(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度が印加されると第１、第２静電容量が互いに逆に変化する加速度センサより上記印加加速度と対応する信号を得るための信号処理器において、
発振器と、
上記発振器よりの発振出力が供給され、第１波形を形成する第１抵抗分圧器と、
上記第１波形が供給され、第２波形を形成する第２抵抗分圧器と、
上記発振器よりの発振出力が供給され、直列抵抗とその発振器と反対側に接続されたシャントコンデンサよりなり、上記第１、第２波形と異なる形状でかつ同期してかつ振幅が上記第２波形よりも大きく、その第２波形と互いに交差する第３波形を形成する回路と、
上記第１波形を上記第１、第２静電容量により分圧して、振幅が上記第３波形よりも小さい上記第3波形と交差する上記加速度センサと、
上記加速度センサよりの分圧出力と上記第３波形とを比較する第１比較手段と、上記第3波形と上記第２波形とを比較する第２比較手段と、上記第１比較手段の出力と上記第２比較手段の出力とを入力するＡＮＤ回路とからなる比較手段と、
上記比較手段の出力に対し、上記発振器の出力により、加速度の極性を判別する極性判別回路と、
上記極性判別回路の出力をその判別極性をもち、かつ平滑化した出力を得る低域通過フィルタと、
を具備する可変静電容量式加速度センサの信号処理器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は加速度が印加されると第１、第２静電容量が互いに逆に変化する加速度センサより印加加速度と対応する信号を得る信号処理器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の信号処理器においては、静電容量を流れる電流を倍電圧整流回路により静電容量に応じた出力電圧を得たり、あるいは静電容量に応じた周波数の発振が生じるようにしていた。前者において倍電圧整流回路のダイオードの電圧−電流特性が温度依存性があり、出力電圧が温度の影響を受けるという問題があった。一方、後者においては発振回路を構成するトランジスタの遅延時間が温度依存性があり、発振周波数が温度の影響を受けるという問題があった。
【０００３】
このような点から特開平５−３４６３５７号公報で図５に示すものが提案されている。つまり、加速度センサ１１は可動電極１２の両側にそれぞれ対向した固定電極１３，１４が配され、加速度がこれら電極の配列方向に印加されると、可動電極１２がその大きさ及び方向に応じて一方の固定電極側に近ずき、他方の固定電極から離れるように変位し、可動電極１２と固定電極１３及び１４との各間の静電容量Ｃ１，Ｃ２の一方が大となり他方が小さくなる。可動電極１２が接地され発振器１６の方形波発振出力がインバータ１７，１８に印加され、インバータ１７，１８の各出力はそれぞれ抵抗器２１，２２を通じて固定電極１３，１４に印加される。これら固定電極１３，１４は排他的論理和回路２３の二つの入力端子２４，２５に接続される。
【０００４】
抵抗器２１，２２の抵抗値はＲ１，Ｒ２と異ならされている。加速度が印加されない状態ではＣ１，Ｃ２は等しい値をとるようにされている。排他的論理和回路２３の二つの入力端子２５，２６における方形波信号の立上りはそれぞれ時定数Ｒ１Ｃ１、Ｒ２Ｃ２に応じている。従って入力加速度がゼロではＣ１＝Ｃ２であり、入力端子２５，２６の両入力信号の波形及びタイミングがＲ１，Ｒ２に応じてずれ、排他的論理和回路２３の出力端子２７の出力方形波の長さはＬとなる。加速度が印加され、一方の静電容量Ｃ１が小となり、他方の静電容量Ｃ２が大となると、入力端子２５の方形波信号の立上りは早くなり、入力端子２６の方形波信号の立上りは遅れ、出力端子２７の方形波の長さはＬよりΔＬだけ、例えば長くなり、加速度の方向が逆の場合は出力方形波の長さはΔＬだけ短かくなる。
【０００５】
