JP3567725B2

JP3567725B2 - 静電容量型センサ装置

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Publication number: JP3567725B2
Application number: JP07644398A
Authority: JP
Inventors: 秀信梅田
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1998-03-11
Filing date: 1998-03-11
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2018-03-11
Also published as: JPH11258090A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体による可動電極に固定電極を対向させた静電容量型センサにより圧力等の物理量の検出を行う静電容量型センサ装置に関するもので、より具体的には、静電容量型センサの静電容量の変化に応じたパルス列を出力するようにした静電容量型センサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体による静電容量型センサは、小型で高分解能が得られることから実用化が盛んであり、例えば特開平９−５１９２号（Ｇ０１Ｌ９／１２）などの公報に見られるように、既によく知られている。つまり、本発明に係る図２を用いて従来の技術を説明するが、同図は静電容量型の圧力センサの一例を分解して示す斜視図であり、半導体によるダイアフラム６ａに固定電極８を対向させてあって、ダイアフラム６ａの裏側で圧力を受け、受圧した圧力の変化を静電容量の変化として出力するようになっている。
【０００３】
この静電容量は一般的には、アナログ計測した後、Ａ／Ｄコンバータでディジタル信号に変換しており、制御系としては、そのディジタル信号をマイクロコンピュータ等に入力して計数処理するとともに、各種の判定を行って必要に応じて所定の装置に対して制御命令を出力するようにしている。
【０００４】
しかし、Ａ／Ｄコンバータによる変換では、変換時のビット誤差を少なくするためにビット数の多い高価なＡ／Ｄコンバータを必要とするので、装置のコスト低減のネックとなる。
【０００５】
このため、例えば特開平６−３０７９７９号公報に開示された静電容量検出回路を利用する考えがあり、これによればＡ／Ｄコンバータを設けることなく静電容量型センサの静電容量に応じたディジタルデータを出力することができる。つまり、本出願人が呼ぶ静電容量型センサ装置として機能するものであって、この静電容量検出回路では、ＣＲ発振回路を構成するコンデンサとして静電容量型センサを用いており、圧力が加わると静電容量が変化し発振周波数も変化する。
【０００６】
これにより単位時間あたりに出力されるパルス数も変化するので、一定時間内に発生するパルス数から圧力を検出することができる。そして、係る出力はパルス列からなるディジタルデータとなり、そのままコンピュータに与えるようにすれば、コンピュータ側でそのパルス列のパルス数を計数することにより圧力値を算出することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、係る従来の静電容量型センサ装置（静電容量検出回路）にあっては、以下に示す問題を生じる。
【０００８】
すなわち、静電容量型の圧力センサ３は、ＣＲ発振回路にコンデンサとして組み込まれており、そのダイアフラム（可動電極）６ａと固定電極８の間には所定の電圧が印加されることから電極間に電位差が発生する。すると、その電位差に基づく静電引力が発生するので、係る静電引力によってダイアフラム６ａが引っ張られてしまい、これにより電極間に発生する静電容量が変化して誤差が生じる。
【０００９】
ＣＲ発振回路を、例えば図８に示すように、ロジックゲートにより構成した場合、回路としては、ＮＯＴ２１と２入力ＮＡＮＤ２２とＮＯＴ２４とを順に接続するとともに、ＮＯＴ２４の出力を固定抵抗３０を介してＮＯＴ２１の入力に接続させてループ回路とし、圧力センサ３をＮＯＴ２１とＮＡＮＤ２２の両者に対して並列に接続させている。そして、ＮＡＮＤ２２の一方の入力をコントロール端子Ｔ_０としており、コントロール端子Ｔ_０をハイレベルとしたときはＮＡＮＤ２２がインバータ動作し、アクティブとなる。
