JP2004347530A - 静電容量式センサ - Google Patents

Abstract

【課題】変位の検出値のダイナミックレンジを広げて検出感度を向上させ、錘による可動部の鉛直方向への変位を補正せずに、固定電極，可動電極間の静電容量の変化量により、錘に作用する力を検出できる静電容量式センサを提供する。
【解決手段】本発明の静電容量式センサは、固定基板に形成された固定電極と、該固定基板に所定の間隔にて対向配置され、揺動動作可能に支持された可動部に設けられた可動電極とを有し、可動部の変位による、可動電極と固定電極とで構成される容量素子の静電容量の変化により、可動部の揺動動作を検出するものであり、固定電極の電極面におけるＸ−Ｙ座標面の第１から第４象限に各々対応して、容量素子が１つずつ設けられ、相反的に容量が変化する容量素子の対を構成し、一対毎に容量素子間の静電容量の容量差を減算により求め、求められた各対の容量差を加算して、加算結果により、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の揺動動作の変位を検出する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量式センサに関し、特に、固定電極と可動電極との間の静電容量により、傾斜状態、加速度、衝撃などを検知するセンサ構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電容量の変化を利用した静電容量式センサとしては、例えば、図８に示される構成のセンサ（特許文献１）が知られている。
このセンサは、図８に示すように、Ｘ−Ｙ座標面に対して平行に対向配置された基板１０００，１００３上にそれぞれ電極１００１ａ，１００１ｂ（及び１００１ｃ，１００１ｄ）と可動電極１００４とが形成されている。この可動電極１００４は可撓性を有する可動基板１００３上に設けられ、Ｘ−Ｙ座標面に対して変位面を有する、揺動可能な可動電極として機能している。ここで、上記センサは、固定電極１００１の電極が、図９に示すように、Ｘ−Ｙ座標面の第１，第２，第３及び第４象限に各々対応して分離され、例えば、電極１００１として、１００１ａ，１００１ｂ，１００１ｃ，１００１ｄにより４つの容量素子が形成されているが、可動電極１００４を各象限に対応させて分割して、各象限に対応する容量素子を形成しても良い。
【０００３】
また、この可動基板１００３には錘１００５が取り付けられており、センサが傾斜したりセンサに外部応力が作用したりした際に、この錘１００５が可動基板１００３を歪ませ、上記固定電極と可動電極とで形成された１００１ａ，ｂ，ｃ，ｄの４つの容量素子の静電容量を変化させるようになっている。そして、図１０に示す検出回路により、上記４つの容量素子の静電容量を測定し、所定の演算を行うことで傾斜や外力等が検出される。すなわち、図１０に示す検出回路においては、静電容量から変位量を検出する演算の処理を、以下に示すａ，ｂ，ｃ，ｄの順序にて行っている。
【０００４】
ａ．第１，第２，第３，第４の容量素子において、Ｘ軸に平行な容量素子の対、例えば第１及び第２の容量素子の対と第３及び第４の容量素子の対とを形成し、また、Ｙ軸に平行な容量素子の対、例えば第１及び第４の容量素子の対と第２及び第３の容量素子の対とを形成する。
ｂ．各々の容量素子の静電容量をＣＶ変換回路により電圧値に変換し、各対毎に容量素子に対応させて上記電圧値の加算処理を行う。第１，第２，第３，第４の容量素子の静電容量の変換後の電圧値を、それぞれＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４とすると、Ｘ軸に平行な容量素子の各対の電圧値の加算値は「Ｖ１＋Ｖ２」及び「Ｖ３＋Ｖ４」となり、Ｙ軸に平行な容量素子の各対の電圧値の加算値は「Ｖ１＋Ｖ４」及び「Ｖ２＋Ｖ３」となる。
ｃ．Ｘ軸に平行な容量素子の各対の加算値の差電圧ＶＹ、すなわち「（Ｖ１＋Ｖ２）−（Ｖ３＋Ｖ４）」を求め、Ｙ軸に平行な容量素子の各対の加算値の差電圧ＶＸ、すなわち「（Ｖ１＋Ｖ４）−（Ｖ２＋Ｖ３）」を求める。そして、差電圧ＶＹによりＹ軸方向の変位を検出し、差電圧ＶＸによりＸ軸方向の変位を検出する。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３０２７４５７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記センサにおいては、Ｘ軸に平行な容量素子の対毎の加算値を求め、これらの対の加算値の差電圧ＶＹ、同様な方法で差電圧ＶＸを求めているが、始めに上記対毎に加算値を求める場合、変位のない平行時の初期容量を含めて加算することにより加算結果の電圧値が大きくなり、かつ、加算結果の電圧値全体における、変位に基づく静電容量の変化量の割合が、初期容量の加算値に比較して小さいため、静電容量の変化量の検出に対するダイナミックレンジが低下することにより、変位の検出感度を向上させることができない。
【０００７】
また、静電容量式センサにおいて、固定電極１００１と可動電極１００４との電極間の距離によりセンサの感度を調整することができるが、感度を向上させようとすると、電極間の距離を短くする必要があり、変位に対する静電容量の変化量が増加するとともに、平衡状態における静電容量も増加することとなり、結局、加算値において、電圧値全体に占める変位に基づく静電容量の変化量の割合を、効果的に増加させることができないため、変位の検出感度を向上させることができない。
【０００８】
さらに、従来例のセンサ構成においては、錘１００５の重さによって可動基板１００３は可撓性のある材料を使用するため、若干撓んで変位した状態となっており、可動基板１００３と固定基板１０００とのギャップが定まりにくく、バラツキも生じ、かつ可動基板１００３が撓み易い材質で形成されるため、経時変化により静電容量が変化することが考えられ、ギャップが変化することにより、変位の検出結果がずれていく虞がある。
【０００９】
加えて、検出される静電容量に基づく信号には、上記可動基板１００３の歪みによる静電容量の変化（実際に測定したい変位に基づく静電容量の変化量）の他に、この可動電極１００４のＺ軸方向の変位による静電容量の増分がオフセットとして含まれる。このオフセットは、センサの傾斜角θが小さい場合には重力の方向と可動基板１００３の変位の方向とが一致するため大きくなり、センサの傾きが垂直に近い場合には重力の方向と変位の方向とが直交するため殆どゼロとなる。すなわち、センサの傾斜の角度により、可動電極１００４全体のＺ軸方向の変化量が異なるため、オフセット量が角度ごとに変化してしまうこととなる。
【００１０】
このため、センサの構成にもよるが、傾斜を検出する際に、その検出範囲が狭い角度範囲に限定されてしまい、センサを外部機器に取り付ける場合、傾斜等の検出範囲が狭いことから、その取り付けの自由度が小さくなってしまうという不都合もある。そして、静電容量は錘１００５に作用する力に対して極大値をもって変化するため、容量変化から傾斜角を求める場合、前記変位による可動電極１００３の鉛直方向の変化分を補正する演算が必要となり、計算が複雑になる。このため、処理回路が高価となるとともに、補正演算により検出精度が落ちてしまう。
【００１１】
本発明は、上述の課題に鑑みなされたものであり、変位の検出値のダイナミックレンジを広げて検出感度を向上させるとともに、錘による可動部のＺ軸方向への変位を補正することなく、固定電極と可動電極との間の静電容量の変化量に基づいて、錘に作用する力を検出できる静電容量式センサを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願発明の静電容量式センサは、固定基板に形成された固定電極と、該固定基板に所定の間隔にて対向配置され、揺動動作可能に支持された可動部に設けられた可動電極とを有し、前記可動部の変位による、前記可動電極と前記固定電極とにて構成される容量素子の静電容量の変化に基づき、前記可動部の揺動動作を検出する静電容量式センサであり、前記固定電極の電極面におけるＸ−Ｙ座標面の第１から第４象限に各々対応して、前記容量素子が１つずつ設けられており、相反的に容量が変化する前記容量素子の対を構成し、一対毎に容量素子間の静電容量の容量差を減算により求め、求められた各対の容量差を加算して、該加算結果に基づき、Ｘ軸方向及びＹ軸方向における揺動動作の変位を検出することを特徴としている。
