JP3036675B2 - 静電容量型加速度センサの非線形性の補正方法 - Google Patents
静電容量型加速度センサの非線形性の補正方法Info
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- JP3036675B2 JP3036675B2 JP7143890A JP14389095A JP3036675B2 JP 3036675 B2 JP3036675 B2 JP 3036675B2 JP 7143890 A JP7143890 A JP 7143890A JP 14389095 A JP14389095 A JP 14389095A JP 3036675 B2 JP3036675 B2 JP 3036675B2
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- acceleration sensor
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
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- G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
- G01P2015/084—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass
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- Pressure Sensors (AREA)
- Indication And Recording Devices For Special Purposes And Tariff Metering Devices (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、２軸以上の加速度を
同時に検出できる静電容量変化を利用した加速度センサ
の非線形性の補正方法に係り、該加速度センサの加速度
に対する出力の非直線性を補正して、軸間の干渉がな
く、温度による変化のない、３軸加速度センサが実現で
きる静電容量型加速度センサの非線形性の補正方法に関
する。
同時に検出できる静電容量変化を利用した加速度センサ
の非線形性の補正方法に係り、該加速度センサの加速度
に対する出力の非直線性を補正して、軸間の干渉がな
く、温度による変化のない、３軸加速度センサが実現で
きる静電容量型加速度センサの非線形性の補正方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】静電容量型加速度センサとして、例え
ば、特開平４−１４８８３３号、特開平４−３３７４３
１号、特開平５−１８８０７９号には、固定基板と可撓
基板との各対向面に電極を着設して対向配置される静電
容量素子を複数対設け、該基板面に平行なＸＹ平面を設
定しこれと直交するＺ軸のＸ，Ｙ，Ｚ軸３次元方向の加
速度の変化を、複数対の静電容量素子間の静電容量変化
に基づき各Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向成分の検出を行う構成が提
案されている。
ば、特開平４−１４８８３３号、特開平４−３３７４３
１号、特開平５−１８８０７９号には、固定基板と可撓
基板との各対向面に電極を着設して対向配置される静電
容量素子を複数対設け、該基板面に平行なＸＹ平面を設
定しこれと直交するＺ軸のＸ，Ｙ，Ｚ軸３次元方向の加
速度の変化を、複数対の静電容量素子間の静電容量変化
に基づき各Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向成分の検出を行う構成が提
案されている。
【０００３】例えば、図１Ｂの縦断面に示すごとく、円
筒１０内に直径方向に配置された固定基板１１と、これ
に所定の間隔を設けて可撓基板１２を平行に配置し、固
定基板１１の下面を示す図１Ａに示すごとく、この固定
基板１１と可撓基板１２との各対向面にそれぞれ電極１
〜５を着設して静電容量素子Ｃ1〜Ｃ5を形成する構成か
らなる。可撓基板１２の下面には適当な質量を有する作
