JPH03293565A

JPH03293565A - Ｐｗｍ静電サーボ式加速度計

Info

Publication number: JPH03293565A
Application number: JP2097091A
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; Masayoshi Suzuki; 鈴木　政善; Masanori Kubota; 久保田　正則
Original assignee: Hitachi Automotive Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1990-04-12
Filing date: 1990-04-12
Publication date: 1991-12-25
Anticipated expiration: 2013-06-04
Also published as: JP2760628B2

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〕本発明にＰＷＭ静電サーボ式加速度計に関し、特に自動
車の車体制御システム等に使用され、微弱且つ低周波の
加速度を高精度で検出できるＰＷＭ静電サーボ式加速度
計に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、微弱且つ低周波の加速度を検出する加速度計とし
ては、半導体容量式加速度計や半導体歪みゲージ式加速
度計が知られている。これらの加速度計に使用される加
速度検出素子は、その製造工程によって誤差が含まれ、
種々の特性に関して製造ばらつきが発生する。−例とし
て、加速度検出素子の出力感度や零点にばらつきが生じ
る。これらの製造ばらつきを調整するためには、加速度
検出素子を用いて加速度計を組み立てる際において、そ
の最終段の出力回路に出力感度や零点を調整する回路を
付加し、抵抗等を用いて調整を行うように構成していた
。

なお、上記加速度計に関連する従来の技術として、その
他にトランスデユーサ　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　センサズ　アンド　アクチェエータズ、　　　１９
８７年６月２日〜５日に開催）の３９５〜３９８頁に記
載された半導体容量式の加速度センサや、３９９〜４０
２頁に記載された半導体歪みゲージ式加速度センサ等を
挙げることかできる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、半導体容量及びＰＷＭ（パルス幅変調）を利
用すると共に静電気力の差をフィードバックすることに
よりサーボ方式で構成されたいわゆる半導体容量式ＰＷ
Ｍ静電サーボ方式加速度計は、加速度の大きさを矩形波
のデユーティに変換し、更にデユーティをアナログ信号
に変換して出力となるアナログ信号を取出すように構成
される。

従って、上記の半導体容量式ＰＷＭ静電サーボ方式加速
度計では、デユーティの変化範囲が０〜１００％である
から、デユーティが０％の時の加速度が検出可能な最小
加速度となり、デユーティが１００％の時の加速度が検
出可能な最大加速度となる。従って、半導体容量式ＰＷ
Ｍ静電サーボ方式加速度計では、デユーティが０〜１０
０％の範囲にしか存在しないから、測定範囲が制限を受
けるという不具合を有する。また単位加速度光たりのデ
ユーティの変化量（以下、デユーティ変化率という）が
小さいと、加速度計としての測定感度を低下させること
になる。

ここで、加速度検出素子の製造ばらつき、特にギャップ
の製造ばらつきを考察する。このギャップのばらつきが
存在すると、加速度計の測定範囲、デユーティ変化率、
出力感度等が大きくばらつくという不具合が発生する。

すなわち、例えばギャップが広いと測定範囲が小さくな
り（第５図に示すように測定範囲はギャップの２乗に反
比例する特性を有する）、必要な測定範囲を得ることが
できなくなる。反対に、ギャップが狭いとデユーティ変
化率が低下しく第４図に示すようにデユーティ変化率は
ギャップの２乗に比例する特性を有する）、測定精度が
低下する。このようにギャップに製造ばらつきが生じる
と、加速度計において必要な性能が得られず、加速度計
の歩留りを下げることになる。

本発明の目的は、製造工程で加速度検出素子のギャップ
に関してばらつきが生じたとしても、回路的に調整して
製造ばらつきを補正できるように構成し、加速度計にお
いて歩留りが低下しない高性能なＰＷＭ静電サーす方式
過速度計を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る第１のＰＷＭ静電サーボ式加速度計は、加
速度に応答して位置が変化する可動電極及びこの可動電
極に対向して配設される２個の固定電極からなる加速度
検出素子と、可動電極と各々の固定電極との間の静電容
量の差を検出する容量検出手段と、容量検出手段の出力
に基づき静電容量差に比例したデユーティを有する矩形
波からなる電圧波形列を発生する矩形波発生手段と、こ
の電圧波形列を各々の固定電極に与える駆動手段とを有
する加速度計において、電圧波形列の波高値を調整する
調整手段を有することを特徴点として有する。

