JP4120779B2 - 加速度角速度検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に変位可能に支持された第１および第２振動子を用いて、基板に作用する加速度および角速度を同時に検出する加速度角速度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、例えば特開平１０−３１８７５５号公報に示されているように、第１および第２振動片をＵ字型に連結した音叉型振動子を用いて、加速度および角速度を同時に検出する加速度角速度検出装置は知られている。この装置においては、第１および第２振動片の対向する方向の各外側面に励振用の圧電素子をそれぞれ添着して、これらの圧電素子により、第１および第２振動片を対向する方向であって互いに反対向きに振動させる。また、第１および第２振動片の各上面に検出用の第１および第２の圧電素子をそれぞれ添着しておき、これらの検出用の第１および第２圧電素子によって検出された第１および第２振動片の上下方向の変位を第１および第２チャージアンプを介して取り出す。
【０００３】
そして、これらの第１および第２チャージアンプの各出力の和を計算することにより、第１および第２振動片の軸線方向回りに作用する角速度を打ち消して、第１および第２振動片の上下方向に作用する加速度を算出するようにしている。また、これと同時に、これらの第１および第２チャージアンプの各出力の差を計算することにより、第１および第２振動片の上下同一方向に作用する加速度を打ち消して、第１および第２振動片の軸線方向回りに作用する角速度を算出するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の装置では、第１および第２振動片の各振動を表す信号を取り出すために２つのチャージアンプを必要とするので、構成が複雑になるという問題がある。また、第１および第２振動片の各振動を表す信号はそれぞれ独立したチャージアンプを介して取り出されるので、各取り出された信号は各チャージアンプによるノイズ成分をそれぞれ含んでおり、最終的に計算される加速度および角速度には、前記各ノイズ成分による誤差が重畳されて、加速度および角速度の検出精度が悪化するという問題もある。
【０００５】
【発明の概略】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、その第１の目的は、簡単な構成で加速度および角速度を同時に検出する加速度角速度検出装置を提供することにある。また、第２の目的は、加速度および角速度の検出精度を良好にした加速度角速度検出装置を提供することにある。
【０００６】
上記第１の目的を達成するために本発明の構成上の特徴は、基板上に支持されて互いに直交するＸＹ軸方向に変位可能な第１および第２振動子と、基板上に設けられて第１及び第２振動子をＸ軸方向であって互いに反対向きに振動させる駆動部と、基板上に設けられるとともに直列に接続されて第１振動子のＹ軸方向における基準位置から一方への変位に対して容量を互いに逆方向に増減させる第１および第２容量素子と、基板上に設けられるとともに直列に接続されて第２振動子のＹ軸方向における基準位置から一方への変位に対して容量を互いに逆方向に増減させる第３および第４容量素子とを備え、第１および第２振動子のＹ軸方向への変位に伴う第１ないし第４容量素子の容量変化により、基板に作用するＹ軸方向の加速度と、基板に作用するＸおよびＹ軸方向に直交したＺ軸回りの角速度とを検出する加速度角速度検出装置において、直列接続された第１および第２容量素子の中点と直列接続された第３および第４容量素子の中点とに共通に接続されて両中点の電圧を取り出す単一のチャージアンプと、チャージアンプの出力に並列に接続された第１ないし第４サンプルホールド回路と、第１ないし第４サンプルホールド回路に対して時間軸上のそれぞれ異なる第１ないし第４時分割タイミングで第１ないし第４時分割タイミング信号を出力し、同第１ないし第４サンプルホールド回路のサンプリングタイミングを制御するサンプリングタイミング制御回路と、第１時分割タイミングと第２時分割タイミングとで極性が反転し、かつ第３時分割タイミングと第４時分割タイミングとで極性が反転しない第１電圧信号を第１および第２容量素子の両端に印加するとともに、第１時分割タイミングと第２時分割タイミングとで極性が反転せず、かつ第３時分割タイミングと第４時分割タイミングとで極性が反転する第２電圧信号を第３および第４容量素子の両端に印加する電圧印加回路と、第１ないし第４サンプルホールド回路の出力電圧を演算して加速度および角速度を表す信号をそれぞれ出力する演算回路とを設けたことにある。
【０００７】
この場合、前記演算回路は、例えば、第１および第２サンプルホールド回路でサンプルホールドされる両電圧の差電圧と、第３および第４サンプルホールド回路でサンプルホールドされる両電圧の差電圧との和を計算して加速度を表す信号を出力する加算器と、第１および第２サンプルホールド回路でサンプルホールドされる両電圧の差電圧と、第３および第４サンプルホールド回路でサンプルホールドされる両電圧の差電圧との差を計算して角速度を表す信号を出力する減算器とで構成される。
【０００８】
このように構成した本発明の特徴においては、第１および第２時分割タイミングでは、電圧印加回路は、極性が反転する第１電圧信号を第１および第２容量素子の両端に印加するとともに、極性が反転しない第２電圧信号を第３および第４容量素子の両端に印加する。サンプリングタイミング制御回路は第１および第２時分割タイミング信号によって第１および第２サンプルホールド回路のサンプリングタイミングを制御するので、単一のチャージアンプを介して第１および第２サンプルホールド回路にサンプルホールドされる両電圧の差電圧は、第２振動子のＹ軸方向の変位から独立して、第１振動子のＹ軸方向の変位のみを表すことになる。また、第３および第４時分割タイミングでは、電圧印加回路は、極性が反転しない第１電圧信号を第１および第２容量素子の両端に印加するとともに、極性が反転する第２電圧信号を第３および第４容量素子の両端に印加する。サンプリングタイミング制御回路は第３および第３時分割タイミング信号によって第３および第４サンプルホールド回路のサンプリングタイミングを制御するので、単一のチャージアンプを介して第３および第４サンプルホールド回路にサンプルホールドされる両電圧の差電圧は、第１振動子のＹ軸方向の変位から独立して、第２振動子のＹ軸方向の変位のみを表すことになる。
【０００９】
一方、基板に作用するＹ軸方向の加速度に対しては、第１および第２振動子はＹ軸方向における同じ向きに変位する。また、基板に作用するＺ軸線回りの角速度に対しては、第１および第２振動子が駆動部によってＸ軸方向における反対向きに変位しているので、第１および第２振動子はＹ軸方向において互いに反対向きに変位する。したがって、演算回路による第１ないし第４サンプルホールド回路の出力電圧の演算により、基板に作用する加速度および角速度が同時に検出できる。そして、この本発明の特徴によれば、チャージアンプを一つしか用いていないので、加速度および角速度を同時に検出する加速度角速度検出装置が簡単な構成で実現できる。
【００１０】
また、本発明の他の特徴は、前記電圧印加回路を、第１時分割タイミングと第２時分割タイミングとで極性が反転し、かつ第３時分割タイミングと第４時分割タイミングとで極性が反転する第１電圧信号を第１および第２容量素子の両端に印加するとともに、第１時分割タイミングおよび第２時分割タイミングで第１電圧信号と同相となり、かつ第３時分割タイミングおよび第４時分割タイミングで第１電圧信号と逆相となる第２電圧信号を第３および第４容量素子の両端に印加する電圧印加回路で置換したことにある。
【００１１】
この場合、前記演算回路は、例えば、第１および第２サンプルホールド回路でサンプルホールドされる両電圧の差を計算して加速度を表す信号を出力する第１減算器と、第３および第４サンプルホールド回路でサンプルホールドされる両電圧の差を計算して角速度を表す信号を出力する第２減算器とで構成される。
【００１２】
このように構成した本発明の他の特徴においては、第１および第２時分割タイミングでは、電圧印加回路は、極性が反転する第１電圧信号を第１および第２容量素子の両端に印加するとともに、第１電圧信号と同相の第２電圧信号を第３および第４容量素子の両端に印加する。サンプリングタイミング制御回路は第１および第２時分割タイミング信号によって第１および第２サンプルホールド回路のサンプリングタイミングを制御するので、単一のチャージアンプを介して第１および第２サンプルホールド回路にサンプルホールドされる両電圧の差電圧は、第１および第２振動子のＹ軸方向における反対向きの変位を互いに打ち消しあって、第１および第２振動子のＹ軸方向における同じ向きの変位のみを表すことになる。また、第３および第４時分割タイミングでは、電圧印加回路は、極性が反転する第１電圧信号を第１および第２容量素子の両端に印加するとともに、第１電圧信号と逆相の第２電圧信号を第３および第４容量素子の両端に印加する。サンプリングタイミング制御回路は第３および第３時分割タイミング信号によって第３および第４サンプルホールド回路のサンプリングタイミングを制御するので、単一のチャージアンプを介して第３および第４サンプルホールド回路にサンプルホールドされる両電圧の差電圧は、第１および第２振動子のＹ軸方向における同じ向きの変位を互いに打ち消しあって、第１および第２振動子のＹ軸方向における反対向きの変位のみを表すことになる。
【００１３】
前述のように、基板に作用するＹ軸方向の加速度に対しては、第１および第２振動子はＹ軸方向における同じ向きに変位するので、第１および第２サンプルホールド回路にサンプルホールドされる両電圧の差電圧は前記加速度を表す。また、基板に作用するＺ軸線回りの角速度に対しては、第１および第２振動子はＹ軸方向において互いに反対向きに変位するので、第３および第４サンプルホールド回路にサンプルホールドされる両電圧の差電圧は前記角速度を表す。したがって、演算回路による第１ないし第４サンプルホールド回路の出力電圧の演算により、基板に作用する加速度および角速度が同時に検出できる。
【００１４】
その結果、この本発明の他の特徴によれば、前記本発明の特徴と同様に、チャージアンプを一つしか用いていないので、加速度および角速度を同時に検出する加速度角速度検出装置が簡単な構成で実現できる。また、この本発明の他の特徴によれば、チャージアンプを介して第１および第２サンプルホールド回路に供給される電圧信号は、チャージアンプの入力前において第１および第２振動子のＹ軸方向における反対向きの変位を表す信号を既に打ち消して、同Ｙ軸方向における同じ向きの変位のみを表すものである。また、チャージアンプを介して第３および第４サンプルホールド回路にサンプリングホールドされる電圧信号は、第１および第２振動子のＹ軸方向における同じ向きの変位を表す信号を既に打ち消して、同Ｙ軸方向における反対向きの変位のみを表すものである。したがって、第１および第２振動子の変位をそれぞれ独立して表す信号をチャージアンプを介して取得し、その後に第１および第２振動子の変位を用いて第１および第２振動子のＹ軸方向における同じ向きの変位（加速度）および反対向きの変位（角速度）を表す信号を計算するものに比べて、チャージアンプによるノイズ成分の影響を小さく抑えることができ、最終的に計算される加速度および角速度の検出精度が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
ａ．第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態について図面を用いて説明すると、図１は、同第１実施形態に係る加速度角速度検出装置を概略的に示している。
【００１６】
