JP4212865B2 - 静電容量式センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量の変化により傾斜状態、加速度、衝撃等を検知する静電容量式センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１には、従来の静電容量式センサの処理回路の構成が記載されている。この従来の静電容量式センサの処理回路の構成を図９に示す。
同図において、入力端子Ｔ１には、図示されていない交流信号発生源から、所定周波数の矩形波信号が与えられる。７１、７２はインバータ素子であり、インバータ素子７２の後段には抵抗素子７３が接続されている。
【０００３】
インバータ素子７１の出力端と抵抗素子７３の出力端はそれぞれバッファ素子７５、７６を介してＥＸ−ＯＲ素子７４に接続されており、このＥＸ−ＯＲ素子７４の出力端はそのまま出力端子Ｔ２に接続されている。
また、抵抗素子７３の出力端には、容量素子Ｃの一方の電極が接続され、この容量素子Ｃの他方の電極は接地されている。この容量素子Ｃが、測定対象となる容量素子、すなわちセンサに形成されている容量素子である。
図１０は、図９に示す処理回路の各点における信号波形を示す図である。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３０２０７３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した静電容量式センサの処理回路では、抵抗素子７３と容量素子ＣからなるＣＲ遅延回路を用いているので、抵抗７３の温度ドリフトや配線抵抗の影響を受けやすい。すなわち、ＣＲ遅延回路の時定数が変化し、容量素子Ｃの静電容量を精度良く検出することができないという問題が有った。
【０００６】
さらに、容量素子における静電容量Ｃが小さい場合には、容量素子の静電容量を検出するのに抵抗素子７３の抵抗値を大きくする必要があるが、そうすると、Ｘ３点におけるインピーダンスが大きくなり、外部の誘導を受けやすいという問題が有る。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、静電容量に基づいた電気信号（電圧等）により傾斜状態や加速度等を精度良く検出することができる静電容量式センサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、固定基板に形成された固定電極と、揺動動作可能に支持されるとともに前記固定電極に対向配置され、該固定電極との距離が前記揺動動作により変位する可動電極とを有し、前記固定電極と可動電極とで構成される容量素子の静電容量に基づいて前記揺動動作を検出する静電容量式センサにおいて、前記固定電極と可動電極のうちいずれか一方の電極に接続され、該電極にロウレベルとハイレベルとに交互に変化する駆動信号を印加する駆動信号供給手段と、前記固定電極と可動電極のうちいずれか他方の電極に入力端が接続され、前記容量素子に印加される前記駆動信号の電圧に基づく電流を積分する積分回路とを有し、前記駆動信号がロウレベル時とハイレベル時における前記積分回路の出力に基づいて前記揺動動作を求める演算手段とを有することを特徴とする。
請求項１に記載の発明によれば、従来の静電容量式センサのように、ＣＲ遅延回路を使用して静電容量を検出していないので、抵抗素子の温度変化や配線抵抗の影響を受けず、精度良く静電容量に基づいて可動電極の揺動動作を検出することができる。よって、傾斜状態や加速度等を精度よく検知することができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の静電容量式センサにおいて、前記積分回路は、前記容量素子からの電荷を蓄積する積分コンデンサと、前記駆動信号が、ロウレベル時またはハイレベル時に前記積分コンデンサに蓄積された電荷を放電させるスイッチ手段とを有することを特徴とする。
請求項２に記載の発明によれば、積分動作時における積分回路の出力電圧が定まるので、スイッチ手段を有さない積分回路に比して容量素子の検出容量が小さくても正確に検出することができる。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の静電容量式センサにおいて、前記積分回路は、非反転入力端子が固定電位に設定されるオペアンプを用いたチャージアンプで構成され、前記入力端が前記オペアンプの反転入力端子からなるとともに、前記積分コンデンサは、前記オペアンプの前記反転入力端子と出力端子との間に接続された帰還容量であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明によれば、オペアンプの反転入力端子と非反転入力端子とがイマジナリショートにより一定電位に固定されるので、オペアンプの反転入力端子に接続される信号ラインと、電源ラインまたはグランドラインとの間に形成される浮遊容量間で充放電が発生せず、それ故信号ラインは、これらの浮遊容量の影響を受けることはない。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の静電容量式センサにおいて、さらに、前記駆動信号がロウレベルとハイレベルのうちいずれか一方のレベルから他方のレベルに切り替わった直後の過渡期間経過後における前記積分回路の出力電圧をサンプルホールドする電圧保持手段を有することを特徴とする。
請求項４に記載の発明によれば、前記積分回路出力における安定領域の電圧を検出することができるので、精度良く検出することができる。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の静電容量式センサにおいて、前記固定電極が複数に分割されており、該分割された複数の電極と前記可動電極とで複数の容量素子が形成されるとともに、前記可動電極は、前記駆動信号供給手段の出力端に接続されていることを特徴とする。
請求項５に記載の発明によれば、可動電極の電位がロウレベルまたはハイレベルに固定されているため、可動電極側から外部に輻射ノイズが出にくくなるという効果が得られる。
また、複数の容量素子が形成されている場合においても、固定電極側が複数に分割され、可動電極は共通電極とされるので、複数の容量素子の容量変化に基づく電気信号を、変位しない固定電極側から取り出すことができ、複雑な引き回し配線等を必要としない。
【００１２】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の静電容量式センサにおいて、前記駆動信号供給手段より出力される駆動信号のうちロウレベルはグランド電位で、かつハイレベルは電源電圧であり、前記固定基板にはグランド電位となるグランド層が形成されており、前記固定電極は、グランド電位または電源電圧が印加される前記可動電極と前記固定基板のグランド層とで挟まれるように形成されていることを特徴とする。
