(57)【要約】【課題】周囲温度が変化した場合であっても正確に物理量を検出することが可能な物理量検出器を提供する。【解決手段】物理量検出器は、弾性部により変位可能に支持された振動子３の変位を計測する加速度センサ１００と、増幅アンプ１３と増幅アンプ１３の出力値を加速度センサ１００にフィードバックするフィードバックアンプ１４とを有し、加速度センサ１００の出力値に基づいて被測定物３００の加速度を検出する加速度検出回路２００と、加速度センサ１００に設けられ、フィードバックアンプ１４の出力値に基づいて振動子３を所定の位置まで駆動するように制御するサーボ制御部３３と、加速度センサ１００の周囲温度を検出する温度センサ１５と、温度センサ１５の出力値に基づいて増幅アンプ１３の増幅率を補正する増幅率補正回路１６とを備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性部により変位可能に支持された振動子の変位を計測する物理量センサと、
増幅アンプと前記増幅アンプの出力値を前記物理量センサにフィードバックするフィードバックアンプとを有し、前記物理量センサの出力値に基づいて被測定物の変位、速度、加速度の何れかの物理量を検出する物理量検出回路と、
前記物理量センサに設けられ、前記フィードバックアンプの出力値に基づいて前記振動子を所定の位置まで駆動するように制御するサーボ制御部と、
前記物理量センサの周囲温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの出力値に基づいて前記増幅アンプの増幅率を補正する増幅率補正回路と
を備えることを特徴とする物理量検出器。
【請求項２】
前記温度センサとして測温抵抗体を用いる
ことを特徴とする請求項１記載の物理量検出器。
【請求項３】
前記増幅率を補正するための補正値を予め保持する補正値記憶部をさらに備え、
前記増幅率補正回路は、前記温度センサの出力値及び前記補正値に基づいて前記増幅率を補正する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の物理量検出器。
【請求項４】
前記温度センサ、前記補正値記憶部及び前記増幅率補正回路は、１つのマイクロプロセッサとして構成されていることを特徴とする請求項３項記載の物理量検出器。
【請求項５】
前記温度センサ、前記補正値記憶部、前記増幅率補正回路、前記物理量検出回路及び前記サーボ制御部は、１つのマイクロプロセッサとして構成されていることを特徴とする請求項３項記載の物理量検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量の測定に用いられる物理量検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被測定物の変位、速度、加速度等の物理量を検出する物理量検出器には様々なものが提供されている。この物理量検出器として、シリコン（Ｓｉ）などを用いて小さな可動機構部品を形成し、そのサイズがμｍオーダにおよぶものがある。部品のサイズの縮小化に伴い、空気抵抗の影響を受けて物理量検出器の性能が低下する問題が生じる。
【０００３】
そこで、例えば、物理量検出器として特許文献１に記載された加速度センサが知られている。この特許文献１に記載の加速度センサは、主として、弾性部により変位自在に支持された可動電極と、この可動電極に対向する位置に設けられた固定電極と、内部の活性ガスを吸着する吸着部とを有する。そして、上記の可動電極、固定電極及び吸着部を封止部により封止し、活性ガスを吸着することにより内部を減圧して空気抵抗の影響を低減して適度なダンピング効果が得られるようにしている。
【０００４】
しかしながら、シリコン基板等を半導体集積回路の作成技術を用いて加工したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）型の物理量検出器のように振動子の質量が小さい場合、振動子は温度や温度による気体の状態変化の影響を大きく受ける。このため、物理量検出器の特性は周囲温度の変化により変動する。例えばピエゾ抵抗素子を用いた加速度検出器では、ピエゾ抵抗素子の温度特性により、重力加速度のような同一の加速度を測定しているにもかかわらず、温度によって出力値がドリフトする。この出力値の温度変化を温度毎のオフセット値により補正する物理量センサが特許文献２に記載されている。
