JP5034043B2 - 加速度センサ、および加速度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、いわゆるサーフェスマイクロマシニング技術で作製された静電容量型の加速度センサ、および当該加速度センサを備えた加速度検出装置に関する。

近年、高機能な加速度検出装置として、３次元的に作用する加速度を検出可能な加速度センサを有する加速度検出装置が注目を集めている。それと共に当該加速度センサをさらに小型化しようとする傾向がある。加速度センサの作製には、小型化のためにＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術が導入されている。

ＭＥＭＳ技術を導入した加速度センサは、ピエゾ抵抗素子を用いたものと静電容量素子を用いたものとに大別でき、開発の歴史的沿革からピエゾ抵抗素子を用いたものが主流であったが、小型化の要求に対して構造上の限界があり、また消費電力低減等の観点から現在では静電容量素子を用いたものが台頭しつつある。
小型の加速度センサを作製するためのＭＥＭＳ技術には、大きく分けてバルクマイクロマシニング技術とサーフェスマイクロマシニング技術とがある。バルクマイクロマシニング技術を用いて作製された加速度センサでは３軸方向の各加速度成分を検出可能なものが提案されているが（特許文献１を参照。）、バルクマイクロマシニング技術を用いると小型化が困難であるので、更なる小型化の観点からサーフェスマイクロマシニング技術を用いて３軸方向の各加速度成分を検出可能なものが模索されている。

従来、サーフェスマイクロマシニング技術で作製された静電容量型の加速度センサでは、１軸方向の加速度成分を検出可能なもの（特許文献２を参照。）や基板主面方向の２軸の加速度成分を検出可能なもの（特許文献３を参照。）が提案されており、したがって、３次元的に作用する加速度を検出するには、単純にはこれらを３つあるいは２つ組み合わせればよいと考えられる。
特開２００５−０１７２１６号公報 特開２００３−３３７１３８号公報 特表２０００−５１２０２３号公報

しかしながら、上記従来のサーフェスマイクロマシニング技術を用いた加速度センサを３つあるいは２つ組み合わせて３次元的に作用する加速度を検出しようとすると、１つの基板を他の基板と直交するように設けるか２つのセンサ構造を基板上に並べる、あるいは１つの非常に複雑な構造のセンサを製作する等の必要が生じて小型化の要求に応えられなくなるおそれがある。

本発明は、上記問題に鑑みて成されたものであり、小型化可能で３次元的に作用する加速度を検出可能な加速度センサおよび当該加速度センサを備えた加速度検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る加速度センサでは、基板と、この基板に対しＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に揺動自在な揺動体とを備え、上記揺動体には第１揺動杆とこれに交差する第２揺動杆とを備えさせ、両揺動杆の交差部を中心として反対方向に伸びる、合計４つの揺動杆部材の夫々には少なくとも１個の可動電極を形成し、上記基板側には上記可動電極の夫々に対向する固定電極を形成して、少なくとも４個の電極対を形成し、第１揺動杆を構成する一対の上記揺動杆部材の夫々の可動電極と、これらに対向する前記固定電極とによって形成されている一対の上記電極対を、第１揺動杆の長手方向（Ｘ軸方向）の揺動に対し、一方の電極対の間隙が縮まり、他方の電極対の間隙が拡がるように設定し、第２揺動杆を構成する一対の上記揺動杆部材の夫々の可動電極と、これらに対向する前記固定電極とによって形成された一対の上記電極対を、第２揺動杆の長手方向（Ｙ軸方向）の揺動に対し、一方の電極対の間隙が縮まり、他方の電極対の間隙が拡がるように設定し、さらに、上記揺動体のＺ軸方向の可動に対し、第１揺動杆の電極対の対向面積の変化と第２揺動杆の電極対の対向面積の変化とが逆になるよう上記固定電極と可動電極の関係を設定した。

上記のように本発明に係る加速度センサでは、基板と、この基板に対しＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に揺動自在な揺動体とを備え、上記揺動体には第１揺動杆とこれに交差する第２揺動杆とを備えさせ、両揺動杆部の交差部を中心として反対方向に伸びる、合計４つの揺動杆部材の夫々には少なくとも１個の可動電極を形成し、上記基板側には上記可動電極の夫々に対向する固定電極を形成して、少なくとも４個の電極対を形成し、第１揺動杆を構成する一対の上記揺動杆部材の夫々の可動電極と、これらに対向する上記固定電極とによって形成されている一対の上記電極対を、第１揺動杆部の長手方向（Ｘ軸方向）の揺動に対し、一方の電極対の間隙が縮まり、他方の電極対の間隙が拡がるように設定し、第２揺動杆を構成する一対の上記揺動杆の夫々の可動電極と、これらに対向する上記固定電極とによって形成された一対の上記電極対を、第２揺動杆の長手方向（Ｙ軸方向）の揺動に対し、一方の電極対の間隙が縮まり、他方の電極対の間隙が拡がるように設定した。

具体的には、本発明に係る加速度センサにおいて、２つの揺動杆の上記可動電極と上記基板上の上記固定電極とを、夫々複数枚設けておき、その配設順序を、２つの揺動杆の交差部から見たとき、いずれの揺動杆部材に沿う方向においても同一の順序にすると、上記機能を発揮させることができる。
したがって、本発明にかかる加速度センサでは、加速度が作用したときに第１揺動杆、第２揺動杆の夫々において一方の電極対の間隙の変化と他方の電極対の間隙の変化を対比したとき互いの符号が逆になり、加速度が作用して各電極対がキャパシタとして機能するときに一方のキャパシタの静電容量の変化量と他方のキャパシタの静電容量の変化量とを対比したときに上記Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向の変位に起因する成分の符号が逆になる。

なおかつ、上記揺動体のＺ軸方向の揺動に対し、第１揺動杆の電極対の対向面積の変化と第２揺動杆の電極対の対向面積の変化とが逆になるよう上記固定電極と可動電極の関係を設定した。
具体的には、本発明に係る加速度センサにおいて、上記第１揺動杆、第２揺動杆の夫々に形成された夫々の上記可動電極を、長尺状として上記基板と並行させ、これらに対向する上記固定電極を長尺状として上記基板と並行させておき、上記固定電極と上記可動電極とを夫々の軸が平行になるように対向させて、上記第１揺動杆の電極対の対向面における可動電極側の対向面の図心と固定電極側の対向面の図心との上記Ｚ軸方向での順序を、上記第２揺動杆の電極対の対向面における可動電極側の対向面の図心と固定電極側の対向面の図心との上記Ｚ軸方向での順序と、逆にすれば、上記機能を発揮させることができる。

したがって、本発明に係る加速度センサでは、上記第１揺動杆の電極対と上記第２揺動杆の電極対とを対比すると、電極対がキャパシタとして機能したときにキャパシタの静電容量の変化量において上記Ｚ軸方向の変位に起因する成分の符号が逆になる。
そして、本発明にかかる加速度センサでは、上記構成を採用することによって、各キャパシタの静電容量の変化分に、上記Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の変位に起因する成分を含ませることができ、したがって、各キャパシタの静電容量の測定値をもとに例えばガウスの消去法などの演算処理をすることにより３軸方向（上記Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）夫々の変位に起因する成分を抽出することができる。これらＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を直交座標系に一致させれば、抽出後の各変位成分の使い勝手が向上して好ましい。

ここで、当該加速度センサでは、すべての電極対において加速度が作用していない場合での各キャパシタの静電容量、すなわち初期容量Ｃｏを等しくしておけば後述する各キャパシタの静電容量の数式を適宜組み合わせて差分をとることにより初期容量の項を消去でき、上記揺動杆の夫々の一対の電極対ごとに加速度の作用を受けた状態での各一対の電極対の電極間隙の和を、加速度を受けていない状態での上記一対の電極対の電極間隙の和に等しくすれば後述する各キャパシタの静電容量の数式において△Ｘの項、△Ｙの項の絶対値を等しくすることができ、かつ全ての電極対において上記Ｚ軸方向での上記対向主平面同士の図心間距離を等しくしておけば、後述する各キャパシタの静電容量の数式において△Ｚの項の絶対値を等しくすることができる。そして、上記可動電極と上記固定電極とを共に上記基板主面に平行な長尺状に形成してその延出方向を各揺動杆の長手方向と直交するように形成すると、各電極はＸ軸方向あるいはＹ軸方向と直交しているので、上記可動電極と上記固定電極との相対位置がそれぞれの電極の延出方向に変位してもキャパシタの静電容量の変化量にほとんど無視できるぐらいに影響しなくなる。したがって、キャパシタの静電容量の変化量には上記Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向に垂直でかつ基板主面と平行な方向の成分はほとんど含まれない。

