JP2005246498A

JP2005246498A - 電子部品装置

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Publication number: JP2005246498A
Application number: JP2004056652A
Authority: JP
Inventors: Toshishige Shimamura; 俊重島村; Masami Urano; 正美浦野; Hitoshi Ishii; 仁石井; Katsuyuki Machida; 克之町田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-03-01
Filing date: 2004-03-01
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2024-03-01
Also published as: JP4499447B2

Abstract

【課題】容量可変構造体の容量に対して寄生容量が大きい場合でも、検出精度の劣化を抑えつつ、容量可変構造体の容量を高速に検出する。
【解決手段】制御信号または検出すべき物理量に応じて変位する形状可変構造体１と、形状可変構造体１の変位を表す容量を検出する構造変位検出ユニット２とを有し、形状可変構造体１は、その変位に応じて容量が変化する容量可変構造体１０を備え、構造変位検出ユニット２は、容量可変構造体１０に電界を発生させる電界発生部２０と、電界発生の基となる誘導信号Ｓｄを電界発生部２０に出力する誘導信号生成部２２と、容量可変構造体１０の容量信号Ｓｃａｐから容量可変構造体１０の容量を表す情報信号Ｓｉを抽出する容量情報抽出部２３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光スイッチや加速度センサに代表されるＭＥＭＳ（マイクロメカニカルシステム）デバイスを備えた電子部品装置に係り、特にＭＥＭＳ構造に発生する微小な容量を検出する技術に関するものである。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いたデバイスでは、ＭＥＭＳ構造に発生する容量を検出することで、目的の物理量を検出したり、検出した物理量を基に自己の制御を行ったりする技術が開発されてきた。例えば、加速度センサでは、ＭＥＭＳ技術で作製された１対の電極間に発生する容量を検出することで、加速度を検出することができる。加速度センサでは、容量を発生させる電極の設計の自由度が大きいため、検出する容量を大きくすることや電極に発生する寄生容量を小さくすることが比較的容易である。そのため、寄生容量に影響されることなく、目的の容量を検出することが可能である。

一方、発明者らは、光スイッチに関して、ミラー構造に発生する容量を検出してミラーの回転角度を検知し、ミラーをフィードバック制御することで、ミラーを高速に制御する技術を特願２００２−２７２９０５号で提案した。本技術について、図１３、図１４を用いて説明する。図１３は、光スイッチの構成例を示す断面図である。ＭＥＭＳミラー１００は、導電性材料からなるミラー基板１０１と、ミラー基板１０１の開口領域内に形成され、ミラー基板１０１に連結部を介して回動可能に連結されかつ電気的に接続された導電性材料からなるミラー１０２と、ミラー１０２が制御電極１１０及び検出電極１１１の上に離間して配置されるようにミラー基板１０１を支える支柱１０３とから構成される。ミラー１０２は、トーションバネのように作用する連結部によりミラー基板１０１に固定されている。そして、ミラー基板１０１は、下部の制御電極１１０や検出電極１１１等と離間するとともに所定の空隙を形成するように支柱１０３に接続固定されている。制御電極１１０は、ミラー１０２を駆動し、検出電極１１１は、ミラー１０２の角度により変化する容量Ｃｓを検出する。

図１４は、ミラー基板１０１の平面図である。ミラー基板１０１の開口領域内に設けられたミラー１０２は、連結部によってミラー基板１０１と連結され、連結部によって回動可能に支持されている。連結部は、トーションバネ１０４，１０６と、ミラー枠体１０５とから構成される。トーションバネ１０４，１０６は、ミラー１０２の中心を挟んでその両側にそれぞれ１対設けられる。ミラー枠体１０５は、トーションバネ１０４によってミラー基板１０１と連結され、トーションバネ１０４によって回動可能に支持される。これにより、ミラー枠体１０５は、一対のトーションバネ１０４を通る、ミラー基板１０１と平行な軸（図１４の上下方向）を回動軸として回動することが可能である。一方、ミラー１０２は、トーションバネ１０６によってミラー枠体１０５と連結され、トーションバネ１０６によって回動可能に支持される。これにより、ミラー１０２は、一対のトーションバネ１０６を通る、ミラー枠体１０５と平行な軸（図１４の左右方向）を回動軸として回動することが可能である。結果として、ミラー１０２は、一対のトーションバネ１０４を通る軸と一対のトーションバネ１０６を通る軸の２軸を回動軸として回動することができる。

以上のような光スイッチにおいて、ミラー１０２は接地電位とされる。構造体制御装置１１２の駆動回路１１３により制御電極１１０に制御電圧が印加されると、ミラー１０２と制御電極１１０との間に静電力が発生し、この静電力に見合う角度だけミラー１０２が回動する。ミラー１０２が回動すると、ミラー１０２と検出電極１１１との間に形成される静電容量Ｃｓが変化する。構造体制御装置１１２の構造変位検出回路１１４は、容量Ｃｓを検出することにより、ミラー１０２と検出電極１１１との距離を検出し、検出した距離を駆動回路１１３にフィードバックする。駆動回路１１３は、構造変位検出回路１１４から受け取った距離のデータに基づいてミラー１０２の回転角度を計算し、計算した回転角度と予め設定された角度設定値とを比較して、角度設定値とミラー１０２の回転角度とが一致するように、制御電極１１０への印加電圧を制御する。

