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JP4765708B2 - 容量式物理量センサ - Google Patents

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Description

本発明は、物理量が加えられたときにセンサエレメントとして備えられた可動電極と固定電極との間に形成される容量が変化することを利用して、加えられた物理量を検出する容量式物理量センサに関するもので、特に加速度センサに用いて好適である。
従来より、一般的に使用されている車載用加速度センサとして、容量式加速度センサがある。この容量式加速度センサは、加速度変化により生じるセンサエレメントでの容量変化をC−V変換回路にて電気信号に変換し、変換された電気信号をサンプルホールド回路およびスイッチトキャパシタ回路を有する信号処理回路にて差動増幅することでセンサ出力を発生させるようになっている(例えば、特許文献1参照)。
このような構成の容量式加速度センサでは、センサエレメントを構成する可動電極と固定電極の間に異物が挟まると、加速度が発生しても、その加速度に応じた容量変化が起きなくなる。このため、スティッキング検査と呼ばれる可動電極と固定電極とを引っ付ける検査を行うことが提案されている。
このスティッキング検査では、可動電極と固定電極を引っ付けるための電圧を印加し、可動電極と固定電極との間に異物があるか否かで可動電極と固定電極の間隔が変わり、センサ出力が変わることから、そのセンサ出力に基づいて可動電極と固定電極との間に異物が挟まっているか否かを検出する。例えば、スティッキング検査の際には、固定電極に印加される搬送波を通常の加速度検出時よりも高い電圧(例えば10V)にし、かつ、C−V変換回路に備えられるオペアンプの参照電圧を通常時に使用される電圧Vdd/2以上の電圧Vppに切り替えて可動電極の電位を電圧Vppに上昇させることで、可動電極を移動させ、センサ出力をモニタリングする。
特開2005−43309号公報
従来では、スティッキング検査は、低い加速度検出に用いられる加速度センサに対してのみ行われている。これは、高加速度検出に用いられる加速度センサでは、可動電極のバネ定数が高いため、スティッキング検査を行おうとすると高い電圧が必要になることから、C−V変換回路をはじめ、スイッチトキャパシタ回路等に備えられるトランジスタなどの半導体素子を高耐圧なものにしなければならず、センサ回路が備えられる半導体チップのサイズが大型化してしまい、微細化の要求に応えられないためである。しかしながら、高い加速度検出に用いられる加速度センサについても、スティッキング検査を行えるようにしたいという要望がある。
本発明は上記点に鑑みて、可動電極のバネ定数が大きな加速度センサに対しても、スティッキング検査が行えるようにすることを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明では、C−V変換回路(21)における入力側にスティッキング検査用の電圧(Vpp)を印加する高電圧発生回路(23)を備えると共に、C−V変換回路(21)に、該C−V変換回路(21)の出力を差動増幅回路(22)に入力するか否かを制御する検査用スイッチ(21d)を備える。そして、加速度検出時には、検査用スイッチ(21)をONさせた状態で固定電極(2a、2b)に対して搬送波(PW1、PW2)を印加し、C−V変換回路(21)の出力を差動増幅回路(22)で差動増幅してセンサ出力を発生させ、スティッキング検査時には、高電圧発生回路(23)が発生させる電圧(Vpp)をC−V変換回路(21)の入力側に印加しつつ、固定電極(1a、1b)に対して搬送波(PW1、PW2)として加速度検出時よりも高い電圧を印加すると共に、検査用スイッチ(21d)をOFFすることでC−V変換回路(21)の出力が差動増幅回路(22)に入力されないようにし、C−V変換回路(21)の出力を検査用出力として発生させることを特徴としている。
