JP2010091415A - 物理量検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可動物体を所定位置に制御することで物理量を検出する物理量検出装置において、位置制御用の制御電圧としてＰＷＭ信号等を使用しても、可動物体の位置検出（換言すれば物理量検出）を精度よく実行できるようにする。
【解決手段】ケース内に収納された浮上物体を、ケースに設けられた静電支持用電極１０〜１６、２１〜２８に制御電圧を印加することで、所定位置に制御すると共に、各静電支持用電極に周波数若しくは位相が異なる位置検出用搬送波Ｓ１〜Ｓ６を印加して、共通電極２９から取り出し、各搬送波を同期検波することで、浮上物体の位置検出を行う物理量検出装置において、位置検出期間と位置制御期間とを時分割で設定する検出／制御切換回路４３を設けることで、位置制御にＰＷＭ信号を使用した際、ＰＷＭ信号のパルス端で生じたノイズが位置検出用搬送波に重畳されて、物理量の検出精度が低下するのを防止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、可動物体の位置を検出し、その検出結果に基づき可動物体を所定位置に制御することで、可動物体に加わった加速度等の物理量を検出する物理量検出装置に関する。

この種の物理量検出装置としては、可動物体をケース内に静電浮上可能に収納し、可動物体の位置を検出して、可動物体を所定位置にフィードバック制御することで、加速度や角速度を検出する静電浮上型ジャイロ装置が知られている（例えば、特許文献１等参照）。

この装置においては、ケースに、可動物体を挟んで互いに直交する３軸方向に配置された複数の静電支持用電極と、物体から信号を取り出すための共通電極とが設けられる。そして、物理量（加速度、角速度等）の検出時には、複数の静電支持用電極に、それぞれ、位置制御用の制御電圧を印加することで、静電力によりケース内の所定位置に可動物体を位置決めし、更に、各静電支持用電極毎に周波数が設定された位置検出用搬送波を、各静電支持用電極にそれぞれ印加する。

また、このように各静電支持用電極に印加された位置検出用搬送波は、容量結合によって静電支持用電極から物体にも印加され、その印加された位置検出用搬送波の振幅は、ケース内での物体の移動によって変化する。

そこで、この装置では、物体に印加された信号を共通電極を介して取り込み、その取り込んだ信号から各位置検出用搬送波を抽出（一般に同期検波）することで、各静電支持用電極位置での物体の変位を検出し、その検出結果に応じて、各静電支持用電極に印加する制御電圧を変化させることで、物体を所定位置に制御する。

そして、こうした可動物体の位置制御により得られる各静電支持用電極位置での可動物体の変位に基づき、可動物体（若しくはケース）に加わった加速度（若しくは角速度）を検出する。

ところで、この種の物理量検出装置では、位置検出用搬送波を用いて可動物体の位置を検出しつつ、その検出位置が所定位置となるように位置制御用の制御電圧を印加することから、位置検出用搬送波には、位置検出用の制御電圧が重畳される。

このため、この制御電圧として、例えば、デューティ比が制御されたパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を使用すると、その制御電圧の立上がり（あるいは立下がり）によって生じるノイズが、位置検出用搬送波に重畳され、可動物体の位置検出に悪影響を与えることがある。

一方、こうした問題を防止するために、特許文献１に記載の装置では、位置検出用搬送波に三角波を用いて、これを複数の静電支持用電極に時分割に印加し、さらに三角波の曲折点にパルス幅変調（ＰＷＭ）された制御電圧のパルス端を同期させることにより、ＰＷＭ信号のパルス端で生じるノイズの影響を位置検出に与えないようにしている。
特開２００５−１４０７０９号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術では、可動物体の位置制御をより高精度に行うために、ＰＷＭ信号のパルス幅を制御する際の分解能を高くする際には、そのパルス端を位置検出用搬送波（三角波）の曲折点に同期させることができるように、位置検出用搬送波（三角波）の周波数も高くする必要がある。

そして、このように位置検出用搬送波の周波数を高くすると、検出回路全体のコストアップにつながり、また、寄生容量の影響などで、周波数を高くするのにも限界があることから、結局、ＰＷＭ信号の分解能を高くして、可動物体の位置制御（延いては物理量の検出精度）を向上するのは難しい、という問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、可動物体の位置を検出して、所定位置にフィードバック制御することで物理量を検出する物理量検出装置において、位置制御用の制御電圧として、ＰＷＭ信号等の電圧値が急峻に変化する信号を使用しても、可動物体の位置検出を高精度に実行できるようにすることを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の物理量検出装置においては、位置検出手段が、可動物体の位置を検出し、制御演算手段が、その検出結果に基づき、可動物体を所定位置に保持するための制御量を演算して、その制御量に応じて制御電圧発生手段から制御電圧を発生させることで、可動物体を所定位置に制御する。また、制御演算手段は、位置検出手段による検出結果から、可動物体に加わった物理量（加速度等）を検出する。

