JP2008039435A

JP2008039435A - 加速度センサ

Info

Publication number: JP2008039435A
Application number: JP2006210356A
Authority: JP
Inventors: Eiji Suetsugu; 英治末次
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-08-01
Filing date: 2006-08-01
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2026-08-01
Also published as: JP5061524B2

Abstract

【課題】チップサイズを縮小してコスト低減を図り、アセンブリ性を向上すると共に、設計の容易性と信頼性を向上することができる加速度センサを提供する。
【解決手段】枠電極１５内に離隔して設けられた一対の固定電極１１、１２と、上記一対の固定電極間で加速度に応じて変位し得るようにされ、上記各固定電極との間の静電容量を変化させる質量体１３Ａを有する可動電極１３と、上記質量体に対向して配設され上記枠電極に固定された自己診断用電極１４とを備えた構成とする。
【選択図】図１

Description

この発明は加速度センサ、特にバルク加工型の加速度検出用センサチップを搭載した加速度センサに関するものである。

図５は、従来の加速度センサの回路構成を示すブロック図である。この図に示すように、加速度センサは通常、加速度を検出するセンサチップ部１０と、センサチップ部で検出された加速度信号を整形、増幅等の信号処理を行なう信号処理ＡＳＩＣ部（特定用途向け集積回路）２０とから構成されている。

詳しく説明すると、センサチップ部１０は、第１の固定電極１１と、第２の固定電極１２との間に設けられ、各固定電極との間でコンデンサC1、C2を形成する可動電極（質量体）１３を有し、可動電極１３が加速度を受けて変位することにより、第１の固定電極１１あるいは第２の固定電極１２との間の距離が変化して各コンデンサC1及びC2の静電容量が変化するようにされている。

一方、信号処理ＡＳＩＣ部２０は、上記静電容量の変化を容量−電圧変換回路２１で受け、静電容量に対応した電圧に変換すると共に、その電圧を増幅回路２２で増幅し、かつトリミング回路２３によって特性調整を行った上、共振出力を減衰させるフィルタ回路２４を介して出力するようにされている。

更に、加速度検出が正常に行われているかどうかの自己診断機能を持たせるため、センサチップ部１０の可動電極１３に対応して自己診断用電極１４が設けられると共に、信号処理ＡＳＩＣ部２０に自己診断回路２５が設けられている。

自己診断を行なう場合には、加速度検出方向に加速度が加わっていない状態で、自己診断回路２５から上記自己診断用電極１４に対して所定の電圧を印加することにより、自己診断用電極１４と可動電極１３との間に静電気力を作用させて可動電極１３を変位させ、擬似的に加速度を受けている状態を作り出す。
そして、可動電極１３の変位により生ずる上記C1、C2の静電容量の変化を信号処理ＡＳＩＣ部２０のセンサ出力として確認することにより正常動作の確認あるいは異常を検出する。

次に、センサチップ部１０の構造について説明する。図６（ａ）（ｂ）は平面図であり、（ａ）は上面にアルミのシールドを装着した状態を示し、（ｂ）は上記シールドを取り除いた状態を示している。また、図６（ａ）（ｂ）のＡ−Ａ線における断面構造を図７（ａ）に示し、同じくＢ−Ｂ線における断面構造を図７（ｂ）に示し、Ｃ−Ｃ線における断面構造を図７（ｃ）に示す。

センサチップ部１０は、図７の各図から分かるように、シリコンで形成された枠電極１５と、その上面及び下面に装着されたパイレックスガラス１６、１７とで形成された枠体に収容されている。上述した第１の固定電極１１及び第２の固定電極１２（Ｔ字状部）は、それぞれシリコンによって形成され、図６（ｂ）に示すように、互いに離隔して配設されている。

可動電極１３はシリコンによって形成されると共に、図６（ｂ）に示すように、上記両固定電極１１、１２間に配設された質量体１３Ａ（Ｕ字状部）と、端子形成部１３Ｂから延在する結合部１３Ｃと、上記質量体１３Ａを結合部１３Ｃに保持させる梁部１３Ｅとから構成されている。

また、自己診断用電極１４はシリコンによって形成され、可動電極の質量体１３Ａに対向配置される対向電極１４Ａと、端子形成部１４Ｂから延在して上記対向電極１４Ａを保持する結合部１４Ｃとから構成されている。

なお、枠電極１５、第１の固定電極１１、第２の固定電極１２、自己診断用電極１４および可動電極１３における端子形成部１３Ｂと結合部１３Ｃは、上面および下面のパイレックスガラス１６、１７に固定されている。一方、可動電極１３における質量体１３Ａと梁部１３Ｅについては、上面および下面のパイレックスガラス１６、１７との間に間隙が設けられ、固定されることなく可動するように構成されている。