本構成によれば、相反的に静電容量が変化する容量素子の対において、対を構成する容量素子間の容量差を減算して求め、この容量差を加算することにより、容量の変化量を実質的に増加させ、可動部における変位の検出感度を向上させるとともに、減算を行うことで、平衡状態における初期オフセット及びＺ軸方向の変位の影響による静電容量の変化分をキャンセルすることにより、Ｘ軸及びＹ軸方向各々の変位に基づく変化量のみを抽出することができ、これにより、変化量のみに対する演算を行え、変位量検出の演算のダイナミックレンジを広くとることが可能となり、演算による検出感度及び検出精度を向上させることができる。また、固定電極と可動電極との間隔を縮めて、変位による単位当たりの静電容量の変化（変化率）を大きくすることで、変位の検出感度を向上させる場合、間隔が狭まるために、初期オフセットとしての静電容量が増加したとしても、演算の始めに、相反的に静電容量が変化する容量素子の対において、対を構成する容量素子間の容量差を減算して求めるため、既にのべたように、初期オフセットの静電容量が増加したとしても、最初の減算処理によりキャンセルされるため、ダイナミックレンジを狭めることなく、変位量の演算のみにダイナミックレンジを使用することができるため、初期オフセットの静電容量が増加によって検出精度を低下させることなく、容易に検出感度を向上させることができる。
【００１３】
本願発明の静電容量式センサは、前記第１及び第２象限に各々対応する第１，第２の容量素子の静電容量の第１の容量差を求める第１の減算手段と、前記第４及び第３象限に各々対応する第４，第３の容量素子の静電容量の第２の容量差を求める第２の減算手段と、前記第１及び第２の容量差を加算する第１の加算手段と、前記第２及び第３象限に各々対応する第２，第３の容量素子の静電容量の第３の容量差を求める第３の減算手段と、前記第１及び第４象限に各々対応する第１，第４の容量素子の静電容量の第４の容量差を求める第４の減算手段と、前記第３及び第４の容量差を加算する第２の加算手段とを有し、第１の加算手段の加算結果によりＸ軸方向の変位、また第２の加算手段の加算結果によりＹ軸方向の変位を検出することを特徴としている。
本構成によれば、相反的に静電容量が変化する容量素子対における容量差、すなわち、第１，第２の容量素子の第１の容量差と、第４，第３の容量素子の第２の容量差とを減算して求め、この第１及び第２の容量差を加算することにより、容量の変化量を実質的に増加させることができ、可動部における変位の検出感度を実質的に向上させるとともに、減算を行うことで、平衡状態における初期オフセット及びＺ軸方向の変位の影響による静電容量の変化分をキャンセルすることにより、Ｘ軸方向の変位に基づく変化量のみを抽出することができ、変化量に対する演算のみを行えばよく、演算のダイナミックレンジを広くとることが可能となり、Ｘ軸方向の変位量の検出感度及び検出精度を向上させることができる。
また、相反的に静電容量が変化する容量素子対における容量差、すなわち、第２，第３の容量素子の第３の容量差と、第１，第４の容量素子の第４の容量差とを減算してもとめ、この第３及び第４の容量差を加算することにより、上述したＸ軸方向の変位の検出と同様に、Ｙ軸方向の変位量の検出感度及び検出精度も向上させることができる。
【００１４】
本願発明の静電容量式センサは、前記第１及び第３象限に各々対応する第１，第３の容量素子の静電容量の第１の容量差を求める第１の減算手段と、前記第４及び第２象限に各々対応する第４，第２の容量素子の静電容量の第２の容量差を求める第２の減算手段と、前記第１及び第２の容量差を加算する第１の加算手段と、前記第１及び第３象限に各々対応する第１，第３の容量素子の静電容量の第３の容量差を求める第３の減算手段と、前記第２及び第４象限に各々対応する第２，第４の容量素子の静電容量の第４の容量差を求める第４の減算手段と、前記第３及び第４の容量差を加算する第２の加算手段とを有し、第１の加算手段の加算結果によりＸ軸方向の変位、また第２の加算手段の加算結果によりＹ軸方向の変位を検出することを特徴としている。
本構成によれば、相反的に静電容量が変化する容量素子対における容量差、すなわち、第１，第３の容量素子の第１の容量差と、第４，第２の容量素子の第２の容量差とを減算して求め、この第１及び第２の容量差を加算することにより、容量の変化量を実質的に増加させることができ、可動部における変位の検出感度を実質的に向上させるとともに、減算を行うことで、平衡状態における初期オフセット及びＺ軸方向の変位の影響による静電容量の変化分をキャンセルすることにより、Ｘ軸方向の変位に基づく変化量のみを抽出することができ、変化量に対する演算のみを行えばよく、演算のダイナミックレンジを広くとることが可能となり、Ｘ軸方向の変位量の検出感度及び検出精度を向上させることができる。
また、相反的に静電容量が変化する容量素子対における容量差、すなわち、第１，第３の容量素子の第３の容量差と、第２，第４の容量素子の第４の容量差とを減算してもとめ、この第３及び第４の容量差を加算することにより、上述したＸ軸方向の変位の検出と同様に、Ｙ軸方向の変位量の検出感度及び検出精度も向上させることができる。
【００１５】
本願発明の静電容量式センサは、前記固定基板と前記可動部に設けられた錘との間に配置され、前記可動部を揺動自在に支持する支持体を有することを特徴としている。
本構成によれば、前記支持体により、前記固定基板に対して前記可動部のＺ軸方向への変位を抑制することで、平衡状態において固定基板と可動部とのギャップを一定にすることができ、かつ、センサが傾斜、またはセンサに外力が加わることにより可動部が揺動する際、可動部がＸ軸方向及びＹ軸方向のみに変位するように制御することができ、Ｘ軸及びＹ軸方向の変位に対するＺ軸方向の変位の影響を防止し、演算によるＺ軸方向の変位の補正を行う必要が無くなることにより、Ｘ軸及びＹ軸方向における変位量の検出感度及び検出精度を向上させることができる。
【００１６】
本願発明の静電容量式センサは、前記支持体の高さにより、前記固定基板と可動部との間隔を制御し、該可動部の変位の検出感度を調整することを特徴としている。
本構成によれば、支持体により前記固定基板と可動部との間隔を一定に制御しているため、センサ間におけるギャップのばらつきがなく、間隔の経時変化もないことにより、センサ間および時間経過による検出のばらつきを防止し、演算によるＺ軸方向の変位の補正を行う必要が無くなることにより、検出精度を低下させることなく、Ｘ軸及びＹ軸方向における変位量の検出感度を、前記ギャップを調整することにより、容易に向上させることができる。
【００１７】
本願発明の静電容量式センサは、前記可動部が前記固定基板に対向して配設された他の基板に中間部とともに形成されており、該中間部が該他の基板を固定する支持部に第１の軸回りに揺動可能に支持され、前記可動部が前記第１の軸と直交する第２の軸回りに揺動可能に、前記中間部に支持されていることを特徴としている。
本構成によれば、可動部は支持部と中間部とにより、第１及び第２の軸回りに独立して揺動可能となり、可動部がＸ軸及びＹ軸方向に揺動し易くなり、揺動の際における固定電極と可動電極との変位量を大きくすることができ、Ｘ軸及びＹ軸方向の２軸方向の変位の検出を感度良く行うことができる。
【００１８】
本願発明の静電容量式センサは、前記支持部と前記中間部とが前記第１の軸に平行な第１の連結部により連結され、前記中間部と前記可動部とが前記第２の軸に平行な第２の連結部により連結され、前記支持部，前記中間部，前記可動部，前記第１及び第２の連結部とが前記他の基板に溝孔を設けて一体に形成されていることを特徴としている。
本構成によれば、例えば、単一の板材に切り込み（溝孔）を設けることにより、容易に支持部，中間部，可動部，第１及び第２の連結部を形成することができるため、製造精度を高めた製造が容易となり、かつ、センサにおける揺動部分の強度を向上させることが可能である。
【００１９】
