JP3279488B2 - 物理量センサの校正方法と校正装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物理量センサの校
正を行う校正方法及び装置に関し、特に加速度又は圧力
等の力に関する物理量のセンサの校正を行う方法及び校
正装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１５に、従来の加速度センサの校正方
法を示す。

【０００３】従来、センサの量産工程で加速度センサ１
０を校正するためには、例えば、図示しない振動試験装
置によって矢印で示した加速度４０を制御した振動台２
０に、校正対象の加速度センサ１０を設置し、校正用加
速度センサ３０に対するセンサの出力を測定する。この
ときの校正対象の加速度センサ１０出力と校正用加速度
センサ３０の出力により、校正対象の加速度センサの感
度を算出する。このようにして、校正対象のセンサの校
正を行っていた。

【０００４】また、図１６に他の従来の校正方法とし
て、圧力センサの校正方法を示す。

【０００５】従来、量産工程で圧力センサ１１を校正す
るためには、図示しない圧力発生装置によって圧力４１
を制御した圧力室２１に、圧力センサ１１を設置し、校
正用圧力センサ３１に対するセンサの出力を測定する。
このときのセンサ出力より感度を算出し、このセンサの
校正を行っていた。

【０００６】通常の加速度センサは、加速度による慣性
力によって、特定部分が変形し、そのときの変位または
抵抗変化を加速度信号として検出する原理のものが多
い。つまり、質量部ｍに加速度ａが印加された時の、力
Ｆによる変位あるいは歪が検出物理量となる。このよう
な加速度センサに対して、印加した加速度によってセン
サに加わる荷重Ｆは、ニュートンの法則より次式で表わ
される。

【０００７】

【数１】Ｆ＝ｍ・ａ つまり、従来の加速度の校正方法は１式の加速度ａの部
分を振動試験装置によって変化させて、荷重Ｆを印加さ
せていた。

【０００８】また、通常の圧力センサは、圧力によっ
て、ダイアフラムなどの特定部分が変形し、そのときの
変位または抵抗変化を加速度信号として検出する原理の
ものが多い。つまり、ダイアフラムに圧力ｐが印加さ
れ、ダイアフラム部における荷重Ｆによる変位あるいは
歪が検出物理量となる。したがって、このような圧力セ
ンサに対して、印加した圧力によってセンサに加わる荷
重Ｆは、圧力を感知する部分の面積をＡとして、次式で
表わされる。

【０００９】

【数２】Ｆ＝ｐ・Ａ つまり、従来の圧力の校正方法は２式の圧力ｐの部分を
圧力発生装置によって変化させて、荷重Ｆを印加させて
いた。

【００１０】したがって、この様に振動や圧力を印加し
て校正を行っているので、センサの感度の校正には、セ
ンサの検出部だけでなく、パッケージに実装した状態で
校正する必要があった。また、このような振動試験方法
または圧力発生方法では、例えば、一台の振動台に一度
に大量のセンサを載せることは、同一振動台上で全ての
センサに対して均一な振動が得られないため、校正精度
上問題がある。このため、大量のセンサを校正するため
には、多くの振動試験装置を導入する必要がある。さら
に、温度による振動・圧力特性などを測定する場合、大
型の振動試験装置や圧力発生装置では、１バッチ処理を
行うのに多大な時間が必要となり問題であった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、物理
量センサ、特に力に関する物理量センサの校正に関する
以下の課題を解決することである。

【００１２】１）パッケージに実装した状態で初めてセ
ンサ特性不良が判明するので、実装に必要な部品の無駄
が発生する。

【００１３】２）また、センサを大量生産する場合、多
くの振動試験装置や圧力発生装置を導入する必要があ
り、設備コストが多大となり問題である。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
物理量センサを校正する校正方法において、前記物理量
センサに擬似的な物理量を印加して出力を求め、該出力
と予め求められている校正直線とから校正する値を求め
ることを特徴とする。

【００１５】この構成により、実際に実際に測定する物
理量でなく擬似的な物理量を負荷して出力を求めるた
め、簡単に発生することができる物理量を用いてセンサ
の構成をすることができる。

