JP2006517660A

JP2006517660A - 容量型加速度センサー

Info

Publication number: JP2006517660A
Application number: JP2006502057A
Authority: JP
Inventors: レフトネン、チュオモ
Original assignee: ヴェーテーイーテクノロジーズオサケユキチュア
Priority date: 2003-02-11
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2006-07-27
Also published as: WO2004072655A1; EP1606634A1; KR20050088364A; US20040221650A1; FI119528B; FI20030206A0; CN1748148A; US7716983B2

Abstract

本発明は、加速度の測定に用いる測定装置、より詳細には、容量型加速度センサーに関する。本発明による容量型加速度センサーは、回転軸（７）で支持された可動電極（５）を有する。本発明による加速度センサーの電極対におけるキャパシタンス変化は、強められている。本発明による加速度センサー構造により、回転運動に基づいた電極対のキャパシタンス感度を改善でき、また容量型加速度センサー設計において優れた性能で加速度を測定することができる。

Description

発明の分野
本発明は、加速度の測定において用いられる測定装置、より詳細には、容量型加速度センサーに関する。本発明の目的は、信頼度の高い効率的な加速度測定を、特に小さい容量型加速度センサーの設計において可能にする、改善されたセンサー構造を提供することである。

発明の背景
容量型加速度センサーに基づく測定は、シンプルな原理を有し、加速度の測定において信頼度の高い方法を提供することがわかっている。容量型の測定(capacitive measuring)は、センサーの電極対の、２つの表面間のギャップの変化に基づいている。表面間のキャパシタンス、すなわち電荷を蓄えるための容量は、表面の面積および表面間の距離によって決まる。容量型の測定は、既に、加速度のいくぶん低い測定範囲において用いることが可能である。

以下に、添付した図を参照に例示して、先行技術を説明する。
図１は、先行技術による加速度センサーの電極対（一対の電極）の構造を示す斜視図であり、また図２は、先行技術による加速度センサーの電極対に基づいた直動運動の機能的構造の側面図である。

図１は、先行技術による加速度センサーの、電極対の構造の斜視図を示している。先行技術による加速度センサーの電極対は、可動電極１（これは、加速によって動く）と、固定電極２とを有する。可動電極１は、加速度センサーの部分１であり、これは加速に応答し、そしてこの部分は、加速の結果、固定電極２に関して移動する。可動電極１と固定電極２とは電極対を構成し、該電極対は、加速度を、電気的に測定しうる量（即ちキャパシタンス）へと変換する。図においては、加速度センサーの可動電極１は、点３および４によって支持されている。一般的に、可動電極１の反対側には、先行技術の加速度センサーは、さらに第二の電極対を有するが、該電極対は、明瞭性のため図には示されていない。

加速度センサーは、電極対の可動電極の直動運動または回転運動のどちらかに基づいて実施されうる。

図２は、先行技術による加速度センサーの電極対に基づいた直動運動の機能的構造の側面図である。先行技術による加速度センサーの電極対は、可動電極１と固定プレート部２とを有する。

加速度センサーの可動電極１の支持点は、点４で示されている。加速度センサーの可動電極１が、上方のポジションにあるので、キャパシタンスは、可動電極１の底表面と、プレート部分２の上表面との間に形成される。キャパシタンスの大きさ(magnitude)は、表面１、２の面積と、表面１、２間の距離とによって決まる。加速度センサーの可動電極１が下方のポジションへ移動すると、表面１、２間の距離が減少するので、表面１、２間のキャパシタンスは大幅に増加する。

何対かの電極を用いる本発明の加速度センサーの実施は、出願人の同時係属中の国際出願において詳細に記載されている。

発明の要旨
本発明の目的は、回転運動に基づいた電極対のキャパシタンス感度を改善でき、また容量型加速度センサー設計において優れた性能で加速度を測定することを可能にする、改善されたセンサー構造を提供することである。