本発明に係る第２のＰＷＭ静電サーボ式加速度計は、加
速度に応答して位置が変化する可動電極及びこの可動電
極に対向して配設される２個の固定電極からなる加速度
検出素子と、可動電極と各々の固定電極との間の静電容
量の差を検出する容量検出手段と、容量検出手段の出力
に基づき静電容量差に比例したデユーティを有する矩形
波からなる電圧波形列を発生する矩形波発生手段と、こ
の電圧波形列を各々の固定電極に与える駆動手段とを有
する加速度計において、可動電極に調整可能なバイアス
電圧を与えるバイアス供給手段を有することを特徴点と
して有する。

本発明に係る第３のＰＷＭ静電サーボ式加速度計は、前
記第１又は２の構成において、加速度とデユーティの間
に存在するオフセットを補償するオフセット補償手段を
設けるようにしたことを特徴点として有する。

〔作用〕

本発明による第１のＰＷＭ静電サーボ式加速度計では、
加速度検出素子の固定電極に印加される電圧波形列の各
矩形波の波高値とデユーティ変化率及び測定範囲との間
において、波高値が大きくなるとデユーティ変化率が小
さくなると共に測定範囲が大きくなり、波高値が小さく
なるとその反対となるという特性を有しているので、こ
の特性を利用して、加速度検出素子のギャップの製造ば
らつきに起因して生じる加速度計の出力特性を前記波高
値を調整することにより、測定範囲とデユーティ変化率
を最適な状態に設定することができる。

本発明による第２のＰＷＭ静電サーボ式加速度計では、
前記第１の加速度計における加速度検出素子の固定電極
に印加される矩形波の波高値を調整するという考え方の
見方を変え、可動電極の側に適切なバイアス電圧を印加
することにより実質的に前記第１の加速度計と同じ技術
的効果を生じさせる。

本発明による第３のＰＷＭ静電サーボ式加速度計では、
前記第１及び第２の加速度計の構成において、検出加速
度とデユーティとの間にオフセットが存在する場合には
、これを補償するように構成することにより、加速度計
の出力特性を改善している。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する
。

第１図は本発明に係る加速度計の第１実施例を示す。第
１図において１は加速度検出素子であり、第１図〜第３
図によって加速度検出素子１の機械的構造、加速度計の
回路構成及びその動作原理について説明する。第２図は
第１図中のｎ−ｎ線断面図、第３図は第２図中のｍ−ｍ
線断面図である。

加速度検出素子１は、半導体容量式で且つＰＷＭ静電サ
ーボ方式加速度計に使用される加速度センサである。２
は外形を形成するケーシングであり、例えば絶縁性を有
するガラス材等によって作られている。３は図中上側に
配置された固定電極、４は図中下側に配置された固定電
極であり、それぞれアルミニウム材で形成されている。

５は、ビーム６によって支持される重錘の機能を有した
可動電極であり、加速度に応答して図中上下の方向にそ
の位置を変化させる。可動電極５は第３図に示すように
矩形の平面部を上下の面に有し、これらの面は前記の上
下の固定電極３，４にそれぞれ対向している。可動電極
５はシリコン等によって形成される。第１図又は第２に
示されるように、可動電極５の上下の面とそれぞれ対向
する固定電極３．４との間にはギャップが形成され、こ
のギャップ部分に電気回路的には静電容量が生じ、且つ
後述するように矩形波からなる電圧波形列を固定電極３
，４に印加することにより静電気力を発生させる。

７は容量検出器であり、この容量検出器７には加速度検
出素子１の出力信号が入力される。容量検出器７では、
固定電極３と可動電極５の間の静電容量と、固定電極４
と可動電極５の間の静電容量との差分が検出される。容
量検出器７の出力では静電容量の差分に比例した電圧が
発生し、この出力電圧は次段の増幅器８により所定のレ
ベルまで増幅され、更にパルス幅変調（ＰＷＭ）器９に
よって駆動用インバータ１０を動作させる電圧波形列信
号に変換される。パルス幅変調器９は増幅器８の出力電
圧の大きさに比例したデユーティを有する矩形波を周期
的に発生する。駆動用インバータ１０の出力は固定電極
３に与えられ、これによって固定電極３と可動電極５と
の間に静電気力を生じさせる。また、インバータ１０の
出力は更にインバータ１１によって反転され、このイン
バータ１１の出力は固定電極４に与えられる。インバー
タ１１の出力電圧の印加によって固定電極４と可動電極
５との間に静電気力を生じさせる。

