JP5496515B2 - Acceleration sensor circuit and three-axis acceleration sensor circuit - Google Patents

Acceleration sensor circuit and three-axis acceleration sensor circuit Download PDF

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Description

本発明は、容量の変化により加速度を検知する加速度センサに関する。   The present invention relates to an acceleration sensor that detects acceleration based on a change in capacitance.

加速度センサは、自動車のエアバッグ、及びゲーム機等の幅広い分野で利用される。これらの加速度センサは、小型で周波数特性が0近傍から数千Hzという低周波数帯域まで感度が伸びている。   Acceleration sensors are used in a wide range of fields such as automobile airbags and game machines. These acceleration sensors are small in size and have a frequency characteristic that extends from near 0 to a low frequency band of several thousand Hz.

物理探査の一種である反射法地震探査法は、人工的に地震波を発生させ、地表に設置した受振器により地下から跳ね返ってくる反射波を捉え、その結果を解析して地下構造を解明する方法である。この受振器には加速度センサが備えられ、反射波による振動を加速度として検知する。反射法地震探査法では、1000個程度の受振器を設置して地下構造を検出する。将来的には、受振器を10m程の格子間隔で100万個ほど設置することも想定される。   The seismic reflection method, a type of geophysical exploration, is a method of artificially generating seismic waves, capturing reflected waves that bounce off the ground using a geophone installed on the ground surface, and analyzing the results to elucidate the underground structure. It is. This geophone is provided with an acceleration sensor, and detects vibration caused by reflected waves as acceleration. In the seismic reflection method, about 1000 geophones are installed to detect the underground structure. In the future, it is assumed that about 1 million geophones are installed at a grid interval of about 10 m.

特開平11−258265号公報JP-A-11-258265

反射法地震探査法では、加速度センサは、ダイナミックレンジとして120dB程度の加速度検出が必要となる。つまり、S/N比におけるノイズレベルとして1〜10μG/√Hz以下が必要となる。しかしながら、例えば、現在車両制御用加速度センサでは、ダイナミックレンジとして60〜80dB程度の加速度検知しかしておらず、S/N比におけるノイズレベルでは100μG/√Hz程度であり、反射法地震探査法で必要とされているダイナミックレンジを有していない。   In the seismic reflection method, the acceleration sensor needs to detect an acceleration of about 120 dB as a dynamic range. That is, the noise level in the S / N ratio is required to be 1 to 10 μG / √Hz or less. However, for example, current vehicle control acceleration sensors only detect acceleration of about 60 to 80 dB as the dynamic range, and the noise level at the S / N ratio is about 100 μG / √Hz, which is necessary for the reflection seismic exploration method. Does not have the dynamic range.

また、加速度センサは、MEMS素子を用いた探査システムとして実用化されたものもある。しかし、それらは、非常に高価であり、将来的に100万個設置することを考えると、より安価なMEMS素子を用いた加速度センサが求められる。   Some acceleration sensors have been put into practical use as exploration systems using MEMS elements. However, they are very expensive, and considering that 1 million pieces will be installed in the future, an acceleration sensor using a cheaper MEMS element is required.

本発明の目的は、上記の点に鑑みて、ダイナミックレンジが広く、高感度で、効率的で、且つ、安価な加速度センサ回路を提供することである。   In view of the above points, an object of the present invention is to provide an acceleration sensor circuit having a wide dynamic range, high sensitivity, efficiency, and low cost.

本発明の加速度センサ回路は、検知した加速度によって容量が変化する第1のキャパシタと、
前記加速度によって第1のキャパシタとは相反する方向に容量が変動する第2のキャパ
シタと、
前記第1のキャパシタの容量と前記第2のキャパシタの容量との比によって交流信号に対する増幅度が定まる第1の増幅器と、
前記第1の増幅器に入力される入力交流信号と、前記第1の増幅器にて増幅される増幅交流信号との差分信号を生成する第2の増幅器と、を備える。
The acceleration sensor circuit of the present invention includes a first capacitor whose capacitance changes according to the detected acceleration,
A second capacitor whose capacitance fluctuates in a direction opposite to the first capacitor due to the acceleration;
A first amplifier whose degree of amplification with respect to an AC signal is determined by a ratio between the capacitance of the first capacitor and the capacitance of the second capacitor;
And a second amplifier that generates a differential signal between an input AC signal input to the first amplifier and an amplified AC signal amplified by the first amplifier.

本発明の加速度センサ回路では、第1の増幅器の増幅度が、第1のキャパシタの容量と第2のキャパシタの容量によって定まり、それぞれのキャパシタは検知した加速度に対し
て相反する方向に容量が変動するので、第1の増幅器の増幅度によって加速度を算出できる。また、増幅された信号と増幅前の信号の入力交流信号との差分値によって加速度を算出できる。
In the acceleration sensor circuit of the present invention, the amplification factor of the first amplifier is determined by the capacitance of the first capacitor and the capacitance of the second capacitor, and the capacitance of each capacitor varies in a direction opposite to the detected acceleration. Therefore, the acceleration can be calculated based on the amplification degree of the first amplifier. Further, the acceleration can be calculated from the difference value between the amplified signal and the input AC signal of the signal before amplification.

