JPH11133055A - 静電容量形3軸加速度センサ - Google Patents
静電容量形3軸加速度センサInfo
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- JPH11133055A JPH11133055A JP9292601A JP29260197A JPH11133055A JP H11133055 A JPH11133055 A JP H11133055A JP 9292601 A JP9292601 A JP 9292601A JP 29260197 A JP29260197 A JP 29260197A JP H11133055 A JPH11133055 A JP H11133055A
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- G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
- G01P2015/084—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass
Abstract
ンサを提供する。 【解決手段】 重錘5の動きにより電極間距離が変化す
る第1、第2の電極群EU、EDを設けるとともに、各
電極群に、ともに4つ以上かつ同数しかも電気的に独立
した分離電極片からなり、しかも第1の電極群EU、第
2の電極群EDにおいて可撓板6を挟んで対向する分離
電極片をそれぞれ同形とする。そして、重錘5の動きに
より第1の電極群に生じる静電容量の変化と、第2の電
極群に生じる静電容量の変化との差を出力する。
Description
る静電容量形3軸加速度センサに関する。
エゾ抵抗形、静電容量形などが知られており、近年では
例えば地震などの縦揺れ、横揺れなど複数の方向の加速
度を同時に検出するために、X−Y−Zの3軸方向でそ
れぞれ加速度を検出しうる3軸加速度センサが開発され
つつある。
−148833号公報などで提案され、例えば図14
(a)に示すように、固定板aと、重錘cを固着させた
可撓板bとが向き合ってケース体dに固定され、前記固
定板a、可撓板bの向き合う面に、固定電極E1と変位
電極E2とが設けられている。
生じにくい材料からなり、前記可撓板bは、本例では可
撓性を有し、力が加わると容易に撓みを生じる材料で構
成されているものを示す。また、前記固定電極E1は、
図15(a)に示すように平面視が円形をなすものであ
り、他方、変位電極E2は例えば図15(b)に示すよ
うに5分割した分離電極片、すなわち中央で円形をなす
電極EZ1と、この電極EZ1の中心を原点としたとき
に可撓板bの平面方向に沿ったX軸方向正負に配された
電極EX1、EX2と、Y軸方向正負に配された電極E
Y1、EY2とから構成される。
度が与えられると、図14(b)に示すように、重錘c
の重心にあたる作用点Pに力FXが作用して重錘cが変
位することにより可撓板bが撓む。また固定電極E1と
変位電極E2との間の電極間距離が変化して両電極間の
静電容量値も変化する。この静電容量値の変化をX軸方
向、Y軸方向、Z軸方向それぞれ下記〜式の如く検
出して加速度を検出しうる。
静電容量値 CX2は固定電極E1と変位電極EX2との間の静電容
量値 Y軸方向:CY=CY1−CY2 … 但し、CY1は固定電極E1と変位電極EY1との間の
静電容量値 CY2は固定電極E1と変位電極EY2との間の静電容
量値 Z軸方向:CZ=CZ1の変化量 … 但し、CZ1は固定電極E1と変位電極EZ1との間の
静電容量値 なお静電容量値Cは、誘電率をε、電極の表面積をS、
電極間距離をdとすると次の式で与えられる。 C=ε・S/d
電容量型3軸加速度センサにX軸方向の加速度のみが作
用した状態を示したが、通常、可撓板bには、剛性の指
向性がない材料が選ばれるため、重錘cの重心を通る垂
直軸が可撓板bの厚さの中心を通る可撓板bの原点Oは
Z軸方向には変位せず、該原点Oの回りにモーメントが
生じるものとみなして良い。そして、重錘cは、可撓板
bの剛性に見合った変位をなして釣り合う。
をそれぞれS2、センサに重力加速度のみが作用する無
負荷状態での電極eX1およびeX2と固定電極e1と
の間の初期の電極間距離をD0とし、力FXが作用する
ことで可撓板bが撓み電極EX1およびEX2に生じる
固定電極E1との電極間距離の変化量をDXとすると、
X軸方向の加速度に対応する静電容量値CXは、前記
