JPH0545373A

JPH0545373A - 加速度センサ

Info

Publication number: JPH0545373A
Application number: JP3207694A
Authority: JP
Inventors: Keizo Yamada; 恵三山田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1991-08-20
Filing date: 1991-08-20
Publication date: 1993-02-23
Anticipated expiration: 2013-10-15
Also published as: US5396439A; JP2812007B2

Abstract

(57)【要約】【目的】加速度センサのオフセットおよびその温度ド
リフトをキャンセルする。【構成】加速度検出する素子を有するブリッジ部８か
ら出力された電気信号を演算増幅器１の反転入力端子５
に入力しその出力をフィードバック抵抗４を通じてロー
パスフィルタを構成する演算増幅器２に入力する。ロー
パスフィルタの出力を演算増幅器１の非反転入力端子７
にフィードバックする。ブリッジ部８の出力とこのフィ
ードバックが引算されてキャンセルされオフセットとそ
の温度ドリフトが除去される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は加速度センサのオフセッ
トおよびその温度ドリフトの除去に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の金属機械加工に代って、シリコン
の機械強度およびその微細加工技術を利用した微小な半
導体加速度センサが製造されている。半導体加速度セン
サは、加速度を検出するためのおもり、おもりに加えら
れた加速度を応力の変化に変換するために必要な梁、お
よび応力を電気信号に変換素子の三つからなっている。
応力を検出する素子としては一般的にはピエゾ抵抗素子
が利用される。ピエゾ抵抗素子は抵抗体なので、抵抗体
の電気抵抗値の変化を電圧に変換する必要がある。又、
抵抗値および応力に対する感度が温度に対して変化する
ため、その影響を最小限にするために、ピエゾ抵抗体を
ブリッジ状に接続した回路が通常利用される。ブリッジ
回路からの出力電圧は外部の機器と接続するには電圧値
が小さすぎるため、通常はその出力電圧値が数ボルトの
オーダーになるまで増幅される。増幅度は使用する目的
にもよるが数百から数万倍の増幅が行われる。この様に
大きな増幅を行うため、検出素子のばらつきに起因する
ブリッジのアンバランスによるオフセット電圧や温度に
よるオフセット電圧の変動（温度ドリフト）等が出力信
号に大きな影響を与えており、加速度の測定精度を広い
温度範囲で保証することが困難であった。例えば大きな
オフセットが発生すると増幅器が飽和してしまい正確な
増幅ができなくなるという問題がある。

【０００３】そのため従来は図４に示すように、ブリッ
ジ部４１から出た信号を増幅率の小さな差動増幅部４２
に入力し、その出力にハイパスフィルタ部４３を配置し
て直流成分を取り除き、その後増幅度の大きい高倍率増
幅部４４を設けて必要な大きさの出力電圧が得られる構
成としていた（特開昭６３−２５５６６４号公報）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ハイパスフィルタはコ
ンデンサと抵抗で構成されるが、ハイパスフィルタを用
いると周波数によって信号の位相や振幅が変化し正確な
測定ができない。例えば位相が変化すると正の加速度を
負の加速度と誤って測定することがある。振幅が変化す
ると加速度の絶対値を誤って測定してしまう。また高倍
率増幅部４４の入力にハイパスフィルタ４３（コンデン
サ）を接続すると増幅器のオフセット電流の経路が絶た
れ、増幅器の動作に悪影響が出る。また差動増幅部４２
の出力にハイパスフィルタ４３（コンデンサ）を接続す
るとこのコンデンサの容量を大きくしないと出力インピ
ーダンスが上昇し、ノイズに対して弱くなるなどの欠点
が生じる。

【０００５】さらに、図４の回路では、ハイパスフィル
タ４３から出力された直後の信号はオフセットの影響が
無いが、その後段の高倍率増幅部４４で増幅された後の
信号には増幅器固有のオフセット電圧が生じ特性に悪影
響を与えていた。そのため、高倍率増幅部４４にはオフ
セット特性の良い増幅器を用いることが必要であり、コ
ストが高くついていた。

