(57)【要約】【課題】演算増幅器のオフセット電圧に起因するノイズを除去した出力が得られる信号処理回路及び力学量センサを提供する。【解決手段】スイッチトキャパシタＳＣ１，ＳＣ２から、スイッチトキャパシタＳＣ３に電荷を転送する際に発生するオフセット電圧に基づく電荷分（３Ｃ・Ｖｏｆｆ  ）を、スイッチトキャパシタＳＣ４に充電する。これにより、スイッチトキャパシタＳＣ３の充電電荷で決まる出力電圧Ｖｏｕｔ  から、オフセット電圧Ｖｏｆｆ  の影響を除去する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１入力信号と第２入力信号との差に応じた出力電圧を生成する信号処理回路であって、
非反転入力端子に基準電圧が印加され出力端子から前記出力電圧を出力する演算増幅器と、
前記第１入力信号をサンプリングし、該サンプリングにより保持した電荷を、前記基準電圧に対する前記第１入力信号の極性と同極性のまま前記演算増幅器の反転入力端子へ供給する第１のスイッチトキャパシタと、
前記第２入力信号をサンプリングし、該サンプリングにより保持した電荷を、前記基準電圧に対する前記第２入力信号の極性とは極性を反転させて前記演算増幅器の反転入力端子へ供給する第２のスイッチトキャパシタと、
前記演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続され、前記第１及び第２電荷保持部から供給される電荷を統合して保持する第３のスイッチトキャパシタと、
前記第１〜第３のスイッチトキャパシタの合計容量に等しい容量を有し、前記第１及び第２のスイッチトキャパシタが前記第３のスイッチトキャパシタに電荷を供給する際に、一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、前記演算増幅器の反転入力端子と非反転入力端子との間に生じるオフセット電圧にて充電される第４のスイッチトキャパシタと、
を備えることを特徴とする信号処理回路。
【請求項２】
前記第１及び第２入力信号は、単一の信号線を介して時分割で交互に供給されることを特徴とする請求項１に記載の信号処理回路。
【請求項３】
印加される力学量に応じて容量値が変化する可変容量と、
該可変容量の容量変化を電圧信号に変換するＣＶ変換回路と、
請求項１又は２に記載の信号処理回路と、
を備え、前記信号処理回路は、前記ＣＶ変換回路のオフセットレベルを示す信号を前記第１入力信号とし、前記ＣＶ変換回路にて変換された電圧レベルを示す信号を前記第２入力信号とすることを特徴とする力学量センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微少な信号を検出する信号処理回路、及びその信号処理回路を用いた力学量センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、力学量センサの一つといて、一般的に車載センサとして使用される容量式加速度センサが知られている。
この容量式加速度センサ１０１は、図３に示すように、センサエレメント１０２と検出回路１０３と制御回路１０６とからなる。センサエレメント１０２は、基板上に形成され、加速度などの力学量が加えられると基板に対して変位する梁構造体を備えている。そして、梁構造体と一体に形成された可動電極２ａと、その可動電極２ａの両側にて基板上に固定された固定電極２ｂ，２ｃとが差動コンデンサ２１，２２を形成するように構成されている。
【０００３】
つまり、センサエレメント１０２を取り付けた物体に印加される加速度の大きさに応じて梁構造体が変位すると、それに伴って可動電極２ａが変位することにより、その変位の大きさに応じて差動コンデンサ２１，２２の容量Ｃ１，Ｃ２が相補的に変化するようにされている。
【０００４】