このように、スティッキング検査時には、C−V変換回路(21)の出力を検査用出力としてモニタすることで、可動電極(1a、1b)と固定電極(2a、2b)との間に異物が挟まっているか否かの検出が行えるようにしている。そして、このスティッキング検査時に、検査用スイッチ(21d)をOFFにし、C−V変換回路(21)の出力が差動増幅回路(22)に伝わらないようにしている。
このため、スティッキング検査時に可動電極(1a、1b)に高電圧発生回路(23)の発生させる電圧(Vpp)を印加するためにC−V変換回路(21)の入力側に高電圧発生回路(23)の発生させる電圧(Vpp)を印加しても、それに基づくC−V変換回路(21)の出力が差動増幅回路(22)に印加されないようにできる。これにより、差動増幅回路(22)に備えられるトランジスタを高耐圧なものにする必要が無くなり、検出回路(20)を形成するための半導体チップのサイズの大型化を防止できる。したがって、高い加速度検出に用いられる加速度センサについても、スティッキング検査を行えるようにすることが可能となる。
また、可動電極(1a、1b)を第1、第2固定電極(2a、2b)で挟むような構成とする場合には、第1、第2固定電極(2a、2b)に対して互いに逆位相となる周期的な電圧の搬送波(PW1、PW2)を印加することで、加速度検出やスティッキング検査を行うことが可能である。
なお、C−V変換回路(21)を、例えば、容量の変化に応じた信号が反転入力端子に入力されるオペアンプ(21a)と、オペアンプの出力端子と反転入力端子との間に接続されるコンデンサ(21b)と、コンデンサに対して並列接続されるスイッチ(21c)とを有した構成とする場合、オペアンプ(21a)の反転入力端子に可動電極(1a、1b)を接続し、該反転入力端子に対して高電圧発生回路(23)が発生させる電圧(Vpp)が入力されるような構成とすることができる。また、このような構成とする場合、オペアンプ(21a)の非反転入力端子に対して高電圧発生回路(23)が発生させる電圧(Vpp)が入力されるように構成しても良い。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、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る。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態にかかる半導体式の容量式加速度センサの回路ブロックの全体構成を図1に示す。以下、図1に基づいて加速度センサの構成を説明する。
加速度センサは、可動電極1a、1b及び固定電極2a、2bを備えたセンサエレメント10と、可動電極1a、1bと固定電極2a、2bによる差動容量の変化に基づいて加速度を検出する検出回路20とを有した構成となっている。
センサエレメント10は梁構造体を有する構造となっており、この梁構造体によって可動電極1a、1b及び固定電極2a、2bが構成されている。そして、対向配置された可動電極1a及び固定電極2aと可動電極1b及び固定電極2bとによって差動の容量を構成し、各固定電極2a、2bに対して互いに反転する信号(搬送波)PW1、PW2を周期的に印加することで、可動電極1a、1bの変位に応じた差動容量変化に基づく加速度検出が行われる。
一方、検出回路20には、C−V変換回路21、差動増幅回路22、高電圧発生回路23及び制御信号発生回路24が備えられている。
C−V変換回路21は、可動電極1a、1bと固定電極2a、2bからなる差動容量の変化を電圧に変換するもので、オペアンプ21a、コンデンサ21b、スイッチ21cおよび検査用スイッチ21dを有した構成となっている。オペアンプ21aの反転入力端子は可動電極1a、1bに接続されており、反転入力端子と出力端子との間には、コンデンサ21b及びスイッチ21cが並列に接続されている。スイッチ21cは制御信号発生回路24からの信号S1によって駆動され、オペアンプ21aの非反転入力端子には、固定電極2a、2bに印加される電圧Vdd(例えば5V)の半分の電圧Vdd/2(すなわち中点電圧、例えば2.5V)が基準電圧として印加されるようになっている。
