JP5999592B2 - 受信回路、半導体装置、センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電センサから受信信号が入力される受信回路、これを集積化した半導体装置、及び、これを用いたセンサ装置に関する。

図１４は、超音波の送受信を行うセンサ装置の一従来例を示す図である。本従来例のセンサ装置２００は、圧電センサ２１０と、送信回路２２０と、受信回路２３０を有する。受信回路２３０は、差動アンプ２３１と、トランジスタ２３２及び２３３を含む。

トランジスタ２３２及び２３３は、制御信号ＳＷに応じて圧電センサ２１０と差動アンプ２３１との間を導通／遮断するスイッチとして機能する。より具体的に述べると、トランジスタ２３２及び２３３は、超音波の送信動作時にオフとされ、超音波の受信動作時にオンとされる。

なお、上記に関連する従来技術の一例としては、特許文献１を挙げることができる。

特開２００９−１７５１１９号公報

ところで、上記従来構成のセンサ装置２００において、超音波の受信動作時にトランジスタ２３２及び２３３をオンとする際、トランジスタ２３２及び２３３のゲートに各々印加される制御信号ＳＷの一部は、各ゲート・ドレイン間の容量性結合を介して圧電センサ２１０の入出力端子に伝播してしまう。その結果、圧電センサ２１０の端子電圧が揺らされるので、圧電センサ２１０の受信信号ＳＰ及びＳＮには、圧電センサ２１０が持つ共振周期Ｔのノイズが発生する（図１５を参照）。

なお、トランジスタ２３２及び２３３の素子サイズを縮小すれば、各ゲート・ドレイン間の容量性結合を小さくすることができるので、上記のノイズを抑制することが可能である。しかしながら、このような対策を採用した場合には、その背反事象としてトランジスタ２３２及び２３３のインピーダンス（オン抵抗）が高くなるので、超音波の受信動作時における受信信号ＳＰ及びＳＮの減衰量が大きくなり、センサ装置２００に要求される特性を満たすことができなくなるおそれがあった。

また、受信回路２３０に差動アンプ２３１が具備されている場合、受信信号ＳＰに重畳する正相ノイズと受信信号ＳＮに重畳する逆相ノイズとが完全に同相であれば、両相のノイズを打ち消し合うことが可能である。しかしながら、正相ノイズと逆相ノイズが完全に同相である保証はなく、互いの位相がずれている場合には、差動アンプ２３１に入力される受信信号ＳＰ及びＳＮだけでなく、差動アンプ２３１から出力される差動増幅信号ＳＲにもノイズが残存してしまう。そのため、超音波を高精度に検出するためには、ノイズが十分に減衰するまで超音波の受信動作を待機する必要があった。

本発明は、本願の発明者により見出された上記の問題点に鑑み、受信動作への切換時に発生するノイズを抑制することのできる受信回路、これを集積化した半導体装置、及び、これを用いたセンサ装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る受信回路は、圧電センサの受信信号を増幅するアンプと、前記圧電センサの一端と前記アンプの一端との間に並列接続されて受信動作への切換時に位相をずらしてオンされる複数のトランジスタと、を有する構成（第１の構成）とされている。

なお、上記第１の構成から成る受信回路において、所望のインピーダンス特性を備えた単一のトランジスタを１／２ｎ（ただしｎは自然数）に分割した２ｎ個のトランジスタである構成（第２の構成）にするとよい。

また、上記第２の構成から成る受信回路において、前記２ｎ個のトランジスタは、受信動作への切換時にＴ／２ｎ（ただしＴは前記圧電センサの共振周期）ずつ位相をずらしてオンされる構成（第３の構成）にするとよい。

また、上記第１〜第３いずれかの構成から成る受信回路は、各トランジスタの制御信号を鈍らせるフィルタをさらに有する構成（第４の構成）にするとよい。

また、上記第１〜第４いずれかの構成から成る受信回路にて、前記受信信号は、前記圧電センサと前記アンプとの間を差動形式で伝達される構成（第５の構成）にするとよい。

また、上記第５の構成から成る受信回路は、受信動作への切換時に前記受信信号の正相伝送経路と逆相伝送経路を短絡させておくスイッチをさらに有する構成（第６の構成）にするとよい。

また、本発明に係る受信回路は、圧電センサの受信信号を差動増幅するアンプと、受信動作への切換時に前記圧電センサと前記アンプとの間を導通する第１トランジスタと、受信動作への切換時に前記受信信号の正相伝送経路と逆相伝送経路を短絡させておく第２トランジスタと、を有する構成（第７の構成）とされている。

また、本発明に係る受信回路は、圧電センサの受信信号を増幅するアンプと；前記圧電センサの一端と前記アンプの一端との間に接続されており、受信動作への切換時にオンされるメイントランジスタと；前記メイントランジスタと並列に接続されており、前記メイントランジスタよりもオン時のインピーダンスが大きく、かつ、受信動作への切換に際して前記メイントランジスタよりも先にオンされるサブトランジスタと；を有する構成（第８の構成）とされている。

なお、上記第８の構成から成る受信回路において、前記メイントランジスタは、受信動作への切換時にＴ／２ｎ（ただしＴは前記圧電センサの共振周期、ｎは自然数）ずつ位相をずらしてオンされる２ｎ個のトランジスタに分割されている構成（第９の構成）にするとよい。

また、上記第８または第９の構成から成る受信回路は、前記メイントランジスタ及び前記サブトランジスタの制御信号を鈍らせるフィルタをさらに有する構成（第１０の構成）にするとよい。