そして、特に本発明の物理量検出装置では、検出／制御期間設定手段が、位置検出手段による位置検出期間と、制御演算手段が制御電圧発生手段から制御電圧を発生させて可動物体の位置を制御する位置制御期間とを、これら各期間が互いに異なる期間となるように、時分割で設定する。

このため、位置検出手段による位置検出期間中に、制御電圧発生手段から制御電圧が発生されることはない。よって、本発明の物理量検出装置によれば、位置制御用の制御電圧として、ＰＷＭ信号等の電圧値が急峻に変化する信号を使用しても、制御電圧の変化によって生じるノイズ成分が位置検出信号に重畳されることはなく、可動物体の位置検出、延いては、物理量の検出を、高精度に実行することができるようになる。

ところで、本発明のように、位置検出期間と位置制御期間とを時分割で設定する場合、これら各期間を加算した制御周期を短くして、単位時間当たりの物理量の検出回数を増やし、物理量の検出精度を高めるために、位置検出期間を位置検出に必要な最短時間に設定することが考えられる。

そして、この場合、位置制御期間を、位置検出期間と一致させると、位置制御期間が短くなり過ぎ、可動物体の位置制御を高精度に実行できず、結局、物理量の検出精度が低下することがある。

つまり、例えば、ＰＷＭ信号を用いて可動物体の位置を制御する場合、その位置制御を高精度に実行するには、ＰＷＭ信号（換言すればデューティ比）の分解能を高くすればよいが、ＰＷＭ信号の分解能を高めるには、ＰＷＭ信号一周期分の時間を長くする必要があるため、位置制御を高精度に実行するには位置制御期間を長くする必要がある。このため、位置制御期間を、位置検出期間と一致させると、位置制御期間が短くなり過ぎ、物理量の検出精度が低下することがある。

そこで、検出／制御期間設定手段は、請求項２に記載のように、位置制御期間を位置検出期間よりも長く設定するよう構成するとよい。つまり、検出／制御期間設定手段をこのように構成すれば、例えば、位置検出期間を位置検出に必要な最短時間に設定し、位置制御期間については、位置制御を高精度に（換言すれば高分解能で）実行できるように、位置検出期間よりも長い時間に設定すると、といったことができるようになり、物理量の検出精度を高めることができる。

次に、請求項３に記載の物理量検出装置は、本発明を、上述した静電浮上型ジャイロ装置に適用したものであり、可動物体は、可動物体を静電支持するための複数の静電支持用電極と、可動物体から信号を取り出すための共通電極とが設けられたケース内に設けられる。

そして、制御電圧発生手段は、複数の静電支持用電極に制御電圧を印加することで、可動物体をケース内で変位させ、位置検出手段は、各静電支持用電極毎に周波数が設定された位置検出用搬送波を各静電支持用電極に印加して、各静電支持用電極から可動物体に印加された信号を共通電極を介して取り込み、その取り込んだ信号から各位置検出用搬送波を同期検波することで、各静電支持用電極位置での可動物体の変位を検出する。

そして、制御演算手段は、位置検出手段による各位置検出用搬送波の同期検波結果に基づき、制御電圧発生手段を駆動し、制御電圧発生手段から各静電支持用電極に印加される制御電圧を制御することで、可動物体を所定位置に制御する。

このため、請求項３に記載の物理量検出装置によれば、位置検出手段による同期検波結果に基づき、加速度（若しくは角速度）を検出することができ、しかも、本発明では、検出／制御期間設定手段によって、位置検出期間と位置制御期間とが互いに異なる期間に設定されることから、加速度（若しくは角速度）の検出精度を向上できる。

ところで、本発明は、位置制御用の制御電圧として、ＰＷＭ信号等の電圧値が急峻に変化する信号を使用した際に、その電圧変化によって生じるノイズが、位置検出信号に重畳されるのを防止することで、物理量の検出精度が低下するのを防止するものであるが、この効果を発揮するには、制御電圧として、必ずしもＰＷＭ信号を用いる必要はなく、デジタル制御で一般に用いられる電圧制御用の信号であればよい。

つまり、制御電圧発生手段が発生する制御電圧は、請求項４に記載のように、２値以上の不連続な電圧値（例えば、２値の場合：０Ｖ、５Ｖ、３値の場合：０Ｖ，２．５Ｖ、５Ｖ）であればよい。

また、制御電圧発生手段が発生する制御電圧を２値信号とする場合、その信号には、請求項５に記載のように、パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）、パルス密度変調信号（ＰＤＭ信号）、若しくは、パルス振幅変調信号（ＰＡＭ信号）を使用することができる。

そして、この場合、これらの制御電圧（ＰＷＭ信号、ＰＤＭ信号、ＰＡＭ信号）は、デジタル回路を用いて生成できることから、制御電圧発生手段の小型化、低消費電力化、低コスト化を図ることができ、装置のＩＣ化も図ることができる。

また、制御電圧発生手段が発生する制御電圧をパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）とする場合には、ＰＷＭ信号の所定周期あたりのパルス幅（換言すればデューティ比）を、位置検出手段により検出された可動物体の位置に応じて制御することになるが、この場合、入力信号を一定の遅延時間だけ遅延させて出力する遅延素子（例えばゲート回路等）を利用するようにすれば、請求項６に記載のように、その遅延素子の遅延時間を時間分解能としてＰＷＭ信号の周期及びパルス幅を設定できることになる。

一方、請求項３に記載の物理量検出装置において、位置検出手段は、複数の静電支持用電極に、それぞれ、その電極用として周波数が設定された位置検出用搬送波を印加し、その印加した信号を共通電極を介して取り込み、その取り込んだ信号から位置検出用搬送波を同期検波することで、各静電支持用電極位置での可動物体の位置を検出するが、位置検出手段が各静電支持用電極に印加する位置検出用搬送波は、全て周波数が異なる搬送波に設定してもよく、あるいは、請求項７に記載のように、同一周波数で位相が９０度異なる２種類の搬送波を複数組用いるようにしてもよい。

そして、位置検出手段を請求項７に記載のように構成すれば、所謂直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）によって、２つの電極で同一周波数の位置検出用搬送波が用いられることになるので、各搬送波を生成する発振回路等の構成を簡単にすることができる。

また次に、位置検出用搬送波を請求項７に記載のように生成するようにした場合、位置検出手段は、請求項８に記載のように構成するとよい。
すなわち、請求項８に記載の物理量検出装置において、位置検出手段は、遅延素子を複数段縦続接続してなるパルス遅延回路を備え、このパルス遅延回路に対し、各遅延ユニットの遅延時間を制御する信号として、共通電極から得られる前記各位置検出用搬送波の合成信号を入力すると共に、パルス遅延回路に対し、パルス信号を前記各遅延ユニットの遅延時間にて順次遅延しながら伝送させる。

また、位置検出手段は、位置検出用搬送波の中で最も周波数が高い信号の４倍の周波数に相当する周期毎に、パルス遅延回路内でパルス信号が通過した遅延ユニットの段数をカウントして、そのカウント結果を、各位置検出用搬送波の周期に同期して加減算することにより、各位置検出用搬送波を同期検波する。

そして、位置検出手段をこのように構成すれば、位置検出手段をパルス遅延回路を中心とするデジタル回路で構成できることになり、位置検出手段の小型化、低消費電力化、低コスト化を図ることができ、装置のＩＣ化も図ることができる。

なお、請求項８に記載の位置検出手段は、共通電極から得られる各位置検出用搬送波の合成信号を、周波数が最も高い位置検出用搬送波の周期の４分の１の周期で順次移動平均し、その移動平均結果を、各位置検出用搬送波毎に、その搬送波の一周期の前半では加算し、後半では減算することで、各搬送波の同期検波を行うものであるが、こうした同期検波方法自体は従来より知られている（例えば、特開２００５−１０２１２９号公報参照）。

一方、位置検出手段が、可動物体の位置を複数箇所で各々独立して検出するよう構成されている場合（例えば、請求項３若しくはその従属項に記載の物理量検出装置の場合）、検出／制御期間設定手段は、その複数の位置検出を全て同じタイミングで行うように構成してもよいが、請求項９に記載のように、複数の位置検出を複数のグループに分けて、各グループ毎に、位置検出期間を異なる期間に設定するようにしてもよい。

そして、このようにすれば、複数の位置検出をグループ毎に時分割で実行できるので、各グループ間で位置検出に用いる検出回路を共用させることができるようになり、位置検出手段の構成をより簡単にして、その小型化、低コスト化を図ることができる。

なお、このように、複数の位置検出をグループ毎に時分割で実行するようにした場合、検出／制御期間設定手段は、請求項１０に記載のように、グループ毎に設定する位置検出期間の間に位置制御期間が入るように、各グループの位置検出期間と位置制御期間とを交互に設定するよう構成してもよい。

以下に、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明が適用された物理量検出装置の構成を表す概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態の物理量検出装置は、筒状の側壁２と、その両端開口部を密閉する一対の蓋体３、４とで構成されるケース５内（図はケース５を分解した状態を表す）に、円板状の浮上物体８を静電浮上可能に収納したセンサ本体１を備える。なお、浮上物体８は本発明の可動物体に相当する。

ここで、ケース５は、ガラス等の絶縁物にて構成されており、内部は真空空間となっている。また、浮上物体８は、シリコン等の導電体にて構成されている。そして、ケース５の側壁２には、浮上物体８の中心軸（Ｚ軸）に直交し且つ互いに直交するＸ軸及びＹ軸に沿って、浮上物体８を挟むように周囲電極１０、１２、１４、１６が設けられている。

また、ケース５の上方の蓋体３には、周囲電極１０〜１６と同様、Ｘ軸及びＹ軸に沿って、Ｚ軸を挟むように上部電極２１、２３、２５、２７が設けられ、ケース５の下方の蓋体４には、浮上物体８を挟んで各上部電極２１〜２７と対向する位置に、下部電極２２、２４、２６、２８が設けられている。

これら各電極１０〜１６、２１〜２８は、それぞれ、隣接する２つの電極ａ、ｂからなり、図２に示す制御電圧印加回路４２を介して、各電極ａ、ｂに極性が異なる制御電圧（図２に点線で示す電極２１、２２の拡大図に示すＶ１１、Ｖ１２等）が印加されることによって、浮上物体８を静電支持する静電支持用電極である。また、これら各電極１０〜１６、２１〜２８の間には、制御電圧や後述の位置検出用搬送波が印加されない共通電極２９が設けられている。

次に、図２は、上記のように構成されたセンサ本体を含む物理量検出装置全体の構成を表すブロック図である。
図２に示すように、本実施形態の物理量検出装置には、上述した静電支持用電極１０〜１６、２１〜２８を構成する一対の電極ａ、ｂに、それぞれ、浮上物体８の位置制御用の制御電圧を印加する制御電圧印加回路４２と、各静電支持用電極１０〜１６、２１〜２８に、それぞれ、位置検出用搬送波を印加する位置検出用搬送波供給回路４４と、各静電支持用電極１０〜１６、２１〜２８から浮上物体８に印加された信号を、共通電極２９を介して取り込み、その取り込んだ信号から位置検出用搬送波を同期検波することにより、各静電支持用電極１０〜１６、２１〜２８と浮上物体８との相対位置を検出する位置検出回路４６と、この位置検出回路４６による検出結果に基づき、制御電圧印加回路４２が各静電支持用電極１０〜１６、２１〜２８に印加する制御電圧を制御することで、浮上物体８をケース５内の所定位置に制御すると共に、位置検出回路４６による検出結果に基づき外部からケース５に加わったＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の加速度、及び、Ｘ軸及びＹ軸周りの角速度を算出する制御演算回路４０と、が備えられている。

ここで、位置検出用搬送波供給回路４４は、浮上物体８を挟んで対向配置された電極、たとえば、電極２１ａ、２１ｂと、電極２２ａ、２２ｂとに、それぞれ、同一周波数で位相が１８０度異なる位置検出用搬送波を印加するよう構成されている（図２に点線で示す拡大図参照）。

また、図３に示すように、この位置検出用搬送波には、周波数及び位相が異なる６種類の搬送波Ｓ１〜Ｓ６が設定されており、これら各位置検出用搬送波は、対となる電極毎に割り当てられる。

具体的には、ケース５の側壁２に設けられたＹ軸方向の静電支持用電極１０、１２と、Ｘ軸方向の静電支持用電極１４、１６とに、最も周波数が高く位相が９０度異なる搬送波Ｓ６、Ｓ５が割り当てられ、ケース５の蓋体３、４に設けられたＺ軸方向の静電支持用電極２１、２２と、２３、２４とに、次に周波数が高く位相が９０度異なる搬送波Ｓ４、Ｓ３が割り当てられ、同じくケース５の蓋体３、４に設けられたＺ軸方向の静電支持用電極２５、２６と、２７、２８とに、最も周波数が低く位相が９０度異なる搬送波Ｓ２、Ｓ１が割り当てられている。

なお、各静電支持用電極１０〜１６、２１〜２８には、位置検出用搬送波供給回路４４から位置検出用搬送波Ｓ１〜Ｓ６が印加され、制御電圧印加回路４２から位置制御用の制御電圧が印加されるが、本実施形態では、これら各信号の印加経路には、位置検出用搬送波Ｓ１〜Ｓ６と制御電圧とのいずれかを選択的に印加するための切換スイッチＳＷが設けられている（図２に点線で示す拡大図参照）。

そして、この切換スイッチＳＷは、検出／制御切換回路４３により、全て同時に位置検出用搬送波Ｓ１〜Ｓ６の入力側、若しくは、制御電圧印加回路４２側に切り換えられる。
次に、位置検出回路４６は、図２に示すように、共通電極２９からの入力電流Ｉｐを電圧値に変換する電流電圧変換回路４７と、この電流電圧変換回路４７からの出力を増幅するアンプ４８と、このアンプ４８で増幅された電圧信号から上記各搬送波Ｓ１〜Ｓ６を同期検波することで、各搬送波Ｓ１〜Ｓ６に対応した電極位置での浮上物体８の位置を表す位置信号を検出する復調装置５０とから構成されている。

また、復調装置５０は、図４（ａ）に示すように、位置検出用搬送波供給回路４４から出力される基準クロックＣＫｒｅｆを４逓倍することで、基準クロックＣＫｒｅｆの周期の４分の１の周期を有するサンプリング信号ＣＫＳを生成する逓倍回路３２と、この逓倍回路３２にて生成されたサンプリング信号ＣＫＳの一周期毎に、アンプ４８からの入力信号Ｖｉｎを移動平均する移動平均回路３４と、この移動平均回路３４にてサンプリング信号ＣＫＳの一周期毎に求められる移動平均値ＤＴｘを、予め設定された復調対象期間の間順次ラッチし、そのラッチした移動平均値ＤＴｘを上記各搬送波Ｓ１〜Ｓｗの周期及び位相に応じてそれぞれ加減算することで、上記各搬送波Ｓ１〜Ｓｗを同期検波する復調回路３６とを備える。

