JP2014149230A - センサーデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】自己診断のための専用の電極をＭＥＭＳセンサーに設けることなく、しかも自己診断時には、スティッキングの判別だけでなく、錘の感度補正を行うために必要な振動パラメータを取得できるようにする。
【解決手段】固定電極１２ｂ，１３ｂの間にバネ１１によって支持された錘１０を有し、その錘１０と固定電極１２ｂ，１３ｂとの間に可変容量コンデンサ１２，１３が形成されたＭＥＭＳセンサー２の自己診断モードにおいて、制御回路８は、静電気力発生手段５を作動させて錘１０に静電気力を作用させて錘１０を変位させる静電気力印加期間Ｔｅと、錘１０の変位量に応じて２つの可変容量コンデンサ１２，１３のそれぞれから出力される信号をＣＶ変換回路４でＣＶ変換して出力させる錘変位検出期間Ｔｒとを、錘１０の共振周波数ｆ0の周期Ｔ0よりも短い期間で繰り返し行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、バネによって支持された錘を変位させ、その変位量を検知するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサーを備えたセンサーデバイスに関する。

２つの固定電極の間にバネによって支持された錘が設けられ、その錘に形成される一対の可動電極と２つの固定電極とによって２つの可変容量コンデンサが形成されたＭＥＭＳセンサーが知られている。この種のＭＥＭＳセンサーは、加速度などが作用すると錘が変位し、２つの可変容量コンデンサの静電容量を変化させるため、その静電容量の変化量を検出することにより、センサーに作用する加速度などを測定することができる。

このようなＭＥＭＳセンサーでは、比較的大きな衝撃力が作用すると、可動電極と固定電極とが互いに接触した状態で固着してしまうスティッキングが発生することがある。２つの可変容量コンデンサのうちの一方にスティッキングが生じると、錘が固定されてしまうため、正常な測定動作を行うことができなくなる。そのため、従来のＭＥＭＳセンサーは、出荷後においても自己診断モードへ移行させて定期的にスティッキングが生じていないかを自己診断するように構成されている。

ＭＥＭＳセンサーにおいて自己診断を行う手法のひとつとして、加速度などを実際に測定するための２つの可変容量コンデンサとは別に自己診断用の可変容量コンデンサをＭＥＭＳセンサーに予め設けておき、自己診断モード時には自己診断用の可変容量コンデンサに電圧を印加して静電気力を発生させ、その静電気力によって錘を強制的に変位させると共に、そのときの錘の変位量を加速度測定用の２つの可変容量コンデンサの出力で検出する手法がある。しかし、測定用の２つの可変容量コンデンサとは別に自己診断用の可変容量コンデンサをＭＥＭＳセンサーに設ける構成では、ＭＥＭＳ構造によって可動電極と固定電極とを追加形成しなければならず、ＭＥＭＳセンサーのコストが増加すると共に、センサー自体のサイズが大型化するという問題がある。

一方、従来においては、自己診断用の可変容量コンデンサを別途設けることなく、加速度測定用の可変容量コンデンサに測定時とは異なる電圧を印加することにより、錘に静電気力を作用させて自己診断を行う手法も提案されている（例えば特許文献１）。図７は、この従来技術の自己診断モードにおける動作を説明する図である。図７（ａ）に示すように、この従来技術では、自己診断モードへ移行する前の測定モード時に、錘を挟んで設けられる２つの固定電極のそれぞれに搬送波１，２が印加される。この搬送波１，２は、所定周期で０Ｖと５Ｖとが交互に入れ替わる信号であり、搬送波１と２とで位相が１８０度ずれている。このときＣＶ変化回路を構成するオペアンプの仮想短絡により、錘の電位は搬送波１，２の中間電位となる２．５Ｖに保持される。したがって、測定モード時には、２つの可変容量コンデンサにおいて発生する静電気力が互いに打ち消し合い、錘は加速度が作用した場合にのみ変位する。

これに対し、測定モードから自己診断モードへ移行すると、２つの固定電極のそれぞれに印加される搬送波１，２は、一定電圧（５Ｖ又は０Ｖ）で保持されるようになる。また自己診断モードでは、オペアンプの非反転入力端子に印加される電圧が３Ｖとなるため、錘の電位が３Ｖで保持される。このとき、２つの可変容量コンデンサにはそれぞれ大きさの異なる一定の電圧（２Ｖと３Ｖ）が印加されるため、２つの可変容量コンデンサで発生する静電気力が釣り合わず、錘を一方の固定電極に引き寄せる静電気力が発生する。このように錘に静電気力を作用させる期間を長期間（例えば１００μｓ）に亘って設けることにより、錘を２つの固定電極の中心位置から静電気力によって強制的に変位させていく（図７（ｂ））。そして静電気力を印加する比較的長い期間が経過した後、２つの可変容量コンデンサに測定モード時と同じ電圧を印加することにより、その時点での２つの可変容量コンデンサの静電容量を読み取って錘の変位Ｘ１，Ｘ２を検知することにより、スティッキングの有無を判別することができる。

