JPH07243863A - Capacity-type sensor - Google Patents
Capacity-type sensorInfo
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- JPH07243863A JPH07243863A JP6056764A JP5676494A JPH07243863A JP H07243863 A JPH07243863 A JP H07243863A JP 6056764 A JP6056764 A JP 6056764A JP 5676494 A JP5676494 A JP 5676494A JP H07243863 A JPH07243863 A JP H07243863A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、静電容量の変化を利用
して圧力、変位、流量、湿度、加速度等を検出する容量
型センサに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a capacitive sensor for detecting pressure, displacement, flow rate, humidity, acceleration, etc. by utilizing changes in electrostatic capacity.
【０００２】[0002]
【従来の技術】静電容量の変化を利用する容量型センサ
として、例えば、乗用車のナビゲーションシステム等に
用いられる加速度センサがあり、図３には、ナビゲーシ
ョンシステム機器等に装着される容量型加速度センサの
一般的な構造が示されている。この加速度センサは特開
平４−１３０２７７号公報に開示されているもので、基
板17a ，17b 間には、センサ基台18が、その固定部1
4a ，14b の上部と下部をこの基板17a と17b に固定し
て配設されている。固定部14a と14b との間には、可動
電極部１が両側より梁16a ，16b にて連結支持されて配
設されている。可動電極部１には、第１の電極12と第２
の電極13が配設されており、可動電極部１の第１の電極
12側と第２の電極13側に対向する基板17a ，17b の面に
はそれぞれ固定電極２と３が配設されている。2. Description of the Related Art As a capacitive sensor that utilizes a change in electrostatic capacity, for example, there is an acceleration sensor used in a navigation system of a passenger car. FIG. 3 shows a capacitive acceleration sensor mounted in a navigation system device or the like. The general structure of is shown. The acceleration sensor is that which is disclosed in JP-A-4-130277, it is between the substrates 17 a, 17 b, the sensor base 18, the fixing unit 1
The 4 a, 14 top and bottom of b is fixed to the substrate 17 a and 17 b are disposed. Between the fixed portion 14 a and 14 b may be connected to and supported is arranged at the movable electrode portion first beam 16 from both sides is a, 16 b. The movable electrode part 1 includes a first electrode 12 and a second electrode.
Electrode 13 of the movable electrode part 1 is provided.
Fixed electrodes 2 and 3 are provided on the surfaces of the substrates 17 a and 17 b facing the 12 side and the second electrode 13 side, respectively.
【０００３】このような加速度センサを装着した機器等
が図示のＺ軸方向に移動すると、質量部としての可動電
極部１が上下に変位し、各固定電極２と可動電極部１の
第１の電極12間の静電容量および固定電極３と可動電極
部１の第２の電極13間の静電容量が変化し、加速度セン
サは、これらの静電容量の変化をＺ軸方向の加速度の検
出記号として出力する。When a device or the like equipped with such an acceleration sensor moves in the Z-axis direction shown in the figure, the movable electrode portion 1 as a mass portion is vertically displaced, and the fixed electrodes 2 and the movable electrode portion 1 are moved to the first position. The capacitance between the electrodes 12 and the capacitance between the fixed electrode 3 and the second electrode 13 of the movable electrode unit 1 change, and the acceleration sensor detects the change in these capacitances in the Z-axis direction. Output as a symbol.
【０００４】図４には、上記加速度センサの回路図が示
されている。同図において、可動電極部１の第１の電極
12と固定電極２によって形成される第１のコンデンサ６
と、可動電極部１の第２の電極13と固定電極３によって
形成される第２のコンデンサ７により容量検出部として
機能する信号源４が形成されており、信号源４の出力側
にはスイッチ素子φ2 と第３のコンデンサ８とオペアン
プＡ1 により形成されるスイッチトキャパシタ回路５が
接続されており、オペアンプＡ1 の反転入力端子が信号
源４の出力側と接続されると共に、オペアンプＡ1 の出
力端と反転入力端子間には第３のコンデンサ８とスイッ
チ素子φ2 がそれぞれ並列に接続されており、オペアン
プＡ1 の非反転入力端子はグランド側に接続されてい
る。FIG. 4 shows a circuit diagram of the acceleration sensor. In the figure, the first electrode of the movable electrode unit 1
First capacitor 6 formed by 12 and fixed electrode 2
And a second capacitor 7 formed by the second electrode 13 of the movable electrode unit 1 and the fixed electrode 3 forms a signal source 4 that functions as a capacitance detection unit, and a switch is provided on the output side of the signal source 4. element phi 2 and is connected to the switched capacitor circuit 5 formed by the third capacitor 8 and the operational amplifier a 1, together with the inverting input terminal of the operational amplifier a 1 is connected to the output side of the signal source 4, an operational amplifier a 1 A third capacitor 8 and a switch element φ 2 are connected in parallel between the output terminal of the AMP and the inverting input terminal, and the non-inverting input terminal of the operational amplifier A 1 is connected to the ground side.