動子１３を設けてある。
筒１０内に直径方向に配置された固定基板１１と、これ
に所定の間隔を設けて可撓基板１２を平行に配置し、固
定基板１１の下面を示す図１Ａに示すごとく、この固定
基板１１と可撓基板１２との各対向面にそれぞれ電極１
〜５を着設して静電容量素子Ｃ1〜Ｃ5を形成する構成か
らなる。可撓基板１２の下面には適当な質量を有する作
動子１３を設けてある。
【０００４】詳述するとここでは、該対向面間の外周部
に４対、中央部に１対の電極を設けて、静電容量素子Ｃ
1〜Ｃ5を形成した構成、すなわち、電極面にて直交する
Ｘ，Ｙの２軸上に配置された各々２つの静電容量素子Ｃ
1〜Ｃ4と、前２軸の中央に静電容量素子Ｃ5を配置した
構成からなる。上記の構成において、Ｘ軸方向に加速度
が加わった場合、図２Ａに示すごとく、作動子１３を有
する可撓基板１２が変形することにより、固定基板１１
と可撓基板１２との対向面間の各電極１〜５間距離が変
化することから、各静電容量素子Ｃ1〜Ｃ4の静電容量が
変化する。また、図２Ｂに示すごとく、Ｚ軸方向に加速
度が加わった場合も同様に各静電容量素子Ｃ1〜Ｃ4の静
電容量が変化する。
に４対、中央部に１対の電極を設けて、静電容量素子Ｃ
1〜Ｃ5を形成した構成、すなわち、電極面にて直交する
Ｘ，Ｙの２軸上に配置された各々２つの静電容量素子Ｃ
1〜Ｃ4と、前２軸の中央に静電容量素子Ｃ5を配置した
構成からなる。上記の構成において、Ｘ軸方向に加速度
が加わった場合、図２Ａに示すごとく、作動子１３を有
する可撓基板１２が変形することにより、固定基板１１
と可撓基板１２との対向面間の各電極１〜５間距離が変
化することから、各静電容量素子Ｃ1〜Ｃ4の静電容量が
変化する。また、図２Ｂに示すごとく、Ｚ軸方向に加速
度が加わった場合も同様に各静電容量素子Ｃ1〜Ｃ4の静
電容量が変化する。
【０００５】静電容量の変化より加速度の各成分の検出
は、例えば、Ｘ軸方向の加速度に対する出力として、静
電容量素子Ｃ1とＣ3の静電容量差（Ｃ1−Ｃ3）、Ｙ軸方
向の加速度に対する出力として、静電容量素子Ｃ2とＣ4
の静電容量差（Ｃ2−Ｃ4）、Ｚ軸方向の加速度に対する
出力として、静電容量素子Ｃ5の静電容量（Ｃ5）として
検出する。加わった加速度に対し、各電極間距離の変化
量ｄ1〜ｄ5が加速度に比例する量となる。すなわち、静
電容量変化量Ｃｊは下記式で表すことができる。但し、
ε＝誘電率、Ｓ；電極面積、ｄ0；電極ギャップの初期
値である。
は、例えば、Ｘ軸方向の加速度に対する出力として、静
電容量素子Ｃ1とＣ3の静電容量差（Ｃ1−Ｃ3）、Ｙ軸方
向の加速度に対する出力として、静電容量素子Ｃ2とＣ4
の静電容量差（Ｃ2−Ｃ4）、Ｚ軸方向の加速度に対する
出力として、静電容量素子Ｃ5の静電容量（Ｃ5）として
検出する。加わった加速度に対し、各電極間距離の変化
量ｄ1〜ｄ5が加速度に比例する量となる。すなわち、静
電容量変化量Ｃｊは下記式で表すことができる。但し、
ε＝誘電率、Ｓ；電極面積、ｄ0；電極ギャップの初期
値である。
【０００６】
【数１】
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記構成の静
電容量型加速度センサにおいて、静電容量素子Ｃ1〜Ｃ5
の静電容量に比例した電気信号で演算したＸ，Ｙ，Ｚ軸
の出力は、厳密には加速度に対し直線性を有しない問題
がある。また、この場合、Ｘ，Ｙ軸出力の感度がＺ軸出
力に依存することになる問題がある。また、温度変化等
により電極ギャップの初期値ｄ0が変化した場合、Ｚ軸
の０点シフトに加えＸ，Ｙ，Ｚ軸の感度シフトが発生す
R>る問題がある。
電容量型加速度センサにおいて、静電容量素子Ｃ1〜Ｃ5
の静電容量に比例した電気信号で演算したＸ，Ｙ，Ｚ軸
の出力は、厳密には加速度に対し直線性を有しない問題
がある。また、この場合、Ｘ，Ｙ軸出力の感度がＺ軸出
力に依存することになる問題がある。また、温度変化等
により電極ギャップの初期値ｄ0が変化した場合、Ｚ軸
の０点シフトに加えＸ，Ｙ，Ｚ軸の感度シフトが発生す
R>る問題がある。
【０００８】さらに、上記構成の静電容量型加速度セン
サにおいて、静電容量Ｃ1〜Ｃ5に逆比例した電気信号で
演算する場合にも、センサの静電容量以外の浮遊容量が
