(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加される慣性力に応じて容量値が変化する可変容量素子が形成される複数の可変ブロックと固定の容量値である固定容量素子が形成される固定ブロックとを有し前記可変ブロックが所定方向に往復振動する構造体の前記容量素子の容量値に基づいて前記印加される慣性力の値を検出する検出装置において、
前記可変ブロックを変位させる駆動パルス信号を出力する駆動回路と、
その一端が共通に接続された各前記可変容量素子及び前記固定容量素子の他端にそれぞれ所定の位相差を持った複数相の検出用パルス信号を前記駆動パルス信号に同期したタイミングで印加する検出用パルス信号印加部と、
位相差を有する前記検出用パルス信号が印加された前記可変容量素子間、又は前記固定容量素子と前記可変容量素子との間の容量値の差分を検出し、当該差分に基づいて前記印加される慣性力を検出する慣性検出部とを有し、
前記検出用パルス信号印加部は、前記検出用パルス信号の電圧振幅を、当該検出用パルス信号を印加する容量素子に応じて切り替える検出装置。
【請求項２】
印加される慣性力に応じて容量値が変化する可変容量素子が形成される複数の可変ブロックと固定の容量値である固定容量素子が形成される固定ブロックとを有し前記可変ブロックが所定方向に往復振動する構造体の前記容量素子の容量値に基づいて前記印加される慣性力の値を検出する検出装置において、
前記可変ブロックを変位させる駆動パルス信号を出力する駆動回路と、
その一端が共通に接続された各前記可変容量素子及び前記固定容量素子の他端にそれぞれ所定の位相差を持った複数相の検出用パルス信号を前記駆動パルス信号に同期したタイミングで印加する検出用パルス信号印加部と、
位相差を有する前記検出用パルス信号が印加された前記可変容量素子間、又は前記固定容量素子と前記可変容量素子との間の容量値の差分を検出し、当該差分に基づいて前記印加される慣性力を検出する慣性検出部とを有し、
前記検出用パルス信号印加部は、前記駆動パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジ時には、前記検出用パルス信号の前記容量素子への印加を行わない検出装置。
【請求項３】
印加される慣性力に応じて容量値が変化する可変容量素子が形成される複数の可変ブロックと固定の容量値である固定容量素子が形成される固定ブロックとを有し前記可変ブロックが所定方向に往復振動する構造体の前記容量素子の容量値に基づいて前記印加される慣性力の値を検出する検出装置において、
前記可変ブロックを変位させる駆動パルス信号を出力する駆動回路と、
その一端が共通に接続された各前記可変容量素子及び前記固定容量素子の他端にそれぞれ所定の位相差を持った複数相の検出用パルス信号を前記駆動パルス信号に同期したタイミングで印加する検出用パルス信号印加部と、
位相差を有する前記検出用パルス信号が印加された前記可変容量素子間、又は前記固定容量素子と前記可変容量素子との間の容量値の差分を検出し、当該差分に基づいて前記印加される慣性力を検出する慣性検出部とを有し、
前記検出用パルス信号印加部は、前記駆動パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジ時に、前記検出用パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジとならないように、前記検出用パルス信号又は前記駆動パルス信号の位相をシフトするシフト回路を設けた検出装置。
【請求項４】
前記検出用パルス信号印加部は、前記固定容量素子と２以上の前記可変容量素子とにそれぞれ極性の異なる検出用パルス信号を順次印加し、２以上の前記可変容量素子と他の２以上の前記可変容量素子とにそれぞれ極性の異なる検出用パルス信号を順次印加し、
前記慣性検出部は、前記検出用パルス信号によって前記複数の可変容量素子の容量値の加算及び減算を行って、前記印加される慣性力のうち各検出軸の角速度及び各検出軸の加速度に応じた信号をそれぞれ出力する請求項１〜３のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項５】
前記検出用パルス信号印加部は、前記固定容量素子と各前記可変容量素子とにそれぞれ極性の異なる検出用パルス信号を順次印加し、
前記慣性検出部は、前記検出用パルス信号によって各前記可変容量素子の容量値の変化分を検出する請求項１〜３のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項６】
前記検出用パルス信号印加部は、前記可変ブロックの変位速度が最大となる時のその前後所定期間内に角速度を検出するための検出用パルス信号を前記容量素子へ印加し、前記可変ブロックの変位速度が最小となる時のその前後所定期間内に加速度を検出するための検出用パルス信号を前記容量素子へ印加する請求項１〜５のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項７】
前記検出用パルス信号印加部は、前記可変ブロックの変位速度が最大となる時のその前後所定期間内に検出用パルス信号を前記容量素子へ印加する請求項１〜５のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項８】
前記可変ブロックとこの可変ブロックに対向して設けられた電極とにより形成される変位検出用可変容量素子と、
前記変位検出用可変容量素子に変位検出用パルス信号を印加する変位検出用パルス信号印加部と、
前記変位検出用パルス信号印加部により印加される変位検出用パルス信号によって検出される前記変位検出用可変容量素子の容量値から前記可変ブロックの変位状態を検出する変位検出部を有し、
前記変位検出用パルス信号印加部は、前記可変ブロックの変位量が最大となる時の前後所定期間に前記変位検出用パルス信号を前記変位検出用可変容量素子へ印加する請求項１〜７のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項９】
印加される慣性力に応じて容量値が変化する可変容量素子が形成される複数の可変ブロックと固定の容量値である固定容量素子が形成される固定ブロックとを有し前記可変ブロックが所定方向に往復振動する構造体と、当該構造体の前記容量素子の容量値に基づいて前記印加される慣性力の値を検出する検出装置とを有する慣性センサにおいて、
前記検出装置は、
前記可変ブロックを変位させる駆動パルス信号を出力する駆動回路と、
その一端が共通に接続された各前記可変容量素子及び前記固定容量素子の他端にそれぞれ所定の位相差を持った複数相の検出用パルス信号を前記駆動パルス信号に同期したタイミングで印加する検出用パルス信号印加部と、
位相差を有する前記検出用パルス信号が印加された前記可変容量素子間、又は前記固定容量素子と前記可変容量素子との間の容量値の差分を検出し、当該差分に基づいて前記印加される慣性力を検出する慣性検出部とを有し、
前記検出用パルス信号印加部は、前記検出用パルス信号の電圧振幅を、当該検出用パルス信号を印加する容量素子に応じて切り替える慣性センサ。
【請求項１０】
印加される慣性力に応じて容量値が変化する可変容量素子が形成される複数の可変ブロックと固定の容量値である固定容量素子が形成される固定ブロックとを有し前記可変ブロックが所定方向に往復振動する構造体と、当該構造体の前記容量素子の容量値に基づいて前記印加される慣性力の値を検出する検出装置とを有する慣性センサにおいて、
前記検出装置は、
前記可変ブロックを変位させる駆動パルス信号を出力する駆動回路と、
その一端が共通に接続された各前記可変容量素子及び前記固定容量素子の他端にそれぞれ所定の位相差を持った複数相の検出用パルス信号を前記駆動パルス信号に同期したタイミングで印加する検出用パルス信号印加部と、
位相差を有する前記検出用パルス信号が印加された前記可変容量素子間、又は前記固定容量素子と前記可変容量素子との間の容量値の差分を検出し、当該差分に基づいて前記印加される慣性力を検出する慣性検出部とを有し、
前記検出用パルス信号印加部は、前記駆動パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジ時には、前記検出用パルス信号の前記容量素子への印加を行わない慣性センサ。
【請求項１１】
印加される慣性力に応じて容量値が変化する可変容量素子が形成される複数の可変ブロックと固定の容量値である固定容量素子が形成される固定ブロックとを有し前記可変ブロックが所定方向に往復振動する構造体と、当該構造体の前記容量素子の容量値に基づいて前記印加される慣性力の値を検出する検出装置とを有する慣性センサにおいて、
前記検出装置は、
前記可変ブロックを変位させる駆動パルス信号を出力する駆動回路と、
その一端が共通に接続された各前記可変容量素子及び前記固定容量素子の他端にそれぞれ所定の位相差を持った複数相の検出用パルス信号を前記駆動パルス信号に同期したタイミングで印加する検出用パルス信号印加部と、
位相差を有する前記検出用パルス信号が印加された前記可変容量素子間、又は前記固定容量素子と前記可変容量素子との間の容量値の差分を検出し、当該差分に基づいて前記印加される慣性力を検出する慣性検出部とを有し、
前記検出用パルス信号印加部は、前記駆動パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジ時に、前記検出用パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジとならないように、前記検出用パルス信号又は前記駆動パルス信号の位相をシフトするシフト回路を設けた慣性センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度及び加速度を検出する慣性センサ及びその検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、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慣性センサが知られている。
【０００３】
この慣性センサでは、３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、３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】
近年、物体の加速度と角速度を同時に検出可能な慣性センサとして、物体の加速度運動及び角速度運動に伴って変位する可動体（振動子）を有する構造体を用いたセンサが提案されている。
【０００５】
この慣性センサでは、３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可動体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る（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００６】
この種の慣性センサでは、たとえば、この慣性センサの振動子を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、可動体に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可動体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る。
【０００７】
しかし、これらの慣性センサは、１つの可動体から得られる加速度及び角速度の変位を、信号処理により分離しているため、他軸感度や、外乱ノイズに対して、十分なＳ／Ｎ比（Signal to Noise Ratio）を得ることができず、使用可能なアプリケーションが限定されてしまう。
【０００８】
そこで、本出願人は、他軸感度や外乱ノイズに対して、十分なＳ／Ｎ比を得ることができ、３軸加速度と３軸角速度が検出可能な小型の慣性センサを提案している（特許文献３参照）。
