(57)【要約】【課題】超小型に形成されて容量値および容量変化が非常に微小なセンサ容量素子の容量変化を、高効率かつ高精度に電圧変化に変換させて検出する。【解決手段】センサ容量素子Ｃｓの静電容量を、スイッチドキャパシタ型負帰還回路を有する演算増幅器１１によって電圧変換するＣＶ変換回路であって、その負帰還回路は、演算増幅器１１の出力端子と反転入力端子間に直列に接続された第１，第２の容量素子Ｃ１，Ｃ２と、その容量素子Ｃ１，Ｃ２の中間接続点ｂに一方の電極端子が接続された第３の容量素子Ｃ３と、この容量素子Ｃ３の他方の電極端子を演算増幅器１１の出力端子または基準電位に接続する切り換えスイッチ回路Ｓｗ１，Ｓｗ２を有し、このスイッチ回路の接続位置によって等価的な帰還容量値を可変設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変換対象であるセンサ容量素子を所定電圧の充電電源に周期的に接続して充電する充電用スイッチング回路と、
非反転入力端子が基準電位に接続されるとともに、反転入力端子をその非反転入力端子に仮想短絡させるような負帰還を行う負帰還回路が設けられた演算増幅器と、
充電用スイッチング回路のオフ期間内にオン動作してセンサ容量素子の充電側電極端子を演算増幅器の反転入力端子に接続する転送用スイッチング素子を有し、
上記負帰還回路を、演算増幅器の出力端子と反転入力端子間に介在する帰還容量素子と、この帰還容量素子に並列に接続して転送用スイッチング回路のオフ期間内にオン動作するリセット用スイッチング回路とによるスイッチドキャパシタ回路を用いて形成することにより、上記センサ容量素子の静電容量を、帰還容量素子とセンサ容量素子の静電容量比に応じた変換比で電圧変換するＣＶ変換回路であって、
上記負帰還回路は、
演算増幅器の出力端子と反転入力端子間に直列に接続された第１，第２の容量素子と、
第１の容量素子と第２の容量素子の中間接続点に一方の電極端子が接続された第３の容量素子と、
この第３の容量素子の他方の電極端子を演算増幅器の出力端子または基準電位に接続する切り換えスイッチ回路を有し、
この切り換えスイッチ回路の接続位置によって、第１〜第３の容量素子が形成する等価的な帰還容量値を可変設定することを特徴とするＣＶ変換回路。
【請求項２】
請求項１において、第３の容量素子が複数設けられ、その複数の容量素子はそれぞれ、その一方の電極端子が第１の容量素子と第２の容量素子の中間接続点に共通接続される一方、その他方の電極端子は容量素子ごとに設けられた個別の切り換えスイッチ回路により、演算増幅器の出力端子または基準電位に接続されることを特徴とするＣＶ変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は変換比が可変設定可能なＣＶ（電圧容量）変換回路に関し、とくに、ＭＥＭＳ（超小型電気機械系）技術により超小型化されたセンサ容量素子の微少な静電容量変化を所定の変換比で効率よく電圧変換するのに適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力や振動等の物理事象を検出するセンサとして、ＭＥＭＳ技術により超小型化された静電容量型センサ（センサ容量素子）が提供されている。この静電容量型センサは、消費電力の少なさや構造の自由度が高いといった利点があるが、ＭＥＭＳ技術により超小型化されたセンサ容量素子は、超小型化に伴ってその静電容量値もきわめて小さくなっている。このため、その静電容量変化は数［ｆＦ］〜数［ａＦ］といった極小レベルとなる。この極小な容量変化を効率よく電圧変化に変換して検出するために、図４に示すようなセンスアンプ回路が提案されている（たとえば特許文献１：特開２００７−２１４９５８号参照）。
【０００３】
同図に示すセンスアンプ回路は、スイッチドキャパシタ型のＣＶ変換回路であって、ＬＳＩ内に集積形成するにはとくに適した回路である。このＣＶ変換回路は、充電用スイッチング回路ＳＷＣ、転送用スイッチング回路ＳＷＴ、演算増幅器１１、帰還容量素子Ｃｃ、リセット用スイッチング回路ＳＷＲにより構成されている。
【０００４】
