(57)【要約】【課題】静電容量検出回路において、補正容量をもうけることで、固定容量に相当する容量分をキャンセルすることができるが、固定容量が大きい場合に、それに応じた補正容量を設ける必要があり、とくにＩＣ化した場合に構成回路面積が大きくなってしまったり、外付けの容量が必要になってしまうという課題があった。【解決手段】固定容量と測定する対象の変化に応じ容量が可変する可変容量とを持つ被検出容量の容量値を電圧に変換する変換部と、入力されたデジタル信号に対応したアナログ電圧を出力するＤＡコンバータと、前記被検出容量に相当する前記変換部により変換された電圧から、前記変換部に接続可能とされる前記ＤＡコンバータの出力電圧を、差し引きするキャンセル手段と、を具備しており、前記ＤＡコンバータの前記出力電圧は、前記固定容量に相当する前記変換部により変換されたオフセット電圧以下であることを特徴とする静電容量検出回路。【選択図】図１
2012026802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定容量と測定する対象の変化に応じ容量が可変する可変容量とを持つ被検出容量の容量値を電圧に変換する変換部と、
入力されたデジタル信号に対応したアナログ電圧を出力するＤＡコンバータと、
前記被検出容量に相当する前記変換部により変換された電圧から、前記変換部に接続可能とされる前記ＤＡコンバータの出力電圧を、差し引きするキャンセル手段と、
を具備しており、
前記ＤＡコンバータの前記出力電圧は、前記固定容量に相当する前記変換部により変換されたオフセット電圧以下であることを特徴とする静電容量検出回路。
【請求項２】
請求項１に記載の静電容量検出回路において、前記変換部は、前段に容量を電圧に変換するＣＶコンバータが設けられており、後段にスイッチトキャパシタアンプが設けられていることを特徴とする静電容量検出回路。
【請求項３】
請求項２に記載の静電容量検出回路において、前記スイッチトキャパシタアンプが、差動増幅器によって構成され、前記差動増幅器の入力側には、入力サンプリングキャパシタと出力サンプリングキャパシタとが接続されており、また前記出力サンプリングキャパシタと前記差動増幅器の出力側との間に、前記ＤＡコンバータの出力側が接続可能とされており、前記入力サンプリングキャパシタに対する前記出力サンプリングキャパシタの容量比により、前記差動増幅器の増幅率が設定されることを特徴とする静電容量検出回路。
【請求項４】
請求項３に記載の静電容量検出回路において、前記入力サンプリングキャパシタおよび前記出力サンプリングキャパシタの少なくともどちらか一方が可変容量であり、前記差動増幅器の増幅率を可変可能としたことを特徴とする静電容量検出回路。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか1項に記載の静電容量検出回路において、前記オフセット電圧を補償するように前記デジタル信号を調節する調節手段を有することを特徴とする静電容量検出回路。
【請求項６】
請求項４に記載の静電容量検出回路において、前記オフセット電圧を補償するように前記デジタル信号および前記差動増幅器の増幅率を調節する調節手段を有することを特徴とする静電容量検出回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小な静電容量の変化を検出する静電容量検出回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来の静電容量検出回路を示す回路図である。特許文献１の静電容量検出装置１４０は、第１のオペアンプ１１１と、コンパレータ１１２と、第１の基準容量１１３と、第１の開閉スイッチ１１４と、第２の開閉スイッチ１１５と、第３の開閉スイッチ１１６と、第１のセンサ電極Ｅ１と、制御部１１７とを備えている  。静電容量検出装置１４０には、さらに、第７の開閉スイッチ１４１と、第８の開閉スイッチ１４２と、第１の補正容量１４３とが設けられている。第７の開閉スイッチ１４１の一端が、第１のオペアンプ１１１の反転入力端子（−）に接続され、第７の開閉スイッチ１４１の他端が、第１の補正容量１４３の一方の電極と第７の開閉スイッチ１４２の一端とに接続されている。第８の開閉スイッチ１４２の他端と第１の補正容量１４３の他方の電極とが、第１の補正電位Ｖ６に接続されている。尚、第１の補正容量１４３の他方の電極は、第１の補正電位Ｖ６以外の定電位に接続されている。このように、第１のセンサ電極Ｅ１によって構成される固定容量と測定する対象の変化に応じ容量が可変する可変容量とを持つ被検出容量を検出する際に、第１の補正容量１４３をもうけることによって、固定容量に相当する容量分をキャンセルすることによって、センサ感度を上げている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１５７９２０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１には、第１の補正容量１４３をもうけた静電容量検出回路が記載されている。補正容量をもうけることで、固定容量に相当する容量分をキャンセルすることができるが、固定容量が大きい場合に、それに応じた補正容量を設ける必要があり、とくにＩＣ化した場合に構成回路面積が大きくなってしまったり、外付けの容量が必要になってしまうという課題があった。
【０００５】
本発明は、上述した構成回路面積が大きくなってしまうという課題を解決して、かつ高感度な静電容量検出回路を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の静電容量検出回路は、固定容量と測定する対象の変化に応じ容量が可変する可変容量とを持つ被検出容量の容量値を電圧に変換する変換部と、入力されたデジタル信号に対応したアナログ電圧を出力するＤＡコンバータと、前記被検出容量に相当する前記変換部により変換された電圧から、前記変換部に接続可能とされる前記ＤＡコンバータの出力電圧を、差し引きするキャンセル手段と、を具備しており、前記ＤＡコンバータの前記出力電圧は、前記固定容量に相当する前記変換部により変換されたオフセット電圧以下であることを特徴とする。このことによって、オフセット電圧はＤＡコンバータの出力電圧により、キャンセルされるため、測定する対象の変化に応じ容量が可変する可変容量に相当する電圧を感度良く検出できる。補正容量を設けた場合に比較し、ＤＡコンバータは十分面積が小さいため、構成回路面積が大きくなってしまうという課題が解決される。
【０００７】
また、本発明の静電容量検出回路は、前記変換部に、前段に容量を電圧に変換するＣＶ
コンバータが設けられており、後段にスイッチトキャパシタアンプが設けられていることを特徴とする。このことによって、可変容量に応じた電圧を大きくすることができ、ノイズに強くすることができるため、可変容量に対する感度が上がる。このことによって、微小な容量も検出可能となり、検出面積が小さいセンサにも用いることができる。
【０００８】
また、本発明の静電容量検出回路は、前記スイッチトキャパシタアンプが、差動増幅器によって構成され、前記差動増幅器の入力側には、入力サンプリングキャパシタと出力サンプリングキャパシタとが接続されており、また前記出力サンプリングキャパシタと前記差動増幅器の出力側との間に、前記ＤＡコンバータの出力側が接続可能とされており、前記入力サンプリングキャパシタに対する前記出力サンプリングキャパシタの容量比により、前記差動増幅器の増幅率が設定されることを特徴とする。このことによって、測定する対象の変化に応じ容量が可変する可変容量に応じた電圧を確実に大きくすることができ、ノイズに強くすることができるため、可変容量に対する感度が上がる。このことによって、微小な容量も検出可能となり、検出面積が小さいセンサにも用いることができる。
【０００９】
また、本発明の静電容量検出回路は、前記入力サンプリングキャパシタおよび前記出力サンプリングキャパシタの少なくともどちらか一方が可変容量であり、前記差動増幅器の増幅率を可変可能としたことを特徴とする。このことによって、ＤＡコンバータの段数を少なくすることができ、構成回路の面積を小さくできる。
【００１０】
また、本発明の静電容量検出回路は、前記オフセット電圧を補償するように前記デジタル信号を調節する調節手段を有することを特徴とする。このことによって、オフセット電圧をより柔軟に制御し、補償できることにより、可変容量に応じた電圧だけを大きくすることができ、ノイズに強くすることができるため、可変容量に対する感度が上がる。このことによって、微小な容量も検出可能となり、検出面積が小さいセンサにも用いることができる。
【００１１】
また、本発明の静電容量検出回路は、前記オフセット電圧を補償するように前記デジタル信号および前記差動増幅器の増幅率を調節する調節手段を有することを特徴とする。このことによって、ＤＡコンバータの段数が少なくても、オフセット電圧をより柔軟に制御し、補償できることにより、可変容量に応じた電圧だけを大きくすることができ、ノイズに強くすることができるため、可変容量に対する感度が上がる。このことによって、微小な容量も検出可能となり、検出面積が小さいセンサにも用いることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、固定容量が大きい場合に構成回路面積が大きくなってしまうという課題を解決して、高感度な静電容量検出回路を提供することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態の静電容量検出回路を示す回路図である。
【図２】第１の実施形態の静電容量検出回路におけるタイミングチャートを示す図である。
【図３】第２の実施形態の静電容量検出回路を示す回路図である。
【図４】第２の実施形態の静電容量検出回路におけるタイミングチャートを示す図である。
【図５】従来の静電容量検出回路を示す回路図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明の実施形態の例について図を参照しながら詳細に説明をする。
【００１５】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態を説明するための静電容量検出回路を示す回路図である。図２は、本発明の第１の実施形態を説明するための静電容量検出回路におけるタイミングチャートを示す図である。
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施形態を説明するための静電容量検出回路を示す回路図である。図１に示されるように、静電容量検出回路４は、被検出容量１０が、容量値を電圧に変換する変換部１２の入力側に接続されている。変換部１２の出力はスイッチ１の入力側に接続され、さらにスイッチ１の出力側は、３方に分かれて接続されている。その一方が容量１５に接続され、もう一方がスイッチ２の入力側に接続され、さらにもう一方が、スイッチ３の出力側に接続されている。スイッチ３の入力側には、入力されたデジタル信号に対応したアナログ電圧を出力するＤＡコンバータ１４の出力側が接続されている。さらにスイッチ２の出力側は、並列に容量１７が接続されており、本静電容量検出回路４の出力端子となっており、被検出容量１０の容量値に比例した電圧を出力する。また、スイッチ１、スイッチ２、スイッチ３、容量１５、容量１７は、キャンセル手段２０を構成している。
【００１７】
一方、図１に示されるように、被検出容量１０は、固定容量７と測定する対象の変化に応じ容量が可変する可変容量９によって構成されている。よって、変換部１２の出力側には、固定容量７と可変容量９の合計容量に相当する電圧Ｖｃが発生する。この電圧Ｖｃから、キャンセル手段２０は、ＤＡコンバータ１４の出力電圧Ｖｄを差し引きすることができる。ＤＡコンバータ１４の出力電圧Ｖｄは、固定容量７に相当する変換部１２により変換されたオフセット電圧以下に設定することにより、オフセット電圧Ｖoをキャンセルすることができ、測定する対象の変化に応じ容量が可変する可変容量に相当する電圧を感度良く検出できる。この設定電圧は、ＤＡコンバータ１４に入力するデジタル信号により、任意に可変できる。尚、静電容量検出回路４の出力電圧をモニターしながら、可変容量９に応じた出力電圧のみを取り出せるよう、ＤＡコンバータ１４の出力電圧Ｖｄは、設定してもよい。
【００１８】
図２は、本発明の第１の実施形態を説明するための静電容量検出回路におけるタイミングチャートを示す図である。キャンセル手段２０のスイッチ３のONのタイミングで、ＤＡコンバータ１４の出力電圧Ｖｄとして、マイナスのオフセット電圧Ｖoを容量１５に印加し、電圧Vｏと容量１５とによって定められる電荷が、容量１５に蓄電される。スイッチ３のOFFの後、スイッチ１のONのタイミングで、被検出容量１０の容量値に相当する電圧Vｃが印加され、電圧Ｖｃと容量１５とによって定められる電荷が、容量１５に蓄電が開始される。蓄電が開始されると、容量１５には予めオフセット電圧Ｖoに相当するマイナスの電荷が蓄電されているため、容量１５に蓄電される電荷量は、電圧（Vｃ−Ｖo）と容量１５とによって、定められる電荷量に至る。スイッチ１のOFFの後、スイッチ２のONのタイミングで、Vｃ−Ｖoと同電圧が容量１７に印加され、出力される。その後、スイッチ２はOFF状態となるが、容量１７に蓄電された電荷により、電圧Vc−Ｖoが維持される。このようにキャンセル手段２０はスイッチングされるため、オフセット電圧Ｖoをキャンセルすることができる。このことにより、補正容量を設けた場合に比較し、ＤＡコンバータ１４は十分面積が小さいため、構成回路面積が大きくなってしまうという課題が解決される。
【００１９】
［第２実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態を説明するための静電容量検出回路を示す回路図である。図４は、本発明の第２の実施形態を説明するための静電容量検出回路におけるタイミングチャートを示す図である。
【００２０】
図３は、本発明の第２の実施形態を説明するための静電容量検出回路を示す回路図である。図３に示されるように、本発明の静電容量検出回路４４は、第１の実施形態と同様に、被検出容量１０は、固定容量７と測定する対象の変化に応じ容量が可変する可変容量９によって構成されており、容量値を電圧に変換するＣＶコンバータ４２の入力側に接続されている。ＣＶコンバータ４２の出力は、スイッチトキャパシタアンプ３０の入力側に接続されている。スイッチトキャパシタアンプ３０は、差動増幅器２５と容量値Ｃ１を持つ入力サンプリングキャパシタ３８と容量値Ｃ２を持つ出力サンプリングキャパシタ３９と容量３７、スイッチ３１、スイッチ３２、スイッチ３３、スイッチ３４、スイッチ３５、スイッチ３６によって構成されている。スイッチトキャパシタアンプ３０の入力サンプリングキャパシタ３８の前段には、スイッチ３１とスイッチ３２が具備され、スイッチ３１はＣＶコンバータ４２に接続されており、スイッチ３２はグラウンドに接続されている。出力サンプリングキャパシタ３９の差動増幅器２５の出力に接続可能とされる側には、スイッチ３３とスイッチ３５が具備され、スイッチ３３は差動増幅器２５の出力側に接続されており、スイッチ３５はＤＡコンバータ１４の出力側に接続されている。さらに差動増幅器２５の出力側には、スイッチ３４とスイッチ３６が具備され、スイッチ３４は差動増幅器２５の入力側に接続されており、スイッチ３６の出力側は並列に容量３７が接続されており、本静電容量検出回路４４の出力端子となっており、被検出容量１０の容量値に比例した電圧を出力する。本実施形態の静電容量検出回路４４の容量値を電圧に変換する変換部１２は、前段にＣＶコンバータ４２と後段にスイッチトキャパシタアンプ３０を具備する。
【００２１】
図４は、本発明の第２の実施形態を説明するための静電容量検出回路におけるタイミングチャートを示す図である。図４に示されるように、スイッチトキャパシタアンプ３０のスイッチ３１とスイッチ３４およびスイッチ３５のONのタイミングで、スイッチ３１がONになることにより、ＣＶコンバータ４２で被検出容量１０の容量値に相当する電圧Vｃが入力サンプリングキャパシタ３８に印加され、蓄電される。また同タイミングで、スイッチ３５がONになることにより、ＤＡコンバータ１４の出力電圧Ｖｄとして、マイナスのオフセット電圧Ｖoが出力サンプリングキャパシタ３９に印加される。さらに同タイミングで、スイッチ３４がONになることにより、フローティング電位となっている差動増幅器２５をリセットできる。このことにより、差動増幅器２５の入力側には、Vｃ−Ｖoの電圧が印加される。次にスイッチトキャパシタアンプ３０のスイッチ３１とスイッチ３４およびスイッチ３５がOFFの後、スイッチ３２とスイッチ３３のONのタイミングで、差動増幅器２５の出力側には、（Vｃ−Ｖo）×Ｃ２／Ｃ１の電圧が発生する。次にスイッチトキャパシタアンプ３０のスイッチ３２とスイッチ３３がOFFの後、スイッチ３６のONのタイミングで、スイッチトキャパシタアンプ３０の出力電圧（Vｃ−Ｖo）×Ｃ２／Ｃ１が、本静電容量検出回路４４の出力電圧として出力される。スイッチ３６の出力側は並列に容量３７が接続されているため、スイッチ３６がOFF状態となっても、出力電圧（Vｃ−Ｖo）×Ｃ２／Ｃ１が維持される。
【００２２】
本発明の静電容量検出回路４４のスイッチトキャパシタアンプ３０の入力サンプリングキャパシタ３８の容量値Ｃ１と出力サンプリングキャパシタ３９の容量値Ｃ２を、Ｃ２＞Ｃ１となるよう、それぞれ選択し、かつＤＡコンバータ１４の出力電圧Ｖｄを固定容量７に相当する電圧Ｖoを補償するようＤＡコンバータ１４にデジタル信号を入力することにより、差動増幅器２５の入力側の電圧を容量比Ｃ２／Ｃ１で増幅することができる。これにより、測定する対象の変化に応じ容量が可変する可変容量９に応じた電圧だけを確実に大きくすることができ、ノイズ耐性が向上し、可変容量９に対する感度が上がる。このことによって、本発明の静電容量検出回路４４は、微小な容量変化も検出可能となり、検出面積が小さいセンサにも用いることができる。尚、本実施形態において、入力サンプリングキャパシタ３８の容量値Ｃ１および出力サンプリングキャパシタ３９の容量値Ｃ２が可変である場合を例示したが、これに限られるものではなく、どちらか一方もしくは両方が
固定容量であっても、同様の効果がえられる。
【００２３】
また、入力サンプリングキャパシタ３８の容量値Ｃ１を２倍、４倍、８倍というように、２乗に切り換えられる容量値の組み合わせにすると、差動増幅器２５の増幅率Ｃ２／Ｃ１を１／２、１／４、１／８と切り換えることができるため、ＤＡコンバータ１４の出力電圧Ｖｄのバリエーションを多く持たなくとも、固定容量７に相当する電圧Ｖoを補償できる。このことにより、ＤＡコンバータ１４の最小分解能をその切り換え範囲分だけ緩和することができる。このことによって、ＤＡコンバータ１４の内部の論理回路の段数を少なくすることができ、構成回路の面積を小さくできる。
【符号の説明】
【００２４】
１、２、３、３１、３２、３３、３４、３５、３６  スイッチ
４、４４  静電容量検出回路
７  固定容量
９  可変容量
１０  被検出容量
１２  変換部
１４  ＤＡコンバータ
１５、１７、３７  容量
２０  キャンセル手段
２５  差動増幅器
３０  スイッチトキャパシタアンプ
３８  入力サンプリングキャパシタ
３９  出力サンプリングキャパシタ
４２  ＣＶコンバータ
【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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