JP4150292B2 - 異常検出機能を持つ静電容量式センサ装置 - Google Patents
異常検出機能を持つ静電容量式センサ装置 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量式センサ装置と、センサ容量の使用方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
圧力、加速度、振動、音圧等の各種の物理量を検知する静電容量式センサ装置が知られている。この静電容量式センサ装置では、センサ装置(特にセンサ素子部)の異常をその装置自身で検出するような異常検出機能(故障診断機能、自己診断機能とも呼ばれる)を持つものがある。
【0003】
異常検出機能を持つ静電容量式センサ装置では、センサ用のセンサ容量とは別個に異常検出用の電極対を付加し、その電極対を利用することで、センサ装置の異常を検出するものが知られている。しかし、異常検出用の電極対を別個に付加すると、装置の構成が複雑化する等の問題があった。また、センサ装置の中には、このような電極対を付加すること自体が困難なものもあった。
【0004】
これに対し、特許文献1には、センサ用の複数のセンサ容量を異常検出用としても利用するセンサ装置が示されている。このセンサ装置によると、異常検出用の電極対を別個に付加する必要がない。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−40047号公報(その公報の図1、図3、〔0040〕〜〔0046〕参照)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1の静電容量式センサ装置によると、異常を検出するためには、センサ用には使用しない電圧源を別個に用意する必要があるという問題があった。
【0007】
本発明は、静電容量式センサ装置の異常の検出を従来よりも簡易に行える技術を実現することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段及び作用と効果】
本発明の1つの態様の静電容量式センサ装置は、第1手段と、第2手段と、第1センサ容量と、第2センサ容量と、制御手段と、異常検出手段を備えている。
第1手段は、振幅値が経時的に所定値変化する第1電圧とともに、振幅値が経時的に前記所定値とほぼ等しい値変化する第2電圧又はその反転電圧を出力する。第1センサ容量は、第1電圧が印加されるとともに、作用する物理量に応じて容量値が変化する。第2センサ容量は、第2電圧又はその反転電圧が印加されるとともに、作用する物理量に応じて容量値が変化し、所定の物理量が作用したときの容量変化値の絶対値及び基準容量値が第1センサ容量とほぼ等しい。制御手段は、第1手段から第2電圧とその反転電圧のいずれを出力するかを制御する。第2手段は、第1手段から第1電圧とともに第2電圧が出力された場合は、第1センサ容量の容量変化値の絶対値と第2センサ容量の容量変化値の絶対値を加算した値に応じた信号値を出力し、第1手段から第1電圧とともに第2電圧の反転電圧が出力された場合は、一方のセンサ容量の容量変化値の絶対値から他方のセンサ容量の容量変化値の絶対値を減算した値に応じた信号値を出力する。異常検出手段は、第1手段から第2電圧の反転電圧が出力された場合の第2手段の出力信号値に基づいて、異常検出信号を出力する。
【0009】
本態様では、第1手段から第1電圧とともに第2電圧が出力された場合は、第2手段は、第1センサ容量の容量変化値の絶対値と第2センサ容量の容量変化値の絶対値を加算した値に応じた信号値を出力する。この場合は、この信号値から、センサ容量に作用した物理量の大きさを検出できる。
【0010】
これに対し、第1手段から第1電圧とともに第2電圧の反転電圧が出力された場合は、第2手段は、一方のセンサ容量の容量変化値の絶対値から他方のセンサ容量の容量変化値の絶対値を減算した値に応じた信号値を出力する。第1センサ容量と第2センサ容量は、正常であれば、所定の物理量が作用したときの容量変化値の絶対値がほぼ等しい。よって、上記減算値は、正常時はほぼゼロとなる。これに対し、上記減算値がほぼゼロとなっていない場合は、第1センサ容量及び/又は第2センサ容量に異常が生じていると推定できる。このため、上記減算値がほぼゼロか否かによって、第1センサ容量及び/又は第2センサ容量に異常が生じているか否かを精度良く検出できる。
【0011】