また、本発明の加速度センサ回路は、前記入力交流信号値に対する差分信号値の比が検知した加速度にともなって変化するようにしてもよい。また、本発明の加速度センサ回路は、前記入力交流信号値に対する差分信号値の比が正の場合に、前記加速度を第1の方向の加速度とし、前記入力交流信号値に対する差分信号値の比が負の場合に前記第1の方向に対して逆方向となる第2の方向の加速度とすることによって正負2方向の加速度を検出する手段をさらに備えるようにしてもよい。このように構成することによって、入力交流信号値に対する差分信号値の比として正と負の値を得ることができ、加速度センサ回路に印加される加速度を第1の方向と第2の方向との2方向に検出することができる。   In the acceleration sensor circuit of the present invention, the ratio of the difference signal value to the input AC signal value may change with the detected acceleration. In the acceleration sensor circuit of the present invention, when the ratio of the differential signal value to the input AC signal value is positive, the acceleration is set as the acceleration in the first direction, and the ratio of the differential signal value to the input AC signal value is A means for detecting acceleration in two positive and negative directions may be further provided by setting the acceleration in a second direction that is opposite to the first direction in the negative case. By configuring in this way, it is possible to obtain a positive value and a negative value as the ratio of the differential signal value to the input AC signal value, and the acceleration applied to the acceleration sensor circuit between the first direction and the second direction. It can be detected in two directions.

また、前記入力交流信号の周波数は、前記増幅器で発生するノイズ成分にて白色雑音が支配的となる周波数帯域に設定されてもよい。これによって、増幅器で発生する白色雑音以外の雑音を回避でき、加速度センサ回路で発生するノイズを低減することができる。   The frequency of the input AC signal may be set to a frequency band in which white noise is dominant in a noise component generated by the amplifier. As a result, noise other than white noise generated in the amplifier can be avoided, and noise generated in the acceleration sensor circuit can be reduced.

前記加速度センサ回路はMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)上で構成されるのが好ましい。加速度センサ回路がMEMSで構成されることによって、安価で軽量小型の加速度センサ回路を実現できる。   The acceleration sensor circuit is preferably configured on a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). By configuring the acceleration sensor circuit with MEMS, an inexpensive, lightweight, and small acceleration sensor circuit can be realized.

本発明の3個の加速度センサ回路を3軸方向の加速度をそれぞれ検知するために有する3軸加速度センサ回路とすることもできる。   The three acceleration sensor circuits of the present invention may be a three-axis acceleration sensor circuit having each of the three-axis direction acceleration sensors for detecting acceleration.

本発明によれば、ダイナミックレンジが広く、高感度で、効率的で、且つ、安価な加速度センサ回路を提供することができる。   According to the present invention, an acceleration sensor circuit having a wide dynamic range, high sensitivity, efficiency, and low cost can be provided.

加速度センサ回路の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of an acceleration sensor circuit. 交流バイアス発振回路の出力電圧Vinと、オペアンプの出力電圧vBとの時間tにおける変化の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the change in the time t of the output voltage Vin of an alternating current bias oscillation circuit, and the output voltage vB of an operational amplifier. 加速度検出の動作例のフロー図を示す図である。It is a figure which shows the flowchart of the operation example of an acceleration detection. 加速度センサ回路の出力値のプロット例を示す図である。It is a figure which shows the example of a plot of the output value of an acceleration sensor circuit. 容量式加速度センサに加速度が印加され、可動電極がxだけ変位した場合のイメージ図の例である。It is an example of an image figure when acceleration is applied to a capacitive acceleration sensor and a movable electrode is displaced by x. オペアンプに入力する交流バイアスの周波数と発生する雑音との関係の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the relationship between the frequency of the alternating current bias input into an operational amplifier, and the generated noise. 非反転増幅回路であるオペアンプ回路の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the operational amplifier circuit which is a non-inverting amplifier circuit. 3軸加速度センサの例の全体図である。It is a general view of an example of a 3-axis acceleration sensor.

<第1実施形態>
以下、図面に基づいて、本発明の加速度センサ回路の実施の形態を説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明の加速度センサ回路は実施形態の構成には限定されない。
<First Embodiment>
Embodiments of an acceleration sensor circuit according to the present invention will be described below with reference to the drawings. The configuration of the following embodiment is an exemplification, and the acceleration sensor circuit of the present invention is not limited to the configuration of the embodiment.

<<加速度センサ回路の構成例>>
図1は、加速度センサ回路A1の構成例を示す図である。加速度センサ回路A1は、交流バイアス発振回路1と、容量式加速度センサ2と、オペアンプOP1と、インピータン
スZ1と、インピータンスZ2と、オペアンプOP2と、インピータンスZ3と、A/D変換器3と、CPU4とを備える。図1に示される加速度センサ回路A1は、MEMS素子として構成されるのが好ましい。
<< Configuration example of acceleration sensor circuit >>
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of the acceleration sensor circuit A1. The acceleration sensor circuit A1 includes an AC bias oscillation circuit 1, a capacitive acceleration sensor 2, an operational amplifier OP1, an impedance Z1, an impedance Z2, an operational amplifier OP2, an impedance Z3, and an A / D converter 3. CPU4. The acceleration sensor circuit A1 shown in FIG. 1 is preferably configured as a MEMS element.

交流バイアス発振回路1は、CPU4から送信されてくるクロック信号に従って方形波信号を出力する。交流バイアス発振回路1の出力する電圧をVin(単位V(ボルト))とする。   The AC bias oscillation circuit 1 outputs a square wave signal according to the clock signal transmitted from the CPU 4. The voltage output from the AC bias oscillation circuit 1 is defined as Vin (unit V (volt)).

容量式加速度センサ2は、コンデンサC1(「第1のキャパシタ」に相当)及びコンデンサC2(「第2のキャパシタ」に相当)を備えている。コンデンサC1とコンデンサC2とは、容量式加速度センサ2に加速度が印加されると静電容量が変化するように構成されている。例えば、容量式加速度センサ2に加速度が印加されると、コンデンサC1の静電容量が増加し、一方、コンデンサC2の静電容量は減少するというように、相反する関係にある(詳しくは後述)。コンデンサC1の静電容量をC1(単位F(ファラデー))、同様に、コンデンサC2の静電容量をC2(単位F)とする。それぞれのインピータンスz1、z2は、以下のように示される。   The capacitive acceleration sensor 2 includes a capacitor C1 (corresponding to a “first capacitor”) and a capacitor C2 (corresponding to a “second capacitor”). Capacitor C1 and capacitor C2 are configured such that the capacitance changes when acceleration is applied to capacitive acceleration sensor 2. For example, when acceleration is applied to the capacitive acceleration sensor 2, the capacitance of the capacitor C1 increases while the capacitance of the capacitor C2 decreases (details will be described later). . Assume that the capacitance of the capacitor C1 is C1 (unit F (Faraday)), and similarly, the capacitance of the capacitor C2 is C2 (unit F). The impedances z1 and z2 are shown as follows.

