JPH0623781B2

JPH0623781B2 - 加速度検出方法及び装置

Info

Publication number: JPH0623781B2
Application number: JP26448288A
Authority: JP
Inventors: 昌大松本; 清光鈴木; 政之三木; 茂樹土谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-10-20
Filing date: 1988-10-20
Publication date: 1994-03-30
Anticipated expiration: 2009-03-30
Also published as: JPH02110383A

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、力のフイードバツ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、フオ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，ザフオース
インターナシヨナルコンフエレンスオンソリツ
ドステートセンサースアンドアクチユエータース
１９８７年６月（「Silicon Microaccelerometer」
Transducers′８７，The 4th International Conferenc
e on Solid−State Sensors and Actuators，June １
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３０は零電位に保たれる。

３４は容量検出回路で、例えばＡＣブリツジを用いて、
固定電極３１ａと可動電極３０間の静電容量Ｃ_１と固定
電極３１ｂと可動電極３０間の静電容量Ｃ_２との差分Δ
Ｃを検出し（ΔＣは可動電極３０の変位を表わす）、こ
のΔＣが電圧値Ｖ_ａとして増幅回路３５を介して出力さ
れる。この出力値Ｖ_out （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Ｖ_ａに基づき、可動電極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３７を介して静電サ
ーボ用の固定電極３２ａ，３２ｂの一方にＶ_b＋Ｖ_a′、
他方にＶ_b−Ｖ_a′を印加して、固定電極３２ａ，３２ｂ
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、Ｖ_ｂ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、Ｖ_ａ′はＶ
_ａ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，Ｖは印加
電圧、Ｄは印加電圧のデユーテイで、従来は印加電圧の
大きさを変えているので、Ｄ＝１である）、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
要があつた。

〔発明が解決しようとする課題〕

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
アツプにつながる。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つて装置の大形化，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
があつた。

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つて、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と固定電極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Ｃ_１又はＣ_２を検
出して行なうか、或いは静電容量Ｃ_１とＣ_２との差分Δ
Ｃ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Ｃ_１，Ｃ_２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，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の変化をとらえる手段５と、パルス列状の電圧を一方の固定電極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、一方の固定電極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
が基準位置より変化した時には、可動電極２と固定電極
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（フイードバツク制御）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、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。この場合
には、可動電極２を基準位置（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
が作用した場合には、上記と逆の動作がなされる。

しかして、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
ス周期変調，パルス数変調等で電圧印加時間割合を変え
る）でフイードバツク制御した場合、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、印加電圧値Ｖを一定
としつつ、そのＤ（デユーテイ）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、Ｆ∝Ｄ …(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Ｃ₁，Ｃ₂(PF)と、Ｃ₁−Ｃ₂の差分ΔＣの関係を示
すものである。可動電極２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てある。また、各
固定電極３，４と可動電極２間の初期ギヤツプｄをｄ＝
３μｍとしてある。本発明では、静電容量の変化信号を
例えばＣ_１，Ｃ_２及びΔＣのいずれかよりとらえる。こ
のＣ_１，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〜±１Ｇ，０〜１
０Ｈｚ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±３０ＦＦ（フエムトフアラツド）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。従つて、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Ｖ_out)に基づいても、線形な加速度検出値を得
ることができる。