上記の回路構成において、容量検出器７は、加速度検出
素子１における、固定電極３と可動電極５の間の静電気
力と、固定電極４と可動電極５との間の静電気力との差
分に比例した電圧、すなわち各ギャップの静電容量に比
例した電圧を出力する。従って、パルス幅変調器９の出
力する矩形波のデユーティは、前記固定電極３．４のそ
れぞれから可動電極５に対し作用する各静電気力の差分
に比例している。第１図の回路構成による制御系によれ
ば、固定電極３及び可動電極５の間の静電気力と固定電
極４及び可動電極５の間の静電気力との差分、すなわち
各静電容量の差分がＯになるように、固定電極３と４に
印加されるパルス波形信号のデユーティを制御するよう
に構成される。

このように構成すれば、可動電極５に作用する慣性力（
加速度に比例する力）と、可動電極５に対し固定電極３
，４のそれぞれから作用する静電気力の差分とが釣り合
うことになるから、パルス幅変調器９の出力する電圧波
形列の矩形波のデユーティを検出すれば、加速度検出素
子１に作用する加速度を検出することができることにな
る。そこで、インバータ１０の出力信号をローパスフィ
ルタ（ＬＰＦ）１２を介してアナログ電圧として取出す
と、加速度検出素子ｌに作用する加速度に比例した出力
ｖｏｐｔを得ることができる。ローパスフィルタ１２の
出力Ｖ。ＵＴは、次式により与えられる。

ここで、ｋｔｐｙはローパスフィルタ１２の利得、ｍは
可動電極５の質量、Ｇは重力加速度、ｄは可動電極５と
固定電極３の間のギャップ、εは誘電率、Ｓは可動電極
５の面積、ｖＰは印加パルス電圧の振幅、αは加速度、
ｖ０７．はオフセット電圧である。

次に第１図に示された加速度計の回路構成では、更に基
準電圧源１３が設けられる。この基準電圧源１３は、そ
の出力電圧値によって固定電極駆動用のインバータ１０
．１１の出力電圧の波高値を設定するもので、これによ
って固定電極３，４に印加される矩形波の波高値を変化
させることにより、測定範囲を必要な範囲に設定すると
共にデユーティ変化率が最大になるように調整する機能
を有している。

ここで、可動電極５と固定電極３，４との間のギャップ
と、デユーティ変化率及び測定範囲のそれぞれとの関係
、更に固定電極３，４に印加される矩形波の波高値と、
デユーティ変化率及び測定範囲のそれぞれとの関係につ
いて説明する。ギャップが大きくなればなるほど、第４
図に示すようにデユーティ変化率は大きくなるという特
性を有し、反対に測定範囲は第５図に示すように小さく
なるという特性を有する。従って、加速度検出素子１の
組立て設計ではデユーティ変化率と測定範囲のいずれも
が適切になるような最適な値にギャップが選択される。

しかし、その製造工程では、加速度検出素子１はその設
計通りにギャップが形成されず、ギャップに関し加速度
検出素子１ごとに製造ばらつきが発生して形成されるこ
とになる。

一方、第６図及び第７図に示すように、それぞれのギャ
ップにおいて静電気力を発生させるため固定電極３，４
に印加される矩形波の波高値は、それが大きくなるほど
、デユーティ変化率が小さくなり、また測定範囲は大き
くなるという特性を有する。従って、加速度検出素子１
の製作において、可動電極５と固定電極３，４との間に
おいて設計通りの寸法のギャップが実現できなくとも、
固定電極に３，４に印加される矩形波の波高値を変化さ
せることにより、前述の如く所要の測定範囲を達成し且
つデユーティ変化率が最大になるよに調整することが可
能となる。

従って、基準電圧源１３によるインバータ１０゜１１の
矩形波の波高値の調整は、加速度検出素子１を用いて第
１図に示されるような回路構成を有する加速度計が組立
てられた初期において、加速度検出素子１の動作特性を
調べながら、加速度計ごとに調整される。その後におい
ては、基本的に、加速度検出素子１のギャップの製造ば
らつきに関係する調整は行われない。

