JPH0862248A - 容量型加速度センサ - Google Patents

容量型加速度センサ

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JPH0862248A
JPH0862248A JP6222592A JP22259294A JPH0862248A JP H0862248 A JPH0862248 A JP H0862248A JP 6222592 A JP6222592 A JP 6222592A JP 22259294 A JP22259294 A JP 22259294A JP H0862248 A JPH0862248 A JP H0862248A
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信宏 伊藤
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 回路構成が容易で分解能の高い容量型加速度
センサを提供する。 【構成】 可動電極の両側に固定電極を配置して2個の
可変コンデンサC1 ,C2 を形成して加速度検出素子1
を形成し、可変コンデンサC1 ,C2 の静電容量の差を
容量差検出回路10により電圧出力として検出し、容量差
検出信号10の出力に応じて可動電極を基準位置に拘束す
るための静電力を固定電極と可動電極間に静電力発生帰
還手段15により印加すると共に、この静電力をセンサ出
力として出力する静電サーボ方式の容量型加速度センサ
の可変コンデンサC2 側に、加速度に対応して変化する
可変コンデンサC1 ,C2 の容量C1 ,C2 の差の最大
値よりも大きな容量Cx を有する固定容量Cx を並列接
続し、加速度の方向にかかわらず常にC2 +Cx がC1
よりも大きくなるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、静電容量の変化を利用
して加速度を検出する静電サーボ方式の容量型加速度セ
ンサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】加速度センサの一例として、シリコンの
微細加工技術を利用した静電サーボ方式の容量型加速度
センサが用いられており、静電サーボ方式容量型加速度
センサは、広いダイナミックレンジを有し、感度も高い
加速度センサとして注目されている。図4には従来の静
電サーボ方式容量型加速度センサの回路のブロック図が
示されている。同図において、加速度検出素子1は図7
に示すように、固定電極2,3の中間位置(中立位置)
に、可動電極4を配置したもので、可動電極4は梁5に
より保持され、例えば、加速度を受けることによりY方
向に変位するようになっている。図4の回路で、可変コ
ンデンサC1 は、固定電極2と可動電極4によって形成
され、可変コンデンサC2 は固定電極3と可動電極4に
よって形成されており、可変コンデンサC1 ,C2 はシ
リコン微細加工技術を利用して形成されている。
【0003】容量型加速度検出素子1の可変コンデンサ
C1 には発振器6から振幅VP 、角周波数ωの正弦波が
印加されており、可変コンデンサC2 には位相反転器9
を介して位相が180 °ずれて反転された振幅VP 、角周
波数ωの正弦波が印加されている。加速度検出素子1の
出力側には、前記2個の可変コンデンサC1 ,C2 の静
電容量の差を電圧出力として検出する容量差検出手段と
して機能する容量差検出回路10が接続されており、容量
差検出回路10は、図5に示すように、演算増幅器として
機能するオペアンプA1 を有しており、オペアンプA1
の反転入力端子に加速度検出素子1の出力側が接続され
ており、オペアンプA1 の非反転入力端子はグランド側
に接続されており、オペアンプA1 の反転入力端子と出
力端間には帰還抵抗体Rfが接続されている。
【0004】図4に示すように、発振器6と容量検出回
路10との間には、同期検波回路12が設けられており、容
量差検出回路10の出力側と加速度検出素子1との間に
は、容量差検出回路10の出力に応じて前記可動電極4を
予め定められた基準位置(前記中立位置)に拘束するた
めの静電力を固定電極2,3と可動電極4間に印加する
静電力発生帰還手段15が介設されており、静電力発生帰
還手段15は、積分器11、比較器13、帰還率設定回路14を
