JP2014048179A - 回転検出装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加速度センサに生じた誤差の影響が以降の検出出力に及ばず、従来よりも回路規模を縮小できる回転検出装置および方法を提供する。
【解決手段】回転検出装置は、一対のサーボ型加速度センサ１０１，１０２と、各サーボ型加速度センサ１０１，１０２からの出力信号を演算する演算処理回路２０１とを備える。各サーボ型加速度センサ１０１，１０２は、回転可能な構造物１０３の一平面内に、ある距離Ｒを隔てて配置され、各センサの加速度検出方向が、互いに平行で、かつ各センサ位置を結ぶ線分１０４に対しても平行に配置される。演算処理回路２０１は、各サーボ型加速度センサ１０１，１０２からのサーボ電圧（Ｖ_１，Ｖ_２）の和（Ｖ_１＋Ｖ_２）および差（Ｖ_１−Ｖ_２）を計算し、得られた和値と差値の積（Ｖ_１＋Ｖ_２）×（Ｖ_１−Ｖ_２）の平方根を算出して、構造物１０３の回転の速さとして出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、加速度センサを用いた回転検出装置および方法に関する。

従来、回転検出装置として、運動体の一平面上に、ある距離を隔てて配置された２つの加速度センサからの各出力の差分から、この平面に垂直な軸の周りの角加速度を検出し、その積分により回転を検出する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、同様に２つの加速度センサ出力の差分を用い、２つの加速度センサの加速度検出方向が互いに平行でかつ互いの配置位置を結ぶ線分に対しても平行に配置することによって、その各出力の差分を積分せずに角速度の２乗を得る方法も広く知られている。

また、従来、加速度センサとして、加速度の作用に伴って生じる、センサ内の静電容量の変化をもとに、作用した加速度を検出する静電容量型の加速度センサも知られている。さらにこの静電容量型の加速度センサでは、検出分解能の向上、可動電極と基板との接触による動作不良あるいは破損防止等のために、この加速度センサをサーボ型として使用するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。即ち、このようなサーボ型の加速度センサに作用した加速度によって、センサ内の可動電極がねじれ梁の周りにねじれ、ねじれ梁を中心とした可動電極の左右側と、各駆動電極との間の静電容量に不均衡が生じる。この不均衡量をフィードバックし、不均衡量に応じた電圧を駆動電極に印加して、可動電極と駆動電極との間に生じる静電力によって、可動電極のねじれを変位０の位置に戻すようにする。このときの、変位０の位置に戻すための駆動電極への印加電圧に基づいて、作用した加速度が求められる。

特開昭６２−７０７６６号公報 国際公開第２００３／０４４５３９号

上述の回転検出装置では、角加速度を検出しその積分により回転を検出するため、加速度センサに誤差が生じた場合、以降の検出出力に影響が長く残ってしまうという課題がある。

また、上述のサーボ型加速度センサでは、可動電極と駆動電極との間に生じる静電力の大きさは、駆動電極に印加した電圧の２乗に比例する。よって、駆動電極に印加した電圧に基づいて作用した加速度を求める際には、電圧値の２乗を演算する乗算回路が必要となる。

たとえば、デジタル演算処理回路では、一般に、加算処理及び減算処理に比べて２乗演算等の乗算処理は、回路規模が大きくなる。例えば、ｎビットの数値同士の加算及び減算回路の規模を１とすれば、その数値同士の乗算回路の規模は、概ねｎの２乗の規模となる。したがって、上述のサーボ型加速度センサを２つ用いて、加速度センサの加速度検出方向が互いに平行でかつ互いの配置位置を結ぶ線分に対しても平行に配置することによって、その各出力の差分を積分せずに角速度の２乗を得る方法を適用した回転検出装置を構成する場合、図２１に示すように、乗算回路がそれぞれの加速度センサに１つずつを要し、計２つの加速度センサが必要となり、総じて回路規模が大きくなるという課題がある。

本発明の目的は、加速度センサに生じた誤差の影響が以降の検出出力に及ばず、従来よりも回路規模を縮小できる回転検出装置および方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る回転検出装置は、一対のサーボ型加速度センサと、
各サーボ型加速度センサからの出力信号を演算する演算処理回路とを備え、
各サーボ型加速度センサは、回転可能な構造物の一平面内に、ある距離を隔てて配置され、各センサの加速度検出方向が、互いに平行で、かつ各センサ位置を結ぶ線分に対しても平行に配置され、
前記演算処理回路は、各サーボ型加速度センサからのサーボ電圧（Ｖ_１，Ｖ_２）の和（Ｖ_１＋Ｖ_２）および差（Ｖ_１−Ｖ_２）を計算し、得られた和値と差値の積（Ｖ_１＋Ｖ_２）×（Ｖ_１−Ｖ_２）の平方根を算出して、構造物の回転の速さとして出力する。

