JP7243647B2 - 容量式物理量センサの検出回路および容量式物理量検出装置 - Google Patents

Description

この明細書における開示は、容量式物理量センサの検出回路および容量式物理量検出装置に関する。

特許文献１は、容量式物理量センサの検出回路を開示している。容量式物理量センサは、物理量に応じて静電容量が変化する一対のセンスキャパシタを有しており、一対のセンスキャパシタの一端が互いに接続されて、駆動信号が入力される共通端子をなしている。検出回路は、全差動型のセンスアンプを有するＣ－Ｖ変換回路と、センスアンプの入力コモンモード電圧を、制御電圧となるようにフィードバック制御するコモンモードフィードバック回路と、を備えている。先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。

特開２０１４－２０８２７号公報

特許文献１に開示の検出回路では、電源電圧ＶＤＤとグランド電圧０Ｖとの中央値付近の電圧である規定電圧を、制御電圧として用いている。製造ばらつきなどによりセンスアンプに出力オフセットが生じることで、センスアンプの出力と上記した制御電圧（規定電圧）とに差が生じる。フィードバックアンプは、この差を解消するように動作、すなわち電荷を充放電する。このとき、容量式物理量センサにおける一方の検出端子側の寄生容量と、他方の検出端子側の寄生容量とに差があると、寄生容量の差に基づく電荷がＣ－Ｖ変換回路の出力側に回り込み、Ｃ－Ｖ変換回路の出力が変動する。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、容量式物理量センサの検出回路および容量式物理量検出装置にはさらなる改良が求められている。

開示されるひとつの目的は、検出精度の高い容量式物理量センサの検出回路および容量式物理量検出装置を提供することにある。

ここに開示された検出回路は、物理量に応じて静電容量が変化する一対のセンスキャパシタ（２１、２２）を有し、一対のセンスキャパシタの一端が互いに接続されて、駆動信号が入力される共通端子（２３）とされ、他端がそれぞれ異なる検出端子（２４、２５）とされた容量式物理量センサ（２０）の検出回路である。

この検出回路は、
互いに異なる検出端子に接続された２つの入力端子と、２つの出力端子と、を有する全差動型のセンスアンプ（４１）と、センスアンプの入出力端子間に設けられた帰還キャパシタ（４２、４３）と、を有するＣ－Ｖ変換回路（４０）と、
センスアンプの入力コモンモード電圧を、制御電圧となるようにフィードバック制御するコモンモードフィードバック回路（５０）と、
を備える。

そして、コモンモードフィードバック回路は、
入力コモンモード電圧と制御電圧との差電圧に応じたフィードバック電圧を出力するフィードバックアンプ（５１）と、
帰還キャパシタの電荷を放電するリセット期間のＣ－Ｖ変換回路の出力をサンプルホールドし、制御電圧としてフィードバックアンプに出力するサンプルホールド回路（６０）と、
を有する。

開示された容量式物理量センサの検出回路は、上記したサンプルホールド回路を備えている。よって、センスアンプに出力オフセットが生じても、Ｃ－Ｖ変換回路の出力と制御電圧とに差がほとんど生じない。これにより、電位差を解消するためにフィードバックアンプが動作するのを抑制することができる。よって、一方の検出端子側の寄生容量と他方の検出端子側の寄生容量とに差が生じていても、寄生容量差に基づく電荷がＣ－Ｖ変換回路の出力側に回り込むのを抑制できる。この結果、寄生容量に差がある場合でも検出精度の高い容量式物理量センサの検出回路および容量式物理量検出装置を提供することができる。

この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲及びこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、及び効果は、後続の詳細な説明、及び添付の図面を参照することによってより明確になる。

第１実施形態に係る容量式物理量検出装置および検出回路のリセット期間の状態を示す図である。 非リセット期間の状態を示す図である。 各種信号のタイミングチャートである。 参考例の回路構成を示す図である。 参考例において、出力ＣＶ０１、ＣＶ０２のタイミングチャートである。 参考例において、出力と温度との関係を示す図である。 第１実施形態に示す構成に、寄生容量を付加した図である。 出力ＣＶ０１、ＣＶ０２のタイミングチャートである。 第２実施形態に係る容量式物理量検出装置および検出回路を示す図である。

図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的に及び／又は構造的に対応する部分には同一の参照符号を付与する。