このようにして加速度と対応した信号を得ることができる。しかも、温度変動によりインバータ１７，１８の遅延時間が変化しても、両インバータ１７，１８が同一の変化を受けるため、相殺され、出力は影響しない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示した従来の信号処理器はＲＣの時定数を利用しているため、発振器１６の出力電圧や発振周波数が変動すると、信号出力も変動する。また加速度ゼロで出力を得るため、抵抗値Ｒ１，Ｒ２を異ならせる代りに、静電容量Ｃ１，Ｃ２の一方と並列に固定コンデンサを接続すると、この固定コンデンサの温度／経年変化の影響を受けるという問題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば発振器の出力が波形成形手段により、互いに交差する第１，第２波形とされ、その第１波形は加速度センサの第１，第２静電容量で分圧され、その分圧出力が第２波形と比較手段で比較され、その比較手段の出力に対し、発振器の出力により、加速度の極性が判別回路で判定され、その判別出力が低域通過フィルタで平滑されその判別極性をもち、かつ検出加速度の大きさのレベルの直流が出力される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１にこの発明の実施例を図５と対応する部分に同一符号を付けて示す。発振器１６よりの方形波出力は直流遮断コンデンサ３１を通じて波形成形手段３２へ供給され、互いに交差する二つの波形として出力される。この例では、波形成形手段３２の入力電圧は抵抗器３３，３４により分圧され、その分圧出力は加速度センサ１１の一方の固定電極１３に印加され、加速度センサ１１の他方の固定電極１４は接地され、可動電極１２から可変静電容量Ｃ１とＣ２により分圧された電圧、つまりセンサ１１の可動電極１２の出力電圧が比較手段３５へ供給される。
【０００９】
波形成形手段３２に入力された方形波は直列抵抗３７とシャントコンデンサ３８よりなる三角波成形回路３９へ供給される。三角波成形回路３９の出力と可動電極１２の出力とが比較手段３５へ供給される。波形成形手段３２よりの三角波と方形波とが比較手段３５で比較される。この例では三角波成形回路３９よりの三角波と、可動電極１２の出力電圧とが比較器４１で比較される。センサ１１に加速度が印加されていない状態ではＣ１＝Ｃ２であって、可動電極１２の出力電圧は、センサ１１に印加される方形波の電圧の１／２となるから、この方形波電圧が分圧抵抗器４２，４３で１／２に分圧され、これが基準電圧として比較器４４ヘ供給され、三角波と比較される。この際、三角波は比較器４１へは反転入力端へ比較器４４へは非反転入力端へと、互いに異なる極性の入力端へ供給される。比較器４１，４４の両出力がアンド回路４５へ供給され、以下の説明で明らかにするが、比較器４４の出力方形波を基準として、比較器４１の出力方形波の位相ずれの大きさと、方向とに応じた出力がアンド回路４５から得る。
【００１０】
この比較手段３５の出力、つまりアンド回路４５の出力は判別回路４６で加速度の方向極性に応じて判別される。この判別は発振器１６よりの方形波に対し、その前半周期にあるか、後半周期にあるかの検出により行われる。つまり発振器１６の出力方形波がゲート４７へ供給されると共にインバータ４８を通じてゲート４９へ供給され、これらゲート４７，４９に比較手段３５の出力が供給される。
【００１１】
ゲート４７，４９の出力はそれぞれ低域通過フィルタ（低域通過フィルタを兼ねた差動増幅器）５１で平滑化されると共に、その平滑化されたものの差が出力端子２７へ出力される。
以上の構成の動作を図２乃至図４を参照して具体的に説明する。発振器１６から例えば図２Ａに示す方形波が出力され、この方形波は波形成形回路３９により図２Ｂの三角波５３に変換され、この三角波５３と、抵抗器４２，４３の接続点からの方形波５４とが比較器４４に入力される。方形波５４の振幅は三角波５３の振幅の１／２にされている。従って比較器４４の出力は図２Ｃに示すように方形波５４に対し位相が３π／４遅れたものとなる。
【００１２】
