JP3804242B2

JP3804242B2 - 静電サーボ式物理量検出装置

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Publication number: JP3804242B2
Application number: JP00488798A
Authority: JP
Inventors: 林野々山; 重徳山内
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-01-13
Filing date: 1998-01-13
Publication date: 2006-08-02
Anticipated expiration: 2018-01-13
Also published as: JPH11201850A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物理量に応じて変化する差動容量を用いた静電サーボ式の物理量検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、加速度センサ、圧力センサ、ヨーレートセンサなどにおいて、センサの温度特性や非直線性を改善するために、静電気力によるサーボ制御を行う静電サーボ式の容量センサが種々提案されている。例えば、特公平６−４４００８号公報、米国特許第５，３４３，７６６号明細書には、静電サーボ式の加速度センサが開示されている。
【０００３】
このような静電サーボ式の容量センサにおいては、物理量の変化に応じて変位する可動電極と、可動電極に対向して配置された一対の固定電極を備え、可動電極と一対の固定電極からなる差動容量の容量変化を検出し、その検出出力に基づき可動電極を所定の位置に保持するように可動電極への印加信号をサーボ制御するようにしている。
【０００４】
この場合、差動容量の容量変化を検出するために、両固定電極には、搬送波信号が印加される。例えば、特公平６−４４００８号公報には、互いに逆相で中心電圧が異なる搬送波信号を両固定電極に印加するとともに、差動容量の容量変化に基づく出力電圧を可動電極にフィードバックして、可動電極と両固定電極に働く静電気力を制御することによりサーボをかけるようにしたものが開示されている。また、米国特許第５，３４３，７６６号明細書には、チャージアンプの出力を増幅して可動電極に印加するとともに、一方の固定電極には基準電圧とチャージアンプの出力を増幅した電圧を、他方の固定電極にはＧＮＤとチャージアンプの出力を増幅した電圧を交互に印加するようにしたものが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来のものにおいては、中心電圧が異なる搬送波信号を両固定電極に印加するようにしているため、可動電極に印加するフィードバック電圧の動作範囲外に、搬送波信号の中心値を設定する必要がある。このため、搬送波信号の振幅が小さくならざるを得なくなる。容量変化の検出感度は搬送波信号の振幅に比例するため、搬送波信号の振幅が小さいと検出感度が低く、Ｓ／Ｎ比が悪いという問題がある。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みたもので、高感度のサーボ制御を可能とする静電サーボ式物理量検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１乃至５に記載の発明においては、電圧レベルが変化する第１の期間と所定電圧レベルの第２の期間を有する第１の搬送波信号を第１の固定電極（３）に印加し、第１の搬送波信号に対し電圧レベルが反転した第２の搬送波信号を第２の固定電極（４）に印加するようにし、第１の期間においてＣ−Ｖ変換回路（２１）から容量変化に応じた電圧が出力され、第２の期間において信号処理回路（２２）から出力されるフィードバック電圧が可動電極（２ｄ）に印加されるようにしたことを特徴としている。