Figure 0005496515
オペアンプOP1(「第1の増幅器」に相当)は、自身のフィードバックに容量式加速度センサ2に含まれるコンデンサC2を含む。オペアンプOP1は、容量式加速度センサ2に含まれるコンデンサC1を通過した信号(「第1の増幅器に入力される入力交流信号」に相当)を入力信号とし、増幅する。オペアンプOP1の出力信号(「第1の増幅器にて増幅される増幅交流信号」に相当)の電圧vA(単位V)は、以下のように示される。
Figure 0005496515
The operational amplifier OP1 (corresponding to “first amplifier”) includes a capacitor C2 included in the capacitive acceleration sensor 2 in its own feedback. The operational amplifier OP1 amplifies the signal that has passed through the capacitor C1 included in the capacitive acceleration sensor 2 (corresponding to “input AC signal input to the first amplifier”) as an input signal. The voltage vA (unit V) of the output signal of the operational amplifier OP1 (corresponding to “amplified AC signal amplified by the first amplifier”) is expressed as follows.

Figure 0005496515
オペアンプOP2(「第2の増幅器」に相当)とインピータンスZ3とは、オペアンプOP1にて増幅された信号と、インピータンスZ2とを通過した信号を加算する加算回路である。このオペアンプOP2の出力信号(「差分信号」に相当)の電圧vBは、以下のように示される。ただし、インピータンスZ1及びインピータンスZ2のインピータンスを同じ値にしてZ(単位Ω)、インピータンスZ3のインピータンスをZf(単位Ω)とする。
Figure 0005496515
The operational amplifier OP2 (corresponding to “second amplifier”) and the impedance Z3 are addition circuits that add the signal amplified by the operational amplifier OP1 and the signal that has passed through the impedance Z2. The voltage vB of the output signal (corresponding to “difference signal”) of the operational amplifier OP2 is expressed as follows. However, the impedances of the impedance Z1 and the impedance Z2 are set to the same value, Z (unit Ω), and the impedance of the impedance Z3 is set to Zf (unit Ω).

Figure 0005496515
ここで、Zf=Zの場合、オペアンプOP2の出力電圧vBは、オペアンプOP1の入力電圧と出力電圧との差分となる。
Figure 0005496515
Here, when Zf = Z, the output voltage vB of the operational amplifier OP2 is the difference between the input voltage and the output voltage of the operational amplifier OP1.

A/D変換器3は、オペアンプOP2の出力電圧vBを計測する。CPU4は、A/D
変換器3の計測値を元に出力電圧Voutを算出する。CPU4は、交流バイアス発振回路1の出力周波数を制御する。
The A / D converter 3 measures the output voltage vB of the operational amplifier OP2. CPU4 is A / D
The output voltage Vout is calculated based on the measured value of the converter 3. The CPU 4 controls the output frequency of the AC bias oscillation circuit 1.

<<加速度検出の動作例>>
図2は、交流バイアス発振回路1の出力電圧Vinと、オペアンプOP2の出力電圧vBとの時間tにおける変化の例を示す。図2では、交流バイアス発振回路1は20kHzの周波数で動作している場合を例として示す。
<< Example of acceleration detection operation >>
FIG. 2 shows an example of a change in time t between the output voltage Vin of the AC bias oscillation circuit 1 and the output voltage vB of the operational amplifier OP2. FIG. 2 shows an example in which the AC bias oscillation circuit 1 operates at a frequency of 20 kHz.

(式1)より、コンデンサC1の静電容量の方がコンデンサC2の静電容量より大きい場合(C1>C2)には、vBは交流バイアス発振回路1の出力電圧Vinと同位相となる。コンデンサC1の静電容量C1とコンデンサC2の静電容量C2とが等しい場合(C1=C2)には、vBは直線を示す。コンデンサC1の静電容量C1の方がコンデンサC2の静電容量より小さい場合(C1<C2)には、vBは交流バイアス発振回路1の出力電圧Vinとは逆位相となる。   From (Equation 1), when the capacitance of the capacitor C1 is larger than the capacitance of the capacitor C2 (C1> C2), vB has the same phase as the output voltage Vin of the AC bias oscillation circuit 1. When the capacitance C1 of the capacitor C1 and the capacitance C2 of the capacitor C2 are equal (C1 = C2), vB indicates a straight line. When the capacitance C1 of the capacitor C1 is smaller than the capacitance of the capacitor C2 (C1 <C2), vB has an opposite phase to the output voltage Vin of the AC bias oscillation circuit 1.

図3は、加速度検出の動作例のフロー図を示す。尚、図3では、交流バイアス発振回路1は20kHzの周波数(周期50μ秒)であるとする。   FIG. 3 shows a flowchart of an operation example of acceleration detection. In FIG. 3, it is assumed that the AC bias oscillation circuit 1 has a frequency of 20 kHz (a period of 50 μsec).

CPU4は、交流バイアス発振回路1の出力電圧Vin(以降、入力電圧と称す)の立ち上がりを検知すると、立ち上がり検知タイマを起動する(OP1)。   When detecting the rising of the output voltage Vin (hereinafter referred to as input voltage) of the AC bias oscillation circuit 1, the CPU 4 starts a rising detection timer (OP1).

