JP5673574B2 - 物理量検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｃ−Ｖ変換回路を備えた物理量検出装置に関する。

物理量検出装置は、加速度、角速度、圧力などの物理量に応じて変化するセンサ部の静電容量を電圧に変換し（Ｃ−Ｖ変換）、そのＣ−Ｖ変換後の電圧をＡ／Ｄ変換してマイコン等に出力する。このＣ−Ｖ変換電圧は、センサ部の静電容量すなわち帰還コンデンサに蓄積される電荷量に比例し、帰還コンデンサの静電容量に反比例する。物理量の検出可能範囲を広めるとともに物理量を高感度で検出するため、特許文献１に記載された物理量検出装置は、メインスイッチと並列に接続される帰還コンデンサの静電容量を外部信号により段階的に変更可能に構成されている。

例えば、小さい物理量（小さい静電容量）を検出する場合には、帰還コンデンサの静電容量を小さく設定し、大きい物理量（大きい静電容量）を検出する場合には、帰還コンデンサの静電容量を大きく設定すればよい。そして、Ｃ−Ｖ変換電圧がＣ−Ｖ変換回路の出力飽和電圧よりも低くなる範囲内において、静電容量が最小となる帰還コンデンサの選択を外部信号により指令することにより、出力飽和を防止しつつＣ−Ｖ変換電圧を大きくでき、検出感度を高められる。

一方、特許文献２に記載されたＡ／Ｄ変換器は、１つのオペアンプを備え、センサ部の静電容量を電圧に変換するとともに、そのＣ−Ｖ変換電圧に対して巡回型のＡ／Ｄ変換を実行する。また、このＡ／Ｄ変換器は、物理量に応じて電圧が変化する外部センサなどの出力電圧を入力して巡回型のＡ／Ｄ変換を実行することもできる。すなわち、容量式センサであるセンサ部と電圧式センサである外部センサの何れに対しても、その出力信号をＡ／Ｄ変換することができる。

これらの技術を利用すれば、物理量に応じて静電容量が変化するセンサ部の出力信号に対して、図１０に示すように帰還コンデンサの容量値の設定、その帰還コンデンサを用いたＣ−Ｖ変換およびＣ−Ｖ変換電圧のＡ／Ｄ変換からなる信号処理シーケンスを用いることにより、変換動作を繰り返し行うことができる。ここで、一連の信号処理は、搬送波と呼ばれるクロックに同期して行われる。

特開２００２−９８７１２号公報 特開２０１１−２０５１９０号公報

これに対し、上記センサ部の出力信号と上記外部センサの出力電圧とを時分割で処理する場合には、図１１に示すように帰還コンデンサの容量値の設定、その帰還コンデンサを用いたＣ−Ｖ変換、Ｃ−Ｖ変換電圧のＡ／Ｄ変換および外部センサ電圧のＡ／Ｄ変換からなる信号処理シーケンスを用いることになる。その結果、上述した図１０に示す信号処理シーケンスに比べ、信号処理周期が１搬送波分だけ長くなる。すなわち、帰還コンデンサの切り替え技術を用いた物理量検出装置に対し外部電圧のＡ／Ｄ変換処理を追加すると、センサ部に対する信号処理周期が長くなりサンプリング速度が低下する不都合が生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、Ｃ−Ｖ変換の対象となるセンサ部のサンプリング速度の低下を防止しながら外部電圧のＡ／Ｄ変換処理を追加することができる物理量検出装置を提供することにある。

請求項１に記載した物理量検出装置は、物理量に応じて静電容量が変化するセンサ部と、センサ部の静電容量を電圧に変換するＣ−Ｖ変換回路と、Ｃ−Ｖ変換回路から出力されるＣ−Ｖ変換電圧および外部から与えられる外部電圧の中から選択された電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路と、センサ部からＣ−Ｖ変換回路への入力経路および外部電圧のＡ／Ｄ変換回路への入力経路の開閉を行う入力切替回路と、Ｃ−Ｖ変換およびＡ／Ｄ変換の実行を制御する制御回路とを備えている。

Ｃ−Ｖ変換回路は、入力切替回路を介してセンサ部の出力信号が入力されるオペアンプと、オペアンプの入出力端子間に接続されたメインスイッチと、オペアンプの入出力端子間に接続され、その静電容量が複数の容量値に変更可能な帰還コンデンサと、オペアンプの出力電圧とオペアンプの出力飽和電圧より低く設定されたしきい値電圧とを比較する比較回路とを備えている。

Ａ／Ｄ変換回路は、外部電圧またはオペアンプの出力電圧を入力し、所定分解能でそのＡ／Ｄ変換値を得るＡ／Ｄ変換器と、オペアンプを用いてＡ／Ｄ変換器の入力電圧とＡ／Ｄ変換値のＤ／Ａ変換電圧との差電圧に応じた残余電圧を生成し、オペアンプから出力される残余電圧を再びＡ／Ｄ変換器に入力可能な残余電圧生成回路とを備えた巡回型Ａ／Ｄ変換回路である。

制御回路は、入力切替回路を介してセンサ部の出力信号をＣ−Ｖ変換回路に入力し、メインスイッチをオンして帰還コンデンサの電荷を初期化した後、オフに切り替えてセンサ部と帰還コンデンサとの間で電荷の再分配を行うことによりＣ−Ｖ変換を実行する。また、被変換電圧をＡ／Ｄ変換回路に入力し、残余電圧をＡ／Ｄ変換器に入力して新たな残余電圧を生成する巡回動作によりＡ／Ｄ変換を実行して被変換電圧のＡ／Ｄ変換値を得る。

制御回路は、これらＣ−Ｖ変換とＡ／Ｄ変換を用いて以下の第１変換動作と第２変換動作を行う。第１変換動作は、入力切替回路を介してセンサ部の出力信号をＣ−Ｖ変換回路に入力し、Ｃ−Ｖ変換電圧がしきい値電圧を超えない範囲内で最大となるように比較回路による比較結果に基づいて帰還コンデンサの容量値を設定し（帰還コンデンサの最適化）、その設定した帰還コンデンサを用いてＣ−Ｖ変換を実行する。そのＣ−Ｖ変換電圧をＡ／Ｄ変換回路に入力し、巡回動作により物理量のＡ／Ｄ変換値を得る。帰還コンデンサの最適化により、物理量を高感度で検出できる。

第２変換動作は、入力切替回路を介して外部電圧をＡ／Ｄ変換回路に入力し、巡回動作により外部電圧のＡ／Ｄ変換値を得た後、帰還コンデンサの容量値を最大にまたは当該センサ部に対して前回実行した第１変換動作で用いた容量値に設定してＣ−Ｖ変換を実行する。そのＣ−Ｖ変換電圧をＡ／Ｄ変換回路に入力し、巡回動作により物理量のＡ／Ｄ変換値を得る。

制御回路は、第１変換動作を１回実行するごとまたは複数回実行するごとに第２変換動作を実行する。第１変換動作および第２変換動作は、何れもセンサ部で検出した物理量のＡ／Ｄ変換値を出力し、搬送波と呼ばれるクロックの３周期で完了する。このうち第２変換動作は、外部電圧のＡ／Ｄ変換値も出力する。つまり、センサ部のＣ−Ｖ変換処理とＡ／Ｄ変換処理に対し外部電圧のＡ／Ｄ変換処理を追加しても、センサ部による物理量のサンプリング周期は搬送波の３周期分のまま維持され、センサ部のサンプリング速度の低下を防止しつつ外部電圧のＡ／Ｄ変換値も得ることができる。

第２変換動作では、センサ部で検出した物理量と外部電圧のＡ／Ｄ変換を実行するので、第１変換動作と異なり帰還コンデンサの最適化処理が実行されない。しかし、帰還コンデンサの容量値を最大に設定してＣ−Ｖ変換ゲインを下げることにより、Ｃ−Ｖ変換回路の出力飽和を防止することができる。また、出力飽和の虞がない条件の下では、帰還コンデンサの容量値を、前回実行した第１変換動作で用いた容量値に設定することにより、物理量の検出感度を極力高められる。

請求項２に記載した手段によれば、センサ部を複数備え、制御回路は、各センサ部に対する第１変換動作を順に繰り返し実行し、複数のセンサ部のうち特定のものに対する第１変換動作を１回実行するごとまたは複数回実行するごとに、第１変換動作に替えて当該特定のセンサ部に対する第２変換動作を実行する。これにより、例えば２軸、３軸などの多軸の加速度センサ（センサ部）で検出される各軸の加速度（物理量）および外部電圧のＡ／Ｄ変換値を１つの物理量検出装置により得ることができる。また、複数のセンサ部のうち、帰還コンデンサの最適化を毎回実行する必要のない特定のものに対して第２変換動作を実行することにより、各軸の加速度に対し必要な検出感度を維持しながら他の物理量を得ることができる。

請求項３に記載した手段によれば、制御回路は、各センサ部に対し第１変換動作を１回実行するごとまたは複数回実行するごとに１回の第２変換動作を実行する。これにより、各センサ部について帰還コンデンサの最適化が２回以上連続して抜けることがなく、検出感度の低下を極力防止できる。

請求項４に記載した手段によれば、制御回路は、第１変換動作のＣ−Ｖ変換で用いた帰還コンデンサの容量値に基づくＣ−Ｖ変換ゲインと、第２変換動作のＣ−Ｖ変換で用いた帰還コンデンサの容量値に基づくＣ−Ｖ変換ゲインとの差を補償するように、第１変換動作で得られた物理量のＡ／Ｄ変換値および／または第２変換動作で得られた物理量のＡ／Ｄ変換値に対してゲイン補正を行うとともに、ゲイン補正後のＡ／Ｄ変換値をフィルタに通して平滑化する。これにより、第１変換動作と第２変換動作のＣ−Ｖ変換ゲインの差を補償でき、その他の要因による両変換動作のＡ／Ｄ変換値のずれを平滑化できる。

請求項５に記載した手段によれば、制御回路は、第２変換動作において、帰還コンデンサの容量値を前回実行した第１変換動作で用いた容量値に設定したときのＣ−Ｖ変換電圧がしきい値電圧を超えない場合には当該容量値を採用し、しきい値電圧を超える場合には最大の容量値を採用する。これにより、Ｃ−Ｖ変換回路の出力飽和を防止しつつ、物理量の検出感度を極力高められる。