また、C−V変換回路21には、スティッキングの検査用スイッチ21dが備えられている。この検査用スイッチ21dは、制御信号発生回路24からの信号S2によって駆動され、通常の加速度検査時にはONされることで、C−V変換回路21の出力が差動増幅回路22に伝えられるように制御され、スティッキング検査時にはOFFされることでC−V変換回路21の出力が差動増幅回路22に伝えられないように制御される。そして、C−V変換回路21における検査用スイッチ21dとオペアンプ21aの間の電位、つまりオペアンプ21aの出力端子とコンデンサ21bやスイッチ21cの接続点の電位がスティッキング検査のための検査用出力として外部に出力される。
差動増幅回路22は、サンプルホールド回路22aと増幅回路22bおよびローパスフィルタ回路(以下、LPFという)22cとを有した構成となっている。サンプルホールド回路22aは、制御信号発生回路24からの信号S3に基づいて駆動され、C−V変換回路21の出力をサンプリングして一定期間保持する。増幅回路22bは、サンプルホールド回路22aでサンプリングされたC−V変換回路21の出力を所定のゲインで増幅するものである。LPF回路22cは、制御信号発生回路24からの信号F1に基づいて駆動され、サンプルホールド回路22aの出力電圧から所定の周波数帯域の成分のみを取り出して加速度信号を示すセンサ出力として外部に出力する。
高電圧発生回路23は、C−V変換回路21における入力、つまりオペアンプ21aにおける反転入力端子側に、スティッキング検査用の高電圧として通常の加速度検出時にオペアンプ21aの非反転入力端子に印加される電圧Vdd/2よりも高いVpp(例えば8V)を印加するものである。この高電圧発生回路23は、制御信号発生回路24からの信号T1に基づいて駆動され、スティッキング検査時に高電圧を発生させる。
制御信号発生回路24は、所定周期の電圧信号(搬送波)PW1、PW2、スイッチ21cや検査用スイッチ21dの切替えタイミングを示す信号S1、S2、高電圧発生回路23を制御するための信号T1、サンプルホールド回路22aの制御信号S3およびLPF回路22cの駆動クロック信号F1を出力する。
続いて、以上のように構成された加速度センサの作動について、図2に示す加速度検出時における信号波形を参照して説明する。ここでは、通常の加速度検出時とスティッキング検査時それぞれの作動について説明する。
(1)加速度検出時の作動
制御信号発生回路24から出力された信号PW1、PW2は、互いに電圧レベルが反転した電圧Vddの振幅(例えば5V)を有する信号となっており、4つの期間t1〜t4でハイレベル(Hi)とローレベル(Low)が変化する一定振幅(例えば、5Vの振幅)の矩形波信号となっている。
まず、第1の期間t1では、信号PW1、PW2に基づいて固定電極2aの電位がVdd、固定電極2bの電位が0にされると共に、制御信号発生回路24からの信号S1によりスイッチ21cが閉じられる。このため、オペアンプ21aの働きにより可動電極1a、1bがVdd/2の電位にバイアスされると共に、帰還容量となるコンデンサ21bの電極間に蓄えられた電荷が放電される。
このとき、仮に可動電極1aと固定電極2aとの間の容量C1と、可動電極1bと固定電極2bとの間の容量C2とが、C1>C2の関係となっている場合には、この関係と固定電極2a、2bに印加される電位の関係とから、可動電極1a、1bは負の電荷が多い状態になる。
次に、第2の期間t2では、信号PW1、PW2に基づいて固定電極2aの電位がVdd、固定電極2bの電位が0にされると共に、制御信号発生回路24からの信号S1によりスイッチ21cが開かれる。このため、可動電極1a、1bの状態に応じた電荷がコンデンサ21bに蓄えられる。そして、このときコンデンサ21bに蓄えられた電荷に応じた電圧値がC−V変換回路21から出力されると、信号S3に基づきサンプルホールド回路22aによってC−V変換回路21の出力電圧がサンプリングされる。
続いて、第3の期間t3では、信号PW1、PW2に基づいて固定電極2aの電位が0、固定電極2bの電位がVddとなるように電位が入れ替えられると共に、制御信号発生回路24からの信号S1によりスイッチ21cが開かれたままにされる。