この加速度角速度検出装置は、半導体で構成した検出素子を備えている。この検出素子の各機能を果たす各部の具体的構成を説明する前に、同検出素子の全体構成について製造方法をまじえて簡単に説明しておく。まず、単結晶シリコン層の上面上にシリコン酸化膜（例えば、膜厚４．５μｍ）を介して単結晶シリコン層（例えば、膜厚４０μｍ）を設けたＳＯＩ(Silicon−On−Insulator)基板を用意し、単結晶シリコン層にリン、ボロン等の不純物をドーピングして単結晶シリコン層の上表面部を低抵抗化すなわち導電帯層とする。そして、最下層の単結晶シリコン層を基板１０とし、反応性エッチングなどにより中間層であるシリコン酸化膜（絶縁層）及び最上層である導電帯層を除去するとともに、フッ酸水溶液などを用いたエッチングにより最上層である導電帯層を残してシリコン酸化膜（絶縁層）のみを除去することにより、同基板１０上に各種機能部品を形成する。
【００１７】
図１において、前者の絶縁層（中間層）及び導電帯層（最上層）の両方を除去した部分を白色のままで示し、後者の絶縁層（中間層）のみを除去した部分を点模様で示す。この点模様の部分を、以下の説明では、基板１０から浮いた部分として説明する。また、絶縁層（中間層）及び導電帯層（最上層）の両方を基板１０上に残した部分を網模様で示し、以下、この網模様の部分を基板１０に固着した部分として説明する。
【００１８】
基板１０は、Ｘ軸方向に平行に延設された２辺及びＹ軸方向に平行に延設された２辺を有する方形状に形成されている。基板１０上には、一対の振動子２０−１，２０−２が同基板１０から浮かせてＸ軸方向対称位置に配置されている。振動子２０−１のＹ軸方向両外側には、長尺かつ幅広のメインフレーム３０−１，３０−２が基板１０から浮かせてＸ軸方向に延設して配置されている。振動子２０−２のＹ軸方向両外側にも、長尺かつ幅広のメインフレーム３０−３，３０−４が基板１０から浮かせてＸ軸方向に延設して配置されている。
【００１９】
振動子２０−１は、そのＹ軸方向両端にてＸ軸方向外側にそれぞれ一体的に延設された長尺かつ幅広のアーム部２１ａ，２１ｂを有している。アーム部２１ａ，２１ｂは、そのＸ軸方向両端にて、各一対の長尺かつ幅狭の検出用梁３１ａ，３１ｂを介してメインフレーム３０−１，３０−２のＸ軸方向両端にそれぞれ接続されていて、検出用梁３１ａ，３１ｂは、振動子２０−１をメインフレーム３０−１，３０−２に対してＸ軸方向に変位し難くかつＹ軸方向に変位し易く支持している。検出用梁３１ａ，３１ｂは、アーム部２１ａ，２１ｂ及びメインフレーム３０−１，３０−２と一体的に基板１０から浮かせて形成され、Ｘ軸方向に延設されている。
【００２０】
振動子２０−２も前記アーム部２１ａ，２１ｂと同様なアーム部２１ｃ，２１ｄを有し、同アーム部２１ｃ，２１ｄは前記検出用梁３１ａ，３１ｂと同様な検出用梁３１ｃ，３１ｄを介してメインフレーム３０−３，３０−４のＸ軸方向両端にそれぞれ接続されている。そして、これらの検出用梁３１ｃ，３１ｄも、振動子２０−２をメインフレーム３０−３，３０−４に対してＸ軸方向に変位し難くかつＹ軸方向に変位し易く支持している。
【００２１】
メインフレーム３０−１のＹ軸方向外側には、長尺かつ幅広のサブフレーム３２−１が基板１０から浮かせてＸ軸方向に延設されている。サブフレーム３２−１は、複数の長尺かつ幅狭の駆動用梁３３ａを介してメインフレーム３０−１に接続され、複数の長尺かつ幅狭の駆動用梁３４ａを介して基板１０に固着された複数のアンカ３５ａにそれぞれ接続されている。駆動用梁３３ａ，３４ａは、メインフレーム３０−１及びサブフレーム３２−１と一体的に基板１０から浮かせて形成されてＹ軸方向に延設されており、メインフレーム３０−１を基板１０に対してＸ軸方向に変位し易くかつＹ軸方向に変位し難く支持している。
【００２２】
各メインフレーム３０−２，３０−３，３０−４のＹ軸方向外側にも、前記メインフレーム３０−１の場合と同様に、サブフレーム３２−２，３２−３，３２−４がそれぞれ設けられている。そして、各メインフレーム３０−２，３０−３，３０−４も、各複数の駆動用梁３３ｂ〜３３ｄ、サブフレーム３２−２，３２−３，３２−４、各複数の駆動用梁３４ｂ〜３４ｄ及び各複数のアンカ３５ｂ〜３５ｄを介してそれぞれ基板１０にＸ軸方向に変位し易くかつＹ軸方向に変位し難く支持されている。
【００２３】
また、メインフレーム３０−１とメインフレーム３０−３は、各複数の長尺かつ幅狭のリンク梁４１ａ，４１ｃ及び長尺かつ幅広のリンク４２ａを介して連結されている。リンク梁４１ａ，４１ｃは、メインフレーム３０−１，３０−３と一体的に基板１０から浮かせて形成され、各一端にてメインフレーム３０−１，３０−３にそれぞれ接続されるとともにＹ軸方向に延設されて、各他端にてリンク４２ａにそれぞれ接続されている。リンク４２ａも、メインフレーム３０−１，３０−３と一体的に基板１０から浮かせて形成され、Ｘ軸方向に延設されている。
【００２４】
メインフレーム３０−２とメインフレーム３０−４も、前記メインフレーム３０−１，３０−３の場合と同様に、各複数の長尺かつ幅狭のリンク梁４１ｂ，４１ｄ及び長尺かつ幅広のリンク４２ｂを介して連結されている。
【００２５】
リンク４２ａ，４２ｂは、各一端にて、各複数の長尺かつ幅狭のサブリンク梁４３ａ，４３ｂ及び長尺かつ幅広のサブリンク４４ａを介して連結されている。サブリンク梁４３ａ，４３ｂは、リンク４２ａ，４２ｂと一体的に基板１０から浮かせて形成され、各一端にてリンク４２ａ，４２ｂにそれぞれ接続されるとともにＸ軸方向に延設されて、各他端にてサブリンク４４ａにそれぞれ接続されている。サブリンク４４ａも、リンク４２ａ，４２ｂと一体的に基板１０から浮かせて形成され、Ｙ軸方向に延設されている。また、これらのリンク４２ａ，４２ｂは、各他端にて、前記一端の場合と同様な各複数の長尺かつ幅狭のサブリンク梁４３ｃ，４３ｄ及び長尺かつ幅広のサブリンク４４ｂを介して連結されている。
【００２６】
また、基板１０上には、メインフレーム３０−１〜３０−４を基板１０に対してＸ軸方向に駆動するための駆動電極部５１−１〜５１−４と、振動子２０−１，２０−２の基板１０に対するＹ軸方向の振動を検出するための検出電極部５２−１〜５２−４とが設けられている。
【００２７】
駆動電極部５１−１，５１−２は、メインフレーム３０−１，３０−２のＸ軸方向外側端部にて一体的にＹ軸方向外側に基板１０から浮かせて延設した突出部３６ａ，３６ｂのＸ軸方向外側にそれぞれ設けられている。これらの駆動電極部５１−１，５１−２は、Ｘ軸方向に延設された櫛歯状の可動電極指５１ａ１、５１ａ２と、Ｘ軸方向に延設された櫛歯状の固定電極指５１ｂ１，５１ｂ２とによりそれぞれ構成されている。
【００２８】
各可動電極指５１ａ１、５１ａ２は、基板１０から浮かせて突出部３６ａ，３６ｂからＸ軸方向外側に一体的に延設形成され、各固定電極指５１ｂ１，５１ｂ２間のＹ軸方向各中央位置に侵入して各隣合う固定電極指５１ｂ１，５１ｂ２に対向している。各固定電極指５１ｂ１，５１ｂ２は、基板１０上に一体的に固着した配線部５１ｃ１，５１ｃ２を介して同基板１０上に一体的に固着したパッド部５１ｄ１，５１ｄ２に接続されている。パッド部５１ｄ１，５１ｄ２の上面には、導電金属（例えば、アルミニウム）で形成された電極パッド５１ｅ１，５１ｅ２がそれぞれ設けられている。
【００２９】
駆動電極部５１−３，５１−４は、メインフレーム３０−３，３０−４のＸ軸方向外側端部にて一体的にＹ軸方向外側に基板１０から浮かせて延設した突出部３６ｃ，３６ｄのＸ軸方向内側にそれぞれ設けられている。これらの駆動電極部５１−３，５１−４は、Ｘ軸方向に延設された櫛歯状の可動電極指５１ａ３，５１ａ４と、Ｘ軸方向に延設された櫛歯状の固定電極指５１ｂ３，５１ｂ４とによりそれぞれ構成されている。
【００３０】
各可動電極指５１ａ３、５１ａ４は、基板１０から浮かせて突出部３６ｃ，３６ｄからＸ軸方向内側に一体的に延設形成され、各固定電極指５１ｂ３，５１ｂ４のＹ軸方向各中央位置に侵入して各隣合う固定電極指５１ｂ３，５１ｂ４に対向している。各固定電極指５１ｂ３，５１ｂ４は、基板１０上に一体的に固着した配線部５１ｃ３，５１ｃ４を介して同基板１０上に一体的に固着したパッド部５１ｄ３，５１ｄ４に接続されている。パッド部５１ｄ３，５１ｄ４の上面には、導電金属（例えばアルミニウム）で形成された電極パッド５１ｅ３，５１ｅ４がそれぞれ設けられている。
【００３１】
検出電極部５２−１〜５２−４は、アーム部２１ａ〜２１ｄのＹ軸方向各内側にそれぞれ設けられている。これらの検出電極部５２−１〜５２−４は、Ｘ軸方向に延設された櫛歯状の可動電極指５２ａ１〜５２ａ４と、Ｘ軸方向に延設された櫛歯状の固定電極指５２ｂ１〜５２ｂ４とによりそれぞれ構成されている。
【００３２】
各可動電極指５２ａ１〜５２ａ４は、アーム部２１ａ〜２１ｄのＹ軸方向各内側に一体的に基板１０から浮かせて延設させた複数の突出部から、基板１０に対して浮かせてＸ軸方向に一体的に延設形成されている。これらの各可動電極指５２ａ１〜５２ａ４は、各固定電極指５２ｂ１〜５２ｂ４間に侵入して各隣合う固定電極指５２ｂ１〜５２ｂ４に対向しているが、各固定電極指５２ｂ１〜５２ｂ４間のＹ軸方向各中央位置よりもＹ軸方向外側に変位させて設けられている。各固定電極指５２ｂ１〜５２ｂ４は、基板１０上に一体的に固着した配線部５２ｃ１〜５２ｃ４を介して同基板１０上に一体的に固着したパッド部５２ｄ１〜５２ｄ４に接続されている。パッド部５２ｄ１〜５２ｄ４の上面には、導電金属（例えば、アルミニウム）で形成された電極パッド５２ｅ１〜５２ｅ４がそれぞれ設けられている。
【００３３】
さらに、基板１０上には、振動子２０−１，２０−２及びメインフレーム３０−１〜３０−４に、駆動用梁３３ｂ，３４ｂ、サブフレーム３２−２、検出用梁３１ａ〜３１ｄ、リンク梁４１ａ〜４１ｄ、リンク４２ａ，４２ｂ、サブリンク梁４３ａ〜４３ｄ、サブリンク４４ａ，４４ｂ、配線部２３ａなどを介して接続されたパッド部２３ｂが設けられている。配線部２３ａ及びパッド部２３ｂは、共に基板１０の上面に固着されている。パッド部２３ｂの上面には、導電金属（例えばアルミニウム）で形成された電極パッド２３ｃが設けられている。
【００３４】
次に、上記のように構成した検出素子を用いて加速度および角速度を検出するための電気回路装置について説明する。この電気回路装置は、図１に示すように、駆動信号発生器６１、反転増幅器６２および容量検出回路７０からなる。駆動信号発生器６１は、振動子２０−１，２０−２の共振周波数近傍の周波数を有する正弦波状の駆動振動を発生して、電極パッド５１ｅ１，５１ｅ２にそれぞれ供給する。反転増幅器６２は、駆動信号発生器６１に接続されて同駆動信号発生器６１からの駆動信号を反転増幅して、電極パッド５１ｅ３，５１ｅ４にそれぞれ供給する。
【００３５】
容量検出回路７０は、電極パッド５２ｅ１〜５２ｅ４，２３ｃに接続されている。この容量検出回路７０は、図２に詳細に示すように、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向の変位を時分割で取り出すための時分割サンプリング回路を構成するもので、電極パッド５２ｅ１〜５２ｅ４には電圧印加回路７１が接続され、電極パッド２３ｃにはチャージアンプ７２が接続されている。なお、基板１０内のコンデンサ（容量素子）Ｃ１〜Ｃ４は、それぞれ振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向の変位に伴って容量を変化させる図１の検出電極部５２−１〜５２−４を等価的に表している。
【００３６】
電圧印加回路７１は、電極パッド５２ｅ１，５２ｅ２間すなわちコンデンサＣ１，Ｃ２（検出電極部５２−１，５２−２）の両端間に第１電圧信号Ｖ１を付与するとともに、電極パッド５２ｅ３，５２ｅ４間すなわちコンデンサＣ３，Ｃ４（検出電極部５２−３，５２−４）の両端間に第２電圧信号Ｖ２を付与する。第１および第２電圧信号Ｖ１，Ｖ２は、共に振動子２０−１，２０−２の共振周波数よりも極めて高い周波数を有する。
【００３７】
第１電圧信号Ｖ１は、図３(Ａ)に示すように、電極パッド５２ｅ１，５２ｅ２にそれぞれ供給される互いに逆相の一対のパルス列信号Ｖ11，Ｖ12からなり、同一対のパルス列信号Ｖ11，Ｖ12は、第１時分割タイミングＴ１と第２時分割タイミングＴ２とでそれぞれ極性が反転し、かつ第３および第４時分割タイミングＴ３，Ｔ４では同一極性を維持する。第２電圧信号Ｖ２は、電極パッド５２ｅ３，５２ｅ４にそれぞれ供給される互いに逆相の一対のパルス列信号Ｖ21，Ｖ22からなり、同一対のパルス列信号Ｖ21，Ｖ22は、第１および第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２では同一極性を維持し、かつ第３時分割タイミングＴ３と第４時分割タイミングＴ４とでそれぞれ極性が反転する。
【００３８】
チャージアンプ７２は、オペアンプ、抵抗およびコンデンサからなり、互いに共通に接続されたコンデンサＣ１，Ｃ２およびコンデンサＣ３，Ｃ４の両中点の電圧を取り出すもので、前記中点の電圧信号を反転して出力する。チャージアンプ７２の出力には、互いに並列に接続されたサンプルホールド回路７３〜７６が接続されている。サンプルホールド回路７３は、スイッチング回路７３ａ、コンデンサ７３ｂおよびオペアンプ７３ｃからなる。スイッチング回路７３ａは、通常オフ状態に保たれており、サンプリングタイミング制御回路７７からの第１時分割タイミング信号Ｐ１のハイレベル時にのみオン状態に切換えられてチャージアンプ７２からの電圧信号を通過させる。コンデンサ７３ｂおよびオペアンプ７３ｃは、スイッチング回路７３ａを介して入力した電圧信号を次の時分割タイミングまでホールドする。他のサンプルホールド回路７４，７５，７６も、それぞれスイッチング回路７４ａ，７５ａ，７６ａ、コンデンサ７４ｂ,７５ｂ，７６ｂおよびオペアンプ７４ｃ、７５ｃ、７６ｃからなり、サンプリングタイミング制御回路７７からの第２、第３および第４時分割タイミング信号Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４によってそれぞれ制御されてサンプルホールド回路７３と同様に機能する。
【００３９】
サンプリングタイミング制御回路７７は、電圧印加回路７１と同期動作して、第１および第２電圧信号Ｖ１，Ｖ２に同期した第１〜第４時分割タイミング信号Ｐ１〜Ｐ４を発生する。これらの第１〜第４時分割タイミング信号Ｐ１〜Ｐ４は、図３(Ｂ)に示すように、第１〜第４時分割タイミングＴ１〜Ｔ４においてそれぞれハイレベルとなるパルス列信号である。
【００４０】
サンプルホールド回路７３，７４の出力には演算器８１が接続されているとともに、サンプルホールド回路７５，７６の出力には演算器８２が接続されている。演算器８１は、抵抗およびオペアンプとによって構成されて減算器として機能するもので、サンプルホールド回路７４の出力電圧からサンプルホールド回路７３の出力電圧を減算して出力する。演算器８２は、抵抗およびオペアンプとによって構成されて減算器として機能するもので、サンプルホールド回路７６の出力電圧からサンプルホールド回路７５の出力電圧を減算して出力する。
【００４１】
演算器８１，８２の出力には演算器８３，８４が接続されている。演算器８３は、抵抗およびオペアンプとによって構成されて加算器として機能するもので、演算器８１,８２の各出力電圧を加算して出力する。演算器８４は、抵抗およびオペアンプとによって構成されて減算器として機能するもので、演算器８２の出力電圧から演算器８１の出力電圧を減算して出力する。
【００４２】
次に、上記のように構成した加速度角速度検出装置の動作を説明する。この加速度角速度検出装置においては、駆動信号発生器６１からの駆動信号が電極パッド５１ｅ１，５１ｅ２を介して駆動電極部５１−１，５１−２に付与されるとともに、反転増幅器６２によって反転された前記駆動信号とは逆相の駆動信号が電極パッド５１ｅ３，５１ｅ４を介して駆動電極部５１−３，５１−４に付与される。これらの駆動信号の供給により、メインフレーム３０−１〜３０−４はＸ軸方向に振動し始める。このメインフレーム３０−１〜３０−４の振動は検出用梁３１ａ〜３１ｄを介して振動子２０−１，２０−２にも伝達され、振動子２０−１，２０−２もＸ軸方向に振動する。
【００４３】
この場合、駆動電極部５１−１，５１−２に付与される電圧信号の位相と、駆動電極部５１−３，５１−４に付与される電圧信号の位相とは互いに逆相であるので、メインフレーム３０−１，３０−２および振動子２０−１と、メインフレーム３０−３，３０−４および振動子２０−２とは、互いにＸ軸方向において反対向き（すなわち、逆相）に振動する。すなわち、メインフレーム３０−１，３０−２および振動子２０−１が中立位置から図１の左方向（または右方向）に変位しているときには、メインフレーム３０−３，３０−４および振動子２０−２１〜３０−４の中立位置から図１の右方向（または左方向）に変位する。
【００４４】
この状態で、基板１０に対してＸ軸及びＹ軸に直交するＺ軸回りに角速度が作用すると、検出用梁３１ａ〜３１ｄの撓みを伴って、振動子２０−１，２０−２はコリオリ力によって前記角速度に比例した振幅でＹ軸方向に振動し始める。この場合、振動子２０−１，２０−２のＸ軸方向の振動は互い逆相であるので、前記コリオリ力による振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向の振動も互いに逆相になる。すなわち、振動子２０−１が中立位置から図１の上方に変位しているときには、振動子２０−２は中立位置から図１の下方に変位する。逆に、振動子２０−１が中立位置から図１の下方に変位しているときには、振動子２０−２は中立位置から図１の上方に変位する。
【００４５】
また、基板１０に対してＹ軸方向に加速度が作用すると、検出用梁３１ａ〜３１ｄの撓みを伴って、振動子２０−１，２０−２は前記加速度に比例した大きさでＹ軸方向に変位する。この場合、加速度は振動子２０−１，２０−２に対してＹ軸方向における同一向きに作用することになるので、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向の変位方向は同じになる。そして、基板１０に対してこの加速度と前記角速度が同時に作用していれば、振動子２０−１，２０−２は、前記加速度によるＹ軸方向の変位に前記角速度によるＹ軸方向の振動を重畳させて中立位置からＹ軸方向に変位することになる。
【００４６】
このような振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向への変位により検出電極部５２−１〜５２−４（コンデンサＣ１〜Ｃ４）の静電容量が前記変位に応じて変化する。この場合、振動子２０−１，２０−２が図１の上方に変位したときには、可動電極指５２ａ１，５２ａ３は固定電極指５２ｂ１，５２ｂ３に近づく方向にそれぞれ変位するので検出電極部５２−１，５２−３（コンデンサＣ１，Ｃ３）の静電容量はそれぞれ増加し、可動電極指５２ａ２，５２ａ４は固定電極指５２ｂ２，５２ｂ４から遠ざかる方向にそれぞれ変位するので検出電極部５２−２，５２−４（コンデンサＣ２，Ｃ４）の静電容量はそれぞれ減少する。逆に、振動子２０−１．２０−２が図１の下方に変位したときには、可動電極指５２ａ１，５２ａ３は固定電極指５２ｂ１，５２ｂ３から遠ざかる方向にそれぞれ変位するので検出電極部５２−１，５２−３（コンデンサＣ１，Ｃ３）の静電容量は減少し、可動電極指５２ａ２，５２ａ４は固定電極指５２ｂ２，５２ｂ４に近づく方向に変位するので検出電極部５２−２，５２−４（コンデンサＣ２，Ｃ４）の静電容量は増加する。
【００４７】
一方、電圧印加回路７１は、コンデンサＣ１，Ｃ２の両端に第１電圧信号Ｖ１を印加しているとともに、コンデンサＣ３，Ｃ４の両端に第２電圧信号Ｖ２を印加し続けている。また、サンプリングタイミング制御回路７７は、サンプルホールド回路７３〜７６に第１〜第４時分割タイミング信号Ｐ１〜Ｐ４を出力している。そして、サンプルホールド回路７３〜７６は、チャージアンプ７２からの出力電圧を第１〜第４時分割タイミングＴ１〜Ｔ４でそれぞれサンプルホールドする。
【００４８】
この場合、第１電圧信号Ｖ１は、第１時分割タイミングＴ１と第２時分割タイミングＴ１とで、極性を反転させる。一方、第２電圧信号Ｖ２は、第１および第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２の間、極性を同一に保つ。したがって、この第１および第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２の時間帯においては、チャージアンプ７２は、振動子２０−２のＹ軸方向の変位から独立して、第１時分割タイミングＴ１と第２時分割タイミングＴ１との電圧差により振動子２０−１のＹ軸方向の変位のみを表す一組の電圧信号（２つの電圧信号）を出力する。この一組の電圧信号は、第１および第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２で、サンプルホールド回路７３，７４にサンプルホールドされる。そして、これらのサンプルホールドされた一組の電圧信号の差が演算器８１により演算されるので、演算器８１の出力電圧は、振動子２０−２のＹ軸方向の変位とは独立して、振動子２０−１のＹ軸方向の変位のみを表すことになる。
【００４９】
また、第１電圧信号Ｖ１は、第３および第４時分割タイミングＴ３，Ｔ４の間、極性を同一に保つ。一方、第２電圧信号Ｖ２は、第３時分割タイミングＴ３と第４時分割タイミングＴ４とで、極性を反転させる。したがって、この第３および第４時分割タイミングＴ３，Ｔ４の時間帯においては、チャージアンプ７２は、振動子２０−１のＹ軸方向の変位から独立して、第３時分割タイミングＴ３と第４時分割タイミングＴ４との電圧差により振動子２０−２のＹ軸方向の変位のみを表す一組の電圧信号（２つの電圧信号）を出力する。この一組の電圧信号は、第３および第４時分割タイミングＴ３，Ｔ４で、サンプルホールド回路７５，７６にサンプルホールドされる。そして、これらのサンプルホールドされた一組の電圧信号の差が演算器８２により演算されるので、演算器８２の出力電圧は、振動子２０−１のＹ軸方向の変位とは独立して、振動子２０−２のＹ軸方向の変位のみを表すことになる。
【００５０】
また、第１および第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２の時間帯においてコンデンサＣ１、Ｃ２に印加される第１電圧信号Ｖ１の極性の変化方向と、第３および第４時分割タイミングＴ３，Ｔ４の時間帯においてコンデンサＣ３、Ｃ４に印加される第２電圧信号Ｖ２の極性の変化方向とは同一であるので、前記演算器８１，８２から出力される振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向の変位を表す信号は、それぞれＹ軸方向における変位の向きも一致させている。言いかえれば、振動子２０−１，２０−２の各基準位置から上方または下方の変位を表す電圧信号は、共に正負の符号において一致する。
【００５１】
このようにして演算器８１，８２からそれぞれ出力された振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向の変位を表す両電圧信号は、演算器８３，８４に供給される。そして、演算器８３は、前記振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向の変位を表す両電圧信号を加算して出力する。一方、演算器８４は、前記振動子２０−２のＹ軸方向の変位を表す電圧信号から前記振動子２０−１のＹ軸方向の変位を表す電圧信号を減算して出力する。
【００５２】
そして、前述のように、基板１０に作用するＹ軸方向の加速度に対しては、振動子２０−１，２０−２はＹ軸方向おける同じ向きに変位する。また、基板１０のＺ軸線回りに作用する角速度に対しては、振動子２０−１，２０−２は、Ｙ軸方向において互いに反対向きに変位する。したがって、演算器８３の出力電圧は基板１０に作用するＹ軸方向の加速度の大きさを表し、演算器８４の出力電圧は基板１０のＺ軸線回りに作用する角速度の大きさを表すことになる。
【００５３】
上記作動説明からも理解できるとおり、上記第１実施形態による加速度角速度検出装置によれば、基板１０に作用する加速度および角速度が同時に検出される。そして、この加速度角速度検出装置は、単一のチャージアンプ７２を有するのみであるので、その構成が簡単になる。
【００５４】
