(57)【要約】【課題】容量検出装置と抵抗検出装置の高精度化を図る。【解決手段】本発明の容量検出装置と抵抗検出装置は、発振部、第１微分部、第２微分部、積分部、サンプルホールド部、制御部を備える。第１微分部は、第１容量センサまたは第１抵抗センサを用いて発振信号を微分した第１微分信号を生成する。第２微分部は、第２容量センサまたは第２抵抗センサを用いて発振信号を微分した第２微分信号を生成する。積分部は、あらかじめ定めた位相のときに第１微分信号と第２微分信号との差に対応した信号となる積分信号を生成する。サンプルホールド部は、積分信号の値をサンプルホールド制御信号に従って保持する。制御部は、発振信号の複数周期ごとに積分信号の値を保持するサンプルホールド制御信号を生成し、積分信号の値を保持した後に積分信号をリセットする積分制御信号を生成する。【選択図】図４
2011214923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量の変化によって静電容量の差が変化する第１容量センサと第２容量センサの静電容量の差を検出する容量検出装置であって、
発振信号を生成する発振部と、
前記第１容量センサを用いて前記発振信号を微分した第１微分信号を生成する第１微分部と、
前記第２容量センサを用いて前記発振信号を微分した第２微分信号を生成する第２微分部と、
積分制御信号とサンプルホールド制御信号を生成する制御部と
少なくともあらかじめ定めた位相のときに前記第１微分信号と前記第２微分信号との差に対応した信号となる積分信号を生成し、前記積分信号を前記積分制御信号にしたがってリセットする積分部と、
前記積分信号の値を前記サンプルホールド制御信号に従って保持するサンプルホールド部と、
を備え、
前記制御部は、前記発振信号の複数周期ごとに前記積分信号の値を保持するサンプルホールド制御信号を生成し、前記積分信号の値を保持した後に前記積分信号をリセットする積分制御信号を生成する
ことを特徴とする容量検出装置。
【請求項２】
物理量の変化によって静電容量の差が変化する第１容量センサと第２容量センサの静電容量の差を検出する容量検出装置であって、
発振信号を生成する発振部と、
前記第１容量センサを用いて前記発振信号を微分した第１微分信号を生成する第１微分部と、
前記第２容量センサを用いて前記発振信号を微分した第２微分信号を生成する第２微分部と、
積分制御信号とサンプルホールド制御信号を生成する制御部と
少なくともあらかじめ定めた位相のときに前記第１微分信号から前記第２微分信号を引いた値に対応した信号となる第１積分信号を生成し、前記第１積分信号を前記積分制御信号にしたがってリセットする第１積分部と、
少なくとも前記あらかじめ定めた位相のときに前記第２微分信号から前記第１微分信号を引いた値に対応した信号となる第２積分信号を生成し、前記第２積分信号を前記積分制御信号にしたがってリセットする第２積分部と、
前記第１積分信号と前記第２積分信号との差に対応した積分信号を生成する差動増幅部と、
前記積分信号の値を前記サンプルホールド制御信号に従って保持するサンプルホールド部と、
を備え、
前記制御部は、前記発振信号の複数周期ごとに前記積分信号の値を保持するサンプルホールド制御信号を生成し、前記積分信号の値を保持した後に前記第１積分信号と前記第２積分信号とをリセットする積分制御信号を生成する
ことを特徴とする容量検出装置。
【請求項３】
物理量の変化によって抵抗の差が変化する第１抵抗センサと第２抵抗センサの抵抗の差を検出する抵抗検出装置であって、
発振信号を生成する発振部と、
前記第１抵抗センサを用いて前記発振信号を微分した第１微分信号を生成する第１微分部と、
前記第２抵抗センサを用いて前記発振信号を微分した第２微分信号を生成する第２微分部と、
積分制御信号とサンプルホールド制御信号を生成する制御部と
少なくともあらかじめ定めた位相のときに前記第１微分信号と前記第２微分信号との差に対応した信号となる積分信号を生成し、前記積分信号を前記積分制御信号にしたがってリセットする積分部と、
前記積分信号の値を前記サンプルホールド制御信号に従って保持するサンプルホールド部と、
を備え、