また、各電極にはそれぞれに電極パッド１１Ａ、１２Ａ、１３Ｄ、１４Ｄ、１５Ａがアルミにより形成されている。そして、この電極パッドは、金線（Auワイヤ）などを介して信号処理ＡＳＩＣ部２０側の各信号端子と電気的に接続されている。

図６（ａ）及び図７（ｂ）に示された１８はアルミで形成されたシールドで、外部からのノイズなどの電位による影響を防ぎ、微小な静電容量の変化を検出することを可能とするために設けられたもので、GNDなどの固定電位が付与されている。（例えば特許文献１及び２参照）。

なお、上述の加速度センサは、図６において上下方向に加速度を受けた場合の１軸方向の加速度を検出する例を示したものであるが、図５と同様な回路を２個並設して他の方向に加速度を受けた場合を含む２軸方向の加速度を検出することも行われている。

特開２００５−１２７８９０号公報特開２００４−２８６６２４号公報

従来の加速度センサは上記のように構成され、自己診断用電極１４が枠電極１５内に設けられていたため、チップサイズが大きくなり、コスト低減の妨げとなっていた。

この発明は上記のような問題点に対処するためになされたもので、チップサイズを縮小してコスト低減を図り、アセンブリ性を向上すると共に、設計の容易性と信頼性を向上することができる加速度センサを提供することを目的とする。

この発明に係る加速度センサは、枠電極内に離隔して設けられた一対の固定電極と、上記一対の固定電極間で加速度に応じて変位し、上記各固定電極との間の静電容量を変化させる質量体を有する可動電極と、上記質量体に対向して配設され上記枠電極に固定された自己診断電極とを備えたものである。

この発明に係る加速度センサは上記のように構成されているため、チップサイズを縮小してコスト低減を図ることが可能となる他、設計が容易となりアセンブリ性が向上すると共に、信頼性を向上することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１によるセンサチップ部１０の構成を示す平面図である。信号処理ＡＳＩＣ部２０は図５と同様であるため説明を省略する。また、図１において、図６と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図６と異なる点は、自己診断用電極１４の端子形成部１４Ｂと結合部１４Ｃを省略し、対向電極１４Ａを枠電極１５側に延長して枠電極１５と一体化した点である。

換言すれば、自己診断用電極１４の代わりに枠電極１５を延長して可動電極１３の質量体１３Ａと対向させるようにしたものである。枠電極１５の電位は、従来はGND電位などの固定電位とされていたが、この実施の形態では固定電位ではなくなる。即ち、通常の加速度センサとしての動作時には、可動電極１３と同電位になるようにして、可動電極１３との間に静電気力を作用させないようにするが、自己診断時には、可動電極１３と枠電極１５との間に所定の電圧を印加し、可動電極１３に静電気力を作用させて質量体１３Ａを変位させ、信号処理ＡＳＩＣ部２０のセンサ出力を確認して正常動作か異常かを確認する。

実施の形態１は上記のように構成され、自己診断用電極１４の端子形成部１４Ｂと結合部１４Ｃとが不要となるため、センサチップ部１０のチップサイズが縮小化され、コストの低減を図ることができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図にもとづいて説明する。図２は、実施の形態２によるセンサチップ部１０の構成を示すもので、（ａ）はシールドを装着した状態を示す平面図、（ｂ）は上記シールドを取り除いた状態を示す平面図、（ｃ）は（ａ）（ｂ）のＢ−Ｂ線における断面図である。これらの図において、図１と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

図１と異なる点は、アルミのシールド１８Ａを上面のパイレックスガラス１６上に装着し、図２（ａ）に示すように、その端部１８Ｂを固定部１８Ｃにおいて枠電極１５に固定することにより、シールド１８Ａと枠電極１５とを電気的に接続した点である。

従来、シールド１８Ａは枠電極１５と同様にGNDなどの固定電位としていたが、これは外部からの電位と質量体１３Ａとの電位差によって質量体１３Ａが微小変動し、その容量変化がセンサ出力として検出されるのを防ぐためであった。この目的からすれば、実施の形態１を適用した場合には、シールド電位を新に設定する必要性があるとも考えられるが、実施の形態２ではシールド電位を新に設定せず、シールド１８Ａを枠電極１５と接続して同電位としている。

この場合、通常の加速度センサとしての動作時には、実施の形態１と同様、枠電極１５の電位を可動電極１３と同電位にすることで、シールド１８Ａも可動電極（質量体）１３Ａと同電位となって、質量体１３Ａに外部電位が印加されるのを防ぐ。
自己診断時には、実施の形態１と同様、可動電極１３と枠電極１５との間に所定の電圧を印加する。実施の形態２ではこの場合、シールド１８Ａと可動電極１３との間にも所定の電圧が印加されることになり、静電気力が作用して質量体１３Ａに影響を及ぼすことになるが、図２（ａ）（ｂ）において上下方向に印加される加速度による変動量に比べて無視できるほど微小なものであるため、実際上はほとんど影響しない。

