(57)【要約】【課題】  精度の高い加速度センサを提供する。【解決手段】  第１センサ１１が、Ｚ軸プラス方向（β方向）の加速度を検出する場合には、第１センサ１１の重錘体１２が基板３から離れる方向に移動し、第２センサ２１の重錘体２２は基板３に近づく方向に移動するように、対向して配置される。２つのセンサから検出した値は差動アンプ(図示せず)で差動値が求められる。ＸＹＺの検出軸すべての軸線ベクトルが、物理的な加速度に対して相関性があるように２つのセンサを対向配置し、その検出値の差動値を求めることにより、静電容量式３軸加速度センサの構造上のアンバランスから生ずる問題点を解消する。【選択図】  図４
2015145489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の加速度センサ、
前記第１の加速度センサと検出軸方向が対向するように配置された第２の加速度センサ、
前記第１の加速度センサからの検出値と、前記第２の加速度センサからの検出値との差動値を求める差動値検出部、
を備えた加速度センサ。
【請求項２】
請求項１の加速度センサにおいて、
前記第１、第２の加速度センサとして、変位方向にアンバランスな検出特性を有する加速度センサを２つ用いたこと、
を特長とする加速度センサ。  
【請求項３】
請求項１または請求項２の加速度センサにおいて、
前記対向している軸は、Ｚ軸であること、
を特長とする加速度センサ。  
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかの加速度センサにおいて、
前記第１の加速度センサおよび前記第２の加速度センサは、3軸の加速度センサであり、前記第１の加速度センサのＸ軸と前記第２の加速度センサのＹ軸を対向させ、かつ、前記第１の加速度センサのＹ軸と前記第２の加速度センサのＸ軸とが対向するよう、前記Ｚ軸方向に90度回転させて配置させたこと、
を特長とする加速度センサ。  
【請求項５】
第１の加速度センサと検出軸方向が対向するように第２の加速度センサを配置し、
前記第１の加速度センサからの検出値と、前記第２の加速度センサからの検出値との差動値を求めること、
を特徴とする加速度または振動検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、加速度センサに関し、特に精度向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に、MEMSプロセス（半導体微細加工）にて作製された静電容量型の小型加速度センサ１００の概念図を示す。小型加速度センサ１００は、重錘体１２は、加速度が作用すると加速度の方向へ変位できるように、台座１３に、浮動状態で保持されている。重錘体１２が変位すると、領域１１１、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７の静電容量が変化する。これらを検出することにより、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の3軸方向の加速度が検出される。具体的には、Ｘ軸方向については領域１１１と１１３の容量差を検出し、Ｙ軸方向は領域１１４と領域１１６の容量差を検出し、Ｚ軸方向は領域１１５と領域１１７の容量差を検出することにより、３軸方向の加速度を検出することができる。【０００３】
かかる小型加速度センサは、小型化が可能という利点がある一方、サーボ型加速度センサと比べると、精度が悪いという問題があった。【０００４】
特開2013-7743号公報には、精度向上するために、水平方向に電極を複数設置した構造が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記公報のように、単にセンサをN個多重化しても、ノイズレベルは1/√N程度しか向上しない。【０００６】
この発明は、上記問題を解決し、精度の高い小型加速度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
