JP2010185798A - 静電容量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】電極のずれにより生じる誤差を修正可能な静電容量センサを提供すること。
【解決手段】可動電極１２と第１の固定電極１１Ａ及び第２の固定電極１１Ｂとの間に蓄積された静電容量を検出する静電容量センサ１００において、固定電極１４と第１の固定電極及び固定電極と第２の固定電極の間のそれぞれの静電容量の絶対値を検出する検出手段と、前記静電容量の絶対値の逆数に比例した値を感度にかけることにより、電極のずれにより変動した感度を補正する補正手段３０と、を有することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、加速度や角速度等の物理量を検出する静電容量センサに関し、特に、電極が位置ずれしても物理量に生じる誤差を低減できる静電容量センサに関する。

機械部品や電子回路を集積して例えばセンサを形成するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems)が知られている。例えば車両には、車体に作用する加速度やヨーレートを検出するため、ＭＥＭＳにより形成された加速度センサやヨーレートセンサ、ジャイロセンサが搭載されている。これらのセンサは、加速度やヨーレートの大きさに応じて、可動電極が固定電極に対して変位する際の静電容量の変化から加速度やヨーレートの大きさを検出することが多い（例えば、特許文献１、２参照。）。

特許文献１には、櫛歯電極の間の静電容量の変化から外力を検出する静電容量センサにおいて、櫛歯電極の長手方向に対向配置された１対の可動電極と固定電極の間隔の変化を同様に静電容量の変化で検出する静電容量センサが開示されている。特許文献１記載の静電容量センサは、この１対の可動電極と固定電極が検出した間隔の変化により、櫛歯電極の長手方向のずれに伴う誤差を補正するとしている。

また、特許文献２には、可動電極と対向した第１の固定電極の面積と、基準電極と対向した第２の固定電極の面積、を同一にすると共に、可動電極の面積と基準電極の面積を同一にした、容量式加速度センサが開示されている。第１の固定電極の面積と、基準電極と対向した第２の固定電極の面積、を同一にしたことで、可動静電容量と基準静電容量がそれぞれ捕らえる浮遊静電容量が等しくなり、浮遊静電容量を相殺することができるとしている。

特開２００７−２６３７４１号公報 特開平５−３２２９２０号公報

しかしながら、特許文献１記載の静電容量センサは、平面方向のずれしか補正できないという問題がある。また、特許文献２記載の容量式加速度センサは、第１の固定電極と第２の固定電極の間の基板と、可動電極又は基準電極の間に捕らえられる浮遊静電容量を考慮していないため、依然として浮遊静電容量による誤差を含むという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑み、電極のずれにより生じる誤差を修正可能な静電容量センサを提供することを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明は、可動電極と第１の固定電極及び第２の固定電極との間に蓄積された静電容量を検出する静電容量センサにおいて、固定電極と第１の固定電極及び固定電極と第２の固定電極の間のそれぞれの静電容量の絶対値を検出する検出手段と、静電容量の絶対値の逆数に比例した値を感度にかけることにより、電極のずれにより変動した感度を補正する補正手段と、を有することを特徴とする。

電極のずれにより生じる誤差を修正可能な静電容量センサを提供することができる。

静電容量センサの構造を模式的に示す図である。 可動電極が変位した場合の静電容量センサの構造を模式的に示す図の一例である。 可動電極がｙ方向に変位した場合の静電容量センサの構造を模式的に示す図の一例である。 静電容量センサの信号Ｓを検出する検出回路図の一例である。 変調信号Ｉａ、Ｉｂ及びＳＷ１，２制御信号の一例を示す図である。 可動電極と基板、固定電極の基板の間に生じる寄生容量を示す図の一例である。 ダミー電極を配置した静電容量センサの上面図の一例である。 ダミー電極と固定電極の等価回路の一例を示す図である。 ダミー電極に供給される変調信号Ｉｅの一例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら説明する。

