(57)【要約】【課題】回路面積の増大を招くことなく、加速度および角速度の検出精度の向上を図る。【解決手段】第１検出状態では、検出容量Ｃｄ１、Ｃｄ３の固定電極が共通接続された上でオペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続され、検出容量Ｃｄ２、Ｃｄ４の固定電極が共通接続された上でオペアンプＯＰ１の非反転入力端子に接続され、積分容量Ｃｉ１、Ｃｉ３が帰還容量として機能する。第２検出状態では、検出容量Ｃｄ１、Ｃｄ４の固定電極が共通接続された上でオペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続され、検出容量Ｃｄ２、Ｃｄ３の固定電極が共通接続された上でオペアンプＯＰ１の非反転入力端子に接続され、積分容量Ｃｉ２、Ｃｉ４が帰還容量として機能する。検出部１４は、第１検出状態におけるチャージアンプ１３の出力信号に基づいて加速度を検出し、第２検出状態におけるチャージアンプ１３の出力信号に基づいて角速度を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交する第１軸および第２軸の各方向に変位可能な第１振動子および第２振動子と、
前記第１振動子および前記第２振動子を前記第１軸方向であり且つ互いに反対の方向に振動させる振動手段と、
前記第１振動子の前記第２軸方向の変位に応じて静電容量が相補的に変化する第１検出容量および第２検出容量と、
前記第２振動子の前記第２軸方向の変位に応じて静電容量が相補的に変化する第３検出容量および第４検出容量と、
前記検出容量の変化を電圧信号に変換して出力する全差動構成のチャージアンプと、
前記チャージアンプの出力信号に基づいて、前記第２軸方向の加速度と、前記第１軸および前記第２軸のそれぞれに直交する第３軸を中心とした回転の角速度とを検出する検出手段とを備え、
前記チャージアンプは、一つのオペアンプと、前記オペアンプへの入力を切り替える入力スイッチ手段と、第１積分容量と、第２積分容量と、前記第１積分容量および前記第２積分容量のいずれか一方が前記オペアンプの帰還容量として機能するように前記積分容量の接続状態を切り替える積分容量スイッチ手段と、前記積分容量の両端を短絡可能なリセットスイッチ手段とを備え、
前記検出手段は、前記入力スイッチ手段、前記積分容量スイッチ手段および前記リセットスイッチ手段の動作を制御するスイッチ制御手段を備え、
前記スイッチ制御手段は、
第１検出状態にあっては、前記第１検出容量および前記第３検出容量の変化が加算された上で前記オペアンプの一方の入力端子に入力されるとともに前記第２検出容量および前記第４検出容量の変化が加算された上で前記オペアンプの他方の入力端子に入力されるように前記入力スイッチ手段を制御し、前記第１積分容量が前記帰還容量として機能するように前記積分容量スイッチ手段を制御し、
第２検出状態にあっては、前記第１検出容量および前記第４検出容量の変化が加算された上で前記オペアンプの一方の入力端子に入力されるとともに前記第２検出容量および前記第３検出容量の変化が加算された上で前記オペアンプの他方の入力端子に入力されるように前記入力スイッチ手段を制御し、前記第２積分容量が前記帰還容量として機能するように前記積分容量スイッチ手段を制御し、
前記検出状態の切り替えが行われた後、前記積分容量の端子間を短絡するように前記リセットスイッチ手段を制御し、
前記検出手段は、前記第１検出状態における前記チャージアンプの出力信号に基づいて前記第２軸方向の加速度を検出し、前記第２検出状態における前記出力信号に基づいて前記第３軸を中心とした回転の角速度を検出することを特徴とする加速度および角速度検出装置。
【請求項２】
前記入力スイッチ手段は、前記検出容量および前記オペアンプ間の信号経路に介在するスイッチ素子により構成され、
前記積分容量スイッチ手段は、前記積分容量および前記オペアンプ間の信号経路に介在するスイッチ素子により構成され、
前記スイッチ素子は、メインスイッチ部と、前記メインスイッチ部に直列接続されるとともに両端子間が短絡されたダミースイッチ部とから構成され、
前記メインスイッチ部および前記ダミースイッチ部は、ＣＭＯＳのアナログスイッチにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度および角速度検出装置。
【請求項３】
前記第１軸および前記第３軸の各方向に変位可能な第３振動子と、前記第３振動子の前記第３軸方向の変位に応じて静電容量が相補的に変化する第５検出容量および第６検出容量とを備え、
前記振動手段は、前記第３振動子を前記第１軸方向に振動させ、
前記チャージアンプは、第３積分容量を備え、
前記スイッチ制御手段は、第３検出状態にあっては、前記第５検出容量の変化が前記オペアンプの一方の入力端子に入力されるとともに前記第６検出容量の変化が前記オペアンプの他方の入力端子に入力されるように前記入力スイッチ手段を制御し、前記第３積分容量が前記帰還容量として機能するように前記積分容量スイッチ手段を制御し、
前記検出手段は、前記第３検出状態における前記チャージアンプの出力信号に基づいて前記第２軸を中心とした回転の角速度を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の加速度および角速度検出装置。
【請求項４】
前記積分容量は、それぞれが、互いに静電容量の異なる複数の容量素子からなり、
前記スイッチ制御手段は、切り替え対象とする前記積分容量の前記複数の容量素子のいずれか一つが前記帰還容量として機能するように前記積分容量スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の加速度および角速度検出装置。
【請求項５】
前記第１検出容量および前記第２検出容量の一方の電極は、互いに共通接続され、
前記第１検出容量および前記第２検出容量の他方の電極は、それぞれ前記オペアンプの一方の入力端子および他方の入力端子に接続され、
前記第３検出容量および前記第４検出容量の一方の電極は、互いに共通接続され、
前記入力スイッチ手段は、前記第４検出容量の他方の電極および前記オペアンプの一方の入力端子間に接続された第１スイッチ素子と、前記第３検出容量の他方の電極および前記オペアンプの他方の入力端子間に接続された第２スイッチ素子と、前記第３検出容量の他方の電極および前記オペアンプの一方の入力端子間に接続された第３スイッチ素子と、前記第４検出容量の他方の電極および前記オペアンプの他方の入力端子間に接続された第４スイッチ素子とを備え、
前記スイッチ制御手段は、
前記第１検出状態にあっては、前記第１スイッチ素子および前記第２スイッチ素子をオフするとともに、前記第３スイッチ素子および前記第４スイッチ素子をオンし、
前記第２検出状態にあっては、前記第１スイッチ素子および前記第２スイッチ素子をオンするとともに、前記第３スイッチ素子および前記第４スイッチ素子をオフすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の加速度および角速度検出装置。
【請求項６】
前記第１検出容量および前記第２検出容量の一方の電極は、互いに共通接続され、
前記第３検出容量および前記第４検出容量の一方の電極は、互いに共通接続され、
前記入力スイッチ手段は、前記第４検出容量の他方の電極および前記オペアンプの一方の入力端子間に接続された第１スイッチ素子と、前記第３検出容量の他方の電極および前記オペアンプの他方の入力端子間に接続された第２スイッチ素子と、前記第３検出容量の他方の電極および前記オペアンプの一方の入力端子間に接続された第３スイッチ素子と、前記第４検出容量の他方の電極および前記オペアンプの他方の入力端子間に接続された第４スイッチ素子と、前記第１検出容量の他方の電極および前記オペアンプの一方の入力端子間に接続された第５スイッチ素子と、前記第２検出容量の他方の電極および前記オペアンプの他方の入力端子間に接続された第６スイッチ素子とを備え、
前記スイッチ制御手段は、
前記第１検出状態にあっては、前記第１スイッチ素子および前記第２スイッチ素子をオフするとともに、前記第３スイッチ素子、前記第４スイッチ素子、前記第５スイッチ素子および前記第６スイッチ素子をオンし、
前記第２検出状態にあっては、前記第１スイッチ素子、前記第２スイッチ素子、前記第５スイッチ素子および前記第６スイッチ素子をオンするとともに、前記第３スイッチ素子および前記第４スイッチ素子をオフすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の加速度および角速度検出装置。
【請求項７】
前記スイッチ制御手段は、
第１診断状態にあっては、前記第１スイッチ素子、前記第２スイッチ素子、前記第３スイッチ素子および前記第４スイッチ素子をオフするとともに、前記第５スイッチ素子および前記第６スイッチ素子をオンし、
第２診断状態にあっては、前記第１スイッチ素子、前記第２スイッチ素子、前記第５スイッチ素子および前記第６スイッチ素子をオフするとともに、前記第３スイッチ素子および前記第４スイッチ素子をオンし、
前記検出手段は、前記第１診断状態における前記チャージアンプの出力信号に基づいて前記第１振動子の診断を行い、前記第２診断状態における前記出力信号に基づいて前記第２振動子の診断を行うことを特徴とする請求項６に記載の加速度および角速度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動子の振動に伴い静電容量が変化する検出容量を備え、その静電容量の変化に基づいて加速度および角速度を検出する加速度および角速度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動型の加速度および角速度検出装置の一例として、例えば特許文献１、２に開示された構成が挙げられる。特許文献１には、加速度に応じた振動成分および角速度に応じた振動成分の両方が混在した複数の信号を複数のチャージアンプによりＣ／Ｖ変換する構成が開示されている。この構成では、Ｃ／Ｖ変換後の電圧信号を複数の演算増幅器（オペアンプ）などからなる演算回路による演算を行い、加速度および角速度を分離して検出する。また、この構成によれば、全差動型のチャージアンプを適用することも可能である。また、特許文献２に開示された構成では、検出容量の電極に時分割電圧信号を印加することにより、加速度に応じた振動成分および角速度に応じた振動成分を時分割に分離し、単一のチャージアンプによりＣ／Ｖ変換している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−３１８７５５号公報