このように、本態様では、第1手段から第2電圧が出力されている場合は、センサモードとなり、第1センサ容量に加えて第2センサ容量もセンサ用の素子として機能する。よって、センサ容量が1つの場合に比べて、高い感度で物理量を検出できる。
【0012】
これに対し、第1手段から第2電圧の反転電圧が出力されている場合は、異常検出モードとなり、第1センサ容量と第2センサ容量は異常検出用の素子として機能する。よって、センサ容量と別個に異常検出用の電極対を付加する必要がない。また、センサモードから異常検出モードに切換えるには、第1手段から第2電圧を出力する状態から、第2電圧の反転電圧を出力する状態に切換えればよい。よって、センサ用に使用しない電圧源を異常検出のために別個に用意する必要がない。
【0013】
このように、本態様によると、静電容量式センサ装置の異常の検出を従来よりも簡易に行うことができる。
【0014】
本発明の他の態様の静電容量式センサ装置は、第1手段と、第2手段と、第1センサ容量と、第2センサ容量と、制御手段と、異常検出手段を備えている。
第1手段は、振幅値が経時的に所定値変化する第1電圧を出力する第1端子と、振幅値が経時的に前記所定値とほぼ等しい値変化する第2電圧又はその反転電圧を出力する第2端子を有する。第1センサ容量は、一対の電極を有し、一方の電極が第1端子に接続されているとともに、作用する物理量に応じて容量値が変化する。第2センサ容量は、一対の電極を有し、一方の電極が第2端子に接続されているとともに、作用する物理量に応じて容量値が変化し、所定の物理量が作用したときの容量変化値の絶対値及び基準容量値が第1センサ容量とほぼ等しい。制御手段は、第1手段の第2端子から第2電圧とその反転電圧のいずれを出力するかを制御する。第2手段は、各センサ容量の他方の電極が接続されているとともに、各センサ容量に蓄積された電荷の量及び極性に応じた信号値を出力する。異常検出手段は、第2手段の出力信号値に基づいて異常検出信号を出力する。
【0015】
本態様によると、第1手段の第2端子から第2電圧とその反転電圧の一方が出力された場合は、第2手段は、第1センサ容量の容量変化値の絶対値と第2センサ容量の容量変化値の絶対値を加算した値に応じた信号値を出力する。これに対し、第1手段の第2端子から第2電圧とその反転電圧の他方が出力された場合は、第2センサ容量に蓄積される電荷の極性が、前記一方が出力された場合と逆になる。この結果、第2手段は、一方のセンサ容量の容量変化値の絶対値から他方のセンサ容量の容量変化値の絶対値を減算した値に応じた信号値を出力する。
従って、本態様によっても、静電容量式センサ装置の異常の検出を従来よりも簡易に行うことができる。
【0016】
制御手段は、第1手段から第2電圧とその反転電圧を交互に繰返し出力するように制御可能であることが好ましい。
【0017】
本態様によると、物理量の検知と、異常検査を実質的に並行して行うことができる。
【0018】
ここで、「第1センサ容量」と「第2センサ容量」の容量値の変化する向きは同じ向きのみならず、逆向きであってもよい。第1センサ容量と第2センサ容量の容量変化値の絶対値が「ほぼ等しい」とは、容量変化値の絶対値の5%程度のずれは許容する趣旨である。例えば、製造誤差による容量変化値のばらつき等は許容され、本発明の適用範囲に含まれる。
【0019】
「加算した値に応じた信号値」は、前記加算した値のみに直接的に対応する信号値だけでなく、例えば基準容量値に前記加算した値が重畳された値に直接的に対応する信号値も含まれる。即ち、センサ容量の基準容量値を除去し、容量変化分だけを抽出するための基準容量等が設けられていない構成にも本発明は適用される。
【0020】
上記各「手段」は、ハードウェアによって実現されたものに限らず、ソフトウェアによって実現されたものや、ハードウェアとソフトウェアが並存するものによって実現されたものも含む。また、上記各「手段」は、物理的に複数に分けられていてもよい。
【0021】
「第2手段の出力信号値に基づいて」という態様は、第2手段の出力信号値を直接的に用いて、異常か否かを判定し、異常検出信号を出力する態様には限られない。例えば第2手段が電荷−電圧変換手段の場合、その手段の後段にサンプル・ホールド手段やフィルタ手段等が配置され、これらを経由した後に出力された信号を用いて、異常か否かを判定し、異常検出信号を出力する態様も含まれる。あるいは、上記の場合は、電荷−電圧変換手段と、サンプル・ホールド手段と、フィルタを合わせたもの全体を第2手段と考えてもよい。
【0022】
