(57)【要約】【課題】  シンプルな回路構成でジッターノイズ、高周波ノイズの低減を可能にするＣＶ変換器を提供することである。【解決手段】  計測しようとする装置の対電極に交流定電流を与え、対電極の両端の電圧をバランス調整して加算したものに、交流定電流を電圧に変換したものをさらに加算し、それをＡＭ検波することにより、容量素子の容量の変化を電圧に変換するように構成されていることを特徴とするＣＶ変換器が提供される。好ましくは、計測しようとする装置は、静電容量型センサである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測しようとする装置の対電極に交流定電流を与え、前記対電極の両端の電圧をバランス調整して加算したものに、前記交流定電流を電圧に変換したものをさらに加算し、それをＡＭ検波することにより、容量素子の容量の変化を電圧に変換するように構成されていることを特徴とするＣＶ変換器。
【請求項２】
前記バランス調整が、前記対電極の両端の電圧に所定の比率を乗じて電圧に変換することによって行われることを特徴とする請求項１に記載のＣＶ変換器。
【請求項３】
前記交流定電流を電圧に変換する際に所定の係数が乗ぜられるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＶ変換器。
【請求項４】
前記装置が静電容量型センサであることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のＣＶ変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、静電容量を電圧に変換するＣＶ変換器に関する。より詳細には、本発明は、静電容量型センサの信号処理に用いられるＣＶ変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度、角速度、力覚、圧力等を検出するセンサとして、高感度で低消費電力等の利点を有する静電容量型センサが注目されている（特許文献１参照）。加速度センサを例にとり、図３を参照して静電容量型センサの基本原理について説明する。静電容量型センサは、固定基板１０と、固定基板１０に対して所定間隔隔てて対向して配置された可撓性材料製の可動基板１２と、可動基板１２の中央下面に取り付けられた重り１４と、固定基板１０、可動基板１２および重り１４を収納するケース１６とを備えている（図３（ａ）参照）。固定基板１０は、周囲がケース１６に固定された円板状の基板であり、その下面に、円板状の固定電極１ａが配置されている（図３（ｂ）参照）。可動基板１２も、周囲がケース１６に固定された円板状の基板であり、その上面に、扇状の変位電極１２ａ〜１２ｄおよび円板状の変位電極１２ｅが配置されている（図３（ｃ）参照）。
【０００３】
重り１４の重心に作用点Ｐを定め、作用点Ｐを原点として図３（ａ）の右方向にＸ軸、上方向にＺ軸、紙面直交方向にＹ軸を定める。作用点Ｐに外力が作用していない状態では、図３（ａ）に示されるように、固定電極１０ａと変位電極１２ａ〜１２ｅは所定間隔隔てて互いに平行になっている。いま、センサに加速度が加わることにより、作用点ＰにＸ軸方向の力＋ＦX が作用するものとする。すると、ＦX により可動基板１２に曲げモーメントが加えられ、これにより可動基板１２が撓み、その結果、固定電極１０ａと変位電極１２ａとの間隔が大きくなり、固定電極１０ａと変位電極１２ｃとの間隔が小さくなる（図３（ｄ）参照）。また、作用点ＰにＸ軸方向の力−ＦX 、Ｙ軸方向の力＋ＦY 、−ＦY
が作用する場合も、固定電極１０ａと変位電極１２ａ〜１２ｄとの間隔に同様の変化が生ずる。
【０００４】
コンデンサは、対向する電極の間隔が小さくなると静電容量が大きくなり、電極の間隔が大きくなると静電容量が小さくなるが、静電容量型センサでは、各電極間の静電容量の変化を測定し、この測定値に基づいてセンサに作用した加速度を検出しようとするものである。なお、加速度以外の角速度、力覚、圧力等を検出しようとする場合も、同様の原理に基づいている。
【０００５】
従来、静電容量型角速度／加速度／力覚／圧力センサの静電容量の変化を電圧に変化させるＣＶ変換器の方式として、スイッチドキャパシタ方式が主流である。スイッチドキャパシタ方式のＣＶ変換器は主に、シーケンス制御用デジタル回路、アナログスイッチ、位相検波回路、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）等から構成される。
【０００６】
【特許文献１】特開平４−０１９５６８号公報
【特許文献２】特開２００３−０４２８７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のスイッチドキャパシタ方式のＣＶ変換器では、シーケンス制御用デジタル回路、アナログスイッチ、位相検波回路においてジッターノイズや高調波ノイズが発生し易いという課題があった。また、このようなノイズの発生を抑制しようとすると、回路が複雑化するという課題があった。とりわけ、角速度センサにおいては、感度が１０ａＦ／ｄｅｇ／ｓ程度と微小であるため、低ノイズ化を図ることが必要不可欠である。
