JP3145040B2 - 静電容量式加速度センサ - Google Patents
静電容量式加速度センサInfo
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- JP3145040B2 JP3145040B2 JP27582496A JP27582496A JP3145040B2 JP 3145040 B2 JP3145040 B2 JP 3145040B2 JP 27582496 A JP27582496 A JP 27582496A JP 27582496 A JP27582496 A JP 27582496A JP 3145040 B2 JP3145040 B2 JP 3145040B2
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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
- G01P2015/0805—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
- 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
- G01P2015/0825—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 for one single degree of freedom of movement of the mass
- G01P2015/0828—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 for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends
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- Micromachines (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は加速度を検出する装
置に関し、特には静電容量式加速度センサに関する。
置に関し、特には静電容量式加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の装置は例えば特開昭61−31952 号
公報に記載のように校正動作中は計測動作を中止しオフ
ラインで校正動作を行う。検出装置に現われる特性を分
析することにより劣化診断を行う装置として特開昭61−
212753号が挙げられるが、同様にオフラインで劣化だけ
診断するものである。
公報に記載のように校正動作中は計測動作を中止しオフ
ラインで校正動作を行う。検出装置に現われる特性を分
析することにより劣化診断を行う装置として特開昭61−
212753号が挙げられるが、同様にオフラインで劣化だけ
診断するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の較正は
オフラインでの作業の自動化という観点からなされてい
る。また、オンラインでは鑑視を行って警報を出すとい
うレベルで、検出装置の信頼性を上げる提案がされてい
る。しかし、オンライン中の較正について配慮されてな
いため較正中は測定値の変動時間に比べて長い時間に亘
り測定できないという問題があった。
オフラインでの作業の自動化という観点からなされてい
る。また、オンラインでは鑑視を行って警報を出すとい
うレベルで、検出装置の信頼性を上げる提案がされてい
る。しかし、オンライン中の較正について配慮されてな
いため較正中は測定値の変動時間に比べて長い時間に亘
り測定できないという問題があった。
【０００４】本発明の目的は、簡単な構成で自己診断あ
るいは較正することのできる小形の静電容量式加速度セ
ンサを提供することである。
るいは較正することのできる小形の静電容量式加速度セ
ンサを提供することである。
【０００５】
【０００６】
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的は、第１の電極
と、前記第１の電極に対向して配置され、加速度に感応
する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極と
の間の静電容量を利用して、前記加速度に対応した電気
信号を出力する出力手段と、を備えた静電容量式加速度
センサにおいて、前記第１の電極と前記第２の電極との
間に電圧を印加する印加手段を備え、前記電圧の印加に
対する前記出力手段の出力に基づいて、前記出力手段の
較正を行うことによって達成される。 また、上記目的
は、第１の電極と、前記第１の電極に対向して配置さ
れ、加速度に感応する第２の電極と、前記第１の電極と
前記第２の電極との間の静電容量を利用して、前記加速
度に対応した電気信号を出力する出力手段と、を備えた
静電容量式加速度センサにおいて、前記第１の電極と前
記第２の電極との間に電圧を印加する印加手段を備え、
前記電圧の印加に対する前記出力手段の出力に基づい
て、自己診断を行うことによって達成される。また、上
記目的は、第１の電極と、前記第１の電極に対向して配
置され、加速度に感応する第２の電極と、前記第１の電
極と前記第２の電極との間に電圧を印加する印加手段
