JP2014215194A

JP2014215194A - センサーデバイス

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Publication number: JP2014215194A
Application number: JP2013093345A
Authority: JP
Inventors: 峰子小杉; Mineko Kosugi; 秀和小野; Hidekazu Ono
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2014-11-17
Anticipated expiration: 2033-04-26
Also published as: JP6056636B2

Abstract

【課題】３軸全ての測定に要する時間を短縮化し、消費電力を低減できるようにしたセンサーデバイスを提供する。【解決手段】センサーデバイス１は、２つの可変容量コンデンサＣＸ１，ＣＸ２で構成されるＸ軸の静電容量センサー３と、２つの可変容量コンデンサＣＹ１，ＣＹ２で構成されるＹ軸の静電容量センサー４と、一の可変容量コンデンサＣＺ１と静電容量不変のコンデンサＣＺ２とで構成されるＺ軸の静電容量センサー５と、ＸＹＺ各軸の静電容量センサー３，４，５のそれぞれに対してチャージ電圧を時分割で順次印加していくことにより一の静電容量センサーを選択して測定モードに順次移行させる制御回路８とを備える。制御回路８は、Ｘ軸又はＹ軸が測定モードにあるとき、Ｚ軸の静電容量センサー５における可変容量コンデンサＣＺ１の静電容量変化を安定化させるための駆動電圧を印加する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）などによって構成され、互いに直交する３軸方向の加速度などを検知するセンサーデバイスに関する。

従来、一軸方向に移動可能な可動電極を挟んで一対の固定電極が設けられ、各固定電極と可動電極との間に２つの可変容量コンデンサが構成された静電容量センサーが知られている（例えば特許文献１）。この種の静電容量センサーは、可動電極が移動可能な一軸方向に外力（加速度）が作用すると、それに伴って可動電極が２つの固定電極の間で変位し、２つの可変容量コンデンサの静電容量をそれぞれ変化させる。これら可変容量コンデンサの静電容量変化を検知するため、例えば特許文献１では、一対の固定電極に対して一定周期で極性が反転するチャージ電圧を印加するように構成される。

このようなチャージ電圧が印加されると、２つの可変容量コンデンサの間に電位差が発生するため、２つの可変容量コンデンサのそれぞれにおいて可動電極を引き付けようとする静電気力が発生する。しかし、一対の固定電極の間に可動電極が配置されている場合には、各可変容量コンデンサにおいて発生する静電気力は互いに逆方向に可動電極を引き付けて打ち消し合う。そのため、可動電極に作用する静電気力がキャンセルされ、可動電極は外力が作用した場合にのみ２つの固定電極の間で変位するようになっている。

特開２００４−２９４０７７号公報

近年では、１つのセンサーデバイスに、上記のような静電容量センサーを互いに直交する３軸方向に設け、それら３軸方向についての測定結果を出力することが望まれている。例えば１つのセンサーデバイスにＭＥＭＳ構造で３軸方向の静電容量センサーを形成する場合、Ｘ軸とＹ軸の２方向については、上述したように、一の可動電極を挟んで２つの固定電極を配置することが可能であるため、２つの可変容量コンデンサを備えた静電容量センサーを構成することができる。しかし、Ｘ軸及びＹ軸に直交するＺ軸方向については、一の可動電極を挟んで２つの固定電極を配置することが困難である。

図１４は、Ｚ軸方向の加速度を検知する静電容量センサーの一構成例を示す図である。Ｚ軸方向の加速度を検知する静電容量センサーは、図１４（ａ）に示すように半導体基板９１の表面に形成された固定電極１７に対向して配置される可動電極１６が、その固定電極１７から所定間隔（数μｍ程度）を隔てて浮き上がった状態でＺ軸方向（上下方向）に移動可能に支持される。すなわち、可動電極１６は、固定電極１７の周囲において立設する支柱部９２の内面から延びる多数のバネ９３によってその周囲側面が支持される構成である。また可動電極１６の周囲にはキャップ９４が被せられ、可動電極１６の動作空間が封止される。このような構成では、可動電極１６とキャップ９４との間隔が過大なものとなるため、可変容量コンデンサを構成する固定電極をキャップ９４の下面側に設けることができない。そのため、Ｚ軸方向の加速度を検知する静電容量センサーでは、可動電極１６と固定電極１７とによる可変容量コンデンサを１つしか形成することができない。

そこでＺ軸方向の加速度を検知する静電容量センサーの場合は、例えば図１４（ｂ）に示す等価回路のように、可変容量コンデンサＣＺ１の他に、容量固定のコンデンサＣＺ２を例えば半導体基板９１などに別途形成してそれらを直列に接続する。これにより、他の２軸と同様の手法によって可変容量コンデンサＣＺ１の静電容量変化を検知することができるようになる。

しかし、その反面、図１４（ｂ）のように構成されるＺ軸の静電容量センサーは、２つの端子Ｚ１，Ｚ２に対してチャージ電圧が印加されると、可変容量コンデンサＣＺ１の可動電極１６と固定電極１７との間に互いに引き付け合う静電気力が発生し、可動電極１６がその静電気力によって固定電極１７に向かう方向へ移動する。つまり、Ｚ軸の静電容量センサーは、可変容量コンデンサＣＺ１において発生する静電気力を打ち消し合うもう１つの可変容量コンデンサが存在しないため、チャージ電圧の印加によって発生する静電気力で可動電極１６が変位してしまい、外力（加速度）による静電容量変化だけを検知することができなくなる。