【特許文献２】特許第４１２０７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された従来技術は、複数のチャージアンプおよび複数のオペアンプなどを必要とするため、回路規模が増大するという問題がある。特許文献２に開示された従来技術は、振動子側（検出容量）から与えられる信号（電荷）が１系統であることを前提とした技術である。そのため、チャージアンプをシングルエンド型にする必要がある。シングルエンド型のチャージアンプを用いた場合、コモンモードノイズの影響により検出精度を十分に高めることができない。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路面積の増大を招くことなく、加速度および角速度の検出精度の向上を図ることができる加速度および角速度検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の手段によれば、第１振動子、第２振動子、振動手段、第１検出容量、第２検出容量、第３検出容量、第４検出容量、チャージアンプおよび検出手段を備えている。第１振動子および第２振動子は、互いに直交する第１軸および第２軸の各方向に変位可能である。振動手段は、第１振動子および第２振動子を、第１軸方向であり且つ互いに反対の方向に振動させる。第１検出容量および第２検出容量は、第１振動子の第２軸方向の変位に応じて静電容量が相補的に変化する。第３検出容量および第４検出容量は、第２振動子の第２軸方向の変位に応じて静電容量が相補的に変化する。チャージアンプは、全差動構成であり、上記各検出容量の変化を電圧信号に変換（Ｃ／Ｖ変換）して出力する。
【０００７】
チャージアンプは、一つのオペアンプ、入力スイッチ手段、第１積分容量、第２積分容量、積分容量スイッチ手段およびリセットスイッチ手段を備えている。入力スイッチ手段は、オペアンプへの入力を切り替える。すなわち、入力スイッチ手段は、各検出容量とオペアンプとの間の接続状態を切り替える。積分容量スイッチ手段は、第１積分容量および第２積分容量のいずれか一方がオペアンプの帰還容量として機能するように各積分容量の接続状態を切り替える。リセットスイッチ手段は、積分容量の両端を短絡可能に構成されている。検出手段は、チャージアンプの出力信号に基づいて、第２軸方向の加速度と、第１軸および第２軸のそれぞれに直交する第３軸を中心とした回転の角速度を検出する。検出手段は、入力スイッチ手段、積分容量スイッチ手段およびリセットスイッチ手段の動作を制御するスイッチ制御手段を備えている。
【０００８】
このような構成において、第２軸方向の加速度が作用すると、第１振動子および第２振動子は、第２軸方向であり且つ同一の方向に変位する。これにより、第１検出容量および第３検出容量は、互いに同じ変化（＋ΔＣ１とする）を示す。また、第２検出容量および第４検出容量は、互いに同じであり且つ「＋ΔＣ１」に対して相補的な変化（−ΔＣ１とする）を示す。これに対し、第３軸を中心とした回転の角速度が作用すると、コリオリ力により、第１振動子および第２振動子が第２軸方向であり且つ互いに反対の方向に変位する。これにより、第１検出容量および第４検出容量は、互いに同じ変化（＋ΔＣ２とする）を示す。また、第２検出容量および第３検出容量は、互いに同じであり且つ「＋ΔＣ２」に対して相補的な変化（−ΔＣ２）を示す。このように、加速度が作用した場合と、角速度が作用した場合とでは、各検出容量の変化の様子が異なる。本手段では、このような点を踏まえた上で、以下のようにして加速度および角速度を検出する。
【０００９】
すなわち、加速度を検出する場合、スイッチ制御手段は、第１検出容量および第３検出容量の変化が加算された上でオペアンプの一方の入力端子に入力されるとともに第２検出容量および第４検出容量の変化が加算された上でオペアンプの他方の入力端子に入力されるように入力スイッチ手段を制御する。また、この場合、スイッチ制御手段は、第１積分容量がオペアンプの帰還容量として機能するように積分容量スイッチ手段を制御する。このように各スイッチ手段が制御された状態が第１検出状態に相当する。第１検出状態では、加速度および角速度の両方が作用したとしても、角速度に伴う各振動子の第２軸方向への振動成分（＋ΔＣ２、−ΔＣ２）は打ち消され、加速度に伴う各振動子の第２軸方向への振動成分（＋ΔＣ１、−ΔＣ１）だけがチャージアンプにより電圧信号に変換される。そのため、第１検出状態におけるチャージアンプの出力信号は、加速度に伴う各振動子の振動成分に応じたものとなる。検出手段は、このような第１検出状態におけるチャージアンプの出力信号に基づいて第２軸方向の加速度を検出する。
【００１０】
従って、本手段によれば、第２軸方向の加速度を精度よく検出することができる。また、第１検出状態におけるチャージアンプの増幅率（ゲイン）、つまり加速度の検出感度は、帰還容量として機能する第１積分容量の静電容量の値により設定が可能である。その第１積分容量は、後述する角速度を検出する際には帰還容量として機能しない。従って、角速度の検出感度の調整とは独立して、第２軸方向の加速度の検出感度を調整することが可能となる。そのため、角速度の検出感度の調整状態に影響を受けることなく、第２軸方向の加速度の検出感度を最適な値に設定することができる。
【００１１】
一方、角速度を検出する場合、スイッチ制御手段は、第１検出容量および第４検出容量の変化がオペアンプの一方の入力端子に入力されるとともに第２検出容量および第３検出容量の変化がオペアンプの他方の入力端子に入力されるように入力スイッチ手段を制御する。また、この場合、スイッチ制御手段は、第２積分容量がオペアンプの帰還容量として機能するように積分容量スイッチ手段を制御する。このように各スイッチ手段が制御された状態が第２検出状態に相当する。第２検出状態では、加速度および角速度の両方が作用したとしても、加速度に伴う各振動子の第２軸方向への振動成分（＋ΔＣ１、−ΔＣ１）が打ち消され、角速度に伴う各振動子の第２軸方向への振動成分（＋ΔＣ２、−ΔＣ２）だけがチャージアンプにより電圧信号に変換される。そのため、第２検出状態におけるチャージアンプの出力信号は、角速度に伴う各振動子の振動成分に応じたものとなる。検出手段は、このような第２検出状態におけるチャージアンプの出力信号に基づいて第３軸を中心とした回転の角速度を検出する。
【００１２】
従って、本手段によれば、第３軸を中心とした回転の角速度を精度よく検出することができる。また、第２検出状態におけるチャージアンプの増幅率（ゲイン）、つまり角速度の検出感度は、帰還容量として機能する第２積分容量の静電容量の値により設定が可能である。その第２積分容量は、加速度を検出する際には帰還容量として機能しない。従って、加速度の検出感度の調整とは独立して、第３軸を中心とした回転の角速度の検出感度を調整することが可能となる。そのため、加速度の検出感度の調整状態に影響を受けることなく、第３軸を中心とした回転の角速度の検出感度を最適な値に設定することができる。
【００１３】
入力スイッチ手段および積分容量スイッチ手段の状態が切り替えられる際、その切り替えに伴いノイズ（スイッチングノイズ）が生じる可能性がある。そのようなノイズにより、次のような問題が発生することが考えられる。すなわち、上記ノイズにより、帰還容量として機能する積分容量に余分な電荷が注入された場合、チャージアンプの出力信号にも同様のノイズ成分が重畳することになる。そのような場合、加速度または角速度の検出精度が低下するおそれがある。しかし、本手段におけるスイッチ制御手段は、上記検出状態の切り替え（第１検出状態から第２検出状態への切り替え、第２検出状態から第１検出状態への切り替え）が行われた後、積分容量の端子間を短絡するようにリセットスイッチ手段を制御する。そのため、各スイッチ手段の切り替えに伴うノイズに起因した電荷が積分容量に蓄積されたとしても、チャージアンプは、そのノイズに起因する電荷が積分容量から放電された後、Ｃ／Ｖ変換動作を実行することになる。従って、本手段によれば、上記ノイズの影響を受けることなく、加速度または角速度を精度よく検出することができる。
【００１４】
上述したように、本手段では、一つのオペアンプを主体として全差動型に構成されたチャージアンプを用い、その一つのオペアンプへの入力を時分割で切り替えることにより、第２軸方向の加速度および第３軸を中心とした回転の角速度のそれぞれを検出可能にしている。このような構成によれば、複数のオペアンプを用いて加速度および角速度を検出する構成に比べ、回路面積を大幅に低減することが可能になる。また、全差動型のチャージアンプを用いることにより、シングルエンド型のチャージアンプを用いる構成に比べてコモンモードノイズが低減するため、このような面からも加速度および角速度の検出精度の向上を図ることができる。
【００１５】
請求項２に記載の手段によれば、入力スイッチ手段は、検出容量とオペアンプとの間の信号経路に介在するスイッチ素子により構成されている。積分容量スイッチ手段は、積分容量とオペアンプとの間の信号経路に介在するスイッチ素子により構成されている。それらスイッチ素子は、いずれもＣＭＯＳのアナログスイッチにより構成されたメインスイッチ部およびダミースイッチ部から構成されている。ダミースイッチ部は、メインスイッチ部に直列接続されるとともに両端子間が短絡されている。すなわち、ダミースイッチ部は常時オンの状態と同等である。従って、メインスイッチ部のオン／オフに応じてスイッチ素子がオン／オフすることになる。
【００１６】
このような構成によれば、各スイッチ手段の状態が切り替えられる際に生じるノイズが加速度および角速度の検出精度に及ぼす影響が以下のように一層抑制される。すなわち、各スイッチ手段の状態が切り替えられる際には、メインスイッチ部のＭＯＳトランジスタのオン／オフが切り替えられる。その際、ＭＯＳトランジスタの寄生容量による電荷が帰還容量として機能する積分容量に注入されるおそれがある。積分容量への不要な電荷注入が行われると、チャージアンプの出力信号に不要な成分が重畳し、検出精度が低下してしまう。しかし、本手段では、メインスイッチ部に直列接続されたダミースイッチ部のＭＯＳトランジスタの作用により、メインスイッチ部のＭＯＳトランジスタによる電荷注入効果が打ち消される。このため、各スイッチ手段の状態が切り替えられる際に生じるノイズが検出精度に及ぼす影響を排除し、加速度および角速度の検出精度を良好に維持できる。
【００１７】
請求項３に記載の手段によれば、第３振動子、第５検出容量および第６検出容量を備えている。第３振動子は、第１軸および第３軸の各方向に変位可能である。第５検出容量および第６検出容量は、第３振動子の第３軸方向の変位に応じて静電容量が相補的に変化する。振動手段は、第３振動子を第１軸方向に振動させる。チャージアンプは、第３積分容量を備えている。このような構成において、第２軸を中心とした回転の角速度が作用すると、コリオリ力により第３振動子が第３軸方向に変位する。これにより、第５検出容量および第６検出容量が相補的に変化する。
【００１８】
このような第２軸を中心とした回転の角速度を検出する場合、スイッチ制御手段は、第５検出容量の変化がオペアンプの一方の入力端子に入力されるとともに第６検出容量の変化がオペアンプの他方の入力端子に入力されるように入力スイッチ手段を制御する。また、この場合、スイッチ制御手段は、第３積分容量がオペアンプの帰還容量として機能するように積分容量スイッチ手段を制御する。このように各スイッチ手段が制御された状態が第３検出状態に相当する。第３検出状態では、上記角速度に伴う第３振動子の第３軸方向への振動成分がチャージアンプにより電圧信号に変換される。そのため、第３検出状態におけるチャージアンプの出力信号は、第２軸を中心とした回転の角速度に伴う第３振動子の振動成分に応じたものとなる。検出手段は、このような第３検出状態におけるチャージアンプの出力信号に基づいて第２軸を中心とした回転の角速度を検出する。
【００１９】
