JP3329060B2 - 容量型センサ - Google Patents
容量型センサInfo
- Publication number
- JP3329060B2 JP3329060B2 JP07669094A JP7669094A JP3329060B2 JP 3329060 B2 JP3329060 B2 JP 3329060B2 JP 07669094 A JP07669094 A JP 07669094A JP 7669094 A JP7669094 A JP 7669094A JP 3329060 B2 JP3329060 B2 JP 3329060B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- switch
- capacitor
- circuit
- capacitance
- movable electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
- Micromachines (AREA)
Description
して、圧力、変位、加速度等を検出する容量型センサに
関するものである。
ンサの回路が示されている。同図において、容量検出部
1は図5に示すように、固定電極2,3の中間位置(中
立位置)に、可動電極4を配置したもので、可動電極4
は梁5により保持され、例えば、加速度を受けることに
よりY方向に変位するようになっている。図3の回路
で、コンデンサC1 は、固定電極2と可動電極4によっ
て形成され、コンデンサC2 は固定電極3と可動電極4
によって形成されている。この容量検出部1の入力側に
は、スイッチφ1 とφ2 を組み合わせた入力回路6が設
けられており、この入力回路6に直流の電源電圧Vm が
印加されている。
ャパシタ回路7が接続されている。このスイッチトキャ
パシタ回路7は、コンデンサCi と、スイッチφ1 ,φ
2 ,φ3 ,φ4 と、アンプA1 ,A2 と、ホールドコン
デンサCSHとによって構成されている。なお、各スイッ
チφ1 〜φ4 は図示しないスイッチ制御回路によって図
4に示すようにオン・オフ動作が制御されている。
ンのとき、オペアンプA1 の反転入力端子は0ボルトと
なり、コンデンサC1 には電荷Q1 が充電され、コンデ
ンサC2 の電荷は放電される。一方、このとき、コンデ
ンサCi には、以前充電されていた電荷(この場合では
Q1 −Q2 )を保持している。
2 がオンすると、コンデンサC1 の電荷Q1 はコンデン
サCi に移動し、コンデンサC2 には+Q2 の電荷が充
電される結果、この電荷+Q2 に対して極性が反対の電
荷−Q2 がコンデンサCi に発生する。したがって、コ
ンデンサCi には前に保持されていた電荷Q1 −Q2に
今回蓄積される電荷Q1 −Q2 が蓄積される結果、コン
デンサCi の充電電荷は2(Q1 −Q2 )となる。
ッチφ1 とφ2 の一周期のスイッチ動作が行われるごと
に、Q1 −Q2 の電荷がコンデンサCi に累積され、ス
イッチφ1 とφ2 のオン・オフがN周期繰り返されたと
きのコンデンサCi の両端電圧はN(C1 −C2 )Vm
/Ci となる。但し、C1 はコンデンサC1 の容量であ
り、C2 はコンデンサC2 の容量であり、Ci はコンデ
ンサCi の容量であり、Vm はコンデンサの印加電圧で
ある。
チ繰り返し周期がN回、つまり、電荷の累積回数がN回
になったときに、スイッチφ3 がオンされることで、オ
ペアンプA1 の出力電圧、つまり、コンデンサCi の両
端電圧はホールドコンデンサCSHに保持される。このホ
ールドコンデンサCSHの電圧ホールド動作が行われた
後、スイッチφ4 がオンされてコンデンサCi の累積電
荷が放電されてクリアされる。そして、ホールドコンデ
ンサCSHにホールドされた電圧N(C1 −C2 )Vm /
Ci が加速度の検出信号VOUT として出力される。
1 ,φ2 をN周期のスイッチ動作を行うごとにその累積
された電荷に対応する出力電圧VOUT を加速度検出信号
として出力するのである。
製造等のマイクロマシン技術を用いて作製されるため、
コンデンサC1 ,C2 ,Ci の容量が、例えば、3PF
と小さく、コンデンサC1 ,C2 の容量変化の差に対応
する電圧変換値を大きくするためには、前記式N(C1
−C2 )Vm /Ci の分母のコンデンサCi の容量を小
さくする必要があるが、前記の如く、現在のマイクロマ
シン製造技術では、3PF程度が限界であり、これ以上
容量を小さくすることは極めて困難であり、容量検出部
1の容量変化の電圧変換値は小さなものとなり、この小
さな電圧を加速度検出信号としてそのまま出力すること
はS/N比が低下して好ましくない。そこで、前記の如
く、容量検出部1の容量変化に対応する電圧変換値を累
積してコンデンサCi に保持し、累積回数N回ごとにホ
ールドコンデンサCSHのホールド電圧を加速度検出信号
V OUT として出力することにより、検出電圧レベルを大
きくし、S/N比の高い検出信号を出力するようにして
いる。
3に示す試作の容量型センサは、加速度によって可動電
極4を機械的に変位する方式のものであるため、非常に
大きな加速度が加わったときには、可動電極4の変位量
が大きくなり、極端な場合には、可動電極4が固定電極
2あるいは3に接触してしまい、どうしても可動範囲に
限界が生じ、加速度検出範囲のダイナミックレンジが制
限されるという問題があった。
機械的に変位するため、長期に亘って使用しているうち
に、梁5の機械的ばね定数が変化してしまうという問題
があり、また、このばね定数は温度によっても変化する
ため、長期に亘って正確な、かつ、信頼性の高い加速度
検出ができなくなるという問題があった。
たものであり、その目的は、可動電極が機械的に変位す
ることの前記各種問題点を解消し、長期に亘って正確、
かつ、信頼性の高い加速度等の容量検出を行うことがで
きる容量型センサを提供することにある。
するために、次のように構成されている。すなわち、本
発明は、固定電極と可動電極を間隔を介して対向してな
る容量検出部を備え、可動電極の変位によって変化する
可動電極と固定電極間の容量変化をスイッチトキャパシ
タ回路により電圧変化に変換して出力する容量型センサ
であって、前記スイッチトキャパシタ回路と容量検出部
との間には、スイッチトキャパシタ回路の出力を電圧帰
還して可動電極を中立位置に保持するサーボ回路が介設
されている電圧振幅制御方式の容量型センサであり、前
記スイッチトキャパシタ回路は、オペアンプの前記容量
検出部に接続される側の入力端子と出力端子の間に、第
1のスイッチと、第1のコンデンサおよび第2のスイッ
チからなる直列回路とを並列に接続して第1のスイッチ
および第2のスイッチを交互にオン・オフ動作させ、前
記オペアンプの出力端子にはグランドとの間に第3のス
イッチを介して第2のコンデンサを接続し、第1のスイ
ッチおよび第2のスイッチのN回(Nは1回を含む回
数)のスイッチ周期動作の後に第3のスイッチをオンさ
せることによりオペアンプの出力電圧を第2のコンデン
サに保持し、前記直列回路に第4のスイッチを接続して
前記第3のスイッチがオフした後にオンさせて前記第2
のコンデンサの電荷を放電することを特徴として構成さ
れている。
される容量変化はスイッチトキャパシタ回路により電圧
変化に変換されて出力される。この回路動作において、
スイッチトキャパシタ回路の出力信号はサーボ回路を介
して容量検出部に帰還され、このサーボ回路の出力によ
り、容量検出部の可動電極は常に中立位置に保持制御さ
れる結果、例えば、可動電極が加速度を受けても、この
加速度によって機械的に変位することが防止され、ま
た、経時変化や温度変化に伴い可動電極の機械的ばね定
数の変化による影響が取り除かれ、これにより、検出の
ダイナミックレンジが広く、正確、かつ、信頼性の高い
加速度等の容量検出が可能となる。
する。なお、本実施例の説明において、前記試作装置と
同一の名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省
略する。図1には本発明に係る容量型センサの一実施例
の回路構成が示され、図2には同センサに組み込まれて
いる各種スイッチのタイムチャートが示されている。
なことは、スイッチトキャパシタ回路7から入力回路6
への還流経路間にサーボ回路8と加減算回路10を介設し
たことであり、それ以外の構成は前記試作例と同様であ
る。
続されるサーボ回路8は比較器A3と、信号反転を行う
オペアンプA4 とを有して構成されている。比較器A3
の反転入力端子にはスイッチトキャパシタ回路7のオペ
アンプA2 の出力帰還信号(出力帰還電圧)が印加され
ており、比較器A3 の非反転入力端子は基準電圧のグラ
ンドに接続されている。また、比較器A3 の出力側と反
転入力端子間には電圧平滑を行う平滑コンデンサ11が接
続されている。比較器A3 の出力信号は抵抗器を介して
オペアンプA4 の反転入力端子に加えられており、オペ
アンプA4 の非反転入力端子はグランドの基準電圧に接
続されている。そして、オペアンプA4の出力側と反転
入力端子間には抵抗器12が接続され、オペアンプA4 の
出力信号は加減算回路10に加えられている。
算器とオペアンプA6 を用いた減算器を備えて構成され
ており、加算器は、サーボ回路8の出力を電源電圧Vm
に加算してコンデンサC1 に加え、減算器は電源電圧V
m からサーボ回路8の出力を減算し、この減算出力をコ
ンデンサC2 に加えるようにしている。なお、前述した
試作センサと同様に、各スイッチφ1 〜φ4 にはスイッ
チ制御回路(図示せず)が接続され、図2に示す動作タ
イミングでスイッチ動作が制御されている。
センサと同様に、スイッチφ1 とφ2 のN回の周期ごと
にホールドコンデンサCSHにホールドされた加速度に対
応する検出電圧VOUT が加速度検出信号としてスイッチ
トキャパシタ回路7のオペアンプA2 から出力される。
その一方で、サーボ回路8と加減算回路10により、容量
検出部10の可動電極4に対するサーボ駆動が行われる。
態時には、可動電極4は固定電極2,3間の中間中立位
置に位置しており、そのときのコンデンサC1 ,C2 の
容量が等しいので、オペアンプA2 の出力電圧は0ボル
トとなる。これに対し、容量検出部1に加速度が加わ
り、例えば、コンデンサC1 の容量がコンデンサC2 の
容量よりも大となったC1 >C2 の状態のときのスイッ
チトキャパシタ回路7の出力電圧がVS (VS =
VOUT )のとき、比較器A3 の出力はVS となり、この
電圧VS がオペアンプA4 で反転されてオペアンプA5
の加算器とオペアンプA6 の減算器に加えられる結果、
コンデンサC1 には(Vm −KVS )の電圧が、コンデ
ンサC2 には(Vm +KVS )の電圧がそれぞれ印加さ
れ、コンデンサC1 の容量を減らす方向の静電力が可動
電極4に印加される結果、加速度を受けて固定電極2側
に変位しようとする可動電極4はこのサーボ駆動静電力
によって中立位置に引き戻され、可動電極4は中立位置
に保持される。なお、Kはサーボ回路8の帰還係数であ
る。
が作用して、コンデンサC1 よりもコンデンサC2 の容
量が大きいC1 <C2 となったときには、C1 >C2 の
場合と逆の静電力が可動電極4に印加される結果、可動
電極4は同様に中立位置に拘束保持される。
電力によって可動電極4は常に中立位置に拘束保持され
るので、加速度を受けても、可動電極が変位することが
なくなり、これにより、試作センサの如く、加速度を受
けて可動電極4が固定電極2,3に接触したりするとい
うことがなくなるので、加速度検出範囲のダイナミック
レンジを拡大することが可能となる。
速度を検出するものではないため、センサの長期使用あ
るいは温度変化により、可動電極4のばね定数(梁5の
ばね定数)が変化しても、このばね定数の変化の影響を
受けずに加速度検出が行われるので、長期に亘って正確
な、かつ、信頼性の高い加速度検出が可能となる。
とはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記
実施例では、サーボ回路8の比較器A3 の非反転入力端
子に印加される基準電圧をグランド電圧としたが、この
基準電圧は基準となる一定の電圧を印加すればよく、グ
ランド電圧(零電圧)と異なる電圧によって設定するこ
とで、サーボ駆動を行うとき、可動電極4の中立位置を
固定電極2,3の中間位置から偏位させることができ
る。
φ2 のN回の繰り返し周期(N回の累積動作)ごとにス
イッチトキャパシタ回路7から加速度の検出信号を出力
するようにしたが、スイッチφ1 とφ2 の1回のスイッ
チ周期動作ごとに加速度検出信号を出力するようにして
もよい。前記の如く、現在のコンデンサの製造技術で
は、3PF程度の容量が下限容量であるが、コンデンサ
の製造技術が進歩し、より小さい容量のコンデンサが製
造できるようになれば、1回のスイッチ周期動作によっ
ても、大きな加速度検出電圧が得られることとなり、こ
のような場合には、スイッチφ1 ,φ2 の1回のスイッ
チ周期ごとに正確な、かつ、信頼性が高く、周波数特性
を改善でき、S/N比の高い加速度検出信号が得られる
こととなる。
ング周波数が上がり、この結果、センサの周波数特性が
改善される。具体的には、加速度の周波数応答特性が10
Hzから50Hz程度ぐらい改善できる。
を、加速度検出センサとして用いた場合を例にして説明
したが、本発明の容量型センサは、加速度以外の圧力、
変位等の検出センサとして適用することが可能であり、
この場合は、容量検出部1の形態を、被検出対象に合わ
せて設計することとなる。
側に固定電極2,3を対向配置したが、固定電極2,3
の一方を省略し、1個の固定電極と1個の可動電極によ
り容量検出部を構成してもよい。また、固定電極と可動
電極の電極形態は本実施例のものに限定されるものでは
なく、仕様に応じ、適宜に設計されるものである。
変化をスイッチトキャパシタ回路により電圧信号に変換
して出力する回路構成の下において、スイッチトキャパ
シタ回路の出力信号を帰還し、サーボ回路によって容量
検出部の可動電極にサーボ静電力を印加し、可動電極を
常に中立位置に保持するようにしたので、可動電極の可
動範囲が制限を受けるということがなくなり、容量検出
のダイナミックレンジを拡大することが可能となる。
動電極の機械的ばね定数の変化に影響を受けることがな
くなり、これにより、長期に亘って正確な、かつ、信頼
性の高い容量検出が可能となる。
成図である。
すタイムチャートである。
ある。
ある。
Claims (1)
- 【請求項1】 固定電極と可動電極を間隔を介して対向
してなる容量検出部を備え、可動電極の変位によって変
化する可動電極と固定電極間の容量変化をスイッチトキ
ャパシタ回路により電圧変化に変換して出力する容量型
センサであって、前記スイッチトキャパシタ回路と容量
検出部との間には、スイッチトキャパシタ回路の出力を
電圧帰還して可動電極を中立位置に保持するサーボ回路
が介設されており、前記スイッチトキャパシタ回路は、
オペアンプの前記容量検出部に接続される側の入力端子
と出力端子の間に、第1のスイッチと、第1のコンデン
サおよび第2のスイッチからなる直列回路とを並列に接
続して第1のスイッチおよび第2のスイッチを交互にオ
ン・オフ動作させ、前記オペアンプの出力端子にはグラ
ンドとの間に第3のスイッチを介して第2のコンデンサ
を接続し、第1のスイッチおよび第2のスイッチのN回
(Nは1回を含む回数)のスイッチ周期動作の後に第3
のスイッチをオンさせることによりオペアンプの出力電
圧を第2のコンデンサに保持し、前記直列回路に第4の
スイッチを接続して前記第3のスイッチがオフした後に
オンさせて前記第2のコンデンサの電荷を放電すること
を特徴とする容量型センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP07669094A JP3329060B2 (ja) | 1994-03-22 | 1994-03-22 | 容量型センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP07669094A JP3329060B2 (ja) | 1994-03-22 | 1994-03-22 | 容量型センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07260510A JPH07260510A (ja) | 1995-10-13 |
JP3329060B2 true JP3329060B2 (ja) | 2002-09-30 |
Family
ID=13612470
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP07669094A Expired - Fee Related JP3329060B2 (ja) | 1994-03-22 | 1994-03-22 | 容量型センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3329060B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7150192B2 (en) | 2003-03-03 | 2006-12-19 | Yamaha Corporation | Acceleration measurement method using electrostatic-capacity-type acceleration sensor |
US7004027B2 (en) | 2003-03-03 | 2006-02-28 | Yamaha Corporation | Electrostatic-capacity-type acceleration sensor and acceleration measuring device therewith |
JP5807557B2 (ja) * | 2012-01-23 | 2015-11-10 | 富士電機株式会社 | 容量−電圧変換回路 |
CN103712720B (zh) * | 2014-01-02 | 2015-08-19 | 杭州士兰集成电路有限公司 | 电容式压力传感器和惯性传感器集成器件及其形成方法 |
CN107314799B (zh) * | 2017-08-18 | 2019-08-09 | 西安交通大学 | 一种用于纳升级液位传感器的微弱电容检测电路 |
-
1994
- 1994-03-22 JP JP07669094A patent/JP3329060B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH07260510A (ja) | 1995-10-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3125675B2 (ja) | 容量型センサインターフェース回路 | |
US5977803A (en) | Capacitance type sensor interface circuit | |
JP3264884B2 (ja) | 容量検出回路 | |
JP3216455B2 (ja) | 容量型静電サーボ加速度センサ | |
JP3216955B2 (ja) | 容量式センサ装置 | |
US5597956A (en) | Capacitor type acceleration sensor | |
JP2851673B2 (ja) | パルス駆動型加速度計 | |
US5641911A (en) | Method and apparatus for feedback-control of an asymmetric differential pressure transducer | |
JP3272412B2 (ja) | 容量型センサを評価しかつテストするための回路装置 | |
US5661240A (en) | Sampled-data interface circuit for capacitive sensors | |
US20020027191A1 (en) | Apparatus for sensing position of electrostatic XY-stage through time-division multiplexing | |
JPH05322921A (ja) | 加速度センサ及びこれを用いたエアバッグシステム | |
JP3702014B2 (ja) | 加速度センサの容量性信号を評価する回路装置 | |
EP0742445A2 (en) | Method and apparatus for measuring the change in capacitance values in dual capacitors | |
JP3329060B2 (ja) | 容量型センサ | |
JPH0972757A (ja) | 微少容量検出回路 | |
US20030098699A1 (en) | Sense interface system with velocity feed-through rejection | |
JP2972552B2 (ja) | 容量型センサ用検出回路および検出方法 | |
JP4321029B2 (ja) | 圧力センサ出力処理装置と圧力センサ装置 | |
JPH02110383A (ja) | 加速度検出方法及び装置 | |
JP3282360B2 (ja) | 容量型センサ | |
JP3379388B2 (ja) | 容量検出回路 | |
JP4269388B2 (ja) | 容量式物理量検出装置 | |
KR20180058636A (ko) | 용량성 가속도계 | |
JPH0672901B2 (ja) | 静電容量−電圧変換回路 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080719 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090719 Year of fee payment: 7 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090719 Year of fee payment: 7 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100719 Year of fee payment: 8 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100719 Year of fee payment: 8 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110719 Year of fee payment: 9 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |