(57)【要約】【課題】静電容量式センサ装置において、一対のセンサキャパシタが経年変化して静電容量のオフセットが変化した場合であっても、そのオフセットを適切に補償する。【解決方法】本発明の静電容量式センサ装置では、反転入力端子が第１センサキャパシタと第２センサキャパシタの接続部に接続されたオペアンプの非反転入力端子に補償信号を印加する。補償信号は、所定の基準電圧に、第１クロック信号または第２クロック信号に同期して補償電圧が重畳されたものである。この補償電圧に起因する出力電圧の変動は、静電容量のオフセットに起因する出力電圧の変動と同期しているので、補償電圧の大きさを適切に調整することによって、静電容量のオフセットを補償することができる。補償電圧の大きさを事後的に再調整することで、静電容量のオフセットが経年変化した場合であっても、そのオフセットを補償することができる。【選択図】  図１
2011017590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された第１センサキャパシタおよび第２センサキャパシタと、
第１センサキャパシタの開放端に印加される第１クロック信号と、第２センサキャパシタの開放端に印加される第２クロック信号を生成するクロック信号生成手段と、
反転入力端子が第１センサキャパシタと第２センサキャパシタの接続部に接続されたオペアンプと、
オペアンプの出力端子と反転入力端子を接続する帰還キャパシタと、
オペアンプの非反転入力端子に印加される補償信号を生成する補償信号生成手段を備える静電容量式センサ装置であって、
第１センサキャパシタと第２センサキャパシタは、作用する物理量に応じてその静電容量が変化し、
第１クロック信号と第２クロック信号は、周期と振幅が等しく、互いに位相が反転しており、
補償信号は、所定の基準電圧に、第１クロック信号または第２クロック信号に同期して補償電圧が重畳されており、
補償電圧の大きさが調整可能である静電容量式センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量式センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力、加速度、振動、音圧等の各種の物理量を検知する静電容量式センサ装置が知られている。この静電容量式センサ装置は、一対のセンサキャパシタを備えている。これらのセンサキャパシタの静電容量は、物理量が作用しない状態では互いに等しく、物理量の作用に伴って互いに相反する増減関係で変化するように構成されている。従って、これらのセンサキャパシタの静電容量の差を電圧に変換することで、静電容量式センサ装置に作用している物理量を精度よく検出することができる。
【０００３】
静電容量式センサ装置は、理想的には、物理量が作用しない状態での一対のセンサキャパシタの静電容量は等しくなるように製造される。しかしながら、これらのセンサキャパシタには製造公差が存在するため、静電容量式センサ装置に物理量が作用していない状況でも、これらのセンサキャパシタの静電容量にオフセットが存在する場合がある。このような物理量の作用とは無関係に存在する静電容量のオフセットと、物理量の作用に伴って生じる静電容量の差は、静電容量式センサ装置の出力電圧において区別することは困難であり、物理量の検出誤差を生じる原因となってしまう。そこで、一対のセンサキャパシタの静電容量のオフセットを補償する技術が開発されている。
【０００４】
特許文献１に、一対のセンサキャパシタの静電容量のオフセットを補償する技術が開示されている。この技術では、一対のセンサキャパシタと同じ素子上に補償用のキャパシタを予め複数作り込んでおく。そして、実際のセンサキャパシタの静電容量のオフセットに応じて、補償用キャパシタの配線をレーザートリミングで切断したり、ボンディングパッドによって配線を追加し、一対のセンサキャパシタの静電容量が互いに等しくなるように調整する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−６４７４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
静電容量式センサ装置を長期間に亘って運用すると、経年変化によってセンサキャパシタの静電容量が変化する場合がある。一対のセンサキャパシタそれぞれの静電容量が経年変化すると、静電容量のオフセットも変化してしまう。特許文献１の技術では、配線の切断や追加によって不可逆的に静電容量の調整を行っており、静電容量式センサ装置の製造直後の静電容量のオフセットについては補償することができるが、その後の経年変化によって静電容量のオフセットが変化した場合に、そのオフセットを補償することができない。
【０００７】
本発明は上記の課題を解決する。すなわち本発明は、静電容量式センサ装置において、一対のセンサキャパシタが経年変化して静電容量のオフセットが変化した場合であっても、そのオフセットを適切に補償することが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明で具現化される静電容量式センサ装置は、直列に接続された第１センサキャパシタおよび第２センサキャパシタと、第１センサキャパシタの開放端に印加される第１クロック信号と、第２センサキャパシタの開放端に印加される第２クロック信号を生成するクロック信号生成手段と、反転入力端子が第１センサキャパシタと第２センサキャパシタの接続部に接続されたオペアンプと、オペアンプの出力端子と反転入力端子を接続する帰還キャパシタと、オペアンプの非反転入力端子に印加される補償信号を生成する補償信号生成手段を備えている。第１センサキャパシタと第２センサキャパシタは、作用する物理量に応じてその静電容量が変化する。第１クロック信号と第２クロック信号は、周期と振幅が等しく、互いに位相が反転している。補償信号は、所定の基準電圧に、第１クロック信号または第２クロック信号に同期して補償電圧が重畳されている。その補償電圧の大きさは調整可能である。
【０００９】
この静電容量式センサ装置では、オペアンプの非反転入力端子に印加する電圧を第１クロック信号または第２クロック信号に同期して変動させることで、第１センサキャパシタと第２センサキャパシタの静電容量のオフセットを補償する。第１センサキャパシタと第２センサキャパシタの静電容量のオフセットが存在すると、そのオフセットの大きさに応じて、オペアンプの出力電圧が変動する。この際の出力電圧の変動は、第１クロック信号または第２クロック信号に同期したものとなる。他方、オペアンプの非反転入力端子に印加する電圧を基準電圧から変動させると、それに応じて第１センサキャパシタと第２センサキャパシタの接続部の電位も変動し、オペアンプの出力端子の電圧が変動する。従って、非反転入力端子に印加される補償信号を、基準電圧に対して第１クロック信号または第２クロック信号に同期して補償電圧を重畳したものとすることで、補償電圧に起因する出力電圧の変動によって静電容量のオフセットに起因する出力電圧の変動を相殺することができる。補償電圧の大きさは調整可能であるから、補償電圧の大きさを適切に調整することによって、第１センサキャパシタと第２センサキャパシタの静電容量のオフセットを補償することができる。
【００１０】
この静電容量式センサ装置では、補償電圧の大きさを事後的に再調整することができる。従って、静電容量式センサ装置を長期間運用して、第１センサキャパシタと第２センサキャパシタの静電容量のオフセットが経年変化した場合であっても、補償電圧の大きさを改めて調整することにより、そのオフセットの影響を打ち消すことができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の静電容量式センサ装置によれば、一対のセンサキャパシタが経年変化して静電容量のオフセットが変化した場合であっても、そのオフセットを適切に補償することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１の静電容量式センサ装置１００の構成を示す。
【図２】実施例１の静電容量式センサ装置１００における各信号の関係の例を示す。
【図３】実施例１の静電容量式センサ装置１００における各信号の関係の他の例を示す。
【図４】実施例１の補償信号生成回路１０８の構成を示す。
【図５】実施例１の静電容量式センサ装置１００による自動オフセット補正処理のフローチャートを示す。
