(57)【要約】【課題】加速度及び角速度の検出範囲を広げることができると共に、歩留まりの向上を図ることができる加速度・角速度センサを提供する。【解決手段】物体の運動に応じて変位する変位部と、この変位部と間隔をあけて対向する電極基板とを備え、前記変位部を前記電極基板面と垂直な方向に振動変位させた状態で、前記変位部と前記電極基板に設けた電極との間に形成される静電容量の変化に基づいて、前記物体の加速度及び角速度を検出する加速度・角速度センサにおいて、前記電極基板に、電圧を印加することにより前記変位部を変位させる複数の変位印加電極を設けると共に、前記複数の変位印加電極の少なくとも一つに変位電圧を印加する変位電圧印加部を設けた。【選択図】図１
2008058169.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の運動に応じて変位する変位部と、前記変位部との間に間隔をあけて前記変位部と対向する電極基板と、前記電極基板に設けられ、所定周期で電圧を印加することにより、前記変位部を前記所定周期で前記電極基板面と垂直な方向に振動させる振動印加電極と、前記変位部と共同して容量素子を形成すると共に、前記変位部の変位により変化する前記容量素子の静電容量を検出するための複数の変位検出電極とを有するセンサ本体と、
前記振動印加電極へ前記所定周期で所定の振動電圧を印加する振動電圧印加部と、前記変位検出電極から検出した前記静電容量の変化に基づいて、前記物体の加速度に応じた前記加速度信号を生成する加速度信号生成部と、
前記変位検出電極から検出した前記静電容量の変化に基づいて前記物体の角速度に応じた前記角速度信号を生成する角速度信号生成部とを有する信号変換回路とを備え、
前記物体の加速度及び角速度を検出する加速度・角速度センサにおいて、
前記センサ本体は、前記電極基板に設けられ、電圧を印加することにより前記変位部を変位させる複数の変位印加電極を有し、
前記信号変換回路は、
前記変位検出電極から検出した前記静電容量に基づいて、前記複数の変位印加電極の少なくとも一つに前記変位電圧を印加する変位電圧印加部を有することを特徴とする加速度・角速度センサ。
【請求項２】
前記信号変換回路は、前記物体が静止した状態において前記変位検出電極から検出した前記静電容量に基づいて、前記変位電圧印加部から前記変位印加電極に、前記変位部を予め定めた所定位置まで変位させる前記変位電圧を印加させる初期傾き調整部を有することを特徴とする請求項１に記載の加速度・角速度センサ。
【請求項３】
前記信号変換回路は、
前記変位検出電極から検出した前記静電容量に基づいて、前記変位部の傾きを示す傾き信号を生成する傾き信号生成部を備え、
前記加速度信号生成部は、前記傾き信号のうち前記変位部の振動周波数よりも低い信号だけを通過させるローパスフィルタを有し、
前記ローパスフィルタの出力信号に基づいて、前記変位電圧印加部から前記変位印加電極に、前記変位部を前記物体が加速度運動していない状態の位置まで変位させる前記変位電圧を印加させると共に、前記変位電圧印加部に印加させる前記変位電圧に基づいて前記加速度信号を生成し、
前記角速度信号生成部は、前記傾き信号のうち前記変位部の振動周波数のみを通過させるバンドパスフィルタを有し、
前記バンドパスフィルタの出力信号に基づいて前記角速度信号を生成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加速度・角速度センサ。
【請求項４】
前記信号変換回路は、
前記変位検出電極から検出した前記静電容量に基づいて、前記変位部の傾きを示す傾き信号を生成する傾き信号生成部を備え、
前記傾き信号のうち、少なくとも前記変位部の振動周波数よりも高い周波数まで通過させるフィルタ部を有し、
前記変位電圧印加部は、前記フィルタ部の出力信号に基づいて、前記変位部を前記物体が加速度運動及び角速度運動していない状態の位置まで変位させる前記変位電圧を前記変位印加電極へ印加し、
前記加速度信号生成部は、前記フィルタ部の出力信号のうち前記変位部の振動周波数よりも低い信号だけを通過させるローパスフィルタを有し、前記ローパスフィルタの出力信号に基づいて前記加速度信号を生成し、
前記角速度信号生成部は、前記フィルタ部の出力信号のうち前記変位部の振動周波数だけを通過させるバンドパスフィルタを有し、前記バンドパスフィルタの出力信号に基づいて前記角速度信号を生成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加速度・角速度センサ。
【請求項５】
前記信号変換回路は、
前記変位検出電極から検出した前記静電容量に基づいて、前記変位検出電極と前記変位部との距離を検出する振動方向変位検出部と、
前記振動方向変位検出部の出力信号に基づいて、前記変位部の振動の振幅を検出する振動振幅検出部とを有し、
前記振動電圧印加部は、前記振動印加電極に対して、前記振動振幅変位検出部の検出結果を一定値にする前記振動電圧を印加することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の加速度・角速度センサ。
【請求項６】
前記信号変換回路は、
前記振動方向変位検出部の出力信号に基づいて、前記変位部の振動の振幅における中心位置を検出する振動中心位置検出部を有し、
前記振動中心位置検出部は、
前記変位部の振動振幅の中心位置を一定に保つ前記振動電圧を前記振動電圧印加部から前記振動印加電極へ印加させると共に、前記振動電圧印加部に印加させる前記振動電圧に基づいて、前記電極基板面と垂直な方向における前記物体の加速度を示す振動方向加速度信号を生成することを特徴とする請求項５に記載の加速度・角速度センサ。
【請求項７】
前記変位印加電極と前記振動印加電極とは、それぞれ独立して前記電極基板に設けられ、
前記振動電圧印加部は、前記振動中心位置検出部の検出結果に基づいて、前記変位部の振動の振幅における中心位置を一定に保つ前記変位電圧を前記変位印加電極に印加することを特徴とする請求項６に記載の加速度・角速度センサ。
【請求項８】
前記振動印加電極と前記変位印加電極とを一つの振動傾き印加共通電極により構成して前記電極基板に複数配設すると共に、
前記信号変換回路は、
前記振動中心位置検出部の検出結果に基づいて生成した前記変位部の振動の振幅における中心位置を一定に保つ前記変位電圧と、前記振動電圧とを加算した振動傾き電圧を前記振動傾き印加共通電極に印加する振動傾き電圧印加部を有することを特徴とする請求項６に記載の加速度・角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度検出機能と角速度検出機能とを有する加速度・角速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、物体に取り付けて、その物体が加速度運動及び角速度運動をした際に生じる加速度及び角速度を検出可能な加速度・角速度センサが知られている。
【０００３】
この加速度・角速度センサでは、三次元空間に定義したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸における各軸方向毎に、それぞれ個別の加速度を検出すると共に、各軸毎に、各軸を回転軸とする角速度をそれぞれ個別に検出することによって、三次元空間において運動する物体の加速度及び角速度を検出していた。
【０００４】
この物体の加速度と角速度とを検出可能な加速度・角速度センサとして、物体の加速度運動及び角速度運動に伴って変位する振動子を用いたセンサがある。
【０００５】
この加速度・角速度センサでは、三次元空間において互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を定義した場合に、Ｚ軸方向に所定の周期で振動子を振動させている状態において、物体がＸ軸又はＹ軸を回転軸とした角速度運動をした際、その物体の運動方向と直行する向きに作用するコリオリ力を検出することによって、Ｙ軸あるいはＸ軸を中心軸とする角速度及びＸ軸方向あるいはＹ軸方向の角速度を求めていた。
【０００６】
すなわち、この加速度・角速度センサでは、たとえば、この加速度・角速度センサの振動子をＺ軸方向に所定の周期で振動させている状態において、この加速度・角速度センサを取り付けた物体がＸ軸を回転軸とした角速度運動を行った場合に、振動子にＹ軸方向へ向かうコリオリ力が作用するという物理現象を利用し、このコリオリ力の大きさに応じた振動子の変位量を検出することによって、物体に作用するＸ軸を回転軸とした角速度の大きさを検出するようにしていた。
【０００７】
このような振動子を備えた加速度・角速度センサとして、図９に示すような加速度・角速度センサが知られている。
【０００８】
図９に示すように、この加速度・角速度センサＡ１は、この加速度・角速度センサＡ１を取り付けた物体の加速度運動又は角速度運動により生じる慣性力によって変位する変位部１０３を備えたセンサ本体Ｂ１と、このセンサ本体Ｂ１が備える変位部１０３の変位量に基づいて、この加速度・角速度センサＡ１を取り付けた物体の加速度に応じた加速度信号Ｓ２ａ及び角速度に応じた角速度信号Ｓ３ａを生成する信号変換回路Ｃ１とを備えている。
【０００９】
なお、以下の説明では、加速度・角速度センサＡ１が備える変位部１０３の三次元空間における変位方向を説明するために、変位部１０３の上面における中央の点を原点として、図９に点線で示す各方向を、それぞれ三次元空間座標におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と定義する。
【００１０】
この加速度・角速度センサＡ１が備えるセンサ本体Ｂ１は、図示しない筐体内に、互いに平行に所定間隔を空けて固定された上部基板１０１と下部基板１０２と、これら上部基板１０１と下部基板１０２との間に、上部基板１０１及び下部基板１０２と接触することなく変位可能に配設され上記振動子として機能する矩形箱形状の変位部１０３とを備えている。
