JPH04329371A - 静電容量式力学量センサ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、静電容量式力学量セン
サに係わり、特に力学量によって電極間隔が変化する可
変コンデンサを用いた静電容量式力学量センサに関する
。

【０００２】

【従来の技術】加速度や圧力などの力学量によって可変
コンデンサの電極間の距離を変化させ、静電容量の変化
から力学量を検出する力学量検出センサが知られている
。このような力学量センサとしては例えば、特開平１−
１５２３６９号公報に示されており、図８にその断面図
を示す。

【０００３】図８において、８４はシリコン基板であり
、シリコン基板８４をエッチングすることによって、カ
ンチレバー８６、可動電極８５が一体に形成される。

【０００４】８１，８２はガラス板であり、シリコン基
板８４を両面から挟んでいる。ガラス板８１，８２の可
動電極８５と向かい合う面には、金属製の固定電極９１
，９２が設置されている。なお、可動電極８５と固定電
極９１，９２との距離はいずれもｄ［μｍ］に設定され
ており、可動電極８５と固定電極９１，９２との間にそ
れぞれ可変コンデンサ９３，９４が構成される。

【０００５】また、可動電極８５と固定電極９１，９２
はそれぞれ力学量検出回路（図示せず）に接続されてい
る。力学量検出回路は可変コンデンサ９３，９４の静電
容量の差を演算し、この差に基づいて力学量を求め、電
圧信号として出力する。

【０００６】次に、作用を説明する。上記の装置に矢印
Ａ方向の加速度が加わった場合、可動電極８５は慣性に
よりΔｄだけ変位する。その結果、可変コンデンサ９３
，９４の電極間距離が変化し、それぞれの静電容量が変
化する。上記の静電容量の変化は力学量検出回路によっ
て検出され、力学量に対応した電圧信号として出力され
る。

【０００７】以上の動作を式で表すと、以下のようにな
る。

【０００８】

【数１】

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】シリコン基板をエッチ
ングした場合、加工精度は数百［ｎｍ］程度である。し
たがって、上述した装置において、電極間の距離ｄを数
［μｍ］に設定した場合、製造バラツキにより距離ｄの
値には１０％程度の誤差が生じる。

【００１０】この距離ｄの誤差は、数１に表されたよう
に２乗されるため、出力電圧Ｖｏｕｔの誤差はさらに大
きくなるという問題点があった。

【００１１】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであり、検出精度の高い静電容量式力
学量センサを提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、第１のコンデ
ンサＣＡと、第２のコンデンサＣＯＡと、第３のコンデ
ンサＣＯと、第４のコンデンサＣと、第１の除算手段と
、第２の除算手段と、乗算手段と、オフセット調整手段
と、を有する静電容量式力学量センサであり、前記第１
のコンデンサＣＡは、力学量に応じて電極間の距離が変
化することにより静電容量を変化させる可変コンデンサ
であり、前記第２のコンデンサＣＯＡは、所定の電極間
距離および電極面積を有するコンデンサであり、前記第
３のコンデンサＣＯは、前記第２のコンデンサＣＯＡの
電極間距離および電極面積と等しい電極間距離および電
極面積を有するコンデンサであり、前記第４のコンデン
サＣは、予め定められた所定の静電容量を有するコンデ
ンサであり、前記第１の除算手段は、前記第１のコンデ
ンサＣＡの静電容量に対する前記第２のコンデンサＣＯ
Ａの静電容量の比を求めるものであり、前記第２の除算
手段は、前記第３のコンデンサＣＯの静電容量に対する
前記第４のコンデンサＣの静電容量の比を求めるもので
あり、前記乗算手段は、前記第１の除算手段によって求
められた比の値と、前記第２の除算手段によって求めら
れた比の値との積を求めるものであり、前記オフセット
調整手段は、前記乗算手段から出力されるオフセット出
力をゼロに調整するものである。

【００１３】

【作用】本発明の装置に加速度などの力学量が加えられ
たとき、第１のコンデンサＣＡの静電容量は、加えられ
た力学量に応じて変化する。また、第２、第３、第４の
コンデンサＣＯＡ，ＣＯ，Ｃの静電容量は、力学量が加
えられた場合でも変化しない。

