JP3216455B2 - 容量型静電サーボ加速度センサ - Google Patents

容量型静電サーボ加速度センサ

Info

Publication number
JP3216455B2
JP3216455B2 JP32086094A JP32086094A JP3216455B2 JP 3216455 B2 JP3216455 B2 JP 3216455B2 JP 32086094 A JP32086094 A JP 32086094A JP 32086094 A JP32086094 A JP 32086094A JP 3216455 B2 JP3216455 B2 JP 3216455B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
circuit
servo
voltage
movable electrode
switch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP32086094A
Other languages
English (en)
Other versions
JPH08178955A (ja
Inventor
富雄 柴野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co Ltd filed Critical Murata Manufacturing Co Ltd
Priority to JP32086094A priority Critical patent/JP3216455B2/ja
Priority to US08/575,884 priority patent/US5612494A/en
Priority to EP95120412A priority patent/EP0718631A3/en
Publication of JPH08178955A publication Critical patent/JPH08178955A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3216455B2 publication Critical patent/JP3216455B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • 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
    • G01P15/13Measuring 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 by measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position
    • G01P15/131Measuring 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 by measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position with electrostatic counterbalancing means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • 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
    • G01P15/125Measuring 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 by capacitive pick-up
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • 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
    • G01P2015/0825Measuring 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
    • G01P2015/0828Measuring 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
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605Measuring capacitance

