JP2004258019A - 物理量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 １つの物理量トランスジューサから複数のレンジの物理量を正確に検出する、小型の物理量センサを得る。
【解決手段】 加速度トランスジューサ１は作用する加速度に応じた電気信号を半導体回路チップ２上に形成された第１増幅器２０へ出力する。第１増幅器は第１の増幅度で加速度信号を増幅し、ＭＰＸ２２および第２の増幅度で増幅する第２増幅器２１に出力する。ＭＰＸは第１および第２増幅器の各出力を切替周期毎に切り替えてＡＤＣ２３へ出力し、ここで２つの信号の時系列デジタル信号とされ、通信処理回路２６を介して、回路チップ外部へ出力する。ＡＤ変換された第２増幅器出力はデジタルＨＰＦ２４、ＤＡＣ２５を介して第２増幅器へ負帰還される。これにより、大レベル加速度信号と低周波のドリフト成分を除去した小レベル信号とを同時に得ることができる
【選択図】 図２

Description

本発明は、物理量の大きさに応じたレベルの電気信号を出力するようにした物理量センサ、特には、１つの物理量トランスジューサより複数のレベルの物理量信号を得ることができる物理量センサに関する。

従来より、車両の左右からの衝撃に対して乗員を保護するものとして側突エアバッグシステムがある。この側突エアバッグシステムでは、車両の左側からの衝撃に対しては左側の側突エアバッグが、右側からの衝撃に対して右側の側突エアバッグがそれぞれ確実、かつ誤動作なく作動する必要がある。

そのため、衝撃の大きさを物理量である加速度として検出するために加速度センサを用い、その加速度センサとして複数の検出加速度範囲を設けておく。たとえば、車両右側からの衝撃に対しては車両右側に配置した加速度センサ（右側メインセンサ）が検出した直接的な衝撃に対応する大振幅の信号と、その右側以外、すなわち車両中央または左側に配置した加速度センサ（右側セーフィングセンサ）が検出した車体を伝搬して、車体に吸収された衝撃に対応する比較的小振幅の信号とが共に存在するとき、車両右側からの大きな衝撃があったものとして右側の側突エアバッグを作動させるものである。これにより、衝撃が加わった側の側突エアバッグが作動しない、或いはそれとは反対側の側突エアバッグが誤って作動することを確実に防止することができる。

ところで、従来の側突エアバッグシステムでは、車両の複数箇所、すなわち車室の前部、中央部、後部等のそれぞれの幅方向（加速度センサの検出軸方向）において、左右一対のメインセンサおよび、少なくとも１つのセーフィングセンサが必要になるため、車両全体としては加速度センサの数およびＥＣＵへのハーネス量が大きいものとなってしまい、車両への搭載制約が大きくなってしまうという問題があった。

したがって、同一検出軸で異なる大きさの加速度を検出するために１つの加速度センサで複数の加速度範囲を正確に検出できるようにすれば、側突エアバッグシステム全体の加速度センサの数を減らすことが可能になる。

ところで、１つの加速度トランスジューサから、複数の用途、たとえばＡＢＳ（アンチロックブレーキシステム）用およびエアバッグシステム用の、加速度検出レンジ並びに応答周波数レンジ特性が異なる複数種類の加速度信号を得るものがあった（たとえば、特許文献１参照）。
特開平１０−２８２１３６号公報

しかし、特許文献１に示された発明は、１つの加速度トランスジューサの出力を２つの増幅器で順次増幅するので、加速度トランスジューサ出力に含まれるドリフト成分も増幅されてしまい、特に小レベルの加速度を正しく検出できないという問題がある。

このような問題は、加速度以外の他の物理量、例えば、角速度や圧力などを検出する物理量センサにおいても同様に生ずる。

本発明は上記問題に鑑み、１つの物理量トランスジューサから複数のレベル範囲（レンジ）の物理量を正確に検出する、小型の物理量センサを得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、検出軸に対して所定方向に生ずる物理量の大きさに応じたレベルの電気信号を出力する物理量トランスデューサ（１、１１）と、物理量トランスデューサの出力する電気信号のレベルに応じた出力相当信号を入力し、出力相当信号を増幅する増幅器（２１、２１０、２２０）と、を備え、増幅器に入力される前の出力相当信号と増幅器によって増幅された電気信号とを切り替えて物理量として出力することを特徴とする。

この発明において、物理量トランスジューサは物理量トランスジューサの１つの検出軸に対して所定方向に生ずる物理量の大きさに応じたレベルの電気信号を出力する。物理量センサが備える増幅器には、物理量トランスジューサが出力する電気信号のレベルに応じた出力相当信号が入力される。増幅器は、この入力信号を増幅して、すなわちレベルを増大して出力している。そして物理量センサは、増幅器に入力される前、すなわち増幅される前の出力相当信号と増幅器から出力される増幅された信号とを切り替えることにより、２つの異なるレンジの物理量信号を得ることができる。

