JP7127577B2 - 物理量検出装置 - Google Patents

Description

本開示は、静電容量の変化に基づいて物理量を検出する容量式の物理量検出装置に関する。

特許文献１には、加速度などの物理量を静電容量の変化に基づいて検出する容量式の物理量検出装置が開示されている。特許文献１の物理量検出装置は、容量部、駆動部、Ｃ－Ｖ変換部を備えている。

容量部は、固定電極と、固定電極に対して相対的に変位可能な可動電極とを含む。可動電極は、印加された物理量に従う大きさで変位する。容量部は、可動電極と固定電極との間の静電容量に、可動電極の変位に従う大きさの容量変化を生じる。

駆動部は、所定の振幅で周期的に電圧の変動する駆動電圧を容量部に印加する。駆動電圧を印加された容量部は、容量変化および駆動電圧の振幅に従う大きさで電荷を出力する。Ｃ－Ｖ変換部は、容量部から出力される電荷量を電圧の大きさに変換する。変換された電圧の大きさに基づいて、物理量検出装置は物理量を検出する。

特開２０１２－７８３３７号公報

しかし、可動電極の変位は、固定電極との間の静電引力により増大する場合がある。静電引力による変位の増大に従い、可動電極を変位限界まで変位させる物理量が小さくなる。故に特許文献１の物理量検出装置では、検出可能な物理量の範囲を制限されるおそれがあった。

本開示は、検出可能な物理量の範囲を制限されにくい容量式の物理量検出装置の提供を目的とする。

上記目的は独立請求項に記載の特徴の組み合わせにより達成され、また、下位請求項は、本開示の更なる有利な具体例を規定する。特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として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って、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

上記目的を達成するための本開示の物理量検出装置は、固定電極（１１、１２）と、印加された物理量に従い変位する可動電極（１３）と、を含み、固定電極と可動電極との間の静電容量に物理量に従う容量変化を生じる容量部（１０）と、容量部に所定の振幅で電圧の変動する駆動電圧を印加する駆動部（１１１）と、駆動電圧の印加に伴い容量部から出力される電荷を、電圧に変換する変換部（１１４）と、含み、振幅および容量変化の大きさに従う回路出力電圧を出力する電圧出力部（１１０）と、回路出力電圧に基づいて物理量を検出する検出部（１２０）と、振幅を異なる大きさに切り換えさせる振幅切替部（１１２）と、を備え、電圧出力部は、出力する回路出力電圧を、物理量の絶対値が所定の切替閾値以上の場合に、切替閾値未満の場合よりも小さい振幅に従う回路出力電圧に切替える。

以上の構成によれば、容量部は、相対的に振幅の小さい駆動電圧を印加されている場合、振幅の大きい駆動電圧を印加されている場合と比較して可動電極への静電引力を低減される。故に可動電極は、振幅の小さい駆動電圧を印加されている場合、振幅の大きい駆動電圧を印加されている場合と比較して、変位限界に到達する物理量が大きくなる。この結果、検出部は、切替閾値以上の大きな物理量により変位限界に到達しやすい状況においても、電圧出力部から小さい振幅による回路出力電圧を受けて、変位限界による制限を抑制して物理量を検出しうる。従って物理量検出装置は、検出可能な物理量の範囲を制限されにくくなる。

物理量検出装置の構成を示す図である。 駆動状態を示すタイミングチャートである。 加速度と変位量との駆動電圧の振幅ごとの関係を示すグラフである。 加速度と変換部の出力電圧との駆動電圧の振幅ごとの関係を示すグラフである。 変形例の構成を示す図である。 変形例の駆動状態を示すタイミングチャートである。

本開示の実施形態による物理量検出装置１を図１に示す。本実施形態の物理量検出装置１は、静電容量の変動に基づいて、物理量として加速度を検出する容量式の加速度センサとしての機能を有する。物理量検出装置１は、センサ部１０、および制御部１００を備えている。

センサ部１０は、例えば半導体基板に形成された、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）による検出素子である。センサ部１０は、第一固定電極１１、第二固定電極１２、および可動電極１３を有しており、各固定電極と可動電極１３との間の静電容量に容量変化を生じる「容量部」に相当している。

第一固定電極１１および第二固定電極１２は、半導体基板に固定されており、加速度を印加されても半導体基板に対して変位しない固定電極である。可動電極１３は、バネ構造などの弾性変形部を介して半導体基板に接続された電極である。可動電極１３は、印加される加速度の大きさに従う変位量で、第一固定電極１１、および第二固定電極１２に対して相対的に変位する。可動電極１３は、第一固定電極１１との間に可変容量の第一コンデンサ１４を形成し、第二固定電極１２との間に可変容量の第二コンデンサ１５を形成する回路構成とみなせる。

