(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-11-20
(45)【発行日】2023-11-29
(54)【発明の名称】センサ装置
(51)【国際特許分類】
G01L 9/00 20060101AFI20231121BHJP
【ＦＩ】
G01L9/00 305U
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2022545545
(86)(22)【出願日】2021-07-21
(86)【国際出願番号】 JP2021027282
(87)【国際公開番号】W WO2022044632
(87)【国際公開日】2022-03-03
【審査請求日】2023-02-10
(31)【優先権主張番号】P 2020144621
(32)【優先日】2020-08-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000006231
【氏名又は名称】株式会社村田製作所
(74)【代理人】
【識別番号】100132241
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 博史
(74)【代理人】
【識別番号】100189555
【弁理士】
【氏名又は名称】徳山 英浩
(74)【代理人】
【識別番号】100100479
【弁理士】
【氏名又は名称】竹内 三喜夫
(72)【発明者】
【氏名】杉林 英明
【審査官】岡田 卓弥
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－１６５２２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－３３７９２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－１４１５９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平７－１２６６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１８０５０５（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｌ ７／００－２３／３２
Ｇ０１Ｌ２７／００－２７／０２
Ｈ０１Ｌ２９／８４
Ｈ０４Ｒ１７／００
Ｈ０４Ｒ１９／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基準電位に保持される第１電極部と、該第１電極部に対向して設けられ、周囲の圧力変化に応じて変位する第２電極部と、
該第２電極部の外側に設けられ、基準電位に保持されるケーシング部材と、
前記第２電極部からの信号を増幅して、予め定めたサンプリング周期で前記第１電極部と前記第２電極部との間の静電容量を検出する容量検出回路と、
サンプリング前後の静電容量値の差分ΔＣを計測し、該差分ΔＣと予め定めた閾値Ｃｔａを比較して、ΔＣ≧Ｃｔａである場合に前記ケーシング部材への異物の付着を判定する信号処理回路と、を備えるセンサ装置。
【請求項2】
基準電位に保持される第１電極部と、該第１電極部に対向して設けられ、周囲の圧力変化に応じて変位する第２電極部と、
該第２電極部の外側に設けられ、基準電位に保持されるケーシング部材と、
前記第２電極部からの信号を増幅して、前記第１電極部と前記第２電極部との間の静電容量を検出する容量検出回路と、
検出した静電容量値Ｃｓと予め定めた閾値Ｃｔｂを比較して、Ｃｓ＞Ｃｔｂである場合に前記ケーシング部材への異物の付着を判定する信号処理回路と、を備えるセンサ装置。
【請求項3】
異物の付着を判定した場合、前記容量検出回路及び／又は前記信号処理回路のゲインが調整される、請求項１または２に記載のセンサ装置。【請求項4】
前記信号処理回路と外部ホストとの間でデータ伝送を行うインタフェース回路をさらに備え、異物の付着を判定した場合、前記インタフェース回路を経由して前記外部ホストにアラーム信号を送信する、請求項１または２に記載のセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、気圧や水圧などの圧力および、音波や超音波などの圧力変化を測定するためのセンサ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
圧力センサは、半導体製造技術を応用したＭＥＭＳ（マイクロ電気機械システム）技術を用いて製造でき、例えば、約０．５～２ｍｍ角の超小型センサが実現できる。典型的な圧力センサは、２つの電極を備えたキャパシタ構造を有し、周囲圧力の変化に起因した静電容量の変化を検知することによって圧力測定が可能である。こうしたキャパシタ構造は、電極間に空気、各種ガス、電気絶縁体、圧電体などを含んでもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１１－１２０１７０号公報
【文献】国際公開第２０１６／１１４１７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来の圧力センサでは、水没や結露に起因して水滴などの異物が付着すると、検知窓が閉塞したり、電極の周囲に存在する電気力線の分布が攪乱され、測定値を変動させることがある。
【0005】
しかしながら、圧力センサからの信号を受信する外部ホストは、異物の付着という状態を認識しなければ、変動した測定値をそのまま真の値として取り扱うことになる。その結果、誤った信号処理が行われ、ユーザに不正確な情報を提示する可能性がある。
本発明の目的は、異物の付着を確実に検知できるセンサ装置を提供することである。
本発明の目的は、異物の付着を確実に検知できるセンサ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一態様に係るセンサ装置は、
