JP5038246B2 - 物理量検出センサと物理量検出装置とサーボ制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、作用している物理量の大きさに対応する電圧を出力する物理量検出センサに関する。本発明はまた、この物理量検出センサを用いた物理量検出装置と、物理量検出センサに用いられるサーボ制御回路にも関する。

一対の電極で構成されたコンデンサを用いて、作用している物理量（例えば力、重量、加速度、圧力等）を検出する物理量検出センサが知られている。物理量検出センサでは、センサに物理量が作用すると一対の電極間の対向距離が変化し、コンデンサの静電容量が変化する。その静電容量の変化が、物理量検出センサが内蔵している変換回路によって、電圧の変化に変換される。物理量検出センサの出力端子の電圧は、センサに作用している物理量の変化に追従して変化する。物理量検出装置は、物理量検出センサの出力電圧の変化から、センサに作用した物理量の大きさを計測する。このような物理量検出センサが特許文献１に記載されている。

図９に物理量検出センサを備えた物理量検出装置６０１を示す。物理量検出装置６０１は、可変コンデンサC１，C２を備えた検出部Q１と、可変コンデンサC１の静電容量を電圧に変換する変換回路Q２と、可変コンデンサC１の静電容量を初期値に復帰させるのに要する制御電圧を出力する制御回路Q３と、出力端子Ｐを備えている。制御回路Q３の出力端子は、可変コンデンサC２に接続されている。
検出部Q１は、特定の物理量が作用すると変位するマスＭを備えている。この例ではマスＭは４つのビームで支持されており、特定の物理量が作用すると紙面左右方向に変位する。検出部Q１の可変コンデンサC１は、検出電極D１と可変電極D２ａで構成されている。検出部Q１の可変コンデンサC２は，可変電極D２ｂとサーボ電極D３で構成されている。検出電極D１とサーボ電極D３は、特定の物理量が作用してもその位置が変位しない。可変電極D２ａ，D２ｂは、マスＭに固定されており、特定の物理量が作用すると変位するマスＭに追随して変位する。

変換回路Q２は、演算増幅器Op１とコンデンサC３を備えている。演算増幅器Op１の反転入力端子ｐ１１は、検出電極D１に接続されている。演算増幅器Op１の非反転入力端子ｐ１２は、固定電源Ｖに接続されている。コンデンサC３は、演算増幅器Op１の反転入力端子ｐ１１と出力端子ｐ１３の間に接続されている。演算増幅器Op１の出力端子ｐ１３は、物理量検出装置６０１の出力端子Ｐに接続されている。
制御回路Q３は、演算増幅器Op２と加算器Wを備えている。演算増幅器Op２の反転入力端子ｐ２１は、演算増幅器Op１の出力端子ｐ１３に接続されている。演算増幅器Op２の非反転入力端子ｐ２２は、固定電源Ｖに接続されている。演算増幅器Op２の出力端子ｐ２３は、加算器Wの一方の入力端子ｐ３２に接続されている。加算器Wの他方の入力端子ｐ３１は、固定電源Ｖに接続されている。加算器Wの出力端子ｐ３３は、サーボ電極D３に接続されている。

物理量検出装置６０１では、物理量が作用してマスＭが変位すると、可変電極D２ａと検出電極D１の対向距離が変化し、可変コンデンサC１の静電容量が変化する。変換回路Q２は、可変コンデンサC１の静電容量の変化を電圧の変化に変換し、可変コンデンサC１の静電容量の変化に応じた出力電圧を制御回路Q３へ出力する。出力端子Ｐには、作用した物理量の大きさに比例する電圧が生じる。
制御回路Q３の演算増幅器Op２は、変換回路Q２からの出力電圧と固定電源Ｖの電圧を比較し、その電圧差に比例する電圧を出力端子ｐ２３に出力する。加算器Wでは、演算増幅器Op２から出力された電圧差に比例する電圧に固定電源Ｖの電圧を加え、可変コンデンサC１の静電容量を初期値に復帰させるのに要する制御電圧を生成し、サーボ電極D３へ入力する。これによって、可変コンデンサC２の電極間の静電引力が調整され、マスＭが初期位置に戻る。
物理量検出装置６０１では、可変コンデンサC１の静電容量が初期値を中心とする狭い範囲内に維持されるので、マスＭに作用した物理量を計測する際に、計測精度を一定に保つことができる。

特開平５−２６９０２号公報

従来の物理量検出装置では、検出電極とサーボ電極を別々に備えている。よりシンプルな構成の物理量検出装置が望まれている。本発明では、検出電極とサーボ電極を同一電極で形成することによって、シンプルに構成することが可能な物理量検出装置を提供する。また、物理量検出装置に用いる物理量検出センサとサーボ制御回路を提供する。

本発明は、作用している物理量の大きさに対応する電圧を出力する物理量検出センサを提供する。本発明の検出センサは、第１電源端子と、出力端子と、第１電極と、第２電極と、第１演算増幅器を備えている。
第１電極と第２電極は、間隔を隔てて対向しているとともに、その間隔が作用する物理量の大きさに応じて広狭する。第１電極が第１電源端子に接続され、第２電極が第１演算増幅器の第１入力端子に接続されている。第１演算増幅器の出力端子が、出力端子に接続されている。尚、この明細書で「接続されている」とは、２つの素子が直接的に接続されている場合のみではなく、２つの素子の間に他の素子を介して接続されている場合も含む。本発明の検出センサでは、第１演算増幅器の第２入力端子の電圧は、出力端子の電圧に応じて制御されている。

