JP3491234B2 - 静電トルカ型加速度計 - Google Patents

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、静電トルカ型加
速度計に関し、特に、加速度計の使用者が使用目的に対
応して加速度計の測定範囲を設定すると共に限定された
供給電圧条件において広い測定範囲を有する静電トルカ
型加速度計に関する。に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】静電トルカ型加速度計は、加速度の印加
に対応して変位する板状のペンデュラムの両面に可動電
極を形成し、このペンデュラムの両面の可動電極に数μ
ｍ〜数１０μｍの僅かの隙間を保持し対向して形成され
る固定電極板、そして静電トルカを有している。静電ト
ルカ型加速度計に対して外部から加えられた加速度によ
るペンデュラムの変位を、可動電極と固定電極の間に形
成される両キャパシタの静電容量の差として検出し、そ
の検出した電圧信号を以上の２組の可動電極と固定電極
の間の差電圧に変換してこれを静電トルカに印加するこ
とにより、ペンデュラムを中立位置に戻す方向の駆動力
を発生するフィードバックループを形成する。

【０００３】静電トルカ型加速度計の従来例を図２を使
用して具体的に説明する。ペンデュラム１の両面に形成
される合計４枚のペンデュラム可動電極Ｐ_D の電位をす
べて接地電位とし、ピックオフ固定電極Ｐ₁ およびピッ
クオフ固定電極Ｐ ₂ とこれらに対向するペンデュラム可
動電極Ｐ_D の間に発振器３の発振する数１００ＫＨｚ〜
数ＭＨｚの発振電圧を印加する。そして、ピックオフ固
定電極Ｐ₁とペンデュラム可動電極Ｐ_D により形成され
る静電容量とピックオフ固定電極Ｐ ₂ とペンデュラム可
動電極Ｐ_D により形成される静電容量の差を、静電容量
検出回路５により電圧出力として取り出す。

【０００４】ペンデュラム１はヒンジ１２を介して枠体
２３に連結している。枠体２３には上側電極基板２１と
下側電極基板２２が固定されている。ピックオフ固定電
極Ｐ ₁ とトルカ固定電極Ｐ₃ は上側電極基板２１の下面
に形成され、ピックオフ固定電極Ｐ₂ とトルカ固定電極
Ｐ₄ は下側電極基板２２の上面に形成されている。ここ
で、ペンデュラム１がΔｘ変位すると、ピックオフ固定
電極Ｐ₁ とペンデュラム可動電極Ｐ_D より成るキャパシ
タの静電容量とピックオフ固定電極Ｐ₂ とペンデュラム
可動電極Ｐ_D より成るキャパシタの静電容量は変化し、
静電容量検出回路５がペンデュラム１の変位に比例した
電圧Δｖを発生出力する。この静電容量検出回路５から
取り出された電圧出力Δｖを２分岐し、一方はそのまま
第１の差動増幅器６１の反転入力端に入力すると共に、
他方は反転器６２１を介して出力を反転させてから第２
の差動増幅器６２の反転入力端に入力する。そして、第
１の差動増幅器６１および第２の差動増幅器６２の非反
転入力端には基準電圧電源４から基準電圧Ｅが印加され
ている。従って、第１の差動増幅器６１は基準電圧Ｅと
電圧出力Δｖの差を増幅してＡ（Ｅ−Δｖ）を出力し、
これをトルカ固定電極Ｐ₄ に印加する。第２の差動増幅
器６２は基準電圧＋Ｅと電圧出力Δｖの和を増幅してＡ
（Ｅ＋Δｖ）を出力し、これをトルカ固定電極Ｐ₃ に印
加する。これにより、ペンデュラム可動電極Ｐ_D とトル
カ固定電極Ｐ₄ の間の吸引力Ｆ₂は Ｆ₂ ＝α（Ａ（Ｅ−Δｖ））² ／｛２（Ｘ＋Δｘ）² ｝…………（１） 一方、ペンデュラム可動電極Ｐ_D とトルカ固定電極Ｐ₃ との間の吸引力Ｆ₁ は、 Ｆ₁ ＝α（Ａ（Ｅ＋Δｖ））² ／｛２（Ｘ＋Δｘ）² ｝…………（２） となる。