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、容量型静電サーボ加速
度センサに関し、さらに詳しくは、加速度を高感度かつ
高精度に検出できる容量型静電サーボ加速度センサに関
する。特に、加速度,圧力,変位,流量などを検出する
センサとして有用である。
【0002】
【従来の技術】図3は、従来の容量型静電サーボ加速度
センサの一例の構成図である。この容量型静電サーボ加
速度センサ500は、加速度に応じて変位しうる可動電
極11およびその可動電極11を挟む固定電極12a,
12bを有する容量検出部1と,その容量検出部1にお
ける電極間容量C1,C2の容量変化を検出電圧Vsc
に変換するスイッチトキャパシタ回路53と,前記検出
電圧Vscに応じてパルス幅変調したサーボ信号Vsw
を前記固定電極12aにサーボ帰還するPWM(Pulse
Width Modulation)回路60と,前記サーボ信号Vsw
を反転したサーボ信号notVswを前記固定電極12
bにサーボ帰還するNOT回路61と,前記サーボ信号
Vswの低周波成分を取り出して出力信号Voとするロ
ーパスフィルタ58とを具備して構成されている。
【0003】次に、上記容量型静電サーボ加速度センサ
500の動作を説明する。可動電極11が固定電極12
a,12bの中間にあるとき、電極間容量C1,C2の
容量は等しく、容量差(C1−C2)に比例する検出電
圧Vscは“0”である。このとき、図4に実線で示す
ように、サーボ信号Vsw,notVswのデューティ
比は50%である。従って、サーボ信号Vswが“+V
h”の期間に可動電極11が固定電極12a,12bか
ら受ける静電力と,サーボ信号Vswが“0”の期間に
可動電極11が固定電極12a,12bから受ける静電
力とは、大きさが等しく,方向が逆となる。サーボ信号
Vsw,notVswの周波数(例えば10kHz)は
可動電極11の応答周波数(例えば200Hz)より充
分大きいので、可動電極11が固定電極12a,12b
から受ける静電力は積算されて“0”となり、可動電極
11は固定電極12a,12bの中間で静止した状態を
維持する。
【0004】容量検出部1に加速度Gが加わると、慣性
により可動電極11が変位し、例えば固定電極12aに
近付き,固定電極12bから遠ざかる。すると、電極間
容量C1が大きくなり,C2が小さくなる。この容量変
化により、容量差(C1−C2)に比例する検出電圧V
scは“+ε”となる。これに応じて、図4に破線で示
すように、サーボ信号Vsw,notVswのデューテ
ィ比は50%以上となる。従って、サーボ信号Vswが
“+Vh”の期間に可動電極11が固定電極12a,1
2bから受ける静電力と,サーボ信号Vswが“0”の
期間に可動電極11が固定電極12a,12bから受け
る静電力とは、大きさが異なり,方向が逆となる。この
ため、可動電極11が固定電極12a,12bから受け
る静電力は積算されて“≠0”となり、可動電極11は
固定電極12aから反発され,固定電極12bに引かれ
るような力を受ける。すなわち、可動電極11は変位方
向と逆向きの力を受ける。これにより、可動電極11は
固定電極12a,12bの中間に戻され、見掛け上、可
動電極11はほとんど変位しない。このようにして、加
速度Gが加わると、それに応じてサーボ信号Vswのデ
ューティ比が変化するので、これをローパスフィルタ5
8で直流信号に変換すれば、加速度Gに応じた出力信号
Voが得られることとなる。
【0005】上記のような従来の容量型静電サーボ加速
度センサは、例えば特開平4−337468号公報に開
示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の容量型静電
サーボセンサ500は、加速度Gに比例したパルス幅変
調を行なうPWM方式であるため、その精度を上げるた
めにはPWM回路60に高精度の発振器が必要となり、
回路構成が複雑化したり,コスト高となる問題点があ
る。また、サーボ信号Vsw,notVswを固定電極
12a,12bに常にサーボ帰還して可動電極11をサ
ーボ拘束しているから、容量変化を高感度に検出するこ
とが困難である。すなわち、加速度Gの高感度検出が困
難な問題点がある。さらに、スイッチトキャパシタ回路
53の内部のオペアンプのオフセット電圧がドリフトす
ると、可動電極11の電位が変動し、結果的に出力信号
Voに誤差を生じる問題点がある。そこで、本発明の目
的は、高精度の発振器を必要とせず、加速度を高感度に
検出でき、オペアンプのオフセット電圧のドリフトによ
る誤差を低減できる容量型静電サーボ加速度センサを提
供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】第1の観点では、本発明
は、加速度に応じて変位しうる可動電極およびその可動
電極を挟む固定電極を有する容量検出部と、その容量検
出部の容量変化を検出電圧に変換するスイッチトキャパ
シタ回路と、前記検出電圧を測定モード期間のみサンプ
リングしホールドするサンプル&ホールド回路と、その
サンプル&ホールド回路のホールド電圧と所定の基準電
圧との差に応じた比較電圧を出力する比 較器と、前記比
較電圧に応じてパルス振幅変調したサーボ信号を力平衡
モード期間のみ前記容量検出部の固定電極に帰還するサ
ーボ帰還回路と、前記力平衡モード期間のみ前記可動電
極を回路グランドまたは定電圧源に短絡する短絡スイッ
チ回路と、前記ホールド電圧に基づいて出力信号を生成
する出力信号生成回路とを具備し、前記測定モード期間
