(57)【要約】    【課題】  回路の経年変化を抑制し得る容量式物理量検出装置を提供する。    【解決手段】  スイッチ２６により第１差動増幅器２２の入出力を短絡させて当該第１差動増幅器２２（即ち、Ｃ−Ｖ変換回路２０）から定電位ＶＮを出力させ、この定電位ＶＮが増幅アンプ４０で増幅された出力をＣサンプルホールド回路５１ｃに保持する。Ｃサンプルホールド回路５１ｃの保持値は、定電位ＶＮに増幅アンプ４０のゲインを加算した値（ＶＮ＋Ｖｇ）になる。そして、スイッチ２６により第１差動増幅器２２を短絡しない際の出力（即ち、信号出力）をＡサンプルホールド回路５１ａに保持して、第２差動増幅器５４により、Ａサンプルホールド回路５１ａとＣサンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する。【選択図】  図２
2006084400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量の変化に応じて変位する可動電極及び前記可動電極に対向して配置された固定電極から成る容量式物理量検出センサと、
一方の入力が前記可動電極に接続され、他方の入力が定電位に接続された第１差動増幅器と、該第１差動増幅器の前記一方の入力と出力とに並列に接続されたキャパシタンスと、当該第１差動増幅器の前記一方の入力と出力とを短絡するスイッチとから成り、前記可動電極と前記固定電極からなる容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路と、
前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力側に接続された増幅器を備え、前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力電圧を信号処理して前記物理量の変化に応じた信号を出力する信号処理回路と、
前記信号処理回路の出力側に接続された第１サンプルホールド回路、第２サンプルホールド回路と、
前記第１サンプルホールド回路と前記第２サンプルホールド回路との出力の差分を出力する第２差動増幅器とを備え、
前記スイッチにより前記第１差動増幅器の入出力を短絡した際の、前記信号処理回路の出力を前記第２サンプルホールド回路に保持し、前記スイッチにより前記第１差動増幅器を短絡しない際の出力を前記第１サンプルホールド回路に保持して、前記第２差動増幅器により、前記第１サンプルホールド回路と前記第２サンプルホールド回路との出力の差分を出力することを特徴とする容量式物理量検出装置。
【請求項２】
物理量の変化に応じて変位する可動電極及び前記可動電極に対向して配置された固定電極から成る容量式物理量検出センサと、
一方の入力が前記可動電極に接続され、他方の入力が定電位に接続された第１差動増幅器と、該第１差動増幅器の前記一方の入力と出力とに並列に接続されたキャパシタンスと、当該第１差動増幅器の前記一方の入力と出力とを短絡するスイッチとから成り、前記可動電極と前記固定電極からなる容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路と、
前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力側に接続された第３サンプルホールド回路、第４サンプルホールド回路と、
前記第３サンプルホールド回路と前記第４サンプルホールド回路との出力の差分を出力する第３差動増幅器と、
前記第３差動増幅器の出力を増幅する増幅器と、
前記増幅器の出力側に接続された第１サンプルホールド回路、第２サンプルホールド回路と、
前記第１サンプルホールド回路と前記第２サンプルホールド回路との出力の差分を出力する第２差動増幅器とを備え、
前記スイッチにより前記第１差動増幅器の入出力を短絡した際の、前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力を前記第４サンプルホールド回路で保持し、前記増幅器の出力を前記第２サンプルホールド回路に保持し、前記スイッチにより前記第１差動増幅器を短絡しない際の前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力を前記第３サンプルホールド回路で保持し、前記増幅器の出力を前記第１サンプルホールド回路に保持して、前記第３差動増幅器により前記第３サンプルホールド回路と前記第４サンプルホールド回路との出力の差分を出力し、前記第２差動増幅器により前記第１サンプルホールド回路と前記第２サンプルホールド回路との出力の差分を出力することを特徴とする容量式物理量検出装置。
【請求項３】
物理量の変化に応じて変位する可動電極及び前記可動電極に対向して配置された固定電極から成る第１容量式物理量検出センサと第２容量式物理量検出センサと、
一方の入力が前記可動電極に接続され、他方の入力が定電位に接続された第１差動増幅器と、該第１差動増幅器の前記一方の入力と出力とに並列に接続されたキャパシタンスと、当該第１差動増幅器の前記一方の入力と出力とを短絡するスイッチとから成り、前記可動電極と前記固定電極からなる容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路と、
前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力側に接続された第３サンプルホールド回路、第４サンプルホールド回路、第５サンプルホールド回路と、
前記第３サンプルホールド回路と前記第４サンプルホールド回路との出力の差分を出力する第３差動増幅器と、
前記第５サンプルホールド回路と前記第４サンプルホールド回路との出力の差分を出力する第４差動増幅器と、
前記第３差動増幅器の出力を増幅する第１増幅器と、
前記第４差動増幅器の出力を増幅する第２増幅器と、
前記第１増幅器の出力側に接続された第１サンプルホールド回路、第２サンプルホールド回路と、
前記第２増幅器の出力側に接続された第６サンプルホールド回路及び前記第２サンプルホールド回路と、
前記第１サンプルホールド回路と前記第２サンプルホールド回路との出力の差分を出力する第２差動増幅器と、
前記第６サンプルホールド回路と前記第２サンプルホールド回路との出力の差分を出力する第５差動増幅器とを備え、
前記スイッチにより前記第１差動増幅器の入出力を短絡した際の、前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力を前記第４サンプルホールド回路で保持し、前記第１増幅器又は第２増幅器の出力を前記第２サンプルホールド回路に保持し、
前記スイッチにより前記第１差動増幅器を短絡しない際の第１容量式物理量検出センサ側の前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力を前記第３サンプルホールド回路で保持し、前記第１増幅器の出力を前記第１サンプルホールド回路に保持して、前記第３差動増幅器により前記第３サンプルホールド回路と前記第４サンプルホールド回路との出力の差分を出力し、前記第２差動増幅器により前記第１サンプルホールド回路と前記第２サンプルホールド回路との出力の差分を出力し、
前記スイッチにより前記第１差動増幅器を短絡しない際の第２容量式物理量検出センサ側の前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力を前記第５サンプルホールド回路で保持し、前記第２増幅器の出力を前記第６サンプルホールド回路に保持して、前記第４差動増幅器により前記第５サンプルホールド回路と前記第４サンプルホールド回路との出力の差分を出力し、前記第５差動増幅器により前記第６サンプルホールド回路と前記第２サンプルホールド回路との出力の差分を出力することを特徴とする容量式物理量検出装置。
【請求項４】
物理量の変化に応じて変位する可動電極及び前記可動電極に対向して配置された固定電極から成る第１容量式物理量検出センサと第２容量式物理量検出センサと、
一方の入力が前記可動電極に接続され、他方の入力が定電位に接続された第１差動増幅器と、該第１差動増幅器の前記一方の入力と出力とに並列に接続されたキャパシタンスと、当該第１差動増幅器の前記一方の入力と出力とを短絡するスイッチとから成り、前記可動電極と前記固定電極からなる容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路と、
前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力側に接続された第３サンプルホールド回路、第４サンプルホールド回路と、
前記第３サンプルホールド回路と前記第４サンプルホールド回路との出力の差分を出力する第３差動増幅器と、
前記第３差動増幅器の出力を増幅する増幅器と、
前記増幅器の出力側に接続された第１サンプルホールド回路、第２サンプルホールド回路、第５サンプルホールド回路と、
前記第１サンプルホールド回路と前記第２サンプルホールド回路との出力の差分を出力する第２差動増幅器と、
前記第５サンプルホールド回路と前記第２サンプルホールド回路との出力の差分を出力する第４差動増幅器とを備え、
前記スイッチにより前記第１差動増幅器の入出力を短絡した際の、前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力を前記第４サンプルホールド回路で保持し、前記増幅器の出力を前記第２サンプルホールド回路に保持し、
前記スイッチにより前記第１差動増幅器を短絡しない際の前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力を前記第３サンプルホールド回路で保持して、前記第３差動増幅器により前記第３サンプルホールド回路と前記第４サンプルホールド回路との出力の差分を出力し、
第１容量式物理量検出センサ側からの前記増幅器の出力を前記第１サンプルホールド回路に保持して、前記第２差動増幅器により前記第１サンプルホールド回路と前記第２サンプルホールド回路との出力の差分を出力し、
第２容量式物理量検出センサ側からの前記増幅器の出力を前記第５サンプルホールド回路に保持して、前記第４差動増幅器により前記第５サンプルホールド回路と前記第２サンプルホールド回路との出力の差分を出力することを特徴とする容量式物理量検出装置。
【請求項５】
物理量の変化に応じて変位する可動電極及び前記可動電極に対向して配置された固定電極から成る第１容量式物理量検出センサと第２容量式物理量検出センサと、
一方の入力が前記可動電極に接続され、他方の入力が定電位に接続された第１差動増幅器と、該第１差動増幅器の前記一方の入力と出力とに並列に接続されたキャパシタンスと、当該第１差動増幅器の前記一方の入力と出力とを短絡するスイッチとから成り、前記可動電極と前記固定電極からなる容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路と、
前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力側に接続された第３サンプルホールド回路、第４サンプルホールド回路と、
前記第３サンプルホールド回路と前記第４サンプルホールド回路との出力の差分を出力する第３差動増幅器と、
前記第３差動増幅器の出力を増幅する増幅器と、
前記増幅器の出力側に接続された第１サンプルホールド回路、第２サンプルホールド回路と、
前記第１サンプルホールド回路と前記第２サンプルホールド回路との出力の差分を出力する第２差動増幅器と、
前記スイッチにより前記第１差動増幅器の入出力を短絡した際の、前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力を前記第４サンプルホールド回路で保持し、前記増幅器の出力を前記第２サンプルホールド回路に保持し、
前記スイッチにより前記第１差動増幅器を短絡しない際の前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力を前記第３サンプルホールド回路で保持して、前記第３差動増幅器により前記第３サンプルホールド回路と前記第４サンプルホールド回路との出力の差分を出力し、
前記増幅器の出力を前記第１サンプルホールド回路に保持して、前記第２差動増幅器により前記第１サンプルホールド回路と前記第２サンプルホールド回路との出力の差分を出力することを特徴とする容量式物理量検出装置。
【請求項６】
前記第２差動増幅器の出力側にフィルタを接続したことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項５の容量式物理量検出装置。
【請求項７】
前記第２差動増幅器及び前記第５差動増幅器の出力側にフィルタを接続したことを特徴とする請求項３の容量式物理量検出装置。
【請求項８】
前記第２差動増幅器及び前記第４差動増幅器の出力側にフィルタを接続したことを特徴とする請求項４の容量式物理量検出装置。
【請求項９】
前記可動電極及び前記可動電極へ交互に印加するパルスの所定累乗毎に、前記スイッチにより前記第１差動増幅器の入出力を短絡して、前記出力を前記第２サンプルホールド回路に保持することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１の容量式物理量検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度、角速度、圧力等の物理量を検出する容量式物理量検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、可動電極と固定電極を対向配置し、可動電極と固定電極間の容量に基づいて物理量を検出する容量式物理量検出装置が車両の加速度センサ等に用いられている。この構成について、本出願人に係る特許文献２中に開示されている容量式物理量検出装置を、図１０を参照して説明する。
【０００３】
容量式物理量検出装置は、可動電極１１と固定電極１２ａ、１２ｂとを備える容量式物理量検出センサ１０と、容量式物理量検出センサ１０の容量変化を電位変化に変換するＣ−Ｖ変換回路２０と、Ｃ−Ｖ変換回路２０の電位を保持するサンプルホールド回路３０と、増幅器４０と、信号中の高調波成分を除去するフィルタアンプ（ローパスフィルタ）７０とから構成されている。
特許文献２及び特許文献３には容量式物理量検出装置の構成が、特許文献１には、容量式物理量検出装置のアンプ、スイッチングトランジスタの影響を除去する構成が示されている。
【特許文献１】特開平８−１４５７１７公報
【特許文献２】特開２０００−８１４４９公報
【特許文献３】特開２００３−１２１４５７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したＣ−Ｖ変換回路２０からの微少信号を増幅するため、増幅器４０はゲインが数十〜数百あり、温度変化により特性が大きく変化する。この温度変化を補正するため、個体毎に特性を測定し、温度特性調整用の値をＲＯＭ等に書き込んでいた。さらに、Ｃ−Ｖ変換回路２０、サンプルホールド回路３０、増幅器４０等は特性が経年変化するため、容量式物理量検出装置の測定精度は年々劣化していた。
【０００５】
なお、特許文献１には、アンプ、スイッチングトランジスタの影響を除去する構成が示されているが、微細なセンサ信号を大幅に回路増幅する場合の回路経時変化のキャンセルは困難であり、場合によっては、温度特性あるいは経時変動を抑制することが困難になる可能性があった。
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、回路の経年変化を抑制し得る容量式物理量検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、例えば、図２中に示すように、 物理量の変化に応じて変位する可動電極及び前記可動電極１１ａ、１１ｂに対向して配置された固定電極１２ａ、１２ｂから成る容量式物理量検出センサと、
一方の入力が前記可動電極１１ａ、１１ｂに接続され、他方の入力が定電位ＶＮに接続された第１差動増幅器と、該第１差動増幅器２２の前記一方の入力と出力とに並列に接続されたキャパシタンス２４と、当該第１差動増幅器２２の前記一方の入力と出力とを短絡するスイッチ２６とから成り、前記可動電極１１ａ、１１ｂと前記固定電極１２ａ、１２ｂからなる容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路２０と、
前記Ｃ−Ｖ変換回路２０の出力側に接続された増幅器４０を備え、前記Ｃ−Ｖ変換回路２０の出力電圧を信号処理して前記物理量の変化に応じた信号を出力する信号処理回路３０、４０と、
前記信号処理回路３０、４０の出力側に接続された第１サンプルホールド回路５１ａ、第２サンプルホールド回路５１ｃと、
前記第１サンプルホールド回路５１ａと前記第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する第２差動増幅器５４とを備え、
前記スイッチ２６により前記第１差動増幅器２２の入出力を短絡した際の、前記信号処理回路３０、４０の出力を前記第２サンプルホールド回路５１ｃに保持し、前記スイッチ２６により前記第１差動増幅器２２を短絡しない際の出力を前記第１サンプルホールド回路５１ａに保持して、前記第２差動増幅器５４により、前記第１サンプルホールド回路５１ａと前記第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力することを技術的特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、例えば、図４中に示すように、物理量の変化に応じて変位する可動電極１１ａ、１１ｂ及び前記可動電極１１ａ、１１ｂに対向して配置された固定電極１２ａ、１２ｂから成る容量式物理量検出センサ１０と、
一方の入力が前記可動電極１１ａ、１１ｂに接続され、他方の入力が定電位ＶＮに接続された第１差動増幅器２２と、該第１差動増幅器２２の前記一方の入力と出力とに並列に接続されたキャパシタンス２４と、当該第１差動増幅器２２の前記一方の入力と出力とを短絡するスイッチ２６とから成り、前記可動電極１１ａ、１１ｂと前記固定電極１２ａ、１２ｂからなる容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路２０と、
前記Ｃ−Ｖ変換回路２０の出力側に接続された第３サンプルホールド回路３１α、第４サンプルホールド回路３１γと、
前記第３サンプルホールド回路３１αと前記第４サンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力する第３差動増幅器３４と、
前記第３差動増幅器３４の出力を増幅する増幅器４０と、
