| 【発明の名称】 |
静電容量型センサの容量検出回路 |
| 【発明者】 |
【氏名】梅田 史彦
【氏名】宇野 圭輔
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| 【要約】 |
【課題】積分回路を用いた検出回路を基本とし、感度の向上を図ることのできる容量検出回路を提供すること【解決手段】 静電容量型センサに設けられる可動電極と固定電極に発生する静電容量Ｃv に対して直列に抵抗素子Ｒを接続し、その抵抗素子に対してダイオードＤを並列接続する。そして、抵抗素子の開放端に検出用の駆動電圧（矩形波）Ｖinを印加するように構成する。駆動電圧の立ち上がり時は、ＲＣによる時定数で静電容量に充電され、立ち下がり時はダイオードＤを介して瞬時に放電される。よって、静電容量の変化により積分回路の出力が影響を受けるのは、駆動電圧の立ち上がり側のみとなるので、立ち下がり側からの感度のキャンセルがなく感度が向上する。
【解決手段】静電容量型センサに設けられる可動電極と固定電極に発生する静電容量Ｃv に対して直列に抵抗素子Ｒを接続し、その抵抗素子に対してダイオードＤを並列接続する。そして、抵抗素子の開放端に検出用の駆動電圧（矩形波）Ｖinを印加するように構成する。駆動電圧の立ち上がり時は、ＲＣによる時定数で静電容量に充電され、立ち下がり時はダイオードＤを介して瞬時に放電される。よって、静電容量の変化により積分回路の出力が影響を受けるのは、駆動電圧の立ち上がり側のみとなるので、立ち下がり側からの感度のキャンセルがなく感度が向上する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 少なくとも１組の可動電極と固定電極とを有し、外部から与えられる物理量に基づいて前記可動電極が変位し、その可動電極と前記固定電極間に発生する静電容量が変化する静電容量型センサに接続され、前記電極間の静電容量を検出するための容量検出回路であって、前記電極間に発生する静電容量に対して直列に接続される抵抗素子と、その抵抗素子に並列接続されたダイオードとを備え、前記抵抗素子の開放端に検出用の駆動電圧を印加するようにしたことを特徴とする静電容量型センサの容量検出回路。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、静電容量型センサの容量検出回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図１は、静電容量型センサの一態様である静電容量型多軸加速度センサの一例を示している。同図に示すように、上下の固定基板１，２間に２層のシリコン基板３，４が介在されている。上側固定基板１の下面には４つの同一形状からなる固定電極５ａ〜５ｄが形成されている。また上側のシリコン基板３は、梁３ａを介して共通の可動電極６が形成され、その可動電極６の下面には、重り７が取り付けられている。この重り７は、下側のシリコン基板４によって形成される。
【０００３】係る構成においては、加速度が０の平常状態では、４つの固定電極５ａ〜５ｄと可動電極６との距離は、所定の距離で一定であり、また、各固定電極５ａ〜５ｄと可動電極６の重合面積も等しくなる。いま、固定電極５ａ〜５ｄと可動電極６とを結ぶ方向（図１中、上下方向）をＺ軸とし、Ｘ軸とＹ軸をそれぞれ図１，図２に示すような方向とすると、Ｚ軸方向のみに加速度が加わった場合には、両電極間の距離が同じように変位するので、各固定電極５ａ〜５ｄと可動電極６間に発生する静電容量は、同じように変化する。また、Ｘ軸方向のみに加速度が加わったとすると、その加速度を受けた重り７は、Ｘ軸方向に移動しようとするが、その構造上平行移動はできず、その力の方向にある固定電極５ａ，５ｃと可動電極６の距離が短くなり、逆に固定電極５ｂ，５ｄと可動電極６の距離が長くなる。同様に、Ｙ軸方向のみに加速度が加わったとすると、固定電極５ａ，５ｂと可動電極６の距離が同じように短くなり、逆に固定電極５ｃ，５ｄと可動電極６の距離が長くなる。
【０００４】このように各電極間距離が異なることから、各電極間に発生する静電容量も変化し、しかも変化のパターンは、加速度が加わる方向により異なるので、各電極間に発生する静電容量の変化量を検出することにより、その加速度の方向と大きさを知ることができる。
【０００５】具体的には、各電極をそれぞれ外部回路の抵抗素子に直列接続し、その抵抗素子と各電極間に発生する静電容量とによってＲＣによる積分或いは微分回路を構成し、その回路の出力電圧に基づいて静電容量の変化を計測できる。すなわち、積分回路を用いる場合には、図３に示すように、共通電極となる可動電極６側を設置し、固定電極５ａ〜５ｄの各電極をそれぞれ抵抗素子Ｒに接続し、その抵抗素子Ｒの開放端に駆動電圧Ｖinを入力する。これにより、電極間に発生する静電容量Ｃv と抵抗素子Ｒから積分回路が構成される。そして、その積分回路の出力電圧Ｖcoutと参照電圧Ｖref とをコンパレータで比較するようになる。なお、この図３は、１つの電極間についての回路を抽出して示しており、各電極間についても同一の回路を接続することになる。
【０００６】すると、検出用の駆動電圧Ｖinとして、図４（Ａ）に示すように矩形波を与えるようにすると、積分回路の出力電圧Ｖcoutとコンパレータ出力Ｖout は、それぞれ同図（Ｂ），（Ｃ）のようになり、その最終的な出力（コンパレータ出力Ｖout ）は、容量変化と一義的相関を持つデューティ比のパルス出力となる。よって、係るパルス出力のデューティ比を見たり、さらにそれを平滑化することによって得られる直流電圧から加速度を求めることができる。
【０００７】なお、図示省略するが、微分回路を用いた場合には、Ｒ，Ｃv の配置を逆にし、共通電極に駆動電圧Ｖinを印加し、固定電極に抵抗素子を接続するとともにその抵抗素子の開放端を接地するようになる。この微分回路に比べて、上記した積分回路の場合には、個々の固定電極に対してそれぞれ駆動電圧を印加するため、各固定電極に対して異なる駆動電圧（矩形波）を印加することができ、独立の補正ができるという利点を有する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記した従来の容量検出回路では、加わる加速度の変化により静電容量Ｃv が容量が変化した場合には、図４中矢印で示したように、コンパレータ出力Ｖoutの立ち上がり点と立ち下がり点が同じ方向に移動する（もちろん移動量は異なるが）。したがって、微分回路の場合と比較して容量変化（加速度変化）に対する出力の変化が小さくなり、感度の低下を招く。
