JPH0933563A - 静電容量型センサ - Google Patents
静電容量型センサInfo
- Publication number
- JPH0933563A JPH0933563A JP20668095A JP20668095A JPH0933563A JP H0933563 A JPH0933563 A JP H0933563A JP 20668095 A JP20668095 A JP 20668095A JP 20668095 A JP20668095 A JP 20668095A JP H0933563 A JPH0933563 A JP H0933563A
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- JP
- Japan
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- capacitance
- point
- acceleration
- sensor
- turned
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- Pending
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- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Indication And Recording Devices For Special Purposes And Tariff Metering Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 一対の電極間距離の変化に基づいて圧力や加
速度等を直線性良く検出ができ、高精度な検出が可能な
信号処理回路を有する静電容量型センサの提供。 【解決手段】 １方向の圧力や加速度等の検出に１組の
静電容量素子を用い、同静電容量の変化で圧力や加速度
を検出するセンサにおいて、同センサの静電容量を形成
している電極対の動作点のほぼ中心点を原点とし、この
原点からの距離に応じて回路の増幅度を切り替えるよう
に構成した。
速度等を直線性良く検出ができ、高精度な検出が可能な
信号処理回路を有する静電容量型センサの提供。 【解決手段】 １方向の圧力や加速度等の検出に１組の
静電容量素子を用い、同静電容量の変化で圧力や加速度
を検出するセンサにおいて、同センサの静電容量を形成
している電極対の動作点のほぼ中心点を原点とし、この
原点からの距離に応じて回路の増幅度を切り替えるよう
に構成した。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、一対の電極間距
離の変化に基づいて圧力、加速度等を直線性良く検出を
行う静電容量型センサに係り、電極対の動作点のほぼ中
心点を原点とし、この原点からの距離に応じて回路の増
幅度を切り替える補正回路により、簡単な構成であって
も検出回路の出力電圧の誤差を低減して圧力、加速度等
を直線性良く検出できる静電容量型センサに関する。
離の変化に基づいて圧力、加速度等を直線性良く検出を
行う静電容量型センサに係り、電極対の動作点のほぼ中
心点を原点とし、この原点からの距離に応じて回路の増
幅度を切り替える補正回路により、簡単な構成であって
も検出回路の出力電圧の誤差を低減して圧力、加速度等
を直線性良く検出できる静電容量型センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、高精度の圧力や加速度の検出に
用いられる静電容量型センサは、２組の電極対を用いた
差動容量型の構成として良好な直線性を得ている。図７
に従来の差動容量型加速度センサの構成を示すごとく、
円筒などの枠体１に平行に対向配置して対向面側に固定
電極４，５を着設した１対の固定部２，３間に、両面に
可動電極７，８を設けた可撓基板部６を配置し、可撓基
板部の移動により両電極７，８が各固定電極４，５に近
接離反する構成からなる。
用いられる静電容量型センサは、２組の電極対を用いた
差動容量型の構成として良好な直線性を得ている。図７
に従来の差動容量型加速度センサの構成を示すごとく、