ここで、基準クロックＣＫｒｅｆは、図３に示すように、位置検出用搬送波Ｓ１〜Ｓ６の内、周波数が最も高い搬送波Ｓ６、Ｓ５に同期している。また、復調対象期間は、搬送波Ｓ１〜Ｓ６のうち、周波数が最も低い搬送波Ｓ１、Ｓ２の一周期分の期間に設定されており、復調回路３６内では、その復調対象期間中に得られた複数の移動平均値ＤＴｘを、各搬送波毎に、図５（ａ）に例示する計算式に従い加減算し、各搬送波Ｓ１〜Ｓ６の振幅を算出する。

つまり、復調回路３６は、位置検出用搬送波Ｓ１〜Ｓ６毎に、図５（ａ）に示す復調処理を行う。そして、各復調処理では、復調対象期間内に移動平均回路３４で算出された１６個の移動平均値ＤＴ１〜ＤＴ１６のうち、検波対象となる搬送波が変動中心に対し正極側になる位相領域で得られた移動平均値ＤＴｘについては加算し、搬送波が変動中心に対し負極側になる位相領域で得られた移動平均値ＤＴｘについては減算する。この結果、各復調処理では、図５（ｂ）に示すように、検波対象となる信号成分を除去し、検波対象となる信号の振幅のみに対応したデジタルデータＤ１〜Ｄ６が算出され、その算出結果が、同期検波結果（復調結果）として出力される。

また、移動平均回路３４は、所謂、時間Ａ／Ｄ変換器（ＴＡＤ）にて構成されている。
図４（ｂ）に示すように、移動平均回路３４は、パルス信号Ｐｉｎを所定の遅延時間だけ遅延させて出力する遅延ユニット５１を複数段リング状に接続することにより、パルス信号Ｐｉｎを周回させるパルス遅延回路（リングディレイライン：ＲＤＬ）３８と、パルス遅延回路３８内でのパルス信号Ｐｉｎの周回回数をカウントするカウンタ５２と、サンプリング信号ＣＫＳの立上がり（又は立下がり）タイミングで、パルス遅延回路３８内でのパルス信号Ｐｉｎの到達位置を検出（ラッチ）し、その検出結果を、パルス信号Ｐｉｎが通過した遅延ユニット５１が先頭から何段目にあるかを表す所定ビットのデジタルデータに変換して出力するラッチ＆エンコーダ５４と、同じく、サンプリング信号ＣＫＳの立上がり（又は立下がり）タイミングでカウンタ５２によるカウント値をラッチするラッチ回路５６と、このラッチ回路５６からの出力を上位ビットデータｂ、ラッチ＆エンコーダ５４からの出力を下位ビットデータａとするデジタルデータＤｔを取り込み、そのデジタルデータＤｔの前回値と最新値との偏差を求めることにより、サンプリング信号ＣＫＳの一周期内にパルス信号Ｐｉｎが通過した遅延ユニット５１の個数を表すデジタルデータＤＴを算出する減算部５８と、を備える。

そして、パルス遅延回路３８を構成する各遅延ユニット５１は、インバータ等からなるゲート回路にて構成されており、各遅延ユニット５１には、バッファ５９を介して、アンプ４８からの入力信号Ｖｉｎが駆動電圧として印加される。

このため、各遅延ユニット５１の遅延時間は、入力信号Ｖｉｎの電圧レベルに対応した時間となり、サンプリング信号ＣＫＳの一周期内にパルス遅延回路３８内でパルス信号Ｐｉｎが通過する遅延ユニット５１の個数（つまり、移動平均回路３４からの出力データＤＴ）は、その周期内に入力信号Ｖｉｎの電圧レベルを平均化した移動平均値となる。

なお、パルス遅延回路３８において、初段の遅延ユニット５１ａは、２つの入力端子を有し、一方の入力端子を起動用端子とするゲート回路にて構成されており、この初段の遅延ユニット５１ａのもう一つの入力端子は、最終段の遅延ユニット５１ｂの出力端子と接続されている。この結果、遅延ユニット５１ａの起動用端子にパルス信号Ｐｉｎを入力すれば、出力端子からパルス信号Ｐｉｎが出力され、その後、パルス信号Ｐｉｎがパルス遅延回路３８内で周回することになる。

そして、位置検出回路４６にて上記各搬送波Ｓ１〜Ｓ６を同期検波することにより得られたデジタルデータＤ１〜Ｄ６（換言すれば、各静電支持用電極１０〜１６、２１〜２８と浮上物体８との相対位置を表す位置検出信号）は、制御演算回路４０に出力され、制御演算回路４０は、そのデジタルデータＤ１〜Ｄ６から、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の加速度を算出すると共に、Ｚ軸方向の静電支持用電極２１〜２８を介して得られた４つのデジタルデータＤ１〜Ｄ４から、Ｘ軸周り及びＹ軸周りの回転加速度を算出し、その算出結果を積分することで、Ｘ軸周り及びＹ軸周りの角速度を算出する。