ところで、加速度と矩形波のデユーティとの間において
オフセットが存在する場合には、基準電圧源１３でデユ
ーティ変化率が最大になるように波高値の調整を行うと
、デユーティが０％又は１００％からはみ出してしまう
。このような場合を考慮して、第２の基準電圧源１４を
設ける。基準電圧源１４ではその出力電圧を任意に調整
することができ、当該出力電圧を加算器１５を介して容
量検出器７の出力に加えるように構成している。

これにより、基準電圧源１４は容量検出器７の出力にオ
フセットを与え、可動電極５と固定電極３゜４との間の
静電容量の差分が基準電圧源１４の出力電圧に依存する
特定値になるように、サーボ系の制御を働かせる。従っ
て、サーボ系の動作点が変化し、加速度とデユーティと
の間に新たなオフセットを生じさせ、これによってもと
もと存在するオフセットを補償することができる。

なお、上記の基準電圧源１３による調整でデユーティ変
化率を最大するためには、検出加速度の最小値でデユー
ティが０％となり、検出加速度の最大値でデユーティが
１００％となるように調整を行う。パルス幅変調器９の
出力矩形波のデユーティと出力Ｖ。Ｕアとの間の関係は
任意に設計することができるから、予め、検出加速度の
最小値でデユーティが最小になり、検出加速度の最大値
でデユーティが最大になるようにし、この状態で出力特
性が目的の特性となるように回路設定する。

このような回路設定の状態において、基準電圧源１３．
１４の出力電圧を変化させて、加速度計の出力特性を目
的の特性となるように調整すれば、必要な測定範囲を満
足しデユーティ変化率が最大となるように調整すること
ができる。

次に、加速度計の出力特性に温度変動が存在する場合に
、これを補償する方法について説明する。

加速度計の出力特性は、検出した加速度をパルス幅変調
器９で矩形波のデユーティに変換する変換特性と、矩形
波のデユーティをローパスフィルタ１２でアナログ電圧
に変換する変換特性とによって決定される。従って、上
記の２つの変換特性の内いずれか一方に温度依存特性を
設けるように構成すれば、温度補償を行うことができる
。本実施例の場合には、検出加速度をデユーティに変換
する変換特性の方が簡単に変更できるので、この変換特
性に温度依存性の構成を付加することが望ましい。更に
、基準電圧源１３の出力電圧に温度依存性を持たせるよ
うに構成することによりデユーティ変化率に温度依存性
を持たせることができるし、基準電圧源１４の出力電圧
に温度依存性を持たせるように構成することにより検出
加速度をデユーティに変換する変換特性のオフセットに
温度依存性を持たせることもできる。従って、検出加速
度をデユーティに変換する変換特性、デユーティ変化率
、検出加速度をデユーティに変換する変換特性のオフセ
ット等のそれぞれに温度依存性１こ持たせるように構成
し、これらの温度依存特性を適当に選択し、或いは組み
合わせることにより第１図に示された加速度計の出力特
性の温度変動を補償するように構成することも可能であ
る。なお、第１図中において温度補償に関係する回路構
成は省略されている。

次に本発明に係る加速度計の第２実施例を第８図に基づ
いて説明する。第８図において、第１図に示された要素
と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明
を省略する。この実施例では、前記実施例で示した基準
電圧源１３を除去し、他の基準電圧源１６を容量検出器
７に接続している。その他の構成は第１実施例で説明し
た構成と同じである。基準電圧源１６はその出力電圧を
調整することができ、これによって加速度検出素子１の
可動電極５に与えられるバイアス電圧を調整できるよう
に構成されている。ただし、容量検出器７における静電
容量の差分の検出に影響を与えないようにするため、容
量検出器７を介して可動電極５にバイアス電圧を与える
ように構成している。可動電極５に与えられるバイアス
電圧を変化させると、前記実施例の場合の矩形波の波高
値を変化させるときと同様に、後述する理由によりデユ
ーティ変化率を変化させることができる。従って基準電
圧源１６を、前記基準電圧源１３の場合と同様に調整を
行えば、必要な測定を満足させ且つデユーティ変化率を
最大にすることができる。

次に、可動電極５に与えられるバイアス電圧を変化させ
ると、何故デユーティ変化率を変えることができるのか
を説明する。固定電極３にはパルス矩形波が印加され、
可動電極５には所定のバイアス電圧が印加されている。

ここで前記第１実施例の場合を考察すると、前記に実施
例では可動電極５はＯｖにバイアスされ、矩形波がハイ
レベルの時には可動電極５と固定電極３との間の電圧差
は波高値そのものが印加され、ローレベルの時にはＯｖ
が印加されるものと考えることができる。