従って、本手段によれば、第２軸を中心とした回転の角速度を精度よく検出することができる。また、第３検出状態におけるチャージアンプの増幅率（ゲイン）、つまり第２軸を中心とした回転の角速度の検出感度は、帰還容量として機能する第３積分容量の静電容量の値により設定が可能である。その第３積分容量は、第２軸方向の加速度および第３軸を中心とした回転の角速度（他の角速度と称す）を検出する際には帰還容量として機能しない。従って、加速度および他の角速度の検出感度の調整とは独立して、第２軸を中心とした回転の角速度の検出感度を調整することが可能となる。そのため、加速度および他の角速度の検出感度の調整状態に影響を受けることなく、第２軸を中心とした回転の角速度の検出感度を最適な値に設定することができる。
【００２０】
このように、本手段では、一つのオペアンプを主体として全差動型に構成されたチャージアンプを用い、その一つのオペアンプへの入力を時分割で切り替えることにより、第２軸方向の加速度、第３軸を中心とした回転の角速度および第２軸を中心とした回転の角速度の３つを検出可能にしている。このような構成によれば、加速度および角速度の２つを検出可能にした請求項１に記載の手段と同様の作用および効果が得られる上、回路面積の削減効果については一層高まることになる。
【００２１】
請求項４に記載の手段によれば、上記積分容量は、それぞれが、互いに静電容量の異なる複数の容量素子からなる。スイッチ制御手段は、切り替え対象とする積分容量の複数の容量素子のいずれか一つがオペアンプの帰還容量として機能するように積分容量スイッチ手段を制御する。このような構成によれば、作用する加速度または角速度の大きさに応じて、帰還容量として機能させる容量素子を切り替えることが可能になる。すなわち、作用する加速度または角速度の大きさに応じて帰還容量の静電容量の値を変更することが可能になる。従って、例えば、入力（静電容量の変化）が小さい場合に高い増幅率で動作し、入力が大きい場合に低い増幅率で動作するように各容量素子の静電容量値の設定および各容量素子の切り替えを行うことにより、作用する加速度または角速度の大きさに適した増幅率でチャージアンプを動作させることができる。このように、本手段によれば、チャージアンプを構成するオペアンプのレンジが最大限に活用されるため、Ｓ／Ｎ比が向上するという効果が得られる。
【００２２】
請求項５に記載の手段によれば、第１検出容量および第２検出容量の一方の電極は、互いに共通接続され、第１検出容量および第２検出容量の他方の電極は、それぞれオペアンプの一方の入力端子および他方の入力端子に接続されている。第３検出容量および第４検出容量の一方の電極は、互いに共通接続されている。入力スイッチ手段は、第１スイッチ素子、第２スイッチ素子、第３スイッチ素子および第４スイッチ素子を備えている。第１スイッチ素子は、第４検出容量の他方の電極およびオペアンプの一方の入力端子間に接続されている。第２スイッチ素子は、第３検出容量の他方の電極およびオペアンプの他方の入力端子間に接続されている。第３スイッチ素子は、第３検出容量の他方の電極およびオペアンプの一方の入力端子間に接続されている。第４スイッチ素子は、第４検出容量の他方の電極およびオペアンプの他方の入力端子間に接続されている。
【００２３】
スイッチ制御手段は、第１検出状態にあっては、第１スイッチ素子および第２スイッチ素子をオフするとともに、第３スイッチ素子および第４スイッチ素子をオンする。これにより、請求項１に記載の手段と同様、第１検出容量および第３検出容量の変化が加算された上でオペアンプの一方の入力端子に入力されるとともに、第２検出容量および第４検出容量の変化が加算された上でオペアンプの他方の入力端子に入力される。従って、請求項１に記載の手段と同じように第２軸方向の加速度が検出される。
【００２４】
スイッチ制御手段は、第２検出状態にあっては、第１スイッチ素子および第２スイッチ素子をオンするとともに、第３スイッチ素子および第４スイッチ素子をオフする。これにより、請求項１に記載の手段と同様、第１検出容量および第４検出容量の変化が加算された上でオペアンプの一方の入力端子に入力されるとともに、第２検出容量および第３検出容量の変化が加算された上でオペアンプの他方の入力端子に入力される。従って、請求項１に記載の手段と同じように第３軸を中心とした回転の角速度が検出される。このように、本手段によれば、入力スイッチ手段として４つのスイッチ素子を用いるだけで、加速度および角速度を時系列に分離して検出することが可能になる。また、一般に、スイッチ素子は、オペアンプと比べて占有する回路面積は小さい。従って、オペアンプを一つにしたことによる回路面積の低減効果が損なわれることはない。
【００２５】
請求項６に記載の手段によれば、第１検出容量および第２検出容量の一方の電極は、互いに共通接続されている。第３検出容量および第４検出容量の一方の電極は、互いに共通接続されている。入力スイッチ手段は、第１スイッチ素子、第２スイッチ素子、第３スイッチ素子、第４スイッチ素子、第５スイッチ素子および第６スイッチ素子を備えている。第１スイッチ素子は、第４検出容量の他方の電極およびオペアンプの一方の入力端子間に接続されている。第２スイッチ素子は、第３検出容量の他方の電極およびオペアンプの他方の入力端子間に接続されている。第３スイッチ素子は、第３検出容量の他方の電極およびオペアンプの一方の入力端子間に接続されている。第４スイッチ素子は、第４検出容量の他方の電極およびオペアンプの他方の入力端子間に接続されている。第５スイッチ素子は、第１検出容量の他方の電極およびオペアンプの一方の入力端子間に接続されている。第６スイッチ素子は、第２検出容量の他方の電極およびオペアンプの他方の入力端子間に接続されている。
【００２６】
スイッチ制御手段は、第１検出状態にあっては、第１スイッチ素子および第２スイッチ素子をオフするとともに、第３スイッチ素子、第４スイッチ素子、第５スイッチ素子および第６スイッチ素子をオンする。これにより、請求項１に記載の手段と同様、第１検出容量および第３検出容量の変化が加算された上でオペアンプの一方の入力端子に入力されるとともに、第２検出容量および第４検出容量の変化が加算された上でオペアンプの他方の入力端子に入力される。従って、請求項１に記載の手段と同じように第２軸方向の加速度が検出される。
【００２７】
スイッチ制御手段は、第２検出状態にあっては、第１スイッチ素子、第２スイッチ素子、第５スイッチ素子および第６スイッチ素子をオンするとともに、第３スイッチ素子および第４スイッチ素子をオフする。これにより、請求項１に記載の手段と同様、第１検出容量および第４検出容量の変化が加算された上でオペアンプの一方の入力端子に入力されるとともに、第２検出容量および第３検出容量の変化が加算された上でオペアンプの他方の入力端子に入力される。従って、請求項１に記載の手段と同じように第３軸を中心とした回転の角速度が検出される。このように、本手段によれば、入力スイッチ手段として６つのスイッチ素子を用いるだけで、加速度および角速度を時系列に分離して検出することが可能になる。また、一般に、スイッチ素子は、オペアンプと比べて占有する回路面積は小さい。従って、オペアンプを一つにしたことによる回路面積の低減効果が損なわれることはない。
【００２８】
さらに、本手段によれば、いずれの検出状態においても、オペアンプの各入力端子と各検出容量との間は、１つのスイッチ素子を介して接続されることになる。従って、各検出容量のそれぞれからオペアンプの各入力端子に至る信号伝達経路におけるインピーダンスは、互いに概ね一致することになる。このため、チャージアンプにおいて、入力される電荷の伝達経路のインピーダンスの相違による誤差が低減されるので、加速度および角速度の検出精度が一層向上することになる。
【００２９】
請求項７に記載の手段によれば、スイッチ制御手段は、第１診断状態にあっては、第１スイッチ素子、第２スイッチ素子、第３スイッチ素子および第４スイッチ素子をオフするとともに、第５スイッチ素子および第６スイッチ素子をオンする。第１診断状態では、第１検出容量の変化がオペアンプの一方の入力端子に入力されるとともに、第２検出容量の変化がオペアンプの他方の入力端子に入力される。すなわち、第１振動子の第２軸方向の変位に伴う振動成分がオペアンプに入力される。検出手段は、このような第１診断状態におけるチャージアンプの出力信号に基づいて第１振動子の診断を行う。例えば、第１振動子に第２軸方向の加速度、第３軸を中心とした回転の角速度などが作用しているにもかかわらず、チャージアンプの出力信号が無いようであれば、第１振動子または第１振動子に関連する構成に異常があると判断することが可能になる。
【００３０】
一方、スイッチ制御手段は、第２診断状態にあっては、第１スイッチ素子、第２スイッチ素子、第５スイッチ素子および第６スイッチ素子をオフするとともに、第３スイッチ素子および第４スイッチ素子をオンする。第２診断状態では、第３検出容量の変化がオペアンプの一方の入力端子に入力されるとともに、第４検出容量の変化がオペアンプの他方の入力端子に入力される。すなわち、第２振動子の第２軸方向の変位に伴う振動成分がオペアンプに入力される。検出手段は、このような第２診断状態におけるチャージアンプの出力信号に基づいて第２振動子の診断を行う。例えば、第２振動子に第２軸方向の加速度、第３軸を中心とした回転の角速度などが作用しているにもかかわらず、チャージアンプの出力信号が無いようであれば、第２振動子または第２振動子に関連する構成に異常があると判断することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す加速度および角速度検出装置の構成図
【図２】スイッチ素子の構成を示す図
【図３】搬送波の波形、スイッチ素子の制御状態、Ｓ／Ｈ回路の動作状態を示す図
【図４】本発明の第２の実施形態を示す図１相当図
【図５】図３相当図
【図６】本発明の第３の実施形態を示す図１相当図
【図７】図３相当図
【図８】本発明の第４の実施形態を示す図１相当図
【図９】図３相当図
【図１０】巡回型の信号処理回路を概略的に示す図
【図１１】スイッチ素子の変形例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００３２】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１〜図３を参照しながら説明する。
図１は、加速度および角速度検出装置の構成を概略的に示している。図１に示す加速度および角速度検出装置１は、センサチップ２および回路チップ３を備えている。センサチップ２に設けられた端子Ｐ１ｓ〜Ｐ９ｓと、回路チップ３に設けられた端子Ｐ１ｃ〜Ｐ９ｃとは、それぞれ接続ラインＬ１〜Ｌ９を介して接続されている。
【００３３】
センサチップ２には、センサ部４が形成されている。センサ部４は、水平面内に互いに直交するＸ軸（第１軸に相当）およびＹ軸（第２軸に相当）の方向に変位可能な振動子５、６を備えた可動部７と、可動部７の周囲に設けられる振動部８（振動手段に相当）および出力部９とを備えている。
【００３４】