【０００５】信号源４の第１、第２のコンデンサ６，７
の入力側には、それぞれ、スイッチ素子φ2 を介して電
源が接続され、コンデンサ６には＋Ｖm が、コンデンサ
７には−Ｖm なる直流電圧が印加されるようになってい
ると共に、第１、第２のコンデンサ６，７の入力側はス
イッチ素子φ1 を介してグランド側に接続され、スイッ
チ素子φ1 がオンのときは接地されるようになってい
る。なお、スイッチ素子φ1 ，φ2 には、図示されてい
ないスイッチ制御回路が接続されており、スイッチ素子
φ1 ，φ2 は、そのスイッチ制御回路によりスイッチ駆
動制御が行われてオンオフするようになっている。The first and second capacitors 6 and 7 of the signal source 4
A power source is connected to each of the input sides via a switching element φ 2 , a DC voltage of + V m is applied to the capacitor 6, and a DC voltage of −V m is applied to the capacitor 7. The input sides of the first and second capacitors 6 and 7 are connected to the ground side via the switch element φ 1, and are grounded when the switch element φ 1 is on. The switch element phi 1, the phi 2, the switch control circuit (not shown) is connected, the switch elements phi 1, phi 2, as the switch drive control is performed off by the switch control circuit Has become.
【０００６】図５の（ａ），（ｂ）には、それぞれ、図
４の回路のスイッチφ1 ，φ2 の開閉動作のタイミング
チャートが示されている。図５に示すように、上記回路
はスイッチ素子φ1 とφ2 の開閉を交互に切り替えて動
作するようになっており、スイッチφ1 をオフし、スイ
ッチφ2 をオンすると、電源から第１、第２のコンデン
サ６，７にそれぞれ電圧＋Ｖm ，−Ｖm が印加され、信
号源４の第１、第２のコンデンサ６，７に電荷が生じ
る。FIGS. 5A and 5B are timing charts of opening / closing operations of the switches φ 1 and φ 2 of the circuit of FIG. 4, respectively. As shown in FIG. 5, the above circuit operates by alternately switching the switching elements φ 1 and φ 2 between open and closed. When the switch φ 1 is turned off and the switch φ 2 is turned on, the first , + V m and -V m are applied to the second and sixth capacitors 6 and 7, respectively, and charges are generated in the first and second capacitors 6 and 7 of the signal source 4.
【０００７】そして、次に、スイッチφ2 をオフし、ス
イッチφ1 をオンすると、上記第１、第２のコンデンサ
６，７に生じた電荷が第３のコンデンサ８側に移動し、
スイッチトキャパシタ回路５により容量−電圧変換が行
われて第１、第２のコンデンサ６，７で検出される容量
の差に対応する電圧信号に変換し、オペアンプＡ1 の出
力側からは、理想的には次式（１）に示す電圧Ｖ0 が出
力されることになる。Then, when the switch φ 2 is turned off and the switch φ 1 is turned on, the charges generated in the first and second capacitors 6 and 7 move to the third capacitor 8 side,
Capacitance-voltage conversion is performed by the switched capacitor circuit 5 and converted into a voltage signal corresponding to the difference between the capacities detected by the first and second capacitors 6 and 7, and an ideal voltage is output from the output side of the operational amplifier A 1. The voltage V 0 shown in the following equation (1) is output to the.
【０００８】 Ｖ0 ＝｛（Ｃ1 −Ｃ2 ）／Ｃi ｝・Ｖm ・・・・・（１）V 0 = {(C 1 −C 2 ) / C i } · V m (1)
【０００９】なお、式（１）において、Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ
i は、それぞれ、第１、第２、第３のコンデンサ６，
７，８の静電容量を示しており、例えば、加速度センサ
が加速度を受けて図３の可動電極部１が図のＺ方向に変
位したときに、静電容量Ｃ1 は第１の電極12と固定電極
２間の距離に対応して変化し、Ｃ2 は第２の電極13と固
定電極３間の距離に対応して変化するものであり、この
ように、加速度を受けると静電容量Ｃ1 ，Ｃ2 に容量差
が生じることになり、この容量差に対応する電圧が前記
式（１）に示す電圧Ｖ0 値に変換されて出力されるので
ある。In the equation (1), C 1 , C 2 , C
i is the first, second and third capacitors 6 and 6, respectively.
7 and 8 show capacitances, for example, when the acceleration sensor receives acceleration and the movable electrode portion 1 in FIG. 3 is displaced in the Z direction in the figure, the capacitance C 1 is the first electrode 12 C 2 changes according to the distance between the fixed electrode 2 and the fixed electrode 2, and C 2 changes according to the distance between the second electrode 13 and the fixed electrode 3. A capacitance difference occurs between C 1 and C 2, and the voltage corresponding to this capacitance difference is converted into the voltage V 0 value shown in the above equation (1) and output.
【００１０】したがって、上記回路のスイッチ素子
φ1 ，φ2 のオンオフ動作を前記と同様に繰り返し、ス
イッチ素子φ2 をオフする毎に電圧Ｖ0 を検出すれば、
第１、第２のコンデンサ６，７の静電容量Ｃ1 ，Ｃ2 の
変化に伴う電圧Ｖ0 の違いを検出することができるよう
になり、それにより、図４のＺ軸方向の加速度およびそ
の変化の検出が可能となるのである。Therefore, if the ON / OFF operation of the switch elements φ 1 and φ 2 of the above circuit is repeated in the same manner as described above and the voltage V 0 is detected every time the switch element φ 2 is turned off,
It becomes possible to detect the difference in the voltage V 0 due to the changes in the electrostatic capacitances C 1 and C 2 of the first and second capacitors 6 and 7, and thereby to detect the acceleration in the Z-axis direction in FIG. The change can be detected.