【０００５】なお、αは構成されるキャパシタの誘電率
と電極面積により決定する係数であり、Ｘはペンデュラ
ム１が下側固定電極基板２１と上側固定電極基板２２の
中間にあるときのペンデュラム可動電極Ｐ_D と固定電極
の電極間距離を示す。また、ＥとΔｖは常にＥ≧Δｖと
なるように設定される。これは、Δｖが増加し、Ｅ＝Δ
ｖからＥ＜Δｖとなったときに、吸引力Ｆ₂ の変化が不
連続となって加速度検出が不良となるからである。ここ
で、フィードバックタイプの静電トルカ型加速度計は、
トルカによりペンデュラム１の変位量を極く小さく抑え
る構成とされているので、Δｘ≪Ｘとすることができる
ので、トルカによる発生力Ｆ_t は、 Ｆ_t ＝Ｆ₁ −Ｆ₂ ＝２αＡ² ＥΔｖ／Ｘ² …………（３） となる。

【０００６】静電トルカ型加速度計の場合、このトルカ
による発生力Ｆ_t を加速度の印加によりペンデュラム１
に働く力に対抗させるので、Ｆ_t の大きさに応じて加速
度の測定範囲は変化する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】通常、静電トルカ型加
速度計により検出された加速度は、電圧値として出力さ
れる。この電圧出力は加速度計の最大電圧出力の範囲内
に制限されるので、加速度計の測定範囲を大きくすると
単位加速度あたりの出力電圧（Scale Factor）は小さく
なる。出力電圧を測定する加速度測定においては、Scal
e Factorが小さいと微小加速度の測定結果は微小電圧と
なり、測定が困難になる。従って、良好な加速度測定結
果を得るには、加速度計の測定範囲は使用目的に応じて
必要充分な範囲に設定することが必要である。しかし、
従来の静電トルカ型加速度計においては、その測定範囲
は製造時に予め設定された値のものを使用するしか方法
がなく、使用目的に応じて使用者が最適な値に変更する
ことはできい。

【０００８】以上の従来例においても、静電トルカの発
生力を変更することにより測定範囲を変更する方法を採
用することは考えられる。この場合、式（３）を参照す
るに、Ａ、Ｅ、Δｖを変更することが考えられる。しか
し、Ａを変更することは差動増幅器のゲイン変更を実施
することであり、これを変更した場合、バイアスの増加
その他の出力特性に悪影響を及ぼすところから、使用者
側が容易に変更することができる設計をすることはでき
ない。基準電圧Ｅと静電容量検出出力電圧Δｖについて
は、Ｅ≧Δｖの関係を維持しなければならないので、使
用者が簡単に変更することができる設計をすることはで
きない。

【０００９】以上の通り、従来の静電トルカ型加速度計
は、使用者側で使用条件にあった最適な測定範囲に容易
に変更設定することができないという問題を有する。そ
して、静電トルカ型加速度計の測定範囲を広げるには、
静電トルカの発生力を大きくする必要がある。静電トル
カの発生力を大きくする方法として、式（３）を参照す
るに、Ａ、Ｅ、Δｖを大きくすることが考えられる。但
し、従来の静電トルカ型加速度計の場合、Ａ、Ｅ、Δｖ
の何れを増大しても、差動増幅器６１および６２の最大
出力電圧による限界を生ずる。大電圧出力の差動増幅器
を使用することにより測定範囲を拡大することはできる
が、この場合、出力に見合った供給電圧が必要であり、
且つ、消費電流も大きくなる。

【００１０】静電トルカ型加速度計の通常使用状態にお
いて、供給電源はバッテリを使用したり、加速度計を含
む装置全体に使用する電源の一部を加速度計に割り当て
使用したりするので、加速度計自体が使用することがで
きる電圧と電流には制限がある。単に差動増幅器の供給
電圧を上げるだけであれば、昇圧回路を使用して電圧を
上げることはできるが、昇圧された電圧で流すことがで
きる電流は、元の電圧で供給することができる電流より
低下する。従って、大きな電流容量を必要とする大電圧
出力の増幅器を昇圧回路で駆動するということは、限ら
れた供給電源条件の下で実施することはできない。

