JP6201774B2

JP6201774B2 - 物理量検出回路、物理量検出装置、電子機器および移動体

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Publication number: JP6201774B2
Application number: JP2014005896A
Authority: JP
Inventors: 憲行村嶋
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2034-01-16
Also published as: JP2015135245A

Description

本発明は、物理量検出回路、物理量検出装置、電子機器および移動体等に関する。

物理量に応じて電極間距離が変化し、その電極間の静電容量の変化に基づいて物理量を検出する静電容量センサーを備えた物理量検出装置は、例えば加速度検出装置等に用いられている。特に、一方向の物理量（例えば加速度）により電極間距離が広がる第１容量形成部と、逆に電極間距離が狭まる第２容量形成部とを備える静電容量センサーは、差動容量型センサー等と称されている。

この種の物理量検出装置では、キャリブレーションが行われる。差動容量型センサーに対するキャリブレーションでは、第１容量形成部と第２容量形成部との間に生ずる容量値のオフセットが調整される。

特許文献１には、デジタル出力方式の加速度検出装置でのキャリブレーション方式が開示されている。キャリブレーションは、ＡＤ（アナログ−デジタル）変換器の後段のオフセット調整回路にて、デジタル信号に対して実施されている。デジタル信号に対するキャリブレーションを実施するために、第１容量形成部と第２容量形成部との間に生ずる容量値のオフセット量に相当するデジタル値が記憶されている。

特開２０１２−３７３４１号公報

しかし、差動容量型センサーで検出される物理量は電荷というアナログ値であり、特許文献１のアナログ回路ではオフセットが未調整となる。よって、ＡＤ変換回路での量子化対象には物理量に対応するアナログ値にオフセット量に対応するアナログ値が加えられる。つまり、全ビット数をｊとしたとき、オフセット量に割り当てられるビット数をｋとすると、物理量に対応するデジタル値に有効なダイナミックレンジは（ｊ−ｋ）×（１ビット当たりのダイナミックレンジ）となり、実質的に狭められる。そのため、ＡＤ変換後にキャリブレーションを実施しても、ＳＮ（信号／ノイズ）等の点で不利である。また、特許文献１の技術はアナログ出力の物理量検出回路（例えば集積回路）には不適用である。そのため、物理量検出回路を使用するユーザー側のデジタル回路に、オフセット調整回路を設けることが余儀なくされ、ユーザーに負担となる。

また、物理量検出回路（例えば集積回路）を差動容量型センサーと接続すれば、物理量検出回路に内蔵される容量検出回路の良否を診断することができる。しかし、物理量検出回路が差動容量型センサーと非接続である単体の状態では、容量が存在しないために容量検出回路の良否を診断することができなかった。

本発明の少なくとも一つの態様は、差動容量型センサーのオフセットをアナログ段階で調整することができる物理量検出回路、物理量検出装置、電子機器および移動体を提供することを目的とする。

本発明の少なくとも他の一つの態様は、差動容量型センサーを非接続の状態で、内蔵する容量検出回路を診断することができる物理量検出回路、並びにそれを用いた物理量検出装置、電子機器および移動体を提供することを目的とする。

（１）本発明の一態様は、第１容量形成部および第２容量形成部を含み、前記第１容量形成部および前記第２容量形成部の各々が、固定容量と、物理量に応じて容量値が変化する可変容量とを含む差動容量型センサーに接続される物理量検出回路において、前記第１容量形成部の一端から第１電荷が供給される第１差動信号線と、前記第２容量形成部の一端から前記第１電荷とは逆符号の第２電荷が供給される第２差動信号線と、前記第１容量形成部および前記第２容量形成部の各々の前記固定容量間でのオフセット量に基づく容量値に設定されるオフセット調整容量と、前記オフセット調整容量の一端を、前記第１差動信号線および前記第２差動信号線のいずれか一方に選択的に接続するオフセット選択スイッチと、を有する物理量検出回路に関する。

本発明の一態様によれば、第１容量形成部および第２容量形成部の各々の固定容量間でのオフセット量に基づく容量値に設定されるオフセット調整容量が、オフセット選択スイッチにより、第１差動信号線および第２差動信号線のいずれか一方に選択的に接続される。それにより、例えば加速度が零である場合などの条件下にて、第１容量形成部および第２容量形成部の各々の固定容量間に生ずるオフセットが、アナログ段階で調整される。このように、アナログ段階でオフセットが調整されているので、その後に物理量検出回路の内部又は外部にてアナログ−デジタル変換する際には、ダイナミックレンジのフルレンジを、物理量に応じた容量検出値の量子化に割り当てることができる。

また、物理量検出回路にオフセット調整容量を設けることで、外付け容量とは異なり、高精度の容量を実現できる。

（２）本発明の一態様では、前記物理量検出回路は、前記第１容量形成部および前記第２容量形成部の共通端に接続される出力端子と、前記オフセット調整容量の他端および前記出力端子に共通の駆動信号を供給する駆動回路をさらに有することができる。

