JPH11258264A - Capacitive acceleration sensor - Google Patents
Capacitive acceleration sensorInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、可動電極と固定電
極との間の静電容量の変位に基づいて加速度を検出する
ようにした容量式加速度センサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a capacitive acceleration sensor for detecting an acceleration based on a displacement of a capacitance between a movable electrode and a fixed electrode.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来より、例えばモノリシック半導体チ
ップにより実現される容量式加速度センサにあっては、
加速度の作用に応じて変位する梁構造体と一体の可動電
極を設けると共に、この可動電極を挟んだ状態で少なく
とも一対の第１の固定電極及び第２の固定電極を対向配
置し、加速度の作用に応じた可動電極と第１及び第２の
固定電極との間の各静電容量の差動的な変化に基づいて
加速度を検出する構成とされる。この場合、上記静電容
量の検出のために、可動電極と第１及び第２の固定電極
との各間に交互に電圧を印加するための同期検波用信号
を発生する信号発生回路と、上記各電極間に印加された
信号を同期検波して前記静電容量に応じた検出信号を発
生するための同期式復調回路とが設けられる。また、上
記同期検波用信号としては、信号レベルが「０」、
「１」で表される方形波パルス信号が広く用いられるも
のであるが、従来では、斯様な同期検波用信号のパルス
デューティ比を５０％に設定していた。2. Description of the Related Art Conventionally, for example, in a capacitive acceleration sensor realized by a monolithic semiconductor chip,
A movable electrode integral with the beam structure which is displaced in response to the action of acceleration is provided, and at least a pair of first fixed electrodes and a second fixed electrode are arranged to face each other with the movable electrode interposed therebetween, and the action of acceleration is performed. The acceleration is detected based on the differential change of each capacitance between the movable electrode and the first and second fixed electrodes according to the above. In this case, a signal generation circuit for generating a synchronous detection signal for alternately applying a voltage between the movable electrode and the first and second fixed electrodes for detecting the capacitance, A synchronous demodulation circuit for synchronously detecting a signal applied between the electrodes and generating a detection signal corresponding to the capacitance; The signal level of the synchronous detection signal is “0”,
Although the square wave pulse signal represented by "1" is widely used, conventionally, the pulse duty ratio of such a synchronous detection signal is set to 50%.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】上記のような容量式加
速度センサにおいては、同期検波用信号による電圧印加
に応じて、可動電極と各固定電極との間にこれらを近付
ける方向の静電気力が発生することになり、この静電気
力は可動電極が初期位置（両電極間の中心位置）から離
れるのに従い非直線的に大きくなる。このため、可動電
極にあっては、加速度の作用に伴い相対的に大きく変位
する場合に、上記静電気力によってさらに大きく変位す
ることになる。In the above-described capacitive acceleration sensor, an electrostatic force is generated between the movable electrode and each fixed electrode in a direction approaching the movable electrode and each fixed electrode according to the voltage application by the synchronous detection signal. Therefore, the electrostatic force increases nonlinearly as the movable electrode moves away from the initial position (the center position between both electrodes). Therefore, when the movable electrode is relatively displaced by the action of the acceleration, the movable electrode is further displaced by the electrostatic force.
【０００４】一方、センシング感度を高めるためには、
同期検波用信号の振幅を大きくすれば良いが、このよう
に構成したときには上述のように発生する静電気力も大
きくなるため、加速度の作用に伴い可動電極が変位した
ときに、その可動電極が初期位置から変位する量が一層
大きくなってしまう。ところが、静電気力と可動電極の
変位量との関係は、前述したように非直線的であるた
め、可動電極の初期位置からの変位量が大きくなるのに
従いセンサ特性の直線性が悪化することになる。従っ
て、従来構成の容量式加速度センサでは、センサ特性の
直線性を阻害することなくセンシング感度を高めること
が困難になるという事情があった。On the other hand, in order to increase the sensing sensitivity,
The amplitude of the synchronous detection signal may be increased, but in such a configuration, the electrostatic force generated as described above also increases. Therefore, when the movable electrode is displaced by the action of acceleration, the movable electrode is moved to the initial position. The amount of displacement from is further increased. However, since the relationship between the electrostatic force and the displacement of the movable electrode is non-linear as described above, the linearity of the sensor characteristics deteriorates as the displacement of the movable electrode from the initial position increases. Become. Therefore, in the conventional capacitive acceleration sensor, it is difficult to increase the sensing sensitivity without hindering the linearity of the sensor characteristics.