(1)本発明にかかる加速度センサは、第１の加速度センサ、前記第１の加速度センサと検出軸方向が対向するように配置された第２の加速度センサ、前記第１の加速度センサからの検出値と、前記第２の加速度センサからの検出値との差動値を求める差動値検出部、を備えている。したがって、同相である電気的ノイズを取り除きつつ、検出する加速度を大きくできる。よって、精度の高い加速度センサを提供することができる。【０００８】
(2)本発明にかかる加速度センサにおいては、前記第１、第２の加速度センサとして、変位方向にアンバランスな検出特性を有する加速度センサを２つ用いている。したがって、振動方向に検出特性がアンバランスな加速度センサであっても、全体として精度の高い加速度センサを提供することができる。  【０００９】
(3)本発明にかかる加速度センサにおいては、前記対向している軸は、Ｚ軸である。したがって、同相信号となる確率が高い自己ノイズをキャンセルできる。【００１０】
(4)本発明にかかる加速度センサにおいては、前記第１の加速度センサおよび前記第２の加速度センサは、３軸の加速度センサであり、前記第１の３軸加速度センサのＸ軸と前記第２の３軸加速度センサのＹ軸を対向させ、かつ、前記第１の３軸加速度センサのＹ軸と前記第２の３軸加速度センサのＸ軸とが対向するよう、前記Ｚ軸方向に90度回転させて配置させている。したがって、高精度の3軸の加速度センサを提供することができる。  【００１１】
(5)本発明にかかる加速度または振動検出方法においては、第１の加速度センサと検出軸方向が対向するように第２の加速度センサを配置し、前記第１の加速度センサからの検出値と、前記第２の加速度センサからの検出値との差動値を求める。したがって、同相である電気的ノイズを取り除きつつ、検出する加速度は大きくなる。よって、精度の高い加速度または振動の検出が可能となる。【００１２】
本明細書において、「差動値を求める」とは、1方の検出値に対して他方の検出値を相対的に逆位相として、両者の差を求めることをいう。本実施形態においては、差動回路によりこれを実現したが、かかる差動検出手法については、どのようなものであってもよい。【００１３】
また「検出軸方向が対向する」とは、実施形態に示すように、一方の軸のプラス方向と他方の軸のマイナス方向が同じ方向であることをいう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のMEMSプロセスにより作製された静電容量型の加速度センサの概念図である。
【図２】加速度センサ１の構造を示す図である。
【図３】第１センサ１１の構造を示す概念図である。
【図４】Ｚ軸方向に対向配置された状態を示す図である。
【図５】ＸＹＺ軸における検出を行う機能ブロック図である。
【図６】Ｘ軸方向の加速度の検出状態を示す図である。
【図７】加速度センサ１と従来の加速度センサとの、耐ノイズ性の比較グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明における実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
図２に、本発明の１実施形態にかかる加速度センサ１を示す。加速度センサ１は、ＸＹＺの３軸方向の加速度を検出する加速度センサであり、第１センサ１１，第２センサ２１、および信号処理部３１を備えている。
【００１７】
信号処理部３１は、第１センサ１１が検出した加速度値および、第２センサ２１が検出した加速度値の差動値を求める。具体的には、第１センサ１１および第２センサ２１が検出したＸＹＺ方向における各加速度について、それぞれの差動値を求める３つの差動アンプおよび３つのフィルタを有している。詳細は後述する。
【００１８】
第１センサの構造について図２を用いて説明する。第１センサ１１は、従来と同様に、固定子に対する可動子の相対的な加速度による静電容量の変動に基づいて、3軸方向の加速度を検出する静電容量式の加速度センサである。
【００１９】
図３に、第１センサ１１における加速度検出方法を説明するための概念図を示す。可動子である重錘体１２は、加速度が作用すると加速度の方向へ変位できるように、固定子である台座１３に、浮動状態で保持されている。重錘体１２の位置が変位すると、重錘体１２と台座１３で構成される静電容量１４，１５，１６が変化する。変位計測部(図示せず）は、かかる静電容量の変化を検出し、これによりＸＹＺ軸方向の加速度が検出される。
