JPH0324465A - 温度補正装置付歪みセンサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、温度補正装置付歪みセンサ装置に関し、特に
、温度依存性を排除して検出精度を向上できるようにし
た温度補正装置付歪みセンサ装置に関する。

（従来の技術） 衝突時にその衝撃を検知してエアバッグを膨らませ、運
転者が受ける衝撃を和げるようにした安全装置が自動車
に搭載されるようになってきた。

このような車載の安全装置、およびその他、衝撃を検出
してその検出結果をもとに各種制御を行う装置では、加
速度センサによって前記衝撃を検出するようにしている
ことが多い。この加速度センサには一般に歪みゲージセ
ンサが応用されている。

前記加速度センサの一例として、一端が基板上に固定さ
れ、他端に重りが装着された加速度の検出媒体である検
出板を有し、この検出板に歪みセンサを設けた構造を有
する加速度センサがある。

このような加速度センサにおいて、加速度を受けて前記
検出板が撓むと、これに応じて前記歪みセンサが歪む。

この歪みの多少によって加速度を検出するようにしてい
る。

前記車載の安全装置では、予定の値を超える大きな加速
度が検出された場合に、エアバッグを膨らますためのイ
ンフレータを起動させるようにしている。

（発明が解決しようとする課題） 上記のような加速度センサにおいて使用される歪みセン
サは使用環境の温度変化に対する温度依存性が大きい。

すなわち、歪みセンサを構成する歪みゲージや、半導体
歪み検知素子などのゲージ率は温度変化に伴って変化す
る。

ところが、従来は、歪みセンサの温度補正は十分に行わ
れていなかった。

したがって、温度変化に対して影響を受けない歪みセン
サの実現が望まれていた。

本発明の目的は、上記の課題を解決し、温度依存性を排
除した温度補正装置付歪みセンサを提供することにある
。

（課題を解決するための手段および作用）上記の課題を
解決し、目的を達成するために、本発明は、歪み検出用
検出板上の撓みおよび温度が実質的に等しい位置に、感
度が異なっていて温度依存性が等しい２つの歪み検知部
を設け、この２つの歪み検知部の出力に基づいて加速度
を検出するように構成した点に特徴がある。

また、本発明は、前記２つの歪み検知部の一方が、感度
を問わない歪み検知部であって、前記検出板上の撓みを
生じない固定部に配置されたことを特徴とする点に第２
の特徴がある。

上記特徴を有する本発明では、前記温度依存性が等しい
２つの歪み検知部の出力に基づいて加速度を検出するよ
うにしたので、このような検知部を有する歪みセンサの
出力から温度変化の影響を排除できる。

（実施例） 以下に図面を参照して本発明の実ｆｍ　ｆＭＩを説明す
る。

第２図は本発明の一実施例である歪みセンサを応用した
加速度センサの斜視図、およびその要部拡大図を示す。

第２図（ａ）において、セラミック基板１には加速度セ
ンサ２０が設けられている。この加速度センサ２０は、
セラミック材料、樹脂材料などで形或された検出板２、
およびその一端に設けられた重り３、ならびに前記検出
板２に設けられた電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）４ａ
，４ｂを備えている。このＦＥＴ４ａ，４ｂは、歪み検
知部としての機能を果たす素子であって、検出板２が撓
むことによって生じる応力の変化を電流の変化として取
出せるように構成されている。

以上の構戊要素を含む加速度センサ２０は、前記基板１
に対し、前記検出板２の他端を接合することによって固
定されている。

ＦＥＴ４ａ　　４ｂはそのチャネル方向が互いに交差す
るように検出板２上に配置される。つまりＦＥＴ４ａは
そのチャネル方向を検出板２の長手方向と一致させて配
置し、ＦＥＴ４ｂはそのチャネル方向がＦ　Ｅ　Ｔ．４
　ａのチャネル方向と９０度具なるような状態で配置さ
れている。

このようにＦＥＴ４ａ，４ｂはチャネル方向か異なるよ
うな状態で配置されているので、検出板２が同一量だけ
撓んだ場合でも、互いのチャネルに生じる応力が異なる
。その結果、同一特性のＦＥＴによって検出板の撓みに
対して感度の異なる歪み検知部が得られる。このＦＥＴ
４ａ，４ｂとしては出力の温度依存性が等しいものを使
用する。

