JP2005331260A - 容量式物理量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 低ノイズでセンサ出力を増幅できる容量式物理量センサを提供する。
【解決手段】 Ｃ−Ｖ変換回路２１の後段に前段増幅回路２３を配置する。これにより、Ｃ−Ｖ変換回路２１の出力電圧が前段増幅回路２３によって増幅され、容量式加速度センサの感度を高めることが可能となる。そして、この前段増幅回路２３を差動増幅回路２４の前に配置していることから、Ｃ−Ｖ変換回路２１の出力に載っていたノイズが前段増幅回路２３によって増幅されたとしても、差動増幅回路２４に備えられたサンプルホールド回路２４ａにより、そのノイズ成分を除去することが可能となる。このような構成とすることにより、低ノイズでセンサ出力を増幅できる容量式加速度センサとすることができる。
【選択図】 図１

Description

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力学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。

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。そして、後段のメインアンプによってセンサ出力をさらに増幅することによって加速度を検出するようにしている。
特開２００２−４００４７号公報

車載用加速度センサで検出された加速度を車両走行制御に用いる場合、高い検出感度が要求される。このため、容量式加速度センサの高感度化が求められている。

しかしながら、高感度化を実現するために、センサエレメント自体の高感度化を図ろうとして各電極間の幅を狭くすると、各電極が接触して離れなくなってしまうスティッキングを発生させるし、アンプのゲインを単純に大きくすると、ノイズが大きくなるという問題を発生させる。

また、Ｃ−Ｖ変換効率を高めるために、Ｃ−Ｖ変換回路に備えられる帰還容量を下げると、Ｃ−Ｖ変換回路に備えられるトランジスタで構成されたスイッチにリーク電流が発生し、高感度化が難しくなる。

本発明は上記点に鑑みて、低ノイズでセンサ出力を増幅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。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、可動電極（１ａ、１ｂ）と固定電極（２ａ、２ｂ）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（２１）の後段に、Ｃ−Ｖ変換回路の出力電圧を増幅する増幅回路（２３）を備え、この増幅回路によって増幅された電圧を差動増幅回路（２４）にてサンプルホールドし、差動増幅することを特徴としている。

このように、Ｃ−Ｖ変換回路の後に、増幅回路を配置するようにしている。これにより、Ｃ−Ｖ変換回路の出力電圧が増幅回路によって増幅され、容量式物理量センサの感度を高めることが可能となる。そして、この増幅回路を差動増幅回路の前に配置していることから、Ｃ−Ｖ変換回路の出力に載っていたノイズが増幅回路によって増幅されたとしても、差動増幅回路でサンプルホールドするときに、そのノイズ成分を除去することが可能となる。これにより、低ノイズでセンサ出力を増幅できる容量式物理量センサとすることができる。

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。

（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。

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。

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電圧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。

一方、検出回路２０には、Ｃ−Ｖ変換回路２１、スイッチ回路２２、前段増幅回路２３、差動増幅回路２４、及び制御信号発生回路２５が備えられている。

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と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２５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スイッチ回路２２を介して、固定電極２ａ、２ｂに印加された電圧の半分の電圧（すなわち中点電圧、本実施形態の場合には２．５Ｖ）と、この中点電圧とは異なる電圧（本実施形態の場合には４Ｖ）のいずれかが入力されるようになっている。

スイッチ回路２２は、Ｃ−Ｖ変換回路２１におけるオペアンプ２１ａの非反転入力端子に、図示しないそれぞれの電圧源からの電圧を入力するもので、スイッチ２２ａとスイッチ２２ｂとから構成されている。これら各スイッチ２２ａ、２２ｂは、制御信号発生回路２５からの信号Ｓｔに基づいて駆動され、一方が閉じている時には他方が開くようになっている。このスイッチ回路２２により、オペアンプ２１ａに印加される電圧を調整するようになっているが、通常の加速度検出時にはオペアンプ２１ａに中間電位が印加されるようにされ、自己診断時にはオペアンプ２１ａに中間電圧とは異なる電圧が印加されるように、スイッチ２２ａ、２２ｂのオンオフが調整されるようになっている。

