JPH11201850A - 静電サーボ式物理量検出装置 - Google Patents
静電サーボ式物理量検出装置Info
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- JPH11201850A JPH11201850A JP488798A JP488798A JPH11201850A JP H11201850 A JPH11201850 A JP H11201850A JP 488798 A JP488798 A JP 488798A JP 488798 A JP488798 A JP 488798A JP H11201850 A JPH11201850 A JP H11201850A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高感度のサーボ制御を可能とする静電サーボ
式物理量検出装置を提供する。 【解決手段】 ハイレベル（Ｈｉ）とローレベル（Ｌ
ｏ）の期間が異なる搬送波信号Ｐ１、Ｐ２を固定電極
３、４にそれぞれ印加する。搬送波信号Ｐ１、Ｐ２がＨ
ｉとＬｏの間で変化する第１の期間では、スイッチＳ２
を閉じ、スイッチＳ３を開にする。このとき、Ｃ−Ｖ変
換回路２１は、可動電極２ｄと固定電極３、４からなる
差動容量の容量変化に応じた電圧を出力する。第１の期
間に続く第２の期間（搬送波信号Ｐ１、Ｐ２におけるＨ
ｉとＬｏの差の期間）では、スイッチＳ２を開き、スイ
ッチＳ３を閉じて、Ｃ−Ｖ変換回路２１の出力電圧を信
号処理する信号処理回路２２からフィードバック電圧を
出力させ、それを可動電極２ｄに印加して、可動電極２
ｄが所定の位置になるようにサーボ制御を行う。
式物理量検出装置を提供する。 【解決手段】 ハイレベル（Ｈｉ）とローレベル（Ｌ
ｏ）の期間が異なる搬送波信号Ｐ１、Ｐ２を固定電極
３、４にそれぞれ印加する。搬送波信号Ｐ１、Ｐ２がＨ
ｉとＬｏの間で変化する第１の期間では、スイッチＳ２
を閉じ、スイッチＳ３を開にする。このとき、Ｃ−Ｖ変
換回路２１は、可動電極２ｄと固定電極３、４からなる
差動容量の容量変化に応じた電圧を出力する。第１の期
間に続く第２の期間（搬送波信号Ｐ１、Ｐ２におけるＨ
ｉとＬｏの差の期間）では、スイッチＳ２を開き、スイ
ッチＳ３を閉じて、Ｃ−Ｖ変換回路２１の出力電圧を信
号処理する信号処理回路２２からフィードバック電圧を
出力させ、それを可動電極２ｄに印加して、可動電極２
ｄが所定の位置になるようにサーボ制御を行う。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、物理量に応じて変
化する差動容量を用いた静電サーボ式の物理量検出装置
に関する。
化する差動容量を用いた静電サーボ式の物理量検出装置
に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、加速度センサ、圧力センサ、ヨー
レートセンサなどにおいて、センサの温度特性や非直線
性を改善するために、静電気力によるサーボ制御を行う
静電サーボ式の容量センサが種々提案されている。例え
ば、特公平６−４４００８号公報、米国特許第５，３４
３，７６６号明細書には、静電サーボ式の加速度センサ
が開示されている。
レートセンサなどにおいて、センサの温度特性や非直線
性を改善するために、静電気力によるサーボ制御を行う
静電サーボ式の容量センサが種々提案されている。例え
ば、特公平６−４４００８号公報、米国特許第５，３４
３，７６６号明細書には、静電サーボ式の加速度センサ
が開示されている。
【０００３】このような静電サーボ式の容量センサにお
いては、物理量の変化に応じて変位する可動電極と、可
動電極に対向して配置された一対の固定電極を備え、可
動電極と一対の固定電極からなる差動容量の容量変化を
検出し、その検出出力に基づき可動電極を所定の位置に
保持するように可動電極への印加信号をサーボ制御する
ようにしている。
いては、物理量の変化に応じて変位する可動電極と、可
動電極に対向して配置された一対の固定電極を備え、可
動電極と一対の固定電極からなる差動容量の容量変化を
検出し、その検出出力に基づき可動電極を所定の位置に
保持するように可動電極への印加信号をサーボ制御する
ようにしている。
【０００４】この場合、差動容量の容量変化を検出する
ために、両固定電極には、搬送波信号が印加される。例
えば、特公平６−４４００８号公報には、互いに逆相で
中心電圧が異なる搬送波信号を両固定電極に印加すると
ともに、差動容量の容量変化に基づく出力電圧を可動電
極にフィードバックして、可動電極と両固定電極に働く
静電気力を制御することによりサーボをかけるようにし
たものが開示されている。また、米国特許第５，３４
３，７６６号明細書には、チャージアンプの出力を増幅
して可動電極に印加するとともに、一方の固定電極には
基準電圧とチャージアンプの出力を増幅した電圧を、他
方の固定電極にはＧＮＤとチャージアンプの出力を増幅
した電圧を交互に印加するようにしたものが開示されて
いる。
ために、両固定電極には、搬送波信号が印加される。例
えば、特公平６−４４００８号公報には、互いに逆相で
中心電圧が異なる搬送波信号を両固定電極に印加すると
ともに、差動容量の容量変化に基づく出力電圧を可動電
極にフィードバックして、可動電極と両固定電極に働く
静電気力を制御することによりサーボをかけるようにし
たものが開示されている。また、米国特許第５，３４
３，７６６号明細書には、チャージアンプの出力を増幅
して可動電極に印加するとともに、一方の固定電極には
基準電圧とチャージアンプの出力を増幅した電圧を、他