【特許文献１】特許第３５４９５９０号公報
【特許文献２】特許第３５８５９５９号公報
【特許文献３】特願２００６−１６７７６０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上述した特許文献３の慣性センサは、複数の可動体（振動子）を有していることから、この複数の可動体の変位を検出する検出回路を用いる必要がある。
【００１０】
複数の可動体によって形成される可変容量素子の容量値の検出を少ない検出系で行う技術として、特開平１０−２３９１９６号公報（以下、「特許文献４」とする。）に記載されているように、各可動体によって形成される２つの可変容量素子の容量値の差分を検出して、各可動体の変位を検出する技術がある。
【００１１】
しかし、この特許文献４の構造体は加速度のみを検出するために用いられる構造体であり、各可動体を振動させる必要もなく、加速度のみならず角速度を検出するために用いられる上記特許文献３の構造体とは、その構造が異なり、特許文献３に記載の構造体に特許文献４の技術を適用することができない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
そこで、かかる課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、印加される慣性力に応じて容量値が変化する可変容量素子が形成される複数の可変ブロックと固定の容量値である固定容量素子が形成される固定ブロックとを有し前記可変ブロックが所定方向に往復振動する構造体の前記容量素子の容量値に基づいて前記印加される慣性力の値を検出する検出装置において、前記可変ブロックを変位させる駆動パルス信号を出力する駆動回路と、その一端が共通に接続された各前記可変容量素子及び前記固定容量素子の他端にそれぞれ所定の位相差を持った複数相の検出用パルス信号を前記駆動パルス信号に同期したタイミングで印加する検出用パルス信号印加部と、位相差を有する前記検出用パルス信号が印加された前記可変容量素子間、又は前記固定容量素子と前記可変容量素子との間の容量値の差分を検出し、当該差分に基づいて前記印加される慣性力を検出する慣性検出部とを有し、前記検出用パルス信号印加部は、前記検出用パルス信号の電圧振幅を、当該検出用パルス信号を印加する容量素子に応じて切り替えることとした。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、印加される慣性力に応じて容量値が変化する可変容量素子が形成される複数の可変ブロックと固定の容量値である固定容量素子が形成される固定ブロックとを有し前記可変ブロックが所定方向に往復振動する構造体の前記容量素子の容量値に基づいて前記印加される慣性力の値を検出する検出装置において、前記可変ブロックを変位させる駆動パルス信号を出力する駆動回路と、その一端が共通に接続された各前記可変容量素子及び前記固定容量素子の他端にそれぞれ所定の位相差を持った複数相の検出用パルス信号を前記駆動パルス信号に同期したタイミングで印加する検出用パルス信号印加部と、位相差を有する前記検出用パルス信号が印加された前記可変容量素子間、又は前記固定容量素子と前記可変容量素子との間の容量値の差分を検出し、当該差分に基づいて前記印加される慣性力を検出する慣性検出部とを有し、前記検出用パルス信号印加部は、前記駆動パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジ時には、前記検出用パルス信号の前記容量素子への印加を行わないこととした。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、印加される慣性力に応じて容量値が変化する可変容量素子が形成される複数の可変ブロックと固定の容量値である固定容量素子が形成される固定ブロックとを有し前記可変ブロックが所定方向に往復振動する構造体の前記容量素子の容量値に基づいて前記印加される慣性力の値を検出する検出装置において、前記可変ブロックを変位させる駆動パルス信号を出力する駆動回路と、その一端が共通に接続された各前記可変容量素子及び前記固定容量素子の他端にそれぞれ所定の位相差を持った複数相の検出用パルス信号を前記駆動パルス信号に同期したタイミングで印加する検出用パルス信号印加部と、位相差を有する前記検出用パルス信号が印加された前記可変容量素子間、又は前記固定容量素子と前記可変容量素子との間の容量値の差分を検出し、当該差分に基づいて前記印加される慣性力を検出する慣性検出部とを有し、前記検出用パルス信号印加部は、前記駆動パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジ時に、前記検出用パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジとならないように、前記検出用パルス信号又は駆動パルス信号の位相をシフトするシフト回路を設けることとした。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、前記検出用パルス信号印加部は、前記固定容量素子と２以上の前記可変容量素子とにそれぞれ極性の異なる検出用パルス信号を順次印加し、２以上の前記可変容量素子と他の２以上の前記可変容量素子とにそれぞれ極性の異なる検出用パルス信号を順次印加し、前記慣性検出部は、前記検出用パルス信号によって前記複数の可変容量素子の容量値の加算及び減算を行って、前記印加される慣性力のうち各検出軸の角速度及び各検出軸の加速度に応じた信号をそれぞれ出力することとした。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、前記検出用パルス信号印加部は、前記固定容量素子と各前記可変容量素子とにそれぞれ極性の異なる検出用パルス信号を順次印加し、前記慣性検出部は、前記検出用パルス信号によって各前記可変容量素子の容量値の変化分を検出することとした。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発明において、前記検出用パルス信号印加部は、前記可変ブロックの変位速度が最大となる時のその前後所定期間内に角速度を検出するための検出用パルス信号を前記容量素子へ印加し、前記可変ブロックの変位速度が最小となる時のその前後所定期間内に加速度を検出するための検出用パルス信号を前記容量素子へ印加することとした。
【００１８】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発明において、前記検出用パルス信号印加部は、前記可変ブロックの変位速度が最大となる時のその前後所定期間内に検出用パルス信号を前記容量素子へ印加することとした。
【００１９】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発明において、前記可変ブロックとこの可変ブロックに対向して設けられた電極とにより形成される変位検出用可変容量素子と、前記変位検出用可変容量素子に変位検出用パルス信号を印加する変位検出用パルス信号印加部と、前記変位検出用パルス信号印加部により印加される変位検出用パルス信号によって検出される前記変位検出用可変容量素子の容量値から前記可変ブロックの変位状態を検出する変位検出部を有し、前記変位検出用パルス信号印加部は、前記可変ブロックの変位量が最大となる時の前後所定期間に前記変位検出用パルス信号を前記変位検出用可変容量素子へ印加することとした。
【００２０】
また、請求項９に記載の発明は、印加される慣性力に応じて容量値が変化する可変容量素子が形成される複数の可変ブロックと固定の容量値である固定容量素子が形成される固定ブロックとを有し前記可変ブロックが所定方向に往復振動する構造体と、当該構造体の前記容量素子の容量値に基づいて前記印加される慣性力の値を検出する検出装置とを有する慣性センサにおいて、前記検出装置は、前記可変ブロックを変位させる駆動パルス信号を出力する駆動回路と、その一端が共通に接続された各前記可変容量素子及び前記固定容量素子の他端にそれぞれ所定の位相差を持った複数相の検出用パルス信号を前記駆動パルス信号に同期したタイミングで印加する検出用パルス信号印加部と、位相差を有する前記検出用パルス信号が印加された前記可変容量素子間、又は前記固定容量素子と前記可変容量素子との間の容量値の差分を検出し、当該差分に基づいて前記印加される慣性力を検出する慣性検出部とを有し、前記検出用パルス信号印加部は、前記検出用パルス信号の電圧振幅を、当該検出用パルス信号を印加する容量素子に応じて切り替えることとした。
【００２１】
また、請求項１０に記載の発明は、印加される慣性力に応じて容量値が変化する可変容量素子が形成される複数の可変ブロックと固定の容量値である固定容量素子が形成される固定ブロックとを有し前記可変ブロックが所定方向に往復振動する構造体と、当該構造体の前記容量素子の容量値に基づいて前記印加される慣性力の値を検出する検出装置とを有する慣性センサにおいて、前記検出装置は、前記可変ブロックを変位させる駆動パルス信号を出力する駆動回路と、その一端が共通に接続された各前記可変容量素子及び前記固定容量素子の他端にそれぞれ所定の位相差を持った複数相の検出用パルス信号を前記駆動パルス信号に同期したタイミングで印加する検出用パルス信号印加部と、位相差を有する前記検出用パルス信号が印加された前記可変容量素子間、又は前記固定容量素子と前記可変容量素子との間の容量値の差分を検出し、当該差分に基づいて前記印加される慣性力を検出する慣性検出部とを有し、前記検出用パルス信号印加部は、前記駆動パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジ時には、前記検出用パルス信号の前記容量素子への印加を行わないこととした。
また、請求項１１に記載の発明は、印加される慣性力に応じて容量値が変化する可変容量素子が形成される複数の可変ブロックと固定の容量値である固定容量素子が形成される固定ブロックとを有し前記可変ブロックが所定方向に往復振動する構造体と、当該構造体の前記容量素子の容量値に基づいて前記印加される慣性力の値を検出する検出装置とを有する慣性センサにおいて、前記検出装置は、前記可変ブロックを変位させる駆動パルス信号を出力する駆動回路と、その一端が共通に接続された各前記可変容量素子及び前記固定容量素子の他端にそれぞれ所定の位相差を持った複数相の検出用パルス信号を前記駆動パルス信号に同期したタイミングで印加する検出用パルス信号印加部と、位相差を有する前記検出用パルス信号が印加された前記可変容量素子間、又は前記固定容量素子と前記可変容量素子との間の容量値の差分を検出し、当該差分に基づいて前記印加される慣性力を検出する慣性検出部とを有し、前記検出用パルス信号印加部は、前記駆動パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジ時に、前記検出用パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジとならないように、前記検出用パルス信号又は前記駆動パルス信号の位相をシフトするシフト回路を設けることとした。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、印加される慣性力に応じて容量値が変化する可変容量素子が形成される複数の可変ブロックと固定の容量値である固定容量素子が形成される固定ブロックとを有し、前記可変ブロックが所定方向に往復振動可能に構成された構造体について、これらの容量素子の容量値の検出を容量素子の数よりも少ない数の検出系の数で構成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本実施形態における慣性センサは、印加される慣性力に応じて容量値が変化する可変容量素子が形成される複数の可変ブロックと固定の容量値である固定容量素子が形成される固定ブロックとを有し、可変ブロックが所定方向に往復振動可能に構成された構造体と、各可変ブロックを往復振動させ、可変容量素子や固定容量素子の容量値に基づいて前記印加される慣性力の値を検出する検出回路（検出装置の一例に相当）とを備えており、３軸の角速度及び３軸の加速度を検出することを可能としている。