【０００５】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、センシング感度の向上を、センサ特
性の直線性を確保しながら図り得るようになる容量式加
速度センサを提供することにある。The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a capacitive acceleration sensor capable of improving sensing sensitivity while securing linearity of sensor characteristics. is there.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１に記載したような手段を採用できる。この手
段によれば、加速度の作用に応じて可動電極が変位した
ときには、第１の固定電極及び可動電極間の静電容量
と、第２の固定電極及び可動電極間の静電容量とが差動
的に変化することになる。上記第１の固定電極及び可動
電極間、並びに第２の固定電極及び可動電極間には、信
号発生手段から出力される同期検波用信号によって交互
に電圧が印加されるものであり、このような同期検波用
信号に同期して取り込んだ可動電極電位に基づいて、上
記各静電容量の差分を抽出することにより加速度を検出
できるようになる。Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, means as described in claim 1 can be employed. According to this means, when the movable electrode is displaced in response to the action of the acceleration, the capacitance between the first fixed electrode and the movable electrode is different from the capacitance between the second fixed electrode and the movable electrode. It will change dynamically. A voltage is alternately applied between the first fixed electrode and the movable electrode and between the second fixed electrode and the movable electrode by a synchronous detection signal output from the signal generating means. The acceleration can be detected by extracting the difference between the respective capacitances based on the movable electrode potential taken in synchronization with the synchronous detection signal.
【０００７】この場合、信号発生手段から出力される上
記同期検波用信号は、第１の固定電極及び可動電極間に
印加されるデューティ比５０％未満の第１のパルス信号
と、第２の固定電極及び可動電極間に印加されるデュー
ティ比５０％未満の第２のパルス信号とから構成されて
いる。従って、加速度のセンシング感度を上げるために
同期検波用信号の振幅を大きくした場合でも、その同期
用検波信号の平均電圧は、従来構成に比べて小さくなる
から、第１の固定電極及び可動電極間に作用する静電気
力、並びに第２固定電極及び可動電極間に作用する静電
気力の各平均値は相対的に小さくなる。従って、同期検
波用信号の振幅を大きくすることによってセンシング感
度を高めた場合でも、可動電極の変位量が非直線的に大
きくなることが抑制されるから、センサ特性の直線性が
従来構成のように悪化することがなくなる。In this case, the synchronous detection signal output from the signal generating means includes a first pulse signal having a duty ratio of less than 50% applied between the first fixed electrode and the movable electrode, and a second fixed signal. And a second pulse signal having a duty ratio of less than 50% applied between the electrode and the movable electrode. Therefore, even when the amplitude of the synchronous detection signal is increased in order to increase the sensing sensitivity of the acceleration, the average voltage of the synchronous detection signal is smaller than that of the conventional configuration. And the average value of the electrostatic force acting between the second fixed electrode and the movable electrode is relatively small. Therefore, even when the sensing sensitivity is increased by increasing the amplitude of the synchronous detection signal, the displacement amount of the movable electrode is suppressed from increasing non-linearly, so that the linearity of the sensor characteristics is reduced as in the conventional configuration. It does not get worse.
【０００８】請求項３記載の手段によれば、互いに位相
が異なり且つデューティ比が５０％未満の第１のパルス
信号及び第２のパルス信号より成る同期検波用信号を、
ウインドコンパレータを利用した極めて簡単な構成にて
形成できるようになる。According to the third aspect of the present invention, a synchronous detection signal comprising a first pulse signal and a second pulse signal having different phases from each other and a duty ratio of less than 50% is provided.
It can be formed with a very simple configuration using a window comparator.
【０００９】[0009]
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例について
図面を参照しながら説明する。図１には本実施例による
容量式加速度センサの全体構成がセンサエレメント部分
の概略的な平面構造並びに信号処理機能部分の電気的な
機能ブロックと共に実体的に示されている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows the overall configuration of the capacitive acceleration sensor according to the present embodiment, together with a schematic plan structure of a sensor element portion and electrical functional blocks of a signal processing function portion.
【００１０】この図１において、センサエレメント１
は、例えば、単結晶シリコン基板のような半導体基板を
利用した周知のマイクロマシニング技術によって製造さ
れるものであり、ここでは主要部の構造のみを示してい
る。尚、図１中のハッチング及び塗り潰し領域は、断面
を示すものではなく、センサエレメント１の各電極構造
の区分を容易に認識できるように施したものである。In FIG. 1, a sensor element 1
Is manufactured by a well-known micromachining technique using a semiconductor substrate such as a single crystal silicon substrate, and here, only the structure of the main part is shown. The hatched and filled areas in FIG. 1 do not show a cross section, but are provided so that the section of each electrode structure of the sensor element 1 can be easily recognized.
【００１１】センサエレンメント１において、可動電極
２は、当該センサエレメント１のベース基板１ａに対し
図示しない梁構造体及びアンカー部を介して支持された
ものであり、図中矢印Ａ及び反矢印Ａ方向の加速度成分
が作用したときに、その作用方向へ変位する構成となっ
ている。この場合、可動電極２は、その中心部の棒状基
部の両側から前記矢印Ａ方向と直交した各方向へ指向さ
れた例えば５個ずつの単位電極２ａ及び２ｂを一体に備
えた構成となっている。尚、上記可動電極２の棒状基部
はマス部としての機能を備えたものであり、必要に応じ
て大形化することが行われる。In the sensor element 1, the movable electrode 2 is supported on the base substrate 1a of the sensor element 1 via a beam structure and an anchor (not shown). When an acceleration component in the direction acts, the displacement is made in the acting direction. In this case, the movable electrode 2 is configured to integrally include, for example, five unit electrodes 2a and 2b, each of which is directed in each direction perpendicular to the arrow A direction from both sides of the rod-shaped base portion at the center thereof. . The rod-shaped base of the movable electrode 2 has a function as a mass part, and may be enlarged as necessary.