また、上記第８〜第１０いずれかの構成から成る受信回路において、前記受信信号は、前記圧電センサと前記アンプとの間を差動形式で伝達される構成（第１１の構成）にするとよい。

また、上記第１１の構成から成る受信回路は、受信動作への切換時に前記受信信号の正相伝送経路と逆相伝送経路とを短絡させておくスイッチをさらに有する構成（第１２の構成）にするとよい。

また、本発明に係る半導体装置は、圧電センサから受信信号が入力される上記第１〜第１２いずれかの構成から成る受信回路を集積化した構成（第１３の構成）とされている。

なお、上記第１３の構成から成る半導体装置は、前記圧電センサへ送信信号を出力する送信回路と、前記受信回路の受信動作と前記送信回路の送信動作を時分割で制御する制御回路と、をさらに集積化した構成（第１４の構成）にするとよい。

また、上記第１４の構成から成る半導体装置において、前記送信回路は、複数の圧電センサに対して一つずつ設けられており、前記受信回路は、複数の圧電センサに対して一つだけ設けられている構成（第１５の構成）にするとよい。

また、上記第１５の構成から成る半導体装置において、前記複数の圧電センサと前記受信回路との間を各々結ぶ複数の信号経路は、同一の長さとなるように設計されている構成（第１６の構成）にするとよい。

また、本発明に係るセンサ装置は、圧電センサと、上記第１３〜第１６いずれかの構成から成る半導体装置と、を有する構成（第１７の構成）とされている。

また、上記第１７の構成から成るセンサ装置は、パイプ内を流れる流体の流速を計測する流速計である構成（第１８の構成）にするとよい。

また、上記第１８の構成から成るセンサ装置は、前記圧電センサとして、前記流体に対して所定の角度を持ちながら互いに対向する形で前記パイプの内壁面に設置された第１圧電センサと第２圧電センサを有する構成（第１９の構成）にするとよい。

本発明によれば、受信動作への切換時に発生するノイズを抑制することのできる受信回路、これを集積化した半導体装置、及び、これを用いたセンサ装置を提供することが可能となる。

センサ装置の第１実施形態を示す図 第１実施形態のノイズ除去動作を示すタイムチャート ノイズ除去動作の一変形例を示すタイムチャート センサ装置の第２実施形態を示す図 第２実施形態のノイズ除去動作を示すタイムチャート センサ装置の第３実施形態を示す図 第３実施形態のノイズ除去動作を示すタイムチャート センサ装置の第４実施形態を示す図 第４実施形態のノイズ除去動作を示すタイムチャート サブトランジスタを具備しないときのタイムチャート センサ装置の第５実施形態（流速計としての適用）を示す図 センサ装置（流速計）の外観図 流速測定動作を説明するためのタイムチャート センサ装置の一従来例を示す図 ノイズ発生時の様子を示すタイムチャート

＜第１実施形態＞
図１は、超音波の送受信を行うセンサ装置の第１実施形態を示す図である。第１実施形態のセンサ装置１００は、半導体装置１と圧電センサ２を有する。半導体装置１は、その外部に接続された圧電センサ２を用いて超音波の送受信を行う。圧電センサ２は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電素子を用いて電気信号（電気エネルギー）と超音波（振動エネルギー）との相互変換を行う。

半導体装置１には、受信回路１０と、送信回路２０と、制御回路３０（図１では明示せず）と、が集積化されている。受信回路１０は、超音波の受信動作時に圧電センサ２から差動入力される受信信号ＳＰ及びＳＮを受信して制御回路３０に伝達する。送信回路２０は、超音波の送信動作時に圧電センサ２へ送信信号（矩形パルス）を差動出力する。制御回路３０は、受信回路１０の受信動作と送信回路２０の送信動作を時分割で制御する。

受信回路１０は、Ｎチャネル型ＭＯＳ［metal oxide semiconductor］電界効果トランジスタ１１ａ及び１１ｂと、Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ１２ａ及び１２ｂと、バッファ１３ａ及び１３ｂと、バッファ１４ａ及び１４ｂと、差動アンプ１５と、フィルタ１６ａ及び１６ｂと、フィルタ１７ａ及び１７ｂと、を含む。

トランジスタ１１ａ及び１１ｂのドレインは、いずれも圧電センサ２の正相入出力端に接続されている。トランジスタ１１ａ及び１１ｂのソースは、いずれも差動アンプ１５の正相入力端に接続されている。トランジスタ１１ａのゲートは、フィルタ１６ａ及びバッファ１３ａを介して、制御信号ＳＷａの印加端に接続されている。トランジスタ１１ｂのゲートは、フィルタ１６ｂ及びバッファ１３ｂを介して、制御信号ＳＷｂの印加端に接続されている。なお、トランジスタ１１ａ及び１１ｂの素子サイズについては、これらを単一のトランジスタに置き換えた場合に、センサ装置１００に要求されるインピーダンス特性を満たす上で必要となる素子サイズの１／２に設計すればよい。すなわち、トランジスタ１１ａ及び１１ｂは、所望のインピーダンス特性を備えた単一のトランジスタ（図１４のトランジスタ２３２に相当）を１／２の素子サイズに分割した形で圧電センサ２の正相入出力端と差動アンプ１５の正相入力端との間に並列接続されている。

