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【発明の名称】 静電容量型センサ回路
【発明者】 【氏名】廣田 良浩

【氏名】松本 俊行
【要約】 【課題】静電容量型センサ素子の製造時のバラツキを較正する。

【解決手段】スイッチＳ1、Ｓ4をオンし他のスイッチをオフして、入力電圧Ｖin及び調整電圧Ｖmをそれぞれ、センサ素子Ｃs、調整コンデンサＣmに供給する。オペアンプ２のの入出力端間には帰還コンデンサＣfが接続されており、該オペアンプの出力からの出力電圧は、Ｖout＝−（Ｃs／Ｃf）（Ｖin−Ｖf）−（Ｃm／Ｃf）（Ｖm−Ｖf）＋Ｖfで表される。従って、調整電圧Ｖmを調整することにより、センサ素子の容量値Ｃsにバラツキがあっても、所定の入力電圧Ｖinの供給時に、一定の出力電圧Ｖoutを得ることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 静電容量の変化を電気信号として出力する静電容量型センサ回路において、入力電圧を発生する入力電圧発生手段と、発生された入力電圧が第１の端子に供給される静電容量型センサ素子と、該センサ素子の第２の端子に入力端子が接続された増幅器と、該増幅器の入力端子と出力端子との間に接続された帰還コンデンサと、調整電圧を発生する調整電圧発生手段と、発生された調整電圧が第１の端子に供給され、第２の端子にセンサ素子の第２の端子が接続された調整用コンデンサとを備え、調整用電圧を調整することにより、センサ素子のバラツキを較正可能にしたことを特徴とする静電容量型センサ回路。
【請求項２】 請求項１記載の静電容量型センサ回路において、該回路はさらに、センサ素子の第１の端子と入力電圧発生手段との間に接続された第１のスイッチと、センサ素子の第１の端子と基準電位との間に接続され、第１のスイッチと相補的にオン／オフされる第２のスイッチと、帰還コンデンサに並列接続され、第２のスイッチと同期してオン／オフされる第３のスイッチと、調整用コンデンサの第１の端子と調整電圧発生手段との間に接続され、第１のスイッチと同期してオン／オフされる第４のスイッチと、調整用コンデンサの第１の端子と基準電位との間に接続され、第２のスイッチと同期してオン／オフされる第５のスイッチとを備えていることを特徴とする静電容量型センサ回路。
【請求項３】 請求項１または２記載の静電容量型センサ回路において、増幅器はオペアンプであることを特徴とする静電容量型センサ回路。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の技術分野】本発明は、静電容量型センサの容量変化を電圧変化として出力するための静電容量型センサ回路に関し、特に、センサ自体の製造上のバラツキを容易に補正することができる静電容量型センサ回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】静電容量型センサは、高感度でかつ衝撃に強いことから加速度センサ等として広く用いられており、機械的外力が加わるとその静電容量が変化し、該静電容量の変化を電圧の変化として取り出すことができるように構成されている。このような静電容量型センサは、製造時等のバラツキによって外圧に対する容量変化（容量／外圧特性）が一定ではなく、該バラツキを外付けの機械的及び電子的手段によって較正することが試みられている。