オフセット調整容量の他端および出力端子に共通の駆動信号が供給されて、物理量の検出動作が実施される。それにより、第１差動信号線および第２差動信号線の一方に接続されるオフセット調整容量は、第１容量形成部および第２容量形成部の一方の容量と並列接続され、物理量検出時にオフセット調整されて、物理量に応じた容量値に基づく電荷を第１差動信号線および第２差動信号線により伝送することができる。

さらに、物理量検出回路（例えば集積回路）に差動容量型センサーを接続しない状態で、駆動回路よりオフセット調整容量の他端に駆動信号を供給すると、オフセット調整容量の一端より第１差動信号線および第２差動信号線の一方に電荷を供給できる。それにより、既知の信号レベルと容量値を用いて、および第１差動信号線および第２差動信号線に接続される後段の回路（容量検出回路）の良否を判定する検査を、物理量検出回路の単体状態で実施することができる。

（３）本発明の一態様では、前記物理量検出回路は、前記第１容量形成部の前記一端が接続される第１端子と、前記第２容量形成部の前記一端が接続される第２端子と、前記オフセット選択スイッチが前記第１差動信号線と接続される第１ノードと前記第１端子との間にて、前記第１差動信号線を断続する第１スイッチと、前記オフセット選択スイッチが前記第２差動信号線と接続される第２ノードと前記第２端子との間にて、前記第２差動信号線を断続する第２スイッチと、をさらに有することができる。

第１スイッチおよび第２スイッチを断状態とすれば、物理量検出回路が差動容量型センサーに接続された後でも、差動容量型センサーの影響を受けずに物理量検出回路の上述した検査を実施することができる。

（４）本発明の一態様では、物理量検出回路は、前記第１差動信号線および前記第２差動信号線からの電荷に基づいて、前記物理量に応じた容量値を検出する容量検出回路と、前記オフセット調整容量の容量値を可変設定する容量設定部と、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが断状態に設定された状態にて、前記オフセット調整容量から供給される電荷に基づいて前記容量検出回路を判定する判定部と、をさらに有することができる。

こうすると、物理量検出回路は既知の信号レベルと容量値を用いて判定部が容量検出部を自己診断することができる。

（５）本発明の一態様では、前記物理量検出回路に接続される前記差動容量型センサーは、それぞれ検出軸が異なる第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の差動容量型センサーを含み、前記第１端子、前記第２端子、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチは、それぞれＮ個ずつ設けられ、前記Ｎ個の第１スイッチおよび前記Ｎ個の第２スイッチは、前記第１〜第Ｎの差動容量型センサーから時分割で前記集積回路に電荷を入力させるマルチプレクサーとして兼用することができる。

一つの物理量検出回路が第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の差動容量型センサーからの出力を時分割で処理する時に必要なマルチプレクサーを第１スイッチおよび第２スイッチとして用いることで、上述した通り差動容量型センサーの影響を受けずに物理量検出回路の検査または自己診断を実施することができる。

（６）本発明の一態様では、前記物理量検出回路は、前記駆動回路から前記オフセット調整容量の前記他端に印加される電圧と同一のリセット電圧を、前記オフセット調整容量の前記一端に印加するリセット回路をさらに有することができる。

駆動回路とリセット回路からオフセット調整容量の両端に同一電圧を印加することで、必要な時期にオフセット調整容量にチャージされた電荷を放電させてリセットすることができる。なお、このリセット回路は、第１容量形成部および第２容量形成部にチャージされた電荷をリセットするリセット回路として兼用してもよい。第１容量形成部および第２容量形成部のリセット動作は、第１スイッチおよび第２スイッチの双方をオフさせて実施することができる。

（７）本発明の一態様では、前記駆動回路は、第１電源電圧と、第２電源電圧と、前記第１電源電圧と前記第２電源電圧との中間のコモン電圧とに切り替えて電圧を出力し、前記リセット電圧を前記コモン電圧とすることができる。

オフセット調整容量の両端にコモン電圧を印加してリセットすることで、電荷の移動を最少としてリセット時間を短縮することができる。

（８）本発明の他の態様は、差動容量型センサーと、前記差動容量型センサーに接続される（１）〜（７）のいずれかに記載の物理量検出回路と、を有する物理量検出装置に関する。

本発明の他の態様に係る物理量検出装置は、上述した通り、アナログ段階でキャリブレーションを実施することができ、単体状態で予め検査された物理量検出回路を搭載することができ、あるいは差動容量型センサーの影響を受けずに物理量検出回路を検査又は自己診断することができる。

（９）本発明のさらに他の態様は、（８）に記載の物理量検出装置を有する電子機器および移動体に関する。これらの電子機器および移動体も、上述した物理量検出装置の作用・効果を奏することができる。

図１（Ａ）（Ｂ）は差動容量型センサーを示す図である。差動容量型センサーに物理量検出回路を接続して構成される物理量検出装置のブロック図である。オフセット調整容量の回路図である。リセット回路が追加された物理量検出回路を示す図である。物理量検出時に駆動回路より出力される駆動信号の一例を示すタイミングチャートである。Ｎ軸の検出軸を持つ物理量検出装置を示す図である。Ｎ軸についての物理量検出時に駆動回路より時分割で出力される駆動信号の一例を示すタイミングチャートである。電子機器の一具体例としてのスマートフォンの構成を概略的に示す概念図である。電子機器の他の具体例としてのデジタルスチルカメラの構成を概略的に示す概念図である。移動体の一具体例としての自動車の構成を概略的に示す概念図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