【００２４】
前記構造体は、所定箇所を中心として左右対称な位置及び前後対称な位置にそれぞれ一組ずつ配置された複数の可変ブロックを有している。左右対称な位置の２つの可変ブロックは、左右方向に互いに反位相で往復振動し、前後対称な位置の２つの可変ブロックは、前後方向に互いに反位相で往復振動する。なお、ここでは、左右方向はＸ軸方向であり、前後方向はＹ軸であり、上下方向はＺ軸であるものとする。
【００２５】
各可変ブロックは、電極が形成され、少なくとも振動方向と直交する方向に変位可能な可動体を有している。そして、可動体の電極と当該電極に対向して所定の間隙をもって設けられた複数の検出電極を有しており、これにより可動体の変位に応じて容量値が変化する可変容量素子がそれぞれ形成される。
【００２６】
また、構造体には、電極が形成された固定ブロックを有しており、この電極と対向して所定の間隙をもって設けられた検出電極を設けられており、これらの電極間で容量値が一定の固定容量素子（以下、「固定容量素子Ｃｄ」とする。）が形成される。
【００２７】
ここで、本実施形態における構造体では、ＸＺ平面上又はＹＺ平面上の可動体の傾き及びＺ軸方向への平行移動を検出するために可変容量素子が各可変ブロックに２つずつ形成される。
【００２８】
そして、左右(Ｘ軸)方向における左側の可変ブロックの後側の可変容量素子（以下、「可変容量素子Ｃａ１」する。）の容量値をＸ１、その前側の可変容量素子（以下、「可変容量素子Ｃａ２」する。）の容量値をＸ２とし、左右(Ｘ軸)方向における右側の可変ブロックの後側の可変容量素子（以下、「可変容量素子Ｃａ３」する。）の容量値をＸ３、その前側の可変容量素子（以下、「可変容量素子Ｃａ４」する。）の容量値をＸ４とし、前後(Ｙ軸)方向における前方の可変ブロックの左側の可変容量素子（以下、「可変容量素子Ｃａ５」する。）の容量値をＹ１、その右側の可変容量素子（以下、「可変容量素子Ｃａ６」する。）の容量値をＹ２とし、前後(Ｙ軸)方向における後方の可変ブロックの左側の可変容量素子（以下、「可変容量素子Ｃａ７」する。）の容量値をＹ３、その右側の可変容量素子（以下、「可変容量素子Ｃａ８」する。）の容量値をＹ４とし、各可変容量素子の容量値Ｘ１〜Ｘ４，Ｙ１〜Ｙ４の変化分をΔＸ１〜ΔＸ４，ΔＹ１〜ΔＹ４とすると、各軸の角速度及び加速度は以下の演算式から物理量を導き出すことができる。なお、具体的な原理については、別途後述する。また、可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８のうち、１以上の任意の可変容量素子を示すときには可変容量素子Ｃａと呼ぶことがある。
Ｘ軸角速度：(ΔＹ１+ΔＹ２)-(ΔＹ３+ΔＹ４）
Ｙ軸角速度：(ΔＸ１+ΔＸ２)-(ΔＸ３+ΔＸ４）
Ｚ軸角速度：(ΔＸ１-ΔＸ２)-(ΔＸ３-ΔＸ４) + (ΔＹ１-ΔＹ２)-(ΔＹ３-ΔＹ４) 
Ｘ軸加速度：(ΔＹ１-ΔＹ２)+(ΔＹ３-ΔＹ４）
Ｙ軸加速度：(ΔＸ１-ΔＸ２)+(ΔＸ３-ΔＸ４）
Ｚ軸加速度：(ΔＸ１+ΔＸ２+ΔＸ３+ΔＸ４+ΔＹ１+ΔＹ２+ΔＹ３+ΔＹ４）
【００２９】
検出回路は、一端が共通に接続された各可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８及び固定容量素子Ｃｄの他端にそれぞれ所定の位相差を持った複数相の検出用パルス信号（以下、「検出用パルス信号」とする。）を印加する検出用パルス信号印加部と、位相差を有する検出用パルス信号が印加された可変容量素子Ｃａ間、又は固定容量素子Ｃｄと可変容量素子Ｃａとの間の容量値の差分を検出し、当該差分に基づいて前記印加される慣性力を検出する慣性検出部とを備えている。
【００３０】
この慣性検出部で検出する容量値の差分は、固定容量素子Ｃｄの容量値（ここでは、容量値をＷとする。）と各可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８の容量値Ｘ１〜Ｘ４，Ｙ１〜Ｙ４のそれぞれの差分とすることにより、各可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８の容量値の変化分であるΔＸ１〜ΔＸ４，ΔＹ１〜ΔＹ４を検出する。すなわち、検出用パルス信号印加部は、固定容量素子Ｃｄと各可変容量素子Ｃａとにそれぞれ極性の異なる検出用パルス信号を各可変容量素子Ｃａに対応して順次印加し、慣性検出部は、共通に接続された容量素子Ｃａ，Ｃｄの一端の電圧から各可変容量素子Ｃａの容量値の変化分を検出する。例えば、固定容量素子Ｃｄと各可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８の容量値Ｘ１〜Ｘ４，Ｙ１〜Ｙ４とが初期状態（可変ブロックが振動していない状態）で同一の容量値であり、かつ検出用パルス信号が同一の電圧振幅値であるとき、Ｗ-（Ｘ１+ΔＸ１）＝ΔＸ１，Ｗ-（Ｘ２+ΔＸ２）＝ΔＸ２，・・・となり、各可変容量素子Ｃａの容量値の変化分ΔＸ１，ΔＸ２，・・・が検出される。このように各可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８の容量値の変化分を検出することによって、上述した構造体に印加される３軸の角速度や３軸加速度を検出することができる。
【００３１】
また、可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８のうち加算する可変容量素子Ｃａの容量値と、減算する可変容量素子Ｃａの容量値との差分を検出するようにしてもよい。例えば、Ｘ軸方向の角速度を検出するときには、最初に可変容量素子Ｃａ５，Ｃａ６に検出用パルス信号を印加し、次に、可変容量素子Ｃａ７，Ｃａ８に極性を反転した検出用パルス信号を印加することによって、(ΔＹ１+ΔＹ２)-(ΔＹ３+ΔＹ４）を検出する。また、Ｙ軸方向の角速度を検出するときには、最初に可変容量素子Ｃａ１，Ｃａ２に検出用パルス信号を印加し、次に可変容量素子Ｃａ３，Ｃａ４に極性を反転した検出用パルス信号を印加することによって、(ΔＸ１+ΔＸ２)-(ΔＸ３+ΔＸ４）を算出する。
【００３２】
ここで、Ｚ軸方向の加速度を検出する場合、(ΔＸ１+ΔＸ２+ΔＸ３+ΔＸ４+ΔＹ１+ΔＹ２+ΔＹ３+ΔＹ４）を検出する必要があることから、全ての可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８の静電容量を加算することになる。そこで、最初に固定容量素子Ｃｄに検出用パルス信号を印加し、次に全ての可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８に極性を反転した検出用パルス信号を印加するようにする。
【００３３】
このように、検出用パルス信号印加部は、可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８のうち加算するものと減算するものの両方があるときには、可変容量素子のみに異なるタイミングで互いに極性の反転した検出用パルス信号を順次印加し、可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８のうち加算するもの或いは減算するものしかないときには、固定容量素子Ｃｄと可変容量素子Ｃａとに異なるタイミングで互いに極性の反転した検出用パルス信号を順次印加するようにしており、これにより、慣性検出部は、可変容量素子の容量値の加算及び減算を行って、後段の演算処理を省き、簡単な構成で各検出軸（ＸＹＺの３軸）の加速度及び各検出軸（ＸＹＺの３軸）の角速度の物理量に応じた信号を容易に検出することができる。
【００３４】
ところで、構造体における容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８，Ｃｄの個体差によるその容量値のばらつきによって慣性検出部のＤＣオフセットが生じる。そこで、本実施形態における検出回路の検出用パルス信号印加部では、各容量素子へ印加する検出用パルス信号のそれぞれの振幅を調整することによってこのＤＣオフセットを調整する。その結果、慣性検出部のダイナミックレンジを大きくすることなく、角速度及び加速度を高精度に検出することができる。
【００３５】
また、検出回路には、可変ブロックを変位させ往復振動させるため駆動パルス信号を出力する駆動回路を有しており、検出用パルス信号印加部はこの駆動パルス信号に同期したタイミングで可変容量素子Ｃａや固定容量素子Ｃｄへ検出用パルス信号を出力して、角速度及び加速度を検出するようにしている。
【００３６】
検出用パルス信号印加部からの検出用パルス信号の出力は、可変ブロックの変位速度が最大となる時のその前後所定期間内に行うようにすることとする。これにより、慣性検出部の出力から可変ブロックの変位速度が最大のときに容量素子の容量値の差分を取り出すための回路（例えば、同期検波回路）を省略することができる。また、消費電力の低減も図ることができる。しかも、可変ブロックの変位速度が最大となるときにコリオリ力が最大となることから、角速度を精度よく検出することができる。
【００３７】
また、加速度を検出するための検出用パルス信号の出力については、上記期間に行わずに、可変ブロックの変位速度が最小（コリオリ力が最小となる付近）となる時の前後所定期間内に行うようにすることにより、Ｓ／Ｎ比を改善し、加速度の検出を高精度に行うことができる。なお、Ｓ／Ｎが問題にならない場合には、加速度の検出するための検出用パルス信号の出力を可変ブロックの変位速度が最大のときに行うようにしてもよい。
【００３８】
また、検出回路には、可変ブロックの変位位置及び最大変位量を検出する可変ブロック変位検出回路（変位検出部の一例に相当）を備えている。上記４つの可変ブロックのうち少なくとも振動方向が互いに直交する２つの可変ブロックには電極が形成されており、この電極と対向する位置に所定の間隙をもって設けられた変位検出電極との間で可変容量素子（以下、「可変容量素子Ｃｆ１，Ｃｆ２」とする。変位検出用可変容量素子の一例に相当）が形成される。可変ブロック変位検出回路は、この可変容量素子Ｃｆ１，Ｃｆ２の一端を共通に接続し、その他端のそれぞれへ互いに極性が異なる変位検出用パルス信号を変位検出用パルス信号印加部から交互に印加することによって、共通に接続された可変容量素子Ｃｆ１，Ｃｆ２の一端の電圧からこれらの可変容量素子Ｃｆ１、Ｃｆ２の容量値の差分を検出して、可変ブロックの変位を検出するようにしている。
【００３９】
そして、上記駆動回路は、この可変ブロック変位検出回路によって検出された可変ブロックの変位位置及び最大変位量に基づいて駆動パルス信号を生成して、可変ブロックへ印加する。これにより、可変ブロックを自励振動させるようにしている。
【００４０】
また、可変ブロック変位検出回路は、可変ブロックの変位量が最大付近（最大となる時の前後所定期間）で変位検出用パルス信号を印加するようにしており、これにより、省電力化を図ると共に、精度よく可変ブロックの変位を検出することができる。特に、変位検出用パルス信号を常時印加し、これにより得られる可変ブロックの変位の情報から可変ブロックの変位量が最大となる付近のポイントの情報を検出する回路に比べて、振幅を取り出すために必要だったバンドパスフィルタ等が不要となり、回路を簡素化できる。
【００４１】
ところで、検出用パルス信号印加部が駆動パルス信号に同期したタイミングで検出用パルス信号を出力して、駆動パルス信号のエッジと検出用パルス信号のエッジとが同じタイミングになると、駆動パルス信号の立ち上がり又は立ち下がりのエッジ部分の高周波成分が、寄生容量を介して慣性検出部などにノイズとして影響を及ぼす恐れがある。
【００４２】