式から下記数1のように表しうる。
距離の変化量DXの比(DX/D0)をdxで表すと、
上記数1は下記数2のように表しうる。
度センサは、X軸方向の加速度とZ軸方向の加速度(本
例では上向き)とが同時に負荷されるような加速度を受
けた場合、力FXが作用することで電極EX1およびE
X2に生じる電極間距離の変化量をDXとし、他方、力
FZを受けたときの電極間距離の変化量をDZとし、
(DZ/D0)をdzで表すと、X軸方向の静電容量値
CXAは、力FZによりDZだけZ軸方向上向きに変位
した変位電極E2が、さらに、X軸方向の力FXにより
±DXだけ傾斜して変位したX軸方向の静電容量値CX
1およびCX2の差で表すことができ、下記数3のよう
に表しうる。
り、X軸方向の静電容量値に、Z軸方向の変化率dzの
因子が含まれていることが判る。
示している。図では、横軸に電極間距離dを、縦軸にX
軸方向の静電容量値CXをとっている。電極間距離d
が、無負荷状態の初期の設定値D0の場合、X軸方向の
加速度により可撓板bの変位量が±DXであったとき、
静電容量値CXは、ΔC0となる。これに対して、Z軸
方向の加速度が同時に作用し、電極間距離dが初期の設
定値D0よりDZ大きいとき又はDZだけ小さいときに
X軸方向の加速度により可撓板bの変位量が±DXであ
ると、それぞれ静電容量値は、ΔC+z、ΔC−zにば
らつくことになる。
間距離の影響を強く受けるため、静電容量形3軸加速度
センサでは、上述のようにZ軸方向の加速度がX軸方向
又はY軸方向といった水平軸方向の加速度に同時に加わ
ると、その影響により、X軸方向(又はY軸方向)の検
出加速度にバラツキが生じ、検出精度が悪化するという
問題がある。
電気的に補正回路を組み込むことや、物理的に水平方向
の感度を上げることなどが考えられるが、前者の場合に
は回路が複雑となり、また回路基板を組み込むためにセ
ンサが大型化するという問題があり、また後者の方法で
は、基板サイズの大型化などの他、コストの面から見て
も望ましいとは言えない。
サの機械的な構造を改良することにより水平方向の静電
容量値からZ軸方向の加速度の影響を排除する方法につ
いて鋭意検討を重ねたところ、センサ本体にZ軸方向の
加速度による変位によって、電極間距離が一方は増加し
かつ他方は減少する2つの電極群を設けるとともに、こ
れらの各電極群の静電容量の変化差をとることによっ
て、水平方向の加速度に基づく静電容量からZ軸方向の
加速度の影響を大幅に除去しうることを見出したのであ
る。
頼ることなく、センサ出力を向上しつつも垂直方向の加
速度が水平方向の加速度と同時に作用した場合であって
も水平方向の加速度の検出精度を向上しうる静電容量形
3軸加速度センサを提供することを目的としている。
載の発明は、重錘と、この重錘が取付られかつこの重錘
に作用する加速度による重錘の動きにより変位する変位
部を有する可撓板とからなる重錘可撓部材、この重錘可
撓部材の一方の第1の変位面に向き合う第1の静止面を
有する第1の固定部、及びこの重錘可撓部材の他方の第
2の変位面に向き合う第2の静止面を有する第2の固定
部、をそれぞれセンサ筐体に固定し、かつ前記第1の変
位面に設けられた第1の変位電極と、第1の静止面に設
けられた第1の固定電極とからなる第1の電極群、及び
前記第2の変位面に設けられた第2の変位電極と、第2
の静止面に設けられた第2の固定電極とからなる第2の
電極群とを配したセンサ本体を具えるとともに、第1の
変位電極と、第1の固定電極の少なくとも一方、第2の
変位電極と、第2の固定電極の少なくとも一方は、とも
に4つ以上かつ同数しかも電気的に独立した分離電極片
からなり、しかも第1の電極群、第2の電極群において
前記可撓板を挟んで対向する分離電極片をそれぞれ同形
とするとともに、重錘の動きにより前記第1の電極群の
第1の変位電極と第1の固定電極との間に生じる静電容
量の変化、前記第2の電極群の第2の変位電極と、第2
の固定電極との間に生じる静電容量の変化との差を出力
することにより加速度を測定する演算部を具えたことを
特徴とする静電容量形3軸加速度センサである。
位面は、前記重錘が取り付かない側の可撓板の面であ
り、かつ第2の変位面が前記重錘の面であることを特徴
とする請求項1記載の静電容量形3軸加速度センサであ
る。
位面は、前記重錘が取り付かない側の可撓板の面であ
り、かつ第2の変位面が前記重錘が取り付く側の可撓板
の面であることを特徴とする請求項1記載の静電容量形
3軸加速度センサである。