【００１０】
従って、このＣＲ発振回路の発振動作は、コントロール端子Ｔ_０の状態に対応するものとなり、その各部には図９に示すような電圧が印加されることになる。つまり、このＣＲ発振回路は、コントロール端子Ｔ_０をハイレベルにすると発振を開始し、コントロール端子Ｔ_０をローレベルに戻すと発振を停止する。そして、圧力センサ３の両電極は発振動作の前後において、一方がハイレベルで他方がローレベルになり、両電極間には電源電圧に等しい電位差が印加された状態になる。このため、非測定期間である発振停止中に圧力センサ３の両電極間に静電引力が作用し続けることになる。そして、圧力センサ３は微小圧力を検出する要求からダイアフラム６ａの厚みを極薄にするとともに、固定電極８との間隔を極めて狭くしているので、静電引力の影響を受けて徐々にダイアフラム６ａが撓んで固定電極８側に引き寄せられ、電極間距離が短くなり静電容量が増加する。つまり、測定圧力が印加されていない状態でも所定の大きさの出力がでて、圧力がかかっている状態となるので、検知出力への誤差影響が大きくなる。
【００１１】
また、静電容量型の圧力センサ３は、感度特性及び動作点が製作された個々各々について僅かではあるがバラツキがある。これは圧力センサ３が上述したようにダイアフラムの厚みを極薄にするとともに、固定電極との間隔を極めて狭くしていることと関連し、そうした各部を精密加工することに限界があり、それら各部のバラツキが感度特性及び動作点に影響している。
【００１２】
このため、静電容量検出回路としては、ＣＲ発振回路を構成している抵抗３０を変更することで、圧力センサ３の感度及び動作点（オフセット）を調整するようにしている。つまり、本発明に係る図１を用いて従来の技術を説明するが、従来は、第１ＣＲ発振回路１１に接続している固定抵抗４０と、第３ＣＲ発振回路１３に接続している固定抵抗５０とを可変抵抗としており、抵抗４０を可変して第１ＣＲ発振回路１１の発振周波数（ＣＫ１）を変更し、これによりオフセットを調整している。そして、抵抗５０を可変して第３ＣＲ発振回路１３の発振周波数（ＣＫ３）を変更し、これにより感度を調整している。
【００１３】
しかしその場合、可変抵抗を機械的に変位させる調節なので微調整が難しく、真値に合わせることに限界があり誤差は避け得ない。さらに、測定時や運搬時に装置が振動を受けると、可変抵抗の設定値がズレることがあり誤差が生ずる。また、この機械的振動による設定値のズレを防ぐため、調整済みの可変抵抗をシリコン等によりポッティングするが、ポッティング硬化時には応力歪みが生ずるので、このことによって逆に設定値がズレてしまい、誤差を生ずることがある。
【００１４】
そこで、抵抗体として、機械的な誤差は避け得ない可変抵抗を用いずに回路基板についてレーザトリミングを行うという考えもある。しかしその場合、セラミック基板と厚膜抵抗が必要となり価格が高くコスト高を招く。また、レーザトリミング装置自体が高価であり、トリミング加工の工程も費用がかさむ。そして、レーザトリミングでは、トリミング加工が容易となるように部品を配置しなければならなく、部品の配置に制約があり小型化に適さない。
【００１５】
本発明は、上記した背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上記した問題を解決し、静電容量型センサの電極に作用する静電引力の影響を抑制することができ、静電容量型のセンサ素子に固有した感度及びオフセットの補正を簡便に行えて機械的な設定ズレを生じない静電容量型センサ装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る静電容量型センサ装置では、被検知量の変化により静電容量が変化する静電容量型センサと、前記静電容量型センサの静電容量に応じた周波数で発振する発振手段と、前記発振手段の出力を単位時間計数して基準計数値との差をとり、計数差分のパルス列を出力する計数手段とを備えた静電容量型センサ装置において、前記発振手段を起動するため前記静電容量型センサの電極間にバイアスを与えるに際し、発振開始の直前に一方の電極をローレベルにすることによりバイアスを与え、かつ発振停止時に前記静電容量型センサの両電極をハイレベルに固定することによりゼロバイアスに戻すようにした（請求項１）。