本発明の一態様によれば、従来に比べて乗算回路の個数を削減できるため、演算処理回路の規模縮小を図ることができる。その結果、装置の小型化、省電力を図ることができる。また、積分回路を用いることなく回転の速さを算出できるため、加速度センサに生じた誤差の影響が以降の検出出力に及ばないという利点がある。

本発明の実施の形態１を示すブロック図である。 図１に示す回転検出装置の機能を示すブロック図である。 図２に示すサーボ型加速度センサの機能を示すブロック図である。 センサ素子構造体を示す平面図である。 図４に示すセンサ素子構造体から変位ユニットを除いた部分を示す平面図である。 図４に示すＡ−Ａ線に沿った端面図である。 図４に示すセンサ素子構造体において形成される静電容量の説明図である。 図３に示す容量−電圧変換回路の構成を示す回路図である。 図２に示すサーボ型加速度センサの動作を示す説明図である。 図２に示すサーボ型加速度センサの動作を示す説明図である。 図２に示すサーボ型加速度センサの動作を示す説明図である。 作用した加速度と、加速度によって生じた変位を０にする電圧との関係を示すグラフである。 作用した加速度とサーボ型加速度センサの出力との関係を示すグラフである。 回転検出装置が回転するときに、サーボ型加速度センサが受ける力を示した説明図である。 実装基板上に２つのサーボ型加速度センサが一体的に配置された構成例を示す平面図である。 本発明の実施の形態２に係る回転検出装置におけるセンサ素子構造体を示す平面図である。 図１６に示すＢ−Ｂ線に沿った端面図である。 図１６に示すセンサ素子構造体において形成される静電容量の説明図である。 図１６に示すセンサ素子構造体において形成される静電容量の説明図である。 図１６に示すセンサ素子構造体を同一の基板上に作製した構成例を示す平面図である。 ２つの乗算回路を搭載した従来の回転検出装置の機能を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示すブロック図である。回転検出装置３０１は、２つのサーボ型加速度センサ１０１，１０２と、演算処理回路２０１とを備える。２つのサーボ型加速度センサ１０１，１０２は、回転中心を中心として回転可能に支持され、加速度の作用が可能なように構成された構造物１０３に、距離Ｒを隔てて配置されている。さらに、各センサ１０１，１０２の加速度検出方向は、互いに平行であり、かつ各センサ位置、例えば、各センサの中心位置を結ぶ線分１０４に対しても平行に配置されている。ここで、各センサの加速度検出方向を検出軸ＤＡとして示す。また、図１では、演算処理回路２０１も構造物１０３に設置した形態を例示しているが、演算処理回路２０１は、構造物１０３とは別に設置してもよい。

図２は、回転検出装置３０１の機能を示すブロック図である。サーボ型加速度センサ１０１，１０２では、以下に詳しく説明するように、構造物１０３に加速度が作用することで、各サーボ型加速度センサ１０１，１０２に設けた慣性質量体が相対変位する。この変位を、加速度が作用していない状態、つまり変位０の位置まで戻すために必要な静電力を発生させるための電圧（サーボ電圧）を、各サーボ型加速度センサ１０１，１０２は出力する。

演算処理回路２０１は、引算回路Ｑａ、加算回路Ｑｂ、乗算回路Ｑｃおよび平方根回路Ｑｄなどを含み、２つのサーボ型加速度センサ１０１，１０２がそれぞれ出力するサーボ電圧（Ｖ_１，Ｖ_２）の和（Ｖ_１＋Ｖ_２）および差（Ｖ_１−Ｖ_２）を計算し、得られた和値と差値の積（Ｖ_１＋Ｖ_２）×（Ｖ_１−Ｖ_２）の平方根を算出して、構造物１０３の回転の速さとして出力する。なお、Ｖ_１＜Ｖ_２の場合は（Ｖ_２−Ｖ_１）を差値とする。これらの回路Ｑａ〜Ｑｄは、デジタル回路、マイクロプロセッサ、ＦＰＧＡ(Field-Programmable Gate Array)、ＡＩＳＣ(Application Specific Integrated Circuit)などで実現できる。この演算処理回路２０１の動作については後で詳しく説明する。

図３は、回転検出装置３０１におけるサーボ型加速度センサ１０１，１０２の機能を示すブロック図である。各サーボ型加速度センサ１０１，１０２は、センサ素子構造体１５と、容量−電圧変換回路２０と、サーボ制御回路３０と、アナログデジタル変換回路４０とをそれぞれ備える。なお、サーボ型加速度センサ１０２は、サーボ型加速度センサ１０１と同じ構成であるため、図示を省略している。

