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技術 加速度補正データ算出装置及び加速度センサの製造方法

出願人 富士電機株式会社
発明者 柿沼実
出願日 2015年9月28日 (5年2ヶ月経過) 出願番号 2015-190301
公開日 2017年4月6日 (3年8ヶ月経過) 公開番号 2017-067500
状態 特許登録済
技術分野 加速度、衝撃の測定 平均速度の測定;速度、加速度の試験較正
主要キーワード 各電極間隔 調整電圧信号 データ算出装置 補正データ算出処理 シリコン支持層 長センサ ゼロ点調整 方向検出回路
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (9)

課題

静電容量型加速度センサにおいて温度補正に用いられる補正データを容易に算出可能な加速度補正データ算出装置を提供すること。

解決手段

静電容量型の加速度センサにおいて温度補正に用いられる補正データを算出する加速度補正データ算出装置であって、基準温度において前記加速度センサに設けられている可動電極固定電極との電極間隔計測する電極間隔計測部と、前記基準温度から温度が変化した場合の前記可動電極及び前記固定電極の変形量を算出する変形量算出部と、前記電極間隔計測部によって計測された電極間隔及び前記変形量算出部によって算出された変形量に基づいて、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量を算出する静電容量算出部と、前記静電容量算出部によって算出された静電容量に基づいて、前記基準温度から温度が変化した場合における補正データを算出する補正データ算出部と、を有する加速度補正データ算出装置。

概要

背景

可動電極固定電極との間の静電容量の変化に基づいて加速度計測する静電容量型加速度センサが知られている。静電容量型の加速度センサでは、温度変化によって構成部品膨張又は収縮するように変形し、可動電極と固定電極との間の静電容量が変動して計測結果にばらつきが生じる場合がある。

そこで、異なる複数の温度雰囲気で加速度センサの感度オフセットを計測し、計測値に基づく補正データを用いて加速度センサの出力を補正する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。

概要

静電容量型の加速度センサにおいて温度補正に用いられる補正データを容易に算出可能な加速度補正データ算出装置を提供すること。静電容量型の加速度センサにおいて温度補正に用いられる補正データを算出する加速度補正データ算出装置であって、基準温度において前記加速度センサに設けられている可動電極と固定電極との電極間隔を計測する電極間隔計測部と、前記基準温度から温度が変化した場合の前記可動電極及び前記固定電極の変形量を算出する変形量算出部と、前記電極間隔計測部によって計測された電極間隔及び前記変形量算出部によって算出された変形量に基づいて、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量を算出する静電容量算出部と、前記静電容量算出部によって算出された静電容量に基づいて、前記基準温度から温度が変化した場合における補正データを算出する補正データ算出部と、を有する加速度補正データ算出装置。

目的

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、静電容量型の加速度センサにおいて温度補正に用いられる補正データを容易に算出可能な加速度補正データ算出装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

静電容量型加速度センサにおいて温度補正に用いられる補正データを算出する加速度補正データ算出装置であって、基準温度において前記加速度センサに設けられている可動電極固定電極との電極間隔計測する電極間隔計測部と、前記基準温度から温度が変化した場合の前記可動電極及び前記固定電極の変形量を算出する変形量算出部と、前記電極間隔計測部によって計測された電極間隔及び前記変形量算出部によって算出された変形量に基づいて、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量を算出する静電容量算出部と、前記静電容量算出部によって算出された静電容量に基づいて、前記基準温度から温度が変化した場合における補正データを算出する補正データ算出部と、を有することを特徴とする加速度補正データ算出装置。

請求項2

前記変形量算出部は、前記基準温度と周囲温度との温度差と前記可動電極及び前記固定電極の線膨張係数とに基づいて、前記可動電極及び前記固定電極の変形量を算出することを特徴とする請求項1に記載の加速度補正データ算出装置。

請求項3

前記変形量算出部は、前記可動電極及び前記固定電極の弾性率に基づいて、前記可動電極及び前記固定電極の変形量を算出することを特徴とする請求項1又は2に記載の加速度補正データ算出装置。

請求項4

静電容量型の加速度センサを製造する加速度センサの製造方法であって、基準温度において前記加速度センサに設けられている可動電極と固定電極との電極間隔を計測する電極間隔計測ステップと、前記基準温度から温度が変化した場合の前記可動電極及び前記固定電極の変形量を算出する変形量算出ステップと、前記電極間隔計測ステップによって計測された電極間隔及び前記変形量算出ステップによって算出された変形量に基づいて、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量を算出する静電容量算出ステップと、前記静電容量算出ステップによって算出された静電容量に基づいて、前記基準温度から温度が変化した場合における補正データを算出する補正データ算出ステップと、前記補正データ算出ステップによって算出された補正データを前記加速度センサの記憶部に記憶させる補正データ記憶ステップと、を有することを特徴とする加速度センサの製造方法。

請求項5

前記電極間隔計測ステップは、センサ又は顕微鏡を用いて前記電極間隔を求めることを特徴とする請求項4に記載の加速度センサの製造方法。

請求項6

前記電極間隔計測ステップは、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の計測値、前記可動電極と前記固定電極とが対向する部分の面積である電極面積、及び前記可動電極と前記固定電極との間の誘電率に基づいて前記電極間隔を求めることを特徴とする請求項4に記載の加速度センサの製造方法。

技術分野

0001

本発明は、加速度補正データ算出装置及び加速度センサの製造方法に関する。

背景技術

0002

可動電極固定電極との間の静電容量の変化に基づいて加速度計測する静電容量型の加速度センサが知られている。静電容量型の加速度センサでは、温度変化によって構成部品膨張又は収縮するように変形し、可動電極と固定電極との間の静電容量が変動して計測結果にばらつきが生じる場合がある。

0003

そこで、異なる複数の温度雰囲気で加速度センサの感度オフセットを計測し、計測値に基づく補正データを用いて加速度センサの出力を補正する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。

先行技術

0004

特開平6−331647号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、加速度センサの感度・オフセットを異なる複数の温度雰囲気で計測して補正データを用意するには、多くの工数及び非常に長い時間を要する。そのため、加速度センサごとに異なる複数の温度雰囲気で感度・オフセットを計測して補正データを用意するには多大な労力が必要となり、製造コストの上昇を招いていた。

0006

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、静電容量型の加速度センサにおいて温度補正に用いられる補正データを容易に算出可能な加速度補正データ算出装置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

本発明の一態様によれば、静電容量型の加速度センサにおいて温度補正に用いられる補正データを算出する加速度補正データ算出装置であって、基準温度において前記加速度センサに設けられている可動電極と固定電極との電極間隔を計測する電極間隔計測部と、前記基準温度から温度が変化した場合の前記可動電極及び前記固定電極の変形量を算出する変形量算出部と、前記電極間隔計測部によって計測された電極間隔及び前記変形量算出部によって算出された変形量に基づいて、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量を算出する静電容量算出部と、前記静電容量算出部によって算出された静電容量に基づいて、前記基準温度から温度が変化した場合における補正データを算出する補正データ算出部と、を有する。

発明の効果

0008

本発明の実施形態によれば、静電容量型の加速度センサにおいて温度補正に用いられる補正データを容易に算出可能な加速度補正データ算出装置が提供される。

図面の簡単な説明

0009

実施形態における加速度センサ及び補正データ算出装置の構成を例示する図である。
実施形態におけるセンサ部の構成を例示する図である。
実施形態におけるセンサ部の構成を例示する断面図である。
実施形態における検出部の回路構成を例示する図である。
実施形態における補正データ算出処理フローチャートを例示する図である。
実施形態における電極間隔の変化を説明する図である。
実施形態における加速度センサの補正データを例示する図である。
実施形態における補正テーブルを例示する図である。

実施例

0010

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

0011

<加速度センサ及び補正データ算出装置の構成>
図1は、実施形態における加速度センサ100及び補正データ算出装置200の構成を例示する図である。加速度センサ100は、補正データ算出装置200によって算出された補正データを用いて検出した加速度を補正して出力する。補正データ算出装置200は、加速度センサ100の製造時等に補正データを算出し、算出した補正データを含む補正テーブルを加速度センサ100に記憶させる。

0012

(加速度センサ)
加速度センサ100は、センサ部110、検出部130、加速度算出部140、補正部150、補正データ記憶部160、温度検出部170を有する。

0013

センサ部110は、可動電極及び固定電極等を有する。センサ部110に外力が加えられて加速度が生じると、可動電極と固定電極との間の静電容量が変化し、この静電容量の変化に基づいて加速度が検出される。

0014

図2は、実施形態におけるセンサ部110の構成を例示する図である。また、図3は、図2のA−A断面図である。なお、図2では、上部保護部材125の図示が省略されている。図2及び図3に示されているX方向及びY方向は、互いに直交する方向であり、それぞれ矩形の可動電極111の各辺に平行又は直交する方向である。また、Z方向は、X方向及びY方向に直交するセンサ部110の高さ方向である。

0015

図2及び図3に示されるように、センサ部110は、可動電極111、第1固定電極112a、第2固定電極112b、第3固定電極112c、第4固定電極112d、上部固定電極113、支持体116、梁部材118、上部保護部材125、下部保護部材126を有する。以下の説明では、第1固定電極112a、第2固定電極112b、第3固定電極112c、及び第4固定電極112dを、単に固定電極112という場合がある。