より具体的には、可動電極１３は、加速度を印加されていない場合において、第一固定電極１１に対する離間距離と、第二固定電極１２に対する離間距離とを実質的に均等とする基準位置となるように設けられている。可動電極１３は、加速度を印加されると、第一固定電極１１または第二固定電極１２の一方との離間距離を減少させると共に、他方との離間距離を増大させるように基準位置から変位する。

可動電極１３の変位に伴い、各コンデンサの静電容量は、実質的に均等な状態から、変位量に従う大きさの容量変化の生じた状態に変化する。すなわち、離間距離の減少した固定電極との静電容量は変位量に従う大きさで増加し、離間距離の増大した固定電極との静電容量は変位量に従う大きさで減少する。制御部１００により容量変化の大きさを検出することにより、物理量検出装置１は加速度を検出する。

ただし、可動電極１３の各固定電極に対する離間距離は、製造時の寸法や形状のばらつきなどにより、加速度を印加されていない状態においても厳密には均等でない。従って、各コンデンサの静電容量には、加速度を印加されていない状態においても、厳密には均等な状態からのズレが生じている。

可動電極１３と各固定電極との間には、後述する駆動電圧の印加により、離間距離に応じた静電引力が発生する。可動電極１３に対して作用する各固定電極に向かう静電引力は、基準位置においては互いに実質的に均等な逆向きの力となる。従って基準位置において可動電極１３に採用する静電引力の和は、相殺されて実質的に零となる。静電引力は、離間距離が小さくなるほど大きくなる。従って変位に伴い、離間距離の減少した固定電極との間の静電引力が増大し、離間距離の増大した固定電極との間の静電引力は減少する。この結果、可動電極１３に作用する静電引力の和は、基準位置からの変位に従い、加速度のみによる変位量よりも変位量を増大させるように作用する。

また可動電極１３の変位量は、センサ部１０の構造に基づいて設定される変位限界以下に制限される。例えば変位限界は、第一固定電極１１または第二固定電極１２に対して機械的な接触を生じる変位量である。加速度および静電引力により可動電極１３の変位量が変位限界に到達している場合、加速度のさらなる増大は可動電極１３の変位量に反映されない。従って、変位限界に到達する加速度の大きさは、センサ部１０を用いて検出可能な加速度の大きさの上限と言える。

制御部１００は、ソフトウェアを格納したメモリ、ソフトウェアを実行するプロセッサ１０１、および各種の周辺機能回路を備えたマイクロコンピュータを主体とする制御ユニットである。制御部１００は、メモリに格納されたプログラムのプロセッサ１０１での実行により、周辺機能回路と協働してセンサ部１０に印加された加速度を検出する機能を発揮する。

なお、プロセッサ１０１の発揮する機能は、一部または全てをハードウェア的に実現されてもよい。また逆に、周辺機能回路でハードウェア的に実現されている機能の一部が、プロセッサ１０１により発揮される構成でもよい。制御部１００は、電圧出力部１１０と、検出部１２０とを備える。

電圧出力部１１０は、後述する駆動電圧の振幅と、センサ部１０の容量変化の大きさとに従った回路出力電圧を出力する周辺機能回路群である。電圧出力部１１０は、駆動部１１１、振幅切替部１１２、オフセット補正部１１３、変換部１１４、サンプルホールド部１１５、判定部１１６、および出力切替部１１７を備える。

駆動部１１１は、センサ部１０を駆動する駆動電圧を生成してセンサ部１０に印加する機能を有する回路であり、例えば分圧回路やスイッチング素子などを含む。駆動部１１１は、生成した駆動電圧を、センサ部１０およびオフセット補正部１１３に提供する。駆動電圧は、所定の振幅で周期的に電圧レベルの変動する電圧である。具体的には、駆動電圧は、電圧レベルをハイレベルとローレベルとに周期的に切替える矩形波状の電圧である。ハイレベルとローレベルとの切り替えは、例えば制御部１００のクロック信号の所定周期ごとに実行される。

本実施形態の駆動部１１１は、センサ部１０のうち両方の固定電極に駆動電圧を印加する。駆動部１１１は、もう一方の固定電極に印加される電圧レベルと反転した電圧レベルとなるように各固定電極に対して駆動電圧を印加する。すなわち駆動部１１１は、一方の固定電極をハイレベルとしている場合には、他方の固定電極をローレベルとして駆動電圧を印加する。駆動部１１１により駆動電圧を印加されたセンサ部１０は、センサ部１０の容量変化の大きさに従う量の電荷を出力する。より具体的には、ハイレベルとローレベルとの切り替わり時に、容量変化の大きさ、および駆動電圧の振幅のそれぞれに比例した量で電荷を出力する。