【００１６】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記物理量センサの測定する物理量が、加
速度、圧力等の力に関係する物理量であり、前記疑似物
理量が重量であることを特徴とする。

【００１７】この構成により、加速度センサや圧力セン
サ等の校正において、実際に加速度センサの校正のため
に振動を発生し、また、圧力センサの校正のために圧力
を発生することなく、発生することが容易な重量を用い
ることにより、簡単にセンサを校正することができる。

【００１８】請求項３記載の発明は、請求項２記載の発
明において、前記重量がおもりの重量であり、該おもり
を上下して前記物理量センサに重量を印加することを特
徴とする。

【００１９】上記の構成により、重量の発生を、おもり
を上下することにより発生しているので、簡単に加速度
センサや圧力センサを校正することができる。また、請
求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、付
加おもりを具備して２段階のおもり印加を行なうことを
特徴とする。このような構成により、センサの感度を求
めるだけでなく、２段階のおもり印加によって非直線性
まで求めることが可能となる。

【００２０】請求項５記載の発明は、ストッパ付きおも
りと、該ストッパ付きおもりを、穴の中に前記ストッパ
により支持する支持部と、前記支持部を上下して、前記
おもりの重量を校正対象の力に関する物理量センサに印
加するための駆動部とを具備し、前記おもりの擬似的な
物理量で物理量センサを校正することを特徴とする。

【００２１】このように構成することにより、製造ライ
ンでパッケイジせずに、圧力センサ、加速度センサのよ
うな力に関する物理量センサの校正ができるようにな
る。

【００２２】請求項６記載の発明は、請求項５に記載の
校正装置において、前記おもりの前記ストッパは２段の
ストッパであり、該ストッパ間に、前記おもりを通す穴
を有する付加おもりを具備し、前記支持部は、前記付加
おもりを支え、前記駆動部は、前記支持部を２段階に上
下することを特徴とする。

【００２３】このように構成することにより、校正対象
の物理量センサの非直線性まで校正することができる。

【００２４】請求項７記載の発明は、請求項５又は６に
記載の校正装置において、前記おもりが磁石で構成さ
れ、該おもりと対向する支持部が逆極になるような磁石
または電磁石で構成されることを特徴とする。

【００２５】このように構成することで、支持部とおも
りとの摩擦が事実上なくなり、正確な校正を行うことが
できる。

【００２６】請求項８記載の発明は、請求項５に記載の
校正装置において、前記支持部が２枚の薄板によって構
成されることを特徴とする。

【００２７】このように構成すると、簡単な構成で、支
持部とおもりとの摩擦を少なくすることができ、正確な
校正を行うことができる。

【００２８】請求項９記載の発明は、請求項５〜８のい
ずれかに記載の校正装置において、前記支持部を構成す
る材料が透明であることを特徴とする。

【００２９】このように構成することにより、上からお
もりの位置が確認することができるので、確実に物理量
センサの構成を行うことができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】図面を参照して、本発明の実施形
態を説明する。

【００３１】［実施形態１］図１〜図４に、本発明によ
る物理量センサの校正の第一の実施形態を示す。

【００３２】図１は、本発明の対象である物理量センサ
（例えば、加速度センサや圧力センサ等）１００の断面
図である。通常、物理量センサ１００は、加速度や圧力
などの測定対象の物理量が印加された場合に変形する、
肉薄部１０１と支持部１０２を有する。ここで示した実
施形態では、加速度センサの場合、検出する物理量をセ
ンサに伝えるためのおもりとなる肉厚部１０３を有し、
圧力センサの場合でも、非線形を考慮したもので肉厚部
１０３を有する構造のものへの適用例を示す。この物理
量センサ１００は支持台２００に固定されている。この
物理量のセンサは、微小の物理量を測定する場合は小さ
いものであり、例えば、肉厚部１０３の１辺の長さは１
ｍｍ程度である。

