JPH05340960A

JPH05340960A - 多次元加速度センサ

Info

Publication number: JPH05340960A
Application number: JP4149284A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Matsumoto; 昌大松本; Kiyomitsu Suzuki; 清光鈴木; Masayuki Miki; 正之三木; Shigeki Tsuchiya; 茂樹土谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-06-09
Filing date: 1992-06-09
Publication date: 1993-12-24

Abstract

(57)【要約】【目的】多次元加速度センサの小型軽量化，高精度化
を図る。【構成】直六面体の可動電極１００の各面に対向して
固定電極１０１〜１１２が配置される。これらの固定電
極から可動電極１００にサーボの静電気力が与えられ、
可動電極１００が固定電極１０１〜１１２で囲まれる空
間部中央に浮いた状態となる。可動電極１００が多次元
の加速度に応答して変位すると前記可動電極・各固定電
極の静電容量の変化をとらえて、静電サーボ制御系が可
動電極を基準位置（ここで基準位置とは前記固定電極間
の空間部中央である）に戻すための静電サーボ制御信号
を前記各固定電極に印加する。この静電サーボ制御信号
或いは各固定電極・可動電極間の静電容量の変化を示す
信号を処理して多次元の加速度を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は多次元の加速度を検出す
る加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の多次元加速度センサについては、
特開昭６３−１１８６６７号公報に記載される３次元加
速度センサのように、元々は１次元の加速度センサを３
個用意して、これらを立方体の直交３面に個々に取り付
けて３次元の加速度を検出するようなものであった。

【０００３】なお、加速度センサとして代表的なものに
静電容量式の加速度センサがある。これは、加速度に応
答して変位する可動電極をビームやダイヤフラムなどで
弾性支持し、この可動電極を介在させた状態で固定電極
を対向配置させ、可動電極の変位を各固定電極・可動電
極間の静電容量の差でとらえて加速度を検出したり、上
記静電容量差の変化からこの可動電極を基準位置に拘束
しようとする静電サーボ（静電気力）制御信号を発生さ
せ、この静電サーボ制御信号から加速度を検出する。そ
の他にも、歪ゲージ式加速度センサなど種々のものが提
案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、加速度セン
サは一般的に小型軽量であることが要求される。これは
加速度センサが使われる用途が航空機，ロケットあるい
は自動車等であり，各部品の実装面積や重量に対する要
求が非常に厳しくなっているためである。上記従来技術
は単に１次元の加速度センサを３個組合せたに過ぎず，
小型化という面では不満足なものであった。

【０００５】また、多次元加速度センサとしては、微
弱，低周波の加速度を高精度に検出でき、その意味で加
速度に応答する質量部（例えば静電容量式加速度センサ
の場合には可動電極）が高感度であること、しかも各次
元の検出加速度の直交性が高いものが要求される。しか
し、上記のように元々が１次元加速度センサであったも
のを立方体の直交三面にばらに取付ける場合には、その
直交三軸（ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸）の位置合わせを精度良く
行なうのが難しい問題があった。

【０００６】本発明は以上の点に鑑みてなされ、その目
的は、多次元加速度センサの小型軽量化を図り、しか
も、高精度の加速度検出を実現させることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、基本的には次のような課題解決手段を提案
する。

【０００８】一つは、静電容量式の加速度センサにおい
て、直六面体の可動電極の各面に対向して固定電極が配
置され、これらの固定電極から前記可動電極に該可動電
極を前記固定電極で囲まれる空間部中央に浮いた状態で
位置させる静電気力が与えられ、且つ前記可動電極が多
次元の加速度に応答して変位すると前記可動電極・各固
定電極の静電容量の変化をとらえて前記可動電極を基準
位置（ここで基準位置とは前記固定電極間の空間部中央
である）に戻すための静電気力を発生させる静電サーボ
制御信号を形成して、この静電サーボ制御信号を前記各
固定電極に印加する静電サーボ制御系とを備え、この静
電サーボ制御信号或いは各固定電極・可動電極間の静電
容量の変化を示す信号を処理して多次元の加速度を検出
するよう設定して成る（これを第１の課題解決手段とす
る）。

【０００９】もう一つは、静電容量式の加速度センサに
おいて、加速度に応答して変位する可動電極と、この可
動電極に対向して縦列，横列にそれぞれ２個づつ配置さ
れる固定電極とを備えて成る（これを第２の課題解決手
段とする）。

【００１０】もう一つは、静電容量式の加速度センサに
おいて、加速度に応答して変位する２個の可動電極と、
これらの可動電極にそれぞれ対向して配置される複数個
の固定電極とを備えて成る（これを第３の課題解決手段
とする）。

【００１１】もう一つは、静電容量式の加速度センサに
おいて、加速度に対応して上下左右に変位する可動電極
と、この可動電極の上下面にそれぞれ対向して配置され
る固定電極とを備え、前記可動電極の左右面と上下面と
を、或いは左右面又は上下面を櫛歯状の電極面とし、一
方、固定電極のうち可動電極の櫛歯状の電極面と対向す
る電極面を櫛歯状として前記可動電極の櫛歯状電極と微
小空隙を保ちつつ噛み合うように設定して成る（これを
第４の課題解決手段とする）。

【００１２】もう一つは、直六面体と、この直六面体の
３面〜６面に対応する複数個の面を一体成形して成るフ
レキシブルプリント基板と、２〜３個の加速度センサと
を備え、前記フレキシブルプリント基板の各面が前記直
六面体の対応する面に折り曲げられて固着され、且つこ
のフレキシブル基板の直交する２面〜３面の各面ごとに
前記加速度センサが個々に実装されて成る（これを第５
の課題解決手段とする）。

