JP5125011B2

JP5125011B2 - 容量型検出回路

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Publication number: JP5125011B2
Application number: JP2006199695A
Authority: JP
Inventors: 勝長尾
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2006-07-21
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2026-07-21
Also published as: JP2008026177A

Description

本発明は、圧力や加速度、角速度等の物理量の変化により容量が変化する容量可変型キャパシタを用いてこれらの物理量を検出する容量型検出回路の技術に関する。
より詳細には、周囲の回路等の影響により容量型検出回路の検出部に入力されるキャリア信号に重畳するノイズ成分に起因する検出誤差を低減し、容量型検出回路の検出精度を向上する技術に関する。

従来、電極間距離を変化させる等の方法により容量を変化させることが可能な可変容量型キャパシタを用いた圧力センサ、加速度センサ、角速度センサ等の容量型検出回路の技術は公知となっている。例えば、特許文献１、特許文献２および特許文献３に記載の如くである。

以下では、図４を用いて従来の容量型検出回路の一例である容量型検出回路３００について説明する。容量型検出回路３００は加速度センサとして用いられるものである。
容量型検出回路３００は、直列的に接続された二つの可変容量型キャパシタ３１１・３１２からなる検出部３１０と、互いに位相が逆となる二つのキャリア信号を発生してそれぞれ二つの可変容量型キャパシタ３１１・３１２に入力するキャリア信号発生部３２０と、二つの可変容量型キャパシタ３１１・３１２の接続部分３１０ａに接続し、基準電圧と前記キャリア信号との間の電圧により可変容量型キャパシタ３１１・３１２に蓄えられた電荷量の差を出力するオペアンプ３５１、キャパシタ３５２、抵抗３５３等からなるＣ−Ｖ変換部３５０と、Ｃ−Ｖ変換部３５０から出力された出力信号をＡＭ復調するＡＭ復調回路３６０と、を具備する。

検出部３１０に加速度が作用していないときの可変容量型キャパシタ３１１・３１２の容量をそれぞれＣｓ１、Ｃｓ２とし、検出部３１０に加速度が作用したときに可変容量型キャパシタ３１１・３１２の容量がそれぞれＣｓ１＋ΔＣｓ１、Ｃｓ２−ΔＣｓ2に変化したとすると、オペアンプ３５１から出力されＡＭ復調回路３６０によりＡＭ復調された出力信号の電圧Ｖ０はキャパシタ３５２の容量Ｃｆを用いて以下の数１で表される。

容量型検出回路３００のキャリア信号発生部３２０により発生するキャリア信号に重畳するノイズ成分（ΔＶｍ１、ΔＶｍ２）は容量型検出回路３００の周囲に設けられた回路等の影響によるものであるが、このようなノイズ成分は可変容量型キャパシタ３１１・３１２の電極間電圧に影響を及ぼしてＣ−Ｖ変換部３５０からの出力信号の誤差の原因となり、ひいては容量型検出回路３００による物理量（本実施例の場合、加速度）の検出精度を低下させる。
そして、従来はこのようなノイズ成分の影響をＡＭ復調回路３６０等において排除していた。

キャリア信号に当該キャリア信号と同じ周波数を持つノイズ成分ΔＶｍ１、ΔＶｍ２が重畳している場合にオペアンプ３５１から出力されＡＭ復調回路３６０によりＡＭ復調された出力信号の電圧Ｖ０はキャパシタ３５２の容量Ｃｆを用いて以下の数２で表される。

しかし、上記ノイズ成分のうち、キャリア信号と同じ周波数を持つものについては、ＡＭ復調回路３６０においても排除することができず、このようなノイズ成分に起因して容量型検出回路の検出精度が低下するという問題があった。
特公平６−７８９１３号公報特開平８−１４５７１７号公報特開２００１−２４９０２８号公報

