JP2010008052A - 物理量センサの特性調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で高精度な調整を可能とする物理量センサの特性調整方法を提供する。
【解決手段】センサ素子８と、このセンサ素子８からの出力を一定倍率で増幅し最終出力を出力する増幅回路９と、前記増幅回路９の増幅率を調整するための調整手段１０を備えた物理量センサ７において、外部より物理量を加えて前記センサ素子８からの出力を測定する第一の工程と、この出力に基づき前記増幅率を決定した後、電気信号を前記増幅回路９に入力しながら前記調整手段１０を調整して最終出力とした。
【選択図】図３

Description

本発明は、加速度や角速度などの物理量を測定するセンサの特性調整方法に関する。

加速度や角速度などの物理量を測定するセンサは、用いるセンサ素子の形状や実装時のばらつき、または後段のオペアンプの特性ばらつきなどにより、その出力に変動が生じる。そのため、センサ素子を一部加工したり、個別のオペアンプ毎に増幅率を微調整することなどで一定の出力となるようセンサを調整している。

図５は、上記の調整に用いる出力測定装置の要部斜視図である。主回転軸１に対して支持板２を等角度に四枚設置しており、それぞれの支持板２には、加速度センサ３とその出力信号を測定するための測定板４と、前記出力信号を無線送信するための無線送信機５、前記測定板４を回転させるための測定板駆動モータ６が設置されている。主回転軸１の回転と、各支持板２における測定板４の回転とを組合せることにより、様々な状態における出力信号を検査可能な構成としている。

なお、この出願に関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２００７−３２２３３７号公報

上記の測定装置では、各支持板２に固定された加速度センサ３の出力信号を得るために、主回転軸１あるいは測定板４を回転させる必要があり、これらの回転が安定するまでに一定の時間が必要となる課題があった。

そこで本発明はセンサからの出力測定時間を短くして調整時間を短縮することを目的とする。

そしてこの目的を達成するために本発明は、物理量センサの特性調整方法であって、センサ素子と、このセンサ素子からの出力を一定倍率で増幅し最終出力を出力する増幅回路と、前記増幅回路の増幅率を調整するための調整手段を備えた物理量センサにおいて、外部より物理量を加えて前記センサ素子からの出力を測定する第一の工程と、この出力に基づき前記増幅率を決定した後、電気信号を前記増幅回路に入力しながら前記調整手段を調整して最終出力とする第二の工程とした。

本発明に係る物理量センサの特性調整方法は、センサ素子からの出力を測定した後は、物理量を加えることなく電気信号のみを入力して増幅回路の増幅率を調整し最終出力とするので、回転や振動などが安定するための時間が一回のみであり、その結果、特性調整の時間を短縮して生産性を高めることができる作用効果を奏する。

以下に本発明の一実施の形態を説明する。

図１は、本発明の特性調整方法を用いる物理量センサの一例を説明するための一部切欠き斜視図である。

本実施の形態は水平二軸の角速度を検出可能な物理量センサ７の一例である。水晶や圧電体からなる音叉形状のセンサ素子８と、このセンサ素子８からの出力を増幅、整流するための増幅回路や各種フィルタなどを内蔵したＩＣ９と、前記増幅回路の増幅率を調整するための調整手段１０で構成されている。

これらセンサ素子８、ＩＣ９、調整手段１０は、セラミックや樹脂などの絶縁性を有する基板１１上に実装され、内部配線などを通じて側面や裏面に形成した外部電極１２へ接続されている。尚、最終出力調整後にセンサ素子８を含む基板１１の主面は金属ケース１３で気密封止される。

基板１１の主面には、凹部１１ａが形成されており、主面から突出しないように凹部１１ａ内にＩＣ９が実装されている。さらに、この凹部１１ａ上にかかるようにセンサ素子８の振動部である音叉が互いに干渉しないように直交して実装されている。

ＩＣ９は、例えばオペアンプなどからなる増幅回路から構成されており、その増幅率（出力ゲイン）を調整する抵抗１０ａを調整手段１０としてＩＣ９とは別体で基板１１上に実装している。調整手段１０としての抵抗１０ａは可変抵抗やチップ抵抗などであり、チップ抵抗の場合は、レーザトリミング装置などによりその抵抗値を変えることで増幅回路の増幅率を調整するものである。

図２は、上記角速度センサの回路図である。破線内がＩＣ９であり、一点鎖線内が基板１１内の回路を示している。ＩＣ９は二つのオペアンプ１４、１５により構成される二段の増幅回路を備え、それぞれの増幅回路間は、容量、抵抗などで形成されるフィルタ１６を介して接続されている。センサ素子８からの出力信号は、端子９ａを介してＩＣ９内に入力され一段目のオペアンプ１４で増幅された後、前記フィルタ１６により整流される。そして、さらに二段目のオペアンプ１５で所定の出力に増幅され最終出力として基板１１の外部電極１２ａから出力されるものである。

本実施の形態では、前記フィルタ１６を基板１１の外部に設けることで、このフィルタ１６を接続するために基板１１に設けた外部電極１２ｂ、１２ｃを、二段目のオペアンプ１５の増幅率を調整するために利用するものである。

