WO2014163076A1 - 静電容量型センサ、及び非線形出力の補正方法 - Google Patents

静電容量型センサ、及び非線形出力の補正方法 Download PDF

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WO2014163076A1
WO2014163076A1 PCT/JP2014/059634 JP2014059634W WO2014163076A1 WO 2014163076 A1 WO2014163076 A1 WO 2014163076A1 JP 2014059634 W JP2014059634 W JP 2014059634W WO 2014163076 A1 WO2014163076 A1 WO 2014163076A1
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WO
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acceleration
movable electrode
capacitive sensor
correction
electrode
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PCT/JP2014/059634
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French (fr)
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実 柿沼
木代 雅巳
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富士電機株式会社
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R35/00Testing or calibrating of apparatus covered by the other groups of this subclass
    • G01R35/005Calibrating; Standards or reference devices, e.g. voltage or resistance standards, "golden" references
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring 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
    • G01P15/125Measuring 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 by capacitive pick-up
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/18Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions
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    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P21/00Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605Measuring capacitance

Definitions

  • the present invention relates to a capacitance type sensor for detecting acceleration and a method for correcting nonlinear output.
  • an acceleration detection device that detects acceleration
  • a capacitance type device as described in Patent Document 1, for example.
  • This capacitance-type device detects acceleration by arranging a fixed electrode in the vicinity of the movable electrode and detecting a change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode.
  • Patent Documents 1, 2, and 3 show that the relationship between the change in capacitance and the amount of displacement of the movable electrode is nonlinear. In Patent Documents 1, 2, and 3, it is described that since the displacement amount of the movable electrode is very small, the relationship between the change in capacitance and the displacement amount of the movable electrode can be regarded as linear.
  • the acceleration sensors disclosed in Patent Documents 4 and 5 regard the relationship between the change in capacitance and the amount of displacement of the movable electrode as non-linear, and correct this non-linearity.
  • the acceleration sensor disclosed in Patent Document 4 is a cylindrical three-axis acceleration sensor. This acceleration sensor detects acceleration for each of the three axes based on a change in capacitance between electrodes on the fixed disk and electrodes on the movable disk facing each other in the extending direction of the cylinder.
  • the acceleration sensor of Patent Document 5 detects the acceleration in one direction.
  • the present inventor examined the construction of a capacitive sensor having a movable electrode and a plurality of fixed electrodes facing the movable electrode from different directions.
  • the inventor has studied a method of accurately detecting acceleration in each of a plurality of directions in this capacitive sensor.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a movable electrode and a plurality of fixed electrodes facing the movable electrode from different directions, respectively, in a plurality of directions. It is an object of the present invention to provide a capacitance type sensor and a correction method capable of accurately detecting acceleration.
  • the capacitive sensor includes a movable electrode, a support, a beam member, a first fixed electrode, a second fixed electrode, a detection unit, and a correction unit.
  • the beam member is attached in a state where the movable electrode is movable to the support.
  • the first fixed electrode is opposed to the movable electrode from the first direction.
  • the second fixed electrode is opposed to the movable electrode from a second direction different from the first direction.
  • a detection part detects the change of the electrostatic capacitance which arises between a movable electrode and each fixed electrode.
  • the correction unit corrects the detection result of the detection unit and generates an acceleration signal indicating the acceleration.
  • the non-linear output correction method is a method of correcting the output of the detection unit in the above-described capacitance type sensor. First, using the distance between the movable electrode and the fixed electrode and the spring constant of the beam member, a theoretical formula for calculating the capacitance from the acceleration is calculated. And the output of a detection part is correct
  • acceleration can be accurately detected in each of a plurality of directions in a capacitive sensor having a movable electrode and a plurality of fixed electrodes facing the movable electrode from different directions.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. It is a figure which shows the circuit structure of the detection part of an electrostatic capacitance type sensor. It is a figure which shows a motion of a movable electrode when the acceleration of the X direction in FIGS. 1, 2 is added to the movable electrode of an electrostatic capacitance type sensor. It is a figure which shows the relationship between the output from a detection part, and the acceleration G.
  • FIG. It is a figure which shows the output (1st acceleration signal) after correct
  • FIG. 5 shows the circuit structure of the detection part of an electrostatic capacitance type sensor. It is a figure which shows a motion of a movable electrode when the acceleration of the Z direction in FIG. 2 is added to the movable electrode of an electrostatic capacitance type sensor. It is a figure which shows the relationship between the output from a detection part, and the acceleration G. FIG. It is a figure which shows the output (2nd acceleration signal) after correct
  • FIG. 14 is a diagram showing a relationship between an output ⁇ C and an acceleration G when the initial deviation d ofst ⁇ 0 in FIG. 13. It is a figure showing the range of the acceleration which can be applied with respect to the housing
  • each component of the detection unit 200 and the correction unit 300 is not a hardware unit configuration but a functional unit block.
  • the detection unit 200 and the correction unit 300 are an arbitrary computer CPU, memory, a program loaded in the memory, a storage medium such as a hard disk for storing the program, and an interface for network connection. Realized by combination. There are various modifications to the implementation method.
  • FIG. 1 is a plan view showing the configuration of the capacitive sensor 10 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
  • the capacitive sensor 10 according to this embodiment includes a movable electrode 110, a support 120, a beam member 130, fixed electrodes 141 and 142, a detection unit 200, and a correction unit 300.
  • the beam member 130 functions as a spring
  • the movable electrode 110 is attached to the support 120 in a movable state.
  • the detection unit 200 detects a change in capacitance that occurs between the movable electrode 110 and the fixed electrodes 141 and 142.
  • the correction unit 300 corrects the detection result of the detection unit 200 and generates an acceleration signal indicating the acceleration.
  • the acceleration signal is a value obtained by correcting the detection result of the detection unit 200. For this reason, the relationship between the change in capacitance and the acceleration signal can be made nonlinear. Therefore, the acceleration can be detected with high accuracy.
  • the capacitive sensor 10 will be described in detail.
  • the movable electrode 110 has a flat plate shape, and its planar shape is a rectangle.
  • the fixed electrode 141 (first fixed electrode) is opposed to the first side (edge) of the movable electrode 110, and the fixed electrode is disposed on the side of the movable electrode 110 facing the first side (second side).
  • 142 (second fixed electrode) faces each other.
  • the fixed electrodes 141 and 142 are opposed to each other via the movable electrode 110, and are disposed at positions that are symmetrical with respect to each other with respect to a line that passes through the center of the movable electrode 110 and is parallel to the first side. .
  • each side of the movable electrode 110 is linear. However, these sides may be comb-like. In this case, the sides of the fixed electrodes 141 and 142 facing the movable electrode 110 are also comb-like and are arranged so as to engage with the movable electrode 110.
  • the support 120 is provided so as to surround the four sides of the movable electrode 110. Specifically, the support 120 has a rectangular opening. The four sides of the opening are parallel to the four sides of the movable electrode 110.
  • Four beam members 130 are provided. One end of each beam member 130 is attached to the corner of the movable electrode 110, and the other end is attached to the corner of the opening of the support 120.
  • the arrangement of the beam members 130 is not limited to the example shown in this figure.
  • the capacitive sensor 10 includes fixed electrodes 151 and 152.
  • the fixed electrode 151 faces the third side of the movable electrode 110
  • the fixed electrode 152 faces the side of the movable electrode 110 that faces the third side (fourth side).
  • the capacitive sensor 10 is formed using an SOI (Silicon On On Insulator) substrate 160.
  • This SOI substrate 160 includes a lower silicon support layer 161, a silicon oxide layer 162 formed on the silicon support layer 161, and an active silicon layer 163 formed on the silicon oxide layer 162. .
  • the silicon support layer 161 and the silicon oxide layer 162 are removed by etching, leaving portions (supports 120) surrounding the four sides of the movable electrode 110. In this way, the space portion 164 is formed in the center portion of the silicon support layer 161 and the silicon oxide layer 162.
  • the upper active silicon layer 163 is partially removed by, for example, anisotropic dry etching.
  • the movable electrode 110 located at the center from the active silicon layer 163, the beam member 130 (elastic member) extending outward from the four corners diagonally from the four corners of the movable electrode 110, and four of the movable electrode 110.
  • Fixed electrodes 141, 142, 151, and 152 are formed to face the sides with a predetermined interval.
  • the capacitance type sensor 10 has protective members 172 and 174.
  • the protection members 172 and 174 are formed using glass, for example.
  • the protection member 172 covers the surface (front surface) of the substrate 160 where the movable electrode 110 is formed, and the protection member 174 covers the back surface of the substrate 160.
  • the protection members 172 and 174 are separated from the movable electrode 110 and the like except for the edges.
  • a fixed electrode 180 (third fixed electrode) is formed on the surface of the protective member 172 facing the movable electrode 110. That is, the fixed electrode 180 faces the movable electrode 110 from a different direction from the fixed electrodes 141, 142, 151, and 152.
  • the fixed electrodes 141 and 142 are opposed to the movable electrode 110 from the first direction (X direction in FIGS. 1 and 2), and the fixed electrode 180 is movable from the second direction (Z direction in FIG. 2). Opposite the electrode 110.
  • the second direction is a direction facing the front surface or the back surface of the movable electrode 110.
  • the correction unit 300 changes the electrostatic capacity (first electrostatic capacity) between the movable electrode 110 and the fixed electrode 141 and the electrostatic capacity (second electrostatic capacity) between the movable electrode 110 and the fixed electrode 142. )
  • the component perpendicular to the first side of the movable electrode 110 (the component in the X direction in FIGS. 1 and 2: the acceleration in the first direction) is detected from the acceleration applied to the movable electrode 110 and detected.
  • a first acceleration signal indicating the magnitude of acceleration is output.
  • the capacitance between the movable electrode 110 and the fixed electrode 141 changes in the opposite direction to the capacitance between the movable electrode 110 and the fixed electrode 142.
  • side of the movable electrode 110 among the accelerations applied to the movable electrode 110 among the capacitive sensors 10 has a differential structure symmetrical in the X direction. .
  • the correction unit 300 determines the acceleration applied to the movable electrode 110 based on the change in capacitance between the movable electrode 110 and the fixed electrode 151 and the change in capacitance between the movable electrode 110 and the fixed electrode 152. Among these, a component parallel to the first side of the movable electrode 110 (component in the Y direction in FIG. 1) is detected, and an acceleration signal indicating the magnitude of the detected acceleration is output.
  • the capacitive sensor 10 has a differential structure that is symmetric in the Y direction when detecting a component parallel to the first side of the movable electrode 110 out of the acceleration applied to the movable electrode 110.
  • the correction unit 300 generates a component perpendicular to the movable electrode 110 (acceleration applied to the movable electrode 110 based on a change in capacitance (third capacitance) between the movable electrode 110 and the fixed electrode 180). 2), and a second acceleration signal indicating the magnitude of the detected acceleration is output.
  • the capacitive sensor 10 has an asymmetric structure in the Z direction when detecting a component perpendicular to the movable electrode 110 out of the acceleration applied to the movable electrode 110.
