(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量に応じて静電容量が変化する第１容量センサ、第２容量センサ、第３容量センサ、第４容量センサを用いる容量検出装置であって、
少なくとも第１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、前記第１発振信号を微分した信号に相当する第１微分信号を生成する第１微分部と、
前記第１容量センサと逆向きに静電容量が変化する前記第２容量センサを用いて、前記第１発振信号を微分した信号に相当する第２微分信号を生成する第２微分部と、
前記第１容量センサと同じ向きに静電容量が変化する前記第３容量センサを用いて、前記第１発振信号を反転した信号である第２発振信号を微分した信号に相当する第３微分信号を生成する第３微分部と、
前記第１容量センサと逆向きに静電容量が変化する前記第４容量センサを用いて、前記第１発振信号を反転した信号である第２発振信号を微分した信号に相当する第４微分信号を生成する第４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、
あらかじめ定めた第１の位相のときに前記第１微分信号と前記第４微分信号とを合成した信号に対応する第１合成信号を生成し、あらかじめ定めた第２の位相のときに前記第２微分信号と前記第３微分信号とを合成した信号に対応する第２合成信号を生成し、前記積分制御信号にしたがって前記第１合成信号と前記第２合成信号とを積分し、積分信号を生成する積分部と、
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、前記第１発振信号または前記第２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
容量検出装置。
【請求項２】
物理量に応じて静電容量が変化する第１容量センサ、第２容量センサ、第３容量センサ、第４容量センサを用いる容量検出装置であって、
少なくとも第１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、前記第１発振信号を微分した信号に相当する第１微分信号を生成する第１微分部と、
前記第１容量センサと逆向きに静電容量が変化する前記第２容量センサを用いて、前記第１発振信号を微分した信号に相当する第２微分信号を生成する第２微分部と、
前記第１容量センサと同じ向きに静電容量が変化する前記第３容量センサを用いて、前記第１発振信号を反転した信号である第２発振信号を微分した信号に相当する第３微分信号を生成する第３微分部と、
前記第１容量センサと逆向きに静電容量が変化する前記第４容量センサを用いて、前記第１発振信号を反転した信号である第２発振信号を微分した信号に相当する第４微分信号を生成する第４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、
あらかじめ定めた第１の位相のときに前記第１微分信号と前記第４微分信号とを合成した信号に対応する第１合成信号を生成し、あらかじめ定めた第２の位相のときに前記第２微分信号と前記第３微分信号とを合成した信号に対応する第２合成信号を生成し、前記積分制御信号にしたがって前記第１合成信号と前記第２合成信号とを積分し、第１積分信号を生成する第１積分部と、
前記第２の位相のときに前記第１微分信号と前記第４微分信号とを合成した信号に対応する第３合成信号を生成し、前記第１の位相のときに前記第２微分信号と前記第３微分信号とを合成した信号に対応する第４合成信号を生成し、前記積分制御信号にしたがって前記第３合成信号と前記第４合成信号とを積分し、第２積分信号を生成する第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、前記第１発振信号または第２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
容量検出装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の容量検出装置であって、
物理量があらかじめ定めた値のときに、前記第１微分部内の前記第１容量センサと抵抗で決まる時定数と、前記第４微分部内の前記第４容量センサと抵抗で決まる時定数とは、一致し、
前記あらかじめ定めた値のときに、前記第２微分部内の前記第２容量センサと抵抗で決まる時定数と、前記第３微分部内の前記第３容量センサと抵抗で決まる時定数とは、一致する
ことを特徴とする容量検出装置。
【請求項４】
物理量に応じて抵抗値が変化する第１抵抗センサ、第２抵抗センサ、第３抵抗センサ、第４抵抗センサを用いる抵抗検出装置であって、
少なくとも第１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、前記第１発振信号を微分した信号に相当する第１微分信号を生成する第１微分部と、
前記第１抵抗センサと逆向きに抵抗値が変化する前記第２抵抗センサを用いて、前記第１発振信号を微分した信号に相当する第２微分信号を生成する第２微分部と、
前記第１抵抗センサと同じ向きに抵抗値が変化する前記第３抵抗センサを用いて、前記第１発振信号を反転した信号である第２発振信号を微分した信号に相当する第３微分信号を生成する第３微分部と、
前記第１抵抗センサと逆向きに抵抗値が変化する前記第４抵抗センサを用いて、前記第１発振信号を反転した信号である第２発振信号を微分した信号に相当する第４微分信号を生成する第４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、
あらかじめ定めた第１の位相のときに前記第１微分信号と前記第４微分信号とを合成した信号に対応する第１合成信号を生成し、あらかじめ定めた第２の位相のときに前記第２微分信号と前記第３微分信号とを合成した信号に対応する第２合成信号を生成し、前記積分制御信号にしたがって前記第１合成信号と前記第２合成信号とを積分し、積分信号を生成する積分部と、
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、前記第１発振信号または第２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
抵抗検出装置。
【請求項５】
物理量に応じて抵抗値が変化する第１抵抗センサ、第２抵抗センサ、第３抵抗センサ、第４抵抗センサを用いる抵抗検出装置であって、
少なくとも第１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、前記第１発振信号を微分した信号に相当する第１微分信号を生成する第１微分部と、
前記第１抵抗センサと逆向きに抵抗値が変化する前記第２抵抗センサを用いて、前記第１発振信号を微分した信号に相当する第２微分信号を生成する第２微分部と、
前記第１抵抗センサと同じ向きに抵抗値が変化する前記第３抵抗センサを用いて、前記第１発振信号を反転した信号である第２発振信号を微分した信号に相当する第３微分信号を生成する第３微分部と、
前記第１抵抗センサと逆向きに抵抗値が変化する前記第４抵抗センサを用いて、前記第１発振信号を反転した信号である第２発振信号を微分した信号に相当する第４微分信号を生成する第４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、