前記制御部は、前記発振信号の複数周期ごとに前記積分信号の値を保持するサンプルホールド制御信号を生成し、前記積分信号の値を保持した後に前記積分信号をリセットする積分制御信号を生成する
ことを特徴とする抵抗検出装置。
【請求項４】
物理量の変化によって抵抗の差が変化する第１抵抗センサと第２抵抗センサの抵抗の差を検出する抵抗検出装置であって、
発振信号を生成する発振部と、
前記第１抵抗センサを用いて前記発振信号を微分した第１微分信号を生成する第１微分部と、
前記第２抵抗センサを用いて前記発振信号を微分した第２微分信号を生成する第２微分部と、
積分制御信号とサンプルホールド制御信号を生成する制御部と
少なくともあらかじめ定めた位相のときに前記第１微分信号から前記第２微分信号を引いた値に対応した信号となる第１積分信号を生成し、前記第１積分信号を前記積分制御信号にしたがってリセットする第１積分部と、
少なくとも前記あらかじめ定めた位相のときに前記第２微分信号から前記第１微分信号を引いた値に対応した信号となる第２積分信号を生成し、前記第２積分信号を前記積分制御信号にしたがってリセットする第２積分部と、
前記第１積分信号と前記第２積分信号との差に対応した積分信号を生成する差動増幅部と、
前記積分信号の値を前記サンプルホールド制御信号に従って保持するサンプルホールド部と、
を備え、
前記制御部は、前記発振信号の複数周期ごとに前記積分信号の値を保持するサンプルホールド制御信号を生成し、前記積分信号の値を保持した後に前記第１積分信号と前記第２積分信号とをリセットする積分制御信号を生成する
ことを特徴とする抵抗検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量の変化によって静電容量の差が変化する第１容量センサと第２容量センサの静電容量の差を検出する容量検出装置、および物理量の変化によって抵抗の差が変化する第１抵抗センサと第２抵抗センサの抵抗の差を検出する抵抗検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチトキャパシタを用いた検出装置としては、特許文献１や特許文献２が知られている。また、近年では、様々な物理量を高感度に計測するためのセンサとして半導体を利用したものがある。このようなセンサのいくつかは、物理量の変化によって容量（静電容量）または抵抗（電気抵抗）の差が変化する少なくとも１対の容量センサまたは抵抗センサを有している。例えば、加速度センサとして特許文献３が知られている。特許文献３の加速度センサは、加速度によって静電容量の差が変化するタイプのセンサであり、高感度化を可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３２６４０９号公報
【特許文献２】特開２００６−２８４２７２号公報
【特許文献３】特開２０００−２９８１３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献３のようなセンサの高感度化に伴い、検出装置側も高精度化が求められている。特許文献１のスイッチトキャパシタを用いた検出装置の場合、精度を高めようとしてもノイズが大きく、高精度化が図れなかった。また、特許文献２の検出装置は、特許文献１の検出装置よりも高い精度が期待されるはずであるが、十分ではなかった。
【０００５】
本発明では、検出装置の高精度化が図れない原因を分析し、その原因に応じた対策を施すことで検出装置の高精度化を図る。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の容量検出装置は、物理量の変化によって静電容量の差が変化する第１容量センサと第２容量センサの静電容量の差を検出する。容量検出装置は、発振部、第１微分部、第２微分部、積分部、サンプルホールド部、制御部を備える。発振部は、発振信号を生成する。例えば、矩形波を生成すればよい。第１微分部は、第１容量センサを用いて発振信号を微分した第１微分信号を生成する。第２微分部は、第２容量センサを用いて発振信号を微分した第２微分信号を生成する。例えば、第１容量センサまたは第２容量センサと固定抵抗を用いて微分回路を形成すればよい。積分部は、あらかじめ定めた位相のときに第１微分信号と第２微分信号との差に対応した信号となる積分信号を生成する。