JP2002048813A - 容量式加速度センサ - Google Patents

容量式加速度センサ

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JP2002048813A JP2000235983A JP2000235983A JP2002048813A JP 2002048813 A JP2002048813 A JP 2002048813A JP 2000235983 A JP2000235983 A JP 2000235983A JP 2000235983 A JP2000235983 A JP 2000235983A JP 2002048813 A JP2002048813 A JP 2002048813A
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典雄 北尾
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0822Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
    • G01P2015/0825Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0828Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 容量式加速度センサにおいて、可動電極に発
生する変位のオフセットを抑制し、検出精度を向上させ
る。 【解決手段】 容量式加速度センサは、天地方向Yへ変
位可能な可動電極1と、天地方向Yにおいて可動電極1
を挟んで互いに反対側にて可動電極1に対向して配置さ
れた第1及び第2の固定電極2、3とを備え、加速度が
印加されたときの可動電極1の天地方向Yへの変位に伴
う第1の容量C1及び第2の容量C2の変化に基づいて
印加加速度を検出する。ここで、可動電極1と第1の固
定電極2との間に直流電圧Vを印加して、重力加速度と
同等の静電引力FEを与えることにより、可動電極1に
おける天地方向Yへの変位のオフセット分をキャンセル
できるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、可動電極と固定電
極との間の容量の変化に基づいて印加加速度を検出する
ようにした容量式加速度センサに関する。
【0002】
【従来の技術】この種の容量式加速度センサの一般的な
構成を図4に模式的に示す。このセンサは、所定方向
(図4中の矢印で示すY軸方向)へ変位可能な可動電極
1と、このY軸方向において可動電極1に対し互いに反
対側にて対向して配置された第1及び第2の固定電極
2、3とを備える。
【0003】そして、可動電極1と第1の固定電極2と
の間に第1の容量C1が形成され、可動電極1と第2の
固定電極3との間に第2の容量C2が形成されている。
ここで、Y軸方向へ加速度が印加されたときに可動電極
1がY軸方向へ変位し、この可動電極1の変位に伴う第
1の容量C1及び第2の容量C2の変化(通常は第1の
容量と第2の容量の差動容量変化)に基づいて印加加速
度を検出するようになっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような容量式加速度センサにおいては、可動電極に対し
て変位方向即ち所定方向へ変位のオフセットが生じやす
い。すると、このオフセットによって加速度と出力(通
常は上記容量変化を電圧に変換したもの)との直線関係
が崩れ、検出精度が悪化するという問題が発生する。
【0005】例えば、上記図4に示す容量式加速度セン
サを、自動車のサスペンション制御等に使用する場合を
考える。この場合、図4中のY軸方向が天地方向(垂直
方向)となり、可動電極1は重力加速度の影響を受け
て、正規の位置から重力加速度方向(図4中の下方)へ
オフセットされた状態となる。
【0006】すると正規の状態では、例えば各容量C
1、C2が等しかったもの(C1=C2)が、上記オフ
セットが発生すると、例えばC1<C2となり、ずれが
生じてしまう。そして、加速度と出力電圧との関係は、
図5に示す様に、正規の状態における直線関係(破線)
からずれを生じ、直線性が悪化し、加速度を正確に検出
しにくくなる。
【0007】本発明は上記問題に鑑み、容量式加速度セ
ンサにおいて、可動電極に発生する変位のオフセットを
抑制し、検出精度を向上させることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1の発明では、所定方向へ変位可能な可動電
極(1)と、所定方向において可動電極に対し互いに反
対側にて対向して配置された第1及び第2の固定電極
(2、3)とを備え、可動電極と第1の固定電極との間
に第1の容量が形成され、可動電極と第2の固定電極と
の間に第2の容量が形成されており、加速度が印加され
たときに可動電極が所定方向へ変位し、この可動電極の
変位に伴う第1の容量及び第2の容量の変化に基づいて
印加加速度を検出するようにした容量式加速度センサに
おいて、可動電極と第1の固定電極との間及び可動電極
と第2の固定電極との間の少なくとも一方に静電引力を
発生させるための電気信号を印加することにより、可動