片は、前記可撓板の面と直交しその中心を通る中心線回
りの中央電極片と、前記中心線が可撓面と交わる原点を
通り前記可撓板面と平行なX軸、Y軸側で中央電極片の
外側かつ正負の位置に配される正、負の周辺X軸電極片
と、正、負の周辺Y軸電極片との合計5つを含むことを
特徴とする請求項1乃至3のいずれか1に記載の静電容
量形3軸加速度センサである。
電極片はリング状をなすことを特徴とする請求項4記載
の静電容量形3軸加速度センサである。
片が形成されない変位面、又は静止面は、金属材からな
ることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1に記載
の静電容量形3軸加速度センサである。
の中央電極片による静電容量値をC11、正、負の周辺
X軸電極片の静電容量値をC12、C14、正、負の周
辺Y軸電極片の静電容量値をC13、C15、第2の電
極群の中央電極片による静電容量値をC21、正、負の
周辺X軸電極片の静電容量値をC22、C24、正、負
の周辺Y軸電極片の静電容量値をC23、C25とした
とき、各XYZ軸方向の加速度に対応する静電容量値を
CX、CY、CZを次式により算出して、前記重錘に作
用した加速度を検出することを特徴とする請求項4記載
の静電容量形3軸加速度センサである。 CX=(C12−C14)−(C22−C24) CY=(C13−C15)−(C23−C25) CZ=(C11)−(C21)
面に基づき説明する。本発明の静電容量形3軸加速度セ
ンサは、図1に示すように、重錘可撓部材2と、この重
錘可撓部材2の一方の第1の変位面2aに向き合う第1
の静止面3aを有する第1の固定部3と、前記重錘可撓
部材2の他方の第2の変位面2bに向き合う第2の静止
面4bを有する第2の固定部4とをそれぞれセンサ筐体
7に固定している。
錘5が取付られかつこの重錘5に作用する加速度による
重錘5の動きにより変位する変位部を有する可撓板6と
から構成され、本例では重錘5は前記可撓板6の下面に
取り付けされているものを示す。
面2aは、前記重錘5が取り付かない側の可撓板6の面
であり、かつ第2の変位面2bが前記重錘5の面、本例
では重錘5の下面であるものを例示している。なお本例
では、前記第1、第2の固定部3、4、重錘5、可撓板
6はいずれもガラス、樹脂、セラミックといった絶縁材
料から構成されたものを例示している。
aには、第1の変位電極ef1が設けられ、この第1の
変位面2aに向き合う第1の静止面3aには、前記第1
の変位電極ef1から距離を隔てて第1の固定電極e1
が形成される。これにより、第1の変位電極ef1と第
1の固定電極e1とが第1の電極群EUを構成しうる。
の変位電極ef2が設けられ、この第2の変位面2bに
向き合う第2の静止面4bには、前記第2の変位電極e
f2から距離を隔てて第2の固定電極e2が形成されて
いる。これにより、第2の変位電極ef2と第2の固定
電極e2とが第2の電極群EDを構成しうる。
群EUと第2の電極群EDとを具えている。また本発明
では、前記第1の変位電極ef1と、第1の固定電極e
1の少なくとも一方、第2の変位電極ef2と、第2の
固定電極e2の少なくとも一方は、ともに4つ以上かつ
同数しかも電気的に独立した分離電極片から構成される
ことを特徴の一つとしている。
と、第2の固定電極e2とを図2(a)、(b)に示す
ように、ともに5つしかも電気的に独立した分離電極片
から構成したものを例示している。これらの分離電極片
は、図の如く前記可撓板6の面と直交しその中心を通る
中心線回りの中央電極片eZ1、eZ2と、前記中心線
が可撓板6の面と交わる原点を通り前記可撓板6の面と
平行なX軸、Y軸側で中央電極片eZ1、eZ2の外側
かつ正負の位置に配される正、負の周辺X軸電極片eX
1、eX2、及びeX3、eX4と、正、負の周辺Y軸
電極片eY1、eY2、及びeY3、eY4との5つを
それぞれ含むものを例示し、これらは互いに電気的に絶
縁されて配置される。
極群EDは、それぞれ分離電極片と変位電極との対によ
りそれぞれ5組、合計10組の容量素子を形成しうる。
なお第1、第2の変位電極ef1、ef2は、本例では
図2(c)に示すように、一体型の円盤状にて形成され
るものを示す。これらの各電極は、導電性の性質を持つ
材料であれば種々のものを用いることができるが、これ
らは同一の材料で構成するのが望ましく、本例では同じ
金属材料で構成される。
第2の電極群EDにおいて、前記可撓板6を挟んで対向
