JP2012093113A - 静電容量式加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】機械的な構造によって共振が発生する場合であっても電圧飽和を抑制して静電容量を計測する静電容量式加速度センサを提供する。
【解決手段】計測対象の加速度に応じて静電容量が変化するセンサ部１１と、センサ部１１に蓄積された静電容量を電圧に変換するオペアンプ２３と、オペアンプ２３により変換された電圧を増幅する増幅部１３と、増幅部１３により増幅された電圧の低周波数成分を通過させて出力値を生成するＬＰＦ部４０とを備え、オペアンプ２３は、静電容量を電圧に変換するオペアンプ２３を含み、当該オペアンプ２３の帰還部２６に並列して静電容量蓄積部３０を設けた。
【選択図】図６

Description

本発明は、計測対象の加速度によって静電容量が変化する静電容量式加速度センサに関する。

従来より、計測対象の加速度によって静電容量が変化する静電容量式加速度センサとしては、下記の特許文献１に記載された静電容量変化量検出装置が知られている。

この静電容量変化量検出装置は、検出対象の圧力、湿度などに応じた静電容量を有するセンサの静電容量（Ｃ_Ｓ）と基準静電容量（Ｃ_Ｒ）との差を定数の一部とする差動容量反転積分器を含み、これらの静電容量の差で発振周波数を決定する発振回路を備える。この静電容量変化量検出装置は、基準静電容量ＣＲの静電容量を調整することによって、反転増幅器のゲイン（−Ｋ）以外の回路構成素子の温度特性や劣化などのドリフト、電源電圧依存性などの誤差要因を取り除くことができるとしている（段落００６３等を参照）。

特開平８−６２２６６号公報

また、静電容量式加速度センサとしては、静電容量を電圧に変換し、当該電圧を増幅、最終的にＬＰＦ（Low Pass Filter）を介して出力するものも知られており、実際の使用に際して出力値がずれることがある。

この静電容量式加速度センサは、実際の使用時において、当該静電容量式加速度センサを収容したハウジングを金属ブラケットに取り付けて、物理量を計測したい箇所に取り付けられる。例えば、静電容量式加速度センサを収容したハウジングが取り付けられた金属ブラケットは、車体に取り付けられて、静電容量式加速度センサにより加速度を計測可能とする。

しかしながら、車体等の振動によって金属ブラケットが振動し、当該振動の周波数が当該金属ブラケットの構造共振点に一致した時には、静電容量式加速度センサにより計測される静電容量に大きな変化が現れてしまう。そして、静電容量式加速度センサは、当該静電容量を電圧変換及び増幅することによりＬＰＦを通過させる前に電圧飽和を起こし、出力値がずれてしまう。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、機械的な構造によって共振が発生する場合であっても電圧飽和を抑制して静電容量を計測することができる静電容量式加速度センサを提供することを目的とする。

上記の課題を解決する第１の発明に係る静電容量式加速度センサは、計測対象の加速度に応じて静電容量が変化するセンサ部と、前記センサ部に蓄積された静電容量を電圧に変換する電圧変換部と、前記電圧変換部により変換された電圧を増幅する増幅部と、前記増幅部により増幅された電圧の低周波数成分を通過させて出力値を生成するＬＰＦ部とを備え、前記電圧変換部は、前記静電容量を電圧に変換するオペアンプを含み、当該オペアンプの帰還部に並列して静電容量蓄積部を設けたことを特徴とするものである。

第１の発明に係る静電容量式加速度センサであって、第２の発明は、前記静電容量蓄積部は、それぞれが前記帰還部に対して並列に配置された複数のコンデンサを含み、当該各コンデンサの前記帰還部に対する接続関係を切り替える切り替え手段を含むことを特徴とする。

第１又は第２の発明に係る静電容量式加速度センサであって、第３の発明は、前記オペアンプの帰還部と前記静電容量蓄積部とによって前記電圧変換部により変換された電圧の低周波数成分を通過させるＬＰＦを構成したことを特徴とする。