【特許文献１】特開２００８−１１６４２３号公報
【特許文献２】特開２００４−８５５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、物理量センサの振動子の振動数特性も気体の粘性係数や圧力による影響を大きく受ける。気体の粘性係数や圧力は物理量検出器の周囲温度の変化により変動し、振動子の振動数特性も大きく変化する。ＭＥＭＳ型の物理量検出器において、物理量センサの振動子の振動数特性が変化した場合、出力値のみを温度センサを用いたオフセット値で補正したとしても、物理量を正確に検出することができないおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、周囲温度が変化した場合であっても正確に物理量を検出することが可能な物理量検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一の態様に係る物理量検出器は、弾性部により変位可能に支持された振動子の変位を計測する物理量センサと、増幅アンプと前記増幅アンプの出力値を前記物理量センサにフィードバックするフィードバックアンプとを有し、前記物理量センサの出力値に基づいて被測定物の変位、速度、加速度の何れかの物理量を検出する物理量検出回路と、前記物理量センサに設けられ、前記フィードバックアンプの出力値に基づいて前記振動子を所定の位置まで駆動するように制御するサーボ制御部と、前記物理量センサの周囲温度を検出する温度センサと、前記温度センサの出力値に基づいて前記増幅アンプの増幅率を補正する増幅率補正回路とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、周囲温度が変化した場合であっても正確に物理量を検出することが可能な物理量検出器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
【００１０】
［第１の実施の形態］
（第１の実施の形態に係る物理量検出器の構成）
図１は、本発明の物理量センサの一実施形態に係る加速度センサの一例を示す図である。この加速度センサ１００は、例えばシリコン基板１にヒンジからなるばね２に支えられた振動子３を形成し、その上下を絶縁層４、５で塞ぐことにより、振動子３の収容空間６を密閉状態とし、振動子３に上下で対向する電極７、８を設けることにより形成されている。電極７、８の出力は、加速度検出回路２００に入力されて、ここで振動子３の変位に基づく加速度等の物理量が求められる。
【００１１】
上記加速度センサ１００は、等価的に図２に示す物理モデルに置き換えることができる。質量ｍの振動子３は、バネ定数ｋのばね２に支えられ、密閉空間の内部の気体に基づく減衰係数（ダンピング定数）はλとなる。被測定物３００の移動に伴い、振動子３及びフレーム３０が基準位置から変位し、振動子変位検出手段３１及びフレーム変位検出手段３２により振動子３とフレーム３０の変位が検出される。フレーム３０に加わる加速度をαｉｎとしたときに、加速度αｉｎと振動子３の変位ｘとの関係は次のように表される。
ｍ（ｄ２ｘ／ｄｔ２）＋λ（ｄｘ／ｄｔ）＋ｋｘ＝−ｍαｉｎ
【００１２】
ここで、系の固有振動数ωの値を大きくして、加速度センサ１００の物理量変化に対する応答性を高めるためには、ばね定数ｋを大きくする必要がある。しかし、ばね定数ｋを大きくすると加速度等の物理量変化に対する振動子３の変位が小さくなるため、加速度に対する感度は小さくなる。
【００１３】
本実施の形態の加速度センサ１００においては、ばね２に支えられた振動子３の変位を制御するサーボ制御部３３が設けられている。このサーボ制御部３３により、振動子３の基準位置からの変位を制御することで、振動子３に接続されたばね２のばね定数ｋを小さいままとしても、加速度センサ１００の固有振動数ωの値を大きくすることができる。サーボ制御部３３を備えた加速度センサ１００のブロックダイヤグラムは図３のように表すことができる。ここで、Ａ及びβは、アンプにおける増幅率である。
【００１４】