前記増幅器４０の出力側に接続された第１サンプルホールド回路５１ａ、第２サンプルホールド回路５１ｃと、
前記第１サンプルホールド回路５１ａと前記第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する第２差動増幅器５４とを備え、
前記スイッチ２６により前記第１差動増幅器２２の入出力を短絡した際の、前記Ｃ−Ｖ変換回路２０の出力を前記第４サンプルホールド回路３１γで保持し、前記増幅器の出力を前記第２サンプルホールド回路５１ｃに保持し、前記スイッチ２６により前記第１差動増幅器２２を短絡しない際の前記Ｃ−Ｖ変換回路２０の出力を前記第３サンプルホールド回路３１αで保持し、前記増幅器４０の出力を前記第１サンプルホールド回路５１ａに保持して、前記第３差動増幅器３４により前記第３サンプルホールド回路３１αと前記第４サンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力し、前記第２差動増幅器５４により前記第１サンプルホールド回路５１ａと前記第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力することを技術的特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、例えば、図６中に示すように、物理量の変化に応じて変位する可動電極１１ａ、１１ｂ及び前記可動電極１１ａ、１１ｂに対向して配置された固定電極１２ａ、１２ｂから成る第１容量式物理量検出センサ１０Ａと第２容量式物理量検出センサ１０Ｂと、
一方の入力が前記可動電極１１ａ、１１ｂに接続され、他方の入力が定電位ＶＮに接続された第１差動増幅器２２と、該第１差動増幅器２２の前記一方の入力と出力とに並列に接続されたキャパシタンス２４と、当該第１差動増幅器２２の前記一方の入力と出力とを短絡するスイッチ２６とから成り、前記可動電極１１ａ、１１ｂと前記固定電極１２ａ、１２ｂからなる容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路２０と、
前記Ｃ−Ｖ変換回路２０の出力側に接続された第３サンプルホールド回路３１α、第４サンプルホールド回路３１γ、第５サンプルホールド回路３１βと、
前記第３サンプルホールド回路３１αと前記第４サンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力する第３差動増幅器３４αと、
前記第５サンプルホールド回路３１βと前記第４サンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力する第４差動増幅器３４Ｂと、
前記第３差動増幅器３４Ａの出力を増幅する第１増幅器４０Ａと、
前記第４差動増幅器３４Ｂの出力を増幅する第２増幅器４０Ｂと、
前記第１増幅器４０Ａの出力側に接続された第１サンプルホールド回路５１ａ、第２サンプルホールド回路５１ｃと、
前記第２増幅器４０Ｂの出力側に接続された第６サンプルホールド回路５１ｂ及び前記第２サンプルホールド回路５１ｃと、
前記第１サンプルホールド回路５１ａと前記第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する第２差動増幅器５４Ａと、
前記第６サンプルホールド回路５１ｂと前記第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する第５差動増幅器５４Ｂとを備え、
前記スイッチ２６により前記第１差動増幅器２２の入出力を短絡した際の、前記Ｃ−Ｖ変換回路２０の出力を前記第４サンプルホールド回路３１γで保持し、前記第１増幅器４０Ａ又は第２増幅器４０Ｂの出力を前記第２サンプルホールド回路５１ｃに保持し、
前記スイッチ２６により前記第１差動増幅器２２を短絡しない際の第１容量式物理量検出センサ１０Ａ側の前記Ｃ−Ｖ変換回路２０の出力を前記第３サンプルホールド回路３１αで保持し、前記第１増幅器４０Ａの出力を前記第１サンプルホールド回路５１ａに保持して、前記第３差動増幅器３４Ａにより前記第３サンプルホールド回路３１αと前記第４サンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力し、前記第２差動増幅器５４Ａにより前記第１サンプルホールド回路５１ａと前記第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力し、
前記スイッチ２６により前記第１差動増幅器２２を短絡しない際の第２容量式物理量検出センサ１０Ｂ側の前記Ｃ−Ｖ変換回路２０の出力を前記第５サンプルホールド回路３１βで保持し、前記第２増幅器４０Ｂの出力を前記第６サンプルホールド回路５１ｂに保持して、前記第４差動増幅器３４Ｂにより前記第５サンプルホールド回路３１βと前記第４サンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力し、前記第５差動増幅器５４Ｂにより前記第６サンプルホールド回路５１ｂと前記第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力することを技術的特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、例えば、図８中に示すように、物理量の変化に応じて変位する可動電極１１ａ、１１ｂ及び前記可動電極１１ａ、１１ｂに対向して配置された固定電極１２ａ、１２ｂから成る第１容量式物理量検出センサ１０Ａと第２容量式物理量検出センサ１０Ｂと、
一方の入力が前記可動電極１１ａ、１１ｂに接続され、他方の入力が定電位ＶＮに接続された第１差動増幅器２２と、該第１差動増幅器２２の前記一方の入力と出力とに並列に接続されたキャパシタンス２４と、当該第１差動増幅器２２の前記一方の入力と出力とを短絡するスイッチ２６とから成り、前記可動電極１１ａ、１１ｂと前記固定電極１２ａ、１２ｂからなる容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路２０と、
前記Ｃ−Ｖ変換回路２０の出力側に接続された第３サンプルホールド回路３１α、第４サンプルホールド回路３１γと、
前記第３サンプルホールド回路３１αと前記第４サンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力する第３差動増幅器３４と、
前記第３差動増幅器３４の出力を増幅する増幅器４０と、
前記増幅器４０の出力側に接続された第１サンプルホールド回路５１ａ、第２サンプルホールド回路５１ｃ、第５サンプルホールド回路５１ｂと、
前記第１サンプルホールド回路５１ａと前記第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する第２差動増幅器５４Ａと、
前記第５サンプルホールド回路５１ｂと前記第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する第４差動増幅器５４Ｂとを備え、
前記スイッチ２６により前記第１差動増幅器２２の入出力を短絡した際の、前記Ｃ−Ｖ変換回路２０の出力を前記第４サンプルホールド回路３１γで保持し、前記増幅器４０の出力を前記第２サンプルホールド回路５１ｃに保持し、
前記スイッチ２６により前記第１差動増幅器２２を短絡しない際の前記Ｃ−Ｖ変換回路２０の出力を前記第３サンプルホールド回路３１αで保持して、前記第３差動増幅器３４により前記第３サンプルホールド回路３１αと前記第４サンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力し、
第１容量式物理量検出センサ１０Ａ側からの前記増幅器の出力を前記第１サンプルホールド回路５１ａに保持して、前記第２差動増幅器５４Ａにより前記第１サンプルホールド回路５１ａと前記第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力し、
第２容量式物理量検出センサ１０Ｂ側からの前記増幅器４０の出力を前記第５サンプルホールド回路５１ｂに保持して、前記第４差動増幅器５４Ｂにより前記第５サンプルホールド回路５１ｂと前記第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力することを技術的特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明は、例えば、図９中に示すように、物理量の変化に応じて変位する可動電極１１ａ、１１ｂ及び前記可動電極１１ａ、１１ｂに対向して配置された固定電極１２ａ、１２ｂから成る第１容量式物理量検出センサ１０Ａと第２容量式物理量検出センサ１０Ｂと、
一方の入力が前記可動電極１１ａ、１１ｂに接続され、他方の入力が定電位ＶＮに接続された第１差動増幅器２２と、該第１差動増幅器２２の前記一方の入力と出力とに並列に接続されたキャパシタンス２４と、当該第１差動増幅器２２の前記一方の入力と出力とを短絡するスイッチ２６とから成り、前記可動電極１１ａ、１１ｂと前記固定電極１２ａ、１２ｂからなる容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路２０と、
前記Ｃ−Ｖ変換回路２０の出力側に接続された第３サンプルホールド回路３１α、第４サンプルホールド回路３１γと、