本実施例では、静電容量Ｃの変化量ΔＣだけでなく、静電容量Ｃを検出することで、静電容量Ｃにより静電容量Ｃの変化量ΔＣを補正して、可動電極のずれにより生じる誤差を低減する静電容量センサ１００について説明する。静電容量センサ１００の計測対象は、例えば、加速度やヨーレート、ヨー角などであるが、以下では単に「外力」と称する
図１に、静電容量センサ１００の構造を模式的に示す。図１（ａ）は静電容量センサ１００の上面図の一例を、図１（ｂ）は静電容量センサ１００の正面図の一例をそれぞれ示す。静電容量センサ１００は、基板１３の上面視において、互いに平行な可動電極１２と固定電極１１とが、間隔ｄを隔てた位置に対向するように配置されている。可動電極１２は、基板１３に固定されたアンカーから延設された梁部から、更に延設されるように形成され、可動電極１２と基板１３の間には空間が設けられている。こうすることで、静電容量センサ１００に外力が作用すると可動電極１２が、正面視（紙面）に対し垂直方向に変位する。一方、固定電極１１は、基板１３に固定された梁部から延設され、基板１３との間に空間が設けられているが、外力が作用しても基板１３に対し相対的に変位しない。

なお、静電容量センサ１００の製造方法には一般的な半導体製造方法を適用することができる。例えば、単結晶シリコン層からなる上層を設けたＳＯＩ(Silicon−On-Insulator)基板１３に、リン、ボロン等の不純物をドーピングし、可動電極１２と固定電極１１の形状にマスクしてこれをエッチングすることを複数回繰り返すことで、所望の構造が得られる。

固定電極１１と可動電極１２の間にはクーロン力が働いて、両者の間に静電容量Ｃが蓄えられる。外力が作用すると、可動電極１２が左右方向に変位し対向長がｗ→ｗ＋ｘと変化し、静電容量Ｃも変化するので、静電容量センサ１００は後述する検出回路４０により静電容量Ｃ及び静電容量の変化量ΔＣを検出することで、ｘを求め外力を測定する。

このように静電容量センサ１００は対向長ｗの変化に起因した静電容量Ｃの変化量ΔＣに基づき外力を検出するが、本実施例では、ｙ方向における可動電極１２の位置及び間隔ｄの精度について説明する。

自励振動の中心に可動電極１２がある状態（以下、静止時という）の静電容量Ｃは次のように算出される。εは誘電率、ｈは固定電極１１又は可動電極１２の高さ、ｗは平面視において固定電極１１と可動電極１２が重畳した長さである。
Ｃ＝ε×（ｗ×ｈ／ｄ） …（１）
図２は、可動電極１２が変位した場合の静電容量センサ１００の構造を模式的に示す図の一例である。可動電極１２がｘ方向にＸだけ変位した場合の静電容量Ｃの変化量ΔＣは、平面視において固定電極１１と可動電極１２が重畳した面積の増加分に比例する。したがって、変化量ΔＣは次式から算出される。
ΔＣ ＝ ε×（Ｘ×ｈ／ｄ） …（２）
式（２）を変形することで次式が得られる。
Ｘ ＝ ｛ｄ／（ε×ｈ）｝×ΔＣ …（３）
この式を、式（１）を用いて変形すると、式（４）が得られる。ただし、Ａ＝d／（ε×ｈ）＝ｗ／C とおいた。
Ｘ ＝ （ｗ／Ｃ）×ΔＣ ＝ Ａ×ΔＣ …（４）
Ａを算出するための、ｄ、ε及びｈは既知であるのでＡは定数となる。したがって、式（４）によれば固定電極１１の変位量Ｘは、静電容量Ｃの変化量ΔＣから算出されることになる。

しかしながら、経年劣化や、静電容量センサ１００を搭載した装置（例えば車両）に衝撃が加わることにより、可動電極１２（又は固定電極１１でもよい）がｘ方向でなくｙ方向に変位することがある。

図３は、可動電極１２がｙ方向に変位した場合の静電容量センサ１００の構造を模式的に示す図の一例である。図３に示すように、可動電極１２がｙ方向に変位すると、静電容量Cの変化量ΔCがｘ方向の変位量Xを正確に反映できなくなる。

