JP2009244049A - Cv converter - Google Patents
Cv converter Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009244049A JP2009244049A JP2008090134A JP2008090134A JP2009244049A JP 2009244049 A JP2009244049 A JP 2009244049A JP 2008090134 A JP2008090134 A JP 2008090134A JP 2008090134 A JP2008090134 A JP 2008090134A JP 2009244049 A JP2009244049 A JP 2009244049A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- voltage
- converter
- capacitor
- sensor
- constant current
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
本発明は一般に、静電容量を電圧に変換するCV変換器に関する。より詳細には、本発明は、静電容量型センサの信号処理に用いられるCV変換器に関する。 The present invention generally relates to a CV converter that converts capacitance to voltage. More specifically, the present invention relates to a CV converter used for signal processing of a capacitive sensor.
加速度、角速度、力覚、圧力等を検出するセンサとして、高感度で低消費電力等の利点を有する静電容量型センサが注目されている(特許文献1参照)。加速度センサを例にとり、図3を参照して静電容量型センサの基本原理について説明する。静電容量型センサは、固定基板10と、固定基板10に対して所定間隔隔てて対向して配置された可撓性材料製の可動基板12と、可動基板12の中央下面に取り付けられた重り14と、固定基板10、可動基板12および重り14を収納するケース16とを備えている(図3(a)参照)。固定基板10は、周囲がケース16に固定された円板状の基板であり、その下面に、円板状の固定電極1aが配置されている(図3(b)参照)。可動基板12も、周囲がケース16に固定された円板状の基板であり、その上面に、扇状の変位電極12a〜12dおよび円板状の変位電極12eが配置されている(図3(c)参照)。
As a sensor for detecting acceleration, angular velocity, force sense, pressure, and the like, a capacitive sensor having advantages such as high sensitivity and low power consumption has attracted attention (see Patent Document 1). Taking the acceleration sensor as an example, the basic principle of the capacitive sensor will be described with reference to FIG. The capacitance type sensor includes a
重り14の重心に作用点Pを定め、作用点Pを原点として図3(a)の右方向にX軸、上方向にZ軸、紙面直交方向にY軸を定める。作用点Pに外力が作用していない状態では、図3(a)に示されるように、固定電極10aと変位電極12a〜12eは所定間隔隔てて互いに平行になっている。いま、センサに加速度が加わることにより、作用点PにX軸方向の力+FX が作用するものとする。すると、FX により可動基板12に曲げモーメントが加えられ、これにより可動基板12が撓み、その結果、固定電極10aと変位電極12aとの間隔が大きくなり、固定電極10aと変位電極12cとの間隔が小さくなる(図3(d)参照)。また、作用点PにX軸方向の力−FX 、Y軸方向の力+FY 、−FY
が作用する場合も、固定電極10aと変位電極12a〜12dとの間隔に同様の変化が生ずる。
An action point P is defined at the center of gravity of the weight 14, and the action point P is defined as an origin, and an X axis is defined in the right direction in FIG. In a state where no external force is applied to the action point P, as shown in FIG. 3A, the
In the case of acting, the same change occurs in the distance between the
コンデンサは、対向する電極の間隔が小さくなると静電容量が大きくなり、電極の間隔が大きくなると静電容量が小さくなるが、静電容量型センサでは、各電極間の静電容量の変化を測定し、この測定値に基づいてセンサに作用した加速度を検出しようとするものである。なお、加速度以外の角速度、力覚、圧力等を検出しようとする場合も、同様の原理に基づいている。 Capacitors increase in capacitance when the distance between the opposing electrodes decreases, and decrease in capacitance when the distance between the electrodes increases, but with capacitive sensors, the change in capacitance between each electrode is measured. Then, the acceleration applied to the sensor is detected based on the measured value. Note that the same principle is used when detecting angular velocity, force sense, pressure, and the like other than acceleration.