このとき、可動電極1a、1bの電荷の状態は信号PW1、PW2の反転により、第2の期間t2と逆になる。すなわち、上述したようにC1>C2の関係を満たす場合には、固定電極2a、2bへの印加電位の反転により、可動電極1a、1bは正の電荷が多い状態になる。
しかしながら、このとき、可動電極1a、1bとコンデンサ21bとの間が閉回路となっており、第1の期間t1の電荷量が保存されているため、可動電極1a、1bの電荷量のバランスから溢れ出した電荷がコンデンサ21bに移動して蓄えられる。そして、Q=CVの関係から、移動してきた電荷量に比例すると共にコンデンサ21bの容量Cに反比例した電圧値がC−V変換回路21から出力される。
さらに、第4の期間t4、すなわち信号PW1、PW2に基づいて固定電極2aの電位が0、固定電極2bの電位がVddとなるようにしたのちC−V変換回路21の出力が十分に安定すると、信号S3に基づきサンプルホールド回路22aにて、C−V変換回路21の出力電圧がサンプリングされる。
そして、最終的に、第2の期間t2にサンプリングされた電圧値と第4の期間t4にサンプリングされた電圧値とがサンプルホールド回路22aで差動演算されたのち出力される。この出力に基づいて可動電極1a、1bの変位に応じた加速度検出が行われる。
(2)スティッキング検査時の作動
スティッキング検査時の基本作動は通常の加速度検出時と同様であるが、高電圧発生回路23の発生させる高電圧をC−V変換回路21の入力に印加することと、制御信号発生回路24が固定電極2a、2bに印加する信号PW1、PW2の電圧を加速度検出時に印加する電圧よりも高電圧にすること、さらに検査用スイッチ21dをOFFさせることが異なる。
具体的には、加速検出時には信号PW1、PW2を電圧Vdd(例えば5V)の振幅としているが、スティッキング検査時には電圧Vddよりも高い電圧(例えば10V)としている。また、高電圧発生回路23からは電圧Vpp(例えば8V)の電圧をC−V変換回路21の入力に印加する。そして、制御信号発生回路24からの信号S2に基づいて検査用スイッチ21dをOFFさせる。
このような作動を行うと、第1の期間t1および第2の期間t2中には、C−V変換回路21の入力に高い電圧Vppが入力されることにより、可動電極1a、1bにもその電圧Vppが印加される。また、それと同時に、固定電極2aには電圧Vddよりも高い電圧(例えば10V)が印加され、固定電極2bには0Vが印加される。
これにより、固定電極2aと可動電極1a、1bの間よりも固定電極2bと可動電極1a、1bの間の電位差が十分に大きくなり、可動電極1a、1bが固定電極2b側に引き寄せられる。
そして、第1の期間t1中にはスイッチ21cがONされるため、帰還容量となるコンデンサ21bの電極間に蓄えられた電荷が放電される。また、第2の期間t2中にはスイッチ21cがOFFされるため、可動電極1a、1bの状態に応じた電荷がコンデンサ21bに蓄えられる。
このとき、可動電極1a、1bがスティッキングしているか否かに応じて、可動電極1a、1bの状態が変わり、コンデンサ21bに蓄えられる電荷が変わってくるため、検査用出力の電位も変わる。この検査用出力の電位をモニタすることにより、可動電極1a、1bと固定電極2bとの間に異物が挟まっているか否かを検出することができる。
続く、第3の期間t3および第4の期間t4中には、第1の期間t1および第2の期間t2のときと固定電極2a、2bに印加される信号PW1、PW2の電圧が反転させられる。このため、この期間中には、固定電極2bには電圧Vddよりも高い電圧(例えば10V)が印加され、固定電極2aには0Vが印加される。
これにより、固定電極2aと可動電極1a、1bの間の方が固定電極2bと可動電極1a、1bの間よりも電位差が十分に大きくなり、可動電極1a、1bが固定電極2a側に引き寄せられる。
したがって、上記第1の期間t1および第2の期間t2のときと同様に、可動電極1a、1bがスティッキングしているか否かに応じて、可動電極1a、1bの状態が変わり、コンデンサ21bに蓄えられる電荷が変わってくるため、検査用出力の電位も変わる。この検査用出力の電位をモニタすることにより、可動電極1a、1bと固定電極2aとの間に異物が挟まっているか否かを検出することができる。