具体的には、平面視の可動電極１２と固定電極１１が重畳した領域の高さをｈ‘とすると、可動電極１２がｙ方向に変位した場合の静電容量の変化量ΔＣ‘は、次式（５）で表される。
ΔＣ‘＝ε×（Ｘ×ｈ’／ｄ） …（５）
式（４）の右辺と左辺に共にＡを掛けて整理すると、
Ａ×ΔＣ‘ ＝ （ｈ’／ｈ）×Ｘ …（６）
が得られる。式（６）の左辺が式（４）のＸを求める式に相当することを考慮すると、式（６）の右辺は、可動電極１２がｙ方向に変位すると可動電極１２のｘ方向への変位量Ｘが、ｈが小さくなった分だけ小さく検出されてしまうことを意味する。

本実施例の静電容量センサ１００は、可動電極１２がｙ方向に変位したことで変位量Ｘが小さく検出されることを解決する。図３に示したように、可動電極１２がｙ方向に変位すると、静電容量Ｃの変化量ΔＣだけでなく、静電容量Ｃも小さくなるはずである。その減少分は、可動電極１２がｙ方向に変位した長さ（ｈ−ｈ‘）に比例すると考えられる。このため、静電容量Ｃにより、静電容量Ｃの変化量ΔＣを補正することで、可動電極１２がｙ方向に変位しても、可動電極１２のｘ方向への変位量Ｘを正確に検出することが可能となる。

本実施例の静電容量センサ１００は、このような考え方に基づき、静電容量Ｃを検出して静電容量の変化量ΔＣを補正する。具体的には、静電容量Ｃが小さくなるほど定数Ａが大きくなるように変化量ΔＣを補正すればよい。このため、改めてＡを次のように定義する。なお、可動電極１２がｙ方向に変位した際の静電容量をＣ_Ｍとした。
Ａ＝｛ｄ／（ε×ｈ）｝×（１／Ｃ_Ｍ） …（７）
式（７）で定義した定数（厳密には定数でない）Ａを用いることで、可動電極１２がｙ方向に変位していなくても、ｙ方向に変位していても、静電容量センサ１００は、静電容量センサ１００が検出する検出値を同様に扱うことができるようになる。すなわち、式（４）のＡに式（６）のＡを代入する。区別するため、可動電極１２がｙ方向に変位していない場合のｘ方向の変位量をＸａとし、可動電極１２がｙ方向に変位した場合のｘ方向の変位量をＸｂとする。
Ｘａ ＝ ｛ｄ／（ε×ｈ）｝×（１／Ｃ_Ｍ）×ΔＣ
＝ ｛ｄ／（ε×ｈ）｝×｛ｄ／（ε×ｈ×ｗ）｝×ΔC
第１項と第３項は、可動電極１２のｙ方向への変位量を考慮しない変位量Ｘに等しく、第２項は可動電極１２のｙ方向への変位量を考慮しない静電容量Ｃの逆数に等しい。したがって、
Ｘａ ＝ （１／Ｃ）×Ｘ …（８）
同様に、
Ｘｂ ＝ ｛ｄ／（ε×ｈ）｝×（１／Ｃ_Ｍ）×ΔＣ‘
＝ ｛ｄ／（ε×ｈ）｝×｛ｄ／（ε×ｈ‘×ｗ）｝×ΔＣ’
第１項と第３項は、可動電極１２がｙ方向へ変位した場合の変位量Ｘに等しく、第２項は可動電極１２がｙ方向へ変位した場合の静電容量Ｃの逆数に等しい。したがって、
Ｘａ ＝ （１／Ｃ）×Ｘ …（９）
式（８）（９）から、静電容量Ｃ_Ｍを用いて定数Ａを定義することで、可動電極１２のｙ方向への変位の有無に関係なく、静電容量Ｃを同様に扱えばよいことが分かる。すなわち、ｘ方向への変位量Ｘを静電容量Ｃで割ることで、変位量Ｘが得られる。実際には、変位量Ｘは式（３）に示したように静電容量Ｃの変化量ΔＣに基づき算出されるので、変化量ΔＣを静電容量Ｃで割ればよいことが分かる。以上から、可動電極１２がｙ方向へ変位したか否かに関わらず、次式でｘ方向への変位量を求めることができる。
Ｘａ＝Ｘｂ＝Ｘ／Ｃ＝｛ｄ／（ε×ｈ）｝×ΔＣ／Ｃ …（１０）
図４は、静電容量センサ１００の信号Ｓを検出する検出回路４０の一例を示す。可動電極１２と固定電極１１は櫛歯状に形成されており、図４は複数の可動電極１２と複数の固定電極１１を模式的に示す。固定電極１１Ａと１１Ｂには不図示の電極パッドが接続されており、そこから変調信号Ｉａ、Ｉｂが入力される。接続点１４は、図１〜図３に示した可動電極１２と接続された、電極パッドと検出回路４０を接続する接点である。すなわち、接続点１４は静電容量Cと変化量ΔＣを検出するための接点を提供する。