特開２００２−２９９６４０号公報

上記のようなＭＥＭＳセンサーは、錘が変位する動作空間を気密状態に封止するのが一般的である。しかし、出荷後の使用環境によっては、周囲温度の影響で動作空間内の気体圧力が変化してしまい、錘を支持するバネのバネ定数の値も変化することが想定される。バネ定数の値が変化すると、錘の共振周波数が出荷時とは異なる周波数になってしまうため、加速度などが作用したときの錘の感度が変動し、加速度などの測定値に誤差を生じさせる要因となる。これを防止するためには、錘の動作空間を真空にしておくことも行われるが、長年の使用により、動作空間の気密性が低下すると、上記と同様に感度低下の問題が発生する。そのため、ＭＥＭＳセンサーの出荷後には、自己診断モードにおいてスティッキングの有無を判別するだけではなく、同時に感度補正を行えるようにすることが望まれる。

しかしながら、上記従来技術では、自己診断モードにおいて錘の共振周波数（概ね数ｋＨｚ程度）の周期とほぼ同程度の例えば１００μｓという長期間に亘って錘に静電気力を作用させ、その期間が経過してから錘の変位を検知する構成であるため、錘が静電気力によって強制振動していく過程を検知することができない。そのため、従来の自己診断モードでは、スティッキングの有無を判別することは可能であるが、錘の感度補正を行うために必要な振動パラメータを取得することができないという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたものであり、自己診断のための専用の電極をＭＥＭＳセンサーに設けることなく、しかも自己診断モード時には、スティッキングの判別だけでなく、錘の感度補正を行うために必要な振動パラメータを取得できるようにしたセンサーデバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るセンサーデバイスは、錘の変位により容量が可変する第１及び第２の可変容量コンデンサが形成されたＭＥＭＳセンサーと、第１及び第２の可変容量コンデンサのそれぞれの一端側に設けられる入力端子に接続され、入力端子を介して第１及び第２の可変容量コンデンサのそれぞれの一端側に電圧を印加する電圧印加手段と、第１及び第２の可変容量コンデンサのそれぞれの他端側に設けられる出力端子に接続され、第１及び第２の可変容量コンデンサのそれぞれに蓄積される電荷量に応じて出力される信号をＣＶ変換するＣＶ変換回路と、出力端子を介して第１及び第２の可変容量コンデンサのそれぞれの他端側に電圧を印加することにより、第１及び第２の可変容量コンデンサのうちの一方に電位差を生じさせると共に、他方に電位差を生じさせないようにして錘に静電気力を作用させて錘を変位させる静電気力発生手段と、電圧印加手段及び静電気力発生手段を制御する制御手段と、を備える構成であり、さらに制御手段は、ＭＥＭＳセンサーの自己診断モードにおいて、静電気力発生手段を作動させて錘に静電気力を作用させ、錘を変位させる静電気力印加期間と、錘の変位量に応じて第１及び第２の可変容量コンデンサのそれぞれから出力される信号をＣＶ変換回路でＣＶ変換して出力させる錘変位検出期間とを、錘の共振周波数の周期よりも短い期間で繰り返し行う構成である。

また上記構成においては、静電気力発生手段が、出力端子とＣＶ変換回路との間に設けられ、出力端子とＣＶ変換回路とを切り離して第１及び第２の可変容量コンデンサのそれぞれの他端側に電圧を印加可能なスイッチ回路で構成され、制御手段は、ＭＥＭＳセンサーの自己診断モードにおいてスイッチ回路を制御することにより、静電気力印加期間では出力端子とＣＶ変換回路とを切り離して第１及び第２の可変容量コンデンサのうちの一方に電位差を生じさせると共に、他方に電位差を生じさせない電圧を印加して錘に静電気力を作用させると共に、静電気力印加期間の経過後の錘変位検出期間では出力端子とＣＶ変換回路とを接続して錘の変位量に応じた信号をＣＶ変換回路でＣＶ変換して出力させる構成をさらに採用しても良い。

また上記構成においては、ＭＥＭＳセンサーの自己診断モードにおいて、ＣＶ変換回路の出力信号に基づき、錘の共振時の振動パラメータを測定する構成をさらに採用しても良い。またこの場合においては、測定する振動パラメータを錘の共振角周波数とすることが好ましい。さらにこの場合においては、ＭＥＭＳセンサーの自己診断モードにおいて測定される振動パラメータに基づき、ＭＥＭＳセンサーの感度補正を行うことがより好ましい。

本発明によれば、ＭＥＭＳセンサーの測定時に用いられる入力端子と出力端子とを利用して自己診断を行うことができるため、自己診断のための専用の電極をＭＥＭＳセンサーに設ける必要がない。また自己診断モード時には、静電気力印加期間で発生する静電気力を錘に対して平均的に作用させることによって錘の振動過程を測定することが可能になるため、スティッキングの判別だけでなく、錘の感度補正を行うために必要な振動パラメータを取得することができるようになる。

第１実施形態におけるセンサーデバイスの概念的構成を示す回路ブロック図である。 ＭＥＭＳセンサーの錘が外力によって強制振動するときの一般的な周波数−ゲイン特性を示す図である。 測定モードから自己診断モードへ移行する場合の動作を説明する図である。 自己診断モードで検出される錘の変位の過渡現象を示す図である。 第２実施形態におけるセンサーデバイスの概念的構成を示す回路ブロック図である。 第２実施形態における動作を説明する図である。 従来技術の自己診断モードにおける動作を説明する図である。

