JP5700138B2 - 静電容量検出回路 - Google Patents

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Description

本発明は、物理量変化に応じた静電容量変化を生じる可動電極及び固定電極を備えた物理量センサの前記可動電極及び固定電極間の静電容量を検出する静電容量検出回路に関する。
加速度センサ、ジャイロ、変位センサ、圧力センサ等の物理量変化を静電容量変化として検出する物理量センサでは、静電容量検出回路が高分解能を必要とする場合や、低コスト・小型化を狙ってＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）センサと静電容量検出回路とを組み合わせる場合には、絶縁抵抗を確保して回路ノイズを低減させることが要求されている。
このため、特許文献１に記載の従来例にあっては、吸湿性を有するソルダーマスクを用いたハンダレジストを必要とすることなく、かつ実装部における半田流れを防止するために、少なくとも有機樹脂を含む絶縁性基板の表面に、金属導体層を埋込んだ後、金属導体層における、例えば、電子部品の端子との半田による実装箇所の表面をエッチングして、絶縁性基板表面から０．５〜３０μｍの深さで窪んだ凹部を形成したプリント配線基板の製造方法が記載されている。
また、特許文献２に記載の従来例には、高湿度下においても絶縁抵抗等の電気特性が劣化しないレジストインキ組成物及びその硬化膜を有するプリント配線板を提供するために、着色剤、硬化性樹脂、反応性希釈剤、重合開始剤、および充填剤を有するソルダーレジストインキ組成物において、環状アミン系化合物を含有させたソルダーレジストインキ塑性物及びその被覆膜を有するプリント配線板が提案されている。
特開平１０−１７３２９６号公報 特開２００３−９８６６０号公報
しかしながら、上記特許文献１に記載の従来例では、絶縁性基板の表面に、金属導体層を埋め込んだ後金属導体層における電子部品の端子との半田による実装箇所の表面をエッチングして、絶縁性基板の表面から０．５〜３０μｍの深さで窪んだ凹部を形成する必要があり、構造が複雑となるという未解決の課題がある。
また、特許文献２に記載の従来例にあっては、特殊な組成を有するソルダーレジストインキ組成物を使用する必要があり、製造コストが嵩むという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記特許文献１及び２に記載された従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、簡易な構造で吸湿による絶縁抵抗の低下を防止してノイズの増大を防ぐことのできる静電容量検出回路を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明に係る静電容量検出回路の第１の態様は、物理量変化に応じた静電容量変化を生じる可動電極及び固定電極を備えた物理量センサの前記可動電極及び固定電極間の微小静電容量を検出する静電容量検出回路である。この静電容量検出回路は、前記可動電極及び固定電極の一方に供給するバイアス電圧を生成するバイアス電圧生成回路と、前記可動電極及び固定電極の他方が一方の入力端子に入力され、他方の入力端子が接地された演算増幅器と、前記物理量センサ、前記バイアス電圧生成回路、及び前記演算増幅器が実装されるプリント配線基板とを少なくとも備えている。そして、少なくとも前記物理量センサの電極接続部及び前記演算増幅器の入力側接続部と、前記電極接続部及び前記入力側接続部間に接続される入力側回路部品の接続部のうち前記演算増幅器の入力側に接続される接続部とを含む前記プリント配線基板上の絶縁確保領域と該絶縁確保領域周囲のレジスト塗布領域との間に、吸湿低減領域を設け、該吸湿低減領域には、レジストを塗布せず、且つ、シルク印刷を行わないようにしている。
また、本発明に係る静電容量検出回路の第２の態様は、前記入力側回路部品が、前記演算増幅器の出力端子と一方の入力端子との間に接続されたコンデンサ及び抵抗で構成されている。
また、本発明に係る静電容量検出回路の第３の態様は、物理量変化に応じた静電容量変化を生じる可動電極及び固定電極でそれぞれ構成される電極部を一対備えた差動構造の物理量センサの前記一対の電極部の一対の微小静電容量を検出する静電容量検出回路である。前記一対の電極部それぞれの可動電極及び固定電極の一方に供給するバイアス電圧を生成するバイアス電圧生成回路と、前記一対の電極部それぞれの可動電極及び固定電極の他方が入力端子に入力されて前記一対の微小静電容量の間の差分を増幅する演算増幅器と、前記物理量センサ、前記バイアス電圧生成回路及び前記演算増幅器を実装するプリント配線基板とを少なくとも備えている。そして、前記一対の電極部それぞれの前記演算増幅器に接続される一対の電極接続部と、前記演算増幅器の入力側接続部と、前記電極接続部及び前記入力側接続部間に接続された入力側回路部品の接続部のうち前記演算増幅器の入力側接続部に接続される接続部とを含む前記プリント配線基板上の絶縁確保領域と該絶縁確保領域周囲のレジスト塗布領域との間に、吸湿低減領域を設け、該吸湿低減領域には、レジストを塗布せず、且つ、シルク印刷を行わないようにしている。
また、本発明に係る静電容量検出回路の第４の態様は、前記入力側回路部品が、前記一対の電極部の一方及び前記演算増幅器の一方の入力端子の接続点と接地との間に接続された第１のコンデンサ及び第１の抵抗の並列回路と、前記一対の電極部の他方及び前記演算増幅器の他方の入力端子の接続点と接地との間に接続された第２のコンデンサと、前記演算増幅器の出力端子及び他方の入力端子間に接続された第３のコンデンサ及び第２の抵抗の並列回路とで構成されている。