図１３に示した光スイッチによれば、ミラー１０２の回転角度に基づいて、ミラー１０２を駆動する電圧を制御するため、ミラー１０２の共振を抑制することができ、高速にミラー１０２の回転角度を制御することができる。しかし、この光スイッチでは、検出電極１１１と接地電位との間に寄生容量Ｃｐが発生するため、ミラー１０２と検出電極１１１との間に形成される容量Ｃｓの検出が難しいという問題があった。その理由は、構造変位検出回路１１４は容量Ｃｓと寄生容量Ｃｐとが並列接続された容量を検出することになるが、容量Ｃｓが数１０ｆＦ〜数１００ｆＦであるのに対して、寄生容量Ｃｐが数ｐＦとなるためである。

検出したい容量に対して大きな寄生容量が発生する場合でも、目的の容量を検出することを可能にする技術として、非特許文献１に開示された技術がある（以下、第１の従来例と呼ぶ）。本技術は容量型の指紋センサに関するものである。この第１の従来例を図１５を用いて説明する。図１５に示す容量型指紋センサは、検出電極２０１と人の指２０３との間に形成される容量Ｃｓを検出することで、指紋画像を取得する。この容量型指紋センサでは、検出電極２０１に対向して補償電極２０２が配置される。補償電極２０２は演算増幅器２０５のフィードバックにより検出電極２０１と同電位となるように制御されるため、検出電極２０１に発生する寄生容量が抑制される。

以下、図１５に示したセンサの動作について説明する。まず、リセット状態では、第１の制御スイッチ２０４の一端の電位ＶｒがＶ１に設定され、かつ第１の制御スイッチ２０４はオン状態とされる。一方、演算増幅器２０５の非反転入力端子と出力端子との間に設けられた第２の制御スイッチ２０６もオン状態とされ、演算増幅器２０５のフィードバックループは閉じられる。演算増幅器２０５の反転入力端子の電位がＶ１であることから、フィードバックループにより検出電極２０１の電位もＶ１となる。次に、第２の制御スイッチ２０６が開いたときの検出電極２０１の電位をＶ２とする。このとき、実効的な指の容量をＣｆ、演算増幅器２０５の非反転入力端子と出力端子との間の容量をＣｓｐｌ、電位Ｖ１とＶ２との差をΔＶｒとすると、演算増幅器２０５の出力電圧Ｖｏｕｔの振幅はΔＶ０＝（１＋Ｃｆ／Ｃｓｐｌ）ΔＶｒとなり、指の容量Ｃｓに対応した信号出力を得ることができる。

検出したい容量に対して大きな寄生容量が発生する場合でも、目的の容量を検出することを可能にする他の技術として、特許文献１に開示された技術がある（以下、第２の従来例と呼ぶ）。本技術は、ダイアフラムを用いた圧力センサに関するものである。この第２の従来例を図１６を用いて説明する。図１６に示す圧力センサにおいて、演算増幅器３０２の非反転入力端子には、第１の制御スイッチ３０３を介して基準電圧Ｖｈが供給される。演算増幅器３０２の反転入力端子と出力端子との間には第２の制御スイッチ３０４が接続され、センサの入力端子３０１と演算増幅器３０２の非反転入力端子との間には、静電容量Ｃｓを有するセンサＳが接続される。寄生容量Ｃｐは、センサＳと演算増幅器３０２の非反転入力端子との接続部に形成される。基準電圧Ｖｈは例えば接地電位である。センサＳの一例として、マイクロマシンにより微小面積を有するように加工され、かつ対向するダイアフラムと電極との間に容量Ｃｓを形成するように構成されたものが挙げられる。センサＳは、加えられた物理量の変化によって生起されるダイアフラムの変位に応じて、容量Ｃｓを変化させるものである。

以下、図１６に示したセンサの動作について説明する。容量Ｃｓを検出するシーケンスは初期化サイクルと測定サイクルとからなっている。初期化サイクルの期間中では、第１の制御スイッチ３０３と第２の制御スイッチ３０４とがオン状態にされ、かつ入力電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｈに設定される（Ｖｉｎ＝Ｖｈ）。これにより、出力電圧Ｖｏｕｔも基準電圧Ｖｈと等しくなるように設定される。一方、測定サイクルの期間中、第１の制御スイッチ３０３と第２の制御スイッチ３０４とはオフ状態にされ、入力電圧ＶｉｎはＶｈ＋△Ｖに設定される。容量Ｃｓを測定するために、第１の制御スイッチ３０３と第２の制御スイッチ３０４とがオフされると、演算増幅器３０２の出力電圧Ｖｏｕｔは、以下の式を満足する。

Ｖｏｕｔ＝−（Ｒｆ１／Ｒｉ１）（Ｖｉｎ−ｖ⁺）＋Ｖ⁺＝−Ｖｉｎ＋２ｖ⁺
・・・（１）
式（１）において、ｖ⁺ は演算増幅器３０２の非反転入力端子の電圧である。また、センサの入力端子３０１と演算増幅器３０２の反転入力端子との間に設けられた抵抗Ｒｉ１と、演算増幅器３０２の反転入力端子と出力端子との間に設けられた抵抗Ｒｆ１とが等しくなるように設定されている（Ｒｆ１＝Ｒｉ１）。
入力電圧Ｖｉｎを初期化サイクルで設定したＶｈからＶｈ＋△Ｖに変化させると、センサ容量Ｃｓに蓄積される電荷Ｑ１と寄生容量Ｃｐに蓄積される電荷Ｑ２とは、以下の式によって表される。
Ｑ１＝（Ｖｉｎ−Ｖ⁺）Ｃｓ＝（Ｖｈ＋△Ｖ−ｖ⁺）Ｃｓ・・・（２）
Ｑ２＝ｖ⁺Ｃｐ・・・（３）