CPU4は、立ち上がり検知タイマが、例えば、12μ秒をカウントすると(OP2)、A/D変換器3からvBを読み込み、一時的に記憶する(OP3)。このときの時刻t=t1とし、vBの値をv1(図2)とする。   For example, when the rising edge detection timer counts 12 μs (OP2), the CPU 4 reads vB from the A / D converter 3 and temporarily stores it (OP3). At this time, the time t = t1, and the value of vB is v1 (FIG. 2).

CPU4は、立ち上がり検知タイマが、例えば、時刻t1から25μ秒(半周期)後の37μ秒をカウントすると(OP4)、A/D変換器3からvBを読み込み、一時的に記憶する(OP5)。このときの時刻t=t2とし、vBの値をv2(図2)とする。   For example, when the rising edge detection timer counts 37 μsec after 25 μsec (half cycle) from time t1 (OP4), the CPU 4 reads vB from the A / D converter 3 and temporarily stores it (OP5). At this time, time t = t2, and the value of vB is v2 (FIG. 2).

CPUは、v1とv2とを読みこんだら、Voutを算出する。Voutは、以下の式で求められる。   After reading v1 and v2, the CPU calculates Vout. Vout is obtained by the following equation.

Figure 0005496515
ここで、Vin(t1)は時刻t=t1における入力電圧を示す。Vin(t2)は時刻t=t2における入力電圧を示す。C1(t1)は時刻t=t1におけるコンデンサC1の静電容量を示す。C1(t2)は時刻t=t2におけるコンデンサC1の静電容量を示す。C2(t1)は時刻t=t1におけるコンデンサC2の静電容量を示す。C2(t2)は時刻t=t2におけるコンデンサC2の静電容量を示す。
Figure 0005496515
Here, Vin (t1) indicates an input voltage at time t = t1. Vin (t2) indicates an input voltage at time t = t2. C1 (t1) represents the capacitance of the capacitor C1 at time t = t1. C1 (t2) indicates the capacitance of the capacitor C1 at time t = t2. C2 (t1) indicates the capacitance of the capacitor C2 at time t = t1. C2 (t2) indicates the capacitance of the capacitor C2 at time t = t2.

t2−t1=25μ秒は、加速度センサが検出する振動(検出波)の周期をTとする場合、t1−t2<<Tであるので、C1(t1)=C1(t2)、C2(t1)=C2(t2)とすることができる。従って、   t2−t1 = 25 μsec is t1−t2 << T, where T is the period of vibration (detection wave) detected by the acceleration sensor, so C1 (t1) = C1 (t2), C2 (t1) = C2 (t2). Therefore,

Figure 0005496515
となる。CPU4は、Vinの立ち上がりを基準にしてt1、t2をカウントするので、図2より、常に、Vin(t1)−Vin(t2)>0となる。従って、(式2)より
C1>C2の場合、Vout>0、
C1=C2の場合、Vout=0、
C1<C2の場合、Vout<0
となる。
Figure 0005496515
It becomes. Since the CPU 4 counts t1 and t2 on the basis of the rise of Vin, Vin (t1) −Vin (t2)> 0 is always satisfied from FIG. Therefore, when C1> C2 from (Equation 2), Vout> 0,
When C1 = C2, Vout = 0,
When C1 <C2, Vout <0
It becomes.

CPU4は、Voutを算出したら、Voutの値を記録する(OP6)。入力電圧Vinの立ち上がりを検知する毎に図3に示すフローが行われるので、図2及び図3の場合、Voutは50μ秒毎に算出される(Voutのサンプル周波数20kHz)。   After calculating Vout, the CPU 4 records the value of Vout (OP6). Since the flow shown in FIG. 3 is performed every time the rising of the input voltage Vin is detected, in the case of FIGS. 2 and 3, Vout is calculated every 50 μsec (Vout sampling frequency 20 kHz).

図4は、Voutのプロット例を示す図である。Voutをプロットしていくと加速度センサ回路が検出する検出波の波形が得られる。図4の場合は、検出波はおおよそ250Hzの周波数であることがわかる。   FIG. 4 is a diagram illustrating a plot example of Vout. When Vout is plotted, a waveform of a detection wave detected by the acceleration sensor circuit is obtained. In the case of FIG. 4, it can be seen that the detected wave has a frequency of approximately 250 Hz.

(式2)より、C1>C2の場合はVoutが正の値をとり、C1<C2の場合はVoutが負の値をとる。このことによって、例えば、図4に示す出力結果の例では、出力電圧5Vの交流電源を用いる場合は、入力電圧0(V)<Vin(V)<5V(V)に対し、出力電圧−5(V)<Vout<5(V)という、入力電圧Vinに対して2倍の範囲の出力電圧を得ることができる。言い換えると、加速度センサ回路A1は、(式2)によってVoutを求めることによって、検出波の正側の振幅に加え、負側の振幅を検出することができる。さらに、5Vの交流電源を用いる場合には、コンピュータと電源を共用することができるため、非常に効率の良い回路構成となる。   From (Equation 2), when C1> C2, Vout takes a positive value, and when C1 <C2, Vout takes a negative value. Thus, for example, in the example of the output result shown in FIG. 4, when an AC power supply with an output voltage of 5 V is used, the output voltage −5 with respect to the input voltage 0 (V) <Vin (V) <5 V (V). An output voltage in the range of (V) <Vout <5 (V) that is twice the range of the input voltage Vin can be obtained. In other words, the acceleration sensor circuit A1 can detect the negative amplitude in addition to the positive amplitude of the detection wave by obtaining Vout by (Equation 2). In addition, when a 5V AC power supply is used, the power supply can be shared with the computer, resulting in a very efficient circuit configuration.

