JPH0829281A - 容量式センサ回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 形状の小さい容量センサ回路を得る。 【構成】 トランジスタ１から３によって構成されるリ
ングオシレータの段間にセンサ容量Ｃｘを接続して発振
周波数を決定する。このとき、センサ容量はトランジス
タのゲート・ドレイン間に接続する。このように構成す
ることによってセンサ容量Ｃｘがトランジスタの増幅度
Ａ倍され、寄生容量Ｃｓに比べてけた違いに大きくな
る。したがってセンサ容量の変化による周波数変化が大
きくなり、高感度になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば圧力、加速度等
の検出を行う容量式センサ回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】容量式センサは高感度、低温度ドリフト
という特徴があるため、圧力センサ、加速度センサ、湿
度センサ等に使用されている。この容量式センサは容量
変化を検出する手法として雑音の影響を受けにくいこ
と、ディジタル処理が容易であることから、容量変化を
周波数変化に置き換えるＣ−Ｆ式のものが使用される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら容量式セ
ンサを小形化していくと容量値が小さくなり、配線やデ
ィスクリート部品の寄生容量の影響を受け、感度の低下
を起こすという課題を有していた。Ｃ−Ｆ式の回路をＩ
Ｃ化すれば配線等の寄生容量の影響は少なくなるが、従
来のＣ−Ｆ式の回路では分解能が不十分で、微小容量の
検出が困難であった。

【０００４】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
もので、小形の容量式センサ等の微小容量を検出できる
装置を形成するようにしたものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために請求項１の発明は、複数のインバータで形成し
たリングオシレータと、そのインバータの各段間容量に
並列に接続した容量式センサとを備えたものである。請
求項２の発明は請求項１の発明において、容量式センサ
はインバータの入出力間に接続したものである。請求項
３の発明は、発生周波数が異なる状態に設定された複数
の請求項１または請求項２の容量式センサ回路と、複数
の容量式センサ回路からの出力信号を合成する信号合成
装置を備えたものである。

【０００６】

【作用】請求項１の発明は、リングオシレータの段間容
量に容量式センサが接続されるので、その容量式センサ
の容量変化が周波数変化として取り出される。請求項２
の発明は、その容量式センサがインバータの入出力間に
接続されるので、ミラー効果によってその見かけ上の容
量が大きくなる。請求項３の発明は、複数の容量式セン
サからの信号が周波数多重化されて出力される。

【０００７】

【実施例】図１は本発明の一実施例を示す回路図であ
り、奇数段のインバータ１から３が従属接続されてお
り、その段間に寄生容量（分布容量）Ｃｓと並列の形で
容量式センサのセンサ容量Ｃｘが接続されている。この
回路はインバータによって容量が充電または放電され、
次段のインバータの閾値電圧になると次段の出力が反転
する。この信号が次々と反転して伝わり、再び初段イン
バータへ反転して戻ってくる。このため、ある発振周波
数で発振する。この発振周波数はインバータの電流駆動
能力に比例して、容量に反比例する。

【０００８】センサ容量ＣｘをＣＭＯＳインバータの入
力とグランド間に接続すれば、このＣ−Ｆコンバータの
発振周波数ｆｘは次のようになる。 ｆx∝Ｉ／（Ｃx＋Ｃs）Ｖdd ・・・・（１） ここでＩはインバータの充放電電流、Ｖｄｄは電源電
圧、Ｃｓは寄生容量である。

【０００９】このように、センサ容量Ｃｘはその値に応
じた出力周波数に変換されるが、寄生容量Ｃｓによって
感度低下を起こす。すなわち、センサ容量Ｃｘの容量変
化がそのまま周波数変化として現れず、寄生容量が無い
場合に比べて容量変化に対する周波数変化量が小さくな
ってしまう。

【００１０】そこで、図２に示すようにセンサ容量Ｃｘ
をＣＭＯＳインバータのゲート・ドレイン間に接続する
ことによりミラー効果が生じ、センサ容量Ｃｘを等価的
に増大させることができ、これにより寄生容量の影響を
低減できる。

【００１１】図２のようにコンデンサＣｘをＣＭＯＳト
ランジスタのゲート・ドレイン間に接続した場合、ＣＭ
ＯＳトランジスタの増幅度をＡとすると、見かけ上の容
量Ｃは次のようになる。 Ｃ＝Ｑ／Ｖin＝Ｃx｛Ｖin−（−Ａ・Ｖin｝／Ｖin＝（１＋Ａ）Ｃx・・・（２）

