JP4714909B2 - Capacitance detection circuit output signal correction method and tilt sensor - Google Patents

Capacitance detection circuit output signal correction method and tilt sensor Download PDF

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  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Description

本発明は、たとえば半導体工場のウェハーのハンドリングや精密な加工を行う加工装置の傾きを精密に測定する傾斜センサに関するものである。   The present invention relates to a tilt sensor that accurately measures the tilt of a processing apparatus that performs wafer processing and precise processing in a semiconductor factory, for example.

電気的に傾きの大きさを測定するセンサは傾斜センサと呼ばれる。傾斜センサには、レーザを用いたものや質点の変位量を測定するもの等がある。特に、質点の変位量を測定するものは構造が簡単で、小型のものに多く用いられている。   A sensor that electrically measures the magnitude of tilt is called a tilt sensor. Examples of the tilt sensor include a sensor using a laser and a sensor that measures a displacement amount of a mass point. In particular, a device for measuring the amount of displacement of a mass point has a simple structure and is often used for a small one.

斯かる質点の変位量を測定する傾斜センサに関する技術としては、例えば、水晶を用いて櫛形の複数電極を形成し、その複数電極間の静電容量の変化で傾斜を測定する技術が特許文献1に開示されている。この特許文献1に開示されたものは、静電容量の変化が非線形であり、その補正を行うことが必要となる場合がある。非線形信号を補正する回路として、特許文献2に開示されたものがある。
特許第3944509号公報 特開平06−167351号公報
As a technique relating to such a tilt sensor for measuring the amount of displacement of the mass point, for example, a technique in which a plurality of comb-shaped electrodes are formed using quartz and the tilt is measured by a change in capacitance between the plurality of electrodes is disclosed in Patent Document 1. Is disclosed. In the device disclosed in Patent Document 1, the change in capacitance is nonlinear, and it may be necessary to correct the change. As a circuit for correcting a nonlinear signal, there is one disclosed in Patent Document 2.
Japanese Patent No. 3944509 Japanese Patent Laid-Open No. 06-167351

特許文献1に開示された傾斜センサは、本件発明の基本となるもので、1つの櫛状電極に着目すると、一対の固定電極間を可動電極が傾きに応じて変位し、その一方の可動電極が対応する固定電極に接近すると、他方の可動電極は対応する固定電極から離遠する。   The tilt sensor disclosed in Patent Document 1 is the basis of the present invention. When attention is paid to one comb-shaped electrode, the movable electrode is displaced between a pair of fixed electrodes in accordance with the tilt, and one of the movable electrodes Approaches the corresponding fixed electrode, the other movable electrode moves away from the corresponding fixed electrode.

つまり2つのコンデンサが直列になった状態であり、可動電極の変位に応じて、一方のコンデンサの電極間距離がΔxだけ接近すると、他方のコンデンサの電極間距離がΔxだけ離遠する。よって、一方のコンデンサの容量が増加し、他方のコンデンサの容量が減少する。   That is, two capacitors are in series, and when the distance between the electrodes of one capacitor approaches Δx according to the displacement of the movable electrode, the distance between the electrodes of the other capacitor increases by Δx. Therefore, the capacity of one capacitor increases and the capacity of the other capacitor decreases.

ところで、この傾斜センサは傾きθに対し、可動電極の変位量xは式(1)で表すことができる。ここでkはバネ定数である。   By the way, this inclination sensor can express the displacement amount x of a movable electrode with respect to inclination (theta) by Formula (1). Here, k is a spring constant.

Figure 0004714909
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2つの差動型コンデンサC,Cを制御可能な定電流によって一定時間充電し、各々のコンデンサの充電後の電圧V1,V2の平均値が特定の基準電圧Vrefに等しくなるように定電流が制御される。このとき検出回路の出力Voutは、一般に式(2)で表すことができる。また、2つのコンデンサに振幅Vrefなる電圧を印加し、各々のコンデンサの充電電荷量が等しくなるように制御する検出回路の出力電圧Voutも式(2)のように表すことができる。ここで、Aは定数である。 The two differential capacitors C 1 and C 2 are charged with a controllable constant current for a certain period of time so that the average value of the voltages V 1 and V 2 after charging of each capacitor becomes equal to a specific reference voltage V ref. The constant current is controlled. At this time, the output V out of the detection circuit can be generally expressed by Expression (2). Further, the output voltage Vout of the detection circuit that applies a voltage having an amplitude Vref to the two capacitors and controls the charge amounts of the respective capacitors to be equal can be expressed as shown in Expression (2). Here, A is a constant.

Figure 0004714909
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以上の式(1)及び式(2)より傾斜センサの出力Voutと傾斜θとの関係は式(3)で表すことができる。ここで、A’は定数である。 From the above formulas (1) and (2), the relationship between the output V out of the tilt sensor and the tilt θ can be expressed by formula (3). Here, A ′ is a constant.

Figure 0004714909
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よって、この傾斜センサの出力Voutは傾斜θに対して非線形になる。しかし、容量の変化を電圧に変換して出力する場合など、使用用途によっては出力が線形であることが望ましい場合があり、斯かる場合この非線形性の補正が問題となる。 Therefore, the output V out of the tilt sensor is non-linear with respect to the tilt θ. However, there are cases where it is desirable that the output be linear depending on the intended use, such as when a change in capacitance is converted into a voltage, and in this case, correction of this nonlinearity becomes a problem.

また、特許文献2に開示された技術は、ダイヤフラムの変位によって容量が変化するものにあって、キャパシタンスの変化の非直線性をダイヤフラムの反対面の容量変化の非直線性で相殺し、より直線性を高めるようにしたものである。   Further, the technology disclosed in Patent Document 2 is a method in which the capacitance changes due to the displacement of the diaphragm, and the non-linearity of the capacitance change is canceled by the non-linearity of the capacitance change on the opposite surface of the diaphragm. It is intended to enhance the nature.

しかし、これはキャパシタンスの変化の検出の観点からは、上記の特許文献1と似た構成であり、依然として非線形を十分に補正するという考え方については提示されていない。   However, this is a configuration similar to the above-mentioned Patent Document 1 from the viewpoint of detecting a change in capacitance, and the idea of sufficiently correcting nonlinearity is not yet presented.

そこで、本発明の目的は、出力信号の線形性を高め、容量の変化を電圧変換として取り出した場合に補正することなく使用することができ極めて使用が容易な傾斜センサを提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a tilt sensor that can be used without correction when the change in capacitance is taken out as voltage conversion by improving the linearity of an output signal and is extremely easy to use.

また、本発明の目的は、2つの固定電極の間に、各固定電極に対向して配設された変位電極が揺動することによって、傾斜が生じると、一方の固定電極とそれに対向する変位電極とで形成される第1のキャパシタ、及び他方の固定電極とそれに対向する変位電極とで形成される第2のキャパシタのそれぞれの静電容量が変化し、この静電容量の変化を、容量検出回路によって電圧変化に変換して出力する傾斜センサにおいて、容量検出回路の出力信号の線形性を高め、当該出力信号を補正することなく使用することができ、傾斜センサの使用を極めて容易にすることができる、容量検出回路出力信号の補正方法を提供することにある。   In addition, an object of the present invention is that when a displacement electrode disposed opposite to each fixed electrode oscillates between the two fixed electrodes to cause an inclination, one fixed electrode and a displacement opposed thereto are generated. The capacitance of each of the first capacitor formed by the electrode and the second capacitor formed by the other fixed electrode and the displacement electrode facing the first capacitor is changed, and the change in the capacitance is represented by the capacitance. In a tilt sensor that outputs a voltage change converted by a detection circuit, the linearity of the output signal of the capacitance detection circuit can be increased, and the output signal can be used without correction, making the use of the tilt sensor extremely easy. Another object of the present invention is to provide a method for correcting a capacitance detection circuit output signal.