基準電位に保持される第１電極部と、
該第１電極部に対向して設けられ、周囲の圧力変化に応じて変位する第２電極部と、
該第２電極部の外側に設けられ、基準電位に保持されるケーシング部材と、
前記第２電極部からの信号を増幅して、予め定めたサンプリング周期で前記第１電極部と前記第２電極部との間の静電容量を検出する容量検出回路と、
サンプリング前後の静電容量値の差分ΔＣを計測し、該差分ΔＣと予め定めた閾値Ｃｔａを比較して、ΔＣ≧Ｃｔａである場合に前記ケーシング部材への異物の付着を判定する信号処理回路と、を備える。
基準電位に保持される第１電極部と、
該第１電極部に対向して設けられ、周囲の圧力変化に応じて変位する第２電極部と、
該第２電極部の外側に設けられ、基準電位に保持されるケーシング部材と、
前記第２電極部からの信号を増幅して、予め定めたサンプリング周期で前記第１電極部と前記第２電極部との間の静電容量を検出する容量検出回路と、
サンプリング前後の静電容量値の差分ΔＣを計測し、該差分ΔＣと予め定めた閾値Ｃｔａを比較して、ΔＣ≧Ｃｔａである場合に前記ケーシング部材への異物の付着を判定する信号処理回路と、を備える。
【0007】
本発明の他の態様に係るセンサ装置は、
基準電位に保持される第１電極部と、
該第１電極部に対向して設けられ、周囲の圧力変化に応じて変位する第２電極部と、
該第２電極部の外側に設けられ、基準電位に保持されるケーシング部材と、
前記第２電極部からの信号を増幅して、前記第１電極部と前記第２電極部との間の静電容量を検出する容量検出回路と、
検出した静電容量値Ｃｓと予め定めた閾値Ｃｔｂを比較して、Ｃｓ＞Ｃｔｂである場合に前記ケーシング部材への異物の付着を判定する信号処理回路と、を備える。
基準電位に保持される第１電極部と、
該第１電極部に対向して設けられ、周囲の圧力変化に応じて変位する第２電極部と、
該第２電極部の外側に設けられ、基準電位に保持されるケーシング部材と、
前記第２電極部からの信号を増幅して、前記第１電極部と前記第２電極部との間の静電容量を検出する容量検出回路と、
検出した静電容量値Ｃｓと予め定めた閾値Ｃｔｂを比較して、Ｃｓ＞Ｃｔｂである場合に前記ケーシング部材への異物の付着を判定する信号処理回路と、を備える。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、異物の付着を確実に検知できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の実施形態１に係るセンサ装置の電極構造の一例を示す断面図である。
【図2】本発明の実施形態１に係るセンサ装置の機械的構成の一例を示す断面図である。
【図3】本発明の実施形態１に係るセンサ装置の電気的構成の一例を示すブロック図である。
【図5】水滴Ｗによる寄生容量Ｃｐｗｄの発生を示す説明図である。
【図6】サンプリング前後の圧力値の差分ΔＰの時間変化を示すグラフである。
【図7】センサ装置が出力する絶対圧力Ｐの時間変化を示すグラフである。
【図8】外部ホストおよびセンサ装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図9】本発明の実施形態２に係るセンサ装置の電極構造の一例を示す断面図である。
【図10】本発明の実施形態２に係るセンサ装置の電気的構成の一例を示すブロック図である。
【図11】水滴付着に起因した寄生容量を示す説明図である。
【図12】本発明の実施形態２に係るセンサ装置の水滴検知回路の一例を示すブロック図である。
【図13】本発明の実施形態３に係るセンサ装置の電極構造の一例を示す断面図である。
【図14】本発明の実施形態３に係るセンサ装置の電気的構成の一例を示すブロック図である。
【図15】水滴付着に起因した寄生容量を示す説明図である。
【図16】本発明の実施形態３に係るセンサ装置の水滴検知回路の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本発明の一態様に係るセンサ装置は、
基準電位に保持される第１電極部と、
該第１電極部に対向して設けられ、周囲の圧力変化に応じて変位する第２電極部と、
該第２電極部の外側に設けられ、基準電位に保持されるケーシング部材と、
前記第２電極部からの信号を増幅して、予め定めたサンプリング周期で前記第１電極部と前記第２電極部との間の静電容量を検出する容量検出回路と、
サンプリング前後の静電容量値の差分ΔＣを計測し、該差分ΔＣと予め定めた閾値Ｃｔａを比較して、ΔＣ≧Ｃｔａである場合に前記ケーシング部材への異物の付着を判定する信号処理回路と、を備える。
基準電位に保持される第１電極部と、
該第１電極部に対向して設けられ、周囲の圧力変化に応じて変位する第２電極部と、
該第２電極部の外側に設けられ、基準電位に保持されるケーシング部材と、
前記第２電極部からの信号を増幅して、予め定めたサンプリング周期で前記第１電極部と前記第２電極部との間の静電容量を検出する容量検出回路と、
サンプリング前後の静電容量値の差分ΔＣを計測し、該差分ΔＣと予め定めた閾値Ｃｔａを比較して、ΔＣ≧Ｃｔａである場合に前記ケーシング部材への異物の付着を判定する信号処理回路と、を備える。
【0011】
この構成によれば、第２電極部の外側に設けられたケーシング部材は基準電位に保持される。水滴などの異物がケーシング部材に付着すると、ケーシング部材と第２電極部との間に存在する寄生容量が変化し、典型的には増加して、検出した静電容量値が増加するようになる。信号処理回路は、静電容量値の差分ΔＣを計測し、この差分ΔＣが閾値Ｃｔａに等しいか、これを上回った場合にケーシング部材への異物の付着を判定する。これにより異物の付着を確実に検知できる。
【0012】
本発明の他の態様に係るセンサ装置は、
基準電位に保持される第１電極部と、