電極における所定方向への変位のオフセット分をキャン
セルできるようになっていることを特徴とする。
【0009】本発明によれば、可動電極における所定方
向への変位のオフセット分をキャンセルするように、可
動電極と第1の固定電極との間及び可動電極と第2の固
定電極との間の両方またはどちらか一方に静電引力を発
生させるための電気信号を印加することができるため、
可動電極に発生する変位のオフセットを抑制し、検出精
度を向上させることができる。
【0010】ここで、請求項2の発明のように、上記電
気信号としては、可動電極(1)と第1の固定電極
(2)との間、若しくは、可動電極と第2の固定電極
(3)との間に印加される直流電圧とすることができ
る。それにより、可動電極における所定方向への変位の
オフセット分をキャンセルするように、静電引力を適切
に発生させることができる。
【0011】また、請求項3の発明のように、印加加速
度を検出するための周期的に変化する検出用信号が可動
電極と第1及び第2の固定電極との間に印加されるよう
になっている場合、上記電気信号は、この検出用信号と
同期した信号であるものにすることができる。それによ
れば、検出用信号と電気信号が同期しているため、ノイ
ズの発生を抑えることができる。
【0012】また、上記請求項1〜請求項3の各発明
は、請求項4の発明のように、所定方向が天地方向に沿
った方向であるセンサに適用した場合に、重力加速度に
より可動電極に発生する変位のオフセットを適切に抑制
することができる。
【0013】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。本実施形態は、自動車等の車体懸架
装置制御にて、天地方向(鉛直方向)の加速度を検出す
る加速度センサに適用したものとして説明する。図1
は、本実施形態に係る容量式加速度センサの構成を模式
的に示す図である。
【0015】本センサは、梁状の可動電極1及び一対の
固定電極2、3により構成されている。これら各電極1
〜3は、実際には、良く知られているシリコン基板やS
OI(シリコン−オン−インシュレータ)基板等に、半
導体製造技術を用いて形成された櫛歯状のものとするこ
とができる。
【0016】可動電極1は、基部4に固定され、図1中
の矢印にて示すY軸方向を天地方向として(図中の上方
が天、下方が地であり、以下、天地方向Yという)、水
平方向へ延びるように配置されている。そして、可動電
極1は、基部4に固定された部分を固定端として、自由
端側は天地方向Yへ変位可能となっている。
【0017】固定電極2、3は、天地方向Yにおいて可
動電極1を挟んで天側と地側とで可動電極1に対向して
配置された第1の固定電極(天側)2及び第2の固定電
極(地側)3よりなる。各固定電極2、3は、一端側が
基部4に固定され他端側が水平方向へ延びるように、基
部4に片持ち状に支持されている。
【0018】ここで、図1中、コンデンサ記号にて示す
様に、可動電極1と第1の固定電極2との間に第1の容
量C1が形成され、可動電極1と第2の固定電極3との
間に第2の容量C2が形成されている。そして、天地方
向Yの成分を含む加速度が印加されたときに可動電極1
が天地方向Yへ変位し、この可動電極1の変位に伴う第
1の容量C1と第2の容量C2の変化に基づいて印加加
速度を検出するようになっている。
【0019】例えば、可動電極1と第1の固定電極2と
の間に周期的に変化する第1の搬送波(検出用信号)を
印加し、可動電極1と第2の固定電極3との間に第1の
搬送波とは逆相の周期的に変化する第2の搬送波(検出
用信号)を印加した状態で、第1の容量C1と第2の容
量C2の差動容量をとり、加速度印加時における当該差
動容量の変化を電圧に変換して出力することで、加速度
検出が可能となっている。
【0020】ところで、車体懸架装置制御にて天地方向
Yの加速度を検出する場合、システムの機能上(例:ス
カイフック制御)、比較的低い加速度を検出する必要が
あり、加速度センサとしては、高感度であることが必要
となる。しかし、高感度であるが故に重力加速度(1
G)程度の加速度によって可動電極1が天地方向Yの地
側(下方)へ変位しやすく(上記図4参照)、これが可
動電極1の変位のオフセットとなる。
【0021】そこで、本実施形態では、このオフセット
を抑制すべく、可動電極1と第1の固定電極2との間及
び可動電極1と第2の固定電極3との間の少なくとも一
方に静電引力を発生させるための電気信号を印加するこ
とにより、可動電極1における天地方向Yへの変位のオ
フセット分をキャンセルできるようにしている。
【0022】例えば、図1に示す様に、可動電極1と天
側の第1の固定電極2との間に、重力加速度と同等の静
電引力FE(図中、白抜き矢印にて図示)を与えるよう
な定電圧源5を設ける(第1の例)。これにより、上記
検出用信号(第1、第2の搬送波)以外に、可動電極1
と第1の固定電極2との間に直流電圧Vが印加され、可
動電極1が第1の固定電極2側へ重力加速度による分だ
け変位するため、可動電極1のオフセット分をメカニカ
ルにキャンセルすることができる。
【0023】なお、上記第1の例では、電気信号により
発生する静電気力によって可動電極1の天地方向Yへの