（１）差動容量型センサー
図１（Ａ）は、例えば加速度センサーとして用いられる差動容量型センサー１０の構造を例示する図である。差動容量型センサー１０は、固定部２０と可動部３０とを有する。固定部２０は、基板（図示略）に固定されている部材である。可動部３０は、加速度に応じて変位する構造体の一例であり、錘部３１とばね部３２とを有する。ばね部３２の一端は基板に固定されており、他端は錘部３１に接続されている。錘部３１は、ばね部３２により支持されている。図１（Ｂ）に示すように差動容量型センサー１０に加速度ａが加えられると、質量ｍの錘部３１には、Ｆ＝ｍａの力が働く。この力により、ばね部３２は変形し、錘部３１は固定部２０に対して相対的に変位する。

錘部３１は、可動電極３１Ａおよび可動電極３１Ｂを有する。固定部２０は、固定電極２１〜２４を有する。可動電極３１Ａは固定電極２１，２２の間に配置され、可動電極３１Ｂは固定電極２３，２４の間に配置される。差動容量型センサー１０は、例えば、Ｓｉ（シリコン）等の半導体材料と、半導体加工技術を用いたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）で形成される。

ここで、可動電極３１Ａと固定電極２１とのペアと、可動電極３１Ｂと固定電極２３とのペアとを、第１容量形成部４１と称する。同様に、可動電極３１Ａと固定電極２２とのペアと、可動電極３１Ｂと固定電極２４とのペアとを、第２容量形成部４２と称する。差動容量型センサー１０は、第１容量形成部４１の一端１１と、第２容量形成部４２の一端１２と、第１，第２容量形成部４１，４２の共通端１３とを含む。図１に示す加速度ａが作用したとき、第１容量形成部４１の容量値は減少する一方で、第２容量形成部４２の容量値は増大する。このため、共通端１３に電荷を供給した状態で錘部３１に加速度ａが作用すると、第１，第２容量形成部４１，４２の一端１１，１２からそれぞれ出力される電荷（信号）は絶対値が等しく符号が逆の差動信号対となる。

（２）物理量検出回路（物理量検出装置）
図２は、図１に示す差動容量型センサーの等価回路に物理量検出回路（例えば集積回路）１１０Ａを接続して構成される物理量検出装置１００のブロック図である。差動容量型センサー１０の等価回路に示すように、第１容量形成部４１は、固定容量４１Ａと、物理量（加速度）に応じて容量値が変化する可変容量４１Ｂとを含む。同様に、第２容量形成部４２は、固定容量４２Ａと、物理量に応じて容量値が変化する可変容量４２Ｂとを含む。固定容量４１Ａ，４２Ａ間にオフセットがある。オフセットがあるまま加速度を検出すると、加速度が作用しない時でも加速度が存在する値が出力されてしまう。そこで、オフセット調整（キャリブレーション）が必要となる。

（２−１）アナログ段階でのオフセット調整
物理量検出回路１１０Ａは、第１容量形成部４１の一端１１と接続される第１端子１１１と、第１端子１１１に接続される第１差動信号線１２１と、第２容量形成部４２の一端か１２に接続される第２端子１１２と、第２端子１１２と接続される第２差動信号線１２２と、を有する。第１，第２差動信号線１２１，１２２は容量検出回路１６０に接続される。物理量検出回路１１０Ａは、オフセット調整容量１３０と、オフセット調整容量１３０の一端を、第１差動信号線１２１および第２差動信号線１２２のいずれか一方に選択的に接続するオフセット選択スイッチ１４０とをさらに有する。オフセット選択スイッチ１４０は、第１差動信号線１２１とオフセット調整容量１３０との間に設けられるアナログスイッチＡＳＷ３と、第２差動信号線１２２とオフセット調整容量１３０との間に設けられるアナログスイッチＡＳＷ４とを含むことができる。

オフセット調整容量１３０は可変容量である。オフセット調整容量１３０は、第１容量形成部４１および第２容量形成部４２の各々の固定容量４１Ａ，４２Ａ間でのオフセット量に基づく容量値に設定される。例えば、固定容量４１Ａが容量値Ｃ０であり、固定容量４２Ａが容量値Ｃ０＋ΔＣ０であるとすると、ΔＣ０がオフセットとなる。この場合、ΔＣ０の容量値に設定されるオフセット調整容量１３０が、オフセット選択スイッチ１４０により第１差動信号線１２１に接続される。それにより、第１容量形成部４１の固定容量４１Ａの容量値Ｃ０にオフセット調整容量１３０の容量値ΔＣ０が追加される。それにより、オフセット調整後の第１，第２容量形成部４１，４２の固定容量は共にＣ０＋ΔＣ０と等しくなる。

ここで、オフセット調整容量１３０に設定されるオフセット容量値ΔＣ０は、例えば０．５ｆＦ程度の微小容量である。そのため、物理量検出回路（集積回路）１１０Ａの外付け容量とすると、そのような微小容量を精度高く確保することができない。一方、オフセット調整容量１３０は、例えば図３に示すようにして物理量検出回路（集積回路）１１０Ａ内に形成すると、ΔＣよりも大きい容量を使用してΔＣの微小容量を精度高く確保することができる。