無視できないために、上述の各種問題が発生する。
サにおいて、静電容量Ｃ1〜Ｃ5に逆比例した電気信号で
演算する場合にも、センサの静電容量以外の浮遊容量が
無視できないために、上述の各種問題が発生する。
【０００９】この発明は、上述の従来の静電容量型加速
度センサが有する問題を解消し、加速度に対する出力の
非直線性を補正して、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸間の干渉がなく、温
度による変化のない、３軸加速度センサが実現できる静
電容量型加速度センサの非線形性の補正方法の提供を目
的としている。
度センサが有する問題を解消し、加速度に対する出力の
非直線性を補正して、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸間の干渉がなく、温
度による変化のない、３軸加速度センサが実現できる静
電容量型加速度センサの非線形性の補正方法の提供を目
的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】すなわち、この発明は、
固定基板と可撓基板との各対向面に電極を着設して対向
配置される静電容量素子を複数対設け、該基板面に平行
なXY平面を設定しこれと直交するZ軸のX,Y,Z軸3次元方
向の加速度の変化を、複数対の静電容量素子間の静電容
量変化に基づき各X,Y,Z軸方向成分の検出を行う静電容
量型加速度センサにおいて、各容量素子の電気信号を軸
方向で対になる素子間の差分演算して各X,Y,Z軸方向成
分の検出を行うに際し、差分演算をする前にその各電気
信号を加速度による各静電容量素子の電極間距離の変化
量に比例する値に補正演算することを特徴とする静電容
量型加速度センサの非線形性の補正方法である。
固定基板と可撓基板との各対向面に電極を着設して対向
配置される静電容量素子を複数対設け、該基板面に平行
なXY平面を設定しこれと直交するZ軸のX,Y,Z軸3次元方
向の加速度の変化を、複数対の静電容量素子間の静電容
量変化に基づき各X,Y,Z軸方向成分の検出を行う静電容
量型加速度センサにおいて、各容量素子の電気信号を軸
方向で対になる素子間の差分演算して各X,Y,Z軸方向成
分の検出を行うに際し、差分演算をする前にその各電気
信号を加速度による各静電容量素子の電極間距離の変化
量に比例する値に補正演算することを特徴とする静電容
量型加速度センサの非線形性の補正方法である。
【００１１】また、この発明は、前記の構成において、
固定基板と可撓基板との各対向面に電極を着設して対向
配置される静電容量素子を対向面の外周部に複数対、中
央部に１対設けた静電容量型加速度センサである静電容
量型加速度センサの非線形性の補正方法を併せて提案す
る。さらに、この発明は、上記の構成において、各電極
間ギャップの初期値ｄ0の温度変化がある場合、加速度
には影響されず、温度による変化がｄ0の変化と同様の
別途の静電容量素子を用いて、補正演算する静電容量型
加速度センサの非線形性の補正方法、各容量素子の電気
信号の差分出力から、補正演算を行うことを特徴とする
静電容量型加速度センサの非線形性の補正方法を併せて
提案する。
固定基板と可撓基板との各対向面に電極を着設して対向
配置される静電容量素子を対向面の外周部に複数対、中
央部に１対設けた静電容量型加速度センサである静電容
量型加速度センサの非線形性の補正方法を併せて提案す
る。さらに、この発明は、上記の構成において、各電極
間ギャップの初期値ｄ0の温度変化がある場合、加速度
には影響されず、温度による変化がｄ0の変化と同様の
別途の静電容量素子を用いて、補正演算する静電容量型
加速度センサの非線形性の補正方法、各容量素子の電気
信号の差分出力から、補正演算を行うことを特徴とする
静電容量型加速度センサの非線形性の補正方法を併せて
提案する。
【００１２】
【作用】発明者らは、X,Y,Z軸間の干渉がなく、温度に
よる変化のない、3軸加速度センサが実現できる静電容
量型加速度センサの非線形性の補正方法を目的に種々検
討した結果、前述の静電容量素子C1〜C5の電気信号を(C
1-C3)、(C2-C4)の差分演算をする前にその各電気信号を
加速度による各静電容量素子の電極間距離の変化量に比
