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図面 (10)

課題

この発明は、容量型センサの構成および容量構成(単一容量、差動容量、差動容量型静電サーボ式)にとらわれず、柔軟な容量検出回路を提供する。

解決手段

反転入力端子出力端子間にフィードバック容量Cfを接続したOPアンプ外力により静電容量が変化する容量型センサCx1と、フィードバック容量Cfを放電させる第1のクロックタイミングT1で、容量型センサCx1における容量成分の充放電端子基準電圧Vaに接続して電荷充電すると共に、第2のクロックタイミングT2で充放電端子をフィードバック容量Cfに切り替え接続して電荷を転送するスイッチSと、前記転送された電荷を電圧変換してセンサ出力を電圧変換値として出力するS/H11とを備えている。

概要

背景

流体の圧力や運動する物体に発生する加速度または角速度などを検出するセンサとして、コンデンサの容量の変化を検出することで圧力や加速度または角速度を検出する容量型センサが注目を集めている。近年、特に半導体マイクロマシニング技術を応用したこの様なセンサは、センサを含む装置の小型化、量産性、高精度化および高信頼性などの長所を有する。

図7は、一例として半導体のマイクロマシニングプロセスを用いて作成された典型的な容量型加速度センサの断面図を示すものである。導体としてのシリコン質量体1はアンカー部2を通して梁3で支持された構造となっている。質量体1の上下には、固定電極4、5がガラスもしくはシリコン6上に形成されており、質量体1と固定電極4、5で、図8に示すコンデンサ7、8を形成している。

コンデンサ7、8はセンサエレメント9を構成している。加速度による慣性力が質量体1のx方向に作用すると、質量体1はx方向にuだけ変位する。この変位uによって、質量体1と固定電極4、5間の容量値が一方で増加(C+ΔC)、他方で減少(C-ΔC)して差動容量変化を起こす。

質量体1の変位に応じた差動容量変化を電圧出力に変換する方法は、例えば、インピーダンス変換回路を応用した例として、本出願人が過去に特許出願している。図9は単一の未知容量Cxの変化に比例した電圧出力を得ることが可能な従来の容量検出回路の一例と、回路を動作させるスイッチングタイミングを示す。

先ず、図9において、容量検出部10を構成するOPアンプ1は入力端子出力端子間にフィードバック容量Cfを接続し、このフィードバック容量Cfをφ1のタイミングにてスイッチSによりT1の期間短絡させる。また、OPアンプ1の反転入力端子には未知容量Cxが接続される。未知容量Cxにはφ1のタイミングでT1の期間、電源電圧Vaが印加される。また、未知容量Cxは期間T1の後にφ2のタイミングにてスイッチSによりT2の期間、接地される。OPアンプ1の出力端子はT2の期間中にφ3のタイミングでスイッチSによりサンプル&ホールド11に接続される。

図8に示す容量検出部10によれば、電源電圧Vaが期間T1に亘って未知容量Cxに印加される。反転入力端子はOPアンプのイマージナルショートにより非反転入力端子を通して仮想グランドに接地されているため、φ1のタイミングで未知容量Cxに電源電圧Vaにより電荷蓄積され、また、フィードバック容量Cfに蓄積された電荷はφ1のタイミングでスイッチSによりディスチャージされる。

次に、期間T1経過後、φ2のタイミングにて、未知容量CxはスイッチSより接地されるため、未知容量Cxに蓄積された電荷はCfに移動して電圧変換される。そして、φ3のタイミングにてOPアンプ1の出力はサンプル&ホールド11に送られホールドされた電圧飽和出力Voutとして出力される。飽和出力Voutは以下の(1)式で表される。
(1)式より明らかなように、飽和出力Voutは未知容量Cxに比例した値となる。

概要

この発明は、容量型センサの構成および容量構成(単一容量、差動容量、差動容量型静電サーボ式)にとらわれず、柔軟な容量検出回路を提供する。

反転入力端子と出力端子間にフィードバック容量Cfを接続したOPアンプ、外力により静電容量が変化する容量型センサCx1と、フィードバック容量Cfを放電させる第1のクロックタイミングT1で、容量型センサCx1における容量成分の充放電端子基準電圧Vaに接続して電荷を充電すると共に、第2のクロックタイミングT2で充放電端子をフィードバック容量Cfに切り替え接続して電荷を転送するスイッチSと、前記転送された電荷を電圧変換してセンサ出力を電圧変換値として出力するS/H11とを備えている。

目的

この発明は上記の様な問題点を解消するためになされたもので、考えられる幾種類の容量型センサ(単一容量型センサ、差動容量型センサ、差動容量型静電サーボ型センサ)に適応可能な容量検出回路を得ることを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
6件
牽制数
4件

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請求項1

反転入力端子出力端子間にフィードバック容量成分を接続した演算増幅器と、外力により静電容量が変化する容量型センサと、前記フィードバック容量成分を放電させる第1のクロックタイミングで、この容量型センサにおける容量成分の充放電端子基準電圧源に接続して電荷充電すると共に、第2のクロックタイミングで前記充放電端子を前記フィードバック容量成分に切り替え接続して電荷を転送する充放電制御手段と、前記転送された電荷を電圧変換してセンサ出力を電圧変換値として出力する電圧変換手段とを備えたことを特徴とする容量検出回路

請求項2

前記容量型センサを同一の外力により一方の容量は増加し、他方の容量は同容量減少する第1の容量成分と第2の容量より構成される差動容量型センサとし、充放電制御手段は第1のクロックタイミングで前記第1の容量成分と第2の容量成分の充放電端子を基準電圧源に接続して電荷を充電し、第2のクロックタイミングで前記充放電端子を前記フィードバック容量成分に切り替え接続して前記第1の容量成分と第2の容量成分における差の電荷を電圧変換手段に転送することを特徴とする請求項1に記載の容量検出回路。

請求項3

反転入力端子と出力端子間にフィードバック容量成分を接続して構成した演算増幅器を2つ備え、充放電制御手段は第1のクロックタイミングで差動容量型センサにおける第1の容量成分と第2の容量成分の充放電端子を基準電圧源に接続して電荷を充電し、第2のクロックタイミングで前記充放電端子を前記第1と第2の演算増幅器のフィードバック容量成分に切り替え接続して前記第1の容量成分と第2の容量成分における電荷を転送して電圧変換させることを特徴とする請求項2に記載の容量検出回路。

請求項4

前記第1の容量成分と第2の容量成分における電荷の電圧変換値の差分を求めセンサ出力の電圧変換値として出力する差電圧出力手段を備えたことを特徴とする請求項2に記載の容量検出回路。

請求項5

電圧変換値を差動容量型センサにおける第1および第2の容量成分の共通端子基準電圧としてフィードバック出力するフィードバック制御手段を備えたことを特徴とする請求項2ないし4のいずれかに記載の容量検出回路。

請求項6

前記フィードバック制御手段は、補償部およびゲイン調整部を含むことを特徴とする請求項5に記載の容量検出回路。

技術分野

0001

本発明は、圧力、加速度、角速度などの計測に利用される容量型センサ容量検出回路に関するものである。

背景技術

0002

流体の圧力や運動する物体に発生する加速度または角速度などを検出するセンサとして、コンデンサの容量の変化を検出することで圧力や加速度または角速度を検出する容量型センサが注目を集めている。近年、特に半導体マイクロマシニング技術を応用したこの様なセンサは、センサを含む装置の小型化、量産性、高精度化および高信頼性などの長所を有する。

0003

図7は、一例として半導体のマイクロマシニングプロセスを用いて作成された典型的な容量型加速度センサの断面図を示すものである。導体としてのシリコン質量体1はアンカー部2を通して梁3で支持された構造となっている。質量体1の上下には、固定電極4、5がガラスもしくはシリコン6上に形成されており、質量体1と固定電極4、5で、図8に示すコンデンサ7、8を形成している。