  • the correction method used by the correction unit 300 differs depending on the combination of the movable electrode 110 and the fixed electrode. Specifically, the correction method used when detecting the component perpendicular to the movable electrode 110 (the component in the Z direction in FIG. 2) among the accelerations applied to the movable electrode 110 is movable among the accelerations applied to the movable electrode 110. This is different from the correction method used when detecting a component perpendicular to the first side of the electrode 110 (component in the X direction in FIGS. 1 and 2).
  • correction methods are set as follows, for example. First, using the distance between the movable electrode and the fixed electrode and the spring constant of the beam member, a theoretical formula for calculating the capacitance from the acceleration is calculated. Then, the correction method is set by using the inverse transformation formula of the theoretical formula.
  • the correction method used by the correction unit 300 is stored in the correction data storage unit 302.
  • the correction data storage unit 302 stores, for example, a correction table.
  • the correction unit 300 generates an acceleration signal based on a correction formula using this correction table.
  • the correction unit 300 calculates a broken line as an approximate expression of the correction expression by connecting two adjacent points among a plurality of points stored in the correction table with a straight line. In this way, the calculation load applied to the correction unit 300 can be reduced.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a circuit configuration of the detection unit 210 included in the detection unit 200 of the capacitance type sensor 10.
  • the detection unit 210 is connected to the fixed electrodes 141 and 142.
  • the detection unit 200 includes a circuit connected to the fixed electrodes 151 and 152 separately from the detection unit 210. This circuit also has the same configuration as that of the detection unit 210.
  • a DC voltage is applied to the movable electrode 110.
  • the fixed electrode 141 is connected to the negative input terminal of the differential amplifier Q1.
  • the positive input terminal of the differential amplifier Q1 is grounded.
  • a resistor R1 and a capacitor C1 are connected in parallel to the negative input terminal of the differential amplifier Q1 and the output terminal of the differential amplifier Q1.
  • the fixed electrode 142 is connected to the negative input terminal of the differential amplifier Q2.
  • the positive input terminal of the differential amplifier Q2 is grounded.
  • a resistor R2 and a capacitor C2 are connected in parallel to the negative input terminal of the differential amplifier Q2 and the output terminal of the differential amplifier Q2.
  • the output terminal of the differential amplifier Q1 is input to one input terminal (for example, the negative side input terminal) of the differential amplifier Q3 via the resistor R3, and the output terminal of the differential amplifier Q2 is input via the resistor R4. Is input to the other input terminal (for example, the positive input terminal) of the differential amplifier Q3.
  • a resistor R5 is connected in parallel to one input terminal of the differential amplifier Q3 and the output terminal of the differential amplifier Q3.
  • the resistor R4 and the other input terminal of the differential amplifier Q3 are grounded via a resistor R6.
  • the output of the differential amplifier Q3 is input to the correction unit 300.
  • the above-described circuits of the differential amplifiers Q1 and Q2 are charge / voltage conversion circuits, which convert the capacitance between the electrodes connected to each other into a voltage signal and output it.
  • the circuit of the differential amplifier Q3 is a difference calculation circuit, and outputs the difference result of (Q2-Q1).
  • the output is expressed as capacitance [F] for ease of expression.
  • the voltage signal [V] converted by the Q1 and Q2 is output.
  • FIG. 4 shows the movement of the movable electrode 110 when acceleration in the X direction in FIGS. 1 and 2 is applied to the movable electrode 110 of the capacitive sensor 10.
  • the distance d 1 between the movable electrode 110 and the fixed electrode 141 is (d 0 ⁇ d)
  • the distance d 2 between the movable electrode 110 and the fixed electrode 142 is (d 0 + ⁇ d).
  • Equation (1) the capacitance C 1 between the movable electrode 110 and the fixed electrode 141 is obtained by Equation (1).
  • is a dielectric constant
  • S 1 is an area of a portion where the movable electrode 110 and the fixed electrode 141 are opposed to each other.
  • Equation (2) the capacitance C 2 between the movable electrode 110 and the fixed electrode 142 is obtained by Equation (2).
  • S 2 is the area of a portion fixed electrode 142 and the movable electrode 110 is opposed.
  • Equation (4) becomes the following Equation (5).
  • the correction unit 300 performs correction based on the equation (6) and calculates the first acceleration signal.
  • the specific values of the coefficients ⁇ XY and ⁇ XY in the equation (6) are as follows: the area of each electrode of the design value of the capacitive sensor 10, the initial spacing d 0 between the electrodes, the dielectric constant between the electrodes, and the weight It can be obtained by using numerical values such as mass and beam spring constant.
  • Specific values of the coefficients ⁇ XY and ⁇ XY include the area of each electrode of the capacitive sensor 10, the initial distance d 0 between the electrodes, the dielectric constant between the electrodes, the mass of the weight, the spring constant of the beam, etc. A numerical value obtained as a result of actual measurement may be used.
  • this specific numerical value is obtained by applying a predetermined acceleration (preferably a plurality of accelerations) to each capacitance type sensor 10 and calculating an actual measurement value of the output from the capacitance type sensor 10 at that time (6) It is also possible to calculate by fitting. For the fitting at this time, for example, a least square method can be used. However, the fitting is not limited to the least square method. Data indicating the coefficients ⁇ XY and ⁇ XY is stored in the correction data storage unit 302. The data stored in the correction data storage unit 302 can be rewritten.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the output ⁇ C from the detection unit 210 and the acceleration G. As shown in the figure, the relationship between the output ⁇ C from the detection unit 210 and the acceleration G is non-linear.
  • FIG. 6 is a diagram showing a correction formula shown in Formula (6) and an output (first acceleration signal) after the output ⁇ C shown in FIG. 5 is corrected by this correction formula. As shown in the figure, by performing correction by the correction unit 300, the relationship between the output of the correction unit 300 and the acceleration G can be made linear.
  • the correction unit 300 may be provided with different correction methods depending on whether the acceleration is positive or negative. For example, different correction methods are set by performing the above-mentioned fitting separately when the acceleration is positive and when the acceleration is negative. In this way, the accuracy of correction by the correction unit 300 increases.
  • the correction unit 300 performs the same correction as described with reference to FIG.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a circuit configuration of the detection unit 220 included in the detection unit 200 of the capacitance type sensor 10.
  • the detection unit 220 is connected to the fixed electrode 180.
  • a DC voltage is applied to the movable electrode 110.
  • the fixed electrode 180 is connected to the negative input terminal of the differential amplifier Q11.
  • the positive input terminal of the differential amplifier Q11 is grounded.
  • a resistor R11 and a capacitor C11 are connected in parallel to the negative input terminal of the differential amplifier Q11 and the output terminal of the differential amplifier Q11.
  • the output terminal of the differential amplifier Q11 is input to one input terminal (for example, a negative input terminal) of the differential amplifier Q13 via the resistor R12.
  • the output terminal of the differential amplifier Q12 is connected to the other input terminal (for example, the positive input terminal) of the differential amplifier Q13 via the resistor R13.
  • One input terminal (eg, negative input terminal) of the differential amplifier Q12 is connected to the output terminal of the differential amplifier Q12, and the other input terminal (eg, positive input terminal) of the differential amplifier Q12 is connected to the differential amplifier Q12.
  • the reference voltage is applied via the variable resistor VR11.
  • a resistor R14 is connected in parallel to one input terminal of the differential amplifier Q13 and the output terminal of the differential amplifier Q13.
  • the resistor R13 and the other input terminal of the differential amplifier Q13 are grounded via a resistor R15.
  • the output of the differential amplifier Q13 is input to the correction unit 300.
  • FIG. 8 shows the movement of the movable electrode 110 when acceleration in the Z direction in FIG. 2 is applied to the movable electrode 110 of the capacitive sensor 10.
  • the initial interval between the movable electrode 110 and the fixed electrode 180 (the electrode interval when the acceleration is 0) is d 0 .
  • the distance d 3 between the movable electrode 110 and the fixed electrode 180 becomes (d 0 ⁇ d 2 ).
  • Equation (7) the capacitance C 3 between the fixed electrode 180 and the movable electrode 110 is obtained by Equation (7).
  • is a dielectric constant
  • S 3 is an area of a portion where the movable electrode 110 and the fixed electrode 180 are opposed to each other.
  • Equation (8) can be transformed into Equation (9).
  • This equation (9) is a theoretical equation for calculating the acceleration a.
  • the correcting unit 300 performs correction based on the equation (11) and calculates the second acceleration signal. Then, specific numerical values of the coefficients ⁇ z and ⁇ z in the equation (11) can be obtained by the same method as the above-described coefficients ⁇ xy and ⁇ xy .
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the output ⁇ C from the detection unit 220 and the acceleration G. As shown in the figure, the relationship between the output ⁇ C from the detection unit 220 and the acceleration G is non-linear.
  • FIG. 10 is a diagram showing a correction formula shown in Formula (11) and an output (second acceleration signal) after the output ⁇ C shown in FIG. 9 is corrected with this correction formula. As shown in the figure, by performing correction by the correction unit 300, the relationship between the output of the correction unit 300 and the acceleration G can be made linear.
  • the correction unit 300 may provide a common correction method when the acceleration is positive and when the acceleration is negative.
  • a common correction method is set by performing the fitting described above without dividing the acceleration when the acceleration is positive and when the acceleration is negative.
  • the correction unit 300 corrects the output of the detection unit 200. For this reason, the acceleration signal output from the capacitive sensor 10 has high accuracy.
  • the correction method used by the correction unit 300 is changed according to the positional relationship (combination type) between the movable electrode 110 and the fixed electrode. Specifically, the correction unit 300 makes a correction method applied to the output from the fixed electrode 180 different from the correction method applied to the output from the fixed electrodes 141 and 142. For this reason, the capacitive sensor 10 can detect accelerations in a plurality of directions (for example, the X direction, the Y direction, and the Z direction) with high accuracy.
  • the correction unit 300 calculates a broken line as an approximate expression of the correction formula by connecting two adjacent points among a plurality of points stored in the correction table with a straight line, the correction unit 300 performs the calculation. Arithmetic processing can be reduced.
  • FIG. 11 and 12 are diagrams illustrating a functional configuration of the capacitive sensor 10 according to the second embodiment. 11 corresponds to FIG. 3 in the first embodiment, and FIG. 12 corresponds to FIG. 7 in the first embodiment.
  • the capacitive sensor 10 according to the present embodiment has the same configuration as that of the capacitive sensor 10 according to the first embodiment, except that the AD sensor 410 and the interface 420 are provided.
  • the AD conversion unit 410 is provided between the detection unit 200 and the correction unit 300, and converts an output (analog signal) from the detection unit 200 into a digital signal.
  • the correction unit 300 performs correction processing by digitally processing the digital signal output from the AD conversion unit 410.
  • the interface 420 is an interface that connects an external device (for example, a computer) of the capacitive sensor 10 and the correction unit 300. Information stored in the correction data storage unit 302 of the correction unit 300 can be rewritten via the interface 420.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
  • amendment part 300 performs a digital process
  • amendment part 300 can be performed by a program, for example.
  • the information stored in the correction data storage unit 302 of the correction unit 300 can be rewritten via the interface 420, each capacitance type sensor 10 has the capacitance type sensor 10. Optimal correction data reflecting individual differences can be set.
  • FIG. 1 A plan view showing the configuration of the capacitive sensor 10 according to the third embodiment is shown in FIG. 1, similarly to the capacitive sensor 10 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 shows the AA ′ cross-sectional view of FIG.