0016

可動電極111は、矩形平板状の形状を有し、梁部材118によって変位可能に支持されている。可動電極111は、X方向、Y方向、及びZ方向に変位可能に支持され、センサ部110に外力が加えられると何れかの方向、又はこれらの複合された方向に変位する。

0017

第1固定電極112a、第2固定電極112b、第3固定電極112c、及び第4固定電極112dは、それぞれ矩形平板状の形状を有し、可動電極111の各辺に対向するように設けられている。

0018

第1固定電極112aと第2固定電極112bとは、可動電極111を間に挟んでX方向に対向するように設けられている。また、第3固定電極112cと第4固定電極112dとは、可動電極111を間に挟んでY方向に対向するように設けられている。第1固定電極112a、第2固定電極112b、第3固定電極112c、及び第4固定電極112dは、それぞれ可動電極111との間に所定の間隔を形成する。

0019

なお、可動電極111は、各辺が櫛歯状に形成されてもよい。この場合、第1固定電極112a、第2固定電極112b、第3固定電極112c、及び第4固定電極112dは、それぞれ可動電極111に対向する辺が櫛歯状に形成され、可動電極111と櫛歯状の辺同士が噛み合うように配設される。

0020

上部固定電極113は、可動電極111とZ方向に対向するように、上部保護部材125の可動電極111との対向面に設けられている。上部固定電極113は、可動電極111の上面との間に所定の間隔を形成する。

0021

支持体116は、矩形の開口を有し、可動電極111の周囲を囲むように設けられている。支持体116は、梁部材118を介して可動電極111を変位可能に支持する。

0022

梁部材118は、伸縮可能なバネ状の形状を有し、一端が支持体116に連結され、他端が可動電極111に連結されている。本実施形態では、4本の梁部材118が可動電極111を変位可能に支持している。

0023

可動電極111、固定電極112、及び梁部材118は、SOI(Silicon On Insulator)基板120により形成されている。SOI基板120は、シリコン支持層121、酸化シリコン層122、活性シリコン層123を有する。

0024

シリコン支持層121及び酸化シリコン層122は、可動電極111に対向する部分がエッチングによって除去されている。可動電極111、固定電極112、及び梁部材118は、活性シリコン層123が異方性ドライエッチングによって部分的に除去されることで形成されている。

0025

上部保護部材125は、テンパックガラスにより形成され、可動電極111を覆うようにSOI基板120の上面に設けられている。下部保護部材126は、上部保護部材125と同様にテンパックスガラスにより形成され、シリコン支持層121から露出する可動電極111を覆うようにSOI基板120の下面に設けられている。

0026

図4は、実施形態における検出部130の回路構成を例示する図である。

0027

検出部130は、図4に示されるように、センサ部110に生じたX方向の加速度の検出に用いられるX方向検出回路131を有する。X方向検出回路131は、オペアンプQ1,Q2,Q3,Q4,Q5を有し、第1固定電極112a及び第2固定電極112bに接続されている。第1固定電極112a及び第2固定電極112bに対向して設けられている可動電極111には、直流電源180から電圧Vが印加されている。

0028

オペアンプQ1は、負側の入力端子が第1固定電極112aに接続され、正側の入力端子は接地されている。また、オペアンプQ1の負側の入力端子と出力端子には、抵抗R1及びコンデンサC1が並列に接続されている。オペアンプQ1、抵抗R1、及びコンデンサC1を含む回路は、電荷電圧変換回路であり、接続されている第1固定電極112aと可動電極111との間に蓄積される電荷を電圧信号VX1に変換して出力する。

0029

オペアンプQ2は、負側の入力端子が第2固定電極112bに接続され、正側の入力端子は接地されている。また、オペアンプQ2の負側の入力端子と出力端子には、抵抗R2及びコンデンサC2が並列に接続されている。オペアンプQ2、抵抗R2、及びコンデンサC2を含む回路は、電荷・電圧変換回路であり、接続されている第2固定電極112bと可動電極111との間に蓄積される電荷を電圧信号VX2に変換して出力する。

0030

オペアンプQ3は、負側の入力端子が抵抗R3を介してオペアンプQ1の出力端子に接続され、正側の入力端子が抵抗R4を介してオペアンプQ2の出力端子に接続されている。また、オペアンプQ3は、負側の入力端子と出力端子との間に抵抗R5が接続され、正側の入力端子は抵抗R4との間で抵抗R6を介して接地されている。オペアンプQ3及び抵抗R3,R4,R5,R6を含む回路は、差分演算回路であり、オペアンプQ1から出力される電圧信号VX1と、オペアンプQ2から出力される電圧信号VX2との差分である電圧信号VX3を出力する。