有して構成されており、積分器11は容量差検出回路10の
出力電圧を検波し、積分し、積分結果を比較13に加え
る。
【0005】比較器13は、容量差検出回路10の出力と基
準電圧とを比較するものであり、積分器11により積分し
た容量差検出回路10の出力電圧と基準電圧を比較して、
比較結果を出力する。なお、基準電圧は加速度が零のと
きの容量差検出回路10の出力電圧の積分値(オフセッ
ト)であり、零となっている。帰還率設定回路14は、比
較器13の出力をサーボ用帰還電圧として固定電極2,3
と可動電極4間に印加するようになっている。なお、こ
の帰還電圧は加速度零のときを基準としているので、加
速度検出素子1の可動電極4は加速度零のときの位置に
拘束されることとなり、この容量型加速度センサの出力
電圧は帰還電圧そのものとなる。
【0006】ところで、前記のように、可変コンデンサ
C1 ,C2 の固定電極2,3には、振幅VP が等しく、
位相が180 °ずれた角周波数ωの正弦波が印加されてい
るために、容量差検出回路10の出力側から出力される出
力電圧VOUT 1の振幅VA は次式(1)で表され、図6
に示すような波形の電圧が検出される。
【0007】 VA =−Rf・VP ・ω・(C2 −C1 )・・・・・(1)
【0008】すなわち、この種の容量型センサでは、容
量検出部1に加速度が加わらない状態のときには、可動
電極4は固定電極2,3の中間位置にあるので、可変コ
ンデンサC1 とC2 の容量が等しく、この結果、次式
(1)からVA は零となり、容量差検出回路10のオペア
ンプA1 から零電圧が容量差検出信号として出力される
こととなる。一方、容量検出部1に加速度が加わると、
可変コンデンサC1 の容量C1 と可変コンデンサC2 の
容量C2 が変化し、式(1)から、VA はC1 とC2 と
の差に応じた値となるために、容量差検出回路10から出
力される出力電圧VOUT 1の波形もC1 とC2 との差に
応じて、C1 >C2 の関係となったときには容量差検出
信号VOUT 1は図6の実線で示すような波形となって出
力され、これに対し、加速度が逆方向に作用して、C1
<C2 の関係となったときには、図6の破線で示すよう
に、実線の波形と位相が180 °ずれた波形の電圧VOUT
1が容量差検出信号として出力される。
【0009】そして、同期検波回路12で発振器6から印
加される正弦波と容量差検出回路10の出力電圧VOUT 1
との同期をとることにより加速度の方向が判別され、さ
らに、容量差検出回路10の出力電圧が静電力発生帰還手
段15に加えられると、静電力発生帰還手段15により、容
量差検出回路10の出力に応じて前記サーボ用帰還電圧が
出力され、加速度センサの出力電圧として取り出される
と共に、固定電極2,3と可動電極4間には、例えば、
コンデンサC1 の容量C1 とコンデンサC2 の容量C2
の関係がC1 >C2 となったときにはコンデンサC1 の
容量を減らす方向の静電力が印加され、その逆にC1 <
C2 となったときにはC1 >C2 の場合と逆の静電力が
印加されて可動電極4は前記基準位置(中立位置)に保
持される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
に、加速度零のときの容量差検出信号のオフセットを零
とするためには、加速度零のときの素子容量バランスを
正確にとり、コンデンサC1 の容量とコンデンサC2 の
容量とを正確に等しくしなければならない。しかしなが
ら、加速度検出素子1を製造するときの素子製造ばらつ
き等があるために、そのようにコンデンサC1 ,C2 の
容量を正確に等しくすることは困難であった。
【0011】また、図6に示したように、加速度の方向
により、容量差検出信号の位相が180 °反転するため、
微小容量検出域が位相反転域と一致してしまうため、容
量差検出信号の零点付近での直線性が悪くなり、その結
果、容量型加速度センサの分解能が低くなるという問題
が生じる。
【0012】さらに、加速度の方向で容量差検出信号が
位相反転するが、いずれの方向の加速度の場合にも、容
量差検出信号は零電圧を基準とした正弦波状の交流電圧
となるため、加速度の方向を判別するためには、同期検
波回路が必要になり、回路構成が複雑化し、センサコス
トも高価になるという問題がある。
【0013】本発明は上記従来の課題を解決するために