【００１１】
このセンサ本体Ｂ１が備える変位部１０３は、その四側面の各上面側中央位置と、この変位部１０３を収納する図示しない筐体の内壁との間が、弾性を有する四本の支持体Ｄ１により連結されており、上部基板１０１と下部基板１０２との間でＺ軸方向の振動変位と、Ｘ軸又はＹ軸を回転軸とした傾き変位とができるように構成されている。
【００１２】
また、上部基板１０１は、その略中央位置に配設された振動印加電極１０４と、上部基板１０１において振動印加電極１０４を除く領域をＺ軸方向から見てＸ軸とＹ軸とによって４分割した変位検出電極１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄとを備えている。
【００１３】
また、下部基板１０２は、上部基板１０１と同様に、下部基板１０２をＺ軸方向から見てＸ軸とＹ軸とによって４分割した変位検出電極１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ、１０９ｄを備えている。
【００１４】
なお、この加速度・角速度センサＡ１において、上部基板１０１に設けた変位検出電極１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄを用いた物体の加速度及び角速度の検出と、下部基板１０２に設けた変位検出電極１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ、１０９ｄを用いた物体の加速度及び角速度の検出は、同様の方法によって行うため、ここでは、上部基板１０１に設けた変位検出電極１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄを用いた物体の加速度及び角速度の検出について説明する。
【００１５】
振動印加電極１０４は、所定周期で電圧値が変化する振動電圧が印加されることにより、変位部１０３をＺ軸方向に振動変位させるものである。
【００１６】
また、上部基板１０１に設けた各変位検出電極１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄには、それぞれ等しい所定の電流が供給されており、これら各変位検出電極１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄと変位部１０３とによって、四つのコンデンサが形成されるようになっている。
【００１７】
このように構成したセンサ本体Ｂ１では、変位部１０３をＺ軸方向に所定周期で振動変位させている状態において、この加速度・角速度センサＡ１を取り付けた物体が加速度運動又は角速度運動すると、そのときに生じる一種の慣性力（コリオリ力）によって変位部１０３が変位する。
【００１８】
このように変位部１０３が変位すると、各変位検出電極１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄと変位部１０３とにより形成された各コンデンサの静電容量が変化することになり、各変位検出電極１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄに蓄積される電荷量が変化することとなる。
【００１９】
すなわち、この加速度・角速度センサＡ１では、変位部１０３をＺ軸方向に振動変位させている状態において、これら各変位検出電極１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄに蓄積される電荷量の変化を検出することにより、物体の運動に伴う変位部１０３の変位量を検出し、この変位量から物体の加速度及び角速度を検出するように構成している。
【００２０】
一方、信号変換回路Ｃ１は、振動電圧印加部１０５と、静電容量変換部１１０と、傾き信号生成部１１７と、加速度信号生成部１１１と、角速度信号生成部１１３とを備えている。
【００２１】
振動電圧印加部１０５は、振動印加電極１０４に所定周期で電圧値が変化する振動電圧を印加することによって、変位部１０３をＺ軸方向に所定周期で振動変位させるものである。
【００２２】
静電容量変換部１１０は、各変位検出電極１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄに蓄積されている電荷量の変化に基づいて、各変位検出電極１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄと変位部１０３とにより形成された各コンデンサの静電容量の変化を検出し、その変化を電圧値の変化に変換した信号を出力するものである。
【００２３】
傾き信号生成部１１７は、静電容量変換部１１０から出力される信号に基づいて、変位部１０３の変位（傾き）を検出し、その変位を示す傾き信号を生成して出力するものである。
【００２４】
すなわち、傾き信号生成部１１７は、各変位検出電極１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄと変位部１０３とにより形成される各コンデンサの静電容量を、それぞれＣ１０８ａ、Ｃ１０８ｂ、Ｃ１０８ｃ、Ｃ１０８ｄとした場合に、（Ｃ１０８ａ＋Ｃ１０８b）−（Ｃ１０８ｃ＋Ｃ１０８ｄ）の演算を行うことによってＸ軸を回転軸とする変位部１０３の傾きを検出すると共に、（Ｃ１０８ａ＋Ｃ１０８ｄ）−（Ｃ１０８ｂ＋Ｃ１０８ｃ）の演算を行うことによりＹ軸を回転軸とする変位部１０３の傾きを検出し、その検出結果に応じた信号を出力する。
【００２５】
加速度信号生成部１１１は、変位部１０３の振動周波数成分を遮断するカットオフ周波数のローパスフィルタを備えており、傾き信号生成部１１７の出力信号をこのローパスフィルタに通すことにより、各軸方向毎の物体の加速度を示す加速度信号Ｓ２ａを生成する。
【００２６】
また、角速度信号生成部１１３は、変位部１０３の振動周波数成分のみを通過させるバンドパスフィルタを備えており、傾き信号生成部１１７の出力信号をこのバンドパスフィルタに通すことにより、変位部１０３が振動する一周期中における変位部１０３のＸ軸及びＹ軸を回転軸とした傾きの変位の変化量を検出して、各軸（Ｘ軸とＹ軸）毎に、各軸を回転軸とした物体の角速度を示す角速度信号Ｓ３ａを生成する。
【００２７】
このように、従来の加速度・角速度センサＡ１では、各変位検出電極１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄと変位部１０３とにより形成された各コンデンサの静電容量の変化に基づいて、物体の加速度及び角速度を検出していた（たとえば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特許３４０１２５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
ところが、上記従来の加速度・角速度センサＡ１では、製造工程において発生する変位部１０３や支持体Ｄ１の形状や特性のバラツキに起因して、変位部が正常に変位せず、物体の加速度や角速度の検出範囲が狭くなるおそれがあった。
【００２９】
すなわち、従来の加速度・角速度センサＡ１は、変位部１０３や支持体Ｄ１の形状や特性にバラツキが生じていた場合に、加速度や角速度がかかっていないにも関わらず、変位部１０３が上部基板１０１に対して平行ではなく、任意の方向に傾いてしまうため、加速度や角速度がかかる方向によっては、変位部１０３が本体変位可能な範囲まで正常に変位することができなくなり、その分、加速度や角速度の検出範囲が狭くなってしまうという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
そこで、請求項１に係る本発明では、物体の運動に応じて変位する変位部と、変位部との間に間隔をあけて変位部と対向する電極基板と、電極基板に設けられ、所定周期で電圧を印加することにより、変位部を所定周期で電極基板面と垂直な方向に振動させる振動印加電極と、変位部と共同して容量素子を形成すると共に、変位部の変位により変化する容量素子の静電容量を検出するための複数の変位検出電極とを有するセンサ本体と、振動印加電極へ所定周期で所定の振動電圧を印加する振動電圧印加部と、変位検出電極から検出した静電容量の変化に基づいて、物体の加速度に応じた加速度信号を生成する加速度信号生成部と、変位検出電極から検出した静電容量の変化に基づいて物体の角速度に応じた角速度信号を生成する角速度信号生成部とを有する信号変換回路とを備え、物体の加速度及び角速度を検出する加速度・角速度センサにおいて、センサ本体は、電極基板に設けられ、電圧を印加することにより変位部を変位させる複数の変位印加電極を有し、信号変換回路は、変位検出電極から検出した静電容量に基づいて、複数の変位印加電極の少なくとも一つに変位電圧を印加する変位電圧印加部を有することとした。
【００３１】
また、請求項２に係る本発明では、請求項１に記載の加速度・角速度センサにおいて、信号変換回路は、物体が静止した状態において変位検出電極から検出した静電容量に基づいて、変位電圧印加部から変位印加電極に、変位部を予め定めた所定位置まで変位させる変位電圧を印加させる初期傾き調整部を有することを特徴とする。
【００３２】
また、請求項３に係る本発明では、請求項１又は請求項２に記載の加速度・角速度センサにおいて、信号変換回路は、変位検出電極から検出した静電容量に基づいて、変位部の傾きを示す傾き信号を生成する傾き信号生成部を備え、加速度信号生成部は、傾き信号のうち変位部の振動周波数よりも低い信号だけを通過させるローパスフィルタを有し、ローパスフィルタの出力信号に基づいて、変位電圧印加部から変位印加電極に、変位部を物体が加速度運動していない状態の位置まで変位させる変位電圧を印加させると共に、変位電圧印加部に印加させる変位電圧に基づいて加速度信号を生成し、角速度信号生成部は、傾き信号のうち変位部の振動周波数のみを通過させるバンドパスフィルタを有し、バンドパスフィルタの出力信号に基づいて角速度信号を生成することを特徴とする。