【０００３】図３は、このような較正手段を付加した静電容量型センサ素子を、加速度センサとして用いた場合の従来例を示している。該従来例においては、シリコンカンチレバー１１の先端部にシリコン微細加工技術によって可動電極１２を設け、該可動電極１２を一対の固定電極１３及び１４の間に配置している。そして、加速度Ｇの大きさ及び方向に依存して可動電極１２が変位しようとするが、フィードバック制御により、可動電極１２と一方の固定電極との間の距離ｄが一定となるように、これら電極間に静電気力を作用させ、該作用させた静電気力の大きさから、カンチレバーに加わった加速度を検出するようにしている。そして、図３の従来例においては、静電気力は、静電サーボ回路１５を用いて、パルス幅変調方式で制御されるか、またはバイアス静電気成分を含むように制御される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３の従来例においては、センサ素子自体の特性のバラツキを補正するために、パルス幅変調を実行する静電サーボ機構等を必要とし、そのため、センサ回路が比較的大規模であり、かつ複雑である。そして、回路の規模を小さくするために、上記した従来例のような静電サーボ機構を用いない場合は、センサ素子のバラツキ等により出力誤差が大きくなる、という問題点がある。本発明の目的は、このような従来例の問題点を解決して、静電容量型のセンサ素子の容量変化を、簡単な回路で、しかも製造時のバラツキに依存せずに高精度な出力信号として取り出すことができる静電容量型センサ回路を提供することである。
【０００５】
【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、本発明の静電容量型センサ回路においては、（ａ）入力電圧を発生する入力電圧発生手段と、（ｂ）発生された入力電圧が第１の端子に供給される静電容量型センサ素子と、（ｃ）該センサ素子の第２の端子に入力端子が接続された増幅器と、（ｄ）該増幅器の入力端子と出力端子との間に接続された帰還コンデンサと、（ｅ）調整電圧を発生する調整電圧発生手段と、（ｆ）発生された調整電圧が第１の端子に供給され、第２の端子にセンサ素子の第２の端子が接続された調整用コンデンサとを備え、調整用電圧を調整することにより、センサ素子のバラツキを較正可能にしたことを特徴としている。
【０００６】本発明はさらに、上記した構成に加えて、（ｇ）センサ素子の第１の端子と入力電圧発生手段との間に接続された第１のスイッチと、（ｈ）センサ素子の第１の端子と基準電位との間に接続され、第１のスイッチと相補的にオン／オフされる第２のスイッチと、（ｉ）帰還コンデンサに並列接続され、第２のスイッチと同期してオン／オフされる第３のスイッチと、（ｊ）調整用コンデンサの第１の端子と調整電圧発生手段との間に接続され、第１のスイッチと同期してオン／オフされる第４のスイッチと、（ｋ）調整用コンデンサの第１の端子と基準電位との間に接続され、第２のスイッチと同期してオン／オフされる第５のスイッチとを備えていることを特徴とし、第２、第３及び第５のスイッチをオンさせて静電容量型センサ回路を初期化し、その後、これらのスイッチをオフしかつ第１及び第４のスイッチをオンさせて、センサ回路として動作させることができるようにしている。これにより、回路のコンデンサの両端の電圧をゼロに初期化してから動作させることができるので、より高精度の測定が実行できる。本発明の静電容量型センサ回路においては、増幅器としてオペアンプを用いることが好適である。
【０００７】
【実施の態様】図１は、本発明の一実施例の静電容量型センサ回路が示されており、該図において、Ｃsは静電容量型センサ素子（センサ・コンデンサ）であり、センサ・コンデンサＣsの第１の端子には、入力電圧発生回路１からの入力電圧Ｖinが、スイッチＳ1を介して供給され、また、該第１の端子は、第１のスイッチＳ1と相補的にオン／オフされる第２のスイッチＳ2を介してアース、すなわち基準電位に接続される。センサ・コンデンサＣsの第２の端子には、オペアンプ２の反転入力端子が接続され、該反転入力端子とオペアンプ２の出力端子との間には、スイッチＳ2に同期してオン／オフされるスイッチＳ3とコンデンサＣfとの並列回路が接続されている。オペアンプ２の出力端子から、センサ出力が出力電圧Ｖoutとして取り出される。
