静電容量型加速度検出装置及びそのキャリブレーション方法
【課題】重錘体に対向して配置された検出電極間の静電容量を正確に検出して感度の調整とオフセットの調整とを行うキャリブレーション機能を備えること。
【解決手段】容量電圧変換回路４０３は、一方の検出電極と重錘体間の容量及び他方の検出電極と重錘体間の容量を電圧に変換する機能と、一方の検出電極と重錘体間の容量と他方の検出電極と重錘体間の容量との差を電圧に変換する機能とを備える。ＥＥＰＲＯＭ４１０は、感度補正値とオフセット補正値とを保存する。可変ゲインアンプ４０４は、容量電圧変換回路４０３からの出力を感度補正値に基づいて調節する。オフセット補正回路４０６は、復調回路４０５からの出力をオフセット補正値に基づいて調節する。デジタルインターフェイス４０８は、ＥＥＰＲＯＭ４１０へ感度補正値とオフセット補正値との書き込みを行う。
【解決手段】容量電圧変換回路４０３は、一方の検出電極と重錘体間の容量及び他方の検出電極と重錘体間の容量を電圧に変換する機能と、一方の検出電極と重錘体間の容量と他方の検出電極と重錘体間の容量との差を電圧に変換する機能とを備える。ＥＥＰＲＯＭ４１０は、感度補正値とオフセット補正値とを保存する。可変ゲインアンプ４０４は、容量電圧変換回路４０３からの出力を感度補正値に基づいて調節する。オフセット補正回路４０６は、復調回路４０５からの出力をオフセット補正値に基づいて調節する。デジタルインターフェイス４０８は、ＥＥＰＲＯＭ４１０へ感度補正値とオフセット補正値との書き込みを行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クーロン力を用いた感度の調整とオフセットの調整とを行うキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置及びそのキャリブレーション方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電極間距離の変化を利用して物理量を検出する装置及びその動作試験方法については良く知られている。例えば、２枚の基板を対向させて配置し、それぞれの基板上に電極を形成した単純な構造の検出装置が知られている。この検出装置においては、加速度などの物理量に基づいて一方の基板を変位させ、この変位により両基板上に形成した電極間距離を変化させ、これを両電極間の静電容量の変化として検出している。また、この検出装置は、一方の基板に重錘体を接合しておき、この重錘体に作用した加速度に基づいて基板を変位させれば、作用した加速度を検出する加速度検出装置として使用できるものである。
【０００３】
通常、何らかの物理量の検出装置を製品化する場合、この検出装置が正しい検出信号を出力するか否かの動作試験を行う必要が生じる。従来、このような動作試験は、検出対象となる物理量を実際にその検出装置に作用させ、そのときの検出信号を調べるという方法が採られている。例えば、加速度の検出装置であれば、実際に所定の大きさの加速度を所定の方向から検出装置に作用させ、そのときの検出信号が、与えた加速度に応じた正しいものになっているか否かを判定する。
【０００４】
この種の加速度検出装置として、例えば、特許文献1及び２のものが提案されている。特許文献１に記載の加速度検出装置は、直交３軸方向（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の加速度測定が可能な加速度センサの電気的特性を測定する際に、各検出軸方向に重力加速度を印加するための加速度発生装置及びこれを用いた加速度センサ測定装置に関するものである。
【０００５】
また、特許文献２に記載の加速度検出装置は、互いに直交する３軸の加速度成分を検出して加速度成分信号を出力する３軸加速度センサと、３軸加速度センサが装着され、装着された３軸加速度センサの加速度検出信号を測定する測定板と、測定板を回転支持する支持板と、支持板を回転させる主回転軸とを備えたものである。
【０００６】
しかしながら、このような動作試験を行うには、専用の試験設備が必要になり、試験作業も煩雑で時間のかかるものとなる。特に、専用の試験設備で試験できる数量が限定され、生産性の低下を招くことになる。したがって、このような従来の試験方法は、大量生産される装置に対する動作試験としては不適当であるという問題があった。
【０００７】
そこで、例えば、特許文献３のような加速度センサの検査装置及びその動作試験方法が提案されている。この特許文献３のものは、外力の作用により変位しうるように支持された変位電極と、この変位電極に対向する位置において装置筐体に固定された固定電極と、これら両電極の間の距離の変化を電気信号として取り出す検出手段とを備え、外力に対応した加速度を電気信号として検出する加速度検出装置の動作試験方法であって、両電極の間に所定の電圧を印加し、この印加電圧に基づいて発生するクーロン力により変位電極を変位させた状態において、両電極の一方の電極に所定の大きさをもった時間的変動成分を有する電気信号を与え、このときに他方の電極に伝達される変動成分の大きさを、印加電圧と比較することにより、この検出装置の動作を試験するようにした、電極間距離の変化を利用して加速度を検出する加速度検出装置の動作試験方法である。
【０００８】
さらに、これ以外の電極間距離の変化を利用して物理量を検出する装置及びその動作試験方法、つまり、試験電極に電圧をかけてクーロン力で変位させ、印加電圧の大きさと変位量（容量変化）を比較して動作試験を行うものとしては、例えば、特許文献4及び５が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−００２９１４号公報
【特許文献２】特開２００７−３２２３３７号公報
【特許文献３】特開２００２−２２１４６３号公報
【特許文献４】国際公開ＷＯ１９９２／１７７５９号公報
【特許文献５】特開２０００−１４６７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述した検査装置及びその動作試験方法では、基本的に故障検出などの大まかな動作試験しかできないという問題があった。これは、加速度センサで感度やオフセットのばらつきに対して較正を行う場合、加速度センサの形状のばらつきにより、リファレンスにするクーロン力自体もばらつくため、感度及びオフセットを正確に較正できないためである。
【００１１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、変位可能な重錘体と、この重錘体に対向して配置された検出電極間の静電容量を正確に検出して感度の調整とオフセットの調整とを行うキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置及びそのキャリブレーション方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、変位可能な重錘体と、該重錘体に対向して設けられ、該重錘体の変位によって一方の検出電極と該重錘体との容量は増加し、他方の検出電極と該重錘体との容量は減少する一対の検出電極を複数備える静電容量型加速度センサを有し、感度及びオフセットを調整する静電容量型加速度検出装置において、前記静電容量型加速度センサが備える前記複数の一対の検出電極から一対の検出電極を選択する電極選択手段と、該電極選択手段により選択された前記一対の検出電極の前記一方の検出電極及び前記他方の検出電極と前記重錘体間の容量を検出する容量検出手段と、前記電極選択手段により選択された前記一対の検出電極の前記一方の検出電極及び前記他方の検出電極に電圧を印加する電圧印加手段と、前記容量検出手段により検出された容量と前記検出電極に印加された電圧とから求められる感度補正値とオフセット補正値とを保持する記憶手段と、該記憶手段によって保持された補正値に応じて感度調整を行う感度調整手段と、前記記憶手段によって保持された補正値によりオフセット調整を行うオフセット調整手段とを備えていることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記静電容量型加速度センサが、前記重錘体の厚みの等しい複数の静電容量型加速度センサからなることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記電圧印加手段が、電圧発生源を備え、該電圧発生源が生成する電圧を前記検出電極に印加することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記電圧印加手段が、外部から供給される電圧を前記検出電極に印加することを特徴とする。
【００１６】
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発明において、容量検出手段が、前記選択された一対の検出電極のうち、前記一方の検出電極と前記重錘体間の容量を電圧に変換する機能と、前記他方の検出電極と前記重錘体間の容量を電圧に変換する機能と、前記一方の検出電極と前記重錘体間の容量と前記他方の検出電極と前記重錘体間の容量との差を電圧に変換する機能とを備えていることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、容量検出手段が、２つの容量を個別に検出するシングルエンド容量電圧変換回路と、該シングルエンド容量電圧変換回路からの出力電圧の差を出力する差動増幅回路と、前記シングルエンド容量電圧変換回路からの出力と前記差動増幅回路からの出力とから一つの出力を選択するセレクタとから構成されていることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明において、前記感度調整手段に、寄生容量除去手段を付加したことを特徴とする。
【００１９】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の発明において、前記静電容量型加速度センサが、櫛歯型のＸ軸用静電容量型加速度センサと、櫛歯型のＹ軸用静電容量型加速度センサと、シーソー型のＺ軸用静電容量型加速度センサとを一体的に構成した静電容量型３軸加速度センサであることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記櫛歯型のＸ軸用静電容量型加速度センサの重錘体と前記櫛歯型のＹ軸用静電容量加速度センサの重錘体とが同一であることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１０に記載の発明は、変位可能な重錘体と、該重錘体に対向して設けられ、該重錘体の変位によって一方の検出電極と該重錘体との容量は増加し、他方の検出電極と該重錘体との容量は減少する一対の検出電極を複数備える静電容量型加速度センサを有し、該一対の容量の差を検出する静電容量型加速度検出装置における感度及びオフセットの調整を行うキャリブレーション方法において、前記重錘体に対向する一方の検出電極に基準電圧を印加して他方の検出電極と重錘体間の容量を検出するステップと、前記一方の検出電極に前記基準電圧と異なる電圧を印加して前記他方の検出電極と前記重錘体間の容量を検出するステップと、前記検出された容量から感度補正値を求めて感度調整を行うステップと、前記一方の検出電極と前記重錘体間の検出された容量と、前記他方の検出電極と前記重錘体間の検出された容量との容量差を検出するステップと、前記検出された容量差からオフセット補正値を求めてオフセット補正を行うステップとを有することを特徴とする。
【００２２】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の発明において、前記感度調整を行うステップが、前記検出された容量から寄生容量を除去して感度補正値を求めることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１０又は１１に記載の発明において、前記感度調整を行うステップが、前記感度補正値に重力とクーロン力との違いを係数として掛けた値を前記感度補正値として使用することを特徴とする。
【００２４】
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１０，１１又は１２に記載の発明において、前記オフセット補正を行うステップが、複数個の静電容量型加速度センサから得られる容量値の分布から前記感度補正値を求めることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１０，１１又は１２に記載の発明において、前記感度調整を行うステップが、複数個の静電容量型加速度センサから得られる重力に対する容量変化と、電圧による容量変化との関係から前記感度補正値を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、変位可能な重錘体と、この重錘体に対向して設けられ、重錘体の変位によって一方の検出電極と該重錘体との容量は増加し、他方の検出電極と重錘体との容量は減少する一対の検出電極を複数備える静電容量型加速度センサを有し、感度及びオフセットを調整する静電容量型加速度検出装置において、静電容量型加速度センサが備える複数の一対の検出電極から一対の検出電極を選択する電極選択手段と、この電極選択手段により選択された一対の検出電極の一方の検出電極及び他方の検出電極と重錘体間の容量を検出する容量検出手段と、電極選択手段により選択された一対の検出電極の一方の検出電極及び他方の検出電極に電圧を印加する電圧印加手段と、容量検出手段により検出された容量と検出電極に印加された電圧とから求められる感度補正値とオフセット補正値とを保持する記憶手段と、この記憶手段によって保持された補正値に応じて感度調整を行う感度調整手段と、記憶手段によって保持された補正値によりオフセット調整を行うオフセット調整手段とを備えているので、感度の調整とオフセットの調整とを行うキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置及びそのキャリブレーション方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る静電容量型加速度センサを説明するための構成図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。
【図２】本発明に係る他の静電容量型加速度センサを説明するための構成図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は電極の上面図である。
【図３】本発明に係る静電容量型加速度センサを説明するための構成図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