該第１電極部に対向して設けられ、周囲の圧力変化に応じて変位する第２電極部と、
該第２電極部の外側に設けられ、基準電位に保持されるケーシング部材と、
前記第２電極部からの信号を増幅して、前記第１電極部と前記第２電極部との間の静電容量を検出する容量検出回路と、
検出した静電容量値Ｃｓと予め定めた閾値Ｃｔｂを比較して、Ｃｓ＞Ｃｔｂである場合に前記ケーシング部材への異物の付着を判定する信号処理回路と、を備える。
基準電位に保持される第１電極部と、
該第１電極部に対向して設けられ、周囲の圧力変化に応じて変位する第２電極部と、
該第２電極部の外側に設けられ、基準電位に保持されるケーシング部材と、
前記第２電極部からの信号を増幅して、前記第１電極部と前記第２電極部との間の静電容量を検出する容量検出回路と、
検出した静電容量値Ｃｓと予め定めた閾値Ｃｔｂを比較して、Ｃｓ＞Ｃｔｂである場合に前記ケーシング部材への異物の付着を判定する信号処理回路と、を備える。
【0013】
この構成によれば、第２電極部の外側に設けられたケーシング部材は基準電位に保持される。水滴などの異物がケーシング部材に付着すると、第１電極部と第２電極部との間に存在する寄生容量が変化し、典型的には増加して、検出した静電容量値が増加するようになる。信号処理回路は、静電容量値Ｃｓが閾値Ｃｔｂを上回った場合にケーシング部材への異物の付着を判定する。これにより異物の付着を確実に検知できる。
【0014】
本発明において、異物の付着を判定した場合、前記容量検出回路及び／又は前記信号処理回路のゲインが調整されることが好ましい。
【0015】
この構成によれば、異物が付着すると、検出した値が変化し、測定系のダイナミックレンジを逸脱して上限値または下限値に飽和することがある。そこで、圧力検出回路及び／又は前記信号処理回路のゲインを減少または増加させることによって、検出した値をダイナミックレンジ内に維持することが可能になる。
【0016】
本発明において、前記信号処理回路と外部ホストとの間でデータ伝送を行うインタフェース回路をさらに備え、
異物の付着を判定した場合、前記インタフェース回路を経由して前記外部ホストにアラーム信号を送信することが好ましい。
異物の付着を判定した場合、前記インタフェース回路を経由して前記外部ホストにアラーム信号を送信することが好ましい。
【0017】
この構成によれば、異物の付着を判定した場合、インタフェース回路を経由して外部ホストにアラーム信号を送信することによって、異物付着状態を外部ホストに通知することが可能になる。これにより外部ホストは、ユーザに提示する情報に誤差があることを通知したり、ユーザへの情報提示を停止したりできる。
【0018】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るセンサ装置の電極構造の一例を示す断面図である。この電極構造１０は、第１電極部として機能する導電性のベース基板１１と、第２電極部として機能するメンブレン１５と、両者間に間隙Ｇを維持するスペーサ部とを備える。ベース基板１１は導電性がない場合は内側の面に電極を付加してもよい。スペーサ部は、ガード電極層１３と、その上下に配置された電気絶縁層１２，１４とを含む。ベース基板１１とメンブレン１５は間隙側に電極を付けて外部端子へ引き出してもよい。
図１は、本発明の実施形態１に係るセンサ装置の電極構造の一例を示す断面図である。この電極構造１０は、第１電極部として機能する導電性のベース基板１１と、第２電極部として機能するメンブレン１５と、両者間に間隙Ｇを維持するスペーサ部とを備える。ベース基板１１は導電性がない場合は内側の面に電極を付加してもよい。スペーサ部は、ガード電極層１３と、その上下に配置された電気絶縁層１２，１４とを含む。ベース基板１１とメンブレン１５は間隙側に電極を付けて外部端子へ引き出してもよい。
【0019】
電極間の静電容量Ｃｓは、間隙Ｇの誘電率ε、電極面積Ｓ、電極間距離ｄを用いて、Ｃｓ＝ε×Ｓ／ｄで表される。外部と間隙Ｇとの圧力差に応じてメンブレン１５が弾性変形すると、メンブレン１５とベース基板１１との間の電極間距離ｄが変化し、それに応じて静電容量Ｃｓも変化する。静電容量Ｃｓの変化は、センス端子ＴＳを経由して外部回路によって検出される。
【0020】
ベース基板１１とメンブレン１５との間の静電容量を測定する場合、ベース端子ＴＢとセンス端子ＴＳとの間に正電圧または負電圧を一定周期で印加し、発生する電荷を取り出してＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換し、続いてデジタル演算によって直線性や温度特性を補正して適正な圧力値に変換している。
【0021】
ベース基板１１およびメンブレン１５は、例えば、多結晶Ｓｉ、アモルアァスＳｉ、単結晶Ｓｉなどの導電性材料で形成される。電気絶縁層１２，１４は、酸化シリコンなどの電気絶縁性材料で形成される。ガード電極層１３は、メンブレン１５とベース基板１１との間に介在することにより、圧力変化に関係しない浮遊静電容量をキャンセルすることが可能になる。
【0022】
図２は、本発明の実施形態１に係るセンサ装置の機械的構成の一例を示す断面図である。センサ装置２０は、基板２１と、基板２１の上に搭載された集積回路３０と、図１に示した電極構造１０と、ケーシング２２などを備える。
【0023】
集積回路３０は、例えば、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ＰＬＤ、ＣＰＬＤなどで構成され、アナログ回路およびプログラム可能なデジタル回路が内蔵されている。電極構造１０は、集積回路３０の上に搭載可能であり、ボンディングワイヤを用いて互いに電気的に接続される。基板２１には、配線パターン、電源端子、インタフェース端子などが設けられ、その上面には集積回路３０が搭載され、ボンディングワイヤを用いて互いに電気的に接続される。
【0024】