＜第１実施形態＞
先ず、図１に基づき、容量式物理量検出装置全体の概略構成について説明する。

＜容量式物理量検出装置＞
図１に示すように、容量式物理量検出装置１０は、容量式物理量センサ２０（以下、単にセンサ２０と示す）と、検出回路３０と、を備えている。

センサ２０と検出回路３０とは、互いに異なる半導体チップに形成されている。センサ２０を構成するエレメントは、センサチップに形成されている。ＩＣチップに形成された、検出回路３０を含む回路は、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）と称されることがある。図示を省略するが、たとえば容量式物理量検出装置１０は、ＩＣチップ上にセンサチップが実装されたスタック構造体を、セラミック製のパッケージ内に収容して構成されている。

センサ２０は、物理量に応じて静電容量がＣｓ＋ΔＣ、Ｃｓ－ΔＣのように逆相に変化する一対のセンスキャパシタ２１、２２を有している。Ｃｓは、初期容量である。センスキャパシタ２１、２２の一端は、互いに接続されて共通端子２３とされている。センスキャパシタ２１の他端は検出端子２４とされ、センスキャパシタ２２の他端は検出端子２５とされている。このように、センスキャパシタ２１、２２の他端が、それぞれ異なる検出端子２４、２５とされている。

共通端子２３には、駆動信号ＭＥが入力される。駆動信号ＭＥは、第１の電圧レベル（規定電圧ＶＣＭの２倍）と第２の電圧レベル（０Ｖ）とが順次入れ替わる、所定周波数（たとえば６０ＫＨｚ）の信号である。駆動信号は、搬送波と称されることがある。たとえば規定電圧ＶＣＭが１．３５Ｖの場合、駆動信号ＭＥは２．７Ｖと０Ｖとの間で振幅する。

センサ２０としては、加速度センサ、角速度センサ（ヨーレートセンサ）、圧力センサ、湿度センサなどを採用することができる。加速度センサとしては、たとえば特開２０１５－４９１９０号公報に開示された二軸検出タイプを採用することができる。特開２０１５－４９１９０号公報の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。加速度センサは、ＭＥＭＳ技術を用いて、たとえばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板に構成されており、加速度に応じて変位する可動電極と固定電極との間に、センスキャパシタ２１、２２が構成される。

検出回路３０は、センサ２０に対するＣ－Ｖ変換を実行し、加速度などの物理量に応じた検出信号を出力する。

＜検出回路＞
次に、図１～図３に基づき、検出回路３０について説明する。

検出回路３０は、図示しない電源線を介して供給される電源電圧により動作する。電源電圧は、駆動信号の第１の電圧レベル以上の電圧、たとえば３．３Ｖである。検出回路３０は、Ｃ－Ｖ変換回路４０と、コモンモードフィードバック回路５０と、を備えている。

Ｃ－Ｖ変換回路４０は、静電容量の変化を電圧変化に変換する。Ｃ－Ｖ変換回路４０は、センスアンプ４１と、キャパシタ４２、４３と、スイッチ４４、４５と、を有している。センスアンプ４１は、２つの入力端子と、２つの出力端子を有する全差動型（完全差動型）のオペアンプである。センスアンプ４１の反転入力端子、非反転入力端子は、それぞれ検出端子２４、２５に接続されている。反転入力端子は検出端子２４に接続され、非反転入力端子は検出端子２５に接続されている。センスアンプ４１は、センスキャパシタ２１、２２の静電容量の差に応じた電圧を差動で出力する。

キャパシタ４２、４３は、センスアンプ４１の入出力端子間に設けられている。スイッチ４４、４５は、キャパシタ４２、４３に対して、並列に接続されている。具体的には、反転入力端子と＋側の出力端子との間にキャパシタ４２が接続され、非反転入力端子と－側の出力端子との間にキャパシタ４３が接続されている。そして、キャパシタ４２に対してスイッチ４４が並列に接続され、キャパシタ４３に対してスイッチ４５が並列に接続されている。Ｃ－Ｖ変換回路４０は、スイッチトキャパシタ回路を備えている。キャパシタ４２、４３が、帰還キャパシタに相当する。

Ｃ－Ｖ変換回路４０において、＋の出力端子側から電圧ＣＶ０１が出力され、－の出力端子側から電圧ＣＶ０２が出力される。出力電圧の差（＝ＣＶ０１－ＣＶ０２）により、静電容量の変化、すなわち物理量を検出することができる。センスアンプ４１には、出力コモンモード電圧を規定電圧ＶＣＭに制御するコモンモード電圧制御回路（図示略）が内蔵されている。このため、物理量が印加されていない状態で、出力電圧ＣＶ０１、ＣＶ０２は、理想的には規定電圧ＶＣＭ（＝１．３５Ｖ）となる。

