JP4797075B2 - 静電容量式センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、静電容量式センサ装置に関する。

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。

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（ミスマッチング）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。

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。

特開２００８−６４７４２号公報

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工程における調整段階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。

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。

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、非反転入力端子に基準電圧が印加されるオペアンプと、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、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補償キャパシタと、補償キャパシタの開放端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、第１クロック信号および第２クロック信号と周期が等しく、第１クロック信号または第２クロック信号と同じ位相であり、振幅が調整可能である。

この静電容量式センサ装置では、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、補償キャパシタによって補償する。第１センサキャパシタの静電容量が第２センサキャパシタの静電容量よりも小さい場合には、補償信号を第１クロック信号と同じ位相とすることによって、見かけ上第１センサキャパシタの静電容量が増加して、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補償される。この際の第１センサキャパシタの静電容量の増加量は、補償キャパシタの静電容量と補償信号の振幅に応じて変化する。補償信号の振幅は調整可能であるから、補償信号の振幅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。上記とは異なり、第１センサキャパシタの静電容量が第２センサキャパシタの静電容量よりも大きい場合には、補償信号を第２クロック信号と同じ位相とすることによって、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。

この静電容量式センサ装置では、補償信号の振幅は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、補償信号の振幅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。

上記の静電容量式センサ装置は、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第２補償キャパシタをさらに備えており、第２補償キャパシタの静電容量は、補償キャパシタの静電容量よりも小さく設定されており、第２補償キャパシタの開放端に、第１クロック信号および第２クロック信号のうち補償信号と逆位相のものが印加されることが好ましい。

この静電容量式センサ装置では、補償信号の位相を変更することなく、第１センサキャパシタの静電容量が第２センサキャパシタの静電容量より小さい場合についても、第１センサキャパシタの静電容量が第２センサキャパシタの静電容量より大きい場合についても、静電容量のオフセットを補償することができる。例えば補償信号が第１クロック信号と同じ位相である場合には、補償キャパシタによって第１センサキャパシタの静電容量が見かけ上増加する。この場合、第１センサキャパシタの静電容量が第２センサキャパシタの静電容量よりも小さい場合には、補償キャパシタのみでも静電容量のオフセットを補償することができるが、第１センサキャパシタの静電容量が第２センサキャパシタの静電容量よりも大きい場合には、補償キャパシタのみでは静電容量のオフセットを補償することができない。しかしながら、上記の静電容量式センサ装置では、第２クロック信号が印加される第２補償キャパシタによって、第２センサキャパシタの静電容量が見かけ上増加し、第１補償キャパシタと第２補償キャパシタの双方の寄与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。補償信号の位相を変更することなく、補償信号の振幅を適切に調整することで、静電容量のオフセットを補償することができる。

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。

実施例１の静電容量式センサ装置１００の構成を示す。 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。 実施例１の補償信号生成回路１０８の構成を示す。 実施例１のバッファ回路３０６の構成を示す。 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。 実施例２の静電容量式センサ装置６００の構成を示す。 実施例２の静電容量式センサ装置６００における各信号の関係の例を示す。 実施例２の静電容量式センサ装置６００における各信号の関係の他の例を示す。

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。

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と、オフセット補償回路１１０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１４４によって制御される。

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。

本実施例では、第１センサキャパシタ１１２の静電容量Ｃ_１を、物理量が作用してない場合における静電容量Ｃ_０１と、物理量の作用に伴う静電容量の変化量ΔＣ_１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Ｃ_２を、物理量が作用していない場合における静電容量Ｃ_０２と、物理量の作用に伴う静電容量の変化量ΔＣ_２の和で表現する。すなわち、Ｃ_１＝Ｃ_０１＋ΔＣ_１であり、Ｃ_２＝Ｃ_０２＋ΔＣ_２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Ｃ_０１＝Ｃ_０２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ΔＣ_１＝−ΔＣ_２となるように製造されている。

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。

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に示すように、信号Ｓ１は電源電圧（Ｖ_ＤＤ）と接地電圧（Ｖ_ＧＮＤ）を交互に繰り返す。信号Ｓ２もＶ_ＤＤとＶ_ＧＮＤ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Ｖ_ＤＤの場合には他方はＶ_ＧＮＤ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Ｖ_ＤＤからＶ_ＧＮＤに切替わった直後に、リセット信号Ｓ０は短時間だけＶ_ＤＤとなり、それ以降はＶ_ＧＮＤ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１４４によって制御される。

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の非反転入力端子には、基準電圧（Ｖ_ｂｂ）が印加されている。Ｖ_ｂｂは、Ｖ_ＤＤとＶ_ＧＮＤの中間の電位である。すなわち、Ｖ_ｂｂ＝（Ｖ_ＤＤ＋Ｖ_ＧＮＤ）／２である。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Ｖ_ＤＤ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Ｖ_ＧＮＤ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。ＣＶ変換回路１０４の入力端子１３０はセンサ素子１０２の出力端子１２０に接続されている。ＣＶ変換回路１０４の出力端子１３２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Ｖ_ｏｕｔが静電容量式センサ装置１００の出力電圧となる。

信号Ｓ１がＶ_ＧＮＤ、信号Ｓ２がＶ_ＤＤとなると、第１センサキャパシタ１１２と第２センサキャパシタ１１４にそれぞれ電圧が印加される。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の電位は、オペアンプ１２２の反転入力端子の電位に等しい。オペアンプ１２２の反転入力端子の電位は、オペアンプの非反転入力端子に印加されるＶ_ｂｂに等しい。従って、第１センサキャパシタ１１２には電圧Ｖ_１＝Ｖ_ＧＮＤ−Ｖ_ｂｂ＝−Ｖ_ｂｂが印加され、第２センサキャパシタ１１４には電圧Ｖ_２＝Ｖ_ＤＤ−Ｖ_ｂｂ＝Ｖ_ｂｂが印加される。第１センサキャパシタ１１２には、電荷Ｑ_１＝Ｃ_１Ｖ_１＝−Ｃ_１Ｖ_ｂｂが蓄積し、第２センサキャパシタ１１４には、電荷Ｑ_２＝Ｃ_２Ｖ_２＝Ｃ_２Ｖ_ｂｂが蓄積する。なお信号Ｓ１がＶ_ＧＮＤに切替わった直後は、リセット信号Ｓ０がＶ_ＤＤ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Ｖ_ｏｕｔはＶ_ｏｕｔ＝Ｖ_ｂｂとなる。その後、リセット信号Ｓ０がＶ_ＧＮＤ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Ｖ_ｏｕｔはＶ_ｂｂのまま維持される。

信号Ｓ１がＶ_ＤＤ、信号Ｓ２がＶ_ＧＮＤに切替わると、第１センサキャパシタ１１２には電圧Ｖ_１＝Ｖ_ＤＤ−Ｖ_ｂｂ＝Ｖ_ｂｂが印加され、第２センサキャパシタ１１４には電圧Ｖ_２＝Ｖ_ＧＮＤ−Ｖ_ｂｂ＝−Ｖ_ｂｂが印加される。第１センサキャパシタ１１２には、電荷Ｑ_１＝Ｃ_１Ｖ_１＝Ｃ_１Ｖ_ｂｂが蓄積し、第２センサキャパシタ１１４には、電荷Ｑ_２＝Ｃ_２Ｖ_２＝−Ｃ_２Ｖ_ｂｂが蓄積する。従って、信号Ｓ１がＶ_ＤＤ、信号Ｓ２がＶ_ＧＮＤ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、ΔＱ_１＝Ｃ_１Ｖ_ｂｂ＋Ｃ_１Ｖ_ｂｂ＝２Ｃ_１Ｖ_ｂｂであり、第２センサキャパシタ１１４の電荷の変化量は、ΔＱ_２＝−Ｃ_２Ｖ_ｂｂ−Ｃ_２Ｖ_ｂｂ＝−２Ｃ_２Ｖ_ｂｂである。これらの電荷は帰還キャパシタ１２４から供給されるから、帰還キャパシタ１２４には電荷Ｑ_ｆ＝ΔＱ_１＋ΔＱ_２＝２（Ｃ_１−Ｃ_２）Ｖ_ｂｂが蓄積される。オペアンプ１２２の反転入力端子の電位はＶ_ｂｂであるから、補償信号生成回路１０８およびオフセット補償回路１１０が存在しない場合には、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、Ｖ_ｏｕｔ＝Ｖ_ｂｂ−Ｑ_ｆ／Ｃ_ｆ＝Ｖ_ｂｂ−２Ｖ_ｂｂ（Ｃ_１−Ｃ_２）／Ｃ_ｆ＝Ｖ_ｂｂ−２Ｖ_ｂｂ（Ｃ_０１−Ｃ_０２＋ΔＣ_１−ΔＣ_２）／Ｃ_ｆで与えられる。ここでＣ_ｆは帰還キャパシタ１２４の静電容量である。出力電圧Ｖ_ｏｕｔの基準電圧Ｖ_ｂｂからの変動分２Ｖ_ｂｂ（Ｃ_０１−Ｃ_０２＋ΔＣ_１−ΔＣ_２）／Ｃ_ｆは、静電容量の変化に応じてその大きさが変化する。

