JP2011107086A - Capacitance detection circuit, pressure detector, acceleration detector and transducer for microphone - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、静電容量の変化に基づいて物理量を検出する物理量検出装置に適合する静電容量検出回路、ならびに、この静電容量検出回路を用いた圧力検出装置、加速度検出装置、および、マイクロフォン用変換器に関する。 The present invention relates to a capacitance detection circuit suitable for a physical quantity detection device that detects a physical quantity based on a change in capacitance, and a pressure detection device, an acceleration detection device, and a microphone using the capacitance detection circuit. It relates to a converter.
従来から加速度や圧力などの物理量をこれに対応する容量値(或いは該容量値の変化)に変換して検出する静電容量型センサが使用されている。
このような静電容量型センサの一つの例においては、物理量の検出部(センサ素子)としての2個の可変容量素子に搬送波を印加し、当該可変容量素子の容量の変化をスイッチトキャパシタ回路で構成したC−V変換回路で電圧値に変換して検出出力を得る。
Conventionally, a capacitance type sensor that detects a physical quantity such as acceleration or pressure by converting it into a corresponding capacitance value (or change in the capacitance value) has been used.
In one example of such a capacitance type sensor, a carrier wave is applied to two variable capacitance elements as a physical quantity detection unit (sensor element), and a change in capacitance of the variable capacitance element is detected by a switched capacitor circuit. A detection output is obtained by converting the voltage value into a voltage value by the constructed CV conversion circuit.
即ち、C−V変換回路(この場合はスイッチトキャパシタ回路)の180度の位相差を有する出力電圧信号を第1および第2のサンプルホールド回路でサンプリングし、これらのサンプリング結果の差を差動増幅回路によって電気信号として取り出すように構成している(例えば特許文献1参照)。
特許文献1に開示された静電容量型センサでは、制御用スイッチングトランジスタのオフセット電圧および温度ドリフトの影響を除去することができるように構成されているため、周囲温度の影響を受けることなく極めて安定して当該検出部における容量差を検出することができる。即ち、信頼性の高い静電容量検出回路を実現している。
That is, the output voltage signal having a phase difference of 180 degrees of the CV conversion circuit (in this case, the switched capacitor circuit) is sampled by the first and second sample and hold circuits, and the difference between these sampling results is differentially amplified. The circuit is configured to be extracted as an electrical signal (see, for example, Patent Document 1).
The capacitance type sensor disclosed in
特許文献1に開示された静電容量検出回路について、図面を参照して説明する。
図13は、特許文献1に開示された従来の静電容量検出回路を表すブロック図、図14は、図13の静電容量検出回路の動作時の各部の各信号波形図である。尚、図13(a)は上記静電容量検出回路の全体図、図13(b)は図13(a)の回路におけるC−V変換回路を構成するスイッチトキャパシタ回路を表す回路図である。
図13(a)に示すように、この静電容量検出回路1300は、ロジック部1310、センサ駆動部1320、スイッチトキャパシタ回路1330、サンプルホールド回路1340、1350、および、差動増幅回路1360を含んで構成され、センサ素子10の静電容量(該静電容量の変化)を検出する。
The capacitance detection circuit disclosed in
FIG. 13 is a block diagram showing a conventional capacitance detection circuit disclosed in
As shown in FIG. 13A, the
ロジック部1310のクロックがセンサ駆動部1320に供給される。センサ素子10は2個のキャパシタCsおよびCrの直列接続体の両端の端子11、12とその接続中点の端子13との3端子構成であり、この両端の端子11、12にセンサ駆動部1320からセンサ駆動信号φSおよびφRを印加し、上記接続中点の端子13から信号を取り出す。そして、該取り出した信号を、スイッチトキャパシタ回路1330で構成されたC−V変換回路で電圧値に変換している。
スイッチトキャパシタ回路1330の出力はサンプルホールド回路1340および1350の各入力に供給され、ここで所定のタイミングでスイッチトキャパシタ回路1330の出力がホールドされる。
A clock of the
The output of the switched
図13(b)に示すように、C−V変換回路を構成するスイッチトキャパシタ回路1330は、オペアンプ1331と、このオペアンプ1331の帰還回路を構成するキャパシタ1332と、このキャパシタ1332に並列に接続されたスイッチングトランジスタ1333とを含んで構成されている。
サンプルホールド回路1340および1350の各出力は差動増幅回路1360の入力に供給され、この差動増幅回路1360の出力端からセンサ素子10の容量変化に対応する検出信号が出力される。
As shown in FIG. 13B, the switched
Each output of the sample hold
次に、図14のタイミングチャートを参照して、図13の静電容量検出回路の動作を説明する。
時刻t0のとき、ロジック部1310のリセット信号φGが「ハイ」の期間だけスイッチトキャパシタ回路1330のスイッチングトランジスタ1333がオンとなり、オペアンプ1331の−端子と出力端子に接続されているキャパシタ1332(容量Cf)の電荷をディスチャージする。
オペアンプ1331の+入力端子は基準電圧Vrである。従って、スイッチトキャパシタ回路1330の出力Vscout0は、Vscout0=Vrになる。
次にリセット信号φGが「ロー」となり、スイッチトキャパシタ回路1330のスイッチングトランジスタ1333がオフとなる。
Next, the operation of the capacitance detection circuit of FIG. 13 will be described with reference to the timing chart of FIG.
At time t0, the
The + input terminal of the
Next, the reset signal φG becomes “low”, and the
この時点ではセンサ駆動部1320のセンサ駆動信号φRは「ロー」であり、センサ駆動信号φSが「ハイ」(振幅Vp)であるので、スイッチトキャパシタ回路1330の入力には、Qd0=−Cs×Vp+(Cs+Cr)×Vrの電荷が蓄積される。
次に時刻t1のとき、センサ駆動信号φSが「ロー」、センサ駆動信号φRが「ハイ」となると、スイッチトキャパシタ回路1330の入力には、
Qd1=−Cr×Vp+(Cs+Cr)×Vr
の電荷量が蓄積されることになるので、
時刻t0との電荷の差Qo=Qd1−Qd0=(Cs−Cr)×Vp
がスイッチトキャパシタ回路1330の出力に電圧値
Vscout1=−Qo/Cf=―(Cs−Cr)/Cf×Vp+Vr
として出力される。
At this time, since the sensor drive signal φR of the
Next, at time t1, when the sensor drive signal φS is “low” and the sensor drive signal φR is “high”, the input of the switched
Qd 1 = −Cr × Vp + (Cs + Cr) × Vr
Because the amount of charge will be accumulated,
Charge difference from time t0 Qo = Qd 1 −Qd 0 = (Cs−Cr) × Vp
Is the voltage value Vscout 1 = −Qo / Cf = − (Cs−Cr) / Cf × Vp + Vr at the output of the switched
Is output as
この出力を受けて、サンプルホールド回路1340はロジック部1310のクロックφS1の立下りエッジでVscout1の電圧をホールドする。
次に、時刻t2のときは時刻t0の時と同じく、リセット信号φGが「ハイ」なのでスイッチトキャパシタ回路1330のスイッチングトランジスタ1333がオンとなり、オペアンプ1331の−端子と出力端子に接続されているキャパシタ1332(容量Cf)の電荷をディスチャージする。
オペアンプ1331の+入力端子は基準電圧Vrである。従って、スイッチトキャパシタ回路1330の出力はVscout2=Vrになる。
In response to this output, the
Next, at time t2, similarly to the time t0, the reset signal φG is “high”, so that the
The + input terminal of the
次に時刻t3のときはセンサ駆動信号φSが「ハイ」、センサ駆動信号φRが「ロー」となり、時刻t1と逆位相になるので、スイッチトキャパシタ回路1330の出力に電圧値
Vscout3=−Qo/Cf=(Cs−Cr)/Cf×Vp+Vr
として出力される。
図13(a)のサンプルホールド回路1350はロジック部1310のクロックφS2の立下りエッジでVscout3の電圧をホールドする。
一方、差動増幅回路1360はサンプルホールド回路1340および1350から出力された電圧値の減算処理を行い、出力
Vout=Vscout1−Vscout3=−2(Cs−Cr)/Cf×Vp
を得る。
Next, at time t3, the sensor drive signal φS is “high”, the sensor drive signal φR is “low”, and the phase is opposite to that at time t1, so that the voltage value Vscout 3 = −Qo / Cf = (Cs−Cr) / Cf × Vp + Vr
Is output as
The sample hold
On the other hand, the
Get.
しかしながら、上述の従来の静電容量検出回路においては、ロジック部1310のクロックφS1、φS2の立下りのタイミングでのみセンサ容量の差に比例した電圧出力が検出されるため、該検出による出力電圧Voutは離散的な階段状の波形を呈する。
また、Vscout1からVscout3を減じる減算処理を実行することに起因して、φS1またはφS2に発生したセンサ素子10におけるセンサ容量の変化の全てを検出することが出来ないことになる。即ち、センサ素子10の連続的な静電容量の変化に対し精度の良い検出出力が得られないという問題がある。
However, in the above-described conventional capacitance detection circuit, a voltage output proportional to the difference in sensor capacitance is detected only at the falling timing of the clocks φS1 and φS2 of the
In addition, it is impossible to detect all changes in the sensor capacitance in the sensor element 10 occurring in φS1 or φS2 due to the execution of the subtraction process for subtracting Vscout 3 from Vscout 1 . That is, there is a problem in that a highly accurate detection output cannot be obtained with respect to a continuous change in capacitance of the sensor element 10.
また、微小な容量変化を検出するためにセンサの容量を大きくするとセンサが大型化してしまう。また、精度向上のための回路を更に追加する場合にはコストアップを招来してしまう。
本発明は上述のような状況に鑑みてなされたものであり、静電容量の変化に基づいて物理量を検出する物理量検出装置に適合する静電容量検出回路に関し、連続的且つ微小な容量変化をも精度良く検出することが可能であり、更に、小型で安価なこの種の静電容量検出回路、および、この静電容量検出回路により構成した圧力検出装置、加速度検出装置、および、マイクロフォン用トランスデューサを提供することをその目的とする。
Further, if the capacity of the sensor is increased in order to detect a minute change in capacity, the sensor will be increased in size. Further, when a circuit for improving accuracy is further added, the cost is increased.
The present invention has been made in view of the above situation, and relates to a capacitance detection circuit suitable for a physical quantity detection device that detects a physical quantity based on a change in capacitance. In addition, this type of capacitance detection circuit that is small and inexpensive, and a pressure detection device, an acceleration detection device, and a microphone transducer that are configured by this capacitance detection circuit The purpose is to provide.
上記目的を達成するべく茲に次に列記するような技術を提案する。
(1)静電容量型のセンサ素子の静電容量の変化を検出する静電容量検出回路であって、
前記センサ素子に駆動電圧を印加するセンサ駆動回路と、
前記センサ素子の静電容量の変化を電圧信号に変換する連続時間型C−V変換回路と、
前記連続時間型C−V変換回路の出力信号から信号成分を検出する同期検波回路と、
前記同期検波回路の出力信号を平滑化する平滑回路と、
を具備したことを特徴とする静電容量検出回路。
上記(1)の静電容量検出回路では、C−V変換回路と同期検波回路とによってノイズの少ない信号検出可能な信号変換作用が行われるように作用する。
In order to achieve the above object, the following technologies are proposed.
(1) A capacitance detection circuit for detecting a change in capacitance of a capacitance type sensor element,
A sensor driving circuit for applying a driving voltage to the sensor element;
A continuous-time CV conversion circuit that converts a change in capacitance of the sensor element into a voltage signal;
A synchronous detection circuit for detecting a signal component from an output signal of the continuous-time CV conversion circuit;
A smoothing circuit for smoothing the output signal of the synchronous detection circuit;
A capacitance detection circuit comprising:
In the capacitance detection circuit of (1), the CV conversion circuit and the synchronous detection circuit operate so that a signal conversion operation capable of detecting a signal with little noise is performed.
(2)前記同期検波回路は、前記センサ駆動回路の出力である駆動電圧を参照信号として作動するように構成されていることを特徴とする(1)の静電容量検出回路。
上記(2)の静電容量検出回路は、(1)の静電容量検出回路において特に、検出対象の物理量である静電容量変化と完全に同期した波形を参照信号として使用できるので、検出エラーの少ない精度の良い同期検波が行われるように作用する。
(3)前記同期検波回路は、前記連続時間型C−V変換回路の出力である電圧信号を既定のレベルで2値化した信号を参照信号として作動するように構成されていることを特徴とする(1)の静電容量検出回路。
上記(3)の静電容量検出回路は、(1)の静電容量検出回路において特に、センサ駆動回路による駆動信号を同期検波回路の参照信号として使用できない場合でも、静電容量変化を表す信号から参照信号を生成できるように作用する。
(2) The capacitance detection circuit according to (1), wherein the synchronous detection circuit is configured to operate using a drive voltage, which is an output of the sensor drive circuit, as a reference signal.
The capacitance detection circuit of (2) above can use a waveform that is completely synchronized with the capacitance change, which is a physical quantity to be detected, as a reference signal, particularly in the capacitance detection circuit of (1). It acts so that the synchronous detection with a small amount of accuracy can be performed.
(3) The synchronous detection circuit is configured to operate using a signal obtained by binarizing a voltage signal, which is an output of the continuous-time CV conversion circuit, at a predetermined level as a reference signal. (1) The capacitance detection circuit.
The capacitance detection circuit of (3) is a signal representing a change in capacitance even when the drive signal from the sensor drive circuit cannot be used as a reference signal for the synchronous detection circuit, particularly in the capacitance detection circuit of (1). The reference signal can be generated from
(4)前記センサ駆動回路は、前記駆動電圧として矩形波の電圧を出力することを特徴とする(1)の静電容量検出回路。
上記(4)の静電容量検出回路は、(1)の静電容量検出回路において特に、センサ駆動回路部の信号に矩形波を使用するので、その信号を同期検波回路の参照信号としても利用することが可能であり、また電源電圧の信号でセンサを駆動できるので、他の特別な回路なしにレシオメトリック特性が実現できるように作用する。
(5)前記センサ駆動回路は、前記駆動電圧として三角波を出力することを特徴とする(1)の静電容量検出回路。
上記(5)の静電容量検出回路は、(1)の静電容量検出回路において特に、センサ駆動回路部の信号に三角波を使用するので、EMC(Electro-Magnetic Compatibility:電磁環境適合性)等の視点から電磁波の放射を抑制することが求められる場合に高い適合性を持った特性が得られる。また、電源電圧の信号でセンサを駆動できるので、他の特別な回路なしにレシオメトリック特性が実現できるように作用する。
(4) The capacitance detection circuit according to (1), wherein the sensor drive circuit outputs a rectangular wave voltage as the drive voltage.