【００１４】第１の除算手段によって、第１のコンデン
サＣＡの静電容量に対する第２のコンデンサＣＯＡの静
電容量の比が演算される。第１の除算手段の出力は、第
１のコンデンサＣＡの電極間の距離ＤＡ＋Δｄ（変位量
Δｄを含む）に比例し、第２のコンデンサＣＯＡの電極
間距離ＤＯＡに反比例した値となる。

【００１５】また、第２の除算手段によって第３のコン
デンサＣＯの静電容量に対する第４のコンデンサＣの静
電容量の比が演算される。第４のコンデンサＣの静電容
量は定数なので、第２の除算手段の出力は第３のコンデ
ンサＣＯの電極間距離ＤＯに比例した値となる。

【００１６】乗算手段によって、第１の除算手段と第２
の除算手段との出力の積が演算される。このとき、第３
のコンデンサＣＯの電極間距離ＤＯと第２のコンデンサ
ＣＯＡの電極間距離ＤＯＡとが等しいため、これらの比
は１となる。したがって、乗算手段の出力は、第１のコ
ンデンサＣＡの電極間距離ＤＡ＋Δｄに比例した値とな
る。

【００１７】そして、オフセット調整器によって、乗算
手段から出力されるオフセット出力がゼロになるように
調整される。その結果、最終的に得られる出力は、第１
のコンデンサＣＡの電極間距離の変位量Δｄにのみ比例
した値となり、いずれのコンデンサの電極間距離ＤＡ，
ＤＯＡ，ＤＯにも依存しない値となる。

【００１８】

【実施例】図１から図７に基づいて、本発明の実施例に
ついて説明する。本実施例は、加速度を検出する装置の
一例を示したものであり、図１は本実施例の回路図、図
２は、本実施例装置の構成を示す断面図、図３から図７
は本実施例装置の分解図である。

【００１９】図１において、１０１は第１のコンデンサ
としての可変コンデンサであり、１０２は第２のコンデ
ンサである。１１１は第１の除算手段としての演算増幅
器である。演算増幅器１１１の（−）入力端子にコンデ
ンサ１０１，１０２の一方の電極が接続され、演算増幅
器１１１の出力端子にはコンデンサ１０１の他方の電極
が接続されてる。また、演算増幅器１１１の（＋）入力
端子はグランドに接続されている。そして、演算増幅器
１１１の出力はコンデンサ１０１の静電容量ＣＡに対す
るコンデンサ１０２の静電容量ＣＯＡの比となる。

【００２０】１０３および１０４はそれぞれコンデンサ
１０１，１０２と同様の構成のコンデンサである。そし
て、演算増幅器１１２によってコンデンサ１０３の静電
容量ＣＢに対するコンデンサ１０４の静電容量ＣＯＢの
比が演算される。

【００２１】１０５は第３のコンデンサであり、コンデ
ンサ１０２，１０４と電極面積および電極間距離が等し
い構成となっている。１０６は第４のコンデンサであり
、後述するように回路基板上に設置されている。１１３
は第２の除算手段としての演算増幅器である。演算増幅
器１１３によってコンデンサ１０５の静電容量ＣＯＣに
対するコンデンサ１０６の静電容量Ｃの比が演算される
。なお、コンデンサ１０１，１０２，１０３，１０４，
１０５，１０６の構成については、後で詳しく説明する
。

【００２２】１００は交流電源であり、交流電源１００
の出力電圧はＶｉｎ［Ｖ］である。交流電源１００の一
方の出力端子はグランドに接続され、他方の出力端子は
、コンデンサ１０２，１０４，１０６の一方の電極に接
続されている。

【００２３】１２０は差動増幅器である。差動増幅器１
２０の（−）入力端子には演算増幅器１１１の出力端子
が接続され、差動増幅器１２０の（＋）入力端子には演
算増幅器１１２の出力端子が接続されている。

【００２４】１２１はオフセット調整器である。オフセ
ット調整器１２１の入力端子には、差動増幅器１２０の
出力端子が接続されている。オフセット調整器１２１は
、可変抵抗１２２の抵抗値Ｒを変化させることによって
出力電圧の０点調整を行う。

【００２５】１２３は乗算手段としての掛け算器である
。掛け算器１２３の入力端子には、オフセット調整器１
２１の入力端子および演算増幅器１１３の出力端子が接
続されている。乗算手段１２３はオフセット調整器１２
１からの出力と演算増幅器１１３からの出力の積を演算
し、演算結果を電圧信号Ｖｏｕｔ［Ｖ］として出力する
。