【００１７】
係る構成にすると、静電容量型センサの両電極については、発振手段が発振開始する直前に電位差が設定されるものの、発振停止時には直ちに同一電位に戻されるので静電引力は作用しない。そして、静電容量型センサは電源電圧による静電引力に対してはレスポンスが悪いので、発振開始の直前に両電極間にバイアスして、かつ発振停止時に直ちにゼロバイアスに戻すようにすることでも、静電容量型センサの可動電極が静電引力によって変位する以前に計測に係る発振を開始でき、停止することができる。
【００１８】
また、前記計数手段が計数動作する際の単位時間の基値と基準計数値の初期値とを変更可能に記憶する記憶手段を備えた（請求項２）。すると、記憶手段には、計数手段が計数動作する際の単位時間の基値と基準計数値の初期値等の情報が記憶されるので、その記憶内容を書き替えるだけで静電容量型センサの感度及びオフセットを調整でき、補正することができる。つまり、計数動作の単位時間の基値を変更することにより感度を、基準計数値の初期値を変更することによりオフセットを各々調整し、補正することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る静電容量型センサ装置の一実施の形態を示す構成図である。同図に示すように、静電容量型センサ装置１は、半導体による静電容量型の圧力センサ３と、その圧力センサ３の静電容量の変化量つまり検出圧力をディジタルパルス列として出力する静電容量検出回路２とを備えて構成されている。
【００２０】
圧力センサ３はガス圧を検出するようになっており、図２に示すように、シリコン基板６の表面にダイアフラム６ａが形成され、そのダイアラム６ａが可動電極となり圧力により変動する。ダイアフラム６ａの表面は、シリコン基板６の表面から僅かに一段下がった凹部に形成され、さらに図示省略するがダイアフラム６ａの部分は非常に肉薄になっており、圧力を受けると容易に撓む。すなわち、ダイアフラム６ａが形成されたシリコン基板６の底面側も大きく除去された凹部となっていて、このダイアフラム６ａの下面が受圧面となる。一方、シリコン基板６の上面にはガラス基板７が積層され、ダイアフラム６ａに対向するガラス基板７の表面に固定電極８が形成されている。そして、両電極がシリコン基板６の表面に形成したワイヤボンディングパッド９，９に各々導通され、それらのワイヤボンディングパッド９，９が静電容量検出回路２の入力端子に直接に、または増幅器を介して間接的に接続されている。
【００２１】
このダイアフラム６ａは、無負荷時には水平状態を保つ。そして、ダイアフラム６ａの受圧面に圧力がかかるとダイアフラム６ａがガラス基板７側に膨らむので、このダイアフラム６ａとガラス基板７との距離が変化する。それに伴い、両電極間の静電容量も変化する。すなわち、この圧力センサ３も一種の可変コンデンサを構成している。
【００２２】
静電容量検出回路２は、その各部の駆動制御がタイミングジェネレータ１７により行われるようになっており、圧力センサ３の動作点の位置ズレつまりオフセットなどの調整を行うための等価コンデンサ４と、圧力センサ３と、基準クロックを発生するための基準コンデンサ５とが、第１ＣＲ発振回路１１，第２ＣＲ発振回路１２，第３ＣＲ発振回路１３に各々接続されている。各ＣＲ発振回路１１〜１３には、固定抵抗４０，３０，５０が各々接続されており、発振周波数が各コンデンサ４，３，５との組み合わせで所定の値に決定されるようになっている。
【００２３】
そして、各ＣＲ発振回路１１〜１３から周波数信号ＣＫ１〜ＣＫ３が出力される。この周波数信号ＣＫ１〜ＣＫ３は方形波のクロック信号であって、周波数信号ＣＫ１，ＣＫ２はそれぞれセレクタ１４に送られ、周波数信号ＣＫ３はアップダウンカウンタ１５，出力回路１６及びタイミングジェネレータ１７に送られている。さらに、第１，第２ＣＲ発信回路１１，１２にはイネーブル信号がタイミングジェネレータ１７から各々送られている。
【００２４】