【００３３】このような小さいセンサを校正する場合、
肉厚部１０３に、予め質量ｍが確認されている付加質量
３００を載せる。これにより、物理量センサ１００は、
あたかも加速度や圧力が発生したように、肉薄部が変形
し、付加質量３００の質量ｍに相当する物理量（加速度
や圧力）がセンサから検出される。質量ｍに対する出力
と本来の物理量を印加した際の校正直線の式をあらかじ
め求めておく。この校正直線の式より、付加質量３００
による出力より、本来の物理量におけるセンサ相当感度
を求めることができる。この校正直線による本来の物理
量におけるセンサ相当感度を求めるは、校正装置により
自動的に計算することができる。

【００３４】図２に、センサが加速度センサの場合にお
ける校正直線のグラフを示す。これは、一定の付加質量
３００を印加したとき、センサの出力と振動試験によっ
て得れたセンサ感度との相関グラフを示す。

【００３５】この図２に示したグラフ上の１点は、ある
加速度センサに対して、一定の付加質量を乗せてその出
力（電圧）を測定し（横軸座標）、その加速度センサを
従来の校正方法である実際の振動により加速度を印加し
てその加速度に対する出力（電圧）の比（校正するため
の値）（縦軸座標）から得ている。これを多数の加速度
センサについて行っている。この結果より、疑似物理量
である付加質量と実際の物理量から求めた校正値とは、
かなりの精度で相関がとれていることが判る。

【００３６】第一の実施形態において、付加質量３００
を肉厚部１０３に載せる位置によってセンサの出力は左
右されない。これは付加質量３００全ての質量ｍが肉厚
部１０３を通じて、全ての重量が測定されるためであ
る。これを図３〜図５に示す４本の梁によって肉厚部を
支える構造のセンサにおいて説明する。

【００３７】図３〜図５において、付加質量３００を肉
厚部１０３の中心に置いた場合（図３）、ずらして置い
た場合（図４）、縁に置いた場合（図５）を説明してい
る。

【００３８】図３において、図３（ａ）に示すように、
付加質量３００をセンサの肉厚部の中心に置いた場合を
説明している。この場合の肉厚部を支持する４本の梁
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの応力の解析結果を示したのがセンサの
平面図で示したのが図３（ｂ）である。図３（ｂ）にお
いて、右から、横方向であるＸ方向（ｓｘｘ）、縦方向
であるＹ方向（ｓｙｙ）、そして図を貫く方向であるＺ
方向の（ｚ）にそれぞれ対応する、梁Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの
応力を示している。図の線が密になると加重がかかって
いることを示している。図３（ｃ）は、各梁Ａ，Ｂ，
Ｃ，Ｄの長手方向の応力分布を示すグラフである。

【００３９】図４、図５も同様に、それぞれ、付加質量
３００を肉厚部１０３の中心からずらして置いた場合、
縁に置いた場合を表している。こららの図から、付加質
量３００を載せた位置が近い梁（梁Ａ）には大きい応力
が加わり、付加質量３００を載せた位置が遠い梁（梁
Ｃ）には小さい応力が加わることが分かる。しかし、全
体としては同じ荷重となるので、応力値の合計としては
同じであることが、各図の（ｃ）のグラフの各梁の積分
の合計値から判る。

【００４０】このように、加速度センサや圧力センサに
おいて、肉厚部１０３の部分に付加加重を乗せることに
より、実際に測定対象である加速度や圧力をかけること
なく、センサの校正ができる。また、付加加重は、正確
に肉厚部の中心に置く必要はない。

【００４１】［実施形態２］図６および図７に、本発明
の物理量センサの校正による第二の実施形態を示す。

【００４２】図６において、センサ１００は、実施形態
１と同様の圧力センサや加速度センサ等である。物理量
センサ１００は肉厚部１０３を有しており、また、セン
サ上部には、ピンストッパ３１１を有するおもりピン３
１０を備えている。また、このおもりピン３１０は、ピ
ンガイド穴４０１を有するピン支持部４００に支持され
ている。このピン支持部４００は、駆動部（下述）によ
り上下に移動することができる。