以下、本発明に関する好ましい実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態において互いに共通する部材には同一符号を付しており、それらについての重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態におけるセンサーデバイス１の概念的構成を示す回路ブロック図である。このセンサーデバイス１は、加速度を検知するＭＥＭＳセンサー２と、ＭＥＭＳセンサー２に電圧を印加する電圧印加手段３と、ＭＥＭＳセンサー２から出力される信号をＣＶ変換するＣＶ変換回路４と、ＭＥＭＳセンサー２とＣＶ変換回路４との間に設けられ、ＭＥＭＳセンサー２において静電気力を発生させる静電気力発生手段５と、ＣＶ変換回路４の出力信号に基づき加速度ａを測定して出力する測定回路６と、センサーデバイス１の動作モードを通常の測定モードと自己診断モードとに切り替えて各部を制御する制御回路８とを備える。

ＭＥＭＳセンサー２は、ＭＥＭＳプロセスによってセンサーチップ上に形成される２つの固定電極１２ｂ，１３ｂの間に錘１０が設けられた構成である。この錘１０は、複数のバネ１１によってセンサーチップから所定間隔を隔てて浮き上がった状態に支持されており、２つの固定電極１２ｂ，１３ｂの間を図中Ｘで示す方向に変位可能である。また錘１０には、２つの固定電極１２ｂ，１３ｂのそれぞれに対向する位置に一対の可動電極１２ａ，１３ａが設けられる。したがって、可動電極１２ａ及び固定電極１２ｂは、錘の変位によって静電容量を変化させる第１の可変容量コンデンサ１２を構成し、可動電極１３ａ及び固定電極１３ｂは、錘の変位によって静電容量を変化させる第２の可変容量コンデンサ１３を構成する。

このようなＭＥＭＳセンサー２は、外部からの加速度が作用していないときには、バネ１１で支持された錘１０が２つの固定電極１２ｂ，１３ｂの中心位置にあり、２つの可変容量コンデンサ１２，１３の静電容量Ｃが互いに等しい状態となる。これに対し、外部からＸ方向の加速度が作用すると、その加速度に応じて錘１０が中心位置からＸ方向に変位し、２つの可変容量コンデンサ１２，１３の静電容量が変化する。すなわち、可変容量コンデンサ１２，１３のうちの一方の静電容量が（Ｃ＋ΔＣ）に増加し、他方の静電容量が（Ｃ−ΔＣ）に減少する。したがって、これら２つの可変容量コンデンサ１２，１３の静電容量変化量（ΔＣ）を検知すれば、錘１０の変位量及びＸ方向の加速度を測定することができる。

そして本実施形態のＭＥＭＳセンサー２は、錘１０に接続される端子Ｍが２つの可変容量コンデンサ１２，１３に電荷蓄積を行うための電圧を印加する入力端子となっており、固定電極１２ｂ，１３ｂが接続される端子Ａ１，Ａ２が２つの可変容量コンデンサ１２，１３のそれぞれの蓄積電荷量に応じた信号を出力する出力端子となっている。

図２は、ＭＥＭＳセンサー２の錘１０が外力によって強制振動するときの周波数−ゲイン特性を示す図である。一般に、ＭＥＭＳ構造の錘１０は、図２に示すように数キロＨｚ（概ね１〜５ｋＨｚ程度）の共振周波数ｆ0で共振するように設計されている。したがって、錘１０の共振角周波数ω0は、ω0＝２πｆ0である。この共振角周波数ω0により、外力（加速度）が作用したときの錘１０の感度が定義される。すなわち、錘１０の質量をｍ、バネ１１のバネ定数をｋとすると、共振角周波数ω0は、次式１で表される。

また錘１０に加速度ａが作用したとき、錘１０に作用する力Ｆは、Ｆ＝ｍａ＝ｋｘであるから、加速度ａ＝（ｋ／ｍ）ｘが成立する。これに、上記式１を代入して加速度ａを求めると、次式２となる。尚、ｘは、錘１０の変位である。

したがって、錘１０の変位ｘによって加速度ａを求めるときには、錘１０の共振角周波数ω0が感度となって現れる。

図１に戻り、電圧印加手段３は、可変容量コンデンサ１２，１３のそれぞれの一端側である錘１０に繋がる入力端子Ｍに接続され、その入力端子Ｍを介して可変容量コンデンサ１２，１３の可動電極１２ａ，１３ａに電圧を印加するものである。この電圧印加手段３は、交互にオンオフ動作を行う２つのスイッチ３ａ，３ｂを備えている。スイッチ３ａがオンでスイッチ３ｂがオフのときには可動電極１２ａ，１３ａに対して所定電圧ＶＰが印加される。またスイッチ３ａがオフでスイッチ３ｂがオンのときには可動電極１２ａ，１３ａに対して所定電圧ＶＮが印加される。これらの電圧ＶＰ，ＶＮと所定の基準電圧Ｖｒとの関係を示すと、（ＶＰ＋ＶＮ）／２＝Ｖｒとなる。これらスイッチ３ａ，３ｂは、制御回路８によってオンオフ制御される。

