JP2007101223A - 静電容量型センサ用容量検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電振動子を用いた静電容量型センサの容量検出回路において、温度の影響を排除してセンサの容量を安定して検出することに加えて、より高い測定精度を確保する。
【解決手段】 静電容量型センサ１に接続された厚みすべりモードの第１の圧電振動子４と、それとは互いに干渉しないように３０〜２００ｋＨｚの範囲で異なる周波数を有する厚みすべりモードの第２の圧電振動子５とを、ＡＴカット水晶板からなる同一の圧電基板３に設け、第１及び第２の圧電振動子に接続された第１及び第２の発振器８，９からそれぞれ出力される周波数の差分を周波数ミキサ１０により抽出し、元の発振周波数の高周波成分をカットして出力する。これにより、センサの容量の変化を低周波信号として高い測定精度で検出することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電振動子の発振周波数を利用して静電容量型センサの容量を検出するための回路に関する。

従来から、圧力や湿度、液体粘度などの様々な測定対象を検出するために、コンデンサの静電容量の変化を検出するタイプのセンサが広く使用されている。この静電容量型センサの容量変化の検出には、一般にＣＲまたはＬＣ発振回路を使用し、その周波数値の変化として抽出する方法が採用されている。

例えば、第１のトランジスタのベースと第２のトランジスタのコレクタとの間に可変容量コンデンサを接続し、第２のトランジスタのベースと第１のトランジスタのコレクタとの間に温度補償用コンデンサを接続し、第１及び第２のトランジスタのコレクタ及びベースに抵抗を電源との間に接続し、かつ第１及び第２のトランジスタのエミッタを回路グランドに接続した無安定発振回路と、該発振回路の平均出力電圧を検出する回路とからなる圧力センサ回路が知られている（特許文献１を参照）。この圧力センサ回路は、可変容量コンデンサ及び温度補償用コンデンサの温度特性、または抵抗同士の温度特性に同じ傾向をもたせて出力の温度特性を相殺し、広い温度範囲で高精度に圧力を検出することができる。

また、静電容量型センサの容量変化を、該センサに接続した圧電振動子の周波数変化として検出する方法が知られている。例えば、湿度変化に応じて静電容量が変化する湿度検出素子と、これに接続された第１の音叉型圧電振動子と、第１の圧電振動子と異なる基本共振周波数の第２の音叉型圧電振動子とを備え、第２の圧電振動子の振動周波数から得られた温度情報から、第１の圧電振動子の温度特性に基づく周波数変化分を補償する湿度計測装置が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。

更に、コンデンサが負荷容量として連なる櫛歯状電極構造の圧電振動子と発振回路とを備えた２組の発振器を有し、両発振器の振動子が１枚の圧電基板上に構成され、各発振器の振動子の周波数が、圧力の変化によるコンデンサの容量値の変化によって変化し、それらの発振周波数の差分が変化した圧力を示すようにした圧力センサが知られている（例えば、特許文献３を参照）。この圧力センサは、２組の発振器の特性を同一にし、一方のコンデンサにのみ圧力を加わるようにすれば、温度特性などの外的な影響を相殺して正確な圧力を検出でき、また一方のコンデンサに加わる圧力の増加／減少によって、その容量値が増加／減少しかつ他方のコンデンサの容量値が減少／増加するようにすれば、発振周波数の差分をより大きくでき、より高い精度で圧力を検出することができる。

実開平５−４３０４３号公報 特開２００３−１３０９６４号公報 特開平６−１０２１２３号公報

しかしながら、上述した従来技術のＣＲまたはＬＣ発振回路を用いたセンサの容量検出回路は、温度に対する安定性に欠けるため、常に安定して良好な検出精度を得ることが困難である。これに対し、上記特許文献２に記載の湿度センサは、温度補償回路を設けて正確な湿度測定を可能にしているが、それだけ装置全体の構成が複雑になり、温度補償処理の負担が増え、かつ高コストになるという問題がある。

他方、静電容量型センサの容量の変化範囲は通例数ｐＦ〜数十ｐＦであるから、これを抽出するために発振周波数を高くする必要があり、周波数抽出後の信号処理が困難になるという問題がある。上記特許文献３に記載の圧力センサは、一方のコンデンサのみが圧力により容量を変化させることで、温度の影響は排除できるが、抽出した周波数の差分の処理については、Ａ／Ｄ変換してデジタル処理すること以外、何ら開示していない。また、一般に櫛歯状電極構造の振動子は容量比が大きく、そのために周波数の変化幅を十分に取ることが困難で、測定精度が低下する虞がある。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧電振動子の発振周波数を利用した静電容量型センサの容量検出回路において、温度の影響を排除してセンサの容量を安定して検出するだけでなく、より高い測定精度を確保できるようにすることである。