【図６】実施例２の静電容量式センサ装置６００の構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に説明する実施例の主要な特徴を最初に整理する。
（特徴１）第１センサキャパシタと第２センサキャパシタは、共通する可動電極と、それぞれ個別に設けられた固定電極を有する。物理量の作用によって可動電極が変位し、第１センサキャパシタと第２センサキャパシタの静電容量が変化する。
【実施例１】
【００１４】
図１に実施例１の静電容量式センサ装置１００の構成を示す。静電容量式センサ装置１００は、センサ素子１０２と、ＣＶ変換回路１０４と、クロック信号生成回路１０６と、補償信号生成回路１０８を備えている。静電容量式センサ装置１００は、センサ素子１０２に作用する物理量（例えば圧力、加速度、振動、音圧等）の変化を静電容量の変化として検出し、センサ素子１０２における静電容量の変化をＣＶ変換回路１０４が電圧の変化として出力する。静電容量式センサ装置１００の動作は、制御装置１１０によって制御される。
【００１５】
センサ素子１０２は、第１センサキャパシタ１１２と、第２センサキャパシタ１１４を備えている。第１センサキャパシタ１１２と第２センサキャパシタ１１４は、共通する可動電極と、それぞれ個別に設けられた固定電極を有する。可動電極と固定電極は対向する位置に配置されている。センサ素子１０２に物理量が作用すると、可動電極が変位し、第１センサキャパシタ１１２と第２センサキャパシタ１１４の静電容量がそれぞれ変化する。
【００１６】
本実施例では、第１センサキャパシタ１１２の静電容量Ｃ１を、物理量が作用してない場合における静電容量Ｃ０１と、物理量の作用に伴う静電容量の変化量ΔＣ１の和で表現する。また、第２センサキャパシタ１１４の静電容量Ｃ２を、物理量が作用していない場合における静電容量Ｃ０２と、物理量の作用に伴う静電容量の変化量ΔＣ２の和で表現する。すなわち、Ｃ１＝Ｃ０１＋ΔＣ１であり、Ｃ２＝Ｃ０２＋ΔＣ２である。
【００１７】
第１センサキャパシタ１１２と第２センサキャパシタ１１４は、理想的には、物理量が作用していない場合における静電容量が等しくなるように、すなわちＣ０１＝Ｃ０２となるように製造されている。また、第１センサキャパシタ１１２と第２センサキャパシタ１１４は、理想的には、物理量が作用したときの静電容量の変化が互いに相反する増減関係となるように、すなわちΔＣ１＝−ΔＣ２となるように製造されている。従って、第１センサキャパシタ１１２の静電容量Ｃ１と第２センサキャパシタ１１４の静電容量Ｃ２の差を電圧に変換して出力することによって、センサ素子１０２に作用している物理量を計測することができる。しかしながら、第１センサキャパシタ１１２や第２センサキャパシタ１１４には製造公差があるので、実際にはＣ０１とＣ０２は一致していない。そこで本実施例の静電容量式センサ装置１００では、補償信号生成回路１０８を用いて、第１センサキャパシタ１１２と第２センサキャパシタ１１４の静電容量のオフセットの影響を排除する。
【００１８】
第１センサキャパシタ１１２の固定電極は、第１入力端子１１６に接続されている。第２センサキャパシタ１１４の固定電極は、第２入力端子１１８に接続されている。第１センサキャパシタ１１２と第２センサキャパシタ１１４の共通する可動電極は、出力端子１２０に接続されている。
【００１９】
クロック信号生成回路１０６は、センサ素子１０２の第１入力端子１１６にクロック信号Ｓ１を供給し、センサ素子１０２の第２入力端子１１８にクロック信号Ｓ２を供給する。図２や図３に示すように、信号Ｓ１は電源電圧（ＶＤＤ）と接地電圧（ＶＧＮＤ）を交互に繰り返す。信号Ｓ２もＶＤＤとＶＧＮＤを交互に繰り返す。信号Ｓ１と信号Ｓ２は逆位相となっており、一方がＶＤＤの場合には他方はＶＧＮＤとなっている。またクロック信号生成回路１０６は、ＣＶ変換回路１０４のリセット端子１２８にリセット信号Ｓ０を供給する。本実施例では、クロック信号Ｓ１がＶＤＤからＶＧＮＤに切替わった直後に、リセット信号Ｓ０は短時間だけＶＤＤとなり、それ以降はＶＧＮＤである。クロック信号生成回路１０６の動作の開始および終了は、制御装置１１０によって制御される。
【００２０】