【００１３】

【作用】第１の課題解決手段の作用…可動電極の直六面
を囲むそれぞれの固定電極には、静電サーボ制御信号
（電圧）が印加されて、各固定電極から可動電極に働く
静電気力と可動電極との質量が均衡し、可動電極がビー
ムのような支持部材無しで固定電極で囲まれる空間中央
（基準位置）に浮いた状態で保たれる。

【００１４】この状態で、可動電極に３次元の加速度が
作用すると、可動電極と静電気力の均衡がくずれ、可動
電極はその加速度方向に応答して変位する。

【００１５】すると、静電サーボ制御系は、この変位を
可動電極・各固定電極間の静電容量の変化からとらえ
て、各固定電極に可動電極を基準位置に戻すための静電
サーボ制御信号を印加する。これにより、可動電極に作
用する慣性力（加速度に比例する力）と各固定電極から
可動電極に働く静電気力の差分が釣合って、可動電極は
基準位置に戻るよう拘束される。

【００１６】従って、前記静電サーボ制御信号を求める
ことにより、或いは可動電極・各固定電極間の静電容量
の変化を示す信号から３次元の加速度を検出できる。

【００１７】また、直六面体の可動電極は、ビーム無し
で浮いた状態にあるので、３次元空間における回転加速
度に対しても応答して回転変位できる。このような変位
に対しては、直六面体の可動電極に対向配置される固定
電極を、それぞれ２個づつ平行配置すれば、上記同様に
可動電極・各固定電極の静電容量の変化からこの回転変
位とらえることができる。

【００１８】そして、この回転変位（ねじりモーメン
ト）と釣り合う静電気力差が可動電極・各固定電極間に
発生するような静電サーボ制御信号を生成して各固定電
極に印加すれば、可動電極は基準位置に戻るように拘束
され、上記同様にこの静電サーボ制御信号或いは可動電
極・各固定電極間の静電容量の変化を示す信号から３次
元の回転加速度を検出できる。

【００１９】第２の課題解決手段の作用…本課題解決手
段では、一つの可動電極に対向する固定電極を縦列，横
列にそれぞれ２個ずつ配置したので、少なくとも一軸方
向（１次元）の加速度を検出できると共に、少なくとも
１軸を中心にした回転加速度に対して可動電極が応答し
て変位した場合も、横列，縦列の固定電極のそれぞれが
可動電極と協働して、それらの静電容量の変化から可動
電極の回転変位の情報を取り込めるので、これを信号処
理すれば、回転加速度を検出できる。なお、回転加速度
の検出は、上記第１の課題解決手段同様に、静電サーボ
制御信号或いは静電容量の変化から検出すればよい。

【００２０】第３の課題解決手段の作用…本課題解決手
段では、加速度に応答して変位する２個の可動電極を有
することで、少なくとも１軸方向の加速度に対しての加
速度を検出できると共に、１軸を中心にした回転加速度
に対しては２個の可動電極が異なる変位をとることで、
これらの各可動電極・固定電極の静電容量の変化から回
転加速度を検出できる。この場合の加速度検出も、静電
サーボ制御信号或いは静電容量の変化から検出すればよ
い。

【００２１】第４の課題解決手段の作用…本課題解決手
段においては、２次元の加速度を検出可能であり、特
に、固定電極と可動電極とを櫛歯状に対向させることか
ら、対向電極面積を広くとることができ、小さな印加電
圧（静電サーボ制御信号）で、固定電極から可動電極に
充分なサーボ用の静電気力を働かせることができる。

【００２２】第５の課題解決手段の作用…今まで述べた
第１〜第３の課題解決手段は、一つのセンサで多次元
（直線方向の加速度に回転加速度を加えたものを含む）
の加速度を検出するが、本課題解決手段では、加速度セ
ンサそのものは複数個（２個或いは３個）用いられる。

【００２３】これらの加速度センサは、フレキシブルプ
リント基板の複数面（３〜６面）のうち所定の面（互い
に直交する２面〜３面）に個々に実装される。残りのフ
レキシブルプリント基板の残りの面は遊び又はリード線
などの配線として使用可能となる。

【００２４】そして、このフレキシブルプリント基板の
うち、所定の面に実装される加速度センサは、予め加速
度センサの実装位置が直交三軸となるように設計してお
き、フレキシブルプリント基板のすべての面を直角に折
り曲げて、その折り曲げ線を直六面体（この直六面体は
加速度検出位置にセットされる）のコーナと位置合わせ
しつつフレキシブルプリント基板を接着剤などで固着す
ると、自ずと各加速度センサが直交三軸上に高精度にセ
ットされる。したがって、従来のような加速度センサを
直接、直六面体にばらに取付ける場合に生じる、センサ
位置ずれの問題を解消できる。

【００２５】そして、これらの加速度センサがそれぞ
れ、各自の取付位置における軸方向の加速度を検出する
ことで、２次元又は３次元の多次元の加速度を可能にす
る。

【００２６】

【実施例】本発明の実施例を図面により説明する。

【００２７】まず、実施例の説明に先立ち、図２に示す
従来の１次元ＰＷＭ（パルス幅変調）静電サ−ボ型の静
電容量式加速度センサを用いて、静電容量式加速度セン
サの動作原理について説明しておく。

