JP2007093615A - Angular velocity sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To produce in mass production manner, small-sized and high-precision multi-axis angular velocity sensors. <P>SOLUTION: Along a Z-axis, a pivot 130 is provided on a substrate 100, of which the upper surface is along an XY plane and a rotor 200 of which the outer side is annular structure is fitted. The rotor 200 is supported by the pivot 130 so as to be freely inclining and freely rotating. By supplying alternating voltage to stators 111 and 115, the rotor 200 rotates while floating. If the angular velocity ωx about X-axis is working to the substrate 100, the part 211 of the substrate 100 moving above the X-axis with a velocity component in the Y-axis positive direction is acted by the Coriolis force Fcz in the Z-axis positive direction and the rotor moves away from the substrate. A capacitative element is formed with fixed electrode pair 141A and 141B on the substrate side and a moving electrode 231. By measuring the capacitance value of the fixed electrode pair 141A and 141B, the size of the Coriolis force Fcz can be detected which is output as the angular velocity ωx. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は角速度センサに関し、特に、マイクロマシニング技術および半導体技術を利用した大量生産に適する角速度センサに関する。   The present invention relates to an angular velocity sensor, and more particularly, to an angular velocity sensor suitable for mass production using micromachining technology and semiconductor technology.

自動車産業や機械産業などでは、運動する物体の加速度や角速度を正確に検出できるセンサの需要が高まっている。加速度センサに関しては、従来から種々のタイプのものが提案されており、作用した加速度を二次元あるいは三次元的に正確に検出可能な小型のセンサが実用化に至っている。たとえば、下記の特許文献1には、半導体基板上に形成されたピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を利用した加速度センサが開示されている。また、下記の特許文献2には、静電容量素子あるいは圧電素子を用い、作用した加速度を各座標軸方向ごとに検出する加速度センサが開示されており、下記の特許文献3には、また別なタイプの圧電素子を用いた多軸加速度センサが開示されている。   In the automobile industry and the machine industry, there is an increasing demand for sensors that can accurately detect the acceleration and angular velocity of a moving object. Various types of acceleration sensors have been proposed in the past, and small sensors capable of accurately detecting the applied acceleration in two or three dimensions have been put into practical use. For example, Patent Document 1 below discloses an acceleration sensor that uses a change in resistance value of a piezoresistive element formed on a semiconductor substrate. Also, the following Patent Document 2 discloses an acceleration sensor that uses a capacitance element or a piezoelectric element to detect applied acceleration for each coordinate axis direction. A multi-axis acceleration sensor using a type of piezoelectric element is disclosed.

これに対して、角速度センサについての文献は比較的少ない。特に、多軸まわりの角速度を同時に検出できる角速度センサに関する文献は、ほとんど見受けられない。通常、角速度センサは車両の動力軸などの角速度を検出するために利用されており、ある特定の一軸まわりの角速度を検出する機能しかもたない。このような動力軸の回転速度を求めるような場合には、一次元の角速度センサを用いれば十分であるが、三次元空間内において自由運動する物体についての角速度を検出するセンサとしては、二軸もしくは三軸まわりの角速度を同時に検出することができる多軸角速度センサが望まれる。   On the other hand, there are relatively few references on angular velocity sensors. In particular, almost no literature on angular velocity sensors that can simultaneously detect angular velocities around multiple axes can be found. Normally, the angular velocity sensor is used to detect an angular velocity such as a power axis of a vehicle, and has only a function of detecting an angular velocity around a specific one axis. When obtaining the rotational speed of such a power shaft, it is sufficient to use a one-dimensional angular velocity sensor. However, as a sensor for detecting the angular velocity of an object that freely moves in a three-dimensional space, a two-axis Alternatively, a multi-axis angular velocity sensor that can simultaneously detect angular velocities around three axes is desired.

このような需要に応えるため、本願発明者は、下記の特許文献4において、新規な多軸角速度センサを提案した。この新規な角速度センサは、XYZ三次元直交座標系において、第1の座標軸方向に運動中の物体に対して、第2の座標軸まわりに角速度が作用すると、第3の座標軸方向にコリオリ力が発生するという原理を利用したもので、発生したコリオリ力を検出することにより、作用した角速度を間接的に検出するものである。コリオリ力の検出には、従来の加速度センサで培われてきた技術が応用されており、ピエゾ抵抗素子、容量素子、圧電素子などが利用される。
国際公開第WO88/08522号公報 国際公開第WO92/17759号公報 国際公開第WO93/02342号公報 国際公開第WO94/23272号公報
In order to meet such demand, the inventor of the present application has proposed a novel multi-axis angular velocity sensor in Patent Document 4 below. This new angular velocity sensor generates Coriolis force in the direction of the third coordinate axis when an angular velocity acts around the second coordinate axis on an object moving in the direction of the first coordinate axis in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system. In this method, the applied angular velocity is indirectly detected by detecting the generated Coriolis force. For the detection of Coriolis force, techniques cultivated by conventional acceleration sensors are applied, and piezoresistive elements, capacitive elements, piezoelectric elements, and the like are used.
International Publication No. WO88 / 08522 International Publication No. WO92 / 17759 International Publication No. WO93 / 02342 International Publication No. WO94 / 23272

本発明の目的は、上述の原理に基づく角速度センサのより具体的かつ実用的なメカニズムを提供することにあり、特に、マイクロマシニング技術および半導体技術を利用した多軸角速度センサを実現するための新規な手法を提供することにある。本発明の適用により、小型で高精度な多軸角速度センサを大量生産することが可能になる。   An object of the present invention is to provide a more specific and practical mechanism of an angular velocity sensor based on the above-described principle, and in particular, a novel for realizing a multi-axis angular velocity sensor using micromachining technology and semiconductor technology. Is to provide a simple method. By applying the present invention, it is possible to mass-produce small and highly accurate multi-axis angular velocity sensors.

(1) 本発明の第1の態様は、角速度センサにおいて、
XYZ三次元座標系におけるXY平面に沿った上面を有する基板と、 基板上面に直交するZ軸を回転軸として基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行う重錘体と、
外力が作用しない状態において、この重錘体が基板上面に対して一定の距離を保ちつつ回転運動を行うように、重錘体に対してエネルギーを供給するエネルギー供給手段と、
重錘体がX軸上空を通過した時点において基板上面と通過中の重錘体との距離を測定するX軸上方距離測定手段と、
を設け、X軸上方距離測定手段によって測定された距離に基づいて、基板に作用したX軸まわりの角速度を検出するようにしたものである。
(1) According to a first aspect of the present invention, in the angular velocity sensor,
A substrate having an upper surface along the XY plane in an XYZ three-dimensional coordinate system; a weight body that performs rotational movement in a non-contact state with respect to the substrate upper surface with a Z axis orthogonal to the substrate upper surface as a rotation axis;
Energy supply means for supplying energy to the weight body so that the weight body performs a rotational movement while maintaining a certain distance with respect to the upper surface of the substrate in a state where no external force acts;
X-axis upward distance measuring means for measuring the distance between the upper surface of the substrate and the passing weight body when the weight body passes over the X-axis;
And the angular velocity around the X-axis acting on the substrate is detected based on the distance measured by the X-axis upward distance measuring means.

(2) 本発明の第2の態様は、上述の第1の態様に係る角速度センサにおいて、
Z軸を回転軸として基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行う第1の重錘体と第2の重錘体とを設け、
第1の重錘体が正のX軸上空に位置するときに第2の重錘体が負のX軸上空に位置するように、第1の重錘体と第2の重錘体とを位相を180°ずらして回転させ、
いずれかの重錘体が正のX軸上空を通過した時点において基板上面と通過中の重錘体との距離を測定する正のX軸上方距離測定手段と、
いずれかの重錘体が負のX軸上空を通過した時点において基板上面と通過中の重錘体との距離を測定する負のX軸上方距離測定手段と、
正のX軸上方距離測定手段によって測定された距離と負のX軸上方距離測定手段によって測定された距離との差を求める差分演算手段と、
を設け、差分演算手段によって求めた差に基づいて、基板に作用したX軸まわりの角速度を検出するようにしたものである。
(2) According to a second aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the first aspect described above,
Providing a first weight body and a second weight body that rotate in a non-contact state with respect to the upper surface of the substrate with the Z axis as a rotation axis;
The first weight body and the second weight body are arranged so that the second weight body is located above the negative X axis when the first weight body is located above the positive X axis. Rotate the phase by 180 degrees,
Positive X-axis upward distance measuring means for measuring the distance between the upper surface of the substrate and the passing weight body when any weight body passes over the positive X-axis;
Negative X-axis upward distance measuring means for measuring the distance between the upper surface of the substrate and the passing weight body when any weight body passes over the negative X-axis;
Difference calculating means for obtaining a difference between the distance measured by the positive X-axis upward distance measuring means and the distance measured by the negative X-axis upward distance measuring means;
And the angular velocity around the X axis acting on the substrate is detected based on the difference obtained by the difference calculating means.

(3) 本発明の第3の態様は、上述の第1の態様に係る角速度センサにおいて、
重錘体がY軸上空を通過した時点において基板上面と重錘体との距離を測定するY軸上方距離測定手段を更に設け、
X軸上方距離測定手段によって測定された距離に基づいて、基板に作用したX軸まわりの角速度を検出するとともに、Y軸上方距離測定手段によって測定された距離に基づいて、基板に作用したY軸まわりの角速度を検出するようにしたものである。
(3) According to a third aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the first aspect described above,
Y-axis upward distance measuring means for measuring the distance between the substrate upper surface and the weight body when the weight body passes over the Y-axis is further provided,
Based on the distance measured by the X-axis upward distance measuring means, the angular velocity around the X-axis acting on the substrate is detected, and on the basis of the distance measured by the Y-axis upward distance measuring means, the Y-axis acting on the substrate The angular velocity around is detected.

(4) 本発明の第4の態様は、上述の第3の態様に係る角速度センサにおいて、
Z軸を回転軸として基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行う第1の重錘体と第2の重錘体とを設け、
第1の重錘体が正のX軸上空に位置するときに第2の重錘体が負のX軸上空に位置し、第1の重錘体が正のY軸上空に位置するときに第2の重錘体が負のY軸上空に位置するように、第1の重錘体と第2の重錘体とを位相を180°ずらして回転させ、
いずれかの重錘体が正のX軸上空を通過した時点において基板上面と通過中の重錘体との距離を測定する正のX軸上方距離測定手段と、
いずれかの重錘体が負のX軸上空を通過した時点において基板上面と通過中の重錘体との距離を測定する負のX軸上方距離測定手段と、
いずれかの重錘体が正のY軸上空を通過した時点において基板上面と通過中の重錘体との距離を測定する正のY軸上方距離測定手段と、
いずれかの重錘体が負のY軸上空を通過した時点において基板上面と通過中の重錘体との距離を測定する負のY軸上方距離測定手段と、
正のX軸上方距離測定手段によって測定された距離と負のX軸上方距離測定手段によって測定された距離との差を求める第1の差分演算手段と、
正のY軸上方距離測定手段によって測定された距離と負のY軸上方距離測定手段によって測定された距離との差を求める第2の差分演算手段と、
を設け、第1の差分演算手段によって求めた差に基づいて、基板に作用したX軸まわりの角速度を検出するとともに、第2の差分演算手段によって求めた差に基づいて、基板に作用したY軸まわりの角速度を検出するようにしたものである。
(4) According to a fourth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the third aspect described above,
Providing a first weight body and a second weight body that rotate in a non-contact state with respect to the upper surface of the substrate with the Z axis as a rotation axis;
When the first weight body is positioned above the positive X axis, the second weight body is positioned above the negative X axis, and when the first weight body is positioned above the positive Y axis The first weight body and the second weight body are rotated by shifting the phase by 180 ° so that the second weight body is positioned above the negative Y axis.
Positive X-axis upward distance measuring means for measuring the distance between the upper surface of the substrate and the passing weight body when any weight body passes over the positive X-axis;
Negative X-axis upward distance measuring means for measuring the distance between the upper surface of the substrate and the passing weight body when any weight body passes over the negative X-axis;
Positive Y-axis upward distance measuring means for measuring the distance between the upper surface of the substrate and the passing weight body when any weight body passes over the positive Y-axis;
Negative Y-axis upward distance measuring means for measuring the distance between the upper surface of the substrate and the passing weight body when any weight body passes over the negative Y-axis;
First difference calculating means for obtaining a difference between the distance measured by the positive X-axis upward distance measuring means and the distance measured by the negative X-axis upward distance measuring means;
Second difference calculation means for obtaining a difference between the distance measured by the positive Y-axis upward distance measurement means and the distance measured by the negative Y-axis upward distance measurement means;
And detecting the angular velocity around the X-axis acting on the substrate based on the difference obtained by the first difference calculating means, and detecting Y acting on the substrate based on the difference obtained by the second difference calculating means. The angular velocity around the axis is detected.

(5) 本発明の第5の態様は、上述の第4の態様に係る角速度センサにおいて、
第1の重錘体および第2の重錘体に加えて、更に、Z軸を回転軸として基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行う第3の重錘体および第4の重錘体を設け、
第1の重錘体が正のX軸上空に位置するときに、第2の重錘体が負のX軸上空に位置し、第3の重錘体が正のY軸上空に位置し、第4の重錘体が負のY軸上空に位置するように、第1の重錘体、第2の重錘体、第3の重錘体、第4の重錘体を中間部材を介して結合するようにしたものである。
(5) According to a fifth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the fourth aspect described above,
In addition to the first weight body and the second weight body, a third weight body and a fourth weight body that perform rotational movement in a non-contact state with respect to the upper surface of the substrate about the Z axis as a rotation axis. A weight,
When the first weight body is located above the positive X axis, the second weight body is located above the negative X axis, and the third weight body is located above the positive Y axis, The first weight body, the second weight body, the third weight body, and the fourth weight body are interposed through the intermediate member so that the fourth weight body is positioned above the negative Y axis. Are combined.

(6) 本発明の第6の態様は、上述の第2,4,5の態様に係る角速度センサにおいて、
用いる複数の重錘体の形状および質量を同一にしたものである。
(6) According to a sixth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the second, fourth, and fifth aspects described above,
The plurality of weight bodies used have the same shape and mass.

(7) 本発明の第7の態様は、上述の第1〜第6の態様に係る角速度センサにおいて、
Z軸の周囲を取り囲むような環状構造体を用意し、エネルギー供給手段から供給されるエネルギーを利用して、環状構造体をZ軸を回転軸として基板上面に対して非接触の状態で回転運動させ、この環状構造体の一部分を1個の重錘体とみなして距離測定の対象とするようにしたものである。
(7) According to a seventh aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the first to sixth aspects described above,
Prepare an annular structure that surrounds the periphery of the Z axis, and use the energy supplied from the energy supply means to rotate the annular structure in a non-contact state with respect to the upper surface of the substrate with the Z axis as the rotation axis. Thus, a part of the annular structure is regarded as one weight body, and is used as a target for distance measurement.