第２図（Ｃ）に第２図（ａ）の細部を拡大して示す。

ＦＥＴ４ａ，４ｂは検出板２に張付けられた半導体ＳＣ
と、この半導体ＳＣの一端に設けられたドレインＤおよ
び他端に設けられたソースＳ１ならびに半導体ＳＣの中
央部に設けられたゲートＧをＨしている。

ＦＥＴ４ａ，４ｂを構成する半導体材料としては、ガリ
ウムひ素が使用され、検出板２もこれらと同一または同
等の半導体材料で形成することができる。

なお、ＦＥＴ４と検出板２とを同一または同等の材料に
する時はドレインＤおよびソースＳならびにゲートＧを
検出板２上に直接形成してＦＥＴ４ａ，４ｂを構戊して
もよい。

一方、第２図（ｂ）に示した加速度センサの例では、２
つのＦＥＴのうち一方のＦＥＴ４ａは検出板２が撓みを
生じる部分、つまり検出板２のほぼ中央部に配置され、
他方のＦＥＴ４ｂは検出板２の撓みを生じない部分、つ
まり基板１寄りに配置してある。

上記のように構成されている加速度センサては、この加
速度センサが装着された披検出体に加速度か加わると、
その加速度の大きさおよび方向に応じて検出板２が撓む
。

検出板２が撓むと、その撓み量に応じてＦＥＴ４ａ，４
ｂのチャネル部に応力が発生し、この応力によって生じ
る圧電効果によってゲートＧにかかる電圧が変化する。

その結果、ゲートＧに印加されている電圧が一定であっ
ても、この一定の電圧に前記圧電効果によって生じる電
圧が加わってゲート電圧が変化し、それに伴ってソース
・ドレイン電流が変化する。この電流変化よって加速度
の大きさを検出することができる。

前記電流変化に基づいて加速度を検出する具体的手段と
しては、前記加速度に応して変化する電流を後述の発振
手段に供給し、この供給電流に応じて変化する発振手段
の出力周波数信号から加速度を検出する手段がある。

また、歪み検知部として機能する歪み検知素子として、
ＦＥＴ４ａ，４ｂの代わりに歪みゲージを構成するピエ
ゾ抵抗を検出板２の撓み発生部に設けてもよい。

前記第２図（ａ）の配置のように、各ビエゾ抵抗を近接
して配置する場合は、使用するビエゾ抵抗の感度を互い
に異なるものにするか、各ピエゾ抵杭の配置方向を変え
て感度が異なるようにするかの、いずれかを必要とする
。また、第２図（ｂ）の配置のように一方のビエゾ抵抗
を検出板２の撓みの発生しない部分に配置する場合は、
各ピエゾ抵杭の感度は問わない。

各ピエゾ抵抗は、後述するように、別に設けられる抵抗
と組合わせて、ブリッジ回路や、分圧器を構或する歪み
ゲージの一部となる。

次に、上記のように構威されている加速度センサの温度
補正制御について説明する。第１図は第２図（ａ）　，
　　（ｂ）に示したような加速度センサにおいて温度補
正装置を含む加速度センサ装置の回路図を示す。

同図において、温度補正のために２つの歪み検知素子を
備えた加速度センサが、２組設けられている。すなわち
、歪み検知素子として合計４つのＦＥＴ４ａ〜４ｄが設
けられている。

このように加速度センサを２組設けているのは、各加速
度センサの故障を診断する機能を持たせているためであ
る。つまり、２組の加速度センサの出力差を監視し、こ
の差が予定の値以上になった場合に、少なくとも一方の
センサが故障したと判断して故障表示を行うようにする
。

このような故障診断機能は特願平１一 号（Ａ８　９−０　５　２　１）の明細書に示している
のでここでは説明を省略する。

故障診断を行わず、温度補正だけを行うためには、歪み
検知素子４ａ，４ｂのみを有する一組の加速度センサを
設ければ良いのはいうまでもない。

同図において、４つの発振回路５およびカレントミラ−
回路８は、１つのみ細部を示し、他は細部の記載を省略
している。

第１図において、ＣＰＵＩＯで設定された適当な一定電
圧がＤ／Ａ変換器９を介してＦＥＴ４ａ，４ｂ，４ｃ，
４ｄのゲートに供給される。

前記ＦＥＴ４ａのゲートに印加される電圧、およびＦＥ
Ｔ４のソース・ドレイン間に印加される電圧に応じてＦ
ＥＴ４ａのソース・ドレイン電流ＩＤが決定される。

ＦＥＴ４ａのドレインはトランジスタＴｒｉのコレクタ
、およびＴｒｉ，Ｔｒ２のベースに接続されている。一
方、トランジスタＴｒ２のコレクタには発振回路５の抵
抗ＲＯとコンデンサＣＯならびに抵抗Ｒ３の一端が接続
されている。

