JP2008281558A

JP2008281558A - センサ

Info

Publication number: JP2008281558A
Application number: JP2008103351A
Authority: JP
Inventors: Isao Hattori; 勲服部; Takeshi Uemura; 猛植村
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2008-11-20

Abstract

【課題】センサの小型化を図りつつ、バイアス信号を生成し、検出感度を向上させるセン
サを提供することを目的としている。
【解決手段】検出処理回路４は、駆動電極６に駆動信号を通電し検出素子２を振動させる
駆動回路１２と、検出素子２に与えられる角速度や加速度に起因して検出電極１０から出
力される検出信号に基づき、角速度や加速度を検出する検出回路１４と、モニタ電極８か
ら出力されるモニタ信号に基づき、検出素子２の振動状態をモニタするモニタ回路１６と
を備え、この検出信号には、検出素子２の周囲温度に起因して変化する温度依存性信号成
分が含まれているので、この温度依存性信号成分を相殺するバイアス信号成分を生成する
バイアス信号生成回路２２を設けた構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いるセンサに関するものである。

以下、従来のセンサについて説明する。

従来のセンサは、角速度検出部または加速度検出部を有する検出素子と、この検出素子から出力される検出信号に基づいて角速度または加速度を検出する検出処理回路とを備えている。

この検出素子は、駆動電極とモニタ電極と検出電極とを有し、検出処理回路は、駆動電極に駆動信号を通電し検出素子を振動させる駆動回路と、検出素子に与えられる角速度や加速度に起因して検出電極から出力される検出信号に基づき、角速度や加速度を検出する検出回路と、モニタ電極から出力されるモニタ信号に基づき、検出素子の振動状態をモニタするモニタ回路とを備えている。

この検出信号には、検出素子の周囲温度に起因して変化する温度依存性信号成分が含まれているので、この温度依存性信号成分を相殺するバイアス信号成分を生成するバイアス信号生成回路を設けている。

このバイアス信号生成回路は、図に示すように、２つの抵抗を直列に接続し、その中点から引き出した信号線の出力信号に応じて、バイアス信号成分を生成する。２つの抵抗の内、一方の抵抗は周囲温度に応じて抵抗値が変化する感温抵抗であり、他方の抵抗は周囲温度に応じてほとんど抵抗値が変化しない固定抵抗である。すなわち、固定抵抗と感温抵抗の比率に応じて、周囲温度の変化に対するバイアス信号成分を生成し、温度依存性信号成分を相殺させる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平８−１４５７１５号公報

上記構成では、２つの抵抗を直列に接続し、その中点から引き出した信号線の出力信号に応じて、バイアス信号成分を生成するが、このバイアス信号生成回路は、センサの検出処理回路に外付けされるために、センサの小型化を図れないという問題点を有していた。

本発明は上記問題点を解決するもので、センサの小型化を図りつつ、バイアス信号を生成し、検出感度を向上させるセンサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本発明は、角速度検出部または加速度検出部を有する検出素子と、前記検出素子から出力される検出信号に基づき角速度または加速度を検出する検出回路とを備え、前記検出信号は、前記検出素子の周囲温度に起因して変化する温度依存性信号成分を含み、バイアス信号生成回路を介して出力しており、前記バイアス信号生成回路は、前記検出信号の前記温度依存性信号成分を相殺し、前記バイアス信号生成回路から出力される前記検出信号の信号値を基準値に調整するバイアス信号成分を生成する構成である。

上記構成により、温度依存性信号成分を相殺するバイアス信号成分を生成するバイアス信号生成回路を設けているので、検出素子の周囲温度に起因して変化する温度依存性信号成分が検出信号に含まれていても、バイアス信号成分によって、この温度依存性信号成分を相殺することができ、周囲温度の変化に起因した検出感度の劣化を抑制できる。

特に、バイアス信号生成回路におけるバイアス信号成分は、前記検出信号の前記温度依存性信号成分を相殺するだけでなく、同時に、前記バイアス信号生成回路から出力される前記検出信号の信号値を基準値に調整するので、加速度または角速度の検出値の誤差を抑制できる。

一般に、特性の温度依存性を相殺するにあたっては、温度依存性の無い回路素子と温度依存性を有する回路素子を組み合わせた構成や、互いに逆の温度依存性を有する回路素子を組み合わせた構成を用いるが、これらの種類の異なる回路素子にはそれぞれ素子バラツキが有り、単に、回路素子を組み合わせた構成ではバラツキが増大する。そして、このバラツキに起因して回路処理途中の回路オフセットバラツキや回路ゲインバラツキを増大させ、結果的に加速度や角速度の検出値に誤差が生じやすくなる。特に、高感度の検出をする場合には回路レンジをオーバーして歪が発生し、逆に回路レンジの許容量を大きくする場合にはノイズ信号比が低下し、いずれも検出値に誤差が生じやすい。