また、制御演算回路４０は、位置検出回路４６にて上記各搬送波Ｓ１〜Ｓ６を同期検波することにより得られたデジタルデータＤ１〜Ｄ６（つまり位置検出信号）に基づき、浮上物体８を所定位置に制御するための制御量を演算して、制御電圧印加回路４２に制御信号を出力することで、制御電圧印加回路４２が各静電支持用電極１０〜１６、２１〜２８に印加する位置制御用の制御電圧を設定する。

そして、本実施形態では、制御電圧印加回路４２が、各静電支持用電極１０〜１６、２１〜２８に印加する制御電圧を、電圧印加用の出力トランジスタをＰＷＭ信号にて駆動することで生成するように構成されており、制御演算回路４０は、各制御電圧印加回路４２に対しＰＷＭ信号のデューティ比を表す制御信号を出力する。

つまり、図６に示すように、本実施形態の制御電圧印加回路４２は、上述した移動平均回路３４と同様、パルス遅延回路（リングディレイライン：ＲＤＬ）６０と、パルス遅延回路６０内でのパルス信号Ｐｉｎの周回回数をカウントするカウンタ６２と、サンプリング信号ＣＫ１の立上がり（又は立下がり）タイミングで、パルス遅延回路６０内でのパルス信号Ｐｉｎの到達位置を検出（ラッチ）し、その検出結果を、パルス信号Ｐｉｎが通過した遅延ユニット５１が先頭から何段目にあるかを表す所定ビットのデジタルデータに変換して出力するラッチ＆エンコーダ６４と、同じく、サンプリング信号ＣＫ１の立上がり（又は立下がり）タイミングでカウンタ６２によるカウント値をラッチするラッチ回路６６と、このラッチ回路６６からの出力を上位ビットデータ、ラッチ＆エンコーダ５４からの出力を下位ビットデータとするデジタルデータを取り込み、そのデジタルデータの前回値と最新値との偏差を求めることにより、サンプリング信号ＣＫ１の一周期内にパルス信号Ｐｉｎが通過した遅延ユニット６１の個数を表すデジタルデータを算出する減算部６８と、を備える。

なお、パルス遅延回路６０を構成する遅延ユニットには、一定の電源電圧が印加されており、サンプリング信号ＣＫ１には、生成すべきＰＷＭ信号の一周期に対応した一定周期Ｔｓのクロックが使用される。このため、減算部６８からは、ＰＷＭ信号の一周期（Ｔｓ）を数値化したデジタルデータが出力されることになる。

また、制御電圧印加回路４２には、制御演算回路４０から制御信号により指令されるデューティ比に基づき、減算部６８で算出されたＰＷＭ信号一周期分のデジタルデータを除算することで、生成すべきＰＷＭ信号のハイ時間Ｔ１とロー時間Ｔ２とを算出する制御回路７０と、パルス遅延回路６０内を周回するパルス信号が制御回路７０から指定された周回位置に到達したタイミングで、パルス信号を発生するパルスセレクタ７２と、パルスセレクタ７２からの出力にて自身の反転出力をラッチするＤ−フリップフロップ７４とが設けられている。

そして、制御回路７０は、ＰＷＭ信号のハイ時間Ｔ１及びロー時間Ｔ２が経過する度に、パルスセレクタ７２からＤ−フリップフロップ７４にパルス信号が出力されるよう、パルスセレクタ７２によるパルス信号の選択位置を設定する。

この結果、Ｄ−フリップフロップ７４からは、制御演算回路４０から指令されたデューティ比（＝Ｔ１／Ｔｓ）のＰＷＭ信号が出力されることになる。そして、制御電圧印加回路４２は、このＰＷＭ信号にて出力トランジスタをオン／オフさせることで、対応する静電支持用電極１０〜１６、２１〜２８に印加される制御電圧をＰＷＭ制御する。

このように、本実施形態では、各静電支持用電極１０〜１６、２１〜２８に印加する位置制御用の制御電圧を、ＰＷＭ信号にて設定する。このため、ＰＷＭ信号の立上がりあるいは立下がり時に発生するノイズが、位置検出用搬送波に重畳され、位置検出用搬送波を用いて浮上物体８の位置検出を精度よく実行できなくなることが考えられる。

しかし、本実施形態の物理量検出装置には、切換スイッチＳＷを介して、各静電支持用電極１０〜１６、２１〜２８に位置検出用搬送波Ｓ１〜Ｓ６を印加するか、位置制御用の制御電圧を印加するかを切り換える、検出／制御切換回路４３が設けられている。

このため、本実施形態の物理量検出装置によれば、この検出／制御切換回路４３によって、図７に示すように、各静電支持用電極１０〜１６、２１〜２８に位置検出用搬送波Ｓ１〜Ｓ６を印加して位置検出を行う位置検出期間と、その検出結果に基づき各静電支持用電極１０〜１６、２１〜２８に位置制御用の制御電圧を印加する位置制御期間とを、所定周期で交互に発生させて、これら各期間が重複しないようにすることができる。