ＭＥＭＳ型の物理量検出器のように質量ｍが小さい場合は、気体の粘性係数や圧力に起因する減衰係数λの影響が大きいため、振動子３の振動数特性は減衰係数λの変化による影響を受けやすい。温度変化により気体の粘性係数や圧力が変動して減衰係数λが変化すると、ＭＥＭＳ型の加速度センサ１００の振動子３の振動数特性が変化する。
【００１５】
ここで、サーボ制御部３３を有する加速度センサ１００におけるばね定数は、振動子３の機械的なばね定数ｋと、サーボ制御部３３により制御される電気的なばね定数Ａβとの和となる。そのため、電気的なばね定数Ａβを機械的なばね定数ｋよりも大きくするとともに、フォワードゲインＡの値とフィードバックゲインβの値とを調整して適切なばね定数を設定し、加速度センサ１００の振動数特性を決定することができる。すなわち、温度変化に伴う減衰係数λの変化に対して適切なフォワードゲインＡとフィードバックゲインβの値を設定することで温度変化による振動数特性の変化を補正することが可能となる。
【００１６】
図４は、以上の点を考慮した本発明の第１の実施の形態に係る加速度検出回路２００の概略的な構成を示している。図４に示すように、第１の実施の形態に係る加速度検出回路２００は、リード等を介して加速度センサ１００の出力端子に接続されている。加速度検出回路２００は、加速度センサ１００が検出した静電容量の値を電圧値に変換するＣ−Ｖ変換回路１１、フィルタ１２を介してＣ−Ｖ変換回路１１の出力信号が入力され、所定の増幅率で増幅した電圧値を出力信号として出力する増幅アンプ１３及び増幅アンプ１３の出力信号を加速度センサ１００にフィードバックして加速度センサ１００のサーボ制御部３３を駆動するフィードバックアンプ１４を備える。ここで、増幅アンプ１３における増幅率（フォワードゲイン）の値をＡで表し、フィードバックアンプ１４における増幅率（フィードバックゲイン）の値をβで表す。
【００１７】
加速度検出回路２００は、加速度センサ１００の振動子変位検出手段３１及びフレーム変位検出手段３２によって検出された変位情報の信号に基づき加速度等の物理量を演算して出力する。加速度センサ１００及び加速度検出回路２００は、全体として被測定物３００の物理量を検出する物理量検出器を構成する。
【００１８】
また、本実施の形態に係る加速度検出回路２００は、物理量検出器の周囲温度を測定する温度センサ１５と、温度センサ１５の出力により増幅アンプ１３の増幅率（フォワードゲイン）Ａの値を補正する増幅率補正回路１６とを有する。
【００１９】
図５は、本発明の第１の実施の形態に係る加速度検出回路２００に用いられる温度センサ１５、増幅率補正回路１６及び増幅アンプ１３の具体的な構成を示している。本実施の形態の加速度検出回路２００において、温度センサ１５及び増幅率補正回路１６として温度により電気抵抗率が変化する測温抵抗体１７を用いることができる。図５に示すように、測温抵抗体１７は、増幅アンプ１３のフィードバック抵抗として設けられ、増幅アンプ１３の増幅率（フォワードゲイン）Ａの値を補正する。
【００２０】
（第１の実施の形態に係る物理量検出器の動作）
次に、本実施の形態の物理量検出器の動作について説明する。
【００２１】
本実施の形態に係る加速度検出回路２００は、物理量を計測する際に、温度センサ１５により物理量検出器の周囲温度を計測し、この周囲温度情報により、増幅アンプ１３の増幅率（フォワードゲイン）Ａの値を補正する。加速度センサ１００は、周囲温度の変化により振動子３の振動数特性が変化するが、周囲温度情報に基づいて増幅率（フォワードゲイン）Ａの値を補正する。補正された増幅率（フォワードゲイン）Ａにより増幅された増幅アンプ１３の出力信号が加速度センサにフィードバックされてサーボ制御部３３を制御することにより、温度変化に対する振動数特性の変化を抑制することができる。
【００２２】
（第１の実施の形態に係る物理量検出器の効果）
図６は、比較例の物理量検出器において、フォワードゲインＡの値を一定とした場合における加速度センサ１００の振動数特性のシミュレーション結果を示す。図７は、本実施の形態に係る物理量検出器において、温度センサ１５の出力信号に基づきフォワードゲインＡの値を変化させた場合における加速度センサ１００の振動数特性のシミュレーション結果を示す。また、図８は加速度検出回路２００における増幅率（フォワードゲイン）Ａの値と温度との関係を示すグラフである。