振動部８は、振動容量Ｃｖ１〜Ｃｖ４を備えている。振動容量Ｃｖ１〜Ｃｖ４は、振動子５、６をＸ軸方向であり且つ互いに反対の方向に変位（振動）させる静電気力を発生するためのものである。振動容量Ｃｖ１、Ｃｖ２の一方の電極は、振動子５（第１振動子に相当）の一部により構成されており、振動子５と一体的に変位する可動電極である。振動容量Ｃｖ３、Ｃｖ４の一方の電極は、振動子６（第２振動子に相当）の一部により構成されており、振動子６と一体的に変位する可動電極である。振動容量Ｃｖ１〜Ｃｖ４の各可動電極は、共通接続されており、端子Ｐ９ｓおよび接続ラインＬ９を介して回路チップ３から搬送波Ｖｓが与えられる。搬送波（変調信号、キャリア信号）Ｖｓは、振動子５、６の振動の共振周波数よりも十分に高い所定の周波数を持ち且つ一定振幅の矩形波信号である。振動容量Ｃｖ１〜Ｃｖ４の他方の電極は固定電極であり、それら固定電極には端子Ｐ５ｓ〜Ｐ８ｓおよび接続ラインＬ５〜Ｌ８を介して回路チップ３からそれぞれ振動信号Ｖｖ１〜Ｖｖ４が与えられる。
【００３５】
出力部９は、振動子５のＹ軸方向への変位に応じて静電容量が相補的に変化する一対の検出容量Ｃｄ１、Ｃｄ２と、振動子６のＹ軸方向への変位に応じて静電容量が相補的に変化する一対の検出容量Ｃｄ３、Ｃｄ４とを備えている。検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４（第１〜第４検出容量に相当）の初期状態（振動子５、６の変位に応じた変化を示す前の状態）における静電容量は、互いに同じ値（Ｃ）になっている。検出容量Ｃｄ１、Ｃｄ２の一方の電極は、振動子５の一部により構成されており、振動子５と一体的に変位する可動電極である。検出容量Ｃｄ３、Ｃｄ４の一方の電極は、振動子６の一部により構成されており、振動子６と一体的に変位する可動電極である。検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４の各可動電極は、共通接続されており、端子Ｐ９ｓおよび接続ラインＬ９を介して回路チップ３から搬送波Ｖｓが与えられる。検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４の他方の電極は固定電極である。検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４の固定電極は、それぞれ端子Ｐ１ｓ〜Ｐ４ｓに接続されている。
【００３６】
振動子５、６は、回路チップ３から与えられる振動信号Ｖｖ１〜Ｖｖ４が適宜制御されることにより定常的に振動する。それら振動子５、６の振動方向は、Ｘ軸方向であり且つ互いに反対の向きである。このような構成において、Ｙ軸方向の加速度がセンサ部４に加わると、可動部７の振動子５、６は、その加速度の大きさに応じた振幅で振動する。そのときの振動方向は、Ｙ軸方向であり且つ互いに同一の方向である。そのＹ軸方向の振動状態は、出力部９の検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４の静電容量の変化となって現れる。具体的には、検出容量Ｃｄ１、Ｃｄ３は、互いに同じ変化（＋ΔＣ１）を示す。また、検出容量Ｃｄ２、Ｃｄ４は、互いに同じ変化であり且つ検出容量Ｃｄ１、Ｃｄ３の変化（＋ΔＣ１）に対して相補的な変化（−ΔＣ１）を示す。例えば、検出容量Ｃｄ１、Ｃｄ３の各電極間隔が狭くなり、その静電容量がΔＣ１だけ増加したときには、検出容量Ｃｄ２、Ｃｄ４の電極間隔が広くなり、その静電容量がΔＣ１だけ減少する。
【００３７】
また、上記構成において、Ｚ軸を中心とした回転がセンサ部４に加わると、可動部７には、その回転の角速度の大きさに応じたコリオリ力が作用して、Ｙ軸方向に沿った振動が発生する。そのときの振動子５、６の振動方向は、Ｙ軸方向であり且つ互いに反対の方向である。そのＹ軸方向の振動状態は、出力部９の検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４の静電容量の変化となって現れる。具体的には、検出容量Ｃｄ１、Ｃｄ４は、互いに同じ変化（＋ΔＣ２）を示す。また、検出容量Ｃｄ２、Ｃｄ３は、互いに同じ変化であり且つ検出容量Ｃｄ１、Ｃｄ４の変化（＋ΔＣ２）に対して相補的な変化（−ΔＣ２）を示す。例えば、検出容量Ｃｄ１、Ｃｄ４の各電極間隔が狭くなり、その静電容量がΔＣ２だけ増加したときには、検出容量Ｃｄ２、Ｃｄ３の電極間隔が広くなり、その静電容量がΔＣ２だけ減少する。
【００３８】
回路チップ３には、搬送波信号生成部１１、振動信号生成部１２、チャージアンプ１３および検出部１４が形成されている。搬送波信号生成部１１は、搬送波Ｖｓを生成する。搬送波Ｖｓは、端子Ｐ９ｃおよび接続ラインＬ９を介してセンサチップ２に供給される。振動信号生成部１２は、振動信号Ｖｖ１〜Ｖｖ４を生成する。振動信号Ｖｖ１〜Ｖｖ４は、端子Ｐ５ｃ〜Ｐ８ｃおよび接続ラインＬ５〜Ｌ８を介してセンサチップ２の振動部８に供給される。振動部８の振動容量Ｃｖ１〜Ｃｖ４は、固定電極に振動信号Ｖｖ１〜Ｖｖ４が供給されることにより、振動子５、６をＸ軸方向に変位させる静電気力を発生する。図示しないが、振動信号生成部１２には、センサチップ２から振動子５、６のＸ軸方向への振動成分を表すＸ軸振動信号が与えられている。振動信号生成部１２は、そのＸ軸振動信号に基づいて、振動子５、６が所定の振幅および周波数でＸ軸方向に振動するように振動信号Ｖｖ１〜Ｖｖ４の生成をフィードバック制御する。
【００３９】
チャージアンプ１３は、全差動構成のＣ／Ｖ変換回路であり、センサチップ２に設けられた検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４の変化を電圧信号に変換して出力する。チャージアンプ１３は、全差動型のオペアンプＯＰ１、積分容量Ｃｉ１〜Ｃｉ４およびスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ１０により構成されている。スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ１０は、図１では単なるスイッチのシンボルで描いているが、実際には図２に示すような構成になっている。すなわち、図２に示すように、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ１０は、いずれも、Ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタＭ１およびＰチャネル型のＭＯＳトランジスタＭ２からなるＣＭＯＳのアナログスイッチ１５として構成されている。
【００４０】
本実施形態では、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４により、オペアンプＯＰ１への入力（検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４とオペアンプＯＰ１との間の接続状態）を切り替える入力スイッチ手段１６が構成されている。また、スイッチ素子Ｓ５〜Ｓ８により、積分容量Ｃｉ１〜Ｃｉ４の接続状態を切り替える積分容量スイッチ手段１７が構成されている。また、スイッチ素子Ｓ９、Ｓ１０によりリセットスイッチ手段１８が構成されている。
【００４１】
端子Ｐ１ｃはオペアンプＯＰ１の反転入力端子（一方の入力端子）に接続され、端子Ｐ２ｃはオペアンプＯＰ１の非反転入力端子（他方の入力端子）に接続されている。端子Ｐ１ｃは、スイッチ素子Ｓ１（第１スイッチ素子に相当）を介して端子Ｐ４ｃに接続されるとともに、スイッチ素子Ｓ３（第３スイッチ素子に相当）を介して端子Ｐ３ｃに接続されている。端子Ｐ２ｃは、スイッチ素子Ｓ２（第２スイッチ素子に相当）を介して端子Ｐ３ｃに接続されるとともに、スイッチ素子Ｓ４（第４スイッチ素子に相当）を介して端子Ｐ４ｃに接続されている。
【００４２】
オペアンプＯＰ１の反転入力端子と非反転出力端子との間には、スイッチ素子Ｓ５および積分容量Ｃｉ１（第１積分容量に相当）の直列回路と、スイッチ素子Ｓ６および積分容量Ｃｉ２（第２積分容量に相当）の直列回路と、スイッチ素子Ｓ９とが、互いに並列に接続されている。オペアンプＯＰ１の非反転入力端子と反転出力端子との間には、スイッチ素子Ｓ７および積分容量Ｃｉ３（第１積分容量に相当）の直列回路と、スイッチ素子Ｓ８および積分容量Ｃｉ４（第２積分容量に相当）の直列回路と、スイッチ素子Ｓ１０とが、互いに並列に接続されている。積分容量Ｃｉ１、Ｃｉ３は、互いに同一の静電容量となっている。また、積分容量Ｃｉ２、Ｃｉ４は、互いに同一の静電容量となっている。
【００４３】
検出部１４（検出手段に相当）は、チャージアンプ１３の出力信号に基づいて、外部からセンサ部４に加わるＹ軸方向の加速度およびＺ軸を中心とした回転の角速度を検出する。検出部１４は、タイミング信号生成部１９（スイッチ制御手段に相当）、サンプルホールド回路２０（以下、Ｓ／Ｈ回路２０と称す）などから構成されている。
【００４４】
タイミング信号生成部１９には、搬送波Ｖｓが与えられている（図示省略）。タイミング信号生成部１９は、搬送波Ｖｓに同期したタイミングでスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ１０のオン／オフを制御する。図３は、搬送波Ｖｓ、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ１０の切り替えタイミングおよびＳ／Ｈ回路２０の動作状態を示している。図３に示すように、タイミング信号生成部１９は、搬送波Ｖｓの立ち上がりに同期してスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ８のオン／オフを制御する。これにより、チャージアンプ１３の接続状態（第１検出状態および第２検出状態）が搬送波Ｖｓの１周期毎に切り替えられる。
【００４５】
すなわち、タイミング信号生成部１９は、第１検出状態にあっては、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ６、Ｓ８をオフするとともに、スイッチ素子Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ７をオンする。これにより、検出容量Ｃｄ１、Ｃｄ３の各固定電極が共通接続された上でオペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続されるとともに、検出容量Ｃｄ２、Ｃｄ４の各固定電極が共通接続された上でオペアンプＯＰ１の非反転入力端子に接続される。また、オペアンプＯＰ１の反転入力端子と非反転出力端子との間に積分容量Ｃｉ１が接続されるとともに、オペアンプの非反転入力端子と反転出力端子との間に積分容量Ｃｉ３が接続された状態となる。つまり、積分容量Ｃｉ１、Ｃｉ３がオペアンプＯＰ１の帰還容量として機能する。なお、図１におけるスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ８の切り替え状態は、第１検出状態のものを表している。
【００４６】