0031

オペアンプQ4は、負側の入力端子が抵抗R7を介してオペアンプQ5の出力端子に接続され、正側の入力端子が抵抗R8を介してオペアンプQ3の出力端子に接続されている。また、オペアンプQ4は、負側の入力端子と出力端子との間に抵抗R9が接続され、正側の入力端子は抵抗R8との間で抵抗R10を介して接地されている。オペアンプQ4及び抵抗R7,R8,R9,R10を含む回路は、差分演算回路であり、オペアンプQ3から出力される電圧信号VX3と、オペアンプQ5から出力される電圧信号VX5との差分である電圧信号VX4を出力する。

0032

オペアンプQ5は、正側の入力端子が、正電源V1と負電源V2とに接続されている可変抵抗VR1に接続され、負側の入力端子が出力端子に接続されている。オペアンプQ5、正電源V1、負電源V2、及び可変抵抗VR1を含む回路は、ゼロ点調整回路であり、可変抵抗VR1の抵抗値により調整された調整電圧信号VX5を出力する。

0033

例えばセンサ部110に外力が加えられて可動電極111がX方向に変位すると、可動電極111と第1固定電極112aとの電極間隔及び可動電極111と第2固定電極112bとの電極間隔が変化する。電極間隔に応じて可動電極111と各固定電極112との間の静電容量が変化することで、電圧信号VX1及び電圧信号VX2が変化し、電圧信号VX1と電圧信号VX2との差分である電圧信号VX3が変化する。加速度センサ100は、このように可動電極111のX方向の変位に応じて変化する電圧信号VX3と調整電圧信号VX5との差分である電圧信号VX4に基づいて、センサ部110に生じたX方向の加速度aXを検出して出力する。

0034

ここで、検出部130のX方向検出回路131は、基準温度Ts(例えば20℃)において、センサ部110に外力が加えられていない状態で、オペアンプQ4から出力される電圧信号VX4の値がゼロになるように調整されている。本実施形態におけるX方向検出回路131では、オペアンプQ5から出力される調整電圧信号VX5が、オペアンプQ3から出力される電圧信号VX3に等しくなり、オペアンプQ4から出力される電圧信号VX4の値がゼロになるように、可変抵抗VR1の抵抗値が調整されている。このように、基準温度Tsにおいて外力が加えられていない状態で回路からの出力値がゼロになるように調整することを、「ゼロ点調整」という。

0035

また、X方向検出回路131は、基準温度Tsにおいて、センサ部110に外力が加えられてX方向の基準加速度aXs(例えば1G(=980Gal=9.8m/s2))が生じた場合に、オペアンプQ4から出力される電圧信号VX4が所定値VXsになるように、コンデンサC1,C2の容量、直流電源180の電圧V等が設定されている。

0036

加速度センサ100の加速度算出部140は、上記したようにゼロ点調整等が行われたX方向検出回路131から出力される電圧信号VX4に基づいて、センサ部110に生じたX方向の加速度aXを算出する。具体的には、加速度算出部140は、ゼロ点調整されたセンサ部110にX方向の基準加速度aXsが生じた場合に検出部130から出力される所定値VXsを用いて、以下の式(1)により加速度aXを算出する。

0037

0038

ここで、検出部130のX方向検出回路131は、上記したように、基準温度Tsにおいてゼロ点調整及びX方向に基準加速度aXsが加えられた場合の出力VX4が所定値VXsになるように調整されている。しかし、加速度センサ100の周囲の温度が変化すると、熱変形によって変化する可動電極111と固定電極112との間の静電容量に応じて検出部130の出力VX4が変動し、同じ加速度が生じた場合でも温度によって算出される加速度aXの値が異なる場合がある。

0039

そこで、加速度センサ100では、補正部150が、加速度センサ100の周囲温度に応じて加速度算出部140によって算出された加速度aXを補正する。補正部150は、温度検出部170によって検出された周囲温度に対応する補正データを補正データ記憶部160から取得し、加速度算出部140によって算出された加速度aXを補正する。補正データ記憶部160に記憶されている補正データ、補正部150による加速度の補正方法については後述する。

0040

加速度センサ100は、例えばCPU,ROM,RAM等を有し、CPUがROMに記憶されているプログラムをRAMと協働して実行することで、加速度算出部140や補正部150等の機能が実現される。