以上説明した本実施形態の加速度センサにおいては、C−V変換回路21におけるオペアンプ21aの出力端子とコンデンサ21bやスイッチ21cの接続点と差動増幅回路22の間に検査用スイッチ21dを備えると共に、オペアンプ21aの反転入力端子に高電圧Vppを印加するための高電圧発生回路23を備えている。
このような構成を用いて、スティッキング検査時には、C−V変換回路21の出力、具体的にはオペアンプ21aの出力端子とコンデンサ21bやスイッチ21cの接続点の電位を検査用出力としてモニタすることで、可動電極1a、1bと固定電極2a、2bとの間に異物が挟まっているか否かの検出が行えるようにしている。
そして、このスティッキング検査時に、検査用スイッチ21dをOFFにし、C−V変換回路21におけるオペアンプ21aの出力端子とコンデンサ21bやスイッチ21cの接続点の電位が差動増幅回路22に伝わらないようにしている。
このため、スティッキング検査時に可動電極1a、1bを高電圧Vppにするためにオペアンプ21aの反転入力端子に対して高電圧Vppを印加しても、その高電圧Vppに基づくC−V変換回路21の出力が差動増幅回路22に印加されないようにできる。これにより、差動増幅回路22に備えられる図示しないトランジスタを高耐圧なものにする必要が無くなり、検出回路20を形成するための半導体チップのサイズの大型化を防止できる。したがって、高い加速度検出に用いられる加速度センサについても、スティッキング検査を行えるようにすることが可能となる。
(他の実施形態)
上記実施形態では、C−V変換回路21におけるオペアンプ21aの反転入力端子に対して高電圧発生回路23が発生させる電圧Vppが印加されるようにしているが、非反転入力端子に印加されるようにしても構わない。なお、自己診断機能が備えられる加速度センサであれば、元々中間電圧Vdd/2以外にそれよりも高い電圧を発生させる回路が備えられるため、その回路に高電圧発生回路23の役割を果たさせるようにしても良い。
なお、上記実施形態では容量式物理量センサとして加速度センサを例に挙げて説明したが、それ以外のセンサ、例えば圧力センサやヨーレートセンサにも本発明を適用することが可能である。
本発明の第1実施形態における容量式加速度センサの全体構成を示す回路ブロック図である。 加速度検出時のタイミングチャートである。
符号の説明
1a、1b…可動電極、2a、2b…固定電極、10…センサエレメント、
21…C−V変換回路、21a…オペアンプ、21b…コンデンサ、
21c…スイッチ、21d…検査用スイッチ、22…差動増幅回路、
22a…サンプルホールド回路、22b…増幅回路、22c…LPF回路、
23…高電圧発生回路、24…制御信号発生回路。

Claims (5)

  1. 物理量の変化に応じて変位する可動電極(1a、1b)と、前記可動電極(1a、1b)に対向して配置され、周期的な電圧の搬送波(PW1、PW2)が印加される固定電極(2a、2b)と、を有したセンサエレメント(10)と、
    前記可動電極(1a、1b)と前記固定電極(2a、2b)との間に形成される容量の変化に応じた電位が入力電位として入力され、該容量の変化に応じた電圧を出力するC−V変換回路(21)と、該C−V変換回路(21)の出力を差動増幅したセンサ出力を発生させる差動増幅回路(22)と、を含む検出回路(20)と、を備えてなる容量式物理量センサにおいて、
    前記C−V変換回路(21)における入力側にスティッキング検査用の電圧(Vpp)を印加する高電圧発生回路(23)を備えると共に、
    前記C−V変換回路(21)に、該C−V変換回路(21)の出力を前記差動増幅回路(22)に入力するか否かを制御する検査用スイッチ(21d)を備え、
    加速度検出時には、前記検査用スイッチ(21)をONさせた状態で前記固定電極(2a、2b)に対して前記搬送波(PW1、PW2)を印加し、前記C−V変換回路(21)の出力を前記差動増幅回路(22)で差動増幅して前記センサ出力を発生させ、