ケーシング２２は、金属などの導電性材料で形成された筒状部材であり、基板２１の上面に固定された状態で電極構造１０および集積回路３０を収納するための内部空間を確保している。ケーシング２２の上部には、外気と内部空間とを連通するための開口２２ａが設けられる。内部空間は、空気だけでもよく、あるいは図示のようにゲル(gel)２３が充填されてもよい。ゲル２３は、電極構造１０および集積回路３０を封入するために使用される。ゲル２３の柔軟性により、外部圧力は電極構造１０へ伝達可能である。さらにゲル２３の防水性、耐水性、防食性により電極構造１０および集積回路３０の保護が図られる。
【0025】
図３は、本発明の実施形態１に係るセンサ装置の電気的構成の一例を示すブロック図である。集積回路３０は、増幅器３１と、ＣＤＣ(Capacitance to Digital Convertor)回路３２と、デジタルフィルタ３３と、温度センサ３５と、ＴＤＣ(Temperature to Digital Convertor)回路３６と、デジタルフィルタ３７と、同期回路４０と、デジタル補正部４１と、メモリ部４２と、ロジック部４３と、デジタルＩ／Ｆ（インタフェース）部４４などで構成される。なお、図示していないが、電極構造１０と増幅器３１との間には、電極構造１０に矩形波電圧を供給するパルス発生器が設けられる。こうした集積回路３０は、ＣＰＵ、ＧＰＵなどの演算プロセッサ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリ、ソフトウエア、アナログ回路などのハードウエアの組合せで実装できる。
【0026】
増幅器３１は、上述した電極構造１０からの電荷信号をアナログ圧力信号に変換して適正なレベルまで増幅する。ＣＤＣ回路３２は、増幅器３１からの圧力信号をデジタル信号に変換する。デジタルフィルタ３３は、ＣＤＣ回路３２からのデジタル信号に対してフィルタリングを施し、高域周波数のノイズ成分を除去し、低域周波数帯の信号を出力する。
【0027】
温度センサ３５は、ＰＮ接合ダイオードやサーミスタなどを含み、電極構造１０近傍の温度を計測してアナログ温度信号を出力する。ＴＤＣ回路３６は、温度センサ３５からの温度信号をデジタル信号に変換する。デジタルフィルタ３７は、ＴＤＣ回路３６からのデジタル信号に対してフィルタリングを施し、高域周波数のノイズ成分を除去し、低域周波数帯の信号を出力する。
【0028】
デジタル補正部４１は、温度センサ３５からのデジタル温度信号およびメモリ部４２に保存された補正係数を用いて、デジタルフィルタ３３から出力されるデジタル圧力信号を補正し、温度補正および直線性補正を行う。
【0029】
同期回路４０は、ＣＤＣ回路３２、ＴＤＣ回路３６、デジタルフィルタ３３，３７に所定周期のクロックを供給してデジタル動作を同期させる。このクロックに基づいて圧力信号のサンプリング周期が設定される。クロックは、固定された単一周期でもよく、あるいは複数の周期から選択可能でもよい。
【0030】
メモリ部４２は、ＥＥＰＲＯＭ、ポリヒューズ、ＲＡＭなどで構成され、レジスタおよびＦＩＦＯバッファを有する。レジスタは、測定データ、補正係数などの各種デジタルデータを保存する機能を有する。ＦＩＦＯバッファは、デジタルデータを一時的に保存して、入力と出力のタイミングを調整する機能を有する。一括でデジタルデータを読み出すことで通信の頻度を低減し、消費電力をセーブすることが可能である。
【0031】
デジタルＩ／Ｆ部４４は、外部ホストと通信する機能を有し、各種デジタルデータの送受信を行う。外部ホストは、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）、スマートフォン、携帯電子機器、腕時計などとして構成され、ＣＰＵ、ＧＰＵなどの演算プロセッサ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリ、ソフトウエア、アナログ回路などのハードウエアの組合せで構成でき、類似の通信インタフェースを含む。
【0032】
ロジック部４３は、ソフトウエアで実装される各種プログラムを保存する機能を有し、例えば、メモリ部４２に保存された測定データに対して信号処理を施すプログラム、集積回路３０の全体動作を制御するプログラム、外部ホストへの送信データ（例えば、アラーム）を生成するプログラム、外部ホストからの受信データを処理するプログラムなどが保存される。
【0033】
次にデジタル補正部４１の特性補正機能について説明する。センサ装置２０は、出荷前の特性検査の際に製品テスタを用いて絶対圧力値の校正を行ってから出荷する。絶対圧力値の校正は、例えば、温度：-２０℃／２５℃／６５℃、圧力範囲：３０ｋＰａ～１１０ｋＰａの環境にてセンサ出力の初期値を測定する。これらの初期値に基づいて、補正係数ａｉｊ（ｉ，ｊは整数）を算出し、これらを集積回路３０内の不揮発メモリに保存しておく。
【0034】
次に、センサ装置２０を搭載した電子機器において実際に圧力センシングを実施する場合、デジタル補正部４１は、補正係数ａｉｊを読み出し、測定した圧力値と温度値を用いて多項式演算を行い、下記の最終出力ｐ（Ｌ，Ｔ）が得られる。ここで、ａｉｊは温度／直線性の補正係数、ｆ（Ｌ）は直線性の関数、ｆ（Ｔ）は温度の関数である。
ｐ（Ｌ，Ｔ）＝Σ［ａｉｊ・ｆ（Ｌ）・ｆ（Ｔ）］ …（１）
ｐ（Ｌ，Ｔ）＝Σ［ａｉｊ・ｆ（Ｌ）・ｆ（Ｔ）］ …（１）
【0035】
これらの補正演算は、集積回路３０内のＣＰＵによって１ｍｓ以内に実行され、結果として温度特性と直線性が補正され、使用温度範囲にて高精度な絶対圧力値が得られる。
【0036】
次にロジック部４３の各種機能について説明する。一例として、ロジック部４３には下記のような機能を有するプログラムが保存される。
・水滴検知機能
・ゲイン調整機能
・閾値／ゲイン設定機能
・ゲイン初期化機能
・アラーム機能