と前記力平衡モード期間とを交互に周期的に繰り返す
とを特徴とする容量型静電サーボ加速度センサを提供す
る。
【0008】
【作用】上記第1の観点による容量型静電サーボ加速度
センサでは、加速度に比例したパルス振幅変調を行なう
PAM(Pulse Amplitude Modulation)方式を採用
た。このため、高精度の発振器を必要とするPWM回路
がなくなり、回路構成を簡単化でき,コストを低減でき
る。
【0009】た、測定モード期間と力平衡モード期間
とを交互に周期的に繰り返すようにした。そして、前記
測定モード期間では、固定電極にサーボ信号をサーボ
還せず、可動電極を拘束しない状態で、容量検出部の容
量変化を検出し、検出電圧をサンプルホールドするよう
にした。また、前記力平衡モードでは、前記サンプルホ
ールドした検出電圧に基づいてパルス振幅変調したサー
ボ信号を固定電極にサーボ帰還し、可動電極を中間位置
に戻すようにした。このように、測定時には可動電極を
サーボ拘束しないから、容量変化を高感度に検出するこ
とが出来る。すなわち、加速度の高感度検出が可能にな
る。一方、測定時以外は可動電極をサーボ拘束するか
ら、可動電極が徒に変位して疲労するのを防止できる。
【0010】また、短絡スイッチ回路により、力平衡モ
ード期間中は、可動電極を回路グランドまたは定電圧源
に短絡するようにした。このため、スイッチトキャパシ
タ回路の内部のオペアンプのオフセット電圧が可動電極
の電位に影響せず、前記オフセット電圧がドリフトして
も、出力信号に 誤差を生じない。従って、時間や温度に
対して、出力信号が安定となる。
【0011】
【実施例】以下、図に示す実施例により本発明をさらに
詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定される
ものではない。図1は、本発明の容量型静電サーボ加速
度センサの一実施例を示す構成図である。この容量型静
電サーボ加速度センサ100は、容量検出部1と,短絡
スイッチ回路2と,スイッチトキャパシタ回路3と,サ
ンプル&ホールド回路4と,比較器5と,モード切替ス
イッチ回路6と,PAM回路7と,ローパスフィルタ8
とを具備して構成されている。
【0012】容量検出部1は、加速度Gに応じて変位す
る可動電極11と、その可動電極11を一定の間隙を介
してその間に介在する固定電極12a,12bとを有し
ている。C1は、可動電極11と固定電極12aの間の
電極間容量(初期容量)である。C2は、可動電極11
と固定電極12bの間の電極間容量(初期容量)であ
る。
【0013】短絡スイッチ回路2は、前記可動電極11
を回路グランド(または定電圧源でもよい)に短絡しう
るスイッチφ11を有している。図2に示すように、ス
イッチφ11は、測定モード期間Tmはオフとなり,力
平衡モード期間Tfはオンとなる。
【0014】スイッチトキャパシタ回路3は、前記可動
電極11に接続された反転入力端子および接地された非
反転入力端子を持つオペアンプA1と,そのオペアンプ
A1の反転入力端子と出力端子の間に介設されたスイッ
チφ6と,前記オペアンプA1の反転入力端子と出力端
子の間に介設されたコンデンサCFおよびスイッチφ7
の直列回路と,前記コンデンサCFおよび前記スイッチ
φ7の接続点を接地しうるスイッチφ1とを有してい
る。図2に示すように、スイッチφ6およびスイッチφ
1は、測定モード期間Tmの前半はオンとなり,測定モ
ード期間Tmの後半および力平衡モード期間Tfはオフ
となる。スイッチφ7は、測定モード期間Tmの前半は
オフとなり,測定モード期間Tmの後半および力平衡モ
ード期間Tfはオンとなる。
【0015】サンプル&ホールド回路4は、ボルテージ
フォロワのオペアンプA2と,そのオペアンプA2の非
反転入力端子と前記スイッチトキャパシタ回路3のオペ
アンプA1の出力端子との間に介設されたスイッチφ8
と,前記オペアンプA2の非反転入力端子と回路グラウ
ンドの間に介設されたホールドコンデンサCHとを有し
ている。図2に示すように、スイッチφ8は、測定モー
ド期間Tmの後半はオンとなり,測定モード期間Tmの
前半および力平衡モード期間Tfはオフとなる。
【0016】比較器5は、前記サンプル&ホールド回路
4のオペアンプA2の出力端子に接続された反転入力端
子および基準電源Vr(前記可動電極11を拘束する際
の基準電位で、例えば0V)に接続された非反転入力端
子を持つオペアンプA3と,そのオペアンプA3の反転
入力端子と出力端子の間に介設されたコンデンサCiと
を有している。前記オペアンプA1の開放利得と前記オ
ペアンプA1の電圧帰還率の積は“1”より充分大き
い。モード切替スイッチ回路6は、前記比較器5のオペ
アンプA2の出力端子に一端を接続されたスイッチφ1
0と,そのスイッチφ10の他端と回路グラウンドの間
に介設されたスイッチφ9とを有している。図2に示す
ように、スイッチφ10は、測定モード期間Tmはオフ
となり,力平衡モード期間Tfはオンとなる。スイッチ
φ9は、測定モード期間Tmはオンとなり,力平衡モー
ド期間Tfはオフとなる。
【0017】PAM回路7は、バイアス電圧VBから前
記モード切替スイッチ回路6のスイッチφ10の他端の
電圧(サーボ帰還電圧Vc)を減算する減算器71と,
その減算器71と前記固定電極12aの間に介設された
スイッチφ2と,前記固定電極12aと回路グラウンド
の間に介設されたスイッチφ5と,バイアス電圧VBに
前記サーボ帰還電圧Vcを加算する加算器72と,その
加算器72と前記固定電極12bの間に介設されたスイ
