JP2005140657A - 静電容量型センサの容量変化検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】静電容量素子に初期容量差がある場合でも正確な静電容量の変化を検出可能で且つ低コストな静電容量型センサの容量変化検出回路を提供する。
【解決手段】各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２に初期容量差ΔＣがある場合でも、スイッチ１７が閉じられている時間（リセット時間）ｔと初期容量差ΔＣとの関係を最適化することにより、物理量の検出に十分正確な電圧信号Ｖsyを得ることが可能になり、特別な回路を設けてコストを増大させることなく、各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量の変化を正確に検出ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、静電容量型センサの容量変化検出回路に係り、詳しくは、物理量を静電容量の変化によって検出する静電容量型センサの容量変化を検出することで検出対象の物理量を検出する容量変化検出回路に関するものである。

従来より、物理現象に伴って生じる物理量（例えば、加速度や圧力など）を静電容量の変化によって検出する静電容量型センサと、その静電容量型センサの容量変化を電気信号（電圧信号）に変換する容量変化検出回路とを組み合わせることにより、物理量に対応した電気信号を出力する検出装置が広く利用されている。

例えば、特許文献１には、所定のセンサが検出対象の物理現象を静電容量の容量値の変動としてとらえ、その容量値の差をスイッチトキャパシタ部により電気信号に変換する容量型センサの容量変化検出回路において、前記スイッチトキャパシタ部が、第１のセンサ駆動信号で駆動され前記検出対象の変化容量を蓄積するセンサ容量素子と、第２のセンサ駆動信号で駆動され前記センサ容量素子の容量値との差をとるための基準容量となる参照容量素子と、一方の入力端子に前記センサ容量素子および前記参照容量素子の各一方端が共通接続されかつ出力端子から帰還容量素子と帰還制御スイッチとがそれぞれ並列接続状態で接続されるとともに他方の入力端子があらかじめ定めた基準電位に接続された帰還増幅器とを有するものが開示されている。

しかし、特許文献１の技術では、検出対象の物理量が零の初期状態（定常状態）におけるセンサ容量素子と参照容量素子の初期容量が同一になるように各容量素子を作成するのが難しく、各容量素子の初期容量に差（静電容量のアンバランス）が生じやすい。その各容量素子の初期容量差が帰還容量素子の容量を越えると、帰還容量素子が飽和して帰還増幅器の出力が一定になってしまい（出力感度が出なくなり）、物理量を検出できなくなる。

そこで、本出願人は、特許文献２に開示されるように、物理量に応じて容量値が変化する可変容量（特許文献１の「センサ容量素子、参照容量素子」に相当）と、その可変容量の容量変化を電圧信号に変換するＣ−Ｖ変換回路（特許文献１の「スイッチトキャパシタ部」に相当）と、そのＣ−Ｖ変換回路の出力信号を電荷量としてそれぞれ異なるタイミングで保持する第１，第２の電荷保持部と、前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力信号のオフセットを調整するための信号を電荷量として保持するオフセット調整用電荷保持部と、前記第１，第２の電荷保持部および前記オフセット調整用電荷保持部に保持された電荷量を統合した電荷量を保持する統合電荷保持部と、前記統合電荷保持部に保持された電荷を受け取り、その電荷量に基づいて前記物理量に応じた電圧を出力する出力部とを備えた信号処理装置を提案している。

特許文献２の技術によれば、電圧で信号処理するのではなく、電荷量を用いて信号処理する新規な構成の信号処理装置とし、可変容量に大きなオフセット（初期容量差、静電容量のアンバランス）が発生したとしても、それを効果的に除去することができる。
特開平８−１４５７１７号公報（第２〜３頁、図１） 特開２００１−２４９０２８号公報（第２〜５頁、図１、図２）

特許文献２の技術では、可変容量のオフセット（初期容量差、静電容量のアンバランス）を除去するための回路（第１，第２の電荷保持部、オフセット調整用電荷保持部、統合電荷保持部、出力部）が必要であり、その回路を設ける分だけコストが増大するという問題があった。

本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、その目的は、可変容量素子に初期容量がある場合でも正確な静電容量の変化を検出可能で且つ低コストな静電容量型センサの容量変化検出回路を提供することにある。

（請求項１）
請求項１に記載の発明は、物理現象に伴って生じる物理量に応じて静電容量が変化する可変容量素子と、前記可変容量素子の容量変化を電圧信号に変換するＣ−Ｖ変換回路とを備えた静電容量型センサの容量変化検出回路であって、前記Ｃ−Ｖ変換回路は、反転入力端子に前記可変容量素子が接続されたオペアンプと、そのオペアンプの反転入力端子と出力端子の間に並列接続されたスイッチおよびコンデンサとを有するスイッチトキャパシタ回路からなり、前記スイッチが閉じられているリセット時間をｔとし、前記物理量が零の初期状態における前記可変容量素子の初期容量をΔＣとし、０．２３５〜１１５００００の数値範囲をとる第１係数をｍとし、０．３６０〜１４１００００の数値範囲をとる第２係数をｎとしたときに、ｔ≧（ΔＣ−ｍ）／ｎ の関係を満たす静電容量型センサの容量変化検出回路を技術的特徴とする。

（請求項２）
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の静電容量型センサの容量変化検出回路において、前記可変容量素子は差動型可変容量素子であり、前記初期容量ΔＣは、前記物理量が零の初期状態における差動型可変容量素子の初期容量の差であることを技術的特徴とする。

（請求項３）
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の静電容量型センサの容量変化検出回路において、前記可変容量素子は、前記物理量に応じて静電容量が変化するセンサ容量素子と、そのセンサ容量素子との容量差を求めるための基準容量となる固定容量素子とからなり、前記初期容量ΔＣは、前記物理量が零の初期状態における前記センサ容量素子と前記固定容量素子との初期容量の差であることを技術的特徴とする。

（請求項４）
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の静電容量型センサの容量変化検出回路において、前記可変容量素子と前記Ｃ−Ｖ変換回路とをワンチップに集積化したことを技術的特徴とする。

（請求項１）
請求項１に記載の発明によれば、可変容量素子に初期容量がある場合でも、リセット時間と初期容量との関係を最適化することにより、物理量の検出に十分正確な電圧信号を得ることが可能になり、可変容量の静電容量の変化を正確に検出することができる。そして、請求項１に記載の発明によれば、特許文献２のように初期容量差を除去するための回路を設ける必要がないため、コストの増大を防止できる。

（請求項２）
請求項２に記載の発明によれば、可変容量素子として差動型可変容量素子を用いることができる。

（請求項３）
請求項３に記載の発明によれば、可変容量素子として、前記物理量に応じて静電容量が変化するセンサ容量素子と、そのセンサ容量素子との容量差を求めるための基準容量となる固定容量素子とを用いることができる。

（請求項４）
請求項４に記載の発明によれば、可変容量素子とＣ−Ｖ変換回路とをワンチップに集積化することで両者を接続する接続ワイヤを省くことが可能になる。そのため、前記接続ワイヤの線路インピーダンスがワンチップ内部の配線の線路インピーダンスに置き換えられて非常に小さくなり、その分だけ線路インピーダンスと初期容量との乗算値である時定数を小さくすることが可能になることから、請求項１〜３に記載の発明の効果を更に高めることができる。

図１は、本発明を具体化した一実施形態に係る静電容量型センサの容量変化検出回路１１の回路図である。容量変化検出回路１１は、センサ部チップ１２、回路部チップ１３、制御回路１４から構成されている。そして、各チップ１２，１３は接続ワイヤ１５によって接続されている。制御回路１４は、各チップ１２，１３を駆動制御するための制御信号Ｓ１〜Ｓ３を生成して各チップ１２，１３に出力する。

センサ部チップ１２は、静電容量素子（コンデンサ）Ｃ１，Ｃ２から構成されたチップ部品である。各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２は直列接続され、静電容量素子Ｃ１には制御信号Ｓ３が印加され、静電容量素子Ｃ２には制御信号Ｓ２が印加される。尚、各制御信号Ｓ２，Ｓ３は互いに逆相の搬送波である。