従来、静電容量型角速度/加速度/力覚/圧力センサの静電容量の変化を電圧に変化させるCV変換器の方式として、スイッチドキャパシタ方式が主流である。スイッチドキャパシタ方式のCV変換器は主に、シーケンス制御用デジタル回路、アナログスイッチ、位相検波回路、ローパスフィルタ(LPF)等から構成される。 Conventionally, a switched capacitor method has been the mainstream as a method of a CV converter that changes a capacitance change of a capacitance type angular velocity / acceleration / force sensor / pressure sensor into a voltage. A switched capacitor type CV converter mainly comprises a digital circuit for sequence control, an analog switch, a phase detection circuit, a low-pass filter (LPF), and the like.
しかしながら、従来のスイッチドキャパシタ方式のCV変換器では、シーケンス制御用デジタル回路、アナログスイッチ、位相検波回路においてジッターノイズや高調波ノイズが発生し易いという課題があった。また、このようなノイズの発生を抑制しようとすると、回路が複雑化するという課題があった。とりわけ、角速度センサにおいては、感度が10aF/deg/s程度と微小であるため、低ノイズ化を図ることが必要不可欠である。 However, the conventional switched capacitor CV converter has a problem that jitter noise and harmonic noise are likely to occur in the digital circuit for sequence control, the analog switch, and the phase detection circuit. Further, there has been a problem that the circuit becomes complicated if the generation of such noise is suppressed. In particular, in an angular velocity sensor, since the sensitivity is as small as about 10 aF / deg / s, it is essential to reduce noise.
本発明は、このような現状に鑑みて開発されたものであって、シンプルな回路構成でジッターノイズ、高周波ノイズの低減を可能にするCV変換器を提供することを目的としている。 The present invention has been developed in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide a CV converter capable of reducing jitter noise and high frequency noise with a simple circuit configuration.
本願請求項1に記載されたCV変換器は、計測しようとする装置の対電極に交流定電流を与え、前記対電極の両端の電圧をバランス調整して加算したものに、前記交流定電流を電圧に変換したものをさらに加算し、それをAM検波することにより、容量素子の容量の変化を電圧に変換するように構成されていることを特徴とするものである。
The CV converter according to
本願請求項2に記載されたCV変換器は、前記請求項1のCV変換器において、前記バランス調整が、前記対電極の両端の電圧に所定の比率を乗じて電圧に変換することによって行われることを特徴とするものである。
The CV converter according to
本願請求項3に記載されたCV変換器は、前記請求項1又は2のCV変換器において、前記交流定電流を電圧に変換する際に所定の係数が乗ぜられるように構成されていることを特徴とするものである。
The CV converter according to claim 3 of the present application is configured so that a predetermined coefficient is multiplied when the AC constant current is converted into a voltage in the CV converter of
本願請求項4に記載されたCV変換器は、前記請求項1から請求項3までのいずれか1項ののCV変換器において、前記装置が静電容量型センサであることを特徴とするものである。
A CV converter according to claim 4 of the present invention is the CV converter according to any one of
本発明のCV変換器は、スイッチドキャパシタ方式や同期検波方式のものと比較して、ジッターノイズの発生がなく、シンプルな回路構成とすることができる。また、本発明のCV変換器では、容量素子のバランス調整をすることが容易である。さらに、本発明のCV変換器において、搬送波を加えてAM検波を行うことにより、容量素子の差分の符号の判別をすることができるとともに、AM検波時の不感帯を回避することができる。 The CV converter of the present invention does not generate jitter noise and can have a simple circuit configuration as compared with a switched capacitor type or a synchronous detection type. In the CV converter of the present invention, it is easy to adjust the balance of the capacitive element. Furthermore, in the CV converter of the present invention, by performing AM detection by adding a carrier wave, it is possible to determine the sign of the difference between the capacitive elements and to avoid a dead zone during AM detection.
次に図面を参照して、静電容量型センサの信号処理に用いられる場合を例として、本発明の好ましい実施の形態に係るCV変換器について詳細に説明する。図1は、本発明の好ましい実施の形態に係るCV変換器の基本的な概念を説明するためのブロック図である。 Next, with reference to the drawings, a CV converter according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail by taking as an example a case where it is used for signal processing of a capacitive sensor. FIG. 1 is a block diagram for explaining the basic concept of a CV converter according to a preferred embodiment of the present invention.