また、本発明に係る静電容量検出回路の第５の態様は、前記絶縁確保領域に、レジストを塗布している。
また、本発明に係る静電容量検出回路の第６の態様は、前記絶縁確保領域には、レジストを塗布せず、且つ、シルク印刷を行わないようにしている。
また、本発明に係る静電容量検出回路の第６の態様は、前記バイアス電圧生成回路は、正弦波、方形波等の交流波形のキャリア信号を生成するように構成されている。
また、本発明に係る静電容量検出回路の第７の態様は、前記バイアス電圧生成回路は、直流バイアス電圧を生成するように構成されている。
本発明によれば、物理量センサ、演算増幅器等を実装したプリント配線基板上の物理量センサの電極接続部及び演算増幅器の入力側接続部と、これら電極接続部及び入力側部間に接続された入力側回路部品の前記入力側接続部と接続される接続部とを含む絶縁確保領域を吸湿低減領域としている。この吸湿低減領域としては、レジスト非塗布領域やスクリーン印刷非印刷領域とするか、他の領域とは分離独立したレジスト領域とする。
このようにプリント配線基板の演算増幅器の入力側の入力側回路部品の各接続部を含む絶縁確保領域を吸湿低減領域とすることにより、吸湿による絶縁抵抗の劣化を確実に防止することができる。このため、プリント配線基板を気密状態に保持することなく、絶縁抵抗の劣化を防止して、ノイズの増大を防ぐことができ、これにより、微小な静電容量値を簡単且つ低コストな構造で検出することができる。
また、吸湿低減領域として、他の領域とは分離独立したレジスト領域とすることにより、吸湿低減を行いながら配線パターンを錆びから保護することができる。
本発明の第１の実施形態を示す加速度センサを示す上側基板を取り除いた状態の模式図であって、（ａ）は上部基板を取り外した状態の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図である。 静電容量検出回路を示す回路図である。 図２の要部の拡大図である。 プリント配線基板の断面図である。 プリント配線基板上のレジスト塗布領域と、パターン形成領域とを示す図である。 キャリア周波数と絶縁抵抗により発生するノイズとの関係を示す特性線図である。 本発明の第２の実施形態における静電容量検出回路を示す回路図である。 第２の実施形態におけるプリント基板上のレジスト塗布領域を示す図である。 第２の実施形態におけるプリント基板上の他のレジスト塗布領域を示す図である。 プリント基板上の吸湿低減領域の他の例を示す図５（ｂ）に対応する図である。 プリント基板上の吸湿低減領域の他の例を示す図８に対応する図である。 プリント基板上の吸湿低減領域の他の例を示す図９に対応する図である。 本発明の静電容量検出回路の他の例を示す回路図である。 測定周波数と絶縁抵抗により発生するノイズとの関係を示す特性線図である。 本発明の静電容量検出回路のさらに他の例を示す回路図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る静電容量検出回路を適用し得る加速度センサの一例を示す模式図であって、図１（ａ）は上部基板を取り外した状態の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図である。
図中、１は物理量センサとしての加速度センサであって、この加速度センサ１は、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板２で形成されている。このＳＯＩ基板２は、下層のシリコン支持層２ａと、このシリコン支持層２ａ上に形成された酸化シリコン層２ｂと、この酸化シリコン層２ｂ上に形成された活性シリコン層２ｃとで構成されている。
ここで、シリコン支持層２ａ及び酸化シリコン層２ｂは、外周部が方形枠状に形成され、その中央部が方形溝状にドライエッチングされて後述する重錘７が形成されている。
活性シリコン層２ｃには、中央部に４隅をバネ材３で酸化シリコン層２ｂ上に支持された方形の可動電極４と、この可動電極４のＸ方向の２辺と対向して酸化シリコン層２ｂに固定された一対のＸ軸用固定電極５Ｘａ，５Ｘｂと、可動電極４のＹ方向の２辺と対向して酸化シリコン層２ｂに固定された一対のＹ軸用固定電極６Ｙａ，６Ｙｂとが形成されている。可動電極４には下面に重錘７が形成されている。
また、ＳＯＩ基板２の上下方向がガラス基板８ａ及び８ｂによって覆われている。ガラス基板８ａの可動電極４に対向する位置にＺ軸用固定電極９が形成されている。これらガラス基板８ａ及び８ｂには、Ｘ軸用固定電極５Ｘａ，５Ｘｂ、Ｙ軸用固定電極６Ｙａ，６Ｙｂ、可動電極４及びＺ軸用固定電極９の信号を外部に取り出すスルーホール１０が形成されている。
したがって、加速度センサ１ではＸ方向では可動電極４と左右一対の固定電極５Ｘａ，５Ｘｂとの間の静電容量Ｃｘａ及びＣｘｂが、一方が増加すると他方が減少する関係となる左右対称形の差動構造とされている。同様に、Ｙ方向では、可動電極４と前後一対の固定電極５Ｙａ，５Ｙｂとの間の静電容量Ｃｙａ及びＣｙｂが、一方が増加すると他方が減少する関係となる前後対称形の差動構造とされている。
ところが、加速度センサ１のＺ方向では、可動電極４の下面には重錘７が形成されている関係で、可動電極４とこれに上方から対向するＺ軸用固定電極９との間の静電容量Ｃｚのみの非対象構造となっている。
そして、加速度センサ１に加速度が加えられると、その加速度の方向に応じて重錘７を支持する可動電極４がＸＹＺ方向へ移動し、これに応じてＸ軸方向の静電容量Ｃｘａ及びＣｘｂ、Ｙ軸方向の静電容量Ｃｙａ，Ｃｙｂ、Ｚ軸方向の静電容量Ｃｚが変化し、これらの静電容量変化により、加速度を測定することができる。