と、前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量
を利用して、前記加速度に対応した電気信号を出力する
出力手段と、を備えた静電容量式加速度センサにおい
て、前記電圧に較正電圧を重畳させて印加する手段を備
え、前記較正電圧の印加に対する前記出力手段の出力に
基づいて、前記出力手段の較正を行うことによって達成
される。また、上記目的は、第１の電極と、前記第１の
電極に対向して配置され、加速度に感応する第２の電極
と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印
加する印加手段と、前記第１の電極と前記第２の電極と
の間の静電容量を利用して、前記加速度に対応した電気
信号を出力する出力手段と、を備えた静電容量式加速度
センサにおいて、前記電圧に診断電圧を重畳させて印加
する手段を備え、前記診断電圧の印加に対する前記出力
手段の出力に基づいて、自己診断を行うことによって達
成される。
と、前記第１の電極に対向して配置され、加速度に感応
する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極と
の間の静電容量を利用して、前記加速度に対応した電気
信号を出力する出力手段と、を備えた静電容量式加速度
センサにおいて、前記第１の電極と前記第２の電極との
間に電圧を印加する印加手段を備え、前記電圧の印加に
対する前記出力手段の出力に基づいて、前記出力手段の
較正を行うことによって達成される。 また、上記目的
は、第１の電極と、前記第１の電極に対向して配置さ
れ、加速度に感応する第２の電極と、前記第１の電極と
前記第２の電極との間の静電容量を利用して、前記加速
度に対応した電気信号を出力する出力手段と、を備えた
静電容量式加速度センサにおいて、前記第１の電極と前
記第２の電極との間に電圧を印加する印加手段を備え、
前記電圧の印加に対する前記出力手段の出力に基づい
て、自己診断を行うことによって達成される。また、上
記目的は、第１の電極と、前記第１の電極に対向して配
置され、加速度に感応する第２の電極と、前記第１の電
極と前記第２の電極との間に電圧を印加する印加手段
と、前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量
を利用して、前記加速度に対応した電気信号を出力する
出力手段と、を備えた静電容量式加速度センサにおい
て、前記電圧に較正電圧を重畳させて印加する手段を備
え、前記較正電圧の印加に対する前記出力手段の出力に
基づいて、前記出力手段の較正を行うことによって達成
される。また、上記目的は、第１の電極と、前記第１の
電極に対向して配置され、加速度に感応する第２の電極
と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印
加する印加手段と、前記第１の電極と前記第２の電極と
の間の静電容量を利用して、前記加速度に対応した電気
信号を出力する出力手段と、を備えた静電容量式加速度
センサにおいて、前記電圧に診断電圧を重畳させて印加
する手段を備え、前記診断電圧の印加に対する前記出力
手段の出力に基づいて、自己診断を行うことによって達
成される。
【０００８】
【０００９】
【００１０】
【発明の実施の形態】まず、作用について説明する。本
発明の検出装置は、検出手段に近接一体化させて刺激手
段を設け、これを通じて較正用信号を与える構成をとっ
ている故検出装置からの応答遅れが極めて少ない。併せ
て高速信号処理回路を用いている故、自己較正をする際
の所要時間を測定値の変動時間に比べ短くすることがで
きる。従って測定中において、自己較正を行っても検出
装置の出力に擾乱を与えることがなく、いわゆるオンラ
イン較正が可能である。
発明の検出装置は、検出手段に近接一体化させて刺激手
段を設け、これを通じて較正用信号を与える構成をとっ
ている故検出装置からの応答遅れが極めて少ない。併せ
て高速信号処理回路を用いている故、自己較正をする際
の所要時間を測定値の変動時間に比べ短くすることがで
きる。従って測定中において、自己較正を行っても検出
装置の出力に擾乱を与えることがなく、いわゆるオンラ
イン較正が可能である。
【００１１】処理手段に用意した較正，補正アルゴリズ
ムにより検出装置の初期特性と使用時の特性を比較し、
常に補正するため初期性能を保持し信頼度を向上させる
ことができる。
ムにより検出装置の初期特性と使用時の特性を比較し、
常に補正するため初期性能を保持し信頼度を向上させる
ことができる。
【００１２】図１により一実施例としての基本構成を説
明する。１は検出手段、２はこれに近接一体化して設け
た刺激手段、３はその部組体、４は図２に示すような構
成であって検出手段１，刺激手段２を励起するための電
源電圧ＥX を供給したり、刺激手段２へ与える較正用の
信号を作成したり、また検出手段１からの応答出力信号
を増幅，変換する、いわゆる信号調整機能とマイクロコ
ンピュータ４４を用いたディジタルデータ処理により入
出力間の較正や特性補正機能を有する信号処理手段であ
る。５はこれらを含んだ検出装置である。通常は、全体
として検出装置は圧力，流量，加速度などの入力物理量
をあるビッド数のディジタル量に変換して出力する。７
は通信器で信号処理手段４との間で指令信号，出力信号
を送受信したり表示する機能を有する。
明する。１は検出手段、２はこれに近接一体化して設け
た刺激手段、３はその部組体、４は図２に示すような構
成であって検出手段１，刺激手段２を励起するための電
源電圧ＥX を供給したり、刺激手段２へ与える較正用の
信号を作成したり、また検出手段１からの応答出力信号
を増幅，変換する、いわゆる信号調整機能とマイクロコ
ンピュータ４４を用いたディジタルデータ処理により入
出力間の較正や特性補正機能を有する信号処理手段であ
る。５はこれらを含んだ検出装置である。通常は、全体
として検出装置は圧力，流量，加速度などの入力物理量
をあるビッド数のディジタル量に変換して出力する。７
は通信器で信号処理手段４との間で指令信号，出力信号
を送受信したり表示する機能を有する。
【００１３】図２は信号処理手段の具体的回路でメモリ
４５を有するマイクロコンピュータ４４からの指令によ
りマルチプレクサ４１１が動作して検出手段１の出力信
号を増幅器４１２ａおよびアナログディジタル変換器４
２に取り込みディジタル信号に変換する。この値を基に
電源電圧ＥX を供給したり、刺激手段２へ増幅器421bを
介して較正信号を加えたりする。これにより誤差が補正
できる高精度の検出出力が得られる。
４５を有するマイクロコンピュータ４４からの指令によ
りマルチプレクサ４１１が動作して検出手段１の出力信
号を増幅器４１２ａおよびアナログディジタル変換器４
２に取り込みディジタル信号に変換する。この値を基に
電源電圧ＥX を供給したり、刺激手段２へ増幅器421bを
介して較正信号を加えたりする。これにより誤差が補正
できる高精度の検出出力が得られる。
【００１４】次に具体的例として静電容量式圧力センサ
を例としてスパン校正原理を図３〜図５を用いて説明す
る。
を例としてスパン校正原理を図３〜図５を用いて説明す
る。
【００１５】容量式圧力センサは図３のように、面積Ａ
の電極板１ａと１ｂの中間に差圧ΔＰによって変位する
中間極板３０２を挾んだ構造となっている。差圧が負荷
されていないときの各極板間隔をＸ0 とする。またこれ
らの極板間は誘電率εの物質で満たされているとする。
の電極板１ａと１ｂの中間に差圧ΔＰによって変位する
中間極板３０２を挾んだ構造となっている。差圧が負荷
されていないときの各極板間隔をＸ0 とする。またこれ
らの極板間は誘電率εの物質で満たされているとする。
【００１６】差圧ΔＰが負荷されたとき、図４のように
中間電極はΔＸだけ変位する。変位量はΔＸはほぼ差圧
に比例するため、ΔＸ＝ｋ・ΔＰとなる。ここで、ｋは
コンプライアンス（バネ定数の逆数）である。
中間電極はΔＸだけ変位する。変位量はΔＸはほぼ差圧
に比例するため、ΔＸ＝ｋ・ΔＰとなる。ここで、ｋは
コンプライアンス（バネ定数の逆数）である。
【００１７】ｋが経時変化すると仮定し時間Ｔの関数と
してｋ(Ｔ)と表わす。上記、中間極板３０２の変位によ
り電極３０１ａと中間極板３０２間の容量Ｃ1 と中間極
板３０２と電極１ｂ間の容量Ｃ2 の間に容量差ΔＣが生
じる。
してｋ(Ｔ)と表わす。上記、中間極板３０２の変位によ
り電極３０１ａと中間極板３０２間の容量Ｃ1 と中間極
板３０２と電極１ｂ間の容量Ｃ2 の間に容量差ΔＣが生
じる。
【００１８】図５のような回路構成とすることにより、
差圧による容量差ΔＣが次の式で検出できる。
差圧による容量差ΔＣが次の式で検出できる。
【００１９】
【数１】
【００２０】ここでＥは励起電圧、ｅは検出される電
圧、ΔＣはＣ2−Ｃ1である。またこれを負荷された差圧
ΔＰで表現すると、
圧、ΔＣはＣ2−Ｃ1である。またこれを負荷された差圧
ΔＰで表現すると、
【００２１】
【数２】
【００２２】となる。この式より、最大差圧ΔＰmax を
負荷したときの検出電圧ｅmax すなわち出力スパンはも
しコンプライアンスｋが経時変化すると経時変化するこ
とが分かる。
負荷したときの検出電圧ｅmax すなわち出力スパンはも
しコンプライアンスｋが経時変化すると経時変化するこ
とが分かる。
【００２３】中間電極の電圧Ｖを印加し静電力により変
位ΔｘV を生じしめこの時の出力電圧ｅを測定しこれら
の関係から上記のスパン変化を校正する。
位ΔｘV を生じしめこの時の出力電圧ｅを測定しこれら
の関係から上記のスパン変化を校正する。
【００２４】まず、図５に示す較正電圧Ｖを（３）式の
ように選ぶ。
ように選ぶ。
【００２５】
【数３】 Ｖ＝Ｅ／２＋ｖ …（３） ただし、ｖ≪Ｅ／２とするとき、電圧Ｖによる変位は図
６のΔｘのようになり、
６のΔｘのようになり、
【００２６】
【数４】
【００２７】（４）式で与えられる。
【００２８】このとき出力電圧ｅは
【００２９】
【数５】
【００３０】となるため、Ｖを変化させることによりｋ
(Ｔ)が分かり、スパン校正が可能となる。
(Ｔ)が分かり、スパン校正が可能となる。
【００３１】以下にその手法を示す。
【００３２】校正電圧ｖ1，ｖ2印加時の出力をｅ1，ｅ2
と定義する。（５）式から圧力依存の項を除くため、
と定義する。（５）式から圧力依存の項を除くため、
【００３３】
【数６】
【００３４】を計算し、初期Ｔ＝０のときのΔｅとの比
を
を
【００３５】
【数７】
【００３６】とする。このｄを用いて校正電圧ｅ′は
【００３７】
【数８】 ｅ′＝ｄ・ｅ …（８） のように計算できる（ただしｖ＝０である）。
【００３８】図７にマイクロコンピュータにおける処理