<<容量式加速度センサと加速度との関係>>
図5は、容量式加速度センサ2の概念的な構成例を示す図である。容量式加速度センサ2は、例えば、図5で示されるように、2枚の固定電極の間に梁で支持された可動シリコン振動子(可動電極)によってモデル化できる。この2枚の固定電極とその間の可動電極でコンデンサC1(図1)及びコンデンサC2(図1)を形成する。
<< Relationship between capacitive acceleration sensor and acceleration >>
FIG. 5 is a diagram illustrating a conceptual configuration example of the capacitive acceleration sensor 2. For example, as shown in FIG. 5, the capacitive acceleration sensor 2 can be modeled by a movable silicon vibrator (movable electrode) supported by a beam between two fixed electrodes. A capacitor C1 (FIG. 1) and a capacitor C2 (FIG. 1) are formed by the two fixed electrodes and the movable electrode therebetween.

図5において、dはコンデンサC1とコンデンサC2の静電容量が等しい場合の固定電極と可動電極との極板間距離を示す。d1は、加速度aが印加された後のコンデンサC1の極板間距離である。同じくd2は、加速度aが印加された後のコンデンサC2の極板間距離である。加速度センサ回路A1を構成するMEMS素子に加速度がかかると、可動電極が動く。可動電極が動くと、可動電極と固定電極との静電ギャップの間隔が変化し、それとともに、コンデンサC1及びコンデンサC2の静電容量が変化する。一般にコンデンサの静電容量は以下の式で示される。   In FIG. 5, d indicates the distance between the electrode plates of the fixed electrode and the movable electrode when the capacitances of the capacitor C1 and the capacitor C2 are equal. d1 is the distance between the electrode plates of the capacitor C1 after the acceleration a is applied. Similarly, d2 is the distance between the electrode plates of the capacitor C2 after the acceleration a is applied. When acceleration is applied to the MEMS element constituting the acceleration sensor circuit A1, the movable electrode moves. When the movable electrode moves, the interval of the electrostatic gap between the movable electrode and the fixed electrode changes, and at the same time, the capacitances of the capacitor C1 and the capacitor C2 change. Generally, the capacitance of a capacitor is expressed by the following equation.

Figure 0005496515
ここで、ε[F/m]は誘電率、S[m2]は極板面積、d[m]は極板間距離である
Figure 0005496515
Here, ε [F / m] is the dielectric constant, S [m 2 ] is the electrode plate area, and d [m] is the distance between the electrode plates.

例えば、可動電極がxだけ動いた場合、コンデンサC1の極板間距離は小さくなり、コンデンサC2極板間距離は大きくなる。この場合、(式3)より、コンデンサC1の静電容量C1の値は大きくなり、コンデンサC2の静電容量C2の値は小さくなる。従って、容量式加速度センサ2のコンデンサC1とC2は、加速度が印加されると、互いに相反する方向に静電容量が変化する。   For example, when the movable electrode moves by x, the distance between the plates of the capacitor C1 is reduced, and the distance between the plates of the capacitor C2 is increased. In this case, from (Equation 3), the value of the capacitance C1 of the capacitor C1 increases, and the value of the capacitance C2 of the capacitor C2 decreases. Therefore, the capacitances of the capacitors C1 and C2 of the capacitive acceleration sensor 2 change in directions opposite to each other when acceleration is applied.

一方、加速度は、以下に示す式から求められる。   On the other hand, the acceleration is obtained from the following equation.

Figure 0005496515
(式4)はニュートンの第2法則であり、fiは慣性力[N・s]、錘の質量をm[Kg]、加速度をa[m/s2]とする。(式5)はフックの法則であり、frは復元力[
N]、ばね定数をk[N/m]、変位をx[m]とする。
Figure 0005496515
(Equation 4) is Newton's second law, where fi is the inertial force [N · s], the mass of the weight is m [Kg], and the acceleration is a [m / s 2 ]. (Equation 5) is Hooke's law, and fr is the restoring force [
N], the spring constant is k [N / m], and the displacement is x [m].

慣性力fiと復元力frとがつりあうとき、図5において、可動電極の変位xと加速度aの関係は、(式4)及び(式5)より以下の式で表わされる。   When the inertial force fi and the restoring force fr are balanced, in FIG. 5, the relationship between the displacement x of the movable electrode and the acceleration a is expressed by the following equation from (Equation 4) and (Equation 5).

Figure 0005496515
図5において、加速度aが容量式加速度センサ2に印加され、可動電極がxだけ動いた場合、d1、d2、及びxとは以下の関係にあとする。
Figure 0005496515
In FIG. 5, when acceleration a is applied to the capacitive acceleration sensor 2 and the movable electrode moves by x, d1, d2, and x are in the following relationship.

Figure 0005496515
尚、d>>xであるとする。
Figure 0005496515
Note that d >> x.

(式1)、(式3)、(式6)及び(式7)より、   From (Formula 1), (Formula 3), (Formula 6) and (Formula 7),

Figure 0005496515
(式8)より、オペアンプOP2の出力電圧vBと加速度aとはほぼ線形の関係にあることがわかる。従って、(式1)及び(式8)より、加速度センサ回路A1の出力電圧Voutは加速度センサ回路A1に印加される加速度aにしたがって変化する。つまり、加
速度センサ回路A1の増幅度(入力電圧Vinに対する出力電圧Voutの比)に変化があった場合(特にVoutの出力に検出波が認められた場合)は、加速度センサ回路A1に加速度が印加されたことを検出できる。
Figure 0005496515
From (Equation 8), it can be seen that the output voltage vB of the operational amplifier OP2 and the acceleration a have a substantially linear relationship. Therefore, from (Equation 1) and (Equation 8), the output voltage Vout of the acceleration sensor circuit A1 varies according to the acceleration a applied to the acceleration sensor circuit A1. That is, when there is a change in the amplification degree of the acceleration sensor circuit A1 (ratio of the output voltage Vout to the input voltage Vin) (particularly when a detection wave is recognized in the output of Vout), acceleration is applied to the acceleration sensor circuit A1. Can be detected.

