(57)【要約】【課題】  周波数ノイズによる影響を抑制でき、高度なセンサ特性を得ることができる容量式物理量センサを提供する。【解決手段】  センサエレメント１０が形成された基板Ａとオペアンプ２１ａの非反転入力端子とを接続し、これらに中電電圧供給回路２１ｄから共通の電圧がが印加されるようにして、これらを同電位に固定する。これにより、オペアンプ２１ａの非反転入力端子と反転入力端子それぞれの電源に対するインピーダンスを整合することが可能となる。したがって、電源ラインに重畳したノイズをオペアンプ２１ａのＣＭＲＲ特性で決定されるノイズ除去特性により、大幅に低減することが可能となる。その結果、周波数ノイズによる影響を抑制でき、高度なセンサ特性が得られる容量式加速度センサにできる。【選択図】        図１
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【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（１ａ、１ｂ）と、前記可動電極に対向して配置され、互いに逆位相となる周期的な搬送波（ＰＷ１、ＰＷ２）が印加される第１、第２固定電極（２ａ、２ｂ）とを有したセンサエレメント（１０）と、
前記可動電極と前記第１、第２固定電極との間に形成される容量の変化に応じた信号が入力され、該容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路（２１）を含む検出回路（２０）とを備えてなる容量式物理量センサにおいて、
前記センサエレメントが形成された第１基板（Ａ）と前記検出回路が形成された第２基板（Ｂ）とを別々の基板として構成すると共に、
前記Ｃ−Ｖ変換回路に、前記容量の変化に応じた信号が反転入力端子に入力されるオペアンプ（２１ａ）と、前記オペアンプの出力端子と前記反転入力端子との間に接続されるコンデンサ（２１ｂ）と、前記コンデンサに対して並列接続されるスイッチ（２１ｃ）と、前記オペアンプの非反転入力端子に対して前記搬送波の振幅の半分となる中点電圧を供給する中点電圧供給回路（２１ｄ）とを備え、
前記第１基板と前記オペアンプの前記非反転入力端子とが電気的に接続され、前記第１基板の電位が前記中点電圧供給回路で形成される前記中点電位に固定されるように構成されていることを特徴とする容量式物理量センサ。
【請求項２】
前記第２基板には、前記検出回路として、前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力電圧をサンプルホールドすると共に、そのサンプルホールドされた電圧を差動増幅する差動増幅回路（２２）と、前記搬送波、前記スイッチのオンオフを制御する信号（Ｓ１）および前記差動増幅回路の制御信号（Ｓ２、Ｆ１）を発生させる制御信号発生回路（２３）とが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の容量式物理量センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の容量式物理量センサは、前記物理量として加速度を検出するものであることを特徴とする容量式加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量が加えられたときの容量変化に基づいて、加えられた物理量を検出する容量式物理量センサに関するもので、特に加速度センサに用いて好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来より、一般的に使用されている車載用加速度センサとして、容量式加速度センサがある。この容量式加速度センサは、加速度変化により生じるセンサエレメントでの容量変化をＣ−Ｖ変換回路にて電気信号に変換し、変換された電気信号をサンプルホールド回路およびスイッチトキャパシタ回路を有する差動増幅回路にて差動増幅することでセンサ出力を発生させるようになっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような構成の容量式加速度センサでは、一般的に、図２、図３に示されるセンサ回路図のように構成され、センサエレメント１０が形成される基板Ａと、センサエレメント１０を構成する可動電極１ａ、１ｂや固定電極２ａ、２ｂへの電圧印加を行ったり、センサエレメント１０からの差動信号を受け取って信号処理するＣ−Ｖ変換回路２１、差動増幅回路２２およびセンサ回路中の各部に制御信号を出力する制御信号発生回路２３等の検出回路２０が形成される基板Ｂとは、別基板とされる。そして、別基板とされた基板Ａ、Ｂについて、基板Ａの電位をＤＣ電圧（センサ駆動電圧Ｖｄｄ（図２参照）またはＧＮＤ電位（図３参照））に固定し、基板Ｂの電位をセンサ駆動電圧Ｖｄｄに固定している（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−４００４７号公報
