JP4714909B2 - 容量検出回路出力信号の補正方法及び傾斜センサ - Google Patents

Description

本発明は、たとえば半導体工場のウェハーのハンドリングや精密な加工を行う加工装置の傾きを精密に測定する傾斜センサに関するものである。

電気的に傾きの大きさを測定するセンサは傾斜センサと呼ばれる。傾斜センサには、レーザを用いたものや質点の変位量を測定するもの等がある。特に、質点の変位量を測定するものは構造が簡単で、小型のものに多く用いられている。

斯かる質点の変位量を測定する傾斜センサに関する技術としては、例えば、水晶を用いて櫛形の複数電極を形成し、その複数電極間の静電容量の変化で傾斜を測定する技術が特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示されたものは、静電容量の変化が非線形であり、その補正を行うことが必要となる場合がある。非線形信号を補正する回路として、特許文献２に開示されたものがある。
特許第３９４４５０９号公報 特開平０６−１６７３５１号公報

特許文献１に開示された傾斜センサは、本件発明の基本となるもので、１つの櫛状電極に着目すると、一対の固定電極間を可動電極が傾きに応じて変位し、その一方の可動電極が対応する固定電極に接近すると、他方の可動電極は対応する固定電極から離遠する。

つまり２つのコンデンサが直列になった状態であり、可動電極の変位に応じて、一方のコンデンサの電極間距離がΔｘだけ接近すると、他方のコンデンサの電極間距離がΔｘだけ離遠する。よって、一方のコンデンサの容量が増加し、他方のコンデンサの容量が減少する。

ところで、この傾斜センサは傾きθに対し、可動電極の変位量ｘは式（１）で表すことができる。ここでｋはバネ定数である。

２つの差動型コンデンサＣ_１，Ｃ_２を制御可能な定電流によって一定時間充電し、各々のコンデンサの充電後の電圧Ｖ₁，Ｖ₂の平均値が特定の基準電圧Ｖ_refに等しくなるように定電流が制御される。このとき検出回路の出力Ｖ_ｏｕｔは、一般に式（２）で表すことができる。また、２つのコンデンサに振幅Ｖ_refなる電圧を印加し、各々のコンデンサの充電電荷量が等しくなるように制御する検出回路の出力電圧Ｖ_ｏｕｔも式（２）のように表すことができる。ここで、Ａは定数である。

以上の式（１）及び式（２）より傾斜センサの出力Ｖ_ｏｕｔと傾斜θとの関係は式（３）で表すことができる。ここで、Ａ’は定数である。

よって、この傾斜センサの出力Ｖ_ｏｕｔは傾斜θに対して非線形になる。しかし、容量の変化を電圧に変換して出力する場合など、使用用途によっては出力が線形であることが望ましい場合があり、斯かる場合この非線形性の補正が問題となる。

また、特許文献２に開示された技術は、ダイヤフラムの変位によって容量が変化するものにあって、キャパシタンスの変化の非直線性をダイヤフラムの反対面の容量変化の非直線性で相殺し、より直線性を高めるようにしたものである。

しかし、これはキャパシタンスの変化の検出の観点からは、上記の特許文献１と似た構成であり、依然として非線形を十分に補正するという考え方については提示されていない。

そこで、本発明の目的は、出力信号の線形性を高め、容量の変化を電圧変換として取り出した場合に補正することなく使用することができ極めて使用が容易な傾斜センサを提供することにある。

また、本発明の目的は、２つの固定電極の間に、各固定電極に対向して配設された変位電極が揺動することによって、傾斜が生じると、一方の固定電極とそれに対向する変位電極とで形成される第１のキャパシタ、及び他方の固定電極とそれに対向する変位電極とで形成される第２のキャパシタのそれぞれの静電容量が変化し、この静電容量の変化を、容量検出回路によって電圧変化に変換して出力する傾斜センサにおいて、容量検出回路の出力信号の線形性を高め、当該出力信号を補正することなく使用することができ、傾斜センサの使用を極めて容易にすることができる、容量検出回路出力信号の補正方法を提供することにある。

上述のような課題を解決するため、本件発明に係る傾斜センサでは、一対の固定部の間に位置し、固定部に対して変位する変位部を有し、重力加速度の方向変動によって変位部が変位し、これに伴う一対の固定部と変位部との間で構成される２つのキャパシタの静電容量変化を電圧変化に変換し、それぞれの電圧に応じてキャパシタの充電電荷量を制御するようにした。

すなわち、本発明に係る傾斜センサは、薄板で形成された枠状の固定部と、薄板で形成され、前記固定部と同一平面上で且つ前記固定部の枠内に配設された変位部と、前記固定部の枠内に向かって延設された一対の固定電極と、前記変位部に形成されており、前記一対の固定電極の間に前記各固定電極に対向してそれぞれ配設された一対の変位電極と、前記各固定電極とそれに対向する前記変位電極とで構成される２つのキャパシタのそれぞれの静電容量変化を電圧変化に変換する容量検出回路と、を備え、前記変位部は、重力加速度の方向変動によって前記各変位電極とそれに対向する前記固定電極との間の距離が変位するように、前記固定部に対して揺動可能に取り付けられており、前記容量検出回路が出力する電圧によって傾斜を測定することが可能な傾斜センサであって、前記容量検出回路が出力する前記２つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の差を変数倍した電圧と、所定の大きさの電圧との和を参照電圧とし、前記２つのキャパシタに発生する電圧の平均値又はその定数倍が前記参照電圧と等しくなるように前記キャパシタへ充電する電荷を制御するとともに、前記容量検出回路の出力電圧の非線形成分を打ち消すように前記変数の値が決定された充電制御回路を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、一対の固定電極の間に位置し前記固定電極に対して変位する変位電極が、重力加速度の方向変動によって変位する。これに伴い、固定電極と変位電極の各対の間で構成される２つのキャパシタの静電容量が変化し、容量検出回路はこの静電容量を電圧変化に変換する。充電制御回路は、容量検出回路が出力するそれぞれの電圧に比例して、前記各キャパシタへ充電する電荷を制御する。そのため、僅かの加速度によって変位部が変位し、その変位を固定部と変位部との間の重力加速度方向の変化で検出でき、変位部の変位を電圧変化として検出でき、傾斜が大きい時に傾斜に対するキャパシタ変化率が小さくても、充電電荷量を大きくすることで、傾斜と出力電圧との関係を非線形補正することができる。

また、本発明において、前記充電制御回路は、前記２つのキャパシタに供給する電流を発生する制御電流源と、前記容量検出回路が出力する前記２つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の差を変数倍した電圧と、所定の大きさの電圧との和である参照電圧を発生する参照電圧発生回路と、前記２つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の平均値又はその定数倍が前記参照電圧と等しくなるように、前記制御電流源の出力電流を制御する電流源制御回路と、を備えた構成とすることもできる。

この構成によれば、２つのキャパシタには、容量検出回路が出力電圧と参照電圧が等しくなるように充電が行われる。また、参照電圧は、容量検出回路が出力する電圧の変化に比例して変化する。従って、傾斜θが大きくなると傾斜θの変化に対する容量検出回路の出力電圧Ｖ_ｏｕｔの変化率ΔＶ_ｏｕｔ／Δθが小さくなっていく。ここで、参照電圧を出力電圧Ｖ_ｏｕｔの電圧変化に比例して増加するように制御してやれば、ΔＶ_ｏｕｔ／Δθが小さくなる分を補うように働くので、結果として出力電圧Ｖ_ｏｕｔの線形領域を大きくとることが可能となる。

また、本発明において、前記参照電圧発生回路は、一定の電圧を発生する定電圧源と、前記容量検出回路が出力する電圧を増幅する増幅器と、前記定電圧源が発生する電圧に前記増幅器が出力する電圧を加算して、前記参照電圧として出力する電圧加算回路と、を備えた構成とすることもできる。

この構成により、参照電圧発生回路は、容量検出回路が出力する電圧の変化に比例して変化する参照電圧を発生することができる。

また、本発明において、前記変位部の一側辺に、一対の溝部を凹状に切り込み形成し、前記固定部の枠内一辺には、前記各溝部内に挿入し且つ前記溝部の内側とは接触することなく、該枠内に向かって一対の対向部を延設し、前記各固定電極は、前記各対向部の向かい合う辺の側面に形成し、前記各変位電極は、前記各溝部の前記各固定電極と対向する辺の側面に形成するように構成することができる。

また、本発明において、前記変位部と前記固定部とは、前記変位部の幅に対して幅狭に形成された、撓曲自在な幅狭部によって結合するようにしてもよい。

また、本発明において、前記固定部及び前記変位部並びに前記幅狭部は、一枚の基板を加工することによって一体に形成してもよい。

また、本発明において、前記固定部及び前記変位部並びに前記幅狭部は、単一の結晶板により一体に形成するようにしてもよい。

また、本発明に係る容量検出回路出力信号の補正方法は、２つの固定電極の間に、各固定電極に対向して配設された変位電極が揺動することによって、傾斜が生じると、一方の前記固定電極とそれに対向する前記変位電極とで形成される第１のキャパシタ、及び他方の前記固定電極とそれに対向する前記変位電極とで形成される第２のキャパシタのそれぞれの静電容量が変化し、この静電容量の変化を、容量検出回路によって電圧変化に変換して出力する傾斜センサにおいて、前記容量検出回路の出力信号の変化が線形乃至略線形となるように補正する容量検出回路出力信号の補正方法であって、充電制御回路により、前記容量検出回路が出力する前記２つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の差を変数倍した電圧と、所定の大きさの電圧との和を参照電圧とし、前記２つのキャパシタに発生する電圧の平均値又はその定数倍が前記参照電圧と等しくなるように、前記キャパシタへ充電する電荷を制御するとともに、前記容量検出回路の出力電圧の非線形成分を打ち消すように前記変数の値を決定することを特徴とする。

このように、各キャパシタへ充電する電荷を制御して容量検出回路の出力電圧の非線形成分を打ち消すことで、容量検出回路の出力信号の線形性が高められる。従って、容量検出回路の出力信号を、補正することなく使用することができ、傾斜センサの使用が極めて容易となる。

また、本発明において、前記充電制御回路を、制御電流源、参照電圧発生回路、及び電流源制御回路を備えたものとし、前記制御電流源により、前記２つのキャパシタに電流を供給することで各キャパシタを充電するとともに、前記参照電圧発生回路により、前記容量検出回路が出力する前記２つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の差を変数倍した電圧と、所定の大きさの一定電圧Ｖ _ｒｅｆ０ との和である前記参照電圧を発生し、前記電流源制御回路により、前記２つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の平均値又はその定数倍が前記参照電圧と等しくなるように、前記制御電流源の出力電流を制御することで、前記２つのキャパシタのそれぞれに充電する電荷を制御するようにしてもよい。

これにより、容量検出回路の出力電圧の非線形成分を打ち消すように、２つのキャパシタのそれぞれに充電する電荷を制御することができる。

また、本発明において、前記参照電圧発生回路を、定電圧源、増幅器、及び電圧加算回路を備えたものとし、前記定電圧源により一定の電圧を発生するとともに、前記増幅器によって前記容量検出回路が出力する電圧を増幅し、前記電圧加算回路において、前記定電圧源が発生する電圧に前記増幅器が出力する電圧を加算して、前記参照電圧を生成するようにしてもよい。

これにより、参照電圧発生回路の出力する参照電圧を、電圧発生回路が出力する電圧の変化に比例して変化させることが可能となる。

本発明の傾斜センサは上記の如く構成したので、固定部と変位部を一体に形成する場合には、例えば水晶板等をエッチングすることで、上記各部を一度に構成することができ、生産性を高めることができる。

そして傾斜に対する変位を電圧変化として出力することができ、電圧を見ることで傾斜を検知することができる。

そして、出力電圧に応じてキャパシタの充電電荷量を変化させ、大きな傾斜の時に傾斜の変化に対して、キャパシタの容量変化率が小さくなった場合であっても、キャパシタの充電電荷を大きくすることによって、電圧変化率を大きくすることができ、出力電圧の非線形性を補正することができる。

さらに出力電圧の非線形性を補正して線形にしているため、測定する傾斜角を大きくしても、傾斜角に対する出力電圧の関係が一定であり、傾斜角の測定が容易になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

本発明の実施例１に係る傾斜センサは、基本的に図１に示したような構造をとる。図１において、実施例１に係る傾斜センサでは、水晶等の基板１をエッチング加工して固定部２及び変位部３が形成されている。固定部２は、略方形の枠状に形成されている。変位部３は、固定部２の枠内に形成されている。この変位部３は、外形が略方形であり、その一辺には同形の溝部５，５’が凹状に切り込み形成され、全体として線対称な櫛形状を呈している。

また、変位部３は、溝部５，５’が形成された辺に対向する辺の中央において、幅狭部４によって固定部２と連結されている。この幅狭部４も固定部２及び変位部３とともに１枚の基板１をエッチング加工して作られている。これによって固定部２と変位部３とに加速度が加わると、変位部３の質量によって幅狭部４が湾曲し、変位部３の下端が図１の矢印Ａの方向、つまり左右に揺動する。

固定部２の枠内周側の辺のうち、幅狭部４が形成された辺に対向する側の辺には、固定部２の各溝部５，５’内に挿入される櫛状の対向部６，６’が突出形成されている。対向部６，６’は同形であり、変位部３の中心線に対して線対称に配置されている。

対向部６，６’に対向する固定部２の溝部５，５’内の側面には、図２に示すように、それぞれ、第１変位電極７，第２変位電極７’が形成されている。

また、変位電極７と対向する対向部６の側面には、固定電極８が形成され、変位電極７’と対向する対向部６’の側面には固定電極８’が形成されている。すなわち、固定電極８，８’は、対向部６，６’の向かい合う辺の側面に形成されている。

また、図１及び図２に示されるように、変位電極７と変位電極７’には導電薄膜９が接続され、固定電極８，８’にはそれぞれ導電薄膜１０，１０’が接続されている。導電薄膜９は、幅狭部４を通って、固定部２から変位部３へかけて直線状に薄膜形成され、変位部３側の端部が分岐し、各分岐がそれぞれ変位電極７，７’に接続された構成を有する。また、導電薄膜９の固定部２側の端部には、円形の接続端子１１が形成されている。一方、導電薄膜１０，１０’は、それぞれ、固定部２上に薄膜形成されており、一端が固定電極８，８’に接続され、他端に円形の接続端子１２，１２’が形成されている。

本実施例の傾斜センサは、重力加速度が加わると、幅狭部４が湾曲し変位部３の下端が図１の矢印Ａの方向のいずれかに変位する。これによって変位電極７，７’と固定電極８，８’の間隔が変化し、その間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を検出することによって変位部３の変位量を検出することができ、変位部３の質量と幅狭部４のバネ定数によって傾斜センサに加わった傾斜角度を検出することができる。

傾斜角を検出する具体的な回路を図３に示す。図３において、本実施例の傾斜センサの傾斜角検出回路は、容量検出回路２０と充電制御回路２１とを備えている。尚、図３における差動型コンデンサＣ_１，Ｃ_２は、それぞれ変位電極７と固定電極８及び変位電極７’と固定電極８’によって構成されるコンデンサである。差動型コンデンサＣ_１，Ｃ_２の一端（接続端子１１側）は接地されている。

容量検出回路２０は、切替スイッチ回路ＳＷ_５、オペアンプＡｍｐ_１、差動アンプＡｍｐ_２，Ａｍｐ_３、サンプルホールド回路Ｓ／Ｈ_１，Ｓ／Ｈ_２、及び分圧抵抗Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３を備えている。

接続端子１２，１２’に対応する差動型コンデンサＣ_１，Ｃ_２の端子は、それぞれ、切替スイッチ回路ＳＷ_５に接続されている。切替スイッチ回路ＳＷ_５は、差動型コンデンサＣ_１，Ｃ_２とオペアンプＡｍｐ_１の入力端子との切り替えを行う。オペアンプＡｍｐ_１は、入力端子の電圧をα倍増幅して出力する。オペアンプＡｍｐ_１の出力端子は、サンプルホールド回路Ｓ／Ｈ_１，Ｓ／Ｈ_２の入力端子に接続されている。サンプルホールド回路Ｓ／Ｈ_１，Ｓ／Ｈ_２は、入力端子に入力された電圧をホールドし、出力端子にホールド電圧を出力する。サンプルホールド回路Ｓ／Ｈ_１，Ｓ／Ｈ_２の出力端子は、それぞれ、差動アンプＡｍｐ_２の＋側入力、差動アンプＡｍｐ_３の−側入力に接続されている。差動アンプＡｍｐ_２の出力端子と差動アンプＡｍｐ_３の出力端子との間には、分圧抵抗Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３が直列に設即されている。分圧抵抗Ｒ_１，Ｒ_２の接続ノードは、差動アンプＡｍｐ_２の−側入力に接続され、分圧抵抗Ｒ_２，Ｒ_３の接続ノードは、差動アンプＡｍｐ_３の＋側入力に接続されている。

差動アンプＡｍｐ_２，Ａｍｐ_３には、それぞれ、電圧Ｖ_ｏｕｔ１、Ｖ_ｏｕｔ２が出力される。この両端子間の差電圧Ｖ_ｏｕｔ１−Ｖ_ｏｕｔ２が、傾斜センサの出力電圧Ｖ_ｏｕｔとなる。

一方、充電制御回路２１は、制御電流源Ｉ_Ｃ、スイッチ回路ＳＷ_１，ＳＷ_２，ＳＷ_３，ＳＷ_４、差動アンプＣｏｍｐ、及び参照電圧発生回路２２を備えている。ここで、差動アンプＣｏｍｐは、後述するように、本発明における「電流源制御回路」として機能する。

接続端子１２，１２’に対応する差動型コンデンサＣ_１，Ｃ_２の端子は、それぞれ、スイッチ回路ＳＷ_１，ＳＷ_２を介して制御電流源Ｉ_Ｃの出力端子に接続されており、差動型コンデンサＣ_１，Ｃ_２には一定の電荷を加えることができる。そのため、差動型コンデンサＣ_１，Ｃ_２にはそれぞれ電圧Ｖ_１，Ｖ_２が発生する。電圧Ｖ_１，Ｖ_２はそれぞれオペアンプＡｍｐ_１などによって増幅され、Ｖ_out1、Ｖ_out2の電圧となる。

また、接続端子１２，１２’に対応する差動型コンデンサＣ_１，Ｃ_２の端子は、スイッチ回路ＳＷ_３，ＳＷ_４を介して接地されている。スイッチ回路ＳＷ_３，ＳＷ_４を接続することで、差動型コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電荷を放電させることができる。

参照電圧発生回路２２は、制御電流源Ｉ_Ｃの出力を制御するためのリファレンス電圧Ｖ_ｒｅｆを発生する。参照電圧発生回路２２の出力端子は、差動アンプＣｏｍｐの一方の入力端子に接続されている。一方、差動アンプＣｏｍｐの他方の端子には、分圧抵抗Ｒ_２の中間タップの電圧、すなわち、電圧α（Ｖ_１＋Ｖ_２）／２が入力されている。差動アンプＣｏｍｐは、この電圧α（Ｖ_１＋Ｖ_２）／２とＶ_ｒｅｆとの差電圧α（Ｖ_１＋Ｖ_２）／２−Ｖ_ｒｅｆを増幅して制御電流源Ｉ_Ｃの制御電圧を生成する。制御電流源Ｉ_Ｃは、差電圧α（Ｖ_１＋Ｖ_２）／２−Ｖ_ｒｅｆに比例する大きさの電流を出力する。

図４は、参照電圧発生回路２２の構成図である。参照電圧発生回路２２は、定電圧源２３，差動アンプ２４，及び電圧加算回路２５を備えている。定電圧源２３は一定の参照電圧Ｖ_ｒｅｆ０を発生する。差動アンプ２４には、容量検出回路の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１，Ｖ_ｏｕｔ２が入力され、これらの差分値のａ’倍の電圧ａ’Ｖ_ｏｕｔ＝ａ’（Ｖ_ｏｕｔ１−Ｖ_ｏｕｔ２）が出力される。電圧加算回路２５は、参照電圧Ｖ_ｒｅｆ０と電圧ａ’Ｖ_ｏｕｔを加算した電圧Ｖ_ｒｅｆ０＋ａ’Ｖ_ｏｕｔを参照電圧Ｖ_ｒｅｆとして出力する。

以上の図３に示した回路は、以下のように動作する。

まず、スイッチ回路ＳＷ_１，ＳＷ_２がそれぞれ時間Ｔだけ接続され、差動型コンデンサＣ_１，Ｃ_２は、充電電流Ｉ_Ｃにより、時間Ｔだけ充電される。これにより、差動型コンデンサＣ_１，Ｃ_２には、それぞれ、充電電圧Ｖ_１，Ｖ_２が生じる。

次に、切替スイッチ回路ＳＷ_５は、差動型コンデンサＣ_１側，差動型コンデンサＣ_２側に順次切り替わり、それとともに、サンプルホールド回路Ｓ／Ｈ_１，Ｓ／Ｈ_２は、オペアンプＡｍｐ_１で増幅された差動型コンデンサＣ_１，Ｃ_２の端子電圧Ｖ_ｏｕｔ１，Ｖ_ｏｕｔ２をサンプルホールドする。

サンプルホールドが行われると、スイッチ回路ＳＷ_３，ＳＷ_４が所定時間接続され、差動型コンデンサＣ_１，Ｃ_２が放電される。

一方、サンプルホールド回路Ｓ／Ｈ_１，Ｓ／Ｈ_２の出力電圧は、それぞれ、差動アンプＡｍｐ_２，Ａｍｐ_３で増幅され、容量検出回路２０の出力端子に出力される。このとき、容量検出回路２０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、Ｖ_ｏｕｔ＝Ｖ_ｏｕｔ１−Ｖ_ｏｕｔ２＝ａ・（Ｖ_１−Ｖ_２）となる。ここで、ａは定数である。

ところで、分圧抵抗Ｒ_１，Ｒ_３は同一の抵抗値とされており、また、差動アンプＡｍｐ_２，Ａｍｐ_３の増幅率も等しくなるように設定されている。従って、差動アンプＣｏｍｐの一方の入力端子に入力される分圧抵抗Ｒ_２の中間タップの電圧は、増幅された差動型コンデンサＣ_１，Ｃ_２の端子電圧Ｖ_ｏｕｔ１，Ｖ_ｏｕｔ２の平均値（Ｖ_ｏｕｔ１＋Ｖ_ｏｕｔ２）／２＝α（Ｖ_１＋Ｖ_２）／２となっている。差動アンプＣｏｍｐは、この平均値（Ｖ_ｏｕｔ１＋Ｖ_ｏｕｔ２）／２と参照電圧Ｖ_ｒｅｆとの差電圧α（Ｖ_１＋Ｖ_２）／２−Ｖ_ｒｅｆを出力する。制御電流源Ｉ_Ｃは、差動アンプＣｏｍｐが出力する差電圧α（Ｖ_１＋Ｖ_２）／２−Ｖ_ｒｅｆに比例する電流を出力する。従って、差電圧α（Ｖ_１＋Ｖ_２）／２−Ｖ_ｒｅｆ＝０となると、出力電流Ｉ_Ｃは０となる。これにより、制御電流源Ｉ_Ｃは、端子電圧Ｖ_ｏｕｔ１，Ｖ_ｏｕｔ２の平均値が参照電圧Ｖ_ｒｅｆと等しくなるように制御される。

後述するように、この条件で出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、Ｖ_ｏｕｔ＝Ａ・ｘ・Ｖ_ｒｅｆとなる。ｘは差動型コンデンサＣ_１，Ｃ_２を構成する可動電極の変位である。差動型コンデンサＣ_１，Ｃ_２の静電容量はＣ_１＝ε・Ｓ／（ｄ−ｘ），Ｃ_２＝ε・Ｓ／（ｄ＋ｘ）である。ｄは２つの固定電極間８，８’にある変位電極７，７’がちょうど中央にあるときのそれぞれの電極間隔である。εは差動型コンデンサＣ_１，Ｃ_２の誘電率、Ｓは差動型コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電極面積である。

次に、本実施例の傾斜センサによる傾斜検出の動作について説明する。傾斜がある程度大きいときには、変位電極７’と固定電極８’の間隔が小さくなり、この間隔の変化に対して、この電極間の静電容量の変化が大きくなる。一方、傾斜が大きくなって、９０度に近づくと傾斜の変化率に対して変位電極７’の移動率が小さくなる。その結果として傾斜に対する変位電極７’と固定電極８’の電圧、つまりこの電極間に充電された電荷による電圧Ｖ_１，Ｖ_２の変化は非線形となる。

この電圧Ｖ_１，Ｖ_２の出力信号は、オペアンプＡｍｐ_１及び差動増幅器Ａｍｐ_２，Ａｍｐ_３で電圧Ｖ_ｏｕｔ１，Ｖ_ｏｕｔ２に増幅され、出力端子間には、式（４）で表される出力信号Ｖ_ｏｕｔが出力される。

ここで、電圧Ｖ_out1は式（５）で表される。

ここでＶ_Ｃ1は差動型コンデンサＣ₁の電圧であり、Ａは定数である。

また、電圧Ｖ_out2は式（６）で表される。

ここでＶ_Ｃ2は差動型コンデンサＣ₂の電圧であり、Ａは定数である。

出力信号Ｖ_out1と基板１の傾斜θとの関係は、

となり、Ｖ_out2と基板１の傾斜θとの関係も同様となる。つまり基板１の傾斜θにより変位部３が変位することによって、出力信号の電圧Ｖ_out1，Ｖ_out2が変化する。即ち、これらの出力信号は基板１の傾斜角度を示している。

式（６），（７）を見るとわかるように、Ｖ_out1或いはＶ_out2は傾斜θに対して非線形である。従って、式（４）より、Ｖ_outも傾斜θに対して非線形である。

ここでＶ_outと変位ｘとの関係を検討すると、Ｖ_outは差動型コンデンサＣ₁及びＣ₂の直列回路であり、電極間の距離ｄが差動型コンデンサＣ₁ではｄ＋ｘとなり、差動型コンデンサＣ₂ではｄ−ｘになる。

このＶ_outの電圧によって差動型コンデンサＣ₁及び差動型コンデンサＣ₂の充電電荷が決定され、出力信号Ｖ_outは線形となる。

これを具体的に実現する手段として図３，図４に示す回路を用いる。図３に於いて、Ｉ_Ｃは制御制御電流源であり、この制御電流源Ｉ_Ｃは所定の条件に応じた電流を供給する。

つまり、差動型コンデンサＣ₁及びＣ₂は制御電流源Ｉ_Ｃから充電電流が供給され、充電される電荷量は、制御電流源の電流とスイッチＳＷ_１，ＳＷ_２のオン時間で決定される。ここでＩ_Ｃは、各コンデンサの充電電圧の平均値

と所定の電圧Ｖ_ｒｅｆとが等しくなるように制御されている。この回路の出力Ｖ_outは、式（３）で表すことができる。

ここで、比較器の比較電圧Ｖ_refを出力Ｖ_outに応じた電圧、例えば、図４に示すように、出力のa倍の成分を加算してやると、出力Ｖ_outの線形領域を任意に変更、補正を行うことができる。

このことを計算で求めると、従来の傾斜センサは式（３）のように非線形であったが、本実施例の傾斜センサの出力Ｖ_outは式（９）のように表すことができる。

ここで、θ_０をゼロ点、即ちセンサの傾斜がない状態における角度とし、上記式（９）の角度θを、新たにθ−θ_０と書き直す。また、式（９）はＡ’Ｖ _ref０ が両項にかかっているので、これを省略すると、結局、式（１０）のようになる。

ここで、３乗以上の項を無視すると、式（１１）のように表すことができる。

ここで、θ^２の係数が０になれば、θに対する出力電圧の関係は線形に近づく。そこで、θ^２の係数を０とすると、次式（１２ａ），（１２ｂ）のようになる。

式（１１），（１２ａ），（１２ｂ）から分かるように、θのべき乗がなくなり、出力電圧は線形に近づく。

本発明は、量産性に優れ、半導体の製造プロセスを用いて量産可能で高感度で、出力信号が傾斜に対して線形な傾斜センサを提供する。

本発明の傾斜センサの実施例１を示す正面図である。 本発明の傾斜センサの一部を示す拡大正面図である。 本発明の傾斜センサの傾斜角検出回路の回路図である。 参照電圧発生回路２２の構成図である。

符号の説明

１ 基板
２ 固定部
３ 変位部
４ 幅狭部
５，５’ 溝部
６，６’ 対向部
７ 第１変位電極
７’ 第２変位電極
８，８’ 固定電極
９ 導電薄膜
１０，１０’ 導電薄膜
１１ 接続端子
１２，１２’ 接続端子
２０ 容量検出回路
２１ 充電制御回路
２２ 参照電圧発生回路
２３ 定電圧源
２４ 差動アンプ
２５ 電圧加算回路

Claims (10)

1. ２つの固定電極の間に、各固定電極に対向して配設された変位電極が揺動することによって、傾斜が生じると、一方の前記固定電極とそれに対向する前記変位電極とで形成される第１のキャパシタ、及び他方の前記固定電極とそれに対向する前記変位電極とで形成される第２のキャパシタのそれぞれの静電容量が変化し、この静電容量の変化を、容量検出回路によって電圧変化に変換して出力する傾斜センサにおいて、前記容量検出回路の出力信号の変化が線形乃至略線形となるように補正する容量検出回路出力信号の補正方法であって、
   充電制御回路により、前記容量検出回路が出力する前記２つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の差を変数倍した電圧と、所定の大きさの電圧との和を参照電圧とし、前記２つのキャパシタに発生する電圧の平均値又はその定数倍が前記参照電圧と等しくなるように、前記キャパシタへ充電する電荷を制御するとともに、前記容量検出回路の出力電圧の非線形成分を打ち消すように前記変数の値を決定することを特徴とする容量検出回路出力信号の補正方法。
2. 前記充電制御回路は、制御電流源、参照電圧発生回路、及び電流源制御回路を備えており、
   前記制御電流源により、前記２つのキャパシタに電流を供給することで各キャパシタを充電するとともに、
   前記参照電圧発生回路により、前記容量検出回路が出力する前記２つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の差を変数倍した電圧と、所定の大きさの電圧との和である前記参照電圧を発生し、
   前記電流源制御回路により、前記２つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の平均値又はその定数倍が前記参照電圧と等しくなるように、前記制御電流源の出力電流を制御することで、前記２つのキャパシタのそれぞれに充電する電荷を制御すること
   を特徴とする請求項１記載の容量検出回路出力信号の補正方法。
3. 前記参照電圧発生回路は、定電圧源、増幅器、及び電圧加算回路を備えており、
   前記定電圧源により一定の電圧を発生するとともに、
   前記増幅器によって前記容量検出回路が出力する電圧を増幅し、
   前記電圧加算回路において、前記定電圧源が発生する電圧に前記増幅器が出力する電圧を加算して、前記参照電圧を生成することを特徴とする請求項２記載の容量検出回路出力信号の補正方法。
4. 薄板で形成された枠状の固定部と、
   薄板で形成され、前記固定部と同一平面上で且つ前記固定部の枠内に配設された変位部と、
   前記固定部の枠内に向かって延設された一対の固定電極と、
   前記変位部に形成されており、前記一対の固定電極の間に前記各固定電極に対向してそれぞれ配設された一対の変位電極と、
   前記各固定電極とそれに対向する前記変位電極とで構成される２つのキャパシタのそれぞれの静電容量変化を電圧変化に変換して出力する容量検出回路と、を備え、
   前記変位部は、重力加速度の方向変動によって前記各変位電極とそれに対向する前記固定電極との間の距離が変位するように、前記固定部に対して揺動可能に取り付けられており、
   前記容量検出回路が出力する電圧によって傾斜を測定することが可能な傾斜センサであって、
   前記容量検出回路が出力する前記２つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の差を変数倍した電圧と、所定の大きさの電圧との和を参照電圧とし、前記２つのキャパシタに発生する電圧の平均値又はその定数倍が前記参照電圧と等しくなるように前記キャパシタへ充電する電荷を制御するとともに、前記容量検出回路の出力電圧の非線形成分を打ち消すように前記変数の値が決定された充電制御回路を備えたことを特徴とする傾斜センサ。
5. 前記充電制御回路は、
   前記２つのキャパシタに供給する電流を発生する制御電流源と、
   前記容量検出回路が出力する前記２つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の差を変数倍した電圧と、所定の大きさの一定電圧Ｖ _ｒｅｆ０ との和である前記参照電圧を発生する参照電圧発生回路と、
   前記２つのキャパシタのそれぞれに発生する電圧の平均値又はその定数倍が前記参照電圧と等しくなるように、前記制御電流源の出力電流を制御する電流源制御回路と、
   を備えた請求項４記載の傾斜センサ。
6. 前記参照電圧発生回路は、
   一定の電圧を発生する定電圧源と、
   前記容量検出回路が出力する電圧を増幅する増幅器と、
   前記定電圧源が発生する電圧に前記増幅器が出力する電圧を加算して、前記参照電圧として出力する電圧加算回路と、
   を備えた請求項５記載の傾斜センサ。
7. 前記変位部の一側辺には、一対の溝部が凹状に切り込み形成されており、
   前記固定部の枠内一辺には、前記各溝部内に挿入し且つ前記溝部の内側とは接触することなく、該枠内に向かって一対の対向部が延設されており、
   前記各固定電極は、前記各対向部の向かい合う辺の側面に形成されており、
   前記各変位電極は、前記各溝部の前記各固定電極と対向する辺の側面に形成されていることを特徴とする請求項４乃至６の何れか一記載の傾斜センサ。
8. 前記変位部と前記固定部とは、前記変位部の幅に対して幅狭に形成された、撓曲自在な幅狭部によって結合されていることを特徴とする請求項４乃至７の何れか一記載の傾斜センサ。
9. 前記固定部及び前記変位部並びに前記幅狭部は、一枚の基板を加工することによって一体に形成されていることを特徴とする請求項８記載の傾斜センサ。
10. 前記固定部及び前記変位部並びに前記幅狭部は、単一の結晶板により一体に形成されていることを特徴とする請求項９記載の傾斜センサ。

Images