JPH0518990A

JPH0518990A - 静電容量式力学量検出器

Info

Publication number: JPH0518990A
Application number: JP16954991A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Hosokawa; 靖彦細川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1991-07-10
Filing date: 1991-07-10
Publication date: 1993-01-26

Abstract

(57)【要約】【目的】電極間距離の製造バラツキに起因する静電容
量の誤差を少なくし、オフセット調整を省略する。【構成】力学量に応じて静電容量が変化する第１のコ
ンデンサ１１と、第１のコンデンサ１１と電極間距離が
等しい第２のコンデンサ１２と、電極面積比が前記第１
のコンデンサ１１と第２のコンデンサ１２の電極面積比
と等しく、互いに電極間距離の等しい第３のコンデンサ
２１および第４のコンデンサ２２とを形成し、第１のコ
ンデンサ１１と第２のコンデンサ１２の静電容量の比お
よび第３のコンデンサ２１と第４のコンデンサ２２の静
電容量の比を演算し、これらの比の差を演算する。

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、特公平２
-５９９３５号公報に示されており、図９、図１０にそ
のセンサ部分の構成を示す。

【０００３】図９、図１０において、５０３は基板であ
り、基板５０３の一方の面には円形の電極５０７が形成
されている。５０１はダイヤフラムであり、ダイヤフラ
ムの一方の面には、電極５０５および電極５０６が同心
円状に形成されている。５０２は電極間隔を保持するス
ペーサである。

【０００４】ダイヤフラム５０１と基板５０３は互いに
電極が形成された面が向かい合うように、スペーサ５０
２を挟んで固定される。その結果、電極５０５と電極５
０７との間に第１のコンデンサが形成され、電極５０６
と電極５０７との間に第２のコンデンサが形成される。
そして、リード線５０４によって、これらのコンデンサ
の静電容量が検出される。

【０００５】次に、作用を説明する。上記の装置に矢印
Ａ方向の加速度や圧力などの力学量が加わった場合、ダ
イヤフラム５０１が変位する。その結果、電極５０７と
電極５０５との距離が変化し、第１のコンデンサの静電
容量が変化する。また、電極５０６はスペーサ５０２の
近くに形成されているため、電極５０７との距離は実質
的に変化しないものと見なせる。

【０００６】上記の静電容量は力学量検出回路（図示省
略）によって検出される。そして、力学量に対応した電
圧信号として出力される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した装置におい
て、検出の感度を向上させるには、スペーサ５０２を薄
く形成して、電極間の距離を狭くすればよい。しかしな
がら、スペーサ５０２を数［μｍ］に形成しようとした
場合、製造バラツキによりスペーサ５０２の厚さには１
０％程度の誤差が生じてしまう。この誤差は、検出感度
に影響を与えるとともに、オフセット出力を発生させ
る。そのため、装置に実際に力学量を加えることによ
り、オフセット調整と感度調整を行わなければならない
という問題点があった。また、このような問題点は量産
時には工程の増加につながってしまう。

【０００８】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、電極間距離の誤差に起因する
オフセット出力を防止する静電容量式力学量検出器を提
供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
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、減算手段と、を有する静電容量式力学
量検出器であり、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、前記第１のコンデンサに力学量が加えられていない
ときの電極間距離と等しい電極間距離を有するコンデン
サであり、前記第３のコンデンサおよび前記第４のコン
デンサは、互いに電極間距離が等しく、かつ前記第３の
コンデンサの電極面積に対する前記第４のコンデンサの
電極面積の比が、前記第１のコンデンサの電極面積に対
する前記第２のコンデンサの電極面積の比と等しいコン
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、前記減算
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
差を求めるものである。

【００１０】また、請求項２記載の発明は、第１のコン
デンサと、第２のコンデンサと、第１の除算手段と、第
２の除算手段と、減算手段と、を有する静電容量式力学
量検出器であり、前記第１のコンデンサおよび前記第２
のコンデンサは、互いに等しい電極間距離および互いに
等しい電極面積を有し、等しい力学量に対して互いに異
なった変位量で電極間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１の除算
手段は、前記第１のコンデンサの静電容量の逆数を求め
るものであり、前記第２の除算手段は、前記第２のコン
デンサの静電容量の逆数を求めるものであり、前記減算
手段は、前記第１の除算手段によって求められた逆数の
値と、前記第２の除算手段によって求められた逆数の値
との差を求めるものである。

【００１１】

【作用】請求項１記載の発明によると、第１のコンデン
サの静電容量および電極面積をそれぞれＣ₁₁，Ｓ₁₁とす
る。そして、力学量が加えられていないときの第１のコ
ンデンサの電極間距離をｄ₁₁とし、この装置に力学量が
加えられたときの第１のコンデンサの電極間距離の変位
量を±Δｄとする。