センサ容量Ｃｓと寄生容量Ｃｐとは直列に接続されているので、ＣｓとＣｐには同一の電荷量が蓄積され、よって、Ｑ１＝Ｑ２である。したがって、次式が成立する。
ｖ⁺Ｃｐ＝（Ｖｈ＋△Ｖ−ｖ⁺）Ｃｓ・・・（４）
上記したように基準電圧Ｖｈを接地電位（Ｖｈ＝０）とすると、演算増幅器３０２の非反転入力端子の電圧ｖ⁺ は、以下の式で表される。
ｖ⁺＝ΔＶ・Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃｐ）・・・（５）
式（５）を式（１）に代入すると、演算増幅器３０２の出力電圧Ｖｏｕｔは以下のように書き直すことができる。
Ｖｏｕｔ＝−Ｖｉｎ＋２ｖ⁺＝−Ｖｉｎ＋２・△Ｖ・Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃｐ）・・（６）

センサＳと図１６の回路におけるセンサ以外の部分とがそれぞれ別々のチップ上に形成され、これらチップが電気的に接続されている場合、寄生容量Ｃｐは、数ｐＦから約１５ｐＦ又はそれ以上の程度の範囲であり、センサＳの容量Ｃｓは、通常、１ｆＦから数１００ｆＦ程度である。したがって、寄生容量ＣｐはセンサＳの容量Ｃｓに比べて大きいので、Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃｐ）をＣｓ／Ｃｐで近似できる。よって、演算増幅器３０２の出力電圧Ｖｏｕｔは以下の式で表される。
Ｖｏｕｔ＝−Ｖｉｎ＋２・△Ｖ・Ｃｓ／Ｃｐ・・・（７）
式（７）は演算増幅器３０２の出力電圧ＶｏｕｔがセンサＳの容量Ｃｓに応じて線形に変化することを表している。

このように、演算増幅器３０２の非反転入力端子の近傍に寄生容量Ｃｐが存在する場合でも、センサＳの容量Ｃｓが寄生容量Ｃｐに比べて極めて小さい限り、演算増幅器３０２は容量Ｃｓと線形関係にある電圧Ｖｏｕｔを出力することができる。さらに、演算増幅器３０２の利得（Ｒｆ１／Ｒｉ１）及び入力電圧Ｖｉｎの変化量ΔＶを、容量Ｃｓに応じて調整することにより、十分に大きな出力電圧Ｖｏｕｔを得ることができる。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特表２００１−５１０５８０号公報「５００ディーピーアイキャパシティブタイプシーモスフィンガープリントセンサーウィズピクセルレベルアダプティブイメージエンハンスメントスキーム（A 500dpi Capacitive-Type CMOS Fingerprint Sensor with Pixel-Level Adaptive Image Enhancement Scheme ）」，アイエスエスシーシー２００２ペーパーズ（ISSCC2002 PAPERS），２００３年２月，ｐ．３５２−３５３

しかしながら、図１５に示した第１の従来例では、第１の制御スイッチ２０４により検出電極２０１の電位をＶ１に設定するステップと、第２の制御スイッチ２０６を開くステップとが必要になるため、容量Ｃｓの検出に時間がかかるという問題点があった。したがって、この第１の従来例を、高速動作が必須となる光スイッチのフィードバック制御に適用することはできない。また、第１の従来例では、第２の制御スイッチ２０６の開閉に伴う雑音が容量検出の精度を劣化させるという問題点があった。

図１６に示した第２の従来例においても、第１の従来例と同様に、第１の制御スイッチ３０３により入力電圧ＶｉｎをＶｈに設定するステップと、第２の制御スイッチ３０４を開くステップとが必要になるため、容量Ｃｓの検出に時間がかかるという問題点があった。また、第２の制御スイッチ３０４の開閉に伴う雑音が容量検出の精度を劣化させるという問題点があった。さらに、第２の従来例の場合、センサＳから入力端子３０１に接続される端子と演算増幅器３０２の非反転入力に接続される端子とを引き出す必要がある。しかし、図１３に示した光スイッチの場合、ミラー１０２は通常、接地電位とされ、検出電極１１１からのみ端子が引き出されるようになっている。このため、第２の従来例の構造を光スイッチに適用しようとすると、新たに端子を取り出すためにプロセス工程が増加し、製造コストが増加するという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、制御信号または検出すべき物理量に応じて変位する形状可変構造体と形状可変構造体の変位に応じて容量が変化する容量可変構造体を備える電子部品装置において、容量可変構造体の容量に対して寄生容量が大きい場合でも、検出精度の劣化を抑えつつ、容量可変構造体の容量を高速に検出することを目的とする。