なお、あらかじめ定めた位相とは、発振信号の１周期ごとにどこかのタイミングという意味である。また、積分部は、積分信号を積分制御信号にしたがってリセットする。サンプルホールド部は、積分信号の値をサンプルホールド制御信号に従って保持する。なお、保持のタイミングは、積分信号が第１微分信号と第２微分信号との差に対応した信号となるタイミング（前記のあらかじめ定めた位相）とすればよい。制御部は、発振信号の複数周期ごとに積分信号の値を保持するサンプルホールド制御信号を生成し、積分信号の値を保持した後に積分信号をリセットする積分制御信号を生成する。
【０００７】
本発明の抵抗検出装置は、物理量の変化によって抵抗の差が変化する第１抵抗センサと第２抵抗センサの抵抗の差を検出する。抵抗検出装置も、発振部、第１微分部、第２微分部、積分部、サンプルホールド部、制御部を備える。第１微分部が、第１抵抗センサを用いて発振信号を微分した第１微分信号を生成する。第２微分部が、第２抵抗センサを用いて発振信号を微分した第２微分信号を生成する。例えば、第１抵抗センサまたは第２抵抗センサと静電容量が固定されたコンデンサを用いて微分回路を形成すればよい。その他の構成は容量検出装置と同じである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の容量検出装置と抵抗検出装置によれば、サンプルホールド部が発振信号の複数周期ごとに積分信号の値を保持するので、アナログスイッチのチャージインジェクションの変動によって生じるノイズを低減でき、検出精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】アナログスイッチによって生じるチャージインジェクションの変動を確認する実験に用いた回路を示す図。
【図２】図１（Ａ）の端子９４０からの出力波形を示す図。
【図３】端子９４０の電圧と正確な２００ｋＨｚ、デューティ比５０％、電圧が０Ｖと−１０ｍＶの矩形波との差と、端子９７０の電圧と正確な２００ｋＨｚ、デューティ比５０％、電圧が０Ｖと−１０ｍＶの矩形波との差を、周波数成分ごとに示した図。
【図４】実施例１の容量検出装置と実施例１変形例の抵抗検出装置の機能構成例を示す図。
【図５】実施例１の容量検出装置の第１微分部、第２微分部、積分部の具体的な構成例を示す図。
【図６】実施例１の容量検出装置と実施例１変形例の抵抗検出装置のタイミングチャートを示す図。
【図７】実施例１変形例の抵抗検出装置の第１微分部、第２微分部、積分部の具体的な構成例を示す図。
【図８】実施例２の容量検出装置と実施例２変形例の抵抗検出装置の機能構成例を示す図。
【図９】実施例２の容量検出装置の第１微分部、第２微分部、第１積分部、第２積分部の具体的な構成例を示す図。
【図１０】実施例２の容量検出装置と実施例２変形例の抵抗検出装置のタイミングチャートを示す図。
【図１１】実施例２の容量検出装置の積分の期間を、１周期分としたときと２０周期分としたときの容量検出装置の出力に含まれるノイズの周波数成分を示す図。
【図１２】実施例１変形例の抵抗検出装置の第１微分部、第２微分部、第１積分部、第２積分部の具体的な構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。
【実施例１】
【００１１】
<分析>
ノイズの原因としては、抵抗による熱雑音、ＰＮ接合で発生するショットノイズ、格子欠陥や不純物に由来するフリッカノイズなどがある。しかし、上述のスイッチトキャパシタで構成した回路を用いた場合は、アナログスイッチを用いているのでＯＮ抵抗は十分に低く、信号ラインにはＰＮ接合もない。したがって、これらを原因とするノイズによって測定精度が向上できないとは考えにくい。そこで、検出装置で発生するノイズの原因の１つとして、チャージインジェクションに着目してみた。次に、アナログスイッチによって生じるチャージインジェクションについて分析する。
【００１２】