請求項２に記載の発明は、増幅器を第２増幅器とするとともに、物理量トランスデューサの出力する電気信号を入力し、電気信号を第１の増幅率で増幅して出力相当信号を出力する第１増幅器（２０）をさらに備え、第２増幅器は第１増幅器の出力信号を、出力相当信号として入力し第２の増幅率で増幅することを特徴とする。

この発明では、物理量センサが、第１増幅器および第２増幅器を備え、第１増幅器は、物理量トランスジューサの出力する電気信号を入力してこれを第１の増幅率で増幅し、物理量トランスジューサの出力する電気信号のレベルに応じた信号である出力相当信号として出力する。第２増幅器は、この出力相当信号を入力し、これを第２の増幅率でさらにレンジを増大させて、すなわち物理量トランスジューサの出力が第１の増幅率および第２の増幅率の積の増幅率で増幅された信号として出力する。そして物理量センサは第１増幅器の出力信号と第２増幅器の出力信号とを切り替えることにより、２つの異なったレンジの物理量信号を得ることができる。

請求項３に記載の発明は、増幅器を第２増幅器とするとともに、第２増幅器に入力される前の出力相当信号と第２増幅器によって増幅された電気信号とを切替周期毎に交互に切り替えてデジタル信号に変換するＡＤ変換手段（２２、２３、２８、２９）を更に備えることを特徴とする。

この発明によれば、物理量センサは、ＡＤ変換手段により、第２増幅器に入力される前の出力相当信号と第２増幅器による出力相当信号の増幅信号とを、切替周期毎に交互に切り替えるので、この物理量センサによりデジタル信号としての異なる２つのレンジの物理量信号を得ることができる。

請求項４に記載の発明は、増幅器を第２増幅器とするとともに、第２増幅器によって増幅された電気信号よりドリフト成分を除去するドリフト補正手段（２４、２５、２１１、２２１）を更に備えることを特徴とする。

この発明によれば、物理量センサは、ドリフト補正手段によって、第２増幅器により増幅されて出力される電気信号よりドリフト成分を除去するので、増幅後においてもドリフト成分の影響が抑制された第２増幅器の出力と、第２増幅器での増幅前の、すなわちドリフト成分の影響が比較的少ない出力相当信号とを切り替えて、精度の高い異なった２つのレンジの物理量信号を得ることができる。

なお、請求項５に記載のように、第１増幅器の出力信号および第２増幅器の出力信号から、それぞれ異なった２つのレンジの物理量を検出することができる。

請求項６に記載の発明は、第２増幅器の出力信号よりドリフト成分を除去するドリフト補正手段（２４、２５、２１１、２２１）と、第１増幅器の出力信号およびドリフト成分を除去された第２増幅器の出力信号を切替周期毎に交互に切り替えてデジタル信号に変換するＡＤ変換手段（２２、２３、２８、２９）とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、１つの物理量トランスジューサから出力されるその検出軸に対して所定方向に生ずる物理量の大きさに応じたレベルの信号を、第１増幅器が第１の増幅率で増幅するとともに、第２増幅器が第１増幅器の出力信号を第２の増幅率で増幅する。物理量トランスジューサには、物理量が生じていない場合でも大きな時定数で変動するドリフトが常に発生し、出力信号はこのドリフトに重畳したものである。第１増幅器の出力信号は、物理量に応じた信号レベルに比べてドリフト成分は無視できるほど小さい。一方、第２増幅器の出力信号は、物理量トランスジューサの比較的低レベルの出力信号を抽出するために、高増幅率、すなわち第１の増幅率と第２の増幅率との積の増幅率で増幅したものであるので、物理量トランスジューサのドリフト成分も同時に増幅されている。

そこで、ドリフト補正手段が、第２増幅器の出力信号からドリフト成分を除去することにより、第２増幅器の出力信号より、物理量の大きさに応じた低レベルの信号を精度よく得ることができる。こうして得られた、第１および第２増幅器の出力信号を、ＡＤ変換手段が所定の切替周期で交互に切り替えてデジタル信号に変換するので、ＡＤ変換手段は、第１増幅器の出力とドリフト成分が除去された第２増幅器の出力とを時系列上で交互にデジタル信号として出力する。すなわち、時分割された２つの物理量信号を時系列デジタル信号として出力することができる。

上記ドリフト補正手段は、請求項７に記載のように、第２増幅器に接続され、第２増幅器の出力信号の高域信号を通過するハイパスフィルタ（２１１、２２１）とすることができる。すなわち、ハイパスフィルタが、第２増幅器の出力信号のうちゆっくりした変動成分であるドリフト成分よりも高い周波数成分のみを通過することにより、ドリフト成分を除去することができる。

さらに、請求項８に記載のように、第２増幅器は差動増幅器であり、ドリフト補正手段は、ハイパスフィルタの出力信号を差動増幅器の入力端に負帰還することにより、第２増幅器の出力信号よりドリフト成分を除去するように構成することができる。すなわち、差動増幅器としての第２増幅器は、第１増幅器の出力と第２増幅器の出力よりドリフト成分が除去された信号を負帰還した信号との差動増幅を行うことにより、比較的低レベルの正確な物理量信号を得ることができる。

