はＣＦ１＝ＣＦであるから、ＶＯＵＴ＝ＶＸΔＣＸ１／ＣＦ１＝ＶＸΔＣＸ／ＣＦとなる。変換回路２４０に第２物理量検出用キャパシタ２２２が接続されている場合の出力電圧ＶＯＵＴは、ある大きさの物理量を加えたときの第２物理量検出用キャパシタ２２２の容量変化がΔＣＸ２＝２ΔＣＸであり、第２帰還キャパシタ２４２の容量はＣＦ２＝２ＣＦであるから、ＶＯＵＴ＝ＶＸΔＣＸ２／ＣＦ２＝ＶＸ２ΔＣＸ／２ＣＦ＝ＶＸΔＣＸ／ＣＦとなる。第３検出用キャパシタ２２３と第４物理量検出用キャパシタ２２４についても同様である。
即ち、同じ大きさの物理量が加えられている場合は、いずれの物理量検出用キャパシタ２２１〜２２４を変換回路２４０に接続した場合でも、変換回路２４０から出力されるセンサ装置２００の出力電圧ＶＯＵＴは同一となる。
【００３０】
なお、上記実施例では、変換回路２４０の各帰還キャパシタ２４１〜２４４の容量をそれぞれ異ならせることで変換回路２４０の出力値を同一としているが、変換回路２４０の出力電圧ＶＯＵＴはＶＸΔＣＸ／ＣＦで表されることから、各物理量検出用キャパシタ２２１〜２２４に印加する検出電圧ＶＸの値をそれぞれ異ならせることで変換回路２４０の出力値を同一としてもよい。
例えば、上記のように、ある大きさの物理量を加えたときの各物理量検出用キャパシタ２２１〜２２４の容量変化を、第１物理量検出用キャパシタ２２１ではΔＣＸ１＝ΔＣＸ、第２物理量検出用キャパシタ２２２ではΔＣＸ２＝２ΔＣＸ、第３物理量検出用キャパシタ２２３ではΔＣＸ３＝３ΔＣＸ、第４物理量検出用キャパシタ２２４ではΔＣＸ４＝４ΔＣＸとしたとする。また、帰還キャパシタの容量はＣＦであるとする。この場合に、第１物理量検出用キャパシタ２２１に印加する検出電圧をＶＸ１＝Ｖ１、第２物理量検出用キャパシタ２２２に印加する検出電圧をＶＸ２＝Ｖ１／２、第３物理量検出用キャパシタ２２３に印加する検出電圧をＶＸ３＝Ｖ１／３、第４物理量検出用キャパシタ２２４に印加する検出電圧をＶＸ４＝Ｖ１／４に切換えれば、いずれの検出用キャパシタ２２１〜２２４を変換回路２４０に接続しても、変換回路２４０の出力電圧はＶＯＵＴ＝Ｖ１ΔＣＸ／ＣＦとなる。
【００３１】
第２実施例のセンサ装置２００をセンサとして使用するときは、検出対象に応じてセンサの分解能と検出範囲を適宜選択することができる。即ち、加えられる物理量に対して容量変化の小さい第１物理量検出用キャパシタ２２１を変換回路２４０に接続すると、分解能は粗いが検出範囲を広く確保できる。一方、加えられる物理量に対し容量変化の大きい第４物理量検出用キャパシタ２２４を変換回路２４０に接続すると、検出範囲は狭いが分解能を細かくして物理量を検出することができる。
【００３２】
また、第２実施例のセンサ装置２００によっても、第１実施例のセンサ装置１００と同様に異常診断を行うことができる。即ち、変換回路２４０に第１物理量検出用キャパシタ２２１が接続されている場合に、第１実施例のセンサ装置１００と同様の異常診断動作を行った結果、異常が生じていると認識された場合は、第１検出スイッチ２２１の両側の第１検出スイッチ２３１ａと２３１ｂをオフする。そして、第２物理量検出用キャパシタ２２２の両側の第２検出スイッチ２３２ａと２３２ｂをオンする。第３物理量検出用キャパシタ２２３と第４物理量検出用キャパシタ２２４を使用する場合にもそれに対応してスイッチを切換える。
【００３３】
以上に本発明の実施例の静電容量型センサ装置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、改良を施して実施することができる。
例えば、上記実施例では、変換回路に接続する（具体的にはオペアンプの反転入力端子に接続する）物理量検出用キャパシタはいずれか１つとしているが、本発明の適用範囲はこれに限られず、変換回路に同時に複数の物理量検出用キャパシタを接続できるようにしてもよい。帰還キャパシタについても同様であり、オペアンプの反転入力端子と出力端子の間に同時に複数の帰還キャパシタを接続できるようにしてもよい。
また、各物理量検出用キャパシタ２２１〜２２４の容量変化の大きさをそれぞれ異ならせるには、図４に示すように、ある大きさの物理量を加えたときの可動電極の変位量が同一となる静電容量センサＡ（例えば、可動電極が形成されたダイアフラムの変形量が同一のセンサ）をアレイ状に配置し、単位となる静電容量センサＡを並列に接続して各物理量検出用キャパシタ２２１〜２２４を構成してもよい。この場合、ある大きさの物理量を第２物理量検出用キャパシタ（２つの単位キャパシタＡを並列に接続して構成）２２２に加えたときの容量変化の値は、同じ大きさの物理量を第１検出用キャパシタ（１つの単位キャパシタＡで構成）２２１に加えたときの容量変化の２倍となる。あるいは、図５に示すように、ある大きさの物理量を加えたときの可動電極の変位量が同一の単位キャパシタＡを直列に接続して各物理量検出用キャパシタ２２１〜２２４を構成してもよい。単位キャパシタＡを高密度にアレイ状に配置しておくと、センサ装置の集積度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の静電容量型センサ装置の回路ブロック図。