センサ素子１０２に物理量が作用していないときの第１センサキャパシタ１１２と第２センサキャパシタ１１４の静電容量が一致していれば、すなわちＣ_０１＝Ｃ_０２であれば、静電容量式センサ装置１００の出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、信号Ｓ１がＶ_ＤＤとＶ_ＧＮＤの間で切替わるのに同期して、Ｖ_ｂｂを基準として２Ｖ_ｂｂ（ΔＣ_１−ΔＣ_２）／Ｃ_ｆだけ変動する。この出力電圧Ｖ_ｏｕｔの変動を測定することによって、センサ素子１０２に作用している物理量を検出することができる。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Ｃ_０１とＣ_０２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とオフセット補償回路１１０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。

オフセット補償回路１１０は、第１補償キャパシタ１３４と、第２補償キャパシタ１３６を備えている。第１補償キャパシタ１３４の静電容量Ｃ_ｃ１は、第１センサキャパシタ１１２と第２センサキャパシタ１１４に関して想定される静電容量のオフセットの絶対値｜Ｃ_０１−Ｃ_０２｜よりも大きな値となるように設定されている。また、第２補償キャパシタ１３６の静電容量Ｃ_ｃ２は、第１補償キャパシタ１３４の静電容量Ｃ_ｃ１の２倍となるように設定されている。すなわち、Ｃ_ｃ２＝２Ｃ_ｃ１である。

第１補償キャパシタ１３４の一端は、オフセット補償回路１１０の第１入力端子１３８に接続されている。オフセット補償回路１１０の第１入力端子１３８には、クロック信号生成回路１０６からクロック信号Ｓ１が入力される。第２補償キャパシタ１３６の一端は、オフセット補償回路１１０の第２入力端子１４０に接続されている。オフセット補償回路１１０の第２入力端子１４０には、補償信号生成回路１０８から補償信号Ｓ３が入力される。第１補償キャパシタ１３４の他端と、第２補償キャパシタ１３６の他端は、それぞれオフセット補償回路１１０の出力端子１４２に接続されている。オフセット補償回路１１０の出力端子１４２は、ＣＶ変換回路１０４の入力端子１３０に接続されている。

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Ｓ２を入力して、オフセット補償回路１１０に補償信号Ｓ３を出力する。図２に示すように、補償信号Ｓ３はクロック信号Ｓ２と同じ位相で変動する。補償信号Ｓ３は、信号Ｓ２がＶ_ＧＮＤの場合にはＶ_ＧＮＤであり、信号Ｓ２がＶ_ＤＤの場合にはＶ_ｃｐである。補償電圧Ｖ_ｃｐは、Ｖ_ＤＤよりも小さくＶ_ＧＮＤよりも大きな電圧であり、その大きさが調整可能である。補償電圧Ｖ_ｃｐの大きさは、制御装置１４４によって調整される。

信号Ｓ１がＶ_ＧＮＤ、信号Ｓ２がＶ_ＤＤの場合、補償信号Ｓ３はＶ_ｃｐである。第１補償キャパシタ１３４と第２補償キャパシタ１３６がそれぞれ接続している出力端子１４２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Ｖ_ｂｂに等しい。従って、第１補償キャパシタ１３４には電圧Ｖ_ｃ１＝Ｖ_ＧＮＤ−Ｖ_ｂｂ＝−Ｖ_ｂｂが印加され、第２補償キャパシタ１３６には電圧Ｖ_ｃ２＝Ｖ_ｃｐ−Ｖ_ｂｂが印加される。第１補償キャパシタ１３４には、電荷Ｑ_ｃ１＝Ｃ_ｃ１Ｖ_ｃ１＝−Ｃ_ｃ１Ｖ_ｂｂが蓄積し、第２補償キャパシタ１３６には、電荷Ｑ_ｃ２＝Ｃ_ｃ２Ｖ_ｃ２＝２Ｃ_ｃ１（Ｖ_ｃｐ−Ｖ_ｂｂ）が蓄積する。これらの電荷の蓄積とほぼ同時にリセット信号Ｓ０がＶ_ＤＤとなってスイッチ回路１２６が導通する。その後、リセット信号Ｓ０がＶ_ＧＮＤとなり、スイッチ回路１２６が非導通となっても、第１補償キャパシタ１３４、第２補償キャパシタ１３６の電荷は変動しないため、帰還キャパシタ１２４には電荷が蓄積せず、出力電圧Ｖ_ｏｕｔはＶ_ｂｂのまま維持される。

信号Ｓ１がＶ_ＤＤ、信号Ｓ２がＶ_ＧＮＤに切替わると、補償信号Ｓ３はＶ_ＧＮＤに切替わる。この場合、第１補償キャパシタ１３４には電圧Ｖ_ｃ１＝Ｖ_ＤＤ−Ｖ_ｂｂ＝Ｖ_ｂｂが印加され、第２補償キャパシタ１３６には電圧Ｖ_ｃ２＝Ｖ_ＧＮＤ−Ｖ_ｂｂ＝−Ｖ_ｂｂが印加される。第１補償キャパシタ１３４には、電荷Ｑ_ｃ１＝Ｃ_ｃ１Ｖ_ｃ１＝Ｃ_ｃ１Ｖ_ｂｂが蓄積し、第２補償キャパシタ１３６には、電荷Ｑ_ｃ２＝Ｃ_ｃ２Ｖ_ｃ２＝−２Ｃ_ｃ１Ｖ_ｂｂが蓄積する。従って、信号Ｓ１がＶ_ＤＤ、信号Ｓ２がＶ_ＧＮＤに切替わる際の第１補償キャパシタ１１２の電荷の変化量は、ΔＱ_ｃ１＝Ｃ_ｃ１Ｖ_ｂｂ＋Ｃ_ｃ１Ｖ_ｂｂ＝２Ｃ_ｃ１Ｖ_ｂｂであり、第２補償キャパシタ１１４の電荷の変化量は、ΔＱ_ｃ２＝−２Ｃ_ｃ１Ｖ_ｂｂ−２Ｃ_ｃ１（Ｖ_ｃｐ−Ｖ_ｂｂ）＝−２Ｃ_ｃ１Ｖ_ｃｐである。これらの電荷も帰還キャパシタ１２４から供給されるから、センサ素子１０２からの電荷と合わせて、帰還キャパシタ１２４には電荷Ｑ_ｆ＝ΔＱ_１＋ΔＱ_２＋ΔＱ_ｃ１＋ΔＱ_ｃ２＝２（Ｃ_１−Ｃ_２）Ｖ_ｂｂ−２Ｃ_ｃ１（Ｖ_ｃｐ−Ｖ_ｂｂ）が蓄積する。オペアンプ１２２の反転入力端子の電位はＶ_ｂｂであるから、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、Ｖ_ｏｕｔ＝Ｖ_ｂｂ−Ｑ_ｆ／Ｃ_ｆ＝Ｖ_ｂｂ−２Ｖ_ｂｂ（Ｃ_１−Ｃ_２）／Ｃ_ｆ＋２（Ｖ_ｃｐ−Ｖ_ｂｂ）Ｃ_ｃ１／Ｃ_ｆ＝Ｖ_ｂｂ−２Ｖ_ｂｂ（ΔＣ_１−ΔＣ_２）／Ｃ_ｆ＋Ｖ_ｏｓで与えられる。ここで、Ｖ_ｏｓ＝−２Ｖ_ｂｂ（Ｃ_０１−Ｃ_０２）／Ｃ_ｆ＋２（Ｖ_ｃｐ−Ｖ_ｂｂ）Ｃ_ｃ１／Ｃ_ｆである。