そして、Ｚ軸方向のように、非対称形の構造である場合には、図２に示すような静電容量検出回路２０によって、静電容量を検出することができる。
すなわち、可動電極４とＺ軸用固定電極９との間の静電容量Ｃｚを静電可変容量Ｃｍとして表す。
この静電可変容量Ｃｍの一方の電極をキャリア信号生成回路２１に接続してキャリア信号を供給する。ここで、キャリア信号は、測定する加速度より高周波数で、正弦波や矩形波といった交流波形とされている。このキャリア信号は、０Ｈｚ或いは０Ｈｚ近傍といった低い周波数から静電容量を検出するために必要となる。
そして、静電可変容量Ｃｍの他方の電極が演算増幅器Ｑ２１の反転入力端子に接続され、この演算増幅器Ｑ２１の非反転入力端子が接地されている。また、演算増幅器Ｑ２１の出力端子は抵抗Ｒｇ及びコンデンサＣｇの並列回路を介して反転入力端子にフィードバックされている。
この演算増幅器Ｑ２１の出力端子から出力される出力電圧Ｖｏは、キャリア信号の出力電圧を入力電圧Ｖｉとしたときに、
Ｖｏ＝−（Ｃｍ／Ｃｇ）Ｖｉ ……（１）
で表される。
したがって、コンデンサＣｇの容量を加速度が“０”であるときの静電可変容量Ｃｍと等しく設定することにより、加速度センサ１に加えられるＺ軸方向の加速度が零であるときに演算増幅器Ｑ２１から入力電圧Ｖｉが反転された出力電圧Ｖｏが出力される。そして、加速度センサ１の可動電極４及び重錘７に上方に向かう加速度が加えられると、Ｖｏの振幅がＶｉの振幅より大きくなり、逆に加速度センサ１の可動電極４及び重錘７に下方に向かう加速度が加えられると、Ｖｏの振幅がＶｉの振幅より小さくなる。
そして、演算増幅器Ｑ２１の出力がキャリア信号生成回路２１のキャリア信号が入力された復調回路２２に供給され、この復調回路２２で演算増幅器Ｑ２１から得られるキャリア信号によって振幅変調された出力信号を復調する。
この復調回路２２から出力される復調信号がローパスフィルタ２３でノイズ除去され、Ａ／Ｄ変換回路２４でデジタル信号に変換されて加速度信号として出力される。
そして、加速度センサ１と静電容量検出回路２０とが図４に示すようにプリント配線基板３０に実装されている。
このプリント配線基板３０の演算増幅器Ｑ２１及び加速度センサ１を接続する回路パターンは図５（ａ）に示すように形成されている。すなわち、プリント配線基板３０に形成された接続部としてのスルーホール３１ｂに加速度センサ１のＺ軸用固定電極９が接続されている。
また、プリント配線基板３０には、スルーホール３１ｂの右前方に、静電容量検出回路２０のコンデンサＣｇの演算増幅器Ｑ２１の出力端子側電極及び反転入力端子側電極を個別に接続する接続部としての接続パッド３２ａ及び３２ｂが形成されている。これら接続パッド３２ａ及び３２ｂの前方に静電容量検出回路２０の抵抗Ｒｇの演算増幅器Ｑ２１の出力端子側及び反転入力端子側を個別に接続する接続部としての接続パッド３３ａ及び３３ｂが形成されている。さらに、接続パッド３３ａ及び３３ｂの前方に、演算増幅器Ｑ２１の非反転入力端子が接続された入力側接続パッド３４ａと演算増幅器Ｑ２１の反転入力端子が接続された接続部としての入力側接続パッド３４ｂとが形成されている。
そして、スルーホール３１ｂ、接続パッド３２ｂ、３３ｂ及び３４ｂが配線パターン３５で接続されている。また、接続パッド３２ａ及び３３ａが配線パターン３６で接続され、図示しない演算増幅器Ｑ２１の出力端子を接続した出力側パッドに接続されている。さらに、入力側接続パッド３４ａが接地されている。
一方、プリント配線基板３０のレジスト塗布パターンは、図５（ｂ）に示すように、スルーホール３１ｂ、接続パッド３２ｂ、３３ｂ、３４ｂを囲む逆Ｌ字状の絶縁確保領域Ａｉｓが形成されている。そして、この絶縁確保領域Ａｉｓ及びその周囲を囲むように吸湿低減領域Ａ１が形成されている。この吸湿低減領域Ａ１は、絶縁確保領域Ａｉｓを覆うようにレジストを塗布したレジスト塗布領域Ａ１１と、このレジスト塗布領域Ａ１１を囲む幅狭のレジストを塗布しない非レジスト塗布領域とされ、且つシルク印刷を行わないシルク印刷非印刷領域とされた帯状分離領域Ａ１２とで構成されている。この吸湿低減領域Ａ１は図２における点線で囲まれた領域に対応している。
そして、帯状分離領域Ａ１２の外側はレジストを塗布し且つシルク印刷が可能なレジスト塗布領域Ａ１３とされている。
次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。
今、加速度センサ１の可動電極４及び重錘７に作用するＺ方向の加速度が零であるときに、静電可変容量Ｃｍから出力されるキャリア信号が演算増幅器Ｑ２１に供給される。
したがって、加速度センサ１の可動電極４及び重錘７に加えられるＺ方向の加速度が零であるときには、演算増幅器Ｑ２１の反転入力側に入力される入力信号Ｖｉが反転されて出力信号Ｖｏとして復調回路２２に供給されて復調される。この復調回路２２から出力される復調信号は、ローパスフィルタ２３でノイズ除去されてから、Ａ／Ｄ変換回路２４でデジタル信号に変換されて加速度信号として出力される。
そして、加速度センサ１の可動電極４及び重錘７に上方に向かう加速度が加えられると、静電可変容量ＣｍはＺ方向加速度が零の状態から増加する。このため、演算増幅器Ｑ２１の反転入力端子に入力される入力信号レベルが正方向に増加し、この演算増幅器Ｑ２１の出力電圧Ｖｏも入力電圧Ｖｉより増加し且つ反転される。この演算増幅器Ｑ２１の出力が復調回路２２で復調され、ローパスフィルタ２３でノイズ除去されてからＡ／Ｄ変換回路２４でデジタル値に変換されてＺ方向加速度信号として出力される。
