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【発明の名称】 静電容量型多軸加速度検出装置
【発明者】 【氏名】梅田 史彦

【氏名】宇野 圭輔
【要約】 【課題】他軸干渉の影響を可及的に抑制し、感度が一定の静電容量型多軸加速度検出装置を提供すること【解決手段】 センサ素子９は、可動電極１７を備えた半導体基板と、その半導体基板の両面に接合された固定基板とを備え、一方の固定基板には、４つのＸ，Ｙ軸検出用固定電極２０ａ〜２０ｄが形成され、他方の固定基板にはＺ軸検出用固定電極２０ｅが形成される。このセンサ素子のＺ軸検出用固定電極に対して一定の周波数のＺ軸検出駆動用矩形波を印加し、そのＺ軸検出用固定電極と可動電極で形成される静電容量に基づく出力に応じて決定される周波数のＸ，Ｙ軸検出駆動用矩形波をＸ，Ｙ軸検出用固定電極に対して印加するようにし、さらに各固定電極と可動電極間に発生する静電容量Ｃ1 〜Ｃ4 ，Ｃz に基づいて各軸方向の加速度を演算回路２４にて求め、出力するようにする。

【解決手段】センサ素子９は、可動電極１７を備えた半導体基板と、その半導体基板の両面に接合された固定基板とを備え、一方の固定基板には、４つのＸ，Ｙ軸検出用固定電極２０ａ〜２０ｄが形成され、他方の固定基板にはＺ軸検出用固定電極２０ｅが形成される。このセンサ素子のＺ軸検出用固定電極に対して一定の周波数のＺ軸検出駆動用矩形波を印加し、そのＺ軸検出用固定電極と可動電極で形成される静電容量に基づく出力に応じて決定される周波数のＸ，Ｙ軸検出駆動用矩形波をＸ，Ｙ軸検出用固定電極に対して印加するようにし、さらに各固定電極と可動電極間に発生する静電容量Ｃ1 〜Ｃ4 ，Ｃz に基づいて各軸方向の加速度を演算回路２４にて求め、出力するようにする。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 多軸方向の加速度を検出可能なセンサ素子と、そのセンサ素子に接続する外部回路とを備えた静電容量型多軸加速度検出装置であって、前記センサ素子は、可動電極を備えた半導体基板と、その半導体基板の両面に接合された固定基板とを備え、前記一方の固定基板には、少なくとも１対以上のＸ，Ｙ軸検出用固定電極が形成され、前記他方の固定基板にはＺ軸検出用固定電極が形成され、それら各検出用固定電極と前記可動電極との間で発生する対向する電極間距離に応じた静電容量を外部に取り出し可能とし、前記外部回路は、前記各固定電極と可動電極間に検出用の駆動電圧を印加する電圧印加手段と、前記各固定電極と可動電極間に発生する静電容量に基づいて各軸方向の加速度を検出する検出手段とを備え、前記電圧印加手段は、Ｚ軸検出用固定電極に対して一定の周波数のＺ軸検出駆動用矩形波を印加し、そのＺ軸検出用固定電極と前記可動電極で形成される静電容量に基づく出力に応じて決定される周波数のＸ，Ｙ軸検出駆動用矩形波を前記Ｘ，Ｙ軸検出用固定電極に対して印加するようにしたことを特徴とする静電容量型多軸加速度検出装置。
【請求項２】 前記Ｚ軸検出用固定電極と前記可動電極で形成される静電容量に基づく出力に応じて決定されるＸ，Ｙ軸検出駆動用矩形波の周波数への変換条件を調整可能とし、Ｘ，Ｙ軸加速度検出の感度調整を行えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量型多軸加速度検出装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、静電容量型多軸加速度検出装置に関するもので、より具体的には他軸干渉を抑制するようにした加速度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１は、静電容量型の多軸加速度センサの一例を示している。同図に示すように、上下の固定基板１，２間に２層のシリコン基板３，４が介在されている。上側固定基板１の下面には４つの同一形状からなる固定電極５ａ〜５ｄが形成されている。また上側のシリコン基板３は、梁３ａを介して共通の可動電極６が形成され、その可動電極６の下面には、重り７が取り付けられている。この重り７は、下側のシリコン基板４によって形成される。
