JP2006145367A

JP2006145367A - 加速度センサ

Info

Publication number: JP2006145367A
Application number: JP2004335433A
Authority: JP
Inventors: Eiji Suetsugu; 英治末次
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-11-19
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】増幅率を大きく変更させる増幅率切換回路を信号処理回路の増幅回路に用いること無く、従来、ノイズの影響で不良品の加速度センサを良品と誤判定していた、自己診断の判定ミスの発生を低減する。
【解決手段】加速度センサの自己診断回路側における昇圧回路部は、電圧リファレンス回路と印加電圧調整回路と昇圧回路とを備えており、電圧リファレンス回路は電圧検出用負荷１４０と電圧検出用負荷１４０に定電流を流す定電流回路１５０とを備えている。しかも、自己診断時にセンサチップの自己診断電極に印加される昇圧回路の出力電圧の温度特性がセンサチップの静電容量の温度特性及びセンサチップの信号処理回路の温度特性を相殺し得る様に、電圧リファレンス回路が出力するリファレンス電圧Ｖｒｅｆの温度特性が設定されている。
【選択図】図３

Description

この発明は、自己診断機能を有する加速度センサに関するものであり、特に自己診断機能の改良に関する。

近年、自動車において、安全性向上の観点から、エアバッグシステム及びロールオーバプロテクション（転倒時のエアバッグ）システムが標準で搭載される様に成って来た。このエアバッグシステムの重要なデバイスの一つに、衝撃及び角度を検知する加速度センサがある。この加速度センサに対しては高い信頼性が要求されるため、通常、加速度センサは自己診断機能を有している。

従来、この種の加速度センサにおいては、自己診断時に、自己診断開始信号が自己診断用電極に供給されて可動電極が動作し、センサチップの自己診断電極（固定電極）と可動電極との間の静電容量変化が、容量―電圧変換回路によって、電圧に変換される。そして、その電圧は、増幅回路において増幅された上で、センサ出力として出力される。しかも、自己診断時の増幅回路の増幅率が非自己診断時の増幅率と較べて大きく成る様に、増幅率切換回路が設けられており、自己診断時に、所定の集積回路において昇圧回路を設けることなく、所定の自己診断信号を得る様に、加速度センサは構成されている（後述の特許文献１参照）。

又、加速度センサの周囲温度が変化すると、センサチップ及びその自己診断回路の温度特性によってセンサ出力が低下することがある。この様な低下に対処するために、容量―電圧変換回路によって変換された電圧を上記増幅回路によって更に増幅してセンサ出力を所定のレベル以上に確保する様に、加速度センサは構成されている（図８の（Ａ）を参照）。その様な一例として、従来の増幅率切換回路構成を備えた増幅回路の構成を図９に示す。

特開２００２−３１１０４５号公報特開平５−６０８０３号公報特開平６−５３４１７号公報特開平６−１６９２３７号公報特開平３−２２８３６５号公報

しかしながら、不良品の加速度センサにおいては、増幅後のセンサ出力が上記所定の良品判定レベルに達しない物も有り、斯かる不良品の加速度センサに対しては、自己診断時に不良品と認定されるべきであるが、容量―電圧変換回路の出力電圧に重畳しているノイズもまた増幅されてしまうため、このノイズの影響を受けて良品と判定されてしまう不具合がある。この様なノイズの問題点を、図８に模式的に示す。同図の（Ｃ）においてケース２として示されている様に、センサ変化のみでは良品判定レベルに達せず不良品と認定されるべきところ、増幅されたノイズが増幅後の上記センサ変化に重畳されるため、重畳されたセンサ変化は良品判定レベルに達してしまい、正常と誤判定されてしまう。

よって、増幅率を大きく変更した上記増幅回路を適用することは好ましいとは言えない。

この発明は斯かる技術的状況に鑑みなされたものであり、増幅率を大きく変更した上記増幅回路を用いること無く、ノイズの影響を受けることの無い、安定且つ高精度なセンサ出力を得ることが可能な加速度センサを提供せんとするものである。