【図４】本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を説明するためのブロック図である。
【図５】図４で説明した容量電圧変換回路の構成例を説明した回路図である。
【図６】本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置に用いられるＸ，Ｙ軸方向検出用の静電容量型加速度センサの感度調整方法を説明するための原理図である。
【図７】本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置に用いられるＺ軸方向検出用の静電容量型加速度センサの感度調整方法を説明するための原理図である。
【図８】複数の静電容量型加速度センサに対する容量値の分布図である。
【図９】重力に対する容量変化と電圧による容量変化の関係を表す分布図で、（ａ）は、重錘体の厚みｔがばらつき、ｄはほぼ一定である場合の例、（ｂ）は、重錘体の厚みｔがほぼ一定で、ギャップｄがばらつく場合の例を示している。
【図１０】本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置におけるキャリブレーション方法を説明するためのフローチャートを示す図である。
【図１１Ａ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その１）である。
【図１１Ｂ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その２）である。
【図１１Ｃ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その３）である。
【図１１Ｄ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その４）である。
【図１１Ｅ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その５）である。
【図１１Ｆ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その６）である。
【図１１Ｇ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その７）である。
【図１１Ｈ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その８）である。
【図１１Ｉ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その９）である。
【図１１Ｊ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その１０）である。
【図１１Ｋ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その１１）である。
【図１１Ｌ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その１２）である。
【図１１Ｍ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その１３）である。
【図１１Ｎ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その１４）である。
【図１１Ｏ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その１５）である。
【図１２】本発明に係る静電容量型加速度センサの他の実施例を説明するための構成図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２９】
図１（ａ）及至（ｃ）は、本発明に係る静電容量型加速度センサを説明するための構成図で、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。
【００３０】
この静電容量型加速度センサは、櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０であって、変位可能な重錘体１６と、重錘体１６に結合した櫛歯可動電極１７ａ及至１７ｆと、櫛歯可動電極１７ａ及至１７ｆを挟んで対向して配置された固定電極１３ａ及至１３ｆと固定電極１４ａ及至１４ｆと、重錘体１６に結合した梁部材１２ａ及至１２ｄと、梁部材１２ａ，１２ｃと結合した固定アンカー１１ａと、梁部材１２ｂ，１２ｄと結合した固定アンカー１１ｂと、固定アンカー１１ａ，１１ｂを支持する基板１５とを備え、櫛歯可動電極１７ａ及至１７ｆと一方の検出電極（固定電極１３ａ及至１３ｆ）との間の静電容量変化と、可動電極１７ａ及至１７ｆと他方の検出電極（固定電極１４ａ及至１４ｆ）との間の静電容量変化を検出するように構成されている。なお、符号Ｌは、固定電極に対向する櫛歯可動電極の領域を示し、ｄは固定電極と櫛歯可動電極との間隔を示している。
【００３１】
このような櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０に対して、動作試験機能を有する静電容量型加速度検出装置が構成でき、クーロン力によって生じる重錘体１６の櫛型可動電極１７ａ及至１７ｆと、固定電極１３ａ及至１３ｆまたは固定電極１４ａ及至１４ｆとの間に生じる容量変化により高精度の動作試験を行うことができる。
【００３２】
図２（ａ）及至（ｃ）は、本発明に係る他の静電容量型加速度センサを説明するための構成図で、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、図２（ｃ）は電極の上面図である。
【００３３】
この静電容量型加速度センサは、シーソー型の静電容量型加速度センサ２０であって、変位可能な重錘体２６と、この重錘体２６に結合した梁部材２２ａ及至２２ｂと、この梁部材２２ａ及至２２ｂとに結合した固定アンカー２１と、この固定アンカー２１を支持する基板２５と、この基板上に配置され重錘体２６と対向する左側検出固定電極２３と、固定アンカー２１を挟んで重錘体２６に対向する右側検出固定電極２４とを備え、重錘体２６と左側検出固定電極２３との静電容量変化と、重錘体２６と右側検出固定電極２４との静電容量変化を検出するように構成されている。なお、符号Ｌ１は固定アンカー２１の中心位置から固定電極の一端間の距離、Ｌ２は固定アンカー２１の中心位置から固定電極の他端間の距離、ＷEは固定電極の幅を示している。
【００３４】
図３（ａ），（ｂ）は、本発明に係る静電容量型加速度センサを説明するための構成図で、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
【００３５】
この静電容量型加速度センサは、図１に示した櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０をＸ軸用に配置した櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｘと、図１に示した櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０をＹ軸用に配置した櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｙと、図２に示したシーソー型の静電容量型加速度センサ２０をＺ軸用に配置したシーソー型の静電容量型加速度センサ２０Ｚを一体的に構成した静電容量型３軸加速度センサ３０である。
【００３６】
つまり、Ｘ軸方向の加速度を検出するための静電容量型加速度センサ１０Ｘと、Ｙ軸方向の加速度を検出するための静電容量型加速度センサ１０Ｙと、Ｚ軸方向の加速度を検出するための静電容量型加速度センサ２０Ｚとが、同一平面上に構成されており、静電容量型３軸加速度センサを構成する３つの重錘体１６Ｘ，１６Ｙ，２６Ｚの厚み全てが等しく構成されている。なお、符号３１は枠、３２は基板、ｔは重錘体２６Ｚの厚さを示している。
【００３７】
このような構成により、Ｘ軸方向の加速度は、Ｘ軸用の静電容量型加速度センサ１０Ｘにおける重錘体１６Ｘに結合した櫛歯可動電極と固定電極間の容量変化により検出し、Ｙ軸方向の加速度は、Ｙ軸用の静電容量型加速度センサ１０Ｙにおける重錘体１６Ｙに結合した櫛歯可動電極と固定電極間の容量変化により検出し、Ｚ軸方向の加速度は、Ｚ軸用の静電容量型加速度センサ２０Ｚにおける重錘体２６Ｚと左右の固定電極との静電容量変化を検出する。
【００３８】
図４は、本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を説明するためのブロック図である。静電容量型３軸加速度センサ３０は、Ｘ，Ｙ軸方向加速度検出用の櫛歯型の静電容量加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙと、Ｚ軸方向加速度検出用のシーソー型の静電容量型加速度センサ２０Ｚを備えている。静電容量型加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙは、それぞれ、一方の櫛歯可動電極と固定電極とからなる一方の検出電極と、他方の櫛歯可動電極と固定電極とからなる他方の検出電極とを備えている。同様に、静電容量型加速度センサ２０Ｚは、一方の検出電極と他方の検出電極とを備えている。なお、キャリブレーション機能とは、感度の調整とオフセットの調整とを行うものである。より具体的には、感度の調整とは、一定加速度に対する静電容量変化の大きさのばらつきが個々の静電容量型加速度センサに生じている場合でも、個々の静電容量型加速度検出装置の出力が一定となるよう調整を行うことである。また、オフセットの調整とは、静電容量型加速度センサに加速度が加わっていない場合に、静電容量型加速度検出装置の出力が０となるよう調整を行うことである。
【００３９】
マルチプレクサ（電極選択手段）４０１は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向加速度検出用の３つの静電容量型加速度センサのうちの一つに属する検出電極一対を選択する。容量電圧変換回路（容量検出手段）４０３は、マルチプレクサ４０１で選ばれた一対の検出電極のうち、一方の検出電極と重錘体間の容量を電圧に変換する機能と、他方の検出電極と重錘体間の容量を電圧に変換する機能と、一方の検出電極と重錘体間の容量と他方の検出電極と重錘体間の容量との差を電圧に変換する機能とを備えている。
【００４０】
なお、具体的な回路図は、後述する図５に記載されている。また、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸それぞれに個別の容量電圧変換回路を持つ場合と比べて、このようにマルチプレクサ４０１と単一の容量電圧変換回路４０３を用いて、時分割でＸ，Ｙ，Ｚ軸方向加速度を測定する場合、同一の容量電圧変換回路を用いるため、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸間の相対的な測定誤差を低減できる。
【００４１】
電圧源４０２は、マルチプレクサ４０１で選ばれた検出電極に加えるための電圧を発生するためのものである。ＥＥＰＲＯＭ４１０は、感度補正値とオフセット補正値とを書き込み保存するためのメモリである。可変ゲインアンプ（感度調整手段）４０４は、容量電圧変換回路４０３からの出力を感度補正値に基づいて調節するためのものである。なお、感度調整するに際しては、検出電極と重錘体の対向部の容量以外に、検出電極と重錘体の上下面等、検出電極と重錘体の対向部以外とに生じる寄生容量、及び、静電容量型加速度センサと回路を接続する配線に生じる寄生容量があり、これらの寄生容量の影響を除去することが望ましい。そのためには、シミュレーションにより前もって寄生容量の影響を見積もり、これを加味して感度補正値を求める必要がある。加えて、後述する重力とクーロン力との差異から生じる影響を除去することが望ましい。そのためには、寄生容量の影響と同様にして、シミュレーションにより前もって影響を見積もり、これを加味して感度補正値を求める必要がある。このように求めた感度補正値にもとづいて可変ゲインアンプ４０４を調整することにより、寄生容量の影響及び重力とクーロン力との差異から生じる影響を除去することができる。つまり、可変ゲインアンプ４０４を寄生容量除去手段及び重力とクーロン力との差異から生じる影響除去手段として用いることができる。
【００４２】
発振回路４０９は、静電容量型３軸加速度センサ３０が備える３つの重錘体に対して高周波電圧を加えるためのものである。復調回路４０５は、高周波に変調されている可変ゲインアンプ４０４からの出力を直流に復調するためのものである。オフセット補正回路（オフセット調整手段）４０６は、復調回路４０５からの出力をオフセット補正値に基づいて調節するためのものである。アナログデジタル変換器４０７は、復調回路４０５からの出力電圧をデジタル値に変換するためのものである。
【００４３】
デジタルインターフェイス４０８は、アナログデジタル変換回路出力を、演算処理機能を有する外部装置に送信すると共に、外部装置からの命令を受信し、ＥＥＰＲＯＭ４１０へ感度補正値とオフセット補正値との書き込みを行うためのものである。加えて、可変ゲインアンプ４０４とオフセット補正回路４０６に対して感度補正値とオフセット補正値とに基づいて設定を行うためのものである。
【００４４】
なお、演算処理機能を有する外部装置としては、静電容量型加速度検出装置の検査を行うための半導体テスタや、携帯電話等の電子機器に搭載され静電容量型加速度検出装置を制御するマイクロコントローラが考えられる。
【００４５】
このような構成により、どのようにしてキャリブレーション機能を実現するかについては、後述する図１１に基づいて詳細に説明する。つまり、このようなキャリブレーションを行った後、本発明の静電容量型加速度検出装置は、マルチプレクサ４０１のある状態のもとで一方及び他方の検出電極間の容量差を測定し、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の加速度検出を行うことができ、その出力は、デジタルインターフェイス４０８から容量値として取り出すことができる。
【００４６】
図５は、図４で説明した容量電圧変換回路の構成例を説明した回路図である。この容量電圧変換回路４０３は、２つの容量を個別に検出するシングルエンド容量電圧変換回路５１ａ，５１ｂと、シングルエンド容量電圧変換回路５１ａ，５１ｂからの出力電圧の差を出力する差動増幅回路５２と、シングルエンド容量電圧変換回路５１ａ，５１ｂからの出力と差動増幅回路５２からの出力とから一つの出力を選択するセレクタ５３とから構成されている。