【００２３】
図６に示すように、フォワードゲインＡの値を変化させずに物理量計測を実行した場合、物理量検出器の周囲温度が変化に伴い振動数特性にばらつきがでる。しかし、フォワードゲインＡの値を、図８のグラフに示す破線に沿うように、周囲温度の増加に対して線形に増加させることにより、図７に示すように振動数特性の変化を低減することができる。
【００２４】
本実施の形態によれば、温度センサ１５により物理量検出器の周囲温度が計測され、この周囲温度情報により、増幅アンプ１３の増幅率（フォワードゲイン）Ａの値が補正される。加速度センサ１００は、周囲温度の変化により振動子３の振動数特性が変化するが、周囲温度情報に基づいて増幅率（フォワードゲイン）の値を補正することにより、温度変化に対する振動数特性の変化を抑制することができる。本実施の形態に係る物理量検出器によれば、周囲温度が変化した場合であっても正確に物理量を検出することができる。また、第１の実施の形態に係る物理量検出器において、増幅アンプ１３のフィードバック抵抗として測温抵抗体１７を用いることで温度センサ１５及び増幅率補正回路１６を設けることができるため、回路規模が増大することがない。
【００２５】
ここで、本実施の形態に係る物理量検出器において、温度センサ１５として測温抵抗体１７に代えて、温度測定ＩＣ等を用いることもできる。温度センサ１５及び増幅率補正回路１６は、物理量検出器が動作する所定の温度範囲で線形に増幅率を補正することができるものを用いることが望ましい。また、測温抵抗体１７の電気抵抗の変化率が増幅率の補正に必要な値を下回る場合、増幅アンプ１３を複数段設けることが可能である。
【００２６】
［第２の実施の形態］
（第２の実施の形態に係る物理量検出器の構成）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図９は、本実施の形態の加速度検出回路２００の構成を示す概略図である。
【００２７】
本実施の形態の物理量検出器において、加速度センサ１００及び加速度検出回路２００等の基本構成は、上述の第１の実施の形態の物理量検出器と同様である。第１の実施の形態に係る物理量検出器と同一の構成を有する箇所には、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２８】
本実施の形態に係る物理量検出器は、加速度検出回路２００における、温度センサ１５及び増幅率補正回路１６の構成が第１の実施の形態に係る加速度検出回路２００と異なる。
【００２９】
本実施の形態に係る加速度検出回路２００は、物理量検出器の周囲温度を測定する温度センサ１５と、温度センサ１５のアナログ出力信号をデジタル信号に変換して出力するＡＤコンバータ１８と、増幅率（フォワードゲイン）Ａの値を補正するための補正値を予め保持する補正値記憶部２０と、ＡＤコンバータ１８の出力信号に基づいて補正値記憶部２０から増幅率（フォワードゲイン）Ａの補正値を取得して、増幅アンプ１３の増幅率（フォワードゲイン）Ａの値を補正するマイクロプロセッサ１９とを有する。本実施の形態に係る加速度検出回路においては、マイクロプロセッサ１９が増幅率補正回路となる。補正値記憶部２０としては、所定の温度変化に基づいて増幅率（フォワードゲイン）Ａの値を決定するように補正値がプリセットされた半導体記憶装置等を用いることができる。
【００３０】
図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る加速度検出回路２００において、増幅アンプ１３の増幅率（フォワードゲイン）Ａを補正する具体的な構成を示している。本実施の形態の加速度検出回路２００において、増幅アンプ１３のフィードバック抵抗にデジタル信号により抵抗値を可変とすることができるデジタルポテンショメータ２１を用いる。デジタルポテンショメータ２１は、異なる抵抗値を有する抵抗が複数設けられ、デジタル信号に基づいたスイッチングにより、抵抗値を可変とする。このデジタルポテンショメータ２１の抵抗値をマイクロプロセッサ１９の出力信号により制御することで、増幅アンプ１３の増幅率（フォワードゲイン）Ａの値を補正する。
【００３１】
（第２の実施の形態に係る物理量検出器の効果）
