JP2007248326A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】交流バイアス電圧信号のバラツキに起因した加速度信号のバラツキを抑制し、センサ感度を向上した加速度センサを提供することを目的としている。
【解決手段】加速度に起因して可動する可動電極４ａ、４ｂとこの可動電極４ａ、４ｂに対向配置させた２つの検出電極２ａ、２ｂとを有する検知素子６と、交流バイアス電圧信号を可動電極４ａ、４ｂに入力するドライブ回路７と、２つの検出電極２ａ、２ｂから出力された２つの検出信号に基づいて加速度信号を出力する検出回路１７とを備え、ドライブ回路７には、交流バイアス電圧信号を発信する内部発信器１２と、交流バイアス電圧信号の振幅を調整し、入力端子５を介して可動電極４ａ、４ｂに一定振幅の交流バイアス電圧信号を入力する調整器１３を設けた構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度を検出する加速度センサに関するものである。

近年、車両の加速度を検知してナビゲーションにおける高精度化、車両の安全制御を行うシステムが普及してきている。その中、車両の慣性量である加速度、あるいは角速度を検出するための様々なセンサが提供されてきており、今後、安価で高機能のセンサを提供するために複数のセンサを複合化する兆しも見え始めてきている。

従来の静電容量式の加速度センサとしては、印加された加速度に応じて変位するカンチレバーの近傍に配置された対向電極との間に生じる二つの静電容量（つまり２個のコンデンサの容量）の変化として捕らえるものであった。

図５に示すように、２つのコンデンサ１９、２０を直列にブリッジ接続し、このコンデンサ１９、２０からなるブリッジに発信器２１より交流バイアス電圧信号を入力する。加速度が生じるとカンチレバーが変位するので、このカンチレバーの変位に対応したブリッジの接続点２２に発生する分圧電位を増幅器２３により検出し、次に整流器２４により整流し、最後にＬＰＦ２５により増幅して加速度信号を得ている。

しかしながら、上記静電容量式の加速度センサでは、静電容量式の検出素子または信号処理回路に外乱ノイズが発生した場合、外乱ノイズ成分が重畳した加速度信号が出力されるので外乱ノイズ対策を施す必要があった。

そこで、例えば、２つのコンデンサを直列に接続した中点に交流バイアス電圧信号を入力し、２つのコンデンサの両端より出力される２つの検出信号を差動検出器に入力して差動信号として出力し、この差動信号を回路処理して加速度信号として出力することによって、外乱ノイズ成分の重畳を抑制して加速度信号を得ていた。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１や特許文献２が知られている。
特表平４−５０４００３号公報 特開２００５−１１４３９４号公報

上記構成では、外乱ノイズ成分は抑制できても、交流バイアス電圧信号のレベル（振幅）にバラツキが生じると、このバラツキに起因して加速度信号にもバラツキが生じセンサ感度を劣化させるという問題点を有していた。

この加速度信号のバラツキは、検出電極から出力される検出信号のレベル（振幅）、可動電極に入力する交流バイアス電圧信号のレベル（振幅）、検出回路のゲインにより決まるので、交流バイアス電圧信号のレベルにバラツキが生じると、必ず加速度信号のバラツキとして生じるため、センサ感度を劣化させていた。

本発明は上記問題点を解決するもので、外部または内部の発信器により生成される交流バイアス電圧信号のバラツキに起因した加速度信号のバラツキを抑制し、センサ感度を向上した加速度センサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本発明は、加速度に起因して可動する可動電極と前記可動電極に対向配置させた２つの検出電極とを有する検知素子と、交流バイアス電圧信号を前記可動電極に入力するドライブ回路と、２つの前記検出電極から出力された２つの検出信号に基づいて加速度信号を出力する検出回路とを備え、前記検出信号は前記検出電極に発生する電荷量に基づいて出力されており、前記ドライブ回路には、前記交流バイアス電圧信号を発信する発信器と、前記交流バイアス電圧信号の振幅を調整し、前記可動電極に一定振幅の前記交流バイアス電圧信号を入力する調整器を設けた構成である。

上記構成により、発信器により発信された交流バイアス電圧信号にバラツキが生じたとしても、交流バイアス電圧信号の振幅を調整し、可動電極に一定振幅の交流バイアス電圧信号を入力する調整器を設けているので、加速度信号のバラツキは抑制され、センサ感度を向上できる。

図１は本発明の一実施の形態における加速度センサのブロック図、図２は同センサの検知素子の等価回路図、図３は図１のＡ点〜Ｈ点の信号波形を示す特性波形図である。

図１において、本発明の一実施の形態における加速度センサは、加速度に起因して可動する可動電極４ａ、４ｂとこの可動電極４ａ、４ｂに対向配置させた２つの検出電極２ａ、２ｂとを有する検知素子６と、交流バイアス電圧信号を可動電極４ａ、４ｂに入力するドライブ回路７と、２つの検出電極２ａ、２ｂから出力された２つの検出信号に基づいて加速度信号を出力する検出回路１７とを備えている。