0041

温度検出部170は、例えばサーミスタを含み、加速度センサ100周囲の温度を検出する。温度検出部170は、検出した温度を補正部150に送信する。補正データ記憶部160は、例えばROM等のメモリであり、補正データ算出装置200によって算出された補正データを含む補正テーブルを記憶している。

0042

なお、検出部130は、図4に例示されているX方向検出回路131と同様の構成で、第3固定電極112c及び第4固定電極112dに接続され、可動電極111のY方向の変位に応じて変化する電圧信号VYを出力するY方向検出回路を有する。また、検出部130は、上部固定電極113に接続され、可動電極111のZ方向の変位に応じて変化する電圧信号VZを出力するZ方向検出回路を有する。

0043

Y方向検出回路及びZ方向検出回路は、基準温度Tsにおいて、外力が加えられていない状態で出力する電圧信号VY,VZの値がゼロになるように、ゼロ点調整が行われている。また、Y方向検出回路は、基準温度Tsにおいて、Y方向の基準加速度aYsが生じた場合に出力する電圧信号VYが所定値VYsとなるように設定されている。同様に、Z方向検出回路は、基準温度Tsにおいて、Z方向の基準加速度aZsが生じた場合に出力する電圧信号VZが所定値VZsとなるように設定されている。

0044

加速度算出部140は、Y方向検出回路から出力される電圧信号VYに基づいて、X方向の加速度aXの算出と同様に、センサ部110に生じたY方向の加速度aYを算出する。また、加速度算出部140は、Z方向検出回路から出力される電圧信号VZに基づいて、センサ部110に生じたZ方向の加速度aZを算出する。

0045

補正データ記憶部160には、X方向の加速度aXを補正する補正データを含む補正テーブルと共に、加速度算出部140によって算出されたY方向の加速度aY及びZ方向の加速度aZを補正する補正データを含む補正テーブルが記憶されている。補正部150は、補正データ記憶部160に記憶されている補正データを用いて、加速度算出部140によって算出された加速度aY,aZを補正して出力する。

0046

加速度センサ100は、上記した構成を有し、センサ部110に生じたX方向、Y方向、及びZ方向の加速度aX,aY,aZを検出し、補正データを用いて補正した加速度aX’,aY’,aZ’を出力する。

0047

なお、加速度センサ100におけるセンサ部110の構成や各構成要素に用いられている材料、検出部130の回路構成等は、本実施形態に例示される構成に限られるものではない。

0048

(補正データ算出装置)
次に、補正データ算出装置200について説明する。補正データ算出装置200は、例えば加速度センサ100の製造時等に、加速度センサ100において加速度の補正に用いられる補正データを算出して補正データ記憶部160に記憶させる。

0049

補正データ算出装置200は、図1に示されるように、電極間隔計測部210、変形量算出部220、静電容量算出部230、補正データ算出部240を有する。補正データ算出装置200は、例えばCPU,ROM,RAMを有し、CPUがROMに記憶されているプログラムをRAMと協働して実行することで、各部の機能が実現される。

0050

電極間隔計測部210は、例えば変位センサや測長センサ等のセンサを有し、基準温度Tsにおいて、可動電極111と固定電極112との電極間隔及び可動電極111と上部固定電極113との電極間隔を計測する。電極間隔計測部210は、可動電極111と固定電極112との間の静電容量を計測し、可動電極111と固定電極112とが対向する部分の面積である電極面積と、可動電極111及び固定電極112の誘電率とに基づいて電極間隔を求めてもよい。また、電極間隔計測部210は、顕微鏡で可動電極111と固定電極112との電極間隔を計測してもよい。

0051

変形量算出部220は、加速度センサ100の周囲温度が変化した場合における可動電極111及び固定電極112の変形量を算出する。

0052

静電容量算出部230は、電極間隔計測部210によって計測された電極間隔と、変形量算出部220によって算出された変形量とに基づいて、加速度センサ100の周囲温度が変化した場合における可動電極111と固定電極112との間の静電容量を算出する。

0053

補正データ算出部240は、静電容量算出部230によって算出された温度変化時の可動電極111と固定電極112との間の静電容量に基づいて、加速度センサ100において検出される加速度の補正データを算出する。

0054

<補正データ算出処理>
次に、補正データ算出装置200において実行される補正データ算出処理について説明する。図5は、実施形態における補正データ算出処理のフローチャートを例示する図である。

0055

(ステップS101)
まずステップS101では、電極間隔計測部210が、基準温度Tsにおいて、加速度センサ100のセンサ部110における可動電極111と固定電極112との電極間隔を計測する。電極間隔計測部210は、例えば図6(A)に示すように、X方向における可動電極111と第1固定電極112aとの電極間隔dx1、X方向における可動電極111と第2固定電極112bとの電極間隔dx2を計測する。