第２ＣＲ発振回路１２は、図３に示すように、ロジックゲートにより構成されている。つまり、ＮＯＴ２１と２入力ＮＡＮＤ（第１ＮＡＮＤ）２２と２入力ＮＡＮＤ（第２ＮＡＮＤ）２３とが順に接続され、第２ＮＡＮＤ２３の出力が固定抵抗３０を介してＮＯＴ２１の入力に接続されてループ回路となり、圧力センサ３がＮＯＴ２１とＮＡＮＤ２２の両者に対して並列に接続されている。
【００２５】
そして、第１ＮＡＮＤ２２の一方の入力は第１コントロール端子Ｔ_１となっており、その第１コントロール端子Ｔ_１がハイレベルのときは第１ＮＡＮＤ２２がインバータ動作し、アクティブとなる。第２ＮＡＮＤ２３の一方の入力は第２コントロール端子Ｔ_２となっており、その第２コントロール端子Ｔ_２がローレベルのときは第２ＮＡＮＤ２３が無能となり、出力がハイレベルに固定される。
【００２６】
従って、第２ＣＲ発振回路１２の発振動作は、２つのコントロール端子Ｔ_１，Ｔ_２の状態に対応するものとなり、その各部には図４に示すような電圧が印加されることになる。つまり、第２ＣＲ発振回路１２は、第２コントロール端子Ｔ_２がハイレベルで、かつ第１コントロール端子Ｔ_１もハイレベルとなったときに発振を開始し、２つのコントロール端子がともにローレベルでは発振を停止する。そして、第２コントロール端子Ｔ_２がハイレベルであっても第１コントロール端子Ｔ_１がローレベルであれば、発振起動しない。圧力センサ３の両電極は、発振停止時にはハイレベルに固定され、電源電圧が印加された状態になる。
【００２７】
そして、発振始動前は、第２コントロール端子Ｔ_２がハイレベルのとき固定抵抗３０と接続した側の電極がローレベルとなり、対向する電極との間に電位差が設定されてしまう。このため、好ましくは図５に示すように、第２コントロール端子Ｔ_２を発振始動前もローレベルとしたいが、その場合は発振の安定性が悪くなることを実験により確認した。そこで、第２コントロール端子Ｔ_２については発振を開始させる直前にハイレベルにし、発振停止時に直ちにローレベルに戻すように制御している。
【００２８】
このように、圧力センサ３の両電極については、第２ＣＲ発振回路１２が発振開始する直前に電位差が設定されるものの、発振停止時には直ちに同一電位に戻されるので停止後は静電引力は作用しない。そして、圧力センサ３は電源電圧による静電引力に対してはレスポンスが悪いので、発振開始の直前に両電極間にバイアスして静電引力が発生したとしても、圧力センサ３のダイアフラムがその静電引力によって変位する以前に計測に係る発振がを開始される。従って、圧力センサ３の電極に作用する静電引力の影響を充分に抑制することができる。
【００２９】
セレクタ１４は、第１，第２ＣＲ発振回路１１，１２から送られた周波数信号ＣＫ１，ＣＫ２のうち１つの信号をセレクト信号に応じて選択し出力するようになっていて、セレクト信号はタイミングジェネレータ１７から送られている。
【００３０】
セレクタ１４の出力は、アップダウンカウンタ１５に接続されている。このアップダウンカウンタ１５は、アップダウン信号に応じてアップカウンタ／ダウンカウンタとして機能し、入力した信号１パルスごとにカウントアップ／カウントダウンするようになっている。アップダウン信号もタイミングジェネレータ１７から送られ、例えばアップダウン信号がローレベルのときはカウントアップし、ハイレベルのときはカウントダウンする。アップダウンカウンタ１５にはプリセット値Ｐｐｓがメモリ１８から読み込まれてセットされるようになっている。
【００３１】
出力回路１６は、開閉スイッチとなっていて、第３ＣＲ発振回路１３から送られる周波数信号ＣＫ３に同期して、アップダウンカウンタ１５のカウント出力をＰｏｕｔとして出力するようになっている。
【００３２】
タイミングジェネレータ１７は、タイミング信号発生アルゴリズムを実施するための回路部分を異なる複数について各々備え、それらを並列接続して選択的に動作させるようになっている。つまり、タイミングジェネレータ１７には、第３ＣＲ発振回路１３から周波数信号ＣＫ３が入力されており、その周波数信号ＣＫ３が内部で分周され、これにより各部を駆動制御するためのタイミング信号が生成されるようになっているが、メモリ１８から読み込まれる設定値Ｋに基づいて所望のタイミングで各部にタイミング信号を出力する構成となっている。各タイミング信号としては、第１，第２ＣＲ発振回路１１，１２へイネーブル信号、セレクタ回路１４へセレクト信号、並びにアップダウンカウンタ１５の機能を決定するアップダウン信号が、タイミングジェネレータ１７から出力されるようになっている。