トランジスタ１２ａ及び１２ｂのドレインは、いずれも圧電センサ２の逆相入出力端に接続されている。トランジスタ１２ａ及び１２ｂのソースは、いずれも差動アンプ１５の逆相入力端に接続されている。トランジスタ１２ａのゲートは、フィルタ１７ａ及びバッファ１４ａを介して、制御信号ＳＷａの印加端に接続されている。トランジスタ１２ｂのゲートは、フィルタ１７ｂ及びバッファ１４ｂを介して、制御信号ＳＷｂの印加端に接続されている。なお、トランジスタ１２ａ及び１２ｂの素子サイズについては、これらを単一のトランジスタに置き換えた場合に、センサ装置１００に要求されるインピーダンス特性を満たす上で必要となる素子サイズの１／２に設計すればよい。すなわち、トランジスタ１２ａ及び１２ｂは、所望のインピーダンス特性を備えた単一のトランジスタ（図１４のトランジスタ２３３に相当）を１／２に分割した形で圧電センサ２の逆相入出力端と差動アンプ１５の逆相入力端との間に並列に接続されている。

バッファ１３ａ及び１３ｂは、それぞれ、制御信号ＳＷａ及びＳＷｂの波形を整えてフィルタ１６ａ及び１６ｂに伝達する。

バッファ１４ａ及び１４ｂは、それぞれ、制御信号ＳＷａ及びＳＷｂの波形を整えてフィルタ１７ａ及び１７ｂに伝達する。

差動アンプ１５は、圧電センサ２の受信信号ＳＰ及びＳＮを差動増幅して差動増幅信号ＳＲを生成し、この差動増幅信号ＳＲを制御回路３０に送出する。

フィルタ１６ａ及び１６ｂは、それぞれ、制御信号ＳＷａ及びＳＷｂを鈍らせてトランジスタ１１ａ及び１１ｂのゲートに伝達する。フィルタ１６ａ及び１６ｂとしては、例えば、抵抗とキャパシタから成るＣＲローパスフィルタを用いることができる。

フィルタ１７ａ及び１７ｂは、それぞれ、制御信号ＳＷａ及びＳＷｂを鈍らせてトランジスタ１２ａ及び１２ｂのゲートに伝達する。フィルタ１７ａ及び１７ｂとしては、例えば、抵抗とキャパシタから成るＣＲローパスフィルタを用いることができる。

図２は、第１実施形態のノイズ除去動作を示すタイムチャートであり、上から順に、制御信号ＳＷａ、ノイズＳＰａ（トランジスタ１１ａのオンによって発生するノイズ成分のみを受信信号ＳＰから抽出して描写した仮想波形）、制御信号ＳＷｂ、ノイズＳＰｂ（トランジスタ１１ｂのオンによって発生するノイズ成分のみを受信信号ＳＰから抽出して描写した仮想波形）、及び、受信信号ＳＰ（ノイズＳＰａ及びＳＰｂの合成波形）が描写されている。

なお、図２では、正相側の受信信号ＳＰのみが描写されているが、逆相側の受信信号ＳＮについても、位相が１８０度反転している以外、正相側の受信信号ＳＰと同様の挙動を示すものとする。そこで、第１実施形態に関する以下の説明では、正相側の受信信号ＳＰのみに着目してノイズ除去動作の説明を行う。ただし、以下の文章中における「ＳＰ」を「ＳＮ」とし、「ＳＰａ」を「ＳＮａ」とし、「ＳＰｂ」を「ＳＮｂ」とし、「１１ａ」を「１２ａ」とし、「１１ｂ」を「１２ｂ」とし、「１６ａ」を「１７ａ」とし、「１６ｂ」を「１７ｂ」とし、「２３２」を「２３３」として読み替えれば、受信信号ＳＮのノイズ除去動作の説明として理解することができる。

時刻ｔａにおいて、制御信号ＳＷａがローレベルからハイレベルに立ち上げられると、トランジスタ１１ａがオンとなる。このとき、受信信号ＳＰには圧電センサ２が持つ共振周期ＴのノイズＳＰａが発生する。ただし、トランジスタ１１ａは、従来構成の受信回路２００に設けられていた単一のトランジスタ２３２（図１４を参照）に比べて素子サイズが１／２に縮小されている。従って、ノイズＳＰａは従来よりも小さく抑えられている。なお、時刻ｔａでは、制御信号ＳＷｂがローレベルに維持されており、トランジスタ１１ｂはオフのままとなっているので、受信信号ＳＰにはノイズＳＰｂが発生していない。

次に、時刻ｔａからＴ／２が経過した時刻ｔｂにおいて、制御信号ＳＷｂがローレベルからハイレベルに立ち上げられると、トランジスタ１１ｂがオンとなる。このとき、受信信号ＳＰには、圧電センサ２が持つ共振周期Ｔの第２ノイズＳＰｂが発生する。ただし、トランジスタ１１ｂについても、トランジスタ１１ａと同様、従来構成のトランジスタ２３２（図１４を参照）に比べて素子サイズが１／２に縮小されているので、ノイズＳＰｂは従来よりも小さく抑えられている。

また、トランジスタ１１ａのオンタイミング（時刻ｔａ）とトランジスタ１１ｂのオンタイミング（時刻ｔｂ）との間には、Ｔ／２の位相ずれが設けられている。従って、トランジスタ１１ｂのオン動作に起因して発生するノイズＳＰｂは、トランジスタ１１ａのオン動作に起因して発生するノイズＳＰａと逆位相の波形となるので、時刻ｔｂ以降、受信信号ＳＰに重畳するノイズＳＰａ及びＳＰｂは、互いに打ち消し合う。