【００１２】センサエレメント１において、ベース基板
１ａ上に例えば４個ずつ設けられた第１の固定電極３及
び４は、前記可動電極２が有する単位電極２ａ及び２ｂ
のうちの４個における一方の側面とそれぞれ所定幅のギ
ャップＧ1 を存した状態で平行配置されており、また、
ベース基板１ａ上に同じく４個ずつ設けられた第２の固
定電極５及び６は、上記単位電極２ａ及び２ｂのうちの
４個における他方の側面とそれぞれ所定幅のギャップＧ
2 （Ｇ1 ＝Ｇ2 ）を存した状態で平行配置されている。In the sensor element 1, for example, four first fixed electrodes 3 and 4 provided on the base substrate 1 a are unit electrodes 2 a and 2 b of the movable electrode 2.
Are arranged in parallel with one side surface of four of them, each having a gap G1 of a predetermined width.
The second fixed electrodes 5 and 6, which are also provided on the base substrate 1a, each have a gap G having a predetermined width with the other side surface of the four unit electrodes 2a and 2b.
2 (G1 = G2).
【００１３】この場合、各第１の固定電極３及び４は、
それぞれと一体に形成された導電パターン部３ａ及び４
ａ並びに図示しない配線膜を介して電気的に接続されて
いる。また、各第２の固定電極５及び６は、それぞれと
一体に形成された導電パターン部５ａ及び６ａ並びに図
示しない配線膜を介して電気的に接続されている。In this case, each of the first fixed electrodes 3 and 4
Conductive pattern portions 3a and 4 formed integrally with each other
a and via a wiring film (not shown). The second fixed electrodes 5 and 6 are electrically connected to each other through conductive pattern portions 5a and 6a formed integrally with the respective fixed electrodes and a wiring film (not shown).
【００１４】尚、上記可動電極２、第１の固定電極３及
び４、第２の固定電極５及び６、導電パターン部３ａな
いし６ａは、半導体より成るものであるが、例えば不純
物の導入によって導電率が高められている。The movable electrode 2, the first fixed electrodes 3 and 4, the second fixed electrodes 5 and 6, and the conductive pattern portions 3a to 6a are made of a semiconductor. The rate has been raised.
【００１５】上記のように構成されたセンサエレメント
１においては、可動電極２と第１の固定電極３及び４と
の間に第１のコンデンサＣ１が形成される。また、上記
可動電極２と第２の固定電極５及び６との間に第２のコ
ンデンサＣ２が形成される。そして、これら各コンデン
サＣ１及びＣ２の静電容量は、可動電極２に加速度が作
用したときの変位に応じて差動的に変化することにな
る。In the sensor element 1 configured as described above, a first capacitor C1 is formed between the movable electrode 2 and the first fixed electrodes 3 and 4. A second capacitor C2 is formed between the movable electrode 2 and the second fixed electrodes 5 and 6. The capacitance of each of the capacitors C1 and C2 changes differentially according to the displacement when the acceleration acts on the movable electrode 2.
【００１６】パルス信号発生回路７（本発明でいう信号
発生手段に相当）は、第１の固定電極３及び４と可動電
極２との間、並びに第２の固定電極５及び６と可動電極
２との間に交互に電圧を印加するための同期検波用信号
を出力するために設けられている。この場合、上記同期
検波用信号は、第１の固定電極３及び４と可動電極２と
の間に印加されるデューティ比が５０％未満の第１のパ
ルス信号ＰＷ1 と、第２の固定電極５及び６と可動電極
２との間に上記第１のパルス信号ＰＷ1 とは異なる期間
に印加されるデューティ比が５０％未満の第２のパルス
信号ＰＷ2 とから成る。The pulse signal generating circuit 7 (corresponding to the signal generating means in the present invention) is provided between the first fixed electrodes 3 and 4 and the movable electrode 2 and between the second fixed electrodes 5 and 6 and the movable electrode 2. And for outputting a synchronous detection signal for alternately applying a voltage between the signals. In this case, the synchronous detection signal includes a first pulse signal PW1 applied between the first fixed electrodes 3 and 4 and the movable electrode 2 having a duty ratio of less than 50%, and a second fixed electrode 5 And a second pulse signal PW2 having a duty ratio of less than 50% applied between the movable electrode 2 and the movable electrode 2 during a period different from the first pulse signal PW1.