【０００８】センサ・コンデンサＣsの第２の端子にはさらに、調整電圧発生回路３から、スイッチＳ1と同期してオン／オフされるスイッチＳ4、及び調整用コンデンサＣmを介して、調整電圧Ｖmが供給され、また、スイッチＳ4と相補的にオン／オフされるスイッチＳ5を介して、基準電位に接続される。以上から明らかなように、スイッチＳ2、Ｓ3、Ｓ5は同期してオン／オフされ、また、スイッチＳ1、Ｓ4は同期してオン／オフされる。そして、これら２つのスイッチのグループは、相補的にオン／オフされる。
【０００９】図１に示した回路の動作を説明する。まず、回路を初期化するために、スイッチＳ1、Ｓ4をオフし、スイッチＳ2、Ｓ3、Ｓ5をオンする。このオン／オフ状態は、図１に示したオン／オフ状態と反対である。これにより、センサ・コンデンサＣs、帰還コンデンサＣf、調整用コンデンサＣmのそれぞれの両端の電圧がゼロになる。なお、オペアンプ２は、その反転入力端子と非反転入力端子の電位を等しくするよう作用する（すなわち、反転入力端子と非反転入力端子とは、イマージナル・ショート状態にある）ので、非反転入力端子の電位Ｖfも基準電位（Ｖf＝０）となり、したがって、センサ・コンデンサＣs及び調整用コンデンサＣmそれぞれの両端の電圧がゼロになる。このような初期化の後に、スイッチのオン／オフ状態を反転して、スイッチＳ2、Ｓ3、Ｓ5をオフし、スイッチＳ1、Ｓ4をオンすると、センサ・コンデンサＣsの第１の端子に入力電圧Ｖinが印加され、また調整用コンデンサＣmの第１の端子に調整用電圧Ｖmが印加される。
【００１０】スイッチＳ1、Ｓ4がオンの時の回路の入出力伝達特性は、以下の式（１）で表される。なお、以下の式においては、コンデンサそれぞれの容量値を対応するコンデンサの符号を用いて表すとする。
【数１】
Ｖout＝−（Ｃs／Ｃf）（Ｖin−Ｖf）−（Ｃm／Ｃf）（Ｖm−Ｖf）＋Ｖf （１）
説明を簡単にするため、固定値であるＣm、ＣfをＣm＝Ｃfに設定すると、式（１）は、以下のように表される。
【数２】
Ｖout＝−（Ｃs／Ｃf）（Ｖin−Ｖf）−（Ｖm−Ｖf）＋Ｖf （２）
【００１１】Ｃs／Ｃfの値をパラメータとして、式（２）をグラフで表せば、図２に示すように、直線Ｌ0、Ｌ1、Ｌ2で表される。ただし、これら直線Ｌ0〜Ｌ2においては、Ｖmは、Ｖm＝Ｖm(0)なる固定値に設定している。直線Ｌ0は、Ｃs＝Ｃfの場合を表しており、Ｃfの値を規格上の標準的なセンサ・コンデンサの容量値Ｃs(0)に一致するよう設定することにより、直線Ｌ0は標準的なセンサ・コンデンサを用いた場合の入出力伝達特性を示すことができる。また、直線Ｌ1はＣs＝Ｃs(1)＞Ｃfの場合の一例を、直線Ｌ2はＣs＝Ｃs(2)＜Ｃfの場合の一例を示しており、センサ・コンデンサの容量値が標準値よりも大きい場合及び小さい場合の入出力伝達特性を示している。
【００１２】センサ・コンデンサが標準容量値の場合（Ｃs＝Ｃf＝Ｃs(0)）、ある所定の入力電圧Ｖin(0)が供給された状態で、出力電圧Ｖout(0)が出力される。ところが、Ｃs(1)＞Ｃfの場合、直線Ｌ1から明らかなように、入力電圧Ｖin(0)に対応する出力電圧は、Ｖout(0)よりも小さい値の【数３】
Ｖout(1)＝Ｖout(0)−△Ｖ （３）
となる。そこで、出力電圧ＶoutがＶout(1)から△Ｖだけ大きくなるように直線Ｌ1を直線Ｌ1′にシフトすれば、Ｃs＝Ｃs(1)＞Ｃfなる容量値のセンサ・コンデンサを用いた場合でも、標準容量値Ｃs(0)のセンサ・コンデンサを用いた場合と同一の出力電圧Ｖout(0)が得られることが分かる。
【００１３】このように直線Ｌ1を平行移動させて直線Ｌ1′とするために、調整電圧ＶmをＶm(0)から変化させればよいことは、式（２）及びグラフから明らかであり、変化させた後の調整電圧Ｖm(1)は、以下の式（４）から演算することができる。