トランジスタＴｒｉ，Ｔｒ２、およびこれらと接続され
るラインによってカレントミラー回路８が構或されてい
る。このカレントミラー回路８において、トランジスタ
Ｔｒ２のコレクタに流込む電流Ｉｓは、トランジスタＴ
ｒｉ，Ｔｒ２のベスに供給される電流、つまりソース・
ドレイン電流ＩＤに応じて、このソース・ドレイン電流
と一致するように変化させられる。

また、発振回路５のＦＥＴ６およびＦＥＴ７のそれぞれ
のゲートには、コンデンサＣＯの容量および抵抗ＲＯの
抵抗値に従って決定される周期で交互に電圧が印加され
る。したがって、ＦＥＴ６およびＦＥＴ７は交互に導通
、非導通の状態を繰返し、周波数信号ｆｓｌが得られる
。

前記周波数信号ｆｓｌの周波数は、前記コレクタ電流Ｉ
ｓによっても変化する。すなわち、電流ＩＳの増加に応
じて発振回路５の出力周波数が高くなる。

したがって、発振回路５から出力される周波数信号ｆｓ
ｌの周波数を検出することによって電流ＩＳを検出でき
る。電流Ｉｓはソース・ドレイン電流！Ｄに追従して変
化するので、電流ＩＳはソース・ドレイン電流ＩＤに対
応する。

さらに、ソース・ドレイン電流ＩＤは、ゲート電圧によ
って決定されるが、このゲート電圧は上述のようにＦＥ
Ｔ４ａにかかる応力によって生じる圧電効果によって変
化するため、ＣＰＵＩＯから印加されるゲート電圧が一
定の場合のソース・ドレイン電流ＩＤは、ＦＥＴ４ａに
かかる応力、すなわちこのＦＥＴ４ａが設けられた検出
板２にかかる加速度を示していることになる。

このように、発振回路５から出力される周波数信号ｆｓ
ｌに基づいてＦＥＴ４ａにかかる応力を検出できるので
、結果的に周波数信号ｆｓｌの周波数に対応する加速度
をあらかじめ記憶（ＲＯＭ化）しておくことによって、
この周波数信号をＲＯＭ化されている値と対応させれば
、ＦＥＴ４ａが設けられた検出板２に加わった加速度の
大きさを検知することができる。

ＦＥＴ４ｂ〜４ｄのソース・ドレイン電流も上記ＦＥＴ
４ｇのソース・ドレイン電流と同様、カレントミラ−回
路８に供給され、それぞれのカレントミラー回路８に接
続された発振回路５から周波数信号ｆｓ２，ｆｓ３．ｆ
ｓ４の信号を出力する。

前記各周波数信号ｆｓｌ〜ｆｓ４に基づいて次のように
温度補正が行われる。

前記周波数信号ｆｓｌ〜ｆｓ４のうち、周波数信号ｆｓ
２は周波数信号ｆｓｌの温度補正を行うための比較出力
になり、周波数信号ｆｓ４は周波数信号ｆｓ３の比較出
力になる。前記周波数信号ｆｓｌ，ｆｓ２、および周波
数信号ｆ　ｓ　３，ｆｓ４はそれぞれ組になって各加速
度センサの出力としてＣＰＵＩＯに人力される。

発振回路５から出力される周波数信号ｆｓｌ，ｆＳ２の
周波数Ｆｓｌ，Ｆｓ２と、加速度センサの温度Ｔ、なら
びに検出板２の歪みεは例えば、次式のような関係にあ
る。

Ｆｓ　１−ｋｌ　・ε１＋Ｋ−ΔＴ十Ｆ　ｓ　Ｏ−４１
）Ｆｓ２−ｋ２・　ε２＋Ｋ・ΔＴ＋Ｆｓ　Ｏ−｛２）
上式において、Ｋは温度係数、ｋｌ，ｋ２は感度によっ
て決定される定数、ＦｓＯは加速度が“０”の場合に発
振回路５から出力される信号の周波数、つまり基準周波
数である。