なされたものであり、その目的は、センサの分解能を高
め、同期検波回路を省略した簡易構成の容量型加速度セ
ンサを提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は次のように構成されている。すなわち、本
発明は、2個の固定電極間に加速度に応じて変位する可
動電極を配置して形成される2個の可変コンデンサを備
えた加速度検出素子と、前記2個の可変コンデンサの静
電容量の差を電圧出力として検出する容量差検出手段
と、該容量差検出手段の出力に応じて前記可動電極を予
め定められた基準位置に拘束するための静電力を前記固
定電極と可動電極間に印加する静電力発生帰還手段とを
有する静電サーボ方式の容量型加速度センサにおいて、
加速度に対応して変化する前記可変コンデンサの静電容
量差の最大値よりも大きな静電容量を有する固定容量を
可変コンデンサのいずれか一方側に並列接続したことを
特徴として構成されている。
【0015】また、前記静電力発生帰還手段は容量差検
出手段の出力電圧の積分値と基準電圧とを比較する比較
器を有しており、基準電圧を加速度が零のときの前記容
量差検出手段の出力電圧の積分値と等しくする基準電圧
調整手段が設けられていることも本発明の特徴的な構成
とされている。
【0016】
【作用】上記構成の本発明において、可変コンデンサの
いずれか一方側には、加速度に対応して変化する可変コ
ンデンサの静電容量差の最大値よりも大きな静電容量を
有する固定容量が並列接続されているために、加速度の
方向に関係なく、常に固定容量が接続されている一方側
の可変コンデンサの静電容量が他方側の可変コンデンサ
の静電容量よりも大きくなる。したがって、容量差検出
手段の出力電圧の位相は同一となり、反転することはな
く、加速度のダイナミックレンジの全領域で容量差検出
手段の出力は単調増加、単調減少となり、加速度零付近
でも良好な直線性が得られ、分解能の高いセンサが構築
される。
【0017】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。なお、本実施例の説明において、従来例と同一名
称部分には同一符号を付し、その詳細説明は省略する。
図1には、本発明に係る容量型加速度センサの一実施例
の回路図が示されている。本実施例も従来例と同様に、
加速度検出素子1、容量差検出回路10、静電力発生帰還
手段15を有しており、本実施例が従来例と異なる特徴的
なことは、加速度検出素子1の一方側の可変コンデンサ
C2 側に加速度に対応して変化する可変コンデンサ
C1 ,C2 の静電容量差の最大値よりも大きな静電容量
Cx を有する固定容量Cx を並列接続したことと、静電
力発生帰還手段15の比較器13の非反転入力端子側に入力
する基準電圧を加速度が零のときの容量差検出回路10の
出力電圧の積分値と等しくする基準電圧調整手段18を設
けたことである。
【0018】加速度検出素子1の可変コンデンサC1 ,
C2 は加速度零のときにおおよそC1 =C2 となるよう
に構成されており、可変コンデンサC2 側に並列接続さ
れている固定容量Cx は加速度のダイナミックレンジで
常に可変コンデンサC1 ,C2 の静電容量差の最大値よ
りも大きな静電容量を有しており、言い換えれば、常に
(C2 +Cx )>C1 の関係が成り立つようになってお
り、そのため、常にC2 +Cx 側のインピーダンスがC
1 側のインピーダンスより小さくなるように構成されて
いる。
【0019】加速度検出素子1および固定容量Cx の出
力側には、従来例と同様の容量差検出回路10が接続され
ており、容量差検出回路10の出力側にはパルス変換回路
19とアナログスイッチ20が接続されており、アナログス
イッチ20と加速度検出素子1の間には静電力発生帰還手
段15が介設されている。
【0020】静電力発生帰還手段15は、積分器11、比較
器13、帰還率設定回路(帰還率調整器)14を有して構成
されており、積分器11は演算増幅器として機能するオペ
アンプA3 、抵抗器R1 、コンデンサC3 を有してお
り、オペアンプA3 の非反転入力端子はグランド側に接
続され、オペアンプA3 の出力端と反転入力端子間には
抵抗体R1 とコンデンサC3 が並列に接続されており、
オペアンプA3 の出力端側に比較器13が接続されてい
る。
【0021】比較器13は演算増幅器として機能するオペ