  • the circuit configuration of the detection unit 210 and the circuit configuration of the detection unit 220 included in the detection unit 200 of the capacitive sensor 10 according to the third embodiment are the same as those in the first embodiment, respectively, as in FIG. And is represented in FIG.
  • the distance between the fixed electrode 141 and the movable electrode 110 and the distance between the fixed electrode 142 and the movable electrode 110 are deviated from the design values ( Offset component).
  • the design value refers to the distance between the fixed electrode 141 and the movable electrode 110 and the distance between the fixed electrode 142 and the movable electrode 110, both of which are predetermined values and equal values. Therefore, the movable electrode 110 is designed to be positioned at the center between the fixed electrode 141 and the fixed electrode 142.
  • the initial state means a state in which the acceleration applied to the capacitive sensor 10 is 0G.
  • the above-described deviation occurring in the initial state is referred to as initial deviation.
  • the initial deviation corresponds to a manufacturing error that occurs in the actually manufactured capacitive sensor 10.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating the positional relationship between the fixed electrodes 141 and 142 and the movable electrode 110 in the initial state of the capacitive sensor 10 in the X direction in FIGS.
  • d 0 is a design value of the distance between the fixed electrode 141 and the movable electrode 110 and the distance between the fixed electrode 142 and the movable electrode 110.
  • d ofst represents the size of the initial deviation.
  • the distance d 01 between the movable electrode 110 and the fixed electrode 141 is d 0 -d ofst .
  • the capacitance C 1 between the movable electrode 110 and the fixed electrode 141 is obtained by Expression (12).
  • is a dielectric constant
  • S 1 is an area of a portion where the movable electrode 110 and the fixed electrode 141 are opposed to each other.
  • the distance d 02 between the fixed electrode 142 and the movable electrode 110 is d 0 + d ofst . Therefore, the capacitance C 2 between the movable electrode 110 and the fixed electrode 142 is obtained by the equation (13).
  • S 2 is the area of a portion fixed electrode 142 and the movable electrode 110 is opposed.
  • S 1 is equal to S 2.
  • FIG. 14 shows the movement of the movable electrode 110 when acceleration in the X direction in FIGS. 1 and 2 is applied to the movable electrode 110 of the capacitive sensor 10.
  • the initial distance d 01 between the movable electrode 110 and the fixed electrode 141 is (d 0 -d ofst ). Therefore, the electrode interval d 1 when the movable electrode 110 moves to the left by ⁇ d is (d 0 ⁇ d ofst ⁇ d).
  • the electrode interval d 02 between the movable electrode 110 and the fixed electrode 142 is (d 0 + d ofst )
  • the electrode interval d 2 when the movable electrode 110 moves to the left by ⁇ d is (d 0 + d ofst + ⁇ d).
  • Equation (17) is a theoretical equation for calculating the acceleration a.
  • Formula (17) can be transformed into the following Formula (18).
  • the correction unit 300 of the third embodiment performs correction based on the equation (19) and calculates the first acceleration signal.
  • the coefficient alpha XY in equation (19), beta XY, specific numerical values of the gamma XY, the area of each electrode in the capacitance type sensor 10, the initial spacing d 0 of the electrodes, the electrodes initial offset d ofst It can be determined using numerical values such as the dielectric constant between the electrodes, the mass of the movable electrode, and the spring constant of the beam. These values may be design values or actually measured values. Further, it may be a value calculated by a predetermined method.
  • the predetermined method for calculating these values is, for example, “adding a predetermined acceleration (preferably a plurality of accelerations) to the capacitance side sensor 10, and the output from the capacitance side sensor 10 at that time” Is calculated by fitting the actual measured value of (2) to the equation (19).
  • a least square method can be used for the fitting at this time.
  • the fitting is not limited to the least square method.
  • Data of the coefficients ⁇ XY , ⁇ XY , and ⁇ XY is stored in the correction data storage unit 302. The data stored in the correction data storage unit 302 can be rewritten.
  • the correction unit 300 performs the same correction as described with reference to FIGS. 13 and 14.
  • the relationship between the output ⁇ C and the acceleration G (X direction or Y direction) when the correction unit 300 of the third embodiment does not perform correction is represented in FIG.
  • the relationship between the output ⁇ C and the acceleration G when the correction unit 300 performs the correction based on the equation (19) is represented in FIG. 15 and 16 include the initial deviation d ofst of the electrodes, and thus it can be seen that the inflection point is shifted from the origin with respect to FIGS. 5 and 6 of the first embodiment.
  • the correction unit 300 of the third embodiment performs the correction based on the equation (19), so that the relationship between the output ⁇ C of the correction unit 300 and the acceleration G is linear even when the inflection point is deviated from the origin. be able to.
  • FIG. 17 is a diagram showing the positional relationship between the movable electrode 110 and the fixed electrode 180 in the initial state with respect to the Z direction in FIG. 2 of the capacitive sensor 10.
  • an initial deviation (offset component) having a magnitude d ofst2 from a predetermined design value is generated in the distance between the movable electrode 110 and the fixed electrode 180.
  • d 0 is a design value of the distance between the movable electrode 110 and the fixed electrode 180.
  • the initial deviation of the magnitude d ofst2 corresponds to a manufacturing error that occurs in the actually manufactured capacitive sensor 10.
  • the capacitance C 5 between the movable electrode 110 and the fixed electrode 180 is obtained by the equation (20).
  • is a dielectric constant
  • S 3 is an area of a portion where the movable electrode 110 and the fixed electrode 180 are opposed to each other.
  • FIG. 18 shows the movement of the movable electrode 110 when acceleration in the Z direction in FIG. 2 is applied to the movable electrode 110 of the capacitive sensor 10.
  • the movable electrode 110 has moved up by ⁇ d 2 . Since the initial interval d 03 between the movable electrode 110 and the fixed electrode 180 is (d 0 -d ofst2 ), the electrode interval d 3 when the movable electrode 110 moves upward by ⁇ d 2 is (d 0 -d ofst 2 - ⁇ d). 2 ).
  • Equation (22) can be transformed into Equation (23).
  • Equation (23) is a theoretical equation for calculating the acceleration a.
  • the correcting unit 300 performs correction based on the equation (25) and calculates a second acceleration signal. Then, specific numerical values of the coefficients ⁇ Z and ⁇ Z in Expression (25) can be obtained by the same method as the coefficients ⁇ XY , ⁇ XY , and ⁇ XY in Expression (19) described above.
  • the relationship between the output ⁇ C and the acceleration G (Z direction) when the correction unit 300 of the third embodiment does not perform correction is represented in FIG. 9 as in the case of the first embodiment. Further, the relationship between the output ⁇ C and the acceleration G when the correction unit 300 performs the correction based on the expression (25) is expressed in FIG. 10 as in the case where the correction unit 300 performs the correction in the first embodiment.
  • the initial deviation (manufacturing error) from the design value in the distance between the fixed electrode 141 and the movable electrode 110 and the distance between the fixed electrode 142 and the movable electrode 110 is corrected in consideration of the initial deviation.
  • the correction unit 300 of the present embodiment even when an initial deviation (manufacturing error) from the design value occurs in the distance between the fixed electrode 180 and the movable electrode 110, the initial deviation is taken into consideration. Thus, the output of the detection unit 200 is corrected. Therefore, even when an initial deviation (manufacturing error) from such a design value occurs in the capacitive sensor 10, the same effect as that provided by the correction unit 300 of the first embodiment is brought about.
  • the correction unit 300 according to the fourth embodiment is illustrated on the movable electrode 110 of the capacitive sensor 10 using a theoretical formula obtained based on a different concept from the theoretical formula used by the correction unit 300 according to the third embodiment.
  • the output ⁇ C when the acceleration in the X direction (or Y direction) in 1 and 2 is applied is corrected.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between the output ⁇ C from the detection unit 210 and the acceleration G (X direction or Y direction).
  • Equation (26) can be transformed into the following Equation (27). .
  • FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the output ⁇ C and the acceleration G when the initial deviation d ofst ⁇ 0 in FIG.
  • the inflection point of the graph is deviated from the origin due to the initial shift d ofst .
  • a deviation from the origin relating to the acceleration a (hereinafter referred to as an acceleration deviation) is denoted as a ofst
  • a deviation from the origin relating to the output ⁇ C (hereinafter referred to as an output deviation) is denoted as ⁇ C ofst .
  • equation (32) a theoretical equation for calculating acceleration a can be obtained as in equation (32).
  • AA - ⁇ XY ⁇ ⁇ C + ⁇ XY 2 ⁇ ⁇ C + ⁇ XY ⁇ ⁇ XY
  • BB 2 ⁇ XY ⁇ ⁇ XY ⁇ ⁇ C-2 ⁇ XY 3 ⁇ ⁇ C- ⁇ XY ⁇ ⁇ XY - ⁇ XY ⁇ ⁇ XY 2
  • CC ⁇ XY 2 ⁇ ⁇ C-2 ⁇ XY ⁇ ⁇ XY 2 ⁇ ⁇ C + ⁇ XY 4 ⁇ ⁇ C.
  • the correction unit 300 performs correction based on the equation (32) and calculates the first acceleration signal. Then, specific numerical values of the coefficients ⁇ XY , ⁇ XY , and ⁇ XY in the equation (32) can be obtained by the same method as the coefficients ⁇ XY , ⁇ XY , and ⁇ XY of the equation (19) described above. .
  • FIG. 20 is a diagram showing the range of acceleration that can be applied to the casing of the capacitive sensor 10 using gravitational acceleration.
  • Fig.20 (a) represents a standard installation state. In the standard installation state, it is assumed that the acceleration applied to the casing of the capacitive sensor 10 is 0 G in all directions of the X axis, the Y axis, and the Z axis.
  • FIG. 20B is a diagram illustrating a case where acceleration is applied to the X-axis direction of the casing by tilting the casing.
  • the range of acceleration applied with respect to the X-axis direction of the housing is a range of acceleration applied when the housing is tilted from ⁇ 90 degrees to +90 degrees around the Y axis.
  • an acceleration of ⁇ 1 G is applied to the X axis direction of the casing.
  • +90 degrees around the Y axis an acceleration of + 1G is applied to the X axis direction of the casing. Therefore, the range of acceleration applied to the X-axis direction of the housing by gravitational acceleration is in the range of ⁇ 1G to + 1G.
  • FIG. 20C is a diagram illustrating a case where acceleration is applied to the Y-axis direction of the casing by tilting the casing.
  • the range of acceleration applied with respect to the Y-axis direction of the housing is a range of acceleration applied when the housing is tilted from ⁇ 90 degrees to +90 degrees around the X axis.
  • an acceleration of ⁇ 1 G is applied to the Y axis direction of the casing.
  • an acceleration of +1 G is applied to the Y axis direction of the casing. Therefore, the range of acceleration applied to the Y-axis direction of the housing by gravitational acceleration is in the range of ⁇ 1G to + 1G.
  • FIG. 20D is a diagram illustrating a case where acceleration is applied to the Z-axis direction of the casing by tilting the casing.
  • the range of acceleration applied to the Z-axis direction of the casing is the range of acceleration applied when the casing is tilted from 0 degrees to 180 degrees about the Y axis.
  • ⁇ 2 G acceleration is applied to the Z axis direction of the case.
  • the range of acceleration applied to the casing in the Z-axis direction by gravitational acceleration is in the range of ⁇ 2G to 0G.
  • the ranges of acceleration applied in the X direction, Y direction, and Z direction of the casing are ⁇ 1G to + 1G, ⁇ 1G to + 1G, and ⁇ 2G to 0G, respectively.
  • an actual measured value of the applied acceleration is obtained using gravitational acceleration, and the measured value To fit the theoretical equation.
  • the housing may be attached to a table tilted at a predetermined angle so that a desired acceleration within the above range is applied to the housing, and the sensor output at that time may be measured.
  • the sensor output is measured by changing the setting state of the casing so that the range of acceleration applied to the casing extends from positive to negative. Preferably it is done. This is because an inflection point exists in the change of the sensor output as shown in FIG. 5, FIG. 15, and FIG. If measurement is performed with positive and negative acceleration applied to the housing in a balanced manner, an initial deviation from the design value occurs in the interval between the movable electrode 110 and the fixed electrodes 141 and 142 (or the fixed electrodes 151 and 152). Each coefficient of the theoretical formula of acceleration a at can be obtained with high accuracy.
  • the range of acceleration applied to the housing may be either positive or negative. This is because, as shown in FIG. 9, there is no inflection point in the change in the sensor output, so even if the acceleration is applied to the housing in either positive or negative range and measured, the theoretical formula of acceleration a This is because each coefficient can be obtained with high accuracy.
  • the acceleration range for obtaining actual measurement results is not limited to the above range.
  • an actual measurement result of both positive and negative acceleration ranges is inevitably obtained, and the result may be used as it is for fitting.