【００３３】
また、請求項４に係る本発明では、請求項１又は請求項２に記載の加速度・角速度センサにおいて、信号変換回路は、変位検出電極から検出した静電容量に基づいて、変位部の傾きを示す傾き信号を生成する傾き信号生成部を備え、傾き信号のうち、少なくとも変位部の振動周波数よりも高い周波数まで通過させるフィルタ部を有し、変位電圧印加部は、フィルタ部の出力信号に基づいて、変位部を物体が加速度運動及び角速度運動していない状態の位置まで変位させる変位電圧を変位印加電極へ印加し、加速度信号生成部は、フィルタ部の出力信号のうち変位部の振動周波数よりも低い信号だけを通過させるローパスフィルタを有し、ローパスフィルタの出力信号に基づいて加速度信号を生成し、角速度信号生成部は、フィルタ部の出力信号のうち変位部の振動周波数だけを通過させるバンドパスフィルタを有し、バンドパスフィルタの出力信号に基づいて角速度信号を生成することを特徴とする。
【００３４】
また、請求項５に係る本発明では、請求項１〜４のいずれか１項に記載の加速度・角速度センサにおいて、信号変換回路は、変位検出電極から検出した静電容量に基づいて、変位検出電極と変位部との距離を検出する振動方向変位検出部と、振動方向変位検出部の出力信号に基づいて、変位部の振動の振幅を検出する振動振幅検出部とを有し、振動電圧印加部は、振動印加電極に対して、振動振幅変位検出部の検出結果を一定値にする振動電圧を印加することを特徴とする。
【００３５】
また、請求項６に係る本発明では、請求項５に記載の加速度・角速度センサにおいて、信号変換回路は、振動方向変位検出部の出力信号に基づいて、変位部の振動の振幅における中心位置を検出する振動中心位置検出部を有し、振動中心位置検出部は、変位部の振動振幅の中心位置を一定に保つ振動電圧を振動電圧印加部から振動印加電極へ印加させると共に、振動電圧印加部に印加させる振動電圧に基づいて、電極基板面と垂直な方向における物体の加速度を示す振動方向加速度信号を生成することを特徴とする。
【００３６】
また、請求項７に係る本発明では、請求項６に記載の加速度・角速度センサにおいて、変位印加電極と振動印加電極とは、それぞれ独立して電極基板に設けられ、振動電圧印加部は、振動中心位置検出部の検出結果に基づいて、変位部の振動の振幅における中心位置を一定に保つ変位電圧を変位印加電極に印加することを特徴とする。
【００３７】
また、請求項８に係る本発明では、請求項６に記載の加速度・角速度センサにおいて、振動印加電極と変位印加電極とを一つの振動傾き印加共通電極により構成して電極基板に複数配設すると共に、信号変換回路は、振動中心位置検出部の検出結果に基づいて生成した変位部の振動の振幅における中心位置を一定に保つ変位電圧と、振動電圧とを加算した振動傾き電圧を振動傾き印加共通電極に印加する振動傾き電圧印加部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３８】
請求項１に係る本発明では、物体の運動に応じて変位する変位部と、変位部との間に間隔をあけて変位部と対向する電極基板と、電極基板に設けられ、所定周期で電圧を印加することにより、変位部を所定周期で電極基板面と垂直な方向に振動させる振動印加電極と、変位部と共同して容量素子を形成すると共に、変位部の変位により変化する容量素子の静電容量を検出するための複数の変位検出電極とを有するセンサ本体と、振動印加電極へ所定周期で所定の振動電圧を印加する振動電圧印加部と、変位検出電極から検出した静電容量の変化に基づいて、物体の加速度に応じた加速度信号を生成する加速度信号生成部と、変位検出電極から検出した静電容量の変化に基づいて物体の角速度に応じた角速度信号を生成する角速度信号生成部とを有する信号変換回路とを備え、物体の加速度及び角速度を検出する加速度・角速度センサにおいて、センサ本体は、電極基板に設けられ、電圧を印加することにより変位部を変位させる複数の変位印加電極を有し、信号変換回路は、変位検出電極から検出した静電容量に基づいて、複数の変位印加電極の少なくとも一つに変位電圧を印加する変位電圧印加部を有することとしたため、加速度・角速度センサの変位部の製造工程において発生する変位部等の特性のバラツキに起因して、変位部が正常に変位しない場合であっても、変位電圧印加部から変位印加電極へ上記変位部の特性のバラツキを打ち消すような変位電圧を印加することにより、変位部を正常に変位させることができるので、物体の加速度や角速度の検出範囲が狭くなることを防止することができる。
【００３９】
また、請求項２に係る本発明では、請求項１に記載の加速度・角速度センサにおいて、信号変換回路は、物体が静止した状態において変位検出電極から検出した静電容量に基づいて、変位電圧印加部から変位印加電極に、変位部を予め定めた所定位置まで変位させる変位電圧を印加させる初期傾き調整部を有することを特徴とするため、製造工程において発生した変位部の重心位置のズレ等に起因して、物体が静止している状態における変位部の位置が正常な位置からずれていても、初期傾き調整部により変位電圧印加部から変位印加電極へ、変位部の位置を初期調整する変位電圧を印加することにより、変位部の位置を正常な位置へ戻すことができるので、加速度及び角速度の検出誤差を低減でき、製品の歩留まりを向上させることができる。
【００４０】
また、請求項３に係る本発明では、請求項１又は請求項２に記載の加速度・角速度センサにおいて、信号変換回路は、変位検出電極から検出した静電容量に基づいて、変位部の傾きを示す傾き信号を生成する傾き信号生成部を備え、加速度信号生成部は、傾き信号のうち変位部の振動周波数よりも低い信号だけを通過させるローパスフィルタを有し、ローパスフィルタの出力信号に基づいて、変位電圧印加部から変位印加電極に、変位部を物体が加速度運動していない状態の位置まで変位させる変位電圧を印加させると共に、変位電圧印加部に印加させる変位電圧に基づいて加速度信号を生成し、角速度信号生成部は、傾き信号のうち変位部の振動周波数のみを通過させるバンドパスフィルタを有し、バンドパスフィルタの出力信号に基づいて角速度信号を生成することを特徴とするため、加速度と角速度とをそれぞれ別の値に基づいて検出することができるので、加速度及び角速度の検出範囲を拡大することができる。
【００４１】
また、請求項４に係る本発明では、請求項１又は請求項２に記載の加速度・角速度センサにおいて、信号変換回路は、変位検出電極から検出した静電容量に基づいて、変位部の傾きを示す傾き信号を生成する傾き信号生成部を備え、傾き信号のうち、少なくとも変位部の振動周波数よりも高い周波数まで通過させるフィルタ部を有し、変位電圧印加部は、フィルタ部の出力信号に基づいて、変位部を物体が加速度運動及び角速度運動していない状態の位置まで変位させる変位電圧を変位印加電極へ印加し、加速度信号生成部は、フィルタ部の出力信号のうち変位部の振動周波数よりも低い信号だけを通過させるローパスフィルタを有し、ローパスフィルタの出力信号に基づいて加速度信号を生成し、角速度信号生成部は、フィルタ部の出力信号のうち変位部の振動周波数だけを通過させるバンドパスフィルタを有し、バンドパスフィルタの出力信号に基づいて角速度信号を生成することを特徴とするため、製造工程中に生じた変位部の重心位置のズレ等に起因した、加速度及び角速度の検出中における変位部の不必要な変位を抑制することができるので、加速度及び角速度の検出制度をさらに向上させることができる。
【００４２】
また、請求項５に係る本発明では、請求項１〜４のいずれか１項に記載の加速度・角速度センサにおいて、信号変換回路は、変位検出電極から検出した静電容量に基づいて、変位検出電極と変位部との距離を検出する振動方向変位検出部と、振動方向変位検出部の出力信号に基づいて、変位部の振動の振幅を検出する振動振幅検出部とを有し、振動電圧印加部は、振動印加電極に対して、振動振幅変位検出部の検出結果を一定値にする振動電圧を印加することを特徴とするため、加速度及び角速度の変化に変位電圧の変化を精度よく追従させることができるので、加速度及び角速度の変化の検出精度をさらに向上させることができる。
【００４３】
また、請求項６に係る本発明では、請求項５に記載の加速度・角速度センサにおいて、信号変換回路は、振動方向変位検出部の出力信号に基づいて、変位部の振動の振幅における中心位置を検出する振動中心位置検出部を有し、振動中心位置検出部は、変位部の振動振幅の中心位置を一定に保つ振動電圧を振動電圧印加部から振動印加電極へ印加させると共に、振動電圧印加部に印加させる振動電圧に基づいて、電極基板面と垂直な方向における物体の加速度を示す振動方向加速度信号を生成することを特徴とするため、加速度及び角速度の変化に変位電圧の変化を精度よく追従させることができるので、加速度及び角速度の変化の検出精度をさらに向上させることができ、しかも、振動電圧の変化に基づいて変位部の振動方向における加速度を検出することができる。
【００４４】
また、請求項７に係る本発明では、請求項６に記載の加速度・角速度センサにおいて、変位印加電極と振動印加電極とは、それぞれ独立して電極基板に設けられ、振動電圧印加部は、振動中心位置検出部の検出結果に基づいて、変位部の振動の振幅における中心位置を一定に保つ変位電圧を変位印加電極に印加することを特徴とするため、振動電圧の印加と変位電圧の印加とを個別の系で行うことができるので、振動電圧の印加による変位部の振動変位と、変位電圧の印加による変位部の傾き変位とが互い干渉して加速度及び角速度の検出精度が低下することを防止することができる。