これを防止するためには、端子Ｚ１，Ｚ２にチャージ電圧を印加した後、可動電極１６に作用する静電気力と、バネ９３による引張力とが均等になり、静電気力による可動電極１６の変位が一定値に収束して安定するまで待機してから測定することが必要となる。したがって、例えば図１５（ａ）に示すようにＸＹＺ３軸の静電容量センサーのそれぞれにおける静電容量変化を１つのＣＶ変換回路１０６で検出する場合には、３軸を同時に測定することができないため、図１５（ｂ）に示すように、Ｘ軸の測定とＹ軸の測定とを順に行った後、Ｚ軸の測定を開始する前に、Ｚ軸にチャージ電圧を印加して静電容量を安定化させるための処理を行うことが必要となる。しかし、Ｘ軸の測定とＹ軸の測定とが終了した後に、Ｚ軸の静電容量を安定化させるための処理を行うように構成すると、３軸全ての測定を完了させるのに長時間を要すると共に、測定の長時間化に伴ってセンサーデバイスにおける平均消費電力が大きくなるという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するため、３軸全ての測定に要する時間を短縮化し、消費電力を低減できるようにしたセンサーデバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るセンサーデバイスは、第１の軸方向に移動可能な可動電極を挟んで一対の固定電極が設けられ、各固定電極と可動電極とによって直列接続された２つの可変容量コンデンサが構成される第１の静電容量センサーと、第１の軸方向と直交する第２の軸方向に移動可能な可動電極を挟んで一対の固定電極が配置され、各固定電極と可動電極とによって直列接続された２つの可変容量コンデンサが構成される第２の静電容量センサーと、第１及び第２の軸方向に直交する第３の軸方向に移動可能な可動電極及び該可動電極に対向して配置される固定電極によって構成される可変容量コンデンサと一対の固定電極からなる静電容量不変のコンデンサとを直列接続して構成される第３の静電容量センサーと、第１乃至第３の静電容量センサーのそれぞれの両端の固定電極に対し、互いに逆相のチャージ電圧を時分割で順次印加していくことにより第１乃至第３の静電容量センサーのうちから一の静電容量センサーを選択して測定モードに順次移行させる制御回路とを備え、制御回路は、第１又は第２の静電容量センサーが測定モードにあるとき、第３の静電容量センサーの両端の固定電極に対してチャージ電圧とは異なる互いに逆相の駆動電圧を印加することにより、第３の静電容量センサーにおける可変容量コンデンサの静電気力による静電容量変化を安定化させることを特徴とする構成である。

また上記センサーデバイスにおいて、制御回路は、第１乃至第３の静電容量センサーのうちの測定モードにある静電容量センサーの両端の固定電極に対し、所定の基準電圧を中心にして一定周期且つ一定電圧幅で極性が反転するチャージ電圧を印加するものであり、第１又は第２の静電容量センサーが測定モードにあるときには、第３の静電容量センサーの両端の固定電極に対し、チャージ電圧と同一周期であり、且つ、基準電圧から同一極性方向に一定電圧幅で振動する駆動電圧を印加することを特徴とする構成を採用しても良い。

その場合、センサーデバイスは、第１乃至第３の静電容量センサーのそれぞれにおける可変容量コンデンサの静電容量変化に対応した信号を出力するＣＶ変換回路と、第１乃至第３の静電容量センサーのそれぞれが測定モードにあるとき、ＣＶ変換回路の信号出力を所定のタイミングでサンプリングして出力するサンプリング回路とを更に備える構成とし、サンプリング回路は、第１又は第２の静電容量センサーが測定モードにあるとき、第１又は第２の静電容量センサーの両端の固定電極に印加される前記チャージ電圧の極性が反転した後に、ＣＶ変換回路の信号出力をサンプリングして出力することにより、駆動電圧による第３の静電容量センサーからの電荷移動をキャンセルして出力することを特徴とする構成を採用することがより好ましい。

本発明によれば、第１又は第２の静電容量センサーが測定モードにあるときに、第３の静電容量センサーにおける可変容量コンデンサの静電気力による静電容量変化を安定化させておくことができるため、第１又は第２の軸方向の測定が終了すると、第３の静電容量センサーを速やかに測定モードに移行させて第３の軸方向の測定を開始することができる。したがって、３軸全ての測定に要する時間が従来よりも短くなり、消費電力を抑制することができるようになる。

センサーデバイスの概念的構成を示すブロック図である。センサーデバイスの具体的な回路構成の一例を示す図である。制御回路による制御動作のシーケンスを示す図である。ＸＹＺ３軸の静電容量センサーの両端に印加される電圧を示す図である。測定モード時に静電容量センサーに印加されるチャージ電圧を示す図である。測定モードでの第１の電荷移動を示す図である。測定モードでの第２の電荷移動を示す図である。測定モードでの第３の電荷移動を示す図である。容量安定化処理のために印加される駆動電圧を示す図である。容量安定化処理での第１の電荷移動を示す図である。容量安定化処理での第２の電荷移動を示す図である。容量安定化処理での第３の電荷移動を示す図である。センサーデバイスの他の回路構成の一例を示す図である。Ｚ軸方向の加速度を検知する静電容量センサーの一構成例を示す図である。ＸＹＺ３軸の静電容量センサーによる従来の測定方法を示す図である。

以下、本発明に関する好ましい実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態において互いに共通する部材には同一符号を付しており、それらについての重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一実施形態におけるセンサーデバイス１の概念的構成を示すブロック図である。このセンサーデバイス１は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の互いに直交する３軸方向の加速度を検知するように構成されたセンサー部２と、センサー部２からの出力をＣＶ変換するＣＶ変換回路６と、ＣＶ変換回路６の出力信号を所定のタイミングでサンプリングして出力するサンプリング回路７と、制御回路８とを備えている。

センサー部２は、Ｘ軸方向の加速度を検知する第１の静電容量センサー３と、Ｙ軸方向の加速度を検知する第２の静電容量センサー４と、Ｚ軸方向の加速度を検知する第３の静電容量センサー５とを備える。これら静電容量センサー３，４，５は、例えばＭＥＭＳ構造によって半導体基板の表面上に形成される。Ｘ軸の静電容量センサー３は、例えば半導体基板の表面に平行なＸ軸方向に移動可能な可動電極１０を挟んで一対の固定電極１１，１２が設けられ、それら固定電極１１，１２と可動電極１０とによって直列接続された２つの可変容量コンデンサＣＸ１，ＣＸ２が形成された構成である。同様に、Ｙ軸の静電容量センサー４は、例えば半導体基板の表面に平行であり、且つ、Ｘ軸に直交するＹ軸方向に移動可能な可動電極１３を挟んで一対の固定電極１４，１５が設けられ、それら固定電極１４，１５と可動電極１３とによって直列接続された２つの可変容量コンデンサＣＹ１，ＣＹ２が形成された構成である。これに対し、Ｚ軸の静電容量センサー５は、例えば半導体基板の表面に対して垂直なＺ軸方向に移動可能な可動電極１６とその可動電極１６に対向して配置された固定電極１７とによって形成される可変容量コンデンサＣＺ１と、半導体基板上などに設けられる固定電極１８，１９によって形成される静電容量不変のコンデンサＣＺ２とを直列接続した構成である。尚、Ｚ軸の静電容量センサー５を構成する可変容量コンデンサＣＺ１は、図１４（ａ）に示した構造と同様である。