請求項６に記載の発明によれば、固定電極は、グランド電位または電源電圧に固定される可動電極と前記固定基板のグランド層とで挟まれるように形成されているので、外来ノイズの影響を受けにくく、センサを構成する容量素子の静電容量が小さくとも、精度良く検出することができる。
【００１３】
また、請求項７に記載の発明は、請求項５または６のいずれかに記載の静電容量式センサにおいて、前記複数の容量素子は、前記揺動動作に伴って、容量が増加する第１の容量素子と、容量が減少する第２の容量素子の少なくとも一対の容量素子からなり、前記演算手段は、前記一対の容量素子の静電容量に対応した電圧の差を求める減算器を有することを特徴とする。
請求項７に記載の発明によれば、揺動動作に伴って、容量が増加する第１の容量素子と、容量が減少する第２の容量素子の少なくとも一対の容量素子の静電容量に対応した電圧の差をとって揺動動作を演算するようにしているので、センサが傾斜し、あるいはセンサに外力が加わることにより可動電極が揺動した際における容量素子における静電容量に対応した電圧の変化量を精度良く求めることができる。すなわち、温度ドリフトや、初期オフセットの影響をキャンセルすることができる。
【００１４】
また、請求項８に記載の発明は、請求項５乃至７のいずれかに記載の静電容量式センサにおいて、前記可動電極は、直交するＸ−Ｙ座標面に対して２軸に揺動可能であり、かつ前記複数の容量素子は、前記Ｘ−Ｙ座標面の第１〜第４象限に対応して４つ有り、前記演算手段は、前記４つの容量素子のうち対をなす２つの容量素子における静電容量に対応した電圧の差をそれぞれ、算出する減算器と、前記減算器により算出された２組の減算結果を加算する加算器とを有することを特徴とする。
請求項８に記載の発明によれば、加算演算の前に減算、すなわち差動をとっているので、演算のダイナミックレンジを大きくとることができ、検出精度を高めることができる。
【００１５】
また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の静電容量式センサにおいて、前記演算手段は、さらに前記加算器の出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器を有するとともに、前記駆動信号供給手段は、電源電圧に比例する前記ハイレベルの信号を出力し、前記演算手段は、基準電圧として前記電源電圧を分圧した電圧、または該電圧に比例した電圧を使用することを特徴とする。
請求項９に記載の発明によれば、前記駆動信号供給手段は、電源電圧に比例する前記ハイレベルの信号を出力し、前記演算手段は、基準電圧として前記電源電圧を分圧した電圧、または該電圧に比例した電圧を使用するようにしたので、電源電圧が変動しても、正確に傾斜状態や加速度等を検出することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施形態に係る静電容量センサの構造を、図４乃至図７を参照して説明する。図４は、本発明の実施形態に係る静電容量センサの全体構成を示す概略断面図、図５は本発明の実施形態に係る静電容量センサの全体構成を示す分解斜視図、図６は基板の平面図、図７は基板に対向して設けられている金属板（可動電極）の平面図である。
【００１７】
本発明の実施形態に係る静電容量式センサ１００は、図４に示すように、基板１０の上面１１Ｓ側に電気信号を検出するための検出部２００を備え、基板１０の下面１３Ｒ側に検出部２００から検出された電気信号を処理する回路素子３００を備えて構成されている。本実施形態では、検出部２００は静電容量式の傾斜センサとして構成され、回路素子３００としてはＩＣ（集積回路）のベアチップが用いられている。
【００１８】
検出部２００は、静電容量式センサ１００の傾斜を容量変化として検出する静電容量式の傾斜センサであり、図５に示すように、基板（固定基板）１０の上面１１Ｓ上に形成された四つの固定電極１１ａと、これらの固定電極１１ａに対向する金属板（可動電極）３０と、この金属板３０にひねり変形を加えるための錘４０とを備えて構成されている。
図６に示すように、基板１０の上面１１Ｓの中央部には四つの固定電極１１ａが碁盤目状に形成され、上面１１Ｓの外周部には四つの固定電極１１ａを囲むように四角枠状の電極１１ｂが形成されている。この電極１１ｂは、基板１０に設けられた図示してないスルーホール電極や配線パターン等を介して基板１０の裏面側に実装された回路素子３００の駆動信号用の端子（図示せず）に接続されている。
【００１９】
また、基板１０の上面１１Ｓに形成された四つの固定電極１１ａの中心部には金属板３０を支持する支持用突起１２が形成されている。
そして、電極１１ｂ上には矩形枠状をなした金属製の導電性スペーサ２０が配され、このスペーサ２０上に可動電極を構成する薄い金属板３０が積重されている。この金属板３０と固定電極１１ａとの間隔は支持用突起１２及びスペーサ２０の厚みによって一定に保持され、金属板３０と四つの固定電極１１ａとにより四つの容量可変式の信号検出用コンデンサが形成されている。したがって、金属板（可動電極）３０は、スペーサ２０、電極１１ｂ、基板１０のスルーホール電極、配線パターン等を介して回路素子３００の駆動信号用の端子に導通接続されている。
【００２０】
金属板３０は、図７に示すように、この金属板３０の外周部として構成される枠状の支持部３０ａと、この支持部３０ａにより第１の軸部３０ｃ回りに揺動可能に支持された中間部３０ｂと、この中間部３０ｂにより上記の第１の軸部３０ｃと直交する第２の軸部３０ｅ回りに揺動可能に支持された導電性の搭載部３０ｄとからなり、搭載部３０ｄは軸部３０ｃ，３０ｅのひねり変形により二軸回りに揺動可能に構成されている。
【００２１】
具体的には、支持部３０ａはスペーサ２０と重なるように配置され、その対向する一対の辺の内周中央に、内側に向かう一対の第１の軸部３０ｃ（Ｘ軸）が設けられている。この一対の第１の軸部３０ｃの他端は、支持部３０ａの内周に沿うように設けられた枠状の中間部３０ｂにつながっており、中間部３０ｂは傾斜により一対の第１の軸部３０ｃがひねり変形することによりその軸線回りに揺動できるようになっている。
【００２２】
また、中間部３０ｂの内周には一対の第１の軸部３０ｃに直交する位置に互いに対向する一対の第２の軸部３０ｅが設けられている。この一対の第２の軸部３０ｅの他端は、その外周が中間部３０ｂの内周に沿うように設けられた矩形の搭載部３０ｄにつながっており、この搭載部３０ｄは第２の軸部３０ｅがひねり変形することによりその軸線回りに揺動できるようになっている。なお、軸部３０ｃ，３０ｅの軸方向はそれぞれ碁盤目状に配置された固定電極１１ａの行方向又は列方向に一致するように構成されており、搭載部３０ｄの揺動を感度良く検出できるようになっている。