方の固定電極にはＧＮＤとチャージアンプの出力を増幅
した電圧を交互に印加するようにしたものが開示されて
いる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記した従来のものに
おいては、中心電圧が異なる搬送波信号を両固定電極に
印加するようにしているため、可動電極に印加するフィ
ードバック電圧の動作範囲外に、搬送波信号の中心値を
設定する必要がある。このため、搬送波信号の振幅が小
さくならざるを得なくなる。容量変化の検出感度は搬送
波信号の振幅に比例するため、搬送波信号の振幅が小さ
いと検出感度が低く、Ｓ／Ｎ比が悪いという問題があ
る。
おいては、中心電圧が異なる搬送波信号を両固定電極に
印加するようにしているため、可動電極に印加するフィ
ードバック電圧の動作範囲外に、搬送波信号の中心値を
設定する必要がある。このため、搬送波信号の振幅が小
さくならざるを得なくなる。容量変化の検出感度は搬送
波信号の振幅に比例するため、搬送波信号の振幅が小さ
いと検出感度が低く、Ｓ／Ｎ比が悪いという問題があ
る。
【０００６】本発明は上記問題に鑑みたもので、高感度
のサーボ制御を可能とする静電サーボ式物理量検出装置
を提供することを目的とする。
のサーボ制御を可能とする静電サーボ式物理量検出装置
を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１乃至５に記載の発明においては、電圧レベ
ルが変化する第１の期間と所定電圧レベルの第２の期間
を有する第１の搬送波信号を第１の固定電極（３）に印
加し、第１の搬送波信号に対し電圧レベルが反転した第
２の搬送波信号を第２の固定電極（４）に印加するよう
にし、第１の期間においてＣ−Ｖ変換回路（２１）から
容量変化に応じた電圧が出力され、第２の期間において
信号処理回路（２２）から出力されるフィードバック電
圧が可動電極（２ｄ）に印加されるようにしたことを特
徴としている。
め、請求項１乃至５に記載の発明においては、電圧レベ
ルが変化する第１の期間と所定電圧レベルの第２の期間
を有する第１の搬送波信号を第１の固定電極（３）に印
加し、第１の搬送波信号に対し電圧レベルが反転した第
２の搬送波信号を第２の固定電極（４）に印加するよう
にし、第１の期間においてＣ−Ｖ変換回路（２１）から
容量変化に応じた電圧が出力され、第２の期間において
信号処理回路（２２）から出力されるフィードバック電
圧が可動電極（２ｄ）に印加されるようにしたことを特
徴としている。
【０００８】このようにＣ−Ｖ変換を行う期間とサーボ
制御を行う期間を分けることによって、第１、第２の固
定電極に印加する搬送波信号の中心電圧を異ならせる必
要がなく、搬送波信号の振幅を大きくすることができ
る。従って、Ｃ−Ｖ変換の感度が上がり、高感度のサー
ボ制御を行うことができる。また、請求項６に記載の発
明においては、第１の電圧レベルとなる期間と第２の電
圧レベルとなる期間が異なった第１の搬送波信号を第１
の固定電極（３）に印加し、第１の搬送波信号に対し電
圧レベルが反転した第２の搬送波信号を第２の固定電極
（４）に印加するようにし、第１の電圧レベルとなる期
間と第２の電圧レベルとなる期間の差の期間において信
号処理回路（２２）から出力されるフィードバック電圧
により可動電極（２ｄ）のサーボ制御が行われるように
したことを特徴としている。
制御を行う期間を分けることによって、第１、第２の固
定電極に印加する搬送波信号の中心電圧を異ならせる必
要がなく、搬送波信号の振幅を大きくすることができ
る。従って、Ｃ−Ｖ変換の感度が上がり、高感度のサー
ボ制御を行うことができる。また、請求項６に記載の発
明においては、第１の電圧レベルとなる期間と第２の電
圧レベルとなる期間が異なった第１の搬送波信号を第１
の固定電極（３）に印加し、第１の搬送波信号に対し電
圧レベルが反転した第２の搬送波信号を第２の固定電極
（４）に印加するようにし、第１の電圧レベルとなる期
間と第２の電圧レベルとなる期間の差の期間において信
号処理回路（２２）から出力されるフィードバック電圧
により可動電極（２ｄ）のサーボ制御が行われるように
したことを特徴としている。
【０００９】この発明においてもＣ−Ｖ変換を行う期間
とサーボ制御を行う期間を分けることができるため、上
記したのと同様、第１、第２の固定電極に印加する搬送
波信号の中心電圧を異ならせる必要がないため、搬送波
信号の振幅を大きして高感度のサーボ制御を行うことが
できる。なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施
形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
とサーボ制御を行う期間を分けることができるため、上
記したのと同様、第１、第２の固定電極に印加する搬送
波信号の中心電圧を異ならせる必要がないため、搬送波
信号の振幅を大きして高感度のサーボ制御を行うことが
できる。なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施
形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１に、サーボ
式加速度センサにおけるセンサ部の模式的構成を示す。
このセンサ部は、センサエレメント１０および検出回路
２０から構成されている。センサエレメント１０は、梁
構造体２を有する構造になっており、この梁構造体２
は、梁構造体２を基板１の上面に固定するための４つの