【０００３】係る構成においては、加速度が０の平常状態では、４つの固定電極５ａ〜５ｄと可動電極６との距離は、所定の距離で一定であり、また、各固定電極５ａ〜５ｄと可動電極６の重合面積も等しくなる。いま、固定電極５ａ〜５ｄと可動電極６とを結ぶ方向（図１中、上下方向）をＺ軸とし、Ｘ軸とＹ軸をそれぞれ図１，図２に示すような方向とすると、Ｚ軸方向のみに加速度が加わった場合には、両電極間の距離が同じように変位するので、各固定電極５ａ〜５ｄと可動電極６間に発生する静電容量は、同じように変化する。また、Ｘ軸方向のみに加速度が加わったとすると、その加速度を受けた重り７は、Ｘ軸方向に移動しようとするが、その構造上平行移動はできず、その力の方向にある固定電極５ａ，５ｃと可動電極６の距離が短くなり、逆に固定電極５ｂ，５ｄと可動電極６の距離が長くなる。同様に、Ｙ軸方向のみに加速度が加わったとすると、固定電極５ａ，５ｂと可動電極６の距離が同じように短くなり、逆に固定電極５ｃ，５ｄと可動電極６の距離が長くなる。
【０００４】このように各電極間距離が異なることから、各電極間に発生する静電容量も変化し、しかも変化のパターンは、加速度が加わる方向により異なるので、各電極間に発生する静電容量の変化量を検出することにより、その加速度の方向と大きさを知ることができる。
【０００５】具体的には、各電極をそれぞれ外部回路の抵抗素子に直列接続し、その抵抗素子と各電極間に発生する静電容量とによってＲＣによる積分或いは微分回路を構成する。すなわち、図３に示すように、電極間に発生する静電容量Ｃv に対して抵抗素子Ｒを接続し、抵抗素子Ｒに対して検出駆動用の電圧Ｖinを印加する。そして、抵抗素子Ｒと静電容量Ｃv からなる積分回路の出力電圧Ｖcoutと参照電圧Ｖref とをコンパレータで比較するようになる。なお、この図３は、１つの電極間についての回路を抽出して示しており、各電極間についても同一の回路を接続することになる。
【０００６】すると、検出駆動用の電圧Ｖinとして、図４（Ａ）に示すように矩形波を与えるようにすると、積分回路の出力電圧Ｖcoutとコンパレータ出力Ｖout は、それぞれ同図（Ｂ），（Ｃ）のようになり、その最終的な出力（コンパレータ出力Ｖout ）は、容量変化と一義的相関を持つデューティ比のパルス出力となる。そして、各電極間に発生する静電容量と抵抗からなる積分／微分回路に検出駆動用の矩形波として、同一の一定周波数の矩形波を供給していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、例えば、Ｚ軸方向の加速度が加わると、上記したように固定電極５ａ〜５ｄと可動電極６との距離が変化する。この時同時に横方向（Ｘ，Ｙ軸方向）にも加速度が加わると、Ｚ軸方向に加速度が加わっていない状態において横方向に加速度が加わったときに比べて、電極間距離の変位量が異なる。すなわち、例えばＺ軸のマイナス方向に加速度が加わると、電極間距離は広がるので、静電容量は小さくなる。この状態で横方向の加速度が加わると、静電容量が小さくなった状態を基準として横方向の加速度に基づく容量の変化が生じるので、その変化量は小さくなる。よって、感度も小さくなる。このように、ある一軸の加速度印加による変位が、他の軸の感度に変化を及ぼす現象を他軸干渉という。そして、従来は各電極に対して同一で一定の周波数の矩形波を供給していたことから、他軸干渉を解消することはできなかった。
【０００８】本発明は、上記した背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上記した問題を解決し、センサ素子に接続し、静電容量（電極間距離）の変化を検出するための外部回路を変更することにより、他軸干渉の影響を可及的に抑制し、感度が一定の静電容量型多軸加速度検出装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成するために、本発明に係る静電容量型多軸加速度検出装置では、多軸方向の加速度を検出可能なセンサ素子と、そのセンサ素子に接続する外部回路とを備えた静電容量型多軸加速度検出装置であって、前記センサ素子は、可動電極を備えた半導体基板と、その半導体基板の両面に接合された固定基板とを備え、前記一方の固定基板には、少なくとも１対以上のＸ，Ｙ軸検出用固定電極が形成され、前記他方の固定基板にはＺ軸検出用固定電極が形成され、それら各検出用固定電極と前記可動電極との間で発生する対向する電極間距離に応じた静電容量を外部に取り出し可能とし、前記外部回路は、前記各固定電極と可動電極間に検出用の駆動電圧を印加する電圧印加手段と、前記各固定電極と可動電極間に発生する静電容量に基づいて各軸方向の加速度を検出する検出手段とを備え、前記電圧印加手段は、Ｚ軸検出用固定電極に対して一定の周波数のＺ軸検出駆動用矩形波を印加し、そのＺ軸検出用固定電極と前記可動電極で形成される静電容量に基づく出力に応じて決定される周波数のＸ，Ｙ軸検出駆動用矩形波を前記Ｘ，Ｙ軸検出用固定電極に対して印加するようにした（請求項１）。
【００１０】本発明によれば、Ｚ軸加速度と一義的相関を持った周波数の矩形波が、Ｘ，Ｙ軸方向加速度検出用の固定電極へ印加されることになる。すると、Ｚ軸方向に加速度が加わると、可動電極が変位し、Ｘ，Ｙ軸用固定電極間の距離が均等に増減、感度が変化する。この時、Ｚ軸検出用固定電極と可動電極との距離の増減は、Ｘ，Ｙ軸用の電極間の増減と逆になる。つまり、Ｘ，Ｙ軸用の電極間距離が短くなり感度が増加した場合には、Ｚ軸用の電極間距離は長くなり、そのＺ軸用の静電容量は小さくなる。そこで、係る場合にＸ，Ｙ軸検出駆動用矩形波の周波数をＺ軸用の静電容量の変化（実施の形態では、最終的に求められたＺ軸加速度値に対応する電圧ＶZ ）に応じて変更するようにしておくことにより、Ｘ，Ｙ軸用の電極間に形成される静電容量の変化に対する出力の変化を小さくする。なお、Ｚ軸方向の加速度が上記と逆方向（Ｘ，Ｙ軸検出用固定電極と可動電極との間が広がる方向）に変位した場合には、上記と逆の動作を行い、最終的な出力の感度は一定となる。これにより、Ｚ軸方向と同時にＸ，Ｙ軸方向の加速度が加わっても、そのＺ軸方向の変化に伴う構造上の感度の変化を、Ｘ，Ｙ軸検出駆動用矩形波の周波数を変化することによりキャンセルし、他軸干渉の影響を解消する。
【００１１】また、前記Ｚ軸検出用固定電極と前記可動電極で形成される静電容量に基づく出力に応じて決定されるＸ，Ｙ軸検出駆動用矩形波の周波数への変換条件（実施の形態では、式（４）に示す変換式におけるＢ等）を調整可能とし、Ｘ，Ｙ軸加速度検出の感度調整を行えるようにしてもよい（請求項２）。
【００１２】加速度検出装置では、センサ素子のバラツキを補正するため、通常オフセット値と感度の調整機能がついているが、このうち、Ｘ，Ｙ軸の感度の調整機能をＸ，Ｙ軸検出駆動用矩形波の周波数への変換条件の調整（オフセットの操作）によって実現することができる。これにより、２箇所の調整が一本化される。
【００１３】＊用語の定義本明細書でいうＸ，Ｙ，Ｚ軸は、それぞれ相互に直交する方向をいい、Ｚ軸方向、各固定電極と可動電極の配置方向であり、Ｚ軸方向のみ加速度が加わった場合には各Ｘ，Ｙ軸用固定電極と可動電極間距離は、同じように増減する。つまり、可動電極の変位方向をＺ軸とする。そして、そのＺ軸と直交する平面内の所定方向がＸ，Ｙ軸となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】図５，図６は、本発明に係る静電容量型多軸加速度検出装置の一実施の形態のセンサ素子９部分を示している。同図に示すように、２枚のシリコン基板１０，１１を接合して一体化された半導体基板１２に対し、その上下に固定基板たる第１，第２ガラス基板１４，１５を接合している。