【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から図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。
【００２０】
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、静電容量の変化量に対応して、揺動の変位量を検出するための容量素子が設けられた検出部２００を備え、基板１０の下面１３Ｒ側に検出部２００から検出された静電容量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。
【００２１】
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、すなわち、第１の固定電極（信号検出用コンデンサＣ２に対応）が第１象限に形成され、第２の固定電極（信号検出用コンデンサＣ１に対応）が第２象限に形成され、第３の固定電極（信号検出用コンデンサＣ３に対応）が第３象限に形成され、第４の固定電極（信号検出用コンデンサＣ４に対応）が第４象限に形成されている。上面１１Ｓの外周部には上記四つの固定電極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。
【００２２】
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を支持し、Ｚ軸方向の変位を抑制する支持用突起１２（支持体）が形成されている。この構成によれば、支持用突起１２により、固定基板１０に対して可動部３０ｄのＺ軸方向への変位を抑制することで、平衡状態において固定基板１０と可動部３０ｄとのギャップを一定にすることができ、かつ、センサが傾斜、またはセンサに外力が加わることにより可動部３０ｄが揺動する際、可動部３０ｄがＸ軸方向及びＹ軸方向のみに変位するように制御することができ、Ｘ軸及びＹ軸方向の変位に対するＺ軸方向の変位の影響を防止し、演算によるＺ軸方向の変位の補正を行う必要が無くなることにより、Ｘ軸及びＹ軸方向における変位量の検出感度及び検出精度を向上させることができる。
【００２３】
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、センサの外周に沿った枠状の導電性のスペーサ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。
【００２４】
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の連結部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の連結部３０ｃと直交する第２の連結部３０ｅ回りに揺動可能に支持された導電性の可動部３０ｄとからなり、可動部３０ｄは連結部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。
【００２５】
具体的には、支持部３０ａは、固定基板及び金属板の間隔（キャップ）を保持するスペーサ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、内側に向かう第１の軸線（Ｘ軸）に平行な一対の第１の連結部３０ｃが設けられている。この一対の第１の連結部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の連結部３０ｃがひねり変形することにより、第１の軸線回りに揺動できるように形成されている。
【００２６】
また、中間部３０ｂの内周には、第１の軸線に直交する第２の軸線に平行に、互いに対向する一対の第２の連結部３０ｅが設けられている。この一対の第２の連結部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可動部３０ｄにつながっており、この可動部３０ｄは第２の連結部３０ｅがひねり変形することにより、第２の軸線回りに揺動できるように形成されている。なお、連結部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、可動部３０ｄの揺動を感度良く検出できるようになっている。
【００２７】
ここで、他の基板としての金属板３０は、支持部３０ａ，中間部３０ｂ，第１の連結部３０ｃ，可動部３０ｄ，第２の連結部３０ｅは全て一枚の金属板に溝孔（スリット）を設ける事で形成している。そのため、加工も容易で、又精度も出しやすい。すなわち、支持部３０ａと中間部３０ｂとは第１の連結部３０ｃを除く位置に設けられた平面視「コ」字形の第１のスリット３１により分離され、中間部３０ｂと可動部３０ｄとは第２の連結部３０ｅを除く位置に設けられた平面視「コ」字形の第２のスリット３２により分離されている。また、可動部３０ｄは金属の板材として（すなわち金属板３０を加工して）構成されるため、揺動可能な可動部３０ｄは本発明の可動電極としても機能する。
【００２８】
また、金属板３０では、ひねりによって第１の連結部３０ｃ，第２の連結部３０ｅが塑性変形しないように、第１のスリット３１の両端部及び第２のスリット３２の両端部に、それぞれ支持部３０ａ側及び可動部３０ｄ側に突出するような食込み部３１ａ，３２ａを形成し、第１の連結部３０ｃ，第２の連結部３０ｅが塑性変形防止に必要な一定以上の長さとなるようにしている。このような食込み部３１ａ，３２ａは中間部３ｂ側には形成されておらず、第１の連結部３０ｃ，第２の連結部３０ｅがそれぞれ支持部３０ａ側，可動部３０ｄ側にのみ食い込むように構成されている。
【００２９】
これは、例えば食込み部３１ａ，３２ａを中間部３０ｂ側に形成した場合、中間部３０ｂがこのような食込み部によって一部細くなり、この細くなった部分にひねりによる応力が集中して中間部３０ｂが塑性変形する虞があるためである。このような応力集中は、中間部３０ｂの枠の太さが局所的に細くなる部位に生じ易い。そのため、ひねり力が中間部３０ｂ全体に分散されるように、中間部３０ｂ側に食込み部を設けずに中間部３０ｂの枠の太さを略一定とした。
【００３０】
可動部３０ｄの基板１０と反対側の面の中央部には、接着，電気溶接，レーザースポット溶接，カシメ等の方法によって取り付けられた錘４０が搭載されている。錘４０の重心は前記第１の連結部３０ｃ、第２の連結部３０ｅの軸線のいずれからも鉛直方向に偏心している（即ち、錘４０の重心位置は金属板３０の重心位置より高い部分に調整されている）。そのため、センサを傾けると、錘４０は傾斜センサ１００の傾斜に応じて金属板３０と支持用突起１２との当接位置を中心として揺動し、その揺動方向によって第１の連結部３０ｃ（Ｘ軸），第２の連結部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。それにより、第１の連結部３０ｃ、第２の連結部３０ｅがひねり変形され、可動電極である可動部３０ｄと、４つの電極１１ａ各々との間隔が変化するようになっている。
【００３１】
このようなモーメントは第１の連結部３０ｃ，第２の連結部３０ｅのどちらか一方又は両方の軸をひねり変形し、可動部３０ｄはこのモーメントと第１の連結部３０ｃ，第２の連結部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、錘４０の大きさが同じ場合に、錘４０の質量と重心位置との積で表されるモーメントが大きくなり、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。
また、支持用突起１２により可動部３０ｄを固定基板１０とは反対側へ付勢して、固定基板１０と可動部３０ｄとの間隔を一定に制御しているため、センサ間におけるギャップのばらつきがなく、間隔の経時変化もないことから、センサ間および時間経過による検出のばらつきを防止し、演算によるＺ軸方向の変位の補正を行う必要が無くなることにより、検出精度を低下させることなく、Ｘ軸及びＹ軸方向における変位量の検出感度を、上記ギャップ（付勢量）を調整することにより容易に向上させることができる。
【００３２】