アンカ部２ａと、４つの梁部２ｂと、質量部２ｃと、質
量部２ｃの両側に形成された複数の可動電極２ｄから構
成されている。また、それぞれの可動電極２ｄには、固
定電極３、４が対向配置され、固定電極３、４は基板１
上に固定されている。
式加速度センサにおけるセンサ部の模式的構成を示す。
このセンサ部は、センサエレメント１０および検出回路
２０から構成されている。センサエレメント１０は、梁
構造体２を有する構造になっており、この梁構造体２
は、梁構造体２を基板１の上面に固定するための４つの
アンカ部２ａと、４つの梁部２ｂと、質量部２ｃと、質
量部２ｃの両側に形成された複数の可動電極２ｄから構
成されている。また、それぞれの可動電極２ｄには、固
定電極３、４が対向配置され、固定電極３、４は基板１
上に固定されている。
【００１１】このような構成において、質量部２ｃが加
速度を受けて変位すると、可動電極２ｄもそれに応じて
変位する。可動電極２ｄと固定電極３および可動電極２
ｄと固定電極４は差動の容量を構成しており、可動電極
２ｄの変位に応じてそれらの容量が変化する。検出回路
２０は、可動電極２ｄと固定電極３、４による容量の変
化を検出し、可動電極２ｄを所定の位置に保持するよう
に可動電極２ｄにフィードバック電圧を印加するサーボ
制御を行う。
速度を受けて変位すると、可動電極２ｄもそれに応じて
変位する。可動電極２ｄと固定電極３および可動電極２
ｄと固定電極４は差動の容量を構成しており、可動電極
２ｄの変位に応じてそれらの容量が変化する。検出回路
２０は、可動電極２ｄと固定電極３、４による容量の変
化を検出し、可動電極２ｄを所定の位置に保持するよう
に可動電極２ｄにフィードバック電圧を印加するサーボ
制御を行う。
【００１２】図２に、その検出回路２０の具体的な構成
を示す。検出回路２０は、Ｃ−Ｖ変換回路２１、信号処
理回路２２、スイッチＳ２、Ｓ３、制御回路２３、およ
び発振器２４から構成されている。Ｃ−Ｖ変換回路２１
は、可動電極２ｄと固定電極３、４からなる差動容量の
変化を電圧に変換するもので、演算増幅器２１ａ、コン
デンサ２１ｂ、およびスイッチＳ１から構成されてい
る。演算増幅器２１ａの非反転入力端子は基準電圧（Ｖ
DD／２）に接続され、反転入力端子は可動電極２ｄに接
続されており、反転入力端子と出力端子との間には、ス
イッチＳ１およびコンデンサ２１ｂが並列に接続されて
いる。
を示す。検出回路２０は、Ｃ−Ｖ変換回路２１、信号処
理回路２２、スイッチＳ２、Ｓ３、制御回路２３、およ
び発振器２４から構成されている。Ｃ−Ｖ変換回路２１
は、可動電極２ｄと固定電極３、４からなる差動容量の
変化を電圧に変換するもので、演算増幅器２１ａ、コン
デンサ２１ｂ、およびスイッチＳ１から構成されてい
る。演算増幅器２１ａの非反転入力端子は基準電圧（Ｖ
DD／２）に接続され、反転入力端子は可動電極２ｄに接
続されており、反転入力端子と出力端子との間には、ス
イッチＳ１およびコンデンサ２１ｂが並列に接続されて
いる。
【００１３】信号処理回路２２は、Ｃ−Ｖ変換回路２１
の出力電圧に基づき可動電極２ｄを可動電極２ｄが加速
度を受けて変位した方向と逆方向に変位させるためのフ
ィードバック電圧を出力するもので、サンプルホールド
（Ｓ／Ｈ）回路２２ａ、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２
２ｂ、および増幅器（ＡＭＰ）２２ｃから構成されてい
る。
の出力電圧に基づき可動電極２ｄを可動電極２ｄが加速
度を受けて変位した方向と逆方向に変位させるためのフ
ィードバック電圧を出力するもので、サンプルホールド
（Ｓ／Ｈ）回路２２ａ、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２
２ｂ、および増幅器（ＡＭＰ）２２ｃから構成されてい
る。
【００１４】スイッチＳ２は、可動電極２ｄをＣ−Ｖ変
換回路２１に接続するために設けられており、スイッチ
Ｓ３は、信号処理回路２２から出力されるフィードバッ
ク電圧を可動電極２ｄに印加するために設けられてい
る。これらのスイッチ手段をなすスイッチＳ２、Ｓ３
は、可動電極２ｄをＣ−Ｖ変換回路２１と信号処理回路
２２に所定のタイミングで択一的に接続する切り替え手
段を構成している。
換回路２１に接続するために設けられており、スイッチ
Ｓ３は、信号処理回路２２から出力されるフィードバッ
ク電圧を可動電極２ｄに印加するために設けられてい
る。これらのスイッチ手段をなすスイッチＳ２、Ｓ３
は、可動電極２ｄをＣ−Ｖ変換回路２１と信号処理回路
２２に所定のタイミングで択一的に接続する切り替え手
段を構成している。
【００１５】制御回路２３は、発振器２４から出力され
るクロックに基づき、固定電極３、４に印加する搬送波
信号Ｐ１、Ｐ２、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３を開閉させ
るスイッチ開閉信号、およびサンプルホールド回路２２
ａをサンプルホールドさせるＳ／Ｈ信号をそれぞれ作成
して出力する。上記構成においてその作動を図３に示す
信号波形図を参照して説明する。
るクロックに基づき、固定電極３、４に印加する搬送波
信号Ｐ１、Ｐ２、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３を開閉させ
るスイッチ開閉信号、およびサンプルホールド回路２２
ａをサンプルホールドさせるＳ／Ｈ信号をそれぞれ作成
して出力する。上記構成においてその作動を図３に示す
信号波形図を参照して説明する。
【００１６】制御回路２３から出力される搬送波信号Ｐ