【図２】第１実施例の静電容量型センサ装置の動作概要を示すタイムチャート。
【図３】第２実施例の静電容量型センサ装置の回路ブロック図。
【図４】物理量検出用キャパシタを単位キャパシタを並列に接続することで構成した状態を示す図。
【図５】物理量検出用キャパシタを単位キャパシタを直列に接続することで構成した状態を示す図。
【図６】従来の静電容量型センサ装置の回路ブロック図。
【符号の説明】
１００、２００：静電容量型センサ装置
１１０、２１０：制御回路
１２０、２２０：静電容量型センサ
１２１〜１２４、２２１〜２２４：物理量検出用キャパシタ
１２６、２２６：基準キャパシタ
１３１〜１３４、２３１〜２３４：検出スイッチ
１４０、２４０：変換回路
１４１、２４１〜２４４：帰還キャパシタ
２５１〜２５４：帰還スイッチ
１６２、２６２：オペアンプ
１６４、２６４：リセットスイッチ
１７０、２７０：判定回路
１８０、２８０：電圧発生器
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量型センサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の静電容量型センサ装置の一例を、図６を参照して説明する。図６は、従来の静電容量型センサ装置の回路ブロック図を示している。
図６に示す静電容量型センサ装置１は、１つの静電容量型センサ２０と、センサ２０の出力を装置１の出力に変換する手段（具体的には、静電容量を電圧に変換する回路）４０を備えている。
静電容量型センサ２０は、可動電極と固定電極からなる電極対を有する検出用キャパシタ２（検出容量ＣＸ）と、一対の固定電極からなる電極対を有する基準キャパシタ４（基準容量ＣＲ）を有している。静電容量型センサ２０と変換回路４０との接続線を検出用キャパシタ２と基準キャパシタ４の容量差に応じた電荷が移動する。変換手段４０は、この電荷移動量を電圧ＶＯＵＴに変換する回路であり、オペアンプ８と帰還キャパシタ６を有している。検出用キャパシタ２の可動電極が形成されているダイアフラム等に圧力や加速度等の物理量が作用すると、検出用キャパシタ２の可動電極と固定電極の間の距離が変化する。この結果、検出容量ＣＸと基準容量ＣＲの差が変化し、その容量差が電圧ＶＯＵＴに変換される。
この静電容量型センサ装置１では、静電容量型センサ２０に作用する物理量に応じて変化する静電容量型センサ２０の出力（静電容量型センサ２０と変換回路４０との接続線に生じる電荷移動量）が変換回路４０によって電圧に変換され、変換回路４０から物理量に対応する電圧ＶＯＵＴが出力される。電圧ＶＯＵＴは、静電容量型センサ装置１から出力される装置出力であり、作用する物理量に対応する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
静電容量型センサは、物理量を精度良く検出することが要求されるために、作用する物理量によって変形しやすいことが必要とされ、静電容量型センサ装置内の他の部品に比較して脆弱である。このために生産段階でうまく生産できない場合がある。また、静電容量型センサの可動電極が形成されているダイアフラムや可動電極を変位可能に支持するビーム等は、使用中に繰り返し変形するために、他の部品に比較して故障が生じやすい。
【０００４】
静電容量型センサ装置の場合、装置内の故障したセンサ（キャパシタ）を新しいセンサに交換する作業は困難である。特にセンサ装置が集積化されている場合は非常に困難である。あるいは、新しいセンサに取換えることができたとしても、新たにセンサ装置を製造するより却ってコスト高になってしまうのが通常である。このため、センサ装置の完成後にセンサの異常が検知された場合は、他の部品群を含むセンサ装置全体を廃棄せざるを得なかった。しかしながら、センサの異常によってセンサ装置全体を廃棄するのは不経済である。また、例えば自動車の内部に組込んだセンサ装置が使用中に故障した場合には、センサないしはセンサ装置の取換えがさらに困難になる。
【０００５】
本発明は、上記した問題を解決するためになされたものであり、静電容量型センサ装置の生産時の歩留まりの向上、あるいは使用中の信頼性を向上させ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】