【００２８】図２における検出部２００は、ビ−ム２０
４よって支持される可動電極２０１と、可動電極２０１
を介在させた状態で、この可動電極２０１の平行する２
面に微小空隙を保ちつつ対向配置される２個の固定電極
２０２，２０３より成る。

【００２９】可動電極２０１とビーム２０４は、例えば
シリコンなどの半導体を微細加工してなり、固定電極２
０２，２０３は導電性の金属材料で構成してある。

【００３０】この検出部２００に上下方向の加速度が働
くと、可動電極２０１は加速度に応じて上下に変位す
る。

【００３１】サーボ制御系は、容量検出器２０５，増幅
器２０６，パルス幅変調器２０７，駆動ゲ−ト２０８，
２０９より成る。

【００３２】容量検出器２０５は、固定電極２０２・可
動電極２０１間の静電容量と固定電極２０３・可動電極
２０１間の静電容量の差△Ｃを検出する。容量検出器２
０５の出力は、増幅器２０６により増幅され、パルス幅
変調器２０７により増幅器２０６の出力に応じたデュ−
ティの矩形波（静電サーボ制御信号）を発生する。

【００３３】この矩形波を駆動ゲ−ト２０８により反転
して固定電極２０３に印加し、固定電極２０３・可動電
極２０１間に静電気力を働かせると共に、駆動ゲ−ト２
０８，２０９により増幅器２０６の矩形波を固定電極２
０２に印加し、固定電極２０２・可動電極２０１間に静
電気力を働かせる。

【００３４】可動電極２０１に固定電極２０２と２０３
から働く静電気力の差分は矩形波のデュ−ティに比例す
る。従って、可動電極２０１・固定電極２０２間と可動
電極２０１・固定電極２０３間の静電容量の差分△Ｃが
零になるように、静電サーボ制御信号（矩形波及びその
反転信号）を固定電極２０２と２０３へ印加すれば、可
動電極２０１に働く慣性力（加速度に比例する力）と、
固定電極２０２と２０３から可動電極２０１に作用する
静電気力の差分が釣り合って、可動電極２０１が基準位
置に戻るように静電サーボ制御されるから、この静電サ
ーボ制御信号（デューティ）を検出し、このデュ−ティ
を低域フィルタ２１０によりアナログ電圧に変換するこ
とにより、加速度に応じた出力を得ることができる。こ
の時の出力特性は、

【００３５】

【数１】

【００３６】で表される。

【００３７】次に、図１及び図３〜図８により本発明の
第１実施例に係る多次元のＰＷＭ静電サ−ボ方式の加速
度センサについて説明する。本実施例の加速度センサは
３次元の加速度及びそのＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸を中心に回転
する３次元回転加速度も検出することを意図する。

【００３８】図１は、第１実施例の多次元加速度センサ
の検出部の構造原理を示す説明図である。

【００３９】本実施例の加速度センサの検出部３００
は、直六面体（ここでは立方体としてあるが直方体でも
よい）の可動電極１００と、この直六面体の各面に対向
配置される固定電極１０１，１０２，１０３，１０４，
１０５，１０６，１０７，１０８，１０９，１１０，１
１１，１１２を配置してある。ここでは、平行配置した
２個ずつの固定電極が１組となって（すなわち、固定電
極１０１，１０２と、１０３，１０４と、１０５，１０
６と、１０７，１０８と、１０９，１１０と、１１１，
１１２との組）、可動電極１００の各面に対向配置して
ある。可動電極１００及び固定電極１０１〜１１２は、
図２で例示したものと、同一の材質としてある。

【００４０】そして、各固定電極１０１〜１１２から可
動電極１００にこの可動電極の質量と均衡をとれる静電
気力を与えることで、可動電極１００が固定電極１００
〜１１２で囲まれる空間部中央（基準位置）にビーム無
しの浮いた状態で位置するようにしてある。

【００４１】このようにして、可動電極１００と各固定
電極１０１〜１１２とが微小空隙を保って対向し、立方
体の可動電極１００は、これに働く３次元加速度に応じ
て前後，上下，左右に変位し、あるいは可動電極１００
に働く回転加速度（ねじりモーメント）に応じて、前
後，上下，左右に回転変位できる。

【００４２】図３に図１で示した検出部３００のＳ１平
面の断面図を、図４に静電サーボ制御系の信号処理回路
の一部を示す。この信号処理回路を用いてＸ方向の加速
度の検出とＺ軸を中心とする回転加速度の検出動作につ
いて説明する。

【００４３】図４では、静電容量検出部４０１、増幅器
４０２，４０３、パルス幅増幅器４０４，４０５、駆動
ゲート４０６，４０７，４０８，４０９がＸ軸方向加速
度及びＺ軸を中心に回転する回転加速度に対する静電サ
ーボ制御系の回路を構成し、低域フィルタ４１０，４１
１、加算器４１２、減算器４１３がそれらの加速度を算
出するための信号処理系の回路を構成する。なお、後述
の図５のＹ軸方向加速度及びＸ軸を中心に回転する回転
加速度や図６のＺ軸方向加速度及びＹ軸を中心に回転す
る回転加速度の静電サーボ制御系や加速度算出信号処理
系の回路も同様に構成されるが、図示省略してある。

【００４４】図３において、可動電極１００にＸ軸方向
のうち右方向に加速度が働くと、可動電極１００は同方
向に移動し、可動電極１００・固定電極１０３間の静電
容量と、可動電極１００・固定電極１０４間の静電容量
は増加し、可動電極１００・固定電極１０９間の静電容
量と可動電極１００・固定電極１１０間の静電容量は減
少する。