本発明は、入力された制御信号または検出すべき物理量に応じて変位する形状可変構造体と、この形状可変構造体の変位を表す容量を検出する構造変位検出ユニットとを有する電子部品装置において、前記形状可変構造体は、その変位に応じて容量が変化する容量可変構造体を備え、前記構造変位検出ユニットは、前記容量可変構造体に電界を発生させる電界発生部と、前記電界発生の基となる誘導信号を前記電界発生部に出力する誘導信号生成部と、前記電界の発生によって前記容量可変構造体の出力端子から出力される容量信号から、前記容量可変構造体の容量を表す情報信号を抽出する容量情報抽出部とを備えるものである。本発明は、検出する容量に対して、寄生容量が極端に大きい場合でも、高速に目的の容量を検出して、形状可変構造体の変位を検出することを特徴としており、容量可変構造体から取り出す端子が１つで良い点と、少ない制御スイッチで容量検出を行うことができるために検出精度を劣化させることがない点と、演算増幅器のフィードバック制御を必要とせず、少ない制御ステップで容量を高速に検出できる点が従来と異なる。

また、本発明の電子部品装置の１構成例において、前記誘導信号生成部は、前記電界の発生開始を指示する誘導開始信号を出力する誘導開始信号発生部と、前記誘導開始信号に応じて前記誘導信号を出力する電界誘導部とから構成されるものである。
また、本発明の電子部品装置の１構成例において、前記電界誘導部は、所定の電圧を出力する誘導電圧発生回路と、制御端子が前記誘導開始信号発生部の出力端子に接続され、入力端子が前記誘導電圧発生回路の出力端子に接続され、出力端子が前記電界発生部の入力端子に接続され、前記誘導開始信号の出力に応じて閉状態となる制御スイッチとから構成されるものである。
また、本発明の電子部品装置の１構成例において、前記容量情報抽出部は、所定の基準電位を発生する基準電位発生部と、前記容量信号と前記基準電位との電位差を前記情報信号として抽出する電位比較部とから構成されるものである。
また、本発明の電子部品装置の１構成例において、前記容量情報抽出部は、所定の基準電位を発生する基準電位発生部と、前記容量信号と前記基準電位との電位差を増幅して検出信号として出力する電位比較部と、前記電界の発生開始タイミングと同期した基準信号を発生する基準信号発生部と、前記検出信号と前記基準信号との位相差を前記情報信号として抽出する位相比較部とから構成されるものである。
また、本発明の電子部品装置の１構成例において、前記容量可変構造体は、前記形状可変構造体の可動部材と、この可動部材と対向して設置された検出電極とから構成されるものである。
また、本発明の電子部品装置の１構成例において、前記電界発生部は、容量素子から構成されるものである。
また、本発明の電子部品装置の１構成例において、前記容量可変構造体は、前記形状可変構造体の可動部材と、この可動部材と対向して設置された第１の検出電極とから構成され、前記電界発生部は、前記第１の検出電極と対向して設置された第２の検出電極から構成されるものである。
また、本発明の電子部品装置の１構成例において、前記形状可変構造体は、光の経路を変更するマイクロミラーである。

本発明によれば、電界発生部を通して誘導信号を検出電極に印加するため、従来のセンサのような演算増幅器のフィードバック制御を必要とせず、誘導信号を印加するステップだけで容量可変構造体の容量を表す情報信号を高速に検出することができ、形状可変構造体の変位を高速に検出することができる。また、容量検出に必要な制御スイッチは電界発生部に誘導信号を印加するか否かを決めるスイッチの１つだけでよいので、検出精度の劣化を抑えることができる。また、電界発生部を通して誘導信号を検出電極に印加し、検出電極から容量信号を取り出すため、容量可変構造体の出力端子は１つでよい。その結果、本発明を光スイッチに適用する場合でも、新たに端子を取り出す必要がなく、プロセス工程が増加することがなくなる。

また、容量情報抽出部を、所定の基準電位を発生する基準電位発生部と、容量信号と基準電位との電位差を情報信号として抽出する電位比較部とから構成したことにより、基準電位を適切に設定すれば、容量信号から容量可変構造体の容量による変化分のみを増幅して抽出することができるので、容量可変構造体の容量が寄生容量に比べて小さい場合でも、容量可変構造体の容量を検出することができる。

また、容量情報抽出部を、所定の基準電位を発生する基準電位発生部と、容量信号と基準電位との電位差を増幅して検出信号として出力する電位比較部と、電界の発生開始タイミングと同期した基準信号を発生する基準信号発生部と、検出信号と基準信号との位相差を情報信号として抽出する位相比較部とから構成し、基準電位を適切に設定すれば、この基準電位を閾値として、容量可変構造体の容量による容量信号の変化を時間変化として検出することができるので、容量可変構造体の容量が寄生容量に比べて小さい場合でも、容量可変構造体の容量を検出することができる。

また、第１の検出電極に対向して第２の検出電極を配置することにより、第１の検出電極に寄生容量が発生しないようにすることができるので、容量可変構造体の容量の変化による容量信号の変化を大きくすることができ、容量検出の感度を大きくすることができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態となる電子部品装置の構成を示すブロック図である。
電子部品装置は、入力された制御信号または検出すべき物理量に応じて変位する形状可変構造体１と、形状可変構造体１の変位を表す容量を検出する構造変位検出ユニット２とから構成される。電子部品装置の例としては、例えば光スイッチがある。

