JP3036679B2 - 加速度センサの他軸干渉出力の補正方法 - Google Patents

加速度センサの他軸干渉出力の補正方法

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    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring 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
    • G01P2015/0805Measuring 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
    • G01P2015/0822Measuring 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
    • G01P2015/084Measuring 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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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、自動車等の姿勢
制御、衝突検出等に利用される2軸以上の加速度を同時
に検出できる静電容量変化又は圧電素子の電圧変化を利
用した加速度センサの出力の補正方法に係り、構造上の
非対称性が原因となる他軸干渉出力の補正を、X,Y軸
方向の各出力よりZ軸方向出力に応じた補正値を加減し
て他軸干渉出力をなくした静電容量型加速度センサの他
軸干渉出力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。
【0003】例えば、図4B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4A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、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、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C
1〜C5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)あるい
はC1+C2+C3+C4として検出する。加わった加速度
に対し、各電極間距離d1〜d5の変化量が加速度に比例
する量となる。すなわち、静電容量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、d;
電極ギャップの距離である。
【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
を構成している電極の非対称性や信号処理回路間の差を
なくすことは実現不可能である。また、この場合、X,
Y軸出力がZ軸出力に依存することになる問題がある。
すなわち、加速度0でC1≠C3、C2≠C4、の場合、
X、Y軸出力にZ軸方向加速度に応じた他軸干渉出力が
現れ、精度良く測れないという問題がある。また、加速
度0で完全にC1=C3、C2=C4にするには、高精度の
加工が必要になるなど、量産に適した構成とは言い難い
ものであった。
【0008】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X,
Y,Z軸間の干渉のない出力が得られる3軸加速度セン
サを実現できる静電容量型加速度センサの他軸干渉出力
の補正方法の提供を目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】発明者は、X,Y,Z軸間の
干渉のない、3軸加速度センサが実現できる静電容量型
加速度センサの他軸干渉出力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〜C4の電気信号を各
々CV変換して電圧Vを得るが、例えば、X軸出力はV1とV3
の差をとることにより、Z軸出力はV5により得られ、加
速度0(初期状態)でC1≠C3の場合など、V1-V3には、Z軸
出力V5に応じた他軸干渉出力が現れることに着目し、V1
-V3と適当に調整したZ軸出力k・V5の差をとることによ
りZ軸に応じた他軸干渉出力をキャンセルできることを
知見し、この発明を完成した。
【0010】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
してこれと直交する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軸方向成分
の検出を行うに際し、得られた各軸出力よりZ軸方向出
力に応じた他軸干渉成分を加減する静電容量型加速度セ
ンサの他軸干渉出力の補正方法である。
【0011】
【0012】
【発明の実施の形態】この発明の対象となる静電容量型
加速度センサにおける他軸干渉出力の発生原理を以下に
説明する。図5は、静電容量型加速度センサにおける容
量ギャップの初期距離d0とZ方向加速度によるZ方向
変化量dzを示す説明図である。まず、電極面積Sjに差
がある場合で、Z方向の加速度0の場合は次の式で表す
ことができる。なお、C10,C30は加速度0の時の容
量、εは誘電率、Sjはjが1〜5の各電極面積を示
す。
【0013】
【数2】
【0014】X軸方向の出力は次式で表すことができ
る。なお、k;CV変換係数、α;オフセット、Vx0
加速度0の時のX軸出力電圧 である。
【0015】
【数3】
【0016】Az≠0 dz≠0の時の出力をVx1とする