この発明の主題に係る加速度センサは、センサチップの固定電極と可動電極との間の第１静電容量の変化を信号処理回路で電気信号に変換して加速度信号として出力すると共に、自己診断時に、前記信号処理回路で生成される自己診断開始信号の印加に応じて昇圧回路部から所定の電圧を前記可動電極と対向する自己診断電極に印加して、前記自己診断電極と前記可動電極との間の第２静電容量の変化を検出することで異常の有無を自己診断し得る様に構成された加速度センサであって、前記昇圧回路部は、電圧リファレンス回路と、前記電圧リファレンス回路に接続された入力端と昇圧回路に接続された出力端とを有する印加電圧調整回路と、その出力が前記自己診断電極に印加される前記所定の電圧となる前記昇圧回路とを備えており、前記電圧リファレンス回路は、電圧検出用負荷と、前記電圧検出用負荷に定電流を流す定電流回路とから成り、しかも、前記所定の電圧の温度特性が前記第２静電容量の温度特性及び前記信号処理回路の温度特性を相殺し得る様に、前記電圧リファレンス回路が出力するリファレンス電圧の温度特性が設定されていることを特徴とする。

以下、この発明の主題の様々な具体化を、添付図面を基に、その効果・利点と共に、詳述する。

本発明の主題によれば、センサチップ及び信号処理回路の温度特性と自己診断回路側の温度特性とを相殺して加速度センサの周囲温度の変化によるセンサ出力乃至は加速度信号の低下を防止することが出来る。従って、従来の増幅率切換回路を用いること無く、従来、ノイズの影響で不良品の加速度センサを良品と誤判定していた、所謂自己診断の判定ミスの発生を著しく低減することが可能となる。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る半導体加速度センサの構成例を示すブロック図である。同図に示す様に、加速度センサは、大別して、シリコン基板（図示せず）内に形成され且つ加速度を検出するセンサチップ１１０と、センサチップ１１０の電気信号を形成・増幅する等の信号処理を行う信号処理回路、即ち、信号処理ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）１２０とから構成される。加速度センサは、センサチップ１１０の固定電極１１１ａ，１１１ｂ間にある可動電極（質量体）１１３が加速度を受けて変位し、その結果、固定電極１１１ａ，１１１ｂと可動電極１１３との間で発生する静電容量変化を電気信号に変換して検出することにより、加速度の検出を行う。

センサチップ１１０により検出された容量変化は、信号処理ＡＳＩＣ１２０内において、容量―電圧変換回路１２１により電圧信号に変換され、ゲイン調整回路１２５に入力される。ゲイン調整回路１２５において信号電圧のゲインが調整された後、信号電圧は増幅回路１２７で増幅され、ローパスフィルタ１２３を介して、センサ出力（加速度信号）として出力される。ここで、ゲイン調整回路１２５は、ゲイン調整用データ１３３を用いて、ゲインを調整する。又、増幅回路１２７のオフセット値は、オフセット調整用データ１３５を用いて、オフセット調整回路１２９により調整される。この調整用データはＲＯＭ等の記憶デバイスに格納されている。

加速度センサは、自己診断機能を有している。この自己診断のために、加速度センサにおいては、可動電極１１３に対向して、自己診断用の電極（自己診断電極）１１５が配置されている。自己診断時においては、外部から加えられる信号に基づき信号処理ＡＳＩＣ１２０内で生成された自己診断開始信号のスイッチへの印加に応じて、昇圧回路部１３１は所定の電圧を自己診断電極１１５に印加して、静電引力で擬似的にセンサチップ１１０が加速度を受けている状態に成る様に可動電極（質量体）１１３を変位させ、当該変位により生ずる静電容量の変化量を確認することにより、当該加速度センサの異常の有無が検出される。

