JPH01253657A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は加速度センサに係り、特に自動車の車体制御シ
ステムに好適な加速度センサに関する。

なお、加速度センサとしてはＯ〜±］Ｇ、０〜１０ＩＴ
Ｚの範囲を高精度に検出てきるものか要求される。ここ
で、ｉ、　Ｇ　＝　９　、８　ｍ　／　Ｓ　２である。

〔従来の技術〕

加速度センサとしては圧電材料の圧電効果を利用した圧
電式、ビエソ抵抗効果を利用した歪ケージ式、力のフィ
ー１くハック機構を有するサーボ式。

差動Ｉ・ランスを利用した磁気式、フオＩ・インクラブ
タを利用した光式、シリコンの微細加工技術を利用した
容量型なと数多くの方式が知られている。

この中で、高１８度化と耐衝撃性を両立させる方式とし
て、シリコンの微細加工技術を利用した容量型を静電サ
ーボで駆動する方法が考えられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のシリコンの微細加−［−技術を利用しまた容量型
を静電サーボて駆動する方式は、静電ザーポ機４Ｉｖｌ
の非線形性か太きいため、非線形性をリニアライスする
補（ｆｉ開回路必要なこと、出力特性の調整か困難で、
製造時の歩留りか悪いことなどの欠点かあった。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点に鑑め、非線形補
償回路が不要で、製造時の歩留りか良りｆな容量型加速
度センサを提供することにある。

〔課題を解決するための千１没〕 手記本発明の目的は、シリコンの微細加工技術によって
カンチレバーの先端に形成したｊｉ］動電極電極向して
コないし２個の固定電極を設け、ｉＪ　１ｌｊｌＪ電極
と固定電極間のキＡノバシタンスか所定の値になるよう
に（即ち、可動電極の変位を拘束するように）両電極間
へ静電気力に作用させるとき、この静電気力をパルス幅
変調方式で制御するかあるいはバイアス静電気力成分を
もたせることによって、リニアライブ回路を用いること
なく実Ｔ？的に線形化し、この静電気力から加速度に比
例した出力信号２取り出すことにより達成される。

〔作用〕

第一の手法として、静電気力（この大きさは両電極間へ
印加する電圧の２乗に比例する）をパルス幅変調方式て
フィー１へバック制御すると、このパルス幅は検出すべ
き加速度へ正確に一次比例す一：３− る。第２の手法として、可動電極と−・力の固定′電極
との間に比較的大きなバイアス静電気力を作用させ、他
方の固定電極との間に印加する静電気力をフィードバッ
ク的に制御する。この場合、後茜の靜′貨気力を発生さ
せるのに必要な両′市極間へ印加する電圧の変化する大
きさは、検出すべき加速度へほぼ実質的に一次比例する
。

本発明の２つの手法により、リニアライス回路を用いる
ことなく、可動電極の位首を拘束するようにフィートバ
ンク制御を行なった静電気力から加速度を線形性良く、
高精度に検出することができる。

一般にセンサは、製造時における各種の要因によって、
その感度や零点はある範囲のバラツキを有する。それ故
、何らかの方θミでこれらを調整する必要がある。本発
明による加速度センサけ、加速度を線形に検出てきる故
、調整が簡単になる。

この結果、歩留りの良い容量型加速度センサを提供する
ことができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。本発
明による加速度センサの検出部は、シリコンカンチレバ
ー１の先端に形成した可動電極２に対向して固定電極３
，４を配置したものよりなる。検出すべき加速度Ｇの大
きさと方向に応して、可動電極２は固定電極３と４の間
を１−下に変位する。固定電極３３，４及びカンチレバ
ー１を介して可動電極２は静電サーボ回路５と電気的に
結線されている。そして、可動電極２と−・方の固定電
極（図の場合は４）間の空隙の寸法が所定の値ｄ。

になるように、可動電極２と固定４を極３もしくは４間
に静電気力をフィーＩ−バッタ制御的に印加し、この静
電気力から加速度Ｇに比例した出力信号Ｖ　ｏｕ　＋　
を取り出すことができる。静電サーボ回路５の詳細は後
述するが、検出部の構造と合せて本発明の根幹をなす。