センサ素子構造体１５は、回転変位可能に支持された可動電極、ならびに可動電極に対向してそれぞれ配置された駆動電極および検出電極を備えており、その詳細は図４〜図７を参照して後述する。容量−電圧変換回路２０は、可動電極と検出電極との間の静電容量を測定して、可動電極の変位を検出する機能を有する。サーボ制御回路３０は、印加電圧制御部３１、スイッチ３２などを備え、容量−電圧変換回路２０が検出した可動電極の変位に応じて、可動電極の変位を減少させるためのサーボ電圧を駆動電極へ印加する機能を有する。アナログデジタル変換回路４０は、サーボ制御回路３０から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して、後段の演算処理回路２０１に出力する機能を有する。

図４は、センサ素子構造体１５を示す平面図である。図５は、理解促進のため、図４に示すセンサ素子構造体１５から変位ユニット２を除いた部分を示す平面図である。図６は、図４に示すＡ−Ａ線に沿った端面図である。図７は、センサ素子構造体１５において形成される静電容量の説明図である。

センサ素子構造体１５は、図４と図５に示すように、表面に電気絶縁体９が形成された基板１と、基板１上に電気絶縁体９を介して固定された柱状のアンカー５と、アンカー５によって支持された変位ユニット２などを備える。

変位ユニット２は、ねじれ梁６と、検出フレーム７と、リンク梁４と、慣性質量体３などを備える。ねじれ梁６は、アンカー５の両側面からねじれ軸６ａに沿って水平方向に延出しており、ねじれ軸６ａの周りのねじれ運動を許容する機能を有する。検出フレーム７は、全体として矩形板状をなし、中央には矩形状の開口部が設けられ、この開口部の内壁にねじれ梁６の先端が一体的に連結されている。これにより検出フレーム７は、ねじれ梁６によってねじれ軸６ａの周りに回転変位可能に支持される。変位ユニット２、特に、検出フレーム７、ねじれ梁６およびアンカー５は、導電性材料で形成されており、検出フレーム７は、センサ素子の可動電極として機能する。

リンク梁４は、検出フレーム７と慣性質量体３とを一体的に連結しつつ、両者間の相対ねじれ運動を許容する機能を有する。慣性質量体３は、全体として矩形枠状をなし、検出フレーム７の外側に配置され、リンク梁４を介して中空支持される。リンク梁４は、ねじれ軸６ａから一定距離だけ離れた位置に設置されている。そのためセンサ素子構造体に対して、基板１に垂直な方向の加速度が作用した場合、慣性質量体３は慣性によって静止しようとするのに対して、基板１は加速度の方向に変位するため、リンク梁４によるモーメントが作用して検出フレーム７はねじれ軸６ａの周りに回転変位を生ずる。こうしてセンサの検出軸ＤＡは、基板１に垂直な方向に設定される。

基板１の上面には、図５と図６に示すように、電気絶縁体９を介して一対の駆動電極１１ａ，１１ｂおよび一対の検出電極８ａ，８ｂが、アンカー５を中心として対称に設置される。そのため駆動電極１１ａ，１１ｂおよび検出電極８ａ，８ｂは、検出フレーム７にそれぞれ対向するように間隔ｄを隔てて位置決めされる。

駆動電極１１ａ，１１ｂは、検出フレーム７の電位を基準としてある電圧が印加されることによって、検出フレーム７と間に静電力が発生し、これにより検出フレーム７を時計回りまたは反時計回りに回転変位させることができる。検出電極８ａ，８ｂは、検出フレーム７との間で２つのキャパシタを形成しており、検出フレーム７の回転変位に伴って各キャパシタの静電容量が変化する。

こうしたセンサ素子構造体１５は、基板１上への成膜、パターニング、エッチングといったプロセスを繰り返し行う半導体微細加工技術を利用した、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイス製造技術によって製造可能である。

基板１としては、シリコン基板、ガラス基板などを用いることができる。電気絶縁体９としては、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜を用いることができる。またアンカー５、ねじれ梁６、検出フレーム７、リンク梁４、慣性質量体３、駆動電極１１ａ，１１ｂ、検出電極８ａ，８ｂとしては、導電性ポリシリコン膜を用いることができる。この導電性ポリシリコン膜は、低応力で、かつ応力分布がないことが望ましい。

アンカー５および変位ユニット２の各部材は、等電位になるように相互に電気的に接続されているが、基板１、駆動電極１１ａ，１１ｂ、検出電極８ａ，８ｂとは電気的に絶縁されている。

こうしたセンサ素子構造体１５をサーボ型加速度センサ１０１，１０２として使用する場合、検出電極８ａ，８ｂは容量−電圧変換回路２０と電気的に接続され、駆動電極１１ａ，１１ｂはサーボ制御回路３０と電気的に接続されている。この電気的な接続は、図示していないが、基板１上の配線パターン、ボンディングワイヤ等を用いて実現できる。

図７に示すように、可動電極として機能する検出フレーム７と検出電極８ａとの間には静電容量Ｃｄａが形成され、検出フレーム７と検出電極８ｂとの間には静電容量Ｃｄｂが形成される。同様に、検出フレーム７と駆動電極１１ａとの間には静電容量Ｃｓａが形成され、検出フレーム７と駆動電極１１ｂとの間には静電容量Ｃｓｂが形成される。