加速度センサの自己診断回路の中核部は、昇圧回路部１３１である。図２に、昇圧回路部１３１の構成例を示す。図２に示す様に、昇圧回路部１３１は、大要、電圧リファレンス１３１回路Ａと、印加電圧調整回路１３１Ｂと、チャージポンプ等で構成される昇圧回路１３１Ｃとから構成されている。この内、電圧リファレンス回路１３１Ａはリファレンス電圧Ｖｒｅｆを発生・出力し、印加電圧調整回路１３１Ｂは、ＲＯＭ等の記憶デバイスに格納されている印加電圧調整用データ１３１Ｄに基づき、リファレンス電圧Ｖｒｅｆを調整し、昇圧回路１３１Ｃは、調整後の電圧を所定の電圧レベルまで昇圧した上で、当該所定の電圧を出力として図１の自己診断電極１１５に印加する。

本実施の形態の核心部は、電圧リファレンス回路１３１Ａの構成にある。そこで、電圧リファレンス回路１３１Ａの構成例を図３に示す。図３に示す様に、電圧リファレンス回路１３１Ａは、定電流回路１５０の電流を、抵抗素子から成る電圧検出用負荷１４０に流し、電圧検出用負荷１４０で生じる電圧降下をリファレンス電圧Ｖｒｅｆとして出力する。

そして、本実施の形態では、昇圧回路１３１Ｃの出力である所定の電圧の温度特性が、自己診断電極１１５と可動電極１１３との間の静電容量（第２静電容量）の温度特性（温度変化に対する容量変化）及び信号処理回路１２０の温度特性（温度変化に対する信号電圧の変化）を相殺し得る様に、電圧リファレンス回路１３１Ａが出力するリファレンス電圧Ｖｒｅｆの温度特性が設定されている。ここで、リファレンス電圧Ｖｒｅｆは定電流回路１５０が供給する定電流と電圧検出用負荷１４０の値との積で定まるので、リファレンス電圧Ｖｒｅｆの温度特性は、上記定電流の温度特性（温度変化に対する電流値変化）と電圧検出用負荷１４０の負荷値の温度係数（温度変化に対する負荷値の変化の傾き）との相間関係で決定される。そして、留意すべき点は、センサチップ１１０の温度特性（従って、第２静電容量の温度特性）及び信号処理回路１２０の温度特性が測定によって事前に分かるので、それらの測定値により与えられる温度特性を上記所定の電圧の温度特性で以って相殺出来る様に、電圧検出用負荷１４０の負荷値の温度係数と上記定電流の温度特性とを個々に定めてやれば良いと言うことであり、従って、これらの温度係数乃至は温度特性の極性を正又は負に限定乃至は固定する必要性はない。

以上に記載した本実施の形態によれば、従来用いていた増幅率切換回路（図９参照）を用いること無く、センサチップ１１０及び信号処理回路１２０の温度特性に起因したセンサ出力の変化を防止することが出来る。この様に、従来の方式である、増幅率を大きく変更させる増幅率切換回路を適用しないで、センサ出力の変化量の温度変化が無い様な安定した精度の良いセンサ出力を得ることが可能となった。この事は、既述したノイズ問題を排除し得ることを意味し、本実施の形態により、従来、ノイズの重畳で不良品の加速度センサを良品と誤判定していた、所謂自己診断の判定ミスの発生を著しく低減することが可能となる。

（実施の形態２）
本実施の形態は実施の形態１に於ける電圧リファレンス回路１３１Ａの具体化に関するものであるため、実施の形態１に於ける図１及び図２とそれらの図面に関する記載とを援用する。