本発明の物理量検出センサでは、作用している物理量の大きさが変化すると、第１電極と第２電極の間隔が変化し、第１電極と第２電極の間の静電容量が変化する。第１演算増幅器は、この静電容量の変化を電圧の変化に変換して出力端子に出力する。この電圧の変化が第一演算増幅器の出力端子に電気的に接続されている検出センサの出力端子に出力される。

本発明の物理量検出センサでは、第２電極が第１演算増幅器の第１入力端子に接続されており、第１演算増幅器は、第１電極と第２電極の間の静電容量の変化を第２電極を用いて検出する。また、第１演算増幅器の第２入力端子の電圧が、出力端子の電圧に応じて制御されており、第１電極と第２電極の間の静電容量の変化に応じた制御電圧が入力する。「バーチャル・ショート」現象によって、第１演算増幅器の第１入力端子の電圧は、第１演算増幅器の第２入力端子に入力した制御電圧にほぼ等しくなる。これにより制御電圧が第２電極に印加され、一対の電極間の静電容量が初期値に復帰する。即ち、本発明の物理量検出センサでは、第２電極が、物理量を検出するための検出電極と制御用のサーボ電極を兼用する。検出電極とサーボ電極を兼用する第２電極は、固定電極であってもよいし可動電極であってもよい。
本発明の物理量検出センサによると、同一の電極を用いて、静電容量の変化を検出する検出電極と、制御電圧を入力するサーボ電極を兼用させることができ、物理量検出センサをシンプルな構成にすることができる。

上記の物理量検出センサでは、第２電源端子と、第２演算増幅器と、加算器を備えている。第１演算増幅器の出力端子が、第２演算増幅器の第１入力端子に接続されている。第２演算増幅器の出力端子が、加算器の第１入力端子に接続されている。加算器の第２入力端子が、第２電源端子に接続されている。加算器の出力端子が、第１演算増幅器の第２入力端子に接続されている。第２電源端子が、第２演算増幅器の第２入力端子に接続されている。第１演算増幅器の第２入力端子の電圧が、出力端子の電圧に応じて制御される。

本構成の物理量検出センサでは、作用している物理量の大きさが変化すると、第１電極と第２電極の間隔が変化し、第１電極と第２電極の間の静電容量が変化する。第１演算増幅器は、この静電容量の変化を電圧の変化に変換して出力端子に出力する。第２演算増幅器は、第１演算増幅器で変換された電圧と固定電源の電圧を比較し、２つの電圧の差に比例する電圧を出力する。加算器は、差に比例する電圧に固定電源の電圧を加え、第１電極と第２電極の間の静電容量を初期値に復帰させるのに必要な制御電圧を生成する。制御電圧は、バーチャル・ショート現象を利用して第１演算増幅器を通して第２電極に入力される。これによって、第１電極と第２電極の間の静電容量を初期値に復帰させることができる。

本発明の物理量検出センサの第１の具体的様態では、第３電源端子と第３電極をさらに備えている。第３電源端子は第３電極に接続されている。第１電極と第３電極は、物理量検出センサの基板に固定された固定電極であり、第２電極は、基板に対して変位可能に支持されている可動電極である。第１電極と第３電極の間に、第２電極が配置されている。
第１電源端子と第２電源端子と第３電源端子の各々に、第１電極と第２電極と第３電極の電位が順に変化する関係を実現する電圧が印加される。つまり、第２電極の電位が第１電極の電位と第３電極の電位の間となる関係で用いる。
本構成の物理量検出センサでは、可変電極である第２電極が検出電極とサーボ電極を兼用し、第１電極と第２電極の間の静電容量、及び第２電極と第３電極の間の静電容量の両者を合わせた静電容量を初期値に復帰させる。本構成の物理量検出センサでは、第２電極の電位が第１電極の電位と第３電極の電位の中間電位に設定されている。そのため、第１電極と第２電極の間に作用する静電引力と、第２電極と第３電極の間に作用する静電引力の差分が結果的に第２電極に作用する。第２電極の電位を第１電極の電位若しくは第３電極の電位と同じにすることで最大の静電引力が得られ、静電容量が初期値に戻るまでの時間を短くすることができる。応答速度の速い物理量検出センサを形成することができる。

上記した具体的態様の物理量検出センサと、第１パルス電圧出力回路と、第２パルス電圧出力回路を用いて、作用している物理量の大きさに対応する電圧を出力する物理量検出装置を構成することができる。第１パルス電圧出力回路は、第１電源端子に接続され、第１パルス電圧を第１電極に出力する。第２パルス電圧出力回路は、第３電源端子に接続され、第１パルス電圧を反転させた第２パルス電圧を第３電極に出力する。
可変電極に一定の向きの静電引力を加えて静電容量を初期値に復帰させる方式では、静電引力と反対向きに作用する外力を予め可変電極に加えておく必要がある。しかし、予め外力を加えておくと、静電引力が作用していないときに可変電極の位置がオフセットされてしまうなどの不都合が生じることがある。
本構成の物理量検出センサでは、第１電極と第３電極に入力される電圧の向きが交互に反転するのと同期して、第２電極に加わる静電引力の大きさが変わらない様に、第２電極の電位を第１電極と第３電極の中間電位を中心に反転させる。その結果、第２電極に働く静電引力により可変電極の位置を安定させることができる。本構成の物理量検出装置では、物理量検出センサの可変電極に予め外力を加えておく必要がない。