そこで、本実施形態における検出用パルス信号印加部において、駆動パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジ付近では、検出用パルス信号を所定周期分（例えば、１周期分或いは２周期分）だけ出力せずにマスクするようにする。これにより、駆動パルス信号のエッジ部分による慣性検出部などへのノイズの影響を抑制することが可能となる。
【００４３】
また、検出用パルス信号印加部は駆動パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジ時に検出用パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジとならないように、駆動パルス信号又は検出用パルス信号の位相をシフトする位相シフト回路を設けるといった簡単な構成で、上記と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
以下、さらに本実施形態における慣性センサの具体的な一例を図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態における慣性センサの全体構成図、図２は本実施形態における慣性センサの構成を説明するための図である。
【００４５】
本実施形態における慣性センサ１は、３軸の角速度及び３軸の加速度を検出する機能を有している。この慣性センサ１は、例えば、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)と呼ばれるデバイスで構成され、図１に示すように、印加される慣性力に応じて内部の状態が変化する構造体２と、当該構造体２の内部の状態を検出して慣性センサ１に加わる慣性力を検出する検出回路３（本発明の検出装置の一例に相当）と、この検出回路３を載置した構造体２を載置する基部４とを備えている。なお、構造体２と検出回路３との間の配線、及び検出回路３と基部４との間の配線は、ワイヤボンディングなどによって行われている。また、慣性センサ１は、ＢＧＡ(Ball Grid Array)パッケージにより構成され、基部４の下部（構造体２の載置側とは反対側）にはバンプが格子状に配置されるが、ＬＧＡ（Land Grid Array）パッケージを採用してもよい。
【００４６】
構造体２は、図１及び図２に示すように、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板で形成され、慣性力に応じて内部の状態が変化する可動体（振動子）が形成されたセンサ基板５と、Ｓｉ（Silicon）基板で形成され、センサ基板５の一側面に対向する電極（後述する検出電極、駆動モニタ電極など）が配置された検出基板６と、同様にＳｉ（Silicon）基板で形成され、センサ基板５の他側面に対向するキャップ基板７を有している。また、センサ基板５は、検出基板６とキャップ基板７とにより挟まれ、その内部が減圧状態で封止される。
【００４７】
以上のように構成される慣性センサ１について、構造体２、検出回路３の順に具体的に図面を参照して説明する。
【００４８】
（構造体２の構成について）
この構造体２について、図３を参照してさらに具体的に説明する。図３は慣性センサ１の構造体２を説明するための図であり、センサ基板５の平面レイアウトを示している。
【００４９】
図３に示すように、構造体２のセンサ基板５は、変位可能な可変ブロック１２（１２ａ〜１２ｄ）、各可変ブロック１２を所定方向に往復振動させる駆動電極１３（１３ａ〜１３ｄ）、固定ブロック１４等を備えている。
【００５０】
可変ブロック１２は、センサ基板５のＸ軸上とＹ軸上のそれぞれに、１組ずつ原点Ｏに関し互いに対称な位置に配置される。すなわち、可変ブロック１２ａと１２ｃとは、センサ基板５のＹ軸上に原点Ｏに関し互いに対称な位置に配置され、可変ブロック１２ｂと１２ｄとは、センサ基板５のＸ軸上に原点Ｏに関し互いに対称な位置に配置される。
【００５１】
そして、可変ブロック１２ａと１２ｃとは、駆動電極１３ａと１３ｃによりそれぞれＹ軸方向に往復振動し、可変ブロック１２ｂと１２ｄとは、駆動電極１３ｂと１３ｄによりそれぞれＸ方向に往復振動する。
【００５２】
このように、本実施形態における慣性センサ１の構造体２は、センサ基板５のＸ軸上とＹ軸上のそれぞれに、原点Ｏに関し互いに対称な位置に、１組ずつの可変ブロック１２（１２ｂと１２ｄ，１２ａと１２ｃ）を配置し、Ｘ軸上とＹ軸上で、可変ブロック１２ｂ，１２ｄと可変ブロック１２ａ，１２ｃとが、直交する向きに往復振動するような基準振動を与えるものである。この基準振動は、角速度を検出するために行われるものであり、このようなＸ軸、Ｙ軸の反位相振動のほか、原点Ｏを中心に回転方向に振動させる回転振動がある。
【００５３】
ここで、各可変ブロック１２ａ〜１２ｄについて、図４を参照して説明する。図４（ａ）は、可変ブロック１２の平面レイアウト図を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）中のＡ−Ａ’線断面図を示す図である。なお、この図４においては可変ブロック１２ａ〜１２ｄのうち可変ブロック１２ａを例に挙げて説明する。
【００５４】
図４（ａ），（ｂ）に示すように、可変ブロック１２ａは、支持部２１ａに一端側が支持された弾性支持梁２２ａ（２２ａ１〜２２ａ６）と、各弾性支持梁２２ａの他端側に支持された可動体２３ａとを備えており、この可動体２３ａは原点Ｏを中心としたＹ軸に対して対称な形状に形成される。
【００５５】
支持部２１ａ、弾性支持梁２２ａ及び可動体２３ａは、例えばＳＯＩ基板を使用して形成されている。このＳＯＩ基板は、下層より、ベースシリコン層３１、絶縁層（一例としてＢＯＸ層）３２、シリコン活性層３３を積層したものである。
【００５６】
支持部２１ａ及び可動体２３ａは、ベースシリコン層３１、絶縁層３２、シリコン活性層３３の３層で形成され、弾性支持梁２２ａはシリコン活性層３３で形成されている。従って、可動体２３は、シリコン活性層３３の弾性支持梁２２ａ（２２ａ１〜２２ａ６）によって、吊り下げられるように支持されることになり、Ｚ軸に平行な方向及びＹ軸を中心とした回転方向に自由度を有するものとなっている。なお、可動体２３ａは可変ブロック１２ａの振動方向（Ｙ軸方向）には剛性が高く、振動方向に垂直な方向（Ｘ軸方向）には剛性が低くなるような状態で支持部２１ａに固定される。
【００５７】
可変ブロック１２ａでは、Ｘ軸方向に力が加わると可動体２３ａが傾き、その傾きを検出することによって、慣性センサ１へ加わる慣性力を検出することができる。またＺ軸方向に慣性力が加わった場合は、可動体２３がＺ軸方向に変位し、その変位量を検出することで慣性力を検出することができる。
【００５８】
また、可変ブロック１２ｂ〜１２ｄも可変ブロック１２ａと同様の構成をしており、各可動体２３ｂ〜２３ｄ（図示せず）の変位量を検出することで、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に加わった慣性力を検出することができる。
【００５９】
本実施形態における慣性センサ１では、可動体２３ａ〜２３ｄにおける、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の傾きやＺ軸方向の変位を検出する方法として、半導体プロセスでイオン注入法等により比較的容易に形成できる静電検出を採用している。
【００６０】
ここで、慣性センサ１における可動体２３ａ〜２３ｄの変位の検出方法について図面を参照して具体的に説明する。図５及び図６は可動体２３ａ〜２３ｄと検出基板６との関係を示す図である。なお、図５は可変ブロック１２ａ，１２ｃの可動体２３ａ，２３ｃと検出基板６との関係を示す図であり、図６は可変ブロック１２ｂ，１２ｄの可動体２３ｂ，２３ｄと検出基板６との関係を示す図である。
【００６１】
図５（ａ），（ｂ）に示すように、可動体２３ａ（２３ｃ）の上部（シリコン活性層３３側）に配置される検出基板６には、可動体２３ａ（２３ｃ）と対向する面に、例えば２枚の検出電極４２ａ，４３ａ（４２ｃ，４３ｃ）が可動体２３ａ（２３ｃ）と所定の間隙をもって形成されている。これにより、検出電極４２ａ（４２ｃ）と可動体２３ａ（２３ｃ）との間、及び検出電極４３ａ（４３ｃ）と可動体２３ａ（２３ｃ）との間でそれぞれ可変容量素子が形成される。なお、この検出電極４２ａ，４３ａは、原点Ｏを中心としたＹ軸に対して対称な位置に形成される。また、シリコン活性層３３は電極として機能する。
【００６２】
そして、図５（ｃ）に示すように、検出電極４２ａ（４２ｃ）と可動体２３ａ（２３ｃ）により形成される可変容量素子と検出電極４３ａ（４３ｃ）と可動体２３ａ（２３ｃ）により形成される可変容量素子との容量差を検出することでＸ軸方向の傾きを検出することができる。
【００６３】
また、図５（ｄ）に示すように、検出電極４２ａ（４２ｃ）と可動体２３ａ（２３ｃ）により形成される可変容量素子と検出電極４３ａ（４３ｃ）と可動体２３ａ（２３ｃ）により形成される可変容量素子との容量和を検出することでＺ軸方向の変位を検出することができる。
【００６４】
また、可動体２３ｂ（２３ｄ）も可動体２３ａ（２３ｃ）と同様に構成される。すなわち、図６（ａ），（ｂ）に示すように、可動体２３ｂの上部（シリコン活性層３３側）に配置される検出基板６には、可動体２３ｂ（２３ｄ）と対向する面に、例えば２枚の検出電極４２ｂ，４３ｂ（４２ｄ，４３ｄ）が可動体２３ｂ（２３ｄ）と所定の間隙をもって形成されている。これにより、検出電極４２ｂ（４２ｄ）と可動体２３ｂ（２３ｄ）との間、及び検出電極４３ｂ（４３ｄ）と可動体２３ｂ（２３ｄ）との間でそれぞれ可変容量素子が形成される。
【００６５】
そして、図６（ｃ）に示すように、検出電極４２ｂ（４２ｄ）と可動体２３ｂ（２３ｄ）により形成される可変容量素子と検出電極４３ｂ（４３ｄ）と可動体２３ｂ（２３ｄ）により形成される可変容量素子との容量差を検出することでＹ軸方向の傾きを検出することができる。また、図６（ｄ）に示すように、検出電極４２ｂ（４２ｄ）と可動体２３ｂ（２３ｄ）により形成される可変容量素子と検出電極４３ｂ（４３ｄ）と可動体２３ｂ（２３ｄ）により形成される可変容量素子との容量和を検出することでＺ軸方向の変位を検出することができる。
【００６６】
以上のように、可動体２３ａ，２３ｃと検出電極４２ａ，４３ａ，４２ｃ，４３ｃとによりＸ軸方向及びＺ軸方向に加わる印加力を検出することができ、また、可動体２３ｂ，２３ｄと検出電極４２ｂ，４３ｂ，４２ｄ，４３ｄとによりＹ軸方向及びＺ軸方向に加わる印加力を検出することができる。従って、可動体２３ａ，２３ｃを用いることにより、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に加わる加速度を検出することが可能となり、また、可動体２３ｂ，２３ｄを用いることにより、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に加わる加速度を検出することが可能となる。このようにセンサ基板５上に配置された各可変ブロック１２ａ〜１２ｄは、複数軸の検出軸をもち、そのうち１つの検出軸は基準振動と垂直方向であるような構造を持つものである。
【００６７】
ここで、可変ブロック１２ａ〜１２ｄの基準振動（Ｘ軸、Ｙ軸の反位相振動）について、図面を参照して説明する。図７は、本実施形態におけるセンサ基板５の平面レイアウト図（可変ブロック１２ａ〜１２ｄのみ抽出）である。
【００６８】
図７（ａ）に示すように、慣性センサ１は、センサ基板５のＸ軸上とＹ軸上のそれぞれに、原点Ｏに関し互いに対称な位置に、１組ずつの可変ブロック１２（１２ａと１２ｃ，１２ｂと１２ｄ）を配置し、Ｘ軸上とＹ軸上で、可変ブロック１２（１２ａ，１２ｃ）と可変ブロック１２（１２ｂ，１２ｄ）とが、直交する向きに往復振動するような基準振動を与えるものである。
【００６９】