【００１２】また、第２のコンデンサの静電容量、電極
間距離、および電極面積を、それぞれＣ₁₂，ｄ₁₁，
Ｓ₁₂、第３のコンデンサの静電容量、電極間距離、およ
び電極面積を、それぞれＣ₂₁，ｄ₂₁，Ｓ₂₁、第４のコン
デンサの静電容量、電極間距離、および電極面積を、そ
れぞれＣ₂₂，ｄ₂₁，Ｓ₂₂とする。なお、第２，第３，第
４のコンデンサの電極間距離は、力学量が加えられた場
合でも変化しない。以上より、各コンデンサの静電容量
は以下のように表される。

【００１３】

【数１】

【００１４】第１の除算手段によって、第１のコンデン
サの静電容量Ｃ₁₁に対する第２のコンデンサの静電容量
Ｃ₁₂の比が演算される。第１の除算手段の出力は、下記
の数２の値となる。

【００１５】

【数２】

【００１６】また、第２の除算手段によって第３のコン
デンサの静電容量Ｃ₂₁に対する第４のコンデンサＣ₂₂の
静電容量の比が演算される。第２の除算手段の出力は、
下記の数３の値となる。

【００１７】

【数３】

【００１８】次に、減算手段によって、第１の除算手段
の出力（数２）と第２の除算手段の出力（数３）との差
が演算される。このとき、第３のコンデンサの電極面積
Ｓ₂₁に対する前記第４のコンデンサの電極面積Ｓ₂₂の比
（Ｓ₂₂／Ｓ₂₁）が、第１のコンデンサの電極面積Ｓ₁₁に
対する前記第２のコンデンサの電極面積Ｓ₁₂の比（Ｓ₁₂
／Ｓ₁₁）と等しい。したがって、減算手段の出力は数４
のような値となる。

【００１９】

【数４】

【００２０】数４によると、装置に加速度が印加されて
いないときには、第１のコンデンサの電極間距離の変位
量Δｄが０となり、オフセット出力が存在しない。した
がって、上記の構成によると、オフセット調整が不要と
なる。

【００２１】また、本発明の第２請求項の構成におい
て、第１，第２のコンデンサの静電容量をそれぞれ
Ｃ_A，Ｃ_Bとし、電極面積をいずれもＳとする。また、力
学量が加えられていないときの第１，第２のコンデンサ
の電極間距離をいずれもｄとし、この装置に力学量が加
えられたときの第１，第２のコンデンサの電極間距離の
変位量をそれぞれ±Δｄ_A，±Δｄ_Bとする。このとき、
各コンデンサの静電容量Ｃ_A，Ｃ_Bは以下のように表され
る。

【００２２】

【数５】

【００２３】第１の除算手段によって第１のコンデンサ
の静電容量の逆数（１／Ｃ_A）が求められ、第２の除算
手段によって第２のコンデンサの静電容量の逆数（１／
Ｃ_B）が求められる。

【００２４】次に、減算手段によって、２つの逆数の差
が求められる。減算手段の出力は数６のように表され
る。

【００２５】

【数６】

【００２６】数６によると、装置に加速度が印加されて
いないときには、第１のコンデンサの電極間距離の変位
量Δｄ_A，Δｄ_Bがいずれも０となり、オフセット出力が
存在しない。したがって、上記の構成によると、オフセ
ット調整が不要となる。

【００２７】

【実施例】図１から図４に基づいて、本発明の第１の実
施例について説明する。本実施例は、請求項１に記載さ
れた発明に対応したものであり、加速度を検出する装置
の一例を示したものである。また、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斜視図、図３お
よび図４は本実施例装置のコンデンサの分解図である。

【００２８】図１において、１１は第１のコンデンサと
しての可変コンデンサであり、１２は第２のコンデンサ
である。１３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１３の（−）入力端子にコンデンサ１
１，１２の一方の電極が接続され、演算増幅器１３の出
力端子にはコンデンサ１１の他方の電極が接続されて
る。また、演算増幅器１３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１３の出力電圧
Ｖ_DTC［Ｖ］はコンデンサ１１の静電容量Ｃ₁₁に対する
コンデンサ１２の静電容量Ｃ₁₂の比すなわちＣ₁₂／Ｃ₁₁
に比例した値となる。

【００２９】２１は第３のコンデンサとしてのコンデン
サであり、２２は第４のコンデンサである。２３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２
３、コンデンサ２１およびコンデンサ２２は、演算増幅
器１３、コンデンサ１１およびコンデンサ１２と同様に
接続されている。したがって、演算増幅器２３の出力電
圧Ｖ_STD［Ｖ］はコンデンサ２１の静電容量Ｃ₂₁に対す
るコンデンサ２２の静電容量Ｃ₂₂の比すなわちＣ₂₂／Ｃ
₂₁に比例した値となる。