図３は、図２の回路図において、特性調整時の状態を示したものである。

本実施の形態における特性調整方法は、第一の工程として実際に角速度を印加してセンサ素子８からの出力を測定した後、この出力を基に最終出力の増幅率を算出し、第二の工程で、電気信号を第二のオペアンプ１５に入力しながらこの増幅率となるように調整手段１０を調整することで最終出力とするものである。

第一の工程では、振動や回転機構を有する調整装置に物理量センサ７を設置して、実際に角速度を印加しながらセンサ素子８からの出力を測定する。このとき、物理量センサ７からは、上述したフィルタ１６を予め取り外しておき、フィルタ１６を接続する一方の外部電極１２ｂを介して直接センサ素子８からの出力を取り出し測定する。尚、この出力は一段目のオペアンプ１４により一定倍率に増幅されて出力されるものである。

この出力と最終出力とから、二段目のオペアンプ１５の増幅率を算出した後、第二の工程を行うわけであるが、この第二の工程では、角速度などの物理量を直接印加するのではなく、センサ素子８からの出力信号に相当する電気信号を入力して増幅率を調整するものである。

すなわち、フィルタ１６を接続する他方の端子１２ｃから上記電気信号を直接第二のオペアンプ１５に入力しながら抵抗１０ａをレーザトリミング装置などにより調整することで、外部電極１２ａから出力される最終出力を所望の値に調整するものである。

このように第二の工程では、実際に角速度などの物理量を印加する必要がないので、調整装置に設けた駆動部の使用回数を減らすことができ、その結果、特性の調整時間を短縮して生産性を高めることができる。

上記の特性調整方法を導入することにより、物理量を印加して調整する際、駆動部の安定を含めて３０秒以上要する調整時間を３秒以下に短縮することができた。

さらに、最終出力を調整するために入力する電気信号を、ＤＡコンバータを介した直流電圧とすることで、調整装置を安価にすることができる。

尚、第二の工程では、センサ素子８からの出力がばらついた場合であっても、印加される物理量に対して同じ出力となるように二段目のオペアンプ１５の増幅率を個々に調整する。しかしながら、第二のオペアンプ１５の入力オフセット電圧は０Ｖにならずばらつくため、この入力オフセット電圧のばらつきを考慮した調整が必要となる。その調整方法を、図４を用いて説明する。

図４は、本発明の特性調整方法を説明するための物理量センサの出力特性である。

まず初めに他方の外部電極１２ｃから少なくとも二段階に直流電圧を変化させた電気信号を入力し、図４の一点鎖線１７に示す第一の出力を得る。次に、抵抗１０ａを調整することで増幅率を調整した後、再度少なくとも二段階に直流電圧を変化させた第二の電気信号を再び外部電極１２ｃに入力することで、一点鎖線１８に示す第二の出力を得る。これら第一、第二の出力の交点１９から二段目のオペアンプ１５のオフセット電圧Ｖｒｅｆを求めた後、再度抵抗１０ａを調整することで増幅率を調整し、最終出力２０とするものである。

このように、第二の工程では、一回目の調整の前後で少なくとも二段階に直流電圧を変化させた電気信号を入力することで、二段目のオペアンプ１５の入力オフセット電圧を求めた後、最終出力への調整を行なう。こうすることにより、入力オフセット電圧のばらつきに起因する物理量センサ７の最終出力のばらつきを排除して、高精度かつロット内、ロット間で均一性の高いセンサ出力を得ることができる。

尚、本実施の形態は角速度センサの例であるが、加速度センサなど増幅回路を内蔵して出力を調整する他の物理量センサにも適用可能である。

本発明に係る物理量センサの特性調整方法は、センサ素子からの出力を測定した後は、物理量を加えることなく電気信号のみを入力して増幅回路の増幅率を調整し最終出力とするので、回転や振動などが安定するための時間が一回のみであり、その結果、特性調整の時間を短縮して生産性を高めることができる作用効果を奏するので、加速度や角速度などの物理量を測定するセンサの特性調整方法に有用である。

本発明の特性調整方法を用いる物理量センサの一例を説明するための一部切欠き斜視図 図１の物理量センサの回路図 図２の特性調整時における回路図 本発明の特性調整方法を説明する物理量センサの最終出力を示す図 従来の物理量センサの出力測定装置を説明する要部斜視図

符号の説明

７ 物理量センサ
８ センサ素子
９ ＩＣ
１０ 調整手段
１４、１５ オペアンプ

Claims (3)

1. センサ素子と、このセンサ素子からの出力を一定倍率で増幅し最終出力を出力する増幅回路と、前記増幅回路の増幅率を調整するための調整手段を備えた物理量センサにおいて、外部より物理量を加えて前記センサ素子からの出力を測定する第一の工程と、この出力に基づき前記増幅率を決定した後、電気信号を前記増幅回路に入力しながら前記調整手段を調整して最終出力とする第二の工程とからなる物理量センサの特性調整方法。
2. 増幅回路はオペアンプを含み、第二の工程で前記オペアンプのオフセット値を測定した後、このオフセット値に基づき最終出力を調整する請求項１に記載の物理量センサの特性調整方法。
3. 電気信号は、直流電圧からなる請求項２に記載の物理量センサの特性調整方法。

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