円筒などの枠体１に平行に対向配置して対向面側に固定
電極４，５を着設した１対の固定部２，３間に、両面に
可動電極７，８を設けた可撓基板部６を配置し、可撓基
板部の移動により両電極７，８が各固定電極４，５に近
接離反する構成からなる。
【０００３】すなわち、図示するように、１方向の加速
度を検出するのに２組の静電容量を使用し、それぞれの
静電容量が加速度に対し差動的に増減するよう構成し、
このインピーダンスの差分を求める回路となっている。
度を検出するのに２組の静電容量を使用し、それぞれの
静電容量が加速度に対し差動的に増減するよう構成し、
このインピーダンスの差分を求める回路となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述した差動容量型セ
ンサの出力は原理的に直線が良好であるが、１方向の圧
力や加速度の検出に２個の差動で動作する静電容量が必
要であり、検出部の構造を複雑にするだけでなく、素子
の中点設定と感度調整にも多大の工程や回路に工夫を施
す（特開平５−３３３０５３号）等の手間を要し、セン
サを安価に提供できないなどの問題があった。
ンサの出力は原理的に直線が良好であるが、１方向の圧
力や加速度の検出に２個の差動で動作する静電容量が必
要であり、検出部の構造を複雑にするだけでなく、素子
の中点設定と感度調整にも多大の工程や回路に工夫を施
す（特開平５−３３３０５３号）等の手間を要し、セン
サを安価に提供できないなどの問題があった。
【０００５】この発明は、静電容量の変化を利用したセ
ンサにおいて、一対の電極間距離の変化に基づいて圧力
や加速度等を直線性良く検出ができる構成を目的とし、
高精度な検出が可能な信号処理回路を有する静電容量型
センサの提供を目的としている。
ンサにおいて、一対の電極間距離の変化に基づいて圧力
や加速度等を直線性良く検出ができる構成を目的とし、
高精度な検出が可能な信号処理回路を有する静電容量型
センサの提供を目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明は、１方向の圧
力や加速度等の検出に１組の静電容量素子を用い、同静
電容量の変化で圧力や加速度を検出するセンサにおい
て、同センサの静電容量を形成している電極対の動作点
のほぼ中心点を原点とし、この原点からの距離に応じて
回路の増幅度を切り替えるように構成したことを特徴と
している。
力や加速度等の検出に１組の静電容量素子を用い、同静
電容量の変化で圧力や加速度を検出するセンサにおい
て、同センサの静電容量を形成している電極対の動作点
のほぼ中心点を原点とし、この原点からの距離に応じて
回路の増幅度を切り替えるように構成したことを特徴と
している。
【０００７】従来の差動容量型センサの構成は、可撓基
板部の距離の変化を静電容量の変化として検出するた
め、図３に示すようにセンサの出力は容量変化に比例す
る。しかし、図４に示すごとく容量素子の距離と静電容
量は反比例の関係にあり、結果として、検出する圧力や
加速度の力と検出された電圧は図５に示すように比例関
係でない。これに対してこの発明は、１組の静電容量素
子より圧力や加速度等を検出する構成のため、図２に示
すごとくこの容量素子に作用する力は容量素子の距離に
比例する作用効果を有する。
板部の距離の変化を静電容量の変化として検出するた
め、図３に示すようにセンサの出力は容量変化に比例す
る。しかし、図４に示すごとく容量素子の距離と静電容
量は反比例の関係にあり、結果として、検出する圧力や
加速度の力と検出された電圧は図５に示すように比例関
係でない。これに対してこの発明は、１組の静電容量素
子より圧力や加速度等を検出する構成のため、図２に示
すごとくこの容量素子に作用する力は容量素子の距離に
比例する作用効果を有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】この発明による静電容量型センサ
は、図６に示すごとく、円筒などの枠体１０に配置され
た固定部１１に固定電極１２を設け、これに対向させて
可動電極１４を設けた可撓基板部１３を配置してある。
上記構成からなる静電容量型センサには、検出回路とこ