例する値に補正演算し、その後に差分演算を行うことに
より出力の直線性が確保でき、X,Y,Z軸の出力を完全に
分離できることを知見し、この発明を完成した。
よる変化のない、3軸加速度センサが実現できる静電容
量型加速度センサの非線形性の補正方法を目的に種々検
討した結果、前述の静電容量素子C1〜C5の電気信号を(C
1-C3)、(C2-C4)の差分演算をする前にその各電気信号を
加速度による各静電容量素子の電極間距離の変化量に比
例する値に補正演算し、その後に差分演算を行うことに
より出力の直線性が確保でき、X,Y,Z軸の出力を完全に
分離できることを知見し、この発明を完成した。
【００１３】また、発明者らは、静電容量素子の電極ギ
ャップの初期値ｄ0の温度変化がある場合、加速度には
影響されず、温度による変化がｄ0の変化と同様の第６
の静電容量素子Ｃ6を使うことにより、Ｚ軸出力も含め
直線性が確保でき、軸間の干渉が無く、温度による変化
の無い、３軸加速度センサが実現できることを知見し
た。さらに、静電容量素子Ｃ1〜Ｃ6に比例する電気信号
Ｖ1〜Ｖ6の差分出力、Ｖｘ＝Ｖ1−Ｖ3、ＶY＝Ｖ2−
Ｖ4、ＶZ＝Ｖ5−Ｖ6、Ｖ′Z＝Ｖ5から、補正演算を行
い、直線性の良く、各軸間干渉並びに温度変化のない出
力が得られることを知見した。
ャップの初期値ｄ0の温度変化がある場合、加速度には
影響されず、温度による変化がｄ0の変化と同様の第６
の静電容量素子Ｃ6を使うことにより、Ｚ軸出力も含め
直線性が確保でき、軸間の干渉が無く、温度による変化
の無い、３軸加速度センサが実現できることを知見し
た。さらに、静電容量素子Ｃ1〜Ｃ6に比例する電気信号
Ｖ1〜Ｖ6の差分出力、Ｖｘ＝Ｖ1−Ｖ3、ＶY＝Ｖ2−
Ｖ4、ＶZ＝Ｖ5−Ｖ6、Ｖ′Z＝Ｖ5から、補正演算を行
い、直線性の良く、各軸間干渉並びに温度変化のない出
力が得られることを知見した。
【００１４】以下にこの発明方法の作用を計算式ととも
に詳述する。ここでは、前述した図１の静電容量素子Ｃ
1〜Ｃ5を有する構成について説明する。図３Ａは静電容
量素子の室温で加速度が加わってない時の容量素子ギャ
ップ距離ｄ0を示すもので、図３Ｂは温度による容量素
子ギャップの変化ｄtがある場合にＸ軸、軸Ｚ方向に加
速度が加わった状態を示すもので、図において、静電容
量素子Ｃ2のギャップ距離はｄ0＋ｄt＋ｄz−ｄxであ
り、静電容量素子Ｃ4のギャップ距離はｄ0＋ｄt＋ｄz＋
ｄxであり、静電容量素子Ｃ5のギャップ距離はｄ0＋ｄt
＋ｄzである。以下、温度変化さらに加速度が加わった
場合はこの定義による。静電容量素子Ｃ1〜Ｃ5の静電容
量に比例した電気信号Ｖ1〜Ｖ5を得る場合を以下に示
す。
に詳述する。ここでは、前述した図１の静電容量素子Ｃ
1〜Ｃ5を有する構成について説明する。図３Ａは静電容
量素子の室温で加速度が加わってない時の容量素子ギャ
ップ距離ｄ0を示すもので、図３Ｂは温度による容量素
子ギャップの変化ｄtがある場合にＸ軸、軸Ｚ方向に加
速度が加わった状態を示すもので、図において、静電容
量素子Ｃ2のギャップ距離はｄ0＋ｄt＋ｄz−ｄxであ
り、静電容量素子Ｃ4のギャップ距離はｄ0＋ｄt＋ｄz＋
ｄxであり、静電容量素子Ｃ5のギャップ距離はｄ0＋ｄt
＋ｄzである。以下、温度変化さらに加速度が加わった
場合はこの定義による。静電容量素子Ｃ1〜Ｃ5の静電容
量に比例した電気信号Ｖ1〜Ｖ5を得る場合を以下に示
す。
【００１５】
【数２】
【００１６】ただしＤ＝ｄ0＋ｄt＋ｄz Ｋ ＝ ＣＶ変換の定数 ｄ0 ＝ 室温で加速度が加わってない時の容量素子ギ
ャップ距離 ｄt ＝ 温度による容量ギャップ距離の変化量 ｄz ＝ Ｚ軸方向加速度による容量ギャップ距離の変
化量 ｄj ＝ 静電容量Ｃj｛ｊ＝１．２．３．４｝のＸ軸
（Ｙ軸）方向加速度による容量ギャップ距離の変化量 ｄ1＝−ｄ3 ｄ2＝−ｄ4 Ｃ0ｊ＝寄生容量 Ａ ＝ε×Ｓ （ε＝誘電率、 Ｓ＝電極面積） ここで、（１）式をｄjについて整理すると、（２）式
となる。
ャップ距離 ｄt ＝ 温度による容量ギャップ距離の変化量 ｄz ＝ Ｚ軸方向加速度による容量ギャップ距離の変
化量 ｄj ＝ 静電容量Ｃj｛ｊ＝１．２．３．４｝のＸ軸