【００１７】上記パルス信号発生回路７は、具体的には
図２に示すような回路構成となっている。即ち、図２に
おいて、パルス信号発生回路７は、例えば波高値が５．
０Ｖの三角波信号Ｓｄを発生する三角波発生回路８と、
周知の第１及び第２のウインドコンパレータ９及び１０
とを組み合わせて構成されている。第１のウインドコン
パレータ９は、三角波信号Ｓｄの電圧レベルが予め設定
された第１の基準電圧範囲（２．５〜３Ｖ）にある期間
に第１のパルス信号ＰＷ1 を発生するように構成されて
いる。また、第２のウインドコンパレータ１０は、三角
波信号Ｓｄの電圧レベルが予め設定された第２の基準電
圧範囲（２〜２．５Ｖ）にある期間に第２のパルス信号
ＰＷ2 を発生するように構成されている。The pulse signal generating circuit 7 has a specific circuit configuration as shown in FIG. That is, in FIG. 2, the pulse signal generation circuit 7 has a peak value of 5.
A triangular wave generating circuit 8 for generating a triangular wave signal Sd of 0 V;
Well-known first and second window comparators 9 and 10
And a combination thereof. The first window comparator 9 is configured to generate the first pulse signal PW1 during a period when the voltage level of the triangular wave signal Sd is within a preset first reference voltage range (2.5 to 3 V). I have. Further, the second window comparator 10 is configured to generate the second pulse signal PW2 during a period when the voltage level of the triangular wave signal Sd is within a preset second reference voltage range (2 to 2.5 V). Have been.
【００１８】斯様な構成により、パルス信号発生回路７
からは、互いに位相が異なり、且つデューティ比がそれ
ぞれ２０％となる第１のパルス信号ＰＷ1 及び第２のパ
ルス信号ＰＷ2 が出力されることになる。With such a configuration, the pulse signal generation circuit 7
From this, the first pulse signal PW1 and the second pulse signal PW2 whose phases are different from each other and whose duty ratio is 20% are output.
【００１９】図１に翻って、同期式復調回路１１は、前
記第１のパルス信号ＰＷ1 及び第２のパルス信号ＰＷ2
に同期して可動電極２の電位（可動電極２と第１の固定
電極３及び４との間の電位差、可動電極２と第２の固定
電極５及び６との間の電位差）を取り込むと共に、その
電位に基づいて、第１の固定電極３、４及び可動電極２
によるコンデンサＣ１の静電容量と、第２の固定電極
５、６及び可動電極２によるコンデンサＣ２の静電容量
との差分ΔＣを抽出し、その差分ΔＣに応じた電圧レベ
ルの検出信号Ｖｄを出力するようになっている。この検
出信号Ｖｄは、増幅回路１２及びローパスフィルタ１３
を通じて出力されるものであり、斯様な出力に基づいて
印加加速度を検出できることになる。尚、本実施例によ
る容量式加速度センサは、可動電極２の位置制御のため
の静電サーボ信号を加えない非サーボ方式に構成されて
いる。Referring back to FIG. 1, the synchronous demodulation circuit 11 includes the first pulse signal PW1 and the second pulse signal PW2.
In synchronization with the potential of the movable electrode 2 (the potential difference between the movable electrode 2 and the first fixed electrodes 3 and 4 and the potential difference between the movable electrode 2 and the second fixed electrodes 5 and 6). Based on the potential, the first fixed electrodes 3 and 4 and the movable electrode 2
, And a difference ΔC between the capacitance of the capacitor C1 due to the second fixed electrodes 5, 6 and the movable electrode 2, and outputs a detection signal Vd of a voltage level corresponding to the difference ΔC. It is supposed to. The detection signal Vd is supplied to the amplification circuit 12 and the low-pass filter 13
The applied acceleration can be detected based on such output. Note that the capacitive acceleration sensor according to the present embodiment is configured in a non-servo system in which an electrostatic servo signal for controlling the position of the movable electrode 2 is not applied.
【００２０】次に、上記構成の作用について説明する。
即ち、図３には、同期検波用信号（第１のパルス信号Ｐ
Ｗ1 、第２のパルス信号ＰＷ2 ）による静電気力発生の
様子が模式的に示されている。この図３において、ｄは
可動電極２及び第１の固定電極３、４間のギャップＧ1
並びに可動電極２及び第２の固定電極５、６間のギャッ
プＧ2 の定常状態時の寸法、ｘは可動電極２の変位量
（初期値は０）である。また、図３中には、可動電極２
及び第１の固定電極３、４間に形成される第１のコンデ
ンサＣ１の静電容量、並びに可動電極２及び第２の固定
電極５、６間に形成される第２のコンデンサＣ２の静電
容量を、それぞれ上記変位量ｘを変数とした関数Ｃ1
(x)、Ｃ2(x)で示した。さらに、図３中には、同期検波
用信号を印加したときに実際に発生する静電気力を変位
量ｘを変数とした関数Ｆ(x) で示すと共に、第１のコン
デンサＣ１の静電容量Ｃ1(x)により発生する静電気力を
Ｆ1(x)、第２のコンデンサＣ２の静電容量Ｃ2(x)により
発生する静電気力をＦ2(x)で示した。Next, the operation of the above configuration will be described.