逆に、加速度センサ１の可動電極４及び重錘７に下方に向かう加速度が加えられると、静電可変容量ＣｍはＺ方向加速度が零の状態から減少し且つ反転される。このため、演算増幅器Ｑ２１の反転入力端子に入力される入力信号レベルが負方向に減少し、この演算増幅器Ｑ２１の出力電圧Ｖｏが入力電圧Ｖｉよりも減少し且つ反転される。この演算増幅器Ｑ２１の出力が復調回路２２で復調され、ローパスフィルタ２３でノイズ除去されてからＡ／Ｄ変換回路２４でデジタル値に変換されてＺ方向加速度信号として出力される。
一方、プリント配線基板３０の絶縁抵抗は、図３に示すように、演算増幅器Ｑ２１の帰還抵抗Ｒｇと並列に介挿される絶縁抵抗Ｒｓ１と、帰還抵抗Ｒｇの演算増幅器Ｑ２１の反転入力側と接地との間に介挿される絶縁抵抗Ｒｓ２とが考えられる。
ここで、絶縁抵抗Ｒｓ１の抵抗値は、正常な状態では理想絶縁抵抗値である１ＧΩ以上となるが、吸湿による絶縁抵抗の劣化が進むと絶縁抵抗Ｒｓ１の抵抗値が１００ＭΩや１０ＭΩに低下する。
絶縁抵抗Ｒｓ１が理想絶縁抵抗値である１ＧΩ以上である場合には、絶縁抵抗Ｒｓ１により発生するノイズは図６に示すように、周波数が低い領域では、ノイズ量が多くなるが、１／２π（Ｃｇ（Ｒｇ×Ｒｓ１／（Ｒｇ＋Ｒｓ１）））で表される比較的低い周波数ｆｓを超えると周波数の増加に応じてノイズ量がリニアな特性線で減少して行き、復調回路２２で復調されるキャリア周波数ｆｃでは、ノイズ量が大幅に減少される。
しかしながら、配線パターンを錆びや腐食から防御するために、プリント配線基板３０の全面にレジストを塗布すると、このレジストには若干の吸湿性を持っている。また、シルク印刷を行う場合も若干の吸湿性を持っている。
このため、レジスト塗布領域及びシルク印刷の印刷領域では吸湿性が高いので、時間の経過とともに、絶縁劣化が生じることになる。このように絶縁劣化が生じて、例えば絶縁抵抗Ｒｓ１が１００ＭΩまで減少すると、図６に示すように、低周波数領域でノイズ量は理想絶縁状態に比較して減少するが、ノイズ量の減少が始まる１／２π（Ｃｇ（Ｒｇ×Ｒｓ１／（Ｒｇ＋Ｒｓ１）））で表される周波数ｆｓが理想状態に比較して高くなる。このことから、理想絶縁状態と同じ勾配で周波数の増加に伴ってノイズ量が減少する。このため、絶縁抵抗Ｒｓ１が１００ＭΩである場合には、キャリア周波数ｆｃでのノイズ量は図６に示すように理想状態に比較して増加することになる。
さらに絶縁劣化が進行して、絶縁抵抗Ｒｓ１が１０ＭΩまで減少すると、図６に示すように、キャリア周波数ｆｃでのノイズ量は絶縁抵抗Ｒｓ１が１００ＭΩである場合よりさらに増加する。
このため、復調回路２２で復調されるときの、キャリア周波数での絶縁抵抗Ｒｓ１によるノイズが増加することになり、正確な静電容量を検出できなくなる。
特に、上述したようにＳＯＩ基板２を使用して加速度センサ１を構成した場合には、静電可変容量Ｃｍは１ａＦ〜１００ａＦ程度の微小静電容量であるので、ノイズの影響を受け易い。このため、正確な加速度検出値を得ることが困難となる。
一方、絶縁抵抗Ｒｓ２については、演算増幅器Ｑ２１の非反転入力端子及び反転入力端子間の入力ノイズに対するノイズゲインは１＋（Ｒｇ×Ｒｓ１／（Ｒｇ＋Ｒｓ１））／Ｒｓ２で表される。このため、上述したようにプリント配線基板３０の全面にレジストを塗布するとともに、配線パターン上にシルク印刷を行うと、レジストの塗布領域及びシルク印刷の印刷領域では吸湿性が高いので、時間の経過とともに、絶縁劣化が生じることになる。これにより、絶縁抵抗Ｒｓ２の抵抗値が低下すると、ノイズゲインが増加することになり、結局ノイズが増加する。
しかしながら、本実施形態では、図５に示すように、演算増幅器Ｑ２１の入力側の入力側回路部品を接続したスルーホール３１ｂや接続パッド３２ｂ、３３ｂ及び３４ｂを含む絶縁確保領域Ａｉｓとその周囲が吸湿低減領域Ａ１とされている。この吸湿低減領域Ａ１は、絶縁確保領域Ａｉｓを覆うレジスト塗布領域Ａ１１と、このレジスト塗布領域Ａ１１の周囲を囲む幅狭の帯状分離領域Ａ１２とで構成されている。したがって、レジスト塗布領域Ａ１１は、帯状分離領域Ａ１２によって、その周囲のレジスト塗布領域Ａ１３とは分離独立されている。このため、帯状分離領域Ａ１２では絶縁抵抗が高いので、レジスト塗布領域Ａ１１及びＡ１３を連接するようにレジストを塗布したりシルク印刷を行ったりした場合に比較して、吸湿によるレジスト塗布領域Ａ１１及びＡ１３の領域間の絶縁抵抗の低下を抑えることができる。このため、絶縁抵抗を高い状態で保持することができる。
因みに、このレジスト塗布領域Ａ１１及びＡ１３間の領域間の絶縁抵抗が図３の絶縁抵抗Ｒｓ１及びＲｓ２に相当する。
例えば絶縁抵抗Ｒｓ１についていえば、前述したように理想絶縁抵抗値である１ＧΩ以上に保持する必要があり、このような高抵抗を吸湿に対して保持するためには、レジストやシルク印刷領域より吸湿性の低い帯状分離領域Ａ１２によって、レジスト塗布領域Ａ１１とレジスト塗布領域Ａ１３とを分離独立させることで対応することができる。絶縁抵抗Ｒｓ２についても同様である。
このように、演算増幅器Ｑ２１の入力側の入力側回路部品を接続したスルーホール３１ｂや接続パッド３２ｂ、３３ｂ及び３４ｂを含む絶縁確保領域Ａｉｓを吸湿低減領域Ａ１とすることで、吸湿性を低減することができ、絶縁抵抗Ｒｓ１及びＲｓ２の劣化を抑制することができる。このため、絶縁抵抗劣化によるキャリア周波数ｆｃでのノイズ量の増加を抑制することができるので、長期に亘って静電容量を高精度で検出することができ、信頼性を向上させることができる。
しかも、絶縁確保領域Ａｉｓの表面にはレジストが塗布されて、レジスト塗布領域とされているので、配線パターン３５やスルーホール３１ｂ、パッド部３２ｂ、３３ｂ、３４ｂを絶縁抵抗の低下を抑制しながら錆び等から確実に保護することができる。
