JP2005017216A

JP2005017216A - ３軸加速度センサ

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Publication number: JP2005017216A
Application number: JP2003185271A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Abe; 宏阿部
Original assignee: ACT LSI KK
Current assignee: ACT LSI KK
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2023-06-27
Also published as: JP4405189B2

Abstract

【課題】容量型の３軸加速度センサにおいて、構成の複雑化あるいは高コスト化の要因となる後処理の負担を軽くするとともに、構成の小形・軽量化を推進しつつ、高感度かつ高精度の検出動作を行わせることを可能にする。
【解決手段】可動電極１２に対向する固定電極２１〜２４を２つまたは１つに並列接続するとともに、その並列接続の組み合わせを順次切り替え、各接続状態ごとに並列接続された固定電極の容量変化により、上記可動電極の３次元的位置変位を方向成分別に検出する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、加速度を３次元の方向成分別に検出する３軸加速度センサに関し、とくに、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ：マイクロ電子技術システム）により微細加工された超小型の容量型３軸加速度センサに適用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
容量型の３軸加速度センサは、たとえば特開２００２−３１６４４あるいは特開平５−２０３６６７に記載されているように、加速度を３軸方向から受けて３次元的位置変位が生じるように懸架された可動電極と、この可動電極を共通の対向電極とするように配置された複数の固定電極を用いて構成される。
【０００３】
複数の固定電極は可動電極に対向する同一平面上に配置されて、それぞれに可動電極との間に静電容量を形成する。その静電容量は可動電極と固定電極間の相対的位置関係により変化する。したがって、各固定電極にてそれぞれに現れる静電容量の変化を個別に測定することにより、加速度による可動電極の位置変位を３軸の方向成分別に定量検出することができる。この検出結果を電圧で出力させれば、加速度に応じた検出電圧を得ることができる。
【０００４】
上記可動電極は、ＸＹの２軸方向からの加速度に対してはその２軸方向に傾斜する位置変位を生じ、ＸＹの２軸方向と直交するＺ軸方向からの加速度に対してはそのＺ軸方向へ移動する位置変位を生じるように懸架されている。固定電極は上記可動電極の対向面となる同一平面上に複数配置されている。可動電極と固定電極は、たとえばシリコン基板上にＭＥＭＳにより微細加工される。
【０００５】
ここで、特開２００２−３１６４４に記載のものにおいては、第１〜第５の５つの固定電極を可動電極に対向する同一平面上に配置する。この場合、第１〜第４の固定電極はＸＹの２方向に広がって対称配置される。第５の固定電極は第１〜第４の固定電極に囲まれた中央部に配置される。加速度による可動電極の位置変位は、その可動電極に対して第１〜第５の固定電極がそれぞれに形成する静電容量の変化状態により、３軸の方向成分別に検出することができる。すなわち、第１〜第４の固定電極は、可動電極がＸＹの２軸方向からの加速度によって傾斜することにより生じる位置変位分を検出する。第５の固定電極は、可動電極がＺ軸方向からの加速度によってＺ軸方向へ移動することにより生じる位置変位分を検出する。
【０００６】
上記センサはＭＥＭＳによる微細加工等により小型化をはかることができる。しかし、小型化に伴い、可動電極およびその可動電極に対向する面積も小さくなってくる。その小さくなった面積内に第１から第５までの５つの固定電極を設けると、各固定電極が可動電極に対して個別に形成できる静電容量が小さくなって、その静電容量の変化を高感度かつ高精度に検出することが困難になってしまう、という問題が生じる。つまり、この種の加速度センサでは、その小形化・軽量化に伴って検出の感度および精度が得難くなるという背反が生じる。静電容量が小さいと、浮遊容量やノイズ等の外乱影響が相対的に大きくなったりするため、高感度かつ高精度の検出が困難になる。
【０００７】