の流れ図を示す。図７（ａ）はメインルーチンであり通
常の測定作業は経路１を流れる。該経路では（５）式に
おけるｖ＝０の時の検出電圧ｅを測定し、較正係数ｄを
乗じて較正電圧ｅ′を算出する。該ｅ′が最終検出値で
ある。ここで、較正係数ｄは経路７０２で算出される。
マイコンプログラムには図７（ｂ）に示す較正測定サブ
ルーチンが設けられており、較正用パルス電圧Ｖ1 およ
びＶ2 を印加してそれぞれの検出電圧ｅ1 およびｅ2 を
測定し、これら検出電圧の差分値Δｅを算出する。
の流れ図を示す。図７（ａ）はメインルーチンであり通
常の測定作業は経路１を流れる。該経路では（５）式に
おけるｖ＝０の時の検出電圧ｅを測定し、較正係数ｄを
乗じて較正電圧ｅ′を算出する。該ｅ′が最終検出値で
ある。ここで、較正係数ｄは経路７０２で算出される。
マイコンプログラムには図７（ｂ）に示す較正測定サブ
ルーチンが設けられており、較正用パルス電圧Ｖ1 およ
びＶ2 を印加してそれぞれの検出電圧ｅ1 およびｅ2 を
測定し、これら検出電圧の差分値Δｅを算出する。
【００３９】較正には初期較正と任意較正の２系統があ
る。初期較正は製品出荷時に実施され、経路７０３の実
行によって初期の差分値Δｅ−initを算出し記憶する。
経路７０２は任意時刻の較正時に実行され、現在の差分
値Δｅ−present を算出しΔｅ−initとの比である較正
係数ｄを算出し記憶更新する。
る。初期較正は製品出荷時に実施され、経路７０３の実
行によって初期の差分値Δｅ−initを算出し記憶する。
経路７０２は任意時刻の較正時に実行され、現在の差分
値Δｅ−present を算出しΔｅ−initとの比である較正
係数ｄを算出し記憶更新する。
【００４０】このように、検出電圧ｅに較正係数ｄを乗
じた較正電圧ｅ′により感度ドリフトが補正された圧力
を得ることができる。
じた較正電圧ｅ′により感度ドリフトが補正された圧力
を得ることができる。
【００４１】図８，図９はシリコンのマイクロマシーニ
ング技術を用いた半導体加速度センサの代表的な２つの
方式である静電容量式及びピエゾ抵抗式の基本的な構造
である。
ング技術を用いた半導体加速度センサの代表的な２つの
方式である静電容量式及びピエゾ抵抗式の基本的な構造
である。
【００４２】加速度センサは、加速度が存在する場合、
ある一定の質量に作用する慣性力の測定から加速度を求
めるものである。図８，図９の加速度センサでは、５１
の中部シリコン基板に異方性エッチングによって荷重５
３と荷重を支持するカンチレバー５４を形成する。加速
度αが印加されると荷重（質量ｍ）には慣性力Ｆ1 ＝ｍ
αが働き変位しようとする。一方、カンチレバーにはば
ねとしての作用があり、荷重に変位方向とは逆方向の復
元力Ｆ2 ＝ｋｘ（ｋ：ばね定数，ｘ：変位量）を与え
る。そして荷重は２つの力がつり合う位置まで変位す
る。この時の変位量ｘは、Ｆ1＝Ｆ2より
ある一定の質量に作用する慣性力の測定から加速度を求
めるものである。図８，図９の加速度センサでは、５１
の中部シリコン基板に異方性エッチングによって荷重５
３と荷重を支持するカンチレバー５４を形成する。加速
度αが印加されると荷重（質量ｍ）には慣性力Ｆ1 ＝ｍ
αが働き変位しようとする。一方、カンチレバーにはば
ねとしての作用があり、荷重に変位方向とは逆方向の復
元力Ｆ2 ＝ｋｘ（ｋ：ばね定数，ｘ：変位量）を与え
る。そして荷重は２つの力がつり合う位置まで変位す
る。この時の変位量ｘは、Ｆ1＝Ｆ2より
【００４３】
【数９】 ｘ＝ｍｄ／ｋ …（９） となる。従って、変位ｘから加速度αを求めることがで
きる。
きる。
【００４４】図８の静電容量式加速度センサでは、中部
シリコン基板の上，下に位置する上部基板５２ａ及び下
部基板５２ｂの荷重に対向した面に上部固定電極５５
ａ，５５ｂを形成し、固定電極と荷重（可動電極）との
間の静電容量から式（９）の変位ｘを求め、加速度を測
定する。
シリコン基板の上，下に位置する上部基板５２ａ及び下
部基板５２ｂの荷重に対向した面に上部固定電極５５
ａ，５５ｂを形成し、固定電極と荷重（可動電極）との
間の静電容量から式（９）の変位ｘを求め、加速度を測
定する。
【００４５】一方、図９のピエゾ抵抗式では、カンチレ
バー上に不純物拡散領域からなるゲージ部５８を形成す
る。加速度によって荷重が変位するとカンチレバーが変
形し、ピエゾ抵抗効果によってゲージ部の電気抵抗が変
化する。このゲージ部の電気抵抗から変位さらに加速度
を求めるものである。
バー上に不純物拡散領域からなるゲージ部５８を形成す
る。加速度によって荷重が変位するとカンチレバーが変
形し、ピエゾ抵抗効果によってゲージ部の電気抵抗が変
化する。このゲージ部の電気抵抗から変位さらに加速度
を求めるものである。
【００４６】荷重と固定電極間の静電容量又はゲージ部
の電気抵抗から信号処理回路によって、加速度に対応し
た出力信号Ｖ(α)が得られる。多くの場合、出力と加速
度αは直線関係になるよう信号処理されることから、出
力Ｖ(α)を次式で表す。
の電気抵抗から信号処理回路によって、加速度に対応し
た出力信号Ｖ(α)が得られる。多くの場合、出力と加速
度αは直線関係になるよう信号処理されることから、出
力Ｖ(α)を次式で表す。
【００４７】
【数１０】 Ｖ(α)＝ｐα＋ｑ …（１０） 今、センサが何らかの原因で経時変化を起こすとする。
加速度と出力の直線関係が維持（近似的にでも良い）さ