図３において、オフセット調整容量１３０は可変容量Ｃ１、固定容量Ｃ２，Ｃ４が直列接続され、容量Ｃ１，Ｃ２間のノードｎ１とグランドとの間に固定容量Ｃ３が接続され、容量Ｃ２，Ｃ４間のノードｎ２とグランドとの間に固定容量Ｃ５が接続されて構成される。図３に示すオフセット調整容量１３０の等価容量Ｃｅｑは、
Ｃｅｑ＝Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２｜｜（Ｃ４＋Ｃ５）＋Ｃ３）＊
Ｃ２／（Ｃ２＋（Ｃ４＋Ｃ５））＊Ｃ４…（１）
となる。

ここで、Ｃ１、Ｃ２およびＣ４は例えば１００ｆＦ以上の容量値とし、Ｃ３及びＣ５を例えば１ｐＦ程度とすると、等価容量Ｃｅｑは０．５ｆＦ程度の微小容量に精度高く調整することが可能である。このことは、A Three-Axis Micromachined Accelerometer with a CMOS Position-Sense Interface and Digital Offset-Trim Electronics, Mark Lemkin et, al. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 34, NO.4, APRIL 1999, p456-468に開示されている。

物理量検出回路１１０Ａは、制御回路１７０を有する。制御回路１７０には、駆動回路１５０、インターフェイス例えばシリアル−パラレルインターフェイス（ＳＰＩ）１８０、不揮発性メモリ１９０等が接続される。予め測定されたオフセット容量値ΔＣ０を設定するデータは、ＳＰＩ１８０を介して外部から入力され、制御回路１７０により不揮発性メモリ１９０に格納される。物理量検出回路１１０Ａの起動時に、制御回路１７０により不揮発性メモリ１９０から読み出されたオフセット容量値ΔＣ０設定用のデータは、レジスタ等で構成された容量設定部２００Ａに格納される。容量設定部２００Ａは、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）として機能し、設定されたデータに基づいて、例えば電圧制御型のオフセット調整容量１３０に電圧を設定して、オフセット調整容量１３０をオフセット容量値ΔＣ０に設定することができる。

（２−２）オフセット調整後の物理量検出
オフセット調整後に物理量（加速度）を検出するために、物理量検出回路（集積回路）１１０Ａ内に設けられた駆動回路１５０から駆動信号（電荷）が出力される。この駆動信号（電荷）は、出力端子１１３を介して、第１容量形成部４１および第２容量形成部４２の共通端１３に供給されると共に、オフセット調整容量１３０の他端にも供給される。第１差動信号線１２１および第２差動信号線１２２の一方に接続されるオフセット調整容量１３０は、第１容量形成部４１および第２容量形成部４２の一方の容量と並列接続される。つまり、オフセット調整容量１３０に設定されたオフセット容量値ΔＣ０は、第１容量形成部４１の固定容量４１Ａおよび第２容量形成部４２の固定容量４２Ａの固定容量４２Ａの一方に加算され（Ｃ０＋ΔＣ０）。こうして、物理量検出時に第１，第２容量形成部４１，４２の固定容量４１Ａ，４２Ａはオフセット調整される。それにより、物理量に応じた容量値に基づく電荷を第１差動信号線１２１および第２差動信号線１２２により伝送することができる。

（２−３）検査機能
容量検出回路１６０は、例えばＱＶアンプ１６１、プログラマブルゲインアンプ（ＰＧＡ）１６２及びアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１６３等を有する。物理量検出回路（集積回路）１１０Ａに差動容量型センサー１０を接続しない状態で、駆動回路１５０よりオフセット調整容量１３０の他端に駆動信号を供給すると、オフセット調整容量１３０の一端より第１差動信号線１２１および第２差動信号線１２２の一方に電荷を供給できる。それにより、駆動回路１５０にて既知の駆動信号レベルと、オフセット調整容量１３０に設定された既知の容量値とを用いて、第１差動信号線１２１および第２差動信号線１２２に接続される容量検出回路１６０の良否を判定する検査を、物理量検出回路１１０Ａの単体状態で実施することができる。
この検査は、物理量検出回路（集積回路）１１０Ａの出力端子にテスター（図示せず）を接続し、テスターにより期待値の信号が物理量検出回路（集積回路）１１０Ａより出力されたか否かを判定して、容量検出回路１６０の良否を判定することができる。この場合、図２に示す判定回路２１０は不要である。また、容量設定部２００Ａには、オフセット調整容量値ΔＣ０に対応するデータに加えて、検査時にオフセット調整容量１３０を複数種の容量値Ｃｔ１〜Ｃｔｎに設定するためのデータを格納することができる。テスターは、これらの容量値Ｃｔ１〜Ｃｔｎと駆動信号レベルを取得することで、容量検出回路１６０から出力される検査時の期待値を設定することができる。

物理量検出回路１１０Ａは、オフセット選択スイッチ１４０が第１差動信号線１２１と接続される第１ノードＮＤ１と第１端子１１１との間にて、第１差動信号線１２１を断続する第１スイッチＡＳＷ１と、オフセット選択スイッチ１４０が第２差動信号線１２２と接続される第２ノードＮＤ２と第２端子１１２との間にて、第２差動信号線１２２を断続する第２スイッチＡＳＷ２と、をさらに有することができる。

第１スイッチＡＳＷ１および第２スイッチＡＳＷ２を断状態とすれば、物理量検出回路１１０Ａが差動容量型センサー１０に接続された後でも、差動容量型センサー１０の影響を受けずに容量検出回路１６０の上述した検査を実施することができる。

（２−４）自己診断機能
図２に示すように、容量検出回路１６０の出力である例えばＡＤＣ１６３の出力を入力する判定回路２１０をさらに設けることができる。容量検出回路１６０は、第１スイッチＡＳＷ１および第２スイッチＡＳＷ２が共に断状態に設定された状態にて、オフセット調整容量１３０から供給される電荷に基づいて容量検出回路１６０の良否を判定して自己診断する。この場合も、容量設定部２００Ａに格納された複数種の容量値Ｃｔ１〜Ｃｔｎに基づいて、オフセット調整容量１３０の容量値を自己診断時の容量値に設定することができる。このように、物理量検出回路１１０Ａが差動容量型センサー１０に接続された後でも、物理量検出時以外のタイミングで容量検出回路１６０を自己診断することができる。診断結果は、判定回路２１０から制御回路１７０およびＳＰＩ１８０を介して外部に出力することができる。

（２−５）容量のリセット機能
図４は、図２の構成にさらにリセット回路２２０Ａ，２２０Ｂが追加された物理量検出回路１１０Ｂを示している。リセット回路２２０Ａ，２２０Ｂは、駆動回路１５０から第１，第２容量形成部４１，４２及びオフセット調整容量１３０の他端に印加される電圧と同一のリセット電圧を、第１，第２容量形成部４１，４２及びオフセット調整容量１３０の一端に印加するものである。リセット回路２２０Ａは、第１差動信号線１２１の第３ノードＮＤ３にリセット電圧を供給するスイッチＡＳＷ５と、第２差動信号線１２２の第４ノードＮＤ４にリセット電圧を供給するスイッチＡＳＷ６を有する。なお、第３ノードＮＤ３は第１端子１１１と第１スイッチＡＳＷ１との間に設けられる。第４ノードＮＤ４は第２端子１１２と第２スイッチＡＳＷ２との間に設けられる。また、リセット回路２２０Ｂは、オフセット調整容量１３０の一端である第５ノードＮＤ５にリセット電圧を供給する第８スイッチＡＳＷ８を有する。

ここで、駆動回路１５０は、図４に示すように、例えば３種類の電圧の一つを選択して出力するスイッチＡＳＷ７を有する。３種類の電圧とは、第１電源電圧ＶＤＤと、第２電源電圧ＶＳＳと、第１，第２電源電圧ＶＤＤ，ＶＳＳ間の中間電圧ＶＣＯＭである。ＶＣＯＭ＝（ＶＤＤ−ＶＳＳ）／２）である。本実施形態では、リセット電圧＝ＶＣＯＭとしている。

図５は、物理量検出時に駆動回路１５０より出力される駆動信号の一例を示すタイミングチャートである。図５に示す期間Ｔは、一回のサンプリング期間に割り当てられた期間であり、サンプリング期間Ｔは３つの期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を有する。先頭期間Ｔ１がリセット期間である。リセット期間Ｔ１では、駆動回路１５０よりリセット電圧ＶＣＯＭが出力されると共に、リセット回路２２０ＡのスイッチＡＳＷ５およびＡＳＷ６がオンして、第１，第２差動信号線１２１，１２２のノードＮＤ３，ＮＤ４にリセット電圧ＶＣＯＭが供給される。また、リセット期間Ｔ１の前半では、リセット回路２２０ＢのスイッチＡＳＷ８がオンして、ノードＮＤ５にリセット電圧ＶＣＯＭが供給される。それにより、リセット期間Ｔ１の前半では、第１，第２容量形成部４１，４２及びオフセット調整容量１３０の両電極にリセット電圧ＶＣＯＭがそれぞれ印加され、第１，第２容量形成部４１，４２及びオフセット調整容量１３０にチャージされていた電荷は放電されてリセットされる。このリセット期間Ｔ１の前半では、スイッチＡＳＷ１，ＡＳＷ２は断状態とする。これにより、放電された電荷が容量検出回路１６０側に流れることを阻止できる。

リセット期間Ｔ１の後半では、図５に示すように、スイッチＡＳＷ１及びスイッチＡＳＷ２がオフからオンに切り替えられ、スイッチＡＳＷ８がオンからオフに切り替えられる。それにより、リセット期間Ｔ１の後半では、ノードＮＤ１〜ＮＤ４がリセット電圧ＶＣＯＭに設定されて、ノードＮＤ１〜ＮＤ４がリセットされる。

リセット期間Ｔ１に続く駆動期間Ｔ２，Ｔ３にて、第１電源電圧ＶＤＤから第２電源電圧ＶＳＳに変化する駆動信号が駆動回路１５０から供給される。この駆動期間Ｔ１，Ｔ２では、スイッチＡＳＷ１，ＡＳＷ２はオンされ、スイッチＡＳＷ３またはＡＳＷ４の一方がオン状態に設定されてオフセット調整容量１３０がノードＮＤ１またはノードＮＤ２に接続されている。第１電源電圧ＶＤＤおよび第２電源電圧ＶＳＳを用いて差動容量型センサー１０を駆動する方法は、例えば特開２０１２−２３３７３０号公報などにより公知であるので、説明は省略する。

ここで、容量をリセットするには容量の両端電極に同一電圧を供給すれば良い。特に容量の両端に、容量駆動時の第１，第２電源電圧ＶＤＤ，ＶＳＳ間の中間電圧ＶＣＯＭを印加してリセットすることで、電荷の移動を最少とすることができ、リセット時間を短縮することができる。

（３）Ｎ軸の物理量検出回路（物理量検出装置）
上述した実施形態は、図１（Ｂ）に示す加速度ａが作用する一軸方向の物理量（例えば加速度）を検出する例について説明したが、本発明は検出軸をＮ（Ｎは２以上の整数）軸とする図６の物理量検出回路１１０Ｃにも適用できることは言うまでもない。この場合、図６に示すように、図１に示す差動容量型センサー１０に代えて、例えばＮ＝３とする場合の直交三軸（広義には交差Ｎ軸）であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸をそれぞれの検出軸とする第１〜第３の差動容量型センサー１０Ｘ，１０Ｙ，１０Ｚが設けられる。図２の一端１１に代えてＮ個の一端１１Ｘ，１１Ｙ，１１Ｚが設けられ、図２の一端１２に代えてＮ個の一端１２Ｘ，１２Ｙ，１２Ｚが設けられる。

一方、図６の物理量検出回路１１０Ｃは、図２の第１端子１１１に代えてＮ個の第１端子１１１Ｘ，１１１Ｙ，１１１Ｚが設けられ、図２の第２端子１１２に代えてＮ個の第２端子１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚが設けられる。図６の物理量検出回路１１０Ｃにはさらに、図２の第１スイッチＡＳＷ１に代えてＮ個の第１スイッチＡＳＷ１Ｘ，ＡＳＷ１Ｙ，ＡＳＷ１Ｚが設けられ、図２の第２スイッチＡＳＷ２に代えてＮ個の第２スイッチＡＳＷ２Ｘ，ＡＳＷ２Ｙ，ＡＳＷ２Ｚが設けられる。

ここで、３つの差動容量型センサー１０Ｘ，１０Ｙ，１０Ｚに対して、物理量検出回路１１０Ｃの一つの容量検出回路１６０が兼用される。このために、第１〜第３の差動容量型センサー１０Ｘ，１０Ｙ，１０Ｚから時分割で容量検出回路１６０に電荷が入力される。この時分割駆動のために、第１スイッチＡＳＷ１Ｘ，ＡＳＷ１Ｙ，ＡＳＷ１Ｚおよび第２スイッチＡＳＷ２Ｘ，ＡＳＷ２Ｙ，ＡＳＷ２Ｚで構成されるマルチプレクサー３００がスイッチング駆動される。

マルチプレクサー３００がスイッチング駆動により実現される時分割駆動を、図７のタイミングチャートを参照して説明する。図７は、Ｎ軸についての物理量検出時に駆動回路１５０より時分割で出力される駆動信号の一例を示すタイミングチャートである。図７では、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸についての物理量がそれぞれ期間Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ毎に時分割でサンプリングされる。各期間Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ内に、図５で説明した３つの期間Ｔ１〜Ｔ３がそれぞれ設けられている。期間Ｔｘ内の駆動期間Ｔ２，Ｔ３では、マルチプレクサー３００内の第１スイッチＡＳＷ１Ｘおよび第２スイッチＡＳＷ２Ｘのみがオンされ、他のスイッチＡＳＷ１Ｙ，ＡＳＷ１Ｚ，ＡＳＷ２Ｙ，ＡＳＷ２Ｚはオフされる。期間Ｔｙ内の駆動期間Ｔ２，Ｔ３では、マルチプレクサー３００内の第１スイッチＡＳＷ１Ｙおよび第２スイッチＡＳＷ２Ｙのみがオンされ、他のスイッチはオフされる。期間Ｔｚ内の駆動期間Ｔ２，Ｔ３では、マルチプレクサー３００内の第１スイッチＡＳＷ１Ｚおよび第２スイッチＡＳＷ２Ｚのみがオンされ、他のスイッチはオフされる。こうして、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸についての物理量がそれぞれ期間Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ毎に時分割でサンプリングされる。

一方、オフセット調整容量１３０およびオフセット選択スイッチ１４０（ＡＳＷ３，ＡＳＷ４）は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸についてのオフセット調整に兼用される。そのために、オフセット調整容量１３０には、容量設定部２００Ｂにより、各軸毎に予め測定されたオフセット調整容量値ΔＣ０ｘ、ΔＣ０ｙ、ΔＣ０ｚが設定される。