尚、変位‘x’と電極の長さ‘L’との間には、x<<Lが成り立つので可動電極は固定電極に対して常に平行に移動すると見なすことができる。   Since x << L holds between the displacement ‘x’ and the electrode length ‘L’, it can be considered that the movable electrode always moves parallel to the fixed electrode.

<<加速度センサ回路のノイズ低減>>
信号とノイズはS/N比で表わせる。加速度をより高感度で検知するためには、信号(S:Signal)を大きく検知することと、ノイズ(N:Noise)を低減することが必要となる。
<< Noise reduction of acceleration sensor circuit >>
Signals and noise can be expressed by S / N ratio. In order to detect acceleration with higher sensitivity, it is necessary to detect a signal (S: Signal) largely and to reduce noise (N: Noise).

図1の加速度センサ回路A1では、ノイズを低減するために、以下の点を考慮する。
(1)ブライアンノイズの低減
ブライアンノイズとは、空気中に含まれる気体分子が容量式加速度センサ2の可動電極に衝突することで発生するノイズのことである。このノイズを低減するために、容量式加速度センサ2のエレメント内は真空にする。
(2)オペアンプにて生じるノイズの低減
市販されているオペアンプには、ノイズが小さくなるように設計されているものがある。このようなオペアンプを用いたとしても、オペアンプで使用されている半導体において特有のノイズが発生する。このノイズに対して検討が必要になる。
In the acceleration sensor circuit A1 of FIG. 1, the following points are considered in order to reduce noise.
(1) Reduction of Brian Noise Brian noise is noise generated when gas molecules contained in the air collide with the movable electrode of the capacitive acceleration sensor 2. In order to reduce this noise, the inside of the element of the capacitive acceleration sensor 2 is evacuated.
(2) Reduction of noise generated by operational amplifier Some commercially available operational amplifiers are designed to reduce noise. Even if such an operational amplifier is used, noise peculiar to the semiconductor used in the operational amplifier is generated. It is necessary to consider this noise.

オペアンプに発生する雑音スペクトラムには、以下のようなものがある。
・ホワイトノイズ(白色雑音):Pn(f)=C(周波数に依存しない一定の雑音)
・1/f雑音:Pn(f)∝1/f (周波数に反比例する雑音)
ここで、Pn(f)は、雑音源の電力スペクトラム密度であり、一定周波数帯域の実行値を示す。
The noise spectrum generated in an operational amplifier includes the following.
White noise (white noise): Pn (f) = C (constant noise independent of frequency)
1 / f noise: Pn (f) ∝1 / f (noise inversely proportional to frequency)
Here, Pn (f) is the power spectrum density of the noise source, and indicates an execution value in a certain frequency band.

ホワイトノイズは、いか様にしても発生してしまう雑音であり、低減することは不可能である。しかし、1/f雑音は、周波数によって変化する雑音である。   White noise is generated in any way and cannot be reduced. However, 1 / f noise is noise that varies with frequency.

図6は、あるオペアンプに入力する交流バイアスの周波数と発生する雑音との関係の例を示す図である。この関係は、使用するオペアンプによって変わる。図6では、低周波の領域では、1/f雑音が発生することを示す。また、ある周波数を超えると、1/f雑音が回避できる(図6の場合は、100Hzを超えた領域)。従って、交流バイアス発振回路1の出力電圧Vinの周波数は、1/f雑音を回避できる十分高い周波数を用いる。
(3)抵抗内の電子の不規則な熱振動によって発生する雑音
抵抗内で発生する雑音の電圧Vn(単位V)は以下のように示される。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the relationship between the frequency of the AC bias input to a certain operational amplifier and the generated noise. This relationship varies depending on the operational amplifier used. FIG. 6 shows that 1 / f noise is generated in the low frequency region. Further, if the frequency exceeds a certain frequency, 1 / f noise can be avoided (in the case of FIG. 6, the region exceeding 100 Hz). Therefore, the frequency of the output voltage Vin of the AC bias oscillation circuit 1 is a sufficiently high frequency that can avoid 1 / f noise.
(3) Noise generated by irregular thermal oscillation of electrons in the resistor The noise voltage Vn (unit V) generated in the resistor is expressed as follows.

Figure 0005496515
ここで、kはボルツマン係数、Tは抵抗の胴体温度(単位K)、Rは抵抗値(単位Ω)、Δfは帯域幅を示す。
Figure 0005496515
Here, k is a Boltzmann coefficient, T is a resistance body temperature (unit K), R is a resistance value (unit Ω), and Δf is a bandwidth.

図7は、非反転増幅回路であるオペアンプ回路の例を示す図である。このオペアンプの増幅度を決める場合は、以下の式を用いる。   FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an operational amplifier circuit which is a non-inverting amplifier circuit. When determining the amplification factor of this operational amplifier, the following equation is used.

Figure 0005496515
例えば、R1=1K(Ω)、R2=9K(Ω)を用いた場合をケース1とする。R1=10K(Ω)、R2=90K(Ω)を用いた場合をケース2とする。ケース1とケース2とでは、(式10)における増幅度は10と同じ値になる。しかし、ノイズレベルでは、(式9)から、ケース2はケース1の√10倍(=3.16倍)大きくなる。
Figure 0005496515
For example, Case 1 is a case where R1 = 1K (Ω) and R2 = 9K (Ω) are used. Case 2 uses R1 = 10K (Ω) and R2 = 90K (Ω). In Case 1 and Case 2, the amplification degree in (Equation 10) is the same value as 10. However, at the noise level, from (Equation 9), Case 2 is √10 times (= 3.16 times) larger than Case 1.