すると、当該加速度センサでは、第１揺動杆を構成する一対の上記揺動杆部材の夫々の可動電極と、これらに対向する上記固定電極とによって形成されている一対の上記電極対の夫々及び、第２揺動杆を構成する一対の上記揺動杆部材の夫々の可動電極と、これらに対向する上記固定電極とによって形成された一対の上記電極対の夫々は、以下の式（１）ないし（４）の関係を満たす。
（１） Ｃ１＝Ｃｏ＋Ｐ△Ｘ＋Ｒ△Ｚ
（２） Ｃ２＝Ｃｏ−Ｐ△Ｘ＋Ｒ△Ｚ
（３） Ｃ３＝Ｃｏ＋Ｑ△Ｙ−Ｒ△Ｚ
（４） Ｃ４＝Ｃｏ−Ｑ△Ｙ−Ｒ△Ｚ
ここで、Ｃ１は、第１揺動杆部側の一対の電極対のうち一方の電極対の静電容量、Ｃ２は、第１揺動杆部側の一対の電極対のうち他方の電極対の静電容量、Ｃ３は、第２揺動杆部側の一対の電極対のうち一方の電極対の静電容量、Ｃ４は、第２揺動杆部側の一対の電極対のうち他方の電極対の静電容量を表す。

式（１）−式（２）の演算を実行すれば、△Ｘの項を抽出でき、式（３）−式（４）の演算を実行すれば△Ｙの項を抽出でき、｛式（１）＋式（２）｝−｛式（３）＋式（４）｝の演算を実行すれば△Ｚの項を抽出できる。
したがって、上記式（１）ないし（４）から△Ｘ、△Ｙ、△Ｚの各項を抽出するためにたとえば後述する実施の形態で用いる図５に示すように各キャパシタＣ１〜Ｃ４を並列接続した回路を構築して、以下の式（５）から（７）を上記演算処理部に実行させると、上記演算処理部が差動演算を実行することとなり、上記式に含まれる各軸方向の変位成分に対応する出力値を出力することができ、各軸方向の加速度を検出することができる。
（５） （Ｃｏ＋Ｐ△Ｘ＋Ｒ△Ｚ）・（−Ｖｒ）＋（Ｃｏ−Ｐ△Ｘ＋Ｒ△Ｚ）・（＋Ｖｒ）＝Ｃｆ・Ｖｘ
（６） （Ｃｏ＋Ｑ△Ｙ−Ｒ△Ｚ）・（−Ｖｒ）＋（Ｃｏ−Ｑ△Ｙ−Ｒ△Ｚ）・（＋Ｖｒ）＝Ｃｆ・Ｖｙ
（７） （Ｃｏ＋Ｐ△Ｘ＋Ｒ△Ｚ）・（＋Ｖｒ）＋（Ｃｏ−Ｐ△Ｘ＋Ｒ△Ｚ）・（＋Ｖｒ）＋（Ｃｏ＋Ｑ△Ｙ−Ｒ△Ｚ）・（−Ｖｒ）＋（Ｃｏ−Ｑ△Ｙ−Ｒ△Ｚ）・（−Ｖｒ）＝Ｃｆ・Ｖｚ
但し、Ｃｏ：加速度が作用していないときの各可変キャパシタの静電容量（初期容量）
Ｐ，Ｑ，Ｒ：係数
△Ｘ，△Ｙ，△Ｚ：各軸方向の変位
＋Ｖｒ，−Ｖｒ：当該加速度検出装置に対する入力電圧
Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ：当該加速度検出装置からの出力電圧
Ｃｆ：負帰還用キャパシタの静電容量
よって、本発明に係る加速度センサでは、上記演算処理部と接続すれば、当該加速度センサに加速度が加わったときに加速度を３次元的に検出可能な構成とすることができる。

上記加速度センサのいずれもが、サーフェスマイクロマシニング技術で作製できるので、汎用のＭＥＭＳプロセスで作製でき、また、従来のバルクマシニング技術で作製された加速度センサに比べて製造工程を簡易にできる構造を備えている。
本発明に係る加速度センサは、サーフェスマイクロマシニング技術を用いて作成された従来のいわゆる１軸、あるいは２軸の加速度センサを２つあるいは３つ組み合わせた場合に比べて、また、従来のバルクマイクロマシニング技術で作製された加速度センサと比べて加速度を３次元的に検出しながら、加速度センサの構造を薄くして小型化を図ることができる。

加速度が作用していない状態において、上記第１揺動杆に形成された上記可動電極と上記基板上の上記固定電極とで構成される１対の電極対の静電容量、ならびに上記第２揺動杆に形成された上記可動電極と上記基板上の上記固定電極とで構成される１対の電極対の静電容量を夫々等しく設定すると、上記Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、ならびにＺ軸方向の各方向成分の変位に対応した出力値を出力するとき、初期静電容量の差をキャンセルするための補償容量あるいはオフセット調整回路が必要なくなり、好ましい。

具体的には、上記第１揺動杆、第２揺動杆のそれぞれをその両端部で上記ばね部材に支持させて、加速度が加わっていない状態において、各杆部材に設けられた上記可動電極とこれに対向する基板上の固定電極との対向間隙を等しくしておけば、上記のように静電容量を夫々等しく設定することができ、上記補償容量あるいはオフセット調整回路が必要なくなる。

また、各揺動杆部材に設けられた複数の可動電極とそれに対向する基板上の固定電極とを、上記交差部からの距離に比例して電極長が長くなるように構成すれば、それによって対向面積を大きく確保できて感度を高くすることができる。
そして、このように上記可動電極、固定電極を配すると、これら可動電極、固定電極を上記揺動杆の軸を基準に線対称になるように配することもできるので、上記揺動杆の夫々が上記可動電極の長手方向に揺動しても当該方向への変位に対する感度を消すことができ、既述したような差動演算において差動演算処理の対象となる項を一つ減らすことができ、演算処理の負担を抑制できて、好ましい。また、上記ばね部材の少なくとも１つに可動電極の外部引き出し電路を兼ねさせているので、上記固定電極の外部引き出し電路を、上記固定電極の両端部のうち上記可動電極に臨まない方の端部から引き出せば、上記基板面上において可動電極の外部引き出し電路と固定電極の外部引き出し電路とを離すことができ、平面配線が容易になって、当該加速度センサの構造の薄型化を図ることができ、好ましい。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る３軸加速度検出装置について、適宜、図面を用いて説明する。
＜検出装置の概略構成＞
図１（ａ）は、本実施の形態に係る３軸加速度検出装置の概略断面図であり、同図（ｂ）は、当該検出装置内の要部平面図である。

図１（ａ）に示すように、本実施の形態に係る３軸加速度検出装置１０では、エポキシ樹脂等の絶縁性を有する樹脂で形成された絶縁モールド体１１に加速度センサ部１２と、当該センサ部１２から出力された出力値を演算処理する演算処理部１３とが内包された状態となっている。
具体的には、当該モールド体１１の内底に載置されたダイパッド１４の主面に導電部材１５を介して当該センサ部１２と当該演算処理部１３とがダイボンドされている。演算処理部１３には例えばＡＳＩＣ等の半導体素子が採用されている。当該検出装置１０では、当該センサ部１２、シーケンス制御用回路３６を含む演算処理部１３ならびに不図示の電源とで検出回路（図５（ｂ）参照）が構築されている。