コモンモードフィードバック回路５０は、センスアンプ４１の入力コモンモード電圧を、制御電圧となるようにフィードバック制御する。コモンモードフィードバック回路５０は、フィードバックアンプ５１と、フィードバック用のキャパシタ５２、５３と、フィードバックする電圧を切り替えるためのスイッチ５４、５５と、サンプルホールド回路６０と、を有している。コモンモードフィードバック回路５０も、スイッチトキャパシタ回路を備えている。

フィードバックアンプ５１は、２つの反転入力端子と、ひとつの非反転入力端子と、ひとつの出力端子と、を有している。反転入力端子のひとつがセンスアンプ４１の反転入力端子に接続され、反転入力端子の他のひとつがセンスアンプ４１の非反転入力端子に接続されている。フィードバックアンプ５１の非反転入力端子は、制御電圧が入力される端子である。この非反転入力端子は、サンプルホールド回路６０と接続されている。フィードバックアンプ５１は、２つの反転入力端子の平均電圧である入力コモンモード電圧と、制御電圧との差電圧を増幅し、フィードバック電圧として出力する。

キャパシタ５２、５３の一端は、それぞれ検出端子２４、２５に接続されており、他端は互いに接続されている。キャパシタ５２は検出端子２４に接続され、キャパシタ５３は検出端子２５に接続されている。

スイッチ５４、５５は、キャパシタ５２とキャパシタ５３との接続点（以下、ノードと示す）に印加される電圧を切り替える。スイッチ５４は、フィードバックアンプ５１の出力端子とキャパシタ５２、５３のノードとの間に設けられている。ノードには、スイッチ５５を介して、規定電圧ＶＣＭが印加可能に構成されている。検出回路３０は、たとえば図示しない規定電圧ＶＣＭの生成回路を備えており、スイッチ５５は、この生成回路とノードとの間に設けられている。スイッチ５４がオンするとノードにはフィードバック電圧が印加され、スイッチ５５がオンするとノードには規定電圧ＶＣＭが印加される。規定電圧ＶＣＭは、駆動信号ＭＥの振幅の１／２、たとえば１．３５Ｖである。

サンプルホールド回路６０は、制御電圧を生成してフィードバックアンプ５１に出力する回路である。サンプルホールド回路６０は、サンプル用のスイッチ６１、６２と、ホールド用のキャパシタ６３、６４と、スイッチ６５と、を有している。スイッチ６１、６２がサンプル用スイッチに相当し、キャパシタ６３、６４がホールド用キャパシタに相応する。

スイッチ６１、６２は、それぞれＣ－Ｖ変換回路４０の出力端子に接続されている。スイッチ６１の一端は出力ＣＶ０１側の端子に接続され、他端はキャパシタ６３に接続されている。スイッチ６２の一端は出力ＣＶ０２側の端子に接続され、他端はキャパシタ６４に接続されている。キャパシタ６３、６４におけるスイッチ６１、６２とは反対の端部は、互いに接続されている。キャパシタ６３、６４の接続点には、所定の電圧が印加される。所定電圧と出力ＣＶ０１、ＣＶ０２の差である差電圧と、キャパシタ６３、６４の容量との積で、センスアンプ４１がキャパシタ６３、６４にチャージする電荷量が決まる。本実施形態では、センスアンプ４１の負荷を低減すべく差電圧を小さくするために、所定電圧として規定電圧ＶＣＭが印加される。規定電圧ＶＣＭに代えて、たとえばグランド電圧（＝０Ｖ）、電源電圧（＝３．３Ｖ）、規定電圧ＶＣＭの２倍（＝２．７Ｖ）のいずれかが印加される構成としてもよい。

キャパシタ６３、６４は、スイッチ６１、６２の間で直列に接続されている。スイッチ６１とキャパシタ６３との接続点は、フィードバックアンプ５１の非反転入力端子に接続されている。スイッチ６２とキャパシタ６４との接続点は、スイッチ６５を介して、フィードバックアンプ５１の非反転入力端子に接続されている。直列回路をなすキャパシタ６３、６４の両端は、スイッチ６５を介してフィードバックアンプ５１の非反転入力端子に接続されている。