の発明の特徴である直線性補正回路が接続されて、例え
ば加速度検出センサを構成する。
は、図６に示すごとく、円筒などの枠体１０に配置され
た固定部１１に固定電極１２を設け、これに対向させて
可動電極１４を設けた可撓基板部１３を配置してある。
上記構成からなる静電容量型センサには、検出回路とこ
の発明の特徴である直線性補正回路が接続されて、例え
ば加速度検出センサを構成する。
【０００９】このように構成された静電容量型センサに
おいて、圧力や加速度等で変位するのは電極間距離に対
して数％程度であり、仮に±５％の変位量があった場合
の検出回路の出力電圧の誤差は以下のようになる。
おいて、圧力や加速度等で変位するのは電極間距離に対
して数％程度であり、仮に±５％の変位量があった場合
の検出回路の出力電圧の誤差は以下のようになる。
【００１０】基準点の容量をＣ0とすると、 Ｃ0＝εＳ
／ｄ で表すことができる。ただし、ε；誘電率、Ｓ；
電極面積、ｄ；電極間の距離。可動電極が固定電極側に
移動する方向を＋側、固定電極側から離れる方向を−側
とし、作用力が＋側最大点の容量をＣ1とすると、Ｃ1＝
εＳ／１．０５ｄ＝Ｃ0／１．０５ である。また、作
用力が−側最大点の容量をＣ2とすると、 Ｃ2＝εＳ／
０．９５ｄ＝Ｃ0／０．９５ である。
／ｄ で表すことができる。ただし、ε；誘電率、Ｓ；
電極面積、ｄ；電極間の距離。可動電極が固定電極側に
移動する方向を＋側、固定電極側から離れる方向を−側
とし、作用力が＋側最大点の容量をＣ1とすると、Ｃ1＝
εＳ／１．０５ｄ＝Ｃ0／１．０５ である。また、作
用力が−側最大点の容量をＣ2とすると、 Ｃ2＝εＳ／
０．９５ｄ＝Ｃ0／０．９５ である。
【００１１】＋側最大点の誤差は、（Ｃ0−Ｃ1）／０．
０５Ｃ0＝（１−１／１．０５）／０．０５＝０．９５
２（−４．８％） である。−側最小点の誤差は、（Ｃ
2−Ｃ0）／１．０５Ｃ0＝（１／０．９５−１）／０．
０５＝１．０５３（＋５．３％） である。
０５Ｃ0＝（１−１／１．０５）／０．０５＝０．９５
２（−４．８％） である。−側最小点の誤差は、（Ｃ
2−Ｃ0）／１．０５Ｃ0＝（１／０．９５−１）／０．
０５＝１．０５３（＋５．３％） である。
【００１２】ここで、上記直線性補正回路の増幅度をＣ
0の点をＫ0、Ｃ1の点をＫ2、Ｃ2の点をＫ3とし下記のよ
うに設定する。 Ｋ1＝Ｋ0／０．９５ Ｋ2＝Ｋ0／１．０５
0の点をＫ0、Ｃ1の点をＫ2、Ｃ2の点をＫ3とし下記のよ
うに設定する。 Ｋ1＝Ｋ0／０．９５ Ｋ2＝Ｋ0／１．０５
【００１３】このように直線性補正回路の増幅度を変え
ることにより圧力や加速度の最大点の検出誤差をほぼゼ
ロに補正することができる。また、このときの誤差の最
大点は、ぼぼ最大変位点の１／２の点となり下記のよう
になる。
ることにより圧力や加速度の最大点の検出誤差をほぼゼ
ロに補正することができる。また、このときの誤差の最
大点は、ぼぼ最大変位点の１／２の点となり下記のよう
になる。
【００１４】＋側最大点側の誤差は以下のとおりであ
る。ただし、Ｃ1’は補正された＋側最大点の容量であ
る。 ［（Ｃ0−Ｃ1’）／０．０２５Ｃ0］／０．９５＝
［（１−１／１．０２５）／０．０２５］／０．９５＝
１．０２７ （＋２．７％）
る。ただし、Ｃ1’は補正された＋側最大点の容量であ
る。 ［（Ｃ0−Ｃ1’）／０．０２５Ｃ0］／０．９５＝
［（１−１／１．０２５）／０．０２５］／０．９５＝
１．０２７ （＋２．７％）
【００１５】−側最大点側の誤差は以下のとおりであ
る。ただし、Ｃ２’は補正された−側最大点の容量であ
る。 ［（Ｃ2’−Ｃ0）／１．０２５Ｃ0］／１．０５＝
［（１／０．９７５−１）／０．０２５］／１．０５＝
０．９７７ （−２．３％）
る。ただし、Ｃ２’は補正された−側最大点の容量であ
る。 ［（Ｃ2’−Ｃ0）／１．０２５Ｃ0］／１．０５＝
［（１／０．９７５−１）／０．０２５］／１．０５＝
０．９７７ （−２．３％）
【００１６】上記結果より、簡単な補正で誤差を半減で
きることが分かる。無論、最大変位点の誤差をほぼゼロ
にするのでなく、測定範囲全体で誤差最小となるよう前
述のＫ1とＫ2を調整することで補正後の測定誤差を±
１．５％程度まで少なくすることができる。