0056

また、電極間隔計測部210は、Y方向における可動電極111と第3固定電極112cとの電極間隔、Y方向における可動電極111と第4固定電極112dとの電極間隔、及びZ方向における可動電極111と上部固定電極113との電極間隔を計測する。

0057

電極間隔計測部210は、例えばセンサの出力に基づいて各電極間隔を求めてもよく、顕微鏡等により電極間隔を計測してもよい。また、電極間隔計測部210は、上記したように、可動電極111と固定電極112との間の静電容量の計測値、可動電極111と固定電極112とが対向する部分の面積である電極面積、及び可動電極111と固定電極112との間の誘電率に基づいて電極間隔を求めてもよい。電極間隔dは、例えば以下の式(2)により求められる。

0058

0059

ここで、εは可動電極111と固定電極112との間の誘電率、Sは可動電極111と固定電極112とが対向する部分の面積、Cは可動電極111と固定電極112との間の静電容量の計測値である。電極間隔計測部210は、例えば上式(2)に基づいて、X方向、Y方向、及びZ方向における可動電極111と固定電極112との間の電極間隔dを求める。

0060

(ステップS102)
次にステップS102では、変形量算出部220が、加速度センサ100の周囲温度が基準温度Tsから変化した場合における可動電極111及び固定電極112の変形量を算出する。

0061

可動電極111のX方向の変形量Δdxは、単結晶シリコン線膨張係数(3.9×10−6/℃)を用いて、以下の式(3)により求められる。

0062

0063

ここで、dxは可動電極111のX方向の幅であり、Δtは基準温度Tsと周囲温度との温度差である。変形量算出部220は、例えば、後述する方法で補正データを算出するために、温度が−30℃、60℃の場合における変形量Δdxを算出する。また、変形量算出部220は、X方向の変形量と同様に、可動電極111のY方向及びZ方向における変形量も算出する。

0064

また、変形量算出部220は、第1固定電極112a及び第2固定電極112bのX方向の変形量を算出する。ここで、第1固定電極112a及び第2固定電極112bは、可動電極111と同様に単結晶シリコンで形成されており、テンパックスガラスで形成されている上部保護部材125に接合されている。

0065

テンパックスガラスの線膨張係数(3.25×10−6/℃)は、単結晶シリコンの線膨張係数(3.9×10−6/℃)よりも低く、同じ温度変化に対する変形量は単結晶シリコンよりもテンパックスガラスの方が小さい。このため、単結晶シリコンで形成されている第1固定電極112a及び第2固定電極112bの変形量は、テンパックスガラスで形成されている上部保護部材125によって制限される。

0066

したがって、第1固定電極112a及び第2固定電極112bの変形量は、上部保護部材125を形成するテンパックスガラスの線膨張係数(3.25×10−6/℃)を上式(3)に代入して算出する。同様に、第3固定電極112c及び第4固定電極112dの変形量は、上部保護部材125の線膨張係数を用いて算出する。

0067

ここで、固定電極112の変形量を算出する場合には、固定電極112の弾性率と、固定電極112に接合されている上部保護部材125及び下部保護部材126の弾性率との差異を考慮して求めることが好ましい。弾性率は、同じ体積物質に対して同じ力を加えた時の物質の変形量を表し、大きいほど変形し難く硬い物質であることを示す。

0068

本実施形態では、固定電極112の弾性率(単結晶シリコンの弾性率=130.2GPa)が、上部保護部材125及び下部保護部材126の弾性率(テンパックスガラスの弾性率=64GPa)の約2倍となっている。本実施形態における加速度センサ100では、固定電極112の体積が上部保護部材125及び下部保護部材126の体積の約半分であることから、弾性率の差異による熱変形は相殺される。

0069

したがって、本実施形態では、固定電極112と上部保護部材125及び下部保護部材126との弾性率の差異は考慮せずに固定電極112の変形量を求めることができる。ただし、弾性率の違いにより固定電極112の変形量が上部保護部材125及び下部保護部材126によって制限される場合には、弾性率の差異を考慮して各電極の変形量を算出することが好ましい。

0070

(ステップS103)
ステップS103では、静電容量算出部230が、加速度センサ100の周囲温度が基準温度Tsから変化した場合における可動電極111と固定電極112との間の静電容量を算出する。静電容量算出部230は、以下の式(4)により可動電極111と第1固定電極112aとの間の静電容量CX1を算出する。また、静電容量算出部230は、以下の式(5)により可動電極111と第2固定電極112bとの間の静電容量CX2を算出する。