【０００６】本発明の目的はオフセットとその温度ドリ
フトを除去し、しかも信号の位相や振幅が変化せず、増
幅器のオフセット電流の経路が絶たれず、ノイズにも強
い加速度センサを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は加速度検出素子
から出力された電気信号を直流増幅する回路を備え、そ
の回路出力の直流成分を含む低周波数成分のみを前記増
幅回路にフィードバックする回路を備えたことを特徴と
する加速度センサである。本発明では、フィールドバッ
クループを外からの入力に応じて開閉する手段を設けて
もよい。またフィードバックループを構成するローパス
フィルタの時定数を電源投入時に短く、そのあと長くす
るようにしてもよい。

【０００８】

【作用】一般的に振動の測定において加速度センサに必
要とされる加速度の周波数範囲は０．１ヘルツから数キ
ロヘルツの範囲である。センサで問題となる温度ドリフ
トは通常、これらの信号の周波数に比較して非常に長い
周期を有している。よって、加速度センサから出力され
る信号のうち非常に低周波数の成分のみを取り除くこと
ができれば加速度センサの基本性能を悪化させることな
しに温度ドリフトなどの成分をキャンセルできる。一
方、センサ出力信号の増幅には高い直線性が要求される
ため、直流増幅器がその増幅に利用されることが多い。
直流増幅器には反転入力端子と非反転入力端子と呼ばれ
る２つの入力端子と１つの出力端子があり、２つの入力
端子に入力された信号の差に比例した信号が出力される
回路構成となっている。入力端子の１つは入力された信
号と同符号の増幅を行う端子（非反転入力端子）であ
り、もう１つは反対符号の増幅を行う端子（反転入力端
子）である。本発明によれば、例えばセンサからの信号
を反転入力端子に入れて増幅した後、直流を含む低周波
数の成分のみを非反転入力端子にフィードバックする回
路構成にすれば出力に現れるオフセットおよびその温度
ドリフトを消すことができる。また本発明の回路の場
合、センサとフィルタとは直列に接続されていないた
め、従来のような位相の回転や振幅の変化は起こらな
い。また、直流を含む低周波成分を取り出すためには大
きな時定数のローパスフィルターを利用する必要があ
り、通常のハイパスフィルタ構成とした場合出力インピ
ーダンスを下げるために大きなコンデンサを用いる必要
があるが、通常直流増幅器の入力インピーダンスは非常
に高くフィルタ回路の出力インピーダンスを気にする必
要がないため、本発明では小さなコンデンサと大きな抵
抗の組み合わせが採用でき、小型のローパスフィルタが
容易に実現できる。この回路構成では直流増幅器自身の
発生するオフセットもキャンセルしてしまうため、汎用
の安価な演算増幅器を利用することができる。

【０００９】本発明の回路では、フィールドバックグル
ープを開くと通常の直流増幅器として動作する。しか
も、ループの入力部分ループを開くと、開く直前にコン
デンサに蓄えられていた電圧は維持されるため、ループ
を開く直前の情報によって増幅器のオフセットはキャン
セルされ続ける。そのため、特定の同期信号を利用して
間欠的にループを閉じる動作をさせれば、ループの開い
ている間は直流増幅器として機能し、ループが閉じた瞬
間だけオフセットの補正のために補正がかかる動作を実
現できる。

【００１０】また本発明ではローパスフィルタを用いる
が、この回路は時定数が長いため電源投入時に無意味な
電圧が出力されてしまう。しかし、フィードバックルー
プの時定数を長くする必要があるのは実際に加速度を測
定し始めてからであり電源投入時は時定数が長い必要が
ない。よって、電源投入時には入力抵抗の抵抗値を小さ
くするなどして時定数を短くして急速にコンデンサを充
電させ、次に抵抗値を大きくして時定数を長くすると増
幅器への悪影響をなくして電源投入後すぐに測定を始め
ることができる。