これらの静電容量センサー３，４，５は、いずれも可動電極１０，１３，１６が移動可能な方向に外力（加速度）が作用すると、それに伴って可動電極１０，１３，１６が変位し、可変容量コンデンサＣＸ１，ＣＸ２，ＣＹ１，ＣＹ２，ＣＺ１の静電容量をそれぞれ変化させるように構成されている。そして各静電容量センサー３，４，５において直列接続された２つのコンデンサの中点がＣＶ変換回路６へと接続され、静電容量変化に伴う信号をセンサー部２からのシングル出力としてＣＶ変換回路６へ出力する。

制御回路８は、上記３つの静電容量センサー３，４，５のそれぞれに対し、所定のチャージ電圧を時分割で順次印加していくことにより、３つの静電容量センサー３，４，５のうちから一の静電容量センサーを選択して測定モードに順次移行させると共に、ＣＶ変換回路６及びサンプリング回路７の動作を制御する回路である。

図２は、センサーデバイス１の具体的な回路構成の一例を示す図である。図２に示すように、本実施形態のＣＶ変換回路６は、オペアンプ２０を備えて構成される。このオペアンプ２０の反転入力端子には、センサー部２からの出力端子が接続される。オペアンプ２０の反転入力端子と出力端子との間には、フィードバックコンデンサＣｆとスイッチＳｆとが並列接続される。スイッチＳｆはコンデンサＣｆに蓄積された電荷を放電させるためのものであり、上述した制御回路８によってオンオフ制御される。一方、オペアンプ２０の非反転入力端子は基準電圧Ｖｒｅｆに接続される。このオペアンプ２０は、反転入力端子の電位Ｖｉｎと非反転入力端子の電位Ｖｉｐとが等しくなるように動作するため、反転入力端子の電位Ｖｉｎが所定の基準電圧Ｖｒｅｆで保持されるようになる。

このようなＣＶ変換回路６は、センサー部２に設けられた各静電容量センサー３，４，５が測定モードにあるとき、加速度が作用して可変容量コンデンサの静電容量が変化すると、その静電容量変化によって移動する電荷をフィードバックコンデンサＣｆに蓄積し、静電容量の変化分に応じた出力信号Ｖｏをオペアンプ２０の出力端子から出力する。

本実施形態のサンプリング回路７は、出力相関二重サンプリング回路を採用している。このサンプリング回路７は、ＣＶ変換回路６の出力信号Ｖｏをサンプリングして出力するために、コンデンサＣａ，ＣｂとスイッチＳａ，Ｓｂとを備えている。コンデンサＣａの一端は、ＣＶ変換回路６におけるオペアンプ２０の出力端子に接続され、他端はスイッチＳｂの一端に接続される。またコンデンサＣａとスイッチＳｂとの間には、スイッチＳａの一端が接続されており、そのスイッチＳａの他端は基準電圧Ｖｒｅｆが接続されている。スイッチＳｂの他端はサンプリング回路７の出力端子Ｖｏｕｔとなっており、その出力端子ＶｏｕｔはコンデンサＣｂを介して基準電圧Ｖｒｅｆに接続されている。

このようなサンプリング回路７は、はじめにスイッチＳｂを開放した状態でスイッチＳａを閉じることにより、コンデンサＣａにおいてＣＶ変換回路６からの出力信号Ｖｏの１回目のサンプリングを行う。そしてスイッチＳｂを開放した状態のまま、次にスイッチＳａを開放し、コンデンサＣａにおいてＣＶ変換回路６からの出力信号Ｖｏの２回目のサンプリングを行う。このようにしてコンデンサＣａで２回のサンプリングを行った後、スイッチＳｂを閉じることにより、コンデンサＣａに蓄積されていた電荷量に応じた出力信号Ｖｏｕｔを出力する。これにより、サンプリング回路７は、ＣＶ変換回路６におけるオペアンプ２０のオフセット電圧やｋＴ／Ｃノイズなどをキャンセルした出力信号Ｖｏｕｔを出力することができる。尚、サンプリング回路７における各スイッチＳａ，Ｓｂは、上述した制御回路８によってオンオフ制御される。

またセンサー部２においては、Ｘ軸の静電容量センサー３における２つの可変容量コンデンサＣＸ１，ＣＸ２の両端Ｘ１，Ｘ２に、チャージ電圧を印加するために択一的に閉状態となる複数のスイッチＳＸａ，ＳＸｂ，ＳＸｃが設けられている。同様に、Ｙ軸の静電容量センサー４における２つの可変容量コンデンサＣＹ１，ＣＹ２の両端Ｙ１，Ｙ２にも、択一的に閉状態となる複数のスイッチＳＹａ，ＳＹｂ，ＳＹｃが設けられており、さらにＺ軸の静電容量センサー５における可変容量コンデンサＣＺ１と静電容量不変のコンデンサＣＺ２との両端Ｚ１，Ｚ２にも、択一的に閉状態となる複数のスイッチＳＺａ，ＳＺｂ，ＳＺｃが設けられている。これら各静電容量センサー３，４，５の両端に設けられる各スイッチには、３値の電圧のいずれか、すなわち図２に示すように、基準電圧Ｖｒｅｆと、基準電圧Ｖｒｅｆよりも所定電圧Ｖｃだけ高い電圧ＶＨと、基準電圧Ｖｒｅｆよりも所定電圧Ｖｃだけ低い電圧ＶＬとのいずれかが接続されている。例えばＶｃ＝Ｖｒｅｆとした場合、ＶＨ＝２・Ｖｒｅｆとなり、ＶＬ＝０となる。そして上記各スイッチは、制御回路８によってオンオフ制御され、測定モード中は、Ｖｒｅｆ，ＶＨ，ＶＬの３値で逐次切り替わるチャージ電圧が各静電容量センサー３，４，５の両端に印加される。