本発明は以上の如き状況に鑑み、キャリア信号と同じ周波数のノイズ成分の検出誤差への影響を排除し、検出精度に優れた容量型検出回路を提供するものである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、
少なくとも一方の容量が可変であって、直列的に接続された二つのキャパシタを備える検出部と、
キャリア信号を発生して前記検出部に入力するキャリア信号発生部と、
前記キャリア信号発生部により発生するキャリア信号のノイズ成分に対応するノイズ分圧を発生するノイズ分圧発生部と、
前記検出部の二つのキャパシタの接続部分に接続し、基準電圧および前記ノイズ分圧の和と前記キャリア信号との間の電圧により前記二つのキャパシタに蓄えられた電荷量の差を出力するＣ−Ｖ変換部と、
を具備し、
前記ノイズ分圧部発生部は、
前記検出部の二つのキャパシタの定常時の容量比と同じ容量比を有し、直列的に接続された二つのノイズ分圧発生用キャパシタを具備するものである。

本発明の効果としては、キャリア信号と同じ周波数のノイズ成分の検出誤差への影響を排除することが可能であり、検出精度に優れる。

以下では、図１および図２を用いて本発明に係る容量型検出回路の第一実施例である容量型検出回路１００について説明する。

容量型検出回路１００は加速度センサに適用されるものであり、主として検出部１１０、キャリア信号発生部１２０、基準電圧発生部１３０、ノイズ分圧発生部１４０、Ｃ−Ｖ変換部１５０、ＡＭ復調回路１６０等を具備する。
なお、本発明に係る容量型検出回路は、後述する可変容量型のキャパシタに作用してその容量を変化させ得る物理量、例えば圧力、加速度、角速度等を検出する用途に広く適用可能である。

検出部１１０は容量型検出回路１００が設けられる対象物に作用する加速度を検出するものである。検出部１１０は二つの可変容量型キャパシタ１１１・１１２を備える。

可変容量型キャパシタ１１１・１１２は、いずれも一対の電極の間隔が変化することによりその容量が変化するキャパシタである。
可変容量型キャパシタ１１１・１１２は直列的に接続され、両者を直列的に接続する部分（接続部分１１０ａ）には可変容量型キャパシタ１１１・１１２を接続する配線を兼ねる所定の質量を有するウェイト（不図示）が設けられる。また、可変容量型キャパシタ１１１・１１２の電極間の間隔が変化する方向に当該ウェイトを付勢するバネ等の付勢手段（不図示）が設けられる。
可変容量型キャパシタ１１１・１１２に設けられたウェイトに加速度が作用すると、可変容量型キャパシタ１１１・１１２のうち一方の電極間距離が小さくなり、他方の電極間距離が大きくなる。その結果、可変容量型キャパシタ１１１・１１２に作用する加速度の方向および大きさに応じて、可変容量型キャパシタ１１１・１１２の容量が変化する。
本実施例の場合、加速度が作用していない状態における可変容量型キャパシタ１１１・１１２の容量をそれぞれＣｓ１およびＣｓ２とし、加速度が作用している状態における可変容量型キャパシタ１１１・１１２の容量変化をそれぞれΔＣｓ１および−ΔＣｓ２とする。
なお、本実施例における可変容量型キャパシタ１１１・１１２の容量Ｃｓ１、Ｃｓ２は等しい（Ｃｓ１＝Ｃｓ２＝Ｃｓ）。

本実施例の検出部１１０はＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を応用して作製されたものであるが、本発明に係る検出部は他の方法を用いて作製されたものでも良い。
また、本実施例の検出部１１０は二つの可変容量型キャパシタ１１１・１１２を備えるものとしたが、本発明はこれに限定されず、検出部を構成する二つのキャパシタのうち、一方を固定容量型キャパシタ（容量が変化しないキャパシタ）とし、他方を可変容量型キャパシタとしても良い。すなわち、本発明に係る検出部を構成する二つのキャパシタは、少なくとも一方の容量が可変であれば良い。検出部を構成するキャパシタの一方を固定容量型キャパシタとし、他方を可変容量型キャパシタとする例としては、圧力センサに適用されるものが挙げられる。
さらに、本実施例では一対の電極の間隔が変化することにより容量が変化する構成の可変容量型キャパシタを用いたが、本発明はこれに限定されず、例えば加速度等が作用すると対向する一対の電極の一方が電極の面方向に相対的にスライドし、重複面積が変化することにより容量が変化する構造の可変容量型キャパシタを用いることも可能である。