あらかじめ定めた第１の位相のときに前記第１微分信号と前記第４微分信号とを合成した信号に対応する第１合成信号を生成し、あらかじめ定めた第２の位相のときに前記第２微分信号と前記第３微分信号とを合成した信号に対応する第２合成信号を生成し、前記積分制御信号にしたがって前記第１合成信号と前記第２合成信号とを積分し、第１積分信号を生成する第１積分部と、
前記第２の位相のときに前記第１微分信号と前記第４微分信号とを合成した信号に対応する第３合成信号を生成し、前記第１の位相のときに前記第２微分信号と前記第３微分信号とを合成した信号に対応する第４合成信号を生成し、前記積分制御信号にしたがって前記第３合成信号と前記第４合成信号とを積分し、第２積分信号を生成する第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、前記第１発振信号または第２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
抵抗検出装置。
【請求項６】
請求項４または５記載の抵抗検出装置であって、
物理量があらかじめ定めた値のときに、前記第１微分部内の前記第１抵抗センサとコンデンサで決まる時定数と、前記第４微分部内の前記第４抵抗センサとコンデンサで決まる時定数とは、一致し、
前記あらかじめ定めた値のときに、前記第２微分部内の前記第２抵抗センサとコンデンサで決まる時定数と、前記第３微分部内の前記第３抵抗センサとコンデンサで決まる時定数とは、一致する
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が変化する容量センサを用いて物理量を測定するための容量検出装置、および物理量の変化によって抵抗値が変化する抵抗センサを用いて物理量を測定するための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。図１に特許文献３の加速度センサの構成を示す。特許文献３では、図１に示した加速度センサ４４について、「基板３１を切り離して枠体３２とその枠内に位置する質量体３３とを構成し、基板３１の板面上に枠体３２に固定された固定部３５と、質量体３３に連結された連結部３６と、それら間に架設されたヒンジ部３７とからなる支持体３４を設け、さらに枠体３２に設置された設置部３９と、その設置部３９より突出されて質量体３３と対向された対向部４０とからなる検出電極３８を設ける。支持体３４及び検出電極３８はパターニングより同一膜から形成される。質量体３３が基板３１の一部で構成され（質量大）、ヒンジ部３７が膜で構成されるため（厚さ小）、センサを高感度化できる。」と説明されている。
【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、加速度（力、モーメント）などの物理量の変化に伴って静電容量が変化する４つの容量センサの静電容量を検出し、検出した静電容量から物理量の変化を計測するために用いる。本発明の容量検出装置は、発振部、第１微分部、第２微分部、第３微分部、第４微分部、制御部、積分部、サンプルホールド部を備える。発振部は、少なくとも第１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、静電容量が変化する第１容量センサを用いて、第１発振信号を微分した信号に相当する第１微分信号を生成する。第２微分部は、第１容量センサと逆向きに静電容量が変化する第２容量センサを用いて、第１発振信号を微分した信号に相当する第２微分信号を生成する。第３微分部は、第１容量センサと同じ向きに静電容量が変化する第３容量センサを用いて、第１発振信号を反転した信号である第２発振信号を微分した信号に相当する第３微分信号を生成する。第４微分部は、第１容量センサと逆向きに静電容量が変化する第４容量センサを用いて、第１発振信号を反転した信号である第２発振信号を微分した信号に相当する第４微分信号を生成する。なお、第２発振信号は、発振部が生成してもよいし、第１発振信号を反転させることで生成してもよい。また、第２発振信号は生成せず、第３微分部（第４微分部）は、第１発振信号を微分した信号を生成し、その信号を反転させた信号を第３微分信号（第４微分信号）としてもよい。積分部は、第１の位相のときに第１微分信号と第４微分信号とを合成した信号に対応する第１合成信号を生成し、第２の位相のときに第２微分信号と第３微分信号とを合成した信号に対応する第２合成信号を生成し、積分制御信号にしたがって第１合成信号と第２合成信号とを積分し、積分信号を生成する。なお、第１の位相とは、第１発振信号の立上りもしくは立下りのタイミングを含むあらかじめ定めた位相の範囲という意味である。また第２の位相は、第１の位相と反対の位相の範囲とすればよい。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、第１または第２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前記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も、発振部、第１微分部、第２微分部、第３微分部、第４微分部、制御部、積分部、サンプルホールド部を備える。発振部は、少なくとも第１発振信号を生成する。第１微分部は、抵抗値が変化する第１抵抗センサを用いて、第１発振信号を微分した信号に相当する第１微分信号を生成する。第２微分部は、第１抵抗センサと逆向きに抵抗値が変化する第２抵抗センサを用いて、第１発振信号を微分した信号に相当する第２微分信号を生成する。第３微分部は、第１抵抗センサと同じ向きに抵抗値が変化する第３抵抗センサを用いて、第１発振信号を反転した信号である第２発振信号を微分した信号に相当する第３微分信号を生成する。第４微分部は、第１抵抗センサと逆向きに抵抗値が変化する第４抵抗センサを用いて、第１発振信号を反転した信号である第２発振信号を微分した信号に相当する第４微分信号を生成する。積分部は、第１の位相のときに第１微分信号と第４微分信号とを合成した信号に対応する第１合成信号を生成し、第２の位相のときに第２微分信号と第３微分信号とを合成した信号に対応する第２合成信号を生成し、積分制御信号にしたがって第１合成信号と第２合成信号とを積分し、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、第１または第２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。
【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第１または第２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】従来の加速度センサの構成を示す図。
【図２】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３】図２（Ａ）の端子９４０からの出力波形を示す図。
【図４】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５】先願の容量検出装置の機能構成例を示す図。