実施の形態２は上記のように構成されているため、本来のノイズの影響を防ぐ機能を損なうことなく、設計効率・アセンブリ性の向上を図ることができる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３を図にもとづいて説明する。図３は、実施の形態３による加速度センサの回路構成を示すブロック図で、（ａ）は通常の加速度センサとしての動作状態を示し、（ｂ）は自己診断時の状態を示す。これらの図において、図５と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態３においては、自己診断用コンデンサ２６を信号処理ＡＳＩＣ部２０内に設け、その一端を第１の固定電極１１と容量−電圧変換回路２１の接続線に接続すると共に、他端をスイッチ３０を介して可動電極１３に接続する。また、自己診断回路２５と第１の固定電極１１との間にスイッチ３１を設け、その接続点と自己診断用コンデンサ２６の接続点との間にスイッチ３２を設けたものである。

通常の加速度センサとしての動作状態においては、図３（ａ）に示すように、スイッチ３０はOFF、３１はOFF、３２はONとされている。即ち、第１、第２の固定電極１１、１２及び可動電極１３はスイッチ３２を介して容量−電圧変換回路２１に接続され、自己診断用コンデンサ２６と自己診断回路２５はそれぞれスイッチ３０と３１がOFFであることから動作せず、通常の加速度センサとして動作する。

自己診断時においては、図３（ｂ）に示すように、スイッチ３０はON、３１はON、３２はOFFとされている。即ち、第１の固定電極１１は自己診断回路２５に切り換え接続され、可動電極１３は自己診断用コンデンサ２６を介して容量−電圧変換回路２１に接続される。そのため、第１の固定電極１１は自己診断回路２５から所定の電圧が印加されて自己診断電極として作用し、可動電極１３の質量体１３Ａを変位させてコンデンサC2を変化させる。

コンデンサC2と自己診断用コンデンサ２６との直列容量が容量−電圧変換回路２１で電圧に変換され、擬似加速度を印加した状態のセンサ出力を発生する。

実施の形態３は上記のように構成されているため、従来、センサチップ部１０の中に必要であった自己診断用の専用電極及び上記専用電極を可動電極１３の質量体１３Ａに対向させる加工が不要となり、センサチップ部１０のチップサイズが縮小化され、コスト削減が図れる他、信号処理ＡＳＩＣ部２０内では自己診断用コンデンサ２６として任意のコンデンサを形成することが可能であるため、設計の容易さが向上するものである。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４を図にもとづいて説明する。図４は、実施の形態４による加速度センサの回路構成を示すブロック図で、（ａ）は通常の加速度センサとしての動作状態を示し、（ｂ）は第２の固定電極と可動電極とで形成されるコンデンサC2を診断対象とする状態を示し、（ｃ）は第１の固定電極と可動電極とで形成されるコンデンサC1を診断対象とする状態を示す。これらの図において、図５と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

上述した実施の形態３においては、自己診断の対象がC2のみでC1は診断されなかったため、実施の形態４はC1も診断対象とすることができるようにして、更に信頼度を高めようとするものである。

このため、図４（ａ）に示すように、図３（ａ）に示す回路構成に加えて、別の自己診断回路２７と自己診断用コンデンサ２８とを信号処理ＡＳＩＣ部２０内に追加設置し、自己診断用コンデンサ２８の一端を第２の固定電極１２と容量−電圧変換回路２１の接続線に接続すると共に、他端をスイッチ３３を介して可動電極１３に接続する。

また、自己診断回路２７と第２の固定電極１２との間にスイッチ３４を設け、その接続点と自己診断用コンデンサ２８の接続点との間にスイッチ３５を設けたものである。

通常の加速度センサとしての動作状態においては、図４（ａ）に示すように、スイッチ３０、３３はOFF、３１、３４はOFF、３２、３５はONとされている。即ち、第１、第２の固定電極１１、１２及び可動電極１３はスイッチ３２及び３５を介して容量−電圧変換回路２１に接続され、自己診断用コンデンサ２６、２８と自己診断回路２５、２７はそれぞれスイッチ３０と３１及び３３と３４がOFFであることから動作せず、通常の加速度センサとして動作する。

第２の固定電極１２と可動電極１３とから形成されるコンデンサC2を診断する場合には、図４（ｂ）に示すように、スイッチ３０、３１をONにすると共に、スイッチ３２をOFFにし、スイッチ３３、３４をOFFにすると共に、スイッチ３５をONにする。この回路は図３（ｂ）と同じ回路であり、実施の形態３で説明したようにC2の診断が行われる。