次に制御回路８による制御について説明する。図３は、制御回路８による制御動作のシーケンスを示す図である。図３（ａ）に示すように、制御回路８は、ＸＹＺ３軸の測定タイミングとなって各軸の加速度を順に測定していくとき、図３（ａ）に示すように、まずタイミングＴ０でＸ軸の静電容量センサー３を測定モードに移行させ、Ｘ軸の静電容量センサー３の両端Ｘ１，Ｘ２に互いに逆相となるチャージ電圧を印加することによってＸ軸方向の加速度に応じた可変容量コンデンサＣＸ１，ＣＸ２の静電容量変化を測定する。このとき他のＹ軸及びＺ軸の静電容量センサー４，５は、非測定モードである。そしてＸ軸の測定が終了すると、次に制御回路８は、タイミングＴ１でＹ軸の静電容量センサー４を測定モードにさせ、Ｙ軸の静電容量センサー４の両端Ｙ１，Ｙ２に互いに逆相となるチャージ電圧を印加することによってＹ軸方向の加速度に応じた可変容量コンデンサＣＹ１，ＣＹ２の静電容量変化を測定する。このとき他のＸ軸及びＺ軸の静電容量センサー３，５は、非測定モードである。そして更にＹ軸の測定が終了すると、次に制御回路８は、タイミングＴ２でＺ軸の静電容量センサー５を測定モードにさせ、Ｚ軸の静電容量センサー５の両端Ｚ１，Ｚ２に互いに逆相となるチャージ電圧を印加することによってＺ軸方向の加速度に応じた可変容量コンデンサＣＺ１の静電容量変化を測定する。このとき他のＸ軸及びＹ軸の静電容量センサー３，４は、非測定モードである。

このようにＸＹＺ３軸の各静電容量センサー３，４，５が順に測定モードへ移行する期間は、センサーデバイス１の動作期間となっている。この動作期間が開始するタイミングはセンサーデバイス１において一定周期となっており、例えばタイミングＴ３でＺ軸の測定が終了すると、その後は次の動作期間の開始タイミングとなるまでの間がセンサーデバイス１の休止期間となる。そして休止期間中は、センサー部２、ＣＶ変換回路６及びサンプリング回路７への通電を遮断しておくことにより、消費電力の低減を図ることができる。

制御回路８は、動作期間中においてＸ軸及びＹ軸の静電容量センサー３，４が測定モードにあるとき、Ｚ軸の静電容量センサー５に対して予め容量安定化処理を行う。この容量安定化処理は、Ｚ軸の静電容量センサー５の可変容量コンデンサＣＺ１に対して静電気力を発生させ、その静電気力による可動電極１６の変位を、Ｘ軸及びＹ軸の測定中に予め安定化させておく処理である。すなわち、制御回路８は、Ｘ軸及びＹ軸の静電容量センサー３，４が測定モードにあるときに、Ｚ軸の静電容量センサー５において可動電極１６を予め固定電極１７に向かって移動させるべく、チャージ電圧とは異なるパターンで互いに逆相となる駆動電圧をＺ軸の静電容量センサー５の両端Ｚ１，Ｚ２に印加する。これにより、Ｚ軸の可変容量コンデンサＣＺ１の静電容量は、図３（ｂ）に示すように、タイミングＴ０で静電気力が生じていない状態の初期値Ｃ０から徐々に変化していくようになる。そしてＸ軸及びＹ軸の測定と並行して、Ｚ軸の可動電極１６の移動を早期に収束させることができるようになり、Ｚ軸の静電容量センサー５が測定モードへ移行するタイミングＴ２となるときには、Ｚ軸の可変容量コンデンサＣＺ１の静電容量を、静電気力によって変化しない一定値Ｃｄで安定させることができる。したがって、タイミングＴ２でＹ軸の静電容量センサー４の測定モードが終了すると、それに引き続いて速やかにＺ軸の静電容量センサー５を測定モードへ移行させてＺ軸の測定を開始することができるため、ＸＹＺ３軸全ての測定に要する時間を短縮することができる。またこれに伴い、休止期間を長期化することができるので、センサーデバイス１の消費電力を低減することが可能である。

図４は、センサーデバイス１が動作期間にあるときにＸＹＺ３軸の各静電容量センサー３，４，５の両端に印加される電圧を示す図である。上述したようにタイミングＴ０〜Ｔ１の間は、Ｘ軸の静電容量センサー３が測定モードとなる。このとき、制御回路８は、Ｘ軸の静電容量センサー３に接続された複数のスイッチＳＸａ，ＳＸｂ，ＳＸｃのオンオフ制御を行うことにより、静電容量センサー３の両端Ｘ１，Ｘ２に対して基準電圧Ｖｒｅｆを中心にして一定周期且つ一定電圧幅（Ｖｃ）で極性が反転する波形のチャージ電圧を印加する。すなわち、制御回路８は、第１にスイッチＳＸｂを閉状態として２つの端子Ｘ１，Ｘ２に同じ基準電圧Ｖｒｅｆを印加し、第２にスイッチＳＸａを閉状態として一方の端子Ｘ１に電圧ＶＨを印加し、他方の端子Ｘ２に電圧ＶＬを印加する。そして第３に再びスイッチＳＸｂを閉状態として２つの端子Ｘ１，Ｘ２に同じ基準電圧Ｖｒｅｆを印加し、第４にスイッチＳＸｃを閉状態として一方の端子Ｘ１に電圧ＶＬを印加し、他方の端子Ｘ２に電圧ＶＨを印加する。これら第１から第４までのオンオフ制御を行うことにより、制御回路８は、静電容量センサー３の両端Ｘ１，Ｘ２に対して１周期分のチャージ電圧を印加する。そして制御回路８は、Ｘ軸の静電容量センサー３が測定モードであるときに、上記のようなチャージ電圧を複数周期分（図４の例では４周期分）印加する。したがって、Ｘ軸の静電容量センサー３が測定モードのときには、一方の端子Ｘ１には図４の実線で示す電圧が印加され、他方の端子Ｘ２には破線で示す電圧が印加される。尚、タイミングＴ１〜Ｔ２においてＹ軸の静電容量センサー４が測定モードであるとき、及び、タイミングＴ２〜Ｔ３においてＺ軸の静電容量センサー５が測定モードであるときにも、これと同様のチャージ電圧が印加される。またＸ軸及びＹ軸の静電容量センサー３，４が非測定モードのときには、図４に示すように基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。

またＸ軸及びＹ軸の静電容量センサー３，４が測定モードにあるとき、Ｚ軸の静電容量センサー５の両端Ｚ１，Ｚ２に印加される駆動電圧は、図４に示すように、基準電圧Ｖｒｅｆから同一極性方向に一定電圧幅（Ｖｃ）で振動する波形となっている。このとき、制御回路８は、Ｚ軸の静電容量センサー５に接続された複数のスイッチＳＺａ，ＳＺｂ，ＳＺｃのうちの２つのスイッチＳＺａ，ＳＺｂを交互にオンオフ制御することにより、静電容量センサー５の一方の端子Ｚ１に対して基準電圧Ｖｒｅｆと電圧ＶＨとが交互に切り替わる駆動電圧を印加し、他方の端子Ｚ２に対して基準電圧Ｖｒｅｆと低電圧ＶＬとが交互に切り替わる駆動電圧を印加する。

次にセンサーデバイス１が動作期間にあるときの動作について説明する。はじめに、各静電容量センサー３，４，５が測定モードにあるときに加速度に応じた静電容量変化を検知するための動作について説明する。図５は、Ｘ軸の静電容量センサー３が測定モードにあるときに２つの端子Ｘ１，Ｘ２に印加されるチャージ電圧の１周期Ｔｓを示す図である。図５に示すようにチャージ電圧の１周期Ｔｓは、第１区間Ｔａと第２区間Ｔｂと第３区間Ｔｃと第４区間Ｔｄとから成る。

制御回路８は、第１区間ＴａにおいてＸ軸の静電容量センサー３の両端Ｘ１，Ｘ２に印加するチャージ電圧を基準電圧Ｖｒｅｆにする。このとき、Ｘ軸の静電容量センサー３において２つの可変容量コンデンサＣＸ１，ＣＸ２の間の電位Ｖｉｎも基準電圧Ｖｒｅｆであるため、２つの可変容量コンデンサＣＸ１，ＣＸ２には電荷蓄積が生じない。また制御回路８は、この第１区間ＴａにおいてＣＶ変換回路６のスイッチＳｆを閉じることによってフィードバックコンデンサＣｆの電荷を放電させる。さらに制御回路８は、サンプリング回路７のスイッチＳａを閉状態とし、スイッチＳｂを開状態とする。これにより、オペアンプ２０にオフセット電圧があれば、そのオフセット電圧に応じた電荷をコンデンサＣａに蓄積しておくことができる。

そして制御回路８は、第１区間Ｔａから第２区間Ｔｂへと遷移させるとき、ＣＶ変換回路６のスイッチＳｆを開放すると共に、静電容量センサー３の一方の端子Ｘ１に印加するチャージ電圧を基準電圧Ｖｒｅｆから電圧ＶＨに切り替え、他方の端子Ｘ２に印加するチャージ電圧を基準電圧Ｖｒｅｆから電圧ＶＬに切り替える。図６は、第１区間Ｔａから第２区間Ｔｂへ遷移したときの電荷移動を示す図である。図６に示すように第１区間Ｔａから第２区間Ｔｂへ遷移すると、可変容量コンデンサＣＸ１，ＣＸ２のそれぞれに電荷が蓄積される。このとき、Ｘ軸方向の加速度が作用しており、可変容量コンデンサＣＸ１の静電容量ＣがＣ＋ΔＣに変化し、可変容量コンデンサＣＸ２の静電容量ＣがＣ−ΔＣに変化していると仮定する。この場合、可変容量コンデンサＣＸ１には電荷量Ｑ＝（Ｃ＋ΔＣ）Ｖｃが蓄積され、可変容量コンデンサＣＸ２には電荷量Ｑ＝−（Ｃ−ΔＣ）Ｖｃが蓄積される。このとき生じる電荷移動により、ＣＶ変換回路６のフィードバックコンデンサＣｆには、電荷量Ｑ＝−２ΔＣＶｃが蓄積される。その結果、オペアンプ２０の出力信号Ｖｏは、Ｖｏ＝−２ΔＣＶｃ／Ｃｆ＋Ｖｒｅｆとなり、サンプリング回路７のコンデンサＣａの両端には、電位差−２ΔＣＶｃ／Ｃｆが生じ、この電位差に応じた電荷ＱａがコンデンサＣａに蓄積される。尚、Ｃｆは、フィードバックコンデンサＣｆの静電容量である。

次に制御回路８は、第２区間Ｔｂから第３区間Ｔｃへと遷移させるとき、まずサンプリング回路７のスイッチＳａを開放し、コンデンサＣａに蓄積された電荷Ｑａを保存する。その後、静電容量センサー３の両端Ｘ１，Ｘ２に印加するチャージ電圧を再び基準電圧Ｖｒｅｆに切り替える。図７は、第２区間Ｔｂから第３区間Ｔｃへ遷移したときの電荷移動を示す図である。第３区間Ｔｃにおいて静電容量センサー３の両端Ｘ１，Ｘ２が再び基準電圧Ｖｒｅｆに戻ると、第２区間Ｔｂで２つの可変容量コンデンサＣＸ１，ＣＸ２に蓄積された電荷を０にするための電荷移動が起こる。すなわち、図７に示すように、２つの可変容量コンデンサＣＸ１，ＣＸ２の電荷量Ｑが共に０となり、フィードバックコンデンサＣｆの電荷量Ｑも０となる。その結果、オペアンプ２０の出力信号Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｖｒｅｆとなる。そしてサンプリング回路７におけるコンデンサＣａの出力側のノードａには、コンデンサＣａに蓄積された電荷Ｑａに相当する電位Ｖａ＝２ΔＣＶｃ／Ｃｆ＋Ｖｒｅｆが現れる。

次に制御回路８は、第３区間Ｔｃから第４区間Ｔｄへと遷移させるとき、静電容量センサー３の一方の端子Ｘ１に印加するチャージ電圧を基準電圧Ｖｒｅｆから電圧ＶＬに切り替え、他方の端子Ｘ２に印加するチャージ電圧を基準電圧Ｖｒｅｆから電圧ＶＨに切り替える。図８は、第３区間Ｔｃから第４区間Ｔｄへ遷移したときの電荷移動を示す図である。図８に示すように第３区間Ｔｃから第４区間Ｔｄへ遷移すると、２つの可変容量コンデンサＣＸ１，ＣＸ２のそれぞれに再び電荷が蓄積される。すなわち、可変容量コンデンサＣＸ１には電荷量Ｑ＝−（Ｃ＋ΔＣ）Ｖｃが蓄積され、可変容量コンデンサＣＸ２には電荷量Ｑ＝（Ｃ−ΔＣ）Ｖｃが蓄積される。このとき生じる電荷移動により、ＣＶ変換回路６のフィードバックコンデンサＣｆには、電荷量Ｑ＝２ΔＣＶｃが蓄積される。その結果、オペアンプ２０の出力信号Ｖｏは、Ｖｏ＝２ΔＣＶｃ／Ｃｆ＋Ｖｒｅｆとなる。このとき、サンプリング回路７におけるコンデンサＣａの出力側ノードａは、出力信号Ｖｏに対し、コンデンサＣａに蓄積されている電荷Ｑａに相当する電位差を有するため、その出力側ノードａの電位Ｖａは、Ｖａ＝４ΔＣＶｃ／Ｃｆ＋Ｖｒｅｆとなる。したがって、この第４区間Ｔｄでは、電位Ｖａに含まれる、可変容量コンデンサＣＸ１，ＣＸ２の静電容量の変化分ΔＣに相当する信号成分が第３区間Ｔｃにおける信号成分よりも２倍に増幅された感度の高い信号となる。

制御回路８は、上記第４区間ＴｄにおいてＣＶ変換回路６から出力される出力信号Ｖｏをサンプリング回路７のコンデンサＣａでサンプリングした後、スイッチＳｂを閉じることにより、サンプリング回路７からの出力信号Ｖｏｕｔを出力する。このとき、スイッチＳｂを閉じることによってコンデンサＣｂへの電荷蓄積が行われるため、出力信号Ｖｏｕｔは、コンデンサＣｂの電荷蓄積量に応じた電位となる。そしてコンデンサＣｂに電荷を蓄積した状態のまま、上述した第１区間Ｔａ〜第４区間Ｔｄの動作を複数回繰り返すことにより、出力信号Ｖｏｕｔは、次第に上述した第４区間Ｔｄにおける出力側ノードａの電位Ｖａ＝４ΔＣＶｃ／Ｃｆ＋Ｖｒｅｆに近づいていく。その結果、出力信号Ｖｏｕｔは、最終的に、第１区間Ｔａ〜第４区間Ｔｄの動作を複数回繰り返した場合に、その都度、第４区間Ｔｄにおいて出力側ノードａに現れる電位Ｖａの平均値として出力されるようになる。このような出力信号Ｖｏｕｔは、オペアンプ２０のオフセット電圧分などがキャンセルされた信号となる。

Ｘ軸の静電容量センサー３が測定モードにあるときには、上記のような第１区間Ｔａ〜第４区間Ｔｄにおける動作を複数周期分（例えば４周期分）繰り返すことによってサンプリング回路７から出力される出力信号Ｖｏｕｔを後段回路で読み取ることにより、Ｘ軸の加速度を算出することができるようになる。尚、上記においては、Ｘ軸の静電容量センサー３が測定モードにあるときの動作を説明したが、Ｙ軸及びＺ軸の静電容量センサー４，５が測定モードにあるときも、これと同様である。ただし、Ｚ軸の静電容量センサー５は、可変容量コンデンサＣＺ１が１つだけであるため、第２区間ＴｂでフィードバックコンデンサＣｆに蓄積される電荷Ｑが−ΔＣＶｃとなり、第４区間ＴｄでフィードバックコンデンサＣｆに蓄積される電荷ＱがΔＣＶｃとなる点が異なる。

次にＸ軸及びＹ軸の静電容量センサー３，４が測定モードにあるときに、Ｚ軸の静電容量センサー５に対して行う容量安定化処理の動作について説明する。図９は、Ｘ軸又はＹ軸の静電容量センサー３，４が測定モードにあるときに、Ｚ軸の静電容量センサー５の２つの端子Ｚ１，Ｚ２に印加される駆動電圧の１周期Ｔｓを示す図である。図９に示すように駆動電圧の１周期Ｔｓは、チャージ電圧の１周期Ｔｓと同じ周期であり、しかもチャージ電圧と同じ第１区間Ｔａと第２区間Ｔｂと第３区間Ｔｃと第４区間Ｔｄとから成る。つまり、駆動電圧のデューティは、チャージ電圧のデューティに等しい。

制御回路８は、第１区間ＴａにおいてＺ軸の静電容量センサー５の両端Ｚ１，Ｚ２に印加する駆動電圧を基準電圧Ｖｒｅｆにする。このとき、Ｚ軸の静電容量センサー５において２つのコンデンサＣＺ１，ＣＺ２には電荷蓄積が生じない。

そして第１区間Ｔａから第２区間Ｔｂへと遷移させるとき、制御回路８は、Ｚ軸の静電容量センサー５の一方の端子Ｚ１に印加する駆動電圧を基準電圧Ｖｒｅｆから電圧ＶＨに切り替え、他方の端子Ｚ２に印加するチャージ電圧を基準電圧Ｖｒｅｆから電圧ＶＬに切り替える。図１０は、第１区間Ｔａから第２区間Ｔｂへ遷移したときの電荷移動を示す図である。図１０に示すように第１区間Ｔａから第２区間Ｔｂへ遷移すると、Ｚ軸の静電容量センサー５において可変容量コンデンサＣＺ１とコンデンサＣＺ２とのそれぞれに電荷が蓄積される。このとき、Ｚ軸方向の加速度が作用しており、可変容量コンデンサＣＺ１の静電容量ＣがＣ＋ΔＣに変化していると仮定する。この場合、可変容量コンデンサＣＺ１には電荷量Ｑ＝（Ｃ＋ΔＣ）Ｖｃが蓄積され、容量固定のコンデンサＣＺ２には電荷量Ｑ＝−ＣＶｃが蓄積される。このとき生じる電荷移動により、ＣＶ変換回路６のフィードバックコンデンサＣｆには、電荷量Ｑ＝−ΔＣＶｃが蓄積される。その結果、オペアンプ２０の出力信号Ｖｏは、Ｖｏ＝−ΔＣＶｃ／Ｃｆ＋Ｖｒｅｆとなり、サンプリング回路７のコンデンサＣａの両端には、電位差−ΔＣＶｃ／Ｃｆが生じ、この電位差に応じた電荷ＱｚがコンデンサＣａに蓄積される。このとき、可変容量コンデンサＣＺ１の可動電極１６と固定電極１７との間に電位差が生じるため、静電気力が発生し、可動電極１６が固定電極１７に向かって移動する。