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Abstract

 静電容量型センサ(10)は、可動電極(110)、支持体(120)、梁部材(130)、固定電極(141),(180)、検出部(200)、及び補正部(300)を備えている。梁部材(130)はバネとして機能し、可動電極(110)を支持体(120)に移動可能な状態で取り付けている。検出部(200)は、可動電極(110)と固定電極(141),(180)の間で生じる静電容量の変化を検出する。そして補正部(300)は、検出部(200)の検出結果を補正して加速度を示す加速度信号を生成する。

Description

静電容量型センサ、及び非線形出力の補正方法
 本発明は、加速度を検出する静電容量型センサ、及び非線形出力の補正方法に関する。
 加速度を検出する加速度検出装置としては、例えば特許文献1に記載されているように、静電容量型の装置がある。この静電容量型の装置は、可動電極の近傍に固定電極を配置し、可動電極と固定電極の間の静電容量の変化を検出することにより、加速度を検出するものである。
 また、特許文献1,2,3には、静電容量の変化と可動電極の変位量との関係は非線形であることが示されている。なお特許文献1,2,3において、可動電極の変位量は微小であるため、静電容量の変化と可動電極の変位量との関係を線形と捉えることができる、と記載されている。
 特許文献4と5が開示する加速度センサは、静電容量の変化と可動電極の変位量との関係を非線形と捉え、この非線形性を補正する。特許文献4が開示する加速度センサは、円筒形状の3軸加速度センサである。この加速度センサは、円筒の延伸方向について互いに対向する固定円盤上の電極と可動円盤上の電極との間の静電容量の変化に基づき、3軸それぞれについて加速度を検出する。特許文献5の加速度センサが検出するのは、一方向についての加速度である。
特開平2-110383号公報 特開平5-72225号公報 特開平5-340958号公報 特開平8-313552号公報 特開平7-120498号公報
 本発明者は、可動電極及びその可動電極とそれぞれ異なる方向から対向する複数の固定電極を持つ静電容量型センサの構築を検討した。そして本発明者は、この静電容量型センサにおいて、複数方向それぞれについて精度よく加速度を検出する方法を検討した。
 本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、可動電極及びその可動電極とそれぞれ異なる方向から対向する複数の固定電極を持つ静電容量型センサにおいて、複数方向それぞれについて加速度を精度良く検出することができる静電容量型センサ及び補正方法を提供することにある。
 本発明に係る静電容量型センサは、可動電極、支持体、梁部材、第1の固定電極、第2の固定電極、検出部、及び補正部を備えている。梁部材は、可動電極を支持体に移動可能な状態で取り付ける。第1の固定電極は、可動電極と第1の方向から対向している。第2の固定電極は、第1の方向とは異なる第2の方向から可動電極に対向している。検出部は、可動電極と各固定電極の間で生じる静電容量の変化を検出する。補正部は、検出部の検出結果を補正して加速度を示す加速度信号を生成する。
 本発明にかかる非線形出力の補正方法は、上記した静電容量型センサにおける検出部の出力を補正する方法である。まず、可動電極と固定電極の間の距離及び梁部材のバネ定数を用いて、加速度から静電容量を算出する理論式を算出する。そして、理論式の逆変換式を用いて検出部の出力を補正する。
 本発明によれば、可動電極及びその可動電極とそれぞれ異なる方向から対向する複数の固定電極を持つ静電容量型センサにおいて、複数方向それぞれについて加速度を精度良く検出することができる。
 上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
第1の実施形態に係る静電容量型センサの構成を示す平面図である。 図1のA-A´断面図である。 静電容量型センサの検出部の回路構成を示す図である。 静電容量型センサの可動電極に図1,2におけるX方向の加速度が加わったときの可動電極の動きを示す図である。 検出部からの出力と加速度Gの関係を示す図である。 式(6)に示す補正式と、図5に示す出力ΔCをこの補正式で補正した後の出力(第1の加速度信号)を示す図である。 静電容量型センサの検出部の回路構成を示す図である。 静電容量型センサの可動電極に図2におけるZ方向の加速度が加わったときの可動電極の動きを示す図である。 検出部からの出力と加速度Gの関係を示す図である。 式(11)に示す補正式と、図9に示す出力をこの補正式で補正した後の出力(第2の加速度信号)を示す図である。 第2の実施形態に係る静電容量型センサの機能構成を示す図である。 第2の実施形態に係る静電容量型センサの機能構成を示す図である。 静電容量型センサの図1,2におけるX方向について、初期状態における固定電極及び可動電極の位置関係を示す図である。 静電容量型センサの可動電極に、図1,2におけるX方向の加速度が加わったときの可動電極の動きを示す図である。 第3の実施形態における検出部からの出力と加速度Gの関係を示す図である。 式(19)に示す補正式と、図15に示す出力ΔCをこの補正式で補正した後の出力(第1の加速度信号)を示す図である。 静電容量型センサの図2におけるZ方向について、初期状態における可動電極と固定電極との位置関係を示す図である。 静電容量型センサの可動電極に、図2におけるZ方向の加速度が加わったときの可動電極の動きを示す図である。 図13において初期ズレdofst≠0である場合における出力ΔCと加速度Gの関係を示す図である。 静電容量型センサの筐体に対し、重力加速度を利用して印加できる加速度の範囲を表す図である。
 以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
 また、以下に示す説明において、検出部200及び補正部300の各構成要素は、ハードウエア単位の構成ではなく、機能単位のブロックを示している。検出部200及び補正部300は、任意のコンピュータのCPU、メモリ、メモリにロードされたプログラム、そのプログラムを格納するハードディスクなどの記憶メディア、ネットワーク接続用インタフェースを中心にハードウエアとソフトウエアの任意の組合せによって実現される。そして、その実現方法には様々な変形例がある。
(第1の実施形態)
 図1は、第1の実施形態に係る静電容量型センサ10の構成を示す平面図である。図2は、図1のA-A´断面図である。本実施形態に係る静電容量型センサ10は、可動電極110、支持体120、梁部材130、固定電極141,142、検出部200、及び補正部300を備えている。梁部材130はバネとして機能し、可動電極110を支持体120に移動可能な状態で取り付けている。検出部200は、可動電極110と固定電極141,142の間で生じる静電容量の変化を検出する。そして補正部300は、検出部200の検出結果を補正して加速度を示す加速度信号を生成する。
 本実施形態によれば、加速度信号は、検出部200の検出結果を補正した値になっている。このため、静電容量の変化と加速度信号との関係を非線形にすることができる。従って、加速度を精度良く検出することができる。以下、静電容量型センサ10について詳細に説明する。
 可動電極110は平板状であり、その平面形状は矩形である。そして可動電極110の第1辺(縁)には固定電極141(第1の固定電極)が対向しており、可動電極110のうち第1辺に対向する辺(第2辺)には固定電極142(第2の固定電極)が対向している。固定電極141,142は、可動電極110を介して互いに対向しており、可動電極110の中心を通っていて第1辺に平行な線を基準に、互いに線対称となる位置に配置されている。
 本図に示す例において、可動電極110の各辺はいずれも直線状になっている。ただし、これらの辺は櫛歯状になっていてもよい。この場合、固定電極141,142のうち可動電極110に対向する辺も櫛歯状になっており、可動電極110とかみ合うように配置される。
 支持体120は、可動電極110の4辺を囲むように設けられている。詳細には、支持体120は矩形の開口を有している。この開口の4辺は、可動電極110の4辺と平行になっている。そして梁部材130は4つ設けられている。各々の梁部材130の一端は、可動電極110の角に取り付けられており、他端は支持体120の開口の角に取り付けられている。ただし、梁部材130の配置は本図に示す例に限定されない。
 また、静電容量型センサ10は、固定電極151,152を備えている。固定電極151は、可動電極110の第3辺に対向しており、固定電極152は、可動電極110のうち第3辺に対向する辺(第4辺)に対向している。
 図2において、静電容量型センサ10は、SOI(Silicon On Insulator)基板160を用いて形成されている。このSOI基板160は、下層のシリコン支持層161と、このシリコン支持層161上に形成された酸化シリコン層162と、この酸化シリコン層162上に形成された活性シリコン層163とで構成されている。そして、シリコン支持層161及び酸化シリコン層162は、可動電極110の4辺を取り囲む部分(支持体120)を残して、エッチングによって除去されている。このようにして、シリコン支持層161及び酸化シリコン層162の中央部には、空間部164が形成されている。
 一方、上部の活性シリコン層163は、例えば異方性のドライエッチングにより、部分的に除去されている。この除去によって、活性シリコン層163から、中央部に位置する可動電極110と、この可動電極110の4隅から対角線上に外方へ延長する梁部材130(弾性部材)と、可動電極110の4辺と所定の間隔を介して対向する固定電極141,142,151,152がそれぞれ形成されている。
 また、静電容量型センサ10は、保護部材172,174を有している。保護部材172,174は、例えばガラスを用いて形成されている。保護部材172は、基板160のうち可動電極110が形成されている面(表面)を覆っており、保護部材174は、基板160の裏面を覆っている。保護部材172,174は、縁を除いて可動電極110などから離れている。そして保護部材172のうち可動電極110に対向している面には固定電極180(第3の固定電極)が形成されている。すなわち固定電極180は、固定電極141,142,151,152とは異なる方向から可動電極110に対向している。言い換えると、固定電極141,142は第1の方向(図1及び図2のX方向)から可動電極110に対向しており、固定電極180は第2の方向(図2のZ方向)から可動電極110に対向している。この第2の方向は、可動電極110の表面又は裏面に対向する方向である。
 そして補正部300は、可動電極110と固定電極141の間の静電容量(第1の静電容量)の変化及び可動電極110と固定電極142の間の静電容量(第2の静電容量)の変化に基づいて、可動電極110に加わった加速度のうち可動電極110の第1辺に垂直な成分(図1,2におけるX方向の成分:第1方向の加速度)を検出し、検出した加速度の大きさを示す第1の加速度信号を出力する。具体的には、可動電極110と固定電極141の間の静電容量は、可動電極110と固定電極142の間の静電容量とは逆方向に変化する。このため、静電容量型センサ10のうち、可動電極110に加わった加速度のうち可動電極110の第1辺に垂直な成分を検出する構造は、X方向に対称な差動構造になっている。
 また、補正部300は、可動電極110と固定電極151の間の静電容量の変化及び可動電極110と固定電極152の間の静電容量の変化に基づいて、可動電極110に加わった加速度のうち可動電極110の第1辺に平行な成分(図1におけるY方向の成分)を検出し、検出した加速度の大きさを示す加速度信号を出力する。そして静電容量型センサ10は、可動電極110に加わった加速度のうち可動電極110の第1辺に平行な成分を検出するときには、Y方向に対称な差動構造になっている。
 また補正部300は、可動電極110と固定電極180の間の静電容量(第3の静電容量)の変化に基づいて、可動電極110に加わった加速度のうち可動電極110に垂直な成分(図2におけるZ方向の成分)を検出し、検出した加速度の大きさを示す第2の加速度信号を出力する。このように、静電容量型センサ10は、可動電極110に加わった加速度のうち可動電極110に垂直な成分を検出するときには、Z方向に非対称な構造になっている。
 なお、補正部300が用いる補正方法は、可動電極110及び固定電極の組み合わせによって異なっている。具体的には、可動電極110に加わった加速度のうち可動電極110に垂直な成分(図2におけるZ方向の成分)を検出するときに用いる補正方法は、可動電極110に加わった加速度のうち可動電極110の第1辺に垂直な成分(図1,2におけるX方向の成分)を検出するときに用いる補正方法とは異なっている。
 そしてこれらの補正方法は、例えば、以下のようにして設定される。まず、可動電極と固定電極の間の距離及び梁部材のバネ定数を用いて、加速度から静電容量を算出する理論式を算出する。そして、理論式の逆変換式を用いることにより、補正方法は設定される。
 そして、補正部300が用いる補正方法は、補正データ記憶部302に記憶されている。補正データ記憶部302は、例えば、補正テーブルを記憶している。そして補正部300は、この補正テーブルを用いた補正式に基づいて、加速度信号を生成する。例えば補正部300は、補正テーブルに記憶されている複数の点のうち互いに隣り合う2つの点を直線で結ぶことにより、補正式の近似式としての折線を算出する。このようにすると、補正部300に加わる演算の負荷を小さくすることができる。
 図3は、静電容量型センサ10の検出部200が有する検出部210の回路構成を示す図である。検出部210は、固定電極141,142に接続している。なお、検出部200は、検出部210とは別に、固定電極151,152に接続している回路も有している。この回路も、検出部210と同様の構成である。
 可動電極110には、直流電圧が印加されている。固定電極141は、差動アンプQ1の負側の入力端子に接続している。差動アンプQ1の正側の入力端子は接地されている。そして差動アンプQ1の負側の入力端子と差動アンプQ1の出力端子には、抵抗R1及び容量C1が並列に接続されている。
 また、固定電極142は、差動アンプQ2の負側の入力端子に接続している。差動アンプQ2の正側の入力端子は接地されている。そして差動アンプQ2の負側の入力端子と差動アンプQ2の出力端子には、抵抗R2及び容量C2が並列に接続されている。
 差動アンプQ1の出力端子は、抵抗R3を介して差動アンプQ3の一方の入力端子(例えば負側の入力端子)に入力されており、差動アンプQ2の出力端子は、抵抗R4を介して差動アンプQ3の他方の入力端子(例えば正側の入力端子)に入力されている。差動アンプQ3の一方の入力端子と差動アンプQ3の出力端子には、抵抗R5が並列に接続されている。また、抵抗R4と差動アンプQ3の他方の入力端子の間は、抵抗R6を介して接地されている。そして差動アンプQ3の出力が、補正部300に入力される。
 上記の差動アンプQ1とQ2の回路は、電荷・電圧変換回路であり、それぞれ接続された電極間の静電容量を電圧信号に変換して出力する。同様に上記の差動アンプQ3の回路は差分演算回路であり、(Q2-Q1)の差分結果を出力する。
 後述する理論式の算出では、表現の容易さから出力を静電容量[F]として表記している。しかし、実際の静電容量型センサ10では、上記Q1とQ2により変換された電圧信号[V]が出力されている。
