JP3255273B2 - センサ回路 - Google Patents

センサ回路

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はセンサ回路に係り、
特性変化を容量値あるいは抵抗値として電気的検出する
センサ回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】差動トランス等の差動型のセンサは素子
の相反する出力を利用して高い感度を得ることができ、
例えば歪ゲージを用いたセンサでは逆方向の歪が生じる
位置に歪ゲージを貼付し、その出力感度を高める。さら
にこのようなセンサの出力は演算増幅器により増幅して
使用することが多い。
【０００３】近年自動車における燃焼系統のコンピュー
タ制御を始めとして、多様かつ大量のセンサ情報の処理
の必要性が高まり、またエコロジの立場から省電力化の
要求も高い。このため感度の確保および増幅のためのセ
ンサ回路について小型化、省電力化が求められている。
（参考文献：高橋清他編著「センサエレクトロニクス」
昭和５９年７月２０日初版１刷 昭晃堂発行）
【０００４】従来センサの具体例として、図２４に示す
特開昭５６−１６６４１１号公報記載の容量型センサ回
路があるが、これはレジスタンスＲ１と容量型センサＣ
１とによって積分回路を構成し、Ｃ１の容量変化に応じ
たパルスを発生し、このパルスをカウンタＣＮＴによっ
てカウントするとともに、ＣＮＴの出力を積分回路によ
って電圧値に変換する。
【０００５】さらに図２５に示す特公平２−２２３３８
号公報記載の容量型センサ回路では、レジスタンスＲ
２、容量型センサＣ２よりなる第１積分回路と、レジス
タンスＲ１、キャパシタンスＣ１よりなる第２積分回路
に所定のパルスを入力し、両者の出力信号の差を電圧信
号として出力し、この出力からＣ２の変化を検出する。
【０００６】以上のセンサ回路はパルスを常時生成する
必要があるため電力消費が大であり、さらにカウンタ回
路、作動増幅回路、パルス発生回路等の複雑な信号処理
回路が必要であり、回路規模が大であった。従って、セ
ンサとの一体化も困難であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような背
景に基づいて創案されたもので、小型かつ省電力のセン
サ回路を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明に係るセンサ回路
は、１対のレジスタンスあるいは１対のキャパシタンス
を用い、インピーダンス対に相反する特性変化を与え、
インピーダンス対の各々を、奇数段のＣＭＯＳインバー
タの入力、および入出力間に接続し、これによってＣＭ
ＯＳインバータの入出力関係にインピーダンス変化に応
じた閉ループゲインを与え、あるいは、インピーダンス
対の一方を帰還インピーダンスを含む奇数段のＣＭＯＳ
インバータに接続し、このＣＭＯＳインバータの出力と
他方のインピーダンスとを容量結合によって加算するも
のである。
【０００９】
【発明の実施の形態】次に本発明に係るセンサ回路につ
き図面に基づいて説明する。図１において、センサ回路
は複数のセンサＳ１１〜Ｓ１ｎが接続された増幅回路Ａ
ＭＰを有し、ＡＭＰからは各センサに対応した出力信号
ＳＩＧ１１〜ＳＩＧ１ｎが出力されている。
【００１０】前記センサには２種のタイプが存在し、ま
ず第１タイプのセンサＳ１１につき説明すると、図２に
示すように、Ｓ１１は１個のインピーダンスＺ２をＡＭ
Ｐに接続してなり、このインピーダンスの特性変化に応
じた出力電圧ＶｏｕｔがＡＭＰから出力されるようにな
っている。
【００１１】また第２のタイプは、図３に示すように、
１個のセンサＳ１２は１対のインピーダンスＺ３１、Ｚ
３２をＡＭＰに並列に接続してなり、これらインピーダ
ンス対には相反する特性変化が与えられる。この相反す
る特性変化の比較により高感度の検出が可能となり、検
出結果はＡＭＰからＶｏｕｔとして出力される。
【００１２】ここに相反する特性変化とは、例えば以下
のような検出態様において生じる。 （１）並行枚ばね型の検出部において、圧縮側、引張側
それぞれに歪ゲージを貼付する場合。（前掲書２４２
頁） （２）圧力検出のためのダイヤフラムの中央部および周
縁部に歪ゲージを貼付する場合。（前掲書１４０頁） （３）差動トランス。（前掲書１４３〜１４５頁） （４）１対のホール素子を直線的に配列し、このホール
素子列に沿って、測定対象に固定された永久磁石を移動
させ、ホール素子抵抗値の変化を検出する場合。（前掲
書１２７、１２８頁） （５）高精度容量式圧力計においてダイヤフラムの両側
に電極を配置し、各電極とダイヤフラム間の容量の変化
をハーフブリッジによって検出する。（前掲書第１４２
頁） （６） 図２０のような加速度センサ（Ｋ．Ｏｋａｄａ
著、「Ｄｅｖｅｌｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｒｉ−Ａｘｉａｌ
Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓ ＵｓｉｎｇＰｉｅｚｏ
ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ
Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ａｎｄ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔ
ｒｉｃ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ」、ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＤＩ
ＧＥＳＴ ＯＦ ＴＨＥ １３ＴＨ ＳＥＮＳＯＲ ＳＹＭ
ＰＯＳＩＵＭ、１９９５、ｐｐ．１６９−１７２）にお
いて、可動電極ＭＥに対向して固定電極ＦＥ１、ＦＥ
２、ＦＥ３を配置し、加速度によるウエイトＷの変位に
より可動電極を変形させ、このときの各固定電極と可動
電極間の容量を測定する。ここに加速度センサの等価回
路は図２１に示す並列可変容量となり、可動電極ＭＥと
固定電極ＦＥ１とによる可変容量Ｃ１、可動電極ＭＥと
固定電極ＦＥ２とによる可変容量Ｃ２が並列に接続され
た構成となる。加速度センサに固定電極ＥＦ１、ＥＦ３
の配列方向（図Ｆｘ方向）の加速度が生じたとき、可変
容量Ｃ１、Ｃ２には相反する容量変化が生じ、一方の容
量が増加し、他方の容量が減少する。なお図中、Ｓ、Ｆ
Ｓはシリコン基板、Ｂはガラス脚部、ＧＣはガラスカバ
ーである。 （７）図２２のような加速度センサにおいて、カンチレ
バーＣＬの先端に設けた可動電極ＭＥと、ＭＥの上下に
配置した固定電極ＦＥ１、ＦＥ２との間に可変容量が形
成される。図２３に示すように、加速度センサの等価回
路は可変容量Ｃ１、Ｃ２の直列回路であり、図２２の上
下方向の加速度によるＭＥの変位により、Ｃ１、Ｃ２に
は相反する変化を生じる。なお図中、Ｂはシリコン基
部、ＧＳはガラスカバーである。
【００１３】
【実施例】図３のインピーダンスは、図４に示すように
１対のキャパシタンスＣａｐ４１、Ｃａｐ４２であり、
あるいは図５に示すように１対のレジスタンスＲｅｓ５
１、Ｒｅｓ５２である。
【００１４】図２の１個のインピーダンスとしてキャパ
シタンスを用いた構成を図６に示す。図６において、容
量型センサとしてのキャパシタンスＣａｐ３２は、３段
のＣＭＯＳインバータＩ６１、Ｉ６２、Ｉ６３よりなる
反転増幅器の入出力間に接続され、この反転増幅器の入
力には入力キャパシタンスＣ６が接続されている。Ｃ６
には入力電圧Ｖｉｎが接続され、Ｉ６３から出力電圧Ｖ
ｏｕｔが出力されている。このような帰還ループを含む
構成と、Ｉ６１〜Ｉ６３の高い開ループゲインにより、
反転増幅部は入出力関係の良好な線形特性が保証されて
おり、ＣＭＯＳインバータの閾値電圧をＶｂとすると、
その入出力関係は、
【数１】 となる。
【００１５】ＣＭＯＳインバータＩ６１〜Ｉ６３は図７
のように構成され、ｐ型のＭＯＳトランジスタＴ１のド
レインにｎ型のＭＯＳトランジスタＴ２のドレインを接
続し、Ｔ１、Ｔ２のゲートに共通の入力電圧Ｖｉｎを接
続し、Ｔ１のソースに高電圧、Ｔ２のソースに低電圧を
接続してなる。このＣＭＯＳの出力電圧ＶｏｕｔはＴ
１、Ｔ２のドレインから出力される。
【００１６】図８は１個のインピーダンスとしてキャパ
シタンスを用いた他の構成を示す。図８において、３段
のＣＭＯＳインバータＩ８１、Ｉ８２、Ｉ８３よりなる
反転増幅器の入出力間に帰還キャパシタンスＣ８が接続
され、この反転増幅器の入力には容量型センサとしての
キャパシタンスＣａｐ３２が接続されている。Ｃａｐ３
２には入力電圧Ｖｉｎが接続され、Ｉ８３から出力電圧
Ｖｏｕｔが出力されている。図６の回路と同様に、反転
増幅部は入出力関係の良好な線形特性が保証されてお
り、ＣＭＯＳインバータの閾値電圧をＶｂとすると、そ
の入出力関係は、
【数２】 となる。
【００１７】図９は図６の構成に基準キャパシタンスＣ
９２を付加した構成であり、ＣＭＯＳインバータＩ９１
〜Ｉ９３よりなる反転増幅器の入力には入力キャパシタ
ンスＣ９１が接続され、また反転増幅器の入力にはＣａ
ｐ３２と並列に基準キャパシタンスＣ９２が接続されて
いる。Ｃａｐ３２、Ｃ９２はマルチプレクサＭＵＸ９を
介して反転増幅器の出力に接続され、通常のセンサ動作
時にはＣａｐ３２を反転増幅器に接続し、基準状態の確
認に際してはＣ９２を接続する。なおマルチプレクサＭ
ＵＸ９の接続位置は反転増幅器の入力側であってもよい
が、入力キャパシタンスに対する影響を考慮すれば出力
側に設けることが好ましい。通常のセンサ動作時にはＣ
ａｐ３２を反転増幅器に接続し、基準状態の確認に際し
てはＣ９２を接続する。例えばＣａｐ３２に電荷が蓄積
する等、式（１）の関係が成立しない状況が生じた場