・高速ＯＤＲ(Output Data Rate)機能
・水滴検知機能
・ゲイン調整機能
・閾値／ゲイン設定機能
・ゲイン初期化機能
・アラーム機能
・高速ＯＤＲ(Output Data Rate)機能
【0037】
最初に水滴検知機能について説明する。図４（Ａ）は、センサ装置２０の開口２２ａに水滴Ｗが付着した状態を示す断面図である。図４（Ｂ）は、検出対象の静電容量Ｃの時間変化を示すグラフである。図５は、水滴Ｗによる寄生容量Ｃｐｗｄの発生を示す説明図である。ケーシング２２は接地され、ベース基板１１とともにグランド電位に保持される。
【0038】
水滴Ｗが付着していない場合、センサ装置２０のメンブレン１５が気圧に応じて撓み変形しており、電極間の静電容量Ｃｓの計測によって気圧を正確に検出できる。一方、図４に示すように、時刻ｔ０で水滴Ｗが開口２２ａに接触し始めて、時刻ｔ１で水滴Ｗが完全に付着すると、電極間の静電容量Ｃｓに対して水滴Ｗによる静電容量ΔＣが追加されるようになる。一例として、時刻ｔ０から時刻ｔ１までは約１ｍｓ（ミリ秒）以内であり、ΔＣは約０．１ｐＦ～１０ｐＦである。
【0039】
図６は、サンプリング前後の圧力値の差分ΔＰの時間変化を示すグラフである。圧力値の差分ΔＰは、静電容量の差分ΔＣに対応する。気圧が変化しない場合、差分ΔＰはゼロを示すが、時刻ｔ０～ｔ１で水滴Ｗが付着すると、ΔＰはパルス状に増加して、その後再びゼロに戻る。このとき差分ΔＰと予め定めた閾値Ｐｔｈを比較して、ΔＰ≧Ｐｔｈである場合にケーシング２２への水滴Ｗの付着を判定することができる。圧力閾値Ｐｔｈは、静電容量の閾値Ｃｔaに対応する。
【0040】
次にゲイン調整機能について説明する。図７は、センサ装置２０が出力する絶対圧力Ｐの時間変化を示すグラフである。絶対圧力Ｐは、電極間の静電容量Ｃｓに対応する。水滴Ｗが付着していない場合、絶対圧力Ｐは約１気圧に相当する１００ｋＰａを示している。ゲイン調整を行わない場合、時刻ｔ０～ｔ１で水滴Ｗが付着すると、水滴Ｗによる静電容量ΔＣの増加に起因して絶対圧力Ｐは大きく増加し、測定系のダイナミックレンジを逸脱して上限値ＵＬ（ここでは、１３０ｋＰａ）に飽和してしまう。出力信号が飽和すると、常に一定となり、無意味な数値になる。
【0041】
一方、上述のように水滴付着を検知した場合、ゲイン調整機能によりゲインを減少させることによって、グラフの△印で示すように、気圧の変化に応じた信号を出力することが可能になる。従って、絶対圧力Ｐは、水滴Ｗによる誤差を内在することになるが、圧力の相対変化に関する情報を提示することが可能になる。
【0042】
ゲイン調整は、集積回路３０の各ブロックのうちの少なくとも１つのゲインを増減させてもよく、あるいはロジック部４３においてデジタルデータに対して信号処理を施すプログラムを用いて行ってもよい。
【0043】
次に閾値／ゲイン設定機能とゲイン初期化機能について説明する。上述した閾値Ｐｔｈおよび集積回路３０の各ブロックのゲインは、工場出荷時の初期値および外部ホストが設定可能なユーザ設定値としてメモリ部４２に保存可能である。そのため外部ホストからのコマンドに従って、閾値Ｐｔｈおよび集積回路３０のゲインを変更したり、初期化することが可能である。
【0044】
一例として、メモリ部４２に水滴付着前の初期ゲインおよび水滴付着後のゲインを予め保存する。ゲインは、デジタル補正部４１の演算結果に対して乗算することで反映してもよい。ゲイン調整後の最終出力ｐ（Ｌ，Ｔ，Ｇ）は、下記の式（２）で表される。ここで、ａｉｊは温度／直線性の補正係数、ｆ（Ｌ）は直線性の関数、ｆ（Ｔ）は温度の関数、Ｇはゲインである。
ｐ（Ｌ，Ｔ，Ｇ）＝Σ［ａｉｊ・ｆ（Ｌ）・ｆ（Ｔ）］×Ｇ …（２）
ｐ（Ｌ，Ｔ，Ｇ）＝Σ［ａｉｊ・ｆ（Ｌ）・ｆ（Ｔ）］×Ｇ …（２）
【0045】
例えば、初期ゲインＧｉ＝１．０、水滴付着後ゲインＧｗｄ＝０．１に設定した場合、水滴付着の前後でゲインが１／１０に切り替わるため、水滴の影響によって信号が飽和することを回避できる。その後、水滴が蒸発する時間を見計らって、初期ゲインに戻してもよく、これにより通常の圧力測定を再開することが可能である。
【0046】
次にアラーム機能について説明する。上述のように水滴付着を検知した場合、メモリ部４２に事前に保存したアラーム情報を、デジタルＩ／Ｆ部４４を経由して外部ホストに送信することが可能である。アラーム情報は、テキストデータまたはバイナリデータの形態でもよく、ハードウェアの外部出力の割込み信号の形態でもよい。例えば、水滴付着を検知した場合、メモリ部４２の所定アドレスに設定された水滴検知ビット（フラグ）を０→１に切り替え、このフラグ情報を、例えば、ＳＰＩ／Ｉ２Ｃなどのシリアル通信規格に従って外部ホストに送信してもよい。あるいは、水滴付着イベントの発生を表示する割込みレジスタにフラグ情報を転送し、外部ホストから読み出してもよい。あるいは、集積回路３０の外部出力端子を介して出力レベルが０→１に切り替わるような割込み信号を出力してもよく、この場合はリアルタイムで通知できる。
【0047】
外部ホストが集積回路３０からアラームを受信すると、センサ装置２０が非定常状態であることを認識できる。これにより外部ホストは、ユーザに提示する情報に誤差があることを通知したり、ユーザへの情報提示を停止したりできる。
【0048】
次に高速ＯＤＲ(Output Data Rate)機能について説明する。同期回路４０は、複数の周波数を有するクロック、例えば、低周波クロックと高周波クロックを選択的に発生するように構成してもよい。同期回路４０が発生するクロックの周波数を高くすることによって、１回の圧力測定に要する時間が短くなり、全体の測定時間も短縮されて、高速ＯＤＲを実現できる。例えば、クロック周波数６６ｋＨｚ（周期１５．１μｓ）で１２８回のサンプリングを実施すると、測定時間は１５．１μｓ×１２８＝１９４０μｓとなる。一方、クロック周波数を２倍の１３２ｋＨｚ（周期７．６μｓ）で１２８回のサンプリングを実施すると、測定時間は７．６μｓ×１２８＝９７０μｓとなり、全体の測定時間を短縮できる。連続的に測定を続けると、９７０μｓ毎に圧力値が得られることになる。