【００１１】[0011]
【発明が解決しようとする課題】ところで、図６には、
スイッチトキャパシタ回路５のスイッチ素子φ1 がオ
ン、φ2 がオフしたときの等価回路が示してあるが、同
図に示すように、スイッチ素子φ2 をオフすると、この
とき、スイッチ素子φ2 にオフ抵抗Ｒoff が生じ、オペ
アンプＡ1 の帰還経路に漏れ電流（バイアス電流）ＩL
が流れ、第３のコンデンサ８にはインピーダンスＺCiが
生じるために、オペアンプＡ1 の出力側に次式（２）に
示されるように、コンデンサ６，７の静電容量Ｃ1 ，Ｃ
2 には無関係なオフセット電圧ＶOSが発生する。By the way, in FIG.
An equivalent circuit is shown when the switch element φ 1 of the switched capacitor circuit 5 is turned on and the switch element φ 2 is turned off. As shown in the figure, when the switch element φ 2 is turned off, the switch element φ 2 becomes occur off-resistance R off, leakage in the feedback path of the operational amplifier a 1 current (bias current) I L
And an impedance Z Ci is generated in the third capacitor 8, so that the capacitances C 1 and C of the capacitors 6 and 7 are provided on the output side of the operational amplifier A 1 as shown in the following equation (2).
An offset voltage V OS that is independent of 2 is generated.
【００１２】 ＶOS＝ＩL ・｛（Ｒoff ・ＺCi）／（Ｒoff ＋ＺCi）｝・・・・・（２）V OS = I L · {(R off · Z Ci ) / (R off + Z Ci )} (2)
【００１３】したがって、オペアンプＡ1 の出力側で
は、前記第１、第２のコンデンサ６，７の静電容量変化
に伴い変化する電圧Ｖ0 にオフセット電圧ＶOSが上乗せ
されて出力されることとなり、実際には、次式（３）に
示す出力電圧ＶOUT が出力されることとなる。Therefore, on the output side of the operational amplifier A 1 , the offset voltage V OS is added to the voltage V 0 which changes in accordance with the change in capacitance of the first and second capacitors 6 and 7 and is output. Actually, the output voltage V OUT shown in the following equation (3) is output.
【００１４】 ＶOUT ＝Ｖ0 ＋ＶOS ＝｛（Ｃ1 −Ｃ2 ）／Ｃi ｝・Ｖm ＋ＩL ・｛（Ｒoff ・ＺCi）／ （Ｒoff ＋ＺCi）｝・・・・・（３）V OUT = V 0 + V OS = {(C 1 -C 2 ) / C i } · V m + I L · {(R off · Z Ci ) / (R off + Z Ci )} (3)
【００１５】そして、一般に、スイッチ素子のオフセッ
ト抵抗Ｒoff は極めて大きく、しかも、第３のコンデン
サ８のインピーダンスＺCiは次式（４）で示されるもの
であり、コンデンサ８に流れる電流ＩL の周波数ｆが低
周波であるために、インピーダンスＺCiも非常に大きな
値となり、したがって、たとえ、漏れ電流ＩL が小さな
値だとしても、上記オフセット電圧ＶOSの値は非常に大
きな値となってしまう。In general, the offset resistance R off of the switching element is extremely large, and the impedance Z Ci of the third capacitor 8 is given by the following equation (4), and the current I L flowing through the capacitor 8 is Since the frequency f is a low frequency, the impedance Z Ci also has a very large value. Therefore, even if the leakage current I L has a small value, the offset voltage V OS has a very large value. I will end up.
【００１６】 ＺCi＝１／（２π・ｆ・Ｃi ）・・・・・（４）Z Ci = 1 / (2π · f · C i ) (4)
【００１７】そのため、オペアンプＡ1 の出力側の出力
電圧ＶOUT に占めるオフセット電圧ＶOSの割合が大きく
なってしまい、しかも、漏れ電流ＩL 等は時間や温度で
変化するために、オペアンプＡ1 の出力電圧ＶOUT がオ
フセット成分により変化して安定しない（ドリフトす
る）ために、加速度センサによる正確な加速度検出がで
きなかった。[0017] Therefore, becomes large proportion of the offset voltage V OS occupying the output voltage V OUT of the output side of the operational amplifier A 1 is, moreover, the leakage current I L and the like in order to vary the time and temperature, an operational amplifier A 1 Since the output voltage V OUT of 1 changes due to the offset component and is not stable (drifts), accurate acceleration detection by the acceleration sensor cannot be performed.
【００１８】本発明は、上記従来の課題を解決するため
になされたものであり、その目的は、オフセット電圧に
よるノイズ信号を抑え、時間や温度による出力電圧のド
リフトを抑え、静電容量変化を正確に検出できる容量型
センサを提供することにある。The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and its purpose is to suppress a noise signal due to an offset voltage, suppress drift of an output voltage due to time or temperature, and to suppress a capacitance change. It is to provide a capacitive sensor that can detect accurately.