CV変換器には、容量素子となる第1コンデンサC1 および第2コンデンサC2 が設けられている。これらのコンデンサC1 、C2 が計測に用いられるセンサの対電極となる。 The CV converter is provided with a first capacitor C 1 and a second capacitor C 2 that serve as capacitive elements. These capacitors C 1 and C 2 serve as counter electrodes of the sensor used for measurement.
第1コンデンサC1 の一端が、第1抵抗素子22a(抵抗値R1 )を介して、第1交流電圧発生源20a(電圧e1 )の一端に接続されている。また、第2コンデンサC2 の一端が、第2抵抗素子22b(抵抗値R2 )を介して、第2交流電圧発生源20b(電圧e2 )の一端に接続されている。これにより、第1コンデンサC1 を流れる電流i1 ≒e1/R1 、第2コンデンサC2 を流れる電流i2 ≒e2 /R2 となる。
One end of the first capacitor C 1 is connected to one end of the first AC
第1交流電圧発生源20aおよび第2交流電圧発生源20bは、信号処理回路に信号電圧を供給するためものであり、互いに位相が180°ずれている。すなわち、第1交流電圧発生源20aの信号電圧が、
e1 =A×sin(ωt)
とすると、
第2交流電圧発生源20bの信号電圧が、
e2 =−A×sin(ωt)
で表される。ここで、Aは信号の電圧振幅、ωは角周波数である。
The first AC
e 1 = A × sin (ωt)
Then,
The signal voltage of the second
e 2 = −A × sin (ωt)
It is represented by Here, A is the voltage amplitude of the signal, and ω is the angular frequency.
第1交流電圧発生源20aの他端が第1コンデンサC1 の他端に接続されており、第2交流電圧発生源20bの他端も第2コンデンサC2 の他端に接続されている。さらに、第1交流電圧発生源20aの他端と第2交流電圧発生源20bの他端が接続されており、第1コンデンサC1 の他端と第2コンデンサC2 の他端も接続されている。これにより、図1における接点0では、電圧が互いに打ち消し合ってゼロになるように充放電が繰り返されることとなる。
The other end of the first
第1コンデンサC1 の一端が、第1バッファ24aを介して、第1増幅器26aに接続されており、第2コンデンサC2 の一端も、第2バッファ24bを介して、第2増幅器26bに接続されている。第1バッファ24aおよび第2バッファ24bを設けたのは、インピーダンスを低減するためである。
The first end of the capacitor C 1 is, via a
第1増幅器26aでは、交流定電流に所定の比率α1 が乗じられて電圧v1 に変換され、第2増幅器26bでは、交流定電流に所定の比率α2 が乗じられて電圧v2 に変換される。第1増幅器26aおよび第2増幅器24bを設けたのは、2つのコンデンサC1 、C2 のバランス調整をするためである。すなわち、コンデンサには固有の誤差が含まれており(レーザー光線によるトリミング等により、固有の誤差を除去することは理論的に可能ではあるが、煩雑な工程が必要となる)、バランス調整せずにコンデンサC1 、C2 を使用すると、コンデンサの固有の誤差のため、センサに力等が作用しない場合にも、センサへの力等の付加が検出される事態が生ずることとなる。このような事態の発生を回避するため、バランス調整が行われる。
In the
第1交流電圧発生源20aの一端が、第3増幅器28に接続されており、第3増幅器28では、交流定電流に所定の比率αC 乗じられて電圧vC に変換され、第1増幅器26aおよび第2増幅器26bを介してバランス調整された電圧v1 、v2 とともに、オペアンプの加算器30において加算される。すなわち、加算器30において、v1 −v2 +vC=vとなる。
One end of the first AC
このようにして加算された電圧vが、AM検波回路32においてAM検波される。
The voltage v thus added is subjected to AM detection in the
次に図2を参照して、以上のように構成されたCV変換器が、どのように動作するのかについて説明する。 Next, how the CV converter configured as described above operates will be described with reference to FIG.