本発明によれば、容量型加速度センサーが提供され、該センサーは、少なくとも１対の電極を有し、各電極対は、加速度に応答する可動電極（５）と、少なくとも１つの固定プレート部（６）とを有し、各電極対がさらに回転軸を有しており、該回転軸は実質的に共通の軸を形成しており、当該加速度センサーの可動電極が、回転軸に堅固に支持され、該可動電極が、回転軸の周りを自由に回転運動でき、回転運動する可動電極とプレート部分との間のキャパシタンス変化が、電極によって強められている。

好ましくは、回転運動する可動電極と、プレート部分との間のキャパシタンス変化が、電極の形状によって強められている。

好ましくは、電極対が、可動電極によって形を定められており、該電極対のエリアの有効部分が、可動電極の回転軸から、可能な限り離れて置かれている。あるいは、電極対が、少なくとも１つの固定プレート部分によって形を定められており、電極対のエリアの有効部分が、可動電極の回転軸から可能な限り離れて置かれている。好ましくは、電極対が、可動電極と、少なくとも１つの固定プレート部分とによって形を定められており、電極対のエリアの有効部分が、可動電極の回転軸から可能な限り離れて置かれている。

好ましくは、可動電極が、実質的に２つの支持点を有し、スプリングがこれらの支持点に連結され、可動電極に、回転軸の周りの回転の自由の度合いを提供している。好ましくは、可動電極は、そのエッジ近くで、トーションスプリングによって支持されている。あるいは、可動電極は、別個の突起において、トーションスプリングによって支持されている。あるいは、可動電極は、その内部において、トーションスプリングによって支持されている。あるいは、可動電極は、等しいオーダーの大きさの曲げと回転の自由度をもって、スプリングによって支持されている。あるいは、可動電極は、少なくとも３つの支持点を有し、そのうちの２つが実質的な支持点である。

好ましくは、電極対は三角の形状に形を定められている。あるいは、電極対はドロップの形状に形を定められている。あるいは、電極対はハンマーの形状に形を定められている。好ましくは、回転運動する可動電極と、プレート部分との間のキャパシタンス変化は、電極上のコーティングによって強められている。

好ましくは、回転運動する可動電極と、プレート部分との間のキャパシタンス変化は、電極の電子間のより大きな距離によって強められる。好ましくは、当該加速度センサー構造は、各可動電極の反対側の面に第二の固定電極を有する。

本発明、およびその実装のための好ましい方法を、添付の図面を参照する例示を伴って、以下に詳細に説明する。
図１〜２については上述されている。以下に、本発明およびその実施のための好ましい方法を、図３〜２２を参照して記載する。

図３は、本発明による加速度センサーの、電極対(a pair of electrodes)の機能的構造の側面図を示している。本発明による加速度センサーの電極対は、可動電極５、固定電極６および回転軸７を有する。

当該加速度センサーの可動電極５は、回転軸７に堅固に支持されており、該可動電極５は、回転軸７の周りを自由に回転し回転運動できる。回転運動する可動電極は、加速度センサーの一部分を構成し、加速度に応答し、かかる部分は、加速の結果として回転軸７の周りの回転運動を行なう。

回転運動の前に、加速度センサーの可動電極５が上方ポジションにある場合、キャパシタンスは、可動電極５の底表面と、固定電極６の上表面との間に形成される。キャパシタンスの大きさ(magnitude)は、表面５、６の面積と、表面５、６間の距離とによって決まる。可動電極５が、回転運動の後、下方ポジションへ回転する場合、表面５、６の距離が減少するので、表面５、６間のキャパシタンスは増加する。

表面５、６間の距離が変化しているために、本発明による加速度センサーの電極対における表面５、６間のキャパシタンスは、表面５、６上に不均一に分配される。本発明による加速度センサーは、さらに、可動電極５の反対側に、第二の電極対を有していてもよい。

本発明による加速度センサーでは、可動電極の回転運動におけるキャパシタンスの変化は、電極対の形状によって、矩形の電極対と比較してより強められる。キャパシタンス変化のその強調は、回転運動によって起こる電極距離の不均一性に基づいている。