また、タイミング信号生成部１９は、第２検出状態にあっては、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ６、Ｓ８をオンするとともに、スイッチ素子Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ７をオフする（図１に示すスイッチの切り替え状態とは反対の切り替え状態）。これにより、検出容量Ｃｄ１、Ｃｄ４の各固定電極が共通接続された上でオペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続されるとともに、検出容量Ｃｄ２、Ｃｄ３の各固定電極が共通接続された上でオペアンプＯＰ１の非反転入力端子に接続される。また、オペアンプＯＰ１の反転入力端子と非反転入力端子との間に積分容量Ｃｉ２が接続されるとともに、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子と反転出力端子との間に積分容量Ｃｉ４が接続された状態となる。つまり、積分容量Ｃｉ２、Ｃｉ４がオペアンプＯＰ１の帰還容量として機能する。
【００４７】
図３に示すように、タイミング信号生成部１９は、搬送波Ｖｓの立ち上がりに同期してスイッチ素子Ｓ９、Ｓ１０オンする。すなわち、タイミング信号生成部１９は、第１検出状態から第２検出状態への切り替えを行うと同時に、あるいは、第２検出状態から第１検出状態への切り替えを行うと同時に、スイッチ素子Ｓ９、Ｓ１０をオンする。これにより、そのときに帰還容量として機能する積分容量の端子間が短絡され、電荷がリセットされる。図３に示すように、タイミング信号生成部１９は、搬送波Ｖｓの立ち下りに同期してスイッチ素子Ｓ９、Ｓ１０をオフする。これにより、積分容量への電荷の転送が可能な状態となる。
【００４８】
Ｓ／Ｈ回路２０は、チャージアンプ１３の出力信号を所定のタイミングでサンプルし、そのサンプルした信号を所定期間ホールドして、図示しない後段の回路（増幅回路、Ａ／Ｄ変換回路、制御回路など）に出力する。図３に示すように、Ｓ／Ｈ回路２０は、搬送波Ｖｓの立ち上がりに同期してサンプリングを開始する。そのサンプリング状態は、搬送波Ｖｓの次の立ち下がりと立ち上がりとの間のタイミングまで継続される。Ｓ／Ｈ回路２０は、サンプリングを終了した後、搬送波Ｖｓの次の立ち上がりまで、そのサンプルした信号をホールドする。
【００４９】
次に、本実施形態の作用について説明する。
チャージアンプ１３は、図３における時刻ｔ１〜時刻ｔ４の期間に第１検出状態になり、時刻ｔ４〜時刻ｔ７の期間に第２検出状態になるものとする。第１検出状態は、オペアンプＯＰ１の反転入力端子に検出容量Ｃｄ１、Ｃｄ３の各静電容量を足し合わせたものが与えられるとともに、非反転入力端子に検出容量Ｃｄ２、Ｃｄ４の各静電容量を足し合わせたものが与えられる状態である。第２検出状態は、オペアンプＯＰ１の反転入力端子に検出容量Ｃｄ１、Ｃｄ４の各静電容量を足し合わせたものが与えられるとともに、非反転入力端子に検出容量Ｃｄ２、Ｃｄ３の各静電容量を足し合わせたものが与えられる状態である。
【００５０】
さて、各検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４のＹ軸方向の加速度およびＺ軸を中心とした回転の角速度に伴う変化分は、以下の（１）〜（４）式により表される。ただし、各検出容量の変化分を、それぞれΔＣｄ１〜ΔＣｄ４としている。
ΔＣｄ１＝＋ΔＣ１＋ΔＣ２            …（１）
ΔＣｄ２＝−ΔＣ１−ΔＣ２            …（２）
ΔＣｄ３＝＋ΔＣ１−ΔＣ２            …（３）
ΔＣｄ４＝−ΔＣ１＋ΔＣ２            …（４）
【００５１】
第１検出状態において、オペアンプＯＰ１の反転入力端子には、下記（５）式に示す静電容量が与えられる。
（Ｃ＋ΔＣｄ１）＋（Ｃ＋ΔＣｄ３）＝２・Ｃ＋２・ΔＣ１      …（５）
すなわち、第１検出状態において、オペアンプＯＰ１の反転入力端子には、２つの検出容量（Ｃｄ１、Ｃｄ３）の初期状態の静電容量の和（初期容量）に、加速度に伴う振動成分である「ΔＣ１」の２倍の静電容量を加算したものが与えられる。この際、角速度に伴う振動成分（＋ΔＣ２、−ΔＣ２）は打ち消される。
【００５２】
また、第１検出状態において、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子には、下記（６）式に示す静電容量が与えられる。
（Ｃ＋ΔＣｄ２）＋（Ｃ＋ΔＣｄ４）＝２・Ｃ−２・ΔＣ１      …（６）
すなわち、第１検出状態において、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子には、２つの検出容量（Ｃｄ２、Ｃｄ４）の初期状態の静電容量の和（初期容量）に、加速度に伴う振動成分である「ΔＣ１」の２倍の静電容量を減算したものが与えられる。この際、角速度に伴う振動成分（−ΔＣ２、＋ΔＣ２）は打ち消される。
【００５３】
このような第１検出状態では、オペアンプＯＰ１の作用により、初期容量は打ち消され、加速度に伴う各振動子５、６のＹ軸方向への振動成分だけが帰還容量として機能する積分容量Ｃｉ１、Ｃｉ３に転送されることになる。ただし、第１検出状態において、時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間には、スイッチ素子Ｓ９、Ｓ１０がオンされているため、上記検出容量の変化分が積分容量Ｃｉ１、Ｃｉ３に転送されない。時刻ｔ２においてスイッチ素子Ｓ９、Ｓ１０がオフされた後、検出容量の変化分が積分容量Ｃｉ１、Ｃｉ３に転送される。
【００５４】
その後、時刻ｔ４までの期間には、チャージアンプ１３から上記検出容量の変化分に応じた電圧信号が出力される。Ｓ／Ｈ回路２０は、時刻ｔ１の時点からチャージアンプ１３の出力信号をサンプルし続け、時刻ｔ３の時点においてホールド動作に転じる。このような一連の動作により、第１検出状態において、加速度に伴う各振動子５、６の振動成分に応じた信号がＳ／Ｈ回路２０から後段の回路に出力される。そして、後段の回路において、Ｓ／Ｈ回路２０から出力される信号に基づいてＹ軸方向の加速度が検出される。
【００５５】
第２検出状態において、オペアンプＯＰ１の反転入力端子には、下記（７）式に示す静電容量が与えられる。
（Ｃ＋ΔＣｄ１）＋（Ｃ＋ΔＣｄ４）＝２・Ｃ＋２・ΔＣ２      …（７）
すなわち、第２検出状態において、オペアンプＯＰ１の反転入力端子には、２つの検出容量（Ｃｄ１、Ｃｄ４）の初期状態の静電容量の和（初期容量）に、角速度に伴う振動成分である「ΔＣ２」の２倍の静電容量を加算したものが与えられる。この際、加速度に伴う振動成分（＋ΔＣ１、−ΔＣ１）は打ち消される。
【００５６】
また、第２検出状態において、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子には、下記（８）式に示す静電容量が与えられる。
（Ｃ＋ΔＣｄ２）＋（Ｃ＋ΔＣｄ３）＝２・Ｃ−２・ΔＣ２      …（８）
すなわち、第２検出状態において、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子には、２つの検出容量（Ｃｄ２、Ｃｄ３）の初期状態の静電容量の和（初期容量）に、角速度に伴う振動成分である「ΔＣ２」の２倍の静電容量を減算したものが与えられる。この際、加速度に伴う振動成分（−ΔＣ１、＋ΔＣ１）は打ち消される。
【００５７】
このような第２検出状態では、オペアンプＯＰ１の作用により、初期容量は打ち消され、角速度に伴う各振動子５、６のＹ軸方向への振動成分だけが帰還容量として機能する積分容量Ｃｉ２、Ｃｉ４に転送されることになる。ただし、第２検出状態において、時刻ｔ４〜時刻ｔ５の期間には、スイッチ素子Ｓ９、Ｓ１０がオンされているため、上記検出容量の変化分が積分容量Ｃｉ２、Ｃｉ４に転送されない。時刻ｔ５においてスイッチ素子Ｓ９、Ｓ１０がオフされた後、検出容量の変化分が積分容量Ｃｉ２、Ｃｉ４に転送される。
【００５８】
その後、時刻ｔ７までの期間には、チャージアンプ１３から上記検出容量の変化分に応じた電圧信号が出力される。Ｓ／Ｈ回路２０は、時刻ｔ４の時点からチャージアンプ１３の出力信号をサンプルし続け、時刻ｔ６の時点においてホールド動作に転じる。このような一連の動作により、第２検出状態において、角速度に伴う各振動子５、６の振動成分に応じた信号がＳ／Ｈ回路２０から後段の回路に出力される。そして、後段の回路において、Ｓ／Ｈ回路２０から出力される信号に基づいてＺ軸を中心とした回転の角速度が検出される。
【００５９】
以上説明したように、本実施形態によれば次のような効果が得られる。
第１検出状態において、角速度に伴う検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４の変化分は打ち消され、検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４の初期容量と加速度に伴う検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４の変化分がチャージアンプ１３に入力される。チャージアンプ１３では、オペアンプＯＰ１の作用により、初期容量がキャンセルされ、加速度に伴う検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４の変化分に応じた電圧信号が出力される。このような構成により、センサ部４に作用するＹ軸方向の加速度を精度よく検出することができる。
【００６０】
第２検出状態において、加速度に伴う検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４の変化分は打ち消され、検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４の初期容量と角速度に伴う検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４の変化分がチャージアンプ１３に入力される。チャージアンプ１３では、オペアンプＯＰ１の作用により、初期容量がキャンセルされ、角速度に伴う検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４の変化分に応じた電圧信号が出力される。このような構成により、センサ部４に作用するＺ軸を中心とした回転の角速度を精度よく検出することができる。
【００６１】
加速度に伴う検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４の変化（ΔＣ１）は、角速度に伴う検出容量の変化（ΔＣ２）に対し、比較的大きい（例えば、一桁または二桁程度異なる）。そのため、チャージアンプ１３によるＣ／Ｖ変換のゲイン（増幅率）を一つの固定値にしか設定できないとすると、次のような問題が生じる。すなわち、加速度に合わせたゲインに設定すると、角速度を検出する際に出力信号のＳ／Ｎが低下する。一方、角速度に合わせたゲインに設定すると、加速度を検出する際に出力信号が飽和する可能性がある。
【００６２】
これに対し、本実施形態では、第１検出状態におけるチャージアンプ１３の増幅率、つまり加速度の検出感度は、帰還容量として機能する積分容量Ｃｉ１、Ｃｉ３の静電容量値により設定が可能である。これら積分容量Ｃｉ１、Ｃｉ３は、第２検出状態では帰還容量として機能しない。従って、角速度の検出感度の調整とは独立して、加速度の検出感度を調整することが可能になる。そのため、Ｚ軸を中心とした回転の角速度の検出感度の調整状態に影響を受けることなく、Ｙ軸方向の加速度の検出感度を最適な値に設定することができる。
【００６３】