本発明の静電容量型センサ装置は、可動電極と固定電極からなる物理量検出用キャパシタ群を有する静電容量型センサと、センサ出力を装置出力に変換する変換手段と、変換手段に接続されるキャパシタを切換え可能な切換え手段を備える。この変換手段では、接続されるキャパシタの切換えに連動してキャパシタの可動電極と固定電極間に印加される電圧が切換えられ、同じ大きさの物理量が作用している間は、接続されるキャパシタを問わないでほぼ同じ大きさの装置出力が出力される。
変換手段は、例えば、静電容量型センサから出力される電荷移動量を、電圧、電流あるいは周波数等に変換する手段をいい、増幅手段やノイズ除去手段等を含んでいることがある。要するに静電容量型センサの出力を何らかの意味で変換してセンサ装置外の装置に認識可能な出力に変換して静電容量型センサ装置から出力させる手段をいう。
【０００７】
本発明の静電容量型センサ装置は、可動電極と固定電極からなる物理量検出用キャパシタ群を有する静電容量型センサを備えているため、キャパシタが１つしかないセンサ装置に比較するとキャパシタ数は増えるが、センサ装置の完成時またはセンサ装置の使用中にキャパシタの異常が検知された場合には、異常が検知されたキャパシタと変換手段との間の接続状態を切り離し、他のキャパシタを変換手段に接続することによって、センサ装置に必要な機能を維持することができる。このために、キャパシタの異常時にもセンサ装置全体を廃棄したり交換したりする必要がない。またセンサ装置の使用中にキャパシタの異常が生じた場合でも、異常が生じたキャパシタと変換手段との間の接続を切って他のキャパシタを変換手段に接続することによってそのままセンサ装置を使用し続けることができる。
例えば、物理量検出用キャパシタ群のうちのいずれか１つのキャパシタのみを変換手段に接続するという態様で使用する場合を考える。この場合、キャパシタ１つ当りの生産時の不合格率あるいは使用中の単位時間当りの故障率を１／Ｘとし、センサ装置が有するキャパシタ数をＹとすると、センサ装置の不合格率または故障率は、１／（Ｘ・Ｙ）ではなく１／ＸＹとなる。このため、センサ装置としての不合格率あるいは故障率を大幅に減少させることができる。
また、本発明の静電容量型センサ装置に用いられる変換手段では、変換手段に接続されるキャパシタの切換えに連動してキャパシタの可動電極と固定電極間に印加される電圧を切換える。これによって、１つのキャパシタが異常となって他のキャパシタに切換える際に、センサ装置外からみたセンサ装置の特性は切換えの前後を通じて変わらず、センサ装置外に影響を及ぼすことなくキャパシタを切換えることができる。
【０００８】
本発明の１つの改良された静電容量型センサ装置は、センサ出力の異常を判断する手段をさらに備え、切換え手段は、異常と判断されたキャパシタと変換手段との間を非接続状態に切換えて他のキャパシタと変換手段との間を接続状態に切換えることを特徴とする。
本装置によると、センサ出力の異常を検知した場合に、異常が検知されたキャパシタを切り離し、他のキャパシタを変換手段に接続する切換えが自動的に実行され、センサ装置を継続して使用することができる。
【０００９】
本発明の他の１つの改良された静電容量型センサ装置は、センサ装置出力の異常を判断する装置に接続されて用いられる。このセンサ装置の切換え手段は、異常と判断された時に接続されていたキャパシタと変換手段との間を非接続状態として他のキャパシタと変換手段との間を接続状態とすることを特徴とする。
本装置によると、センサ装置外に存在する装置がセンサ装置の出力の異常をモニタし、異常時には異常と判断された時に接続されていたキャパシタと変換手段との間を非接続状態として他のキャパシタと変換手段との間を接続状態とするために、センサ装置を継続して使用することができる。
【００１１】
本発明の他の静電容量型センサ装置は、可動電極と固定電極からなる物理量検出用キャパシタ群を有する静電容量型センサと、センサ出力を装置出力に変換する変換手段とを備え、各キャパシタと変換手段との間の接続・非接続状態が切換え可能である。
本発明の他の静電容量型センサ装置は、接続されるキャパシタの切換えに連動してキャパシタの可動電極と固定電極間に印加される電圧が切換えられ、同じ大きさの物理量が作用している間は、接続されるキャパシタを問わないでほぼ同じ大きさの装置出力が出力されることを特徴とする。
本発明の他の静電容量型センサ装置においても、センサ出力の異常を判断する手段と、異常と判断されたキャパシタと変換手段との間を非接続状態に切換えて他のキャパシタと変換手段との間を接続状態に切換える手段をさらに備えていてもよい。また、異常と判断された時に接続されていたキャパシタと変換手段との間を非接続状態として他のキャパシタと変換手段との間を接続状態とする手段をさらに備えていてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第１実施例）第１実施例の静電容量型センサ装置を、図１を参照して説明する。図１は、第１実施例の静電容量型センサ装置の回路ブロック図である。