する前記分離電極片は、それぞれ同一の形状で構成して
いるため、例えば第1の電極群EUのX軸方向に配され
た分離電極片eX1、eX2と、第2の電極群EDのX
軸方向に配された分離電極片eX3、eX4とは、とも
に表面積がS2で等しくなる。
度のみが作用する無負荷状態において、前記第1の電極
群EUの電極間距離D1は、第2の電極群EDの電極間
距離D2と等しく設定したものを例示している。
センサは、加速度による重錘5の動きにより前記第1の
電極群EUの第1の変位電極ef1と第1の固定電極e
1との間に生じる静電容量の変化と、前記第2の電極群
EDの第2の変位電極ef2と、第2の固定電極e2と
の間に生じる静電容量の変化との差を出力することによ
り加速度を測定する演算部(図5〜7に示す)を具えて
いる。
よる変位によって、電極間距離が一方は増加しかつ他方
は減少する2つの電極群、すなわち第1の電極群EU、
第2の電極群EDを形成し、これらの各電極群の静電容
量の差をとることによって、水平方向の加速度に基づく
静電容量からZ軸方向の加速度の影響を大幅に除去しう
るのである。すなわち、第1の電極群EUの静電容量値
から、第2の電極群EDでの静電容量値を差し引くこと
により、X軸方向及びY軸方向の加速度にZ軸方向の加
速度が同時に作用した場合であっても、Z軸方向の加速
度がX軸方向及びY軸方向の静電容量値に与える影響を
小にすることができ、検出精度を大幅に高めることがで
きる。
第1の電極群EUの中央電極片eZ1と変位電極ef1
とによる静電容量値をC11、正、負の周辺X軸電極片
eX1、eX2の静電容量値をC12、C14、正、負
の周辺Y軸電極片eY1、eY2の静電容量値をC1
3、C15、第2電極群EDの中央電極片eZ2による
静電容量値C21、正、負の周辺X軸電極片eX3、e
X4の静電容量値をC22、C24、正、負の周辺Y軸
電極片eY3、eY4の静電容量値をC23、C25と
したとき、各XYZ軸方向の加速度に対応する静電容量
値CX、CY、CZの演算は、次の〜式により行い
うる。 CX=(C12−C14)−(C22−C24) … CY=(C13−C15)−(C23−C25) … CZ=(C11)−(C21) …
ンサの検出精度について上記演算式を用いながら説明す
る。先ず、重錘5が加速度を受けこの重錘5の作用点P
に、X方向の力FX(図1に示す方向)のみが加わった
場合、X軸上の正負に配された分離電極片eX1、eX
2、eX3、eX4において、分離電極片eX1、eX
4は変位電極ef1、ef2との電極間距離を減じ静電
容量値C12、C24を増大させる一方、分離電極片e
X2、eX3は変位電極ef1、ef2との間の電極間
距離を増し、静電容量値C14、C22を減少させる。
来の静電容量形3軸加速度センサと比較するため、可撓
板、電極、および重錘の形状、寸法、材質、重量を統一
することにより両者の基本的諸元を揃え、また電極(例
えば電極の平面の図心位置)に生じる電極間距離の変化
量を±DXとすると、本発明のセンサのX軸方向の加速
度に対応する静電容量値CXは、数4のように表され
る。なお分離電極片eX1、eX2、eX3、eX4の
表面積をS2、誘電率をε、力FXによって生じる電極
間距離の変位量を±DX、初期の電極間距離D0と前記
変位量DXとの比(DX/D0)をdxとしている。
加速度のみが、重錘5に加えられた場合、数2で示した
従来の静電容量形3軸加速度センサの静電容量値CXと
比較すると、本発明のものは静電容量値(出力)が2倍
となり、X軸方向(又はY軸方向)の検出感度が向上し
ていることが判る。
えられた場合、中央電極片eZ1、eZ2の表面積をS
1、中央電極片eZ1と変位電極ef1との間及び中央
電極片eZ2と変位電極ef2との間にそれぞれ生じる
電極間距離の変化量を±DZとし、初期の電極間距離D
0との比(DZ/D0)をdzで表すと、本発明のセン
サの静電容量値CZは、数5のようになる。
ようになる。
用されるのが好ましく、この場合、本実施形態の静電容
量形3軸加速度センサは、Z軸方向の静電容量値におい
ても実質的に2倍の出力をうることができる。このよう
に、X軸方向(又はY軸方向)あるいはZ軸方向の力
が、それぞれ独立して加えられた場合、本発明の静電容
量形3軸加速度センサは、従来のセンサに比べ出力がと
もに2倍となり、しかもZ軸方向の静電容量値について
は、バラツキも減少していることが判る。
するには、図3に示すように、中央電極片を独立して設
けず、4分割した分離電極片eX1、eX2、eY1、