【００１９】[0019]
【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に、本発明は次のように構成されている。すなわち、本
発明は、容量検出部で検出される容量変化をスイッチト
キャパシタ回路により電圧信号に変換して出力する容量
型センサにおいて、前記容量検出部とスイッチトキャパ
シタ回路は分離スイッチを介して切り離されており、ス
イッチトキャパシタ回路には該スイッチトキャパシタ回
路のオフセット電圧を自動的に零にするオフセット自動
調整回路が接続されていることを特徴として構成されて
いる。In order to solve the above-mentioned object, the present invention is constructed as follows. That is, according to the present invention, in a capacitive sensor that converts a capacitance change detected by a capacitance detection unit into a voltage signal by a switched capacitor circuit and outputs the voltage signal, the capacitance detection unit and the switched capacitor circuit are separated via a separation switch. In addition, an automatic offset adjustment circuit for automatically setting the offset voltage of the switched capacitor circuit to zero is connected to the switched capacitor circuit.
【００２０】また、前記オフセット自動調整回路は、分
離スイッチがオフする毎にスイッチトキャパシタ回路の
オフセット電圧を基準電圧と比較してオフセット電圧と
基準電圧との差に対応する電圧を出力する積分器を兼ね
た比較器と、この比較器の出力電圧を標本電圧としてホ
ールドし、このホールド電圧に基づいて前記スイッチト
キャパシタ回路にオフセット電圧を零にする帰還電圧を
印加するサンプルホールド回路とを有することも本発明
の特徴的な構成とされている。The automatic offset adjustment circuit includes an integrator that compares the offset voltage of the switched capacitor circuit with a reference voltage and outputs a voltage corresponding to the difference between the offset voltage and the reference voltage each time the separation switch is turned off. It is also possible to have a dual-purpose comparator and a sample-hold circuit that holds the output voltage of this comparator as a sample voltage and applies a feedback voltage that makes the offset voltage zero to the switched capacitor circuit based on this hold voltage. It is a characteristic configuration of the invention.
【００２１】[0021]
【作用】上記構成の本発明において、容量検出部とスイ
ッチトキャパシタ回路は分離スイッチを介して切り離さ
れており、スイッチトキャパシタ回路にはオフセット自
動調整回路が接続されており、分離スイッチをオフして
オフセット自動調整回路によりスイッチトキャパシタ回
路のオフセット電圧を自動的に零にする電圧を出力し、
分離スイッチをオンして容量検出部の信号をスイッチト
キャパシタ回路から出力するときに、前記オフセット自
動調整回路からの出力電圧をスイッチトキャパシタ回路
に印加することにより、スイッチトキャパシタ回路から
は容量検出部からの信号に基づいたオフセット電圧を含
まない電圧信号が出力される。In the present invention having the above-described structure, the capacitance detecting section and the switched capacitor circuit are separated via the separation switch, and the offset capacitor adjustment circuit is connected to the switched capacitor circuit. The automatic adjustment circuit outputs a voltage that automatically makes the offset voltage of the switched capacitor circuit zero,
When the separation switch is turned on and the signal of the capacitance detection unit is output from the switched capacitor circuit, the output voltage from the automatic offset adjustment circuit is applied to the switched capacitor circuit, so that the switched capacitor circuit outputs the voltage from the capacitance detection unit. A voltage signal that does not include an offset voltage based on the signal is output.
【００２２】[0022]
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。なお、本実施例の説明において、従来例と同一名
称部分には同一符号を付し、その詳細説明は省略する。
図１には、本発明に係わる容量センサの回路図が示され
ている。本実施例の容量センサは加速度であり、その構
成は従来例と同様であり、本実施例が従来例と異なる特
徴的なことは、センサ回路の信号源４とスイッチトキャ
パシタ回路５の間には分離スイッチφs が介設されてお
り、信号源４とスイッチトキャパシタ回路５が分離スイ
ッチφs により分離されていることと、スイッチトキャ
パシタ回路５にスイッチトキャパシタ回路５のオフセッ
ト電圧ＶOSを自動的に零にするオフセット自動調整回路
11が接続されていることである。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description of the present embodiment, the same reference numerals will be given to the same names as those in the conventional example, and the detailed description thereof will be omitted.
FIG. 1 shows a circuit diagram of a capacitance sensor according to the present invention. The capacitance sensor of the present embodiment is acceleration, and its configuration is the same as that of the conventional example. The characteristic of the present embodiment that is different from the conventional example is that there is between the signal source 4 of the sensor circuit and the switched capacitor circuit 5. The separation switch φ s is provided, the signal source 4 and the switched capacitor circuit 5 are separated by the separation switch φ s, and the offset voltage V OS of the switched capacitor circuit 5 is automatically supplied to the switched capacitor circuit 5. Offset automatic adjustment circuit to zero
11 is connected.
【００２３】オフセット自動調整回路11は、積分器を兼
ねた比較器として機能する比較回路20とサンプルホール
ド回路21を有しており、比較回路20は抵抗体Ｒ1 とオペ
アンプＡ2 とコンデンサ９を有しており、オペアンプＡ
2 の反転入力端子側が抵抗体Ｒ1 を介してスイッチトキ
ャパシタ回路５の出力側を接続されていると共に、オペ
アンプＡ2 の反転入力端子と出力側との間にコンデンサ
９が接続されており、オペアンプＡ2 の非反転入力端子
は基準電圧のグランド側（アース側）に接続されてい
る。The automatic offset adjustment circuit 11 has a comparison circuit 20 functioning as a comparator which also functions as an integrator and a sample hold circuit 21, and the comparison circuit 20 includes a resistor R 1 , an operational amplifier A 2 and a capacitor 9. Has and has operational amplifier A
The inverting input terminal side of 2 is connected to the output side of the switched capacitor circuit 5 via the resistor R 1 , and the capacitor 9 is connected between the inverting input terminal of the operational amplifier A 2 and the output side. The non-inverting input terminal of A 2 is connected to the ground side (ground side) of the reference voltage.