駆動部１１１は、ハイレベルおよびローレベルに相当する具体的な電圧レベルの組み合わせを、複数の組み合わせパターンのから選択可能に構成されている。例えば電圧の組み合わせパターンとして、ハイレベルとローレベルとの差を５Ｖとする第一パターンと、その半分の２．５Ｖとする第二パターンとが設定されている。換言すれば、ハイレベルとローレベルとの差の半分、すなわち駆動電圧の振幅が、あらかじめ設定された複数の候補振幅の中から選択可能となっている。

本実施形態における組み合わせパターンは、パターンの間でハイレベルとローレベルとの中間電圧を実質的に一致させるように設定されている。ただし、中間電圧は、そのパターンのハイレベルおよびローレベルに対する電圧が実質的に同一となる電圧レベルを示す。例えば、第一パターンには、ハイレベルおよびローレベルに対して５Ｖおよび０Ｖが設定されており、中間電圧は２．５Ｖとなっている。また第二パターンには、ハイレベルおよびローレベルに対して３．７５Ｖおよび１．２５Ｖが設定されており、中間電圧は第一パターンと同一の２．５Ｖとなっている。

振幅切替部１１２は、駆動部１１１からセンサ部１０に印加される駆動電圧の振幅、すなわち組み合わせパターンの切替えを管理する機能を有する回路である。本実施形態の振幅切替部１１２は、設定された組み合わせパターンを周期的に切替える。より具体的には、振幅切替部１１２は、クロック信号に基づいて、駆動電圧の一周期ごとに、組み合わせパターンを切替えさせる。すなわち振幅切替部１１２は、各固定電極のそれぞれに対してハイレベルとローレベルとを一回ずつ印加するごとに組み合わせパターンを切替えさせる。

従って図２に示すように、第一固定電極１１は、第一パターンのハイレベル、第一パターンのローレベル、の順で印加された後に、第二パターンのハイレベル、第二パターンのローレベル、の順に印加される。またこの間に第二固定電極１２は、第一パターンのローレベル、第一パターンのハイレベル、の順で印加された後に、第二パターンのローレベル、第二パターンのハイレベル、の順に印加される。

駆動電圧の振幅の切替えにより、センサ部１０における印加された加速度と変位との関係が変化する。図３に、印加された加速度の絶対値に対する、基準位置からの変位量の関係を駆動電圧の振幅ごとに示す。変位量Ｄ１は、加速度のみ印加されている状態、すなわち駆動電圧の印加による静電引力を受けていない状態の関係を示す。変位量Ｄ１は、加速度の絶対値に対して線形の関係となっている。

変位量Ｄ２は、第一パターンによる駆動電圧を印加されている状態の関係を示す。変位量Ｄ２は、駆動電圧の印加により発生する静電引力により、変位量Ｄ１よりも同じ加速度の絶対値に対する変位量が増大している。静電引力の和、すなわち相殺されずに残る静電引力は、変位量の増大に伴い増大する。従って変位量Ｄ２の傾きは、加速度の絶対値の増大に従って大きくなる。

変位量Ｄ３は、第二パターンによる駆動電圧を印加されている状態の関係を示す。変位量Ｄ３は、変位量Ｄ２と同様に、静電引力により変位量Ｄ１よりも同じ加速度に対する変位量が増大している。可動電極１３に作用する各固定電極に向かう静電引力は、固定電極との電位差の二乗に比例する。故に、第二パターンによる駆動電圧では、第一パターンによる駆動電圧と比較して、各可動電極へ向かう静電引力がそれぞれ四分の一に低減される。従って、同じ変位量において相殺されずに残る静電引力も、第一パターンに対して四分の一に低減される。

この結果、変位量Ｄ３では、同じ加速度の絶対値に対して変位量Ｄ２よりも小さい変位量となっている。故に、変位量Ｄ２の関係においては変位限界Ｄｌｉｍとなる加速度Ｇ１以上の加速度を印加される場合においても、変位量Ｄ３では加速度の増大を変位量の増大として反映可能となっている。

オフセット補正部１１３は、センサ部１０から変換部１１４に出力される電荷量のオフセットを補正する機能を有する回路である。すなわち、可動電極１３の基準位置は、静電容量を均等にする設計上の基準位置からのズレを生じている。故に、出力される電荷には、こうしたズレに従う大きさのオフセット電荷が加算または減算された状態となる。オフセット補正部１１３は、こうしたオフセット電荷を引き込んで変換部１１４への入力を抑制することにより、電荷の零点からのズレを抑制する補正機能を発揮する。