ＣＶ変換回路４は、静電気力発生手段５を介してＭＥＭＳセンサー２の２つの出力端子Ａ１，Ａ２に接続されており、２つの可変容量コンデンサ１２，１３のそれぞれに蓄積される電荷量に応じてＭＥＭＳセンサー２から出力される信号をＣＶ変換する回路である。このＣＶ変換回路４は、全差動オペアンプ２０と、２つのフィードバックコンデンサ２１，２２とを備えている。フィードバックコンデンサ２１は、全差動オペアンプ２０の反転入力端子と非反転出力端子の間に接続され、フィードバックコンデンサ２２は、全差動オペアンプ２０の非反転入力端子と反転出力端子との間に接続されている。そして全差動オペアンプ２０は、反転入力端子が静電気力発生手段５を介して出力端子Ａ１に接続されており、非反転入力端子が静電気力発生手段５を介して出力端子Ａ２に接続されている。尚、このＣＶ変換回路４には、図示を省略する入力コモンモードフィードバック回路が設けられており、全差動オペアンプ２０の反転入力端子及び非反転入力端子の電位Ｖ１，Ｖ２が基準電圧Ｖｒで保持されるようになっている。

測定回路６は、ＣＶ変換回路４の出力信号から可変容量コンデンサ１２，１３における静電容量の変化量（ΔＣ）を検出して錘１０の変位ｘを求め、その変位ｘを上記式２に代入して演算を行うことにより、加速度ａを算出して出力する回路である。この測定回路６は、加速度に応じて変位する錘１０の感度を補正する感度補正部７を有している。感度補正部７は、例えば錘１０の変位ｘから加速度ａを算出する際に、その錘１０の振動特性に基づいて感度補正を行うことにより、加速度ａの精度向上を図るものである。

静電気力発生手段５は、自己診断モードにおいてＭＥＭＳセンサー２の出力端子Ａ１，Ａ２を介して可変容量コンデンサ１２，１３の固定電極１２ｂ，１３ｂに対して所定の電圧ＶＰ，ＶＮを印加することにより、２つの可変容量コンデンサ１２，１３のうちの一方に電位差を生じさせると共に、他方に電位差を生じさせないようにして錘１０に静電気力を作用させて錘１０を強制的に変位させるものである。この静電気力発生手段５は、上述のように、ＣＶ変換回路４と、ＭＥＭＳセンサー２の出力端子Ａ１，Ａ２との間に介挿されており、複数のスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を備えたスイッチ回路として構成される。スイッチＳ１及びＳ２は、制御回路８によって択一的にオン状態となるようにオンオフ制御が行われ、スイッチＳ１がオンになると、ＭＥＭＳセンサー２の出力端子Ａ１が全差動オペアンプ２０の反転入力端子に接続された状態となり、スイッチＳ２がオンになると、出力端子Ａ１をＣＶ変換回路４から切り離して出力端子Ａ１に所定電圧ＶＰを印加する状態となる。またスイッチＳ３及びＳ４も同様に、制御回路８によって択一的にオン状態となるようにオンオフ制御が行われ、スイッチＳ３がオンになると、ＭＥＭＳセンサー２の出力端子Ａ２が全差動オペアンプ２０の非反転入力端子に接続された状態となり、スイッチＳ４がオンになると、出力端子Ａ２をＣＶ変換回路４から切り離して出力端子Ａ２に所定電圧ＶＮを印加する状態となる。

制御回路８は、例えばセンサーデバイス１に電源が投入されたタイミングで自己診断モードに移行させてＭＥＭＳセンサー２の自己診断を行い、自己診断の終了後に通常の測定モードへ移行させる。また制御回路８は、測定モードにおいてセンサーデバイス１に比較的大きな衝撃力が作用し、所定値以上の加速度ａが測定された後に、測定モードから自己診断モードへ移行させて自己診断を行う。ここで、測定モードは、ＭＥＭＳセンサー２に作用している加速度ａを測定して出力する動作モードである。これに対し、自己診断モードは、錘１０に静電気力を作用させて錘１０を強制的に変位させることにより、スティッキングの有無の判別や、錘１０の振動特性を測定して感度補正を行うためのパラメータを取得する動作モードである。

以下、測定モード及び自己診断モードにおける動作について詳しく説明する。図３は、制御回路８によって測定モードから自己診断モードへ移行する場合の動作を説明する図である。尚、図３では、タイミングＴ１よりも前が通常の測定モードであり、タイミングＴ１で測定モードから自己診断モードへ移行する場合を示している。