そして、図１（ｂ）に示すように、モールド体１１を貫通してモールド体１１の内外を電気的に接続可能にするリード１６と演算処理部１３のボンディングパッド部１７とがワイヤボンディングされ、当該ボンディングパッド部１７とは別のボンディングパッド部１８とセンサ部１２のボンディングパッド部１９とがワイヤボンディングされている。
センサ部１２では、センサ構造体２０の主面を覆うように被覆板２１が載置されている。被覆板２１は例えばガラス材を主成分として形成されたものである。被覆板２１にはスルーホール２２が穿設されており、当該スルーホール２２を塞ぐように図示しない配線層が設けられ、当該配線層がボンディングパッド部１９と一体となっている。したがって、当該配線層を介してセンサ構造体２０の電位取り出し部２６（図２参照）が演算処理部１３と電気的に接続され、以下に説明するセンサ構造体２０からの信号が演算処理部１３に出力される。

＜センサ構造体２０の概略構成＞
図２は、本実施の形態に係るセンサ構造体２０の概略平面図である。
図２に示すように、本実施の形態では、基板２３の主面に固定電極ユニット２４が複数個固定され、可動電極ユニット２５が基板２３に加速度が加わったときにその加速度の方向にかつ加速度の大きさに比例して３次元的に揺動できるようにばね部３３で支持されている。各固定電極ユニット２４には、固定電極指２９が基板２３の主面に沿って一定方向に櫛歯状に列設されている。また、可動電極ユニット２５には、上記固定電極指２９に並行するように櫛歯状の可動電極指３１が列設されている。図示した範囲内においては、固定電極ユニット２４が４つ設けられ、そのうち一方の対は固定電極指２９がＸ軸方向に、他方の対は固定電極指２９がＹ軸方向に沿って設けられている。また、可動電極ユニット２５が１つ基板２３主面に設けられており、これら各固定電極ユニット２４、可動電極ユニット２５は互いに電気的に絶縁されている。すなわち、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いてセンサ構造体２０が作製されていれば、各固定電極ユニット２４と可動電極ユニット２５とは基板２３の主面方向において間隙を空けて設けられているので、固定電極ユニット２４同士ならびに固定電極ユニット２４と可動電極ユニット２５との間を電気的に絶縁することができる。もちろん固定電極ユニット２４が互いに絶縁物で繋がれて一体的に設けられていても良い。

そして、固定電極ユニット２４、可動電極ユニット２５それぞれの電位取り出し部２６が基板２３主面に１列に並ぶように配置されている。
センサ構造体２０では、固定電極ユニット２４、可動電極ユニット２５を囲うように枠体２７が基板２３の主面のうち基板２３の周部に配されており、枠体２７を接地電位（ＧＮＤ）に設定するための電位取り出し部２６が上記の電位取り出し部２６の列の中に含まれるように配されている。

図３は本実施の形態におけるセンサ構造体２０の要部斜視図であり、図２で示したＡ部とＢ部とを示したものである。図４は、本実施の形態におけるセンサ構造体２０の要部斜視図であり、図２で示したＣ部とＤ部とを示したものである。Ａ部ないしＤ部の全てについては、図３，４のいずれにおいても図２で示した配設位置を維持した状態で示している。以下、図２および図３，４を用いて説明する。

＜固定電極ユニット２４の概略構成＞
固定電極ユニット２４のそれぞれは、壁部２８と固定電極指２９とを備えている（図３，４参照）。
当該壁部２８は、基板２３主面を均等に４分割するように、略二等辺三角形状のあるいは略二等辺三角形と矩形とを組み合わせたような輪郭を有する。ただし、当該壁部２８は二等辺の交差点に該当する部分において開口されている。当該壁部２８は、当該開口部を互いにつき合わせた状態で配されている。本実施の形態では、当該壁部２８の輪郭は略二等辺三角形状であるが、これに限定されず、正三角形状であっても良い。

固定電極ユニット２４の固定電極指２９は、略二等辺三角形状の壁部２８のうち二等辺部分の内側側壁から伸びた状態で、かつ当該二等辺三角形の底辺と平行になるように複数配されている。一の固定電極ユニット２４での固定電極指２９の本数は複数に限定されず、１本でも良い。当該壁部２８から延出された固定電極指２９が複数本設けられていると、当該センサ構造体２０の感度が向上して好ましい。

図３，４の部分拡大図に示すように、固定電極ユニット２４の固定電極指２９は、基板２３に対して浮いた状態であるが、当該固定電極指２９を支持する固定電極ユニット２４の壁部２８は動かないように基板２３に固定されており、したがって当該固定電極指２９は基板２３に対して原則的に動かないように支持されている。
また、図３，４に示すように、本実施の形態では基板２３の主面に垂直な方向において、固定電極ユニット２４の固定電極指２９の長さが、上記Ａ部および上記Ｂ部で同じであり、なおかつ上記Ｃ部および上記Ｄ部で同じであるのに対して、上記Ａ部もしくは上記Ｂ部と上記Ｃ部もしくは上記Ｄ部とを比べたとき、異なっている。具体的には、基板２３の主面に垂直な方向では、上記Ａ部および上記Ｂ部における固定電極ユニット２４の固定電極指２９の長さが、上記Ｃ部および上記Ｄ部における固定電極ユニット２４の固定電極指２９の長さに比べて大きい。

＜可動電極ユニット２５の概略構成＞
可動電極ユニット２５は質量（マス）部３０と可動電極指３１とを備えている（図３，４参照）。
当該質量部３０は、図示した範囲内において基板２３主面の図心から直線状の杆が直交したように、別限すれば、杆部材を四方に伸ばしたように十字状に配されている（図２参照）。当該質量部３０の当該杆部材の夫々が固定電極ユニット２４の壁部２８の上記開口部分から当該壁部２８に囲われた基板２３主面上の領域内に進入するように配されている。

可動電極ユニット２５の可動電極指３１は、当該質量部３０の各杆部材から固定電極ユニット２４の壁部２８のうち上記二等辺部分に向けて伸びた状態に、固定電極ユニット２４の固定電極指２９同士の間に進入するように、かつ固定電極ユニット２４の固定電極指２９と並行するように複数配されている。可動電極ユニット２５の可動電極指３１の本数はこれに限定されず、１本でも良い。当該質量部３０から延出された可動電極指３１が複数本設けられていると、センサ構造体２０の感度が向上して好ましい。

上記構成を採用することによって、図３，４の部分拡大図に示すように、可動電極ユニット２５の可動電極指３１と固定電極ユニット２４の固定電極指２９とは原則的に並行した配置となる。
可動電極ユニット２５とばね部３３を介して接続されているアンカー部３２は、基板２３の主面のうち固定電極ユニット２４の壁部２８に囲われた領域で基板２３の主面に固定されている（図２参照）。そして可動電極ユニット２５の質量部３０と当該アンカー部３２とをばね部３３が繋いでいる。

図３，４に示すように、可動電極ユニット２５では、原則的に質量部３０が基板２３から離れて浮いた状態となっている。そして図３，４の部分拡大図に示すように、当該質量部３０と一体的に形成されている可動電極指３１も原則的に基板２３から浮いており、かつ図示していないがばね部３３も原則的に基板２３から浮いている。
当該構成を採用することによって、当該センサ構造体２０に対して３軸方向の各軸方向成分もしくはこれら各軸方向成分のいずれかの方向成分同士を合計した加速度が加わったとき、当該質量部３０から延出された複数の可動電極指３１は、当該アンカー部３２および当該ばね部３３を介して基板２３に対して３次元的に変位可能に支持されている。

＜対向電極の構成＞
図２に示すように、センサ構造体２０のうちＡ部ないしＤ部の全てにおいて固定電極ユニット２４の固定電極指２９と可動電極ユニット２５の可動電極指３１とは、それぞれの主面がＸ軸方向またはＹ軸方向に対向するように配されている。そして、不図示の電源から固定電極ユニット２４の固定電極指２９に電圧が印加され、可動電極ユニット２５の可動電極指３１が接地電位(ＧＮＤ)に維持されると、当該対向主面がキャパシタの機能を発揮する。

可動電極ユニット２５の可動電極指３１は、基板２３に対して３次元的に変位可能に支持された質量部３０から延出された構成であるので、基板２３に固定された固定電極ユニット２４の固定電極指２９との間において、センサ構造体２０に加速度が加わったとき、互いに対向する主面が可変キャパシタ（バリアブル・コンデンサ）の機能を発揮することができる。
〔Ｚ軸方向における対向電極の特徴〕
図３の部分拡大図に示すように、基板２３主面に垂直なＺ軸方向において、センサ構造体２０においてＡ部およびＢ部では、可動電極指３１と固定電極指２９とが、それらの対向主面の図心同士が互いにずれるように配されている。Ｃ部およびＤ部でも同様に対向主面の図心同士が互いにずれるように電極指２９，３１が配されている。