回転運動における可動電極の先端のポジションは、回転角度の最大値を制限する要因である。一般的には、固定電極の上にはバッファ構造があり、可動電極がこの構造にぶつかるときに、電極対は最大キャパシタンスを達成する。キャパシタンスの変化に関して最も感度の高いエリアもまた可動電極の先端にあるが、それは、そこが電極対の距離が最も変化する場所だからである。

回転角度の最大値は、回転軸からの可動電極の最大距離に依存するが、電極の先端に形成されるキャパシタンスの大きさは、電極対の幅に依存する。無負荷の電極対のキャパシタンスは、電極対の表面にのみ依存する。

本発明では、可動電極によって、固定電極によって、または両方の電極によって、電極対が形を定められ、電極対のエリアの有効な部分は、固定電極における回転運動の軸から可能な限り離れて置かれる。本発明によれば、電極対の形状は、例えば、三角状、ドロップ(drop)状、ハンマー状の電極対である。本発明による該構造を有すれば、電極対によって生み出されるキャパシタンスの大部分が、電極対の距離が大きく変化するこのエリアで生み出される。

図４は、本発明による加速度センサーの電極対の構造の斜視図を示している。本発明による加速度センサーの電極対は、デザインされた可動電極８（これは加速によって動く）を有し、かつ、デザインされた固定電極９を有する。可動電極８は、加速度センサーの一部分８を構成し、かかる部分は加速度に応答し、かつ該部分は、該加速の結果として、プレート部分９に対して動く。可動電極８と固定電極９とは、電極対を形成し、それが、加速度を、電気的に測定しうる量（即ちキャパシタンス）へと変換する。図において、加速度センサーの可動電極８は、回転の軸の点１０および１１において支持されている。

電極対の代替的な形状は、例えば、三角状、ドロップ状、ハンマー状の電極対である。このような構造により、電極対によって生み出されるキャパシタンスの大部分が、電極対の距離が大きく変化するこのエリアで生み出される。

図５は、電極対の表面間の距離の変化にともなう、本発明による加速度センサーの電極対のキャパシタンスにおける変化であって、パーセンテージで表されたものを示している。水平軸は電極対の表面間の距離（ｄ）を示している。これに対応して、縦軸は、電極対のキャパシタンスの変化（％Ｃ変化）を示しており、パーセンテージで表している。曲線１２は、電極対の表面間の距離が変化した時の、通常の電極対のキャパシタンスの変化であって、パーセンテージで表しており、該電極は、方形状の表面を持っており、平行移動の動作にて動く。曲線１３は、それぞれ、電極対の表面間の距離が変化したときの、電極対のキャパシタンスの変化であって、パーセンテージで表しており、該電極は、方形状の表面を持っており、回転運動にて動く。

このように、測定で用いた、回転運動で動く電極対についてのキャパシタンスの変化は、平行移動の動作にて動く、四角形の表面を持った通常の電極対のものほど大きくないことがわかる。測定のために必要なこの変化感度は、電極対の形を定めることによって補正することができる。曲線１４は、電極対の表面間の距離が変化するときの、電極対のキャパシタンスの変化であって、パーセンテージで表しており、該電極は、三角形状の表面を持っており、回転運動にて動く。

本発明による加速度センサーの電極対の可動電極は、スプリングが連結された、実質的に２つの支持点を有し、該スプリングは、該支持点を通って引かれた直線の周りの回転の自由度を、可動電極に提供している。

可動電極は、加速度に対する感度の方向を有するものに限定してよく、該方向は電極面と平行ではない。ここで、電極面とは、最小二乗法によって形成される電極の面を意味するものとする。よって、可動電極の重心は、電極の電極面に平行な面へ、可動電極の電極面に垂直な方向に投影され、この可動電極の電極面に平行な面は、可動電極の支持点を通過しており、前記の投影された可動電極は、該可動電極の支持点の間に引かれた直線上にあってはならない。