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の連結部３０ｃ、３０ｃをＸ軸とし、第２の連結部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（可動部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容量素子（信号検出用コンデンサＣ１〜Ｃ４）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（容量素子）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、検出電圧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、検出電圧Ｃ，Ｄとする。
【００３３】
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において、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Ｃ２，Ｃ１と第３、第４象限に形成される信号検出用コンデンサＣ３，Ｃ４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（相反的に）変化する。
【００３４】
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。
ここで、Ｙ軸方向の変位を検出するための信号検出用コンデンサ対として、第１及び第４象限に形成される信号検出用コンデンサの組と、第２及び第３象限に形成される信号検出用コンデンサの組とを、計算上において、相反的に変化する信号検出用コンデンサの対として形成する。
【００３５】
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及び第４象限に形成される信号検出用コンデンサＣ２，Ｃ４の静電容量の電圧換算値の差（Ｃ２，４の静電容量の差、すなわち静電容量の変化量）と、第２及び第３象限に形成される信号検出用コンデンサＣ１，Ｃ３の静電容量の電圧換算値の差（Ｃ１，３の静電容量の差、すなわち静電容量の変化量）との和で求められるから、
Ｙ＝（Ｄ−Ｂ）＋（Ｃ−Ａ） …（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（変位）と捉えることができる。
そして、（１）式により、静電容量が相反的に変化する信号検出用コンデンサの対において、初期オフセット値をキャンセルすることができ、純粋に、第１及び第４象限に形成される信号検出用コンデンサの静電容量、及び第２及び第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を測定することができ、変位量の検出のダイナミックレンジを広げることができ、Ｘ軸回りのＹ軸方向の変位の検出において、測定感度及び測定精度を向上させることとなる。
【００３６】
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において、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。
【００３７】
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。
ここで、Ｘ軸方向の変位を検出するための信号検出用コンデンサ対として、第１及び第２象限に形成される信号検出用コンデンサの組と、第４及び第３象限に形成される信号検出用コンデンサの組とを、計算上において、相反的に変化する信号検出用コンデンサの対として形成する。
【００３８】
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１及び第２象限に形成される信号検出用コンデンサＣ２，Ｃ１の静電容量の電圧換算値の差（Ｃ２，１の静電容量の差、すなわち静電容量の変化量）と、第４及び第３象限に形成される信号検出用コンデンサＣ４，Ｃ３の静電容量の電圧換算値の差（Ｃ４，Ｃ３の静電容量の差、すなわち静電容量の変化量）との和で求められるから、
Ｘ＝（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。
そして、（２）式により、静電容量が相反的に変化する信号検出用コンデンサの対において、初期オフセット値をキャンセルすることができ、純粋に、第１及び第２象限に形成される信号検出用コンデンサの静電容量、及び第４及び第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を測定することができ、変位量の検出のダイナミックレンジを広げることができ、Ｙ軸回りのＸ軸方向の変位の検出において、測定感度及び測定精度を向上させることとなる。
上述したように、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、この変化量Ｙ，Ｘの値からセンサ１００の傾斜（変位）を求めることができる。
【００３９】
また、上述した信号検出用コンデンサ対を用いるのではなく、Ｙ軸方向の変位を検出するための信号検出用コンデンサ対として、第１及び第３象限に形成される信号検出用コンデンサの組と、第２及び第４象限に形成される信号検出用コンデンサの組とを、計算上において、相反的に変化する信号検出用コンデンサの対として形成しても良い。同様に、Ｘ軸方向の変位を検出するための信号検出用コンデンサ対として、第１及び第３象限に形成される信号検出用コンデンサの組と、第４及び第２象限に形成される信号検出用コンデンサの組とを、計算上において、相反的に変化する信号検出用コンデンサの対として形成する。
この場合、上記（１）及び（２）式に対応する式は、各々、以下に示す（３）式，（４）式である。
Ｙ＝（Ｃ−Ｂ）＋（Ｄ−Ａ） …（３）
Ｘ＝（Ａ−Ｄ）＋（Ｃ−Ｂ） …（４）
となり、上述した（１），（２）式により変位量を求める場合と同様の効果を有し、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（３）、（４）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（変位）を求めることができる。
なお、信号検出用コンデンサ対の組合せは、上述したものに限られず、例えば、Ｙ軸方向の変位を検出する際に、上記（３）式を用い、Ｘ軸方向の変位の検出では、上記（２）式を用いるようにしてもよく、（１）式と（４）式により変位を検出することもできる。
【００４０】
又、可動部３０ｄの下面には、可動部３０ｄを上方へ付勢するように前記支持用突起１２が突き当てられており、電極１１ａと可動部３０ｄとの間隔（ギャップ）ｇを一定に保持するとともに、下向きの並進加速度（重力など）の影響をキャンセルできるようになっている。つまり、支持用突起１２を設けない場合、可動部３０ｄは錘４０の重さによって基板１０側に若干撓み、可動電極としての可動部３０ｄと電極１１ａとの間の静電容量にはこの撓み（変位）による静電容量の増分がオフセットとして含まれてしまう。このオフセットはセンサの傾きが小さい場合には大きく、逆にセンサが垂直に近い場合には、このような撓みが少なくなるため小さくなる。
【００４１】
その結果、静電容量は錘４０のモーメントに対して極大値を持って変化してしまい、このような静電容量からセンサの傾斜角を求める場合には撓みによる可動部３０ｄの鉛直方向の変位を補正する演算が必要となる。このため、可動部３０ｄを支持用突起１２によって下面側から支持してこのような撓みを防止することで、静電容量をモーメントに対して広範囲（可動部３０ｄを支持用突起１２で付勢している場合には最大±９０°）に亘って１対１の関係で直線的に変化させ、Ｚ軸方向の変位の影響を考慮する必要を無くし、傾斜を求めるための演算を単純化している。
【００４２】
さらに、センサを極端に傾ける事が無い限り、錘４０の重さが第１の連結部３０ｃ、第２の連結部３０ｅに直接掛からない。よって、錘４０の重さの割に第１の連結部３０ｃ、第２の連結部３０ｅを細くしても永久変形しにくいため、耐衝撃性を維持したまま、第１の連結部３０ｃ、第２の連結部３０ｅを細くできる。当然、２つの軸部は細い程、剛性が低いため、傾斜によるモーメントに対して敏感に変形し、高精度な検出が出来る様になる。