図１にアナログスイッチによって生じるチャージインジェクションの変動を確認する実験に用いた回路を示す。図１（Ａ）はアナログスイッチによって生じるチャージインジェクションを測定するための回路であり、図１（Ｂ）はチャージインジェクションと同じ電圧（矩形波）を生成する発振器を用いたときの回路である。回路９００は、アナログスイッチ９１０、コンデンサ９２０、オペアンプ９３０から構成され、Ｐ点の電圧を測定した結果を端子９４０に出力する。実験ではアナログスイッチ９１０にＡＤＧ１２１２を、オペアンプ９３０にＴＬ０７２を用い、コンデンサ９２０は１０ｐＦとした。なお、オペアンプ９３０はＰ点の電圧を正確に測定するために備えている。アナログスイッチ９１０は２００ｋＨｚ、デューティ比５０％でＯＮ／ＯＦＦした。図２は、図１（Ａ）の端子９４０からの出力波形である。アナログスイッチ９１０をＯＦＦにしたタイミングで約−１０ｍＶの電圧が生じた。このことから、Ｐ点には−０．１ｐＣ（＝１０ｐＦ×−１０ｍＶ）の電荷（チャージインジェクション）が蓄積されていることが分かる。なお、ＡＤＧ１２１２のデータシートにはチャージインジェクションの最大値が−０．３ｐＣであることが示されているので、本実験では正しくチャージインジェクションが計測できていることが分かる。
【００１３】
また、図２からチャージインジェクションが、毎回微妙に異なることも分かる。もし毎回同じチャージインジェクションが生じるのであれば、チャージインジェクションによって生じる誤差を補正することは可能である。しかし、毎回異なる場合、この変化分はノイズとなってしまう。そこで、図１（Ｂ）のように、矩形波の発振器９６０とコンデンサ９２０とオペアンプ９３０で構成した回路を用いて端子９７０からの出力を測定した。発振器９６０は、毎回同じチャージインジェクションが生じる場合を模擬しており、２００ｋＨｚ、デューティ比５０％、電圧が０Ｖと−１０ｍＶの矩形波を生成する。なお、端子９７０の出力を示す図は省略する。
【００１４】
図３は、端子９４０の電圧と正確な２００ｋＨｚ、デューティ比５０％、電圧が０Ｖと−１０ｍＶの矩形波との差（破線「実験回路」で示す）と、端子９７０の電圧と正確な２００ｋＨｚ、デューティ比５０％、電圧が０Ｖと−１０ｍＶの矩形波との差（実線「１０ｍＶ矩形波」で示す）を、周波数成分ごとに示した図である。縦軸はノイズ密度を示しており、正確な矩形波との差を示す尺度である。横軸は周波数である。アナログスイッチによるチャージインジェクションのノイズは、矩形波の発振器のノイズよりも２０ｄＢ程度大きいことが分かる。これは、約１０倍の大きさのノイズが発生していることを示している。つまり、図１に示したコンデンサ９２０とオペアンプ９３０から構成された回路によって生じるノイズよりも、アナログスイッチのチャージインジェクションによって生じるノイズの方が約１０倍大きいことを示している。このように、チャージインジェクションの毎回の変動は無視できない大きさであることが分かる。そこで、スイッチトキャパシタで構成した回路の精度を向上するためにチャージインジェクションの変動の影響を受けにくい容量検出装置を考えた。
【００１５】
<構成>
図４に実施例１の容量検出装置の機能構成例を、図５に実施例１の容量検出装置の第１微分部、第２微分部、積分部の具体的な構成例を示す。また、図６は各部での信号の様子を示すタイミングチャートである。容量検出装置１００は、物理量の変化によって静電容量の差が変化する第１容量センサ１２１ａと第２容量センサ１２１ｂの静電容量の差を検出する。なお、本実施例では第１容量センサ１２１ａと第２容量センサ１２１ｂの静電容量が逆に変化する例を示すが、必ずしも逆に変化する必要は無い。物理量の変化によって第１容量センサ１２１ａと第２容量センサ１２１ｂの静電容量の差が変化すればよい。容量検出装置１００は、発振部１１０、第１微分部１２０ａ、第２微分部１２０ｂ、積分部１３０、サンプルホールド部１５０、制御部１８０、フィルタ部１９０を備える。発振部１１０は、発振信号を生成する。例えば、図６のように矩形波を生成すればよいが、発振信号を矩形波に限定する必要は無い。
【００１６】
第１微分部１２０ａは、第１容量センサ１２１ａを用いて発振信号を微分した第１微分信号を生成する。例えば、第１容量センサ１２１ａと固定抵抗１２２ａを用いて微分回路を形成すればよい。図５の第１微分部１２０ａの場合、発振信号が矩形波であり電圧がＶボルト変化した場合ならば、Ｑａ点での電圧は、