【００４７】
このような構成により、上述したように、容量電圧変換回路４０３は、マルチプレクサ４０１で選ばれた一対の検出電極のうち、一方の検出電極と重錘体間の容量を電圧に変換する機能と、他方の検出電極と重錘体間の容量を電圧に変換する機能と、一方の検出電極と重錘体間の容量と他方の検出電極と重錘体間の容量との差を電圧に変換する機能とを備えている。
【００４８】
図６（ａ）乃至（ｅ）は、本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置に用いられるＸ，Ｙ軸方向検出用の静電容量型加速度センサの感度調整方法を説明するための原理図である。なお、ここでは、Ｘ軸方向加速度検出用の櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｘについての感度調整方法について説明する。符号６０Ｌは一方の検出電極で、図１における１３ａ乃至１３ｆに対応し、６０Ｒは他方の検出電極で、図１における１４a乃至１４ｆに対応している。
【００４９】
まず、図６（ａ）は、重力加速度による容量変化を検出する通常の加速度検出状態を示している。質量Ｍを有する重錘体１６Ｘに加わる重力Ｍ・ｇと、重力Ｍ・ｇによる容量変化とから、力あたりの容量変化ｋg［Ｆ／Ｎ］を次のように表すことができる。
【００５０】
【数１】
【００５１】
ここで、ＣLXは一方の検出電極６０Ｌと重錘体１６Ｘ間の容量、ＣRXは他方の検出電極６０Ｒと重錘体１６Ｘ間の容量を表す。
【００５２】
一方、重力の代わりにクーロン力を用いても力あたりの容量変化ｋc［Ｆ／Ｎ］を求めることができる。図６（ｂ）及至（ｅ）を用いてこれを説明する。まず、図６（ｂ）で示すように、一方の検出電極６０Ｌに基準電圧ＶＣＯＭを加えた状態で、他方の検出電極６０Ｒと重錘体１６Ｘ間の容量ＣRX0を検出する。次に、図６（ｃ）で示すように、一方の検出電極６０Ｌに電圧ＶＤＤを加えた状態で、他方の検出電極６０Ｒと重錘体１６Ｘ間の容量ＣRXdを検出する。ＶＤＤを加えた他方の検出電極６０Ｒと重錘体１６Ｘ間に働くクーロン力ＦCLは、次のように表すことができる。
【００５３】
【数２】
【００５４】
Ｓは検出電極と重錘体が重なり合う面積を表し、ｄは、検出電極と重錘体間のギャップを表し、Ｎは、静電容量型加速度センサ１０Ｘの固定電極と可動電極の組数を表し、Ｌは固定電極と可動電極とが重なり合う長さを表す。
【００５５】
次に、図６（ｄ）で示すように、他方の検出電極６０Ｒに基準電圧ＶＣＯＭを加えた状態で、一方の検出電極６０Ｌと重錘体１６Ｘ間の容量ＣLX0を検出する。次に、図６（ｅ）で示すように、他方の検出電極６０Ｒに電圧ＶＤＤを加えた状態で、一方の検出電極６０Ｌと重錘体１６Ｘ間の容量ＣLXdを検出する。ＶＤＤを加えた他方の検出電極６０Ｒと重錘体１６Ｘ間に働くクーロン力ＦCRは、次のように表すことができる。
【００５６】
【数３】
【００５７】
ここで、加えた力ＦCLとＦCLによる容量変化（ＣRXd−ＣRX0）と、加えた力ＦCRとＦCRによる容量変化（ＣLXd−ＣLX0）とからクーロン力による力あたりの容量変化ｋc［Ｆ／Ｎ］を次のように表すことができる。
【００５８】
【数４】
【００５９】
ｋcとｋgが等しい場合、錘の質量Ｍがわかっていれば、重力Ｍｇによる容量変化、つまり、静電容量型加速度センサ１０Ｘの感度を、ｋcを使って次のように予測することができる。
【００６０】
【数５】
【００６１】
また、ここで、数式５に数式２、３を代入することにより、次の式を得ることができる。
【００６２】
【数６】
【００６３】
Ａは錘の面積、ρSiは錘の密度を表す。
【００６４】
また、検出容量と、検出電極と重錘体間のギャップｄとの間には、次の関係がある。
【００６５】
【数７】
【００６６】
数式７を数式６に代入することにより、次の式を得ることができる。
【００６７】
【数８】
【００６８】
数式６の場合、感度は、検出電極と重錘体間のギャップｄの二乗に比例しており、ｄのばらつきが予測感度の誤差となる。一方、数式８の場合、感度は、重錘体の厚みｔの二乗に比例しており、ｔのばらつきが、予測感度の誤差となる。ばらつきの要因に応じて数式６又は数式８を用いて感度を予測し、感度補正値を求める。
【００６９】
なお、数式８を用いて感度を予測する場合、容量ＣLX0とＣRX0には、クーロン力と無関係な寄生容量Ｃpが含まれており、これが誤差要因のひとつなっている。そこで、シミュレーションにより、Ｃpを求め、測定したＣLX0とＣRX0とからＣpを除いた値を、クーロン力を求める際に用いることにより誤差を低減できる。または、ＣLX0とＣRX0の値に対応するクーロン力をシミュレーションから直接求めても良い。
【００７０】
また、静電容量型加速度センサ１０Ｘの形状が、ｔｙｐｃａｌ値で形成されており、重錘体の厚みｔやギャップｄにばらつきがない場合でも、重力から求まる感度とクーロン力から求まる感度には、誤差が存在する。一つの原因として、重力は、重錘体と重錘体に結合してバネとして働く梁部材にも加わるが、クーロン力は、検出電極と重錘体との間にしか加わらないためである。この誤差については、クーロン力から求めた感度と重力から求まる感度との差をシミュレーションにより求めることにより、補正係数を算出し、予測感度の誤差を低減する。
【００７１】
なお、Ｙ軸方向加速度検出用の櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｙについての感度調整方法も同様である。
【００７２】
図７（ａ）至及（ｅ）は、本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置に用いられるＺ軸方向検出用の静電容量型加速度センサの感度調整方法を説明するための原理図である。ここでは、シーソー型の静電容量型加速度センサ２０Ｚの感度調整方法について説明する。
【００７３】
まず、図７（ａ）は、重力加速度による容量変化を検出する通常の加速度検出状態を示している。質量Ｍを有し、重心が固定アンカー２１からＲの距離にある重錘体２６Ｚに加わる重力によるトルクＭｇＲにより、固定アンカー２１の回りに重錘体２６Ｚが回転する。これにより、検出電極と重錘体２６Ｚ間の容量が変化する。このトルクＭｇＲと、トルクＭｇＲから生じる容量変化とから、トルクあたりの容量変化ｋTg［Ｆ／（Ｎ・ｍ）］を次のように表すことができる。
【００７４】
【数９】
【００７５】
ここで、ＣLZは、左側検出電極２３Ｌ（図２における検出電極２３に対応）と重錘体２６Ｚ間の容量、ＣRZは、右側検出電極２４Ｒ（図２における検出電極２４に対応）と重錘体２６Ｚ間の容量を表す。
【００７６】
一方、重力の代わりにクーロン力を用いてもトルクあたりの容量変化ｋTg［Ｆ／（Ｎ・ｍ）］を求めることができる。図７（ｂ）及至（ｅ）を用いてこれを説明する。まず、図７（ｂ）で示すように、右側検出電極２４Ｒに基準電圧ＶＣＯＭを加えた状態で、左側検出電極２３Ｌと重錘体２６Ｚ間の容量ＣLZ0を検出する。次に、図７（ｃ）で示すように、右側検出電極２４Ｒに電圧ＶＤＤを加えた状態で、左側検出電極２３Ｌと重錘体２６Ｚ間の容量ＣLZdを検出する。ＶＤＤを加えた右側検出電極２４Ｒと重錘体２６Ｚ間に働くクーロン力によるトルクＴCLは、次のように表すことができる。
【００７７】
【数１０】
【００７８】
Ｌ1は、固定アンカー２１の中心から電極の固定アンカー側の端までの距離を表し、Ｌ2は、固定アンカー２１の中心から固定電極のもう一方の端までの距離を表し、ＷEは電極の幅を表す。
【００７９】
次に、図７（ｄ）で示すように、左側検出電極２３Ｌに基準電圧ＶＣＯＭを加えた状態で、右側検出電極２４Ｒと重錘体２６Ｚ間の容量ＣRZ0を検出する。さらに、図７（ｅ）で示すように、左側検出電極２３Ｌに電圧ＶＤＤを加えた状態で、右側検出電極２４Ｒと重錘体２６Ｚ間の容量ＣRZdを検出する。ＶＤＤを加えた左側検出電極２３Ｌと重錘体２６Ｚ間に働くクーロン力によるトルクＴCRは、次のように表すことができる。
【００８０】
【数１１】
【００８１】
ここで、加えたトルクＴCLとＴCLによる容量変化（ＣRXd−ＣRX0）と、加えたトルクＴCRとＴCRによる容量変化（ＣLXd−ＣLX0）とからトルクあたりの容量変化ｋTc［Ｆ／（Ｎ・ｍ）］を次の式から求めることができる。
【００８２】
【数１２】
【００８３】
ｋTcとｋTgが等しい場合、錘の質量Ｍがわかっていれば、重力によるトルクＭｇＲによる容量変化、つまり静電容量型加速度センサの感度を、ｋTcを使って次のように予測することができる。
【００８４】
【数１３】
【００８５】
数式１３に数式１０、１１を代入することにより次の式を得ることができる。
【００８６】
【数１４】
【００８７】
Ａは重錘体の面積、ρSiは重錘体の密度を表す。
【００８８】
また、静電容量型加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙと静電容量型加速度センサ２０Ｚの重錘体の厚みが等しい場合、数式７の関係からｔを求め、数式１４に代入することにより、次の式を得ることができる。
【００８９】
【数１５】
【００９０】
数式１４の場合、感度の式は、重錘体の厚みｔに比例しており、ｔのばらつきが感度の誤差となる。一方、数式１５の場合、感度は静電容量型加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙの検出電極と重錘体間のギャップｄに比例しており、ｄのばらつきが、予測感度の誤差となる。ばらつき要因に応じて数式１４又は１５を用いて感度を予測し、感度補正値を求める。
【００９１】
なお、数式１４又は１５を用いて感度を予測する場合、容量ＣLZ0とＣRZ0には、クーロン力と無関係な寄生容量Ｃpが含まれており、これが誤差要因のひとつなっている。そこで、シミュレーションにより、Ｃpを求め、測定したＣLZ0とＣRZ0とからＣpを除いた値を、クーロン力を求める際に用いることにより誤差を低減できる。または、ＣLZ0とＣRZ0の値に対応するクーロン力をシミュレーションから直接求めても良い。
【００９２】
また、静電容量型加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙの形状が、ｔｙｐｃａｌ値で形成されており、重錘体の厚みｔやギャップｄにばらつきがない場合でも、重力から求まる感度とクーロン力から求まる感度には、誤差が存在する。一つの原因として、重力は、重錘体と重錘体に結合してバネとして働く梁部材にも加わるが、クーロン力は、検出電極と重錘体との間にしか加わらないためである。この誤差については、クーロン力から求めた感度と重力から求まる感度との差をシミュレーションにより求めることにより、補正係数を算出し、予測感度の誤差を低減する。
【００９３】
なお、図３で示すように、静電容量型加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙで数式６を用いて感度予測を行う場合、静電容量型加速度センサ２０Ｚでは数式１５を使用する。または、静電容量型加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙで数式８を用いて感度予測を行う場合、静電容量型加速度センサ２０Ｚでは数式１４を使用する。これにより、静電容量型加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙと２０Ｚとの間で誤差要因が同じとなり、予測感度の相対誤差を低減することができる。
【００９４】
次に、複数個の静電容量型加速度センサに対する容量測定により重錘体の厚みｔを予測し、感度補正の予測精度を向上させる方法について説明する。
【００９５】
ロット間とウエハー間を含めた場合に重錘体の厚みｔのばらつきが大きいとしても、単一のウエハーを考えた場合、ｔのばらつきは小さいと考えられる。ウエハー上の複数の静電容量型加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙに対して容量測定を行い、図８で示すような容量値の分布を得た。出現する容量の分布は、検出電極と重錘体間のギャップｄのばらつきが主要因として生じると考えられ、容量の最頻値はギャップｄのｔｙｐｉｃａｌ値ｄtypにおける容量Ｃ（ｄtyp）と考えられる。
一方、Ｃ（ｄtyp）とｄtypとの間には、次の関係がある。
【００９６】
【数１６】
【００９７】
この数式１６からウエハー上に形成されている重錘体の厚みｔを求めることができる。また、このような単純な式ではなく、シミュレーションからＣとｔとの関係を求め、ｔの精度を高めることもできる。このように求めたｔを数式８及び数式１４に適用し、感度の予測精度を高めることができる。つまり、感度調整を行うことは、複数個の静電容量型加速度センサから得られる容量値の分布から感度補正値を求めることを意味している。
【００９８】
実際にプロセスが固定された条件の下では、重力に対する容量変化dCgと電圧による容量変化ｄＣ（３．３Ｖ）の関係を表す分布は、狭く直線に近くなっている。分布の要因のうちの一つとして、図９（ａ）は、重錘体の厚みｔがばらつき、ｄはほぼ一定である場合の例である。図９（ｂ）は、重錘体の厚みｔがほぼ一定で、ギャップｄがばらつく場合の例である。図９（ａ）及び（ｂ）で示されるような分布においては、電圧による容量変化の測定値から重力に対する容量変化を一対一で求めることができるため、高い精度で感度を予測し、感度補正を行うことができる。つまり、感度調整を行うことは、複数個の静電容量型加速度センサから得られる重力に対する容量変化と、電圧による容量変化との関係から感度補正値を求めることを意味している。
【００９９】
図１０は、本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置におけるキャリブレーション方法を説明するためのフローチャートを示す図で、図１１Ａ乃至図１１Ｏは、図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図である。
【０１００】
まず、静電容量型加速度検出装置３０に備えられたＸ、Ｙ軸方向加速度検出用の櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙ及びＺ軸方向加速度検出用のシーソー型の静電容量型加速度センサ２０Ｚを水平状態にする（ステップＳ１）。次に、Ｙ軸方向加速度検出用の櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｘをマルチプレクサ４０１で選択する（ステップＳ２）。
【０１０１】
次に、選択された静電容量型加速度センサ１０Ｘの一方の検出電極をマルチプレクサ４０１を介して容量電圧変換器４０３に接続し、他方の検出電極をマルチプレクサ４０１を介して基準電圧ＶＣＯＭに接続し、一方の検出電極と重錘体間の容量ＣLXOを測定する（ステップＳ３；図１１Ａ）。