また、第１の固定電極１１と可動電極１３とから形成されるコンデンサC1を診断する場合には、図４（ｃ）に示すように、スイッチ３０、３１をOFFにすると共に、スイッチ３２をONにし、スイッチ３３、３４をONにすると共に、スイッチ３５をOFFにする。

この場合には、第２の固定電極１２が自己診断回路２７に切り換え接続され、可動電極１３は自己診断用コンデンサ２８を介して容量−電圧変換回路２１に接続される。
そのため、第２の固定電極１２は自己診断回路２７から所定の電圧が印加されて自己診断電極として作用し、可動電極１３の質量体１３Ａを変位させてコンデンサC1を変化させる。

コンデンサC1と自己診断用コンデンサ２８との直列容量が容量−電圧変換回路２１で電圧に変換され、擬似加速度を印加した状態のセンサ出力を発生する。

実施の形態４は上記のように構成されているため、センサチップ部１０の全ての容量を診断することができ、一段と信頼性を向上することができる。

この発明の実施の形態１によるセンサチップ部の構成を示す平面図である。この発明の実施の形態２によるセンサチップ部の構成を示すもので、（ａ）はシールドを装着した状態を示す平面図、（ｂ）はシールドを取り除いた状態を示す平面図、（ｃ）は（ａ）（ｂ）のＢ−Ｂ線における断面図である。この発明の実施の形態３による加速度センサの回路構成を示すブロック図で、（ａ）は通常の加速度センサとしての動作状態を示し、（ｂ）は自己診断時の状態を示す。この発明の実施の形態４による加速度センサの回路構成を示すブロック図で、（ａ）は通常の加速度センサとしての動作状態を示し、（ｂ）は第２の固定電極と可動電極とで形成されるコンデンサC2を診断対象とする状態を示し、（ｃ）は第１の固定電極と可動電極とで形成されるコンデンサC1を診断対象とする状態を示す。従来の加速度センサの回路構成を示すブロック図である。従来の加速度センサのセンサチップ部の構成を示す平面図で、（ａ）はシールドを装着した状態を示し、（ｂ）はシールドを取り除いた状態を示している。図６に示すセンサチップの断面構造を示すもので、（ａ）は図ｂ（ａ）（ｂ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｂ）は同じくＢ−Ｂ線における断面図、（ｃ）は同じくＣ−Ｃ線における断面図である。

符号の説明

１０センサチップ部、１１第１の固定電極、１１Ａ電極パッド、１２第２の固定電極、１２Ａ電極パッド、１３可動電極、１３Ａ質量体、１３Ｂ端子形成部、１３Ｃ結合部、１３Ｄ電極パッド、１３Ｅ梁部、１４自己診断用電極、１５枠電極、１６、１７パイレックスガラス、１８、１８Ａシールド、１８Ｂ端部、２０信号処理ＡＳＩＣ部、２１容量−電圧変換回路、２２増幅回路、２３トリミング回路、２４フィルタ回路、２５、２７自己診断回路、２６、２８自己診断用コンデンサ、３０、３１、３２、３３、３４、３５スイッチ。

Claims

枠電極内に離隔して設けられた一対の固定電極と、上記一対の固定電極間で加速度に応じて変位し得るようにされ、上記各固定電極との間の静電容量を変化させる質量体を有する可動電極と、上記質量体に対向して配設され上記枠電極に固定された自己診断用電極とを備えた加速度センサ。
上記枠電極に装着され、上記枠電極に接続されたシールドを設けたことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
一対の固定電極と、上記各固定電極間に配設され、加速度に応じて変位することにより上記各固定電極との間の静電容量を変化させる可動電極とを有するセンサチップ部と、上記静電容量の変化を電圧に変換して加速度を検出する信号処理回路と、自己診断時に上記固定電極の一方に所定の電圧を印加する自己診断回路と、上記自己診断回路による電圧印加時に上記可動電極と上記信号処理回路との間に接続される自己診断用コンデンサとを備えたことを特徴とする加速度センサ。
一対の固定電極と、上記各固定電極間に配設され、加速度に応じて変位することにより上記各固定電極との間の静電容量を変化させる可動電極とを有するセンサチップ部と、上記静電容量の変化を電圧に変換して加速度を検出する信号処理回路と、一方の固定電極と上記可動電極とによって形成されるコンデンサの自己診断時に他方の固定電極に所定の電圧を印加する自己診断回路と、上記自己診断回路による電圧印加時に上記可動電極と上記信号処理回路との間に接続される自己診断用コンデンサと、他方の固定電極と上記可動電極とによって形成されるコンデンサの自己診断時に一方の固定電極に所定の電圧を印加する別の自己診断回路と、上記別の自己診断回路による電圧印加時に上記可動電極と上記信号処理回路との間に接続される別の自己診断用コンデンサとを備えたことを特徴とする加速度センサ。