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、固定電極
３に基準電位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
りもで良いことである。つまり、加速度センサの測定幅を±
１Ｇ（１Ｇは重力加速度）とすると、本発明ではの時に１Ｇ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±１Ｇの静電気力を働ら
かせることができる。しかし、第５図のような方式で
は、±１Ｇ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と可動電
極２の間にあらかじめ１Ｇ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、０〜２Ｇ相当の静電気力を与える必要
がある。つまり、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におさえる。従つて、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、バツテリの電圧が高々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
る力が釣合つ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、ほとんど零となるため、可動電極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Ｖ* に保てるので、
このＶ* を利用して、例えば演算増幅器を用いて固定電
極間からＣ₁Ｖ*，Ｃ₂Ｖ*，（Ｃ₁−Ｃ₂）Ｖ* の如き検出
電圧も取り出せることができ、従つて、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。従つて、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、本発明は、可動電極と対向させる固定
電極を、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ヨンを調整するシステムや車
高制御システム、アンチスキツ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、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、初期ギヤツプｄ₀（例えば３μｍ程度の
微細ギヤツプ）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Ｃ_１、及び可動電極２と固定電極４間の静電容量
Ｃ_２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Ｃ_１，Ｃ_２
及びＣ_１とＣ_２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、初期ギヤツプｄ_０
＝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が固定電極３側に移動する程、静電容
量Ｃ_１が大きくなり、逆に固定電極４側に移動する程、
静電容量Ｃ_２が大きくなり、また、静電容量Ｃ₁−Ｃ₂の
差分ΔＣもこれに対応して、中立点（基準位置）を零と
し夫々正方向，負方向に大きくなる。なお、可動電極２
が中立点にある場合には、静電容量Ｃ_１，Ｃ_２は、双方
共に同一値（６．５ｐＦ程度）にある。つまり、Ｃ_１，
Ｃ_２，ΔＣ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〜±１Ｇ，０〜１０Ｈ
ｚ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±３０ＦＦ
（フエムトフアラツド）の微小範囲で変形するので、
Ｃ_１，Ｃ_２，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。

パルス幅変調器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Ｐ_１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Ｐ_２を
介して固定電極４に印加される。なお、可動電極２は零
電位になるよう設定してある。

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。これらの静電気力は、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Ｆ_１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Ｆ_２とする）。従つて、可動電極２に作
用するトータルの静電気力Ｆ_０は、静電気力Ｆ_１，Ｆ_２
の和〔Ｆ₀＝Ｆ₁＋(−F₂)〕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Ｆ₁＞Ｆ₂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Ｆ₁＜Ｆ₂
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（デユーテイ制御）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Ｆ_１，Ｆ_２及びそれらの和（静
電気力Ｆ₀）を示すもので、これらのデユーテイ〔Ｄ
（パルス幅）／Ｔ（周期）〕を連続的に変えれば、静電
気力Ｆ_１，Ｆ_２及びトータル静電気力Ｆ_０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＝０の場合には、第１
図の固定電極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Ｆ_２が最大となり、静電気力Ｆ_０も負方
向に最大となる。Ｄ／Ｔ＝１の場合は、Ｄ／Ｔ＝０の場
合と逆の関係になる。Ｄ／Ｔ＝０．５の場合は、静電気
力Ｆ_１，Ｆ_２も等しくなるので、そのトータル静電気力
Ｆ_０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Ｆ_１対Ｆ_２の比率も
１：３になり、この差引分が負方向の静電気力Ｆ_０とし
て可動電極２に作用する。このようにして、静電気力Ｆ
_０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Ｖ_１，Ｖ_２は、後述するようにＣ_１，Ｃ
_２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，Ｃ₂の差分ΔＣの出力Ｖ_０
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をデユーテイ制御（ここでは、パルス幅
変調）するものである。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−ΔＣ
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Ｆ_０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
になる位置）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Ｆ_０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Ｄ／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）Ｖ_OUT 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_OUT の関係を
示すもので、本実施例では加速度の検出範囲を０〜±１
Ｇの範囲とする。１Ｇ＝９．８ｍ／Ｓ^２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（＋１
Ｇ）の場合は、Ｄ／Ｔが最大なので出力Ｖ_OUT 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_OUT は最小となり、加速度０の場合
は、Ｄ／Ｔ＝０．５なので出力Ｖ_OUT が中間点をとり、
これらを結ぶ線形なＶ_OUT 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Ｃ_１とし、可動電極２と固定電極４間
の静電容量をＣ_２として電気信号で示した。

Ｃ_１，Ｃ_２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Ｖ_２は第３図に示した通りであ
る。

Ｃ_１とＣ_２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Ｃ_Ｓのコンデンサ２０とスイツチ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のイマジナルシヨー
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の電位を零に保つている。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。