れたまま変化するとすると、出力は時間の関数にもな
り、
加速度と出力の直線関係が維持（近似的にでも良い）さ
れたまま変化するとすると、出力は時間の関数にもな
り、
【００４８】
【数１１】 Ｖ(α，ｔ)＝ｐ(ｔ)α＋ｑ(ｔ) …（１１） となる。この時、加速度−出力特性（１１）のスパンｐ
(ｔ)および零点ｑ(ｔ)が正しくわかっていれば、出力Ｖ
(α，ｔ)の測定から加速度αを正確に求めることができ
る。
(ｔ)および零点ｑ(ｔ)が正しくわかっていれば、出力Ｖ
(α，ｔ)の測定から加速度αを正確に求めることができ
る。
【００４９】式（１１）において、ｐ(ｔ)とｑ(ｔ)が未
知である時、これを求めるためには、何らかの方法で２
つの異なった加速度α1，α2を発生させ、それに対応し
た出力Ｖ(α1，ｔ)，Ｖ(α2，ｔ)を測定すれば良いこと
がわかる。すなわち、
知である時、これを求めるためには、何らかの方法で２
つの異なった加速度α1，α2を発生させ、それに対応し
た出力Ｖ(α1，ｔ)，Ｖ(α2，ｔ)を測定すれば良いこと
がわかる。すなわち、
【００５０】
【数１２】 Ｖ(α1，ｔ)＝ｐ(ｔ)α1＋ｑ(ｔ) Ｖ(α2，ｔ)＝ｐ(ｔ)α2＋ｑ(ｔ) …（１２） という２つの連立方程式からｐ(ｔ)，ｑ(ｔ)を求めるこ
とができる。
とができる。
【００５１】一方、加速度αは荷重の変位ｘと式（９）
式によって与えられる関係で対応している。従って、加
速度α1，α2を設定することは、それに対応した変位ｘ
1，ｘ2 を設定することと等価となる。式（９)，(１
２）から
式によって与えられる関係で対応している。従って、加
速度α1，α2を設定することは、それに対応した変位ｘ
1，ｘ2 を設定することと等価となる。式（９)，(１
２）から
【００５２】
【数１３】 Ｖ(ｘ1，ｔ)＝ｐ′(ｔ)ｘ1＋ｑ(ｔ) Ｖ(ｘ2，ｔ)＝ｐ′(ｔ)ｘ2＋ｑ(ｔ) …（１３） となる。ここで
【００５３】
【数１４】 ｐ′(ｔ)＝ｋｐ(ｔ)／ｍ …（１４） 式（１３）における定まった変位ｘ1，ｘ2は比較的容易
に実現することができる。すなわち、荷重をアクチュエ
ータによって強制的に変位させ、ある特定の変位ｘ1 及
びｘ2 の所でセンサ出力Ｖ(ｘ，ｔ)の性質が急に変化す
るように構成するか、それ以上変位しないようにすれば
良い。
に実現することができる。すなわち、荷重をアクチュエ
ータによって強制的に変位させ、ある特定の変位ｘ1 及
びｘ2 の所でセンサ出力Ｖ(ｘ，ｔ)の性質が急に変化す
るように構成するか、それ以上変位しないようにすれば
良い。
【００５４】図１０及び図１１はその一例である。これ
らの実施例では、荷重に加速度又は外力が働いてもある
一定の値以上変位しないようストッパ６０ａ，６０ｂが
設けられている。荷重がこれらのストッパに接触した時
の変位量ｘ1，ｘ2があらかじめ既知であれば、この時の
センサの出力Ｖ(ｘ1，ｔ）及びＶ(ｘ2，ｔ）を測定する
と、式（１３)，(１４）よりｐ(ｔ)，ｑ(ｔ)を求めるこ
とができる。
らの実施例では、荷重に加速度又は外力が働いてもある
一定の値以上変位しないようストッパ６０ａ，６０ｂが
設けられている。荷重がこれらのストッパに接触した時
の変位量ｘ1，ｘ2があらかじめ既知であれば、この時の
センサの出力Ｖ(ｘ1，ｔ）及びＶ(ｘ2，ｔ）を測定する
と、式（１３)，(１４）よりｐ(ｔ)，ｑ(ｔ)を求めるこ
とができる。
【００５５】荷重を任意の時に変位させ、ストッパに接
触させるには、静電容量式の場合、加速度に対応した静
電容量を求めるための上部固定電極５５ａ又は下部固定
電極５５ｂと荷重との間に電圧を印加して両者の間に静
電気力を加える。ピエゾ抵抗式でも同様に上部固定電極
５５ａ及び下部固定電極５５ｂを形成し、荷重との間に
電圧を印加する。
触させるには、静電容量式の場合、加速度に対応した静
電容量を求めるための上部固定電極５５ａ又は下部固定
電極５５ｂと荷重との間に電圧を印加して両者の間に静
電気力を加える。ピエゾ抵抗式でも同様に上部固定電極
５５ａ及び下部固定電極５５ｂを形成し、荷重との間に
電圧を印加する。
【００５６】以上のように、定期的に固定電極と荷重と
の間に電圧を印加し、その出力から簡単な演算によって
加速−出力特性の経時変化を補正することができる効果
がある。しかも、この補正はセンサに加速度が印加され
ている状態でも可能であるという特長がある。
の間に電圧を印加し、その出力から簡単な演算によって
加速−出力特性の経時変化を補正することができる効果
がある。しかも、この補正はセンサに加速度が印加され
ている状態でも可能であるという特長がある。
【００５７】以上の実施例では、荷重の変位量を測定
し、これから加速度を求めるというものであった。代表
的な加速度センサにはこれら以外にサーボ式がある。こ
の方式は、加速度による荷重の変位量を計測し、この変
位量信号をフィードバックして信号に応じてセンサ内部
で何らかの方法によって荷重に逆向きの力を印加し、荷
重を元の位置にもどしてやるというもので、フィードバ
ック量が加速度の大きさに対応することから、このフィ
ードバック量から加速度を求める。この方式では、変位
量は加速度によらず常にほぼ一定である。
し、これから加速度を求めるというものであった。代表
的な加速度センサにはこれら以外にサーボ式がある。こ
の方式は、加速度による荷重の変位量を計測し、この変
