JP6314813B2 - Acceleration sensor - Google Patents
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Description
本発明は、加速度が印加されたときの静電容量の変化に基づいて加速度を検出する加速度センサに関する。 The present invention relates to an acceleration sensor that detects acceleration based on a change in capacitance when acceleration is applied.
従来より、高加速度を測定可能な加速度センサについて感度調整を行う場合、測定範囲の最大加速度である高加速度を加速度センサに印加することが困難であるので、印加可能な加速度を加速度センサに印加して感度調整を行う方法が一般的に知られている。 Conventionally, when adjusting the sensitivity of an acceleration sensor that can measure high acceleration, it is difficult to apply high acceleration, which is the maximum acceleration in the measurement range, to the acceleration sensor. A method for adjusting the sensitivity is generally known.
また、加速度センサに調整用キャパシタンスを設け、この調整用キャパシタンスをトリミング処理することで加速度センサの感度調整を行う方法が、例えば特許文献1で提案されている。
For example,
しかしながら、高加速度を測定可能な加速度センサに印加可能な加速度を印加して感度調整を行う方法では、感度調整時の印加加速度が小さいと、加速度センサの出力値が何らかの原因によって発生したノイズに埋もれてしまう可能性がある。すなわち、加速度センサの出力値よりもノイズの値が大きくなってしまい、加速度センサからノイズが出力されてしまう。このため、出力値の感度調整ができなかったり、感度調整の誤差が大きくなってしまうという問題がある。 However, in the method of adjusting sensitivity by applying acceleration that can be applied to an acceleration sensor capable of measuring high acceleration, if the applied acceleration at the time of sensitivity adjustment is small, the output value of the acceleration sensor is buried in noise generated for some reason. There is a possibility that. That is, the noise value becomes larger than the output value of the acceleration sensor, and the noise is output from the acceleration sensor. For this reason, there is a problem that the sensitivity adjustment of the output value cannot be performed or the error of the sensitivity adjustment becomes large.
本発明は上記点に鑑み、高加速度を印加することなく感度調整を行うことが可能な加速度センサを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an acceleration sensor capable of adjusting sensitivity without applying high acceleration.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、固定電極(12、15)と、固定電極(12、15)に対して変位可能に形成された可動電極(11、14)と、を有し、可動電極(11、14)に加速度が印加されることで当該加速度に応じた固定電極(12、15)と可動電極(11、14)との間の静電容量の変化を検出するセンシング部(10)を備えている。
In order to achieve the above object, in the invention described in
また、オペアンプ(21)と、オペアンプ(21)の入出力端子間に接続された帰還容量(23)と、を有し、帰還容量(23)の帰還容量値に基づいてセンシング部(10)で検出された静電容量の変化を電圧信号に変換するC−V変換部(20)を備えている。 The sensing unit (10) includes an operational amplifier (21) and a feedback capacitor (23) connected between the input and output terminals of the operational amplifier (21). Based on the feedback capacitance value of the feedback capacitor (23), A CV conversion unit (20) that converts the detected change in capacitance into a voltage signal is provided.
さらに、感度を調整するための感度調整値を有し、C−V変換部(20)から電圧信号を入力すると共に感度調整値に基づいて電圧信号の感度を調整する感度調整部(30)を備えている。 Further, a sensitivity adjustment unit (30) having a sensitivity adjustment value for adjusting the sensitivity and inputting the voltage signal from the CV conversion unit (20) and adjusting the sensitivity of the voltage signal based on the sensitivity adjustment value is provided. I have.
そして、C−V変換部(20)は、帰還容量(23)の帰還容量値よりも小さい容量値であり当該容量値が調整可能に構成された感度調整容量値を有すると共にオペアンプ(21)の入出力端子間に帰還容量(23)に対して並列に接続された感度調整容量(24)を有し、さらに、帰還容量(23)及び感度調整容量(24)のいずれか一方がオペアンプ(21)に対して接続されるように接続状態が切り替え可能になっている。 The CV conversion unit (20) has a capacitance value that is smaller than the feedback capacitance value of the feedback capacitor (23) and has a sensitivity adjustment capacitance value that can be adjusted, and the operational amplifier (21). A sensitivity adjustment capacitor (24) connected in parallel with the feedback capacitor (23) is provided between the input and output terminals, and either one of the feedback capacitor (23) and the sensitivity adjustment capacitor (24) is an operational amplifier (21 The connection state can be switched so as to be connected to.