次に、上記第１実施形態の変形例について説明する。この変形例は、図４に示すように、上記第１実施形態の演算器８１，８２，８３を一つの演算器８５で代用するとともに、上記第１実施形態の演算器８１，８２，８４を一つの演算器８５で代用したものである。他の構成については、上記第１実施形態と同じである。
【００５５】
演算器８５は、サンプルホールド回路７４，７６の出力電圧の和から、サンプルホールド回路７３，７５の出力電圧の和を減算して出力するものである。演算器８６は、サンプルホールド回路７３，７６の出力電圧の和から、サンプルホールド回路７４，７５の出力電圧の和を減算して出力するものである。演算器８５による演算は、上記第１実施形態における演算器８１，８２，８３による演算と実質的に同じである。また、演算器８５による演算は、上記第１実施形態における演算器８１，８２，８４による演算と実質的に同じである。したがって、この変形例においても、上記第１実施形態と同様に、簡単な構成で加速度および角速度を同時に検出可能となる。
【００５６】
ｂ．第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態においては、図５に示すように、サンプルホールド回路７３，７４の出力には演算器９１が接続されているとともに、サンプルホールド回路７５，７６の出力には演算器９２が接続されている。演算器９１は、抵抗およびオペアンプとによって構成されて減算器として機能するもので、サンプルホールド回路７４の出力電圧からサンプルホールド回路７３の出力電圧を減算して出力する。演算器９２は、抵抗およびオペアンプとによって構成されて減算器として機能するもので、サンプルホールド回路７６の出力電圧からサンプルホールド回路７５の出力電圧を減算して出力する。
【００５７】
また、この第２実施形態においては、電圧印加回路７１は、図６に示すような第１電圧信号Ｖ１をコンデンサＣ１，Ｃ２の両端に印加するとともに、第２電圧信号Ｖ２をコンデンサＣ３，Ｃ４の両端に印加する。
【００５８】
第１電圧信号Ｖ１は、互いに逆相の一対のパルス列信号Ｖ11，Ｖ12からなり、同一対のパルス列信号Ｖ11，Ｖ12は、第１時分割タイミングＴ１と第２時分割タイミングＴ２とでそれぞれ極性が反転するとともに、第３時分割タイミングＴ３と第４時分割タイミングＴ４とでもそれぞれ極性が反転する。また、第２電圧信号Ｖ２も、互いに逆相の一対のパルス列信号Ｖ21，Ｖ22からなり、同一対のパルス列信号Ｖ21，Ｖ22は、第１時分割タイミングＴ１と第２時分割タイミングＴ２とでそれぞれ極性が反転するとともに、第３時分割タイミングＴ３と第４時分割タイミングＴ４とでもそれぞれ極性が反転する。
【００５９】
また、前記第１および第２電圧信号Ｖ２は、第１および第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２で第１電圧信号Ｖ１と同相となり、かつ第３および第４時分割タイミングＴ３，Ｔ４で第１電圧信号Ｖ１と逆相となる。これは、この第２実施形態の特徴である。言いかえれば、第１および第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２では、第１電圧信号Ｖ１を構成する一組のパルス列信号Ｖ11，Ｖ12の各位相（レベル変化）と、第２電圧信号Ｖ２を構成する一組のパルス列信号Ｖ21，Ｖ22の各位相（レベル変化）とがそれぞれ一致する。一方、第３および第４時分割タイミングＴ３，Ｔ４では、第１電圧信号Ｖ１を構成する一組のパルス列信号Ｖ11，Ｖ12の各位相（レベル変化）と、第２電圧信号Ｖ２を構成する一組のパルス列信号Ｖ21，Ｖ22の各位相（レベル変化）とがそれぞれ反対になる。他の構成は上記第１実施形態と同じである。
【００６０】
このように構成した第２実施形態において、第１および第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２では、電圧印加回路７１により、極性が反転する第１電圧信号Ｖ１がコンデンサＣ１，Ｃ２の両端に印加されるとともに、第１電圧信号Ｖ１と同相の第２電圧信号Ｖ２がコンデンサＣ３，Ｃ４の両端に印加される。したがって、第１時分割タイミングＴ１と第２時分割タイミングＴ２とでチャージアンプ７２から出力される一組の電圧信号は、その差により、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向における反対向きの変位を互いに打ち消しあって、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向における同じ向きの変位のみを表すことになる。そして、サンプルホールド回路７３，７４は、上記第１実施形態の場合と同様に、第１および第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２にて、チャージアンプ７２からの電圧信号をそれぞれサンプルホールドする。
【００６１】
上記第１実施形態の場合に説明したように、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向における同じ向きの変位は、基板１０に作用するＹ軸方向の加速度である。したがって、サンプルホールド回路７３、７４にそれぞれサンプルホールドされた各電圧信号の差は、基板１０に作用するＹ軸方向の加速度の大きさを表すことになる。そして、演算器９１が、前記サンプルホールドされた各電圧信号の差を演算して出力するので、同演算器９１から前記加速度の大きさを表す出力電圧が取り出される。
【００６２】
また、第３および第４時分割タイミングでは、電圧印加回路７１により、極性が反転する第１電圧信号Ｖ１がコンデンサＣ１，Ｃ２の両端に印加されるとともに、第１電圧信号Ｖ１と逆相の第２電圧信号Ｖ２がコンデンサＣ３，Ｃ４の両端に印加される。したがって、第３時分割タイミングＴ３と第４時分割タイミングＴ４とでチャージアンプ７２から出力される一組の電圧信号は、その差により、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向における同じ向きの変位を互いに打ち消しあって、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向における反対向きの変位のみを表すことになる。そして、サンプルホールド回路７５，７６は、上記第１実施形態の場合と同様に、第３および第４時分割タイミングＴ３，Ｔ４にて、チャージアンプ７２からの電圧信号をそれぞれサンプルホールドする。
【００６３】
上記第１実施形態の場合に説明したように、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向における反対向きの変位は、基板１０に作用するＺ軸回りの角速度である。したがって、サンプルホールド回路７５、７６にそれぞれサンプルホールドされた各電圧信号の差は、基板１０に作用するＺ軸回りの角速度の大きさを表すことになる。そして、演算器９２が、前記サンプルホールドされた各電圧信号の差を演算して出力するので、同演算器９２から前記加速度の大きさを表す出力電圧が取り出される。
【００６４】
その結果、この第２実施形態によっても、上記第１実施形態の場合と同様に、単一のチャージアンプ７２のみを用いるだけで、加速度および角速度を同時に検出できるので、加速度角速度検出装置が簡単な構成で実現される。
【００６５】
また、この第２実施形態によれば、チャージアンプ７２を介してサンプルホールド回路７３，７４に供給される一組の電圧信号は、チャージアンプ７２の入力前において振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向における反対向きの変位を表す信号を既に打ち消して、同Ｙ軸方向における同じ向きの変位のみを表すものである。また、チャージアンプ７２を介してサンプルホールド回路７５，７６にサンプリングホールドされる一組の電圧信号は、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向における同じ向きの変位を表す信号を既に打ち消して、同Ｙ軸方向における反対向きの変位のみを表すものである。したがって、振動子２０−１，２０−２の変位をそれぞれ独立して表す信号をチャージアンプ７２を介して取得し、その後に振動子２０−１，２０−２の変位を用いて振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向における同じ向きの変位（加速度）および反対向きの変位（角速度）を表す信号を計算するものに比べて、チャージアンプ７２によるノイズ成分の影響を小さく抑えることができ、最終的に計算される加速度および角速度の検出精度が向上する。
【００６６】
さらに、本発明の実施にあたっては、上記第１および第２実施形態および変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変形も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１および第２実施形態に係る加速度角速度検出装置の概略図である。
【図２】 図１の容量検出回路を詳細に示すブロック図である。
【図３】 (Ａ)は図２の電圧印加回路から出力される電圧信号の波形図であり、(Ｂ)は図２のサンプリングタイミング制御回路から出力されるサンプリングタイミング制御信号の波形図である。
【図４】 第１実施形態の変形例に係る容量検出回路を詳細に示すブロック図である。
【図５】 第２実施形態に係る容量検出回路を詳細に示すブロック図である。
【図６】 図５の電圧印加回路から出力される電圧信号の波形図である。
【符号の説明】
１０…基板、２０−１，２０−２…振動子、３０−１〜３０−４…メインフレーム、５１−１〜５１−４…駆動電極部、５２−１〜５２−４…検出電極部、６１…駆動信号発生器、６２…反転増幅器、７０…容量検出回路、７１…電圧印加回路、７２…チャージアンプ、７３〜７６…サンプルホールド回路、７７…サンプリングタイミング制御回路、８１〜８６，９１，９２…演算器。
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に変位可能に支持された第１および第２振動子を用いて、基板に作用する加速度および角速度を同時に検出する加速度角速度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、例えば特開平１０−３１８７５５号公報に示されているように、第１および第２振動片をＵ字型に連結した音叉型振動子を用いて、加速度および角速度を同時に検出する加速度角速度検出装置は知られている。この装置においては、第１および第２振動片の対向する方向の各外側面に励振用の圧電素子をそれぞれ添着して、これらの圧電素子により、第１および第２振動片を対向する方向であって互いに反対向きに振動させる。また、第１および第２振動片の各上面に検出用の第１および第２の圧電素子をそれぞれ添着しておき、これらの検出用の第１および第２圧電素子によって検出された第１および第２振動片の上下方向の変位を第１および第２チャージアンプを介して取り出す。
【０００３】
そして、これらの第１および第２チャージアンプの各出力の和を計算することにより、第１および第２振動片の軸線方向回りに作用する角速度を打ち消して、第１および第２振動片の上下方向に作用する加速度を算出するようにしている。また、これと同時に、これらの第１および第２チャージアンプの各出力の差を計算することにより、第１および第２振動片の上下同一方向に作用する加速度を打ち消して、第１および第２振動片の軸線方向回りに作用する角速度を算出するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の装置では、第１および第２振動片の各振動を表す信号を取り出すために２つのチャージアンプを必要とするので、構成が複雑になるという問題がある。また、第１および第２振動片の各振動を表す信号はそれぞれ独立したチャージアンプを介して取り出されるので、各取り出された信号は各チャージアンプによるノイズ成分をそれぞれ含んでおり、最終的に計算される加速度および角速度には、前記各ノイズ成分による誤差が重畳されて、加速度および角速度の検出精度が悪化するという問題もある。