【００２６】次に、図２から図７に基づいて、コンデン
サ１０１，１０２，１０３，１０４，１０５の構成につ
いて説明する。図２において、１１および１２は形状お
よび質量の等しい重錘であり、図３に示すように円筒形
状をしている。２１，２２は同一材質の金属からなるダ
イヤフラムであり、図４に示すように、円盤形状である
。重錘１１，１２はそれぞれダイヤフラム２１，２２に
接着剤によって固定されている。

【００２７】４１，４２はそれぞれ同様の構成の固定電
極板である。固定電極板４１，４２は、図５に示すよう
に、一方の面に固定電極４３およびシールド電極４４が
、蒸着により同心円状に形成されている。

【００２８】５１，５２はそれぞれ同様の構成の基準容
量電極板である。基準容量電極板５１，５２は、図６に
示すように、一方の面の中心部に円形の基準電極５３が
形成されている。そして、基準電極５３の周囲には、基
準電極５４，５５およびシールド電極５６がそれぞれ同
心円状に形成されている。また、基準電極５３，５４，
５５はそれぞれ蒸着により等しい面積となるように形成
されている。

【００２９】３１，３２，３３は絶縁性の電極間隔保持
部材である。電極間隔保持部材３１，３２，３３は図７
に示すように、円環形状に形成される。なお、ダイヤフ
ラム２１，２２、固定電極板４１，４２、基準容量電極
板５１，５２、および電極間隔保持部材３１，３２，３
３は、直径が等しく形成されている。

【００３０】７４は回路基板である。回路基板７４上に
は図１に示した回路のコンデンサ１０６、演算増幅器１
１１，１１２，１１３、差動増幅器１２０、オフセット
調整器１２１、および掛け算器１２３が設置されている
。回路基板７４は外枠６１内部の底部付近に設置され、
外蓋７２により固定されている。なお、コンデンサ１０
６は市販されているコンデンサ素子であり、実測によっ
て予め静電容量Ｃの分かっているものが使用されている
。

【００３１】外枠６１内部に形成された凸部６２には、
重錘１２が接着されたダイヤフラム２２が取り付けられ
る。そして、ダイヤフラム２２上には、電極間隔保持部
材３２を介して、固定電極板４２が取付される。なお、
固定電極板４２の固定電極４３およびシールド電極４４
は、ダイヤフラム２２に対向するように設置され、固定
電極４２とダイヤフラム２２によって図１のコンデンサ
１０３が形成される。

【００３２】固定電極板４２上には基準電極板５２、電
極間隔保持部材３３、および基準電極板５１が設置され
る。なお、基準電極板５１，５２は互いに電極が対向す
るように設置されており、対向した基準電極５３，５４
，５５どうしによりそれぞれ図１に示したコンデンサ１
０２，１０４，１０５が形成される。

【００３３】基準電極板５１上には、固定電極板４１、
電極間隔保持部材３１および重錘１１が接着されたダイ
ヤフラム２１が設置される。固定電極板４１の固定電極
４３およびシールド電極４４はダイヤフラム２１に対向
するように設置されており、ダイヤフラム２１と固定電
極４３とによってコンデンサ１０１が形成される。

【００３４】なお、固定電極板４１，４２および基準容
量電極板５１，５２のシールド電極４４はグランドに接
続され、これらにより対向して設置された電極間の電気
力線の乱れが抑えられ、浮遊容量が低減される。

【００３５】７３は複数のリード線からなるハーネスで
ある。ハーネス７３は、ダイヤフラム２１，２２、各電
極４１，４２，５３，５４，５５，５６と、回路基板７
４とを接続し、さらに回路基板７４と外部回路（図示省
略）とを接続する。また、外部回路はハーネス７３の出
力（図１の回路の出力電圧Ｖｏｕｔに相当）に基づいて
、加速度を演算し、演算結果を表示するものである。

【００３６】次に、作用を説明する。基準容量電極板５
１，５２の各基準容量電極５３，５４，５５の面積は互
いに等しい面積に設計されている。そして、固定電極板
５１，５２の直径を例えば１４［ｍｍ］とした場合、製
造バラツキは±０．０５［ｍｍ］以内となるため、ほと
んど無視できる。したがって、コンデンサ１０２，１０
４，１０５の電極面積が等しくなる。

【００３７】また、基準容量電極板５１，５２は単一の
電極保持部材３３によって保持されているため、この間
に形成されるコンデンサ１０２，１０４，１０５の電極
間隔は等しくなる。