検出回路１０３は、差動コンデンサ２１，２２の容量Ｃ１，Ｃ２の変化を電圧に変換するＣＶ変換回路１０４と、ＣＶ変換回路１０４の出力電圧（Ｖｃｏｕｔ）をサンプリングして保持すると共に、その保持した電圧を所定の感度まで増幅するサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路１０５とを備えている。
【０００５】
このうち、ＣＶ変換回路１０４は、反転入力端子に可動電極２ａが接続され、非反転入力端子に基準電圧Ｖｒｅｆ  （ここでは電源電圧ＶＤＤの１／２）が印加された演算増幅器４１と、この演算増幅器４１の反転入力端子と出力端子との間に並列接続されたコンデンサ４２（容量Ｃｆ）およびスイッチ４３とからなる。
【０００６】
つまり、ＣＶ変換回路１０４は、可動電極２ａを、基準電圧Ｖｒｅｆ  に保持すると共に、スイッチ４３を開放することによってセンサエレメント１０２から供給される電荷をコンデンサ４２に充電し、また、スイッチ４３を閉じることによってコンデンサ４２の両端を同電位（Ｖｒｅｆ  ＝ＶＤＤ／２）とし、コンデンサ４２に蓄積された電荷を放電することができるように構成されている。
【０００７】
そして、センサエレメント１０２を構成する固定電極２ｂへの印加電圧をＦＥ１、固定電極２ｃへの印加電圧をＦＥ２として、制御回路１０６は、図４に示すように、ＦＥ１＝ＶＤＤ，ＦＥ２＝０となる区間Ｄ１と、ＦＥ１＝０，ＦＥ２＝ＶＤＤとなる区間Ｄ２とが交互に繰り返されるようにセンサエレメント１０２への印加電圧ＦＥ１，ＦＥ２を制御する。これと共に、制御信号Ｘｃにより、区間Ｄ１中にスイッチ４３を一端閉じることでコンデンサ４２を放電させてから、スイッチ４３を開放する。
【０００８】
このような制御を行うことにより、ＣＶ変換回路１０４からは、区間Ｄ１中（スイッチ４３の開放後）にＣＶ変換回路１０４のオフセット電圧Ｖｓ１が出力され、また、区間Ｄ２中に差動コンデンサ２１，２２の容量変化に応じた電圧Ｖｓ２が出力されることになる。
【０００９】
一方、Ｓ／Ｈ回路１０５は、非反転入力端子が基準電圧Ｖｒｅｆ  を供給する基準電源に接続された演算増幅器５１を中心に構成され、その演算増幅器５１の反転入力端子には、ＣＶ変換回路１０４の出力をサンプリングし、そのサンプリングにより保持した電荷を出力する一対のスイッチトキャパシタＳＣ１，ＳＣ２からなる電荷保持部５２が接続されている。また、演算増幅器５１の反転入力端子と出力端子との間には、スイッチトキャパシタＳＣ１，ＳＣ２に保持された電荷を統合して保持するスイッチトキャパシタＳＣ３からなる統合電荷保持部５３と、スイッチトキャパシタＳＣ３と共にローパスフィルタを形成するコンデンサ５４とが並列接続されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１０】
なお、スイッチトキャパシタＳＣ１〜ＳＣ３は、いずれも同様に構成されており、コンデンサＣと、コンデンサの一端を信号の入力端子或いは基準電源のいずれかに接続するスイッチ部Ｓ１と、コンデンサの他端を信号の出力端子或いは基準電源のいずれかに接続するスイッチ部Ｓ２とからなる。なお、スイッチ部Ｓ１，Ｓ２は、制御回路１０６からの制御信号Ｘ１，Ｘ２に従って動作し、制御信号Ｘ１は、区間Ｄ１中のスイッチ４３のオフ後の期間中に所定期間だけオン状態となり、また、制御信号Ｘ２は、区間Ｄ２中に所定期間だけオン状態となる。
【００１１】
そして、スイッチトキャパシタＳＣ１，ＳＣ３は、制御信号Ｘ１がオンした時に、コンデンサＣの両端がそれぞれ信号の入力端子及び出力端子に接続され、制御信号Ｘ２がオンした時に、コンデンサＣの両端がいずれも基準電源に接続される。それ以外では、スイッチ部Ｓ１，Ｓ２は、いずれにも接続されない未接続の状態となる。このような動作を以下では「第１動作」と称する。
【００１２】