【００４３】さて、この構成においてセンサの校正を行
うときには、図７に示すように、ピン支持部４００を駆
動部により下げることにより、おもりピン３１０の自重
を物理量センサ１００の肉厚部１０３に印加する。この
おもりピン３１０の自重を用いることにより、第１の実
施形態と同様にしてセンサの校正を行う。

【００４４】また、図６および図７の構成において、ピ
ン支持部４００を透明な材料とすることにより、おもり
ピン３１０の上部より、ビン支持部４００を通してセン
サ１００が確認できる。このため、顕微鏡やＴＶカメラ
によって物理量センサ１００とおもりピン３１０との位
置決めが可能となり、小さいセンサでもおもりピンを肉
厚部に乗せることができる。また、おもりピンの位置の
確認もできる。

【００４５】［実施形態３］図８および図９に、本発明
の物理量センサの校正の第三の実施形態を示す。

【００４６】図８において、実施形態１および２と同様
に、物理量センサ１００の肉厚部１０３を有しており、
ピンストッパ３１１を有するおもりピン３１０をセンサ
上部に備えている。このおもりピン３１０は、ピンガイ
ド穴４１１を有する２層型ピン支持部４１０に支持され
ている。このピン支持部４１０は、駆動部（下述）によ
り上下に移動することができる。

【００４７】センサの校正を行う場合、図７に示すよう
に、２層型ピン支持部４１０が駆動部により下がり、お
もりピン３１０の自重だけが物理量センサ１００の肉厚
部１０３に印加される。そして、実施形態１および２と
同様にしてセンサの校正を行う。

【００４８】この構成によれば、実施形態２の場合のよ
うに、厚みのあるピン支持部４００を用いる場合より、
おもりピンとピン支持部との摩擦を少なくすることがで
き、おもりピンの自重の全てをセンサにかけることがで
きる。

【００４９】また、実施形態２の場合と同様に、２層型
ピン支持部４１０を透明な材料とすることもできる。

【００５０】［実施形態４］図１０および図１１に本発
明による物理量センサの校正による第四の実施形態を示
す。

【００５１】図１０において、実施形態１と同様に物理
量センサ１００は、肉厚部１０３を有している。そし
て、物理センサ１００の上部には、ピンストッパ３３２
を有し、周辺におもりピンＮ極３３０および内側におも
りピンＳ極３３１が構成されたおもりピンを支持部４２
０とともに備えている。また、おもりピンＮ極３３０
は、ピンガイド穴Ｎ極４３１を有するピン支持部Ｓ極４
３０によって、ピンガイド穴Ｎ極４３１と反発するよう
に非接触で支持されている。

【００５２】センサの校正時には、図１１に示すよう
に、ピン支持部Ｓ極４３０が下がることにより、おもり
ピンの自重だけが物理量センサ１００の肉厚部１０３に
印加される。このとき、おもりピンＮ極３３０とピンガ
イド穴Ｎ極４３１との間では、非接触で支持されている
ので摩擦を生じず、おもりピンの自重は全て肉厚部１０
３に印加されることになる。そして、実施形態１等と同
様にしてセンサの校正を行う。

【００５３】この構成によれば、おもりピンＮ極３３０
とピンガイド穴Ｎ極４３１との摩擦をまったく無くすこ
とができ、正確な校正ができる。

【００５４】また、本実施形態におけるピンガイド穴Ｎ
極４３１の部分を、電磁石によって構成することも可能
である。

【００５５】その上、実施形態２および３の場合と同様
に、ピン支持部４３０等を透明な材料とすることもでき
る。

【００５６】［実施形態５］図１２および図１３に、本
発明による物理量センサの校正による第五の実施形態を
示す。

【００５７】図１２において、実施形態１と同様に物理
量センサ１００は肉厚部１０３を有し、そのセンサ上部
に、第１のピンストッパ３１１および第２のピンストッ
パ３１２を有するおもりピン３１０と付加おもり３２０
を備えている。また、このおもりピン３１０は、ピンガ
イド穴３２１を有する付加おもり３２０に支持されてお
り、付加おもり３２０は付加おもりガイド穴４２１を有
するおもり支持部４２０に支持されている。このおもり
支持部４２０は駆動部（下述）により上下に移動でき
る。