【００３８】以上のことから、コンデンサ１０２，１０
４，１０５の静電容量を式で表すと、

【００３９】

【数２】

【００４０】となる。

【００４１】また、固定電極板４１，４２の各固定電極
４３の面積は等しい面積に設計されている。そして、基
準容量電極板５１，５２の場合と同様に、製造バラツキ
はほとんど無視できるため、コンデンサ１０１，１０３
の電極面積が等しくなる。

【００４２】以上のことから、図２の装置に加速度が加
えられていない場合のコンデンサ１０１，１０３の静電
容量を式で表すと、

【００４３】

【数３】

【００４４】となる。

【００４５】そして、図２の装置に矢印Ｂで示される向
きの加速度が加えられた場合、重錘１１，１２の質量に
よりダイヤフラム２１，２２が歪み、矢印Ｂと反対向き
に変位する。そのため、ダイヤフラム２１と固定電極板
４１との距離が変化し、また、ダイヤフラム２２と固定
電極板４２との距離が変化する。その結果、コンデンサ
１０１，１０３の静電容量が変化する。このとき、重錘
１１，１２の形状および質量が等しく、ダイヤフラム２
１，２２は同一材質から形成されているため、ダイヤフ
ラム２１，２２の変位量Δｄは等しくなる。

【００４６】以上のことから、コンデンサ１０１，１０
３の静電容量の変化を式で表すと、

【００４７】

【数４】

【００４８】となる。

【００４９】なお、変位量Δｄは、重錘１１，１２の質
量を５［ｇ］、ダイヤフラム２１，２２の面積、板厚、
ヤング率、ポアソン比をそれぞれ３００［ｍｍ２］、１
００［μｍ］、２００００［ｋｇ／ｍｍ２］、０．３と
すると、０．１［Ｇ］の加速度が加えられたときには、
数［μｍ］となる。

【００５０】演算増幅器１１１の出力電圧は、コンデン
サ１０１とコンデンサ１０２との静電容量の比ＣＯＡ／
ＣＡに、電源電圧Ｖｉｎ［Ｖ］をかけた値となる。また
、演算増幅器１１２の出力電圧は、コンデンサ１０３と
コンデンサ１０４との静電容量の比ＣＯＢ／ＣＢに、電
源電圧Ｖｉｎ［Ｖ］をかけた値となる。

【００５１】これら２つの出力は差動増幅器１２０に入
力される。そして、差動増幅器１２０の出力電圧Ｖ１は
、両者の差となる。したがって、Ｖ１を式で表すと、

【
００５２】

【数５】

【００５３】となる。

【００５４】出力電圧Ｖ１はオフセット調整器１２１に
入力され、装置に加速度が加えられていないとき（Δｄ
＝０のとき）、出力電圧Ｖ１が０ボルトになるように抵
抗１２２の抵抗値Ｒが調整される。その結果、オフセッ
ト調整器１２１からの出力電圧Ｖ２は、数５に示した出
力電圧Ｖ１の第１項が０となった値となる。すなわち、

【００５５】

【数６】

【００５６】一方、演算増幅器１１３によって、コンデ
ンサ１０５とコンデンサ１０６との静電容量の比が演算
される。演算増幅器１１３の出力電圧Ｖ３は、次式のよ
うになる。

【００５７】

【数７】

【００５８】なお、数７において、静電容量Ｃは実測値
であるため、定数となる。

【００５９】出力電圧Ｖ２およびＶ３は掛け算器１２３
に入力され、両者の積が出力電圧Ｖｏｕｔとして出力さ
れる。したがって、出力電圧Ｖｏｕｔは、

【００６０】

【数８】

【００６１】と表される。数８において、εＯ，Ｓ，Ｃ
，Ｖｉｎは定数であり、ほとんど誤差を含まないため、
ＶｏｕｔはΔｄに比例した値となり、各コンデンサの電
極間距離ＤＡ，ＤＢ，ＤＯには依存しない。上記の出力
電圧Ｖｏｕｔにもとづいて、感度調節を行うことにより
、装置に加えられた加速度を検出することができる。