図１に示すように、第１実施例の静電容量型センサ装置１００は、制御回路１１０と、静電容量型センサ１２０と、静電容量を電圧に変換する変換回路１４０と、判定回路１７０等を備えている。制御回路１１０は、センサ装置１００の外部にある電圧発生器１８０に接続されて用いられる。
静電容量型センサ１２０は、４組の、物理量検出用キャパシタ群１２１〜１２４と、検出スイッチ群１３１〜１３４と、基準キャパシタ１２６を有している。基準キャパシタ１２６は、物理量検出用キャパシタ群１２１〜１２４に作用する物理量によって変化する静電容量のみを直接検出するために用いている。なお、物理量検出用キャパシタ１２１〜１２４は同一のものであり、同じ大きさの物理量が加えられた場合の容量変化の大きさは同一である。
【００１３】
各物理量検出用キャパシタ１２１〜１２４は、物理量が作用すると固定電極１２１ａ〜１２４ａとの間の距離（または固定電極１２１ａ〜１２４ａに対向する面積）を変える可動電極１２１ｂ〜１２４ｂを備える。検出用キャパシタ１２１〜１２４の可動電極１２１ｂ〜１２４ｂ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１２６は、固定された基準上部電極１２６ｂと、それに対向して固定された基準下部電極１２６ａ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１２１ｂ〜１２４ｂを設け、あまり変形しない周辺部分に基準上部電極１２６ｂ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１２１ｂ〜１２４ｂを設け、ダイアフラム外に基準上部電極１２６ｂを形成することもできる。
【００１４】
制御回路１１０には、静電容量型センサ群１２０の４つの物理量検出用キャパシタ１２１〜１２４の下部電極１２１ａ〜１２４ａが検出スイッチ１３１ａ〜１３４ａを介して接続されている。４つの物理量検出用キャパシタ１２１〜１２４の上部電極１２１ｂ〜１２４ｂは、検出スイッチ１３１ｂ〜１３４ｂを介して変換回路１４０に接続されている。また、制御回路１１０は、基準キャパシタ１２６の下部電極１２６ａに接続されている。制御回路１１０は、電圧発生器１８０から供給される電圧を適切なタイミングで検出用キャパシタ１２１〜１２４のいずれかと、基準キャパシタ１２６に送る。
さらに制御回路１１０は、検出スイッチ１３１ａ〜１３４ａと、検出スイッチ１３１ｂ〜１３４ｂと、変換回路１４０のリセットスイッチ１６４と、判定回路１７０に接続されている。制御回路１１０は、電圧発生器１８０から供給される電圧を適切なタイミングで、リセットスイッチ１１４に送る。さらに、制御回路１１０は、判定回路１７０から送られる異常判定信号に基づいて、検出スイッチ１３１ａ〜１３４ａと、検出スイッチ１３１ｂ〜１３４ｂのオン・オフを切換える。
【００１５】
変換回路１４０は、オペアンプ１６２と、リセットスイッチ１６４と、帰還キャパシタ１４１を有している。
変換回路１４０のオペアンプ１６２の反転入力端子１６２ａには、静電容量型センサ群１２０の４つの物理量検出用キャパシタ１２１〜１２４の上部電極１２１ｂ〜１２４ｂが検出スイッチ１３１ｂ〜１３４ｂを介して接続されている。また、オペアンプ１６２の反転入力端子１６２ａには、基準キャパシタ１２６の上部電極１２６ｂも接続されている。また、オペアンプ１６２の反転入力端子１６２ａと出力端子１６２ｃの間には、リセットスイッチ１６４と、帰還キャパシタ１４１が並列に接続されている。オペアンプ１６２の非反転入力端子１６２ｂはアースされている。
変換回路１４０は、検出用キャパシタ１２１〜１２４の上部電極（可動電極）１２１ｂ〜１２４ｂが形成されたダイアフラム等に加えられた物理量によって生じる物理量検出用キャパシタ１２１〜１２４の静電容量の変化を検出し、その静電容量の変化を電圧ＶＯＵＴとして出力する。
【００１６】
判定回路１７０の入力端子は、変換回路１４０のオペアンプ１６２の出力端子１６２ｃに接続されている。判定回路１７０は、変換回路１４０の出力電圧ＶＯＵＴが所定の範囲内にないときに異常判定信号ＶＤＥＣを出力する。
なお、第１実施例では、判定回路１７０をセンサ装置１００内に組込んでいるが、判定回路１７０はいわゆる外付けのものであってもよい。
【００１７】