【０００８】
本発明は、このような現状に鑑みて開発されたものであって、シンプルな回路構成でジッターノイズ、高周波ノイズの低減を可能にするＣＶ変換器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願請求項１に記載されたＣＶ変換器は、計測しようとする装置の対電極に交流定電流を与え、前記対電極の両端の電圧をバランス調整して加算したものに、前記交流定電流を電圧に変換したものをさらに加算し、それをＡＭ検波することにより、容量素子の容量の変化を電圧に変換するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
本願請求項２に記載されたＣＶ変換器は、前記請求項１のＣＶ変換器において、前記バランス調整が、前記対電極の両端の電圧に所定の比率を乗じて電圧に変換することによって行われることを特徴とするものである。
【００１１】
本願請求項３に記載されたＣＶ変換器は、前記請求項１又は２のＣＶ変換器において、前記交流定電流を電圧に変換する際に所定の係数が乗ぜられるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
本願請求項４に記載されたＣＶ変換器は、前記請求項１から請求項３までのいずれか１項ののＣＶ変換器において、前記装置が静電容量型センサであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のＣＶ変換器は、スイッチドキャパシタ方式や同期検波方式のものと比較して、ジッターノイズの発生がなく、シンプルな回路構成とすることができる。また、本発明のＣＶ変換器では、容量素子のバランス調整をすることが容易である。さらに、本発明のＣＶ変換器において、搬送波を加えてＡＭ検波を行うことにより、容量素子の差分の符号の判別をすることができるとともに、ＡＭ検波時の不感帯を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に図面を参照して、静電容量型センサの信号処理に用いられる場合を例として、本発明の好ましい実施の形態に係るＣＶ変換器について詳細に説明する。図１は、本発明の好ましい実施の形態に係るＣＶ変換器の基本的な概念を説明するためのブロック図である。
【００１５】
ＣＶ変換器には、容量素子となる第１コンデンサＣ1 および第２コンデンサＣ2 が設けられている。これらのコンデンサＣ1 、Ｃ2 が計測に用いられるセンサの対電極となる。
【００１６】
第１コンデンサＣ1 の一端が、第１抵抗素子２２ａ（抵抗値Ｒ1 ）を介して、第１交流電圧発生源２０ａ（電圧ｅ1 ）の一端に接続されている。また、第２コンデンサＣ2 の一端が、第２抵抗素子２２ｂ（抵抗値Ｒ2 ）を介して、第２交流電圧発生源２０ｂ（電圧ｅ2 ）の一端に接続されている。これにより、第１コンデンサＣ1 を流れる電流ｉ1 ≒ｅ1／Ｒ1 、第２コンデンサＣ2 を流れる電流ｉ2 ≒ｅ2 ／Ｒ2 となる。
【００１７】
第１交流電圧発生源２０ａおよび第２交流電圧発生源２０ｂは、信号処理回路に信号電圧を供給するためものであり、互いに位相が１８０°ずれている。すなわち、第１交流電圧発生源２０ａの信号電圧が、
ｅ1 ＝Ａ×ｓｉｎ（ωｔ）
とすると、
第２交流電圧発生源２０ｂの信号電圧が、
ｅ2 ＝−Ａ×ｓｉｎ（ωｔ）
で表される。ここで、Ａは信号の電圧振幅、ωは角周波数である。
【００１８】
第１交流電圧発生源２０ａの他端が第１コンデンサＣ1 の他端に接続されており、第２交流電圧発生源２０ｂの他端も第２コンデンサＣ2 の他端に接続されている。さらに、第１交流電圧発生源２０ａの他端と第２交流電圧発生源２０ｂの他端が接続されており、第１コンデンサＣ1 の他端と第２コンデンサＣ2 の他端も接続されている。これにより、図１における接点０では、電圧が互いに打ち消し合ってゼロになるように充放電が繰り返されることとなる。
【００１９】
第１コンデンサＣ1 の一端が、第１バッファ２４ａを介して、第１増幅器２６ａに接続されており、第２コンデンサＣ2 の一端も、第２バッファ２４ｂを介して、第２増幅器２６ｂに接続されている。第１バッファ２４ａおよび第２バッファ２４ｂを設けたのは、インピーダンスを低減するためである。
【００２０】
第１増幅器２６ａでは、交流定電流に所定の比率α1 が乗じられて電圧ｖ1 に変換され、第２増幅器２６ｂでは、交流定電流に所定の比率α2 が乗じられて電圧ｖ2 に変換される。第１増幅器２６ａおよび第２増幅器２４ｂを設けたのは、２つのコンデンサＣ1 、Ｃ2 のバランス調整をするためである。すなわち、コンデンサには固有の誤差が含まれており（レーザー光線によるトリミング等により、固有の誤差を除去することは理論的に可能ではあるが、煩雑な工程が必要となる）、バランス調整せずにコンデンサＣ1 、Ｃ2 を使用すると、コンデンサの固有の誤差のため、センサに力等が作用しない場合にも、センサへの力等の付加が検出される事態が生ずることとなる。このような事態の発生を回避するため、バランス調整が行われる。