従って、可動電極５に対し所定の値のバイアス電圧を印
加した場合には、矩形波のハイレベルの時には可動電極
５と固定電極３との間の電圧差は可動電極５のバイアス
電圧分だけ低下し、ローレベルの時にはバイアス電圧分
の電圧差が印加される。

この場合においてデユーティ変化率は、矩形波がハイレ
ベルの時の電圧差の２乗と、ローレベルの時の電圧差の
２乗との差に比例する。この関係を第９図に示す。この
ようにして、デユーティ変化率は可動電極５のバイアス
電圧に依存し、従って可動電極５のバイアス電圧を変化
させることによりデユーティ変化率を変化させることが
可能となる。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、本発明によれば、ＰＷＭ
静電サーボ式加速度計において、固定電極に印加される
電圧波形列の矩形波の波高値、又は可動電極のバイアス
電圧を調整することにより加速度計の測定範囲と矩形波
のデユーティ変化率とを調整できるように構成したため
、加速度検出素子のギャップに製造ばらつきが存在した
としでも、これを電気回路的に補償し、加速度検出素子
の歩留りを高めることができる。また、加速度計の測定
範囲と矩形波のデユーティ変化率を最適なものに設定で
きるため、これによって加速度計で検出できる加速度の
範囲を広くし、且つ測定感度を向上することができると
いう効果も発揮される。また、加速度とデユーティの間
にオフセットが存在する場合には、このオフセットを補
償する手段を設けるようにしたため、加速度計の測定性
能を更に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す回路図、第２図は第
１図中のｎ−ｎ線断面図、第３図は第２図中のｍ−ｍ線
断面図、第４図はギャップとデユーティ変化率の関係を
示すグラフ、第５図はギャップと測定範囲との関係を示
すグラフ、第６図は矩形波の波高値とデユーティ変化率
を示すグラフ、第７図は矩形波の波高値と測定範囲の関
係を示すグラフ、第８図は本発明の第２実施例を示す回
路図、第９図は可動電極のバイアス電圧とデユーティ変
化率の関係を示すグラフである。〔符号の説明〕１・・・・・・加速度検出素子２　・　・　・　・　・３、４　・　・　・５　・　・　・　・　・６　・　・　・　・　・７　・　・　・　・　・９　・　・　・　・　・１０．１１　　・１２　ψ　・　−・１３　・　・　・　・１４　・　−・　・１５　・　・　・　・１６　・　・　・　・拳ケーシング・固定電極・可動電極・ビーム・容量検出器・パルス幅変調器・インバータ・ローパスフィルタ・第１の基準電圧源・第２の基準電圧源・加算器・第３の基準電圧源

Claims

【特許請求の範囲】

（１）加速度に応答して位置が変化する可動電極及びこ
の可動電極に対向して配設される２個の固定電極からな
る加速度検出素子と、前記可動電極と前記各々の固定電
極との間の静電容量の差を検出する容量検出手段と、前
記容量検出手段の出力に基づき前記静電容量差に比例し
たデューティを有する矩形波からなる電圧波形列を発生
する矩形波発生手段と、この電圧波形列を前記各々の固
定電極に与える駆動手段とを有する加速度計において、
前記電圧波形列の波高値を調整する調整手段を有するこ
とを特徴とするＰＷＭ静電サーボ式加速度計。
（２）加速度に応答して位置が変化する可動電極及びこ
の可動電極に対向して配設される２個の固定電極からな
る加速度検出素子と、前記可動電極と前記各々の固定電
極との間の静電容量の差を検出する容量検出手段と、前
記容量検出手段の出力に基づき前記静電容量差に比例し
たデューティを有する矩形波からなる電圧波形列を発生
する矩形波発生手段と、この電圧波形列を前記各々の固
定電極に与える駆動手段とを有する加速度計において、
前記可動電極に調整可能なバイアス電圧を与えるバイア
ス供給手段を有することを特徴とするＰＷＭ静電サーボ
式加速度計。
（３）請求項１又は２記載のＰＷＭ静電サーボ式加速度
計において、前記加速度と前記デューティの間に存在す
るオフセットを補償するオフセット補償手段を設けるよ
うにしたことを特徴とするＰＷＭ静電サーボ式加速度計
。