また、スイッチトキャパシタＳＣ２は、制御信号Ｘ２がオンした時に、コンデンサＣの一端が基準電源、他端が出力端子に接続される第１の状態となり、制御信号Ｘ１がオンした時に、コンデンサの一端が入力端子、他端が基準電源に接続される。それ以外では、スイッチ部Ｓ１，Ｓ２は、いずれにも接続されない未接続の状態となる。このような動作を以下では「第２動作」と称する。
【００１３】
つまり、制御信号Ｘ１がオンした時には、図５（ａ）に示す接続状態となり、また、制御信号Ｘ２がオンした時には、図５（ｂ）に示す接続状態となる。
そして、第１動作をするように制御されるスイッチトキャパシタＳＣ１では、区間Ｄ１にて、コンデンサの充電と、スイッチトキャパシタＳＣ３への電荷（自身のコンデンサと同極性で充電するような電荷）の供給とを同時に行い、区間Ｄ２にて、コンデンサに蓄積された電荷の放電のみを行う。また、第２動作をするように制御されるスイッチトキャパシタＳＣ２は、区間Ｄ１にて、コンデンサに蓄積された電荷の放電と、スイッチトキャパシタＳＣ３への電荷（自身のコンデンサとは逆極性で充電するような電荷）の供給とを同時に行い、区間Ｄ２にて、コンデンサの充電のみを行う。
【００１４】
但し、充電電荷の極性は、Ｓ／Ｈ回路１０５への入力電圧、即ちＣＶ変換回路１０４のオフセット電圧Ｖｓ１及び検出電圧Ｖｓ２と基準電圧Ｖｒｅｆ  との大小関係で決まる。
従って、スイッチトキャパシタＳＣ３には、区間Ｄ１（制御信号Ｘ１がオン）のときに、スイッチトキャパシタＳＣ１，ＳＣ２に充電された電荷を統合したもの（即ちＳ／Ｈ回路５への入力電圧Ｖｓ１，Ｖｓ２の差分に応じた電荷）が供給され、その結果、Ｓ／Ｈ回路１０５の出力電圧Ｖｏｕｔ  は、このスイッチトキャパシタＳＣ３の充電電荷に応じた大きさ、即ち、ＣＶ変換回路１０４の出力電圧Ｖｓ１，Ｖｓ２の差分に応じた大きさのものとなる。
【００１５】
【特許文献１】
特開平６−２２４６９６号公報（図１）
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このように構成されたＳ／Ｈ回路１０５の出力電圧Ｖｏｕｔ  は、演算増幅器５１の反転入力端子と非反転入力端子との間に発生するオフセット電圧Ｖｏｆｆ  に基づく誤差が重畳されてしまうという問題があった。
【００１７】
即ち、スイッチトキャパシタＳＣｉ（ｉ＝１〜３）において、区間Ｄ１のときにコンデンサＣに蓄積される電荷Ｑｉ１、区間Ｄ２の時にコンデンサＣに蓄積される電荷Ｑｉ２は、（１）〜（６）式で示される。
Ｑ１１＝Ｃ｛Ｖｓ１−（Ｖｒｅｆ＋Ｖｏｆｆ）｝                                        （１）
Ｑ１２＝Ｃ（Ｖｒｅｆ−Ｖｒｅｆ）＝０                                                    （２）
Ｑ２１＝Ｃ｛Ｖｒｅｆ−（Ｖｒｅｆ＋Ｖｏｆｆ）｝                                      （３）
Ｑ２２＝Ｃ（Ｖｓ２−Ｖｒｅｆ）                                                              （４）
Ｑ３１＝Ｃ｛（Ｖｒｅｆ＋Ｖｏｆｆ）−Ｖｏｕｔ］                                        （５）
Ｑ３２＝Ｃ（Ｖｒｅｆ−Ｖｒｅｆ）＝０                                                    （６）
そして、区間Ｄ１の時に、各スイッチトキャパシタＳＣ１，ＳＣ２から、スイッチトキャパシタＳＣ３に供給される電荷Ｑ１，Ｑ２、及びスイッチトキャパシタＳＣ３に充電される電荷Ｑ３は、（７）〜（９）式で示される。
【００１８】
Ｑ１＝Ｑ１１−Ｑ１２＝Ｃ（Ｖｓ１−Ｖｒｅｆ−Ｖｏｆｆ）                        （７）