【００５８】校正を行う際には、図１２において、点線
の位置から実線の位置まで、おもり支持部４２０が下が
ることにより、おもりピン３１０の自重だけが物理量セ
ンサ１００の肉厚部１０３にまず印加される。この時点
でのセンサ出力を第１の出力Ｖ１とする。

【００５９】次に、図１３の実線に示すように、おもり
支持部４２０がさらに下がることにより、質量ｍ１のお
もりピン３１０および質量ｍ２の付加おもり３２０の加
算した自重が、物理量センサ１００の肉厚部１０３に印
加される。この時点でのセンサ出力を第２の出力Ｖ２と
する。

【００６０】無負荷状態でのセンサ出力（オフセット）
をＶ０とすれば、以下の式によりセンサの非直線性Ｃｎ
１を求めることができる。

【００６１】

【数３】Cn1[％F.S.] ＝[(V1−V0) − (V2−V0)/m2×m
1] /(V2−V0) また、第１の実施形態と同様にしてセンサの校正を行
う。

【００６２】この実施例によれば、センサの感度を求め
るだけでなく、２段階のおもり印加によって非直線性ま
で求めることが可能となる。

【００６３】また、実施形態２〜４の場合と同様に、ピ
ン支持部４２０等を透明な材料とすることもできる。支
持部４２０を、実施形態３の様に２層型としたり、実施
形態４のように、磁石や電磁石を埋め込んだものとし、
ピンと支持部との摩擦を少なくすることも可能である。

【００６４】［実施形態１〜５で用いる校正装置の構
成］図１４に本発明の実施形態１〜５で用いている校正
装置の共通部分の構成を示している。

【００６５】図１４において、１００は校正対象のセン
サであり、５３０はセンサ１００からの出力を受けて測
定する測定部である。測定部５３０は、センサ１００か
らの出力の形態に応じて構成されている。５４０は演算
部、５５０は出力部で、演算部５４０では、測定部５３
０で測定されたセンサ１００の疑似物理量による出力か
ら、校正直線により校正出力を求めており、出力部は、
求めた校正出力を所定の出力装置に出力している。出力
装置としては、例えばプリンタ、表示装置等がある。５
１０は駆動部で、おもりピンの支持部を上下に移動して
いる。また５２０は制御部で、校正装置の全体を制御し
ている。

【００６６】この校正装置の各部は、上記に説明された
ことから、ハードウェア（電子回路）、デジタル化する
ことによりＣＰＵとプログラム（ソフトウェア）や、そ
れらのの組み合わせで構成できることは、当業者である
なら自明であろう。

【００６７】

【発明の効果】本発明によって、以下の効果が得られ
る。

【００６８】１）パッケージに実装する前のセンサ（半
導体の場合はセンサチップ単位）についての特性不良が
把握できるため、実装に必要な部品の無駄を省くことが
できる。

【００６９】２）センサを大量生産する場合でも、簡易
設備で実現できるので、設備コストを削減することがで
きる。

【００７０】３）校正設備として、コンパクトに構成で
きるため、バッチ処理でなく、１個流しのライン構成が
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１のセンサの校正を示す図で
ある。