また、感度調整部(30)の感度調整値は、可動電極(11、14)に加速度が印加されない状態で、オペアンプ(21)に感度調整容量(24)が接続された第1接続状態での電圧信号と、オペアンプ(21)に帰還容量(23)が接続された第2接続状態での電圧信号と、の電圧差が取得される第1感度調整と、当該電圧差に基づいて帰還容量値が感度調整容量値に対して所定の倍率の容量差になるように感度調整容量値が調整される第2感度調整と、第2感度調整の後、可動電極(11、14)に加速度が印加された状態で第1接続状態での電圧信号に基づいて当該感度調整値の調整が行われる第3感度調整と、によって設定されていることを特徴とする。 The sensitivity adjustment value of the sensitivity adjustment unit (30) is the value in the first connection state in which the sensitivity adjustment capacitor (24) is connected to the operational amplifier (21) in a state where no acceleration is applied to the movable electrodes (11, 14). The first sensitivity adjustment in which the voltage difference between the voltage signal and the voltage signal in the second connection state in which the feedback capacitor (23) is connected to the operational amplifier (21) is acquired, and the feedback capacitance value based on the voltage difference Is applied to the movable electrodes (11, 14) after the second sensitivity adjustment, in which the sensitivity adjustment capacitance value is adjusted so that the difference between the sensitivity adjustment capacitance value and the sensitivity adjustment capacitance value is a predetermined magnification. And the third sensitivity adjustment in which the sensitivity adjustment value is adjusted based on the voltage signal in the first connection state.
これによると、感度調整値の調整時に帰還容量値よりも小さい感度調整容量値の感度調整容量(24)に切り替えられると共に、帰還容量値に対して所定の倍率の容量値になるように感度調整容量値が調整される構成となっている。このため、可動電極(11、14)に小さい加速度が印加されたとしてもC−V変換部(20)で大きな電圧信号が得られるので、当該電圧信号に基づいて感度調整値の調整が可能となる。したがって、センシング部(10)に高加速度を印加することなく感度調整値の調整を行うことができる。 According to this, when the sensitivity adjustment value is adjusted, the sensitivity adjustment capacitance (24) having a sensitivity adjustment capacitance value smaller than the feedback capacitance value is switched, and the sensitivity adjustment is performed so that the capacitance value has a predetermined magnification with respect to the feedback capacitance value. The capacity value is adjusted. For this reason, even if a small acceleration is applied to the movable electrodes (11, 14), a large voltage signal can be obtained by the CV conversion unit (20). Therefore, the sensitivity adjustment value can be adjusted based on the voltage signal. Become. Therefore, the sensitivity adjustment value can be adjusted without applying high acceleration to the sensing unit (10).
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した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。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る加速度センサは、センシング部に印加された加速度を検出する容量式のセンサデバイスである。加速度センサは、車両に搭載され、車両の衝突を検出するものとして用いられる。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The acceleration sensor according to the present embodiment is a capacitive sensor device that detects acceleration applied to a sensing unit. The acceleration sensor is mounted on a vehicle and used to detect a vehicle collision.