Ｑ２＝Ｑ２１−Ｑ２２＝Ｃ（−Ｖｓ２＋Ｖｒｅｆ−Ｖｏｆｆ）                    （８）
Ｑ３＝Ｑ３１−Ｑ３２＝Ｃ（Ｖｒｅｆ＋Ｖｏｆｆ−Ｖｏｕｔ）                      （９）
なお、Ｑ１＋Ｑ２＝Ｑ３の関係から、出力電圧Ｖｏｕｔ  は（１０）式で示される。
【００１９】
Ｖｏｕｔ＝Ｖｒｅｆ＋（Ｖｓ２−Ｖｓ１）＋３・Ｖｏｆｆ                          （１０）
つまり、Ｓ／Ｈ回路１０５の出力電圧Ｖｏｕｔ  には、３・Ｖｏｆｆ  もの誤差が重畳されてしまうのである。
そこで本発明は、上記問題点を解決するために、演算増幅器のオフセット電圧に起因するノイズを除去した出力が得られる信号処理回路及び力学量センサを提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の信号処理回路では、第１のスイッチングキャパシタが、第１入力信号をサンプリングし、そのサンプリングにより保持した電荷を演算増幅器の反転入力端子へ供給すると共に、第２のスイッチングキャパシタが、第２入力信号をサンプリングし、そのサンプリングにより保持した電荷を演算増幅器の反転入力端子へ供給する。
【００２１】
そして、演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続された第３のスイッチングキャパシタが、これら第１及び第２の電荷保持部から供給される電荷を統合して保持することにより、第１入力信号と第２入力信号との差に応じた出力電圧を生成する。
【００２２】
このとき、第１〜第３のスイッチトキャパシタの合計容量に等しい容量を有し、第１及び第２のスイッチトキャパシタが第３のスイッチトキャパシタに電荷を供給する際に、一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続される第４のスイッチトキャパシタが、前記演算増幅器の反転入力端子と非反転入力端子との間に生じるオフセット電圧にて充電される。
【００２３】
つまり、第１及び第２のスイッチトキャパシタから第３のスイッチトキャパシタへの電荷供給前に、これら第１〜第３のスイッチトキャパシタに充電されている電荷は、それぞれオフセット電圧に基づく電荷分を含んだものとなっている。そして、第１及び第２のスイッチトキャパシタから第３のスイッチトキャパシタに電荷を供給する際に、第１〜第３のスイッチトキャパシタに保持される電荷のうちオフセット電圧に基づく電荷分は、第４のスイッチトキャパシタの充電に使用されるため、第３のスイッチトキャパシタに充電される電荷は、オフセット電圧に基づく電荷分を含まないものとなる。
【００２４】
従って、本発明の信号処理回路によれば、演算増幅器のオフセット電圧に起因するノイズを除去した出力を得ることができる。
ところで、第１及び第２入力信号は、別々の信号線を介して供給されるように構成してもよいが、単一の信号線を介して時分割で交互に供給されるように構成してもよい。
【００２５】
なお、上述の信号処理回路は、例えば、力学量センサを構成する際に好適に用いることができる。この場合、印加される力学量に応じて容量値が変化する可変容量の容量変化を、ＣＶ変換回路が電圧信号に変換する。そして、信号処理回路は、ＣＶ変換回路のオフセットレベルを示す信号を第１入力信号とし、ＣＶ変換回路にて変換された電圧レベルを示す信号を第２入力信号とするように構成すればよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、実施形態の容量式加速度センサの構成を示すブロック図である。
本実施形態の加速度センサ１は、図１に示すように、センサエレメント２、検出回路３、制御回路６からなり、また、検出回路３は、ＣＶ変換回路４、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路５からなる。