前記（１）式と（２）式との差を加速度の検出信号とし
て扱うようにすると各周波数Ｆｓｌ，Ｆｓ２の差は次式
（３〉のようになり、温度の影響は除去される。

Ｆｓｌ−Ｆｓ２−ｋｌ　　・　εｌ−ｋ２　・ε２−４
３）前記第２図（ａ）に示した配置例では検出板２上の
ほぼ近接した位置、つまり実質的に検出板２の撓みおよ
び温度が同じである位置にＦＥＴ４ａ，４ｂが配置され
ているので（３）式のε１，ε２は同等とみなすことが
できるので、検出された加速度データはＦＥＴ４ａ，４
ｂの感度にのみ依存する。

すなわち、２つの歪み検知素子の感度の差によって生じ
る周波数Ｆｓｌ，Ｆｓ２の差は加速度に対応する。した
がって、この周波数の差と加速度とを対応させたテーブ
ルを予め作成しておき、これを参照することによって加
速度を検出できる。

また、前記第２図（ｂ）に示した配置例ではＦＥＴ４ｂ
が設けられている検出板２の固定部分では歪みは生じな
いので出力周波数Ｆｓｌ，Ｆｓ２の差はＦＥＴ４ａの感
度を決定する定数ｋと検出板２の歪み係数ε１とのみに
依存する。

すなわち、ＦＥＴ４ｂのソース・ドレイン電流１Ｄは前
記ＣＰＵＩＯで設定された一定のゲート電圧で決まる値
になるため、発振回路５から出力される周波数信号ｆｓ
２の周波数Ｆｓ２は基準周波数ＦｓＱになる。そこで、
この基準周波数ＦｓＯおよび周波数Ｆｓｌの差と、加速
度とを対応させたテーブルを予め作成しておき、これを
参照することによって加速度を検出できる。

周波数信号ｆｓ３，ｆｓ４の関係も、周波数信号ｆｓｌ
，ｆｓ２の関係と同様である。

前記周波数信号ｆｓｌおよびｆｓ２の関係、ならびに周
波数信号ｆｓ３およびｆｓ４の関係に基づいて演算器１
０ａにおいて加速度を算出する。

すなわち、ＣＰＵＩＯに入力された各周波数信号は、演
算器１０ａにおいて各組毎に互いの差が算出されると共
に、その差を前記周波数と加速度との関係を記憶させた
テーブルに対応させて加速度を算出する処理が行われる
。ここで算出された加速度は上述のように周囲温度の影
響が排除されたデータ、つまり温度補正後の加速度検出
データである。

なお、上述の例では温度の影響を除去するため、２つの
周波数信号の差を算出し、これに基づいて加速度検出デ
ータを得るようにしたが、このように２つの周波数信号
の差を算出することに限定されない。要は、２つの周波
数信号に含まれる温度特性依イｊ部分を消去するような
演算手段を設け、これによって２つの周波数信号を演算
処理すれば温度の影響は除去できる。

次に、ビエゾ抵抗を用いた歪みゲージによる加速度検出
回路を説明する。

第３図，第４図は歪みゲージによる加速度検出回路の要
部を示す。同図において、第１図と同符号は同一または
同等部分を示す。

第３図において、ＦＥＴ１３のゲートには電源電圧Ｖｃ
ｃがビエゾ抵抗ＰＲＩ，ＰＲ２で分圧されて印加される
。このピエゾ抵抗ＰＲ１，ＰＲ２の少なくとも一方は、
前記第２図に示したＦＥＴ４ａ，４ｂの配置と同様に検
出板２に設けられる。

したがって、前記検出板２に加速度が加わると検出阪２
上に形成されたピエゾ抵抗が撓んでこのピエゾ抵杭の抵
抗値が変化し、ＦＥＴ１３のゲートに印加される電圧が
変化する。その結果、ＦＥＴ１３のソース・ドレイン電
流ＩＤが変化する。

ソース・ドレイン電流ＩＤが変化すると、電流Ｉｓも変
化して前記発振回路５から出力される周波数信号ｆｓの
周波数が変化する。

第４図では、ブリッジ回路１４を構成する抵抗ＲＩＯ〜
Ｒ１３の少なくとも１つが前記ＦＥＴ４　ａと同様、検
出板２に設けられて歪みゲージを構成する。ブリッジ回
路１４の出力電圧は増幅器１５を介してＦＥＴ１３のゲ
ートに印加される。