そして、図７（ｂ）に示すように、Ｙ軸上の可変ブロック１２ａ，１２ｃが原点Ｏから遠ざかる方向に振動するとき、Ｘ軸の可変ブロック１２ｂ，１２ｄは、原点Ｏに近づく方向に振動する。また、図７（ｃ）に示すように、Ｙ軸上の可変ブロック１２ａ，１２ｃが原点Ｏに近づく方向に振動するとき、Ｘ軸の可変ブロック１２ｂ，１２ｄは、原点Ｏから遠ざかる方向に振動する。このような振動は、センサ基板５の共振モードを最適化することで実現できる。
【００７０】
駆動力の印加は、静電力、圧電素子、電磁力等の手段があるが、半導体製造プロセスで形成することが比較的容易なものとしては、静電力を使ったものがある。本実施形態における慣性センサ１では、静電力を用いて可変ブロック１２ａ〜１２ｄに駆動する例を挙げて説明する。なお、上述した図７においては、可動体２３ａと検出電極４２ａ，４３ａとの間で形成される可変容量素子Ｃａ７，Ｃａ８（後述の図９参照）の容量値をそれぞれＹ３，Ｙ４とし、可動体２３ｂと検出電極４２ｂ，４３ｂとの間で形成される可変容量素子Ｃａ３，Ｃａ４（後述の図９参照）の容量値をそれぞれＸ３，Ｘ４とし、可動体２３ｃと検出電極４２ｃ，４３ｃとの間で形成される可変容量素子Ｃａ５，Ｃａ６（後述の図９参照）の容量値をそれぞれＹ１，Ｙ２とし、可動体２３ｄと検出電極４２ｄ，４３ｄとの間で形成される可変容量素子Ｃａ１，Ｃａ２（後述の図９参照）の容量値をそれぞれＸ１，Ｘ２としている。
【００７１】
上述したように本実施形態における慣性センサ１では、可変ブロック１２（１２ａ〜１２ｄ）に対向させた位置にそれぞれ駆動電極１３（１３ａ〜１３ｄ）を配置している。可変ブロック１２（１２ａ〜１２ｄ）と駆動電極１３（１３ａ〜１３ｄ）との間隔は、数μｍから数十μｍの間隔をおいており、その駆動電極１３と可変ブロック１２との間に共振を励起する周波数の電圧を印加することで可変ブロック１２（１２ａ〜１２ｄ）を往復振動させることができる。十分な駆動力を確保するために、駆動電極１３のような平行板電極（図３参照）の代わりに櫛歯電極を用いることも可能である。
【００７２】
このように、可変ブロック１２ａ，１２ｃと１２ｂ，１２ｄとをそれぞれ反位相で振動させるのは、３軸方向の角速度の検出に必要な２軸方向の基準振動を行わせるためである。
【００７３】
また、本実施形態における慣性センサ１では、図８（ａ），（ｂ）に示すように、可変ブロック１２ａ，１２ｂの位置を検出するための駆動モニタ電極５２ａ，５２ｂが検出基板６に配置される。図８は可変ブロックと駆動モニタ電極との関係を説明するための図である。そして、可変ブロック１２ａ，１２ｂと駆動モニタ電極５２ａ，５２ｂとの間でそれぞれ可変容量素子Ｃｆ１，Ｃｆ２（後述する図９参照。変位検出用可変容量素子の一例に相当）が形成され、この可変容量素子Ｃｆ１，Ｃｆ２の容量値を検出することによって、可変ブロック１２ａ，１２ｂが変位した位置の検出が可能となっている。
【００７４】
（角速度と加速度の検出原理）
本実施形態における慣性センサ１における角速度と加速度の検出原理を、以下に説明する。
【００７５】
まず、角速度の検出原理について説明する。ある質量を持った物体が、Ｚ軸方向に往復運動をするような振動をしているときに、Ｚ軸に鉛直な方向、例えばＸ軸に角速度ωの回転運動を行うと、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆが発生し、Ｙ軸に角速度ωの回転運動を行うと、Ｘ軸方向にコリオリ力Ｆが発生する。
【００７６】
この現象は、フーコーの振り子として古くから知られている力学現象であり、発生するコリオリ力Ｆは、Ｆ＝２ｍ・ｖ・ωで表される。ここで、ｍは物体の質量、ｖは物体の運動についての瞬時の速度、ωは物体の瞬時の角速度である。
【００７７】
このコリオリ力は、振動に対して垂直な向きに発生するので、その原理上、振動方向にはコリオリ力は発生しない。従って、従来の振動型角速度検出装置では、１軸振動で最大で２軸までの角速度しか検出できないか、２次元に楕円運動（２軸同時に振動と同等）させることで３軸方向に検出可能にするかであった。
【００７８】
本実施形態における慣性センサ１では、上述したように基準振動を与えた複数の可変ブロック１２ａ〜１２ｄによって、３軸の角速度と３軸の加速度を検出することが可能となっている。
【００７９】
前記図７（ｂ）に示すように、Ｘ軸上の可変ブロック１２ｂ，１２ｄが原点Ｏ方向へ移動する時、Ｙ軸上の可変ブロック１２ａ，１２ｃは、原点Ｏから遠ざかるように移動する。この時、Ｘ軸まわりに角速度Ωが印加されるとＹ軸上の２個の可変ブロック１２ａ，１２ｃにはＺ軸方向にコリオリ力Ｆ＝２ｍＡωΩが印加される。Ａは基準振動の最大振幅、ωは基準振動の周波数、ｍは可変ブロック１２の可動体２３の質量である。Ｙ軸上の２つの可変ブロック１２ａ，１２ｃは、Ｘ軸周りの角速度に対し、逆方向（反位相）に振動しているので、コリオリ力の向きは、Ｚ軸方向で逆向きである。この２つ可変ブロック１２ａ，１２ｃで検出される容量値の差分をとればＸ軸まわりの角速度が検出できる。
【００８０】
ここで、上述のように各検出電極４２，４３（４２ａ〜４２ｄ，４３ａ〜４３ｄ）と可動体２３（２３ａ〜２３ｄ）により形成される可変容量素子の初期状態の容量値（可動体２３に慣性力が加わらないときの容量値）をＸ１〜Ｘ４，Ｙ１〜Ｙ４とし、可動体２３に慣性力が加わったときの可変容量素子の容量値を（Ｘ１＋ΔＸ１）〜（Ｘ４＋ΔＸ４），（Ｙ１＋ΔＹ１）〜（Ｙ４＋ΔＹ４）とすると、Ｘ軸まわりの角速度Ωｘは以下の式（１）で表すことができる。なお、Ａｘは係数である。また、可変容量素子Ｃａ５〜Ｃａ８の初期状態の容量値Ｙ１〜Ｙ４は同一であるものとする。
Ωｘ＝Ａｘ｛（ΔＹ１＋ΔＹ２）−（ΔＹ３＋ΔＹ４）｝      ・・・（１）
【００８１】
Ｙ軸まわりの角速度についてもＸ軸上の２つの可変ブロック１２ｂ，１２ｄのＺ軸方向の変位を検出することにより、同様に検出できる。すなわち、Ｙ軸まわりの角速度Ωｙは以下の式（２）で表すことができる。なお、Ａｙは係数である。また、可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ４の初期状態の容量値Ｘ１〜Ｘ４は同一であるものとする。
Ωｙ＝Ａｙ｛（ΔＸ１＋ΔＸ２）−（ΔＸ３＋ΔＸ４）｝      ・・・（２）
【００８２】
また、Ｚ軸まわりの角速度は次のように検出することができる。すなわち、Ｚ軸まわりの角速度が印加されると、各可変ブロック１２ａ〜１２ｄの各可動体２３ａ〜２３ｄ（前記図３参照）は、それぞれＺ軸と直行する方向にコリオリ力を受け、各可変ブロック１２ａ〜１２ｄはＺ軸と直交する方向に傾く。この傾きによる変位は、Ｘ軸，Ｙ軸の各軸上、２つの可変ブロック１２ａと１２ｃが逆向きであり、可変ブロック１２ｂと１２ｄが逆向きなので、その差分を検出すれば、Ｚ軸周りの角速度が検出できる。４個の可変ブロック１２ａ〜１２ｄのうち、反位相となる２つ以上可変ブロックの差分をとればよいが、ここでは精度を向上させるため、４個の可変ブロック１２ａ〜１２ｄを使ってＺ軸周りの角速度を検出することとしている。
【００８３】
従って、Ｚ軸まわりの角速度Ωｚは、以下の式（３）で表すことができる。なお、Ａｚは係数である。また、各可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８の初期状態の容量値Ｘ１〜Ｘ４，Ｙ１〜Ｙ４は同一であるものとする。
Ωｚ＝Ａｚ［｛(ΔＸ１−ΔＸ２)−(ΔＸ３−ΔＸ４)｝
＋｛(ΔＹ１−ΔＹ２)−(ΔＹ３−ΔＹ４)｝］  ・・・（３）
【００８４】
次に加速度の検出について説明する。Ｘ軸方向に加速度が印加された場合、Ｙ軸上の２つの可変ブロック１２ａ，１２ｃの可動体２３ａ，２３ｃがＸ軸方向に傾く。従って、可変ブロック１２ａにおける可変容量素子Ｃａ５，Ｃａ６の容量値の差分と可変ブロック１２ｄにおける可変容量素子Ｃａ７，Ｃａ８の容量値の差分との和をとれば、加速度となる。すなわち、Ｘ軸方向に加速度ａｘは、以下の式（４）で表すことができる。なお、Ｂｘは係数である。また、可変容量素子Ｃａ５〜Ｃａ８の初期状態の容量値Ｙ１〜Ｙ４は同一であるものとする。
ａｘ＝Ｂｘ｛（ΔＹ１−ΔＹ２）＋（ΔＹ３−ΔＹ４）｝    ・・・（４）
【００８５】
また、Ｙ軸方向に加速度が印加された場合、Ｘ軸上の２つの可変ブロック１２ｂ，１２ｄの可動体２３ｂ，２３ｄがＹ軸方向に傾く。従って、Ｘ軸同様に、可変ブロック１２ｂにおける可変容量素子Ｃａ３，Ｃａ４の容量値の差分と可変ブロック１２ｄにおける可変容量素子Ｃａ１，Ｃａ２の容量値の差分との総和をとることで、Ｙ軸方向成分の加速度を検出できる。すなわち、Ｙ軸方向に加速度ａｙは、以下の式（５）で表すことができる。なお、Ｂｙは係数である。また、可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ４の初期状態の容量値Ｘ１〜Ｘ４は同一であるものとする。
ａｙ＝Ｂｙ｛（ΔＸ１−ΔＸ２）＋（ΔＸ３−ΔＸ４）｝    ・・・（５）
【００８６】
また、Ｚ軸方向に加速度が印加された場合は、４つの可変ブロック１２ａ〜１２ｄの全ての可動体２３ａ〜２３ｄが、同一方向に平行移動するので、その総容量変化、もしくは、最低１つの可変ブロック、例えば可変ブロック１２ｄにおける可変容量素子Ｃａ１，Ｃａ２の容量変化（ΔＸ１＋ΔＸ２等）を検出することでＺ軸方向の加速度を検出できる。総容量変化で検出する場合、Ｚ軸方向に加速度ａｚは、以下の式（６）で表すことができる。なお、Ｂｚは係数である。また、可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８の初期状態の容量値Ｘ１〜Ｘ４，Ｙ１〜Ｙ４は同一であるものとする。
ａｚ＝Ｂｚ（ΔＸ１＋ΔＸ２＋ΔＸ３＋ΔＸ４＋ΔＹ１＋ΔＹ２＋ΔＹ３＋ΔＹ４）  
・・・（６）
【００８７】
（検出回路について）
次に、検出回路３について図面を参照して説明する。図９は本実施形態における慣性センサ１の電気ブロック図を示す。
【００８８】
検出回路３は、図９に示すように、構造体２の状態を検出して、慣性センサ１に加わる角速度及び加速度を検出する検出制御部６０と、駆動電極１３ａ〜１３ｄへ交流信号を印加して可変ブロック１２ａ〜１２ｄを往復振動させ、また、可変ブロック１２ａ，１２ｂの動作に基づいて駆動電極１３ａ〜１３ｄへ印加する前記駆動パルス信号を生成し、さらに、可変ブロック１２ａ，１２ｂの動作に基づいてクロック信号ＣＬＫを生成し、検出制御部６０へ当該クロック信号ＣＬＫを供給する駆動制御部６１とを備えている。
【００８９】
（検出部について）
まず、検出制御部６０について説明する。この検出制御部６０は、駆動制御部６１から出力されるクロック信号ＣＬＫから互いに位相が反転した２つのパルス信号ＣＬＫａ，ＣＬＫｂを生成する位相器１００と、一端が共通に接続された容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８，Ｃｄ，Ｃｆ１，Ｃｆ２の各他端の電極（検出電極４４，４２ａ〜４２ｄ，４３ａ〜４３ｄ及び駆動モニタ電極５２ａ，５２ｂ）に印加する検出用パルス信号をパルス信号ＣＬＫａ，ＣＬＫｂに基づいて生成するカウンタ回路１０１と、カウンタ回路１０１から出力される信号をそれぞれ増幅するバッファ回路１０２と、容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８，Ｃｄ，Ｃｆ１，Ｃｆ２の一端の電極に接続され、所定の容量値の容量素子Ｃ１０で負帰還回路を構成するチャージポンプ（Ｃ／Ｐ）回路１０３と、このチャージポンプ回路１０３の出力信号を検出用パルス信号に同期したタイミングでサンプルホールドを行うサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路１０４と、このサンプルホールド回路１０４の出力信号を増幅する増幅回路１０５と、この増幅回路１０５の出力信号をデジタル変換するアナログ／デジタル変換器１０６と、アナログ／デジタル変換器１０６の出力をデジタル処理するデジタル処理部１０９とを有している。なお、可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８は上述のように検出電極４２，４３と可動体２３とにより形成される可変容量素子であり、固定容量素子Ｃｄは検出電極４４と固定ブロック１４とにより形成される容量値が一定の容量素子であり、可変容量素子Ｃｆ１，Ｃｆ２は可変ブロック１２ａ，１２ｂと駆動モニタ電極５２ａ，５２ｂとにより形成される可変容量素子である。また、位相器１００、カウンタ回路１０１、バッファ回路１０２及び後述する検波ウィンド生成器１０７、デジタル／アナログ変換器１１０、記憶部１１１により、一端が共通に接続された各可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８及び固定容量素子Ｃｄの他端にそれぞれ所定の位相差を持った複数相の検出用パルス信号を印加する検出用パルス信号印加部が構成される。また、チャージポンプ（Ｃ／Ｐ）回路１０３、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路１０４、増幅回路１０５、アナログ／デジタル変換器１０６、デジタル処理部１０９により慣性検出部が構成される。