また、第２検出状態におけるチャージアンプ１３の増幅率、つまり角速度の検出感度は、帰還容量として機能する積分容量Ｃｉ２、Ｃｉ４の静電容量値により設定が可能である。これら積分容量Ｃｉ２、Ｃｉ４は、第１検出状態では、帰還容量として機能しない。従って、加速度の検出感度の調整とは独立して、角速度の検出感度を調整することが可能になる。そのため、Ｙ軸方向の加速度の検出感度の調整状態に影響を受けることなく、Ｚ軸を中心とした回転の角速度の検出感度を最適な値に設定することができる。
【００６４】
入力スイッチ手段１６を構成するスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４および積分容量スイッチ手段１７を構成するスイッチ素子Ｓ５〜Ｓ８のオン／オフが切り替えられる際、その切り替えに伴うスイッチングノイズが生じる可能性がある。このようなスイッチングノイズがチャージアンプ１３の出力に悪影響を及ぼす可能性がある。すなわち、スイッチ素子のオン／オフ切り替え時に発生するチャージインジェクションやクロックフィードスルーにより、帰還容量として機能する積分容量Ｃｉ１〜Ｃｉ４に余分な電荷が転送（注入）された場合、チャージアンプ１３の出力信号にノイズ成分が重畳することになる。そのような場合、加速度または角速度の検出精度が低下するおそれがある。そこで、本実施形態では、第１検出状態および第２検出状態の切り替えが行われた後、スイッチ素子Ｓ９、Ｓ１０をオンすることで、帰還容量として機能する積分容量Ｃｉ１〜Ｃｉ４の端子間を短絡する。その後、スイッチ素子Ｓ９、Ｓ１０をオフし、積分容量Ｃｉ１〜Ｃｉ４への電荷転送を行う。このようにすることで、仮に、各スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ８の切り替えに伴って積分容量Ｃｉ１〜Ｃｉ４に余分な電荷が注入されていたとしても、その余分な電荷が積分容量Ｃｉ１〜Ｃｉ４から放電された後に、積分容量Ｃｉ１〜Ｃｉ４への電荷転送が行われることになる。従って、本実施形態によれば、各スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ８のスイッチングノイズの影響を極力排除した上で、チャージアンプ１３によるＣ／Ｖ変換動作を実行することができる。
【００６５】
本実施形態では、一つのオペアンプＯＰ１を主体として全差動型に構成されたチャージアンプ１３を用い、入力スイッチ手段１６の作用によって単一のオペアンプＯＰ１への入力を時分割で切り替えることで、Ｙ軸方向の加速度およびＺ軸を中心とした回転の角速度のそれぞれを検出可能にしている。このような構成によれば、複数のオペアンプを用いて加速度および角速度を検出する構成に比べ、回路面積を大幅に低減することが可能になる。また、全差動型のチャージアンプ１３を用いることにより、シングルエンド型のチャージアンプを用いる構成に比べてコモンモードノイズの低減が図れる。そのため、このような面からも加速度および角速度の検出精度が向上するということが言える。
【００６６】
入力スイッチ手段１６を構成するスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４および積分容量スイッチ手段１７を構成するスイッチ素子Ｓ５〜Ｓ８は、いずれもＣＭＯＳのアナログスイッチ１５により構成されている。一般に、アナログスイッチ１５を形成するために必要な回路面積は、オペアンプを形成するために必要な回路面積に比べると非常に小さい。従って、入力スイッチ手段１６および積分容量スイッチ手段１７が追加されることで、上記した回路面積の低減効果が損なわれることはない。
【００６７】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図４および図５を参照しながら説明する。
図４は、第１の実施形態における図１相当図であり、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図４に示す加速度および角速度検出装置３１は、図１に示した加速度および角速度検出装置１に対し、可動部７、振動部８および出力部９に代えて可動部３２、振動部３３および出力部３４を備えている点と、振動信号生成部１２に代えて振動信号生成部３５を備えている点と、チャージアンプ１３に代えてチャージアンプ３６を備えている点とが異なる。
【００６８】
可動部３２は、Ｘ軸およびＺ軸の方向に変位可能な振動子３７（第３振動子に相当）を備えている。振動部３３（振動手段に相当）は、振動容量Ｃｖ５、Ｃｖ６を備えている。振動容量Ｃｖ５、Ｃｖ６は、振動子３７をＸ軸方向に振動させる静電気力を発生するためのものである。振動容量Ｃｖ５、Ｃｖ６の一方の電極は、振動子３７の一部により構成されており、振動子３７と一体的に変位する可動電極である。振動容量Ｃｖ５、Ｃｖ６の各可動電極は、共通接続されており、端子Ｐ９ｓおよび接続ラインＬ９を介して回路チップ３から搬送波Ｖｓが与えられる。振動容量Ｃｖ５、Ｃｖ６の他方の電極は固定電極であり、それら固定電極には回路チップ３からそれぞれ振動信号Ｖｖ５、Ｖｖ６が与えられる（図示省略）。
【００６９】
出力部３４は、振動子３７のＺ軸方向への変位に応じて静電容量が相補的に変化する一対の検出容量Ｃｄ５、Ｃｄ６（第５、第６の検出容量に相当）を備えている。検出容量Ｃｄ５、Ｃｄ６の初期状態（振動子３７の変位に応じた変化を示す前の状態）における静電容量は、互いに同じ値（Ｃ）になっている。検出容量Ｃｄ５、Ｃｄ６の一方の電極は、振動子３７の一部により構成されており、振動子３７と一体的に変位する可動電極である。検出容量Ｃｄ５、Ｃｄ６の各可動電極は、共通接続されており、端子Ｐ９ｓおよび接続ラインＬ９を介して回路チップ３から搬送波Ｖｓが与えられる。検出容量Ｃｄ５、Ｃｄ６の他方の電極は固定電極である。検出容量Ｃｄ５、Ｃｄ６の固定電極は、それぞれ端子Ｐ１１ｓ、Ｐ１２ｓに接続されている。センサチップ２が備える端子Ｐ１１ｓ、Ｐ１２ｓは、それぞれ接続ラインＬ１１、Ｌ１２を介して、回路チップ３が備える端子Ｐ１１ｃ、Ｐ１２ｃに接続されている。
【００７０】
振動子３７は、回路チップ３から与えられる振動信号Ｖｖ５、Ｖｖ６が適宜制御されることにより定常的にＸ軸方向に振動する。このような構成において、Ｙ軸を中心とした回転がセンサ部４に加わると、可動部３２には、その回転の角速度の大きさに応じたコリオリ力が作用して、Ｚ軸方向に沿った振動が発生する。そのときの振動子３７の振動方向は、Ｚ軸方向である。そのＺ軸方向の振動状態は、出力部３４の検出容量Ｃｄ５、Ｃｄ６の静電容量の変化となって現れる。
【００７１】
振動信号生成部３５は、振動信号Ｖｖ５、Ｖｖ６を生成する。振動信号Ｖｖ５、Ｖｖ６は、図示しない端子および接続ラインを介してセンサチップ２の振動部３３に供給される。振動部３３の振動容量Ｃｖ５、Ｃｖ６は、固定電極に振動信号Ｖｖ５、Ｖｖ６が供給されることにより、振動子３７をＸ軸方向に変位させる静電気力を発生する。図示しないが、振動信号生成部３５には、センサチップ２から振動子３７のＸ軸方向への振動成分を表すＸ軸振動信号が与えられている。振動信号生成部３５は、そのＸ軸振動信号に基づいて、振動子３７が所定の振幅および周波数でＸ軸方向に振動するように振動信号Ｖｖ５、Ｖｖ６の生成をフィードバック制御する。
【００７２】
チャージアンプ３６は、チャージアンプ１３が備える構成に対し、さらに、スイッチ素子Ｓ１１〜Ｓ１６および積分容量Ｃｉ５、６を備えている。本実施形態では、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４およびスイッチ素子Ｓ１１〜Ｓ１４により、入力スイッチ手段３８が構成されている。また、スイッチ素子Ｓ５〜Ｓ８およびスイッチ素子Ｓ１５、Ｓ１６により積分容量スイッチ手段３９が構成されている。
【００７３】
端子Ｐ１ｃは、スイッチ素子Ｓ１１を介してオペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続されている。端子Ｐ２ｃは、スイッチ素子Ｓ１２を介してオペアンプＯＰ１の非反転入力端子に接続されている。端子Ｐ１１ｃは、スイッチ素子Ｓ１３を介してオペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続されている。端子Ｐ１２ｃは、スイッチ素子Ｓ１４を介してオペアンプＯＰ１の非反転入力端子に接続されている。
【００７４】
オペアンプＯＰ１の反転入力端子と非反転出力端子との間には、スイッチ素子Ｓ１５および積分容量Ｃｉ５の直列回路が接続されている。オペアンプＯＰ１の非反転入力端子と反転出力端子との間には、スイッチ素子Ｓ１６および積分容量Ｃｉ６の直列回路が接続されている。積分容量Ｃｉ５、Ｃｉ６は、互いに同一の静電容量となっている。
【００７５】
検出部１４は、チャージアンプ３６の出力信号に基づいて、外部からセンサ部４に加わるＹ軸を中心とした回転の角速度を検出する。検出部１４のタイミング信号生成部１９は、搬送波Ｖｓに同期したタイミングでスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ１６のオン／オフを制御する。図５は、第１の実施形態における図３相当図である。図５に示すように、タイミング信号生成部１９は、搬送波Ｖｓの立ち上がりに同期してスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ８およびＳ１１〜Ｓ１６のオン／オフを制御する。これにより、チャージアンプ１３の接続状態（第１検出状態、第２検出状態および第３検出状態）が搬送波Ｖｓの１周期毎に切り替えられる。
【００７６】
すなわち、タイミング信号生成部１９は、第１検出状態および第２検出状態にあっては、スイッチ素子Ｓ１１、Ｓ１２をオンするとともにスイッチ素子Ｓ１３〜Ｓ１６をオフした上で、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ８を第１の実施形態と同様に制御する。また、タイミング信号生成部１９は、第３検出状態にあっては、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ８、Ｓ１１およびＳ１２をオフするとともに、スイッチ素子Ｓ１３〜Ｓ１６をオンする。なお、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４はオンしてもよい。そのため、図５では、第３検出状態（時刻ｔ７〜時刻ｔ１０）におけるスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４の状態を「不定」としている。
【００７７】
これにより、検出容量Ｃｄ５の固定電極がオペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続されるとともに、検出容量Ｃｄ６の固定電極がオペアンプＯＰ１の非反転入力端子に接続される。また、オペアンプＯＰ１の反転入力端子と非反転出力端子との間に積分容量Ｃｉ５が接続されるとともに、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子と反転出力端子との間に積分容量Ｃｉ６が接続された状態となる。つまり、積分容量Ｃｉ５、Ｃｉ６がオペアンプＯＰ１の帰還容量として機能する。なお、図４におけるスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ１６の切り替え状態は、第３検出状態のものを表している。