図1に示されるように、加速度センサは、センシング部10、C−V変換部20、及び感度調整部30を備えて構成されている。
As shown in FIG. 1, the acceleration sensor includes a
センシング部10は、加速度として車両の衝突の際に当該センシング部10が受ける加速度を検出する検出手段である。具体的には、センシング部10は、可動電極11と固定電極12とが対向配置された第1コンデンサ13と、可動電極14と固定電極15とが対向配置された第2コンデンサ16と、が直列に接続されて構成されている。
The
ここで、可動電極11、14及び固定電極12、15は、例えばSOI基板の半導体層に形成された梁構造体の一部であり、櫛歯電極として形成されている。可動電極11は固定電極12に対して変位可能に形成され、可動電極14は固定電極15に対して変位可能に形成されている。
Here, the
そして、センシング部10は、可動電極11、14に加速度が印加されることで当該加速度に応じた固定電極12、15と可動電極11、14との間の静電容量の変化を検出する。例えば、加速度の印加によって可動電極11と固定電極12の間の容量がΔC増加すると、可動電極14と固定電極15との間の容量が逆にΔC減少する。
And the
このように、可動電極11、14及び固定電極12、15は、加速度の印加に伴って互いに対称動作を行い、対称的な容量変化を生じさせる。したがって、各固定電極12、15に対して互いに反転する信号(搬送波)を周期的に印加することで、可動電極11、14の変位に応じた各コンデンサ13、16における静電容量(差動容量)の変化をC−V変換部20に出力する。
As described above, the
本実施形態に係る加速度センサは車両の衝突を検出するが、衝突時の加速度は例えば480Gである。したがって、センシング部10は500G程度の加速度を検出できるように構成されている。
The acceleration sensor according to the present embodiment detects a vehicle collision, and the acceleration at the time of the collision is, for example, 480G. Therefore, the
C−V変換部20は、センシング部10から入力した静電容量の変化を電圧信号に変換するものである。C−V変換部20は、オペアンプ21、スイッチ22、帰還容量23、及び感度調整容量24を有して構成されている。
The
オペアンプ21は、反転入力端子に可動電極11、14が接続されており、反転入力端子と出力端子との間に、スイッチ22を介して帰還容量23及び感度調整容量24が並列に接続されている。オペアンプ21の非反転入力端子には、搬送波として印加される電圧Vdd(例えば5V)の1/2の電圧とされる中間電圧Vdd/2(例えば2.5V)が入力される。
The
スイッチ22は、帰還容量23及び感度調整容量24のいずれか一方がオペアンプ21の入出力端子間に接続されるように接続状態を切り替え可能にするものである。具体的には、スイッチ22は、感度調整部30の感度調整時に図示しない制御信号発生回路からの信号によってオペアンプ21と感度調整容量24とを接続するように切り替えられる。一方、スイッチ22は、感度調整部30の感度調整後すなわち加速度センサが製品として出荷される前に制御信号発生回路によってオペアンプ21と帰還容量23とを接続するように切り替えられる。
The
感度調整容量24は、感度調整部30の感度調整時にオペアンプ21の入出力端子間に接続される。感度調整容量24は、帰還容量23の帰還容量値(Cf)よりも小さい容量値であり当該容量値が調整可能に構成された感度調整容量値(Ca)を有する。具体的には、感度調整容量24は、複数の調整用容量24aが並列に接続されて構成されている。また、各調整用容量24aにはスイッチ24bが直列接続されており、上述の制御信号発生回路によって駆動されるようになっている。すなわち、各スイッチ24bが制御されることで感度調整容量24の感度調整容量値(Ca)が変化する。
The
なお、複数の調整用容量24aのうちの一つは必ずスイッチ22に接続されている。また、複数の調整用容量24aはそれぞれ容量値が異なるように形成されている。容量値の細かい調整を行うという観点から、スイッチ24bが接続された調整用容量24aの容量値は、スイッチ24bが接続されていない調整用容量24aの容量値よりも十分小さいことが好ましい。
One of the plurality of
上記の構成において、C−V変換部20は、帰還容量23の帰還容量値に基づいてセンシング部10で検出された静電容量の変化を電圧信号に変換し、当該電圧信号を感度調整部30に出力する。
In the above configuration, the
感度調整部30は、C−V変換部20から電圧信号を入力して電圧信号の感度を調整するものである。このため、感度調整部30は、感度を調整するための感度調整値を有し、当該感度調整値に基づいて電圧信号の感度を調整するための図示しないオペアンプや抵抗等を備えて構成されている。感度調整値は、電圧信号に対する増幅率(ゲイン)である。感度調整部30は、感度調整した電圧信号を出力信号(Vout)として外部に出力する。以上が、本実施形態に係る加速度センサの全体構成である。
The
次に、感度調整部30の感度調整方法について説明する。まず、図1に示された構成の加速度センサを製造する。そして、加速度センサを図示しない感度調整装置に設置し、当該感度調整装置に設けられた制御信号発生回路によってスイッチ22を感度調整容量24に接続する。
Next, a sensitivity adjustment method of the