オフセット補正部１１３は、多数のコンデンサや、プロセッサによる設定に従いコンデンサの接続関係を切り換えるスイッチング素子などを主体とする、いわゆる容量性デジタルアナログコンバータを含んだ回路である。オフセット補正部１１３は、出荷前の検査などで測定されたセンサ部１０のズレの大きさに従い、コンデンサの接続関係を設定される。より具体的には、各コンデンサに設定される接続状態として、第一固定電極１１側に接続される状態か、第二固定電極１２側に接続される状態のいずれかが設定される。オフセット補正部１１３は、第一コンデンサ１４または第二コンデンサ１５のそれぞれに対して並列に接続される、ソフトウェア的に静電容量を設定されるコンデンサに相当しているとも言える。ソフトウェア的な静電容量の設定は、基準位置において生じる静電容量の差分を打ち消すように設定されている。

オフセット補正部１１３に入力される駆動電圧は、センサ部１０に入力される駆動電圧と一致している。すなわち、組み合わせパターンの切替えによりセンサ部１０への駆動電圧の振幅を半減させた場合には、オフセット補正部１１３への駆動電圧の振幅も半減される。この結果、オフセット補正部１１３の補正する電荷量も半減される。物理量検出装置１の作動中において、オフセット補正部１１３のコンデンサ群の接続関係は、駆動電圧の振幅の切替えに拘わらず一定の接続関係である。

変換部１１４は、センサ部１０から出力される電荷量を電圧の大きさに変換する機能を有する回路である。変換部１１４は、演算増幅器、スイッチング素子、帰還コンデンサなどを含む。演算増幅器は、基準電圧として駆動電圧の中間電圧を非反転入力端子に提供され、可動電極１３を反転入力端子と接続されている。スイッチング素子、および帰還コンデンサは、それぞれ演算増幅器の反転入力端子と出力端子とを接続する配置で設けられている。変換部１１４は、駆動部１１１による駆動電圧の電圧変動に同期してスイッチング素子の開閉状態を切替えることにより、センサ部１０の容量変化を電圧に変換する。

具体的には、スイッチング素子を開状態とすることにより帰還コンデンサに蓄積された電荷を放出させ、演算増幅器から出力される電圧を基準電圧にリセットする。リセット後にスイッチング素子を閉状態とし、駆動電圧のハイレベルとローレベルとの切り替わりに伴うセンサ部１０からの電荷を帰還コンデンサに蓄積させる。帰還コンデンサへの電荷の蓄積により、演算増幅器から出力される電圧は基準電圧から変動する。基準電圧からの電圧変動量は、蓄積された電荷量を帰還コンデンサの容量で除算した大きさに従う。

駆動電圧の振幅が切替えられると、同じ容量変化に対してセンサ部１０から帰還コンデンサに蓄積される電荷量が切り替わり、変換部１１４から出力される電圧も切り替わる。故に、振幅切替部１１２による駆動電圧の振幅の切替え機能は、容量変化を電圧に変換する倍率を切り換える機能を兼ねていると言える。具体的には、同じ容量変化に対して、第一パターンにおける基準電圧からの電圧変動量は、第二パターンにおける基準電圧からの電圧変動量の二倍となる。すなわち、図４に示すように、第一パターンにおける電圧変動量Ｖ１は、第二パターンにおける電圧変動量Ｖ２に対して同じ加速度に対する基準電圧からの電圧変動量がおよそ二倍となる。ただし、電圧変動量Ｖ１およびＶ２は、アナログ回路の飽和する電圧に相当する電圧限界Ｖｌｉｍに到達すると、加速度の絶対値などの増大に拘わらず、それ以上増大しない。

サンプルホールド部１１５は、サンプル期間の入力電圧と実質的に等しい電圧を、次のサンプル期間まで出力する電圧としてホールドするサンプルホールド機能を有する回路である。各サンプルホールド部は、例えば複数のスイッチング素子やコンデンサ、演算増幅器などによるスイッチトキャパシタフィルター回路を主体としている。本実施形態では、二つのサンプルホールド部１１５が設けられている。二つのサンプルホールド部１１５は、第一パターンおよび第二パターンに一対一で対応している。

各サンプルホールド部１１５は、対応するパターンによる駆動電圧がセンサ部１０に印加されている状態において、変換部１１４から出力される電圧をサンプルホールドする。従って、第一パターンに対応するサンプルホールド部１１５の出力する電圧は、第二パターンに対応するサンプルホールド部１１５の出力する電圧に対して概ね二倍の大きさとなる。