アンプA4 、コンデンサC4 、抵抗体R2 、基準電圧調
整手段18を有して構成されており、オペアンプA4 の反
転入力端子には抵抗体R2 が接続されている。オペアン
プA4 の反転入力端子と出力端間にはコンデンサC4 が
接続されており、オペアンプA4 の出力端には、帰還率
設定回路14と積分加算器16とが接続されている。また、
オペアンプA4 の非反転入力端子には基準電圧調整手段
18が接続されている。
【0022】基準電圧調整手段18は演算増幅器として機
能するオペアンプA5 を有しており、オペアンプA5 の
非反転入力端子には、摺動型の可変抵抗体R3 を介して
電源30,31が接続されており、オペアンプA5 の出力端
と反転入力端子が抵抗体R5を介して前記オペアンプA
4 の非反転入力端子に接続されている。そして、基準電
圧調整手段18は、可変抵抗体R3 を摺動可変することに
より、オペアンプA4に入力する基準電圧の積分値Vr
を調整できるようになっている。
【0023】前記帰還率設定回路14はオペアンプA8 を
有しており、オペアンプA8 の反転入力端子が抵抗体R
8 を介して比較器13の出力端(オペアンプA4 の出力
端)に接続されており、オペアンプA8 の反転入力端子
には可変抵抗体R9 も接続されている。オペアンプA8
の非反転入力端子と出力端は共に抵抗体R6 ,R7 を介
して、それぞれ、サーボ用加算器として機能するオペア
ンプA6 ,A7 の反転入力端子に接続されており、オペ
アンプA6 の出力端が可変コンデンサC2 の固定電極3
(図のA)側と固定容量Cx とに接続されており、オペ
アンプA7 の出力端は可変コンデンサC1 の固定電極2
(図のB)側に接続されている。なお、オペアンプ
A6 ,A7 の非反転入力端子はいずれもグランド側に接
続されている。
【0024】前記積分加算器16はオペアンプA10を有し
ており、オペアンプA10の反転入力端子が抵抗体R11を
介して前記比較器13のオペアンプA4 の出力端と接続さ
れており、オペアンプA10の反転入力端子には、抵抗体
R12と可変電源32が接続されている。オペアンプA10の
非反転入力端子はグランド側に接続されており、オペア
ンプA10の出力端と反転入力端子間には抵抗体R10とコ
ンデンサC5 が並列に接続されている。
【0025】また、本実施例では、位相反転器9はオペ
アンプA9 を有して構成されており、オペアンプA9 の
非反転入力端子はグランド側に接続されており、オペア
ンプA9 の反転入力端子が抵抗体R13を介して発振器6
と接続され、オペアンプA9の出力端と反転入力端子間
に抵抗体R14が接続されており、オペアンプA9 の出力
端は抵抗体R16を介して前記オペアンプA7 の反転入力
端子に接続されている。また、発振器6は抵抗体R15を
介して前記オペアンプA6 の反転入力端子に接続されて
いる。
【0026】本実施例は以上のように構成されており、
次にその動作について説明する。本実施例でも、従来例
と同様に発振器6からオペアンプA6 を介して可変コン
デンサC2 側に振幅VP 、角周波数ωの正弦波が印加さ
れ、可変コンデンサC1 側には位相反転器9を介して位
相が180 °ずれて反転された振幅VP 、角周波数ωの正
弦波が印加されるが、本実施例では、可変コンデンサC
2 側に固定容量Cx が並列接続されているために、容量
差検出回路10から出力される出力電圧Va 振幅V1 は、
オペアンプA1 の帰還抵抗体Rfの抵抗Rfにより次式
(2)で示すようになる。なお、このときの角周波数は
ω=2πfである。
【0027】 V1 =−Rf・VP ・ω・Cx −Rf・VP ・ω・(C2 −C1 )・・・・・ (2)
【0028】すなわち、出力電圧Va はオフセット電圧
−Rf・VP ・ω・Cx をもち、可変コンデンサC1 と
C2 の静電容量差(C2 −C1 )と線形な関係にある。
言い換えれば、式(2)は次式(3)に書き換えること
ができ、出力電圧Va の振幅V1 は、固定容量Cx の容
量Cx と可変コンデンサC1 ,C2 の静電容量差(C2
−C1 )との差に比例することになる。
【0029】 V1 =−Rf・VP ・ω・{Cx −(C2 −C1 )}・・・・・(3)
【0030】そして、本実施例では、固定容量Cx は加
速度に対応して変化する可変コンデンサC1 ,C2 の静
電容量差の最大値よりも大きな静電容量を有する固定容