「第1電圧」は、振幅値が周期的に所定値変化するものが好ましい。「第1電圧」の電圧波形の例としては、パルス状の波形や、正弦波状の波形が挙げられる。「第1電圧」と「第2電圧」は同期していることが好ましい。「第1電圧」と「第2電圧」は同位相であることが好ましい。「第1電圧」と「第2電圧」は電圧波形の形状がほぼ等しいことが好ましい。「第1電圧」を反転させたものを「第2電圧」とすることも、構成によっては採用し得る。「第2電圧の反転電圧」の態様には、例えば、第2電圧の振幅値が第1期間では0Vで、第2期間では5Vで、第1期間と第2期間が繰返される場合に、(1)反転電圧が第1期間では5Vとなり、第2期間では0Vとなる態様や、(2)反転電圧が第1期間では0Vとなり、第2期間では−5Vとなる態様が含まれる。
【0023】
異常検出手段は、第1手段から第2電圧の反転電圧が出力された場合の第2手段の出力信号値の絶対値が所定値以上である場合に、異常検出信号を出力することが好ましい。
【0024】
第1手段は、第1センサ容量に印加される電圧(第1電圧)を反転させた第3電圧と、第2センサ容量に印加される電圧(第2電圧又はその反転電圧)を反転させた第4電圧をさらに出力することが好ましい。
そして、第3電圧が印加されるとともに、物理量が作用しても容量値が実質的に変化せず、基準容量値が第1センサ容量とほぼ等しい第1基準容量と、第4電圧が印加されるとともに、物理量が作用しても容量値が実質的に変化せず、基準容量値が第1センサ容量とほぼ等しい第2基準容量をさらに備えていることが好ましい。
あるいは、第3電圧が印加されるとともに、作用する物理量に応じて容量値が第1センサ容量と逆向きに変化し、基準容量値が第1センサ容量とほぼ等しい第1差動容量と、第4電圧が印加されるとともに、作用する物理量に応じて容量値が第2センサ容量と逆向きに変化し、基準容量値が第2センサ容量とほぼ等しい第2差動容量をさらに備えていることが好ましい。
【0025】
上記のような基準容量又は差動容量をさらに備えると、センサ容量から基準容量値を除去して、容量変化分だけを抽出することができる。そして、上記態様によると、このような基準容量又は差動容量が設けられている場合でも、異常の検出を簡易に行うことができる。
【0026】
上記静電容量式センサ装置の使用方法は、作用する物理量に応じて容量値が変化するとともに所定の物理量が作用したときの容量変化値の絶対値及び基準容量値がほぼ等しい2つのセンサ容量を使用する方法である。この方法は、第1工程と、第2工程を有する。第1工程では、第1センサ容量に対し振幅値が経時的に所定値変化する第1電圧を印加し、第2センサ容量に対し振幅値が経時的に前記所定値とほぼ等しい値変化する第2電圧を印加することで、第1センサ容量の容量変化値の絶対値と第2センサ容量の容量変化値の絶対値を加算した値を直接的又は間接的に求める。第2工程では、第1センサ容量に第1電圧を印加し、第2センサ容量に第2電圧の反転電圧を印加することで、一方のセンサ容量の容量変化値の絶対値から他方のセンサ容量の容量変化値の絶対値を減算した値を直接的又は間接的に求める。
【0027】
本態様によると、センサ容量の異常の検出を従来よりも簡易に行うことができる。
【0028】
第1工程と第2工程を交互に繰返し行うことが好ましい。
【0029】
本態様によると、物理量の検知と、異常検査を実質的に並行して行うことができる。
【0030】
【発明の実施の形態】
(第1実施例) 図1に示す第1実施例の異常検出機能付き静電容量式センサ装置は、制御信号発生回路38と、駆動信号発生回路20と、第1センサ素子部22と、第2センサ素子部24と、電荷−電圧変換回路26と、サンプル・ホールド回路(S/H回路)32と、ローパス・フィルタ(LPF)34と、判定回路36を備えている。このセンサ装置は、後述するように、物理量(例えば圧力、加速度、振動、音圧等)を検出するセンサモードと、センサ装置(特にセンサ素子部22、24)の異常を検出する異常検出モードに設定することができる。なお、センサモードは、センサ装置本来の動作を行うモードであるので、通常動作モードといってもよい。また、異常検出モードは、故障診断モード又は自己診断モードといってもよい。
【0031】
制御信号発生回路38は、センサ装置の各部に制御信号S1〜S4を出力する。これにより、センサ装置の動作を制御する。具体的には、制御信号発生回路38は、駆動信号発生回路20にモード設定信号S1を出力する。電荷−電圧変換回路26のスイッチ28にリセット信号S2を出力する。サンプル・ホールド回路32にサンプリング指令信号S3を出力する。判定回路36に判定指令信号S4を出力する。