第２又は第３の発明に係る静電容量式加速度センサであって、第４の発明は、前記切り替え手段は、前記静電容量蓄積部の前記帰還部に対する接続関係を短絡又は開放するヒューズを含み、当該ヒューズを電気的に開放して当該各コンデンサの前記帰還部に対する接続関係を切り替えることを特徴とする。

第２又は第３の発明に係る静電容量式加速度センサであって、第５の発明は、前記切り替え手段は、前記静電容量蓄積部の前記帰還部に対する接続関係を短絡又は開放する半導体スイッチを含み、当該半導体スイッチの導通状態を制御して当該各コンデンサの前記帰還部に対する接続関係を切り替えることを特徴とする。

本発明によれば、予め電圧変換部におけるカットオフ周波数を調整することができるので、機械的構造に基づく共振周波数によって全体が機械共振するときであっても、電圧の飽和を抑制して、静電容量の変化を計測することができる。

本発明の一実施形態として示す静電容量式加速度センサの外観構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態として示す静電容量式加速度センサにおいて、（ａ）は静電容量式加速度センサの機能的な構成を示す図であり、（ｂ）は非共振時の静電容量及び電圧変化を示し、（ｃ）は共振時の静電容量及び電圧変化を示す。 本発明の一実施形態として示す静電容量式加速度センサにおいて、振動周波数と共振ゲインとの関係を示す図である。 本発明の一実施形態として示す静電容量式加速度センサにおいて、振動周波数と出力電圧との関係を示す図である。 本発明の一実施形態として示す静電容量式加速度センサにおいて、（ａ）は静電容量式加速度センサの機能的な構成を示す図であり、（ｂ）は非共振時の静電容量及び電圧変化を示し、（ｃ）は共振時の静電容量及び電圧変化を示す。 本発明の一実施形態として示す静電容量式加速度センサにおいて、フィルタ機能付きＣ／Ｖ変換回路の構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態として示す静電容量式加速度センサにおいて、スイッチをヒューズとしたときの回路図である。 本発明の一実施形態として示す静電容量式加速度センサにおいて、スイッチをＦＥＴとしたときの回路図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本発明を適用した静電容量式加速度センサは、計測対象の物理量としての加速度によって静電容量が変化する静電容量式加速度センサである。この静電容量式加速度センサは、実際の使用時において、図１に示すように、当該静電容量式加速度センサを収容しコネクタ部１ａを有するハウジング１を金属ブラケット２に取り付けて、物理量を計測したい箇所に取り付けられる。例えば、静電容量式加速度センサを収容したハウジング１が取り付けられた金属ブラケット２は、車体等に取り付けられて、静電容量式加速度センサにより加速度を計測可能とする。

この静電容量式加速度センサは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）による半導体のセンサチップと、センサチップの出力信号を増幅、フィルタ処理するための専用ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）で構成されている。静電容量式加速度センサは、センサチップと半導体チップとがセラミックパッケージに実装されて構成されている。そして、セラミックパッケージとしてハウジング１に収容される。

静電容量式加速度センサは、例えば図２（ａ）に示すように、センサチップとしてのセンサ部１１と、ＡＳＩＣで構成された電圧変換部としてのＣ／Ｖ変換回路１２、増幅回路１３、ＬＰＦ１４とを含む。なお、Ｃ／Ｖ変換回路１２は、先ず一般的な機能について説明し、本願に特徴的な構成については後述する。

センサ部１１は、計測対象の物理量としての加速度に応じて静電容量が変化する。このセンサ部１１は、例えば、微小な櫛歯型の固定電極と可動電極の組み合わせからなっている。可動電極は加速度が加わることによって、固定電極との距離が変化する。そして、センサ部１１は、図２（ｂ）に示すように、加速度に応じて、可動電極と固定電極との間の静電容量が変化する。

Ｃ／Ｖ変換回路１２は、センサ部１１に蓄積された静電容量の変化を電圧に変換する。これにより、Ｃ／Ｖ変換回路１２は、図２（ｂ）のように、静電容量の変化を電圧の変化として増幅回路１３に供給する。ここで、Ｃ／Ｖ変換回路１２は、静電容量式加速度センサの仕様に応じて、０〜５Ｖのダイナミックレンジにおいて、２．３Ｖを中心値として変化する電圧信号を生成する。

