JPH06265417A - 力測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 力信号に応答する高精度測定装置を実現する
こと。 【構成】 力を、特に加速度に対応した慣性力を測定す
る装置は、２つのコンデンサを有する容量性検出器を有
しており、それらのコンデンサの静電容量の違いは測定
された力の関数である。測定装置はさらに、２つの静電
容量の値の比較によって決定された出力信号を発生する
ことができる電子回路を有している。この信号は、変調
パルス密度のデジタル信号として発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は装置の加速度に対応した
慣性力等の力を測定する装置に関するものである。さら
に、本発明は、２つのコンデンサの極板の一方を形成し
ている弾性支持された質量体に測定力が作用するように
した測定装置に関するものである。本発明はまた、力に
応答する容量性センサに関し、また加えられた力信号を
アナログまたはデジタル表示できるようにそのセンサと
組み合わされた電子回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ加工されたセンサ及び関連の電
子機器類に基づいた精密加速度計が、「ＩＥＥＥソリッ
ドステートセンサ及びアクチュエータワークショップ１
９９０年号」のヘンリオン（Ｈｅｎｒｉｏｎ）他による
「動的広域直接デジタル加速度計」と題する論文、及び
米国特許第５，１３４，８８１号に記載されている。こ
れらの２つの従来技術文書の装置は、弾性支持された質
量体が２つの感知コンデンサ及び２つの力コンデンサの
移動する極板を形成しているセンサを有している。この
移動する質量体は、測定しようとする力を受けて、感知
コンデンサの静電容量を変化させることができ、また２
つの感知静電容量間の差を表す信号を発生する電子手段
が設けられている。この信号は、前記力の値を表す出力
信号として利用され、また前記質量体に作用している外
力を補償できる静電力を発生するために２つのコンデン
サへ送られる。

【０００３】この従来技術による解決法では、容量性セ
ンサは、共振周波数よりも低い周波数で変化する加速度
では変位信号が支持構造体の加速度にほぼ比例している
ことを特徴としている。さらに、この従来技術による解
決法は、電気的に絶縁した力及び向きの導電領域を備え
た容量性センサに基づいている。最後に、この従来技術
による解決法は、静電力を発生させる電荷発生器を用い
ている。この従来技術の別の特徴は、デジタル出力を備
えた測定装置が２値静電力に基づいていることである。
このデジタル出力装置のさらに別の特徴は、順方向回路
内の積分手段である。このデジタル出力装置の別の特徴
は、制御ループを安定させるための順方向回路内の進み
／遅れフィルタである。

【０００４】ヘンリオンの従来技術には、精密加速度測
定に可能な解決法が含まれている。しかし、改良を必要
とする３つの問題点がある。すなわち、第１に、共振周
波数応答の容量形センサは、その共振特徴を確実にする
ために内部真空を必要とする。製造中にこの真空を実現
して、装置の使用期間中を通してそれを維持するために
は高コストが掛かる。従って、低コストで実現でき、制
御も良好である、例えばミリバール範囲で真空よりも高
い内部圧力にしたセンサを用いることが好ましい。その
ようなセンサは一般的に減衰周波数応答を示す。第２
に、順方向回路内の積分手段によってループが不安定に
なる。米国特許第５，１３４，８８１号は、安定化のた
めの方法及び手段について考えていない。第３に、従来
技術ではひずみが処理されていないが、多数の物理的及
び電気的発生源によって測定装置の線形応答が相当に悪
化する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の主た
る目的は、力信号に応答する高精度測定装置を実現する
ことである。別の目的は、減衰周波数応答センサに基づ
いた、力信号に応答する高精度測定装置を実現すること
である。別の目的は、力信号に応答する、共通の向き及
び力の導電領域を備えた容量性センサに基づいた高精度
測定装置を実現することである。さらに別の目的は、ゆ
がみを小さく抑えた電子手段を含む、力信号に応答する
高精度測定装置を実現することである。本発明のさらに
別の目的は、２値静電力に基づいたデジタル出力を発生
する、力信号に応答する高精度測定装置を実現すること
である。本発明のさらに別の目的は、多値静電力に基づ
いたデジタル出力を発生する、力信号に応答する高精度
測定装置を実現することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的及び他
の特徴及び利点を組み込んだ、力を、特に加速度に対応
した慣性力を測定する装置は、弾性的に支持された質量
体が２つのコンデンサの移動極板を形成して、前記移動
質量体が前記力を受けることによってそのコンデンサの
静電容量が変化するようにした容量性検出器と、前記質
量体の変位に応じて、前記力の値を表す出力信号として
利用される信号を発生する回路を有している順方向回路
手段と、前記出力信号をスイッチ装置を介して前記コン
デンサの少なくとも一方へ送って静電フィードバック力
を発生できるようにするフィードバック回路手段とを有
しており、前記順方向回路手段は、前記力の関数として
変調されたパルス密度を有するデジタル形式の前記信号
を発生する手段を有していることを特徴としている。