【００４３】
また、支持用突起１２の高さは支持部３０ａを載置するスペーサ２０及び電極１１ｄの厚みよりも若干高く（或いは、スペーサ２０及び電極１１ｄの厚みが支持用突起１２の高さよりも若干薄く）なっており、可動部３０ｄは支持部３０ａよりも基板１０から離され、センサがひっくり返され錘４０が下側になった状態においても可動部３０ｄは支持用突起１２により基板１０と反対側に付勢されるようになっている。この付勢力の大きさは、支持用突起１２の高さとスペーサ２０の厚みの差で決まるため、例えば、支持用突起１２によってギャップｇが定められた場合には、スペーサ２０の厚みを調節することで付勢力が最適に設定される。
【００４４】
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、可動部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。
【００４５】
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。
【００４６】
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へ入力することを防止するとともに、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。
【００４７】
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。
【００４８】
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各容量変化を求めている。
【００４９】
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既に述べたように、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の４つあり、これら４つの信号検出用コンデンサＣ１〜Ｃ４各々の容量変化に基づいて、回路素子３００において、傾斜センサ１００の傾斜方向及び傾斜量を、上記で説明した（１）〜（４）式の演算により算出され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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、可動部３０ｄに対し第１の連結部３０ｃ又は第２の連結部３０ｅ回りのモーメントを作用させる。そして、第１の連結部３０ｃ，第２の連結部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可動部３０ｄが停止する。
【００５３】
これにより、可動電極としての可動部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。
【００５４】
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（第２象限）、Ｃ２（第１象限）、Ｃ３（第３象限）、Ｃ４（第４象限）とを有している（図６参照）。
【００５５】
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の出力するパルス信号の周波数を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出力から出力されるパルス信号を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、保護抵抗Ｒ１０を介して供給する駆動信号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パルス信号であるが、本実施形態においては、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。
【００５６】
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側の端子は共通接続され、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、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側の端子は、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（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、このＶｃｃは電源電圧）に設定されている。
【００５７】
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、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、各上記積分コンデンサＣ１１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、これらの各積分コンデンサＣ１１と並列に各々接続されている。
【００５８】
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出力からの出力信号により、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、積分コンデンサＣ１１の電荷を放電し、ロウレベルの時にオフ状態となり、この積分コンデンサＣ１１が充電状態とされる。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。
【００５９】
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、すなわちＤフリップフロップ５０４のＱＢＡＲ出力がハイレベルのとき、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、すなわちＤフリップフロップ５０４のＱＢＡＲ出力がロウレベルのとき、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、スイッチ手段に相当する。
【００６０】
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を介して各々オペアンプ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の出力する出力信号ＶＳＡＭＰＬＥ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、積分回路９２０，９２１，９２２，９２３の出力電圧である積分電圧をサンプリングし、このサンプリングされた積分電圧を、サンプルホールド用コンデンサＣ１２に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。
【００６１】
また、オペアンプ５４０、５４１、５４２、５４３の非反転入力端子は、上述したように、アナログスイッチ５３０、５３１、５３２、５３３と接続されるとともに、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。
【００６２】
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、このオペアンプ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、フィルタとしてのコンデンサ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、このオペアンプ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。
【００６３】