上記の具体的態様の物理量検出装置では、第２演算増幅器と加算器の間に、振幅検知回路を備えていることが好ましい。振幅検知回路は、第２演算増幅器の出力端子に生じる電圧変化の振幅に対応する電圧を出力する。
第１電極と第３電極にパルス電圧が入力されると、第２電極に入力される制御電圧がパルス電圧にあわせて変動する。パルス電圧の周期が短い場合、パルス電圧と制御電圧を完全に同期させることができず、位相ずれが生じる。パルス電圧と制御電圧の間に位相ずれが生じると、第１電極と第２電極の間の静電容量を初期値に復帰させることが難しい。
本構成の物理量検出装置では、振幅検出回路が第２演算増幅器の出力端子に生じる電圧変化の振幅に対応する電圧を出力し、加算器は振幅検出回路から出力される電圧を用いて制御電圧を生成する。加算器から出力される制御電圧は位相をもたず、パルス電圧と制御電圧の間に位相ずれが生じることがない。パルス電圧の周期が短い場合でも、静電容量を初期値に復帰させることができる。

上記態様の物理量検出装置では、振幅検知回路と加算器の間に、振幅反転回路をさらに備えていることが好ましい。その振幅反転回路は、第１パルス電圧に振幅検知回路で検知された振幅を非反転増幅した電圧と、第２パルス電圧に振幅検知回路で検知された振幅を反転増幅した電圧のいずれかを伝達する。
上記のように制御回路を構成すると、制御電圧をパルス電圧に完全に同期させて変動させることができ、センサの計測精度を向上させることができる。

物理量検出センサが、第４電源端子と第４電極を備えていてもよい。その場合、第４電源端子が第４電極に接続されており、第２電極と第４電極が物理量検出装置の基板に固定された固定電極であり、第１電極が基板に対して変位可能に支持されている可動電極であり、第２電極と第４電極の間に第１電極が配置されている構成とする。
この物理量検出センサは、第１電源端子と第２電源端子と第４電源端子の各々に、下記の関係を実現する電圧を印加して用いる。すなわち、第４電極の電位から第２電極の電位を減じた電位差の正負と、第１電極の電位から第２電極の電位を減じた電位差の正負が等しい関係を実現する電圧が印加される。つまり、第４電極の電位が第２電極の電位より高い場合には、第１電極の電位を第２電極の電位より高くする。逆に、第４電極の電位が第２電極の電位より低い場合には、第１電極の電位を第２電極の電位より低くする。
本構成の物理量検出センサでは、第２電極が検出電極兼サーボ電極として機能し、第１電極と第２電極の間の静電容量を初期値に復帰させることができる。本構成の物理量検出センサでは、第４電極と第２電極の電位差の正負と第１電極と第２電極の電位差の正負が等しい関係に保たれている。そのため、第４電極と第２電極の電位差と第１電極と第２電極の電位差の差分の電圧によって第２電極の変位が抑制される。これにより、第１電極と第２電極の間の静電容量の変化が抑制され、第１電極と第２電極の間の静電容量を初期値の近傍に精度よく復帰することができ、計測精度の良いセンサを実現することができる。

本発明は、一対の電極間の間隔が作用する物理量の大きさに応じて広狭するコンデンサと電源に接続して用いるサーボ制御回路にも具現化される。
本発明のサーボ制御回路は、第１接続端子と、第２接続端子と、出力端子と、第１演算増幅器と、第２演算増幅器と、加算器を備えている。本発明のサーボ制御回路は、第１接続端子と第２接続端子の間に、電源とコンデンサを直列に接続して用いる。
本発明のサーボ制御回路では、第１接続端子が第１演算増幅器の第１入力端子に接続されている。また、第１演算増幅器の出力端子が第２演算増幅器の第１入力端子に接続されている。第２演算増幅器の出力端子が加算器の第１入力端子に接続されている。加算器の第２入力端子が第２接続端子に接続されている。加算器の出力端子が第１演算増幅器の第２入力端子に接続されている。
本発明では、第２接続端子と加算器の出力端子のいずれかが、第２演算増幅器の第２入力端子に接続されている。また、出力端子が第１演算増幅器と第２演算増幅器と加算器のうちの一つの出力端子に接続されている。
本発明のサーボ制御回路を用いると、物理量検出センサをシンプルに構成することができる。

本発明によると、サーボ電極と制御電圧を同一の電極で構成することができ、物理量検出センサをシンプルに構成することができる。

以下に説明する実施例の主要な特徴を最初に整理する。
（特徴１）演算増幅器の一方の入力端子と出力端子の間にリセットスイッチが接続されている。
（特徴２）演算増幅器の一方の入力端子の電圧と他方の入力端子の電圧がほぼ等しくなるバーチャル・ショート現象を活用して、検出電極とサーボ電極を兼用している電極に接続されている演算増幅器の一方の入力端子の電圧を、他方の入力端子の電圧に揃える。