量であるために、式(3)におけるCx の値は常に可変
コンデンサC1 ,C2 の静電容量差(C2 −C1 )より
も大きな値となり、したがって、Cx −(C2 −C1)
は、加速度の方向が変わっても常に正の値となり、加速
度の方向により位相が反転することはなく、容量差検出
回路10からの出力電圧Va は常に同じ位相の正弦波状の
交流電圧となって出力される。そして、図2の(a)に
示すように、容量差検出信号の電圧Va は、加速度零の
ときにもオフセットを有し、例えば、加速度ax が加え
られて可変コンデンサC2 の容量C2 が可変コンデンサ
C1 の容量C1 よりも大きくなったとき(C2 >C1 の
とき)には、容量差検出信号の電圧Va の振幅V1 が加
速度零のときの振幅V1 よりも大きくなり、その逆に、
前記と逆方向の加速度−ax が加わってC1 >C2 とな
ったときには容量差検出信号の電圧Va の振幅V1 は加
速度零のときの振幅V1 よりも小さくなる。なお、これ
らの正弦波は、零電圧を基準とした従来の正弦波状の交
流電圧とは異なり、例えば一定の正の電圧Vfを基準と
した電圧となり、零電圧を交差することはない。
【0031】そして、これらの交流電圧が容量差検出回
路10から出力されると、パルス変換回路19とアナログス
イッチ20により半波整流されて図2の(b)に示すよう
な波形の信号Vb となる。
【0032】次に、図1に示すように、この信号Vb は
積分器11により積分されて直流電圧Vc となり、比較器
13に加えられ、入力抵抗器R2 を介してオペアンプA4
の反転入力端子に入力される。そして、このとき、オペ
アンプA4 の非反転入力端子には基準電圧調整手段18か
ら、加速度が零のときの容量差検出回路10の出力電圧の
積分値と等しい基準電圧Vr が調整入力され、オペアン
プA4 により、この基準電圧Vr と前記容量差検出回路
10により検出した容量差検出信号の積分値とが比較され
て、容量差検出信号の積分値とオフセット電圧の積分値
との差がサーボ電圧Vs として出力され、帰還率設定回
路(帰還率調整器)14を経て、オペアンプA6 ,A7 に
入力され、可変コンデンサC2 ,C1 の固定電極3,2
に帰還される。
【0033】なお、前記サーボ電圧Vs は可変コンデン
サC1 ,C2 に帰還されると共に、積分加算器16により
演算増幅器(オペアンプ)A1 〜A5 等のオフセット電
圧等のノイズ成分を除去されて、図3に示すように加速
度に対応した信号が出力電圧VOUT として出力される。
なお、図3には、本実施例の容量型加速度センサにより
±1Gの範囲内の加速度を計測した結果を示した。
【0034】本実施例によれば、上記動作により、容量
差検出回路10により検出される容量差検出信号は加速度
の方向が変わっても位相反転することがなく、加速度の
ダイナミックレンジの全領域で容量差検出信号の出力を
単調増加、単調減少とすることができるために、従来の
容量型加速度センサのように加速度の方向により位相が
反転して零点付近での直線性が悪くなって加速度センサ
の分解能が低くなるといったことはなく、加速度零付近
でも良好な直線性が得られ、加速度センサを高い分解能
の容量型加速度センサとすることができる。また、本実
施例では加速度の方向を検知するための複雑な同期検波
回路が不要となるために、その分、回路構成を簡易化す
ることができると共に、センサコストの低減化を図るこ
とができる。
【0035】さらに、本実施例によれば、従来のように
加速度零のときの容量差検出信号の電圧のオフセットを
零とするわけではなく、加速度零のときにも零以外のオ
フセット電圧を有するように構成されており、そのオフ
セット電圧の積分値を基準電圧調整手段18により調整し
て可動電極4を基準位置に拘束するようになっているた
めに、従来のように素子容量バランスを正確にとって極
めて正確にC1 =C2としなければならないことはな
く、素子製造ばらつき等があったとしても支障なく正確
に加速度の検出をすることができる。
【0036】なお、本発明は上記実施例に限定されるこ
とはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記
実施例では、固定容量Cx は可変コンデンサC2 側に並
列に接続したが、固定容量Cx は可変コンデンサC1 側
に並列に接続しても構わない。
【0037】また、上記実施例では、容量型加速度セン