そして、当該Ａ部、Ｂ部とＣ部、Ｄ部とを対比したとき、Ｚ軸方向における可動電極指３１の当該対向主面の図心ｍｃと固定電極指２９の当該対向電極の図心ｆｃとのずれを反転させている。
すなわち、センサ構造体２０のＡ部およびＢ部では、可動電極指３１の当該対向主面の図心ｍｃが固定電極指２９の当該対向主面の図心ｆｃよりも基板２３主面に近づくように固定電極指２９，可動電極指３１が配されており（図６参照）、Ｃ部およびＤ部では、可動電極指３１の当該対向主面の図心ｍｃが固定電極指２９の当該対向主面の図心ｆｃよりも基板２３主面から離れるように固定電極指２９，可動電極指３１が配されている（図７参照）。

本実施の形態に係るセンサ構造体２０では、加速度が作用して可動電極ユニット２５の可動電極指３１がＺ軸方向の変位成分を有するとき、Ａ部での可変キャパシタの静電容量変化のうちＺ軸方向の変位に起因する成分とＢ部での可変キャパシタの静電容量変化のうちＺ軸方向の変位に起因する成分とが同符号で、Ｃ部での可変キャパシタの静電容量変化のうちＺ軸方向の変位に起因する成分とＤ部での可変キャパシタの静電容量変化のうちＺ軸方向の変位に起因する成分とが同符号である。

そして、既述のように、当該Ａ部、Ｂ部とＣ部、Ｄ部とを対比したとき、Ｚ軸方向における可動電極指３１の当該対向主面の図心ｍｃと固定電極指２９の当該対向電極の図心ｆｃとのずれを反転させているので、Ａ部およびＢ部での静電容量の変化のうちＺ軸方向の変位に起因する成分とＣ部およびＤ部での静電容量の変化のうちＺ軸方向の変位に起因する成分とが逆符号となる。

すなわち、センサ構造体２０では、Ａ部およびＢ部での可変キャパシタの静電容量変化のうちＺ軸方向の変位に起因する部分が共に増加するとき、Ｃ部およびＤ部での可変キャパシタの静電容量変化のうちＺ軸方向の変位に起因する部分が共に減少し、逆にＡ部およびＢ部での可変キャパシタの静電容量変化のうちＺ軸方向の変位に起因する部分が共に減少するとき、Ｃ部およびＤ部での可変キャパシタの静電容量変化のうちＺ軸方向の変位に起因する部分が共に増加するような構造となっている。

具体的には、センサ構造体２０のうちＡ部およびＢ部では、Ｚ軸方向において、可動電極ユニット２５の可動電極指３１の長さが固定電極ユニット２４の固定電極指２９長さに比べて小さくなっている。そして、図４の部分拡大図に示すように、基板２３主面に垂直な方向では、センサ構造体２０のうちＣ部およびＤ部において、可動電極ユニット２５の可動電極指３１の長さが固定電極ユニット２４の固定電極指２９の長さに比べて大きくなっている。

そして、センサ構造体２０のうちＡ部ないしＤ部の全てにおいて、固定電極ユニット２４の固定電極指２９と可動電極ユニット２５の可動電極指３１とは基板２３主面からの離間距離が同じになるように配されている。
当該構成に限定されず、当該電極指２９と当該電極指３１とを対比したときに基板２３の主面からの離間距離が異なっていても良い。当該離間距離が同じであると、当該離間距離が異なる場合に比べて、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｒａｔｏｒ）基板を用いてセンサ構造体２０を作製することが容易となって好ましい。
〔Ｘ軸方向、Ｙ軸方向における対向電極の特徴〕
図３の部分拡大図に示すように、センサ構造体２０のうちＡ部では、基板２３の主面に沿う方向において、固定電極ユニット２４の固定電極指２９に挟まれるように配置された可動電極ユニット２５の可動電極指３１が両隣の固定電極ユニット２４の固定電極指２９に対して等距離に位置しておらず、具体的には、可動電極ユニット２５の可動電極指３１と当該可動電極指３１に対してＸ軸の負の方向に位置する固定電極ユニット２４の固定電極指２９との間隙距離が、可動電極ユニット２５の可動電極指３１と当該可動電極指３１に対してＸ軸の正の方向に位置する固定電極ユニット２４の固定電極指２９との間隙距離に比べて、短い。

同様に、センサ構造体２０のうちＢ部では、基板２３の主面に沿う方向において、固定電極ユニット２４の固定電極指２９に挟まれるように配置された可動電極ユニット２５の可動電極指３１が両隣の固定電極ユニット２４の固定電極指２９に対して等距離に位置しておらず、具体的には、可動電極ユニット２５の可動電極指３１と当該可動電極指３１に対してＸ軸の負の方向に位置する固定電極ユニット２４の固定電極指２９との間隙距離が、可動電極ユニット２５の可動電極指３１と当該可動電極指３１に対してＸ軸の正の方向に位置する固定電極ユニット２４の固定電極指２９との間隙距離に比べて、長い。

すなわち、センサ構造体２０のうちＡ部とＢ部とを対比したとき、それぞれの部分の固定電極指２９，可動電極指３１の配設位置が、可動電極ユニット２５の十字状の質量部３０の直交点を通り、かつ基板２３の主面に直交する仮想平面を中心に鏡面対称となっている。
可動電極ユニット２５の可動電極指３１と固定電極ユニット２４の固定電極指２９とが既述した位置で配設されたことによって、本実施の形態に係るセンサ構造体２０では、加速度が加わって可動電極ユニット２５の可動電極指３１がＸ軸方向の変位成分を有するとき、Ａ部とＢ部とを対比した場合に、可変キャパシタの静電容量の変化のうちＸ軸方向の変位に起因する成分が互いに逆符号となるような構造となっており、かつＣ部とＤ部とを対比した場合においても、加速度が加わって可動電極ユニット２５の可動電極指３１がＹ軸方向の変位成分を有するとき、同様の関係を有するような構造となっている。

具体的には、センサ構造体２０のうちＡ部とＢ部とを対比した場合に、Ａ部での可変キャパシタの静電容量変化のうちＸ軸方向の変位に起因する成分が増加するとき、Ｂ部での可変キャパシタの静電容量変化のうちＸ軸方向の変位に起因する成分が減少し、逆に、Ａ部での可変キャパシタの静電容量変化のうちＸ軸方向の変位に起因する成分が減少するとき、Ｂ部での可変キャパシタの静電容量変化のうちＸ軸方向の変位に起因する成分が増加するような構造となっている。

また、図４の部分拡大図に示すように、センサ構造体２０のうちＣ部およびＤ部でも、基板２３主面に沿う方向において、固定電極ユニット２４の固定電極指２９に挟まれるように配置された可動電極ユニット２５の可動電極指３１が両隣の固定電極ユニット２４の固定電極指２９に対して等距離に位置していない。
具体的には、基板２３主面に沿う方向において、センサ構造体２０のうちＣ部では、可動電極ユニット２５の可動電極指３１と当該可動電極指３１に対してＹ軸の負の方向に位置する固定電極ユニット２４の固定電極指２９との間隙距離が、可動電極ユニット２５の可動電極指３１と当該電極指３１に対してＹ軸の正の方向に位置する固定電極ユニット２４の固定電極指２９との間隙距離に比べて、短い。

そして、基板２３主面に沿う方向において、センサ構造体２０のうちＤ部では、可動電極ユニット２５の可動電極指３１と当該可動電極指３１に対してＹ軸の負の方向に位置する固定電極ユニット２４の固定電極指２９との間隙距離が、可動電極ユニット２５の可動電極指３１と当該可動電極指３１に対してＹ軸の正の方向に位置する固定電極ユニット２４の固定電極指２９との間隙距離に比べて、長い。