判定部１１６は、電圧出力部１１０から出力される回路出力電圧に対応する振幅、換言すれば静電容量から回路出力電圧への変換倍率を判定する機能を有する回路である。判定部１１６は、例えばコンパレータを含んでいる。判定部１１６は、センサ部１０に印加される加速度の絶対値が所定の切替閾値Ｔｈ以上であると判断した場合に、相対的に振幅の小さい組み合わせパターンによる回路出力電圧を出力させると判定する。切替閾値Ｔｈは、図３に変位量Ｄ２として示した第一パターンによる駆動電圧を印加した場合に、変位限界Ｄｌｉｍとなる加速度Ｇｌｉｍよりも小さい値に設定されている。

また切替閾値Ｔｈは、図４に示すようにアナログ回路の電圧飽和の生じる加速度Ｇｖｌｉｍ以下となるように設定されている。本実施形態の判定部１１６は、第一パターンに対応するサンプルホールド部１１５から出力される電圧に基づいて切替閾値以上の物理量が印加されているか否かを判断する。すなわち、第一パターンに対応するサンプルホールド部１１５から出力される電圧の電圧変動量Ｖ１が電圧閾値Ｖｔｈ以上である場合には第二パターンを選択し、電圧閾値Ｖｔｈ未満である場合には第一パターンを選択する。電圧閾値Ｖｔｈは、電圧変動量Ｖ１の関係において、切替閾値Ｔｈに相当する加速度を印加された場合の電圧変動量である。電圧閾値Ｖｔｈは、例えば電圧限界Ｖｌｉｍよりも数パーセント小さい電圧変動量に設定されている。

出力切替部１１７は、例えばスイッチング素子などを含んでいる、電圧出力部１１０からの出力電圧である回路出力電圧を切り換える機能を有する回路である。出力切替部１１７は、判定部１１６による判定結果として選択された組み合わせパターンに対応するサンプルホールド部１１５の出力する電圧を、電圧出力部１１０から検出部１２０へ出力される回路出力電圧と扱うかを切り換える。すなわち、出力切替部１１７は、複数のサンプルホールド部１１５のうち、選択された組み合わせパターンに対応するサンプルホールド部１１５を検出部１２０に接続する。接続されたサンプルホールド部１１５の出力する電圧が、回路出力電圧として電圧出力部１１０から検出部１２０に出力される。

検出部１２０は、電圧出力部１１０から出力される回路出力電圧に基づいて、加速度を検出する機能ブロックである。検出部１２０は、ＡＤ変換部１２１、復調部１２２、復調補正部１２３、変位補正部１２４、および診断部１２５としての機能を発揮する。

ＡＤ変換部１２１は、アナログ信号としての入力電圧をアナログデジタル変換し、デジタル値として出力する周辺機能回路である。ＡＤ変換部１２１は、例えばプロセッサ１０１からの変換指示を受けて入力電圧をデジタル値に変換し、変換したデジタル値をメモリなどに格納させる。ＡＤ変換部１２１は、電圧出力部１１０からアナログ信号として出力された回路出力電圧を、デジタル値に変換する。

復調部１２２は、プログラムを実行したプロセッサ１０１により発揮される機能である。復調部１２２は、判定部１１６の判定結果として選択されている検出に用いる組み合わせパターンに従って、ＡＤ変換部１２１からのデジタル値を復調した復調値を算出する。復調値は、容量変化を電圧に変換する倍率によらず、実質的に容量変化に比例した大きさとなる値である。具体的には、復調部１２２は、判定結果が第一パターンを用いた値となっている場合に、デジタル値そのものを復調値とする。復調部１２２は、判定結果が第二パターンを用いた検出となっている場合、換言すれば第一パターンの半分の倍率で電圧に変換されている場合に、デジタル値を二倍した値を復調値とする。すなわち復調部１２２は、最大の振幅を除く各振幅によるデジタル値に対し、所定の復調倍率を乗算することにより復調値を算出する。復調倍率は、最大の振幅に対するその振幅の比率の逆数である。

復調補正部１２３は、プログラムを実行したプロセッサ１０１により発揮される機能である。復調補正部１２３は、復調部１２２による復調値のズレを補正した復調補正値を算出する。具体的には、復調補正部１２３は、復調部１２２で復調倍率を乗算して算出された復調値、すなわち最大の振幅を除く振幅による復調値に対して補正を行う。復調補正部１２３は、復調倍率の乗算によるグラフの切片の増大、すなわち零点からのズレの増大を補正する。具体的には、復調値から切片の増大量を減算する。