合、一旦Ｃａｐ３２を切り離し、Ｃ９２を接続すること
により、既知の容量による出力電圧が生じ、測定値の校
正を行うことができる。
【００１８】図１０は図８の構成に基準キャパシタンス
Ｃ１０１を付加した構成であり、ＣＭＯＳインバータＩ
１０１〜Ｉ１０３よりなる反転増幅器の入出力間には帰
還キャパシタンスＣ１０２が接続され、また反転増幅器
の入力にはＣａｐ３２と並列に基準キャパシタンスＣ１
０１がマルチプレクサＭＵＸ１０を介して接続されてい
る。通常のセンサ動作時にはＣａｐ３２を反転増幅器に
接続し、基準状態の確認に際してはＣ１０１を接続す
る。例えばＣａｐ３２に電荷が蓄積する等、式（２）の
関係が成立しない状況が生じた場合、一旦Ｃａｐ３２を
切り離し、Ｃ１０１を接続することにより、既知の容量
による出力電圧が生じ、測定値の校正を行うことができ
る。
【００１９】図１１は図６の回路を１対設け、一方の回
路における帰還キャパシタンスを基準キャパシタンスと
したものである。第１の回路は３段のＣＭＯＳインバー
タＩ１１１〜Ｉ１１３よりなる反転増幅器の入出力を容
量型センサＣａｐ３２により接続し、反転増幅器の入力
に入力キャパシタンスＣ１１１を接続してなる。一方第
２の回路はＣＭＯＳインバータＩ１１４〜Ｉ１１６より
なる反転増幅器の入出力を基準キャパシタンスＣｒｅｆ
により接続し、反転増幅器の入力に入力キャパシタンス
Ｃ１１２を接続してなる。これら回路の入力キャパシタ
ンスＣ１１１、Ｃ１１２には共通の入力電圧Ｖｉｎが接
続され、第１の回路の出力Ｖｏｕｔはセンサによる測定
結果であり、第２の回路による出力電圧ＶｏｕｔＲは基
準キャパシタンスによる基準電圧である。これによって
常時基準出力を観察しながらセンサによる測定を実行し
得る。
【００２０】図１２は図８の回路を１対設け、一方の回
路における入力キャパシタンスを基準キャパシタンスと
したものである。第１の回路は３段のＣＭＯＳインバー
タＩ１２１〜Ｉ１２３よりなる反転増幅器の入出力を帰
還キャパシタンスＣ１２１により接続し、反転増幅器の
入力に容量型センサであるキャパシタンスＣａｐ３２を
接続してなる。一方第２の回路はＣＭＯＳインバータＩ
１２４〜Ｉ１２６よりなる反転増幅器の入出力を帰還キ
ャパシタンスＣ１２２により接続し、反転増幅器の入力
に基準キャパシタンスＣｒｅｆを接続してなる。そして
Ｃａｐ３２、Ｃｒｅｆには共通の入力電圧Ｖｉｎが接続
され、第１の回路の出力Ｖｏｕｔはセンサによる測定結
果であり、第２の回路による出力電圧ＶｏｕｔＲは基準
キャパシタンスによる基準電圧である。これによって常
時基準出力を観察しながらセンサによる測定を実行し得
る。
【００２１】図１３は２個の容量型センサＣａｐ３１、
Ｃａｐ３２を用いたセンサ回路であり、３段のＣＭＯＳ
インバータＩ１３１〜Ｉ１３３よりなる反転増幅器の入
出力をＣａｐ３２により接続し、反転増幅器の入力にＣ
ａｐ３１を接続してなる。Ｃａｐ３１に対する入力電圧
をＶｉｎ、反転増幅器からの出力電圧をＶｏｕｔとする
と、入出力関係は以下のとおりである。
【数３】 従って、出力電圧はＣａｐ３１、Ｃａｐ３２の比に比例
し、Ｃａｐ３１、Ｃａｐ３２に相反する変化が生じると
きには変化が増幅されて出力される。
【００２２】図１４は２個の容量型センサＣａｐ３１、
Ｃａｐ３２を用いたセンサ回路であり、３段のＣＭＯＳ
インバータＩ１４１〜Ｉ１４３よりなる反転増幅器の入
出力を帰還キャパシタンスＣ１４により接続し、反転増
幅器の入力にＣａｐ３１、Ｃａｐ３２を並列に接続して
なる。Ｃａｐ３１に対する入力電圧をＶｉｎ１、Ｃａｐ
３２対する入力電圧をＶｉｎ２、反転増幅器からの出力
電圧をＶｏｕｔとすると、入出力関係は以下のとおりで
ある。
【数４】 従って、各入力電圧とＣａｐ３１、Ｃａｐ３２の積の和
に比例した出力電圧が生じ、分散した測定値の統合等に
有効である。
【００２３】図１５において、Ｃａｐ３１は、３段のＣ
ＭＯＳインバータＩ５１１、Ｉ５１２、Ｉ５１３の入力
に接続され、Ｃａｐ３２は、３段のＣＭＯＳインバータ
Ｉ５３１、Ｉ５３２、Ｉ５３３の入力に接続されてい
る。Ｉ５１３の出力は帰還キャパシタンスＣＦ５１を介
してＩ５１１の入力に接続され、Ｉ５１１〜Ｉ５１３の
高い開ループゲインによりＣａｐ３１の出力の反転が良
好な線形特性をもってＩ５１３の出力に生じるようにな
っている。Ｉ５３３の出力は帰還キャパシタンスＣＦ５
３を介してＩ５３１の入力に接続され、Ｉ５３１〜Ｉ５
３３の高い開ループゲインによりＣａｐ３２の出力の反
転が良好な線形特性をもってＩ５３３の出力に生じるよ
うになっている。
【００２４】Ｉ５１３の出力には結合キャパシタンスＣ
Ｃ５１を介して３段のＣＭＯＳインバータＩ５２１、Ｉ
５２２、Ｉ５２３が接続され、Ｉ５２３の出力は帰還キ
ャパシタンスＣＦ５２を介してＩ５２１の入力に接続さ
れている。これによってＩ５１３の出力がさらに反転さ
れ、Ｃａｐ３１の出力は非反転の状態に戻される。Ｉ５
２３、Ｉ５３３の出力はキャパシタンスＣＣ５２、ＣＣ