（第１実施例）
図１に、加速度検出装置１の構成の概略を示す。加速度検出装置１は、加速度検出センサ２と固定電源２２を備えている。電源２２は、加速度検出センサ２に内蔵することもできる。加速度検出センサ２は、第１電源端子３と第２電源端子２１と出力端子１５とマス４と可変電極４ａ（第１電極の実施例）と固定電極６（第２電極の実施例）と第１演算増幅器１２とコンデンサ１４と第２演算増幅器１８と加算器２０を備えている。第１電源端子３は接地されている。第２電源端子２１は固定電源２２に接続されている。
可変電極４ａと固定電極６は間隔を隔てて対向しており、可変コンデンサ８を構成している。可変電極４ａは、マス４に形成されている。マス４は、４つのビーム５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄで支持されており、加速度が加わると紙面左右方向に変位し、これに追従して可変電極４ａも変位する。マス４に加速度が作用して可変電極４ａが変位すると、可変電極４ａと固定電極６の間の対向距離が変化し、可変コンデンサ８の静電容量が変化する。マス４とビーム５ｄは導電性であり、可変電極４ａはマス４とビーム５ｄを介して第１電源端子３に電気的に接続されている。
変換回路１０は、第１演算増幅器１２とコンデンサ１４で構成されている。第１演算増幅器１２の反転入力端子１２ａは、固定電極６に接続されている。第１演算増幅器１２の反転入力端子１２ａと出力端子１２ｃの間にコンデンサ１４が接続されている。第１演算増幅器１２の出力端子１２ｃは、出力端子１５に接続されている。
制御回路１６は、第２演算増幅器１８と加算器２０で構成されている。第２演算増幅器１８の反転入力端子１８ａは、固定電源２２に接続されている。演算増幅器１８の非反転入力端子１８ｂは、第１演算増幅器１２の出力端子１２ｃに接続されている。第２演算増幅器１８の出力端子１８ｃは、加算器２０の一方の入力端子２０ａに接続されている。加算器２０の他方の入力端子２０ｂは、固定電源２２に接続されている。加算器２０の出力端子２０ｃは、第１演算増幅器１２の非反転入力端子１２ｂに接続されている。

加速度検出センサ２に加速度が作用していない初期状態では、第２演算増幅器１８の入力端子１８ａ、１８ｂに等しい電位が入力されており、出力端子１８ｃから０Ｖが出力されている。そのために、加算器２０の出力端子２０ｃの電圧は固定電源２２の電圧Ｖｂに等しい。従って、第１演算増幅器１２の非反転入力端子１２ｂには、電圧Ｖｂが入力している。バーチャル・ショート現象によって、第１演算増幅器１２の反転入力端子１２ａの電圧は非反転入力端子１２ｂの電圧に等しくなる。固定電極６に固定電源２２の電圧Ｖｂが入力している。この場合、固定電極６と可変電極４ａの間に静電引力が作用する。マス４には図示の左側に作用してその静電引力につりあうプレセット力がかけられており、静電引力が作用している状態でバランスしている。
加速度が作用して可変電極４ａが変位すると、可変電極４ａと固定電極６の間の対向距離が変化する。これによって、可変コンデンサ８の静電容量が変化し、可変コンデンサ８に蓄えられている電荷量が変化する。第１演算増幅器１２では、反転入力端子１２ａを通して電荷が入出力しない。そのため、可変コンデンサ８に蓄えられている電荷量が変化すると、コンデンサ１４に蓄えられている電荷量が変化する。変換回路１０は、コンデンサ１４に蓄えられている電荷量の変化を電圧の変化に変換し、出力端子１２ｃに出力する。可変コンデンサ８の静電容量の変化が電圧の変化に変換される。この電圧の変化が、出力端子１５を通して検出される。出力端子１５の電圧から作用した加速度の大きさを検出することができる。
制御回路１６では、第２演算増幅器１８が出力端子１２ｃの電圧と固定電源２２の電圧Ｖｂを比較し、その電圧差に比例する電圧Ｖｅを出力端子１８ｃに出力する。加算器２０は、第２演算増幅器１８の出力電圧Ｖｅと電圧Ｖｂを加算する。加算した電圧Ｖａは、可変コンデンサ８の静電容量を初期値に復帰させる電圧に等しい。制御回路１６は、可変コンデンサ８の静電容量を初期値に復帰させる制御電圧Ｖａを生成して出力する。その制御電圧Ｖａは、第１演算増幅器１２の非反転入力端子１２ｂに入力される。
第１演算増幅器１２では、反転入力端子１２ａと非反転入力端子１２ｂの電位差がごく小さい「バーチャル・ショート」と呼ばれる状態が保たれている。そのため、反転入力端子１２ａにも制御電圧Ｖａが現れ、可変コンデンサ８の固定電極６に制御電圧Ｖａが印加される。固定電極６に制御電圧Ｖａが印加されることで、固定電極６と可変電極４ａが引き合う静電引力が変化する。加速度に起因してマス４を変位させる力と、静電引力の変化が打ち消しあい、マス４が所期位置に復帰する。可変コンデンサ８の静電容量が初期値に復帰する。
例えば可変電極４ａが矢印２４の向きに変位した場合、固定電極６に印加する電圧が減少して固定電極６が可変電極４ａを吸引する力が減少する。その結果、マス４は左方に移動し、初期位置に復帰する。逆に、可変電極４ａが矢印２４と逆向きに変位した場合、固定電極６に印加する電圧が増大して可変電極４ａを吸引する力が増大する。可変電極４ａが矢印２４と逆向きに変位することが妨げられ、可変コンデンサ８の静電容量が初期値に復帰する。

本実施例の加速度検出センサ２では、固定電極６が可変コンデンサ８の静電容量の変化を検出するための検出電極として機能するとともに、可変コンデンサ８に制御電圧Ｖａを印加するためのサーボ電極として機能する。検出電極とサーボ電極を別々に構成する従来の加速度検出センサに比べて、加速度検出センサ２をシンプルな構成にすることができる。