【０１０２】
次に、基準電圧ＶＣＯＭに接続されていた他方の検出電極をマルチプレクサ４０１を介して電圧ＶＤＤに接続し、一方の検出電極をマルチプレクサ４０１を介して電極容量電圧変換器４０３に接続し、検出電極と重錘体間の容量ＣLXdを測定する（ステップＳ４；図１１Ｂ）。
【０１０３】
次に、電極容量電圧変換器４０３に接続されていた一方の検出電極をマルチプレクサ４０１を介して基準電圧ＶＣＯＭに接続し、他方の検出電極をマルチプレクサ４０１を介して電極容量電圧変換器４０３に接続し、他方の検出電極と重錘体間の容量ＣRXOを測定する（ステップＳ５；図１１Ｃ）。
【０１０４】
次に、基準電圧ＶＣＯＭに接続されていた一方の検出電極をマルチプレクサ４０１を介して電圧ＶＤＤに接続し、他方の検出電極をマルチプレクサ４０１を介して電極容量電圧変換器４０３に接続し、他方の検出電極と重錘体間の容量ＣRXdを測定する（ステップＳ６；図１１Ｄ）。
【０１０５】
次に、測定した容量が、ある閾値以内であるかどうかを判断し（ステップＳ７）、閾値以内でなければ不良品として処分する。つまり、求めた容量ＣLX0、ＣLXd、ＣLY0、ＣLYd、ＣLZ0、ＣLZdが、ある閾値以内であるかどうかで良品・不良品判定を行う。
【０１０６】
次に、閾値以内であれば、Ｘ，Y，Ｚ軸の全てのセンサに関して容量測定が終了したかどうかを判断し（ステップＳ８）、終了していなければステップＳ２に戻り、ステップ３以降の処理を繰り返す。つまり、Ｙ軸方向加速度検出用の櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｙ及びＺ軸方向加速度検出用のシーソー型の静電容量型加速度センサ２０Ｚについても上記ステップＳ３乃至ステップＳ７を繰り返す（図１１Ｅ乃至図１１Ｌ）。
【０１０７】
次に、容量測定が全て終了したならば、測定した容量から寄生容量を取り除く（ステップＳ９）。つまり、求めた容量、ＣLX0、ＣLXd、ＣLY0、ＣLYd、ＣLZ0、ＣLZdから寄生容量を取り除く。
【０１０８】
次に、寄生容量を除去した容量から数式８と数式１４を用いてＸ，Ｙ，Ｚ軸センサの感度を求める（ステップＳ１０）。次に、感度を重力とクーロン力との違いから生じた補正値で誤差を補正する（ステップＳ１１）。次に、求めた感度を元に感度補正値を求め、可変ゲインアンプ４０４を調節する（ステップＳ１２）。
【０１０９】
次に、再び、Ｘ軸方向加速度検出用の櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｘをマルチプレクサ４０１で選択する（ステップＳ１３）。次に、一対の検出電極を容量電圧変換器４０３に接続し、一方の検出電極と重錘体間の容量と、他方の検出電極と重錘体間の容量差（ＣLXO−ＣRXO）を測定する（ステップＳ１４；図１１Ｍ）。
【０１１０】
次に、測定した容量差からオフセットを求める（ステップＳ１５）。次に、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の全てのセンサに関して容量測定が終了したかどうかを判断し（ステップＳ１６）、終了していなければステップＳ１３に戻ってステップ１４及び１５の処理を繰り返す。つまり、Ｙ軸方向加速度検出用の櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｙ及びＺ軸方向加速度検出用のシーソー型の静電容量型加速度センサ２０Ｚについても上記ステップＳ１４及び１５を繰り返す（図１１Ｎ及び図１１Ｏ）。
【０１１１】
次に、求めた容量差を元にオフセット補正回路４０６を調整する（ステップＳ１７）。次に、求めた感度補正値と、オフセット補正値とをＥＥＰＲＯＭ４１０に保存する（ステップＳ１８）。
【０１１２】
このようなキャリブレーションを行った後、本発明の静電容量型加速度検出装置は、図１１Ｍ及至図１１Ｏで示したにマルチプレクサ４０１の状態で両検出電極間の容量差を測定し、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の加速度検出を行うことができる。
【０１１３】
図１２（ａ）及至（ｃ）は、本発明に係る静電容量型加速度センサの他の実施例を説明するための構成図で、図１２（ａ）は上面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、図１２（ｃ）は図１２（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。
【０１１４】
この静電容量型加速度センサは、図３に示したＸ軸用に配置した櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｘと、Ｙ軸用に配置した櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｙとを一体化したことによりＸＹ軸兼用の櫛歯型の静電容量型加速度センサ１２０を実現したものである。つまり、櫛歯型のＸ軸用静電容量型加速度センサの重錘体と櫛歯型のＹ軸用静電容量加速度センサの重錘体とが同一であることを意味している。
【０１１５】
したがって、この場合の本発明の静電容量型加速度検出装置は、ＸＹ軸兼用の櫛歯型の静電容量型加速度センサ１２０と、Ｚ軸用に配置したシーソー型の静電容量型加速度センサ２０Ｚを一体的に構成した静電容量型３軸加速度センサとなる。
【０１１６】
上述したようにこの静電容量型加速度センサは、櫛歯型の静電容量型加速度センサ１２０であって、変位可能な重錘体１２９と、重錘体１２９に結合した櫛歯可動電極１２７ａ及至１２７ｄと櫛歯可動電極１２８a及至１２８ｄと、櫛歯可動電極１２７ａ及至１２７ｄを挟んで対向して配置された固定電極１２３ａ及至１２３ｄと固定電極１２４ａ及至１２４ｄと、櫛歯可動電極１２８ａ及至１２８ｄを挟んで対向して配置された固定電極１２５ａ及至１２５ｄと固定電極１２６ａ及至１２６ｄと、重錘体１２９に結合した梁部材１２２ａ及至１２２ｄと、梁部材１２２ａと結合した固定アンカー１２１ａと、梁部材１２２ｂと結合した固定アンカー１２１ｂと、梁部材１２２ｃと結合した固定アンカー１２１ｃと、梁部材１２２ｄと結合した固定アンカー１２１ｄと、固定アンカー１２１a及至１２１dを支持する基板１３０を備え、Ｘ軸方向の加速度を検出するに際しては、櫛歯可動電極１２８ａ及至１２８ｄと一方の検出電極（固定電極１２５ａ及至１２５ｄ）との間の静電容量変化と、可動電極１２８ａ及至１２８ｄと他方の検出電極（固定電極１２６ａ及至１２６ｄ）との間の静電容量変化を検出し、Ｙ軸方向の加速度を検出するに際しては、櫛歯可動電極１２７ａ及至１２７ｄと一方の検出電極（固定電極１２３ａ及至１２３ｄ）との間の静電容量変化と、可動電極１２７ａ及至１２７ｄと他方の検出電極（固定電極１２４ａ及至１２４ｄ）との間の静電容量変化を検出するように構成されている。
【０１１７】
図３に示したＸ軸用に配置された静電容量型加速度センサ１０ＸとＹ軸用に配置された静電容量型加速度センサ１０Ｙとを図１２に示したＸＹ軸用加速度センサに置き換えても、図４に示したような感度の調整とオフセットの調整とを行うキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を実現することができることは明らかである。
【符号の説明】
【０１１８】
１０ 櫛歯型の静電容量型加速度センサ
１０Ｘ Ｘ軸用櫛歯型の静電容量型加速度センサ
１０Ｙ Ｙ軸用櫛歯型の静電容量型加速度センサ
１１ａ，１１ｂ 固定アンカー
１２ａ及至１２ｄ 梁部材
１３ａ及至１３ｆ，１４ａ及至１４ｆ 固定電極
１５ 基板
１６，２６ 重錘体
１６Ｘ，１６Ｙ，２６Ｘ 重錘体
１７ａ及至１７ｆ 櫛歯可動電極
２０ シーソー型の静電容量型加速度センサ
２０Ｚ Ｚ軸用シーソー型の静電容量型加速度センサ
２１ 固定アンカー
２２ａ及至２２ｂ 梁部材
２３ 左側検出固定電極
２４ 右側検出固定電極
２５ 基板
３０ 静電容量型３軸加速度センサ
５１ａ，５１ｂ シングルエンド容量電圧変換回路
５２ 差動増幅回路
５３ セレクタ
６０Ｌ 一方の検出電極
６０Ｒ 他方の検出電極
１２０ 櫛歯型の静電容量型加速度センサ
１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄ 固定アンカー
１２２ａ及至１２２ｄ 梁部材
１２３ａ及至１２３ｄ，１２４ａ及至１２４ｄ，１２５ａ及至１２５ｄ，１２６ａ及至１２６ｄ 固定電極
１２７ａ及至１２７ｄ，１２８a及至１２８ｄ 櫛歯可動電極
１２９ 重錘体
１３０ 基板
４０１ マルチプレクサ
４０２ 電圧源
４０３ 容量電圧変換回路
４０４ 可変ゲインアンプ
４０５ 復調回路
４０６ オフセット補正回路
４０７ アナログデジタル変換器
４０８ デジタルインターフェイス
４０９ 発振回路
４１０ ＥＥＰＲＯＭ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クーロン力を用いた感度の調整とオフセットの調整とを行うキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置及びそのキャリブレーション方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電極間距離の変化を利用して物理量を検出する装置及びその動作試験方法については良く知られている。例えば、２枚の基板を対向させて配置し、それぞれの基板上に電極を形成した単純な構造の検出装置が知られている。この検出装置においては、加速度などの物理量に基づいて一方の基板を変位させ、この変位により両基板上に形成した電極間距離を変化させ、これを両電極間の静電容量の変化として検出している。また、この検出装置は、一方の基板に重錘体を接合しておき、この重錘体に作用した加速度に基づいて基板を変位させれば、作用した加速度を検出する加速度検出装置として使用できるものである。
【０００３】
通常、何らかの物理量の検出装置を製品化する場合、この検出装置が正しい検出信号を出力するか否かの動作試験を行う必要が生じる。従来、このような動作試験は、検出対象となる物理量を実際にその検出装置に作用させ、そのときの検出信号を調べるという方法が採られている。例えば、加速度の検出装置であれば、実際に所定の大きさの加速度を所定の方向から検出装置に作用させ、そのときの検出信号が、与えた加速度に応じた正しいものになっているか否かを判定する。
【０００４】
この種の加速度検出装置として、例えば、特許文献1及び２のものが提案されている。特許文献１に記載の加速度検出装置は、直交３軸方向（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の加速度測定が可能な加速度センサの電気的特性を測定する際に、各検出軸方向に重力加速度を印加するための加速度発生装置及びこれを用いた加速度センサ測定装置に関するものである。
【０００５】
また、特許文献２に記載の加速度検出装置は、互いに直交する３軸の加速度成分を検出して加速度成分信号を出力する３軸加速度センサと、３軸加速度センサが装着され、装着された３軸加速度センサの加速度検出信号を測定する測定板と、測定板を回転支持する支持板と、支持板を回転させる主回転軸とを備えたものである。
【０００６】
しかしながら、このような動作試験を行うには、専用の試験設備が必要になり、試験作業も煩雑で時間のかかるものとなる。特に、専用の試験設備で試験できる数量が限定され、生産性の低下を招くことになる。したがって、このような従来の試験方法は、大量生産される装置に対する動作試験としては不適当であるという問題があった。
【０００７】
そこで、例えば、特許文献３のような加速度センサの検査装置及びその動作試験方法が提案されている。この特許文献３のものは、外力の作用により変位しうるように支持された変位電極と、この変位電極に対向する位置において装置筐体に固定された固定電極と、これら両電極の間の距離の変化を電気信号として取り出す検出手段とを備え、外力に対応した加速度を電気信号として検出する加速度検出装置の動作試験方法であって、両電極の間に所定の電圧を印加し、この印加電圧に基づいて発生するクーロン力により変位電極を変位させた状態において、両電極の一方の電極に所定の大きさをもった時間的変動成分を有する電気信号を与え、このときに他方の電極に伝達される変動成分の大きさを、印加電圧と比較することにより、この検出装置の動作を試験するようにした、電極間距離の変化を利用して加速度を検出する加速度検出装置の動作試験方法である。
【０００８】
さらに、これ以外の電極間距離の変化を利用して物理量を検出する装置及びその動作試験方法、つまり、試験電極に電圧をかけてクーロン力で変位させ、印加電圧の大きさと変位量（容量変化）を比較して動作試験を行うものとしては、例えば、特許文献4及び５が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−００２９１４号公報
【特許文献２】特開２００７−３２２３３７号公報
【特許文献３】特開２００２−２２１４６３号公報
【特許文献４】国際公開ＷＯ１９９２／１７７５９号公報
【特許文献５】特開２０００−１４６７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述した検査装置及びその動作試験方法では、基本的に故障検出などの大まかな動作試験しかできないという問題があった。これは、加速度センサで感度やオフセットのばらつきに対して較正を行う場合、加速度センサの形状のばらつきにより、リファレンスにするクーロン力自体もばらつくため、感度及びオフセットを正確に較正できないためである。