【００３３】
メモリ１８は、記憶内容を外部から書き替えることができる不揮発性メモリであって、プリセット値Ｐｐｓと、カウント時間を決定するカウント定数Ｋとが記憶されている。このプリセット値Ｐｐｓがアップダウンカウンタ１５に読み出しセットされ、カウント定数Ｋがタイミングジェネレータ１７に読み出しセットされるようになっている。タイミングジェネレータ１７では、読み込まれたカウント定数Ｋに基づいて、カウント時間が所定の値になるように分周を行うようになっており、この場合、周波数信号ＣＫ３を分周することにより後述する感度を決定することから、感度は２^ｎ倍刻みで変更調整されることになる。
【００３４】
従って、静電容量検出回路２では、各ＣＲ発振回路１１〜１３がコンデンサ３〜５の静電容量に応じて発振動作し、等価コンデンサ４に接続された第１ＣＲ発振回路１１の周波数信号ＣＫ１と基準コンデンサ５に接続さたれ第３ＣＲ発振回路１３の周波数信号ＣＫ３は、少なくとも１回の測定中は固定となる。また、圧力センサ３の静電容量Ｃ２は、ガス圧が高くなるほど大きくなり発振周波数は低くなる。
【００３５】
この静電容量型センサ装置１を用いてガス圧を監視する場合、平常状態では所定のガス圧が圧力センサ３に加わっており、ガス漏れ等による異常状態になるとガス圧が低下し、静電容量Ｃ２も低くなる。そこで、平常状態における所定のガス圧が加わっているときの静電容量Ｃ２と、等価コンデンサ４の静電容量Ｃ１が等しくなるように設定している。これにより、平常状態では周波数信号ＣＫ１，ＣＫ２は等しくなる。なお、等価コンデンサ４及び基準コンデンサ５は、好ましくは温度特性が圧力センサ３と同一または類似するものとし、しかもそれら各圧力センサ３，等価コンデンサ４，基準コンデンサ５を近接配置する。
【００３６】
そして、静電容量検出回路２では、図６に示すようなタイミングで信号処理を行っており、ガス圧（圧力センサ３の静電容量Ｃ２）に応じたパルス出力Ｐｏｕｔを生成するようにしている。この処理アルゴリズムは、特開平６−３０７９４９号公報や特開平９−５１９２号に開示されたものと基本的に同様である。
【００３７】
つまり、ガス圧の監視中には圧力センサ３に所定の圧力が加わっているため、それに応じた静電容量Ｃ２が第２ＣＲ発振回路１２に与えられ、所定の発振周波数で発振し、周波数信号ＣＫ２を出力する。また、第１，第３ＣＲ発振回路１１，１３も静電容量Ｃ１，Ｃ３で決定された所定の発振周波数の周波数信号ＣＫ１，ＣＫ３を出力する。そして、ＣＫ１，ＣＫ２はいずれか一方が、アップダウンカウンタ１５に選択的に入力され、しかもこのアップダウンカウンタ１５は、プリセット値Ｐｐｓを設定できるようになっている。
【００３８】
従って、まずアップダウンカウンタ１５に予め所定の値をプリセット値Ｐｐｓとして設定し、周波数信号ＣＫ１をアップダウンカウンタ１５に一定時間Ｔｕｐだけ入力する。この時はアップカウンタとして動作させる。すると、Ｔｕｐ経過後のカウント値は、プリセット値Ｐｐｓに対して一定時間Ｔｕｐ中に発生するパルス数だけ加算された値となる。次に、周波数信号ＣＫ２をアップダウンカウンタ１５に一定時間Ｔｄｏｗｎだけ入力する。この時はダウンカウンタとして動作させる。すると、Ｔｄｏｗｎ経過時のカウント値は、カウントアップして得られた値から一定時間Ｔｄｏｗｎ中に発生するパルス数だけ減算された値となる。そして、上記各時間ＴｕｐとＴｄｏｗｎは等しくしている。この後、アップダウンカウンタ１５のカウント値がゼロになるまでカウントダウンし、カウント値が１つ減算するごとに１つのパルスを出力する。
【００３９】
ガス圧が平常状態の場合には、静電容量Ｃ１，Ｃ２が等しくなり、第１，第２ＣＲ発振回路１１，１２の発振周波数ＣＫ１，ＣＫ２は等しいので、出力されるパルス数Ｐｏｕｔはプリセット値Ｐｐｓに等しくなる。ガス圧が低下すると、圧力センサ３の静電容量Ｃ２が減少するため、周波数信号ＣＫ２の発振周波数が高くなり、一定時間Ｔｄｏｗｎ中に発生するパルス数Ｐｏｕｔも多くなる。従って、プリセット値Ｐｐｓよりも小さな値となる。そして、プリセット値Ｐｐｓに対応する静電容量（ガス圧）や圧力センサ３の感度特性から、出力されたパルス数Ｐｏｕｔに基づいてガス圧が検出できる。