（第２実施例）
図２に、第２実施例の加速度検出装置１０１の構成を示す。加速度検出装置１０１は、加速度検出センサ１０２と、固定電源２２を備えている。本実施例の加速度検出センサ１０２では、変換回路１０がマス４を介して可変電極４ａに電気的に接続されており、固定電極６が第１電源端子３を介して接地されている。その他の点は第１実施例と同一であり、重複説明を省略する。この実施例では、固定電極６が第１電極であり、可変電極４ａが第２電極である。
本実施例の加速度検出センサ１０２では、可変電極４ａが可変コンデンサ８の静電容量の変化を検出する検出電極として機能する。また、可変電極４ａが可変コンデンサ８に制御電圧Ｖａ（可変コンデンサ８の静電容量を初期値に復帰させる電圧）を入力するサーボ電極としても機能する。本実施例の加速度検出センサ１０２では、可変電極４ａが検出電極として機能するとともに、サーボ電極としても機能する。検出電極とサーボ電極を別々に構成する必要がない。検出電極とサーボ電極を別々に構成する従来の加速度検出センサに比べて、シンプルな構成にすることができる。

（第３実施例）
図３に、第３実施例の加速度検出装置２０１の構成を示す。加速度検出装置２０１は、加速度検出センサ２０２と、固定電源２２を備えている。本実施例の加速度検出センサ２０２は、第２の可変コンデンサ２０８と、第４電源端子２０３を備えている。その他の点は第１実施例の加速度検出センサ２と同じであり、重複説明を省略する。
可変コンデンサ２０８は、可変電極４ｂと固定電極２０６を有している。第４電源端子２０３は、固定電極２０６に接続されている。第４電源端子２０３は、固定電源２２に接続して用いる。可変電極４ｂは、マス４に対して可変電極４ａの反対側に形成されている。なお、可変電極４ａと可変電極４ｂはマス４に固定されており、可変電極４ａと可変電極４ｂの電位は共通である。可変電極４ａと可変電極４ｂをマス４の一部と観念すれば、マス４は１つの可変電極と評価することができる。固定電極２０６は可変電極４ｂに対向配置されている。これによって、マス４は、固定電極６と固定電極２０６の間に配置される。この実施例では、可変電極４ａと可変電極４ｂが第１電極であり、固定電極６が第２電極であり、固定電極２０６が第４電極である。
本実施例の加速度検出センサ２０２では、可変コンデンサ８の静電容量が第１実施例と同様に制御され、その静電容量が初期値に維持される。本実施例では、加速度が印加されてない初期状態で、固定電極６と固定電極２０６に等しい電圧が印加されている。これにより、加速度が作用していない初期状態で、固定電極６と可変電極４ａの電位差と、固定電極２０６と可変電極４ｂの電位差が等しい関係に保たれる。この結果、固定電極６が可変電極４ａを吸引する力と、固定電極２０６が可変電極４ｂを吸引する力が等しい。この実施例の加速度検出センサ２０２では、マス４のプレセット力をかけておく必要がない。
また、可変コンデンサ８の静電容量を制御する際に、固定電極２０６と可変電極４ｂの電位差が変化することがない。そのため、可変コンデンサ８の静電容量を制御する際に、固定電極６と可変電極４ａの電位差と固定電極２０６と可変電極４ｂの電位差の差分の電圧によって抑制することができる。これにより、固定電極６と可変電極４ａの間の静電容量の変化が抑制され、固定電極６と可変電極４ａの間の静電容量を初期値の近傍に精度よく復帰することができる。

（第４実施例）
図４に、第４実施例の加速度検出装置３０１の構成を示す。加速度検出装置３０１は、加速度検出センサ３０２と、固定電源２２と、固定電源３２を備えている。本実施例の加速度検出センサ３０２では、第３の可変コンデンサ３０８と、第３電源端子３０３を備えている。その他の点は第２実施例の加速度検出センサ１０２と同じであり、重複説明を省略する。
可変コンデンサ３０８は、可変電極４ｂと固定電極３０６を有している。第３電源端子３０３は、固定電極３０６に接続されている。変換回路１０がマス４を介して、可変電極４ａ、４ｂに電気的に接続されており、固定電極６が第１電源端子３を介して接地されており、固定電極３０６が第３電源端子３０３を介して固定電源３２に接続されている。ここでは固定電源３２の電圧Ｖｄは、固定電源２２の電位電圧の２倍とする。その他の点は、第３実施例の加速度検出センサ２０２と同一である。
加速度が印加されてない初期状態では、可変電極４ａ、４ｂの電位は、固定電極３０６と固定電極６の中間の電位に制御されている。そのため、可変電極４ａと固定電極６の間に作用する静電引力と、可変電極４ｂと固定電極３０６の間に作用する静電引力がつりあった状態となる。従って、マス４は、固定電極６と固定電極３０６の中間に位置する。

本実施例の加速度検出センサ３０２では、加速度が作用して例えば矢印２４の向きに可変電極４ａ、４ｂが変位すると、可変電極４ａと固定電極６の間の距離が狭まり、可変コンデンサ８の静電容量が増大する。それと同時に、可変電極４ｂと固定電極３０６の間の距離が広がり、可変コンデンサ３０８の静電容量が減少する。変換回路１０では、可変コンデンサ８の静電容量の増大分と可変コンデンサ３０８の静電容量の減少分の大きさを合計した静電容量の変化が電圧の変化に変換される。制御回路１６では、この合計した静電容量の変化に応じた制御電圧Ｖａを生成する。制御電圧Ｖａは、可変電極４ａ、４ｂに入力される。
加速度検出センサ３０２では、可変電極４ａ、４ｂに制御電圧Ｖａが入力されると、可変コンデンサ８の電極間に作用する静電引力と可変コンデンサ３０８の電極間に作用する静電引力が同時に変化し、これによって可変コンデンサ８の静電容量と可変コンデンサ３０８の静電容量が初期値に復帰する。可変電極４ａ、４ｂで発生させる静電引力の大小にてマス４の位置を制御するため、静電容量が初期値に戻るまでの時間を短くすることができる。応答速度の速い加速度検出センサ３０２を形成することができる。