eY2の静電容量値の総和の変化から算出することも可
能である。しかし、本実施形態のように中央分離電極片
eZ1を有する5分割とした場合には、検出の電気回路
が単純化され、小型化に有利であり、また電極の原点に
近いほど、他軸の影響を受け難いため、Z軸方向の加速
度の検出精度をさらに向上しうる利点がある。
度とが同時に重錘5に負荷された場合について考える。
この場合図4に示すように、変位電極ef1、ef2が
Z軸方向の力FZにより、上向きの変位量DZを生じさ
せていると同時に、X軸方向の力FXにより変位量±D
Xが生じているものと考えることができる。この場合の
X軸方向の静電容量値CXBは数7に示すようになる。
容量値CXAは、本発明のセンサの静電容量値CXBと
を比較するために分母の共通化を図ると、数8のように
表すことができる。
上、作動範囲において通常、dx、dzの最大値を0.
1程度で使用するのが好ましいため、dx、dzの最大
値を0.1とすると、前記数7、8の式の分母{(1−
dz)2 −dx2 }{(1+dz)2 −dx2 }は、
0.96〜1.00の範囲をとり得る。また、各分子の
うち(dz2 −dx2 )の項は、−0.01〜0.01
の範囲を取りうる。
と従来のセンサの静電容量値CXB、CXAを比較する
と、従来のもの(数8)には、分子において「1」に
「2dz」の因子を加えた形となっている。この「2d
z」は、最大で0.2の値をとるため、最大で±20%
のバラツキを与えるものとなる。
速度センサは、静電容量値CXBが従来のものに比して
2倍になっており、検出感度を向上しうるとともに、従
来のセンサに比べ、X又はY軸方向といった水平方向の
加速度にZ軸方向の加速度が同時に加わったような場合
でも、従来のZ軸方向の加速度の影響(2dz)を排除
してX軸方向(又はY軸方向)の静電容量値を取得する
ことができるため、検出精度を大幅に向上しうる。
示す。図5はX軸方向の加速度出力、図6はY軸方向の
加速度出力、図7はZ軸方向の加速度出力を行うもので
ある。例えば図5において、電極eX1、ef1間の静
電容量C12、電極eX2、ef1間の静電容量C1
4、電極eX3、ef2間の静電容量C22、電極eX
4、ef2間の静電容量C24は、それぞれCV変換器
H1〜H4により電圧値V1〜V4に変換されて出力さ
れる。
1、H2により変換された電圧値V1とV2との差の電
圧V5を、また差動増幅器A2は、CV変換器H3、H
4により変換された電圧値V3とV4との差の電圧V6
をそれぞれ差動増幅器A3に出力する。差動増幅器A3
は電圧V5とV6の差をとり、これをX軸方向の加速度
に対応する電圧値V7として出力しうる。
極eY1、ef1間の静電容量C13、電極eY2、e
f1間の静電容量C15、電極eY3、ef2間の静電
容量C23、電極eY4、ef2間の静電容量C25
は、それぞれCV変換器H5〜H8により電圧値V10
〜V13に変換され、差動増幅器A4は、CV変換器H
5、H6により変換された電圧値V10とV11との差
の電圧V14を、また差動増幅器A5は、CV変換器H
7、H8により変換された電圧値V12とV13との差
の電圧V15をそれぞれ差動増幅器A6に出力する。ま
た差動増幅器A6は電圧V14とV15の差をとり、こ
れをY軸方向の加速度に対応した電圧値V16として出
力する。
f1間の静電容量C11、電極eZ2、ef2間の静電
容量C21をそれぞれCV変換器H9、H10により対
応する電圧V17、V18に変換するとともに、差動増
幅器A7により電圧V17、V18の差をとり、これを
Z軸方向の加速度に対応した電圧値V19として出力し
うる。
配線を施して、上述のような演算動作を行う回路に接続
することによって、重錘5に作用した加速度に対応する
電圧値を、3次元の各軸方向成分ごとに精度良く取り出
すことができる。なおこの演算回路は一例であり、たと
えば、前記〜式を変形して、それに対応した演算回
路を組むことも、勿論可能である。
群EUの第1の固定電極e1と第1の変位電極ef1と
の電極間距離D1と、第2の電極群EDの第2の固定電
極e2と第2の変位電極ef2との電極間距離D2と
は、実質的に等しくすることが望ましい。
間距離をD1=D2=D0とした場合の第1の電極群E
Uの相対出力を示している。同曲線G1bは、第2の電
極群EDの相対出力であり、同曲線G1は、これらの相
対出力の和であり、センサとしての相対出力を示してい
る。図から明らかなとおり、曲線G1は、加速度センサ