【０００７】そのようなパルス密度変調信号は実際には
デジタル信号である。このため、パルス密度変調手段の
クロック周波数とデジタル処理装置のクロック周波数と
が同期している間、介在回路なしでデジタル処理装置へ
送らることができる。パルス密度変調信号は、アナログ
信号を発生するために上記従来技術文書に記載されてい
るものと同様な低域フィルタへも等しく送られる。最後
に、変調手段を調整するクロックと下流側に配置された
デジタル処理装置のそれとが同期しない場合、デジタル
低域フィルタすなわちカウンタを用いて、測定装置から
受け取られたパルスをデジタル処理装置で使用できるパ
ルスに直接的に変形することができる。

【０００８】本発明の第２の好適な実施例によれば、順
方向回路手段は、質量体の変位に応答する回路の出力部
に配置された積分手段を有している。この積分手段は少
なくとも１つの積分器を特徴としており、これは低周波
数ループ利得を増加させる。この改良によって、ＩＥＥ
Ｅプレスの１９９２年のオーバサンプルド・デルタ／シ
グマコンバータの１〜２９ページの「Ａ／Ｄ及びＤ／Ａ
コンバータ用のオーバサンプリング方法」と題するＪ．
Ｃ．キャンディ（Ｃａｎｄｙ）及びＧ．Ｃ．テムズ（Ｔ
ｅｍｅｓ）の論文に完全な電気的装置について報告され
ているように、出力信号がゼロ力入力信号及び一定の他
の入力信号付近に不感帯を示すことが防止される。ま
た、本発明の第２の好適な実施例によれば、積分手段は
その入力として変位信号及び前記アナログ／デジタルコ
ンバータの出力の線形付加を受け取り、積分手段の入力
からデジタル出力信号への伝達関数が負符号であること
を特徴としている。

【０００９】本発明の第３の好適な実施例によれば、ア
ナログ／デジタル変換によって各サンプリング時に多ビ
ットデジタル語が発生する。これは、並列アナログ／デ
ジタルコンバータ（フラッシュ・コンバータ）を用いる
ことによって実現できるが、１つ以上の縦続デルタ／シ
グマコンバータ（キャンディ及びテムズの論文を参照）
を用いて実現することもできる。従って、静電力フィー
ドバック回路におけるデジタル／アナログ変換は、順方
向経路に使用されているアナログ／デジタルコンバータ
に適合させる必要がある。

【００１０】本発明の第４の好適な実施例によれば、静
電力フィードバック回路に低域フィルタを組み込むこと
によって多値静電力をセンサに加えるために多ビットア
ナログ／デジタル変換が利用されている。本発明の他の
特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら本発明の４
つの特別な実施例について行う以下の詳細な説明から明
らかになるであろう。

【００１１】

【実施例】図１及び図２は、本発明による力測定装置の
第１実施例の電気回路図である。本装置は容量性検出器
１を有しており、これの原理は当業者には公知である。
検出器には、２つの固定プレート３及び４間に弾性的に
支持された移動できる導電性質量体２が設けられてい
る。外力の影響を受けると、特に慣性力の影響を受け
て、導電性質量体すなわち移動電極２は２つのプレート
すなわち固定電極３及び４の中間の平衡位置から移動す
る。平衡状態では、すなわち外力がない場合、移動電極
２と第１固定電極３との間で測定された静電容量Ｃ１
が、本実施例では移動電極２と第２固定電極４との間で
測定された静電容量Ｃ２と理論的に等しい。