【００７８】
図５に示すように、タイミング信号生成部１９は、第２検出状態から第３検出状態への切り替えを行うと同時に、あるいは、第３検出状態から第１検出状態への切り替えを行うと同時に、スイッチ素子Ｓ９、Ｓ１０をオンする。
【００７９】
次に、本実施形態の作用について説明する。
チャージアンプ３６は、図５における時刻ｔ７〜時刻ｔ１０の期間に第３検出状態になるものとする。第３検出状態は、オペアンプＯＰ１の反転入力端子に検出容量Ｃｄ５の静電容量が与えられるとともに、非反転入力端子に検出容量Ｃｄ６の静電容量が与えられる状態である。第３検出状態において、オペアンプＯＰ１の反転入力端子には、検出容量Ｃｄ５の初期状態の静電容量（初期容量）に、Ｙ軸を中心とした回転の角速度に伴う静電容量の変化を加算したものが与えられる。また、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子には、検出容量Ｃｄ６の初期状態の静電容量（初期容量）に、上記角速度に伴う静電容量の変化を加算したものが与えられる。
【００８０】
このような第３検出状態では、オペアンプＯＰ１の作用により、初期容量は打ち消され、上記角速度に伴う振動子３７のＺ軸方向への振動成分だけ帰還容量として機能する積分容量Ｃｉ５、Ｃｉ６に転送されることになる。ただし、第３検出状態において、時刻ｔ７〜時刻ｔ８の期間には、スイッチ素子Ｓ９、Ｓ１０がオンされているため、上記検出容量の変化分が積分容量Ｃｉ５、Ｃｉ６に転送されない。時刻ｔ８においてスイッチ素子Ｓ９、Ｓ１０がオフされた後、検出容量の変化分が積分容量Ｃｉ５、Ｃｉ６に転送される。
【００８１】
その後、時刻ｔ１０までの期間には、チャージアンプ３６から上記検出容量の変化分に応じた電圧信号が出力される。Ｓ／Ｈ回路２０は、時刻ｔ７の時点からチャージアンプ３６の出力信号をサンプルし続け、時刻ｔ９の時点においてホールド動作に転じる。このような一連の動作により、第３検出状態において、角速度に伴う振動子３７の振動成分に応じた信号がＳ／Ｈ回路２０から後段の回路に出力される。そして、後段の回路において、Ｓ／Ｈ回路２０から出力される信号に基づいてＹ軸を中心とした回転の角速度が検出される。
【００８２】
以上説明したように、本実施形態によれば次のような効果が得られる。
第３検出状態において、検出容量Ｃｄ５、Ｃｄ６の初期容量とＹ軸を中心とした回転の角速度に伴う検出容量Ｃｄ５、Ｃｄ６の変化分がチャージアンプ３６に入力される。チャージアンプ３６では、オペアンプＯＰ１の作用により、初期容量がキャンセルされ、上記角速度に伴う検出容量Ｃｄ５、Ｃｄ６の変化分に応じた電圧信号が出力される。このような構成により、センサ部４に作用するＹ軸を中心とした回転の角速度を精度よく検出することができる。
【００８３】
第３検出状態におけるチャージアンプ３６の増幅率、つまりＹ軸を中心とした回転の角速度の検出感度は、帰還容量として機能する積分容量Ｃｉ５、Ｃｉ６の静電容量値により設定が可能である。これら積分容量Ｃｉ５、Ｃｉ６は、第１検出状態および第２検出状態では帰還容量として機能しない。従って、Ｙ軸方向の加速度およびＺ軸を中心とした回転の角速度（他の角速度と称す）の検出感度の調整とは独立して、Ｙ軸を中心とした回転の角速度の検出感度を調整することが可能になる。そのため、加速度および他の角速度の検出感度の調整状態に影響を受けることなく、Ｙ軸を中心とした回転の角速度の検出感度を最適な値に設定することができる。
【００８４】
本実施形態では、一つのオペアンプＯＰ１を主体として全差動型に構成されたチャージアンプ３６を用い、入力スイッチ手段３８の作用によって単一のオペアンプＯＰ１への入力を時分割で切り替えることにで、Ｙ軸方向の加速度、Ｚ軸を中心とした回転の角速度およびＹ軸を中心とした回転の角速度のそれぞれを検出可能にしている。このような構成によれば、複数のオペアンプを用いて加速度および２種類の角速度を検出する構成に比べ、回路面積を大幅に低減することが可能になる。
【００８５】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図６および図７を参照しながら説明する。
図６は、第１の実施形態における図１相当図であり、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図６に示す加速度および角速度検出装置４１は、図１に示した加速度および角速度検出装置１に対し、チャージアンプ１３に代えてチャージアンプ４２を備えている点が異なる。
【００８６】
チャージアンプ４２は、チャージアンプ１３が備える構成に対し、さらに、スイッチ素子Ｓ４１〜Ｓ４４および積分容量Ｃｉ４１〜Ｃｉ４４を備えている。本実施形態では、スイッチ素子Ｓ５〜Ｓ８およびスイッチ素子Ｓ４１〜Ｓ４４により積分容量スイッチ手段４３が構成されている。オペアンプＯＰ１の反転入力端子と非反転出力端子との間には、スイッチ素子Ｓ４１および積分容量Ｃｉ４１の直列回路と、スイッチ素子Ｓ４２および積分容量Ｃｉ４２の直列回路とが互いに並列に接続されている。オペアンプＯＰ１の非反転入力端子と反転出力端子との間には、スイッチ素子Ｓ４３および積分容量Ｃｉ４３の直列回路と、スイッチ素子Ｓ４４および積分容量Ｃｉ４４の直列回路とが互いに並列に接続されている。
【００８７】
積分容量Ｃｉ４１、Ｃｉ４３は、第１積分容量に相当するものであり、互いに同一の静電容量となっている。積分容量Ｃｉ４２、Ｃｉ４４は、第２積分容量に相当するものであり、互いに同一の静電容量となっている。すなわち、本実施形態では、積分容量Ｃｉ１、Ｃｉ３、Ｃｉ４１およびＣｉ４３という複数の容量素子から第１積分容量が構成されている。また、積分容量Ｃｉ２、Ｃｉ４、Ｃｉ４２、Ｃｉ４４という複数の容量素子から第２積分容量が構成されている。
【００８８】
第１積分容量を構成する容量素子のうち、積分容量Ｃｉ１、Ｃｉ３の静電容量をＣ１１とし、積分容量Ｃｉ４１、Ｃｉ４３の静電容量をＣ１２とすると、各静電容量Ｃ１１、Ｃ１２の関係は下記（９）式により表される。
Ｃ１１＜Ｃ１２            …（９）
【００８９】
第２積分容量を構成する容量素子のうち、積分容量Ｃｉ２、Ｃｉ４の静電容量をＣ２１とし、積分容量Ｃｉ４２、Ｃｉ４４の静電容量をＣ２２とすると、各静電容量Ｃ２１、Ｃ２２の関係は下記（１０）式により表される。
Ｃ２１＜Ｃ２２            …（１０）
【００９０】
本実施形態の搬送波Ｖｓは、第１の実施形態における搬送波Ｖｓの２倍の周波数となっている。タイミング信号生成部１９は、このような搬送波Ｖｓに同期したタイミングでスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ１０およびＳ４１〜Ｓ４４のオン／オフを制御する。タイミング信号生成部１９は、基本的には、第１の実施形態と同様に搬送波Ｖｓの立ち上がりに同期して各スイッチ素子のオン／オフを制御する。ただし、本実施形態のタイミング信号生成部１９による各スイッチ素子の制御は、第１の実施形態に対し、以下の点において異なる。
【００９１】
図７は、搬送波Ｖｓ、積分容量スイッチ手段４３の各スイッチ素子の切り替えタイミングおよびチャージアンプ４２の入出力信号を示している。本実施形態では、チャージアンプ１３の接続状態（第１検出状態および第２検出状態）が搬送波Ｖｓの２周期毎に切り替えられる。すなわち、第１検出状態が２回繰り返された後、第２検出状態が２回繰り返される、というように各状態が切り替えられる。
【００９２】
１回目の第１検出状態と、２回目の第１検出状態とは、帰還容量として機能する積分容量が異なる。すなわち、１回目の第１検出状態（図７の時刻ｔ１〜時刻ｔ３の期間）では、積分容量スイッチ手段４３において、スイッチ素子Ｓ５、Ｓ７がオンされるとともに、スイッチ素子Ｓ６、Ｓ８およびＳ４１〜Ｓ４４がオフされる。これにより、１回目の第１検出状態では、比較的静電容量の小さい積分容量Ｃｉ１、Ｃｉ３がオペアンプＯＰ１の帰還容量として機能する。一方、２回目の第１検出状態（図７の時刻ｔ３〜時刻ｔ５の期間）では、積分容量スイッチ手段４３において、スイッチ素子Ｓ５〜Ｓ８、Ｓ４２およびＳ４４がオフされるとともに、スイッチ素子Ｓ４１、Ｓ４３がオンされる。これにより、２回目の第１検出状態では、比較的静電容量の大きい積分容量Ｃｉ４１、Ｃｉ４３がオペアンプＯＰ１の帰還容量として機能する。
なお、図示は省略するが、第２検出状態についても、第１検出状態と同様に、１回目と２回目とにおいて、帰還容量として機能する積分容量が異なるように、積分容量スイッチ手段４３が制御される。
【００９３】
次に、本実施形態の作用について説明する。
１回目の第１検出状態（時刻ｔ１〜時刻ｔ３の期間）には、積分容量Ｃｉ１、Ｃｉ３が帰還容量として機能するように積分容量スイッチ手段４３が制御される。これにより、チャージアンプ４２のＣ／Ｖ変換動作におけるゲインは比較的低くなる。従って、チャージアンプ４２から出力される電圧信号は、オペアンプＯＰ１の出力可能な電圧範囲（レンジ）の下限に近いような値となる。続いて、２回目の第１検出状態（時刻ｔ３〜時刻ｔ５の期間）には、積分容量Ｃｉ４１、Ｃｉ４３が帰還容量として機能するように積分容量スイッチ手段が制御される。これにより、チャージアンプ４２のＣ／Ｖ変換動作におけるゲインは、比較的高くなる。従って、チャージアンプ４２から出力される電圧信号は、オペアンプＯＰ１のレンジの上限（レンジｍａｘ）に近い値となる。
【００９４】
このようにして、第１検出状態において、ゲインの異なる２回のＣ／Ｖ変換が行われる。その結果、Ｓ／Ｈ回路２０は、時刻ｔ２の時点および時刻ｔ４の時点におけるチャージアンプ４２の出力信号を、それぞれホールドして後段の回路に出力する。後段の回路では、Ｓ／Ｈ回路２０から出力された２つの電圧信号を比較し、大きいほうの値に基づいて加速度を検出する。ただし、Ｓ／Ｈ回路２０の出力信号が、飽和判定しきい値を超えている場合、その信号を採用せずに他方の信号に基づいて加速度を検出する。なお、飽和判定しきい値は、オペアンプＯＰ１のレンジの上限よりも所定値だけ低い値に設定されている。
【００９５】
このような構成によれば、図７の時刻ｔ１〜時刻ｔ５の期間のように、チャージアンプ４２の入力信号（加速度に伴う検出容量の変化）が比較的小さい場合には、比較的大きいゲインのＣ／Ｖ変換の結果（電圧信号）を用いて加速度が検出されることになる。一方、図７の時刻ｔ６〜時刻ｔ１０の期間のように、チャージアンプ４２の入力信号（加速度に伴う検出容量の変化）が比較的大きい場合、比較的高いゲインでＣ／Ｖ変換が行われると、オペアンプＯＰ１の出力が飽和することがある。このように飽和した出力信号に基づいて加速度を検出した場合、その検出精度が著しく低下することになる。そのため、チャージアンプ４２の入力信号が比較的大きい場合には、比較的小さいゲインのＣ／Ｖ変換の結果を用いて加速度が検出されることになる。
【００９６】
このような本実施形態の構成によれば、チャージアンプ４２への入力信号の大きさ、つまり、センサ部４に作用する加速度または角速度の大きさに応じて、チャージアンプ４２によるＣ／Ｖ変換動作のゲインを２段階に変更することが可能である。従って、入力信号（検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４の静電容量の変化）が小さい場合に比較的高いゲインでＣ／Ｖ変換を行い、入力信号が大きい場合に比較的低いゲインでＣ／Ｖ変換を行うことで、入力信号の大小にかかわらず、オペアンプＯＰ１のレンジが有効に活用されるため、Ｓ／Ｎ比が向上するという効果が得られる。