【００２１】
第１交流電圧発生源２０ａの一端が、第３増幅器２８に接続されており、第３増幅器２８では、交流定電流に所定の比率αC 乗じられて電圧ｖC に変換され、第１増幅器２６ａおよび第２増幅器２６ｂを介してバランス調整された電圧ｖ1 、ｖ2 とともに、オペアンプの加算器３０において加算される。すなわち、加算器３０において、ｖ1 −ｖ2 ＋ｖC＝ｖとなる。
【００２２】
このようにして加算された電圧ｖが、ＡＭ検波回路３２においてＡＭ検波される。
【００２３】
次に図２を参照して、以上のように構成されたＣＶ変換器が、どのように動作するのかについて説明する。
【００２４】
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、第１および第２コンデンサＣ1 、Ｃ2 の静電容量が変化しない（換言すると、センサに力が作用しない）状態を示した一連の図である。すなわち、図２（ａ）には、電圧ｖ1 、ｖ2 、ｖC が示されているが、コンデンサＣ1 、Ｃ2 の静電容量が変化しないため電圧ｖ1 、ｖ2 の振幅が同じであり、ｖ1 −ｖ2 は相殺されてゼロとなる。したがって、ｖ＝ｖ1 −ｖ2 ＋ｖC ＝ｖC となり、搬送波の電圧のみが残り、振幅が一定の状態のままとなり（図２（ｂ）参照）、ＡＭ検波すると、電圧Ｖは一定値となる（図２（ｃ）参照）。
【００２５】
図２（ｄ）〜図２（ｆ）は、第１コンデンサＣ1 の静電容量が変化する（換言すると、センサに力が作用して、Ｃ1 の静電容量が変化する）状態を示した一連の図である。すなわち、時間ｔ0 からコンデンサＣ1 の静電容量が大きくなるため電圧ｖ1 ＞ｖ2 となる（図２（ｄ）参照）。したがって、時間ｔ0 からｖ＝ｖ1 −ｖ2 ＋ｖC が大きくなり（図２（ｅ）参照）、ＡＭ検波すると、電圧Ｖが時間ｔ0 から大きくなる（図２（ｆ）参照）。これにより、センサへの力の付加が検出される。
【００２６】
図２（ｇ）〜図２（ｉ）は、第２コンデンサＣ2 の静電容量が変化する（換言すると、センサに力が作用して、Ｃ2 の静電容量が変化する）状態を示した一連の図である。すなわち、時間ｔ0 からコンデンサＣ2 の静電容量が大きくなるため電圧ｖ1 ＜ｖ2 となる（図２（ｇ）参照）。したがって、時間ｔ0 からｖ＝ｖ1 −ｖ2 ＋ｖC が小さくなり（図２（ｈ）参照）、ＡＭ検波すると、電圧Ｖが時間ｔ0 から小さくなる（図２（ｉ）参照）。これにより、センサへの力の付加が検出される。
【００２７】
第１コンデンサＣ1 と第２コンデンサＣ2 の両方の静電容量が変化する場合も、上述と同様な要領で動作する。
【００２８】
なお、第３増幅器２８において交流定電流に所定の比率αC 乗じられて得られた電圧ｖC をｖ1 −ｖ2 に加算することにより、センサに付加される力の方向を判別することができる（図２（ｆ）（ｉ）参照）。
【００２９】
本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００３０】
たとえば、前記実施の形態では、静電容量型センサの信号処理に用いられる場合を例として説明されているが、これ以外の容量素子の変化を検出する場合にも、本発明のＣＶ変換器を使用してよい。また、第３増幅器２８において交流定電流に所定の比率αC を乗じているが、比率αC を乗ぜずに搬送波を加算してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の好ましい実施の形態に係るＣＶ変換器の基本的な概念を説明するためのブロック図である。
【図２】図１のＣＶ変換器の動作を説明するための一連の図である。
【図３】静電容量型センサを示した一連の図であって、図３（ａ）は静電容量型センサの側断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の線３ｂ−３ｂに沿って見た図、図３（ｃ）は図３（ａ）の線３ｃ−３ｃに沿って見た図、図３（ｄ）はセンサに加速度が作用した状態を示した側断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  固定基板
１０ａ  固定電極
１２  可動基板
１２ａ〜１２ｅ  変位電極
１４  重り
１６  ケース
２０ａ、２０ｂ  交流電源発生源
２２ａ、２２ｂ  抵抗素子
２４ａ、２４ｂ  バッファ
２６ａ、２６ｂ、２８  増幅器
３０  加算器
３２  ＡＭ検波回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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