【００４５】
また、請求項８に係る本発明では、請求項６に記載の加速度・角速度センサにおいて、振動印加電極と変位印加電極とを一つの振動傾き印加共通電極により構成して電極基板に複数配設すると共に、信号変換回路は、振動中心位置検出部の検出結果に基づいて生成した変位部の振動の振幅における中心位置を一定に保つ変位電圧と、振動電圧とを加算した振動傾き電圧を振動傾き印加共通電極に印加する振動傾き電圧印加部を有することを特徴とするため、センサ本体に設ける電極の枚数を減少させることができ、製造コストを低減することができる。しかも、電極の枚数を減少させることにより、変位検出電極の面積を拡張することができるので、加速度及び角速度の検出感度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００４７】
本実施形態に係る加速度・角速度センサは、運動する物体に取り付けられ、その物体が運動したときに、物体に作用する加速度と角速度とを検出するものである。
【００４８】
ここで、図１は、本発明の第１実施形態に係る加速度・角速度センサを示す説明図であり、図２は、本発明の第２実施形態に係る加速度・角速度センサを示す説明図であり、図３は、第２実施形態の加速度・角速度センサが備えるローパスフィルタの特性を示す説明図であり、図４は、本発明の第３実施形態に係る加速度・角速度センサを示す説明図であり、図５は、第３実施形態の加速度・角速度センサが備えるフィルタ部の特性を示す説明図であり、図６は、本発明の第４実施形態に係る加速度・角速度センサを示す説明図であり、図７は、本発明の第５実施形態に係る加速度・角速度センサのセンサ本体を示す説明図であり、図８は、本発明の第６実施形態に係る加速度・角速度センサを示す説明図である。
【００４９】
（実施の形態１）
図１に示すように、第１実施形態に係る加速度・角速度センサＡは、この加速度・角速度センサＡを取り付けた物体の加速度運動又は角速度運動によって生じる慣性力によって変位する変位部３を備えたセンサ本体Ｂと、このセンサ本体Ｂが備える変位部３の変位量に基づいて、この加速度・角速度センサＡを取り付けた物体の加速度に応じた加速度信号Ｓ２及び角速度に応じた角速度信号Ｓ３を生成する信号変換回路Ｃとを備えている。
【００５０】
ここでは、加速度・角速度センサＡ１が備える変位部３の三次元空間における変位方向を説明するために、変位部３の上面における中央の点（重心）を原点とし、図１に点線で示す各方向を、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と定義する。なお、これらＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は互いに直交するものである。
【００５１】
センサ本体Ｂは、図示しない筐体内に、互いに平行に所定間隔を空けて固定された上部基板１と下部基板２とからなる電極基板と、これら上部基板１と下部基板２との間に、上部基板１及び下部基板２と接触することなく変位可能に配設された矩形箱形状の変位部３とを備えている。
【００５２】
すなわち、上部基板１及び下部基板２は、それぞれ変位部３との間に間隔をあけて、この変位部３と対向するように配設されている。
【００５３】
このセンサ本体Ｂが備える変位部３は、導電性部材により形成され、上記のように矩形箱形状をしており、その四側面の各上面側中央位置と、この変位部３を収納する図示しない筐体の内壁との間が、弾性を有する四本の支持体Ｄにより連結されて、上部基板１と下部基板２との間でＺ軸方向の振動変位と、Ｘ軸又はＹ軸を回転軸とした傾き変位とができるように構成されている。
【００５４】
また、上部基板１は、その略中央位置に配設された振動印加電極４と、この振動印加電極４の周囲の所定領域を、Ｚ軸方向から見てＸ軸とＹ軸とによって４分割した変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと、これら変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの周囲の所定領域を、Ｚ軸方向から見てＸ軸とＹ軸とによって４分割した変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄとを備えている。
【００５５】
また、下部基板２にも、上部基板１における変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと同様に変位検出電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄが設けられている。なお、この加速度・角速度センサＡにおいて、上部基板１に設けている変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを用いた物体の加速度及び角速度検出と、下部基板２に設けている変位検出電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを用いた物体の加速度及び角速度検出とは、同様の方法によって行うため、ここでは、上部基板１に設けている変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを用いた物体の加速度及び角速度検出について説明する。
【００５６】
振動印加電極４は、後述の振動電圧印加部５から所定周期で電圧値が変化する振動電圧（ここでは、周波数２ｋＨｚの交流電圧）が印加されることにより、変位部３との間に静電引力を生じさせて、変位部３を電極基板面（上部基板１及び下部基板２）と垂直な方向であるＺ軸方向に所定周期で振動変位させるものである。
【００５７】
また、上部基板１に設けた各変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄには、図示しない定電流源から、それぞれ等しい所定の電流が供給されており、これら各変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと変位部３とがそれぞれ共同して、四つの容量素子（コンデンサ）を形成している。
【００５８】
そして、このセンサ本体Ｂでは、変位部３をＺ軸方向に所定周期で振動変位させている状態において、この加速度・角速度センサＡを取り付けた物体が加速度運動又は角速度運動すると、そのときに生じる一種の慣性力（コリオリ力）によって変位部３が変位する。
【００５９】
このように変位部３が変位すると、各変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと変位部３とにより形成された各コンデンサの静電容量が変化することになり、各変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに蓄積される電荷量が変化することとなる。
【００６０】
すなわち、これら各変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、変位部３の変位により変化する各コンデンサの静電容量を検出するための電極として機能するものである。
【００６１】
そして、この加速度・角速度センサＡでは、変位部３をＺ軸方向に振動変位させている状態において、これら各変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに蓄積される電荷量の変化を検出することにより、物体の運動に伴う変位部３の変位量を検出し、この変位量から物体の加速度及び角速度を検出するように構成している。
【００６２】
変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄは、振動印加電極４とそれぞれ電気的に絶縁されて、振動印加電極４とは独立して上部基板１に設けられており、後述の変位電圧印加部７からそれぞれ個別に調整された変位電圧が印加されることによって、各変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと変位部３との間に静電引力を生じさせ、変位部３をＸ軸又はＹ軸を回転軸として傾き変位させるものである。
【００６３】
このように、第１実施形態の加速度・角速度センサは、従来物体の運動により生じる慣性力によってのみ変位していた変位部３を、変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄに変位電圧を印加することによって、自由に変位させることができる。
【００６４】
そのため、たとえば、加速度・角速度センサＡの変位部の製造工程において発生する変位部３や支持体Ｄの形状や弾性のバラツキに起因して、変位部が正常に変位しない場合であっても、変位印加電極６ａへ変位部の特性のバラツキを打ち消すような変位電圧を印加することにより、変位部を正常に変位させることができるようになる。
【００６５】
一方、信号変換回路Ｃは、振動電圧印加部５と、静電容量変換部１０と、傾き信号生成部１７と、加速度信号生成部１１と、角速度信号生成部１３と、初期傾き調整部１８、変位電圧印加部７を備えている。
【００６６】
振動電圧印加部５は、振動印加電極４に所定周期で電圧値が変化する振動電圧を印加することによって、変位部３をＺ軸方向に所定周期で振動変位させるものである。ここで振動印加電極４に印加する振動電圧は、周波数２ｋＨｚの交流電圧である。
【００６７】
静電容量変換部１０は、各変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに蓄積されている電荷量の変化に基づいて、各変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと変位部３とにより形成された各コンデンサの静電容量の変化を検出し、その変化を電圧値の変化に変換した信号を出力するものである。