５３にそれぞれ接続され、これらＣＣ５２、ＣＣ５３は
その出力が統合されて容量結合ＣＰ５を構成している。
【００２５】ＣＰ５の出力には３段のＣＭＯＳインバー
タＩ５４１、Ｉ５４２、Ｉ５４３の入力に接続され、Ｉ
５４３の出力は帰還キャパシタンスＣＦ５４を介してＩ
５４１の入力に接続され、Ｉ５４１〜Ｉ５４３の高い開
ループゲインによりＣＰ５の出力の反転が良好な線形特
性をもってＩ５４３の出力に生じるようになっている。
【００２６】ここで、Ｃａｐ３１、Ｃａｐ３２の入力電
圧をそれぞれＶｉｎ５１、Ｖｉｎ５２、ＣＭＯＳインバ
ータの閾値電圧をＶｂとすると、Ｉ５４３の出力Ｖｏｕ
ｔ５は、
【数５】 である。またキャパシタンス容量比および入力電圧に関
して、 ＣＣ５１＝ＣＦ５２ （６） ＣＣ５２＝ＣＣ５３＝ＣＦ５４／２ （７） ＣＦ５１＝ＣＦ５３ （８） Ｖｉｎ５１＝Ｖｉｎ５２＝Ｖ （９） と設定されており、ＣＦ５１＝ＣＦ５３＝Ｃ０とおく
と、式（５）は式（１０）に書き直される。なお式
（９）の電圧Ｖは外部から供給される既知の電圧であ
る。
【数６】
【００２７】従って、Ｃａｐ３２、Ｃａｐ３１の変化は
式（１１）に示すように、両者の差の形で検出され、両
者に相反する変化が生じるとすると、変化量を２倍に増
幅した検出が可能である。さらにＣ０の値とＶの値の設
定によって適宜ゲインを調整し得る。
【数７】
【００２８】前記３段ＣＭＯＳインバータの最終段（出
力段）Ｉ６３、Ｉ８３、Ｉ９３、Ｉ１０３、Ｉ１１３、
Ｉ１１６、Ｉ１２３、Ｉ１２６、Ｉ１３３、Ｉ１４３、
Ｉ５１３、Ｉ５２３、Ｉ５３３、Ｉ５４３の出力には、
ローパスフィルタとしての接地キャパシタンスＣＧ６、
ＣＧ８、ＣＧ９、ＣＧ１０、ＣＧ１１１、ＣＧ１１２、
ＣＧ１２１、ＣＧ１２２、ＣＧ１３、ＣＧ１４、ＣＧ５
１、ＣＧ５２、ＣＧ５３、ＣＧ５４がそれぞれ接続さ
れ、さらに中間のＩ６２、Ｉ８２、Ｉ９２、Ｉ１０２、
Ｉ１１２、Ｉ１１５、Ｉ１２２、Ｉ１２５、Ｉ１３２、
Ｉ１４２、Ｉ５１２、Ｉ５２２、Ｉ５３２、Ｉ５４２の
出力にはゲイン抑制のための平衡レジスタンスＲＥ６
１、ＲＥ６２、平衡レジスタンスＲＥ８１、ＲＥ８２、
平衡レジスタンスＲＥ９１、ＲＥ９２、平衡レジスタン
スＲＥ１０１、ＲＥ１０２、平衡レジスタンスＲＥ１１
１、ＲＥ１１２、平衡レジスタンスＲＥ１１３、ＲＥ１
１４、ＲＥ１２１とＲＥ１２２、ＲＥ１２３とＲＥ１２
４、ＲＥ１３１とＲＥ１３２、ＲＥ１４１とＲＥ１４
２、平衡レジスタンスＲＥ５１１、ＲＥ５１２、平衡レ
ジスタンスＲＥ５２１、ＲＥ５２２、平衡レジスタンス
ＲＥ５３１、ＲＥ５３２、平衡レジスタンスＲＥ５４
１、ＲＥ５４２がそれぞれ接続されている。ＲＥ５１
１、ＲＥ５２１、ＲＥ５３１、ＲＥ５４１は電源電圧Ｖ
ｄｄに接続され、ＲＥ５１２、ＲＥ５２２、ＲＥ５３
２、ＲＥ５４２は接地されている。このような構成によ
り、フィードバック系を含む反転増幅回路の発振が防止
されている。
【００２９】前記ＣＦ５１、ＣＦ５２、ＣＦ５３、ＣＦ
５４の両端はスイッチＳＷ５１、ＳＷ５２、ＳＷ５３、
ＳＷ５４によって開閉可能に接続されており、また、Ｃ
ａｐ３１、Ｃａｐ３２にはマルチプレクサＭＵＸ５１、
ＭＵＸ５２によって入力電圧Ｖｉｎ５１、Ｖｉｎ５２に
替えて基準電圧Ｖｓｔｄを入力し得るようになってい
る。コントロール信号ＣＴＬによって、前記スイッチを
同時閉成しかつＣａｐ３１、Ｃａｐ３２にＶｓｔｄを接
続することにより、各キャパシタンスに残留した電荷を
解消することが可能である。この残留電荷は出力電圧に
対するオフセット電圧を生じさせるので、電荷解消によ
るリフレッシュ処理により出力精度の劣化を防止し得
る。なおＣＴＬは例えば「１」（高レベル）のときにリ
フレッシュを行い、通常の検出動作時には「０」（低レ
ベル）となるよう設定されている。
【００３０】図１６は増幅回路ＡＭＰの第２実施例を示
すものであり、Ｃａｐ３１は、３段のＣＭＯＳインバー
タＩ６１１、Ｉ６１２、Ｉ６１３の入力に接続され、Ｃ
ａｐ３２は、Ｉ６１３の出力とＩ６１１の入力の間に帰
還キャパシタンスとして接続されている。Ｃａｐ３１に
はマルチプレクサＭＵＸ６を介して入力電圧Ｖｉｎ６が
入力され、Ｉ６１３の出力にはＶｉｎ６の反転出力が線
形特性をもって生じる。Ｉ６１３の出力には結合キャパ
シタンスＣＣ６１を介して３段のＣＭＯＳインバータＩ
６２１、Ｉ６２２、Ｉ６２３が接続され、Ｉ６２３の出
力は帰還キャパシタンスＣＦ６２を介してＩ６２１の入
力に接続されている。これによってＩ６１３の出力がさ
らに反転され、Ｉ６２３の出力は非反転の状態に戻され
る。
【００３１】さらにＭＵＸ６の出力は結合キャパシタン
スＣＣ６２を介してＩ６２１に接続され、Ｉ６１３の反
転出力とＶｉｎ６とが加算されることになる。ここでＣ
ＭＯＳインバータの閾値電圧をＶｂとすると、Ｉ６２３
の出力Ｖｏｕｔ６は、
【数８】 である。またキャパシタンス容量比および入力電圧に関
