JP5751341B2 - 静電容量検出回路 - Google Patents
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Description
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、ノイズを低減して微小な静電容量を正確に検出することが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。
また、本発明に係る静電容量検出回路は、前記演算増幅器の出力側に接続された前記キャリア信号生成回路のキャリア信号が入力された復調回路と、該復調回路の復調出力を平滑化するローパスフィルタと、該ローパスフィルタのフィルタ出力をデジタル信号に変換するA/D変換回路とをさらに備えている。そして、前記キャリア信号調整回路により、前記A/D変換回路の零点オフセットを調整可能に構成されている。
また、本発明に係る静電容量検出回路は、前記演算増幅器が、反転入力端子に前記一対の電極部の一方の端子と前記ダミー容量及びキャリア信号調整回路の直列回路とが並列に接続され、前記演算増幅器の非反転入力側が接地されることによって反転入力端子がイマジナルショートされている。
さらに、演算増幅器の出力を復調回路で復調し、復調出力をローパスフィルタによってノイズ除去してからA/D変換する場合に、前記キャリア信号調整回路で、A/D変換回路の零点オフセットを調整することができ、A/D変換回路のSN比を向上させることができる。
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。
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。
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。
すなわち、静電容量Cxa又はCyaを静電可変容量Cs1として表し、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。
A1=(Cs1−Cs2)/C4 ……(1)
で表される。抵抗R1及びR2は、差動増幅器Q21の直流電位を安定させるために使用される。
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Cs1≠Cs2となり、その差分が差動増幅器Q21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、差動増幅器Q21の出力も大きくなる。
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。
ここで、キャリア信号調整回路31は、演算増幅器Q32を有し、この演算増幅器Q32の反転入力端子が抵抗R4を介してキャリア信号生成回路21に接続され、非反転入力端子が接地され、さらに出力側が抵抗R3を介して反転入力端子に接続されて負帰還回路が形成されている。
すなわち、抵抗R4に加えられる電圧をVinとし、演算増幅器Q32の出力電圧をVoutとし、抵抗R4を通じて入力される入力電流をIr1とすると、この入力電流Ir1は
Ir1≒Vin/R4 ……(2)
となる。
Ir2=Ir1≒Vin/R4 ……(3)
となる。
このため、帰還抵抗R3の端子間電圧Vr3は、
Vr3=Ir2・R3≒(Vin/R4)R3 ……(4)
となる。
Vout≒−Vr3≒−(R3/R4)Vin ……(5)
となる。
したがって、演算増幅器Q32のゲインA2は
A2=Vout/Vin=−R3/R4 ……(6)
となり、演算増幅器Q32はゲインA2の反転増幅器となる。
このため、ダミー容量Cdから出力されるキャリア信号と静電可変容量Csから出力されるキャリア信号とを加算することにより、差分容量(=Cs−Cd)が得られ、これが演算増幅器Q31の反転入力端子に入力される。
したがって、加速度センサ1の重錘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Q31の反転入力側に入力される入力信号レベルは零となり、A/D変換回路34から出力される加速度信号も零となる。
この場合、加速度センサ1は、センサ梁構造の設計の難しさにより、一般に梁のZ方向のバネ定数はX,Y方向に比べて大きくなる。これは梁の上面から見た幅は細くできるが、断面から見た厚さは、重錘全体の強度を保つために前記幅ほどは薄くできないからである。一般に振動方向に対し垂直方向の梁の幅はバネ定数に対して1乗で関連するが、振動方向に対し同一方向の梁の厚みは3乗で関連する。したがって、断面から見た厚さ方向の振動(すなわちZ軸)に対するバネ定数はX,Y軸と比べて大きくなる。
ΔCs/Cs<ΔCs1/Cs1 …………(7)
となる。
(Cs1+C2)/C4 ∝ Cs1/ΔCs1 ……(8)
(Cs+C2)/C4 ∝ Cs/ΔCs ……(9)