キャリア信号発生部１２０はキャリア信号を発生して、当該キャリア信号を検出部１１０に入力するものである。
本実施例のキャリア信号発生部１２０は、位相が逆となる二つのキャリア信号を発生させ、当該二つのキャリア信号の一方を可変容量型キャパシタ１１１に入力するとともに他方を可変容量型キャパシタ１１２に入力する。

図２に示す如く、キャリア信号発生部１２０はＣＭＯＳ１２１・１２２を具備し、それぞれ可変容量型キャパシタ１１１・可変容量型キャパシタ１１２に入力するためのキャリア信号を発生する。
可変容量型キャパシタ１１１・１１２に入力される二つのキャリア信号はいずれもＨｉ信号とＬｏ信号とが交互に現れる矩形波であり、ノイズ成分が重畳していないときのＨｉ信号の電圧はＶｍ、Ｌｏ信号の電圧は０Ｖである。可変容量型キャパシタ１１１・１１２に入力されるキャリア信号のノイズ成分をそれぞれΔＶｍ１、ΔＶｍ２とする。
キャリア信号発生部１２０が発生するキャリア信号に重畳するノイズ成分ΔＶｍ１、ΔＶｍ２は、通常はＣＭＯＳ１２１・１２２が接続される電源（ＶＤＤ）およびグラウンド（ＧＮＤ）からの影響により発生するものである。

本実施例ではＣＭＯＳ１２１・１２２によりキャリア信号を発生する構成としたが、本発明はこれに限定されず、ＣＭＯＳ以外の他の素子等を用いてキャリア信号を発生する構成としても良い。

基準電圧発生部１３０は基準電圧を発生するものである。
図２に示す如く、基準電圧発生部１３０は電源（ＶＤＤ）とグラウンド（ＧＮＤ）の間に直列的に接続された抵抗１３１・１３２からなる。

ノイズ分圧発生部１４０はキャリア信号発生部１２０により発生するキャリア信号のノイズ成分（ΔＶｍ１、ΔＶｍ２）に対応するノイズ分圧を発生するものである。
ここで、「ノイズ成分」は、検出部からの出力信号（電圧）のうち、キャリア信号発生部により発生するキャリア信号にノイズ成分が重畳することに起因して生じる誤差成分を指す。本実施例の場合、ノイズ分圧Ｖαは以下の数３で表される。

図２に示す如く、ノイズ分圧発生部１４０は電源（ＶＤＤ）とグラウンド（ＧＮＤ）の間に直列的に接続された二つの固定容量型キャパシタである補正用キャパシタ１４１・１４２からなる。
補正用キャパシタ１４１・１４２の容量はいずれもＣａで等しい。従って、補正用キャパシタ１４１・１４２の容量比（＝１：１）は、定常時（加速度が作用していないとき）における可変容量型キャパシタ１１１・１１２の容量比に等しい。
補正用キャパシタ１４１・１４２の接続部分１４０ａは基準電圧発生部１３０の接続部分１３０ａに接続される。

本実施例においては、ノイズ分圧発生部１４０の電源（ＶＤＤ）はキャリア信号発生部１２０のＣＭＯＳ１２１・１２２に電力を供給する電源と共通とし、ノイズ分圧発生部１４０が接続されるグラウンドの位置はＣＭＯＳ１２１・１２２が接続されるグラウンドの位置と同じまたは近傍となるように構成される。

このように構成することにより、ノイズ分圧発生部１４０は、簡単な構成でキャリア信号発生部１２０にノイズが作用したのと同時にオペアンプ１５１に入力される基準電圧に数３に示すノイズ分圧Ｖαを印加することが可能である。