【００６８】
傾き信号生成部１７は、変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄから検出した各コンデンサの静電容量に基づいて静電容量変換部１０が出力する信号から変位部３の変位（傾き）を検出し、その変位を示す傾き信号を生成して出力するものである。
【００６９】
すなわち、傾き信号生成部１７は、各変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと変位部３との間に形成されるコンデンサの各静電容量をＣ８ａ、Ｃ８ｂ、Ｃ８ｃ、Ｃ８ｄとした場合に、（Ｃ８ａ＋Ｃ８b）−（Ｃ８ｃ＋Ｃ８ｄ）の演算を行うことによってＸ軸を回転軸とする変位部３の傾きを検出すると共に、（Ｃ８ａ＋Ｃ８ｄ）−（Ｃ８ｂ＋Ｃ８ｃ）の演算を行うことによりＹ軸を回転軸とする変位部３の傾きを検出し、その検出結果に応じた傾き信号を生成して出力する。
【００７０】
加速度信号生成部１１は、変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄから検出した各コンデンサの静電容量の変化に基づいて、この加速度・角速度センサＡを取り付けた物体の加速度に応じた加速度信号を生成するものである。
【００７１】
そして、この加速度信号生成部１１は、傾き信号生成部１７から出力される傾き信号の周波数成分のうち、変位部３の振動周波数成分を遮断するために、カットオフ周波数が振動電圧の周波数（２ｋＨｚ）の１０分の１以下のローパスフィルタを備えており、傾き信号生成部１７から出力される各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）毎の傾き信号をこのローパスフィルタに通すことにより、各軸（Ｘ軸、Ｙ軸）方向毎の物体の加速度を示す加速度信号Ｓ２を出力する。
【００７２】
角速度信号生成部１３は、変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄから検出した各コンデンサの静電容量の変化に基づいて、この加速度・角速度センサＡを取り付けた物体の角速度に応じた角速度信号を生成するものである。
【００７３】
そして、この角速度信号生成部１３は、変位部３の振動周波数成分のみを通過させるバンドパスフィルタを備えており、傾き信号生成部１７から出力される各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）毎の傾き信号をこのバンドパスフィルタに通すことにより、変位部３が振動変位する一周期における変位部３のＸ軸を回転軸とした傾き変位と、Ｙ軸を回転軸とした傾き変位とを検出して、物体のＸ軸及びＹ軸を回転軸とした角速度を示す角速度信号Ｓ３を出力する。
【００７４】
初期傾き調整部１８は、製造工程中に生じた変位部３や支持体Ｄの形状や弾性特性のバラツキに起因した加速度及び角速度の検出誤差を抑制するために、変位部３の変位状態を初期設定するものである。
【００７５】
すなわち、上記のように構成したセンサ本体Ｂでは、変位部３や支持体Ｄの形状や弾性特性にバラツキが生じていた場合や、変位部の重心がずれていた場合等に、加速度や角速度がかかっていないにも関わらず、変位部３が水平面（Ｘ-Ｙ平面）に対して平行ではなく任意の方向に傾いてしまうおそれがある。
【００７６】
このように初期状態において変位部３が傾いたままの状態で、この加速度・角速度センサＡにより物体の加速度や角速度を検出してしまうと、正確な加速度検出や角速度検出を行うことができないという問題が生じる。
【００７７】
この問題を解消するために、第１実施形態の加速度・角速度センサＡでは、初期傾き調整部１８によって、加速度・角速度センサＡを取り付けた物体が静止した状態において、変位電圧印加部から各変位印加電極に、変位部３を予め定めた所定位置まで変位させる変位電圧を印加させることにより、変位部の変位状態を初期設定する。
【００７８】
ここで、初期傾き調整部１８が行う初期設定について、具体的に説明する。なお、ここでは、加速度・角速度センサＡが取り付けられた物体を水平面（Ｘ−Ｙ平面）に載置している状態で行う初期設定を例に挙げて説明する。
【００７９】
この初期傾き調整部１８は、変位部３に角速度及び加速度がかかっていない状態において、変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄから検出した各静電容量に基づいて、各変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと変位部３との距離が全て同じである（変位部３が水平面に対して平行である）か否かを検出し、変位部３が水平面に対して平行でない場合に、現在の各変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと変位部３との距離と、変位部３が水平面と平行なときの各変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと変位部３との距離とのズレ量を打ち消すような変位電圧を、後述の変位電圧印加部７から各変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに個別に印加させるにより、変位部３の変位状態を初期設定するのである。
【００８０】
なお、ここでは、加速度・角速度センサＡを水平面（Ｘ−Ｙ平面）に載置している状態で行う初期設定を例に挙げて説明したが、加速度・角速度センサＡを予め設定した所定角度の傾斜面に載置した状態で初期設定を行うこともできる。
【００８１】
この場合に、初期傾き調整部１８は、所定角度の傾斜面において、各変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと変位部３との距離を全て同じとすうような変位電圧を後述の変位電圧印加部７から出力させるように初期設定を行う。
【００８２】
変位電圧印加部７は、変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄから検出した各コンデンサの静電容量に基づいて、複数の変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの少なくとも一つに変位電圧を印加するものである。
【００８３】
また、この変位電圧印加部７は、初期傾き調整部１８から出力される信号に基づいた変位電圧を、各変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄへそれぞれ印加することにより、加速度・角速度センサＡに加速度及び角速度が生じていない状態において、各変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと変位部３との距離が全て同じなるように変位部３を変位させて、変位部３を水平面に対して平行な状態に保つ。
【００８４】
このように、第１実施形態に係る加速度・角速度センサＡは、センサ本体Ｂに変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを設けると共に、信号変換回路Ｃに初期傾き調整部１８と変位電圧印加部７とを設けたことによって、加速度・角速度センサＡに加速度及び角速度が生じていない状態における変位部３を水平面と平行になるように初期設定を行うことができる。
【００８５】
これにより、仮に変位部３や支持体Ｄの形状や特性にバラツキが生じていた場合であっても、運動する物体の正確な加速度及び角速度を検出することができ、これまで変位部３や支持体Ｄの形状や特性にバラツキのために不良品として扱われていた加速度・角速度センサＡを良品として扱うことができるようになり、製品の歩留まりが向上する。
【００８６】
また、上記のような変位部３の初期設定を行わなかった場合には、加速度・角速度センサＡに加速度や角速度が生じた場合に、これら加速度や角速度がかかる方向によっては、その大きさが同じであっても、変位部３の変位量が異なってしまい、加速度や角速度の検出範囲が狭くなるおそれがあるが、この加速度・角速度センサＡでは、初期傾き調整部１８による初期設定により、各軸方向への変位部３の変位量を均等にすることができるので、加速度及び角速度の検出範囲が狭くなることを防止することができる。
【００８７】
なお、第１実施形態では、変位部３の振動周波数を２ｋＨｚとし、加速度を検出するローパスフィルタのカットオフ周波数を変位部３の振動周波数の１０分の１以下としたが、ローパスフィルタの次数と合わせて設定する他の周波数を用いても上記した効果と同様の効果を奏する。
【００８８】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る加速度・角速度センサＡの第２実施形態について図２及び図３を参照して説明する。なお、図２に示す加速度・角速度センサＡにおいて、図１に示した加速度・角速度センサＡと同様の機能を有する構成用件については、同一の符号を付することにより、その説明を省略する。
【００８９】
図２に示すように、第２実施形態に係る加速度・角速度センサＡは、センサ本体Ｂと信号変換回路Ｃとを備えている。
【００９０】
ここで、センサ本体Ｂは、第１実施形態の加速度・角速度センサＡのセンサ本体Ｂと同一の構成であり、信号変換回路Ｃの構成だけが第１実施形態の信号変換回路Ｃと異なる。
【００９１】