【００１１】この発明は、上述の問題を解消した加速度
計の使用者が使用目的に対応して加速度計の測定範囲を
設定すると共に限定された供給電圧条件において広い測
定範囲を設定する静電トルカ型加速度計を提供するもの
である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１：加速度により
変位する板状のペンデュラム１の上下両面に対応してピ
ックオフ可動電極ＰＤ１、ＰＤ２を形成すると共にこれ
らピックオフ可動電極に間隙を有して対向するピックオ
フ固定電極ＰＤＳ１、ＰＤＳ２を形成し、ペンデュラム
１の上下両面に対応して更にトルカ可動電極ＴＯ１、Ｔ
Ｏ２を形成すると共にこれらトルカ可動電極に間隙を有
して対向するトルカ固定電極ＴＯＳ１、ＴＯＳ２を形成
し、ピックオフ可動電極ＰＤ１、ＰＤ２とピックオフ固
定電極ＰＤＳ１、ＰＤＳ２の間に形成される静電容量の
差に基づいてペンデュラム１の変位に比例する検出信号
を発生する静電トルカ型加速度計において、

【００１３】 内部回路定数の変更或は外部制御信号に
より昇圧比を調整設定する構成を有する昇圧回路を具備
し、トルカ可動電極ＴＯ１、ＴＯ２の双方にはペンデュ
ラム１の変位に比例する検出信号を印加し、トルカ固定
電極ＴＯＳ１、ＴＯＳ２の双方には昇圧回路を介して上
昇した供給電源電圧を印加して、ペンデュラム１を中立
位置に戻すフィードバックループを形成する静電トルカ
型加速度計を構成した。

【００１４】 そして、請求項２：請求項１に記載され
る静電トルカ型加速度計において、ヒンジ１２を介して
ペンデュラム１を連結する枠体２３を具備し、枠体２３
に固定される上側電極基板２１および下側電極基板２２
を具備し、ピックオフ固定電極ＰＤＳ１、ＰＤＳ２およ
びトルカ固定電極ＴＯＳ１、ＴＯＳ２を上側電極基板２
１の下面および下側電極基板２２の上面に形成した静電
トルカ型加速度計を構成した。 また、請求項３：請求項１および請求項２の内の何れか
に記載される静電トルカ型加速度計において、ピックオ
フ固定電極の双方に接続してこれらに発振電圧を印加す
る発振器を具備し、ピックオフ固定電極の双方に接続し
てピックオフ可動電極とピックオフ固定電極の間に形成
される静電容量の差に基づいてペンデュラムの変位に比
例する検出信号を発生する静電容量検出回路を具備する
静電トルカ型加速度計を構成した。

【００１５】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図１の実
施例を参照して説明する。１は加速度の印加に対応して
変位する板状のペンデュラムである。ペンデュラム１の
上面には第１のピックオフ可動電極Ｐ_D1および第１のト
ルカ可動電極Ｔ_O1が形成されると共に、このペンデュラ
ム１の下面には第１のピックオフ可動電極Ｐ_D1に対応す
る第２のピックオフ可動電極Ｐ_D2および第１のトルカ可
動電極Ｔ_O1に対応する第２のトルカ可動電極Ｔ_O2が形成
されている。ペンデュラム１は合成石英ガラス、溶融石
英ガラスの如き絶縁材料を原材料基板として枠体２３と
共に一体に形成されている。１２はペンデュラム１を枠
体２３に機械的に連結するヒンジである。

【００１６】２１は上側電極基板、２２は下側電極基板
であり、製造の最終段階において枠体２３を介して両者
一体に結合される。上側電極基板２１の下面には、第１
のピックオフ可動電極Ｐ_D1に対向する第１のピックオフ
固定電極Ｐ_DS1 が形成されると共に、第１のトルカ可動
電極Ｔ_O1に対向する第１のトルカ固定電極Ｔ_OS1 が形成
されている。下側電極基板２２の上面には、第２のピッ
クオフ可動電極Ｐ_D2に対向する第２のピックオフ固定電
極Ｐ_DS2 が形成されると共に、第２のトルカ可動電極Ｔ
_O2に対向する第２のトルカ固定電極Ｔ_OS2 が形成されて
いる。