形状可変構造体１は、その変位に応じて容量が変化する容量可変構造体１０を備える。構造変位検出ユニット２は、容量可変構造体１０に電界を発生させる電界発生部２０と、容量可変構造体１０の容量を検出する構造変位検出回路２１とを備える。構造変位検出回路２１は、電界発生の基となる誘導信号Ｓｄを電界発生部２０に出力する誘導信号生成部２２と、容量可変構造体１０の出力端子と電界発生部２０の出力端子との接続部で得られる容量信号Ｓｃａｐから容量可変構造体１０の容量を表す情報信号Ｓｉを抽出する容量情報抽出部２３と、情報信号Ｓｉを情報処理可能な形式の出力信号Ｓｏに変換する出力調整部２４とを有する。

本実施の形態の形状可変構造体１の具体例を図２に示す。形状可変構造体１は、容量可変構造体１０と、基板１１と、導電性材料からなる可動部材１２と、基板１１上に形成された制御電極１３と、可動部材１２が制御電極１３の上に離間して配置されるように可動部材１２を支える支柱１４とを有する。容量可変構造体１０は、可動部材１２と、基板１１上に形成された検出電極１５とから構成される。

電子部品装置が光スイッチの場合、可動部材１２はミラーである。この可動部材１２は、支柱１４を介して所定の電位に設定される。図示しない駆動回路により制御電極１３に制御電圧が印加されると、可動部材１２と制御電極１３との間に静電力が発生し、この静電力に見合う分だけ可動部材１２が変位する。
容量可変構造体１０と電界発生部２０の具体例を図３に示す。前述のように、容量可変構造体１０は、可動部材１２と検出電極１５とから構成され、電界発生部２０は、容量素子Ｃｓｔｄから構成される。

形状可変構造体１の可動部材１２が変位すると、可動部材１２と検出電極１５との間に形成される静電容量Ｃｓが変化する。構造変位検出回路２１の誘導信号生成部２２は、電界発生部２０の容量素子Ｃｓｔｄの入力端子に誘導信号Ｓｄを入力する。誘導信号Ｓｄの入力により、容量素子Ｃｓｔｄは、容量可変構造体１０に電界を発生させる。この電界の発生により、容量可変構造体１０の出力端子（検出電極１５）と容量素子Ｃｓｔｄの出力端子との接続部から、容量可変構造体１０の容量Ｃｓの情報を含む容量信号Ｓｃａｐが出力される。
容量情報抽出部２３は、容量信号Ｓｃａｐから容量可変構造体１０の容量Ｃｓを表す情報信号Ｓｉを抽出する。出力調整部２４は、情報信号Ｓｉを情報処理可能な形式の出力信号Ｓｏに変換して出力する。

図４は構造変位検出回路２１の誘導信号生成部２２の構成を示すブロック図である。誘導信号生成部２２は、電界の発生開始を指示する誘導開始信号Ｓｓを出力する誘導開始信号発生部２２０と、誘導開始信号Ｓｓに応じて誘導信号Ｓｄを出力する電界誘導部２２１とから構成されている。

本実施の形態の電子部品装置の構造変位検出ユニット２の構造変位検出回路２１の具体例を図５に示す。電界誘導部２２１は、所定の電圧を出力する誘導電圧発生回路２２２と、誘導開始信号発生部２２０からの誘導開始信号Ｓｓの出力に応じて閉状態となる制御スイッチ２２３とから構成される。制御スイッチ２２の制御端子は誘導開始信号発生部２２０の出力端子に接続され、入力端子は誘導電圧発生回路２２２の出力端子に接続され、出力端子は電界発生部２０の入力端子に接続されている。

図６は、本実施の形態の構造変位検出ユニット２における各部の信号波形を示す図である。図６（ａ）に示すように誘導開始信号Ｓｓがロウレベルからハイレベルに遷移すると、電界誘導部２２１の制御スイッチ２２３がオン状態となり、誘導電圧発生回路２２２から出力される電圧が誘導信号Ｓｄとして電界発生部２０に印加され、容量検出が開始される。このとき、誘導信号Ｓｄは、図６（ｂ）に示すように次第に上昇して、一定の誘導電位（誘導電圧発生回路２２２の出力電位）に落ち着く。この誘導電位は、第１の共通電位（例えば接地電位）と第２の共通電位（例えば電源電位）との中間の電位に設定される。

電界発生部２０が備える容量素子Ｃｓｔｄは、検出電極１５に発生する寄生容量Ｃｐと同程度の大きさに設定される。誘導信号Ｓｄの印加で発生した電界により、容量可変構造体１０の検出電極１５に、形状可変構造体１の可動部材１２の変位に対応した電荷が誘起される。このとき、検出電極１５に発生する容量信号Ｓｃａｐは、容量可変構造体１０の容量Ｃｓと寄生容量Ｃｐとが足し合わされた容量（Ｃｓ＋Ｃｐ）と、電界発生部２０の容量Ｃｓｔｄとで誘導信号Ｓｄを分圧した電位となる。したがって、容量信号Ｓｃａｐは、容量可変構造体１０の容量Ｃｓが大きいほど、第１の共通電位側に降下することになる。