ＣＶ変換回路１０４は、オペアンプ１２２と、帰還キャパシタ１２４と、スイッチ回路１２６を有する。オペアンプ１２２の反転入力端子は、ＣＶ変換回路１０４の第１入力端子１３０に接続している。ＣＶ変換回路１０４の第１入力端子１３０は、センサ素子１０２の出力端子１２０に接続している。オペアンプ１２２の非反転入力端子は、ＣＶ変換回路１０４の第２入力端子１３２に接続している。ＣＶ変換回路１０４の第２入力端子１３２には、補償信号生成回路１０８から補償信号Ｓ３が供給される。オペアンプ１２２の出力端子は、ＣＶ変換回路１０４の出力端子１３４に接続している。ＣＶ変換回路１０４の出力端子１３４は静電容量式センサ装置１００の出力端子に接続されており、ＣＶ変換回路１０４の出力電圧Ｖｏｕｔが静電容量式センサ装置１００の出力電圧となる。帰還キャパシタ１２４とスイッチ回路１２６は、オペアンプ１２２の反転入力端子と出力端子の間に並列に接続されている。スイッチ回路１２６は、ｎ型のＭＯＳＦＥＴにより構成されるスイッチ回路である。スイッチ回路１２６は、リセット端子１２８に入力されるリセット信号Ｓ０に応じて、導通と非導通が切替わる。リセット信号Ｓ０がＶＤＤの場合には、スイッチ回路１２６は導通する。リセット信号Ｓ０がＶＧＮＤの場合には、スイッチ回路１２６は非導通となる。スイッチ回路１２６が導通すると、帰還キャパシタ１２４の両端が短絡して、帰還キャパシタ１２４に蓄積されていた電荷が放電される。
【００２１】
補償信号生成回路１０８は、クロック信号生成回路１０６からクロック信号Ｓ１、Ｓ２を取得して、ＣＶ変換回路１０４の第２入力端子１３２に補償信号Ｓ３を出力する。図２や図３に示すように、補償信号Ｓ３は、所定の基準電圧（Ｖｂｂ）にクロック信号Ｓ１またはＳ２と同期して補償電圧（Ｖｃｐ）が重畳された信号である。本実施例では、ＶｂｂはＶＤＤとＶＧＮＤの中間の電位である。すなわち、Ｖｂｂ＝（ＶＤＤ＋ＶＧＮＤ）／２である。また補償電圧Ｖｃｐは、Ｖｂｂに重畳されたときにＶＤＤを超えない範囲内で、その大きさが調整可能である。補償電圧Ｖｃｐの大きさは、制御装置１１０によって調整される。
【００２２】
Ｃ０１がＣ０２より大きい場合について以下説明する。この場合、図２に示すように、補償信号Ｓ３にはクロック信号Ｓ１と同期して補償電圧が重畳される。信号Ｓ１がＶＧＮＤ、信号Ｓ２がＶＤＤの場合、補償信号Ｓ３はＶｂｂである。センサ素子１０２の出力端子１２０の電位は、オペアンプ１２２の反転入力端子の電位に等しく、オペアンプ１２２の非反転入力端子に印加されるＶｂｂに等しい。第１センサキャパシタ１１２には電圧Ｖ１＝ＶＧＮＤ−Ｖｂｂ＝−Ｖｂｂが印加され、第２センサキャパシタ１１４には電圧Ｖ２＝ＶＤＤ−Ｖｂｂ＝Ｖｂｂが印加される。第１センサキャパシタ１１２には、電荷Ｑ１＝Ｃ１Ｖ１＝−Ｃ１Ｖｂｂが蓄積し、第２センサキャパシタ１１４には、電荷Ｑ２＝Ｃ２Ｖ２＝Ｃ２Ｖｂｂが蓄積する。なお信号Ｓ１がＶＧＮＤに切替わった直後は、リセット信号Ｓ０がＶＤＤとなり、スイッチ回路１２６が導通する。スイッチ回路１２６の導通によって、帰還キャパシタ１２４の両端が短絡して、出力電圧ＶｏｕｔはＶｏｕｔ＝Ｖｂｂとなる。その後、リセット信号Ｓ０がＶＧＮＤとなり、スイッチ回路１２６が非導通となっても、第１センサキャパシタ１１２と第２センサキャパシタ１１４の電荷が変動しないため、帰還キャパシタ１２４には電荷が蓄積せず、出力電圧ＶｏｕｔはＶｂｂのまま維持される。
【００２３】
信号Ｓ１がＶＤＤ、信号Ｓ２がＶＧＮＤに切替わると、補償信号Ｓ３はＶｂｂ＋Ｖｃｐに切替わる。センサ素子１０２の出力端子１２０の電位は、オペアンプ１２２の反転入力端子の電位に等しく、オペアンプ１２２の非反転入力端子に印加されるＶｂｂ＋Ｖｃｐに等しい。第１センサキャパシタ１１２には電圧Ｖ１＝ＶＤＤ−（Ｖｂｂ＋Ｖｃｐ）＝Ｖｂｂ−Ｖｃｐが印加され、第２センサキャパシタ１１４には電圧Ｖ２＝ＶＧＮＤ−（Ｖｂｂ＋Ｖｃｐ）＝−Ｖｂｂ−Ｖｃｐが印加される。第１センサキャパシタ１１２には、電荷Ｑ１＝Ｃ１Ｖ１＝Ｃ１（Ｖｂｂ−Ｖｃｐ）が蓄積し、第２センサキャパシタ１１４には、電荷Ｑ２＝Ｃ２Ｖ２＝−Ｃ２（Ｖｂｂ＋Ｖｃｐ）が蓄積する。