図６は、本発明による加速度センサーの電極対の可動電極の支持構造を示している。該支持構造では、可動電極は、そのエッジ近くで、トーションスプリングによって支持されている。

図７は、本発明による代替的な加速度センサーの、電極対の可動電極の支持の配置を示している。該支持構造では、可動電極は、別個の突起部において、トーションスプリングによって支持されている。

図８は、本発明による第二の代替的な加速度センサーの、電極対の可動電極の支持の配置を示している。該支持構造では、可動電極は、その内部で、トーションスプリングによって支持されている。

図９は、本発明による第三の代替的な加速度センサーの、電極対の可動電極の支持の配置を示している。該支持構造では、可動電極は、トーションスプリングによって支持され、該スプリングが、等しいオーダーの大きさの曲げと回転の自由度を有している。しかしながら、可動電極の支持の回転自由度は、可動電極の支持点によって決定される直線の周りに存在する。

図１０は、本発明による第四の代替的な加速度センサーの、電極対の可動電極の支持の配置を示している。該支持の配置は、非対称の配置であり、ここで可動電極は、支持点によって決定される直線の周りの回転の自由度を有する。

図１１は、本発明による第五の代替的な加速度センサーの、電極対の可動電極の支持の配置を示している。該支持構造では、可動電極は、３つの支持点を有し、そのうちの２つが、著しく堅いスプリングのために、実質的な支持点である。

本発明による加速度センサーでは、回転運動における可動電極のキャパシタンス変化が強められるように、電極対の形が決められる。本発明による加速度センサーでは、可動電極の正方向ベクトルの方向へ移動し、可動電極の支持点を接続する直線からスタートする場合、電極対の正方向ベクトルに対して垂直であるアクティブな寸法が著しく増加する。ここで、可動電極の正方向ベクトルは、ベクトルであって、その方向は、可動電極の実質的な支持点の間に引かれた直線の中点へ引かれ、支持点の間の直線に対し垂直であり、電極面内を可動電極の重心に向かって延びている。

図１２は、本発明による加速度センサーの電極対の、可動電極の形状を示している。該図は、可動電極、該可動電極の支持点、および固定プレーティング(stationary plating)を示している。可動電極と固定プレーティングとによって形成される電極対は、縞模様で表されている。電極対の可動電極の厚さは、可動電極の支持点を接続している直線においてほとんどゼロであり、そして、電極のアクティブな寸法は、可動電極の正方向ベクトルの方向へ進みながら、実質的に増加している。

図１３は、本発明による加速度センサーの電極対の、代替的な可動電極の形状を示している。該電極対の可動電極は、該可動電極の支持点を接続している直線において、特定の厚さを有し、そして、電極のアクティブな寸法は、可動電極の正方向ベクトルの方向へ進みながら、実質的に増加している。

図１４は、本発明による加速度センサーの電極対の、第二の代替的な可動電極の形状を示している。可動電極の支持点を接続している直線において、電極の可動電極の片側が強調され、そして、電極のアクティブな寸法は、可動電極の正方向ベクトルの方向へ進みながら、実質的に増加している。

図１５は、本発明による加速度センサーの電極対の、第三の代替的な可動電極の形状を示している。電極の可動電極の両エッジが、該可動電極の支持点を接続している直線において強調され、そして、電極のアクティブな寸法は、可動電極の正方向ベクトルの方向へ進みながら、実質的に増加している。

図１６は、本発明による加速度センサーの電極対の、第四の代替的な可動電極の形状を示している。電極の可動電極が特異な形状とされており、電極のアクティブな寸法は、可動電極の正方向ベクトルの方向へ進みながら、先ず減少し、続いて該寸法が実質的に増加している。

図１７は、本発明による加速度センサーの電極対の、第五の代替的な可動電極の形状を示している。電極の可動電極が特異な形状とされており、電極のアクティブな寸法は、可動電極の正方向ベクトルの方向へ進みながら、先ず一定のままとなり、続いて不連続的であるが実質的に寸法が増加している。