【００９０】
また、検出制御部６０は、構造体２への検出用パルス信号の印加を制御する検波ウィンド生成器１０７を有している。この検波ウィンド生成器１０７は、スイッチ群１０８を制御することによって、特定の期間だけ構造体２の容量素子Ｃａ，Ｃｄへ検出用パルス信号を印加（間欠印加）するようにしている。スイッチ群１０８は、カウンタ回路１０１からそれぞれ出力される検出用パルス信号と基準電圧Ｖrefのうちいずれかを選択してバッファ回路１０２へ印加するように構成されている。この検波ウィンド生成器１０７は、クロック信号ＣＬＫを入力して動作し、さらに後述するＰＬＬ１２０から入力される振幅検波パルス及びタイミング検波パルスに基づいて、スイッチ群１０８を制御する。すなわち、ＰＬＬ１２０から振幅検波パルス及びタイミング検波パルスが入力されている期間に、スイッチ群１０８を制御して、検出用パルス信号を構造体２へ印加するようにしている。
【００９１】
ここで、検出制御部６０においては、バッファ回路１０２から各検出電極に印加する検出用パルス信号のタイミングについて説明する。本実施形態における検出制御部６０では、第１動作モード及び第２動作モードの２種類の動作モードを選択することができ、以下それぞれについて具体的に説明する。
【００９２】
（第１動作モード）
まず、第１動作モードについて図面を参照して説明する。図１０及び図１１は第１動作モード時における構造体２の各検出電極（４４，４２ａ〜４２ｄ，４３ａ〜４３ｄ）に印加される検出用パルス信号のタイミングを示す図である。
【００９３】
この第１動作モードでは、固定容量である固定容量素子Ｃｄの検出電極４４へは連続的な検出用パルス信号を印加し、その他の可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８の検出電極４２ｄ，４３ｄ，４２ｂ，４３ｂ，４２ａ，４３ａ，４２ｃ，４３ｃには、それぞれ位相をずらして時分割に検出用パルス信号を印加する。
【００９４】
すなわち、図１０に示すように、信号ＣＬＫａにより生成される検出用パルス信号（以下、「正相の検出用パルス信号」と呼ぶことがある。）が固定容量素子Ｃｄの検出電極４４へ印加され、信号ＣＬＫｂにより生成される検出用パルス信号（以下、「逆相の検出用パルス信号」と呼ぶことがある。）が順次可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８の検出電極４２ａ〜４２ｄ，４３ａ〜４３ｄへ印加される。なお、固定容量素子Ｃｄへ印加される検出用パルス信号と可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８へ印加される検出用パルス信号の極性は互いに反転してカウンタ回路１０１から出力される。
【００９５】
ここで、チャージポンプ回路１０３は、オペアンプＡＭＰ１０と、このオペアンプＡＭＰ１０の反転入力端子と出力端子との間に接続された容量素子Ｃ１０及びスイッチＳＷ１０とを備えており、オペアンプＡＭＰ１０の非反転入力端子は基準電圧Ｖrefに接続される。
【００９６】
そして、可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８のいずれかに検出用パルス信号が印加される毎に、検出用パルス信号が印加された可変容量素子Ｃａの容量値と固定容量素子Ｃｄの容量値との差分に応じた電圧がオペアンプＡＭＰ１０から出力されることになる。
【００９７】
従って、チャージポンプ回路１０３からは順次可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８の容量値の初期値からの差分に応じた電圧の信号が出力されることになる。そして、チャージポンプ回路１０３の出力は、サンプルホールド回路１０４で順次一時的に保持され、当該保持された電圧が増幅回路１０５により増幅されてアナログ／デジタル変換器１０６へ出力される。アナログ／デジタル変換器１０６では、順次可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８の容量値の初期値からの差分に応じた電圧をデジタル化して出力する。
【００９８】
このようにアナログ／デジタル変換器１０６から出力された信号は、デジタル処理部１０９に入力される。当該デジタル処理部１０９は、上述した式（１）〜（６）をそれぞれ演算する演算器を備えており、３軸（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向）の加速度、及び３軸（Ｘ軸まわり、Ｙ軸まわり及びＺ軸まわり）の角速度を検出する。
【００９９】
ところで、検出する容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８，Ｃｄの容量値は構造体２の個体差によってばらつきがある。従って、そのように個体差のある２つの可変容量素子をチャージポンプ回路１０３で検出すると出力のオフセット値が異なってくることから、角速度及び加速度を高精度に検出することができない虞がある。
【０１００】
そこで、本実施形態における検出制御部６０では、バッファ回路１０２で出力する正相及び逆相の検出用パルス信号の電圧値のバランスを調整するようにしている。すなわち、図１１に示すように、検出電極４４，４２ａ〜４２ｄ，４３ａ〜４３ｄごとに、印加する検出用パルス信号の電圧値を調整する。
【０１０１】
検出制御部６０には、デジタル／アナログ変換器１１０と記憶部１１１とを有しており、カウンタ回路１０１からの信号に基づいて、記憶部１１１から各検出用パルス信号の振幅情報が読み出されてデジタル／アナログ変換器１１０へ入力され、アナログ変換されてバッファ回路１０２の各バッファから出力される検出用パルス信号の振幅が制御される。
【０１０２】
この各検出用パルス信号の振幅情報は、慣性センサ１製造時に構造体２の固体差に応じて記憶部１１１に記憶されるものであるが、各可変ブロック１２ａ〜１２ｄを往復振動させていないときに、構造体２に形成された各容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８，Ｃｄに検出用パルス信号を入力し、これらの容量素子の容量値を計測して、その結果に基づいて調整すべき振幅量を前記振幅情報として記憶部１１１に記憶してもよい。なお、ＰＬＬ回路１２９は、その内部の発振周波数に下限値が設定されており、各可変ブロック１２ａ〜１２ｄを往復振動させていないときでも、クロック信号ＣＬＫを出力することができるようにしている。そのため、本実施形態における検出回路３では、各可変ブロック１２ａ〜１２ｄを往復振動させていないときでも、各容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８，Ｃｄの容量値を検出することが可能となっている。
【０１０３】
ここで、チャージポンプ回路１０３及びサンプルホールド回路１０４の動作について図面を参照して具体的に説明する。図１２はチャージポンプ回路及びサンプルホールド回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【０１０４】
図１２に示すように、検出電極４４（図１２（ｃ）参照）に検出用パルス信号が印加される前にチャージポンプ回路１０３はリセット状態（スイッチＳＷ１０が短絡状態）となる。その後、検出電極４４への検出用パルス信号の印加が行われ、この印加が終了する前に、チャージポンプ回路１０３のリセット状態が解除（スイッチＳＷ１０が開放状態）となり、チャージポンプ回路１０３が動作状態となる。
【０１０５】
次に、検出電極４４への検出用パルス信号の印加が終了し、検出電極４２ｄ（４３ｄ，４２ｂ）に検出用パルス信号が印加された後、サンプルホールド回路１０４が所定期間だけサンプルホールド動作を開始（スイッチＳＷ１１を短絡状態）して、チャージポンプ回路１０３からの出力電圧を保持する。
【０１０６】
このようにチャージポンプ回路１０３は、容量素子Ｃ１０をディスチャージするリセットを行った後、検出電極４４（固定容量素子Ｃｄ）を接続し、その後、各検出電極４２ｄ，４３ｄ，４２ｂ，・・・（可変容量素子Ｃａ１，Ｃａ２，Ｃａ３，・・・）に接続することによって、これらの容量素子の容量差を検出する。
【０１０７】
例えば、固定容量素子Ｃｄと可変容量素子Ｃａ１との容量値の差分を検出するとき、チャージポンプ回路１０３の出力電圧Ｖoutは、以下の式（７）で表すことができる。なお、Ｖｄは固定容量素子Ｃｄに印加される検出用パルス信号の電圧値、Ｖａは可変容量素子Ｃａ１に印加される検出用パルス信号の電圧値とする。
【０１０８】
【数１】
0004508230.tif 000002
【０１０９】
上記式（７）において、Ｃｄ＝Ｃｄ＋ΔＣｄ，Ｃａ１＝Ｃａ１＋ΔＣａ１とすると、以下の式（８）で表すことができる。なお、可変容量素子Ｃａ１は慣性力によって変化するが、固定容量素子Ｃｄは固定容量でありことから、ΔＣｄ＝０である。
【０１１０】
【数２】
0004508230.tif 000003
【０１１１】
ここで、固定容量素子Ｃｄ及び可変容量素子Ｃａ１へ印加される検出用パルス信号は、カウンタ回路１０１によって生成されるものであり、各検出用パルス信号の電圧は基本的に絶対値が同一の電圧値とし、慣性センサ１へ慣性力が加えられていないときの可変容量素子Ｃａ１の容量値と固定容量素子Ｃｄの容量値を同一とすると、上記式（８）の前段の式｛（ＶｄＣｄ−ＶａＣａ１）／Ｃｆ｝を０とすることができる。このとき、チャージポンプ回路１０３の出力電圧Ｖoutは、以下の式（９）で表すことができる。
【０１１２】
【数３】
0004508230.tif 000004
【０１１３】
上記式（９）から分かるように、チャージポンプ回路１０３の出力電圧Ｖoutは、可変容量素子Ｃａ１の容量値の変化分ΔＣａ１に応じた電圧となり、検出のダイナミックレンジを大きくとることができることから、高精度に角速度及び加速度を検出することができる。
【０１１４】
ここで、角速度及び加速度の検出タイミングを説明する。図１３は角速度及び加速度の検出タイミングを説明するための図である。
【０１１５】
本実施形態における慣性センサ１は、図１３に示すように、コリオリ力（図１３（ｃ））が最大付近となる期間（コリオリ力が最大となる時点の前後所定期間内。換言すれば可変ブロック１２（図１３（ｂ））の変位速度が最大付近となる期間。）で角速度の検出（図１３（ｄ））を行い、可変ブロック１２の変位位置が初期状態の位置から最大（最大変位量となる位置）付近となる期間（可変ブロック１２の変位速度が最小となる時点の前後所定期間内。換言すればコリオリ力が最小となる時点の前後所定期間内。）で加速度の検出（図１３（ｅ））を行うようにしており、検波ウィンド生成器１０７によってスイッチ群１０８を制御することによって、これらの期間（図１３（ｄ）、（ｅ））に構造体２へ検出用パルス信号が印加されるようにしている。すなわち、スイッチ群１０８の各スイッチを、カウンタ回路１０１とバッファ回路１０２との間を短絡するように検波ウィンド生成器１０７からスイッチ群１０８へ振幅検波パルス（図１３（ｇ））及びタイミング検波パルス（図１３（ｈ））を出力することによって行う（振幅検波パルス及びタイミング検波パルスがＨｉｇｈレベルのときに、カウンタ回路１０１とバッファ回路１０２との間が短絡する）。