の実用域であるdz=0近傍で、出力が非常に安定して
おり、最も適したものとなっている。
=D2=2D0とした場合の第1の電極群EUの相対出
力を示している。同曲線G2bは、第2の電極群EDの
相対出力であり、同曲線G2は、これらの相対出力の和
であり、センサとしての相対出力を示している。この曲
線G2では、出力が、広範囲に亘り安定するものの出力
自体が小さくなる。
電極間距離D1=D0、D2=2D0としたD1≠D2
の場合の第1の電極群EUの相対出力を示し、同曲線G
3bは、第2の電極群EDの相対出力であり、同曲線G
3は、これらの相対出力の和であり、センサとしての相
対出力を示している。図から明らかなとおり、曲線G3
は、補償が小さくなり、出力の曲線が従来のものに近づ
くため好ましくない。
電極間距離D1=D0、D2=D0/2としたD1≠D
2の場合の第1の電極群EUの相対出力を示し、同曲線
G4bは、第2の電極群EDの相対出力であり、同曲線
G4は、これらの相対出力の和であり、センサとしての
相対出力を示している。図から明らかなとおり、曲線G
4は、D2が小さいため、補償が大きすぎ、逆に精度を
悪くしている。
は、ともに等しく設定するとともに、個々のセンサに応
じて出力特性(曲線)が安定する値を採用するのが良
い。
する。本実施形態では、図9に示すように、前記第1の
変位面2aは、前記重錘5が取り付かない側の可撓板6
の面であり、かつ前記第2の変位面2bが前記重錘5が
取り付く側の可撓板6の面であることを特徴としてい
る。前記第2の電極群EDは、本例では中央部に重錘5
が貫通するものを例示し、このため、第2の固定部4
は、重錘5が通る透孔4cが形成されるとともに、前記
中央電極片eZ1、eZ2が、図10に示すように前記
重錘5の周囲を囲むリング状をなすものを採用してい
る。
て重錘5が可撓板6の原点Oの回りに回転したときに生
じる、第1、第2の電極群EU、EDの電極間距離の変
化の微小な差異を減じることができ、かつ組立寸法精度
や組立加工性を向上しうる点で好ましい。
すような同形の分離電極片にて構成しているが、第1の
電極群EU、第2の電極群EDそれぞれについて、固定
電極e1(e2)、又は変位電極ef1(ef2)のい
ずれか一方、に上述の様な分離電極片を具えていれば良
い。また、その他の構成については、検出回路を含め
て、図1に示す構造の装置と概略同様である。
施形態を示している。この例では、第1、第2の固定部
3、4、重錘5、可撓板6およびセンサ筐体7が金属材
料にて構成されている。また、可撓板6は、本例では、
センサ筐体7から放射状にのびる複数本のアーム部材に
より弾性的に支持されたものを例示する。
1のA−A断面を示すように、例えば可撓板6よりも十
分に弾性変形しやすいものとすることにより、可撓板6
を変形させずアーム部材12のみが弾性変形することに
より可撓板6を変位させることもできる。この場合、可
撓板6の変位による電極間距離の変位が線形に変化し易
くなり、検出精度の向上にさらに役立つ。またこのよう
に放射状に配されたアーム部材12を設けることによ
り、可撓板6の変位をより指向性のないものとしうる結
果、さらに検出精度の向上に効果がある。またこの例で
は、変位電極ef1、ef2は、いずれも可撓板6、重
錘5自体を電極として用いることができ、構造の簡素化
も役立つ。
る固着方法、例えば、溶接等により接合するのが好まし
い。また第1、第2の固定部3、4には、絶縁材10、
11を介して分離電極片eX1などを配している。
部材2に設けても良い。さらに、可撓板6は好ましい可
撓性を与えるために、環状又は放射状にスリット等の切
り込みを入れたダイヤフラム状のものを使用することが
できる。
は、センサ本体の強度を向上させることが望ましく、各
部材に金属を使用するのが好ましい。一方、絶縁物とし
て、又加工性や単価などの理由で、樹脂やセラミックス
なども使用しうる。これらには、熱膨張率が大きく異な
るものがあり、センサが自動車のように使用温度がかな
り広範囲にわたるところに使用される場合には、熱膨張
の差が電極間距離dに与える影響は無視できない。その
ため、部材としては、熱膨張率の小さなものが望まし
く、また、本例のように熱膨張率の近似した材料で構成
することによって、温度による誤差等を減じるのが好ま
しい。
の変位率dx、dy、dzそれぞれを0.1程度以下に
抑え込むことが望ましいため、そのように各種構成材料
の弾性率、厚さ、支持方式、重錘の形状と質量などを設
計することも好ましい。さらに前記分離電極面が形成さ
れない第1ないし第2の変位面、又は第1ないし第2の
静止面は、金属材料から構成することもできる。さら
に、各電極群における電極の大きさは、重錘が変位した
ときでも十分に垂直方向で重なり合う大きさとするのが
良い。
て、最大1Gを測定しうる図11に示した構造のセンサ
(実施例)を試作し、図14に示した従来構造のセンサ
(従来例)と性能を比較した。
X軸方向の一定の加速度AXを与えつつ、同時に±1G
以内のZ軸方向の加速度AZを負荷した時のX軸方向の
相対出力CXを実測した結果を示している。測定にあた
っては、両センサとも測定条件は同一とした。
サでは、Z軸方向の加速度に比例してX軸方向の加速度
の出力のバラツキが大きくなっていることが判る(ただ
し、X軸方向の加速度AXの大きい範囲、とくに0.8
〜1.0Gの範囲では、Z軸方向加速度AZが小さな値
(0.5〜0G)しか負荷できなかったため、比較的小
さなバラツキに止まっている)。また実施例のセンサ
は、従来例に比べて出力が約2倍となっており、検出感
度が向上していること、及びZ軸方向の加速度が負荷さ
れた場合であっても、出力のバラツキが非常に小さく、
大幅な検出精度の向上が確認でき、計算式を用いて検証
したのとほぼ同様の結果が得られている。
形3軸加速度センサによれば、3軸の各方向の加速度検
出感度を向上しうる。また、X軸方向及びY軸方向とい
った水平方向の加速度に、垂直方向(Z軸方向)の加速
度が加わったような場合でも水平方向の加速度を、負荷
された垂直方向の加速度の影響を実質的に受けることな
く、精度良く検出できる。このため、複雑な電気的な補
正回路をセンサに組み込む必要がなくなり、センサを小
型できかつ構造を簡素化した安価な静電容量形3軸加速
度センサを提供することができる。
ある。
電極、(c)は第1、第2の変位電極を示す平面図であ
る。
きのセンサ出力を説明するためのグラフである。
ある。
である。
であり、(a)は無負荷状態、(b)は力FXが作用し
た状態をそれぞれ示す。
平面図である。
離電極片 10X、10Y、10Z 演算部
Claims (7)
- 【請求項1】重錘と、この重錘が取付られかつこの重錘
に作用する加速度による重錘の動きにより変位する変位
部を有する可撓板とからなる重錘可撓部材、 この重錘可撓部材の一方の第1の変位面に向き合う第1
の静止面を有する第1の固定部、 及びこの重錘可撓部材の他方の第2の変位面に向き合う
第2の静止面を有する第2の固定部、 をそれぞれセンサ筐体に固定し、かつ前記第1の変位面
に設けられた第1の変位電極と、第1の静止面に設けら
れた第1の固定電極とからなる第1の電極群、 及び前記第2の変位面に設けられた第2の変位電極と、
第2の静止面に設けられた第2の固定電極とからなる第
2の電極群とを配したセンサ本体を具えるとともに、 第1の変位電極と、第1の固定電極の少なくとも一方、
第2の変位電極と、第2の固定電極の少なくとも一方
は、ともに4つ以上かつ同数しかも電気的に独立した分
離電極片からなり、 しかも第1の電極群、第2の電極群において前記可撓板
を挟んで対向する分離電極片をそれぞれ同形とするとと
もに、 重錘の動きにより前記第1の電極群の第1の変位電極と
第1の固定電極との間に生じる静電容量の変化、前記第
2の電極群の第2の変位電極と、第2の固定電極との間
に生じる静電容量の変化との差を出力することにより加
速度を測定する演算部を具えたことを特徴とする静電容
量形3軸加速度センサ。 - 【請求項2】前記第1の変位面は、前記重錘が取り付か
ない側の可撓板の面であり、かつ第2の変位面が前記重
錘の面であることを特徴とする請求項1記載の静電容量
形3軸加速度センサ。 - 【請求項3】前記第1の変位面は、前記重錘が取り付か
ない側の可撓板の面であり、かつ第2の変位面が前記重
錘が取り付く側の可撓板の面であることを特徴とする請
求項1記載の静電容量形3軸加速度センサ。 - 【請求項4】前記分離電極片は、前記可撓板の面と直交
しその中心を通る中心線回りの中央電極片と、前記中心
線が可撓面と交わる原点を通り前記可撓板面と平行なX
軸、Y軸側で中央電極片の外側かつ正負の位置に配され
る正、負の周辺X軸電極片と、正、負の周辺Y軸電極片
との合計5つを含むことを特徴とする請求項1乃至3の
いずれか1に記載の静電容量形3軸加速度センサ。 - 【請求項5】前記中央電極片はリング状をなすことを特