（Ｙ軸）方向加速度による容量ギャップ距離の変化量 ｄ1＝−ｄ3 ｄ2＝−ｄ4 Ｃ0ｊ＝寄生容量 Ａ ＝ε×Ｓ （ε＝誘電率、 Ｓ＝電極面積） ここで、（１）式をｄjについて整理すると、（２）式
となる。
【００１７】
【数３】
【００１８】（２）式を（２′）式と置いて適当なα、
βを論理的にまたは実測データより求める。得られたα
j、βjを用いてＸ軸加速度ＡＸは（３）式となる。
βを論理的にまたは実測データより求める。得られたα
j、βjを用いてＸ軸加速度ＡＸは（３）式となる。
【００１９】
【数４】
【００２０】
【数５】
【００２１】Ｙ軸加速度Ａｙは（４）式となる。ところ
で、 ｄ1＋ｄ3＝０、ｄ2＋ｄ4＝０ より ｄ1＋ｄ2＋
ｄ3＋ｄ4＝０となる。
で、 ｄ1＋ｄ3＝０、ｄ2＋ｄ4＝０ より ｄ1＋ｄ2＋
ｄ3＋ｄ4＝０となる。
【００２２】
【数６】
【００２３】
【数７】
【００２４】温度による変化ｄtが無い場合には、Ｌ3ｄ
0は定数となるので（５）式でＺ軸加速度Ａｚが得られ
る。温度による変化がｄtと同じ変化をする第６の静電
容量Ｃ6とすると、（６）式を得る。次に、（５）式に
（６）式を代入してＺ軸加速度Ａｚの（７）式を得る。
（７）式は温度の影響を受けない出力となる。但し、Ｌ
1，Ｌ2,Ｌ3，Ｌ4は比例定数である。
0は定数となるので（５）式でＺ軸加速度Ａｚが得られ
る。温度による変化がｄtと同じ変化をする第６の静電
容量Ｃ6とすると、（６）式を得る。次に、（５）式に
（６）式を代入してＺ軸加速度Ａｚの（７）式を得る。
（７）式は温度の影響を受けない出力となる。但し、Ｌ
1，Ｌ2,Ｌ3，Ｌ4は比例定数である。
【００２５】
【数８】
【００２６】以下に、静電容量素子Ｃ1〜Ｃ5の静電容量
の逆数に比例した電気信号Ｖ1〜Ｖ5を得る場合について
説明する。
の逆数に比例した電気信号Ｖ1〜Ｖ5を得る場合について
説明する。
【００２７】
【数９】
【００２８】但し、Ｄ＝ｄ0＋ｄt＋ｄz ｄ0 ＝ 室温で加速度が加わっていない時の容量素子
ギャップ距離 ｄt ＝ 温度による容量ギャップ距離の変化量 ｄz ＝ Ｚ軸方向加速度による容量ギャップ距離の変
化量 ｄj ＝ 静電容量Ｃj｛ｊ＝１，２，３，４｝のＸ軸
（Ｙ軸）方向加速度による容量ギャップ距離の変化量 ｄ1＝−ｄ3 ｄ2＝−ｄ4 Ｃoj＝ 寄生容量 Ａ ＝ ε×Ｓ （ε＝誘電率、Ｓ＝電極面積） Ｋ ＝ 電気回路の定数
ギャップ距離 ｄt ＝ 温度による容量ギャップ距離の変化量 ｄz ＝ Ｚ軸方向加速度による容量ギャップ距離の変
化量 ｄj ＝ 静電容量Ｃj｛ｊ＝１，２，３，４｝のＸ軸
（Ｙ軸）方向加速度による容量ギャップ距離の変化量 ｄ1＝−ｄ3 ｄ2＝−ｄ4 Ｃoj＝ 寄生容量 Ａ ＝ ε×Ｓ （ε＝誘電率、Ｓ＝電極面積） Ｋ ＝ 電気回路の定数
【００２９】ｊ方向加速度にｄjが比例するので Ｇj＝Ｍdj となる。（Ｍは定数） （９）式 （８）式より（８′）式を得て、（８′）式を（８″）
式と置いて適当なα、βを論理的にまたは実測データよ
り求める。得られたαj、βjを用いてＸ軸加速度Ａｘは
（１０）式となる。
式と置いて適当なα、βを論理的にまたは実測データよ
り求める。得られたαj、βjを用いてＸ軸加速度Ａｘは
（１０）式となる。
【００３０】
【数１０】
【００３１】
【数１１】
【００３２】Ｙ軸加速度ＡYは（１１）式で得られる。
ところで ｄ1＋ｄ3＝０ ｄ2＋ｄ4＝０ より、ｄ1＋
ｄ2＋ｄ3＋ｄ4＝０となる。
ところで ｄ1＋ｄ3＝０ ｄ2＋ｄ4＝０ より、ｄ1＋
ｄ2＋ｄ3＋ｄ4＝０となる。
【００３３】
【数１２】
【００３４】
【数１３】
【００３５】電極ギャップに温度による変化が無い場合
には、Ｌ3ｄ0が定数となるので（１２）式でＡZが得ら
れる。温度による変化がｄtと同じ変化をする第６の静
電容量Ｃ6とすると、ｄt＋ｄ0は（１３）式となる。
には、Ｌ3ｄ0が定数となるので（１２）式でＡZが得ら
れる。温度による変化がｄtと同じ変化をする第６の静
電容量Ｃ6とすると、ｄt＋ｄ0は（１３）式となる。
【００３６】
【数１４】
【００３７】そこで、（１２）式に（１３）式を代入し
てＺ軸加速度ＡZは（１４）式で得られる。（１４）式
は温度の影響を受けない出力となる。ただし、Ｌ1，
Ｌ2，Ｌ3，Ｌ4は比例定数である。