0004

コンデンサ7、8はセンサエレメント9を構成している。加速度による慣性力が質量体1のx方向に作用すると、質量体1はx方向にuだけ変位する。この変位uによって、質量体1と固定電極4、5間の容量値が一方で増加(C+ΔC)、他方で減少(C-ΔC)して差動容量変化を起こす。

0005

質量体1の変位に応じた差動容量変化を電圧出力に変換する方法は、例えば、インピーダンス変換回路を応用した例として、本出願人が過去に特許出願している。図9は単一の未知容量Cxの変化に比例した電圧出力を得ることが可能な従来の容量検出回路の一例と、回路を動作させるスイッチングタイミングを示す。

0006

先ず、図9において、容量検出部10を構成するOPアンプ1は入力端子出力端子間にフィードバック容量Cfを接続し、このフィードバック容量Cfをφ1のタイミングにてスイッチSによりT1の期間短絡させる。また、OPアンプ1の反転入力端子には未知容量Cxが接続される。未知容量Cxにはφ1のタイミングでT1の期間、電源電圧Vaが印加される。また、未知容量Cxは期間T1の後にφ2のタイミングにてスイッチSによりT2の期間、接地される。OPアンプ1の出力端子はT2の期間中にφ3のタイミングでスイッチSによりサンプル&ホールド11に接続される。

0007

図8に示す容量検出部10によれば、電源電圧Vaが期間T1に亘って未知容量Cxに印加される。反転入力端子はOPアンプのイマージナルショートにより非反転入力端子を通して仮想グランドに接地されているため、φ1のタイミングで未知容量Cxに電源電圧Vaにより電荷蓄積され、また、フィードバック容量Cfに蓄積された電荷はφ1のタイミングでスイッチSによりディスチャージされる。

0008

次に、期間T1経過後、φ2のタイミングにて、未知容量CxはスイッチSより接地されるため、未知容量Cxに蓄積された電荷はCfに移動して電圧変換される。そして、φ3のタイミングにてOPアンプ1の出力はサンプル&ホールド11に送られホールドされた電圧飽和出力Voutとして出力される。飽和出力Voutは以下の(1)式で表される。
(1)式より明らかなように、飽和出力Voutは未知容量Cxに比例した値となる。

0009

Vout=(Cx/Cf)・Va (1)

発明が解決しようとする課題

0010

従来の容量検出部は以上の構成されていたが、以下に述べるような不具合が認められる。
(1)未知容量Cxのコンデンサ両極板間に働くクロック周期時間平均静電力が、電源電圧Vaのみで決まってしまい、電源電圧Vaを0にしない限り、静電力を0にすることができない。
(2) Voutは、未知容量Cxの変化に同相の出力に限られる。
(3) 従来回路の容量検出部に差動容量型のセンサをそのまま適用できない。即ち、差動容量型センサでは、図7図8等価回路に見られる端子3が、センサの質量体1に対応しており、端子1と端子3間、及び端子2と端子3間の電位差を調整することで、加速度による質量体1のx方向変位打ち消すようなx方向静電力を発生させるサーボ方式が発案されている。ただし、図9に示す回路構成では、差動容量型のサーボ型センサに適用できない。
従って、従来回路は回路出力の利用およびセンサの適用に関して柔軟性のない容量検出回路となっていたため、この回路が適用可能なセンサには大きな制限があった。

0011

この発明は上記の様な問題点を解消するためになされたもので、考えられる幾種類の容量型センサ(単一容量型センサ、差動容量型センサ、差動容量型静電サーボ型センサ)に適応可能な容量検出回路を得ることを目的とする。

課題を解決するための手段

0012

請求項1の発明の係る容量検出回路は、反転入力端子と出力端子間にフィードバック容量成分を接続した演算増幅器と、外力により静電容量が変化する容量型センサと、前記フィードバック容量成分を放電させる第1のクロックタイミングで、この容量型センサにおける容量成分の充放電端子基準電圧源に接続して電荷を充電すると共に、第2のクロックタイミングで前記充放電端子を前記フィードバック容量成分に切り替え接続して電荷を転送する充放電制御手段と、前記転送された電荷を電圧変換してセンサ出力を電圧変換値として出力する電圧変換手段とを備えたものである。

0013

請求項2の発明の係る容量検出回路は、容量型センサを同一の外力により一方の容量は増加し、他方の容量は同容量減少する第1の容量成分と第2の容量より構成される差動容量型センサとし、充放電制御手段は第1のクロックタイミングで前記第1の容量成分と第2の容量成分の充放電端子を基準電圧源に接続して電荷を充電し、第2のクロックタイミングで前記充放電端子を前記フィードバック容量成分に切り替え接続して前記第1の容量成分と第2の容量成分における差の電荷を電圧変換手段に転送するものである。

0014

請求項3の発明の係る容量検出回路は、反転入力端子と出力端子間にフィードバック容量成分を接続して構成した演算増幅器を2つ備え、充放電制御手段は第1のクロックタイミングで差動容量型センサにおける第1の容量成分と第2の容量成分の充放電端子を基準電圧源に接続して電荷を充電し、第2のクロックタイミングで前記充放電端子を前記第1と第2の演算増幅器のフィードバック容量成分に切り替え接続して前記第1の容量成分と第2の容量成分における電荷を転送して電圧変換させるものである。

0015

請求項4の発明の係る容量検出回路は、第1の容量成分と第2の容量成分における電荷の電圧変換値の差分を求めセンサ出力の電圧変換値として出力する差電圧出力手段を備えたものである。

0016

請求項5の発明の係る容量検出回路は、電圧変換値を差動容量型センサにおける第1および第2の容量成分の共通端子基準電圧としてフィードバック出力するフィードバック制御手段を備えたものである。

0017

請求項6の発明の係る容量検出回路は、フィードバック制御手段は、補償部およびゲイン調整部を含むものである。

発明を実施するための最良の形態

0018

実施の形態1.以下この発明の実施の形態1に係る容量検出回路を図について説明する。本実施の形態は図1に示すように1つの容量型センサエレメントが接続されている場合を想定している。本実施の形態における容量検出回路は従来のSC型容量検出回路に対して3つの基準電圧Va,Vb,Vmを有したSC型容量検出回路である。尚、ここで各スイッチは充放電制御手段を構成し、OPアンプは電圧変換手段を構成する。

0019

スイッチを駆動するのクロックのタイミングは、図9に示す従来の容量検出回路と異なり、タイミングφ1におけるオン期間T1とタイミングφ2におけるオン期間T2の長さをケースに応じて変える構成とする。タイミングφ3のオン期間T3は、オン期間T2に内に収まる様に設定される。

0020

図1に示す様に、未知容量Cx1は基準電源端子基準電源Vmが接続され、また充放電端子はφ1のタイミングでオンするスイッチSを通して基準電源Vaに接続されると共に、φ2のタイミングでオンするスイッチSを通してOPアンプの反転入力端子に接続されている。尚、OPアンプの非反転入力端子には別の基準電源Vbが接続されている。

0021

この結果、未知容量Cx1の充放電端子にはφ1のタイミングで基準電源Vaに接続されチャージアップされ、また同タイミングφ1でフィードバック容量Cfに残留されている電荷はスイッチSによりディスチャージされる。次に、タイミングφ2で、未知容量Cx1の充放電端子は後続のOPアンプの反転入力端子にスイッチSにより切り替え接続される。この結果、未知容量Cx1に蓄積された電荷はフィードバック容量Cfに転送されてチャージされる。OPアンプはチャージされた電荷を電圧変換する。OPアンプは、φ3のタイミングで変換電圧スイッチング素子を通して後続のS/H回路に送る。S/H回路は出力電圧Voutを保持出力する。このときの出力電圧Voutは次式で表される値となる。

0022

Vout=Vb−(Va−Vb)・(Cx1/Cf) (2)

0023

(2)式で表される様に、出力電圧Voutは基準電圧Vmに無関係となる。ただし、(2)式はスイッチを駆動するクロック周期中に基準電圧Vmが変動しない場合のみに成立する。