すなわち、第２実施形態の信号変換回路Ｃは、図３に示すような周波数特性を有するローパスフィルタを有し、このローパスフィルタの出力信号を用いて、後述の変位電圧印加部７に変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄへ変位電圧を印加させるための制御信号を出力すると共に、加速度・角速度センサＡにかかる加速度を示す加速度信号Ｓ２を生成する加速度信号生成部１９を備えている。なお、図３において、縦軸２２はゲイン、横軸２１は周波数、符号２３はカットオフ周波数、符号２４は変位部３の振動周波数、符号２０はＤＣ（直流）領域、符号２５は低周波数領域、符号２６は攻守端数領域を示している。
【００９２】
この加速度信号生成部１９が有するローパスフィルタは、変位部３の振動周波数２４の１０分の１以下の振動周波数２４より十分に低いカットオフ周波数を備えており、傾き信号生成部１７から出力される傾き信号の周波数成分のうち変位部３の振動周波数よりも十分に低い周波数成分（ＤＣ領域２０から低周波数領域２５）だけを通過させるローパスフィルタである。
【００９３】
このようなローパスフィルタから出力される信号には、加速度・角速度センサＡに生じた加速度による変位部３の変位量だけを示す信号が含まれており、加速度・角速度センサＡに生じた角速度による変位部３の変位量を示す信号は除去された状態となっている。
【００９４】
そして、この加速度信号生成部１９は、ローパスフィルタが出力する信号に基づいて、加速度に起因した変位部３の変位量だけを打ち消すように変位部３を変位させるような変位電圧を変位電圧印加部７から出力させるための制御信号を変位電圧印加部７へ出力する。
【００９５】
すなわち、この加速度信号生成部１９は、ローパスフィルタの出力信号に基づいて、変位電圧印加部７から各変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄに、変位部３をこの加速度・角速度センサＡを取り付けた物体が加速度運動をしていない状態の位置まで変位させる変位電圧を印加させるのである。
【００９６】
ここで、物体が加速度運動をしていない状態の変位部３の位置とは、変位部３が加速度による慣性力を受けておらず、上部基板１に対して平行な状態を維持している位置である。
【００９７】
また、この加速度信号生成部１９は、変位電圧印加部７へ出力するために生成した制御信号から加速度・角速度センサＡに生じた加速度を示す加速度信号Ｓ２を生成して出力する。
【００９８】
すなわち、この加速度信号生成部１９は、変位電圧印加部７に印加させる変位電圧に基づいて、物体の加速度を示す加速度信号Ｓ２を生成するのである。
【００９９】
変位電圧印加部７は、加速度信号生成部１９から入力される制御信号に基づいて、変位部３の加速度起因した変位量だけを打ち消すように変位部３を変位させるような変位電圧を各変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄにそれぞれ印加する。
【０１００】
これにより、変位部３は、加速度・角速度センサＡに加速度だけが生じている場合には、Ｚ軸方向にだけ振動変位し、加速度に起因した変位はしなくなり、加速度と角速度の両々が生じている場合には、Ｚ軸方向の振動変位と角速度に起因した傾き変位とだけになり、見かけ上加速度が生じていない状態となる。
【０１０１】
また、物体の角速度を示す角速度信号Ｓ３の検出は、第１実施形態と同様に、角速度信号生成部１３が傾き信号生成部１７から出力される傾き信号に基づいて生成する。
【０１０２】
このように、第２実施形態の加速度・角速度センサＡでは、加速度信号生成部１９により加速度信号Ｓ２を生成し、角速度信号生成部１３により角速度信号Ｓ３を生成するように構成したため、簡単な構成でありながら、容易に加速度の検出系と角速度の検出系とを分離することができるので、相互の系による検出量の干渉を抑制することができる。
【０１０３】
また、上記のように、同一の各変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄから取得する静電容量の変化に基づいて加速度と角速度とを検出する場合であっても、変位電圧印加部７から変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄに変位電圧を印加することによって、変位部３に周波数の低い加速度による変位を生じさせないようにしているため、角速度の検出範囲を拡大することができる。
【０１０４】
しかも、加速度に関しては、傾き信号生成部１７に含まれる低周波数成分を用いるのではなく、加速度による変位部３の変位量を打ち消すために要する変位電圧の変化に基づいて検出するようにしているため、角速度の検出範囲を拡大しても、それにより加速度の検出範囲が縮小されることがない。
【０１０５】
なお、第２実施形態では、加速度信号生成部１９が有するローパスフィルタのカットオフ周波数を変位部３の振動周波数の１０分の１以下としたが、ローパスフィルタの次数と合わせて設定した他の周波数を用いても上記した効果と同様の効果を奏する。
【０１０６】
（第３実施形態）
次に、本発明に係る加速度・角速度センサＡの第３実施形態について図４及び図５を参照して説明する。なお、図４に示す加速度・角速度センサＡにおいて、図１及び図２に示した加速度・角速度センサＡと同様の機能を有する構成用件については、同一の符号を付することにより、その説明を省略する。
【０１０７】
図４に示すように、第３実施形態に係る加速度・角速度センサＡは、センサ本体Ｂと信号変換回路Ｃとを備えている。
【０１０８】
ここで、センサ本体Ｂは、第１及び第２実施形態の加速度・角速度センサＡのセンサ本体Ｂと同一の構成であり、信号変換回路Ｃの構成だけが第１及び第２実施形態の信号変換回路Ｃと異なる。
【０１０９】
すなわち、第３実施形態の信号変換回路Ｃは、図５に示すような周波数特性を有するローパスフィルタを備えたフィルタ部２７を備えており、このフィルタ部２７から出力される信号に基づいて、変位電圧印加部７から変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄへ変位電圧を印加すると共に、このフィルタ部２７が備えるローパスフィルタの出力信号を用いて加速度信号生成部２９が加速度・角速度センサＡを取り付けた物体の加速度を示す加速度信号Ｓ２を生成し、角速度信号生成部２８が加速度・角速度センサＡを取り付けた物体の角速度を示す角速度信号Ｓ３を生成する。図５において、縦軸２２はゲイン、横軸２１は周波数、符号２０はＤＣ領域、符号２３はカットオフ周波数、符号２４は変位部３の振動周波数である。
【０１１０】
ここで、第３実施形態の加速度信号生成部２９は、第２実施形態の加速度信号生成部２９が備えるものと同一のローパスフィルタを備えており、フィルタ部２７から出力される信号をこのローパスフィルタに通すことによって、加速度・角速度センサＡに生じた角速度を示す加速度信号Ｓ２を生成するのである。
【０１１１】
また、角速度信号生成部２８は、第１及び２実施形態の角速度信号生成部１３が備えるものと同一のバンドパスフィルタを備えており、フィルタ部２７から出力される信号をこのバンドパスフィルタに通すことによって、加速度・角速度センサＡに生じた角速度を示す角速度信号Ｓ３を生成するのである。
【０１１２】
特に、第３実施形態の加速度・角速度センサＡが備えるフィルタ部２７は、傾き信号生成部１７から出力された傾き信号のうち、少なくとも変位部３の振動周波数よりも高い周波数まで通過させるローパスフィルタを備えている。
【０１１３】
すなわち、このフィルタ部２７が備えるローパスフィルタは、少なくとも振動周波数２４より高いカットオフ周波数２３を備えており、傾き信号生成部１７から出力される傾き信号の周波数成分のうちＤＣ領域２０から振動周波数２４までの比較的広い周波数成分を通過させるローパスフィルタである。
【０１１４】
このようなローパスフィルタから出力される信号には、加速度・角速度センサＡに生じた加速度による変位部３の変位量と、角速度による変位部３の変位量との両方の変化量を示す信号が含まれている。
【０１１５】
そして、このフィルタ部２７は、自身が備えるローパスフィルタが出力する信号に基づいて、加速度に起因した変位部３の変位量と、角速度に起因した変位部３の変位量とを共に打ち消すように変位部３を変位させるような変位電圧を変位電圧印加部７から出力させるための制御信号を生成して変位電圧印加部７へ出力する。
【０１１６】
変位電圧印加部７は、フィルタ部２７から入力される信号に基づいて、加速度起因した変位部３の変位量と、角速度に起因した変位部３の変位量とを共に打ち消すように変位部３を変位させるような変位電圧を各変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄにそれぞれ印加する。
【０１１７】
すなわち、この変位電圧印加部７は、フィルタ部２７の出力信号に基づいて、変位部３をこの加速度・角速度センサＡが取り付けられた物体が加速度運動及び角速度運動していない状態の位置まで変位させる変位電圧を各変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄへ印加するのである。
【０１１８】
ここで、物体が加速度運動及び角速度運動していない状態の変位部３の位置とは、変位部３が加速度及び角速度による慣性力を受けておらず、上部基板１に対して平行な状態を維持している位置である。
【０１１９】
これにより、変位部３は、加速度と角速度の両々が生じている場合に、Ｚ軸方向にだけ振動変位して、加速度と角速度とに起因した変位を行わず、見かけ上加速度も角速度も生じていない状態となる。
【０１２０】
このように第３実施形態の加速度・角速度センサＡでは、加速度・角速度センサＡに加速度や角速度が生じた場合に、変位電圧印加部７から変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄへ変位電圧を印加して、変位部３の変位状態を、見かけ上加速度・角速度センサＡに加速度及び角速度が生じていないときの状態とすることによって、変位部３及び支持体Ｄの形状や特性のバラツキに起因した、変位部３の動作中における加速度及び角速度の検出誤差の発生を抑制している。