減算器６００は、入力されるオペアンプ５４０の出力と、オペアンプ５４１の出力との差分の演算、すなわち、検出電圧Ａと検出電圧Ｂとの差分値「Ａ−Ｂ」を演算して出力する。また、減算器６０１は、入力されるオペアンプ５４２の出力と、オペアンプ５４３の出力との差分を演算、すなわち、検出電圧Ｃと検出電圧Ｄとの差分値「Ｃ−Ｄ」を演算して出力する。さらに、減算器６０２は、入力されるオペアンプ５４２の出力とオペアンプ５４０の出力との差分、すなわち、検出電圧Ｃと検出電圧Ａとの差分値「Ｃ−Ａ」を演算して出力する。加えて、減算器６０３は、入力されるオペアンプ５４３の出力と、オペアンプ５４１の出力との差分を演算、すなわち、検出電圧Ｄと検出電圧Ｂとの差分値「Ｄ−Ｂ」を演算して出力する。また、加算器７００は、入力される減算器６００の出力と、減算器６０１の出力とを加算、すなわち差分値「Ａ−Ｂ」と「Ｃ−Ｄ」との加算値「（Ａ−Ｂ）＋（Ｃ−Ｄ）」を演算して出力する。さらに、加算器７０１は、入力される減算器６０２の出力と、減算器６０３の出力とを加算、すなわち、ち差分値「Ｃ−Ａ」と「Ｄ−Ｂ」との加算値「（Ｃ−Ａ）＋（Ｄ−Ｂ）」を演算して出力する。
【００６４】
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。
【００６５】
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の動作例を図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は４００ＫＨｚのパルス信号を出力する。そして、分周器であるＤフリップフロップ５０２は、このパルス信号を１／２分周し、分周された２００ＫＨｚのパルス信号をＱ端子からＡＮＤゲート５０６の一方の入力端子に出力する。また、Ｄフリップフロップ５０４は、入力される上記分周された２００ＫＨｚのパルス信号の周波数を、さらに１／２分周し、分周された１００ＫＨｚの周波数のパルス信号を、ＱＢＡＲ出力から出力する。
【００６６】
そして、Ｄフリップフロップ５０４は、１００ＫＨｚのパルス信号を、信号検出用コンデンサＣ１〜Ｃ４の駆動信号ＶＤＲＩＶＥ（図３（Ｂ））としてＱ出力から、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側の端子に対して出力するとともに、上記駆動信号ＶＤＲＩＶＥを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は、ＱＢＡＲ出力から、駆動信号ＶＤＲＩＶＥと逆相の電圧レベルの信号を、アナログスイッチ９１０〜９１３のオン／オフの制御端子に出力する。すなわち、Ｄフリップフロップ５０４は、アナログスイッチ９１０〜９１３の上記制御端子に対して、信号検出用コンデンサＣ１〜Ｃ４に印加される駆動信号ＶＤＲＩＶＥを位相反転したパルス信号、すなわち、駆動信号ＶＤＲＩＶＥと電圧レベルが相反するパルス信号を印加することとなる。
【００６７】
これにより、アナログスイッチ９１０〜９１３は、Ｄフリップフロップ５０４のＱＢＡＲ出力がハイレベルになるタイミングにおいて、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の両端間が短絡し、各積分コンデンサＣ１１の充電電荷を零に、すなわち積分コンデンサＣ１１に蓄積された電荷をリセットする。
さらに、ＡＮＤゲート５０６は、入力される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との論理積の演算を行い、演算結果の出力信号ＶＳＡＭＰＬ（図３（Ｃ））を、アナログスイッチ５３０〜５３３に対して、積分回路９２０〜９２３の積分出力のサンプリング信号として出力する。
【００６８】
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において、Ｄフリップフロップ５０４は、Ｄ端子にハイレベルのＱＢＡＲ出力らハイレベルの信号が入力され、ＣＬＫ端子に入力されるパルス信号の立ち上がりエッジにより、ＱＢＡＲ出力の信号をロウレベルに遷移させ、アナログスイッチ９１０〜９１３をオフ状態とする。この時点において、Ｄフリップフロップ５０４は、信号検出用コンデンサＣ１〜Ｃ４の各々に対して、Ｑ出力から保護抵抗Ｒ１０を介してハイレベル（Ｖｃｃ）の駆動信号ＶＤＲＩＶＥを供給している。
【００６９】
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、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間において、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、オペアンプ９００により充電される。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が、電圧換算値の出力電圧Ａとして積分回路９２０から出力されることとなる。
【００７０】
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遷移する。
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についても同様に出力電圧Ｂ，Ｃ，Ｄとして出力され、説明が重複するために省略する。
【００７１】
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から入力される、信号検出用コンデンサＣ１〜Ｃ４の検出信号は、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）Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとして出力される（図３（Ａ））。
次いで、時刻ｔ２において、フリップフロップ５０２がＣＬＫ端子に入力されるパルス信号の立ち上がりエッジにより、Ｑ出力をハイレベルに遷移させることにより、ＡＮＤゲート５０６は２入力共にハイレベルとなるため、出力ＶＳＡＭＰＬが立ち上がり、アナログスイッチ５３０、５３１、５３２、５３３を各々オン状態とする。
ここで、時刻ｔ２は、時刻ｔ０から積分出力である出力電圧Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが十分に安定領域に達する時間間隔となるように、予め設定されている。
【００７２】
この結果、各積分回路（９２０，９２１，９２２，９２３）から、アナログスイッチ（５３０、５３１、５３２、５３３）を介して、対応する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Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ、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Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが、時刻ｔ２〜ｔ３各のサンプリング時間（サンプリングパルスである出力ＶＳＡＭＰＬがハイレベル時）において、サンプルホールド用コンデンサＣ１２に保持される。
【００７３】
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Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ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Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを検出することができる。
【００７４】
次いで、時刻ｔ３において、ＡＮＤゲート５０６の出力ＶＳＡＭＰＬが立ち下がり、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出力電圧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。また、このとき、Ｄフリップフロップ５０４のＱＢＡＲ出力がハイレベルとなり、積分コンデンサＣ１１の電荷が放電される。