（第５実施例）
図５に、第５実施例の加速度検出装置４０１の構成を示す。加速度検出装置４０１は、加速度検出センサ４０２と、固定電源２２と、パルス出力装置４０を備えている。本実施例の加速度検出センサ４０２では、変換回路４１０がリセットスイッチ４８を有しており、制御回路４１６が振幅検出回路５０を有している。その他の点は第４実施例の加速度検出センサ３０２と同じであり、重複説明を省略する。
パルス出力装置４０は、第１パルス電圧出力回路４２と、ＮＯＴ回路４４（第２パルス電圧出力回路の一例）と、同期パルス電圧出力回路４６を有している。第１パルス電圧出力回路４２は、第１電源端子３に接続されており、ハイ電圧とロー電圧を交互に繰返す第１パルス電圧Ｓ１を出力する。これによって、第１電源端子３を通して第１固定電極６に第１パルス電圧Ｓ１が入力される。ＮＯＴ回路４４の入力端子４４ａは、第１パルス電圧出力回路４２に接続されており、ＮＯＴ回路４４の出力端子４４ｂは、第３電源端子３０３に接続されている。ＮＯＴ回路４４は、入力端子４４ａから入力された第１パルス電圧Ｓ１を反転させた第２パルス電圧Ｓ２を生成し、出力端子４４ｂに出力する。これによって、第３電源端子３０３を通して固定電極３０６に第２パルス電圧Ｓ２が入力される。同期パルス電圧出力回路４６は、リセットスイッチ４８のスイッチ端子４８ａに接続されており、第２パルス電圧Ｓ２と同じ周期で、立ち上りは同じ、立ち下りは早いタイミングのパルス電圧Ｓ３を出力する。
リセットスイッチ４８は、第１演算増幅器１２の反転入力端子１２ａと出力端子１２ｃの間に接続されている。リセットスイッチ４８のスイッチ端子４８ａにはパルス電圧Ｓ３が入力されており、パルス電圧Ｓ３がハイ電圧となる際にリセットスイッチ４８がオンし、パルス電圧Ｓ３がロー電圧となる際にリセットスイッチ４８がオフする。
振幅検出回路５０は、第２演算増幅器１８と加算器２０の間に接続されている。振幅検出回路５０は、第２演算増幅器１８を通して変換回路４１０から入力された電圧Ｖｅの振幅を検出し、その振幅で推移する電圧ΔＶを出力する。

本実施例の加速度検出センサ４０２では、固定電極６と固定電極３０６の間に入力される電圧の向きが交互に反転する。パルス電圧Ｓ１がローのときに２つのコンデンサにプリチャージし、ハイの時にサーボ力でマス４の位置を初期位置に戻す動作をする。

加速度検出センサ４０２の動作を、図６を用いて説明する。
加速度検出センサ４０２では、加速度が作用して例えば矢印２４の向きにマス４が変位すると、可変コンデンサ８の静電容量と、可変コンデンサ３０８の静電容量が変化する。変換回路４１０は、可変コンデンサ８の静電容量の変化と可変コンデンサ３０８の静電容量の変化分の大きさを合計した静電容量の変化を、マス４を通して検出する。
第１パルス電圧Ｓ１がロー信号となる第１期間（I）では、パルス電圧Ｓ３はハイ信号となり、リセットスイッチ４８がオンする。演算増幅器１２の反転入力端子１２ａと出力端子１２ｃが短絡し、固定電源２２の電圧Ｖｂが制御回路４１６に出力される。
第１パルス電圧Ｓ１がハイ信号となる第２期間（II）では、パルス電圧Ｓ３はロー信号となり、リセットスイッチ４８がオフする。変換回路４１０は、マス４を通して検出した可変コンデンサ８の静電容量の変化と可変コンデンサ３０８の静電容量の変化分の大きさを合計した静電容量の変化を電圧の変化に変換し、変換された電圧が制御回路４１６に出力される。

制御回路４１６では、振幅検出回路５０が、演算増幅器１８を通して変換回路４１０から入力された電圧Ｖｅの振幅を検出する。ここで、振幅検出回路５０の動作を、図７を用いて説明する。
振幅検出回路５０は第１サンプル・ホールド回路５２と第２サンプル・ホールド回路５４と演算増幅器５６を備えている。第１サンプル・ホールド回路５２には、表示されていない配線によって第１パルス電圧Ｓ１が入力されている。第１サンプル・ホールド回路５２は、第１パルス電圧Ｓ１がハイ信号の場合に電圧Ｖｅを演算増幅器５６の非反転入力端子５６ｂに通過させ、ロー信号の場合に電圧Ｖｅを遮断し、遮断時の電圧を非反転入力端子５６ｂに保持する。第２サンプル・ホールド回路５４には、表示されていない配線によって第２パルス電圧Ｓ２が入力されている。第２サンプル・ホールド回路５４では、第２パルス電圧Ｓ２がハイ信号の場合に電圧Ｖｅを演算増幅器５６の反転入力端子５６ａに通過させ、ロー信号の場合に電圧Ｖｅを遮断し、遮断時の電圧を反転入力端子５６ａに保持する。