【００２０】
第２センサ２１の構造は第１センサ１１と同じであり、同様にＸＹＺ軸方向の加速度が検出される。
【００２１】
第１センサ１１と第２センサ２１との配置関係について図２を用いて説明する。第１センサ１１は図３に示すように、基板３のＸＹＺ軸と一致するように、配置されている。なお、図２では、Ｘ軸方向の容量１１Ｘ１、１１Ｘ２、およびＹ軸方向の容量１１Ｙ１、１１Ｙ２だけを模式的に破線で表示している。図２Ｂは図２Ａ矢印α方向からの矢視図である。図２Ｃを用いて第２センサ２１の配置手順を説明する。まず、第２センサ２１を第1センサ１１と同様に並べて、これを、Ｙ軸を中心として反転させ、さらに、第２センサ２１の中心２１Ｃを中心として、−９０度回転させる。これを基板３の裏側に配置する。これにより図４に示すように、第１センサ１１と第２センサ２１は基板３を挟んで対向するよう、すなわち、第１センサ１１が、Ｚ軸プラス方向（図４、β方向）の加速度を検出する場合には、第１センサ１１の重錘体１２が基板３から離れる方向に移動し、第２センサ２１の重錘体２２は基板３に近づく方向に移動するように配置される。
【００２２】
図５Ａを用いて、Ｚ軸方向についての、２つのセンサの検出値の差動値を求める信号処理部３１について説明する。第１センサ１１の第１センサ計測部は、図４に示す容量１１Ｚ１とリファレンス容量１１Ｚ２の差分に基づき、第２センサ２１の第２センサ計測部は、容量２１Ｚ１とリファレンス容量２１Ｚ２の差分に基づいて、Ｚ軸方向の加速度をそれぞれ検出する。図５Ａに示す差動アンプ３１ＳＺは、これら検出した加速度の差動値を求める。フィルタ３１ＦＺは、得られた差動値のうち所定の高周波をカットし、Ｚ軸信号を出力する。すなわち、加速度センサ１は、図４におけるβ方向またはγ方向への加速度を検出すると、図５Ａに示すようなＺ軸信号を出力する。
【００２３】
Ｘ軸方向およびＹ軸方向の検出についても同様に、２つのセンサから検出した値の差動値を差動アンプ（図５Ｂ、Ｃ参照）で求める。２つのセンサとの関係は以下の通りである。Ｘ軸方向およびＹ軸方向を検出するための容量の配置は、図３Bの基板上面方向からみた場合に、第２センサ２１の容量２１Ｘ２と第1センサ１１の容量１１Ｙ１とが、第２センサ２１の容量２１Ｙ１と第1センサ１１の容量１１Ｘ２とが、第２センサ２１の容量２１Ｘ１と第1センサ１１の容量１１Ｙ２とが、第２センサ２１の容量２１Ｙ２と第１センサ１１の容量１１Ｘ１とが、それぞれ対向するように配置されている。
【００２４】
したがって、図６に示すような重錘体１２へ加速度が与えられた場合、第1センサ１１の容量１１Ｘ１と容量１１Ｘ２との差分で検出されるＸ方向の加速度は、第２センサ２１では、容量２１Ｙ１と容量２１Ｙ２との差分で検出される。なお、図６では基板３は省略している。
【００２５】
このように、第1センサ１１における容量１１Ｘ1と容量１１Ｘ２との差分で検出されるＸ軸方向の加速度と、第２センサ２１の容量２１Ｙ１と容量２１Ｙ２との差分を用いて、図５Ｂに示すように第1センサ計測部と第２センサ計測部からの検出値が得られ、その差動値がＸ軸方向の差動値として得られる。
【００２６】
Ｙ軸方向についても同様である。
【００２７】
このようにして、加速度センサ１は、２つのセンサを用いたＸＹＺ軸方向（３軸）の加速度を検出する。図７に、第１センサ１１だけを用いた場合と、第１センサ１１および第２センサ２１を２つ用いた場合の暗ノイズの比較グラフを示す。１つの場合と比べて、明らかに耐ノイズ性が向上している。
【００２８】
このように耐ノイズ性が向上する理由について、明確ではないが、発明者は、以下のように考えた。一般的に、静電容量型の加速度センサは、図４に示すように、動作支点１１ｇと錘の重心１２ｇがずれている。このように、動作支点上の重心と、錘の重心がずれていることにより自己微振動による成分を検出するおそれがある。さらに、Ｚ軸方向には、上方向と下方向で検出特性がアンバランスになる。これに対して、加速度センサ１では、２つのセンサをＸＹＺの検出軸方向が対向するように配置している。これにより、振動信号は２つのセンサで逆位相の信号が出力される。かかる逆位相の信号は、上記検出特性も逆である。したがって、単に複数のセンサを並列に並べた場合と比べると、検出精度は向上する。また、逆位相を引き算するためセンサ出力は使用している元センサの２倍となるとともに、電気的ノイズは、同相信号となる確率が多く差動回路で引き算することで低減される。したがって、耐ノイズ性も向上する。