【0049】
こうした高速ＯＤＲ手法を用いて高速レートの圧力測定を行い、連続する２つのサンプリング時刻での圧力差分ΔＰを監視する。例えば、ＯＤＲ＝１０００Ｈｚとすると、１ｍｓ毎に圧力差分ΔＰが得られる。外部気圧は、その性質上、ｍｓオーダーの急激な過渡変化を起こすことはなく、水滴が付着した場合にのみ急激な圧力変化が起こる。そこで、差分ΔＰと予め定めた閾値Ｐｔｈを比較して、ΔＰ≧Ｐｔｈである場合にケーシング２２への水滴Ｗの付着を判定することができる。
【0050】
図８は、外部ホストおよびセンサ装置の動作の一例を示すフローチャートである。ユーザがホストにインストールされた圧力測定アプリを起動すると、ステップＨ１において、ホストはセンサ制御フローを開始する。次にステップＨ２において、ホストは、水滴検知モードに必要なパラメータを設定するコマンドをセンサに送信する。センサは、ステップＳ１において水滴検知モードに必要なパラメータ（例えば、サンプリングレート、閾値Ｐｔｈ、ゲイン切替えの有効／無効）をメモリに保存する。
【0051】
次にステップＨ３において、ホストは、圧力測定を開始するコマンドをセンサに送信する。センサは、ステップＳ２において圧力測定を開始し、続いてステップＳ３において測定した圧力データをメモリに保存する。次にステップＨ４において、ホストは、圧力データを読み出すためのコマンドをセンサに送信して、測定された圧力データを受信する。次にステップＨ５において、ホストは、圧力測定アプリの画面に測定された圧力を表示する。ステップＳ３，Ｈ４，Ｈ５は、マルチタスク処理によって他のステップと同時並行に実行される。
【0052】
続いてセンサは、ステップＳ４においてサンプリング前後の圧力データの差分ΔＰを算出し、ステップＳ５において差分ΔＰと予め定めた閾値Ｐｔｈを比較する。差分ΔＰが閾値Ｐｔｈより小さい場合（ΔＰ＜Ｐｔｈ）、ステップＳ６に移行して圧力測定を継続するものと判定し、ステップＳ４に戻る。一方、ΔＰ≧Ｐｔｈである場合、ステップＳ７に移行してセンサへの水滴付着ありと判定し、水滴検知アラームを発動する。この場合、例えば、割り込み出力端子をローレベルからハイレベルに変化させてもよく、あるいは状態レジスタのフラグを立ててもよい。
【0053】
続いてセンサは、ステップＳ８においてゲイン切り替えが有効または無効であるかを確認する。無効であれば、ステップＳ９に移行してゲイン切り替えなしで測定を停止する。一方、有効であれば、ステップＳ１０に移行してゲインを下げて測定を継続する。
【0054】
一方、ステップＨ６において、ホストは、センサからの水滴検知アラームを確認する。次にステップＨ７において、圧力測定アプリの画面での圧力表示を停止する。このときアラーム発生のメッセージを表示してもよい。次にステップＨ８において、ホストは、圧力測定を停止するコマンドをセンサに送信する。センサは、ステップＳ１１において圧力測定を停止する。
【0055】
このように本実施形態によれば、水滴の付着を正確に検出することが可能になる。さらに水滴付着後はゲイン切り替えを行うことが好ましく、これにより測定値がダイナミックレンジの上限値または下限値に飽和するのを回避でき、測定を継続できる。
【0056】
また、ホストを使用しているユーザに向けて水滴検知アラームを通知できるため、ユーザは、センサが非定常状態であることを認識できる。
【0057】
また、集積回路のデジタル信号処理によって、水滴検出フロー、ゲイン調整フロー、アラーム発動フローなどがプログラミングによって容易に実装可能である。また、簡易なロジック回路で集積化できるため、チップ面積やコストの増加を抑制しつつ、高い付加価値を実現することができる。
【0058】
（実施形態２）
図９は、本発明の実施形態２に係るセンサ装置の電極構造の一例を示す断面図である。この電極構造５０は、超音波を送信／受信するｐＭＵＴ(Piezo Micro-machined Ultrasonic Transducer)として使用可能であり、一例として、シリコンなどの基板５１と、ＡｌＮなどの支持層５２と、ＡｌＮ，ＫＮＮ，ＰＺＴなどの圧電体層５３と、第１電極部としての下部電極５４と、ヒータ５５と、第２電極部としての上部電極５６と、ケーシング部材としてのＡｌＮなどの保護膜５７とを備える。基板５１には、超音波が通過する窓５１ａが設けられる。
図９は、本発明の実施形態２に係るセンサ装置の電極構造の一例を示す断面図である。この電極構造５０は、超音波を送信／受信するｐＭＵＴ(Piezo Micro-machined Ultrasonic Transducer)として使用可能であり、一例として、シリコンなどの基板５１と、ＡｌＮなどの支持層５２と、ＡｌＮ，ＫＮＮ，ＰＺＴなどの圧電体層５３と、第１電極部としての下部電極５４と、ヒータ５５と、第２電極部としての上部電極５６と、ケーシング部材としてのＡｌＮなどの保護膜５７とを備える。基板５１には、超音波が通過する窓５１ａが設けられる。
【0059】
図１０は、本発明の実施形態２に係るセンサ装置の電気的構成の一例を示すブロック図である。集積回路６０は、ＣＰＵなどのコントローラ６１と、電荷ポンプ回路（昇圧回路）６２と、増幅器６３と、バンドパス特性を備えたＡＤＣ(Analog to Digital Convertor)回路６４と、ＤＳＰ(Digital Signal Processor)回路６５と、基準電圧回路６６と、メモリ６７と、Ｉ２ＣなどのＩ／Ｆ（インタフェース）回路６８などで構成される。上部電極５６は、スイッチ回路により、増幅器６３またはＡＤＣ回路６４に交互に接続される。下部電極５４は、基準電圧回路６６に接続される。バンドパス特性はＡＤＣでＡＤ変換後にデジタルフィルタで構成してもよい。