しかし、上記構成によれば、検出信号の信号値を基準値に調整しているので、例え、回路素子の素子バラツキがあったとしても、信号値を基準値に調整し常に安定な回路処理を行えるため、加速度や角速度の検出値のバラツキを最小限に抑制できる。

図１は本発明の一実施の形態におけるセンサのブロック図である。

図１において、角速度検出部または加速度検出部を有する検出素子２と、この検出素子２から出力される検出信号に基づいて角速度または加速度を検出する検出処理回路４とを備えている。この検出素子２は、駆動電極６とモニタ電極８と検出電極１０とを有し、検出処理回路４は、駆動電極６に駆動信号を通電し検出素子２を振動させる駆動回路１２と、検出素子２に与えられる角速度や加速度に起因して検出電極１０から出力される検出信号に基づき、角速度や加速度を検出する検出回路１４と、モニタ電極８から出力されるモニタ信号に基づき、検出素子２の振動状態をモニタするモニタ回路１６と、モニタ回路１６から出力されるモニタ信号を基準にして駆動信号の通電量を制御する振動制御回路１８と、モニタ信号を基準にして検出信号を検波する同期検波回路２０とを設けている。

この検出信号には、検出素子２の周囲温度に起因して変化する温度依存性信号成分が含まれているので、この温度依存性信号成分を相殺するバイアス信号成分を生成するバイアス信号生成回路２２を設けている。

このバイアス信号生成回路２２は、検出回路１４の一部として構成しており、温度依存性のない固定抵抗２４と、温度依存性のある感温抵抗２６とを組み合わせて形成するとともに、半導体基板上に形成している。この固定抵抗２４と感温抵抗２６とを半導体基板上に形成するために、固定抵抗２４をポリシリコン抵抗とし、感温抵抗２６をＮウェル抵抗としている。

固定抵抗２４と感温抵抗２６とは直列に接続した直列回路を形成しており、この直列回路の一端側を検出電極１０側に接続し、他端側をアースに接続し、検出電極１０から出力される検出信号を直列回路の中点から引き出している。感温抵抗２６は周囲温度に応じて抵抗値が変化し、固定抵抗２４は周囲温度に応じてほとんど抵抗値が変化しない抵抗である。固定抵抗２４と感温抵抗２６の比率に応じて、周囲温度の変化に対するバイアス信号成分が生成され、温度依存性信号成分が相殺される。

また、このバイアス信号生成回路２２の前段において、検出信号の信号値を減衰回路により減衰させ、バイアス信号生成回路２２の後段において、検出信号の信号値を増幅させている。この減衰回路によって、抵抗値を任意に調整し、バイアス信号生成回路２２から出力される検出信号の信号値を基準値に調整している。

一般に、固定抵抗２４と感温抵抗２６の抵抗絶対値は半導体基板上に同時に形成してもそれぞれ個別に素子バラツキがある。前記固定抵抗２４と感温抵抗２６によって温度依存性を相殺する構成の場合、これら固定抵抗２４と感温抵抗２６の抵抗差や抵抗比を利用し温度依存性を相殺する。ゆえに温度依存性を相殺する構成は回路素子の素子バラツキにより回路オフセットバラツキや回路ゲインバラツキが増大する構成といえる。例えば高感度の検出をするため、高い増幅度に設定した回路において回路ゲインがばらつくと回路処理途中で検出信号が回路レンジをオーバーする場合があり、この場合信号飽和等の歪が発生し、逆に低い増幅度に設定した回路において回路レンジの許容量を大きくする場合にはノイズ、信号比が低下し、いずれの場合も上記の回路素子の素子バラツキに起因して加速度や角速度の検出値に誤差が生じやすい。この結果、一般的には、検出信号の温度依存性信号成分を完全に相殺することは難しい。

しかし、本実施の形態に示すように、バイアス信号生成回路２２によって、検出信号に含まれる温度依存性成分を相殺するとともに、バイアス信号生成回路２２から出力される検出信号の信号値を基準値に調整することによって、例え、素子バラツキがあったとしても、そのバラツキに起因した加速度や角速度の検出値のバラツキを最小限に抑制できる。

上記構成により、温度依存性信号成分を相殺するバイアス信号成分を生成するバイアス
信号生成回路２２を設けているので、検出素子２の周囲温度に起因して変化する温度依存性信号成分が検出信号に含まれていても、バイアス信号成分によって、この温度依存性信号成分を相殺することができ、周囲温度の変化に起因した検出感度の劣化を抑制できる。

特に、バイアス信号生成回路２２におけるバイアス信号成分は、検出信号の温度依存性信号成分を相殺するだけでなく、同時に、バイアス信号生成回路２２から出力される検出信号の信号値を基準値に調整するので、加速度または角速度の検出値の誤差を抑制できる。

特に、バイアス信号生成回路２２は、温度依存性のない固定抵抗２４と、温度依存性のある感温抵抗２６とを組み合わせて形成するとともに、このバイアス信号生成回路２２を半導体基板上に形成するので、非常に小型化を図れる。