位量信号をフィードバックして信号に応じてセンサ内部
で何らかの方法によって荷重に逆向きの力を印加し、荷
重を元の位置にもどしてやるというもので、フィードバ
ック量が加速度の大きさに対応することから、このフィ
ードバック量から加速度を求める。この方式では、変位
量は加速度によらず常にほぼ一定である。
【００５８】変位量の計測には、上の実施例と同様静電
容量やピエゾ抵抗がよく用いられる。また、フィードバ
ック量に応じて荷重に力を加えるのには、静電気力や磁
気力がよく用いられる。
容量やピエゾ抵抗がよく用いられる。また、フィードバ
ック量に応じて荷重に力を加えるのには、静電気力や磁
気力がよく用いられる。
【００５９】サーボ式のセンサでも最終的な出力信号と
加速度の関係は式（１０）で表わされる場合が多い。こ
こで、荷重にサーボ系のフィードバック量に応じた力以
外に第２の力Ｆを加えたとする。この時のセンサ出力は
次式で表わされる。
加速度の関係は式（１０）で表わされる場合が多い。こ
こで、荷重にサーボ系のフィードバック量に応じた力以
外に第２の力Ｆを加えたとする。この時のセンサ出力は
次式で表わされる。
【００６０】
【数１５】 Ｖ(α，Ｆ)＝ｐ(α＋Ｆ／ｍ)＋ｑ …（１５） ある定まった２種類の大きさの第２の力Ｆ1，Ｆ2を加え
た場合は、
た場合は、
【００６１】
【数１６】 Ｖ(α，Ｆ1)＝ｐ(α＋Ｆ1／ｍ)＋ｑ Ｖ(α，Ｆ2)＝ｐ(α＋Ｆ2／ｍ)＋ｑ …（１６） 上式から下式を引くと、
【００６２】
【数１７】 Ｖ(α，Ｆ1)−Ｖ(α，Ｆ2)＝ｐ(Ｆ1−Ｆ2)／ｍ …（１７） Ｖ(α，Ｆ1)，Ｖ(α，Ｆ2)，Ｆ1，Ｆ2，ｍが既知であれ
ばｐを求めることができる。
ばｐを求めることができる。
【００６３】また、力Ｆを加えたまま（Ｆ＝０でもよ
い）モータなどのアクチュエータでセンサ素子の上下を
逆転してやると、センサに対して印加される加速度及び
第２の力は逆向きになるので出力は次式のようになる。
い）モータなどのアクチュエータでセンサ素子の上下を
逆転してやると、センサに対して印加される加速度及び
第２の力は逆向きになるので出力は次式のようになる。
【００６４】
【数１８】 Ｖ(−α，−Ｆ)＝ｐ(−α−Ｆ／ｍ)＋ｑ …（１８） 式（１５）と（１８）を加えると
【００６５】
【数１９】 Ｖ(α，Ｆ)＋Ｖ(−α，−Ｆ)＝２ｑ …（１９） ｑは式（１９）より求めることができる。
【００６６】具体的なセンサ素子構造の一例を図１２，
図１３に示す。図１２では静電容量で、また図１３では
ピエゾ抵抗素子で荷重の変位量を測定する。また両者と
もサーボ系を形成するためのフィードバック量に応じた
荷重への力の印加及び図２の力の印加は静電気力で行
う。６１ａ，６１ｂは変位に応じた静電容量検出用電
極、６２ａ，６２ｂはサーボ用静電気力印加電圧、６３
ａ，６３ｂは荷重に第２の力を加えるための静電気力印
加電極である。これらの電極は適当なサーボ系及び静電
気力印加用の回路構成をとればお互いに兼用することが
できる。
図１３に示す。図１２では静電容量で、また図１３では
ピエゾ抵抗素子で荷重の変位量を測定する。また両者と
もサーボ系を形成するためのフィードバック量に応じた
荷重への力の印加及び図２の力の印加は静電気力で行
う。６１ａ，６１ｂは変位に応じた静電容量検出用電
極、６２ａ，６２ｂはサーボ用静電気力印加電圧、６３
ａ，６３ｂは荷重に第２の力を加えるための静電気力印
加電極である。これらの電極は適当なサーボ系及び静電
気力印加用の回路構成をとればお互いに兼用することが
できる。
【００６７】サーボ式においては、荷重の変位は常にほ
ぼ一定であることから、静電気力印加電極６３ａ，６３
ｂと荷重の間の間隙の大きさは一定であるので、式（１
６）における一定の力Ｆ1 及びＦ2 は静電気力印加電極
に加える電圧を変えるだけで与えられる。電極面積，間
隙の大きさ，印加電圧がわかっていれば、Ｆ1，Ｆ2の大
きさは計算できる。
ぼ一定であることから、静電気力印加電極６３ａ，６３
ｂと荷重の間の間隙の大きさは一定であるので、式（１
６）における一定の力Ｆ1 及びＦ2 は静電気力印加電極
に加える電圧を変えるだけで与えられる。電極面積，間
隙の大きさ，印加電圧がわかっていれば、Ｆ1，Ｆ2の大
きさは計算できる。
【００６８】以上の実施例によれば、サーボ式加速度セ
ンサの加速度−出力特性の経時変化を補正できる効果が
ある。
ンサの加速度−出力特性の経時変化を補正できる効果が
ある。
【００６９】
【００７０】
【００７１】
【００７２】
【００７３】
【００７４】
【００７５】
【００７６】
【００７７】
【００７８】
【００７９】
【００８０】
【００８１】
【００８２】
【００８３】
【発明の効果】本発明によれば、簡単な構成で自己診断
あるいは較正をすることができる小形の静電容量式加速
度センサを実現できる。
あるいは較正をすることができる小形の静電容量式加速
度センサを実現できる。
【図１】本発明の一実施例の基本構成を示す図。
【図２】信号処理手段を示す回路図。
【図３】静電容量式圧力センサの動作説明図。
【図４】静電容量式圧力センサの動作説明図。
【図５】静電容量式圧力センサの動作説明図。
【図６】静電容量式圧力センサの動作説明図。
【図７】（ａ)，(ｂ）はマイクロコンピュータにおける
処理フロー図。
処理フロー図。
【図８】半導体加速度センサの動作説明図。
【図９】半導体加速度センサの動作説明図。