次に、本発明の第２の実施形態を図７〜図９を伴って説明する。
この第２の実施形態では、前述した加速度センサ１のＸ方向又はＹ方向の２つの固定電極で、一方の固定電極の静電容量が減少すると他方の固定電極の静電容量が増加する差動構造となっている場合の静電容量検出回路について説明する。
この場合の静電容量検出回路４０は、図７に示すように、加速度センサ１の可動電極４と固定電極５ｘａ又は６ｙａとの間の静電容量Ｃｘａ又はＣｙａを静電可変容量Ｃｓ１として表し、可動電極４と固定電極５ｘｂ又は６ｙｂとの間の静電容量Ｃｘｂ又はＣｙｂを静電可変容量Ｃｓ２として表す。
これら静電可変容量Ｃｓ１及びＣｓ２の一方の電極を前述した第１の実施形態と同様のキャリア信号生成回路２１に接続してキャリア信号を供給する。
また、各静電可変容量Ｃｓ１及びＣｓ２の他方の電極と接地間には、互いに等しい容量のコンデンサＣ２及びＣ３が接続され、コンデンサＣ２には抵抗Ｒ２が並列に接続されている。ここで、コンデンサＣ２は静電可変容量Ｃｓ１に電荷を速やかにチャージさせるために設けられ、コンデンサＣ３は回路の対称性を保つために接続される。一般に、コンデンサＣ２の容量とコンデンサＣ３の容量とは等しい容量に設定する。
そして、静電可変容量Ｃｓ１及びコンデンサＣ２の接続点が差動増幅器構成の演算増幅器Ｑ４１の非反転入力端子に接続され、静電可変容量Ｃｓ２及びコンデンサＣ３の接続点が演算増幅器Ｑ４１の反転入力端子に接続されている。また、演算増幅器Ｑ４１の出力端子は抵抗Ｒ１及びコンデンサＣ４の並列回路を介して反転入力端子にフィードバックされている。ここで、コンデンサＣ４は、演算増幅器Ｑ４１のゲインＡ１を決定し、このゲインＡ１は、
Ａ１＝（Ｃｓ１−Ｃｓ２）／Ｃ４ ……（２）
で表される。抵抗Ｒ１及びＲ２は、演算増幅器Ｑ４１の直流電位を安定させるために使用される。
この演算増幅器Ｑ４１では、静電可変容量Ｃｓ１及びＣｓ２の差分が出力される。このため、加速度センサ１に加えられる加速度が“０”であるときには、重錘７の変位が０となるので、Ｃｓ１＝Ｃｓ２となり、演算増幅器Ｑ４１の出力は零となる。
加速度が“０”でないときには、重錘７が変位することにより、静電可変容量はＣｓ１≠Ｃｓ２となり、その差分が演算増幅器Ｑ４１から出力される。加速度センサ１に加えられる加速度が大きいほどその差が大きくなり、演算増幅器Ｑ４１の出力も大きくなる。
そして、演算増幅器Ｑ４１の出力がキャリア信号生成回路２１のキャリア信号が入力された復調回路４２に供給され、この復調回路４２で演算増幅器Ｑ４１から得られるキャリア信号によって振幅変調された出力信号を復調する。
この復調回路４２から出力される復調信号がローパスフィルタ４３でノイズ除去され、Ａ／Ｄ変換回路４４でデジタル信号に変換されて加速度信号として出力される。
そして、この第２の実施形態でも、加速度センサ１及び静電容量検出回路４０が図４に示すように、プリント配線基板３０に実装されている。
そして、静電可変容量Ｃｓ１と演算増幅器Ｑ４１の非反転入力端子と間の入力回路部の回路パターンは、図８に示すように、加速度センサ１の例えば固定電極５ｘａ又は６ｙａが接続された接続部としての電極接続パッド５１が形成され、この電極接続パッド５１の後方側にコンデンサＣ２の演算増幅器Ｑ４１の非反転入力端子に接続される電極及び接地に接続される電極が個別に接続される接続部としての接続パッド５２ａ及び５２ｂが形成されている。
また、プリント配線基板３０には、接続パッド５２ａ及び５２ｂの左側に抵抗Ｒ２の演算増幅器Ｑ４１の出力端子側及び演算増幅器Ｑ４１の非反転入力端子側が個別に接続される接続部としての接続パッド５３ａ及び５３ｂが形成されている。さらに、プリント配線基板３０には、接続パッド５３ｂの左側に演算増幅器Ｑ４１の非反転入力端子が接続された接続部としての入力側接続パッド５４が形成されている。
そして、電極接続パッド５１、接続パッド５２ｂ、５３ｂ及び入力側接続パッド５４が配線パターン５５で接続されている。
一方、プリント配線基板３０のレジスト塗布パターンは、図８でハッチング図示のように、電極接続パッド５１、接続パッド５２ｂ、５３ｂ及び入力側接続パッド５４を囲む逆Ｌ字状の絶縁確保領域Ａｉｓ２ａを覆うように吸湿低減領域Ａ２ａが形成されている。この吸湿低減領域Ａ２ａは、前述した第１の実施形態と同様に、絶縁確保領域Ａｉｓ２ａの表面にレジストを塗布したレジスト塗布領域Ａ２１ａと、このレジスト塗布領域Ａ２１ａの周囲に形成された幅狭のレジストを塗布しない非レジスト塗布領域とされ、且つシルク印刷を行わないシルク印刷非印刷領域とされた帯状分離領域Ａ２２ａとで構成されている。
この吸湿低減領域Ａ２ａは図７における点線で囲まれた領域Ａ３１に対応している。
また、静電可変容量Ｃｓ２と演算増幅器Ｑ４１の反転入力端子と間の入力回路部の回路パターンは、図９に示すように、加速度センサ１の例えば固定電極５ｘｂ又は６ｙｂが接続された接続部としての電極接続パッド６１が形成され、この電極接続パッド６１の左側にコンデンサＣ３の演算増幅器Ｑ４１の反転入力端子に接続される電極及び接地に接続される電極が個別に接続される接続部としての接続パッド６２ｂ及び６２ａが形成されている。
また、プリント配線基板３０には、接続パッド６２ａ及び６２ｂの後方側にコンデンサＣ５の演算増幅器Ｑ４１の反転入力側端子に接続される電極及び接地に接続される電極が個別に接続される接続部としての接続パッド６３ｂ及び６３ａが形成されている。さらに、プリント配線基板３０には、接続パッド６３ａ及び６３ｂの後方側に演算増幅器Ｑ４１の反転入力端子が接続される接続部としての入力側接続パッド６４が形成されている。
