(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷型センサの一端が反転入力端子に接続され、該電荷型センサの他端が正転入力端子に接続されるオペアンプと、
上記オペアンプの出力電圧を分圧した分圧点を有する分圧器と、
上記オペアンプの反転入力端子と上記分圧器が有する分圧点との間に接続したフィードバック抵抗および該フィードバック抵抗に並列に接続されたフィードバックコンデンサを有する負帰還回路と、
上記オペアンプの正転入力端子と基準電圧との間に接続された抵抗および、該抵抗に並列接続されたコンデンサを有するキャンセル回路と、を備えた電荷型センサ用増幅回路。
【請求項２】
上記負帰還回路と上記キャンセル回路とは回路定数が同じである請求項１に記載の電荷型センサ用増幅回路。
【請求項３】
上記電荷型センサの一端が上記オペアンプの反転入力端子に接続されるラインと該電荷型センサの他端が上記オペアンプの正転入力端子に接続されるラインとを近接させた請求項１または２に記載の電荷型センサ用増幅回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、加速度センサ等の電荷型センサの出力を増幅して出力する電荷型センサ用増幅回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、検出出力が電荷の形で現れるセンサを用いたセンサ装置として、圧電型加速度センサ装置や、焦電型赤外線センサ装置等がある。これらのセンサ装置では、加速度や赤外線等に感応したときに発生する電荷量が微小、例えば０．０１〜数１０００ｐＣ、であることから、センサの出力を増幅して電圧信号で取り出す増幅回路が利用されている。また、圧電型加速度センサ装置は自動車のエアバッグの作動検出（衝突検出）、自動車の回転時における角加速度の検出、ハードディスクドライブの衝撃検出等に用いられている。
【０００３】
従来の増幅回路は、センサの出力をチャージアンプで増幅するものであった（特開平８−３３８７８１号公報）。図５に、従来の増幅回路の構成を示す。この増幅回路は、オペアンプＡｍｐの反転入力端子と出力端子との間に抵抗（フィードバック抵抗）Ｒ１１が接続されている。また、この抵抗Ｒ１１に並列にコンデンサ（フィードバックコンデンサ）Ｃ１１が接続されている。加速度センサＧ  ｓｅｎｓｏｒの一端は上記オペアンプの反転入力端子に接続され、他端は基準電圧Ｖｒｅｆに接続されている。オペアンプの正転入力端子は基準電圧Ｖｒｅｆに接続されている。
【０００４】
この増幅回路では、加速度センサに振動が加わり、該加速度センサにおいて発生した加速度や振動の大きさに応じた電荷Ｑを、オペアンプで増幅して出力する。加速度センサの電荷感度をｄ〔ｐＣ／Ｇ〕とすると、加速度Ｇに対する出力電圧Ｖｏｕｔ（Ｇ）は、
【０００５】
【数７】
0003664041.tif 000002
【０００６】
で表される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の増幅回路では以下に示すように加速度センサの出力に重畳している同相ノイズを十分にキャンセルした出力（オペアンＡｍｐの出力）Ｖｏｕｔを得ることができなかった。図６に、従来の増幅回路における同相ノイズ混入モデルを示す。図６において、Ｖｎ１１、Ｃｎ１１、Ｖｎ１２、Ｃｎ１２がノイズ源である。ノイズ電圧Ｖｎ１２はコンデンサＣｎ１２によって基準電圧Ｖｒｅｆに接続されるので、オペアンプＡｍｐの出力Ｖｏｕｔに影響を及ぼさないが、ノイズ電圧Ｖｎ１１はコンデンサＣｎ１１によってオペアンプＡｍｐの反転入力端子に接続されるのでオペアンプＡｍｐの出力Ｖｏｕｔに影響を及ぼす。したがって、同相ノイズによるオペアンプＡｍｐの出力Ｖｏｕｔ（Ｎ）は、
【０００８】
【数８】
0003664041.tif 000003
【０００９】
である。
【００１０】
上記〔数７〕および〔数８〕から、オペアンプＡｍｐの出力Ｖｏｕｔにおける信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）は、
【００１１】
【数９】
0003664041.tif 000004
【００１２】
である。
【００１３】
一方、加速度センサの出力に重畳している同相ノイズが十分にキャンセルされた出力が得られる回路構成として、図７に示すような差動増幅回路を使用することがすでに提案されているが、回路構成が複雑であり、コストアップという問題があった。
【００１４】
また、加速度センサの出力に重畳している同相ノイズが十分にキャンセルされた出力が得られる技術として、特開平５−１８８０８１号では圧電素子（加速度センサ）の一方の面に複数の帯状電極を設けるとともに、隣接する帯状電極の分極方向を逆向きとし、さらに圧電素子の他方の面にアース電極を設けることが提案されている。この技術では加速度センサの検出出力を増幅する増幅回路については簡単な回路構成で良いのであるが、複雑な素子構造の圧電素子を用いなければならず、結果的にコストアップという問題があった。
【００１５】
この発明の目的は、簡単な回路構成で同相ノイズを十分にキャンセルすることができる電荷型センサ用増幅回路を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明の圧電型センサ用増幅回路は、上記課題を解決するために以下の構成を備えている。
【００１９】
（１）電荷型センサの一端が反転入力端子に接続され、該電荷型センサの他端が正転入力端子に接続されるオペアンプと、
上記オペアンプの出力電圧を分圧した分圧点を有する分圧器と、
上記オペアンプの反転入力端子と上記分圧器が有する分圧点との間に接続したフィードバック抵抗および該フィードバック抵抗に並列に接続されたフィードバックコンデンサを有する負帰還回路と、
上記オペアンプの正転入力端子と基準電圧との間に接続された抵抗および、該抵抗に並列接続されたコンデンサを有するキャンセル回路と、を備えている。
【００２０】
上記回路構成では、オペアンプの正転入力端子と基準電圧との間に接続したキャンセル回路により圧電型センサの出力に重畳している同相ノイズが十分にキャンセルされたオペアンプの出力を得ることができる。しかも、オペアンプの出力電圧を分圧する分圧器によりオペアンプの増幅率、すなわち感度調整、が簡単に行える。
【００２２】
（３）上記電荷型センサの一端が上記オペアンプの反転入力端子に接続されるラインと該電荷型センサの他端が上記オペアンプの正転入力端子に接続されるラインとを近接させている。
【００２３】
上記（３）の回路構成では、圧電型センサの出力に重畳している同相ノイズが効果的にキャンセルされる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態にかかる加速度センサ用増幅回路の実施形態について説明する。なお、以下の説明における個々の電気部品、特に抵抗やコンデンサ、は所望の電気的特性が得られるように複数の電気部品を電気的に接続した構成に置き換えてもよい。
【００２５】
図１は、この発明の実施形態である加速度センサ用増幅回路を示す回路図である。この実施形態の加速度センサ用増幅回路では、オペアンプＡｍｐの反転入力端子に加速度センサＧ  ｓｅｎｓｏｒの一端が接続されている。また、オペアンプＡｍｐの反転入力端子と出力端子との間には、フィードバック抵抗Ｒ１とフィードバックコンデンサＣ１とを並列接続したフィードバック回路（この発明で言う負帰還回路）が接続されている。さらに、オペアンプＡｍｐの正転入力端子と基準電圧Ｖｒｅｆとの間には、キャンセル抵抗Ｒ２とキャンセルコンデンサＣ２とを並列接続したキャンセル回路が接続されている。なお、オペアンプＡｍｐには駆動用電源電圧±Ｖが印加されている。
【００２６】
図１に示す回路において、加速度センサＧ  ｓｅｎｓｏｒの電荷感度を、ｄ〔ｐＣ／Ｇ〕とすると、加速度センサＧ  ｓｅｎｓｏｒの検出出力に対するオペアンプＡｍｐの出力電圧Ｖｏｕｔ１（Ｇ）は、
【００２７】
【数１】
0003664041.tif 000005
【００２８】
である。
【００２９】
次に、この回路における同相ノイズの影響について説明する。図２に、図１に示す回路の同相ノイズ混入モデルを示す。図２に示す回路において、Ｖｎ１、Ｃｎ１、Ｖｎ２、Ｃｎ２がノイズ源である。ノイズに対するオペアンプＡｍｐの出力電圧Ｖｏｕｔ１（Ｎ）は、
【００３０】
【数２】
0003664041.tif 000006
【００３１】
である。理論的には上記〔数２〕に示した、ノイズに対するオペアンプＡｍｐの出力電圧Ｖｏｕｔ１（Ｎ）を０にすれば、同相ノイズが完全にキャンセルされた出力が得られる。
【００３２】
このノイズに対するオペアンプＡｍｐの出力電圧Ｖｏｕｔ１（Ｎ）は、以下の条件を満足するとき０になる。
【００３３】
【数３】
0003664041.tif 000007
【００３４】
上記理由について簡単に説明する。上記〔数３〕に示した、
Ｚ１＝Ｚ２（＝Ｚ）、
Ｃｎ１＝Ｃｎ２（＝Ｃｎ）、とすると、上記〔数２〕は、
【００３５】
【数４】
0003664041.tif 000008
【００３６】
となる。この〔数４〕から明らかなように上記〔数３〕に示した残りの条件である
Ｖｎ１＝Ｖｎ２、が成立したとき、ノイズに対するオペアンプＡｍｐの出力電圧Ｖｏｕｔ１（Ｎ）が０になる。したがって、この実施形態の加速度センサ用増幅回路では上記〔数３〕に示した条件を満足させることで、同相ノイズが十分にキャンセルされたオペアンプＡｍｐの出力が得られる。
【００３７】
ここで、〔数２〕に示したように、Ｚ１はフィードバック抵抗Ｒ１およびフィードバックコンデンサＣ１によって決まるものであり、Ｚ２はキャンセル抵抗Ｒ２およびキャンセルコンデンサＣ２によって決まるものであり、フィードバック回路とキャンセル回路との回路定数を一致させれば、Ｚ１＝Ｚ２を成立させることができる。具体的には、キャンセル抵抗Ｒ２をフィードバック抵抗Ｒ１と同じ抵抗値の抵抗とし、且つキャンセルコンデンサＣ２をフィードバックコンデンサＣ１と同じ静電容量のコンデンサとすることで、上記〔数３〕に示したＺ１＝Ｚ２を成立させることができる。
【００３８】
一方、Ｖｎ１、Ｖｎ２、Ｃｎ１、Ｃｎ２はそれぞれノイズ源であることから、上記〔数３〕に示したＣｎ１＝Ｃｎ２、Ｖｎ１＝Ｖｎ２とすることは困難であるが、オペアンプの反転入力端子に接続されるラインと正転入力端子に接続されるラインとを近接させておけば、Ｖｎ１≒Ｖｎ２、Ｃｎ１≒Ｃｎ２となる。
【００３９】
したがって、この実施形態の加速度センサ用増幅回路では、フィードバック回路とキャンセル回路との回路定数を一致させ、オペアンプの反転入力端子に接続されるラインと正転入力端子に接続されるラインとを近接させることで、同相ノイズが十分にキャンセルされた出力が得られる。
【００４０】
このように、オペアンプＡｍｐの正転入力端子と基準電圧との間に、キャンセル抵抗Ｒ２とキャンセルコンデンサＣ２とを並列に接続したキャンセル回路を、接続したことにより、Ｓ／Ｎ比を向上させた加速度センサ用増幅回路を実現することができる。しかも、上記キャンセル回路は非常に簡単な回路であるので、コストアップという問題も生じない。
【００４１】
フィードバック抵抗Ｒ１、およびキャンセル抵抗Ｒ２の抵抗値を１０ＭΩ、フィードバックコンデンサＣ１、およびキャンセルコンデンサＣ２の静電容量を１７０ｐＦとし、電荷感度が０．１７ｐｃ／Ｇである加速度センサＧ  ｓｅｎｓｏｒを用いたときのシュミレーション結果を図３に示す。また、図３には比較のために従来例である図５に示した回路のシュミレーション結果も示している。この加速度センサ用増幅回路のＧ感度（増幅率）は３．４ｍＶ／Ｇである。なお、図５に示した回路については、フィードバック抵抗Ｒ１１の抵抗値を１０ＭΩ、フィードバックコンデンサＣ１１の静電容量を１７０ｐＦとし、電荷感度が０．１７ｐｃ／Ｇである加速度センサＧ  ｓｅｎｓｏｒを用いたときのシュミレーション結果である。この回路のＧ感度（増幅率）は１．７ｍＶ／Ｇである。
【００４２】
図３では、同一条件で比較するため両回路について出力ノイズをＧ感度で割った結果（加速度換算した結果）を示している。また、縦軸は１Ｇを０ｄＢとしており、横軸はノイズの周波数である。この図から明らかなように、この実施形態の加速度センサ用増幅回路は、図５に示した従来の回路に比べて７０ｄＢ以上もノイズが小さくなっており、Ｓ／Ｎ比を十分に向上させた加速度センサ用増幅回路であることがわかる。
【００４３】
なお、このシュミレーションはオペアンプが理想的なものであるとして行ったものであり、実際の回路ではオペアンプの性能によって若干の変動があると思われる。
【００４４】
次に、この発明の別の実施形態について説明する。図４は、この実施形態の加速度センサ用増幅回路の構成を示す回路図である。この実施形態の加速度センサ用増幅回路は、上記実施形態の回路と異なる点は、オペアンプＡｍｐの出力端子と基準電圧Ｖｒｅｆとの間に、該オペアンプＡｍｐの出力電圧を分圧するための分圧抵抗Ｒ３、Ｒ４を設けた点、およびフィードバック回路の一端をオペアンプＡｍｐの出力端子ではなく、分圧抵抗Ｒ３、Ｒ４の接続点（分圧点）に接続している点で上記図１に示したものと異なっている。
【００４５】
この実施形態の加速度センサ用増幅回路において、加速度センサＧ  ｓｅｎｓｏｒの電荷感度を、ｄ〔ｐＣ／Ｇ〕とすると、加速度センサＧ  ｓｅｎｓｏｒの検出出力に対するオペアンプＡｍｐの出力電圧Ｖｏｕｔ２（Ｇ）は、
【００４６】
【数５】
0003664041.tif 000009
【００４７】
である。〔数５〕から明らかなように、この実施形態の加速度サンサ用増幅回路は図１に示した回路にゲイン
（（（Ｒ３＋Ｒ４）／Ｒ４）＋（Ｒ３／（Ｚ１＋Ｚ２）））
持たせたものである。
【００４８】
一方、この回路におけるノイズに対するオペアンプＡｍｐの出力電圧Ｖｏｕｔ２（Ｎ）は、
【００４９】
【数６】
0003664041.tif 000010
【００５０】
である。〔数６〕から明らかなように、この実施形態の加速度サンサ用増幅回路はノイズに対するオペアンプＡｍｐの出力電圧Ｖｏｕｔ２（Ｎ）も図１に示した回路に比べて、
（（（Ｒ３＋Ｒ４）／Ｒ４）＋（Ｒ３／（Ｚ１＋Ｚ２）））倍となる。
【００５１】
したがって、図１に示した回路と同等のＳ／Ｎ比が得られるので、加速度センサＧ  ｓｅｎｓｏｒの出力に重畳している同相ノイズが十分にキャンセルされた出力を得ることができる。しかも、分圧抵抗Ｒ３、Ｒ４を調整することで、Ｓ／Ｎ比に影響を与えることなく感度調整が行える。
【００５２】
なお、上記実施形態では、圧電型センサとして加速度センサを用いた加速度センサ用増幅回路を例にして本発明を説明したが、本発明は加速度センサだけでなく、他の種類の圧電型センサ、例えば焦電型赤外線センサ、を用いた圧電型センサ用増幅回路としても利用できる。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、オペアンプの正転入力端子と基準電圧との間にキャンセル回路を接続したので、圧電型センサの出力に重畳している同相ノイズが十分にキャンセルされた出力を得ることができる。
【００５４】
また、オペアンプの出力電圧を分圧した分圧点を有する分圧器を設けるとともに、該分圧点にフィードバック回路の一端を接続したので、Ｓ／Ｎ比を低下させることなく、感度調整（ゲイン調整）が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態である加速度センサ用増幅回路の構成を示す図である。
【図２】図１に示す回路の同相ノイズ混入モデルを示す図である。
【図３】この発明の実施形態である加速度センサ用増幅回路の特性を示す図である。
【図４】この発明の別の実施形態である加速度センサ用増幅回路の構成を示す図である。
【図５】従来の加速度センサ用増幅回路の構成を示す図である。
【図６】従来の加速度センサ用増幅回路の同相ノイズ混入モデルを示す図である。
【図７】従来の加速度センサ用増幅回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
Ｇ  ｓｅｎｓｏｒ−加速度センサ
Ｒ１−フィードバック抵抗
Ｃ１−フィードバックコンデンサ
Ｒ２−キャンセル抵抗
Ｃ１−キャンセルコンデンサ
Ｒ３、Ｒ４−分圧抵抗
Ａｍｐ−オペアンプ
【図１】
0003664041.tif 000011
【図２】
0003664041.tif 000012
【図３】
0003664041.tif 000013
【図４】
0003664041.tif 000014
【図５】
0003664041.tif 000015
【図６】
0003664041.tif 000016
【図７】
0003664041.tif 000017