【００１５】シリコン基板１０には、その周枠部１０ａに対して梁部１０ｂを介して可動電極１７が弾性支持されている。また、この可動電極１７の下面には、重り部１８が連結されており、この重り部１８は、シリコン基板１１をエッチングして周枠部１１ａから分離して形成される。なお、本形態では、このように２枚のシリコン基板１０，１１を用いて半導体基板１２を形成しているが、１枚のシリコン基板により形成してももちろんよい。
【００１６】第１ガラス基板１４の下面には、可動電極１７の上面に対向する位置に４つの固定電極２０ａ〜２０ｄを有している。これら４つの固定電極２０ａ〜２０ｄは、同形状・同面積からなり、可動電極１７の重心からそれぞれ等距離に９０度間隔で配置されている。そして、これら４つの固定電極２０ａ〜２０ｄがＸ，Ｙ軸検出用固定電極となる。また、第２ガラス基板１５の上面には、可動電極１７の重心を中心とした対称なＺ軸検出用固定電極２０ｅを配置している。
【００１７】これにより、可動電極１７は共通電極となり、その可動電極１７と、Ｘ，Ｙ軸検出用固定電極２０ａ〜２０ｄの間には、容量素子Ｃ1 〜Ｃ4 が形成される。また、可動電極１７とＺ軸検出用固定電極２０ｅとの間には、容量素子Ｃz が形成される。
【００１８】図７は、上記した構成のセンサ素子９に所定の外部回路を接続した場合の等価回路を示している。同図に示すように、各容量素子Ｃ1 〜Ｃ4 ，Ｃz の共通電極となる可動電極１７を設置する。また各固定電極２０ａ〜２０ｅには、センサ素子９の外部にて抵抗素子Ｒを直列に接続し、その抵抗素子Ｒと各固定電極２０ａ〜２０ｅにて積分回路を構成する。各積分回路の出力は、それぞれＣ−Ｖ変換器２２ａ〜２２ｅに接続され、そこにおいて各容量素子Ｃ1 〜Ｃ4 ，Ｃz の静電容量に応じた電圧Vcl 〜Vc4 ，Vcz を求め、その求めた電圧を演算回路２４に与えるようになっている。ここでＣ−Ｖ変換器２２ａ〜２２ｅは、例えば積分回路出力を参照電圧と比較するコンパレータと、そのコンパレータ出力を平滑化する平滑回路により構成することができる。すなわち、図３，図４に示すように、積分回路に矩形波を入力した場合に、その積分回路の出力をコンパレータにて参照電圧と比較すると、コンパレータ出力は静電容量に比例したデューティ比のパルス波が得られる（図４（Ｃ））。そこで、そのコンパレータ出力を平滑化することにより静電容量に応じた電圧が求められる。そして、Ｃ−Ｖ変換器２２ａ〜２２ｅ及び演算回路２４等により本発明における検出手段が構成される。
【００１９】そして、従来は各積分回路に対して同一の検出駆動用矩形波を印加していたが、図７から明らかなように、本発明では、Ｚ軸検出用の容量素子Ｃz を含む積分回路にのみ外部発振回路による一定周波数の検出駆動用矩形波を印加するようにしている。そして、Ｘ，Ｙ軸検出用の容量素子Ｃ1 〜Ｃ4 を含む積分回路には、Ｚ軸検出用の容量素子Ｃz を含む積分回路の出力に基づいて生成される検出駆動用矩形波を印加するようにしている。すなわち、Ｃ−Ｖ変換器２２ｅの出力Ｖczは、Ｚ軸加速度に応じた電圧値となっているので、演算回路２４ではＣ−Ｖ変換器２２ｅの出力からＺ軸加速度を検出し、その検出した加速度に応じた電圧Ｖzを出力する。そして出力Ｖz をＶ−ｆ変換器２６に与え、その電圧Ｖz に応じた周波数の矩形波を生成し、その生成した矩形波をＸ，Ｙ軸検出駆動用矩形波として、Ｘ，Ｙ軸検出用の各積分回路に印加する。そして、上記した一定周波数の検出駆動用矩形波を印加する手段と、Ｖ−ｆ変換器２６等により、本発明における電圧印加手段が構成される。
【００２０】これにより、Ｚ軸加速度（Ｃ−Ｖ変換器２２ｅの出力Ｖcz）と一義的相関を持った周波数の矩形波が、Ｘ，Ｙ軸方向加速度検出用の積分回路へ印加されることになる。そして演算回路２４では、Ｃ−Ｖ変換器２２ａ〜２２ｄの出力に基づいて、加減算処理を行いＸ軸加速度，Ｙ軸加速度を求め、その加速度に応じた電圧Ｖx ，Ｖy を出力するようになっている。