請求項９に記載の発明は、第２増幅器は差動増幅器であり、第１および第２増幅器の出力信号を切替周期毎に切り替えてデジタル信号に変換するＡＤ変換手段（２２、２３、２８、２９）と、ＡＤ変換手段が変換した第２増幅器の出力信号のデジタル信号を入力するデジタルハイパスフィルタ（２４）と、デジタルハイパスフィルタの出力信号をアナログ信号に変換し第２増幅器の入力端に負帰還するＤＡコンバータ（２５）とを備えるドリフト補正手段と、をさらに備えることを特徴とする。

この発明によれば、１つの物理量トランスジューサから出力されるその検出軸に対して所定方向に生ずる物理量の大きさに応じたレベルの信号を、第１増幅器が第１の増幅率で増幅するとともに、第２増幅器が第１増幅器の出力信号を第２の増幅率で増幅する。物理量トランスジューサには、物理量が生じていない場合でも大きな時定数で変動するドリフトが常に発生し、出力信号はこのドリフトに重畳したものである。第１増幅器の出力信号は、物理量に応じた信号レベルに比べてドリフト成分は無視できるほど小さい。一方、第２増幅器の出力信号は、物理量トランスジューサの比較的低レベルの出力信号を抽出するために、高増幅率、すなわち第１の増幅率と第２の増幅率との積の増幅率で増幅したものであるので、物理量トランスジューサのドリフト成分も同時に増幅されている。

そこで、ＡＤ変換手段が、第１および第２増幅器の各出力信号を切替周期毎に交互にデジタル信号に変換し、このデジタル信号のうち、第２増幅器の出力信号のデジタル信号より、ドリフト補正手段が備えるデジタルハイパスフィルタで低周波成分であるドリフト成分を除去し、このデジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡコンバータを介して差動増幅器である第２増幅器に負帰還する。これにより、第２増幅器は、第１増幅器の出力信号と、第２増幅器の出力よりドリフト成分が除去された信号との差動増幅を行い、ドリフトの影響を排除した低レベルの物理量信号を得ることができる。

こうして得られた、第１および第２増幅器の出力信号を、ＡＤ変換手段が所定の切替周期で交互に切り替えてデジタル信号に変換するので、ＡＤ変換手段は、第１増幅器の出力とドリフト成分が除去された第２増幅器の出力とを時系列上で交互にデジタル信号として出力する。すなわち、時分割された２つの物理量信号を時系列デジタル信号として出力することができる。

ＡＤ変換手段は、請求項１０に記載のように、第１および第２増幅器の出力信号を所定の切替時間毎に切り替えて出力するマルチプレクサ（２２）と、マルチプレクサの出力信号をデジタル信号に切り替えるＡＤコンバータ（２３）とを備えるように構成することができる。

また、ＡＤ変換手段は、請求項１１に記載のように、第１および第２増幅器の出力信号をそれぞれ第１デジタル信号および第２デジタル信号に変換する２チャンネルＡＤコンバータ（２８）と、第１および第２デジタル信号を所定の切替時間毎に切り替えて出力するマルチプレクサ（２９）とを備えるように構成することができる。

請求項１２に記載の発明は、第１増幅器、第２増幅器、ＡＤ変換手段およびドリフト補正手段は半導体回路チップ（２）に半導体回路として形成されるとともに、物理量トランスジューサは半導体回路チップ上に搭載され、かつ、半導体回路チップおよび物理量トランスジューサはパッケージ（３）に収納されていることを特徴とする。

この発明によれば、１つのセンサパッケージで、２つのレンジの物理量信号を時系列デジタル信号として出力できる、高精度かつ小型な加速度センサを得ることができる。

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。

（第１実施形態）
本発明を車両の側突（側面衝突用）エアバッグシステム用の物理量センサとしての加速度センサ１０に適用した第１実施形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、本第１実施形態の加速度センサ１０を収容するパッケージ３内部の平面図および断面図を示す。

パッケージ３の内部には、半導体回路チップ２が収容され、さらにこの半導体回路チップ２上には加速度トランスジューサ１が実装されている。

加速度トランスジューサ１は、所定の検出軸（図１中矢印で示す）を有し、この検出軸の方向に作用する加速度に応じたレベルの電気信号を出力するものであり、側突エアバッグの作動判定に必要なメインセンサとしての検出範囲（最大２００Ｇ）とセーフィングセンサとしての検出範囲（最大５０Ｇ）をともに計測可能な広ダイナミックレンジを有する半導体式トランスジューサである。加速度トランスジューサ１と半導体回路チップ２との電気接続はワイヤ４により行われている。

半導体回路チップ２は、加速度トランスジューサ１の出力信号を処理する処理回路が半導体回路パターンにより形成され、パッケージ３に設けた端子部６とワイヤ５により電気接続されている。