【００２９】
このように、ＸＹＺの検出軸すべての軸線ベクトルが、物理的な加速度に対して相関性がある状態で２つのセンサを対向配置し、その検出値の差動値を求めることにより、上記アンバランスから生ずる問題を解消することができる。
【００３０】
また、今回示した代表的な静電容量式３軸加速度センサのＸＹ軸は左右の容量差を利用しているが、Ｚ軸はリファレンス容量との差になる。したがって、ノイズ成分のキャンセルが可能となる。
【００３１】
また、静電容量式の加速度センサは、温度影響によるDCドリフトが大きい等の問題がある。これらの問題についても、同相で発生する成分に関しては、前記差動値を求めることによりキャンセルが可能となり、低ノイズで安定した振動計測が可能となる。
【００３２】
（２.  他の実施形態）
本実施形態においては、静電容量式の３軸加速度センサについて適用した場合について説明したが、可動子の重心が保持機構の重心とずれている加速度センサであれば、静電容量式でなくても圧電式などであっても、同様に適用可能である。
【００３３】
また、本実施形態においては、３軸の場合について説明したが、１軸の加速度センサについても同様に適用可能である。
【００３４】
本実施形態においては、一般的な静電容量型３軸加速度センサに適用した場合について説明したが、櫛歯電極静電容量型加速度センサなどにも適用可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１１      第１センサ
２１      第２センサ
３１      信号処理部
３１ＳＺ  差動アンプ
３１ＳＸ  差動アンプ
３１ＳＹ  差動アンプ
【図２】
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【図５】
2015145489.tif 000004
【図１】
2015145489.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年6月6日(2014.6.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の加速度センサ、
前記第１の加速度センサと検出軸方向が対向するように配置された第２の加速度センサ、
前記第１の加速度センサからの検出値と、前記第２の加速度センサからの検出値との差動値を求める差動値検出部、
を備えた加速度センサであって、
前記第１、第２の加速度センサとして、変位方向にアンバランスな検出特性を有する加速度センサを２つ用いたこと、
を特長とする加速度センサ。  
【請求項２】
請求項１の加速度センサにおいて、
前記対向している軸は、Ｚ軸であること、
を特長とする加速度センサ。  
【請求項３】
請求項１または請求項２の加速度センサにおいて、
前記第１の加速度センサおよび前記第２の加速度センサは、3軸の加速度センサであり、前記第１の加速度センサのＸ軸と前記第２の加速度センサのＹ軸を対向させ、かつ、前記第１の加速度センサのＹ軸と前記第２の加速度センサのＸ軸とが対向するよう、前記Ｚ軸方向に90度回転させて配置させたこと、
を特長とする加速度センサ。  
【請求項４】
第１の加速度センサと検出軸方向が対向するように第２の加速度センサを配置し、前記第１の加速度センサからの検出値と、前記第２の加速度センサからの検出値との差動値を求める加速度または振動検出方法であって、
前記第１、第２の加速度センサとして、変位方向にアンバランスな検出特性を有する加速度センサを２つ用いたこと、
を特徴とする加速度または振動検出方法。
【国際調査報告】
2015145489.tif 000010
2015145489.tif 000011