図８は、容量−電圧変換回路２０の構成を示す回路図である。容量−電圧変換回路２０は、静電容量Ｃｄａ，Ｃｄｂに差が生じた場合、その差分に応じた電圧を出力する。図８に示すように、静電容量Ｃｄａ，Ｃｄｂは直列に接続され、静電容量Ｃｄａの一端には一定電位Ｖｄが印加され、静電容量Ｃｄｂの一端は接地されている。また、静電容量Ｃｄａと静電容量Ｃｄｂとの接続部には、出力端子が設けられる。この端子の出力電位Ｖｏｕｔは、次の式（１）で表される。

検出フレーム７がねじれ軸６ａの周りに回転変位すると、静電容量Ｃｄａ，Ｃｄｂは、その増減方向が互いに反対に変化する。即ち、検出フレーム７の回転変位によって、静電容量Ｃｄａが増加すれば静電容量Ｃｄｂが減少し、一方、静電容量Ｃｄａが減少すれば静電容量Ｃｄｂが増加する。検出電極８ａ，８ｂと検出フレーム７との間隔ｄと比べて検出フレーム７の回転変位が充分小さい領域では、静電容量の合計（Ｃｄａ＋Ｃｄｂ）は一定であるとともに、静電容量の差（Ｃｄａ−Ｃｄｂ）は回転変位に比例して変化する。そのため容量−電圧変換回路２０は、検出フレーム７の回転変位に比例した電位Ｖｏｕｔを出力する。

次に、サーボ制御回路３０について説明する。図３において、サーボ制御回路３０は、容量−電圧変換回路２０の出力の大きさに応じて、スイッチ３２により駆動電極１１ａ，１１ｂのどちらに電圧を印加するかを選択することによって、センサ素子構造体１５の駆動電極１１ａまたは駆動電極１１ｂに電圧を印加する。即ち、サーボ制御回路３０は、容量−電圧変換回路２０の出力電位Ｖｏｕｔが（Ｖｄ／２）よりも大きい場合には、駆動電極１１ｂに電圧を印加し、一方、出力電位Ｖｏｕｔが（Ｖｄ／２）よりも小さい場合には駆動電極１１ａに電圧を印加し、その結果、検出フレーム７の変位を変位０の位置、つまり加速度が作用していないときの検出フレーム７の状態に戻すように作用する。

以上のように構成されたサーボ型加速度センサ１０１，１０２の動作について、図９〜図１１を参照して説明する。なお、図９〜図１１では、サーボ型加速度センサ１０１，１０２に対して、基板１の上面から裏面に向かう正方向４０１の加速度が印加された状態を例示している。

サーボ型加速度センサ１０１，１０２に対して正方向４０１の加速度Ｇが印加されると、図９に示すように、慣性質量体３は慣性力Ｆｉを受けて、基板１に対し相対的に基板１から離れる方向（負方向４０２）に変位する。このときリンク梁４は、慣性質量体３とともに負方向４０２に変位する。検出フレーム７は、リンク梁４の変位によって時計回りのモーメントが作用し、リンク梁４及びねじれ梁６の変形による復元力と釣り合うまで、ねじれ軸６ａの周りに回転変位する。この回転変位により、検出フレーム７と検出電極８ａ，８ｂとの間隔がそれぞれ変化し、検出電極８ａでの静電容量Ｃｄａは減少し、検出電極８ｂでの静電容量Ｃｄｂは増加する。容量−電圧変換回路２０は、静電容量Ｃｄａ，Ｃｄｂの変化に基づいて、検出フレーム７の変位を出力電位Ｖｏｕｔとして出力する。

ここで、駆動電極１１ａに電圧Ｖｓ_１１ａを印加すると、図１０に示すように、静電力Ｆｓ_１１ａが生じる。静電力Ｆｓ_１１ａは、印加電圧Ｖｓ_１１ａ、間隔ｄ、駆動電極１１ａが検出フレーム７と対向する面積Ｓ_１１、誘電率εを用いて、次の式（２）のように表される。

駆動電極１１ａへの印加電圧Ｖｓ_１１ａを変化させることにより、発生する静電力Ｆｓ_１１ａを変化させることができるので、検出フレーム７の変位を０とするように印加電圧Ｖｓ_１１ａを制御することができる。ここで、検出フレーム７の変位を０とする印加電圧をＶ_１１ａ、このときに発生する静電力をＦ_１１ａとする。印加電圧Ｖ_１１ａは、検出フレーム７の変位に対して単調関数であり、検出フレーム７の変位は、作用した加速度に対して単調関数である。よって、作用した加速度に対して、印加電圧Ｖ_１１ａは一意に定まる。