接続点１４はチャージアンプ２１に接続されている。チャージアンプ２１の出力は２つに分岐され一方はスイッチＳＷ１を介してＳ／Ｈ回路１５に、他方はスイッチＳＷ２を介してＳ／Ｈ回路１６に、それぞれ接続されている。Ｓ／Ｈ回路１５及びＳ／Ｈ回路１６の出力は共に除算回路３０に接続されている。

なお、チャージアンプ２１は、オペアンプ２２、オペアンプ２２の反転入力端子と出力端子間を接続するコンデンサ２３、を有している。チャージアンプ２１は、２つの入力端子の間が仮想的に短絡されているため、一方の入力端子に電荷を与えると、その電荷を全てコンデンサ２３に充電することにより、仮想的な短絡状態を維持する。このため、「入力した電荷（静電容量Ｃ）／コンデンサ２３の容量」に等しい出力電圧が得られる。すなわち、チャージアンプ２１は電荷の移動量を電圧に変換して出力するので、可動電極１２から入力した電荷に比例する電圧を出力する。チャージアンプ２１はこのような微少な信号を電圧に変換することができる。

容量検出のため、固定電極１１Ａと１１Ｂにはそれぞれパルス状の変調信号Ｉａ、Ｉｂが入力される。変調信号の振幅をｖとすると、変調信号ＩａがＬ→Ｈ、ＩｂがＨ→Ｌのタイミングではチャージアンプ２１に入力される電荷Ｑは、Ｑ＝（Ｃ＋ΔＣ）（ｖ）＋（Ｃ−ΔＣ）（−ｖ）＝２ΔＣｖ となり、ＳＷ１がオンのタイミングでＳ／Ｈすると、Ｓ／Ｈ１５の出力は、ΔＣに比例したものとなる。

図5は、変調信号Ｉａ、Ｉｂ、ＳＷ１及びＳＷ２の制御信号の一例を示す図である。

ΔＣに比例した電圧と、静電容量Ｃに比例した電圧とを個別に取り出すため、静電容量センサ１００は、ＳＷ１制御信号＝「Ｈ」のタイミングでスイッチＳＷ１をオンにスイッチＳＷ２をオフにする。このため、Ｓ／Ｈ１５の出力信号は、「ΔＣ」に比例した大きさを有し、Ｓ／Ｈ１６の出力信号は「Ｃ」に比例した大きさを有する。なお、スイッチＳ１、オペアンプ２６及び抵抗２８はサンプルホールド回路１５を、スイッチＳ２、オペアンプ２７及び抵抗２９はサンプルホールド回路１６を、それぞれ構成する。

除算回路３０は、信号Ｏａを信号Ｏｂで割った信号Ｓを出力する。除算回路３０は、例えば、信号ＯａとＯｂをそれぞれＡ／Ｄ変換して、割り算を実行する。割り算により式（１０）の演算が実現されたことになる。

以上説明したように、本実施例の静電容量センサ１００は、静電容量Ｃの変化量ΔＣだけでなく、静電容量Ｃを検出して静電容量Ｃの変化量ΔＣを補正することで、可動電極１２がｙ方向に変位しても、外力を正確に検出することができる。