【０００８】
このようにＣ−Ｖ変換を行う期間とサーボ制御を行う期間を分けることによって、第１、第２の固定電極に印加する搬送波信号の中心電圧を異ならせる必要がなく、搬送波信号の振幅を大きくすることができる。従って、Ｃ−Ｖ変換の感度が上がり、高感度のサーボ制御を行うことができる。
また、請求項６に記載の発明においては、第１の電圧レベルとなる期間と第２の電圧レベルとなる期間が異なった第１の搬送波信号を第１の固定電極（３）に印加し、第１の搬送波信号に対し電圧レベルが反転した第２の搬送波信号を第２の固定電極（４）に印加するようにし、第１の電圧レベルとなる期間と第２の電圧レベルとなる期間の差の期間において信号処理回路（２２）から出力されるフィードバック電圧により可動電極（２ｄ）のサーボ制御が行われるようにしたことを特徴としている。
【０００９】
この発明においてもＣ−Ｖ変換を行う期間とサーボ制御を行う期間を分けることができるため、上記したのと同様、第１、第２の固定電極に印加する搬送波信号の中心電圧を異ならせる必要がないため、搬送波信号の振幅を大きして高感度のサーボ制御を行うことができる。
なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、サーボ式加速度センサにおけるセンサ部の模式的構成を示す。このセンサ部は、センサエレメント１０および検出回路２０から構成されている。
センサエレメント１０は、梁構造体２を有する構造になっており、この梁構造体２は、梁構造体２を基板１の上面に固定するための４つのアンカ部２ａと、４つの梁部２ｂと、質量部２ｃと、質量部２ｃの両側に形成された複数の可動電極２ｄから構成されている。また、それぞれの可動電極２ｄには、固定電極３、４が対向配置され、固定電極３、４は基板１上に固定されている。
【００１１】
このような構成において、質量部２ｃが加速度を受けて変位すると、可動電極２ｄもそれに応じて変位する。可動電極２ｄと固定電極３および可動電極２ｄと固定電極４は差動の容量を構成しており、可動電極２ｄの変位に応じてそれらの容量が変化する。
検出回路２０は、可動電極２ｄと固定電極３、４による容量の変化を検出し、可動電極２ｄを所定の位置に保持するように可動電極２ｄにフィードバック電圧を印加するサーボ制御を行う。
【００１２】
図２に、その検出回路２０の具体的な構成を示す。
検出回路２０は、Ｃ−Ｖ変換回路２１、信号処理回路２２、スイッチＳ２、Ｓ３、制御回路２３、および発振器２４から構成されている。
Ｃ−Ｖ変換回路２１は、可動電極２ｄと固定電極３、４からなる差動容量の変化を電圧に変換するもので、演算増幅器２１ａ、コンデンサ２１ｂ、およびスイッチＳ１から構成されている。演算増幅器２１ａの非反転入力端子は基準電圧（Ｖ_DD／２）に接続され、反転入力端子は可動電極２ｄに接続されており、反転入力端子と出力端子との間には、スイッチＳ１およびコンデンサ２１ｂが並列に接続されている。
【００１３】
信号処理回路２２は、Ｃ−Ｖ変換回路２１の出力電圧に基づき可動電極２ｄを可動電極２ｄが加速度を受けて変位した方向と逆方向に変位させるためのフィードバック電圧を出力するもので、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路２２ａ、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２ｂ、および増幅器（ＡＭＰ）２２ｃから構成されている。
【００１４】