なお、ここでいう自己診断は、特開２００２−４００４７号公報に示されるものであり、公知のものであることから、ここでは説明を省略する。

前段増幅回路２３は、Ｃ−Ｖ変換回路２１によって電圧変換された差動容量の変化を所定の倍率で増幅するものである。具体的には、前段増幅回路２３には、オペアンプ２３ａと抵抗２３ｂ、２３ｃとによって構成される一般的な増幅回路が用いられており、抵抗２３ｂ、２３ｃの抵抗値に応じて増幅率が設定されるようになっている。ここでの倍率は、例えば、差動増幅回路２４に備えられる後述するサンプルホールド回路２４ａの動作点を超えない程度とされ、例えば数倍程度とされる。

差動増幅回路２４は、サンプルホールド回路２４ａとＳＣＦ回路２４ｂとを有した構成となっている。サンプルホールド回路２４ａは、制御信号発生回路２５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。このサンプルホールド回路２４ａを通じることで、Ｃ−Ｖ変換回路２１の出力に載っていたノイズが前段増幅回路２３によって増幅されたとしても、そのノイズ成分を除去することが可能となる。

ＳＣＦ回路２４ｂは、制御信号発生回路２５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２４ａ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。

制御信号発生回路２５は、固定電極２ａ、２ｂへの電圧印加タイミングを示す信号（搬送波）ＰＷ１、ＰＷ２、スイッチ回路２２のスイッチの切替えタイミングを示す信号Ｓｔ、スイッチ２１ｃの切替えタイミングＳ１、サンプルホールド回路２４ａの制御信号Ｓ２、ＳＣＦ回路２４ｂの駆動クロック信号Ｆ１を出力する。

続いて、上記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。なお、図２中には示していないが、通常の加速度検出時には信号Ｓｔはローレベル（Ｌｏｗ）となり、オペアンプ２１ａの非反転入力端子に中点電圧（例えば、２．５Ｖ）が印加され、可動電極１ａ、１ｂが中点電圧とされる。

制御信号発生回路２５から出力される信号ＰＷ１、ＰＷ２は互いに電圧レベルが反転した振幅Ｖ（本実施形態の場合は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。

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２５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。

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。

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２５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２４ａ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。

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２５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。

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。

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。

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２４ａにて、Ｃ−Ｖ変換回路２１の出力電圧を前段増幅回路２３でさらに増幅したものがサンプリングされる。

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２４ａ差動演算されたのち出力される。これにより、サンプルホールド回路２４ａでのサンプリング時に発生するＴｒのスイッチングノイズの温度特性やオペアンプの１／ｆノイズ、オペアンプのオフセット電圧と温度特性などがキャンセルされた出力が得られ、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。

以上説明した本実施形態の容量式加速度センサでは、Ｃ−Ｖ変換回路２１の後に、前段増幅回路２３を配置するようにしている。これにより、Ｃ−Ｖ変換回路２１の出力電圧が前段増幅回路２３によって増幅され、容量式加速度センサの感度を高めることが可能となる。そして、この前段増幅回路２３を差動増幅回路２４の前に配置していることから、Ｃ−Ｖ変換回路２１の出力に載っていたノイズが前段増幅回路２３によって増幅されたとしても、差動増幅回路２４に備えられたサンプルホールド回路２４ａにより、そのノイズ成分を除去することが可能となる。

このような構成とすることにより、低ノイズでセンサ出力を増幅できる容量式加速度センサとすることができる。

（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。

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図である。 図１に示す加速度センサの作動時における各部のタイミングチャートを示した図である。

符号の説明

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、２２…スイッチ回路、２３…前段増幅回路、
２４…信号処理回路、２４ａ…サンプルホールド回路、２４ｂ…ＳＣＦ回路、
２５…制御信号発生回路。

Claims (1)

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た固定電極（２ａ、２ｂ）と、
   容量変化を検出するための信号を前記可動電極と前記固定電極との間に周期的に印加する信号印加手段（２５）と、
   前記容量変化を検出するための信号が前記可動電極と前記固定電極との間に印加されているときに、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（２１）と、
   前記Ｃ−Ｖ変換回路の出力電圧を増幅する増幅回路（２３）と、
   前記増幅回路によって増幅された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された電圧を差動増幅する差動増幅回路（２４）とを備えていることを特徴とする容量式物理量センサ。
   

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