【００９７】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態について図８および図９を参照しながら説明する。
図８は、第１の実施形態における図１相当図であり、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図８に示す加速度および角速度検出装置５１は、図１に示した加速度および角速度検出装置１に対し、チャージアンプ１３に代えてチャージアンプ５２を備えている点が異なる。
【００９８】
チャージアンプ５２は、チャージアンプ１３が備える構成に対し、さらに、スイッチ素子Ｓ５１、Ｓ５２を備えている。本実施形態では、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４およびスイッチ素子Ｓ５１、Ｓ５２により入力スイッチ手段５３が構成されている。スイッチ素子Ｓ５１（第５スイッチ素子に相当）は、端子Ｐ１ｃとオペアンプＯＰ１の反転入力端子との間の接続経路を開放可能に設けられている。スイッチ素子Ｓ５２（第６スイッチ素子に相当）は、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子との間の接続経路を開放可能に設けられている。なお、スイッチ素子Ｓ５１、Ｓ５２がオンされた状態のチャージアンプ５２は、第１の実施形態のチャージアンプ１３と同一の接続形態となる。
【００９９】
図９は、第１の実施形態における図３相当図である。図９に示すように、タイミング信号生成部１９は、スイッチ素子Ｓ５１、Ｓ５２をオンにした上で、第１の実施形態と同様に搬送波Ｖｓの立ち上がりに同期してスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ８のオン／オフを制御する。これにより、第１の実施形態と同様に、チャージアンプ５２の接続状態が搬送波Ｖｓの１周期毎に切り替えられる。
【０１００】
このような本実施形態の構成によっても、第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。さらに、本実施形態の構成によれば、以下のような効果も得られる。すなわち、上記構成では、第１検出状態および第２検出状態のいずれの接続状態においても、オペアンプＯＰ１の各入力端子と検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４との間は、１つのスイッチ素子（Ｓ１〜Ｓ４、Ｓ５１、Ｓ５２のうちいずれかのスイッチ素子）を介して接続されることになる。そのため、各検出容量Ｃｄ１〜Ｃｄ４のそれぞれからオペアンプＯＰ１の各入力端子に至る信号伝送経路におけるインピーダンスが概ね一致することになる。従って、チャージアンプ５２において、入力信号（電荷）の伝送経路のインピーダンス相違によるＣ／Ｖ変換の誤差が低減される。これにより、本実施形態の構成によれば、第１の実施形態に比べ、加速度および角速度の検出精度が一層向上することになる。
【０１０１】
また、本実施形態の加速度および角速度検出装置５１は、以下のように、振動子５、６の異常を診断することが可能である。すなわち、タイミング信号生成部１９は、第１診断状態にあっては、入力スイッチ手段５３において、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４をオフするとともに、スイッチ素子Ｓ５１、Ｓ５２をオンする。積分容量スイッチ手段１７については、任意の積分容量を帰還容量として機能させるように制御すればよい。
【０１０２】
このような第１診断状態では、検出容量Ｃｄ１の固定電極がオペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続されるとともに、検出容量Ｃｄ２の固定電極が非反転入力端子に接続された状態になる。すなわち、振動子５のＹ軸方向の変位に伴う振動成分がチャージアンプ５２に入力される。検出部１４は、このような第１診断状態におけるチャージアンプ５２の出力信号に基づいて、振動子５の異常診断を行う。例えば、振動子５にＹ軸方向の加速度またはＺ軸を中心とした回転の角速度を作用させた状態であるにもかかわらず、チャージアンプ５２の出力信号が無い（出力電圧がほぼゼロである）場合、振動子５または振動子５に関連する構成に異常があると判断することができる。
【０１０３】
また、タイミング信号生成部１９は、第２診断状態にあっては、入力スイッチ手段５３において、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ５１、Ｓ５２をオフするとともに、スイッチ素子Ｓ３、Ｓ４をオンする。積分容量スイッチ手段１７については、任意の積分容量を帰還容量として機能させるように制御すればよい。
【０１０４】
このような第２診断状態では、検出容量Ｃｄ３の固定電極がオペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続されるとともに、検出容量Ｃｄ４の固定電極が非反転入力端子に接続された状態になる。すなわち、振動子６のＹ軸方向の変位に伴う振動成分がチャージアンプ５２に入力される。検出部１４は、このような第２診断状態におけるチャージアンプ５２の出力信号に基づいて、振動子６の異常診断を行う。異常診断の方法としては、振動子５の異常診断の方法と同様のことが可能である。このように、本実施形態によれば、振動子５、６の自己診断を行うことができる。
【０１０５】
（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に記載した各実施形態に限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
チャージアンプが備えるオペアンプを用いて、検出部１４としての機能（増幅、Ａ／Ｄ変換など）をも実現する構成としてもよい。図１０は、巡回型の信号処理回路の構成を概略的に示している。図１０に示す信号処理回路６１は、チャージアンプが備える単一のオペアンプに対し、複数のキャパシタおよびスイッチを追加することで実現することができる。このような構成の信号処理回路６１によれば、Ｃ／Ｖ変換〜Ａ／Ｄ変換までの一連の信号処理を単一のオペアンプを用いて実行することが可能になるため、さらなる回路面積の低減効果が得られる。
【０１０６】
スイッチ素子は、図２に示した構成に限らずともよい。例えば、図１１に示すような構成でもよい。図１１（ａ）は、Ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタ７１によりスイッチ素子を構成している。このような構成によれば、ＣＭＯＳのアナログスイッチに対し、通過可能な電圧範囲が狭くなるものの、回路面積をさらに削減することができる。また、図示しないが、バイポーラトランジスタにより構成することも可能である。その場合、通過可能な信号の大電力化が可能になる。
【０１０７】
図１１（ｂ）は、ＣＭＯＳのアナログスイッチを２つ用いた構成である。一方のアナログスイッチがメインスイッチ部７２に相当し、他方のアナログスイッチがダミースイッチ部７３に相当する。ダミースイッチ部７３は、メインスイッチ部７２に直列接続されるとともに、自身の両端子間（ソース・ドレイン間）が短絡されている。すなわち、ダミースイッチ部７３は常時オン状態である。このため、図１１（ｂ）のスイッチ素子のオン／オフは、メインスイッチ部７２のオン／オフにのみ依存する。このような構成によれば、入力スイッチ手段および積分容量スイッチ手段のオン／オフ（状態）が切り替えられる際に生じるノイズによる検出精度の低下を抑制することができる。その理由は以下のとおりである。
【０１０８】
すなわち、各スイッチ手段の状態が切り替えられる際には、メインスイッチ部７２のＭＯＳトランジスタの寄生容量による電荷が、帰還容量として機能する積分容量に注入されるおそれがある。積分容量への不要な電荷注入が行われると、チャージアンプの出力信号に不要な成分が重畳し、検出精度が低下してしまう。しかし、図１１（ｂ）の構成では、メインスイッチ部７２に直列接続されたダミースイッチ部７３のＭＯＳトランジスタの作用により、メインスイッチ部７２のＭＯＳトランジスタによる電荷注入効果が打ち消される。そのため、各スイッチ手段の状態が切り替えられる際に生じるノイズが検出精度に及ぼす影響を排除し、加速度および角速度の検出精度を良好に維持することができる。
さらに、ダミースイッチ部７３を構成するＭＯＳトランジスタのチャンネル幅を、メインスイッチ部７２を構成するＭＯＳトランジスタのチャンネル幅の１／２に設定するとよい。このようにすれば、上記電荷注入効果をほぼ完全に相殺することが可能になる。
【０１０９】
本発明は、容量検出型の振動式の加速度および角速度検出装置において、１つの軸方向の加速度および１つの軸まわりの角速度を検出する構成（例えば第１の実施形態の構成）や、１つの軸方向の加速度および２つの軸まわりの角速度を検出する構成（例えば第２の実施形態の構成）に限らず、所定数（例えば１〜３）の軸方向の加速度および所定数（例えば１〜３）の軸まわりの角速度を検出する構成全般に適用することが可能である。なお、上記各実施形態の構成に比べ、検出する加速度および角速度が増加する場合であっても、入力スイッチ手段および積分容量スイッチ手段のスイッチ素子を追加するだけでよい。そのため、回路面積の低減効果については一層高まることになる。
【符号の説明】
【０１１０】
図面中、１、３１、４１、５１は加速度および角速度検出装置、５、６は振動子（第１および第２振動子）、８、３３は振動部（振動手段）、１３、３６、４２、５２はチャージアンプ、１４は検出部（検出手段）、１５はアナログスイッチ、１６、３８、５３は入力スイッチ手段、１７、３９、４３は積分容量スイッチ手段、１８はリセットスイッチ手段、１９はタイミング信号生成部（スイッチ制御手段）、３７は振動子（第３振動子）、７２はメインスイッチ部、７３はダミースイッチ部、Ｃｄ１〜Ｃｄ４は検出容量（第１〜第４検出容量）、Ｃｄ５、Ｃｄ６は検出容量（第５および第６検出容量）、Ｃｉ１、Ｃｉ３、Ｃｉ４１、Ｃｉ４３は積分容量（第１積分容量）、Ｃｉ２、Ｃｉ４、Ｃｉ４２、Ｃｉ４４は積分容量（第２積分容量）、Ｃｉ５、Ｃｉ６は積分容量（第３積分容量）、ＯＰ１はオペアンプ、Ｓ１〜Ｓ４はスイッチ素子（第１〜第４スイッチ素子）、Ｓ５〜Ｓ８、Ｓ１１〜Ｓ１６、Ｓ４１〜Ｓ４４はスイッチ素子、Ｓ５１はスイッチ素子（第５スイッチ素子）、Ｓ５２はスイッチ素子（第６スイッチ素子）を示す。
【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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【図１０】
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【図１１】
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