なお、トランジスタ１１ａ及び１１ｂは、時刻ｔｂ以降、超音波の受信動作が完了するまでいずれもオン状態に維持される。言い換えれば、トランジスタ１１ａ及び１１ｂは、時刻ｔｂ以降、所望のインピーダンス特性を備えた単一のトランジスタ（図１４のトランジスタ２３２に相当）として機能する。

上記のように、第１実施形態の受信回路１０において、圧電センサ２の正相入出力端と差動アンプ１５の正相入力端との間に並列接続されたトランジスタ１１ａ及び１１ｂは、所望のインピーダンス特性を備えた単一のトランジスタ２３２（図１４を参照）を１／２に分割した素子サイズを有しており、かつ、受信動作への切換時にＴ／２ずつ位相をずらしてオンされる。このような構成とすることにより、圧電センサ２と差動アンプ１５との間を導通／遮断するトランジスタのインピーダンス特性を悪化させることなく、当該トランジスタのオン動作に起因するノイズを分散ないし相殺させることができるので、受信動作への切換時に発生するノイズを大幅に抑制して、受信待機時間の短縮や超音波の検出精度向上を実現することが可能となる。

また、第１実施形態の受信回路１０は、制御信号ＳＷａ及びＳＷｂを鈍らせるフィルタ１６ａ及び１６ｂをさらに有する。このような構成とすることにより、ノイズＳＰａ及びＳＰｂの発生自体を抑制することが可能となる。

また、第１実施形態の受信回路１０において、受信信号ＳＰ及びＳＮは、圧電センサ２と差動アンプ１５との間を差動形式で伝達される。このような構成とすることにより、受信信号ＳＰ及びＳＮに残存するノイズは、差動アンプ１５での差動増幅処理によって少なからず相殺されるので、ノイズの少ない差動増幅信号ＳＲを制御回路３０に伝達することができる。

なお、トランジスタ１１ａ及び１１ｂは、受信動作への切換時に位相をＴ／２ずらしてオンさせることが理想的であるが、トランジスタ１１ａ及び１１ｂのオンタイミングはこれに限定されるものではなく、双方を同時にオンさせない限り、ある程度のノイズ低減効果を期待することが可能である。

また、トランジスタの並列接続数は２に限定されるものではなく、３以上としても構わない。ただし、各トランジスタのオン動作に起因して発生するノイズを適切に相殺するためには、所望のインピーダンス特性を備えた単一のトランジスタを１／２ｎ（ただしｎは自然数）に分割した２ｎ個のトランジスタを並列に接続し、受信動作への切換時にＴ／２ｎずつ位相をずらして各トランジスタをオンさせることが望ましい。

図３は、ノイズ除去動作の一変形例を示すタイムチャートであり、トランジスタの並列接続数を４とした場合を例示したものである。この場合、４つのトランジスタ１１ａ〜１１ｄが時刻ｔａ〜ｔｄにわたってＴ／４ずつ位相をずらしてオンされる。その結果、トランジスタ１１ａのオン動作に起因して発生するノイズＳＰａとトランジスタ１１ｃのオン動作に起因して発生するノイズＳＰｃとが互いに相殺する形となり、また、トランジスタ１１ｂのオン動作に起因して発生するノイズＳＰｂとトランジスタ１１ｄのオン動作に起因して発生するノイズＳＰｄとが互いに相殺する形となる。

また、４つのトランジスタ１１ａ〜１１ｄは、所望のインピーダンス特性を備えた単一のトランジスタ２３２（図１４を参照）を１／４に分割した素子サイズを有するので、ノイズＳＰａ〜ＳＰｄ自体もより小さく抑えることが可能となる。

＜第２実施形態＞
図４は、超音波の送受信を行うセンサ装置の第２実施形態を示す図である。第２実施形態の基本構成は、先の第１実施形態と同様であるが、第２実施形態の受信回路１０は、受信動作への切換時に発生するノイズの抑制技術として、トランジスタ１１及び１２を各々複数に分割した構成ではなく、バッファ１９を介して入力される制御信号ＳＷｘに基づいて受信動作への切換時に受信信号ＳＰの正相伝送経路と受信信号ＳＮの逆相伝送経路を短絡させておくスイッチ（Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ）１８を有する点に特徴を有している。そこで、第２実施形態に関する以下の説明では、第１実施形態と同様の構成要素に関する重複した説明を割愛し、スイッチ１８の動作や作用効果についての重点的な説明を行う。

図５は、第２実施形態のノイズ除去動作を示すタイムチャートであり、上から順に、制御信号ＳＷａ、制御信号ＳＷｘ、受信信号ＳＰ及びＳＮ、並びに、差動増幅信号ＳＲが描写されている。

時刻ｔａにおいて制御信号ＳＷａがローレベルからハイレベルに立ち上げられると、トランジスタ１１及び１２がオンとなる。このとき、受信信号ＳＰ及びＳＮには圧電センサ２が持つ共振周期Ｔのノイズが発生する。ただし、時刻ｔａでは、制御信号ＳＷｘがハイレベルとされており、スイッチ１８がオンとなっている。すなわち、トランジスタ１１及び１２のオン動作に起因してノイズが発生するタイミング（時刻ｔａ）において、受信信号ＳＰの正相伝送経路と受信信号ＳＮの逆相伝送経路は互いに短絡されている。従って、受信信号ＳＰ及びＳＮに各々重畳するノイズは基本的に同位相となる。