第２図（ａ）及び（ｂ）に従来型加速度センサの典型的
な測定方法を示す。その構造は第２図（１））に示す様
に、シリコン板Ｇを両面からエンチングして、カンチレ
バー１の先端に重錘の機能を兼ね備える可動電極２を形
成する。可動電極２に対向して配置された固定電極３，
４はアルミなどの金属よりなり、それぞれガラス板７，
８に蒸着その他の方法によって形成され、その回路構成
は第２図（ａ）に示される。

今、可動電極２と固定電極３，４間の電気容量（キャパ
シタンス）をＣｓ　、Ｃ２とすると、ｃｌ。

Ｃ２の値は可動電極２の変位即ち、加速度Ｇに応して変
化する。キャパシタンスＣ１，Ｃ２の絶対値もしくは両
者の差分値△Ｃから、加速度Ｇを検出するのが従来の容
量型加速度センサの最も典型的なａ１測手法である。こ
の計測手法は以下に示すように、製造時に発生した可動
電極２と固定電極３．４間の初期空隙寸法のバラツキに
よって、出力特性も大きくバラツクため、製造歩留りを
低下させる問題があった。

加速度Ｇに応して可動電極２が変位したときの、加速度
とキャパシタンスの関係の一例を第３図に示す。可動電
極２と固定電極３，４間の初期ギャップｄｏが３μｍの
場合である。図に示すように、可動電極の変位ω（ωは
加速度Ｇに比例）に対してキャパシタンスＣ＋　、Ｃ２
及びその差分値へ〇は大きな非線形性を有し、加速度Ｇ
を高精度に検出することは困難である。なお、電極間の
キャパシタンスＣは良く知られているように、次式で与
えられる。

ε０３ Ｃ−□　　　　　　　　　　　　　　・（１）ここで、
ＥＱは真空誘電率、Ｓは電極の面積、ｄは電極間の空隙
寸法である。このように、キャパシタンスＣは空隙寸法
ｄに反比例するため、第３図のように非線形性が大きく
なる。（］）式や第３図から理解できるように、可動電
極２と固定電極３，４間の初期ギャップｄｏが３μｒｎ
よりすれて製造された場合は、加速度Ｇの変化に対する
キャパシタンスＣ１，Ｃ２及びその差分値へＣの感度や
その非線形性は大幅にバラツクことになる。

それ故、キャパシタンス変化から加速度Ｇを検出する場
合は、製造時の初期空隙寸法のバラツキは極めて小さい
値でなければならない。しかし、現実には次回に示す如
く、製造時の初期空隙寸法は一定ではない。

電極間の初期空隙寸法のバラツキ状態の例を第４図（ａ
）、（ｂ）に示す。加速度センサに作用する加速度Ｇが
零のとき、可動電極２が所望の位置にある状態を第４図
（、）中に実線で示した。このときの、可動電極２と固
定電極３間の空隙の寸法をｄＯとする。しかし、第２図
に示した如く、ガラス板７，８をシリコン板６に接着し
たときの接着部の熱応力によって、可動電極２は固定電
極３と４の中間には必ずしもこない。例えば、第４図（
ａ）中の点線で示すように、固定電極３側に接近する。

これは、接着部熱応力の不均一性がカンチレバー１の固
定端に伝達し、加速度Ｇが零でもカンチレバー」がそれ
自身の固定端を支点として上方あるいは下方に変位する
ためである。今、可動電極２と固定電極３間の空隙の寸
法をｄ？とすると、この寸法ｄ】は製造時に種々の値に
なり、従来の典型的なセンシング手法では出力特性のバ
ラツキが大きく、歩留りの低下をもたらす。

そこで、本発明においては第４図（ａ）に示す如く、可
動電極２と固定電極３間の製造時の空隙の寸法ｄ１がい
かなる値であっても、可動電極２が固定電極３と４の中
間（空隙の寸法ｄｏ）に来るように、可動電極２と固定
電極３，４の間に印加した静電気力によって可動電極２
を変位させ、空隙の寸法を所望の値（図の場合はｄｏ）
に保持する。そして、電極間に印加した静電気力がら加
速度センサの出力信号を取り出す。