徴とする請求項4記載の静電容量形3軸加速度センサ。 - 【請求項6】前記分離電極片が形成されない変位面、又
は静止面は、金属材からなることを特徴とする請求項1
乃至5のいずれかに記載の静電容量形3軸加速度セン
サ。 - 【請求項7】前記第1の電極群の中央電極片による静電
容量値をC11、正、負の周辺X軸電極片の静電容量値
をC12、C14、正、負の周辺Y軸電極片の静電容量
値をC13、C15、第2の電極群の中央電極片による
静電容量値をC21、正、負の周辺X軸電極片の静電容
量値をC22、C24、正、負の周辺Y軸電極片の静電
容量値をC23、C25としたとき、各XYZ軸方向の
加速度に対応する静電容量値をCX、CY、CZを次式
により算出して、前記重錘に作用した加速度を検出する
ことを特徴とする請求項4記載の静電容量形3軸加速度
センサ。 CX=(C12−C14)−(C22−C24) CY=(C13−C15)−(C23−C25) CZ=(C11)−(C21)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29260197A JP3766190B2 (ja) | 1997-10-24 | 1997-10-24 | 静電容量形3軸加速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29260197A JP3766190B2 (ja) | 1997-10-24 | 1997-10-24 | 静電容量形3軸加速度センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11133055A true JPH11133055A (ja) | 1999-05-21 |
JP3766190B2 JP3766190B2 (ja) | 2006-04-12 |
Family
ID=17783908
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP29260197A Expired - Lifetime JP3766190B2 (ja) | 1997-10-24 | 1997-10-24 | 静電容量形3軸加速度センサ |
Country Status (1)
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JP (1) | JP3766190B2 (ja) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2004019049A1 (ja) * | 2002-08-22 | 2004-03-04 | Star Micronics Co., Ltd. | 静電容量型加速度センサおよびその製造方法 |
JP2005300231A (ja) * | 2004-04-07 | 2005-10-27 | Yamatake Corp | サーボ型センサの診断方法およびサーボ型センサ |
CN101865933A (zh) * | 2010-06-07 | 2010-10-20 | 瑞声声学科技(深圳)有限公司 | 差分电容式加速度传感器 |
JP5502331B2 (ja) * | 2007-05-30 | 2014-05-28 | ローム株式会社 | 加速度センサおよびその製造方法 |
JP2017203683A (ja) * | 2016-05-11 | 2017-11-16 | 内外ゴム株式会社 | 静電容量型の3軸加速度センサ |
JP2018040596A (ja) * | 2016-09-05 | 2018-03-15 | 株式会社フジクラ | 荷重検知センサ、荷重検知センサユニット |
WO2023065992A1 (zh) * | 2021-10-22 | 2023-04-27 | 华为技术有限公司 | 电容式力传感器、检测设备所承受外力的测量方法 |
-
1997
- 1997-10-24 JP JP29260197A patent/JP3766190B2/ja not_active Expired - Lifetime
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WO2023065992A1 (zh) * | 2021-10-22 | 2023-04-27 | 华为技术有限公司 | 电容式力传感器、检测设备所承受外力的测量方法 |
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