また復調補正部１２３は、設計上の振幅の比率からの、実際の振幅の比率のズレによる復調倍率のズレを補正する。すなわち、実際の駆動電圧の振幅の比率は、駆動部１１１の製造上のばらつきにより、厳密には設計上の比率からずれた状態となる。従って復調補正部１２３は、こうした比率のズレに伴う復調倍率のズレを補正する。具体的には、増大量を減算された復調値に、比率ズレの割合の逆数を乗算して復調補正値を算出する。復調補正部１２３により、加速度０における復調値の傾きおよび切片が、検出に用いた振幅に拘わらず統一される。復調補正部１２３による補正に用いられる切片の増大量および比率ズレの割合は、例えばメモリに格納されている、製造時の検査で測定された値を用いる。

変位補正部１２４は、プログラムを実行したプロセッサ１０１により発揮される機能である。変位補正部１２４は、静電引力による変位の増大量の差を補正して、検出した物理量を示す検出値を算出する。図３に示したように、静電引力による変位の増大量は、駆動電圧の振幅によって異なっている。こうした増大量の差により、小さな振幅へ切替える境界において、加速度の絶対値の増大に反して変位量の減少が生じる。変位補正部１２４は、こうした加速度に比例しない変位量の変動の検出値への反映を抑制する。すなわち、異なる大きさの加速度に対して出力される検出値が、同一の値となることを抑制する。

本実施形態の変位補正部１２４は、第二パターンで検出を行っている場合には、復調補正値そのものを検出値として扱う。一方変位補正部１２４は、第一パターンで検出を行っている場合には、復調補正値から変位補正値を減算することにより検出値を算出する。変位補正値は、第二パターンの駆動電圧による変位の増大量に対する、第一パターンの駆動電圧による変位の増大量の差に相当する値である。変位補正値は、第一パターンで検出する加速度の範囲において、変位量が増大するほど大きな値となる。変位補正値は、例えばメモリに格納されている、センサ部１０の設計寸法などに基づいてあらかじめ算出された値を用いる。

診断部１２５は、プログラムを実行したプロセッサ１０１により発揮される、物理量検出装置１の作動状況を診断する機能である。診断部１２５は、駆動部１１１による駆動電圧の振幅の切替え作動が正常に作動可能であるか否かを診断する機能を含む。診断部１２５は、振幅切替部１１２による自動的な切替え要求に拘わらず、振幅を強制的に切替えるように駆動部１１１に要求する。診断部１２５は、各組み合わせパターンの駆動電圧を少なくとも一周期ずつ順次印加するように駆動部１１１に要求する。

また本実施形態の診断部１２５は、各候補振幅に対応した各サンプルホールド部１１５によるサンプルホールド作動と、出力される回路出力電圧の切り換え作動が正常に作動しているか否かを判断する。すなわち、判定部１１６による判定結果に依らず、出力切替部１１７で選択されているサンプルホールド部１１５を強制的に順次切り替えさせ、それぞれの出力する回路出力電圧のＡＤ変換された結果を診断する。

［実施形態のまとめ］
以上、説明した実施形態によれば、センサ部１０は、相対的に振幅の小さい駆動電圧を印加されている場合、振幅の大きい駆動電圧を印加されている場合と比較して可動電極１３への静電引力を低減される。故に可動電極１３は、図３に示したように、振幅の小さい駆動電圧を印加されている場合、振幅の大きい駆動電圧を印加されている場合と比較して、変位限界Ｄｌｉｍに到達する物理量が大きくなる。この結果、検出部１２０は、大きな振幅では変位限界Ｄｌｉｍに到達する大きな物理量の印加される状況においても、電圧出力部１１０から小さい振幅による回路出力電圧の出力を受けて、変位限界Ｄｌｉｍによる制限を抑制して物理量を検出しうる。従って物理量検出装置１は、検出可能な物理量の範囲を制限されにくくなる。

さらに本実施形態では、振幅を周期的に切替え、回路出力電圧の候補となる電圧を、複数のサンプルホールド部１１５で振幅ごとにサンプルホールドしている。こうしたサンプルホールド部１１５から出力を選択することにより回路出力電圧を切替える構成により、検出部１２０に出力される回路出力電圧は、高周波ノイズの発生を抑制しつつ、静電容量からの変換倍率を速やかに切替え可能となる。従って物理量検出装置１は、高周波ノイズを抑制しつつ検出の倍率を切り替え可能となる。