なお、第１実施例の静電容量型センサ装置１００には、センサ装置の出力電圧ＶＯＵＴ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、第１実施例のセンサ装置１００は、図示しない操作部を備えており、その操作部によって判定回路１７０のしきい値の大きさ等を自由に調整できる。
【００１８】
次に、第１実施例の静電容量型センサ装置１００の異常診断動作を図２のタイムチャートを主に参照して説明する。以下で説明する動作は、センサ装置１００の出荷時あるいは使用中に行われる。
最初は、第１検出用キャパシタ１２１の両側の第１検出スイッチ１３１ａと１３１ｂがオンしており、その他の検出スイッチ１３２ａと１３２ｂ、１３３ａと１３３ｂ、１３４ａと１３４ｂはオフされている。
センサ装置１００によって測定する場合には、制御回路１１０から物理量検出用キャパシタ群に検出電圧ＶＸを印加する。印加される検出電圧ＶＸは、時刻Ｔ１０からＴ３０に示すように、Ｈ（ハイ）レベルの電圧値がＶ１でＬ（ロー）レベルの電圧値が０の方形波パルスである。物理量検出用キャパシタ群１２１〜１２４に印加される検出電圧ＶＸと、基準キャパシタ１１０に印加される基準電圧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レベルのときには基準電圧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レベルのときには基準電圧ＶＲはＨレベルである。
【００１９】
時刻Ｔ１０に制御回路１１０から第１物理量検出用キャパシタ１２１にＨレベル（電圧値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になると、上記したように、検出電圧ＶＸと基準電圧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Ｖ１になる。すると、第１物理量検出用キャパシタ１２１に蓄積されていた電荷ＣＸＶ１は放電され、逆に、基準キャパシタ１１０には電荷ＣＲＶ１が蓄積される。このため、第１検出用キャパシタ１４１の上部電極１４１ｂに蓄積されていた電荷（ＣＸＶ１）は帰還キャパシタ１４１の下部電極１４１ａに移動し、基準キャパシタ１２６の上部電極１２６ｂに蓄積された電荷（ＣＲＶ１）と逆符号で同量の電荷ＣＲＶ１が帰還キャパシタ１４１の下部電極１４１ａに移動する。
【００２０】
この結果、帰還キャパシタ１４１の下部電極１４１ａに、−ＣＸＶ１＋ＣＲＶ１＝−（ＣＸ−ＣＲ）Ｖ１＝−ΔＣＸＶ１の電荷が蓄積される。従って、変換回路１４０のオペアンプ１６２の出力電圧ＶＯＵＴをＶＡとすると、ＶＡ＝（ＣＸ−ＣＲ）Ｖ１／ＣＦとなる。
【００２１】
なお、時刻Ｔ２１に制御回路１１０からリセットスイッチ１６４に送られるリセット信号がオンされ、リセットスイッチ１６４がオンされると、オペアンプ１６２の反転入力端子１６２ａと出力端子１６２ｃの間が短絡される。この結果、帰還キャパシタ１４１に蓄積されていた電荷（ＣＸ−ＣＲ）Ｖ１は徐々に放電され、時刻Ｔ３０には出力電圧ＶＯＵＴは０になる。
【００２２】
時刻Ｔ２０からＴ３０の間にオペアンプ１６２から出力された電圧ＶＯＵＴ＝ＶＡは、判定回路１７０に入力される。判定回路１７０では、出力電圧ＶＡが所定のしきい値ＶＴＨ１とＶＴＨ２の間であるときには、異常判定信号ＶＤＥＣを出力しない。図２の時刻Ｔ２０からＴ３０に示すように、ＶＯＵＴ＝ＶＡの値は、定常状態となった後はＶＴＨ１とＶＴＨ２の間にあるため、異常判定信号ＶＤＥＣは出力されない。これは、第１物理量検出用キャパシタ１２１の静電容量が正常の範囲内であることを示している。
前記したように、ＶＡ＝（ＣＸ−ＣＲ）Ｖ１／ＣＦである。ここでＣＸ、は検出用キャパシタ１２１の静電容量であり、厳密には、電極間に電圧Ｖ１を印加したときの静電容量である。異常判定に用いる閾値ＶＴＨ１とＶＴＨ２は、検出用キャパシタ１２１が正常であるときに、検出用キャパシタ１２１に電圧Ｖ１を印加したときに測定されるはずであるところの静電容量ＣＸを上記式によって電圧に変換した値の前後に設定されている。
【００２３】
一方、時刻Ｔ３０からＴ５０では、上記で説明した時刻Ｔ１０からＴ３０の動作と同様の動作が繰返される。ここでは、時刻Ｔ４０からＴ５０に示すように、オペアンプ１６２の出力電圧ＶＯＵＴがＶＢ＝（ＣＸ−ＣＲ）Ｖ１／ＣＦとなったとする。
オペアンプ１６２から出力された電圧ＶＯＵＴ＝ＶＢは、判定回路１７０に入力される。判定回路１７０では、出力電圧ＶＢが所定のしきい値ＶＴＨ１とＶＴＨ２の間にないときは、異常判定信号ＶＤＥＣを出力する。図２の時刻Ｔ４０からＴ５０に示すように、ＶＯＵＴ＝ＶＢの値はＶＴＨ１とＶＴＨ２の間にないため、異常判定信号ＶＤＥＣが出力される。これは、第１物理量検出用キャパシタ１２１を形成するダイアフラムや、あるいは第１物理量検出用キャパシタ１２１を支えるビーム等に異常が生じていることを示している。