【００１１】

【実施例】図１に本発明の第１の実施例を示した。この
回路には、２つの演算増幅器が含まれている。演算増幅
器１は半導体加速度センサからの微小信号を増幅するた
めに使用され、演算増幅器２はローパスフィルタを構成
している。加速度センサのシリコンの梁の表面に不純物
拡散で形成されたビエゾ抵抗素子を含むブリッジ部８か
ら出力された電圧は演算増幅器１の反転入力端子５に加
えられる。この増幅器では１０００倍近い増幅が行われ
る。この増幅器の出力端子６から高い抵抗値を有するフ
ィードバック抵抗４を通じてローパスフィルタを構成す
る演算増幅器２に入力される。この演算増幅器２による
回路は積分回路である。フィードバック抵抗４を通じて
入力された電流に等しい電流がコンデンサ３に流れるよ
うに演算増幅器２が動作しコンデンサ３に電荷が蓄えら
れる。そのため、コンデンサ３の両端には、ローパスフ
ィルタの時定数よりも長い周期を持った信号に起因する
電圧が誘起される。また、ここで蓄えられる電荷は演算
増幅器１の出力信号とは符号が逆になっている。そこ
で、このローパスフィルタの出力信号を演算増幅器１の
非反転入力端子７に入力する。すると、ブリッジ部８か
らの信号とオフセットを含む低い周波数成分がもう一度
演算増幅器１を通過した際に両者は引算されてキャンセ
ルされる。よって、演算増幅器１から出力される信号に
はＤＣ成分および低い周波数成分が含まれておらず、結
果的にオフセットおよびその温度ドリフトを抑えること
ができる。回路の時定数は、フイードバックループの利
得が１の場合通常のＣＲフィルタと同様に計算できる。
例えば、０．１Ｈｚの通過帯域が必要な場合には、コン
デンサ３の容量値を１μＦ、フィードバック抵抗４の値
を１．６ＭΩ程度に設定すれば容易に実現できる。

【００１２】図２に本発明の第２の実施例を示した。こ
の実施例では、第１の実施例に加えて直流の出力が得ら
れるようにしたことが特徴である。振動測定などをする
場合に直流成分が必要なことは非常に希であるが、加速
度の測定値から速度や距離を求める場合には必要なこと
がある。特に加速度から距離を算出する場合には加速度
の直流成分が必ず必要である。加速度の直流成分を測定
するためには、センサからの信号を常に直流成分まで増
幅し外部に出力する必要があり、最終段にフィードバッ
クをかけて第１の発明のように温度特性を改善すること
ができない。ところが、常に動いている物体に加速度セ
ンサを適用した場合に関してはこのような制限を受ける
が、実際の測定状況を考慮すると第１の発明のようなフ
ィードバックが適用可能である。一般に加速度センサを
利用して走行位置を知る必要がある場合、その通路は既
知でないと推察される。一般に行き先の不明な通路の定
まらない場所を運航する場合、その運搬体例えば自動車
は確認のため必ず定期的に停止する性質がある。そこ
で、運搬体が停止したという信号を同期信号として利用
し、その際にスイッチ２０を閉じてオフセット成分を除
去するようにフィードバックをかけるようにすると、運
搬体が動いている間はフィードバック回路が開いている
ため直流信号が出力され、運搬体が静止したとき瞬間的
にフィードバック回路が閉じて、オフセットをキャンセ
ルするという動作が可能である。また、運搬体は最初必
ず静止しているため、その時に必ずフィードバックルー
プが閉じオフセットがキャンセルされる。そのため、オ
フセットの初期値をキャンセルすることが常に可能であ
る。この様に、直流出力を必要とする時のみフィードバ
ックを解除する機構を設けることで非常に精度良く加速
度を測定することが可能となる。