【００１１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、変位可能な重錘体と、この重錘体に対向して配置された検出電極間の静電容量を正確に検出して感度の調整とオフセットの調整とを行うキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置及びそのキャリブレーション方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、変位可能な重錘体と、該重錘体に対向して設けられ、該重錘体の変位によって一方の検出電極と該重錘体との容量は増加し、他方の検出電極と該重錘体との容量は減少する一対の検出電極を複数備える静電容量型加速度センサを有し、感度及びオフセットを調整する静電容量型加速度検出装置において、前記静電容量型加速度センサが備える前記複数の一対の検出電極から一対の検出電極を選択する電極選択手段と、該電極選択手段により選択された前記一対の検出電極の前記一方の検出電極及び前記他方の検出電極と前記重錘体間の容量を検出する容量検出手段と、前記電極選択手段により選択された前記一対の検出電極の前記一方の検出電極及び前記他方の検出電極に電圧を印加する電圧印加手段と、前記容量検出手段により検出された容量と前記検出電極に印加された電圧とから求められる感度補正値とオフセット補正値とを保持する記憶手段と、該記憶手段によって保持された補正値に応じて感度調整を行う感度調整手段と、前記記憶手段によって保持された補正値によりオフセット調整を行うオフセット調整手段とを備えていることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記静電容量型加速度センサが、前記重錘体の厚みの等しい複数の静電容量型加速度センサからなることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記電圧印加手段が、電圧発生源を備え、該電圧発生源が生成する電圧を前記検出電極に印加することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記電圧印加手段が、外部から供給される電圧を前記検出電極に印加することを特徴とする。
【００１６】
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発明において、容量検出手段が、前記選択された一対の検出電極のうち、前記一方の検出電極と前記重錘体間の容量を電圧に変換する機能と、前記他方の検出電極と前記重錘体間の容量を電圧に変換する機能と、前記一方の検出電極と前記重錘体間の容量と前記他方の検出電極と前記重錘体間の容量との差を電圧に変換する機能とを備えていることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、容量検出手段が、２つの容量を個別に検出するシングルエンド容量電圧変換回路と、該シングルエンド容量電圧変換回路からの出力電圧の差を出力する差動増幅回路と、前記シングルエンド容量電圧変換回路からの出力と前記差動増幅回路からの出力とから一つの出力を選択するセレクタとから構成されていることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明において、前記感度調整手段に、寄生容量除去手段を付加したことを特徴とする。
【００１９】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の発明において、前記静電容量型加速度センサが、櫛歯型のＸ軸用静電容量型加速度センサと、櫛歯型のＹ軸用静電容量型加速度センサと、シーソー型のＺ軸用静電容量型加速度センサとを一体的に構成した静電容量型３軸加速度センサであることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記櫛歯型のＸ軸用静電容量型加速度センサの重錘体と前記櫛歯型のＹ軸用静電容量加速度センサの重錘体とが同一であることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１０に記載の発明は、変位可能な重錘体と、該重錘体に対向して設けられ、該重錘体の変位によって一方の検出電極と該重錘体との容量は増加し、他方の検出電極と該重錘体との容量は減少する一対の検出電極を複数備える静電容量型加速度センサを有し、該一対の容量の差を検出する静電容量型加速度検出装置における感度及びオフセットの調整を行うキャリブレーション方法において、前記重錘体に対向する一方の検出電極に基準電圧を印加して他方の検出電極と重錘体間の容量を検出するステップと、前記一方の検出電極に前記基準電圧と異なる電圧を印加して前記他方の検出電極と前記重錘体間の容量を検出するステップと、前記検出された容量から感度補正値を求めて感度調整を行うステップと、前記一方の検出電極と前記重錘体間の検出された容量と、前記他方の検出電極と前記重錘体間の検出された容量との容量差を検出するステップと、前記検出された容量差からオフセット補正値を求めてオフセット補正を行うステップとを有することを特徴とする。
【００２２】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の発明において、前記感度調整を行うステップが、前記検出された容量から寄生容量を除去して感度補正値を求めることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１０又は１１に記載の発明において、前記感度調整を行うステップが、前記感度補正値に重力とクーロン力との違いを係数として掛けた値を前記感度補正値として使用することを特徴とする。
【００２４】
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１０，１１又は１２に記載の発明において、前記オフセット補正を行うステップが、複数個の静電容量型加速度センサから得られる容量値の分布から前記感度補正値を求めることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１０，１１又は１２に記載の発明において、前記感度調整を行うステップが、複数個の静電容量型加速度センサから得られる重力に対する容量変化と、電圧による容量変化との関係から前記感度補正値を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、変位可能な重錘体と、この重錘体に対向して設けられ、重錘体の変位によって一方の検出電極と該重錘体との容量は増加し、他方の検出電極と重錘体との容量は減少する一対の検出電極を複数備える静電容量型加速度センサを有し、感度及びオフセットを調整する静電容量型加速度検出装置において、静電容量型加速度センサが備える複数の一対の検出電極から一対の検出電極を選択する電極選択手段と、この電極選択手段により選択された一対の検出電極の一方の検出電極及び他方の検出電極と重錘体間の容量を検出する容量検出手段と、電極選択手段により選択された一対の検出電極の一方の検出電極及び他方の検出電極に電圧を印加する電圧印加手段と、容量検出手段により検出された容量と検出電極に印加された電圧とから求められる感度補正値とオフセット補正値とを保持する記憶手段と、この記憶手段によって保持された補正値に応じて感度調整を行う感度調整手段と、記憶手段によって保持された補正値によりオフセット調整を行うオフセット調整手段とを備えているので、感度の調整とオフセットの調整とを行うキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置及びそのキャリブレーション方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る静電容量型加速度センサを説明するための構成図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。
【図２】本発明に係る他の静電容量型加速度センサを説明するための構成図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は電極の上面図である。
【図３】本発明に係る静電容量型加速度センサを説明するための構成図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
【図４】本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を説明するためのブロック図である。
【図５】図４で説明した容量電圧変換回路の構成例を説明した回路図である。
【図６】本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置に用いられるＸ，Ｙ軸方向検出用の静電容量型加速度センサの感度調整方法を説明するための原理図である。
【図７】本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置に用いられるＺ軸方向検出用の静電容量型加速度センサの感度調整方法を説明するための原理図である。
【図８】複数の静電容量型加速度センサに対する容量値の分布図である。
【図９】重力に対する容量変化と電圧による容量変化の関係を表す分布図で、（ａ）は、重錘体の厚みｔがばらつき、ｄはほぼ一定である場合の例、（ｂ）は、重錘体の厚みｔがほぼ一定で、ギャップｄがばらつく場合の例を示している。
【図１０】本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置におけるキャリブレーション方法を説明するためのフローチャートを示す図である。
【図１１Ａ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その１）である。
【図１１Ｂ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その２）である。
【図１１Ｃ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その３）である。
【図１１Ｄ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その４）である。
【図１１Ｅ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その５）である。
【図１１Ｆ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その６）である。
【図１１Ｇ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その７）である。
【図１１Ｈ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その８）である。
【図１１Ｉ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その９）である。
【図１１Ｊ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その１０）である。
【図１１Ｋ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その１１）である。
【図１１Ｌ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その１２）である。
【図１１Ｍ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その１３）である。
【図１１Ｎ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その１４）である。
【図１１Ｏ】図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図（その１５）である。
【図１２】本発明に係る静電容量型加速度センサの他の実施例を説明するための構成図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２９】
図１（ａ）及至（ｃ）は、本発明に係る静電容量型加速度センサを説明するための構成図で、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。
【００３０】
この静電容量型加速度センサは、櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０であって、変位可能な重錘体１６と、重錘体１６に結合した櫛歯可動電極１７ａ及至１７ｆと、櫛歯可動電極１７ａ及至１７ｆを挟んで対向して配置された固定電極１３ａ及至１３ｆと固定電極１４ａ及至１４ｆと、重錘体１６に結合した梁部材１２ａ及至１２ｄと、梁部材１２ａ，１２ｃと結合した固定アンカー１１ａと、梁部材１２ｂ，１２ｄと結合した固定アンカー１１ｂと、固定アンカー１１ａ，１１ｂを支持する基板１５とを備え、櫛歯可動電極１７ａ及至１７ｆと一方の検出電極（固定電極１３ａ及至１３ｆ）との間の静電容量変化と、可動電極１７ａ及至１７ｆと他方の検出電極（固定電極１４ａ及至１４ｆ）との間の静電容量変化を検出するように構成されている。なお、符号Ｌは、固定電極に対向する櫛歯可動電極の領域を示し、ｄは固定電極と櫛歯可動電極との間隔を示している。
【００３１】
このような櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０に対して、動作試験機能を有する静電容量型加速度検出装置が構成でき、クーロン力によって生じる重錘体１６の櫛型可動電極１７ａ及至１７ｆと、固定電極１３ａ及至１３ｆまたは固定電極１４ａ及至１４ｆとの間に生じる容量変化により高精度の動作試験を行うことができる。
【００３２】
図２（ａ）及至（ｃ）は、本発明に係る他の静電容量型加速度センサを説明するための構成図で、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、図２（ｃ）は電極の上面図である。
【００３３】
この静電容量型加速度センサは、シーソー型の静電容量型加速度センサ２０であって、変位可能な重錘体２６と、この重錘体２６に結合した梁部材２２ａ及至２２ｂと、この梁部材２２ａ及至２２ｂとに結合した固定アンカー２１と、この固定アンカー２１を支持する基板２５と、この基板上に配置され重錘体２６と対向する左側検出固定電極２３と、固定アンカー２１を挟んで重錘体２６に対向する右側検出固定電極２４とを備え、重錘体２６と左側検出固定電極２３との静電容量変化と、重錘体２６と右側検出固定電極２４との静電容量変化を検出するように構成されている。なお、符号Ｌ１は固定アンカー２１の中心位置から固定電極の一端間の距離、Ｌ２は固定アンカー２１の中心位置から固定電極の他端間の距離、ＷEは固定電極の幅を示している。
【００３４】
図３（ａ），（ｂ）は、本発明に係る静電容量型加速度センサを説明するための構成図で、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
【００３５】
この静電容量型加速度センサは、図１に示した櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０をＸ軸用に配置した櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｘと、図１に示した櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０をＹ軸用に配置した櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｙと、図２に示したシーソー型の静電容量型加速度センサ２０をＺ軸用に配置したシーソー型の静電容量型加速度センサ２０Ｚを一体的に構成した静電容量型３軸加速度センサ３０である。