また、プリント配線基板３０には、入力側接続パッド６４の後方側に、コンデンサＣ４の演算増幅器Ｑ４１の出力端子に接続される電極及び演算増幅器の反転入力端子に接続される電極が個別に接続された接続部としての接続パッド６５ａ及び６５ｂが形成されている。さらに、プリント配線基板３０には、接続パッド６５ａ及び６５ｂの後方側に、抵抗Ｒ１の演算増幅器Ｑ４１の出力端子側及び演算増幅器Ｑ４１の反転入力端子側が個別に接続される接続部としての接続パッド６６ａ及び６６ｂが形成されている。
そして、電極接続パッド６１、接続パッド６２ｂ、６３ｂ、入力側接続パッド６４、接続パッド６５ｂ及び６６ｂが配線パターン６７で接続されている。
一方、プリント配線基板３０のレジスト塗布パターンは、図９でハッチング図示のように、電極接続パッド６１、接続パッド６２ｂ、６３ｂ、入力側接続パッド６４、接続パッド６５ｂ及び６６ｂを囲むＬ字状の絶縁確保領域Ａｉｓ２ｂ上にレジストを塗布したレジスト塗布領域Ａ２１ｂと、このレジスト塗布領域Ａ２１ｂを周囲のレジスト塗布領域Ａ２３ｂから分離独立させるレジストを塗布しない非レジスト塗布領域とされ、且つシルク印刷を行わないシルク印刷非印刷領域とされた帯状分離領域Ａ２２ｂとで構成されている。この吸湿低減領域Ａ２ｂは図７における点線で囲まれた領域Ａ３２に対応している。
この第２の実施形態によると、加速度センサ１にＸ方向（又はＹ方向）の加速度が加えられていない状態では、静電可変容量Ｃｓ１及びＣｓ２が等しい値となることから演算増幅器Ｑ４１の出力は零となる。
しかしながら、加速度センサ１にＸ方向右側（又はＹ方向前方側）の加速度が加えられると、静電可変容量Ｃｓ１が加速度零時の値より大きくなり、静電可変容量Ｃｓ２が加速度零時の値より小さくなる。このため、演算増幅器Ｑ４１から正値の差分出力が出力され、これが復調回路４２で復調され、ローパスフィルタ４３でノイズ除去されてからＡ／Ｄ変換回路４４でデジタル値に変換されて、加速度信号が出力される。
逆に、加速度センサ１にＸ方向左側（又はＹ方向後方側）の加速度が加えられると、静電可変容量Ｃｓ１が加速度零時の値より小さくなり、静電可変容量Ｃｓ２が加速度零時の値より大きくなる。このため、演算増幅器Ｑ４１から負値の差分出力が出力され、これが復調回路４２で復調され、ローパスフィルタ４３でノイズ除去されてからＡ／Ｄ変換回路４４でデジタル値に変換されて、加速度信号が出力される。
したがって、静電容量検出回路４０から加速度センサ１に加えられた加速度に応じた高精度な加速度信号を得ることができる。
この第２の実施形態の場合も、加速度センサ１の固定電極５ｘａ又は６ｙａと演算増幅器Ｑ４１の非反転入力端子との間に接続される各接続パッド５１、５２ｂ、５３ｂ、５４を含む絶縁確保領域Ａｉｓ２ａを囲む吸湿低減領域Ａ２ａが形成されている。また、加速度センサ１の固定電極５ｘｂ又は６ｙｂと演算増幅器Ｑ４１の反転入力端子との間に接続される各接続パッド６１、６２ｂ、６３ｂ、６４、６５ｂ及び６６ｂを含む絶縁確保領域Ａｉｓ２ｂを囲む吸湿低減領域Ａ２ｂが形成されている。
これら吸湿低減領域Ａ２ａ及びＡ２ｂでは、帯状分離領域Ａ２２ａ及びＡ２２ｂがレジスト非塗布領域であり、シルク印刷非印刷領域であるので、レジスト塗布領域Ａ２１ａ及びＡ２１ｂを周囲のレジスト塗布領域Ａ２３ａ及びＡ２３ｂから分離独立させることができる。
したがって、絶縁抵抗Ｒｓ１及びＲｓ２の劣化を抑制することができる。このため、絶縁抵抗劣化によるキャリア周波数ｆｃでのノイズ量の増加を抑制することができるので、長期に亘って静電容量を高精度で検出することができ、信頼性を向上させることができる。
この第２の実施形態においても、絶縁確保領域Ａｉｓ２ａ及びＡｉｓ２ｂがレジスト塗布領域Ａ２１ａ及びＡ２１ｂによって覆われているので、絶縁抵抗の低下を抑制しながらパッド部の錆び等を防止することができる。
なお、上記第１及び第２の実施形態では、吸湿低減領域Ａ１、Ａ２ａ及びＡ２ｂをレジスト塗布領域Ａ１１、Ａ２１ａ及びＡ２１ｂと、帯状分離領域Ａ１２、Ａ２２ａ及びＡ２２ｂとで構成する場合について説明した。しかしながら、本願発明では、上記構成に限定されるものではなく、図１０、図１１及び図１２に示すように、レジスト塗布領域Ａ１１、Ａ２１ａ及びＡ２１ｂと帯状分離領域Ａ１２、Ａ２２ａ及びＡ２２ｂとを省略し、これらに代えて、絶縁確保領域Ａｉｓ、Ａｉｓ２ａ及びＡｉｓ２ｂの全てを、レジストを塗布しないレジスト非塗布領域とし、且つスクリーン印刷を行わないスクリーン印刷非印刷領域とする吸湿低減領域Ａ３、Ａ４ａ及びＡ４ｂとするようにしてもよい。この場合でも、絶縁確保領域Ａｉｓ、Ａｉｓ２ａ及びＡｉｓ２ｂの全てが吸湿低減領域Ａ３、Ａ４ａ及びＡ４ｂとされているので、吸湿による絶縁抵抗の低下を確実に抑制することができる。絶縁抵抗Ｒｓ１及びＲｓ２の劣化を抑制することができる。このため、絶縁抵抗劣化によるキャリア周波数ｆｃでのノイズ量の増加を抑制することができるので、長期に亘って静電容量を高精度で検出することができ、信頼性を向上させることができる。
また、上記第１及び第２の実施形態において、静電容量検出回路２０及び４０を適用した場合について説明したが、静電容量検出回路としては２０及び４０の構成に限定されるものではなく、微小静電容量を検出できれば上記構成以外の構成を適用することができる。
さらに、上記第１及び第２の実施形態においては、物理量センサとして加速度センサに本発明を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ジャイロセンサ、変位センサ、圧力センサ等の静電容量を検出して物理量を検出する各種センサに本発明を適用することができる。
また、上記第１及び第２の実施形態においては、バイアス電圧生成回路としてキャリア信号生成回路２１を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、モータの振動測定装置などの物理量としての振動を測定する振動測定装置にも適用することができる。この振動測定装置では、前述した第１の実施形態における図１（ａ）及び（ｂ）に示す加速度センサと同一構成を有する振動センサを使用し、この振動センサの可動端子及びＺ軸方向端子間の静電容量変化を図１３に示す静電容量検出回路７０で検出する。
この静電容量検出回路７０は、前述した第１の実施形態における図２の構成において、キャリア信号生成回路２１に代えて直流バイアス電圧を発生する直流バイアス電圧生成回路７１を適用し、且つ復調回路４２を省略して演算増幅器Ｑ２１の出力端子を直接ローパスフィルタ２３に接続している。この直流バイアス電圧生成回路７１は、静電可変容量Ｃｍを構成する可動電極４とＺ軸用固定電極９の演算増幅器Ｑ２１の反転入力側に接続された電極とは反対側の電極に接続されている。その他の構成は、前述した第１の実施形態と同様の構成を有し、図２との対応部分には、同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。
この場合には、振動センサをモータ等の測定対称となる振動源に設置することにより、測定対象となる振動源からの振動が振動センサに入力される。このため、振動を測定する際には、測定対象となる振動源からの振動によって、可動電極４及びＺ軸用固定電極９間の静電容量が変化することになる。
このため、測定対象となる振動源の測定振動周波数と絶縁抵抗Ｒｓ１により発生するノイズとの関係は、図１４に示すように、前述した第１の実施形態における図６に示すキャリア信号の周波数と絶縁抵抗Ｒｓ１により発生するノイズとの関係と同じ特性となる。
このため、測定対象となる振動の周波数すなわち測定周波数範囲が図１４において一点鎖線で示す高周波数帯域である場合には、絶縁抵抗Ｒｓ１の低下によって、ノイズが上昇することになる。
この場合の高周波数帯域は、１／２π（Ｃｇ（Ｒｇ×Ｒｓ１／（Ｒｇ＋Ｒｓ１）））で表される比較的低い周波数ｆｓで規定される、特性線のノイズが減少開始する周波数より高くなければならない。そのため、絶縁抵抗Ｒｓ１が減少すると、（１）測定範囲のノイズが上昇する、（２）測定範囲の最小周波数をｆｍｉｎとすると、ｆｍｉｎ＜ｆｓとなった場合、ｆｍｉｎからｆｓの間の周波数帯域は測定不能となる、という２つの問題が発生する。
このため、第１の実施形態と同様に、図１３における点線で囲まれる領域に対応する図５（ｂ）におけるプリント基板３０のスルーホール３１ｂ、接続パッド３２ｂ、３３ｂ、３４ｂを囲む逆Ｌ字状の領域を絶縁確保領域Ａｉｓとしたときに、この絶縁確保領域Ａｉｓ及びその周囲を囲むように吸湿低減領域Ａ１を形成する。この吸湿低減領域Ａ１を、図５（ｂ）に示すように、絶縁確保領域Ａｉｓを覆うようにレジストを塗布したレジスト塗布領域Ａ１１と、このレジスト塗布領域Ａ１１を囲む幅狭のレジストを塗布しない非レジスト塗布領域とされ、且つシルク印刷を行わないシルク印刷非印刷領域とされた帯状分離領域Ａ１２とで構成する。
このように絶縁確保領域Ａｉｓを囲むように吸湿低減領域Ａ１を形成することにより、絶縁確保領域Ａｉｓの絶縁抵抗の吸湿による低下を抑制することができ、絶縁抵抗劣化による測定周波数範囲におけるノイズ量の増加を抑制することができるので、長期に亘って静電容量を高精度で検出することができ、信頼性を向上させることができる。
しかも、絶縁確保領域Ａｉｓの表面にはレジストが塗布されて、レジスト塗布領域とされているので、配線パターン３５やスルーホール３１ｂ、パッド部３２ｂ、３３ｂ、３４ｂを絶縁抵抗の低下を抑制しながら錆び等から確実に保護することができる。
この場合にも、前述した図１１に示すように、絶縁確保領域Ａｉｓの全てをレジスト非塗布領域とし、且つスクリーン印刷非印刷領域となる吸湿低減領域とすることもできる。
同様に、図１の構成を有する振動センサでＸＹ方向の振動を検出する場合には、図１５に示すように、前述した第２の実施形態における図７のキャリア信号生成回路２１を直流バイアス電圧生成回路７１に置換し、且つ復調回路４２を省略して、演算増幅器Ｑ４１の出力端子を直接ローパスフィルタ４３に接続するようにした静電容量検出回路８０を適用すればよい。その他の構成は、前述した第２の実施形態と同様の構成を有し、図７との対応部分には、同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。
この場合には、振動センサをモータ等の測定対象となる振動源に設置することにより、測定対象となる振動源からの振動が振動センサに入力される。このため、振動を測定する際には、測定対象となる振動源からの振動によって、可動電極４とＸＹ軸用固定電極５ｘａ，５ｘｂ及び６ｙａ，６ｙｂ間の静電容量が変化することになる。
このため、前述した第２の実施形態と同様に、図１５における点線で囲まれる領域Ａ５１に対応する図８におけるプリント基板３０の電極接続パッド５１、接続パッド５２ｂ、５３ｂ及び入力側接続パッド５４を囲む逆Ｌ字状の絶縁確保領域Ａｉｓ２ａを覆うように吸湿低減領域Ａ２ａが形成されている。
また、図１５における点線で囲まれる領域Ａ５２に対応する図９における電極接続パッド６１、接続パッド６２ｂ、６３ｂ、入力側接続パッド６４、接続パッド６５ｂ、６６ｂを囲むＬ字状の絶縁確保領域Ａｉｓ２ｂを覆うように吸湿低減領域Ａ２ｂが形成されている。