従って、抵抗により発生する熱雑音を低減するためには、抵抗の値が小さい抵抗素子を用いることと、熱雑音の発生源となる抵抗素子の数をできるだけ少なくすることが望まれる。図1の加速度センサ回路A1においては、回路を構成する素子数を少なくしている。さらに、図1の加速度センサ回路A1内のインピータンスZ1〜Z3に抵抗素子ではなく、コンデンサを採用することも可能である。加速度センサ回路A1にインピータンスZ1〜Z3としてコンデンサを用いることで熱雑音の発生を回避することができる。   Therefore, in order to reduce the thermal noise generated by the resistance, it is desired to use a resistance element having a small resistance value and to reduce the number of resistance elements that are sources of thermal noise as much as possible. In the acceleration sensor circuit A1 of FIG. 1, the number of elements constituting the circuit is reduced. Furthermore, it is possible to employ capacitors instead of resistance elements for the impedances Z1 to Z3 in the acceleration sensor circuit A1 of FIG. Generation of thermal noise can be avoided by using capacitors as the impedances Z1 to Z3 in the acceleration sensor circuit A1.

<第1実施形態の作用効果>
第1実施形態によれば、加速度をオペアンプOP1に入力する入力信号とオペアンプOP1によって増幅された信号との差分の電圧の比をvBとして得ることができる。A/D変換器3の測定値が差分の電圧になっているので、CPUで処理すべき作業が軽減され、効率がよい。
<Operational effects of the first embodiment>
According to the first embodiment, the difference voltage ratio between the input signal for inputting the acceleration to the operational amplifier OP1 and the signal amplified by the operational amplifier OP1 can be obtained as vB. Since the measured value of the A / D converter 3 is a differential voltage, the work to be processed by the CPU is reduced and the efficiency is high.

第1実施形態では、出力電圧Vout=v1−v2で求められるので、Voutは正の値と負の値をとることができる。通常、例えば、正と負の両方の領域で出力電圧Voutを得たい場合には、入力電圧Vinとして正の領域の出力結果を得るための電源と、負の領域の出力結果を得るための電源を用意する必要がある。しかし、第1実施形態の回路構成によれば、1つの交流バイアス発振回路1で、正と負の両方の領域の出力電圧Voutが得られるので、効率が良い。   In the first embodiment, Vout can take a positive value and a negative value because it is obtained by the output voltage Vout = v1−v2. Usually, for example, when it is desired to obtain the output voltage Vout in both the positive and negative regions, a power source for obtaining the output result in the positive region as the input voltage Vin and a power source for obtaining the output result in the negative region It is necessary to prepare. However, according to the circuit configuration of the first embodiment, the single AC bias oscillation circuit 1 can obtain the output voltage Vout in both the positive and negative regions, so that the efficiency is high.

第1実施形態の加速度センサ回路A1によれば、回路を構成する回路素子の数が少なくて済むので、消費電力が少なく抑えることができる。さらに、回路素子の数が少ないので、回路素子で発生する雑音も少なく抑えることができ、加速度センサ回路A1の感度を上げることができる。   According to the acceleration sensor circuit A1 of the first embodiment, since the number of circuit elements constituting the circuit is small, power consumption can be reduced. Furthermore, since the number of circuit elements is small, noise generated in the circuit elements can be suppressed to a low level, and the sensitivity of the acceleration sensor circuit A1 can be increased.

第1実施形態によれば、加速度センサエレメントを真空にし、交流電源を1/f雑音を回避できる周波数で用い、回路の素子数が少ないので、ノイズを低減することができる。ノイズ低減することによって、S/N比が大きくなり、感度を上げることができる。   According to the first embodiment, the acceleration sensor element is evacuated, the AC power supply is used at a frequency at which 1 / f noise can be avoided, and the number of circuit elements is small, so that noise can be reduced. By reducing the noise, the S / N ratio increases and the sensitivity can be increased.

第1実施形態をMEMSにより構成すれば、効率的で、ダイナミックレンジが広く、高感度で、安価で、且つ、軽量小型の加速度センサ回路を実現できる。   If the first embodiment is configured by MEMS, an efficient, wide dynamic range, high sensitivity, inexpensive, lightweight, and small acceleration sensor circuit can be realized.

<変形例>
第1実施形態の加速度センサ回路A1を、3つ備えて3軸の加速度センサを構成することができる。
<Modification>
A three-axis acceleration sensor can be configured by providing three acceleration sensor circuits A1 of the first embodiment.

図8は、3軸加速度センサの例の全体図である。直行した基準となる3軸(X軸、Y軸、Z軸)毎に加速度センサ回路A1を配置する。3つの加速度センサ回路A1からの出力電圧によって、3軸方向の加速度を検出することができる。   FIG. 8 is an overall view of an example of a three-axis acceleration sensor. An acceleration sensor circuit A1 is arranged for each of three orthogonal axes (X axis, Y axis, and Z axis). The acceleration in the three-axis direction can be detected by the output voltages from the three acceleration sensor circuits A1.