従って、信号Ｓ１がＶＤＤ、信号Ｓ２がＶＧＮＤに切替わる際の第１センサキャパシタ１１２の電荷の変化量は、ΔＱ１＝Ｃ１（Ｖｂｂ−Ｖｃｐ）＋Ｃ１Ｖｂｂ＝２Ｃ１Ｖｂｂ−Ｃ１Ｖｃｐであり、第２センサキャパシタ１１４の電荷の変化量は、ΔＱ２＝−Ｃ２（Ｖｂｂ＋Ｖｃｐ）−Ｃ２Ｖｂｂ＝−２Ｃ２Ｖｂｂ−Ｃ２Ｖｃｐである。第１センサキャパシタ１１２と第２センサキャパシタ１１４における電荷の変化量と、帰還キャパシタ１２４における電荷の変化量は等しいから、帰還キャパシタ１２４には電荷Ｑｆ＝ΔＱ１＋ΔＱ２＝２Ｖｂｂ（Ｃ１−Ｃ２）−Ｖｃｐ（Ｃ１＋Ｃ２）が蓄積される。オペアンプ１２２の反転入力端子の電位はＶｂｂ＋Ｖｃｐであるから、出力電圧Ｖｏｕｔは、Ｖｏｕｔ＝Ｖｂｂ＋Ｖｃｐ−Ｑｆ／Ｃｆ＝Ｖｂｂ＋Ｖｃｐ−２Ｖｂｂ（Ｃ１−Ｃ２）／Ｃｆ＋Ｖｃｐ（Ｃ１＋Ｃ２）／Ｃｆ＝Ｖｂｂ−２Ｖｂｂ（ΔＣ１−ΔＣ２）／Ｃｆ＋Ｖｃｐ（ΔＣ１＋ΔＣ２）／Ｃｆ＋Ｖ０で与えられる。ここで、Ｖ０＝Ｖｃｐ−２Ｖｂｂ（Ｃ０１−Ｃ０２）／Ｃｆ＋Ｖｃｐ（Ｃ０１＋Ｃ０２）／Ｃｆである。なおＣｆは帰還キャパシタ１２４の静電容量である。
【００２４】
ΔＣ１＋ΔＣ２をほぼゼロとすると、補償電圧Ｖｃｐの大きさを調整して、Ｖ０＝０とすることができれば、出力電圧ＶｏｕｔはＶｂｂを基準として２Ｖｂｂ（ΔＣ１−ΔＣ２）／Ｃｆだけ変動することになり、この出力電圧Ｖｏｕｔの変動からセンサ素子１０２に作用している物理量を検出することができる。このような補償電圧Ｖｃｐの大きさは、Ｖｃｐ＝２Ｖｂｂ（Ｃ０１−Ｃ０２）／（Ｃ０１＋Ｃ０２＋Ｃｆ）で与えられる。このように調整された補償電圧Ｖｃｐがクロック信号Ｓ１に同期して重畳された補償信号Ｓ３を用いることで、第１センサキャパシタ１１２と第２センサキャパシタ１１４の静電容量のオフセット（Ｃ０１−Ｃ０２）の影響を出力電圧Ｖｏｕｔの変動から排除し、センサ素子１０２に作用する物理量を正確に検出することができる。
【００２５】
Ｃ０１がＣ０２より小さい場合について以下説明する。この場合、図３に示すように、補償信号Ｓ３には、クロック信号Ｓ２と同期して補償電圧が重畳される。信号Ｓ１がＶＧＮＤ、信号Ｓ２がＶＤＤの場合、補償信号Ｓ３はＶｂｂ＋Ｖｃｐである。センサ素子１０２の出力端子１２０の電位は、オペアンプ１２２の反転入力端子の電位に等しく、オペアンプ１２２の非反転入力端子に印加されるＶｂｂ＋Ｖｃｐに等しい。第１センサキャパシタ１１２には電圧Ｖ１＝ＶＧＮＤ−（Ｖｂｂ＋Ｖｃｐ）＝−（Ｖｂｂ＋Ｖｃｐ）が印加され、第２センサキャパシタ１１４には電圧Ｖ２＝ＶＤＤ−（Ｖｂｂ＋Ｖｃｐ）＝Ｖｂｂ−Ｖｃｐが印加される。第１センサキャパシタ１１２には、電荷Ｑ１＝Ｃ１Ｖ１＝−Ｃ１（Ｖｂｂ＋Ｖｃｐ）が蓄積し、第２センサキャパシタ１１４には、電荷Ｑ２＝Ｃ２Ｖ２＝Ｃ２（Ｖｂｂ−Ｖｃｐ）が蓄積する。なお信号Ｓ１がＶＧＮＤに切替わった直後は、リセット信号Ｓ０がＶＤＤとなり、スイッチ回路１２６が導通する。スイッチ回路１２６の導通によって、帰還キャパシタ１２４の両端が短絡して、出力電圧ＶｏｕｔはＶｏｕｔ＝Ｖｂｂ＋Ｖｃｐとなる。その後、リセット信号Ｓ０がＶＧＮＤとなり、スイッチ回路１２６が非導通となっても、第１センサキャパシタ１１２と第２センサキャパシタ１１４の電荷が変動しないため、帰還キャパシタ１２４には電荷が蓄積せず、出力電圧ＶｏｕｔはＶｂｂ＋Ｖｃｐのまま維持される。
【００２６】
信号Ｓ１がＶＤＤ、信号Ｓ２がＶＧＮＤに切替わると、補償信号Ｓ３はＶｂｂに切替わる。センサ素子１０２の出力端子１２０の電位は、オペアンプ１２２の反転入力端子の電位に等しく、オペアンプ１２２の非反転入力端子に印加されるＶｂｂに等しい。第１センサキャパシタ１１２には電圧Ｖ１＝ＶＤＤ−Ｖｂｂ＝Ｖｂｂが印加され、第２センサキャパシタ１１４には電圧Ｖ２＝ＶＧＮＤ−Ｖｂｂ＝−Ｖｂｂが印加される。第１センサキャパシタ１１２には、電荷Ｑ１＝Ｃ１Ｖ１＝Ｃ１Ｖｂｂが蓄積し、第２センサキャパシタ１１４には、電荷Ｑ２＝Ｃ２Ｖ２＝−Ｃ２Ｖｂｂが蓄積する。従って、信号Ｓ１がＶＤＤ、信号Ｓ２がＶＧＮＤに切替わる際の第１センサキャパシタ１１２の電荷の変化量は、ΔＱ１＝Ｃ１Ｖｂｂ＋Ｃ１（Ｖｂｂ＋Ｖｃｐ）＝２Ｃ１Ｖｂｂ＋Ｃ１Ｖｃｐであり、第２センサキャパシタ１１４の電荷の変化量は、ΔＱ２＝−Ｃ２Ｖｂｂ−Ｃ２（Ｖｂｂ−Ｖｃｐ）＝−２Ｃ２Ｖｂｂ＋Ｃ２Ｖｃｐである。