JP2575769Y2 - Acceleration sensor - Google Patents
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- JP2575769Y2 JP2575769Y2 JP1992015222U JP1522292U JP2575769Y2 JP 2575769 Y2 JP2575769 Y2 JP 2575769Y2 JP 1992015222 U JP1992015222 U JP 1992015222U JP 1522292 U JP1522292 U JP 1522292U JP 2575769 Y2 JP2575769 Y2 JP 2575769Y2
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本考案は、加速度センサに関し、
さらに詳しくは、例えば車両の電子制御サスペンション
用センサの如く、比較的低周波の加速度を検出するのに
好適な加速度センサに関する。The present invention relates to an acceleration sensor,
More specifically, the present invention relates to an acceleration sensor suitable for detecting relatively low-frequency acceleration, such as a sensor for an electronically controlled suspension of a vehicle.
【0002】[0002]
【従来の技術】この種の加速度(一方向加速度だけでな
く、制動加速度、回転によって生ずる加速度なども含
む)を検出するための1つの基本的な考え方として、金
属などから成る弾性変位体(以下単に変位体と称する)
をセンサ本体に設置して、センサ本体が加速度を受ける
とその変位体が慣性力によって機械的に変位する仕組み
が広く利用されている。2. Description of the Related Art As one basic concept for detecting this kind of acceleration (including not only one-way acceleration but also braking acceleration, acceleration caused by rotation, etc.), an elastic displacement body (hereinafter, referred to as metal) made of metal or the like is used. Simply referred to as a displacement body)
A mechanism has been widely used in which a sensor body is installed in a sensor body, and when the sensor body receives acceleration, the displacement body is mechanically displaced by inertial force.
【0003】そして、このように加速度に比例した変位
(又はこの変位によって生ずるひずみ、以下単に変位と
称する)を変換手段として電気信号に変換して出力する
方式によって、様々な方式の加速度センサが提案あるい
は実現されている。[0003] Various types of acceleration sensors have been proposed according to a method of converting a displacement proportional to the acceleration (or a strain caused by the displacement, hereinafter simply referred to as a displacement) into an electric signal as a conversion means and outputting the electric signal. Or it has been realized.
【0004】例えば、弾性板を用いて片持ち支持型,中
心支持型,周辺支持型などの構造の変位体を形成し、こ
の変位体上にひずみゲージや圧電素子などの変換素子を
取付けることにより、加速度に応じて変位体に生じた変
位を変換手段によって電気信号に変換して出力する加速
度センサを実現することができる。For example, a displacement body having a structure such as a cantilever support type, a center support type, or a peripheral support type is formed using an elastic plate, and a conversion element such as a strain gauge or a piezoelectric element is mounted on the displacement body. In addition, it is possible to realize an acceleration sensor that converts a displacement generated in the displacement body in accordance with the acceleration into an electric signal by the conversion unit and outputs the electric signal.
【0005】ところでこのような加速度センサが共通し
て持つ技術的課題として次のようなことが挙げられる。Incidentally, the following technical problems are common to such acceleration sensors.
【0006】(1) 変位体に生ずる機械的な変位が、この
変位体が受ける慣性力に応じて忠実に再現すること。(1) The mechanical displacement generated in the displacement body must be faithfully reproduced in accordance with the inertial force applied to the displacement body.
【0007】(2) 変位が電気信号に変換する変換素子に
常に正確に伝達されるような構造や手段が施されている
こと。(2) A structure or means is provided so that the displacement is always accurately transmitted to a conversion element that converts the displacement into an electric signal.
【0008】(3) 変換素子が変位体に伝達された変位を
高精度で電気信号に変換する能力を有し、変換された電
気信号が電気回路によって容易に処理される信号形態に
なっていること。(3) The conversion element has a capability of converting the displacement transmitted to the displacement body into an electric signal with high precision, and the converted electric signal is in a signal form easily processed by an electric circuit. thing.
【0009】しかるに、前記したように変位体上に変換
素子を取付けた構造のような加速度センサにおいては、
常に3つの課題をいかに解決して、かつ安価で量産性に
優れているものにするかにその技術成果が存在する。However, in an acceleration sensor having a structure in which a conversion element is mounted on a displacement body as described above,
There are technical achievements in how to always solve the three issues and make them cheap and excellent in mass productivity.
【0010】ここで、(1) の課題に関しては、変位体上
に変換素子を取付けないようにすることで、恒弾性金属
などの本来変位体が持っている慣性力を変位に変換する
優れた機械的能力を発揮できるようにし、生じた変位を
非接触で検出できるようにすることで解決することがで
きる。また、このような構成にすれば(2) の課題も解決
することができる。[0010] Regarding the problem (1), by preventing the conversion element from being mounted on the displacement body, it is possible to convert the inertial force inherent in the displacement body, such as a constant elastic metal, into a displacement. The problem can be solved by making it possible to exert mechanical ability and detect the generated displacement in a non-contact manner. With such a configuration, the problem (2) can also be solved.