１、Ｐ２は、図３に示すように、３つのフェーズ（φ１
〜３）でハイレベル（Ｈｉ）とローレベル（Ｌｏ）が変
化する一定振幅の矩形波信号となっており、搬送波信号
Ｐ２は、搬送波信号Ｐ１に対して電圧レベルが反転した
信号となっている。これらの搬送波信号Ｐ１、Ｐ２は、
固定電極３、４にそれぞれ印加される。
１、Ｐ２は、図３に示すように、３つのフェーズ（φ１
〜３）でハイレベル（Ｈｉ）とローレベル（Ｌｏ）が変
化する一定振幅の矩形波信号となっており、搬送波信号
Ｐ２は、搬送波信号Ｐ１に対して電圧レベルが反転した
信号となっている。これらの搬送波信号Ｐ１、Ｐ２は、
固定電極３、４にそれぞれ印加される。
【００１７】まず、第１のフェーズ（φ１）では、搬送
波信号Ｐ１はＨｉ、搬送波信号Ｐ２はＬｏになってい
る。また、制御回路２３からのスイッチ開閉信号によ
り、スイッチＳ１は閉、スイッチＳ２は閉、スイッチＳ
３は開になり、可動電極２ｄはＣ−Ｖ変換回路２１に接
続される。このとき、Ｃ−Ｖ変換回路２１のスイッチＳ
１が閉じているため、コンデンサ２１ｂの電荷が放電さ
れ、演算増幅器２１ａの出力端子からは、基準電圧（Ｖ
DD／２）が出力される。また、可動電極２ｄの電位は演
算増幅器２１ａの働きにより基準電圧に固定される。
波信号Ｐ１はＨｉ、搬送波信号Ｐ２はＬｏになってい
る。また、制御回路２３からのスイッチ開閉信号によ
り、スイッチＳ１は閉、スイッチＳ２は閉、スイッチＳ
３は開になり、可動電極２ｄはＣ−Ｖ変換回路２１に接
続される。このとき、Ｃ−Ｖ変換回路２１のスイッチＳ
１が閉じているため、コンデンサ２１ｂの電荷が放電さ
れ、演算増幅器２１ａの出力端子からは、基準電圧（Ｖ
DD／２）が出力される。また、可動電極２ｄの電位は演
算増幅器２１ａの働きにより基準電圧に固定される。
【００１８】第２のフェーズ（φ２）では、搬送波信号
Ｐ１、Ｐ２の電圧レベルが反転（Ｐ１がＬｏ、Ｐ２がＨ
ｉ）し、スイッチＳ１が開く。このとき、可動電極２ｄ
と固定電極３間の容量Ｃ１と、可動電極２ｄと固定電極
４間の容量Ｃ２との間にΔＣの差があると、搬送波信号
の振幅ＶDDとΔＣの積で表される電荷Ｑが可動電極２ｄ
に生じるが、演算増幅器２１ａの働きにより可動電極２
ｄの電位が基準電位に保たれるため、電荷Ｑはコンデン
サ２１ｂに蓄積され、演算増幅器２１ａの出力電圧が変
化する。
Ｐ１、Ｐ２の電圧レベルが反転（Ｐ１がＬｏ、Ｐ２がＨ
ｉ）し、スイッチＳ１が開く。このとき、可動電極２ｄ
と固定電極３間の容量Ｃ１と、可動電極２ｄと固定電極
４間の容量Ｃ２との間にΔＣの差があると、搬送波信号
の振幅ＶDDとΔＣの積で表される電荷Ｑが可動電極２ｄ
に生じるが、演算増幅器２１ａの働きにより可動電極２
ｄの電位が基準電位に保たれるため、電荷Ｑはコンデン
サ２１ｂに蓄積され、演算増幅器２１ａの出力電圧が変
化する。
【００１９】例えば、可動電極２ｄが、図の矢印方向に
変位したとすると、第１のフェーズでは可動電極２ｄの
固定電極３側に通常よりも大きいマイナスの電荷が発生
し、第２のフェーズでは可動電極２ｄの固定電極３側に
通常よりも小さいプラスの電荷が発生するため、その差
であるマイナスの電荷によりコンデンサ２１ｂにおける
演算増幅器２１ａの反転入力端子側、出力端子側にマイ
ナスの電荷、プラスの電荷がそれぞれ発生する。このた
め、演算増幅器２１ａの出力電圧が＋ΔＶだけ変化す
る。逆に、可動電極２ｄが、図の矢印方向と逆方向に変
位したとすると、演算増幅器２１ａの出力電圧が−ΔＶ
だけ変化する。
変位したとすると、第１のフェーズでは可動電極２ｄの
固定電極３側に通常よりも大きいマイナスの電荷が発生
し、第２のフェーズでは可動電極２ｄの固定電極３側に
通常よりも小さいプラスの電荷が発生するため、その差
であるマイナスの電荷によりコンデンサ２１ｂにおける
演算増幅器２１ａの反転入力端子側、出力端子側にマイ
ナスの電荷、プラスの電荷がそれぞれ発生する。このた
め、演算増幅器２１ａの出力電圧が＋ΔＶだけ変化す
る。逆に、可動電極２ｄが、図の矢印方向と逆方向に変
位したとすると、演算増幅器２１ａの出力電圧が−ΔＶ
だけ変化する。
【００２０】そして、信号処理回路２２におけるサンプ
ルホールド回路２２ａは、そのときの演算増幅器２１ａ
の出力電圧をサンプリングする。第３のフェーズ（φ
３）では、スイッチＳ２が開き、スイッチＳ３が閉じ
る。また、サンプルホールド回路２２ａは、サンプリン
グした電圧をホールドする。このホールドされた電圧
は、ローパスフィルタ２２ｂを介し増幅器２２ｃにて反
転増幅される。例えば、増幅器２２ｃは、サンプリング
ホールドされた電圧（±ΔＶ）を（−１）倍し、その電
圧を基準電圧に加えて出力する。
ルホールド回路２２ａは、そのときの演算増幅器２１ａ
の出力電圧をサンプリングする。第３のフェーズ（φ
３）では、スイッチＳ２が開き、スイッチＳ３が閉じ
る。また、サンプルホールド回路２２ａは、サンプリン
グした電圧をホールドする。このホールドされた電圧
は、ローパスフィルタ２２ｂを介し増幅器２２ｃにて反
転増幅される。例えば、増幅器２２ｃは、サンプリング
ホールドされた電圧（±ΔＶ）を（−１）倍し、その電
圧を基準電圧に加えて出力する。
【００２１】このとき、スイッチＳ３が閉じているた
め、増幅器２２ｃの出力電圧（フィードバック電圧）
は、可動電極２ｄに印加される。その結果、可動電極２
ｄを加速度によって変位した方向と逆方向に変位させる
ことができる。例えば、可動電極２ｄが、図の矢印方向
に変位したときには、上述したように演算増幅器２１ａ
の出力電圧が＋ΔＶだけ変化し、増幅器２２ｃからは
（基準電圧−ΔＶ）の電圧が出力され、その電圧が可動