検出回路３０は、センスキャパシタ２１、２２の初期容量Ｃｓを打ち消すためのキャパシタ７０、７１をさらに備えている。キャパシタ７０、７１の一端は、それぞれ検出端子２４、２５に接続されている。キャパシタ７０、７１の他端には、駆動信号ＭＥの反転信号ＸＭＥが入力される。初期容量Ｃｓ相当をもたせた反転信号ＸＭＥにより、検出端子２４、２５から出力される検出信号の初期容量Ｃｓを打ち消すことができる。これにより、センスアンプ４１の検出範囲を確保し、高ゲインにすることができる。なお、図示を省略するが、検出回路３０は、駆動信号ＭＥの生成回路も備えている。

上記した検出回路３０において、スイッチ４４、４５、５５、６１、６２のオンオフは、信号ＣＫ１によって制御される。残りのスイッチ５４、６５のオンオフは、反転信号ＸＣＫ１によって制御される。信号ＣＫ１は所定の周期でＨｉレベルとＬｏレベルとが切り替わり、信号ＸＣＫ１はその反転信号である。

図１は、信号ＣＫ１＝Ｈｉ、ＸＣＫ１＝Ｌｏの状態、すなわちリセット期間の状態を示している。図２は、信号ＣＫ１＝Ｌｏ、ＸＣＫ１＝Ｈｉの状態（非リセット期間の状態）を示している。図３は、各種信号ＭＥ、ＸＭＥ、ＣＫ１、ＸＣＫ１のタイミングチャートを示している。時刻Ｔ１から時刻Ｔ４までがＣ－Ｖ変換の一周期である。

駆動信号ＭＥは、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの期間において第１の電圧レベルである２．７Ｖ（＝２ＶＣＭ）となり、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの期間において第２の電圧レベルである０Ｖとなる。反転信号ＸＭＥは、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの期間において０Ｖとなり、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの期間において２．７Ｖとなる。なお、駆動信号ＭＥおよび反転信号ＸＭＥの切り替わりを同じタイミングとしているが、デッドタイムを設けてもよい。

信号ＣＫ１は、Ｃ－Ｖ変換の一周期のうち、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間においてＨｉレベルとなり、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４までの期間においてＬｏレベルとなる。反転信号ＸＣＫ１は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間においてＬｏレベルとなり、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４までの期間においてＨｉレベルとなる。なお、信号ＣＫ１および反転信号ＸＣＫ１の切り替わりを同じタイミングとしているが、デッドタイムを設けてもよい。信号ＣＫ１＝Ｈｉの期間がリセット期間であり、信号ＣＫ１＝Ｌｏの期間が非リセット期間である。

時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までのリセット期間では、上記したように信号ＣＫ１＝Ｈｉとなる。スイッチ４４、４５がオンし、キャパシタ４２、４３の電荷が放電（リセット）される。放電により、Ｃ－Ｖ変換回路４０の出力ＣＶ０１、ＣＶ０２は、理想的には規定電圧ＶＣＭと同じ値（１．３５Ｖ）となる。また、スイッチ５５がオンし、キャパシタ５２、５３の電荷が放電される。このように、リセット期間では、キャパシタ４２、４３、５２、５３の電荷がリセットされる。スイッチ４４、４５、５５は、リセットスイッチと称されることがある。

リセット期間において、サンプルホールド回路６０のスイッチ６１、６２もオンする。よって、Ｃ－Ｖ変換回路４０のリセット期間の出力ＣＶ０１が、キャパシタ６３により保持（電荷保持）される。また、Ｃ－Ｖ変換回路４０のリセット期間の出力ＣＶ０２が、キャパシタ６４により保持される。

時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間では、信号ＣＫ１＝Ｌｏ、反転信号ＸＣＫ１＝Ｈｉとなる。これら信号ＣＫ１、ＸＣＫ１の状態は、時刻Ｔ４まで保持される。信号ＣＫ１＝Ｌｏによりスイッチ６１、６２がオフし、キャパシタ６３、６４の電荷再分配が実行される。具体的には、キャパシタ６３に保持された電荷とキャパシタ６４に保持された電荷とが、キャパシタ６３、６４間で分配され平均化される。そして、電荷再分配が実行されたキャパシタ６３、６４が、スイッチ６５のオンによりフィードバックアンプ５１の非反転入力端子に接続される。すなわち、リセット期間の出力ＣＶ０１、ＣＶ０２の中点が、制御電圧としてフィードバックアンプ５１の非反転入力端子に入力される。

また、スイッチ５５のオフ、スイッチ５４のオンにより、図２に示すように、フィードバックアンプ５１およびキャパシタ５２、５３を介したコモンフィードバックループが形成される。これにより、入力コモンモード電圧は、制御電圧と等しくなるように制御される。