【0060】
センサ装置の動作に関して、下部電極５４と上部電極５６との間に、例えば、周波数２０ｋＨｚ～５００ｋＨｚの駆動信号をパルス状に印加すると、ピエゾ効果によって圧電体層５３が振動し、空気の圧力変化である超音波ＵＳが窓５１ａを通って外部に放出される。放出された超音波ＵＳが物体によって反射され、再び窓５１ａを通って圧電体層５３を振動させる。このときピエゾ効果によって下部電極５４と上部電極５６との間にパルス信号が発生する。駆動信号からパルス信号までの時間を測定することにより、センサから物体までの距離が計測できる。
【0061】
こうしたセンサ装置に、水滴などの異物を検知する機能を付与できる。一例として、図９に示すように、保護膜５７には、上部電極５６を露出させる開口５７ａが設けられる。保護膜５７の上面には導電性薄膜が設けられ、この薄膜は、下部電極５４とともに基準電圧（例えば、グランド電位）に保持される。
【0062】
図１１は、水滴付着に起因した寄生容量を示す説明図である。保護膜５７には、上部電極５６を露出させる開口５７ａが設けられる。保護膜５７の上面には導電性薄膜が設けられ、この薄膜は、下部電極５４とともに基準電圧（例えば、グランド電位）に保持される。下部電極５４と上部電極５６との間には検出対象の静電容量Ｃｓが存在する。水滴が開口５７ａに付着すると、上部電極５６と導電性薄膜とが容量結合し、水滴に起因した新たな寄生容量Ｃｐが静電容量Ｃｓに対して並列的に追加される。
【0063】
図１２は、本発明の実施形態２に係るセンサ装置の水滴検知回路の一例を示すブロック図である。集積回路７０は、増幅器７１と、ＣＤＣ回路７２と、デジタルフィルタ７３と、同期回路７５と、ロジック部７４と、デジタルＩ／Ｆ部７６などで構成される。なお、図示していないが、電極構造５０と増幅器７１との間には、電極構造５０に矩形波電圧を供給するパルス発生器が設けられる。こうした集積回路７０は、ＣＰＵ、ＧＰＵなどの演算プロセッサ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリ、ソフトウエア、アナログ回路などのハードウエアの組合せで実装できる。
【0064】
増幅器７１は、上述した電極構造５０からの電荷信号をアナログ圧力信号に変換して適正なレベルまで増幅する。ＣＤＣ回路７２は、増幅器７１からの圧力信号をデジタル信号に変換する。デジタルフィルタ７３は、ＣＤＣ回路７２からのデジタル信号に対してフィルタリングを施し、高域周波数のノイズ成分を除去し、低域周波数帯の信号を出力する。
【0065】
ロジック部７４は、ソフトウエアで実装される各種プログラムを保存する機能を有し、例えば、メモリに保存された測定データに対して信号処理を施すプログラム、集積回路７０の全体動作を制御するプログラム、外部ホストへの送信データ（例えば、アラーム）を生成するプログラム、外部ホストからの受信データを処理するプログラムなどが保存される。
【0066】
同期回路７５は、ＣＤＣ回路７２、デジタルフィルタ７３、ロジック部７４に所定周期のクロックを供給してデジタル動作を同期させる。このクロックに基づいてサンプリング周期が設定される。
【0067】
デジタルＩ／Ｆ部７６は、外部ホストと通信する機能を有し、各種デジタルデータの送受信を行う。
【0068】
次に水滴検知の動作について説明する。下部電極５４を基準電圧回路６６から切り離し、事前に水滴が付着していない状態でＣｓの最大値Ｃｓ＿ｍａｘを計測し、閾値Ｃｔｂとしてメモリに保存する。水滴が付着すると寄生容量Ｃｐが発生し、電極間容量ＣｓはＣｓ＋Ｃpに変化する。水滴付着の診断モードでは、電極間容量Ｃｓを定期的に測定する。この場合、上部電極５６に矩形パルスを入力してＣｓを測定する。Ｃｓ＞Ｃｔｂの場合に水滴付着と判定できる。
【0069】
代替として、サンプリング前後の静電容量値の差分ΔＣを計測し、該差分ΔＣと予め定めた閾値Ｃｔａを比較して、ΔＣ≧Ｃｔａである場合に水滴付着ありと判定することが可能である。
【0070】
こうして水滴付着と判定した場合、実施形態１と同様に、回路系のゲイン調整機能、アラーム機能を実施することも可能である。
【0071】
（実施形態３）
図１３は、本発明の実施形態３に係るセンサ装置の電極構造の一例を示す断面図である。この電極構造８０は、音波を電気信号に変換するＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)マイクロホンとして使用可能であり、一例として、シリコンなどの基板８１と、電気絶縁層８２と、第２電極部としての導電性の振動板８３と、電気絶縁性のスペーサ８４と、第１電極部としての導電性の背極板８５と、電気絶縁層８６，８７とを備える。電気絶縁層８６，８７には、振動板８３と接続された電極Ｄａおよび背極板８５と接続された電極Ｄｂが設けられる。背極板８５には、音波が通過する多数の貫通孔８５ａが設けられる。
図１３は、本発明の実施形態３に係るセンサ装置の電極構造の一例を示す断面図である。この電極構造８０は、音波を電気信号に変換するＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)マイクロホンとして使用可能であり、一例として、シリコンなどの基板８１と、電気絶縁層８２と、第２電極部としての導電性の振動板８３と、電気絶縁性のスペーサ８４と、第１電極部としての導電性の背極板８５と、電気絶縁層８６，８７とを備える。電気絶縁層８６，８７には、振動板８３と接続された電極Ｄａおよび背極板８５と接続された電極Ｄｂが設けられる。背極板８５には、音波が通過する多数の貫通孔８５ａが設けられる。
【0072】