なお、本実施例では、静電容量Ｃと変化量ΔＣから外力を検出したが、外力の検出方法には、固定電極１１と可動電極１２の間隔ｄの変化に起因する静電容量Ｃの変化量を検出する方法と、静電容量を一定に保つために必要な電圧から検出方法（サーボ制御という）がある。

本実施例の静電容量センサ１００はこのいずれにも好適に適用できる。サーボ制御に適用する場合、サーボ制御用に検出される静電容量の変化は、外力の検出感度に影響せず、サーボ制御するための電極容量が検出感度に影響する（サーボ電極の電極容量∝検出感度）。したがって、サーボ制御用の制御回路がサーボ電極の電極容量（上記の静電容量Cに相当）を監視し、サーボ電極容量を検出感度に掛けることで、可動電極１２のｙ方向へのずれに起因する外力の検出感度を補正できる。このかけ算は、図５のようにデジタル演算してもよいし、サーボ電極の電極容量に比例した信号をＡ／Ｄコンバータのリファレンス電圧に用いることで実現してもよい。

本実施例では、基板１３と固定電極１１、及び、基板１３と可動電極１２間の寄生容量を除外して、可動電極１２と固定電極１１間の静電容量Ｃを検出できる静電容量センサ１００について説明する。

図６は、可動電極１２と基板１３、固定電極１１の基板１３の間に生じる寄生容量を示す図の一例である。図６において図１と同一部には同一の符号を付しその説明は省略する。図示するように、基板１３と固定電極１１の間には寄生容量Ｃ_ｐ１、Ｃ_ｐ２が、基板１３と可動電極１２の間には寄生容量Ｃ_ｐ３が存在する。これらは、一般には無視できる程度であるが、ＭＥＭＳの微細化が進み、基板１３と可動電極１２又は固定電極１１の距離が小さくなると、静電容量ＣへのＣ_ｐ１〜Ｃ_ｐ３の影響が大きくなる。

また、図示する寄生容量Ｃ_ｐ１〜Ｃ_ｐ３が存在する場合、これらを含む可動電極１２と固定電極１１間の静電容量Ｃｔは、次式で現される。
Ｃｔ＝Ｃ＋｛（Ｃ_ｐ１＋Ｃ_ｐ２）×Ｃ_ｐ３｝／（Ｃ_ｐ１＋Ｃ_ｐ２＋Ｃ_ｐ３） …（１１）
そこで、式（１１）の第２項を、可動電極１２を用いずに検出することを考える。

図７は、ダミー電極３１を配置した静電容量センサ１００の上面図を示す。ダミー電極３１の上面視の面積は、固定電極１１の上面視の面積と等しい。すなわち、基板１３と固定電極１１の間に発生する寄生容量Ｃ_ｐ１とＣ_ｐ２の合計は、基板１３とダミー電極３１の間に発生する寄生容量Ｃ_ｐ１‘とＣ_ｐ２’の合計に等しいとみなすことができる。また、基板１３と可動電極１２の間に発生する寄生容量Ｃ_ｐ３は、ダミー電極３１を配置する前後で変わらない。これは、図示するように、ダミー電極３１と可動電極１２の間の距離が充分であるため、基板１３とダミー電極３１の間に発生した寄生容量Ｃ_ｐ１‘とＣ_ｐ２’が基板１３と可動電極１２の間に発生する寄生容量Ｃ_ｐ３に影響を及ぼさないためである。また、ダミー電極３１と可動電極１２の間の距離を充分長くすることで、ダミー電極３１と可動電極１２に生じる静電容量を無視することができる。

したがって、ダミー電極３１と可動電極１２の間に生じる静電容量Ｃ_Ｄは次式で現される。
Ｃ_Ｄ＝｛（Ｃ_ｐ１＋Ｃ_ｐ２）×Ｃ_ｐ３｝／（Ｃ_ｐ１＋Ｃ_ｐ２＋Ｃ_ｐ３） …（１２）
式（１１）の静電容量Ｃｔから（１２）の静電容量Ｃ_Ｄを引くことで、寄生容量Ｃ_ｐ１〜Ｃ_ｐ３を含まない、可動電極１２と固定電極１１の間に生じる静電容量Ｃのみを取得できることがわかる。