Ｃ−Ｖ変換部１５０は、（１）基準電圧発生部１３０により発生する基準電圧およびノイズ分圧発生部１４０により発生するノイズ分圧の和と、（２）キャリア信号発生部１２０から出力されるキャリア信号と、の電圧差により検出部１１０の可変容量型キャパシタ１１１・１１２に蓄えられる電荷の差を出力信号として出力するものである。
Ｃ−Ｖ変換部１５０はオペアンプ１５１、キャパシタ１５２、抵抗１５３等を具備する。

オペアンプ１５１の反転入力端子は検出部１１０の可変容量型キャパシタ１１１・１１２の接続部分１１０ａに接続される。オペアンプ１５１の非反転入力端子は基準電圧発生部１３０の接続部分１３０ａとノイズ分圧発生部１４０の接続部分１４０ａとを接続する配線の中途部に接続される。オペアンプ１５１の出力端子はＡＭ復調回路１６０に接続される。
キャパシタ１５２はオペアンプ１５１の反転入力端子および出力端子に接続される。同じく、抵抗１５３もオペアンプ１５１の反転入力端子および出力端子に接続される。

ＡＭ復調回路１６０はＣ−Ｖ変換部１５０からの出力信号の振幅（電圧）を取り出す回路である。
ＡＭ復調回路１６０はその性質上、Ｃ−Ｖ変換部１５０からの出力信号の周波数（キャリア信号の周波数）と同じ周波数のノイズ成分が出力信号に重畳されている場合には、これらを分離除去することができない。

以下では、容量型検出回路１００の挙動の詳細について（ａ）〜（ｄ）に分けて説明する。

（ａ）容量型検出回路１００の検出部１１０に加速度が作用しておらず、かつ、キャリア信号発生部１２０が発生するキャリア信号にノイズ成分が重畳していない場合について説明する。
この場合、可変容量型キャパシタ１１１・１１２に蓄えられる電荷は同じであり、その差を出力するＣ−Ｖ変換部１５０の出力はゼロである。
従って、オペアンプ１５１の出力端子から出力される出力信号の電圧はゼロである。

（ｂ）容量型検出回路１００の検出部１１０に加速度が作用しており、かつ、キャリア信号発生部１２０が発生するキャリア信号にノイズ成分が重畳していない場合について説明する。
この場合、検出部１１０を構成する可変容量型キャパシタ１１１・１１２の容量がそれぞれ（Ｃｓ＋ΔＣｓ１）、（Ｃｓ＋ΔＣｓ２）に変化する。
その結果、検出部１１０とＣ−Ｖ変換部１５０との間で電荷ΔＱ０の移動が起こり、当該電荷がキャパシタ１５２に蓄えられ、オペアンプ１５１の出力端子から電圧Ｖ０の出力信号が出力される。キャパシタ１５２の容量をＣｆとすると、ΔＱ０、Ｖ０はそれぞれ以下の数４、数５で表される。

（ｃ）容量型検出回路１００の検出部１１０に加速度が作用しておらず、かつ、キャリア信号発生部１２０が発生するキャリア信号にノイズ成分が重畳している場合について説明する。
この場合、ノイズ成分として可変容量型キャパシタ１１１にはΔＶｍ１、可変容量型キャパシタ１１２にはΔＶｍ２の電圧が作用する。
仮に、容量型検出回路１００からノイズ分圧発生部１４０を省略することにより、オペアンプ１５１の非反転入力端子にノイズ分圧発生部１４０によるノイズ分圧を入力しないとすると、オペアンプ１５１からの出力信号の誤差成分ΔＶ０は以下の数６で表される。

本実施例の容量型検出回路１００においては、基準電源（ＶＤＤ）およびグラウンド（ＧＮＤ）から見た基準電圧発生部１３０およびノイズ分圧発生部１４０はハイパスフィルターとみなすことが可能である。
従って、当該ハイパスフィルターのカットオフ周波数がキャリア信号の周波数よりも十分に小さい場合には、当該キャリア周波数と同じ周波数のノイズ成分ΔＶｍ１、ΔＶｍ２に対応するノイズ分圧Ｖαが基準電圧発生部１３０により発生する基準電圧に加算されてオペアンプ１５１の非反転入力端子に入力される。
このときのオペアンプ１５１からの出力信号ΔＶ０は以下の数７で表される。