図４は、本実施の形態に係る電圧リファレンス回路１３１Ａの構成を示す図である。ここでは、図３の電圧検出用負荷１４０は、ある温度係数（正又は負の温度係数）を持った抵抗（抵抗体）Ｒ１として構成されている。そして、定電流回路１５０が供給する定電流は、抵抗Ｒ１の上記温度係数の極性とは逆の極性の温度特性を有する。既述した通り、リファレンス電圧Ｖｒｅｆは定電流回路１５０が供給する定電流と電圧検出用負荷１４０の値との積で決定されるので、定電流の温度係数の絶対値と抵抗Ｒ１の温度係数の絶対値との大小関係に依存して、リファレンス電圧Ｖｒｅｆの温度特性は決定される。従って、定電流の温度係数と抵抗Ｒ１の温度係数の定め方如何に応じて、電圧リファレンス回路１３１Ａは、正の極性の温度特性を持ったリファレンス電圧Ｖｒｅｆを生成することも出来れば、逆に、負の極性の温度特性を持ったリファレンス電圧Ｖｒｅｆを生成することも可能となる。

尚、抵抗Ｒ１が負の極性の温度係数を有する場合には、当該抵抗Ｒ１に代えて、同様に負の極性の温度係数を呈するダイオードを用いることも出来る。

以上に記載した本実施の形態によれば、電圧リファレンス回路１３１Ａの出力に、正の極性又は負の極性の内、何れの極性の温度係数をも備えさせることが出来る様に電圧リファレンス回路１３１Ａを構成しているので、センサチップ１１０及び信号処理回路１２０の温度特性によるセンサ出力の変化をより広範囲で防止することが出来ると言う利点が得られる。

（実施の形態３）
本実施の形態は、実施の形態２に於ける電圧リファレンス回路１３１Ａの修正例に関するものである。図５は、本実施の形態に係る電圧リファレンス回路１３１Ａの構成を示す図である。図５に示す様に、図３の負荷１４０は、正の極性又は負の極性の温度係数を有する第１抵抗素子Ｒ１と、第１抵抗素子Ｒ１に直列に接続され且つ第１抵抗素子Ｒ１の温度係数の極性とは逆の極性の温度係数を有する第２抵抗素子Ｒ２とから構成されている。本実施の形態では、リファレンス電圧Ｖｒｅｆは両抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の和に比例しているため、リファレンス電圧Ｖｒｅｆの温度特性は両抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の温度係数の大小関係に大きく依存することになる。従って、定電流の温度係数よりも、両抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の温度係数の相間関係が、リファレンス電圧Ｖｒｅｆの温度特性の決定に対して支配的要因となる。

尚、第２抵抗素子Ｒ２が負の極性の温度係数を有する場合には、当該第２抵抗素子Ｒ２に代えて、同様に負の極性の温度係数を有するダイオードＤｉを用いることが可能である。その様な変形例を図６に示す。

以上に記載した本実施の形態によれば、定電流回路１５０の温度特性を考慮することなく、両抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の温度係数の大小関係の設定に着目することで、正又は負の極性の温度特性を持ったリファレンス電圧Ｖｒｅｆを、従って、正又は負の極性の温度特性を持った所定の電圧を調整・生成することが可能であり、センサチップ１１０及び信号処理回路１２０の温度特性によるセンサ出力の変化をより広範囲で防止することが出来る。

（実施の形態４）
本実施の形態は、実施の形態３に於ける電圧リファレンス回路１３１Ａの修正例に関するものである。図７は、本実施の形態に係る電圧リファレンス回路１３１Ａの構成を示す図である。図７に示す様に、図５に於ける第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２とは、それぞれ第１可変抵抗体Ｒ３と第２可変抵抗体Ｒ４とに置き換えられている。そして、両可変抵抗体Ｒ３，Ｒ４の温度係数の極性は互いに逆の関係にある。勿論、第１及び第２可変抵抗体Ｒ３，Ｒ４の他に、一つ又は複数の固定の抵抗体又は可変抵抗体を両抵抗体Ｒ３，Ｒ４と直列にあるいは並列に更に付加しても良い。

以上に記載した本実施の形態によれば、複数個配列した抵抗素子の中から可変範囲の中で抵抗値を適宜に選択使用することが出来る。従って、製造時に素子特性のばらつきと言う問題が生じても、既述した通りに実現すべき電圧リファレンス回路１３１Ａの温度特性を踏まえて、抵抗値を選択することにより、電圧リファレンス回路１３１Ａの温度係数を適切に調整してセンサチップ１１０及び信号処理回路１２０の温度特性によるセンサ出力の変化を適切に防止することが出来る。