このような構成とすることにより、受信信号ＳＰ及びＳＮに重畳するノイズは、差動アンプ１５での差動増幅処理によって適切に相殺されるので、ノイズの少ない差動増幅信号ＳＲを制御回路３０に伝達することが可能となり、延いては、受信動作への切換時に発生するノイズを大幅に抑制して、受信待機時間の短縮や超音波の検出精度向上を実現することが可能となる。

なお、制御信号ＳＷｘは、時刻ｔａから所定時間経過後の時刻ｔｘにおいて、ハイレベルからローレベルに立ち下げられる。従って、時刻ｔｘ以降、スイッチ１８はオフされ、受信信号ＳＰの正相伝送経路と受信信号ＳＮの逆相伝送経路との間が遮断されるので、超音波の受信動作が可能となる。

＜第３実施形態＞
図６は、センサ装置の第３実施形態を示す図である。図６で示したように、第３実施形態は、先述の第１実施形態と第２実施形態を組み合わせて適用した構成である。

図７は、第３実施形態のノイズ除去動作を示すタイムチャートであり、上から順に、制御信号ＳＷａ、制御信号ＳＷｂ、制御信号ＳＷｘ、受信信号ＳＰ及びＳＮ、並びに、差動増幅信号ＳＲが描写されている。

まず、時刻ｔａにおいて、制御信号ＳＷａがローレベルからハイレベルに立ち上げられると、トランジスタ１１ａ及び１２ａがオンとなる。次に、時刻ｔａからＴ／２が経過した時刻ｔｂにおいて、制御信号ＳＷｂがローレベルからハイレベルに立ち上げられると、トランジスタ１１ｂ及び１２ｂがオンとなる。このようなスイッチング制御により、圧電センサ２と差動アンプ１５との間を導通／遮断するトランジスタのインピーダンス特性を悪化させることなく、当該トランジスタのオン動作に起因するノイズを分散ないし相殺させることができる。この点については第１実施形態で述べた通りである。

また、時刻ｔａ及び時刻ｔｂでは、制御信号ＳＷｘがハイレベルとされており、スイッチ１８がオンとなっている。このようなスイッチング制御により、受信信号ＳＰ及びＳＮに各々重畳するノイズを同位相として、差動増幅処理による相殺効果を高めることができるので、ノイズの少ない差動増幅信号ＳＲを制御回路３０に伝達することができる。この点については第２実施形態で述べた通りである。

なお、制御信号ＳＷｘは、時刻ｔｂから所定時間経過後の時刻ｔｘにおいて、ハイレベルからローレベルに立ち下げられる。従って、時刻ｔｘ以降、スイッチ１８はオフされ、受信信号ＳＰの正相伝送経路と受信信号ＳＮの逆相伝送経路との間が遮断されるので、超音波の受信動作が可能となる。この点についても第２実施形態で先に述べた通りである。

このように、第３実施形態では、第１実施形態と第２実施形態を組み合わせることにより、受信動作への切換時に発生するノイズを大幅に抑制して、受信待機時間の短縮や超音波の検出精度向上を実現することが可能となる。

＜第４実施形態＞
図８は、超音波の送受信を行うセンサ装置の第４実施形態を示す図である。第４実施形態の基本構成は、先の第１実施形態と同様であるが、第４実施形態の受信回路１０は、受信動作への切換時に発生するノイズの抑制技術として、メイントランジスタ１１及び１２（オン時のインピーダンス：数Ω）を各々複数に分割した構成ではなく、メイントランジスタ１１及び１２と並列に、サブトランジスタ１１ｓ及び１２ｓ（オン時のインピーダンス：数ｋΩ）を設け、受信動作への切換に際してメイントランジスタ１１及び１２よりも先にサブトランジスタ１１ｓ及び１２ｓをオンさせる点に特徴を有している。そこで、第４実施形態に関する以下の説明では、第１実施形態と同様の構成要素に関する重複した説明を割愛し、サブトランジスタ１１ｓ及び１２ｓの動作や作用効果を重点的に説明する。

受信回路１０は、超音波の受信動作時に圧電センサ２から差動入力される受信信号ＳＰ及びＳＮを受信して制御回路３０（図８では不図示）に伝達する回路ブロックであり、メイントランジスタ１１及び１２と、バッファ１３及び１４と、差動アンプ１５と、フィルタ１６及び１７と、を含むほか、さらに、サブトランジスタ１１ｓ及び１２ｓと、バッファ１３ｓ及び１４ｓと、フィルタ１６ｓ及び１７ｓと、を含む。

メイントランジスタ１１とサブトランジスタ１１ｓのドレインは、いずれも圧電センサ２の正相入出力端に接続されている。メイントランジスタ１１とサブトランジスタ１１ｓのソースは、いずれも差動アンプ１５の正相入力端に接続されている。メイントランジスタ１１のゲートは、フィルタ１６及びバッファ１３を介して、制御信号ＭＡＩＮの印加端に接続されている。サブトランジスタ１１ｓのゲートは、フィルタ１６ｓ及びバッファ１３ｓを介して、制御信号ＳＵＢの印加端に接続されている。なお、サブトランジスタ１１ｓは、メイントランジスタ１１よりもオン時のインピーダンスが大きく設計されている。