【００３６】
つまり、Ｘ軸方向の加速度を検出するための静電容量型加速度センサ１０Ｘと、Ｙ軸方向の加速度を検出するための静電容量型加速度センサ１０Ｙと、Ｚ軸方向の加速度を検出するための静電容量型加速度センサ２０Ｚとが、同一平面上に構成されており、静電容量型３軸加速度センサを構成する３つの重錘体１６Ｘ，１６Ｙ，２６Ｚの厚み全てが等しく構成されている。なお、符号３１は枠、３２は基板、ｔは重錘体２６Ｚの厚さを示している。
【００３７】
このような構成により、Ｘ軸方向の加速度は、Ｘ軸用の静電容量型加速度センサ１０Ｘにおける重錘体１６Ｘに結合した櫛歯可動電極と固定電極間の容量変化により検出し、Ｙ軸方向の加速度は、Ｙ軸用の静電容量型加速度センサ１０Ｙにおける重錘体１６Ｙに結合した櫛歯可動電極と固定電極間の容量変化により検出し、Ｚ軸方向の加速度は、Ｚ軸用の静電容量型加速度センサ２０Ｚにおける重錘体２６Ｚと左右の固定電極との静電容量変化を検出する。
【００３８】
図４は、本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を説明するためのブロック図である。静電容量型３軸加速度センサ３０は、Ｘ，Ｙ軸方向加速度検出用の櫛歯型の静電容量加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙと、Ｚ軸方向加速度検出用のシーソー型の静電容量型加速度センサ２０Ｚを備えている。静電容量型加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙは、それぞれ、一方の櫛歯可動電極と固定電極とからなる一方の検出電極と、他方の櫛歯可動電極と固定電極とからなる他方の検出電極とを備えている。同様に、静電容量型加速度センサ２０Ｚは、一方の検出電極と他方の検出電極とを備えている。なお、キャリブレーション機能とは、感度の調整とオフセットの調整とを行うものである。より具体的には、感度の調整とは、一定加速度に対する静電容量変化の大きさのばらつきが個々の静電容量型加速度センサに生じている場合でも、個々の静電容量型加速度検出装置の出力が一定となるよう調整を行うことである。また、オフセットの調整とは、静電容量型加速度センサに加速度が加わっていない場合に、静電容量型加速度検出装置の出力が０となるよう調整を行うことである。
【００３９】
マルチプレクサ（電極選択手段）４０１は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向加速度検出用の３つの静電容量型加速度センサのうちの一つに属する検出電極一対を選択する。容量電圧変換回路（容量検出手段）４０３は、マルチプレクサ４０１で選ばれた一対の検出電極のうち、一方の検出電極と重錘体間の容量を電圧に変換する機能と、他方の検出電極と重錘体間の容量を電圧に変換する機能と、一方の検出電極と重錘体間の容量と他方の検出電極と重錘体間の容量との差を電圧に変換する機能とを備えている。
【００４０】
なお、具体的な回路図は、後述する図５に記載されている。また、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸それぞれに個別の容量電圧変換回路を持つ場合と比べて、このようにマルチプレクサ４０１と単一の容量電圧変換回路４０３を用いて、時分割でＸ，Ｙ，Ｚ軸方向加速度を測定する場合、同一の容量電圧変換回路を用いるため、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸間の相対的な測定誤差を低減できる。
【００４１】
電圧源４０２は、マルチプレクサ４０１で選ばれた検出電極に加えるための電圧を発生するためのものである。ＥＥＰＲＯＭ４１０は、感度補正値とオフセット補正値とを書き込み保存するためのメモリである。可変ゲインアンプ（感度調整手段）４０４は、容量電圧変換回路４０３からの出力を感度補正値に基づいて調節するためのものである。なお、感度調整するに際しては、検出電極と重錘体の対向部の容量以外に、検出電極と重錘体の上下面等、検出電極と重錘体の対向部以外とに生じる寄生容量、及び、静電容量型加速度センサと回路を接続する配線に生じる寄生容量があり、これらの寄生容量の影響を除去することが望ましい。そのためには、シミュレーションにより前もって寄生容量の影響を見積もり、これを加味して感度補正値を求める必要がある。加えて、後述する重力とクーロン力との差異から生じる影響を除去することが望ましい。そのためには、寄生容量の影響と同様にして、シミュレーションにより前もって影響を見積もり、これを加味して感度補正値を求める必要がある。このように求めた感度補正値にもとづいて可変ゲインアンプ４０４を調整することにより、寄生容量の影響及び重力とクーロン力との差異から生じる影響を除去することができる。つまり、可変ゲインアンプ４０４を寄生容量除去手段及び重力とクーロン力との差異から生じる影響除去手段として用いることができる。
【００４２】
発振回路４０９は、静電容量型３軸加速度センサ３０が備える３つの重錘体に対して高周波電圧を加えるためのものである。復調回路４０５は、高周波に変調されている可変ゲインアンプ４０４からの出力を直流に復調するためのものである。オフセット補正回路（オフセット調整手段）４０６は、復調回路４０５からの出力をオフセット補正値に基づいて調節するためのものである。アナログデジタル変換器４０７は、復調回路４０５からの出力電圧をデジタル値に変換するためのものである。
【００４３】
デジタルインターフェイス４０８は、アナログデジタル変換回路出力を、演算処理機能を有する外部装置に送信すると共に、外部装置からの命令を受信し、ＥＥＰＲＯＭ４１０へ感度補正値とオフセット補正値との書き込みを行うためのものである。加えて、可変ゲインアンプ４０４とオフセット補正回路４０６に対して感度補正値とオフセット補正値とに基づいて設定を行うためのものである。
【００４４】
なお、演算処理機能を有する外部装置としては、静電容量型加速度検出装置の検査を行うための半導体テスタや、携帯電話等の電子機器に搭載され静電容量型加速度検出装置を制御するマイクロコントローラが考えられる。
【００４５】
このような構成により、どのようにしてキャリブレーション機能を実現するかについては、後述する図１１に基づいて詳細に説明する。つまり、このようなキャリブレーションを行った後、本発明の静電容量型加速度検出装置は、マルチプレクサ４０１のある状態のもとで一方及び他方の検出電極間の容量差を測定し、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の加速度検出を行うことができ、その出力は、デジタルインターフェイス４０８から容量値として取り出すことができる。
【００４６】
図５は、図４で説明した容量電圧変換回路の構成例を説明した回路図である。この容量電圧変換回路４０３は、２つの容量を個別に検出するシングルエンド容量電圧変換回路５１ａ，５１ｂと、シングルエンド容量電圧変換回路５１ａ，５１ｂからの出力電圧の差を出力する差動増幅回路５２と、シングルエンド容量電圧変換回路５１ａ，５１ｂからの出力と差動増幅回路５２からの出力とから一つの出力を選択するセレクタ５３とから構成されている。
【００４７】
このような構成により、上述したように、容量電圧変換回路４０３は、マルチプレクサ４０１で選ばれた一対の検出電極のうち、一方の検出電極と重錘体間の容量を電圧に変換する機能と、他方の検出電極と重錘体間の容量を電圧に変換する機能と、一方の検出電極と重錘体間の容量と他方の検出電極と重錘体間の容量との差を電圧に変換する機能とを備えている。
【００４８】
図６（ａ）乃至（ｅ）は、本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置に用いられるＸ，Ｙ軸方向検出用の静電容量型加速度センサの感度調整方法を説明するための原理図である。なお、ここでは、Ｘ軸方向加速度検出用の櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｘについての感度調整方法について説明する。符号６０Ｌは一方の検出電極で、図１における１３ａ乃至１３ｆに対応し、６０Ｒは他方の検出電極で、図１における１４a乃至１４ｆに対応している。
【００４９】
まず、図６（ａ）は、重力加速度による容量変化を検出する通常の加速度検出状態を示している。質量Ｍを有する重錘体１６Ｘに加わる重力Ｍ・ｇと、重力Ｍ・ｇによる容量変化とから、力あたりの容量変化ｋg［Ｆ／Ｎ］を次のように表すことができる。
【００５０】
【数１】
【００５１】
ここで、ＣLXは一方の検出電極６０Ｌと重錘体１６Ｘ間の容量、ＣRXは他方の検出電極６０Ｒと重錘体１６Ｘ間の容量を表す。
【００５２】
一方、重力の代わりにクーロン力を用いても力あたりの容量変化ｋc［Ｆ／Ｎ］を求めることができる。図６（ｂ）及至（ｅ）を用いてこれを説明する。まず、図６（ｂ）で示すように、一方の検出電極６０Ｌに基準電圧ＶＣＯＭを加えた状態で、他方の検出電極６０Ｒと重錘体１６Ｘ間の容量ＣRX0を検出する。次に、図６（ｃ）で示すように、一方の検出電極６０Ｌに電圧ＶＤＤを加えた状態で、他方の検出電極６０Ｒと重錘体１６Ｘ間の容量ＣRXdを検出する。ＶＤＤを加えた他方の検出電極６０Ｒと重錘体１６Ｘ間に働くクーロン力ＦCLは、次のように表すことができる。
【００５３】
【数２】
【００５４】
Ｓは検出電極と重錘体が重なり合う面積を表し、ｄは、検出電極と重錘体間のギャップを表し、Ｎは、静電容量型加速度センサ１０Ｘの固定電極と可動電極の組数を表し、Ｌは固定電極と可動電極とが重なり合う長さを表す。
【００５５】
次に、図６（ｄ）で示すように、他方の検出電極６０Ｒに基準電圧ＶＣＯＭを加えた状態で、一方の検出電極６０Ｌと重錘体１６Ｘ間の容量ＣLX0を検出する。次に、図６（ｅ）で示すように、他方の検出電極６０Ｒに電圧ＶＤＤを加えた状態で、一方の検出電極６０Ｌと重錘体１６Ｘ間の容量ＣLXdを検出する。ＶＤＤを加えた他方の検出電極６０Ｒと重錘体１６Ｘ間に働くクーロン力ＦCRは、次のように表すことができる。
【００５６】
【数３】
【００５７】
ここで、加えた力ＦCLとＦCLによる容量変化（ＣRXd−ＣRX0）と、加えた力ＦCRとＦCRによる容量変化（ＣLXd−ＣLX0）とからクーロン力による力あたりの容量変化ｋc［Ｆ／Ｎ］を次のように表すことができる。
【００５８】
【数４】
【００５９】
ｋcとｋgが等しい場合、錘の質量Ｍがわかっていれば、重力Ｍｇによる容量変化、つまり、静電容量型加速度センサ１０Ｘの感度を、ｋcを使って次のように予測することができる。
【００６０】
【数５】
【００６１】
また、ここで、数式５に数式２、３を代入することにより、次の式を得ることができる。
【００６２】
【数６】
【００６３】
Ａは錘の面積、ρSiは錘の密度を表す。
【００６４】
また、検出容量と、検出電極と重錘体間のギャップｄとの間には、次の関係がある。
【００６５】
【数７】
【００６６】
数式７を数式６に代入することにより、次の式を得ることができる。
【００６７】
【数８】
【００６８】
数式６の場合、感度は、検出電極と重錘体間のギャップｄの二乗に比例しており、ｄのばらつきが予測感度の誤差となる。一方、数式８の場合、感度は、重錘体の厚みｔの二乗に比例しており、ｔのばらつきが、予測感度の誤差となる。ばらつきの要因に応じて数式６又は数式８を用いて感度を予測し、感度補正値を求める。
【００６９】
なお、数式８を用いて感度を予測する場合、容量ＣLX0とＣRX0には、クーロン力と無関係な寄生容量Ｃpが含まれており、これが誤差要因のひとつなっている。そこで、シミュレーションにより、Ｃpを求め、測定したＣLX0とＣRX0とからＣpを除いた値を、クーロン力を求める際に用いることにより誤差を低減できる。または、ＣLX0とＣRX0の値に対応するクーロン力をシミュレーションから直接求めても良い。
【００７０】
また、静電容量型加速度センサ１０Ｘの形状が、ｔｙｐｃａｌ値で形成されており、重錘体の厚みｔやギャップｄにばらつきがない場合でも、重力から求まる感度とクーロン力から求まる感度には、誤差が存在する。一つの原因として、重力は、重錘体と重錘体に結合してバネとして働く梁部材にも加わるが、クーロン力は、検出電極と重錘体との間にしか加わらないためである。この誤差については、クーロン力から求めた感度と重力から求まる感度との差をシミュレーションにより求めることにより、補正係数を算出し、予測感度の誤差を低減する。
【００７１】
なお、Ｙ軸方向加速度検出用の櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｙについての感度調整方法も同様である。
【００７２】
図７（ａ）至及（ｅ）は、本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置に用いられるＺ軸方向検出用の静電容量型加速度センサの感度調整方法を説明するための原理図である。ここでは、シーソー型の静電容量型加速度センサ２０Ｚの感度調整方法について説明する。
【００７３】
まず、図７（ａ）は、重力加速度による容量変化を検出する通常の加速度検出状態を示している。質量Ｍを有し、重心が固定アンカー２１からＲの距離にある重錘体２６Ｚに加わる重力によるトルクＭｇＲにより、固定アンカー２１の回りに重錘体２６Ｚが回転する。これにより、検出電極と重錘体２６Ｚ間の容量が変化する。このトルクＭｇＲと、トルクＭｇＲから生じる容量変化とから、トルクあたりの容量変化ｋTg［Ｆ／（Ｎ・ｍ）］を次のように表すことができる。
【００７４】
【数９】
【００７５】
ここで、ＣLZは、左側検出電極２３Ｌ（図２における検出電極２３に対応）と重錘体２６Ｚ間の容量、ＣRZは、右側検出電極２４Ｒ（図２における検出電極２４に対応）と重錘体２６Ｚ間の容量を表す。
【００７６】
一方、重力の代わりにクーロン力を用いてもトルクあたりの容量変化ｋTg［Ｆ／（Ｎ・ｍ）］を求めることができる。図７（ｂ）及至（ｅ）を用いてこれを説明する。まず、図７（ｂ）で示すように、右側検出電極２４Ｒに基準電圧ＶＣＯＭを加えた状態で、左側検出電極２３Ｌと重錘体２６Ｚ間の容量ＣLZ0を検出する。次に、図７（ｃ）で示すように、右側検出電極２４Ｒに電圧ＶＤＤを加えた状態で、左側検出電極２３Ｌと重錘体２６Ｚ間の容量ＣLZdを検出する。ＶＤＤを加えた右側検出電極２４Ｒと重錘体２６Ｚ間に働くクーロン力によるトルクＴCLは、次のように表すことができる。
【００７７】
【数１０】
【００７８】
Ｌ1は、固定アンカー２１の中心から電極の固定アンカー側の端までの距離を表し、Ｌ2は、固定アンカー２１の中心から固定電極のもう一方の端までの距離を表し、ＷEは電極の幅を表す。
