JP4508480B2 - 静電容量型センサのセンサ特性測定装置 - Google Patents
静電容量型センサのセンサ特性測定装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4508480B2 JP4508480B2 JP2001211098A JP2001211098A JP4508480B2 JP 4508480 B2 JP4508480 B2 JP 4508480B2 JP 2001211098 A JP2001211098 A JP 2001211098A JP 2001211098 A JP2001211098 A JP 2001211098A JP 4508480 B2 JP4508480 B2 JP 4508480B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- capacitance
- voltage
- sensor
- electrodes
- detection
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
- G01R27/2605—Measuring capacitance
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Description
【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
Claims (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。 - 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。 - 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。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001211098A JP4508480B2 (ja) | 2001-07-11 | 2001-07-11 | 静電容量型センサのセンサ特性測定装置 |
US10/189,599 US6809527B2 (en) | 2001-07-11 | 2002-07-08 | Method of measuring a characteristic of a capacitive type of sensor, a sensor characteristic measuring apparatus, a capacitive type of sensor apparatus, and an ic chip for measuring a sensor characteristic |
DE10231153A DE10231153B8 (de) | 2001-07-11 | 2002-07-10 | Verfahren zur Messung einer Charakteristik eines kapazitiven Sensors, Vorrichtung zur Messung einer Sensorcharakteristik, kapazitiver Sensor und IC-Chip zur Messung einer Sensorcharakteristik |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001211098A JP4508480B2 (ja) | 2001-07-11 | 2001-07-11 | 静電容量型センサのセンサ特性測定装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003028825A JP2003028825A (ja) | 2003-01-29 |
JP4508480B2 true JP4508480B2 (ja) | 2010-07-21 |
Family
ID=19046470
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001211098A Expired - Fee Related JP4508480B2 (ja) | 2001-07-11 | 2001-07-11 | 静電容量型センサのセンサ特性測定装置 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US6809527B2 (ja) |
JP (1) | JP4508480B2 (ja) |
DE (1) | DE10231153B8 (ja) |
Families Citing this family (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100670018B1 (ko) | 2005-01-14 | 2007-01-19 | 삼성전자주식회사 | 가변 정전용량 소자, 이것을 이용한 바이오물질 검출장치및 바이오물질 검출방법 |
DE102006009076A1 (de) * | 2006-02-28 | 2007-08-30 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung des freien Falls |
JP4765708B2 (ja) * | 2006-03-23 | 2011-09-07 | 株式会社デンソー | 容量式物理量センサ |
US7956621B2 (en) * | 2008-06-11 | 2011-06-07 | Analog Devices, Inc. | Anti-capture method and apparatus for micromachined devices |
JP5260342B2 (ja) * | 2009-01-30 | 2013-08-14 | ローム株式会社 | Memsセンサ |
JP4797075B2 (ja) * | 2009-02-12 | 2011-10-19 | 株式会社豊田中央研究所 | 静電容量式センサ装置 |
TWI420826B (zh) * | 2010-04-09 | 2013-12-21 | Memsor Corp | 具有校正機制之電容式感測器及電容偵測方法 |
JP5574267B2 (ja) | 2010-05-06 | 2014-08-20 | ソウル・ナショナル・ユニバーシティ・アール・アンド・ディ・ファウンデイション | 静電容量素子センサー |
JP2012037439A (ja) * | 2010-08-10 | 2012-02-23 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 静電容量検出回路 |
JP2012093113A (ja) * | 2010-10-25 | 2012-05-17 | Panasonic Corp | 静電容量式加速度センサ |
CN204154738U (zh) * | 2012-04-20 | 2015-02-11 | 松下知识产权经营株式会社 | 惯性力传感器 |
EP2799891A1 (en) * | 2013-05-03 | 2014-11-05 | Sensirion AG | Sensor circuit arrangement |
JP6089986B2 (ja) * | 2013-06-12 | 2017-03-08 | 株式会社デンソー | センサ装置 |
JP6228865B2 (ja) * | 2014-03-06 | 2017-11-08 | アルプス電気株式会社 | センサ装置の検査方法及びそのセンサ装置 |
CN114556092A (zh) * | 2019-11-08 | 2022-05-27 | 日立安斯泰莫株式会社 | 湿度传感器诊断装置 |
US11722137B1 (en) * | 2020-10-02 | 2023-08-08 | Meta Platforms Technologies, Llc | Variable-distance proximity detector |