補償電圧Ｖ_ｃｐの大きさを調整して、Ｖ_ｏｓ＝０とすることができれば、出力電圧Ｖ_ｏｕｔはＶ_ｂｂを基準として−２Ｖ_ｂｂ（ΔＣ_１−ΔＣ_２）／Ｃ_ｆだけ変動することになり、この出力電圧Ｖ_ｏｕｔ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Ｖ_ｃｐの大きさは、Ｖ_ｃｐ＝Ｖ_ｂｂ（１＋（Ｃ_０１−Ｃ_０２）／Ｃ_ｃ１）で与えられる。このように調整された補償電圧Ｖ_ｃｐ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（Ｃ_０１−Ｃ_０２）の影響を出力電圧Ｖ_ｏｕｔ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。

なお補償電圧Ｖ_ｃｐの大きさは、Ｃ_０１、Ｃ_０２の測定が可能であれば、その測定値とＶ_ｂｂ、Ｃ_ｃ１を用いて計算によって求めてもよい。あるいは、Ｃ_０１、Ｃ_０２を測定しなくとも、Ｖ_ｃｐの大きさを徐々に変化させていき、Ｖ_ｏｓ＝０となるＶ_ｃｐを探索的に求めてもよい。

図３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、メモリ３０２と、Ｄ／Ａコンバータ３０４と、バッファ回路３０６を備えている。メモリ３０２には、制御装置１４４から補償電圧Ｖ_ｃｐ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３０４は、メモリ３０２から補償電圧Ｖ_ｃｐの値を読み出してアナログ電圧に変換し、バッファ回路３０６に印加する。

図４はバッファ回路３０６の詳細を示している。バッファ回路３０６は、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ４０２と、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ４０４、４０６と、抵抗４０８によって構成される２段インバータ回路である。バッファ回路３０６は、信号Ｓ２がＶ_ＧＮＤの場合には、補償信号Ｓ３としてＶ_ＧＮＤを出力する。信号Ｓ２がＶ_ＤＤの場合には、補償信号Ｓ３としてＶ_ｃｐを出力する。

制御装置１４４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１４４は、静電容量式センサ装置１００の出力電圧Ｖ_ｏｕｔをデジタルデータに変換して、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ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。

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。

ステップＳ５０２では、制御装置１４４が、Ｖ_ｃｐの初期値としてゼロ（すなわちＶ_ＧＮＤ）をメモリ３０２に入力する。

ステップＳ５０４では、制御装置１４４が、静電容量のオフセットに起因する出力電圧の変動分Ｖ_ｏｓを算出する。出力電圧の変動分Ｖ_ｏｓは、信号Ｓ１がＶ_ＤＤの期間におけるＶ_ｏｕｔと、信号Ｓ１がＶ_ＧＮＤの期間におけるＶ_ｏｕｔ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。

ステップＳ５０６では、制御装置１４４が、Ｖ_ｏｓの大きさが所定値δに満たないか否かを判断する。Ｖ_ｏｓの大きさが所定値δ以上の場合（ＮＯの場合）には、制御装置１４４はＶ_ｃｐのさらなる更新が必要と判断して、ステップＳ５０８へ進む。

ステップＳ５０８では、制御装置１４４が、メモリ３０２に記憶されているＶ_ｃｐを読み出し、所定の電圧増加幅ΔＶ_ｃｐだけ増加させた数値を、新たなＶ_ｃｐとしてメモリ３０２に書き込む。ステップＳ５０８の後、処理はステップＳ５０４へ戻る。

ステップＳ５０６でＶ_ｏｓの大きさが所定値δに満たない場合（ＹＥＳの場合）には、制御装置１４４は、Ｖ_ｃｐ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。

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。

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Ｖ_ｃｐ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Ｖ_ｃｐ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。

図６は本実施例の静電容量式センサ装置６００の構成を示している。実施例１の静電容量式センサ装置１００と同様な構成については、同一の参照符号を付して詳細な説明を省略する。本実施例の静電容量式センサ装置６００は、実施例１における補償信号生成回路１０８とオフセット補償回路１１０の代わりに、補償信号生成回路６０８と補償キャパシタ６１０を備えている。

補償キャパシタ６１０の静電容量Ｃ_ｃは、第１センサキャパシタ１１２と第２センサキャパシタ１１４に関して想定される静電容量のオフセットの絶対値｜Ｃ_０１−Ｃ_０２｜よりも大きな値となるように設定されている。補償キャパシタ６１０の一端には、補償信号生成回路１０８から補償信号Ｓ３が入力される。補償キャパシタ６１０の他端は、ＣＶ変換回路１０４の入力端子１３０に接続されている。

補償信号生成回路６０８は、クロック信号生成回路１０６からクロック信号Ｓ１、Ｓ２を入力して、補償キャパシタ６１０に補償信号Ｓ３を出力する。本実施例では、補償信号Ｓ３は、クロック信号Ｓ１と同じ位相で変動することもあるし、クロック信号Ｓ２と同じ位相で変動することもある。Ｃ_０１がＣ_０２より小さい場合には、図７に示すように、補償信号Ｓ３はクロック信号Ｓ１と同じ位相で変動する。この場合、信号Ｓ１がＶ_ＧＮＤの場合に補償信号Ｓ３はＶ_ＧＮＤであり、信号Ｓ１がＶ_ＤＤの場合に補償信号Ｓ３はＶ_ｃｐである。Ｃ_０１がＣ_０２より大きい場合には、図８に示すように、補償信号Ｓ３はクロック信号Ｓ２と同じ位相で変動する。この場合、信号Ｓ２がＶ_ＧＮＤの場合に補償信号Ｓ３はＶ_ＧＮＤであり、信号Ｓ２がＶ_ＤＤの場合に補償信号Ｓ３はＶ_ｃｐである。

Ｃ_０１がＣ_０２より小さい場合について以下説明する。この場合、補償信号Ｓ３は信号Ｓ１と同じ位相で変動する。信号Ｓ１がＶ_ＧＮＤ、信号Ｓ２がＶ_ＤＤの場合には、補償キャパシタ６１０には電圧Ｖｃ＝Ｖ_ＧＮＤ−Ｖ_ｂｂ＝−Ｖ_ｂｂが印加され、電荷Ｑ_ｃ＝Ｃ_ｃＶ_ｃ＝−Ｃ_ｃＶ_ｂｂが蓄積する。その後、信号Ｓ１がＶ_ＤＤ、信号Ｓ２がＶ_ＧＮＤに切替わると、補償キャパシタ６１０には電圧Ｖ_ｃ＝Ｖ_ｃｐ−Ｖ_ｂｂが印加され、電荷Ｑ_ｃ＝Ｃ_ｃＶ_ｃ＝Ｃ_ｃ（Ｖ_ｃｐ−Ｖ_ｂｂ）が蓄積する。このときの補償キャパシタ６１０の電荷の変化量は、ΔＱ_ｃ＝Ｃ_ｃ（Ｖ_ｃｐ−Ｖ_ｂｂ）＋Ｃ_ｃＶ_ｂｂ＝Ｃ_ｃＶ_ｃｐである。帰還キャパシタ１２４には電荷Ｑ_ｆ＝ΔＱ_１＋ΔＱ_２＋ΔＱ_ｃ＝２（Ｃ_１−Ｃ_２）Ｖ_ｂｂ＋Ｃ_ｃＶ_ｃｐが蓄積する。このときの出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、Ｖ_ｏｕｔ＝Ｖ_ｂｂ−Ｑ_ｆ／Ｃ_ｆ＝Ｖ_ｂｂ−２Ｖ_ｂｂ（Ｃ_１−Ｃ_２）／Ｃ_ｆ−Ｖ_ｃｐＣ_ｃ／Ｃ_ｆ＝Ｖ_ｂｂ−２Ｖ_ｂｂ（ΔＣ_１−ΔＣ_２）／Ｃ_ｆ＋Ｖ_ｏｓで与えられる。ここで、Ｖ_ｏｓ＝２Ｖ_ｂｂ（Ｃ_０２−Ｃ_０１）／Ｃ_ｆ−Ｖ_ｃｐＣ_ｃ／Ｃ_ｆである。従って、Ｖ_ｃｐ＝２Ｖ_ｂｂ（Ｃ_０２−Ｃ_０１）／Ｃ_ｃに調整することで、Ｖ_ｏｓ＝０となり、出力電圧Ｖ_ｏｕｔがΔＣ_１−ΔＣ_２に応じた変動をすることになる。

Ｃ_０１がＣ_０２より大きい場合について以下説明する。この場合、補償信号Ｓ３は信号Ｓ２と同じ位相で変動する。信号Ｓ１がＶ_ＧＮＤ、信号Ｓ２がＶ_ＤＤの場合には、補償キャパシタ６１０には電圧Ｖ_ｃ＝Ｖ_ｃｐ−Ｖ_ｂｂが印加され、電荷Ｑ_ｃ＝Ｃ_ｃＶ_ｃ＝Ｃ_ｃ（Ｖ_ｃｐ−Ｖ_ｂｂ）が蓄積する。その後、信号Ｓ１がＶ_ＤＤ、信号Ｓ２がＶ_ＧＮＤに切替わると、補償キャパシタ６１０には電圧Ｖ_ｃ＝Ｖ_ＧＮＤ−Ｖ_ｂｂ＝−Ｖ_ｂｂが印加され、電荷Ｑ_ｃ＝Ｃ_ｃＶ_ｃ＝−Ｃ_ｃＶ_ｂｂが蓄積する。このときの補償キャパシタ６１０の電荷の変化量は、ΔＱ_ｃ＝−Ｃ_ｃＶ_ｂｂ−Ｃ_ｃ（Ｖ_ｃｐ−Ｖ_ｂｂ）＝−Ｃ_ｃＶ_ｃｐである。帰還キャパシタ１２４には電荷Ｑ_ｆ＝ΔＱ_１＋ΔＱ_２＋ΔＱ_ｃ＝２（Ｃ_１−Ｃ_２）Ｖ_ｂｂ−Ｃ_ｃＶ_ｂｂが蓄積する。このときの出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、Ｖ_ｏｕｔ＝Ｖ_ｂｂ−Ｑ_ｆ／Ｃ_ｆ＝Ｖ_ｂｂ−２Ｖ_ｂｂ（Ｃ_１−Ｃ_２）／Ｃ_ｆ＋Ｖ_ｃｐＣ_ｃ／Ｃ_ｆ＝Ｖ_ｂｂ−２Ｖ_ｂｂ（ΔＣ_１−ΔＣ_２）／Ｃ_ｆ＋Ｖ_ｏｓで与えられる。ここで、Ｖ_ｏｓ＝−２Ｖ_ｂｂ（Ｃ_０１−Ｃ_０２）／Ｃ_ｆ＋Ｖ_ｃｐＣ_ｃ／Ｃ_ｆである。従って、Ｖ_ｃｐ＝２Ｖ_ｂｂ（Ｃ_０１−Ｃ_０２）／Ｃ_ｃに調整することで、Ｖ_ｏｓ＝０となり、出力電圧Ｖ_ｏｕｔがΔＣ_１−ΔＣ_２に応じた変動をすることになる。

補償信号Ｓ３の位相と補償電圧Ｖ_ｃｐの大きさは、Ｃ_０１、Ｃ_０２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、Ｃ_０１、Ｃ_０２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、Ｖ_ｃｐの大きさを徐々に変化させていき、Ｖ_ｏｓ＝０となる補償信号Ｓ３の位相と補償電圧Ｖ_ｃｐの大きさを探索的に求めてもよい。

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では、補償信号生成回路６０８における補償信号Ｓ３の位相と補償電圧Ｖ_ｃｐの大きさは再調整可能である。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、そのオフセットの影響を打ち消すことができる。

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。
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。

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 オフセット補償回路
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 入力端子
１３２ 出力端子
１３４ 第１補償キャパシタ
１３６ 第２補償キャパシタ
１３８ 第１入力端子
１４０ 第２入力端子
１４２ 出力端子
１４４ 制御装置
３０２ メモリ
３０４ Ｄ／Ａコンバータ
３０６ バッファ回路
４０２ ｐ型ＭＯＳＦＥＴ
４０４ ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
４０６ ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
４０８ 抵抗
６００ 静電容量式センサ装置
６０８ 補償信号生成回路
６１０ 補償キャパシタ

Claims (2)

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、非反転入力端子に基準電圧が印加されるオペアンプと、
   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、
   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補償キャパシタと、
   補償キャパシタの開放端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、第１クロック信号および第２クロック信号と周期が等しく、第１クロック信号または第２クロック信号と同じ位相であり、振幅が調整可能である静電容量式センサ装置。
2. 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第２補償キャパシタをさらに備えており、
   第２補償キャパシタの静電容量は、補償キャパシタの静電容量よりも小さく設定されており、
   第２補償キャパシタの開放端に、第１クロック信号および第２クロック信号のうち補償信号と逆位相のものが印加される請求項１の静電容量式センサ装置。

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