また本実施形態では、駆動部１１１は、中間電圧を一定として駆動電圧の振幅を切替えている。故に、変換部１１４の演算増幅器の非反転入力端子などに提供される中間電圧が、振幅の切替えに拘わらず一定となる。故に、変換部１１４の構成を簡素化しうる。

加えて本実施形態では、オフセット補正部１１３は、センサ部１０に印加されている駆動電圧の振幅に従って、センサ部１０から出力される電荷のオフセットを補正している。こうした構成に反して一定の振幅の電圧に従って電荷のオフセットを補正した場合、センサ部１０に印加されている駆動電圧の振幅を切替えた場合に、過剰または不十分な補正となりうる。すなわち、静電容量のズレにより出力される電荷のオフセットは、駆動電圧の振幅に従って大きさが変動する。故に、一定の振幅の電圧に従う補正量では、振幅の切替えに従って大きさの切り替わる電荷のオフセットを正確に補正できない場合がある。こうした懸念に対し、本実施形態のオフセット補正部１１３は、センサ部１０に印加されている駆動電圧の振幅に従う補正により、振幅の切替えに拘わらず正確に電荷のオフセットを補正しうる。

さらに本実施形態では、復調補正部１２３により、出力される検出値は、振幅の設計値からの誤差に基づいて、復調部１２２における復調倍率の乗算による誤差を補正されている。従って、振幅の比率に設計上の比率からの誤差が生じていても、検出値には設計上の比率に基づく復調倍率の乗算による誤差が生じにくい。従って物理量検出装置は、検出値に生じる誤差を抑制しつつ変位限界による範囲の制限を抑制しうる。

また本実施形態では、変位補正部１２４により、出力される検出値は、振幅の切替えに従って生じる変位の増大量の差を補正されている。故に、小さい振幅への切替えに伴い、加速度の増大に反して変位量が減少する場合においても、検出値は加速度に比例した数値となる。従って、物理量検出装置は、検出値に生じる誤差を抑制しつつ変位限界による範囲の制限を抑制しうる。

加えて本実施形態では、診断部１２５は、振幅切替部１１２による振幅の設定に拘わらず、強制的に振幅を切替えさせて駆動部１１１からセンサ部１０に印加される振幅の切替え作動の作動状態を診断する。故に、振幅切替部１１２による設定に拘わらず、駆動部１１１の作動状態を診断しうる。従って、駆動部１１１の作動状態を容易に診断可能となる。

＜他の実施形態＞
以上、本開示の実施形態を説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の変形例も本開示の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。なお、以下の説明において、それまでに使用した符号と同一番号の符号を有する要素は、特に言及する場合を除き、それ以前の実施形態における同一符号の要素と同一である。また、構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分については先に説明した実施形態を適用できる。

上述の実施形態においては、各パターンに対応する複数のサンプルホールド部１１５を備え、出力として選択されるサンプルホールド部１１５を切替ることにより、回路出力電圧の出力に用いられるパターンを切替えていた。しかし、出力される回路出力電圧に用いられる振幅の切替え方法は、これに限られない。例えば、振幅の周期的な切替えを行わず、図５に示すように、サンプルホールド部１１５を一つのみ設ける構成が採用可能である。こうした構成では、例えばサンプルホールド部１１５の出力が切替閾値以上の加速度の印加を示す電圧となっている場合に、振幅切替部１１２は小さい振幅の駆動電圧に切替えさせる。こうした構成においても、電圧出力部１１０は、図６に示すように大きな加速度の印加に対して、小さな振幅による回路出力電圧への切替えを実現しうる。

上述の実施形態においては、駆動部１１１の生成する駆動電圧は、パターンの間で中間電圧を一定とするように設定されていた。しかし、パターンの間で中間電圧の異なる駆動電圧を生成する構成でもよい。例えば、駆動電圧のハイレベルまたはローレベルの一方を一定の電圧レベルとする設定でもよい。こうした構成によれば、振幅を切替える場合であっても、駆動部１１１の生成する電圧レベルの数を抑制しうる。従って、駆動部１１１の構成を簡素化しうる。

上述の実施形態においては、センサ部１０は、第一固定電極１１および第二固定電極１２のそれぞれに駆動電圧の印加を受け、可動電極１３から電荷を出力していた。しかしセンサ部１０は、可動電極１３に駆動電圧の印加を受け、第一固定電極１１および第二固定電極１２からそれぞれ電荷を出力する構成とすることもできる。すなわち物理量検出装置１は、センサ部１０からＡＤ変換部１２１まで差動信号として信号を伝達する構成を採用できる。