サの出力側にオペアンプA1 〜A5等のノイズ成分等を
除く積分加算器16を設けたが、積分加算器16は省略する
こともできる。
【0038】また、上記実施例では、比較器13のオペア
ンプA4 の非反転入力端子に基準電圧調整手段18を接続
してオペアンプA4 に入力する基準電圧Vr を可変調整
するように構成したが、基準電圧調整手段18の代わりに
固定の基準電圧を入力する電源等を接続しても構わな
い。この場合は、オフセット信号が比較器13からの出力
信号に乗ることになるが、このオフセット信号を取り除
く回路等を他に設ければよい。
【0039】
【発明の効果】本発明によれば、加速度に対応して変化
する可変コンデンサの静電容量差の最大値よりも大きな
静電容量を有する固定容量を可変コンデンサのいずれか
一方側に並列接続したために、容量差検出手段の出力電
圧の位相が加速度の方向によって反転するということが
なくなり、容量差検出手段からの出力によって加速度の
方向と大きさが容易に検出できることとなり、これによ
り、加速度の微小検出領域においても加速度の変化に対
する出力の良好な直線性が得られ、分解能(検出精度と
検出感度)を高めることができる。また、従来必要とし
ていた複雑な同期検波回路が不要となり、その分、回路
構成を容易化することが可能となり、センサコストの低
減化を図ることができる。
【0040】さらに、静電力発生帰還手段の比較器に入
力する基準電圧を加速度が零のときの容量差検出手段の
出力電圧の積分値と等しくする基準電圧調整手段が設け
られている本発明によれば、基準電圧調整手段により基
準電圧が調整されてそれにより可動電極を予め定められ
た基準位置に拘束するための静電力が調整されるため
に、従来のように比較器に入力する基準電圧を零とし、
基準電圧を零とするために2個の可変コンデンサの静電
容量を正確に等しくする必要はなく、2個の可変コンデ
ンサの静電容量に多少のばらつきがあっても支障なく正
確に加速度を測定することが可能となり、加速度センサ
の加速度検出素子の作製を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る容量型加速度センサの一実施例の
要部構成を示す回路図である。
【図2】上記実施例の容量型加速度センサの容量差検出
回路10から出力される電圧Va,Vb の波形を示す説明
図である。
【図3】上記実施例の出力電圧VOUT と加速度との関係
を示すグラフである。
【図4】従来の静電サーボ方式容量型加速度センサの一
例を示すブロック説明図である。
【図5】図4の容量差検出回路10を示す説明図である。
【図6】従来の容量型加速度センサにおける容量差検出
回路10の検出電圧を示す説明図である。
【図7】加速度検出素子1の一構成例を示す説明図であ
る。
【符号の説明】
1 加速度検出素子 10 容量差検出回路 13 比較器 15 静電力発生帰還手段 18 基準電圧調整手段 C1 ,C2 可変コンデンサ Cx 固定容量

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 2個の固定電極間に加速度に応じて変位
    する可動電極を配置して形成される2個の可変コンデン
    サを備えた加速度検出素子と、前記2個の可変コンデン
    サの静電容量の差を電圧出力として検出する容量差検出
    手段と、該容量差検出手段の出力に応じて前記可動電極
    を予め定められた基準位置に拘束するための静電力を前
    記固定電極と可動電極間に印加する静電力発生帰還手段
    とを有する静電サーボ方式の容量型加速度センサにおい
    て、加速度に対応して変化する前記可変コンデンサの静
    電容量差の最大値よりも大きな静電容量を有する固定容
    量を可変コンデンサのいずれか一方側に並列接続したこ
    とを特徴とする容量型加速度センサ。
  2. 【請求項2】 静電力発生帰還手段は容量差検出手段の
    出力電圧の積分値と基準電圧とを比較する比較器を有し
    ており、基準電圧を加速度が零のときの前記容量差検出
    手段の出力電圧の積分値と等しくする基準電圧調整手段
    が設けられていることを特徴とする請求項1記載の容量
    型加速度センサ。
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