図2(a)〜図2(c)は、第1および第2コンデンサC1 、C2 の静電容量が変化しない(換言すると、センサに力が作用しない)状態を示した一連の図である。すなわち、図2(a)には、電圧v1 、v2 、vC が示されているが、コンデンサC1 、C2 の静電容量が変化しないため電圧v1 、v2 の振幅が同じであり、v1 −v2 は相殺されてゼロとなる。したがって、v=v1 −v2 +vC =vC となり、搬送波の電圧のみが残り、振幅が一定の状態のままとなり(図2(b)参照)、AM検波すると、電圧Vは一定値となる(図2(c)参照)。 FIGS. 2A to 2C are a series of diagrams showing a state in which the capacitances of the first and second capacitors C 1 and C 2 do not change (in other words, no force acts on the sensor). is there. That is, FIG. 2A shows the voltages v 1 , v 2 , and v C, but the capacitances of the capacitors C 1 and C 2 do not change, so the amplitudes of the voltages v 1 and v 2 are the same. And v 1 −v 2 cancels to zero. Therefore, v = v 1 −v 2 + v C = v C , only the carrier voltage remains, the amplitude remains constant (see FIG. 2B), and when AM detection is performed, the voltage V becomes a constant value. (See FIG. 2C).
図2(d)〜図2(f)は、第1コンデンサC1 の静電容量が変化する(換言すると、センサに力が作用して、C1 の静電容量が変化する)状態を示した一連の図である。すなわち、時間t0 からコンデンサC1 の静電容量が大きくなるため電圧v1 >v2 となる(図2(d)参照)。したがって、時間t0 からv=v1 −v2 +vC が大きくなり(図2(e)参照)、AM検波すると、電圧Vが時間t0 から大きくなる(図2(f)参照)。これにより、センサへの力の付加が検出される。 FIG. 2D to FIG. 2F show a state in which the capacitance of the first capacitor C 1 changes (in other words, a force acts on the sensor to change the capacitance of C 1 ). FIG. That is, since the capacitance of the capacitor C 1 increases from time t 0 , the voltage v 1 > v 2 is satisfied (see FIG. 2D). Therefore, v = v 1 −v 2 + v C increases from time t 0 (see FIG. 2E), and when AM detection is performed, the voltage V increases from time t 0 (see FIG. 2F). Thereby, the addition of force to the sensor is detected.
図2(g)〜図2(i)は、第2コンデンサC2 の静電容量が変化する(換言すると、センサに力が作用して、C2 の静電容量が変化する)状態を示した一連の図である。すなわち、時間t0 からコンデンサC2 の静電容量が大きくなるため電圧v1 <v2 となる(図2(g)参照)。したがって、時間t0 からv=v1 −v2 +vC が小さくなり(図2(h)参照)、AM検波すると、電圧Vが時間t0 から小さくなる(図2(i)参照)。これにより、センサへの力の付加が検出される。 Figure 2 (g) ~ FIG 2 (i) is (in other words, a force to the sensor acts, the capacitance of C 2 changes) the second electrostatic capacitance of the capacitor C 2 is changed indicates the state FIG. That is, the voltage v 1 for the time t 0 increases the capacitance of the capacitor C 2 becomes <v 2 (see FIG. 2 (g)). Therefore, v = v 1 −v 2 + v C decreases from time t 0 (see FIG. 2 (h)), and when AM detection is performed, voltage V decreases from time t 0 (see FIG. 2 (i)). Thereby, the addition of force to the sensor is detected.
第1コンデンサC1 と第2コンデンサC2 の両方の静電容量が変化する場合も、上述と同様な要領で動作する。 Even when the capacitances of both the first capacitor C 1 and the second capacitor C 2 change, the same operation as described above is performed.
なお、第3増幅器28において交流定電流に所定の比率αC 乗じられて得られた電圧vC をv1 −v2 に加算することにより、センサに付加される力の方向を判別することができる(図2(f)(i)参照)。
Note that the direction of the force applied to the sensor can be determined by adding the voltage v C obtained by multiplying the AC constant current by a predetermined ratio α C in the
本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the invention described in the claims, and these are also included in the scope of the present invention. Needless to say, it is something.