まず図３（ａ）に示すように、測定モードでは、制御回路８は、電圧印加手段３に設けられたスイッチ３ａ，３ｂを、錘１０の共振周波数ｆ0よりも高い周波数ｆ１でオンオフを切り替える。この周波数ｆ１は、錘１０の共振周波数ｆ0の１０倍以上であり、より好ましくは１００倍以上である。本実施形態では一例としてｆ１＝３００ｋＨｚとして説明する。測定モードでは、入力端子Ｍに対して３００ｋＨｚで電位ＶＰ，ＶＮが交互に入れ替わる電圧が印加されるようになり、これが可変容量コンデンサ１２，１３の可動電極１２ａ，１３ａに印加される。また、測定モードでは、制御回路８は、静電気力発生手段５のスイッチ回路において、スイッチＳ１，Ｓ３をオン状態とし、ＭＥＭＳセンサー２の出力端子Ａ１，Ａ２をＣＶ変換回路４に接続した状態を保持する。そのため、出力端子Ａ１，Ａ２の電位は、全差動オペアンプ２０の反転入力端子及び非反転入力端子の電位Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖｒで保持されるようになり、可変容量コンデンサ１２，１３の固定電極１２ｂ，１３ｂの電位が基準電圧Ｖｒとなる。したがって、可変容量コンデンサ１２と１３には、各コンデンサの容量変化分と、電位差（Ｖｒ−ＶＮ）又は（ＶＰ−Ｖｒ）に応じた電荷が蓄積される。この電荷蓄積に伴う電荷移動により、ＣＶ変換回路４のフィードバックコンデンサ２１，２２にも電荷が蓄積されるため、測定回路６は、全差動オペアンプ２０の差動出力によって可変容量コンデンサ１２，１３における静電容量の変化量（ΔＣ）を検出することができる。そして上述したように、測定回路６は、錘１０の変位ｘを求め、その変位ｘから加速度ａを算出して出力する。

尚、本実施形態では、ＭＥＭＳセンサー２の出力端子Ａ１，Ａ２から出力される２つの信号が全差動オペアンプ２０の反転入力端子と非反転入力端子とに差動入力するため、それら２つの信号に同相ノイズが含まれていれば、そのノイズをキャンセルして出力することができる。それ故、本実施形態のセンサーデバイス１はノイズの影響を受けにくい回路構成である。

次に制御回路８は、タイミングＴ１で測定モードから自己診断モードへ移行させると、静電気力発生手段５のスイッチＳ１，Ｓ２を一定周期で交互にオンオフさせる動作を繰り返すと共に、スイッチＳ３，Ｓ４を同一の周期で交互にオンオフさせる動作を繰り返す。すなわち、制御回路８は、自己診断モードへ移行すると、まず図３（ａ）に示すように、測定モードにおいて入力端子Ｍに印加される周波数ｆ１（３００ｋＨｚ）の１周期分の期間Ｔｅの間、スイッチＳ２，Ｓ４をオンにし、スイッチＳ１，Ｓ３をオフすることにより、ＭＥＭＳセンサー２をＣＶ変換回路４から切り離して出力端子Ａ１に電位ＶＰを印加し、出力端子Ａ２に電位ＶＮを印加する。またこの期間Ｔｅの間、制御回路８は、電圧印加手段３のスイッチ３ｂをオン状態で保持することにより、入力端子Ｍに電位ＶＮを印加する。したがって、この期間Ｔｅでは、可変容量コンデンサ１２の可動電極１２ａと固定電極１２ｂとが共に電位ＶＮとなるので可変容量コンデンサ１２には静電気力が発生しないのに対し、可変容量コンデンサ１３の可動電極１３ａと固定電極１３ｂには電位差（ＶＰ−ＶＮ）が生じるため、可変容量コンデンサ１３には静電気力Ｆｅが発生する。この静電気力Ｆｅは固定電極１３ｂが可動電極１３ａを引き付けるように作用するので、錘１０は固定電極１３ｂに向かって変位するようになる。したがって、この期間Ｔｅは、錘１０に静電気力を作用させて錘１０を変位させる静電気力印加期間となる。

そして静電気力印加期間Ｔｅが経過すると、制御回路８は、周波数ｆ１（３００ｋＨｚ）の次の１周期分の期間Ｔｒの間、スイッチＳ１，Ｓ３をオンにし、スイッチＳ２，Ｓ４をオフすることにより、ＭＥＭＳセンサー２の出力端子Ａ１，Ａ２をＣＶ変換回路４に繋げて、出力端子Ａ１，Ａ２を基準電位Ｖｒにする。またこの期間Ｔｒの間、制御回路８は、電圧印加手段３の各スイッチ３ａ，３ｂを測定モードと同様に制御する。すなわち、はじめのＴｒ／２の期間で入力端子Ｍに電位ＶＮを印加し、次のＴｒ／２の期間で入力端子Ｍに電位ＶＰを印加する。したがって、この期間Ｔｒでは錘１０に静電気力は作用せず、測定回路６によって測定モードと同様に錘１０の変位ｘが読み出される。よって、この期間Ｔｒは、静電気力印加期間Ｔｅにおける錘１０の変位ｘを検出する錘変位検出期間となる。

