JP3581883B2 - 物理量センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、物理量センサに関し、特に、温度、力、歪み、質量、加速度、角加速度の如き物理量が加わっていないときの基準パルス幅を大きくとることができ、差動容量センサを構成する両時定数回路の対称性を満足して物理量の変化量および変化の向きを測定する物理量センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来例を図５を参照して説明する。
図５は物理量センサの検出部の基本構成を説明する図である。この物理量センサの検出部は円形固定基板１０を具備し、その一方の面には円形固定電極１１が形成されている。２０は円形可撓性基板であり、その一方の面には円形変位電極２６が形成されている。３０は円形可撓性基板２０の他方の面に形成され動作部材を示す。４０は物理量センサの検出部の筐体であり、円形固定基板１０はこの筐体４０に固定されると共に円形可撓性基板２０はその円形変位電極２６を円形固定電極１１に対向して円筒筐体４０に収容固定されている。
【０００３】
図６は円形可撓性基板２０の一方の面に形成される円形変位電極２６の正面図である。円形可撓性基板２０も、図示される通り円板状の基板であり、周囲は筐体４０に固定されている。この円形可撓性基板２０に形成される円形変位電極２６は、円周方向に相隣接して配列される扇状電極２１ないし扇状電極２４およびこれらの中心に相隣接して配置される円盤電極２５より成る。動作部材３０は図６に破線により示される如く断面円形の円柱であり、可撓性基板２０の他方の面に同軸的に接合されている。
【０００４】
ここで、可撓性基板２０は可撓性を有しており、応力が加わると撓みを生じる材料により構成されている。図５に示される如く、動作部材３０の重心を重心と定義し、重心を原点とする直角座標ＸＹＺを図の様に定義する。このセンサ全体を自動車に搭載したものとすると、動作部材３０には自動車の走行に基づいて加速度が加わることになり、この加速度に起因して重心に外力が作用する。重心に外力が作用していない状態においては、円形固定電極１１と円形変位電極２６とは所定間隔をおいて平行な状態を保持している。ところが、動作部材３０の重心にＸ軸方向の外力Ｆｘが作用すると、この外力Ｆｘは可撓性基板２０に対して回転モーメントを生ぜしめ、可撓性基板２０には図７に示される如き撓みが生ずる。この撓みにより、扇状電極２１と円形固定電極１１との間の間隔は増大するが、逆に扇状電極２３と円形固定電極１１との間の間隔は減少する。重心に作用した力が逆向きの−Ｆｘであると、これと逆の関係の撓みが生ずることになる。この様に、外力Ｆｘ或は外力−Ｆｘが作用したとき、扇状電極２１および扇状電極２３に関する静電容量に変化が生じ、この静電容量変化を電圧変化として検出することにより外力Ｆｘ或は外力−Ｆｘを検出することができる。Ｙ軸方向に外力Ｆｙ或は外力Ｆｙが作用した場合も同様である。Ｚ軸方向に外力Ｆｚ或は外力−Ｆｚが加わった場合、この円盤電極２５に関する静電容量の変化を検出することにより外力Ｆｚ或は外力−Ｆｚを検出することができる。
【０００５】
ところで、扇状電極２１と円形固定電極１１の組み合わせによりセンサ容量Ｃ１が構成され、扇状電極２２と円形固定電極１１の組み合わせによりセンサ容量Ｃ２が構成され、扇状電極２３と円形固定電極１１の組み合わせにより容量素Ｃ３が構成され、扇状電極２４と円形固定電極１１の組み合わせによりセンサ容量Ｃ４が構成され、扇状電極２５と円形固定電極１１の組み合わせによりセンサ容量Ｃ５が構成されるものとすると、これらを図８に示されるが如き信号処理回路に接続して物理量センサを形成し、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向それぞれの加速度を検出することができる