ッチφ4と,前記固定電極12bと回路グラウンドの間
に介設されたスイッチφ3とを有している。図2に示す
ように、スイッチφ2は、測定モード期間Tmの前半お
よび力平衡モード期間Tfはオンとなり、測定モード期
間Tmの後半はオフとなる。スイッチφ5は、測定モー
ド期間Tmの前半および力平衡モード期間Tfはオフと
なり、測定モード期間Tmの後半はオンとなる。スイッ
チφ4は、測定モード期間Tmの前半はオフとなり、測
定モード期間Tmの後半および力平衡モード期間Tfは
オンとなる。スイッチφ3は、測定モード期間Tmの前
半はオンとなり、測定モード期間Tmの後半および力平
衡モード期間Tfはオフとなる。
【0018】ローパスフィルタ8は、前記サーボ帰還電
圧Vcの低周波成分を取り出して出力信号Voとする。
【0019】図2は、スイッチφ1〜φ11のオン/オ
フのタイムチャートである。なお、パルスの立ち下りと
立ち上りとの間には、実際には、電荷の逃げを防止する
ための遅延時間が設けられているが、作図を簡略にする
ため省いてある。時刻t0〜t1は測定モード期間の前
半であり、時刻t1〜t2は測定モード期間の後半であ
る。時刻t2〜t3は力平衡モード期間である。1サイ
クルの周期Tは例えば100μs,測定モード期間Tm
は例えば1μs,力平衡モード期間Tfは例えば99μ
sである。
【0020】次に、この容量型静電サーボ加速度センサ
100の動作を説明する。 [時刻t0〜t1(測定モード期間の前半)] スイッチφ10はオフ,スイッチφ9はオンであり、
ーボ帰還電圧Vcは、 Vc=0 となる。つまり、サーボ帰還はなされない。スイッチφ
2はオン,スイッチφ5はオフであり、固定電極12a
へのサーボ信号Vsa1は、 Vsa1=VB−Vc=VB となる。一方、スイッチφ4はオフ,スイッチφ3はオ
ンであり、固定電極12bへのサーボ信号Vsa2は、 Vsa2=0 となる。
【0021】この時、固定電極12aには、電荷Q1が
発生する。ここで、初期容量をC1とし、可動電極11
と固定電極12aの間の電極間容量の加速度による変化
分をΔC1とすると、次式が成立する。 Q1=(C1+ΔC1)×VB …(1) 一方、可動電極11には、前記固定電極12aの電荷Q
1と大きさが等しく、極性が逆の電荷(−Q1)が発生
する。この電荷はオペアンプA1からスイッチφ6を通
って供給される。なお、固定電極12bには、電荷は発
生しない。
【0022】[時刻t1〜t2(測定モード期間の後
半)] スイッチφ10はオフ,スイッチφ9はオンであり、
ーボ帰還電圧Vcは、 Vc=0 となる。つまり、可動電極11の変位を拘束するため
ーボ帰還はなされない。スイッチφ2はオフ,スイッチ
φ5はオンであり、固定電極12aへのサーボ信号Vs
a1は、 Vsa1=0 となる。一方、スイッチφ4はオン,スイッチφ3はオ
フであり、固定電極12bへのサーボ信号Vsa2は、 Vsa2=VB+Vc=VB となる。
【0023】スイッチφ5はオンであるので、上記
(1)式で表される固定電極12aの電荷Q1は、放電
され、“0”となる。これにより、固定電極12aと可
動電極11の電荷バランスが崩れるので、可動電極11
の電荷(−Q1)は、コンデンサCFの左側電極へ移動
する。また、固定電極12bには、電荷Q2が発生す
る。ここで、初期容量をC2とし、可動電極11と固定
電極12bの間の電極間容量の加速度による変化分をΔ
C2とすると、次式が成立する。 Q2=(C2−ΔC2)×VB …(2) 一方、可動電極11には、前記固定電極12bの電荷Q
2と大きさが等しく、極性が逆の電荷(−Q2)が発生
する。この電荷はオペアンプA1からコンデンサCFを
通って供給される。
【0024】この時、コンデンサCFの左側電極には、
電荷バランスをとるために、(+Q2)なる電荷が新た
に発生する。つまり、コンデンサCFの左側電極には、
合計(−Q1+Q2)なる電荷が生じている。したがっ
て、コンデンサCFの右側電極には、前記左側電極に生
じた電荷と大きさが等しく、極性が逆の電荷(Q1−Q
2)が発生する。この結果、オペアンプA1から出力さ
れる検出電圧Vscは、 Vsc=(Q1−Q2)/CF となる。
【0025】スイッチφ8はオンであるから、ホールド
コンデンサCHの電圧Vchは、 Vch=(Q1−Q2)/CF となる。従って、ホールド電圧V4は、 V4=(Q1−Q2)/CF となる。この電圧は、加速度Gに応じた出力である。但
し、スイッチφ10はオフであり、可動電極11の変位
を拘束するためサーボ帰還は未だなされない。
【0026】なお、固定電極11a,11bの電位(V
B,0)により可動電極11は静電力を受けるが、時刻
t0〜t1と時刻t1〜t2とで静電力の方向が逆転
し、時刻t0〜t2は可動電極11の応答速度から見て
非常に短時間であるから、相互的には可動電極11は静
電力による拘束を受けない。
【0027】[時刻t2〜t3(力平衡モード期間)] スイッチφ8はオフであり、サンプル&ホールド回路4
および比較器5は、直前の測定モード期間の状態を維持
している。すなわち、加速度Gに応じた比較電圧V4が
出力されている。電圧V4は、比較器5で基準電圧Vr
と比較される。この基準電圧Vrは、可動電極11の状
態により決められた電圧で、通常は0ボルトである。比
較器5からは、電圧V4と基準電圧Vrとの差が0とな
るようなサーボ電圧V5が出力される。
【0028】スイッチφ10はオン,スイッチφ9はオ
フであるから、モード切替スイッチ回路6を通ったサー
帰還電圧Vcは、PAM回路7に入力される。PAM
