(57)【要約】【課題】容量式物理量センサにおける信号処理の高速化を図り、容量式物理量センサのさらなる高速動作を実現する。【解決手段】Ｃ−Ｖ変換回路２１におけるオペアンプ２１ａの反転入力端子と非反転入力端子との間にスイッチ２１ｃを備え、反転入力端子の電位をＶｃｃ／２にする際に、元々Ｖｃｃ／２の電位が入力されている非反転入力端子に接続する。これにより、反転入力端子の電位を瞬時にＶｃｃ／に確定させられる。したがって、加速度センサの信号処理をさらに高速化させられ、さらなる高速動作を実現することが可能となる。【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（１ａ、１ｂ）に対向して配置され、周期的な電圧の搬送波（ＰＷ１、ＰＷ２）が印加される固定電極（２ａ、２ｂ）と、を有したセンサエレメント（１０）と、
前記可動電極（１ａ、１ｂ）と前記固定電極（２ａ、２ｂ）との間に形成される容量の変化に応じた電位が入力電位として入力され、該容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路（２１）と、該Ｃ−Ｖ変換回路（２１）の出力を差動増幅したセンサ出力を発生させる差動増幅回路（２２）と、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Ｃ−Ｖ変換回路（２１）は、オペアンプ（２１ａ）とコンデンサ（２１ｂ）およびスイッチ（２１ｃ）を有して構成され、
前記オペアンプ（２１ａ）は、該オペアンプ（２１ａ）の反転入力端子に前記可動電極（１ａ、１ｂ）と前記固定電極（２ａ、２ｂ）との間に形成される容量の変化に応じた電位が入力電位として入力されると共に、非反転入力端子に前記物理量検出用の基準電圧が入力され、
前記コンデンサ（２１ｂ）は、前記オペアンプ（２１ａ）の前記反転入力端子と出力端子との間に接続され、
前記スイッチ（２１ｃ）は、前記オペアンプ（２１ａ）の反転入力端子に接続され、該反転入力端子に対して前記物理量検出用の基準電圧と同電位の電圧を直接入力することを制御するようになっていることを特徴とする容量式物理量センサ。
【請求項２】
前記スイッチ（２１ｃ）は、前記オペアンプ（２１ａ）の前記反転入力端子と前記非反転入力端子との間に配置され、これらの間の接続を制御するものであ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】
前記スイッチ（２１ｃ）は、前記物理量検出用の基準電圧と同電位の電圧を発生させる電圧源（２４）と前記オペアンプ（２１ａ）の前記反転入力端子との接続を制御するものであ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。
【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にセンサエレメントとして備えられた可動電極と固定電極との間に形成される容量が変化することを利用して、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信号処理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、加速度変化により生じた容量変化をＣ−Ｖ変換回路にて電気信号に変換するに際し、Ｃ−Ｖ変換回路における基準電圧を確定するために、オペアンプの出力端子と反転入力端子との間に備えられたスイッチをオンさせている。これにより、スイッチを通じてオペアンプの出力端子と反転入力端子とが接続されたボルテージホロワ回路を構成し、反転入力端子の電圧をＶｒｅｆに確定させるようにしている。
【特許文献１】特開２００４−４００４７号公報
【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、上記した従来の容量式加速度センサでは、反転入力端子の電圧がボルテージホロワ出力によってＶｒｅｆに確定される構成であるため、それが確定するまでに、上記スイッチのスイッチングに掛かる時間に加えてオペアンプ出力が安定する時間が必要になる。このため、容量式加速度センサの信号処理を高速化しようとしても、上記スイッチのスイッチング動作によるオペアンプ追従に限界があり、さらなる高速動作を実現することが困難であるという問題がある。
【０００５】
なお、ここでは、容量式物理量センサの一例として容量式加速度センサを例に挙げて説明したが、他の容量式物理量センサ、例えばジャイロセンサ等に関しても同様の問題がある。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、容量式物理量センサにおける信号処理の高速化を図り、容量式物理量センサのさらなる高速動作を実現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、本発明では、容量式物理量センサに備えられるＣ−Ｖ変換回路（２１）がオペアンプ（２１ａ）とコンデンサ（２１ｂ）およびスイッチ（２１ｃ）を有した構成となるようにし、かつ、オペアンプ（２１ａ）は、該オペアンプ（２１ａ）の反転入力端子に可動電極（１ａ、１ｂ）と固定電極（２ａ、２ｂ）との間に形成される容量の変化に応じた電位が入力電位として入力されると共に、非反転入力端子に物理量検出用の基準電圧が入力され、コンデンサ（２１ｂ）は、オペアンプ（２１ａ）の反転入力端子と出力端子との間に接続され、スイッチ（２１ｃ）は、オペアンプ（２１ａ）の反転入力端子に接続され、該反転入力端子に対して物理量検出用の基準電圧と同電位の電圧を直接入力することを制御するような構成とすることを特徴としている。
【０００８】
このように、オペアンプ（２１ａ）の反転入力端子に対して物理量検出用の基準電圧と同電位の電圧が直接入力されるようにし、スイッチ（２１ｃ）にて、反転入力端子に対して物理量検出用の基準電圧と同電位の電圧を印加するか否かを制御できるようにしている。これにより、反転入力端子の電位を瞬時に物理量検出用の基準電圧に確定させることができる。したがって、容量式物理量センサの信号処理をさらに高速化させられ、さらなる高速動作を実現することが可能となる。
【０００９】
例えば、スイッチ（２１ｃ）は、オペアンプ（２１ａ）の反転入力端子と非反転入力端子との間に配置され、これらの間の接続を制御するように構成される。このようにすれば、元々物理量検出用の基準電圧が印加される非反転入力端子の電位を用いて、反転入力端子に直接物理量検出用の基準電圧が印加されるようにすることができる。
【００１０】
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】
【００１１】
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。
【００１２】