【図２】センサが加速度センサの場合における校正直線
のグラフである。

【図３】付加質量の位置によるセンサの支持応力を示す
図である。

【図４】付加質量の位置によるセンサの支持応力を示す
図である。

【図５】付加質量の位置によるセンサの支持応力を示す
図である。

【図６】本発明の実施形態２におけるセンサの校正を示
す図である。

【図７】本発明の実施形態２におけるセンサの校正を示
す図である。

【図８】本発明の実施形態３におけるセンサの校正を示
す図である。

【図９】本発明の実施形態３におけるセンサの校正を示
す図である。

【図１０】本発明の実施形態４におけるセンサの校正を
示す図である。

【図１１】本発明の実施形態４におけるセンサの校正を
示す図である。

【図１２】本発明の実施形態５におけるセンサの校正を
示す図である。

【図１３】本発明の実施形態５におけるセンサの校正を
示す図である。

【図１４】本発明の実施形態に用いている校正装置のブ
ロック図である。

【図１５】従来の加速度センサの校正を示す図である。

【図１６】従来の圧力センサの校正を示す図である。

【符号の説明】

１０ 加速度センサ １１ 圧力センサ ２０ 振動台 ２１ 圧力室 ３０ 校正用加速度センサ ３１ 校正用圧力センサ ４０ 加速度 ４１ 圧力 １００ 物理量センサ １０１ 肉薄部 １０２ 支持部 １０３ 肉厚部 ２００ 支持台 ３００ おもり ３１０ おもりピン ３１１ 第１のピンストッパ ３１２ 第２のピンストッパ ３２０ 付加おもり ３２１ ピンガイド穴 ３３０ おもりピンＮ極 ３３１ おもりピンＳ極 ３３２ ピンストッパ ３３３ ピン先端部 ４００ ピン支持部 ４０１ ピンガイド穴 ４１０ ２層型ピン支持部 ４１１ ピンガイド穴 ４２０ おもり支持部 ４２１ 付加おもりガイド穴 ４２２ 付加おもりストッパ ４３０ ピン支持部Ｓ極 ４３１ ピンガイド穴Ｎ極 ５１０ 駆動部 ５２０ 制御部 ５３０ 測定部 ５４０ 演算部 ５５０ 出力部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中澤 治雄 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 布野 秀和 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−119057（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−50835（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−297018（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−116755（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−33567（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−126595（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01P 21/00 G01P 15/00 - 15/13 G01L 25/00 - 27/00 G01D 3/00

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物理量センサを校正する校正方法におい
   て、 前記物理量センサに擬似的な物理量を印加して出力を求
   め、該出力と予め求められている校正直線と から校正する値
   を求めることを特徴とする物理量センサの校正方法。
2. 【請求項２】 前記物理量センサの測定する物理量が、
   加速度、圧力等の力に関係する物理量であり、前記疑似
   物理量が重量であることを特徴とする請求項１記載の物
   理量センサの校正方法。
3. 【請求項３】 前記重量がおもりの重量であり、該おも
   りを上下して前記物理量センサに重量を印加することを
   特徴とする請求項２記載の物理量センサの校正方法。
4. 【請求項４】 付加おもりを具備して２段階のおもり印
   加を行なうことを特徴とする請求項３記載の物理量セン
   サの校正方法。
5. 【請求項５】 ストッパ付きおもりと、 該ストッパ付きおもりを、穴の中に前記ストッパにより
   支持する支持部と、 前記支持部を上下して、前記おもりの重量を校正対象の
   力に関する物理量センサに印加するための駆動部とを具
   備し、前記おもりの擬似的な物理量で物理量センサを校
   正することを特徴とする物理量センサの校正装置。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の校正装置において、 前記おもりの前記ストッパは２段のストッパであり、 該ストッパ間に、前記おもりを通す穴を有する付加おも
   りを具備し、 前記支持部は、前記付加おもりを支え、 前記駆動部は、前記支持部を２段階に上下することを特
   徴とする物理量センサの校正装置。
7. 【請求項７】 請求項５又は６に記載の校正装置におい
   て、前記おもりが磁石で構成され、該おもりと対向する
   支持部が逆極になるような磁石または電磁石で構成され
   ることを特徴とする物理量センサの校正装置。
8. 【請求項８】 請求項５に記載の校正装置において、前
   記支持部が２枚の薄板によって構成されることを特徴と
   する物理量センサの校正装置。
9. 【請求項９】 請求項５〜８のいずれかに記載の校正装
   置において、前記支持部を構成する材料が透明であるこ
   とを特徴とする物理量センサの校正装置。