【００１２】そこで図３に示すようにリングオシレータ
のインバータをＣＭＯＳトランジスタ１ａ，１ｂ，２
ａ，２ｂ，３ａ，３ｂで構成して、センサ容量Ｃｘをト
ランジスタのゲートとドレイン間に接続すれば、センサ
容量は（１＋Ａ）倍され、等価的に増加するため、寄生
容量が周波数変化に与える影響を小さくすることができ
る。但し、インバータの増幅度はインバータが反転動作
を行うとき以外は零であるため、センサ容量が（１＋
Ａ）倍されるのはインバータの反転動作時だけである。

【００１３】図４はこの回路をシミュレーションしたと
きの特性であり、電源電圧が半分のときに出力波形の立
ち上がりが緩やかになっているが、これはインバータの
反転時にミラー効果によってセンサ容量Ｃｘの容量が増
大して充放電に時間がかかっていることによる。このよ
うにセンサ容量変化の増加により周波数変化率が大きく
なるので、寄生容量の影響を低減し、センサを高感度化
することができる。

【００１４】出力周波数をｆｘ、センサ容量が初期値の
時の出力周波数をｆとし、周波数変化率Δｆｘを次のよ
うに定義する。 Δｆx＝（ｆx−ｆ0）／ｆ0 ・・・・（３） センサ容量Ｃｘの初期値を１０ｐＦ、寄生容量Ｃｓを１
０ｐＦとすると、センサ容量Ｃｘが±５ｐＦ変化したと
きの周波数変化率Δｆｘは図５に示すようになる。すな
わち、図１のようにミラー効果を利用しない場合と、図
３のようにミラー効果を利用した場合を比較すると、図
５に実線で示すミラー効果を用いたときの方が点線で示
すミラー効果を用いないときより、寄生容量による感度
低下を防止でき、高感度であることが分かる。

【００１５】図３の回路はそのままではインバータの充
放電電流が電源電圧変化や温度変化によって変化する。
図６はこれを改良した回路であり、この回路はバイポー
ラトランジスタＱ１とＱ２の面積比を１：ＮとしてＭＯ
ＳトランジスタＱ３の等価抵抗をＲとすると、バイアス
電流ＩB は次式で表される。 ＩB＝｛ｋＴ・ln（Ｎ）／ｑ｝／Ｒ ここでｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電子の
電荷である。また、Ｑ３からＱ１５はＭＯＳトランジス
タである。

【００１６】この回路は、ＭＯＳトランジスタＱ３の等
価抵抗Ｒの温度特性をｋＴ／ｑと合わせることができる
ので、バイアス電流ＩＢの温度特性を少なくすることが
できる。また、電源電圧が５Ｖ程度になると基板効果の
影響で、バイアス電流ＩＢは電源電圧に比例して変化す
るため、周波数の電源電圧依存効果も少なくなる。この
回路の電源電圧および温度変化に対する周波数変化特性
を図７に示すが、電源電圧依存特性および温度特性が改
善されていることを示している。

【００１７】この回路はバイポーラトランジスタが必要
となるが、図８に示すように標準ＣＭＯＳ回路の中に形
成される寄生バイポーラトランジスタを使用すればよ
い。図９はそのバイポーラトランジスタの特性である。
電流増幅率は４０程度であるがバイアス電流回路に用い
るには十分な特性である。

【００１８】きめ細かい制御を行うためには多くのセン
サからの信号をマイクロプロセッサに取り込む必要があ
るが、それにともない、信号線の数が増大してスペース
・コストの点で問題となってくる。それを解決するには
リングオシレータの特性を生かし、ＦＭ方式を用いて信
号の多重化を行えばよい。図１０は信号多重化の概念図
であり、センサからの信号を異なる周波数帯に振り分
け、その信号を加算回路で多重化した後、１本の信号線
で送信する。受信側では、特定の周波数帯の信号を復調
することで任意のセンサ出力を得ることができる。な
お、抵抗Ｒ１からＲ４およびＩＣ１は加算回路を形成し
ている。

【００１９】また、リングオシレータ回路では図１１の
ように奇数個のインバータを接続しておき、初段のイン
バータへの戻り信号をスイッチで切り換えることによっ
てインバータの段数を奇数の範囲で調整すれば、容易に
周波数を切り換えることができる。したがってこのよう
な構成をとればＦＭ方式の多重化が容易に行える。

【００２０】図１２は容量センサのうち容量形加速度セ
ンサの構造を示す斜視図であり、加速度が加えられる
と、電極Ａ−Ｂ間の容量が変化する。図１３はその断面
図であり、Ｐ形半導体である電極Ａ−Ｂ間に容量Ｃｘが
あり、Ｐ形半導体電極Ａとアース間に寄生容量Ｃｓ１が
あり、Ｐ形半導体電極Ｂとアース間に寄生容量Ｃｓ２が
ある状態を示している。