制御回路８は、自己診断モードにおいて、上記のような静電気力印加期間Ｔｅと錘変位検出期間Ｔｒとを一定周期で交互に行っていく。ここで、静電気力印加期間Ｔｅは、周波数ｆ１（３００ｋＨｚ）の２周期に１回の割合で行われるため、錘１０に対して静電気力Ｆｅが印加される周波数ｆ２は、周波数ｆ１の半分（１５０ｋＨｚ）となる。この静電気力Ｆｅの周波数ｆ２は図２に示した錘１０の共振周波数ｆ0と比較して十分に高い周波数であるため、錘１０が周波数ｆ２で振動することはない。そのため、この自己診断モードにおいては、図３（ｂ）に示すように、静電気力印加期間Ｔｅで発生する静電気力Ｆｅと、その静電気力印加期間Ｔｅのデューティ比Ｄとの積に相当する静電気力Ｆｅ・Ｄが錘１０に対して平均的に作用しているのと等価である。そして錘１０は、自己診断モードにおいて平均的に作用する静電気力Ｆｅ・Ｄにより、図３（ｃ）に示すように、２つの固定電極１２ｂ，１３ｂの間の中心位置から一方の固定電極１３ｂに向かって徐々に変位していくようになる。このように自己診断モードにおいて錘１０に平均的な静電気力Ｆｅ・Ｄを作用させるために、本実施形態では、静電気力印加期間Ｔｅを錘１０の共振周波数ｆ0の周期Ｔ0よりも短くし、錘１０の共振周波数ｆ0の１周期内で静電気力印加期間Ｔｅを複数回繰り返し実行できるようにしているのである。尚、静電気力印加期間Ｔｅは、錘１０の共振周波数ｆ0の周期Ｔ0に対して例えば１／１０以下の期間とすることが好ましい。

また錘変位検出期間Ｔｒも、静電気力印加期間Ｔｅと同様の期間として設けられる。すなわち、錘１０の共振周波数ｆ0の周期Ｔ0よりも十分に短いサンプリング間隔で錘１０の変位ｘが繰り返し読み出される。そのため、自己診断モードでは、錘１０に平均的な静電気力Ｆｅ・Ｄを作用して錘１０が徐々に変位していく過程を高速サンプリングしながら逐次測定していくことができる。図４は、自己診断モードで検出される錘１０の変位の過渡現象を示す図である。静電気力Ｆｅ・Ｄによって変位していくと、図４に示すように、錘１０は、その静電気力Ｆｅ・Ｄと、バネ１１による力とが釣り合う変位ｘａをオーバーシュートした後、その変位ｘａを中心に減衰振動しながら最終的に変位ｘａで安定する。このような減衰振動を行う過程の錘１０の変位ｘを、測定回路６が錘変位検出期間Ｔｒの変位読み出しタイミングで毎回読み取っていくことにより、測定回路６は、図４に示すような錘１０の振動波形Ｌを検知することができる。

そして測定回路６は、自己診断モードにおいて錘１０が変位しない場合には、スティッキングが生じていることを判別する。また、自己診断モードにおいて錘１０が図４に示すように変位した場合には、感度補正部７がその振動波形Ｌに基づいて振動パラメータを取得して錘１０の感度補正を行う。すなわち、感度補正部７は、例えば振動波形Ｌの１番目と２番目の振幅ピークの間隔Ｔａに基づいて錘１０の共振時の周期Ｔ0を読み取る。そして周期Ｔ0に基づいて錘１０の共振角周波数ω0（＝２π／Ｔ0）を算出し、測定モード時において加速度ａを算出するための上記式２を更新する。したがって、本実施形態では、自己診断モードにおいて、スティッキングの有無を判別することができるだけでなく、錘１０の感度補正を行うことも可能である。

尚、図４に示すような振動波形Ｌが得られると、共振角周波数ω0だけでなく、例えば共振時の振幅やＱ値などの振動パラメータも測定可能である。錘１０のＱ値は、図４に示す減衰振動の包絡線Ｌａを検出することにより測定できる。そのため、この自己診断モードで得られる振動パラメータは、加速度ａを測定するための錘１０の感度補正に用いるだけでなく、例えばＭＥＭＳセンサー２が角速度を測定するジャイロセンサーとして構成される場合には、そのジャイロセンサーが角速度を測定する際の感度補正にも用いることが可能である。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態におけるセンサーデバイス１の概念的構成を示す回路ブロック図である。このセンサーデバイス１が、第１実施形態と異なる点は、ＭＥＭＳセンサー２において固定電極１２ｂ，１３ｂが接続される端子Ａ２，Ａ１が２つの可変容量コンデンサ１２，１３に電荷蓄積を行うための電圧を印加する入力端子となっており、錘１０に接続される端子Ｍが２つの可変容量コンデンサ１２，１３のそれぞれの蓄積電荷量に応じた信号を出力する出力端子となっている点である。

これに伴い、本実施形態の電圧印加手段３は、可変容量コンデンサ１２，１３のそれぞれの一端側である固定電極１２ｂ，１３ｂのそれぞれに繋がる入力端子Ａ２，Ａ１に接続されるスイッチ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを備えている。スイッチ３ａ，３ｂは、第１実施形態と同様、交互にオンオフ動作を行うことにより、入力端子Ａ１に電圧ＶＰ，ＶＮを例えば３００ｋＨｚで印加する。またスイッチ３ｃ，３ｄも、交互にオンオフ動作を行うことにより、入力端子Ａ２に電圧ＶＮ，ＶＰを例えば３００ｋＨｚで印加する。これらスイッチ３ａ〜３ｄは、入力端子Ａ１，Ａ２に対して互いに極性が反転する電圧を印加するように動作する。

またＣＶ変換回路４は、静電気力発生手段５を介してＭＥＭＳセンサー２の１つの出力端子Ｍに接続されており、２つの可変容量コンデンサ１２，１３のそれぞれに蓄積される電荷量に応じてＭＥＭＳセンサー２から出力される信号をＣＶ変換する。尚、本実施形態では、全差動オペアンプ２０の非反転入力端子に基準電圧Ｖｒが接続されており、全差動オペアンプ２０の反転入力端子及び非反転入力端子の電位Ｖ１，Ｖ２が基準電圧Ｖｒで保持される。