【００２４】そして、オペアンプＡ2 は反転入力端子に
入力されるスイッチトキャパシタ回路５のオフセット電
圧ＶOSを非反転入力端子に入力される基準電圧（本実施
例では非反転入力端子がアース側に接続されているため
に基準電圧は零電圧となる）とを比較して、オフセット
電圧ＶOSと基準電圧との差に対応する電圧、すなわち、
この例では、ＶOSと同じ大きさの電圧を出力するように
なっている。Then, the operational amplifier A 2 supplies the offset voltage V OS of the switched capacitor circuit 5 inputted to the inverting input terminal to the reference voltage inputted to the non-inverting input terminal (in this embodiment, the non-inverting input terminal is connected to the ground side). (The reference voltage becomes zero voltage because it has been set), and the voltage corresponding to the difference between the offset voltage V OS and the reference voltage, that is,
In this example, a voltage having the same magnitude as V OS is output.
【００２５】サンプルホールド回路21は、スイッチ素子
φ3 、ホールドコンデンサ10、オペアンプＡ3 、抵抗体
Ｒ2 を有して構成されており、オペアンプＡ3 の非反転
入力端子にはスイッチ素子φ3 が接続されており、オペ
アンプＡ3 はスイッチ素子φ3 を介して比較回路20のオ
ペアンプＡ2 の出力側に接続されている。また、オペア
ンプＡ3 の非反転入力端子にはホールドコンデンサ10の
一端側が接続されており、ホールドコンデンサ10は、比
較器20のオペアンプＡ2 の出力電圧を標本電圧としてホ
ールドする働きをするものである。The sample-hold circuit 21 is composed of a switch element φ 3 , a hold capacitor 10, an operational amplifier A 3 and a resistor R 2 , and the switch element φ 3 is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier A 3. The operational amplifier A 3 is connected to the output side of the operational amplifier A 2 of the comparison circuit 20 via the switch element φ 3 . Further, one end of the hold capacitor 10 is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier A 3 , and the hold capacitor 10 serves to hold the output voltage of the operational amplifier A 2 of the comparator 20 as a sample voltage. .
【００２６】オペアンプＡ3 の反転入力端子は、オペア
ンプＡ3 の出力側と接続されており、オペアンプＡ3 は
非反転入力端子側から入力される信号をそのまま出力す
るようになっており、オペアンプＡ3 はバッファとして
機能するようになっている。また、オペアンプＡ3 の出
力側には抵抗体Ｒ2 が接続されており、オペアンプＡ3
は抵抗体Ｒ2 を介してスイッチトキャパシタ回路５のオ
ペアンプＡ1 の非反転入力端子に接続されている。The inverting input terminal of the operational amplifier A 3 is connected to the output side of the operational amplifier A 3, being adapted to the operational amplifier A 3 is output as it is a signal input from the non-inverting input terminal side, the operational amplifier A 3 works as a buffer. Further, the output side of the operational amplifier A 3 resistor R 2 is connected, the operational amplifier A 3
Is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier A 1 of the switched capacitor circuit 5 via the resistor R 2 .
【００２７】なお、本実施例においても、分離スイッチ
φs 、スイッチ素子φ2 ，φ3 にはスイッチ制御回路
（図示せず）が接続されており、スイッチ制御回路によ
り、分離スイッチφs 、スイッチ素子φ2 ，φ3 のオン
オフ駆動が制御されるようになっている。[0027] Also in this embodiment, isolation switches phi s, switching element phi 2, the phi 3 is connected a switch control circuit (not shown), the switch control circuit, isolation switches phi s, switch The on / off drive of the elements φ 2 and φ 3 is controlled.
【００２８】本実施例は以上のように構成されており、
次に図２の（ａ），（ｂ），（ｃ）に示した各スイッチ
素子φs ，φ2 ，φ3 のタイミングチャートと図１に基
づいて本実施例の動作について説明する。まず、図２に
示すように、分離スイッチφs をオフし、信号源４とス
イッチトキャパシタ回路５を切り離し、このとき、スイ
ッチ素子φ2 はオフ、スイッチ素子φ3 はオンとする。
そうすると、スイッチトキャパシタ回路５には、前記図
６に示したような、スイッチ素子φ2 のスイッチ素子オ
フ抵抗Ｒoff 、第３のコンデンサ８の抵抗ＺCi、漏れ電
流ＩL に基づくオフセット電圧ＶOSが生じ、オペアンプ
Ａ1 から出力され、オフセット自動調整回路11の比較回
路20により、オフセット電圧ＶOSと基準電圧との比較が
行われ、オフセット電圧ＶOSを零にする電圧ＶOSI が出
力され、サンプルホールド回路21を介してオペアンプＡ
1 に帰還される。This embodiment is constructed as described above,
Next, the operation of this embodiment will be described based on the timing charts of the switch elements φ s , φ 2 , and φ 3 shown in FIGS. 2A, 2B, and 2C and FIG. First, as shown in FIG. 2, the separation switch φ s is turned off to disconnect the signal source 4 from the switched capacitor circuit 5, and at this time, the switch element φ 2 is turned off and the switch element φ 3 is turned on.