と、次式で表すことができる。
【0017】
【数4】
【0018】今、S1 =S3ならば Vx0=Vx1=αとなり、他
軸干渉は現れない。S1≠S3の場合、Vx0≠Vx1となり、Az
(dz)に同期した他軸干渉が現れる。
【0019】
【数5】
【0020】CV変換係数に差がある場合で、k1≠k3
の場合、Vx1−Vx0は次の式で表すことができる。
【0021】
【数6】
【0022】ギャップ距離djに差がある場合は以下の
とおりである。なお、d10、d30は加速度0の時の
1、C3の容量ギャップ距離である。 d10=d0+Δ、d30=d0−Δ
【0023】
【数7】
【0024】加速度0(初期状態)でC1≠C3の場合な
ど、V1−V3には、Z軸出力V5に応じた他軸干渉出力
が現れることが分かる。
【0025】以下に、この発明による補正方法について
詳述する。まず、電極面積Sjに差がある場合およびC
V変換係数に差がある場合は、他軸干渉出力、V
x(dz)は、以下となる。
【0026】
【数8】
【0027】ところで、静電容量C5に比例した電圧Vz
は以下のようになる。なお、αはオフセットである。
【0028】
【数9】
【0029】また、Vz|dz=0=0と0点を調整する
と、
【0030】
【数10】
【0031】よって、X軸、Y軸の出力電圧Vx、V
yに、Vzをある割合で加えるまたは引くことにより、他
軸干渉を完全にキャンセルできる。
【0032】次に、ギャップ距離djに差がある場合の
他軸干渉出力Vx(dz)は以下のとおりとなる。
【0033】
【数11】
【0034】dz及びΔがd0に比べある程度小さい場合
には、X軸、Y軸の出力電圧Vx、VyにVzをある割合
で加えるまたは引くことにより、他軸干渉を低減するこ
とができる。
【0035】
【実施例】図4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、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CV変換回路
を用いた。また、図1のブロック図に示すごとく、X軸
方向の加速度に対する出力として、静電容量素子C1
3の静電容量差(C1−C3)を用いるが、先にCV変
換回路にてCV変換後出力V1、V3となし、差分回路を
出た(V1−V3)を補正回路にかけて出力電圧(VX
としている。同様に、Y軸方向の加速度に対する出力
も、静電容量素子C2とC4の静電容量をCV変換回路に
てV2、V4となし、差分回路を出た(V2−V4)を補正
回路にかけて出力電圧(VY)とする。Z軸方向の加速
度に対する出力は、静電容量素子C5の静電容量をCV
変換した出力V5である。
【0036】この3軸加速度センサをX、Y軸平面を動
方向に垂直にした状態から、Y軸回りに360°回転し
た時のX、Y、Z軸出力と回転角との関係を調べてグラ
フを作製した。まず、この発明による上記の補正回路を
パスさせた場合、Y軸回りに回転しているために、Y軸
方向には常に0Gとなっているはずであるが、実際に
は、図2に示すごとく、Z軸出力に同期した他軸干渉が
現れていることが分かる。なお、図2のX軸出力は□
印、Y軸出力は◇印、Z軸出力は△印である。
【0037】次に、この発明による上記の補正回路を作
動させて、図1のブロック図に示す制御を行った場合
は、図3に示すごとく、Y軸方向には常に0Gとなって
おり、他軸干渉が排除されたことが分かる。なお、図1
の補正回路のK、K’は補正の係数である。
【0038】
【発明の効果】この発明による静電容量型加速度センサ
の出力の補正方法は、当該センサの構造上の非対称性が
原因となるZ軸出力に応じた他軸干渉出力を、X,Y軸
方向の各出力よりZ軸方向出力に応じた補正値を加減し
て他軸干渉出力を排除しており、他軸干渉出力がなくな
り精度良く測定することが可能になり、また、ある程度
の加工バラツキが発生したとしても、実施例に示すごと
く、容易に他軸干渉出力を排除でき、ある程度の加工バ
ラツキが許容され、量産が可能となる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による静電容量型加速度センサのX,
Y,Z軸出力の他軸干渉出力の補正回路を組み込んだブ
ロック図である。
【図2】加速度センサをY軸を中心に回転したときの回
転角と出力の関係を示す補正前のグラフである。
【図3】加速度センサをY軸を中心に回転したときの回
転角と出力の関係を示す補正後のグラフである。
【図4】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。
【図5】静電容量型加速度センサにおける容量ギャップ
の初期距離d0とZ方向加速度によるZ方向変化量dz
示す説明図である。
【符号の説明】
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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01P 15/125 G01P 21/00 G01P 15/09

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【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平面を設定してこれと直交する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軸方向成分の検出を行うに際し、得られた各軸出
    力よりZ軸方向出力に応じた他軸干渉成分を加減する静
    電容量型加速度センサの他軸干渉出力の補正方法。
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