たとえば、前記実施の形態では、静電容量型センサの信号処理に用いられる場合を例として説明されているが、これ以外の容量素子の変化を検出する場合にも、本発明のCV変換器を使用してよい。また、第3増幅器28において交流定電流に所定の比率αC を乗じているが、比率αC を乗ぜずに搬送波を加算してもよい。
For example, in the above-described embodiment, the case where it is used for signal processing of a capacitive sensor has been described as an example. However, the CV converter of the present invention is also used when detecting changes in other capacitive elements. May be used. In the
10 固定基板
10a 固定電極
12 可動基板
12a〜12e 変位電極
14 重り
16 ケース
20a、20b 交流電源発生源
22a、22b 抵抗素子
24a、24b バッファ
26a、26b、28 増幅器
30 加算器
32 AM検波回路
DESCRIPTION OF
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008090134A JP2009244049A (en) | 2008-03-31 | 2008-03-31 | Cv converter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008090134A JP2009244049A (en) | 2008-03-31 | 2008-03-31 | Cv converter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009244049A true JP2009244049A (en) | 2009-10-22 |
Family
ID=41306113
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008090134A Pending JP2009244049A (en) | 2008-03-31 | 2008-03-31 | Cv converter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2009244049A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011049206A1 (en) | 2009-10-23 | 2011-04-28 | Necインフロンティア株式会社 | Image display device |
-
2008
- 2008-03-31 JP JP2008090134A patent/JP2009244049A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011049206A1 (en) | 2009-10-23 | 2011-04-28 | Necインフロンティア株式会社 | Image display device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4411529B2 (en) | Vibration type angular velocity sensor | |
US11293756B2 (en) | Continuous self-test of a gyroscope | |
US8746033B2 (en) | Angular velocity sensor | |
JP2010505102A (en) | Device for measuring yaw rate using vibration sensor | |
JP2007107909A (en) | Detection signal processing method of vibration type inertia force detection sensor | |
US20160084871A1 (en) | Dual-functional resonant magnetic field sensor | |
JP2009229152A (en) | Angular velocity sensor | |
JP2019060794A (en) | Physical quantity measurement device, electronic apparatus and moving body | |
JPWO2009122741A1 (en) | Acceleration sensor | |
JP6305223B2 (en) | Vibrating gyro with bias stabilization and method of using the vibrating gyro | |
JP5240045B2 (en) | Driving method and driving circuit for vibrator, and inertial force detection device including the driving circuit | |
JP5348408B2 (en) | Physical quantity detection device, physical quantity detection device abnormality diagnosis system, and physical quantity detection device abnormality diagnosis method | |
JP4752417B2 (en) | Sensor device | |
RU2344374C1 (en) | Electrode structure for micromechanical gyroscope and micromechanical gyroscope with such structure (versions) | |
US20140338469A1 (en) | Load sensor | |
JP2012159429A (en) | Tuning fork vibration type angular velocity sensor | |
JP2009244049A (en) | Cv converter | |
RU2447403C1 (en) | Micromechanical gyroscope | |
JP2011058860A (en) | Angular-velocity detecting apparatus | |
CN100498236C (en) | Electromagnetic-piezo-resistance type micro mechanical resonant beam sensor | |
JP2017156313A (en) | Angular velocity detection circuit, angular velocity detection device, electronic apparatus and mobile body | |
JP2010286371A (en) | Physical quantity detector, abnormality diagnosis system of the same, and abnormality diagnosis method of the same | |
JP5589171B2 (en) | Circuit for physical quantity detection device | |
JP2010169522A (en) | Capacitance type detection device and acceleration/angular velocity detection device using same | |
EP3001211B1 (en) | Resonant magnetic field sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20110331 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120424 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Effective date: 20120426 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
|
A02 | Decision of refusal |
Effective date: 20120821 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 |