【００４０】
ここで感度とは、出力１ビットに対応するガス圧の変化量（出力パルスが１つ増減することによるガス圧の変動分）を言い、圧力センサ３は感度特性及び動作点が製作された個々各々について僅かではあるがバラツキがあるため、感度及び動作点（オフセット）を調整できるようにしている。
【００４１】
すなわち、出力されるパルス数Ｐｏｕｔは、周波数信号ＣＫ１のカウント時間Ｔｕｐ、ＣＫ２のカウント時間Ｔｄｏｗｎ、アップダウンカウンタ１５のプリセット値Ｐｐｓによって、次式で与えられる。
【００４２】
Ｐｏｕｔ＝Ｐｐｓ＋Ｔｕｐ×ＣＫ１−Ｔｄｏｗｎ×ＣＫ２
但し、Ｔｕｐ×ＣＫ１，Ｔｄｏｗｎ×ＣＫ２は整数
そして、Ｔｕｐ＝Ｔｄｏｗｎ＝Ｔｃ
ＣＫ１−ＣＫ２＝Δｆ
とおくと、上記式（１）は
Ｐｏｕｔ＝Ｔｃ×Δｆ＋Ｐｐｓ
となる。
【００４３】
従って、アップダウンカウンタ１５のカウント時間Ｔｃを長くすると、周波数差Δｆに対する出力の変化量（感度）が高くなり、アップダウンカウンタ１５のプリセット値Ｐｐｓを変えることによりオフセットが変更できる。さらにカウント時間Ｔｃは基準の周波数信号ＣＫ３より生成されるので、Ｔｃ＝Ｋ／ＣＫ３となり、周波数信号ＣＫ３またはカウント定数Ｋを変更することにより感度を変更することができる。
【００４４】
ここで本発明では、圧力センサ３の感度及びオフセットを調整するのに、メモリ１８の記憶内容を書き替えるようにしている。すなわち、例えば、不揮発性メモリ１８に記憶された初期設定が、プリセット値Ｐｐｓ＝２５０及びカウント定数Ｋ＝１００であったとする。そして、測定圧力範囲が０〜５００ｐｓｉで１パルス／１ｐｓｉの出力が得られるように調整するものとする。調整は、まず圧力センサ３を静電容量検出回路２に接続し、圧力を計測する。この計測により圧力センサ３の感度が、例えば目標値の０．８倍しかなかったとすると、カウント定数Ｋは１００／０．８で１２５となり、カウント定数Ｋ＝１２５と不揮発性メモリ１８の記憶を書き替えればよい。この後、再び圧力を計測し、圧力センサ３のオフセットが、例えば目標値よりも５０ｐｓｉ分だけ大きかったとすると、式（１）で２５０ｐｓｉのときに２５０パルス出力されるように調整するもので、プリセット値Ｐｐｓは２５０＋５０で３００となり、プリセット値Ｐｐｓ＝３００と不揮発性メモリ１８の記憶を書き替えればよく、これにより感度及びオフセットの調整が完了する。
【００４５】
このように、不揮発性メモリ１８の記憶内容を書き替えるだけで圧力センサ３の感度及びオフセットを調整でき、補正することができる。不揮発性メモリ１８の書き替えは電気的な作業であるため簡単に行うことができ、可変抵抗による従来の調整で生じた機械的な設定ズレは本質的にない。そして、不揮発性メモリ１８の書き替えには、パーソナルコンピュータ等を用いることができるので、設備費用を安くできる。レーザトリミングで生じた問題はもちろんなく、小型化に適している。また、経時変化により圧力センサ３の特性が変化しても、単に不揮発性メモリ１８を書き替えればよいので容易に補正することができる。
【００４６】
さらに、静電容量型センサ装置１として、圧力センサ３と静電容量検出回路２をパッケージ内に完全に封止して構成することもできる。この際、不揮発性メモリ１８にアクセスするための書き込み端子を設けておく必要はあるが、これにより封止後に書き替え調整を行えるので、パッケージの封止の際に生じた応力歪みによる感度及びオフセットの変動も補正することができる。
【００４７】
＊実験結果
図７は、静電引力による出力パルス変動を測定した実験結果を示すグラフ図である。同図には図３の本発明に係る発振回路についての測定値を実線で示しており、図８の従来の発振回路についての測定値を破線で示している。これらの測定値は１００ｍｓｅｃごとに圧力を測定した結果である。より具体的には、２つのコントロール端子Ｔ_１，Ｔ_２を制御し、２０ｍｓｅｃの間圧力センサを発振させてその時の出力パルス数に基づいて圧力を算出し、その後８０ｍｓｅｃの間は発振を停止するようにしている。そして、本発明では図４に示すタイミングチャートに従い、発振開始する直前には圧力センサの両端子間に電位差を生じさせて安定して発振開始できるようにし、発振終了後は圧力センサの両端子間を同電位にして静電引力を発生させないようにしている。