【００１７】第１のピックオフ可動電極Ｐ_D1および第２
のピックオフ可動電極Ｐ_D2の双方共に接地され、第１の
ピックオフ固定電極Ｐ_DS1 および第２のピックオフ固定
電極Ｐ_DS2 は双方共に発振器３に接続して発振電圧が印
加されている。ペンデュラム１に外部から加速度が印加
されると、ペンデュラム１は加えられた加速度に対応し
て上向き或いは下向きにΔｘだけ変位する。ペンデュラ
ム１がΔｘだけ変位すると、第１のピックオフ可動電極
Ｐ_D1と第１のピックオフ固定電極Ｐ_DS1 により形成され
るキャパシタの静電容量と、第２のピックオフ可動電極
Ｐ_D2と第２のピックオフ固定電極Ｐ_DS2 により形成され
るキャパシタの静電容量との間に差が生ずる。キャパシ
タの静電容量の差に起因して、この両キャパシタの発振
出力の間に変化が生ずる。この変化を静電容量検出器５
に供給して読み取り、ペンデュラム１の変位Δｘに比例
した電圧Δｖを出力する。この静電容量検出器５の電圧
出力Δｖを増幅器６に入力し、増幅した出力電圧ＡΔｖ
を第１のトルカ可動電極Ｔ_O1および第２のトルカ可動電
極Ｔ_O2に印加する。

【００１８】 ここで、静電トルカ型加速度計に対する
供給電源電圧（＋Ｖ、−Ｖ）を昇圧回路７で昇圧し、電
源変動を電圧安定回路８で安定させた電圧＋Ｅを第１の
トルカ固定電極Ｔ_OS1 に印加すると共に、電圧出力−Ｅ
を第２のトルカ固定電極Ｐ _OS2 に印加する。これによ
り、第２のトルカ可動電極Ｔ_O2と第２のトルカ固定電極
Ｔ_OS2 との間の吸引力Ｆ₂ は、 Ｆ₂ ＝α（ＡΔｖ−Ｅ）² ／｛２（Ｘ＋Δｘ）² ｝……
……（４） 第１のトルカ可動電極Ｔ_O1と第１のトルカ固定電極Ｔ
_OS1 との間の吸引力Ｆ₁ は、Ｆ₁ ＝α（ＡΔｖ＋Ｅ）²
／｛２（Ｘ＋Δｘ）² ｝…………（５）ここで、フィー
ドバックタイプの加速度計の特徴として、トルカにより
ペンデュラム１の変位量を極く小さく抑制しているので
Δｘ≪Ｘが成り立ち、トルカによる発生力Ｆ_t は、 Ｆ_t ＝Ｆ₁ −Ｆ₂ ＝２αＡＥΔｖ／Ｘ² …………（６） となる。

【００１９】

【発明の効果】以上の通りであって、この発明によれ
ば、加速度計の使用者が使用目的に対応して加速度計の
測定範囲を設定すると共に限定された供給電圧条件にお
いて広い測定範囲を設定する静電トルカ型加速度計を提
供することができる。即ち、静電トルカ型加速度計の測
定範囲を変更するには、式（６）を参照するに、電気的
に静電トルカの発生力を変更する方法として、Ａ、Ｅ、
Δｖを変えることが挙げられる。この内のＥの電圧値に
ついては、使用条件に合わせて昇圧回路７により任意に
昇圧して使用することができ、加速度計の測定範囲を使
用目的に適合した適切な大きさに設定することができ
る。

【００２０】そして、昇圧回路７による電圧設定は、内
部回路のコンデンサを調整設定してキャパシタンスを使
用者が切り換え、或はマイクロプロセッサを装備した制
御回路により昇圧回路７を外部から入力される指令によ
り変更することにより、加速度計の使用者が使用条件に
適合した加速度測定範囲を設定をすることができる。ま
た、加速度測定範囲を拡大して使用することも、使用す
る電源の制限に関わらず容易に実施することができる。
例えば、加速度計の電源として商用電源が得られない場
所においては、±１２Ｖ出力のバッテリを使用する。こ
の場合、供給電源電圧±１２Ｖに対して、増幅器６の増
幅出力ＡΔｖは最大１１. ８Ｖ程度までしか出力するこ
とができない。しかし、第１のトルカ固定電極Ｔ_OS1 お
よび第２のトルカ固定電極Ｔ_OS2 には電流は殆んど流れ
ないので、電源の供給電流制限が存在してもバッテリの
供給電圧を加速度計の内部の昇圧回路７により、例えば
±２４Ｖ迄昇圧して使用することができ、±Ｅは±２４
Ｖとすることができる。この場合、電源の制約を殆ど受
けずに±Ｅを±１２Ｖと±２４Ｖとすることができ、加
速度の測定範囲を簡単に２倍にすることができる。