【図１０】半導体加速度センサの動作説明図。
【図１１】半導体加速度センサの動作説明図。
【図１２】加速度センサの他の実施例を示す図。
【図１３】加速度センサの他の実施例を示す図。
１…検出手段、２…刺激手段、４…信号処理手段、７…
通信機、４４…マイクロコンピュータ。
通信機、４４…マイクロコンピュータ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土谷 茂樹 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 鵜飼 征一 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 兼安 昌美 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 黒岩 弘 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 横田 ▲吉▼弘 茨城県勝田市大字高場2520番地 株式会 社 日立製作所 佐和工場内 (56)参考文献 特開 昭63−85461（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−240865（ＪＰ，Ａ)
Claims (10)
- 【請求項１】 第１の電極と、 前記第１の電極に対向して配置され、加速度に感応する
第２の電極と、 前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量を利
用して、前記加速度に対応した電気信号を出力する出力
手段と、 を備えた静電容量式加速度センサにおいて、 前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加す
る印加手段を備え、 前記電圧の印加に対する前記出力手段の出力に基づい
て、前記出力手段の較正を行うことを特徴とする静電容
量式加速度センサ。 - 【請求項２】 第１の電極と、 前記第１の電極に対向して配置され、加速度に感応する
第２の電極と、 前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量を利
用して、前記加速度に対応した電気信号を出力する出力
手段と、 を備えた静電容量式加速度センサにおいて、 前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加す
る印加手段を備え、 前記電圧の印加に対する前記出力手段の出力に基づい
て、自己診断を行うことを特徴とする静電容量式加速度
センサ。 - 【請求項３】 請求項１または２において、 前記電圧を印加する時間は、前記電気信号の変動周期よ
りも短いことを特徴とする静電容量式加速度センサ。 - 【請求項４】 第１の電極と、 前記第１の電極に対向して配置され、加速度に感応する
第２の電極と、 前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加す
る印加手段と、 前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量を利
用して、前記加速度に対応した電気信号を出力する出力
手段と、 を備えた静電容量式加速度センサにおいて、 前記電圧に較正電圧を重畳させて印加する手段を備え、 前記較正電圧の印加に対する前記出力手段の出力に基づ
いて、前記出力手段の較正を行うことを特徴とする静電
容量式加速度センサ。 - 【請求項５】 第１の電極と、 前記第１の電極に対向して配置され、加速度に感応する
第２の電極と、 前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加す
る印加手段と、 前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量を利
用して、前記加速度に対応した電気信号を出力する出力
手段と、 を備えた静電容量式加速度センサにおいて、 前記電圧に診断電圧を重畳させて印加する手段を備え、 前記診断電圧の印加に対する前記出力手段の出力に基づ
いて、自己診断を行うことを特徴とする静電容量式加速
度センサ。 - 【請求項６】 請求項４または５において、 前記印加手段が、前記第２の電極をほぼ一定の位置に保
つように印加する電圧を制御することを特徴とする静電
容量式加速度センサ。 - 【請求項７】 請求項４から６のいずれかにおいて、 前記較正電圧の印加の指示と前記出力手段の較正とを共
に、または、前記診断電圧の印加の指示と前記自己診断
とを共に行うマイコンを備えたことを特徴とする静電容
量式加速度センサ。 - 【請求項８】 請求項４から７のいずれかにおいて、 前記診断電圧または前記較正電圧を印加する時間は、前
記電気信号の変動周期よりも短いことを特徴とする静電
容量式加速度センサ。 - 【請求項９】 請求項４から８のいずれかにおいて、 予め初期値を記憶する記憶手段を備え、 前記診断電圧の印加に対する前記出力手段の出力と前記
初期値とに基づいて前記診断、または、前記較正電圧の
印加に対する前記出力手段の出力と前記初期値とに基づ
いて前記較正を行うことを特徴とする静電容量式加速度
センサ。 - 【請求項１０】 請求項９において、 前記初期値は、２つの異なる診断電圧に対する前記出力
手段の２つの出力に基づいた値、または、２つの異なる