静電気力発生手段５は、ＭＥＭＳセンサー２の出力端子Ｍを介して可変容量コンデンサ１２，１３の可動電極１２ａ，１３ａに対して所定の電圧ＶＰを印加することにより、２つの可変容量コンデンサ１２，１３のうちの一方に電位差を生じさせると共に、他方に電位差を生じさせないようにして錘１０に静電気力を作用させて錘１０を強制的に変位させるものである。この静電気力発生手段５は、ＣＶ変換回路４と、ＭＥＭＳセンサー２の出力端子Ｍとの間に介挿されており、複数のスイッチＳ１，Ｓ２を備えたスイッチ回路として構成される。スイッチＳ１及びＳ２は、制御回路８によって択一的にオン状態となるようにオンオフ制御が行われ、スイッチＳ１がオンになると、ＭＥＭＳセンサー２の出力端子Ｍが全差動オペアンプ２０の反転入力端子に接続された状態となり、スイッチＳ２がオンになると、出力端子ＭをＣＶ変換回路４から切り離して出力端子Ｍに所定電圧ＶＰを印加する状態となる。

制御回路８は、第１実施形態と同様に、センサーデバイス１における動作モードを通常の測定モードと自己診断モードとに切り替えて各部の動作を制御する。以下、この第２実施形態における測定モード及び自己診断モードにおける動作について詳しく説明する。図６は、制御回路８によって測定モードから自己診断モードへ移行する場合の動作を説明する図である。尚、図６では、タイミングＴ１よりも前が通常の測定モードであり、タイミングＴ１で測定モードから自己診断モードへ移行する場合を示している。

まず図６（ａ）に示すように、測定モードでは、制御回路８は、電圧印加手段３に設けられたスイッチ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを、第１実施形態と同様に、錘１０の共振周波数ｆ0よりも高い周波数ｆ１でオンオフを切り替える。したがって、測定モードでは、入力端子Ａ１，Ａ２に対して３００ｋＨｚで電位ＶＰ，ＶＮが交互に入れ替わり、且つ、互いに極性が反転した電圧が印加されるようになり、これが各可変容量コンデンサ１２，１３の固定電極１２ｂ，１３ｂに印加される。また、測定モードでは、制御回路８は、静電気力発生手段５のスイッチ回路において、スイッチＳ１をオン状態とし、ＭＥＭＳセンサー２の出力端子ＭをＣＶ変換回路４に接続した状態で保持する。そのため、出力端子Ｍの電位は、基準電圧Ｖｒで保持されるようになる。したがって、各可変容量コンデンサ１２，１３には互いに等しい電位差が生じ、その電位差に応じた電荷が各可変容量コンデンサ１２，１３に蓄積される。この電荷蓄積に伴う電荷移動により、ＣＶ変換回路４のフィードバックコンデンサ２１，２２にも電荷が蓄積されるため、測定回路６は、全差動オペアンプ２０の差動出力によって可変容量コンデンサ１２，１３における静電容量の変化量（ΔＣ）を検出することができる。そして測定回路６は、第１実施形態と同様に、錘１０の変位ｘを求め、その変位ｘから加速度ａを算出して出力する。

次に制御回路８は、タイミングＴ１で測定モードから自己診断モードへ移行させると、静電気力発生手段５のスイッチＳ１，Ｓ２を第１実施形態と同様の周期で交互にオンオフさせる動作を繰り返す。すなわち、制御回路８は、自己診断モードへ移行すると、まず図６（ａ）に示すように、測定モードにおいて入力端子Ａ１，Ａ２に印加される周波数ｆ１（３００ｋＨｚ）の１周期分に相当する静電気力印加期間Ｔｅの間、スイッチＳ２をオンにし、スイッチＳ１をオフすることにより、ＭＥＭＳセンサー２をＣＶ変換回路４から切り離して出力端子Ｍに電位ＶＰを印加する。このとき制御回路８は、電圧印加手段３のスイッチ３ｂをオン状態で保持することにより、入力端子Ａ１に電位ＶＮを印加し、スイッチ３ｄをオン状態で保持することにより、入力端子Ａ２に電位ＶＰを印加する。したがって、静電気力印加期間Ｔｅでは、可変容量コンデンサ１２には静電気力が発生しないのに対し、可変容量コンデンサ１３には静電気力Ｆｅが発生する。

そして静電気力印加期間Ｔｅが経過すると、制御回路８は、周波数ｆ１（３００ｋＨｚ）の次の１周期分を錘変位検出期間Ｔｒとし、その間、スイッチＳ１をオンにし、スイッチＳ２をオフすることにより、ＭＥＭＳセンサー２の出力端子ＭをＣＶ変換回路４に繋げて、出力端子Ｍを基準電位Ｖｒにする。そして電圧印加手段３の各スイッチ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを測定モードと同様に制御する。したがって、この錘変位検出期間Ｔｒでは錘１０に静電気力は作用せず、測定回路６によって測定モードと同様に錘１０の変位ｘが読み出される。