上述のような課題を解決するため、本件発明に係る傾斜センサでは、一対の固定部の間に位置し、固定部に対して変位する変位部を有し、重力加速度の方向変動によって変位部が変位し、これに伴う一対の固定部と変位部との間で構成される2つのキャパシタの静電容量変化を電圧変化に変換し、それぞれの電圧に応じてキャパシタの充電電荷量を制御するようにした。   In order to solve the above-described problems, the tilt sensor according to the present invention has a displacement portion that is located between the pair of fixed portions and is displaced with respect to the fixed portion. The capacitance change of the two capacitors formed between the pair of fixed portions and the displacement portion due to the displacement is converted into a voltage change, and the charge amount of the capacitor is controlled according to each voltage. I made it.

すなわち、本発明に係る傾斜センサは、薄板で形成された枠状の固定部と、薄板で形成され、前記固定部と同一平面上で且つ前記固定部の枠内に配設された変位部と、前記固定部の枠内に向かって延設された一対の固定電極と、前記変位部に形成されており、前記一対の固定電極の間に前記各固定電極に対向してそれぞれ配設された一対の変位電極と、前記各固定電極とそれに対向する前記変位電極とで構成される2つのキャパシタのそれぞれの静電容量変化を電圧変化に変換する容量検出回路と、を備え、前記変位部は、重力加速度の方向変動によって前記各変位電極とそれに対向する前記固定電極との間の距離が変位するように、前記固定部に対して揺動可能に取り付けられており、前記容量検出回路が出力する電圧によって傾斜を測定することが可能な傾斜センサであって、前記容量検出回路が出力する前記2つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の差を変数倍した電圧と、所定の大きさの電圧との和を参照電圧とし、前記2つのキャパシタに発生する電圧の平均値又はその定数倍が前記参照電圧と等しくなるように前記キャパシタへ充電する電荷を制御するとともに、前記容量検出回路の出力電圧の非線形成分を打ち消すように前記変数の値が決定された充電制御回路を備えたことを特徴とする。 That is, the tilt sensor according to the present invention includes a frame-shaped fixing portion formed of a thin plate, and a displacement portion formed of a thin plate and disposed on the same plane as the fixing portion and within the frame of the fixing portion. A pair of fixed electrodes extending toward the inside of the frame of the fixed portion and the displacement portion, and are respectively disposed between the pair of fixed electrodes so as to face the fixed electrodes. A capacitance detection circuit that converts a capacitance change of each of the two capacitors formed by the pair of displacement electrodes and each of the fixed electrodes and the displacement electrode facing the fixed electrodes into a voltage change; In addition, the capacitance detection circuit outputs the capacitance detection circuit so that the distance between each displacement electrode and the fixed electrode facing the displacement electrode is displaced by a change in direction of gravitational acceleration. The slope is measured by the voltage A tilt sensor capable Rukoto, and a voltage variable multiplying the difference between the voltages generated in each of the two capacitors the capacitance detecting circuit outputs, as the reference voltage to a sum of a predetermined magnitude of voltage The charge to the capacitor is controlled so that the average value of the voltages generated in the two capacitors or a constant multiple thereof is equal to the reference voltage, and the nonlinear component of the output voltage of the capacitance detection circuit is canceled out. A charge control circuit in which the value of the variable is determined is provided.

この構成によれば、一対の固定電極の間に位置し前記固定電極に対して変位する変位電極が、重力加速度の方向変動によって変位する。これに伴い、固定電極と変位電極の各対の間で構成される2つのキャパシタの静電容量が変化し、容量検出回路はこの静電容量を電圧変化に変換する。充電制御回路は、容量検出回路が出力するそれぞれの電圧に比例して、前記各キャパシタへ充電する電荷を制御する。そのため、僅かの加速度によって変位部が変位し、その変位を固定部と変位部との間の重力加速度方向の変化で検出でき、変位部の変位を電圧変化として検出でき、傾斜が大きい時に傾斜に対するキャパシタ変化率が小さくても、充電電荷量を大きくすることで、傾斜と出力電圧との関係を非線形補正することができる。   According to this configuration, the displacement electrode that is located between the pair of fixed electrodes and is displaced with respect to the fixed electrode is displaced by the direction change of the gravitational acceleration. Along with this, the capacitance of the two capacitors formed between each pair of the fixed electrode and the displacement electrode changes, and the capacitance detection circuit converts this capacitance into a voltage change. The charge control circuit controls the charge charged to each capacitor in proportion to each voltage output from the capacitance detection circuit. Therefore, the displacement part is displaced by a slight acceleration, and the displacement can be detected by a change in the direction of gravitational acceleration between the fixed part and the displacement part, and the displacement of the displacement part can be detected as a voltage change. Even if the rate of change of the capacitor is small, the relationship between the slope and the output voltage can be nonlinearly corrected by increasing the charge amount.

また、本発明において、前記充電制御回路は、前記2つのキャパシタに供給する電流を発生する制御電流源と、前記容量検出回路が出力する前記2つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の差を変数倍した電圧と、所定の大きさの電圧との和である参照電圧を発生する参照電圧発生回路と、前記2つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の平均値又はその定数倍が前記参照電圧と等しくなるように、前記制御電流源の出力電流を制御する電流源制御回路と、を備えた構成とすることもできる。 In the present invention, the charge control circuit may calculate a variable multiple of a difference between a voltage generated in each of the control current source that generates current to be supplied to the two capacitors and the two capacitors that are output from the capacitance detection circuit. A reference voltage generation circuit that generates a reference voltage that is the sum of the voltage and a voltage of a predetermined magnitude, and an average value or a constant multiple of the voltage generated in each of the two capacitors is equal to the reference voltage. Thus, it can also be set as the structure provided with the current source control circuit which controls the output current of the said control current source.

この構成によれば、2つのキャパシタには、容量検出回路が出力電圧と参照電圧が等しくなるように充電が行われる。また、参照電圧は、容量検出回路が出力する電圧の変化に比例して変化する。従って、傾斜θが大きくなると傾斜θの変化に対する容量検出回路の出力電圧Voutの変化率ΔVout/Δθが小さくなっていく。ここで、参照電圧を出力電圧Voutの電圧変化に比例して増加するように制御してやれば、ΔVout/Δθが小さくなる分を補うように働くので、結果として出力電圧Voutの線形領域を大きくとることが可能となる。 According to this configuration, the two capacitors are charged by the capacitance detection circuit so that the output voltage and the reference voltage are equal. Further, the reference voltage changes in proportion to a change in voltage output from the capacitance detection circuit. Accordingly, as the slope θ increases, the rate of change ΔV out / Δθ of the output voltage V out of the capacitance detection circuit with respect to the change of the slope θ decreases. Here, do it the reference voltage is controlled so as to increase in proportion to the voltage change of the output voltage V out, since [Delta] V out / [Delta] [theta] acts so as to compensate for the smaller amount, the linear region of the output voltage V out as a result It becomes possible to take large.

また、本発明において、前記参照電圧発生回路は、一定の電圧を発生する定電圧源と、前記容量検出回路が出力する電圧を増幅する増幅器と、前記定電圧源が発生する電圧に前記増幅器が出力する電圧を加算して、前記参照電圧として出力する電圧加算回路と、を備えた構成とすることもできる。   In the present invention, the reference voltage generation circuit includes a constant voltage source that generates a constant voltage, an amplifier that amplifies a voltage output from the capacitance detection circuit, and a voltage that is generated by the constant voltage source. A voltage adding circuit that adds the output voltages and outputs the sum as the reference voltage may be provided.

この構成により、参照電圧発生回路は、容量検出回路が出力する電圧の変化に比例して変化する参照電圧を発生することができる。   With this configuration, the reference voltage generation circuit can generate a reference voltage that changes in proportion to a change in voltage output from the capacitance detection circuit.