メイントランジスタ１２とサブトランジスタ１２ｓのドレインは、いずれも圧電センサ２の逆相入出力端に接続されている。メイントランジスタ１２とサブトランジスタ１２ｓのソースは、いずれも差動アンプ１５の逆相入力端に接続されている。メイントランジスタ１２のゲートは、フィルタ１７及びバッファ１４を介して、制御信号ＭＡＩＮの印加端に接続されている。サブトランジスタ１２ｓのゲートは、フィルタ１７ｓ及びバッファ１４ｓを介して、制御信号ＳＵＢの印加端に接続されている。なお、サブトランジスタ１２ｓは、メイントランジスタ１２よりもオン時のインピーダンスが大きく設計されている。

バッファ１３及び１３ｓは、それぞれ、制御信号ＭＡＩＮ及びＳＵＢの波形を整えてフィルタ１６及び１６ｓに伝達する。

バッファ１４及び１４ｓは、それぞれ、制御信号ＭＡＩＮ及びＳＵＢの波形を整えてフィルタ１７及び１７ｓに伝達する。

差動アンプ１５は、圧電センサ２の受信信号ＳＰ及びＳＮを差動増幅して差動増幅信号ＳＲを生成し、この差動増幅信号ＳＲを制御回路３０に送出する。なお、差動アンプ１５は、制御信号Ｓ１がハイレベルであるときにイネーブル状態（駆動状態）となり、制御信号Ｓ１がローレベルであるときにディセーブル状態（非駆動状態）となる。

フィルタ１６及び１６ｓは、それぞれ、制御信号ＭＡＩＮ及びＳＵＢを鈍らせてメイントランジスタ１１及びサブトランジスタ１１ｓのゲートに伝達する。フィルタ１６及び１６ｓとしては、例えば、抵抗とキャパシタから成るＣＲローパスフィルタを用いることができる。

フィルタ１７及び１７ｓは、それぞれ、制御信号ＭＡＩＮ及びＳＵＢを鈍らせてメイントランジスタ１２及びサブトランジスタ１２ｓのゲートに伝達する。フィルタ１７及び１７ｓとしては、例えば、抵抗とキャパシタから成るＣＲローパスフィルタを用いることができる。

送信回路２０は、超音波の送信動作時に圧電センサ２へ送信信号（矩形パルス）を差動出力する。なお、送信回路２０は、制御信号Ｓ２がハイレベルであるときに圧電センサ２の正相入力端と逆相入出力端をいずれもＧＮＤショートし、制御信号Ｓ２がローレベルであるときに上記のＧＮＤショートを解除する機能を備えている。

図９は、第４実施形態のノイズ除去動作を示すタイムチャートであり、上から順番に、制御信号Ｓ１、制御信号Ｓ２、制御信号ＳＵＢ、制御信号ＭＡＩＮ、受信信号ＳＰ及びＳＮ（実線及び破線）、並びに、差動増幅信号ＳＲが描写されている。また、図１０には、サブトランジスタ１１ｓ及び１２ｓを具備しないときのタイムチャートが比較参照用として描写されている。

図９で示すように、第４実施形態のセンサ装置１００による超音波の受信開始時には、時刻ｔ１１において制御信号Ｓ１がローレベルからハイレベルに立ち上げられた後、時刻ｔ１２において制御信号Ｓ２がハイレベルからローレベルに立ち下げられる。すなわち、時刻ｔ１１において差動アンプ１５がイネーブル状態とされた後、時刻ｔ１２において圧電センサ２のＧＮＤショートが解除される。

また、時刻ｔ１２では、制御信号ＭＡＩＮがローレベルに維持されたまま、制御信号ＳＵＢがローレベルからハイレベルに立ち上げられる。すなわち、時刻ｔ１２では、メイントランジスタ１１及び１２がオフされたまま、サブトランジスタ１１ｓ及び１２ｓがオンされた状態となる。ただし、サブトランジスタ１１ｓ及び１２ｓのオンタイミングについてはこれに限定されるものではなく、メイントランジスタ１１及び１２のオンタイミングよりも先であれば、任意（例えば時刻ｔ１１よりも先）に設定することができる。

その後、時刻ｔ１３では、制御信号ＭＡＩＮがローレベルからハイレベルに立ち上げられる。すなわち、時刻ｔ１３では、サブトランジスタ１１ｓ及び１２ｓと共に、メイントランジスタ１１及び１２もオンされた状態となる。

このように、数Ωのメイントランジスタ１１及び１２よりも先に、数ｋΩのサブトランジスタ１１ｓ及び１２ｓをオンさせるシーケンスであれば、圧電センサ２に対する回路バイアス電圧の印加を緩やかにすることができるので、圧電センサ２の共振に起因するノイズの発生を抑制することが可能となる（図９の符号Ｐ１１と図１０の符号Ｐ２１とを比較参照）。

また、上記のシーケンスによれば、受信信号ＳＰと受信信号ＳＮとの電圧差が差動アンプ１５の入力オフセット電圧まで緩やかなスロープを持って開いていくので、差動アンプ１５の入力オフセット電圧に起因するノイズの発生も抑制することが可能となる（図９の符号Ｐ１２と図１０の符号Ｐ２２とを比較参照）。

また、制御信号ＭＡＩＮ及びＳＵＢを鈍らせることにより、上記ノイズの発生自体を抑制することも可能となる。

このように、第４実施形態のセンサ装置１００であれば、受信動作への切換時に発生するノイズを大幅に抑制して、受信待機時間の短縮や超音波の検出精度向上を実現することが可能となる。

なお、改めて図示はしないが、第１〜第３実施形態と第４実施形態との組み合わせは任意である。

＜第５実施形態＞
図１１は、センサ装置の第５実施形態を示す図である。第５実施形態は、パイプ３内を流れる流体４の流速Ｖを計測する流速計としてセンサ装置１００を用いたアプリケーションの一例である。