【００１７】
【数１】
2011214923.tif 000003
【００１８】
のようになる。ただし、Ｖは発振信号の電圧、Ｃａは第１容量センサ１２１ａの静電容量、Ｒは固定抵抗１２２ａの抵抗、ｔは発振信号の電圧が変化してからの時間である。第２微分部１２０ｂは、第２容量センサ１２１ｂを用いて発振信号を微分した第２微分信号を生成する。例えば、第２容量センサ１２１ｂと固定抵抗１２２ｂを用いて微分回路を形成すればよい。図５の第２微分部１２０ｂの場合、発振信号が矩形波であり電圧がＶボルト変化した場合ならば、Ｑｂ点での電圧は、
【００１９】
【数２】
2011214923.tif 000004
【００２０】
のようになる。ただし、Ｖは発振信号の電圧、Ｃｂは第２容量センサ１２１ｂの静電容量、Ｒは固定抵抗１２２ｂの抵抗、ｔは発振信号の電圧が変化してからの時間である。固定抵抗１２２ａと１２２ｂの抵抗を同じにしているので、静電容量が大きいほど幅の広い信号が出力される。例えば、電圧がＶｅ−１まで減衰する時間は、ｔ＝ＲＣａまたはｔ＝ＲＣｂである。図６の例では、第１容量センサの静電容量Ｃａの方が第２容量センサの静電容量Ｃｂよりも大きい場合を示している。したがって、第１微分信号の方が第２微分信号よりも幅が広い。
【００２１】
積分部１３０は、少なくともあらかじめ定めた位相のときに第１微分信号と第２微分信号との差に対応した信号となる積分信号を生成する。なお、あらかじめ定めた位相とは、発振信号の１周期ごとにどこかのタイミングという意味である。また、積分部は、積分信号を積分制御信号にしたがってリセットする。積分部１３０は、例えば、ダイオード１３１、１３２、抵抗１３３、オペアンプ１３４、コンデンサ１３５、アナログスイッチ１３６を用いて図５のように構成すればよい。図５の積分部１３０の場合、ダイオード１３１は、第１微分信号のうち負の電圧となる部分のみをオペアンプ１３４側に伝達する。ダイオード１３２は、第２微分信号のうち正の電圧となる部分のみをオペアンプ１３４側に伝達する。したがって、Ｓ点での電圧は図６のように、発振信号の半周期分は第１微分信号となり、残りの半周期分は第２微分信号となり、正負は反対となる。Ｓ点での電圧を積分するときは、アナログスイッチ１３６はＯＦＦの状態であり、コンデンサ１３５に電荷をためることによって、オペアンプ１３４の出力側にＳ点の電圧の積分値が出力される。上述のようにＳ点での電圧は、発振信号の半周期分は第１微分信号、残りの半周期分は第２微分信号であり、それぞれの正負は反対なので、少なくとも発振信号の１周期分を積分したタイミングでは、第１微分信号と第２微分信号の差に対応した値となっている。また、図５の例ではオペアンプの出力電圧はＳ点の電圧と正負が反対になるので、第１微分信号が入力されている間は積分信号が増加している。
【００２２】
サンプルホールド部１５０は、積分信号の値をサンプルホールド制御信号に従って保持する。なお、保持のタイミングは、積分信号が第１微分信号と第２微分信号との差に対応した信号となるタイミング（図６の場合は、積分が終了したときから１周期の整数倍のタイミング、言い換えると、積分が終了したときと同じ位相のとき）とすればよい。フィルタ部１９０は、スイッチングノイズを除去する。なお、図４ではフィルタ部１９０も具備しているが、フィルタ部１９０は必要に応じて具備すればよい。
【００２３】
制御部１８０は、発振信号の複数周期ごとに積分信号の値を保持するサンプルホールド制御信号を生成し、積分信号の値を保持した後に積分信号をリセットする積分制御信号を生成する。なお、制御部１８０は、発振部１１０から発振信号を受け取り、カウンタなどによってタイミングを検出すればよい。図６の例では発振信号の４周期分を積分しており、サンプルホールド制御信号によって４周期分を積分したところで、サンプルホールド部１５０が積分信号の値を保持している。そして、積分制御信号が積分部１３０のアナログスイッチ１３６をＯＮ状態にし、コンデンサ１３５の電荷を放電することで、積分信号はリセットされる。なお、この例では４周期分ごとに積分信号の値を保持するサンプルホールド制御信号を生成したが、他の複数周期でもよい。複数周期分を積分することにより積分信号の値が大きくなるので、積分信号に対するアナログスイッチ１３６で生じるチャージインジェクションの変動の割合を小さくできる。したがって、本実施例の容量検出装置は、アナログスイッチ１３６で生じるチャージインジェクションの変動によるノイズを低減できる。