次に第２区間Ｔｂから第３区間Ｔｃへと遷移させるとき、制御回路８は、Ｚ軸の静電容量センサー５の両端Ｚ１，Ｚ２に印加する駆動電圧を再び基準電圧Ｖｒｅｆに切り替える。図１１は、第２区間Ｔｂから第３区間Ｔｃへ遷移したときの電荷移動を示す図である。第３区間Ｔｃにおいて静電容量センサー５の両端Ｚ１，Ｚ２が再び基準電圧Ｖｒｅｆに戻ると、第２区間Ｔｂで２つのコンデンサＣＺ１，ＣＺ２に蓄積された電荷を０にするための電荷移動が起こる。すなわち、図１１に示すように、可変容量コンデンサＣＺ１と、容量固定のコンデンサＣＺ２との電荷量Ｑが共に０となり、フィードバックコンデンサＣｆの電荷量Ｑも０となる。その結果、オペアンプ２０の出力信号Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｖｒｅｆとなる。そしてサンプリング回路７におけるコンデンサＣａの出力側のノードａには、Ｖｏ＝Ｖｒｅｆの電位にコンデンサＣａに蓄積されている電荷Ｑｚに相当する電位（ΔＣＶｃ／Ｃｆ）を加えた電位Ｖａ＝ΔＣＶｃ／Ｃｆ＋Ｖｒｅｆが現れる。

次に第３区間Ｔｃから第４区間Ｔｄへと遷移させるとき、制御回路８は、Ｚ軸の静電容量センサー５の一方の端子Ｚ１に印加する駆動電圧を基準電圧Ｖｒｅｆから再び電圧ＶＨに切り替え、他方の端子Ｚ２に印加するチャージ電圧を基準電圧Ｖｒｅｆから再び電圧ＶＬに切り替える。このとき、可変容量コンデンサＣＺ１の可動電極１６と固定電極１７との間に再び電位差が生じるため、静電気力が発生し、可動電極１６が固定電極１７に向かって移動する。図１２は、第３区間Ｔｃから第４区間Ｔｄへ遷移したときの電荷移動を示す図である。図１２に示すように第３区間Ｔｃから第４区間Ｔｄへ遷移すると、可変容量コンデンサＣＺ１及びコンデンサＣＺ２のそれぞれに再び電荷が蓄積される。すなわち、可変容量コンデンサＣＺ１には電荷量Ｑ＝（Ｃ＋ΔＣ）Ｖｃが蓄積され、容量固定のコンデンサＣＺ２には電荷量Ｑ＝−ＣＶｃが蓄積される。そしてＣＶ変換回路６のフィードバックコンデンサＣｆが電荷量Ｑ＝−ΔＣＶｃとなり、その結果、オペアンプ２０の出力信号Ｖｏは、再びＶｏ＝−ΔＣＶｃ／Ｃｆ＋Ｖｒｅｆとなる。このとき、サンプリング回路７におけるコンデンサＣａの出力側ノードａは、出力信号Ｖｏに対し、コンデンサＣａに蓄積されている電荷Ｑｚに相当する電位差（ΔＣＶｃ／Ｃｆ）を有するため、その出力側ノードａの電位Ｖａは、Ｖａ＝Ｖｒｅｆとなる。つまり、この第４区間Ｔｄでは、Ｚ軸の静電容量センサー５に対して図９に示す駆動電圧を印加することによる影響が取り除かれることになる。

したがって、Ｘ軸又はＹ軸の静電容量センサー３，４が測定モードにあるとき、上述したように第４区間Ｔｄにおいてサンプリング回路７のスイッチＳｂを閉じて出力信号Ｖｏｕｔを取り出すことにより、Ｚ軸の静電容量センサー５に対する駆動電圧の印加による影響をキャンセルした出力信号Ｖｏｕｔを得ることができるようになる。それ故、測定モードにあるＸ軸又はＹ軸の測定結果に影響を与えることなく、Ｘ軸又はＹ軸の測定動作と並行してＺ軸の静電容量センサー５の可変容量コンデンサＣＺ１に予め静電気力を発生させることが可能であり、Ｘ軸及びＹ軸の測定が終了したときには速やかにＺ軸の静電容量センサー５を測定モードへ移行させてＺ軸の測定を早期に開始することができる。

以上のように、このセンサーデバイス１においては、制御回路８が、ＸＹＺ３軸の静電容量センサー３，４，５のそれぞれに対し、所定のチャージ電圧を時分割で順次印加していくことにより、３つの静電容量センサー３，４，５のうちから一の静電容量センサーを選択して測定モードに順次移行させるものであり、Ｘ軸又はＹ軸の静電容量センサー３，４が測定モードにあるときには、Ｚ軸の静電容量センサー５に対して可動電極１６を固定電極１７に向かって移動させるためにチャージ電圧とは異なるパターンの駆動電圧を印加する。そのため、Ｘ軸又はＹ軸の測定中に、Ｚ軸の静電容量センサー５における可変容量コンデンサＣＺ１の静電容量を安定させることができる。その結果、Ｘ軸及びＹ軸の測定が終了したときには、従来よりも速やかにＺ軸の静電容量センサー５を測定モードへ移行させることができるため、３軸全ての測定に要する時間を短縮できる。尚、Ｘ軸及びＹ軸の測定が終了した時点でＺ軸の容量安定化処理が終了していない場合であっても、Ｘ軸又はＹ軸の測定中にＺ軸の容量安定化処理を開始することができるため、従来よりも早期にＺ軸の静電容量センサー５を測定モードへ移行させることができる点に変わりはない。