【００２１】図１４は図３の回路を更に高感度にした回
路である。図１４の回路において、出力周波数は主にセ
ンサ容量Ｃｘと寄生容量Ｃｓの充電時間によって決ま
る。したがって図１４の回路は寄生容量Ｃｓ１側は負荷
に接続しないので出力周波数への影響がなくなるので、
感度が良くなる。図１４の回路で容量Ｃｓ１を７０ｐＦ
容量Ｃｓ２を１０ｐＦとすると図１５のような特性が得
れらる。

【００２２】図１６はリングオシレータを使用せず同様
の特性を得るための回路である。この回路は電流源１１
あるいは１２によってセンサ容量Ｃｘの充放電を行うも
のであり、充電電圧が所定電圧に達するまではスイッチ
１３が図１６の位置になっており、充電電圧が所定電圧
を越えるとそれをシュミットトリガ１０が検出してスイ
ッチ１３を図１６と反対側に切り換えるので、いままで
充電されていたセンサ容量Ｃｘの電荷が電流源１２を介
して放電する。これにより所定周波数の信号が出力側に
得られる。センサ容量Ｃｘはインバータの入出力間に接
続されており、入力電圧Ｖ（４）はシュミットトリガが
１０のヒステリシス電圧幅の間を変化する。このヒステ
リシス電圧幅で常にインバータが反転動作をするように
設計することでＶ（４）が変化している間、常にミラー
効果による容量の増幅が行える。これにより微小容量の
検出が可能になる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、リングオ
シレータの一部にセンサ容量を接続すると共に、そのセ
ンサ容量をミラー効果によって増加させたので、センサ
容量を等価的に大きくすることができるので、感度が良
くなり、微小容量が検出できるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例の構成を示す回路図であ
る。

【図２】 センサ容量を等価的に増加させる回路を示す
回路図である。

【図３】 ミラー効果を用いたＣ−Ｆコンバータの回路
図である。

【図４】 図３の回路の特性を示すグラフである。

【図５】 ミラー効果がある場合とない場合の周波数変
化特性を示すグラフである。

【図６】 電源電圧変動特性を改良したＣ−Ｆコンバー
タの回路図である。

【図７】 図６の回路の特性を示すグラフである。

【図８】 寄生バイポーラトランジスタの構造を示す断
面図である。

【図９】 寄生バイポーラトランジスタの特性を示すグ
ラフである。

【図１０】 多重化システムの概念を示す回路図であ
る。

【図１１】 リングオシレータにおける周波数帯域の分
割を行い回路の回路図である。

【図１２】 容量式加速度センサの一例を示す斜視図で
ある。

【図１３】 図１２のセンサの断面を示す断面図であ
る。

【図１４】 改良されたＣ−Ｆコンバータを示す回路図
である。

【図１５】 図１４の回路の特性を示すグラフである。

【図１６】 シュミットトリガを用いた回路の一例を示
す回路図である。

【符号の説明】

１〜３…インバータ、１ａ〜１ｅ，Ｑ１からＱ１５…ト
ランジスタ、Ｃｘ…センサ容量、Ｃｓ…寄生容量、１０
…シュミットトリガ、１１，１２…電流源、１３…スイ
ッチ。

フロントページの続き (72)発明者 中村 哲郎 愛知県豊橋市北山町東浦２−１ (72)発明者 岡田 健 愛知県豊橋市天伯町字雲雀ケ丘１−１ 豊 橋技術科学大学内 (72)発明者 酒井 重典 愛知県豊橋市天伯町字雲雀ケ丘１−１ 豊 橋技術科学大学内 (72)発明者 徐 煕敦 愛知県豊橋市天伯町字雲雀ケ丘１−１ 豊 橋技術科学大学内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象の変化を周波数変化として取り
   出す容量式センサ回路において、 複数のインバータで形成したリングオシレータと、 そのインバータの各段間容量に並列に接続した容量式セ
   ンサとを備えたことを特徴とする容量式センサ回路。
2. 【請求項２】 請求項１において、 容量式センサはインバータの入出力間に接続することを
   特徴とする容量式センサ回路。
3. 【請求項３】 発生周波数が異なる状態に設定された複
   数の請求項１または請求項２の容量式センサ回路と、 前記複数の容量式センサ回路からの出力信号を合成する
   信号合成装置とから構成されることを特徴とする容量式
   センサ回路。