パッケージ３の外形寸法は、加速度トランスジューサ１および半導体回路チップ２が小型であるため、例えば、縦×横×高さ＝６０×６０×２０（ｍｍ）程度とすることができる。

図２は、半導体回路チップ２に形成された半導体回路の構成を示すブロック図である。半導体回路上には、第１増幅器２０、第２増幅器２１、マルチプレクサ（ＭＰＸ）２２、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）２３、デジタルハイパスフィルタ（Ｄ−ＨＰＦ）２４、ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）２５、通信処理回路２６および出力端２７が形成されている。

半導体の加速度トランスジューサ１の出力信号は、まず第１増幅器２０に入力される。第１増幅器２０は差動増幅器構成となっており、基準電位２．５Ｖと加速度トランスジューサ１の出力との差動増幅を行っている。なお第１増幅器２０の増幅度（第１の増幅度）は、本第１実施形態では７倍とし、加速度が１５０Ｇのとき第１増幅器２０の出力がフルスケールとなるよう調整されている。

第１増幅器２０の出力は第１加速度信号として、差動増幅器構成の第２増幅器２１の非反転入力端およびマルチプレクサ２２の一方の入力端に接続されている。すなわち、第１増幅器２０の出力は加速度トランスジューサ１の出力が７倍の増幅率で増幅された出力相当信号に相当する。そして、この出力相当信号が、第２増幅器２１の非反転入力端に入力される。第２増幅器２１の反転入力端には、後述するように第２増幅器２１自身の出力信号のＤＡ変換（デジタル／アナログ変換）およびＡＤ変換（アナログ／デジタル変換）後の信号が入力される。これにより、第２増幅器２１の出力は負帰還される。

第２増幅器２１の増幅度（第２の増幅度）は７．５倍とし、加速度が２０Ｇのとき第２増幅器２１の出力がフルスケールとなるよう調整されている。この第２増幅器２１の出力は第２加速度信号としてマルチプレクサ２２に入力される。なお、第１増幅器２０の出力である第１加速度信号と第２増幅器２１の出力である第２加速度信号とを、加速度センサ１０よりそれぞれアナログ信号として適宜出力することができる（図２中、破線矢印で示す）。

マルチプレクサ２２は、第１増幅器２０および第２増幅器２１のそれぞれの出力信号を切替周期（２５０μｓｅｃ）毎に切り替えて、ＡＤコンバータ２３へ出力する。すなわち、マルチプレクサ２２には、第２増幅器２１への入力である加速度トラスジューサ１の検出信号レベルに応じた出力相当信号としての第１加速度信号と、第２増幅器２１において入力された出力相当信号としての第１加速度信号を第２の増幅率で増幅し出力する第２加速度信号とが入力される。

ＡＤコンバータ２３は、所定のサンプリング周期で切替周期毎に入力される第１増幅器２０および第２増幅器２１の各出力信号をデジタル信号に順次変換（ＡＤ変換）するとともに、このデジタル信号に第１増幅器の出力または第２増幅器の出力を識別する符号を付して、メインセンサ信号およびセーフィングセンサ信号からなる２つのレンジの加速度信号としてシリアルに出力している。なお、マルチプレクサ２２およびＡＤコンバータ２３がＡＤ変換手段に相当する。

ＡＤコンバータ２３から出力されるデジタル信号は、外部とのインターフェースである通信処理回路２６および出力端２７を介して図示しない側突エアバッグＥＣＵに出力される。側突エアバッグＥＣＵでは、車体の左右側部に配置された各加速度センサ１０から送られる２つのレンジの加速度信号をそれぞれ識別符号に基づき分離し、メインセンサ信号またはセーフィングセンサ信号としてそれぞれの信号に基づき側突エアバッグの作動判定を行う。例えば、車体左側に配置された加速度センサ１０からメインセンサ信号（第１増幅器２０の出力）がオン（閾値以上）、かつ車体右側に配置された加速度センサ１０からのメインセンサ信号がオフ（閾値未満）でセーフィングセンサ信号がオン（閾値以上）のときに、左側の側突エアバッグを作動させる（開かせる）という判定を行う。

また、ＡＤコンバータ２３の出力のうち、識別符号に基づいて識別される第２増幅器２１の出力信号のデジタル信号（第２デジタル信号に相当）が、デジタルハイパスフィルタ（Ｄ−ＨＰＦ）２４に出力される。デジタルハイパスフィルタ２４は、一例を図３の機能ブロック図で示すように、ＩＩＲ（Infinite Impulse Response）型デジタルフィルタで構成され、乗算器２４０、２４４、２４５と、加算器２４１、２４２および遅延素子２４３とを備えている。本第１実施形態では、デジタルハイパスフィルタ２４のカットオフ周波数が０．１Ｈｚとなるよう、乗算器２４０、２４４、２４５の定数を設定している。