    スティッキング検査時には、前記高電圧発生回路(23)が発生させる前記電圧(Vpp)を前記C−V変換回路(21)の入力側に印加しつつ、前記固定電極(1a、1b)に対して前記搬送波(PW1、PW2)として前記加速度検出時よりも高い電圧を印加すると共に、前記検査用スイッチ(21d)をOFFすることで前記C−V変換回路(21)の出力が前記差動増幅回路(22)に入力されないようにし、前記C−V変換回路(21)の出力を検査用出力として発生させることを特徴とする容量式物理量センサ。
  2. 物理量の変化に応じて変位する可動電極(1a、1b)と、前記可動電極に対向して配置され、互いに逆位相となる周期的な電圧の搬送波(PW1、PW2)が印加される第1、第2固定電極(2a、2b)とを有したセンサエレメント(10)と、
    前記可動電極(1a、1b)と前記第1、第2固定電極(2a、2b)との間に形成される容量の変化に応じた電位が入力電位として入力され、該容量の変化に応じた電圧を出力するC−V変換回路(21)と、該C−V変換回路(21)の出力を差動増幅したセンサ出力を発生させる差動増幅回路(22)と、を含む検出回路(20)と、を備えてなる容量式物理量センサにおいて、
    前記C−V変換回路(21)における入力側にスティッキング検査用の電圧(Vpp)を印加する高電圧発生回路(23)を備えると共に、
    前記C−V変換回路(21)に、該C−V変換回路(21)の出力を前記差動増幅回路(22)に入力するか否かを制御する検査用スイッチ(21d)を備え、
    加速度検出時には、前記検査用スイッチ(21)をONさせた状態で前記第1、第2固定電極(2a、2b)に対して前記搬送波(PW1、PW2)を印加し、前記C−V変換回路(21)の出力を前記差動増幅回路(22)で差動増幅して前記センサ出力を発生させ、
    スティッキング検査時には、前記高電圧発生回路(23)が発生させる前記電圧(Vpp)を前記C−V変換回路(21)の入力側に印加しつつ、前記第1、第2固定電極(1a、1b)に対して互いに逆位相となる周期的な前記搬送波(PW1、PW2)として前記加速度検出時よりも高い電圧を印加すると共に、前記検査用スイッチ(21d)をOFFすることで前記C−V変換回路(21)の出力が前記差動増幅回路(22)に入力されないようにし、前記C−V変換回路(21)の出力を検査用出力として発生させることを特徴とする容量式物理量センサ。
  3. 前記C−V変換回路(21)は、
    前記容量の変化に応じた信号が反転入力端子に入力されるオペアンプ(21a)と、
    前記オペアンプの出力端子と前記反転入力端子との間に接続されるコンデンサ(21b)と、
    前記コンデンサに対して並列接続されるスイッチ(21c)とを有し、
    前記オペアンプ(21a)の反転入力端子に前記可動電極(1a、1b)が接続され、該反転入力端子に対して前記高電圧発生回路(23)が発生させる前記電圧(Vpp)が入力されるように構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の容量式物理量センサ。
  4. 前記C−V変換回路(21)は、
    前記容量の変化に応じた信号が反転入力端子に入力されるオペアンプ(21a)と、
    前記オペアンプの出力端子と前記反転入力端子との間に接続されるコンデンサ(21b)と、
    前記コンデンサに対して並列接続されるスイッチ(21c)とを有し、
    前記オペアンプ(21a)の非反転入力端子に対して前記高電圧発生回路(23)が発生させる前記電圧(Vpp)が入力されるように構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の容量式物理量センサ。
  5. 前記高電圧発生回路(23)が発生させる前記電圧(Vpp)は、前記加速度検出時に前記オペアンプ(21a)の前記非反転入力端子に印加される基準電圧(Vdd/2)よりも高電圧であることを特徴とする請求項3または4に記載の容量式物理量センサ。
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