【００２４】
［変形例］
実施例１では、物理量の変化によって静電容量の差が変化する場合を説明した。しかし、図５の第１微分部１２０ａ、第２微分部１２０ｂの抵抗の差を変化させても、同じように物理量の変化を検出できる。そこで、本変形例では、物理量の変化によって抵抗の差が変化する第１抵抗センサと第２抵抗センサの抵抗の差を検出する抵抗検出装置について説明する。なお、本変形例では第１抵抗センサと第２抵抗センサの抵抗は逆に変化する例を示す。本変形例の抵抗検出装置の機能構成を図４に、タイミングチャートを図６に示す。また、第１微分部、第２微分部、積分部の具体的な構成例を図７に示す。抵抗検出装置３００も、発振部１１０、第１微分部３２０ａ、第２微分部３２０ｂ、積分部１３０、サンプルホールド部１５０、制御部１８０、フィルタ部１９０を備える。実施例１の容量検出装置１００との違いは、第１微分部３２０ａと第２微分部３２０ｂだけであり、その他の構成は容量検出装置１００と同じである。
【００２５】
第１微分部３２０ａが、第１抵抗センサ３２２ａを用いて発振信号を微分した第１微分信号を生成する。例えば、第１抵抗センサ３２２ａと静電容量が固定されたコンデンサ３２１ａを用いて微分回路を形成すればよい。図７の第１微分部３２０ａの場合、発振信号が矩形波であり電圧がＶボルト変化した場合ならば、Ｑａ点での電圧は、
【００２６】
【数３】
2011214923.tif 000005
【００２７】
のようになる。ただし、Ｖは発振信号の電圧、Ｃはコンデンサ３２１ａの静電容量、Ｒａは第１抵抗センサ３２２ａの抵抗、ｔは発振信号の電圧が変化してからの時間である。第２微分部３２０ｂが、第２抵抗センサ３２２ｂを用いて発振信号を微分した第２微分信号を生成する。例えば、第２抵抗センサ３２２ｂと静電容量が固定されたコンデンサ３２１ｂを用いて微分回路を形成すればよい。図７の第２微分部３２０ｂの場合、発振信号が矩形波であり電圧がＶボルト変化した場合ならば、Ｑｂ点での電圧は、
【００２８】
【数４】
2011214923.tif 000006
【００２９】
のようになる。ただし、Ｖは発振信号の電圧、Ｃはコンデンサ３２１ｂの静電容量、Ｒｂは第２抵抗センサ３２２ｂの抵抗、ｔは発振信号の電圧が変化してからの時間である。コンデンサ３２１ａと３２１ｂの静電容量を同じにしているので、抵抗が大きいほど幅の広い信号が出力される。例えば、電圧がＶｅ−１まで減衰する時間は、ｔ＝ＲａＣまたはｔ＝ＲｂＣである。図６の例では、第１抵抗センサの抵抗Ｒａの方が第２抵抗センサの抵抗Ｒｂよりも大きい場合に相当する。したがって、第１微分信号の方が第２微分信号よりも幅が広い。
【００３０】
このように本変形例の抵抗検出装置と実施例１の容量検出装置の相違点は、発振信号を微分する微分回路の時定数を変化させるのが、抵抗か静電容量かという点だけである。したがって、本変形例の抵抗検出装置も、実施例１と同じようにアナログスイッチ１３６で生じるチャージインジェクションの変動によるノイズを低減できる。
【実施例２】
【００３１】
<構成>
図８に実施例２の容量検出装置の機能構成例を、図９に実施例２の容量検出装置の第１微分部、第２微分部、第１積分部、第２積分部の具体的な構成例を示す。また、図１０は各部での信号の様子を示すタイミングチャートである。容量検出装置２００は、物理量の変化によって静電容量の差が変化する第１容量センサ１２１ａと第２容量センサ１２１ｂの静電容量の差を検出する。なお、本実施例では第１容量センサ１２１ａと第２容量センサ１２１ｂの静電容量が逆に変化する例を示す。容量検出装置２００は、発振部１１０、第１微分部１２０ａ、第２微分部１２０ｂ、第１積分部２３０ａ、第２積分部２３０ｂ、差動増幅部２４０、サンプルホールド部１５０、制御部２８０、フィルタ部１９０を備える。発振部１１０、第１微分部１２０ａ、第２微分部１２０ｂ、サンプルホールド部１５０、フィルタ部１９０は実施例１の容量検出装置１００と同じである。
【００３２】