【図６】先願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７】先願の容量検出装置のタイミングチャートを示す図。
【図８】先願の別の容量検出装置の機能構成例を示す図。
【図９】先願の別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】先願の別の容量検出装置のタイミングチャートを示す図。
【図１１】先願の別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】先願の容量検出装置１００の積分部１３０の出力、または先願の容量検出装置２００の第１積分部２３０ａ、第２積分部２３０ｂの出力の一部を示す図。
【図１３】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１４】実施例１の容量検出装置の第１微分部、第２微分部、第３微分部、第４微分部、積分部の具体的な構成例を示す図。
【図１５】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１６】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３微分部、第４微分部、積分部の具体的な構成例を示す図。
【図１７】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１８】実施例２の容量検出装置の第１微分部、第２微分部、第３微分部、第４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１９】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２０】実施例２変形例の抵抗検出装置の第１微分部、第２微分部、第３微分部、第４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。
＜スイッチトキャパシタを用いた検出装置のノイズの分析＞
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。
【００１１】
図２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２（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２（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３は、図２（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。
【００１２】
また、図３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２（Ｂ）の回路９５０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。
【００１３】
図４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２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。
【００１４】
＜先願の構成１＞
次に、本願出願人により出願済であり未公開の特許出願（特願２０１０−８１９２７号）に記載されている容量検出センサについて説明する。図５に先願の容量検出装置の機能構成例を、図６に先願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７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。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。
【００１５】
第１微分部１２０ａは、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し、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１２０ｂは、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し、発振信号を微分した第２微分信号を生成する。図７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。
【００１６】
積分部１３０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。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、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を用いて構成すればよい。Ｓ点での電圧は、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。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、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。
【００１７】
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５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。
【００１８】
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。図７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。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、この容量検出装置は、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。
【００１９】
＜先願の構成２＞
次に、未公開の特許出願（特願２０１０−８１９２７号）に記載されている別の容量検出センサについて説明する。図８に先願の別の容量検出装置の機能構成例を、図９に先願の別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、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は容量検出装置１００と同じである。
【００２０】
第１積分部２３０ａは、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。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、図６の積分部１３０と同じ構成である。
【００２１】
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、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９の第２積分部２３０ｂ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。
【００２２】
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。
【００２３】
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とすればよい。
【００２４】
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。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、この容量検出装置は、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。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、さらにノイズを低減できる。
【００２５】
＜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、「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、容量検出装置２００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。
【００２６】
容量検出装置２００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、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、容量検出装置２００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。
【００２７】
＜先願の容量検出装置の分析＞
図１２に、先願の容量検出装置１００の積分部１３０の出力、または先願の容量検出装置２００の第１積分部２３０ａ、第２積分部２３０ｂの出力の一部を示す。積分部１３０、第１積分部２３０ａ、第２積分部２３０ｂの出力は、物理量が特定の値（例えば、図１２では物理量が０）のときの静電容量と、物理量によって変化した静電容量が合成されている。つまり、図１２に示したように、容量検出装置が計測したい範囲は、容量検出装置の出力範囲より狭くなる。したがって、先願の容量検出装置１００、２００の感度は、第１容量センサ１２１ａと第２容量センサ１２１ｂの感度だけでなく、物理量が特定の値のときの静電容量にも依存している。そこで、本願では、物理量が特定の値のときの静電容量の影響を受けにくくすることで、先願の容量検出装置１００、２００よりも高感度な容量検出装置を提供する。
【実施例１】
【００２８】
実施例１の容量検出装置は、加速度、力、モーメント、位置（変位）などの物理量の変化に伴って静電容量が変化する４つの容量センサの静電容量を検出し、検出した静電容量から物理量の変化を計測するために用いる。例えば図１の加速度センサの検出電極を分割するなどし、４つの容量センサを形成すればよい。そして、１つの容量センサを第１容量センサとし、第２容量センサは第１容量センサと逆向きに静電容量が変化する容量センサとし、第３容量センサは第１容量センサと同じ向きに静電容量が変化する容量センサとし、第４容量センサは第１容量センサと逆向きに静電容量が変化する容量センサとする。
【００２９】
図１３に実施例１の容量検出装置の機能構成例を、図１４に実施例１の容量検出装置の第１微分部、第２微分部、第３微分部、第４微分部、積分部の具体的な構成例を示す。また、図１５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。実施例１の容量検出装置３００は、発振部３１０、第１微分部１２０ａ、第２微分部１２０ｂ、第３微分部１２０ｃ、第４微分部１２０ｄ、制御部１８０、積分部３３０、サンプルホールド部１５０、フィルタ部１９０を備える。
【００３０】
発振部３１０は、少なくとも第１発振信号を生成する。例えば、矩形波を生成すればよいが、第１発振信号を矩形波に限定する必要は無い。また、図１３の発振部３１０は、第２発振信号も生成する。第２発振信号は、第１発振信号を反転した信号（または、位相が１８０度異なる信号）であり、理想的には振幅が同一である。ただし、振幅が同一でなくても、本発明の効果はある程度得られる。また、図１５の第１発振信号はデューティ比５０％としているが、５０％に限定する必要はない。
【００３１】
第１微分部１２０ａは、静電容量が変化する第１容量センサ１２１ａを用いて、第１発振信号を微分した信号に相当する第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１４の第１微分部１２０ａの場合、第１発振信号が矩形波であり電圧がＶ１ボルト変化した場合ならば、Ｑａ点での電圧は、
【００３２】
【数１】
0005225410.tif 000002
【００３３】
のようになる。ただし、Ｖ１は第１発振信号の電圧、Ｃａは物理量があらかじめ定めた値のときの第１容量センサ１２１ａの静電容量、ΔＣａはあらかじめ定めた値からの物理量の変化によって変化した第１容量センサ１２１ａの静電容量の変化分、Ｒａは固定抵抗１２２ａの抵抗、ｔは第１発振信号の電圧が変化してからの時間である。なお、物理量のあらかじめ定めた値は、高感度に測定したい物理量の範囲にあわせて設定すればよい。例えば、加速度がない状態の近傍を高感度で測定したいのであれば、加速度が０をあらかじめ定めた値とすればよい。また、重力加速度の近傍を高感度で測定したいのであれば、重力加速度をあらかじめ定めた値としてもよい。
【００３４】
第２微分部１２０ｂは、物理量の変化により第１容量センサ１２１ａと逆向きに静電容量が変化する第２容量センサ１２１ｂを用いて、第１発振信号を微分した信号に相当する第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１４の第２微分部１２０ｂの場合、第１発振信号が矩形波であり電圧がＶ１ボルト変化した場合ならば、Ｑｂ点での電圧は、
【００３５】
【数２】
0005225410.tif 000003
【００３６】
のようになる。ただし、Ｖ１は第１発振信号の電圧、Ｃｂは物理量があらかじめ定めた値のときの第２容量センサ１２１ｂの静電容量、ΔＣｂはあらかじめ定めた値からの物理量の変化によって変化した第２容量センサ１２１ｂの静電容量の変化分、Ｒｂは固定抵抗１２２ｂの抵抗、ｔは第１発振信号の電圧が変化してからの時間である。
【００３７】
第３微分部１２０ｃは、物理量の変化により第１容量センサ１２１ａと同じ向きに静電容量が変化する第３容量センサ１２１ｃを用いて、第１発振信号を反転した信号である第２発振信号を微分した信号に相当する第３微分信号を生成する。例えば、第３容量センサ１２１ｃと固定抵抗１２２ｃを用いて微分回路を形成すればよい。図１４の第３微分部１２０ｃの場合、第２発振信号が矩形波であり電圧がＶ２ボルト変化した場合ならば、Ｑｃ点での電圧は、
【００３８】
【数３】
0005225410.tif 000004
【００３９】
のようになる。ただし、Ｖ２は第２発振信号の電圧、Ｃｃは物理量があらかじめ定めた値のときの第３容量センサ１２１ｃの静電容量、ΔＣｃはあらかじめ定めた値からの物理量の変化によって変化した第３容量センサ１２１ｃの静電容量の変化分、Ｒｃは固定抵抗１２２ｃの抵抗、ｔは第２発振信号の電圧が変化してからの時間である。
【００４０】
第４微分部１２０ｄは、物理量の変化により第１容量センサ１２１ａと逆向きに静電容量が変化する第４容量センサ１２１ｄを用いて、第１発振信号を反転した信号である第２発振信号を微分した信号に相当する第４微分信号を生成する。例えば、第４容量センサ１２１ｄと固定抵抗１２２ｄを用いて微分回路を形成すればよい。図１４の第４微分部１２０ｄの場合、第２発振信号が矩形波であり電圧がＶ２ボルト変化した場合ならば、Ｑｄ点での電圧は、
【００４１】
【数４】
0005225410.tif 000005
【００４２】
のようになる。ただし、Ｖ２は第２発振信号の電圧、Ｃｄは物理量があらかじめ定めた値のときの第４容量センサ１２１ｄの静電容量、ΔＣｄはあらかじめ定めた値からの物理量の変化によって変化した第４容量センサ１２１ｄの静電容量の変化分、Ｒｄは固定抵抗１２２ｄの抵抗、ｔは第２発振信号の電圧が変化してからの時間である。
【００４３】
電圧がＶ１ｅ−１またはＶ２ｅ−１まで減衰する時間は、第１微分信号がｔ＝Ｒａ（Ｃａ＋ΔＣａ）、第２微分信号がｔ＝Ｒｂ（Ｃｂ−ΔＣｂ）、第３微分信号がｔ＝Ｒｃ（Ｃｃ＋ΔＣｃ）、第４微分信号がｔ＝Ｒｄ（Ｃｄ−ΔＣｄ）である。したがって、物理量の変化によって静電容量が大きくなれば信号の幅が広くなり、静電容量が小さくなれば信号の幅が狭くなる。なお、図１３では、第２発振信号は発振部３１０が生成している。しかし、例えば発振部の外部で第１発振信号を分割し、一方の第１発振信号を反転させることで第２発振信号を生成してもよい。また、第２発振信号は生成せず、第３微分部１２０ｃと第４微分部１２０ｄが、第１発振信号を微分した信号を生成し、その信号を反転させた信号を第３微分信号と第４微分信号としてもよい。
【００４４】
積分部３３０は、第１の位相のときに第１微分信号と第４微分信号とを合成した信号に対応する第１合成信号を生成し、第２の位相のときに第２微分信号と第３微分信号とを合成した信号に対応する第２合成信号を生成し、積分制御信号にしたがって第１合成信号と第２合成信号とを積分して積分信号を生成する。また、積分部３３０は、積分信号を積分制御信号にしたがってリセットする。なお、第１の位相とは、第１発振信号の立上りもしくは立下りのタイミングを含むあらかじめ定めた位相の範囲という意味である。また第２の位相は、第１の位相と反対の位相の範囲とすればよい。例えば第１の位相を、第１発振信号の立上りを含む位相の範囲とした場合は、第２の位相を第１発振信号の立下りを含む位相の範囲とすればよい。
【００４５】
図１４の積分部３３０は、ダイオード１３１、１３２、１３７、１３８、抵抗１３３、オペアンプ１３４、コンデンサ１３５、アナログスイッチ１３６で構成されている。図１４の積分部３３０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。ダイオード１３７は、第３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１３８は、第４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。また、第１発振信号と第２発振信号は反転しているので、第１，第２微分信号と第３，第４微分信号の極性は逆になる。したがって、Ｓ点での電圧は図１５のように、第１発振信号の半周期分（第１の位相のとき）は第１微分信号と第４微分信号を合成した信号（第１合成信号）となる。第１微分信号と第４微分信号とは正負が逆転しているので、第１合成信号の振幅は絶対値の差となる。また、残りの半周期分（第２の位相のとき）は第２微分信号と第３微分信号を合成した信号（第２合成信号）となる。第２微分信号と第３微分信号とは正負が逆転しているので、第２合成信号の振幅は絶対値の差となる。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。図１５の例では、第１容量センサ１２１ａと第３容量センサ１２１ｃの静電容量が増加し、第２容量センサ１２１ｂと第４容量センサ１２１ｄの静電容量が減少した例を示している。この場合、第１微分信号の方が第４微分信号よりも幅が広いので、合成された第１合成信号の極性は負となる。また、第３微分信号の方が第２微分信号よりも幅が広いので、第２合成信号の極性も負となる。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、図１５の例では積分信号が増加している。
【００４６】
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合成信号と第２合成信号とが０になるタイミング（積分が終了したタイミング）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１３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。制御部１８０は、第１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１５の例では、第１発振信号の４周期分を積分しているが、４周期に限定する必要はなく、他の複数周期でもかまわない。また、制御部１８０は、第２発振信号から同様にサンプルホールド制御信号を生成してもかまわない。
【００４７】
本実施例の容量検出装置３００において、物理量があらかじめ定めた値のとき（例えば、加速度が０のとき）の第１微分部１２０ａの時定数ＲａＣａと第４微分部１２０ｄの時定数ＲｄＣｄとを一致させ、第１発振信号の電圧Ｖ１と第２発振信号の電圧Ｖ２とを一致させれば、あらかじめ定めた値のときは式（１）と式(４)からわかるように、第１微分信号と第４微分信号とは符号が反対で絶対値が一致するのでＳ点での信号は０となる。また、物理量があらかじめ定めた値のときの第２微分部１２０ｂの時定数ＲｂＣｂと第３微分部１２０ｃの時定数ＲｃＣｃとを一致させ、第１発振信号の電圧Ｖ１と第２発振信号の電圧Ｖ２とを一致させれば、あらかじめ定めた値のときは式（２）と式(３)からわかるように、第２微分信号と第３微分信号とは符号が反対で絶対値が一致するのでＳ点での信号は０となる。つまり、物理量があらかじめ定めた値のときの静電容量に依存した信号は打ち消しあい、積分部３３０の出力には含まれなくなるので、容量検出装置３００の計測範囲は、物理量があらかじめ定めた値のときの静電容量の影響を受けなくなり、容量検出装置３００の計測範囲を容量検出装置３００の出力範囲まで広げることができる。したがって、先願の容量検出装置と同様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、かつ先願の容量検出装置よりも検出範囲を広げることができ、またはゲインをあげることにより感度を上げることができる。なお、上述の「一致」は厳密な一致である必要はなく、求められる感度に応じた範囲内の誤差を含んでもよい。また、微分部の時定数が一致していない場合や、第１発振信号の電圧と第２発振信号の電圧とが一致していない場合でも、物理量があらかじめ定めた値のときの静電容量に依存した信号は打ち消しあう関係となるので、少なくとも先願の容量検出装置よりも検出範囲を広げること、または感度を上げることができる。さらに、固定抵抗１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄを可変抵抗にすれば、可変抵抗で、物理量のあらかじめ定めた値での時定数を調整することや、あらかじめ定めた値を変更することも可能である。
【００４８】
［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１３の第１微分部１２０ａ、第２微分部１２０ｂ、第３微分部１２０ｃ、第４微分部１２０ｄの抵抗を変化させても、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が変化する第１抵抗センサ、第２抵抗センサ、第３抵抗センサ、第４抵抗センサの抵抗を検出し、検出した抵抗値から物理量の変化を計測するために用いる抵抗検出装置について説明する。なお、４つの抵抗センサの中の１つを第１抵抗センサとし、第２抵抗センサは第１抵抗センサと逆向きに抵抗値が変化する抵抗センサとし、第３抵抗センサは第１抵抗センサと同じ向きに抵抗値が変化する抵抗センサとし、第４抵抗センサは第１抵抗センサと逆向きに抵抗値が変化する抵抗センサとする。
【００４９】
本変形例の抵抗検出装置の機能構成を図１３に、タイミングチャートを図１５に示す。また、第１微分部、第２微分部、第３微分部、第４微分部、積分部の具体的な構成例を図１６に示す。抵抗検出装置５００も、発振部３１０、第１微分部５２０ａ、第２微分部５２０ｂ、第３微分部５２０ｃ、第４微分部５２０ｄ、制御部１８０、積分部３３０、サンプルホールド部１５０、フィルタ部１９０を備える。実施例１の容量検出装置３００との違いは、第１微分部５２０ａ、第２微分部５２０ｂ、第３微分部５２０ｃ、第４微分部５２０ｄだけであり、その他の構成は容量検出装置３００と同じである。
【００５０】
第１微分部５２０ａが、第１抵抗センサ５２２ａを用いて第１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５２２ａと静電容量が固定されたコンデンサ５２１ａを用いて微分回路を形成すればよい。図１６の第１微分部５２０ａの場合、第１発振信号が矩形波であり電圧がＶ１ボルト変化した場合ならば、Ｑａ点での電圧は、
【００５１】
【数５】
0005225410.tif 000006
【００５２】
のようになる。ただし、Ｖ１は第１発振信号の電圧、Ｃａ’はコンデンサ５２１ａの静電容量、Ｒａ’は物理量があらかじめ定めた値のときの第１抵抗センサ５２２ａの抵抗値、ΔＲａ’はあらかじめ定めた値からの物理量の変化によって変化した第１抵抗センサ５２２ａの抵抗値の変化分、ｔは第１発振信号の電圧が変化してからの時間である。なお、物理量のあらかじめ定めた値は、高感度に測定したい物理量の範囲にあわせて設定すればよい。例えば、加速度がない状態の近傍を高感度で測定したいのであれば、加速度が０をあらかじめ定めた値とすればよい。また、重力加速度の近傍を高感度で測定したいのであれば、重力加速度をあらかじめ定めた値としてもよい。
【００５３】
第２微分部５２０ｂが、物理量の変化により第１抵抗センサ５２２ａと逆向きに抵抗値が変化する第２抵抗センサ５２２ｂを用いて第１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５２２ｂと静電容量が固定されたコンデンサ５２１ｂを用いて微分回路を形成すればよい。図１６の第２微分部５２０ｂの場合、第１発振信号が矩形波であり電圧がＶ１ボルト変化した場合ならば、Ｑｂ点での電圧は、
【００５４】
【数６】
0005225410.tif 000007
【００５５】
のようになる。ただし、Ｖ１は第１発振信号の電圧、Ｃｂ’はコンデンサ５２１ｂの静電容量、Ｒｂ’は物理量があらかじめ定めた値のときの第２抵抗センサ５２２ｂの抵抗値、ΔＲｂ’はあらかじめ定めた値からの物理量の変化によって変化した第２抵抗センサ５２２ｂの抵抗値の変化分、ｔは第１発振信号の電圧が変化してからの時間である。
【００５６】
第３微分部５２０ｃが、物理量の変化により第１抵抗センサ５２２ａと同じ向きに抵抗値が変化する第３抵抗センサ５２２ｃを用いて、第１発振信号を反転した信号である第２発振信号を微分した信号に相当する第３微分信号を生成する。例えば、第３抵抗センサ５２２ｃと静電容量が固定されたコンデンサ５２１ｃを用いて微分回路を形成すればよい。図１６の第３微分部５２０ｃの場合、第２発振信号が矩形波であり電圧がＶ２ボルト変化した場合ならば、Ｑｃ点での電圧は、
【００５７】
【数７】
0005225410.tif 000008
【００５８】
のようになる。ただし、Ｖ２は第２発振信号の電圧、Ｃｃ’はコンデンサ５２１ｃの静電容量、Ｒｃ’は物理量があらかじめ定めた値のときの第３抵抗センサ５２２ｃの抵抗値、ΔＲｃ’はあらかじめ定めた値からの物理量の変化によって変化した第３抵抗センサ５２２ｃの抵抗値の変化分、ｔは第２発振信号の電圧が変化してからの時間である。
【００５９】
第４微分部５２０ｄが、物理量の変化により第１抵抗センサ５２２ａと逆向きに抵抗値が変化する第４抵抗センサ５２２ｄを用いて、第１発振信号を反転した信号である第２発振信号を微分した信号に相当する第４微分信号を生成する。例えば、第４抵抗センサ５２２ｄと静電容量が固定されたコンデンサ５２１ｄを用いて微分回路を形成すればよい。図１６の第４微分部５２０ｄの場合、第２発振信号が矩形波であり電圧がＶ２ボルト変化した場合ならば、Ｑｄ点での電圧は、
【００６０】
【数８】
0005225410.tif 000009
【００６１】
のようになる。ただし、Ｖ２は第２発振信号の電圧、Ｃｄ’はコンデンサ５２１ｄの静電容量、Ｒｄ’は物理量があらかじめ定めた値のときの第４抵抗センサ５２２ｄの抵抗値、ΔＲｄ’はあらかじめ定めた値からの物理量の変化によって変化した第４抵抗センサ５２２ｄの抵抗値の変化分、ｔは第２発振信号の電圧が変化してからの時間である。
【００６２】
電圧がＶ１ｅ−１またはＶ２ｅ−１まで減衰する時間は、第１微分信号がｔ＝（Ｒａ’＋ΔＲａ’）Ｃａ’、第２微分信号がｔ＝（Ｒｂ’−ΔＲｂ’）Ｃｂ’、第３微分信号がｔ＝（Ｒｃ’＋ΔＲｃ’）Ｃｃ’、第４微分信号がｔ＝（Ｒｄ’−ΔＲｄ’）Ｃｄ’である。したがって、物理量の変化によって抵抗値が大きくなれば信号の幅が広くなり、抵抗値が小さくなれば信号の幅が狭くなる。
【００６３】
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、第１または第２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、かつ検出範囲を広げることができ、またはゲインをあげることにより感度を上げることができる。なお、上述の「一致」は厳密な一致である必要はなく、求められる感度に応じた範囲内の誤差を含んでもよい。また、微分部の時定数が一致していない場合や、第１発振信号の電圧と第２発振信号の電圧とが一致していない場合でも、物理量があらかじめ定めた値のときの静電容量に依存した信号は打ち消しあう関係となるので、少なくとも先願の容量検出装置よりも検出範囲を広げること、または感度を上げることができる。さらに、例えば第１抵抗センサ、第２抵抗センサ、第３抵抗センサ、第４抵抗センサに可変抵抗を直列に接続しておけば、可変抵抗で、物理量のあらかじめ定めた値での時定数を調整することや、あらかじめ定めた値を変更することも可能である。
【実施例２】
【００６４】
実施例２の容量検出装置も、加速度などの物理量の変化に伴って静電容量が変化する４つの容量センサの静電容量を検出し、検出した静電容量から物理量の変化を計測するために用いる。４つの容量センサのうちの１つを第１容量センサとし、第２容量センサは第１容量センサと逆向きに静電容量が変化する容量センサとし、第３容量センサは第１容量センサと同じ向きに静電容量が変化する容量センサとし、第４容量センサは第１容量センサと逆向きに静電容量が変化する容量センサとする。
【００６５】
図１７に実施例２の容量検出装置の機能構成例を、図１８に実施例２の容量検出装置の第１微分部、第２微分部、第３微分部、第４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１９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。実施例２の容量検出装置４００は、発振部３１０、第１微分部１２０ａ、第２微分部１２０ｂ、第３微分部１２０ｃ、第４微分部１２０ｄ、制御部２８０、第１積分部４３０ａ、第２積分部４３０ｂ、差動増幅部２４０、サンプルホールド部１５０、フィルタ部１９０を備える。発振部３１０、第１微分部１２０ａ、第２微分部１２０ｂ、第３微分部１２０ｃ、第４微分部１２０ｄ、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３００と同じである。なお、図１９では第１微分信号〜第４微分信号は省略しているが、図１５と同じである。
【００６６】
第１積分部４３０ａは、第１の位相のときに第１微分信号と第４微分信号とを合成した信号に対応する第１合成信号を生成し、第２の位相のときに第２微分信号と第３微分信号とを合成した信号に対応する第２合成信号を生成し、積分制御信号にしたがって第１合成信号と第２合成信号とを積分し、第１積分信号を生成する。
【００６７】
また、第２積分部４３０ｂは、第２の位相のときに第１微分信号と第４微分信号とを合成した信号に対応する第３合成信号を生成し、第１の位相のときに第２微分信号と第３微分信号とを合成した信号に対応する第４合成信号を生成し、積分制御信号にしたがって第３合成信号と第４合成信号とを積分し、第２積分信号を生成する。
【００６８】
図１８の第１積分部４３０ａは、ダイオード１３１、１３２、１３７、１３８、抵抗１３３、オペアンプ１３４、コンデンサ１３５、アナログスイッチ１３６で構成されており、図１４の積分部３３０と同じ構成である。したがって、Ｓａ点での電圧は図１５のＳ点での電圧と同じであり、図１９の第１積分信号は図１５の積分信号と同じである。
【００６９】
図１９の第２積分部４３０ｂは、ダイオード２３１、２３２、２３７、２３８、抵抗２３３、オペアンプ２３４、コンデンサ２３５、アナログスイッチ２３６で構成されている。図１９の第２積分部４３０ｂ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２３４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２３４側に伝達する。ダイオード２３７は、第３微分信号のうち正の電圧となる部分のみをオペアンプ２３４側に伝達する。ダイオード２３８は、第４微分信号のうち負の電圧となる部分のみをオペアンプ２３４側に伝達する。したがって、Ｓｂ点での電圧は、Ｓａ点が第２微分信号と第３微分信号を合成した信号（第２合成信号）となる半周期分（第２の位相のとき）に、第１微分信号と第４微分信号を合成した信号（第３合成信号）となる。第１微分信号と第４微分信号とは正負が逆転しているので、絶対値の差が出力される。また、Ｓａ点が第１微分信号と第４微分信号を合成した信号（第１合成信号）となる半周期分（第１の位相のとき）に、第２微分信号と第３微分信号を合成した信号（第４合成信号）となる。第２微分信号と第３微分信号とは正負が逆転しているので、絶対値の差が出力される。Ｓｂ点での電圧を積分するときは、アナログスイッチ２３６はＯＦＦの状態であり、コンデンサ２３５に電荷をためることによって、オペアンプ２３４の出力側にＳｂ点の電圧の積分値が出力される。図１８の例では、第１容量センサ１２１ａと第３容量センサ１２１ｃの静電容量が増加し、第２容量センサ１２１ｂと第４容量センサ１２１ｄの静電容量が減少した例を示している。この場合、第１微分信号の方が第４微分信号よりも幅が広いので、合成された第３合成信号の極性は正となる。また、第３微分信号の方が第２微分信号よりも幅が広いので、第４合成信号の極性も正となる。オペアンプの出力電圧はＳｂ点の電圧と正負が反対になるので、図１９の例では第２積分信号が減少している。
【００７０】
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。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合成信号と第２合成信号とが０になるタイミング（積分が終了したタイミング）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１７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。制御部２８０は、第１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１９の例では、第１発振信号の４周期分を積分しているが、４周期に限定する必要はなく、他の複数周期でもかまわない。また、制御部２８０は、第２発振信号から同様にサンプルホールド制御信号を生成してもかまわない。
【００７１】
本実施例の容量検出装置４００において、物理量があらかじめ定めた値のとき（例えば、加速度が０のとき）の第１微分部１２０ａの時定数ＲａＣａと第４微分部１２０ｄの時定数ＲｄＣｄとを一致させ、第１発振信号の電圧Ｖ１と第２発振信号の電圧Ｖ２とを一致させれば、あらかじめ定めた値のときは式（１）と式(４)からわかるように、第１微分信号と第４微分信号とは符号が反対で絶対値が一致するのでＳ点での信号は０となる。また、物理量があらかじめ定めた値のときの第２微分部１２０ｂの時定数ＲｂＣｂと第３微分部１２０ｃの時定数ＲｃＣｃとを一致させ、第１発振信号の電圧Ｖ１と第２発振信号の電圧Ｖ２とを一致させれば、あらかじめ定めた値のときは式（２）と式(３)からわかるように、第２微分信号と第３微分信号とは符号が反対で絶対値が一致するのでＳ点での信号は０となる。つまり、物理量があらかじめ定めた値のときの静電容量に依存した信号は打ち消しあい、積分部３３０の出力には含まれなくなるので、容量検出装置４００の計測範囲は、物理量があらかじめ定めた値のときの静電容量の影響を受けなくなり、容量検出装置３００の計測範囲を出力範囲まで広げることができる。したがって、先願の容量検出装置と同様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、かつ先願の容量検出装置よりも検出範囲を広げることができ、またはゲインをあげることにより感度を上げることができる。なお、上述の「一致」は厳密な一致である必要はなく、求められる感度に応じた範囲内の誤差を含んでもよい。また、微分部の時定数が一致していない場合や、第１発振信号の電圧と第２発振信号の電圧とが一致していない場合でも、物理量があらかじめ定めた値のときの静電容量に依存した信号は打ち消しあう関係となるので、少なくとも先願の容量検出装置よりも検出範囲を広げること、または感度を上げることができる。また、第１積分部４３０ａと第２積分部４３０ｂ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。さらに、固定抵抗１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄを可変抵抗にすれば、可変抵抗で、物理量のあらかじめ定めた値での時定数を調整することや、あらかじめ定めた値を変更することも可能である。
【００７２】
［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１７の第１微分部１２０ａ、第２微分部１２０ｂ、第３微分部１２０ｃ、第４微分部１２０ｄの抵抗を変化させても、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が変化する第１抵抗センサ、第２抵抗センサ、第３抵抗センサ、第４抵抗センサの抵抗を検出し、検出した抵抗値から物理量の変化を計測するために用いる抵抗検出装置について説明する。なお、４つの抵抗センサの中の１つを第１抵抗センサとし、第２抵抗センサは第１抵抗センサと逆向きに抵抗値が変化する抵抗センサとし、第３抵抗センサは第１抵抗センサと同じ向きに抵抗値が変化する抵抗センサとし、第４抵抗センサは第１抵抗センサと逆向きに抵抗値が変化する抵抗センサとする。
【００７３】
本変形例の抵抗検出装置の機能構成を図１７に、タイミングチャートを図１９に示す。また、第１微分部、第２微分部、第３微分部、第４微分部、第１積分部、第２積分部の具体的な構成例を図２０に示す。抵抗検出装置６００も、発振部３１０、第１微分部５２０ａ、第２微分部５２０ｂ、第３微分部５２０ｃ、第４微分部５２０ｄ、制御部２８０、第１積分部４３０ａ、第２積分部４３０ｂ、差動増幅部２４０、サンプルホールド部１５０、フィルタ部１９０を備える。実施例２の容量検出装置４００との違いは、第１微分部５２０ａ、第２微分部５２０ｂ、第３微分部５２０ｃ、第４微分部５２０ｄだけであり、その他の構成は容量検出装置４００と同じである。また、第１微分部５２０ａ、第２微分部５２０ｂ、第３微分部５２０ｃ、第４微分部５２０ｄは、実施例１変形例の抵抗検出装置５００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。
【００７４】
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、第１または第２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、かつ検出範囲を広げることができ、またはゲインをあげることにより感度を上げることができる。なお、上述の「一致」は厳密な一致である必要はなく、求められる感度に応じた範囲内の誤差を含んでもよい。また、微分部の時定数が一致していない場合や、第１発振信号の電圧と第２発振信号の電圧とが一致していない場合でも、物理量があらかじめ定めた値のときの静電容量に依存した信号は打ち消しあう関係となるので、少なくとも先願の容量検出装置よりも検出範囲を広げること、または感度をあげることができる。さらに、例えば第１抵抗センサ、第２抵抗センサ、第３抵抗センサ、第４抵抗センサに可変抵抗を直列に接続しておけば、可変抵抗で、物理量のあらかじめ定めた値での時定数を調整することや、あらかじめ定めた値を変更することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、物理量の変化に伴って静電容量が変化する４つの容量センサの静電容量を検出し、検出した静電容量から物理量の変化を計測するために用いる容量検出装置、および物理量の変化に伴って抵抗値が変化する４つの抵抗センサの抵抗値を検出し、検出した抵抗値から物理量の変化を計測するために用いる抵抗検出装置に利用できる。
【符号の説明】
【００７６】
３１  基板                            ３２  枠体
３３  質量体                          ３４  支持体
３５  固定部                          ３６  連結部
３７  ヒンジ部                        ３８  検出電極
３９  設置部                          ４０  対向部
４４  加速度センサ
１００、２００、３００、４００  容量検出装置
１１０、３１０  発振部
１２０ａ、５２０ａ  第１微分部        １２０ｂ、５２０ｂ  第２微分部
１２０ｃ、５２０ｃ  第３微分部        １２０ｄ、５２０ｄ  第４微分部
１２１ａ  第１容量センサ              １２１ｂ  第２容量センサ
１２１ｃ  第３容量センサ              １２１ｄ  第４容量センサ
１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄ  固定抵抗
１３０、３３０  積分部
１３１、１３２、１３７、１３８、２３１、２３２、２３７、２３８  ダイオード
１３３、２３３  抵抗                  １３４、２３４  オペアンプ
１３５、２３５  コンデンサ            １３６、２３６  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、４３０ａ  第１積分部        ２３０ｂ、４３０ｂ  第２積分部
２４０  差動増幅部                    ５００、６００  抵抗検出装置
５２１ａ、５２１ｂ、５２１ｃ、５２１ｄ  コンデンサ
５２２ａ  第１抵抗センサ              ５２２ｂ  第２抵抗センサ
５２２ｃ  第３抵抗センサ              ５２２ｄ  第４抵抗センサ
９００、９５０  回路                  ９１０  アナログスイッチ
９２０  コンデンサ                    ９３０  オペアンプ
９４０、９７０  端子                  ９６０  発振器
【図１】
0005225410.tif 000010
【図２】
0005225410.tif 000011
【図３】
0005225410.tif 000012
【図４】
0005225410.tif 000013
【図５】
0005225410.tif 000014
【図６】
0005225410.tif 000015
【図７】
0005225410.tif 000016
【図８】
0005225410.tif 000017
【図９】
0005225410.tif 000018
【図１０】
0005225410.tif 000019
【図１１】
0005225410.tif 000020
【図１２】
0005225410.tif 000021
【図１３】
0005225410.tif 000022
【図１４】
0005225410.tif 000023
【図１５】
0005225410.tif 000024
【図１６】
0005225410.tif 000025
【図１７】
0005225410.tif 000026
【図１８】
0005225410.tif 000027
【図１９】
0005225410.tif 000028
【図２０】
0005225410.tif 000029