0024

(2)式に示される様に、基準電圧VaとVbの大小関係を選択することで、Cx1に同相または、逆相の出力を選択する事が可能となる。また、基準電圧VaとVbの差を大きく調整する事でCx1の検出感度を向上することが可能となる。

0025

更に、静電容量型センサの場合は、センサ容量を形成する電極4、5間の静電引力を調整する場合がある。本実施の形態による回路構成の場合は、例えば基準電圧Vmを(Va+Vb)/2に設定する事でクロック1周期の平均電極間静電引力をゼロにしたり、基準電圧Vmの設定次第で電極間引力の大きさを調整する事が可能となる。

0026

また、T1の期間とT2の期間を調整することで、OPアンプ反転入力端子に接続される未知容量Cx1の充放電端子におけるクロック1周期中あたりの平均電圧を調整することが可能である。この結果、基準電圧Vmの調整と共に電極間静電引力の調整が可能となる。

0027

実施の形態2.以下この発明の実施の形態2に係る容量検出回路を図について説明する、図2は本実施の形態に係る容量検出回路である。本容量検出回路は図1に示す容量検出回路とサンプ&ホールドをそれぞれ2つ設け、未知容量Cx1、Cx2としては図7に構成を示し、図8の等価回路を示す差動容量型センサを用いる。そして、差動容量型センサの充放電端子1,2はタイミングφ1で動作するスイッチSの接続点に、基準電源端子3(中間端子)には基準電圧Vmを印加する。

0028

一方のサンプ&ホールドの出力は基準電圧Vrefを印加した差動増幅器(差電圧出力手段)の入力端子に接続し、また他方のサンプ&ホールドの出力は差動増幅器の他方の入力端子に接続する。

0029

本実施の形態に係る容量検出回路は、未知容量Cx1とCx2を有し、それらの静電容量が互いに逆相で変化する差動容量型センサを適用したSC型容量検出回路を示したものである。スイッチの駆動タイミングφ1,φ2,φ3は実施の形態1と同様である。

0030

そしてこの容量検出回路は、5つの基準電圧Va,Vb,Vc,Vd,Vmを有し、かつ2つのOPアンプ、S/H回路及び2つのS/H回路の差電圧をVoutして出力する1つの差動増幅器を有するが、この差動増幅器は場合によっては加算器としても特に問題ない。

0031

容量検出回路の最終出力Voutは、実施の形態1に示した回路動作と同様に、出力回路に差動増幅器を用いた場合は(3)式で表される。

0032

Vout=Vref +(Vb-Vd)−[(Va-Vb)Cx1-(Vc-Vd)Cx2]/Cf (3)

0033

一例として、Vb=Vd、Va=Vcの場合は、Va−Vb=ΔVとおいて、最終出力Voutは出力回路に差動増幅器を用いた場合に(4)式で表される。

0034

Vout=Vref−ΔV(Cx1−Cx2)/Cf (4)

0035

(4)式から明らかなように、差動増幅器からは未知容量Cx1とCx2の差に比例した電圧出力が得られ、ΔV及びΔVの符号を調整することでそれぞれ検出感度や出力の位相の調整が可能となる。また、基準電圧Va,Vb,Vc,Vd,Vmの調整次第で、Cx1+Cx2に比例した和動出力を得ることが可能である。さらに、クロック周期に比較して電極間容量変化が十分遅い場合に制限されるが、基準電圧Vmやオン期間T1,T2を適切に調整することで、実施の形態1に述べた様にそれぞれの電極間に生じる電極間静電引力の大きさを調整する事ができる。

0036

実施の形態3
以下この発明の実施の形態3に係る容量検出回路を図について説明する。図3は本実施の形態に係る容量検出回路である。本容量検出回路は図1に示す容量検出回路におけるOPアンプの反転入力端子をタイミングφ2で駆動する2つのスイッチSの出力端子に共通接続され、スイッチS各入力端子はタイミングφ1で駆動する各スイッチSに直列接続される。OPアンプの非反転入力端子には基準電圧Veが印加される。