同図において、充電用スイッチング回路ＳＷＣは、変換対象であるセンサ容量素子Ｃｓと所定電圧Ｖｃの充電電源との間に介在して周期的にオン動作する。これにより、センサ容量素子Ｃｓにはその静電容量に応じた電荷が周期的に充電される。
【０００５】
転送用スイッチング回路ＳＷＴは、充電用スイッチング回路ＳＷＣのオフ期間内にオン動作して、センサ容量素子Ｃｓの充電側（ホット側）電極端子を演算増幅器１１の反転入力端子に接続する。
【０００６】
演算増幅器１１は、非反転入力端子が基準電位に接続されているとともに、反転入力端子をその非反転入力端子に仮想短絡させるような負帰還回路が設けられている。
【０００７】
その負帰還回路は、帰還容量素子Ｃｃとリセット用スイッチング回路ＳＷＲによるスイッチドキャパシタ回路を用いて形成される。帰還容量素子Ｃｃは演算増幅器１１の出力端子と反転入力端子間に介在する。この帰還容量素子Ｃｃには、転送用スイッチング回路ＳＷＴのオフ期間内にオン動作するリセット用スイッチング回路ＳＷＲが並列に接続する。
【０００８】
ここで、センサ容量素子Ｃｓへの充電電圧ＶｃをＶｃ、そのセンサ容量素子Ｃｓの容量値をＣｓ、帰還容量素子Ｃｃの容量値をＣｃとすると、演算増幅器１１の出力端子には、Ｖｏ＝Ｖｃ×Ｃｓ／Ｃｃで与えられる電圧Ｖｏが現れる。したがって、そのセンサ容量素子Ｃｓの容量変化量をΔＣｓとすれば、演算増幅器１１の出力端子には、Ｖｏ＝Ｖｃ×ΔＣｓ／Ｃｃで与えられる変換出力電圧ΔＶｏが現れる。
【０００９】
帰還容量Ｃｃは変換容量とも呼ばれ、その容量値（Ｃｃ）が、容量変化量ΔＣｓに対する変換出力電圧ΔＶｏの比すなわち変換感度を定めるパラメータとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−２１４９５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図４に示したようなＣＶ変換回路でもってセンサ容量素子Ｃｓの極小な容量変化を高効率かつ高精度に電圧変化に変換させるためには変換感度を適正に設定する必要があるが、このためには、センサ容量素子Ｃｓと帰還容量Ｃｃの両容量値を互いに精度よく定める必要がある。
【００１２】
しかし、ＭＥＭＳ技術は、極小寸法の加工に適しているものの、加工の誤差が大きい。このため、そのＭＥＭＳ技術により極小化されたセンサ容量素子の容量誤差も大きく、これをセンサ容量素子自体で補正することは現実に不可能である。したがって、その誤差の補正はＣＶ変換回路で担うしかない。
【００１３】
また、一般にＬＳＩ技術で比較的精度よく作成可能な容量素子の静電容量下限は１［ｐＦ］程度である。センサ容量素子Ｃｓの静電容量変化量ΔＣｓが数［ｆＦ］であって、帰還容量素子（変換容量）Ｃｃが１［ｐＦ］であった場合、その静電容量変化量ΔＣｓに対して得られる電圧変化は数［ｍＶ］である。アナログ回路、とくにセンサを扱う場合は、雑音との比率：Ｓ／Ｎ比が重要な性能ファクターとなるが、そのＳ／Ｎ  比を大きくするには、演算増幅器１１の動作レンジ内で、変換感度を大きくすることが有利である。
【００１４】
その変換感度を大きくするには帰還容量素子Ｃｃの容量値を１［ｐＦ］より小さくすればよいが、このような微小静電容量をＬＳＩにおいて精度良く作成することは現実に不可能である。
【００１５】
この発明は以上のような技術背景を鑑みたものであって、その目的は、超小型に形成されて容量値および容量変化が非常に微小なセンサ容量素子の容量変化を、高効率かつ高精度に電圧変化に変換させて検出することができるＣＶ変換回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この発明に係るＣＶ変換回路は、つぎの事項（１）〜（６）により特定されるものである。  
（１）変換対象であるセンサ容量素子を所定電圧の充電電源に周期的に接続して充電する充電用スイッチング回路を備えること
（２）非反転入力端子が基準電位に接続されるとともに、反転入力端子をその非反転入力端子に仮想短絡させるような負帰還を行う負帰還回路が設けられた演算増幅器を備えること
（３）充電用スイッチング回路のオフ期間内にオン動作してセンサ容量素子の充電側電極端子を演算増幅器の反転入力端子に接続する転送用スイッチング素子を備えること