すなわち、センサ構造体２０のうちＣ部とＤ部とを対比したとき、それぞれの部分の固定電極指２９，可動電極指３１の配設位置が、可動電極ユニット２５の十字状の質量部３０の直交点を通り、かつ基板２３の主面と直交する仮想平面を中心に鏡面対称となっている。
そして、センサ構造体２０のうちＣ部とＤ部とを対比した場合に、Ｃ部での可変キャパシタの静電容量変化のうちＹ軸方向の変位に起因する成分が増加するとき、Ｄ部での可変キャパシタの静電容量変化のうちＹ軸方向の変位に起因する成分が減少し、逆に、Ｃ部での可変キャパシタの静電容量変化のうちＹ軸方向の変位に起因する成分が減少するとき、Ｄ部での可変キャパシタの静電容量変化のうちＹ軸方向の変位に起因する成分が増加するような構造となっている。

＜回路としての構成＞
図５（ａ）は、本実施の形態に係るセンサ構造体２０を電気等価回路で示した概略模式図であり、図５（ｂ）は、本実施の形態に係る検出回路３４を電気等価回路で示した概略模式図であり、図５（ｃ）は、検出回路３４への電圧印加のｏｎ／ｏｆｆのタイミングチャートを示した概略模式図である。

なお、図５（ｂ）においては、破線で囲った部分が本実施の形態にかかるセンサ構造体２０に相当し、キャパシタＣ１ないしＣ４は、それぞれＡ部ないしＤ部の各部分の電極指２９，３１のそれぞれの主面が対向して構築された可変キャパシタに対応する。
図５（ａ）に示すように、本実施の形態にかかるセンサ構造体２０を電気等価回路として見たときに、可変キャパシタＣ１ないしＣ４のそれぞれでは、可動電極ユニット２５の可動電極指３１の各主面が同電位の平板電極となり、固定電極ユニット２４の固定電極指２９の主面が当該可動電極指３１の主面とは異なる電位の平板電極となりかつ当該固定電極指２９同士でも異なる電位に設定可能な平板電極となるように、センサ構造体２０が構築されている。

上記構造を有するセンサ構造体２０が、図５（ｂ）に示した検出回路３４の一部となり、不図示の電源から図５（ｃ）で示したタイミングチャートに基づいて当該検出回路３４に対して電圧を印加して検出回路３４を駆動させると、各軸方向の変位成分を電圧として出力することができる。
＜検出装置の動作＞
図６、７は本実施の形態に係る可変キャパシタの概略断面図である。図６は上記Ａ部およびＢ部での可変キャパシタの断面を、図７は上記Ｃ部およびＤ部での可変キャパシタの断面を概略的に示したものである。ちょうど図６は図３と対応し、図７は図４と対応している。

〔可変キャパシタＣ１ないしＣ４について〕
可変キャパシタＣ１，Ｃ２では、図３で示したように対向電極を構成する可動電極ユニット２５の可動電極指３１が一体的にかつ３次元的に変位するように設けられているので、センサ構造体２０に加速度が加わったとき、図６の破線で示すように全ての当該可動電極指３１が同じ方向に変位する。具体的には、Ｘ軸方向の変位成分とＺ軸方向の変位成分とを含む方向に当該可動電極指３１全てが同じ方向に変位する。

可変キャパシタＣ３，Ｃ４でも同様に、図４で示したように対向電極を構成する可動電極ユニット２５の可動電極指３１が一体的にかつ３次元的に変位するように設けられているので、センサ構造体２０に加速度が加わったとき、図７の破線で示すように全ての当該可動電極指３１が同じ方向に変位する。具体的には、Ｙ軸方向の変位成分とＺ軸方向の変位成分とを含む方向に当該可動電極指３１全てが同じ方向に変位する。

可変キャパシタＣ１，Ｃ２のそれぞれを構築している可動電極ユニット２５の可動電極指３１がいずれかの軸方向に変位成分を有する場合、可変キャパシタＣ１，Ｃ２の初期容量をＣｏ、可変キャパシタＣ１，Ｃ２の容量の変化量を△Ｃ１，△Ｃ２、真空の誘電率をεｏ、固定電極指２９と可動電極指３１との間にある絶縁物の比誘電率をεｒ、固定電極指２９，可動電極指３１のうち可変キャパシタＣ１，Ｃ２を構築する部分での基板２３主面方向の長さをｌ、固定電極指２９，可動電極指３１のうち可変キャパシタＣ１，Ｃ２を構築する部分での基板２３に垂直な長さ方向の長さをｈ、可動電極ユニット２５の電極指３１のＸ軸方向の変位量、Ｚ軸方向の変位量をそれぞれ△Ｘ，△Ｚとするとき、理論上、静電容量Ｃは、

と表され、したがって、静電容量の変化量は、

と、表せるので、変位後の可変キャパシタＣ１，Ｃ２の静電容量Ｃ１，Ｃ２について以下の関係式が成立する。
すなわち、可動電極ユニット２５の可動電極指３１がＺ軸の正方向の変位成分を有するとき、

また、可動電極ユニット２５の可動電極指３１がＺ軸の負の方向の変位成分を有するとき、

式３、式４においてＺ軸変位成分が表れていないが、理論上、可動電極ユニット２５の可動電極指３１がＺ軸の正の方向に変位成分を有するときには、可変キャパシタＣ１，Ｃ２それぞれにおける対向電極面積が変化しないためである。

しかしながら、実際には、端部効果によって、可動電極ユニット２５の可動電極指３１がＺ軸の正の方向に変位成分を有するときにも、Ｚ軸の正方向への変位に起因して可変キャパシタＣ１，Ｃ２の静電容量Ｃ１，Ｃ２が変化する。具体的には、Ｚ軸の正の方向において一定の範囲内では、静電容量の変化量のうちＺ軸方向変位に起因する変化成分は増加する。

当該端部効果と上記式３、式４、式５、式６とに鑑みれば、上記可動電極指３１が変位したとき、可変キャパシタＣ１，Ｃ２については以下の関係式を導き出すことができる。

上記いずれの式にもＹ軸方向の変位に起因する成分が含まれていない（△Ｙの項がない）のは、各固定電極指２９，可動電極指３１において互いに他の固定電極指２９，可動電極指３１と対向する面での基板２３の主面方向の長さｌが当該面での基板２３に垂直な方向の長さｈと比べて大きいため、静電容量変化のうちＹ軸方向の変位に起因する成分が無視できるほどに小さいからである。

また、可変キャパシタＣ３，Ｃ４のそれぞれを構築している可動電極ユニット２５の可動電極指３１がいずれかの軸方向に変位成分を有する場合、可変キャパシタＣ３，Ｃ４の初期容量をＣｏ、可変キャパシタＣ３，Ｃ４の容量の変化量を△Ｃ３，△Ｃ４、真空の誘電率をεｏ、固定電極指２９と可動電極指３１との間にある絶縁物の比誘電率をεｒ、固定電極指２９，稼動電極指３１のうち可変キャパシタＣ３，Ｃ４を構築する部分での基板２３主面方向の長さをｌ、固定電極指２９，可動電極指３１のうち可変キャパシタＣ３，Ｃ４を構築する部分での基板２３に垂直な長さ方向の長さをｈ、可動電極ユニット２５の電極指３１のＹ軸方向の変位量、Ｚ軸方向の変位量をそれぞれ△Ｙ，△Ｚとするとき、変位後の可変キャパシタＣ３，Ｃ４の静電容量Ｃ３，Ｃ４について理論上、以下の関係式が成立する。

すなわち、可動電極ユニット２５の可動電極指３１がＺ軸の正方向の変位成分を有するとき、

また、可動電極ユニット２５の可動電極指３１がＺ軸の負の方向の変位成分を有するとき、

式１１、式１２においてＺ軸変位成分が表れていないが、理論上、可動電極ユニット２５の可動電極指３１がＺ軸の負の方向に変位成分を有するときには、可変キャパシタＣ３，Ｃ４それぞれにおける対向電極面積が変化しないためである。

しかしながら、実際には、端部効果によって、可動電極ユニット２５の可動電極指３１がＺ軸の負の方向に変位成分を有するときにも、Ｚ軸の負方向への変位に起因して可変キャパシタＣ３，Ｃ４の静電容量Ｃ３，Ｃ４が変化する。具体的には、Ｚ軸の負の方向において一定の範囲内では、静電容量の変化量のうちＺ軸方向変位に起因する変化成分は増加する。