センサ部チップ１２は、物理現象に伴って生じる物理量（例えば、加速度や圧力など）を各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量の変化によって検出する静電容量型センサである。

例えば、物理量として加速度を検出する場合、直列接続された各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２を、対向する固定電極の間に可動電極（中間電極）が配置された構造のコンデンサとし、当該可動電極が各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２の接続された側の電極として共用することにより、各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２を差動型可変容量素子（差動容量）とする。

センサ部チップ１２に加速度が印加されると、その加速度によって可動電極が変位し、その可動電極の変位に対応して各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２の容量が共に変化する。そして、各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２の容量差は加速度に比例して変化する。よって、各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２の容量差の変化を検出すれば、加速度の変化を検出できる。

回路部チップ１３は、オペアンプ１６、スイッチ１７、コンデンサ（帰還容量）Ｃｆから構成されたチップ部品である。オペアンプ１６の反転入力端子には、接続ワイヤ１５を介してセンサ部チップ１２の各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２の接続点（前記可動電極）が接続されている。オペアンプ１６の非反転入力端子には、基準電圧Ｖｒ（例えば、２．５Ｖ）が印加されている。

オペアンプ１６の反転入力端子と出力端子の間には、スイッチ１７とコンデンサＣｆが並列に接続されている。スイッチ１７は、スイッチング素子（例えば、バイポーラトランジスタやＦＥＴなど）によって構成され、その開閉動作は制御信号Ｓ１によって切り替えられる。

つまり、回路部チップ１３は、スイッチトキャパシタ回路からなるＣ−Ｖ（静電容量−電圧）変換回路を構成し、各制御信号Ｓ２，Ｓ３の反転に伴って生じる各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２の容量差の変化を電圧信号Ｖsyに変換してオペアンプ１６の出力端子から出力する。

図２は、静電容量型センサの容量変化検出回路１１の動作を説明するためのタイミングチャートである。

以下、静電容量素子Ｃ１，Ｃ２およびコンデンサＣｆの静電容量をそれぞれ「Ｃ１」「Ｃ２」「Ｃｆ」と表記する。また、静電容量素子Ｃ１，Ｃ２およびコンデンサＣｆに蓄積される電荷量をそれぞれ「Ｑ１」「Ｑ２」「Ｑｆ」と表記する。そして、各制御信号Ｓ２，Ｓ３は、ハイレベルの電圧Ｖｐ（例えば、５Ｖ）とローレベルの電圧（＝０Ｖ）の２つの電圧値をとり、その電圧振幅はＶｐ（Ｖ）である。また、スイッチ１７は、ハイ（Ｈ）レベルの制御信号Ｓ１によって閉じられ、ロー（Ｌ）レベルの制御信号Ｓ１によって開かれる。

時刻Ｔ０では、各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２にそれぞれ電荷量Ｑ１（＝Ｃ１×（０−Ｖｒ）），Ｑ２（＝Ｃ２×（Ｖｐ−Ｖｒ））が蓄積され、各電荷量Ｑ１，Ｑ２を合わせた総電荷量Ｑｔ（＝Ｑ１＋Ｑ２）が蓄積される。

時刻Ｔ１では、制御信号Ｓ１に従ってスイッチ１７が開かれ、オペアンプ１６の反転入力端子と出力端子との間が直流的に開放状態となる。

時刻Ｔ２では、各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２にそれぞれ電荷量Ｑ１（＝Ｃ１×（Ｖｐ−Ｖｒ）），Ｑ２（＝Ｃ２×（０−Ｖｒ））が蓄積され、各電荷量Ｑ１，Ｑ２を合わせた総電荷量Ｑｔ′（＝Ｑ１＋Ｑ２）が蓄積される。