（４）負帰還回路は、演算増幅器の出力端子と反転入力端子間に介在する帰還容量素子と、この帰還容量素子に並列に接続して転送用スイッチング回路のオフ期間内にオン動作するリセット用スイッチング回路とによるスイッチドキャパシタ回路を用いて形成され、この負帰還回路の負帰還動作により、センサ容量素子の静電容量を、帰還容量素子とセンサ容量素子の静電容量比に応じた変換比で電圧変換すること
（５）負帰還回路は、演算増幅器の出力端子と反転入力端子間に直列に接続された第１，第２の容量素子と、第１の容量素子と第２の容量素子の中間接続点に一方の電極端子が接続された第３の容量素子を有すること
（６）第３の容量素子の他方の電極端子を演算増幅器の出力端子または基準電位に接続する切り換えスイッチ回路を有し、この切り換えスイッチ回路の接続位置によって、第１〜第３の容量素子が形成する等価的な帰還容量値を可変設定すること
【発明の効果】
【００１７】
超小型に形成されて容量値および容量変化が非常に微小なセンサ容量素子の容量変化を、高効率かつ高精度に電圧変化に変換させて検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明に係るＣＶ変換回路の第１実施形態を示す回路図である。
【図２】この発明に係るＣＶ変換回路の第２実施形態を示す回路図である。
【図３】この発明に係るＣＶ変換回路の第３実施形態を示す回路図である。
【図４】スイッチドキャパシタ型ＣＶ変換回路の構成例を示す回路図および要図波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
＝＝＝ＣＶ変換回路の第１実施形態＝＝＝
図１は、この発明に係るＣＶ変換回路の第１実施形態を示す。  
同図に示すＣＶ変換回路はＬＳＩ内に作成するのにとくに適したスイッチドキャパシタ型の回路であって、充電用スイッチング回路ＳＷＣ、転送用スイッチング回路ＳＷＴ、演算増幅器１１、第１〜第３の容量素子Ｃ１〜Ｃ３、リセット用スイッチング回路ＳＷＲ、切り換えスイッチ回路Ｓｗ１，Ｓｗ２により構成される。
【００２０】
同図において、充電用スイッチング回路ＳＷＣは、変換対象であるセンサ容量素子Ｃｓと所定電圧Ｖｃの充電電源との間に介在して周期的にオン動作する。このスイッチング回路ＳＷＣにより、センサ容量素子Ｃｓは周期的に所定の充電電圧Ｖｃまで充電される。
【００２１】
転送用スイッチング素子ＳＷＴは、充電用スイッチング回路ＳＷＣのオフ期間内にオン動作してセンサ容量素子Ｃｓの充電側（ホット側）電極端子を演算増幅器１１の反転入力端子に接続する。これにより、センサ容量素子Ｃｓの充電電荷が周期的に演算増幅器１１の反転入力端子に入力される。
【００２２】
演算増幅器１１は、非反転入力端子が基準電位に接続されているとともに、反転入力端子をその非反転入力端子に仮想短絡させるような負帰還回路が設けられている。この負帰還回路は、第１〜第３の容量素子Ｃ１〜Ｃ３、リセット用スイッチング回路ＳＷＲ、切り換えスイッチ回路Ｓｗ１，Ｓｗ２により構成されている。
【００２３】
リセット用スイッチング回路ＳＷＲは、演算増幅器１１の出力端子と反転入力端子間に接続され、転送用スイッチング素子ＳＷＴのオフ期間内にオン動作することにより、第１〜第３の容量素子Ｃ１〜Ｃ３により形成される帰還容量を周期的に放電リセットする。
【００２４】
演算増幅器１１の出力端子と反転入力端子間には第１，第２の容量素子Ｃ１，Ｃ２が直列に接続されている。また、第１の容量素子Ｃ１と第２の容量素子Ｃ２の中間接続点（ノード）ｂに第３の容量素子Ｃ３の一方の電極端子が接続されている。
【００２５】
この第３の容量素子Ｃ３の他方の電極端子は、切り換えスイッチ回路Ｓｗ１，Ｓｗ２により、演算増幅器１１の出力端子または基準電位のいずれかに固定的に接続される。この切り換えスイッチ回路Ｓｗ１，Ｓｗ２は常にどちらか一方のみが「閉」となるスイッチであって、その「閉」または「開」は回路形成後の動作段階で設定可能である。
【００２６】
＝＝＝第１実施形態の回路動作＝＝＝