【００１２】移動電極の位置を表す信号が、電荷増幅器
として作用する回路１００へ送られる。回路１００の出
力は、直接的またはオプションとして結合回路３００及
び積分手段４００を介して量子化回路２００へ送られ
る。量子化回路２００の出力、すなわち測定装置の出力
は、デジタル／アナログコンバータ５００へ送られる。
コンバータの出力部は、前記結合回路の第２入力部と移
動電極とに接続されている。結合回路３００、積分手段
４００、量子化回路２００及びデジタル／アナログコン
バータからなるこの構造はシグマ／デルタモジュレータ
として知られている。デジタル／アナログコンバータの
出力信号と基準電圧Ｖ＋及びＶ−との電圧差によって移
動電極に発生する静電力が、前記移動電極に加えられた
外力を正確に補償しようとする。発生する力がセンサ質
量体の位置によって変動するという問題がある。例えば
製造工程の許容差による中心位置からの永久的偏りは、
出力信号に同じオーダーの高調波ゆがみを発生させる。
中心位置からの永久的偏りは、制御ループ全体の合成オ
フセットによって発生するものであるから、実際に実用
化する際には避けることができない。ループ内の各機能
ブロックで局部電子オフセット補正を行うことは、装置
の複雑化を招き、またセンサオフセットに適用すること
ができない。従って、大域的オフセット校正を行うこと
が好ましい。これは幾つかの手段で実現できるが、その
いずれも校正信号を順方向経路信号に、またはフィード
バック経路信号に加えるものである。第１の解決方法で
は、質量体位置測定中のセンサからの電荷読み取り値に
一定の電荷量を加える（図１の１１０を参照）ことであ
る。第２の解決方法は電荷増幅回路１００の出力部で校
正信号を加えることである。別の解決方法として、順方
向経路内の量子化回路の出力に校正デジタル信号を加え
る。さらに別の解決方法として、フィードバック経路に
校正信号を加える。また、前記校正信号を別の信号、例
えば温度を表す信号に従属させることもできる。

【００１３】例えば装置の加速度の影響を受けて、移動
電極２が平衡位置から移動した時、固定電極の一方から
の距離が減少するのに対して、他方の固定電極からの距
離が増加する。この状態では、移動電極と第１固定電極
との間で測定された静電容量Ｃ１が増大するのに対し
て、他方の静電容量が小さくなる。このように、２つの
静電容量Ｃ１及びＣ２間の差は、移動電極２が占める位
置とそれの平衡位置との間のずれの量の関数であり、従
ってこの差は移動電極２に作用する外力の関数でもある
ことがわかる。前述したように、本装置は、接続したク
ロック（参照番号なし）の複数の周期を１周期にした調
整デジタル装置である。

【００１４】次に図２の実施例を参照しながら説明する
と、装置の各作動周期またはサイクルは、それぞれＳ
０、Ｓ１、Ｓ２で表される３つの相または段階に分割さ
れ、これらの３相のシーケンスはクロックから（図示さ
れていない導線を介して）送られた信号φ０、φ１及び
φ２（図３）によって制御される。これらの信号は一定
数のスイッチへ送られて、それらの各々が作動サイクル
の３相のうちの１つで閉じるが、他の２相で開くように
制御される（これらのスイッチは、それぞれ相Ｓ０、Ｓ
１またはＳ２で閉じるかに従って、図２において丸で囲
んだＳ０、Ｓ１またはＳ２で表されている）。もちろ
ん、実際にはスイッチは、回路を実現する積分回路のト
ランジスタによって形成できる。

【００１５】図３は、１２個の信号の時間展開を表す１
２のグラフを示している。９個の主グラフは、図２に示
されている回路上の９地点で測定された電圧Ｖ２１、Ｖ
２２・・・Ｖ２９の時間展開を示しており、これらの９
地点は図２内に数字２１〜２９で表されている。図３の
最後の３つのグラフは、クロックから送られた信号φ
０、φ１及びφ２の時間展開を表している。