このように絶縁確保領域Ａｉｓ２ａ及びＡｉｓ２ｂを囲むように吸湿低減領域Ａ２ａ及びＡ２ｂを形成することにより、絶縁確保領域Ａｉｓ２ａ及びＡｉｓ２ｂの絶縁抵抗の吸湿による低下を抑制することができ、絶縁抵抗劣化による測定周波数範囲におけるノイズ量の増加を抑制することができるので、長期に亘って静電容量を高精度で検出することができ、信頼性を向上させることができる。
しかも、絶縁確保領域Ａｉｓ２ａ及びＡｉｓ２ｂがレジスト塗布領域Ａ２１ａ及びＡ２１ｂによって覆われているので、絶縁抵抗の低下を抑制しながらパッド部の錆び等を防止することができる。
この場合にも、前述した図１１及び図１２に示すように、絶縁確保領域Ａｉｓ２ａ及びＡｉｓ２ｂの全てをレジスト非塗布領域とし、且つスクリーン印刷非印刷領域となる吸湿低減領域とすることもできる。
本発明によれば、簡易な構造で吸湿による絶縁抵抗の低下を防止してノイズの増大を防ぐことのできる静電容量検出回路を提供することができる。
１…加速度センサ、３…バネ材、４…可動電極、５ｘａ，５ｘｂ…Ｘ軸用固定電極、６ｙａ，６ｙｂ…Ｙ軸用固定電極、７…重錘、９…Ｚ軸用固定電極、２０…静電容量検出回路、２１…キャリア信号生成回路、Ｃｍ…静電可変容量、Ｃｇ…コンデンサ、Ｒｇ…抵抗、Ｑ２１…演算増幅器、２２…復調回路、２３…ローパスフィルタ、２４…Ａ／Ｄ変換回路、３０…プリント配線基板、Ａ１…吸湿低減領域、４０…静電容量検出回路、Ｃｓ１，Ｃｓ２…静電可変容量、Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５…コンデンサ、Ｒ１，Ｒ２…抵抗、Ｑ４１…演算増幅器、４２…復調回路、４３…ローパスフィルタ、４４…Ａ／Ｄ変換回路、Ａ２ａ及びＡ２ｂ…吸湿低減領域、７０…静電容量検出回路、７１…直流バイアス電圧生成回路、８０…静電容量検出回路

Claims (8)

  1. 物理量変化に応じた静電容量変化を生じる可動電極及び固定電極を備えた物理量センサの前記可動電極及び固定電極間の微小静電容量を検出する静電容量検出回路であって、
    前記可動電極及び固定電極の一方に供給するバイアス電圧を生成するバイアス電圧生成回路と、前記可動電極及び固定電極の他方が一方の入力端子に入力され、他方の入力端子が接地された演算増幅器と、前記物理量センサ、前記バイアス電圧生成回路、及び前記演算増幅器が実装されるプリント配線基板とを少なくとも備え、
    少なくとも前記物理量センサの電極接続部及び前記演算増幅器の入力側接続部と、前記電極接続部及び前記入力側接続部間に接続される入力側回路部品の接続部のうち前記演算増幅器の入力側に接続される接続部とを含む前記プリント配線基板上の絶縁確保領域と該絶縁確保領域周囲のレジスト塗布領域との間に、吸湿低減領域を設け、該吸湿低減領域には、レジストを塗布せず、且つ、シルク印刷を行わないことを特徴とする静電容量検出回路。
  2. 前記入力側回路部品は、前記演算増幅器の出力端子と一方の入力端子との間に接続されたコンデンサ及び抵抗であることを特徴とする請求項１に記載の静電容量検出回路。
  3. 物理量変化に応じた静電容量変化を生じる可動電極及び固定電極でそれぞれ構成される電極部を一対備えた差動構造の物理量センサの前記一対の電極部の一対の微小静電容量を検出する静電容量検出回路であって、
    前記一対の電極部それぞれの可動電極及び固定電極の一方に供給するバイアス電圧を生成するバイアス電圧生成回路と、前記一対の電極部それぞれの可動電極及び固定電極の他方が入力端子に入力されて前記一対の微小静電容量の間の差分を増幅する演算増幅器と、前記物理量センサ、前記バイアス電圧生成回路及び前記演算増幅器を実装するプリント配線基板とを少なくとも備え、
    前記一対の電極部それぞれの前記演算増幅器に接続される一対の電極接続部と、前記演算増幅器の入力側接続部と、前記電極接続部及び前記入力側接続部間に接続された入力側回路部品の接続部のうち前記演算増幅器の入力側接続部に接続される接続部とを含む前記プリント配線基板上の絶縁確保領域と該絶縁確保領域周囲のレジスト塗布領域との間に、吸湿低減領域を設け、該吸湿低減領域には、レジストを塗布せず、且つ、シルク印刷を行わないことを特徴とする静電容量検出回路。
  4. 前記入力側回路部品は、前記一対の電極部の一方及び前記演算増幅器の一方の入力端子の接続点と接地との間に接続された第１のコンデンサ及び第１の抵抗の並列回路と、前記一対の電極部の他方及び前記演算増幅器の他方の入力端子の接続点と接地との間に接続された第２のコンデンサと、前記演算増幅器の出力端子及び他方の入力端子間に接続された第３のコンデンサ及び第２の抵抗の並列回路であることを特徴とする請求項３に記載の静電容量検出回路。
  5. 前記絶縁確保領域には、レジストが塗布されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の静電容量検出回路。
  6. 前記絶縁確保領域には、レジストを塗布せず、且つ、シルク印刷を行わないことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の静電容量検出回路。
  7. 前記バイアス電圧生成回路は、正弦波、方形波等の交流波形のキャリア信号を生成するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の静電容量検出回路。
  8. 前記バイアス電圧生成回路は、直流バイアス電圧を生成するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の静電容量検出回路。
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