また、本発明において、前記変位部の一側辺に、一対の溝部を凹状に切り込み形成し、前記固定部の枠内一辺には、前記各溝部内に挿入し且つ前記溝部の内側とは接触することなく、該枠内に向かって一対の対向部を延設し、前記各固定電極は、前記各対向部の向かい合う辺の側面に形成し、前記各変位電極は、前記各溝部の前記各固定電極と対向する辺の側面に形成するように構成することができる。   Further, in the present invention, a pair of groove portions are formed in a concave shape on one side of the displacement portion, and inserted into the groove portions and in contact with the inside of the groove portion on one side in the frame of the fixed portion. Without extending, a pair of opposing portions are extended toward the inside of the frame, the fixed electrodes are formed on the side surfaces of the opposing sides of the opposing portions, and the displacement electrodes are provided in the groove portions. It can comprise so that it may form in the side surface of the edge | side facing a fixed electrode.

また、本発明において、前記変位部と前記固定部とは、前記変位部の幅に対して幅狭に形成された、撓曲自在な幅狭部によって結合するようにしてもよい。   In the present invention, the displacement part and the fixed part may be coupled by a flexible narrow part formed narrower than the width of the displacement part.

また、本発明において、前記固定部及び前記変位部並びに前記幅狭部は、一枚の基板を加工することによって一体に形成してもよい。   Moreover, in this invention, you may form the said fixing | fixed part, the said displacement part, and the said narrow part integrally by processing one board | substrate.

また、本発明において、前記固定部及び前記変位部並びに前記幅狭部は、単一の結晶板により一体に形成するようにしてもよい。   In the present invention, the fixed portion, the displacement portion, and the narrow portion may be integrally formed with a single crystal plate.

また、本発明に係る容量検出回路出力信号の補正方法は、2つの固定電極の間に、各固定電極に対向して配設された変位電極が揺動することによって、傾斜が生じると、一方の前記固定電極とそれに対向する前記変位電極とで形成される第1のキャパシタ、及び他方の前記固定電極とそれに対向する前記変位電極とで形成される第2のキャパシタのそれぞれの静電容量が変化し、この静電容量の変化を、容量検出回路によって電圧変化に変換して出力する傾斜センサにおいて、前記容量検出回路の出力信号の変化が線形乃至略線形となるように補正する容量検出回路出力信号の補正方法であって、充電制御回路により、前記容量検出回路が出力する前記2つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の差を変数倍した電圧と、所定の大きさの電圧との和を参照電圧とし、前記2つのキャパシタに発生する電圧の平均値又はその定数倍が前記参照電圧と等しくなるように、前記キャパシタへ充電する電荷を制御するとともに、前記容量検出回路の出力電圧の非線形成分を打ち消すように前記変数の値を決定することを特徴とする。 Further, the capacitance detection circuit output signal correction method according to the present invention is such that when an inclination is caused by the swing of the displacement electrode disposed opposite to each fixed electrode between the two fixed electrodes, Capacitances of the first capacitor formed by the fixed electrode and the displacement electrode opposed to the first fixed electrode, and the second capacitor formed by the other fixed electrode and the displacement electrode opposed thereto. A capacitance detection circuit that corrects a change in the output signal of the capacitance detection circuit to be linear or substantially linear in a tilt sensor that changes and outputs the change in capacitance to a voltage change by the capacitance detection circuit. a method of correcting the output signal, the charge control circuit, the capacitor and the voltage variable multiplying the difference between the voltages generated in each of the two capacitors detecting circuit outputs, electrodeposition predetermined size A reference voltage to the sum of the so that the average value or a constant multiple thereof of the voltage generated in the two capacitors is equal to the reference voltage, to control the charge to be charged to the capacitor, the output of the capacitance detecting circuit The value of the variable is determined so as to cancel the nonlinear component of the voltage.

このように、各キャパシタへ充電する電荷を制御して容量検出回路の出力電圧の非線形成分を打ち消すことで、容量検出回路の出力信号の線形性が高められる。従って、容量検出回路の出力信号を、補正することなく使用することができ、傾斜センサの使用が極めて容易となる。   In this manner, the linearity of the output signal of the capacitance detection circuit is enhanced by controlling the charge charged to each capacitor to cancel the nonlinear component of the output voltage of the capacitance detection circuit. Therefore, the output signal of the capacitance detection circuit can be used without correction, and the use of the tilt sensor becomes extremely easy.

また、本発明において、前記充電制御回路を、制御電流源、参照電圧発生回路、及び電流源制御回路を備えたものとし、前記制御電流源により、前記2つのキャパシタに電流を供給することで各キャパシタを充電するとともに、前記参照電圧発生回路により、前記容量検出回路が出力する前記2つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の差を変数倍した電圧と、所定の大きさの一定電圧V ref0 との和である前記参照電圧を発生し、前記電流源制御回路により、前記2つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の平均値又はその定数倍が前記参照電圧と等しくなるように、前記制御電流源の出力電流を制御することで、前記2つのキャパシタのそれぞれに充電する電荷を制御するようにしてもよい。 In the present invention, the charge control circuit includes a control current source, a reference voltage generation circuit, and a current source control circuit, and each current is supplied to the two capacitors by the control current source. The capacitor is charged, and a voltage obtained by multiplying the difference between the voltages generated in the two capacitors output from the capacitance detection circuit by the reference voltage generation circuit and a constant voltage Vref0 having a predetermined magnitude The reference voltage that is the sum is generated, and the output of the control current source is set so that an average value or a constant multiple of the voltage generated in each of the two capacitors is equal to the reference voltage by the current source control circuit. By controlling the current, the charge charged in each of the two capacitors may be controlled.

これにより、容量検出回路の出力電圧の非線形成分を打ち消すように、2つのキャパシタのそれぞれに充電する電荷を制御することができる。   Thereby, it is possible to control the charge charged in each of the two capacitors so as to cancel the nonlinear component of the output voltage of the capacitance detection circuit.

また、本発明において、前記参照電圧発生回路を、定電圧源、増幅器、及び電圧加算回路を備えたものとし、前記定電圧源により一定の電圧を発生するとともに、前記増幅器によって前記容量検出回路が出力する電圧を増幅し、前記電圧加算回路において、前記定電圧源が発生する電圧に前記増幅器が出力する電圧を加算して、前記参照電圧を生成するようにしてもよい。   In the present invention, the reference voltage generation circuit includes a constant voltage source, an amplifier, and a voltage addition circuit. The constant voltage source generates a constant voltage, and the amplifier detects the capacitance detection circuit. The output voltage may be amplified, and the reference voltage may be generated by adding the voltage output from the amplifier to the voltage generated by the constant voltage source in the voltage adding circuit.

これにより、参照電圧発生回路の出力する参照電圧を、電圧発生回路が出力する電圧の変化に比例して変化させることが可能となる。   As a result, the reference voltage output from the reference voltage generation circuit can be changed in proportion to the change in the voltage output from the voltage generation circuit.

本発明の傾斜センサは上記の如く構成したので、固定部と変位部を一体に形成する場合には、例えば水晶板等をエッチングすることで、上記各部を一度に構成することができ、生産性を高めることができる。   Since the tilt sensor of the present invention is configured as described above, when the fixed portion and the displacement portion are integrally formed, for example, each portion can be configured at a time by etching a quartz plate, etc. Can be increased.

そして傾斜に対する変位を電圧変化として出力することができ、電圧を見ることで傾斜を検知することができる。   The displacement with respect to the tilt can be output as a voltage change, and the tilt can be detected by looking at the voltage.

そして、出力電圧に応じてキャパシタの充電電荷量を変化させ、大きな傾斜の時に傾斜の変化に対して、キャパシタの容量変化率が小さくなった場合であっても、キャパシタの充電電荷を大きくすることによって、電圧変化率を大きくすることができ、出力電圧の非線形性を補正することができる。   Then, the charge amount of the capacitor is changed according to the output voltage, and the charge charge of the capacitor is increased even when the capacitance change rate of the capacitor is small with respect to the change of the slope when the slope is large. Thus, the voltage change rate can be increased, and the nonlinearity of the output voltage can be corrected.