診断電圧に対する前記出力手段の２つの出力に基づいた
値であり、前記記憶手段に記憶されて出荷されることを
特徴とする静電容量式加速度センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27582496A JP3145040B2 (ja) | 1996-10-18 | 1996-10-18 | 静電容量式加速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27582496A JP3145040B2 (ja) | 1996-10-18 | 1996-10-18 | 静電容量式加速度センサ |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1271666A Division JPH03134552A (ja) | 1989-10-20 | 1989-10-20 | 自己較正機能付検出装置 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19387799A Division JP3173504B2 (ja) | 1999-07-08 | 1999-07-08 | 加速度検出装置および静電容量式加速度検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09133708A JPH09133708A (ja) | 1997-05-20 |
| JP3145040B2 true JP3145040B2 (ja) | 2001-03-12 |
Family
ID=17560943
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27582496A Expired - Fee Related JP3145040B2 (ja) | 1996-10-18 | 1996-10-18 | 静電容量式加速度センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3145040B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002221463A (ja) * | 2001-12-26 | 2002-08-09 | Kazuhiro Okada | 電極間距離の変化を利用して物理量を検出する装置およびその動作試験方法 |
| JP2014077786A (ja) * | 2012-10-08 | 2014-05-01 | Northrop Grumman Systems Corp | 加速度計システムの動的な自己較正 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1169657A4 (en) * | 1999-03-17 | 2003-03-05 | Input Output Inc | CALIBRATION OF SENSORS. |
| US7487661B2 (en) * | 2006-10-11 | 2009-02-10 | Freescale Semiconductor, Inc. | Sensor having free fall self-test capability and method therefor |
| FR2925668B1 (fr) * | 2007-12-19 | 2010-01-15 | Sagem Defense Securite | Procede de correction de gain d'un organe capacitif et dispositif de mise en oeuvre |
| JP6358913B2 (ja) * | 2014-09-30 | 2018-07-18 | 株式会社日立製作所 | 加速度センサ |
| DE102020212998A1 (de) * | 2020-10-15 | 2022-04-21 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Mikromechanischer z-Inertialsensor |
-
1996
- 1996-10-18 JP JP27582496A patent/JP3145040B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002221463A (ja) * | 2001-12-26 | 2002-08-09 | Kazuhiro Okada | 電極間距離の変化を利用して物理量を検出する装置およびその動作試験方法 |
| JP2014077786A (ja) * | 2012-10-08 | 2014-05-01 | Northrop Grumman Systems Corp | 加速度計システムの動的な自己較正 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09133708A (ja) | 1997-05-20 |
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Legal Events
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