【０００５】
【発明の概略】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、その第１の目的は、簡単な構成で加速度および角速度を同時に検出する加速度角速度検出装置を提供することにある。また、第２の目的は、加速度および角速度の検出精度を良好にした加速度角速度検出装置を提供することにある。
【０００６】
上記第１の目的を達成するために本発明の構成上の特徴は、基板上に支持されて互いに直交するＸＹ軸方向に変位可能な第１および第２振動子と、基板上に設けられて第１及び第２振動子をＸ軸方向であって互いに反対向きに振動させる駆動部と、基板上に設けられるとともに直列に接続されて第１振動子のＹ軸方向における基準位置から一方への変位に対して容量を互いに逆方向に増減させる第１および第２容量素子と、基板上に設けられるとともに直列に接続されて第２振動子のＹ軸方向における基準位置から一方への変位に対して容量を互いに逆方向に増減させる第３および第４容量素子とを備え、第１および第２振動子のＹ軸方向への変位に伴う第１ないし第４容量素子の容量変化により、基板に作用するＹ軸方向の加速度と、基板に作用するＸおよびＹ軸方向に直交したＺ軸回りの角速度とを検出する加速度角速度検出装置において、直列接続された第１および第２容量素子の中点と直列接続された第３および第４容量素子の中点とに共通に接続されて両中点の電圧を取り出す単一のチャージアンプと、チャージアンプの出力に並列に接続された第１ないし第４サンプルホールド回路と、第１ないし第４サンプルホールド回路に対して時間軸上のそれぞれ異なる第１ないし第４時分割タイミングで第１ないし第４時分割タイミング信号を出力し、同第１ないし第４サンプルホールド回路のサンプリングタイミングを制御するサンプリングタイミング制御回路と、第１時分割タイミングと第２時分割タイミングとで極性が反転し、かつ第３時分割タイミングと第４時分割タイミングとで極性が反転しない第１電圧信号を第１および第２容量素子の両端に印加するとともに、第１時分割タイミングと第２時分割タイミングとで極性が反転せず、かつ第３時分割タイミングと第４時分割タイミングとで極性が反転する第２電圧信号を第３および第４容量素子の両端に印加する電圧印加回路と、第１ないし第４サンプルホールド回路の出力電圧を演算して加速度および角速度を表す信号をそれぞれ出力する演算回路とを設けたことにある。
【０００７】
この場合、前記演算回路は、例えば、第１および第２サンプルホールド回路でサンプルホールドされる両電圧の差電圧と、第３および第４サンプルホールド回路でサンプルホールドされる両電圧の差電圧との和を計算して加速度を表す信号を出力する加算器と、第１および第２サンプルホールド回路でサンプルホールドされる両電圧の差電圧と、第３および第４サンプルホールド回路でサンプルホールドされる両電圧の差電圧との差を計算して角速度を表す信号を出力する減算器とで構成される。
【０００８】
このように構成した本発明の特徴においては、第１および第２時分割タイミングでは、電圧印加回路は、極性が反転する第１電圧信号を第１および第２容量素子の両端に印加するとともに、極性が反転しない第２電圧信号を第３および第４容量素子の両端に印加する。サンプリングタイミング制御回路は第１および第２時分割タイミング信号によって第１および第２サンプルホールド回路のサンプリングタイミングを制御するので、単一のチャージアンプを介して第１および第２サンプルホールド回路にサンプルホールドされる両電圧の差電圧は、第２振動子のＹ軸方向の変位から独立して、第１振動子のＹ軸方向の変位のみを表すことになる。また、第３および第４時分割タイミングでは、電圧印加回路は、極性が反転しない第１電圧信号を第１および第２容量素子の両端に印加するとともに、極性が反転する第２電圧信号を第３および第４容量素子の両端に印加する。サンプリングタイミング制御回路は第３および第３時分割タイミング信号によって第３および第４サンプルホールド回路のサンプリングタイミングを制御するので、単一のチャージアンプを介して第３および第４サンプルホールド回路にサンプルホールドされる両電圧の差電圧は、第１振動子のＹ軸方向の変位から独立して、第２振動子のＹ軸方向の変位のみを表すことになる。
【０００９】
一方、基板に作用するＹ軸方向の加速度に対しては、第１および第２振動子はＹ軸方向における同じ向きに変位する。また、基板に作用するＺ軸線回りの角速度に対しては、第１および第２振動子が駆動部によってＸ軸方向における反対向きに変位しているので、第１および第２振動子はＹ軸方向において互いに反対向きに変位する。したがって、演算回路による第１ないし第４サンプルホールド回路の出力電圧の演算により、基板に作用する加速度および角速度が同時に検出できる。そして、この本発明の特徴によれば、チャージアンプを一つしか用いていないので、加速度および角速度を同時に検出する加速度角速度検出装置が簡単な構成で実現できる。
【００１０】
また、本発明の他の特徴は、前記電圧印加回路を、第１時分割タイミングと第２時分割タイミングとで極性が反転し、かつ第３時分割タイミングと第４時分割タイミングとで極性が反転する第１電圧信号を第１および第２容量素子の両端に印加するとともに、第１時分割タイミングおよび第２時分割タイミングで第１電圧信号と同相となり、かつ第３時分割タイミングおよび第４時分割タイミングで第１電圧信号と逆相となる第２電圧信号を第３および第４容量素子の両端に印加する電圧印加回路で置換したことにある。
【００１１】
この場合、前記演算回路は、例えば、第１および第２サンプルホールド回路でサンプルホールドされる両電圧の差を計算して加速度を表す信号を出力する第１減算器と、第３および第４サンプルホールド回路でサンプルホールドされる両電圧の差を計算して角速度を表す信号を出力する第２減算器とで構成される。
【００１２】
このように構成した本発明の他の特徴においては、第１および第２時分割タイミングでは、電圧印加回路は、極性が反転する第１電圧信号を第１および第２容量素子の両端に印加するとともに、第１電圧信号と同相の第２電圧信号を第３および第４容量素子の両端に印加する。サンプリングタイミング制御回路は第１および第２時分割タイミング信号によって第１および第２サンプルホールド回路のサンプリングタイミングを制御するので、単一のチャージアンプを介して第１および第２サンプルホールド回路にサンプルホールドされる両電圧の差電圧は、第１および第２振動子のＹ軸方向における反対向きの変位を互いに打ち消しあって、第１および第２振動子のＹ軸方向における同じ向きの変位のみを表すことになる。また、第３および第４時分割タイミングでは、電圧印加回路は、極性が反転する第１電圧信号を第１および第２容量素子の両端に印加するとともに、第１電圧信号と逆相の第２電圧信号を第３および第４容量素子の両端に印加する。サンプリングタイミング制御回路は第３および第３時分割タイミング信号によって第３および第４サンプルホールド回路のサンプリングタイミングを制御するので、単一のチャージアンプを介して第３および第４サンプルホールド回路にサンプルホールドされる両電圧の差電圧は、第１および第２振動子のＹ軸方向における同じ向きの変位を互いに打ち消しあって、第１および第２振動子のＹ軸方向における反対向きの変位のみを表すことになる。
【００１３】
前述のように、基板に作用するＹ軸方向の加速度に対しては、第１および第２振動子はＹ軸方向における同じ向きに変位するので、第１および第２サンプルホールド回路にサンプルホールドされる両電圧の差電圧は前記加速度を表す。また、基板に作用するＺ軸線回りの角速度に対しては、第１および第２振動子はＹ軸方向において互いに反対向きに変位するので、第３および第４サンプルホールド回路にサンプルホールドされる両電圧の差電圧は前記角速度を表す。したがって、演算回路による第１ないし第４サンプルホールド回路の出力電圧の演算により、基板に作用する加速度および角速度が同時に検出できる。
【００１４】
その結果、この本発明の他の特徴によれば、前記本発明の特徴と同様に、チャージアンプを一つしか用いていないので、加速度および角速度を同時に検出する加速度角速度検出装置が簡単な構成で実現できる。また、この本発明の他の特徴によれば、チャージアンプを介して第１および第２サンプルホールド回路に供給される電圧信号は、チャージアンプの入力前において第１および第２振動子のＹ軸方向における反対向きの変位を表す信号を既に打ち消して、同Ｙ軸方向における同じ向きの変位のみを表すものである。また、チャージアンプを介して第３および第４サンプルホールド回路にサンプリングホールドされる電圧信号は、第１および第２振動子のＹ軸方向における同じ向きの変位を表す信号を既に打ち消して、同Ｙ軸方向における反対向きの変位のみを表すものである。したがって、第１および第２振動子の変位をそれぞれ独立して表す信号をチャージアンプを介して取得し、その後に第１および第２振動子の変位を用いて第１および第２振動子のＹ軸方向における同じ向きの変位（加速度）および反対向きの変位（角速度）を表す信号を計算するものに比べて、チャージアンプによるノイズ成分の影響を小さく抑えることができ、最終的に計算される加速度および角速度の検出精度が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
ａ．第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態について図面を用いて説明すると、図１は、同第１実施形態に係る加速度角速度検出装置を概略的に示している。
【００１６】
この加速度角速度検出装置は、半導体で構成した検出素子を備えている。この検出素子の各機能を果たす各部の具体的構成を説明する前に、同検出素子の全体構成について製造方法をまじえて簡単に説明しておく。まず、単結晶シリコン層の上面上にシリコン酸化膜（例えば、膜厚４．５μｍ）を介して単結晶シリコン層（例えば、膜厚４０μｍ）を設けたＳＯＩ(Silicon−On−Insulator)基板を用意し、単結晶シリコン層にリン、ボロン等の不純物をドーピングして単結晶シリコン層の上表面部を低抵抗化すなわち導電帯層とする。そして、最下層の単結晶シリコン層を基板１０とし、反応性エッチングなどにより中間層であるシリコン酸化膜（絶縁層）及び最上層である導電帯層を除去するとともに、フッ酸水溶液などを用いたエッチングにより最上層である導電帯層を残してシリコン酸化膜（絶縁層）のみを除去することにより、同基板１０上に各種機能部品を形成する。
【００１７】
図１において、前者の絶縁層（中間層）及び導電帯層（最上層）の両方を除去した部分を白色のままで示し、後者の絶縁層（中間層）のみを除去した部分を点模様で示す。この点模様の部分を、以下の説明では、基板１０から浮いた部分として説明する。また、絶縁層（中間層）及び導電帯層（最上層）の両方を基板１０上に残した部分を網模様で示し、以下、この網模様の部分を基板１０に固着した部分として説明する。
【００１８】
基板１０は、Ｘ軸方向に平行に延設された２辺及びＹ軸方向に平行に延設された２辺を有する方形状に形成されている。基板１０上には、一対の振動子２０−１，２０−２が同基板１０から浮かせてＸ軸方向対称位置に配置されている。振動子２０−１のＹ軸方向両外側には、長尺かつ幅広のメインフレーム３０−１，３０−２が基板１０から浮かせてＸ軸方向に延設して配置されている。振動子２０−２のＹ軸方向両外側にも、長尺かつ幅広のメインフレーム３０−３，３０−４が基板１０から浮かせてＸ軸方向に延設して配置されている。
【００１９】
振動子２０−１は、そのＹ軸方向両端にてＸ軸方向外側にそれぞれ一体的に延設された長尺かつ幅広のアーム部２１ａ，２１ｂを有している。アーム部２１ａ，２１ｂは、そのＸ軸方向両端にて、各一対の長尺かつ幅狭の検出用梁３１ａ，３１ｂを介してメインフレーム３０−１，３０−２のＸ軸方向両端にそれぞれ接続されていて、検出用梁３１ａ，３１ｂは、振動子２０−１をメインフレーム３０−１，３０−２に対してＸ軸方向に変位し難くかつＹ軸方向に変位し易く支持している。検出用梁３１ａ，３１ｂは、アーム部２１ａ，２１ｂ及びメインフレーム３０−１，３０−２と一体的に基板１０から浮かせて形成され、Ｘ軸方向に延設されている。