【００１３】図３に本発明の第３の実施例を示した。実
施例３の回路は時間によって、フィードバック系の時定
数が変化することを特徴としている。そのため、第１お
よび第２の実施例で固定であったフィードバック抵抗の
値を接合型のＦＥＴ３０をフィードバック抵抗３４と直
列に接続することで可変にする。接合型のＦＥＴ３０は
ゲート３２に加える制御電圧に従って数オームから数十
メガオームまでの抵抗値変化を実現でき、十分に広い範
囲の時定数変化が得られる。このようにすれば電源投入
時に時定数を短くし、そのあと長くすることが簡単にで
きる。また、制御電圧にパルスを加える事により行な
い、非常に高い抵抗値と低い抵抗値との間を往復させる
つまり図２のスイッチ２０として使えば、第２の実施例
で示した有限時間のみフィードバックループが閉じる回
路として用いることができる。

【００１４】以上３つの実施例に示した回路構成は一般
的なものを示したに過ぎず、例えば実施例に示したもの
とは逆にブリッジ部８からの出力を非反転増幅端子に加
え、やはり、フィードバックループからの出力も非反転
入力端子に加えるような構成にして同様の結果が得られ
る。また図２のスイッチ２０と図３の接合型ＦＥＴ３０
を共に設けてもよいことは明らかである。

【００１５】

【発明の効果】本発明では演算増幅器にフィードバック
をかけることによって直流成分を打ち消し温度ドリフト
をキャンセルするようにしたため、オフセット電圧およ
びその温度ドリフトが０である加速度センサを提供でき
る。またセンサからの信号はフィードバック系に挿入さ
れたローパスフィルタの性質に左右されないため、位
相、振幅を含めて非常に高精度の増幅を行うことができ
る。またオフセットが存在しないため、非常に微小な電
圧しか発生しないような加速度センサ素子を利用した際
にもノイズ限界まで十分に増幅を行うことが可能であ
り、測定感度を著しく高めることが可能となる。

【００１６】また第１の発明では低周波数成分をフィー
ドバックする手法では原理上直流信号をキャンセルして
しまうため加速度の直流成分を測定できない。しかし、
フィードバックループを間欠的に動作させることによっ
てオフセットを間欠的にキャンセルしながらしかも直流
成分を出力できる構成とすることができる。この第２の
発明は物体が常に連続的に動くのではなく断続的に動く
性質のものならば、全てのセンサに適用できる。つま
り、全てのセンサのオフセット電圧および温度ドリフト
のキャンセルが可能である。

【００１７】また第１、第２の発明では電源投入時にコ
ンデンサの電圧が０であるため、フィードバック系の電
圧が大きく変動し出力に悪影響を及ぼす可能性がある。
しかし、第３の発明のようにローパスフィルタの時定数
を可変としておき、電源投入時は時定数が非常に小さく
なるように設定しておいて、急速にコンデンサを充電し
てスタンバイ状態にし、ついで大きな抵抗値に変化する
ように制御することで、アンプへの悪影響を取り除くこ
とが可能となる。

【００１８】以上述べたように本発明を加速度センサに
適用すると、パッケージによる不要応力の発生等全ての
オフセットおよび今まで補正が困難であったオフセット
の温度ドリフトをなくすことができる。また、調整箇所
が無いためにコストをかけずに非常に高精度な加速度セ
ンサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示した図である。

【図２】本発明の第２の実施例を示した図である。

【図３】本発明の第３の実施例を示した図である。

【図４】従来例を示した図である。

【符号の説明】

１演算増幅器２演算増幅器３コンデンサ４フィードバック抵抗５反射入力端子６出力端子７非反転入力端子８ブリッジ回路２０スイッチ３０ＦＥＴ３２ゲート

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加速度検出素子から出力された電気信号
を直流増幅する回路を備え、その回路出力の直流成分を
含む低周波数成分のみを前記増幅回路の入力端子にフィ
ードバックする回路を備えたことを特徴とする加速度セ
ンサ。
【請求項２】フィードバックループを外から入力に応
じて開閉する手段を設けたことを特徴とする請求項１に
記載の加速度センサ。
【請求項３】フィードバックループを構成するローパ
スフィルタの時定数を電源投入時に短く、そのあと長く
することを特徴とする請求項１または２記載の加速度セ
ンサ。