印加電圧Ｖ_１１ａを駆動電極１１ａへ印加すると、図１１に示すように、静電力Ｆ_１１ａによって、検出フレーム７の回転変位が元に戻る方向に検出フレーム７は回転変位する。その結果、検出フレーム７は、静電力Ｆ_１１ａと、リンク梁４およびねじれ梁６の復元力と、慣性力Ｆｉとが釣り合う位置に変位し、変位０に戻る。

作用した加速度によって生じる慣性質量体３の変位は、作用した加速度に比例し、リンク梁４及びねじれ梁６の変形による復元力は、慣性質量体３の変位に比例するため、変位０の位置に戻すために必要な静電力Ｆ_１１ａは、作用した加速度に比例する。

図１２は、作用した加速度Ｇと、作用した加速度によって生じた変位を０にする電圧Ｖ_１１ａとの関係を示すグラフである。図１２において、横軸は加速度センサに作用した加速度Ｇ、縦軸は変位を０にする印加電圧を示している。上述の式（２）を参照して、間隔ｄが一定のもとでは、静電力の大きさは、印加電圧の２乗に比例することから、作用した加速度Ｇと、変位を０にする印加電圧Ｖ_１１ａとの関係は、次の式（３）のように表され、印加電圧の２乗は加速度Ｇに比例する。

同様に、サーボ型加速度センサ１０１，１０２に負方向４０２の加速度が印加された場合にも、サーボ制御回路３０のスイッチ３２の切り替えにより、駆動電極１１ａの替わりに駆動電極１１ｂに電圧Ｖ_１１ｂを印加することによって、検出フレーム７の変位を０にすることができる。また、印加電圧の２乗は加速度の大きさに比例する。

また、作用した加速度の方向（正、負）は、前述のように、容量−電圧変換回路２０の出力Ｖｏｕｔが（Ｖｄ／２）よりも大きければ正、小さければ負として認識できる。

本実施形態に係る回転検出装置３０１において、サーボ型加速度センサ１０１，１０２は、検出フレーム７を変位０の位置に戻すために駆動電極１１ａ，１１ｂへ印加する電圧を出力するが、加速度が正方向４０１に作用している場合には印加電圧Ｖ_１１ａを、加速度が負方向４０２に作用している場合には、印加電圧Ｖ_１１ｂを、その符号を反転して、−Ｖ_１１ｂとして出力する。即ち、サーボ型加速度センサ１０１，１０２の出力Ｖは、次の式（４）で表される。

図１３は、作用した加速度とサーボ型加速度センサ１０１，１０２の出力との関係を示すグラフである。図１３において、横軸はサーボ型加速度センサ１０１，１０２に作用した加速度Ｇ、縦軸はサーボ型加速度センサ１０１，１０２の出力を示している。２つのサーボ型加速度センサ１０１，１０２は、検出軸方向に作用した加速度、すなわち力に応じて電圧Ｖ_１，Ｖ_２をそれぞれ出力する。

次に、本実施形態に係る回転検出装置３０１の動作について説明する。

図１４は、回転検出装置３０１が回転中心Ｏを中心に回転するときに、サーボ型加速度センサ１０１，１０２が受ける力、すなわち加速度を示した説明図である。図１と図２に示す回転検出装置３０１が、図１４のように、紙面に対して垂直方向を回転軸ＲＡとして、回転中心Ｏを中心に、角速度変化を伴って回転するとき、２つのサーボ型加速度センサ１０１，１０２は、それぞれ、図１４に示すように、角速度Ωの回転による遠心力および、角加速度∂Ω／∂ｔに伴う力Ｆｃを受ける。遠心力は、回転の半径方向（５０１，５０２）に、角加速度に伴う力は、回転の円周方向（６０１，６０２）に生ずる。サーボ型加速度センサ１０１が受ける、回転による遠心力Ｆｒ_１と角加速度に伴う力Ｆｃ_１は次の式（５）、式（６）で表される。ここで、図１４に示すように、Ｒ_１は、回転中心Ｏからサーボ型加速度センサ１０１までの距離、θ_１は、センサ検出軸と、回転中心Ｏ−センサ間を結ぶ線分とが成す角度である。

遠心力Ｆｒ_１、角加速度に伴う力Ｆｃ_１は、それぞれ回転の半径方向、円周方向の力であるから、サーボ型加速度センサ１０１では、これらの力の検出軸方向成分の和を検出することができる。即ち、図１４に示す作図から、遠心力Ｆｒ_１についてはそのｃｏｓθ_１成分を、角加速度に伴う力Ｆｃ_１はそのｓｉｎθ_１成分を検出することができる。したがって、サーボ型加速度センサ１０１が検出軸方向に受ける力Ｆ_１は、次の式（７）で表される。

同様に、サーボ型加速度センサ１０２が検出軸方向に受ける力Ｆ_２は、次の式（８）で表される。ここで、Ｒ_２は回転中心Ｏからサーボ型加速度センサ１０２までの距離、θ_２はサーボ型加速度センサ１０２の検出軸と、回転中心Ｏ−センサ間を結ぶ線分とが成す角度である。