【００１６】図２の回路図と装置の１作動周期の各相で
の図３のグラフで表されている電圧Ｖ２２〜Ｖ２９の展
開とを調べることによって、相Ｓ０では移動電極２が接
地する一方、２つの固定電極３及び４がそれぞれ増幅器
５及び６の各々の反転入力部に接続していることがわか
る。また、増幅器５及び６の各々の出力部は反転入力部
と短絡しており、また各増幅器の非反転入力部が接地し
ていることがわかる。これらの状態では、回路のいずれ
の位置においても電流及び電圧が無視できる程度にな
り、これは図３に示されているものと一致しており、図
３から相Ｓ０では電圧Ｖ２１〜Ｖ２９の各々が無視でき
る程度であることがわかる。

【００１７】サイクル内の次の相Ｓ１は、移動電極２の
位置の測定相に相当する。この相Ｓ１の最初に、スイッ
チＳ０の各々が開き、この状態で３つのスイッチＳ１が
閉じるため、移動電極２は正の供給電圧に接続され、従
って基準電圧ＶＰになる。２つの固定電極３及び４は、
先の相の時と同様にそれぞれ増幅器５及び６の反転入力
部に接続している。この相Ｓ１では、各増幅器の出力部
がコンデンサＣ３及びＣ４によってその反転入力部に接
続されている。実際に、各コンデンサに隣接したスイッ
チＳ０がこの時には開いているため短絡しない。この構
造により、図３に示されているものに従って、移動電極
２の電位ＶＰの増加の影響を受けて、コンデンサＣ１及
びＣ２のプレート３及び４が充電される。コンデンサＣ
１及びＣ２のプレート３及び４へ電荷を流す原因となる
電圧はさらに、各作動増幅器５及び６の２つの入力部間
に電位差を生じる。従って、この電位差が存在する間、
増幅器は電流を放出する。その電流がコンデンサＣ３及
びＣ４を充電して、やがて増幅器の入力部間の電圧が再
び無視できる程度になる。この時点で、２つの増幅器５
及び６の出力部の電圧Ｖ２８及びＶ２９はそれぞれ次の
２つの関係式で決定される。

【００１８】ｄＶ × Ｃ１＝Ｖ２８ × Ｃ３ ｄＶ × Ｃ２＝Ｖ２９ × Ｃ４

【００１９】コンデンサＣ３及びＣ４は同じ値の静電容
量を持つように選択されており、測定された電圧Ｖ２８
及びＶ２９はそれぞれコンデンサＣ１及びＣ２の静電容
量に比例する。図２からわかるように、増幅器５及び６
の出力部の電圧Ｖ２８及びＶ２９は比較器７の入力部へ
送られる。図示の実施例では、使用されている比較器
が、当業者には公知の形式の１ビットアナログ／デジタ
ルコンバータである。

【００２０】第２相Ｓ１から第３相Ｓ２への移行時に、
比較器はその入力部に受け取った信号のそれぞれのレベ
ルを評価して、電圧Ｖ２８が電圧Ｖ２９よりも大きい場
合にその直接出力部１０からハイ信号（ＶＰレベル）
を、そうでない場合にはロー信号（Ｖｃレベル）を発生
する。比較器は、同時にその反転出力部１１から電圧Ｖ
２８が電圧Ｖ２９よりも大きい場合にＶｃレベルの信号
を、そうでない場合にはＶＮレベルの信号を発生する。
比較器７から発生した信号は装置の出力部の有効信号と
なり、また装置の各作動周期の第３相Ｓ２において静電
力を発生して、コンデンサＣ１及びＣ２の各々の極板の
１つを構成している移動電極２をコンデンサＣ１及びＣ
２の静電容量が等しい値になる休止位置へ戻す働きをす
る。

【００２１】装置の作動サイクルの第３相Ｓ２は、前述
したように、移動質量体２に加えられた外力の補償を行
う相である。先の相で閉じていたスイッチＳ１がこの時
に開き、３つのスイッチＳ２がここで閉じる。この回路
接続により、移動電極２は無視できる基準電圧ＶＮにな
る一方、コンデンサＣ１の固定電極３は比較器７の反転
出力部１１に接続され、コンデンサＣ２の固定電極４は
比較器７の主出力部１０に接続される。この状態で相Ｓ
１から相Ｓ２へ移行する時、コンデンサＣ１の測定静電
容量の値が、例えばコンデンサＣ２の静電容量の値より
も大きい場合、コンデンサＣ１の固定電極３の電位がＶ
Ｎになるのに対して、コンデンサＣ２の固定電極４の電
位がＶＰになる。従って、共に電位がＶＮである電極２
及び３間の電界は無視できる程度であるのに対して、コ
ンデンサＣ２のプレート４は電位がＶＰであり、移動電
極２に吸引力を加える。この力は、電極２及び３間の距
離を増大させ、電極２及び４間の距離を減少させようと
するため、これらの距離を等しくすることができ、同時
にそれらに対応した静電容量を等しくすることができ
る。外力が質量体２を平衡位置から移動させた時、上記
の静電力が、検出器の弾性復帰力に追加される復帰力と
なる。復帰定数Ｋは容量性検出器の移動電極をその平衡
位置へ移動させようとし、このように機械的成分と電気
的成分とを有しており、この第２成分を第１成分よりも
はるかに大きくすることができる。

【００２２】装置の各サイクルの第３相Ｓ２では、影響
を補償すべき外力を装置が測定しない場合でも、容量性
検出器の移動質量体２はいずれかの方向の静電力を受け
る。それは、比較器は各サイクル中にハイ信号またはロ
ー信号を発生し、従って各サイクルで静電復帰力を移動
質量体２に加えるからである。この復帰力の寄生効果
は、外部補償力がない場合には、比較器が逆方向の力を
発生する電圧を供給する次のサイクル中に取り消され
る。外力がなければ、このように検出器は正確に２周期
のうちの一方で高くなる矩形信号を発生する。

【００２３】本発明の上記実施例では、移動電極の位置
の測定が、それを所定の電位に置き、次にこのようにし
て２つの固定電極と移動電極との間に発生した電圧の影
響を受けて２つの固定電極に蓄積された電荷の量を測定
することによって行われる。これらの状態では、位置測
定は定電圧での位置測定と呼ばれる。同様にして、定電
荷での位置測定も実行できる。その場合、固定電極に対
する全ての電流の流れが禁止され、大地に対する電極の
電位が測定される。

【００２４】図４に示されている電気回路は、本発明の
別の実施例を示している。この第２実施例に用いられる
容量性検出器１は、第１実施例に用いられたものと同じ
でもよい。しかし、移動電極の位置を測定するため、こ
れを一定の基準電位に置き、次に固定電極に蓄積された
電荷量を測定するのではなく、２つの固定電極を逆符号
の一定の基準電位に置き、移動電極に蓄積された電荷量
を測定するものである。電子回路自体の作動原理は、図
２の回路と非常に似ている。特に、移動電極のベースで
測定できる電圧の挙動は、グラフ２１及び２３（図３）
に示されている電圧の挙動と質的に同一である。唯一の
違いは、移動電極がその位置から移動する方向が第１固
定電極側か第２固定電極側かによって電圧がそれぞれ負
または正になることである。また、増幅器１５の出力部
で測定された電圧の挙動は、コンデンサＣ１の静電容量
がコンデンサＣ２の静電容量よりも大きいか否かによっ
て正か負になる電圧の符号に関する点以外は、グラフ２
８及び２９（図３）で表された電圧と質的に同一であ
る。相Ｓ１の終了時に比較器の入力部へ送られた電圧を
ＶＭとすると、グラフ２８及び２９で表される電圧の場
合と同じ理論から次の関係が得られる。

【００２５】 ＶＭ＝（Ｃ１−Ｃ２）（ＶＰ−ＶＣ）／Ｃ１３

【００２６】図４の電気回路の、増幅器１５、コンデン
サＣ１３及びそれらに関連した導線からなる部分が積分
器を構成している。装置の作動サイクルがコンデンサＣ
１３の２つの端子を短絡させる相Ｓ０を有していない場
合、前記端子での電圧は無制限に増大して、装置の飽和
が発生するであろう。しかし、コンデンサＣ１３の端子
を短絡させるためにコミュテータ（Ｓ０）を用いれば、
不都合が生じる。実際に、増幅器１５の利得及びコンデ
ンサＣ１３の値は、比較的大きい加速度が存在する場合
でも相Ｓ０の継続時間中に飽和する危険をまったくなく
すことができるように選択されているので、相Ｓ１の終
了時に積分器出力部に発生する電圧は、測定加速度が小
さい時には非常に小さくなる。このような状態におい
て、装置は全体としてこの非常に小さい加速度を検出す
ることができるほど十分な感度を備えることができな
い。このため、この場合には装置の感度限界が観察さ
れ、それ以下の加速度は測定することができない。その
ような感度限界は用途によっては問題となる。

【００２７】図５の電気回路図に示されている本発明の
実施例には、上記のような不都合がない。この回路図を
図４の回路図と比較すればわかるように、相Ｓ０でコン
デンサＣ１３の端子を短絡させる作用があるコミュテー
タ（Ｓ０）が削除されている。それにもかかわらず積分
器の飽和を避けるため、比較器の出力部から出て増幅器
１５の反転入力部に作用する補助の負フィードバック線
が追加されている。このフィードバックループは、一対
のコミュテータＳ０及びＳ１とコンデンサＣ１４とを有
しているが、当業者には公知のように、このコンデンサ
及び２つのコミュテータの組み合わせの代わりに抵抗を
用いることもできる。また図４からわかるように、フィ
ードバックループはさらにデジタル／アナログコンバー
タ２０を有している。この素子の存在は本実施例では任
意であり、実際にこの素子の出力信号は、増幅によって
考えられる効果以外には原理的に入力部で受け取られる
ものと同一である。しかし、１ビット比較器を以下に説
明するようにして多ビットアナログ／デジタルコンバー
タに代えた本実施例の第２変更例を考える場合、デジタ
ル／アナログコンバータの存在が必要である。

【００２８】実施例のいずれの変更形でも、比較器１７
の入力部へ送られる電圧ＶＭのレベルの変化を容易に計
算することができ、またそれは装置のあるサイクルと次
のサイクルとの間のコンデンサ１３の端子における電圧
に対応している。電圧ＶＭのこの変化△ＶＭはここでは
コンデンサ１７によって、あるいは場合によってはデジ
タル／アナログコンバータ２０によって加えられる電圧
ＶＡによって決まる。電圧ＶＭの変化は次式から得られ
る。

【００２９】 ΔＶＭ＝（Ｃ１−Ｃ２）（ＶＰ−ＶＣ）／Ｃ１３−Ｃ１４・ＶＡ／Ｃ１３

【００３０】フィードバック項（上記数式の最も右側の
項）が積分器の飽和を防止する。模型で行った実験か
ら、上記の回路が前述の実施例の問題点となっていた０
付近の感度限界をなくすことがわかった。

【００３１】本発明による力測定装置が備えることがで
きる別の好都合な特徴は、前述したように上記の１ビッ
ト比較器１７の代わりに多ビットコンバータ１７を用い
ることである。そのような多ビット比較器は当業者には
公知の装置であるが、本発明による力測定装置にそれを
用いることによって幾つかの驚くべき利点が得られる。
多ビットコンバータの使用による主な利点は、移動電極
に加えられた外力を補償するための静電力の決定に関す
るものである。装置が１ビット比較器を用いた時、各サ
イクルの静電フィードバック力は等しい強さであるが、
この力の方向だけは各サイクルで比較器によって決定さ
れる。このような状態において、移動電極をその平衡位
置付近に維持するため、装置は必ず非常に高い周波数で
作動しなければならない。コンデンサによって発生した
静電力が各サイクルで作用するので、装置のエネルギ消
費は相当に大きく、この消費量はまたクロック周波数に
比例している。出力部に多ビット信号を発生するコンバ
ータを用いることによって、静電フィードバック信号を
発生することができ、その応答は移動電極の平衡位置か
らの変位度に適合している。必要に応じて変更すること
ができるこのフィードバックのため、作動周波数が１ビ
ット装置に必要なものよりもはるかに弱い装置でも装置
の安定性が確保される。このようにはるかに弱い周波数
を用いることによってエネルギが大幅に節約される。

【００３２】多ビットコンバータを用いることによっ
て、上記の感度限界を下げる利点も得られる。また、多
ビットコンバータの使用は図５に関連して説明しただけ
であるが、この改良はその図面に記載されている実施例
に制限されることはない。

【００３３】本発明による力を測定する装置の作動概略
は、機構的に２次シグマ／デルタコンバータ、言い換え
ればループに２つの積分を有するシグマ／デルタコンバ
ータの概略に似ている。本発明による装置では、第１積
分は検出器自体によって機械的に実施されるのに対し
て、第２積分は電子積分器によって実行される。容量性
検出器１は２つの積分を連続して実施するが、容量性検
出器のプレート間に空気または他の気体が存在すること
によって、移動の大幅な減衰が発生する。装置の強い減
衰はループの極の一方を取り除く。このようにシグマ／
デルタコンバータに類似していることによって、１ビッ
ト比較器を有する本発明による力測定装置を強くオーバ
サンプリング（通過帯域に対して）された２次シグマ／
デルタコンバータであると見なすことができる一方、多
ビットコンバータを有する本発明の力測定装置は単にオ
ーバサンプリングされた２次シグマ／デルタコンバータ
に相当している。

【００３４】静電力信号の２値コーディングはエネルギ
散逸の点で不都合である。２値力信号を加えることは、
信号周波数よりも高い周波数でセンサコンデンサを充電
及び放電させることを意味する。しかし、平均的に、セ
ンサに加えられた電荷の正味量は多くの場合に小さい。
解決法として、静電力の高分解能を維持しながら、サン
プリング周波数を減少させる。従って、多値力を発生さ
せる必要がある。これには２つの方法がある。第１の方
法は、多ビットアナログ／デジタルコンバータを用いて
順方向経路信号を１ビット以上に量子化することによる
ものである。多ビットデジタル／アナログコンバータに
よってこの多ビットデジタル語を変換すれば、多値静電
力が得られる。

【００３５】第２の方法は、フィードバック経路内の低
域フィルタ７００（図６を参照）を通過させる２値コー
ド化出力信号に基づくものである。低域フィルタの遮断
周波数は、サンプリング周波数より低く、最高入力信号
周波数より高くする必要がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による力測定装置の概略図である。

【図２】図１の装置の第１実施例の電気回路図である。

【図３】図２に示されている回路内の９地点、及び装置
を制御するクロックの３つの出力部（図示せず）で測定
された電圧のタイミング図である。

【図４】本発明の力測定装置の第２実施例の電気回路図
である。

【図５】容量性検出器の出力部にインジケータを有する
本発明の力測定装置の第３実施例の電気回路図である。

【図６】本発明の装置の別の実施例を示している。

【符号の説明】

１ 容量性コンバータ ２ 移動質量体 ５、６ 増幅器 ７、１７ 比較器 Ｃ１、Ｃ２ コンデンサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 力、特に加速度に対応した慣性力を測定
   する装置であって、 ２つのコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）を備えており、弾性的
   に支持された質量体（２）が前記コンデンサ（Ｃ１、Ｃ
   ２）の少なくとも一方の移動する極板を形成して、前記
   移動質量体（２）が前記力を受けることによって前記コ
   ンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）の少なくとも一方の静電容量が
   変化するようにした容量性検出器（１）と、 前記質量体の変位に応じて、前記力の値を表す出力信号
   として利用される信号（２４）を発生する回路を有して
   いる順方向回路手段（５、６、７）と、 前記出力信号をスイッチ装置を介して前記コンデンサ
   （Ｃ１、Ｃ２）の少なくとも一方へ送って静電フィード
   バック力を発生するフィードバック回路手段とを有して
   おり、 前記順方向回路手段は、パルス密度が前記力の関数とし
   て変調するデジタル形式で前記信号を発生する手段
   （７、１７）を有していることを特徴とする装置。