0037

タイミングφ1で動作する各スイッチSには基準電圧Va,Vcが印加される。各スイッチSの直列接続点間には、図8に示す様に未知容量Cx1とCx2を有し、それらを互いに逆相で変化する差動容量型センサの充放電端子1、2をそれぞれ接続し、基準電源端子3(中間電極)には基準電圧Vmが印加される。

0038

各スイッチSの駆動タイミングは実施の形態1と共通である。実施の形態2では、2つのOPアンプとサンプル&ホールド(S/H回路)を必要とした場合であったが、本実施の形態では、それぞれ1つとすることが可能である。最終出力Voutは、(5)式で表される。

0039

Vout=Ve−[(Va-Ve)Cx1+(Vc-Ve)Cx2]/Cf (5)

0040

一例として、Va−Ve=Ve−Vc=ΔVとした場合、(5)式は以下の(6)式となる。

0041

Vout=Ve−ΔV(Cx1−Cx2)/Cf (6)

0042

この結果、(4)式と基本的に共通な差動出力が得られる。また、基準電圧の調整次第で、Cx1+Cx2に比例した和動出力も得ることが可能である。さらにここでも、クロック周期に比較して電極間容量の変化が十分遅い場合に制限されるが、基準電圧Vmやオン期間T1,T2を適切に調整することで、実施の形態1に述べた様に、それぞれの電極間に生じる電極間静電引力の大きさを調整する事ができる。

0043

実施の形態4
以下この発明の実施の形態4に係る容量検出回路を図について説明する。図4は未知容量Cx1とCx2を有し、それらが互いに逆相で変化する差動容量型センサの断面図を示すものである。図5は差動容量型センサに適用するSC型容量検出回路を示したものである。図5におけるSC型容量検出回路に示されたスイッチ素子の駆動タイミングφ1、φ2、φ3は実施の形態1と共通である。

0044

尚、本実施の形態に係るSC型容量検出回路は、図2に示す実施の形態2の検出回路を利用して、質量体1の変位を制限する零位法を採用したサーボ方式の静電容量センサに適用可能な場合を示すものである。サーボ方式は、例えば加速度センサの例で説明すると、加速度によって発生する質量体の変位(または、質量体に作用する慣性力)を静電力で打ち消す様に電極間の電圧を変化させる方式である。

0045

通常のオープンループ型センサに比較して、質量体の変位を制限するために自ずと周波数特性応答性)が改善され、フィードバックの効果により、外乱ノイズの影響を抑制する事が可能である。更に、同じ応答性を有するオープンループ型センサに比較して、見かけ感度が高いため感度をベースに表したノイズ成分、所謂SN比が向上することが期待される。

0046

次に、図4を参照して加速度によって発生する質量体1の変位(または、質量体に作用する慣性力)を静電力で打ち消すメカニズムを示す。慣性力Fa(=ma、m:質量,a:加速度)が作用し、バネ定数kの梁で支えられた質量体1がxの正方向にuだけ変位しようとした場合、その変位を未知容量Cx1の一方の端子にVo+Vr,中間共通端子にVo+Vf,Cx2の一方の端子にVo-Vrの電圧を加え、極板間に働く静電引力の差で阻止した場合、次式が成立する。

0047

Fe+−Fe-−Fa=0 より
2E・Vr・Vf = ma (7)
Vf=ma/(2EVr) (8)

0048

ここで、Eは電極の対向面積電極間ギャップdo及び電極間に存在する媒体誘電率等に関連する定数であり、変位uは、doに比較してきわめて小さいと仮定している。また、V0は加速度が0の時の中間電極の基準電位とし、Vfは加速度に応じて発生するフィードバック電圧とする。従って、(8)式が示す様に理想的にはVfは加速度aに比例するが、質量体1を支持するバネ定数kに依存にしない。

0049

この方式を実現する本実施の形態に係る容量検出回路を図5を示す。図4に示した基準電圧Voに対する偏差電圧Vrを実現するために、各基準電圧を下記(9)式を満足するように設定する。