てＺ軸加速度ＡZは（１４）式で得られる。（１４）式
は温度の影響を受けない出力となる。ただし、Ｌ1，
Ｌ2，Ｌ3，Ｌ4は比例定数である。
【００３８】
【数１５】
【００３９】静電容量素子Ｃ1〜Ｃ6に比例する電気信号
Ｖ1〜Ｖ6の差分出力を（１５）式とすると、以下の（１
６）式、（１７）式を得る。
Ｖ1〜Ｖ6の差分出力を（１５）式とすると、以下の（１
６）式、（１７）式を得る。
【００４０】
【数１６】
【００４１】次に ｄt＝０ ｄz＝０ のときのＶ5出
力を０となるように調整したＶ5出力をＶ′5とすると、
（１８）式を得て、（１８）式を変形すると（１９）式
を得る。
力を０となるように調整したＶ5出力をＶ′5とすると、
（１８）式を得て、（１８）式を変形すると（１９）式
を得る。
【００４２】
【数１７】
【００４３】（１５）式に（１９）式を代入して、加速
度に比例する量ｄxについて整理すると、Ｄ2≫ｄx 2と見
なせる場合は、（１５）式，（１６）式を近似式（２
０）式，（２１）式で代用できる。
度に比例する量ｄxについて整理すると、Ｄ2≫ｄx 2と見
なせる場合は、（１５）式，（１６）式を近似式（２
０）式，（２１）式で代用できる。
【００４４】
【数１８】
【００４５】（２０），（２１）式に（１９）式及び
（１７）式に（１２）式を代入して各々ｄx，ｄy，ｄz
について解くと、（２２）式、（２３）式、（２４）式
を得る。
（１７）式に（１２）式を代入して各々ｄx，ｄy，ｄz
について解くと、（２２）式、（２３）式、（２４）式
を得る。
【００４６】
【数１９】
【００４７】よって、理論的に及び実測データよりα，
βを使ってＸ，Ｙ，Ｚ軸の加速度ＡX、ＡY、ＡZは、
（２５）式、（２６）式、（２７）式となる。
βを使ってＸ，Ｙ，Ｚ軸の加速度ＡX、ＡY、ＡZは、
（２５）式、（２６）式、（２７）式となる。
【００４８】
【数２０】
【００４９】ｄ0 2≫ｄx 2とみなせない場合は、（１
５），（１６）式に（１９）式を代入してｄｘ、ｄｙ、
ｄｚについて解くと、（２８），（２９）式となり、厳
密な解を求めることもできる。
５），（１６）式に（１９）式を代入してｄｘ、ｄｙ、
ｄｚについて解くと、（２８），（２９）式となり、厳
密な解を求めることもできる。
【００５０】
【数２１】
【００５１】
【数２２】
【００５２】また、温度による変化が無い場合、あるい
は無視できる場合は、ｄt＝０ となり、ＶZ＝Ｖ′5
となるので（２５），（２６），（２７），（２８），
（２９）式に、Ｖ′5＝ＶZ を代入した式を用いてもよ
い。
は無視できる場合は、ｄt＝０ となり、ＶZ＝Ｖ′5
となるので（２５），（２６），（２７），（２８），
（２９）式に、Ｖ′5＝ＶZ を代入した式を用いてもよ
い。
【００５３】
実施例１ 図１に示す構成からなる静電容量型３軸加速度センサを
製作し、出力電圧の非線形性を確認し、この発明による
補正演算を行った。信号処理回路のＣＶ変換として、静
電容量の変化量に比例する電圧を出力するものを用い
た。図４は上記加速度センサをＸ軸を中心に回転したと
きの重力加速度を検出している様子を示すものである。
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の出力電圧（ＶX＝Ｖ1−Ｖ3、ＶY＝Ｖ2−
Ｖ4、ＶZ＝Ｖ5）と回転角のグラフである。なお、Ｘ軸
出力は□印、Ｙ軸出力は＋印、Ｚ軸出力は◇印である。
回転角が０度の時、Ｚ軸方向に−１Ｇ、Ｘ、Ｙ軸方向に
０Ｇが加わっている。Ｘ軸方向は、常に０Ｇ、Ｙ軸方向
は、ｓｉｎ、Ｚ軸方向は、−ｃｏｓで加速度が加わるこ
とになる。
製作し、出力電圧の非線形性を確認し、この発明による
補正演算を行った。信号処理回路のＣＶ変換として、静
電容量の変化量に比例する電圧を出力するものを用い
た。図４は上記加速度センサをＸ軸を中心に回転したと
きの重力加速度を検出している様子を示すものである。
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の出力電圧（ＶX＝Ｖ1−Ｖ3、ＶY＝Ｖ2−
Ｖ4、ＶZ＝Ｖ5）と回転角のグラフである。なお、Ｘ軸
出力は□印、Ｙ軸出力は＋印、Ｚ軸出力は◇印である。
回転角が０度の時、Ｚ軸方向に−１Ｇ、Ｘ、Ｙ軸方向に