デジタルハイパスフィルタ２４の出力は、ＤＡコンバータ２５に接続され、ＤＡコンバータ２５でアナログ信号に変換されて、第２増幅器２１の反転入力に入力される。なお、このデジタルハイパスフィルタ２４およびＤＡコンバータ２５は、ドリフト補正手段（または０Ｇ補正手段）を構成し、他の回路部分（第１および第２増幅器２０、２１、マルチプレクサ２２、ＡＤコンバータ２３、および通信処理回路２６）とともに、半導体回路チップ２上に作成することができる。

したがって、第２増幅器２１では、第１増幅器２０の出力信号と、第２増幅器２１自身の出力信号からデジタルハイパスフィルタ２４によりカットオフ周波数以下の低周波成分が除去された信号との差動入力に対して第２の増幅度で増幅が行われる。

ところで、加速度トランスジューサ１や半導体回路チップ２に形成されている各回路素子は、温度ドリフト等により、信号レベルが経時的にゆっくりと変化する。したがって、増幅度が大きい信号成分ではこのドリフトによる誤差が大きくなってしまう。本第１実施形態では、第２増幅器２１によりさらに増幅された信号よりドリフト成分を除去（０Ｇ補正）しているので、第２増幅器２１の出力は、ドリフトの影響がない、正確な低レベルの加速度信号とすることができる。

これにより、比較的増幅度の小さい、すなわちドリフトの影響が少ない第１増幅器２０の出力である第１加速度信号と、第１増幅器２１の出力を更に増幅する第２増幅器の出力であるドリフト成分が除去された第２加速度信号とを、ＡＤコンバータ２３により同等の精度でデジタル信号に変換することができる。

以上説明したように、本第１実施形態の加速度センサによれば、１つの加速度トランスジューサ１より、少なくとも２つの異なるレンジの加速度信号を、ドリフトの影響を除去した正確な値として出力することができる。また、複数レンジの加速度信号を１つの時系列デジタル信号として出力することができる。

なお、第１増幅器２０の出力信号を入力する第２増幅器２１およびドリフト補正手段の組を複数、第１増幅器２０に対して並列に設け、マルチプレクサ２２も増幅器の数に応じた複数の入力信号を切り替えて出力するように構成にすれば、３つ以上の異なるレンジの加速度信号を１つの時系列デジタル信号として出力することができる。

また、加速度トランスジューサ１の出力を処理する処理回路を１つの半導体回路チップ２上に形成でき、さらに加速度トランスジューサ１と半導体回路チップ２とをセンサパッケージ３に収納するので、小型の加速度センサとすることができる。

加速度トランスジューサ１の検出信号のうち小レベルの信号は、ドリフト補正手段（０Ｇ補正手段）によりドリフト成分が除去されるので、大レベルの加速度信号と小レベルの加速度信号とをともに同等の高精度な信号として出力することができる。

本第１実施形態の加速度センサ１０を車両の側突エアバッグシステムに用いれば、１つの加速度センサおよび１つの信号線でメインセンサ信号およびセーフィングセンサ信号を同時に出力するので、システム全体の加速度センサの個数を減らすことができるとともに、各加速度センサとエアバッグＥＣＵとを接続するハーネス量を少なくすることができる。また、加速度センサ出力はデジタル信号であるので、車載時ノイズの影響を受けないエアバッグシステムとすることができる。

（第２実施形態）
物理量センサにおいて、物理量トランスジューサとしての加速度トランスジューサ１の出力を処理する処理回路は、上記第１実施形態以外にも、次のように異なった構成とすることができる。なお以下では、上記第１実施形態と同一の構成部分については同一符号を付して説明を省略する。

図４は、第２実施形態の物理量センサとしての加速度センサ１０のブロック図を示している。第２実施形態は、上記第１実施形態とは、ＡＤ変換手段を構成するＡＤコンバータ２８とマルチプレクサ２９との接続関係を反対にしている点が異なる。すなわち、２チャンネルＡＤコンバータ２８は第１増幅器２０および第２増幅器２１の各出力である第１加速度信号と第２加速度信号とを入力し、それぞれ独立に第１デジタル信号および第２デジタル信号に変換して、マルチプレクサ２９へ出力する。マルチプレクサ２９は、第１および第２デジタル信号を所定の切替周期で切り替えて１つの時系列デジタル信号とし、これを２つの異なったレンジの加速度信号として通信処理回路２６へ出力する。また、デジタルハイパスフィルタ２４にはＡＤコンバータ２８の出力のうち、第２デジタル信号を入力している。

上記構成により、２チャンネルＡＤコンバータ２８とマルチプレクサ２９とがＡＤ変換手段に相当する。このＡＤ変換手段においては、第１実施形態と同様、第２増幅器２１への入力である加速度トラスジューサ１の検出信号レベルに応じた出力相当信号としての第１加速度信号と、第２増幅器２１において入力された出力相当信号としての第１加速度信号を第２の増幅率で増幅し出力する第２加速度信号とが、２チャンネルＡＤコンバータ２８へ入力される。