 図4は、静電容量型センサ10の可動電極110に図1,2におけるX方向の加速度が加わったときの可動電極110の動きを示している。可動電極110と固定電極141,142の初期間隔(加速度0の場合の電極間隔)を、dとする。可動電極110がΔdだけ左に移動した場合、可動電極110と固定電極141との間隔dは(d0-Δd)になり、可動電極110と固定電極142との間隔dは(d0+Δd)になる。
 そして、可動電極110と固定電極141との間の静電容量Cは式(1)により求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、ε:誘電率であり、Sは、可動電極110と固定電極141が対向している部分の面積である。
 同様に、可動電極110と固定電極142との間の静電容量Cは式(2)により求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 ここで、Sは、可動電極110と固定電極142が対向している部分の面積である。
 そして、SはSに等しい。このため、図3の検出部210からの出力ΔCを示す理論式は、(1)式と(2)式の差となるため、以下の(3)式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 そして、可動電極110の質量をmとして、4つの梁部材130を一つのバネと見なしたときのバネ定数をkとした場合、この(3)式は、f=m・a=k・Δdを用いることで、以下のように変形される。この式が、加速度aを算出するための理論式になる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 ここで、αXY:εS・2(k/m)、βXY:(k/m)2・d0 2とすると、式(4)は、以下の式(5)のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 そして、上記した(5)式の逆変換式は、以下の(6)式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 補正部300は、この(6)式に基づいた補正を行い、第1の加速度信号を算出する。そして(6)式における係数αXY,βXYの具体的な数値については、静電容量型センサ10の設計値の各電極の面積、電極の初期間隔d、電極間の誘電率、錘の質量、梁のバネ定数等の数値を用いて求めることができる。また、係数αXY,βXYの具体的な数値としては、静電容量型センサ10の各電極の面積、電極の初期間隔d、電極間の誘電率、錘の質量、梁のバネ定数等を実測した結果の数値を用いてもよい。またこの具体的な数値は、各々の静電容量型センサ10に所定の加速度(好ましくは複数の加速度)を加え、そのときの静電容量型センサ10からの出力の実測値を(6)式にフィッティングさせることにより、算出しても良い。このときのフィッティングには、例えば最小二乗法を用いることができる。ただし、フィッティングは最小二乗法に限定するものではない。そして係数αXY,βXYを示すデータは、補正データ記憶部302に記憶されている。なお、補正データ記憶部302が記憶しているデータは、書き換え可能になっている。
 図5は、検出部210からの出力ΔCと加速度Gの関係を示す図である。本図に示すように、検出部210からの出力ΔCと加速度Gの関係は非線形である。
 図6は、式(6)に示す補正式と、図5に示す出力ΔCをこの補正式で補正した後の出力(第1の加速度信号)を示す図である。本図に示すように、補正部300による補正を行うことにより、補正部300の出力と加速度Gの関係を線形にすることができる。
 なお、本図に示す例において、補正部300は、加速度が正のときと負のときとで、互いに異なる補正方法を設けていてもよい。例えば上記したフィッティングを、加速度が正のときと負のときとで分けて行うことで、互いに異なる補正方法が設定される。このようにすると、補正部300による補正の精度は高くなる。
 なお、静電容量型センサ10の可動電極110に図1におけるY方向の加速度が加わった場合においても、補正部300は、図4を用いて説明した内容と同様の補正を行う。
 図7は、静電容量型センサ10の検出部200が有する検出部220の回路構成を示す図である。検出部220は、固定電極180に接続している。
 上記したように、可動電極110には、直流電圧が印加されている。固定電極180は、差動アンプQ11の負側の入力端子に接続している。差動アンプQ11の正側の入力端子は接地されている。そして差動アンプQ11の負側の入力端子と差動アンプQ11の出力端子には、抵抗R11及び容量C11が並列に接続されている。
 差動アンプQ11の出力端子は、抵抗R12を介して差動アンプQ13の一方の入力端子(例えば負側の入力端子)に入力されている。差動アンプQ13の他方の入力端子(例えば正側の入力端子)には、抵抗R13を介して差動アンプQ12の出力端子が接続されている。差動アンプQ12の一方の入力端子(例えば負側の入力端子)は差動アンプQ12の出力端子に接続されており、差動アンプQ12の他方の入力端子(例えば正側の入力端子)には、可変抵抗VR11を介して基準電圧が印加されている。
 そして、差動アンプQ13の一方の入力端子と差動アンプQ13の出力端子には、抵抗R14が並列に接続されている。また、抵抗R13と差動アンプQ13の他方の入力端子の間は、抵抗R15を介して接地されている。そして差動アンプQ13の出力が、補正部300に入力される。
 図8は、静電容量型センサ10の可動電極110に図2におけるZ方向の加速度が加わったときの可動電極110の動きを示している。可動電極110と固定電極180の初期間隔(加速度0の場合の電極間隔)を、dとする。可動電極110がΔd2だけ上に移動した場合、可動電極110と固定電極180との間隔dは(d-Δd)になる。
 そして、可動電極110と固定電極180との間の静電容量Cは式(7)により求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 ここで、ε:誘電率であり、Sは、可動電極110と固定電極180が対向している部分の面積である。
 そして、図7の検出部220からの出力ΔCを示す理論式は、以下の(8)式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 可動電極110の質量をm、4つの梁部材130を1つのバネと見なしたときのZ方向のバネ定数をkとした場合、f=m・a=k・Δdを用いることで、式(8)を式(9)に変形することができる。この式(9)が、加速度aを算出するための理論式になる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 ここで、α:ε・S・(1/ d0)、β:(k/m)・dとすると、式(9)は、以下の式(10)のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 そして、上記した(10)式の逆変換式は、以下の(11)式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 補正部300は、この(11)式に基づいた補正を行い、第2の加速度信号を算出する。そして(11)式における係数α,βの具体的な数値については、上記した係数αxy,βxyと同様の方法で求めることができる。
 図9は、検出部220からの出力ΔCと加速度Gの関係を示す図である。本図に示すように、検出部220からの出力ΔCと加速度Gの関係は非線形である。
 図10は、式(11)に示す補正式と、図9に示す出力ΔCをこの補正式で補正した後の出力(第2の加速度信号)を示す図である。本図に示すように、補正部300による補正を行うことにより、補正部300の出力と加速度Gの関係を線形にすることができる。
 なお、本図に示す例において、補正部300は、加速度が正のときと負のときとで、共通の補正方法を設けていてもよい。例えば上記したフィッティングを、加速度が正のときと負のときとで分けずに行うことで、互いに共通の補正方法が設定される。
 以上、本実施形態によれば、補正部300は、検出部200の出力を補正する。このため、静電容量型センサ10が出力する加速度信号は、高い精度を有する。また、本実施形態では、可動電極110と固定電極の位置関係(組み合わせの種類)に応じて、補正部300が用いる補正方法を変えている。具体的には、補正部300は、固定電極180からの出力に適用する補正方法を、固定電極141,142からの出力に適用する補正方法とは異ならせている。このため、静電容量型センサ10は、高い精度で複数方向(例えばX方向、Y方向、及びZ方向)の加速度を検出することができる。
 また、補正部300が、補正テーブルに記憶されている複数の点のうち互いに隣り合う2つの点を直線で結ぶことにより、補正式の近似式としての折線を算出する場合、補正部300が行う演算処理を少なくすることができる。
(第2の実施形態)
 図11及び図12は、第2の実施形態に係る静電容量型センサ10の機能構成を示す図である。図11は第1の実施形態における図3に対応しており、図12は第1の実施形態における図7に対応している。本実施形態に係る静電容量型センサ10は、AD変換部410及びインターフェース420を備えている点を除いて、第1の実施形態に係る静電容量型センサ10と同様の構成である。
 AD変換部410は、検出部200と補正部300の間に設けられており、検出部200からの出力(アナログ信号)をデジタル信号に変換する。そして補正部300は、AD変換部410から出力されたデジタル信号をデジタル処理することにより、補正処理を行う。
 インターフェース420は、静電容量型センサ10の外部の装置(例えばコンピュータ)と補正部300とをつなぐインターフェースである。補正部300の補正データ記憶部302が記憶している情報は、インターフェース420を介して書き換え可能になっている。
 本実施形態によっても、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、補正部300はデジタル処理を行うため、例えば補正部300の補正演算をプログラムにより実行することができる。また、補正部300の補正データ記憶部302が記憶している情報は、インターフェース420を介して書き換え可能になっているため、各々の静電容量型センサ10に、その静電容量型センサ10の個体差を反映させた最適な補正データを設定することができる。
(第3の実施形態)
 第3の実施形態に係る静電容量型センサ10の構成を示す平面図は、第1の実施形態に係る静電容量型センサ10と同様に、図1で表される。また、第3の実施形態の場合も第1の実施形態の場合と同様に、図2によって、図1のA-A´断面図が表される。さらに、第3の実施形態に係る静電容量型センサ10の検出部200が有する検出部210の回路構成と検出部220の回路構成はそれぞれ、第1の実施形態の場合と同様に、図3と図7で表される。
 第3の実施形態の静電容量型センサ10では、初期状態において、固定電極141と可動電極110との間の距離及び固定電極142と可動電極110との間の距離について、設計値からズレ(オフセット成分)が生じている。ここで設計値とは、固定電極141と可動電極110との間の距離と固定電極142と可動電極110との間の距離を指しており、両者は所定値かつ等しい値としている。よって可動電極110は固定電極141と固定電極142との間の中央に位置するように設計されている。また初期状態とは、静電容量型センサ10に対して印加されている加速度が0Gである状態を意味する。以下、初期状態において生じている上記のズレを、初期ズレと表記する。なお、初期ズレは、実際に製造された静電容量型センサ10において生じた製造誤差に相当する。
 図13は、静電容量型センサ10の図1,2におけるX方向の初期状態について、固定電極141,142、及び可動電極110の位置関係を示す図である。図13において、dは固定電極141と可動電極110との間の距離及び固定電極142と可動電極110との間の距離の設計値である。また、図13において、dofstは初期ズレの大きさを表す。
 図13において、可動電極110と固定電極141との間の距離d01はd-dofstである。このとき、可動電極110と固定電極141との間の静電容量Cは、式(12)によって求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 ここで、εは誘電率であり、Sは、可動電極110と固定電極141が対向している部分の面積である。
 また、図13において、固定電極142と可動電極110との間の距離d02はd+dofstである。したがって、可動電極110と固定電極142との間の静電容量Cは式(13)により求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 ここで、Sは、可動電極110と固定電極142が対向している部分の面積である。なお、SはSに等しい。
 この時、図3の検出部210からの出力の理論式は、式(12)と式(13)の容量差分Cdif1で表される。そのため、Cdif1=C12=(C-C)と表すことができる。なお、図13の初期状態における静電容量型センサ10の出力は、零(C12=0)となるように事前に零点調整が行われている。
 図14は、静電容量型センサ10の可動電極110に図1,2におけるX方向の加速度が加わったときの可動電極110の動きを示している。可動電極110と固定電極141の初期間隔d01は(d-dofst)となる。そのため、可動電極110がΔdだけ左に移動した場合の電極間隔dは、(d-dofst-Δd)になる。同様に、可動電極110と固定電極142の初期間隔d02は(d+dofst)であるため、可動電極110がΔdだけ左に移動した場合の電極間隔dは、(d+dofst+Δd)となる。
 このとき、可動電極110と固定電極141との間の静電容量Cは式(14)により求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 また、このときの可動電極110と固定電極142との間の静電容量Cは式(15)により求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 この時、図3の検出部210からの出力の理論式は、式(14)と式(15)の容量差分Cdif2で表される。そのため、Cdif2=C34=(C3-C4)と表すことができる。
 図14における静電容量型センサ10の出力ΔCは、可動電極110の移動後と移動前のそれぞれの容量差分CdifとCdifの差分であるので、ΔC=(Cdif2-Cdif1)=(C34-C12)である。よって、ΔCは式(16)により求められる。なお式(16)において、S=S=Sとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 ここで、可動電極110の質量をm、4つの梁部材130を1つのバネと見なしたときのバネ定数をkとした場合、f=m・a=k・Δdを用いることで、式(16)を式(17)の通りに変形することができる。この式(17)が、加速度aを算出するための理論式になる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
 ここで、αXY:εS/(d-dofst)、βXY:(k/m)・(d+dofst)、γXY:(d-dofst)/(d+dofst)とすると、式(17)を以下の式(18)に変形することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