この際、固定抵抗２４をポリシリコン抵抗とし、感温抵抗２６をＮウェル抵抗とすることにより、容易に半導体基板上に固定抵抗２４と感温抵抗２６とを形成できる。

さらに、バイアス信号生成回路２２の前段において検出電極１０から出力された検出信号の信号値を減衰させ、バイアス信号生成回路２２の後段において検出信号の信号値を増幅させているので、検出信号の波形歪を抑制することができる。

本実施の形態では、温度依存性のあるＮウェル抵抗を、検出素子の周囲温度に起因して変化する温度依存性信号成分を相殺するために用いている。しかし、Ｎウェル抵抗は、抵抗単体の入出力特性として、入力電圧が小さな領域では線形な特性を示すが、入力電圧が大きな領域では非線形な特性となるという特徴があり、図２に示すように、半導体基板上に形成するためにポリシリコン抵抗とＮウェル抵抗とを用いた場合、信号値を減衰させずにバイアス信号生成回路２２から検出信号を出力すると、その検出信号波（Ａ）には歪が生じるという問題がある。そこで、本実施の形態では、バイアス信号生成回路２２の前段に減衰器を設け、信号値を減衰させて抵抗単体の入出力特性が実質的に線形となる領域でバイアス信号生成回路２２から検出信号を出力することによって、その検出信号波（Ｂ）に波形歪が生じるのを抑制し、かつ、検出素子の温度依存性信号成分を相殺することを可能とする構成としている。

なお、バイアス信号生成回路２２は、本発明の一実施の形態の他に、図３〜図９に示すものでもよい。固定抵抗２４はポリシリコン抵抗で形成し、感温抵抗２６はＮウェル抵抗で形成する。特に、図４、図５、図８、図９に示すように、感温抵抗２６は可変型のＮウェル抵抗としてもよい。

また、本実施の形態では、バイアス信号生成回路２２の前段において、検出電極１０から出力された検出信号の信号値を減衰させ、バイアス信号生成回路２２から減衰させた検出信号を出力させる構成を開示している。これは、検出信号の信号値を減衰させずに、バイアス信号生成回路２２に入力すると、出力される検出信号の信号値が基準値よりも大きくなる場合の構成である。

その逆に、バイアス信号生成回路２２から出力される検出信号の信号値が基準値よりも小さくなる場合は、バイアス信号生成回路２２の前段において、検出電極１０から出力された検出信号の信号値を増幅させ、出力される検出信号の信号値が基準値に達するようにすればよい。

さらに、減衰回路の信号調整機能はラダー構成された抵抗網にスイッチを接続し、任意に与えるデジタルデータによってスイッチを制御し、等価インピーダンス、即ち等価抵抗値を任意に調整する構成が最良の構成の一つである。

本発明に係るセンサは、小型化を図りつつ、バイアス信号成分を生成し、検出感度の向
上を図れるので、各種電子機器に適用できるものである。

本発明の一実施の形態におけるセンサのブロック図図１のＡ点における検出信号波形図他のバイアス信号生成回路図他のバイアス信号生成回路図他のバイアス信号生成回路図他のバイアス信号生成回路図他のバイアス信号生成回路図他のバイアス信号生成回路図他のバイアス信号生成回路図

符号の説明

２検出素子
４検出処理回路
６駆動電極
８モニタ電極
１０検出電極
１２駆動回路
１４検出回路
１６モニタ回路
１８振動制御回路
２０同期検波回路
２２バイアス信号生成回路
２４固定抵抗
２６感温抵抗

Claims

角速度検出部または加速度検出部を有する検出素子と、前記検出素子から出力される検出信号に基づき角速度または加速度を検出する検出回路とを備え、
前記検出信号は、前記検出素子の周囲温度に起因して変化する温度依存性信号成分を含み、バイアス信号生成回路を介して出力しており、
前記バイアス信号生成回路は、前記検出信号の前記温度依存性信号成分を相殺し、前記バイアス信号生成回路から出力される前記検出信号の信号値を基準値に調整するバイアス信号成分を生成するセンサ。
前記バイアス信号生成回路は、前記検出信号の信号値を減衰させて、前記検出信号の前記温度依存性信号成分を相殺し、前記バイアス信号生成回路から出力される前記検出信号の信号値を基準値に調整するバイアス信号成分を生成する請求項１記載のセンサ。
前記バイアス信号生成回路は、
温度依存性のない固定抵抗と、温度依存性のある感温抵抗とを組み合わせて形成するとともに半導体基板上に形成した請求項１記載のセンサ。
前記固定抵抗をポリシリコン抵抗とし、前記感温抵抗をＮウェル抵抗とした請求項３記載のセンサ。
前記固定抵抗または前記感温抵抗のいずれか一つは可変型である請求項３記載のセンサ。