回路7では、スイッチφ2はオン,スイッチφ5はオフ
であるから、固定電極12aへのサーボ電圧Vsa1
は、 Vsa1=VB−Vc となる。一方、スイッチφ4はオン,スイッチφ3はオ
フであるから、固定電極12bには、サーボ電圧Vsa
2=VB+Vcが印加される。
【0029】スイッチφ11はオンであるから、可動電
極11の電位V3は、 V3=0 となる。そこで、可動電極11は、固定電極11a,1
1bから加速度Gに応じ且つ変位方向と逆向きの静電力
を受ける。これにより、可動電極11は固定電極12
a,12bの中間位置に戻される。すなわち、変位を抑
制される(一般に、静電力は電圧の2乗に比例するか
ら、固定電極12aにはサーボ信号Vsa1の2乗に比
例した静電力が発生し、固定電極12bにはサーボ信号
Vsa2の2乗に比例した静電力が発生することとな
り、可動電極11が所定の位置にサーボ拘束される)。
【0030】ローパスフィルタ8は、前記サーボ帰還電
圧Vcの低周波成分を取り出して出力信号Voとする
が、サーボ帰還電圧Vcの低周波成分は加速度Gの変化
成分(Q1−Q2)/CFなので、加速度Gに応じた出
力信号Voが得られる。
【0031】以上の容量型静電サーボ加速度センサ10
0によれば、加速度に比例したパルス振幅変調を行なう
PAM方式を採用し、また、比較器5を構成するオペア
ンプA3の開放利得とオペアンプA3の電圧帰還率の積
を“1”より充分に大きくし、比較器5のゲインエラー
を無視できるようにしたため、高精度の発振器を必要と
するPWM回路がなくなり、回路構成を簡単化でき,コ
ストを低減できる。また、測定モード期間Tmは可動電
極11をサーボ拘束しないから、容量変化を高感度に検
出することが出来る。すなわち、加速度Gの高感度検出
が可能になる。一方、力平衡モード期間Tfは可動電極
11をサーボ拘束するから、可動電極11が徒に変位し
て疲労するのを防止できる。さらに、短絡スイッチ回路
2により、力平衡モード期間Tf中は、可動電極11を
回路グランド(または定電圧源)に短絡するようにした
ため、スイッチトキャパシタ回路3のオペアンプA1の
オフセット電圧Vosが可動電極11の電位V3に影響
せず、前記オフセット電圧Vosがドリフトしても、検
出電圧Vscに誤差を生じない。従って、時間や温度に
対して出力信号Voが安定となる。
【0032】なお、上記容量型静電サーボ加速度センサ
100において、サーボの電圧帰還率はサーボ信号Vs
a1,Vsa2のデューティ比に比例するため、測定モ
ード期間Tmと力平衡モード期間Tfの比を変化させる
ことでサーボの電圧帰還率を調整することが出来る。例
えば、測定モード期間Tmと力平衡モード期間Tfの比
を1:3とすると、サーボの電圧帰還率は75%とな
る。サーボの電圧帰還率は、サーボの系位相余裕や,加
速度センサとして要求される周波数特性に応じて決定す
る。
【0033】
【発明の効果】本発明の容量型静電サーボ加速度センサ
によれば、PAM方式を採用したため、高精度の発振器
を必要とするPWM回路がなくなり、回路構成を簡単化
でき,コストを低減できる。また、測定時は可動電極を
サーボ拘束しないから、加速度の高感度検出が可能にな
る。一方、測定時以外は可動電極をサーボ拘束するか
ら、可動電極が徒に変位して疲労するのを防止できる。
さらに、測定時以外は可動電極を回路グランド(または
定電圧源)に短絡するから、スイッチトキャパシタ回路
のオペアンプのオフセット電圧が温度変化などによりド
リフトしても、出力信号に誤差を生じないようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の容量型静電サーボ加速度センサの一実
施例を示す構成図である。
【図2】図1の容量型静電サーボ加速度センサにおける
スイッチのオン/オフのタイムチャートである。
【図3】従来の容量型静電サーボ加速度センサの一例を
示す構成図である。
【図4】図3の容量型静電サーボ加速度センサにおける
サーボ信号の説明図である。
【符号の説明】
100 容量型静電サーボ加速度センサ 1 容量検出部 2 短絡スイッチ回路 3 スイッチトキャパシタ回路 4 サンプル&ホールド回路 5 比較器 6 モード切替スイッチ回路 7 PAM回路 8 ローパスフィルタ 11 可動電極 12a,12b 固定電極 71 減算器 72 加算器 A1,A2,A3 オペアンプ CF コンデンサ CH ホールドコンデンサ G 加速度 φ1〜φ12 スイッチ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−281669(JP,A) 特開 平5−340958(JP,A) 特開 平5−340960(JP,A) 特表 平3−501887(JP,A) H.Leuthold et a l.,”An ASIC for Hi gh−resolution Capa citive Microaccele rometers”,Sensors and Actuators,Neth erlands,1990,Vol.21,N o.1/3,p.278−281 Mark Van Paemel," Interface Circuit for Capacitive Acc elerometer”,Sensor s and Actuators,Ne therlands,1989,Vol. 17,No.3/4,p.629−637 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01P 15/13

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 加速度に応じて変位しうる可動電極およ
    びその可動電極を挟む固定電極を有する容量検出部と、
    その容量検出部の容量変化を検出電圧に変換するスイッ
    チトキャパシタ回路と、前記検出電圧を測定モード期間
    のみサンプリングしホールドするサンプル&ホールド回
    路と、そのサンプル&ホールド回路のホールド電圧と所
    定の基準電圧との差に応じた比較電圧を出力する比較器
    と、前記比較電圧に応じてパルス振幅変調したサーボ信
    号を力平衡モード期間のみ前記容量検出部の固定電極に
    帰還するサーボ帰還回路と、前記力平衡モード期間のみ
    前記可動電極を回路グランドまたは定電圧源に短絡する
    短絡スイッチ回路と、前記ホールド電圧に基づいて出力
    信号を生成する出力信号生成回路とを具備し、前記測定
    モード期間と前記力平衡モード期間とを交互に周期的に
    繰り返すことを特徴とする容量型静電サーボ加速度セン
    サ。
JP32086094A 1994-12-22 1994-12-22 容量型静電サーボ加速度センサ Expired - Fee Related JP3216455B2 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP32086094A JP3216455B2 (ja) 1994-12-22 1994-12-22 容量型静電サーボ加速度センサ
US08/575,884 US5612494A (en) 1994-12-22 1995-12-20 Capacitance-type electrostatic servo acceleration sensor
EP95120412A EP0718631A3 (en) 1994-12-22 1995-12-22 Capacitance-type electrostatic servo acceleration sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP32086094A JP3216455B2 (ja) 1994-12-22 1994-12-22 容量型静電サーボ加速度センサ