Then, the switched capacitor circuit 5, as shown in FIG. 6, the switch element phi 2 switch elements off the resistor R off, the resistance Z Ci of the third capacitor 8, the offset voltage V OS based on the leakage current I L Occurs, the output voltage is output from the operational amplifier A 1 , the comparison circuit 20 of the offset automatic adjustment circuit 11 compares the offset voltage V OS with the reference voltage, and the voltage V OSI that makes the offset voltage V OS zero is output. Operational amplifier A via sample hold circuit 21
Returned to 1 .
【００２９】次に、スイッチ素子φ3 をオフすると、前
記電圧ＶOSI が標本電圧としてサンプルホールド回路21
のホールドコンデンサ10にホールドされ、このとき、分
離スイッチφs 、スイッチ素子φ2 がオンとなって、信
号源４の第１、第２のコンデンサ６，７にそれぞれ、電
荷がチャージされる。Next, when the switch element φ 3 is turned off, the voltage V OSI is used as a sample voltage in the sample hold circuit 21.
Is held in the hold capacitor 10 at this time, the separation switch φ s and the switch element φ 2 are turned on at this time, and the first and second capacitors 6 and 7 of the signal source 4 are charged with electric charges.
【００３０】そして、スイッチ素子φ2 がオフすると、
チャージされた電荷がスイッチトキャパシタ回路５によ
り電圧信号に変換され、オペアンプＡ1 の出力側から前
記式（３）に示した出力電圧ＶOUT が出力されるが、こ
のとき、オペアンプＡ1 の非反転入力端子には、サンプ
ルホールド回路21から前記標本電圧、すなわち、スイッ
チトキャパシタ回路５のオフセット電圧ＶOSを零にす
る。電圧ＶOSI が帰還電圧として印加されるために、式
（３）のＶOSが零となる。そして、次式（５）に示すよ
うに、出力電圧ＶOUT は電圧Ｖ0 となり、本実施例の回
路の出力端23からは電圧Ｖ0 による検出信号のみが検出
される。When the switch element φ 2 is turned off,
The charged charge is converted into a voltage signal by the switched capacitor circuit 5, and the output voltage V OUT shown in the equation (3) is output from the output side of the operational amplifier A 1 , but at this time, the non-inversion of the operational amplifier A 1 is performed. At the input terminal, the sample voltage from the sample hold circuit 21, that is, the offset voltage V OS of the switched capacitor circuit 5 is set to zero. Since the voltage V OSI is applied as the feedback voltage, V OS in the equation (3) becomes zero. Then, as shown in the following expression (5), the output voltage V OUT becomes the voltage V 0 , and only the detection signal by the voltage V 0 is detected from the output end 23 of the circuit of this embodiment.
【００３１】 ＶOUT ＝Ｖ0 ＋ＶOS−ＶOSI ＝Ｖ0 ・・・・・（５）V OUT = V 0 + V OS −V OSI = V 0 (5)
【００３２】このように、本実施例では、分離スイッチ
φ3 をオフする毎に、オフセット自動調整回路11の比較
回路20によりスイッチトキャパシタ回路５のオフセット
電圧ＶOSを自動的に零にする電圧ＶOSI が出力され、そ
のとき、電圧ＶOSI を標本電圧としてサンプルホールド
回路21のホールドコンデンサ10にホールドし、次に、分
離スイッチφ3 をオンとしてホールドコンデンサ10にホ
ールドされた電圧をスイッチトキャパシタ回路５に印加
して、スイッチトキャパシタ回路５の出力電圧ＶOUT か
らオフセット電圧ＶOSを差し引き、回路の出力端23側か
らは、常に信号源４の検出信号のみを出力し、その出力
電圧を検出することになる。As described above, in this embodiment, every time the separation switch φ 3 is turned off, the comparison circuit 20 of the offset automatic adjustment circuit 11 automatically sets the voltage V OS that makes the offset voltage V OS of the switched capacitor circuit 5 zero. OSI is output, and at that time, the voltage V OSI is held as a sample voltage in the hold capacitor 10 of the sample hold circuit 21, and then the separation switch φ 3 is turned on to hold the voltage held in the hold capacitor 10 by the switched capacitor circuit 5. The offset voltage V OS is subtracted from the output voltage V OUT of the switched capacitor circuit 5, and only the detection signal of the signal source 4 is always output from the output terminal 23 side of the circuit to detect the output voltage. become.
【００３３】本実施例によれば、上記動作により、オフ
セット自動調整回路11によりスイッチトキャパシタ回路
５のオフセット電圧ＶOSが自動的に零にされ、出力端23
側からは常に信号源４の検出信号のみが出力されるため
に、本実施例の加速度センサは、従来のようにオペアン
プＡ1 の出力側の出力電圧ＶOUT に占めるオフセット電
圧ＶOSが大きくなることはなく、オフセット電圧ＶOSの
時間や温度による変化により出力電圧ＶOUT が安定しな
かったりするようなこともなく、Ｓ／Ｎ比を大きくする
ことができ、常に、正確に加速度検出を行うことができ
る。According to this embodiment, by the above operation, the offset automatic adjustment circuit 11 automatically reduces the offset voltage V OS of the switched capacitor circuit 5 to zero, and the output terminal 23
Since only the detection signal of the signal source 4 is always output from the side, the acceleration sensor of the present embodiment has a large offset voltage V OS occupying the output voltage V OUT on the output side of the operational amplifier A 1 as in the conventional case. The output voltage V OUT does not become unstable due to changes in the offset voltage V OS due to time and temperature, and the S / N ratio can be increased to always perform accurate acceleration detection. be able to.