【００２３】
錘４０は搭載部３０ｄ上に接着されて搭載されている。これにより、錘４０は傾斜センサ１００の傾斜に応じて金属板３０（搭載部３０ｄ）と支持用突起１２との当接位置を中心として揺動し、軸部３０ｃ（Ｘ軸），軸部３０ｅ（Ｙ軸）のどちらか又は両方の軸回りに所定の大きさのモーメントを発生させるようになっている。
【００２４】
このようなモーメントは軸部３０ｅ，軸部３０ｃのどちらか一方又は両方の軸をひねり変形し、搭載部３０ｄはこのモーメントと軸部３０ｃ，３０ｅのひねりに対する弾性力とが釣り合う角度で停止する。
なお、この錘４０はその底部（下部）４０ａが本体部である頭部（上部）４０ｂよりも細く形成され、錘４０の重心位置が高くなるように構成されている。このため、センサ１００の僅かな傾斜に対しても上記軸線方向に大きなモーメントを作用させることができ、センサ１００を軽量化しながら傾斜感度を高めることができるようになっている。
【００２５】
ここで、図７に示すように、可動電極、すなわち金属板３０に対して、第１の軸部３０ｃ、３０ｃをＸ軸とし、第２の軸部３０ｅ，３０ｅをＹ軸とするように、Ｘ−Ｙ直交座標系をとるものとする。ここで、金属板３０（搭載部３０ｄ）と四つの固定電極１１ａとにより形成される四つの容量可変式の信号検出用コンデンサ（容量素子）は、上記Ｘ−Ｙ直交座標系における第１象限〜第４象限の各象限に1つずつ形成され、これらのうち、第２、第１象限に形成される信号検出用コンデンサの静電容量に対応して検出される電圧（以下、単に検出電圧という）を、それぞれ、Ａ，Ｂとし、第３、第４象限に形成される信号検出用コンデンサの検出電圧を、それぞれ、Ｃ，Ｄとする。
【００２６】
金属板３０がＸ軸回りに揺動する際に、金属板３０と四つの固定電極１１ａにより形成される四つの信号検出用コンデンサのうち第１、第２象限に形成される信号検出用コンデンサは、第３、第４象限に形成される信号検出用コンデンサとは、互いに静電容量が反対方向に増減するように変化する。すなわち、金属板３０がＸ軸回りに揺動する際に固定電極１１ａと金属板３０との間隔が、第１、第２象限に形成される信号検出用コンデンサと第３、第４象限に形成される信号検出用コンデンサとで反対方向に増減するように変化するので、静電容量が反対方向に増減するように変化する。
【００２７】
このとき、第１、第２象限に形成される信号検出用コンデンサにおける金属板３０と固定電極１１ａとの間隔は、同方向に増加、または減少するように変化するので、第１、第２象限に形成される信号検出用コンデンサの静電容量はそれぞれ、同方向に減少又は増加する。同時に、第３、第４象限に形成される信号検出用コンデンサにおける金属板３０と固定電極１１ａとの間隔は、同方向に減少、または増加するように変化するので、第３、第４象限に形成される信号検出用コンデンサの静電容量はそれぞれ、同方向に増加、又は減少する。
【００２８】
したがって、金属板３０がＸ軸回りに揺動した際の四つの信号検出用コンデンサの静電容量に対応した電圧の変化量Ｙは、第１、第２象限に形成される信号検出用コンデンサの静電容量の変化量（電圧換算値）と、第３、第４象限に形成される信号検出用コンデンサの静電容量の変化量（電圧換算値）との差となるから、
Ｙ＝（Ｃ＋Ｄ）−（Ａ＋Ｂ）＝（Ｃ−Ａ）＋（Ｄ−Ｂ） …（１）
となる。
なお、金属板３０がＸ軸回りに揺動するということは、Ｘ軸は変位せず、Ｙ軸がＸ軸回りに揺動する（換言すれば、錘４０がＹ軸方向に揺動する）ということであるので、Ｘ軸回りの揺動をＹ軸方向の変化と捉えることができる。
【００２９】
また、金属板３０がＹ軸回りに揺動する際に、金属板３０と四つの固定電極１１ａにより形成される四つの信号検出用コンデンサのうち第２、第３象限に形成される信号検出用コンデンサは、第４、第１象限に形成される信号検出用コンデンサとは、互いに静電容量が反対方向に増減するように変化する。すなわち、金属板３０がＹ軸回りに揺動する際に固定電極１１ａと金属板３０との間隔が、第２、第３象限に形成される信号検出用コンデンサと第４、第１象限に形成される信号検出用コンデンサとで反対方向に増減するように変化するので、静電容量が反対方向に増減するように変化する。
【００３０】
このとき、第２、第３象限に形成される信号検出用コンデンサにおける金属板３０と固定電極１１ａとの間隔は、同方向に増加、または減少するように変化するので、第２、第３象限に形成される信号検出用コンデンサの静電容量はそれぞれ、同方向に減少又は増加する。同時に、第４、第１象限に形成される信号検出用コンデンサにおける金属板３０と固定電極１１ａとの間隔は、同方向に減少、または増加するように変化するので、第４、第１象限に形成される信号検出用コンデンサの静電容量はそれぞれ、同方向に増加、又は減少する。
【００３１】
したがって、金属板３０がＹ軸回りに揺動した際の四つの信号検出用コンデンサの静電容量に対応した電圧の変化量Ｘは、第２、第３象限に形成される信号検出用コンデンサの静電容量の変化量（電圧換算値）と、第４、第１象限に形成される信号検出用コンデンサの静電容量の変化量（電圧換算値）との差となるから、
Ｘ＝（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）＝（Ａ−Ｂ）＋（Ｃ−Ｄ） …（２）
となる。
なお、金属板３０がＹ軸回りに揺動するということは、Ｘ軸がＹ軸回りに揺動する（換言すれば、錘４０がＸ軸方向に揺動する）ということであり、Ｙ軸回りの揺動をＸ軸方向の変化と捉えることができる。
【００３２】
静電容量式センサ１００を傾斜センサとして使用する際に上式（１）、（２）の演算を行なうことによりセンサ１００の傾斜に応じた静電容量に対応した電圧の変化量Ｙ，Ｘを求め、これらの値からセンサ１００の傾斜を求めることができる。なお、図８に示すように、一対の第１の軸部３０ｃ（Ｘ軸）、これに直交する位置に互い対向する一対の第２の軸部３０ｅ（Ｙ軸）を可動電極、すなわち金属板３０の隅部に設けることにより、図７に示したものと同様に、可動電極の回転軸（揺動軸）と検出系の座標軸とを一致させることができる。
【００３３】
この場合には、Ｘ軸回り（Ｙ軸方向）に金属板３０を揺動した際の静電容量に対応する電圧の変化量Ｙは、
Ｙ＝Ａ−Ｄ （３）
となり、
また、Ｙ軸回り（Ｘ軸方向）に金属板３０を揺動した際の静電容量に対応した電圧の変化量Ｘは、
Ｘ＝Ｂ−Ｃ （４）
となる。
【００３４】
また、図４、図５に示すように、金属板３０の支持部３０ａ上には、矩形枠状の導電性スペーサ４２、搭載部３０ｄの必要以上の動きを規制する金属製のストッパ４４及び絶縁性のスペーサ５２が積層されており、スペーサ５２の複数の突起５２ａが、各部材の位置決め孔４５、４３、３１、２１、１３に挿通されている。