【０１１６】
コリオリ力が最大付近となる期間に角速度の検出を行うのは、角速度による変位が最大となるためであり、これにより、精度よく角速度の検出を行うことができ、Ｓ／Ｎ比を改善することができる。また、可変ブロック１２の変位位置が最大付近となる期間で加速度の検出を行うのは、この期間はコリオリ力が最小付近となる期間であり、これにより、精度よく加速度の検出を行うことができ、Ｓ／Ｎ比を改善することができる。
【０１１７】
このように、構成することによって、検出用パルス信号を構造体２へ常時印加しておく必要がなくなり、また、チャージポンプ回路１０３から出力される信号のなかから、コリオリ力が最大となる期間ものや可変ブロック１２の変位位置が最大となる期間のものを抽出するといった処理も必要なくなることから、処理及び構成を複雑にせずに済む。
【０１１８】
なお、上述においては、コリオリ力が最大付近となる期間に、角速度の検出を行い、コリオリ力が最小付近となる期間に、加速度の検出を行うようにしたが、一般に加速度印加による変位量に比べ角速度印加による変位量は、４０〜８０ｄＢ程度小さくなる。従って、このような場合には、コリオリ力が最大付近となる期間に、角速度の検出と加速度の検出とを行うようにしてもよい。
【０１１９】
（第２動作モード）
次に、第２動作モードについて図面を参照して説明する。図１４は第２動作モード時における構造体２の各検出電極（４４，４２ａ〜４２ｄ，４３ａ〜４３ｄ）に印加される検出用パルス信号のタイミングを示す図である。
【０１２０】
この第２動作モードでは、第１動作モードにおいてデジタル処理部１０９で行っていた各可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８の容量値の変化分を用いた加算及び減算（上記式（１）〜（６））を、以下のように検出用パルス信号をカウンタ回路１０１から出力することにより、デジタル処理部１０９での加算処理及び減算処理を不要とする動作モードである。
【０１２１】
すなわち、可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８のうち容量値を加算する可変容量素子Ｃａの検出電極と、容量値を減算する可変容量素子Ｃａの検出電極とに位相をずらして極性の異なる正相及び逆相の検出用パルス信号を印加することによって、角速度や加速度に応じた出力をチャージポンプ回路１０３から出力するものである。
【０１２２】
例えば、Ｘ軸の加速度を検出する場合、図１４（Ａ）に示すように、コリオリ力が最小付近となる期間で、可変容量素子Ｃａ５，Ｃａ７に正相の検出用パルス信号を印加した後、可変容量素子Ｃａ６，Ｃａ８に逆相で極性の異なる検出用パルス信号を印加することで、Ｘ軸の加速度ａｘに応じた電圧｛（Ｙ１−Ｙ２）＋（Ｙ３−Ｙ４）｝（上記式（４）参照）の信号をチャージポンプ回路１０３から出力することができる。従って、第１動作モードのようにデジタル処理部１０９において｛（Ｙ１−Ｙ２）＋（Ｙ３−Ｙ４）｝を演算する必要がなく、処理負荷を軽減することができ、デジタル処理部１０９の回路構成も簡易化することができる。図１４（Ａ）に示すように、Ｙ軸の加速度を検出する場合も同様に処理することができる。
【０１２３】
また、Ｚ軸の加速度を検出する場合、図１４（Ａ）に示すように、固定容量素子Ｃｄに正相の検出用パルス信号を印加した後、可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８に逆相で極性の異なる検出用パルス信号を印加することで、Ｘ軸の加速度ａｘに応じた電圧｛Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３＋Ｘ４＋Ｙ１＋Ｙ２＋Ｙ３＋Ｙ４｝（上記式（６）参照）の信号をチャージポンプ回路１０３から出力することができる。このように、式（６）のように可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８の容量値の加算しかない場合（換言すれば、減算がない場合）、固定容量素子Ｃｄに検出用パルス信号を印加することによって、実現している。なお、このとき、各可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８の容量値とこれらに印加する検出用パルス信号の電圧振幅値との積算値の総和と、固定容量素子Ｃｄの容量値とこの固定容量素子Ｃｄに印加する検出用パルス信号の電圧振幅値との積算値とが同等になるように設定することが望ましい。例えば、各可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８と固定容量素子Ｃｄの容量値を同等とし、各可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８へ印加する検出用パルス信号の電圧振幅値を同等とすると、固定容量素子Ｃｄに印加する検出用パルス信号の電圧振幅値は、可変容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８に印加する検出用パルス信号の電圧振幅値の８倍とすることが望ましい。検出用パルス信号の電圧振幅値は、後述するようにバッファ回路１０２により調整されるものであり、このバッファ回路１０２は後述するデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器１１０から出力される信号に基づいて、検出用パルス信号の電圧振幅値を変更する。
【０１２４】
また、Ｘ軸の角速度を検出する場合、コリオリ力が最大付近となる期間で、図１４（Ｂ）に示すように、可変容量素子Ｃａ５，Ｃａ６に正相の検出用パルス信号を印加した後、可変容量素子Ｃａ７，Ｃａ８に逆相で極性の異なる検出用パルス信号を印加することで、Ｘ軸の加速度ａｘに応じた電圧｛（Ｙ１＋Ｙ２）−（Ｙ３＋Ｙ４）｝（上記式（１）参照）の信号をチャージポンプ回路１０３から出力することができる。従って、第１動作モードのようにデジタル処理部１０９において｛（Ｙ１＋Ｙ２）−（Ｙ３＋Ｙ４）｝を演算する必要がなく、処理負荷を軽減することができ、デジタル処理部１０９の回路構成も簡易化することができる。図１４（Ｂ）に示すように、Ｙ軸やＺ軸の加速度を検出する場合も同様に処理することができる。
【０１２５】
チャージポンプ回路１０３の出力は、サンプルホールド回路１０４で順次一時的に保持され、当該保持された電圧が増幅回路１０５により増幅されてアナログ／デジタル変換器１０６へ出力される。アナログ／デジタル変換器１０６では、増幅回路１０５からの出力に基づいて、３軸の加速度及び３軸の角速度を検出する。
【０１２６】
このように第２動作モードでは、各軸の上記演算式（１）〜（６）に基づき、容量値を加算する可変容量素子Ｃａの電極には同相の検出用パルス信号を、その加算値から容量値を減算する可変容量素子Ｃａの電極には位相の異なる逆相かつ極性の異なる検出用パルス信号を印加し、また、減算する可変容量素子Ｃａの電極がない場合には、固定電極に同相検出用パルス信号を、加算する可変容量素子Ｃａの電極には位相の異なる逆相かつ極性の異なる検出用パルス信号を印加して、チャージポンプ回路１０３により検出を行うものである。
【０１２７】
これにより、上記演算式（１）〜（６）に基づいた演算をデジタル処理部１０９において演算する必要がなく、処理負荷を軽減することができ、デジタル処理部１０９の回路構成も簡易化することができる。
【０１２８】
なお、第１動作モードと同様に、バッファ回路１０２で出力する検出用パルス信号の正相、逆相の電圧値のバランスを調整するようにしている。すなわち、検出電極４４，４２ａ〜４２ｄ，４３ａ〜４３ｄごとに、印加する検出用パルス信号の電圧値を調整するようにしている。これにより、構造体２における容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８，Ｃｄの個体差によるその容量値ばらつきによって生じるチャージポンプ回路１０３のオフセット値を調整して、角速度及び加速度を高精度に検出することができる。なお、正相の検出用パルス信号を印加する可変容量素子Ｃａの各容量値と印加する検出用パルス信号の電圧振幅値との積算値の総和と、逆相の検出用パルス信号を印加する可変容量素子Ｃａの各容量値と印加する逆相の検出用パルス信号の電圧振幅値との積算値の総和とが同等になるように設定することが望ましい。
【０１２９】
また、上述のように角速度の検出をコリオリ力が最大付近となる期間に行い、加速度の検出をコリオリ力が最小付近となる期間に行うようにするのではなく、図１５に示すように、コリオリ力が最大付近となる期間に、角速度の検出と加速度の検出を行うようにしてもよい。図１５は第２動作モード時における構造体２の各検出電極（４４，４２ａ〜４２ｄ，４３ａ〜４３ｄ）に印加される検出用パルス信号の別のタイミングを示す図である。
【０１３０】
（駆動制御部６１の構成について）
次に、駆動制御部６１の構成について図９を参照して具体的に説明する。駆動制御部６１は、図９に示すように、チャージポンプ（Ｃ／Ｐ）回路１２０、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路１２１、ピーク検波器１２２、タイミング検波器１２３、オートゲインコントロール（ＡＧＣ）回路１２４、ドライバ回路１２５を有しており、これらの回路が駆動回路として機能し、以下のように可変ブロック１２ａ，１２ｂの往復振動の変位幅が一定となるように制御される。なお、チャージポンプ（Ｃ／Ｐ）回路１２０、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路１２１、ピーク検波器１２２、タイミング検波器１２３などにより変位検出部が構成される。
【０１３１】
すなわち、チャージポンプ回路１２０において、可変ブロック１２ａ，１２ｂの変位位置に基づいて容量値が変化する可変容量素子Ｃｆ１とＣｆ２の容量値の差分が検出される（このチャージポンプ回路１２０はチャージポンプ回路１０３と同様の動作を行う回路であり、２つの容量素子の容量値の差分を検出する）。このチャージポンプ回路１２０の出力はサンプルホールド回路１２１によって検出用パルス信号に同期したタイミングで順次サンプルホールドされてピーク検波器１２２及びタイミング検波器１２３へ出力される。
【０１３２】
ピーク検波器１２２では、サンプルホールド回路１２１から出力される信号の最大値を検出して出力し、タイミング検波器１２３では、サンプルホールド回路１２１から出力される信号のゼロクロス点（可変ブロック１２ａ，１２ｂの変位が初期状態となり、コリオリ力が最大となる点）を検出して当該検出タイミングの前後所定期間において立ち上がり又は立ち下がりの変化点を有するタイミング検出信号を出力する。なお、タイミング検波器１２３は基準電圧Ｖrefを閾値とするコンパレータなどによって構成される。
【０１３３】
オートゲインコントロール（ＡＧＣ）回路１２４はピーク検波器１２２からの出力に基づいて、可変ブロック１２ａ，１２ｂの往復振動の変位幅を一定に保つように調整する信号をドライバ回路１２５へ供給する。ドライバ回路１２５はタイミング検波器１２３から出力されるタイミング検波パルスに基づいて、可変ブロック１２ａ〜１２ｄの変位量が最大となる時の前後所定期間において、オートゲインコントロール回路１２４からの信号を電力増幅した駆動パルス信号を駆動電極１３ａ〜１３ｄへ供給する。なお、ドライバ回路１２５は互いに位相が反転した駆動パルス信号を駆動電極１３ａ，１３ｃと駆動電極１３ｂ，１３ｄとにそれぞれ出力することによって、駆動電極１３ａ，１３ｃと駆動電極１３ｂ，１３ｄとを反位相で振動させる。なお、この振動の周波数は、例えば、２ｋ〜１０ｋＨｚの範囲とする。