この後、以下の手順に沿って感度調整のための準備を行う。はじめに、手順1(第1感度調整)として、可動電極11、14に加速度が印加されない状態で、オペアンプ21に感度調整容量24が接続された第1接続状態での電圧信号と、オペアンプ21に帰還容量23が接続された第2接続状態での電圧信号と、の電圧差を取得する。この電圧差は、帰還容量23の帰還容量値と感度調整容量24の感度調整容量値との容量差の誤差を含んでいる。
Thereafter, preparations for sensitivity adjustment are made according to the following procedure. First, as procedure 1 (first sensitivity adjustment), the voltage signal in the first connection state in which the
帰還容量23の帰還容量値は感度調整容量24の感度調整容量値に対して例えば10倍となるようにC−V変換部20が製造されているが、製造上の誤差が電圧差に含まれている。したがって、帰還容量値と感度調整容量値とが所定の倍率(例えば10倍)になっていない。
The
続いて、手順2(第2感度調整)として、手順1で取得した電圧差に基づいて帰還容量値が感度調整容量値に対して所定の倍率(例えば10倍)の容量差になるように感度調整容量値を調整する。すなわち、感度調整装置の制御信号発生回路によって感度調整容量24の各スイッチ24bのON/OFFを制御する。
Subsequently, as procedure 2 (second sensitivity adjustment), the sensitivity is set so that the feedback capacitance value becomes a capacitance difference of a predetermined magnification (for example, 10 times) with respect to the sensitivity adjustment capacitance value based on the voltage difference acquired in
そして、手順3として、感度調整容量値を調整した後の第1接続状態での電圧信号と第2接続状態での電圧信号との電圧差を取得する。これにより、帰還容量値と感度調整容量値との容量差を取得する。 Then, as a procedure 3, the voltage difference between the voltage signal in the first connection state and the voltage signal in the second connection state after adjusting the sensitivity adjustment capacitance value is acquired. Thereby, the capacitance difference between the feedback capacitance value and the sensitivity adjustment capacitance value is acquired.
この後、手順4として、手順2と手順3とを繰り返す。すなわち、再び第1接続状態での電圧信号と第2接続状態での電圧信号との電圧差(容量差)を取得して電圧差が所定の誤差の範囲内となるようにスイッチ24bを切り替えて感度調整容量24の感度調整容量値を調整する。なお、手順2と手順3とを予め所定回数繰り返すようにしても良い。これにより、帰還容量値に対する感度調整容量値の倍率の精度を向上させることができる。上記の手順1〜4が、感度調整のための準備に相当する。
Thereafter, procedure 2 and procedure 3 are repeated as procedure 4. That is, the voltage difference (capacitance difference) between the voltage signal in the first connection state and the voltage signal in the second connection state is obtained again, and the
次に、手順5(第3感度調整)として、可動電極11、14に加速度が印加された状態で第1接続状態での電圧信号に基づいて当該感度調整値の調整を行う。当該調整時では、C−V変換部20のスイッチ22は感度調整容量24に接続されているので、小さな加速度で大きな出力が得られる状態になっている。したがって、例えば地球の重力、言い換えると可動電極11、14に加速度が印加されるように加速度センサを傾ける。これにより、高加速度を加えたときと同等の高出力が得られるので、この状態で感度調整部30の感度調整値(ゲイン)の調整を行う。
Next, as procedure 5 (third sensitivity adjustment), the sensitivity adjustment value is adjusted based on the voltage signal in the first connection state in a state where acceleration is applied to the
感度調整値の調整後、制御信号発生回路によってスイッチ22の接続を帰還容量23に切り替える。これにより、加速度センサが製品として動作する。
After the adjustment of the sensitivity adjustment value, the connection of the
以上説明したように、本実施形態では、感度調整部30の感度調整値の調整時に帰還容量値よりも小さい感度調整容量値の感度調整容量24に切り替え、帰還容量値に対して所定の倍率の容量値になるように感度調整容量値を調整できる構成が特徴となっている。この構成により、可動電極11、14に小さい加速度を印加してもC−V変換部20で大きな電圧信号を得ることができる。このため、ノイズに対するS/Nが増加し、加速度センサに高い加速度を印加する必要が無く、当該電圧信号に基づいて高レンジでの感度調整値の調整を行うことができる。