して、 ＣＣ６１＝ＣＣ６２＝ＣＦ６２ （１３） と設定されており、Ｖｉｎ６には式（１０）と同様に既
知の入力電圧が与えられる。すなわち、 Ｖｉｎ６＝Ｖ （１４） であり、 式（１２）は式（１５）のように書き直され
る。
【数９】
【００３２】従って、Ｃａｐ３２、Ｃａｐ３１の変化は
式（１５）に示すように、両者の比の形で検出され、両
者に相反する変化が生じるとすると、変化量を２倍に増
幅した検出が可能である。さらにＣＣ６１≠ＣＦ６２と
しあるいはＶの値を変更すれば、両者の比の設定によっ
て適宜ゲインを調整し得る。
【００３３】なお本実施例においても、発振防止のため
の接地キャパシタンスＣＧ６１、ＣＧ６２、平衡レジス
タンスＲＥ６１１、ＲＥ６１２およびＲＥ６２１、ＲＥ
６２２が設けられており、さらに、Ｃａｐ３２、ＣＦ６
２の両端にリフレッシュのためのスイッチＳＷ６１、Ｓ
Ｗ６２が接続されている。また前記マルチプレクサＭＵ
Ｘ６には基準電圧Ｖｓｔｄが入力され、リフレッシュに
際してはＣａｐ３１にＶｓｔｄを入力する。ここにＶｓ
ｔｄ＝Ｖｂであり、Ｉ６１１の入力もＶｂであることか
ら、Ｃａｐ３１がリフレッシュされる。これらのリフレ
ッシュは図１５と同様コントロール信号ＣＴＬによって
実行される。
【００３４】図１６のＶｓｔｄは増幅回路ＡＭＰ以外の
部分、あるいは集積回路の外部で生成されるものである
が、Ｖｓｔｄ＝Ｖｂに設定されるため、ＡＭＰ内部の電
圧Ｖｂを使用することも可能である。図１７は、図１６
におけるＶｓｔｄに変更を加えた変形例であり、図１６
各部の符号における「６」を「７」に書き換えて示して
いる。図１７において、マルチプレクサＭＵＸ７の入力
にはＶｓｔｄに替えて、Ｉ７１１の入力（Ｃａｐ３１の
出力）が接続されている。これはＣａｐ３１を短絡する
ことに等しく、Ｃａｐ３１をリフレッシュし得る。この
ように別段のＶｓｔｄを用いないことにより、Ｖｓｔｄ
を発生する回路等は不要になる。
【００３５】図５はインピーダンスとしてレジスタンス
Ｒｅｓ５１、Ｒｅｓ５２を使用した第３実施例を示し、
図１８はその増幅回路ＡＭＰを示す。
【００３６】図１８において、Ｒｅｓ４１は、３段のＣ
ＭＯＳインバータＩ８１１、Ｉ８１２、Ｉ８１３の入力
に接続され、Ｒｅｓ４２は、３段のＣＭＯＳインバータ
Ｉ８３１、Ｉ８３２、Ｉ８３３の入力に接続されてい
る。Ｉ８１３の出力は帰還レジスタンスＲＦ８１を介し
てＩ８１１の入力に接続され、Ｉ８１１〜Ｉ８１３の高
い開ループゲインによりＲｅｓ４１の出力の反転が良好
な線形特性をもってＩ８１３の出力に生じるようになっ
ている。Ｉ８３３の出力は帰還レジスタンスＲＦ８３を
介してＩ８３１の入力に接続され、Ｉ８３１〜Ｉ８３３
の高い開ループゲインによりＲｅｓ４２の出力の反転が
良好な線形特性をもってＩ８３３の出力に生じるように
なっている。
【００３７】Ｉ８１３の出力には結合レジスタンスＣＲ
８１を介して３段のＣＭＯＳインバータＩ８２１、Ｉ８
２２、Ｉ８２３が接続され、Ｉ８２３の出力は帰還キャ
パシタンスＲＦ８２を介してＩ８２１の入力に接続され
ている。これによってＩ８１３の出力がさらに反転さ
れ、Ｒｅｓ４１の出力は非反転の状態に戻される。Ｉ８
２３、Ｉ８３３の出力はレジスタンスＣＲ８２、ＣＲ８
３にそれぞれ接続され、これらＣＲ８２、ＣＲ８３はそ
の出力が統合されてレジスタンス結合ＲＰ８を構成して
いる。
【００３８】ＲＰ８の出力には３段のＣＭＯＳインバー
タＩ８４１、Ｉ８４２、Ｉ８４３の入力に接続され、Ｉ
８４３の出力は帰還レジスタンスＲＦ８４を介してＩ８
４１の入力に接続され、Ｉ８４１〜Ｉ８４３の高い開ル
ープゲインによりＲＰ８の出力の反転が良好な線形特性
をもってＩ８４３の出力に生じるようになっている。
【００３９】ここで、Ｒｅｓ４１、Ｒｅｓ４２の入力電
圧をそれぞれＶｉｎ８１、Ｖｉｎ８２、ＣＭＯＳインバ
ータの閾値電圧Ｖｂすると、Ｉ８４３の出力Ｖｏｕｔ８
は、
【数１０】 である。またレジスタンスの抵抗比および入力電圧に関
して、 ＣＲ８１＝ＲＦ８２ （１７） ＣＲ８２＝ＣＲ８３＝２ＲＦ８４ （１８） ＲＦ８１＝ＲＦ８３ （１９） Ｖｉｎ８１＝Ｖｉｎ８２＝Ｖ （２０） と設定されており、ＲＦ８１＝ＲＦ８３＝Ｒ０とおく
と、式（１６）は式（２１）に書き直される。
【数１１】
【００４０】従って、Ｒｅｓ４１、Ｒｅｓ４２の変化は
式（２２）に示すように、両者の逆数の差の形で検出さ
れ、両者に相反する変化が生じるとすると、変化量を２
倍に増幅した検出が可能である。さらにＲ０とＶの値の
設定によって適宜ゲインを調整し得る。
【数１２】
【００４１】なお本実施例においても、各３段ＣＭＯＳ
インバータ最終段に接地キャパシタンスＣＧ８１、ＣＧ
８２、ＣＧ８３、ＣＧ８４が接続され、第２段に平衡レ
ジスタンスＲＥ８１１、ＲＥ８１２、ＲＥ８２１、ＲＥ
８２２、ＲＥ８３１、ＲＥ８３２、ＲＥ８４１、ＲＥ８
４２が設けられており、発振防止対策が施されている。
また本実施例のようにレジスタンスを基本要素とする回
路では電荷残留の問題は生じないので、リフレッシュは