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH08178955A JPH08178955A (ja) 1996-07-12
JP3216455B2 true JP3216455B2 (ja) 2001-10-09

Family

ID=18126069

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP32086094A Expired - Fee Related JP3216455B2 (ja) 1994-12-22 1994-12-22 容量型静電サーボ加速度センサ

Country Status (3)

Country Link
US (1) US5612494A (ja)
EP (1) EP0718631A3 (ja)
JP (1) JP3216455B2 (ja)

Families Citing this family (48)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5748004A (en) * 1996-03-15 1998-05-05 Analog Devices, Inc. Reset switch for a micromachined device
JP3125675B2 (ja) * 1996-03-29 2001-01-22 三菱電機株式会社 容量型センサインターフェース回路
JP3435979B2 (ja) * 1996-04-26 2003-08-11 株式会社デンソー 物理量検出装置
US5744968A (en) * 1996-04-30 1998-04-28 Motorola Inc. Ratiometric circuit
JP3198922B2 (ja) * 1996-07-03 2001-08-13 株式会社村田製作所 静電容量型センサの製造方法
DE19630553A1 (de) * 1996-07-18 1998-01-29 Reiner Ruehle Beschleunigungsabhängige Ansteuerung für einen Elektromotor
US5828138A (en) * 1996-12-02 1998-10-27 Trw Inc. Acceleration switch
EP0924730A1 (en) * 1997-12-15 1999-06-23 Trw Inc. Acceleration switch
JP3264884B2 (ja) * 1998-05-11 2002-03-11 三菱電機株式会社 容量検出回路
JP4178658B2 (ja) * 1998-06-30 2008-11-12 株式会社デンソー 容量式物理量検出装置
US6212948B1 (en) 1999-06-28 2001-04-10 Donald W. Ekdahl Apparatus and method to obtain representative samples of oil well production
US6360602B1 (en) * 1999-07-29 2002-03-26 Litton Systems, Inc. Method and apparatus reducing output noise in a digitally rebalanced accelerometer
EP1236048B1 (en) * 1999-08-31 2006-03-29 Analog Devices, Inc. Feedback circuit for micromachined accelerometer
US6301965B1 (en) * 1999-12-14 2001-10-16 Sandia Corporation Microelectromechanical accelerometer with resonance-cancelling control circuit including an idle state
US6868726B2 (en) * 2000-01-20 2005-03-22 Analog Devices Imi, Inc. Position sensing with improved linearity
US6486680B1 (en) * 2000-06-13 2002-11-26 The North American Manufacturing Company Edge detector
JP2002040047A (ja) * 2000-07-25 2002-02-06 Denso Corp 容量型物理量検出センサ
KR100382766B1 (ko) * 2001-07-02 2003-05-09 삼성전자주식회사 커패시턴스 변화량 측정 장치 및 방법
US6744264B2 (en) * 2002-04-25 2004-06-01 Motorola, Inc. Testing circuit and method for MEMS sensor packaged with an integrated circuit
FR2858854B1 (fr) * 2003-08-13 2005-12-16 Sercel Rech Const Elect Accelerometre a vibrations parasites reduites par rappel ameliore
FR2858853B1 (fr) * 2003-08-13 2006-01-13 Sercel Rech Const Elect Accelerometre a vibrations parasites reduites par forme des electrodes amelioree
JP2005140657A (ja) * 2003-11-07 2005-06-02 Denso Corp 静電容量型センサの容量変化検出回路
US7078916B2 (en) * 2004-04-06 2006-07-18 Analog Devices, Inc. Linearity enhancement for capacitive sensors
US7131315B2 (en) * 2004-09-28 2006-11-07 Honeywell International Inc. Methods and apparatus for reducing vibration rectification errors in closed-loop accelerometers
JP5495356B2 (ja) * 2005-06-01 2014-05-21 シチズンホールディングス株式会社 物理量センサ
JP2007178420A (ja) * 2005-11-30 2007-07-12 Denso Corp 容量式物理量センサおよびその診断方法
DE602006009611D1 (de) * 2006-01-20 2009-11-19 St Microelectronics Srl Freifalldetektor und Freifalldetektionsverfahren
JP2007333422A (ja) * 2006-06-12 2007-12-27 Denso Corp 容量式物理量センサ
US7552637B2 (en) * 2006-09-19 2009-06-30 Honeywell International Inc. Torque driving circuit
US7614300B2 (en) * 2007-05-30 2009-11-10 Northrop Grumman Corporation System and method for mitigating errors in electrostatic force balanced instrument
DE102007027652B4 (de) 2007-06-15 2013-06-20 Litef Gmbh Betriebsverfahren und Schaltungsanordnung für einen kapazitiven mikromechanischen Sensor mit analoger Rückstellung
JP4894840B2 (ja) * 2008-10-08 2012-03-14 株式会社デンソー 物理量検出装置
JP4797075B2 (ja) * 2009-02-12 2011-10-19 株式会社豊田中央研究所 静電容量式センサ装置
US8466700B2 (en) * 2009-03-18 2013-06-18 Infineon Technologies Ag System that measures characteristics of output signal
JP5501043B2 (ja) * 2010-03-16 2014-05-21 株式会社ミツトヨ 容量変化型変位計
US9525925B2 (en) 2011-02-25 2016-12-20 Infineon Technologies Ag Sensor with movable part and biasing
JP5835073B2 (ja) * 2012-04-10 2015-12-24 株式会社村田製作所 Cv変換回路
US10309997B2 (en) * 2013-03-15 2019-06-04 Infineon Technologies Ag Apparatus and a method for generating a sensor signal indicating information on a capacitance of a variable capacitor comprising a variable capacitance
US9689889B1 (en) * 2013-07-24 2017-06-27 Hanking Electronics, Ltd. Systems and methods to stabilize high-Q MEMS sensors
GB201410038D0 (en) 2014-06-06 2014-07-16 Atlantic Inertial Systems Ltd Accelerometers
US9742417B1 (en) 2016-02-10 2017-08-22 Yokogawa Electric Corporation Self-oscillation circuit
EP3205979B1 (en) * 2016-02-12 2022-06-01 Yokogawa Electric Corporation Self-oscillation circuit
JP6456451B1 (ja) 2017-09-25 2019-01-23 エヌ・ティ・ティ・コミュニケーションズ株式会社 通信装置、通信方法、及びプログラム
JP6960831B2 (ja) * 2017-11-17 2021-11-05 エイブリック株式会社 センサ装置
CN108896785B (zh) * 2018-07-11 2020-06-02 中国地震局地球物理研究所 力平衡加速度传感器的调制解调电路以及调制解调方法
CN110579626A (zh) * 2019-10-22 2019-12-17 西安微电子技术研究所 微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路及其加工方法
DE102020203036A1 (de) * 2020-03-10 2021-09-16 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Schaltung zum Betreiben eines kapazitiven Sensors sowie zugehörige Sensorvorrichtung
DE102022206600A1 (de) 2022-06-29 2024-01-04 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Auswerteschaltung für einen Sensor und Sensorsystem