【００４５】また、可動電極１００にＺ軸を中心とする
時計方向の回転加速度（ねじりモーメント）が働くと可
動電極１００は時計方向に回転し、可動電極１００・固
定電極１０３間の静電容量と可動電極１００・固定電極
１０９間の静電容量は増加し、可動電極１００・固定電
極１０４間の静電容量と可動電極１００・固定電極１１
０間の静電容量は減少する。

【００４６】このうち、可動電極１００・固定電極１０
４間の静電容量と可動電極１００・固定電極１０９間の
静電容量の差を容量検出器４０１で検出し、容量検出器
４０１の出力を増幅器４０２により増幅し、パルス幅変
調器４０５がこの静電容量差に比例したデューティを持
つ矩形波電圧（静電サーボ信号）を形成する。この静電
サーボ制御信号を基に、固定電極１０９に駆動ゲ−ト４
０７，４０９を介して、増幅器４０２の出力に応じたデ
ュ−ティを持つ矩形波電圧を印加し、固定電極１０４に
駆動ゲート４０７を介してその反転電圧を印加する。

【００４７】また、これと同様に可動電極１００・固定
電極１０３間の静電容量と可動電極１００・固定電極１
１０間の静電容量を容量検出器４０１により検出し、増
幅器４０３，パルス幅変調器４０４，駆動ゲ−ト４０
６，４０８により、固定電極１１０に増幅器４０３の出
力に応じたデューティを持つ矩形波電圧を印加し、固定
電極１０３にその反転電圧を印加する。

【００４８】このとき、固定電極１０４と１０９から可
動電極１００に働く静電気力の差分と、固定電極１０３
と１１０から可動電極１００に働く静電気力の差分との
合わせたものが、可動電極１００に働く慣性力（加速度
に比例する力）や可動電極１００に働くねじりモ−メン
ト(回転角加速度に比例する力)と釣り合うため、可動電
極は、上記の可動電極・各固定電極の静電容量差が零と
なる位置、つまり、固定電極に囲まれる中央空間（基準
位置）に戻されるよう拘束される。

【００４９】そして、固定電極１０３，１０４，１０
９，１１０から作用する静電気力をデュ−ティ（静電サ
ーボ制御信号）から検出し、このデュ−ティを低域フィ
ルタ４１０，４１１によりアナログ電圧に変換し、加算
器４１２で固定電極１０３，１１０から可動電極１００
に働く静電気力の差（ｆ１−ｆ４）と固定電極１０４，
１０９から可動電極１００に働く静電気力の差（ｆ２−
ｆ３）とを加算してＸ軸方向の加速度に応じた出力を、
また、減算器４１３で（ｆ１−ｆ４）と（ｆ２−ｆ３）
とを減算してＺ軸を中心にした回転加速度に応じた出力
を得ることができる。（ここで、ｆ１は固定電極１０３
からの静電気力、ｆ２は固定電極１０４からの静電気
力，ｆ３は固定電極１０９からの静電気力，ｆ４は固定
電極１１０からの静電気力である）。

【００５０】すなわち、上記の加算器４１２で算出され
る値は、

【００５１】

【数２】（ｆ１−ｆ４）＋（ｆ２−ｆ３）＝（ｆ１＋ｆ２）−（ｆ３＋ｆ４）となり、上記の減算器４１３で算出される値は、

【００５２】

【数３】（ｆ１−ｆ４）−（ｆ２−ｆ３）＝（ｆ１＋ｆ３）−（ｆ２＋ｆ４）となる。

【００５３】以上の式から、Ｘ方向の加速度の場合に
は、数２式に、Ｚ方向を中心とした回転加速度の場合
は、数３式に数値として表れる。

【００５４】次に、図５により、検出部３００のＳ２平
面の断面図を示し、Ｙ軸方向の加速度とＸ軸を中心とす
る回転加速度の検出動作について説明する。

【００５５】図５において、可動電極１００にＹ軸にお
ける図の左方向の加速度が働くと、可動電極１００は同
方向に変位し、可動電極１００・固定電極１０７間の静
電容量と可動電極１００・固定電極１０８間の静電容量
は増加し、可動電極１００・固定電極１１１間と可動電
極１００・固定電極１１２間の静電容量は減少する。

【００５６】また、可動電極１００にＸ軸を中心とする
時計方向の回転加速度が働くと、可動電極１００は時計
方向に回転し、可動電極１００・固定電極１１１間の静
電容量と可動電極１００・固定電極１０７間の静電容量
は増加し、可動電極１００・固定電極１１２間と可動電
極１００・固定電極１０８間の静電容量は減少する。

【００５７】従って、上記図４同様に構成した静電サー
ボ制御系及び加速度算出の処理回路を用いれば、Ｙ軸方
向の加速度とＸ軸を中心とする回転加速度を検出するこ
とができる。

【００５８】次に、図６に検出部３００のＳ３平面の断
面図を示し、Ｚ軸方向の加速度とＹ軸を中心とする回転
加速度の検出動作について説明する。

【００５９】Ｙ軸方向の加速度とＹ軸を中心とする回転
加速度についても，上述したことと同様に可動電極１０
０がＺ軸方向の加速度あるいはＹ軸を中心とする回転加
速度に応じ変位する。従って、上記同様の静電サーボ制
御系及び加速度算出の信号処理回路を用いれば、Ｚ方向
の加速度とＹ軸を中心とする回転角加速度を検出するこ
とができる。