【００２１】更に、昇圧回路による電圧の変更は、昇圧
回路のコンデンサの変更、或いは昇圧回路によってはデ
ジタル信号による指示入力によって変更が可能であるの
で、使用条件に合わせて容易に、使用者側で変更して使
用することができる。また、トルカ固定電極の印加電圧
は、基本的に殆ど電流を消費しないので、適当な昇圧回
路を使用して大きく設定しても電流容量に不足を来す恐
れはない。従って、バッテリを使用し或いは静電トルカ
型加速度計において割り振られる如く供給条件に制限の
ある電源を使用していても、トルカ固定電極の印加電圧
を加速度計内部で昇圧して、容易に測定範囲を変更、拡
大することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例を説明する図。

【図２】従来例を説明する図。

【符号の説明】

１ ペンデュラム １２ ヒンジ ２１ 上側電極基板 ２２ 下側電極基板 ２３ 枠体 ３ 発振器 ５ 静電容量検出器 ６ 増幅器 ７ 昇圧回路 ８ 電圧安定回路 ＋Ｅ、−Ｅ 安定させた電圧 Ｐ_D1 第１のピックオフ可動電極 Ｐ_D2 第２のピックオフ可動電極 Ｔ_O1 第１のトルカ可動電極 Ｔ_O2 第２のトルカ可動電極 Ｐ_DS1 第１のピックオフ固定電極 Ｐ_DS2 第２のピックオフ固定電極 Ｔ_OS1 第１のトルカ固定電極 Ｔ_OS2 第２のトルカ固定電極 ＋Ｖ、−Ｖ 供給電源電圧

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01P 15/13

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加速度により変位する板状のペンデュラ
   ムの上下両面に対応してピックオフ可動電極を形成する
   と共にこれらピックオフ可動電極に間隙を有して対向す
   るピックオフ固定電極を形成し、ペンデュラムの上下両
   面に対応して更にトルカ可動電極を形成すると共にこれ
   らトルカ可動電極に間隙を有して対向するトルカ固定電
   極を形成し、ピックオフ可動電極とピックオフ固定電極
   の間に形成される静電容量の差に基づいてペンデュラム
   の変位に比例する検出信号を発生する静電トルカ型加速
   度計において、内部回路定数の変更或は外部制御信号により昇圧比を調
   整設定する構成を有する昇圧回路を具備し、 トルカ可動電極の双方にはペンデュラムの変位に比例す
   る検出信号を印加し、トルカ固定電極の双方には昇圧回
   路を介して昇圧された供給電源電圧を印加して、ペンデ
   ュラムを中立位置に戻すフィードバックループを形成す
   ることを特徴とする静電トルカ型加速度計。
2. 【請求項２】 請求項１に記載される静電トルカ型加速
   度計において、 ヒンジを介して板状のペンデュラムを連結する枠体を具
   備し、 枠体２３に固定される上側電極基板および下側電極基板
   を具備し、 ピックオフ固定電極およびトルカ固定電極を上側電極基
   板の下面および下側電極基板の上面に形成したことを特
   徴とする静電トルカ型加速度計。
3. 【請求項３】 請求項１および請求項２の内の何れかに
   記載される静電トルカ型加速度計において、 ピックオフ固定電極の双方に接続してこれらに発振電圧
   を印加する発振器を具備し、 ピックオフ固定電極の双方に接続してピックオフ可動電
   極とピックオフ固定電極の間に形成される静電容量の差
   に基づいてペンデュラムの変位に比例する検出信号を発
   生する静電容量検出回路を具備することを特徴とする静
   電トルカ型加速度計。