このように、オペアンプ１５１の非反転入力端子に基準電圧に加える形でノイズ分圧発生部１４０によるノイズ分圧を入力することにより、容量型検出回路１００の検出部１１０に加速度が作用しておらず、かつ、キャリア信号発生部１２０が発生するキャリア信号にノイズ成分が重畳している場合において、オペアンプ１５１からの出力信号におけるノイズ成分の影響を排除し、容量型検出回路１００の検出精度を向上することが可能である。

（ｄ）容量型検出回路１００の検出部１１０に加速度が作用しており、かつ、キャリア信号発生部１２０が発生するキャリア信号にノイズ成分が重畳している場合について説明する。
仮に、容量型検出回路１００からノイズ分圧発生部１４０を省略することにより、オペアンプ１５１の非反転入力端子にノイズ分圧発生部１４０によるノイズ分圧を入力しないとすると、オペアンプ１５１からの出力信号の誤差成分ΔＶ０は以下の数８に示す如く、数２におけるＶ０と数１におけるＶ０との差で表される。

オペアンプ１５１の非反転入力端子にノイズ分圧発生部１４０によるノイズ分圧Ｖαを入力すると、オペアンプ１５１からの出力信号に含まれる誤差成分ΔＶ０は以下の数９で表される。

可変容量型キャパシタ１１１・１１２は同じ形状、かつ加速度の作用していないときの容量が等しい（＝Ｃｓ）キャパシタであり、その容量の変化量は電極間距離の変化が微小であればΔＣｓ１≒ΔＣｓ２が成立する。よって、数９における出力信号の誤差成分ΔＶ０をゼロとみなすことが可能である。

このように、オペアンプ１５１の非反転入力端子に基準電圧に加える形でノイズ分圧発生部１４０によるノイズ分圧を入力することにより、容量型検出回路１００の検出部１１０に加速度が作用しており、かつ、キャリア信号発生部１２０が発生するキャリア信号にノイズ成分が重畳している場合においても、オペアンプ１５１からの出力信号におけるノイズ成分の影響を排除し、容量型検出回路１００の検出精度を向上することが可能である。

本実施例では、補正用キャパシタ１４１・１４２からなるノイズ分圧発生部１４０を用いてノイズ分圧を発生する構成としたが、本実施例の基準電圧発生部１３０の如く、基準電圧が基準電源（ＶＤＤ）およびグラウンド（ＧＮＤ）の間に直列的に接続された抵抗の分圧で与えられ、かつ当該抵抗の分圧比が所定の値の場合には基準電圧発生部１３０がノイズ分圧発生部としての機能を兼ねることが可能であり、補正用キャパシタ１４１・１４２からなるノイズ分圧発生部１４０を省略することが可能である。

また、本実施例では、キャリア信号発生部１２０、基準電圧発生部１３０、ノイズ分圧発生部１４０のいずれも共通の基準電源（ＶＤＤ）およびグラウンド（ＧＮＤ）を基準とする構成としたが、本発明はこれに限定されず、キャリア信号発生部、基準電圧発生部、ノイズ分圧発生部の電位の基準が基準電源（ＶＤＤ）およびグラウンド（ＧＮＤ）以外の他の基準電位に基づく場合には、当該他の基準電位に基づいてノイズ分圧を加える構成とすれば良い。

さらに、本実施例では補正用キャパシタ１４１・１４２からなるノイズ分圧発生部１４０を用いてノイズ分圧を発生する構成としたが、本発明に係るノイズ分圧発生部はこれに限定されず、例えばキャリア信号発生部に作用しているノイズを検出する回路と、当該ノイズに基づいてキャリア信号に重畳するノイズ成分の大きさを算出する回路と、算出された大きさのノイズ成分と同じ大きさの電圧のノイズ分圧をオペアンプに入力される基準電圧に印加する回路と、を具備する構成としても良い。

