JP3143271U - サーボ式静電容量型３軸センサ - Google Patents

Abstract

【課題】任意の傾斜角で重力加速度の影響を相殺させ、従来の機械式センサと同サイズ・同性能を維持しつつ、製造コストが廉価なサーボ式静電容量型センサを提供する。
【解決手段】錘の位置を中心に保持するようにフィードバック制御しつつ錘を駆動するように構成されたＺ軸方向を検出するサーボ式静電容量型センサにおいて、錘を直流的に高電圧で駆動する装置２０を備えていることを特徴とする静電容量型センサであり、錘を駆動する装置は、ＤＣ−ＤＣコンバータであることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本考案は一般に、サーボ式静電容量型センサに関する。より詳細には、本考案は、高感度、高分解能、小型、軽量、安価を特徴とするサーボ式静電容量型センサに関する。本考案のサーボ式静電容量型センサとしては、加速度センサの他、力覚センサ、圧力センサなどが含まれる。

通常の加速度センサ（非サーボ式加速度センサ）は、図４（ａ）に示されるように、錘とバネのモデルとして模式的に表すことができる。非サーボ式加速度センサでは、加速度が小さい場合には、比較的線形に変位するが、加速度が大きくなると、変位が非線形的となり（図４（ｂ）参照）、非線形誤差の増大や高調波ノイズの発生などの弊害が生ずる。特に、ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System ）型の非サーボ式加速度センサでは、機械式センサと比較して、その構造上そのような弊害が生ずる傾向が大きい。

一方、サーボ式加速度センサは、アクチュエータを設けて錘の変位をゼロに保持するように構成されており（図５（ａ）参照）、錘の変位が常にゼロ付近となるため、アクチュエータが錘を抑える力は、加速度の変化に対して完全に線形となる（図５（ｂ）参照）。したがって、サーボ式加速度センサにおいては、非サーボ式加速度センサにおける非線形誤差や高調波ノイズなどの問題は発生しない。

しかしながら、従来のサーボ式加速度センサでは、錘の位置を中心に保持するようにフィードバック制御しつつ錘を駆動しようとする場合、通常の電源電圧が３Ｖ〜５Ｖ程度であるにもかかわらず、任意の傾斜角で重力加速度の影響を相殺させるには２０Ｖ程度の電圧が必要となるため、使用できる傾斜角の範囲が限定されるという不都合があった。

本考案は、このような現状に鑑みて開発されたものであって、任意の傾斜角で重力加速度の影響を相殺させ、従来の機械式センサと同サイズ・同性能を維持しつつ、製造コストが廉価なサーボ式静電容量型センサを提供することを目的としている。

本願請求項１に記載された、錘の位置を中心に保持するようにフィードバック制御しつつ前記錘を駆動するように構成されたＺ軸方向を検出するサーボ式静電容量型センサは、前記錘を直流的に高電圧で駆動する装置を備えていることを特徴とするものである。

本願請求項２に記載された、錘の位置を中心に保持するようにフィードバック制御しつつ前記錘を駆動するように構成されたＸ軸方向又はＹ軸方向を検出するサーボ式静電容量型センサは、前記錘を直流的に高電圧で駆動する装置を備えていることを特徴とするものである。

本願請求項３に記載された、錘の位置を中心に保持するようにフィードバック制御しつつ前記錘を駆動するように構成されたＸ軸方向とＹ軸方向を同時に検出するサーボ式静電容量型２軸センサは、前記錘を直流的に高電圧で駆動する装置を備えていることを特徴とするものである。

本願請求項４に記載された、錘の位置を中心に保持するようにフィードバック制御しつつ前記錘を駆動するように構成されたＸ軸方向又はＹ軸方向とＺ軸方向を同時に検出するサーボ式静電容量型２軸センサは、前記錘を直流的に高電圧で駆動する装置を備えていることを特徴とするものである。

本願請求項５に記載された、錘の位置を中心に保持するようにフィードバック制御しつつ前記錘を駆動するように構成されたＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向を同時に検出するサーボ式静電容量型３軸センサは、前記錘を直流的に高電圧で駆動する装置を備えていることを特徴とするものである。

本願請求項６に記載されたサーボ式静電容量型センサは、前記請求項１から前記請求項５までのいずれか１項のセンサにおいて、駆動電極と検出電極が共通化されていることを特徴とするものである。

本願請求項７に記載されたサーボ式静電容量型センサは、前記請求項１から前記請求項５までのいずれか１項のセンサにおいて、駆動電極と検出電極が分離していることを特徴とするものである。

本願請求項８に記載されたサーボ式静電容量型センサは、前記請求項１から前記請求項７までのいずれか１項のセンサにおいて、前記錘を駆動する装置が、ＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とするものである。