 そして、上記式(18)の逆変換式は、以下の式(19)の通りになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
 ここで、AA:αXY・γXY-αXY-ΔC、BB:βXY・γXY・ΔC-βXY・ΔC-αXY・βXY-αXY・βXY・γXY 、CC:βXY ・γXY・ΔCである。
 第3の実施形態の補正部300は、この式(19)に基づいた補正を行い、第1の加速度信号を算出する。ここで、式(19)における係数αXY、βXY、γXYの具体的な数値は、静電容量型センサ10における各電極の面積、電極の初期間隔d、電極の初期ズレdofst、電極間の誘電率、可動電極の質量、及び梁のバネ定数等の数値を用いて求めることができる。これらの値は、設計値であってもよいし、実測値であってもよい。さらには所定の方法により算出した値であってもよい。ここで、これらの値を算出する所定の方法とは、例えば、「静電容量側センサ10に所定の加速度(好ましくは複数の加速度)を加え、そのときの静電容量側センサ10からの出力の実測値を式(19)にフィッティングさせることにより算出する」という方法である。このときのフィッティングには、例えば最小二乗法を用いることができる。ただし、フィッティングは最小二乗法に限定するものではない。そして係数αXY、βXY、γXYのデータは補正データ記憶部302に記憶される。なお、補正データ記憶部302に記憶されているデータは、書き換え可能になっている。
 なお静電容量型センサ10の可動電極110に図1におけるY方向に加速度が加わった場合においても、補正部300は、図13及び図14を用いて説明した内容と同様の補正を行う。
 ここで、第3の実施形態の補正部300が補正を行わない場合における出力ΔCと加速度G(X方向又はY方向)の関係は、図15で表される。また、補正部300が式(19)に基づいた補正を行う場合における出力ΔCと加速度Gの関係は、図16で表される。図15と図16は、電極の初期ズレdofstを含んでいるため、第1の実施形態の図5と図6に対して変曲点が原点からずれた関係になることが分かる。ただし第3の実施形態の補正部300が式(19)に基づいた補正を行うことによって、変曲点が原点からずれた場合においても補正部300の出力ΔCと加速度Gの関係を線形にすることができる。
 図17は、静電容量型センサ10の図2におけるZ方向について、初期状態における可動電極110と固定電極180との位置関係を示す図である。第3の実施形態の静電容量型センサ10では、初期状態において、可動電極110と固定電極180との間の距離に所定の設計値から大きさdofst2の初期ズレ(オフセット成分)が生じている。そのため、図17において、可動電極110と固定電極180との間の距離d03は、d03=(d-dofst2)で表される。ここで、dは、可動電極110と固定電極180との間の距離の設計値である。この大きさdofst2の初期ズレは、実際に製造された静電容量型センサ10において生じた製造誤差に相当する。
 このとき、可動電極110と固定電極180との間の静電容量Cは、式(20)により求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
 ここで、εは誘電率であり、Sは、可動電極110と固定電極180が対向している部分の面積である。
 なお、前述したX方向やY方向の場合と同様に、図17の初期状態における静電容量型センサ10の出力は零(C=0)となるように事前に零点調整が行われている。
 図18は、静電容量型センサ10の可動電極110に、図2におけるZ方向の加速度が加わったときの可動電極110の動きを示している。ここで、可動電極110がΔdだけ上に移動したとする。可動電極110と固定電極180の初期間隔d03は(d-dofst2)であるため、可動電極110がΔdだけ上に移動した場合の電極間隔dは(d-dofst2-Δd)で表せる。
 このときの可動電極110と固定電極180との間の静電容量Cは、式(21)により求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
 このときの図7の検出部220からの出力ΔCの理論式は、可動電極110の移動後と移動前の差分であるため、ΔC=(C-C)である。このΔCは、式(22)により求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
 可動電極110の質量をm、4つの梁部材130を1つのバネと見なしたときのZ方向のバネ定数をkとした場合、f=m・a=k・Δdを用いることで、式(22)を式(23)に変形することができる。この式(23)が、加速度aを算出するための理論式になる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
 ここで、α:ε・S/(d-dofst2)、β:(k/m)・(d-dofst2)とすると、式(23)を以下の式(24)に変形することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
 そして、上記の式(24)の逆変換式は、以下の式(25)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000025
 補正部300は、この式(25)に基づいた補正を行い、第2の加速度信号を算出する。そして式(25)における係数α、βの具体的な数値については、前述した式(19)の係数αXY、βXY、γXYと同様の方法により求めることができる。
 第3の実施形態の補正部300が補正を行わない場合における出力ΔCと加速度G(Z方向)の関係は、第1の実施形態の場合と同様に図9で表される。また、補正部300が式(25)に基づいた補正を行う場合における出力ΔCと加速度Gの関係は、第1の実施形態において補正部300が補正を行う場合と同様に、図10で表される。
 以上、本実施形態の補正部300によれば、固定電極141と可動電極110との間の距離と、固定電極142と可動電極110との間の距離に設計値からの初期ズレ(製造誤差)が生じた場合においても、その初期ズレを考慮して、検出部200の出力が補正される。同様に、本実施形態の補正部300によれば、固定電極180と可動電極110との間の距離に設計値からの初期ズレ(製造誤差)が生じた場合においても、その初期ズレを考慮して、検出部200の出力が補正される。そのため、静電容量型センサ10においてこのような設計値からの初期ズレ(製造誤差)が生じた場合においても、実施形態1の補正部300によってもたされる効果と同様の効果がもたらされる。
(第4の実施形態)
 第4の実施形態では、第3の実施形態とは異なる考え方(アプローチ)によりX方向(もしくはY方向)の出力ΔCを表す理論式を求める方法を示す。
 第4の実施形態の補正部300は、上記第3の実施形態の補正部300が用いる理論式とは異なる考え方により求めた理論式を用いて、静電容量型センサ10の可動電極110に図1,2におけるX方向(もしくはY方向)の加速度が加わった場合の出力ΔCを補正する。
 ここで、前述した通り、図5は検出部210からの出力ΔCと加速度G(X方向又はY方向)の関係を示す図である。この図5は、図13における設計値からの初期ズレdofst=0の場合における出力ΔCと加速度Gの関係を示しており、原点を中心とした対称のカーブ形状である。そして、その変曲点は原点と一致している。
 初期ズレdofst=0の場合における出力ΔCは、式(17)においてdofst=0とすることにより求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000026
 ここで、αXY:ε・S・2(k/m)、βXY:(k/m)・d とすると、式(26)を以下の式(27)に変形することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000027
 図19は、図13において、初期ズレdofst≠0である場合における出力ΔCと加速度Gの関係を示す図である。図19では、初期ズレdofstに起因して、グラフの変曲点が原点からずれている。ここで、加速度aに関する原点からのズレ(以下、加速度のズレ)をaofstとおき、出力ΔCに関する原点からのズレ(以下、出力のズレ)をΔCofstと表す。
 この場合、加速度aを算出するための理論式は、加速度のズレaofst及び出力のズレΔCofstを考慮して求めることができる。まず、加速度のズレがaofstであり、出力のズレがΔCofstである場合における出力ΔCと加速度aとの関係は、式(27)に加速度のズレaofstと出力のズレΔCofstを適用することにより、以下の式(28)で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000028
 また、出力のズレΔCofstは、式(29)で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000029
 そして、式(29)の右辺を式(28)のΔCofstに代入することにより、出力ΔCを以下の式(30)で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000030
 また、式(30)においてaofstをγXYとおくと、式(31)となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000031
 最後に、式(31)の逆変換式を求めることにより、式(32)のように、加速度aを算出する理論式を求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000032
 ここで、AA:-βXY・ΔC+γXY ・ΔC+αXY・γXY、BB:2βXY・γXY・ΔC-2γXY ・ΔC-αXY・βXY-αXY・γXY 、CC:βXY ・ΔC-2βXY・γXY ・ΔC+γXY ・ΔCである。
 第4の実施形態の補正部300は、この式(32)に基づいた補正を行い、第1の加速度信号を算出する。そして式(32)における係数αXY、βXY、及びγXYの具体的な数値については、前述した式(19)の係数αXY、βXY、及びγXYと同様の方法により求めることができる。
(第5の実施形態)
 第5の実施形態として、補正部300が補正に用いる加速度aの理論式(逆変換式)の係数を定める方法を示す。
 図20は、静電容量型センサ10の筐体に対し、重力加速度を利用して印加できる加速度の範囲を表す図である。ここで、図20(a)は、標準設置状態を表す。標準設置状態の場合、X軸、Y軸、及びZ軸の全ての方向において、静電容量型センサ10の筐体に印加されている加速度は0Gであるとする。
 図20(b)は、筐体を傾けることにより、筐体のX軸方向に対して加速度を印加する場合を表す図である。筐体のX軸方向に対して印加される加速度の範囲は、Y軸を中心として筐体をー90度から+90度まで傾ける場合に印加される加速度の範囲である。ここで、Y軸を中心として筐体を-90度傾けた場合、筐体のX軸方向に対して-1Gの加速度が印加される。また、Y軸を中心として筐体を+90度傾けた場合、筐体のX軸方向に対して+1Gの加速度が印加される。したがって、重力加速度によって筐体のX軸方向に対して印加される加速度の範囲は、-1Gから+1Gの範囲となる。
 図20(c)は、筐体を傾けることにより、筐体のY軸方向に対して加速度を印加する場合を表す図である。筐体のY軸方向に対して印加される加速度の範囲は、X軸を中心として筐体を-90度から+90度まで傾ける場合に印加される加速度の範囲である。ここで、X軸を中心として筐体を-90度傾けた場合、筐体のY軸方向に対して-1Gの加速度が印加される。また、X軸を中心として筐体を+90度傾けた場合、筐体のY軸方向に対して+1Gの加速度が印加される。したがって、重力加速度によって筐体のY軸方向に対して印加される加速度の範囲は、-1Gから+1Gの範囲となる。
 図20(d)は、筐体を傾けることにより、筐体のZ軸方向に対して加速度を印加する場合を表す図である。筐体のZ軸方向に対して印加される加速度の範囲は、Y軸を中心として筐体を0度から180度まで傾ける場合に印加される加速度の範囲である。ここで、Y軸を中心として筐体を180度傾けた場合、筐体のZ軸方向に対して-2Gの加速度が印加される。Y軸を中心として筐体を0度傾ける場合は、標準設置状態であるため、筐体のZ軸方向に対して0Gの加速度が印加される。したがって、重力加速度によって筐体のZ軸方向に対して印加される加速度の範囲は、-2Gから0Gの範囲となる。
 以上のように、筐体のX方向,Y方向,Z方向のそれぞれに印加される加速度の範囲は、-1Gから+1G、-1Gから+1G、-2Gから0Gである。
 ここで、前述した加速度aの理論式における係数αXY、βXY、γXY、αZ、βZを定めるために、重力加速度を利用して印加した加速度の実測値を得て、その実測値を用いて理論式へのフィッティングを行う。この場合、筐体に対して上記の範囲内の所望の加速度が印加されるように、所定の角度傾いた台に対して筐体を取り付け、その際のセンサ出力を測定すればよい。このように、重力加速度を利用して印加した加速度の実測値を用いて理論式へのフィッティングを行うことにより、加振機を使用する場合と比較し、測定を簡素化することができる。そのため、加速度aの理論式における係数を定めることが容易になる。
 ここで図1のX方向(またはY方向)についてフィッティングを行う場合は、筐体に印加される加速度の範囲が正から負まで跨ぐように筐体の設定状態を変えて、センサ出力の測定を行うことが好ましい。これは、図5や図15、図19に示す通り、センサ出力の変化に変曲点が存在するためである。筐体に対し、正負両方についてバランスよく加速度を印加して計測を行えば、可動電極110と固定電極141及び142(または固定電極151及び152)の間隔に設計値からの初期ズレが生じた場合における加速度aの理論式の各係数を、精度良く求めることができる。
 一方、図2のZ方向の場合についてフィッティングを行う場合、筐体に印加される加速度の範囲は、正または負の一方の範囲でもよい。これは、図9に示す通りセンサ出力の変化に変曲点が存在しないため、筐体に対し、正負のどちらか一方の範囲で加速度を印加して計測を行うだけでも、加速度aの理論式の各係数を精度良く求めることができるためである。
 ここで、静電容量型センサ10に関する測定を行うにあたり、あらかじめ校正された計器を用いて、測定場所の重力加速度の測定を行い、その重力加速度の測定結果を基準の加速度とすることが好ましい。このように測定場所の特性を考慮することでより精度の高い測定を行うことができ、その結果、加速度aの理論式の各係数をより精度良く求めることができる。
 ただし、上記のように重力加速度を利用せずに加振機を使用する場合、実測結果を得る加速度範囲は上記範囲に限定されない。加振機を使用する場合、必然的に正負両方の加速度範囲の実測結果が得られるので、その結果をそのままフィッティングに使用すればよい。
 以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
 この出願は、2013年4月2日に出願された日本出願特願2013-077145号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (18)