本発明の第１の実施形態を示す物理量検出装置の構成図 変換動作のタイミングチャート Ｃ−Ｖ変換の説明図 変換動作のフローチャート Ｃ−Ｖ変換電圧の増幅とＡ／Ｄ変換のタイミングチャート 外部電圧の増幅とＡ／Ｄ変換のタイミングチャート 本発明の第２の実施形態を示す図２相当図 本発明の第３の実施形態を示す図２相当図 本発明の第４の実施形態を示す図２相当図 従来の物理量検出装置を用いて１つのセンサ部のＡ／Ｄ変換値を得るときのタイミングチャート センサ部と外部センサのＡ／Ｄ変換値を時分割で得るときのタイミングチャート

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１ないし図６を参照しながら説明する。図１に示す物理量検出装置１は、容量式加速度センサのセンサエレメント２の出力信号に対しＣ−Ｖ変換とＡ／Ｄ変換を実行して加速度のＡ／Ｄ変換値を出力するとともに、電圧式センサである外部センサ３の出力信号に対しＡ／Ｄ変換を実行して温度や圧力などのＡ／Ｄ変換値を出力する。ここで、加速度、温度または圧力が検出すべき物理量に相当する。

センサエレメント２（センサ部）は、直列接続された２つのコンデンサＣＥ１、ＣＥ２を備えている。コンデンサＣＥ１、ＣＥ２の静電容量は、加速度が加わらない状態において何れもＣＥとなっており、加速度が加わるとその加速度に応じて互いに逆向きに変化する。例えば、加速度が加わったことによりコンデンサＣＥ１の静電容量がΔＣ／２だけ減少すると、コンデンサＣＥ２の静電容量はΔＣ／２だけ増加する。

コンデンサＣＥ１、ＣＥ２の各一端子には、それぞれパルス信号Ｖp1、Ｖp2が入力されるようになっている。パルス信号Ｖp1、Ｖp2の位相は互いに１８０度異なっている。パルス信号Ｖp1、Ｖp2の電圧レベルが反転すると、コンデンサＣＥ１、ＣＥ２に蓄積される電荷量が変化し、この電荷の変化量が加速度の検出信号として出力される。一方、外部センサ３は、例えばブリッジ接続された抵抗性素子を備えた温度センサや圧力センサから構成されている。外部センサ３は、温度や圧力など（以下、温度等と言う）の物理量に応じた外部電圧を出力するので、センサエレメント２とは異なりＣ−Ｖ変換は不要である。

物理量検出装置１は、センサエレメント２、入力切替回路４、Ｃ−Ｖ変換回路５、Ａ／Ｄ変換回路６および制御回路７を備えている。Ｃ−Ｖ変換回路５とＡ／Ｄ変換回路６は、１つのオペアンプ８を共用している。入力切替回路４は、切替回路９とスイッチＳ６とから構成されている。切替回路９は、センサエレメント２からＣ−Ｖ変換回路５への入力経路および外部センサ３からＡ／Ｄ変換回路６への入力経路の開閉を行う。後述するように、スイッチＳ６は、外部センサ３から外部電圧を入力する時にオフし、それ以外の期間ではオンしている。

Ｃ−Ｖ変換回路５は、センサエレメント２の静電容量を電圧に変換する回路である。オペアンプ８の反転入力端子には、切替回路９を介してセンサエレメント２の出力信号が入力されるようになっている。オペアンプ８の反転入力端子と出力端子との間には、スイッチＳ１とＳ２の直列回路およびメインスイッチであるスイッチＳ５が並列に接続されている。

帰還コンデンサ１０は、スイッチＳ１がオンのときにオペアンプ８の反転入力端子と出力端子との間に接続された状態となり、スイッチＳ２がオフのときに静電容量が２段階に変更可能に構成されている。このため、スイッチＳ２の両端子間には、同じ静電容量を持つコンデンサＣ１、Ｃ２が並列に接続されており、それぞれスイッチＳ３、Ｓ４によって切り離し可能になっている。帰還コンデンサ１０を２つのコンデンサにより構成したのは、レイアウト面積を削減するためである。

コンパレータ１１とデコーダ１２は、帰還コンデンサ１０の容量設定時およびＣ−Ｖ変換時に動作する。コンパレータ１１は、オペアンプ８の出力電圧Ｖｏと、オペアンプ８の出力飽和電圧より低く設定されたしきい値電圧Ｖthとを比較し、出力電圧Ｖｏがしきい値電圧Ｖthを超えるとＨレベルの比較信号を出力する比較回路である。デコーダ１２は、制御回路７によって制御されており、コンパレータ１１が出力する比較信号に応じてスイッチＳ３、Ｓ４のオンオフ制御を行う。

Ａ／Ｄ変換回路６は、Ｃ−Ｖ変換回路５で得られたセンサエレメント２のＣ−Ｖ変換電圧および外部センサ３からの外部電圧の中から選択された電圧をＡ／Ｄ変換する巡回型Ａ／Ｄ変換回路である。Ａ／Ｄ変換器１３は、オペアンプ８の出力電圧または外部電圧を入力し、所定の分解能でそのＡ／Ｄ変換値を得る。一例として、Ａ／Ｄ変換器１３は、基準電圧Ｖrefp（５Ｖ）とＶrefm（０Ｖ）の差電圧を抵抗分圧して２つの基準電圧を生成し、図示しないコンパレータを用いて１．５ビットつまり３値のデジタル変換値０、１、２（＝００、０１、１０）を出力するようになっている。

残余電圧生成回路１４は、Ａ／Ｄ変換器１３の入力電圧と、Ａ／Ｄ変換器１３が出力するＡ／Ｄ変換値のＤ／Ａ変換電圧との差電圧を増幅した残余電圧を生成する。オペアンプ８から出力される残余電圧は、再びＡ／Ｄ変換器１３に入力可能とされている。信号処理回路１５は、シフト加算回路を備えており、巡回動作により順次得られるＡ／Ｄ変換値を１ビットずつ重ねながら加算して所望分解能のＡ／Ｄ変換値を出力する。

残余電圧生成回路１４は、オペアンプ８、コンデンサアレイ回路１６、コンデンサＣＦおよびスイッチＳ６〜Ｓ１２から構成されている。コンデンサアレイ回路１６は、互いに等しい静電容量を有する２つのアレイコンデンサＣ１１、Ｃ１２により構成されている。これらコンデンサＣ１１、Ｃ１２の共通側電極はそれぞれコモンライン１７に接続されており、非共通側電極はそれぞれスイッチＳ７、Ｓ８を介して基準電圧線１８、１９（それぞれＶrefp、Ｖrefmの各電圧線）および入力電圧線２０の何れかに接続されるようになっている。

入力電圧線２０とオペアンプ８の出力端子との間にはスイッチＳ６が接続されている。コモンライン１７は、スイッチＳ１０を介してオペアンプ８の反転入力端子に接続されているとともに、スイッチＳ１２を介してグランドに接続されている。また、入力電圧線２０とオペアンプ８の反転入力端子との間には、コンデンサＣＦとスイッチＳ９が直列に接続されている。コンデンサＣＦとスイッチＳ９の接続点は、スイッチＳ１１を介してグランドに接続されている。コンデンサＣＦは、コンデンサＣ１１、Ｃ１２の静電容量ＣＳの２倍の静電容量２・ＣＳを有している。

制御回路７は、ロジック回路により構成されており、切替回路９およびスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ５〜Ｓ１２に対してオンオフ動作に必要な切替指令信号を出力する。なお、制御回路７をマイクロコンピュータにより構成してもよい。

次に、図２ないし図６も参照しながら本実施形態の作用を説明する。図２は、Ｘ軸方向の加速度のＡ／Ｄ変換値と温度等のＡ／Ｄ変換値とを得るときのタイミングチャートである。第１変換動作は、出力飽和を防止しつつ加速度を高感度に検出できるように、センサエレメント２の出力信号に対し帰還コンデンサ１０の容量値を最適値に設定する容量値設定処理（最適化処理）、センサエレメント２の出力信号のＣ−Ｖ変換および当該Ｃ−Ｖ変換電圧のＡ／Ｄ変換からなる。第２変換動作は、外部センサ３からの外部電圧のＡ／Ｄ変換、センサエレメント２の出力信号のＣ−Ｖ変換および当該Ｃ−Ｖ変換電圧のＡ／Ｄ変換からなる。Ａ／Ｄ変換に先立って増幅処理が行われる場合もある。これら第１変換動作と第２変換動作は交互に繰り返し実行され、それらに含まれる各処理および各変換は搬送波と呼ばれるクロックに同期して実行される。

まず、Ｃ−Ｖ変換回路５により実行されるＣ−Ｖ変換と帰還コンデンサ１０の容量値設定処理について説明する。これらＣ−Ｖ変換と容量値設定処理の期間中、制御回路７は、切替回路９によりセンサエレメント２からＣ−Ｖ変換回路５への入力経路をオンし、外部センサ３からＡ／Ｄ変換回路６への入力経路をオフする。また、スイッチＳ１、Ｓ６、Ｓ１１、Ｓ１２をオン、スイッチＳ２、Ｓ９、Ｓ１０をオフ、スイッチＳ３、Ｓ４の少なくとも一方をオン、スイッチＳ７、Ｓ８を入力電圧線２０側（以下、サンプリング側と言う）に切り替える。コンパレータ１１とデコーダ１２が動作し、Ａ／Ｄ変換器１３と信号処理回路１５は実質的に動作を停止している。

図３（ａ）は、この切り替え状態におけるＣ−Ｖ変換回路５の構成を示しており、図３（ｂ）は、センサエレメント２に印加されるパルス信号Ｖp1、Ｖp2、スイッチＳ５の状態および出力電圧Ｖｏの波形を示している。パルス信号Ｖp1は、搬送波の前半の期間φ１でＶsm、搬送波の後半の期間φ２でＶspとなり、パルス信号Ｖp2は、期間φ１でＶsp、期間φ２でＶsmとなる。

期間φ１でスイッチＳ５をオンして、センサエレメント２に電荷を充電しておく。いま、センサエレメント２に加速度が加わりコンデンサＣＥ１の容量がＣＥ−ΔＣ／２、コンデンサＣＥ２の容量がＣＥ＋ΔＣ／２になっているとすれば、コンデンサＣＥ１の電荷Ｑ１、コンデンサＣＥ２の電荷Ｑ２は、それぞれ（１）式、（２）式のようになる。帰還コンデンサ１０の電荷Ｑ３はゼロである。
Ｑ１＝（ＣＥ−ΔＣ／２）Ｖsm …（１）
Ｑ２＝（ＣＥ＋ΔＣ／２）Ｖsp …（２）