US11620946B1 (en) * | 2022-03-03 | 2023-04-04 | Apple Inc. | Dual-mode sense circuit with enhanced dynamic range and accuracy |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1992017759A1 (en) * | 1991-03-30 | 1992-10-15 | Kazuhiro Okada | Method of testing performance of device for measuring physical quantity by using change of distance between electrodes and physical quantity measuring device provided with function of executing this method |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5730908A (en) | 1980-08-04 | 1982-02-19 | Yokogawa Hokushin Electric Corp | Capacity type displacement conversion device |
JP3162149B2 (ja) | 1992-02-12 | 2001-04-25 | 株式会社日立製作所 | 静電容量式センサ |
JPH06160429A (ja) | 1992-11-16 | 1994-06-07 | Omron Corp | 半導体加速度センサの自己診断方法並びに装置及びそれに用いられる半導体加速度センサ |
JP3125675B2 (ja) | 1996-03-29 | 2001-01-22 | 三菱電機株式会社 | 容量型センサインターフェース回路 |
TW526327B (en) * | 1998-02-19 | 2003-04-01 | Sumitomo Metal Ind | Detection apparatus and method of physical variable |
-
2001
- 2001-07-11 JP JP2001211098A patent/JP4508480B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2002
- 2002-07-08 US US10/189,599 patent/US6809527B2/en not_active Expired - Lifetime
- 2002-07-10 DE DE10231153A patent/DE10231153B8/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1992017759A1 (en) * | 1991-03-30 | 1992-10-15 | Kazuhiro Okada | Method of testing performance of device for measuring physical quantity by using change of distance between electrodes and physical quantity measuring device provided with function of executing this method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE10231153A1 (de) | 2003-02-27 |
JP2003028825A (ja) | 2003-01-29 |
US20030011384A1 (en) | 2003-01-16 |
DE10231153B8 (de) | 2009-11-12 |
US6809527B2 (en) | 2004-10-26 |
DE10231153B4 (de) | 2009-07-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4508480B2 (ja) | 静電容量型センサのセンサ特性測定装置 | |
JP4336066B2 (ja) | 静電容量型センサ装置 | |
JP6088521B2 (ja) | オンチップの中和キャパシタ及び線形作動を用いて自動キャリブレーションを行うことによる容量性変換器の線形性増大 | |
JP3272412B2 (ja) | 容量型センサを評価しかつテストするための回路装置 | |
US5939633A (en) | Apparatus and method for multi-axis capacitive sensing | |
US8373424B2 (en) | Apparatus for detecting fault of flying capacitor of insulated condition detecting unit | |
US6257061B1 (en) | Capacitive physical-quantity detection apparatus | |
US7109727B2 (en) | Capacitive physical quantity sensor | |
US10228414B2 (en) | Capacitive sensor testing | |
US20090095080A1 (en) | Capacitive detector | |
US10571485B2 (en) | Accelerometers | |
US20220397593A1 (en) | Detecting capacitive faults and sensivity faults in capacitive sensors | |
JPH04503713A (ja) | センサ信号の処理装置 | |
JP6531279B2 (ja) | 加速度センサ | |
EP1914531B1 (en) | Deformation detection sensor | |
CN102458693B (zh) | 机电变换器和用于检测机电变换器的灵敏度变化的方法 | |
US20120036915A1 (en) | Sensor system and method for calibrating a sensor system | |
US11454562B2 (en) | Sensor arrangement and method of operating a sensor arrangement | |
JP4150292B2 (ja) | 異常検出機能を持つ静電容量式センサ装置 | |
RU2797312C1 (ru) | Пьезоэлектрический датчик давления ударных волн | |
JP6982725B2 (ja) | センサ | |
JPH06230026A (ja) | 加速度センサ | |
JP5668212B2 (ja) | 自己診断機能を有する角速度センサ | |
JP4959199B2 (ja) | 検電装置 | |
JP2012059590A (ja) | 放電特性テスト装置および放電特性テスト方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20071025 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20091019 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20091110 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20091215 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20100413 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20100427 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130514 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4508480 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313532 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130514 Year of fee payment: 3 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130514 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140514 Year of fee payment: 4 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |