特許 7643886 静電容量型センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-03-03

(45)【発行日】2025-03-11

(54)【発明の名称】静電容量型センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 9/00 20060101AFI20250304BHJP

   G01L 9/12 20060101ALI20250304BHJP

【ＦＩ】

G01L9/00 E

G01L9/12

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021026014

(22)【出願日】2021-02-22

(65)【公開番号】P2022127820

(43)【公開日】2022-09-01

【審査請求日】2023-12-26

(73)【特許権者】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(72)【発明者】

【氏名】市原 純

(72)【発明者】

【氏名】吉川 康秀

(72)【発明者】

【氏名】小原 圭輔

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 公洋

【審査官】松山 紗希

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－２７８９６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０１５０５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０６０６６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ ７／００－２３／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

計測対象の物理量に応じて静電容量が変化するように構成されたセンサ部と、
前記静電容量を前記物理量の計測値に変換するように構成されたプロセッサと、
前記プロセッサから出力された第１の周期信号を制御入力として、前記プロセッサ用の第１の電源電圧とは別の第２の電源電圧をスイッチングすることによって生成した第２の周期信号を出力するように構成されたアナログスイッチと、
前記第２の周期信号から抽出した特定周波数の信号を前記センサ部への駆動信号として出力するように構成されたフィルタとを備えることを特徴とする静電容量型センサ。

【請求項2】

請求項１記載の静電容量型センサにおいて、
前記フィルタは、バンドパスフィルタであることを特徴とする静電容量型センサ。

【請求項3】

請求項１記載の静電容量型センサにおいて、
前記フィルタは、ローパスフィルタとハイパスフィルタを組み合わせたものであることを特徴とする静電容量型センサ。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静電容量型センサにおいて、
前記駆動信号によって駆動される前記センサ部の出力から静電容量信号を検出するように構成された回路部をさらに備え、
前記プロセッサは、前記静電容量信号を前記物理量の計測値に変換することを特徴とする静電容量型センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧力センサ等に利用される静電容量型センサに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来より、物理量に応じて静電容量が変動する静電容量型センサが例えば圧力センサとして利用されている（特許文献１参照）。静電容量型センサの回路を図８に示す。静電容量型センサでは、計測対象の物理量（例えば圧力）に応じて静電容量ＣＸが変化するセンサ部１００に信号発生器１０１から正弦波を印加する。容量ＣＦとオペアンプＡ１とからなる電荷増幅回路１０２は、センサ部１００から出力される電流を電圧に変換して増幅する。

【0003】

検波回路１０３は、電荷増幅回路１０２によって増幅された信号を全波整流する。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１０４は、検波回路１０３の出力を平滑化する。こうして、静電容量ＣＸに基づいた静電容量信号が得られる。この静電容量信号は、ＡＤ変換器１０５（例えばΔΣ型ＡＤ変換器）によってデジタル信号に変換される。マイクロプロセッサ１０６は、デジタル信号を圧力計測値に変換する。

【0004】

上記の信号発生器１０１としては様々な構成があり、例えば以下の（I）、（II）のような例がある。
（I）オペアンプを用いたアナログ発振回路。
（II）デジタル正弦波生成ＩＣ（デジタル信号をＤＡ変換して出力するＩＣ）。

【0005】

上記の（I）の構成では、抵抗やコンデンサといった受動素子の定数が個体差や温度特性によって変動するため、出力波形の振幅や周波数の誤差が大きく、圧力計測誤差への影響が大きいという課題があった。
また、（II）の構成では、出力波形の振幅や周波数を制御するのが容易であるものの、回路の実装面積とコストが増大するという課題があった。

【0006】

近年、主に半導体製造工程において、製造装置の効率的な加熱を目的とし、装置の縮小化が進められている。これにより、製造装置に取り付けられる圧力センサなどの周辺機器も小型化が必要とされるようになってきており、回路の実装面積を小さく抑えることが求められるようになった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２００５－３３１３２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、回路の実装面積とコストを削減可能な静電容量型センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の静電容量型センサは、計測対象の物理量に応じて静電容量が変化するように構成されたセンサ部と、前記静電容量を前記物理量の計測値に変換するように構成されたプロセッサと、前記プロセッサから出力された第１の周期信号を制御入力として、前記プロセッサ用の第１の電源電圧とは別の第２の電源電圧をスイッチングすることによって生成した第２の周期信号を出力するように構成されたアナログスイッチと、前記第２の周期信号から抽出した特定周波数の信号を前記センサ部への駆動信号として出力するように構成されたフィルタとを備えることを特徴とするものである。