ここで、図６に示すリセット回路２２０Ａ’，２２０Ｂ’は、図４に示すリセット回路２２０Ａ，２２０Ｂと同様にして、図７に示す期間Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚの先頭期間Ｔ１内にて、差動容量型センサー１０Ｘ，１０Ｙ，１０Ｚ及びオフセット調整容量１３０や、ノードＮＤ１，ＮＤ２をリセットする。このオフセット調整容量１３０のリセット動作には、マルチプレクサー３００内の時分割駆動のためのスイッチ群が兼用される。Ｔｘ期間内のリセット期間Ｔ１の前半（図５参照）では、第１スイッチＡＳＷ１Ｘおよび第２スイッチＡＳＷ２Ｘの少なくとも一方がオンされ、マルチプレクサー３００内の他のスイッチＡＳＷ１Ｙ，ＡＳＷ１Ｚ，ＡＳＷ２Ｙ，ＡＳＷ２Ｚはオフされる。Ｔｙ期間内のリセット期間Ｔ１の前半（図５参照）では、第１スイッチＡＳＷ１Ｙおよび第２スイッチＡＳＷ２Ｙの少なくとも一方がオンされ、マルチプレクサー３００内の他のスイッチはオフされる。Ｔｚ期間内のリセット期間Ｔ１の前半（図５参照）では、第１スイッチＡＳＷ１Ｚおよび第２スイッチＡＳＷ２Ｚの少なくとも一方がオンされ、マルチプレクサー３００内の他のスイッチはオフされる。

本実施形態では、期間Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚの各先頭期間Ｔ１内の後半に、容量設定部２００Ｂは各軸毎に予め測定されたオフセット調整容量値ΔＣ０ｘ、ΔＣ０ｙ、ΔＣ０ｚをオフセット調整容量１３０に設定する。さらに、容量値が設定されたオフセット調整容量１３０は、オフセット選択スイッチ１４０（ＡＳＷ３，ＡＳＷ４）により、第１，第２差動信号線１２１，１２２の一方に接続される。こうすることで、オフセット調整容量１３０およびオフセット選択スイッチ１４０（ＡＳＷ３，ＡＳＷ４）を、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸についてのオフセット調整に兼用することができる。

（４）電子機器および移動体
図８は電子機器の一具体例としてのスマートフォン４０１を概略的に示す。スマートフォン４０１には図２、図４または図６に示す物理量検出回路１１０Ａ〜１１０Ｃのいずれかと、差動容量型センサー１０（１０Ｘ，１０Ｙ，１０Ｚ）に加え、三軸ジャイロセンサーおよびそれに接続される検出回路を備えた物理量検出装置５００が組み込まれる。物理量検出装置５００はスマートフォン４０１の姿勢を検出することができる。いわゆるモーションセンシングが実施される。物理量検出装置５００の検出信号は例えばマイクロコンピューターチップ（ＭＰＵ）４０２に供給されることができる。ＭＰＵ４０２はモーションセンシングに応じて様々な処理を実行することができる。その他、こういったモーションセンシングは、携帯電話機、携帯型ゲーム機、ゲームコントローラー、カーナビゲーションシステム、ポインティングデバイス、ヘッドマウンティングディスプレイ、タブレットパソコン等の電子機器で利用されることができる。モーションセンシングの実現にあたって物理量検出装置５００は組み込まれることができる。

図９は電子機器の他の具体例としてのデジタルスチルカメラ（以下「カメラ」という）４０３を概略的に示す。カメラ４０３には物理量検出装置５００が組み込まれる。物理量検出装置５００はカメラ４０３の姿勢を検出することができる。物理量検出装置５００の検出信号は手ぶれ補正装置４０４に供給されることができる。手ぶれ補正装置４０４は物理量検出装置５００の検出信号に応じて例えばレンズセット４０５内の特定のレンズを移動させることができる。こうして手ぶれは補正されることができる。その他、手ぶれ補正はデジタルビデオカメラで利用されることができる。手ぶれ補正の実現にあたって物理量検出装置５００は組み込まれることができる。

図１０は移動体の一具体例としての自動車４０６を概略的に示す。自動車４０６には物理量検出装置５００が組み込まれる。物理量検出装置５００は車体４０７の姿勢を検出することができる。物理量検出装置５００の検出信号は車体姿勢制御装置４０８に供給されることができる。車体姿勢制御装置４０８は例えば車体４０７の姿勢に応じてサスペンションの硬軟を制御したり個々の車輪４０９のブレーキを制御したりすることができる。その他、こういった姿勢制御は二足歩行ロボットや航空機、ヘリコプター等の各種移動体で利用されることができる。姿勢制御の実現にあたって物理量検出装置５００は組み込まれることができる。

本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれる。例えば、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語とともに記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えられることができる。また、差動容量型センサー１０（１０Ｘ，１０Ｙ，１０Ｚ）、物理量検出回路１１０Ａ〜１１０Ｃ、オフセット調整容量１３０、駆動回路１５０、容量検出回路１６０、容量設定部２００Ａ，２００Ｂ等の構成および動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形が可能である。また、本発明が適用される物理量検出回路は、デジタル出力するものに限らず、ＡＤＣ１６３を有しないアナログ出力にも適用することができる。