よって、本実施形態の物理量検出装置によれば、位置検出回路４６による位置検出期間中に、静電支持用電極１０〜１６、２１〜２８にＰＷＭ制御された制御電圧が印加されて、その制御電圧の急峻な立上がりによって生じるノイズが位置検出用搬送波に重畳されるのを防止でき、浮上物体８の位置検出（延いては物理量の検出）を高精度に実行することができるようになる。

また、本実施形態の物理量検出装置においては、浮上物体８の位置検出（位置検出用搬送波の同期検波）を、パルス遅延回路３８を中心に構成された移動平均回路３４を用いて行い、しかも、制御電圧印加回路４２についても、パルス遅延回路６０を用いてＰＷＭ信号を生成するよう構成していることから、これら各部を各種ゲート回路から構成されるデジタル回路にて実現できることになり、装置の小型化、低消費電力化、低コスト化を図ることができる。

なお、図２において、検出／制御切換回路４３は、位置検出用搬送波供給回路４４から位置検出用搬送波Ｓ１〜Ｓ６及びその反転信号が出力される経路上の切換スイッチＳＷに切換信号を出力するものとして記載されているが、切換信号は、実際には、制御演算回路４０及び位置検出回路４６にも出力され、これら各回路での位置制御期間及び位置検出期間の制御にも使用される。

また、図７において、位置検出期間と位置制御期間とは、略同じ時間となるように記載されているが、実際には、検出／制御切換回路４３によって、位置制御期間は、位置検出に必要な最短時間となるように設定され、位置制御期間は、位置検出期間よりも長い時間となるように設定される。

これは、位置制御期間を長くすることにより、ＰＷＭ信号の分解能を高くして、位置制御を高精度に行うことができるようにするためであり、これら各期間をこのように設定することで、物理量の検出精度を向上することができる。

そして、本実施形態においては、制御電圧印加回路４２が本発明の制御電圧発生手段に相当し、位置検出用搬送波供給回路４４及び位置検出回路４６が本発明の位置検出手段に相当し、制御演算回路４０が本発明の制御演算手段に相当し、検出／制御切換回路４３及び切換スイッチＳＷが本発明の検出／制御期間設定手段に相当する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内にて、種々の態様をとることができる。
例えば、上記実施形態では、制御電圧印加回路４２は、デューティ制御されたＰＷＭ信号にて出力トランジスタをオン／オフさせることで、各静電支持用電極に位置制御用の制御電圧を印加するものとして説明したが、その電圧制御には、例えば、振幅が異なるパルス信号を合成した信号（換言すれば３値以上の電圧値に不連続に変化する信号）を用いるようにしてもよく、パルス密度変調信号（ＰＤＭ信号）、若しくは、パルス振幅変調信号（ＰＡＭ信号）を用いるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、検出／制御切換回路４３は、図７に示したように、位置検出期間と、位置制御期間とを、所定周期で交互に発生させるものとして説明したが、例えば、図８（ａ）に示すように、対となる６種類の静電支持用電極１０〜１６、２１〜２８を、３種類ずつ、２つのグループにグループ分けして、これら各グループの静電支持用電極（図では、１０〜１６、２１、２２のグループと、２３〜２８のグループ）に位置検出用搬送波を印加して位置検出を行う２つの位置検出期間を設定し、この２つの位置検出期間と、位置制御期間とを、順に設定するようにしてもよい。そしてこのようにすれば、復調回路３６内で復調処理を行う回路を、各グループで共用させることができ、復調回路３６の回路構成を簡単にすることができる。

また、このように位置検出期間を、２つのグループの静電支持用電極毎に設定する場合、図８（ｂ）に示すように、その２つの位置検出期間の間に、位置制御期間が入るように、位置検出期間と位置制御期間とを交互に発生させるようにしてもよい。

また更に、上記実施形態では、本発明を、静電浮上型ジャイロ装置に適用した場合について説明したが、本発明は、可動物体の変位を検出して位置制御を行うことで物理量を検出する装置であれば、上記実施形態と同様に適用することができる。

実施形態の物理量検出装置で用いられるセンサ本体の構成を表す説明図である。 物理量検出装置の全体構成を表すブロック図である。 物理量検出装置の静電支持用電極に印加される位置検出用搬送波を説明する説明図である。 浮上物体の位置検出に用いられる復調装置の構成を表すブロック図である。 復調装置で実行される同期検波用の演算処理を説明する説明図である。 制御電圧（ＰＷＭ信号）を発生する制御電圧印加回路の構成を表すブロック図である。 検出／制御切換回路による位置検出期間と位置制御期間との切換動作を説明する説明図である。 検出／制御切換回路による切換動作の変形例を説明する説明図である。