この第２実施形態の構成によっても、第１実施形態と同様、第２増幅器２１の出力である第２加速度信号がデジタルハイパスフィルタ２４およびＤＡコンバータ２５を介して負帰還されることにより第２加速度信号よりドリフト成分が除去され、第２増幅器２１よる高精度な小レベルの加速度信号を第１増幅器２０による大レベルの加速度信号とともに得ることができる。すなわち２つの異なったレンジの加速度信号を１つの時系列デジタル信号として得ることができる。

また、第２実施形態では第１実施形態と同様、処理回路を半導体回路チップ２上に形成することができ、小型の加速度センサとすることができる。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態の加速度センサ１０のブロック図を示している。第３実施形態では、第２増幅器２１０（第２の増幅度として７．５倍）の出力を直接ハイパスフィルタ２１１に接続する。ハイパスフィルタ２１１は、第２増幅器２１０の出力信号よりカットオフ周波数（０．１Ｈｚ）以下の低周波帯であるドリフト成分を除去して第２加速度信号としてマルチプレクサ２２へ出力する。マルチプレクサ２２は、ハイパスフィルタ２１１の出力と第１増幅器２０の出力とを所定の切替周期で切り替えて出力するマルチプレクサ２２に接続している。すなわち、ハイパスフィルタ２１１がドリフト補正手段に相当する。

（第４実施形態）
更に、図６は、第４実施形態の加速度センサ１０のブロック図である。第４実施形態では、第２増幅器２２０（第２の増幅度として７．５倍）の出力（アナログ信号）よりハイパスフィルタ２２１によりカットオフ周波数（０．１Ｈｚ）以下の低周波成分を除去した信号を第２増幅器２２０へ負帰還している。すなわち、ハイパスフィルタ２２１がドリフト補正手段に相当する。

上記第３および第４実施形態は、ともに、ドリフト補正手段をアナログハイパスフィルタ２１１、２２１により構成しているが、ＡＤ変換手段としてのマルチプレクサ２２が、第１増幅器２０の出力であり第２増幅器２１０への入力信号である出力相当信号と、第２増幅器の出力より低周波成分を除去した第２加速度信号とを入力して、両者を切り替えてＡＤコンバータ２３へ出力すること、およびＡＤコンバータ２３がマルチプレクサ２２の出力をデジタル信号に変換することにより１つの時系列デジタル信号を出力する点は第１実施形態と同じである。

したがって、第３および第４実施形態においても、第２増幅器の出力である第２加速度信号よりドリフト成分が除去され、高精度な小レベルの加速度信号が大レベルの加速度信号とともに得られる。

（第５実施形態）
次に、本発明を物理量センサとしての角速度センサ１２に適用した第５ないし第７実施形態について説明する。以下においても、上記第１ないし第４実施形態と同じ構成部分については同一符号を付して説明を簡略化する。なお物理量トランスジューサとしての角速度トランスジューサ１１は、１つの検出軸である回転軸に対して垂直方向回りの角速度を検出するものであり、周知の構成を備えている。この角速度は、角速度トランスジューサ１１の検出軸、すなわち回転軸を、例えば車両の重心位置に配置することにより、車両のヨーレイトとして検出でき、これを車両の運動制御に利用することができる。

図７は、第５実施形態の角速度センサ１２のブロック図を示している。第５実施形態では、ＡＤ変換手段の構成は、上記第２実施形態と同様、２チャンネルＡＤコンバータ２８とマルチプレクサ２９と通信処理回路２６および出力端２７である。

第５実施形態では、角速度トランスジューサ１１の出力を、上記第２実施形態の半導体回路チップ２に形成された半導体回路（図４）と同様の構成による処理回路にて信号処理している。

すなわち、角速度トランスジューサ１１からの出力は第１増幅器２０にて第１の増幅率で増幅され第１角速度信号として出力される。この第１角速度信号は本発明の出力相当信号に相当する。

本第５実施形態のＡＤ変換手段は、上記第２実施形態と同様、２チャンネルＡＤコンバータ２８とマルチプレクサ２９とを備えている。第１角速度信号は２チャンネルＡＤコンバータ２８に入力されるとともに、第２増幅器２１へ入力される。第２増幅器は第１角速度信号を第２の増幅率で増幅し、第２角速度信号として２チャンネルＡＤコンバータ２８に出力する。

したがって、本第５実施形態においても、第２増幅器２１の入力信号（出力相当信号としての第１角速度信号）と第２増幅器２１の出力信号（第２角速度信号）とが、ＡＤ変換手段に入力される。また、第１および第２増幅器２０、２１から出力される第１および第２角速度信号は、角速度センサ１２よりそれぞれアナログ信号として適宜出力することができる（図７中、破線矢印で示す）。なお、第１増幅器２０および第２増幅器２１の各増幅率である第１および第２増幅率は、所望の角速度レンジに応じて設定することができる。