(8) 本発明の第8の態様は、上述の第1〜第7の態様に係る角速度センサにおいて、
重錘体の回転運動を、常に同一の回転方向に向かった連続回転運動とするようにしたものである。
(8) According to an eighth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the first to seventh aspects described above,
The rotational motion of the weight body is always a continuous rotational motion in the same rotational direction.

(9) 本発明の第9の態様は、上述の第8の態様に係る角速度センサにおいて、
Z軸に沿って伸びるように基板上面に固定された枢軸を設け、重錘体をこの枢軸によって回転自在に、かつ、所定の自由度をもってZ軸方向に移動自在になるように支持するようにしたものである。
(9) According to a ninth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the eighth aspect described above,
A pivot fixed to the upper surface of the substrate is provided so as to extend along the Z axis, and the weight body is supported by the pivot so as to be rotatable and movable in the Z axis direction with a predetermined degree of freedom. It is a thing.

(10) 本発明の第10の態様は、上述の第1〜第7の態様に係る角速度センサにおいて、
重錘体の回転運動を、時計回りの方向への回転と反時計回りの方向への回転とを交互に繰り返す反転回転運動としたものである。
(10) According to a tenth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the first to seventh aspects described above,
The rotational motion of the weight body is a reverse rotational motion that alternately repeats the rotation in the clockwise direction and the rotation in the counterclockwise direction.

(11) 本発明の第11の態様は、上述の第10の態様に係る角速度センサにおいて、
正のX軸を横切るような反転回転運動を行う第1の重錘体と、負のX軸を横切るような反転回転運動を行う第2の重錘体と、正のY軸を横切るような反転回転運動を行う第3の重錘体と、負のY軸を横切るような反転回転運動を行う第4の重錘体と、を設け、第1の重錘体および第2の重錘体の反転回転運動の回転方向と、第3の重錘体および第4の重錘体の反転回転運動の回転方向と、が常に逆向きになるように設定したものである。
(11) An eleventh aspect of the present invention is the angular velocity sensor according to the tenth aspect described above,
A first weight body that performs a reversal rotation motion across the positive X axis, a second weight body that performs a reversal rotation motion across the negative X axis, and a positive Y axis The first weight body and the second weight body are provided with a third weight body that performs the reverse rotation motion and a fourth weight body that performs the reverse rotation motion so as to cross the negative Y axis. The rotation direction of the reverse rotation motion of the third weight body and the rotation direction of the reverse rotation motion of the fourth weight body are always set to be opposite to each other.

(12) 本発明の第12の態様は、上述の第10または第11の態様に係る角速度センサにおいて、
Z軸まわりに捩じれを生じることができる材質からなる支持体を基板上面に固着し、重錘体をこの支持体によって支持するようにしたものである。
(12) According to a twelfth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the tenth or eleventh aspect described above,
A support made of a material capable of twisting around the Z-axis is fixed to the upper surface of the substrate, and the weight body is supported by this support.

(13) 本発明の第13の態様は、上述の第1〜第12の態様に係る角速度センサにおいて、
重錘体の少なくとも一部分を誘電体で構成し、
エネルギー供給手段を、重錘体の回転運動経路に沿って配置した複数の電極と、これら複数の電極に対してそれぞれ位相の異なる交流電圧を供給する電圧供給回路と、によって構成したものである。
(13) According to a thirteenth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the first to twelfth aspects described above,
At least a part of the weight body is made of a dielectric,
The energy supply means is configured by a plurality of electrodes arranged along the rotational movement path of the weight body, and a voltage supply circuit that supplies alternating voltages having different phases to the plurality of electrodes.

(14) 本発明の第14の態様は、上述の第1〜第13の態様に係る角速度センサにおいて、
所定の座標軸上空を通過中の重錘体と基板上面との距離を測定する距離測定手段を、重錘体の下面に形成された移動電極と、基板上面の座標軸近傍に形成された固定電極と、移動電極と固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値を検出する検出回路と、によって構成したものである。
(14) According to a fourteenth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the first to thirteenth aspects,
Distance measuring means for measuring the distance between the weight body passing over the predetermined coordinate axis and the upper surface of the substrate, a moving electrode formed on the lower surface of the weight body, a fixed electrode formed near the coordinate axis on the upper surface of the substrate, And a detection circuit for detecting a capacitance value of a capacitive element constituted by a moving electrode and a fixed electrode.

(15) 本発明の第15の態様は、上述の第14の態様に係る角速度センサにおいて、
固定電極を、互いに隣接して配置された第1固定電極と第2固定電極とによって構成し、
移動電極を、第1固定電極と第2固定電極との双方に対向可能な電気的に単一な電極によって構成し、
検出回路を、第1固定電極と第2固定電極との間の静電容量値を電気的に検出する回路によって構成したものである。
(15) According to a fifteenth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the fourteenth aspect described above,
The fixed electrode is constituted by a first fixed electrode and a second fixed electrode arranged adjacent to each other,
The moving electrode is constituted by an electrically single electrode that can face both the first fixed electrode and the second fixed electrode,
The detection circuit is configured by a circuit that electrically detects a capacitance value between the first fixed electrode and the second fixed electrode.

(16) 本発明の第16の態様は、角速度センサにおいて、
XYZ三次元座標系におけるXY平面に沿った上面を有する基板と、 基板上面に直交するZ軸を回転軸として基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行う重錘体と、
外力が作用しない状態において、この重錘体がZ軸に対して一定の距離を保ちつつ回転運動を行うように、重錘体に対してエネルギーを供給するエネルギー供給手段と、
重錘体とZ軸との距離を測定する距離測定手段と、
を設け、距離測定手段によって測定された距離に基づいて、基板に作用したZ軸まわりの角速度を検出するようにしたものである。
(16) According to a sixteenth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor,
A substrate having an upper surface along the XY plane in an XYZ three-dimensional coordinate system; a weight body that performs rotational movement in a non-contact state with respect to the substrate upper surface with a Z axis orthogonal to the substrate upper surface as a rotation axis;
Energy supply means for supplying energy to the weight body so that the weight body performs a rotational movement while maintaining a constant distance with respect to the Z axis in a state where no external force is applied;
Distance measuring means for measuring the distance between the weight body and the Z axis;
The angular velocity around the Z-axis acting on the substrate is detected based on the distance measured by the distance measuring means.

(17) 本発明の第17の態様は、上述の第16の態様に係る角速度センサにおいて、
Z軸を回転軸として基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行う第1の重錘体と第2の重錘体とを設け、
第1の重錘体が正のX軸上空に位置するときに第2の重錘体が負のX軸上空に位置するように、第1の重錘体と第2の重錘体とを位相を180°ずらして回転させ、
いずれかの重錘体が正のX軸上空を通過した時点におけるZ軸に対する距離を測定する正のX軸上距離測定手段と、
いずれかの重錘体が負のX軸上空を通過した時点におけるZ軸に対する距離を測定する負のX軸上距離測定手段と、
正のX軸上距離測定手段によって測定された距離と負のX軸上距離測定手段によって測定された距離との和を求める演算手段と、
を設け、演算手段によって求めた和に基づいて、基板に作用したZ軸まわりの角速度を検出するようにしたものである。
(17) According to a seventeenth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the sixteenth aspect described above,
Providing a first weight body and a second weight body that rotate in a non-contact state with respect to the upper surface of the substrate with the Z axis as a rotation axis;
The first weight body and the second weight body are arranged so that the second weight body is located above the negative X axis when the first weight body is located above the positive X axis. Rotate the phase by 180 degrees,
A positive X-axis distance measuring means for measuring a distance to the Z-axis when any weight body passes over the positive X-axis;
Negative X-axis distance measuring means for measuring the distance to the Z-axis when any weight body passes over the negative X-axis;
Arithmetic means for calculating the sum of the distance measured by the positive X-axis distance measuring means and the distance measured by the negative X-axis distance measuring means;
The angular velocity around the Z-axis acting on the substrate is detected based on the sum obtained by the calculation means.

(18) 本発明の第18の態様は、上述の第17の態様に係る角速度センサにおいて、
重錘体の回転運動を、常に同一の回転方向に向かった連続回転運動とするようにしたものである。
(18) According to an eighteenth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the seventeenth aspect described above,
The rotational motion of the weight body is always a continuous rotational motion in the same rotational direction.

(19) 本発明の第19の態様は、上述の第18の態様に係る角速度センサにおいて、
第1の重錘体と第2の重錘体とを伸縮性をもった中間部材を用いて結合し、
Z軸に沿って伸びるように基板上面に固定された枢軸を設け、この枢軸によって回転自在に中間部材を支持するようにしたものである。
(19) According to a nineteenth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the eighteenth aspect described above,
The first weight body and the second weight body are joined using an intermediate member having elasticity,
A pivot fixed to the upper surface of the substrate is provided so as to extend along the Z axis, and the intermediate member is rotatably supported by the pivot.

(20) 本発明の第20の態様は、上述の第17の態様に係る角速度センサにおいて、
重錘体の回転運動を、時計回りの方向への回転と反時計回りの方向への回転とを交互に繰り返す反転回転運動とするようにしたものである。
(20) According to a twentieth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the seventeenth aspect described above,
The rotational motion of the weight body is a reversal rotational motion in which the rotation in the clockwise direction and the rotation in the counterclockwise direction are alternately repeated.

(21) 本発明の第21の態様は、上述の第20の態様に係る角速度センサにおいて、
Z軸まわりに捩じれを生じることができる材質からなる支持体を基板上面に固着し、重錘体を、伸縮性をもった中間部材を介して、この支持体によって支持するようにしたものである。
(21) According to a twenty-first aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the twentieth aspect described above,
A support made of a material capable of causing twisting around the Z axis is fixed to the upper surface of the substrate, and the weight body is supported by the support through an intermediate member having elasticity. .

(22) 本発明の第22の態様は、上述の第16〜第21の態様に係る角速度センサにおいて、
重錘体の少なくとも一部分を誘電体で構成し、
エネルギー供給手段を、重錘体の回転運動経路に沿って配置した複数の電極と、これら複数の電極に対してそれぞれ位相の異なる交流電圧を供給する電圧供給回路と、によって構成したものである。
(22) According to a twenty-second aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the sixteenth to twenty-first aspects described above,
At least a part of the weight body is made of a dielectric,
The energy supply means is configured by a plurality of electrodes arranged along the rotational movement path of the weight body, and a voltage supply circuit that supplies alternating voltages having different phases to the plurality of electrodes.

(23) 本発明の第23の態様は、上述の第16〜第22の態様に係る角速度センサにおいて、
重錘体とZ軸との距離を測定する距離測定手段を、重錘体の下面に形成された移動電極と、基板上面の移動電極に対向する位置よりも内側もしくは外側に所定のオフセット量だけシフトした位置に形成された固定電極と、移動電極と固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値を検出する検出回路と、によって構成したものである。
(23) According to a twenty-third aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the sixteenth to twenty-second aspects described above,
A distance measuring means for measuring the distance between the weight body and the Z-axis is provided by a predetermined offset amount inside or outside the moving electrode formed on the lower surface of the weight body and the position facing the moving electrode on the upper surface of the substrate. This is constituted by a fixed electrode formed at a shifted position and a detection circuit for detecting a capacitance value of a capacitive element constituted by the moving electrode and the fixed electrode.

(24) 本発明の第24の態様は、上述の第23の態様に係る角速度センサにおいて、
固定電極を、互いに隣接して配置された第1固定電極と第2固定電極とによって構成し、
移動電極を、第1固定電極と第2固定電極との双方に対向可能な電気的に単一な電極によって構成し、
検出回路を、第1固定電極と第2固定電極との間の静電容量値を電気的に検出する回路によって構成したものである。
(24) According to a twenty-fourth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the twenty-third aspect described above,
The fixed electrode is constituted by a first fixed electrode and a second fixed electrode arranged adjacent to each other,
The moving electrode is constituted by an electrically single electrode that can face both the first fixed electrode and the second fixed electrode,
The detection circuit is configured by a circuit that electrically detects a capacitance value between the first fixed electrode and the second fixed electrode.

本発明を利用すれば、マイクロマシニング技術および半導体技術を利用した多軸角速度センサを実現することができ、小型で高精度な多軸角速度センサを大量生産することが可能になる。   By using the present invention, a multi-axis angular velocity sensor using micromachining technology and semiconductor technology can be realized, and a small and highly accurate multi-axis angular velocity sensor can be mass-produced.

<<< §1. 本発明の基本原理 >>>
はじめに、本発明に係る角速度センサの基本原理を図1を参照しながら説明する。この図1に示す角速度センサは、XYZ三次元座標系におけるX軸およびY軸まわりの角速度ωx,ωyを検出する機能を有する。基板10は、平坦な上面11を有し、装置筐体として機能する。ここで、XYZ三次元座標系は、この上面11がXY平面に含まれるように定義されており、原点Oから上方に伸びるZ軸は、上面11に直交する軸となる。いま、所定の質量をもった重錘体20を用意し、この重錘体20をZ軸を回転軸として図の軌道Cに沿って回転運動させたとする。すなわち、重錘体20は、基板10の上面11に対して非接触の状態で回転運動を行うことになる。このとき、エネルギー供給手段30から重錘体20に対して回転運動のためのエネルギーを供給するようにし、重錘体20が上面11に対して一定の距離hを保ちながら回転運動を行うようにする。
<<< §1. Basic principle of the present invention >>
First, the basic principle of the angular velocity sensor according to the present invention will be described with reference to FIG. The angular velocity sensor shown in FIG. 1 has a function of detecting angular velocities ωx and ωy around the X axis and the Y axis in the XYZ three-dimensional coordinate system. The substrate 10 has a flat upper surface 11 and functions as an apparatus housing. Here, the XYZ three-dimensional coordinate system is defined so that the upper surface 11 is included in the XY plane, and the Z axis extending upward from the origin O is an axis orthogonal to the upper surface 11. Now, it is assumed that a weight body 20 having a predetermined mass is prepared, and the weight body 20 is rotationally moved along a trajectory C shown in the drawing with the Z axis as a rotation axis. That is, the weight body 20 performs a rotational movement in a non-contact state with respect to the upper surface 11 of the substrate 10. At this time, energy for rotational motion is supplied from the energy supply means 30 to the weight body 20 so that the weight body 20 performs rotational motion while maintaining a constant distance h with respect to the upper surface 11. To do.