尚、各実施の形態に関して、「抵抗素子」と言う用語は、抵抗（抵抗体）の場合の他に、負の温度係数を有する抵抗と置換可能な場合のダイオードをも含む概念である。

又、センサチップ１１０の固定電極１１１ａ，１１１ｂと可動電極１１３との間の「第１静電容量」と、センサチップ１１０の自己診断電極１１５と可動電極１１３との間の「第２静電容量」とは、センサチップ１１０自体が同一のシリコン基板上に形成されているため、実質的に等価であると、考えて良い。従って、両者を共に単に「静電容量」と呼ぶことが出来る。

（付記）
以上、本発明の実施の形態を詳細に開示し記述したが、以上の記述は本発明の適用可能な局面を例示したものであって、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、記述した局面に対する様々な修正や変形例を、この発明の範囲から逸脱することの無い範囲内で考えることが可能である。

この発明に係る半導体加速度センサの構成例を示すブロック図である。この発明に係る昇圧回路部の構成例を示すブロック図である。実施の形態１に係る電圧リファレンス回路の構成例を示す図である。実施の形態２に係る電圧リファレンス回路の構成例を示す図である。実施の形態３に係る電圧リファレンス回路の構成例を示す図である。実施の形態３に係る電圧リファレンス回路の構成例を示す図である。実施の形態４に係る電圧リファレンス回路の構成例を示す図である。この発明が解決すべき問題点を模式的に示す図である。従来の抵抗値切換スイッチを含む増幅回路の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１１０センサチップ、１１１ａ，１１１ｂ固定電極、１１３可動電極、１１５自己診断電極、１２０信号処理回路、１３１昇圧回路部、１３１Ａ電圧リファレンス回路、１４０負荷、１５０定電流回路。

Claims

センサチップの固定電極と可動電極との間の第１静電容量の変化を信号処理回路で電気信号に変換して加速度信号として出力すると共に、自己診断時に、前記信号処理回路で生成される自己診断開始信号の印加に応じて昇圧回路部から所定の電圧を前記可動電極と対向する自己診断電極に印加して、前記自己診断電極と前記可動電極との間の第２静電容量の変化を検出することで異常の有無を自己診断し得る様に構成された加速度センサにおいて、
前記昇圧回路部は、電圧リファレンス回路と、前記電圧リファレンス回路に接続された入力端と昇圧回路に接続された出力端とを有する印加電圧調整回路と、その出力が前記自己診断電極に印加される前記所定の電圧となる前記昇圧回路とを備えており、
前記電圧リファレンス回路は、
電圧検出用負荷と、
前記電圧検出用負荷に定電流を流す定電流回路とから成り、しかも、
前記所定の電圧の温度特性が前記第２静電容量の温度特性及び前記信号処理回路の温度特性を相殺し得る様に、前記電圧リファレンス回路が出力するリファレンス電圧の温度特性が設定されていることを特徴とする、
加速度センサ。
請求項１記載の加速度センサであって、
前記電圧検出用負荷は正又は負の温度係数を有する抵抗素子から成り、
前記定電流回路は前記抵抗素子の前記温度係数の極性とは逆の極性の温度特性を有することを特徴とする、
加速度センサ。
請求項１記載の加速度センサであって、
前記電圧検出用負荷は、
正又は負の温度係数を有する第１抵抗素子と、
前記第１抵抗素子に直列に接続され且つ前記第１抵抗素子の前記温度係数の極性とは逆の極性の温度係数を有する第２抵抗素子とを備えることを特徴とする、
加速度センサ。
請求項３記載の加速度センサであって、
前記第１抵抗素子及び前記第２抵抗素子は何れも可変抵抗体より成ることを特徴とする、
加速度センサ。