第１積分部２３０ａは、少なくともあらかじめ定めた位相のときに第１微分信号から第２微分信号を引いた値に対応した信号となる第１積分信号を生成する。なお、あらかじめ定めた位相とは、発振信号の１周期ごとにどこかのタイミングという意味である。また、第１積分部２３０ａは、第１積分信号を積分制御信号にしたがってリセットする。第１積分部２３０ａは、例えば、ダイオード１３１、１３２、抵抗１３３、オペアンプ１３４、コンデンサ１３５、アナログスイッチ１３６を用いて図９のように構成すればよい。この構成は、図５の積分部１３０と同じである。
【００３３】
第２積分部２３０ｂは、少なくとも第１積分部２３０ａと同じタイミングのときに第２微分信号から第１微分信号を引いた値に対応した信号となる第２積分信号を生成する。また、第２積分部２３０ｂは、第２積分信号を積分制御信号にしたがってリセットする。第２積分部２３０ｂは、例えば、ダイオード２３１、２３２、抵抗１３３、オペアンプ１３４、コンデンサ１３５、アナログスイッチ１３６を用いて図９のように構成すればよい。図５の積分部１３０の場合、ダイオード２３１は、第１微分信号のうち正の電圧となる部分のみをオペアンプ１３４側に伝達する。ダイオード２３２は、第２微分信号のうち負の電圧となる部分のみをオペアンプ１３４側に伝達する。したがって、Ｓｂ点での電圧は図１０のように、発振信号の半周期分は第２微分信号となり、残りの半周期分は第１微分信号となり、正負は反対となる。抵抗１３３、オペアンプ１３４、コンデンサ１３５、アナログスイッチ１３６の部分は第１積分部２３０ａと同じである。
【００３４】
ダイオード１３１、１３２とダイオード２３１、２３２の向きが逆になっていることから、第１積分部２３０ａのＳａ点に第１微分信号が伝達されているときは第２積分部２３０ｂのＳｂ点には第２微分信号が伝達され、Ｓａ点に第２微分信号が伝達されているときはＳｂ点には第１微分信号が伝達される。差動増幅部２４０は、第１積分信号と第２積分信号との差に対応した積分信号を生成する。
【００３５】
サンプルホールド部１５０は、積分信号の値をサンプルホールド制御信号に従って保持する。なお、保持のタイミングは、第１積分信号が第１微分信号から第２微分信号を引いた値に対応した信号となるタイミング（図１０の場合は、積分を開始終了したときから１周期の整数倍のタイミング、言い換えると、積分を開始終了したときと同じ位相のとき）とすればよい。
【００３６】
制御部２８０は、発振信号の複数周期ごとに積分信号の値を保持するサンプルホールド制御信号を生成し、積分信号の値を保持した後に積分信号をリセットする積分制御信号を生成する。図１０の例では発振信号の４周期分を積分しており、サンプルホールド制御信号によって４周期分を積分したところで、サンプルホールド部１５０が積分信号の値を保持している。そして、積分制御信号が第１積分部２３０ａと第２積分部２３０ｂのアナログスイッチ１３６をＯＮ状態にし、コンデンサ１３５の電荷を放電することで、第１積分信号と第２積分信号がリセットされ、積分信号もリセットされる。なお、この例では４周期分ごとに積分信号の値を保持するサンプルホールド制御信号を生成したが、他の複数周期でもよい。複数周期分を積分することにより積分信号の値が大きくなるので、積分信号に対するアナログスイッチ１３６で生じるチャージインジェクションの変動の割合を小さくできる。したがって、本実施例の容量検出装置は、実施例１と同じようにアナログスイッチ１３６で生じるチャージインジェクションの変動によるノイズを低減できる。また、第１積分部２３０ａと第２積分部２３０ｂは経路が対称となるように積分しているので、コモンモードノイズも除去できる。したがって、実施例１の容量検出装置よりもさらにノイズを低減できる。
【００３７】
<検証>
ここまでの説明では、スイッチトキャパシタで構成した回路の精度を向上するためにチャージインジェクションの変動の影響を受けにくい構成にすれば、容量検出装置の測定精度を向上できるのではないかという予測を基に、その対策を示してきた。そこで、この予測が正しいことを検証する。つまり、アナログスイッチで生じるチャージインジェクションの変動によるノイズが容量検出装置の測定精度に影響を与えていることを確認するとともに、本発明のポイントである「発振信号の複数周期分を積分すること」によって精度が向上することを確認する。図１１は、実施例２の容量検出装置の積分の期間を、１周期分としたときと２０周期分としたときの容量検出装置の１周期分の出力に含まれるノイズの周波数成分を示す図である。積分期間を２０倍にすることでノイズ成分を１０ｄＢ近く低減できている。
