JP2006284272A - 容量式物理量センサにおけるセンサ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 センサエレメントに印加される搬送波の電圧がノイズの影響によって変動しないようにし、センサ出力の変動を防止できるようにした容量式物理量センサにおけるセンサ回路を提供する。
【解決手段】 電源５０とドライバ回路３０との間に、ＲＣフィルタで構成されたフィルタ部４１を有するフィルタ回路４０を備える。このような構造により、電源５０とドライバ回路３０との間の電源供給ラインにノイズが乗ったとしても、そのノイズを除去することができる。このため、ドライバ回路３０のＮＯＴ回路３２、３４の基準電圧として、ノイズの影響を除去した一定の電圧Ｖｃｃを印加することが可能となる。これにより、センサエレメント１０に印加される信号ＰＷ１、ＰＷ２（搬送波）の電圧Ｖｃｃがノイズの影響によって変動しないようにすることができ、センサ出力の変動を防止することが可能となる。
【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物理量センサにおけるセンサ回路に関するもので、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）。
特開２００２−４００４７号公報

上記のような容量式加速度センサにおいて、高感度でセンサ信号を得るには、Ｃ−Ｖ変換回路が高倍率、差動増幅回路が高ゲインとなる必要がある。

しかしながら、センシング部を構成するセンサエレメントに対して印加されるセンサ駆動用の搬送波と同じ周波数のノイズが電源から印加される電圧に重畳された場合、このノイズ成分も増幅してしまうことになる。

これについて具体的に説明する。センサ駆動時に、センサエレメントに対して所定の振幅の電圧で構成される搬送波が印加されることになるが、この振幅相当の電圧には電源が発生する電圧が利用される。そして、この電源が発生する電圧がセンサ駆動用のドライバ回路における基準電圧として用いられることで、ドライバ回路によって形成される搬送波の振幅が基準電圧に設定されるようになっている。このため、電源からドライバ回路に対して基準電圧を印加する為のライン（電源供給ライン）にノイズが乗ると、そのノイズ分だけドライバ回路が発生させる搬送波の電圧が変動することになり、その変動分がセンサエレメントの出力として検出されてしまうのである。

このようにして、ノイズ成分が増幅されると、それによりセンサ出力が大きく変動してしまう。

本発明は上記点に鑑みて、センサエレメントに印加される搬送波の電圧がノイズの影響によって変動しないようにし、センサ出力の変動を防止できるようにした容量式物理量センサにおけるセンサ回路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、物理量の変化に応じて変位する可動電極（１ａ、１ｂ）と、可動電極に対向して配置された固定電極（２ａ、２ｂ）と、所定電圧（Ｖｃｃ）を発生させる電源（５０）からの電源供給に基づき、容量変化を検出するための信号（ＰＷ１、ＰＷ２）として、周期的な搬送波を出力し、可動電極と固定電極との間に印加するドライバ回路（３０）と、容量変化を検出するための信号が可動電極と固定電極との間に印加されているときに、可動電極と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、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された電圧を差動増幅する差動増幅回路（２２）とを備え、電源とドライバ回路との間に、フィルタ部（４１）を有するフィルタ回路（４０）が設けられ、フィルタ部により、搬送波の周波数帯のノイズが除去されるようになっており、電源が発生する所定電圧が該フィルタ回路を通過した後にドライバ回路に印加されるように構成されていることを特徴としている。

このように、電源とドライバ回路との間に、フィルタ部（４１）を有するフィルタ回路（４０）を設けている。したがって、電源とドライバ回路との間の電源供給ラインにノイズが乗ったとしても、そのノイズを除去することができる。このため、ドライバ回路が周期的な信号を形成する際の基準電圧として、ノイズの影響を除去した一定の電圧を印加することが可能となる。これにより、固定電極と可動電極との間に印加される周期的な信号の振幅がノイズの影響によって変動しないようにすることができ、センサ出力の変動を防止することが可能となる。

例えば、請求項２に示されるように、フィルタ部をＲＣフィルタによって構成することができる。

請求項３に記載の発明では、フィルタ回路には、フィルタ部の出力電圧を所定電圧に昇圧するボルテージホロワ回路（４２）が備えられ、該ボルテージホロワ回路（４２）の出力電圧がドライバ回路に印加されるように構成されていることを特徴としている。

このように、ボルテージホロワ回路を設けることで、電源が発生する電圧をフィルタ部に通過させた場合に電圧が低下しても、ボルテージホロワ回路によりその低下分を昇圧することが可能となる。

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。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。

（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センサ回路の全体構成を図１に示す。以下、図１に基づいて加速度センサのセンサ回路の構成を説明する。

加速度センサのセンサ回路は、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。

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。

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、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、例えば２．５Ｖ）が入力されるようになっている。

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。

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。

制御信号発生回路２３は、ドライバ回路３０に伝えられる所定周期の信号Ｐ１、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。

また、本実施形態の加速度センサのセンサ回路では、制御信号発生回路２３からの制御信号に基づいて、上述したような固定電極２ａ、２ｂへの駆動電圧となる信号ＰＷ１、ＰＷ２を形成するドライバ回路３０とフィルタ回路４０とが備えられている。

ドライバ回路３０は、制御信号発生回路２３が発生する制御信号Ｐ１と電源５０が発生する電圧Ｖｃｃ（例えば５Ｖ）に基づいて、固定電極２ａ、２ｂへの駆動電圧となる信号（搬送波）ＰＷ１、ＰＷ２を形成するものである。

具体的には、ドライバ回路３０は、４つのＮＯＴ回路３１〜３４を有して構成されており、制御信号Ｐ１は、固定電極２ａ側へはＮＯＴ回路３１、３２の２つを通過し、固定電極２ｂ側へはＮＯＴ回路３１、３３、３４の３つを通過して伝えられるようになっている。したがって、制御信号発生回路２３との間の経路中に偶数個のＮＯＴ回路３１、３２が設けられた固定電極２ａに関しては、制御信号Ｐ１と正負の符号が同じ（同位相）の信号ＰＷ１が搬送波として印加される。逆に、制御信号発生回路２３との間の経路中に奇数個のＮＯＴ回路３１、３３、３４が設けられた固定電極２ｂに関しては、制御信号Ｐ１と正負の符号が反転した（逆位相）の信号ＰＷ２が搬送波として印加される。

そして、このような構成において、ＮＯＴ回路３２、３４の２つに関しては、その作動電圧として電源５０が発生する電圧Ｖｃｃがフィルタ回路４０を介して入力されている。このため、信号ＰＷ１、ＰＷ２の振幅はフィルタ回路４０を通過後の電圧とされる。

フィルタ回路４０は、フィルタ部４１とボルテージホロワ回路４２とによって構成されている。

フィルタ部４１は、本実施形態の場合には、ＲＣフィルタによって構成されている。具体的には、抵抗４１ａ、４１ｂとコンデンサ４１ｃとによって構成され、電源５０とＧＮＤとの間に直列接続された２つの抵抗４１ａ、４１ｂを配置すると共に、抵抗４１ｂに対してコンデンサ４１ｃを並列接続することで構成されている。このフィルタ部４１では、カットオフ定数を調整することにより、制御信号発生回路２３が出力する制御信号Ｐ１の周波数以下の周波数のノイズが除去できるようにしている。

ボルテージホロワ回路４２は、フィルタ部４１を通過することによって電源５０の電圧Ｖｃｃが多少低下するため、それを元の電圧Ｖｃｃに戻してドライバ回路３０に伝えるためのものである。このため、オペアンプ４２ａの出力端子と反転入力端子との間に抵抗４２ｂを接続すると共に、オペアンプ４２ａの反転入力端子とＧＮＤとの間にも抵抗４２ｃを接続することで、ボルテージホロワ回路４２を非反転増幅回路として機能させ、抵抗４２ｂと抵抗４２ｃとの比によって決まる電圧分だけフィルタ部４１の出力電圧を昇圧できる構成としている。

このようなフィルタ回路４０により、電源５０とドライバ回路３０との間の電源供給ラインにノイズが乗ったとしても、そのノイズを除去することができる。このため、ドライバ回路３０のＮＯＴ回路３２、３４の基準電圧として、ノイズの影響を除去した一定の電圧Ｖｃｃを印加することが可能となる。

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。

制御信号発生回路２３から出力された制御信号Ｐ１に基づいてドライバ回路３０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。

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。

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。

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。

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。

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。

このような作動を行うに際し、本実施形態における加速度センサのセンサ回路では、電源５０の電圧Ｖｃｃをフィルタ回路４０に通過させ、ドライバ回路３０が駆動電圧（搬送波）となる信号ＰＷ１、ＰＷ２を形成するに際し、フィルタ回路４０を通過した後の電圧Ｖｃｃを基準電圧として用いるようにしている。このため、信号ＰＷ１、ＰＷ２の振幅は、ノイズの影響が除去された一定の電圧Ｖｃｃとされる。したがって、ノイズ成分が増幅されることはなく、それによってセンサ出力が大きく変動してしまうということもない。

以上のように、本実施形態では、フィルタ回路４０を用いることにより、電源５０とドライバ回路３０との間の電源供給ラインにノイズが乗ったとしても、そのノイズを除去することができる。このため、ドライバ回路３０のＮＯＴ回路３２、３４の基準電圧として、ノイズの影響を除去した一定の電圧Ｖｃｃを印加することが可能となる。これにより、センサエレメント１０に印加される信号ＰＷ１、ＰＷ２（搬送波）の電圧Ｖｃｃがノイズの影響によって変動しないようにすることができ、センサ出力の変動を防止することが可能となる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、フィルタ回路４０に備えられるフィルタ部４１がＲＣフィルタで構成される例を示したが、この他、一般的に知られている他の形態のフィルタであっても構わない。この場合において、フィルタ部４１は、少なくとも、搬送波の周波数帯のノイズを除去できるようなものであれば良い。

また、上記実施形態では、ドライバ回路３０が４つのＮＯＴ回路３１〜３４で構成されているものを例に挙げて説明したが、これも単なる一例である。要するに、ドライバ回路３０が、一定の電圧からなる搬送波などを形成するためのものであり、かつ、印加される電圧を利用して搬送波の振幅を決める基準電圧を形成するようなものであれば、どのよううな構成であっても構わない。

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。

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…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…ドライバ回路、
３１〜３４…ＮＯＴ回路、４０…フィルタ回路、４１…フィルタ部、
４１ａ、４１ｂ…抵抗、４１ｃ…コンデンサ、４２…ボルテージホロワ回路、
４２ａ…オペアンプ、４２ｂ、４２ｃ…抵抗。

Claims (3)

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、
   
   所定電圧（Ｖｃｃ）を発生させる電源（５０）からの電源供給に基づき、容量変化を検出するための信号（ＰＷ１、ＰＷ２）として、周期的な搬送波を出力し、前記可動電極と前記固定電極との間に印加するドライバ回路（３０）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（２２）とを備え、
   前記電源と前記ドライバ回路との間に、フィルタ部（４１）を有するフィルタ回路（４０）が設けられ、前記フィルタ部により、前記搬送波の周波数帯のノイズが除去されるようになっており、前記電源が発生する前記所定電圧が該フィルタ回路を通過した後に前記ドライバ回路に印加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におけるセンサ回路。
2. 前記フィルタ部は、ＲＣフィルタによって構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におけるセンサ回路。
3. 前記フィルタ回路には、前記フィルタ部の出力電圧を前記所定電圧に昇圧するボルテージホロワ回路（４２）が備えられ、該ボルテージホロワ回路（４２）の出力電圧が前記ドライバ回路に印加されるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の容量式物理量センサにおけるセンサ回路。

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