【数４】
Ｖm(1)＝Ｖm(0)−（Ｃs(1)−Ｃf）（Ｖin(0)−Ｖf）／Ｃf （４）
上記においては、センサ・コンデンサＣsの容量値が標準値よりも大きいの場合の出力の較正について説明したが、標準値よりも小さい容量値Ｃs(2)の場合、調整電圧Ｖm(2)は、【数５】
Ｖm(2)＝Ｖm(0)−（Ｃs(2)−Ｃf）（Ｖin(0)−Ｖf）／Ｃf （５）
で表される。
【００１４】以上、説明したように、図１の回路においては、調整電圧Ｖmを調整することにより、用いるセンサ素子の容量値Ｃsにバラツキがあったとしても、出力電圧Ｖoutにバラツキが生じることがない。したがって、本発明においては、容量値が標準値と相違するセンサ・コンデンサを用いた場合に、式（４）または式（５）にＣs(1)またはＣs(2)を代入して調整電圧Ｖm(1)またはＶm(2)を演算し、調整電圧発生回路３から出力する調整電圧Ｖmを決定すればよい。なお、用いているセンサ・コンデンサの容量値Ｃsが不明の場合は、標準容量値Ｃs(0)のものを用いて得られた回路の入出力伝達特性を予めメモリに記憶しておき、該入出力伝達特性と一致するように、フィードバック制御により当該回路の調整電圧Ｖmを可変制御してもよい。
【００１５】また、式（４）及び（５）に基づくことなく、調整電圧Ｖmを適宜に制御すれば、任意の入出力伝達特性を得ることができる。さらに、式（４）及び式（５）は、Ｃm＝Ｃfの前提に基づいて得られた式であるが、Ｃm、ＣfにバラツキがありかつＣm≠Ｃfの場合でも、式（１）におけるＣm／Ｃfは、入出力伝達特性を表す直線を平行移動させるだけであるから、Ｃm、Ｃfのバラツキによる出力電圧のバラツキを、調整電圧Ｖmの調整により低減させることができる。さらにまた、式（１）及び（２）から明らかなように、Ｖinを変化させることにより、図２の直線Ｌ(1)またはＬ(2)におけるの出力電圧を増加あるいは減少させることができる。したがって、調整電圧の制御を行う代わりに、入力電圧及び基準電圧を調整しても、静電容量型センサ素子のバラツキを較正することができる。
【００１６】図１の実施例においては、センサ・コンデンサＣsの第２の端子にオペアンプ２を接続しているが、オペアンプの代わりに、他の任意のリニア増幅器を用いることができることは言うまでもない。また、スイッチＳ1〜Ｓ5は、電子的スイッチであっても機械的スイッチであっても、任意のスイッチを用いることができることは当業者に明らかであろう。さらに、スイッチＳ1、Ｓ2、Ｓ4、Ｓ5を用いる代わりに、センサ・コンデンサＣs、及び調整用コンデサＣmのそれぞれの両端にスイッチを並列接続して、これらのスイッチを初期化時にのみ、スイッチＳ3とともにオンさせるようにしてもよい。なお、必要に応じて、並列接続されたスイッチそれぞれに、放電電流を制限するための抵抗を接続してもよい。
【００１７】以上のように、本発明においては、従来例のような静電気力をフィードバック制御するためのサーボ制御機構を用いることなく、静電容量型センサの容量値を高精度に検出することができるとともに、センサ素子の容量値及び回路中のコンデンサの容量値にバラツキがあっても、出力電圧のバラツキを低減するよう調整することができる。また、容量検出部と出力調整部とを同一の回路で構成できるため、回路が簡略化され、小型化できる。
【出願人】 【識別番号】０００００２１１８
【氏名又は名称】住友金属工業株式会社
【出願日】 平成９年（１９９７）７月４日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】社本 一夫 （外５名）
【公開番号】 特開平１１−２３６０８
【公開日】 平成１１年（１９９９）１月２９日
【出願番号】 特願平９−１７９５４９