That is, FIG. 3 shows the synchronous detection signal (first pulse signal P
W1 and the second pulse signal PW2) schematically show how the electrostatic force is generated. In FIG. 3, d is a gap G1 between the movable electrode 2 and the first fixed electrodes 3, 4.
The dimension x in the steady state of the gap G2 between the movable electrode 2 and the second fixed electrodes 5, 6 is x, and x is the displacement of the movable electrode 2 (the initial value is 0). In FIG. 3, the movable electrode 2 is shown.
And the capacitance of a first capacitor C1 formed between the first fixed electrodes 3 and 4, and the capacitance of a second capacitor C2 formed between the movable electrode 2 and the second fixed electrodes 5 and 6. The capacity is a function C1 using the displacement x as a variable.
(x) and C2 (x). Further, in FIG. 3, the electrostatic force actually generated when the synchronous detection signal is applied is shown by a function F (x) using the displacement amount x as a variable, and the electrostatic capacitance C1 of the first capacitor C1 is shown. F1 (x) indicates the electrostatic force generated by (x), and F2 (x) indicates the electrostatic force generated by the capacitance C2 (x) of the second capacitor C2.
【００２１】この場合、Ｃ1(x)、Ｃ2(x)、Ｆ1(x)、Ｆ2
(x)は次式（１）〜（４）により得られる。但し、ips
は電極間物質の誘電率、Areaは電極面積、Vaは同期検波
用信号の振幅、dutyは同期検波用信号のデューティ比で
ある。In this case, C1 (x), C2 (x), F1 (x), F2
(x) is obtained by the following equations (1) to (4). However, ips
Is the dielectric constant of the substance between the electrodes, Area is the electrode area, Va is the amplitude of the synchronous detection signal, and duty is the duty ratio of the synchronous detection signal.
【００２２】 Ｃ1(x)＝ips ・Area／（ｄ＋ｘ） ……（１） Ｃ2(x)＝ips ・Area／（ｄ−ｘ） ……（２） Ｆ1(x)＝Ｃ1(x)・Va２・duty／｛２・（ｄ＋ｘ）｝ ……（３） Ｆ2(x)＝Ｃ2(x)・Va２・duty／｛２・（ｄ−ｘ）｝ ……（４）C1 (x) = ips Area / (d + x) (1) C2 (x) = ips Area / (d−x) (2) F1 (x) = C1 (x) · Va 2 · duty / {2 · (d + x)} (3) F2 (x) = C2 (x) · Va 2 · duty / {2 · (d−x)} (4)
【００２３】また、可動電極２に作用する静電気力Ｆ
(x) は、静電容量Ｃ1(x)による静電気力Ｆ1(x)と静電容
量Ｃ2(x)による静電気力Ｆ2(x)との差分となるものであ
り、従って、次式（５）によって得られる。The electrostatic force F acting on the movable electrode 2
(x) is the difference between the electrostatic force F1 (x) due to the capacitance C1 (x) and the electrostatic force F2 (x) due to the capacitance C2 (x). Obtained by
【００２４】 Ｆ(x）＝Ｆ1(x)−Ｆ2(x) ＝ips ・Area・Va２・duty・[{1/(d+x)}-{1/(d-x)}] ／２ ……（５）[0024] F (x) = F1 (x ) -F2 (x) = ips · Area · Va 2 · duty · [{1 / (d + x)} - {1 / (dx)}] / 2 ...... (5)
【００２５】この（５）式に示すように、同期検波用信
号により発生する静電気力Ｆ(x) は、その同期検波用信
号の振幅Vaが一定であれば当該同期検波用信号のデュー
ティ比に比例することが分かる。従って、本実施例のよ
うに同期検波用信号（第１のパルス信号ＰＷ1 、第２の
パルス信号ＰＷ2 ）のデューティ比が２０％に設定され
ている場合には、デューティ比が５０％の同期検波用信
号を用いる従来構成に比べて、可動電極２に作用する静
電気力が抑制されることになる。As shown in the equation (5), if the amplitude Va of the synchronous detection signal is constant, the electrostatic force F (x) generated by the synchronous detection signal depends on the duty ratio of the synchronous detection signal. It turns out that it is proportional. Therefore, when the duty ratio of the synchronous detection signals (the first pulse signal PW1 and the second pulse signal PW2) is set to 20% as in this embodiment, the synchronous detection with the duty ratio of 50% is performed. The electrostatic force acting on the movable electrode 2 is suppressed as compared with the conventional configuration using the use signal.