上述の実施形態においては、変位補正部１２４は、第一パターンによる駆動電圧に基づいて加速度を検出している場合、すなわち変位量Ｄ２に従う値となっている場合に、変位量Ｄ３に従う値に補正していた。しかし、出力される検出値に加速度が一対一に対応していれば、変位補正部１２４による補正パターンはこれに限られない。例えば、変位量Ｄ２に従う値である場合、および変位量Ｄ３に従う値である場合の両方において、全体として変位量Ｄ１に従う値となるように補正する構成を採用可能である。また、変位量Ｄ３に従う値に変位量Ｄ２との差分を加算し、全体として変位量Ｄ２に従う値に補正する構成でもよい。

上述の実施形態においては、物理量検出装置１は、復調部１２２や復調補正部１２３、変位補正部１２４、診断部１２５としての機能を有していた。しかし、物理量検出装置１は、これらの機能を有していなくてもよい。例えばこれらの機能は、物理量検出装置１の外部で実現されていてもよい。

上述の実施形態においては、物理量検出装置１は、物理量として加速度を検出する加速度センサであった。しかし、本開示は、物理量として角速度を検出するジャイロセンサなど、他の容量式の物理量センサにも適用可能である。また物理量検出装置１は、ＡＤ変換部１２１への入力電圧を複数軸の加速度や角速度、温度などに時分割して割り当て、複数の物理量を検出する構成とすることもできる。

１ 物理量検出装置、 １０ センサ部（容量部）、 １１ 第一固定電極（固定電極）、 １２ 第二固定電極（固定電極）、 １３ 可動電極、 １１０ 電圧出力部、 １１１ 駆動部、 １１２ 振幅切替部、 １１３ オフセット補正部、 １１４ 変換部、 １１５ サンプルホールド部、 １２０ 検出部、 １２２ 復調部、 １２３ 復調補正部、 １２４ 変位補正部、 １２５ 診断部

Claims (8)

1. 固定電極（１１、１２）と、印加された物理量に従い変位する可動電極（１３）と、を含み、前記固定電極と前記可動電極との間の静電容量に前記物理量に従う容量変化を生じる容量部（１０）と、
   前記容量部に所定の振幅で電圧の変動する駆動電圧を印加する駆動部（１１１）と、前記駆動電圧の印加に伴い前記容量部から出力される電荷を、電圧に変換する変換部（１１４）と、含み、前記振幅および前記容量変化の大きさに従う回路出力電圧を出力する電圧出力部（１１０）と、
   前記回路出力電圧に基づいて前記物理量を検出する検出部（１２０）と、
   前記振幅を異なる大きさに切り換えさせる振幅切替部（１１２）と、を備え、
   前記電圧出力部は、出力する前記回路出力電圧を、前記物理量の絶対値が所定の切替閾値以上の場合に、前記切替閾値未満の場合よりも小さい前記振幅に従う前記回路出力電圧に切替える物理量検出装置。
2. 前記振幅切替部は、あらかじめ設定された複数の候補振幅の中から周期的に前記振幅を切替えさせ、
   前記候補振幅ごとに設けられ、対応する前記候補振幅に従う前記変換部からの電圧をサンプルホールドする複数のサンプルホールド部（１１５）を備え、
   前記電圧出力部は、前記検出部に電圧を出力させる前記サンプルホールド部の切替えにより、出力する前記回路出力電圧を切替える請求項１に記載の物理量検出装置。
3. 前記駆動部は、前記駆動電圧の中間電圧を一定として前記振幅を切替える請求項１または２に記載の物理量検出装置。
4. 前記駆動部は、前記駆動電圧のハイレベルまたはローレベルの一方を一定として前記振幅を切り替える請求項１または２に記載の物理量検出装置。
5. 前記振幅切替部により切替えられた前記振幅に従って、前記容量部から出力される電荷のオフセットを補正するオフセット補正部（１１３）を備える請求項１～４のいずれか１項に記載の物理量検出装置。
6. 前記回路出力電圧に対して前記振幅の設計値に基づく復調倍率を乗算することにより復調値を算出する復調部（１２２）と、
   前記振幅の前記設計値からの誤差に基づいて、前記復調倍率の乗算による誤差を補正する復調補正部（１２３）と、を備える請求項１～５のいずれか１項に記載の物理量検出装置。
7. 各前記振幅に基づく静電引力による変位の増大量の差を補正する変位補正部（１２４）を備える請求項１～６のいずれか１項に記載の物理量検出装置。
8. 前記振幅切替部により設定されている前記振幅を強制的に他の前記振幅に切替えさせ、前記振幅の切替え作動の作動状態を診断する診断部（１２５）を備える請求項１～７のいずれか１項に記載の物理量検出装置。

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