【0011】このように加速度に応じて変位体に生じた
変位を非接触で検出する1つの考えは、例えば本出願人
が先に出願した特開平1-197661号公報及び特開平1-1976
62号公報に提案されている。このような加速度センサに
よれば、一定の電荷すなわち一定電位が与えられた変位
体と、その周囲に非接触で配置された検出用の電極との
間に生じる電界が、電極上に誘導する電荷の流れを電極
と接地(GND)間に接続された高抵抗を通じて検出さ
れる。従って、変位体が慣性力によって変位すると、変
位体と電極間の距離が変化することにより、電極上の電
界の強さが変化して新たな電荷の誘導を生じるような原
理で加速度センサを構成することができる。One idea for detecting the displacement generated in the displacement body in accordance with the acceleration in a non-contact manner is described in, for example, JP-A-1-197661 and JP-A-1-1976 filed earlier by the present applicant.
It is proposed in Japanese Patent Publication No. 62. According to such an acceleration sensor, an electric field generated between a displacement body provided with a fixed charge, that is, a fixed potential, and a detection electrode arranged in a non-contact manner around the displacement body generates a charge induced on the electrode. Is detected through a high resistance connected between the electrode and ground (GND). Therefore, when the displacement body is displaced by the inertial force, the acceleration sensor is configured on the principle that the distance between the displacement body and the electrode changes, and the strength of the electric field on the electrode changes to induce a new charge. can do.
【0012】図17はそのような1つの非接触方式の加
速度センサの基本構成を示すものである。加速度センサ
51は検出対象面である加速度αが作用する自動車のフ
レームなどの物体52に取付けられている。加速度セン
サ51は基板53上に絶縁体54を介して取付けられた
変位体55と、この変位体と距離dだけ隔てて対向して
いる固定の検出用の電極56とを有しており、物体52
に加速度αが作用したとき変位体55は加速度αに比例
した慣性力Fによって破線で示すように左右方向に変位
するようになっている。FIG. 17 shows the basic structure of one such non-contact type acceleration sensor. The acceleration sensor 51 is attached to an object 52 such as an automobile frame on which the acceleration α acting as a detection target surface acts. The acceleration sensor 51 includes a displacement body 55 mounted on a substrate 53 via an insulator 54, and a fixed detection electrode 56 facing the displacement body at a distance d. 52
When the acceleration α acts on the displacement body 55, the displacement body 55 is displaced in the left-right direction by the inertia force F proportional to the acceleration α as shown by a broken line.
【0013】変位体55には電源Vから電圧が印加され
ることにより電極56との対向面には一定電位が保持さ
れ、この電位が作る電界Eは電極56との距離に反比例
する電界の強さに応じて電極56上に電荷を誘導する。
一方、電極56と基板53間には高抵抗値の抵抗Rgが
接続されると共に、電極56は電界効果トランジスタや
オペアンプなどのインピーダンス変換器57を介して出
力端子58に接続されている。59はシールドケースで
ある。When a voltage is applied from a power supply V to the displacement body 55, a constant potential is maintained on the surface facing the electrode 56, and the electric field E generated by this potential has an electric field strength in inverse proportion to the distance from the electrode 56. An electric charge is induced on the electrode 56 accordingly.
On the other hand, a resistor Rg having a high resistance value is connected between the electrode 56 and the substrate 53, and the electrode 56 is connected to an output terminal 58 via an impedance converter 57 such as a field effect transistor or an operational amplifier. Reference numeral 59 denotes a shield case.
【0014】このような構成で、物体52に加わる加速
度αが0のときは、定常状態となっていて抵抗Rgの両
端に電圧は発生しない。次に、ある加速度αが物体52
に加わると変位体55は慣性力Fによって左右方向に変
位することにより、電極56との距離がdからd′また
はd″に変化する。この結果、電界の強さが今迄のE/
dからE/△d′またはE/d″に変化して、これに応
じた電荷の移動が抵抗Rgを通して行われて電流となっ
て流れるので、抵抗Rgの両端の電圧が変動する。With such a configuration, when the acceleration α applied to the object 52 is 0, the apparatus is in a steady state and no voltage is generated across the resistor Rg. Next, a certain acceleration α is
Is applied, the displacement body 55 is displaced in the left-right direction by the inertial force F, so that the distance from the electrode 56 changes from d to d 'or d ". As a result, the electric field strength becomes the current E /
The charge changes from d to E / △ d 'or E / d ″, and the charge moves accordingly through the resistor Rg to flow as a current, so that the voltage across the resistor Rg fluctuates.
【0015】よって、この電圧変動をインピーダンス変
換器57を介して端子58から検出出力Voとして取出
すことにより、変位体55の変位を電気信号として出力
することができる。この場合、出力Voは変位体55と
電極56間の距離に反比例した値となる。なお、図17
の構成で変位体55と電極56との位置をそのまま入替
えても同様な効果が得られる。すなわち、変位体55と
電極56とは、一方側に一定電位を与え他方側で検出出
力を得るような関係になっていれば良い。ところでこの
ような加速度センサでは、加速度αに応じて変位体55
に変位が生じた場合、変位体55から加速度αに比例し
た検出出力が得られないという欠点がある。Therefore, by taking out this voltage fluctuation from the terminal 58 via the impedance converter 57 as the detection output Vo, the displacement of the displacement body 55 can be outputted as an electric signal. In this case, the output Vo is a value inversely proportional to the distance between the displacement body 55 and the electrode 56. Note that FIG.