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。また、出力電圧を検出するタイミング（時刻ｔ２）、積分コンデンサＣ１１の電荷を放電するタイミング（時刻ｔ３）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。
【００７５】
上述した１００ＫＨｚの周期毎に、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。
【００７６】
次に、減算された周期と同様の周期において、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軸方向の揺動に基づく変位、すなわち容量変化を示す演算出力｛（Ｃ−Ａ）＋（Ｄ−Ｂ）｝が出力される。
【００７７】
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。
【００７８】
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、相反的に静電容量が変化する信号検出用コンデンサＣ１〜Ｃ４の所定の対において、この対を構成する信号検出用コンデンサ間の静電容量の容量差を、積分回路（９２０〜９２３）により、対応する電圧換算値（検出電圧Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）を求め、減算器（６００〜６０３）による減算で、上記対ごとの差分を求め、同一軸方向の変位毎に加算することで、容量の変化量を実質的に増加させ、可動部３０ｄにおける変位の検出感度を向上させるとともに、減算を行うことで、平衡状態における初期オフセット及びＺ軸方向の変位の影響による静電容量の変化分をキャンセルすることにより、Ｘ軸及びＹ軸方向各々の変位に基づく変化量のみを抽出することができ、変化量に対する演算のみを行えばよく、演算のダイナミックレンジを広くとることが可能となり、演算による検出感度及び検出精度を向上させることができる。
また、本実施形態に係る静電容量式センサによれば、固定電極１１ａと可動電極３０との間隔を縮めて、変位による単位当たりの静電容量の変化を大きくすることで検出感度を向上させる場合、初期オフセットとしての静電容量が増加したとしても、演算の始めに、相反的に静電容量が変化する容量素子の対において、対を構成する容量素子間の容量差を減算して求めるため、初期オフセットの静電容量が減算によりキャンセルされるため、ダイナミックレンジを狭めることなく、変位量のみでダイナミックレンジを使用することができるため、検出精度を低下させることなく、容易に検出感度を向上させることができる。
【００７９】
また、本実施形態に係る静電容量式センサによれば、相反的に静電容量が変化する容量素子対における容量差、すなわち、第１，第２象限に形成された信号検出用コンデンサＣ２，Ｃ１各々の静電容量の電圧換算値Ｂ及びＡの差分値（差分電圧）と、第４，第３象限に形成された信号検出コンデンサＣ４，Ｃ３各々の静電容量の電圧換算値Ｄ及びＣの差分値とを、それぞれ減算器６００，６０１により減算して求め、これらの差分値を加算器７００で加算することにより、静電容量の変化量を実質的に増加させることができ、可動部３０ｄにおける変位の検出感度を実質的に向上させるとともに、減算を行うことで、平衡状態における初期オフセット及びＺ軸方向の変位の影響による静電容量の変化分をキャンセルすることにより、Ｘ軸方向の変位に基づく変化量のみを抽出することができ、変化量に対する演算のみを行えばよく、演算のダイナミックレンジを広くとることが可能となり、Ｘ軸方向の変位量の検出感度及び検出精度を向上させることができる。
また、相反的に静電容量が変化する容量素子対における容量差、すなわち、第２，第３象限に形成された信号検出用コンデンサＣ１，Ｃ３各々の静電容量の電圧換算値Ａ及びＣの差分値と、第１，第４の象限に形成された信号検出用コンデンサＣ２，Ｃ４各々の静電容量の電圧換算値Ｂ及びＤの差分値とを減算器６０２，６０３により減算して求め、これらの差分値を加算器７０１で加算することにより、上述したＸ軸方向の変位の検出と同様に、Ｙ軸方向の変位量の検出感度及び検出精度も向上させることができる。
【００８０】
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、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。
【００８１】
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
積分回路，減算器及び加算器を各々１つずつ用い、演算回路列を一系統作成して、制御回路により、これら回路の演算順序及び演算処理の制御を制御回路により行い、パルスが入力される毎に、信号検出用コンデンサＣ１，Ｃ２、Ｃ３，Ｃ４と積分回路との接続を順次切換、各信号検出用コンデンサの静電容量を積分回路により順次電圧値換算し、換算により得られた出力電圧を用いて、減算器及び加算器を時分割に使用して（１）式及び（２）式の演算を行い、変位の検出を行う構成としても良い。ここで、検出のパルスである駆動信号ＶＤＲＩＶＥを、一定周期毎に信号検出用コンデンサＣ１〜Ｃ４に一括して与えても良いし、積分回路により電圧換算（静電容量値を電圧値へ変換する）し、検出電圧を測定する信号検出用コンデンサ毎に、順次与える構成としてもよい。
【００８２】
Ｙ軸方向の変位を検出する場合を例に取り、演算列を一系統とし、静電容量を時分割で演算する構成の動作例を説明する。
ａ．信号検出用コンデンサＣ３と積分回路とを接続し、この信号検出用コンデンサＣ３の静電容量に対応した出力電圧を積分回路により求め、求めた結果をサンプリングし、出力電圧Ｃとして一旦保持し、信号検出用コンデンサＣ３と積分回路とを切り離す。
ｂ．信号検出用コンデンサＣ１と積分回路とを接続し、この信号検出用コンデンサＣ１の静電容量に対応した出力電圧を積分回路により求め、求めた結果をサンプリングし、出力電圧Ａとして一旦保持し、信号検出用コンデンサＣ１と積分回路とを切り離す。次に、減算器により上記出力電圧Ｃと出力電圧Ａとの第１の差分値「Ｃ−Ａ」を演算して求め、この求めた結果をサンプリングして一旦保持する。
【００８３】
ｃ．信号検出用コンデンサＣ４と積分回路とを接続し、この信号検出用コンデンサＣ４の静電容量に対応した出力電圧を積分回路により求め、求めた結果をサンプリングし、出力電圧Ｄとして一旦保持し、信号検出用コンデンサＣ４と積分回路とを切り離す。
ｄ．信号検出用コンデンサＣ２と積分回路とを接続し、この信号検出用コンデンサＣ２の静電容量に対応した出力電圧を積分回路により求め、求めた結果をサンプリングし、出力電圧Ｂとして一旦保持し、信号検出用コンデンサＣ２と積分回路とを切り離す。次に、減算器により上記出力電圧Ｄと該出力電圧Ｂとの第２の差分値「Ｄ−Ｂ」を演算して求め、この求めた結果をサンプリングして一旦保持する。
ｅ．加算回路により、上記第１及び第２の差分値を加算し、Ｙ軸方向の揺動に基づく変位の検出値として、演算出力｛（Ｃ−Ａ）＋（Ｄ−Ｂ）｝を出力する。
【００８４】
Ｘ軸方向の変位の検出においても、上述したＹ軸方向の変位の検出と同様に、計算に用いる順に信号検出用コンデンサの静電容量の測定を行い、測定された静電容量に基づいて得られる出力電圧により、（２）式の演算を、減算を行った結果に対して加算を行うという順に行い、演算出力｛（Ａ−Ｂ）＋（Ｃ−Ｄ）｝を出力する。この構成を用いることにより、積分回路，減算回路及び加算回路を１つずつ接続して、１系統の演算回路を構成すれば良く、全体の回路規模を小さくすることができ、製造コストを減少させることができる。
また、上記一系統の演算回路における積分回路，減算回路及び加算回路の詳細な構成は限定しないが、各回路をオペアンプ，コンデンサ及びスイッチによるスイッチトキャパシタ（ＳＣ）回路を用いて構成することにより、演算回路全体の構成を簡略化し、かつ演算結果の信頼性を向上させることもできる。
【００８５】