電極２ｄに印加される。この第３のフェーズでは搬送波
信号Ｐ１、Ｐ２がそれぞれＬｏ、Ｈｉになっているた
め、可動電極２ｄに印加される電圧が−ΔＶ変化したこ
とによって、可動電極２ｄと固定電極４間の電圧が大き
く、また可動電極２ｄと固定電極３間の電圧が小さくな
るため、可動電極２ｄは、固定電極４の方に変位する。
すなわち、可動電極２ｄが、加速度によって変位したの
と逆方向に変位する。
め、増幅器２２ｃの出力電圧（フィードバック電圧）
は、可動電極２ｄに印加される。その結果、可動電極２
ｄを加速度によって変位した方向と逆方向に変位させる
ことができる。例えば、可動電極２ｄが、図の矢印方向
に変位したときには、上述したように演算増幅器２１ａ
の出力電圧が＋ΔＶだけ変化し、増幅器２２ｃからは
（基準電圧−ΔＶ）の電圧が出力され、その電圧が可動
電極２ｄに印加される。この第３のフェーズでは搬送波
信号Ｐ１、Ｐ２がそれぞれＬｏ、Ｈｉになっているた
め、可動電極２ｄに印加される電圧が−ΔＶ変化したこ
とによって、可動電極２ｄと固定電極４間の電圧が大き
く、また可動電極２ｄと固定電極３間の電圧が小さくな
るため、可動電極２ｄは、固定電極４の方に変位する。
すなわち、可動電極２ｄが、加速度によって変位したの
と逆方向に変位する。
【００２２】従って、上記した第１から第３のフェーズ
の動作を繰り返すことにより、可動電極２ｄを所定の位
置に戻すようにサーボ制御が行われ、信号処理回路２２
から加速度を示す電圧Ｖout が出力される。上記した実
施形態によれば、Ｃ−Ｖ変換を行う期間（第１、第２の
フェーズ）とサーボ制御を行う期間（第３のフエーズ）
を分けているため、固定電極３、４に印加する搬送波信
号の中心電圧を異ならせる必要がなく、搬送波信号の振
幅を大きくすることができるため、Ｃ−Ｖ変換の感度が
上がり、高感度のサーボ制御を行うことができる。
の動作を繰り返すことにより、可動電極２ｄを所定の位
置に戻すようにサーボ制御が行われ、信号処理回路２２
から加速度を示す電圧Ｖout が出力される。上記した実
施形態によれば、Ｃ−Ｖ変換を行う期間（第１、第２の
フェーズ）とサーボ制御を行う期間（第３のフエーズ）
を分けているため、固定電極３、４に印加する搬送波信
号の中心電圧を異ならせる必要がなく、搬送波信号の振
幅を大きくすることができるため、Ｃ−Ｖ変換の感度が
上がり、高感度のサーボ制御を行うことができる。
【００２３】なお、上記した実施形態においては、第１
から第３のフェーズにおける搬送波信号Ｐ１、Ｐ２のデ
ューティ比が５０％になっていないものを示したが、Ｈ
ｉとＬｏの期間を異ならせてデューティ比が５０％にな
るようにしてもよい。 （第２実施形態）図４に、本発明の第２実施形態におけ
る検出回路２０の構成を示す。なお、センサ部における
センサエレメン１０の構成は図１に示すものと同じであ
る。
から第３のフェーズにおける搬送波信号Ｐ１、Ｐ２のデ
ューティ比が５０％になっていないものを示したが、Ｈ
ｉとＬｏの期間を異ならせてデューティ比が５０％にな
るようにしてもよい。 （第２実施形態）図４に、本発明の第２実施形態におけ
る検出回路２０の構成を示す。なお、センサ部における
センサエレメン１０の構成は図１に示すものと同じであ
る。
【００２４】上記した第１実施形態では、Ｃ−Ｖ変換を
基準電圧を基準に行うようにしていたが、この第２実施
形態では、信号処理回路３の出力電圧を基準に行うよう
にしている。このため、第１実施形態におけるスイッチ
Ｓ２、Ｓ３をなくし、信号処理回路２２からの出力電圧
を演算増幅器２１ａの反転入力端子に接続するようにし
ている。
基準電圧を基準に行うようにしていたが、この第２実施
形態では、信号処理回路３の出力電圧を基準に行うよう
にしている。このため、第１実施形態におけるスイッチ
Ｓ２、Ｓ３をなくし、信号処理回路２２からの出力電圧
を演算増幅器２１ａの反転入力端子に接続するようにし
ている。
【００２５】また、信号処理回路２２においては、サン
プルホールド回路２２ａの出力電圧とこの信号処理回路
２２の出力電圧を差動増幅する差動増幅回路２２ｄを設
け、また第１実施形態における増幅器２２ｃの代わり
に、ローパスフィルタ２２ｂを介して入力される電圧を
積分してその積分結果を基準電圧に加えて出力する積分
回路２２ｄを設けている。
プルホールド回路２２ａの出力電圧とこの信号処理回路
２２の出力電圧を差動増幅する差動増幅回路２２ｄを設
け、また第１実施形態における増幅器２２ｃの代わり
に、ローパスフィルタ２２ｂを介して入力される電圧を
積分してその積分結果を基準電圧に加えて出力する積分
回路２２ｄを設けている。
【００２６】上記構成においてその作動を図５に示す信
号波形図を参照して説明する。第１のフェーズ（φ１）
では、搬送波信号Ｐ１はＨｉ、搬送波信号Ｐ２はＬｏ
で、スイッチＳ１は閉となり、また第２のフェーズ（φ
２）では、搬送波信号ＰはＬｏ、搬送波信号Ｐ２はＨｉ
で、スイッチＳ１は開となるので、第１実施形態と同
様、可動電極２ｄが加速度を受けて変位した場合に、演
算増幅器２１ａの出力電圧が±ΔＶだけ変化する。すな
わち、この第１、第２のフェーズにおいて、第１実施形
態と同様、Ｃ−Ｖ変換が行われる。
号波形図を参照して説明する。第１のフェーズ（φ１）
では、搬送波信号Ｐ１はＨｉ、搬送波信号Ｐ２はＬｏ
で、スイッチＳ１は閉となり、また第２のフェーズ（φ
２）では、搬送波信号ＰはＬｏ、搬送波信号Ｐ２はＨｉ
で、スイッチＳ１は開となるので、第１実施形態と同
様、可動電極２ｄが加速度を受けて変位した場合に、演
算増幅器２１ａの出力電圧が±ΔＶだけ変化する。すな