このとき、スイッチ１７が開かれており、オペアンプ１６の反転入力端子と出力端子との間が直流的に開放状態であるため、コンデンサＣｆには電荷量Ｑｆ（＝Ｑｔ−Ｑｔ′）が蓄積される。そのため、オペアンプ１６の出力端子の電圧信号Ｖsyは、コンデンサＣｆの電荷量Ｑｆを静電容量Ｃｆで除算した電圧値（Ｑｆ／Ｃｆ）で安定する。

時刻Ｔ３では、制御信号Ｓ１に従ってスイッチ１７が閉じられ、オペアンプ１６の反転入力端子と出力端子との間が直流的に短絡状態（ボルテージフォロアの状態）となり、コンデンサＣｆに蓄積された電荷が放電されると共に、オペアンプ１６の反転入力端子が基準電圧Ｖｒと同電位となる。

そして、以降の時刻Ｔ４〜Ｔ６では同様の動作が繰り返される。そのため、オペアンプ１６の出力端子の電圧信号Ｖsyは、数式１によって表される最大電圧Ｖｓ（Ｖ）を電圧振幅とする矩形波となる。

Ｖｓ＝Ｖｐ×（Ｃ１−Ｃ２）／Ｃｆ ………（数式１）。

［実施形態の作用・効果］
静電容量型センサの容量変化検出回路１１では、検出対象の物理量が零の初期状態（定常状態）における各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２の初期容量が同一になるように各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２を作成するのが難しく、各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２の初期容量に差（オフセット容量、静電容量のアンバランス）が生じやすい。

その各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２の初期容量差ΔＣが大きいと、スイッチ１７を閉じてもコンデンサＣｆに蓄積された電荷を十分に放電させて完全にリセットさせることができなくなり、コンデンサＣｆに徐々に電荷が溜まり、正確な電圧信号Ｖsyが得られなくなる。そして、初期容量差ΔＣがコンデンサＣｆの容量Ｃｆを越えると、コンデンサＣｆが飽和して電圧信号Ｖsyが一定になってしまい（出力感度が出なくなり）、物理量を検出できなくなる。

図３は、各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２の初期容量差ΔＣが大きくなった場合の電圧信号Ｖsyの変化を示すタイミングチャートである。

初期容量差ΔＣが十分に小さい場合には、スイッチ１７が閉じられると（図２に示す時刻Ｔ３）、電圧信号Ｖsyが速やかにローレベルになり、正常な電圧信号Ｖsyが得られる（α１）。

しかし、初期容量差ΔＣが大きくなってゆくにつれて、スイッチ１７が閉じられても電圧信号Ｖsyがなかなかローレベルにならず、電圧信号Ｖsyの「波形なまり」が増大してゆく（α２→α３→α４）。そして、初期容量差ΔＣが非常に大きくなると、スイッチ１７が閉じられても電圧信号Ｖsyがローレベルにならず一定になってしまう。

そこで、スイッチ１７が閉じられている時間ｔ（図２に示す時刻Ｔ０〜Ｔ１および時刻Ｔ３〜Ｔ５の時間。以下「リセット時間ｔ」と表記する）と、初期容量差（オフセット容量）ΔＣとをそれぞれ変化させ、電圧信号Ｖsyが正常か又は飽和するかを調べる実験を行い、図４〜図６に示すグラフのデータ（実測値）を得た。

図４〜図６に示すグラフのデータから、物理量の検出に十分正確な電圧信号Ｖsyが得られるリセット時間ｔと初期容量差ΔＣとの関係は、各係数ｍ，ｎを用いた数式２によって表されることが判明した。

ｔ≧（ΔＣ−ｍ）／ｎ ………（数式２）。

ここで、係数ｍの範囲は約０．２３５〜１１５００００が適当であり、望ましくは約０．３２５〜０．７２５、特に望ましくは約０．４３３〜０．５９５である。

係数ｍがこの範囲より大きくなると（つまり、リセット時間ｔを表す直線の切片が大きくなると）、電圧信号Ｖsyが飽和する領域でリセット時間ｔおよび初期容量差ΔＣを設定してもよいことになるため、係数ｍをこの範囲より大きくすることはできない。

また、係数ｍがこの範囲より小さくなると（つまり、リセット時間ｔを表す直線の切片が小さくなると）、電圧信号Ｖsyが実際には飽和しない領域までリセット時間ｔおよび初期容量差ΔＣの設定を禁止してしまうような緩い規格になるため、係数ｍをこの範囲より小さくすることはできない。

係数ｎの範囲は約０．３６０〜１４１００００が適当であり、望ましくは約０．４６０〜０．９６０、特に望ましくは約０．６１０〜０．８１０である。

係数ｎがこの範囲より大きくなると（つまり、リセット時間ｔを表す直線の傾きが大きくなると）、電圧信号Ｖsyが飽和する領域でリセット時間ｔおよび初期容量差ΔＣを設定してもよいことになるため、係数ｎをこの範囲より大きくすることはできない。

また、係数ｎがこの範囲より小さくなると（つまり、リセット時間ｔを表す直線の傾きが小さくなると）、電圧信号Ｖsyが実際には飽和しない領域までリセット時間ｔおよび初期容量差ΔＣの設定を禁止してしまうような緩い規格になるため、係数ｎをこの範囲より小さくすることはできない。

図４に示す斜線の範囲は、リセット時間ｔおよび初期容量差ΔＣの適当な範囲を示すものである。図５に示す斜線の範囲は、リセット時間ｔおよび初期容量差ΔＣの望ましい範囲を示すものである。図６に示す斜線の範囲は、リセット時間ｔおよび初期容量差ΔＣの特に望ましい範囲を示すものである。

以上詳述した本実施形態によれば、各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２に初期容量差ΔＣがある場合でも、リセット時間ｔと初期容量差ΔＣとの関係を最適化することにより（数式２、図４〜図６の斜線範囲）、物理量の検出に十分正確な電圧信号Ｖsyを得ることが可能になり、各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量の変化を正確に検出することができる。そして、本実施形態によれば、特許文献２のように初期容量差ΔＣを除去するための回路を設ける必要がないため、コストの増大を防止できる。

［別の実施形態］
ところで、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよく、その場合でも、上記実施形態と同等もしくはそれ以上の作用・効果を得ることができる。

（１）上記実施形態では、各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２を差動型可変容量素子としている。しかし、静電容量素子Ｃ１を固定電極と可動電極が対向した構造の可変容量コンデンサ（センサ容量素子）とし、静電容量素子Ｃ２を固定電極が対向した構造の通常の固定容量コンデンサ（固定容量素子）としてもよい。

この場合、センサ部チップ１２に加速度が印加されると、その加速度によって静電容量素子Ｃ１の可動電極が変位し、その可動電極の変位に対応して静電容量素子Ｃ１の容量が変化するのに対して、静電容量素子Ｃ２の容量は変化しない。そして、各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２の容量差は加速度に比例して変化する。よって、各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２の容量差の変化を検出すれば、加速度の変化を検出できる。つまり、容量一定の静電容量素子Ｃ２を、容量が変化する静電容量素子Ｃ１との容量差を求めるための基準容量として使用するわけである。

（２）上記（１）において、静電容量素子Ｃ２を省き、静電容量素子Ｃ１のみを設けるようにしてもよい。この場合、検出対象の物理量が零の初期状態における静電容量素子Ｃ１の初期容量が上記実施形態の初期容量差ΔＣと同様に作用し、静電容量素子Ｃ１の初期容量分が電圧信号Ｖsyのオフセット電圧となって表れる。しかし、この場合でも、上記実施形態と同様にリセット時間ｔと初期容量差ΔＣとの関係を最適化することにより（数式２、図４〜図６の斜線範囲）、上記実施形態と同様の効果が得られる。

（３）図３に示す電圧信号Ｖsyの「波形なまり」は、各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２の初期容量差ΔＣだけでなく、各チップ１２，１３を接続する接続ワイヤ１５の線路インピーダンスＺと初期容量差ΔＣとの乗算値である時定数τ（＝Ｚ×ΔＣ）が大きいほど当該波形なまりも大きくなる。