【００２６】さらに、（５）式からは以下のようなこと
も分かる。つまり、可動電極２に作用する静電気力Ｆ
(x）は、可動電極２の変位量ｘが正の値のときに負の値
となるものであり、静電気力Ｆ(x）の方向は加速度によ
る可動電極２の変位方向と同方向になる。従って、この
静電気力Ｆ(x）は、可動電極２が加速度により変位した
ときにその変位を助長するように作用するが、（５）式
から明らかなように可動電極２の変位量ｘに対して非直
線的に変化するものであり、その変位量が大きくなるの
に連れて急激に増加する。このため、同期検波用信号に
より発生する静電気力は、印加加速度と検出加速度との
間に非直線誤差をもたらすことになる。Further, the following can be understood from equation (5). That is, the electrostatic force F acting on the movable electrode 2
(x) is a negative value when the displacement x of the movable electrode 2 is a positive value, and the direction of the electrostatic force F (x) is the same as the displacement direction of the movable electrode 2 due to acceleration. . Therefore, the electrostatic force F (x) acts to promote the displacement of the movable electrode 2 when the movable electrode 2 is displaced by acceleration. Thus, the amount of displacement changes non-linearly, and increases rapidly as the amount of displacement increases. Therefore, the electrostatic force generated by the synchronous detection signal causes a non-linear error between the applied acceleration and the detected acceleration.
【００２７】図４には、第１の固定電極３、４及び可動
電極２間に形成されるコンデンサＣ１の静電容量と第２
の固定電極５、６及び可動電極２間に形成されるコンデ
ンサＣ２の静電容量との差分ΔＣの検出原理が模式的に
示されている。図４（ａ）に示すように、可動電極２を
０Ｖ（接地電位）にバイアスし、同期検波用信号によっ
て第１の固定電極３及び４を５Ｖ、第２の固定電極５及
び６を０Ｖにバイアスすると、コンデンサＣ１には電荷
Ｑ（＝Ｃ1(x)・Va）が蓄積される。尚、Ｖはバイアス電
圧である。この状態から、図４（ｂ）に示すように、可
動電極２に対するバイアス電位の印加を停止し、同期検
波用信号によって第１の固定電極３及び４を０Ｖ、第２
の固定電極５及び６を５Ｖにバイアスした状態に反転さ
せると、可動電極２の電位がΔＶに変化するようにな
り、これに応じてコンデンサＣ１に電荷Ｑ１（＝Ｃ1(x)
・ΔＶ）が蓄積され、コンデンサＣ２に電荷Ｑ２（＝Ｃ
2(x)・（Va＋ΔＶ））が蓄積された状態になる。FIG. 4 shows the capacitance of the capacitor C1 formed between the first fixed electrodes 3 and 4 and the movable electrode 2 and the second capacitance.
The detection principle of the difference ΔC from the capacitance of the capacitor C2 formed between the fixed electrodes 5, 6 and the movable electrode 2 is schematically shown. As shown in FIG. 4A, the movable electrode 2 is biased to 0V (ground potential), and the first fixed electrodes 3 and 4 are set to 5V and the second fixed electrodes 5 and 6 are set to 0V by the synchronous detection signal. When biased, electric charge Q (= C1 (x) .Va) is accumulated in the capacitor C1. V is a bias voltage. From this state, as shown in FIG. 4B, the application of the bias potential to the movable electrode 2 is stopped, the first fixed electrodes 3 and 4 are set to 0 V by the synchronous detection signal,
When the fixed electrodes 5 and 6 are inverted to a state of being biased to 5 V, the potential of the movable electrode 2 changes to ΔV, and accordingly, the charge Q1 (= C1 (x) is stored in the capacitor C1.
ΔV) is accumulated, and the charge Q2 (= C
2 (x) · (Va + ΔV)) is accumulated.
【００２８】この場合、Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２の関係が成立
し、また、前記（１）、（２）式の関係があるため、可
動電極２の電位ΔＶは、次式（６）で得られることにな
る。In this case, the relationship of Q = Q1 + Q2 holds, and the relationship of the above equations (1) and (2) holds. Therefore, the potential ΔV of the movable electrode 2 can be obtained by the following equation (6). Become.
【００２９】 ΔＶ＝｛Ｃ1(x)−Ｃ2(x)）／（Ｃ1(x)＋Ｃ2(x)）｝・Va ＝−ｘ・Va／ｄ ……（６） 従って、検出加速度に応じたレベルとなる可動電極２の
電位ΔＶは、同期検波用波信号の振幅Vaに比例するもの
であり、その振幅Vaを大きくすることにより、加速度の
センシング感度を高めることができる。ΔV = {C1 (x) −C2 (x)) / (C1 (x) + C2 (x))} · Va = −x · Va / d (6) Therefore, a level corresponding to the detected acceleration The potential ΔV of the movable electrode 2 is proportional to the amplitude Va of the synchronous detection wave signal, and by increasing the amplitude Va, the acceleration sensing sensitivity can be increased.