【特許文献２】特開平１１−２９５３３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように構成される容量式加速度センサにおいて、高感度なセンサ出力信号を得るためには、高倍率のＣ−Ｖ変換回路２１および差動増幅回路２２が必要になる。
【０００５】
しかしながら、上述したように、センサエレメント１０が形成される基板Ａの電位がＤＣ電圧に固定されているため、これをＣ−Ｖ変換回路２１に接続した場合に、Ｃ−Ｖ変換回路２１の反転入力端子および非反転入力端子それぞれの電源に対するインピーダンス不整合のために、周波数ノイズがＣ−Ｖ変換回路２１の各入力端子に入力される差動信号に重畳され、Ｃ−Ｖ変換の際に増幅されて、センサ出力信号に加算されてしまうことがある。これにより、高度なセンサ特性を得ることができなくなるという問題がある。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、周波数ノイズによる影響を抑制でき、高度なセンサ特性を得ることができる容量式物理量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】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１ないし３に記載の発明では、センサエレメントが形成された第１基板（Ａ）と検出回路が形成された第２基板（Ｂ）とが別々の基板として構成されている場合において、Ｃ−Ｖ変換回路中に、オペアンプの非反転入力端子に対して搬送波の振幅の半分となる中点電圧を供給する中点電圧供給回路（２１ｄ）を備え、第１基板とオペアンプの非反転入力端子とを電気的に接続し、第１基板の電位を中点電圧供給回路で形成される中点電位に固定することを特徴としている。
【０００８】
このように、センサエレメント（１０）が形成された第１基板とオペアンプの非反転入力端子とを接続し、これらに中点電圧供給回路から共通の電圧が印加されるようにして同電位に固定すれば、オペアンプの非反転入力端子と反転入力端子それぞれの電源に対するインピーダンスを整合することが可能となる。したがって、電源ラインに重畳したノイズをオペアンプのＣＭＲＲ特性で決定されるノイズ除去特性により、大幅に低減することが可能となる。その結果、周波数ノイズによる影響を抑制でき、高度なセンサ特性が得られる容量式加速度センサにできる。
【０００９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００１１】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる半導体式の容量式加速度センサの回路ブロックの全体構成を図１に示す。以下、図１に基づいて加速度センサの構成を説明する。
【００１２】
加速度センサは、可動電極１ａ、１ｂ及び固定電極２ａ、２ｂを備えたセンサエレメント１０と、可動電極１ａ、１ｂと固定電極２ａ、２ｂによる差動容量の変化に基づいて加速度を検出する検出回路２０とを有した構成となっている。
【００１３】
センサエレメント１０は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１ａ、１ｂ及び固定電極２ａ、２ｂが構成されている。そして、対向配置された可動電極１ａ及び固定電極２ａと可動電極１ｂ及び固定電極２ｂとによって差動の容量を構成し、各固定電極２ａ、２ｂに対して互いに反転する信号（搬送波）ＰＷ１、ＰＷ２を周期的に印加することで、可動電極１ａ、１ｂ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。