（変形例）
以上、本発明に関する幾つかの実施形態について説明したが、本発明は上述した内容のものに限定されるものではなく、種々の変形例が適用可能である。以下、いくつかの変形例について説明する。

第１に、図１３は、センサーデバイス１の他の回路構成の一例を示す図である。この回路構成におけるＣＶ変換回路６は、図１３に示すように、全差動オペアンプ２０ａを備えて構成される。全差動オペアンプ２０ａの反転入力端子には、センサー部２からの出力端子が接続される。全差動オペアンプ２０ａの反転入力端子と非反転出力端子との間には、フィードバックコンデンサＣｆ１とスイッチＳｆ１とが並列接続される。スイッチＳｆ１はコンデンサＣｆ１に蓄積された電荷を放電させるためのものであり、上述した制御回路８によってオンオフ制御される。一方、全差動オペアンプ２０ａの非反転入力端子にはコンデンサ３０が接続される。このコンデンサ３０の静電容量は、センサー部２の出力端子から見たときのセンサー部２の全静電容量と等しくなるように予め設計されている。そして全差動オペアンプ２０ａの非反転入力端子と反転出力端子との間には、フィードバックコンデンサＣｆ２とスイッチＳｆ２とが並列接続される。コンデンサＣｆ２は、コンデンサＣｆ１と同容量である。スイッチＳｆ２はコンデンサＣｆ２に蓄積された電荷を放電させるためのものであり、上述した制御回路８によってスイッチＳｆ１と同じタイミングでオンオフ制御される。尚、全差動オペアンプ２０ａは、反転入力端子の電位Ｖｉｎと非反転入力端子の電位Ｖｉｐとが等しくなるように動作するが、図示を省略する入力コモンモードフィードバック回路によってこれらの電位Ｖｉｐ，Ｖｉｎが所定の基準電圧Ｖｒｅｆで互いに等しくなるように制御される。尚、サンプリング回路７は、上記実施形態で説明した構成が全差動オペアンプ２０ａの非反転出力端子と反転出力端子とのそれぞれに設けられたものとなっている。

このようなＣＶ変換回路６は、センサー部２に設けられた各静電容量センサー３，４，５が測定モードにあるとき、加速度が作用して可変容量コンデンサの静電容量が変化すると、その静電容量変化によって移動する電荷量に応じた電荷をフィードバックコンデンサＣｆ１，Ｃｆ２のそれぞれに蓄積し、静電容量の変化分ΔＣに応じた差動出力信号Ｖｏｐ，Ｖｏｎを出力する。また、このようなＣＶ変換回路６は、センサー部２及びコンデンサ３０のそれぞれに外乱ノイズによる電荷が注入された場合には、全差動オペアンプ２０の差動出力によってその外乱ノイズをキャンセルすることができるという利点がある。そして本発明は、図１３に示すような回路構成にも適用し得るものであり、上記実施形態で説明した作用効果に何ら変わりはない。

第２に、上記実施形態では、センサーデバイス１が加速度を測定するものである場合を例示したが、センサーデバイス１の測定対象は必ずしも加速度に限られるものではなく、例えば角速度を測定するものであっても良いし、また圧力を測定するものであっても良い。

第３に、上記実施形態では、サンプリング回路７に出力相関二重サンプリング回路を採用した場合を例示したが、上記以外の構成のサンプリング回路を採用しても良い。

１：センサーデバイス、２：センサー部、３，４，５：静電容量センサー、６：ＣＶ変換回路、７：サンプリング回路、８：制御回路

Claims

第１の軸方向に移動可能な可動電極を挟んで一対の固定電極が設けられ、各固定電極と可動電極とによって直列接続された２つの可変容量コンデンサが構成される第１の静電容量センサーと、
前記第１の軸方向と直交する第２の軸方向に移動可能な可動電極を挟んで一対の固定電極が配置され、各固定電極と可動電極とによって直列接続された２つの可変容量コンデンサが構成される第２の静電容量センサーと、
前記第１及び第２の軸方向に直交する第３の軸方向に移動可能な可動電極及び該可動電極に対向して配置される固定電極によって構成される可変容量コンデンサと、一対の固定電極からなる静電容量不変のコンデンサとを直列接続して構成される第３の静電容量センサーと、
前記第１乃至第３の静電容量センサーのそれぞれの両端の固定電極に対し、互いに逆相のチャージ電圧を時分割で順次印加していくことにより、前記第１乃至第３の静電容量センサーのうちから一の静電容量センサーを選択して測定モードに順次移行させる制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記第１又は第２の静電容量センサーが測定モードにあるとき、前記第３の静電容量センサーの両端の固定電極に対して前記チャージ電圧とは異なる互いに逆相の駆動電圧を印加することにより、前記第３の静電容量センサーにおける可変容量コンデンサの静電気力による静電容量変化を安定化させることを特徴とするセンサーデバイス。
前記制御回路は、前記第１乃至第３の静電容量センサーのうちの測定モードにある静電容量センサーの両端の固定電極に対し、所定の基準電圧を中心にして一定周期且つ一定電圧幅で極性が反転するチャージ電圧を印加するものであり、前記第１又は第２の静電容量センサーが測定モードにあるときには、前記第３の静電容量センサーの両端の固定電極に対し、前記チャージ電圧と同一周期であり、且つ、前記基準電圧から同一極性方向に一定電圧幅で振動する駆動電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載のセンサーデバイス。
前記第１乃至第３の静電容量センサーのそれぞれにおける可変容量コンデンサの静電容量変化に対応した信号を出力するＣＶ変換回路と、
前記第１乃至第３の静電容量センサーのそれぞれが測定モードにあるとき、前記ＣＶ変換回路の信号出力を所定のタイミングでサンプリングして出力するサンプリング回路と、
を更に備え、
前記サンプリング回路は、前記第１又は第２の静電容量センサーが測定モードにあるとき、前記第１又は第２の静電容量センサーの両端の固定電極に印加される前記チャージ電圧の極性が反転した後に、前記ＣＶ変換回路の信号出力をサンプリングして出力することにより、前記駆動電圧による前記第３の静電容量センサーからの電荷移動をキャンセルして出力することを特徴とする請求項２に記載のセンサーデバイス。