不要である。
【００４２】図１９は増幅回路ＡＭＰの第４実施例を示
すものであり、Ｒｅｓ４１は、３段のＣＭＯＳインバー
タＩ９１１、Ｉ９１２、Ｉ９１３の入力に接続され、Ｒ
ｅｓ４２は、Ｉ９１３の出力とＩ９１１の入力の間に帰
還レジスタンスとして接続されている。Ｒｅｓ４１には
入力電圧Ｖｉｎ９が入力され、Ｉ９１３の出力にはＶｉ
ｎ９の反転出力が良好な線形特性をもって生じる。Ｉ９
１３の出力には結合レジスタンスＣＲ９１を介して３段
のＣＭＯＳインバータＩ９２１、Ｉ９２２、Ｉ９２３が
接続され、Ｉ９２３の出力は帰還レジスタンスＲＦ９１
を介してＩ９２１の入力に接続されている。これによっ
てＩ９１３の出力がさらに反転されて、非反転の状態に
戻される。
【００４３】さらにＶｉｎ９は結合レジスタンスＣＲ９
２を介してＩ９２１に接続され、Ｉ９１３の反転出力と
加算されることになる。ここでＣＭＯＳインバータの閾
値電圧をＶｂとすると、Ｉ９２３の出力Ｖｏｕｔ９は、
【数１３】 である。またレジスタンス抵抗比および入力電圧に関し
て、
【数１４】 と設定されており、 式（２３）は式（２６）に書き直
される。
【数１５】
【００４４】従って、Ｒｅｓ４２、Ｒｅｓ４１の変化は
式（２６）に示すように、両者の比の形で検出され、両
者に相反する変化が生じるとすると、変化量を２倍に増
幅した検出が可能である。さらにＣＲ９１≠ＣＲ９２と
しあるいはＶの値を変更すれば、両者の比の設定によっ
て適宜ゲインを調整し得る。
【００４５】なお本実施例においても、発振防止のため
の接地キャパシタンスＣＧ９１、ＣＧ９２、平衡レジス
タンスＲＥ９１１、ＲＥ９１２およびＲＥ９２１、ＲＥ
９２２が設けられている。
【００４６】
【発明の効果】前述のとおり、本発明に係るセンサ回路
は、インピーダンス対の各々を、奇数段のＣＭＯＳイン
バータの入力、および入出力間に接続し、これによって
ＣＭＯＳインバータの入出力関係にインピーダンス変化
に応じた閉ループゲインを与え、あるいは、インピーダ
ンス対の一方を帰還インピーダンスを含む奇数段のＣＭ
ＯＳインバータに接続し、このＣＭＯＳインバータの出
力と他方のインピーダンスとを容量結合によって加算す
るので、回路を小型化、省電力化し得るという優れた効
果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るセンサ回路を示す概念図であ
る。
【図２】 １個のセンサの回路を示すブロック図であ
る。
【図３】 １個のセンサの他の回路を示すブロック図で
ある。
【図４】 図３の回路の具体例を示す回路図である。
【図５】 図３の回路の他の具体例を示す回路図であ
る。
【図６】 センサ回路の第１実施例を示す回路図であ
る。
【図７】 ＣＭＯＳを示す回路図である。
【図８】 センサ回路の第２実施例を示す回路図であ
る。
【図９】 センサ回路の第３実施例を示す回路図であ
る。
【図１０】 センサ回路の第４実施例を示す回路図であ
る。
【図１１】 センサ回路の第５実施例を示す回路図であ
る。
【図１２】 センサ回路の第６実施例を示す回路図であ
る。
【図１３】 センサ回路の第７実施例を示す回路図であ
る。
【図１４】 センサ回路の第８実施例を示す回路図であ
る。
【図１５】 センサ回路の第９実施例を示す回路図であ
る。
【図１６】 センサ回路の第１０実施例を示す回路図で
ある。
【図１７】 センサ回路の第１１実施例を示す回路図で
ある。
【図１８】 センサ回路の第１２実施例を示す回路図で
ある。
【図１９】 センサ回路の第１３実施例を示す回路図で
ある。
【図２０】 センサの１例を示す縦断面図である。
【図２１】 図２０のセンサの等価回路を示す回路図で
ある。
【図２２】 他のセンサの例を示す縦断面図である。
【図２３】 図２２のセンサの等価回路を示す回路図で
ある。
【図２４】 従来のセンサ回路を示す回路図である。
【図２５】 他の従来例を示す回路図である。
【符号の説明】
ＡＭＰ ．．．増幅回路 Ｃａｐ３１、Ｃａｐ３２ ．．．キャパシタンス ＣＣ５１、ＣＣ５２、ＣＣ５３、ＣＣ６１、ＣＣ６２、
ＣＣ７１、ＣＣ７２ ．．．結合キャパシタンス ＣＧ５１〜ＣＧ５４、ＣＧ６１、ＣＧ６２、ＣＧ７１、
ＣＧ７２、ＣＧ８１〜ＣＧ８４、ＣＧ９１、ＣＧ９２
．．．接地キャパシタンス ＣＦ５１、ＣＦ５２、ＣＦ５３、ＣＦ５４、ＣＦ６２、
ＣＦ７２ ．．．帰還キャパシタンス Ｉ６１〜Ｉ６３、Ｉ８１〜Ｉ８３、Ｉ９１〜Ｉ９３、Ｉ
１０１〜Ｉ１０３、Ｉ１１１〜Ｉ１１６、Ｉ１２１〜Ｉ
１２６、Ｉ１３１〜Ｉ１３３、Ｉ１４１〜Ｉ１４３、Ｉ
５１１〜Ｉ５１３、Ｉ５２１〜Ｉ５２３、Ｉ５３１〜Ｉ
５３３、Ｉ５４１〜Ｉ５４３、Ｉ６１１〜Ｉ６１３、Ｉ
６２１〜Ｉ６２３、Ｉ７１１〜Ｉ７１３、Ｉ８１１〜Ｉ
８１３、Ｉ８２１〜Ｉ８２３、Ｉ８３１〜Ｉ８３３、Ｉ
８４１〜Ｉ８４３、Ｉ９１１〜Ｉ９１３、Ｉ９２１〜Ｉ
９２３ ．．．ＣＭＯＳインバータ ＭＵＸ６、ＭＵＸ７ ．．．マルチプレクサＲｅｓ４１、Ｒｅｓ４２、 Ｒｅｓ５１、Ｒｅｓ５