【００２４】
判定回路１７０から制御回路１１０に異常判定信号が送られると、制御回路１１０は、第１物理量検出用キャパシタ１２１に異常が発生していると認識し、第１検出用キャパシタ１２１の両側の第１検出スイッチ１３１ａと１３１ｂをオフする。そして、次に、第２物理量検出用キャパシタ１２２の両側の第２検出スイッチ１３２ａと１３２ｂをオンする。そして、再び上記時刻Ｔ１０からＴ３０と同様の動作が繰返される。第１物理量検出用キャパシタ１２１に異常が生じれば、そのことが判定回路１７０で検出され、異常が生じたキャパシタ１２１を変換回路１４０から切り離し、正常なキャパシタ１２２を変換回路１４０に接続し、以後、正常なキャパシタ１２２を利用して物理量の検出を続ける。
第２物理量検出用キャパシタ１２２を利用している間に、判定回路１７０が第２検出用キャパシタ１２２に異常が発生したことを認識すると、第２検出スイッチ１３２ａと１３２ｂをオフし、第３検出スイッチ群１３３ａと１３３ｂをオンする。また、判定回路１７０が第３検出用キャパシタ１２３に異常が発生したことを認識すると、第３検出スイッチ１３３ａと１３３ｂをオフし、第４検出スイッチ群１３４ａと１３４ｂをオンする。
この方式によると、４つの検出用キャパシタ１２１〜１３４の全部が異常となるまで、静電容量センサ装置１００を継続的に使用することができる。
【００２５】
なお、上記実施例では、検出用キャパシタ１２１〜１２４に検出電圧ＶＸを印加したときの静電容量と基準容量の差を電圧に変換した値によって検出用キャパシタ１２１〜１２４の正常・異常を判断しているが、異常診断の方法は上記実施例の方法には限られず、公知のあらゆる異常診断技術を用いることができる。
例えば、所定の圧力等の物理量を物理量検出用キャパシタの可動電極が形成されたダイアフラム等に加えて、その変形量が所定の範囲にあるときは正常と判断し、所定の範囲にないときは異常と判断してもよい。
【００２６】
（第２実施例）次に、第２実施例の静電容量型センサ装置を図３を参照して説明する。図３は、第２実施例の静電容量型センサ装置の回路ブロック図である。
図３に示す第２実施例の静電容量型センサ装置２００は、静電容量型センサ群２２０（４組の検出用キャパシタ２２１〜２２４を含む）と、変換回路２４０の構成が第１実施例のセンサ装置１００の場合と異なる。以下では、第２実施例のセンサ装置２００に特徴的な構成を中心に説明する。
静電容量型センサ装置２２０の各物理量検出用キャパシタ２２１〜２２４は、ある大きさの物理量が加えられたときの容量変化の大きさがそれぞれに異なる。各物理量検出用キャパシタ２２１〜２２４の容量変化の大きさをそれぞれ異ならせるには、所定の物理量を加えたときの変形量（たわみ量）がそれぞれ異なる４つのダイアフラムに各物理量検出用キャパシタ２２１〜２２４の可動電極を形成すればよい。
本実施例の場合、同じ大きさの物理量が加えられたときの各物理量検出用キャパシタの容量変化が、第１物理量検出用キャパシタ２２１ではΔＣＸ１＝ΔＣＸ、第２物理量検出用キャパシタ２２２ではΔＣＸ２＝２ΔＣＸ、第３物理量検出用キャパシタ２２３ではΔＣＸ３＝３ΔＣＸ、第４物理量検出用キャパシタ２２４ではΔＣＸ４＝４ΔＣＸとしている。第４物理量検出用キャパシタ２２４は、第１物理量検出用キャパシタ２２１の４倍の感度を持つ。一方、第１物理量検出用キャパシタ２２１は、第４物理量検出用キャパシタ２２１の４倍の測定レンジを持つ。
【００２７】
変換回路２４０は、オペアンプ２６２とリセットスイッチ２６４に加えて、４つの帰還キャパシタ２４１〜２４４と、４組の帰還スイッチ２５１〜２５４を有している。
各帰還キャパシタ２４１〜２４４の両側には、それぞれ帰還スイッチ群２５１ａ〜２５４ａと２５１ｂ〜２５４ｂが接続されている。このため、帰還スイッチ群２５１〜２５４のいずれか１組（例えば第１帰還スイッチ２５１ａと２５１ｂの組）がオンすることで帰還キャパシタ２４１〜２４４のいずれか（例えば第１帰還キャパシタ２４１）が、オペアンプ２６２の反転入力端子２６２ａと出力端子２６２ｃの間に接続される。
各帰還キャパシタ２４１〜２４４の容量値はそれぞれ異なる。具体的には、第１帰還キャパシタ２４１の容量はＣＦ１＝ＣＦ、第２帰還キャパシタ２４２の容量はＣＦ２＝２ＣＦ、第３帰還キャパシタ２４３の容量はＣＦ３＝３ＣＦ、第４帰還キャパシタ２４４の容量はＣＦ４＝４ＣＦとなっている。
【００２８】