当該端部効果と上記式９、式１０、式１１、式１２とに鑑みれば、上記電極指３１が変位したとき、可変キャパシタＣ３，Ｃ４については以下の関係式を導き出すことができる。

上記いずれの式にもＸ軸方向の変位に起因する成分が含まれていない（△Ｘの項がない）のは、各固定電極指２９，可動電極指３１において互いに他の固定電極指２９，可動電極指３１と対向する面での基板２３の主面方向の長さｌが当該面での基板２３に垂直な方向の長さｈと比べて大きいため、静電容量変化のうちＸ軸方向の変位に起因する成分が無視できるほどに小さいからである。

上記式７と式８とを対比したときに注目すべき点は、Ｘ軸方向変位に起因する変化成分すなわち△Ｘの項の符号が逆となっていて、かつ△Ｚの項の符号が同じになっている点である。
そして、上記式１３と式１４とを対比したときに注目すべき点は、Ｙ軸方向変位に起因する変化成分すなわち△Ｙの項の符号が逆となっていて、かつ△Ｚの項の符号が同じになっている点である。

なおかつ、上記式７および式８に対して上記式１３および式１４を対比したときに注目すべき点は、Ｚ軸方向変位に起因する変化成分すなわち△Ｚの項の符号が逆になっている点である。
△Ｘ，△Ｙ，△Ｚそれぞれの項においてこのような符号の関係が成立するのは、既述した電極構造に起因する。

以下、具体的に当該検出回路３４の動作を説明する。
〔Ｘ軸方向の加速度成分の検出動作〕
図５（ｃ）に示すように、期間ｐ１において、検出回路３４のスイッチング素子ｓ１ｂ，ｓ２ａをｏｎにし、かつ他のスイッチング素子をｏｆｆにすると、可変キャパシタＣ１のうち固定電極ユニット２４の固定電極指２９に対して電源から−Ｖｒの電圧が印加され、かつ可変キャパシタＣ２のうち固定電極ユニット２４の可動電極指２９に対して電源から＋Ｖｒの電圧が印加される。

このとき、可変キャパシタＣ１，Ｃ２と負帰還用キャパシタＣｆとの間において、可変キャパシタＣ１の静電容量をＣ１、可変キャパシタＣ２の静電容量をＣ２、負帰還用キャパシタＣｆの静電容量をＣｆとするとき、以下の関係式が成立する。

式１５と上記の式７、式８とから、以下の関係式を導き出せる。

式１６を整理すると、電源から各可変キャパシタＣ１，Ｃ２の固定電極指２９に印加される電圧が逆極性であることから式１６の左辺において初期容量Ｃｏおよび△Ｚの項が消えて、以下の関係式が導出される。

式１７から分かるように、出力電圧Ｖｘは、△Ｘの項のみで表され、すなわち、可動電極ユニット２５の可動電極指３１のＸ軸方向の変位成分にのみ依存する。
この出力電圧Ｖｘがオペアンプ（ＯＰＡ）３５から出力され、期間ｐ１においてスイッチＳｘがｏｎされるとキャパシタＣｘに出力電圧Ｖｘが蓄積され、出力電圧Ｖｘを検出できる。

期間ｐ１経過後にスイッチＳ５がｏｎされると、負帰還用キャパシタＣｆが短絡した状態となるので可動電極ユニット２５の可動電極指３１に電荷が注入され、同時に不図示の線を通じて固定電極ユニット２４の固定電極指２９側の電荷も移動されて、入力電圧Ｖｒに起因して可変キャパシタＣ１，Ｃ２で維持されていた電位差が消去される。
したがって、上記電極構造ならびに上記演算処理によって可動電極ユニット２５の可動電極指３１のＸ軸方向の変位成分のみを検出することができる。

〔Ｙ軸方向の加速度成分の検出動作〕
図５（ｃ）に示すように、期間ｐ２において、検出回路３４のスイッチング素子ｓ３ｂ，ｓ４ａをｏｎにし、かつ他のスイッチング素子をｏｆｆにすると、可変キャパシタＣ３のうち固定電極ユニット２４の固定電極指２９に対して電源から−Ｖｒの電圧が印加され、かつ可変キャパシタＣ４のうち固定電極ユニット２４の固定電極指２９に対して電源から＋Ｖｒの電圧が印加される。

このとき、可変キャパシタＣ３，Ｃ４と負帰還用キャパシタＣｆとの間において、可変キャパシタＣ３の静電容量をＣ３、可変キャパシタＣ４の静電容量をＣ４、負帰還用キャパシタＣｆの静電容量をＣｆとするとき、以下の関係式が成立する。

式１８と上記の式１３、式１４とから、以下の関係式を導き出せる。

式１９を整理すると、電源から各可変キャパシタＣ３，Ｃ４の固定電極指２９に印加される電圧が逆極性であることから式１９の左辺において初期容量Ｃｏおよび△Ｚの項が消えて、以下の関係式が導出される。

式２０から分かるように、出力電圧Ｖｙは、△Ｙの項のみで表され、すなわち、可動電極ユニット２５の可動電極指３１のＹ軸方向の変位成分にのみ依存する。
この出力電圧Ｖｙがオペアンプ（ＯＰＡ）３５から出力され、期間ｐ２においてスイッチＳｙがｏｎされるとキャパシタＣｙに出力電圧Ｖｙが蓄積され、出力電圧Ｖｙを検出できる。

期間ｐ２経過後にスイッチＳ５がｏｎされると、負帰還用キャパシタＣｆが短絡した状態となるので可動電極ユニット２５の可動電極指３１に電荷が注入され、同時に不図示の線を通じて固定電極ユニット２４の電極指２９側の電荷も移動されて、入力電圧Ｖｒに起因して可変キャパシタＣ３，Ｃ４で維持されていた電位差が消去される。
したがって、上記電極構造ならびに上記演算処理によって可動電極ユニット２５の可動電極指３１のＹ軸方向の変位成分のみを検出することができる。

〔Ｚ軸方向の加速度成分の検出動作〕
図５（ｃ）に示すように、期間ｐ３において、検出回路３４のスイッチング素子ｓ１ａ，ｓ２ａ，ｓ３ｂ，ｓ４ｂをｏｎにし、かつ他のスイッチング素子をｏｆｆにすると、各可変キャパシタＣ１，Ｃ２のうち固定電極ユニット２４の固定電極指２９に対して電源から＋Ｖｒの電圧が印加され、かつ各可変キャパシタＣ３，Ｃ４のうち固定電極ユニット２４の固定電極指２９に対して電源から−Ｖｒの電圧が印加される。

このとき、可変キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４と負帰還用キャパシタＣｆとの間において、可変キャパシタＣ１の静電容量をＣ１、可変キャパシタＣ２の静電容量をＣ２、可変キャパシタＣ３の静電容量をＣ３、可変キャパシタＣ４の静電容量をＣ４、負帰還用キャパシタＣｆの静電容量をＣｆとするとき、以下の関係式が成立する。

式２１と上記の式７、式８、式１３、式１４とから、以下の関係式が導き出せる。

式２２を整理すると、可変キャパシタＣ１と可変キャパシタＣ２とを対比したとき、固定電極指２９に電源から印加される電圧は、その絶対値が同じでかつ同極性であり、かつＸ軸方向の変位に起因する静電容量の変化成分、すなわち△Ｘの項が異符号であるので、△Ｘの項が消える。そして、可変キャパシタＣ３と可変キャパシタＣ４とを対比したとき、固定電極指２９に電源から印加される電圧は、その絶対値が同じでかつ同極性であり、かつＹ軸方向の変位に起因する静電容量の変化成分、すなわち△Ｙの項が異符号であるので、△Ｙの項が消える。

そして、可変キャパシタＣ１および可変キャパシタＣ２と、可変キャパシタＣ３および可変キャパシタＣ４とを対比したとき、固定電極指２９に電源から印加される電圧は、その絶対値が同じでかつ異極性であり、なおかつ初期容量Ｃｏが同符号であるので、初期容量Ｃｏの項が消える。また、当該対比において、可変キャパシタＣ１の△Ｚの項と可変キャパシタＣ２の△Ｚの項とが同符号で、可変キャパシタＣ３の△Ｚの項と可変キャパシタＣ４の△Ｚの項とが同符号であるので、上記の印加電圧の極性関係と組み合わされると、以下の関係式が導出される。