本考案のサーボ式静電容量型センサによれば、任意の傾斜角において飽和することなくサーボ制御することが可能になり、例えば微小加速度の検出などに効果的である。本考案のサーボ式静電容量型センサは、構造が簡単であるため、従来の機械式センサのサイズと性能を同等に維持しつつ、廉価な製造コストを実現することができる。

本考案のサーボ式静電容量型センサは、例えば、エレベータ用の地震検知装置や微小傾斜角検知器などに用いられる。

次に図面を参照して、加速度センサに用いられる場合を例として、本考案の好ましい実施の形態に係るサーボ式静電容量型センサについて詳細に説明する。図１は、本考案の好ましい実施の形態に係るサーボ式静電容量型センサを模式的に示したブロック図である。本考案の好ましい実施の形態に係るサーボ式静電容量型センサは、センサ本体１０と、センサ本体１０に接続されたＣＶ変換器１２とを備えている。

センサ本体１０として、通常の静電容量型加速度センサを用いてよい。図２は、センサ本体１０を模式的に示した分解斜視図である。図２において、右方向にＸ軸、紙面直交方向にＹ軸、上方向にＺ軸が定められる。センサ本体１０は、ガラス板１０ａ−シリコン基板１０ｂ−ガラス板１０ｃを接合した３層構造をなしている。センサ本体１０の中心に位置するシリコン基板１０ｂには、加速度を感知する錘１０ｂ１、基板周囲の支持部１０ｂ２、および錘１０ｂ１を支持するビーム部１０ｂ３が設けられている。

センサ本体１０の上側に位置するガラス板１０ａには、中央に、Ｚ軸方向駆動電極１０ａＺ１、Ｚ軸方向検出電極１０ａＺ２、それらの周囲に、Ｘ軸方向駆動電極１０ａＸ１、Ｘ軸方向検出電極１０ａＸ２、Ｙ軸方向駆動電極１０ａＹ１、Ｙ軸方向検出電極１０ａＹ２がそれぞれ設けられている。また、センサ本体１０の下側に位置するガラス板１０ｃには、中央に、Ｚ軸方向駆動電極１０ｃＺ１、Ｚ軸方向検出電極１０ｃＺ２、それらの周囲に、Ｘ軸方向駆動電極１０ｃＸ１、Ｘ軸方向検出電極１０ｃＸ２、Ｙ軸方向駆動電極１０ｃＹ１、Ｙ軸方向検出電極１０ｃＹ２がそれぞれ設けられている。

図３は、別の型式のセンサ本体１０を模式的に示した分解斜視図である。図３においても、図２と同様に、右方向にＸ軸、紙面直交方向にＹ軸、上方向にＺ軸が定められる。図３のセンサ本体１０は、駆動電極と検出電極が分離して設けられている図２のセンサ本体１０と異なり、駆動電極と検出電極が共通化されている点を除いて、図２のセンサ本体１０と実質的に同一の構成を有している。すなわち、図３のセンサ本体１０では、ガラス板１０ａに、Ｘ軸方向（駆動・検出）電極１０ａＸ′、Ｙ軸方向（駆動・検出）電極１０ａＹ′、Ｚ軸方向（駆動・検出）電極１０ａＺ′がそれぞれ設けられ、ガラス板１０ｃに、Ｘ軸方向（駆動・検出）電極１０ｃＸ′、Ｙ軸方向（駆動・検出）電極１０ｃＹ′、Ｚ軸方向（駆動・検出）電極１０ｃＺ′がそれぞれ設けられている。

上述のセンサ本体１０は、各電極間の静電容量の変化を測定し、この測定値に基づいてセンサ本体１０に作用した加速度を検出するように構成されている。ＣＶ変換器１２は、静電容量型加速度センサの信号処理に用いられる機器であり、各電極間の静電容量を電圧に変換するように構成されている。

サーボ式静電容量型センサは又、ＣＶ変換器１２と、マイコン１６、ドライバ１８に信号電圧を供給するための電源１４と、ＣＶ変換器１２に接続されたマイコン１６と、マイコン１６に接続されたドライバ１８とを備えており、ドライバ１８が、センサ本体１０に接続されている。また、マイコン１６は、ＵＳＢ端子を介して、パーソナルコンピュータに接続されている。ＩＣの場合、電源１４の電圧は通常３Ｖ〜５Ｖ程度である。

サーボ式静電容量型センサは更に、センサ本体１０の錘１０ｂ１を直流的に高電圧で駆動する装置２０を備えている。好ましくは、装置２０としては、ＤＣ−ＤＣコンバー
タが用いられる。装置２０は、センサ本体１０および電源１４に接続されている。