【００２０】
振動子２０−２も前記アーム部２１ａ，２１ｂと同様なアーム部２１ｃ，２１ｄを有し、同アーム部２１ｃ，２１ｄは前記検出用梁３１ａ，３１ｂと同様な検出用梁３１ｃ，３１ｄを介してメインフレーム３０−３，３０−４のＸ軸方向両端にそれぞれ接続されている。そして、これらの検出用梁３１ｃ，３１ｄも、振動子２０−２をメインフレーム３０−３，３０−４に対してＸ軸方向に変位し難くかつＹ軸方向に変位し易く支持している。
【００２１】
メインフレーム３０−１のＹ軸方向外側には、長尺かつ幅広のサブフレーム３２−１が基板１０から浮かせてＸ軸方向に延設されている。サブフレーム３２−１は、複数の長尺かつ幅狭の駆動用梁３３ａを介してメインフレーム３０−１に接続され、複数の長尺かつ幅狭の駆動用梁３４ａを介して基板１０に固着された複数のアンカ３５ａにそれぞれ接続されている。駆動用梁３３ａ，３４ａは、メインフレーム３０−１及びサブフレーム３２−１と一体的に基板１０から浮かせて形成されてＹ軸方向に延設されており、メインフレーム３０−１を基板１０に対してＸ軸方向に変位し易くかつＹ軸方向に変位し難く支持している。
【００２２】
各メインフレーム３０−２，３０−３，３０−４のＹ軸方向外側にも、前記メインフレーム３０−１の場合と同様に、サブフレーム３２−２，３２−３，３２−４がそれぞれ設けられている。そして、各メインフレーム３０−２，３０−３，３０−４も、各複数の駆動用梁３３ｂ〜３３ｄ、サブフレーム３２−２，３２−３，３２−４、各複数の駆動用梁３４ｂ〜３４ｄ及び各複数のアンカ３５ｂ〜３５ｄを介してそれぞれ基板１０にＸ軸方向に変位し易くかつＹ軸方向に変位し難く支持されている。
【００２３】
また、メインフレーム３０−１とメインフレーム３０−３は、各複数の長尺かつ幅狭のリンク梁４１ａ，４１ｃ及び長尺かつ幅広のリンク４２ａを介して連結されている。リンク梁４１ａ，４１ｃは、メインフレーム３０−１，３０−３と一体的に基板１０から浮かせて形成され、各一端にてメインフレーム３０−１，３０−３にそれぞれ接続されるとともにＹ軸方向に延設されて、各他端にてリンク４２ａにそれぞれ接続されている。リンク４２ａも、メインフレーム３０−１，３０−３と一体的に基板１０から浮かせて形成され、Ｘ軸方向に延設されている。
【００２４】
メインフレーム３０−２とメインフレーム３０−４も、前記メインフレーム３０−１，３０−３の場合と同様に、各複数の長尺かつ幅狭のリンク梁４１ｂ，４１ｄ及び長尺かつ幅広のリンク４２ｂを介して連結されている。
【００２５】
リンク４２ａ，４２ｂは、各一端にて、各複数の長尺かつ幅狭のサブリンク梁４３ａ，４３ｂ及び長尺かつ幅広のサブリンク４４ａを介して連結されている。サブリンク梁４３ａ，４３ｂは、リンク４２ａ，４２ｂと一体的に基板１０から浮かせて形成され、各一端にてリンク４２ａ，４２ｂにそれぞれ接続されるとともにＸ軸方向に延設されて、各他端にてサブリンク４４ａにそれぞれ接続されている。サブリンク４４ａも、リンク４２ａ，４２ｂと一体的に基板１０から浮かせて形成され、Ｙ軸方向に延設されている。また、これらのリンク４２ａ，４２ｂは、各他端にて、前記一端の場合と同様な各複数の長尺かつ幅狭のサブリンク梁４３ｃ，４３ｄ及び長尺かつ幅広のサブリンク４４ｂを介して連結されている。
【００２６】
また、基板１０上には、メインフレーム３０−１〜３０−４を基板１０に対してＸ軸方向に駆動するための駆動電極部５１−１〜５１−４と、振動子２０−１，２０−２の基板１０に対するＹ軸方向の振動を検出するための検出電極部５２−１〜５２−４とが設けられている。
【００２７】
駆動電極部５１−１，５１−２は、メインフレーム３０−１，３０−２のＸ軸方向外側端部にて一体的にＹ軸方向外側に基板１０から浮かせて延設した突出部３６ａ，３６ｂのＸ軸方向外側にそれぞれ設けられている。これらの駆動電極部５１−１，５１−２は、Ｘ軸方向に延設された櫛歯状の可動電極指５１ａ１、５１ａ２と、Ｘ軸方向に延設された櫛歯状の固定電極指５１ｂ１，５１ｂ２とによりそれぞれ構成されている。
【００２８】
各可動電極指５１ａ１、５１ａ２は、基板１０から浮かせて突出部３６ａ，３６ｂからＸ軸方向外側に一体的に延設形成され、各固定電極指５１ｂ１，５１ｂ２間のＹ軸方向各中央位置に侵入して各隣合う固定電極指５１ｂ１，５１ｂ２に対向している。各固定電極指５１ｂ１，５１ｂ２は、基板１０上に一体的に固着した配線部５１ｃ１，５１ｃ２を介して同基板１０上に一体的に固着したパッド部５１ｄ１，５１ｄ２に接続されている。パッド部５１ｄ１，５１ｄ２の上面には、導電金属（例えば、アルミニウム）で形成された電極パッド５１ｅ１，５１ｅ２がそれぞれ設けられている。
【００２９】
駆動電極部５１−３，５１−４は、メインフレーム３０−３，３０−４のＸ軸方向外側端部にて一体的にＹ軸方向外側に基板１０から浮かせて延設した突出部３６ｃ，３６ｄのＸ軸方向内側にそれぞれ設けられている。これらの駆動電極部５１−３，５１−４は、Ｘ軸方向に延設された櫛歯状の可動電極指５１ａ３，５１ａ４と、Ｘ軸方向に延設された櫛歯状の固定電極指５１ｂ３，５１ｂ４とによりそれぞれ構成されている。
【００３０】
各可動電極指５１ａ３、５１ａ４は、基板１０から浮かせて突出部３６ｃ，３６ｄからＸ軸方向内側に一体的に延設形成され、各固定電極指５１ｂ３，５１ｂ４のＹ軸方向各中央位置に侵入して各隣合う固定電極指５１ｂ３，５１ｂ４に対向している。各固定電極指５１ｂ３，５１ｂ４は、基板１０上に一体的に固着した配線部５１ｃ３，５１ｃ４を介して同基板１０上に一体的に固着したパッド部５１ｄ３，５１ｄ４に接続されている。パッド部５１ｄ３，５１ｄ４の上面には、導電金属（例えばアルミニウム）で形成された電極パッド５１ｅ３，５１ｅ４がそれぞれ設けられている。
【００３１】
検出電極部５２−１〜５２−４は、アーム部２１ａ〜２１ｄのＹ軸方向各内側にそれぞれ設けられている。これらの検出電極部５２−１〜５２−４は、Ｘ軸方向に延設された櫛歯状の可動電極指５２ａ１〜５２ａ４と、Ｘ軸方向に延設された櫛歯状の固定電極指５２ｂ１〜５２ｂ４とによりそれぞれ構成されている。
【００３２】
各可動電極指５２ａ１〜５２ａ４は、アーム部２１ａ〜２１ｄのＹ軸方向各内側に一体的に基板１０から浮かせて延設させた複数の突出部から、基板１０に対して浮かせてＸ軸方向に一体的に延設形成されている。これらの各可動電極指５２ａ１〜５２ａ４は、各固定電極指５２ｂ１〜５２ｂ４間に侵入して各隣合う固定電極指５２ｂ１〜５２ｂ４に対向しているが、各固定電極指５２ｂ１〜５２ｂ４間のＹ軸方向各中央位置よりもＹ軸方向外側に変位させて設けられている。各固定電極指５２ｂ１〜５２ｂ４は、基板１０上に一体的に固着した配線部５２ｃ１〜５２ｃ４を介して同基板１０上に一体的に固着したパッド部５２ｄ１〜５２ｄ４に接続されている。パッド部５２ｄ１〜５２ｄ４の上面には、導電金属（例えば、アルミニウム）で形成された電極パッド５２ｅ１〜５２ｅ４がそれぞれ設けられている。
【００３３】
さらに、基板１０上には、振動子２０−１，２０−２及びメインフレーム３０−１〜３０−４に、駆動用梁３３ｂ，３４ｂ、サブフレーム３２−２、検出用梁３１ａ〜３１ｄ、リンク梁４１ａ〜４１ｄ、リンク４２ａ，４２ｂ、サブリンク梁４３ａ〜４３ｄ、サブリンク４４ａ，４４ｂ、配線部２３ａなどを介して接続されたパッド部２３ｂが設けられている。配線部２３ａ及びパッド部２３ｂは、共に基板１０の上面に固着されている。パッド部２３ｂの上面には、導電金属（例えばアルミニウム）で形成された電極パッド２３ｃが設けられている。
【００３４】
次に、上記のように構成した検出素子を用いて加速度および角速度を検出するための電気回路装置について説明する。この電気回路装置は、図１に示すように、駆動信号発生器６１、反転増幅器６２および容量検出回路７０からなる。駆動信号発生器６１は、振動子２０−１，２０−２の共振周波数近傍の周波数を有する正弦波状の駆動振動を発生して、電極パッド５１ｅ１，５１ｅ２にそれぞれ供給する。反転増幅器６２は、駆動信号発生器６１に接続されて同駆動信号発生器６１からの駆動信号を反転増幅して、電極パッド５１ｅ３，５１ｅ４にそれぞれ供給する。
【００３５】
容量検出回路７０は、電極パッド５２ｅ１〜５２ｅ４，２３ｃに接続されている。この容量検出回路７０は、図２に詳細に示すように、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向の変位を時分割で取り出すための時分割サンプリング回路を構成するもので、電極パッド５２ｅ１〜５２ｅ４には電圧印加回路７１が接続され、電極パッド２３ｃにはチャージアンプ７２が接続されている。なお、基板１０内のコンデンサ（容量素子）Ｃ１〜Ｃ４は、それぞれ振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向の変位に伴って容量を変化させる図１の検出電極部５２−１〜５２−４を等価的に表している。
【００３６】
電圧印加回路７１は、電極パッド５２ｅ１，５２ｅ２間すなわちコンデンサＣ１，Ｃ２（検出電極部５２−１，５２−２）の両端間に第１電圧信号Ｖ１を付与するとともに、電極パッド５２ｅ３，５２ｅ４間すなわちコンデンサＣ３，Ｃ４（検出電極部５２−３，５２−４）の両端間に第２電圧信号Ｖ２を付与する。第１および第２電圧信号Ｖ１，Ｖ２は、共に振動子２０−１，２０−２の共振周波数よりも極めて高い周波数を有する。
【００３７】
第１電圧信号Ｖ１は、図３(Ａ)に示すように、電極パッド５２ｅ１，５２ｅ２にそれぞれ供給される互いに逆相の一対のパルス列信号Ｖ11，Ｖ12からなり、同一対のパルス列信号Ｖ11，Ｖ12は、第１時分割タイミングＴ１と第２時分割タイミングＴ２とでそれぞれ極性が反転し、かつ第３および第４時分割タイミングＴ３，Ｔ４では同一極性を維持する。第２電圧信号Ｖ２は、電極パッド５２ｅ３，５２ｅ４にそれぞれ供給される互いに逆相の一対のパルス列信号Ｖ21，Ｖ22からなり、同一対のパルス列信号Ｖ21，Ｖ22は、第１および第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２では同一極性を維持し、かつ第３時分割タイミングＴ３と第４時分割タイミングＴ４とでそれぞれ極性が反転する。
【００３８】
チャージアンプ７２は、オペアンプ、抵抗およびコンデンサからなり、互いに共通に接続されたコンデンサＣ１，Ｃ２およびコンデンサＣ３，Ｃ４の両中点の電圧を取り出すもので、前記中点の電圧信号を反転して出力する。チャージアンプ７２の出力には、互いに並列に接続されたサンプルホールド回路７３〜７６が接続されている。サンプルホールド回路７３は、スイッチング回路７３ａ、コンデンサ７３ｂおよびオペアンプ７３ｃからなる。スイッチング回路７３ａは、通常オフ状態に保たれており、サンプリングタイミング制御回路７７からの第１時分割タイミング信号Ｐ１のハイレベル時にのみオン状態に切換えられてチャージアンプ７２からの電圧信号を通過させる。コンデンサ７３ｂおよびオペアンプ７３ｃは、スイッチング回路７３ａを介して入力した電圧信号を次の時分割タイミングまでホールドする。他のサンプルホールド回路７４，７５，７６も、それぞれスイッチング回路７４ａ，７５ａ，７６ａ、コンデンサ７４ｂ,７５ｂ，７６ｂおよびオペアンプ７４ｃ、７５ｃ、７６ｃからなり、サンプリングタイミング制御回路７７からの第２、第３および第４時分割タイミング信号Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４によってそれぞれ制御されてサンプルホールド回路７３と同様に機能する。
【００３９】
サンプリングタイミング制御回路７７は、電圧印加回路７１と同期動作して、第１および第２電圧信号Ｖ１，Ｖ２に同期した第１〜第４時分割タイミング信号Ｐ１〜Ｐ４を発生する。これらの第１〜第４時分割タイミング信号Ｐ１〜Ｐ４は、図３(Ｂ)に示すように、第１〜第４時分割タイミングＴ１〜Ｔ４においてそれぞれハイレベルとなるパルス列信号である。
【００４０】