時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の期間では、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間と同じスイッチ状態が維持される。駆動信号ＭＥは２．７Ｖから０Ｖに切り替わり、反転信号ＸＭＥは０Ｖから２．７Ｖに切り替わる。これにより、センスキャパシタ２１、２２の静電容量の変化に応じた電荷が、キャパシタ４２、４３に保持される。よって、Ｃ－Ｖ変換回路４０の出力ＣＶ０１、ＣＶ０２が、静電容量の変化、すなわち物理量の変化に応じて変化する。

＜参考例＞
図４～図６に基づき、容量式物理量検出装置および検出回路の参考例について説明する。図４では、本実施形態と同一又は関連する要素について、本実施形態の符号の末尾にｒを付け加えて示している。便宜上、各種信号については同一名称を付している。図５は、参考例における出力ＣＶ０１、ＣＶ０２のタイミングチャートである。図５に示す各種信号ＭＥ、ＸＭＥ、ＣＫ１、ＸＣＫ１、および時刻Ｔ１～Ｔ４は、図３と同じである。図６は、容量式物理量検出装置の出力と温度との関係を示す図である。

図４では、容量式物理量センサ２０ｒ（以下、センサ２０ｒと示す）の寄生キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２についても図示している。センサ２０ｒにおいて、検出端子２４ｒ（センスキャパシタ２１ｒ）側の寄生キャパシタＣｐ１と、検出端子２５ｒ（センスキャパシタ２２ｒ）側の寄生キャパシタＣｐ２とに差が生じている。寄生キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２が、寄生容量に相当する。寄生キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２の容量差ΔＣｐ（＝Ｃｐ１－Ｃｐ２）は、たとえば、センサチップ内における配線距離のアンマッチ、交差する配線量などによって生じる。配線距離とは、電極から端子までの距離である。容量差ΔＣｐは、センサチップ内に限らず、ＩＣチップ内の配線距離のアンマッチ、交差する配線量などによっても生じ得る。寄生キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２は、それぞれ検出端子２４ｒ、２５ｒを介してキャパシタ５２ｒ、５３ｒと直列に接続されている。寄生キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２の容量差ΔＣｐを、以下では、寄生容量差ΔＣｐと示すことがある。

図４に示すように、参考例の容量式物理量検出装置１０ｒは、検出回路３０ｒの構成が、本実施形態の容量式物理量検出装置１０とは異なっている。検出回路３０ｒは、サンプルホールド回路６０に相当する回路を備えていない。コモンモードフィードバック回路５０ｒを構成するフィードバックアンプ５１ｒの非反転入力端子には、制御電圧として規定電圧ＶＣＭが入力される。

センスアンプ４１ｒの製造ばらつきにより、センスアンプ４１ｒに出力オフセットが生じると、Ｃ－Ｖ変換回路４０の出力ＣＶ０１、ＣＶ０２はそれぞれ出力オフセットＶｏｆ１、Ｖｏｆ２を含むことになる。出力オフセットＶｏｆ１、Ｖｏｆ２は、回路構成によって、互いに等しい値となることもあるし、互いに異なる値となることもある。ここでは、互いに等しい値となっている。

図５に示すように、リセット期間の出力ＣＶ０１、ＣＶ０２は、出力オフセットＶｏｆ１、Ｖｏｆ２の分、規定電圧ＶＣＭからずれた値となる。図５では、出力ＣＶ０１、ＣＶ０２が規定電圧ＶＣＭよりも高い電圧となる例を示している。具体的には、出力ＣＶ０１が規定電圧ＶＣＭに出力オフセットＶｏｆ１を加算した値となり、出力ＣＶ０２が規定電圧ＶＣＭに出力オフセットＶｏｆ２を加算した値となっている。イマジナリショートによりセンスアンプ４１ｒの入力端子の電圧は出力端子の電圧に等しいため、入力コモンモード電圧と制御電圧（＝規定電圧ＶＣＭ）とに差が生じる。なお、出力オフセットＶｏｆ１、Ｖｏｆ２の分、出力ＣＶ０１、ＣＶ０２が規定電圧ＶＣＭより低い電圧となる場合もある。

スイッチ５５ｒのオンによりキャパシタ５２ｒ、５３ｒの電荷が放電される。しかしながら、センスアンプ４１ｒの入力端子の電圧と規定電圧ＶＣＭとの間には、出力オフセットＶｏｆ１、Ｖｏｆ２分の開きがあるため、キャパシタ５２ｒ、５３ｒに出力オフセットＶｏｆ１、Ｖｏｆ２分の電荷が保持される。