ただし、第５実施形態においては、上記第２実施形態とは異なり、ドリフト補正手段を備えていない構成になっている。すなわち、角速度トランスジューサ１１自体のドリフトが無視できるほど小さいものであれば、本第５実施形態のように、第２増幅器２１の出力に対してドリフト補正手段を設ける必要はなく、精度の高い低レベル範囲の角速度信号である第２角速度信号を得ることができる。

２チャンネルＡＤコンバータ２８は、第１および第２角速度信号をそれぞれ独立に第１デジタル信号および第２デジタル信号に変換して、マルチプレクサ２９へ出力する。マルチプレクサ２９は、第１および第２デジタル信号を所定の切替周期で切り替えて１つの時系列デジタル信号とし、これを２つのレンジの角速度信号として通信処理回路２６へ出力する。

以上のように、第５実施形態の角速度センサ１２においても、角速度トランスジューサ１１の出力、すなわち１つの検出軸に対して所定方向に生ずる物理量としての角速度を表す出力より、２つの異なったレンジの角速度信号を１つの時系列デジタル信号として発生させることができる。

（第６実施形態）
図８は、第６実施形態の角速度センサ１２のブロック図を示している。第６実施形態では、ＡＤ変換手段の構成は、上記第５実施形態と同様、２チャンネルＡＤコンバータ２８とマルチプレクサ２９と通信処理回路２６および出力端２７である。また、ドリフト補正手段を備えていない点も上記第５実施形態と同じである。

第６実施形態では、角速度トランスジューサ１１の出力そのものを出力相当信号として、ＡＤ変換手段の２チャンネルＡＤコンバータ２８および第２増幅器２１へ入力させている。すなわち角速度トランスジューサ１１の出力が第１角速度信号に相当している。第２増幅器２１は第２の増幅率で第１角速度信号を増幅して、第２角速度信号として出力する。この第２角速度信号は２チャンネルＡＤコンバータ２８へ出力される。

したがって、ＡＤ変換手段には、第２増幅器２１への入力信号、すなわち第２増幅器２１で出力される前の出力相当信号としての第１角速度信号と、第２増幅器２１による増幅された後の出力である第２角速度信号が入力される。なお、第１角速度信号および第２角速度信号は、角速度センサ１２より適宜アナログ信号として出力することができる。

このように、第６実施形態では、角速度トランスジューサ１１の出力は、１つの増幅器である第２増幅器２１のみで増幅されている。このような構成は、角速度トランスジューサ１１の出力レベルが比較的大きく、小レベルの角速度信号を得るために必ずしも２つの増幅器により２段増幅する必要がない場合に有効である。

以上の構成により、第６実施形態の角速度センサ１２においても、角速度トランスジューサ１１の出力、すなわち１つの検出軸に対して所定方向に生ずる物理量としての角速度を表す出力より、２つの異なったレンジの角速度信号を１つの時系列デジタル信号として発生させることができる。

（第７実施形態）
図９は、第７実施形態の角速度センサ１２のブロック図を示している。第７実施形態では、物理量トランスジューサとして角速度トランスジューサ１１を備えること以外は、上記第２実施形態（図４）と同一の構成、すなわち、第１および第２増幅器２０、２１、２チャンネルＡＤコンバータ２８、マルチプレクサ２９、デジタルハイパスフィルタ２４、ＤＡコンバータ２５、通信処理回路２６および出力端２７を備えている。

したがって、第７実施形態においても、第２実施形態と同様、第２増幅器２１の出力である第２角速度信号がデジタルハイパスフィルタ２４およびＤＡコンバータ２５を介して負帰還されることにより第２角速度信号よりドリフト成分が除去され、第２増幅器２１よる高精度な小レベルの角速度信号を第１増幅器２０による大レベルの角速度信号とともに得ることができる。すなわち２つの異なったレンジの角速度信号を１つの時系列デジタル信号として得ることができる。

また、第２実施形態と同様、処理回路を半導体回路チップ２上に形成することができ、小型の角速度センサとすることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、物理量センサとして、加速度を検出する加速度センサおよび角速度を検出する角速度センサの例を示したが、これに限らない。例えば、物理量トランスジューサとして、検出軸方向に作用する圧力（トルク）の大きさに応じた電気信号を出力する圧力トランスジューサを用い、この圧力トランスジューサの出力信号を上記各実施形態でそれぞれ示した増幅器（第１増幅器、第２増幅器）とＡＤ変換手段およびドリフト補正手段との適宜の組み合わせにより、２つの異なったレンジの物理量信号としての圧力信号を１つの時系列デジタル信号として出力する圧力センサとすることができる。