The capacitance detection circuit of (4) uses a rectangular wave for the signal of the sensor drive circuit unit, particularly in the capacitance detection circuit of (1), so that the signal is also used as a reference signal for the synchronous detection circuit. Further, since the sensor can be driven by the signal of the power supply voltage, the ratiometric characteristic can be realized without any other special circuit.
(5) The capacitance detection circuit according to (1), wherein the sensor drive circuit outputs a triangular wave as the drive voltage.
The capacitance detection circuit of (5) uses a triangular wave for the signal of the sensor drive circuit section, particularly in the capacitance detection circuit of (1), so that EMC (Electro-Magnetic Compatibility) etc. When it is required to suppress the emission of electromagnetic waves from the viewpoint of the above, characteristics with high suitability can be obtained. Further, since the sensor can be driven by the signal of the power supply voltage, the ratiometric characteristic can be realized without any other special circuit.
(6)前記センサ駆動回路は、前記駆動電圧として正弦波を出力することを特徴とする(1)の静電容量検出回路。
上記(6)の静電容量検出回路は、(1)の静電容量検出回路において特に、センサ駆動回路部の信号に正弦波を使用するので、EMC等の視点から電磁波の放射を抑制することが求められる場合に高い適合性を持つように作用する。
(7)前記連続時間型C−V変換回路は、チャージアンプ回路により構成されていることを特徴とする(1)の静電容量検出回路。
上記(7)の静電容量検出回路は、(1)の静電容量検出回路において特に、C−V変換回路にチャージアンプ回路を使用するので、連続的な容量変化を検出することが可能になる。さらに、同期検波回路の特性を合わせると、微小容量変化の検出が可能で、ノイズの少ない特性が実現できるように作用する。
(6) The capacitance detection circuit according to (1), wherein the sensor drive circuit outputs a sine wave as the drive voltage.
The electrostatic capacitance detection circuit of (6) uses a sine wave as a signal of the sensor drive circuit section, particularly in the electrostatic capacitance detection circuit of (1), and therefore suppresses the emission of electromagnetic waves from the viewpoint of EMC or the like. Acts to be highly compatible when required.
(7) The capacitance detection circuit according to (1), wherein the continuous-time CV conversion circuit includes a charge amplifier circuit.
In the capacitance detection circuit of (7), a charge amplifier circuit is used for the CV conversion circuit, particularly in the capacitance detection circuit of (1), so that it is possible to detect a continuous capacitance change. Become. Furthermore, when the characteristics of the synchronous detection circuit are combined, it is possible to detect a minute capacitance change and to realize characteristics with less noise.
(8)上記(1)〜(7)のいずれかに記載の静電容量検出回路と、前記静電容量型のセンサ素子としての圧力センサと、を具備することを特徴とする圧力検出装置。
上記(8)の圧力検出装置では、検出出力の安定性が高く、使用可能な温度範囲が広く高温の環境下にも適合し、更に、感度の温度依存性が少ない圧力検出特性が実現できるように作用する。
(9)上記(1)〜(7)のいずれかに記載の静電容量検出回路と、前記静電容量型のセンサ素子としての加速度センサと、を具備することを特徴とする加速度検出装置。
上記(9)の加速度検出装置では、検出出力の安定性が高く、使用可能な温度範囲が広く高温の環境下にも適合し、感度の温度依存性が少なく、更に、加速度を連続的に精度良く検出することが可能なように作用する。
(10)上記(1)〜(7)のいずれかに記載の静電容量検出回路と、前記静電容量型のセンサ素子としての音圧センサと、を具備することを特徴とするマイクロフォン用トランスディーサ。
上記(10)のマイクロフォン用トランスディーサでは、高感度な音声検出が可能なように作用する。
(8) A pressure detection device comprising: the capacitance detection circuit according to any one of (1) to (7) above; and a pressure sensor as the capacitance type sensor element.
In the pressure detection device of (8) above, it is possible to realize a pressure detection characteristic with high detection output stability, wide usable temperature range, suitable for high temperature environment, and low sensitivity temperature dependency. Act on.
(9) An acceleration detection apparatus comprising: the capacitance detection circuit according to any one of (1) to (7) above; and an acceleration sensor as the capacitance type sensor element.
In the acceleration detection device of (9) above, the detection output is highly stable, the usable temperature range is wide, and it is suitable for high temperature environments, the sensitivity is less temperature dependent, and the acceleration is continuously accurate. It works so that it can be detected well.
(10) A microphone transformer comprising: the capacitance detection circuit according to any one of (1) to (7) above; and a sound pressure sensor as the capacitance type sensor element. Diisa.
The microphone transducer described in (10) operates so that highly sensitive sound detection is possible.
(11)静電容量型のセンサ素子の静電容量の変化を検出する静電容量検出回路であって、
前記センサ素子に駆動電圧を印加するセンサ駆動回路と、
前記センサ素子の静電容量の変化を電圧信号に変換するように構成され前記センサ素子の各別の検出端子に接続された複数の連続時間型C−V変換回路と、
前記複数の連続時間型C−V変換回路の出力に関する減算または加算を実行する演算回路と、
前記演算回路の出力信号から信号成分を検出する同期検波回路と、
前記同期検波回路の出力信号を平滑化する平滑回路と、
を具備したことを特徴とする静電容量検出回路。
(11)の静電容量検出回路では、C−V変換回路、同期検波回路、および、平滑回路によって外来ノイズや電源ノイズの影響に強く、起動時の初期電荷の影響も軽減するように作用する。
(11) A capacitance detection circuit for detecting a change in capacitance of a capacitance type sensor element,
A sensor driving circuit for applying a driving voltage to the sensor element;
A plurality of continuous-time CV conversion circuits configured to convert a change in capacitance of the sensor element into a voltage signal and connected to each other detection terminal of the sensor element;
An arithmetic circuit for performing subtraction or addition on the outputs of the plurality of continuous-time CV conversion circuits;
A synchronous detection circuit for detecting a signal component from the output signal of the arithmetic circuit;
A smoothing circuit for smoothing the output signal of the synchronous detection circuit;
A capacitance detection circuit comprising:
In the capacitance detection circuit of (11), the CV conversion circuit, the synchronous detection circuit, and the smoothing circuit are strong against the influence of external noise and power supply noise, and act to reduce the influence of the initial charge at the time of startup. .
(12)前記同期検波回路は、前記センサ駆動回路の出力である駆動電圧を参照信号として作動するように構成されていることを特徴とする(11)の静電容量検出回路。
上記(12)の静電容量検出回路は、(11)の静電容量検出回路において特に、検出対象の物理量である静電容量変化と完全に同期した波形を参照信号として使用できるので、検出エラーの少ない精度の良い同期検波が行われるように作用する。
(13)前記同期検波回路は、前記連続時間型C−V変換回路の出力である電圧信号を既定のレベルで2値化した信号を参照信号として作動するように構成されていることを特徴とする(11)の静電容量検出回路。
上記(13)の静電容量検出回路は、(11)の静電容量検出回路において特に、センサ駆動回路による駆動信号を同期検波回路の参照信号として使用できない場合でも、静電容量変化を表す信号から参照信号を生成できるように作用する。
(12) The capacitance detection circuit according to (11), wherein the synchronous detection circuit is configured to operate using a drive voltage, which is an output of the sensor drive circuit, as a reference signal.
The capacitance detection circuit of (12) can detect a detection error because, in the capacitance detection circuit of (11), a waveform that is completely synchronized with a change in capacitance that is a physical quantity to be detected can be used as a reference signal. It acts so that the synchronous detection with a small amount of accuracy can be performed.
(13) The synchronous detection circuit is configured to operate using a signal obtained by binarizing a voltage signal, which is an output of the continuous-time CV conversion circuit, at a predetermined level as a reference signal. (11) The capacitance detection circuit.
The capacitance detection circuit of (13) is a signal representing a change in capacitance even when the drive signal from the sensor drive circuit cannot be used as a reference signal for the synchronous detection circuit, particularly in the capacitance detection circuit of (11). The reference signal can be generated from
(14)前記センサ駆動回路は、前記駆動電圧として矩形波の電圧を出力することを特徴とする(11)の静電容量検出回路。
上記(14)の静電容量検出回路は、(11)の静電容量検出回路において特に、センサ駆動回路部の信号に矩形波を使用するので、その信号を同期検波回路の参照信号としても利用することが可能であり、また電源電圧の信号でセンサを駆動できるので、他の特別な回路なしにレシオメトリック特性が実現できるように作用する。
(15)前記センサ駆動回路は、前記駆動電圧として三角波を出力することを特徴とする(11)の静電容量検出回路。
上記(15)の静電容量検出回路は、(11)の静電容量検出回路において特に、センサ駆動回路部の信号に三角波を使用するので、EMC(Electro-Magnetic Compatibility:電磁環境適合性)等の視点から電磁波の放射を抑制することが求められる場合に高い適合性を持った特性が得られる。また、電源電圧の信号でセンサを駆動できるので、他の特別な回路なしにレシオメトリック特性が実現できるように作用する。
(14) The capacitance detection circuit according to (11), wherein the sensor drive circuit outputs a rectangular wave voltage as the drive voltage.
The capacitance detection circuit of (14) uses a rectangular wave as a signal of the sensor drive circuit unit, particularly in the capacitance detection circuit of (11), so that the signal is also used as a reference signal for the synchronous detection circuit. Further, since the sensor can be driven by the signal of the power supply voltage, the ratiometric characteristic can be realized without any other special circuit.
(15) The capacitance detection circuit according to (11), wherein the sensor drive circuit outputs a triangular wave as the drive voltage.
Since the capacitance detection circuit of (15) uses a triangular wave as a signal of the sensor drive circuit section in the capacitance detection circuit of (11), EMC (Electro-Magnetic Compatibility) etc. When it is required to suppress the emission of electromagnetic waves from the viewpoint of the above, characteristics with high suitability can be obtained. Further, since the sensor can be driven by the signal of the power supply voltage, the ratiometric characteristic can be realized without any other special circuit.
(16)前記センサ駆動回路は、前記駆動電圧として正弦波を出力することを特徴とする(11)の静電容量検出回路。
上記(16)の静電容量検出回路は、(11)の静電容量検出回路において特に、センサ駆動回路部の信号に正弦波を使用するので、EMC等の視点から電磁波の放射を抑制することが求められる場合に高い適合性を持つように作用する。
(17)前記連続時間型C−V変換回路は、チャージアンプ回路により構成されていることを特徴とする(11)の静電容量検出回路。
上記(17)の静電容量検出回路は、(11)の静電容量検出回路において特に、C−V変換回路にチャージアンプ回路を使用するので、連続的な容量変化を検出することが可能になる。さらに、同期検波回路の特性を合わせると、微小容量変化の検出が可能で、ノイズの少ない特性が実現できるように作用する。
(16) The capacitance detection circuit according to (11), wherein the sensor drive circuit outputs a sine wave as the drive voltage.
The capacitance detection circuit of (16) uses a sine wave as a signal of the sensor drive circuit section, particularly in the capacitance detection circuit of (11), and therefore suppresses the emission of electromagnetic waves from the viewpoint of EMC or the like. Acts to be highly compatible when required.
(17) The capacitance detection circuit according to (11), wherein the continuous-time CV conversion circuit includes a charge amplifier circuit.
The capacitance detection circuit of the above (17) uses a charge amplifier circuit for the CV conversion circuit, particularly in the capacitance detection circuit of (11), so that it is possible to detect a continuous capacitance change. Become. Furthermore, when the characteristics of the synchronous detection circuit are combined, it is possible to detect a minute capacitance change and to realize characteristics with less noise.
(18)上記(11)〜(17)のいずれかに記載の静電容量検出回路と、前記静電容量型のセンサ素子としての圧力センサと、を具備することを特徴とする圧力検出装置。
上記(18)の圧力検出装置では、検出出力の安定性が高く、使用可能な温度範囲が広く高温の環境下にも適合し、更に、感度の温度依存性が少ない圧力検出特性が実現できるように作用する。
(19)上記(11)〜(17)のいずれかに記載の静電容量検出回路と、前記静電容量型のセンサ素子としての加速度センサと、を具備することを特徴とする加速度検出装置。
上記(19)の加速度検出装置では、検出出力の安定性が高く、使用可能な温度範囲が広く高温の環境下にも適合し、感度の温度依存性が少なく、更に、加速度を連続的に精度良く検出することが可能なように作用する。
(18) A pressure detection device comprising: the capacitance detection circuit according to any one of (11) to (17) above; and a pressure sensor as the capacitance type sensor element.
In the pressure detection device of the above (18), it is possible to realize a pressure detection characteristic with high detection output stability, wide usable temperature range, suitable for high temperature environment, and low sensitivity temperature dependency. Act on.
(19) An acceleration detection apparatus comprising: the capacitance detection circuit according to any one of (11) to (17) above; and an acceleration sensor as the capacitance type sensor element.
In the acceleration detection device of (19) above, the detection output has high stability, the usable temperature range is wide, and it is suitable for high temperature environments, the sensitivity is less temperature dependent, and the acceleration is continuously accurate. It works so that it can be detected well.
(20)上記(11)〜(17)のいずれかに記載の静電容量検出回路と、前記静電容量型のセンサ素子としての音圧センサと、を具備することを特徴とするマイクロフォン用トランスディーサ。
上記(20)のマイクロフォン用トランスディーサでは、高感度な音声検出が可能なように作用する。
(20) A microphone transformer comprising: the capacitance detection circuit according to any one of (11) to (17) above; and a sound pressure sensor as the capacitance type sensor element. Diisa.
The microphone transducer (20) operates so as to enable highly sensitive sound detection.
本発明によれば、物理量変化に対する連続的且つ微小な容量変化に対しても精度良くアナログ信号として検出出力を得ることが可能である。また、従来スイッチトキャパシタ回路によるC−V変換回路で問題となっていたスイッチングノイズやスイッチを構成する素子の特性変動に起因する検出特性の変動をキャンセルするための特別な回路を用いる必要がない。このため、微小容量変化を高精度に検出可能な回路(装置)がローコストで実現できる。 According to the present invention, it is possible to obtain a detection output as an analog signal with high accuracy even for a continuous and minute change in capacitance with respect to a change in physical quantity. Further, it is not necessary to use a special circuit for canceling fluctuations in detection characteristics due to switching noise and fluctuations in characteristics of elements constituting the switch, which have been a problem in a conventional CV conversion circuit using a switched capacitor circuit. For this reason, a circuit (device) capable of detecting a minute capacitance change with high accuracy can be realized at low cost.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態につき詳述することにより本発明を明らかにする。
(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態としての静電容量検出回路を表すブロック図である。また、図2は図1の静電容量検出回路の動作時の各部の信号波形図である。
図1において、静電容量検出回路100は、静電容量型のセンサ素子10の静電容量(該静電容量の変化)を検出する。
センサ素子10は、検出用キャパシタ1a(容量Cs)および参照用キャパシタ1b(容量Cr)の直列接続体の両端の端子11、12とその接続中点の端子13との3端子構成である。
Hereinafter, the present invention will be clarified by describing embodiments of the present invention in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a capacitance detection circuit as a first embodiment of the present invention. 2 is a signal waveform diagram of each part during operation of the capacitance detection circuit of FIG.
In FIG. 1, a capacitance detection circuit 100 detects a capacitance (change in capacitance) of a capacitance type sensor element 10.
The sensor element 10 has a three-terminal
一方、静電容量検出回路100は、連続時間型C−V変換回路110、センサ駆動回路120、同期検波回路130、平滑回路140、および、インバータ150を含んで構成されている。そして、静電容量検出回路100には、上述のセンサ素子10の3つの端子11、12、および、13に各対応して接続された端子101、102、および、103が図示の如く設けられている。
そして、センサ素子10の端子11にセンサ駆動回路120の出力であるセンサ駆動信号φSが印加され、端子12にはセンサ駆動回路120の出力をインバータ150で反転したセンサ駆動反転信号φRが印加される。
On the other hand, the capacitance detection circuit 100 includes a continuous-time CV conversion circuit 110, a
The sensor drive signal φS, which is the output of the
図示のとおり、端子11は検出用キャパシタ1a(容量Cs)の一方の端子であり、端子12は参照用キャパシタ1b(容量Cr)の一方の端子である。
また、センサ素子10の端子13は、C−V変換回路110の入力端にC−V変換回路の入力信号DS1として供給される。そして、C−V変換回路110からその出力信号DS2が同期検波回路130の入力端に供給される。
同期検波回路130には参照信号としてセンサ駆動信号φSを入力し、この信号φSで同期検波動作を行う。
同期検波回路130の出力信号DS3は平滑回路140に入力される。平滑回路140では前段の同期検波回路130における同期検波動作により発生する不要な高周波成分が除去される。これにより、静電容量変化の検出信号から不要な高周波成分が取り除かれた信号が平滑回路の出力信号DS4として得られる。
As illustrated, the terminal 11 is one terminal of the
The terminal 13 of the sensor element 10 is supplied to the input terminal of the CV conversion circuit 110 as an input signal DS1 of the CV conversion circuit. Then, the
A sensor drive signal φS is input to the
The output signal DS3 of the
センサ素子10はMEMS(Micro Electro Mechanical System 微細加工技術)で加工された静電容量型センサである。
既述のように、図示のセンサ素子10は、検出用キャパシタ1a(容量Cs)および参照用キャパシタ1b(容量Cr)の2個のキャパシタの直列接続体の両端の端子11、12とその接続中点13の端子との3端子構成である。
検出用キャパシタ1aは被検出物理量に応じてその容量値Csが変化する。一方、参照用キャパシタ1bはその容量Crが被検出物理量に依存しないか若しくは依存の態様を異にする。そして、両キャパシタの直列接続体の両端の端子11、12に、センサ駆動回路120の出力であるセンサ駆動信号φS、および該信号φSをインバータ150で反転したセンサ駆動反転信号φRを印加し、この状態で直列接続体の接続中点13から上記物理量に対応する信号を取り出す。
The sensor element 10 is a capacitive sensor processed by MEMS (Micro Electro Mechanical System micro processing technology).
As described above, the illustrated sensor element 10 is connected to the
The capacitance value Cs of the
図3は、図1の静電容量検出回路100におけるセンサ駆動回路120の構成例を示す回路図である。センサ駆動回路120は電流リファレンス回路121および電流制御発振器125を含んで構成されている。
電流リファレンス回路121は、図示しない公知のバンドギャップリファレンス回路の出力信号が入力端122に供給され、該供給された信号によって、抵抗123の抵抗値に反比例した電流がP型MOSトランジスタ124に流れる。
よく制御されたバンドギャップリファレンス回路の出力電圧は電源電圧や温度変化にほぼ依存しないので、P型MOSトランジスタ124に流れる電流はほぼ抵抗123の抵抗値の製造ばらつきおよび温度特性にのみ依存したものとなる。
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration example of the
In the current reference circuit 121, an output signal of a known band gap reference circuit (not shown) is supplied to the
Since the output voltage of the well-controlled bandgap reference circuit is almost independent of the power supply voltage and temperature change, the current flowing through the P-
電流制御発振器125は、電流リファレンス回路121のP型MOSトランジスタ124に流れる電流をミラーしたP型MOSトランジスタ126aおよびP型MOSトランジスタ126bに流れる電流をキャパシタ127aおよびキャパシタ127bに充電して、矩形波であるセンサ駆動信号φSを生成する回路である。センサ駆動信号φSは、図1を対照して理解されるとおり、端子102から出力され、センサ素子10の端子11に供給される。
センサ素子10の駆動波形として三角波を使用する場合は三角波TWをセンサ駆動信号φSとして使用する。
一方、図1におけるC−V変換回路110は、オペアンプ111、C−V変換キャパシタ112(容量Cf)、および、バイアス抵抗113(抵抗Rf)を含んで構成されたチャージアンプ回路の態様を有する。
The current controlled oscillator 125 charges the
When a triangular wave is used as the driving waveform of the sensor element 10, the triangular wave TW is used as the sensor driving signal φS.
On the other hand, the CV conversion circuit 110 in FIG. 1 has an aspect of a charge amplifier circuit configured to include an
センサ素子10の検出用キャパシタ1aの容量変化△Cに蓄えられる電荷△QをC−V変換キャパシタ112(容量Cf)で電圧Vcvout=−△Q/Cfとして取り出す。
この式から容易に理解されるとおり、C−V変換キャパシタ112(容量Cf)が電圧検出のゲインを規定しており、目的とする静電容量型センサであるセンサ素子10の静電容量変化量に対して柔軟にゲインを選択できる。従って、本実施の形態によれば、幅広いセンサ特性に対応できる。
一例として上述のセンサ素子10の検出用キャパシタ1aにおける0.1pFの容量変化を検出する場合、C−V変換回路110の入力と反対側のC−V変換キャパシタ112端子が0Vの場合には、△Q=△C×VREFとなる。
The charge ΔQ stored in the capacitance change ΔC of the
As can be easily understood from this equation, the CV conversion capacitor 112 (capacitance Cf) defines the gain of voltage detection, and the capacitance change amount of the sensor element 10 which is the target capacitance sensor. The gain can be selected flexibly. Therefore, according to the present embodiment, a wide range of sensor characteristics can be handled.
As an example, when detecting a capacitance change of 0.1 pF in the
Vcvout=−△Q/Cf=−0.1p×VREF/Cf、VREF=2.5V、且つ、Cf=1pFとすると、Vcvout=0.25Vの電圧値となり、0.1pFの容量変化を0.25Vの電圧変化量として取り出せることが分かる。
一方バイアス抵抗113(抵抗Rf)はC−V変換回路110の入力信号DS1の動作点がVDDやVSSに飽和してしまわない様に設ける。
しかしながら、C−V変換キャパシタ112(容量Cf)で検出した電荷がバイアス抵抗113(抵抗Rf)を介して移動してしまうと、検出ゲインの低下を招く。従って、バイアス抵抗113(抵抗Rf)は数十MΩ以上の十分大きな値であることが望ましい。
When Vcvout = −ΔQ / Cf = −0.1 p × VREF / Cf, VREF = 2.5 V, and Cf = 1 pF, the voltage value is Vcvout = 0.25 V, and the capacitance change of 0.1 pF is 0. It can be seen that it can be extracted as a voltage change amount of 25V.
On the other hand, the bias resistor 113 (resistor Rf) is provided so that the operating point of the input signal DS1 of the CV conversion circuit 110 is not saturated to VDD or VSS.
However, if the charge detected by the CV conversion capacitor 112 (capacitance Cf) moves through the bias resistor 113 (resistor Rf), the detection gain is reduced. Therefore, it is desirable that the bias resistor 113 (resistor Rf) has a sufficiently large value of several tens MΩ or more.
バイアス抵抗113(抵抗Rf)とC−V変換キャパシタ112(容量Cf)はセンサ素子10側から見るとfc=1/(2×π×Rf×Cf)のハイパスフィルタの特性を持つ。
この時定数はτ=Rf×Cfである。従って、C−V変換回路110の出力信号DS2はVcvout×?-t/Rf×Cfの特性でオペアンプの非反転入力端子114の電圧値であるVREFに近づいていく。
センサ駆動回路120の出力信号であるセンサ駆動信号φSは、図2に示すような電源電圧VDDを「ハイ」GND電圧を「ロー」とする矩形波である。また既述のセンサ駆動反転信号φRは、図示のように信号φSの極性を反転させた信号である。
The bias resistor 113 (resistor Rf) and the CV conversion capacitor 112 (capacitance Cf) have a high-pass filter characteristic of fc = 1 / (2 × π × Rf × Cf) when viewed from the sensor element 10 side.
This time constant is τ = Rf × Cf. Therefore, the output signal DS2 of the CV conversion circuit 110 is Vcvout ×? It approaches VREF which is the voltage value of the
A sensor drive signal φS, which is an output signal of the
一方、センサ素子10の両キャパシタ1a(容量Cs)、1b(容量Cr)の直列接続体の接続中点である端子13からの出力は、C−V変換回路110の入力端にその入力信号DS1として供給されている。
今、初期状態として、検出用キャパシタ1a(容量Cs)と参照用キャパシタ1b(容量Cr)に電荷が蓄積されていない状態を想定する。この状態で、センサ駆動信号φSが「ハイ」(VDD)であり、且つ、センサ駆動反転信号φRが「ロー」(0)の状態での、検出用キャパシタ1a(容量Cs)と参照用キャパシタ1b(容量Cr)のC−V変換回路110の入力端側の電荷を計算する。
On the other hand, the output from the terminal 13 which is the midpoint of connection of the serially connected bodies of the
Now, as an initial state, a state is assumed in which no charge is accumulated in the
参照用キャパシタ1b(容量Cr)の電荷はQr0=Cr×VREFであり、検出用キャパシタ1a(容量Cs)の電荷はQs0=−Cs×(VDD−VREF)となる。
C−V変換回路110の入力端側の電荷は両者を加算したものであり次のようになる。
Qr0+Qs0=−Cs×VDD+(Cr+Cs)×VREF
この時、C−V変換回路110のC−V変換キャパシタ112(容量Cf)のC−V変換回路110の出力端側は−(Qr0+Qs0)の電荷量になるため、C−V変換回路110の出力信号DS2の値Vcvoutは、
Vcvout=−(Qr0+Qs0)/Cf
=Cs/Cf×VDD−(Cr+Cs)/Cf×VREF
となる。C−V変換キャパシタ112(容量Cf)に蓄えられた電荷で出力されているC−V変換回路110の出力信号DS2は、バイアス抵抗113(抵抗Rf)とC−V変換キャパシタ112(容量Cf)でオペアンプ111の反転入力端子側に電荷が移動する為、長時間経つと非反転入力端子114の電圧値であるVREFと同じ電圧値になる。
The charge of the
The charge on the input end side of the CV conversion circuit 110 is the sum of both, and is as follows.
Qr 0 + Qs 0 = −Cs × VDD + (Cr + Cs) × VREF
At this time, the output end side of the CV conversion circuit 110 of the CV conversion capacitor 112 (capacitance Cf) of the CV conversion circuit 110 has a charge amount of − (Qr 0 + Qs 0 ). The value Vcvout of the output signal DS2 of the circuit 110 is
Vcvout = − (Qr 0 + Qs 0 ) / Cf
= Cs / Cf * VDD- (Cr + Cs) / Cf * VREF
It becomes. The output signal DS2 of the CV conversion circuit 110 output by the electric charge stored in the CV conversion capacitor 112 (capacitance Cf) is a bias resistor 113 (resistance Rf) and the CV conversion capacitor 112 (capacitance Cf). Thus, the charge moves to the inverting input terminal side of the
次にセンサ駆動信号φSが「ハイ」(VDD)から「ロー」(0)に遷移し、センサ駆動反転信号φRが「ロー」(0)から「ハイ」(VDD)に遷移した状態での、検出用キャパシタ1a(容量Cs)と参照用キャパシタ1b(容量Cr)の直列接続体の接続中点13側の電荷を計算する。
参照用キャパシタ1b(容量Cr)の電荷はQr1=−Cr×(VDD−VREF)であり、検出用キャパシタ1a(容量Cs)の電荷はQs1=Cs×VREFとなる。
上記直列接続体の接続中点13側の電荷は両者を加算したものであり次のようになる。
Qr1+Qs1=−Cr×VDD+(Cr+Cs)×VREF
Next, the sensor drive signal φS changes from “high” (VDD) to “low” (0), and the sensor drive inversion signal φR changes from “low” (0) to “high” (VDD). The charge on the
The charge of the
The charge on the
Qr 1 + Qs 1 = −Cr × VDD + (Cr + Cs) × VREF
この時、C−V変換回路110のC−V変換キャパシタ112(容量Cf)のC−V変換回路110の出力端側は−(Qr1+Qs1)の電荷量になる。時刻t0からt1に遷移する際に変化する電荷量を△Qとすると、
△Q=(Qr0+Qs0)―(Qr1+Qs1)=(Cr−Cs)×VDD
となる。よって、C−V変換回路110の出力信号DS2は変化した電荷量だけ電圧が変化するので、Vcvout=−△Q/Cf=−[(Cr−Cs)/Cf]×VDD
となる。
初期状態とセンサ駆動信号φSが反転した状態との電荷量の差分の残りの電荷は初期電圧変動としてのDC電圧であり、該DC電圧はC−V変換回路110の出力端に発生するが、C−V変換回路110のバイアス抵抗113(抵抗Rf)とC−V変換キャパシタ112(容量Cf)によるハイパスフィルタ特性でフィルタリングされる。
次に、時刻t0の時、センサ駆動信号φSが「ハイ」(VDD)、センサ駆動反転信号φRが「ロー」(0)の状態での、検出用キャパシタ1a(容量Cs)と参照用キャパシタ1b(容量Cr)のC−V変換回路110の出力端側の電荷を計算する。
At this time, the output end side of the CV conversion circuit 110 of the CV conversion capacitor 112 (capacitance Cf) of the CV conversion circuit 110 has a charge amount of − (Qr 1 + Qs 1 ). If the charge amount that changes when transitioning from time t0 to t1 is ΔQ,
ΔQ = (Qr 0 + Qs 0 ) − (Qr 1 + Qs 1 ) = (Cr−Cs) × VDD
It becomes. Therefore, since the voltage of the output signal DS2 of the CV conversion circuit 110 changes by the changed amount of charge, Vcvout = −ΔQ / Cf = − [(Cr−Cs) / Cf] × VDD
It becomes.