第５実施形態のセンサ装置１００は、半導体装置１と、２つの圧電センサ２Ｘ及び２Ｙを有する。圧電センサ２Ｘ及び２Ｙは、流体４に対して所定の角度を持ちながら互いに対向する形でパイプ３の内壁面に設置されている。図１２は、センサ装置１００（流速計）の外観図である。

半導体装置１には、受信回路１０と、送信回路２０Ｘ及び２０Ｙと、制御回路３０と、が集積化されている。受信回路１０は、差動アンプ１５と、圧電センサ２Ｘと差動アンプ１５との間を導通／遮断するトランジスタ１１Ｘ及び１２Ｘと、圧電センサ２Ｙと差動アンプ１５との間を導通／遮断するトランジスタ１１Ｙ及び１２Ｙとを含む。このように、第５実施形態の受信回路１０において、送信回路２０Ｘ及び２０Ｙは、圧電センサ２Ｘ及び２Ｙに対して一つずつ設けられており、受信回路１０は、圧電センサ２Ｘ及び２Ｙに対して一つだけ設けられている。このような構成とすることにより、半導体装置１の回路規模を不要に増大させることなく、そのチップ面積を縮小することが可能となる。また、圧電センサ２Ｘ及び２Ｙに対して受信回路１０を一つずつ設けた構成（言い換えれば、圧電センサ２Ｘ及び２Ｙに対して差動アンプ１５Ｘ及び１５Ｙを一つずつ設けた構成）では、差動アンプ１５Ｘ及び１５Ｙのばらつきによる伝搬時間の計測誤差を生じるおそれがあるが、受信回路１０を圧電センサ２Ｘ及び２Ｙに対して一つだけ設けた構成であれば、そのような計測誤差を生じることがないので、流速Ｖを高精度に測定することが可能となる。

なお、第５実施形態の受信回路１０に対して、第１実施形態のノイズ抑制技術を適用する場合には、トランジスタ１１Ｘ及び１２Ｘ、並びに、トランジスタ１１Ｙ及び１２Ｙを各々複数に分割すればよい。また、第２実施形態のノイズ抑制技術を適用する場合には、圧電センサ２Ｘの受信信号ＳＰＸ及びＳＮＸが各々伝送される信号経路間、及び、圧電センサ２Ｙの受信信号ＳＰＹ及びＳＮＹが各々伝送される信号経路間について、各々を導通／遮断するスイッチを設ければよい。同様に、第３実施形態のノイズ抑制技術を適用する場合には、トランジスタ１１Ｘ及び１２Ｘ、並びに、トランジスタ１１Ｙ及び１２Ｙを各々複数に分割した上で、圧電センサ２Ｘの受信信号ＳＰＸ及びＳＮＸが各々伝送される信号経路間、及び、圧電センサ２Ｙの受信信号ＳＰＹ及びＳＮＹが各々伝送される信号経路間について、各々を導通／遮断するスイッチを設ければよい。また、第４実施形態のノイズ抑制技術を適用する場合には、メイントランジスタ（数Ω）に相当するトランジスタ１１Ｘ及び１２Ｘ、並びに、トランジスタ１１Ｙ及び１２Ｙに対して、それぞれ並列にサブトランジスタ（数ｋΩ）を設ければよい。このように、第１〜第４実施形態のノイズ抑制技術を適宜適用することにより、受信動作への切換時に発生するノイズを大幅に抑制して受信待機時間の短縮や超音波の検出精度向上を実現することが可能となる。

また、圧電センサ２Ｘ及び２Ｙと受信回路１０との間を各々結ぶ複数の信号経路は、同一の長さとなるように設計しておくことが望ましい。このような構成とすることにより、信号経路長の差違に起因する超音波の伝搬時間計測誤差を排除して、流体４の流速Ｖを高精度に測定することが可能となる。

図１３は、流速測定動作を説明するためのタイムチャートであり、上から順番に、圧電センサ２Ｘの送受信信号ＳＰＸと圧電センサ２Ｙの送受信信号ＳＰＹが描写されている。なお、図１３では、正相側の送受信信号ＳＰＸ及びＳＰＹのみが描写されているが、逆相側の受信信号ＳＮＸ及びＳＮＹについても、位相が１８０度反転している以外、正相側の受信信号ＳＰＸ及びＳＮＹと同様の挙動を示すものとする。

流体４の流速Ｖを計測するに際しては、まず、圧電センサ２Ｘを送信側（ＳＰＸを送信信号）とし、圧電センサ２Ｙを受信側（ＳＰＹを受信信号）として、超音波の伝搬時間ｔ１が計測される。次に、上記とは逆に、圧電センサ２Ｙを送信側（ＳＰＹを送信信号）とし、圧電センサ２Ｘを受信側（ＳＰＸを受信信号）として、超音波の伝搬時間ｔ２が計測される。そして、伝搬時間ｔ１及びｔ２の差分値（ｔ２−ｔ１）から流体４の流速Ｖが算出される。例えば、圧電センサ２Ｘが流体４に対して順方向に向けられており、圧電センサ２Ｙが流体４に対して逆方向に向けられている場合、流体４の流速Ｖが大きいほど、伝搬時間ｔ１が短くなり伝搬時間ｔ２が長くなる。すなわち、上記の差分値（ｔ２−ｔ１）が大きいほど、流速Ｖが大きいということが分かる。

＜その他の変形例＞
なお、上記の実施形態では、超音波の送受信を行うセンサ装置に本発明を適用した構成を例示して詳細な説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、超音波の受信のみを行うセンサ装置であっても、圧電センサからアンプへの信号経路を導通／遮断するトランジスタを具備するもの（超音波の受信動作時にトランジスタをオンとするもの）については、本発明を適用することが可能である。

また、上記の実施形態では、受信信号が圧電センサとアンプとの間を差動形式で伝達される構成を例に挙げて説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、第１実施形態（メイントランジスタの分割並列化）や第４実施形態（サブトランジスタの追加）については、受信信号が圧電センサとアンプとの間をシングル形式で伝達される構成としても構わない。

このように、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。例えばバイポーラトランジスタとＭＯＳ電界効果トランジスタとの相互置換や、各種信号の論理レベル反転は任意である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

本発明は、圧電センサを用いるセンサ装置全般（例えば流速計や車載ソナー）に適用することが可能である。

１ 半導体装置
２、２Ｘ、２Ｙ センサ
３ パイプ
４ 流体
１０ 受信回路
１１ Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ（メイントランジスタ）
１１ａ、１１ｂ、１１Ｘ、１１Ｙ Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ
１１ｓ Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ（サブトランジスタ）
１２ Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ（メイントランジスタ）
１２ａ、１２ｂ、１２Ｘ、１２Ｙ Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ
１２ｓ Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ（サブトランジスタ）
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｓ、１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｓ バッファ
１５ 差動アンプ
１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｓ、１７、１７ａ、１７ｂ、１７ｓ フィルタ
１８ スイッチ（Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ）
１９ バッファ
２０、２０Ｘ、２０Ｙ 送信回路
３０ 制御回路
１００ センサ装置（流速計）

Claims (19)

1. 圧電センサの受信信号を増幅するアンプと、
   前記圧電センサの一端と前記アンプの一端との間に並列接続されて受信動作への切換時に位相をずらしてオンされる複数のトランジスタと、
   を有することを特徴とする受信回路。
2. 前記複数のトランジスタは、所望のインピーダンス特性を備えた単一のトランジスタを１／２ｎ（ただしｎは自然数）に分割した２ｎ個のトランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の受信回路。
3. 前記２ｎ個のトランジスタは、受信動作への切換時にＴ／２ｎ（ただしＴは前記圧電センサの共振周期）ずつ位相をずらしてオンされることを特徴とする請求項２に記載の受信回路。
4. 各トランジスタの制御信号を鈍らせるフィルタをさらに有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の受信回路。
5. 前記受信信号は、前記圧電センサと前記アンプとの間を差動形式で伝達されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の受信回路。
6. 受信動作への切換時に前記受信信号の正相伝送経路と逆相伝送経路を短絡させておくスイッチをさらに有することを特徴とする請求項５に記載の受信回路。
7. 圧電センサの受信信号を差動増幅するアンプと、
   受信動作への切換時に前記圧電センサと前記アンプとの間を導通する第１トランジスタと、
   受信動作への切換時に前記受信信号の正相伝送経路と逆相伝送経路を短絡させておく第２トランジスタと、
   を有することを特徴とする受信回路。
8. 圧電センサの受信信号を増幅するアンプと；
   前記圧電センサの一端と前記アンプの一端との間に接続されており、受信動作への切換時にオンされるメイントランジスタと；
   前記メイントランジスタと並列に接続されており、前記メイントランジスタよりもオン時のインピーダンスが大きく、かつ、受信動作への切換に際して前記メイントランジスタよりも先にオンされるサブトランジスタと；
   を有することを特徴とする受信回路。
9. 前記メイントランジスタは、受信動作への切換時にＴ／２ｎ（ただしＴは前記圧電センサの共振周期、ｎは自然数）ずつ位相をずらしてオンされる２ｎ個のトランジスタに分割されていることを特徴とする請求項８に記載の受信回路。
10. 前記メイントランジスタ及び前記サブトランジスタの制御信号を鈍らせるフィルタをさらに有することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の受信回路。
11. 前記受信信号は、前記圧電センサと前記アンプとの間を差動形式で伝達されることを特徴とする請求項８〜請求項１０のいずれか一項に記載の受信回路。
12. 受信動作への切換時に前記受信信号の正相伝送経路と逆相伝送経路を短絡させておくスイッチをさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の受信回路。
13. 圧電センサから受信信号が入力される請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載の受信回路を集積化したことを特徴とする半導体装置。
14. 前記圧電センサへ送信信号を出力する送信回路と、
    前記受信回路の受信動作と前記送信回路の送信動作を時分割で制御する制御回路と、
    をさらに集積化したことを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
15. 前記送信回路は、複数の圧電センサに対して一つずつ設けられており、
    前記受信回路は、複数の圧電センサに対して一つだけ設けられている、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置。
16. 前記複数の圧電センサと前記受信回路との間を各々結ぶ複数の信号経路は、同一の長さとなるように設計されていることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
17. 圧電センサと、
    請求項１３〜請求項１６のいずれか一項に記載の半導体装置と、
    を有することを特徴とするセンサ装置。
18. 前記センサ装置は、パイプ内を流れる流体の流速を計測する流速計であることを特徴とする請求項１７に記載のセンサ装置。
19. 前記圧電センサとして、前記流体に対して所定の角度を持ちながら互いに対向する形で前記パイプの内壁面に設置された第１圧電センサと第２圧電センサを有することを特徴とする請求項１８に記載のセンサ装置。

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