わち、この第１、第２のフェーズにおいて、第１実施形
態と同様、Ｃ−Ｖ変換が行われる。
【００２７】この演算増幅器２１ａの出力電圧、すなわ
ち基準電圧±ΔＶの電圧は、サンプルホールド回路２２
ａでサンプリングされ、第３のフェーズ（φ３）でホー
ルドされる。そして、このホールドされた電圧と信号処
理回路２２の出力電圧とが差動増幅回路２２ｅにおいて
差動増幅され、演算増幅器２１ａの出力電圧の変化分の
電圧が出力される。その出力電圧は、ローパスフィルタ
２２ｂを介し積分回路２２ｄにて積分処理され、上記し
た変化分の電圧を積分した積分電圧を基準電圧に加えて
出力する。
ち基準電圧±ΔＶの電圧は、サンプルホールド回路２２
ａでサンプリングされ、第３のフェーズ（φ３）でホー
ルドされる。そして、このホールドされた電圧と信号処
理回路２２の出力電圧とが差動増幅回路２２ｅにおいて
差動増幅され、演算増幅器２１ａの出力電圧の変化分の
電圧が出力される。その出力電圧は、ローパスフィルタ
２２ｂを介し積分回路２２ｄにて積分処理され、上記し
た変化分の電圧を積分した積分電圧を基準電圧に加えて
出力する。
【００２８】この積分回路２２ｄの出力電圧は、演算増
幅器２１ａの反転入力端子に入力される。その結果、可
動電極２ｄの電圧は、上記した積分電圧分だけ変化す
る。その変化方向は、演算増幅器２１ａの出力電圧の変
化方向と同じである。従って、例えば、可動電極２ｄが
図の矢印方向に変化し、演算増幅器２１ａの出力電圧が
＋Ｖだけ変化したときは、積分回路２２ｄの出力電圧は
＋方向に変化し、可動電極２ｄの電圧が基準電圧から＋
方向に変化する。この第３のフェーズ（φ３）では、搬
送波信号Ｐ１はＨｉ、搬送波信号Ｐ２はＬｏとなってい
るため、可動電極２ｄと固定電極４間の電圧が大きく、
また可動電極２ｄと固定電極３間の電圧が小さくなるた
め、可動電極２ｄは、固定電極４の方に変位する。すな
わち、可動電極２ｄが、加速度によって変位したのと逆
方向に変位する。なお、可動電極２ｄが図の矢印方向と
逆方向に変化したときには、可動電極２ｄの電圧が−方
向に変化し、この場合も可動電極２ｄは、加速度によっ
て変位したのと逆方向に変位する。
幅器２１ａの反転入力端子に入力される。その結果、可
動電極２ｄの電圧は、上記した積分電圧分だけ変化す
る。その変化方向は、演算増幅器２１ａの出力電圧の変
化方向と同じである。従って、例えば、可動電極２ｄが
図の矢印方向に変化し、演算増幅器２１ａの出力電圧が
＋Ｖだけ変化したときは、積分回路２２ｄの出力電圧は
＋方向に変化し、可動電極２ｄの電圧が基準電圧から＋
方向に変化する。この第３のフェーズ（φ３）では、搬
送波信号Ｐ１はＨｉ、搬送波信号Ｐ２はＬｏとなってい
るため、可動電極２ｄと固定電極４間の電圧が大きく、
また可動電極２ｄと固定電極３間の電圧が小さくなるた
め、可動電極２ｄは、固定電極４の方に変位する。すな
わち、可動電極２ｄが、加速度によって変位したのと逆
方向に変位する。なお、可動電極２ｄが図の矢印方向と
逆方向に変化したときには、可動電極２ｄの電圧が−方
向に変化し、この場合も可動電極２ｄは、加速度によっ
て変位したのと逆方向に変位する。
【００２９】すなわち、この実施形態においては、積分
回路２２ｄの出力電圧が基準電圧から変化したときに、
その出力電圧が基準電圧に戻るようにフィードバック制
御を行うようにしている。このようなフィードバック制
御においては、搬送波信号Ｐ１、Ｐ２のデューティ比が
５０％になっていると、可動電極２ｄを所定の位置に戻
す静電気力を発生させることができないため、搬送波信
号Ｐ１、Ｐ２のデューティ比を５０％とは異なる値にし
て、可動電極２ｄを所定の位置に戻す静電気力を発生さ
せるようにしている。すなわち、搬送波信号Ｐ１、Ｐ２
のＨｉとＬｏの期間を異ならせ、ＨｉとＬｏの期間の差
の期間（上記した例においては第３のフェーズ）におい
て可動電極２ｄに信号処理回路２２から出力される電圧
を印加して可動電極２ｄを所定の位置に戻す静電気力を
発生させるようにしている。
回路２２ｄの出力電圧が基準電圧から変化したときに、
その出力電圧が基準電圧に戻るようにフィードバック制
御を行うようにしている。このようなフィードバック制
御においては、搬送波信号Ｐ１、Ｐ２のデューティ比が
５０％になっていると、可動電極２ｄを所定の位置に戻
す静電気力を発生させることができないため、搬送波信
号Ｐ１、Ｐ２のデューティ比を５０％とは異なる値にし
て、可動電極２ｄを所定の位置に戻す静電気力を発生さ
せるようにしている。すなわち、搬送波信号Ｐ１、Ｐ２
のＨｉとＬｏの期間を異ならせ、ＨｉとＬｏの期間の差
の期間（上記した例においては第３のフェーズ）におい
て可動電極２ｄに信号処理回路２２から出力される電圧
を印加して可動電極２ｄを所定の位置に戻す静電気力を
発生させるようにしている。
【００３０】なお、この実施形態においては、可動電極
２ｄの電圧が常時信号処理回路２２の出力電圧となるた
め、Ｃ−Ｖ変換器２１の出力電圧は、可動電極２ｄの電
圧が基準電圧からずれている分だけオフセットを持つこ
とになる。このため、信号処理回路２２では差動増幅回
路２２ｅを設け、Ｃ−Ｖ変換器２１の出力電圧と信号処
理回路２２の出力電圧の差をとって、上記したオフセッ
トを除去するようにしている。
２ｄの電圧が常時信号処理回路２２の出力電圧となるた
め、Ｃ−Ｖ変換器２１の出力電圧は、可動電極２ｄの電
圧が基準電圧からずれている分だけオフセットを持つこ
とになる。このため、信号処理回路２２では差動増幅回
路２２ｅを設け、Ｃ−Ｖ変換器２１の出力電圧と信号処
理回路２２の出力電圧の差をとって、上記したオフセッ