さらに出力電圧の非線形性を補正して線形にしているため、測定する傾斜角を大きくしても、傾斜角に対する出力電圧の関係が一定であり、傾斜角の測定が容易になる。   Further, since the nonlinearity of the output voltage is corrected to make it linear, even if the inclination angle to be measured is increased, the relationship between the output voltage and the inclination angle is constant, and the inclination angle can be easily measured.

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

本発明の実施例1に係る傾斜センサは、基本的に図1に示したような構造をとる。図1において、実施例1に係る傾斜センサでは、水晶等の基板1をエッチング加工して固定部2及び変位部3が形成されている。固定部2は、略方形の枠状に形成されている。変位部3は、固定部2の枠内に形成されている。この変位部3は、外形が略方形であり、その一辺には同形の溝部5,5’が凹状に切り込み形成され、全体として線対称な櫛形状を呈している。   The tilt sensor according to the first embodiment of the present invention basically has a structure as shown in FIG. In FIG. 1, in the tilt sensor according to the first embodiment, a fixed portion 2 and a displacement portion 3 are formed by etching a substrate 1 such as a crystal. The fixed part 2 is formed in a substantially square frame shape. The displacement part 3 is formed in the frame of the fixed part 2. The displacement portion 3 has a substantially rectangular outer shape, and the groove portions 5 and 5 ′ having the same shape are cut and formed on one side of the displacement portion 3 to form a line-symmetric comb shape as a whole.

また、変位部3は、溝部5,5’が形成された辺に対向する辺の中央において、幅狭部4によって固定部2と連結されている。この幅狭部4も固定部2及び変位部3とともに1枚の基板1をエッチング加工して作られている。これによって固定部2と変位部3とに加速度が加わると、変位部3の質量によって幅狭部4が湾曲し、変位部3の下端が図1の矢印Aの方向、つまり左右に揺動する。   Further, the displacement portion 3 is connected to the fixed portion 2 by the narrow portion 4 at the center of the side facing the side where the groove portions 5 and 5 ′ are formed. This narrow portion 4 is also made by etching one substrate 1 together with the fixed portion 2 and the displacement portion 3. Thus, when acceleration is applied to the fixed portion 2 and the displacement portion 3, the narrow portion 4 is bent by the mass of the displacement portion 3, and the lower end of the displacement portion 3 swings in the direction of arrow A in FIG. .

固定部2の枠内周側の辺のうち、幅狭部4が形成された辺に対向する側の辺には、固定部2の各溝部5,5’内に挿入される櫛状の対向部6,6’が突出形成されている。対向部6,6’は同形であり、変位部3の中心線に対して線対称に配置されている。   Of the sides on the inner peripheral side of the frame of the fixed portion 2, the sides facing the side where the narrow portion 4 is formed are comb-like opposed to be inserted into the grooves 5 and 5 ′ of the fixed portion 2. Portions 6 and 6 ′ are formed to protrude. The facing portions 6 and 6 ′ have the same shape and are arranged symmetrically with respect to the center line of the displacement portion 3.

対向部6,6’に対向する固定部2の溝部5,5’内の側面には、図2に示すように、それぞれ、第1変位電極7,第2変位電極7’が形成されている。   As shown in FIG. 2, a first displacement electrode 7 and a second displacement electrode 7 ′ are formed on the side surfaces in the groove portions 5 and 5 ′ of the fixed portion 2 facing the facing portions 6 and 6 ′, respectively. .

また、変位電極7と対向する対向部6の側面には、固定電極8が形成され、変位電極7’と対向する対向部6’の側面には固定電極8’が形成されている。すなわち、固定電極8,8’は、対向部6,6’の向かい合う辺の側面に形成されている。   A fixed electrode 8 is formed on the side surface of the facing portion 6 facing the displacement electrode 7, and a fixed electrode 8 ′ is formed on the side surface of the facing portion 6 ′ facing the displacement electrode 7 ′. That is, the fixed electrodes 8 and 8 ′ are formed on the side surfaces of the opposing sides of the facing portions 6 and 6 ′.

また、図1及び図2に示されるように、変位電極7と変位電極7’には導電薄膜9が接続され、固定電極8,8’にはそれぞれ導電薄膜10,10’が接続されている。導電薄膜9は、幅狭部4を通って、固定部2から変位部3へかけて直線状に薄膜形成され、変位部3側の端部が分岐し、各分岐がそれぞれ変位電極7,7’に接続された構成を有する。また、導電薄膜9の固定部2側の端部には、円形の接続端子11が形成されている。一方、導電薄膜10,10’は、それぞれ、固定部2上に薄膜形成されており、一端が固定電極8,8’に接続され、他端に円形の接続端子12,12’が形成されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, a conductive thin film 9 is connected to the displacement electrode 7 and the displacement electrode 7 ′, and conductive thin films 10 and 10 ′ are connected to the fixed electrodes 8 and 8 ′, respectively. . The conductive thin film 9 is linearly formed from the fixed portion 2 to the displacement portion 3 through the narrow portion 4, the end on the displacement portion 3 side branches, and each branch is a displacement electrode 7, 7 respectively. It has a configuration connected to '. A circular connection terminal 11 is formed at the end of the conductive thin film 9 on the fixed portion 2 side. On the other hand, each of the conductive thin films 10 and 10 'is formed on the fixed portion 2, and one end is connected to the fixed electrodes 8 and 8', and the circular connection terminals 12 and 12 'are formed on the other end. Yes.

本実施例の傾斜センサは、重力加速度が加わると、幅狭部4が湾曲し変位部3の下端が図1の矢印Aの方向のいずれかに変位する。これによって変位電極7,7’と固定電極8,8’の間隔が変化し、その間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を検出することによって変位部3の変位量を検出することができ、変位部3の質量と幅狭部4のバネ定数によって傾斜センサに加わった傾斜角度を検出することができる。   In the inclination sensor of the present embodiment, when gravitational acceleration is applied, the narrow portion 4 is curved and the lower end of the displacement portion 3 is displaced in any of the directions of arrow A in FIG. As a result, the distance between the displacement electrodes 7 and 7 'and the fixed electrodes 8 and 8' changes, and the capacitance between them changes. By detecting this change in capacitance, the displacement amount of the displacement portion 3 can be detected, and the inclination angle applied to the inclination sensor can be detected by the mass of the displacement portion 3 and the spring constant of the narrow portion 4. it can.

傾斜角を検出する具体的な回路を図3に示す。図3において、本実施例の傾斜センサの傾斜角検出回路は、容量検出回路20と充電制御回路21とを備えている。尚、図3における差動型コンデンサC,Cは、それぞれ変位電極7と固定電極8及び変位電極7’と固定電極8’によって構成されるコンデンサである。差動型コンデンサC,Cの一端(接続端子11側)は接地されている。 A specific circuit for detecting the tilt angle is shown in FIG. In FIG. 3, the tilt angle detection circuit of the tilt sensor of the present embodiment includes a capacitance detection circuit 20 and a charge control circuit 21. Note that the differential capacitors C 1 and C 2 in FIG. 3 are capacitors constituted by the displacement electrode 7 and the fixed electrode 8, and the displacement electrode 7 ′ and the fixed electrode 8 ′, respectively. One end (the connection terminal 11 side) of the differential capacitors C 1 and C 2 is grounded.

容量検出回路20は、切替スイッチ回路SW、オペアンプAmp、差動アンプAmp,Amp、サンプルホールド回路S/H,S/H、及び分圧抵抗R,R,Rを備えている。 The capacitance detection circuit 20 includes a changeover switch circuit SW 5 , an operational amplifier Amp 1 , differential amplifiers Amp 2 and Amp 3 , sample hold circuits S / H 1 and S / H 2 , and voltage dividing resistors R 1 , R 2 and R 3. It has.