きることが分かる。無論、最大変位点の誤差をほぼゼロ
にするのでなく、測定範囲全体で誤差最小となるよう前
述のＫ1とＫ2を調整することで補正後の測定誤差を±
１．５％程度まで少なくすることができる。
【００１７】これまでの説明では静電容量素子の変位
（容量変化）をインピーダンス変化に変えて検出電圧を
得る方法について説明してきたが、静電容量変化を発振
周波数の変化に変換して検出を得る方式にも適用でき
る。この静電容量変化を発振周波数に変換する方式では
マイクロマシングで製作された微小静電容量のセンサ等
では後述のように寄生容量による非直線性が発生する。
一般に、静電容量変化を周波数変化に変換して検出する
方式の出力電圧はセンサ部の容量をＣ0、浮遊容量を
ＣK、静電容量変化率をｄ1、ｄ2とすると下記のように
なる。
（容量変化）をインピーダンス変化に変えて検出電圧を
得る方法について説明してきたが、静電容量変化を発振
周波数の変化に変換して検出を得る方式にも適用でき
る。この静電容量変化を発振周波数に変換する方式では
マイクロマシングで製作された微小静電容量のセンサ等
では後述のように寄生容量による非直線性が発生する。
一般に、静電容量変化を周波数変化に変換して検出する
方式の出力電圧はセンサ部の容量をＣ0、浮遊容量を
ＣK、静電容量変化率をｄ1、ｄ2とすると下記のように
なる。
【００１８】原点 Ｖ0∝Ｆ0∝１／（Ｃ0＋ＣK） ＋側 Ｖ1∝Ｆ1∝１／（Ｃ0／ｄ1＋ＣK） −側 Ｖ2∝Ｆ2∝１／（Ｃ0／ｄ2＋ＣK）
【００１９】上記式で浮遊容量ＣKを式を簡単にするた
めセンサ部とほぼ同じとすると 原点 Ｖ0＝１／（Ｃ0×２） ＋側 Ｖ1＝１／［Ｃ0×（１／ｄ1＋１）］ −側 Ｖ2＝１／［Ｃ0×（１／ｄ2＋１）］
めセンサ部とほぼ同じとすると 原点 Ｖ0＝１／（Ｃ0×２） ＋側 Ｖ1＝１／［Ｃ0×（１／ｄ1＋１）］ −側 Ｖ2＝１／［Ｃ0×（１／ｄ2＋１）］
【００２０】上記より誤差は下式で求まる。 ＋側 （Ｖ1−Ｖ0）／Ｖ0×（１−ｄ1）） −側 （Ｖ0−Ｖ2）／（Ｖ0×（１−ｄ2））
【００２１】加速度による変位を前述のインピーダンス
変化方式を同じ±５％とすると上記式は下記式となる。 ＋側 ｛［１／（１／０．９５＋１）］−０．５｝／
（２×０．０５）＝０．１２８ （−１２．８％） −側 ｛［１／（１／１．０５＋１）］−０．５｝／
（２×０．０５）＝０．１２２ （＋１２．２％）
変化方式を同じ±５％とすると上記式は下記式となる。 ＋側 ｛［１／（１／０．９５＋１）］−０．５｝／
（２×０．０５）＝０．１２８ （−１２．８％） −側 ｛［１／（１／１．０５＋１）］−０．５｝／
（２×０．０５）＝０．１２２ （＋１２．２％）
【００２２】上記式で静電容量の変位が＋側と−側で出
力電圧の直線性の極性が反転しており、前述のインピー
ダンス変換方式と同様な直線性補正回路で周波数変換方
式の出力電圧が補正できることが分かる。この計算結果
では直線性の誤差が大きな値となっているが、通常 セ
ンサ容量＞浮遊容量 であり、この発明による直線性補
正により十分実用範囲の直線性の誤差とすることができ
る。
力電圧の直線性の極性が反転しており、前述のインピー
ダンス変換方式と同様な直線性補正回路で周波数変換方
式の出力電圧が補正できることが分かる。この計算結果
では直線性の誤差が大きな値となっているが、通常 セ
ンサ容量＞浮遊容量 であり、この発明による直線性補
正により十分実用範囲の直線性の誤差とすることができ
る。
【００２３】
【実施例】図１に示す回路図は、図６の構成からなる静
電容量型センサに接続した検出回路と直線性補正回路２
０の一例を示すもので、検出回路は、発振回路、ＡＣア
ンプ、サンプルホールド回路からなる。
電容量型センサに接続した検出回路と直線性補正回路２
０の一例を示すもので、検出回路は、発振回路、ＡＣア
ンプ、サンプルホールド回路からなる。
【００２４】直線性補正回路２０において、入力信号が
０Ｖの時、信号出力も０Ｖである。入力信号が＋信号の
場合、Ｄ1がオンとなり（Ｄ2はオフ）、ゲインＧ＋＝Ｒ
2／Ｒ1となる。入力信号が−信号の場合、Ｄ2がオンと
なり（Ｄ1はオフ）、ゲインＧ−＝Ｒ3／Ｒ1となる。こ
のＲ2とＲ3を適宜調整することにより、センサの位置に