【００３０】要するに、本実施例のように、各々のデュ
ーティ比が２０％に設定された第１のパルス信号ＰＷ1
及び第２のパルス信号ＰＷ2 を、第１の固定電極３、４
及び可動電極２間並びに第２の固定電極５、６及び可動
電極２間に同期検波用信号としてそれぞれ印加する構成
によれば、加速度のセンシング感度を上げるために当該
同期検波用信号の振幅Vaを大きくした場合でも、その同
期検波用信号の平均電圧は、従来構成に比べて小さくな
って、第１の固定電極３、４及び可動電極２間に作用す
る静電気力、並びに第２固定電極５、６及び可動電極２
間に作用する静電気力の各平均値を相対的に小さくでき
るものである。従って、同期検波用信号の振幅Vaを大き
くすることによってセンシング感度を高めた場合でも、
可動電極２の変位量が非直線的に大きくなることがなく
なり、これにより、印加加速度と検出加速度との間での
非直線性誤差を抑制できるようになって、センサ特性の
直線性が従来構成のように悪化することがなくなるもの
である。In short, as in the present embodiment, the first pulse signal PW1 whose duty ratio is set to 20% is set.
And the second pulse signal PW2 to the first fixed electrodes 3, 4
According to the configuration for applying the synchronous detection signal between the movable electrodes 2 and between the second fixed electrodes 5 and 6 and the movable electrode 2, the amplitude Va of the synchronous detection signal is increased in order to increase the acceleration sensing sensitivity. Even when the voltage is increased, the average voltage of the synchronous detection signal becomes smaller than that of the conventional configuration, and the electrostatic force acting between the first fixed electrodes 3 and 4 and the movable electrode 2, and the second fixed electrode 5, 6 and movable electrode 2
The average value of the electrostatic force acting between them can be relatively reduced. Therefore, even if the sensing sensitivity is increased by increasing the amplitude Va of the synchronous detection signal,
The amount of displacement of the movable electrode 2 does not increase non-linearly, whereby the non-linearity error between the applied acceleration and the detected acceleration can be suppressed. It does not get worse like this.
【００３１】また、互いに位相が異なり且つデューティ
比が２０％の第１のパルス信号ＰＷ1 及び第２のパルス
信号ＰＷ2 より成る同期検波用信号を形成するために、
二つのウインドコンパレータ９、１０を利用した極めて
簡単な構成の信号発生回路７を設けるだけで良いから、
全体構成の複雑化を抑制できるようになる。In order to form a synchronous detection signal composed of a first pulse signal PW1 and a second pulse signal PW2 having different phases from each other and a duty ratio of 20%,
Since it is only necessary to provide the signal generating circuit 7 having a very simple configuration using the two window comparators 9 and 10,
The complication of the entire configuration can be suppressed.
【００３２】尚、本発明は上記した実施例に限定される
ものではなく、次のような変形または拡張が可能であ
る。上記実施例では、同期検波用信号を構成する第１の
パルス信号ＰＷ1 及び第２のパルス信号ＰＷ2 のデュー
ティ比を２０％に設定したが、５０％未満であれば、こ
のような設定に限らないものである。上記第１のパルス
信号ＰＷ1 及び第２のパルス信号ＰＷ2 を方形波パルス
信号にて形成したが、これに類似した波形のパルス信号
（例えば台形波パルス信号）でも良いものである。ま
た、第１の固定電極及び第２の固定電極は少なくとも一
対あれば良い。Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the following modifications or extensions are possible. In the above-described embodiment, the duty ratio of the first pulse signal PW1 and the second pulse signal PW2 constituting the synchronous detection signal is set to 20%. Things. Although the first pulse signal PW1 and the second pulse signal PW2 are formed by square wave pulse signals, pulse signals having similar waveforms (for example, trapezoidal wave pulse signals) may be used. Further, the first fixed electrode and the second fixed electrode may be at least one pair.
【図１】本発明の一実施例を示すセンサエレメント及び
信号処理機能部分の実体的構成図FIG. 1 is a substantial configuration diagram of a sensor element and a signal processing function part according to an embodiment of the present invention.
【図２】パルス信号発生回路を示す回路図FIG. 2 is a circuit diagram showing a pulse signal generation circuit.
【図３】作用説明用の模式図その１FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the operation, part 1
【図４】作用説明用の模式図その２FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the operation, part 2
１はセンサエレメント、２は可動電極、３、４は第１の
固定電極、５、６は第２の固定電極、７はパルス信号発
生回路（信号発生手段）、８は三角波発生回路、９は第
１のウインドコンパレータ、１０は第２のウインドコン
パレータ、１１は同期式復調回路を示す。1 is a sensor element, 2 is a movable electrode, 3 and 4 are first fixed electrodes, 5 and 6 are second fixed electrodes, 7 is a pulse signal generation circuit (signal generation means), 8 is a triangular wave generation circuit, 9 is A first window comparator 10 is a second window comparator, and 11 is a synchronous demodulation circuit.