検出軸方向に受ける力Ｆにより、サーボ型加速度センサ１０１，１０２の各慣性質量体３が変位し、２つのサーボ型加速度センサ１０１，１０２は、それぞれ電圧Ｖ_１と電圧Ｖ_２とを出力する。上記の式（３）に基づいて、次の式（９）、式（１０）の関係がある。

ここで、比例定数をｋと置けば、これらの式は、次の式（１１）、式（１２）のように表される。

ここで、２つのサーボ型加速度センサ１０１，１０２の各出力電圧である印加電圧Ｖ_１と印加電圧Ｖ_２との和（Ｖ_１＋Ｖ_２）、及び印加電圧Ｖ_１と印加電圧Ｖ_２との差（Ｖ_１−Ｖ_２）の各値の積（Ｖ_１＋Ｖ_２）×（Ｖ_１−Ｖ_２）を考えると、次の式（１３）が得られる。

さらに、図１４より明らかなように、距離Ｒ、Ｒ１、Ｒ２の関係は、次の式（１４）、式（１５）で表される。

従って、印加電圧Ｖ_１，Ｖ_２の和と差の積は、式（１４）、式（１５）を用いて次の式（１６）で表される。

式（１６）の両辺を整理し、新たに定数Ｃを定めると、次の式（１７）と式（１８）が得られる。

即ち、２つのサーボ型加速度センサ１０１，１０２が出力する各印加電圧Ｖ_１，Ｖ_２の値を用いて角速度Ωに応じた出力、回転の速さを得ることができる。

ここで、回転の速さを算出するための乗算処理の回数に注目すれば、本実施形態の回転検出装置３０１によれば、乗算処理は１回であり、一方、従来の方式では、乗算処理は２回である。従って、本実施形態の回転検出装置３０１は、従来の方式に比べ、乗算回路の削減が図られて、演算処理の回路規模を縮小することが可能となる。また、積分回路を用いることなく回転の速さを出力するため、加速度センサに生じた誤差の影響が、以降の検出出力に及ばないという利点もある。

このような、サーボ型加速度センサ１０１，１０２の各出力電圧である印加電圧Ｖ１と印加電圧Ｖ２との和、及び印加電圧Ｖ１と印加電圧Ｖ２との差の各値の積を演算し，その平方根を算出する部分が、図２に示す演算処理回路２０１である。

また、回転検出装置３０１では、加速度が作用していないときでも、駆動電極１１ａ，１１ｂに電圧を印加することで発生する静電力によって、慣性質量体３を変位させることができる。そのためセンサ素子構造体１５が破壊されているか否かを自己診断することも可能である。

なお、本実施形態では、容量−電圧変換回路２０を用い、検出フレーム７と検出電極８ａ，８ｂとの間に形成された静電容量の差を電圧に変換することで、検出フレーム７の変位を検出する方式について例示したが、これは、変位に応じた信号が得られれば、回路方式、検出方式等に依らない。

また、本実施形態では、２つのサーボ型加速度センサ１０１，１０２を構造物１０３に距離Ｒを隔てて配置しているが、各センサ１０１，１０２の加速度検出方向が、互いに平行であり、かつ各センサ位置、例えば各中心位置、を結ぶ線分１０４に対して平行に配置されていればよく、距離Ｒ、構造物の大きさに依らない。例えば、図１５に示すように、構造体１０３上に実装された実装基板１５１上に２つのサーボ型加速度センサ１０１，１０２が一体的に配置されているような形態でもよい。式（１７）に示すように、角速度Ωの２乗は，２つの加速度センサ出力から算出した値を、２つの加速度センサ間の距離Ｒで除した値に比例するため、センサを設置する距離が長いほど、精度高く回転の速さを検出することができる。一般に、サーボ型加速度センサでは、サーボ制御を適用しない加速度センサに対して、加速度の検出分解能が向上するため、同じ精度で回転の速さを検出する場合には、加速度センサの設置する距離Ｒを短くすることが可能になり、装置全体の小型化を図ることが可能になる。

実施の形態２．
図１６は、本発明の実施の形態２に係る回転検出装置３０２におけるセンサ素子構造体１５−２を示す平面図である。図１７は、図１６に示すＢ−Ｂ線に沿った端面図である。図１８と図１９は、センサ素子構造体１５−２において形成される静電容量の説明図である。

本実施の形態２に係る回転検出装置３０２は、上述したサーボ型加速度センサ１０１，１０２におけるセンサ素子構造体１５とは異なる構造を有するセンサ素子構造体１５−２を備える。回転検出装置３０２の電気的構成、例えば、容量−電圧変換回路２０、サーボ制御回路３０、アナログデジタル変換回路４０、演算処理回路２０１の構成については、実施の形態１に係る回転検出装置３０１と同じであるため、重複説明を省略する。以下、相違部分であるセンサ素子構造体１５−２の部分について説明する。