【0032】
駆動信号発生回路20は、第1端子1、第2端子2、第3端子3、第4端子4を有する。各端子1〜4からはそれぞれ独立して第1駆動信号VX1、第2駆動信号VX2、第3駆動信号VR1、第4駆動信号VR2を出力できる。これらの駆動信号は、振幅VPの方形波パルス電圧の繰返し信号である(図2と図3参照)。
【0033】
制御信号発生回路38からモード設定信号S1としてセンサモード設定信号が出力される場合は、第2駆動信号VX2は、第1駆動信号VX1と同じ電圧波形でかつ同位相の信号に設定される(図2参照)。これに対し、制御信号発生回路38からモード設定信号S1として異常検出モード設定信号が出力される場合は、第2駆動信号VX2は、第1駆動信号VX1と同じ電圧波形でかつ同位相の信号を反転させた信号に設定される(図3参照)。本実施例では、第1駆動信号VX1と同じ電圧波形でかつ同位相の信号の位相を逆位相にすることで、反転させる。
【0034】
第3駆動信号VR1は、第1駆動信号VX1を反転させた信号である。本実施例では、第3駆動信号VR1は、第1駆動信号VX1を逆位相にすることで反転させたものである(図2と図3参照)。第4駆動信号VR2は、第2駆動信号VX2を反転させた信号である。本実施例では、第4駆動信号VR2は、第2駆動信号VX2を逆位相にすることで反転させたものである(図2と図3参照)。
【0035】
第1センサ素子部22は、第1センサ容量CX1と、第1基準容量CR1を有する。第2センサ素子部24は、第2センサ容量CX2と、第2基準容量CR2を有する。第1センサ容量CX1と第2センサ容量CX2は等しい特性を持つ。また、第1基準容量CR1と第2基準容量CR2は等しい特性を持つ。具体的には、第1センサ容量CX1と第2センサ容量CX2は、作用する物理量に応じて容量値が変化する。センサ容量CX1、CX2は、それぞれ可動電極と固定電極を有する。可動電極と固定電極は対向する位置に配置されている。物理量が作用すると、可動電極が変位する。これにより、可動電極と固定電極の間の距離が変化する。この結果、容量値が変化する。本実施例では、第1センサ容量CX1と第2センサ容量CX2は、所定の物理量が作用したときにはそれぞれ、容量値がΔCX1とΔCX2だけ増加する。これらの容量増加値(容量変化値)ΔCX1とΔCX2は等しい。また、第1センサ容量CX1と第2センサ容量CX2は、基準容量値(基準物理量が作用したときの容量値)が等しい。
【0036】
これに対し、第1基準容量CR1と第2基準容量CR2は、物理量が作用しても容量値が実質的に変化しない。基準容量CR1、CR2は、それぞれ2つの固定電極を有する。即ち、物理量が作用しても、各基準容量CR1、CR2を構成する2つの電極とも固定されているため、電極間の距離は変化しない。このため、容量値も変化しない。基準容量CR1、CR2の容量値はそれぞれ、センサ容量CX1、CX2の基準容量値と等しくなるように設計されている。即ち、基準容量CR1、CR2の容量値はそれぞれ、容量変化値ΔCX1、ΔCX2がゼロの場合のセンサ容量CX1、CX2の容量値と等しい。基準容量CR1、CR2は、それぞれセンサ容量CX1、CX2から容量変化分ΔCX1、ΔCX2だけを取出すためのものである。
【0037】
第1センサ容量CX1の一端(一方の電極)は、第1端子1に接続されている。第1基準容量CR1の一端(一方の電極)は、第3端子3に接続されている。第2センサ容量CX2の一端(一方の電極)は、第2端子2に接続されている。第2基準容量CR2の一端(一方の電極)は、第4端子4に接続されている。これらの容量CX1、CX2、CR1、CR2の他端は、後述する電荷−電圧変換回路26の入力端子(オペアンプ30の反転入力端子)に共通に接続されている。オペアンプ30の非反転入力端子は接地されている。よって、例えば第1センサ容量CX1に第1端子1から振幅VPのパルス電圧である第1駆動信号VX1が出力されると、その電圧振幅値VPが第1センサ容量CX1に印加される。この結果、その電圧値VPと第1センサ容量CX1の容量値の積により求められる電荷QX1が第1センサ容量CX1に蓄積される。他の容量CX2、CR1、CR2についても同様である。
【0038】