サンプルホールド回路７３，７４の出力には演算器８１が接続されているとともに、サンプルホールド回路７５，７６の出力には演算器８２が接続されている。演算器８１は、抵抗およびオペアンプとによって構成されて減算器として機能するもので、サンプルホールド回路７４の出力電圧からサンプルホールド回路７３の出力電圧を減算して出力する。演算器８２は、抵抗およびオペアンプとによって構成されて減算器として機能するもので、サンプルホールド回路７６の出力電圧からサンプルホールド回路７５の出力電圧を減算して出力する。
【００４１】
演算器８１，８２の出力には演算器８３，８４が接続されている。演算器８３は、抵抗およびオペアンプとによって構成されて加算器として機能するもので、演算器８１,８２の各出力電圧を加算して出力する。演算器８４は、抵抗およびオペアンプとによって構成されて減算器として機能するもので、演算器８２の出力電圧から演算器８１の出力電圧を減算して出力する。
【００４２】
次に、上記のように構成した加速度角速度検出装置の動作を説明する。この加速度角速度検出装置においては、駆動信号発生器６１からの駆動信号が電極パッド５１ｅ１，５１ｅ２を介して駆動電極部５１−１，５１−２に付与されるとともに、反転増幅器６２によって反転された前記駆動信号とは逆相の駆動信号が電極パッド５１ｅ３，５１ｅ４を介して駆動電極部５１−３，５１−４に付与される。これらの駆動信号の供給により、メインフレーム３０−１〜３０−４はＸ軸方向に振動し始める。このメインフレーム３０−１〜３０−４の振動は検出用梁３１ａ〜３１ｄを介して振動子２０−１，２０−２にも伝達され、振動子２０−１，２０−２もＸ軸方向に振動する。
【００４３】
この場合、駆動電極部５１−１，５１−２に付与される電圧信号の位相と、駆動電極部５１−３，５１−４に付与される電圧信号の位相とは互いに逆相であるので、メインフレーム３０−１，３０−２および振動子２０−１と、メインフレーム３０−３，３０−４および振動子２０−２とは、互いにＸ軸方向において反対向き（すなわち、逆相）に振動する。すなわち、メインフレーム３０−１，３０−２および振動子２０−１が中立位置から図１の左方向（または右方向）に変位しているときには、メインフレーム３０−３，３０−４および振動子２０−２１〜３０−４の中立位置から図１の右方向（または左方向）に変位する。
【００４４】
この状態で、基板１０に対してＸ軸及びＹ軸に直交するＺ軸回りに角速度が作用すると、検出用梁３１ａ〜３１ｄの撓みを伴って、振動子２０−１，２０−２はコリオリ力によって前記角速度に比例した振幅でＹ軸方向に振動し始める。この場合、振動子２０−１，２０−２のＸ軸方向の振動は互い逆相であるので、前記コリオリ力による振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向の振動も互いに逆相になる。すなわち、振動子２０−１が中立位置から図１の上方に変位しているときには、振動子２０−２は中立位置から図１の下方に変位する。逆に、振動子２０−１が中立位置から図１の下方に変位しているときには、振動子２０−２は中立位置から図１の上方に変位する。
【００４５】
また、基板１０に対してＹ軸方向に加速度が作用すると、検出用梁３１ａ〜３１ｄの撓みを伴って、振動子２０−１，２０−２は前記加速度に比例した大きさでＹ軸方向に変位する。この場合、加速度は振動子２０−１，２０−２に対してＹ軸方向における同一向きに作用することになるので、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向の変位方向は同じになる。そして、基板１０に対してこの加速度と前記角速度が同時に作用していれば、振動子２０−１，２０−２は、前記加速度によるＹ軸方向の変位に前記角速度によるＹ軸方向の振動を重畳させて中立位置からＹ軸方向に変位することになる。
【００４６】
このような振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向への変位により検出電極部５２−１〜５２−４（コンデンサＣ１〜Ｃ４）の静電容量が前記変位に応じて変化する。この場合、振動子２０−１，２０−２が図１の上方に変位したときには、可動電極指５２ａ１，５２ａ３は固定電極指５２ｂ１，５２ｂ３に近づく方向にそれぞれ変位するので検出電極部５２−１，５２−３（コンデンサＣ１，Ｃ３）の静電容量はそれぞれ増加し、可動電極指５２ａ２，５２ａ４は固定電極指５２ｂ２，５２ｂ４から遠ざかる方向にそれぞれ変位するので検出電極部５２−２，５２−４（コンデンサＣ２，Ｃ４）の静電容量はそれぞれ減少する。逆に、振動子２０−１．２０−２が図１の下方に変位したときには、可動電極指５２ａ１，５２ａ３は固定電極指５２ｂ１，５２ｂ３から遠ざかる方向にそれぞれ変位するので検出電極部５２−１，５２−３（コンデンサＣ１，Ｃ３）の静電容量は減少し、可動電極指５２ａ２，５２ａ４は固定電極指５２ｂ２，５２ｂ４に近づく方向に変位するので検出電極部５２−２，５２−４（コンデンサＣ２，Ｃ４）の静電容量は増加する。
【００４７】
一方、電圧印加回路７１は、コンデンサＣ１，Ｃ２の両端に第１電圧信号Ｖ１を印加しているとともに、コンデンサＣ３，Ｃ４の両端に第２電圧信号Ｖ２を印加し続けている。また、サンプリングタイミング制御回路７７は、サンプルホールド回路７３〜７６に第１〜第４時分割タイミング信号Ｐ１〜Ｐ４を出力している。そして、サンプルホールド回路７３〜７６は、チャージアンプ７２からの出力電圧を第１〜第４時分割タイミングＴ１〜Ｔ４でそれぞれサンプルホールドする。
【００４８】
この場合、第１電圧信号Ｖ１は、第１時分割タイミングＴ１と第２時分割タイミングＴ１とで、極性を反転させる。一方、第２電圧信号Ｖ２は、第１および第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２の間、極性を同一に保つ。したがって、この第１および第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２の時間帯においては、チャージアンプ７２は、振動子２０−２のＹ軸方向の変位から独立して、第１時分割タイミングＴ１と第２時分割タイミングＴ１との電圧差により振動子２０−１のＹ軸方向の変位のみを表す一組の電圧信号（２つの電圧信号）を出力する。この一組の電圧信号は、第１および第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２で、サンプルホールド回路７３，７４にサンプルホールドされる。そして、これらのサンプルホールドされた一組の電圧信号の差が演算器８１により演算されるので、演算器８１の出力電圧は、振動子２０−２のＹ軸方向の変位とは独立して、振動子２０−１のＹ軸方向の変位のみを表すことになる。
【００４９】
また、第１電圧信号Ｖ１は、第３および第４時分割タイミングＴ３，Ｔ４の間、極性を同一に保つ。一方、第２電圧信号Ｖ２は、第３時分割タイミングＴ３と第４時分割タイミングＴ４とで、極性を反転させる。したがって、この第３および第４時分割タイミングＴ３，Ｔ４の時間帯においては、チャージアンプ７２は、振動子２０−１のＹ軸方向の変位から独立して、第３時分割タイミングＴ３と第４時分割タイミングＴ４との電圧差により振動子２０−２のＹ軸方向の変位のみを表す一組の電圧信号（２つの電圧信号）を出力する。この一組の電圧信号は、第３および第４時分割タイミングＴ３，Ｔ４で、サンプルホールド回路７５，７６にサンプルホールドされる。そして、これらのサンプルホールドされた一組の電圧信号の差が演算器８２により演算されるので、演算器８２の出力電圧は、振動子２０−１のＹ軸方向の変位とは独立して、振動子２０−２のＹ軸方向の変位のみを表すことになる。
【００５０】
また、第１および第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２の時間帯においてコンデンサＣ１、Ｃ２に印加される第１電圧信号Ｖ１の極性の変化方向と、第３および第４時分割タイミングＴ３，Ｔ４の時間帯においてコンデンサＣ３、Ｃ４に印加される第２電圧信号Ｖ２の極性の変化方向とは同一であるので、前記演算器８１，８２から出力される振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向の変位を表す信号は、それぞれＹ軸方向における変位の向きも一致させている。言いかえれば、振動子２０−１，２０−２の各基準位置から上方または下方の変位を表す電圧信号は、共に正負の符号において一致する。
【００５１】
このようにして演算器８１，８２からそれぞれ出力された振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向の変位を表す両電圧信号は、演算器８３，８４に供給される。そして、演算器８３は、前記振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向の変位を表す両電圧信号を加算して出力する。一方、演算器８４は、前記振動子２０−２のＹ軸方向の変位を表す電圧信号から前記振動子２０−１のＹ軸方向の変位を表す電圧信号を減算して出力する。
【００５２】
そして、前述のように、基板１０に作用するＹ軸方向の加速度に対しては、振動子２０−１，２０−２はＹ軸方向おける同じ向きに変位する。また、基板１０のＺ軸線回りに作用する角速度に対しては、振動子２０−１，２０−２は、Ｙ軸方向において互いに反対向きに変位する。したがって、演算器８３の出力電圧は基板１０に作用するＹ軸方向の加速度の大きさを表し、演算器８４の出力電圧は基板１０のＺ軸線回りに作用する角速度の大きさを表すことになる。
【００５３】
上記作動説明からも理解できるとおり、上記第１実施形態による加速度角速度検出装置によれば、基板１０に作用する加速度および角速度が同時に検出される。そして、この加速度角速度検出装置は、単一のチャージアンプ７２を有するのみであるので、その構成が簡単になる。
【００５４】
次に、上記第１実施形態の変形例について説明する。この変形例は、図４に示すように、上記第１実施形態の演算器８１，８２，８３を一つの演算器８５で代用するとともに、上記第１実施形態の演算器８１，８２，８４を一つの演算器８５で代用したものである。他の構成については、上記第１実施形態と同じである。
【００５５】
演算器８５は、サンプルホールド回路７４，７６の出力電圧の和から、サンプルホールド回路７３，７５の出力電圧の和を減算して出力するものである。演算器８６は、サンプルホールド回路７３，７６の出力電圧の和から、サンプルホールド回路７４，７５の出力電圧の和を減算して出力するものである。演算器８５による演算は、上記第１実施形態における演算器８１，８２，８３による演算と実質的に同じである。また、演算器８５による演算は、上記第１実施形態における演算器８１，８２，８４による演算と実質的に同じである。したがって、この変形例においても、上記第１実施形態と同様に、簡単な構成で加速度および角速度を同時に検出可能となる。
【００５６】
ｂ．第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態においては、図５に示すように、サンプルホールド回路７３，７４の出力には演算器９１が接続されているとともに、サンプルホールド回路７５，７６の出力には演算器９２が接続されている。演算器９１は、抵抗およびオペアンプとによって構成されて減算器として機能するもので、サンプルホールド回路７４の出力電圧からサンプルホールド回路７３の出力電圧を減算して出力する。演算器９２は、抵抗およびオペアンプとによって構成されて減算器として機能するもので、サンプルホールド回路７６の出力電圧からサンプルホールド回路７５の出力電圧を減算して出力する。
【００５７】
また、この第２実施形態においては、電圧印加回路７１は、図６に示すような第１電圧信号Ｖ１をコンデンサＣ１，Ｃ２の両端に印加するとともに、第２電圧信号Ｖ２をコンデンサＣ３，Ｃ４の両端に印加する。
【００５８】