【００４８】
なお、この発振停止後に同電位にした後、次の発振開始の前には端子間に電位差を生じさせるようにバイアスする必要があるが、本形態では、同電位にした状態のまま電源をいったんオフにし（これにより両端子間に電圧がかからないため、やはり、電位差は生じない）、次の測定開始直前に再度電源をオンにするとともに、電位差を生じるようにしている。もちろんこれに限ることはなく、発振停止後に第２コントロール端子Ｔ_２をＬに落とした状態を保持し、次の発振を開始する（第１コントロール端子Ｔ_１をハイレベルに切り替える）前に、第２コントロール端子Ｔ_２をハイレベルに切り替えるようにするなど各種の手法をとれる。
【００４９】
これにより、従来の発振回路では静電引力が発振停止中にも常時電極間に印加されているためダイアフラムが固定電極側に徐々に引き寄せられるので係る静電引力の影響が大きく、ダイアフラムの変位が戻る以前に測定が繰り返されるため測定ごとに出力パルス変動が大きくなっており、時間の経過に伴って飽和する。一方、本発明に係る発振回路では、発振停止中の大部分の期間は静電引力が発生しないため、静電引力の影響を抑制することができるため、出力パルス変動が小さくなっている。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る静電容量型センサ装置では、静電容量型センサの両電極については、発振手段が発振開始する直前に電位差が設定されるものの、発振停止時には直ちに同一電位に戻されるので静電引力は作用しなく、センサ素子は電源電圧による静電引力に対してはレスポンスが悪いので、発振開始の直前に両電極間にバイアスしても悪影響がでない。従って、静電容量型センサの電極に作用する静電引力の影響を充分に抑制することができる。
【００５１】
また、記憶手段には、計数手段が計数動作する際の単位時間の基値と基準計数値の初期値とが記憶されるので、その記憶内容を書き替えるだけで静電容量型センサの感度及びオフセットを調整でき、補正することができる。つまり、計数動作の単位時間の基値を変更することにより感度を、基準計数値の初期値を変更することによりオフセットを各々調整でき、補正することができる。そして、この記憶手段の書き替えは電気的な作業であるため簡便に行うことができ、可変抵抗による従来の調整で生じた機械的な設定ズレは本質的にないという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る静電容量型センサ装置の一実施の形態を示す構成図である。
【図２】静電容量型の圧力センサの一例を分解して示す斜視図である。
【図３】本発明に係るＣＲ発振回路の一実施の形態を示す構成図である。
【図４】図３のＣＲ発振回路の電圧波形を示すタイミング図である。
【図５】図３のＣＲ発振回路の電圧波形を他の制御により示すタイミング図である。
【図６】図１の静電容量型センサ装置の電圧波形を示すタイミング図である。
【図７】静電引力による出力パルス変動を測定した実験結果を示すグラフ図である。
【図８】従来のＣＲ発振回路の一例を示す構成図である。
【図９】図８のＣＲ発振回路の電圧波形を示すタイミング図である。
【符号の説明】
１静電容量型センサ装置
２静電容量検出回路（計数手段）
３圧力センサ（静電容量型センサ）
１１第２ＣＲ発振回路（発振手段）
１８不揮発性メモリ（記憶手段）

Claims

被検知量の変化により静電容量が変化する静電容量型センサと、
前記静電容量型センサの静電容量に応じた周波数で発振する発振手段と、
前記発振手段の出力を単位時間計数して基準計数値との差をとり、計数差分のパルス列を出力する計数手段とを備えた静電容量型センサ装置において、
前記発振手段を起動するため前記静電容量型センサの電極間にバイアスを与えるに際し、発振開始の直前に一方の電極をローレベルにすることによりバイアスを与え、かつ発振停止時に前記静電容量型センサの両電極をハイレベルに固定することによりゼロバイアスに戻すようにしたことを特徴とする静電容量型センサ装置。
前記計数手段が計数動作する際の単位時間の基値と基準計数値の初期値とを変更可能に記憶する記憶手段をさらに備えた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。