上記の検知素子６において、１は固定部、３ａ、３ｂは第１、第２の検出電極２ａ、２ｂから電荷を取り出す第１、第２の出力端子、４は対向する第１、第２の検出電極２ａ、２ｂのほぼ中間に固定部１から延出された可動部、４ａ、４ｂは可動部４の両表面上に第１、第２の検出電極２ａ、２ｂに対向するように配置された第１、第２の可動電極、５は第１、第２の可動電極４ａ、４ｂに交流バイアス電圧信号を伝えるための可動部４の固定部１側に設けられた入力端子である。

検出信号は検出電極２ａ、２ｂに発生する電荷量に基づいて出力されており、一方の検出電極２ａに発生する電荷量が増加する場合は他方の検出電極２ｂに発生する電荷量が減少し、一方の検出電極２ａに発生する電荷量が減少する場合は他方の検出電極２ｂに発生する電荷量が増加するように、可動電極４ａ、４ｂを介して２つの検出電極を２ａ、２ｂに対向させている。

また、上記のドライブ回路７には、交流バイアス電圧信号を発信する内部発信器１２と、交流バイアス電圧信号の振幅を調整し、入力端子５を介して可動電極４ａ、４ｂに一定振幅の交流バイアス電圧信号を入力する調整器１３を設けている。この調整器１３は、内部発信器１２から出力された交流バイアス電圧信号の減衰率を任意に設定することが可能である。

また、上記の検出回路１７において、８ａ、８ｂは第１、第２の検出電極２ａ、２ｂに発生する電荷がそれぞれ入力され増幅信号を出力する増幅器、９は２つの増幅信号を入力しその差動信号を出力する差動検出器、１０は増幅器８ａ、８ｂと差動検出器９から構成された差動回路部、１１は差動信号を入力しその位相を９０度ずらした位相遷移信号を出力する位相遷移器、１４は調整器１３から出力された交流バイアス電圧信号によって位相遷移信号を同期検波し検波信号を出力する同期復調器、１５は検波信号を入力し平滑、出力調整して加速度信号を出力する増幅器、１６は加速度信号を外部に出力するためのセンサ出力端子である。

図２において、検知素子６は、第１の出力端子３ａに接続された第１の検出電極２ａと、この第１の検出電極２ａに対向配置された第１の可動電極４ａとによって静電容量（Ｃ１）を有する第１のコンデンサ部を形成し、第２の出力端子３ｂに接続された第２の検出電極２ｂと、この第２の検出電極２ｂに対向配置された第２の可動電極４ｂとによって静電容量（Ｃ２）を有する第２のコンデンサ部を形成し、第１の可動電極４ａと第２の可動電極４ｂを互いに接続し、さらに入力端子５に接続している。通常、静電容量（Ｃ１）と静電容量（Ｃ２）は等しくなるように初期調整している。

図３（ａ）〜（ｈ）は図１のＡ点〜Ｈ点における信号波形を示す特性波形図である。加速度が生じる前後において、各（ａ）〜（ｈ）の信号波形は変化するものである。

まず、内部発信器１２により生成された交流バイアス電圧信号（図３（ａ））は調整器１３に入力され、一定振幅に減衰されて出力信号（図３（ｂ））が調整器１３より出力され、入力端子５を介して第１の可動電極４ａと第２の可動電極４ｂに入力される。

次に、図１に示す検出軸方向に加速度が生じると可動部４が検出軸方向に撓み、この可動部４の撓みに起因して、例えば、第１の可動電極４ａと第１の検出電極２ａの間の距離が接近した場合は、静電容量（Ｃ１）が増加し電荷（Ｑ１）が増加する。と同時に、第２の可動電極４ｂと第２の検出電極２ｂの間の距離が遠ざかり、静電容量（Ｃ２）が減少し電荷（Ｑ２）が減少する。可動部４の撓みが、上述の場合と逆の場合は、電荷（Ｑ１）、（Ｑ２）の増減の減少は逆となる。

次に、第１の出力端子３ａを介して第１の検出電極２ａから出力された検出信号（図３（ｃ））は、第１の増幅器８ａの反転入力端子に入力される。非反転入力端子には基準電圧信号（例えば、２．５Ｖの仮想グランド）が入力され、出力端子からは第１の増幅信号が出力される。また、第２の出力端子３ｂを介して第２の検出電極２ｂから出力された検出信号（図３（ｄ））は、第２の増幅器８ｂの反転入力端子に入力される。非反転入力端子には基準電圧信号（例えば、２．５Ｖの仮想グランド）が入力され、出力端子からは第２の増幅信号が出力される。このとき、図１のＣ点、Ｄ点の電流値は、それぞれｉ１＝ｄＱ１／ｄｔ、ｉ２＝ｄＱ２／ｄｔとなる。