第１電圧信号Ｖ１は、互いに逆相の一対のパルス列信号Ｖ11，Ｖ12からなり、同一対のパルス列信号Ｖ11，Ｖ12は、第１時分割タイミングＴ１と第２時分割タイミングＴ２とでそれぞれ極性が反転するとともに、第３時分割タイミングＴ３と第４時分割タイミングＴ４とでもそれぞれ極性が反転する。また、第２電圧信号Ｖ２も、互いに逆相の一対のパルス列信号Ｖ21，Ｖ22からなり、同一対のパルス列信号Ｖ21，Ｖ22は、第１時分割タイミングＴ１と第２時分割タイミングＴ２とでそれぞれ極性が反転するとともに、第３時分割タイミングＴ３と第４時分割タイミングＴ４とでもそれぞれ極性が反転する。
【００５９】
また、前記第１および第２電圧信号Ｖ２は、第１および第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２で第１電圧信号Ｖ１と同相となり、かつ第３および第４時分割タイミングＴ３，Ｔ４で第１電圧信号Ｖ１と逆相となる。これは、この第２実施形態の特徴である。言いかえれば、第１および第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２では、第１電圧信号Ｖ１を構成する一組のパルス列信号Ｖ11，Ｖ12の各位相（レベル変化）と、第２電圧信号Ｖ２を構成する一組のパルス列信号Ｖ21，Ｖ22の各位相（レベル変化）とがそれぞれ一致する。一方、第３および第４時分割タイミングＴ３，Ｔ４では、第１電圧信号Ｖ１を構成する一組のパルス列信号Ｖ11，Ｖ12の各位相（レベル変化）と、第２電圧信号Ｖ２を構成する一組のパルス列信号Ｖ21，Ｖ22の各位相（レベル変化）とがそれぞれ反対になる。他の構成は上記第１実施形態と同じである。
【００６０】
このように構成した第２実施形態において、第１および第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２では、電圧印加回路７１により、極性が反転する第１電圧信号Ｖ１がコンデンサＣ１，Ｃ２の両端に印加されるとともに、第１電圧信号Ｖ１と同相の第２電圧信号Ｖ２がコンデンサＣ３，Ｃ４の両端に印加される。したがって、第１時分割タイミングＴ１と第２時分割タイミングＴ２とでチャージアンプ７２から出力される一組の電圧信号は、その差により、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向における反対向きの変位を互いに打ち消しあって、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向における同じ向きの変位のみを表すことになる。そして、サンプルホールド回路７３，７４は、上記第１実施形態の場合と同様に、第１および第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２にて、チャージアンプ７２からの電圧信号をそれぞれサンプルホールドする。
【００６１】
上記第１実施形態の場合に説明したように、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向における同じ向きの変位は、基板１０に作用するＹ軸方向の加速度である。したがって、サンプルホールド回路７３、７４にそれぞれサンプルホールドされた各電圧信号の差は、基板１０に作用するＹ軸方向の加速度の大きさを表すことになる。そして、演算器９１が、前記サンプルホールドされた各電圧信号の差を演算して出力するので、同演算器９１から前記加速度の大きさを表す出力電圧が取り出される。
【００６２】
また、第３および第４時分割タイミングでは、電圧印加回路７１により、極性が反転する第１電圧信号Ｖ１がコンデンサＣ１，Ｃ２の両端に印加されるとともに、第１電圧信号Ｖ１と逆相の第２電圧信号Ｖ２がコンデンサＣ３，Ｃ４の両端に印加される。したがって、第３時分割タイミングＴ３と第４時分割タイミングＴ４とでチャージアンプ７２から出力される一組の電圧信号は、その差により、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向における同じ向きの変位を互いに打ち消しあって、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向における反対向きの変位のみを表すことになる。そして、サンプルホールド回路７５，７６は、上記第１実施形態の場合と同様に、第３および第４時分割タイミングＴ３，Ｔ４にて、チャージアンプ７２からの電圧信号をそれぞれサンプルホールドする。
【００６３】
上記第１実施形態の場合に説明したように、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向における反対向きの変位は、基板１０に作用するＺ軸回りの角速度である。したがって、サンプルホールド回路７５、７６にそれぞれサンプルホールドされた各電圧信号の差は、基板１０に作用するＺ軸回りの角速度の大きさを表すことになる。そして、演算器９２が、前記サンプルホールドされた各電圧信号の差を演算して出力するので、同演算器９２から前記加速度の大きさを表す出力電圧が取り出される。
【００６４】
その結果、この第２実施形態によっても、上記第１実施形態の場合と同様に、単一のチャージアンプ７２のみを用いるだけで、加速度および角速度を同時に検出できるので、加速度角速度検出装置が簡単な構成で実現される。
【００６５】
また、この第２実施形態によれば、チャージアンプ７２を介してサンプルホールド回路７３，７４に供給される一組の電圧信号は、チャージアンプ７２の入力前において振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向における反対向きの変位を表す信号を既に打ち消して、同Ｙ軸方向における同じ向きの変位のみを表すものである。また、チャージアンプ７２を介してサンプルホールド回路７５，７６にサンプリングホールドされる一組の電圧信号は、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向における同じ向きの変位を表す信号を既に打ち消して、同Ｙ軸方向における反対向きの変位のみを表すものである。したがって、振動子２０−１，２０−２の変位をそれぞれ独立して表す信号をチャージアンプ７２を介して取得し、その後に振動子２０−１，２０−２の変位を用いて振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向における同じ向きの変位（加速度）および反対向きの変位（角速度）を表す信号を計算するものに比べて、チャージアンプ７２によるノイズ成分の影響を小さく抑えることができ、最終的に計算される加速度および角速度の検出精度が向上する。
【００６６】
さらに、本発明の実施にあたっては、上記第１および第２実施形態および変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変形も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１および第２実施形態に係る加速度角速度検出装置の概略図である。
【図２】 図１の容量検出回路を詳細に示すブロック図である。
【図３】 (Ａ)は図２の電圧印加回路から出力される電圧信号の波形図であり、(Ｂ)は図２のサンプリングタイミング制御回路から出力されるサンプリングタイミング制御信号の波形図である。
【図４】 第１実施形態の変形例に係る容量検出回路を詳細に示すブロック図である。
【図５】 第２実施形態に係る容量検出回路を詳細に示すブロック図である。
【図６】 図５の電圧印加回路から出力される電圧信号の波形図である。
【符号の説明】
１０…基板、２０−１，２０−２…振動子、３０−１〜３０−４…メインフレーム、５１−１〜５１−４…駆動電極部、５２−１〜５２−４…検出電極部、６１…駆動信号発生器、６２…反転増幅器、７０…容量検出回路、７１…電圧印加回路、７２…チャージアンプ、７３〜７６…サンプルホールド回路、７７…サンプリングタイミング制御回路、８１〜８６，９１，９２…演算器。
Claims (2)
- 基板上に支持されて互いに直交するＸＹ軸方向に変位可能な第１および第２振動子と、
前記基板上に設けられて前記第１及び第２振動子をＸ軸方向であって互いに反対向きに振動させる駆動部と、
前記基板上に設けられるとともに直列に接続されて前記第１振動子のＹ軸方向における基準位置から一方への変位に対して容量を互いに逆方向に増減させる第１および第２容量素子と、
前記基板上に設けられるとともに直列に接続されて前記第２振動子のＹ軸方向における基準位置から一方への変位に対して容量を互いに逆方向に増減させる第３および第４容量素子とを備え、
前記第１および第２振動子のＹ軸方向への変位に伴う前記第１ないし第４容量素子の容量変化により、前記基板に作用するＹ軸方向の加速度と、前記基板に作用するＸおよびＹ軸方向に直交したＺ軸回りの角速度とを検出する加速度角速度検出装置において、
前記直列接続された第１および第２容量素子の中点と前記直列接続された第３および第４容量素子の中点とに共通に接続されて両中点の電圧を取り出す単一のチャージアンプと、
前記チャージアンプの出力に並列に接続された第１ないし第４サンプルホールド回路と、
前記第１ないし第４サンプルホールド回路に対して時間軸上のそれぞれ異なる第１ないし第４時分割タイミングで第１ないし第４時分割タイミング信号を出力し、同第１ないし第４サンプルホールド回路のサンプリングタイミングを制御するサンプリングタイミング制御回路と、
前記第１時分割タイミングと第２時分割タイミングとで極性が反転し、かつ前記第３時分割タイミングと第４時分割タイミングとで極性が反転しない第１電圧信号を前記第１および第２容量素子の両端に印加するとともに、前記第１時分割タイミングと第２時分割タイミングとで極性が反転せず、かつ前記第３時分割タイミングと第４時分割タイミングとで極性が反転する第２電圧信号を前記第３および第４容量素子の両端に印加する電圧印加回路と、
前記第１ないし第４サンプルホールド回路の出力電圧を演算して前記加速度および前記角速度を表す信号をそれぞれ出力する演算回路とを設けたことを特徴とする加速度角速度検出装置。 - 基板上に支持されて互いに直交するＸＹ軸方向に変位可能な第１および第２振動子と、
前記基板上に設けられて前記第１及び第２振動子をＸ軸方向であって互いに反対向きに振動させる駆動部と、
前記基板上に設けられるとともに直列に接続されて前記第１振動子のＹ軸方向における基準位置から一方への変位に対して容量を互いに逆方向に増減させる第１および第２容量素子と、
前記基板上に設けられるとともに直列に接続されて前記第２振動子のＹ軸方向における基準位置から一方への変位に対して容量を互いに逆方向に増減させる第３および第４容量素子とを備え、
前記第１および第２振動子のＹ軸方向への変位に伴う前記第１ないし第４容量素子の容量変化により、前記基板に作用するＹ軸方向の加速度と、前記基板に作用するＸおよびＹ軸方向に直交したＺ軸回りの角速度とを検出する加速度角速度検出装置において、
前記直列接続された第１および第２容量素子の中点と前記直列接続された第３および第４容量素子の中点とに共通に接続されて両中点の電圧を取り出す単一のチャージアンプと、
前記チャージアンプの出力に並列に接続された第１ないし第４サンプルホールド回路と、
前記第１ないし第４サンプルホールド回路に対して時間軸上のそれぞれ異なる第１ないし第４時分割タイミングで第１ないし第４時分割タイミング信号を出力し、同第１ないし第４サンプルホールド回路のサンプリングタイミングを制御するサンプリングタイミング制御回路と、
前記第１時分割タイミングと第２時分割タイミングとで極性が反転し、かつ前記第３時分割タイミングと第４時分割タイミングとで極性が反転する第１電圧信号を前記第１および第２容量素子の両端に印加するとともに、前記第１時分割タイミングおよび第２時分割タイミングで前記第１電圧信号と同相となり、かつ前記第３時分割タイミングおよび第４時分割タイミングで前記第１電圧信号と逆相となる第２電圧信号を前記第３および第４容量素子の両端に印加する電圧印加回路と、
前記第１ないし第４サンプルホールド回路の出力電圧を演算して前記加速度および前記角速度を表す信号をそれぞれ出力する演算回路とを設けたことを特徴とする加速度角速度検出装置。
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