スイッチＳ２は、可動電極２ｄをＣ−Ｖ変換回路２１に接続するために設けられており、スイッチＳ３は、信号処理回路２２から出力されるフィードバック電圧を可動電極２ｄに印加するために設けられている。これらのスイッチ手段をなすスイッチＳ２、Ｓ３は、可動電極２ｄをＣ−Ｖ変換回路２１と信号処理回路２２に所定のタイミングで択一的に接続する切り替え手段を構成している。
【００１５】
制御回路２３は、発振器２４から出力されるクロックに基づき、固定電極３、４に印加する搬送波信号Ｐ１、Ｐ２、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３を開閉させるスイッチ開閉信号、およびサンプルホールド回路２２ａをサンプルホールドさせるＳ／Ｈ信号をそれぞれ作成して出力する。
上記構成においてその作動を図３に示す信号波形図を参照して説明する。
【００１６】
制御回路２３から出力される搬送波信号Ｐ１、Ｐ２は、図３に示すように、３つのフェーズ（φ１〜３）でハイレベル（Ｈｉ）とローレベル（Ｌｏ）が変化する一定振幅の矩形波信号となっており、搬送波信号Ｐ２は、搬送波信号Ｐ１に対して電圧レベルが反転した信号となっている。これらの搬送波信号Ｐ１、Ｐ２は、固定電極３、４にそれぞれ印加される。
【００１７】
まず、第１のフェーズ（φ１）では、搬送波信号Ｐ１はＨｉ、搬送波信号Ｐ２はＬｏになっている。また、制御回路２３からのスイッチ開閉信号により、スイッチＳ１は閉、スイッチＳ２は閉、スイッチＳ３は開になり、可動電極２ｄはＣ−Ｖ変換回路２１に接続される。このとき、Ｃ−Ｖ変換回路２１のスイッチＳ１が閉じているため、コンデンサ２１ｂの電荷が放電され、演算増幅器２１ａの出力端子からは、基準電圧（Ｖ_DD／２）が出力される。また、可動電極２ｄの電位は演算増幅器２１ａの働きにより基準電圧に固定される。
【００１８】
第２のフェーズ（φ２）では、搬送波信号Ｐ１、Ｐ２の電圧レベルが反転（Ｐ１がＬｏ、Ｐ２がＨｉ）し、スイッチＳ１が開く。このとき、可動電極２ｄと固定電極３間の容量Ｃ１と、可動電極２ｄと固定電極４間の容量Ｃ２との間にΔＣの差があると、搬送波信号の振幅Ｖ_DDとΔＣの積で表される電荷Ｑが可動電極２ｄに生じるが、演算増幅器２１ａの働きにより可動電極２ｄの電位が基準電位に保たれるため、電荷Ｑはコンデンサ２１ｂに蓄積され、演算増幅器２１ａの出力電圧が変化する。
【００１９】
例えば、可動電極２ｄが、図の矢印方向に変位したとすると、第１のフェーズでは可動電極２ｄの固定電極３側に通常よりも大きいマイナスの電荷が発生し、第２のフェーズでは可動電極２ｄの固定電極３側に通常よりも小さいプラスの電荷が発生するため、その差であるマイナスの電荷によりコンデンサ２１ｂにおける演算増幅器２１ａの反転入力端子側、出力端子側にマイナスの電荷、プラスの電荷がそれぞれ発生する。このため、演算増幅器２１ａの出力電圧が＋ΔＶだけ変化する。逆に、可動電極２ｄが、図の矢印方向と逆方向に変位したとすると、演算増幅器２１ａの出力電圧が−ΔＶだけ変化する。
【００２０】
そして、信号処理回路２２におけるサンプルホールド回路２２ａは、そのときの演算増幅器２１ａの出力電圧をサンプリングする。
第３のフェーズ（φ３）では、スイッチＳ２が開き、スイッチＳ３が閉じる。また、サンプルホールド回路２２ａは、サンプリングした電圧をホールドする。このホールドされた電圧は、ローパスフィルタ２２ｂを介し増幅器２２ｃにて反転増幅される。例えば、増幅器２２ｃは、サンプリングホールドされた電圧（±ΔＶ）を（−１）倍し、その電圧を基準電圧に加えて出力する。
【００２１】
このとき、スイッチＳ３が閉じているため、増幅器２２ｃの出力電圧（フィードバック電圧）は、可動電極２ｄに印加される。その結果、可動電極２ｄを加速度によって変位した方向と逆方向に変位させることができる。