図１において、Ｓｗ１を「閉」、Ｓｗ２を「開」に設定すると、第３の容量素子Ｃ３の他方の電極端子が演算増幅器１１の出力端子に接続されて、第３の容量素子Ｃ３は第１の容量素子Ｃ１に並列接続される。
【００２７】
この場合、演算増幅器１１の出力端子と反転入力端子間（ａ−ｃ）には、Ｃ１とＣ３の並列回路にＣ２を直列接続した回路の合成容量Ｃｅｑ１が、変換感度を定める帰還容量として介在する。この合成容量Ｃｅｑ１は数１で与えられる。
【数１】
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【００２８】
一方、Ｓｗ１を「開」、Ｓｗ２を「閉」に設定すると、第３の容量素子Ｃ３の他方の電極端子が基準電位に接続される。
【００２９】
この場合、演算増幅器１１の出力端子（ａ）側からは、第３の容量素子Ｃ３が第２の容量素子Ｃ２と並列に接続されているように見える。これは、演算増幅器１１の反転入力が負帰還により基準電位に仮想接地されていることによる。したがって、演算増幅器１１の出力端子（ａ）側では、Ｃ２とＣ３の並列回路にＣ１を直列接続した回路の合成容量が等価的に存在するように見える。この場合の等価容量Ｃｅｑ２は数２で与えられる。
【数２】
2010252196.tif 000004
【００３０】
しかし、実際には、出力端子（ａ）から流入した電荷の一部はＣ３に分岐して基準電位にバイパスされる。このため、反転入力端子（ｃ）側には、出力端子（ａ）側から流入した電荷のうち、そのＣ２／（Ｃ２＋Ｃ３）だけしか流入しない。つまり、電荷の帰還量がＣ２／（Ｃ２＋Ｃ３）の割合で低減させられる。したがって、ＣＶ変換回路の変換比を定める等価的な帰還容量Ｃｅｑ３は、数２で与えられる等価容量Ｃｅｑ２にＣ２／（Ｃ２＋Ｃ３）を乗じた容量となる。つまり、数３で与えられる等価的な帰還容量Ｃｅｑ３となる。
【数３】
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【００３１】
ここで、Ｃ１＝１［ｐＦ］、Ｃ２＝１［ｐＦ］、Ｃ３＝８［ｐＦ］  とすると、Ｃｅｑ１＝０．９［ｐＦ］、Ｃｅｑ２＝０．９［ｐＦ］、Ｃｅｑ３＝０．１［ｐＦ］  となる。つまり、１［ｐＦ］以上の容量素子Ｃ１〜Ｃ３だけでもって、０．１［ｐＦ］という極小容量による負帰還を等価的に実現させている。
【００３２】
この等価帰還容量Ｃｅｑ３は、ＬＳＩ内で比較的精度よく作成される１［ｐＦ］以上の容量素子Ｃ１〜Ｃ３によって形成される容量なので、０．１［ｐＦ］という極小容量であっても、精度については、１［ｐＦ］以上で作成された容量素子Ｃ１〜Ｃ３の精度を引き継いでいる。
【００３３】
これにより、超小型に形成されて容量値および容量変化が非常に微小なセンサ容量素子の容量変化を、高効率（高Ｓ／Ｎ比）かつ高精度に電圧変化に変換させて検出することができる。
【００３４】
さらにここで注目すべきことは、０．１［ｐＦ］という極小容量を、１［ｐＦ］以上の容量素子３個だけで等価的に形成していることである。これを仮に、１［ｐＦ］以上の容量素子の直列接続で形成しようとしたら、１０個以上の容量素子が必要になる。
【００３５】
そのほか、この発明では、図１に示すように、等価的な帰還容量Ｃｅｑ３を形成する複数の容量素子Ｃ１〜Ｃ３の片側電極端子が同一点（ｂ）に共通接続されるが、これは複数の容量素子の片側電極を共通化できることを意味し、ＬＳＩ内で複数の容量素子を効率よく作成する上で利点となる。
【００３６】
＝＝＝ＣＶ変換回路の第２実施形態＝＝＝
上述した第１実施形態では第３の容量素子Ｃ３を１つだけ設けたが、図２に示すように、複数の第３の容量素子Ｃ３ａ，Ｃ３ｂ，Ｃ３ｃを設けることにより、変換比（変換感度）を定める等価帰還容量Ｃｅｑ３をきめ細かく段階的に可変設定することが可能になる。
【００３７】
この場合、その複数の容量素子Ｃ３ａ，Ｃ３ｂ，Ｃ３ｃはそれぞれ、その一方の電極端子が第１の容量素子Ｃ１と第２の容量素子Ｃ２の中間接続点ｂに共通接続される一方、その他方の電極端子は容量素子ごとに設けられた個別の切り換えスイッチ回路Ｓｗ１ａ−Ｓｗ２ａ，Ｓｗ１ｂ−Ｓｗ２ｂ，Ｓｗ１ｃ−Ｓｗ２ｃにより、演算増幅器１１の出力端子または基準電位に接続されるようにしてある。
【００３８】