【００３０】３は交流電源であり、交流電源３の出力電
圧はＶ_in［Ｖ］である。交流電源３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１
２，２２の一方の電極に接続されている。

【００３１】２４は減算手段としての差動増幅器であ
る。差動増幅器２４の（−）入力端子には、演算増幅器
２３の出力端子が接続され、差動増幅器２４の（＋）入
力端子には、演算増幅器１３の出力端子が接続されてい
る。そして、差動増幅器２４の出力電圧Ｖ_SUB［Ｖ］
は、演算増幅器１３の出力から演算増幅器２３の出力を
減じた差となる。

【００３２】３１はコンデンサ１２の電極間距離と等し
い電極間距離を有するコンデンサである。３２はタイマ
回路素子であり、例えば市販品の「タイマ５５５」が使
用される。３３は、コンデンサ３１、タイマ回路素子３
２および抵抗、コンデンサからなる発振回路である。発
振回路３３は駆動電源Ｖ_Eに接続されており、コンデン
サ３１の静電容量Ｃ₃₁に反比例した周波数のパルス信号
を発振する。

【００３３】３４はｆ／Ｖコンバータであり、ｆ／Ｖコ
ンバータ３４の入力端子は発振回路３３の出力端子に接
続されている。ｆ／Ｖコンバータ３４は入力された周波
数に比例した値の電圧信号Ｖ_CVT［Ｖ］を出力する。

【００３４】４は掛け算器である。掛け算器４の入力端
子には、差動増幅器２４の出力端子およびｆ／Ｖコンバ
ータ３４の出力端子が接続されている。掛け算器４は差
動増幅器２４からの出力Ｖ_SUBとｆ／Ｖコンバータ３４
からの出力Ｖ_CVTの積を演算し、演算結果を電圧信号Ｖ
_out［Ｖ］として出力する。掛け算器４の出力端子には
必要に応じてローパスフィルタや増幅回路が接続され
る。

【００３５】次に、図２から図４に基づいて、コンデン
サ１１，１２，２１，２２，３１の構成について説明す
る。図２において、１は基板であり、２は検出回路部で
ある。検出回路部２は図１に示した回路のうちコンデン
サ１１，１２，２１，２２，３１を除いた素子によって
構成される。１００および２００はコンデンサ部であ
り、コンデンサ部１００にはコンデンサ１１，１２，３
１が構成され、コンデンサ部２００にはコンデンサ２
１，２２が構成される。

【００３６】図３にコンデンサ部１００の分解図を示
す。１１１，１１２，１３１は電極である。電極１１１
は基板１表面に蒸着により円形に形成されており、ま
た、電極１１２，１３１は電極１１１の周囲に電極１１
１と同心円となるように形成されている。なお、電極１
１１，１１２，１３１の面積をそれぞれＳ₁₁，Ｓ₁₂，Ｓ
₃₁とする。

【００３７】１０４はスペーサであり、ガラスフリンジ
や環状の樹脂によって形成される。スペーサ１０４は基
板１表面の電極１１２，１３１を囲む位置に固定され
る。１０２はダイヤフラムである。ダイヤフラム１０２
の一方の面には電極１０３が蒸着によって形成されてい
る。電極１０３の直径は電極１１２，１３１の外径とほ
ぼ等しく形成されている。そして、ダイヤフラム１０２
は電極１０３が電極１１１，１１２，１３１と対向する
ように、スペーサ１０４に固定される。１０１は円筒形
状の重錘であり、重錘１０１はダイヤフラム１０２に接
着剤によって接着されている。

【００３８】なお、電極１１１と電極１０３とによって
コンデンサ１１が形成され、電極１１２と電極１０３と
によってコンデンサ１２が形成され、電極１３１と電極
１０３とによってコンデンサ３１が形成される。

【００３９】図４にコンデンサ部２００の分解図を示
す。２２１，２２２は電極である。電極２２１は基板１
表面に蒸着により円形に形成されており、また電極２２
２は電極２２１の周囲に電極２２１と同心円となるよう
に形成されている。なお、電極２２１，２２２の面積を
それぞれＳ₂₁，Ｓ₂₂とすると、各電極は、面積比Ｓ₂₂／
Ｓ₂₁が電極１１２と電極１１１との面積比Ｓ₁₂／Ｓ₁₁と
等しくなるように形成されている。