式２３から分かるように、出力電圧Ｖｚは、△Ｚの項のみで表され、すなわち、可動電極ユニット２５の可動電極指３１のＺ軸方向の変位成分にのみ依存する。
この出力電圧Ｖｚがオペアンプ（ＯＰＡ）３５から出力され、期間ｐ３においてスイッチＳｚがｏｎされるとキャパシタＣｚに出力電圧Ｖｚが蓄積され、出力電圧Ｖｚを検出できる。

期間ｐ３経過後にスイッチＳ５がｏｎされると、負帰還用キャパシタＣｆが短絡した状態となるので可動電極ユニット２５の可動電極指３１に電荷が注入され、同時に不図示の線を通じて固定電極ユニット２４の固定電極指２９側の電荷も移動されて、入力電圧Ｖｒに起因して可変キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４で維持されていた電位差が消去される。

したがって、上記電極構造ならびに上記演算処理によって可動電極ユニット２５の可動電極指３１のＺ軸方向の変位成分のみを検出することができる。
《実施の形態１に係る加速度検出装置の効果》
本実施の形態では、当該センサ構造体２０が固定電極ユニット２４の固定電極指２９と可動電極ユニット２５の可動電極指３１とが上記構成を有することにより、Ａ部とＢ部とを対比するとき、可変キャパシタＣ１とＣ２とがＸ軸方向において逆符号の静電容量変化を起こすように配され、かつＣ部とＤ部とを対比したとき、可変キャパシタＣ３とＣ４とがＹ軸方向において逆符号の静電容量変化を起こすように配されている。

なおかつ、Ａ部およびＢ部とＣ部およびＤ部とを対比するとき、可変キャパシタＣ１，Ｃ２と可変キャパシタＣ３，Ｃ４とがＺ軸方向において逆符号の静電容量変化を起こすように配されている。
したがって、当該センサ構造体２０を上記演算処理部に組み込み、上記タイミングに従って当該センサ構造体２０に加速度が加わったときの出力値を演算処理すれば、３軸方向の加速度を検出することができる加速度検出装置を実現することができる。

すなわち、当該センサ構造体２０では、従来の１軸検出可能なセンサ構造体を３つ組み合わせた場合や、従来の１軸の加速度を検出可能なセンサ構造体と２軸の加速度を検出可能なセンサ構造体とを組み合わせた場合、あるいは、バルクマイクロマシニング技術で作製された加速度センサと比べて、実装面積の増大を招くこと無く３軸の加速度を検出することができ、３軸の加速度の検出を可能にしながら小型化を実現することができる。

当該センサ構造体２０を加速度検出装置に組み込めば、当該検出装置の小型化を図ることができる。
そして、本実施の形態における加速度センサは、サーフェスマイクロマシニング技術で作製できるので、汎用のＭＥＭＳプロセスで作製でき、従来のバルクマイクロマシニング技術で作製された３軸加速度センサと比べて製造工程が簡易な構造を備えている。

本実施の形態に係る加速度センサでは、ばね部３３によって可動電極ユニット２５が所定の基準位置で支持され、加速度が作用していない状態での上記Ａ部ないしＤ部において、キャパシタとして機能する電極対の初期容量Ｃｏが同一になっているので、差動検出によって上記演算を実行する際に参照容量を用いなくても初期容量Ｃｏを消去でき、従来のいわゆるバルク型の３軸加速度センサと比べて、センサ構造体２０の更なる小型化を図ることができる。

本実施の形態では、図２で示したように壁部２８が基板２３の主面上において二等辺状に配され、そこから固定電極指２９が直交する杆状の質量部３０に向けて櫛歯状に延伸され、質量部３０からは可動電極指３１が壁部２８に向けて櫛歯状に延伸されているので、これら可動電極指３１、固定電極指２９の夫々を基板２３の限られた面積内にたくさん配設することができ、上記Ａ領域ないしＤ領域の夫々で形成されるキャパシタの対向面積を大きく確保でき、Ａ領域ないしＤ領域の夫々で可動電極指３１と固定電極指２９のそれぞれが１本ずつの場合に比べて感度を向上させることができて好ましい。

そして、上記櫛歯状の可動電極指３１、固定電極指２９の夫々が十字状の質量部３０の軸を基準に線対称に配された状態であるので、これら電極指の延伸方向に可動電極ユニット２５が揺動しても当該方向に対しての感度を消すことができるので、既述の演算処理において、演算負担を軽減できて好ましい。
また、図２に示すように、固定電極指２９への通電経路は、二等辺状の壁部２８を通じてその端、より具体的には十字状の質量部３０を構成する上記杆の夫々を線対称の軸とする正方形を想定したときにその仮想の正方形の角部から基板２３の主面に形成された電位取り出し部２６へと繋がり、可動電極指３１への通電経路は、上記仮想正方形の各辺の中間に位置するばね部３３に通電経路を兼用させて、質量部３０とそのばね部３３を通りアンカー部３２を通って固定電極指２９側の電位取出し部２６とは異なる電位取出し部２６へと繋がっているので、当該センサ構造体２０での配線を平面状に容易に形成することができ、センサ構造体２０の薄型化を図ることができる。
＜その他＞
本実施の形態では、上記第１の主面と上記第２の主面とが基板２３主面方向における直交座標系の各軸方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）と直角になるように配されていたが、これに限定されず、これらＸ軸方向、Ｙ軸方向と直角でなくても良い。

直角でない配置とすることによって、上記第１の主面と第２の主面とで形成されるキャパシタの数を減らすことができる。
なぜなら、既述のように、３軸の加速度を受けたときの各キャパシタの静電容量には、各キャパシタの対向主面と垂直な方向の変位成分と、基板２３に垂直な方向の変位成分との２つの成分が含まれているので、３つのキャパシタを用意しておけば適切な演算処理を実行することにより当該各方向の変位成分を抽出でき、基板２３主面での実装面積を削減することができる。

しかしながら、上記第１の主面と上記第２の主面とが上記Ｘ軸方向および上記Ｙ軸方向と直角になるように配されていれば、上記演算処理部の演算処理によって直交座標軸方向での変位を検出でき、上記演算処理部での演算処理上の負担を軽減することができる点で、好ましい。
すなわち、上記実施の形態で用いた簡易な構成の演算処理部によっては、３つのキャパシタからなるセンサ構造体を採用すると、演算処理ができないのに対し、本実施の形態に係る４つのキャパシタからなるセンサ構造体２０を用いれば、演算処理ができる。

本実施の形態では、質量部３０が十字状であって、具体的には可動電極指３１が質量部３０を構成する上記杆部材から当該杆部材の軸に線対称となるように配されていたが、これに限定されず、質量部３０は当該杆状でなくてもよく、可動電極指３１も質量部３０の杆の軸に線対称に配されていなくても良い。
しかしながら、質量部３０が直交する杆状の外形を有していれば、幾何的に安定するので、感度の安定性を向上させることができて好ましく、さらに可動電極指３１が当該杆部材の軸に線対称に配されていれば、さらに幾何的に安定して感度の安定性を向上させることができる。

本実施の形態では、上記Ａ部ないしＤ部が図示した範囲内においてセンサ構造体２０を均等に占領した状態となっているが、これに限らず、上記Ａ部ないしＤ部がセンサ構造体２０を均等に占領していなくても良い。しかしながら、Ａ部ないしＤ部がセンサ構造体２０を均等に占領した状態となっていると、いわゆる初期容量をＡ部ないしＤ部で等しくでき、従来のいわゆるバルク型の３軸加速度検出装置と比べて参照容量が必要なくなるので好ましい。

本実施の形態では、固定電極指２９，可動電極指３１の各々が互いに相手を囲繞するような配置となっているので、固定電極指２９，可動電極指３１同士の対向主面の各々が基板２３の主面方向に動いたときの端部効果も無視できるが、本実施の形態以外の構成を採用する場合、すなわち、固定電極指２９と可動電極指３１との間において一方の電極指が他方の電極指を囲繞しない構成を採用するとき、基板２３の主面方向においては、固定電極指２９，可動電極指３１同士の対向主面のうち可動電極指３１側の主面の合計の長さが固定電極指２９側の主面の合計の長さに比べて大きくなるように設定され、かつ固定電極指２９の端と可動電極指３１の端との距離が互いに等しくなるように設定すれば、固定電極指２９，可動電極指３１同士の対向主面の各々が基板２３の主面方向に動いたときの静電容量変化分において当該変位成分を除去できる。