Ｓｗ１ａ＝閉、Ｓｗ１ｂ＝開、Ｓｗ１ｃ＝開の状態では、ａから見たａ，ｂ間の容量Ｃａｂが、Ｃａｂ＝Ｃ１＋Ｃ３ａとなる。また、ｂから見たときのｂ，ｃ間の容量Ｃｂｃは、Ｃｂｃ＝Ｃ２＋Ｃ３ｂ＋Ｃ３ｃとなる。このとき、ａから見たａ，ｃ間の等価的静電容量Ｃｅｑ２は、数４で与えられる。
【数４】
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【００３９】
しかし、第１実施形態の場合と同様、ａから流入した電荷は、ｂにおいて（Ｃ３ｂ＋Ｃ３ｃ）とＣ２に分岐され、Ｃ２を経由してｃに流入する電荷量は、ａから流入した電荷のＣ２／（Ｃ３ｂ＋Ｃ３ｃ＋Ｃ２）となる。つまり、ｃから見た等価的静電容量Ｃｅｑ３は、数５で与えられ、この等価的静電容量Ｃｅｑ３が変換比を定める等価帰還容量となる。
【数５】
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【００４０】
同様に、Ｓｗ１ａ＝開、Ｓｗ１ｂ＝閉、Ｓｗ１ｃ＝開の状態では、Ｃｅｑ２が数６、Ｃｅｑ３が数７でそれぞれ与えられる。
【数６】
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【数７】
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【００４１】
Ｓｗ１ａ＝開、Ｓｗ１ｂ＝閉、Ｓｗ１ｃ＝閉の状態では、Ｃｅｑ２が数８、Ｃｅｑ３が数９でそれぞれ与えられる。
【数８】
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【数９】
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【００４２】
Ｓｗ１ａ＝閉、Ｓｗ１ｂ＝開、Ｓｗ１ｃ＝閉の状態では、Ｃｅｑ２が数１０、Ｃｅｑ３が数１１でそれぞれ与えられる。
【数１０】
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【数１１】
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【００４３】
ここで、一例として、Ｃ１＝１［ｐＦ］、Ｃ２＝１［ｐＦ］、Ｃ３ａ＝４［ｐＦ］、Ｃ３ｂ＝２［ｐＦ］、Ｃ３ｃ＝２［ｐＦ］の場合を計算してみる。
【００４４】
Ｓｗ１ａ＝閉、Ｓｗ１ｂ＝閉、Ｓｗ１ｃ＝閉の状態では、Ｃｅｑ３＝０．９［ｐＦ］、
Ｓｗ１ａ＝閉、Ｓｗ１ｂ＝閉、Ｓｗ１ｃ＝開の状態では、Ｃｅｑ３＝０．７［ｐＦ］、
Ｓｗ１ａ＝閉、Ｓｗ１ｂ＝開、Ｓｗ１ｃ＝開の状態では、Ｃｅｑ３＝０．５［ｐＦ］、
Ｓｗ１ａ＝開、Ｓｗ１ｂ＝閉、Ｓｗ１ｃ＝開の状態では、Ｃｅｑ３＝０．３［ｐＦ］、
Ｓｗ１ａ＝開、Ｓｗ１ｂ＝開、Ｓｗ１ｃ＝開、の状態ではＣｅｑ３＝０．１［ｐＦ］
となり、５通りの微少容量を切り換えスイッチ回路Ｓｗ１ａ−Ｓｗ２ａ，Ｓｗ１ｂ−Ｓｗ２ｂ，Ｓｗ１ｃ−Ｓｗ２ｃによって可変設定することができる。
【００４５】
これより、ＭＥＭＳで作成されたセンサ容量素子Ｃｓの極微少な静電容量変化を効率よく電圧に変換して検出することができるとともに、そのセンサ容量素子Ｃｓに大きな個体間誤差があったとしても、それによる感度偏差を個別に補正することが可能となる。
【００４６】
＝＝＝ＣＶ変換回路の第３実施形態＝＝＝
図３に示すように、第３の容量素子Ｃ３１〜Ｃ３ｎと切り換えスイッチ回路Ｓｗ１〜Ｓｗｎの数を増設することにより、ＭＥＭＳで作成されたセンサ容量素子Ｃｓの固体間誤差は、さらにきめ細かく個別に補正することが可能になる。
【符号の説明】
【００４７】
１１  演算増幅器
Ｃｓ  センサ容量素子（静電容量型センサ）
Ｃ１  第１の容量素子
Ｃ２  第２の容量素子
Ｃ３  第３の容量素子
ＳＷＣ  充電用スイッチング回路
ＳＷＴ  転送用スイッチング回路
ＳＷＲ  リセット用スイッチング回路
ＳＷ１，ＳＷ２  切り換えスイッチ回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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