一方、特開平５−２０３６６７に記載のものにおいては、ＸＹの２方向にマトリックス状に配置された４つの固定電極だけで上記可動電極の３次元的位置変位を方向成分別に検出するようにしている。すなわち、４つの固定電極が可動電極に対してそれぞれに形成する静電容量（加速度検出容量）を個別に定量検出して電圧変換する。この４種類の容量検出電圧を所定の組み合わせで加算または減算するとともに、その演算の方法および組み合わせを変える後処理により、３軸の方向成分別加速度検出電圧を得ることができる。
【０００８】
上記構成（特開平５−２０３６６７）では、可動電極の対向面に配置する固定電極が４つで済むため、その分、各固定電極が可動電極に対して個別に形成できる静電容量が大きくなる。したがって、その大きくなった分だけ、静電容量変化の検出感度と精度を高めることが可能になる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、特開平５−２０３６６７のものは、特開２００２−３１６４４のものに対して固定電極の数を４／５に減らすことができる分だけ、各固定電極がそれぞれに形成する静電容量を大きくして検出の感度および精度を高めることが可能になっている。しかし、３軸加速度センサが目的とする検出出力は３軸の方向成分別加速度検出電圧である。この方向成分別加速度検出電圧を得るためには、４つの固定電極における静電容量変化を個別に検出してそれぞれに電圧変換した後、その４種類の容量検出電圧から３軸の方向成分加速度検出電圧を生成するための後処理が別途必要となる。この後処理は、前述したように、４種類の容量検出電圧を所定の組み合わせで加算または減算するとともに、その演算の方法および組み合わせを変えて行うが、このような後処理は構成の簡単化および低コスト化を阻害する。つまり、後処理負担が重く、構成が複雑あるいは高コストになりやすいという問題があった。
【００１０】
また、固定電極の数が５つから４つに減ったとしても、個々に検出すべき静電容量の大きさはその減数分（４／５）しか減らず、したがって、その検出の感度と精度についてはそれほどの向上は期待できず、むしろ、上述した後処理における誤動作要因の介在の方が懸念される。
【００１１】
この発明は以上のような問題を鑑みてなされたもので、その目的は、容量型の３軸加速度センサにおいて、構成の複雑化あるいは高コスト化の要因となる後処理の負担を軽くすることができるとともに、構成の小形・軽量化を推進しつつ、高感度かつ高精度の検出動作を実現できるようにした３軸加速度センサを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の手段は、加速度を３軸方向から受けて３次元的位置変位が生じるように懸架された可動電極と、この可動電極を共通の対向電極とするように配置された複数の固定電極とを有し、これらの固定電極に現れる静電容量の変化を測定して上記可動電極の位置変位を３軸の方向成分別に定量検出し、この検出結果を３軸の方向成分別に電圧変換して出力するようにした３軸加速度センサにおいて、次の構成手段（１）〜（６）を備えたことを特徴とする。
【００１３】
（１）ＸＹの２軸方向からの加速度に対してはその２軸方向に傾斜する位置変位を生じ、そのＸＹの２軸方向と直交するＺ軸方向からの加速度に対してはそのＺ軸方向に移動する位置変位を生じるように懸架された上記可動電極。
（２）上記可動電極の対向面となる同一平面上にマトリックス状に配置された４つの固定電極。
（３）上記４つの固定電極が上記可動電極に対して形成する静電容量とほぼ等値の容量を持つ参照容量。
（４）第１と第２の２つの入力容量の差を電圧変換して出力する差動型容量検出手段。
（５）上記４つの固定電極をＸ方向に並ぶ２組に分けて各組ごとにそれぞれ等価的に一つの電極を形成すべく並列接続するとともに、この２組の並列接続電極が上記可動電極に対して形成する２つの静電容量を上記容量検出手段に差動入力させる第１の接続モードと、上記４つの固定電極をＹ方向に並ぶ２組に分けて各組ごとにそれぞれ等価的に一つの電極を形成すべく並列接続するとともに、この２組の並列接続電極が上記可動電極に対して形成する２つの静電容量を上記容量検出手段に差動入力させる第２の接続モードと、上記４つの固定電極を等価的に一つの電極を形成すべく並列接続するとともに、この並列接続電極が上記可動電極に対して形成する静電容量と上記参照容量を上記容量検出手段に差動入力させる第３の接続モードとを順次スイッチ切り替えする切替手段。
（６）上記容量検出手段の出力電圧を上記第１〜第３の各接続モードごとに個別に保持して出力する電圧保持手段。
【００１４】
上記手段により、構成の複雑化あるいは高コスト化の要因となる後処理の負担を軽くすることができるとともに、構成の小形・軽量化を推進しつつ、高感度かつ高精度の検出動作を行わせることができる。
【００１５】
上記手段は、さらに、次の構成手段（７）〜（９）を備えることにより、たとえば容量検出手段の主要部を演算増幅器一つで構成できるなど、構成の一層の簡単化をはかることができる。
（７）上記容量検出手段は、スイッチド・キャパシタを介して行われる負帰還によって入力が仮想短絡されるようにしたアナログ演算増幅器を有し、その仮想短絡される入力に上記可動電極と上記参照容量の一方極端子とが接続されている。
（８）上記切替手段は、Ｘ方向に並ぶ２組の並列接続電極を上記演算増幅器の動作基準電位に対して対称な正負２つの検出用基準電圧に振り分けて接続する第１の接続モードと、Ｙ方向に並ぶ２組の並列接続電極を上記２つの検出用基準電圧に振り分けて接続する第２の接続モードと、上記４つの固定電極の並列接続端子と上記参照容量の他方極端子を上記２つの検出用基準電圧に振り分けて接続する第３の接続モードとを順次スイッチ切り替えするように構成されている。
（９）上記電圧保持手段は、上記第１〜第３の各接続モードに対応して設けられた第１〜第３の容量素子と、上記演算増幅器から上記接続モードごとに出力される検出電圧をその接続モードに対応して設けられた容量素子に個別に伝達してアナログ保持させる選択スイッチ手段とを備える。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１および図２は本発明による３軸加速度センサの実施例を示す。
まず、図１はセンサ部１０の実施例を示す。同図において、（ａ）は可動電極１２の部分を示す上面図、（ｂ）は固定電極２１〜２４の部分を示す上面図である。また、（ｃ）は地球重力以外の加速度を受けていない静状態にあるときの可動電極１２の状態を示す側断面図、（ｄ）と（ｅ）はそれぞれＸＹ方向（面方向）の加速度による可動電極１２の変位状態を示す側断面図、（ｆ）と（ｇ）はそれぞれＺ方向（鉛直方向）の加速度による可動電極１２の変位状態を示す側断面図である。
【００１７】
センサ部１０はシリコン等の半導体基板１１上にＭＥＭＳによる微細加工により形成され、可動電極１２と固定電極２１〜２４を有する。可動電極１２は有意の慣性質量を持つように形成された正方形板状の錘体であって、その４隅部がそれぞれリード状梁部１４〜１７の先端部に連結されることにより、基板１１上に所定の空隙を置いた平行支持状態で空中懸架されている。
【００１８】
リード状梁部１４〜１７は可動電極１２と共にＭＥＭＳによる微細加工されたものであって、その基端部はそれぞれ上記基板１１に連結している。各リード状梁部１４〜１７はそれぞれ所定の可撓性およびバネ弾性を有している。これにより、上記可動電極１２は３軸の加速度を受けたときに、その加速度の方向成分別大きさに応じて３次元的位置変位が生じるように可動懸架されている。各梁部１４〜１７は可動電極１２のリード導体（接続導体）を兼ねている。
【００１９】
これにより、可動電極１２は、ＸＹの２軸方向からの加速度に対しては、図１の（ｄ）または（ｅ）に示すように、その２軸方向に傾斜する位置変位を生じる。また、そのＸＹの２軸方向と直交するＺ軸方向からの加速度に対しては、図１の（ｆ）と（ｇ）に示すように、そのＺ軸方向に移動する位置変位を生じる。
【００２０】
基板１１上であって上記可動電極１２の対向面となる同一平面上には、第１〜第４の４つの固定電極２１〜２４が２×２のマトリックス状に配置されて形成されている。各固定電極２１〜２４はそれぞれ正方形状に形成され、４つ全体の配列パターンが上記可動電極１２と同面積となるように形成されている。各固定電極２１〜２４は上記可動電極１２との間でそれぞれ静電容量Ｃ１〜Ｃ４を形成する。この静電容量Ｃ１〜Ｃ４は、図１の（ｃ）に示す静状態（無感状態）のときに、それぞれ同じ値となるように形成される。
【００２１】
図２は回路部３０の実施例を示す。この回路部３０は、非反転入力（＋）と反転入力（−）を有するアナログ演算増幅器３１、ＭＯＳトランジスタなどを用いたスイッチ回路Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ａ，Ｓ３ｂ，Ｓ４ａ，Ｓ４ｂ，Ｓｃａ，Ｓｃｂ，Ｓ５，Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ、シーケンス制御回路（あるいはタイミング制御回路）３２、参照用容量素子Ｃｃ、負帰還用容量素子Ｃｆと、電圧保持用容量素子Ｃｘ，Ｃｙ，Ｃｚ、および上記演算増幅器３１の動作基準電位（ＧＮＤ）に対して対称な正負２つの検出用基準電圧Ｖｒ＋とＶｒ−を生成する基準電圧発生回路（図示省略）などにより構成され、上記静電容量Ｃ１〜Ｃ４の変化を検出して３軸の方向別加速度検出電圧Ｘｘ，Ｖｙ，Ｖｚを生成する。この回路部３０は、上記基板１１上に上記センサ部１０とともに集積形成可能である。
【００２２】
ここで、演算増幅器３１は、スイッチ回路Ｓ５と容量素子Ｃｆによるスイッチド・キャパシタを介して行われる負帰還により、非反転入力（＋）と反転入力（−）が仮想短絡されるようになっている。非反転入力（＋）は基準電位（ＧＮＤまたは接地電位）に接続されている。反転入力（−）は上記可動電極１２と参照用容量素子Ｃｃの一方極端子に接続されている。
【００２３】
スイッチ回路Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ａ，Ｓ３ｂ，Ｓ４ａ，Ｓ４ｂ，Ｓｃａ，Ｓｃｂ，Ｓ５，Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚは、所定周期のクロックをタイミング基準にして動作するシーケンス制御回路３２により、所定のタイミングスケジュールにしたがってオン／オフ制御されるようになっている。図３は各スイッチ回路のオン／オフ動作タイミングチャートを示す。
【００２４】
この場合、スイッチ回路Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ａ，Ｓ３ｂ，Ｓ４ａ，Ｓ４ｂ，Ｓｃａ，Ｓｃｂは、上記４つの固定電極２１〜２４および上記参照用容量素子Ｃｃの他方極端子と上記検出用基準電圧Ｖｒ＋，Ｖｒ−との間に介在して両者間の回路接続を可変設定する。
【００２５】
スイッチ回路Ｓ５は、負帰還用容量素子Ｃｆを上記タイミングに合わせて周期的に短絡リセットする。そのスイッチ回路Ｓ５がオンからオフに復帰したときに、上記演算増幅器３１は、容量素子Ｃｆを介して行われる負帰還により、反転入力（−）が非反転入力（−）に仮想短絡されるように動作させられる。この負帰還動作により、演算増幅器３１の出力には、上記仮想短絡をなすための電圧が現われる。これにより、演算増幅器３１は、第１と第２の２つの入力容量（被検出容量）の差を電圧変換して出力する差動型容量検出手段として動作する。
【００２６】
スイッチ回路Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚは、上記演算増幅器３１の出力電圧（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）を所定のタイミング（図３参照）でサンプリングして電圧保持用容量素子Ｃｘ，Ｃｙ，Ｃｚに保持させる。
【００２７】
上述した回路部３０は、上記スイッチ回路Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ａ，Ｓ３ｂ，Ｓ４ａ，Ｓ４ｂ，Ｓｃａ，Ｓｃｂ，Ｓ５，Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚのオン／オフ動作により、後述する第１〜第３の各接続モードを順次切り替えながら３軸の方向成分別加速度検出電圧（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）を出力する。以下、各接続モードについて説明する。
【００２８】
＝＝＝＝第１の接続モード＝＝＝＝
このモードでは、上記４つの固定電極２１〜２４をＸ方向に並ぶ２組（２１と２３、２２と２４）に分けて各組ごとにそれぞれに等価的に一つの電極を形成すべく並列接続するとともに、この２組の並列接続電極（２１−２３，２２−２４）を２つの検出用基準電圧Ｖｒ＋，Ｖ−に振り分けて接続する。
【００２９】
２組の並列接続電極（２１−２３，２２−２４）がそれぞれに形成する静電容量（Ｃ１＋Ｃ３），（Ｃ２＋Ｃ４）は、上記演算増幅器３１に被検出容量として差動入力される。演算増幅器３１からは、その２つの入力容量（Ｃ１＋Ｃ３）と（Ｃ２＋Ｃ４）の差ΔＣｘに応じた電圧Ｖｘ＝Ｖｒ・ΔＣｘ＝Ｖｒ（Ｃ１＋Ｃ３）−Ｖｒ（Ｃ２＋Ｃ４）が出力される。
【００３０】
上記容量（Ｃ１＋Ｃ３），（Ｃ２＋Ｃ４）は、上記可動電極１２がＸ方向の加速度を受けて生じる位置変位により相補的に変化する。上記出力電圧ＶｘはそのＸ方向の加速度成分に対応して変化する。これにより、Ｘ方向の加速度成分を電圧変換しながら検出することができる。このＸ方向加速度の検出出力電圧Ｖｘは、スイッチ回路Ｓｘを介して容量素子Ｃｘに充電・保持される。
【００３１】
＝＝＝＝第２の接続モード＝＝＝＝
このモードでは、上記４つの固定電極２１〜２４をＹ方向に並ぶ２組（２１と２２、２３と２４）に分けて各組ごとにそれぞれに等価的に一つの電極を形成すべく並列接続するとともに、この２組の並列接続電極（２１−２２，２３−２４）を２つの検出用基準電圧Ｖｒ＋，Ｖ−に振り分けて接続する。
【００３２】
２組の並列接続電極（２１−２２，２３−２４）がそれぞれに形成する静電容量（Ｃ１＋Ｃ２），（Ｃ３＋Ｃ３）は、上記演算増幅器３１に被検出容量として差動入力される。演算増幅器３１からは、その２つの入力容量（Ｃ１＋Ｃ２）と（Ｃ３＋Ｃ４）の差ΔＣｙに応じた電圧Ｖｙ＝Ｖｒ・ΔＣｙ＝Ｖｒ（Ｃ１＋Ｃ２）−Ｖｒ（Ｃ３＋Ｃ４）が出力される。
【００３３】
上記容量（Ｃ１＋Ｃ２），（Ｃ３＋Ｃ４）は、上記可動電極１２がＹ方向の加速度を受けて生じる位置変位により相補的に変化する。上記出力電圧ＶｙはそのＹ方向の加速度成分に対応して変化する。これにより、Ｙ方向の加速度成分を電圧変換しながら検出することができる。このＹ方向加速度の検出出力電圧Ｖｙは、スイッチ回路Ｓｙを介して容量素子Ｃｙに充電・保持される。
【００３４】
＝＝＝＝第３の接続モード＝＝＝＝
このモードでは、上記４つの固定電極２１〜２４を一つに並列接続するとともに、この並列接続電極（２１−２２−２３−２４）と上記参照容量素子Ｃｃの他方極端子を上記２つの検出用基準電圧Ｖｒ＋，Ｖ−に振り分けて接続する。
【００３５】
この場合、その並列接続電極（２１−２２−２３−２４）が形成する静電容量（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）と容量素子Ｃｃの容量（Ｃｃ）が、上記演算増幅器３１に被検出容量として差動入力される。演算増幅器３１からは、その２つの入力容量（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）と（Ｃｃ）の差ΔＣｚに応じた電圧Ｖｚ＝Ｖｒ・ΔＣｚ＝Ｖｒ（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）−Ｖｒ・Ｃｃが出力される。
【００３６】
上記並列接続電極（２１−２２−２３−２４）の静電容量（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）は、上記可動電極１２がＺ方向の加速度を受けて生じる位置変位により相補的に変化する。したがって、上記出力電圧ＶｚはそのＺ方向の加速度成分に対応して変化する。これにより、Ｚ方向の加速度成分を電圧変換しながら検出することができる。このＺ方向加速度の検出出力電圧Ｖｚは、スイッチ回路Ｓｚを介して容量素子Ｃｚに充電・保持される。
【００３７】
上述した第１〜第３の接続モードを順次切り替えることにより、可動電極１２の３次元的位置変位を並列接続された固定電極の静電容量変化として検出することができる。これにより、その可動電極１２が受ける加速度を３軸（ＸＹＺ）の方向成分別に電圧変換した検出出力（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）を得ることができる。
【００３８】
ここで注目すべきことは、可動電極１２の３次元的位置変位を検出するための固定電極２１〜２４の数については、特開平５−２０３６６７に記載のものと同じく４つであるが、その固定電極２１〜２４が形成する静電容量（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４）の検出は、一つ一つの固定電極がそれぞれに形成する容量に対してではなく、２つ以上が並列接続されて形成する容量に対して行えばよいということである。つまり、加速度検出のための容量検出は、２倍または４倍に並列加算された静電容量に対して行えばよい。これにより、検出の感度と精度を大幅に向上させることが可能になる。さらに、３軸の方向成分別加速度検出電圧（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）は、その並列加算された大きな容量に対する比較的単純な検出動作により直接的に得ることができ、複雑な後処理は不要にできる。
【００３９】
以上のように、上述した実施例では、容量型の３軸加速度センサにおいて、構成の複雑化あるいは高コスト化の要因となる後処理の負担を軽くすることができるとともに、構成の小形・軽量化を推進しつつ、高感度かつ高精度の検出動作を行わせることができる。
【００４０】
以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、可動電極の懸架方法、可動電極や固定電極の形態、接続モードの切替順等については、必要に応じて適宜変更してよい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、容量型の３軸加速度センサにおいて、構成の複雑化あるいは高コスト化の要因となる後処理の負担を軽くすることができるとともに、構成の小形・軽量化を推進しつつ、高感度かつ高精度の検出動作を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による３軸加速度センサのセンサ部分の一実施例を示す上面図および側断面図である。
【図２】本発明による３軸加速度センサの回路部分の一実施例を示す回路図である。
【図３】回路部分の動作例を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１０センサ部
１２可動電極
１４〜１７リード状梁部
２１〜２４固定電極
３０回路部
３１演算増幅器
３２シーケンス制御回路
Ｃ１〜Ｃ４固定電極２１〜２４が個別に形成する静電容量
Ｃｃ参照用容量素子
Ｃｆ負帰還用容量素（スイッチド・キャパシタ）
Ｃｘ，Ｃｙ，Ｃｚ電圧保持用容量素子（電圧保持手段）
Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ａ，Ｓ３ｂ，Ｓ４ａ，Ｓ４ｂ，Ｓｃａ，Ｓｃｂスイッチ回路（切替手段）
Ｓ５スイッチ回路（スイッチド・キャパシタ）
Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚスイッチ回路（電圧保持手段）
Ｖｒ＋，Ｖｒ− 検出用基準電圧

Claims

加速度を３軸方向から受けて３次元的位置変位が生じるように懸架された可動電極と、この可動電極を共通の対向電極とするように配置された複数の固定電極とを有し、これらの固定電極に現れる静電容量の変化を測定して上記可動電極の位置変位を３軸の方向成分別に定量検出し、この検出結果を３軸の方向成分別に電圧変換して出力するようにした３軸加速度センサにおいて、次の構成手段（１）〜（６）を備えたことを特徴とする３軸加速度センサ。
（１）ＸＹの２軸方向からの加速度に対してはその２軸方向に傾斜する位置変位を生じ、そのＸＹの２軸方向と直交するＺ軸方向からの加速度に対してはそのＺ軸方向に移動する位置変位を生じるように懸架された上記可動電極。
（２）上記可動電極の対向面となる同一平面上にマトリックス状に配置された４つの固定電極。
（３）上記４つの固定電極が上記可動電極に対して形成する静電容量とほぼ等値の容量を持つ参照容量。
（４）第１と第２の２つの入力容量の差を電圧変換して出力する差動型容量検出手段。
（５）上記４つの固定電極をＸ方向に並ぶ２組に分けて各組ごとにそれぞれ等価的に一つの電極を形成すべく並列接続するとともに、この２組の並列接続電極が上記可動電極に対して形成する２つの静電容量を上記容量検出手段に差動入力させる第１の接続モードと、上記４つの固定電極をＹ方向に並ぶ２組に分けて各組ごとにそれぞれ等価的に一つの電極を形成すべく並列接続するとともに、この２組の並列接続電極が上記可動電極に対して形成する２つの静電容量を上記容量検出手段に差動入力させる第２の接続モードと、上記４つの固定電極を等価的に一つの電極を形成すべく並列接続するとともに、この並列接続電極が上記可動電極に対して形成する静電容量と上記参照容量を上記容量検出手段に差動入力させる第３の接続モードとを順次スイッチ切り替えする切替手段。
（６）上記容量検出手段の出力電圧を上記第１〜第３の各接続モードごとに個別に保持して出力する電圧保持手段。
請求項１において、次の構成手段（７）〜（９）を備えたことを特徴とする３軸加速度センサ。
（７）上記容量検出手段は、スイッチド・キャパシタを介して行われる負帰還によって入力が仮想短絡されるようにしたアナログ演算増幅器を有し、その仮想短絡される入力に上記可動電極と上記参照容量の一方極端子とが接続されている。
（８）上記切替手段は、Ｘ方向に並ぶ２組の並列接続電極を上記演算増幅器の動作基準電位に対して対称な正負２つの検出用基準電圧に振り分けて接続する第１の接続モードと、Ｙ方向に並ぶ２組の並列接続電極を上記２つの検出用基準電圧に振り分けて接続する第２の接続モードと、上記４つの固定電極の並列接続端子と上記参照容量の他方極端子を上記２つの検出用基準電圧に振り分けて接続する第３の接続モードとを順次スイッチ切り替えするように構成されている。
（９）上記電圧保持手段は、上記第１〜第３の各接続モードに対応して設けられた第１〜第３の容量素子と、上記演算増幅器から上記接続モードごとに出力される検出電圧をその接続モードに対応して設けられた容量素子に個別に伝達してアナログ保持させる選択スイッチ手段とを備える。