0071

0072

0073

ここで、εは誘電率、SX1は可動電極111と第1固定電極112aとが対向する部分の面積である電極面積、dX11は温度変化時における可動電極111と第1固定電極112aとの電極間隔である。また、SX2は可動電極111と第2固定電極112bとが対向する部分の面積である電極面積、dX22は温度変化時における可動電極111と第2固定電極112bとの電極間隔である。

0074

電極間隔dX11は、電極間隔計測部210によって計測された基準温度Tsにおける電極間隔dX1と、変形量算出部220によって算出された温度変化時における可動電極111及び第1固定電極112aの変形量に基づいて求められる。また、電極間隔dX22は、電極間隔計測部210によって計測された基準温度Tsにおける電極間隔dX2と、変形量算出部220によって算出された温度変化時における可動電極111及び第2固定電極112bの変形量に基づいて求められる。

0075

例えば基準温度Tsよりも高い温度では、図6(B)に示すように、可動電極111及び固定電極112が膨張し、電極間隔dX11,dX22は、それぞれ基準温度Tsにおける電極間隔dX1,dX2よりも小さくなる。また、例えば基準温度Tsよりも低い温度では、図6(C)に示すように、可動電極111及び固定電極112が収縮し、電極間隔dX11,dX22は、それぞれ基準温度Tsにおける電極間隔dX1,dX2よりも大きくなる。

0076

静電容量算出部230は、算出した温度変化時の電極間隔dX11,dX22を用いて、上式(4),(5)により温度変化時における可動電極111と固定電極112との間の静電容量CX1,CX2を算出する。

0077

また、静電容量算出部230は、温度変化時における可動電極111と第3固定電極112cとの間の静電容量CY1、可動電極111と第4固定電極112dとの間の静電容量CY2、及び可動電極111と上部固定電極113との間の静電容量CZを算出する。

0078

(ステップS104)
ステップS104では、補正データ算出部240が、加速度の補正データを算出して補正テーブルを作成する。

0079

補正データ算出部240は、静電容量算出部230によって算出された温度変化時における可動電極111と固定電極112との間の静電容量CX1,CX2を用いて、加速度センサ100において検出されるX方向の加速度を補正する補正データを算出する。

0080

補正データ算出部240は、温度変化時に検出部130のX方向検出回路131から出力される電圧信号VX1’を、以下の式(6)により算出する。また、補正データ算出部240は、温度変化時に検出部130のX方向検出回路131から出力される電圧信号VX2’を、以下の式(7)により算出する。

0081

0082

0083

ここで、QX1は可動電極111と第1固定電極112aとの間に蓄積される電荷量であり、静電容量算出部230によって算出された静電容量CX1と直流電源180の電圧Vで表される。同様に、QX2は可動電極111と第2固定電極112bとの間に蓄積される電荷量であり、静電容量算出部230によって算出された静電容量CX2と直流電源180の電圧Vで表される。また、C1はX方向検出回路131におけるコンデンサC1の静電容量、C2はX方向検出回路131におけるコンデンサC2の静電容量である。

0084

補正データ算出部240は、上式(6),(7)により求められるVX1’,VX2’の差分により、温度変化時にX方向検出回路131から出力される電圧信号VX3’(=VX1’−VX2’)を算出する。

0085

補正データ算出部240は、算出した電圧信号VX3’とゼロ点調整回路から出力される調整電圧信号VX5との差分である電圧信号VX4’を以下の式(8)に代入し、基準温度Tsとは異なる温度Tにおける補正データaXTを算出する。

0086

0087

ここで、aXsはX方向の基準加速度であり、VXsはゼロ点調整されたセンサ部110にX方向の基準加速度aXsが生じた場合に検出部130から出力される所定値である。

0088

上式(8)によって求められる補正データaXTは、基準温度Tsとは異なる温度Tにおいて加速度センサ100において検出される加速度aXの温度変化量である。補正データ算出部240は、例えば、加速度センサ100の周囲温度Tが−30℃、60℃の場合における補正データaX−30,aX60を求める。

0089

ここで、基準温度Tsにおいて、可動電極111と第1固定電極112aとの間隔dX1と、可動電極111と第2固定電極112bとの間隔dX2とが等しい場合には、温度変化による各電極の変形後の間隔dX11,dX22も等しく保たれる。したがって、間隔dX1,dX2が等しい場合には、加速度センサ100において検出される加速度aXは温度によって変動しないため、全温度範囲において補正データaXTの値はゼロとなる。

0090

これに対して、可動電極111と第1固定電極112aとの間隔dX1と、可動電極111と第2固定電極112bとの間隔dX2とが異なる場合には、温度変化時において間隔dX11,dX22の差異が変化する。したがって、間隔dX1,dX2が異なる場合には、加速度センサ100において検出される加速度aXが温度によって変動するため、ゼロ点調整される基準温度Ts以外では補正データaXTはゼロとは異なる値になる。