【００３４】なお、本発明は上記実施例に限定されるこ
とはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記
実施例では、比較回路20のオペアンプＡ2 の非反転入力
端子側はアース側と接続し、それにより、基準電圧を零
としたが、オペアンプＡ2 の非反転入力端子側は必ずし
もアース側と接続するとは限らず、例えば、零以外の別
の基準電圧を印加する回路と接続し、基準電圧を零以外
の別の電圧としても構わない。そして、そのように構成
した場合には、基準電圧の変化に対して、コンデンサ６
の静電容量Ｃ1 と、他方のコンデンサ７の静電容量Ｃ2
は、互いに逆の容量変化特性を示すことから、製造ばら
つきによるＣ1 とＣ2 の不平衡を基準電圧の調整により
校正することができる。The present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and various embodiments can be adopted. For example, in the above embodiment, the non-inverting input terminal side of the operational amplifier A 2 of the comparison circuit 20 is connected to the ground side, thereby setting the reference voltage to zero, but the non-inverting input terminal side of the operational amplifier A 2 is not necessarily grounded. However, the reference voltage may be connected to a circuit that applies another reference voltage other than zero, and the reference voltage may be another voltage other than zero. In the case of such a configuration, the capacitor 6 is
Capacitance C 1 and capacitance C 2 of the other capacitor 7
Show the capacitance change characteristics opposite to each other, so that the imbalance between C 1 and C 2 due to manufacturing variations can be calibrated by adjusting the reference voltage.
【００３５】また、上記実施例では、オフセット自動調
整回路11を比較回路20とサンプルホールド回路21により
構成したが、オフセット自動調整回路11の構成は特に限
定されるものではなく、スイッチトキャパシタ回路５の
オフセット電圧ＶOSを自動的に零にするように機能する
回路であればよい。Further, in the above embodiment, the automatic offset adjustment circuit 11 is composed of the comparison circuit 20 and the sample hold circuit 21, but the configuration of the automatic offset adjustment circuit 11 is not particularly limited, and the switched capacitor circuit 5 is not limited thereto. Any circuit may be used as long as it functions to automatically set the offset voltage V OS to zero.
【００３６】さらに、上記実施例ではオフセット自動調
整回路11はスイッチトキャパシタ回路５のオペアンプＡ
1 の出力側に設けたが、オフセット自動調整回路11は必
ずしもオペアンプＡ1 の出力側に設けるとは限らず、例
えば、スイッチとコンデンサ等を有し、スイッチトキャ
パシタ回路５のオフセット電圧ＶOSを自動的に零にする
ように機能するオフセット自動調整回路11を第３のコン
デンサ８の出側に設けても構わない。Further, in the above embodiment, the automatic offset adjustment circuit 11 is the operational amplifier A of the switched capacitor circuit 5.
Although it is provided on the output side of 1 , the offset automatic adjustment circuit 11 is not necessarily provided on the output side of the operational amplifier A 1 and has, for example, a switch and a capacitor to automatically adjust the offset voltage V OS of the switched capacitor circuit 5. An automatic offset adjustment circuit 11 that functions to make the output zero may be provided on the output side of the third capacitor 8.
【００３７】さらに、上記実施例では、信号源４として
第１、第２のコンデンサ６，７を設け、第１、第２のコ
ンデンサ６，７の各静電容量Ｃ1 ，Ｃ2 の容量の差を検
出するように構成したが、例えば、図３の固定電極３と
第２の電極13とを省略し、信号源４を第１のコンデンサ
６のみとして第１のコンデンサ６の静電容量Ｃ1 の変化
を検出するようにしても構わないし、その逆に、第２の
コンデンサ６の静電容量Ｃ2 の変化を検出するようにし
ても構わない。このように、加速度等の容量センサの構
造や信号源４を形成するコンデンサの数等は特に限定さ
れるものではなく、適宜設定されるものである。Further, in the above embodiment, the first and second capacitors 6 and 7 are provided as the signal source 4, and the capacitances of the electrostatic capacitances C 1 and C 2 of the first and second capacitors 6 and 7 are set. Although it is configured to detect the difference, for example, the fixed electrode 3 and the second electrode 13 in FIG. 3 are omitted, and the signal source 4 is set to the first capacitor 6 only and the capacitance C of the first capacitor 6 is set. The change of 1 may be detected, or conversely, the change of the capacitance C 2 of the second capacitor 6 may be detected. As described above, the structure of the capacitance sensor such as acceleration and the number of capacitors forming the signal source 4 are not particularly limited and may be set appropriately.