【００４０】２０３はスペーサであり、ガラスフリンジ
や環状の樹脂によって形成される。スペーサ２０３は基
板１表面の電極２２２を囲む位置に固定される。２０１
は固定電極板である。固定電極板２０１の一方の面には
電極２０２が蒸着によって形成されている。電極２０２
の直径は電極２２２の外径とほぼ等しく形成されてい
る。そして、固定電極板２０１は電極２０２が電極２２
２，２２１と対向するように、スペーサ２０３に固定さ
れる。

【００４１】なお、電極１１１と電極１０３とによって
コンデンサ１１が形成され、電極１１２と電極１０３と
によってコンデンサ１２が形成され、電極１３１と電極
１０３とによってコンデンサ３１が形成される。

【００４２】そして、上記の電極１０３，１１１，１１
２，１３１，２０２，２２１，および２２２は、基板１
上に形成されたプリント配線によって回路部２に接続さ
れている。

【００４３】ダイヤフラム１０２や固定電極板２０１の
直径を例えば１４［ｍｍ］とした場合、電極１０３，１
１１，１１２，１３１，２０２，２２１，２２２のサイ
ズにおける製造バラツキは、±０．０５［ｍｍ］以内と
なる。したがって、製造バラツキによる面積の誤差はほ
とんど無視できる。

【００４４】次に、作用を説明する。図３において、コ
ンデンサ１１，１２，３１はそれぞれ電極１１１，１１
２，１３１と電極１０３とによって構成されているの
で、コンデンサ１１，１２，３１の電極面積はそれぞれ
電極１１１，１１２，１３１の面積Ｓ₁₁，Ｓ₁₂，Ｓ₃₁と
等しくなる。

【００４５】図２の装置に基板１表面に垂直な方向の加
速度が加わった場合、重錘１０１の質量により、ダイヤ
フラム１０２が変形し、ダイヤフラム１０２と基板１と
の間隔が変位する。このとき、ダイヤフラム１０２は周
部でスペーサ１０４に固定されているため、中心部で変
位量が大きくなり、周部ほど変位量が小さくなる。その
ため、コンデンサ１１の電極間距離は変化するが、コン
デンサ１２，３１の電極間距離は実質的には変化しない
ものと見なすことができる。

【００４６】また、コンデンサ１１，１２，３１はとも
にスペーサ１０４の厚さによって電極間距離が設定され
ている。一般に、スペーサの厚さは個体間の製造バラツ
キが大きくなるが、１個体ではほぼ均一な厚さに形成す
ることができる。したがって、コンデンサ１１，１２，
３１の電極間距離は等しい値となる。

【００４７】以上より、コンデンサ１１，１２，３１の
電極間距離をｄ₁₀、コンデンサ１１の電極間距離の変位
量を±Δｄとすると、コンデンサ１１，１２，３１の静
電容量Ｃ₁₁，Ｃ₁₂，Ｃ₃₁はそれぞれ数７のようになる。

【００４８】

【数７】

【００４９】なお、変位量±Δｄは、重錘１０１の質量
を５［ｇ］、ダイヤフラム１０２の面積、板厚、ヤング
率、ポアソン比をそれぞれ３００［ｍｍ²］、１００
［μｍ］、２００００［ｋｇ／ｍｍ²］、０．３とする
と、１［Ｇ］の加速度が加えられたときには、数［μ
ｍ］となる。

【００５０】次に図４において、コンデンサ２１，２２
はそれぞれ電極２２１，２２２と電極２０２とによって
構成されているので、コンデンサ２１，２２の電極面積
はそれぞれ電極２２１，２２２の面積Ｓ₂₁，Ｓ₂₂と等し
くなる。

【００５１】コンデンサ部２００の固定電極板２０１は
加速度が加わった場合でも変形しないので、コンデンサ
２１，２２の電極間距離も変化しない。また、コンデン
サ２１，２２はともにスペーサ２０３の厚さによって電
極間距離が設定されている。そのため、コンデンサ２
１，２２の電極間距離は等しい値となる。以上より、コ
ンデンサ２１，２２の電極間距離をｄ₂₀とすると、コン
デンサ２１，２２の静電容量Ｃ₂₁，Ｃ₂₂，はそれぞれ数
８のようになる。

【００５２】

【数８】

【００５３】演算増幅器１３によってコンデンサ１１と
コンデンサ１２との静電容量の比Ｃ₁₂／Ｃ₁₁が演算され
る。すなわち、演算増幅器１３の出力電圧Ｖ_DTC［Ｖ］
は数９のように表される。