As described above, in the present embodiment, when adjusting the sensitivity adjustment value of the
また、加速度センサが搭載される車両の衝突は数百Gにもなり、そのような高加速度を印加して感度調整することは非常に困難である。しかしながら、本実施形態に係る加速度センサでは、数百Gという高加速度を印加することなく高加速度レンジでの感度調整を行うことができる。 In addition, the collision of a vehicle equipped with an acceleration sensor can be several hundred G, and it is very difficult to adjust sensitivity by applying such high acceleration. However, the acceleration sensor according to the present embodiment can perform sensitivity adjustment in a high acceleration range without applying a high acceleration of several hundred G.
(第2実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分について説明する。図2に示されるように、帰還容量23は、同一の容量値であるm個の調整用容量23a(Cs)の組み合わせによって帰還容量値が設定されている。同様に、感度調整容量24は、同一の容量値であるn個の調整用容量24c(Cs)の組み合わせによって感度調整容量値が設定されている。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, parts different from the first embodiment will be described. As shown in FIG. 2, the
すなわち、帰還容量23の調整用容量23aの容量値と感度調整容量24の調整用容量24cの容量値は同じ値であり、帰還容量23及び感度調整容量24は微少容量値の調整用容量23a、24cがそれぞれ異なる整数倍の個数で組み合わされることでそれぞれ構成されている。
That is, the capacitance value of the
これを数式で表すと、帰還容量23の帰還容量値はCf=m×Csとなり、感度調整容量24の感度調整容量値はCa=n×Csとなる。また、各調整用容量23a、24cは同じ容量値となるように形成されているので各調整用容量23a、24cの誤差成分(Δ)が全て同じになる。このため、以下の数式1に示されるように、帰還容量値に対する感度調整容量値の倍率の調整の際に各調整用容量23a、24cに含まれる誤差成分(Δ)を相殺することができる。
When this is expressed by a mathematical expression, the feedback capacitance value of the
したがって、帰還容量23及び感度調整容量24を同一の容量値を持つ複数の調整用容量23a、24cで構成することで、手順2(第2感度調整)において、帰還容量値に対する感度調整容量値の倍率の調整の精度を向上させることができる。
Therefore, by configuring the
(他の実施形態)
上記各実施形態で示された加速度センサの構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、感度調整容量値の調整時において、手順2と手順3とを繰り返す必要は無く、手順2及び手順3は一回でも良い。
(Other embodiments)
The configuration of the acceleration sensor shown in each of the above embodiments is an example, and is not limited to the configuration shown above, and may be another configuration that can realize the present invention. For example, when adjusting the sensitivity adjustment capacity value, it is not necessary to repeat the procedure 2 and the procedure 3, and the procedure 2 and the procedure 3 may be performed once.
また、加速度センサは車両に搭載される場合に限られない。したがって、加速度センサは加速度の検出が必要な他の装置等に用いられても構わない。同様に、加速度センサは衝突以外の加速度を検出するものとして用いられても構わない。 Further, the acceleration sensor is not limited to being mounted on a vehicle. Therefore, the acceleration sensor may be used in other devices that need to detect acceleration. Similarly, the acceleration sensor may be used for detecting acceleration other than collision.