【００６２】以上のように本実施例によれば、重錘１１
，１２を接着したダイヤフラム２１，２２と固定電極４
３とにより可変コンデンサ１０１，１０３を形成し、基
準電極５３，５４，５５によりコンデンサ１０２，１０
４，１０５を形成し、演算増幅器１１１によりコンデン
サ１０１とコンデンサ１０２との静電容量の比を演算し
、演算増幅器１１２によりコンデンサ１０３とコンデン
サ１０４との静電容量の比を演算し、差動増幅器１２０
により上記２つの比の差を演算し、オフセット調整器１
２１により０調整を行い、演算増幅器１１３によりコン
デンサ１０５とコンデンサ１０６との静電容量の比を演
算し、掛け算器１２３により演算増幅器１１３とオフセ
ット調整器１２１との出力の積を演算した。

【００６３】そのため、加速度に応じてダイヤフラム２
１，２２が変位し、変位量Δｄには比例するが各コンデ
ンサの電極間距離には依存しない出力電圧Ｖｏｕｔが得
られる。したがって、装置の感度を向上させるために電
極間距離を小さくした場合、電極間隔保持部材の厚さが
加工精度によりコンデンサの電極間距離にバラツキを生
じても、検出精度には悪影響を与えない。その結果、加
速度を検出する精度が向上するという効果が得られる。

【００６４】さらに、固定電極板４１，４２および基準
容量電極板５１，５２に各電極を囲むようにシールド電
極を形成した。そのため、電極間の電気力線の乱れが抑
えられ、浮遊容量による悪影響を抑えることができるた
め、検出精度がさらに向上するという効果が得られる。

【００６５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、力学量に
応じて静電容量が変化する第１のコンデンサＣＡと、静
電容量の変化しない第２のコンデンサＣＯＡとの比を演
算し、第２のコンデンサＣＯＡと電極面積および電極間
距離が等しい第３のコンデンサＣＯと静電容量が定めら
れている第４のコンデンサＣとの比を演算し、上記２つ
の比の積を演算し、オフセット調整を行うようにした。

【００６６】そのため、加速度に応じて第１のコンデン
サの電極間距離の変位量Δｄに比例し各コンデンサの電
極間距離には依存しない出力が得られる。したがって、
装置の感度を向上させるために電極間距離を小さくした
場合、電極間隔保持部材の厚さが加工精度によりコンデ
ンサの電極間距離にバラツキを生じても、検出精度には
悪影響を与えない。その結果、加速度を検出する精度が
向上するという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の回路図。

【図２】実施例の構成を示す断面図。

【図３】実施例の重錘を示す斜視図。

【図４】実施例のダイヤフラムを示す斜視図。

【図５】実施例の固定電極板を示す斜視図。

【図６】実施例の基準電極板を示す平面図。

【図７】実施例の電極間隔保持部材を示す斜視図。

【図８】従来例の構成を示す断面図。

【符号の説明】

１０１　　　　可変コンデンサ １０２　　　　可変コンデンサ １０３　　　　コンデンサ １０４　　　　コンデンサ １０５　　　　コンデンサ １０６　　　　コンデンサ １１１　　　　演算増幅器 １１２　　　　演算増幅器 １１３　　　　演算増幅器 １２０　　　　差動増幅器 １２１　　　　オフセット調整器 １２３　　　　掛け算器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１のコンデンサと、第２のコンデンサと
   、第３のコンデンサと、第４のコンデンサと、第１の除
   算手段と、第２の除算手段と、乗算手段と、オフセット
   調整手段と、を有し、前記第１のコンデンサは、力学量
   に応じて電極間の距離が変化することにより静電容量を
   変化させる可変コンデンサであり、前記第２のコンデン
   サは、所定の電極間距離および電極面積を有するコンデ
   ンサであり、前記第３のコンデンサは、前記第２のコン
   デンサの電極間距離および電極面積と等しい電極間距離
   および電極面積を有するコンデンサであり、前記第４の
   コンデンサは、予め定められた所定の静電容量を有する
   コンデンサであり、前記第１の除算手段は、前記第１の
   コンデンサの静電容量に対する前記第２のコンデンサの
   静電容量の比を求めるものであり、前記第２の除算手段
   は、前記第３のコンデンサの静電容量に対する前記第４
   のコンデンサの静電容量の比を求めるものであり、前記
   乗算手段は、前記第１の除算手段によって求められた比
   の値と、前記第２の除算手段によって求められた比の値
   との積を求めるものであり、前記オフセット調整手段は
   、前記乗算手段から出力されるオフセット出力をゼロに
   調整するものである、静電容量式力学量センサ。