例えば、可動電極２ｄが、図の矢印方向に変位したときには、上述したように演算増幅器２１ａの出力電圧が＋ΔＶだけ変化し、増幅器２２ｃからは（基準電圧−ΔＶ）の電圧が出力され、その電圧が可動電極２ｄに印加される。この第３のフェーズでは搬送波信号Ｐ１、Ｐ２がそれぞれＬｏ、Ｈｉになっているため、可動電極２ｄに印加される電圧が−ΔＶ変化したことによって、可動電極２ｄと固定電極４間の電圧が大きく、また可動電極２ｄと固定電極３間の電圧が小さくなるため、可動電極２ｄは、固定電極４の方に変位する。すなわち、可動電極２ｄが、加速度によって変位したのと逆方向に変位する。
【００２２】
従って、上記した第１から第３のフェーズの動作を繰り返すことにより、可動電極２ｄを所定の位置に戻すようにサーボ制御が行われ、信号処理回路２２から加速度を示す電圧Ｖ_outが出力される。
上記した実施形態によれば、Ｃ−Ｖ変換を行う期間（第１、第２のフェーズ）とサーボ制御を行う期間（第３のフエーズ）を分けているため、固定電極３、４に印加する搬送波信号の中心電圧を異ならせる必要がなく、搬送波信号の振幅を大きくすることができるため、Ｃ−Ｖ変換の感度が上がり、高感度のサーボ制御を行うことができる。
【００２３】
なお、上記した実施形態においては、第１から第３のフェーズにおける搬送波信号Ｐ１、Ｐ２のデューティ比が５０％になっていないものを示したが、ＨｉとＬｏの期間を異ならせてデューティ比が５０％になるようにしてもよい。
（第２実施形態）
図４に、本発明の第２実施形態における検出回路２０の構成を示す。なお、センサ部におけるセンサエレメン１０の構成は図１に示すものと同じである。
【００２４】
上記した第１実施形態では、Ｃ−Ｖ変換を基準電圧を基準に行うようにしていたが、この第２実施形態では、信号処理回路３の出力電圧を基準に行うようにしている。このため、第１実施形態におけるスイッチＳ２、Ｓ３をなくし、信号処理回路２２からの出力電圧を演算増幅器２１ａの反転入力端子に接続するようにしている。
【００２５】
また、信号処理回路２２においては、サンプルホールド回路２２ａの出力電圧とこの信号処理回路２２の出力電圧を差動増幅する差動増幅回路２２ｄを設け、また第１実施形態における増幅器２２ｃの代わりに、ローパスフィルタ２２ｂを介して入力される電圧を積分してその積分結果を基準電圧に加えて出力する積分回路２２ｄを設けている。
【００２６】
上記構成においてその作動を図５に示す信号波形図を参照して説明する。
第１のフェーズ（φ１）では、搬送波信号Ｐ１はＨｉ、搬送波信号Ｐ２はＬｏで、スイッチＳ１は閉となり、また第２のフェーズ（φ２）では、搬送波信号ＰはＬｏ、搬送波信号Ｐ２はＨｉで、スイッチＳ１は開となるので、第１実施形態と同様、可動電極２ｄが加速度を受けて変位した場合に、演算増幅器２１ａの出力電圧が±ΔＶだけ変化する。すなわち、この第１、第２のフェーズにおいて、第１実施形態と同様、Ｃ−Ｖ変換が行われる。
【００２７】
この演算増幅器２１ａの出力電圧、すなわち基準電圧±ΔＶの電圧は、サンプルホールド回路２２ａでサンプリングされ、第３のフェーズ（φ３）でホールドされる。そして、このホールドされた電圧と信号処理回路２２の出力電圧とが差動増幅回路２２ｅにおいて差動増幅され、演算増幅器２１ａの出力電圧の変化分の電圧が出力される。その出力電圧は、ローパスフィルタ２２ｂを介し積分回路２２ｄにて積分処理され、上記した変化分の電圧を積分した積分電圧を基準電圧に加えて出力する。
【００２８】