センサ本体１０、ＣＶ変換器１２、電源１４、マイコン１６、ドライバ１８およびＤＣ−ＤＣコンバータ２０は通常、ひとつの基板上に配置され、センサモジュール（図１において破線で図示）を構成している。

次に、以上のように構成されたサーボ式静電容量型センサが、どのように動作するのかについて説明する。本考案のサーボ式静電容量型センサでは、センサ本体１０に例えばＺ方向に加速度が作用すると、錘１０ｂ１が変位して電極の静電容量が変化し、この静電容量の変化をＣＶ変換器１２により電圧に変換し、マイコン１６およびドライバ１８により、アクチュエータを駆動させて錘１０ｂ１の変位がゼロに保持されるようにフィードバック制御が行われる。Ｘ方向又はＹ方向に加速度が作用する場合、Ｘ方向とＹ方向に同時に加速度が作用する場合、Ｘ方向又はＹ方向とＺ方向に同時に加速度が作用する場合、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に同時に加速度が作用する場合も、上述と同様である。なお、かかるフィードバック制御においては、パーソナルコンピュータにより、所要のデータの入出力やパラメータの設定などが行われる。

いま、センサ本体１０に１Ｇが作用するとき、錘１０ｂ１を変位させる（錘の位置を中心に保持する）のに必要な駆動電圧は、約１０Ｖである。したがって、傾斜角が−１８０°〜１８０°変化した場合に錘に作用する加速度は−１Ｇ〜＋１Ｇまで変化するため、錘を変位させるのに必要な駆動電圧は、約２０Ｖとなる。本考案のサーボ式静電容量型加速度センサでは、電源１４の電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ２０で昇圧してセンサ本体１０に供給するため、任意の傾斜角において飽和することなく、サーボ制御をすることができる。

本考案は、以上の考案の実施の形態に限定されることなく、実用新案登録請求の範囲に記載された考案の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本考案の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

たとえば、前記実施の形態では、加速度センサを例として、本考案のサーボ式静電容量型センサについて説明されているが、加速度センサ以外のセンサ、例えば、力覚センサや圧力センサなどにも、本考案を適用することができる。

本考案の好ましい実施の形態に係るサーボ式静電容量型センサを模式的に示したブロック図である。 センサ本体を模式的に示した分解斜視図である。 別の型式のセンサ本体を模式的に示した分解斜視図である。 図４（ａ）は、非サーボ式加速度センサを模式的に示した図、図４（ｂ）は、センサに作用する加速度と錘の変位の関係を示した図である。 図５（ａ）は、サーボ式加速度センサを模式的に示した図、図５（ｂ）は、センサに作用する加速度とアクチュエータを抑える力の関係を示した図である。

符号の説明

１０ センサ本体
１０ａ ガラス板
１０ｂ シリコン基板
１０ｃ ガラス板
１２ ＣＶ変換器
１４ 電源
１６ マイコン
１８ ドライバ
２０ ＤＣ−ＤＣコンバータ

Claims (8)

1. 錘の位置を中心に保持するようにフィードバック制御しつつ前記錘を駆動するように構成されたＺ軸方向を検出するサーボ式静電容量型センサにおいて、
   前記錘を直流的に高電圧で駆動する装置を備えていることを特徴とするサーボ式静電容量型センサ。
2. 錘の位置を中心に保持するようにフィードバック制御しつつ前記錘を駆動するように構成されたＸ軸方向又はＹ軸方向を検出するサーボ式静電容量型センサにおいて、
   前記錘を直流的に高電圧で駆動する装置を備えていることを特徴とするサーボ式静電容量型センサ。
3. 錘の位置を中心に保持するようにフィードバック制御しつつ前記錘を駆動するように構成されたＸ軸方向とＹ軸方向を同時に検出するサーボ式静電容量型２軸センサにおいて、
   前記錘を直流的に高電圧で駆動する装置を備えていることを特徴とするサーボ式静電容量型２軸センサ。
4. 錘の位置を中心に保持するようにフィードバック制御しつつ前記錘を駆動するように構成されたＸ軸方向又はＹ軸方向とＺ軸方向を同時に検出するサーボ式静電容量型２軸センサにおいて、
   前記錘を直流的に高電圧で駆動する装置を備えていることを特徴とするサーボ式静電容量型２軸センサ。
5. 錘の位置を中心に保持するようにフィードバック制御しつつ前記錘を駆動するように構成されたＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向を同時に検出するサーボ式静電容量型３軸センサにおいて、
   前記錘を直流的に高電圧で駆動する装置を備えていることを特徴とするサーボ式静電容量型３軸センサ。
6. 駆動電極と検出電極が共通化されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のサーボ式静電容量型センサ。
7. 駆動電極と検出電極が分離していることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のサーボ式静電容量型センサ。
8. 前記錘を駆動する装置が、ＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のサーボ式静電容量型センサ。

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