【０１２１】
すなわち、変位部３や支持体Ｄの形状や弾性にバラツキが生じていた場合、仮に第１実施形態で説明した初期設定によって、変位部３の変位状態を補正したとしても、その後、加速度・角速度センサＡに加速度や角速度が生じて変位部３が変位したときには、各支持体Ｄが均等な弾性変形をせず、変位部３が正常に変位動作しないおそれがある。
【０１２２】
しかし、第３実施形態の加速度・角速度センサＡでは、加速度や角速度が生じた場合に、変位部３の変位を、加速度や角速度が生じてないときの変位部３の位置に保持させるような変位電圧を各変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄへ印加し、このとき変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄに印加する変位電圧に基づいて、加速度・角速度センサＡを取り付けた物体の加速度及び角速度を検出するように構成しているため、上記変位部３が正常に変位動作できないような場合であっても、加速度及び角速度を正確に検出することができる。
【０１２３】
なお、上記第１〜３実施形態では、振動印加電極４と変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄとを上部基板１にのみ設けるようにしているが、これら振動印加電極４及び変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄは、下部基板２に設けても、また、上部基板１と下部基板２の両方に設けても、上記各実施形態に記載した効果と同様の効果を奏する。
【０１２４】
また、上記第１〜３実施形態では、変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを上部基板１において、振動印加電極４の外側で変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの内側に設けるようにしているが、変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの配設位置はこれに限定するものではなく、振動印加電極４及び変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの配設位置以外であれば、上部基板１と下部基板２における任意の位置に配設しても上記した効果と同様の効果を奏する。
【０１２５】
なお、第３実施形態では、加速度信号生成部２９が有するローパスフィルタのカットオフ周波数を変位部３の振動周波数の１０分の１以下としたが、ローパスフィルタの次数と合わせて設定した他の周波数を用いても上記した効果と同様の効果を奏する。
【０１２６】
（第４実施形態）
次に、本発明に係る加速度・角速度センサＡの第４実施形態について図６を参照して説明する。なお、図６に示す加速度・角速度センサＡにおいて、図１、２、４に示した加速度・角速度センサＡと同様の機能を有する構成用件については、同一の符号を付することにより、その説明を省略する。
【０１２７】
図６に示すように、第４実施形態に係る加速度・角速度センサＡは、センサ本体Ｂと信号変換回路Ｃとを備えている。
【０１２８】
ここで、センサ本体Ｂは、第１〜３実施形態の加速度・角速度センサＡのセンサ本体Ｂと同一の構成であり、信号変換回路Ｃの構成だけが第１〜３実施形態の信号変換回路Ｃと異なる。
【０１２９】
すなわち、第４実施形態の信号変換回路Ｃは、図６に示すように、第３実施形態の信号変換回路Ｃの構成に加えて、振動方向検出部３２と、振動振幅検出部３０と、振動中心位置検出部３１とを備えている。
【０１３０】
振動方向検出部３２は、変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄから検出した各コンデンサの静電容量に基づいて、各変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと変位部３との間の距離、及び、各変位検出電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄと変位部３との間の距離を検出して、その距離を示す信号を出力するものである。
【０１３１】
また、振動振幅検出部３０は、振動方向検出部３２から出力される信号のうち、変位部３の振動周波数近傍の周波数成分のみを通過させるバンドパスフィルタを備えており、振動方向検出部３２から出力された信号をこのバンドパスフィルタに通すことによって、変位部３の振動振幅を検出して、変位部３の振動振幅が常時所定の固定幅となるような振動電圧を振動電圧印加部５に出力させる制御信号を出力するものである。
【０１３２】
また、振動中心位置検出部３１は、振動方向検出部３２から出力される信号のうち、変位部３の振動周波数よりも十分低い低周波数成分だけを通過させるローパスフィルタを備えており、振動方向検出部３２から出力された信号をこのローパスフィルタに通すことによって、変位部３の振動振幅の中心位置を検出する。
【０１３３】
そして、この振動中心位置検出部３１は、検出した中心位置を一定に保つような振動電圧を振動電圧印加部５から振動印加電極４に印加させるための制御信号を出力すると共に、中心位置を所定の固定位置にするために振動電圧印加部５から出力させる振動電圧に基づいて、上部基板１面と垂直な方向（Ｚ軸方向）における物体の加速度を示す振動方向加速度信号Ｓ４を出力するものである。
【０１３４】
そして、振動電圧印加部５は、振動振幅検出部３０から入力される制御信号に基づいて、振動振幅検出部３０の検出結果を一定値にするように調整した振動電圧を振動印加電極に印加する。
【０１３５】
また、この振動電圧印加部５は、振動中心位置検出部３１から入力される制御信号に基づいて、変位部３の振動振幅の中心位置を一定に保つように調整した振動電圧を振動印加電極４に印加する。
【０１３６】
このように、第４実施形態の加速度・角速度センサＡでは、振動電圧印加部５から振動印加電極４へ調整した振動印加電圧を印加することにより、変位部３の振動振幅及び振動振幅の中心位置を常時一定に保つようにしている。
【０１３７】
そのため、第３実施形態の加速度・角速度センサＡと同様に、変位部３や支持体Ｄの形状や特性のバラツキがある場合であっても、加速度及び角速度を安定且つ正確に検出することができる。
【０１３８】
しかも、振動中心位置検出部３１は、この加速度・角速度センサＡにＺ軸方向の加速度が生じたときに、変位部３の中心位置を所定の固定位置とするために必要な振動電圧に基づいて、Ｚ軸方向の加速度を検出することができる。
【０１３９】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について、図７を参照して説明する。第５実施形態の加速度・角速度センサＡは、第１〜４実施形態同様にセンサ本体Ｂと信号変換回路Ｃとを備えているが、センサ本体Ｂにおける変位印加電極の数と、その配設位置だけが第１〜４実施形態の加速度・角速度センサと異なる。
【０１４０】
そのため、ここでは、センサ本体Ｂについてのみ説明することとし、信号変換回路Ｃについては、その説明を省略する。なお、この第５実施形態の加速度・角速度センサＡの信号変換回路Ｃとしては、第１〜４実施形態のいずれかの信号変換回路Ｃを適用することが可能である。ただし、第５実施形態のセンサ本体Ｂは、変位印加電極として、符号３４ａ〜３４ｈで示す八つの電極を備えているため、信号変換回路Ｃの変位電圧印加部７と、これら八つの変位印加電極３４ａ〜３４ｈとをそれぞれ接続する必要がある。
【０１４１】
また、ここでは、図７に示すセンサ本体Ｂにおいて、図１、２、４、６に示したセンサ本体Ｂと同様の機能を有する構成要件については、同一の符号を付することにより、その説明を省略する。
【０１４２】
図７に示すように、第５実施形態のセンサ本体Ｂは、変位印加電極３４ａ〜３４ｈ以外の構成は、図９に示した従来のセンサ本体Ｂ１と同様の構成をしており、具体的には、センサ本体Ｂの変位部３における四つの各側面から所定間隔をあけて、各側面に二つずつ、計八つの変位印加電極３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅ、３４ｆ、３４ｇ、３４ｈを有している。
【０１４３】
そして、これら各変位印加電極３４ａ〜３４ｈのそれぞれは、図示しない信号変換回路Ｃの変位電圧印加部７と接続されており、変位電圧印加部７から調整された変位電圧が印加されることにより、変位部３との間に生じる静電気力によって、変位部１０３をＸ軸又はＹ軸を回転軸として回動（傾き）変位させることができるように構成している。
【０１４４】
このように、第５実施形態のセンサ本体Ｂは、変位印加電極３４ａ〜３４ｈを第１〜４実施形態のセンサ本体Ｂのように上部基板１に設けるのではなく、変位部３の側面から所定間隔を空けた位置にそれぞれ設けるようにしているため、変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの面積を可及的に広くすることができ、これにより、加速度・角速度センサによる加速度及び角速度の検出感度を向上させることができる。
【０１４５】
なお、図７では、八つの各変位印加電極３４ａ〜３４ｈを全て略立方体形状で示しているが、その形状は立方体形状に限定するものではなく、また、その数も八つに限定するものではなく、変位部３の側面から所定間隔をあけた位置に配設して、変位部３をＸ軸又はＹ軸を回転軸として回動（傾け）変位させることができるものであれば、任意の形状で任意の個数配設しても、上記した効果と同様の効果を奏する。