加速度Ｇが零のときの可動電極２の位置を固定電極３，
４間の中間に必ずしも静電気力で保持する必要はなく、
第４図（ｂ）に示すように可動電極と固定電極間の空隙
の寸法をｄ、と、一方の電極へ近つけさせても良い。

この結果、可動電極と固定電極間の空隙の寸法がどのよ
うにばらついても、多数の加速度センサを製造するとき
、電極間の空隙の寸法をｄｏあるいはｄ３のいずれにも
静電気力によって保持できる故、典型的な従来のセンシ
ンク方法で問題であった出力特性のバラツキを低減する
ことが可能になる。しかし、′４文極間ヘフイーＩくハ
ック制御的に印加した静電気力から加速度を検出するこ
とは、これまでにも知られている。

後述するように、電極間に印加した電圧とこれによって
発生した静電気力は非線形の関係にあり、加速度を高精
度に検出するにはリニアライス回路か必要であった。検
出部の基本原理が本質的に】１線形性を有してｊ３す、
調整が複層１て、バラツキの低減が困難であった。

本発明は可動電極を静電気力に、よって所望の位置に保
持しつつ、電極間に印加した静電気力から加速度に対応
し、た出力信号を取り出すとき、検出部の基本原理へ木
質的に線形性をもたせたことにある。この結果、製造歩
留りが向上し、高精度な加速度センサを低コストて提供
することが可能になる。

本発明による加速度センサの検出部の詳細部組構造を第
５図に示す。シリコン板６を両面からエツチングして、
カンチレバー１の先端に重錘の機能を兼ね備える可動電
極２を形成する。可動電極２の周囲は貫通ｄ４゛９によ
ってシリコン板Ｃ１より分離されている故、可動電極２
は検出すべき加速度Ｇに応答し、カンチレバー川の固定
端１０を支点として、ガラス板７及び８に黒石その他の
方η、によって形成した固定電極３，４間を−ｌ−：、
’ｌ”に変位する。

カラス板７．シリコン板６及びカラス板８を陽極接合そ
の他の方法で接合した検出チップを、縦弾性係数の小さ
い（軟い）有機接着剤１１　（例えば、シリコンコム）
でステ１１↑２上へ固定し一〇いる。金属性のステム］
２には孔１３かおいており、ガラス材］４てリード１５
をハーメチックシール的に装着している。ステ１１↓２
とカラス板８の熱膨張係数は等しくないので、この部分
の接着歪みか−に部の検出チップに伝達しないように、
接着剤１１には軟いシリコンコムなとが適している。。

次に、ツー１〜取出し電極１（３とり−Ｉく１５に導線
］７をワイヤポンチインクし、電気的に結線する。第１
図で述べた静電サーボ回路５と検出部はリード１−５を
介して電気的に接続される。真空界＝１１− 囲気中でキャップ１８をステム１２接合し、部屋」９中
を気密に封止した。

検出部組のＡ−Ａ親図、即ち平面図を第６図に示す。固
定電極３．可動電極２及び固定電極４はそれぞれり−１
く取出し電極２２．１６及び２３゜リード２０．１５及
び２］を介して、静電サーボ回路５と結線される。なお
、ガラス板７にあけた孔２４はガラス板７の下面に形成
した固定電極３とり−Ｉへ取出し電極２２を電気的に接
続するためのもので、ｌＩ’Ｌ　２４内にメシキなとの
手法を施し結線する。

本発明による静電サーボ制御方法を第７図Ｆこ示す。質
量ｍの可ｉｌ！ＩＪ電極２が加速度Ｇ（ＩＧ＝９．８ｍ
／Ｓｚ、）を受けると、可動電極２は（２）式で示され
る力ｆｌによって、カンチレバー」の固定端］０を支点
として」二、下に変位しようとする。

ｆ　＋　：　ｍ　Ｇ　　　　　　　　　　　　　　　・
（２）可動′電極２に作用するフィー１ヘハツク静電気
力をｆ２とすると、可動電極２は力Δｆによって、以下
に示す如くΔｄたけ変位する。

Δｆ＝ｆｚ−ｆ２　　　　　　　　　　　　−（３）こ
こで、Ｓはラプラス演算子、ｒは抵抗係数、ｋはカンチ
レバー１のバネ定数である。ｒは可動電極２の周囲の流
体の密度（本発明の場合は真空度）、貫通溝９や電極間
空隙の寸法などによって定まる。

可動電極２の変位によって、可動電極と固定電極間の空
隙の寸法ｄが変化する故、可動電極と固定電極間の電気
容量（キャパシタンス）からΔｄを検出することができ
る。

可動電極２の変位Δｄをゲインに＋のスイッチトキャパ
シタ２５で電圧Ｖ＊に変換し、基準電圧Ｖｒｅｒ　と比
較する。後述するように、スイッチ１〜キヤパシタ２５
は電極間に矩形波状の電圧波形列を印、ＩＪＤ　Ｌ、電
極間のキャパシタンスから空隙の寸法ｄを直接的に検出
することができる。本図の静電サーボ回路は Ｖｒｅｚ　　Ｖ＊＝　Ｏ−（５） なるようにフィー１〜ハツク制御され、可動電極２と一
方の固定電極間の空隙の寸法は一定値に保持される。基
準電圧Ｖｒｅｔ　を適当に選択することによって、第４
図（ｂ）に示すように可動電極２と固定電極４間の空隙
の寸法ｄ５を加速度Ｇの大きさや方向によらす、所望の
値へ常に一定に保持することができる。同時に、製造時
に生した可動電極と固定電極間の空隙寸法のバラツキに
基因した問題点を克服することができ、高性能で低コス
Ｉ〜な加速度センサを提供することができる。

（５）式が成立するように、可ｉＩ！ＩＪ電極と固定型
１が間に印加した電圧によって静電サーボ機構をフィー
１クバンク制御し、積分器２６を介して検出すべき加速
度に正確に一次比例した出力信号Ｖ。ｕｔ　を取り出す
。

静電気力ｆ２は出力信号Ｖ。ｕｔに基づき、線形静電気
力変換部２７により、検出すべき加速度（）に対して線
形にフィードバック制御される。次回で詳細に説明する
ように、可動電極２を固定電極４側へ吸引させるように
働く静電気力ｆ２はりニアライズ回路を必要とすること
なく、本質的に線形に制御される。

線形静電気力変換部２７はゲインに２のパルス幅変調器
２８とゲインに３の静電気力変換部２９よりなる。

次に、線形静電気力変換部２７の詳細を第８ト］により
説明する。

出力信号■。ｏｌはパルス幅変調器２８によって、周期
′ｒのパルス列に変調され、そのパルス幅は、ｌ＋　ａ
　ｏになる。パルス列の周波数がカンチレバー」と可！
ＰＩＩ電極２よりなる検出部の固有振動数より十分大き
くなるように、パルス列の周期１゛が決定される。試作
した検出部の固有振動数は１．５　ｋＨｚであり、この
場合は周期′１゛を５０μｓに設定した。

なお、パルス列の電圧波高値Ｅはｔｉｔ　ｂ＝一定であ
る。

静電気力変換部２９の比例ゲインＫａけ物理的しこ定ま
り、可動電極２がクランドレベルに保持され、前記パル
ス列が固定電極４に印加されるとき２ｄｓ” となる。そして、可動電極２を固定電極４側へ吸引する
静電気力ｆ２は となる。（７）式で重要なことは、可動電極２と固定電
極４間に印加されるパルス列の電圧波高値Ｅ、その周期
Ｔ及び電極間の空隙寸法ｄ３か一定であり、静電気力ｆ
２は出力信号Ｖ。ｕｌ　をパルス幅変調した（ａ＋ａｏ
）に−次比例し、リニアライス回路の必要なく完全に線
形にフィー１くバック制御されることである。

なお、パルス幅のａｏ項は加速度Ｇが零の状態で、可動
電極２と固定電極４間の空隙寸法をｄ３に設定する静電
気力を発生させる。即ち、製造時における可動電極２と
固定電極４間の空隙寸法ｄが小さいほどａｏは小さくな
り、ｄが大きいはどａＱは大きくなる。

パルス幅８項は検出すべき加速度Ｇに比例して静電気力
ｆｚを変化させ、次式のようしこ加速度Ｇの符号と一致
する。

一］６− Ｇ≧０のとき　ａ≧０（８） く　　　　　　　　　　　　く 即ち、固定電極４側から固定電極３側に向う方向の加速
度をＧ＞Ｏと定義すると、検出す八き加速度Ｇの方向に
対して、パルス列の幅は図中に点線で示したように、Ｇ
＞Ｏのときは増加し、Ｇ〈Ｏのときは減少する。そして
、パルス列の増加あるいは減少する割合は、加速度Ｇに
対して線形（正確に一次比例）に変化する。この結果、
次式が成立する。

Ｖ　ｏｕ　ｔ　”　Ｋ　ｍ　Ｇ　　　　　　　　　　　
　−（９）ここで、Ｋは比例定数である。（９）式で示
されるように、製造時に発生した可動電極２と固定電極
４間の空隙寸法ｄのバラツキやカンチレバー１のバネ定
数にの影響を受けずに、加速度Ｇを直線性良く検出する
ことができる。

なお、スイッチトキャパシタ２５は可動電極２と固定電
極４間に印加した静電気力発生用のパルス列を利用して
、両電極間のキャパシタンスを検出する。詳細な検出回
路例は後述するとして、両電極間に波高値一定の電圧Ｅ
を印加した瞬間に、両組％間で構成されるキャパシタン
スＣｓ　に電荷Ｑを充電し、電ハ、ＩΣか零になる瞬間
にごの電荷Ｑを既知のキャパシタンスＣ０６，に転送す
るど、次式の関係からキャパシタンス（八を検出するこ
とかできる。

Ｑ＝（六Ｅ　　　　　　　　　　　　　　−（１０）Ｑ
　＝　Ｃ１ｃｚ　・Ｆ、　”　　　　　　　　　　　−
（１］）（１，０）、　（ＩＩ）式より ■り謝 Ｃｓ＝　Ｃｒｃｒ　　　　　　　　　　　　　　−（１
２）ｐ： どなり、既知のキャパシタンスＣｔａｔ　に発生した電
圧Ｉ・；＊　をＫｉｌ＋定ずれは、両電極間のキャパシ
タンス（ハを検出することができろ。キャパシタンスＣ
９、を ε＋）Ｓ Ｃｓ＝　　　　　　　　　　　　　　　　−（１３）ｄ
　＝＝ と定義すると、（５）式で成立するように第７図の静電
サーボ機禍が動作し、両′市極間のキャパシタンスはＣ
−に制御される１、そしで、ｏｆ　ｄｉｌｊ電極２ど固
定電極４間の空隙は検出す／＼き加速度Ｇの太きさや方
向によらず、所望の一定値ｄｓｃ：保持される。

第７図と第８図に示した方法は、キャパシタンスの検出
と静電気力の発生を同一・の電極で行なっており、可動
電極２に対向した固定電極は１個のみであり、検出部の
構造は極めて簡Ｂである。

可動電極２と固定電極４間の空隙寸法ｄが所望の設定値
ｄ、より小さくなっているとき、第４図（１））に示し
た方法では加速度Ｇの検出は困難になる。

この場合の検出方法を第９図に示す。この図は第７図の
方法に、直流の静電気力ｆｙａｓをバイアス的に付加し
たものである。ｆ１３．□・、を固定電極３と可動電極
２間に加えることによって、可動電極２を固定電極３の
方向へ移動させることができる。

この結果、可動電極２と固定電極４間の製造時の空隙が
ｄｓより小さくても、加速度Ｇの検出かり能になる、ま
た、第４図（）１）に示すように、可動電極２の位置を
固定電極ｒ３と４の中間に静電気力に−よってフィー１
くバック制御的に保持して、加速度Ｇを検出することも
可能になる。

本発明による加速度ゼンザのセンシンタカ法の他の実施
例を第１０図に示す。この方法はｉｊｆ動電（函２と−
・方の固定電極間で電極間の空隙を測定し、その空隙寸
法か加速度Ｇの方向やその大きさによらず所定の値にな
るように、可動電極２ど他力の固定電極間に印加した静
電気力てフィー１〜バンク制御を行ない、この静電気力
から加速度Ｇに対応した出力信号を取り出す方θ、であ
る。即ち、可動電極２と一方の固定電極間１．ニ一定周
期のパルス列の静電気力［１ｉｔａｓをＩｊえて、両電
極間のキャパシタンスｋ　ｉ！’ｌ測（換７１すると、
両電極間の空隙寸θ（を１測）すると共に、ｌＴｆ動電
極電極２３の固定電極側へ変位させようとする。そして
、出力信号Ｖ　ｏ　ｕ　ｔ　からケインＪ（４の直流的
静電気力変換部３０を介して、可動電極２と他方の固定
電極間に、可動電極２を他方の固定電極側ｌ＼変位させ
ようとする静電気力■２をフィー１へハック制御的に印
加する。この結果、可動電極２を固定電極３と４［ＩＩ
の所望の位置にフィーミーハック制御てきる。そしで、
次式が成立する故、可動電極２と他方の固定電極間に与
えた静電気力ｆ２から加速度Ｇを検出することができる
。

Ｖｏｕ＋”ｍＧ／に４　　　　　　　　　　（＋４）本
図の静電サーボ方法の詳細を第１土図（、）及び（ｂ）
により説明する。第１１図（ａ）に示す可動電極２と一
方の固定電極間へ印加するｆｂ＋ａｓ項は周期′１゛、
電圧波高値Ｅｂ　　（Ｅｂは一定値）のパルス列である
。ｆ　ｂｉａｓ項タパルス列にするのは、第８図におい
て説明したように、ゲインＫｉのスイッチ１〜キヤパシ
タで電極間のキャパシタンスＣｓ　を開門するためであ
る１、パルス列の周波数がカンチレバー」−の先端に形
成した可動電極系の固め振動数より十分に太きければ、
パルス的静電気力１ｅａｓは実質的に、直流的静電気力
として可動電極２に作用する。パルス列において、電圧
波高値がＥ５の区間をａ、零の区間を１〕と定義する。

ａ））＞ｂのとき、電圧波高値Ｅ１．を大きな値に設定
することによって、可１１ｔｌ＋電極２と一方の固定電
極間へ十分な大きさの静電気力ｆ　ｂ＋ａｓを印加する
ことができる。

次に、第１１図（ｂ）に示すフィー１’ハツク静電気力
ｆｚ項について説明する。加速度Ｇが零のとき、次式が
成立する。

ｆ　２＝　ｆ　＊ｙａＳ＋　ｆ　２　　　　　　　　　
−　（１，５）ここで、ｆ”ｂ＋ａｓはパルス的静電気
力ｆ　ｂ　ｌ　ａ　Ｓを実質的に直流成分へ平滑化した
値、ｆ３は可動電極２を固定電極３と４間の所望の位置
へセラ１〜するのに必要な静電気力を示す。なお、可動
電極２の製造時の位置と、保持すべき位置の相対的位置
関係に応じて、ｆ、は正あるいは負の値を取る。

図には、正の場合を示している。検出すべき加速度をＧ
とすると、フィードバック静電気力ｆ２はＧ＞Ｏのとき
増加し、Ｇ＜０のとき減少する。

図に示すように、静電気力ｆｚは第７図のパルス幅変調
方式とは異なり、直流的に動作する。この場合は出力信
号Ｖ。ｕｌの直線性が問題となる故、その対策方法につ
いて述べる。ゲインに４はｄ８２ となり、Ｖ　ｏ　ｕ　ｉ　に比例する。この結果、（１
４）式と（１６）式から理解できるように、出力信号Ｖ
ｏｕｉは加速度Ｇに対して非線形性を有することになる
。

それ故、出力信号■。Ｕ、を定常成分■と変動成分へＶ
に分け、次式のように定義する。

Ｖ　ｏｕ　ｔ　＝　Ｖ＋ΔＶ　　　　　　　　　　　−
（１，７）ここで、■及びΔＶはそれぞれ検出すべき加
速度Ｇに応答しない成分と応答する成分である。静電気
力ｆｂｔａｓ項のパルス列の電圧波高値Ｅ１、を大きな
値に設定すると、ｆ　ｂｌ＝ｓ＞　ｆ　ｒ　となる。こ
の結果、ｆ２＞ｆ＋となる故、■）八■になる。

この場合、ゲインに４は近似的に で表わされ、はぼ一定値とみなすことかできる。

そして、加速度Ｇに対応した出力信号の変動成分へＶは
、 ΔＶ　ｏ：　ｍ　Ｇ　／　Ｋ４−　（１９）となり、検
出すべき加速度Ｇにほぼ比例する。それ故、Ｖ　ｏ　ｕ
　ｔより変動成分ΔＶのみを分離することによって、リ
ニアライス回路を必要とすることなく、加速度Ｇをほぼ
実質的に線形性良く高精度に検出することができる。第
１０図にこの部分を示していないが、差動増幅器を用い
て■。ｕｔより一定の定常成分■を減算することによっ
て、加速度に比例した変動成分ΔＶの検出を容易に実行
することができる。

なお、定常成分■が５ボルト、変動成分Δ■が０．１ボ
ルトのとき、加速度Ｇ検出時の直線性は約１％である。

定常成分の電圧値Ｖをより大きな値に設定すると、直線
性はさらに改善される。

次に、本発明による加速度センサの検出回路の構成例を
第１２図に示す。この図は、第７図に示した静電サーボ
制御方法を用いて加速度Ｇを検出する回路である。この
回路は電源保護回路部３１゜定電圧回路部３２．スイッ
チ１へキャパシタ回路部３３、積分器３４．パルス幅変
調器３５及び出力調整回路部３６よりなる。図において
、ＶＢは自動車のバッテリ電源の電圧を示す。

スイッチ３７が○Ｎの状態で抵抗３８より、加速度セン
サの検出部における可動電極２と固定電極４間へ電流を
供給し、キャパシタンスｃｓ３９に電荷を充電する。欣
に、電流の供給を中断した瞬間にスイッチ３７をＯＦ　
Ｆ状態にして、キャパシタンスＣｓ３９の電荷を既知の
容址Ｃ１ｅｔ　４０に転送する。この結果、（１２）式
によって可動電極２と固定電極４間のキャパシタンスＣ
３の値が検出される。

キャパシタンスＣ５が所定の一定値になるように、パル
ス幅変調器３５を介して電極間に印加する静電気力をフ
ィードバック的に制御した。そして、このパルス幅より
出力調整回路部３６を介して、加速度に正確に比例した
出力信号Ｖ　ｏ　ｕ　ｔ　を取り出した。

次に、この回路を用いて測定した試作加速度センサの出
力特性例を第１３図及び第１４図に示す。

第１３図は静特性を示したもので、０〜±１Ｇの加速度
を直線性良く検出することができた。第１４図は動特性
を示したもので、周波数Ｏ〜５０Ｈｚの間で検出感度は
ほぼ一定てあつノー、。

このように、本発明による加速度センサは車体制御用キ
イセンサとして好適であった。

次に、本発明による静電サーボ回路によって、加速度を
高精度に検出し得る検出部構造の他の実施例について述
へる。

可動電極を片持梁構造のカンチレバーではなく、両持梁
構造など複数のヒー１８て支持するものでも良いことは
言うまでもない。

本発明による検出部構造の他の実施例を第１５図及び第
１６図に示す。第１５図は可動電極２の位置を光学的な
位置検出素子４Ｆ、４２を用いてｉ１＋！ｌ定し、可動
電（４１２を固定電極３３，４間の所望の位置へ、静電
サーボ回路５によって保持する方θ、である。このとき
、７浄電サ一ボ回路５から１汀１１ｊｌｌ　牢−。

極２と固定電極３．４間にフィー１くハック制樹１的に
印加した静電気力から加速度を検出する。第゛７図、第
９図や第１０図に示した静電サーボ力法と異なる点は、
１打動電極の装置計測がスイッチ１へキャパシタ２５の
代りに、光学的な位置検出素子４１．４２を用いた点で
ある。

第１−６図は可動電極２の位置をカンチレバー１に形成
した半導体歪ゲージ４３で測定する方法であり、その他
の点は第１５図の場合と同様に動作する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、可動電極を所望の位置へ静電サーボ的
に保持しつつ、静電パルス幅変調や静電バイアス方法に
よって検出すべき加速度に対して静電サーボ機構を実質
的に線形に動作させることができるので、リニアライス
補償回路の必要がなく、加速度を高精度に検出すること
ができる。

そして、検出部の基本原理が実質的に線形である故、製
造時における各種要因による出力特性のバラツキを低減
でき、製造時の歩留りを向」−できる。

この結果、本発明は高感度化、耐ｗｌｊ撃性及び高性能
化を両立させた容量型の加速度センサを低コス１〜で提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による加速度センサの基本構成図、第２
図（ａ）、（１））は従来型加速度センサの典型的な構
造を示す図、第３図は可動電極の変位とキャパシタンス
の関係図、第４図は電極間の初期空隙寸法のバラツキ状
態、第５図は本発明による加速度センサ検出部の詳細部
組構造図、第（３図は検出部の平面図、第７図は本発明
による静電サーボ制御方法の実施例、第８図は線形静電
ケ力変換部の詳細説明図、第５３図は本発明による静電
サーボ制御方法の他の実施例、第１０図は本発明による
加速度センサのセンシング方法の他の実施例、第１１図
（ａＬ（１））は静電サーボ部の５′ｌ’細説明細説節
１２図は本発明による加速度センサの検出回路の構成例
、第１３図及び第１４図は本発明による加速度センクの
出力特性、第１５図及び第４６図は本発明による加速度
センサの検出部４１チ造の他の実施例を示した図である
。 １　カンチレバー、２　可動電極、３，４　固定ｆｆｌ
極、５　静電サーボ回路、６　シリコン板、２５　スイ
ッチｈキャパシタ、２０・積分器、２７−線形静電気力
変換部、２８　パルス幅変調器、２９　静電気力変換部
、３０　・直流的静電気力変換部、３３　スイッチＩ−
キＡツバシタ回路部、３４・・積分器、３５　パルス幅
変調器部、３７スイツチ、３８　抵抗、３９　キーに’
パシタンス、４０　既知の容量、４４．４２　　位置検
出素子、４３・・半導体歪ゲージ。 （−Ｍ）：′香滌　　　７ （ヨＪ　）ｌＤ”）　　Ｖ　　４ （Ａ）鞠ＯＡ習専ｑ１ （Ａ）↓ηＯＡＵ罵ｑＴ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．　シリコン板をエツチングしてカンチレバーとその
   先端に可動電極を形成し、可動電極に対向して１個ない
   し２個の固定電極を設け、前記可動電極と固定電極間の
   空隙の寸法が所定の値になるように、前記両電極間に印
   加した静電気力によつて前記可動電極の位置を拘束する
   と共に、前記静電気力から加速度に対応した出力信号を
   取り出すものにおいて、前記静電気力がパルス幅変調方
   式で制御されるかあるいはバイアス静電気力成分を有し
   ていることを特徴とする加速度センサ。
2. ２．　特許請求の範囲第１項記載の加速度センサにおい
   て、前記可動電極と前記固定電極間の空隙の寸法をこれ
   ら両電極間のキヤパシタンスから計測することを特徴と
   する加速度センサ。
3. ３．　特許請求の範囲第２項記載の加速度センサにおい
   て、一方の固定電極と前記可動電極の間にバイアス静電
   気力を与え、他方の固定電極と前記可動電極間のキヤパ
   シタンスが所定の値になるように、後者の電極間に印加
   した静電気力から加速度に対応した出力信号を取り出す
   ことを特徴とする加速度センサ。
4. ４．　特許請求の範囲第２項記載の加速度センサにおい
   て、一方の固定電極と前記可動電極間のキヤパシタンス
   が一定になるように、他方の固定電極と前記可動電極の
   間に印加した静電気力から出力信号を取り出すことを特
   徴とする加速度センサ。
5. ５．　特許請求の範囲第１項記載の加速度センサにおい
   て、前記可動電極と前記固定電極間の空隙の寸法を光あ
   るいは半導体歪ゲージで計測したことを特徴とする加速
   度センサ。