（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（以下、単に加速度センサという）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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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およびスイッチ２１ｃ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が接続され、反転入力端子および非反転入力端子の間にはスイッチ２１ｃが接続されている。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、オペアンプ２１ａの非反転入力端子には、固定電極２ａ、２ｂに印加される電圧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）が加速度検出用の基準電圧として印加されるようになっている。
【００１７】
差動増幅回路２２は、サンプルホールド回路２２ａと増幅回路２２ｂおよびローパスフィルタ回路（以下、ＬＰＦという）２２ｃ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。増幅回路２２ｂは、サンプルホールド回路２２ａでサンプリングされたＣ−Ｖ変換回路２１の出力を所定のゲインで増幅するものである。ＬＰＦ回路２２ｃ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を示すセンサ出力として外部に出力する。
【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およびＬＰＦ回路２２ｃの駆動クロック信号Ｆ１を出力する。
【００１９】
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、図２に示す加速度検出時における信号波形を参照して説明する。
【００２０】
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Ｖｄｄ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（例えば、５Ｖの振幅）の矩形波信号となっている。
【００２１】
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Ｖｄｄ、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。このとき、オペアンプ２１ａのの反転入力端子と非反転入力端子とがスイッチ２１ｃを介して接続された状態になるため、瞬時に反転入力端子の電位が非反転入力端子の電位と同じＶｃｃ／２になり確定する。また、このようにオペアンプ２１ａの反転入力端子の電位がＶｄｄ／２となるため、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。
【００２２】
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。
【００２３】
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Ｖｄｄ、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。
【００２４】
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Ｖｄｄ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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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Ｖｄｄとなるようにしたのち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。
【００２８】
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。
【００２９】
以上説明した本実施形態の加速度センサにおいては、Ｃ−Ｖ変換回路２１におけるオペアンプ２１ａの反転入力端子と非反転入力端子との間にスイッチ２１ｃを備えることで、反転入力端子の電位をＶｃｃ／２にする際に、元々Ｖｃｃ／２の電位が入力されている非反転入力端子に接続することで、反転入力端子の電位を瞬時にＶｃｃ／に確定させることができる。
【００３０】
このため、従来の加速度センサのように、上記スイッチのスイッチングに掛かる時間に加えてオペアンプ出力が安定する時間が経過しなくても、スイッチ２１ｃのスイッチングに掛かる時間のみでオペアンプ２１ａの反転入力端子の電位を確定させることが可能となる。したがって、加速度センサの信号処理をさらに高速化させられ、さらなる高速動作を実現することが可能となる。
【００３１】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図３は、本実施形態の加速度センサの回路ブロックの全体構成を示した図である。
【００３２】
上記第１実施形態では、オペアンプ２１ａの反転入力端子に対して加速度検出用の基準電圧と同電位（ここではＶｃｃ／２）を入力するために、元々Ｖｃｃ／２が入力されていたオペアンプ２１ａの非反転入力端子の電位を利用するようにしている。これとは別に、図３に示すように、オペアンプ２１ａの反転入力端子にＶｃｃ／２を入力するための電圧源２４を用意し、この電圧源２４からの電圧印加ラインにスイッチ２１ｃを設けるようにしても上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
（他の実施形態）
上記実施形態では、図１に示すように、オペアンプ２１ａの非反転入力端子にＶｃｃ／２が直接入力される形態を示したが、非反転入力端子に自己診断用の電位（例えばＶｃｃ／２よりも高電圧）が入力されるようにし、これらのいずれが入力されるかをスイッチ回路により制御する形態とする場合もある。このような場合においても、スイッチ回路にてオペアンプ２１ａの非反転入力端子にＶｃｃ／２が入力されるような状態とされているときに、スイッチ２１ｃをオンさせるようにすれば、上記第１実施形態と同様の作動を行うことが可能である。
【００３４】
また、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、例えばヨーレートセンサ等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】加速度検出時のタイミングチャートである。
【図３】本発明の第２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。
【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、２２…差動増幅回路、２２ａ…サンプルホールド回路、
２２ｂ…増幅回路、２２ｃ…ＬＰＦ回路、２３…制御信号発生回路、２４…電圧源。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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