第１センサキャパシタ１１２と第２センサキャパシタ１１４における電荷の変化量と、帰還キャパシタ１２４における電荷の変化量は等しいから、帰還キャパシタ１２４には電荷Ｑｆ＝ΔＱ１＋ΔＱ２＝２Ｖｂｂ（Ｃ１−Ｃ２）＋Ｖｃｐ（Ｃ１＋Ｃ２）が蓄積される。オペアンプ１２２の反転入力端子の電位はＶｂｂであるから、出力電圧Ｖｏｕｔは、Ｖｏｕｔ＝Ｖｂｂ−Ｑｆ／Ｃｆ＝Ｖｂｂ−２Ｖｂｂ（Ｃ１−Ｃ２）／Ｃｆ−Ｖｃｐ（Ｃ１＋Ｃ２）／Ｃｆ＝Ｖｂｂ＋Ｖｃｐ−２Ｖｂｂ（ΔＣ１−ΔＣ２）／Ｃｆ−Ｖｃｐ（ΔＣ１＋ΔＣ２）／Ｃｆ＋Ｖ０で与えられる。ここで、Ｖ０＝−Ｖｃｐ＋２Ｖｂｂ（Ｃ０２−Ｃ０１）／Ｃｆ−Ｖｃｐ（Ｃ０１＋Ｃ０２）／Ｃｆである。
【００２７】
ΔＣ１＋ΔＣ２をほぼゼロとすると、補償電圧Ｖｃｐの大きさを調整して、Ｖ０＝０とすることができれば、出力電圧ＶｏｕｔはＶｂｂ＋Ｖｃｐを基準として−２Ｖｂｂ（ΔＣ１−ΔＣ２）／Ｃｆだけ変動することになり、この出力電圧Ｖｏｕｔの変動からセンサ素子１０２に作用している物理量を検出することができる。このような補償電圧Ｖｃｐの大きさは、Ｖｃｐ＝２Ｖｂｂ（Ｃ０２−Ｃ０１）／（Ｃ０１＋Ｃ０２＋Ｃｆ）で与えられる。このように調整された補償電圧Ｖｃｐを有する補償信号Ｓ３を用いることで、第１センサキャパシタ１１２と第２センサキャパシタ１１４の静電容量のオフセット（Ｃ０２−Ｃ０１）の影響を出力電圧Ｖｏｕｔの変動から排除し、センサ素子１０２に作用する物理量を正確に検出することができる。
【００２８】
なお補償信号Ｓ３の位相と補償電圧Ｖｃｐの大きさは、Ｃ０１、Ｃ０２の測定が可能であれば、その測定値に基づいて決定してもよい。あるいは、Ｃ０１、Ｃ０２を測定しなくとも、補償信号Ｓ３の位相を信号Ｓ１に合わせる場合と信号Ｓ２に合わせる場合のそれぞれについて、Ｖｃｐの大きさを徐々に変化させていき、センサ素子１０２に物理量が作用しない状態で出力電圧Ｖｏｕｔの変動がゼロとなる補償信号Ｓ３の位相と補償電圧Ｖｃｐの大きさを探索的に求めてもよい。
【００２９】
図４は補償信号生成回路１０８の詳細を示している。補償信号生成回路１０８は、補償電圧生成部４０２と、基準電圧生成部４０４と、電圧加算部４０６を備えている。補償電圧生成部４０２は、メモリ４０８と、Ｄ／Ａコンバータ４１０と、セレクタ４１２と、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ４１６、４１８と、インバータ４１７を備えている。メモリ４０８には、制御装置１１０から補償電圧Ｖｃｐの数値がデジタルデータとして記憶される。Ｄ／Ａコンバータ４１０は、メモリ４０８から補償電圧Ｖｃｐの値を読み出してアナログ電圧に変換する。セレクタ４１２は、制御装置１１０からの信号選択の指示に応じて、入力信号を信号Ｓ１と信号Ｓ２の間で切替える。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ４１６、４１８とインバータ４１７は、セレクタ４１２によって選択された入力信号（Ｓ１またはＳ２）が、ＶＤＤの場合にはＶｃｐを出力し、ＶＧＮＤの場合にはＶＧＮＤを出力する。
【００３０】
基準電圧生成部４０４は、オペアンプ４２０、抵抗４２２、４２４を備えている。基準電圧生成部４０４は、Ｖｂｂを出力する。
【００３１】
電圧加算部４０６は、オペアンプ４２６、抵抗４２８、４３０、４３１、４３２を備えている。電圧加算部４０６は、基準電圧生成部４０４からの出力電圧（Ｖｂｂ）と、補償電圧生成部４０２からの出力電圧（ＶｃｐまたはＶＧＮＤ）を加算して、補償信号Ｓ３として出力する。
【００３２】
図１の制御装置１１０は、内部に図示されないＡ／Ｄ変換器、論理演算回路等を備えている。制御装置１１０は、静電容量式センサ装置１００の出力電圧Ｖｏｕｔをデジタルデータに変換して、出力電圧Ｖｏｕｔの測定値に応じて、後述する自動オフセット補正処理を行う。
【００３３】
以下では図５を参照しながら、本実施例の静電容量式センサ装置１００における自動オフセット補正処理について説明する。自動オフセット補正処理は、センサ素子１０２に作用する物理量がゼロの状況において行われる。
【００３４】
ステップＳ５０２では、制御装置１１０がＶｃｐの初期値としてゼロをメモリ４０８に入力する。
【００３５】