時刻Ｔ２となり信号ＣＫ１＝Ｌｏ、ＸＣＫ１＝Ｈｉに切り替わると、スイッチ５５ｒのオフ、スイッチ５４ｒのオンにより、キャパシタ５２ｒ、５３ｒを介したコモンフィードバックループが形成される。フィードバックアンプ５１ｒは、入力コモンモード電圧が制御電圧と等しくなるように制御する。出力オフセットＶｏｆ１、Ｖｏｆ２の分、入力コモンモード電圧が制御電圧（＝規定電圧ＶＣＭ）よりも高いため、フィードバックアンプ５１ｒは、キャパシタ５２ｒ、５３ｒから電荷を引っ張るように動作する。キャパシタ５２ｒ、５３ｒに保持されている電荷は、出力オフセットＶｏｆ１、Ｖｏｆ２分である。フィードバックアンプ５１ｒの電位差を解消する動作（引っ張る電荷量）によっては、図４に破線で示すように、検出端子２４ｒ、２５ｒを介して寄生キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２の電荷も引っ張られる。フィードバックアンプ５１ｒにより、寄生キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２から互いに等しい電荷が引っ張られる。フィードバックアンプ５１ｒは、電位差を解消すべく電荷を充放電する。

残った電荷である寄生容量差ΔＣｐ分の電荷は、図４に一点鎖線で示すように、出力側に回り込む。寄生容量差ΔＣｐ分の電荷、すなわち差分電荷は、出力オフセットＶｏｆ１、Ｖｏｆ２に寄生容量差ΔＣｐを乗算した値である。よって、図５に示すように、差分電荷に回路ゲインを乗算した値の分、出力ＣＶ０１、ＣＶ０２が変動する。出力ＣＶ０１は差分電荷に応じて上昇し、出力ＣＶ０２は差分電荷に応じて減少する。これにより、センスアンプ４１ｒの出力上限までの範囲が狭くなる。また、センスアンプ４１ｒの出力下限までの範囲が狭くなる。このように、物理量の検出可能範囲が狭くなる。

時刻Ｔ３となり駆動信号ＭＥが２．７Ｖから０Ｖに切り替わり、反転信号ＸＭＥが０Ｖから２．７Ｖに切り替わると、センスキャパシタ２１ｒ、２２ｒの静電容量の変化に応じた電荷が、キャパシタ４２ｒ、４３ｒに保持される。よって、図５に示すように、センスアンプ４１ｒの出力ＣＶ０１、ＣＶ０２が、物理量に応じて変化する。出力ＣＶ０１、ＣＶ０２は、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間の電圧を基準に変化する。上記したように差分電荷の分、ＣＶ０１、ＣＶ０２が変動しているため、物理量の検出精度が低下する。また、差分電荷により検出可能範囲が狭まるため、センスアンプ４１を高ゲインに設定することができなくなり、物理量の検出精度が低下する。

フィードバックアンプ５１ｒのオフセットが温度で変動する、フィードバックアンプ５１ｒの出力応答性が温度で変動するなど、フィードバックアンプ５１ｒの動作が温度に依存する場合、温度によって、フィードバックアンプ５１ｒによる電荷の充放電量が異なる。温度によって差分電荷が変化するため、図６に示すように、検出回路３０ｒ（Ｃ－Ｖ変換回路４０ｒ）の出力は、温度に応じて変化する。このように、出力に温特が生じる。

＜第１実施形態のまとめ＞
図７は、本実施形態の回路構成（図２参照）に、参考例（図４参照）同様、寄生キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２を追加した図である。図８は、参考例（図５参照）同様、出力ＣＶ０１、ＣＶ０２のタイミングチャートである。図８では、参考例の出力ＣＶ０１、ＣＶ０２を破線で示し、実線で示す本実施形態と対比させている。

図７に示すように、参考例同様、容量式物理量センサ２０において、検出端子２４（センスキャパシタ２１）側の寄生キャパシタＣｐ１と、検出端子２５（センスキャパシタ２２）側の寄生キャパシタＣｐ２とに、容量の差（寄生容量差ΔＣｐ）が生じている。