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2326233C2 (de) * 1973-05-23 1986-02-06 Hans-Werner Dr.-Ing. 6382 Friedrichsdorf Fischer Verfahren zur Linearisierung der selbsttätigen elektrostatischen Kraftkompensation
US4009607A (en) * 1975-12-24 1977-03-01 The Bendix Corporation Force measuring system including combined electrostatic sensing and torquing means
US4102202A (en) * 1976-11-26 1978-07-25 The Singer Company Electrostatic accelerometer
FR2454103A1 (fr) * 1979-04-11 1980-11-07 Sagem Perfectionnements aux accelerometres pendulaires asservis
US4584885A (en) * 1984-01-20 1986-04-29 Harry E. Aine Capacitive detector for transducers
US4932261A (en) * 1988-06-20 1990-06-12 Triton Technologies, Inc. Micro-machined accelerometer with tilt compensation
US5277053A (en) * 1990-04-25 1994-01-11 Litton Systems, Inc. Square law controller for an electrostatic force balanced accelerometer
US5122755A (en) * 1990-05-11 1992-06-16 New Sd, Inc. Capacitive position detector
EP0543901B1 (en) * 1990-08-17 1995-10-04 Analog Devices, Inc. Monolithic accelerometer
US5428352A (en) * 1992-01-06 1995-06-27 Motorola, Inc. Closed loop circuit for a differential capacitive sensor
US5343766A (en) * 1992-02-25 1994-09-06 C & J Industries, Inc. Switched capacitor transducer
FR2689627B1 (fr) * 1992-04-07 1997-06-20 Sextant Avionique Perfectionnement aux micro-capteurs pendulaires asservis.
US5325065A (en) * 1992-05-18 1994-06-28 Motorola, Inc. Detection circuit with dummy integrator to compensate for switch charge insection and amplifier offset voltage
EP0590658A1 (fr) * 1992-10-02 1994-04-06 CSEM, Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique S.A. Dispositif de mesure d'une force
FR2700614B1 (fr) * 1993-01-19 1995-04-14 Sextant Avionique Accéléromètre capacitif à circuit de correction de l'effet perturbateur de capacités parasites.
US5473946A (en) * 1994-09-09 1995-12-12 Litton Systems, Inc. Accelerometer using pulse-on-demand control
US5511420A (en) * 1994-12-01 1996-04-30 Analog Devices, Inc. Electric field attraction minimization circuit

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
H.Leuthold et al.,"An ASIC for High−resolution Capacitive Microaccelerometers",Sensors and Actuators,Netherlands,1990,Vol.21,No.1/3,p.278−281
Mark Van Paemel,"Interface Circuit for Capacitive Accelerometer",Sensors and Actuators,Netherlands,1989,Vol.17,No.3/4,p.629−637

Also Published As

Publication number Publication date
EP0718631A3 (en) 1998-04-08
EP0718631A2 (en) 1996-06-26
JPH08178955A (ja) 1996-07-12
US5612494A (en) 1997-03-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3216455B2 (ja) 容量型静電サーボ加速度センサ
JP3125675B2 (ja) 容量型センサインターフェース回路
JP3264884B2 (ja) 容量検出回路
EP0703459B1 (en) Capacitor type acceleration sensor
JP3262013B2 (ja) 容量型センサインターフェース回路
US6483322B2 (en) Capacitive physical quantity sensor
US4584885A (en) Capacitive detector for transducers
JP3216955B2 (ja) 容量式センサ装置
US5986497A (en) Interface circuit for capacitive sensor
US5661240A (en) Sampled-data interface circuit for capacitive sensors
US20080122457A1 (en) Capacitance difference detecting circuit
JP3265942B2 (ja) 微少容量検出回路
JP2007214958A (ja) 差動型スイッチドキャパシタcv変換回路
EP1424562B1 (en) Sensor capacity sensing apparatus and sensor capacity sensing method
US5744968A (en) Ratiometric circuit
JP2011107086A (ja) 静電容量検出回路、圧力検出装置、加速度検出装置、および、マイクロフォン用トランスデューサ
JP2972552B2 (ja) 容量型センサ用検出回路および検出方法
JP3804242B2 (ja) 静電サーボ式物理量検出装置
JP3282360B2 (ja) 容量型センサ
JP4272267B2 (ja) 静電容量型センサ回路
JP4269388B2 (ja) 容量式物理量検出装置
JP3189987B2 (ja) 容量型センサ
JPH07260510A (ja) 容量型センサ
JP3265807B2 (ja) 容量型センサ
JP3036680B2 (ja) 静電容量の変化を利用したセンサー用の信号処理回路

Legal Events

Date Code Title Description
FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080803

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080803

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090803

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090803

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100803

Year of fee payment: 9

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees