JPH02110383A

JPH02110383A - 加速度検出方法及び装置

Info

Publication number: JPH02110383A
Application number: JP26448288A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Matsumoto; 昌大松本; Kiyomitsu Suzuki; 清光鈴木; Masayuki Miki; 三木　政之; Shigeki Tsuchiya; 茂樹土谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-10-20
Filing date: 1988-10-20
Publication date: 1990-04-23
Anticipated expiration: 2009-03-30
Also published as: JPH0623781B2

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〕本発明は加速度の検出に係り、更に詳細には静電容量型
のセンサを静電サーボで駆動する方式の加速度検出方法
及び装置に関する。

〔従来の技術〕

、従来より種々の加速度センサが提案されているが、基
本的には重錘を加速度に対応させて変位させ、この変位
を次に述べる如き各種方式で検出する手法が採用される
。すなわち、加速度センサとしては、圧電材量の圧電効
果を利用した圧電式、ピエゾ抵抗効果を利用した歪ゲー
ジ式、力のフィードバック機構を有するサーボ式、差動
トランスを利用した磁気式、フォトインタラプタを利用
した光式、シリコンの微細加工技術等を利用した静電容
量型等が知られている。

更に最近では、例えば、「シリコン　マイクロアクセラ
ロメーター」　トランスデユーサス′８７゜ザ　フォー
ス　インターナショナル　コンフエレンス　オン　ソリ
ッドステート　センサース　アンド　アクチュエーター
ス　１９８７年６月（ｒｓｉｌｉｅｏｎ　Ｍｉｃｒｏａ
ｃｃｅｌｅｒｏｍａｔｅｒＪ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ
’８７　、　Ｔｈｅ　４ｔｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ
ａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎＳｏｌｉｄ−５ｔａ
ｔｅ　５ｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、
　Ｊｕｎｅｌ　９８７）の第３９５頁から第３９８頁で
論じられているように、高感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静電
容量型センサを静電サーボで駆動する方式のものが提案
されている。

第１２図にこの静電容量型・静電サーボ駆動方式加速度
センサの従来例を示す。

第１２図において、３０はシリコンビーム３３により支
持される可動電極で、可動電極３０は加速度に対応して
変位する。可動電極３０を介在させた状態で可動電極変
位検出用の固定電極３１ａ。

３１ｂの夫々が、及び静電サーボ用の固定電極３２ａ、
３２ｂの夫々が対向配置される。可動電極３ｏは零電位
に保たれる。

３４は容量検出回路で１例えばＡＣブリッジを用いて、
固定電極３１ａと可動電極３０間の静電容量ＣＩと固定
電極３１ｂと可動電極３０間の静電容量Ｃ２との差分Δ
Ｃを検出しくΔＣは可動電極３０の変位を表わす）、こ
のΔＣが電圧値Ｖａとして増幅回路３５を介して出力さ
れる。この出力値Ｖ　ｏ　ｕｔ　（Ｖ　ａ　）がセンサ
出力となり、これに基づき加速度が検出される。

また、電圧値Ｖａに基づき、可ａ電極３０が基準位置（
中立点）に拘束されるような、換言すればΔＣが零とな
るような静電サーボがなされる。

具体的には、例えば、ルート回路３６．電圧印加回路３
７を介して静電サーボ用の固定電極３２ａ。

３２ｂ（７）一方ニＶ　ｂ　＋　Ｖ　ａ　、他方＋ＣＶ
　ｂ　　Ｖ　ａ　’　を印加して、固定電極３２ａ、３
２ｂの夫々に静電サーボに必要な静電気力（吸引力）を
発生させる。

ここで、Ｖｂは加速度がない場合に、可動電極３０を中
立点にバランスさせる一定の電圧％　Ｖｂ’はＶｂ　を
ルート回路３６によりルート化させたものである。

ルート回路３６は、静電サーボ機構の非線形性をリニア
ライズする補償回路としての役割をなす。

すなわち、固定電極３２ａ、３２ｂに生じる静電気力Ｆ
は、印加電圧の２乗に比例するため、何らの配慮がない
場合は、静電サーボ機構の非線形性が大きくなるので、
これをリニアライズする補償回路３６が必要となる。

すなわち、静電気力Ｆを式で表わせば。

となり（ここで、εは誘電率、Ｓは電極面積、■は印加
電圧、Ｄは印加電圧のデユーティで、従来は印加電圧の
大きさを変えているので、Ｄ＝１である）、ｖｃｃ、、／”’ｉｉ　　　　　　　　　　　　・・・
（２）となるので、静電サーボの非線形性をリニアライ
ズするには、固定電極に印加される電圧Ｖをルート化さ
せる必要があった。

〔発明が解決しようとする課頭〕

前述の静電容量型・静電サーボ駆動方式の加速度センサ
において、静電サーボ機構の非線形性をリニアライズす
る補償回路としてルート回路を用いた場合には、この回
路自体の価格が高価なため、その分、装置全体のコスト
アップにつながる。また、このようなルート回路を用い
ずして出力特性の調整を行なう場合には、調整が困難で
結局は調整コストが高くなり、また、製造時の歩留りが
悪くなる。

また、従来のこの種静電容量型加速度センサは、固定電
極として、容量検出用の固定電極と、静電サーボ用の固
定電極を別々に備える必要があることから、電極面積が
増え、部品点数の増加によって装置の大形化、コスト高
の要因となり、更に加速度センサの検出部をシリコン微
細加工等で半導体化した場合には、電極増加により端子
数が増え、その分、製造時のプロセス工程が増える傾向
があった。

本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、その目的と
するところは、静電サーボの非線形補償を高価な回路を
用いることなく行ない得、しかも製造時の歩留りを向上
させ、且つ部品点数の減少を図って、装置の低コスト化
、小形化を図りつつ、低い電圧で高精度にして常に安定
した加速度検出を行ない得る静電容量型・静電サーボ駆
動方式の加速度検出方法及び装置を提供することにある
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するために、基本的な課題解決
手段として次のように構成する。

以下、本発明を内容の理解を容易にするため。

第１図の実施例の符号を参照しつつ説明する。

先ず、方法的には、加速度に対応して変位する可動電極２と、可動電極２を
介在させた状態で対向配置される少なくとも１対の固定
電極３，４とを有し、固定電極３゜４の一方３にパルス
列状の電圧を印加し、他方４には、このパルス列状の電
圧を反転させた電圧を印加して、これらの印加電圧によ
り固定電極３゜４から可動電極２にこの可動電極の位置
制御（静電サーボ制御）が可能な静電気力を働かせ、可
動電極２が基準位置より変位した時には、その変位を可
動電極２と固定電極３，４間の静電容量の変化よりとら
えて、この静電容量の変化信号に基づき、可動電極２が
基準位置に戻れるよう（前記静電容量が基準値となるよ
う）に、前記静電気力を前記固定電極印加電圧の単位周
期当りの印加時間割合を変化させることで可変制御し、
この固定電極印加電圧の平均値或いは前記静電容量の変
化信号に基づき加速度を検出する。

ここで、可動電極２と固定′ｒｌ極３，４間の静電容量
の変化のとらえ方は、例えば固定電極３，４のいずれか
一方の固定電極と可動電極２間の静電容量ＣＩ又はＣ２
を検出して行なうか、或いは静電容量　Ｃｌ　とＣ２と
の差分ΔＣを検出して行なう等の方式が考えられる。な
お、この検出は、通常、電圧値に換算して行なわれる。

また、前記の如き可動電極２の基準位置への戻し制御は
、静電容量ＣＩ、Ｃ２及び静電容量の差分ΔＣのいずれ
かが零もしくは所定値となるよう制御すればよい。

また、前記静電気力の可変制御、換言すれば、固定電極
に印加すべき単位周期当りの印加時間割合の可変制御は
、例えば固定電極印加電圧のパルス幅変調９周期の変調
及び単位周期当りのパルス数を変える方式のうち少なく
ともいずれか１つを用いて行なう方式が考えられる。

次に、前述の加速度検出方法を実行する装置としては、加速度に対応して変位する可動電極２と、可動電極２を
介在させた状態で対向配置される少なくとも１対の固定
電極３，４と、可動電極２と固定電極３，４間の静電容量の変化から可
動電極２の変位をとらえる手段５と、パルス列状の電圧
を一方の固定ｆｌｔｔ！３に印加して静電気力を発生さ
せる手段７と、前記パルス列状の電圧を反転し、この反転電圧を他方の
固定電極４に印加して静電気力を発生させる手段８と、可動電極２を基準位置に拘束させるための静電気力が生
じるように、前記静電容量の変化を示す信号に基づき、
前記固定電極印加電圧の単位周期当りの印加時間割合を
変化させる手段（第１図では符号７が兼用）と。

前記固定電極印加電圧の平均値或いは前記静電容量の変
化信号に基づき加速度を検出する手段９等で装置を構成
する。

〔作用〕

本発明によれば、可動電極２の位置制御を行なうための
静電サーボ方式として、基本的には、−方の固定電極３
にパルス列状の電圧（例えば矩形波電圧）が印加され、
他方の固定電極４に前記パルス列状電圧の反転電圧が印
加される。すなわち、これらの印加電圧により、固定電
極３，４から可動電極２に作用する静電気力が発生する
。この静電気力は、可動電極２を基準位置に拘束するよ
うに可変制御される。

すなわち、本発明では、加速度等が働いて、可動電極２
が基準位置より変位した時には、可動電極２と固定型ｔ
＠３．４間の静電容量が変化するので、この静電容量の
変化信号に基づき、可動電極２が基準位置に戻れるよう
に静電気力を可変制御（フィードバック制御）する、こ
の静電気力の可変制御は、前記固定電極印加電圧（パル
ス列状電圧）の単位周期当りの印加時間割合を変化させ
ることで行なわれる。

具体的には１例えば可動電極２を基準にして固定電極３
側に加速度が作用したとすると、その反力で可動電極２
は固定電極４側に加速度に比例して変位するにの場合に
は、可動電極２を基準位ＩＩ（例えば中立点）に戻すた
め、固定電極３側から可動電極２に作用する静電気力（
可動電極２は通常零電位で、この静電気力は吸引力とな
る）が固定電極４側より大きくなるように、固定電極３
に印加されるパルス列状電圧の単位周期当りの印加時間
割合を大きくする（換言すれば、単位周期当りの電圧平
均値を大きくする）。なお、固定電極３に対する単位周
期当りの電圧印加時間の割合を大きくすれば、固定電極
４に印加される電圧印加時間の割合は反転電圧の性質上
当然小さくなる。

これに対し、固定電極４側に加速度が作用し２力場合に
は、上記と逆の動作がなされる。

しかして１以上の如く静電サーボの静電気力を。

固定電極に印加すべきパルス列状電圧の単位周期当りの
印加時間割合を変えること（具体的には。

パルス幅変調、パルス周期変温、パルス数変調等で電圧
印加時間割合を変える）でフィードバック制御した場合
、この単位周期当りの電圧印加時間割合は、検出すべき
加速度に正確に１次比例する。

これは、前述した（１）式でいえば、印加Ｎ　ｉ＋値■
を一定としつつ、そのＤ（デユーティ）を可変制御する
ことで静電気力Ｆを制御することを意味し、Ｄに対する
Ｆは、ＦαＤ　　　　　　　　　　　　　・・・（３）となる
ので、静電サーボを実質的に線形に動作させることがで
きる。

そして、この固定電極印加電圧の平均値を加速度値に換
算すれば、線形な検出値を得ることができる。

また、これに代えて、静電容量の変化信号を電圧値等に
換算しても線形な検出値を得ることができる。その理由
を第２図により説明する。第２図は可動電極２の変位ω
（μｍ）に対する各固定電極３，４と可動電極２間の静
電容量Ｃｚｐ　Ｃｚ（ＰＦ）と、Ｃｌ−Ｃｚの差分ΔＣ
の関係を示すものである。

可変なｗＡ２の固定電極３側の変位を正方向、固定電極
４側の変位を負方向としである。また、各固定電極３，
４と可動電極２間の初期ギャップｄをｄ＝３μｍとしで
ある。本発明では、静電容量の変化信号を例えばＣＩ　
、Ｃ２及びΔＣのいずれかよりとらえる。このＣ１、Ｃ
２，ΔＣは巨視的には非線形であるが、可動電極２の加
速度による変位は、固定電極３，４から働く拘束力（静
電気力）を受けて極めて僅かで、これを静電容量の変化
にして表わせば、例えば０〜±ＩＧ、０〜１０　Ｉ−１
ｚ程度の加速度範囲の検出条件では、通常は基準点０を
中心に±３ＯＦＦ　（フェムト　ファラッド）の微小範
囲で変化する程度なので、線形な変化信号としてとらえ
ることができる。従って、静電容量の変化信号（具体的
には、静電容量変化信号を基に電圧増幅して得られた出
力信号Ｖｏｕｔ）に基づいても、線形な加速度検出値を
得ることができる４また、本発明の如く固定電極３，４
に互いに反転し合う信号を印加させる静電サーボ方式に
よれば次のような種々の利点がある。この利点を例えば
第５図の如き静電サーボ方式と比較して説明する。第５
図は、本発明と異なる静電サーボ方式の例で、同図に示
すように、固定電ｆ＠３に基ｉ′＠電位１０を印加し、
固定電極４には矩形波を与える方式である。

まず、第１の利点は、矩形波の電圧振幅が第５図の例よ
りも５分の１で良いことである。つまり、加速度センサ
の測定幅を±ＩＧ　（ＩＧは重力り加速度）とすると、本発明では−＝１の時にＩＧの静電
気力が働らくような電圧だけ矩形波の電圧振幅があれば
可動電極２に±ＩＧの静電気力を働らかせることかでき
る。しかし、第５図のような方式では、±ＩＧの静電気
力を働らかせるようにするには、静電気力は吸引力しか
働らかない為、固定電極３と可ＦＩＩ電極２の間にあら
かじめＩＧの静電気力を与え可動電極２と固定電極４の
間の静電気力を矩形波のＤ／Ｔを変化させることにより
、Ｏ〜２Ｇ相当の静電気力を与える必要がある。つまり
、−＝１で２Ｇ相当の静電気力が働らく電圧振幅が矩形
波に必要となる。ところで、平行平板（電極）間に働ら
く静電気力は（１）式の関係から、電圧の２乗に比例す
るので、第５図の例の如く本発明よりも２倍の静電気力
を発生するためにはＪ倍の電圧を必要とする。すなわち
、本発明方式によれば、第５図の如く一方の固定電極に
予め一定電圧を印加させる方式のものに較べ電圧振幅を
１７Ａｒ：におさえる。従って、加速度センサを自動車
用センサとして使用する場合には、バッテリの電圧が高
々１５ボルトであるので、電気振幅値をおさえることは
大きな利点となる。

また、これまでは、常に加速度による力と静電気力によ
る力が釣合っている状態を考えたが、初期状態や過渡状
態では釣合わないことがある。極端な場合、可動電極２
が固定電極３に接触してしまうことがある。第５図のよ
うな方式では、１度接触してしまうと、一定の基準電圧
１０が可動電極２と固定電極３の間に印加されており、
また、静電気力は電極間の距離の２乗に反比例する為、
固定電極３と可動電極２との間には非常に大きな静電気
が働らき離れなくなり、加速度センサが動作不能になる
。本発明では、たとえ、可動電極２と固定電極３が接触
しても、固定電極３に印加される電圧がＤ／Ｔ＃０に制
御されて、はとんど零となるため、可動ｆｆ１ｔ！２を
釣り合いの位置までもどすことができる。つまり、動作
不能になることがなく、安定に動作させることができる
。

また、本発明では、静電サーボのために、固定電極にパ
ルス列状の電圧（反転電圧を含む）を印加するが、この
電圧は矩形波の如く大きさを一定値Ｖｌに保てるので、
このｖｌｌを利用して、例えば演算増幅器を用いて固定
電極間からＣＩＶ＊。

Ｃ２Ｖ”ｒ　　（Ｃｚ　　Ｃｘ）Ｖ＊の如き検出電圧も
取り出せることができ、従って、従来の如く固定電極を
容量検出用（静電容量の変化をとらえるもの）と静電サ
ーボ用とに別々に分けることなく両者を兼用させること
ができる。従って、固定電極数及びこれに伴なう端子の
減少化を図り得、ひいては装置全体の小形化、低コスト
を図り得る。なお、Ｖ−を利用した静電容量検出方式の
具体例は第６図に示す、また、固定電極を容量検出用と
静電サーボ用に兼用させず、別体とすることも可能であ
る。また１本発明は、可動電極と対向させる固定′、￥
！極を、互いに直交し合う少なくとも２軸方向以上にそ
れぞれ対をなして配置することも可能で、このようにす
れば２次元以上の加速度検出も可能となる。

なお、本発明の加速度センサは、その用途について限定
せず、例えば自動車分野では、道路の凹凸状況を振動加
速度で検出してサスペンションを調整するシステムや車
高制御システム、アンチスキッド制御システム等に用い
て好適である。

〔実施例〕

本発明の実施例を図面に基づき説明する。

第１図は本発明の第１実施例を示す構成図で、１はシリ
コンビーム、２は可動電極、３，４は固定電極である。

シリコンビーム１は、シリコンの微細加工技術により形
成され、単数、複数のいずれで構成してもよく、先端に
重錘の機能を有する可動電極２が形成される。これらの
要素１〜４は検出部となるもので、第１１図にその詳細
な構造を示す。

第１１図に示すように、シリコン板２１を両面からエツ
チングして、シリコンビーム１及びビーム１に支持され
る可動電極２が一体成形される。

一方、可動電極２に対向して配置される一対の固定電極
３，４は、アルミニウム等の金属材よりなり、それぞれ
がガラス板２２．２３に蒸着その他適宜の方法により形
成される。

シリコン板２１の一端２１ａはスペーサとしての役割を
なす。そして、このような検出部を構成する場合には、
ガラス板２２．２３に設けた固定電極３，４と可動電極
２とを位置合せして、ガラス板２２．２３をスペーサ２
１ａ及び２４を介して平行配置し、ガラス板２２．２３
の夫々とスペーサ２１ａ、２４とを陽極接合する。この
ようにして１．可動電極２を介在させた状態で固定電極
３゜４が対向配置されるが、可動電極２と各固定電極３
．４間には、初期ギャップｄｏ（例えば３μｍ程度の微
細ギャップ）が確保される。

可動電極２は、検出すべき加速度及び各固定電極３，４
から受ける静電気力（吸引力）により変位する。この可
動電極２が変化すると、可動電極２と固定電極３間の静
電容量Ｃ１，及び可動電極２と固定電極４間の静電容量
Ｃ２は変化する。

第２図は可動電極２の変位に対する静電容量Ｃｔ　、Ｃ
ｚ及びＣ１とＣ２の差分ΔＣの関係を示す線図で、横軸
に可動電極２の変位ω（μｍ）を示し、初期ギャップｄ
ｏ”３μｍを保持する中立点を変位零とし、正方向の変
位は可動電極２が上方向（固定電極３側）に移動した状
態を、負方向の変位は可動電極２が下方向（固定電極４
側）に移動した状態を表わす。この線図からも明らかな
ように可動電極２が固定型ｐｉＳ側に移動する程。

静電容量Ｃ１が大きくなり、逆に固定電極４側に移動す
る程、静電容ｉＣｚが大きくなり、また。

静電容量Ｃｔ　−Ｃｚの差分ΔＣもこれに対応して。

中立点（基準位１ｉりを零とし夫々正方向、負方向に大
きくなる。なお、可動な極２が中立点にある場合には、
静電容量ＣＬ、Ｃ２は、双方共に同一値（６，５ｐ　Ｆ
程度）にある。つまり−Ｃ１ＨＣ２＝ｒΔＣのいずれか
１つを検出することにより可動電極２の変位を知ること
ができる。本実施例では、検出感度、安定性も考えて、
ΔＣを容量検出部５で検出している。

なお、可動電極２は、例えば、０〜±ＩＧ、０〜１０　
Ｈｚ程度の加速度範囲を検出するもので。

この条件では可動電極の変位は微小で、基準点０を中心
に±３ＯＦＦ　（フェムト　ファラッド）の微小範囲で
変形するので、Ｃ１，Ｃｚ　、ΔＣのいずれの特性を用
いても線形な変化信号としてとらえることができる。

容量検出部５の具体的構成は、第６図に示すがこれにつ
いて後述する。

容量検出部５は、このΔＣを検出し電圧に変換して出力
するもので、この出力を増幅器６で位相補償しつつ増幅
し、パルス幅変調器７に送られる。

パルス幅変調＠７は、増幅器６の出力に応じてパルス幅
が変化する矩形波電圧をパルス列状に出力する。このパ
ルス幅変調器７の出力は、信号線Ｐ１を介して固定電極
３に印加され、また反転器８で反転されて信号線Ｐｚを
介して固定電極４に印加される。なお、可動型ｗＡ２は
零電位になるよう設定しである。

これらの印加電圧により固定電極３，４の夫々に静電気
力が発生するにれらの静電気力は、可動電極２に対する
吸引力として作用し、固定電極３の静電気力は可動電極
２を図面の上方向に移動させ（この静電気力を正方向の
静電気力Ｆｚ　とする）、固定電極４の静電気力は可動
電極２を図面の下方向に移動させる（この静電気力を負
方向の静電気力Ｆ２とする）。従って、可動電極２に作
用するトータルの静電気力Ｆｏは、静電気力Ｆ　１゜Ｆ
２の和（Ｆｏ＝Ｆ工＋（Ｆｚ））で表わされる。換言す
れば、加速のない状態で静電気力Ｆ１＝Ｆ２の場合であ
れば可動電極２は中立点に保たれ、静電気力Ｆｘ＞Ｆｚ
であれば可動電極２を上方向に移動させる力が、静電気
力Ｆｒ＜Ｆｚであれば可動電極２を下方向に移動させる
力が働く。

第３図は、固定電極３に印加される矩形波電圧のパルス
幅変調（デユーティ制御）及び固定電極４に印加される
反転電圧を示す。第４図は固定電極３，４から可動電極
２に作用する各静電気力Ｆ１．Ｆｚ及びそれらの和（静
電気力Ｆｏ）を示すもので、これらのデユーティＣＤ　
（パルス幅）／Ｔ（周期）〕を連続的に変えれば、静電
気力Ｆｔ。

Ｆ２及びトータル静電気力ＦＯも直線的な特性で変化さ
せることができる。

例えば、第４図において、Ｄ／Ｔ＝Ｏの場合には、第１
図の固定Ｗ１極３に印加される電圧はほぼ零、固定電極
４に印加される反転電圧は最大となるので、静電気力Ｆ
１が零、静電気力Ｆｚが最大となり、静電気力Ｆｏも負
方向に最大となる。Ｄ／Ｔ＝１の場合は、Ｄ／Ｔ＝Ｏの
場合と逆の関係になる。Ｄ／Ｔ＝０．５　の場合は、静
電気力Ｆｔ。

Ｆ２も等しくなるので、そのトータル静電気力ＦＯが零
となり、加速がない場合には、可動電極２が中立点（初
期位置）に拘束されることになる。

また、Ｄ／Ｔ＝０．２５　の場合には、固定電極３と４
の夫々に印加される矩形波電圧の１周期当りのパルス幅
比率が１：３となり、これに比例して静電気力Ｆ１対Ｆ
２の比率も１：３になり、この差引骨が負方向の静電気
力Ｆｏとして可動電極２に作用する。このようにして、
静電気力ＦＯはＤ／Ｔ＝０．５　　を零クロス点として
Ｄ／Ｔに応じて正方向及び負方向に直線的な特性で変化
する。なお、固定電極印加電圧Ｖｌ　＋　Ｖｚは、後述
するようにＣＩ　、Ｃｘ或はΔＣの電圧検出値として使
用する関係上Ｄ／Ｔを零にできない。

そして、本実施例では、外部から加速を受けて可動電極
２が変位（可動電極２の変位方向は加速方向と反対であ
る）した時に、静電容量Ｃ１，Ｃｘの差分ΔＣの出力Ｖ
ｏに基づき、パルス幅変調器８によりこのΔＣが零とな
る位置までＤ／Ｔをデユーティ制御（ここでは、パルス
幅変調）するものである０例えば加速が正方向に最大（
測定範囲の最大）に発生し、可動電極２がこれと反対方
向（固定電極４側）に最大変位した時には、最大の一Δ
Ｃの出力に基づきＤ／Ｔが設定範囲の最大となるパルス
幅変調を行う、この場合には、静電気力Ｆｏは正方向に
最大となり、可動電極２に作用する負方向の加速変位力
（反力）と相殺されて、可動電極２は中立点（ΔＣが零
になる位ｆｆ）まで静電サーボ制御される。

逆に加速が負方向に最大に発生し、可動電極２がこれと
反対方向（固定電極３側）に最大変位した時には、最大
のΔＣの出力に基づきＤ／Ｔが設定範囲の最小となるパ
ルス幅変調を行う。この場合には、静電気力Ｆｏは負方
向に最大になり、可動電極２に作用する正方向加速変位
（反力）と相殺されて、前述同様、可動電極２は中立点
まで戻される。

このようなり／Ｔ制御は、加速の度合及び方向に左右さ
れる可動電極２の変化及び方向に対応して、常にΔＣが
零となるように行なわれる。

そして、このＤ／Ｔ制御されたパルス幅変調電圧を積分
器９で積分すれば、加速度に比例した直線的な出力電圧
（平均値）ｖｏｕｔを得ることができる。

第１０図は加速度（Ｇ）に対する出力電圧Ｖ　ｏ　ｕ　
ｔの関係を示すもので１本実施例では加速度の検出範囲
を０〜±ＩＧの範囲とする。ＩＧ＝９．８ｍ／　Ｓ　ｔ
、である。第１０図からも明らかなように、加速度が正
方向に最大（＋ＩＧ）の場合は、Ｄ／Ｔが最大なので出
力Ｖｏｕｉも最大となり、逆に負方向に最大（−１Ｇ）
の場合は、Ｄ／Ｔが最小なので出力ｖ　ｏ　ｕ　ｔは最
小となり、加速度０の場合は。

Ｄ／Ｔ＝０．５　　なので出力Ｖ　ｏ　ｕ　ｔが中間点
をとり、これらを結ぶ線形なＶ　ｏ　ｕ　ｃ特性が加速
度０〜±１．０Ｇの範囲内で得られる。

ここで、容量検出部５の具体的構成及びその動作（静電
容量差ΔＣの検出動作）を第６図に基づき説明する。

第６図では、説明の便宜のため、可動電極２と固定電極
３間の静電容量をＣ１とし、可動１！極２と固定電極４
間の静電容量をＣＺとして電気記号で示した。

Ｃｒ、Ｃｚに接続されているパルス幅変調器７の出力ｖ
１及び反転器８の出力ｖ２は第３図に示した通りである
。

Ｃ１と０２の接続点ａ、つまり可動電極２は演算増幅器
１１の負端子に接続され、負端子と出力端子との間には
、容量Ｃｓのコンデンサ２０とスイッチ１２が並列に接
続される。演算増幅器１１の正端子はグランドに接続し
、また、負端子を演算増幅器１１のイマジナルショート
によりグランドと同電位にした。このようにして、可動
電極２の電位を零に保っている。演算増幅器１１の出力
は、サンプラー１３の入力側と接続される。

次に、この容量検出部５の動作について第６図の（イ）
〜（ニ）までの動作波形に基づき説明する。

スイッチ１２は、パルス幅変調された矩形波電圧ｖ１が
立上がる前にφＲのパルスが印加されて一定期間オン状
態となり、容量Ｃｓのコンデンサ２ｏを放電させて演算
増幅器１１の出力Ｖｓを零にする。その後、スイッチ１
２のオフ状態の時に、Ｖｌが立上り、一方、反転電圧ｖ
２は立ち下がることで、Ｃ１は充電されＣ２は放電され
る。この時、ＣｓからＣｓに移動する（充放電時に流れ
る電流により電荷が移動するように見える）電荷Ｑｌ、
及びＣ２からＣｓに移動する電荷Ｑ２は次式のようにな
る。

Ｑｚ＝−ＣｔＶ傘　　　　　　　　　　　　　　　　・
　（４）Ｑｚ＝　　　ＣｚＶ中　　　　　　　　　　　
　　　　−（５）ここで、Ｖｌは、パルス幅変調された
矩形波電圧Ｖｌ　、Ｖｚの電圧値である。

また、容量Ｃｓに蓄えられる電荷Ｑｓは、　ＱｌとＱｚ
の和になるから。

Ｑｓ＝Ｑｔ＋Ｑｚ＝　　（Ｃｔ−Ｃｚ）Ｖｌ　　　　−
（６）で表わされ、容量Ｃｓの両端の電圧Ｖは１次式の
ようになる。

この容量Ｃｓの両端の電圧は、演算増幅器１１の出力Ｖ
ｓと同じである。つまり、この時に、サンプラー１３で
演算増幅器１１の出力Ｖｓをサンプリングすることによ
り、ＣｔとＣ２の差分ΔＣをｖ傘に乗算した電圧換算値
として検出することができる。すなわち、サンプラー１
３では、演算増幅器１１の出力をサンプリングし、ΔＣ
に対応する電圧Ｖｏを出力する。この出力Ｖｏが、容量
検出部５の出力となる。

このような構成よりなる容量検出部５によれば、可動電
極２の位置制御（静電サーボ制御）に用いるパルス電圧
ＶＬ　＋　Ｖｚを利用してＣｔ　＊　Ｃ２の静電容量差
ΔＣ１換言すれば加速による可動電極２の変位を検出す
ることができる。

しかして本実施例によれば次のように効果を奏する。

（１）加速によって変位する可動電極２を、静電サーボ
機構（固定電極３，４）の静電気力より制御するが、こ
の固定電極３，４に印加されるパルス列状の矩形波電圧
は、デユーティ制御により静電サーボを線形に動作させ
ることができる。

これは、発明の「作用」の項でも述べたように、デユー
ティＤと静電気力Ｆとの関係が（３）式の如く一次比例
するためである。従って、従来のルート回路の如き高価
なリニアライズの補償回路を用いることなく、比較的安
価なパルス幅変調器４反転帰を用い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、ひいては、静電
サーボの線形動作を保しようすることで、高精度の加速
度検出を行なうことができる。

（２）また、一般にセンサは、製造時における各種の要
因によって、その感度や零点がある範囲のばらつきを有
する。それ故、何らかの方法でこれらを調整する必要が
ある。本実施例による加。

速度センサは、加速度を線形に検出できる故。

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。

（３）また、本実施例によれば１発明の［作用」の項で
も述べたように、固定電極の印加電圧として互いに反転
し合う電圧を印加するので、第５図の方式のものに較べ
て電圧値を１７Ｊとし、しかも可動電極が固定電極に接
触しても、容易に離れることができる。

（４）更に、本実施例では、容量検出部５として第６図
の如き演算増幅器１１を用い、静電サーボ用の固定電極
印加電圧Ｖｚ　、Ｖｚの電圧値Ｖψより（ＣＩ　Ｃｚ）
Ｖｌに係る信号値を取り出し、この信号値よりＣＩと０
２の差分ΔＣを検出できるので、固定電極３，４を静電
サーボ用と容量変化（変位）検出用と兼用できる。従っ
て、電極数及びその端子を減少させ、装置の小形化。

製造プロセスの簡略化、低コスト化を図り得る。

（５）また、本実施例の如くシリコンビーム１をシリコ
ン微細化技術で成形した場合には、固定電極、可動１！
極間のギャップも、微小ギャップに設定でき、その分、
静電サーボに必要な静電気力も小さくできるので、低電
圧仕様の加速度センサを製造し得る。

第７図は本発明の第２実施例を示す構成図である。

本実施例における加速度センサは、シリコンビーム１．
可動電極２．固定電極３，４．容量検出部５．増幅器６
．パルス幅変調器７２反転器８に関しては、第１実施例
と同様の構成、動作である。

異なる点は、加速度の検出信号（センサ出力）Ｖｏｕｔ
を第１実施例の如くパルス幅変調信号を積分して取り出
すことなく、増幅器６の出力から取り出すようにしであ
る。

ここで、増幅器６の出力Ｖ。ｕｔは容量検出部５の出力
Ｖｏに基づくが、この出力は、例えば前述Ｖ幸する電圧として取出せる。

このΔＣは発明の〔作用〕の項でも述べたように、第２
図の如く巨視的には非線形であるが、可動電極２の加速
度による変位は、極めて僅かで、これを静電容量の変化
にして表わせば、ｐＦ単位より極めて小さい±３ＯＦＦ
　（フェムト　ファラッド）の微小範囲で変化する程度
なので、線形な変化信号としてとらえることができる。

従って、増幅器６からの出力Ｖｏｕｔを基にしても加速
度に比例した検出値を取り出すことができる。ΔＣに代
えて静電容ｉＣ１ｐ　Ｃｘのいずれかにｖ拳を乗算して
出力ＶＯｕｔ　を取り出しても、ΔＣと同様の理由によ
り加速度に比例した検出値を取出すことができる。

第８図は本発明の第３実施例を示す構成図である。

本実施例による加速度センサの検出部は、前述の各実施
例同様に、シリコンビーム１．可動電極２、固定電極３
．４からなる。

信号処理系は、各固定電極３，４と可動電極２との間の
静電容量（／１．Ｃｍの差分ΔＣを検出する容量検出部
５と、この容量検出部５の出力Ｖをデジタル化するＡ／
Ｄ変換器１４と、矩形波を発生するパルス発生器１６と
、パルス発生器１６の出力を反転する反転器８と、Ａ／
Ｄ変換器１４及びパルス発生器１６を制御する制御ユニ
ット（ＣＰＵ）１５とからなる。

本実施例は、マイクロコンピュータで構成される制御ユ
ニット１５を用いて、デジタル的に可動電極２の静電サ
ーボ制御及び加速度検出を行なうもので、具体的には、
次のような動作がなされる。

この動作を第９図のフローチャートに基づき説明する。

第９図の８１〜Ｓ４はステップを表わす。

容量検出部５で検出された静電容量差分ΔＣの出力Ｖは
、Ａ／Ｄ変換器１４でデジタル信号に変換され、制御ユ
ニット１５は、このデジタル信号を入力してΔＣを読み
込む（Ｓｌ）。

制御ユニット１５は、ΔＣに定数ｋｌを乗じた比例要素
Ｐ、及びΔＣに定数に２を乗じたものの総和である積分
要素Ｉを求める。そして、比例要素Ｐと積分要素ｉの和
をデユーティＤ／Ｔとし、この値を制御信号としてパル
ス発生器１６に出力する（３２〜Ｓ４）。すなわち、制
御ユニット１５は、ΔＣに基づき、可動電極２を中立点
に位置制御すべきデユーティ（パルス幅変調値）を演算
するもので、定数ｋｌ、ｋｚがこれを決定する演算要素
となるものである。

パルス発生器１６は、このデユーティによって出力（矩
形波電圧）のパルス幅変調を行ない、この出力電圧が固
定電極３に印加され、反転器８で反転された矩形波電圧
が固定型ｔｌｉ４に印加される。

これらの印加電圧で、可動電極２が静電サーボ制御され
ることは、前述の各実施例同様で、その説明は省略する
。また、本実施例では、ＣＰＵ１５で演算された静電サ
ーボ制御用のデユーティ値Ｄ／Ｔに基づき加速度の検出
が行なわれる。ここで、デユーティ値は、可動電極２を
静電サーボ制御する基の信号となるもので、第１実施例
のパルス幅変調器７から取り出した信号同様に加速度に
比例した信号として読み取ることができる。このような
一連のステップ処理は、５０ｍ５毎に行なわれる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、静電容量型センサの静電
サーボに用いる固定電極印加電圧（パルス列状電圧）の
単位周期当りの印加時間割合を変えることで、且つ一方
の固定電極の印加電圧を他方のものと反転させることで
、高価なルート回路の如きリニアライズ補償回路を用い
ることなく、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、ひいては、適正な静電サーボを保しよう
することで、加速度を高精度に検出することができる。

また、検出部の基本原理が実質的に線形であるゆえに、
製造時における各種要因による出力特性のばらつきの調
整を容易にし、製造時の歩留りを向上できる。

更に、静電サーボ用と、容量検出用の固定電極を兼用さ
せることができるので、固定電極及びその端子等部品点
数を減少させて装置の小形化、低コスト化を図ることが
できる。しかも、静電サーボを比較的に低い電圧で、常
に安定に実行することができる。

この結果、本発明は高性能で、安価で、しかも使い易い
容量型加速度センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の第１実施例に係る加速度センサの構
成図、第２図は、可動電極の変位と静電容量の関係を示
す線図、第３図は、パルス変調器及び反転器の出力波形
図、第４図は、固定電極に印加される電圧波形のデユー
ティと可動電極に働らく静電気力の関係を示す線図、第
５図は、本発明と異なる方式の静電気力の与え方を示す
センサ構成図、第６図は、上記実施例に用いる容量検出
部の構成図、第７図は、本発明の第２実施例に係る加速
度センサの構成図、第８図は、本発明の第３実施例に係
る加速度センサの構成図、第９図は。第３実施例の加速度センサの制御フロー図、第１０図は
本発明による加速度センサの出力特性図。第１１図は上記各実施例に用いる検出部の構造図、第１
２図は、静電容量型加速度センサの従来例を示す構成図
である。１・・・シリコンビーム、２・・・可動電極、３，４・
・・固定電極、５・・・容量検出部（可動電極変位検出
手段）、６・・・増幅器、７・・・パルス幅変調器（固
定型ｆ＠電圧印加手段、電圧印加時間割合の可変手段）
、８・・・反転器、９・・・積分器、１１・・・演算増
幅器、１２・・・スイッチ、１３・・・サンプラ、１４
・・・Ａ／Ｄ変換器。１５・・・ＣＰＵ　（マイクロコンピュータ）、１６・
・・パルス発生器。惣呟くべ＋−−一”、リコ〉ビーム２−一可刺Ｃ唖３．４−−一固定電径杢λ図」１力電峯弘の変（右バＵ（μｍ）帛６０凹−−−コンデンサ帛８図高］凹ＯｍＳ７ＩＯ麦度（Ｃｒ）高１図工鳥２図

Claims

【特許請求の範囲】

１．加速度に対応して変位する可動電極と、前記可動電
極を介在させた状態で対向配置される少なくとも１対の
固定電極とを有し、前記固定電極の一方にパルス列状の
電圧を印加し、他方には、このパルス列状の電圧を反転
させた電圧を印加して、これらの印加電圧により前記固
定電極から前記可動電極に該可動電極の位置制御が可能
な静電気力を働かせ、前記可動電極が基準位置より変位
した時には、その変位を前記可動電極と前記固定電極間
の静電容量の変化よりとらえて、この静電容量の変化信
号に基づき、前記可動電極が基準位置に戻れるよう（前
記静電容量が基準値となるよう）に、前記静電気力を前
記固定電極印加電圧の単位周期当りの印加時間割合を変
化させることで可変制御し、この固定電極印加電圧の平
均値或いは前記静電容量の変化信号に基づき加速度を検
出することを特徴とする加速度検出方法。
２．加速度に対応して変位する可動電極と、前記可動電
極を介在させた状態で対向配置される少なくとも１対の
固定電極とを有し、前記可動電極・固定電極間の静電容
量の変化をとらえ、前記固定電極の夫々に、前記可動電
極を基準位置に拘束させるための静電気力が生じるよう
静電サーボ用の電圧を印加し、この固定電極印加電圧或
いは前記可動電極・固定電極間の静電容量変化の信号に
基づき加速度を検出する静電容量型・静電サーボ方式の
加速度検出方法において、前記静電サーボは、前記固定
電極の一方に、周期を有する矩形波電圧を印加し、他方
にその反転電圧を印加し、且つ前記可動電極の変化に対
応して前記固定電極印加電圧の１周期当りの印加時間割
合を変化させて行なうと共に、前記静電容量の変化をと
らえる固定電極と前記静電サーボに用いられる固定電極
は、兼用或いは別体のものを使用することを特徴とする
加速度検出方法。
３．第１請求項又は第２請求項において、前記可動電極
と前記固定電極間の静電容量の変化のとらえ方は、前記
固定電極のいずれか一方の固定電極と前記可動電極間の
静電容量Ｃ＿１又はＣ＿２を、或いはＣ＿１とＣ＿２の
差分ΔＣを検出して行ない、また、前記可動電極の基準位置への戻し制御は、前記静
電容量Ｃ＿１，Ｃ＿２及び前記静電容量の差分ΔＣのい
ずれかが零もしくは所定値となるよう制御する加速度検
出方法。
４．第１請求項ないし第３請求項のいずれか１項におい
て、前記固定電極印加電圧の単位周期当りの印加時間割
合を変化させる方式は、前記固定電極に印加すべき電圧
のパルス幅変調、周期の変調及び単位周期当りのパルス
数を変える方式のうち少なくともいずれか１つを用いる
加速度検出方法。
５．加速度に対応して変位する可動電極と、前記可動電
極を介在させた状態で対向配置される少なくとも１対の
固定電極と、前記可動電極と前記固定電極間の静電容量の変化から前
記可動電極の変位をとらえる手段と、パルス列状の電圧
を前記固定電極の一方に印加して静電気力を発生させる
手段と、前記パルス列状の電圧を反転し、この反転電圧を前記固
定電極の他方に印加して静電気力を発生させる手段と、前記可動電極を基準位置に拘束させるための静電気力が
生じるように、前記静電容量の変化を示す信号に基づき
、前記固定電極印加電圧の単位周期当りの印加時間割合
を変化させる手段と、前記固定電極印加電圧の平均値を求めて、或いは前記静
電容量の変化信号に基づき加速度を検出する手段とを備
えてなる加速度検出装置。
６．第５請求項において、前記可動電極の変位をとらえ
る手段は、前記固定電極に印加されるパルス列状の印加
電圧値Ｖ＊を用いて、前記固定電極のいずれか一方の固
定電極と前記可動電極間の静電容量Ｃ＿１又はＣ＿２を
、或いはＣ＿１とＣ＿２の差分ΔＣを、前記Ｖ＊に乗算
して電圧換算値の信号として出力させる、演算増幅器に
より構成してなる加速度検出装置。
７．第５請求項又は第６請求項において、前記固定電極
印加電圧の単位周期当りの印加時間割合を変化させる手
段は、パルス幅変調器、パルス周期変調器及びパルス数
変調器のうちいずれか１つで構成してなる加速度検出装
置。
８．第５請求項ないし第７請求項のいずれか１項におい
て、前記可動電極は、可とう性を有するビーム或いはダ
イヤフラムにより支持されてなる加速度検出装置。
９．第５請求項ないし第８請求項のいずれか１項におい
て、前記加速度を検出する手段は、前記固定電極印加電
圧の単位周期当りの電圧を積分して加速度に比例した電
圧を出力させる積分器よりなる加速度検出装置。
１０．第５請求項ないし第９請求項のいずれか１項にお
いて、前記固定電極の単位周期当りの印加時間割合を変
化させる手段は、前記静電容量の変化を示す信号をデジ
タル化して入力するマイクロコンピュータで構成され、
このマイクロコンピュータが前記デジタル静電容量変化
信号に基づき、前記可動電極を基準位置に拘束させるに
必要な前記固定電極印加電圧のパルス幅、パルス周期、
単位周期当りパルス数の少なくとも１つを演算するよう
に設定し、且つこの演算値に基づく制御指令信号が前記
固定電極印加電圧を発生させるためのパルス発生器に送
られるようにしてなる加速度検出装置。
１１．第５請求項ないし第１０請求項のいずれか１項に
おいて、前記固定電極は互いに直交する２軸方向の夫々
に対向配置される加速度検出装置。