センサ素子構造体１５−２は、図１６と図１７に示すように、表面に電気絶縁体９が形成された基板１と、基板１上に電気絶縁体９を介して固定された柱状の２つのアンカー５と、アンカー５によって支持された変位ユニット２などを備える。

変位ユニット２は、支持梁５６と、慣性質量体３などを備える。支持梁５６は、細長い扁平リング状をなし、短手方向の一端がアンカー５の内側面に固定され、他端が慣性質量体３の端面に固定され、２つのアンカー５を通る方向、即ち、検出軸ＤＡに沿った直線変位運動を許容する機能を有する。慣性質量体３は、全体として直方体状をなし、その両側面には、慣性質量体３の側面に対して垂直な方向に延びる櫛歯状の可動電極１２が設置される。

基板１には、電気絶縁体９を介して、櫛歯状の可動電極１２にそれぞれ対向するように、櫛歯状の駆動電極１１ａ，１１ｂおよび櫛歯状の検出電極８ａ，８ｂが設置される。なお、図１６と図１７では、作図の都合上、各電極はそれぞれ分離しているように見えるが、同じハッチングで示している電極は、等電位になるように、基板１上に設けた配線パターン等（図示せず）を経由して相互に電気的に接続されている。

こうしたセンサ素子構造体１５−２をサーボ型加速度センサ１０１，１０２として使用する場合、検出電極８ａ，８ｂは容量−電圧変換回路２０と電気的に接続され、駆動電極１１ａ，１１ｂはサーボ制御回路３０と電気的に接続されている。この電気的な接続は、図示していないが、基板１上の配線パターン、ボンディングワイヤ等を用いて実現できる。

図１８は、検出電極８ａ，８ｂと可動電極１２との間にそれぞれ形成される静電容量の説明図である。図１９は、駆動電極１１ａ，１１ｂと可動電極１２との間にそれぞれ形成される静電容量の説明図である。センサ素子構造体１５−２においても実施の形態１と同様に、可動電極１２と検出電極８ａとの間には静電容量Ｃｄａが形成され、可動電極１２と検出電極８ｂとの間には静電容量Ｃｄｂが形成される。同様に、可動電極１２と駆動電極１１ａとの間には静電容量Ｃｓａが形成され、可動電極１２と駆動電極１１ｂとの間には静電容量Ｃｓｂが形成される。

容量−電圧変換回路２０では、図８と同様に、静電容量Ｃｄａ，Ｃｄｂは直列に接続され、静電容量Ｃｄａの一端には一定電位Ｖｄが印加され、静電容量Ｃｄｂの一端は接地され、両者の接続部には出力端子が設けられる。慣性質量体３が検出軸ＤＡに沿って直線変位すると、静電容量Ｃｄａ，Ｃｄｂの一方が増加して、他方が減少する。このとき静電容量の合計（Ｃｄａ＋Ｃｄｂ）は一定であるとともに、静電容量の差（Ｃｄａ−Ｃｄｂ）は直線変位に比例して変化する。そのため容量−電圧変換回路２０は、慣性質量体３の直線変位に比例した電位Ｖｏｕｔを出力する。

サーボ制御回路３０は、実施の形態１と同様に、出力電位Ｖｏｕｔの大きさに応じて、スイッチ３２により駆動電極１１ａ，１１ｂのどちらに電圧を印加するかを選択することによって、センサ素子構造体１５−２の駆動電極１１ａまたは駆動電極１１ｂに電圧を印加し、その結果、慣性質量体３の変位が０に戻るようにサーボ制御を行う。

演算処理回路２０１は、図２と同様に、引算回路Ｑａ、加算回路Ｑｂ、乗算回路Ｑｃおよび平方根回路Ｑｄなどを含み、センサ素子構造体１５−２を含む２つのサーボ型加速度センサ１０１，１０２がそれぞれ出力するサーボ電圧（Ｖ_１，Ｖ_２）の和（Ｖ_１＋Ｖ_２）および差（Ｖ_１−Ｖ_２）を計算し、得られた和値と差値の積（Ｖ_１＋Ｖ_２）×（Ｖ_１−Ｖ_２）の平方根を算出して、構造物１０３の回転の速さとして出力する。

こうしたセンサ素子構造体１５−２を有する回転検出装置３０２においても、実施の形態１の回転検出装置３０１と同様に回転を検出することができ、さらに演算処理回路２０１を備えることから、乗算回路の削減が図られ、演算処理の回路規模を縮小することが可能である。また、積分回路を用いることなく回転の速さを出力するため、加速度センサに生じた誤差の影響が、以降の検出出力に及ばないという利点もある。