【００６０】そして、これらの各軸方向の静電サーボ制
御系及び加速度算出の信号処理回路を組み合わせて協働
させることで、３次元空間に働く加速度を検出でき、し
かも、これと合わせて３次元の回転加速度も検出でき
る。

【００６１】次に、図７により本実施例に用いる容量検
出器４０１の具体的構成例を説明する。

【００６２】容量検出器４０１は、演算増幅器７０１
と、これの帰還部に静電容量７０２とトランジスタ７０
３を設けたリセット付き積分器と、サンプルホ−ルド回
路７０４，７０５，７０６，７０７，７０８，７０９よ
り構成される。

【００６３】演算増幅器７０１の反転入力は可動電極１
００に接続されており、可動電極１００の電位を一定に
保っている。

【００６４】なお、図７では便宜上、可動電極１００・
固定電極１０１間の静電容量をＣ₁，可動電極１００・
固定電極１０２間の静電容量をＣ₂，可動電極１００・
固定電極１０３間の静電容量をＣ₃，可動電極１００・
固定電極１０４間の静電容量をＣ₄，可動電極１００・
固定電極１０５間の静電容量をＣ₅，可動電極１００・
固定電極１０６間の静電容量をＣ₆，可動電極１００・
固定電極１０７間の静電容量をＣ₇，可動電極１００・
固定電極１０８間の静電容量をＣ₈，可動電極１００・
固定電極１０９間の静電容量をＣ₉，可動電極１００・
固定電極１１０間の静電容量をＣ₁₀，可動電極１００・
固定電極１１１間の静電容量をＣ₁₁，可動電極１００・
固定電極１１２間の静電容量をＣ₁₂で表している。

【００６５】また、駆動ゲ−ト４０６，４０７，４０
８，４０９，７１０，７１１，７１２，７１３，７１
４，７１５，７１６，７１７は、それぞれ対応の固定電
極に接続されている。

【００６６】この容量検出器４０１のタイミングチャ−
トを図８に示し、これを用いて容量検出器４０１の動作
を説明する。

【００６７】まず、信号φ_Rによりトランジスタ７０３
をオンにし、静電容量７０２を放電する。次の瞬間、固
定電極１０１に印加する矩形波は立ち上がり、固定電極
１０６に印加される矩形波は立ち下がる。この時，静電
容量Ｃ₁は充電され、静電容量Ｃ₆は放電されるから、静
電容量Ｃ７０２にはＶ_P(Ｃ₆−Ｃ₁)なる電荷が流れる。

【００６８】ここで、Ｖ_Pは矩形波の振幅である。従っ
て、静電容量７０２の容量をＣ_Fとすると演算増幅器７
０１の出力には数４式で表される電圧Ｖ_Oが発生する。

【００６９】

【数４】Ｖ_O＝Ｖ_P(Ｃ₆−Ｃ₁)／Ｃ_F この電圧を信号φ₁によりサンプルホ−ルド回路７０４
でサンプリングすることにより、静電容量Ｃ₁と静電容
量Ｃ₆の差分を検出することができる。

【００７０】そして、次のタイミングで信号φ_Rにより
トランジスタ７０３を再びオンにし、静電容量７０２を
放電させる。次の瞬間には固定電極１０２へ印加される
矩形波は立上り、固定電極１０５へ印加される矩形波は
立ち下がる。この時には演算増幅器７０１の出力には静
電容量Ｃ₂と静電容量Ｃ₅の差に応じた信号が発生するか
ら、これを信号φ₂によりサンプルホ−ルド回路７０５
でサンプリングすることにより、静電容量Ｃ₂と静電容
量Ｃ₅の差を検出することができる。

【００７１】従って、これを順次繰り返すことにより、
静電容量Ｃ₃と静電容量Ｃ₁₀の差，静電容量Ｃ₄と静電容
量Ｃ₉の差，静電容量Ｃ₇と静電容量Ｃ₁₂の差，静電容量
Ｃ₈と静電容量Ｃ₁₁の差を検出する。

【００７２】次に、本発明の第２の実施例を図９〜図１
２により説明する。図９は本実施例の検出部の構造原理
を、図１０は、図９のＹ軸方向の断面図、図１１は図１
０のａ−ａ´線断面図、図１２は本実施例の回路図であ
る。

【００７３】本実施例はＺ軸方向の加速度と、Ｘ軸を中
心とした回転加速度と、Ｙ軸を中心とした回転加速度を
検出することを意図した多次元ＰＷＭ静電サ−ボ型の静
電容量式加速度センサである。

【００７４】可動電極９００はビーム９０１により支持
されるが、このビームはＺ軸方向の加速度に応答して変
位するように支持され、また、ビーム９０１は弾性を有
する部材で構成して、Ｘ軸を中心とした回転加速度が可
動電極９００に作用すると、それに対応してねじれ運動
を行なって可動電極９００のＸ軸を中心とした回転変位
を許容する機能と、Ｙ軸を中心とした回転加速度が可動
電極９００に作用すると、図９（ｂ）に示すように弾性
変形して、可動電極９００のＹ軸を中心とした回転変位
を許容する機能を与えてある。

【００７５】図９（ａ）に示すように、可動電極９００
の上面に対向して、固定電極９０２，９０３，９０４，
９０５が縦，横列に２個づつ並んで配置され、可動電極
９００の下面に対向して、固定電極９０６，９０７，９
０８，９０９が同様に縦，横列に２個づつ並んで配置し
てあり、これらの固定電極・固定電極間は、微小間隙を
保って、可動電極９００が基準位置にある。