図８は、ダミー電極３１と固定電極１１の等価回路の一例を示す図である。図８において、図４と同一部には同一の符号を付しその説明は省略する。固定電極１１Ａと固定電極１１Ｂには、可動電極１２との間でそれぞれ寄生容量Ｃ_ｐ１、Ｃ_ｐ２が生じ、ダミー電極３１と可動電極１２との間には寄生容量Ｃ_ｐ１、Ｃ_ｐ２が生じる。説明を容易にするため、寄生容量Ｃ_ｐ１とＣ_ｐ２をまとめて寄生容量Ｃ_ｐ０とする。なお、図８では、１つのダミー電極３１が、基板１３と２つの固定電極１１Ａ、Ｂとの寄生容量Ｃ_ｐ０を補正するものとした。このためダミー電極３１と可動電極１２の間に生じる寄生容量は２Ｃ_ｐ０である。

図９は、ダミー電極３１に供給される変調信号Ｉｅの一例を示す。実施例１で説明したように、Ｓ／Ｈ１６は「Ｃ」に比例した信号Ｏｂを出力する。しかしながら、信号Ｏｂには２つの寄生容量Ｃ_ｐ０が含まれることになる。このため、静電容量センサ１００は、変調信号ＩａとＩｂが同相となるタイミングで変調信号ＩａとＩｂと逆相の変調信号Ｉｅをダミー電極３１に印加する。こうすることで、信号Ｏｂに含まれる２つの寄生容量Ｃ_ｐ０をキャンセルすることができる。なお、実施例１にて説明したように、変調信号ＩａとＩｂが同相のタイミングで、静電容量センサ１００はスイッチＳＷ２をオンにスイッチＳＷ１をオフにする。

以上のように、本実施例の静電容量センサ１００は、基板１３と固定電極１１、及び、基板１３と可動電極１２間の寄生容量を除外して、可動電極１２と固定電極１１間の静電容量Ｃを検出することができる。

なお、基板１３と対向するダミー電極３１の面積は、基板１３と対向する固定電極１１の面積と同じにしなくてもよい。これは、ダミー電極３１に印加する変調信号Ｉｅの振幅（Ｈｉｇｈ時の値）を調整することで、基板１３と対向するダミー電極３１の面積を変えるのと同じ効果が得られるためである。例えば、変調信号Ｉｅの振幅を変調信号ＩａとＩｂの２倍にすれば、基板１３と対向するダミー電極３１の面積は、基板１３と対向する固定電極１１の面積の半分にすることができる。

１１ 固定電極
１２ 可動電極
１３ 基板
３１ ダミー電極
４０ 検出回路
１００ 静電容量センサ

Claims (3)

1. 可動電極と第１の固定電極及び第２の固定電極との間に蓄積された静電容量を検出する静電容量センサにおいて、
   固定電極と第１の固定電極及び固定電極と第２の固定電極の間のそれぞれの静電容量の絶対値を検出する検出手段と、
   前記静電容量の絶対値の逆数に比例した値を感度にかけることにより、電極のずれにより変動した感度を補正する補正手段と、
   を有することを特徴とする静電容量センサ。
2. 可動電極と第１の固定電極及び第２の固定電極との間に蓄積された静電容量を検出する静電容量センサにおいて、
   第１の固定電極と第２の固定電極に、パルス列状の変調信号がそれぞれ同相に供給された際に、可動電極から検出された信号をホールドする第１の回路と、
   第１の固定電極と第２の固定電極に、パルス列状の変調信号がそれぞれ逆相に供給された際に、可動電極から検出された信号をホールドする第２の回路と、
   第１の回路が出力する信号を、第２の回路が出力する信号で割る除算回路と、
   を有することを特徴とする静電容量センサ。
3. 可動電極と充分離れた位置に形成されたダミー電極を有し、
   第１の固定電極と第２の固定電極にパルス列状に同相の変調信号がそれぞれ供給された際に、ダミー電極に、第１の固定電極と第２の固定電極に供給される変調信号と逆相の変調信号を供給する、
   ことを特徴とする請求項２記載の静電容量センサ。

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