電荷−電圧変換回路26は、センサ容量CX1、CX2や基準容量CR1、CR2に蓄積された電荷量を電圧値に変換して出力するものである。この回路26は、チャージアンプ回路といってもよい。電荷−電圧変換回路26は、オペアンプ(チャージアンプ)30と、帰還容量CFと、スイッチ28を有する。この回路26は、先に述べたようにオペアンプ30の反転入力端子のみに各容量CX1、CX2、CR1、CR2の他端が接続されており、シングル入力型となっている。帰還容量CFとスイッチ28は、オペアンプ30の反転入力端子と出力端子の間に並列接続されている。スイッチ28は、制御信号発生回路38からリセット信号S2が入力されると、オンする。スイッチ28がオンすると、帰還容量CFの両端が短絡するため、帰還容量CFに蓄積されていた電荷は放電される。電荷−電圧変換回路26(詳細にはオペアンプ30)の出力電圧VOPは、サンプル・ホールド回路32に入力される。
【0039】
サンプル・ホールド回路32は、制御信号発生回路38からサンプリング信号S3が入力されると、オペアンプ30の出力電圧VOPをサンプリングする。そして、そのサンプリングした信号の値を所定時間ホールドする。サンプル・ホールド回路32の出力電圧信号は、ローパス・フィルタ34に入力される。
【0040】
ローパス・フィルタ34は、所定のカットオフ周波数を持ち、サンプル・ホールド回路32の出力信号の高周波成分をカットし、帯域制限された電圧信号VOUTを出力する。ローパス・フィルタ34の出力電圧VOUTは、判定回路36に入力される。
【0041】
判定回路36は、センサモードでは使用されず、異常検出モードにおいて使用される。異常検出モードにおいて、制御信号発生回路38から判定指令信号S4が入力されると、電荷−電圧変換回路26(オペアンプ30)の出力電圧VOPが、分岐線42を通って判定回路36に入力される。判定回路36は、その出力電圧値VOPが所定の異常判定値(しきい値)VTH以上か否かを判定し、判定信号VDETを出力する。判定回路36は、出力電圧値VOPが所定のしきい値VTHよりも小さい場合は、判定信号VDETとして、正常である旨の信号を出力する。これに対し、判定回路36は、出力電圧値VOPが所定のしきい値VTH以上の場合は、判定信号VDETとして、異常検出信号を出力する。
【0042】
次に、上記構成の静電容量式センサ装置の動作について説明する。このセンサ装置の動作は、センサモードでの動作と異常検出モードでの動作に分けられる。まず、センサモードでの動作について図2のタイミングチャートを参照して説明する。なお、図2と後述する図3では、Hi信号を「H」と表示し、Low信号を「L」と表示している。
図2に示すように、制御信号発生回路38が出力するモード設定信号S1がLow信号の場合は、センサモードとなる。センサモードでは、第2駆動信号VX2は第1駆動信号VX1と同位相である。第3駆動信号VR1は第1駆動信号VX1に対して逆位相となっている。第4駆動信号VR2は第3駆動信号VR1と同位相である。
【0043】
図4は、期間T10〜T12における静電容量式センサ装置の状態を示す。期間T10〜T12中は、リセット信号S2がHi信号である。この場合は、スイッチ28がオンする。スイッチ28がオンすると、帰還容量CFの両端が短絡する。よって、帰還容量CFに蓄積された電荷は放電する。このため、スイッチ28がオンしている間は、オペアンプ30の出力電圧VOPはゼロである。また、期間T10〜T12中は、第1駆動信号VX1がVPであり、第3駆動信号VR1がゼロである。この場合、第1センサ容量CX1には、QX1=CX1VP=(CR1+ΔCX1)VPの電荷が蓄積される。
【0044】
図5は、期間T14〜T16における静電容量式センサ装置の状態を示す。図2に示すように、時刻T12において、リセット信号S2はHi信号からLow信号に切換わっており、期間T14〜T16中は、リセット信号S2がLow信号である。この場合は、スイッチ28がオフとなっている。また、時刻T14において、第1駆動信号VX1はゼロとなり、第3駆動信号VR1はVPに切換わる。このように、図4に示す状態から、図5に示すようにスイッチ28がオフとなり、また、第1駆動信号VX1がゼロになると、第1センサ容量CX1の一方の電極(帰還容量CFの一方の電極と接続された電極)に蓄積されていた負電荷は、帰還容量CFの前記一方の電極に移動する。これに伴い、帰還容量CFの他方の電極には、正電荷が誘起される。これにより、帰還容量CFには、第1センサ容量CX1に蓄積されていた電荷と等量の電荷QX1が蓄積される。
【0045】