図１４は、本発明の実施形態３に係るセンサ装置の電気的構成の一例を示すブロック図である。集積回路９０は、電圧レギュレータ９１と、電荷ポンプ回路９２と、基準電圧回路９３と、増幅器９４と、ＡＤＣ(Analog to Digital Convertor)回路９５と、ＤＳＰ(Digital Signal Processor)回路９６と、ＰＤＭ(Pulse Density Modulation)回路９７と、Ｉ２ＣなどのＩ／Ｆ（インタフェース）回路９８と、フィルタ回路９９と、バッファ回路１００などで構成される。背極板８５は、電荷ポンプ回路（昇圧回路）９２に接続され、所定のＤＣ電圧に保持される。振動板８３は、基準電圧回路９３および増幅器９４に接続され、所定の基準電圧に保持される。
【0073】
センサ装置の動作に関して、振動板８３と背極板８５との間にはＤＣ電圧が印加される。上方から音波が到来して、貫通孔８５ａを通過し、振動板８３を振動させる。このとき電極間距離が変化して、電極間の静電容量Ｃｓも変化し、振動板８３の電圧が変化する。この電圧信号が増幅され、ＡＤＣ回路９５によってデジタル信号に変換され、フィルタ回路９９を経由してアナログ信号としても利用される。こうして空気の圧力変化である音波が電気信号に変換される。
【0074】
こうしたセンサ装置に、水滴などの異物を検知する機能を付与できる。一例として、図１５に示すように、電極構造８０には、導体を有するＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）が固定され、さらに導電性材料で形成されたケーシング８８が、電気絶縁性の補強板Ｌａおよび接着剤Ｌｂを介して固定される。ケーシング８８には、音波が通過する開口８８ａが設けられる。ケーシング８８は、基準電圧（例えば、グランド電位）に保持される。振動板８３と背極板８５との間には検出対象の静電容量Ｃｓが存在する。水滴が開口８８ａに付着すると、ＦＰＣの導体とケーシング８８とが容量結合し、水滴に起因した新たな寄生容量Ｃｐが静電容量Ｃｓに対して並列的に追加される。
【0075】
図１６は、本発明の実施形態３に係るセンサ装置の水滴検知回路の一例を示すブロック図である。集積回路１１０は、増幅器１１１と、ＣＤＣ回路１１２と、デジタルフィルタ１１３と、同期回路１１５と、ロジック部１１４と、デジタルＩ／Ｆ部１１６などで構成される。なお、図示していないが、電極構造８０と増幅器１１１との間には、電極構造８０に矩形波電圧を供給するパルス発生器が設けられる。こうした集積回路１１０は、ＣＰＵ、ＧＰＵなどの演算プロセッサ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリ、ソフトウエア、アナログ回路などのハードウエアの組合せで実装できる。
【0076】
増幅器１１１は、上述した電極構造８０からの電荷信号をアナログ圧力信号に変換して適正なレベルまで増幅する。ＣＤＣ回路１１２は、増幅器１１１からの圧力信号をデジタル信号に変換する。デジタルフィルタ１１３は、ＣＤＣ回路１１２からのデジタル信号に対してフィルタリングを施し、高域周波数のノイズ成分を除去し、低域周波数帯の信号を出力する。
【0077】
ロジック部１１４は、ソフトウエアで実装される各種プログラムを保存する機能を有し、例えば、メモリに保存された測定データに対して信号処理を施すプログラム、集積回路１１０の全体動作を制御するプログラム、外部ホストへの送信データ（例えば、アラーム）を生成するプログラム、外部ホストからの受信データを処理するプログラムなどが保存される。
【0078】
同期回路１１５は、ＣＤＣ回路１１２、デジタルフィルタ１１３、ロジック部１１４に所定周期のクロックを供給してデジタル動作を同期させる。このクロックに基づいてサンプリング周期が設定される。
【0079】
デジタルＩ／Ｆ部１１４は、外部ホストと通信する機能を有し、各種デジタルデータの送受信を行う。
【0080】
次に水滴検知の動作について説明する。振動板８３を基準電圧回路９３から切り離し、事前に水滴が付着していない状態でＣｓの最大値Ｃｓ＿ｍａｘを計測し、閾値Ｃｔｂとしてメモリに保存する。水滴が付着すると寄生容量Ｃｐが発生し、電極間容量ＣｓはＣｓ＋Ｃpに変化する。水滴付着の診断モードでは、電極間容量Ｃｓを定期的に測定する。この場合、振動板８３に矩形パルスを入力してＣｓを測定する。Ｃｓ＞Ｃｔｂの場合に水滴付着と判定できる。
【0081】
代替として、サンプリング前後の静電容量値の差分ΔＣを計測し、該差分ΔＣと予め定めた閾値Ｃｔａを比較して、ΔＣ≧Ｃｔａである場合に水滴付着ありと判定することが可能である。
【0082】
こうして水滴付着と判定した場合、実施形態１と同様に、回路系のゲイン調整機能、アラーム機能を実施することも可能である。
【0083】
以上の実施形態では、異物として水滴を例示したが、それ以外にも油、泥、海水などの各種液体、土、砂、埃、ガラス片、金属片、木片、紙片、布きれなどの各種固体、虫、毛、カビなどの各種生体物質の付着を検出することも可能である。
【0084】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【0085】
本発明は、異物の付着を確実に検知できるため、産業上極めて有用である。
【符号の説明】
【0086】
１０，５０，８０ 電極構造
１１ ベース基板
１２，１４ 電気絶縁層
１３ ガード電極層
１５ メンブレン
２０ センサ装置
２１ 基板
２２，８８ ケーシング
２２ａ 開口
２３ ゲル
３０，６０，７０，９０，１１０ 集積回路
５３ 圧電体層
５４ 下部電極
５６ 上部電極
５７ 保護膜
８３ 振動板
８５ 背極板
Ｇ 間隙
Ｗ 水滴
１１ ベース基板
１２，１４ 電気絶縁層
１３ ガード電極層
１５ メンブレン
２０ センサ装置
２１ 基板
２２，８８ ケーシング
２２ａ 開口
２３ ゲル
３０，６０，７０，９０，１１０ 集積回路
５３ 圧電体層
５４ 下部電極
５６ 上部電極
５７ 保護膜
８３ 振動板
８５ 背極板
Ｇ 間隙
Ｗ 水滴
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】