【０１４６】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について、図８を参照して説明する。なお、図８に示す加速度・角速度センサＡにおいて、図１、２、４に示した加速度・角速度センサＡと同様の機能を有する構成用件については、同一の符号を付することにより、その説明を省略する。
【０１４７】
図８に示すように、第６実施形態に係る加速度・角速度センサＡは、センサ本体Ｂと信号変換回路Ｃとを備えている。
【０１４８】
第６実施形態のセンサ本体Ｂは、変位部３及び変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄに関しては、第１〜４実施形態のセンサ本体Ｂと同様の構成であるが、変位部３をＺ軸方向に振動変位させるための電極と、変位部３をＸ軸又はＹ軸を回転軸として変位させるための電極の構成が第１〜４実施形態におけるセンサ本体Ｂと異なる。
【０１４９】
すなわち、このセンサ本体Ｂは、上記第１〜６実施形態における振動印加電極と変位印加電極とを、一つの振動傾き印加共通電極により構成して上部基板１に複数配設しており、具体的には、図８に示すように、上部基板１において四つの変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに囲まれた内側の領域を、Ｚ軸方向から見てＸ軸とＹ軸とによって四分割した各領域のそれぞれに、変位部３をＺ軸方向に振動変位させると共に、変位部３をＸ軸又はＹ軸を回転軸として変位させるための振動傾き印加共通電極３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄを配設している。
【０１５０】
そして、このセンサ本体Ｂでは、振動傾き印加共通電極３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄに後述の振動傾き電圧印加部３７から調整した振動傾き電圧を印加することによって、変位部３を一定の振動振幅で且つその振動の中心位置が所定位置となるようにＺ軸方向に振動変位させると共に、Ｘ軸又はＹ軸を回転軸とした所定の傾き位置を保持させるようにしている。
【０１５１】
また、第６実施形態の信号変換回路Ｃは、加速度信号Ｓ２と角速度信号Ｓ３とを生成して出力する構成に関しては、図６に示す第４実施形態の信号変換回路Ｃと同様であるが、変位部３を一定の振動振幅で且つその振動の中心位置が所定位置となるようにＺ軸方向に振動変位させると共に、Ｘ軸又はＹ軸を回転軸とした所定の傾き位置を保持させる構成だけが、第４実施形態の信号変換回路Ｃとは異なる。
【０１５２】
すなわち、第６実施形態の信号変換回路Ｃは、第４実施形態が備えるものと同一の振動振幅検出部３０及び振動中心位置検出部３１を備えると共に、これら振動振幅検出部３０及び振動中心位置検出部３１がそれぞれ出力する制御信号に基づいて、変位部３を一定の振動振幅で且つその振動の中心位置が所定位置となるようにＺ軸方向に振動変位させると共に、Ｘ軸又はＹ軸を回転軸とした所定の傾き位置を保持させるための振動傾き電圧を各振動傾き印加共通電極３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄへ印加する振動傾き電圧印加部３７を備えている。
【０１５３】
この振動傾き電圧印加部３７は、第４実施形態の変位電圧印加部７が各変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄにそれぞれ印加していた変位電圧の各電圧値に、第４実施形態の振動電圧印加部５が振動印加電極４に印加していた振動電圧の電圧値を加算した電圧値に相当する振動傾き電圧を生成して、各振動傾き印加共通電極３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄにそれぞれ印加することにより、変位部３を一定の振動振幅で且つその振動の中心位置が所定位置となるようにＺ軸方向に振動変位させると共に、Ｘ軸又はＹ軸を回転軸とした所定の傾き位置を保持するようにしている。
【０１５４】
このように、第６実施形態の加速度・角速度センサＡでは、各振動傾き印加共通電極３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄに、第１〜５実施形態の加速度・角速度センサＡにおける振動印加電極４としての機能と各変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ（３４ａ〜３４ｈ）としての機能とを持たせたことにより、加速度・角速度センサＡの電極数を減少させることができ、加速度・角速度センサＡの製造コストを低減することができる。
【０１５５】
しかも、これら振動傾き印加共通電極３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄが占める総面積を、第４実施形態における振動印加電極４と変位印加電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄとが占める総面積よりも狭くしても、第４実施形態の加速度・角速度センサＡと同様に変位部３を変位させることがきるので、その分、変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの面積を拡張することができ、加速度・角速度センサＡによる加速度及び角速度の検出感度を向上させることができる。
【０１５６】
なお、ここでは、振動傾き印加共通電極３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄを上部基板１にのみ設けるようにしているが、これら振動傾き印加共通電極３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄを下部基板２に設けてもよく、上部基板１と下部基板２との両側に設けてもよい。
【０１５７】
また、ここでは、振動振幅検出部３０と振動中心位置検出部３１とを併設しているが、第３実施形態と同様に、振動振幅検出部３０と振動中心位置検出部３１とのうち、いずれか一方だけを設けるように構成しても、上記した効果と同様の効果を奏する。
【０１５８】
なお、以上説明した第１〜６実施形態において、上部基板１と下部基板２との両方に変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを設けているが、上部基板１又は下部基板２のいずれか一方に設けることによっても、上記した各実施形態と同様の効果を奏する。
【０１５９】
また、上記のように上部基板１と下部基板２の両方に変位検出電極を設ける場合に、上部基板１に設ける変位検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄによって、変位部３のＸ軸を回転軸とした傾き変位を検出し、下部基板２に設ける変位検出電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄによって、変位部３のＹ軸を回転軸とした傾き変位を検出するようにしても同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０１６０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る加速度・角速度センサを示す説明図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る加速度・角速度センサを示す説明図である。
【図３】第２実施形態の加速度・角速度センサが備えるローパスフィルタの特性を示す説明図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る加速度・角速度センサを示す説明図である。
【図５】第３実施形態の加速度・角速度センサが備えるフィルタ部の特性を示す説明図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係る加速度・角速度センサを示す説明図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係る加速度・角速度センサのセンサ本体を示す説明図である。
【図８】本発明の第６実施形態に係る加速度・角速度センサを示す説明図である。
【図９】従来の加速度・角速度センサを示す説明図である。
【符号の説明】
【０１６１】
Ａ  加速度・角速度センサ
Ｂ  センサ本体
Ｃ  信号変換回路
Ｄ  支持体
１  上部基板
２  下部基板
３  変位部
４  振動印加電極
５  振動電圧印加部
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、３４ａ〜３４ｈ  変位印加電極
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ  変位検出電極
７  変位電圧印加部
１０  静電容量変換部
１１  加速度信号生成部
１３  角速度信号生成部
１７  傾き信号生成部
１８  初期傾き調整部
１９  加速度信号生成部
２７  フィルタ部
２８  角速度信号生成部
２９  加速度信号生成部
３０  振動振幅検出部
３１  振動中心位置検出部
３２  振動方向検出部
３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ  振動傾き印加共通電極
３７  振動傾き電圧印加部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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