【００１４】
一方、検出回路２０には、Ｃ−Ｖ変換回路２１、差動増幅回路２２、及び制御信号発生回路２３が備えられている。
【００１５】
Ｃ−Ｖ変換回路２１は、可動電極１ａ、１ｂと固定電極２ａ、２ｂからなる差動容量の変化を電圧に変換するもので、オペアンプ２１ａ、コンデンサ２１ｂ、スイッチ２１ｃおよび中点電圧供給回路２１ｄを有した構成となっている。オペアンプ２１ａの反転入力端子は可動電極１ａ、１ｂ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２１ｂ及びスイッチ２１ｃが並列に接続されている。スイッチ２１ｃは制御信号発生回路２３からの信号Ｓ１によって駆動されるようになっており、オペアンプ２１ａの非反転入力端子には、中点電圧供給回路２１ｄで形成された電圧が入力されるようになっている。具体的には、中点電圧供給回路２１ｄでは、固定電極２ａ、２ｂに印加された電圧Ｖｄｄ（例えば５Ｖ）の半分の電圧Ｖｄｄ／２（すなわち中点電圧、例えば２．５Ｖ）が形成されており、この電圧がオペアンプ２１ａの非反転入力端子に入力されるようになっている。
【００１６】
差動増幅回路２２は、サンプルホールド回路２２ａとＳＣＦ回路２２ｂとを有した構成となっている。サンプルホールド回路２２ａは、制御信号発生回路２３からの信号Ｓ２に基づいて駆動され、Ｃ−Ｖ変換回路２１の出力をサンプリングして一定期間保持する。
【００１７】
ＳＣＦ回路２２ｂは、制御信号発生回路２３からの信号Ｆ１に基づいて駆動され、サンプルホールド回路２２ａ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信号として出力する。
【００１８】
制御信号発生回路２３は、所定周期の電圧信号（搬送波）ＰＷ１、ＰＷ２、スイッチ２１ｃの切替えタイミングを示す信号Ｓ１、サンプルホールド回路２２ａの制御信号Ｓ２、ＳＣＦ回路２２ｂの駆動クロック信号Ｆ１を出力する。
【００１９】
このように構成されたセンサエレメント１０および検出回路２０は、それぞれ基板Ａと基板Ｂという別々の基板に形成されている。そして、これら各基板Ａ、Ｂとの電気的な接続はワイヤボンディングによって行われており、本実施形態では、Ｃ−Ｖ変換回路２１におけるオペアンプ２１ａの非反転入力端子とセンサエレメント１０が形成された基板Ａとがワイヤ３０を介して電気的に接続されることで、基板Ａの電位がオペアンプ２１ａの非反転入力端子の電位、つまり中点電圧供給回路２１ｄで形成される中点電圧Ｖｄｄ／２と等しくなるようにされている。
【００２０】
なお、図１では、ワイヤボンディングが為されている各部を簡略化して記載してあるが、実際には、センサエレメント１０に備えられた可動電極１ａ、１ｂとＣ−Ｖ変換回路２１のオペアンプ２１ａの反転入力端子との間や、制御信号発生回路２３と各固定電極２ａ、２ｂとの間もワイヤで電気的に接続されており、ワイヤを通じてセンサエレメント１０の差動信号がＣ−Ｖ変換回路２１に入力されると共に制御信号発生回路２３が出力する電圧信号（搬送波）ＰＷ１、ＰＷ２が各固定電極２ａ、２ｂに入力されるようになっている。
【００２１】
続いて、以上のように構成された加速度センサの作動について説明する。
【００２２】
制御信号発生回路２３から出力された信号ＰＷ１、ＰＷ２は、互いに電圧レベルが反転した電圧Ｖｃｃの振幅（例えば５Ｖ）を有する信号となっており、４つの期間ｔ１〜ｔ４でハイレベル（Ｈｉ）とローレベル（Ｌｏｗ）が変化する一定振幅の矩形波信号となっている。
【００２３】
まず、第１の期間ｔ１では、信号ＰＷ１、ＰＷ２に基づいて固定電極２ａの電位がＶ、固定電極２ｂの電位が０にされると共に、制御信号発生回路２３からの信号Ｓ１によりスイッチ２１ｃが閉じられる。このため、オペアンプ２１ａの働きにより可動電極１ａ、１ｂがＶ／２の電位にバイアスされると共に、帰還容量となるコンデンサ２１ｂの電極間に蓄えられた電荷が放電される。
【００２４】
このとき、仮に可動電極１ａと固定電極２ａとの間の容量Ｃ１と、可動電極１ｂと固定電極２ｂとの間の容量Ｃ２とが、Ｃ１＞Ｃ２の関係となっている場合には、この関係と固定電極２ａ、２ｂに印加される電位の関係とから、可動電極１ａ、１ｂは負の電荷が多い状態になる。
【００２５】