【００２７】
このうち、センサエレメント２及びＣＶ変換回路４については、従来装置のセンサエレメント１０２及びＣＶ変換回路１０４と全く同様に構成されているため、ここでは説明を省略する。
また、Ｓ／Ｈ回路５も、演算増幅器５１の反転入力端子に、スイッチトキャパシタＳＣ４からなるオフセット補正部５５が接続されている以外は、従来装置のＳ／Ｈ回路１０５と全く同様に構成されている。
【００２８】
なお、スイッチトキャパシタＳＣ１〜ＳＣ３は、いずれも同様に構成され、コンデンサ（容量Ｃ）と、コンデンサの一端を信号の入力端子或いは基準電源のいずれかに接続するスイッチ部Ｓ１と、コンデンサの他端を信号の出力端子或いは基準電源のいずれかに接続するスイッチ部Ｓ２とからなる。
【００２９】
また、スイッチトキャパシタＳＣ４は、一端が基準電源に接続され、スイッチトキャパシタＳＣ１〜ＳＣ３を構成する各コンデンサの合計容量に等しい容量を有するコンデンサ（容量３Ｃ）と、コンデンサの他端を信号の出力端子（演算増幅器５１の反転入力端子）或いは基準電源のいずれかに接続するスイッチ部Ｓ２とからなる。
【００３０】
そして、各スイッチ部Ｓ１，Ｓ２は、制御回路６からの制御信号Ｘ１，Ｘ２に従って動作するように構成されている。
具体的には、スイッチトキャパシタＳＣ１，ＳＣ３は、制御信号Ｘ１がオンした時に、コンデンサＣの両端がそれぞれ信号の入力端子及び出力端子に接続され、制御信号Ｘ２がオンした時に、コンデンサＣの両端がいずれも基準電源に接続され、それ以外では未接続となる。
【００３１】
スイッチトキャパシタＳＣ２は、制御信号Ｘ１がオンした時に、コンデンサＣの一端が基準電源、他端が出力端子に接続され、制御信号Ｘ２がオンしたときに、コンデンサの一端が入力端子、他端が基準電源に接続され、それ以外では未接続となる。
【００３２】
スイッチトキャパシタＳＣ４は、制御信号Ｘ１がオンした時に、コンデンサＣの一端が基準電源、他端が出力端子に接続され、制御信号Ｘ２がオンした時に、コンデンサの両端とも基準電源に接続され、それ以外では未接続となる。
つまり、制御信号Ｘ１，Ｘ２に従って動作するスイッチトキャパシタＳＣ１〜ＳＣ４は、制御信号Ｘ１がオンした時には図２（ａ）に示す接続状態、制御信号Ｘ２がオンした時には図２（ｂ）に示す接続状態となる。
【００３３】
なお、制御回路６は、従来装置の制御回路１０６と全く同様に動作するので、ここでは説明を省略する。
このように構成された本実施形態の加速度センサ１では、ＣＶ変換回路４からは、区間Ｄ１中（スイッチ４３の開放後）にＣＶ変換回路４のオフセット電圧Ｖｓ１が出力され、また、区間Ｄ２中に差動コンデンサ２１，２２の容量変化に応じた電圧Ｖｓ２が出力される。
【００３４】
そして、Ｓ／Ｈ回路５では、区間Ｄ１の時に、入力電圧Ｖｓ１によりスイッチトキャパシタＳＣ１のコンデンサ（容量Ｃ）が充電され、区間Ｄ２の時に、入力電圧Ｖｓ２によりスイッチトキャパシタＳＣ２のコンデンサ（容量Ｃ）が充電される。
【００３５】
また、区間Ｄ１の時には、スイッチトキャパシタＳＣ１，ＳＣ２のコンデンサに充電された電荷が、スイッチトキャパシタＳＣ３，ＳＣ４に供給される。この電荷により、スイッチトキャパシタＳＣ４のコンデンサ（容量Ｃ３）は、オフセット電圧分だけ充電される。
【００３６】
このため、スイッチトキャパシタＳＣ３のコンデンサ（容量Ｃ）に充電される電荷は、オフセット電圧に基づく電荷を含まず、Ｓ／Ｈ回路５への入力電圧Ｖｓ１，Ｖｓ２の差分に応じた電荷のみとなる。
即ち、スイッチトキャパシタＳＣｉ（ｉ＝１〜３）において、区間Ｄ１のときにコンデンサ（容量Ｃ）に蓄積される電荷Ｑｉ１、区間Ｄ２の時にコンデンサに蓄積される電荷Ｑｉ２は、上述の（１）〜（６）式で示される。
【００３７】
また、スイッチトキャパシタＳＣ４において、区間Ｄ１のときにコンデンサ（容量３Ｃ）に蓄積される電荷Ｑ４１、区間Ｄ２の時にコンデンサに蓄積される電荷Ｑ４２は、（１１）〜（１２）式で示される。
Ｑ４１＝３Ｃ（Ｖｒｅｆ−（Ｖｒｅｆ＋Ｖｏｆｆ））                          （１１）
Ｑ４２＝３Ｃ（Ｖｒｅｆ−Ｖｒｅｆ）＝０                                      （１２）
そして、区間Ｄ１の時に、各スイッチトキャパシタＳＣ１，ＳＣ２から、スイッチトキャパシタＳＣ３，ＳＣ４に供給される電荷Ｑ１，Ｑ２、及びスイッチトキャパシタＳＣ３に充電される電荷Ｑ３は、上述の（７）〜（９）式で示され、スイッチトキャパシタＳＣ４に充電される電荷Ｑ４は、（１３）式で示される。
【００３８】
Ｑ４＝Ｑ４１−Ｑ４２＝−３Ｃ×Ｖｏｆｆ                                      （１３）
なお、Ｑ１＋Ｑ２＝Ｑ３＋Ｑ４の関係から、出力電圧Ｖｏｕｔ  は（１４）式で示される。
Ｖｏｕｔ＝Ｖｒｅｆ＋（Ｖｓ２−Ｖｓ１）                                                （１０）
このように、本実施形態の加速度センサ１によれば、スイッチトキャパシタＳＣ１，ＳＣ２から、スイッチトキャパシタＳＣ３に電荷を転送する際に発生するオフセット電圧に基づく電荷分（３Ｃ・Ｖｏｆｆ  ）を、スイッチトキャパシタＳＣ４に充電することで、スイッチトキャパシタＳＣ３の充電電荷で決まる出力電圧Ｖｏｕｔ  から、オフセット電圧Ｖｏｆｆ  の影響を除去している。このため、このオフセット電圧Ｖｏｆｆ  に起因するノイズが除去された出力電圧Ｖｏｕｔ  を得ることができ、精度の高い加速度の測定結果を得ることができる。
【００３９】
なお、本実施形態において、センサエレメント２が可変容量、Ｓ／Ｈ回路５が信号処理回路、制御回路６が制御部に相当し、ＣＶ変換回路４の期間Ｄ１における出力Ｖｓ１が第１入力信号、期間Ｄ２における出力Ｖｓ２が第２入力信号に相当する。
【００４０】
また、上記実施形態では、スイッチトキャパシタＳＣ１〜ＳＣ３の各コンデンサとして、全て同じ容量のものを用いているが、スイッチトキャパシタＳＣ３と、スイッチトキャパシタＳＣ１，ＳＣ２とでは、コンデンサの容量を異ならせてもよい。この場合、両者の容量比を適宜調整することで、増幅率を調整することができる。
【００４１】
更に、上記実施形態では、本発明を加速度センサに適用した例を示したが、センサエレメント２の検出対象は、加速度に限らず、可変コンデンサの容量を変化させることのできる力学量であれば何でもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の加速度センサの構成を示す回路図である。
【図２】サンプルホールド回路の動作を示す説明図である。
【図３】従来の加速度センサの構成を示す回路図である。
【図４】従来の加速度センサの動作、及び問題点を説明するためのタイミング図である。
【図５】従来の加速度センサにおけるサンプルホールド回路の動作を示す説明図である。
【符号の説明】
１…加速度センサ、２…センサエレメント、２ａ…可動電極、２ｂ，２ｃ…固定電極、３…検出回路、４…ＣＶ変換回路、５…サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路、６…制御回路、２１…差動コンデンサ、４１，５１…演算増幅器、４２，５４…コンデンサ、４３…スイッチ、５２…電荷保持部、５３…統合電荷保持部、５５…オフセット補正部、ＳＣ１〜ＳＣ４…スイッチトキャパシタ。
【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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