センスアンプ４１の製造ばらつきにより、センスアンプ４１に出力オフセットが生じると、Ｃ－Ｖ変換回路４０の出力ＣＶ０１、ＣＶ０２はそれぞれ出力オフセットＶｏｆ１、Ｖｏｆ２を含むことになる。図８に示すように、リセット期間の出力ＣＶ０１、ＣＶ０２は、出力オフセットＶｏｆ１、Ｖｏｆ２の分、規定電圧ＶＣＭ（＝１．３５Ｖ）からずれた値となる。図８では、参考例（図５）同様、出力ＣＶ０１、ＣＶ０２が規定電圧ＶＣＭよりも高い電圧となる例を示している。イマジナリショートによりセンスアンプ４１の入力端子の電圧は出力端子の電圧に等しいため、オフセット分、入力コモンモード電圧が上昇する。なお、出力オフセットＶｏｆ１、Ｖｏｆ２の分、出力ＣＶ０１、ＣＶ０２が規定電圧ＶＣＭより低い電圧となる場合もある。

本実施形態では、参考例とは異なり、検出回路３０のコモンモードフィードバック回路５０が、出力ＣＶ０１、ＣＶ０２に基づいて制御電圧を生成するサンプルホールド回路６０を有している。リセット期間の出力ＣＶ０１、ＣＶ０２の中点が、制御電圧としてフィードバックアンプ５１の非反転入力端子に入力される。よって、制御電圧も、オフセット分、上昇する。

したがって、時刻Ｔ２で信号ＣＫ１＝Ｌｏ、ＸＣＫ１＝Ｈｉに切り替わり、コモンフィードバックループが形成されたときに、入力コモンモード電圧と制御電圧とが一致する。よって、電位差解消のためにフィードバックアンプ５１が動作するのを抑制することができる。フィードバックアンプ５１が寄生キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２（寄生容量）を充放電しないため、差分電荷の出力側への回り込みが生じない。よって、図８に示すように、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間において、出力ＣＶ０１、ＣＶ０２はリセット期間と同じ電圧に保持される。

時刻Ｔ３となり駆動信号ＭＥが２．７Ｖから０Ｖに切り替わり、反転信号ＸＭＥが０Ｖから２．７Ｖに切り替わると、出力ＣＶ０１、ＣＶ０２が、物理量に応じて変化する。出力ＣＶ０１、ＣＶ０２は、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間の電圧を基準に変化する。参考例のようにＣＶ０１、ＣＶ０２が差分電荷によって変動していないため、物理量を精度よく検出することができる。また、参考例に較べて、センスアンプ４１の出力上限、出力下限までの検出範囲（検出可能範囲）を広くとることができる。これにより、センスアンプ４１を高いゲインに設定することができ、物理量を精度よく検出することができる。フィードバックアンプ５１の動作による差分電荷の回り込みが生じないため、検出回路３０（Ｃ－Ｖ変換回路４０）の出力に温特が生じるのを抑制することができる。

（第２実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、サンプルホールド回路６０が、出力ＣＶ０１、ＣＶ０２を用いて制御電圧を生成した。これに代えて出力ＣＶ０１、ＣＶ０２の一方のみを用いて制御電圧を生成するようにしてもよい。

図９に示すように、本実施形態に係る検出回路３０（容量式物理量検出装置１０）において、サンプルホールド回路６０は、サンプル用のスイッチ６６と、ホールド用のキャパシタ６７と、を有している。スイッチ６６とキャパシタ６７の直列回路は、スイッチ６６をＣ－Ｖ変換回路４０の出力ＣＶ０１側の端子とグランド（ＧＮＤ）との間に設けられている。スイッチ６６が、出力ＣＶ０１側の端子に接続されている。そして、スイッチ６６とキャパシタ６７との接続点が、フィードバックアンプ５１の非反転入力端子に接続されている。

このような構成では、リセット期間においてスイッチ４４、６６がオンし、リセット期間における出力ＣＶ０１をキャパシタ６７にホールドする。そして、信号ＣＫ１＝Ｌｏ、ＸＣＫ１＝Ｈｉに切り替わり、コモンフィードバックループが形成されると、フィードバックアンプ５１がサンプルホールド回路６０の出力を制御電圧として用い、入力コモンモード電圧が制御電圧と等しくなるように制御する。

出力オフセットＶｏｆ１、Ｖｏｆ２が互いに等しい値の場合、入力コモンモード電圧と制御電圧とが一致する。フィードバックアンプ５１が寄生キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２（寄生容量）を充放電しないため、差分電荷の出力側への回り込みが生じない。出力オフセットＶｏｆ１、Ｖｏｆ２が互いに異なる値の場合、入力コモンモード電圧と制御電圧とにずれ（電位差）が生じる。しかしながら、リセット期間の出力ＣＶ０１を制御電圧として用いることで、規定電圧ＶＣＭを用いる構成よりも電位差が小さい。よって、フィードバックアンプ５１による寄生キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２（寄生容量）の充放電を抑制することができる。すなわち、差分電荷の回り込みを抑制することができる。寄生キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２の充放電が生じ、これにより差分電荷が生じる場合でも、差分電荷量を小さくすることができる。