With the configuration described above, the same effect can be obtained even if the positions of the displacement body 55 and the electrode 56 are exchanged as they are. That is, the displacement body 55 and the electrode 56 may be in such a relationship that a constant potential is applied to one side and a detection output is obtained on the other side. By the way, in such an acceleration sensor, the displacement body 55
Has a disadvantage that a detection output proportional to the acceleration α cannot be obtained from the displacement body 55 when the displacement occurs.
【0016】このため、本出願人はそのような欠点を除
去するようにした他の構成の非接触方式の加速度センサ
を提案した(特願平4−24089号)。図18はこの
加速度センサの基本構成を示すもので、15は平板状の
導電性の変位体でこれには距離dだけ隔てて平板状の検
出用の電極16が対向して設けられている。これら変位
体15と電極16は、加速度αの方向Zに平行に配置さ
れて対向面積Aを有するように構成されている。変位体
15は加速度αに応じて加速度αと同方向Zに変位する
ことにより、前記対向面積Aが変化可能になっている。For this reason, the applicant of the present invention has proposed a non-contact type acceleration sensor having another configuration for eliminating such a disadvantage (Japanese Patent Application No. 4-24089). FIG. 18 shows the basic structure of this acceleration sensor. Reference numeral 15 denotes a plate-shaped conductive displacement body, which is provided with a plate-shaped detection electrode 16 facing the other at a distance d. The displacement body 15 and the electrode 16 are arranged so as to be parallel to the direction Z of the acceleration α and have an opposing area A. The opposing area A can be changed by displacing the displacement body 15 in the same direction Z as the acceleration α according to the acceleration α.
【0017】Vは変位体15に電圧を印加することによ
り一定電位を与える電源、Rgは電極16と接地間に接
続された抵抗、17は電極16と出力端子18間に設け
られたインピーダンス変換器である。加速度αにより変
位体15が変位して電極16との対向面積Aが変化する
ことによって、変位体15からの電界が変化して電極1
6に誘導される電荷が変化するので、この電荷が抵抗R
gに流れてこの両端の電圧が変化するため、インピーダ
ンス変換器17はこの電圧変化を検出出力Voとして端
子18に出力する。V is a power supply for applying a constant potential by applying a voltage to the displacement body 15, Rg is a resistor connected between the electrode 16 and the ground, and 17 is an impedance converter provided between the electrode 16 and the output terminal 18. It is. When the displacement body 15 is displaced by the acceleration α and the area A facing the electrode 16 changes, the electric field from the displacement body 15 changes and the electrode 1
6 changes, and this charge becomes the resistance R
g, the voltage at both ends changes, and the impedance converter 17 outputs this voltage change to the terminal 18 as a detection output Vo.
【0018】これによって、対向面積の変化、すなわち
変位体15の変位量に比例した電圧Vgが抵抗Rgによ
って得られるようになる。よって加速度に比例した検出
出力を得ることが可能となる。以下、図17及び図18
に示したような非接触方式の加速度センサによる検出方
式を電位検出方式と称する。ここで変位体及びこれに対
向配置される電極の少なくとも一方は複数個配置するこ
とができる。As a result, a voltage Vg proportional to a change in the facing area, that is, a displacement amount of the displacement body 15 can be obtained by the resistor Rg. Therefore, a detection output proportional to the acceleration can be obtained. Hereinafter, FIGS. 17 and 18
The detection method using a non-contact type acceleration sensor as shown in FIG. Here, a plurality of the displacement bodies and at least one of the electrodes arranged to face the displacement bodies can be arranged.
【0019】いずれにせよ電位検出方式の加速度センサ
は、変位体と電極のいずれか一方に一定電位を与えて他
方に誘起される電荷を検出する点で共通しており、その
誘起電荷は電極間距離(すなわち電界強度)の変化、あ
るいは電極間対向面積(すなわち電束)の変化に応じて
変化する点が異なっているだけである。これによって前
者では加速度に反比例した検出出力が得られ、後者では
加速度に比例した検出出力が得られる。In any case, the potential detection type acceleration sensor is common in that a constant potential is applied to one of the displacement body and the electrode to detect the electric charge induced in the other, and the induced electric charge is applied between the electrodes. The only difference is that it changes according to a change in the distance (ie, electric field strength) or a change in the area between the electrodes (ie, electric flux). Thus, in the former, a detection output in inverse proportion to the acceleration is obtained, and in the latter, a detection output in proportion to the acceleration is obtained.
【0020】[0020]
【考案が解決しようとする課題】ところで従来の電位検
出方式の加速度センサでは、いずれにおいても前記(3)
の課題を十分に解決するのが困難であるという問題があ
る。In the conventional potential detection type acceleration sensor, the above-mentioned (3)
There is a problem that it is difficult to sufficiently solve the above problem.
【0021】すなわち、従来のいずれの加速度センサも
変位やひずみの変換機構が直接変位素子上に配置されて
いない点では有利であるが、前記(3) の課題に関して次
の2点で難点がある。That is, any of the conventional acceleration sensors is advantageous in that the displacement or strain conversion mechanism is not directly disposed on the displacement element, but has the following two problems with respect to the problem (3). .
【0022】1.等加速度(変位体の静的変化に対応)
も含む低周波加速度について 従来の加速度センサでは前者(電極間距離変化を読み取
る方式)及び後者(電極間対向面積変化を読み取る方
式)のいずれでも、直流の電源Vから一定電位が与えら
れることで電極上に誘起される電荷は変位体の変位が伴
って初めて増減し、抵抗Rgを通じて単位時間当り移動
するこの増減電荷によって感度が決定される原理になっ
ているので、変位体の静的変化を検出することは不可能
である。また、抵抗Rgと電極間の結合容量Cxとによ
って決定される時定数よりも大きい時間的変化、すなわ
ちωo=(1/RgCx)よりも低い周波数領域での加
速度検出は困難である。1. Uniform acceleration (corresponding to static change of displacement body)
In the conventional acceleration sensor, in both the former (a method of reading the change in the distance between the electrodes) and the latter (a method of reading the change in the area between the electrodes), a constant potential is applied from the DC power supply V to the electrode. The charge induced above increases or decreases only with the displacement of the displacement body, and the principle is that the sensitivity is determined by the increased or decreased charge that moves per unit time through the resistance Rg, so the static change of the displacement body is detected. It is impossible to do. Further, it is difficult to detect a temporal change larger than a time constant determined by the resistance Rg and the coupling capacitance Cx between the electrodes, that is, acceleration detection in a frequency region lower than ωo = (1 / RgCx).
【0023】2.高検出精度及び高S/N化について 従来の加速度センサでもこの題目を達成するために、変
位素子の先端部に質量を付加して同一加速度に対しても
慣性力を増したり、変位の能動点を工夫して変位を大き
くとったり、あるいは変位体と対向電極との間に不要な
電束による外乱を防止するシールド窓を設けたり、さら
には変位体の変位によって電束の条件が変わらない目的
で放射状の電束とするように、円柱状や球状の荷電体と
して変位体や電極を加工することが考えられている。2. High Detection Accuracy and High S / N In order to achieve this subject even in the conventional acceleration sensor, mass is added to the tip of the displacement element to increase the inertial force even for the same acceleration, and to increase the active point of the displacement. In order to increase the displacement by devising, or to provide a shield window between the displacement body and the counter electrode to prevent disturbance due to unnecessary electric flux, and furthermore, the purpose of the electric flux condition does not change due to the displacement of the displacement body It has been considered to process a displacement body or an electrode as a columnar or spherical charged body so as to obtain a radial electric flux.
【0024】しかし、電源ラインノイズや電磁ノイズ等
の影響をさらに小さくするように回路的な処理を施す場
合、例えばインピーダンス変換後の信号に不必要な(す
なわち、検出対象加速度の周波数帯域以外の)帯域をカ
ットするようなフィルタを設けると効果的となる。しか
し検出対象帯域を広くとると加速度センサとしては有利
であるが、フィルタの帯域もこれに合わせて広くとるた
め、対ノイズ的には不利となる。However, when circuit processing is performed to further reduce the influence of power supply line noise, electromagnetic noise, and the like, for example, signals unnecessary after impedance conversion are unnecessary (ie, other than the frequency band of the acceleration to be detected). It is effective to provide a filter that cuts the band. However, although a wider detection target band is advantageous for an acceleration sensor, the filter band is also widened accordingly, which is disadvantageous in terms of noise.
【0025】本考案は以上のような問題に対処してなさ
れたもので、前記のような課題を解決するようにした加
速度センサを提供することを目的とするものである。The present invention has been made in view of the above-described problems, and has as its object to provide an acceleration sensor that solves the above-mentioned problems.
【0026】[0026]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本考案は、加速度に応じた変位を生じる変位体と、こ
の変位体と非接触状態で対向する導電体と、前記変位体
及び導電体のいずれか一方側に一定電位を与える電源と
を備えた加速度センサにおいて、前記電源が交番電位か
ら成り、前記変位体に変化が生じたとき前記変位体また
は導電体からいずれかに誘導される電荷の変位に基いた
検出信号を出力することを特徴とするものである。SUMMARY OF THE INVENTION In order to achieve the above object, the present invention provides a displacement body which produces a displacement in accordance with an acceleration, a conductor which is opposed to the displacement body in a non-contact state, and the displacement body and the conductor. An acceleration sensor comprising a power supply for applying a constant potential to one of the sides of the body, wherein the power supply comprises an alternating potential, and when a change occurs in the displacement body, the power source is induced from the displacement body or the conductor. It is characterized by outputting a detection signal based on the displacement of the electric charge.
【0027】[0027]
【作用】請求項1に記載の本考案の構成によれば、一定
電位を与える電源として交番電位を用いるようにしたの
で、等加速度を含む低周波帯域での加速度検出が可能と
なる。According to the configuration of the present invention, an alternating potential is used as a power supply for applying a constant potential, so that acceleration can be detected in a low frequency band including uniform acceleration.
【0028】請求項2に記載の本考案の構成によれば、
少なくとも変位体及び導電体の一方を複数個配置するこ
とにより請求項1と同様な作用を行わせることができ
る。According to the configuration of the present invention described in claim 2,
By arranging at least one of the displacement body and the conductor, the same operation as the first aspect can be performed.
【0029】請求項3に記載の本考案の構成によれば、
交番電源の周波数に略一致した中心周波数を有するバン
ドパスフィルタを検出信号の出力側に接続することによ
り、請求項1と同様な作用を行わせることができる。According to the configuration of the present invention described in claim 3,
By connecting a bandpass filter having a center frequency substantially coincident with the frequency of the alternating power supply to the output side of the detection signal, the same operation as the first aspect can be performed.