【００３８】
容量検出装置の精度を低下させる原因としては、いろいろな原因が考えられるが、本発明ではアナログスイッチで生じるチャージインジェクションの変動が主な原因ではないかと予測した。図１１の結果から、この予測が正しかったことが分かる。また、本発明の容量検出装置はアナログスイッチで生じるチャージインジェクションの変動の影響を抑える対策を施しているので、検出精度が高くなっていることが分かる。
【００３９】
［変形例］
実施例２では、物理量の変化によって静電容量の差が変化する場合を説明した。しかし、図９の第１微分部１２０ａ、第２微分部１２０ｂの抵抗の差を変化させても、同じように物理量の変化を検出できる。そこで、本変形例では、物理量の変化によって抵抗の差が変化する第１抵抗センサと第２抵抗センサの抵抗の差を検出する抵抗検出装置について説明する。なお、本変形例では第１抵抗センサと第２抵抗センサの抵抗が逆に変化する例を示す。本変形例の抵抗検出装置の機能構成を図８に、タイミングチャートを図１０に示す。また、第１微分部、第２微分部、第１積分部、第２積分部の具体的な構成例を図１２に示す。抵抗検出装置４００も、発振部１１０、第１微分部３２０ａ、第２微分部３２０ｂ、第１積分部２３０ａ、第２積分部２３０ｂ、差動増幅部２４０、サンプルホールド部１５０、制御部２８０、フィルタ部１９０を備える。実施例２の容量検出装置２００との違いは、第１微分部３２０ａと第２微分部３２０ｂだけであり、その他の構成は容量検出装置２００と同じである。また、第１微分部３２０ａと第２微分部３２０ｂは、実施例１変形例の抵抗検出装置３００と同じなので、各部の詳細な機能についての説明は省略する。
【００４０】
本変形例の抵抗検出装置と実施例２の容量検出装置の相違点は、発振信号の微分に乗算する係数を変化させるのが、抵抗か静電容量かという点だけである。したがって、本変形例の抵抗検出装置も、実施例２と同じようにアナログスイッチ１３６で生じるチャージインジェクションの変動によるノイズを低減できる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、物理量の変化によって静電容量の差が変化する第１容量センサと第２容量センサの静電容量の差を検出する容量検出装置、および物理量の変化によって抵抗の差が変化する第１抵抗センサと第２抵抗センサの抵抗の差を検出する抵抗検出装置に利用できる。
【符号の説明】
【００４２】
１００、２００  容量検出装置                １１０  発振部
１２０ａ、３２０ａ  第１微分部              １２０ｂ、３２０ｂ  第２微分部
１２１ａ  第１容量センサ                    １２１ｂ  第２容量センサ
１２２ａ、１２２ｂ  固定抵抗                １３０  積分部
１３１、１３２、２３１、２３２  ダイオード  １３３  抵抗
１３４  オペアンプ                          １３５  コンデンサ
１３６  アナログスイッチ                    １５０  サンプルホールド部
１８０、２８０  制御部                      １９０  フィルタ部
２３０ａ  第１積分部                        ２３０ｂ  第２積分部
２４０  差動増幅部                          ３００、４００  抵抗検出装置
３２１ａ、３２１ｂ  コンデンサ              ３２２ａ  第１抵抗センサ
３２２ｂ  第２抵抗センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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