０Ｇが加わっている。Ｘ軸方向は、常に０Ｇ、Ｙ軸方向
は、ｓｉｎ、Ｚ軸方向は、−ｃｏｓで加速度が加わるこ
とになる。
【００５４】図４のグラフから（１）式に示される非線
形性が実際に現れていることがわかる。Ｙ軸出力は、Ｚ
軸加速度の影響を受け、ｓｉｎからずれた形をしてい
る。図５の補正前（＋印）のグラフは、回転角から計算
したＹ軸方向に加わっている加速度とＹ軸出力ＶYの関
係である。このグラフからも、Ｚ軸加速度の影響で、Ｙ
軸出力の直線性が失われているのがわかる。
形性が実際に現れていることがわかる。Ｙ軸出力は、Ｚ
軸加速度の影響を受け、ｓｉｎからずれた形をしてい
る。図５の補正前（＋印）のグラフは、回転角から計算
したＹ軸方向に加わっている加速度とＹ軸出力ＶYの関
係である。このグラフからも、Ｚ軸加速度の影響で、Ｙ
軸出力の直線性が失われているのがわかる。
【００５５】実施例２ 図５は、電気信号Ｖ1〜Ｖ5の差分出力ＶX、ＶY、ＶZを
使って（２５）式、（２６）式、（２７）式の補正係数
α、βを求め、補正を行った時のＹ軸出力の補正後（□
印）の特性である。Ｚ軸の加速度の影響が無くなり、ほ
ぼ完全に加速度に対しリニアな特性となった。
使って（２５）式、（２６）式、（２７）式の補正係数
α、βを求め、補正を行った時のＹ軸出力の補正後（□
印）の特性である。Ｚ軸の加速度の影響が無くなり、ほ
ぼ完全に加速度に対しリニアな特性となった。
【００５６】
【発明の効果】この発明は、静電容量型加速度センサに
おいて、複数の静電容量素子の電気信号より、Ｘ軸方向
の１組の素子の電気信号差、Ｙ軸方向の１組の素子の電
気信号差を演算する際に、その各電気信号を加速度に比
例する値に補正演算した後に該差分演算を行うことによ
り、出力の直線性を確保するもので、静電容量に比例し
た電気信号を取扱う場合や寄生容量の影響が無視できな
い場合にも加速度に対する直線性が得られる。
おいて、複数の静電容量素子の電気信号より、Ｘ軸方向
の１組の素子の電気信号差、Ｙ軸方向の１組の素子の電
気信号差を演算する際に、その各電気信号を加速度に比
例する値に補正演算した後に該差分演算を行うことによ
り、出力の直線性を確保するもので、静電容量に比例し
た電気信号を取扱う場合や寄生容量の影響が無視できな
い場合にも加速度に対する直線性が得られる。
【００５７】さらに、この発明は上記の場合でもＺ軸出
力にＸＹ軸出力の感度が依存しないようになり、また、
温度変化等によりギャップ距離の初期値が変化しても、
０点シフト及び感度シフトを無くすことができる利点が
あり、各軸間の干渉がなく、温度による変化のない、３
軸加速度センサが実現できる。
力にＸＹ軸出力の感度が依存しないようになり、また、
温度変化等によりギャップ距離の初期値が変化しても、
０点シフト及び感度シフトを無くすことができる利点が
あり、各軸間の干渉がなく、温度による変化のない、３
軸加速度センサが実現できる。
【図１】Ａは静電容量型加速度センサの固定基板の下面
を示す説明図であり、Ｂは静電容量型加速度センサの縦
断説明図である。
を示す説明図であり、Ｂは静電容量型加速度センサの縦
断説明図である。
【図２】ＡはＸ軸方向の加速度が作用した状態を示す静
電容量型加速度センサの縦断説明図であり、ＢはＺ軸方
向の加速度が作用した状態を示す静電容量型加速度セン
サの縦断説明図である。
電容量型加速度センサの縦断説明図であり、ＢはＺ軸方
向の加速度が作用した状態を示す静電容量型加速度セン
サの縦断説明図である。
【図３】Ａは静電容量素子の室温で加速度が加わってな
い時の容量素子ギャップ距離ｄ0を示す説明図であり、
Ｂは温度による容量素子ギャップの変化ｄtがある場合
にＸ軸、軸Ｚ方向に加速度が加わった状態を示す説明図
である。
い時の容量素子ギャップ距離ｄ0を示す説明図であり、
Ｂは温度による容量素子ギャップの変化ｄtがある場合
にＸ軸、軸Ｚ方向に加速度が加わった状態を示す説明図
である。
【図４】加速度センサをＸ軸を中心に回転したときの重
力加速度を検出している様子を示す回転角と出力の関係
を示すグラフである。
力加速度を検出している様子を示す回転角と出力の関係
を示すグラフである。
【図５】補正前後の加速度と出力の関係を示すグラフで
ある。
ある。