そして制御回路８は、自己診断モードにおいて、第１実施形態と同様に、静電気力印加期間Ｔｅと錘変位検出期間Ｔｒとを錘１０の共振周波数ｆ0の周期Ｔ0よりも短い周期で交互に行っていくことにより、図６（ｂ）に示すように、錘１０に対して静電気力Ｆｅ・Ｄが平均的に作用しているのと等価な状態を作り出す。その結果、錘１０は、図６（ｃ）に示すように、２つの固定電極１２ｂ，１３ｂの間の中心位置から一方の固定電極１３ｂに向かって徐々に変位していくようになり、図４に示したような錘１０の振動波形Ｌを検知することができる。

したがって、本実施形態においても、測定回路６は、自己診断モードにおいて錘１０が変位しない場合には、スティッキングが生じていることを判別することができると共に、錘１０が変位した場合には、感度補正部７がその振動波形Ｌに基づく振動パラメータを取得することにより加速度ａを測定する際の錘１０の感度補正を行うことができる。

（変形例）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した内容のものに限定されるものではなく、種々の変形例が適用可能である。

例えば、第１及び第２実施形態では、主として、センサーデバイス１のＭＥＭＳセンサー２が加速度を測定するものである場合を例示したが、ＭＥＭＳセンサー２の測定対象は必ずしも加速度に限られるものではなく、例えば角速度を測定するものであっても良いし、また圧力を測定するものであっても良い。

また上記実施形態では、自己診断モードにおける静電気力印加期間Ｔｅと錘変位検出期間Ｔｒのそれぞれが測定モードにおいて入力端子に印加される周波数ｆ１の１周期分として設定される場合を例示したが、必ずしも１周期分に限られるものではなく、複数周期分であっても構わない。

１：センサーデバイス、２：ＭＥＭＳセンサー、３：電圧印加手段、４：ＣＶ変換回路、５：静電気力発生手段、６：測定回路、７：感度補正部、８：制御回路（制御手段）、１０：錘、１１：バネ、１２ａ，１３ａ：可動電極、１２ｂ，１３ｂ：固定電極、１２，１３：可変容量コンデンサ、Ｔｅ：静電気力印加期間、Ｔｒ：錘変位検出期間。

Claims (5)

1. 錘の変位により容量が可変する第１及び第２の可変容量コンデンサが形成されたＭＥＭＳセンサーと、
   前記第１及び第２の可変容量コンデンサのそれぞれの一端側に設けられる入力端子に接続され、前記入力端子を介して前記第１及び第２の可変容量コンデンサのそれぞれの一端側に電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記第１及び第２の可変容量コンデンサのそれぞれの他端側に設けられる出力端子に接続され、前記第１及び第２の可変容量コンデンサのそれぞれに蓄積される電荷量に応じて出力される信号をＣＶ変換するＣＶ変換回路と、
   前記出力端子を介して前記第１及び第２の可変容量コンデンサのそれぞれの他端側に電圧を印加することにより、前記第１及び第２の可変容量コンデンサのうちの一方に電位差を生じさせると共に、他方に電位差を生じさせないようにして前記錘に静電気力を作用させて前記錘を変位させる静電気力発生手段と、
   前記電圧印加手段及び前記静電気力発生手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記ＭＥＭＳセンサーの自己診断モードにおいて、前記静電気力発生手段を作動させて前記錘に静電気力を作用させ、前記錘を変位させる静電気力印加期間と、前記錘の変位量に応じて前記第１及び第２の可変容量コンデンサのそれぞれから出力される信号を前記ＣＶ変換回路でＣＶ変換して出力させる錘変位検出期間とを、前記錘の共振周波数の周期よりも短い期間で繰り返し行うことを特徴とするセンサーデバイス。
2. 前記静電気力発生手段は、前記出力端子と前記ＣＶ変換回路との間に設けられ、前記出力端子と前記ＣＶ変換回路とを切り離して前記第１及び第２の可変容量コンデンサのそれぞれの他端側に電圧を印加可能なスイッチ回路で構成され、
   前記制御手段は、前記ＭＥＭＳセンサーの自己診断モードにおいて前記スイッチ回路を制御することにより、前記静電気力印加期間では前記出力端子と前記ＣＶ変換回路とを切り離して前記第１及び第２の可変容量コンデンサのうちの一方に電位差を生じさせると共に、他方に電位差を生じさせない電圧を印加して前記錘に静電気力を作用させると共に、前記静電気力印加期間の経過後の前記錘変位検出期間では前記出力端子と前記ＣＶ変換回路とを接続して前記錘の変位量に応じた信号を前記ＣＶ変換回路でＣＶ変換して出力させることを特徴とする請求項１に記載のセンサーデバイス。
3. 前記ＭＥＭＳセンサーの自己診断モードにおいて、前記ＣＶ変換回路の出力信号に基づき、前記錘の共振時の振動パラメータを測定することを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサーデバイス。
4. 前記振動パラメータは、前記錘の共振角周波数であることを特徴とする請求項３に記載のセンサーデバイス。
5. 前記ＭＥＭＳセンサーの自己診断モードにおいて測定される前記振動パラメータに基づき、前記ＭＥＭＳセンサーの感度補正を行うことを特徴とする請求項３又は４に記載のセンサーデバイス。

Images