そこで、図７に示すように、各チップ１２，１３をワンチップ２１に集積化して接続ワイヤ１５を省くようにすれば、接続ワイヤ１５の線路インピーダンスＺがワンチップ２１内部の配線２２の線路インピーダンスに置き換えられて非常に小さくなるため、その分だけ時定数τを小さくすることが可能になり、上記実施形態の効果を更に高めることができる。

図１は、本発明を具体化した一実施形態に係る静電容量型センサの容量変化検出回路１１の回路図である。 図２は、静電容量型センサの容量変化検出回路１１の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図３は、各静電容量素子Ｃ１，Ｃ２の初期容量差ΔＣが大きくなった場合の電圧信号Ｖsyの変化を示すタイミングチャートである。 図４は、リセット時間ｔおよび初期容量差（オフセット容量）ΔＣを変化させた場合に電圧信号Ｖsyが正常か又は飽和するかを示すグラフである。図４に示す斜線の範囲は、リセット時間ｔおよび初期容量差ΔＣの適当な範囲を示すものである。 図５は、リセット時間ｔおよび初期容量差（オフセット容量）ΔＣを変化させた場合に電圧信号Ｖsyが正常か又は飽和するかを示すグラフである。図５に示す斜線の範囲は、リセット時間ｔおよび初期容量差ΔＣの望ましい範囲を示すものである。 図６は、リセット時間ｔおよび初期容量差（オフセット容量）ΔＣを変化させた場合に電圧信号Ｖsyが正常か又は飽和するかを示すグラフである。図６に示す斜線の範囲は、リセット時間ｔおよび初期容量差ΔＣの特に望ましい範囲を示すものである。 図７は、本発明を具体化した別の実施形態に係る静電容量型センサの容量変化検出回路１１の回路図である。

符号の説明

１１…静電容量型センサの容量変化検出回路
１２…センサ部チップ
１３…回路部チップ
１４…制御回路
１５…接続ワイヤ
１６…オペアンプ
１７…スイッチ
２１…ワンチップ
Ｃ１，Ｃ２…静電容量素子
Ｃｆ…コンデンサ
Ｖsy…電圧信号

Claims (4)

1. 物理現象に伴って生じる物理量に応じて静電容量が変化する可変容量素子と、
   前記可変容量素子の容量変化を電圧信号に変換するＣ−Ｖ変換回路と
   を備えた静電容量型センサの容量変化検出回路であって、
   前記Ｃ−Ｖ変換回路は、
   反転入力端子に前記可変容量素子が接続されたオペアンプと、
   そのオペアンプの反転入力端子と出力端子の間に並列接続されたスイッチおよびコンデンサと
   を有するスイッチトキャパシタ回路からなり、
   前記スイッチが閉じられているリセット時間をｔとし、前記物理量が零の初期状態における前記可変容量素子の初期容量をΔＣとし、０．２３５〜１１５００００の数値範囲をとる第１係数をｍとし、０．３６０〜１４１００００の数値範囲をとる第２係数をｎとしたときに、
   ｔ≧（ΔＣ−ｍ）／ｎ
   の関係を満たすことを特徴とする静電容量型センサの容量変化検出回路。
2. 前記可変容量素子は差動型可変容量素子であり、
   前記初期容量ΔＣは、前記物理量が零の初期状態における差動型可変容量素子の初期容量の差であることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型センサの容量変化検出回路。
3. 前記可変容量素子は、前記物理量に応じて静電容量が変化するセンサ容量素子と、そのセンサ容量素子との容量差を求めるための基準容量となる固定容量素子とからなり、
   前記初期容量ΔＣは、前記物理量が零の初期状態における前記センサ容量素子と前記固定容量素子との初期容量の差であることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型センサの容量変化検出回路。
4. 前記可変容量素子と前記Ｃ−Ｖ変換回路とをワンチップに集積化したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の静電容量型センサの容量変化検出回路。
   

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