0091

図7は、実施形態における加速度センサの補正データを例示する図である。図7には、補正データ算出装置200によって求められた加速度センサA〜Eの補正データaXTが例示されている。

0092

加速度センサA〜Eは、上記した加速度センサ100と同様の構成を有する。加速度センサAは、可動電極111と第1固定電極112aとの間隔dX1と、可動電極111と第2固定電極112bとの間隔dX2とが等しい。加速度センサBは、間隔dX1と間隔dX2との間隔差が1%である。加速度センサCは、間隔dX1と間隔dX2との間隔差が2%である。加速度センサDは、間隔dX1と間隔dX2との間隔差が4%である。加速度センサEは、間隔dX1と間隔dX2との間隔差が8%である。なお、間隔dX1と間隔dX2との間隔差は、以下の式(9)により求められる値である。

0093

0094

図7に示されるように、補正データ算出装置200によって求められる補正データaXTの値は、間隔差が大きいほど大きくなる。なお、加速度センサA〜Eは、基準温度Ts=20℃においてゼロ点調整が実行されており、20℃において全ての加速度センサA〜Eにおける補正データaXTの値がゼロになっている。

0095

補正データ算出部240は、加速度センサごとに、例えば−30℃、60℃における補正データaX−30,aX60を算出する。さらに、−30℃と60℃との間を、例えば10℃間隔で補正データaX−20,aX−10,aX0,aX10,aX30,aX40,aX50を求めて補正テーブルを作成する。

0096

図8は、実施形態における補正テーブルを例示する図である。

0097

図8に示されるように、補正データ算出部240は、加速度センサ100周囲の温度Tに対応する補正データaXTで構成された補正テーブルを作成する。なお、補正データ算出部240が補正データを算出する温度間隔は10℃に限られるものではなく、例えば1℃、5℃等の所定の温度間隔で補正データaXTを算出して補正テーブルを作成してもよい。

0098

また、補正データ算出部240は、加速度センサ100において検出されるY方向の加速度aYの補正に用いられるY方向の補正テーブル、Z方向の加速度aZの補正に用いられるZ方向の補正テーブルを、X方向の補正テーブルと同様に作成する。

0099

(ステップS105)
ステップS105では、補正データ算出部240が、作成した補正テーブルを加速度センサ100の補正データ記憶部160に記憶させる。補正データ算出装置200は、例えば加速度センサ100の製造時等に補正テーブルを作成し、作成した補正テーブルを加速度センサ100の補正データ記憶部160に記憶させる。

0100

加速度センサ100の補正部150は、加速度算出部140によって算出されたX方向の加速度aXを補正する場合には、温度検出部170によって検出された温度Tに対応する補正データaXTを補正データ記憶部160から取得する。検出温度Tに対応する補正データaXTが無い場合には、例えば補正テーブルの補正データから線形補間により検出温度Tに対応する補正データaXTを求める。また、補正部150は、以下の式(10)によって加速度axを補正し、補正したX方向の加速度aX’を出力する。

0101

0102

補正部150は、X方向の加速度aXと同様に、加速度算出部140によって算出されたY方向の加速度aY及びZ方向の加速度aZを、補正データ記憶部160に記憶されている補正テーブルの補正データaYT,aZTを用いて補正し、補正したY方向の加速度aY’及びZ方向の加速度aZ’を出力する。

0103

以上で説明したように、本実施形態における加速度センサ100は、補正データ算出装置200によって算出された補正データを用いて、加速度算出部140によって算出された加速度を補正することで、より高精度に加速度を検出することができる。

0104

また、本実施形態における補正データ算出装置200は、温度変化時における可動電極111と固定電極112との電極間隔等を計算により求め、電極間隔の変化に起因する静電容量の変化に基づいて、温度変化時における補正データを算出する。したがって、補正データ算出装置200は、実際に異なる温度雰囲気で加速度センサ100の計測等を行う必要がなく、静電容量型の加速度センサ100における温度補正に用いられる補正データを容易に算出できる。補正データ算出装置200が補正データを短時間で算出できるため、加速度センサ100の製造コスト低減を図ることが可能になる。

0105

以上、実施形態に係る加速度補正データ算出装置及び加速度センサの製造方法について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

0106

100加速度センサ
110センサ部
111可動電極
112a 第1固定電極
112b 第2固定電極
112c 第3固定電極
112d 第4固定電極
200補正データ算出装置
210電極間隔計測部
220 変形量算出部
230静電容量算出部
240 補正データ算出部

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