更に本発明の目的は、かかる静電容量型センサ用容量検出回路の構成をより簡単化し、それにより小スペース化、低コスト化を実現することにある。

本発明によれば、上記目的を達成するために、静電容量型センサに接続された厚みすべりモードの第１の圧電振動子と、第１の圧電振動子と同一の圧電基板に設けられかつ第１の圧電振動子とは互いに干渉しないように異なる周波数を有する厚みすべりモードの第２の圧電振動子と、第１及び第２の圧電振動子にそれぞれ接続された第１及び第２の発振器とを備え、第１の圧電振動子の発振周波数と第２の圧電振動子の発振周波数との差分を抽出することにより、センサの容量の変化を検出する静電容量型センサ用容量検出回路が提供される。

このように２つの圧電振動子を異なる周波数ｆ_１ ，ｆ_２ で発振させ、かつその差分Δｆを抽出することにより、静電容量型センサの容量の変化は、圧電振動子の元の発振周波数に関する周波数の変動量としてではなく、元の発振周波数の差分Δｆに関する変動量として検出することができる。特に厚みすべりモードの圧電振動子は、容量比が小さく、周波数の変動幅を十分に取ることができる。従って、同じ変動量を元の発振周波数よりも低オーダーの低周波信号として処理することができ、その後の信号処理がより簡単になると共に、より高い測定精度を得ることができる。また、低周波信号の処理は比較的低速度のマイクロプロセッサでも可能であり、省電力化、コストの低減化を図ることができる。

或る実施例において、第１の圧電振動子と第２の圧電振動子との周波数差は、静電容量型センサの容量の変化幅が数ｐＦ〜数十ｐＦ程度であることから、それによる圧電振動子の変動量を考慮して高い測定精度が得られるように、３０〜２００ｋＨｚの範囲に設定することが好ましい。

別の実施例では、圧電基板がＡＴカット水晶基板であると、ＭＨｚ帯の高い発振周波数で良好な温度特性を有するので好ましい。

また、或る実施例では、第１及び第２の発振器がエミッタ接地型のコルピッツ発振回路からなり、各コルピッツ発振回路を構成するトランジスタのコレクタに接続された共通の負荷抵抗を有することにより、第１及び第２の発振器は発振動作と同時に、周波数の差分を抽出するミキサとして動作し、更に共通の負荷抵抗に並列に接続されたコンデンサを有することにより、元の発振周波数の高周波成分をカットすることができる。このように負荷抵抗を共通化することにより、回路全体の構成を簡単化し、小スペース化及びコストの低減化を図ることができる。

以下に、本発明の好適実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明による静電容量型センサ用容量検出回路の実施例の構成を概略的に示している。本実施例の容量検出回路は、静電容量型センサを構成する可変容量コンデンサ１に接続された容量検出用素子２を有する。容量検出用素子２は、同一の圧電基板３に設けられた第１の圧電振動子４と第２の圧電振動子５とを有する。本実施例の圧電基板３は、カットオフ周波数が数十〜数百ＭＨｚのＡＴカット水晶板である。別の実施例では、他のカット面の水晶板や水晶以外の様々な公知の圧電基板を用いることができる。

第１及び第２の圧電振動子４，５は、厚みすべりモードを主振動とする水晶振動子であり、互いに干渉しないように異なる共振周波数ｆ_１ ，ｆ_２ を有する。本実施例では、周波数ｆ_１ ，ｆ_２ の差Δｆ_０ を概ね３０〜２００ｋＨｚの範囲に設定する。共通の圧電基板３の表裏両面には、前記第１及び第２の圧電振動子の励振電極６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂが形成されている。第１の圧電振動子４は、一方の励振電極６ａがコンデンサ１を介して第１の発振器８に接続され、かつ他方の励振電極６ｂが接地されている。第２の圧電振動子５は、一方の励振電極７ａが第２の発振器９に直接接続され、かつ他方の励振電極７ｂが接地されている。

第１及び第２の発振器８，９は周波数ミキサ１０に接続され、更にローパスフィルタ１１に接続されている。周波数ミキサ１０は、第１及び第２の発振器８，９からそれぞれ出力される周波数の差分Δｆを抽出する。ローパスフィルタ１１は、抽出された周波数の差分から高周波成分をカットして出力する。

次に、本実施例の容量検出回路の動作について説明する。使用時、第１及び第２の発振器８，９により第１及び第２の圧電振動子４，５をそれぞれ所定の周波数ｆ₁ ，ｆ₂ で発振させる。この時点において、周波数ミキサ１０により抽出される周波数の差分Δｆは、両振動子４，５の共振周波数ｆ_１ ，ｆ_２ の差Δｆ_０ に等しい。前記センサが作動してコンデンサ１の容量が変化すると、その変化量に対応して第１の圧電振動子４の周波数ｆ_１ が変動する。特に厚みすべりモードの圧電振動子は容量比が小さいので、周波数の変動幅を取り易いという利点がある。この変動量をΔｆ_１ とすると、周波数ミキサ１０から、変動後の第１の圧電振動子４の周波数ｆ_１'＝ｆ_１ ＋Δｆ_１ と第２の圧電振動子５の周波数ｆ_２ との差分Δｆ' ＝Δｆ_０ ＋Δｆ_１ が抽出される。