0050

Vo+Vr=(Va+Vb)/2
Vo−Vr=(Vc+Vd)/2 (9)

0051

また、加速度によりCx1,Cx2が差動で変化する場合に、その変化の方向と大きさを測定するために、実施の形態2の図2で示した方式を採用する。ただし、サーボ方式の場合は、フィードバックの効果により応答が一般的に不安定になるため、位相やフィードバックゲインを調整のため、図2に示す差動増幅器の後段補償器及び増幅器を有した回路19を必要とする。

0052

偏差電圧Vrは、フィードバック電圧Vfと共に、質量体と各電極間に働く静電力を決定する大きなパラメータであるため、一般的に大きな静電力を得るためには可能な限り大きい方が望ましい。

0053

このため、Vrを大きく設定するには、(9)式においてVa、Vb、Vc、Vdを調整する以外に、クロックのタイミングT1,T2を調整することでも可能である。T1=T2の場合は、端子1,2(図8参照)に加わる電圧は、(9)式で表される。しかし、T1>T2の場合に、Vrを大きく設定するには、そのT1、T2の各オン/オフデューティ比に応じてVrを大きくすることが可能である。

0054

実施の形態5.以下この発明の実施の形態5に係る容量検出回路を図について説明する、図6は本実施の形態に係る容量検出回路である。本容量検出回路は、未知容量Cx1とCx2を有し、それらが互いに逆相で変化する差動容量型センサに適用するSC型容量検出回路を示したものである。

0055

スイッチの駆動タイミングは実施の形態1と共通である。本実施の形態は、図3に示す実施の形態3の検出回路を利用して、質量体1の変位を制限する零位法を採用したサーボ型の静電容量センサに適用可能な場合を示すものである。基本的なフィードバック構成は、実施の形態4と共通している。ただし、S/H回路が1回路でよく、差動増幅器の必要が無い点で回路が簡素化される。

0056

また、(9)式において、Vb=Vd=Veの条件を満足するように、各基準電圧を決定する必要があり、Vrの調整は、同様にT1>T2となる様に適切に設定することで、デューティ比に応じて大きくすることが可能である。

発明の効果

0057

以上、本発明に関わる容量検出回路は、例えば、容量型センサの構成の容量構成(単一容量、差動容量、差動容量型静電サーボ方式)にとらわれず、柔軟な容量検出回路を提供することができるという効果がある。

0058

さらに、簡単なSC型の容量検出回路を基本として、容量検出とサーボフィードバックを可能にしたため、従来に知られているサーボ方式回路に比較して、同期検波回路が不必要である点や、精密なクロックの必要がない点、さらに容量検出とサーボフィードバックのタイミングを分ける必要が無い等の点おいて低コストで精度の良い容量型センサのインターフェース回路を実現することができるという効果がある。

図面の簡単な説明

0059

図1本発明の実施の形態1に係る容量検出回路の一例を示す図である。
図2本発明の実施の形態2に係る差動容量検出回路の一例を示す図である。
図3本発明の実施の形態3に係る差動容量検出回路の別の一例を示す図である。
図4本発明の静電サーボ方式のメカニズムを示す図である。
図5本発明の実施の形態4に係る差動容量検出回路及び静電サーボ方式の一例を示す図である。
図6本発明の実施の形態5に係る差動容量検出回路及び静電サーボ方式の別の一例を示す図である。
図7従来の容量型加速度センサの一例を示す説明図である。
図8従来の容量型加速度センサの等価回路を示す図である。
図9従来の容量検出回路の一例を示す図である。

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0060

1質量体(可動電極または中間電極)、2アンカー部、3 梁、4、5固定電極、6シリコン、7,8未知容量Cx1,Cx2、9容量型センサエレメント、10,13,15,18,17,20 SC型容量検出回路、11S/H(サンプルホールド)回路、16差動増幅器または加算器、19 差動増幅器(または加算器)+補償器+増幅器、21 補償器+増幅器。

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