増幅回路１３は、Ｃ／Ｖ変換回路１２により変換された電圧を増幅する。これにより、増幅回路１３は、図２（ｂ）に示すように、２．３Ｖを中心値として変化する増幅された電圧信号を生成する。

ＬＰＦ１４は、増幅回路１３により増幅された電圧の低周波数成分を通過させて出力値を生成する。これにより、ＬＰＦ１４は、図２（ｂ）に示すように、増幅された電圧の低周波数成分のみを含む加速度信号を出力できる。

上述したように、金属ブラケット２にハウジング１を装着した時において、当該ハウジング１及び金属ブラケット２の機械的構造に基づく共振周波数で振動していない非共振時には、静電容量に応じて変化する加速度信号を出力できる。

しかし、ハウジング１及び金属ブラケット２の機械的構造に基づく共振周波数で振動した場合、当該共振によってセンサ部１１における静電容量変化が、図２（ｃ）のように大きくなる。例えば図３に示すように、通常は規格値よりもある程度低い共振ゲインとしているが、ハウジング１及び金属ブラケット２の機械的構造に基づく共振周波数の３００Ｈｚ付近で振動すると、共振ゲインが高くなる。これにより、図４に示すように、当該共振周波数の３００Ｈｚ付近において、２００ｍＶのドリフトが発生し、センサ部１１の静電容量は、図２（ｃ）のように振幅が高くなってしまう。

すると、Ｃ／Ｖ変換回路１２によって変換された電圧変化も振幅が高くなり、当該電圧を増幅回路１３により増幅すると、電圧値は、ダイナミックレンジの５Ｖを超えてクランプされてしまう。ここで、Ｃ／Ｖ変換回路１２により変換された電圧値の中心値はダイナミックレンジ中央値の２．５Ｖからずれた２．３Ｖとなっているので、５Ｖ側よりも０Ｖ側のほうがクランプされる電圧値の幅が大きい。したがって、ＬＰＦ１４から出力される加速度信号は、Ｃ／Ｖ変換回路１２により変換された電圧値の中心値である２．３Ｖよりも高くシフトしてしまい、加速度信号が誤った値となってしまう。この問題に対処するため、本願における静電容量式加速度センサは、図５（ａ）及び図６に示すように、Ｃ／Ｖ変換回路１２に代えて、フィルタ機能付きＣ／Ｖ変換回路１２’を備える。

このフィルタ機能付きＣ／Ｖ変換回路１２’は、図６に示すように、Ｃ／Ｖ変換回路２０と、静電容量蓄積部３０とを含む。

Ｃ／Ｖ変換回路２０は、センサ部１１により計測している静電容量の変化を電圧に変換するオペアンプ２３を含む。オペアンプ２３の負端子には、スイッチ２２を介してコンデンサ２１が接続されている。コンデンサ２１は、図中左側のセンサ部１１側にスイッチ２２が接続されている時に、当該センサ部１１の静電容量を充電する。コンデンサ２１は、スイッチ２２がオペアンプ２３の負端子側に接続された時に、センサ部１１の静電容量に応じた電流を負端子に供給する。また、Ｃ／Ｖ変換回路２０は、オペアンプ２３の出力端子と負端子との間に、スイッチ２４及びコンデンサ２５を含む帰還部２６が設けられている。これにより、オペアンプ２３は、コンデンサ２１に蓄積された静電容量とコンデンサ２５に蓄積された静電容量との比に基づく値を電圧値として出力できる。

静電容量蓄積部３０は、オペアンプ２３の帰還部２６に並列して設けられている。静電容量蓄積部３０は、それぞれが帰還部２６に対して並列に配置された複数のコンデンサＣａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄを含む。静電容量蓄積部３０は、当該各コンデンサＣａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄの帰還部２６に対する接続関係を切り替える切り替え手段を含む。コンデンサＣａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄは、それぞれ容量がＡ[ｐＦ]，Ｂ[ｐＦ]，Ｃ[ｐＦ]，Ｄ[ｐＦ]となっている。

なお、静電容量蓄積部３０は、単一のコンデンサであっても良く、複数のコンデンサであっても良い。このフィルタ機能付きＣ／Ｖ変換回路１２’は、帰還部２６におけるスイッチ２４及びコンデンサ２５が抵抗とみなされ、当該抵抗と静電容量蓄積部３０のコンデンサとが並列に接続されていることによって、ＬＰＦ部４０として機能する。したがって、ＬＰＦ部４０のカットオフ周波数（１／２πＣＲ）のうち、Ｃを変化させることによって、ハウジング１及び金属ブラケット２の機械的構造に基づく共振周波数の信号成分をフィルタリングする。例えばハウジング１及び金属ブラケット２の機械的構造に基づく共振周波数の３００Ｈｚである場合には、当該共振周波数の３００ＨｚをフィルタリングするようＬＰＦ部４０のカットオフ周波数を調整するために、静電容量蓄積部３０におけるコンデンサＣの値を選択する。

静電容量蓄積部３０におけるコンデンサＣの両端には、当該コンデンサＣを帰還部２６に並列に接続又は非接続にするためのヒューズ又は半導体スイッチのスイッチＳを含む。図６の構成例では、コンデンサＣａが常に帰還部２６に接続され、コンデンサＣｂ、Ｃｃ、Ｃｄの両端にスイッチＳが設けられている。コンデンサＣｂの両端にはスイッチＳｂ１、Ｓｂ２が設けられている。コンデンサＣｃの両端にはスイッチＳｃ１、Ｓｃ２が設けられている。コンデンサＣｄの両端にはスイッチＳｄ１、Ｓｄ２が設けられている。ヒューズ又は半導体スイッチのスイッチＳによって、コンデンサＣが帰還部２６に並列接続又は非接続されることによって、帰還部２６と共に形成する静電容量蓄積部３０のカットオフ周波数を調整できる。

具体的には、スイッチＳは、図７に示すように、コンデンサＣを帰還部２６に接続する第１ヒューズ５１ａと、コンデンサＣを帰還部２６ではなく接地する第２ヒューズ５１ｂとを含む。静電容量式加速度センサは、例えば出荷時等に、ＬＰＦ部４０のカットオフ周波数に応じて、コントローラ５２によって、各コンデンサＣを帰還部２６に接続する場合には、第２ヒューズ５１ｂを切断する。逆に、各コンデンサＣを帰還部２６に非接続する場合には、第１ヒューズ５１ａを切断する。これにより、静電容量蓄積部３０の帰還部２６に対する接続関係を短絡又は開放するヒューズを含み、当該ヒューズを電気的に開放して当該各コンデンサＣの帰還部２６に対する接続関係を切り替えることができる。

また、スイッチＳは、図８に示すように、コンデンサＣを帰還部２６に接続する第１ＦＥＴ６１ａと、コンデンサＣを帰還部２６ではなく接地する第２ＦＥＴ６１ｂとを含む。静電容量式加速度センサは、例えば出荷時等に、ＬＰＦ部４０のカットオフ周波数に応じて、コントローラ６２によって、各コンデンサＣを帰還部２６に接続する場合には、第１ＦＥＴ６１ａを導通状態にするようオン信号をゲートに供給し、第２ＦＥＴ６１ｂを遮断状態にするようオフ信号をゲートに供給する。逆に、各コンデンサＣを帰還部２６に非接続する場合には、第２ＦＥＴ６１ｂを導通状態にするようオン信号をゲートに供給し、第１ＦＥＴ６１ａを遮断状態にするようオフ信号をゲートに供給する。これにより、静電容量蓄積部３０の帰還部２６に対する接続関係を短絡又は開放するＦＥＴを含み、当該ＦＥＴを電気的に開放して当該各コンデンサＣの帰還部２６に対する接続関係を切り替えることができる。