これからローパスフィルタ１１により高周波成分がカットされ、低周波の信号として容量検出回路から出力される。コンデンサ１の容量の変化幅はせいぜい数ｐＦ〜数十ｐＦ程度と非常に小さいから、前記圧電振動子の負荷容量とマッチングする範囲で信号処理することが好ましい。本発明によれば、第１及び第２の圧電振動子４，５の共振周波数が高周波であっても、容量検出回路から出力された後の信号処理が比較的容易になる。仮に低速度のマイクロプロセッサを用いても、実用上十分に処理可能であり、消費電力及びコストの低減化を図ることができる。

例えば、周波数ｆ_１ ＝１０ＭＨｚ、周波数ｆ_２ ＝９．９５ＭＨｚ、周波数差Δｆ_０ ＝５０ｋＨｚに設定する。ここで、コンデンサ１の容量の変化を数ｐＦ〜数十ｐＦとして第１の圧電振動子４の周波数の変動量をΔｆ_１ ＝１〜２ｋＨｚと仮定すると、周波数ミキサ１０から抽出される周波数の差分はΔｆ' ＝５２ｋＨｚとなる。１〜２ｋＨｚの変動量は、元の周波数１０ＭＨｚに関して１００分の１％のオーダーであり、非常に僅かである。これに対し、元の周波数差５０ｋＨｚに関しては、数％のオーダーの変動量となるから、同じ検出量でも見かけ上の検出感度が１００倍高くなる。従って、従来よりもより高い測定精度を実現することができる。

また、上述したように前記第１及び第２の圧電振動子は同一の圧電基板３に設けられているので、それらの温度特性は同一である。従って、本発明の容量検出回路は、その検出した値が温度の影響を受ける虞が無く、安定した測定精度が得られる。また、このように１つの圧電基板に２つの圧電振動子を有する素子２は、従来のモノリシッククリスタルフィルタと同様の構成であり、その製造設備をそのまま転用できるので、製造コストの低減を図ることができる。

図２は、図１に示す容量検出回路をより具体化した実用的な構成を示している。同図に示すように、第１及び第２の発振器８，９はそれぞれエミッタ接地型のコルピッツ発振回路から構成され、トランジスタ１２，１３にコンデンサＣ１，Ｃ２及びＣ３，Ｃ４と抵抗Ｒ１，Ｒ２との並列回路が接続されている。第１及び第２の圧電振動子４，５は、それぞれ対応するトランジスタ１２，１３のベース側に接続されている。ローパスフィルタ１１は、並列に接続された負荷抵抗ＲＬとコンデンサＣ５とを有する。

各トランジスタ１２，１３のコレクタは共通の負荷抵抗ＲＬに接続されており、コレクタ電流の変化を抽出することにより、図１の周波数ミキサとして機能する。前記各圧電振動子が発振している周波数は、高周波成分がコンデンサＣ５によりカットされる。

このように、本実施例では、第１及び第２の発振器８，９のトランジスタ１２，１３が共通の負荷抵抗と組み合わされて、圧電振動子の発振動作とミキサ動作とを同時に行う。これにより、回路の構成を簡単化しかつ小スペース化を図り、製造コストを低減することができる。

以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は、上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することができる。例えば、上記第１及び第２の発振器は図２の実施例に限定されるものでなく、他の様々な発振回路を構成することができる。

本発明による容量検出回路の実施例を示すブロック図である。 図１の容量検出回路の具体的な構成を示す回路図である。

符号の説明

１…可変容量コンデンサ、２…容量検出用圧電素子、３…水晶基板、４…第１の圧電振動子、５…第２の圧電振動子、６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ…励振電極、８…第１の発振器、９…第２の発振器、１０…周波数ミキサ、１１…ローパスフィルタ、１２…第１のトランジスタ、１３…第２のトランジスタ。

Claims (4)

1. 静電容量型センサに接続された厚みすべりモードの第１の圧電振動子と、前記第１の圧電振動子と同一の圧電基板に設けられかつ前記第１の圧電振動子とは互いに干渉しないように異なる周波数を有する厚みすべりモードの第２の圧電振動子と、前記第１及び第２の圧電振動子にそれぞれ接続された第１及び第２の発振器とを備え、前記センサの容量の変化を検出するために、前記第１の圧電振動子の発振周波数と前記第２の圧電振動子の発振周波数との差分を抽出することを特徴とする静電容量型センサ用容量検出回路。
2. 前記第１の圧電振動子と前記第２の圧電振動子との周波数差が３０〜２００ｋＨｚ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用容量検出回路。
3. 前記圧電基板がＡＴカット水晶基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量型センサ用容量検出回路。
4. 前記第１及び第２の発振器がエミッタ接地型のコルピッツ発振回路からなり、前記各コルピッツ発振回路を構成するトランジスタのコレクタに接続された共通の負荷抵抗と、前記負荷抵抗に並列に接続されたコンデンサとを更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の静電容量型センサ用容量検出回路。

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