本実施形態の回転検出装置３０２では、検出電極８ａ，８ｂの外側、即ち、アンカー５寄りに駆動電極１１ａ，１１ｂを配置しているが、検出電極８ａ，８ｂおよび駆動電極１１ａ，１１ｂは、可動電極１２との間に静電容量を形成し、駆動電極１１ａ，１１ｂと可動電極１２との間に静電力を発生させることができればよく、各電極の位置、配置は問わない。また、変位ユニット２は、作用した加速度に応じて基板１に対して面内方向の加速度の検出ができればよく、支持梁５６の形態、慣性質量体３の支持方法は問わない。

本実施形態では、２つのサーボ型加速度センサ１０１，１０２を構造物１０３に距離Ｒを隔てて配置されているが、各センサ１０１，１０２の加速度検出方向が、互いに平行であり、かつ各センサ位置、例えば各中心位置、を結ぶ線分１０４に対して平行に配置されていればよく、距離Ｒ、構造物の大きさに依らない。例えば、図１５と同様に、構造体１０３上に実装された実装基板１５１上に２つのセンサが一体的に配置されているような形態でもよい。

また、図２０に示すように、サーボ型加速度センサ１０１，１０２を構成する２つのセンサ素子構造体１５−２を同一の基板１−２上に作製してもよい。同一の基板上に作製することで、２つのセンサの加速度検出方向とその配置位置とが常に一定に保たれ、変化しない。そのため、別の部材として実装配置しているときにはそれぞれの部材の取付精度や距離，さらにその経年変化に起因する検出誤差が懸念されるのに対し，これらの誤差を発生させにくく、回転の速さを精度よく検出することでき、また、回転検出装置の小型化を図ることができる。

さらに、サーボ型加速度センサ１０１，１０２のセンサ素子構造体とともに、容量−電圧変換回路２０、サーボ制御回路３０、アナログデジタル変換回路４０、演算処理回路２０１の一部あるいは全部を同一の基板上に作製してもよく、これにより回転検出装置の更なる小型化を図ることができる。

１，１−２ 基板、 ２ 変位ユニット、 ３ 慣性質量体、 ４ リンク梁、
５ アンカー、 ６ ねじれ梁、 ６ａ ねじれ軸、 ７ 検出フレーム、
９ 電気絶縁体、 ８ａ，８ｂ 検出電極、 １１ａ，１１ｂ 駆動電極、
１２ 可動電極、 １５，１５−２ センサ素子構造体、
２０ 容量−電圧変換回路、 ３０ サーボ制御回路、 ３２ スイッチ、
５６ 支持梁、 １０１，１０２ サーボ型加速度センサ、 １０３ 構造物、
２０１ 演算処理回路、 ３０１，３０２ 回転検出装置、 ＤＡ 検出軸。

Claims (4)

1. 一対のサーボ型加速度センサと、
   各サーボ型加速度センサからの出力信号を演算する演算処理回路とを備え、
   各サーボ型加速度センサは、回転可能な構造物の一平面内に、ある距離を隔てて配置され、各センサの加速度検出方向が、互いに平行で、かつ各センサ位置を結ぶ線分に対しても平行に配置された回転検出装置であって、
   前記演算処理回路は、各サーボ型加速度センサからのサーボ電圧（Ｖ_１，Ｖ_２）の和（Ｖ_１＋Ｖ_２）および差（Ｖ_１−Ｖ_２）を計算し、得られた和値と差値の積（Ｖ_１＋Ｖ_２）×（Ｖ_１−Ｖ_２）の平方根を算出して、構造物の回転の速さとして出力することを特徴とする回転検出装置。
2. 前記サーボ型加速度センサは、
   変位自在に支持された可動電極、ならびに該可動電極に対向してそれぞれ配置された駆動電極および検出電極を有するセンサ素子と、
   可動電極と検出電極との間の静電容量を測定して、可動電極の変位を検出する変位検出部と、
   変位検出部が検出した可動電極の変位に応じて、可動電極の変位を減少させるためのサーボ電圧を駆動電極へ印加するサーボ制御部と、を備えることを特徴とする請求項１記載の回転検出装置。
3. 前記センサ素子は、基板の面内方向に延びる櫛歯状の可動電極、ならびに該可動電極に対向してそれぞれ配置された櫛歯状の駆動電極および櫛歯状の検出電極を有することを特徴とする請求項２記載の回転検出装置。
4. 一対のサーボ型加速度センサを用いた回転検出方法であって、
   各サーボ型加速度センサを、回転可能な構造物の一平面内に、ある距離を隔てて配置し、各センサの加速度検出方向を、互いに平行で、かつ各センサ位置を結ぶ線分に対しても平行に配置するステップと、
   各サーボ型加速度センサからのサーボ電圧（Ｖ_１，Ｖ_２）の和（Ｖ_１＋Ｖ_２）および差（Ｖ_１−Ｖ_２）を計算し、得られた和値と差値の積（Ｖ_１＋Ｖ_２）×（Ｖ_１−Ｖ_２）の平方根を算出して、構造物の回転の速さとして出力するステップと、を含む回転検出方法。

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