さらに、基板１０の上面１１Ｓ上には、スペーサ２０ないしストッパ４４の各部材の周囲に位置し、上面１１Ｓの外周部に沿うように配された矩形枠状の絶縁性のパッキン５０を介して金属製のカバー６０が設けられている。このカバー６０は円筒型の頭部６０ｂとその周辺部に広がるフランジ部６０ａとフランジ部６０ａの側面に形成された平板状の複数の突部６０ｃとからなり、そのフランジ部６０ａでスペーサ５２、ストッパ４４、スペーサ４２を介して支持部３０ａを電極１１ｂ側へ押し付けて固定するとともに、突部６０ｃを基板１０の下面１３Ｒに形成されたグランドパターン７０上にかしめ付けることにより、カバー６０は接地されており、防塵，防滴，センサ１００周辺の帯電物による容量ドリフト，ノイズ及び取り扱い上の不注意等からセンサ１００を保護するようになっている。なお、絶縁性のスペーサ５２とパッキン５０を設けることにより金属製のカバー６０と金属板３０とが導通しないようになっている。
【００３５】
ところで、基板１０はセラミックス又はエポキシ樹脂等からなる絶縁性の板材の積層体として構成された多層配線基板であり、その中間層として金属面からなるグランド層１２Ｓが形成されている。
基板１０の上面としての固定電極層１１Ｓには、図４に示すように、その中央部に四つの固定電極１１ａが例えば、Ａｇ（銀）のパターン印刷により碁盤目状に形成されている。また、固定電極層１１Ｓの外周部には、金属板３０と導通される電極１１ｂが矩形枠状に形成されている。
【００３６】
グランド層１２Ｓは、金属板３０からの駆動信号が固定電極１１ａを介さずに回路素子３００に侵入するのを防ぐとともに、基板１０の外部（検出部２００においては基板１０の下面側、回路素子３００においては基板１０の上面側）から入るノイズをカットするノイズシールドとして機能し、電極１１ｂと接続された図示しないスルーホール電極や固定電極１１ａと導通するスルーホール電極Ｈ１，Ｈ２等のスルーホール電極部分と外周縁部とを除く略全面がＡｇ等の金属面（導電面）として構成されている。
【００３７】
また、この金属面、すなわちグランド層１２Ｓは、基板１０の下面としてのチップ実装面１３Ｒまで貫通する図示してない複数のスルーホール電極（スルーホール電極Ｈ１，Ｈ２と異なる）によってチップ実装面１３Ｒ上の金属面（導電面）からなるグランドパターン７０と導通して、接地用端子（図示せず）と接続されるとともに、基板１０の側面に形成された取り出し電極（図示せず）を介して接地されるようになっている。
【００３８】
回路素子３００は、基板１０裏面側のチップ実装面１３Ｒに搭載されており、チップ実装面１３Ｒ内の図示しない駆動信号用の端子、信号検出用の端子、電源用の端子、グランド用の端子及び信号出力用の端子と回路素子３００の複数のアルミニウム製の端子とがそれぞれ金バンプ３１０で接続されている。そして、駆動信号用の端子、配線パターン、スルーホール電極（いずれも図示なし）、電極１１ｂ、スペーサ２０等を介して可動電極を構成する金属板３０に回路素子３００から駆動信号（矩形波状の電圧）が加えられ、この金属板３０と対向配置された固定電極１１ａに誘導された電流等の電気信号がスルーホール電極Ｈ１，Ｈ２や信号検出用の端子等を介して回路素子３００に入力され、該電気信号により信号検出用コンデンサの容量変化を求めている。
【００３９】
この金属板３０と固定電極１１ａとで構成される信号検出用コンデンサは４つあり、これら４つのコンデンサの容量変化に基づいて傾斜センサ１００の傾斜方向及び傾斜量を算出するようになっている。また、この算出結果はチップ実装面１３Ｒ上に形成された信号出力用の端子及び外部接続電極（図示せず）を介して外部装置に出力されるようになっている。
【００４０】
半導体からなるベアチップのサブストレート３００ｂは金バンプ、スルーホール電極（スルーホール電極Ｈ１，Ｈ２と異なる）等を介して基板１０のグランド層１２Ｓと導通状態となっている。したがって、ベアチップの回路部３００ｃは、下面と周囲が接地されるサブストレート３００ｂによって囲まれ、上面側にはグランド層１２Ｓが存在するため、ほぼ完全にシールドされた構造をとることとなり、外部からのノイズの影響をほとんど受けることはない。
【００４１】
また、固定電極１１ａは、グランド電位と電源電圧とが交互に印加される可動電極である、固定電極１１ａより大きい金属板３０と、基板１０内に形成されたグランド層１２Ｓとで挟まれた構造、すなわち、金属板３０とグランド層１２Ｓとの中間に位置するように構成されているので、固定電極１１ａはシールドされた状態となり、外来ノイズの影響を受けにくく、信号検出用コンデンサの静電容量が小さくても、精度良く検出することが可能である。
【００４２】
また、補強のために、回路素子（ベアチップ）３００とチップ実装面１３Ｒとをエポキシ樹脂等の絶縁性樹脂３２０により接着し一体化させている。
上記構成において、センサ１００を傾けると、錘４０が支持用突起１２と搭載部３０ｄとの当接位置を中心として揺動し、その傾斜方向及び傾斜量に応じて、搭載部３０ｄに対し軸部３０ｃ又は軸部３０ｅ回りのモーメントを作用させる。そして、軸部３０ｃ，３０ｅのひねり変形に対する弾性力とこのモーメントとが釣り合う角度で搭載部３０ｄが停止する。
【００４３】
これにより、可動電極としての搭載部３０ｄと各固定電極１１ａとにより構成される信号検出用コンデンサの静電容量が変化し、その容量変化が、スルーホール電極Ｈ１，Ｈ２や信号検出用端子等を介して固定電極１１ａの略真下に実装された回路素子３００に電気信号として入力される。そして、回路素子３００による処理結果は、基板１０の底面たる接続電極面１４Ｒの外部接続電極等を介して外部装置へ出力される。
【００４４】
次に、本発明の実施形態に係る静電容量式センサの電気的構成（回路素子３００の構成）を図１及び図２に示す。これらの図において、本発明の実施形態に係る静電容量式センサ１００は、パルス発生回路５００と、分周器として機能するＤ（遅延）フリップフロップ５０２、５０４と、Ｄフリップフロップ５０２、５０４のＱ出力を入力とするＡＮＤゲート５０６と、固定電極１１ａと可動電極３０とで形成される４つの信号検出用コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４とを有している。
【００４５】
パルス発生回路５００は、所定周波数（本実施形態では、例えば、４００ＫＨｚ）のパルス信号を生成し、出力する。
Ｄフリップフロップ５０２は、パルス発生回路５００の出力信号を１／２分周し、Ｄフリップフロップ５０４は、Ｄフリップフロップ５０２のＱＢＡＲ出力を１／２分周するようになっている。Ｄフリップフロップ５０４のＱ出力は４つの信号検出用コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４に供給する駆動信号ＶDRIVEとなる。この駆動信号ＶDRIVEはロウレベルとハイレベルとに交互に変化するが、本実施形態では、ロウレベルの電位はグランド電位であり、ハイレベルは電源電圧Ｖccである。