図７は構造変位検出回路２１の容量情報抽出部２３の構成を示すブロック図である。容量情報抽出部２３は、所定の基準電位Ｓｒｅｆを発生する基準電位発生部２３０と、容量信号Ｓｃａｐと基準電位Ｓｒｅｆとを比較して、容量信号Ｓｃａｐと基準電位Ｓｒｅｆとの電位差を情報信号Ｓｉとして抽出する電位比較部２３１とから構成されている。基準電位発生部２３０としては、一般的な参照電圧発生回路を用いればよく、電位比較部２３１としては、一般的な差動増幅回路を用いればよい。

図８は、容量情報抽出部２３における各部の信号波形を示す図である。図８（ａ）に示すように、容量信号Ｓｃａｐについては、容量Ｃｓが最小値をとる場合と最大値をとる場合の両方を示した。基準電位Ｓｒｅｆは、容量Ｃｓが最小値をとる場合の容量信号Ｓｃａｐの飽和電位（以下、第１の飽和電位と呼ぶ）と容量Ｃｓが最大値をとる場合の容量信号Ｓｃａｐの飽和電位（以下、第２の飽和電位と呼ぶ）との中間付近の電位に設定される。

電位比較部２３１は、容量信号Ｓｃａｐと基準電位Ｓｒｅｆとの電位差を増幅するため、図８（ｂ）に示すように、容量可変構造体１０の容量Ｃｓの変化が増幅された情報信号Ｓｉが出力される。
容量情報抽出部２３から容量Ｃｓの大きさに比例した情報信号Ｓｉが出力されるため、本実施の形態の出力調整部２４の具体例としては一般的なＡ／Ｄ変換回路を用い、出力調整部２４により情報信号Ｓｉをディジタル信号に変換すればよい。

以上のように、本実施の形態の電子部品装置は、電界発生部２０を通して誘導信号を検出電極１５に印加するため、図１５、図１６に示したセンサのような演算増幅器のフィードバック制御を必要とせず、誘導信号を印加するステップだけで容量可変構造体１０の容量Ｃｓを表す情報信号Ｓｉを高速に検出することができ、形状可変構造体１の変位を高速に検出することができる。また、本実施の形態では、基準電位Ｓｒｅｆを第１の飽和電位と第２の飽和電位の中間付近の電位に設定して、容量信号Ｓｃａｐと基準電位Ｓｒｅｆとの電位差を情報信号Ｓｉとして抽出するようにしたことにより、容量信号Ｓｃａｐから容量可変構造体１０の容量Ｃｓによる変化分のみを増幅して抽出することができるので、容量可変構造体１０の容量Ｃｓが寄生容量Ｃｐに比べて小さい場合でも、容量Ｃｓを検出することができる。

また、本実施の形態では、容量検出に必要な制御スイッチは電界発生部２０に誘導信号Ｓｄを印加するか否かを決める制御スイッチ２２３の１つだけでよいので、検出精度の劣化を抑えることができる。また、本実施の形態では、電界発生部２０を通して誘導信号を検出電極１５に印加し、検出電極１５から容量信号を取り出すため、容量可変構造体１０の出力端子は１つでよい。その結果、本実施の形態を光スイッチに適用する場合でも、新たに端子を取り出す必要がなく、プロセス工程が増加することがなくなる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態の電子部品装置は、構造変位検出ユニット２の構造変位検出回路２１が備える容量情報抽出部の構成が第１の実施の形態と異なる。
本実施の形態の容量情報抽出部２３ａの構成を図９に示す。容量情報抽出部２３ａは、基準電位発生部２３２と、電位比較部２３３と、基準信号発生部２３４と、位相比較部２３５とから構成されている。

電位比較部２３３は、容量信号Ｓｃａｐと基準信号発生部２３２から出力された基準電位Ｓｒｅｆとを比較して、容量信号Ｓｃａｐと基準電位Ｓｒｅｆとの電位差を増幅した検出信号Ｓｅを出力する。第１の実施の形態と同様に、基準電位発生部２３２としては、一般的な参照電圧発生回路を用いればよく、電位比較部２３３としては、一般的な差動増幅回路を用いればよいが、このときの差動増幅回路の利得は第１の実施の形態よりも大きく設定されている。したがって、電位比較部２３３から出力される検出信号Ｓｅは矩形波状のパルス信号となる。

基準信号発生部２３４は、電界の発生開始タイミング（第１の実施の形態の誘導開始信号Ｓｓが出力されるタイミング）と同期した基準信号Ｓｐｈａを発生する。
位相比較部２３５は、検出信号Ｓｅと基準信号Ｓｐｈａの位相を比較して、検出信号Ｓｅと基準信号Ｓｐｈａとの位相差を情報信号Ｓｉとして抽出する。基準信号発生部２３４の具体例としては、一般的なパルス発生回路を用いればよく、位相比較部２３５の具体例としては、一般的な排他的論理和回路等を用いればよい。

図１０は、容量情報抽出部２３ａにおける各部の信号波形を示す図である。図１０（ａ）に示すように、容量信号Ｓｃａｐについては、容量Ｃｓが最小値をとる場合と最大値をとる場合の両方を示した。本実施の形態の基準電位Ｓｒｅｆは、容量信号Ｓｃａｐの傾きが小さくなる電位に設定される。より具体的には、前述の第２の飽和電位よりも若干低い電位が好ましい。その理由は、基準電位Ｓｒｅｆが第２の飽和電位に近い方が、容量Ｃｓの検出感度を大きくできるからである。

電位比較部２３３は、容量信号Ｓｃａｐと基準電位Ｓｒｅｆとの電位差を増幅した矩形波状の検出信号Ｓｅを出力する（図１０（ｂ））。したがって、容量Ｃｓによる容量信号Ｓｃａｐの変化は、検出信号Ｓｅが遷移する時刻（図１０（ｂ）の例では検出信号Ｓｅがハイレベルからローレベルに立ち下がる時刻）の変化に変換され、容量Ｃｓが大きいほど検出信号Ｓｅが遷移するまでの時間が長くなる。

一方、基準信号Ｓｐｈａは、電界発生部２０による電界の発生開始タイミングと同期しているので、容量信号Ｓｃａｐの傾きが小さくなる前に基準信号発生部２３４から出力される（図１０（ｃ）の例では、ローレベルに遷移する）。
そして、検出信号Ｓｅと基準信号Ｓｐｈａとの排他的論理和処理を位相比較部２３５で行うことにより、検出信号Ｓｅと基準信号Ｓｐｈａとの位相差を情報信号Ｓｉとして抽出することができる。

こうして、容量Ｃｓによる容量信号Ｓｃａｐの変化は、情報信号Ｓｉのパルス幅ｔｗｉｄｔｈの変化に変換され、容量Ｃｓが大きいほどパルス幅ｔｗｉｄｔｈが大きくなる。
本実施の形態の出力調整部２４は、情報信号Ｓｉのパルス幅をディジタル信号に変換する。出力調整部２４の具体例としては、一般的なパルス幅復調回路を用いればよい。

以上のように、本実施の形態の電子部品装置は、第１の実施の形態と同様に、電界発生部２０を通して誘導信号を検出電極１５に印加するため、図１５、図１６に示したセンサのような演算増幅器のフィードバック制御を必要とせず、誘導信号を印加するステップだけで容量可変構造体１０の容量Ｃｓを表す情報信号Ｓｉを高速に検出することができ、形状可変構造体１の変位を高速に検出することができる。また、本実施の形態では、基準電位Ｓｒｅｆを容量信号Ｓｃａｐの傾きが小さくなる電位に設定して、この基準電位Ｓｒｅｆを閾値として、容量Ｃｓによる容量信号Ｓｃａｐの変化を時間変化として検出するため、容量可変構造体１０の容量Ｃｓが寄生容量Ｃｐに比べて小さい場合でも、容量Ｃｓを検出することができる。

また、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、容量検出に必要な制御スイッチは電界発生部２０に誘導信号Ｓｄを印加するか否かを決める制御スイッチの１つだけでよいので、検出精度の劣化を抑えることができる。また、本実施の形態では、容量可変構造体１０の出力端子は１つでよい。その結果、本実施の形態を光スイッチに適用する場合でも、新たに端子を取り出す必要がなく、プロセス工程が増加することがなくなる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態の電子部品装置は、電界発生部の構成が第１、第２の実施の形態と異なる。本実施の形態の容量可変構造体１０と電界発生部２０ａの具体例を図１１に示す。第１、第２の実施の形態と同様に、容量可変構造体１０は、可動部材１２と検出電極（以下、第１の検出電極と呼ぶ）１５とから構成される。電界発生部２０ａは、第１の検出電極１５と対向するように基板１１中に配置された第２の検出電極２５から構成される。

図１２は、容量可変構造体１０と電界発生部２０ａとの接続関係及びこれらに生じる容量を示す図である。第１、第２の実施の形態では、容量可変構造体１０の出力端子（第１の検出電極１５）と電界発生部２０の出力端子とを接続していたが、本実施の形態では、これらを接続することなく、電界発生部２０ａの第２の検出電極２５を第１の検出電極１５と対向させて配置する。

第１、第２の実施の形態と同様に、容量可変構造体１０には形状可変構造体１の可動部材１２の変位により変化する容量Ｃｓが可動部材１２と第１の検出電極１５との間に形成される。一方、第１の検出電極１５と第２の検出電極２５との間には容量Ｃｓｔｄが発生し、第２の検出電極２５と第１の共通電位（接地電位）との間には寄生容量Ｃｐが発生する。本実施の形態では、第１の検出電極１５と第２の検出電極２５との間に容量Ｃｓｔｄを発生させることにより、第１の検出電極１５と第１の共通電位との間には寄生容量は発生しない。この寄生容量が発生しないという効果をより確実にするため、第２の検出電極２５の面積を第１の検出電極１５と同じにするか、若しくは第１の検出電極１５よりも大きくすることが好ましい。

電界発生部２０ａの第２の検出電極２５には構造変位検出回路２１から誘導信号Ｓｄが入力され、第１の検出電極１５から出力された容量信号Ｓｃａｐが構造変位検出回路２１に入力される。構造変位検出回路２１の構成としては第１の実施の形態で説明した構成を用いてもよいし、第２の実施の形態で説明した構成を用いてもよい。

以上のように、本実施の形態の電子部品装置は、第１の実施の形態と同様に、電界発生部２０を通して誘導信号を検出電極１５に印加するため、図１５、図１６に示したセンサのような演算増幅器のフィードバック制御を必要とせず、誘導信号を印加するステップだけで容量可変構造体１０の容量Ｃｓを表す情報信号Ｓｉを高速に検出することができ、形状可変構造体１の変位を高速に検出することができる。また、本実施の形態では、第１の検出電極１５に対向して第２の検出電極２５を配置することにより、第１の検出電極１５に寄生容量が発生しないようにすることができるので、容量Ｃｓの変化による容量信号Ｓｃａｐの変化を大きくすることができ、容量検出の感度を大きくすることができる。

また、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、容量検出に必要な制御スイッチは電界発生部２０ａに誘導信号Ｓｄを印加するか否かを決める制御スイッチの１つだけでよいので、検出精度の劣化を抑えることができる。また、本実施の形態では、容量可変構造体１０の出力端子は１つでよい。その結果、本実施の形態を光スイッチに適用する場合でも、新たに端子を取り出す必要がなく、プロセス工程が増加することがなくなる。

本発明は、光スイッチや加速度センサに代表されるＭＥＭＳデバイスに適用することができる。

本発明の第１の実施の形態となる電子部品装置の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施の形態における形状可変構造体の構成を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態における容量可変構造体と電界発生部の具体例を示す図である。本発明の第１の実施の形態における構造変位検出回路の誘導信号生成部の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施の形態における構造変位検出回路の具体例を示すブロック図である。本発明の第１の実施の形態の構造変位検出ユニットにおける各部の信号波形を示す図である。本発明の第１の実施の形態における構造変位検出回路の容量情報抽出部の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施の形態の容量情報抽出部における各部の信号波形を示す図である。本発明の第２の実施の形態における構造変位検出回路の容量情報抽出部の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施の形態の容量情報抽出部における各部の信号波形を示す図である。本発明の第３の実施の形態における容量可変構造体と電界発生部の具体例を示す断面図である。本発明の第３の実施の形態における容量可変構造体と電界発生部との接続関係及びこれらに生じる容量を示す図である。光スイッチの構成例を示す断面図である。図１３の光スイッチのミラー基板の平面図である。第１の従来例の容量型指紋センサの構成を示すブロック図である。第２の従来例の圧力センサの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…形状可変構造体、２…構造変位検出ユニット、１０…容量可変構造体、１１…基板、１２…可動部材、１３…制御電極、１４…支柱、１５…検出電極、２０、２０ａ…電界発生部、２１…構造変位検出回路、２２…誘導信号生成部、２３、２３ａ…容量情報抽出部、２４…出力調整部、２５…第２の検出電極、２２０…誘導開始信号発生部、２２１…電界誘導部、２２２…誘導電圧発生回路、２２３…制御スイッチ、２３０…基準電位発生部、２３１…電位比較部、２３２…基準電位発生部、２３３…電位比較部、２３４…基準信号発生部、２３５…位相比較部。

Claims

入力された制御信号または検出すべき物理量に応じて変位する形状可変構造体と、この形状可変構造体の変位を表す容量を検出する構造変位検出ユニットとを有する電子部品装置において、
前記形状可変構造体は、その変位に応じて容量が変化する容量可変構造体を備え、
前記構造変位検出ユニットは、前記容量可変構造体に電界を発生させる電界発生部と、前記電界発生の基となる誘導信号を前記電界発生部に出力する誘導信号生成部と、前記電界の発生によって前記容量可変構造体の出力端子から出力される容量信号から、前記容量可変構造体の容量を表す情報信号を抽出する容量情報抽出部とを備えることを特徴とする電子部品装置。
請求項１に記載の電子部品装置において、
前記誘導信号生成部は、前記電界の発生開始を指示する誘導開始信号を出力する誘導開始信号発生部と、前記誘導開始信号に応じて前記誘導信号を出力する電界誘導部とから構成されることを特徴とする電子部品装置。
請求項２に記載の電子部品装置において、
前記電界誘導部は、所定の電圧を出力する誘導電圧発生回路と、制御端子が前記誘導開始信号発生部の出力端子に接続され、入力端子が前記誘導電圧発生回路の出力端子に接続され、出力端子が前記電界発生部の入力端子に接続され、前記誘導開始信号の出力に応じて閉状態となる制御スイッチとから構成されることを特徴とする電子部品装置。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子部品装置において、
前記容量情報抽出部は、所定の基準電位を発生する基準電位発生部と、前記容量信号と前記基準電位との電位差を前記情報信号として抽出する電位比較部とから構成されることを特徴とする電子部品装置。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子部品装置において、
前記容量情報抽出部は、所定の基準電位を発生する基準電位発生部と、前記容量信号と前記基準電位との電位差を増幅して検出信号として出力する電位比較部と、前記電界の発生開始タイミングと同期した基準信号を発生する基準信号発生部と、前記検出信号と前記基準信号との位相差を前記情報信号として抽出する位相比較部とから構成されることを特徴とする電子部品装置。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子部品装置において、
前記容量可変構造体は、前記形状可変構造体の可動部材と、この可動部材と対向して設置された検出電極とから構成されることを特徴とする電子部品装置。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子部品装置において、
前記電界発生部は、容量素子から構成されることを特徴とする電子部品装置。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子部品装置において、
前記容量可変構造体は、前記形状可変構造体の可動部材と、この可動部材と対向して設置された第１の検出電極とから構成され、
前記電界発生部は、前記第１の検出電極と対向して設置された第２の検出電極から構成されることを特徴とする電子部品装置。
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電子部品装置において、
前記形状可変構造体は、光の経路を変更するマイクロミラーであることを特徴とする電子部品装置。