すなわち、ＳＣ回路を用いることにより、所定の制御に従い、ＳＣ回路を構成する各スイッチの切換動作をさせることで、上記一系統の演算回路における積分，減算，加算の演算を、時系列に容易に行うことができる。また、集積回路により上記演算回路を実現しようとする場合、オペアンプにより積分，減算及び加算回路を構成する目的であれば、コンデンサの方が抵抗に比較してより小さな面積で、抵抗による抵抗比に対応した、各演算に対応するコンデンサの容量比を得ることができ、かつ、温度特性についても、コンデンサの方が抵抗に比較して安定しており、さらに、回路規模を小さく構成できるとともに、演算結果がばらつく等の温度に電気特性の変動を低下させることができる。
【００８６】
【発明の効果】
以上述べたように、本願発明の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、該固定基板に所定の間隔にて対向配置され、揺動動作可能に支持された可動部に設けられた可動電極とを有し、該可動電極と前記固定電極とより構成される容量素子における前記可動部の変位に基づく静電容量の変化により、前記可動部の揺動動作を検出する静電容量式センサであり、前記固定電極の電極面に平行なＸ−Ｙ座標面の第１から第４象限に各々対応して、前記容量素子が１つずつ設けられており、所定の象限を対応させて相反的に静電容量が変化する前記容量素子の対を形成し、一対毎に容量素子間の静電容量の容量差を減算により求め、求められた各対の容量差を加算して、該加算結果に基づき揺動動作の変位を検出しているため、相反的に静電容量が変化する容量素子の対において、対を構成する容量素子間の容量差を減算して求め、この容量差を加算することにより、容量の変化量を実質的に増加させ、可動部における変位の検出感度を向上させるとともに、減算を行うことで、平衡状態における初期オフセット及びＺ軸方向の変位の影響による静電容量の変化分をキャンセルすることにより、Ｘ軸及びＹ軸方向各々の変位に基づく変化量のみを抽出することができ、変化量に対する演算のみを行えばよく、演算のダイナミックレンジを広くとることが可能となり、演算による検出感度及び検出精度を向上させることができる。
【００８７】
また、固定電極と可動電極との間隔を縮めて、変位による単位当たりの静電容量の変化を大きくすることで検出感度を向上させる場合、初期オフセットとしての静電容量が増加したとしても、演算の始めに、相反的に静電容量が変化する容量素子の対において、対を構成する容量素子間の容量差を減算して求めるため、初期オフセットの静電容量が減算によりキャンセルされるため、ダイナミックレンジを狭めることなく、変位量のみでダイナミックレンジを使用することができるため、検出精度を低下させることなく、容易に検出感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による静電容量式センサの電気的構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態による静電容量式センサの電気的構成例を示すブロック図である。
【図３】図１及び２に示した静電容量式センサの動作例を示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施形態による静電容量式センサの全体構成例を示す概略断面図である。
【図５】本発明の実施形態による静電容量式センサの全体構成例を示す分解斜視図である。
【図６】図４に示した本発明の実施形態による静電容量式センサにおける基板１０の構造例を示す平面図である。
【図７】図４に示した本発明の実施形態による静電容量式センサにおける基板１０に対向して設けられている金属板（可動電極）３０の構造例を示す平面図である。
【図８】従来例による静電容量式センサの全体構成を示す概略断面図である。
【図９】図８における固定電極の構造を示す平面図である。
【図１０】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である。
【符号の説明】
１０…基板（固定基板） １１ａ…固定電極
１２…支持用突起（支持体） １２Ｓ…グランド層
２０…スペーサ ３０…可動電極（他の基板）
３０ａ…支持部 ３０ｂ…中間部
３０ｃ…第１の連結部 ３０ｄ…可動部
３０ｅ…第２の連結カバー ３１…第１のスリット（溝孔）
３２…第２のスリット（溝孔）
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…オペアンプ
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、該固定基板に所定の間隔にて対向配置され、揺動動作可能に支持された可動部に設けられた可動電極とを有し、前記可動部の変位による、前記可動電極と前記固定電極とにて構成される容量素子の静電容量の変化に基づき、前記可動部の揺動動作を検出する静電容量式センサであり、
   前記固定電極の電極面におけるＸ−Ｙ座標面の第１から第４象限に各々対応して、前記容量素子が１つずつ設けられており、
   相反的に容量が変化する前記容量素子の対を構成し、一対毎に容量素子間の静電容量の容量差を減算により求め、求められた各対の容量差を加算して、該加算結果に基づき、Ｘ軸方向及びＹ軸方向における揺動動作の変位を検出することを特徴とする静電容量式センサ。
2. 前記第１及び第２象限に各々対応する第１，第２の容量素子の静電容量の第１の容量差を求める第１の減算手段と、前記第４及び第３象限に各々対応する第４，第３の容量素子の静電容量の第２の容量差を求める第２の減算手段と、前記第１及び第２の容量差を加算する第１の加算手段と、前記第２及び第３象限に各々対応する第２，第３の容量素子の静電容量の第３の容量差を求める第３の減算手段と、前記第１及び第４象限に各々対応する第１，第４の容量素子の静電容量の第４の容量差を求める第４の減算手段と、前記第３及び第４の容量差を加算する第２の加算手段とを有し、第１の加算手段の加算結果によりＸ軸方向の変位、また第２の加算手段の加算結果によりＹ軸方向の変位を検出することを特徴とする請求項１記載の静電容量式センサ。
3. 前記第１及び第３象限に各々対応する第１，第３の容量素子の静電容量の第１の容量差を求める第１の減算手段と、前記第４及び第２象限に各々対応する第４，第２の容量素子の静電容量の第２の容量差を求める第２の減算手段と、前記第１及び第２の容量差を加算する第１の加算手段と、前記第１及び第３象限に各々対応する第１，第３の容量素子の静電容量の第３の容量差を求める第３の減算手段と、前記第２及び第４象限に各々対応する第２，第４の容量素子の静電容量の第４の容量差を求める第４の減算手段と、前記第３及び第４の容量差を加算する第２の加算手段とを有し、第１の加算手段の加算結果によりＸ軸方向の変位、また第２の加算手段の加算結果によりＹ軸方向の変位を検出することを特徴とする請求項１記載の静電容量式センサ。
4. 前記固定基板と前記可動部に設けられた錘との間に配置され、前記可動部を揺動自在に支持する支持体を有す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静電容量式センサ。
5. 前記支持体の高さにより、前記固定基板と可動部との間隔を制御し、該可動部の変位の検出感度を調整す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. 前記可動部が前記固定基板に対向して配設された他の基板に中間部とともに形成されており、該中間部が該他の基板を固定する支持部に第１の軸回りに揺動可能に支持され、前記可動部が前記第１の軸と直交する第２の軸回りに揺動可能に、前記中間部に支持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静電容量式センサ。
7. 前記支持部と前記中間部とが前記第１の軸に平行な第１の連結部により連結され、前記中間部と前記可動部とが前記第２の軸に平行な第２の連結部により連結され、前記支持部，前記中間部，前記可動部，前記第１及び第２の連結部とが前記他の基板に溝孔を設けて一体に形成されてい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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