センサ１１に加速度が印加されていないＣ１＝Ｃ２の状態ではセンサ１１の出力はその入力の振幅が１／２にされたものとなり、方形波５５が比較器４１へ供給され、三角波５３と比較される。この比較器４１の入力状態は図２Ｄに示すように、比較器４４の入力状態（図２Ｂ）と同一となるが、比較の極性が逆であるため、比較器４１の出力は図２Ｄに示すように、比較器４４の出力（図２Ｃ）と逆極性となる。従ってアンド回路４５の出力は図２Ｆに示すようにゼロとなり、ゲート４７，４９の出力もそれぞれ図２Ｇ，Ｈに示すようにゼロとなり、出力端子２７の出力はゼロである。
【００１３】
センサ１１に加速度が印加され、静電容量Ｃ１が静電容量Ｃ２より大きくなった場合、図３Ｄに示すように、センサ１１の出力５５の振幅が図２の場合より大きくなり、比較器４１の両入力５３，５５の状態は図３Ｄに示すようになり、これに伴なって比較器４１の出力は図３Ｅに示すように図２Ｅよりも位相がθ１だけ遅れたものとなる。従ってアンド回路４５の出力、つまり図３Ｃの波形と図３Ｅの波形との論理積は、図３Ｆに示すように、図３Ｃの基準方形波（比較器４４の出力）の各立上りからθ１だけの幅のパルスとなり、このパルスは図３Ｇに示すようにゲート４７を通過し、ゲート４９の出力は図３Ｈに示すようにゼロである。従って出力端子２７からの負の出力が生じる。θ１はＣ１がＣ２より大きい程大となり、出力端子２７の出力も負方向に大きくなる。
【００１４】
加速度が今までと逆向きに作用して、Ｃ１＜Ｃ２になると、センサ１１の出力５５の振幅が図２Ｄの場合より小となり、比較器４１の両入力５３，５５の状態は図４Ｄに示すようになり、比較器４１の出力は図４Ｅに示すように、図２Ｅの出力に対しθ２だけ進んだものとなり、アンド回路４５の出力は図４Ｆに示すように、図４Ｃの基準方形波（比較器４４の出力）の各立下りの前θ２だけの幅のパルスが生じ、このパルスは図４Ｇに示すように、ゲート４７を通過せず、図４Ｈに示すようにゲート４９を通過する。よって出力端子２７に加速度の大きさに応じた正の直流が得られる。
【００１５】
以上の説明から比較手段３５でＣ１とＣ２の差がパルス幅に変換され、かつ加速度の方向に応じて発生パルスの位置（位相）がほぼ１８０度ずらされる。
図１に示すように、ゲート４７，４９の出力パルスでそれぞれゲート５７，５８を開き、ゲート５７，５８に高速クロックをクロック発生器５９より供給し、ゲート５７，５８を通過したクロックの数をそれぞれカウンタ（図示せず）で計数して検出加速度を数値表示するようにしてもよい。このようにするとアンド回路４５の出力パルスの振幅の変動を避けることができる。
【００１６】
上述において比較手段３５へ供給する二つの波形は三角波と方形波に限らず、互いに交差することができるものであればよく、例えば正弦波、鋸歯状波などを用いてもよい。要は二つの波形を用いることにより発振器１６の発振出力の振幅が変動しても、その二つの波形が共に変動して、その変動の影響が打消されるようにすればよい。加速度ゼロでアンド回路４５の出力がゼロになるように例えば抵抗器４３の抵抗値を調整する。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、センサへ供給する発振器の出力の振幅が変動しても、その影響を受けない。またその発振周波数が変動しても受けない。低域通過フィルタ５１で直流に変換すると共に差動増幅しているため、パルス振幅が変動しても打消され、影響が少ない。パルスの計数により測定する場合は一層確実にパルス振幅変動の影響を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す図。
【図２】図１の実施例のＣ１＝Ｃ２における各部の動作波形を示す図。
【図３】図１の実施例のＣ１＞Ｃ２における各部の動作波形を示す図。
【図４】図１の実施例のＣ１＜Ｃ２における各部の動作波形を示す図。
【図５】従来の加速度センサの信号処理器を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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