１，２，３，４，５ 電極 １０ 円筒 １１ 固定基板 １２ 可撓基板 １３ 作動子 Ｃ1〜Ｃ5 静電容量素子
Claims (4)
- 【請求項１】 固定基板と可撓基板との各対向面に電極
を着設して対向配置される静電容量素子を複数対設け、
該基板面に平行なXY平面を設定しこれと直交するZ軸の
X,Y,Z軸3次元方向の加速度の変化を、複数対の静電容量
素子間の静電容量変化に基づき各X,Y,Z軸方向成分の検
出を行う静電容量型加速度センサにおいて、各容量素子
の電気信号を軸方向で対になる素子間の差分演算して各
X,Y,Z軸方向成分の検出を行うに際し、差分演算をする
前にその各電気信号を加速度による各静電容量素子の電
極間距離の変化量に比例する値に補正演算することを特
徴とする静電容量型加速度センサの非線形性の補正方
法。 - 【請求項２】 固定基板と可撓基板との各対向面に電極
を着設して対向配置される静電容量素子を対向面の外周
部に複数対、中央部に1対設けた静電容量型加速度セン
サであることを特徴とする請求項1に記載の静電容量型
加速度センサの非線形性の補正方法。 - 【請求項３】 請求項2において、各電極間ギャップの
初期値d0の温度変化がある場合、加速度には影響され
ず、温度による変化がd0の変化と同様の別途の静電容量
素子を用いて、補正演算することを特徴とする静電容量
型加速度センサの非線形性の補正方法。 - 【請求項４】 請求項3において、各容量素子の電気信
号の差分出力から、補正演算を行うことを特徴とする静
電容量型加速度センサの非線形性の補正方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7143890A JP3036675B2 (ja) | 1995-05-17 | 1995-05-17 | 静電容量型加速度センサの非線形性の補正方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7143890A JP3036675B2 (ja) | 1995-05-17 | 1995-05-17 | 静電容量型加速度センサの非線形性の補正方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08313552A JPH08313552A (ja) | 1996-11-29 |
| JP3036675B2 true JP3036675B2 (ja) | 2000-04-24 |
Family
ID=15349425
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7143890A Expired - Fee Related JP3036675B2 (ja) | 1995-05-17 | 1995-05-17 | 静電容量型加速度センサの非線形性の補正方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3036675B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102008040529B4 (de) | 2008-07-18 | 2021-05-06 | Robert Bosch Gmbh | Fehlerkorrekturverfahren und Fehlerkorrekturvorrichtung für einen Beschleunigungssensor |
| JP6020711B2 (ja) * | 2013-04-02 | 2016-11-02 | 富士電機株式会社 | 静電容量型センサ、及び非線形出力の補正方法 |
| JP2018040589A (ja) * | 2016-09-05 | 2018-03-15 | 株式会社デンソーテン | 物理センサ出力の補正方法及び電子装置 |
-
1995
- 1995-05-17 JP JP7143890A patent/JP3036675B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08313552A (ja) | 1996-11-29 |
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