【０１３４】
以上のように、可変ブロック１２ａ，１２ｂの変位状態に応じた信号を駆動電極１３ａ〜１３ｄへ印加して各可変ブロック１２ａ〜１２ｄを自励振動させている。
【０１３５】
また、駆動制御部６１は、図９に示すように、ＰＬＬ回路１２９、モニタ検波ウィンド生成器１２６、スイッチ群１２７及びバッファ回路１２８をさらに備えている。
【０１３６】
ＰＬＬ回路１２９は、タイミング検波器１２３から出力されるタイミング検波信号に基づいて、各可変ブロック１２ａ〜１２ｄの振動に同期したタイミング検波信号を逓倍したクロック信号ＣＬＫを生成して、当該クロック信号ＣＬＫを出力すると共に、タイミング検波信号を出力する。そして、モニタ検波ウィンド生成器１２６は、ＰＬＬ回路１２９から入力されるクロック信号ＣＬＫとタイミング検波信号に基づき、コリオリ力が最大付近となる期間（図１６（ｄ）参照）に、アクティブ（ここでは、Ｈｉｇｈレベル）となる変位検出用パルス信号（図１６（ｅ）参照）を出力する。ここで、図１６は、構造体２の駆動モニタ電極５２ａ，５２ｂに印加される変位検出用パルス信号のタイミングを説明するための図である。
【０１３７】
スイッチ群１２７は、カウンタ回路１０１から出力される検出用パルス信号及び基準電圧Ｖrefのうちいずれかを選択して駆動モニタ電極５２ａ，５２ｂに出力するものであり、モニタ検波ウィンド生成器１２６から出力された変位検出用パルス信号によって制御され、この変位検出用パルス信号がアクティブ（ここでは、Ｈｉｇｈレベル）の期間（図１６（ｅ）参照）でのみ、変位検出用パルス信号をカウンタ回路１０１から出力する。このように出力された変位検出用パルス信号は、バッファ回路１２８でそれぞれ増幅されて駆動モニタ電極５２ａ，５２ｂへ印加される。
【０１３８】
このように各可変ブロック１２ａ〜１２ｄの変位検出は、各可変ブロック１２ａ〜１２ｄの変位量が最大となる位置近傍で５２ａ，５２ｂに変位検出用パルス信号を印加することにより行うようにしており、これにより精度よく可変ブロック１２ａ〜１２ｄの変位を検出することができる。なお、モニタ検波ウィンド生成器１２６、スイッチ群１２７及びバッファ回路１２８により変位検出用パルス信号印加部が構成される。
【０１３９】
以上のように本実施形態における慣性センサ１では、ウィンド制限を行って容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８，Ｃｄに検出用パルス信号を印加することとしたが、このようなウィンド制御を行わずに、従来用いられていた駆動信号に同期した同期検波回路等を併用して、検出用パルス信号を継続して印加するようにしてもよい。
【０１４０】
すなわち、上述においては、検波ウィンド生成器１０７により、所定期間（コリオリ力が最大付近となる期間やコリオリ力が最小付近となる期間）だけ構造体２へ検出用パルス信号を印加するようにしたが、このようなウィンド制御を行わずに、例えば、図１７に示すようなタイミングで容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８，Ｃｄに検出用パルス信号を継続して印加するようにしてもよい。図１７は構造体２の各検出電極（４４，４２ａ〜４２ｄ，４３ａ〜４３ｄ）に印加される検出用パルス信号の他のタイミングを示す図である。なお、検出用パルス信号の周波数は、例えば、ドライバ回路１２５から出力する駆動パルス信号の周波数の１６倍〜１２８倍程度の周波数で動作させる。また、Ｚ軸の加速度の検出は、｛ΔＸ１＋ΔＸ４＋ΔＹ２＋ΔＹ３｝とする演算を用いているが、上述したように｛ΔＸ１＋ΔＸ２＋ΔＸ３＋ΔＸ４＋ΔＹ１＋ΔＹ２＋ΔＹ３＋ΔＹ４｝としてもよい。
【０１４１】
次に、ドライバ回路１２５から出力される駆動パルス信号と構造体２へ印加される検出用パルス信号の位相関係を説明する。図１８は本実施形態における駆動パルス信号と検出用パルス信号の位相関係を説明するための図である。
【０１４２】
上述したように、駆動パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジ時のタイミングで立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジとなる検出用パルス信号が出力されると、駆動パルス信号の立ち上がり又は立ち下がりのエッジ部分の高周波成分が、寄生容量を介して検出制御部６０内の回路などにノイズとして影響を及ぼす恐れがある。
【０１４３】
そこで、本実施形態における検出制御部６０において、図１８（ａ）に示すように、駆動パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジ付近では、カウンタ回路１０１は、検出用パルス信号を所定周期分（例えば、１周期分或いは２周期分）だけ出力せずにマスクするようにする。これにより、駆動パルス信号のエッジ部分による検出制御部６０内の回路などへのノイズの影響を抑制することが可能となる。
【０１４４】
また、駆動パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジ時に検出用パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジとならないように、検出制御部６０に、駆動パルス信号又は検出用パルス信号の位相をシフトするための位相シフト回路を設けることにより、図１８（ｂ）に示すように、駆動パルス信号と検出用パルス信号の立ち上がり又は立ち下がりエッジが同時に発生しないようにすることができ、上記の場合（図１８（ａ））と同様の効果を得ることができる。しかも、検出用パルス信号をマスクすることがないため容量素子の容量値の検出回数が減ることがない。例えば、検出制御部６０において、位相器１００の前段にクロック信号ＣＬＫする位相シフト回路を設け、この位相シフト回路によって位相をシフトしたクロック信号ＣＬＫを位相器１００に入力して、駆動パルス信号と検出用パルス信号の立ち上がり又は立ち下がりエッジが同時に発生しないようにする。なお、駆動パルス信号と検出用パルス信号は同期しているので、駆動パルス信号と検出用パルス信号の位相関係は一定となる。
【０１４５】
以上のように本実施形態における慣性センサ１では、印加される慣性力に応じて容量値が変化する可変容量素子が形成される複数の可変ブロックと固定の容量値である固定容量素子が形成される固定ブロックとを有し、可変ブロックが所定方向に往復振動可能な構造体と、この構造体内に形成される容量素子の容量値に基づいて前記印加される慣性力の値を検出する検出回路とを備えており、３軸の角速度及び３軸の加速度を検出することを可能としている。
【０１４６】
また、可変ブロック１２を反位相で駆動することで、加速度外乱をキャンセルし、高精度に角速度を検出できる。さらに、反位相モードの場合、検出変位に遠心力等の不要な外乱変位が入らず、検出のダイナミックレンジが大きくとれ、高精度な角速度と加速度とを検出できる慣性センサが実現できる。なお、この慣性センサ１は、ロボットの機構制御、入力インターフェース、ビデオカメラやスチルカメラの手ブレ補正、落下防止手段等に適用することができる。
【０１４７】
以上、本発明の実施形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。
【０１４８】
例えば、上記本実施形態では、第１動作モード及び第２動作モードの２種類の動作モードを選択するようにしたが、いずれか一つの動作のみしかできないように構成してもよい。
【０１４９】
また、上述の実施形態においては、容量素子Ｃａ１〜Ｃａ８，Ｃｄを一つのチャージポンプ回路に接続したが、複数のチャージポンプ回路に分けて接続するようにしてもよい。この場合、サンプルホールド回路や増幅回路もチャージポンプ回路に応じた数を設ける。
【０１５０】
また、検波ウィンド生成器やスイッチ群を設けてウィンド制御することとしたが、図１７に示すように検出用パルス信号を継続して出力するときには、可変ブロックが初期状態に対する変位位置の方向に応じて、増幅回路でサンプルホールド回路の出力を反転増幅するのか非反転増幅するのかを切り替え（増幅回路とサンプルホールド回路との間にスイッチを設けて切り替え）、デジタル処理部によってコリオリ力が最大付近となると期間の信号に基づいて角速度の検出を行い、コリオリ力が最小付近となる期間の信号に基づいて加速度の検出を行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１５１】
【図１】本実施形態における慣性センサの全体構成図である。
【図２】本実施形態における慣性センサの構成を説明するための図である。
【図３】本実施形態における慣性センサの構造体を説明するための図である。
【図４】（ａ）は、可変ブロックの平面レイアウト図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ’線断面図を示す図である。
【図５】可変ブロックの可動体と検出基板との関係を示す図である。
【図６】可変ブロックの可動体と検出基板との関係を示す図である。
【図７】本実施形態におけるセンサ基板の平面レイアウト図である。
【図８】可変ブロックと駆動モニタ電極との関係を説明するための図である。
【図９】本実施形態における慣性センサの電気ブロック図である。
【図１０】第１動作モード時における構造体の各検出電極に印加される検出用パルス信号のタイミングを示す図である。
【図１１】第１動作モード時における構造体の各検出電極に印加される検出用パルス信号のタイミングを示す図である。
【図１２】チャージポンプ回路及びサンプルホールド回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図１３】角速度及び加速度の検出タイミングを説明するための図である。
【図１４】第２動作モード時における構造体の各検出電極に印加される検出用パルス信号のタイミングを示す図である。
【図１５】第２動作モード時における構造体の各検出電極に印加される検出用パルス信号の別のタイミングを示す図である。
【図１６】構造体の駆動モニタ電極に印加される変位検出用パルス信号のタイミングを説明するための図である。
【図１７】構造体の各検出電極に印加される検出用パルス信号の他のタイミングを示す図である。
【図１８】駆動パルス信号と検出用パルス信号との位相関係を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１５２】
１  慣性センサ
２  構造体
３  検出回路（検出装置の一例）
４  基部
５  センサ基板
６  検出基板
７  キャップ基板
１２（１２ａ〜１２ｄ）可動ブロック
１３（１３ａ〜１３ｄ）  駆動電極
１４  固定ブロック
４２ａ〜４２ｄ、４３ａ〜４３ｄ  検出電極
５２ａ、５２ｂ  駆動モニタ電極
６０  慣性検出部
６１  動作制御部
１０３，１２０  チャージポンプ回路
１０４，１２１  サンプルホールド回路
１０５  増幅回路
１０６  アナログ／デジタル変換器
１０７  検波ウィンド生成器
１０８、１２６  スイッチ群
１０９  デジタル処理部
１１０  デジタル／アナログ変換器
１１１  記憶部
１２３  タイミング検波器
１２４  オートゲインコントロール回路
１２５  ドライバ回路
１２６  モニタ検波ウィンド生成器
１２９  ＰＬＬ回路
Ｃａ１〜Ｃａ８  可変容量素子
Ｃｄ  固定容量素子
Ｃｆ１、Ｃｆ２  可変容量素子（変位検出用可変容量素子の一例）
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１】
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