よるゲイン誤差を補正できる。
０Ｖの時、信号出力も０Ｖである。入力信号が＋信号の
場合、Ｄ1がオンとなり（Ｄ2はオフ）、ゲインＧ＋＝Ｒ
2／Ｒ1となる。入力信号が−信号の場合、Ｄ2がオンと
なり（Ｄ1はオフ）、ゲインＧ−＝Ｒ3／Ｒ1となる。こ
のＲ2とＲ3を適宜調整することにより、センサの位置に
よるゲイン誤差を補正できる。
【００２５】図６の静電容量素子の可撓基板部１３の可
動電極１４が電極１２，１４間の動作点のほぼ中心点に
あるときを原点として、可撓基板部１３が＋側または−
側へ移動すると、直線性補正回路２０において、増幅度
を切り替える。すなわち、オペアンプＵ1の出力信号
は、入力信号の正負でそれぞれＤ1とＲ2の接続点、Ｄ2
とＲ3の接続点となり、これをＲ4とＲ5で加算し、オペ
アンプＵ2で出力することにより、加速度の最大点の検
出誤差をほぼゼロに補正することができ、直線性良く検
出できる。
動電極１４が電極１２，１４間の動作点のほぼ中心点に
あるときを原点として、可撓基板部１３が＋側または−
側へ移動すると、直線性補正回路２０において、増幅度
を切り替える。すなわち、オペアンプＵ1の出力信号
は、入力信号の正負でそれぞれＤ1とＲ2の接続点、Ｄ2
とＲ3の接続点となり、これをＲ4とＲ5で加算し、オペ
アンプＵ2で出力することにより、加速度の最大点の検
出誤差をほぼゼロに補正することができ、直線性良く検
出できる。
【００２６】
【発明の効果】この発明による静電容量型センサは、１
方向の圧力や加速度等の検出に１組の静電容量素子を用
い、電極対の動作点のほぼ中心点を原点とし、この原点
からの距離に応じて回路の増幅度を切り替える補正回路
を有することから、１組の静電容量素子で直線性の良い
センサを得ることができる、センサ部の静電容量の構造
を簡単にでき安価なセンサを提供できる また、多軸の圧力や加速度を１組の可動部と固定部から
なる構造で検出するセンサにおいては、全ての軸につい
て差動の静電容量を構成することが非常に困難であり、
この発明の直線性補正回路が有効である。
方向の圧力や加速度等の検出に１組の静電容量素子を用
い、電極対の動作点のほぼ中心点を原点とし、この原点
からの距離に応じて回路の増幅度を切り替える補正回路
を有することから、１組の静電容量素子で直線性の良い
センサを得ることができる、センサ部の静電容量の構造
を簡単にでき安価なセンサを提供できる また、多軸の圧力や加速度を１組の可動部と固定部から
なる構造で検出するセンサにおいては、全ての軸につい
て差動の静電容量を構成することが非常に困難であり、
この発明の直線性補正回路が有効である。
【図１】この発明による静電容量型センサの検出回路と
直線性補正回路２０の一例を示す回路図である。
直線性補正回路２０の一例を示す回路図である。
【図２】圧力・加速度等と電極間距離との関係を示すグ
ラフである。
ラフである。
【図３】静電容量と出力電圧との関係を示すグラフであ
る。
る。
【図４】電極間距離と静電容量との関係を示すグラフで
ある。
ある。
【図５】圧力・加速度等と出力電圧との関係を示すグラ
フである。
フである。
【図６】この発明による静電容量型センサの構成を示す
縦断説明図である。
縦断説明図である。
【図７】従来の差動容量型加速度センサの構成を示す縦
断説明図である。
断説明図である。
１，１０ 枠体 ２，３，１１ 固定部 ４，５，１２ 固定電極 ６，１３ 可撓基板部 ７，８，１４ 可動電極 ２０ 直線性補正回路 Ｕ1，Ｕ2 オペアンプ
Claims (1)
- 【請求項１】 固定電極と可動電極の組合わせた静電容
量素子を１つ用いて、一対の電極間距離の変化の検出を
行う静電容量型センサにおいて、該素子を形成している
電極対の動作点のほぼ中心点を原点とし、この原点から
の距離に応じて回路の増幅度を切り替える直線性補正回
路を有する静電容量型センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20668095A JPH0933563A (ja) | 1995-07-19 | 1995-07-19 | 静電容量型センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20668095A JPH0933563A (ja) | 1995-07-19 | 1995-07-19 | 静電容量型センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0933563A true JPH0933563A (ja) | 1997-02-07 |