２ ．．．レジスタンス ＲＥ５１１、ＲＥ５１２、ＲＥ５２１、ＲＥ５２２、Ｒ
Ｅ５３１、ＲＥ５３２、ＲＥ５４１、ＲＥ５４２、ＲＥ
６１１、ＲＥ６１２ＲＥ６２１、ＲＥ６２２、ＲＥ７１
１、ＲＥ７１２、ＲＥ７２１、ＲＥ７２２ ．．．平衡
レジスタンス ＲＦ８１、ＲＦ８２、ＲＦ８３、ＲＦ８４、ＲＥ９１
．．．帰還レジスタンス Ｓ１１、．．．、Ｓ１ｎ ．．．センサ ＳＷ５１、ＳＷ５２、ＳＷ５３、ＳＷ５４、ＳＷ６２、
ＳＷ６３ ．．．スイッチ Ｖｉｎ５１、Ｖｉｎ５２、Ｖｉｎ６、Ｖｉｎ７、Ｖｉｎ
８１、Ｖｉｎ８２、Ｖｉｎ９ ．．．入力電圧 Ｖｏｕｔ、Ｖｏｕｔ５〜Ｖｏｕｔ９ ．．．出力電圧 Ｚ２１、．．．、Ｚ２ｎ ．．．インピーダンス。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 勝民 東京都世田谷区北沢３−５−18鷹山ビル 株式会社鷹山内 (72)発明者 山本 誠 東京都世田谷区北沢３−５−18鷹山ビル 株式会社鷹山内 (72)発明者 松本 俊行 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 (72)発明者 原田 宗生 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 (72)発明者 大麻 隆彦 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 (72)発明者 廣田 良浩 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 審査官 井上 昌宏 (56)参考文献 特開 昭63−17575（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−66694（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01D 5/24 G01B 7/00 - 7/32

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１キャパシタンスおよび第２のキャパ
    シタンスに対して相反する特性変化を与え、この特性変
    化を電気的に検出するセンサ回路において： 第１キャパシタンスに接続された奇数段のＣＭＯＳイン
    バータよりなる第１反転増幅器と、この第１反転増幅器
    の出力を入力に接続する第１帰還キャパシタンスとを有
    する第１反転増幅部と； 第２キャパシタンスに接続された奇数段のＣＭＯＳイン
    バータよりなる第２反転増幅器と、この第２反転増幅器
    の出力を入力に接続する第２帰還キャパシタンスとを有
    する第２反転増幅部と； この第１反転増幅部の出力に接続された第１中間キャパ
    シタンスと； この中間キャパシタンスに接続された奇数段のＣＭＯＳ
    インバータよりなる第３反転増幅器と、この第３反転増
    幅器の出力を入力に接続する第３帰還キャパシタンスと
    を有する第３反転増幅部と； 第２反転増幅部の出力と第３反転増幅部の出力とを並列
    なキャパシタンスによって統合する容量結合と； この容量結合の出力が接続された奇数段のＣＭＯＳイン
    バータよりなる第４反転増幅器と、この第４反転増幅器
    の出力を入力に接続する第４帰還キャパシタンスとを有
    する第４反転増幅部と； を備えたセンサ回路。
  2. 【請求項２】 特性変化を容量値として検出するセンサ
    回路であって： 奇数段のＣＭＯＳインバータよりなる第１反転増幅器で
    あって、入力に第１キャパシタンスが接続され、入出力
    間に第２キャパシタンスが接続された第１反転増幅器
    と； この第１反転増幅器の出力と前記第１キャパシタンスの
    入力が接続された並列なキャパシタンスの出力を統合し
    てなる容量結合と； この容量結合の出力が接続された奇数段のＣＭＯＳイン
    バータよりなる第２反転増幅器と、この第２反転増幅器
    の出力を入力に接続する帰還キャパシタンスとを有する
    第２反転増幅部と； を備えたセンサ回路。
  3. 【請求項３】 特性変化を抵抗値として検出するセンサ
    回路であって： 第１レジスタンスに接続された奇数段のＣＭＯＳインバ
    ータよりなる第１反転増幅器と、この第１反転増幅器の
    出力を入力に接続する第１帰還レジスタンスとを有する
    第１反転増幅部と； 第２レジスタンスに接続された奇数段のＣＭＯＳインバ
    ータよりなる第２反転増幅器と、この第２反転増幅器の
    出力を入力に接続する第２帰還レジスタンスとを有する
    第２反転増幅部と； この第１反転増幅部の出力に接続された第１中間レジス
    タンスと； この中間レジスタンスに接続された奇数段のＣＭＯＳイ