となる。したがって、(7)式より、(8)<(9)となり、X,Y軸に比べてZ軸のノイズゲインが大きくなり、ひいては加速度のZ軸出力ノイズが大きくなってしまうという課題がある。
すなわち、ダミー容量Cdは、
Cd=Cs/A2 ……(10)
と設定することができ、A2>Cs/C2と設計すれば、
Cd=Cs/A2<Cs/(Cs/C2)=C2 ……(11)
となる。これにより、本実施形態によるZ軸ノイズゲインGn1は、
Gn1=(Cs+Cd)/C4 ……(12)
となる。この結果、本実施形態によるZ軸ノイズゲインGn1は、図4による前述した(9)式で表されるノイズゲインGn3より小さくなる。また、演算増幅器Q32のゲインA2をさらに大きくすれば、本実施形態による上記(12)式で表されるZ軸ノイズゲインを前述した(8)式で表されるX,Y軸のノイズゲインGn2と等しく設定することができる。
Vo×Cs/(Cs+C2)<Vi ……(13)
を満たす必要があり、このためには容量C2を大きくする必要がある。
しかしながら、本実施形態によると、演算増幅器Q31でも非反転入力端子が接地されているので、反転入力端子も接地にイマジナリ・ショートされる。このため、演算増幅器Q31の入力信号レベルは、線形動作範囲Vi内に保持される。演算増幅器Q31の線形動作範囲が小さくても、確実に範囲内に保持される。したがって、前記(13)式のような縛りによりダミー容量Cd(図4のC2は図3のダミー容量Cdに相当する)を大きくする必要はなく、ノイズゲインが大きくなることはない。
また、キャリア信号調整回路31で、演算増幅器Q32を、非反転入力端子を接地するとともに、負帰還回路を形成することにより、イマジナリ・ショート構成としたので、演算増幅器Q32をゲインA2=R3/R4の反転増幅器とすることができ、このゲインA2を調整することにより、ダミー容量Cdを小さい値に設定することができる。このため、Z軸方向のノイズゲインGn1を小さくして、高精度の静電容量検出を行うことができる。
すなわち、A/D変換回路34の入力電圧範囲をVrangeとし、A/D変換回路34のノイズをNadcとし、A/D変換回路34の零点オフセットをZofとしたときに、A/D変換回路34のSN比は(Vrange−Zof)/Nadcで表される。
また、図5では、キャリア信号調整回路31のゲインA2を調整してダミー容量Cdと静電容量Csとの容量差を微調整する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、図6に示すように、ダミー容量Cdと並列に可変容量Cvrを接続してダミー容量Cdと可変容量Cvrとの合成容量を調整するようにしても上記図5と同様の作用効果を得ることができる。
Claims (5)
- 物理量変化に応じた静電容量変化を生じる一対の電極部を備えた物理量センサの前記一対の電極部間の静電容量変化を検出する静電容量検出回路であって、
前記一対の電極部の一方に接続されてキャリア信号を供給するキャリア信号生成回路と、
前記一対の電極部の他方に反転入力端子が接続された演算増幅器と、
前記一対の電極部と並列に接続されたダミー容量と、
前記ダミー容量に対するキャリア信号生成回路からのキャリア信号に対して、位相を反転するとともに、ゲインを調整してダミー容量を
抑制するキャリア信号調整回路と、
を備えたことを特徴とする静電容量検出回路。 - 前記キャリア信号調整回路は、反転入力端子が第1の抵抗を介して前記キャリア信号生成回路に接続され、非反転入力端子が接地され、出力側が第2の抵抗を介して前記反転入力端子にフィードバックされる反転増幅器で構成されてい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。
- 前記キャリア信号生成回路のキャリア信号が入力され、前記演算増幅器の出力側に接続された復調回路と、該復調回路の復調出力を平滑化するローパスフィルタと、該ローパスフィルタのフィルタ出力をデジタル信号に変換するA/D変換回路とをさらに備え、
前記キャリア信号調整回路により、前記A/D変換回路の零点オフセットを調整可能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。 - 前記ダミー容量は、前記演算増幅器を実装したプリント配線基板上に形成されていることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の静電容量検出回路。
- 前記演算増幅器は、反転入力端子に前記一対の電極部の一方の端子と前記ダミー容量及びキャリア信号調整回路の直列回路とが並列に接続され、前記演算増幅器の非反転入力側が接地されることによって反転入力端子がイマジナルショート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。
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