前記第３サンプルホールド回路３１αと前記第４サンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力する第３差動増幅器３４と、
前記第３差動増幅器３４の出力を増幅する増幅器４０と、
前記増幅器４０の出力側に接続された第１サンプルホールド回路５１ａ、第２サンプルホールド回路５１ｃと、
前記第１サンプルホールド回路５１ａと前記第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する第２差動増幅器５４と、
前記スイッチ２６により前記第１差動増幅器２２の入出力を短絡した際の、前記Ｃ−Ｖ変換回路２０の出力を前記第４サンプルホールド回路３１γで保持し、前記増幅器４０の出力を前記第２サンプルホールド回路５１ｃに保持し、
前記スイッチ２６により前記第１差動増幅器２２を短絡しない際の前記Ｃ−Ｖ変換回路２０の出力を前記第３サンプルホールド回路３１αで保持して、前記第３差動増幅器３４により前記第３サンプルホールド回路３１αと前記第４サンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力し、
前記増幅器４０の出力を前記第１サンプルホールド回路５１ａに保持して、前記第２差動増幅器５４により前記第１サンプルホールド回路５１ａと前記第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力することを技術的特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の容量式物理量検出装置では、スイッチ２６により第１差動増幅器２２の入出力を短絡させて当該第１差動増幅器２２（即ち、Ｃ−Ｖ変換回路２０）から定電位ＶＮを出力させ、この定電位ＶＮが信号処理回路４０で増幅された出力（ＶＮ＋Ｖｇ）を第２サンプルホールド回路５１ｃに保持する。この第２サンプルホールド回路５１ｃの保持値は、定電位ＶＮに信号処理回路４０のゲインを加算した値（ＶＮ＋Ｖｇ）になる。そして、スイッチ２６により第１差動増幅器２２を短絡しない際の出力（即ち、信号出力）を第１サンプルホールド回路５１ａに保持して、第２差動増幅器５４により、第１サンプルホールド回路５１ａと第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する。このため、経年変化により信号処理回路３０、４０のゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすることができる。更に、温度変化によって信号処理回路３０、４０のゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすことができる。
【００１３】
請求項２の容量式物理量検出装置では、スイッチ２６により第１差動増幅器２２の入出力を短絡させて当該第１差動増幅器２２（即ち、Ｃ−Ｖ変換回路２０）から定電位ＶＮを出力させ、この定電位を第４サンプルホールド回路３１γで保持し、また、定電位ＶＮが増幅器４０で増幅された出力を第２サンプルホールド回路５１ｃに保持する。この第４サンプルホールド回路３１γの保持値は定電位であり、第２サンプルホールド回路５１ｃの保持値は、定電位に増幅器４０のゲインを加算したものになる。そして、スイッチ２６により第１差動増幅器２２を短絡しない際の出力（即ち、信号出力）を第３サンプルホールド回路３１αに保持し、第３差動増幅器３４により、第３サンプルホールド回路３１αと第４サンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力し、この出力を増幅器４０で増幅した値を第１サンプルホールド回路５１ａに保持して、第２差動増幅器５４により、第１サンプルホールド回路５１ａと第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する。このため、経年変化によりＣ−Ｖ変換回路２０、増幅器４０のゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすることができる。更に、温度変化によってＣ−Ｖ変換回路２０、増幅器４０のゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすことができる。
【００１４】
請求項３の容量式物理量検出装置では、スイッチ２６により第１差動増幅器２２の入出力を短絡させて当該第１差動増幅器２２（即ち、Ｃ−Ｖ変換回路２０）から定電位ＶＮを出力させ、この定電位ＶＮを第４サンプルホールド回路３１γで保持し、また、定電位ＶＮが増幅器４０Ａ、４０Ｂで増幅された出力を第２サンプルホールド回路５１ｃに保持する。この第４サンプルホールド回路３１γの保持値は定電位ＶＮであり、第２サンプルホールド回路５１ｃの保持値は、定電位ＶＮに増幅器４０Ａ、４０Ｂのゲインを加算したものになる。そして、スイッチ２６により第１差動増幅器２２を短絡しない際の第１容量式物理量検出センサ１０Ａ側出力（即ち、第１容量式物理量検出センサ１０Ａ側信号出力）を第３サンプルホールド回路３１αに保持し、第３差動増幅器３４Ａにより、第３サンプルホールド回路３１αと第４サンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力し、この出力を第１増幅器４０Ａで増幅した値を第１サンプルホールド回路５１ａに保持して、第２差動増幅器５４Ａにより、第１サンプルホールド回路５１ａと第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する。同様に、スイッチ２６により第１差動増幅器２２を短絡しない際の第２容量式物理量検出センサ１０Ｂ側出力（即ち、第２容量式物理量検出センサ１０Ｂ側信号出力）を第５サンプルホールド回路３１βに保持し、第４差動増幅器３４Ｂにより、第５サンプルホールド回路３１βと第４サンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力し、この出力を第２増幅器４０Ｂで増幅した値を第６サンプルホールド回路５１ｂに保持して、第５差動増幅器５４Ｂにより、第６サンプルホールド回路５１ｂと第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する。このため、経年変化によりＣ−Ｖ変換回路２０、第１増幅器４０Ａ、第２増幅器４０Ｂのゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすることができる。更に、温度変化によってＣ−Ｖ変換回路２０、第１増幅器４０Ａ、第２増幅器４０Ｂのゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすことができる。なお、請求項３では、第１容量式物理量検出センサ１０Ａと第２容量式物理量検出センサ１０Ｂで第４サンプルホールド回路３１γ及び第２サンプルホールド回路５１ｃを共用するため回路構成を簡略化できる。
【００１５】
請求項４の容量式物理量検出装置では、スイッチ２６により第１差動増幅器２２の入出力を短絡させて当該第１差動増幅器２２（即ち、Ｃ−Ｖ変換回路２０）から定電位ＶＮを出力させ、この定電位ＶＮを第４サンプルホールド回路３１γで保持し、また、定電位ＶＮが増幅器４０で増幅された出力を第２サンプルホールド回路５１ｃに保持する。この第４サンプルホールド回路３１γの保持値は定電位ＶＮであり、第２サンプルホールド回路５１ｃの保持値は、定電位ＶＮに増幅器４０のゲインを加算したものになる。そして、スイッチ２６により第１差動増幅器２２を短絡しない際の第１容量式物理量検出センサ１０Ａ側出力（即ち、第１容量式物理量検出センサ１０Ａ側信号出力）を第３サンプルホールド回路３１αに保持し、第３差動増幅器３４により、第３サンプルホールド回路３１αと第４サンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力し、この出力を増幅器４０で増幅した値を第１サンプルホールド回路５１ａに保持して、第２差動増幅器５４Ａにより、第１サンプルホールド回路５１ａと第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する。同様に、スイッチ２６により第１差動増幅器２２を短絡しない際の第２容量式物理量検出センサ１０Ｂ側出力（即ち、第２容量式物理量検出センサ１０Ｂ側信号出力）を第３サンプルホールド回路３１αに保持し、第３差動増幅器３４により、第３サンプルホールド回路３１αと第４サンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力し、この出力を増幅器４０で増幅した値を第５サンプルホールド回路５１ｂに保持して、第４差動増幅器５４Ｂにより、第５サンプルホールド回路５１ｂと第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する。このため、経年変化によりＣ−Ｖ変換回路２０、増幅器４０のゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすることができる。更に、温度変化によってＣ−Ｖ変換回路２０、増幅器４０のゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすことができる。なお、請求項４では、第１容量式物理量検出センサ１０Ａと第２容量式物理量検出センサ１０Ｂで第３サンプルホールド回路３１α、第４サンプルホールド回路３１γ、増幅器４０及び第２サンプルホールド回路５１ｃを共用するため回路構成を簡略化できる。
【００１６】
請求項５の容量式物理量検出装置では、スイッチ２６により第１差動増幅器２２の入出力を短絡させて当該第１差動増幅器２２（即ち、Ｃ−Ｖ変換回路２０）から定電位ＶＮを出力させ、この定電位ＶＮを第４サンプルホールド回路３１γで保持し、また、定電位ＶＮが増幅器４０で増幅された出力を第２サンプルホールド回路５１ｃに保持する。この第４サンプルホールド回路３１γの保持値は定電位であり、第２サンプルホールド回路５１ｃの保持値は、定電位に増幅器４０のゲインを加算したものになる。そして、スイッチ２６により第１差動増幅器２２を短絡しない際の第１容量式物理量検出センサ１０Ａ、第２容量式物理量検出センサ１０Ｂ側出力（即ち、第１容量式物理量検出センサ１０Ａ側及び第２容量式物理量検出センサ１０Ｂ側信号出力）を第３サンプルホールド回路３１αに保持し、第３差動増幅器３４により、第３サンプルホールド回路３１αと第４サンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力し、この出力を増幅器４０で増幅した値を第１サンプルホールド回路５１ａに保持して、第２差動増幅器５４により、第１サンプルホールド回路５１ａと第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する。このため、経年変化によりＣ−Ｖ変換回路２０、増幅器４０のゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすることができる。更に、温度変化によってＣ−Ｖ変換回路２０、増幅器４０のゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすことができる。なお、請求項５では、第１容量式物理量検出センサ１０Ａと第２容量式物理量検出センサ１０Ｂで第３サンプルホールド回路３１α、第４サンプルホールド回路３１γ、増幅器４０、第１サンプルホールド回路５１ａ、第２サンプルホールド回路５１ｃを共用するため回路構成を簡略化できる。
【００１７】
請求項６では、第２差動増幅器５４の出力側にフィルタ７０を配置してあるため、時定数を有するフィルタ７０によって、上記第２差動増幅器５４による増幅器４０のゲイン等の特性の経年変化のキャンセルが阻害されることがない。
【００１８】
請求項７では、第２差動増幅器５４Ａ及び第５差動増幅器５４Ｂの出力側にフィルタ７０Ａ、７０Ｂを配置してあるため、時定数を有するフィルタ７０Ａ、７０Ｂによって、上記第２差動増幅器５４Ａ及び第５差動増幅器５４Ｂによる増幅器４０Ａ、４０Ｂのゲイン等の特性の経年変化のキャンセルが阻害されることがない。
【００１９】
請求項８では、第２差動増幅器５４Ａ及び第４差動増幅器５４Ｂの出力側にフィルタ７０Ａ、７０Ｂを配置してあるため、時定数を有するフィルタ７０Ａ、７０Ｂによって、上記第２差動増幅器５４Ａ及び第４差動増幅器５４Ｂによる増幅器４０のゲイン等の特性の経年変化のキャンセルが阻害されることがない。
【００２０】
請求項９では、可動電極１１ａ、１１ｂ及び可動電極１１ａ、１１ｂへ交互に印加するパルスＰ１、Ｐ２の所定累乗毎に、スイッチ２６により第１差動増幅器２２の入出力を短絡する。このため、制御が容易に行い得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
[第１実施形態]
本発明の第１実施形態に係る半導体式の容量式加速度センサの一部断面斜視図を図１に示す。また、図２に、容量式加速度センサの回路構成を示す。以下、図１、図２に基づいて加速度センサの構成を説明する。
【００２２】
図１に示すように、容量式加速度センサは、可動電極１１ａ、１１ｂ及び固定電極１２ａ、１２ｂを備えたセンサエレメント１０より成る。センサエレメント１０は、半導体基板にて形成された梁構造体を有する構造となっており、この梁構造体によって可動電極１１ａ、１１ｂ及び固定電極１２ａ、１２ｂが構成されている。そして、対向配置された可動電極１１ａ、１１ｂと固定電極１２ａ、１２ｂとによって差動の容量を構成し、各固定電極１２ａ、１２ｂに対して互いに反転する電圧を周期的に印加することで、可動電極１１ａ、１１ｂの変位に応じた差動容量変化に基づく加速度検出が行われるようになっている。
【００２３】
図２に、その検出回路の具体的な構成を示す。検出回路は、Ｃ−Ｖ変換回路２０、サンプルホールド回路３０、増幅アンプ４０、自己補正回路５０、フィルタアンプ（ローパスフィルタ）７０、タイミング発生回路６０から構成されている。
【００２４】
Ｃ−Ｖ変換回路２０は、可動電極１１ａ、１１ｂと固定電極１２ａ、１２ｂからなる差動容量の変化を電圧に変換するもので、第１差動増幅器２２、コンデンサ２４、およびスイッチ２６から構成されている。第１差動増幅器２２の反転入力端子は、可動電極１１ａ、１１ｂに接続されており、反転入力端子と出力端子との間には、コンデンサ２４およびスイッチ２６が並列に接続されている。また、第１差動増幅器２２の非反転入力端子には、Ｖ（可動電極１１ａ、１１ｂと固定電極１２ａ、１２ｂに印加される電位（振幅））／２の電圧ＶＮが入力される。
【００２５】
サンプルホールド回路３０は、Ｃ−Ｖ変換回路２０の出力電圧をサンプリングして一定期間保持し、増幅アンプ４０は、サンプルホールド回路３０の出力電圧を所定の感度まで増幅し、自己補正回路５０は、増幅アンプ４０の特性変化を打ち消し、フィルタアンプ７０は、増幅アンプ４０の出力電圧から所定の周波数帯域の成分のみを取り出して、加速度検出信号を出力する。
【００２６】
自己補正回路５０は、Ａサンプルホールド回路５１ａとＣサンプルホールド回路５１ｃと第２差動増幅器５４とから成り、Ａサンプルホールド回路５１ａの出力が第２差動増幅器５４の非反転入力端子へ接続され、Ｃサンプルホールド回路５１ｃの出力が反転入力端子に接続されている。
【００２７】
タイミング発生回路６０は、基準クロックＣＬＫに基づいて、固定電極１２ａ、１２ｂに印加する振幅Ｖの搬送波信号Ｐ１、Ｐ２およびスイッチ２６、サンプルホールド回路３０、Ａサンプルホールド回路５１ａ、Ｃサンプルホールド回路５１ｃを作動させる動作タイミング信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４をそれぞれ生成して出力する。スイッチ２６は、半導体スイッチ等で構成されており、タイミング発生回路６０からのタイミング信号Ｓ１がハイレベルのとき閉成する。
【００２８】
上記構成においてその作動を、図３に示す信号波形図を参照して説明する。タイミング発生回路６０から出力される搬送波信号Ｐ１、Ｐ２は、図３に示すように、３つの期間（φ１〜φＣ）でハイレベル（Ｈｉ）とローレベル（Ｌｏ）が変化する一定振幅の矩形波信号となっており、搬送波信号Ｐ２は、搬送波信号Ｐ１に対して電圧レベルが反転した信号となっている。この実施形態においては、第１、第２の期間φ１、φ２が容量変化を検出するための期間で、第３のφＣがＣサンプルホールド回路５１ｃに増幅アンプ４０の補正値を保持させるための期間となっている。ここで、タイミング信号Ｓ２はハイレベルの時にサンプルホールド回路３０を動作させ、タイミング信号Ｓ３はハイレベルの時にＡサンプルホールド回路５１ａを動作させ、タイミング信号Ｓ４はハイレベルの時にＣサンプルホールド回路５１ｃを動作させる。
【００２９】
まず、第３の期間φＣでのＣサンプルホールド回路５１ｃに増幅アンプ４０の補正値を保持させる動作について説明する。
第３の期間φＣでは、搬送波信号Ｐ１、搬送波信号Ｐ２は共にＬｏになっている。また、タイミング発生回路６０からのタイミング信号Ｓ１によりスイッチ２６は閉、タイミング信号Ｓ４によりＣサンプルホールド回路５１ｃが作動するようになっている。このことにより、第１差動増幅器２２の非反転入力端子にＶ／２（ＶＮ）の電圧が印加され、スイッチ２６の閉によりインピーダンス変換回路として動作する第１差動増幅器２２の出力端子からはＶ／２（ＶＮ）の電位が出力される。
【００３０】
タイミング発生回路６０からのタイミング信号Ｓ２により、このＶ／２がサンプルホールド回路３０にて保持され、増幅アンプ４０により増幅され、Ｖ／２＋Ｖｇ（増幅アンプ４０のゲイン分）が出力される。増幅アンプ４０からの出力は、タイミング信号Ｓ４により、Ｃサンプルホールド回路５１ｃに当該Ｖ／２＋Ｖｇの値が保持される。
【００３１】
引き続き、通常動作時の作動について参照して説明する。第１の期間φ１では、搬送波信号Ｐ１はＨｉ、搬送波信号Ｐ２はＬｏになっている。また、タイミング発生回路６０からのタイミング信号Ｓ１により、スイッチ２６は閉になっている。このことにより、第１差動増幅器２２の非反転入力端子にＶ／２のＶＮ電圧が印加され、可動電極１１ａ、１１ｂにＶ／２の電圧が印加されるとともに、コンデンサ２４の電荷が放電される。
【００３２】
この状態において、可動電極１１ａと固定電極１２ａの間には、Ｑ１＝−Ｃ１・Ｖ／２という電荷がたまる。−の符号は可動電極１１ａ、１１ｂの固定電極１２ａ側の表面に負の電荷がたまることを意味している。また、可動電極１１ｂと固定電極１２ｂの間には、Ｑ２＝Ｃ２・Ｖ／２という電荷がたまる。第２の期間φ２においては、搬送波信号Ｐ１、Ｐ２の電圧レベルが反転（Ｐ１がＬｏ、Ｐ２がＨｉ）し、スイッチ２６が開くとともにサンプルホールド回路３０にタイミング信号Ｓ２が加えられる。
【００３３】
このとき、可動電極１１ａと固定電極１２ａ間にはＱ１’＝Ｃ１・Ｖ／２という電荷がたまり、可動電極１１ｂと固定電極１２ｂ間にはＱ２’＝−Ｃ２・Ｖ／２という電荷がたまる。φ１のときに可動電極１１ａ、１１ｂにたまっていた電荷（Ｑ１＋Ｑ２）とφ２のときに可動電極１１ａ、１１ｂにたまっていた電荷（Ｑ１’＋Ｑ２’）の差ΔＱは、ΔＱ＝（Ｑ１＋Ｑ２）−（Ｑ１’＋Ｑ２’）＝−（Ｃ１−Ｃ２）Ｖとなる。
【００３４】
ここで、差動容量Ｃ１、Ｃ２が異なっていると、ΔＱという電荷が可動電極１１ａ、１１ｂに生じるが、第１差動増幅器２２の作用によって可動電極１１ａ、１１ｂの電圧はＶ／２に保持されるため、ΔＱの電荷は、コンデンサ２４の可動電極１１ａ、１１ｂ側にたまり、コンデンサ２４の反対側の電極には、逆の極性の電荷ΔＱ’＝（Ｃ１−Ｃ２）Ｖがたまる。その結果、第１差動増幅器２２の出力端子にΔＱ’／Ｃｆ＋Ｖ／２＝（Ｃ１−Ｃ２）Ｖ／Ｃｆ＋Ｖ／２という電圧が生じ、容量の差（Ｃ１−Ｃ２）に応じた電圧が出力される。
【００３５】
この電圧はサンプルホールド回路３０にてサンプルホールドされ、増幅アンプ４０で増幅される。この通常動作時にはタイミング信号Ｓ３によりＡサンプルホールド回路５１ａが増幅アンプ４０側からの出力をサンプルホールドし、第２差動増幅器５４によって、Ａサンプルホールド回路５１ａ側の出力と、上述したＣサンプルホールド回路５１ｃに保持された増幅アンプ４０の補正値（Ｖ／２＋Ｖｇ）との差分が、第２差動増幅器５４により出力されて、フィルタアンプ７０を介して加速度検出信号として出力される。すなわち、サンプルホールド回路３０は、φ２の期間において第１差動増幅器２２の出力電圧をサンプリングし、それ以外の期間ではサンプリングした電圧を保持する。そして、このサンプルホールド回路３０からの出力電圧により、増幅アンプ４０、自己補正回路５０、フィルタアンプ７０を介して加速度検出信号が出力される。
【００３６】
第１実施形態の容量式加速度センサでは、スイッチ２６により第１差動増幅器２２の入出力を短絡させて当該第１差動増幅器２２（即ち、Ｃ−Ｖ変換回路２０）から定電位ＶＮを出力させ、この定電位ＶＮが増幅アンプ４０で増幅された出力（ＶＮ＋Ｖｇ）を第２サンプルホールド回路５１ｃに保持する。この第２サンプルホールド回路５１ｃの保持値は、定電位ＶＮに増幅アンプ４０のゲインを加算した値（ＶＮ＋Ｖｇ）になる。そして、スイッチ２６により第１差動増幅器２２を短絡しない際の出力（即ち、信号出力）を第１サンプルホールド回路５１ａに保持して、第２差動増幅器５４により、第１サンプルホールド回路５１ａと第２サンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する。このため、経年変化により増幅アンプ４０のゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすることができる。更に、温度特性を補正するための回路を設けることなく、温度変化によって増幅アンプ４０のゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすことができる。
【００３７】
更に、第１実施形態の容量式加速度センサでは、第２差動増幅器５４の出力側にフィルタアンプ７０を配置してあるため、時定数を有するフィルタアンプ７０によって、上記第２差動増幅器５４による増幅アンプ４０のゲイン等の特性の経年変化のキャンセルが阻害されることがない。
【００３８】
また、第１実施形態では、可動電極１１ａ、１１ｂ及び固定電極１２ａ、１２ｂへ交互に印加するパルスＰ１、Ｐ２の累乗（この例では２の自乗：４）毎の期間φＣに、スイッチ２６により第１差動増幅器２０の入出力を短絡して、増幅アンプ４０の補正値をＣサンプルホールド回路５１ｃに保持させる。このため、制御が容易に行い得る。この例では、パルスＰ１、Ｐ２の４回毎に、補正値をＣサンプルホールド回路５１ｃに保持させたが、８回毎、１６回毎、３２回毎、或いは、６４回毎に保持させることも好適である。
【００３９】
[第２実施形態]
図４を参照して本発明の第２実施形態に係る容量式加速度センサの回路構成について説明する。
第２実施形態の回路構成は、図２を参照して上述した第１実施形態と同様である。但し、第２実施形態では、サンプルホールド回路３０が、センサエレメント側からの信号電位を保持するαサンプルホールド回路３１ｂと、Ｃ−Ｖ変換回路２０の補正値を保持するγサンプルホールド回路３１γと、αサンプルホールド回路３１ｂとγサンプルホールド回路３１γとの差分を出力する第３差動増幅器３４とから構成されている。
【００４０】
この第２実施形態では、上述した第１実施形態において期間φＣで、Ｃサンプルホールド回路５１ｃに増幅アンプ４０の補正値を保持すると同時に、γサンプルホールド回路３１γでＣ−Ｖ変換回路２０の補正値を保持する。そして、通常の動作時には、第３差動増幅器３４から、αサンプルホールド回路３１ｂとγサンプルホールド回路３１γとの差分が出力される。
【００４１】
第２実施形態の容量式物理量検出センサでは、スイッチ２６により第１差動増幅器２２の入出力を短絡させて当該第１差動増幅器２２（即ち、Ｃ−Ｖ変換回路２０）から定電位ＶＮを出力させ、この定電位ＶＮをγサンプルホールド回路３１γで保持し、また、定電位ＶＮが増幅アンプ４０で増幅された出力をＣサンプルホールド回路５１ｃに保持する。このγサンプルホールド回路３１γの保持値は定電位ＶＮであり、Ｃサンプルホールド回路５１ｃの保持値は、定電位ＶＮに増幅アンプ４０のゲインを加算した（ＶＮ＋Ｖｇ）の値になる。そして、スイッチ２６により第１差動増幅器２２を短絡しない際の出力（即ち、信号出力）をαサンプルホールド回路３１αに保持し、第３差動増幅器３４により、αサンプルホールド回路３１αとγサンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力し、この出力を増幅アンプ４０で増幅した値をＡサンプルホールド回路５１ａに保持して、第２差動増幅器５４により、Ａサンプルホールド回路５１ａとＣサンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する。このため、経年変化によりＣ−Ｖ変換回路２０、増幅アンプ４０のゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすることができる。更に、温度変化によってＣ−Ｖ変換回路２０、増幅アンプ４０のゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすことができる。
【００４２】
[第３実施形態]
図５〜図７を参照して本発明の第３実施形態に係る容量式物理量検出センサについて説明する。
第１実施形態は、１軸（Ｘ軸）の容量式物理量検出センサに本発明の構成を適用した。これに対して、第３実施形態では、２軸（Ｘ軸、Ｙ軸）の容量式物理量検出センサに本発明の構成を適用する。第３実施形態に係る半導体式の容量式加速度センサの一部断面斜視図を図５に示す。また、図６に、容量式加速度センサの回路構成を示す。
【００４３】
第３実施形態の加速度センサは、Ｘ軸における加速度検出を行う第１の検出部と、Ｘ軸と直交するＹ軸における加速度検出を行う第２の検出部とを備えた構成となっている。そして、この加速度センサは、例えば図５に示すＸ軸が車両前後方向、Ｙ軸が車両左右方向と一致するように車両に組み付けられる。
【００４４】
図５に示すように、第１の検出部は、可動電極１１ａ、１１ｂ及び固定電極１２ａ、１２ｂを備えたセンサエレメント１０Ａと、可動電極１１ａ、１１ｂと固定電極１２ａ、１２ｂによる差動容量の変化に基づいて加速度を検出する構成となっている。また、第２の検出部は、可動電極１１ｃ、１１ｄ及び固定電極１２ｃ、１２ｄを備えたセンサエレメント１０Ｂと、可動電極１１ｃ、１１ｄと固定電極１２ｃ、１２ｄによる差動容量の変化に基づいて加速度を検出する構成となっている。そして、センサエレメント１０Ａ、１０Ｂは、別チップで構成されている。
【００４５】
各センサエレメント１０Ａ、１０Ｂは、半導体基板にて形成された梁構造体を有する構造となっており、この梁構造体によって可動電極１１ａ〜１１ｄ及び固定電極１２ａ〜１２ｄが構成されている。そして、対向配置された可動電極１１ａ〜１１ｄと固定電極１２ａ〜１２ｄとによって差動の容量を構成し、各固定電極１２ａ〜１２ｄに対して互いに反転する電圧を周期的に印加することで、可動電極１１ａ〜１１ｄの変位に応じた差動容量変化に基づく加速度検出が行われるようになっている。
【００４６】
図６に、その検出回路の具体的な構成を示す。検出回路は、センサエレメント１０Ａを選択するセレクタ６１、センサエレメント１０Ｂを選択するセレクタ６２、第１実施形態と同様な構成のＣ−Ｖ変換回路２０、サンプルホールド回路３０、増幅アンプ４０Ａ、４０Ｂ、自己補正回路５０、第１実施形態と同様な構成のフィルタアンプ（ローパスフィルタ）７０Ａ、７０Ｂ、タイミング発生回路６０から構成されている。
【００４７】
Ｃ−Ｖ変換回路２０の出力電圧をサンプリングして一定期間保持するサンプルホールド回路３０は、センサエレメント１０Ａ側の出力をサンプルホールドするαサンプルホールド回路３１ａと、Ｃ−Ｖ変換回路２０の補正値を保持するγサンプルホールド回路３１γと、センサエレメント１０Ｂ側の出力をサンプルホールドするβサンプルホールド回路３１βと、第３差動増幅器３４Ａ、第４差動増幅器３４Ｂとから成る。αサンプルホールド回路３１αの出力が第３差動増幅器３４Ａの非反転入力端子へ接続され、γサンプルホールド回路３１γの出力が反転入力端子に接続されている。βサンプルホールド回路３１βの出力が第４差動増幅器３４Ｂの非反転入力端子へ接続され、γサンプルホールド回路３１γの出力が反転入力端子に接続されている。
【００４８】
第１増幅アンプ４０Ａは第３差動増幅器３４Ａの出力を増幅し、第２増幅アンプ４０Ｂは第４差動増幅器３４Ｂの出力を増幅する。
【００４９】
増幅アンプ４０の特性変化を打ち消す自己補正回路５０は、センサエレメント１０Ａ側の増幅アンプ４０Ａを選択するセレクタ６３と、センサエレメント１０Ｂ側の増幅アンプ４０Ｂを選択するセレクタ６４と、センサエレメント１０Ａ側の増幅アンプ４０Ａ側の出力をサンプルホールドするＡサンプルホールド回路５１ａと、増幅アンプ４０Ａ、増幅アンプ４０Ｂの補正値を保持するＣサンプルホールド回路５１ｃと、センサエレメント１０Ｂ側の増幅アンプ４０Ｂの出力をサンプルホールドするＢサンプルホールド回路５１ｂと、第２差動増幅器３４Ａ、第４差動増幅器３４Ｂとから成る。Ａサンプルホールド回路５１ａの出力が第２差動増幅器５４ａの非反転入力端子へ接続され、Ｃサンプルホールド回路５１ｃの出力が反転入力端子に接続されている。Ｂサンプルホールド回路５１ｂの出力が第５差動増幅器５４ｂの非反転入力端子へ接続され、Ｃサンプルホールド回路５１ｃの出力が反転入力端子に接続されている。
【００５０】
タイミング発生回路６０は、基準クロックＣＬＫに基づいて、センサエレメント１０Ａ側の固定電極１２ａ、１２ｂに印加する振幅Ｖの搬送波信号Ｐ１、Ｐ２、センサエレメント１０Ｂ側の固定電極１２ｃ、１２ｄに印加する振幅Ｖの搬送波信号Ｐ３、Ｐ４、センサエレメント１０Ａ側を選択する信号Ａ、センサエレメント１０Ｂ側を選択する信号Ｂ、およびスイッチ２６の動作タイミング信号Ｓ１、αサンプルホールド回路３１α及びＡサンプルホールド回路５１ａの動作タイミング信号Ｓ５、βサンプルホールド回路３１β及びＢサンプルホールド回路５１ｂの動作タイミング信号Ｓ６、γサンプルホールド回路３１γ及びＣサンプルホールド回路５１ｃの動作タイミング信号Ｓ４をそれぞれ生成して出力する。
【００５１】
上記構成においてその作動を、図７に示す信号波形図を参照して説明する。タイミング発生回路６０から出力される搬送波信号Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４は、５つの期間（φ１〜φＣ）でハイレベル（Ｈｉ）とローレベル（Ｌｏ）が変化する一定振幅の矩形波信号となっており、搬送波信号Ｐ２は、搬送波信号Ｐ１に対して電圧レベルが反転した信号となっており、搬送波信号Ｐ４は、搬送波信号Ｐ３に対して電圧レベルが反転した信号となっている。この実施形態においては、第１、第２、第３、第４の期間φ１、φ２、φ３、φ４が容量変化を検出するための期間で、第５のφＣがＣサンプルホールド回路５１ｃに増幅アンプ４０の補正値を保持させるための期間となっている。ここで、タイミング信号Ｓ５はハイレベルの時にαサンプルホールド回路３１α及びＡサンプルホールド回路５１ａを動作させ、タイミング信号Ｓ６はハイレベルの時にβサンプルホールド回路３１β及びＢサンプルホールド回路５１ｂを動作させ、タイミング信号Ｓ４はハイレベルの時にγサンプルホールド回路３１γ及びＣサンプルホールド回路５１ｃを動作させる。
【００５２】
まず、第５の期間φＣでのγサンプルホールド回路３１へのＣ−Ｖ変換回路２０の補正値を、Ｃサンプルホールド回路５１ｃに増幅アンプ４０の補正値を保持させる動作について説明する。
第５の期間φＣでは、搬送波信号Ｐ１、搬送波信号Ｐ２、搬送波信号Ｐ３、搬送波信号Ｐ４は共にＬｏになっている。また、タイミング発生回路６０からのタイミング信号Ｓ１によりスイッチ２６は閉、タイミング信号Ｓ４によりγサンプルホールド回路３１γ、Ｃサンプルホールド回路５１ｃが作動するようになっている。このことにより、第１差動増幅器２２の非反転入力端子にＶ／２（ＶＮ）の電圧が印加され、スイッチ２６の閉によりインピーダンス変換回路として動作する第１差動増幅器２２の出力端子からはＶ／２（ＶＮ）の電位が出力される。
【００５３】
タイミング発生回路６０からのタイミング信号Ｓ４により、このＶ／２がγサンプルホールド回路３１γにて保持され、第３差動増幅器３４Ａを介して増幅アンプ４０Ａにより増幅された値が出力される。増幅アンプ４０Ａからの出力は、セレクタ６３を介して、Ｃサンプルホールド回路５１ｃ側に保持される。
【００５４】
引き続き、通常動作時の作動について参照して説明する。
まず、センサエレメント１０Ａ側が、信号Ａのハイレベルで動作するセレクタ６１、セレクタ６３側によって選択される際の動作について述べる。第１の期間φ１では、搬送波信号Ｐ１はＨｉ、搬送波信号Ｐ２はＬｏになっている。また、タイミング発生回路６０からのタイミング信号Ｓ１により、スイッチ２６は閉になっている。このことにより、第１差動増幅器２２の非反転入力端子にＶ／２のＶＮ電圧が印加され、図５中に示す可動電極１１ａ、１１ｂにＶ／２の電圧が印加されるとともに、コンデンサ２４の電荷が放電される。そして、第２の期間φ２においては、搬送波信号Ｐ１、Ｐ２の電圧レベルが反転（Ｐ１がＬｏ、Ｐ２がＨｉ）し、スイッチ２６が開くとともにαサンプルホールド回路３１αにタイミング信号Ｓ５が加えられる。このとき、図５中に示す可動電極１１ａと固定電極１２ａ間と、可動電極１１ｂと固定電極１２ｂ間との容量の差（Ｃ１−Ｃ２）に応じた電圧がＣ−Ｖ変換回路２０から出力される。
【００５５】
この電圧はαサンプルホールド回路３１αにてサンプルホールドされ、γサンプルホールド回路３１γとの差分が第３差動増幅器３４Ａから出力され、増幅アンプ４０Ａで増幅される。この通常動作時にはタイミング信号Ｓ５によりＡサンプルホールド回路５１ａが増幅アンプ４０Ａ側からの出力をサンプルホールドし、第２差動増幅器５４Ａによって、Ａサンプルホールド回路５１ａ側の出力と、上述したＣサンプルホールド回路５１ｃに保持された増幅アンプ４０Ａの補正値との差分が出力されて、フィルタアンプ７０Ａを介して加速度検出信号として出力される。
【００５６】
次に、センサエレメント１０Ｂ側が、信号Ｂのハイレベルで動作するセレクタ６２、セレクタ６４側によって選択される際の動作について述べる。第３の期間φ３では、搬送波信号Ｐ３はＨｉ、搬送波信号Ｐ４はＬｏになっている。また、タイミング発生回路６０からのタイミング信号Ｓ１により、スイッチ２６は閉になっている。このことにより、第１差動増幅器２２の非反転入力端子にＶ／２のＶＮ電圧が印加され、図５中に示す可動電極１１ｃ、１１ｃにＶ／２の電圧が印加されるとともに、コンデンサ２４の電荷が放電される。そして、第４の期間φ４においては、搬送波信号Ｐ３、Ｐ４の電圧レベルが反転（Ｐ３がＬｏ、Ｐ４がＨｉ）し、スイッチ２６が開くとともにβサンプルホールド回路３１βにタイミング信号Ｓ６が加えられる。このとき、図５中に示す可動電極１１ｃと固定電極１２ｃ間と、可動電極１１ｄと固定電極１２ｄ間との容量の差（Ｃ３−Ｃ４）に応じた電圧がＣ−Ｖ変換回路２０から出力される。
【００５７】
この電圧はβサンプルホールド回路３１βにてサンプルホールドされ、γサンプルホールド回路３１γとの差分が第４差動増幅器３４Ｂから出力され、増幅アンプ４０Ｂで増幅される。この通常動作時にはタイミング信号Ｓ６によりＢサンプルホールド回路５１ｂが増幅アンプ４０Ｂ側からの出力をサンプルホールドし、第５差動増幅器５４ｂによって、Ｂサンプルホールド回路５１ｂ側の出力と、上述したＣサンプルホールド回路５１ｃに保持された増幅アンプ４０Ａの補正値との差分が出力されて、フィルタアンプ７０Ｂを介して加速度検出信号として出力される。
【００５８】
第３実施形態の容量式物理量検出センサでは、スイッチ２６により第１差動増幅器２２の入出力を短絡させて当該第１差動増幅器２２（即ち、Ｃ−Ｖ変換回路２０）から定電位を出力させ、この定電位をγサンプルホールド回路３１γで保持し、また、定電位ＶＮが増幅アンプ４０Ａ又は増幅アンプ４０Ｂで増幅された出力をＣサンプルホールド回路５１ｃに保持する。このγサンプルホールド回路３１γの保持値は定電位ＶＮであり、Ｃサンプルホールド回路５１ｃの保持値は、定電位に増幅アンプ４０Ａのゲインを加算したものになる。そして、スイッチ２６により第１差動増幅器２２を短絡しない際の第１容量式物理量検出センサ１０Ａ側出力（即ち、第１容量式物理量検出センサ１０Ａ側信号出力）をαサンプルホールド回路３１αに保持し、第３差動増幅器３４Ａにより、αサンプルホールド回路３１αとγサンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力し、この出力を第１増幅器４０Ａで増幅した値を第１サンプルホールド回路５１ａに保持して、第２差動増幅器５４Ａにより、Ａサンプルホールド回路５１ａとＣサンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する。同様に、スイッチ２６により第１差動増幅器２２を短絡しない際の第２容量式物理量検出センサ１０Ｂ側出力（即ち、第２容量式物理量検出センサ１０Ｂ側信号出力）をβサンプルホールド回路３１βに保持し、第４差動増幅器３４Ｂにより、βサンプルホールド回路３１βとγサンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力し、この出力を増幅アンプ４０Ｂで増幅した値をＢサンプルホールド回路５１ｂに保持して、第５差動増幅器５４Ｂにより、Ｂサンプルホールド回路５１ｂとＣサンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する。このため、経年変化によりＣ−Ｖ変換回路２０、第１増幅器４０Ａ、第２増幅器４０Ｂのゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすることができる。更に、温度変化によってＣ−Ｖ変換回路２０、第１増幅器４０Ａ、第２増幅器４０Ｂのゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすことができる。なお、第３実施形態では、第１センサエレメント１０Ａと第２センサエレメント１０Ｂでγサンプルホールド回路３１γ及びＣサンプルホールド回路５１ｃを共用するため回路構成を簡略化できる。
【００５９】
なお、第３実施形態では、Ｃサンプルホールド回路５１ｃに増幅アンプ４０Ａ側の補正値を保持したが、増幅アンプ４０Ｂ側の補正値を保持することも好適である。
【００６０】
[第４実施形態]
図８を参照して本発明の第４実施形態に係る容量式加速度センサの回路構成について説明する。
第４実施形態の回路構成は、図６を参照して上述した第３実施形態と同様である。但し、第４実施形態では、サンプルホールド回路３０が、センサエレメント１０Ａ側及びセンサエレメント１０Ｂ側からの信号電位を保持するαサンプルホールド回路３１ｂと、Ｃ−Ｖ変換回路２０の補正値を保持するγサンプルホールド回路３１γと、αサンプルホールド回路３１ｂとγサンプルホールド回路３１γとの差分を出力する第３差動増幅器３４とから構成されている。
【００６１】
第４実施形態の容量式物理量検出センサでは、スイッチ２６により第１差動増幅器２２の入出力を短絡させて当該第１差動増幅器２２（即ち、Ｃ−Ｖ変換回路２０）から定電位ＶＮを出力させ、この定電位ＶＮをγサンプルホールド回路３１γで保持し、また、定電位ＶＮが増幅アンプ４０で増幅された出力をＣサンプルホールド回路５１ｃに保持する。このγサンプルホールド回路３１γの保持値は定電位ＶＮであり、Ｃサンプルホールド回路５１ｃの保持値は、定電位ＶＮに増幅アンプ４０のゲインを加算したものになる。そして、スイッチ２６により第１差動増幅器２２を短絡しない際の第１容量式物理量検出センサ１０Ａ側出力（即ち、第１容量式物理量検出センサ１０Ａ側信号出力）をαサンプルホールド回路３１αに保持し、第３差動増幅器３４により、αサンプルホールド回路３１αとγサンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力し、この出力を増幅器４０で増幅した値をＡサンプルホールド回路５１ａに保持して、第２差動増幅器５４Ａにより、Ａサンプルホールド回路５１ａとＣサンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する。同様に、スイッチ２６により第１差動増幅器２２を短絡しない際の第２容量式物理量検出センサ１０Ｂ側出力（即ち、第２容量式物理量検出センサ１０Ｂ側信号出力）をαサンプルホールド回路３１αに保持し、第３差動増幅器３４により、αサンプルホールド回路３１αとγサンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力し、この出力を増幅アンプ４０で増幅した値をＢサンプルホールド回路５１ｂに保持して、第４差動増幅器５４Ｂにより、Ｂサンプルホールド回路５１ｂとＣサンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する。このため、経年変化によりＣ−Ｖ変換回路２０、増幅アンプ４０のゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすることができる。更に、温度変化によってＣ−Ｖ変換回路２０、増幅アンプ４０のゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすことができる。なお、第４実施形態では、第１容量式物理量検出センサ１０Ａと第２容量式物理量検出センサ１０Ｂでαサンプルホールド回路３１α、γサンプルホールド回路３１γ、増幅アンプ４０及びＣサンプルホールド回路５１ｃを共用するため回路構成を簡略化できる。
【００６２】
[第５実施形態]
図９を参照して本発明の第５実施形態に係る容量式加速度センサの回路構成について説明する。
第５実施形態の回路構成は、図８を参照して上述した第４実施形態と同様である。但し、第５実施形態では、自己補正回路５０は、センサエレメント１０側の出力及びセンサエレメント１０Ｂ側の出力を保持するＡサンプルホールド回路５１ａと、増幅アンプ４０の補正値を保持するＣサンプルホールド回路５１ｃと、第２差動増幅器５４とから成る。
【００６３】
第５実施形態の容量式物理量検出センサでは、スイッチ２６により第１差動増幅器２２の入出力を短絡させて当該第１差動増幅器２２（即ち、Ｃ−Ｖ変換回路２０）から定電位ＶＮを出力させ、この定電位ＶＮをγサンプルホールド回路３１γで保持し、また、定電位ＶＮが増幅アンプ４０で増幅された出力をＣサンプルホールド回路５１ｃに保持する。このγサンプルホールド回路３１γの保持値は定電位ＶＮであり、Ｃサンプルホールド回路５１ｃの保持値は、定電位ＶＮに増幅アンプ４０のゲインを加算したものになる。そして、スイッチ２６により第１差動増幅器２２を短絡しない際の第１容量式物理量検出センサ１０Ａ、第２容量式物理量検出センサ１０Ｂ側出力（即ち、第１容量式物理量検出センサ１０Ａ側及び第２容量式物理量検出センサ１０Ｂ側信号出力）をαサンプルホールド回路３１αに保持し、第３差動増幅器３４により、αサンプルホールド回路３１αとγサンプルホールド回路３１γとの出力の差分を出力し、この出力を増幅器４０で増幅した値をＡサンプルホールド回路５１ａに保持して、第２差動増幅器５４により、Ａサンプルホールド回路５１ａとＣサンプルホールド回路５１ｃとの出力の差分を出力する。このため、経年変化によりＣ−Ｖ変換回路２０、増幅アンプ４０のゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすることができる。更に、温度変化によってＣ−Ｖ変換回路２０、増幅アンプ４０のゲイン等の特性が変化しても、これをキャンセルすことができる。なお、第５実施形態では、第１容量式物理量検出センサ１０Ａと第２容量式物理量検出センサ１０Ｂでαサンプルホールド回路３１α、γサンプルホールド回路３１γ、増幅アンプ４０、Ａサンプルホールド回路５１ａ、Ｃサンプルホールド回路５１ｃを共用するため回路構成を簡略化できる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、上記した種々の実施形態に示す加速度センサに適用するものに限らず、圧力センサ、ヨーレートセンサなどの静電容量式の物理量検出装置にも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】第１実施形態に係る半導体式の容量式加速度センサの一部断面斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る容量式加速度センサの回路構成を示すブロック図である。
【図３】第１実施形態に係る容量式加速度センサ回路における信号波形図である。
【図４】第２実施形態に係る容量式加速度センサの回路構成を示すブロック図である。
【図５】第３実施形態に係る半導体式の容量式加速度センサの一部断面斜視図である。
【図６】第３実施形態に係る容量式加速度センサの回路構成を示すブロック図である。
【図７】第３実施形態に係る容量式加速度センサ回路における信号波形図である。
【図８】第４実施形態に係る容量式加速度センサの回路構成を示すブロック図である。
【図９】第５実施形態に係る容量式加速度センサの回路構成を示すブロック図である。
【図１０】従来技術に係る容量式加速度センサの回路構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０、１０Ａ、１０Ｂ  センサエレメント
１１ａ〜１１ｄ  可動電極
１２ａ〜１２ｄ  固定電極
２０  Ｃ−Ｖ変換回路
２２  第１差動増幅器
２４  コンデンサ
２６  スイッチ
３０  サンプルホールド回路
３１α  αサンプルホールド回路
３１β  βサンプルホールド回路
３１γ  γサンプルホールド回路
５４  第２差動増幅器
４０  増幅アンプ
５０  自己補正回路
５１ａ  Ａサンプルホールド回路
５１ｂ  Ｂサンプルホールド回路
５１ｃ  Ｃサンプルホールド回路
５４  第２差動増幅器
６０  タイミング発生回路
７０  フィルタアンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006084400.tif 000009
【図８】
2006084400.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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