この積分回路２２ｄの出力電圧は、演算増幅器２１ａの反転入力端子に入力される。その結果、可動電極２ｄの電圧は、上記した積分電圧分だけ変化する。その変化方向は、演算増幅器２１ａの出力電圧の変化方向と同じである。従って、例えば、可動電極２ｄが図の矢印方向に変化し、演算増幅器２１ａの出力電圧が＋Ｖだけ変化したときは、積分回路２２ｄの出力電圧は＋方向に変化し、可動電極２ｄの電圧が基準電圧から＋方向に変化する。この第３のフェーズ（φ３）では、搬送波信号Ｐ１はＨｉ、搬送波信号Ｐ２はＬｏとなっているため、可動電極２ｄと固定電極４間の電圧が大きく、また可動電極２ｄと固定電極３間の電圧が小さくなるため、可動電極２ｄは、固定電極４の方に変位する。すなわち、可動電極２ｄが、加速度によって変位したのと逆方向に変位する。なお、可動電極２ｄが図の矢印方向と逆方向に変化したときには、可動電極２ｄの電圧が−方向に変化し、この場合も可動電極２ｄは、加速度によって変位したのと逆方向に変位する。
【００２９】
すなわち、この実施形態においては、積分回路２２ｄの出力電圧が基準電圧から変化したときに、その出力電圧が基準電圧に戻るようにフィードバック制御を行うようにしている。このようなフィードバック制御においては、搬送波信号Ｐ１、Ｐ２のデューティ比が５０％になっていると、可動電極２ｄを所定の位置に戻す静電気力を発生させることができないため、搬送波信号Ｐ１、Ｐ２のデューティ比を５０％とは異なる値にして、可動電極２ｄを所定の位置に戻す静電気力を発生させるようにしている。すなわち、搬送波信号Ｐ１、Ｐ２のＨｉとＬｏの期間を異ならせ、ＨｉとＬｏの期間の差の期間（上記した例においては第３のフェーズ）において可動電極２ｄに信号処理回路２２から出力される電圧を印加して可動電極２ｄを所定の位置に戻す静電気力を発生させるようにしている。
【００３０】
なお、この実施形態においては、可動電極２ｄの電圧が常時信号処理回路２２の出力電圧となるため、Ｃ−Ｖ変換器２１の出力電圧は、可動電極２ｄの電圧が基準電圧からずれている分だけオフセットを持つことになる。このため、信号処理回路２２では差動増幅回路２２ｅを設け、Ｃ−Ｖ変換器２１の出力電圧と信号処理回路２２の出力電圧の差をとって、上記したオフセットを除去するようにしている。
【００３１】
このように本実施形態においても、Ｃ−Ｖ変換を行う期間（第１、第２のフェーズ）とサーボ制御を行う期間（第３のフエーズ）を分けているため、固定電極３、４に印加する搬送波信号の中心電圧を異ならせる必要がなく、搬送波信号の振幅を大きくすることができるため、Ｃ−Ｖ変換の感度が上がり、高感度のサーボ制御を行うことができる。
【００３２】
なお、上記した第１実施形態においても、この第２実施形態に示すような積分回路２２ｄを用いて信号処理回路２２を構成するようにすることができる。
また、積分回路の代わりに比較器を用いて構成するようにしてもよい。
さらに、本発明は、加速度センサに適用するもの限らず、圧力センサ、ヨーレートセンサなどの静電容量式の物理量検出装置にも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における加速度センサのセンサ部の模式的構成を示す図である。
【図２】図１中の検出回路２０の具体的な構成を示す図である。
【図３】図２に示す検出回路２０の作動説明に供する信号波形図である。
【図４】本発明の第２実施形態における検出回路２０の具体的な構成を示す図である。
【図５】図４に示す検出回路２０の作動説明に供する信号波形図である。
【符号の説明】
２…梁構造体、２ｄ…可動電極、３、４…固定電極、
１０…センサエレメント、２０…検出回路、２１…Ｃ−Ｖ変換回路、
２２…信号処理回路、Ｓ２、Ｓ３…スイッチ、２３…制御回路。

Claims

物理量の変化に応じて変位する可動電極（２ｄ）と、
前記可動電極（２ｄ）に対向して配置された第１、第２の固定電極（３、４）と、
前記可動電極（２ｄ）と前記第１、第２の固定電極（３、４）からなる差動容量の容量変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路（２１）と、