また、第3駆動信号VR1がVPになると、第1基準容量CR1には、QR1=CR1VPの電荷が蓄積される。この場合、第1基準容量CR1の一方の電極(帰還容量CFの前記一方の電極と接続された電極)には、負電荷が蓄積される。この結果、帰還容量CFの前記一方の電極には、電荷量保存の法則によって、第1基準容量CR1の前記一方の電極に蓄積された負電荷と等量で、反対符号の電荷(即ち、正電荷)が誘起される。これに伴い、帰還容量CFの前記他方の電極には、負電荷が誘起される。これにより、帰還容量CFには、第1基準容量CR1に蓄積された電荷と等量の電荷QR1が蓄積される。
【0046】
但し、帰還容量CFに蓄積される電荷QX1とQR1の極性は逆向きである。よって、第1センサ素子部22に蓄積された電荷QX1、QR1に起因して、帰還容量CFには電荷QX1−QR1が蓄積される。この結果、第1センサ素子部22に蓄積された電荷QX1、QR1に起因する分のオペアンプ30の出力電圧VOP1は、非反転入力端子が接地されているため、次式(1)となる。
VOP1=(QX1−QR1)/CF=(CX1−CR1)VP/CF
=ΔCX1VP/CF (1)
【0047】
上記では、第1センサ素子部22の動作について説明したが、第2センサ素子部24でも同様の動作が行われる。これにより、第2センサ容量CX2には、電荷QX2(=CX2VP=(CR2+ΔCX2)VP)が蓄積される。第2基準容量CR2には、電荷QR2(=CR2VP)が蓄積される。
よって、第2センサ素子部24に蓄積された電荷QX2、QR2に起因して、帰還容量CFには電荷QX2−QR2が蓄積される。この結果、第2センサ素子部24に蓄積された電荷QX2、QR2に起因する分のオペアンプ30の出力電圧VOPは、次式(2)となる。
【0048】
以上から、第1センサ素子部22に蓄積された電荷QX1、QR1と第2センサ素子部24に蓄積された電荷QX2、QR2に起因するオペアンプ30の出力電圧VOPは、式(1)のVOP1と式(2)のVOP2を加算した次式(3)となる。
VOP=VOP1+VOP2=(ΔCX1+ΔCX2)VP/CF (3)
【0049】
図2に示すように、期間T14〜T16の間の所定の時点において、制御信号発生回路38は、サンプル・ホールド回路32に対して、サンプリング指令信号S3を出力する。サンプリング指令信号S3が入力されると、サンプル・ホールド回路32は、オペアンプ30の出力電圧VOP(図2ではV1)をサンプリングし、その値をホールドする。サンプル・ホールド回路32の出力信号は、さらにローパス・フィルタ34に入力される。これにより、ローパス・フィルタ34からは、高周波成分がカットされ、帯域制限された出力信号VOUTが出力される。
【0050】
なお、センサモードでは、制御信号発生回路38から判定回路36に向けて出力される判定指令信号S4はLow状態であり、判定動作は行われない。よって、判定回路36の出力信号VDETもLow状態となっている。
センサモードでは、以上の動作が繰返し行われる。
【0051】
次に、異常検出モードでの動作について図3のタイミングチャートを参照して説明する。制御信号発生回路38が出力するモード設定信号S1がHi信号の場合は、異常検出モードとなる。異常検出モードでは、制御信号発生回路38からサンプル・ホールド回路32に向けて出力されるサンプリング指令信号S3はLow状態であり、サンプリング動作は行われない。よって、ローパス・フィルタ34の出力信号VOUTもLow状態となっている。異常検出モードでは、センサモードと異なり、第3駆動信号VX2は第1駆動信号VX1に対して逆位相であり、第4駆動信号VR2は第2駆動信号VR1に対して逆位相である。第2駆動信号VR1が第1駆動信号VX1に対して逆位相であるのは、センサモードの場合と同様である。この結果、異常検出モードでは、第2センサ容量CX2と第2基準容量CR2に蓄積される電荷の極性が、センサモードの場合と逆になる。このため、オペアンプ30の出力電圧VOPは、式(1)のVOP1から式(2)のVOP2を減算した次式(4)となる。
VOP=VOP1−VOP2=(ΔCX1−ΔCX2)VP/CF (4)
【0052】
第1センサ容量CX1と第2センサ容量CX2は正常であれば、先に述べたように、作用する物理量の大きさとは無関係に容量増加値(容量変化値)ΔCX1とΔCX2が等しい。このため、オペアンプ30の出力電圧VOPは、センサ素子部22、24が正常の場合は、作用する物理量の大きさとは無関係に実質的にゼロとなる。
【0053】