次に、第２の期間ｔ２では、信号ＰＷ１、ＰＷ２に基づいて固定電極２ａの電位がＶ、固定電極２ｂの電位が０にされると共に、制御信号発生回路２３からの信号Ｓ１によりスイッチ２１ｃが開かれる。このため、可動電極１ａ、１ｂの状態に応じた電荷がコンデンサ２１ｂに蓄えられる。そして、このときコンデンサ２１ｂに蓄えられた電荷に応じた電圧値がＣ−Ｖ変換回路２１から出力されると、信号Ｓ２に基づきサンプルホールド回路２２ａによってＣ−Ｖ変換回路２１の出力電圧がサンプリングされる。
【００２６】
続いて、第３の期間ｔ３では、信号ＰＷ１、ＰＷ２に基づいて固定電極２ａの電位が０、固定電極２ｂの電位がＶとなるように電位が入れ替えられると共に、制御信号発生回路２３からの信号Ｓ１によりスイッチ２１ｃが開かれたままにされる。
【００２７】
このとき、可動電極１ａ、１ｂの電荷の状態は信号ＰＷ１、ＰＷ２の反転により、第２の期間ｔ２と逆になる。すなわち、上述したようにＣ１＞Ｃ２の関係を満たす場合には、固定電極２ａ、２ｂへの印加電位の反転により、可動電極１ａ、１ｂは正の電荷が多い状態になる。
【００２８】
しかしながら、このとき、可動電極１ａ、１ｂとコンデンサ２１ｂとの間が閉回路となっており、第１の期間ｔ１の電荷量が保存されているため、可動電極１ａ、１ｂの電荷量のバランスから溢れ出した電荷がコンデンサ２１ｂに移動して蓄えられる。そして、Ｑ＝ＣＶの関係から、移動してきた電荷量に比例すると共にコンデンサ２１ｂの容量Ｃに反比例した電圧値がＣ−Ｖ変換回路２１から出力される。
【００２９】
さらに、第４の期間ｔ４、すなわち信号ＰＷ１、ＰＷ２に基づいて固定電極２ａの電位が０、固定電極２ｂの電位がＶにしたのちＣ−Ｖ変換回路２１の出力が十分に安定すると、信号Ｓ２に基づきサンプルホールド回路２２ａにて、Ｃ−Ｖ変換回路２１の出力電圧がサンプリングされる。
【００３０】
そして、最終的に、第２の期間ｔ２にサンプリングされた電圧値と第４の期間ｔ４にサンプリングされた電圧値とがサンプルホールド回路２２ａで差動演算されたのち出力される。この出力に基づいて可動電極１ａ、１ｂの変位に応じた加速度検出が行われる。
【００３１】
次に、本実施形態のように構成される容量式加速度センサによって得られる効果について説明する。
【００３２】
上述したように、本実施形態では、Ｃ−Ｖ変換回路２１におけるオペアンプ２１ａの非反転入力端子とセンサエレメント１０が形成された基板Ａとがワイヤ３０を介して電気的に接続されることで、基板Ａの電位がオペアンプ２１ａの非反転入力端子の電位、つまり中点電圧供給回路２１ｄで形成される中点電圧Ｖｄｄ／２と等しくなるようにされている。
【００３３】
このように、センサエレメント１０が形成された基板Ａとオペアンプ２１ａの非反転入力端子とを接続し、これらに中電電圧供給回路２１ｄから共通の電圧がが印加されるようにして同電位に固定しているため、オペアンプ２１ａの非反転入力端子と反転入力端子それぞれの電源に対するインピーダンスを整合することが可能となる。したがって、電源ラインに重畳したノイズをオペアンプ２１ａのＣＭＲＲ特性で決定されるノイズ除去特性により、大幅に低減することが可能となる。その結果、周波数ノイズによる影響を抑制でき、高度なセンサ特性が得られる容量式加速度センサにできる。
【００３４】
（他の実施形態）
上記実施形態では容量式物理量センサとして加速度センサを例に挙げて説明したが、それ以外のセンサ、例えば圧力センサやヨーレートセンサにも本発明を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施形態における容量式加速度センサの全体構成を示す回路ブロック図である。
【図２】従来の容量式加速度センサの全体構成を示す回路ブロック図である。
【図３】従来の容量式加速度センサの全体構成を示す回路ブロック図である。
【符号の説明】
【００３６】
１ａ、１ｂ…可動電極、２ａ、２ｂ…固定電極、１０…センサエレメント、
２１…Ｃ−Ｖ変換回路、２１ａ…オペアンプ、２１ｂ…コンデンサ、
２１ｃ…スイッチ、２１ｄ…中点電圧供給回路、２２…信号処理回路、
２２ａ…サンプルホールド回路、２２ｂ…ＳＣＦ回路、２３…制御信号発生回路、
３０…ボンディングワイヤ、Ａ、Ｂ…基板。
【図１】
2006313084.tif 000003
【図２】
2006313084.tif 000004
【図３】
2006313084.tif 000005