スイッチＳ５をオフして電荷を保存した後、期間φ２でパルス信号Ｖp1、Ｖp2のレベルを反転させると、コンデンサＣＥ１の電荷Ｑ１′、コンデンサＣＥ２の電荷Ｑ２′および帰還コンデンサ１０の電荷Ｑ３′は、それぞれ（３）式、（４）式および（５）式のようになる。帰還コンデンサ１０の容量はＣｂとする。
Ｑ１′＝（ＣＥ−ΔＣ／２）Ｖsp …（３）
Ｑ２′＝（ＣＥ＋ΔＣ／２）Ｖsm …（４）
Ｑ３′＝Ｃｂ・Ｖｏ …（５）

期間φ１とφ２とで電荷は保存されるので、Ｑ１＋Ｑ２＝Ｑ１′＋Ｑ２′＋Ｑ３′の関係が成立し、出力電圧Ｖｏは（６）式のようになる。すなわち、Ｃ−Ｖ変換電圧は、加速度に応じて変化するセンサエレメント２の静電容量の変化分ΔＣに比例し、帰還コンデンサ１０の静電容量Ｃｂに反比例する関係となる。
Ｖｏ＝ΔＣ／Ｃｂ（Ｖsp−Ｖsm） …（６）

加速度を高感度に検出するにはＣ−Ｖ変換ゲイン（ΔＣ／Ｃｂ）を高めればよい。しかし、高め過ぎるとオペアンプ８の出力電圧Ｖｏが飽和して大きな誤差が生じる。そこで、出力電圧Ｖｏが、オペアンプ８の出力飽和電圧より低く設定されたしきい値電圧Ｖthを超えない範囲内で最大となるように、帰還コンデンサ１０の静電容量Ｃｂを設定する。この場合、しきい値電圧Ｖthを出力飽和電圧に近い値に設定するほど検出感度を高くできる。この帰還コンデンサ１０の最適化処理は、図４に示すフローチャートのステップＳ３からＳ６に示されている。各スイッチのオンオフ状態は、図２に示すタイミングチャートの動作状態「容量値設定」の期間に示されている。

本実施形態では帰還コンデンサ１０の静電容量Ｃｂを２段階にのみ変更可能なため、初めにスイッチＳ３をオン、スイッチＳ４をオフして最大感度に設定してＣ−Ｖ変換を実行する（ステップＳ３、Ｓ４）。コンパレータ１１が出力する比較信号がＨレベルのときには出力飽和が生じているまたは生じる虞があるため、スイッチＳ３、Ｓ４をオンにして感度を下げる（ステップＳ５、Ｓ６）。その後、その設定した帰還コンデンサ１０を用いてＣ−Ｖ変換を実行する（ステップＳ７）。

続いて、Ａ／Ｄ変換回路６により実行されるＣ−Ｖ変換電圧の増幅およびＡ／Ｄ変換について図５を参照しながら説明する。これら増幅およびＡ／Ｄ変換の期間中、制御回路７は、切替回路９によりセンサエレメント２からＣ−Ｖ変換回路５への入力経路および外部センサ３からＡ／Ｄ変換回路６への入力経路をオフする。また、コンパレータ１１とデコーダ１２は実質的に動作を停止している。制御回路７は、検出する加速度が小さい場合に必要に応じて増幅を行う。例えば、本実施形態のように帰還コンデンサ１０が最少数のコンデンサから構成されており、最大感度に設定すると飽和するが最小感度に設定すると低過ぎるような場合などに有効である。

Ｃ−Ｖ変換終了時にコンデンサＣＦ、Ｃ１１、Ｃ１２は、Ｃ−Ｖ変換電圧Ｖcvで充電されている。この状態から、スイッチＳ１、Ｓ１１、Ｓ１２をオフして電荷を保存し、スイッチＳ２、Ｓ９、Ｓ１０をオン、スイッチＳ７、Ｓ８をＶrefm側に切り替える。スイッチＳ５はオフ、スイッチＳ６はオンのまま維持する。これにより、コンデンサＣＦがオペアンプ８の入出力端子間に接続され、コンデンサＣＦ、Ｃ１１、Ｃ１２の間で電荷再分配が行われる。

オペアンプ８の出力電圧をＶｏとすれば、Ｖrefmが０Ｖに設定されているとして電荷再分配に係る式は（７）式のようになる。上述したように、コンデンサＣ１１、Ｃ１２の静電容量はＣＳ、コンデンサＣＦの静電容量は２・ＣＳなので、増幅された出力電圧Ｖｏは（８）式のようになる。つまり、Ｃ−Ｖ変換電圧に対し１回の増幅で２倍の増幅率が得られる。
（ＣＦ＋Ｃ１１＋Ｃ１２）Ｖcv＝（Ｃ１１＋Ｃ１２）・０＋ＣＦ・Ｖｏ …（７）
Ｖｏ＝（ＣＦ＋Ｃ１１＋Ｃ１２）／ＣＦ・Ｖcv＝２・Ｖcv …（８）

より高い増幅率を得る場合には、制御回路７は、スイッチＳ１０をオフして増幅電圧をホールドし、その増幅電圧を巡回させ２回目の増幅を行わせればよい。すなわち、スイッチＳ７、Ｓ８をサンプリング側に切り替え、スイッチＳ１２をオンしてコンデンサＣ１１、Ｃ１２に電荷を設定する。その後、スイッチＳ１２をオフとした後、スイッチＳ７、Ｓ８をＶrefm側に切り替え、スイッチＳ１０をオンして電荷を再分配する。増幅は、スイッチＳ１０をオフして増幅電圧をホールドした時点で終了する。