トを除去するようにしている。
【００３１】このように本実施形態においても、Ｃ−Ｖ
変換を行う期間（第１、第２のフェーズ）とサーボ制御
を行う期間（第３のフエーズ）を分けているため、固定
電極３、４に印加する搬送波信号の中心電圧を異ならせ
る必要がなく、搬送波信号の振幅を大きくすることがで
きるため、Ｃ−Ｖ変換の感度が上がり、高感度のサーボ
制御を行うことができる。
変換を行う期間（第１、第２のフェーズ）とサーボ制御
を行う期間（第３のフエーズ）を分けているため、固定
電極３、４に印加する搬送波信号の中心電圧を異ならせ
る必要がなく、搬送波信号の振幅を大きくすることがで
きるため、Ｃ−Ｖ変換の感度が上がり、高感度のサーボ
制御を行うことができる。
【００３２】なお、上記した第１実施形態においても、
この第２実施形態に示すような積分回路２２ｄを用いて
信号処理回路２２を構成するようにすることができる。
また、積分回路の代わりに比較器を用いて構成するよう
にしてもよい。さらに、本発明は、加速度センサに適用
するもの限らず、圧力センサ、ヨーレートセンサなどの
静電容量式の物理量検出装置にも同様に適用することが
できる。
この第２実施形態に示すような積分回路２２ｄを用いて
信号処理回路２２を構成するようにすることができる。
また、積分回路の代わりに比較器を用いて構成するよう
にしてもよい。さらに、本発明は、加速度センサに適用
するもの限らず、圧力センサ、ヨーレートセンサなどの
静電容量式の物理量検出装置にも同様に適用することが
できる。
【図１】本発明の第１実施形態における加速度センサの
センサ部の模式的構成を示す図である。
センサ部の模式的構成を示す図である。
【図２】図１中の検出回路２０の具体的な構成を示す図
である。
である。
【図３】図２に示す検出回路２０の作動説明に供する信
号波形図である。
号波形図である。
【図４】本発明の第２実施形態における検出回路２０の
具体的な構成を示す図である。
具体的な構成を示す図である。
【図５】図４に示す検出回路２０の作動説明に供する信
号波形図である。
号波形図である。
２…梁構造体、２ｄ…可動電極、３、４…固定電極、１
０…センサエレメント、２０…検出回路、２１…Ｃ−Ｖ
変換回路、２２…信号処理回路、Ｓ２、Ｓ３…スイッ
チ、２３…制御回路。
０…センサエレメント、２０…検出回路、２１…Ｃ−Ｖ
変換回路、２２…信号処理回路、Ｓ２、Ｓ３…スイッ
チ、２３…制御回路。
Claims (6)
- 【請求項１】 物理量の変化に応じて変位する可動電極
（２ｄ）と、 前記可動電極（２ｄ）に対向して配置された第１、第２
の固定電極（３、４）と、 前記可動電極（２ｄ）と前記第１、第２の固定電極
（３、４）からなる差動容量の容量変化に応じた電圧を
出力するＣ−Ｖ変換回路（２１）と、 前記Ｃ−Ｖ変換回路（２１）の出力に基づき前記可動電
極（２ｄ）を前記可動電極（２ｄ）が前記物理量の変化
によって変位した方向と逆方向に変位させるためのフィ
ードバック電圧を出力する信号処理回路（２２）と、 電圧レベルが変化する第１の期間とこの第１の期間に続
く所定電圧レベルの第２の期間を有する第１の搬送波信
号を前記第１の固定電極（３）に印加し、前記第１の搬
送波信号に対し電圧レベルが反転した第２の搬送波信号
を前記第２の固定電極（４）に印加する搬送波信号発生
手段（２３）とを備え、 前記第１の期間において前記Ｃ−Ｖ変換回路（２１）か
ら前記容量変化に応じた電圧が出力され、前記第２の期
間において前記信号処理回路（２２）から出力されるフ
ィードバック電圧が前記可動電極（２ｄ）に印加される
ようにしたことを特徴とする静電サーボ式物理量検出装
置。 - 【請求項２】 前記搬送波信号発生手段（２３）は、前
記第１、第２の搬送波信号として、前記第１の期間では
電圧レベルが異なる第１、第２の電圧レベルとなり、前
記第２の期間では前記第１、第２の電圧レベルのいずれ
か一方の電圧レベルとなる矩形波信号を生成するもので
あることを特徴とする請求項１に記載の静電サーボ式物
理量検出装置。 - 【請求項３】 前記第１の期間において前記可動電極
（２ｄ）を前記Ｃ−Ｖ変換回路（２１）に信号接続し、
前記第２の期間において前記信号処理回路（２２）から
出力されるフィードバック電圧を前記可動電極（２ｄ）
に印加するスイッチ手段（Ｓ２、Ｓ３）を備えたことを
特徴とする請求項１又は２に記載の静電サーボ式物理量
検出装置。 - 【請求項４】 前記Ｃ−Ｖ変換回路（２１）は、一方の
入力端子に前記可動電極（２ｄ）が接続され他方の入力
端子に前記信号処理回路（２２）からのフィードバック
電圧が印加される演算増幅器（２１ａ）を有しており、
前記信号処理回路（２２）は、前記演算増幅器（２１
ａ）の出力電圧の変化に基づいて前記フィードバック電
圧を出力するものであることを特徴とする請求項１又は
２に記載の静電サーボ式物理量検出装置。 - 【請求項５】 前記信号処理回路（２２）は、前記演算
増幅器（２１ａ）の出力電圧と前記演算増幅器（２１
ａ）の前記他方の入力端子に印加されているフィードバ
ック電圧の差を検出して前記フィードバック電圧を生成
する回路（２２ｂ、２２ｄ）を有することを特徴とする
請求項４に記載の静電サーボ式物理量検出装置。 - 【請求項６】 物理量の変化に応じて変位する可動電極
（２ｄ）と、 前記可動電極（２ｄ）に対向して配置された第１、第２
の固定電極（３、４）と、 前記第１、第２の固定電極（３、４）に第１、第２の搬
送波信号をそれぞれ印加する搬送波信号発生手段（２
３）と、 前記可動電極（２ｄ）と前記第１、第２の固定電極
（３、４）からなる差動容量の容量変化に応じた電圧を