図3において、期間T54〜T56の間は、センサ素子部22、24が正常で、オペアンプ30の出力電圧VOPがゼロとなっている。この出力電圧VOPは判定回路36に入力される。異常検出モードでは、期間T54〜T56の所定の時点で、制御信号発生回路38から判定回路36へHi状態の判定指令信号S4が出力される。判定回路36は、判定指令信号S4が入力されると、出力電圧VOPの値(絶対値)が異常判定値VTH以上か否かを判定する。出力電圧VOPの値が異常判定値VTHよりも小さい場合は、判定回路36は、判定信号VDETとしてLow信号(正常である旨を示す信号)を出力する。上記のように出力電圧VOPの値が異常判定値VTHよりも小さいゼロの場合は、判定回路36は、判定信号VDETとしてLow信号を出力する。
【0054】
これに対し、センサ素子部22、24に異常がある場合は、(ΔCX1−ΔCX2)がほぼゼロにはならない場合が生じる。例えば、センサ容量CX1、CX2を構成する可動電極と固定電極の間に異物(ゴミ等)が挟まった場合は、センサ容量CX1、CX2に所定の物理量が加わっても、可動電極が意図した分だけ変位することができず、意図した容量変化値が得られない場合が生じる。
この場合、オペアンプ30の出力電圧VOPの値がほぼゼロとはならない。
【0055】
期間T62〜T64の間は、センサ素子部22、24に異常が生じており、オペアンプ30の出力電圧VOPががほぼゼロとならず、V3となった場合を示している。異常検出モードでは、期間T62〜T64の間の所定の時点で、制御信号発生回路38から判定回路36へHi状態の判定指令信号S4が出力される。判定回路36が、その判定指令信号S4を受けた時点で、出力電圧VOPの値が異常判定値VTH以上の場合は、判定回路36は、判定信号VDETとしてHi信号(異常検出信号)を出力する。上記のように、出力電圧VOPが異常判定値VTHよりも大きいV3の場合は、判定回路36は、判定信号VDETとしてHi信号を出力する。
【0056】
センサ容量CX1、CX2は、異物(ゴミ等)の存在が異常を引き起こす可能性がセンサ装置の中でも相対的に高い。センサ容量CX1、CX2の可動電極と固定電極の間に異物が挟まった場合は、物理量が作用しても可動電極が変位しにくくなり、意図した容量変化値が得られなくなるからである。また、センサ容量CX1、CX2を構成する可動電極は、変位させることを前提した部位である。よって、繰返し使用されることで劣化し、物理量が作用しても意図した変位量(容量変化値)が得られない等の異常が生じる可能性が相対的に高い。
本実施例によると、このように、センサ装置の中でも相対的に異常が生じ易いセンサ素子部22、24の異常を、従来よりも簡易に、しかも精度良く検出することができる。
【0057】
また、制御信号発生回路38は、第2端子2から図2に示すパルス電圧(第2駆動信号)VX2と、これを反転させた図3に示すパルス電圧(第2駆動信号)VX2を、交互に繰返し出力するように制御可能であることが好ましい。即ち、制御信号発生回路38は、センサモードと異常検査モードを交互に繰返すように制御可能であることが好ましい。
【0058】
このようにすると、本実施例のセンサ装置によって、製造後の出荷時における異常検査のみならず、センサ装置の本来の動作であるセンサ動作を行いながら、その合間に異常検査を行うようなオンライン検査をも行うことができる。本実施例では、第2端子2と第4端子4から出力する電圧を反転させるだけで、センサモードと異常検査モードを容易に切換えることができるので、センサモードと異常検査モードを短い時間間隔で繰返すことが容易に行える。
【0059】
(第2実施例) 図6に示す第2実施例の静電容量式センサ装置は、電荷−電圧変換回路26を差動入力型にしたものである。第2センサ素子部24の出力はオペアンプ30の非反転入力端子に入力される。また、オペアンプ30の非反転入力端子は、第2帰還容量CF2を介して接地されている。第2帰還容量CF2には、第2スイッチ29が並列に接続されている。
【0060】
(第3実施例) 図7に示す第3実施例の静電容量式センサ装置は、駆動信号VX1、VX2、VR1、VR2の電圧波形を方形波から正弦波に変更したものである。また、第1実施例のサンプル・ホールド回路32に代えて、同期整流回路40を用いている。また、同期整流回路40の出力電圧が分岐線44を通じて判定回路36に入力される。なお、第2実施例と同様に、電荷−電圧変換回路26は差動入力型としている。
【0061】
第2実施例及び第3実施例の静電容量式センサ装置によっても、第1実施例の静電容量式センサ装置と同様の作用効果を得ることができる。
【0062】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