この図８において、扇状電極２１と円形固定電極１１との間の間隔の静電容量をセンサ容量Ｃ１とし、扇状電極２３と円形固定電極１１との間の間隔の静電容量をセンサ容量Ｃ３とすることにより外力Ｆｘ或は外力−Ｆｘを検出することができる。同様に、扇状電極２２と円形固定電極１１との間の間隔の静電容量をセンサ容量Ｃ２とし、扇状電極２４と円形固定電極１１との間の間隔の静電容量をセンサ容量Ｃ４とすることにより外力Ｆｙ或は外力−Ｆｙを検出することができる。
【０００６】
図８に示される物理量センサにおいては、センサ容量Ｃ１およびセンサ容量Ｃ３に、インバータ８１或は８２と抵抗素子８３或は８４を介して、単一のクロック電圧を印加する。点Ｘ６およびＸ７の信号は同じものになるが、それぞれのＣＲ遅延回路を通った点Ｘ８およびＸ９の信号は、ＣＲ遅延回路を構成する抵抗素子Ｒ１および抵抗素子Ｒ２の抵抗値の相違による特有の遅延時間だけ遅れた信号となる。図９は、図８に示される物理量センサの各点における信号波形を示す図である。ここで、点Ｘ６、Ｘ７における信号Ｘ６、Ｘ７に対して、点Ｘ８、Ｘ９における信号Ｘ８、Ｘ９は図９に図示される関係にあるものとする。信号Ｘ８は遅延時間Ｄ１だけ遅れを生じており、信号Ｘ９は遅延時間Ｄ３だけ遅れを生じている。この場合、ＥＸ．ＯＲ素子８５によって出力端子Ｔ６に出力される信号Ｔ６は、図９に示される期間Ｌだけハイレベルを示す信号になる。図５に示されるセンサに対して何らの外力も作用していない基準状態において、図９に図示される各信号が得られるものとする。従って、信号Ｔ６のハイレベル期間Ｌは、外力０に対応する値となる。
【０００７】
以上の状態において、センサに加速度が作用し、重心にＸ軸正方向の外力Ｆｘが作用すると、センサ容量Ｃ１の電極間隔は広がってセンサ容量Ｃ１の静電容量は減少する。逆に、センサ容量Ｃ３の電極間隔は狭くなってセンサ容量Ｃ３の静電容量は増加する。これは、図９において遅延時間Ｄ１が小さくなり、遅延時間Ｄ３が大きくなることに相当し、ハイレベル期間はＬ＋ΔＬとなる。
【０００８】
逆に、センサにＸ軸負方向の外力−Ｆｘが作用すると、ハイレベル期間はＬ−ΔＬとなる（以上、詳細は特開平５−３４６３５７号公報参照）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上の物理量センサは、上述した通り、加速度の如き物理量が加わっていないときのＥｘ．ＯＲ回路８５の出力パルス幅Ｌを基準として、加速度が加わったときの出力パルス幅がこの基準パルス幅Ｌより増大したか、或は減少したかを認識して印加された加速度の向きおよび大きさを知るものである。この様に、絶対値が小さい基準パルス幅は、信号処理回路を構成する各素子の特性の温度変化その他の種々の変化に対してより不安定なものとなる。
【００１０】
しかし、この物理量センサは、設計の都合上、ＣＲ遅延回路を構成する抵抗素子Ｒ１および抵抗素子Ｒ２の抵抗値を大きく異なるものとすることはできない。ＣＲ遅延回路の双方は対称的である方が信号処理に好適であるからである。従って、動作部材３０に加速度が加わっていないときのＥｘ．ＯＲ回路８５の出力パルス幅であるハイレベル期間Ｌは幅を大きくとることは困難である。そして、ＣＲ遅延回路の双方の対称性を満足すべく、抵抗素子Ｒ１および抵抗素子Ｒ２の抵抗値を等しく設定すると、基準パルス幅Ｌは極く狭いものとなって実質上０となるので、加速度その他の物理量の変化量は表現するが、物理量の初期値からの符号は検出することができない。
【００１１】
以上の問題は、センサのセンサ容量Ｃ１或はセンサ容量Ｃ３の何れか一方に並列に容量Ｃｘを加えることにより解消することができる。しかし、この場合も、加えられた容量Ｃｘは温度変化その他の種々の変化に影響される。更に、容量Ｃｘを加えた側の出力波形は、加えない側の出力波形に対して歪みを生じる。歪みが大きい場合、物理量の精密な検出測定を実施することができない。