【００７９】
次に、図７（ｄ）で示すように、左側検出電極２３Ｌに基準電圧ＶＣＯＭを加えた状態で、右側検出電極２４Ｒと重錘体２６Ｚ間の容量ＣRZ0を検出する。さらに、図７（ｅ）で示すように、左側検出電極２３Ｌに電圧ＶＤＤを加えた状態で、右側検出電極２４Ｒと重錘体２６Ｚ間の容量ＣRZdを検出する。ＶＤＤを加えた左側検出電極２３Ｌと重錘体２６Ｚ間に働くクーロン力によるトルクＴCRは、次のように表すことができる。
【００８０】
【数１１】
【００８１】
ここで、加えたトルクＴCLとＴCLによる容量変化（ＣRXd−ＣRX0）と、加えたトルクＴCRとＴCRによる容量変化（ＣLXd−ＣLX0）とからトルクあたりの容量変化ｋTc［Ｆ／（Ｎ・ｍ）］を次の式から求めることができる。
【００８２】
【数１２】
【００８３】
ｋTcとｋTgが等しい場合、錘の質量Ｍがわかっていれば、重力によるトルクＭｇＲによる容量変化、つまり静電容量型加速度センサの感度を、ｋTcを使って次のように予測することができる。
【００８４】
【数１３】
【００８５】
数式１３に数式１０、１１を代入することにより次の式を得ることができる。
【００８６】
【数１４】
【００８７】
Ａは重錘体の面積、ρSiは重錘体の密度を表す。
【００８８】
また、静電容量型加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙと静電容量型加速度センサ２０Ｚの重錘体の厚みが等しい場合、数式７の関係からｔを求め、数式１４に代入することにより、次の式を得ることができる。
【００８９】
【数１５】
【００９０】
数式１４の場合、感度の式は、重錘体の厚みｔに比例しており、ｔのばらつきが感度の誤差となる。一方、数式１５の場合、感度は静電容量型加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙの検出電極と重錘体間のギャップｄに比例しており、ｄのばらつきが、予測感度の誤差となる。ばらつき要因に応じて数式１４又は１５を用いて感度を予測し、感度補正値を求める。
【００９１】
なお、数式１４又は１５を用いて感度を予測する場合、容量ＣLZ0とＣRZ0には、クーロン力と無関係な寄生容量Ｃpが含まれており、これが誤差要因のひとつなっている。そこで、シミュレーションにより、Ｃpを求め、測定したＣLZ0とＣRZ0とからＣpを除いた値を、クーロン力を求める際に用いることにより誤差を低減できる。または、ＣLZ0とＣRZ0の値に対応するクーロン力をシミュレーションから直接求めても良い。
【００９２】
また、静電容量型加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙの形状が、ｔｙｐｃａｌ値で形成されており、重錘体の厚みｔやギャップｄにばらつきがない場合でも、重力から求まる感度とクーロン力から求まる感度には、誤差が存在する。一つの原因として、重力は、重錘体と重錘体に結合してバネとして働く梁部材にも加わるが、クーロン力は、検出電極と重錘体との間にしか加わらないためである。この誤差については、クーロン力から求めた感度と重力から求まる感度との差をシミュレーションにより求めることにより、補正係数を算出し、予測感度の誤差を低減する。
【００９３】
なお、図３で示すように、静電容量型加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙで数式６を用いて感度予測を行う場合、静電容量型加速度センサ２０Ｚでは数式１５を使用する。または、静電容量型加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙで数式８を用いて感度予測を行う場合、静電容量型加速度センサ２０Ｚでは数式１４を使用する。これにより、静電容量型加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙと２０Ｚとの間で誤差要因が同じとなり、予測感度の相対誤差を低減することができる。
【００９４】
次に、複数個の静電容量型加速度センサに対する容量測定により重錘体の厚みｔを予測し、感度補正の予測精度を向上させる方法について説明する。
【００９５】
ロット間とウエハー間を含めた場合に重錘体の厚みｔのばらつきが大きいとしても、単一のウエハーを考えた場合、ｔのばらつきは小さいと考えられる。ウエハー上の複数の静電容量型加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙに対して容量測定を行い、図８で示すような容量値の分布を得た。出現する容量の分布は、検出電極と重錘体間のギャップｄのばらつきが主要因として生じると考えられ、容量の最頻値はギャップｄのｔｙｐｉｃａｌ値ｄtypにおける容量Ｃ（ｄtyp）と考えられる。
一方、Ｃ（ｄtyp）とｄtypとの間には、次の関係がある。
【００９６】
【数１６】
【００９７】
この数式１６からウエハー上に形成されている重錘体の厚みｔを求めることができる。また、このような単純な式ではなく、シミュレーションからＣとｔとの関係を求め、ｔの精度を高めることもできる。このように求めたｔを数式８及び数式１４に適用し、感度の予測精度を高めることができる。つまり、感度調整を行うことは、複数個の静電容量型加速度センサから得られる容量値の分布から感度補正値を求めることを意味している。
【００９８】
実際にプロセスが固定された条件の下では、重力に対する容量変化dCgと電圧による容量変化ｄＣ（３．３Ｖ）の関係を表す分布は、狭く直線に近くなっている。分布の要因のうちの一つとして、図９（ａ）は、重錘体の厚みｔがばらつき、ｄはほぼ一定である場合の例である。図９（ｂ）は、重錘体の厚みｔがほぼ一定で、ギャップｄがばらつく場合の例である。図９（ａ）及び（ｂ）で示されるような分布においては、電圧による容量変化の測定値から重力に対する容量変化を一対一で求めることができるため、高い精度で感度を予測し、感度補正を行うことができる。つまり、感度調整を行うことは、複数個の静電容量型加速度センサから得られる重力に対する容量変化と、電圧による容量変化との関係から感度補正値を求めることを意味している。
【００９９】
図１０は、本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置におけるキャリブレーション方法を説明するためのフローチャートを示す図で、図１１Ａ乃至図１１Ｏは、図４に示した本発明に係るキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を用いた感度及びオフセットの補正方法の具体的な工程図である。
【０１００】
まず、静電容量型加速度検出装置３０に備えられたＸ、Ｙ軸方向加速度検出用の櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｘ，１０Ｙ及びＺ軸方向加速度検出用のシーソー型の静電容量型加速度センサ２０Ｚを水平状態にする（ステップＳ１）。次に、Ｙ軸方向加速度検出用の櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｘをマルチプレクサ４０１で選択する（ステップＳ２）。
【０１０１】
次に、選択された静電容量型加速度センサ１０Ｘの一方の検出電極をマルチプレクサ４０１を介して容量電圧変換器４０３に接続し、他方の検出電極をマルチプレクサ４０１を介して基準電圧ＶＣＯＭに接続し、一方の検出電極と重錘体間の容量ＣLXOを測定する（ステップＳ３；図１１Ａ）。
【０１０２】
次に、基準電圧ＶＣＯＭに接続されていた他方の検出電極をマルチプレクサ４０１を介して電圧ＶＤＤに接続し、一方の検出電極をマルチプレクサ４０１を介して電極容量電圧変換器４０３に接続し、検出電極と重錘体間の容量ＣLXdを測定する（ステップＳ４；図１１Ｂ）。
【０１０３】
次に、電極容量電圧変換器４０３に接続されていた一方の検出電極をマルチプレクサ４０１を介して基準電圧ＶＣＯＭに接続し、他方の検出電極をマルチプレクサ４０１を介して電極容量電圧変換器４０３に接続し、他方の検出電極と重錘体間の容量ＣRXOを測定する（ステップＳ５；図１１Ｃ）。
【０１０４】
次に、基準電圧ＶＣＯＭに接続されていた一方の検出電極をマルチプレクサ４０１を介して電圧ＶＤＤに接続し、他方の検出電極をマルチプレクサ４０１を介して電極容量電圧変換器４０３に接続し、他方の検出電極と重錘体間の容量ＣRXdを測定する（ステップＳ６；図１１Ｄ）。
【０１０５】
次に、測定した容量が、ある閾値以内であるかどうかを判断し（ステップＳ７）、閾値以内でなければ不良品として処分する。つまり、求めた容量ＣLX0、ＣLXd、ＣLY0、ＣLYd、ＣLZ0、ＣLZdが、ある閾値以内であるかどうかで良品・不良品判定を行う。
【０１０６】
次に、閾値以内であれば、Ｘ，Y，Ｚ軸の全てのセンサに関して容量測定が終了したかどうかを判断し（ステップＳ８）、終了していなければステップＳ２に戻り、ステップ３以降の処理を繰り返す。つまり、Ｙ軸方向加速度検出用の櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｙ及びＺ軸方向加速度検出用のシーソー型の静電容量型加速度センサ２０Ｚについても上記ステップＳ３乃至ステップＳ７を繰り返す（図１１Ｅ乃至図１１Ｌ）。
【０１０７】
次に、容量測定が全て終了したならば、測定した容量から寄生容量を取り除く（ステップＳ９）。つまり、求めた容量、ＣLX0、ＣLXd、ＣLY0、ＣLYd、ＣLZ0、ＣLZdから寄生容量を取り除く。
【０１０８】
次に、寄生容量を除去した容量から数式８と数式１４を用いてＸ，Ｙ，Ｚ軸センサの感度を求める（ステップＳ１０）。次に、感度を重力とクーロン力との違いから生じた補正値で誤差を補正する（ステップＳ１１）。次に、求めた感度を元に感度補正値を求め、可変ゲインアンプ４０４を調節する（ステップＳ１２）。
【０１０９】
次に、再び、Ｘ軸方向加速度検出用の櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｘをマルチプレクサ４０１で選択する（ステップＳ１３）。次に、一対の検出電極を容量電圧変換器４０３に接続し、一方の検出電極と重錘体間の容量と、他方の検出電極と重錘体間の容量差（ＣLXO−ＣRXO）を測定する（ステップＳ１４；図１１Ｍ）。
【０１１０】
次に、測定した容量差からオフセットを求める（ステップＳ１５）。次に、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の全てのセンサに関して容量測定が終了したかどうかを判断し（ステップＳ１６）、終了していなければステップＳ１３に戻ってステップ１４及び１５の処理を繰り返す。つまり、Ｙ軸方向加速度検出用の櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｙ及びＺ軸方向加速度検出用のシーソー型の静電容量型加速度センサ２０Ｚについても上記ステップＳ１４及び１５を繰り返す（図１１Ｎ及び図１１Ｏ）。
【０１１１】
次に、求めた容量差を元にオフセット補正回路４０６を調整する（ステップＳ１７）。次に、求めた感度補正値と、オフセット補正値とをＥＥＰＲＯＭ４１０に保存する（ステップＳ１８）。
【０１１２】
このようなキャリブレーションを行った後、本発明の静電容量型加速度検出装置は、図１１Ｍ及至図１１Ｏで示したにマルチプレクサ４０１の状態で両検出電極間の容量差を測定し、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の加速度検出を行うことができる。
【０１１３】
図１２（ａ）及至（ｃ）は、本発明に係る静電容量型加速度センサの他の実施例を説明するための構成図で、図１２（ａ）は上面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、図１２（ｃ）は図１２（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。
【０１１４】
この静電容量型加速度センサは、図３に示したＸ軸用に配置した櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｘと、Ｙ軸用に配置した櫛歯型の静電容量型加速度センサ１０Ｙとを一体化したことによりＸＹ軸兼用の櫛歯型の静電容量型加速度センサ１２０を実現したものである。つまり、櫛歯型のＸ軸用静電容量型加速度センサの重錘体と櫛歯型のＹ軸用静電容量加速度センサの重錘体とが同一であることを意味している。
【０１１５】
したがって、この場合の本発明の静電容量型加速度検出装置は、ＸＹ軸兼用の櫛歯型の静電容量型加速度センサ１２０と、Ｚ軸用に配置したシーソー型の静電容量型加速度センサ２０Ｚを一体的に構成した静電容量型３軸加速度センサとなる。
【０１１６】
上述したようにこの静電容量型加速度センサは、櫛歯型の静電容量型加速度センサ１２０であって、変位可能な重錘体１２９と、重錘体１２９に結合した櫛歯可動電極１２７ａ及至１２７ｄと櫛歯可動電極１２８a及至１２８ｄと、櫛歯可動電極１２７ａ及至１２７ｄを挟んで対向して配置された固定電極１２３ａ及至１２３ｄと固定電極１２４ａ及至１２４ｄと、櫛歯可動電極１２８ａ及至１２８ｄを挟んで対向して配置された固定電極１２５ａ及至１２５ｄと固定電極１２６ａ及至１２６ｄと、重錘体１２９に結合した梁部材１２２ａ及至１２２ｄと、梁部材１２２ａと結合した固定アンカー１２１ａと、梁部材１２２ｂと結合した固定アンカー１２１ｂと、梁部材１２２ｃと結合した固定アンカー１２１ｃと、梁部材１２２ｄと結合した固定アンカー１２１ｄと、固定アンカー１２１a及至１２１dを支持する基板１３０を備え、Ｘ軸方向の加速度を検出するに際しては、櫛歯可動電極１２８ａ及至１２８ｄと一方の検出電極（固定電極１２５ａ及至１２５ｄ）との間の静電容量変化と、可動電極１２８ａ及至１２８ｄと他方の検出電極（固定電極１２６ａ及至１２６ｄ）との間の静電容量変化を検出し、Ｙ軸方向の加速度を検出するに際しては、櫛歯可動電極１２７ａ及至１２７ｄと一方の検出電極（固定電極１２３ａ及至１２３ｄ）との間の静電容量変化と、可動電極１２７ａ及至１２７ｄと他方の検出電極（固定電極１２４ａ及至１２４ｄ）との間の静電容量変化を検出するように構成されている。
【０１１７】
図３に示したＸ軸用に配置された静電容量型加速度センサ１０ＸとＹ軸用に配置された静電容量型加速度センサ１０Ｙとを図１２に示したＸＹ軸用加速度センサに置き換えても、図４に示したような感度の調整とオフセットの調整とを行うキャリブレーション機能を備えた静電容量型加速度検出装置を実現することができることは明らかである。
【符号の説明】
【０１１８】
１０ 櫛歯型の静電容量型加速度センサ
１０Ｘ Ｘ軸用櫛歯型の静電容量型加速度センサ