10 センシング部
11、14 可動電極
12、15 固定電極
20 C−V変換部
21 オペアンプ
23 帰還容量
24 感度調整容量
30 感度調整部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
オペアンプ(21)と、前記オペアンプ(21)の入出力端子間に接続された帰還容量(23)と、を有し、前記帰還容量(23)の帰還容量値に基づいて前記センシング部(10)で検出された前記静電容量の変化を電圧信号に変換するC−V変換部(20)と、
感度を調整するための感度調整値を有し、前記C−V変換部(20)から前記電圧信号を入力すると共に前記感度調整値に基づいて前記電圧信号の感度を調整する感度調整部(30)と、
を備え、
前記C−V変換部(20)は、前記帰還容量(23)の前記帰還容量値よりも小さい容量値であり当該容量値が調整可能に構成された感度調整容量値を有すると共に前記オペアンプ(21)の入出力端子間に前記帰還容量(23)に対して並列に接続された感度調整容量(24)を有し、さらに、前記帰還容量(23)及び前記感度調整容量(24)のいずれか一方が前記オペアンプ(21)に対して接続されるように接続状態が切り替え可能になっており、
前記感度調整部(30)の前記感度調整値は、
前記可動電極(11、14)に前記加速度が印加されない状態で、前記オペアンプ(21)に前記感度調整容量(24)が接続された第1接続状態での前記電圧信号と、前記オペアンプ(21)に前記帰還容量(23)が接続された第2接続状態での前記電圧信号と、の電圧差が取得される第1感度調整と、
当該電圧差に基づいて前記帰還容量値が前記感度調整容量値に対して所定の倍率の容量差になるように前記感度調整容量値が調整される第2感度調整と、
前記第2感度調整の後、前記可動電極(11、14)に前記加速度が印加された状態で前記第1接続状態での前記電圧信号に基づいて当該感度調整値の調整が行われる第3感度調整と、
によって設定されていることを特徴とする加速度センサ。 A fixed electrode (12, 15); and a movable electrode (11, 14) formed to be displaceable with respect to the fixed electrode (12, 15). The movable electrode (11, 14) is accelerated. A sensing unit (10) for detecting a change in capacitance between the fixed electrode (12, 15) and the movable electrode (11, 14) according to the acceleration by being applied;
An operational amplifier (21), and a feedback capacitor (23) connected between input and output terminals of the operational amplifier (21), and the sensing unit (10) based on a feedback capacitance value of the feedback capacitor (23) A CV conversion unit (20) that converts the change in capacitance detected in step 1 into a voltage signal;
A sensitivity adjustment unit (30) having a sensitivity adjustment value for adjusting the sensitivity, inputs the voltage signal from the CV conversion unit (20), and adjusts the sensitivity of the voltage signal based on the sensitivity adjustment value. )When,
With
The CV conversion unit (20) has a capacitance value that is smaller than the feedback capacitance value of the feedback capacitance (23) and has a sensitivity adjustment capacitance value that can be adjusted, and the operational amplifier (21 ) Has a sensitivity adjustment capacitor (24) connected in parallel to the feedback capacitor (23) between the input and output terminals, and is either one of the feedback capacitor (23) and the sensitivity adjustment capacitor (24). The connection state can be switched so that one is connected to the operational amplifier (21).
The sensitivity adjustment value of the sensitivity adjustment unit (30) is:
The voltage signal in the first connection state in which the sensitivity adjustment capacitor (24) is connected to the operational amplifier (21) in a state where the acceleration is not applied to the movable electrodes (11, 14), and the operational amplifier (21). A first sensitivity adjustment in which a voltage difference between the voltage signal and the voltage signal in a second connection state in which the feedback capacitor (23) is connected to is acquired;
A second sensitivity adjustment in which the sensitivity adjustment capacitance value is adjusted so that the feedback capacitance value becomes a capacitance difference of a predetermined magnification with respect to the sensitivity adjustment capacitance value based on the voltage difference;
After the second sensitivity adjustment, the sensitivity adjustment value is adjusted based on the voltage signal in the first connection state in a state where the acceleration is applied to the movable electrodes (11, 14). Adjustment,
An acceleration sensor characterized by being set by
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