【００４６】
４つの信号検出用コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４における可動電極３０側は共通接続され、保護抵抗Ｒ１０を介してＤフリップフロップ５０４のＱ端子に接続されている。パルス発生回路５００及びＤフリップフロップ５０２、５０４は、本発明の駆動信号供給手段に相当する。
また、信号検出用コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４における固定電極１１ａ側は、それぞれ保護抵抗Ｒ１１を介して、それぞれ、オペアンプ９００、９０１、９０２、９０３の反転入力端子（本発明の入力端）に接続されている。オペアンプ９００、９０１、９０２、９０３の非反転入力端子は、それぞれ、固定電位（Ｖcc／２、Ｖccは電源電圧）に設定されている。
【００４７】
また、オペアンプ９００、９０１、９０２、９０３の反転入力端子と出力端子との間には、積分コンデンサＣ１１が、それぞれ接続されている。そして、この積分コンデンサＣ１１の両端間には、積分コンデンサに蓄積された電荷を放電させ、充電前の初期状態にリセットするためのアナログスイッチ９１０、９１１、９１２、９１３が接続されている。
【００４８】
本実施形態では、アナログスイッチ９１０〜９１３は、Ｄフリップフロップ５０４のＱＢＡＲ出力によりその動作タイミングが制御され、該ＱＢＡＲ出力がハイレベルの時にオン状態となり、ロウレベルの時にオフ状態となる。オペアンプ９００、積分コンデンサＣ１１、及びアナログスイッチ９１０は、積分回路９２０を構成している。
オペアンプ９０１、９０２、９０３についても同様に、積分コンデンサＣ１１、アナログスイッチ９１１、９１２、９１３とで積分回路９２１、９２２、９２３を構成している。
【００４９】
アナログスイッチ９１０〜９１３は、本実施形態では、駆動信号ＶDRIVEが一方のレベルであるロウレベル時に積分コンデンサＣ１１の両端を短絡し、リセットするように動作して、駆動信号ＶDRIVEがハイレベル（他方のレベル）時の積分回路出力を容量素子の検出信号として取り出しているが、駆動信号ＶDRIVEがハイレベル時に積分コンデンサＣ１１をリセットするようにしてもよい。このときには、信号検出用コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４に印加される駆動信号ＶDRIVEがロウレベル時の積分回路出力を容量素子の検出信号として取り出す必要がある。
なお、アナログスイッチ９１０〜９１３は、本発明のスイッチ手段に相当する。
【００５０】
また、オペアンプ９００、９０１、９０２、９０３の出力端子は、それぞれ、アナログスイッチ５３０、５３１、５３２、５３３を介してオペアンプ５４０、５４１、５４２、５４３の非反転入力端子に接続されている。
アナログスイッチ５３０、５３１、５３２、５３３は、ＡＮＤゲート５０６の出力信号により、その動作タイミングが制御されるようになっており、サンプルホールド用コンデンサＣ１２にサンプリングされた信号電圧を保持させる機能を有している。なお、本実施形態では、アナログスイッチ５３０〜５３３は、ＡＮＤゲート５０６の出力がハイレベルの信号でオン状態となり、ロウレベルの信号でオフ状態になるように制御される。
【００５１】
また、オペアンプ５４０、５４１、５４２、５４３の非反転入力端子は、それぞれサンプルホールド用コンデンサＣ１２を介して接地されている。オペアンプ５４０、５４１、５４２、５４３は、それぞれ反転入力端子が出力端子と短絡され、バッファを構成している。
さらに、抵抗Ｒ１２〜Ｒ１５とオペアンプ５５０により減算器６００が、抵抗Ｒ１２〜Ｒ１５とオペアンプ５５１により減算器６０１が、抵抗Ｒ１２〜Ｒ１５とオペアンプ５５２により減算器６０２が、抵抗Ｒ１２〜Ｒ１５とオペアンプ５５３により減算器６０３が、それぞれ構成されている。
【００５２】
ここで、抵抗Ｒ１２〜Ｒ１５の抵抗値は、例えば、Ｒ１２＝Ｒ１３、Ｒ１４＝Ｒ１５になるように選択されている。また、抵抗Ｒ１３の一端は、Ｖcc／２（Ｖccは電源電圧）の電圧が印加されている。
また、オペアンプ５５０、５５１の出力端子間に直列接続される抵抗Ｒ１６、Ｒ１７、及びオペアンプ５６０、オペアンプ５６０の反転入力端子と出力端子との間に並列接続される抵抗Ｒ１８、コンデンサＣ１３により加算器７００が、オペアンプ５５２、５５３の出力端間に直列接続される抵抗Ｒ１６、Ｒ１７、及びオペアンプ５６１、オペアンプ５６１の反転入力端子と出力端子との間に並列接続される抵抗Ｒ１８、コンデンサＣ１３により加算器７０１が、それぞれ構成されている。オペアンプ５６０、５６１の非反転入力端子の電位は、Ｖcc／２に設定されている。
【００５３】
減算器６００には、オペアンプ５４０の出力とオペアンプ５４１の出力とが入力され、減算器６０１には、オペアンプ５４２の出力とオペアンプ５４３の出力とが入力され、減算器６０２には、オペアンプ５４２の出力とオペアンプ５４０の出力とが入力され、減算器６０３には、オペアンプ５４３の出力とオペアンプ５４１の出力とが入力されるようになっている。
また、加算器７００には、減算器６００の出力と減算器６０１の出力とが入力され、加算器７０１には、減算器６０２の出力と減算器６０３の出力とが入力されるようになっている。
【００５４】
加算器７００、７０１の出力はそれぞれ端子７１０、７１１を介してＡ／Ｄ変換器８００、８０１によりディジタル値に変換されるようになっている。Ａ／Ｄ変換器８００、８０１においてＡ／Ｄ変換に使用する基準電圧は、それぞれ電源電圧Ｖccを分圧した電圧、または電源電圧Ｖccに比例した電圧に設定される。また、減算器６００〜６０３、加算器７００、７０１における設定電圧（基準電圧）も既述したように、電源電圧Ｖccを分圧した電圧、または電源電圧Ｖccに比例した電圧に設定される（本実施形態ではＶcc／２に設定される）。減算器６００〜６０３、加算器７００，７０１及びＡ／Ｄ変換器８００、８０１は本発明の演算手段に相当する。
【００５５】
次に、上記構成からなる、本発明の実施形態に係る静電容量式センサ１００の動作を図３のタイミングチャートを参照して説明する。パルス発生回路５００の出力信号はＤフリップフロップ５０２により１／２分周され、２００ＫＨｚのパルス信号がＤフリップフロップ５０２のＱ端子よりＡＮＤゲート５０６の一方の入力端子に入力される。
また、Ｄフリップフロップ５０２のＱＢＡＲ出力はＤフリップフロップ５０４によりさらに、１／２分周され、１００ＫＨｚのパルス信号が生成される。
【００５６】
Ｄフリップフロップ５０４のＱ出力は、信号検出用コンデンサＣ１〜Ｃ４の駆動信号ＶDRIVE（図３（Ｂ））として使用され、保護抵抗Ｒ１０を介して信号検出用コンデンサＣ１〜Ｃ４の可動電極３０側に入力されると共に、ＡＮＤゲート５０６の他方の入力端子に入力される。
他方、Ｄフリップフロップ５０４のＱＢＡＲ出力は、アナログスイッチ９１０〜９１３に入力される。すなわち、アナログスイッチ９１０〜９１３には、信号検出用コンデンサＣ１〜Ｃ４に印加される駆動信号ＶDRIVEを反転した信号が印加される。
【００５７】
さらに、Ｄフリップフロップ５０２のＱ出力（２００ＫＨｚのパルス信号）とＤフリップフロップ５０４のＱ出力、すなわち駆動信号ＶDRIVEとの論理積がＡＮＤゲート５０６によりとられ、ＡＮＤゲート５０６の出力信号ＶSAMPL（図３（Ｃ））がアナログスイッチ５３０〜５３３に出力される。
したがって、Ｄフリップフロップ５０４のＱＢＡＲ出力がハイレベルになるタイミングでアナログスイッチ９１０〜９１３がオン状態となり、各積分回路を構成するオペアンプ９００〜９０３の反転入力端子と出力端子との間に接続されている積分コンデンサＣ１１の両端間が短絡され、各積分コンデンサＣ１１の充電電荷が零に、すなわち積分コンデンサＣ１１がリセット状態となる。
【００５８】
一方、オペアンプ９００〜９０３では、非反転入力端子と反転入力端子とがイマジナリショートにより同電位となり、Ｖcc／２となっているので、積分コンデンサＣ１１がリセットされた時点では、オペアンプ９００〜９０３の出力端子の電位は、Ｖcc／２となる。
その後、時刻ｔ0でアナログスイッチ９１０〜９１３がオフ状態となると同時に、この時点で信号検出用コンデンサＣ１〜Ｃ４の各々に保護抵抗Ｒ１０を介してハイレベル（Ｖcc）の駆動信号ＶDRIVEが供給される。
【００５９】
一方、信号検出用コンデンサＣ１〜Ｃ４の各々は、静電容量式センサ１００の傾斜状態に応じて、固定電極１１ａと可動電極３０との間隔が変化し、それぞれ、静電容量が変化している。
ここで、信号検出用コンデンサＣ１についての動作を考えると、前述したように、信号検出用コンデンサＣ１には保護抵抗Ｒ１０を介して駆動信号ＶDRIVE（ハイレベル）が印加されることにより、積分コンデンサＣ１１に充電電流が流れ、この電流が積分回路９２０によって積分される。すなわち、信号検出用コンデンサＣ１と積分回路９２０の積分コンデンサＣ１１との容量比に応じた電荷が積分コンデンサＣ１１に充電される。これにより、信号検出用コンデンサＣ１の静電容量の変化量を担った電圧が積分回路９２０から出力されることとなる。
【００６０】
具体的には、積分回路９２０の出力であるオペアンプ９００の出力Ｖout1は、駆動信号ＶDRIVEが立ち上がり、ハイレベル（Ｖcc）となる時刻t0で、電位Ｖcc／２を基準にして保護抵抗Ｒ１０及びＲ１１の大きさに応じた傾斜で立下り、上記容量比に応じた充電電荷により時刻t1以降の時点で所定の電位に整定する。
以上の動作は、他の信号検出用コンデンサＣ２〜Ｃ４及び積分回路９２１〜９２３についても同様であるので、重複する説明は省略する。
【００６１】
このようにして、信号検出用コンデンサＣ１〜Ｃ４の固定電極１１ａから取り出された信号は、それぞれ、積分回路９２０、９２１、９２２、９２３により積分され、オペアンプ９００、９０１、９０２、９０３の出力端子よりそれぞれ、積分出力（出力電圧）Ｖout1〜Ｖout4として出力される（図３（Ａ））。
次いで、積分出力Ｖout1〜Ｖout4が安定領域に達する時刻ｔ2（時刻ｔ0と時刻ｔ3の中間の時刻）でＡＮＤゲート５０６の出力ＶSAMPLが立ち上がり、アナログスイッチ５３０、５３１、５３２、５３３がオン状態となる。
【００６２】
この結果、各サンプルホールド用コンデンサＣ１２にそれぞれ、オペアンプ９００、９０１、９０２、９０３の出力電圧Ｖout1〜Ｖout4、すなわち対応する信号検出用コンデンサＣ１〜Ｃ４より検出されたこれらの静電容量に応じた信号電荷が蓄積される。すなわち、駆動信号ＶDRIVEがロウレベルからハイレベルに切り替わった直後の過渡期間（ｔ0≦ｔ≦ｔ1）経過後（積分コンデンサＣ１１への充電が完了するまでの時間経過後）における積分回路９２０〜９２３の出力電圧Ｖout1〜Ｖout4が各サンプルホールド用コンデンサＣ１２に保持される。
なお、積分回路９２０〜９２３の各積分コンデンサＣ１１の電荷を放電させるタイミング、換言すれば充電を開始するタイミングは駆動信号ＶDRIVEと同期しているので、積分コンデンサＣ１１の電荷放電用の抵抗を積分コンデンサＣ１１と並列に設ける必要は無く、代わりにアナログスイッチ９１０〜９１３を設けるようにしている。このため、積分回路９２０〜９２３の出力電圧Ｖout1〜Ｖout4が、該電荷放電用の抵抗により変化することはないので、時刻ｔ1以降（積分コンデンサＣ１１への充電完了後）で、次にアナログスイッチ９１０〜９１３がオンする前であれば、常に安定した出力電圧Ｖout1〜Ｖout4を検出することができる。また、積分コンデンサＣ１１の電荷を放電するタイミング（時刻ｔ3）、出力電圧を検出するタイミング（時刻ｔ2）も駆動信号ＶDRIVEに同期していることから、駆動信号の周波数に精度は要求されず、その周波数は温度によって幾分変動するものであってもよい。
【００６３】
次いで、ＡＮＤゲート５０６の出力ＶSAMPLが立ち下がる時刻ｔ3でアナログスイッチ５３０、５３１、５３２、５３３がオフ状態となり、各サンプルホールド用コンデンサＣ１２に、蓄積された電荷に応じた信号電圧Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが保持される。各サンプルホールド用コンデンサＣ１２に保持された信号電圧Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、バッファとして機能するオペアンプ５４０、５４１、５４２、５４３よりそれぞれ、出力される。
以上の動作が１００ＫＨｚの周期で繰り返し、行なわれることとなる。
【００６４】
ここで、減算器６００にはオペアンプ５４０及び５４１の出力（Ａ，Ｂ）が、減算器６０１にはオペアンプ５４２及び５４３の出力（Ｃ，Ｄ）が、減算器６０２にはオペアンプ５４２及び５４０の出力（Ｃ，Ａ）が、減算器６０３にはオペアンプ５４３及び５４１の出力（Ｄ，Ｂ）が、それぞれ入力される。この結果、減算器６００より演算出力（Ａ−Ｂ）が、減算器６０１より演算出力（Ｃ−Ｄ）が、減算器６０２より演算出力（Ｃ−Ａ）が、さらに、減算器６０３より演算出力（Ｄ−Ｂ）が、それぞれ、出力される。
【００６５】
次いで、加算器７００では、減算器６００の演算出力と、減算器６０１の演算出力とが加算され、出力端子７１０より図７に示したＹ軸回りの揺動に伴うＸ軸方向の容量変化を示す演算出力｛（Ａ−Ｂ）＋（Ｃ−Ｄ）｝が出力される。
また、加算器７０１では、減算器６０２の演算出力と、減算器６０３の演算出力とが加算され、出力端子７１１より図７に示したＸ軸回りの揺動に伴うＹ軸方向の容量変化を示す演算出力｛（Ｃ−Ａ）＋（Ｄ−Ｂ）｝が出力される。
【００６６】
Ａ／Ｄ変換器８００、８０１では、電源電圧Ｖccを分圧した電圧、または電源電圧Ｖccに比例した電圧を基準電圧として出力端子７１０、７１１を介して入力される演算出力をディジタル値に変換して出力する。
【００６７】
以上に説明したように、本実施形態に係る静電容量式センサによれば、固定基板に形成された固定電極と、揺動動作可能に支持されるとともに前記固定電極に対向配置され、該固定電極との距離が前記揺動動作により変位する可動電極とを有し、前記固定電極と可動電極とで構成される容量素子の静電容量に基づいて前記揺動動作を検出する静電容量式センサにおいて、前記固定電極と可動電極のうちいずれか一方の電極に接続され、該電極にロウレベルとハイレベルとに交互に変化する駆動信号を印加する駆動信号供給手段と、前記固定電極と可動電極のうちいずれか他方の電極に入力端が接続され、前記容量素子に印加される前記駆動信号の電圧に基づく電流を積分する積分回路とを有し、前記駆動信号がロウレベル時とハイレベル時における前記積分回路の出力に基づいて前記揺動動作を求める演算手段とを有するので、従来の静電容量式センサのように、ＣＲ遅延回路を使用して静電容量を検出していないので、抵抗素子の温度変化や配線抵抗の影響を受けず、精度良く静電容量に基づいて可動電極の揺動動作（揺動量）を検出することができる。よって、傾斜状態や加速度等を精度よく検知することができる。
【００６８】
また、本実施形態に係る静電容量式センサによれば、前記積分回路は、前記容量素子からの電荷を蓄積する積分コンデンサと、前記駆動信号が、ロウレベル時またはハイレベル時に前記積分コンデンサに蓄積された電荷を放電させるスイッチ手段とを有するので、積分動作時における積分回路の出力電圧が定まるので、スイッチ手段を有さない積分回路に比して容量素子の検出容量が小さくても正確に検出することができる。
【００６９】
また、本実施形態に係る静電容量式センサによれば、前記積分回路は、非反転入力端子が固定電位に設定されるオペアンプを用いたチャージアンプで構成され、前記入力端が前記オペアンプの反転入力端子からなるとともに、前記積分コンデンサは、前記オペアンプの反転入力端子と出力端子との間に接続された帰還容量としたので、オペアンプの反転入力端子と非反転入力端子とがイマジナリショートにより一定電位に固定され、オペアンプの反転入力端子に接続される信号ラインと、電源ラインまたはグランドラインとの間に形成される浮遊容量間で充放電が発生せず、それ故信号ラインは、これらの浮遊容量の影響を受けることはない。
【００７０】
また、本実施形態に係る静電容量式センサによれば、さらに、前記駆動信号がロウレベルとハイレベルのうちいずれか一方のレベルから他方のレベルに切り替わった直後の過渡期間経過後における前記積分回路の出力電圧をサンプルホールドする電圧保持手段を有するので、前記積分回路出力における安定領域の電圧を検出することができるので、精度良く検出することができる。
【００７１】
また、本実施形態に係る静電容量式センサによれば、前記固定電極が複数に分割されており、該分割された複数の電極と前記可動電極とで複数の容量素子が形成されるとともに、前記可動電極は、前記駆動信号供給手段の出力端に接続されているので、可動電極の電位がロウレベルまたはハイレベルに固定されているため、可動電極側から外部に輻射ノイズが出にくくなるという効果が得られる。
また、複数の容量素子が形成されている場合においても、固定電極側が複数に分割され、可動電極は共通電極とされるので、複数の容量素子の容量変化に基づく電気信号を、変位しない固定電極側から取り出すことができ、複雑な引き回し配線等を必要としない。
【００７２】
また、本実施形態に係る静電容量式センサによれば、前記駆動信号供給手段より出力される駆動信号のうちロウレベルはグランド電位で、かつハイレベルは電源電圧であり、前記固定基板にはグランド電位となるグランド層が形成されており、前記固定電極は、グランド電位または電源電圧が印加される前記可動電極と前記固定基板のグランド層とで挟まれるように形成されているので、外来ノイズの影響を受けにくく、センサを構成する容量素子の静電容量が小さくとも、精度良く検出することができる。
【００７３】
また、本実施形態に係る静電容量式センサによれば、可動電極の揺動動作に伴って、容量が増加する第１の容量素子と、容量が減少する第２の容量素子の少なくとも一対の容量素子の静電容量に対応した電圧の差をとって静電容量を演算するようにしているので、センサが傾斜し、あるいはセンサに外力が加わることにより可動電極が揺動した際における容量素子における静電容量に対応した電圧の変化量を精度良く求めることができる。すなわち、温度ドリフトや、初期オフセットの影響をキャンセルすることができる。
【００７４】
また、本実施形態に係る静電容量式センサによれば、前記可動電極は、直交するＸ−Ｙ座標面に対して２軸に揺動可能であり、かつ前記複数の容量素子は、前記Ｘ−Ｙ座標面の第１〜第４象限に対応して４つ有り、前記演算手段は、前記４つの容量素子のうち対をなす２つの容量素子における静電容量に対応した電圧の差をそれぞれ、算出する減算器と、前記減算器により算出された２組の減算結果を加算する加算器とを有するので、演算のダイナミックレンジを大きくとることができ、検出精度を高めることができる。
【００７５】
また、本実施形態に係る静電容量式センサによれば、前記演算手段は、さらに前記加算器の出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器を有するとともに、前記駆動信号供給手段は、電源電圧に比例する前記ハイレベルの信号を出力し、前記演算手段は、基準電圧として前記電源電圧を分圧した電圧、または該電圧に比例した電圧を使用するようにしたので、電源電圧が変動しても、正確に傾斜状態や加速度等を検出することができる。
なお、上述した本実施形態においては、可動電極３０が支持用突起１２を揺動支点として２軸回りに揺動するもので説明したが、本発明はこれに限られず、揺動支点を有さずに、可動電極と固定電極との距離が変化するようなものであってもよい。
また、１軸回りにのみ、可動電極が揺動するものでもよい。さらに、検出対象が傾斜や加速度に限られないことは言うまでもない。
また、本実施形態においては、可動電極として、駆動信号を配線を用いることなく容易に供給できる金属板で構成したもので説明したが、可動電極はこれに限られず、例えば、絶縁性のポリイミド樹脂からなる薄い板材（フィルム）に銅箔をエッチングにて形成し、この銅箔を可動電極としてもよい。
【００７６】
【発明の効果】
本発明によれば、固定基板に形成された固定電極と、揺動動作可能に支持されるとともに前記固定電極に対向配置され、該固定電極との距離が前記揺動動作により変位する可動電極とを有し、前記固定電極と可動電極とで構成される容量素子の静電容量に基づいて前記揺動動作を検出する静電容量式センサにおいて、前記固定電極と可動電極のうちいずれか一方の電極に接続され、該電極にロウレベルとハイレベルとに交互に変化する駆動信号を印加する駆動信号供給手段と、前記固定電極と可動電極のうちいずれか他方の電極に入力端が接続され、前記容量素子に印加される前記駆動信号の電圧に基づく電流を積分する積分回路とを有し、前記駆動信号がロウレベル時とハイレベル時における前記積分回路の出力に基づいて前記揺動動作を求める演算手段とを有するので、従来の静電容量式センサのように、ＣＲ遅延回路を使用して静電容量を検出していないので、抵抗素子の温度変化や配線抵抗の影響を受けず、精度良く静電容量に基づいて可動電極の揺動動作を検出することができる。よって、傾斜状態や加速度等を精度よく検出可能な静電容量式センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る静電容量式センサの電気的構成を示すブロック図。
【図２】 本発明の実施形態に係る静電容量式センサの電気的構成を示すブロック図。
【図３】 図１及び図２に示した本発明の実施形態に係る静電容量式センサの動作を説明するためのタイミングチャート。
【図４】 本発明の実施形態に係る静電容量式センサの全体構成を示す概略断面図。
【図５】 本発明の実施形態に係る静電容量センサの全体構成を示す分解斜視図。
【図６】 図４に示した本発明の実施形態に係る静電容量式センサにおける基板の平面図。
【図７】 図４に示した本発明の実施形態に係る静電容量式センサにおける基板に対向して設けられている金属板（可動電極）の一例を示す平面図。
【図８】 図４に示した本発明の実施形態に係る静電容量式センサにおける基板に対向して設けられている金属板（可動電極）の他の例を示す平面図。
【図９】 従来の静電容量式センサの処理回路の構成を示す回路図。
【図１０】 図９に示す処理回路の各点における信号波形を示す図。
【符号の説明】
１０…基板（固定基板）、１１ａ…固定電極、１２…支持用突起、１２Ｓ…グランド層、２０…スペーサ、３０…可動電極、４０…錘、５０…パッキン、６０…カバー、１００…静電容量式センサ、２００…検出部、３００…回路素子、３００Ｃ…回路部（拡散部）、５００…パルス発生回路、５０２、５０４…Ｄフリップフロップ、Ｃ１〜Ｃ４…信号検出用コンデンサ（容量素子）、Ｃ１１…積分コンデンサ、Ｃ１２…サンプルホールド用コンデンサ、５３０〜５３３、９１０〜９１３…アナログスイッチ、５４０〜５４３、５５０〜５５３、５６０、５６１、９００〜９０３…オペアンプ、６００〜６０３…減算器、７００、７０１…加算器、８００、８０１…Ａ／Ｄ変換器、９２０〜９２３…積分回路

Claims (7)

1. 固定基板に形成された固定電極と、揺動動作可能に支持されるとともに前記固定電極に対向配置され、該固定電極との距離が前記揺動動作により変位する可動電極とを有し、前記固定電極と可動電極とで構成される容量素子の静電容量に基づいて前記揺動動作を検出する静電容量式センサにおいて、
   前記固定電極は、複数に分割され、該分割された複数の電極と前記可動電極とで複数の容量素子が形成され、
   前記複数の容量素子は、前記揺動動作に伴って、容量が増加する第１の容量素子と、容量が減少する第２の容量素子の少なくとも一対の容量素子からなり、
   前記可動電極に出力端が接続され、該可動電極にロウレベルとハイレベルとに交互に変化する駆動信号を前記分割された複数の電極への共通の信号として印加する駆動信号供給手段と、
   前記固定電極に対応して設けられ、入力端が該固定電極にそれぞれ接続され、前記少なくとも一対の容量素子に印加される前記駆動信号の電圧に基づく電流を積分する対となる積分回路と、前記対となる積分回路が出力する前記一対の容量素子の静電容量に対応した電圧の差を算出する減算器を有し、前記駆動信号がロウレベル時とハイレベル時における前記積分回路の出力に基づいて前記揺動動作を求める演算手段と、
   を有することを特徴とする静電容量式センサ。
2. 前記積分回路は、
   前記容量素子からの電荷を蓄積する積分コンデンサと、
   前記駆動信号が、ロウレベル時またはハイレベル時に前記積分コンデンサに蓄積された電荷を放電させるスイッチ手段と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の静電容量式センサ。
3. 前記積分回路は、
   非反転入力端子が固定電位に設定されるオペアンプを用いたチャージアンプで構成され、前記入力端が前記オペアンプの反転入力端子からなるとともに、
   前記積分コンデンサは、
   前記オペアンプの前記反転入力端子と出力端子との間に接続された帰還容量であること
   を特徴とする請求項２に記載の静電容量式センサ。
4. さらに、前記駆動信号がロウレベルとハイレベルのうちいずれか一方のレベルから他方のレベルに切り替わった直後の過渡期間経過後における前記積分回路の出力電圧をサンプルホールドする電圧保持手段を有すること
   を特徴とする請求項３に記載の静電容量式センサ。
5. 前記駆動信号供給手段より出力される駆動信号のうちロウレベルはグランド電位で、かつハイレベルは電源電圧であり、前記固定基板にはグランド電位となるグランド層が形成されており、
   前記固定電極は、グランド電位または電源電圧が印加される前記可動電極と前記固定基板のグランド層とで挟まれるように形成されていること
   を特徴とする請求項４に記載の静電容量式センサ。
6. 前記可動電極は、直交するＸ−Ｙ座標面に対して２軸に揺動可能であり、かつ前記複数の容量素子は、前記Ｘ−Ｙ座標面の第１〜第４象限に対応して４つ有り、
   前記演算手段は、前記４つの容量素子のうち対をなす２つの容量素子における静電容量に対応した電圧の差をそれぞれ、算出する減算器と、前記減算器により算出された２組の減算結果を加算する加算器と、
   を有することを特徴とする請求項５に記載の静電容量式センサ。
7. 前記演算手段は、さらに前記加算器の出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器を有するとともに、
   前記駆動信号供給手段は、電源電圧に比例する前記ハイレベルの信号を出力し、
   前記演算手段は、基準電圧として前記電源電圧を分圧した電圧、または該電圧に比例した電圧を使用する
   ことを特徴とする請求項６に記載の静電容量式センサ。

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