【0010】

また、本発明の静電容量型センサの１構成例において、前記フィルタは、バンドパスフィルタである。
また、本発明の静電容量型センサの１構成例において、前記フィルタは、ローパスフィルタとハイパスフィルタを組み合わせたものである。
また、本発明の静電容量型センサの１構成例は、前記駆動信号によって駆動される前記センサ部の出力から静電容量信号を検出するように構成された回路部をさらに備え、前記プロセッサは、前記静電容量信号を前記物理量の計測値に変換することを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、従来より静電容量型センサに備えられているマイクロプロセッサを利用して信号発生器を実現するので、静電容量型センサの回路の実装面積とコストを削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本発明の第１の実施例に係る静電容量型センサの信号発生器の構成を示すブロック図である。

【図2】図２は、矩形波信号の１例を示す波形図である。

【図3】図３は、矩形波信号の周波数成分を示す図である。

【図4】図４は、本発明の第１の実施例に係る信号発生器のフィルタの１例を示す回路図である。

【図5】図５は、本発明の第１の実施例に係る静電容量型センサのセンサ部の要部の構成を示す断面図である。

【図6】図６は、本発明の第２の実施例に係る信号発生器のフィルタの１例を示す回路図である。

【図7】図７は、本発明の第３の実施例に係る静電容量型センサの信号発生器の構成を示すブロック図である。

【図8】図８は、静電容量型センサの回路構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

［発明の原理］
センサ部の静電容量を圧力計測値に変換するマイクロプロセッサには、出力ポートが多数ある。この出力ポートの１つから周期信号（例えば矩形波）を出力させ、周期信号をフィルタリング処理して正弦波のみを取り出してセンサ部に印加する。これにより、正弦波生成のためのＩＣが不要となるので、静電容量型センサの回路の実装面積とコストを削減することができる。

【0014】

［第１の実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施例に係る静電容量型センサの信号発生器の構成を示すブロック図であり、図８と同一の構成には同一の符号を付してある。なお、図１では、図８の電荷増幅回路１０２と検波回路１０３とローパスフィルタ１０４とＡＤ変換器１０５とを回路部１１０として記載している。

【0015】

本実施例の信号発生器１０１ａは、矩形波信号（第１の周期信号）を出力するマイクロプロセッサ１０６と、マイクロプロセッサ１０６のポートＰＯから出力された矩形波信号から抽出した特定周波数の信号をセンサ部１００への駆動信号として出力するフィルタ１０７とから構成される。

【0016】

上記のとおり、回路部１１０のＡＤ変換器によってデジタル信号に変換された静電容量信号は、マイクロプロセッサ１０６によって圧力計測値に変換される。マイクロプロセッサ１０６は、内部のメモリ（不図示）に格納されたプログラムに従って処理を実行する。本実施例では、マイクロプロセッサ１０６の機能として、基本周波数ｆ０の矩形波信号を出力する機能が追加されるようにプログラムを設定しておく。図２は矩形波信号の１例を示す波形図である。図２の例では、基本周波数ｆ０＝１０ｋＨｚの矩形波信号としている。

【0017】

図２に示した基本周波数ｆ０＝１０ｋＨｚの矩形波信号をフーリエ級数展開すると、図３に示すようにｆ０の整数倍の周波数成分を有していることが分かる。基本周波数ｆ０の信号と共にｆ０以外の周波数成分をセンサ部１００に印加すると、静電容量信号にノイズが含まれてしまうため、圧力計測誤差の要因となる。そこで、フィルタ１０７によって基本周波数成分（図３の３０で示す成分）のみを抽出させ、基本周波数ｆ０の正弦波信号をセンサ部１００に印加する。

【0018】

本実施例では、フィルタ１０７として、図４に示すようなバンドパスフィルタを用いる。このフィルタ１０７は、オペアンプＵ１と、抵抗Ｒ１～Ｒ３と、容量Ｃ１，Ｃ２とから構成される。

【0019】

図５は静電容量型センサのセンサ部１００の要部の構成を示す断面図である。センサ部１００の台座２００の中央部には凹部が形成されている。この凹部が形成された台座２００の面には、被測定媒体の圧力Ｐに応じて変形可能に構成されたダイアフラム２０１が接合されている。台座２００の凹部は、ダイアフラム２０１と共に基準真空室２０２を形成する。

【0020】

台座２００の基準真空室２０２側の面には固定電極２０３が形成され、ダイアフラム２０１の基準真空室２０２側の面には固定電極２０３と対向するように可動電極２０４が形成されている。こうして、固定電極２０３と可動電極２０４とがギャップを隔てて対向するように配置されている。ダイアフラム２０１が被測定媒体の圧力Ｐを受けて撓むと、可動電極２０４と固定電極２０３との間の間隔が変化し、可動電極２０４と固定電極２０３との間の静電容量ＣＸが変化する。ダイアフラム２０１と台座２００とは、例えばサファイアなどの絶縁体から構成されている。

【0021】

信号発生器１０１ａから出力された正弦波信号は、センサ部１００の第１の電極（例えば固定電極２０３）に印加される。センサ部１００の第２の電極（例えば可動電極２０４）は、回路部１１０の電荷増幅回路に接続される。静電容量型センサの電荷増幅回路以降の構成は図８で説明したとおりである。

【0022】

以上のように、本実施例では、従来より静電容量型センサに備えられているマイクロプロセッサ１０６を利用して信号発生器を実現するので、静電容量型センサの回路の実装面積とコストを削減することができる。

【0023】

［第２の実施例］
第１の実施例では、信号発生器１０１ａのフィルタ１０７としてバンドパスフィルタを用いているが、図６に示すようにローパスフィルタとハイパスフィルタを組み合わせた回路を用いてもよい。図６の例では、抵抗Ｒ４と容量Ｃ３がローパスフィルタを構成し、容量Ｃ４と抵抗Ｒ５がハイパスフィルタを構成している。

【0024】

［第３の実施例］
第１、第２の実施例では、マイクロプロセッサ１０６の出力にフィルタ１０７を直接接続している。しかしながら、マイクロプロセッサ１０６に供給される電源電圧ＶＣＣには他のデジタルＩＣに起因するノイズが重畳しているため、マイクロプロセッサ１０６から出力される矩形波信号もノイズの多い信号となる。そこで、本実施例では、マイクロプロセッサ１０６とフィルタ１０７との間にアナログスイッチを挿入することにより、ノイズの小さい矩形波信号を生成する。

【0025】

図７は本実施例に係る静電容量型センサの信号発生器の構成を示すブロック図である。本実施例の信号発生器１０１ｂは、マイクロプロセッサ１０６と、フィルタ１０７と、マイクロプロセッサ１０６から出力された矩形波信号を制御入力として、デジタル回路用の電源電圧ＶＣＣとは別のアナログ回路用の電源電圧Ｖａｎをスイッチングすることによって生成した矩形波信号（第２の周期信号）をフィルタ１０７に出力するアナログスイッチ１０８とから構成される。

【0026】

アナログスイッチ１０８は、例えばマイクロプロセッサ１０６からの矩形波信号がＨｉｇｈのときオンし、マイクロプロセッサ１０６からの矩形波信号がＬｏｗのときオフする。こうして、アナログスイッチ１０８は、マイクロプロセッサ１０６から出力された矩形波信号を制御入力として、アナログ回路用の電源電圧Ｖａｎをスイッチング（オン／オフ）して矩形波信号に変換する。デジタル回路用の電源電圧ＶＣＣとは別のアナログ回路用の電源電圧Ｖａｎを用いることにより、ノイズの小さい矩形波信号をフィルタ１０７に供給することができる。
フィルタ１０７としては、第１の実施例、第２の実施例のいずれの構成を用いてもよい。

【0027】

こうして、本実施例では、フィルタ１０７からノイズの小さい正弦波信号をセンサ部１００に供給することができ、圧力計測誤差を低減することができる。

【産業上の利用可能性】

【0028】

本発明は、圧力センサ等の静電容量型センサに適用することができる。

【符号の説明】

【0029】

１００…センサ部、１０１ａ，１０１ｂ…信号発生器、１０２…電荷増幅回路、１０３…検波回路、１０４…ローパスフィルタ、１０５…ＡＤ変換器、１０６…マイクロプロセッサ、１０７…フィルタ、１０８…アナログスイッチ、１１０…回路部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】