図示しない操作部では、判定回路２７０のしきい値の大きさを自由に調整できる。また、静電容量型センサ２２０の検出スイッチ群２３１〜２３４のいずれをオンさせるかを自由に設定できる。 この操作部で、第１検出スイッチ群２３１ａ、２３１ｂをオンさせると、これに連動して制御回路２１０から変換回路２４０の第１帰還スイッチ２５１ａ、２５１ｂにオン信号が送られる。同様に、第２検出スイッチ２３２ａ、２３２ｂと第２帰還スイッチ２５２ａ、２５２ｂが連動しており、第３検出スイッチ２３３ａ、２３３ｂと第３帰還スイッチ２５３ａ、２５３ｂが連動しており、第４検出スイッチ２３４ａ、２３４ｂと第４帰還スイッチ２５４ａ、２５４ｂが連動している。
【００２９】
変換回路２４０に第１物理量検出用キャパシタ２２１が接続されている場合の出力電圧ＶＯＵＴは、ある大きさの物理量を加えたときの第１物理量検出用キャパシタ２２１の容量変化がΔＣＸ１＝ΔＣＸであり、第１帰還キャパシタ２４１の容量はＣＦ１＝ＣＦであるから、ＶＯＵＴ＝ＶＸΔＣＸ１／ＣＦ１＝ＶＸΔＣＸ／ＣＦとなる。変換回路２４０に第２物理量検出用キャパシタ２２２が接続されている場合の出力電圧ＶＯＵＴは、ある大きさの物理量を加えたときの第２物理量検出用キャパシタ２２２の容量変化がΔＣＸ２＝２ΔＣＸであり、第２帰還キャパシタ２４２の容量はＣＦ２＝２ＣＦであるから、ＶＯＵＴ＝ＶＸΔＣＸ２／ＣＦ２＝ＶＸ２ΔＣＸ／２ＣＦ＝ＶＸΔＣＸ／ＣＦとなる。第３検出用キャパシタ２２３と第４物理量検出用キャパシタ２２４についても同様である。
即ち、同じ大きさの物理量が加えられている場合は、いずれの物理量検出用キャパシタ２２１〜２２４を変換回路２４０に接続した場合でも、変換回路２４０から出力されるセンサ装置２００の出力電圧ＶＯＵＴは同一となる。
【００３０】
なお、上記実施例では、変換回路２４０の各帰還キャパシタ２４１〜２４４の容量をそれぞれ異ならせることで変換回路２４０の出力値を同一としているが、変換回路２４０の出力電圧ＶＯＵＴはＶＸΔＣＸ／ＣＦで表されることから、各物理量検出用キャパシタ２２１〜２２４に印加する検出電圧ＶＸの値をそれぞれ異ならせることで変換回路２４０の出力値を同一としてもよい。
例えば、上記のように、ある大きさの物理量を加えたときの各物理量検出用キャパシタ２２１〜２２４の容量変化を、第１物理量検出用キャパシタ２２１ではΔＣＸ１＝ΔＣＸ、第２物理量検出用キャパシタ２２２ではΔＣＸ２＝２ΔＣＸ、第３物理量検出用キャパシタ２２３ではΔＣＸ３＝３ΔＣＸ、第４物理量検出用キャパシタ２２４ではΔＣＸ４＝４ΔＣＸとしたとする。また、帰還キャパシタの容量はＣＦであるとする。この場合に、第１物理量検出用キャパシタ２２１に印加する検出電圧をＶＸ１＝Ｖ１、第２物理量検出用キャパシタ２２２に印加する検出電圧をＶＸ２＝Ｖ１／２、第３物理量検出用キャパシタ２２３に印加する検出電圧をＶＸ３＝Ｖ１／３、第４物理量検出用キャパシタ２２４に印加する検出電圧をＶＸ４＝Ｖ１／４に切換えれば、いずれの検出用キャパシタ２２１〜２２４を変換回路２４０に接続しても、変換回路２４０の出力電圧はＶＯＵＴ＝Ｖ１ΔＣＸ／ＣＦとなる。
【００３１】
第２実施例のセンサ装置２００をセンサとして使用するときは、検出対象に応じてセンサの分解能と検出範囲を適宜選択することができる。即ち、加えられる物理量に対して容量変化の小さい第１物理量検出用キャパシタ２２１を変換回路２４０に接続すると、分解能は粗いが検出範囲を広く確保できる。一方、加えられる物理量に対し容量変化の大きい第４物理量検出用キャパシタ２２４を変換回路２４０に接続すると、検出範囲は狭いが分解能を細かくして物理量を検出することができる。
【００３２】
また、第２実施例のセンサ装置２００によっても、第１実施例のセンサ装置１００と同様に異常診断を行うことができる。即ち、変換回路２４０に第１物理量検出用キャパシタ２２１が接続されている場合に、第１実施例のセンサ装置１００と同様の異常診断動作を行った結果、異常が生じていると認識された場合は、第１検出スイッチ２２１の両側の第１検出スイッチ２３１ａと２３１ｂをオフする。そして、第２物理量検出用キャパシタ２２２の両側の第２検出スイッチ２３２ａと２３２ｂをオンする。第３物理量検出用キャパシタ２２３と第４物理量検出用キャパシタ２２４を使用する場合にもそれに対応してスイッチを切換える。
【００３３】
以上に本発明の実施例の静電容量型センサ装置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、改良を施して実施することができる。
例えば、上記実施例では、変換回路に接続する（具体的にはオペアンプの反転入力端子に接続する）物理量検出用キャパシタはいずれか１つとしているが、本発明の適用範囲はこれに限られず、変換回路に同時に複数の物理量検出用キャパシタを接続できるようにしてもよい。帰還キャパシタについても同様であり、オペアンプの反転入力端子と出力端子の間に同時に複数の帰還キャパシタを接続できるようにしてもよい。