Family
ID=16527339
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20668095A Pending JPH0933563A (ja) | 1995-07-19 | 1995-07-19 | 静電容量型センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0933563A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008509405A (ja) * | 2004-08-17 | 2008-03-27 | アナログ デバイシス， インコーポレイテッド | 多軸加速度センサ |
| CN103513056A (zh) * | 2013-10-23 | 2014-01-15 | 成都市宏山科技有限公司 | 一种差分电容式微加速度计 |
| JP2019191068A (ja) * | 2018-04-27 | 2019-10-31 | セイコーエプソン株式会社 | 振動整流誤差補正回路、物理量センサーモジュール、構造物監視装置及び振動整流誤差補正回路の補正値調整方法 |
| US11079403B2 (en) | 2018-04-20 | 2021-08-03 | Seiko Epson Corporation | Physical quantity sensor module, clinometer, and structure monitoring device |
-
1995
- 1995-07-19 JP JP20668095A patent/JPH0933563A/ja active Pending
Cited By (7)
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|---|---|---|---|---|
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| JP4659830B2 (ja) * | 2004-08-17 | 2011-03-30 | アナログ デバイシス， インコーポレイテッド | 多軸加速度センサ |
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| US11079403B2 (en) | 2018-04-20 | 2021-08-03 | Seiko Epson Corporation | Physical quantity sensor module, clinometer, and structure monitoring device |
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| JP2019191068A (ja) * | 2018-04-27 | 2019-10-31 | セイコーエプソン株式会社 | 振動整流誤差補正回路、物理量センサーモジュール、構造物監視装置及び振動整流誤差補正回路の補正値調整方法 |
| US11808572B2 (en) | 2018-04-27 | 2023-11-07 | Seiko Epson Corporation | Vibration rectification error correction circuit, physical quantity sensor module, structure monitoring device, and correction value adjustment method of vibration rectification error correction circuit |
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