次に、これら第１、第２の増幅信号が差動検出器９に入力され、差動信号（図３（ｅ））が出力される。次に差動検出器９の出力は位相遷移器１１により９０度位相が進められ、かつ増幅され位相遷移信号（図３（ｆ））が出力される。

次に、位相遷移器１１から出力された位相遷移信号（図３（ｆ））は同期復調器１４に入力され、調整器１３から出力された交流バイアス電圧信号（図３（ｂ））によって同期検波され、同期復調器１４から検波信号（図３（ｇ））が出力される。

最後に、増幅器１５により同期復調器１４から出力された検波信号（図３（ｇ））が平滑され、出力調整後に加速度信号（図３（ｈ））が出力される。

上記構成により、内部発信器１２により発信された交流バイアス電圧信号にバラツキが生じたとしても、交流バイアス電圧信号の振幅を調整し、可動電極４ａ、４ｂに一定振幅の交流バイアス電圧信号を入力する調整器１３を設けているので、加速度信号のバラツキは抑制され、センサ感度を向上できる。特に、調整器１３は減衰率を任意に変化させられる減衰器とすることにより、より的確に、可動電極４ａ、４ｂに一定振幅の交流バイアス電圧信号を入力でき、加速度信号のバラツキを抑制してセンサ感度を向上できる。

また、検知素子６に重畳した外乱ノイズ、他回路からの静電的な結合等による同相ノイズ成分は、差動検出器９を用いることで大幅に低減可能である。

また、同期復調器１４から出力される検波信号（図３（ｇ））は、調整器１３から出力された交流バイアス電圧信号（図３（ｂ））と同相、あるいは逆相の成分のみであり、混入ノイズ、回路的なＤＣオフセットなど同期復調に用いられる参照信号に同期しない成分はすべて打ち消されるため、差動検出器９との組み合わせによりＳ／Ｎ比を大きくできる。

なお、図４に示すように、検出回路１７内に設けていた位相遷移器１１を取り除き、調整器１３と同期復調器１４との間に位相遷移器１８を設けてもよい。この場合、位相遷移器１８から出力された位相遷移信号は、差動検出器９から出力された差動信号（図３（ｅ））よりも９０度位相が進んでいるため、本実施の形態における場合に比べ、加速度信号の出力の増減方向が逆となるが、検出回路１７の回路構成を縮小することができる。また、センサ感度及びオフセットの誤差を低減することも可能となる。

さらに、本発明の実施の形態では、内部発信器１２を用いて交流バイアス電圧信号を発信しているが、交流バイアス電圧信号の供給源は、外部発信器や様々なセンサを組み合わせて形成することも可能である。

本発明にかかる加速度センサは、加速度信号のバラツキを抑制し、センサ感度を向上できるので各種機器に用いることができる。

本発明の一実施の形態における加速度センサのブロック図 同センサの検知素子の等価回路図 図１のＡ点〜Ｈ点の信号波形を示す特性波形図 他の加速度センサのブロック図 従来の加速度センサのブロック図

符号の説明

１ 固定部
２ａ 第１の検出電極
２ｂ 第２の検出電極
３ａ 第１の出力端子
３ｂ 第２の出力端子
４ 可動部
４ａ 第１の可動電極
４ｂ 第２の可動電極
５ 入力端子
６ 検知素子
７ ドライブ回路
８ａ 増幅器
８ｂ 増幅器
９ 差動検出器
１０ 差動回路部
１１ 位相遷移器
１２ 内部発信器
１３ 調整器
１４ 同期復調器
１５ 増幅器
１６ センサ出力端子
１７ 検出回路
１８ 位相遷移器
１９、２０ コンデンサ
２１ 発信器
２２ ブリッジの接続点
２３ 増幅器
２４ 整流器
２５ ＬＰＦ

Claims (4)

1. 加速度に起因して可動する可動電極と前記可動電極に対向配置させた２つの検出電極とを有する検知素子と、交流バイアス電圧信号を前記可動電極に入力するドライブ回路と、２つの前記検出電極から出力された２つの検出信号に基づいて加速度信号を出力する検出回路とを備え、前記検出信号は前記検出電極に発生する電荷量に基づいて出力されており、前記ドライブ回路には、前記交流バイアス電圧信号を発信する発信器と、前記交流バイアス電圧信号の振幅を調整し、前記可動電極に一定振幅の前記交流バイアス電圧信号を入力する調整器を設けた加速度センサ。
2. 一方の検出電極に発生する電荷量が増加する場合は他方の検出電極に発生する電荷量が減少し、一方の検出電極に発生する電荷量が減少する場合は他方の検出電極に発生する電荷量が増加するように、前記可動電極を介して２つの前記検出電極を対向させた請求項１記載の加速度センサ。
3. 前記調整器は減衰器とした請求項１記載の加速度センサ。
4. 前記調整器は減衰率を任意に変化させられる減衰器とした請求項１記載の加速度センサ。

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