本実施の形態においても、温度センサ１５により物理量検出器の周囲温度が計測され、この周囲温度情報により、増幅アンプ１３の増幅率（フォワードゲイン）Ａの値が補正される。本実施の形態に係る物理量検出器によれば、周囲温度が変化した場合であっても正確に物理量を検出することができる。
【００３２】
また、本実施の形態に係る物理量検出器は、マイクロプロセッサ１９を用いているため、増幅率（フォワードゲイン）Ａの値の補正制御を自動化することができる。また、ＡＤコンバータ１８を用いて温度センサ１５の出力値をデジタル信号として、このデジタル信号に基づいて増幅率（フォワードゲイン）Ａの補正を実行するため、アナログ部品の特性ばらつきに影響されることがない。
【００３３】
また、第１の実施の形態に係る物理量検出器において、温度センサ１５として測温抵抗体を用いていたが、測温抵抗体の抵抗値の変化が小さい場合、測温抵抗体を複数設ける必要があり、増幅率（フォワードゲイン）Ａの値を大きく補正することが困難となる。しかし、本実施の形態に係る物理量検出器では、デジタルポテンショメータ２１の抵抗値の設定により、増幅率（フォワードゲイン）Ａの値を大きく補正することも可能となる。
【００３４】
［第３の実施の形態］
（第３の実施の形態に係る物理量検出器の構成）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図１１は、本実施の形態の加速度検出回路２００の構成を示す概略図である。
【００３５】
本実施の形態の物理量検出器において、加速度センサ１００及び加速度検出回路２００等の基本構成は、上述の第１の実施の形態の物理量検出器と同様である。第１の実施の形態に係る物理量検出器と同一の構成を有する箇所には、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３６】
本実施の形態に係る物理量検出器は、加速度検出回路２００における、温度センサ１５、ＡＤコンバータ１８、補正値記憶部２０及びデジタルポテンショメータ２１が１つの集積回路内に形成されたマイクロプロセッサ２３を有する点において、第２の実施の形態に係る加速度検出回路２００と異なる。
【００３７】
（第３の実施の形態に係る物理量検出器の効果）
本実施の形態においても、温度センサ１５により物理量検出器の周囲温度が計測され、この周囲温度情報により、増幅アンプ１３の増幅率（フォワードゲイン）Ａの値が補正される。本実施の形態に係る物理量検出器によれば、周囲温度が変化した場合であっても正確に物理量を検出することができる。
【００３８】
本実施の形態に係る物理量検出器において、温度センサ１５や補正値記憶部２０、デジタルポテンショメータ２１等を一つのチップ内に設けることにより、回路面積を縮小することが可能となり、物理量検出器を小型化することができる。
【００３９】
［第４の実施の形態］
（第４の実施の形態に係る物理量検出器の構成）
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図１２は、本実施の形態の加速度検出回路２００の構成を示す概略図である。
【００４０】
本実施の形態の物理量検出器において、加速度センサ１００及び加速度検出回路２００等の基本構成は、上述の第３の実施の形態の物理量検出器と同様である。第３の実施の形態に係る物理量検出器と同一の構成を有する箇所には、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４１】
本実施の形態に係る物理量検出器は、加速度検出回路２００が、温度センサ１５、ＡＤコンバータ１８、補正値記憶部２０及びデジタルポテンショメータ２１に加え、加速度センサ１００、Ｃ−Ｖ変換回路１１、フィルタ１２、増幅アンプ１３及びフィードバックアンプ１４が１つの集積回路内に形成されたマイクロプロセッサ２４により構成されている点において、第３の実施の形態に係る加速度検出回路２００と異なる。
【００４２】
（第４の実施の形態に係る物理量検出器の効果）
本実施の形態においても、温度センサ１５により物理量検出器の周囲温度が計測され、この周囲温度情報により、増幅アンプ１３の増幅率（フォワードゲイン）Ａの値が補正される。本実施の形態に係る物理量検出器によれば、周囲温度が変化した場合であっても正確に物理量を検出することができる。