  1.  可動電極と、
     支持体と、
     前記可動電極を前記支持体に移動可能な状態で取り付ける梁部材と、
     前記可動電極と第1の方向から対向している第1の固定電極と、
     前記可動電極と前記第1の方向とは異なる第2の方向から対向している第2の固定電極と、
     前記可動電極と各前記固定電極の間で生じる静電容量の変化を検出する検出部と、
     前記検出部の検出結果を補正して加速度を示す加速度信号を生成する補正部と、
    を備える静電容量型センサ。
  2.  請求項1に記載の静電容量型センサにおいて、
     前記固定電極と前記可動電極の組み合わせは複数種類あり、
     前記補正部は、前記組み合わせの種類ごとに、互いに異なる補正方法に基づいて前記補正を行う静電容量型センサ。
  3.  請求項2に記載の静電容量型センサにおいて、
     前記可動電極を介して前記第1の方向から前記第1の固定電極と対向している第3の前記固定電極を備え、
     前記検出部は、前記可動電極と前記第1の固定電極の間で生じる第1の前記静電容量、前記可動電極と前記第2の固定電極の間で生じる第2の前記静電容量、及び前記可動電極と前記第3の固定電極の間で生じる第3の前記静電容量を検出し、
     前記補正部は、
      前記第1の静電容量及び前記第3の静電容量を用いて前記第1の方向の加速度を示す第1の前記加速度信号を算出し、かつ前記第2の静電容量を用いて前記第2の方向の加速度を示す第2の前記加速度信号を算出し、
      前記第2の加速度信号を算出するときの前記補正方法を、前記第1の加速度信号を算出するときの前記補正方法とは異ならせる静電容量型センサ。
  4.  請求項3に記載の静電容量型センサにおいて、
     前記第1の固定電極及び前記第3の固定電極は前記可動電極の縁に対向しており、
     前記第2の固定電極は、前記可動電極の表面又は裏面に対向している静電容量型センサ。
  5.  請求項1~4のいずれか一項に記載の静電容量型センサにおいて、
     前記補正部は、補正テーブルを記憶しており、かつ前記補正テーブルを用いた補正式に基づいて前記加速度信号を生成する静電容量型センサ。
  6.  請求項5に記載の静電容量型センサにおいて、
     前記補正テーブルは書き換え可能である静電容量型センサ。
  7.  可動電極と、
     支持体と、
     前記可動電極を前記支持体に移動可能な状態で取り付ける梁部材と、
     前記可動電極と第1の方向から対向している第1の固定電極と、
     前記可動電極と前記第1の方向とは異なる第2の方向から対向している第2の固定電極と、
     前記可動電極と各前記固定電極の間で生じる静電容量の変化を検出する検出部と、
     前記検出部によって検出された、加速度に対して非線形な出力を、加速度に対して線形な出力となるように補正し、補正後の出力に対応する加速度を示す加速度信号を生成する補正部と、
    を備える静電容量型センサにおける非線形出力の補正方法であって、
     前記可動電極と前記固定電極の間の距離及び前記梁部材のバネ定数を用いて、加速度から前記静電容量を算出する理論式を算出し、
     前記理論式の逆変換式を用いて前記検出部による出力を補正する、非線形出力の補正方法。
  8.  請求項7に記載の非線形出力の補正方法において、前記理論式を、前記可動電極と前記固定電極の間の距離に関する設計値からのズレを用いて算出する、非線形出力の補正方法。
  9.  請求項7に記載の非線形出力の補正方法において、
     前記静電容量型センサは、
      前記可動電極を介して前記第1の方向から前記第1の固定電極と対向している第3の前記固定電極を備え、
      前記静電容量型センサの前記検出部は、前記可動電極と前記第1の固定電極の間で生じる第1の前記静電容量、前記可動電極と前記第2の固定電極の間で生じる第2の前記静電容量、及び前記可動電極と前記第3の固定電極の間で生じる第3の前記静電容量を検出し、
     前記静電容量型センサの前記補正部は、前記第1の静電容量及び前記第3の静電容量を用いて前記第1の方向の加速度を示す第1の前記加速度信号を算出し、かつ前記第2の静電容量を用いて前記第2の方向の加速度を示す第2の前記加速度信号を算出し、
     第1の前記加速度信号と第2の前記加速度信号とについて、互いに異なる前記理論式を算出し、
     第1の前記加速度信号と第2の前記加速度信号とを、それぞれについて算出した前記理論式の逆変換式を用いて補正する、非線形出力の補正方法。
  10.  請求項9に記載の非線形出力の補正方法において、
     前記可動電極と前記第1の固定電極との間の距離の設計値と、前記可動電極と前記第3の固定電極との間の距離の設計値とは、等しい値であり、
     前記理論式を、前記静電容量型センサの製造時に生じた前記可動電極と前記第1及び第3の固定電極との間の距離の設計値からのズレを用いて算出する、非線形出力の補正方法。
  11.  請求項7~10のいずれか一項に記載の非線形出力の補正方法において、
     前記静電容量型センサに加速度を加えて前記静電容量型センサの出力を実測し、実測した前記静電容量型センサの出力と前記静電容量型センサに加えた加速度とに基づいて前記理論式の係数を定め、係数を定めた後の理論式の逆変換式を用いて補正する、非線形出力の補正方法。
  12.  請求項11に記載の非線形出力の補正方法において、
     前記理論式の係数を定めるために前記第1の方向について前記静電容量型センサに加える加速度の範囲と、前記第2の方向について前記静電容量型センサに加える加速度の範囲とは、互いに異なる、非線形出力の補正方法。
  13.  請求項12に記載の非線形出力の補正方法において、
     第1の前記加速度信号の補正に用いる前記理論式の係数を定めるために前記静電容量型センサに加える加速度の範囲は、負の値と正の値の双方を含む、非線形出力の補正方法。
  14.  請求項12又は13に記載の非線形出力の補正方法において、
     第2の前記加速度信号の補正に用いる前記理論式の係数を定めるために前記静電容量型センサに加える加速度の範囲は、負の値と正の値のいずか一方のみを含む、非線形出力の補正方法。
  15.  請求項11~14のいずれか一項に記載の非線形出力の補正方法において、
     前記理論式の係数を定めるために重力加速度を利用して前記静電容量型センサに対して加速度を加える、非線形出力の補正方法。
  16.  請求項15に記載の非線形出力の補正方法において、
     前記第1の方向について前記静電容量型センサに対して加える加速度の範囲は、-1G以上+1G以下である、非線形出力の補正方法。
  17.  請求項15又は16に記載の非線形出力の補正方法において、
     前記第2の方向について前記静電容量型センサに対して加える加速度の範囲は、-2G以上0G以下である、非線形出力の補正方法。
  18.  請求項15~17のいずれか一項に記載の非線形出力の補正方法において、
     前記静電容量型センサの出力の補正を行う場所における重力加速度を測定し、測定された重力加速度の大きさを基準とする、非線形出力の補正方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105731359A (zh) * 2014-12-26 2016-07-06 株式会社东芝 传感器及其制造方法
JP2018115891A (ja) * 2017-01-17 2018-07-26 パナソニックIpマネジメント株式会社 加速度センサ