【0030】請求項4記載の本考案の構成によれば、交
番電位に基く信号を搬送波としてこの搬送波を変位体の
変位に基く信号によって変調した被変調波を復調する復
調手段を備えることにより、請求項1と同様な作用を行
わせることができる。According to the configuration of the present invention, there is provided a demodulation means for demodulating a modulated wave obtained by modulating a signal based on an alternating potential with a carrier based on a signal based on the displacement of the displacement body. The same operation as the first aspect can be performed.
【0031】請求項5記載の本考案の構成によれば、片
持ち支持型の変位体を用いることにより、請求項1と同
様な作用を行わせることができる。According to the fifth aspect of the present invention, the same operation as that of the first aspect can be performed by using the cantilever-type displacement body.
【0032】請求項6記載の本考案の構成によれば、片
持ち支持型の変位体をシリコン結晶体に一体的に形成す
ることにより、請求項1と同様な作用を行わせることが
できる。According to the configuration of the present invention described in claim 6, the same operation as in claim 1 can be performed by integrally forming the cantilever support type displacement body with the silicon crystal body.
【0033】請求項7記載の本考案の構成によれば、作
用可能な変位体及び導電体を共にシールドケース内に封
入することにより請求項1と同様な作用を行わせること
ができる。According to the configuration of the present invention described in claim 7, the same operation as in claim 1 can be performed by enclosing both the operable displacement body and the conductor in the shield case.
【0034】[0034]
【実施例】以下図面を参照して本考案の実施例を説明す
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0035】図1は本考案の加速度センサ1の実施例を
示すもので、5は変位体,6はこの変位体5に対向配置
される加速度検出用の電極,Rgは電極6とグランド
(GND)間に接続される高抵抗値の抵抗,Trはイン
ピーダンス変換器7として動作する電界効果トランジス
タ(FET),VccはTrに対する電源,RはTrの
ソースとGND間に接続される抵抗,Vcは変位体5に
一定電位を与える交番電位である。この交番電位Vcは
特定の周波数ω1を有する正弦波,矩形波,三角波など
からなっている。FIG. 1 shows an embodiment of the acceleration sensor 1 according to the present invention, in which 5 is a displacement body, 6 is an acceleration detecting electrode disposed opposite to the displacement body 5, and Rg is the electrode 6 and the ground (GND). ), A resistor having a high resistance value, Tr is a field effect transistor (FET) operating as an impedance converter 7, Vcc is a power supply for Tr, R is a resistor connected between the source of Tr and GND, and Vc is This is an alternating potential for giving a constant potential to the displacement body 5. The alternating potential Vc is composed of a sine wave, a rectangular wave, a triangular wave, etc. having a specific frequency ω1.
【0036】図2は図1の加速度センサ1を動作させる
ための構成を示すブロック図で、インピーダンス変換器
7としてのTrのドレインから引出された出力端子8に
は前記周波数ω1に略一致した中心周波数を有するバン
ドパスフィルタ3,このバンドパスフィルタ3にはこの
出力から検出出力を得る検波・増幅部5が接続されてい
る。検波動作は前記交番電位Vcを利用して行っても良
い。これら各構成手段は実際に装置を組み立てるにあた
っては、加速度センサ1を構成する抵抗Rg等と同一基
板上に形成しても良い、あるいは別回路としてセンサ部
と分離して構成しても良い。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration for operating the acceleration sensor 1 of FIG. 1. An output terminal 8 drawn from the drain of Tr as an impedance converter 7 has a center substantially coincident with the frequency ω1. A band-pass filter 3 having a frequency is connected to a detection / amplification unit 5 for obtaining a detection output from this output. The detection operation may be performed using the alternating potential Vc. In actually assembling the device, these components may be formed on the same substrate as the resistor Rg or the like constituting the acceleration sensor 1 or may be formed separately from the sensor unit as a separate circuit.
【0037】次に本実施例の動作について、電位検出方
式における第1の方式の加速度センサ(電極間距離変化
を読み取る方式)及び第2の方式の加速度センサ(電極
間対向面積変化を読み取る方式)の各々の場合を対象と
して説明する。Next, regarding the operation of the present embodiment, the first type acceleration sensor (a method for reading a change in interelectrode distance) and the second type acceleration sensor (a method for reading a change in opposing electrode area) in the potential detection method will be described. Each case will be described.
【0038】(1) 静的変位(等加速度下)の動作 図3は第1の方式のセンサに等加速度が作用して、電極
間距離yがy=d(加速度0)からy=d+△dの一定
となっている場合(a)と、逆方向に同様の加速度が作
用してy=d−△dの一定となっている場合(b)を横
軸を時間経過として表している。(1) Operation of Static Displacement (under Constant Acceleration) FIG. 3 shows that the constant acceleration acts on the sensor of the first type, and the distance y between the electrodes is changed from y = d (acceleration 0) to y = d + △. The horizontal axis represents time elapse when the d is constant (a) and when the same acceleration acts in the opposite direction and y = d− △ d is constant (b).
【0039】また、図4は第2の方式センサに等加速度
が作用して、電極間対向面積SがS=A(加速度0)か
らS=A+△Aの一定となっている場合(a)と、逆方
向に同様の加速度が作用してS=A−△Aの一定となっ
ている場合(b)を横軸を時間経過として表している。FIG. 4 shows a case in which a constant acceleration acts on the second type sensor and the inter-electrode facing area S is constant from S = A (acceleration 0) to S = A + △ A (a). And (b) where the same acceleration acts in the opposite direction and S = A−ΔA is constant, the horizontal axis represents time passage.
【0040】ここで図17及び図18に示したような構
成のように電源Vから一定電位を与える方式(図5のよ
うな静的電位)では、図3及び図4のような時間的変位
を伴わない変位体の変位に対して検出出力は得られな
い。Here, in the method of applying a constant potential from the power supply V (static potential as shown in FIG. 5) as in the configuration as shown in FIGS. 17 and 18, the temporal displacement as shown in FIGS. No detection output is obtained for the displacement of the displacement body not accompanied by.
【0041】本考案では、交番電位Vcとして特定周波
数ω1及び一定の振幅V1を有する信号を用いることに
より、図3及び図4のような静的変位に対しても検出出
力を得ることができる。In the present invention, by using a signal having a specific frequency ω1 and a constant amplitude V1 as the alternating potential Vc, a detection output can be obtained even for a static displacement as shown in FIGS.
【0042】今、仮りに交番電位Vcとして図6に示す
ように、Vc=V+V1sinω1t(Vはバイアス電
位であり0としても良い)なる正弦波を用いたとする
と、図3(a),(b)のような静的変位に対しては図
7(a),(b)のような検出電圧Vgが得られる。同
様にして、図4(a),(b)に対しては図8(a),
(b)のような検出電圧Vgが得られる(図中、α,β
は定数)。Assuming that a sine wave of Vc = V + V1sin ω1t (V is a bias potential and may be 0) is used as the alternating potential Vc as shown in FIG. 6, as shown in FIG. For such a static displacement, a detection voltage Vg as shown in FIGS. 7A and 7B is obtained. Similarly, for FIGS. 4A and 4B, FIGS.
A detection voltage Vg is obtained as shown in FIG.
Is a constant).
【0043】(2) 動的変位の動作 ここで例として角周波数pを有する振動加速度がセンサ
に作用した場合について説明する。このような振動加速
度に対しては、第1の方式センサは図9に示すように電
極間距離yが、y=d+△dsinptのように変化す
る。同様にして、第2の方式センサは図10に示すよう
に電極間対向面積Sが変化する。ここで、Vc=V+V
1sinω1tが検出電極に生じさせる検出電圧は、加
速度が0のときは第1の方式のセンサではα(V1/
d)sinω1tとなり、第2の方式のセンサではβV
1Asinω1t(α,βは定数)となる。この信号振
幅は前記加速度によって変化する距離に反比例して、あ
るいは対向面積に比例して変化する。(2) Dynamic Displacement Operation Here, as an example, a case where a vibration acceleration having an angular frequency p acts on the sensor will be described. With respect to such vibration acceleration, in the first type sensor, the inter-electrode distance y changes as y = d + △ dsinpt as shown in FIG. Similarly, in the second type sensor, the inter-electrode facing area S changes as shown in FIG. Here, Vc = V + V
When the acceleration is 0, the detection voltage generated by 1 sinω1t on the detection electrode is α (V1 / V1 /
d) sinω1t, which is βV in the sensor of the second type.
1Asinω1t (α and β are constants). This signal amplitude changes in inverse proportion to the distance changed by the acceleration or in proportion to the facing area.
【0044】すなわち、加速度が0のときの検出信号
が、電極間距離あるいは対向面積の変化によって振幅変
調を受けることになる。換言すれば、その信号は搬送波
と考えられこの搬送波は加速度が作用することによって
第1の方式のセンサでは図11の(a)のように変調さ
れると共に第2の方式センサでは図12の(a)のよう
に変調されて検出される。That is, the detection signal when the acceleration is 0 undergoes amplitude modulation due to a change in the distance between the electrodes or the facing area. In other words, the signal is considered to be a carrier, and this carrier is modulated as shown in FIG. 11 (a) by the acceleration of the first type sensor and acts as ((a) in FIG. 12) by the second type sensor. It is modulated and detected as in a).
【0045】そして、さらに搬送波の周波数すなわちω
1の周波数成分を取り出すために、この周波数ω1に略
一致した中心周波数を有する一定帯域のバンドパスフィ
ルタ3を通過させることにより、図11の(a)の信号
及び図12の(a)の信号は各々図11の(b)の信号
及び図12の(b)の信号のような、その包絡線が加速
度(変位体の変位)に対応する被変調波を得ることがで
きる。Further, the frequency of the carrier wave, that is, ω
In order to extract the frequency component 1, the signal of FIG. 11A and the signal of FIG. 12A are passed through a band-pass filter 3 of a fixed band having a center frequency substantially coincident with the frequency ω1. Can obtain a modulated wave whose envelope corresponds to the acceleration (displacement of the displacement body), such as the signal of FIG. 11 (b) and the signal of FIG. 12 (b).
【0046】従って、この被変調波を検波・増幅部5に
よって検波,増幅することにより、各々図13及び図1
4に示したような加速度検出システムに要求される制御
信号を得ることができる。Accordingly, by detecting and amplifying the modulated wave by the detection / amplification unit 5, the modulated wave is shown in FIGS.
The control signal required for the acceleration detection system as shown in FIG. 4 can be obtained.
【0047】(3) 加速度検出帯域 (1),(2) のような説明から明らかなように、本考案によ
って従来の電位検出方式では検出不可能であって、等加
速度を含む低周波帯域での加速度検出が可能となる。但
し、検出上限周波数は変位体の固有共振周波数ω1によ
って制限される。これは変位体の変位が、周波数に無関
係に加速度に比例する領域が変位体の非共振領域に制限
されるからである。(3) Acceleration detection band As is clear from the explanations such as (1) and (2), according to the present invention, it is impossible to detect with the conventional potential detection method, and in the low frequency band including the uniform acceleration. Can be detected. However, the detection upper limit frequency is limited by the natural resonance frequency ω1 of the displacement body. This is because the area where the displacement of the displacement body is proportional to the acceleration regardless of the frequency is limited to the non-resonant area of the displacement body.
【0048】従って、搬送波ともなる交番電位ω1はω
n(変位体の機械共振周波数)よりも低く設定され、共
振周波数の加速度で変調されないようにする必要がある
と同時に、センサに要求される検出帯域よりも十分高く
設定することで復調後の精度を高めるように設計するこ
とが必要である。Therefore, the alternating potential ω1 which is also a carrier is ω
n (mechanical resonance frequency of the displacement body), it is necessary to prevent modulation at the acceleration of the resonance frequency. At the same time, by setting it sufficiently higher than the detection band required for the sensor, the accuracy after demodulation is set. It is necessary to design to increase.
【0049】図15及び図16は第1の方式及び第2の
方式のセンサにおける加速度と出力との関係を示す特性
図を表している。FIGS. 15 and 16 are characteristic diagrams showing the relationship between acceleration and output in the sensors of the first system and the second system.
【0050】(4) 高S/N化 本考案によれば、前記したようにDC(等加速度)レベ
ルから加速度検出が可能なだけでなく、搬送波の周波数
ともなる交番電位の周波数ω1についてのみその検出感
度を適正に設定すれば、他の周波数帯域について高感度
を維持する必要がないため、バンドパスフィルタなどを
用いて容易にノイズ成分を除去することができる。よっ
て高S/N化を達成することができる。(4) High S / N According to the present invention, not only the acceleration can be detected from the DC (constant acceleration) level as described above, but also the frequency ω1 of the alternating potential, which is also the frequency of the carrier wave, can be obtained. If the detection sensitivity is set appropriately, it is not necessary to maintain high sensitivity in other frequency bands, so that a noise component can be easily removed using a band-pass filter or the like. Therefore, a high S / N ratio can be achieved.
【0051】このように本考案によれば、変位体及びこ
れと対向配置される導電体のいずれか一方に一定電位を
与える電源として交番電位を用いるようにしたので、従
来の加速度センサでは検出不可能であった等加速度を含
む低周波加速度を検出することができると共に、高検出
精度及び高S/N化の課題も解決することができる。As described above, according to the present invention, the alternating potential is used as a power source for applying a constant potential to one of the displacement body and the conductor arranged opposite to the displacement body. It is possible to detect low-frequency acceleration including possible equal acceleration, and also to solve the problems of high detection accuracy and high S / N.
【0052】なお、当電位検出方式の加速度センサは、
電極間の電界の大きさによってその感度が左右されるの
は原理からみて明らかであり、その電極間の誘電率は空
気の誘電率であるため湿度によって変動する。このため
センサーのハウジングは湿度の浸入を防止するように、
外気に対して完全に密封する構造を採用することが重要
である。さらに弾性変位体としても優れた機械特性を有
するシリコン単結晶体をエッチング加工等の加工手段に
より変位体として加工すると共に、周辺回路を直接結晶
体上に形成すれば小型化も有利である。Incidentally, the acceleration sensor of the equipotential detection type is
It is clear from the principle that the sensitivity depends on the magnitude of the electric field between the electrodes, and the dielectric constant between the electrodes varies with humidity because it is the dielectric constant of air. For this reason, the sensor housing is designed to prevent the ingress of humidity,
It is important to adopt a structure that completely seals against the outside air. Further, if a silicon single crystal body having excellent mechanical properties as an elastic displacement body is processed as a displacement body by a processing means such as etching and the peripheral circuit is formed directly on the crystal body, miniaturization is advantageous.
【0053】[0053]
【考案の効果】以上述べたように本考案によれば、変位
体及びこれに対向配置される電極のいずれか一方に一定
電位を与える電源として交番電位を用いるようにしたの
で、等加速度を含む低周波加速度を検出することができ
ると共に、高検出精度及び高S/N化を図ることができ
る。As described above, according to the present invention, the alternating potential is used as a power source for applying a constant potential to one of the displacement body and the electrode disposed opposite to the displacement body. Low frequency acceleration can be detected, and high detection accuracy and high S / N can be achieved.
【図1】本考案の加速度センサの実施例を示すブロック
図である。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the acceleration sensor of the present invention.
【図2】本実施例センサを動作させるための構成を示す
ブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration for operating the sensor of the embodiment.