接続端子12,12’に対応する差動型コンデンサC,Cの端子は、それぞれ、切替スイッチ回路SWに接続されている。切替スイッチ回路SWは、差動型コンデンサC,CとオペアンプAmpの入力端子との切り替えを行う。オペアンプAmpは、入力端子の電圧をα倍増幅して出力する。オペアンプAmpの出力端子は、サンプルホールド回路S/H,S/Hの入力端子に接続されている。サンプルホールド回路S/H,S/Hは、入力端子に入力された電圧をホールドし、出力端子にホールド電圧を出力する。サンプルホールド回路S/H,S/Hの出力端子は、それぞれ、差動アンプAmpの+側入力、差動アンプAmpの−側入力に接続されている。差動アンプAmpの出力端子と差動アンプAmpの出力端子との間には、分圧抵抗R,R,Rが直列に設即されている。分圧抵抗R,Rの接続ノードは、差動アンプAmpの−側入力に接続され、分圧抵抗R,Rの接続ノードは、差動アンプAmpの+側入力に接続されている。 The terminals of the differential capacitors C 1 and C 2 corresponding to the connection terminals 12 and 12 ′ are connected to the changeover switch circuit SW 5 respectively. The changeover switch SW 5 switches between the differential capacitors C 1 and C 2 and the input terminal of the operational amplifier Amp 1 . The operational amplifier Amp 1 amplifies the voltage of the input terminal by α and outputs the amplified voltage. The output terminal of the operational amplifier Amp 1 is connected to the input terminals of the sample and hold circuits S / H 1 and S / H 2 . The sample hold circuits S / H 1 and S / H 2 hold the voltage input to the input terminal and output the hold voltage to the output terminal. The output terminals of the sample hold circuits S / H 1 and S / H 2 are connected to the + side input of the differential amplifier Amp 2 and the − side input of the differential amplifier Amp 3 , respectively. Voltage dividing resistors R 1 , R 2 , and R 3 are arranged in series between the output terminal of the differential amplifier Amp 2 and the output terminal of the differential amplifier Amp 3 . The connection node of the voltage dividing resistors R 1 and R 2 is connected to the − side input of the differential amplifier Amp 2 , and the connection node of the voltage dividing resistors R 2 and R 3 is connected to the + side input of the differential amplifier Amp 3. Has been.

差動アンプAmp,Ampには、それぞれ、電圧Vout1、Vout2が出力される。この両端子間の差電圧Vout1−Vout2が、傾斜センサの出力電圧Voutとなる。 Voltages V out1 and V out2 are output to the differential amplifiers Amp 2 and Amp 3 , respectively. The difference voltage V out1 −V out2 between the two terminals becomes the output voltage V out of the tilt sensor.

一方、充電制御回路21は、制御電流源I、スイッチ回路SW,SW,SW,SW、差動アンプComp、及び参照電圧発生回路22を備えている。ここで、差動アンプCompは、後述するように、本発明における「電流源制御回路」として機能する。 On the other hand, the charge control circuit 21 includes a control current source I C , switch circuits SW 1 , SW 2 , SW 3 , SW 4 , a differential amplifier Comp, and a reference voltage generation circuit 22. Here, the differential amplifier Comp functions as a “current source control circuit” in the present invention, as will be described later.

接続端子12,12’に対応する差動型コンデンサC,Cの端子は、それぞれ、スイッチ回路SW,SWを介して制御電流源Iの出力端子に接続されており、差動型コンデンサC,Cには一定の電荷を加えることができる。そのため、差動型コンデンサC,Cにはそれぞれ電圧V,Vが発生する。電圧V,VはそれぞれオペアンプAmpなどによって増幅され、Vout1、Vout2の電圧となる。 Terminal of the differential capacitor C 1, C 2 corresponding to the connection terminals 12 and 12 ', respectively, are connected to the output terminal of the controlled current source I C through the switch circuit SW 1, SW 2, the differential A constant charge can be applied to the type capacitors C 1 and C 2 . Therefore, voltages V 1 and V 2 are generated in the differential capacitors C 1 and C 2 , respectively. The voltages V 1 and V 2 are amplified by the operational amplifier Amp 1 and the like, and become voltages of V out1 and V out2 .

また、接続端子12,12’に対応する差動型コンデンサC,Cの端子は、スイッチ回路SW,SWを介して接地されている。スイッチ回路SW,SWを接続することで、差動型コンデンサC,Cの電荷を放電させることができる。 The terminals of the differential capacitors C 1 and C 2 corresponding to the connection terminals 12 and 12 ′ are grounded via the switch circuits SW 3 and SW 4 . By connecting the switch circuits SW 3 and SW 4 , the charges of the differential capacitors C 1 and C 2 can be discharged.

参照電圧発生回路22は、制御電流源Iの出力を制御するためのリファレンス電圧Vrefを発生する。参照電圧発生回路22の出力端子は、差動アンプCompの一方の入力端子に接続されている。一方、差動アンプCompの他方の端子には、分圧抵抗Rの中間タップの電圧、すなわち、電圧α(V+V)/2が入力されている。差動アンプCompは、この電圧α(V+V)/2とVrefとの差電圧α(V+V)/2−Vrefを増幅して制御電流源Iの制御電圧を生成する。制御電流源Iは、差電圧α(V+V)/2−Vrefに比例する大きさの電流を出力する。 Reference voltage generating circuit 22 generates a reference voltage V ref for controlling the output of the controlled current source I C. The output terminal of the reference voltage generation circuit 22 is connected to one input terminal of the differential amplifier Comp. On the other hand, to the other terminal of the differential amplifier Comp, the center tap of the voltage dividing resistors R 2, i.e., the voltage α is (V 1 + V 2) / 2 is input. Differential amplifier Comp may generate a control voltage of the voltage α (V 1 + V 2) / 2 and V ref and the voltage difference α (V 1 + V 2) of the / 2-V ref and amplify the control current source I C To do. Controlled current source I C outputs a difference voltage α (V 1 + V 2) the magnitude of the current proportional to / 2-V ref.

図4は、参照電圧発生回路22の構成図である。参照電圧発生回路22は、定電圧源23,差動アンプ24,及び電圧加算回路25を備えている。定電圧源23は一定の参照電圧Vref0を発生する。差動アンプ24には、容量検出回路の出力電圧Vout1,Vout2が入力され、これらの差分値のa’倍の電圧a’outa’(Vout1−Vout2)が出力される。電圧加算回路25は、参照電圧Vref0と電圧a’outを加算した電圧Vref0a’outを参照電圧Vrefとして出力する。 FIG. 4 is a configuration diagram of the reference voltage generation circuit 22. The reference voltage generation circuit 22 includes a constant voltage source 23, a differential amplifier 24, and a voltage addition circuit 25. The constant voltage source 23 generates a constant reference voltage Vref0 . The differential amplifier 24 receives the output voltages V out1 and V out2 of the capacitance detection circuit, and outputs a voltage a ′ V out = a ′ (V out1 −V out2 ) that is a ′ times the difference between them. . Voltage addition circuit 25 outputs a 'voltage V ref0 + a obtained by adding V out' V out reference voltage V ref0 and voltage a reference voltage V ref.

以上の図3に示した回路は、以下のように動作する。   The circuit shown in FIG. 3 operates as follows.

まず、スイッチ回路SW,SWがそれぞれ時間Tだけ接続され、差動型コンデンサC,Cは、充電電流Iにより、時間Tだけ充電される。これにより、差動型コンデンサC,Cには、それぞれ、充電電圧V,Vが生じる。 First, the switch circuits SW 1 and SW 2 are connected for the time T, respectively, and the differential capacitors C 1 and C 2 are charged for the time T by the charging current I C. As a result, charging voltages V 1 and V 2 are generated in the differential capacitors C 1 and C 2 , respectively.

次に、切替スイッチ回路SWは、差動型コンデンサC側,差動型コンデンサC側に順次切り替わり、それとともに、サンプルホールド回路S/H,S/Hは、オペアンプAmpで増幅された差動型コンデンサC,Cの端子電圧Vout1,Vout2をサンプルホールドする。 Next, the changeover switch circuit SW 5 is sequentially switched to the differential capacitor C 1 side and the differential capacitor C 2 side, and the sample hold circuits S / H 1 and S / H 2 are operated by the operational amplifier Amp 1 . The amplified terminal voltages V out1 and V out2 of the differential capacitors C 1 and C 2 are sampled and held.

サンプルホールドが行われると、スイッチ回路SW,SWが所定時間接続され、差動型コンデンサC,Cが放電される。 When the sample hold is performed, the switch circuits SW 3 and SW 4 are connected for a predetermined time, and the differential capacitors C 1 and C 2 are discharged.

一方、サンプルホールド回路S/H,S/Hの出力電圧は、それぞれ、差動アンプAmp,Ampで増幅され、容量検出回路20の出力端子に出力される。このとき、容量検出回路20の出力電圧Voutは、Vout=Vout1−Vout2=a・(V−V)となる。ここで、aは定数である。 On the other hand, the output voltages of the sample and hold circuits S / H 1 and S / H 2 are amplified by the differential amplifiers Amp 2 and Amp 3 , respectively, and output to the output terminal of the capacitance detection circuit 20. At this time, the output voltage V out of the capacitance detection circuit 20 is V out = V out1 −V out2 = a · (V 1 −V 2 ). Here, a is a constant.

ところで、分圧抵抗R,Rは同一の抵抗値とされており、また、差動アンプAmp,Ampの増幅率も等しくなるように設定されている。従って、差動アンプCompの一方の入力端子に入力される分圧抵抗Rの中間タップの電圧は、増幅された差動型コンデンサC,Cの端子電圧Vout1,Vout2の平均値(Vout1+Vout2)/2=α(V+V)/2となっている。差動アンプCompは、この平均値(Vout1+Vout2)/2と参照電圧Vrefとの差電圧α(V+V)/2−Vrefを出力する。制御電流源Iは、差動アンプCompが出力する差電圧α(V+V)/2−Vrefに比例する電流を出力する。従って、差電圧α(V+V)/2−Vref=0となると、出力電流Iは0となる。これにより、制御電流源Iは、端子電圧Vout1,Vout2の平均値が参照電圧Vrefと等しくなるように制御される。 The voltage dividing resistors R 1 and R 3 have the same resistance value, and the amplification factors of the differential amplifiers Amp 2 and Amp 3 are set to be equal. Thus, the differential amplifier divided voltage of the resistance R 2 of the intermediate tap that is input to one input terminal of Comp the amplified differential capacitor C 1, C 2 of the terminal voltage V out1, V the average value of out2 (V out1 + V out2 ) / 2 = α (V 1 + V 2 ) / 2. The differential amplifier Comp outputs a difference voltage α (V 1 + V 2 ) / 2−V ref between the average value (V out1 + V out2 ) / 2 and the reference voltage V ref . Controlled current source I C outputs a current proportional to the differential amplifier Comp differential voltage outputs α (V 1 + V 2) / 2-V ref. Accordingly, when the difference voltage α (V 1 + V 2 ) / 2−V ref = 0, the output current I C becomes zero. Thereby, the control current source I C is controlled so that the average value of the terminal voltages V out1 and V out2 is equal to the reference voltage V ref .

後述するように、この条件で出力電圧Voutは、Vout=A・x・Vrefとなる。xは差動型コンデンサC,Cを構成する可動電極の変位である。差動型コンデンサC,Cの静電容量はC=ε・S/(d−x),C=ε・S/(d+x)である。dは2つの固定電極間8,8’にある変位電極7,7’がちょうど中央にあるときのそれぞれの電極間隔である。εは差動型コンデンサC,Cの誘電率、Sは差動型コンデンサC,Cの電極面積である。 As will be described later, under this condition, the output voltage V out becomes V out = A · x · V ref . x is the displacement of the movable electrode constituting the differential capacitors C 1 and C 2 . The capacitances of the differential capacitors C 1 and C 2 are C 1 = ε · S / (d−x) and C 2 = ε · S / (d + x). d is the distance between the electrodes when the displacement electrodes 7 and 7 'between the two fixed electrodes 8 and 8' are at the center. ε is the dielectric constant of the differential capacitors C 1 and C 2 , and S is the electrode area of the differential capacitors C 1 and C 2 .

次に、本実施例の傾斜センサによる傾斜検出の動作について説明する。傾斜がある程度大きいときには、変位電極7’と固定電極8’の間隔が小さくなり、この間隔の変化に対して、この電極間の静電容量の変化が大きくなる。一方、傾斜が大きくなって、90度に近づくと傾斜の変化率に対して変位電極7’の移動率が小さくなる。その結果として傾斜に対する変位電極7’と固定電極8’の電圧、つまりこの電極間に充電された電荷による電圧V,Vの変化は非線形となる。 Next, the operation of tilt detection by the tilt sensor of this embodiment will be described. When the inclination is large to some extent, the distance between the displacement electrode 7 ′ and the fixed electrode 8 ′ becomes small, and the change in capacitance between the electrodes becomes large with respect to the change in the distance. On the other hand, when the inclination increases and approaches 90 degrees, the displacement rate of the displacement electrode 7 ′ decreases with respect to the change rate of the inclination. As a result, the change in the voltages V 1 and V 2 due to the voltage of the displacement electrode 7 ′ and the fixed electrode 8 ′ with respect to the inclination, that is, the electric charge charged between the electrodes becomes nonlinear.

この電圧V,Vの出力信号は、オペアンプAmp及び差動増幅器Amp,Ampで電圧Vout1,Vout2に増幅され、出力端子間には、式(4)で表される出力信号Voutが出力される。 The output signals of the voltages V 1 and V 2 are amplified to the voltages V out1 and V out2 by the operational amplifier Amp 1 and the differential amplifiers Amp 2 and Amp 3 , and the output represented by the expression (4) is provided between the output terminals. A signal V out is output.

Figure 0004714909
ここで、電圧Vout1は式(5)で表される。
Figure 0004714909
Here, the voltage Vout1 is expressed by Expression (5).

Figure 0004714909
ここでVC1は差動型コンデンサC1の電圧であり、Aは定数である。
Figure 0004714909
Here, V C1 is the voltage of the differential capacitor C 1 , and A is a constant.

また、電圧Vout2は式(6)で表される。 Further, the voltage V out2 is expressed by Expression (6).

Figure 0004714909
ここでVC2は差動型コンデンサC2の電圧であり、Aは定数である。
Figure 0004714909
Here V C2 is the voltage of the differential capacitor C 2, A is a constant.

出力信号Vout1と基板1の傾斜θとの関係は、 The relationship between the output signal V out1 and the inclination θ of the substrate 1 is

Figure 0004714909
となり、Vout2と基板1の傾斜θとの関係も同様となる。つまり基板1の傾斜θにより変位部3が変位することによって、出力信号の電圧Vout1,Vout2が変化する。即ち、これらの出力信号は基板1の傾斜角度を示している。
Figure 0004714909
Thus, the relationship between V out2 and the inclination θ of the substrate 1 is the same. That is, when the displacement portion 3 is displaced by the inclination θ of the substrate 1, the voltages V out1 and V out2 of the output signal change. That is, these output signals indicate the tilt angle of the substrate 1.

式(6),(7)を見るとわかるように、Vout1或いはVout2は傾斜θに対して非線形である。従って、式(4)より、Voutも傾斜θに対して非線形である。 As can be seen from the equations (6) and (7), V out1 or V out2 is nonlinear with respect to the inclination θ. Therefore, from the equation (4), V out is also non-linear with respect to the inclination θ.

ここでVoutと変位xとの関係を検討すると、Voutは差動型コンデンサC1及びC2の直列回路であり、電極間の距離dが差動型コンデンサC1ではd+xとなり、差動型コンデンサC2ではd−xになる。 Considering the relationship between V out and displacement x, V out is a series circuit of differential capacitors C 1 and C 2 , and the distance d between the electrodes is d + x in the differential capacitor C 1. in type capacitor C 2 becomes d-x.

このVoutの電圧によって差動型コンデンサC1及び差動型コンデンサC2の充電電荷が決定され、出力信号Voutは線形となる。 This by the voltage V out charges of the differential capacitor C 1 and a differential capacitor C 2 are determined, the output signal V out becomes linear.

これを具体的に実現する手段として図3,図4に示す回路を用いる。図3に於いて、Iは制御制御電流源であり、この制御電流源Iは所定の条件に応じた電流を供給する。 The circuit shown in FIGS. 3 and 4 is used as means for specifically realizing this. In FIG. 3, I C is a control control current source, and this control current source I C supplies a current according to a predetermined condition.

つまり、差動型コンデンサC1及びC2は制御電流源Iから充電電流が供給され、充電される電荷量は、制御電流源の電流とスイッチSW,SWのオン時間で決定される。ここでIは、各コンデンサの充電電圧の平均値 In other words, the differential capacitor C 1 and C 2 is supplied charging current from the controlled current source I C, a charge amount to be charged is determined by the current and the switch SW 1, SW 2 of the on-time of the control current source . Here I C is the mean value of the charging voltage of each capacitor

Figure 0004714909
と所定の電圧Vrefとが等しくなるように制御されている。この回路の出力Voutは、式(3)で表すことができる。
Figure 0004714909
And the predetermined voltage V ref are controlled to be equal. The output V out of this circuit can be expressed by equation (3).

ここで、比較器の比較電圧Vrefを出力Voutに応じた電圧、例えば、図4に示すように、出力のa倍の成分を加算してやると、出力Voutの線形領域を任意に変更、補正を行うことができる。 Here, when the comparison voltage V ref of the comparator is added to a voltage corresponding to the output V out , for example, a component of a times the output as shown in FIG. 4, the linear region of the output V out is arbitrarily changed, Correction can be performed.

このことを計算で求めると、従来の傾斜センサは式(3)のように非線形であったが、本実施例の傾斜センサの出力Voutは式(9)のように表すことができる。 When this is obtained by calculation, the conventional tilt sensor is nonlinear as shown in equation (3), but the output V out of the tilt sensor of this embodiment can be expressed as in equation (9).

Figure 0004714909
Figure 0004714909

ここで、θをゼロ点、即ちセンサの傾斜がない状態における角度とし、上記式(9)の角度θを、新たにθ−θと書き直す。また、式(9)はA’V ref0 が両項にかかっているので、これを省略すると、結局、式(10)のようになる。 Here, θ 0 is defined as the zero point, that is, the angle when the sensor is not tilted, and the angle θ in the above equation (9) is newly rewritten as θ−θ 0 . In addition, since A'V ref0 is applied to both terms in the equation (9), if this is omitted, the equation (10) is eventually obtained.

Figure 0004714909
Figure 0004714909

ここで、3乗以上の項を無視すると、式(11)のように表すことができる。   Here, if the third power or higher term is ignored, it can be expressed as in Expression (11).

Figure 0004714909
Figure 0004714909

ここで、θの係数が0になれば、θに対する出力電圧の関係は線形に近づく。そこで、θの係数を0とすると、次式(12a),(12b)のようになる。 Here, if the coefficient of theta 2 is 0, the relationship of the output voltage to theta approaches linearly. Therefore, when the coefficient of θ 2 is 0, the following expressions (12a) and (12b) are obtained.

Figure 0004714909
Figure 0004714909

式(11),(12a),(12b)から分かるように、θのべき乗がなくなり、出力電圧は線形に近づく。   As can be seen from the equations (11), (12a), and (12b), the power of θ disappears and the output voltage approaches linear.

本発明は、量産性に優れ、半導体の製造プロセスを用いて量産可能で高感度で、出力信号が傾斜に対して線形な傾斜センサを提供する。   The present invention provides a tilt sensor that is excellent in mass productivity, can be mass-produced using a semiconductor manufacturing process, has high sensitivity, and an output signal is linear with respect to tilt.

本発明の傾斜センサの実施例1を示す正面図である。It is a front view which shows Example 1 of the inclination sensor of this invention. 本発明の傾斜センサの一部を示す拡大正面図である。It is an enlarged front view which shows a part of inclination sensor of this invention. 本発明の傾斜センサの傾斜角検出回路の回路図である。It is a circuit diagram of the inclination-angle detection circuit of the inclination sensor of this invention. 参照電圧発生回路22の構成図である。3 is a configuration diagram of a reference voltage generation circuit 22. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 固定部
3 変位部
4 幅狭部
5,5’ 溝部
6,6’ 対向部
7 第1変位電極
7’ 第2変位電極
8,8’ 固定電極
9 導電薄膜
10,10’ 導電薄膜
11 接続端子
12,12’ 接続端子
20 容量検出回路
21 充電制御回路
22 参照電圧発生回路
23 定電圧源
24 差動アンプ
25 電圧加算回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Board | substrate 2 Fixed part 3 Displacement part 4 Narrow part 5, 5 'Groove part 6, 6' Opposing part 7 1st displacement electrode 7 '2nd displacement electrode 8, 8' Fixed electrode 9 Conductive thin film 10, 10 'Conductive thin film 11 Connection terminal 12, 12 ′ Connection terminal 20 Capacity detection circuit 21 Charge control circuit 22 Reference voltage generation circuit 23 Constant voltage source 24 Differential amplifier 25 Voltage addition circuit

Claims (10)

2つの固定電極の間に、各固定電極に対向して配設された変位電極が揺動することによって、傾斜が生じると、一方の前記固定電極とそれに対向する前記変位電極とで形成される第1のキャパシタ、及び他方の前記固定電極とそれに対向する前記変位電極とで形成される第2のキャパシタのそれぞれの静電容量が変化し、この静電容量の変化を、容量検出回路によって電圧変化に変換して出力する傾斜センサにおいて、前記容量検出回路の出力信号の変化が線形乃至略線形となるように補正する容量検出回路出力信号の補正方法であって、
充電制御回路により、前記容量検出回路が出力する前記2つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の差を変数倍した電圧と、所定の大きさの電圧との和を参照電圧とし、前記2つのキャパシタに発生する電圧の平均値又はその定数倍が前記参照電圧と等しくなるように、前記キャパシタへ充電する電荷を制御するとともに、前記容量検出回路の出力電圧の非線形成分を打ち消すように前記変数の値を決定することを特徴とする容量検出回路出力信号の補正方法。
When the displacement electrode disposed opposite to each fixed electrode swings between the two fixed electrodes to cause an inclination, the fixed electrode is formed by one of the fixed electrodes and the displacement electrode facing the fixed electrode. Capacitances of the first capacitor and the second capacitor formed by the other fixed electrode and the displacement electrode opposed to the first capacitor are changed, and the change of the capacitance is detected by the capacitance detection circuit. In the inclination sensor that converts and outputs the change, the capacitance detection circuit output signal correction method that corrects the change in the output signal of the capacitance detection circuit to be linear or substantially linear,
A sum of a voltage obtained by multiplying a voltage difference generated by each of the two capacitors output from the capacitance detection circuit by a variable by a charge control circuit and a voltage having a predetermined magnitude is used as a reference voltage. as the average value, or a constant multiple thereof of the voltage generated is equal to the reference voltage, to control the charge to be charged to the capacitor, the value of the variable so as to cancel the non-linear component of the output voltage of the capacitance detection circuit A method for correcting a capacitance detection circuit output signal, comprising: determining a capacitance detection circuit output signal.
前記充電制御回路は、制御電流源、参照電圧発生回路、及び電流源制御回路を備えており、
前記制御電流源により、前記2つのキャパシタに電流を供給することで各キャパシタを充電するとともに、
前記参照電圧発生回路により、前記容量検出回路が出力する前記2つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の差を変数倍した電圧と、所定の大きさの電圧との和である前記参照電圧を発生し、
前記電流源制御回路により、前記2つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の平均値又はその定数倍が前記参照電圧と等しくなるように、前記制御電流源の出力電流を制御することで、前記2つのキャパシタのそれぞれに充電する電荷を制御すること
を特徴とする請求項1記載の容量検出回路出力信号の補正方法。
The charge control circuit includes a control current source, a reference voltage generation circuit, and a current source control circuit,
The control current source charges each capacitor by supplying current to the two capacitors,
The reference voltage generation circuit generates the reference voltage that is a sum of a voltage obtained by multiplying a difference between voltages generated by the two capacitors output from the capacitance detection circuit by a variable and a voltage having a predetermined magnitude. ,
The current source control circuit controls the output current of the control current source so that an average value of the voltages generated in the two capacitors or a constant multiple thereof is equal to the reference voltage. 2. The method of correcting a capacitance detection circuit output signal according to claim 1, wherein the charge charged in each of the capacitors is controlled.
前記参照電圧発生回路は、定電圧源、増幅器、及び電圧加算回路を備えており、
前記定電圧源により一定の電圧を発生するとともに、
前記増幅器によって前記容量検出回路が出力する電圧を増幅し、
前記電圧加算回路において、前記定電圧源が発生する電圧に前記増幅器が出力する電圧を加算して、前記参照電圧を生成することを特徴とする請求項2記載の容量検出回路出力信号の補正方法。
The reference voltage generation circuit includes a constant voltage source, an amplifier, and a voltage addition circuit,
A constant voltage is generated by the constant voltage source,
Amplifying the voltage output from the capacitance detection circuit by the amplifier;
3. The method of correcting a capacitance detection circuit output signal according to claim 2, wherein in the voltage addition circuit, the reference voltage is generated by adding a voltage output from the amplifier to a voltage generated by the constant voltage source. .
薄板で形成された枠状の固定部と、
薄板で形成され、前記固定部と同一平面上で且つ前記固定部の枠内に配設された変位部と、
前記固定部の枠内に向かって延設された一対の固定電極と、
前記変位部に形成されており、前記一対の固定電極の間に前記各固定電極に対向してそれぞれ配設された一対の変位電極と、
前記各固定電極とそれに対向する前記変位電極とで構成される2つのキャパシタのそれぞれの静電容量変化を電圧変化に変換して出力する容量検出回路と、を備え、
前記変位部は、重力加速度の方向変動によって前記各変位電極とそれに対向する前記固定電極との間の距離が変位するように、前記固定部に対して揺動可能に取り付けられており、
前記容量検出回路が出力する電圧によって傾斜を測定することが可能な傾斜センサであって、
前記容量検出回路が出力する前記2つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の差を変数倍した電圧と、所定の大きさの電圧との和を参照電圧とし、前記2つのキャパシタに発生する電圧の平均値又はその定数倍が前記参照電圧と等しくなるように前記キャパシタへ充電する電荷を制御するとともに、前記容量検出回路の出力電圧の非線形成分を打ち消すように前記変数の値が決定された充電制御回路を備えたことを特徴とする傾斜センサ。
A frame-shaped fixing part formed of a thin plate;
A displacement portion formed of a thin plate, disposed on the same plane as the fixed portion and within the frame of the fixed portion;
A pair of fixed electrodes extending toward the frame of the fixed portion;
A pair of displacement electrodes formed on the displacement portion and disposed between the pair of fixed electrodes so as to face the fixed electrodes;
A capacitance detection circuit that converts and outputs a change in capacitance of each of the two capacitors composed of the fixed electrodes and the displacement electrode facing the fixed electrodes;
The displacement portion is swingably attached to the fixed portion such that a distance between each displacement electrode and the fixed electrode facing the displacement electrode is displaced by a change in direction of gravitational acceleration.
A tilt sensor capable of measuring a tilt according to a voltage output from the capacitance detection circuit;
The sum of a voltage obtained by multiplying the difference in voltage generated in each of the two capacitors output by the capacitance detection circuit by a variable and a voltage having a predetermined magnitude is used as a reference voltage, and an average of the voltages generated in the two capacitors A charge control circuit that controls the charge charged to the capacitor so that a value or a constant multiple thereof is equal to the reference voltage, and that the value of the variable is determined so as to cancel the nonlinear component of the output voltage of the capacitance detection circuit A tilt sensor comprising:
前記充電制御回路は、
前記2つのキャパシタに供給する電流を発生する制御電流源と、
前記容量検出回路が出力する前記2つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の差を変数倍した電圧と、所定の大きさの一定電圧V ref0 との和である前記参照電圧を発生する参照電圧発生回路と、
前記2つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の平均値又はその定数倍が前記参照電圧と等しくなるように、前記制御電流源の出力電流を制御する電流源制御回路と、
を備えた請求項4記載の傾斜センサ。
The charge control circuit includes:
A control current source for generating a current to be supplied to the two capacitors;
A reference voltage generation circuit that generates the reference voltage that is a sum of a voltage obtained by multiplying a difference between voltages generated by the two capacitors output from the capacitance detection circuit by a variable and a constant voltage Vref0 having a predetermined magnitude. When,
A current source control circuit that controls an output current of the control current source so that an average value of a voltage generated in each of the two capacitors or a constant multiple thereof is equal to the reference voltage;
The tilt sensor according to claim 4, further comprising:
前記参照電圧発生回路は、
一定の電圧を発生する定電圧源と、
前記容量検出回路が出力する電圧を増幅する増幅器と、
前記定電圧源が発生する電圧に前記増幅器が出力する電圧を加算して、前記参照電圧として出力する電圧加算回路と、
を備えた請求項5記載の傾斜センサ。
The reference voltage generation circuit includes:
A constant voltage source that generates a constant voltage;
An amplifier for amplifying the voltage output from the capacitance detection circuit;
A voltage adding circuit that adds the voltage output from the amplifier to the voltage generated by the constant voltage source and outputs the voltage as the reference voltage;
The tilt sensor according to claim 5, further comprising:
前記変位部の一側辺には、一対の溝部が凹状に切り込み形成されており、
前記固定部の枠内一辺には、前記各溝部内に挿入し且つ前記溝部の内側とは接触することなく、該枠内に向かって一対の対向部が延設されており、
前記各固定電極は、前記各対向部の向かい合う辺の側面に形成されており、
前記各変位電極は、前記各溝部の前記各固定電極と対向する辺の側面に形成されていることを特徴とする請求項4乃至6の何れか一記載の傾斜センサ。
On one side of the displacement part, a pair of groove parts are cut and formed in a concave shape,
A pair of opposing portions are extended to the inside of the frame of the fixed portion toward the inside of the frame without being inserted into the grooves and in contact with the inside of the grooves.
Each of the fixed electrodes is formed on the side surface of each of the facing portions facing each other,
The inclination sensor according to any one of claims 4 to 6, wherein each displacement electrode is formed on a side surface of each groove portion opposite to each fixed electrode.
前記変位部と前記固定部とは、前記変位部の幅に対して幅狭に形成された、撓曲自在な幅狭部によって結合されていることを特徴とする請求項4乃至7の何れか一記載の傾斜センサ。   The said displacement part and the said fixing | fixed part are couple | bonded by the flexible narrow part formed narrowly with respect to the width | variety of the said displacement part. The inclination sensor according to one. 前記固定部及び前記変位部並びに前記幅狭部は、一枚の基板を加工することによって一体に形成されていることを特徴とする請求項8記載の傾斜センサ。   9. The tilt sensor according to claim 8, wherein the fixed portion, the displacement portion, and the narrow portion are integrally formed by processing a single substrate. 前記固定部及び前記変位部並びに前記幅狭部は、単一の結晶板により一体に形成されていることを特徴とする請求項9記載の傾斜センサ。   The tilt sensor according to claim 9, wherein the fixed portion, the displacement portion, and the narrow portion are integrally formed of a single crystal plate.
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