以上詳細に説明したように、本発明を適用した静電容量式加速度センサによれば、予めフィルタ機能付きＣ／Ｖ変換回路１２’におけるカットオフ周波数を調整することができる。これにより、ハウジング１及び金属ブラケット２の機械的構造に基づく共振周波数によって全体が機械共振するときであっても、電圧の飽和を抑制して、静電容量の変化を計測することができる。

また、この静電容量式加速度センサによれば、フィルタ機能付きＣ／Ｖ変換回路１２’におけるＣ／Ｖ変換回路２０の後段にＬＰＦ部４０を設け、更に、増幅回路１３の後段にＬＰＦ１４を設けているので、カットオフ周波数の選定により多彩なシステムフィルタを構成することできる。すなわち、静電容量式加速度センサの用途、取り付け場所によってハウジング１及び金属ブラケット２の形状、材質によって様々なものが使用されるが、ＬＰＦ部４０とＬＰＦ１４との組み合わせによって様々なカットオフ周波数の選定して、静電容量を計測できる。

すなわち、共振周波数、共振ゲインは、金属ブラケット２の機械的構造によって異なる。したがって、静電容量式加速度センサを作成してハウジング１を製造しても、その後に、静電容量式加速度センサの使用者が決定する金属ブラケット２によって共振周波数、共振ゲインが異なる。したがって、金属ブラケット２の形状等に応じてカットオフ周波数の選定できることによって、どのような金属ブラケット２にハウジング１が取り付けられても、高い精度で加速度を計測できる。

更に、この静電容量式加速度センサによれば、フィルタ機能付きＣ／Ｖ変換回路１２’にＬＰＦ部４０を設けているので、当該センサ部１１及びＣ／Ｖ変換回路２０により発生するノイズを増幅回路１３によって増幅する前に抑制することができる。これにより、静電容量式加速度センサによれば、系全体の出力ノイズを減少させることができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

１ ブラケット
２ 金属ブラケット
１１ センサ部
１２ 変換回路
１３ 増幅回路
１４ ＬＰＦ
２０ 変換回路
２１ コンデンサ
２２ スイッチ
２３ オペアンプ
２４ スイッチ
２５ コンデンサ
２６ 帰還部
３０ 静電容量蓄積部
４０ ＬＰＦ部
５１ａ 第１ヒューズ
５１ｂ 第２ヒューズ
５２、６２ コントローラ

Claims (5)

1. 計測対象の加速度に応じて静電容量が変化するセンサ部と、
   前記センサ部に蓄積された静電容量を電圧に変換する電圧変換部と、
   前記電圧変換部により変換された電圧を増幅する増幅部と、
   前記増幅部により増幅された電圧の低周波数成分を通過させて出力値を生成するＬＰＦ部とを備え、
   前記電圧変換部は、前記静電容量を電圧に変換するオペアンプを含み、当該オペアンプの帰還部に並列して静電容量蓄積部を設けたこと
   を特徴とする静電容量式加速度センサ。
2. 前記静電容量蓄積部は、それぞれが前記帰還部に対して並列に配置された複数のコンデンサを含み、当該各コンデンサの前記帰還部に対する接続関係を切り替える切り替え手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の静電容量式加速度センサ。
3. 前記オペアンプの帰還部と前記静電容量蓄積部とによって前記電圧変換部により変換された電圧の低周波数成分を通過させるＬＰＦを構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の静電容量式加速度センサ。
4. 前記切り替え手段は、前記静電容量蓄積部の前記帰還部に対する接続関係を短絡又は開放するヒューズを含み、当該ヒューズを電気的に開放して当該各コンデンサの前記帰還部に対する接続関係を切り替えることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の静電容量式加速度センサ。
5. 前記切り替え手段は、前記静電容量蓄積部の前記帰還部に対する接続関係を短絡又は開放する半導体スイッチを含み、当該半導体スイッチの導通状態を制御して当該各コンデンサの前記帰還部に対する接続関係を切り替えることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の静電容量式加速度センサ。

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