以下では、図３を用いて本発明に係る容量型検出回路の第二実施例である容量型検出回路２００について説明する。

容量型検出回路２００は角速度センサに適用されるものであり、主として検出部２１０、キャリア信号発生部２２０、基準電圧発生部２３０、ノイズ分圧発生部２４０、Ｃ−Ｖ変換部２５０、ＡＭ復調回路２６０、駆動部２７０等を具備する。
なお、検出部２１０、キャリア信号発生部２２０、基準電圧発生部２３０、ノイズ分圧発生部２４０、Ｃ−Ｖ変換部２５０、ＡＭ復調回路２６０については先に説明した容量型検出回路１００におけるものと略同様の構成であるため、説明を省略する。

駆動部２７０は可変容量型キャパシタ２１１・２１２に設けられたウェイトを、可変容量型キャパシタ２１１・２１２の電極間距離の変化する方向に略垂直な方向に揺動するための駆動力を付与するものである。

駆動部２７０は駆動用キャパシタ２７１・２７２、駆動回路２７３を具備する。

駆動用キャパシタ２７１・２７２は可変容量型キャパシタ２１１・２１２に設けられるウェイトを介して直列的に接続された可変容量型のキャパシタである。駆動用キャパシタ２７１・２７２の通常時（通電していないとき）における容量は、それぞれＣｄ１、Ｃｄ２である。

駆動回路２７３は駆動用キャパシタ２７１・２７２に接続され、これらに適宜通電し、静電引力を発生させることにより可変容量型キャパシタ２１１・２１２に設けられるウェイトを揺動する。
駆動部２７０によりウェイトが揺動された状態の検出部２１０を回転すると、検出部２１０にコリオリの力が作用して可変容量型キャパシタ２１１・２１２の電極間距離が変化する。

本実施例の場合、可変容量型キャパシタ２１１・２１２の容量を同じとし（Ｃｓ１＝Ｃｓ２＝Ｃｓ）、駆動用キャパシタ２７１・２７２の容量を同じとすると（Ｃｄ１＝Ｃｄ２＝Ｃｄ）、ノイズ分圧発生部２４０における補正用キャパシタ２４１の容量Ｃａ１、補正用キャパシタ２４２の容量Ｃａ２をそれぞれＣａ１：Ｃａ２＝Ｃｓ：（Ｃｓ＋２×Ｃｄ）となるように設定し、かつ、駆動回路２７３の駆動形式がキャリア信号発生部２２０と共通のグラウンド（ＧＮＤ）を基準とする回路構成である場合には、容量型検出回路１００と同様にオペアンプ２５１からの出力信号におけるノイズ成分の影響を排除し、容量型検出回路２００の検出精度を向上することが可能である。

本発明に係る容量型検出回路の第一実施例を示す図。同じく本発明に係る容量型検出回路の第一実施例を示す図。本発明に係る容量型検出回路の第二実施例を示す図。従来の容量型検出回路の実施の一形態を示す図。

１００容量型検出回路（第一実施例）
１１０検出部
１１０ａ接続部分
１１１・１１２可変容量型キャパシタ
１２０キャリア信号発生部
１４０ノイズ分圧発生部
１５０Ｃ−Ｖ変換部

Claims

少なくとも一方の容量が可変であって、直列的に接続された二つのキャパシタを備える検出部と、
キャリア信号を発生して前記検出部に入力するキャリア信号発生部と、
前記キャリア信号発生部により発生するキャリア信号のノイズ成分に対応するノイズ分圧を発生するノイズ分圧発生部と、
前記検出部の二つのキャパシタの接続部分に接続し、基準電圧および前記ノイズ分圧の和と前記キャリア信号との間の電圧により前記二つのキャパシタに蓄えられた電荷量の差を出力するＣ−Ｖ変換部と、
を具備し、
前記ノイズ分圧部発生部は、
前記検出部の二つのキャパシタの定常時の容量比と同じ容量比を有し、直列的に接続された二つのノイズ分圧発生用キャパシタを具備することを特徴とする容量型検出回路。