(1)例えば、上記実施例で使用した基準容量CR1に代えて、作用する物理量に応じて容量値がセンサ容量CX1と逆向きに変化し、基準容量値(基準物理量が作用したときの容量値)がセンサ容量CX2とほぼ等しい差動容量を用いてもよい。この構成によると、センサ容量CX1と前記差動容量の基準容量値が相殺され、センサ容量CX1の容量変化値と、前記差動容量の容量変化値の合計値だけを抽出できる。同様に、基準容量CR2に代えて、差動容量を用いてもよい。
(2)また、上記実施例では、帰還容量CFと並列にスイッチ28を設けた場合について説明したが、例えば帰還容量CFと並列に抵抗を設けてもよい。このようなスイッチ28や抵抗を設けることで、電荷−電圧変換回路26の直流動作点を適切に設定することができる。具体的には、オペアンプ30の逆相入力端子の直流電位を適切な値に設定することができる。
【0063】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1実施例の静電容量式センサ装置のブロック図を示す。
【図2】 第1実施例の静電容量式センサ装置のセンサモードでの動作を示すタイミングチャートである。
【図3】 第1実施例の静電容量式センサ装置の異常検出モードでの動作を示すタイミングチャートである。
【図4】 静電容量式センサ装置の動作を説明するための図を示す(1)。
【図5】 静電容量式センサ装置の動作を説明するための図を示す(2)。
【図6】 第2実施例の静電容量式センサ装置のブロック図を示す。
【図7】 第3実施例の静電容量式センサ装置のブロック図を示す。
【符号の説明】
20:駆動信号発生回路
22:第1センサ素子部
24:第2センサ素子部
26:電荷−電圧変換回路
28:スイッチ
30:オペアンプ
32:サンプル・ホールド回路
34:ローパス・フィルタ
36:判定回路
38:制御信号発生回路
CX1、CX2:センサ容量
CR1、CR2:基準容量
CF:帰還容量
VX1:第1駆動信号
VX2:第2駆動信号
VR1:第3駆動信号
VR2:第4駆動信号
S1:モード設定信号
S2:リセット信号
S3:サンプリング指令信号
S4:判定指令信号
Claims (3)
- 振幅値が経時的に所定値変化する第1電圧とともに、振幅値が経時的に前記所定値とほぼ等しい値変化する第2電圧又はその反転電圧を出力する第1手段と、
第1電圧が印加されるとともに、作用する物理量に応じて容量値が変化する第1センサ容量と、
第2電圧又はその反転電圧が印加されるとともに、作用する物理量に応じて容量値が変化し、所定の物理量が作用したときの容量変化値の絶対値及び基準容量値が第1センサ容量とほぼ等しい第2センサ容量と、
第1手段から第2電圧とその反転電圧のいずれを出力するかを制御する制御手段と、
第1手段から第1電圧とともに第2電圧が出力された場合は、第1センサ容量の容量変化値の絶対値と第2センサ容量の容量変化値の絶対値を加算した値に応じた信号値を出力し、第1手段から第1電圧とともに第2電圧の反転電圧が出力された場合は、一方のセンサ容量の容量変化値の絶対値から他方のセンサ容量の容量変化値の絶対値を減算した値に応じた信号値を出力する第2手段と、
第1手段から第2電圧の反転電圧が出力された場合の第2手段の出力信号値に基づいて、異常検出信号を出力する異常検出手段を備えた静電容量式センサ装置。 - 振幅値が経時的に所定値変化する第1電圧を出力する第1端子と、振幅値が経時的に前記所定値とほぼ等しい値変化する第2電圧又はその反転電圧を出力する第2端子を有する第1手段と、
一対の電極を有し、一方の電極が第1端子に接続されているとともに、作用する物理量に応じて容量値が変化する第1センサ容量と、
一対の電極を有し、一方の電極が第2端子に接続されているとともに、作用する物理量に応じて容量値が変化し、所定の物理量が作用したときの容量変化値の絶対値及び基準容量値が第1センサ容量とほぼ等しい第2センサ容量と、
第1手段の第2端子から第2電圧とその反転電圧のいずれを出力するかを制御する制御手段と、
各センサ容量の他方の電極が接続されているとともに、各センサ容量に蓄積された電荷の量及び極性に応じた信号値を出力する第2手段と、
第2手段の出力信号値に基づいて異常検出信号を出力する異常検出手段を備えた静電容量式センサ装置。 - 制御手段は、第1手段から第2電圧とその反転電圧を交互に繰返し出力するように制御可能である請求項1又は2に記載の静電容量式センサ装置。
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