【００１２】
この発明は、加速度の如き物理量が加わっていないときの基準パルス幅を大きくとり、差動容量センサを構成する両時定数回路の対称性を満足せしめて物理量の変化量および変化の向きを測定する物理量センサを提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
一方の面に円形固定電極１１が形成される円形固定基板１０を有し、円形固定電極１１に対向する面に円形変位電極２６が形成されると共に他方の面に動作部材が形成される円形可撓性基板２０を有し、円形変位電極２６は円周方向に相隣接して配列される扇状電極２１ないし２４より成り、これら扇状電極はそれぞれ円形固定電極１１との間にセンサ容量Ｃ１およびＣ２を形成しており、径方向に配置されるセンサ容量対の扇状電極をセンサ容量電極Ａ、Ｂとする差動容量センサを具備し、同一繰り返し周波数の位相差π／ｎの波形φ１およびφ２を発生出力する位相差発振器７７を具備し、一方のセンサ容量Ｃ１のセンサ容量電極Ａにインバータ８１および抵抗素子Ｒ１を介して一方の波形φ１を印加すると共に他方のセンサ容量Ｃ２のセンサ容量電極Ｂにインバータ８２および抵抗素子Ｒ２を介して他方の波形φ２を印加し、センサ容量Ｃ１、Ｃ２と抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の共通接続点をそれぞれ排他的論理和回路８５の入力に接続する物理量センサを構成した。
【００１４】
そして、位相差発振器７７の発生出力する波形は方形波、三角波或は正弦波である物理量センサを構成した。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図１および図２を参照して説明する。図１はこの発明のブロック図であり、図２はそのタイミングチャートである。
７７は位相差発振器であり、図２（ａ）に示される同一の繰り返し周波数の位相差１／ｎπの方形波φ１および方形波φ２を発生する。位相差発振器７７の発振出力波形としては、方形波の他に、三角波、正弦波とすることができる。
【００１６】
ここで、差動容量センサの一方を構成するセンサ容量Ｃ１のセンサ容量電極Ａにインバータ８１および抵抗素子Ｒ１を介して方形波φ１を印加すると共に、差動容量センサの他方を構成するセンサ容量Ｃ２のセンサ容量電極Ｂにインバータ８２および抵抗素子Ｒ２を介して方形波φ２を印加する。センサ容量電極Ａおよびセンサ容量電極Ｂに対向する共通電極は共に接地している。センサ容量Ｃ１、Ｃ２と抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の共通接続点をそれぞれ排他的論理和回路（Ｅｘ．ＯＲ）８５の入力に接続する。差動容量センサの一方を構成するセンサ容量Ｃ１とこれに直列接続する抵抗Ｒ１より成る時定数回路、および差動容量センサの他方を構成するセンサ容量Ｃ２とこれに直列接続する抵抗Ｒ２より成る時定数回路により、図２（ｂ）に示される充放電波形が得られる。実線は加速度の如き物理量が印加されていない場合の波形を示し、鎖線は物理量が印加されて位相変化した場合の波形を示している。この時のセンサ容量電極Ａの電極電圧およびセンサ容量電極Ｂの電極電圧はほぼ等しく、これをＶ_Ｃ とすると、これは式（１）により表わされる。
【００１７】
Ｖ_Ｃ ＝（Ｖ_１ −Ｖ_２ ）ｌ_ｘｐ（−ｔ／ＣＲ）＋Ｖ_２ （１）
ここで、Ｖ_１ 電極の初期電圧、Ｖ_２ は電極の終止電圧を示す。ｔは充電或は放電時間を示す。センサ容量Ｃ１およびセンサ容量Ｃ２は等しく設定してこれをＣとする。抵抗素子Ｒ１および抵抗素子Ｒ２は等しく設定してこれをＲとする。初期電圧Ｖ_１ および終止電圧Ｖ_２ が後段の検出回路１００に対して適切な電圧となる様にｔおよびＲを設定する。例えば、Ｖ_１ ＝１．５Ｖ、Ｖ_２ ＝３．５Ｖの場合に、ｔ／ＣＲ＝０．Ｒ２７程度に設定すると好適である。ここで、方形波のデューティ比０．５の場合、その周波数ｆ_０ は式（２）の通りになる。
【００１８】
ｆ_０ ＝１／２ｔ （２）
ここで、この発明の物理量センサの動作を図２をも参照して更に詳細に説明する。
差動容量センサの一方を構成するセンサ容量Ｃ１の電極Ａに抵抗素子Ｒ１を介して方形波φ１を印加すると共に、差動容量センサの他方を構成するセンサ容量Ｃ２の電極Ｂに抵抗素子Ｒ２を介して位相差θだけ進相した方形波φ２を印加する。
【００１９】
図２（ｂ）を参照するに、Ａはセンサ容量Ｃ１および抵抗素子Ｒ１により構成される時定数回路のセンサ容量電極Ａの充放電電圧特性を示し、Ｂはセンサ容量Ｃ２および抵抗素子Ｒ２により構成される時定数回路のセンサ容量電極Ｂの充放電電圧特性を示す。実線は物理量の定常状態にある時の充放電電圧特性を示す。なお、これら充放電電圧特性は何れも定常状態に到達したものを示している。
【００２０】
ここで、センサ容量Ｃ１は正の物理量変化により容量が増加する一方、センサ容量Ｃ２は正の物理量変化により容量が減少するものとする。この場合、容量が増加するセンサ容量Ｃ１側の時定数回路の時定数ＲＣ２は物理量の定常状態にあるときの時定数ＲＣと比較して増加し、容量が減少するセンサ容量Ｃ２側の時定数回路の時定数ＲＣ２は物理量の定常状態にあるときの時定数ＲＣと比較して減少する。
【００２１】
図２（ｂ）Ａの場合、鎖線により示される充放電電圧特性は、その時定数ＲＣ１が実線により示される充放電電圧特性の時定数ＲＣと比較してより大であるのでその分だけ平坦化され、物理量の定常状態であるときと比較して最大電圧は低くなると共に零交差点は遅延方向にずれる。このずれの量はセンサ容量Ｃ１の増加、即ち物理量の増加に比例する。図２（ｂ）Ｂの場合は、鎖線により示される充放電電圧特性の時定数ＲＣ２は実線により示される充放電電圧特性の時定数ＲＣと比較して小となる。従って、今度は物理量の定常状態であるときの充放電電圧特性の方が逆に平坦であり、最大電圧はより低くなると共に零交差点は進相方向である左方にずれる。このずれの量はセンサ容量Ｃ２の減少、即ち物理量の負の方向の増加に比例する。
【００２２】
検出回路１００を図８と同様に構成すると、最終段Ｅｘ．ＯＲ回路に入力される電圧は図２（ｃ）Ａ’の鎖線により示される矩形波、およびＢ’の鎖線により示される矩形波となる。これらは、それぞれ、図２（ｂ）の充放電波形Ａおよび充放電波形Ｂを波形処理して得られたものである。
結局、図２（ｄ）の鎖線により示される矩形波がＥｘ．ＯＲ回路の出力であることになる。このＥｘ．ＯＲ回路の矩形波出力のパルス幅は、実線により示される物理量の定常状態であるときの矩形波出力のパルス幅を左右に同様に拡大したものに相当する。このパルス幅の増大は物理量の変化量を反映すると共にその向きをも反映する。
【００２３】
以上の動作説明はセンサ容量Ｃ１は正の物理量変化により容量が増加し、センサ容量Ｃ２は正の物理量変化により容量が減少した場合の動作説明であったが、今度は負の物理量変化によりセンサ容量Ｃ１の容量が減少し、センサ容量Ｃ２の容量が増大する場合の動作説明をする。
この場合、センサ容量Ｃ１および抵抗素子Ｒ１により構成される時定数回路において図２（ｃ）Ｂ’の鎖線により示される矩形波が得られる一方、センサ容量Ｃ２および抵抗素子Ｒ２により構成される時定数回路において図２（ｃ）Ａ’の鎖線により示される矩形波が得られる。Ｅｘ．ＯＲ回路の矩形波出力は、図２（ｅ）の鎖線により示されるものとなる。このＥｘ．ＯＲ回路の矩形波出力のパルス幅は、実線により示される物理量の定常状態であるときの矩形波出力のパルス幅を左右に同様に縮小したものに相当する。このパルス幅の縮小は物理量の変化量を反映すると共にその向きをも反映する。
【００２４】
位相差発振器７７の発振出力する方形波φ１と方形波φ２との間の位相差θをθ＝π／２とすると、物理量が定常状態であるときのＥｘ．ＯＲ回路の出力矩形波のデューティ比は０．５となる。位相差θをこの様に設定することにより、デューティ比が０．５より増大したか、或は減少したかに対応して物理量の正負の極性を容易に判別することができる。
【００２５】
以下、この発明において使用される位相差発振器の例を簡単に説明する。
図３はπ／２の位相差発振器の例を示す。この位相差発振器は、クロック発生器ＣＫとこれによりクロックされるカスケード接続した２個のフリップフロップＦＦ１およびＦＦ２より成る。クロックパルスＣＫが入力されると、ＦＦ１のＱ１バー出力であるＤ１入力はＦＦ１のＱ１出力に保持される。次のクロックパルスＣＫが入力されると、先のクロックパルス入力のときと同様にＦＦ１のＱ１バー出力であるＤ１入力はＦＦ１のＱ１出力に保持されると共に、先のクロックパルス入力のときにＦＦ１のＱ１出力に保持されたデータはＦＦ２のＱ２出力に保持されるに到る。即ち、ＦＦ２のＱ２出力は、ＦＦ１がＱ１出力に保持出力したタイミングより１発分だけ遅延して出力したものに相当する。
【００２６】
図４は一般的なπ／ｎの位相差発振器の例を示すが、これに次いての具体的な説明は省略する。
【００２７】
【発明の効果】
以上の通りであって、この発明の物理量センサは、物理量が加わっていないときの基準パルス幅を大きくとることができ、差動容量センサを構成する両時定数回路の対称性を満足して物理量の変化量および変化の向きの測定を精度よく実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例を説明するブロック図。
【図２】実施例のタイミングチャートである。
【図３】位相差発振器を説明する図。
【図４】位相差発振器を説明する図。
【図５】物理量センサの検出部の従来例の断面を示す図。
【図６】図５の円形変位電極の正面図。
【図７】図６の円形変位電極の変位したところを示す図。
【図８】物理量センサの従来例を示す図。
【図９】従来例のタイミングチャート。
【符号の説明】
１１ 円形固定電極
１０ 円形固定基板
２０ 円形可撓性基板
２１ないし２４ 扇状電極
２６ 円形変位電極
８１ インバータ
８２ インバータ
８５ 排他的論理和回路
Ａ、Ｂ センサ容量電極
Ｃ１、Ｃ２ センサ容量
Ｒ１ 抵抗素子
Ｒ２ 抵抗素子
７７ 位相差発振器

Claims (2)

1. 一方の面に円形固定電極が形成される円形固定基板を有し、円形固定電極に対向する面に円形変位電極が形成されると共に他方の面に動作部材が形成される円形可撓性基板を有し、円形変位電極は円周方向に相隣接して配列される扇状電極より成り、これら扇状電極はそれぞれ円形固定電極との間にセンサ容量を形成しており、径方向に配置されるセンサ容量対の扇状電極をセンサ容量電極とする差動容量センサを具備し、
   同一繰り返し周波数の位相差π／ｎの波形を発生出力する位相差発振器を具備し、
   一方のセンサ容量のセンサ容量電極Ａにインバータおよび抵抗素子を介して一方の波形を印加すると共に他方のセンサ容量のセンサ容量電極にインバータおよび抵抗素子を介して他方の波形を印加し、センサ容量と抵抗素子の共通接続点をそれぞれ排他的論理和回路の入力に接続することを特徴とする物理量センサ。
2. 請求項１に記載される物理量センサにおいて、
   位相差発振器の発生出力する波形は方形波、三角波或は正弦波であることを特徴とする物理量センサ。

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