【図3】本考案を電位検出方式の第1の方式のセンサに
適用した場合に得られる特性で図である。FIG. 3 is a diagram showing characteristics obtained when the present invention is applied to a first type sensor of a potential detection type.
【図4】本考案を電位検出方式の第2の方式のセンサに
適用した場合に得られる特性で図である。FIG. 4 is a diagram showing characteristics obtained when the present invention is applied to a sensor of a second type of a potential detection type.
【図5】従来の電位検出方式で使用される供給電位の特
性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram of a supply potential used in a conventional potential detection method.
【図6】電源として交番電位を用いた場合に得られる特
性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram obtained when an alternating potential is used as a power supply.
【図7】図3に対応して得られる検出信号の特性図であ
る。FIG. 7 is a characteristic diagram of a detection signal obtained corresponding to FIG.
【図8】図4に対応して得られる検出信号の特性図であ
る。8 is a characteristic diagram of a detection signal obtained corresponding to FIG.
【図9】本考案を第1の方式センサに適用した場合に得
られる特性図である。FIG. 9 is a characteristic diagram obtained when the present invention is applied to the first type sensor.
【図10】本考案を第2の方式センサに適用した場合に
得られる特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram obtained when the present invention is applied to a second type sensor.
【図11】図9に対応して得られる変調信号の特性図で
ある。FIG. 11 is a characteristic diagram of a modulated signal obtained corresponding to FIG. 9;
【図12】図10に対応して得られる変調信号の特性図
である。12 is a characteristic diagram of a modulated signal obtained corresponding to FIG.
【図13】図11に対応して得られる検出信号の特性図
である。13 is a characteristic diagram of a detection signal obtained corresponding to FIG.
【図14】図12に対応して得られる検出信号の特性図
である。14 is a characteristic diagram of a detection signal obtained corresponding to FIG.
【図15】第1の方式センサにおける加速度と出力との
関係を示す特性図である。FIG. 15 is a characteristic diagram showing a relationship between acceleration and output in the first type sensor.
【図16】第2の方式センサにおける加速度と出力との
関係を示す特性図である。FIG. 16 is a characteristic diagram showing a relationship between acceleration and output in the second type sensor.
【図17】電位検出方式の第1の方式のセンサを示す構
成図である。FIG. 17 is a configuration diagram illustrating a sensor of a first type of a potential detection type.
【図18】電位検出方式の第2の方式のセンサを示す構
成図である。FIG. 18 is a configuration diagram illustrating a sensor of a second type of the potential detection type.
3 バンドパスフィルタ 4 検波・増幅部 5 変位体 6 検出用の電極 7 インピーダンス変換器 Vc 交番電位 Reference Signs List 3 band pass filter 4 detection / amplification unit 5 displacement body 6 detection electrode 7 impedance converter Vc alternating potential
Claims (7)
この変位体と非接触状態で対向する導電体と、前記変位
体及び導電体のいずれか一方側に一定電位を与える電源
とを備えた加速度センサにおいて、前記電源が交番電位
から成り、前記変位体に変化が生じたとき前記変位体ま
たは導電体からいずれかに誘導される電荷の変位に基い
た検出信号を出力することを特徴とする加速度センサ。A displacement body that produces a displacement according to acceleration;
An acceleration sensor comprising a conductor facing the displacement body in a non-contact state, and a power supply for applying a constant potential to one of the displacement body and the conductor, wherein the power supply comprises an alternating potential; When a change occurs in the acceleration sensor, the acceleration sensor outputs a detection signal based on the displacement of the electric charge induced either from the displacement body or the conductor.
を複数個配置した請求項1記載の加速度センサ。2. The acceleration sensor according to claim 1, wherein a plurality of at least one of the displacement body and the conductor are arranged.
周波数を有するバンドパスフィルタを検出信号の出力側
に接続した請求項1又は2記載の加速度センサ。3. The acceleration sensor according to claim 1, wherein a band-pass filter having a center frequency substantially coincident with the frequency of the alternating potential is connected to a detection signal output side.
この搬送波を前記変位体の変位に基く信号によって変調
した被変調波を復調する復調手段を備えた請求項1乃至
3のいずれかに記載の加速度センサ。4. A signal based on the alternating potential is a carrier wave,
The acceleration sensor according to any one of claims 1 to 3, further comprising demodulation means for demodulating a modulated wave obtained by modulating the carrier with a signal based on the displacement of the displacement body.
る請求項1乃至4のいずれかに記載の加速度センサ。5. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the displacement body is of a cantilever type.
結晶体に一体的に形成された請求項1乃至5のいずれか
に記載の加速度センサ。6. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the cantilever-supporting displacement body is formed integrally with a silicon single crystal body.
され、この変位体及びこれに対向配置された導電体が共
にシールドケース内に封入されてなる請求項1乃至6の
いずれかに記載の加速度センサ。7. The displacement body according to claim 1, wherein the displacement body is configured to be able to function as an electrode, and the displacement body and a conductor disposed opposite to the displacement body are both sealed in a shield case. Acceleration sensor.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP1992015222U JP2575769Y2 (en) | 1992-03-23 | 1992-03-23 | Acceleration sensor |
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---|---|---|---|
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- 1992-03-23 JP JP1992015222U patent/JP2575769Y2/en not_active Expired - Lifetime
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