前記Ｃ−Ｖ変換回路（２１）の出力に基づき前記可動電極（２ｄ）を前記可動電極（２ｄ）が前記物理量の変化によって変位した方向と逆方向に変位させるためのフィードバック電圧を出力する信号処理回路（２２）と、
電圧レベルが変化する第１の期間とこの第１の期間に続く所定電圧レベルの第２の期間を有する第１の搬送波信号を前記第１の固定電極（３）に印加し、前記第１の搬送波信号に対し電圧レベルが反転した第２の搬送波信号を前記第２の固定電極（４）に印加する搬送波信号発生手段（２３）とを備え、
前記第１の期間において前記Ｃ−Ｖ変換回路（２１）から前記容量変化に応じた電圧が出力され、前記第２の期間において前記信号処理回路（２２）から出力されるフィードバック電圧が前記可動電極（２ｄ）に印加されるようにしたことを特徴とする静電サーボ式物理量検出装置。
前記搬送波信号発生手段（２３）は、前記第１、第２の搬送波信号として、前記第１の期間では電圧レベルが異なる第１、第２の電圧レベルとなり、前記第２の期間では前記第１、第２の電圧レベルのいずれか一方の電圧レベルとなる矩形波信号を生成するものであることを特徴とする請求項１に記載の静電サーボ式物理量検出装置。
前記第１の期間において前記可動電極（２ｄ）を前記Ｃ−Ｖ変換回路（２１）に信号接続し、前記第２の期間において前記信号処理回路（２２）から出力されるフィードバック電圧を前記可動電極（２ｄ）に印加するスイッチ手段（Ｓ２、Ｓ３）を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の静電サーボ式物理量検出装置。
前記Ｃ−Ｖ変換回路（２１）は、一方の入力端子に前記可動電極（２ｄ）が接続され他方の入力端子に前記信号処理回路（２２）からのフィードバック電圧が印加される演算増幅器（２１ａ）を有しており、前記信号処理回路（２２）は、前記演算増幅器（２１ａ）の出力電圧の変化に基づいて前記フィードバック電圧を出力するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電サーボ式物理量検出装置。
前記信号処理回路（２２）は、前記演算増幅器（２１ａ）の出力電圧と前記演算増幅器（２１ａ）の前記他方の入力端子に印加されているフィードバック電圧の差を検出して前記フィードバック電圧を生成する回路（２２ｂ、２２ｄ）を有することを特徴とする請求項４に記載の静電サーボ式物理量検出装置。
物理量の変化に応じて変位する可動電極（２ｄ）と、
前記可動電極（２ｄ）に対向して配置された第１、第２の固定電極（３、４）と、
前記第１、第２の固定電極（３、４）に第１、第２の搬送波信号をそれぞれ印加する搬送波信号発生手段（２３）と、
前記可動電極（２ｄ）と前記第１、第２の固定電極（３、４）からなる差動容量の容量変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路（２１）と、
前記Ｃ−Ｖ変換回路（２１）の出力に基づき前記可動電極（２ｄ）を前記可動電極（２ｄ）が前記物理量の変化によって変位した方向と逆方向に変位させるためのフィードバック電圧を出力する信号処理回路（２２）とを備えた静電サーボ式物理量検出装置において、
前記搬送波信号発生手段（２３）は、第１の電圧レベルと第２の電圧レベルを有し前記第１の電圧レベルとなる期間と前記第２の電圧レベルとなる期間が異なる矩形波信号を前記第１の搬送波信号として前記第１の固定電極（３）に印加し、前記第１の搬送波信号に対し電圧レベルが反転した第２の搬送波信号を前記第２の固定電極（４）に印加するものであって、
前記第１の電圧レベルとなる期間と前記第２の電圧レベルとなる期間の差の期間において前記信号処理回路（２２）から出力されるフィードバック電圧により前記可動電極（２ｄ）のサーボ制御が行われるようにしたことを特徴とする静電サーボ式物理量検出装置。