【００２１】係る構成にすると、Ｚ軸方向（＋）に加速度が加わると、可動電極１７が上方に移動するため固定電極２０ａ〜２０ｄ間の距離が短くなり、Ｘ，Ｙ軸検出用の感度は増加する。しかし、本形態ではこの時可動電極１７と固定電極２０ｅとの距離が長くなり、Ｖz は小さくなる。すると、その電圧Ｖz に基づいて生成されるＸ，Ｙ軸検出駆動用矩形波の周波数が小さくなり、静電容量Ｃ1 〜Ｃ4 の変化に対する積分回路出力の変化を小さくする。これにより、Ｚ軸方向と同時にＸ，Ｙ軸方向の加速度が加わっても、そのＺ軸方向の変化に伴う構造上の感度の変化を、Ｘ，Ｙ軸検出駆動用矩形波の周波数を変化することによりキャンセルし、他軸干渉の影響を解消する。
【００２２】上記した他軸干渉の影響の解消の原理を式により説明すると、以下のようになる。まず、各積分回路に接続されたＣ−Ｖ変換器２２ａ〜２２ｅの出力をそれぞれVcl 〜Vc4 ，Vcz とすると、次式によってＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に印加された加速度と一次相関の出力電圧Ｖx 、Ｖy 、Ｖz を得る。係る演算処理は演算回路２４により実行され、出力される。
【００２３】
【数１】

ここでＡz ，Ａx ，Ａy ，Ｂz ，Ｂx ，Ｂy はそれぞれＺ，Ｘ，Ｙ軸の加速度演算に用いられる増幅度及びオフセットである。
【００２４】この回路を実現する上で、図５，図６に示した静電容量型多軸加速度センサ素子９では、Ｚ軸方向に加速度が印加され可動電極１７が上下するとＣl 〜Ｃ4 全ての容量が同時に増減する。よって式（２），（３）における下線部の値が変動し、Ｘ，Ｙ軸方向の同じ大きさの加速度に対して感度が変わってしまうという関係がある。
【００２５】そこで、駆動周波数に対して出力波形が変化する積分回路と、以上に示した検出方式の性質を利用する。すなわち、一定周波数ｆの駆動用矩形波はＺ軸検出用積分回路へのみ印加し、Ｘ，Ｙ軸方向検出用積分回路へはＶz を次式で電圧一周波数変換した矩形波を印加する。
【００２６】ｆx,y ＝Ａ×Ｖz ＋Ｂ …（４）
ここでＡ，ＢはＶ−ｆ変換器２６における係数であり、任意に調整の可能な一定値である。
【００２７】以上の回路方式によってＺ軸方向の加速度によるＸ，Ｙ軸方向への他軸干渉を補正することが可能である。
【００２８】また、式（４）におけるＢの値を調整することでＸ，Ｙ軸の基本駆動周波数が決定し、Ｚ軸加速度のない状態でのＸ，Ｙ軸加速度の感度を決定することができ、従来後段の増幅回路等に付加されていた感度調整の機能を一本化することができる。
【００２９】
【発明の効果】以上のように、本発明に係る静電容量型多軸加速度検出装置では、Ｘ，Ｙ軸検出用固定電極と、Ｚ軸検出用固定電極とを可動電極を挟んで反対側に位置させたため、Ｚ軸方向に加速度が加わった場合に、Ｘ，Ｙ軸検出用固定電極と可動電極間距離と、Ｚ軸検出用固定電極と可動電極間距離は増減が逆になる。そして、一定の周波数の矩形波は、Ｚ軸用の固定電極側にのみ印加し、そのＺ軸用の固定電極と可動電極間の静電容量（電極間距離）の変化に基づいてＸ，Ｙ軸用の固定電極に印加する矩形波の周波数は増減するようにしたため、他軸干渉の影響を可及的に抑制し、感度が一定の静電容量型多軸加速度検出装置を構成することができる。
【００３０】また、請求項２のように構成すると、Ｘ，Ｙ軸方向の感度の調整機能をＸ，Ｙ軸検出駆動用矩形波の周波数の決定・変換条件を調整することによって実現することができるので、２箇所の調整が一本化され、回路の簡略化から低コスト化、さらには調整工程の簡略化が図れる。
【出願人】 【識別番号】０００００２９４５
【氏名又は名称】オムロン株式会社
【出願日】 平成９年（１９９７）７月８日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】松井 伸一
【公開番号】 特開平１１−２３６１０
【公開日】 平成１１年（１９９９）１月２９日
【出願番号】 特願平９−１９６３８３