スイツチ１２は、パルス幅変調された矩形波電圧Ｖ_１が
立上がる前にφ_Ｒのパルスが印加されて一定期間オン状
態となり、容量Ｃ_Ｓのコンデンサ２０を放電させて演算
増幅器１１の出力Ｖ_Ｓを零にする。その後、スイツチ１
２のオフ状態の時に、Ｖ_１が立上り、一方、反転電圧Ｖ
_２は立ち下がることで、Ｃ_１は充電されＣ_２は放電され
る。この時、Ｃ_１からＣ_Ｓ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Ｑ_１、
及びＣ_２からＣ_Ｓに移動する電荷Ｑ_２は次式のようにな
る。

Ｑ₁＝−Ｃ₁Ｖ* …(4) Ｑ₂＝−Ｃ₂Ｖ* …(5) ここで、Ｖ* は、パルス幅変調された矩形波電圧Ｖ_１，
Ｖ_２の電圧値である。

また、容量Ｃ_Ｓに蓄えられる電荷Ｑ_Ｓは、Ｑ_１とＱ_２の
和になるから、Ｑ_Ｓ＝Ｑ₁＋Ｑ₂＝−(Ｃ₁−Ｃ₂)Ｖ* …(6) で表わされ、容量Ｃ_Ｓの両端の電圧Ｖは、次式のように
なる。

この容量Ｃ_Ｓ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Ｖ_Ｓをサンプリングすることによ
り、Ｃ_１とＣ_２の差分ΔＣをＶ* 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Ｖ_０を出力する。この出力Ｖ_０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
Ｖ_１，Ｖ_２を利用してＣ_１，Ｃ_２の静電容量差ΔＣ、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) 加速によつ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、デユーテイ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、デユーテイ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。従つて、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,反転器を用いて静
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
によつて、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ができる。

(3) また、本実施例によれば、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Ｖ_１，Ｖ_２の電圧値Ｖ* より(Ｃ₁−Ｃ₂)Ｖ* に係
る信号値を取り出し、この信号値よりＣ_１とＣ_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。従つて、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，可動電極間
のギヤツプも、微小ギヤツプに設定でき、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７，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）Ｖ_OUT 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てある。

ここで、増幅器６の出力Ｖ_OUT は容量検出部５の出力Ｖ
_０に基づくが、この出力は、例えば前述の(8)式の如くとして取り出せ、換言すればΔＣの所定の係数を乗算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±３０ＦＦ
（フエムトフアラツド）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
つて、増幅器６からの出力Ｖ_OUT 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
静電容量Ｃ_１，Ｃ_２のいずれかにＶ* を乗算して出力Ｖ
_OUT 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Ｃ_１，Ｃ_２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ツ
ト(CPU)１５とからなる。

本実施例は、マイクロコンピユータで構成される制御ユ
ニツト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図のフローチヤートに基づき説明する。
第９図のＳ１〜Ｓ４はステツプを表わす。

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
ユニツト１５は、このデジタル信号を入力してΔＣを読
み込む（Ｓ１）。

制御ユニツト１５は、ΔＣに定数ｋ_１を乗じた比例要素
Ｐ、及びΔＣに定数ｋ_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
をデユーテイ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（Ｓ２〜Ｓ４）。すなわち、制
御ユニツト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イ（パルス幅変調値）を演算
するもので、定数ｋ_１，ｋ_２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、このデユーテイによつて出力（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
が固定電極４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、Ｃ
ＰＵ１５で演算された静電サーボ制御用のデユーテイ値
Ｄ／Ｔに基づき加速度の検出が行なわれる。ここで、デ
ユーテイ値は、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ツプ処理は、５
０ｍＳ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り出力特性のばらつきの調
整を容易にし、製造時の保留りを向上できる。

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、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
テイ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１２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（固定電極電圧印加
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……スイツ
チ、１３……サンプラ、１４……Ａ／Ｄ変換器、１５…
…ＣＰＵ（マイクロコンピユータ）、１６……パルス発
生器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項５】加速度に対応して変化する可動電極と、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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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ユータで構
成され、このマイロコンピユ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。
【請求項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。