    ンバータよりなる第３反転増幅器と、この第３反転増幅
    器の出力を入力に接続する第３帰還レジスタンスとを有
    する第３反転増幅部と； 第２反転増幅部の出力と第３反転増幅部の出力とを並列
    なレジスタンスによって統合するレジスタンス結合と； このレジスタンス結合の出力が接続された奇数段のＣＭ
    ＯＳインバータよりなる第４反転増幅器と、この第４反
    転増幅器の出力を入力に接続する第４帰還レジスタンス
    とを有する第４反転増幅部と； を備えたセンサ回路。
  4. 【請求項４】 特性変化を抵抗値として検出するセンサ
    回路であって： 奇数段のＣＭＯＳインバータよりなる第１反転増幅器で
    あって、入力に第１レジスタンスが接続され、入出力間
    に第２レジスタンスが接続された第１反転増幅器と； この第１反転増幅器の出力と前記第１レジスタンスの入
    力が接続された並列なレジスタンスの出力を統合してな
    るレジスタンス結合と； このレジスタンス結合の出力が接続された入力レジスタ
    ンスと、この入力レジスタンスに接続された奇数段のＣ
    ＭＯＳインバータよりなる第２反転増幅器と、この第２
    反転増幅器の出力を入力に接続する帰還レジスタンスと
    を有する第２反転増幅部と； を備えたセンサ回路。
  5. 【請求項５】 奇数段のＣＭＯＳインバータよりなる反
    転増幅器と； この反転増幅器の出力を入力に接続する帰還キャパシタ
    ンスと； 前記反転増幅器の入力に接続された入力キャパシタンス
    と； を備え、前記帰還キャパシタンスは容量型センサとされ
    ている、センサ回路。
  6. 【請求項６】 奇数段のＣＭＯＳインバータよりなる反
    転増幅器と； この反転増幅器の出力を入力に接続する帰還キャパシタ
    ンスと； 前記反転増幅器の入力に接続された入力キャパシタンス
    と； を備え、前記入力キャパシタンスは容量型センサとされ
    ている、センサ回路。
  7. 【請求項７】 奇数段のＣＭＯＳインバータよりなる反
    転増幅器と； この反転増幅器の出力を入力に接続する帰還キャパシタ
    ンスと； 前記反転増幅器の入力に接続された入力キャパシタンス
    と； を備え、前記帰還キャパシタンスと入力キャパシタンス
    は容量型センサとされている、センサ回路。
  8. 【請求項８】 帰還キャパシタンスと並列に反転増幅器
    に接続された基準キャパシタンスと； 反転増幅器の入力に対して、基準キャパシタンスまたは
    帰還キャパシタンスを択一的に接続するスイッチと； をさらに備えていることを特徴とする請求項５記載のセ
    ンサ回路。
  9. 【請求項９】 帰還キャパシタンスと並列に反転増幅器
    に接続された基準キャパシタンスと； 反転増幅器の出力に対して、基準キャパシタンスまたは
    帰還キャパシタンスを択一的に接続するスイッチと； をさらに備えていることを特徴とする請求項５記載のセ
    ンサ回路。
  10. 【請求項１０】 入力キャパシタンスの入力に並列に接
    続された基準キャパシタンスと； 反転増幅器の入力に対して基準キャパシタンスまたは入
    力キャパシタンスを択一的に接続するスイッチと； をさらに備えていることを特徴とする請求項６記載のセ
    ンサ回路。
  11. 【請求項１１】 奇数段のＣＭＯＳインバータよりなる
    第１反転増幅器と；奇数段のＣＭＯＳインバータよりな
    る第２反転増幅器と； 第１反転増幅器の出力を入力に接続する第１帰還キャパ
    シタンスと； 第２反転増幅器の出力を入力に接続する第２帰還キャパ
    シタンスと； 第１反転増幅器の入力に接続された第１入力キャパシタ
    ンスと； 第２反転増幅器の入力に接続された第２入力キャパシタ
    ンスと； を備え、第１、第２入力キャパシタンスには共通の入力
    電圧が接続され、第１帰還キャパシタンスは容量型セン
    サとされ、第２帰還キャパシタンスは基準キャパシタン
    スとされている、センサ回路。
  12. 【請求項１２】 奇数段のＣＭＯＳインバータよりなる
    第１反転増幅器と； 奇数段のＣＭＯＳインバータよりなる第２反転増幅器
    と； 第１反転増幅器の出力を入力に接続する第１帰還キャパ
    シタンスと； 第２反転増幅器の出力を入力に接続する第２帰還キャパ
    シタンスと； 第１反転増幅器の入力に接続された第１入力キャパシタ
    ンスと； 第２反転増幅器の入力に接続された第２入力キャパシタ
    ンスと； を備え、第１、第２入力キャパシタンスには共通の入力
    電圧が接続され、第１入力キャパシタンスは容量型セン
    サとされ、第２入力キャパシタンスは基準キャパシタン
    スとされている、センサ回路。
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