【００５４】

【数９】

【００５５】同様に、演算増幅器２３の出力電圧Ｖ_STD
［Ｖ］は数１０のように表される。

【００５６】

【数１０】

【００５７】これら２つの出力電圧Ｖ_DTC，Ｖ_STDは差動
増幅器２４に入力され、両者の差が演算される。したが
って、差動増幅器２４の出力電圧Ｖ_SUB［Ｖ］は数１１
のように表される。

【００５８】

【数１１】

【００５９】ここで、コンデンサ１１，１２，２１，２
２の電極１１１，１１２，２２１，２２２は、前述のよ
うに面積比Ｓ₂₂／Ｓ₂₁および面積比Ｓ₁₂／Ｓ₁₁が等しく
なるように形成されている。そのため、数１１における
第１項（Ｓ₁₂／Ｓ₁₁−Ｓ₂₂／Ｓ₂₁）は０となる。したが
って、出力電圧Ｖ_SUB［Ｖ］は常に数１２のようにな
る。

【００６０】

【数１２】

【００６１】数１２から明らかなように、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Ｖ_SUBは常に０［Ｖ］となり、オフセット電圧は発生
しない。

【００６２】一方、発振回路３３によってコンデンサ３
１の静電容量Ｃ₃₁に反比例した周波数のパルス信号が発
振される。

【００６３】発振回路３３は、コンデンサ３１の電圧が
２Ｖ_E／３になったときコンデンサ３１の充電を停止し
て放電を行なう。そして、コンデンサ３１の電圧がＶ_E
／３になったとき、再びコンデンサ３１の充電を開始す
る。

【００６４】そして、コンデンサ３１が充電を行ってい
る期間では、発振回路３３の出力電圧はＶ_E［Ｖ］とな
り、放電期間での出力電圧は０［Ｖ］となる。

【００６５】コンデンサ３１の充電時間および放電時間
はいずれも、コンデンサ３１の静電容量Ｃ₃₁に比例す
る。したがって、発振回路３３の発振周期は充電時間と
放電時間との和となるので静電容量Ｃ₃₁に比例する。す
なわち、発振回路３３からは静電容量Ｃ₃₁に反比例した
発振周波数のパルス信号が出力される。

【００６６】発振回路３３から出力されたパルス信号
は、ｆ／Ｖコンバータ３４に入力され、発振周波数に比
例した値の出力電圧Ｖ_CVT［Ｖ］として出力される。以
上より、ｆ／Ｖコンバータ３４の出力電圧Ｖ_CVTは数１
３のように表される。

【００６７】

【数１３】

【００６８】出力電圧Ｖ_SUBおよびＶ_CVTは掛け算器１２
３に入力され、両者の積が出力電圧Ｖ_out［Ｖ］として
出力される。したがって、出力電圧Ｖ_outは、数１４の
ように表される。

【００６９】

【数１４】

【００７０】数１４において、ε，ｋ₁，ｋ₂，Ｓ₁₁，Ｓ
₁₂，Ｓ₃₁，Ｖ_inは定数なので、Ｖ_ou _t［Ｖ］はΔｄに比
例した値となる。また、Ｖ_outはコンデンサの電極間距
離ｄ₁₀，ｄ₂₀には依存しないので、スペーサ１０４、２
０３の製造バラツキによる影響は受けない。また、ε，
ｋ₁，ｋ₂，Ｓ₁₁，Ｓ₁₂，Ｓ₃₁は製造バラツキによる誤差
は無視できるほど小さい。また、変位量±Δｄは加速度
に比例し、この比例定数はダイヤフラム１０２の形状・
材質および重錘１０１の質量より定まるため、計算によ
って求めることができるとともに、製造バラツキによる
誤差が極めて小さい。したがって、上記の出力電圧Ｖ
_outに、計算によって求められた比例定数を乗じること
によって感度調節を行うことなしに、装置に加えられた
加速度を検出することができる。

【００７１】以上のように本実施例によれば、スペーサ
１０４によって可変コンデンサ１１およびコンデンサ１
２，３１を形成し、スペーサ２０３によってコンデンサ
２１，２２を形成するとともに、コンデンサ１１，１２
の電極面積の比とコンデンサ２１，２２の電極面積の比
を等しくし、コンデンサ１１，１２の静電容量の比とコ
ンデンサ２１，２２の静電容量の比との差を演算し、こ
の差とコンデンサ３１の静電容量に反比例した値との積
を演算し、加速度を検出するようにした。

【００７２】そのため、加速度に応じてコンデンサ１１
を形成するダイヤフラム１０２が変位し、変位量Δｄに
は比例するがコンデンサの電極間距離には依存しない出
力電圧Ｖ_out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、オフセット調整を行う必要が
なくなるとともに、出力電圧Ｖ_outに与える悪影響を十
分防止できる。その結果、感度調整も省略することがで
き、大量生産時には製造工程を簡略にすることができる
という効果が得られる。さらに、各コンデンサの電極間
を空気層としたため、コンデンサの静電容量が温度によ
って変化することを防止できるため、検出精度が向上す
るという効果が得られる。

【００７３】次に、図５から図８に基づいて、第２の実
施例について説明する。本実施例は、請求項２に記載さ
れた発明に対応したものであり、加速度を検出する装置
の一例を示したものである。また、図５は本実施例の回
路図、図６、図７、および図８は本実施例装置のコンデ
ンサの分解図である。

【００７４】図５において、５１は第１のコンデンサと
しての可変コンデンサである。５２はタイマ回路素子で
あり、例えば市販品の「タイマ５５５」が使用される。
５３は発振回路であり、コンデンサ５１、タイマ回路素
子５２および抵抗、コンデンサから構成される。発振回
路５３は駆動電源Ｖ_Eに接続されており、コンデンサ５
１の静電容量Ｃ₅₁に反比例した周波数のパルス信号を発
振する。

【００７５】５４はｆ／Ｖコンバータであり、ｆ／Ｖコ
ンバータ５４の入力端子は発振回路５３の出力端子に接
続されている。ｆ／Ｖコンバータ５４は入力された周波
数に比例した値の電圧信号Ｖ５１［Ｖ］を出力する。な
お、発振回路５３およびｆ／Ｖコンバータ５４によって
第１の除算手段が構成される。

【００７６】６１は第２のコンデンサとしての可変コン
デンサである。加速度が加えられていないとき、コンデ
ンサ６１の電極間距離および電極面積はコンデンサ５１
の電極間距離および電極面積と等しくなるように形成さ
れている。６３および６４はそれぞれ発振回路およびｆ
／Ｖコンバータであり、発振回路５３およびｆ／Ｖコン
バータと同様の構成である。なお、発振回路６３および
ｆ／Ｖコンバータ６４によって第２の除算手段が構成さ
れる。

【００７７】７１は減算手段としての差動増幅器であ
る。差動増幅器７１の（−）入力端子には、ｆ／Ｖコン
バータ５４の出力端子が接続され、差動増幅器７１の
（＋）入力端子には、ｆ／Ｖコンバータ５４の出力端子
が接続されている。そして、差動増幅器７１の出力端子
には増幅回路７２が接続されており、増幅回路は出力電
圧Ｖ_out［Ｖ］を出力する。

【００７８】次に、図６から図８に基づいて、コンデン
サ５１，６１の構成について説明する。図６において、
９０は基板である。基板９０の表面には図７に示すよう
に、電極１５１，１６１，９１が形成されている。電極
１５１は基板９０表面に蒸着により円形に形成され、電
極１５１の周囲には電極１６１が形成され、電極１６１
の周囲には電極９１が、それぞれ蒸着により同心円状に
形成されている。電極１５１と電極１６１は互いに面積
が等しく設計されている。そして、基板９０の直径を例
えば１４［ｍｍ］とした場合、電極１５１，１６１のサ
イズにおける製造バラツキは、±０．０５［ｍｍ］以内
となる。したがって、製造ばらつきによる面積の誤差は
ほとんど無視できる。なお、電極９１はシールド電極で
ある。

【００７９】７４はスペーサであり、ガラスフリンジや
環状の樹脂によって形成される。スペーサ７４は基板９
０表面の電極９１を囲む位置に固定される。８０はダイ
ヤフラムである。ダイヤフラム８０の一方の面には、図
８に示すように電極８１が蒸着によって形成されてい
る。電極８１の直径は電極９１の外径とほぼ等しく形成
されている。そして、ダイヤフラム８０は電極８１が電
極１５１，１６１，９１と対向するように、スペーサ８
０に固定される。７３は円筒形状の重錘であり、重錘７
３はダイヤフラム８０に接着剤によって接着されてい
る。

【００８０】なお、電極１５１と電極８１とによってコ
ンデンサ５１が形成され、電極１６１と電極８１とによ
ってコンデンサ６１が形成される。

【００８１】次に、作用を説明する。図７、図８におい
て、コンデンサ５１，６１はそれぞれ電極１５１，１６
１と電極８１とによって構成されているので、コンデン
サ５１，６１の電極面積はそれぞれ電極１５１，１６１
の面積Ｓ₅₁，Ｓ₆₁と等しくなる。図６の装置に基板９０
表面に垂直な方向の加速度が加わった場合、重錘７３の
質量により、ダイヤフラム８０が変形し、ダイヤフラム
８０と基板９０との間隔が変位する。このとき、ダイヤ
フラム８０は周部でスペーサ７４に固定されているた
め、中心部で変位量が大きくなり、周部ほど変位量が小
さくなる。そのため、コンデンサ５１の電極間距離の変
位量に比べてコンデンサ６１の電極間距離の変位量は小
さくなる。

【００８２】また、コンデンサ５１，６１はともにスペ
ーサ７４の厚さによって電極間距離が設定されている。
したがって、装置に加速度が加えられていないときには
コンデンサ５１，６１の電極間距離は等しい値となる。

【００８３】以上より、コンデンサ５１，６１の電極間
距離をｄ、コンデンサ５１，６１の電極面積をＳ、コン
デンサ５１の電極間距離の変位量を±Δｄ₅₁、コンデン
サ６１の電極間距離の変位量を±Δｄ₆₁とすると、コン
デンサ５１，６１の静電容量Ｃ₅₁，Ｃ₆₁はそれぞれ数１
５のようになる。

【００８４】

【数１５】

【００８５】発振回路５３，６３によってそれぞれコン
デンサ５１，６１の静電容量Ｃ₅₁，Ｃ₆₁に反比例した周
波数のパルス信号が発振される。発振回路５３，６３
は、コンデンサ５１，６１の電圧が２Ｖ_E／３になった
ときコンデンサ５１，６１の充電を停止して放電を行な
う。そして、コンデンサ５１，６１の電圧がＶ_E／３に
なったとき、再びコンデンサ５１，６１の充電を開始す
る。そして、コンデンサ５１，６１が充電を行っている
期間では、発振回路５３，６３の出力電圧はＶ_E［Ｖ］
となり、放電期間での出力電圧は０［Ｖ］となる。コン
デンサ５１，６１の充電時間および放電時間はいずれ
も、コンデンサ５１，６１の静電容量Ｃ₅₁，Ｃ₆₁に比例
する。したがって、発振回路５３，６３の発振周期は充
電時間と放電時間との和となるので静電容量Ｃ₅₁，Ｃ₆₁
に比例する。すなわち、発振回路５３，６３からは静電
容量Ｃ₅₁，Ｃ₆₁に反比例した発振周波数のパルス信号が
出力される。

【００８６】発振回路５３，６３から出力されたパルス
信号は、ｆ／Ｖコンバータ５４，６４に入力され、発振
周波数に比例した値の出力電圧Ｖ₅₁［Ｖ］，Ｖ₆₁［Ｖ］
として出力される。以上より、ｆ／Ｖコンバータ５４，
６４の出力電圧Ｖ₅₁，Ｖ₆₁は数１６のように表される。

【００８７】

【数１６】

【００８８】なお、発振回路５３および発振回路６３、
ｆ／Ｖコンバータ５４およびｆ／Ｖコンバータ６４の構
成はそれぞれ同じであるため、比例定数ｋ_A，ｋ_Bも等し
くなる。

【００８９】これら２つの出力電圧Ｖ₅₁，Ｖ₆₁は差動増
幅器７１に入力され、両者の差が演算され、増幅回路７
２によって増幅される。したがって、増幅回路７２の出
力電圧Ｖ_out［Ｖ］は数１７のように表される。

【００９０】

【数１７】

【００９１】数１７から明らかなように、装置に加速度
が加えられていないとき（Δｄ₅₁＝Δｄ₆₁＝０のと
き）、出力電圧Ｖ_outは常に０［Ｖ］となり、オフセッ
ト電圧は発生しない。また、ε，ｋ_A，ｋ_B，ｋ_C，Ｓは
定数なので、Ｖ_out［Ｖ］は（Δｄ₆₁−Δｄ₅₁）に比例
した値となる。また、Ｖ_outはコンデンサの電極間距離
ｄ，ｄには依存しないので、スペーサ７４の製造バラツ
キによる影響を受けない。

【００９２】また、ε，ｋ_A，ｋ_B，ｋ_C，Ｓの製造バラ
ツキによる誤差は無視できるほど小さい。また、変位量
Δｄ₆₁およびΔｄ₅₁は加速度に比例し、この比例定数は
ダイヤフラム８０の形状・材質および重錘７３の質量よ
り定まるので、計算によって求めることができるととも
に、製造バラツキによる誤差が極めて小さい。

【００９３】したがって、上記の出力電圧Ｖ_outに、計
算によって求められた比例定数を乗じることによって感
度調節を行うことなしに、装置に加えられた加速度を検
出することができる。

【００９４】以上のように本実施例によれば、電極１５
１の周囲に面積の等しい電極１６１を形成し、電極１６
１の周囲にスペーサ７４を固定し、スペーサ７４にダイ
ヤフラム８０を固定して、電極間隔および電極面積が等
しく感度の異なる可変コンデンサ５１，６１を形成し
て、コンデンサ５１，６１の静電容量の逆数を演算し、
両者の差を求め、この差に基づいて加速度を検出するよ
うにした。

【００９５】そのため、加速度に応じてコンデンサ５
１，６１を形成するダイヤフラム８０が変位し、変位量
の差（Δｄ₆₁−Δｄ₅₁）には比例するがコンデンサの電
極間距離には依存しない出力電圧Ｖ_out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、オ
フセット調整を行う必要がなくなるとともに、出力電圧
Ｖ_outに与える悪影響を十分防止できる。その結果、感
度調整も省略することができ、大量生産時には製造工程
を簡略にすることができるという効果が得られる。ま
た、各コンデンサの電極間を空気層としたため、コンデ
ンサの静電容量が温度によって変化することを防止でき
るため、検出精度が向上するという効果が得られる。さ
らに、電極１６１の周囲にシールド電極９１を形成した
ため、電気力線の乱れを防止し浮遊容量が抑えられ、検
出精度がさらに向上するという効果が得られる。また、
２つのコンデンサ５１，６１が同心円状に形成されてい
る。そのため、スペーサ７４の厚さが均一でなくダイヤ
フラム８０が基板９０に対して傾斜した場合でも、電極
間距離は傾斜につれて変化する距離の平均となる。その
結果、０点の偏差（オフセット）を低減することがで
き、検出精度が向上するという効果が得られる。

【００９６】

【発明の効果】以上のように請求項１記載の発明によれ
ば、力学量に応じて静電容量が変化する第１のコンデン
サと、第１のコンデンサと電極間距離が等しく静電容量
の変化しない第２のコンデンサと、電極面積比が第１の
コンデンサと電極面積と第２のコンデンサの電極面積と
の比と等しく、互いに電極間距離の等しい第３のコンデ
ンサおよび第４のコンデンサを形成し、第１のコンデン
サと第２のコンデンサの静電容量の比を演算し、第３の
コンデンサと第４のコンデンサの静電容量の比を演算
し、上記２つの比の差を演算するようにした。

【００９７】また、請求項２記載の発明によれば、互い
に電極間距離と電極面積が等しく、感度の異なる第１の
コンデンサおよび第２のコンデンサとを形成し、第１の
コンデンサおよび第２のコンデンサの逆数を演算し、こ
れら２つの逆数の差を演算するようにした。

【００９８】そのため、装置に加速度が加えられていな
いときには、変位量もしくは変位量の差はいずれも０と
なる。そのため、オフセット調整を省略することができ
るので、量産時には工程を簡略化することができるとい
う効果が得られる。また、請求項２記載の発明による
と、加速度に応じて可変コンデンサの電極間距離の変位
量もしくは変位量の差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。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の回路図。

【図２】第１の実施例の構成を示す斜視図。

【図３】第１の実施例のコンデンサを示す分解図。

【図４】第１の実施例のコンデンサを示す分解図。

【図５】第２の実施例の回路図。

【図６】第２の実施例の構成を示す分解図。

【図７】第２の実施例の基板を示す平面図。

【図８】第２の実施例のダイヤフラムを示す平面図。

【図９】従来例の構成を示す断面図。

【図１０】従来例の構成を示す平面図。

【符号の説明】

１１可変コンデンサ１２コンデンサ１３演算増幅器２１コンデンサ２２コンデンサ２３演算増幅器２４差動増幅器

Claims

【特許請求の範囲】

【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、減算手段と、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、前記第１のコンデンサに力学
量が加えられていないときの電極間距離と等しい電極間
距離を有するコンデンサであり、前記第３のコンデンサおよび前記第４のコンデンサは、
互いに電極間距離が等しく、かつ前記第３のコンデンサ
の電極面積に対する前記第４のコンデンサの電極面積の
比が、前記第１のコンデンサの電極面積に対する前記第
２のコンデンサの電極面積の比と等しいコンデンサであ
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、前記減算手段は、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
の値との差を求めるものである、静電容量式力学量検出器。
【請求項２】第１のコンデンサと、第２のコンデンサ
と、第１の除算手段と、第２の除算手段と、減算手段
と、を有し、前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサは、
互いに等しい電極間距離および互いに等しい電極面積を
有し、等しい力学量に対して互いに異なった変位量で電
極間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１の除算手段は、前記第１のコンデンサの静電容
量の逆数を求めるものであり、前記第２の除算手段は、前記第２のコンデンサの静電容
量の逆数を求めるものであり、前記減算手段は、前記第１の除算手段によって求められ
た逆数の値と、前記第２の除算手段によって求められた
逆数の値との差を求めるものである、静電容量式力学量
検出器。