【０００９】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、個々の電極に対して異なる駆動電圧を印加できる（実際には同一の駆動電圧を印加したものでももちろんよい）という積分回路を用いた検出回路を基本とし、感度の向上を図ることのできる容量検出回路を提供することにある。
【００１０】
【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の容量検出回路では、少なくとも１組の可動電極と固定電極とを有し、外部から与えられる物理量に基づいて前記可動電極が変位し、その可動電極と前記固定電極間に発生する静電容量が変化する静電容量型センサに接続され、前記電極間の静電容量を検出するための容量検出回路であって、前記電極間に発生する静電容量に対して直列に接続される抵抗素子と、その抵抗素子に並列接続されたダイオードとを備え、前記抵抗素子の開放端に検出用の駆動電圧を印加するように構成した（請求項１）。
【００１１】積分回路を構成する抵抗素子に並列接続されたダイオードは、積分波形の正の部分或いは負の部分をカットする。これにより、積分回路の出力（積分波形）の立ち上がりまたは立ち下がりが急峻となり、静電容量の変化による積分波形の変化も、立ち上がり部分或いは立ち下がり部分の一方が変位することになり、従来のように立ち上がりと立ち下がりの両方が同一方向に変位することによる感度の低下はない。よって、感度の向上が図れる。
【００１２】なお、本発明が適用される静電容量型センサとしては、図１，図２に示したように多軸型（２軸を含む）の加速度センサ（多軸を検出するためのセンサ構造は図示のものに限られない）はもちろんのこと、１軸方向の加速度を検出するための加速度センサでもよく、さらには、加速度センサに限られず圧力センサその他の静電容量型の各種センサに適用できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】図５は、本発明に係る静電容量型センサの容量検出回路の一実施の形態を示している。同図に示すように、センサ素子に設けられた可動電極と固定電極間に生じる静電容量Ｃv に対し、抵抗素子Ｒを直列に接続する。そして、その抵抗素子Ｒの開放端（静電容量を構成する電極との非接続側）に検出用の駆動電圧（矩形波）Ｖinを印加するようになっている。また、静電容量Ｃv の反対側の電極は、接地する。これにより、積分回路が構成される。係る構成は、図３に示す従来の回路と同様である。
【００１４】ここで本発明では、抵抗素子Ｒに対し、ダイオードＤを並列接続している。この時接続するダイオードＤの順方向は、どちら向きにしてもよい。そして、この積分回路の出力Ｖcoutが、例えば図３に示すような後段の回路に接続される。すなわち、その出力Ｖcoutは、コンパレータにより参照電圧Ｖref と比較され、参照電圧以上のときに出力Ｖout がＨになる。
【００１５】なお、多軸型の加速度センサの場合に複数の静電容量が存在するが、係る場合に接地する電極は、共通電極とすると個々の静電容量に印加する駆動電圧を変えることができるので好ましい。もちろん駆動電圧は、同一のものでもよい。
【００１６】上記のように構成すると、図６（Ａ）に示すように駆動電圧Ｖinとして矩形波を印加すると、矩形波の立ち上がりに基づき静電容量Ｃv に充電する際には、抵抗素子Ｒを介して電流が流れ込むので、従来と同様に積分回路の出力Ｖcoutは、同図（Ｂ）に示すように、所定の時定数で増加する。
【００１７】一方、矩形波の立ち下がりに基づいて静電容量Ｃv から放電される場合には、ダイオードＤが順方向になるので、抵抗素子Ｒをバイパスして瞬時に放電される。よって同図（Ｂ）に示すように、積分回路の出力Ｖcoutは、時定数に関係なく０になる。その結果、積分回路の出力波形のうち静電容量の変化に関係するのは、時定数が影響する駆動電圧の立ち上がり側のみとなる。
【００１８】よって、加速度が変化した場合には、同図中矢印で示すように、立ち上がり側のみが変化するので、従来のように立ち下がり側からの相殺がおきず、感度が増加する。
【００１９】
【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の容量検出回路では、積分回路を基本とする検出回路であっても、抵抗素子にダイオードを並列接続したことにより、与えられた物理量に基づいて可動電極と固定電極間の静電容量の変化が生じた場合に、その静電容量の変化に基づく感度の相殺（静電容量の充放電カーブが同一方向に変位すること）をなくし、検出回路の感度を向上することができる。その結果、後段の演算処理部において、増幅率を低く設定でき、回路雑音を低減でき、高精度の検出が可能となる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００２９４５
【氏名又は名称】オムロン株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）７月８日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】松井 伸一
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２３６０７ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１月２９日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−１９６３８４ |
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