Claims (4)
（２）と、 この可動電極（２）を挟んだ状態で対向配置された少な
くとも一対の第１の固定電極（３、４）及び第２の固定
電極（５、６）と、 前記第１の固定電極（３、４）及び可動電極（２）間、
並びに前記第２の固定電極（５、６）及び可動電極
（２）間に交互に電圧を印加するための同期検波用信号
を出力する信号発生手段（７）とを備え、 前記同期検波用信号に同期して前記可動電極（２）の電
位を取り込むと共に、その電位に基づいて、前記第１の
固定電極（３、４）及び可動電極（２）間の静電容量と
前記第２の固定電極（５、６）及び可動電極（２）間の
静電容量との差分を抽出することにより加速度を検出す
るようにした容量式加速度センサにおいて、 前記信号発生手段（７）は、前記同期検波用信号とし
て、前記第１の固定電極（３、４）及び可動電極（２）
間に印加されるデューティ比５０％未満の第１のパルス
信号と、前記第２の固定電極（５、６）及び可動電極
（２）間に印加されるデューティ比５０％未満の第２の
パルス信号とを出力するように構成されていることを特
徴とする容量式加速度センサ。1. A movable electrode (2) that is displaced in response to the action of acceleration, and at least a pair of first fixed electrodes (3, 4) and a first electrode that are opposed to each other while sandwiching the movable electrode (2). 2 fixed electrodes (5, 6), between the first fixed electrode (3, 4) and the movable electrode (2),
And signal generating means (7) for outputting a synchronous detection signal for alternately applying a voltage between the second fixed electrode (5, 6) and the movable electrode (2), wherein the synchronous detection signal is provided. The electric potential of the movable electrode (2) is taken in synchronism with the first fixed electrode (3, 4) and the capacitance between the first fixed electrode (3, 4) and the movable electrode (2) and the second fixed In a capacitive acceleration sensor configured to detect an acceleration by extracting a difference between a capacitance between an electrode (5, 6) and a movable electrode (2), the signal generation means (7) includes: The first fixed electrodes (3, 4) and the movable electrode (2)
A first pulse signal having a duty ratio of less than 50% applied between the second fixed electrode (5, 6) and the movable electrode (2) having a duty ratio of less than 50%; A capacitive acceleration sensor configured to output a signal.
信号は、方形波パルス信号若しくはこれに類似した波形
のパルス信号により構成されていることを特徴とする請
求項１記載の容量式加速度センサ。2. The capacitive acceleration according to claim 1, wherein the first pulse signal and the second pulse signal are configured by a square wave pulse signal or a pulse signal having a waveform similar thereto. Sensor.
の電圧レベルが、互いに重複しない範囲に設定された第
１の基準電圧範囲及び第２の基準電圧範囲にあるときに
それぞれパルス信号を発生する第１のウインドコンパレ
ータ（９）及び第２のウインドコンパレータ（１０）を
利用して構成されていることを特徴とする請求項１また
は２記載の容量式加速度センサ。3. The signal generating means (7) outputs a pulse signal when the voltage level of the triangular wave signal is within a first reference voltage range and a second reference voltage range set so as not to overlap each other. The capacitive acceleration sensor according to claim 1, wherein the capacitive acceleration sensor is configured using a first window comparator and a second window comparator that generate the signals.
徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の容量式加速
度センサ。4. The capacitive acceleration sensor according to claim 1, wherein the capacitive acceleration sensor is configured as a non-servo system.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10056660A JPH11258264A (en) | 1998-03-09 | 1998-03-09 | Capacitive acceleration sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10056660A JPH11258264A (en) | 1998-03-09 | 1998-03-09 | Capacitive acceleration sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11258264A true JPH11258264A (en) | 1999-09-24 |
Family
ID=13033557
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10056660A Pending JPH11258264A (en) | 1998-03-09 | 1998-03-09 | Capacitive acceleration sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11258264A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011107086A (en) * | 2009-11-20 | 2011-06-02 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | Capacitance detection circuit, pressure detector, acceleration detector and transducer for microphone |
| CN116972839A (en) * | 2023-09-22 | 2023-10-31 | 湖南天羿领航科技有限公司 | Flexible meter-adding digital servo circuit embedded with frequency pulse conversion circuit and method |
Citations (2)
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| JPH04337468A (en) * | 1991-05-15 | 1992-11-25 | Hitachi Ltd | Capacitive acceleration sensor |
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-
1998
- 1998-03-09 JP JP10056660A patent/JPH11258264A/en active Pending
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| JP2011107086A (en) * | 2009-11-20 | 2011-06-02 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | Capacitance detection circuit, pressure detector, acceleration detector and transducer for microphone |
| CN116972839A (en) * | 2023-09-22 | 2023-10-31 | 湖南天羿领航科技有限公司 | Flexible meter-adding digital servo circuit embedded with frequency pulse conversion circuit and method |
| CN116972839B (en) * | 2023-09-22 | 2023-12-26 | 湖南天羿领航科技有限公司 | Flexible meter-adding digital servo circuit embedded with frequency pulse conversion circuit and method |
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