符号の説明

１…センサ本体、５…ケース、８…浮上物体、１０〜１６、２１〜２８…静電支持用電極、２９…共通電極、３２…逓倍回路、３４…移動平均回路、３６…復調回路、３８…パルス遅延回路、４０…制御演算回路、４２…制御電圧印加回路、４３…検出／制御切換回路、４４…位置検出用搬送波供給回路、４６…位置検出回路、４７…電流電圧変換回路、４８…アンプ、５０…復調装置、５１，５１ａ，５１ｂ…遅延ユニット、５２，６２…カウンタ、５４，６４…エンコーダ、５６，６６…ラッチ回路、５８，６８…減算部、５９…バッファ、６０…パルス遅延回路、６８…減算部、７０…制御回路、７２…パルスセレクタ、７４…Ｄ−フリップフロップ、ＳＷ…切換スイッチ。

Claims (10)

1. 可動物体を所定位置に保持するための制御電圧を発生する制御電圧発生手段と、
   前記可動物体の位置を検出する位置検出手段と、
   前記位置検出手段による検出結果に基づき、前記可動物体を所定位置に保持するための制御量を演算し、その演算した制御量に従い前記制御電圧発生手段から前記制御電圧を発生させることで、前記可動物体を所定位置に制御すると共に、前記位置検出手段による検出結果から、前記可動物体に加わった物理量を検出する制御演算手段と、
   を備えた物理量検出装置において、
   前記位置検出手段による位置検出期間と、前記制御演算手段が前記制御電圧発生手段から制御電圧を発生させて前記可動物体の位置を制御する位置制御期間とが、互いに異なる期間となるよう、前記各期間を時分割で設定する検出／制御期間設定手段、
   を設けたことを特徴とする物理量検出装置。
2. 前記検出／制御期間設定手段は、前記位置制御期間を前記位置検出期間よりも長く設定することを特徴とする請求項１に記載の物理量検出装置。
3. 前記可動物体は、前記可動物体を静電支持するための複数の静電支持用電極と、前記可動物体から信号を取り出すための共通電極とが設けられたケース内に設けられ、
   前記制御電圧発生手段は、前記複数の静電支持用電極に前記制御電圧を印加することで、前記可動物体を前記ケース内で変位させ、
   前記位置検出手段は、前記各静電支持用電極毎に周波数が設定された位置検出用搬送波を前記各静電支持用電極に印加して、前記各静電支持用電極から前記可動物体に印加された信号を前記共通電極を介して取り込み、その取り込んだ信号から前記各位置検出用搬送波を同期検波し、
   前記制御演算手段は、前記位置検出手段による前記各位置検出用搬送波の同期検波結果に基づき前記制御電圧発生手段を駆動し、前記制御電圧発生手段から前記各静電支持用電極に印加される制御電圧を制御することで、前記可動物体を所定位置に制御すると共に、前記同期検波結果から加速度若しくは角速度を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の物理量検出装置。
4. 前記制御電圧発生手段は、前記制御電圧として、２値以上の不連続な電圧値を生成することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の物理量検出装置。
5. 前記制御電圧発生手段は、前記制御電圧として、パルス幅変調信号、パルス密度変調信号、若しくは、パルス振幅変調信号を生成することを特徴とする請求項４に記載の物理量検出装置。
6. 前記制御電圧発生手段は、遅延素子の遅延時間を時間分解能として周期及びパルス幅を計時することで、前記制御電圧としてのパルス幅変調信号を生成することを特徴とする請求項５に記載の物理量検出装置。
7. 前記位置検出手段は、前記位置検出用搬送波として、同一周波数で位相が９０度異なる２種類の搬送波を複数組用いることを特徴とする請求項３に記載の物理量検出装置。
8. 前記位置検出手段は、
   遅延素子を複数段縦続接続してなるパルス遅延回路を備え、
   該パルス遅延回路に対し、前記各遅延ユニットの遅延時間を制御する信号として、前記共通電極から得られる前記各位置検出用搬送波の合成信号を入力すると共に、
   前記パルス遅延回路に対し、パルス信号を前記各遅延ユニットの遅延時間にて順次遅延しながら伝送させ、
   前記位置検出用搬送波の中で最も周波数が高い信号の４倍の周波数に相当する周期毎に、前記パルス遅延回路内でパルス信号が通過した遅延ユニットの段数をカウントして、そのカウント結果を、前記各位置検出用搬送波の周期に同期して加減算することにより、前記各位置検出用搬送波を同期検波することを特徴とする請求項７に記載の物理量検出装置。
9. 前記位置検出手段は、前記可動物体の位置を複数箇所で各々独立して検出するよう構成されており、
   前記検出／制御期間設定手段は、位置検出手段が各々独立して行う複数の位置検出を複数のグループに分けて、各グループ毎に、位置検出期間を異なる期間に設定することを特徴とする請求項１〜請求項８の何れかに記載の物理量検出装置。
10. 前記検出／制御期間設定手段は、グループ毎に設定する位置検出期間の間に、前記位置制御期間が入るように、前記各グループの位置検出期間と前記位置制御期間とを交互に設定することを特徴とする請求項９に記載の物理量検出装置。