The remaining charge of the difference in charge amount between the initial state and the state where the sensor drive signal φS is inverted is a DC voltage as an initial voltage fluctuation, and the DC voltage is generated at the output terminal of the CV conversion circuit 110. Filtering is performed with a high-pass filter characteristic of the bias resistor 113 (resistor Rf) and the CV conversion capacitor 112 (capacitance Cf) of the CV conversion circuit 110.
Next, at time t0, the
参照用キャパシタ1b(容量Cr)の電荷はQr0=Cr×VREFであり、検出用キャパシタ1a(容量Cs)の電荷はQs0=−Cs×(VDD−VREF)となる。
C−V変換回路110の入力端側の電荷は両者を加算したものであり次のようになる。
Qr0+Qs0=−Cs×VDD+(Cr+Cs)×VREF
この時、C−V変換回路110のC−V変換キャパシタ112(容量Cf)のC−V変換回路110の出力端側の電荷は−(Qr0+Qs0)の電荷量になる。時刻t0に遷移する際に変化する電荷量を△Qとすると、
△Q=(Qr-1+Qs-1)―(Qr0+Qs0)=−(Cr−Cs)×VDD
となる。よって、C−V変換回路の出力信号DS2の値Vcvoutは変化した電荷量だけ電圧が変化するので、
Vcvout=−△Q/Cf=[(Cr−Cs)/Cf]×VDD
となる。
The charge of the
The charge on the input end side of the CV conversion circuit 110 is the sum of both, and is as follows.
Qr 0 + Qs 0 = −Cs × VDD + (Cr + Cs) × VREF
At this time, the charge on the output end side of the CV conversion circuit 110 of the CV conversion capacitor 112 (capacitance Cf) of the CV conversion circuit 110 becomes a charge amount of − (Qr 0 + Qs 0 ). If the amount of charge that changes when transitioning to time t0 is ΔQ,
ΔQ = (Qr −1 + Qs −1 ) − (Qr 0 + Qs 0 ) = − (Cr−Cs) × VDD
It becomes. Therefore, the value Vcvout of the output signal DS2 of the CV conversion circuit changes in voltage by the changed charge amount.
Vcvout = −ΔQ / Cf = [(Cr−Cs) / Cf] × VDD
It becomes.
時刻t1の時には、センサ駆動信号φSが「ハイ」(VDD)から「ロー」(0)に遷移し、センサ駆動反転信号φRが「ロー」(0)から「ハイ」(VDD)に遷移した状態における、検出用キャパシタ1a(容量Cs)と参照用キャパシタ1b(容量Cr)のC−V変換回路110の入力端側の電荷を計算する。
参照用キャパシタ1b(容量Cr)の電荷はQr1=−Cr×(VDD−VREF)であり、検出用キャパシタ1a(容量Cs)の電荷はQs1=Cs×VREFとなる。
At time t1, the sensor drive signal φS changes from “high” (VDD) to “low” (0), and the sensor drive inversion signal φR changes from “low” (0) to “high” (VDD). The charge on the input end side of the CV conversion circuit 110 of the
The charge of the
C−V変換回路110の入力端側の電荷は両者を加算したものであり次のようになる。
Qr1+Qs1=−Cr×VDD+(Cr+Cs)×VREF
この時、C−V変換回路110のC−V変換キャパシタ112(容量Cf)のC−V変換回路110の出力端側の電荷は−(Qr1+Qs1)の電荷量になる。
時刻t0からt1に遷移する際に変化する電荷量を△Qとすると、
△Q=(Qr0+Qs0)―(Qr1+Qs1)=(Cr−Cs)×VDD
となる。よって、C−V変換回路の出力信号DS2の値Vcvoutは変化した電荷量だけ電圧が変化するので、
Vcvout=−△Q/Cf=−[(Cr−Cs)/Cf]×VDD
となる。
The charge on the input end side of the CV conversion circuit 110 is the sum of both, and is as follows.
Qr 1 + Qs 1 = −Cr × VDD + (Cr + Cs) × VREF
At this time, the charge on the output end side of the CV conversion circuit 110 of the CV conversion capacitor 112 (capacitance Cf) of the CV conversion circuit 110 becomes a charge amount of − (Qr 1 + Qs 1 ).
If the charge amount that changes when transitioning from time t0 to t1 is ΔQ,
ΔQ = (Qr 0 + Qs 0 ) − (Qr 1 + Qs 1 ) = (Cr−Cs) × VDD
It becomes. Therefore, the value Vcvout of the output signal DS2 of the CV conversion circuit changes in voltage by the changed charge amount.
Vcvout = −ΔQ / Cf = − [(Cr−Cs) / Cf] × VDD
It becomes.
時刻t2の時には、センサ駆動信号φSが「ロー」(0)から「ハイ」(VDD)に遷移し、センサ駆動反転信号φRが「ハイ」(VDD)から「ロー」(0)に遷移した状態での、検出用キャパシタ1a(容量Cs)と参照用キャパシタ1b(容量Cr)のC−V変換回路110の入力端側の電荷を計算する。
参照用キャパシタ1b(容量Cr)の電荷はQr2=Cr×VREFであり、検出用キャパシタ1a(容量Cs)の電荷はQs2=−Cs×(VDD−VREF)となる。C−V変換回路110の出力端側の電荷は両者を加算したものであり次のようになる。
Qr2+Qs2=−Cr×VDD+(Cr+Cs)×VREF
この時、C−V変換回路110のC−V変換キャパシタ112(容量Cf)のC−V変換回路110の出力端側は−(Qr2+Qs2)の電荷量になる。
At time t2, the sensor drive signal φS changes from “low” (0) to “high” (VDD), and the sensor drive inversion signal φR changes from “high” (VDD) to “low” (0). The charge on the input end side of the CV conversion circuit 110 of the
The charge of the
Qr 2 + Qs 2 = −Cr × VDD + (Cr + Cs) × VREF
At this time, the output end side of the CV conversion circuit 110 of the CV conversion capacitor 112 (capacitance Cf) of the CV conversion circuit 110 has a charge amount of − (Qr 2 + Qs 2 ).
時刻t1からt2に遷移する際に変化する電荷量を△Qとすると、
△Q=(Qr1+Qs1)―(Qr2+Qs2)=−(Cr−Cs)×VDD
となる。
よって、C−V変換回路110の出力信号DS2は変化した電荷量だけ電圧が変化するので、Vcvout=−△Q/Cf=[(Cr−Cs)/Cf]×VDD
となる。そして、時刻t3以降同じ動作を繰り返す。
C−V変換回路110の出力信号DS2は図2に信号DS2として示したとおり、VREFを基準電圧とした±1/2×[(Cr−Cs)/Cf]×VDDの矩形波であり、容量変化信号成分を検出するために図4の同期検波回路130で復調する。
If the charge amount that changes when transitioning from time t1 to t2 is ΔQ,
ΔQ = (Qr 1 + Qs 1 ) − (Qr 2 + Qs 2 ) = − (Cr−Cs) × VDD
It becomes.
Therefore, since the voltage of the output signal DS2 of the CV conversion circuit 110 changes by the changed charge amount, Vcvout = −ΔQ / Cf = [(Cr−Cs) / Cf] × VDD
It becomes. The same operation is repeated after time t3.
The output signal DS2 of the CV conversion circuit 110 is a square wave of ± 1/2 × [(Cr−Cs) / Cf] × VDD with VREF as a reference voltage, as shown as the signal DS2 in FIG. In order to detect the change signal component, the signal is demodulated by the
図2において、C−V変換回路110出力信号DS2に傾きがあるのは、C−V変換キャパシタ112(容量Cf)とバイアス抵抗113(抵抗Rf)の時定数でC−V変換キャパシタ112(容量Cf)に蓄えられた電荷がオペアンプの反転入力端子側に移動することに起因して発生する現象である。
この時定数はτ=Rf×Cfであり、従って、C−V変換回路110出力信号DSの値は
Vcvout×?-t/Rf×Cf
の特性で非反転入力端子114の電圧値であるVREFに近づく。
この現象は、検出信号のエラーになるので、出来るだけ小さくしたい。上掲の式から容易に理解されるとおり、バイアス抵抗113(抵抗Rf)、C−V変換キャパシタ112(容量Cf)共に大きな値をとることが望ましい。
In FIG. 2, the output signal DS2 of the CV conversion circuit 110 has a slope due to the time constant of the CV conversion capacitor 112 (capacitance Cf) and the bias resistor 113 (resistance Rf). This phenomenon occurs due to the charge stored in Cf) moving to the inverting input terminal side of the operational amplifier.
This time constant is τ = Rf × Cf. Therefore, the value of the output signal DS of the CV conversion circuit 110 is Vcvout ×? -t / Rf × Cf
With this characteristic, it approaches VREF, which is the voltage value of the
Since this phenomenon results in an error in the detection signal, we want to make it as small as possible. As can be easily understood from the above formula, it is desirable that the bias resistor 113 (resistor Rf) and the CV conversion capacitor 112 (capacitance Cf) take large values.
既述のように、C−V変換キャパシタ112(容量Cf)は信号ゲインになり、静電容量型センサとしてのセンサ素子10の検出感度は、検出用キャパシタ1a(容量Cs)の変動量に依存して決まる。
C−V変換キャパシタ112(容量Cf)を決めた後、検出信号エラーを考慮してバイアス抵抗113(抵抗Rf)を決めることになる。
本発明の第1の実施の形態では、Rf=100MΩ、Cf=10pFとし、センサ駆動信号φSの周波数を30kHzに設定することにより、エラー量は1.685%以下に抑えている。
As described above, the CV conversion capacitor 112 (capacitance Cf) has a signal gain, and the detection sensitivity of the sensor element 10 as a capacitive sensor depends on the amount of change in the
After determining the CV conversion capacitor 112 (capacitance Cf), the bias resistor 113 (resistor Rf) is determined in consideration of the detection signal error.
In the first embodiment of the present invention, by setting Rf = 100 MΩ, Cf = 10 pF, and setting the frequency of the sensor drive signal φS to 30 kHz, the error amount is suppressed to 1.85% or less.
温度特性によるバラツキを抑えるために、バイアス抵抗113(抵抗Rf)の決め方は重要である。
上掲の式で示した初期電荷はC−V変換回路110のバイアス抵抗113(抵抗Rf)、C−V変換キャパシタ112(容量Cf)で構成されるハイパスフィルタ特性で取り除かれるが、バイアス抵抗113(抵抗Rf)、C−V変換キャパシタ112(容量Cf)の値を大きくし過ぎると、オフセットが無くなるまで時間がかかり、正しく容量変化を検出できるようになるまで時間がかかる。従って、これらの特性を勘案して、要求仕様に最も適合する回路定数を選択する必要がある。
In order to suppress variations due to temperature characteristics, how to determine the bias resistor 113 (resistor Rf) is important.
The initial charge shown in the above equation is removed by the high-pass filter characteristic constituted by the bias resistor 113 (resistor Rf) and the CV conversion capacitor 112 (capacitance Cf) of the CV conversion circuit 110, but the
図4は、図1の静電容量検出回路における同期検波回路の一例を示す回路図である。
同期検波回路130は、前段のC−V変換回路110からその出力信号DS2を受け、この信号DS2および信号DS2を反転増幅回路131で反転した信号を、スイッチSW1およびスイッチSW2で切り替え、バッファ回路である次段の反転増幅回路134を経て同期検波回路の出力信号DS3を得る。
より詳細には、センサ駆動回路120からのセンサ駆動信号φSをインバータ132で反転した信号によってスイッチSW1のオン・オフを切換え、また、次段のインバータ133でφSの反転信号を更に反転した信号によってスイッチSW2のオン・オフを切換える。上記の切換えにより、前段のC−V変換回路110からの出力信号DS2およびその反転信号を選択的に切換えて、同期検波回路の出力信号DS3として出力する。これにより、センサ駆動信号φSに同期してC−V変換回路の出力信号DS2を正転・反転するように切換えた信号(出力段の反転増幅回路134で更に極性が反転された信号)DS3が出力される。
FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of the synchronous detection circuit in the capacitance detection circuit of FIG.
The
More specifically, the switch SW1 is turned on / off by a signal obtained by inverting the sensor drive signal φS from the
即ち、センサ駆動信号φSが「ロー」の区間は、スイッチSW1がオンしC−V変換回路110の出力信号DS2を有効にし、出力信号DS3として、C−V変換回路110の出力信号DS2の反転増幅回路134による反転信号が出力される。
一方センサ駆動信号φSが「ハイ」の区間は、スイッチSW2がオンし反転増幅回路131の出力が有効になり、出力信号DS3として、C−V変換回路110の出力信号DS2が反転増幅回路131で反転された信号が反転増幅回路134で反転して出力される。
C−V変換回路110の出力信号DS2とセンサ駆動回路120の出力であるセンサ駆動信号φSが同期している場合は、後段の平滑回路140(図1)で、
1/2×[(Cr−Cs)/Cf]×VDDの信号が検出される。
That is, in the section where the sensor drive signal φS is “low”, the switch SW1 is turned on to enable the output signal DS2 of the CV conversion circuit 110, and as the output signal DS3, the output signal DS2 of the CV conversion circuit 110 is inverted. An inverted signal by the
On the other hand, when the sensor drive signal φS is “high”, the switch SW2 is turned on and the output of the inverting
When the output signal DS2 of the CV conversion circuit 110 and the sensor drive signal φS that is the output of the
A signal of 1/2 × [(Cr−Cs) / Cf] × VDD is detected.
この式から分かるとおり、図12のように参照用キャパシタ1b(容量Cr)と検出用キャパシタ1a(容量Cs)との差に比例した電圧として検出できることが分かる。
即ち、参照用キャパシタ1b(容量Cr)と検出用キャパシタ1a(容量Cs)の容量が等しい場合は、出力はVREF出力になり、参照用キャパシタ1b(容量Cr)の容量が相対的に大きい場合は正の電圧を出力し、検出用キャパシタ1a(容量Cs)が相対的に大きい場合は負の電圧が出力される。
またVDDに比例した式になっていることから、本発明の第1の実施の形態では既述のレシオメトリック特性が、特別な回路なしに実現できていることがわかる。
As can be seen from this equation, as shown in FIG. 12, it can be detected as a voltage proportional to the difference between the
That is, when the capacitances of the
Further, since the equation is proportional to VDD, it can be seen that the above-described ratiometric characteristic can be realized without a special circuit in the first embodiment of the present invention.
参照用キャパシタ1b(容量Cr)と検出用キャパシタ1a(容量Cs)の差の容量に対応する検出電圧の極性を変えたい場合は、センサ素子10の検出用キャパシタ1a(容量Cs)および参照用キャパシタ1b(容量Cr)の取り付け向きを変えるか、同期検波回路130に参照信号として入力しているセンサ駆動信号φSの替わりにセンサ駆動反転信号φRを使用することで実現できる。
When it is desired to change the polarity of the detection voltage corresponding to the difference between the
上述においては、C−V変換回路110の出力信号DS2とセンサ駆動回路120の出力であるセンサ駆動信号φSが同期している場合について説明したが、同期していない場合は、C−V変換回路110の出力信号DS2が出力されていても、平滑回路140の出力信号DS4はVREFになる。
即ち、非同期で発生するノイズ成分は同期検波で落とされてしまうことを示しており、S/N(信号対雑音比)の高い信号検出ができる。
同期検波動作は検出したい信号成分であるDC成分の他に、2次以上の偶数次の高調波成分を持っているが、これらの高調波成分は不必要な信号成分である。高調波成分は平滑回路140を通し、ノイズの少ない高精度な静電容量変化を検出することが出来る。
In the above description, the case where the output signal DS2 of the CV conversion circuit 110 and the sensor drive signal φS which is the output of the
That is, the noise component generated asynchronously is removed by synchronous detection, and signal detection with a high S / N (signal-to-noise ratio) can be performed.
In the synchronous detection operation, in addition to the DC component which is a signal component to be detected, the harmonic detection component has second-order or higher-order harmonic components, but these harmonic components are unnecessary signal components. The harmonic component passes through the smoothing
図5は、図1の静電容量検出回路における平滑回路の一例を示す回路図である。
平滑回路140は抵抗141と容量142を含むローパスフィルタ態様の構成とする。同期検波回路130の参照信号として使用しているセンサ駆動信号φSの周波数の偶数次高調波(2次、4次、6次・・・)成分がノイズとして発生するので、センサ素子10の検出用キャパシタ1a(容量Cs)の静電容量変化の検出電圧精度(仕様)に対応するように、ローパスフィルタのカットオフ周波数とフィルタ次数を決定する。
FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of a smoothing circuit in the capacitance detection circuit of FIG.
The smoothing
次に、センサ駆動信号φSを同期検波回路130の参照信号として使うことが出来ない場合の回路例を図6に示す。
図6は、同期検波回路130の参照信号にC−V変換回路110の出力信号を使用した態様の静電容量検出回路100aを例示するブロック図である。この図6において図1との対応部には同一の参照符号を附して示し、これら対応部の説明は図1について既述のところを援用する。
図6に示す静電容量検出回路100aは、センサ駆動回路120の出力信号である既述のセンサ駆動信号φSやセンサ駆動反転信号φRを用いず、C−V変換回路110のC−V変換回路の出力信号DS2を同期検波回路160の参照信号として使用する態様を採る。
Next, FIG. 6 shows a circuit example when the sensor drive signal φS cannot be used as a reference signal for the
FIG. 6 is a block diagram illustrating a capacitance detection circuit 100 a that uses the output signal of the CV conversion circuit 110 as the reference signal of the
The capacitance detection circuit 100a shown in FIG. 6 does not use the above-described sensor drive signal φS and sensor drive inversion signal φR, which are output signals of the
図7は、図6の静電容量検出回路100aにおける同期検波回路160の構成を表す回路図である。
同期検波回路160は、前段のC−V変換回路110からその出力信号DS2を受け、この信号DS2と信号DS2を反転増幅回路161で反転した信号とを、スイッチSW61およびスイッチSW62で切り替え、バッファ回路である次段の反転増幅回路164を経て同期検波回路の出力信号DS3を得る。
より詳細には、C−V変換回路110の出力信号DS2をコンパレータ162でリファレンス電圧VREFにより2値化した信号によってスイッチSW61のオン・オフを切換え、また、次段のインバータ163で上記2値化した信号を反転した信号によってスイッチSW62のオン・オフを切換える。上記の切換えにより、前段のC−V変換回路110からの出力信号DS2およびその反転信号を選択的に切換えて、同期検波回路の出力信号DS3として出力する。
FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of the
The
More specifically, the switch SW61 is turned on / off by a signal obtained by binarizing the output signal DS2 of the CV conversion circuit 110 with the reference voltage VREF by the
これにより、C−V変換回路110の出力信号DS2自体に同期してこの出力信号DS2を正転・反転するように切換えた信号(出力段の反転増幅回路164で更に極性が反転された信号)DS3が出力される。
即ち、C−V変換回路110の出力信号DS2がVREFよりも大きい区間は、スイッチSW61がオンしC−V変換回路110の出力信号DS2が有効になり、同期検波回路160の出力信号DS3として、C−V変換回路の出力信号DS2が反転増幅回路164で更に極性が反転された信号が出力される。
一方C−V変換回路110の出力信号DS2がVREFより小さい区間は、スイッチSW62がオンし、反転増幅回路161の出力信号が有効となり、同期検波回路160の出力信号DS3として、C−V変換回路の出力信号DS2が反転増幅回路161で反転された信号が反転増幅回路164で更に極性が反転された信号が出力される。
As a result, the output signal DS2 is switched so that the output signal DS2 is normally rotated and inverted in synchronization with the output signal DS2 itself of the CV conversion circuit 110 (a signal whose polarity is further inverted by the inverting
That is, in a section in which the output signal DS2 of the CV conversion circuit 110 is larger than VREF, the switch SW61 is turned on and the output signal DS2 of the CV conversion circuit 110 becomes valid, and as an output signal DS3 of the
On the other hand, in a section in which the output signal DS2 of the CV conversion circuit 110 is smaller than VREF, the switch SW62 is turned on, the output signal of the inverting
C−V変換回路110の出力信号DS2とこの信号DS2をコンパレータ162でリファレンス電圧VREFにより2値化した信号は常に同期しているので、後段の平滑回路140からは1/2×[(Cr−Cs)/Cf]×VDDなる信号が出力される。
図7の態様の回路では、上述のようにセンサ駆動回路120の出力信号を使用せずに静電容量検出回路が実現できる。
以上、図1乃至図6を参照して説明した例では、静電容量型センサであるセンサ素子10の参照用キャパシタ1b(容量Cr)と検出用キャパシタ1a(容量Cs)との容量差を検出する方式の回路について説明したが、検出用キャパシタ1a(容量Cs)単体の静電容量の変化を検出したい場合は、図8のような構成にすることで実現できる。
Since the output signal DS2 of the CV conversion circuit 110 and the signal obtained by binarizing the signal DS2 with the reference voltage VREF by the
In the circuit of the aspect of FIG. 7, the capacitance detection circuit can be realized without using the output signal of the
In the example described with reference to FIGS. 1 to 6, the capacitance difference between the
図8は、センサ素子の参照用キャパシタを駆動しない態様の静電容量検出回路100bを例示するブロック図である。図8において図1との対応部には同一の参照符号を附して示し、これら対応部の説明は図1について既述のところを援用する。
既述の図1の静電容量検出回路では、参照用キャパシタ1b(容量Cr)を、センサ駆動回路120からのセンサ駆動信号φSをインバータ150で反転したセンサ駆動反転信号φRで駆動していたが、信号φRで駆動せず、参照用キャパシタ1bの一端12をGNDに落とすことで実現できる。図示の例では上記一端12をこの一端12に接続されている端子101を経てGNDに接続している。
静電容量型センサであるセンサ素子10の参照用キャパシタ1b(容量Cr)の両端の電位差は、常にC−V変換回路110のオペアンプ111の非反転入力端子114の電圧値VREFであり、電荷の変動はない。
FIG. 8 is a block diagram illustrating a capacitance detection circuit 100b that does not drive the reference capacitor of the sensor element. In FIG. 8, the same reference numerals are assigned to the corresponding parts in FIG. 1, and the description of these corresponding parts is the same as that described above with reference to FIG.
In the capacitance detection circuit of FIG. 1 described above, the
The potential difference between both ends of the
従って、Qr=Cr×VREFに相当する検出用キャパシタ1a(容量Cs)の電荷量Qsはセンサ駆動回路120のセンサ駆動信号φSがVDDの時に次のようになる。
Qsvdd=−Cs×VDD+Cs×VREF
また、センサ駆動信号φSがGND(0)の時に次のようになる。
Qsgnd=Cs×VREFとなる。
C−V変換回路110の出力信号DS2にはC−V変換キャパシタ112(容量Cf)の電荷変動分が出力として発生する。
Accordingly, the charge amount Qs of the
Qsvdd = −Cs × VDD + Cs × VREF
Further, when the sensor drive signal φS is GND (0), the following occurs.
Qsgnd = Cs × VREF.
In the output signal DS2 of the CV conversion circuit 110, the charge fluctuation of the CV conversion capacitor 112 (capacitance Cf) is generated as an output.
従って、センサ駆動信号φSがVDDのとき、
Vcvout=−{(Qr+Qsvdd)−(Qr+Qsgnd)}/Cf
=Cs×VDDとなる。
また、センサ駆動信号がGND(0)のとき、
Vcvout=−{(Qr+Qsgnd)−(Qr+Qsvdd)}/Cf
=−Cs×VDDとなる。
Therefore, when the sensor drive signal φS is VDD,
Vcvout = − {(Qr + Qsvdd) − (Qr + Qsgnd)} / Cf
= Cs × VDD.
When the sensor drive signal is GND (0),
Vcvout = − {(Qr + Qsgnd) − (Qr + Qsvdd)} / Cf
= −Cs × VDD.
従って、同期検波回路130の出力信号DS3は、C−V変換回路110のオペアンプ111の非反転入力端子114の電圧値VREFを中心に±1/2×Cs×VDDの矩形波になる。
そして、同期検波回路130の出力信号を平滑する平滑回路140によって、静電容量検出出力信号Vout=1/2×Cs×VDDを得る。
以上、図1乃至図8を参照して説明した実施の形態では、静電容量型センサであるセンサ素子10として、何れも参照用キャパシタ1b(容量Cr)と検出用キャパシタ1a(容量Cs)とで構成されるセンサを適用した場合の態様について説明した。
一方、センサ素子10aとして検出用キャパシタ1a(容量Cs)のみで構成されるセンサを適用した場合も、図9のような構成の静電容量検出回路を適用することによって静電容量変化を検出することが出来る。
Therefore, the output signal DS3 of the
Then, the capacitance detection output signal Vout = 1/2 × Cs × VDD is obtained by the smoothing
As described above, in the embodiment described with reference to FIGS. 1 to 8, as the sensor element 10 that is a capacitive sensor, the
On the other hand, even when a sensor composed only of the
図9は、センサ素子10aとして検出用キャパシタ1a(容量Cs)のみで構成されるセンサを適用した場合の静電容量検出回路100cを例示するブロック図である。図9において図1との対応部には同一の参照符号を附して示し、これら対応部の説明は図1について既述のところを援用する。
図1を参照して既述の静電容量検出回路では、参照用キャパシタ1b(容量Cr)をセンサ駆動回路120のセンサ駆動信号φSをインバータ150で反転したセンサ駆動反転信号φRで駆動していたが、この静電容量検出回路100cでは信号φRを敢えて生成せず(従って、用いず)、C−V変換回路110の入力信号DS1に、既述の参照用キャパシタ1b(容量Cr)に相応する代替キャパシタ190(容量Cri)を静電容量検出回路100cのIC内部に用意し、反対の端子をGNDに接続している。
FIG. 9 is a block diagram illustrating a capacitance detection circuit 100c in the case where a sensor composed only of the
In the capacitance detection circuit described above with reference to FIG. 1, the
図9の静電容量検出回路100cの動作は、図8における静電容量検出回路100bについて説明したものと全く同じになる。
図9の静電容量検出回路100cでは、適用するセンサ素子10aにおいては、既述のセンサ素子10のような容量Crに対しての電荷変動が発生しないため、上述の代替キャパシタ190(容量Cri)を接続しなくても、検出用キャパシタ1a(容量Cs)のみのセンサ素子10aにおける静電容量(静電容量の変化)を検出することができる。
以上、図1乃至図9を参照して説明した本発明の第1の実施の形態によれば、スイッチトキャパシタ回路で構成するC−V変換回路での本質的な問題である離散的な容量検出ではなく、連続的な容量変化の検出を可能にし、サンプルホールド回路や差動回路等の回路を追加することなく、小型で安価に微小容量変化を精度良く検出できることができる。
The operation of the capacitance detection circuit 100c in FIG. 9 is exactly the same as that described for the capacitance detection circuit 100b in FIG.
In the capacitance detection circuit 100c of FIG. 9, in the applied sensor element 10a, the charge fluctuation with respect to the capacity Cr as in the sensor element 10 described above does not occur. Therefore, the above-described alternative capacitor 190 (capacity Cri) Even if not connected, it is possible to detect the capacitance (change in capacitance) in the sensor element 10a including only the
As described above, according to the first embodiment of the present invention described with reference to FIGS. 1 to 9, discrete capacitance detection, which is an essential problem in the CV conversion circuit configured by the switched capacitor circuit, is performed. Instead, it is possible to detect a continuous capacitance change, and it is possible to detect a small capacitance change with high accuracy in a small size and at a low cost without adding a circuit such as a sample hold circuit or a differential circuit.
(第2の実施の形態)
図10は、本発明の第2の実施の形態における静電容量検出回路のブロック図である。また、図11は図10の静電容量検出回路の動作時の各部の信号波形図である。
図10に記載の静電容量検出回路200は、静電容量型センサであるセンサ素子10としての検出用キャパシタ1a(容量Cs)および参照用キャパシタ1b(容量Cr)の直列接続体の静電容量の変化を検出する。センサ素子10は上述の直列接続体の両端の各端子11および12、ならびに、キャパシタ1aおよび1bの接続中点の端子13を有する3端子の構成である。
(Second Embodiment)
FIG. 10 is a block diagram of a capacitance detection circuit according to the second embodiment of the present invention. FIG. 11 is a signal waveform diagram of each part during operation of the capacitance detection circuit of FIG.
The capacitance detection circuit 200 shown in FIG. 10 has a capacitance of a series connection body of a
この静電容量検出回路200は、検出用キャパシタ1a(容量Cs)の容量変化を検出するC−V変換回路210、参照用キャパシタ1b(容量Cr)の容量変化を検出するC−V変換回路220、これら両C−V変換回路出力210、220の出力の減算信号出力を得るための減算回路230、センサ駆動回路240、同期検波回路250、および、平滑回路260を含んで構成されている。
そして、センサ素子10の上述の端子13にセンサ駆動回路240の出力であるセンサ駆動信号φSが供給される。
また、センサ素子10の検出用キャパシタ1a(容量Cs)の容量に接続されていない上述の端子11はC−V変換回路210の入力端に接続されている。
The capacitance detection circuit 200 includes a CV conversion circuit 210 that detects a change in capacitance of the
Then, a sensor drive signal φS that is an output of the
Further, the terminal 11 that is not connected to the capacitance of the
一方、センサ素子10の参照用キャパシタ1b(容量Cr)の容量に接続されていない端子12はC−V変換回路220の入力端に接続されている。
検出用キャパシタ1a(容量Cs)に接続されているC−V変換回路210の出力であるセンサ容量変換出力DS11と参照用キャパシタ1b(容量Cr)に接続されているC−V変換回路220の出力である参照容量変換出力DS12とは、それぞれ減算回路230の入力となる。
そして、減算回路230においてセンサ容量変換出力DS11と参照容量変換出力DS12との減算処理が実行される。減算回路230の出力信号DS13は同期検波回路250の入力端に供給される。同期検波回路250には参照信号としてセンサ駆動信号φSが供給され、この信号φSで同期検波動作を行う。
On the other hand, the terminal 12 not connected to the capacitance of the
A sensor capacitance conversion output DS11 that is an output of the CV conversion circuit 210 connected to the
Then, the subtraction circuit 230 executes a subtraction process between the sensor capacitance conversion output DS11 and the reference capacitance conversion output DS12. The output signal DS13 of the subtraction circuit 230 is supplied to the input terminal of the
同期検波回路250の出力信号DS14は平滑回路260に入力される。平滑回路260で同期検波動作により発生する不要な高周波成分を取り除かれた静電容量変化を検出した電圧値である平滑回路の出力信号DS15が出力となる。
センサ素子10はMEMS(Micro Electro Mechanical System 微細加工技術)で加工されたセンサであり、本例では既述のとおり、2個のキャパシタが直列に接続された形で、3つの端子を持つ構成のものである。
検出用キャパシタ1aは被検出物理量に応じてその容量値Csが変化する。一方、参照用キャパシタ1bはその容量Crが被検出物理量に依存しないか若しくは依存の態様を異にする。そして、直列接続体の接続中点の端子13に、センサ駆動回路240の出力であるセンサ駆動信号φSを印加し、更に両キャパシタの直列接続体の両端の端子11、12から上記物理量に対応する信号を取り出す。
The output signal DS14 of the
The sensor element 10 is a sensor processed by MEMS (Micro Electro Mechanical System). In this example, as described above, two capacitors are connected in series and have three terminals. Is.
The capacitance value Cs of the
センサ駆動回路240の構成は、図3を参照して説明したセンサ駆動回路120と同様である。
即ち、センサ駆動回路240は電流リファレンス回路121および電流制御発振器125を含んで構成されている。
電流リファレンス回路121は、図示しないバンドギャップリファレンス回路の出力信号が入力端21に供給され、該供給された信号によって、抵抗123の抵抗値に反比例した電流がP型MOSトランジスタ124に流れる。
よく制御されたバンドギャップリファレンス回路の出力電圧は電源電圧や温度変化にほぼ依存しないので、P型MOSトランジスタ124に流れる電流はほぼ抵抗123の抵抗値の製造ばらつきおよび温度特性にのみ依存したものとなる。
The configuration of the
That is, the
In the current reference circuit 121, an output signal of a band gap reference circuit (not shown) is supplied to the input terminal 21, and a current inversely proportional to the resistance value of the
Since the output voltage of the well-controlled bandgap reference circuit is almost independent of the power supply voltage and temperature change, the current flowing through the P-
電流制御発振器125は、電流リファレンス回路121のP型MOSトランジスタ124に流れる電流をミラーしたP型MOSトランジスタ126aおよびP型MOSトランジスタ126bに流れる電流をキャパシタ127aおよびキャパシタ127bに充電して、矩形波であるセンサ駆動信号φSを生成する回路である。センサ駆動信号φSは、図3および図10を対照して理解されるとおり、端子102から出力され、センサ素子10の端子13に供給される。
センサ素子10の駆動波形として三角波を使用する場合は三角波TWをセンサ駆動信号φSとして使用する。
一方、C−V変換回路210および220は図10より明らかなとおり、同様の回路構成を有する。即ち、C−V変換回路210(220)はオペアンプ211(221)と、容量がCfであるC−V変換キャパシタ212(222)と、抵抗がRfであるバイアス抵抗213(223)とからなるチャージアンプ回路態様の構成である。
The current controlled oscillator 125 charges the
When a triangular wave is used as the driving waveform of the sensor element 10, the triangular wave TW is used as the sensor driving signal φS.
On the other hand, the CV conversion circuits 210 and 220 have the same circuit configuration as is apparent from FIG. That is, the CV conversion circuit 210 (220) is a charge composed of an operational amplifier 211 (221), a CV conversion capacitor 212 (222) having a capacitance Cf, and a bias resistor 213 (223) having a resistance Rf. This is a configuration of an amplifier circuit mode.
センサ素子10の検出用キャパシタ1a(1b)の容量変化△Cに蓄えられる電荷△Qを容量がCfであるC−V変換キャパシタ212(222)で電圧Vcvout=−△Q/Cfとして取り出す。
この式から容易に理解されるとおり、上述のC−V変換キャパシタ212(222)の容量Cfが電圧検出のゲインを規定しており、目的とする静電容量型センサであるセンサ素子10の静電容量変化量に対して柔軟にゲインを選択できる。従って、本実施の形態によれば、幅広いセンサ特性に対応できる。
The charge ΔQ stored in the capacitance change ΔC of the
As can be easily understood from this equation, the capacitance Cf of the CV conversion capacitor 212 (222) described above defines the gain of voltage detection, and the static capacitance of the sensor element 10 which is the target capacitance type sensor. Gain can be selected flexibly for the amount of change in capacitance. Therefore, according to the present embodiment, a wide range of sensor characteristics can be handled.
一例として上述のセンサ素子10の検出用キャパシタ1aにおける0.1pFの容量変化を検出する場合、オペアンプ211(221)におけるC−V変換回路210(220)の入力と反対側のC−V変換キャパシタ212(222)の端子が0Vの場合には、
△Q=△C×VREFとなる。
Vcvout=−△Q/Cf=−0.1p×VREF/Cf、VREF=2.5V、且つ、Cf=1pFとすると、Vcvout=0.25Vの電圧値となり、0.1pFの容量変化を0.25Vの電圧変化量として取り出せることが分かる。
As an example, when detecting a capacitance change of 0.1 pF in the
ΔQ = ΔC × VREF.
When Vcvout = −ΔQ / Cf = −0.1 p × VREF / Cf, VREF = 2.5 V, and Cf = 1 pF, the voltage value is Vcvout = 0.25 V, and the capacitance change of 0.1 pF is 0. It can be seen that it can be extracted as a voltage change amount of 25V.
一方バイアス抵抗213(223)(抵抗Rf)はC−V変換回路210(220)の入力信号DSS(DSR)の動作点がVDDやVSSに飽和してしまわない様に設ける。
しかしながら、容量CfのC−V変換キャパシタ212(222)で検出した電荷が抵抗Rfのバイアス抵抗213(223)を介して移動してしまうと、検出ゲインの低下を招く。従って、バイアス抵抗213(223)の抵抗値Rfは数十MΩ以上の十分大きな値であることが望ましい。
バイアス抵抗213(223)(抵抗Rf)とC−V変換キャパシタ212(222)(容量Cf)はセンサ素子10側から見るとfc=1/(2×π×Rf×Cf)のハイパスフィルタの特性を持つ。
On the other hand, the bias resistor 213 (223) (resistor Rf) is provided so that the operating point of the input signal DSS (DSR) of the CV conversion circuit 210 (220) is not saturated with VDD or VSS.
However, if the charge detected by the CV conversion capacitor 212 (222) having the capacitance Cf moves through the bias resistor 213 (223) of the resistor Rf, the detection gain is reduced. Therefore, it is desirable that the resistance value Rf of the bias resistor 213 (223) is a sufficiently large value of several tens of MΩ or more.
The bias resistor 213 (223) (resistor Rf) and the CV conversion capacitor 212 (222) (capacitance Cf) are characteristics of a high-pass filter of fc = 1 / (2 × π × Rf × Cf) when viewed from the sensor element 10 side. have.
この時定数はτ=Rf×Cfである。従って、C−V変換回路210(220)の出力信号DS11(DS12)はVcvout×?-t/Rf×Cfの特性でオペアンプ211(221)の非反転入力端子214(224)の電圧値であるVREFに近づいていく。
一方、センサ駆動回路240の出力信号であるセンサ駆動信号φSは、図11にφSとして示すような電源電圧VDDを「ハイ」GND電圧を「ロー」とする矩形波である。
なる。
今、初期状態として検出用キャパシタ1a(容量Cs)と参照用キャパシタ1b(容量Cr)に電荷が蓄積されていない場合を想定して、センサ駆動信号φSが「ハイ」(VDD)の状態での検出用キャパシタ1a(容量Cs)側のC−V変換回路210入力端側の電荷と参照用キャパシタ1b(容量Cr)側のC−V変換回路220入力端側の電荷を計算する。
This time constant is τ = Rf × Cf. Therefore, the output signal DS11 (DS12) of the CV conversion circuit 210 (220) is Vcvout ×? It approaches VREF that is the voltage value of the non-inverting input terminal 214 (224) of the operational amplifier 211 (221) with the characteristic of -t / Rf × Cf.
On the other hand, the sensor drive signal φS, which is an output signal of the
Become.
Assuming that no charge is accumulated in the
参照用キャパシタ1b(容量Cr)側の電荷はQri=−Cr×(VDD−VREF)、検出用キャパシタ1a(容量Cs)側の電荷はQsi=−Cs×(VDD−VREF)となる。
従って、参照用キャパシタ1b(容量Cr)のC−V変換回路220の参照容量変換出力DS12の値Vcvroutは、
Vcvrout=−Qri=(Cr/Cf)×(VDD−VREF)
となる。
一方、検出用キャパシタ1a(容量Cs)のC−V変換回路210(220)のセンサ容量変換出力DS11の値Vcvsoutは、
Vcvsout=−Qsi=(Cs/Cf)×(VDD−VREF)
となる。
The charge on the
Therefore, the value Vcvrout of the reference capacitance conversion output DS12 of the CV conversion circuit 220 of the
Vcvrout = −Qr i = (Cr / Cf) × (VDD−VREF)
It becomes.
On the other hand, the value Vcvsout of the sensor capacitance conversion output DS11 of the CV conversion circuit 210 (220) of the
Vcvsout = −Qs i = (Cs / Cf) × (VDD−VREF)
It becomes.
容量CfのC−V変換キャパシタ212(222)に蓄えられた電荷で出力されているC−V変換回路210(220)の出力信号は、抵抗Rfのバイアス抵抗213(223)容量CfのC−V変換キャパシタ212(222)でオペアンプ211(221)の反転入力端子側に電荷が移動する為、長時間経つと非反転入力端子214(224)の電圧値であるVREFと同じ電圧値になる。
この時定数はτ=Rf×Cfであり、従って、C−V変換回路210(220)の出力信号DS11(DS12)は、
Vcvout×?-t/Rf×Cfの特性を持つ。
次にセンサ駆動信号φSが「ハイ」(VDD)から「ロー」(0)に遷移した状態での、検出用キャパシタ1a(容量Cs)側のC−V変換回路210入力端側の電荷と参照用キャパシタ1b(容量Cr)側のC−V変換回路220入力端側の電荷を計算する。
The output signal of the CV conversion circuit 210 (220) output by the electric charge stored in the CV conversion capacitor 212 (222) having the capacitance Cf is the C− of the bias resistor 213 (223) capacitance Cf of the resistor Rf. Since electric charge moves to the inverting input terminal side of the operational amplifier 211 (221) by the V conversion capacitor 212 (222), the voltage value becomes the same as VREF that is the voltage value of the non-inverting input terminal 214 (224) after a long time.
This time constant is τ = Rf × Cf. Therefore, the output signal DS11 (DS12) of the CV conversion circuit 210 (220) is
Vcvout ×? -t / Rf x Cf.
Next, reference is made to the charge on the input end side of the CV conversion circuit 210 on the
参照用キャパシタ1b(容量Cr)の電荷はQr-1=Cr×VREFであり、検出用キャパシタ1a(容量Cs)の電荷はQs-1=Cs×VREFとなる。
初期状態からセンサ駆動信号φSが反転する際にセンサ容量Crにおいて変化する電荷量を△Qrとすると、
△Qr=Qr-1―Qri=Cr×VDD
であり、参照容量変換出力DS12は変化した電荷量だけ電圧が変化するので、
Vcvrout=−△Qr/Cf=−(Cr/Cf)×VDD
となる。
初期状態からセンサ駆動信号φSが反転する際にセンサ容量Csの変化する電荷量を△Qsとすると、
△Qs=Qs-1―Qs0=Cs×VDD
であり、センサ容量変換出力DS11は変化した電荷量だけ電圧が変化するので、
Vcvsout=−△Qs/Cf=−(Cs/Cf)×VDD
となる。
The charge of the
If the charge amount that changes in the sensor capacitance Cr when the sensor drive signal φS is inverted from the initial state is ΔQr,
ΔQr = Qr −1 −Qr i = Cr × VDD
Since the reference capacitance conversion output DS12 changes in voltage by the changed charge amount,
Vcvrout = −ΔQr / Cf = − (Cr / Cf) × VDD
It becomes.
When the charge amount that changes in the sensor capacitance Cs when the sensor drive signal φS is inverted from the initial state is ΔQs,
ΔQs = Qs −1 −Qs 0 = Cs × VDD
Since the voltage of the sensor capacitance conversion output DS11 changes by the changed charge amount,
Vcvsout = −ΔQs / Cf = − (Cs / Cf) × VDD
It becomes.
初期状態とセンサ駆動信号φSが反転した状態との電荷の差分の残りの電荷は初期電圧変動としてDC電圧としてC−V変換回路の出力信号として発生するが、C−V変換回路210(220)の抵抗Rfのバイアス抵抗213(223)と容量CfのC−V変換キャパシタ212(222)よるハイパスフィルタ特性でフィルタリングされる。
時刻t0の時は、センサ駆動信号φSが「ハイ」(VDD)の状態での、検出用キャパシタ1a(容量Cs)のC−V変換回路210入力端側の電荷と参照用キャパシタ1b(容量Cr)のC−V変換回路220入力端側の電荷とを計算する。
参照用キャパシタ1b(容量Cr)の電荷はQr0=−Cr×(VDD−VREF)、検出用キャパシタ1a(容量Cs)の電荷はQs0=−Cs×(VDD−VREF)となる。
The remaining charge of the difference in charge between the initial state and the state where the sensor drive signal φS is inverted is generated as an output signal of the CV conversion circuit as a DC voltage as an initial voltage fluctuation, but the CV conversion circuit 210 (220). Is filtered with a high-pass filter characteristic by the bias resistor 213 (223) of the resistor Rf and the CV conversion capacitor 212 (222) of the capacitor Cf.
At time t0, the charge on the input end side of the CV conversion circuit 210 of the
The charge of the
時刻t0に遷移する際にセンサ容量Crの変化する電荷量を△Qrとすると、
△Qr=Qr0―Qr-1=−Cr×VDD
なので、参照容量変換出力DS12は変化した電荷量だけ電圧が変化するので、
Vcvrout=−△Qr/Cf=(Cr/Cf)×VDD
となる。
時刻t0に遷移する際にセンサ容量Csの変化する電荷量を△Qsとすると、
△Qs=Qs0―Qs-1=−Cs×VDD
なので、センサ容量変換出力DS11は変化した電荷量だけ電圧が変化するので、
Vcvsout=−△Qs/Cf=(Cs/Cf)×VDD
となる。
If the amount of charge that changes in the sensor capacitance Cr when transitioning to time t0 is ΔQr,
ΔQr = Qr 0 −Qr −1 = −Cr × VDD
Therefore, the voltage of the reference capacitance conversion output DS12 changes by the changed charge amount.
Vcvrout = −ΔQr / Cf = (Cr / Cf) × VDD
It becomes.
If the charge amount that changes in the sensor capacitance Cs at the time t0 is ΔQs,
ΔQs = Qs 0 −Qs −1 = −Cs × VDD
Therefore, the voltage of the sensor capacitance conversion output DS11 changes by the changed charge amount.
Vcvsout = −ΔQs / Cf = (Cs / Cf) × VDD
It becomes.
時刻t1の時は、センサ駆動信号φSが「ハイ」(VDD)から「ロー」(0)に遷移した状態での、検出用キャパシタ1a(容量Cs)のC−V変換回路210入力端側の電荷と参照用キャパシタ1b(容量Cr)のC−V変換回路220の入力端側の電荷とを計算する。
参照用キャパシタ1b(容量Cr)の電荷はQr1=Cr×VREFであり、検出用キャパシタ1a(容量Cs)の電荷はQs1=Cs×VREFとなる。
t0からt1に遷移する際にセンサ容量Crの変化する電荷量を△Qrとすると、
△Qr=Qr1―Qr0=Cr×VDD
であり、参照容量変換出力DS12は変化した電荷量だけ電圧が変化するので、
Vcvrout=−△Qr/Cf=−(Cr/Cf)×VDD
となる。
At time t1, the CV conversion circuit 210 input end side of the
The charge of the
When the amount of charge that changes in the sensor capacitance Cr at the time of transition from t0 to t1 is ΔQr,
ΔQr = Qr 1 −Qr 0 = Cr × VDD
Since the reference capacitance conversion output DS12 changes in voltage by the changed charge amount,
Vcvrout = −ΔQr / Cf = − (Cr / Cf) × VDD
It becomes.
t0からt1に遷移する際にセンサ容量Csの変化する電荷量を△Qsとすると、
△Qs=Qs1―Qs0=Cs×VDD
であり、センサ容量変換出力DS11は変化した電荷量だけ電圧が変化するので、
Vcvsout=−△Qs/Cf=−(Cs/Cf)×VDD
となる。
時刻t2の時は、センサ駆動信号φSが「ロー」(0)から「ハイ」(VDD)に遷移した状態での、検出用キャパシタ1a(容量Cs)のC−V変換回路210入力端側の電荷と参照用キャパシタ1b(容量Cr)のC−V変換回路220の入力端側の電荷とを計算する。
When the amount of charge that changes in the sensor capacitance Cs at the time of transition from t0 to t1 is ΔQs,
ΔQs = Qs 1 −Qs 0 = Cs × VDD
Since the voltage of the sensor capacitance conversion output DS11 changes by the changed charge amount,
Vcvsout = −ΔQs / Cf = − (Cs / Cf) × VDD
It becomes.
At time t2, the CV conversion circuit 210 input side of the
参照用キャパシタ1b(容量Cr)の電荷はQr2=−Cr×(VDD−VREF)、検出用キャパシタ1a(容量Cs)の電荷はQs2=−Cs×(VDD−VREF)となる。
t1からt2に遷移する際にセンサ容量Crの変化する電荷量を△Qrとすると、
△Qr=Qr2―Qr1=−Cr×VDD
なので、参照容量変換出力DS12は変化した電荷量だけ電圧が変化するので、
Vcvrout=−△Qr/Cf=(Cr/Cf)×VDD
となる。
The charge of the
When the amount of charge that changes in the sensor capacitance Cr at the time of transition from t1 to t2 is ΔQr,
ΔQr = Qr 2 −Qr 1 = −Cr × VDD
Therefore, the voltage of the reference capacitance conversion output DS12 changes by the changed charge amount.
Vcvrout = −ΔQr / Cf = (Cr / Cf) × VDD
It becomes.
t1からt2に遷移する際にセンサ容量Csの変化する電荷量を△Qsとすると、
△Qs=Qs2―Qs1=−Cs×VDD
なので、センサ容量変換出力DS11は変化した電荷量だけ電圧が変化するので、
Vcvsout=−△Qs/Cf=(Cs/Cf)×VDD
となる。
時刻t3以降同じ動作を繰り返す。
図11に示したとおり、センサ容量変換出力DS11は
±1/2×(Cs/Cf)×VDDの矩形波であり、
参照容量変換出力DS12は
±1/2×(Cr/Cf)×VDDの矩形波である。
When the amount of charge that changes in the sensor capacitance Cs at the time of transition from t1 to t2 is ΔQs,
ΔQs = Qs 2 −Qs 1 = −Cs × VDD
Therefore, the voltage of the sensor capacitance conversion output DS11 changes by the changed charge amount.
Vcvsout = −ΔQs / Cf = (Cs / Cf) × VDD
It becomes.
The same operation is repeated after time t3.
As shown in FIG. 11, the sensor capacitance conversion output DS11 is a square wave of ± 1/2 × (Cs / Cf) × VDD,
The reference capacitance conversion output DS12 is a square wave of ± 1/2 × (Cr / Cf) × VDD.
センサ容量変換出力DS11の電圧値と参照容量変換出力DS12の電圧値とを減算回路230に入力することにより参照容量とセンサ容量の差に比例した減算回路230の出力DS13の電圧値を検出することが出来る。
t1〜t2の区間では、
Vdiffout=Vcvrout−Vcvsout
=1/2×[(Cr−Cs)/Cf]×VDD
t2〜t3の区間では、
Vdiffout=Vcvrout−Vcvsout
=−1/2×[(Cr−Cs)/Cf]×VDD
By detecting the voltage value of the sensor capacitance conversion output DS11 and the voltage value of the reference capacitance conversion output DS12 to the subtraction circuit 230, the voltage value of the output DS13 of the subtraction circuit 230 proportional to the difference between the reference capacitance and the sensor capacitance is detected. I can do it.
In the interval from t1 to t2,
Vdiffout = Vcvrout−Vcvsout
= 1/2 * [(Cr-Cs) / Cf] * VDD
In the interval from t2 to t3,
Vdiffout = Vcvrout−Vcvsout
= −1 / 2 × [(Cr−Cs) / Cf] × VDD
この信号は図11の減算回路の出力信号DS13に示すとおり、VREFを基準とした±1/2×[(Cr−Cs)/Cf]×VDDの矩形波であり、容量変化信号成分を検出するために同期検波回路250で復調する。
同期検波回路250の構成は、既述の図4の同期検波回路130と同様である。
同期検波回路250は、前段の減算回路230の出力信号DS13を受け、信号DS13およびこの信号DS13を反転増幅回路131で反転した信号を、スイッチSW1およびスイッチSW2で切り替え、バッファ回路である次段の反転増幅回路134を経て同期検波回路の出力信号DS3を得る。
This signal is a square wave of ± 1/2 × [(Cr−Cs) / Cf] × VDD with reference to VREF as shown in the output signal DS13 of the subtracting circuit of FIG. 11, and detects the capacitance change signal component. Therefore, the signal is demodulated by the
The configuration of the
The
より詳細には、センサ駆動回路240からのセンサ駆動信号φSをインバータ132で反転した信号によってスイッチSW1のオン・オフを切換え、また、次段のインバータ133でφSの反転信号を更に反転した信号によってスイッチSW2のオン・オフを切換える。上記の切換えにより、前段の減算回路230の出力信号DS13およびその反転信号を選択的に切換えて、同期検波回路の出力信号DS14として出力する。これにより、センサ駆動信号φSに同期して減算回路230の出力信号DS13を正転・反転するように切換えた信号(出力段の反転増幅回路134で更に極性が反転された信号)DS14が出力される。
More specifically, the switch SW1 is turned on / off by a signal obtained by inverting the sensor drive signal φS from the
即ち、センサ駆動信号φSが「ロー」の区間は、スイッチSW1がオンし減算回路230の出力信号DS13を有効にし、同期検波回路の出力DS14として減算回路230の出力信号DS13の反転増幅回路134による反転信号が出力される。
一方センサ駆動信号φSが「ハイ」の区間は、スイッチSW2がオンし減算回路230の出力信号DS13を反転した信号が有効になり、同期検波回路出力DS3には減算回路230の出力信号DS13が反転増幅回路131で反転された信号が反転増幅回路134で反転して出力される。
減算回路230の出力信号DS13とセンサ駆動信号φSが同期している場合は、後段の平滑回路260(図10)で1/2×[(Cr−Cs)/Cf]×VDDの信号成分が検出される。
That is, when the sensor drive signal φS is “low”, the switch SW1 is turned on to enable the output signal DS13 of the subtraction circuit 230, and the output DS14 of the subtraction circuit 230 as the output DS14 of the synchronous detection circuit. An inverted signal is output.
On the other hand, when the sensor drive signal φS is “high”, the switch SW2 is turned on and a signal obtained by inverting the output signal DS13 of the subtractor circuit 230 becomes valid, and the output signal DS13 of the subtractor circuit 230 is inverted to the synchronous detector circuit output DS3. The signal inverted by the
When the output signal DS13 of the subtraction circuit 230 and the sensor drive signal φS are synchronized, the signal component of 1/2 × [(Cr−Cs) / Cf] × VDD is detected by the subsequent smoothing circuit 260 (FIG. 10). Is done.
この式から分かるとおり、図12のように参照用キャパシタ1b(容量Cr)と検出用キャパシタ1a(容量Cs)との差に比例した電圧として検出できることが分かる。
即ち、参照用キャパシタ1b(容量Cr)と検出用キャパシタ1a(容量Cs)の容量が等しい場合は、出力はVREF出力になり、参照用キャパシタ1b(容量Cr)の容量が相対的に大きい場合は正の電圧を出力し、検出用キャパシタ1a(容量Cs)が相対的に大きい場合は負の電圧が出力される。
またVDDに比例した式になっていることから、本発明の第2の実施の形態ではレシオメトリック特性が、特別な回路なしに実現できていることがわかる。
As can be seen from this equation, as shown in FIG. 12, it can be detected as a voltage proportional to the difference between the
That is, when the capacitances of the
Since the equation is proportional to VDD, it can be seen that the ratiometric characteristic can be realized without a special circuit in the second embodiment of the present invention.
参照用キャパシタ1b(容量Cr)と検出用キャパシタ1a(容量Cs)の差の容量に対応する検出電圧の極性を変えたい場合は、センサ素子10の検出用キャパシタ1a(容量Cs)および参照用キャパシタ1b(容量Cr)の取り付け向きを変えるか、同期検波回路250に参照信号として入力しているセンサ駆動信号φSの替わりにセンサ駆動信号φSのインバータで反転した信号を使用することで実現できる。
また、減算回路230の出力信号DS13とセンサ駆動信号φSが同期していない場合は、減算回路の出力信号DS13が出力されていても、平滑回路の出力信号DS15は既述のVREFになる。即ち、非同期で発生するノイズ成分は同期検波で落とされてしまうことを示しており、S/N(信号対雑音比)の高い信号検出ができることがわかる。
When it is desired to change the polarity of the detection voltage corresponding to the difference between the
Further, when the output signal DS13 of the subtraction circuit 230 and the sensor drive signal φS are not synchronized, the output signal DS15 of the smoothing circuit becomes the above-described VREF even if the output signal DS13 of the subtraction circuit is output. That is, it is shown that the noise component generated asynchronously is dropped by synchronous detection, and it can be seen that signal detection with a high S / N (signal to noise ratio) can be performed.
同期検波動作は検出したい信号成分であるDC成分の他に、2次以上の偶数次の高調波成分を持ち、これら高調波成分は不必要な信号成分である。このような高調波成分は平滑回路260を通すことによって除去され、ノイズの少ない高精度な静電容量変化を検出することが出来る。
平滑回路260の構成は、既述の図5の平滑回路140と同様である。
即ち、平滑回路260は抵抗141と容量142に接続したローパスフィルタ態様の構成とする。同期検波回路250の参照信号として使用しているセンサ駆動信号の周波数の偶数次高調波(2次、4次、6次・・・)成分がノイズとして発生するので、静電容量変化の検出電圧精度(仕様)に従い、ローパスフィルタのカットオフ周波数とフィルタ次数を決定する。
In the synchronous detection operation, in addition to the DC component which is a signal component to be detected, there are second-order or higher-order harmonic components, and these harmonic components are unnecessary signal components. Such harmonic components are removed by passing through the smoothing
The configuration of the smoothing
That is, the smoothing
尚、図示の例ではC−V変換回路210、220の後段側には、減算回路230を設けて各C−V変換回路210、220の出力の差分の信号DS13を得る構成を採ったが、この減算回路230に替えて加算回路を適用し、各C−V変換回路210、220の出力の和の信号DS13a(不図示)を得て、この信号DS13aを同期検波回路250に供給するような構成を採ってもよい。
In the example shown in the figure, the subtraction circuit 230 is provided on the subsequent stage side of the CV conversion circuits 210 and 220 to obtain the signal DS13 of the difference between the outputs of the CV conversion circuits 210 and 220. An addition circuit is applied instead of the subtraction circuit 230 to obtain a signal DS13a (not shown) of the sum of the outputs of the CV conversion circuits 210 and 220, and this signal DS13a is supplied to the
即ち、図10における減算回路230は、より一般的には、減算または加算を行う演算回路である。
上述の回路では、C−V変換回路210、220は、センサ素子10におけるキャパシタの直列接続体の両端である各別の端子(検出端子)11、12に対応して2つ設ける構成態様を採った。この点での構成態様については、上記に限定されず、接続中点を既述の端子13として共通に接続してなる更に多くのキャパシタの直列接続体を有するセンサ素子を適用し、このようなセンサ素子の各別の検出端子に対応する数のC−V変換回路、演算回路、および同期検波回路を適用してもよい。
That is, the subtraction circuit 230 in FIG. 10 is more generally an arithmetic circuit that performs subtraction or addition.
In the above-described circuit, the CV conversion circuits 210 and 220 employ a configuration in which two CV conversion circuits 210 and 220 are provided corresponding to the different terminals (detection terminals) 11 and 12 that are both ends of the capacitor serial connection body in the sensor element 10. It was. The configuration at this point is not limited to the above, and a sensor element having a series connection body of more capacitors formed by commonly connecting the connection midpoint as the terminal 13 described above is applied. A number of CV conversion circuits, arithmetic circuits, and synchronous detection circuits corresponding to the respective detection terminals of the sensor element may be applied.
以上に説明した本発明の第2の実施の形態によれば、スイッチトキャパシタ回路で構成するC−V変換回路での本質的な問題である離散的な容量検出ではなく、連続的な容量変化の検出を可能にし、サンプルホールド回路や差動回路等の回路を追加することなく、小型で安価に微小容量変化を精度良く検出できることが分かる。
また、図10 の実施の形態によると、参照用キャパシタ1b(容量Cr)と検出用キャパシタ1a(容量Cs)とを差動処理しているため、初期電荷によるDC電圧発生の影響を抑える効果と、外部から飛び込んでくるノイズや電源に混入するノイズによる影響を受け難いという効果も得る。
According to the second embodiment of the present invention described above, the continuous capacitance change is not detected instead of the discrete capacitance detection which is an essential problem in the CV conversion circuit constituted by the switched capacitor circuit. It can be seen that it is possible to detect a minute capacitance change with high accuracy in a small size and at low cost without adding a circuit such as a sample hold circuit and a differential circuit.
Further, according to the embodiment of FIG. 10, since the
また、第1の実施の形態および第2の実施の形態では、センサ駆動回路120として矩形波または三角波のセンサ駆動信号を発する回路を適用していたが、これに替えて、センサ駆動信号として正弦波の電圧信号を発する回路を適用してもよい。この場合は、EMC(Electro-Magnetic Compatibility:電磁環境適合性)等の視点から電磁波の放射を抑制することが求められる場合に、高い適合性を持った特性が得られる。
以上、図1乃至図12を参照して説明した静電容量検出回路100、100a、100b、100c、および、200は、それらに対応する静電容量型のセンサ素子10、10aと接続することによって、圧力検出装置、加速度検出装置、および、マイクロフォン用トランスディーサを構成することができる。
In the first and second embodiments, a circuit that generates a rectangular or triangular wave sensor drive signal is applied as the
As described above, the capacitance detection circuits 100, 100a, 100b, 100c, and 200 described with reference to FIGS. 1 to 12 are connected to the corresponding capacitive sensor elements 10, 10a. A pressure detection device, an acceleration detection device, and a microphone transducer can be configured.
即ち、平行平板型のキャパシタにおける平板電極が測定対象となる圧力を受けてたわみ、電極の間隔が変化することによって静電容量値が変化するようなキャパシタを含む静電容量型センサ素子(静電容量式圧力センサ)を上述のような静電容量検出回路100、100a、100b、100c、および、200の何れかと接続することによって圧力検出装置を構成することができる。
静電容量式圧力センサは、その出力(容量の変化)が平行平板型のキャパシタの電極の間隔である機械的相対位置にのみ依存する特性を呈するため、検出出力の安定性が高く、使用可能な温度範囲が広く高温の環境下にも適合し、更に、感度の温度依存性が少ないといった種々の特徴を持つ。
That is, a capacitive sensor element (capacitor) including a capacitor in which a plate electrode in a parallel plate type capacitor is deflected by a pressure to be measured, and a capacitance value is changed by changing an electrode interval. By connecting the capacitance type pressure sensor) to any one of the capacitance detection circuits 100, 100a, 100b, 100c, and 200 as described above, a pressure detection device can be configured.
Capacitive pressure sensors have characteristics that depend only on the mechanical relative position, which is the distance between the electrodes of a parallel plate type capacitor (capacitance change), so the detection output is highly stable and usable. It has a wide temperature range and is suitable for high temperature environments, and has various characteristics such as low sensitivity temperature dependence.
従って、このような静電容量式圧力センサと静電容量検出回路100、100a、100b、100c、および、200の何れかと接続することによって圧力検出装置を構成すれば上述した静電容量式圧力センサの特徴に加えて、連続的且つ微小な圧力をも精度良く検出することが可能であり、更に、小型で安価な圧力検出装置を実現可能である。
また、加速度に対応する変位を生じるように錘を有する可動電極と、これに対向する固定電極との間隔の変化に応じて静電容量の変化が生じるように構成された容量型の加速度センサと静電容量検出回路100、100a、100b、100c、および、200の何れかと接続することによって加速度検出装置を構成することができる。
Therefore, if the pressure detection device is configured by connecting such a capacitance pressure sensor and any one of the capacitance detection circuits 100, 100a, 100b, 100c, and 200, the above-described capacitance pressure sensor. In addition to the above features, it is possible to accurately detect a continuous and minute pressure, and it is possible to realize a small and inexpensive pressure detection device.
A capacitive acceleration sensor configured to cause a change in capacitance in accordance with a change in a distance between a movable electrode having a weight so as to cause a displacement corresponding to the acceleration and a fixed electrode facing the movable electrode; By connecting to any one of the capacitance detection circuits 100, 100a, 100b, 100c, and 200, an acceleration detection device can be configured.
上述のような加速度検出装置では、検出出力の安定性が高く、使用可能な温度範囲が広く高温の環境下にも適合し、感度の温度依存性が少なく、更に、加速度を連続的に精度良く検出することが可能であり、更に、小型で安価な加速度検出装置を実現可能である。
また、受けた音波に応じて振動膜が振動することによってこの振動膜と背極との相対位置が変化して、該変化が静電容量の変化を生じるように構成された静電容量式音圧センサと静電容量検出回路100、100a、100b、100c、および、200の何れかとを接続することによってマイクロフォン用トランスディーサを構成することができる。これにより、高感度で、小型で安価なマイクロフォン用トランスディーサを実現できる。
In the acceleration detection device as described above, the detection output has high stability, the usable temperature range is wide, it is suitable for high temperature environments, the sensitivity is less temperature dependent, and the acceleration is continuously accurate. Further, it is possible to detect an acceleration detection device that is small and inexpensive.
In addition, the vibrating membrane vibrates in response to the received sound wave, so that the relative position between the vibrating membrane and the back electrode changes, and the capacitance-type sound is configured such that the change causes a change in capacitance. A microphone transducer can be configured by connecting the pressure sensor and any of the capacitance detection circuits 100, 100a, 100b, 100c, and 200. As a result, a microphone transducer with high sensitivity, small size, and low cost can be realized.
1a…………………………………検出用キャパシタ(容量Cs)
1b…………………………………参照用キャパシタ(容量Cr)
10…………………………………センサ素子
11、12、13…………………端子
100………………………………静電容量検出回路
100a、100b、100c…静電容量検出回路
101、102、103…………端子
110………………………………C−V変換回路
111………………………………オペアンプ
112………………………………C−V変換キャパシタ(容量Cf)
113………………………………バイアス抵抗(抵抗Rf)
114………………………………非反転入力端子
120………………………………センサ駆動回路
121………………………………電流リファレンス回路
122………………………………端子
123………………………………抵抗
124………………………………P型MOSトランジスタ
125………………………………電流制御発振器
126a、126b………………P型MOSトランジスタ
127a、127b………………キャパシタ
130………………………………同期検波回路
131………………………………反転増幅回路
132、133……………………インバータ
134………………………………反転増幅回路
140………………………………平滑回路
141………………………………抵抗
142………………………………容量
150………………………………インバータ
160………………………………同期検波回路
161………………………………反転増幅回路
162………………………………コンパレータ
163………………………………インバータ
164………………………………反転増幅回路
200………………………………静電容量検出回路
210、220……………………C−V変換回路
211、221……………………オペアンプ
212、222……………………C−V変換キャパシタ
213、223……………………バイアス抵抗
230………………………………減算回路
240………………………………センサ駆動回路
250………………………………同期検波回路
260………………………………平滑回路
1a …………………………………… Capacitor for detection (capacitance Cs)
1b: Reference capacitor (capacitance Cr)
10... ......
113 ……………………………… bias resistance (resistance Rf)
114 ………………………………
Claims (20)
前記センサ素子に駆動電圧を印加するセンサ駆動回路と、
前記センサ素子の静電容量の変化を電圧信号に変換する連続時間型C−V変換回路と、
前記連続時間型C−V変換回路の出力信号から信号成分を検出する同期検波回路と、
前記同期検波回路の出力信号を平滑化する平滑回路と、
を具備したことを特徴とする静電容量検出回路。 A capacitance detection circuit that detects a change in capacitance of a capacitance type sensor element,
A sensor driving circuit for applying a driving voltage to the sensor element;
A continuous-time CV conversion circuit that converts a change in capacitance of the sensor element into a voltage signal;
A synchronous detection circuit for detecting a signal component from an output signal of the continuous-time CV conversion circuit;
A smoothing circuit for smoothing the output signal of the synchronous detection circuit;
A capacitance detection circuit comprising:
前記センサ素子に駆動電圧を印加するセンサ駆動回路と、
前記センサ素子の静電容量の変化を電圧信号に変換するように構成され前記センサ素子の各別の検出端子に接続された複数の連続時間型C−V変換回路と、
前記複数の連続時間型C−V変換回路の出力に関する減算または加算を実行する演算回路と、
前記演算回路の出力信号から信号成分を検出する同期検波回路と、
前記同期検波回路の出力信号を平滑化する平滑回路と、
を具備したことを特徴とする静電容量検出回路。 A capacitance detection circuit that detects a change in capacitance of a capacitance type sensor element,
A sensor driving circuit for applying a driving voltage to the sensor element;
A plurality of continuous-time CV conversion circuits configured to convert a change in capacitance of the sensor element into a voltage signal and connected to each other detection terminal of the sensor element;
An arithmetic circuit for performing subtraction or addition on the outputs of the plurality of continuous-time CV conversion circuits;
A synchronous detection circuit for detecting a signal component from the output signal of the arithmetic circuit;
A smoothing circuit for smoothing the output signal of the synchronous detection circuit;
A capacitance detection circuit comprising:
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