ステップＳ５０４では、制御装置１１０が、第１センサキャパシタ１１２の静電容量Ｃ０１が第２センサキャパシタ１１４の静電容量Ｃ０２より大きいか否かを判断する。ステップＳ５０２でＶｃｐをゼロとしているので、信号Ｓ１がＶＧＮＤ、信号Ｓ２がＶＤＤの場合に出力電圧ＶｏｕｔはＶｏｕｔ＝Ｖｂｂとなり、信号Ｓ１がＶＤＤ、信号Ｓ２がＶＧＮＤの場合に出力電圧ＶｏｕｔはＶｏｕｔ＝Ｖｂｂ−２Ｖｂｂ（Ｃ０１−Ｃ０２）／Ｃｆとなる。従って、制御装置１１０は、信号Ｓ１がＶＤＤの期間におけるＶｏｕｔが信号Ｓ１がＶＧＮＤの期間におけるＶｏｕｔより小さければ、Ｃ０１はＣ０２より大きいと判断する。
【００３６】
ステップＳ５０４でＣ０１がＣ０２より大きい場合（ＹＥＳの場合）には、処理はステップＳ５０６へ進む。ステップＳ５０６では、制御装置１１０は、セレクタ４１２に入力信号を信号Ｓ１とする信号選択を指示する。
【００３７】
ステップＳ５０４でＣ０１がＣ０２以下の場合（ＮＯの場合）には、処理はステップＳ５０８へ進む。ステップＳ５０８では、制御装置１１０は、セレクタ４１２に入力信号を信号Ｓ２とする信号選択を指示する。
【００３８】
ステップＳ５１０では、制御装置１１０がメモリ４０８に記憶されているＶｃｐを読み出し、所定の電圧増加幅ΔＶｃｐだけ増加させた数値を、新たなＶｃｐとしてメモリ４０８に書き込む。
【００３９】
ステップＳ５１２では、制御装置１１０が、静電容量のオフセットに起因する出力電圧の変動分Ｖｏｓを算出する。出力電圧の変動分Ｖｏｓは、信号Ｓ１がＶＤＤの期間におけるＶｏｕｔと、信号Ｓ１がＶＧＮＤの期間におけるＶｏｕｔをそれぞれ測定して、両者の差を算出することで取得される。
【００４０】
ステップＳ５１４では、Ｖｏｓの絶対値が所定値δに満たないか否かを判断する。Ｖｏｓの絶対値が所定値δ以上の場合（ＮＯの場合）には、制御装置１１０はＶｃｐのさらなる更新が必要と判断して、ステップＳ５１０へ戻る。
【００４１】
ステップＳ５１４でＶｏｓの絶対値が所定値δに満たない場合（ＹＥＳの場合）には、制御装置１１０はＶｃｐが適切に設定されたと判断して、自動オフセット補正処理を終了する。
【００４２】
以上のように、本実施例の静電容量式センサ装置１００によれば、第１センサキャパシタ１１２と第２センサキャパシタ１１４の静電容量のオフセットを補償して、センサ素子１０２に作用する物理量を正確に検出することができる。
【００４３】
本実施例の静電容量式センサ装置１００では、補償信号生成回路１０８において補償電圧Ｖｃｐの大きさを事後的に再調整可能である。従って、センサ素子１０２を長期間運用して、第１センサキャパシタ１１２と第２センサキャパシタ１１４の静電容量のオフセットが経年変化した場合であっても、補償電圧Ｖｃｐの大きさを再調整することによってそのオフセットの影響を打ち消すことができる。
【００４４】
なお上記の実施例では、補償信号Ｓ３の基準電圧Ｖｂｂを電源電圧ＶＤＤと接地電圧ＶＧＮＤの中間の電位とする場合について説明したが、基準電圧Ｖｂｂは接地電圧ＶＧＮＤより大きく電源電圧ＶＤＤより小さい電圧であれば、どのような電圧としてもよい。
【実施例２】
【００４５】
図６に実施例２の静電容量式センサ装置６００の構成を示す。静電容量式センサ装置６００は、実施例１の静電容量式センサ装置１００と同様の構成を備えており、さらに電圧調整回路６０２を備えている。電圧調整回路６０２は、オペアンプ６０４と、抵抗６０６、６０８、６１０、６１２を備えている。電圧調整回路６０２は、出力電圧Ｖｏｕｔと、補償信号Ｓ３と、基準電圧Ｖｂｂを入力して、調整された出力電圧Ｖｏｕｔａ＝Ｖｂｂ＋（Ｖｏｕｔ−Ｓ３）を出力する。
【００４６】
Ｃ０１がＣ０２より大きい場合には、信号Ｓ１がＶＧＮＤ、信号Ｓ２がＶＤＤの期間において、補償信号Ｓ３はＶｂｂであり、出力電圧Ｖｏｕｔ＝Ｖｂｂである。その後、信号Ｓ１がＶＤＤ、信号Ｓ２がＶＧＮＤに切替わると、補償信号Ｓ３はＶｂｂ＋Ｖｃｐに切替わり、出力電圧Ｖｏｕｔは、Ｖｏｕｔ＝Ｖｂｂ−２Ｖｂｂ（ΔＣ１−ΔＣ２）／Ｃｆ＋Ｖｃｐ（ΔＣ１＋ΔＣ２）／Ｃｆ＋Ｖ０で与えられえる。ここで、Ｖ０＝Ｖｃｐ−２Ｖｂｂ（Ｃ０１−Ｃ０２）／Ｃｆ＋Ｖｃｐ（Ｃ０１＋Ｃ０２）／Ｃｆである。
【００４７】
実施例１とは異なり、本実施例では、補償電圧Ｖｃｐの大きさをＶｃｐ＝２Ｖｂｂ（Ｃ０１−Ｃ０２）／（Ｃ０１＋Ｃ０２）に調整する。この場合、Ｖ０＝Ｖｃｐとなり、ΔＣ１＋ΔＣ２をほぼゼロとすると、信号Ｓ１がＶＤＤ、信号Ｓ２がＶＧＮＤの期間における出力電圧ＶｏｕｔはＶｏｕｔ＝Ｖｂｂ＋Ｖｃｐ−２Ｖｂｂ（ΔＣ１−ΔＣ２）／Ｃｆとなる。従って、本実施例における出力電圧Ｖｏｕｔは、補償信号Ｓ３にセンサ素子１０２の容量変化に応じた電圧変動２Ｖｂｂ（ΔＣ１−ΔＣ２）／Ｃｆが重畳したものとなる。本実施例では、電圧調整回路６０２によって、この出力電圧Ｖｏｕｔから補償信号Ｓ３を減算して、さらに基準電圧Ｖｂｂを加算することによって、調整された出力電圧Ｖｏｕｔａが得られる。調整された出力電圧Ｖｏｕｔａは、Ｖｂｂを基準として２Ｖｂｂ（ΔＣ１−ΔＣ２）／Ｃｆだけ変動する。
【００４８】
Ｃ０１がＣ０２より小さい場合には、信号Ｓ１がＶＧＮＤ、信号Ｓ２がＶＤＤの期間において、補償信号Ｓ３はＶｂｂ＋Ｖｃｐであり、出力電圧Ｖｏｕｔ＝Ｖｂｂ＋Ｖｃｐである。その後、信号Ｓ１がＶＤＤ、信号Ｓ２がＶＧＮＤに切替わると、補償信号Ｓ３はＶｂｂに切替わり、出力電圧Ｖｏｕｔは、Ｖｏｕｔ＝Ｖｂｂ＋Ｖｃｐ−２Ｖｂｂ（ΔＣ１−ΔＣ２）／Ｃｆ−Ｖｃｐ（ΔＣ１＋ΔＣ２）／Ｃｆ＋Ｖ０で与えられる。ここで、Ｖ０＝−Ｖｃｐ＋２Ｖｂｂ（Ｃ０２−Ｃ０１）／Ｃｆ−Ｖｃｐ（Ｃ０１＋Ｃ０２）／Ｃｆである。
【００４９】
実施例１とは異なり、本実施例では、補償電圧Ｖｃｐの大きさをＶｃｐ＝２Ｖｂｂ（Ｃ０２−Ｃ０１）／（Ｃ０１＋Ｃ０２）に調整する。この場合、Ｖ０＝−Ｖｃｐとなり、ΔＣ１＋ΔＣ２をほぼゼロとすると、信号Ｓ１がＶＤＤ、信号Ｓ２がＶＧＮＤの期間における出力電圧ＶｏｕｔはＶｏｕｔ＝Ｖｂｂ−２Ｖｂｂ（ΔＣ１−ΔＣ２）／Ｃｆとなる。従って、本実施例における出力電圧Ｖｏｕｔは、補償信号Ｓ３にセンサ素子１０２の容量変化に応じた電圧変動２Ｖｂｂ（ΔＣ１−ΔＣ２）／Ｃｆが重畳したものとなる。電圧調整回路６０２によって、この出力電圧Ｖｏｕｔから補償信号Ｓ３を減算して、さらに基準電圧Ｖｂｂを加算することによって、調整された出力電圧Ｖｏｕｔａが得られる。調整された出力電圧Ｖｏｕｔａは、Ｖｂｂを基準として２Ｖｂｂ（ΔＣ１−ΔＣ２）／Ｃｆだけ変動する。
【００５０】
以上のように、本実施例の静電容量式センサ装置６００によっても、第１センサキャパシタ１１２と第２センサキャパシタ１１４の静電容量のオフセットを補償して、センサ素子１０２に作用する物理量を正確に検出することができる。本実施例の静電容量式センサ装置６００によれば、補償電圧Ｖｃｐの大きさを帰還キャパシタ１２４の静電容量Ｃｆと無関係に設定しておくことができる。
【００５１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００５２】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００５３】
１００  静電容量式センサ装置
１０２  センサ素子
１０４  ＣＶ変換回路
１０６  クロック信号生成回路
１０８  補償信号生成回路
１１０  制御装置
１１２  第１センサキャパシタ
１１４  第２センサキャパシタ
１１６  第１入力端子
１１８  第２入力端子
１２０  出力端子
１２２  オペアンプ
１２４  帰還キャパシタ
１２６  スイッチ回路
１２８  リセット端子
１３０  第１入力端子
１３２  第２入力端子
１３４  出力端子
４０２  補償電圧生成部
４０４  基準電圧生成部
４０６  電圧加算部
４０８  メモリ
４１０  Ｄ／Ａコンバータ
４１２  セレクタ
４１６  ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
４１８  ｐ型ＭＯＳＦＥＴ
４２０  オペアンプ
４２２、４２４  抵抗
４２６  オペアンプ
４２８、４３０、４３２  抵抗
６００  静電容量式センサ装置
６０２  電圧調整回路
６０４  オペアンプ
６０６、６０８、６１０、６１２  抵抗
【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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