1 交流バイアス発振回路
2 容量式加速度センサ
3 A/D変換器
4 CPU
A1 加速度センサ回路
C1、C2 コンデンサ
OP1、OP2 オペアンプ
Z1、Z2、Z3、 インピータンス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 AC bias oscillation circuit 2 Capacitance type acceleration sensor 3 A / D converter 4 CPU
A1 acceleration sensor circuit C1, C2 capacitors OP1, OP2 operational amplifiers Z1, Z2, Z3, impedance

Claims (6)

所定の周期で方形波の交流信号を出力する交流バイアス発振回路と、
検知した加速度によって容量が変化する第1のキャパシタと、
前記加速度によって第1のキャパシタとは相反する方向に容量が変動する第2のキャパシタと、
前記第1のキャパシタの容量と前記第2のキャパシタの容量との比によって前記交流バイアス発振回路から出力される交流信号に対する増幅度が定まる第1の増幅器と、
前記第1の増幅器に入力される入力交流信号と、前記第1の増幅器にて増幅される増幅交流信号との差分信号を生成する第2の増幅器と、
前記所定の周期中の、第1の時刻と、前記交流バイアス発振回路から出力される交流信号の位相が前記第1の時刻における交流信号の位相と反転している、前記第1の時刻から所定時間経過後の第2の時刻と、において、前記第2の増幅器によって生成される差分信号を読み込み、前記第1の時刻の差分信号から前記第2の時刻の差分信号への変化量を前記第2の増幅器の電源電圧からの入力電圧の範囲の2倍の範囲までの値で算出する演算手段と、
を備える加速度センサ回路。
An AC bias oscillation circuit that outputs a square-wave AC signal at a predetermined period;
A first capacitor whose capacitance changes according to the detected acceleration;
A second capacitor whose capacitance fluctuates in a direction opposite to the first capacitor due to the acceleration;
A first amplifier in which an amplification factor for an AC signal output from the AC bias oscillation circuit is determined by a ratio between a capacitance of the first capacitor and a capacitance of the second capacitor;
A second amplifier that generates a differential signal between an input AC signal input to the first amplifier and an amplified AC signal amplified by the first amplifier;
Predetermined from the first time during the first period, the phase of the AC signal output from the AC bias oscillation circuit is inverted from the phase of the AC signal at the first time. At a second time after the lapse of time, the difference signal generated by the second amplifier is read, and the amount of change from the difference signal at the first time to the difference signal at the second time is calculated as the first time . Computing means for calculating a value up to twice the range of the input voltage from the power supply voltage of the amplifier of 2 ;
An acceleration sensor circuit comprising:
前記入力交流信号値に対する差分信号値の比が検知した加速度にともなって変化する請求項1に記載の加速度センサ回路。   The acceleration sensor circuit according to claim 1, wherein a ratio of the difference signal value to the input AC signal value changes with the detected acceleration. 前記入力交流信号値に対する差分信号値の比が正の場合に、前記加速度を第1の方向の加速度とし、前記入力交流信号値に対する差分信号値の比が負の場合に前記第1の方向に対して逆方向となる第2の方向の加速度とすることによって正負2方向の加速度を検出する手段をさらに備える
請求項1または2に記載の加速度センサ回路。
When the ratio of the differential signal value to the input AC signal value is positive, the acceleration is set to the acceleration in the first direction, and when the ratio of the differential signal value to the input AC signal value is negative, the acceleration is set to the first direction. The acceleration sensor circuit according to claim 1, further comprising means for detecting acceleration in two positive and negative directions by setting the acceleration in a second direction opposite to the second direction.
前記入力交流信号の周波数は、前記増幅器で発生するノイズ成分にて白色雑音が支配的となる周波数帯域に設定される請求項1から3の何れか1つに記載の加速度センサ回路。   4. The acceleration sensor circuit according to claim 1, wherein the frequency of the input AC signal is set to a frequency band in which white noise is dominant in a noise component generated by the amplifier. 5. 前記加速度センサ回路はMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)上で構成される請求項1から4の何れか1つに記載の加速度センサ回路。   5. The acceleration sensor circuit according to claim 1, wherein the acceleration sensor circuit is configured on a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). 所定の周期で方形波の交流信号を出力する交流バイアス発振回路と、
検知した加速度によって容量が変動する第1のキャパシタと、
前記加速度によって第1のキャパシタとは相反する方向に容量が変動する第2のキャパシタと、
前記第1のキャパシタの容量と前記第2のキャパシタの容量との比によって前記交流バイアス発振回路から出力される交流信号に対する増幅度が定まる第1の増幅器と、
前記第1の増幅器に入力される入力信号と、前記第1の増幅器にて増幅される増幅交流信号との差分信号を生成する第2の増幅器と、
を備える3軸方向の加速度をそれぞれ検知する3個のセンサ回路と、
前記3個のセンサ回路のそれぞれについて、前記所定の周期中の、第1の時刻と、前記交流バイアス発振回路から出力される交流信号の位相が前記第1の時刻における交流信号の位相と反転している、前記第1の時刻から所定時間経過後の第2の時刻と、において、前記第2の増幅器によって生成される差分信号を読み込み、前記第1の時刻の差分信号から前記第2の時刻の差分信号への変化量を前記第2の増幅器の電源電圧からの入力電圧の範囲の2倍の範囲までの値で算出する演算手段と、
を備える3軸加速度センサ回路。
An AC bias oscillation circuit that outputs a square-wave AC signal at a predetermined period;
A first capacitor whose capacitance varies depending on the detected acceleration;
A second capacitor whose capacitance fluctuates in a direction opposite to the first capacitor due to the acceleration;
A first amplifier in which an amplification factor for an AC signal output from the AC bias oscillation circuit is determined by a ratio between a capacitance of the first capacitor and a capacitance of the second capacitor;
A second amplifier that generates a differential signal between an input signal input to the first amplifier and an amplified AC signal amplified by the first amplifier;
Three sensor circuits that respectively detect acceleration in three axial directions,
For each of the three sensor circuits, the first time during the predetermined period and the phase of the AC signal output from the AC bias oscillation circuit are inverted from the phase of the AC signal at the first time. A differential signal generated by the second amplifier at a second time after a lapse of a predetermined time from the first time, and the second time from the differential signal at the first time. Calculating means for calculating the amount of change to the difference signal of the second amplifier with a value up to twice the range of the input voltage from the power supply voltage of the second amplifier ;
A three-axis acceleration sensor circuit comprising:
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