オフセット分をキャンセル可能としているが、電気信号
が直流(0Hz)の電圧であるため、検出時に、電気信
号による静電気がノイズ等の誤差要因になることはな
い。
【0024】また、図2、図3はオフセットキャンセル
用の電気信号の他の例(第2の例)、もう一つの他の例
(第3の例)を示すものであり、これら第2、第3の例
では、該電気信号を、印加加速度を検出するための周期
的に変化する検出信号としての第1の搬送波6a、第2
の搬送波6bと同期した信号としている。
【0025】まず、図2に示す第2の例では、第1の搬
送波6aとは極性を逆にした逆相の信号7を可動電極1
に対して印加することにより、可動電極1と第1の固定
電極2との間に重力加速度と同等の静電引力FEを発生
させる。
【0026】一方、図3に示す第3の例では、第1の搬
送波6aの電位を、第2の搬送波6bよりも高くするこ
とで第1の搬送波6aを電気信号8として用い、可動電
極1の電位(中点電位)と電気信号8とによって、可動
電極1と第1の固定電極2との間に重力加速度と同等の
静電引力FEを発生させる。
【0027】これら第2、第3の例によっても、可動電
極1が第1の固定電極2側へ重力加速度による分だけ変
位するため、可動電極1の天地方向Yへのオフセット分
をキャンセルすることができる。また、第2、第3の例
においても、検出用信号6a、6bと電気信号7、8と
が同期しているため、基本的にノイズは発生しない。
【0028】なお、上記各例では、可動電極1と第1の
固定電極2との間に静電引力FEを発生させるように電
気信号を印加しているが、更に、可動電極1と第2の固
定電極3との間にも静電引力を発生させ、互いの静電引
力の釣り合いの結果、可動電極1が第1の固定電極2側
へ引っ張られるようにしても良い。
【0029】以上、本実施形態によれば、可動電極1に
おける天地方向Yへの変位のオフセット分をキャンセル
するように、可動電極1と第1の固定電極2との間及び
可動電極1と第2の固定電極3との間の両方またはどち
らか一方に静電引力を発生させるための電気信号を印加
することができるため、可動電極1に発生する変位のオ
フセットを抑制し、検出精度を向上させることができ
る。
【0030】また、本発明は、天地方向(鉛直方向)の
加速度を検出する加速度センサ以外にも、天地方向以外
(例えば水平方向)の加速度を検出するものに適用して
も良い。これは、どのような容量式加速度センサにおい
ても、可動電極にオフセットを発生させるような外力が
加わる可能性は否定できないためであり、本発明を用い
れば、そのようなオフセット分をキャンセルできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る容量式加速度センサの
模式的構成図である。
【図2】上記実施形態の他の例を示す図である。
【図3】上記実施形態のもう1つの他の例を示す図であ
る。
【図4】従来の一般的な容量式加速度センサの模式的構
成図である。
【図5】加速度と出力電圧との関係を示す模式図であ
る。
【符号の説明】
1…可動電極、2…第1の固定電極、3…第3の固定電
極。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 所定方向へ変位可能な可動電極(1)
    と、 前記所定方向において前記可動電極に対し互いに反対側
    にて対向して配置された第1及び第2の固定電極(2、
    3)とを備え、 前記可動電極と前記第1の固定電極との間に第1の容量
    が形成され、前記可動電極と前記第2の固定電極との間
    に第2の容量が形成されており、 加速度が印加されたときに前記可動電極が前記所定方向
    へ変位し、この可動電極の変位に伴う前記第1の容量及
    び前記第2の容量の変化に基づいて印加加速度を検出す
    るようにした容量式加速度センサにおいて、 前記可動電極と前記第1の固定電極との間及び前記可動
    電極と前記第2の固定電極との間の少なくとも一方に静
    電引力を発生させるための電気信号を印加することによ
    り、前記可動電極における前記所定方向への変位のオフ
    セット分をキャンセルできるようになっていることを特
    徴とする容量式加速度センサ。
  2. 【請求項2】 前記電気信号は、前記可動電極(1)と
    前記第1の固定電極(2)との間、若しくは、前記可動
    電極と前記第2の固定電極(3)との間に印加される直
    流電圧であることを特徴とする請求項1に記載の容量式
    加速度センサ。
  3. 【請求項3】 前記印加加速度を検出するための周期的
    に変化する検出用信号が前記可動電極と前記第1及び第
    2の固定電極との間に印加されるようになっており、 前記電気信号は、前記検出用信号と同期した信号である
    ことを特徴とする請求項1に記載の容量式加速度セン
    サ。
  4. 【請求項4】 前記所定方向が天地方向に沿った方向で
    あることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つ
    に記載の容量式加速度センサ。
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