振幅検出回路５０では、第１期間（I）に入力された電圧Ｖｅが第２サンプル・ホールド回路５４を通して演算増幅器５６の反転入力端子５６ａに入力される。第２期間（II）に入力された電圧Ｖｅが第１サンプル・ホールド回路５２を通して演算増幅器５６の非反転入力端子５６ｂに入力される。演算増幅器５６は、第１期間（I）に入力された電圧Ｖｅと第２期間（II）に入力された電圧Ｖｅの差（振幅）を検出し、その振幅で移行する電圧ΔＶを出力する。
加算器２０は、電圧ΔＶによる電位と固定電源２２の電圧Ｖｂから制御電圧Ｖａを生成する。制御電圧Ｖａが可変電極４ａ、４ｂを通して可変コンデンサ８、３０８に入力される。

固定電極６と固定電極３０６に入力されるパルス電圧にあわせて、可変電極４ａ、４ｂに入力される制御電圧Ｖａが変動すると、パルス電圧の周期が短い場合、パルス電圧と制御電圧を完全に同期させることができず、制御電圧Ｖａとパルス電圧の間に位相差が生じてしまう。位相差が生じた場合には、静電容量を初期値に復帰させることが難しい。
本実施例の加速度検出センサ４０２では、制御電圧Ｖａが、電圧Ｖｅの振幅で移行する電圧ΔＶから生成される。制御電圧Ｖａとパルス電圧の間に位相差が生じることがない。
パルス電圧の周期が短い場合でも、静電容量を初期値に復帰させることができる。

（第６実施例）
図８に、第６実施例の加速度検出装置５０１の構成を示す。加速度検出装置５０１は、加速度検出センサ５０２と、固定電源２２と、パルス出力装置４０を備えている。本実施例の加速度検出センサ５０２では、制御回路５１６が、振幅反転回路５８を有している点で、第５実施例の加速度検出センサ４０２と異なる。その他の点は第５実施例の加速度検出センサ４０２と同じであり、重複説明を省略する。
振幅反転回路５８は、非反転増幅回路６０（ここでは増幅度を１とする）と反転増幅回路６２（ここでは増幅度を−１とする）と第１スイッチ６４と第２スイッチ６６を有している。非反転増幅回路６０は、振幅検出回路５０に接続されており、振幅検出回路５０から入力された電圧ΔＶをそのまま出力する。第１スイッチ６４は、非反転増幅回路６０と加算器２０の間に接続されている。第１スイッチ６４のスイッチ端子６４ａは、表示されていない配線によって第１パルス電圧出力回路４２に接続されており、第１パルス電圧Ｓ１がハイ電圧の際に第１スイッチ６４がオンし、第１パルス電圧Ｓ１がロー電圧の際に第１スイッチ６４をオフする。反転増幅回路６２は振幅検出回路５０に接続されており、振幅検出回路５０から入力された電圧ΔＶを反転させた電圧−ΔＶを出力する。第２スイッチ６６は、非反転増幅回路６０と加算器２０の間に接続されている。第２スイッチ６６のスイッチ端子６６ａは、表示されていない配線によってＮＯＴ回路４４の出力端子４４ｂに接続されており、第２パルス電圧Ｓ２がハイ電圧の際に第２スイッチ６６をオンし、第１パルス電圧Ｓ２がロー電圧の際に第２スイッチ６６をオフする。そのため、振幅反転回路５８では、第１期間（I）に電圧ΔＶが出力され、第２期間（II）に電圧−ΔＶが出力される。第１パルス電圧Ｓ１に同期して反転する制御パルス電圧Ｖｐが出力される。

図５に示す加速度検出センサ４０２では、加速度印加時に第１パルス電圧Ｓ１の周期において、非サーボ期間とサーボ期間が交互にあり、マス４は微振動を繰返すことになる。
加速度検出センサ５０２では、振幅反転回路５８が第１パルス電圧Ｓ１に同期して反転する制御パルス電圧Ｖｐを生成する。制御電圧Ｖａを第１パルス電圧Ｓ１に完全に同期させて変動させることができる。常時サーボ動作となるため、センサの計測精度を向上させることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上記の実施例では、加速度を計測するセンサを例にして説明したが、他の物理量を計測するセンサにも有効である。

本発明は物理量の変化に応じて変位する可変電極とその可変電極に対向配置されている固定電極の間の静電容量が、初期値に復帰するように制御するサーボ制御回路として実現される。本発明のサーボ制御回路は、例えば図１の加速度検出センサ２において、加速度検出センサ２から可変電極４ａと固定電極６を除いた構成によって形成される。本発明のサーボ制御回路では、可変電極と固定電極を含む可変コンデンサと同時に用いられることで、本発明の加速度検出センサの効果を得ることができる。なお、サーボ制御回路の構成は図１に限られず、図２〜図７の加速度検出センサ２から可変電極と固定電極を除いた構成によって形成されてもよい。

また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

第１実施例の加速度検出センサ２を示す。 第２実施例の加速度検出センサ１０２を示す。 第３実施例の加速度検出センサ２０２を示す。 第４実施例の加速度検出センサ３０２を示す。 第５実施例の加速度検出センサ４０２を示す。 加速度検出センサ４０２のタイムチャートを示す。 振幅検出回路５０の内部回路を示す。 第６実施例の加速度検出センサ５０２を示す。 従来の物理量検出センサ６０２を示す。