出力するＣ−Ｖ変換回路（２１）と、 前記Ｃ−Ｖ変換回路（２１）の出力に基づき前記可動電
極（２ｄ）を前記可動電極（２ｄ）が前記物理量の変化
によって変位した方向と逆方向に変位させるためのフィ
ードバック電圧を出力する信号処理回路（２２）とを備
えた静電サーボ式物理量検出装置において、 前記搬送波信号発生手段（２３）は、第１の電圧レベル
と第２の電圧レベルを有し前記第１の電圧レベルとなる
期間と前記第２の電圧レベルとなる期間が異なる矩形波
信号を前記第１の搬送波信号として前記第１の固定電極
（３）に印加し、前記第１の搬送波信号に対し電圧レベ
ルが反転した第２の搬送波信号を前記第２の固定電極
（４）に印加するものであって、 前記第１の電圧レベルとなる期間と前記第２の電圧レベ
ルとなる期間の差の期間において前記信号処理回路（２
２）から出力されるフィードバック電圧により前記可動
電極（２ｄ）のサーボ制御が行われるようにしたことを
特徴とする静電サーボ式物理量検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00488798A JP3804242B2 (ja) | 1998-01-13 | 1998-01-13 | 静電サーボ式物理量検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00488798A JP3804242B2 (ja) | 1998-01-13 | 1998-01-13 | 静電サーボ式物理量検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11201850A true JPH11201850A (ja) | 1999-07-30 |
| JP3804242B2 JP3804242B2 (ja) | 2006-08-02 |
Family
ID=11596203
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP00488798A Expired - Fee Related JP3804242B2 (ja) | 1998-01-13 | 1998-01-13 | 静電サーボ式物理量検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3804242B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001272414A (ja) * | 1999-12-18 | 2001-10-05 | Robert Bosch Gmbh | 内燃機関のノッキングを検出するためのセンサ |
| US6990864B2 (en) * | 2001-12-03 | 2006-01-31 | Denso Corporation | Semiconductor dynamic quantity sensor |
| JP2010019779A (ja) * | 2008-07-14 | 2010-01-28 | Toyota Central R&D Labs Inc | 物理量検出センサと物理量検出装置とサーボ制御回路 |
| JP2016511427A (ja) * | 2013-03-14 | 2016-04-14 | ローズマウント インコーポレイテッド | センサ可変励起機能を有するプロセス計測システム |
| CN107505479A (zh) * | 2017-09-26 | 2017-12-22 | 华中科技大学 | 一种静电加速度计 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6545611B2 (ja) * | 2015-12-10 | 2019-07-17 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 慣性検出装置 |
-
1998
- 1998-01-13 JP JP00488798A patent/JP3804242B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001272414A (ja) * | 1999-12-18 | 2001-10-05 | Robert Bosch Gmbh | 内燃機関のノッキングを検出するためのセンサ |
| US6990864B2 (en) * | 2001-12-03 | 2006-01-31 | Denso Corporation | Semiconductor dynamic quantity sensor |
| JP2010019779A (ja) * | 2008-07-14 | 2010-01-28 | Toyota Central R&D Labs Inc | 物理量検出センサと物理量検出装置とサーボ制御回路 |
| JP2016511427A (ja) * | 2013-03-14 | 2016-04-14 | ローズマウント インコーポレイテッド | センサ可変励起機能を有するプロセス計測システム |
| CN107505479A (zh) * | 2017-09-26 | 2017-12-22 | 华中科技大学 | 一种静电加速度计 |
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|---|---|
| JP3804242B2 (ja) | 2006-08-02 |
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