本発明の第１実施形態のパッケージ内部の、（ａ）平面図および（ｂ）断面図である。 第１実施形態の回路構成を示すブロック図である。 デジタルハイパスフィルタの一例を示す機能ブロック図である。 第２実施形態の回路構成を示すブロック図である。 第３実施形態の回路構成を示すブロック図である。 第４実施形態の回路構成を示すブロック図である。 第５実施形態の回路構成を示すブロック図である。 第６実施形態の回路構成を示すブロック図である。 第７実施形態の回路構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…加速度トランスジューサ、２…半導体回路チップ、
３…センサパッケージ、４、５…ワイヤ、２０…第１増幅器、
２１、２１０、２２０…第２増幅器、２２、２９…マルチプレクサ、
２３、２８…ＡＤコンバータ、２４…デジタルハイパスフィルタ、
２５…ＤＡコンバータ、２６…通信処理回路、
２１１、２２１…ハイパスフィルタ。

Claims (12)

1. 検出軸に対して所定方向に生ずる物理量の大きさに応じたレベルの電気信号を出力する物理量トランスデューサ（１、１１）と、
   前記物理量トランスデューサの出力する電気信号のレベルに応じた出力相当信号を入力し、該出力相当信号を増幅する増幅器（２１、２１０、２２０）と、を備え、
   前記増幅器に入力される前の前記出力相当信号と前記増幅器によって増幅された電気信号とを切り替えて物理量として出力することを特徴とする物理量センサ。
2. 前記増幅器を第２増幅器とするとともに、前記物理量トランスデューサの出力する電気信号を入力し、該電気信号を第１の増幅率で増幅して前記出力相当信号を出力する第１増幅器（２０）をさらに備え、
   前記第２増幅器は前記第１増幅器の出力信号を、前記出力相当信号として入力し第２の増幅率で増幅することを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
3. 前記増幅器を第２増幅器とするとともに、前記第２増幅器に入力される前の前記出力相当信号と前記第２増幅器によって増幅された電気信号とを切替周期毎に交互に切り替えてデジタル信号に変換するＡＤ変換手段（２２、２３、２８、２９）を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の物理量センサ。
4. 前記増幅器を第２増幅器とするとともに、前記第２増幅器によって増幅された電気信号よりドリフト成分を除去するドリフト補正手段（２４、２５、２１１、２２１）を更に備える請求項１ないし３のいずれか１つに記載の物理量センサ。
5. 前記第１増幅器の出力信号および前記第２増幅器の出力信号から物理量を検出することを特徴する請求項２に記載の物理量センサ。
6. 前記第２増幅器の出力信号よりドリフト成分を除去するドリフト補正手段（２４、２５、２１１、２２１）と、前記第１増幅器の出力信号および前記ドリフト成分を除去された第２増幅器の出力信号を切替周期毎に交互に切り替えてデジタル信号に変換するＡＤ変換手段（２２、２３、２８、２９）とを備えることを特徴とする請求項２または５に記載の物理量センサ。
7. 前記ドリフト補正手段は、前記第２増幅器に接続され、該第２増幅器の出力信号の高域信号を通過するハイパスフィルタ（２１１、２２１）であることを特徴とする請求項６に記載の物理量センサ。
8. 前記第２増幅器は差動増幅器であり、
   前記ドリフト補正手段は、前記ハイパスフィルタの出力信号を前記差動増幅器の入力端に負帰還することにより、前記第２増幅器の出力信号より前記ドリフト成分を除去することを特徴とする請求項７に記載の物理量センサ。
9. 前記第２増幅器は差動増幅器であり、
   前記第１および第２増幅器の出力信号を切替周期毎に切り替えてデジタル信号に変換するＡＤ変換手段（２２、２３、２８、２９）と、
   前記ＡＤ変換手段が変換した前記第２増幅器の出力信号のデジタル信号を入力するデジタルハイパスフィルタ（２４）と、該デジタルハイパスフィルタの出力信号をアナログ信号に変換し前記第２増幅器の入力端に負帰還するＤＡコンバータ（２５）とを備えるドリフト補正手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項２または５に記載の物理量センサ。
10. 前記ＡＤ変換手段は、前記第１および第２増幅器の出力信号を所定の切替時間毎に切り替えて出力するマルチプレクサ（２２）と、該マルチプレクサの出力信号をデジタル信号に切り替えるＡＤコンバータ（２３）とを備えることを特徴とする請求項３ないし４および６ないし９のいずれか１つに記載の物理量センサ。
11. 前記ＡＤ変換手段は、前記第１および第２増幅器の出力信号をそれぞれ第１デジタル信号および第２デジタル信号に変換する２チャンネルＡＤコンバータ（２８）と、前記第１および第２デジタル信号を所定の切替時間毎に切り替えて出力するマルチプレクサ（２９）とを備えることを特徴とする請求項３ないし４および６ないし９のいずれか１つに記載の物理量センサ。
12. 前記第１増幅器、第２増幅器、ＡＤ変換手段およびドリフト補正手段は半導体回路チップ（２）に半導体回路として形成されるとともに、前記物理量トランスジューサは前記半導体回路チップ上に搭載され、かつ、前記半導体回路チップおよび物理量トランスジューサはパッケージ（３）に収納されていることを特徴とする請求項４および６ないし１１のいずれか１つに記載の物理量センサ。
    

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