１０Ｙ Ｙ軸用櫛歯型の静電容量型加速度センサ
１１ａ，１１ｂ 固定アンカー
１２ａ及至１２ｄ 梁部材
１３ａ及至１３ｆ，１４ａ及至１４ｆ 固定電極
１５ 基板
１６，２６ 重錘体
１６Ｘ，１６Ｙ，２６Ｘ 重錘体
１７ａ及至１７ｆ 櫛歯可動電極
２０ シーソー型の静電容量型加速度センサ
２０Ｚ Ｚ軸用シーソー型の静電容量型加速度センサ
２１ 固定アンカー
２２ａ及至２２ｂ 梁部材
２３ 左側検出固定電極
２４ 右側検出固定電極
２５ 基板
３０ 静電容量型３軸加速度センサ
５１ａ，５１ｂ シングルエンド容量電圧変換回路
５２ 差動増幅回路
５３ セレクタ
６０Ｌ 一方の検出電極
６０Ｒ 他方の検出電極
１２０ 櫛歯型の静電容量型加速度センサ
１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄ 固定アンカー
１２２ａ及至１２２ｄ 梁部材
１２３ａ及至１２３ｄ，１２４ａ及至１２４ｄ，１２５ａ及至１２５ｄ，１２６ａ及至１２６ｄ 固定電極
１２７ａ及至１２７ｄ，１２８a及至１２８ｄ 櫛歯可動電極
１２９ 重錘体
１３０ 基板
４０１ マルチプレクサ
４０２ 電圧源
４０３ 容量電圧変換回路
４０４ 可変ゲインアンプ
４０５ 復調回路
４０６ オフセット補正回路
４０７ アナログデジタル変換器
４０８ デジタルインターフェイス
４０９ 発振回路
４１０ ＥＥＰＲＯＭ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変位可能な重錘体と、該重錘体に対向して設けられ、該重錘体の変位によって一方の検出電極と該重錘体との容量は増加し、他方の検出電極と該重錘体との容量は減少する一対の検出電極を複数備える静電容量型加速度センサを有し、感度及びオフセットを調整する静電容量型加速度検出装置において、
前記静電容量型加速度センサが備える前記複数の一対の検出電極から一対の検出電極を選択する電極選択手段と、
該電極選択手段により選択された前記一対の検出電極の前記一方の検出電極及び前記他方の検出電極と前記重錘体間の容量を検出する容量検出手段と、
前記電極選択手段により選択された前記一対の検出電極の前記一方の検出電極及び前記他方の検出電極に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記容量検出手段により検出された容量と前記検出電極に印加された電圧とから求められる感度補正値とオフセット補正値とを保持する記憶手段と、
該記憶手段によって保持された補正値に応じて感度調整を行う感度調整手段と、
前記記憶手段によって保持された補正値によりオフセット調整を行うオフセット調整手段と
を備えていることを特徴とする静電容量型加速度検出装置。
【請求項２】
前記静電容量型加速度センサが、前記重錘体の厚みの等しい複数の静電容量型加速度センサからなることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型加速度検出装置。
【請求項３】
前記電圧印加手段が、電圧発生源を備え、該電圧発生源が生成する電圧を前記検出電極に印加することを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量型加速度検出装置。
【請求項４】
前記電圧印加手段が、外部から供給される電圧を前記検出電極に印加することを特徴とする請求項１，２又は３に記載の静電容量型加速度検出装置。
【請求項５】
容量検出手段が、前記選択された一対の検出電極のうち、前記一方の検出電極と前記重錘体間の容量を電圧に変換する機能と、前記他方の検出電極と前記重錘体間の容量を電圧に変換する機能と、前記一方の検出電極と前記重錘体間の容量と前記他方の検出電極と前記重錘体間の容量との差を電圧に変換する機能とを備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の静電容量型加速度検出装置。
【請求項６】
容量検出手段が、２つの容量を個別に検出するシングルエンド容量電圧変換回路と、該シングルエンド容量電圧変換回路からの出力電圧の差を出力する差動増幅回路と、前記シングルエンド容量電圧変換回路からの出力と前記差動増幅回路からの出力とから一つの出力を選択するセレクタとから構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の静電容量型加速度検出装置。
【請求項７】
前記感度調整手段に、寄生容量除去手段を付加したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の静電容量型加速度検出装置。
【請求項８】
前記静電容量型加速度センサが、櫛歯型のＸ軸用静電容量型加速度センサと、櫛歯型のＹ軸用静電容量型加速度センサと、シーソー型のＺ軸用静電容量型加速度センサとを一体的に構成した静電容量型３軸加速度センサであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の静電容量型加速度検出装置。
【請求項９】
前記櫛歯型のＸ軸用静電容量型加速度センサの重錘体と前記櫛歯型のＹ軸用静電容量加速度センサの重錘体とが同一であることを特徴とする請求項８に記載の静電容量型加速度検出装置。
【請求項１０】
変位可能な重錘体と、該重錘体に対向して設けられ、該重錘体の変位によって一方の検出電極と該重錘体との容量は増加し、他方の検出電極と該重錘体との容量は減少する一対の検出電極を複数備える静電容量型加速度センサを有し、該一対の容量の差を検出する静電容量型加速度検出装置における感度及びオフセットの調整を行うキャリブレーション方法において、
前記重錘体に対向する一方の検出電極に基準電圧を印加して他方の検出電極と重錘体間の容量を検出するステップと、
前記一方の検出電極に前記基準電圧と異なる電圧を印加して前記他方の検出電極と前記重錘体間の容量を検出するステップと、
前記検出された容量から感度補正値を求めて感度調整を行うステップと、
前記一方の検出電極と前記重錘体間の検出された容量と、前記他方の検出電極と前記重錘体間の検出された容量との容量差を検出するステップと、
前記検出された容量差からオフセット補正値を求めてオフセット補正を行うステップと
を有することを特徴とする静電容量型加速度検出装置におけるキャリブレーション方法。
【請求項１１】
前記感度調整を行うステップが、前記検出された容量から寄生容量を除去して感度補正値を求めることを特徴とする請求項１０に記載の静電用容量型加速度検出装置におけるキャリブレーション方法。
【請求項１２】
前記感度調整を行うステップが、前記感度補正値に重力とクーロン力との違いを係数として掛けた値を前記感度補正値として使用することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の静電用容量型加速度検出装置におけるキャリブレーション方法。
【請求項１３】
前記感度調整を行うステップが、複数個の静電容量型加速度センサから得られる容量値の分布から前記感度補正値を求めることを特徴とする請求項１０，１１又は１２に記載の静電用容量型加速度検出装置におけるキャリブレーション方法。
【請求項１４】
前記感度調整を行うステップが、複数個の静電容量型加速度センサから得られる重力に対する容量変化と、電圧による容量変化との関係から前記感度補正値を求めることを特徴とする請求項１０，１１又は１２に記載の静電用容量型加速度検出装置におけるキャリブレーション方法。
【請求項１】
変位可能な重錘体と、該重錘体に対向して設けられ、該重錘体の変位によって一方の検出電極と該重錘体との容量は増加し、他方の検出電極と該重錘体との容量は減少する一対の検出電極を複数備える静電容量型加速度センサを有し、感度及びオフセットを調整する静電容量型加速度検出装置において、
前記静電容量型加速度センサが備える前記複数の一対の検出電極から一対の検出電極を選択する電極選択手段と、
該電極選択手段により選択された前記一対の検出電極の前記一方の検出電極及び前記他方の検出電極と前記重錘体間の容量を検出する容量検出手段と、
前記電極選択手段により選択された前記一対の検出電極の前記一方の検出電極及び前記他方の検出電極に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記容量検出手段により検出された容量と前記検出電極に印加された電圧とから求められる感度補正値とオフセット補正値とを保持する記憶手段と、
該記憶手段によって保持された補正値に応じて感度調整を行う感度調整手段と、
前記記憶手段によって保持された補正値によりオフセット調整を行うオフセット調整手段と
を備えていることを特徴とする静電容量型加速度検出装置。
【請求項２】
前記静電容量型加速度センサが、前記重錘体の厚みの等しい複数の静電容量型加速度センサからなることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型加速度検出装置。
【請求項３】
前記電圧印加手段が、電圧発生源を備え、該電圧発生源が生成する電圧を前記検出電極に印加することを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量型加速度検出装置。
【請求項４】
前記電圧印加手段が、外部から供給される電圧を前記検出電極に印加することを特徴とする請求項１，２又は３に記載の静電容量型加速度検出装置。
【請求項５】
容量検出手段が、前記選択された一対の検出電極のうち、前記一方の検出電極と前記重錘体間の容量を電圧に変換する機能と、前記他方の検出電極と前記重錘体間の容量を電圧に変換する機能と、前記一方の検出電極と前記重錘体間の容量と前記他方の検出電極と前記重錘体間の容量との差を電圧に変換する機能とを備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の静電容量型加速度検出装置。
【請求項６】
容量検出手段が、２つの容量を個別に検出するシングルエンド容量電圧変換回路と、該シングルエンド容量電圧変換回路からの出力電圧の差を出力する差動増幅回路と、前記シングルエンド容量電圧変換回路からの出力と前記差動増幅回路からの出力とから一つの出力を選択するセレクタとから構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の静電容量型加速度検出装置。
【請求項７】
前記感度調整手段に、寄生容量除去手段を付加したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の静電容量型加速度検出装置。
【請求項８】
前記静電容量型加速度センサが、櫛歯型のＸ軸用静電容量型加速度センサと、櫛歯型のＹ軸用静電容量型加速度センサと、シーソー型のＺ軸用静電容量型加速度センサとを一体的に構成した静電容量型３軸加速度センサであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の静電容量型加速度検出装置。
【請求項９】
前記櫛歯型のＸ軸用静電容量型加速度センサの重錘体と前記櫛歯型のＹ軸用静電容量加速度センサの重錘体とが同一であることを特徴とする請求項８に記載の静電容量型加速度検出装置。
【請求項１０】
変位可能な重錘体と、該重錘体に対向して設けられ、該重錘体の変位によって一方の検出電極と該重錘体との容量は増加し、他方の検出電極と該重錘体との容量は減少する一対の検出電極を複数備える静電容量型加速度センサを有し、該一対の容量の差を検出する静電容量型加速度検出装置における感度及びオフセットの調整を行うキャリブレーション方法において、
前記重錘体に対向する一方の検出電極に基準電圧を印加して他方の検出電極と重錘体間の容量を検出するステップと、
前記一方の検出電極に前記基準電圧と異なる電圧を印加して前記他方の検出電極と前記重錘体間の容量を検出するステップと、
前記検出された容量から感度補正値を求めて感度調整を行うステップと、
前記一方の検出電極と前記重錘体間の検出された容量と、前記他方の検出電極と前記重錘体間の検出された容量との容量差を検出するステップと、
前記検出された容量差からオフセット補正値を求めてオフセット補正を行うステップと
を有することを特徴とする静電容量型加速度検出装置におけるキャリブレーション方法。
【請求項１１】
前記感度調整を行うステップが、前記検出された容量から寄生容量を除去して感度補正値を求めることを特徴とする請求項１０に記載の静電用容量型加速度検出装置におけるキャリブレーション方法。
【請求項１２】
前記感度調整を行うステップが、前記感度補正値に重力とクーロン力との違いを係数として掛けた値を前記感度補正値として使用することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の静電用容量型加速度検出装置におけるキャリブレーション方法。
【請求項１３】
前記感度調整を行うステップが、複数個の静電容量型加速度センサから得られる容量値の分布から前記感度補正値を求めることを特徴とする請求項１０，１１又は１２に記載の静電用容量型加速度検出装置におけるキャリブレーション方法。
【請求項１４】
前記感度調整を行うステップが、複数個の静電容量型加速度センサから得られる重力に対する容量変化と、電圧による容量変化との関係から前記感度補正値を求めることを特徴とする請求項１０，１１又は１２に記載の静電用容量型加速度検出装置におけるキャリブレーション方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１１Ｄ】
【図１１Ｅ】
【図１１Ｆ】
【図１１Ｇ】
【図１１Ｈ】
【図１１Ｉ】
【図１１Ｊ】
【図１１Ｋ】
【図１１Ｌ】
【図１１Ｍ】
【図１１Ｎ】
【図１１Ｏ】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１１Ｄ】
【図１１Ｅ】
【図１１Ｆ】
【図１１Ｇ】
【図１１Ｈ】
【図１１Ｉ】
【図１１Ｊ】
【図１１Ｋ】
【図１１Ｌ】
【図１１Ｍ】
【図１１Ｎ】
【図１１Ｏ】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−３７３４１（Ｐ２０１２−３７３４１Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７６６２３（Ｐ２０１０−１７６６２３）
【出願日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【出願人】（３０３０４６２７７）旭化成エレクトロニクス株式会社 (840)
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【出願人】（３０３０４６２７７）旭化成エレクトロニクス株式会社 (840)
[ Back to top ]