以上より、差分電荷の回り込みにより、出力ＣＶ０１、ＣＶ０２が変動するのを抑制し、物理量を精度よく検出することができる。また、第１実施形態同様、センスアンプ４１の出力上限、出力下限までの検出範囲（検出可能範囲）を広くとることができる。これにより、センスアンプ４１を高いゲインに設定することができ、物理量を精度よく検出することができる。容量式物理量検出装置１０（検出回路３０）の出力に温特が生じるのを抑制することができる。

なお、スイッチ６６の一端が、センスアンプ４１の＋側の出力端子に代えて、－側の出力端子に接続された構成としてもよい。

（他の実施形態）
この明細書及び図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば、開示は、実施形態において示された部品及び／又は要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品及び／又は要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品及び／又は要素の置き換え、又は組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものと解されるべきである。

明細書及び図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書及び図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書及び図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。

検出回路３０が、初期容量Ｃｓを打ち消すキャパシタ７０、７１を備える例を示したが、これに限定されない。

１０…容量式物理量検出装置、２０…容量式物理量センサ、２１、２２…センスキャパシタ、２３…共通端子、２４、２５…検出端子、３０…検出回路、４０…Ｃ－Ｖ変換回路、４１…センスアンプ、４２、４３…キャパシタ、４４、４５…スイッチ、５０…コモンモードフィードバック回路、５１…フィードバックアンプ、５２、５３…キャパシタ、５４、５５…スイッチ、６０…サンプルホールド回路、６１、６２、６６…サンプル用スイッチ、６３、６４、６７…ホールド用キャパシタ、６５…スイッチ、７０、７１…キャパシタ、Ｃｐ１、Ｃｐ２…寄生キャパシタ

Claims (4)

1. 物理量に応じて静電容量が変化する一対のセンスキャパシタ（２１、２２）を有し、前記一対のセンスキャパシタの一端が互いに接続されて、駆動信号が入力される共通端子（２３）とされ、他端がそれぞれ異なる検出端子（２４、２５）とされた容量式物理量センサ（２０）の検出回路であって、
   互いに異なる前記検出端子に接続された２つの入力端子と、２つの出力端子と、を有する全差動型のセンスアンプ（４１）と、前記センスアンプの入出力端子間に設けられた帰還キャパシタ（４２、４３）と、を有するＣ－Ｖ変換回路（４０）と、
   前記センスアンプの入力コモンモード電圧を、制御電圧となるようにフィードバック制御するコモンモードフィードバック回路（５０）と、
   を備え、
   前記コモンモードフィードバック回路は、
   前記入力コモンモード電圧と前記制御電圧との差電圧に応じたフィードバック電圧を出力するフィードバックアンプ（５１）と、
   前記帰還キャパシタの電荷を放電するリセット期間の前記Ｃ－Ｖ変換回路の出力をサンプルホールドし、前記制御電圧として前記フィードバックアンプに出力するサンプルホールド回路（６０）と、
   を有する容量式物理量センサの検出回路。
2. 前記サンプルホールド回路は、互いに異なる前記出力端子に接続されたサンプル用スイッチ（６１、６２）と、一端が互いに異なる前記サンプル用スイッチに接続され、他端が互いに接続されたホールド用キャパシタ（６３、６４）と、を有し、
   前記リセット期間において、前記サンプル用スイッチがオンする請求項１に記載の容量式物理量センサの検出回路。
3. 前記サンプルホールド回路は、
   前記フィードバックアンプの入力端子と、前記出力端子のひとつのみとの間に設けられており、
   前記出力端子に接続されたサンプル用スイッチ（６６）と、前記サンプル用スイッチと前記フィードバックアンプの入力端子との間に設けられたホールド用キャパシタ（６７）と、を有し、
   前記リセット期間において、前記サンプル用スイッチがオンする請求項１に記載の容量式物理量センサの検出回路。
4. 物理量に応じて静電容量が変化する一対のセンスキャパシタ（２１、２２）を有し、前記一対のセンスキャパシタの一端が互いに接続されて、駆動信号が入力される共通端子（２３）とされ、他端がそれぞれ異なる検出端子（２４、２５）とされた容量式物理量センサ（２０）と、
   請求項１～３いずれか１項に記載の容量式物理量センサの検出回路（３０）と、
   を備える容量式物理量検出装置。

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