１０差動容量型センサー、１１，１１Ｘ，１１Ｙ，１１Ｚ第１容量形成部の一端、１２，１２Ｘ，１２Ｙ，１２Ｚ第２容量形成部の一端、１３第１，第２容量形成部の共通端、２０固定部、２１〜２４固定電極、３０可動部、３１錘部、３１Ａ，３１Ｂ可動電極、３２ばね部、４１第１容量形成部、４２第２容量形成部、４１Ａ，４２Ａ固定容量、４１Ｂ，４２Ｂ可変容量、１００物理量検出装置、１１０Ａ〜１００Ｃ物理量検出回路、１１１，１１１Ｘ，１１１Ｙ，１１１Ｚ第１端子、１１２，１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚ第２端子、１１３出力端子、１１４第３端子、１２１第１差動信号線、１２２第２差動信号線、１３０オフセット調整容量、１４０（ＡＳＷ３，ＡＳＷ４）オフセット選択スイッチ、１５０駆動回路、１６０容量検出回路、１７０制御回路、１８０ＳＰＩ、１９０不揮発性メモリ、２００Ａ，２００Ｂ容量設定部、２１０判定回路、２２０Ａ，２２０Ｂ，２２０Ａ’，２２０Ｂ’ リセット回路、４０１電子機器（スマートフォン）、４０３電子機器（デジタルスチルカメラ）、４０６移動体（自動車）、ＡＳＷ１，ＡＳＷ１Ｘ，ＡＳＷ１Ｙ，ＡＳＷ１Ｚ第１スイッチ、ＡＳＷ２，ＡＳＷ２Ｘ，ＡＳＷ２Ｙ，ＡＳＷ２Ｚ第２スイッチ、ＮＤ１第１ノード、ＮＤ２第２ノード

Claims

第１容量形成部および第２容量形成部を含み、前記第１容量形成部および前記第２容量形成部の各々が、固定容量と、物理量に応じて容量値が変化する可変容量とを含む差動容量型センサーに接続される物理量検出回路において、
前記第１容量形成部の一端から第１電荷が供給される第１差動信号線と、
前記第２容量形成部の一端から前記第１電荷とは逆符号の第２電荷が供給される第２差動信号線と、
前記第１容量形成部および前記第２容量形成部の各々の前記固定容量間でのオフセット量に基づく容量値に設定されるオフセット調整容量と、
前記オフセット調整容量の一端を、前記第１差動信号線および前記第２差動信号線のいずれか一方に選択的に接続するオフセット選択スイッチと、
を有することを特徴とする物理量検出回路。
請求項１に記載の物理量検出回路において、
前記第１容量形成部および前記第２容量形成部の共通端に接続される出力端子と、
前記オフセット調整容量の他端および前記出力端子に共通の駆動信号を供給する駆動回路をさらに有することを特徴とする物理量検出回路。
請求項２に記載の物理量検出回路において、
前記第１容量形成部の前記一端が接続される第１端子と、
前記第２容量形成部の前記一端が接続される第２端子と、
前記オフセット選択スイッチが前記第１差動信号線と接続される第１ノードと前記第１端子との間にて、前記第１差動信号線を断続する第１スイッチと、
前記オフセット選択スイッチが前記第２差動信号線と接続される第２ノードと前記第２端子との間にて、前記第２差動信号線を断続する第２スイッチと、
をさらに有することを特徴とする物理量検出回路。
請求項３に記載の物理量検出回路において、
前記第１差動信号線および前記第２差動信号線からの電荷に基づいて、前記物理量に応じた容量値を検出する容量検出回路と、
前記オフセット調整容量の容量値を可変設定する容量設定部と、
前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが断状態に設定された状態にて、前記オフセット調整容量から供給される電荷に基づいて前記容量検出回路を判定する判定部と、
をさらに有することを特徴とする物理量検出回路。
請求項３または４に記載の物理量検出回路において、
前記物理量検出回路に接続される前記差動容量型センサーは、それぞれ検出軸が異なる第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の差動容量型センサーを含み、
前記第１端子、前記第２端子、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチは、それぞれＮ個ずつ設けられ、
前記Ｎ個の第１スイッチおよび前記Ｎ個の第２スイッチは、前記第１〜第Ｎの差動容量型センサーから時分割で前記集積回路に電荷を入力させるマルチプレクサーとして兼用されることを特徴とする物理量検出回路。
請求項３乃至５のいずれか１項に記載の物理量検出回路において、
前記駆動回路から前記オフセット調整容量の前記他端に印加される電圧と同一のリセット電圧を、前記オフセット調整容量の前記一端に印加するリセット回路をさらに有することを特徴とする物理量検出回路。
請求項６に記載の物理量検出回路において、
前記駆動回路は、第１電源電圧と、第２電源電圧と、前記第１電源電圧と前記第２電源電圧との中間のコモン電圧とに切り替えて電圧を出力し、
前記リセット電圧は前記コモン電圧であることを特徴とする物理量検出回路。
差動容量型センサーと、
前記差動容量型センサーに接続される請求項１乃至７のいずれか１項に記載の物理量検出回路と、
を有することを特徴とする物理量検出装置。
請求項８に記載の物理量検出装置を有することを特徴とする電子機器。
請求項８に記載の物理量検出装置を有することを特徴とする移動体。