符号の説明

１・・・・・加速度検出装置
２・・・・・加速度検出センサ
３・・・・・第１電源端子
４・・・・・マス
４ａ、４ｂ・・・可変電極
６、２０６、３０６・・・固定電極
８、２０８、３０８・・・可変コンデンサ
１０・・・・変換回路
１２・・・・演算増幅器
１４・・・・コンデンサ
１５・・・・出力端子
１６・・・・制御回路
１８・・・・演算増幅器
２０・・・・加算器
２１・・・・第２電源端子
４０・・・・パルス出力装置
４８・・・・リセットスイッチ
５０・・・・振幅検出回路
５８・・・・振幅反転回路
２０３・・・第４電源端子
３０３・・・第３電源端子
６０１・・・物理量検出装置
６０２・・・物理量検出センサ

Claims (7)

1. 作用している物理量の大きさに対応する電圧を出力する物理量検出センサであり、
   第１電源端子と、第２電源端子と、出力端子と、第１電極と、第２電極と、第１演算増幅器と、第２演算増幅器と、加算器を備えており、
   前記第１電極と前記第２電極は、間隔を隔てて対向しているとともに、その間隔が作用する物理量の大きさに応じて広狭し、
   前記第１電源端子が、前記第１電極に接続されており、
   前記第２電極が、前記第１演算増幅器の第１入力端子に接続されており、
   前記第１演算増幅器の出力端子が、前記出力端子と前記第２演算増幅器の第１入力端子に接続されており、
   前記第２演算増幅器の出力端子が、前記加算器の第１入力端子に接続されており、
   前記加算器の第２入力端子が、前記第２電源端子に接続されており、
   前記加算器の出力端子が、前記第１演算増幅器の第２入力端子に接続されており、
   前記第２電源端子が、前記第２演算増幅器の第２入力端子に接続されており、
   前記第１演算増幅器の第２入力端子の電圧が、前記出力端子の電圧に応じて制御されていることを特徴とする物理量検出センサ。
2. 第３電源端子と第３電極が付加されており、
   前記第３電源端子が前記第３電極に接続されており、
   前記第１電極と前記第３電極が、物理量検出センサの基板に固定されており、
   前記第２電極が、前記基板に対して変位可能に支持されており、
   前記第１電極と前記第３電極の間に前記第２電極が配置されており、
   前記第１電源端子と前記第２電源端子と前記第３電源端子の各々に、前記第２電極の電位が前記第１電極の電位と前記第３電極の電位の間となる関係を実現する電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載の物理量検出センサ。
3. 請求項２に記載の物理量検出センサと、
   第１パルス電圧を出力する第１パルス電圧出力回路と、
   前記第１パルス電圧を反転させた第２パルス電圧を出力する第２パルス電圧出力回路を備えており、
   前記第１電源端子が、前記第１パルス電圧出力回路に接続され、
   前記第３電源端子が、前記第２パルス電圧出力回路に接続されていることを特徴とする物理量検出装置。
4. 前記第２演算増幅器と前記加算器の間に、前記第２演算増幅器の出力端子に生じる電圧変化の振幅に対応する電圧を出力する振幅検知回路が付加されていることを特徴とする請求項３に記載の物理量検出装置。
5. 前記振幅検知回路と前記加算器の間に、前記第１パルス電圧に前記振幅検知回路で検知された振幅を非反転増幅した電圧と、前記第２パルス電圧に前記振幅検知回路で検知された振幅を反転増幅した電圧のいずれかを伝達する振幅反転回路が付加されていることを特徴とする請求項４に記載の物理量検出装置。
6. 第４電源端子と第４電極が付加されており、
   前記第４電源端子が前記第４電極に接続されており、
   前記第１電極と前記第４電極が、物理量検出装置の基板に固定されており、
   前記第２電極が、前記基板に対して変位可能に支持されており、
   前記第１電極と前記第４電極の間に前記第２電極が配置されており、
   前記第１電源端子と前記第２電源端子と前記第４電源端子の各々に、前記第４電極の電位から前記第２電極の電位を減じた電位差の正負と、前記第１電極の電位から前記第２電極の電位を減じた電位差の正負が等しい関係を実現する電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載の物理量検出センサ。
7. 作用する物理量の大きさに応じて一対の電極間の間隔が広狭するコンデンサと、電源に接続して用いるサーボ制御回路であり、
   第１接続端子と、第２接続端子と、出力端子と、第１演算増幅器と、第２演算増幅器と、加算器を備えており、
   前記第１接続端子と前記第２接続端子の間に、前記電源と前記コンデンサを直列に接続して用い、
   前記第１接続端子が、前記第１演算増幅器の第１入力端子に接続されており、
   前記第１演算増幅器の出力端子が、前記第２演算増幅器の第１入力端子に接続されており、
   前記第２演算増幅器の出力端子が、前記加算器の第１入力端子に接続されており、
   前記加算器の第２入力端子が、前記第２接続端子に接続されており、
   前記加算器の出力端子が、前記第１演算増幅器の第２入力端子に接続されており、
   前記第２接続端子と前記加算器の出力端子のいずれかが、前記第２演算増幅器の第２入力端子に接続されており、
   前記出力端子が、前記第１演算増幅器と前記第２演算増幅器と前記加算器のうちの一つの出力端子に接続されていることを特徴とするサーボ制御回路。
   

Images