第４図に示した回路でも第３図の回路と同様、前記検出
板２に設けられた抵抗が撓んでこの抵抗の抵抗値が変化
し、ＦＥＴ１３のゲートに印加される電圧が変化する。

その結果、ＦＥＴ１３のソース・ドレイン電流ＩＤが変
化する。

第３図，第４図におけるＦＥＴ１３は歪みゲージではな
いので、検出板２に取付けるのではなく、基板１上など
の歪みを受けない場所に固定して使用される。

第３図および第４図の検出回路を、第１図に示したＦＥ
Ｔを歪み検知素子としている場合と同様、各加速度セン
サ毎に２組設け、その一方を比較出力とすることによっ
て温度補正装置を構戊する。

上記実施例では、歪み検知素子として設けたＦＥＴの感
度を検出板２に対するＦＥＴのチャネル方向によって変
化させたが、２つのＦＥＴのチャネルは同一方向であっ
てもＦＥＴ自体の感度特性が異なっていれば同様の効果
が得られるのはもちろんである。

なお、前記ＦＥＴ１３は歪みゲージから出力される電圧
を電流に変換する電圧／電流変換手段として機能するよ
うな、例えばバイボーラトランジスタを用いたオペアン
プを組合わせて構戊される電圧・電流変換回路であって
もよい。

本発明は、本実施例で説明した加速度センサ装置に限ら
ず、他の用途に使われる一般的歪みセンサ装置にも適用
できる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、歪み
センサの出力が周囲温度に影響されないので、歪みセン
サの感度を使用環境によって調整する必要がなくなり、
１種類の歪みセンサを広範囲の温度域で使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロック図、第２図は加
速度センサの斜視図、第３図．第４図は加速度検出のた
めの要部回路図である。 第１図 ２・・・検出板、３・・・重り、４ａ，４ｂ・・・ＦＥ
Ｔ，５・・・発振回路、８・・・カレントミラ−回路、
１０・・・ＣＰＵ，１０ａ・・・演算部、２０・・・加
速度センサ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）歪み検知部の出力に応じて予定の周波数信号を出
   力する発振手段を有し、この周波数信号に基づいて歪み
   を検出する温度補正装置付歪みセンサ装置において、 歪み検出用検出板上の、撓みおよび温度が実質的に等し
   い位置に配置され、互いの感度が異なっていて、出力の
   温度依存性が等しい２つの歪み検知部と、 これら２つの歪み検知部の出力に基づいて前記発振手段
   から出力される２つの周波数信号に含まれる温度特性依
   存部分を消去する演算手段と、前記温度特性依存部分が
   消去された周波数信号に基づいて歪み検出データを得る
   演算手段とを具備したことを特徴とする温度補正装置付
   歪みセンサ装置。
2. （２）歪み検知素子の出力に応じて予定の周波数信号が
   出力される発振手段を有し、この周波数信号に基づいて
   歪みを検出する温度補正装置付歪みセンサ装置において
   、 歪み検出用検出板上の、撓み発生部に設けられた第１の
   歪み検知部と、 前記検出板上の、撓みの生じない固定部に配置され、出
   力の温度依存性が前記第１の歪み検知部と等しい第２の
   歪み検知部と、 これら第１および第２の歪み検知部の出力に応じて前記
   発振手段から出力される２つの周波数信号に含まれる温
   度特性依存部分を消去する演算手段と、 前記温度特性依存部分が消去された周波数信号に基づい
   て歪み検出データを得る演算手段とを具備したことを特
   徴とする温度補正装置付歪みセンサ装置。
3. （３）前記温度特性依存部分を消去する演算手段が、前
   記２つの周波数信号の差を算出する演算手段であること
   を特徴とする請求項１または２記載の温度補正装置付歪
   みセンサ装置。
4. （４）前記２つの歪み検知部の感度の違いが、前記検出
   板に対する検知部の配置状態によって設定されたことを
   特徴とする請求項１記載の温度補正装置付歪みセンサ装
   置。
5. （５）前記歪み検知部が、電界効果トランジスタである
   ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の温度
   補正装置付歪みセンサ装置。
6. （６）前記歪み検知部が、ピエゾ抵抗であることを特徴
   とする請求項１、２、３または４記載の加速度センサの
   温度補正装置付歪みセンサ装置。