【００７６】次に本実施例における静電サーボ制御系と
加速度算出のための信号処理回路の構成と動作を図１２
により説明する。

【００７７】静電サーボ制御系は、第１の実施例同様
に、容量検出器１２００、増幅器１２０１，１２０２，
１２０３，１２０４、パルス幅変調器１２１３，１２１
４，１２１５，１２１６、駆動ゲ−ト１２０５，１２０
６，１２０７，１２０８，１２０９，１２１０，１２１
１，１２１２よりなり、加速度算出のための信号処理回
路は、低域フィルタ１２１７，１２１８，１２１９，１
２２０及び演算器１２２１よりなる。

【００７８】これにより、可動電極９００がＺ軸方向の
加速度，Ｘ軸を中心とした加速度及びＹ軸を中心とした
加速度に応答して変位すると、可動電極９００・固定電
極９０２間の静電容量と可動電極９００・固定電極９０
９間の静電容量の差分が零になるように、可動電極９０
０・固定電極９０３間の静電容量と可動電極９００・固
定電極９０８間の静電容量の差分が零になるように、可
動電極９００・固定電極９０４間の静電容量と可動電極
９００と固定電極９０６間の静電容量の差分が零になる
ように、可動電極９００・固定電極９０５間の静電容量
と可動電極９００・固定電極９０７間の静電容量の差分
が零になるように、各固定電極印加する矩形波のデュ−
ティを制御する。

【００７９】そのため、Ｚ軸方向の加速度による慣性力
やＸ軸あるいはＹ軸を中心にするの回転加速度による回
転モ−メントと各固定電極から可動電極９００に働く静
電気力差が均衡させることで、可動電極９００を基準位
置に拘束するような静電サーボ制御を可能にする。

【００８０】従って、各固定電極から可動電極９００に
働かせた静電気力をデュ−ティより求め、これを低域フ
ィルタ１２１７，１２１８，１２１９，１２２０により
アナログ電圧に変換し、これを演算器１２２１で演算す
ることにより、Ｚ軸方向の加速度，Ｘ軸あるいはＹ軸を
中心にするの回転角加速度を検出できる。

【００８１】ここで、Ｚ軸方向の加速度は低域フィルタ
１２１７，１２１８，１２１９，１２２０の出力の和を
演算することにより、Ｘ軸を中心にする回転角加速度
は、低域フィルタ１２１７，１２１８の出力の和と低域
フィルタ１２１９と１２２０の出力の和の差分を演算す
ることにより、また、Ｙ軸を中心にする回転角加速度は
低域フィルタ１２１７，１２１９の出力の和と低域フィ
ルタ１２１８，１２２０の出力の和の差分を演算するこ
とによりＹ軸を中心にする回転加速度を検出できる。

【００８２】次に、図１３から図１６により本発明の第
３実施例を説明する。

【００８３】本実施例は、一軸方向の加速度と一軸を中
心に回転する回転加速度の検出を意図するＰＷＭ静電サ
−ボ型の静電容量式加速度センサである。

【００８４】図１３に本実施例の検出部１３００の電極
の配置を、図１４に検出部の断面を、図１５にａ−ａ’
の断面を示す。

【００８５】検出部１３００はビ−ム１３０１に支持さ
れる可動電極１３０２，ビ−ム１３０５に支持され可動
電極１３０７との計２個の可動電極を有し、可動電極１
３０２の上下面に対向して固定電極１３０３，１３０４
が配置され、可動電極１３０７の上下面に対向して固定
電極１３０６，１３０８が配置される。

【００８６】この可動電極１３０２，１３０７は、Ｚ軸
方向の加速度に応じて同方向に移動する。また、Ｘ軸を
中心にするの回転角加速度に応じて、可動電極１３０２
と可動電極１３０７はＺ軸方向に相互に反対に移動す
る。

【００８７】従って、可動電極１３０２・固定電極１３
０３間の静電容量と可動電極１３０２・固定電極１３０
４間の静電容量の差分が零になるように、また、可動電
極１３０７・固定電極１３０６間の静電容量と可動電極
１３０７・固定電極１３０８間の静電容量の差分が零に
なるように、固定電極１３０３，１３０４，１３０６，
１３０８に静電サーボ制御信号（電圧）を印加し、可動
電極１３０２，１３０７に静電気力を働かせる。

【００８８】この時、Ｚ軸方向の加速度による慣性力や
Ｘ軸を中心にする回転角加速度により各可動電極に働く
力と、各固定電極から各可動電極に働く静電気力差が釣
り合う。

【００８９】従って、固定電極１３０６から可動電極１
３０７へ働く静電気力と固定電極１３０３から可動電極
１３０２へ働く静電気力の和と、固定電極１３０８から
可動電極１３０７へ働く静電気力と固定電極１３０４か
ら可動電極１３０２へ働く静電気力の和の差分を求める
ことによりＺ軸方向の加速度を求めることができる。

【００９０】また、固定電極１３０６から可動電極１３
０７へ働く静電気力と固定電極１３０４から可動電極１
３０２へ働く静電気力の和と、固定電極１３０８から可
動電極１３０７へ働く静電気力と固定電極１３０３から
可動電極１３０２へ働く静電気力の和の差分を求めるこ
とにより、Ｘ軸方向の回転角加速度を求めることができ
る。

【００９１】次に、本発明の第４実施例を図１６及び図
１７により説明する。本実施例は、２次元の加速度検出
を意図したＰＷＭ静電サ−ボ型の静電容量式加速度セン
サである。

【００９２】図１６に本実施例の検出部１３００の断面
を、第１５図にａ−ａ’の断面構造を示す。

【００９３】検出部１６００は、可動電極１６０２は、
その左右面に対向配置される固定電極１６０５，１６０
６と、上下面に対向配置される固定電極１６０３，１６
０４とで構成される。

【００９４】可動電極１６０２は、固定ビ−ム１６０１
に支持され、左右の電極面が櫛歯状を呈する。また、左
右の固定電極１６０５，１６０６も、その可動電極対向
面が櫛歯状の形状を呈し、これらの固定電極の櫛歯状電
極面と可動電極の櫛歯状電極面とがそれぞれ微小空隙を
保って噛み合っている。

【００９５】可動電極１６０２は、上下方向の加速度に
応じて上下方向に移動し、左右方向の加速度に応じて左
右方向に移動する。

【００９６】従って、可動電極１６０２と固定電極１６
０３間の静電容量と可動電極１６０２と固定電極１６０
４間の静電容量の差分が零になるように、また、可動電
極１６０２と固定電極１６０５間の静電容量と可動電極
１６０２と固定電極１６０６間の静電容量の差分が零に
なるように固定電極１３０３，１３０４，１３０５，１
３０６に電圧を印加し、可動電極１６０２に静電気力を
働かせる。この時，上下方向及び左右方向の加速度によ
る慣性力と各固定電極から可動電極１６０２に働く静電
気力差が釣り合う。従って、固定電極１６０３から可動
電極１６０２へ働く静電気力と固定電極１６０４から可
動電極１３０２へ働く静電気力の差分を求めることによ
り上下方向の加速度を求めることができる。また，固定
電極１６０５から可動電極１６０２へ働く静電気力と固
定電極１６０６から可動電極１６０２へ働く静電気力の
差分を求めることにより左右方向の加速度を求めること
ができる。

【００９７】本実施例によれば、櫛歯状に可動電極・固
定電極を噛み合わせることにより、電極面の有効面積を
広くとり、その分、静電サーボに用いる静電気力を小さ
くできる利点がある。

【００９８】次に、本発明の第５の実施例を図１８によ
り説明する。

【００９９】本実施例は、３次元加速度の検出を意図す
るセンサである。

【０１００】本実施例では、加速度検出位置にセットさ
れる直六面体（立方体）１８０１と、この立方体１８０
１の５面に対応する５個の面を十字形配置で一体成形し
て成るフレキシブルプリント基板１８００と、３個の加
速度センサ１８０２，１８０３，１８０４とを備える。
ここで用いる加速度センサは、静電容量式，歪ゲージ式
など任意のものを使用すれば良い。

【０１０１】フレキシブルプリント基板１８００の各面
が立方体１８０１の対応する面に折り曲げられて接着剤
により固着してある。

【０１０２】フレキシブルプリント基板１８００の直交
する３面には、加速度センサ１８０２，１８０３，１８
０４がそれぞれ個々に実装してある。

【０１０３】フレキシブルプリント基板１８００は、セ
ラミック，アクリル等のサポート板の表面にＦＰＣ樹脂
等を被覆して成り、所定の直交３面に加速度センサ１８
０２，１８０３，１８０４のそれぞれの検出部１８０２
ａ，１８０３ａ，１８０４ａとその信号処理系となるＩ
Ｃ回路（デバイス）１８０２ｂ，１８０３ｂ，１８０４
ｂとがプリント配線により電気的に接続されて実装され
ており、残りの面にこれらの加速度センサの信号取出線
や電源供給線に係るリード線がプリント形成してある。
このうち、各加速度センサの検出部１８０２ａ，１８０
３ａ，１８０４ａは、直交３軸上にセットされるよう予
めプリント基板上に設計してある。

【０１０４】本実施例によれば、フレキシブルプリント
基板１８００のすべての面を直角に折り曲げて、その折
り曲げ線を直六面体１８０１のコーナと位置合わせしつ
つフレキシブルプリント基板１８００を接着剤などで固
着すると、自ずと各加速度センサ１８０２，１８０３，
１８０４が直交三軸上に高精度にセットされる。

【０１０５】そして、これらの加速度センサがそれぞ
れ、各自の取付位置における軸方向の加速度を検出する
ことで、精度の良い３次元の加速度検出を可能にする。

【０１０６】また、加速度センサは、それぞれ、プリン
ト基板に実装されるので、その設置スペースの合理化を
図り、加速度センサすべてを一つのパッケージで収納可
能なので、ばらの加速度センサを個々にパッケージする
方式に較べて、装置の小形化を図り得る。

【０１０７】なお、本実施例では、フレキシブル基板を
５面としたが、３面から６面の間であれば、各加速度セ
ンサの実装と直六面体への精度良い位置決めを可能と
し、また、加速度センサを２個用いれば２次元加速度の
検出も可能とする。

【０１０８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、第１の課
題解決手段から第４の課題解決手段では、多次元加速度
センサの複合化を図ることで、一の検出部で多次元の加
速度を小形，高精度に検出でき、第５の課題解決手段で
は、加速度センサの集積化を図ることができるから、多
次元加速度センサの小形，高精度化を達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の多次元加速度センサの電極の配置
を示す説明図

【図２】１次元ＰＷＭ静電サ−ボ方式加速度センサの構
成を示す説明図

【図３】第１実施例の検出部のＳ１面の断面図

【図４】第１実施例の静電サーボ制御系の信号処理部の
構成図

【図５】第１実施例の検出部のＳ２面の断面図

【図６】第１実施例の検出部のＳ３面の断面図

【図７】第１実施例の静電容量検出器の回路構成図

【図８】第１実施例の静電容量検出器のタイミングチャ
−ト

【図９】第２実施例の多次元加速度センサの検出部の電
極の配置を示す説明図

【図１０】第２実施例の多次元加速度センサの検出部の
断面を示す説明図

【図１１】図１０のａ−ａ’の断面

【図１２】第２実施例の信号処理部の構成を示す説明図

【図１３】第３実施例の加速度センサの検出部の電極の
配置を示す説明図

【図１４】第３実施例の加速度センサの検出部の断面を
示す説明図

【図１５】図１４の検出部ａ−ａ’の断面図

【図１６】第４実施例の多次元加速度センサの検出部の
断面図

【図１７】図１６のａ−ａ’の断面図

【図１８】第５実施例の多次元加速度センサの組立状態
説明図

【符号の説明】

１００…可動電極、１０１，１０２，１０３，１０４，
１０５，１０６，１０７，１０８，１０９，１１０，１
１１，１１２…固定電極、２００…検出部、２０１…可
動電極、２０２，２０３…固定電極、２０４…ビ−ム、
２０５…容量検出器、２０６…増幅器、２０７…パルス
幅変調器、２０８，２０９…駆動ゲ−ト、２１０…低域
フィルタ、３００…検出部、４０１…容量検出器、４０
２，４０３…増幅器、４０４，４０５…パルス幅変調
器、４０６，４０７…駆動ゲ−ト、４０８，４０９…駆
動ゲ−ト、４１０，４１１…低域フィルタ、４１２…加
算器、４１３…減算器、７０１…演算増幅器、７０２…
静電容量、７０３…トランジスタ、７０４，７０５，７
０６，７０７，７０８，７０９…サンプルホ−ルド回
路、７１０，７１１，７１２，７１３，７１４，７１
５，７１６，７１７…駆動ゲ−ト、９００…可動電極、
９０１…ビ−ム、９０２，９０３，９０４，９０５，９
０６，９０７，９０８，９０９…固定電極、１０００…
検出部、１２００…容量検出器、１２０１，１２０２，
１２０３，１２０４…増幅器，１２０５，１２０６，１
２０７，１２０８，１２０９，１２１０，１２１１，１
２１２…駆動ゲ−ト、１２１３，１２１４，１２１５，
１２１６…パルス幅変調器、１２１７，１２１８，１２
１９，１２２０…低域フィルタ、１２２１…演算器、１
３００…検出部、１３０１…ビ−ム、１３０２…可動電
極、１３０３…固定電極、１３０４…固定電極、ビ−ム
…１３０５、１３０６…固定電極、１３０７…可動電
極、１３０８…固定電極、１６００…検出部、１６０１
…ビ−ム、１６０２…可動電極、１６０３，１６０４，
１６０５，１６０６…固定電極、１８００…基板、１８
０１…立方体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者土谷茂樹茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】静電容量式の加速度センサにおいて、直
六面体の可動電極の各面に対向して固定電極が配置さ
れ、これらの固定電極から前記可動電極に該可動電極を
前記固定電極で囲まれる空間部中央に浮いた状態で位置
させる静電気力が与えられ、且つ前記可動電極が多次元の加速度に応答して変位する
と前記可動電極・各固定電極の静電容量の変化をとらえ
て前記可動電極を基準位置（ここで基準位置とは前記固
定電極間の空間部中央である）に戻すための静電気力を
発生させる静電サーボ制御信号を形成して、この静電サ
ーボ制御信号を前記各固定電極に印加する静電サーボ制
御系とを備え、この静電サーボ制御信号或いは各固定電
極・可動電極間の静電容量の変化を示す信号を処理して
多次元の加速度を検出するよう設定して成ることを特徴
とする多次元加速度センサ
【請求項２】請求項１において、前記直六面体の各面
に対向配置される固定電極は、それぞれ２個づつ平行配
置して、３次元空間における加速度及び回転加速度を検
出するよう設定して成ることを特徴とする多次元加速度
センサ。
【請求項３】静電容量式の加速度センサにおいて、加
速度に応答して変位する可動電極と、この可動電極に対
向して縦列，横列にそれぞれ２個づつ配置される固定電
極とを備えて成ることを特徴とする多次元加速度セン
サ。
【請求項４】静電容量式の加速度センサにおいて、加
速度に応答して変位する２個の可動電極と、これらの可
動電極にそれぞれ対向して配置される複数個の固定電極
とを備えて成ることを特徴とする多次元加速度センサ。
【請求項５】静電容量式の加速度センサにおいて、加
速度に対応して上下左右に変位する可動電極と、この可
動電極の上下面にそれぞれ対向して配置される固定電極
とを備え、前記可動電極の左右面と上下面とを、或いは
左右面又は上下面を櫛歯状の電極面とし、一方、固定電
極のうち可動電極の櫛歯状の電極面と対向する電極面を
櫛歯状として前記可動電極の櫛歯状電極と微小空隙を保
ちつつ噛み合うように設定して成ることを特徴とする多
次元加速度センサ。
【請求項６】直六面体と、この直六面体の３面〜６面
に対応する複数個の面を一体成形して成るフレキシブル
プリント基板と、２〜３個の加速度センサとを備え、前
記フレキシブルプリント基板の各面が前記直六面体の対
応する面に折り曲げられて固着され、且つこのフレキシ
ブル基板の直交する２面〜３面の各面ごとに前記加速度
センサが個々に実装されて成ることを特徴とする多次元
加速度センサ。