【００３８】さらに、本発明の容量センサは、ナビゲー
ションシステム等に用いられる加速度センサに限定され
るものではなく、バーチャルリアリティシステムの人の
動きを検出する加速度センサとしてもよく、また、加速
度センサ以外の、例えば、圧力センサ、流量センサ、変
位センサ、湿度センサ等の、静電容量変化を利用して圧
力、流量、変位、湿度等を検出する様々な容量型センサ
に幅広く適用されるものである。Further, the capacitance sensor of the present invention is not limited to the acceleration sensor used in the navigation system or the like, but may be an acceleration sensor for detecting the movement of a person in the virtual reality system, and other than the acceleration sensor. For example, it is widely applied to various capacitive sensors such as a pressure sensor, a flow rate sensor, a displacement sensor, a humidity sensor, etc. that detect pressure, flow rate, displacement, humidity and the like by utilizing a change in capacitance.
【００３９】[0039]
【発明の効果】本発明によれば、容量検出部とスイッチ
トキャパシタ回路が分離スイッチを介して切り離されて
おり、スイッチトキャパシタ回路には、このスイッチト
キャパシタ回路のオフセット電圧を自動的に零にするオ
フセット自動調整回路が接続されており、スイッチトキ
ャパシタ回路から出力される容量検出部の検出信号とオ
フセット電圧のうち、オフセット自動調整回路によりオ
フセット電圧を自動的に零にすることができるために、
常に容量検出部の信号のみをスイッチトキャパシタ回路
から出力することができ、従来のように、出力信号にオ
フセット電圧が上乗せされ、それにより、温度や時間等
により出力信号がドリフトすることもなく、Ｓ／Ｎ比を
向上させることができ、回路からの出力信号に基づいて
容量変化等を正確に検出することが可能となる。According to the present invention, the capacitance detector and the switched capacitor circuit are separated via the separation switch, and the switched capacitor circuit is provided with an offset for automatically setting the offset voltage of the switched capacitor circuit to zero. Since the automatic adjustment circuit is connected and the offset voltage can be automatically set to zero by the offset automatic adjustment circuit among the detection signal and the offset voltage of the capacitance detection unit output from the switched capacitor circuit,
Only the signal of the capacitance detection unit can be always output from the switched capacitor circuit, and the offset voltage is added to the output signal as in the conventional case, so that the output signal does not drift due to temperature, time, etc. It is possible to improve the / N ratio, and it is possible to accurately detect a capacitance change or the like based on the output signal from the circuit.
【図１】本発明に係わる容量センサの一実施例の構成を
示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of an embodiment of a capacitance sensor according to the present invention.
【図２】上記回路のスイッチ素子制御を示すタイミング
チャートである。FIG. 2 is a timing chart showing switch element control of the above circuit.
【図３】従来の加速度センサの回路の一例を示す説明図
である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of a circuit of a conventional acceleration sensor.
【図４】図３の回路のスイッチ素子制御を示すタイミン
グチャートである。FIG. 4 is a timing chart showing control of switching elements of the circuit of FIG.
【図５】図３の回路におけるスイッチ素子φ2 オフ時の
状態を等価回路で示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing an equivalent circuit of the circuit of FIG. 3 when the switch element φ 2 is off.
【図６】加速度センサの一例を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of an acceleration sensor.
４ 信号源 ５ スイッチトキャパシタ回路 10 ホールドコンデンサ 11 オフセット自動調整回路 20 比較回路 21 サンプルホールド回路 φs 分離スイッチ4 Signal source 5 Switched capacitor circuit 10 Hold capacitor 11 Automatic offset adjustment circuit 20 Comparison circuit 21 Sample hold circuit φ s separation switch
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 // Ｇ０１Ｂ 7/00 Ｋ Ｇ０１Ｒ 29/12 Ｄ ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Office reference number FI technical display location // G01B 7/00 K G01R 29/12 D
Claims (2)
ッチトキャパシタ回路により電圧信号に変換して出力す
る容量型センサにおいて、前記容量検出部とスイッチト
キャパシタ回路は分離スイッチを介して切り離されてお
り、スイッチトキャパシタ回路には該スイッチトキャパ
シタ回路のオフセット電圧を自動的に零にするオフセッ
ト自動調整回路が接続されていることを特徴とする容量
型センサ。1. In a capacitive sensor that converts a capacitance change detected by a capacitance detection unit into a voltage signal by a switched capacitor circuit and outputs the voltage signal, the capacitance detection unit and the switched capacitor circuit are separated via a separation switch. A capacitive sensor, wherein the switched capacitor circuit is connected to an automatic offset adjustment circuit for automatically setting an offset voltage of the switched capacitor circuit to zero.
チがオフする毎にスイッチトキャパシタ回路のオフセッ
ト電圧を基準電圧と比較してオフセット電圧と基準電圧
との差に対応する電圧を出力する積分器を兼ねた比較器
と、この比較器の出力電圧を標本電圧としてホールド
し、このホールド電圧に基づいて前記スイッチトキャパ
シタ回路にオフセット電圧を零にする帰還電圧を印加す
るサンプルホールド回路とを有する請求項１記載の容量
型センサ。2. The offset automatic adjustment circuit also serves as an integrator that compares the offset voltage of the switched capacitor circuit with a reference voltage and outputs a voltage corresponding to the difference between the offset voltage and the reference voltage each time the separation switch is turned off. And a sample hold circuit for holding the output voltage of the comparator as a sample voltage and applying a feedback voltage for making the offset voltage zero to the switched capacitor circuit based on the held voltage. Capacitive sensor.
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-
1994
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