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6661937B2 (ja) * 2015-09-28 2020-03-11 富士電機株式会社 加速度補正データ算出装置及び加速度センサの製造方法
CN106324282A (zh) * 2016-08-16 2017-01-11 中国科学院声学研究所 一种加速度计系统,加速度计探头及其制备方法
JP6816603B2 (ja) * 2017-03-27 2021-01-20 セイコーエプソン株式会社 物理量センサー、電子機器、および移動体
CN107505479B (zh) * 2017-09-26 2019-08-30 华中科技大学 一种静电加速度计
CN109489649A (zh) * 2018-12-27 2019-03-19 瑞声声学科技(深圳)有限公司 Mems陀螺仪及包含该陀螺仪的电子设备
WO2020133096A1 (zh) * 2018-12-27 2020-07-02 瑞声声学科技(深圳)有限公司 Mems陀螺仪及包含该陀螺仪的电子设备
CN111638386A (zh) * 2020-05-25 2020-09-08 中国电子科技集团公司第二十六研究所 一种基于重力场的加速度计标度因数非线性度测试方法
CN113203939B (zh) * 2021-04-26 2022-03-18 中国科学院地质与地球物理研究所 一种mems加速度传感器芯片的检测方法及装置

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02110383A (ja) 1988-10-20 1990-04-23 Hitachi Ltd 加速度検出方法及び装置
JPH0572225A (ja) 1991-09-12 1993-03-23 Hitachi Ltd 物理量検出センサ,加速度センサ及びこれらセンサの出力信号特性の調整方法と装置
JPH05340958A (ja) 1990-06-18 1993-12-24 Hitachi Ltd 加速度センサ
JPH07120498A (ja) 1993-10-25 1995-05-12 Hitachi Ltd 静電容量式加速度センサの特性調整方法
JPH08313552A (ja) 1995-05-17 1996-11-29 Sumitomo Precision Prod Co Ltd 静電容量型加速度センサの非線形性の補正方法
JPH0954114A (ja) * 1995-08-15 1997-02-25 Murata Mfg Co Ltd 加速度センサ
WO2001096815A1 (fr) * 2000-06-14 2001-12-20 Omron Corporation Dispositif de transformation de la sortie d'un capteur
JP2002022760A (ja) * 2000-07-12 2002-01-23 Takata Corp 加速度計、加速度異常検出装置、ボルト、エアバッグ装置及びシートベルト巻取り装置
JP2003248017A (ja) * 2001-12-20 2003-09-05 Toyoda Mach Works Ltd センサ回路
JP2007198789A (ja) * 2006-01-24 2007-08-09 Sharp Corp 加速度センサの試験装置および試験方法
JP2009020094A (ja) * 2007-07-10 2009-01-29 Freescale Semiconductor Inc センサユニット

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7088492B2 (en) * 2001-10-11 2006-08-08 Denso Corporation Micro movable mechanism system and control method for the same
US7055387B2 (en) * 2003-07-25 2006-06-06 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Apparatus for and method of sensing a measured input
CN1332205C (zh) * 2004-07-19 2007-08-15 西北工业大学 单质量平板三轴微机械加速度计
CN100483136C (zh) * 2006-05-23 2009-04-29 北京航空航天大学 一种双轴电容式微机械加速度计
CN101386400B (zh) * 2007-09-13 2010-12-22 李刚 电容式单质量块三轴加速度传感器及制备方法
US7630850B2 (en) * 2007-10-15 2009-12-08 Advanced Micro Devices, Inc. Integrated circuit tester information processing system for nonlinear mobility model for strained device
JP5570997B2 (ja) * 2008-11-21 2014-08-13 タカノ株式会社 静電容量型力学量センサ素子及び力学量センサ
US9201091B2 (en) * 2009-04-14 2015-12-01 Atlantic Inertial Systems Limited Accelerometer control systems
JP5427199B2 (ja) * 2011-03-17 2014-02-26 日立オートモティブシステムズ株式会社 半導体物理量検出センサ
JP5799929B2 (ja) * 2012-10-02 2015-10-28 株式会社村田製作所 加速度センサ

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02110383A (ja) 1988-10-20 1990-04-23 Hitachi Ltd 加速度検出方法及び装置
JPH05340958A (ja) 1990-06-18 1993-12-24 Hitachi Ltd 加速度センサ
JPH0572225A (ja) 1991-09-12 1993-03-23 Hitachi Ltd 物理量検出センサ,加速度センサ及びこれらセンサの出力信号特性の調整方法と装置
JPH07120498A (ja) 1993-10-25 1995-05-12 Hitachi Ltd 静電容量式加速度センサの特性調整方法
JPH08313552A (ja) 1995-05-17 1996-11-29 Sumitomo Precision Prod Co Ltd 静電容量型加速度センサの非線形性の補正方法
JPH0954114A (ja) * 1995-08-15 1997-02-25 Murata Mfg Co Ltd 加速度センサ
WO2001096815A1 (fr) * 2000-06-14 2001-12-20 Omron Corporation Dispositif de transformation de la sortie d'un capteur
JP2002022760A (ja) * 2000-07-12 2002-01-23 Takata Corp 加速度計、加速度異常検出装置、ボルト、エアバッグ装置及びシートベルト巻取り装置
JP2003248017A (ja) * 2001-12-20 2003-09-05 Toyoda Mach Works Ltd センサ回路
JP2007198789A (ja) * 2006-01-24 2007-08-09 Sharp Corp 加速度センサの試験装置および試験方法
JP2009020094A (ja) * 2007-07-10 2009-01-29 Freescale Semiconductor Inc センサユニット

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2982991A4

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105731359A (zh) * 2014-12-26 2016-07-06 株式会社东芝 传感器及其制造方法
US9921238B2 (en) 2014-12-26 2018-03-20 Kabushiki Kaisha Toshiba Sensor and its manufacturing method
JP2018115891A (ja) * 2017-01-17 2018-07-26 パナソニックIpマネジメント株式会社 加速度センサ

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