【００４３】
本実施の形態に係る物理量検出器において、加速度検出回路２００を一つのチップ内に設けることにより、回路面積を縮小することが可能となり、物理量検出器を小型化することができる。小型化された本実施の形態に係る加速度検出回路２００においては、消費電力を低減することができるため、加速度検出回路２００内での発熱量を抑えることができる。一つのチップ内に設けられた加速度センサ１００の温度が安定するため、加速度センサ１００の検出結果の温度変化による変動が少なくなる。よって、加速度検出回路２００の動作が安定化し、加速度検出の温度特性を改善することができる。
【００４４】
そして、加速度検出回路２００を一つのチップ内に設けたため、回路内の配線長を短くすることが可能となり、外部からのノイズによる影響を低減することができる。また、配線に生じる寄生容量も従来より低減することができる。よって、Ｓ／Ｎ比を改善することができ、より正確に加速度を検出することが可能な物理量検出器を提供することができる。
【００４５】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、追加、組み合わせ等が可能である。例えば、振動子変位検出手段３１としては、振動子３の変位による静電容量の変化を計測するものに代えて、ひずみゲージ・ピエゾ抵抗素子等を用いて変位を検出するもの等種々の手段を用いることができる。また、実施の形態においては、物理量検出器により測定する物理量を加速度として説明したが、測定する物理量はセンサの出力値に基づいて測定する被測定物の変位、速度、加速度のいずれであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の物理量センサの一実施形態に係る加速度センサの一例を示す図である。
【図２】第１の実施の形態に係る物理量検出器における加速度センサの概略的な構成を示す図である。
【図３】第１の実施の形態に係る物理量検出器における加速度センサのブロックダイヤグラムである。
【図４】第１の実施の形態に係る加速度検出回路の概略的な構成を示す図である。
【図５】第１の実施の形態に係る加速度検出回路に用いられる温度センサ、増幅率補正回路及び増幅アンプの具体的な構成を示す図である。
【図６】比較例の物理量検出器の振動数特性を示すグラフである。
【図７】第１の実施の形態に係る物理量検出器の振動数特性を示すグラフである。
【図８】第１の実施の形態に係る加速度検出回路における増幅率（フォワードゲイン）の値と温度との関係を示すグラフである。
【図９】第２の実施の形態に係る加速度検出回路の概略的な構成を示す図である。
【図１０】第２の実施の形態に係る加速度検出回路に用いられる温度センサ、増幅率補正回路及び増幅アンプの具体的な構成を示す図である。
【図１１】第３の実施の形態に係る加速度検出回路の概略的な構成を示す図である。
【図１２】第４の実施の形態に係る加速度検出回路の概略的な構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１・・・シリコン基板、  ２・・・ばね、  ３・・・振動子、  ４、５・・・絶縁層、  ６・・・収容空間、  ７、８・・・電極、  １１・・・Ｃ−Ｖ変換回路、  １２・・・フィルタ、  １３・・・増幅アンプ、  １４・・・フィードバックアンプ、  １５・・・温度センサ、  １６・・・増幅率補正回路、  １７・・・測温抵抗体、  １８・・・ＡＤコンバータ、  １９・・・マイクロプロセッサ、  ２０・・・補正値記憶部、  ２１・・・デジタルポテンショメータ、  ２３、２４・・・マイクロプロセッサ、  ３０・・・フレーム、  ３１・・・振動子変位検出手段、  ３２・・・フレーム変位検出手段、  ３３・・・サーボ制御部、  １００・・・加速度センサ、  ２００・・・加速度検出回路、  ３００・・・被測定物。
【図１】
2010107269.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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