また、本実施の形態では、センサ構造体２０において、固定電極指２９，可動電極指３１で構成される可変キャパシタが基板２３の主面に沿って四方に配された構成となっていたが、これに限定されず、基板２３の主面に沿って可変キャパシタが四方以上に配されても良い。

本発明は、携帯情報端末やデジタルカメラ、外付ＨＤＤなど、今後ますます小型化されるであろう機器に広く適用でき、その産業上の利用可能性は非常に広く、且つ大きい。

（ａ）は、実施の形態１に係る３軸加速度検出装置の概略断面図であり、同図（ｂ）は、当該検出装置内の要部平面図である。 実施の形態１に係るセンサ構造体の概略平面図である。 実施の形態１に係るセンサ構造体の要部斜視断面図である。 実施の形態１に係るセンサ構造体の要部斜視断面図である。 （ａ）は、実施の形態１に係るセンサ構造体を電気等価回路で示した概略模式図であり、（ｂ）は、実施の形態１に係る検出回路を電気等価回路で示した概略模式図であり、（ｃ）は、実施の形態１にかかる検出回路への電圧印加のｏｎ／ｏｆｆのタイミングチャートを示した概略模式図である。 実施の形態１に係る可変キャパシタの概略断面図である。 実施の形態１に係る可変キャパシタの概略断面図である。

符号の説明

１０ 加速度検出装置
１１ 絶縁モールド体
１２ センサ部
１３ 演算処理部
１４ ダイパッド
１５ 導電部材
１６ リード
１７，１８，１９ ボンディングパッド部
２０ センサ構造体
２１ 被覆板
２２ スルーホール
２３ 基板
２４ 固定電極ユニット
２５ 可動電極ユニット
２６ 電位取り出し部
２７ 枠体
２８ 壁部
２９ 固定電極指
３０ 質量（マス）部
３１ 可動電極指
３２ アンカー部
３３ ばね部
３４ 検出回路
３５ オペアンプ
３６ シーケンス制御用回路
３７ 検出回路部

Claims (7)

1. 基板と、この基板に対しＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に揺動自在な揺動体とを備え、
   前記揺動体は第１揺動杆とこれに交差する第２揺動杆とを備え、
   両揺動杆の交差部を中心として反対方向に伸びる、合計４つの揺動杆部材の夫々には複数の可動電極が形成され、前記基板側には前記可動電極の夫々に対向する固定電極が形成されて電極対が形成され、
   前記第１揺動杆、第２揺動杆の夫々に形成された夫々の前記可動電極が、長尺状であって前記基板と並行し、これらに対向する前記固定電極が長尺状であって前記基板と並行しており、前記固定電極と前記可動電極とは夫々の軸が平行になるように対向しており、各揺動杆部材に設けられた複数の可動電極とそれに対向する基板上の固定電極は、前記交差部からの距離に比例して電極長が長くなるように構成され、且つ各可動電極とそれに対向する基板上の固定電極は、揺動杆の軸を基準に線対称になるように配され、
   第１揺動杆を構成する一対の前記揺動杆部材の夫々の可動電極と、これらに対向する前記固定電極とによって形成されている電極対は、第１揺動杆の長手方向（Ｘ軸方向）の揺動に対し、一方の電極対の間隙が縮まり、他方の電極対の間隙が拡がるように設定され、
   第２揺動杆を構成する一対の前記揺動杆部材の夫々の可動電極と、これらに対向する前記固定電極とによって形成された電極対は、第２揺動杆の長手方向（Ｙ軸方向）の揺動に対し、一方の電極対の間隙が縮まり、他方の電極対の間隙が拡がるように設定され、
   さらに、前記揺動体のＺ軸方向の揺動に対し、第１揺動杆の電極対の静電容量の変化と第２揺動杆の電極対の静電容量の変化とが逆になるよう前記固定電極と可動電極の関係が設定されていることを特徴とする加速度センサ。
2. 加速度が作用していない状態において、前記第１揺動杆に形成された前記可動電極と前記基板上の前記固定電極とで構成される１対の電極対の静電容量、ならびに前記第２揺動杆に形成された前記可動電極と前記基板上の前記固定電極とで構成される１対の電極対の静電容量が夫々等しく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
3. ２つの揺動杆の前記可動電極と前記基板上の前記固定電極との配設順序は、２つの揺動杆の交差部から見たとき、いずれの揺動杆部材に沿う方向においても同一の順序であることを特徴とする請求項１または２に記載の加速度センサ。
4. 前記第１揺動杆の電極対の対向面における可動電極側の対向面の図心と固定電極側の対向面の図心との前記Ｚ軸方向での順序が、前記第２揺動杆の電極対の対向面における可動電極側の対向面の図心と固定電極側の対向面の図心との前記Ｚ軸方向での順序と、逆になっていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の加速度センサ。
5. 第１揺動杆と第２揺動杆とは、各杆の両端部が、基板に設けたばね部材で支持されていることにより、揺動自在な構成とされていることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
6. 加速度作用時において、前記第１揺動杆部の電極対が、以下の式（１）または（２）の関係を満たす静電容量変化を起こすキャパシタとして夫々形成され、前記第２揺動杆部の電極対が以下の式（３）または（４）の関係を満たす静電容量変化を起こすキャパシタとして夫々形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の加速度センサ。
   （１） Ｃ１＝Ｃｏ＋Ｐ△Ｘ＋Ｒ△Ｚ
   （２） Ｃ２＝Ｃｏ−Ｐ△Ｘ＋Ｒ△Ｚ
   （３） Ｃ３＝Ｃｏ＋Ｑ△Ｙ−Ｒ△Ｚ
   （４） Ｃ４＝Ｃｏ−Ｑ△Ｙ−Ｒ△Ｚ
   但し、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４：加速度が作用したときの各可変キャパシタの静電容量
   Ｃｏ：加速度が作用していないときの各可変キャパシタの静電容量（初期容量）
   Ｐ，Ｑ，Ｒ：係数
   △Ｘ，△Ｙ，△Ｚ：各軸方向の変位
7. 請求項６に記載の加速度センサと、加速度の作用に応じて前記Ｘ，Ｙ，Ｚの夫々の軸方向成分値を出力する演算処理部とを備えており、
   前記演算処理部は加速度の作用に応じて以下の式（５）から（７）を実行することを特徴とする加速度検出装置。
   （５） （Ｃｏ＋Ｐ△Ｘ＋Ｒ△Ｚ）・（−Ｖｒ）＋（Ｃｏ−Ｐ△Ｘ＋Ｒ△Ｚ）・（＋Ｖｒ）＝Ｃｆ・Ｖｘ
   （６） （Ｃｏ＋Ｑ△Ｙ−Ｒ△Ｚ）・（−Ｖｒ）＋（Ｃｏ−Ｑ△Ｙ−Ｒ△Ｚ）・（＋Ｖｒ）＝Ｃｆ・Ｖｙ
   （７） （Ｃｏ＋Ｐ△Ｘ＋Ｒ△Ｚ）・（＋Ｖｒ）＋（Ｃｏ−Ｐ△Ｘ＋Ｒ△Ｚ）・（＋Ｖｒ）＋（Ｃｏ＋Ｑ△Ｙ−Ｒ△Ｚ）・（−Ｖｒ）＋（Ｃｏ−Ｑ△Ｙ−Ｒ△Ｚ）・（−Ｖｒ）＝Ｃｆ・Ｖｚ
   但し、Ｃｏ：加速度が作用していないときの各可変キャパシタの静電容量（初期容量）
   Ｐ，Ｑ，Ｒ：係数
   △Ｘ，△Ｙ，△Ｚ：各軸方向の変位
   ＋Ｖｒ，−Ｖｒ：当該加速度検出装置に対する入力電圧
   Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ：当該加速度検出装置からの出力電圧
   Ｃｆ：負帰還用キャパシタの静電容量

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