また、各物理量検出用キャパシタ２２１〜２２４の容量変化の大きさをそれぞれ異ならせるには、図４に示すように、ある大きさの物理量を加えたときの可動電極の変位量が同一となる静電容量センサＡ（例えば、可動電極が形成されたダイアフラムの変形量が同一のセンサ）をアレイ状に配置し、単位となる静電容量センサＡを並列に接続して各物理量検出用キャパシタ２２１〜２２４を構成してもよい。この場合、ある大きさの物理量を第２物理量検出用キャパシタ（２つの単位キャパシタＡを並列に接続して構成）２２２に加えたときの容量変化の値は、同じ大きさの物理量を第１検出用キャパシタ（１つの単位キャパシタＡで構成）２２１に加えたときの容量変化の２倍となる。あるいは、図５に示すように、ある大きさの物理量を加えたときの可動電極の変位量が同一の単位キャパシタＡを直列に接続して各物理量検出用キャパシタ２２１〜２２４を構成してもよい。単位キャパシタＡを高密度にアレイ状に配置しておくと、センサ装置の集積度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の静電容量型センサ装置の回路ブロック図。
【図２】第１実施例の静電容量型センサ装置の動作概要を示すタイムチャート。
【図３】第２実施例の静電容量型センサ装置の回路ブロック図。
【図４】物理量検出用キャパシタを単位キャパシタを並列に接続することで構成した状態を示す図。
【図５】物理量検出用キャパシタを単位キャパシタを直列に接続することで構成した状態を示す図。
【図６】従来の静電容量型センサ装置の回路ブロック図。
【符号の説明】
１００、２００：静電容量型センサ装置
１１０、２１０：制御回路
１２０、２２０：静電容量型センサ
１２１〜１２４、２２１〜２２４：物理量検出用キャパシタ
１２６、２２６：基準キャパシタ
１３１〜１３４、２３１〜２３４：検出スイッチ
１４０、２４０：変換回路
１４１、２４１〜２４４：帰還キャパシタ
２５１〜２５４：帰還スイッチ
１６２、２６２：オペアンプ
１６４、２６４：リセットスイッチ
１７０、２７０：判定回路
１８０、２８０：電圧発生器
Claims (6)
- 可動電極と固定電極からなる物理量検出用キャパシタ群を有する静電容量型センサと、センサ出力を装置出力に変換する変換手段と、変換手段に接続されるキャパシタを切換え可能な切換え手段を備えており、
接続されるキャパシタの切換えに連動してキャパシタの可動電極と固定電極間に印加される電圧が切換えられ、同じ大きさの物理量が作用している間は、接続されるキャパシタを問わないでほぼ同じ大きさの装置出力が出力される静電容量型センサ装置。 - センサ出力の異常を判断する手段をさらに備え、
前記切換え手段は、異常と判断されたキャパシタと変換手段との間を非接続状態に切換えて他のキャパシタと変換手段との間を接続状態に切換えることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型センサ装置。 - センサ装置出力の異常を判断する装置に接続されて用いられ、
前記切換え手段は、異常と判断された時に接続されていたキャパシタと変換手段との間を非接続状態として他のキャパシタと変換手段との間を接続状態とすることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型センサ装置。 - 可動電極と固定電極からなる物理量検出用キャパシタ群を有する静電容量型センサと、センサ出力を装置出力に変換する変換手段とを備えており、
各キャパシタと変換手段との間の接続・非接続状態が切換え可能であり、
接続されるキャパシタの切換えに連動してキャパシタの可動電極と固定電極間に印加される電圧が切換えられ、同じ大きさの物理量が作用している間は、接続されるキャパシタを問わないでほぼ同じ大きさの装置出力が出力される静電容量型センサ装置。 - センサ出力の異常を判断する手段と、異常と判断されたキャパシタと変換手段との間を非接続状態に切換えて他のキャパシタと変換手段との間を接続状態に切換える手段をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の静電容量型センサ装置。
- センサ装置出力の異常を判断する装置に接続されて用いられ、異常と判断された時に接続されていたキャパシタと変換手段との間を非接続状態として他のキャパシタと変換手段との間を接続状態とする手段をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の静電容量型センサ装置。
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