図１８は、本発明による加速度センサーの電極対の、第六の代替的な可動電極の形状を示している。電極の可動電極が特異な形状とされており、電極のアクティブな寸法は、可動電極の正方向ベクトルの方向へ進みながら、先ずゼロであり、続いて不連続的であるが実質的に寸法が増加している。

図１９は、本発明による加速度センサーの電極対の、第七の代替的な可動電極の形状を示している。電極対の可動電極は、可動電極の支持点を接続している直線において、特定の厚さから始まり、そして、電極のアクティブな寸法は、可動電極の正方向ベクトルの方向へ進みながら、均等的にかつ実質的に増加している。

電極対のアクティブな寸法は、サイズを表しており、正方向ベクトルに対して垂直であって、そこでキャパシタンスの有効な部分が生み出される。よって、可動電極の正方向ベクトルの方向へ進みながら、可動電極の物理的な寸法が増加せず、しかし、電極対のキャパシタンスが増加する場合、電極対のアクティブな寸法も増加する。

図２０は、本発明による加速度センサーの電極対の電極の、代替的な実施体の形状を示している。電極の両方のペアの物理的な寸法は一定であるが、しかし、電極対のキャパシタンスは、例えば、プレーティングや電極間のより大きなギャップによって増加している。縞模様のエリアは電極対のエリアを表す。四角形に線引きされたエリアは、アクティブなキャパシタンス形成エリアを表している。

図２１は、本発明による加速度センサーの電極対の電極を通る、代替的な実施体の断面を示している。本発明による、加速度センサーの電極対の、四角形に成形された電極の表面は、非常に低いパーミッタンスを有するコーティングで覆われており、そのため、コートされた部分で生み出されるキャパシタンスは非常に小さい。

図２２は、本発明による加速度センサーの電極対の電極を通る、代替的な実施体の断面を示している。本発明による加速度センサーの電極対における電極の距離は変化するため、電極間のより小さい距離を有する部分は、著しくより大きいキャパシタンスを生み出す。

本発明による加速度センサー構造は、さらに、それぞれの可動電極の反対側に第二固定電極を有していてもよい。

本発明による加速度センサー構造により、回転運動に基づく電極対のキャパシタンス感度が改善され、また容量型加速度センサー設計における加速度測定の性能がよくなる。

図１は、先行技術による加速度センサーの電極対の構造の斜視図を示している。図２は、先行技術による加速度センサーの、動直運動に基づいた、電極対の機能構造の側面図を示している。図３は、本発明による加速度センサーの電極対の機能的構造の側面図を示している。図４は、本発明による加速度センサーの電極対の構造の斜視図を示している。図５は、電極対の表面間の距離の変化に伴なう、本発明による加速度センサーの電極対のキャパシタンスにおける変化であって、パーセンテージで表されたものを示している。図６は、本発明による加速度センサーの電極対の可動電極の、支持配置を示している。図７は、本発明による加速度センサーの電極対の可動電極の、代替的な支持配置を示している。図８は、本発明による加速度センサーの電極対の可動電極の、第二の代替的な支持配置を示している。図９は、本発明による加速度センサーの電極対の可動電極の、第三の代替的な支持配置を示している。図１０は、本発明による加速度センサーの電極対の可動電極の、第四の代替的な支持配置を示している。図１１は、本発明による加速度センサーの電極対の可動電極の、第五の代替的な支持配置を示している。図１２は、本発明による加速度センサーの電極対の可動電極の形状を示している。図１３は、本発明による加速度センサーの電極対の、代替的な可動電極の形状を示している。図１４は、本発明による加速度センサーの電極対の、第二の代替的な可動電極の形状を示している。図１５は、本発明による加速度センサーの電極対の、第三の代替的な可動電極の形状を示している。図１６は、本発明による加速度センサーの電極対の、第四の代替的な可動電極の形状を示している。図１７は、本発明による加速度センサーの電極対の、第五の代替的な可動電極の形状を示している。図１８は、本発明による加速度センサーの電極対の、第六の代替的な可動電極の形状を示している。図１９は、本発明による加速度センサーの電極対の、第七の代替的な可動電極の形状を示している。図２０は、本発明による加速度センサーの電極対の、代替的な実施体の電極の形状を示している。図２１は、本発明による加速度センサーの電極対の、代替的な実施体の電極を通る断面を示している。図２２は、本発明による加速度センサーの電極対の、代替的な実施体の電極を通る断面を示している。

Claims

少なくとも１対の電極を有する容量型加速度センサーであって、各電極対は、加速度に応答する可動電極（５）と、少なくとも１つの固定プレート部分（６）とを有し、
その特徴は、
各電極対がさらに回転軸（７）を有しており、該回転軸は実質的に共通の軸を形成しており、
当該加速度センサーの可動電極（５）が、回転軸（７）に堅固に支持され、該可動電極（５）が回転軸（７）の周りを自由に回転運動でき、
回転運動する可動電極（５）とプレート部分（６）との間のキャパシタンス変化が、電極（５）、（６）によって強められていることである、
前記容量型加速度センサー。
回転運動する可動電極（５）と、プレート部分（６）との間のキャパシタンス変化が、電極（５）、（６）の形状によって強められていることを特徴とする、請求項１に記載の容量型加速度センサー。
電極対が、可動電極（５）によって形を定められており、該電極対のエリアの有効部分が、可動電極の回転軸（７）から、可能な限り離れて置かれていることを特徴とする、請求項２に記載の容量型加速度センサー。
電極対が、少なくとも１つの固定プレート部分（６）によって形を定められており、電極対のエリアの有効部分が、可動電極の回転軸（７）から可能な限り離れて置かれていることを特徴とする、請求項２に記載の容量型加速度センサー。
電極対が、可動電極（５）と、少なくとも１つの固定プレート部分（６）とによって形を定められており、電極対のエリアの有効部分が、可動電極の回転軸（７）から可能な限り離れて置かれていることを特徴とする、請求項２に記載の容量型加速度センサー。
可動電極（５）が、スプリングに連結された実質的に２つの支持点を有し、該スプリングが、可動電極（５）に、回転軸（７）の周りの回転の自由度を提供していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の容量型加速度センサー。
可動電極（５）が、そのエッジの近くでトーションスプリングによって支持されていることを特徴とする、請求項６に記載の容量型加速度センサー。
可動電極（５）が、別個の突起において、トーションスプリングによって支持されていることを特徴とする、請求項６に記載の容量型加速度センサー。
可動電極（５）が、その内部において、トーションスプリングによって支持されていることを特徴とする、請求項６に記載の容量型加速度センサー。
可動電極（５）が、等しいオーダーの大きさの曲げと回転の自由度をもって、スプリングによって支持されていることを特徴とする、請求項６に記載の容量型加速度センサー。
可動電極（５）が少なくとも３つの支持点を有し、そのうちの２つが実質的な支持点であることを特徴とする、請求項６に記載の容量型加速度センサー。
電極対が三角の形状に形を定められていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の容量型加速度センサー。
電極対がドロップの形状に形を定められていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の容量型加速度センサー。
電極対がハンマーの形状に形を定められていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の容量型加速度センサー。
回転運動する可動電極（５）と、プレート部分（６）との間のキャパシタンス変化が、電極（５）、（６）上のコーティングによって強められていることを特徴とする、請求項１に記載の容量型加速度センサー。
回転運動する可動電極（５）と、プレート部分（６）との間のキャパシタンス変化が、電極（５）、（６）間のより大きな電子ギャップを持つことによって強められていることを特徴とする、請求項１に記載の容量型加速度センサー。
当該加速度センサー構造が、各可動電極の反対側の面に、第二の固定電極を有することを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の容量型加速度センサー。