制御回路７は、必要な増幅が終了した後、Ａ／Ｄ変換を実行する。スイッチＳ７、Ｓ８をサンプリング側に切り替え、スイッチＳ１２をオンしてコンデンサＣ１１、Ｃ１２を上記増幅電圧で電荷設定する。電荷設定が完了すると、スイッチＳ１２をオフし、その後スイッチＳ１０をオンするとともにＡ／Ｄ変換器１３のＡ／Ｄ変換値に応じてスイッチＳ７、Ｓ８をＶrefp側またはＶrefm側に切り替えて電荷再分配を実行する（図５においてＤ／Ａと表示した期間）。

制御回路７は、電荷再分配が完了すると、スイッチＳ１０をオフして残余電圧をホールドし、その残余電圧を巡回させる。残余電圧を残余電圧生成回路１４にＫ−１回通過させることにより、Ａ／Ｄ変換器１３はＫ回のＡ／Ｄ変換を実行する。信号処理回路１５のシフト加算回路は、巡回動作により順次得られるＡ／Ｄ変換値を１ビットずつ重ねながら加算して所望分解能のＡ／Ｄ変換値を出力する。

これに対し、外部センサ３からの外部電圧のサンプリング、増幅およびＡ／Ｄ変換のタイミングチャートは図６に示すようになる。すなわち、制御回路７は、外部センサ３からＡ／Ｄ変換回路６への入力経路およびスイッチＳ２、Ｓ１１、Ｓ１２をオン、センサエレメント２からＣ−Ｖ変換回路５への入力経路およびスイッチＳ１、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ９、Ｓ１０をオフ、スイッチＳ７、Ｓ８をサンプリング側に切り替える。これにより外部電圧がサンプリングされて、コンデンサＣＦ、Ｃ１１、Ｃ１２に外部電圧に応じた電荷が蓄積される。続く増幅およびＡ／Ｄ変換は、上述したＣ−Ｖ変換電圧の増幅およびＡ／Ｄ変換と同様であるので説明を省略する。

次に、図４を参照しながら変換動作処理を説明する。制御回路７は、実行すべき処理が第２変換動作における外部電圧のＡ／Ｄ変換処理であると判定すると（ステップＳ１；ＹＥＳ）、ステップＳ１０に移行してＡ／Ｄ変換を実行する。この場合、Ｃ−Ｖ変換は実行していないのでそのまま終了する（ステップＳ１１；ＮＯ）。

一方、実行すべき処理が外部電圧のＡ／Ｄ変換処理でないと判定すると（ステップＳ１；ＮＯ）、帰還コンデンサ１０の容量値の最適化を行うか否かを判定する（ステップＳ２）。第１変換動作の場合には、上述したようにステップＳ３からＳ６で帰還コンデンサ１０の最適化処理を行い、その帰還コンデンサ１０を用いてステップＳ７でＣ−Ｖ変換を実行する。その後、ステップＳ１０に移行してＣ−Ｖ変換電圧のＡ／Ｄ変換（必要に応じて増幅）を実行する。この場合、Ｃ−Ｖ変換を実行しているのでステップＳ１２に移行し（ステップＳ１１；ＹＥＳ）、帰還コンデンサ１０の最適化処理を行ったか否かを判定する（ステップＳ１２）。第１変換動作では帰還コンデンサ１０の最適化処理を行っているのでそのまま終了する（ステップＳ１２；ＹＥＳ）。

これに対し、第２変換動作の場合には、外部電圧のＡ／Ｄ変換を実行するため、帰還コンデンサ１０の最適化処理を行わない（ステップＳ２；ＮＯ）。この場合には、Ｃ−Ｖ変換回路５の出力飽和を防止するため、スイッチＳ３、Ｓ４をオンして帰還コンデンサ１０の容量値を最大に設定し（ステップＳ８）、Ｃ−Ｖ変換ゲインを下げた状態でＣ−Ｖ変換を実行する（ステップＳ９）。その後、Ａ／Ｄ変換（必要に応じて増幅）を実行し（ステップＳ１０）、ステップＳ１１を経てステップＳ１２に移行する。第２変換動作では帰還コンデンサ１０の最適化処理を行っていないのでＣ−Ｖ変換ゲインが低く、十分な大きさのＡ／Ｄ変換値が得られない場合が生じる。そこで、ステップＳ１３に移行してゲイン補正処理を実行する。

このゲイン補正処理は、第１変換動作で用いた最適なＣ−Ｖ変換ゲインと、第２変換動作で用いた最小のＣ−Ｖ変換ゲインとの差を補償するように行う。すなわち、第２変換動作で得られた加速度のＡ／Ｄ変換値に対し、第１変換動作のＣ−Ｖ変換で用いた帰還コンデンサ１０の容量値と第２変換動作のＣ−Ｖ変換で用いた帰還コンデンサ１０の容量値との比（≧１）を乗算する。

これにより、第２変換動作の補正後のＡ／Ｄ変換値が、第１変換動作で用いたＣ−Ｖ変換ゲインの下で得られたＡ／Ｄ変換値と等スケールになるように補正される。この場合、容量値の誤差などに起因して補正処理による若干の誤差が生じる虞がある。従って、第１変換動作と第２変換動作で得られた加速度のＡ／Ｄ変換値をフィルタに通して平滑化することが好ましい。

以上説明したように、本実施形態の物理量検出装置１は、加速度を検出する第１変換動作と、加速度と温度等を検出する第２変換動作とを交互に実行する。第１変換動作は、帰還コンデンサ１０の最適化処理を実行するので、加速度の検出感度を高めることができる。この第１変換動作は、帰還コンデンサ１０の最適化、Ｃ−Ｖ変換およびＡ／Ｄ変換からなり、搬送波の３周期で完了する。一方、第２変換動作も、外部電圧をＡ／Ｄ変換する代わりに帰還コンデンサ１０の最適化を省くことにより搬送波の３周期で完了する。その結果、外部センサ３に対するＡ／Ｄ変換処理を追加しても、センサエレメント２による加速度のサンプリング周期は搬送波の３周期分のまま維持され、センサエレメント２に対するサンプリング速度の低下を防止しつつ外部電圧のＡ／Ｄ変換値も得ることができる。

第２変換動作では、第１変換動作と異なり帰還コンデンサ１０の最適化処理が実行されない。これに対しては、帰還コンデンサ１０の容量値を最大に設定してＣ−Ｖ変換ゲインを下げてＣ−Ｖ変換を実行するので、Ｃ−Ｖ変換回路の出力飽和を防止することができる。また、第２変換動作で得られたＡ／Ｄ変換値に対してゲイン補正を行うので、実効的に等しいゲイン設定の下で第１変換動作と第２変換動作のＡ／Ｄ変換値が得られる。さらに、第１変換動作と第２変換動作は交互に実行されるので、帰還コンデンサ１０の最適化処理が搬送波の２周期分以上連続して抜けることがなく、検出感度の低下を極力防止することができる。

（第２、第３、第４の実施形態）
図７、図８、図９は、それぞれ第２、第３、第４の実施形態を示すタイミングチャートである。各タイミングチャートにおいて、最後の変換動作が終了した後は再び最初の変換動作に戻る。物理量検出装置の構成および第１、第２変換動作の作用および効果は、検出対象とする加速度の種類（Ｘ軸、Ｙ軸またはＺ軸）および／または第１、第２変換動作の組み合わせを除き第１の実施形態で説明した通りである。

図７に示す第２の実施形態は、第１の実施形態と同様にＸ軸方向の加速度を検出するが、第１変換動作を２回実行するごとに第２変換動作を１回実行する点が異なっている。図８に示す第３の実施形態は、２つのセンサ部からなるセンサエレメント２を備え、Ｘ軸方向の加速度とＹ軸方向の加速度を検出する。制御回路７は、第１変換動作をＸ軸、Ｙ軸の順に繰り返し実行する。そして、特定の軸ここではＸ軸に対して、第１変換動作を１回実行するごとに第１変換動作に替えて第２変換動作を１回実行する。

図９に示す第４の実施形態は、３つのセンサ部からなるセンサエレメント２を備え、Ｘ軸方向の加速度とＹ軸方向の加速度をＺ軸方向の加速度を検出する。制御回路７は、第１変換動作をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の順に繰り返し実行する。そして、特定の軸ここではＸ軸に対して、第１変換動作を１回実行するごとに第１変換動作に替えて第２変換動作を１回実行する。

これらの実施形態によれば、２軸、３軸などの多軸の加速度センサで検出される各軸の加速度および外部センサで検出される温度等を１つの物理量検出装置により得ることができる。また、複数のセンサ部のうち帰還コンデンサ１０の最適化を毎回実行する必要のない特定軸（ここではＸ軸）のセンサ部に対して、第１変換動作に替えて第２変換動作を実行することにより、各軸の加速度に対し必要な検出感度を維持しながら温度等の物理量を得ることができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形、拡張を行うことができる。

制御回路７は、第２変換動作において、加速度信号に対して搬送波の周波数（サンプリング周波数）が十分に高い場合、加速度信号の周波数が十分に低い場合など、帰還コンデンサ１０の容量値を前回実行した第１変換動作で用いた容量値に設定したときのＣ−Ｖ変換電圧がしきい値電圧を超えない場合には、その前回の容量値を採用してもよい。しきい値電圧を超える場合には、上記各実施形態で説明したように最大の容量値を採用する。これにより、Ｃ−Ｖ変換回路５の出力飽和を防止しつつ、加速度の検出感度を極力高められる。

第３、第４の実施形態においても、各軸のセンサ部について、第１変換動作を複数回実行するごとに、第１変換動作に替えて第２変換動作を実行してもよい。加速度の検出精度を高める場合には、第２変換動作の実行頻度を下げることが好ましい。また、各軸のセンサ部に対し必要な検出感度を維持できれば、１軸のみならず２軸または３軸の加速度に対して第２変換動作を実行してもよい。各軸のセンサ部について、必要な検出感度を維持できれば、第２変換動作を２回以上連続して実行してもよい。

物理量検出装置１は、必ずしもゲイン補正処理を実行する必要はない。例えば、物理量検出装置１からＡ／Ｄ変換値を入力したマイコン等の制御機器がゲイン補正処理を実行してもよい。
ゲイン補正処理は、第２変換動作で得られた加速度のＡ／Ｄ変換値に対し容量比を乗算して行ったが、第１変換動作で得られた加速度のＡ／Ｄ変換値を当該容量比で除算して行ってもよい。また、第１変換動作と第２変換動作で得られた両Ａ／Ｄ変換値に対し補正演算をしてもよい。

コンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量は互いに異なっていてもよい。また、帰還コンデンサ１０を構成する並列接続されたコンデンサの数および当該コンデンサに直列に接続されるスイッチの数を３以上とし、Ｃ−Ｖ変換ゲインを多段階に変更可能に構成してもよい。
センサ部が検出する物理量は、上述した加速度に限らず角速度、圧力などであってもよい。

図面中、１は物理量検出装置、２はセンサエレメント（センサ部）、４は入力切替回路、５はＣ−Ｖ変換回路、６はＡ／Ｄ変換回路、７は制御回路、８はオペアンプ、１０は帰還コンデンサ、１１はコンパレータ（比較回路）、１３はＡ／Ｄ変換器、１４は残余電圧生成回路、Ｓ５はスイッチ（メインスイッチ）である。

Claims (5)

1. 物理量に応じて静電容量が変化するセンサ部と、
   前記センサ部の静電容量を電圧に変換するＣ−Ｖ変換回路と、
   前記Ｃ−Ｖ変換回路から出力されるＣ−Ｖ変換電圧および外部から与えられる外部電圧の中から選択された電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路と、
   前記センサ部から前記Ｃ−Ｖ変換回路への入力経路および前記外部電圧の前記Ａ／Ｄ変換回路への入力経路の開閉を行う入力切替回路と、
   Ｃ−Ｖ変換およびＡ／Ｄ変換の実行を制御する制御回路とを備えた物理量検出装置であって、
   前記Ｃ−Ｖ変換回路は、
   前記入力切替回路を介して前記センサ部の出力信号が入力されるオペアンプと、
   前記オペアンプの入出力端子間に接続されたメインスイッチと、
   前記オペアンプの入出力端子間に接続され、その静電容量が複数の容量値に変更可能な帰還コンデンサと、
   前記オペアンプの出力電圧と前記オペアンプの出力飽和電圧より低く設定されたしきい値電圧とを比較する比較回路とを備え、
   前記Ａ／Ｄ変換回路は、
   前記外部電圧または前記オペアンプの出力電圧を入力し、所定分解能でそのＡ／Ｄ変換値を得るＡ／Ｄ変換器と、
   前記オペアンプを用いて前記Ａ／Ｄ変換器の入力電圧と前記Ａ／Ｄ変換値のＤ／Ａ変換電圧との差電圧に応じた残余電圧を生成し、前記オペアンプから出力される前記残余電圧を再び前記Ａ／Ｄ変換器に入力可能な残余電圧生成回路とから構成され、
   前記制御回路は、前記入力切替回路を介して前記センサ部の出力信号を前記Ｃ−Ｖ変換回路に入力し、前記メインスイッチをオンからオフに切り替えることにより得られる前記Ｃ−Ｖ変換電圧が前記しきい値電圧を超えない範囲内で最大となるように前記比較回路による比較結果に基づいて前記帰還コンデンサの容量値を設定してＣ−Ｖ変換を実行し、そのＣ−Ｖ変換電圧を前記Ａ／Ｄ変換回路に入力し、前記残余電圧を前記Ａ／Ｄ変換器に入力して新たな残余電圧を生成する巡回動作によりＡ／Ｄ変換を実行して前記物理量のＡ／Ｄ変換値を得る第１変換動作を繰り返し実行し、その第１変換動作を１回実行するごとまたは複数回実行するごとに、前記入力切替回路を介して前記外部電圧を前記Ａ／Ｄ変換回路に入力し、前記巡回動作により前記外部電圧のＡ／Ｄ変換値を得た後、前記帰還コンデンサの容量値を最大にまたは当該センサ部に対して前回実行した第１変換動作で用いた容量値に設定してＣ−Ｖ変換を実行し、そのＣ−Ｖ変換電圧を前記Ａ／Ｄ変換回路に入力し、前記巡回動作により前記物理量のＡ／Ｄ変換値を得る第２変換動作を実行することを特徴とする物理量検出装置。
2. 前記センサ部を複数備え、
   前記制御回路は、前記各センサ部に対する前記第１変換動作を順に繰り返し実行し、前記複数のセンサ部のうち特定のものに対する前記第１変換動作を１回実行するごとまたは複数回実行するごとに前記第１変換動作に替えて当該特定のセンサ部に対する前記第２変換動作を実行することを特徴とする請求項１記載の物理量検出装置。
3. 前記制御回路は、前記各センサ部に対し前記第１変換動作を１回実行するごとまたは複数回実行するごとに１回の前記第２変換動作を実行することを特徴とする請求項１または２記載の物理量検出装置。
4. 前記制御回路は、前記第１変換動作のＣ−Ｖ変換で用いた前記帰還コンデンサの容量値に基づくＣ−Ｖ変換ゲインと、前記第２変換動作のＣ−Ｖ変換で用いた前記帰還コンデンサの容量値に基づくＣ−Ｖ変換ゲインとの差を補償するように、前記第１変換動作で得られた前記物理量のＡ／Ｄ変換値および／または前記第２変換動作で得られた前記物理量のＡ／Ｄ変換値に対してゲイン補正を行うとともに、ゲイン補正後のＡ／Ｄ変換値をフィルタに通して平滑化することを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の物理量検出装置。
5. 前記制御回路は、前記第２変換動作において、前記帰還コンデンサの容量値を前回実行した第１変換動作で用いた容量値に設定したときのＣ−Ｖ変換電圧が前記しきい値電圧を超えない場合には当該容量値を採用し、前記しきい値電圧を超える場合には最大の容量値を採用することを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の物理量検出装置。

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