もちろん、実際の角速度センサでは、重錘体20を基板10に対して支持するための具体的な機構や、上面11に非接触状態で一定の距離hを維持しつつ回転運動させるための具体的な機構が必要になるが、そのような具体的な機構については§5以降において詳述する。ここでは、コリオリ力や加速度に基づく力などの系外からの余分な力(外力)が加わらない限り(すなわち、基板10が静止状態にある限り)、上面11から常に一定の距離hを維持しつつ、重錘体20に回転運動をさせるような何らかの機構が設けられているものとする。   Of course, in an actual angular velocity sensor, a specific mechanism for supporting the weight body 20 with respect to the substrate 10, or a specific mechanism for rotating the surface while maintaining a certain distance h in a non-contact state with the upper surface 11. Such a specific mechanism will be described in detail in §5 and later. Here, unless an extra force (external force) from outside the system such as a Coriolis force or a force based on acceleration is applied (that is, as long as the substrate 10 is in a stationary state), a constant distance h is always maintained from the upper surface 11. On the other hand, it is assumed that some mechanism for causing the weight body 20 to rotate is provided.

この角速度センサは、更に、重錘体20がX軸上空を通過した時点において、上面11と通過中の重錘体20との距離を測定するX軸上方距離測定手段40と、重錘体20がY軸上空を通過した時点において、上面11と通過中の重錘体20との距離を測定するY軸上方距離測定手段50とを備えている。上述したように、系外からの力が作用しない状態では、重錘体20は常に上面11から距離hの高さの位置を運動する。別言すれば、方程式Z=hで示される平面上の円軌道Cに沿って重錘体20は移動する。したがって、この状態では、X軸上方距離測定手段40による測定値も、Y軸上方距離測定手段50による測定値も、いずれも定常状態の距離hとなる。   This angular velocity sensor further includes an X-axis upward distance measuring means 40 for measuring the distance between the upper surface 11 and the passing weight body 20 when the weight body 20 passes over the X-axis, and the weight body 20. Is provided with Y-axis upward distance measuring means 50 for measuring the distance between the upper surface 11 and the passing weight body 20 at the time of passing over the Y-axis. As described above, the weight body 20 always moves at a height of a distance h from the upper surface 11 in a state where a force from outside the system does not act. In other words, the weight body 20 moves along a circular orbit C on the plane indicated by the equation Z = h. Therefore, in this state, the measured value by the X-axis upward distance measuring means 40 and the measured value by the Y-axis upward distance measuring means 50 are both the steady state distance h.

しかしながら、この系全体がX軸まわりの角速度ωxもしくはY軸まわりの角速度ωyをもって回転運動していた場合、別言すれば、基板10に対して角速度ωxあるいはωyが作用していた場合、この角速度に基づくコリオリ力が重錘体20に作用することになり、重錘体20の運動は本来の円軌道Cから外れることになる。   However, when the entire system is rotating at an angular velocity ωx around the X axis or an angular velocity ωy around the Y axis, in other words, when the angular velocity ωx or ωy acts on the substrate 10, this angular velocity Therefore, the Coriolis force based on the above acts on the weight body 20, and the movement of the weight body 20 deviates from the original circular orbit C.

ここで、運動中の物体に作用する角速度とコリオリ力との関係を図2を参照して簡単に説明しておく。いま、図2に示すように、XYZ三次元座標系内において、所定の質量mをもった重錘体20がY軸方向に所定の速度Vyで運動している場合を考える。このとき、この座標系全体が、X軸まわりの角速度ωxをもって回転していたとすると、この座標系内における重錘体20の運動は、Z軸方向の外力Fczが発生したものとして取り扱うことができる。この外力Fczは、この系内でのみ現れるみかけの力であり、コリオリ力と呼ばれ、
Fcz = 2・m・Vy・ωx
なる式で定義される。図2に示す例では、このコリオリ力Fczの作用により、Y軸方向に移動中の重錘体20の軌道は、Z軸方向に曲げられることになる。
Here, the relationship between the angular velocity acting on the moving object and the Coriolis force will be briefly described with reference to FIG. Now, as shown in FIG. 2, a case is considered in which a weight body 20 having a predetermined mass m is moving at a predetermined speed Vy in the Y-axis direction in an XYZ three-dimensional coordinate system. At this time, if the entire coordinate system is rotated at an angular velocity ωx around the X axis, the motion of the weight body 20 in the coordinate system can be handled as if the external force Fcz in the Z axis direction was generated. . This external force Fcz is an apparent force that appears only in this system and is called Coriolis force.
Fcz = 2 ・ m ・ Vy ・ ωx
Is defined by the expression In the example shown in FIG. 2, the orbit of the weight body 20 moving in the Y-axis direction is bent in the Z-axis direction by the action of the Coriolis force Fcz.

そこで、図1に示す系全体に、X軸まわりの角速度ωxが加えられた場合の重錘体20に対するコリオリ力の作用について考える。図3に示すように、重錘体20は、X軸の上方を通過する瞬間に、円軌道Cの接線方向であるY軸方向の速度成分Vyを有している。したがって、この瞬間に系全体にX軸まわりの角速度ωxが作用した場合、Z軸方向にコリオリ力Fczが作用することになる。エネルギー供給手段30は、重錘体20を当初の円軌道C(角速度ωx=0のときに予定されていた軌道)に沿って回転移動させるためのエネルギーを供給しているが、重錘体20にZ軸方向のコリオリ力Fczが加わると、重錘体20は当初の円軌道CからZ軸方向にΔhだけ外れて、図に示すように、基板上面11から距離h+Δhだけ離れた地点を通過することになる。当初の円軌道Cからの隔たりΔhは、作用したコリオリ力Fczに関連した値となる。前述したように、このコリオリ力Fczの大きさは、
Fcz = 2・m・Vy・ωx
なる式により定義されるので、重錘体20の質量mおよび運動速度Vyを一定にしておけば、コリオリ力Fczは角速度ωxに比例した値となり、結局、重錘体20がX軸上方を通過する時点における当初の円軌道Cからの隔たりΔhを、角速度ωxを示す値として用いることができる。また、hは一定であるから、重錘体20と基板上面11との距離h+Δhを測定することができれば、角速度ωxの値を得ることができる。
Therefore, the action of the Coriolis force on the weight body 20 when the angular velocity ωx around the X axis is applied to the entire system shown in FIG. As shown in FIG. 3, the weight body 20 has a velocity component Vy in the Y-axis direction that is a tangential direction of the circular orbit C at the moment of passing over the X-axis. Accordingly, when the angular velocity ωx around the X axis acts on the entire system at this moment, the Coriolis force Fcz acts in the Z axis direction. The energy supply means 30 supplies energy for rotating the weight body 20 along the original circular orbit C (orbit planned when the angular velocity ωx = 0). When the Coriolis force Fcz in the Z-axis direction is applied, the weight body 20 deviates from the original circular orbit C by Δh in the Z-axis direction and passes through a point separated by a distance h + Δh from the substrate upper surface 11 as shown in the figure. Will do. The distance Δh from the initial circular orbit C is a value related to the applied Coriolis force Fcz. As mentioned above, the magnitude of this Coriolis force Fcz is
Fcz = 2 ・ m ・ Vy ・ ωx
Therefore, if the mass m and the motion speed Vy of the weight body 20 are kept constant, the Coriolis force Fcz becomes a value proportional to the angular speed ωx, and eventually the weight body 20 passes above the X axis. The distance Δh from the initial circular orbit C at the time of the operation can be used as a value indicating the angular velocity ωx. Since h is constant, if the distance h + Δh between the weight body 20 and the substrate upper surface 11 can be measured, the value of the angular velocity ωx can be obtained.

図1に示した角速度センサは、このような原理に基づいて、X軸まわりの角速度ωxおよびY軸まわりの角速度ωyを検出する機能を有する。すなわち、センサ筐体としての基板10を被測定対象物に取り付け、エネルギー供給手段30からエネルギーを供給すると、重錘体20は円軌道Cに沿って回転運動する。この状態において、X軸上方距離測定手段40からは、重錘体20がX軸上方を通過したときの基板上面11からの距離の測定値が出力され、Y軸上方距離測定手段50からは、重錘体20がY軸上方を通過したときの基板上面11からの距離の測定値が出力される。したがって、X軸上方距離測定手段40の出力は、基板10のX軸まわりの角速度ωx(すなわち、被測定対象物の角速度ωx)を示すものになり、Y軸上方距離測定手段50の出力は、基板10のY軸まわりの角速度ωy(すなわち、被測定対象物の角速度ωy)を示すものになる。   The angular velocity sensor shown in FIG. 1 has a function of detecting an angular velocity ωx around the X axis and an angular velocity ωy around the Y axis based on such a principle. That is, when the substrate 10 as the sensor housing is attached to the measurement target and energy is supplied from the energy supply means 30, the weight body 20 rotates along the circular orbit C. In this state, the X-axis upward distance measuring means 40 outputs a measured value of the distance from the substrate upper surface 11 when the weight body 20 passes above the X-axis, and the Y-axis upward distance measuring means 50 outputs A measured value of the distance from the substrate upper surface 11 when the weight body 20 passes above the Y axis is output. Therefore, the output of the X-axis upward distance measuring means 40 indicates the angular velocity ωx around the X-axis of the substrate 10 (that is, the angular speed ωx of the object to be measured), and the output of the Y-axis upward distance measuring means 50 is It shows the angular velocity ωy around the Y axis of the substrate 10 (that is, the angular velocity ωy of the object to be measured).

なお、逆向きの角速度が作用した場合には、発生するコリオリ力の向きが逆転し、円軌道Cからの隔たりΔhの符号が逆転することになるので、重錘体20と基板上面11との距離hが増えたか減ったかによって、作用した角速度の向きを認識することができる。   When a reverse angular velocity is applied, the direction of the generated Coriolis force is reversed, and the sign of the distance Δh from the circular orbit C is reversed, so that the weight body 20 and the substrate upper surface 11 are reversed. The direction of the acting angular velocity can be recognized depending on whether the distance h has increased or decreased.

<<< §2. 加速度成分のキャンセル >>>
角速度センサを実際に使用する環境を考えた場合、純然たる角速度のみが作用する環境は非常にまれであり、通常は、加速度と角速度との双方が作用する環境下で使用されることが多い。このような一般的な環境下での使用を前提とした場合、加速度の影響を受けることなく、角速度のみを正確に検出する機能が必要になる。
<<< §2. Cancel acceleration component >>>
Considering the environment in which the angular velocity sensor is actually used, an environment in which only a pure angular velocity acts is very rare, and usually it is often used in an environment in which both acceleration and angular velocity act. When it is assumed to be used in such a general environment, a function for accurately detecting only the angular velocity without being affected by acceleration is required.

前述の§1で述べた角速度センサは、実は、加速度が作用する環境下では、正確な角速度の検出を行うことはできない。すなわち、図3において、角速度ωxのみが作用している環境下では、隔たりΔhは角速度ωxに比例したコリオリ力Fczのみに基づく量になり、測定されたΔhの値は、角速度ωxを示すものになる。ところが、この系全体に、Z軸方向の加速度αzが作用していた場合には、この加速度αzに基づく力Fazが重錘体20に加わることになり、隔たりΔhは角速度ωxに比例したコリオリ力Fczと加速度αzに基づく力Fazとの双方によって決定される量になるため、測定されたΔhの値には加速度成分が含まれることになり、正確な角速度ωxを求めることはできない。   In fact, the angular velocity sensor described in the above section 1 cannot accurately detect the angular velocity in an environment where acceleration acts. That is, in FIG. 3, in an environment where only the angular velocity ωx is acting, the distance Δh is an amount based only on the Coriolis force Fcz proportional to the angular velocity ωx, and the measured value of Δh indicates the angular velocity ωx. Become. However, when the acceleration αz in the Z-axis direction acts on the entire system, a force Faz based on the acceleration αz is applied to the weight body 20, and the distance Δh is a Coriolis force proportional to the angular velocity ωx. Since the amount is determined by both Fcz and the force Faz based on the acceleration αz, the measured Δh value includes an acceleration component, and an accurate angular velocity ωx cannot be obtained.

もちろん、§1で述べた角速度センサとともに、一般的な加速度センサを併用するようにして、この加速度センサが検出した加速度の値によって、角速度センサの検出値に対する補正を行い、加速度成分をキャンセルすることも可能である。しかしながら、常に加速度センサとの併用を前提とした装置構成は複雑にならざるを得ず、装置の小型化およびコストダウンという見地から好ましくない。この§2で述べる角速度センサは、基本的には§1で述べた角速度センサの原理を採用しているものの、加速度成分をキャンセルした検出値を容易に得ることが可能である。   Of course, a general acceleration sensor is used in combination with the angular velocity sensor described in §1, and the acceleration value detected by the acceleration sensor is corrected to cancel the acceleration component. Is also possible. However, the device configuration that is always premised on the combined use with the acceleration sensor must be complicated, which is not preferable from the viewpoint of downsizing and cost reduction of the device. Although the angular velocity sensor described in §2 basically adopts the principle of the angular velocity sensor described in §1, it is possible to easily obtain a detection value in which the acceleration component is canceled.

図4に、この加速度成分をキャンセルする機能をもった角速度センサの基本構成を示す。このセンサの特徴は、軌道C上に一対の重錘体21,22を設けた点にある。いずれの重錘体も、エネルギー供給手段30からのエネルギーの供給を受けて、Z軸を回転軸として基板上面11に対して非接触の状態で回転運動を行う。ただし、図示のとおり、第1の重錘体21が正のX軸上空に位置するときに、第2の重錘体22は負のX軸上空に位置するように、第1の重錘体と前記第2の重錘体とは、互いに位相が180°ずれた状態で回転運動を行う。したがって、第1の重錘体21が正のY軸上空に位置するときには、第2の重錘体22は負のY軸上空に位置することになる。   FIG. 4 shows a basic configuration of an angular velocity sensor having a function of canceling the acceleration component. This sensor is characterized in that a pair of weight bodies 21 and 22 are provided on the track C. Each of the weight bodies receives the supply of energy from the energy supply means 30 and performs a rotational movement in a non-contact state with respect to the substrate upper surface 11 with the Z axis as a rotation axis. However, as illustrated, when the first weight body 21 is located above the positive X axis, the first weight body 22 is located above the negative X axis. And the second weight body rotate in a state where the phases are shifted from each other by 180 °. Therefore, when the first weight body 21 is located above the positive Y axis, the second weight body 22 is located above the negative Y axis.

また、この角速度センサには、4組の距離測定手段が設けられている。すなわち、正のX軸上方距離測定手段41は、いずれかの重錘体が正のX軸上空(図4において、第1の重錘体21が存在する地点)を通過した時点において基板上面11と通過中の重錘体との距離を測定する機能を有し、負のX軸上方距離測定手段42は、いずれかの重錘体が負のX軸上空(図4において、第2の重錘体22が存在する地点)を通過した時点において基板上面11と通過中の重錘体との距離を測定する機能を有する。また、正のY軸上方距離測定手段51は、いずれかの重錘体が正のY軸上空を通過した時点において基板上面11と通過中の重錘体との距離を測定する機能を有し、負のY軸上方距離測定手段52は、いずれかの重錘体が負のY軸上空を通過した時点において基板上面11と通過中の重錘体との距離を測定する機能を有する。   The angular velocity sensor is provided with four sets of distance measuring means. That is, the positive X-axis upward distance measuring means 41 has the substrate upper surface 11 when any weight body passes over the positive X-axis (the point where the first weight body 21 exists in FIG. 4). The negative X-axis upward distance measuring means 42 has a function of measuring the distance between the weight and the passing weight body. It has a function of measuring the distance between the upper surface 11 of the substrate and the passing weight body at the time of passing through the point where the weight body 22 exists. The positive Y-axis upward distance measuring means 51 has a function of measuring the distance between the substrate upper surface 11 and the passing weight body when any weight body passes over the positive Y-axis. The negative Y-axis upward distance measuring means 52 has a function of measuring the distance between the substrate upper surface 11 and the passing weight body when any weight body passes over the negative Y-axis.

更に、正のX軸上方距離測定手段41によって測定された距離と負のX軸上方距離測定手段42によって測定された距離との差を求めるための第1の差分演算手段43と、正のY軸上方距離測定手段51によって測定された距離と負のY軸上方距離測定手段52によって測定された距離との差を求めるための第2の差分演算手段53と、が備わっており、最終的に、これら差分演算手段43,53の出力に基づいて、X軸まわりの角速度ωxおよびY軸まわりの角速度ωyが検出されることになる。   Further, a first difference calculating means 43 for obtaining a difference between the distance measured by the positive X-axis upward distance measuring means 41 and the distance measured by the negative X-axis upward distance measuring means 42, positive Y And a second difference calculation means 53 for determining a difference between the distance measured by the axial upward distance measuring means 51 and the distance measured by the negative Y-axis upward distance measuring means 52, and finally. Based on the outputs of the difference calculation means 43 and 53, the angular velocity ωx around the X axis and the angular velocity ωy around the Y axis are detected.

続いて、この角速度センサにおける検出原理および加速度成分がキャンセルされる理由について述べる。いま、図4に図示されているように、Z=hで示される平面上に含まれる円軌道C上を、互いに位相が180°ずれた状態で一対の重錘体21,22が回転運動を行うように、エネルギー供給手段30からエネルギーが供給されている状態を考える。この状態では、図示のように、第1の重錘体21は正のX軸上空をY軸正方向の速度Vyをもって通過し、それと同時に、第2の重錘体22は負のX軸上空をY軸負方向の速度−Vyをもって通過する。このとき、もしこの系全体に対して、X軸まわりの角速度ωxが作用していたとすると、図5に示すように、第1の重錘体21に対しては、Z軸正方向のコリオリ力Fczが加わり、第1の重錘体21は当初の円軌道Cから上方に外れる。一方、第2の重錘体22に対しては、Z軸負方向のコリオリ力−Fczが加わり、第2の重錘体22は当初の円軌道Cから下方に外れる。   Next, the detection principle and the reason for canceling the acceleration component in this angular velocity sensor will be described. Now, as shown in FIG. 4, a pair of weight bodies 21 and 22 rotate on a circular orbit C included on a plane indicated by Z = h with a phase shifted by 180 ° from each other. Let us consider a state in which energy is supplied from the energy supply means 30 to be performed. In this state, as shown in the figure, the first weight body 21 passes over the positive X-axis with a velocity Vy in the Y-axis positive direction, and at the same time, the second weight body 22 passes over the negative X-axis. Through Y-axis negative direction speed -Vy. At this time, if an angular velocity ωx around the X axis is acting on the entire system, the Coriolis force in the Z-axis positive direction is applied to the first weight body 21 as shown in FIG. Fcz is added, and the first weight body 21 deviates upward from the original circular orbit C. On the other hand, a negative Coriolis force -Fcz in the Z-axis direction is applied to the second weight body 22, and the second weight body 22 is moved downward from the original circular orbit C.

いま、第1の重錘体21と第2の重錘体22とが、全く同一の形状を有し、全く同一の質量を有していたとする。ここで、両者は常に180°の位相差を保って回転運動をしているのであるから、回転運動の速度の絶対値も両者は同じになる。したがって、両重錘体に作用するコリオリ力の絶対値は同じになり、第1の重錘体21がΔhだけ円軌道Cから上方に外れ、基板上面11からの距離h+Δhの位置を通過したとすれば、第2の重錘体22はΔhだけ円軌道Cから下方に外れ、基板上面11からの距離h−Δhの位置を通過することになる。したがって、正のX軸上方距離測定手段41の出力はh+Δhとなり、負のX軸上方距離測定手段42の出力はh−Δhとなる。結局、差分演算手段43からは、両者の差分である2・Δhが出力される。この差分2・Δhは、作用したコリオリ力Fcz(−Fcz)の大きさを示すものであり、X軸まわりの角速度ωxの大きさを示すものになる。なお、作用した角速度ωxの向きが逆の場合、コリオリ力の向きは逆転し、差分演算手段43からの出力は−2・Δhになる。したがって、差分演算手段43から得られる出力信号の符号は角速度ωxの向きを示し、出力信号の大きさは角速度ωxの大きさを示すものとなる。   Now, it is assumed that the first weight body 21 and the second weight body 22 have exactly the same shape and the completely same mass. Here, since they are always rotating with a phase difference of 180 °, the absolute value of the speed of the rotating motion is the same. Therefore, the absolute value of the Coriolis force acting on both weight bodies is the same, and the first weight body 21 is deviated upward from the circular orbit C by Δh and passes the position of the distance h + Δh from the substrate upper surface 11. In this case, the second weight body 22 deviates downward from the circular orbit C by Δh, and passes through the position of the distance h−Δh from the upper surface 11 of the substrate. Therefore, the output of the positive X-axis upward distance measuring means 41 is h + Δh, and the output of the negative X-axis upward distance measuring means 42 is h−Δh. Eventually, the difference calculation means 43 outputs 2 · Δh, which is the difference between the two. This difference 2 · Δh indicates the magnitude of the applied Coriolis force Fcz (−Fcz), and indicates the magnitude of the angular velocity ωx around the X axis. When the direction of the applied angular velocity ωx is opposite, the direction of the Coriolis force is reversed, and the output from the difference calculation means 43 is −2 · Δh. Therefore, the sign of the output signal obtained from the difference calculation means 43 indicates the direction of the angular velocity ωx, and the magnitude of the output signal indicates the magnitude of the angular velocity ωx.

ここで、この系全体に対して加速度が作用していたとしても、この加速度は検出結果には何ら影響を与えない。すなわち、この系全体に何らかの加速度成分が作用していたとしても、この加速度成分に基づく力は、第1の重錘体21と第2の重錘体22との双方に加わることになるので、差分をとった段階でキャンセルされるのである。たとえば、図5に示す例において、Z軸方向の加速度αzが作用したために、この加速度αzに基づく力Fazに起因して、両重錘体がZ軸正方向に更にΔkだけ変位したとする。この場合、正のX軸上方距離測定手段41の出力はh+Δh+Δkとなり、負のX軸上方距離測定手段42の出力はh−Δh+Δkとなり、差分演算手段43から出力される差分は依然として2・Δhとなる。すなわち、差分をとったために、加速度αzの影響はキャンセルされたことになる。   Here, even if acceleration acts on the entire system, this acceleration does not affect the detection result. That is, even if some acceleration component acts on the entire system, the force based on this acceleration component is applied to both the first weight body 21 and the second weight body 22, It is canceled when the difference is taken. For example, in the example shown in FIG. 5, since the acceleration αz in the Z-axis direction is applied, it is assumed that both weight bodies are further displaced by Δk in the positive Z-axis direction due to the force Faz based on the acceleration αz. In this case, the output of the positive X-axis upward distance measuring means 41 is h + Δh + Δk, the output of the negative X-axis upward distance measuring means 42 is h−Δh + Δk, and the difference output from the difference calculating means 43 is still 2 · Δh. Become. That is, since the difference is taken, the influence of the acceleration αz is canceled.

このように、互いに位相が180°ずれた状態で回転運動を行う一対の重錘体を用いることにより、加速度成分をキャンセルすることが可能になる。   As described above, the acceleration component can be canceled by using the pair of weight bodies that perform the rotational motion in a state where the phases are shifted from each other by 180 °.

なお、上述の説明では、正のX軸上方距離測定手段41および負のX軸上方距離測定手段42と、これら両測定手段の出力の差分をとる差分演算手段43とを用いて、X軸まわりの角速度ωxを検出する動作を説明したが、正のY軸上方距離測定手段51および負のY軸上方距離測定手段52と、これら両測定手段の出力の差分をとる差分演算手段53とを用いれば、全く同様の原理でY軸まわりの角速度ωyを検出することが可能である。このように、両重錘体21,22が正のX軸上方および負のX軸上方を通過する瞬間にX軸まわりの角速度ωxの検出を行い、正のY軸上方および負のY軸上方を通過する瞬間にY軸まわりの角速度ωyの検出を行うようにすれば、角速度ωx,ωyを交互に検出することができる。また、この検出周期は、重錘体21,22の回転速度によって調節可能である。   In the above description, the positive X-axis upward distance measuring means 41, the negative X-axis upward distance measuring means 42, and the difference calculating means 43 that takes the difference between the outputs of these two measuring means are used. The operation of detecting the angular velocity ωx of the positive Y-axis upward distance measuring means 51 and the negative Y-axis upward distance measuring means 52, and the difference calculating means 53 for taking the difference between the outputs of these measuring means are used. For example, the angular velocity ωy about the Y axis can be detected based on the same principle. In this way, the angular velocity ωx around the X axis is detected at the moment when both weight bodies 21 and 22 pass above the positive X axis and above the negative X axis, and above the positive Y axis and above the negative Y axis. If the angular velocity ωy around the Y-axis is detected at the moment of passing, the angular velocities ωx and ωy can be detected alternately. The detection cycle can be adjusted by the rotational speed of the weight bodies 21 and 22.

<<< §3. 重錘体によるロータの構成 >>>
上述した§2では、一対の重錘体を互いに位相を180°ずらして回転運動させることにより、加速度成分をキャンセルする手法を説明した。原理的には、この一対の重錘体を、それぞれが全く別個独立した物体として構成してもかまわないが、実用上は、一対の重錘体を単一の構造体として用意するのが好ましい。また、少なくとも2個の重錘体を用いれば加速度成分のキャンセルは可能であるが、実用上は、より多数の重錘体を用いた方が好ましい。
<<< §3. Rotor structure with weight body >>>
In §2 described above, the method of canceling the acceleration component by rotating the pair of weights with the phases shifted by 180 ° from each other has been described. In principle, the pair of weights may be configured as completely separate objects, but in practice, it is preferable to prepare the pair of weights as a single structure. . Although the acceleration component can be canceled by using at least two weight bodies, it is preferable to use a larger number of weight bodies in practice.

ここでは、複数の重錘体を相互に結合することにより、ロータを形成する実施例を示すことにする。図6に示す実施例は、4組の重錘体21,22,23,24をアーム61,62,63,64を介して結合することにより、ロータ60を形成した例である。4本のアーム61−64は、Z=hの平面上に配置され、点Pにおいて相互に90°の角度を保って結合されている。各アームの外側端部には、それぞれ重錘体21−24が結合されており、このようなロータ60を、点Pを中心点として回転させれば、4つの重錘体21−24は、互いに90°の位相差をもって円軌道C上を回転運動することになる。このように、互いに90°の位相差をもって4つの重錘体21−24が配置されているため、図示の状態のように、第1の重錘体21が正のX軸上空に位置するときには、第2の重錘体22は負のX軸上空に位置し、第3の重錘体23は正のY軸上空に位置し、第4の重錘体は負のY軸上空に位置するようになる。したがって、この瞬間に、各重錘体と基板上面11との距離を測定するようにすれば、第1の重錘体21および第2の重錘体22に関する測定結果に基づきX軸まわりの角速度ωxを検出することができ、同時に、第3の重錘体23および第4の重錘体24に関する測定結果に基づきY軸まわりの角速度ωyを検出することができる。   Here, an embodiment in which a rotor is formed by connecting a plurality of weight bodies to each other will be described. The embodiment shown in FIG. 6 is an example in which the rotor 60 is formed by connecting four sets of weight bodies 21, 22, 23, 24 via arms 61, 62, 63, 64. The four arms 61 to 64 are arranged on a plane of Z = h, and are coupled to each other at a point P while maintaining an angle of 90 °. Weight bodies 21-24 are coupled to the outer end portions of the respective arms. When such a rotor 60 is rotated around the point P, the four weight bodies 21-24 are The rotary motion is performed on the circular orbit C with a phase difference of 90 ° from each other. Thus, since the four weight bodies 21-24 are arranged with a phase difference of 90 ° from each other, when the first weight body 21 is positioned above the positive X-axis as in the state shown in the figure. The second weight body 22 is located above the negative X axis, the third weight body 23 is located above the positive Y axis, and the fourth weight body is located above the negative Y axis. It becomes like this. Therefore, if the distance between each weight body and the substrate upper surface 11 is measured at this moment, the angular velocity around the X axis is based on the measurement results regarding the first weight body 21 and the second weight body 22. ωx can be detected, and at the same time, the angular velocity ωy around the Y-axis can be detected based on the measurement results relating to the third weight body 23 and the fourth weight body 24.

なお、このような検出を行うためには、ロータ60の中心点PがZ軸上の所定位置に支持されるようにしなければならないが、その場合、次の2つの条件が満たされるような工夫が必要である。第1の条件は、各重錘体21−24がZ軸を回転軸として回転移動できるようにするという条件であり、回転運動中の重錘体に作用するコリオリ力を検出するという本発明の基本原理を実現するためには、この条件は不可欠である。また、第2の条件は、各重錘体21−24がZ軸方向に所定の自由度をもって移動自在となるようにするという条件であり、コリオリ力を基板上面11からの距離の変化として検出するためには、各重錘体がZ軸方向に必要な範囲内で移動できるような構成にしておくことが不可欠である。   In order to perform such detection, the center point P of the rotor 60 must be supported at a predetermined position on the Z-axis. In this case, the following two conditions are satisfied. is required. The first condition is that each weight body 21-24 can rotate about the Z axis as a rotation axis, and the Coriolis force acting on the weight body during the rotational motion is detected. This condition is indispensable for realizing the basic principle. The second condition is that each weight body 21-24 is movable with a predetermined degree of freedom in the Z-axis direction, and the Coriolis force is detected as a change in the distance from the substrate upper surface 11. In order to achieve this, it is indispensable that each weight body is configured to be movable within a necessary range in the Z-axis direction.

図7は、図6に示したロータ60のより実用的な構成を示す平面図である。4つの重錘体21−24は、4本のアーム61−64の外側端部に接続されており、4本のアーム61−64の内側端部は、中心点Pの近傍に配置された中心部材65に接続されている。ロータ60は、全体的に剛性を有し、中心点Pを中心として図の矢印で示すように回転する。   FIG. 7 is a plan view showing a more practical configuration of the rotor 60 shown in FIG. The four weight bodies 21-24 are connected to the outer end portions of the four arms 61-64, and the inner end portions of the four arms 61-64 are the center disposed in the vicinity of the center point P. It is connected to the member 65. The rotor 60 has rigidity as a whole, and rotates around the center point P as indicated by an arrow in the figure.

図示の瞬間には、第1の重錘体21はY軸正方向の速度Vyをもって正のX軸を通過し、第2の重錘体22はY軸負方向の速度−Vyをもって負のX軸を通過する。したがって、X軸まわりの角速度ωxが作用している環境下では、第1の重錘体21に対しては、Z軸正方向のコリオリ力Fczが作用し、第2の重錘体22に対しては、Z軸負方向のコリオリ力−Fczが作用し、両者の差分として角速度ωxが検出される。同様に、第3の重錘体23はX軸負方向の速度−Vxをもって正のY軸を通過し、第4の重錘体24はX軸正方向の速度Vxをもって負のY軸を通過するので、Y軸まわりの角速度ωyが作用している環境下では、第3の重錘体23および第4の重錘体24に対してそれぞれ逆方向のコリオリ力が作用し、両者の差分として角速度ωyが検出される。   At the instant shown in the drawing, the first weight body 21 passes through the positive X axis with the speed Vy in the Y axis positive direction, and the second weight body 22 has a negative X speed with the speed −Vy in the Y axis negative direction. Pass through the axis. Therefore, in an environment in which an angular velocity ωx around the X axis is acting, a Coriolis force Fcz in the Z-axis positive direction acts on the first weight body 21 and acts on the second weight body 22. Thus, the Coriolis force -Fcz in the Z-axis negative direction acts, and the angular velocity ωx is detected as the difference between the two. Similarly, the third weight body 23 passes through the positive Y axis at a speed −Vx in the X axis negative direction, and the fourth weight body 24 passes through the negative Y axis at a speed Vx in the X axis positive direction. Therefore, in an environment where the angular velocity ωy around the Y axis is acting, Coriolis forces in opposite directions act on the third weight body 23 and the fourth weight body 24, respectively, and the difference between the two Angular velocity ωy is detected.

既に§2で説明したように、差分をとることにより加速度の影響はキャンセルすることができる。また、角速度ωxの作用によっては、X軸方向の速度成分をもった第3の重錘体23および第4の重錘体24に対しては、何らコリオリ力は発生せず、同様に、角速度ωyの作用によっては、Y軸方向の速度成分をもった第1の重錘体21および第2の重錘体22に対しては、何らコリオリ力は発生しない。したがって、X軸まわりの角速度ωxとY軸まわりの角速度ωyとの双方が作用している環境下においても、両者をそれぞれ独立して同時に検出することが可能であり、両者間に干渉が生じることはない。   As already described in §2, the influence of acceleration can be canceled by taking the difference. Further, depending on the action of the angular velocity ωx, no Coriolis force is generated for the third weight body 23 and the fourth weight body 24 having a velocity component in the X-axis direction. Similarly, the angular velocity Depending on the action of ωy, no Coriolis force is generated for the first weight body 21 and the second weight body 22 having the velocity component in the Y-axis direction. Therefore, even in an environment where both the angular velocity ωx around the X axis and the angular velocity ωy around the Y axis are acting, it is possible to detect both of them independently and to cause interference between them. There is no.

また、Z軸まわりの角速度ωzが作用していた場合、本発明に係る角速度センサでは、この角速度ωz自体を検出することはできないが、この角速度ωzの存在によって、角速度ωxあるいは角速度ωzの検出結果が影響を受けることはない。たとえば、角速度ωzに起因して第1の重錘体21に対してX軸正方向に向かうコリオリ力Fcxが作用したとしても、第2の重錘体22に対してはX軸負方向に向かうコリオリ力−Fcxが作用するため、ロータ60全体としては、これらコリオリ力の影響はキャンセルされてしまうことになる。   Further, when the angular velocity ωz around the Z axis is acting, the angular velocity sensor according to the present invention cannot detect the angular velocity ωz itself, but the detection result of the angular velocity ωx or the angular velocity ωz due to the presence of the angular velocity ωz. Will not be affected. For example, even if the Coriolis force Fcx directed in the X-axis positive direction acts on the first weight body 21 due to the angular velocity ωz, the second weight body 22 moves in the X-axis negative direction. Since the Coriolis force -Fcx acts, the influence of these Coriolis forces is canceled for the rotor 60 as a whole.

以上のように、図7に示すロータ60を用いれば、このロータ60が90°回転するたびに、X軸まわりの角速度ωxとY軸まわりの角速度ωyとの双方の検出値を得ることができる。この検出周期を短くするには、ロータ60の回転速度を高めてもよいが、重錘体の数を増やしてもよい。たとえば、図8は、8個の重錘体21−28を含むロータ68の平面図である。このようなロータ68を用いれば、ロータ68が45°回転するたびに、X軸まわりの角速度ωxとY軸まわりの角速度ωyとの双方の検出値を得ることができ、図7に示すロータ60を用いた場合に比べて、回転速度が同じでも検出周期を1/2に短縮することができる。   As described above, when the rotor 60 shown in FIG. 7 is used, detection values of both the angular velocity ωx around the X axis and the angular velocity ωy around the Y axis can be obtained every time the rotor 60 rotates 90 °. . In order to shorten this detection cycle, the rotational speed of the rotor 60 may be increased, but the number of weight bodies may be increased. For example, FIG. 8 is a plan view of a rotor 68 including eight weight bodies 21-28. When such a rotor 68 is used, detection values of both the angular velocity ωx around the X axis and the angular velocity ωy around the Y axis can be obtained every time the rotor 68 rotates 45 °, and the rotor 60 shown in FIG. As compared with the case of using, even if the rotation speed is the same, the detection cycle can be shortened to ½.

なお、複数の重錘体を用いてロータを形成する場合には、個々の重錘体の形状および質量を同一にするのが好ましい。もちろん、形状あるいは質量の異なる複数の重錘体を用いても本発明は実現可能ではあるが、加速度成分をキャンセルするために質量やモーメントを考慮した補正演算を行う必要が生じるため実用的ではない。   In addition, when forming a rotor using a several weight body, it is preferable to make the shape and mass of each weight body the same. Of course, the present invention can be realized even if a plurality of weight bodies having different shapes or masses are used, but it is not practical because it is necessary to perform a correction operation in consideration of the mass and moment in order to cancel the acceleration component. .

図9に示すロータ70は、4本のアーム71−74と、その内側端部に接続された中心部材75と、外側端部に接続された環状構造体76とによって構成される。中心点PをZ軸上に支持し、エネルギー供給手段30から供給されるエネルギーを利用して、環状構造体76をZ軸を回転軸として基板上面11に対して非接触の状態で回転運動させれば、この環状構造体76が多数の重錘体として機能することになる。すなわち、この環状構造体76の一部分を1個の重錘体とみなして距離測定の対象とすれば、上述の原理に基づく角速度検出が可能になる。たとえば、図9に示すように、環状構造体76上に質点M1−M4を定義し、これらの質点をそれぞれ重錘体21−24とみなせば、このロータ70は、図7に示すロータ60と等価になる。   The rotor 70 shown in FIG. 9 includes four arms 71-74, a central member 75 connected to the inner end thereof, and an annular structure 76 connected to the outer end thereof. The center point P is supported on the Z axis, and the annular structure 76 is rotationally moved in a non-contact state with respect to the substrate upper surface 11 about the Z axis as a rotation axis by using energy supplied from the energy supply means 30. Then, this annular structure 76 functions as a number of weight bodies. That is, if a part of the annular structure 76 is regarded as one weight body and is a target for distance measurement, angular velocity detection based on the above-described principle can be performed. For example, as shown in FIG. 9, if mass points M1-M4 are defined on the annular structure 76 and these mass points are regarded as weight bodies 21-24, respectively, the rotor 70 is the same as the rotor 60 shown in FIG. Become equivalent.

この環状構造体76を有するロータ70は、原理的には、重錘体の個数を無限個にしたロータとして機能するため、角速度の検出周期を零にまで短縮することができ、時間的に連続した検出値を得ることが可能になる。   In principle, the rotor 70 having the annular structure 76 functions as a rotor having an infinite number of weights, so that the angular velocity detection cycle can be shortened to zero and continuous in time. It is possible to obtain the detected value.

<<< §4. ロータの反転回転運動 >>>
これまで述べてきた例では、いずれも重錘体もしくはその集合体としてのロータを、常に同一の回転方向に向かって運動させていた。たとえば、図7に示すロータ60を用いた例では、点Pを中心点として、ロータ60全体を「反時計回り」に回転させており、この「反時計回り」という回転方向には変わりがなく、連続回転運動が行われることになる。
<<< §4. Reversal rotation of rotor >>>
In all the examples described so far, the rotor as the weight body or its assembly is always moved in the same rotational direction. For example, in the example using the rotor 60 shown in FIG. 7, the entire rotor 60 is rotated “counterclockwise” around the point P, and the rotation direction “counterclockwise” remains unchanged. A continuous rotational motion will be performed.

しかしながら、本発明の基本原理によれば、重錘体がX軸もしくはY軸の上空を、軸に対して垂直な速度成分をもって横切るような運動が繰り返し実行されればよいのであり、必ずしも重錘体を連続回転運動させる必要はない。   However, according to the basic principle of the present invention, it is only necessary to repeatedly execute a motion in which the weight body crosses the X-axis or Y-axis with a velocity component perpendicular to the axis. There is no need to continuously rotate the body.

たとえば、図10に示すように、ロータ60を反転回転運動させても、本発明の基本原理に基づく角速度検出は可能である。ここで、反転回転運動とは、時計回りの方向への回転と反時計回りの方向への回転とを交互に繰り返す運動を言う。図10に示す例では、各重錘体21−24を、位置Aから位置Bへと移動させる前半周期の回転運動(時計回りの方向への回転運動)と、逆に、位置Bから位置Aへと移動させる後半周期の回転運動(反時計回りの方向への回転運動)とが、交互に繰り返し実行されることになる。位置AB間にX軸もしくはY軸が位置するため、前半周期および後半周期のそれぞれにおいて、重錘体はX軸もしくはY軸の上空を、軸に対して垂直な速度成分をもって横切ることになる。要するに、各重錘体は、円弧状の軌道に沿って往復運動を繰り返すことになる。別言すれば、各重錘体は、各軸を横切るような円弧に沿った振動運動を行うことになり、特に、固有の共振周波数で振動させるようにすると、効率のよい往復運動が可能になる。   For example, as shown in FIG. 10, even if the rotor 60 is rotated in the reverse direction, angular velocity detection based on the basic principle of the present invention is possible. Here, the reverse rotation movement refers to a movement that alternately repeats the rotation in the clockwise direction and the rotation in the counterclockwise direction. In the example shown in FIG. 10, the rotation of the first half cycle (rotation in the clockwise direction) in which each weight body 21-24 is moved from position A to position B, and conversely from position B to position A. The second half period of rotational movement (rotational movement in the counterclockwise direction) to be moved to is repeated alternately. Since the X-axis or Y-axis is located between the positions AB, the weight body crosses over the X-axis or Y-axis with a velocity component perpendicular to the axis in each of the first half cycle and the second half cycle. In short, each weight body repeats reciprocating motion along an arcuate trajectory. In other words, each weight body will oscillate along an arc that crosses each axis, and in particular, if it is made to oscillate at a specific resonance frequency, efficient reciprocation is possible. Become.

ただ、このような反転回転運動を行わせた場合には、前半周期と後半周期とで、検出値の符号が反転する点に留意する必要がある。すなわち、重錘体が位置Aから位置Bへと移動する前半周期に各軸上空を横切ったときに得られる検出値と、重錘体が位置Bから位置Aへと移動する後半周期に各軸上空を横切ったときに得られる検出値とは、作用するコリオリ力の向きが逆転するために、符号が逆転することになる。よって、たとえば、後半周期に得られた検出値については符号を逆転させるような処理が必要になる。   However, it is necessary to note that the sign of the detected value is inverted between the first half period and the second half period when such a reversal rotational motion is performed. That is, the detection value obtained when the weight body crosses over each axis in the first half cycle in which the weight body moves from position A to position B, and each axis in the second half cycle in which the weight body moves from position B to position A. The detected value obtained when crossing the sky is reversed in sign because the direction of the Coriolis force acting is reversed. Therefore, for example, a process for reversing the sign is necessary for the detection value obtained in the second half cycle.

以上のように、本明細書における「回転運動」とは、常に回転方向が一定の「連続回転運動」と、回転方向が周期的に反転する「反転回転運動(振動)」との双方を含む広い概念で用いており、中心に対する回転角度も360°の全範囲にわたっている必要はなく、図10に示すように、X軸もしくはY軸の両側に定義した位置AB間に相当する一定の角度θだけ回転すれば十分である。   As described above, “rotational motion” in this specification includes both “continuous rotational motion” in which the rotational direction is always constant and “inverted rotational motion (vibration)” in which the rotational direction is periodically reversed. It is used in a broad concept, and the rotation angle with respect to the center does not need to cover the entire range of 360 °. As shown in FIG. 10, a constant angle θ corresponding to the position AB defined on both sides of the X axis or the Y axis is used. It is enough to rotate only.

ロータを連続回転運動させずに反転回転運動させるメリットは、後述する§8の実施例のように、ロータの支持機構が単純化されるという点にある。すなわち、反転回転運動の場合は、ロータを360°回転させる必要はなく、図10に示す角度θだけ回転させれば十分であるので、Z軸まわりに角度θだけ捩じれを生じさせることができるような態様で、ロータを基板上に固定すればよい。要するに、Z軸まわりに捩じれを生じることができる材質からなる支持体を基板上に固着し、ロータ(重錘体)をこの支持体によって支持する単純な構造を採ることが可能になる。   The merit of rotating the rotor in a reverse rotation without continuously rotating is that the support mechanism of the rotor is simplified as in the embodiment of §8 described later. That is, in the case of reverse rotation motion, it is not necessary to rotate the rotor by 360 °, and it is sufficient to rotate the rotor by the angle θ shown in FIG. 10, so that the twist can be generated around the Z axis by the angle θ. In this manner, the rotor may be fixed on the substrate. In short, it is possible to adopt a simple structure in which a support made of a material capable of twisting around the Z-axis is fixed on the substrate and the rotor (weight body) is supported by this support.

ただし、このような単純な構造を採った場合、ロータの反転回転運動による振動が、支持体を介して基板から装置筐体へと伝播することになる。すなわち、前半周期には、ロータ全体が時計回りの方向に回転するため、この時計回りの回転要素が筐体へと伝播し、後半周期には、ロータ全体が反時計回りの方向に回転するため、この反時計回りの回転要素が筐体へと伝播する。このようにロータの振動成分が装置筐体へと漏れることは、正確な検出を行う上では好ましくない。たとえば、装置筐体に手を触れただけでも、ロータの反転回転運動に影響が及ぶことになり、被測定対象物に対する装置筐体の取り付け態様によっても検出結果が影響を受けることになる。   However, when such a simple structure is adopted, vibration due to the reversal rotation of the rotor propagates from the substrate to the apparatus housing via the support. That is, because the entire rotor rotates in the clockwise direction in the first half cycle, this clockwise rotating element propagates to the housing, and in the second half cycle, the entire rotor rotates in the counterclockwise direction. This counterclockwise rotating element propagates to the housing. In this manner, the vibration component of the rotor leaking into the apparatus housing is not preferable for accurate detection. For example, just touching the device housing affects the reverse rotation of the rotor, and the detection result is also affected by the manner in which the device housing is attached to the object to be measured.

こうした振動漏れを防ぐためには、時計回りの回転と反時計回りの回転とが互いにキャンセルし合うような態様で、反転回転運動を行うようにすればよい。具体的には、前半周期においては、図11に示すように、第1の重錘体21および第2の重錘体22(X軸を横切る重錘体)を位置Aから位置Bへと向かうように時計回りの方向に回転運動させ、第3の重錘体23および第4の重錘体24(Y軸を横切る重錘体)を位置Bから位置Aへと向かうように反時計回りの方向に回転運動させる。そして、後半周期においては、図12に示すように、第1の重錘体21および第2の重錘体22(X軸を横切る重錘体)を位置Bから位置Aへと向かうように反時計回りの方向に回転運動させ、第3の重錘体23および第4の重錘体24(Y軸を横切る重錘体)を位置Aから位置Bへと向かうように時計回りの方向に回転運動させる。   In order to prevent such vibration leakage, the reverse rotation motion may be performed in such a manner that the clockwise rotation and the counterclockwise rotation cancel each other. Specifically, in the first half cycle, as shown in FIG. 11, the first weight body 21 and the second weight body 22 (the weight body crossing the X axis) are moved from the position A to the position B. The third weight body 23 and the fourth weight body 24 (weight bodies crossing the Y axis) are rotated counterclockwise so as to move from the position B to the position A. Rotate in the direction. Then, in the second half cycle, as shown in FIG. 12, the first weight body 21 and the second weight body 22 (weight bodies crossing the X axis) are moved from the position B toward the position A. Rotate in the clockwise direction, and rotate the third weight body 23 and the fourth weight body 24 (weight bodies crossing the Y axis) in the clockwise direction so as to go from position A to position B. Exercise.

このように、第1の重錘体21および第2の重錘体22の反転回転運動の回転方向と、第3の重錘体23および第4の重錘体24の反転回転運動の回転方向と、が常に逆向きになるように設定しておけば、時計回りの振動成分と反時計回りの振動成分とがロータ60内で互いにキャンセルし合い、装置筐体への振動漏れを抑制することが可能になる。もっとも、このような駆動方法を採る場合には、ロータ60を構成するアーム61,62,63,64が、ある程度の可撓性を有するような構造にしておく必要がある(アームの可撓性は、たとえば、太さによって調整可能である)。   Thus, the rotation direction of the reverse rotation motion of the first weight body 21 and the second weight body 22 and the rotation direction of the reverse rotation motion of the third weight body 23 and the fourth weight body 24 are as described above. Is always set in the opposite direction, the clockwise vibration component and the counterclockwise vibration component cancel each other in the rotor 60, and vibration leakage to the apparatus housing is suppressed. Is possible. However, when such a driving method is adopted, it is necessary to make the arms 61, 62, 63, 64 constituting the rotor 60 have a certain degree of flexibility (the flexibility of the arms). Can be adjusted by thickness, for example).

<<< §5. 本発明の角速度センサの具体的な実施例 >>>
続いて、本発明に係る角速度センサをより具体的な実施例に基づいて説明する。図13は、この実施例の平面図であり、図14は、この実施例をX軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。この実施例は、マイクロマシニング技術および半導体技術を利用して製造可能な角速度センサであり、必要な構成要素はすべて半導体基板上に形成されている。
<<< §5. Specific Example of Angular Velocity Sensor of the Present Invention >>
Subsequently, the angular velocity sensor according to the present invention will be described based on a more specific embodiment. FIG. 13 is a plan view of this embodiment, and FIG. 14 is a side sectional view showing a state in which this embodiment is cut along the X axis. This embodiment is an angular velocity sensor that can be manufactured using micromachining technology and semiconductor technology, and all necessary components are formed on a semiconductor substrate.

この角速度センサの主たる構成要素は、基板100およびロータ200である。基板100は、図14に示されているように、シリコン基板101とその上部に形成されたシリコン酸化膜102から構成されており、ここでは、この基板の上面103がXY平面に含まれるようにXYZ三次元座標系を定義して以下の説明を行う。   The main components of this angular velocity sensor are a substrate 100 and a rotor 200. As shown in FIG. 14, the substrate 100 includes a silicon substrate 101 and a silicon oxide film 102 formed on the silicon substrate 101. Here, the upper surface 103 of the substrate is included in the XY plane. An XYZ three-dimensional coordinate system is defined and described below.

基板100の上面103には、ロータ200が配置されている。ロータ200は、図15の平面図に明瞭に示されているように、基本的には図7に示したロータ60と同じ構造を有する。すなわち、4本のアーム221−224が、互いに90°の角度差をもって配置され、それぞれの内側端部は肉厚円筒状の中心部材225に接続されている。また、各アーム221−224の外側端部には、それぞれ重錘体211−214が接続されている。4本のアーム221−224および4個の重錘体211−214は、いずれも形状および質量が同一のものである。   A rotor 200 is disposed on the upper surface 103 of the substrate 100. As clearly shown in the plan view of FIG. 15, the rotor 200 basically has the same structure as the rotor 60 shown in FIG. 7. That is, the four arms 221-224 are arranged with an angle difference of 90 ° from each other, and the inner end portions thereof are connected to the central member 225 having a thick cylindrical shape. Also, weight bodies 211-214 are connected to the outer ends of the arms 221-224, respectively. The four arms 221-224 and the four weight bodies 211-214 are all the same in shape and mass.

このロータ200の本体部は誘電体材料によって構成されているが、その下面には導電性を有する電極が形成されている。すなわち、ロータ200の本体部を構成する重錘体211−214、アーム221−224、中心部材225は、いずれも誘電体材料(この例では、ポリシリコン)によって構成されているが、重錘体211−214および中心部材225の下面には、それぞれ導電性材料(この例ではアルミニウムあるいは高濃度不純物がドープされたポリシリコン)からなる移動電極231−235が形成されている(移動電極233,234は図23に示されている)。ロータ200の本体部を誘電体材料によって構成する理由は、§6において詳述するように、誘導モータの原理によってロータ200に回転運動を行わせるためである。また、各重錘体211−214の下面に移動電極231−234を形成する理由は、§7において詳述するように、重錘体211−214と基板上面103との距離を測定するための容量素子を形成するためである。   The main body of the rotor 200 is made of a dielectric material, and a conductive electrode is formed on the lower surface thereof. That is, the weight bodies 211-214, the arms 221-224, and the central member 225 constituting the main body of the rotor 200 are all made of a dielectric material (polysilicon in this example). Moving electrodes 231-235 made of a conductive material (in this example, aluminum or polysilicon doped with high-concentration impurities) are formed on the lower surfaces of 211-214 and the central member 225 (moving electrodes 233 and 234). Is shown in FIG. The reason why the main body portion of the rotor 200 is made of a dielectric material is to cause the rotor 200 to perform a rotational motion by the principle of an induction motor, as will be described in detail in §6. The reason why the moving electrodes 231-234 are formed on the lower surfaces of the respective weight bodies 211-214 is that the distance between the weight bodies 211-214 and the substrate upper surface 103 is measured as described in detail in §7. This is for forming a capacitor element.

なお、中心部材225の下面には電極235を形成する必要はないが、一般的な半導体製造プロセスを実施すると、各重錘体の下面に移動電極の層を形成する工程において、中心部材225の下面にも電極層235が形成されてしまうことになる。この電極層235は、角速度センサの動作を何ら阻害するものではないので、この実施例では、電極層235をそのまま残してある。   It is not necessary to form the electrode 235 on the lower surface of the central member 225. However, when a general semiconductor manufacturing process is performed, in the step of forming the moving electrode layer on the lower surface of each weight body, the central member 225 The electrode layer 235 is also formed on the lower surface. Since this electrode layer 235 does not hinder the operation of the angular velocity sensor, in this embodiment, the electrode layer 235 is left as it is.

基板100上には、Z軸に沿って伸びるように円柱状の枢軸130が固着されている。図15に示されているように、ロータ200の中心部材225は肉厚の円筒状をしており、中心部には円柱状の空洞が形成されている。この空洞の直径は、枢軸130の直径よりもやや大きくなっており、図14に示すように、この空洞内に枢軸130を通すようにして、ロータ200を枢軸130に嵌合させると、枢軸130の外周部と空洞内周部との間に空隙が形成されることになる。この空隙によって、ロータ200は枢軸130に対して回転自在に、かつ、所定の自由度をもって傾斜自在に(別言すれば、各重錘体がZ軸方向に移動自在に)なるように支持されることになる。枢軸130の上端部には円盤状のストッパ131が取り付けられており、ロータ200が枢軸130から抜け落ちるのを防止している。枢軸130やストッパ131は、どのような材料によって構成してもかまわないが、ロータ200が接触したときに電気的な動作に支障を及ぼさないように、絶縁性材料によって構成するのが好ましい。   A cylindrical pivot 130 is fixed on the substrate 100 so as to extend along the Z axis. As shown in FIG. 15, the center member 225 of the rotor 200 has a thick cylindrical shape, and a columnar cavity is formed at the center. The diameter of this cavity is slightly larger than the diameter of the pivot 130, and as shown in FIG. 14, when the rotor 200 is fitted to the pivot 130 by passing the pivot 130 through the cavity 130, the pivot 130. An air gap is formed between the outer peripheral portion and the inner peripheral portion of the cavity. By this gap, the rotor 200 is supported so as to be rotatable with respect to the pivot 130 and tilted with a predetermined degree of freedom (in other words, each weight body is movable in the Z-axis direction). Will be. A disc-shaped stopper 131 is attached to the upper end of the pivot 130 to prevent the rotor 200 from falling off the pivot 130. The pivot 130 and the stopper 131 may be made of any material, but are preferably made of an insulating material so as not to hinder electrical operation when the rotor 200 comes into contact.

なお、図14では、ロータ200が基板100上に浮上した状態が示されているが、これは後述するように、ロータ200の回転運動中の状態を示したためである。   Note that FIG. 14 shows a state in which the rotor 200 has floated on the substrate 100, but this is because the rotor 200 is in a rotating motion, as will be described later.

図13の平面図をみればわかるように、基板100上には、ロータ200の周囲を取り囲むように、8個のステータ電極111−118が配置されている。これらのステータ電極111−118は、ロータ200を回転させるためのエネルギーを供給する。この実施例では、各重錘体211−214の回転運動経路に沿って、互いに45°の角度差をもって交わるX軸,W1軸,Y軸,W2軸上に8個のステータ電極111−118を配置しているが、より円滑な回転運動を行わせるために、更に多くのステータ電極を配置するようにしてもかまわない。   As can be seen from the plan view of FIG. 13, eight stator electrodes 111 to 118 are arranged on the substrate 100 so as to surround the periphery of the rotor 200. These stator electrodes 111 to 118 supply energy for rotating the rotor 200. In this embodiment, eight stator electrodes 111-118 are arranged on the X-axis, W1-axis, Y-axis, and W2-axis that intersect with each other with an angular difference of 45 ° along the rotational motion path of each weight body 211-214. Although it is arranged, more stator electrodes may be arranged in order to perform smoother rotational movement.

各ステータ電極111−118は、絶縁材料からなる台座を介して、基板100上に固着されている。たとえば、図14の側断面図に示されているように、ステータ電極111は台座121を介して基板100上に固定されており、ステータ電極115は台座125を介して基板100上に固定されている。この実施例では、ポリシリコンによって各台座を構成し、アルミニウムによってステータ電極を構成している。各ステータ電極を絶縁性の台座を介して基板100上に設けたのは、後述するように、ロータ200の浮上回転運動を円滑に行わせるためである。   Each stator electrode 111-118 is fixed on the substrate 100 via a pedestal made of an insulating material. For example, as shown in the side sectional view of FIG. 14, the stator electrode 111 is fixed on the substrate 100 via a pedestal 121, and the stator electrode 115 is fixed on the substrate 100 via a pedestal 125. Yes. In this embodiment, each pedestal is made of polysilicon, and the stator electrode is made of aluminum. The reason why each stator electrode is provided on the substrate 100 via an insulating pedestal is to make the floating rotation of the rotor 200 smoothly as described later.

図16は、図13に示す角速度センサのストッパ131を除去し、ロータ200を取り外した状態を示す平面図であり、基板100上に固定電極141A−144A,141B−144Bが配置されている状態が明瞭に示されている。これら固定電極は、いずれも各座標軸の近傍にそれぞれ対をなして配置されている。すなわち、固定電極対141A,141Bは正のX軸近傍に配置され、固定電極対142A,142Bは負のX軸近傍に配置され、固定電極対143A,143Bは正のY軸近傍に配置され、固定電極対144A,144Bは負のX軸近傍に配置されている。しかも、図13に破線で示されているように、ロータ200の各重錘体211−214がX軸上空およびY軸上空を通過する際に、各重錘体の下面に形成されている移動電極231−234に対向するような位置に、各固定電極141A−144A,141B−144Bは配置されている。   FIG. 16 is a plan view showing a state where the stopper 131 of the angular velocity sensor shown in FIG. 13 is removed and the rotor 200 is removed, and the state where the fixed electrodes 141A-144A, 141B-144B are arranged on the substrate 100 is shown. It is clearly shown. Each of these fixed electrodes is arranged in pairs near each coordinate axis. That is, the fixed electrode pair 141A, 141B is disposed near the positive X axis, the fixed electrode pair 142A, 142B is disposed near the negative X axis, and the fixed electrode pair 143A, 143B is disposed near the positive Y axis, The fixed electrode pair 144A, 144B is disposed near the negative X axis. Moreover, as indicated by broken lines in FIG. 13, the movements formed on the lower surface of each weight body when each weight body 211-214 of the rotor 200 passes over the X axis and the Y axis. Each fixed electrode 141A-144A, 141B-144B is arrange | positioned in the position which opposes the electrode 231-234.

基板100上の上述したような位置に各固定電極を配置しておくと、各重錘体211−214がX軸上空およびY軸上空を通過する際に、各軸の位置において容量素子が形成されることになる。たとえば、図14には、重錘体211が正のX軸上空に位置し、重錘体212が負のX軸上空に位置する状態が示されている。この状態において、重錘体211の下面に形成された移動電極231は、基板100上に形成された固定電極対141A,141Bの双方に対向しており、一対の容量素子が形成されている。同様に、重錘体212の下面に形成された移動電極232は、基板100上に形成された固定電極対142A,142Bの双方に対向しており、一対の容量素子が形成されている。これらの容量素子は、各重錘体と基板上面との距離を測定するために用いられるが、詳細については§7で説明を行う。   If each fixed electrode is arranged at the position as described above on the substrate 100, a capacitive element is formed at the position of each axis when each weight body 211-214 passes over the X axis and the Y axis. Will be. For example, FIG. 14 shows a state where the weight body 211 is positioned above the positive X axis and the weight body 212 is positioned above the negative X axis. In this state, the moving electrode 231 formed on the lower surface of the weight body 211 is opposed to both the fixed electrode pair 141A and 141B formed on the substrate 100, and a pair of capacitive elements is formed. Similarly, the moving electrode 232 formed on the lower surface of the weight body 212 faces both the fixed electrode pairs 142A and 142B formed on the substrate 100, and a pair of capacitive elements is formed. These capacitive elements are used to measure the distance between each weight body and the upper surface of the substrate, and details will be described in Section 7.

なお、図16にブロック図として電圧供給回路310および検出回路320が示されているが、電圧供給回路310は、各ステータ電極111−118に所定の電圧を供給するための回路であり、検出回路320は、上述した各容量素子の静電容量値を検出するための回路である。実際には、各ステータ電極111−118と電圧供給回路310との間には、電圧供給用の配線が存在し、また、各固定電極141A−144A,141B−144Bと検出回路320との間にも、容量検出用の配線が存在する。ただ、図が繁雑になるのを避けるため、図16においては、これらの配線の図示は省略されている。この実施例では、基板100は半導体基板であるので、このような配線を形成する工程は、半導体製造プロセスの工程内に容易に組み入れることが可能である。   FIG. 16 shows the voltage supply circuit 310 and the detection circuit 320 as a block diagram. The voltage supply circuit 310 is a circuit for supplying a predetermined voltage to each of the stator electrodes 111-118. Reference numeral 320 denotes a circuit for detecting the capacitance value of each capacitive element described above. Actually, wiring for voltage supply exists between each stator electrode 111-118 and the voltage supply circuit 310, and between each fixed electrode 141 A- 144 A, 141 B- 144 B and the detection circuit 320. There is also a capacitance detection wiring. However, in order to avoid the figure from becoming complicated, illustration of these wirings is omitted in FIG. In this embodiment, since the substrate 100 is a semiconductor substrate, the process of forming such wiring can be easily incorporated into the process of the semiconductor manufacturing process.

<<< §6. ロータの回転動作の原理 >>>
ここでは、§5で構造を説明した角速度センサにおけるロータの回転動作の原理を説明する。この原理は、誘導モータの原理として古くから知られているものであり、最近では、マイクロマシニングなどの分野において、半導体基板上に形成したマイクロモータを回転させるための原理として利用されている。本実施例では、電圧供給回路310から各ステータ電極111−118に対して、互いに位相の異なる交流電圧を供給することにより、誘電体材料からなるロータ200に回転エネルギーを供給することになる。
<<< §6. Principle of rotor rotation >>>
Here, the principle of the rotational operation of the rotor in the angular velocity sensor whose structure is described in §5 will be described. This principle has been known for a long time as the principle of an induction motor, and has recently been used as a principle for rotating a micromotor formed on a semiconductor substrate in fields such as micromachining. In the present embodiment, by supplying alternating voltages having different phases from the voltage supply circuit 310 to the stator electrodes 111-118, rotational energy is supplied to the rotor 200 made of a dielectric material.

いま、図17に示すように、ステータ電極111とステータ電極115との間に所定の電圧を印加し、ステータ電極111側に正の電荷を発生させ、ステータ電極115側に負の電荷を発生させる。すると、ロータ200の本体部は誘電体材料で構成されているため、内部で分極作用が生じ、図示のように、重錘体211側に負の電荷が集まり、重錘体212側に正の電荷が集まることになる。図18は、このときの状態を示す側断面図である(断面を示すハッチングは省略)。重錘体211とステータ電極111との間、重錘体212とステータ電極115との間には、それぞれクーロン引力が作用した状態になる。   Now, as shown in FIG. 17, a predetermined voltage is applied between the stator electrode 111 and the stator electrode 115 to generate a positive charge on the stator electrode 111 side and a negative charge on the stator electrode 115 side. . Then, since the main body portion of the rotor 200 is made of a dielectric material, a polarization action occurs inside, and negative charges are collected on the weight body 211 side and positive on the weight body 212 side as shown in the figure. Charges will be collected. FIG. 18 is a side sectional view showing the state at this time (hatching indicating a section is omitted). Coulomb attractive force is applied between the weight body 211 and the stator electrode 111 and between the weight body 212 and the stator electrode 115, respectively.

続いて、ステータ電極111とステータ電極115間の電圧印加を中止し、代わりに、ステータ電極112とステータ電極116との間に所定の電圧を印加し、図19に示すように、ステータ電極112側に正の電荷を発生させ、ステータ電極116側に負の電荷を発生させる。このようにステータ電極側の電荷の分布状態が変化すると、それに応じてロータ200内の分極状態も変化することになるが、導体内の電荷移動速度に比べて、誘電体内の電荷移動速度は遅いため、ロータ200内の分極状態の変化は、ステータ電極側の電荷分布状態の変化には十分に追従することができない。そのため、図19に示すように、ステータ電極側の電極分布が変化した後も、ロータ側の分極状態は直前の状態のままとなり、重錘体211とステータ電極112との間にクーロン引力が作用し、重錘体212とステータ電極116との間にクーロン引力が作用する。その結果、ロータ200には、図の矢印の方向を向いた回転力が作用することになり、図20に示す位置までロータ200が回転することになる。   Subsequently, the voltage application between the stator electrode 111 and the stator electrode 115 is stopped. Instead, a predetermined voltage is applied between the stator electrode 112 and the stator electrode 116, and as shown in FIG. A positive charge is generated on the stator electrode 116 and a negative charge is generated on the stator electrode 116 side. When the charge distribution state on the stator electrode side changes in this way, the polarization state in the rotor 200 changes accordingly, but the charge transfer speed in the dielectric is slower than the charge transfer speed in the conductor. Therefore, the change in the polarization state in the rotor 200 cannot sufficiently follow the change in the charge distribution state on the stator electrode side. Therefore, as shown in FIG. 19, even after the electrode distribution on the stator electrode side changes, the polarization state on the rotor side remains as it was immediately before, and the Coulomb attractive force acts between the weight body 211 and the stator electrode 112. A Coulomb attractive force acts between the weight body 212 and the stator electrode 116. As a result, a rotational force directed in the direction of the arrow in the figure acts on the rotor 200, and the rotor 200 rotates to the position shown in FIG.

そこで、今度は、ステータ電極112とステータ電極116間の電圧印加を中止し、代わりに、ステータ電極113とステータ電極117との間に所定の電圧を印加し、ステータ電極113側に正の電荷を発生させ、ステータ電極117側に負の電荷を発生させれば、重錘体211とステータ電極113との間にクーロン引力が作用し、重錘体212とステータ電極117との間にクーロン引力が作用する。その結果、ロータ200には、更に反時計回りの方向への回転力が作用することになる。以下、同様にして、ステータ電極111−118に関する電荷分布を反時計回りに移動させてゆけば、これに応じてロータ200は反時計回りに連続回転運動を行うことになる。   Therefore, this time, the voltage application between the stator electrode 112 and the stator electrode 116 is stopped, and instead, a predetermined voltage is applied between the stator electrode 113 and the stator electrode 117 so that a positive charge is applied to the stator electrode 113 side. If a negative charge is generated on the stator electrode 117 side, a Coulomb attractive force acts between the weight body 211 and the stator electrode 113, and a Coulomb attractive force is generated between the weight body 212 and the stator electrode 117. Works. As a result, the rotor 200 is further subjected to a rotational force in the counterclockwise direction. In the same manner, if the charge distribution related to the stator electrodes 111-118 is moved counterclockwise, the rotor 200 continuously rotates counterclockwise accordingly.

結局、電圧供給回路310から各ステータ電極111−118に対して、それぞれ図21に示すような交流電圧信号S1−S8を供給してやれば、ロータ200を反時計回りの方向に連続回転運動させることが可能になる。もちろん、供給する交流電圧信号を変えれば、時計回りの方向に連続回転運動させることもできるし、時計回りの運動と反時計回りの運動とを交互に繰り返す反転回転運動をさせることも可能である。ただし、この実施例に示す構造では、ロータ200を、一定の回転速度で連続回転運動させるのが好ましい。ロータ200を一定速度で連続回転運動させると、ロータ200の下面に空気の流体層が形成され、図14に示すように、ロータ200が基板100の上方で浮き上がった状態で回転を行うことになり、安定した回転運動を維持させることが可能である。ロータ200が回転状態においてこのように浮き上がるのは、台座上に設けられたステータ電極に対するクーロン引力が作用するとともに、回転に伴って形成される空気の流体層の上に乗った状態になるためである。   After all, if the AC voltage signals S1-S8 as shown in FIG. 21 are supplied from the voltage supply circuit 310 to the respective stator electrodes 111-118, the rotor 200 can be continuously rotated in the counterclockwise direction. It becomes possible. Of course, if the supplied AC voltage signal is changed, it can be rotated continuously in the clockwise direction, or it can be rotated in the reverse direction alternately repeating the clockwise movement and the counterclockwise movement. . However, in the structure shown in this embodiment, it is preferable that the rotor 200 is continuously rotated at a constant rotational speed. When the rotor 200 is continuously rotated at a constant speed, a fluid layer of air is formed on the lower surface of the rotor 200, and the rotor 200 rotates in a state where it floats above the substrate 100 as shown in FIG. It is possible to maintain a stable rotational motion. The reason why the rotor 200 floats in the rotating state is that the Coulomb attractive force acts on the stator electrode provided on the pedestal and the rotor 200 is on the air fluid layer formed with the rotation. is there.

このように、ロータ200は、基板100に対して非接触な状態で安定した連続回転運動を行うため、回転に伴う振動成分が基板側へ漏れることはなく、信頼できる角速度検出が可能になる。   In this way, the rotor 200 performs a stable continuous rotational movement in a non-contact state with respect to the substrate 100, so that a vibration component accompanying rotation does not leak to the substrate side, and a reliable angular velocity detection becomes possible.

以上、誘導モータの原理に基づいてロータ(重錘体)を連続回転運動させる実施例を述べたが、本発明を実施するにあたって、ロータを回転させるための原理は、この誘導モータの原理に限定されるものではない。要するに、ロータ(重錘体)を基板に非接触の状態で回転させることができれば、どのような方法を用いてもかまわない。たとえば、可変容量モータあるいはエレクトレットモータなどの原理に基づいて、ロータを回転させるような構造を採ることも可能である。   In the above, the embodiment in which the rotor (weight body) is continuously rotated based on the principle of the induction motor has been described. However, in implementing the present invention, the principle for rotating the rotor is limited to the principle of the induction motor. Is not to be done. In short, any method may be used as long as the rotor (weight body) can be rotated without contacting the substrate. For example, it is possible to adopt a structure in which the rotor is rotated based on the principle of a variable capacity motor or an electret motor.

<<< §7. 重錘体と基板との間の距離検出の原理 >>>
本発明に係る角速度センサの基本原理によれば、回転運動中の重錘体がX軸もしくはY軸の上方を通過する時点において、重錘体と基板との距離を検出することにより、Z軸方向に作用したコリオリ力Fczを求め、間接的にX軸まわりの角速度ωxもしくはY軸まわりの角速度ωyを検出することになる。ここでは、§5で構造を説明した角速度センサにおける重錘体と基板との間の距離検出の原理を説明する。
<<< §7. Principle of distance detection between weight body and substrate >>>
According to the basic principle of the angular velocity sensor according to the present invention, the Z-axis is detected by detecting the distance between the weight body and the substrate when the weight body in rotational motion passes above the X-axis or Y-axis. The Coriolis force Fcz acting in the direction is obtained, and the angular velocity ωx around the X axis or the angular velocity ωy around the Y axis is indirectly detected. Here, the principle of detecting the distance between the weight body and the substrate in the angular velocity sensor whose structure is described in §5 will be described.

いま、基板上に形成された固定電極対と重錘体の下面に形成された移動電極とによって形成される一対の容量素子を考える。たとえば、図22の側断面図には、重錘体211の下面に形成された移動電極231が、基板100上に形成された一対の固定電極141A,141Bに対向した状態が示されており、この状態は、図の右上に示された等価回路に置き換えることができる。すなわち、第1の固定電極141Aと移動電極231の一部分とによって第1の容量素子C1Aが形成され、第2の固定電極141Bと移動電極231の一部分とによって第2の容量素子C1Bが形成されている。しかも、移動電極231は単一の電極であるから、これら一対の容量素子C1A,C1Bは、移動電極231を中間点として直列接続された状態になっている。   Consider a pair of capacitive elements formed by a fixed electrode pair formed on a substrate and a moving electrode formed on the lower surface of the weight body. For example, the side sectional view of FIG. 22 shows a state in which the moving electrode 231 formed on the lower surface of the weight body 211 is opposed to the pair of fixed electrodes 141A and 141B formed on the substrate 100. This state can be replaced with the equivalent circuit shown in the upper right of the figure. That is, the first capacitor element C1A is formed by the first fixed electrode 141A and a part of the moving electrode 231, and the second capacitor element C1B is formed by the second fixed electrode 141B and a part of the moving electrode 231. Yes. Moreover, since the moving electrode 231 is a single electrode, the pair of capacitive elements C1A and C1B are connected in series with the moving electrode 231 as an intermediate point.

そこで、この直列接続された一対の容量素子C1A,C1B全体を1つの容量素子C1とみなせば、容量素子C1の静電容量値をC1、個々の容量素子C1A,C1Bの各静電容量値をそれぞれC1A,C1Bとしたときに、
1/C1=(1/C1A) + (1/C1B)
が成り立つことになり、特に、C1A=C1Bの場合には、
C1 = C1A/2
となる。
Therefore, if the entire pair of capacitive elements C1A and C1B connected in series is regarded as one capacitive element C1, the capacitance value of the capacitive element C1 is C1, and the capacitance values of the individual capacitive elements C1A and C1B are When C1A and C1B, respectively,
1 / C1 = (1 / C1A) + (1 / C1B)
In particular, when C1A = C1B,
C1 = C1A / 2
It becomes.

同様に、重錘体212の下面に形成された移動電極232と、これに対向する一対の固定電極142A,142Bとについて、図22左上に示すような等価回路を考えれば、容量素子C2が構成されることになる。一方、Y軸に沿った切断面を示す図23には、重錘体213の下面に形成された移動電極233と、これに対向する一対の固定電極143A,143Bとについての等価回路と、重錘体214の下面に形成された移動電極234と、これに対向する一対の固定電極144A,144Bとについての等価回路とが示されており、これらの等価回路により、容量素子C3,C4が構成されることになる。   Similarly, regarding the moving electrode 232 formed on the lower surface of the weight body 212 and the pair of fixed electrodes 142A and 142B opposed to the moving electrode 232, the equivalent circuit as shown in the upper left of FIG. Will be. On the other hand, FIG. 23, which shows a cut surface along the Y-axis, shows an equivalent circuit of the moving electrode 233 formed on the lower surface of the weight body 213 and the pair of fixed electrodes 143A and 143B facing this, An equivalent circuit for the movable electrode 234 formed on the lower surface of the weight body 214 and a pair of fixed electrodes 144A and 144B facing the movable electrode 234 is shown, and the capacitive elements C3 and C4 are configured by these equivalent circuits. Will be.

結局、ロータ200が図24に示すような位置にある場合、正のX軸上方に位置する重錘体211の下方には容量素子C1が形成され、負のX軸上方に位置する重錘体212の下方には容量素子C2が形成され、正のY軸上方に位置する重錘体213の下方には容量素子C3が形成され、負のY軸上方に位置する重錘体214の下方には容量素子C4が形成されることになる。   After all, when the rotor 200 is at the position shown in FIG. 24, the capacitive element C1 is formed below the weight body 211 located above the positive X axis, and the weight body located above the negative X axis. A capacitor element C2 is formed below 212, a capacitor element C3 is formed below the weight body 213 located above the positive Y axis, and below the weight body 214 located above the negative Y axis. The capacitor element C4 is formed.

なお、基板側に一対の固定電極(たとえば、固定電極141A,141B)を設け、直列接続された一対の容量素子(たとえば、容量素子C1A,C1B)を1つの容量素子(たとえば、容量素子C1)とみなす取扱いをする理由は、ロータ200側に設けられた移動電極に対する配線が困難なためである。たとえば、図22の右上に示した等価回路において、一方の容量素子C1A自身の静電容量値を直接測定するためには、固定電極141Aに対する配線と移動電極231に対する配線とが必要になる。ところが、移動電極231は、ロータ200の回転運動によって回転する電極であり、前述のように、ロータ200は基板100に対して非接触の状態で回転運動を行うため、実用上、移動電極231に対して配線を行うことは困難である。これに対し、直列接続された一対の容量素子C1A,C1B全体の静電容量値を容量素子C1の静電容量値として測定するようにすれば、移動電極231に対する配線は不要になる。すなわち、電気的には、第1の固定電極141Aと第2の固定電極141Bとの間の静電容量値を測定することができればよいので、これら一対の固定電極に対する配線が行われていれば足りる。   A pair of fixed electrodes (for example, fixed electrodes 141A and 141B) is provided on the substrate side, and a pair of capacitor elements (for example, capacitor elements C1A and C1B) connected in series is replaced by one capacitor element (for example, capacitor element C1). The reason for handling it is that wiring for the moving electrode provided on the rotor 200 side is difficult. For example, in the equivalent circuit shown in the upper right of FIG. 22, in order to directly measure the capacitance value of one capacitive element C1A itself, wiring for the fixed electrode 141A and wiring for the moving electrode 231 are required. However, the moving electrode 231 is an electrode that is rotated by the rotational motion of the rotor 200. As described above, the rotor 200 performs the rotational motion in a non-contact state with respect to the substrate 100. However, it is difficult to perform wiring. On the other hand, if the capacitance value of the entire pair of capacitive elements C1A and C1B connected in series is measured as the capacitance value of the capacitive element C1, wiring to the moving electrode 231 becomes unnecessary. That is, it is only necessary that the capacitance value between the first fixed electrode 141A and the second fixed electrode 141B can be measured electrically, so that wiring to the pair of fixed electrodes is performed. It ’s enough.

ところで、一対の電極によって構成される容量素子の静電容量値Cは、電極の面積をS、電極間隔をd、電極間の誘電率をεとすれば、
C = ε・S/d
なる式で表される。ここで、電極面積Sおよび誘電率εが一定であれば、静電容量値Cはdに反比例することになり、静電容量値Cを測定することができれば、電極間隔dを求めることができる。したがって、図22および図23に示された等価回路において、静電容量値C1,C2,C3,C4の値は、それぞれ重錘体211,212,213,214と基板100の上面との距離に関連した値になる。結局、これら静電容量値C1−C4を検出回路320によって検出すれば、この検出値は、重錘体と基板との間の距離を示す値となり、作用した角速度を示す値になる。
By the way, if the capacitance value C of the capacitive element constituted by a pair of electrodes is S, the electrode area is d, and the dielectric constant between the electrodes is ε,
C = ε · S / d
It is expressed by the following formula. Here, if the electrode area S and the dielectric constant ε are constant, the capacitance value C is inversely proportional to d, and if the capacitance value C can be measured, the electrode interval d can be obtained. . Therefore, in the equivalent circuits shown in FIGS. 22 and 23, the values of the capacitance values C1, C2, C3, and C4 are the distances between the weights 211, 212, 213, and 214 and the upper surface of the substrate 100, respectively. It becomes a related value. Eventually, if these capacitance values C1-C4 are detected by the detection circuit 320, this detection value becomes a value indicating the distance between the weight body and the substrate, and a value indicating the applied angular velocity.

続いて、図25を参照しながら、実際の角速度検出の原理を説明しよう。いま、ロータ200が前述の§6で述べた原理に基づき、上方から見たときに反時計回りの方向に一定の速度で連続回転運動を行っていたとする。このとき、基板100に対して、図のようなX軸まわりの角速度ωxが作用したとすると、重錘体211が正のX軸上方を通過する瞬間には、Z軸正方向のコリオリ力Fczが作用する。このとき、重錘体212は負のX軸上方を通過中であり、この重錘体232に対しては、Z軸負方向のコリオリ力−Fczが作用することになる。その結果、ロータ200全体は図示のように傾斜し、角速度が何ら作用していない基準状態に比べると、容量素子C1の電極間隔は広がり、容量素子C2の電極間隔は狭まる。その結果、静電容量値C1はΔC1だけ小さくなり、静電容量値C2はΔC2だけ大きくなる。そこで、両静電容量値の差分(ΔC1+ΔC2)をとれば、この差分の符号が作用したX軸まわりの角速度ωxの向きを示し、この差分の大きさが角速度ωxの大きさを示す量になる。なお、ΔC1とΔC2とは、厳密には等しくならないが、実用的なレベルでは、ΔC1=ΔC2=ΔCとして取り扱うことができ、差分は2・ΔCとして求めることができる。   Next, the principle of actual angular velocity detection will be described with reference to FIG. Now, it is assumed that the rotor 200 is continuously rotating at a constant speed in a counterclockwise direction when viewed from above, based on the principle described in §6 above. At this time, assuming that an angular velocity ωx around the X axis as shown in the figure acts on the substrate 100, the Coriolis force Fcz in the positive direction of the Z axis is instant at the moment when the weight body 211 passes above the positive X axis. Act. At this time, the weight body 212 is passing above the negative X-axis, and the Coriolis force -Fcz in the Z-axis negative direction acts on this weight body 232. As a result, the entire rotor 200 is tilted as shown, and the electrode spacing of the capacitive element C1 is widened and the electrode spacing of the capacitive element C2 is narrowed as compared to the reference state in which no angular velocity acts. As a result, the capacitance value C1 decreases by ΔC1, and the capacitance value C2 increases by ΔC2. Therefore, taking the difference (ΔC1 + ΔC2) between the two capacitance values indicates the direction of the angular velocity ωx around the X axis where the sign of this difference acts, and the magnitude of this difference is an amount indicating the magnitude of the angular velocity ωx. . Note that ΔC1 and ΔC2 are not strictly equal, but at a practical level, they can be handled as ΔC1 = ΔC2 = ΔC, and the difference can be obtained as 2 · ΔC.

図26は、検出回路320の具体的な回路構成例を示す回路図である。容量素子C1,C2,C3,C4の静電容量値は、静電容量値Cを電圧値Vに変換する機能をもったC/V変換回路321,322,323,324によって、それぞれ電圧値V1,V2,V3,V4に変換され、差動増幅器325によって、電圧値V1とV2との差が演算され、差動増幅器326によって、電圧値V3とV4との差が演算される。上述の説明のとおり、電圧値の差(V1−V2)は、X軸まわりの角速度ωxを示す出力電圧Vωxとして差動増幅器325から出力され、電圧値の差(V3−V4)は、Y軸まわりの角速度ωyを示す出力電圧Vωyとして差動増幅器326から出力される。   FIG. 26 is a circuit diagram illustrating a specific circuit configuration example of the detection circuit 320. The capacitance values of the capacitive elements C1, C2, C3, and C4 are converted into voltage values V1 by C / V conversion circuits 321, 322, 323, and 324 having a function of converting the capacitance value C into the voltage value V, respectively. , V2, V3, and V4, the differential amplifier 325 calculates the difference between the voltage values V1 and V2, and the differential amplifier 326 calculates the difference between the voltage values V3 and V4. As described above, the voltage value difference (V1−V2) is output from the differential amplifier 325 as the output voltage Vωx indicating the angular velocity ωx around the X axis, and the voltage value difference (V3−V4) is the Y axis. It is output from the differential amplifier 326 as an output voltage Vωy indicating the surrounding angular velocity ωy.

ここに示す実施例では、図24に示すように、4個の重錘体を有するロータ200を用いているため、ロータ200が90°回転するたびに(各重錘体が各軸上を通過するたびに)、正しい検出値を示す出力電圧VωxおよびVωyが得られることになる。また、図9に示すような環状構造体76を有するロータ70を用いる場合には、環状構造体76の下面全体に移動電極を形成しておくようにすれば、常に正しい検出値が出力されることになる。   In the embodiment shown here, as shown in FIG. 24, since the rotor 200 having four weight bodies is used, each time the rotor 200 rotates 90 ° (each weight body passes on each axis). Each time, output voltages Vωx and Vωy indicating correct detection values are obtained. Further, when the rotor 70 having the annular structure 76 as shown in FIG. 9 is used, if a moving electrode is formed on the entire lower surface of the annular structure 76, a correct detection value is always output. It will be.

なお、上述の実施例における固定電極141A−144A,141B−144Bは、いずれも各座標軸上に配置されているが、一対の固定電極は座標軸の近傍に隣接配置されていれば足り、たとえば、図27に示すように(重錘体211−214の参考位置を破線で示す)、各座標軸を挟んで固定電極141C−144C,141D−144Dを配置してもかまわない。また、隣接配置する一対の固定電極は、形状や大きさが異なっていてもかまわないが、検出回路を単純化する上では、すべての固定電極を同一の形状かつ同一の大きさにするのが好ましい。   The fixed electrodes 141A to 144A and 141B to 144B in the above-described embodiments are all arranged on the coordinate axes, but it is sufficient that the pair of fixed electrodes are arranged adjacent to the coordinate axes. 27 (the reference position of the weight body 211-214 is indicated by a broken line), the fixed electrodes 141C-144C, 141D-144D may be arranged with the coordinate axes interposed therebetween. In addition, the pair of adjacent fixed electrodes may be different in shape and size, but in order to simplify the detection circuit, it is necessary to make all the fixed electrodes have the same shape and the same size. preferable.

<<< §8. 本発明の角速度センサの別な実施例 >>>
§5で述べた実施例は、ロータを連続回転運動させるのに適した構造をもった角速度センサであるが、ここでは、ロータを反転回転運動させるのに適した構造をもった角速度センサの例を示す。図28は、このような実施例の側断面図であり、図29は、この実施例の主要な構成要素の配置を示す平面図である。
<<< §8. Another embodiment of the angular velocity sensor of the present invention >>>
The embodiment described in §5 is an angular velocity sensor having a structure suitable for continuously rotating the rotor. Here, an example of an angular velocity sensor having a structure suitable for rotating the rotor in a reverse rotation is used. Indicates. FIG. 28 is a side sectional view of such an embodiment, and FIG. 29 is a plan view showing the arrangement of the main components of this embodiment.

この角速度センサにおける基板100の構造は、§5で述べた実施例と全く同様である。ロータ250の構造も、§5で述べたロータ200の構造とほぼ同じであるが、中心部材260は円柱状のブロックであり、電極265を介して支持体270の上端に固着されている。支持体270は、円柱状のブロックであり、下端は基板100上に固定されている。結局、ロータ250は、その中心部が支持体270を介して基板100上に固定された状態になっている。ただし、重錘体211−214は、アーム221−224や支持体270を介して間接的には基板100に接続されているものの、基板100に対して非接触な状態で反転回転運動が可能な状態となっている。   The structure of the substrate 100 in this angular velocity sensor is exactly the same as the embodiment described in §5. The structure of the rotor 250 is substantially the same as the structure of the rotor 200 described in §5. However, the central member 260 is a cylindrical block, and is fixed to the upper end of the support 270 via the electrode 265. The support 270 is a cylindrical block, and the lower end is fixed on the substrate 100. Eventually, the rotor 250 is in a state where its central portion is fixed on the substrate 100 via the support 270. However, although the weight bodies 211-214 are indirectly connected to the substrate 100 via the arms 221-224 and the support body 270, they can be rotated in a rotating manner without contact with the substrate 100. It is in a state.

ロータ250を反転回転運動させるためには、支持体270として、Z軸まわりに捩じれを生じることができる構造のものを用いる必要がある。この実施例では、上述のように、支持体270はポリシリコンから構成されており、径の大きさを適当な寸法に設定することにより、必要な自由度で反転回転運動が可能になるようにしている。   In order to reversely rotate the rotor 250, it is necessary to use a support body 270 having a structure capable of generating a twist around the Z axis. In this embodiment, as described above, the support 270 is made of polysilicon, and by setting the size of the diameter to an appropriate dimension, it is possible to perform the reverse rotational movement with the required degree of freedom. ing.

より円滑な反転回転運動を実現するために、この実施例では、角度差が30°となるように配置された12個のステータ電極を設けている。図29は、これら12個のステータ電極E11−E22およびロータ250の配置を示す平面図である。ロータ250を反転回転運動させるには、各ステータ電極に所定の交流電圧を印加すればよい。   In this embodiment, in order to realize smoother rotational rotation, twelve stator electrodes are provided so that the angle difference is 30 °. FIG. 29 is a plan view showing the arrangement of these twelve stator electrodes E11 to E22 and the rotor 250. In order to reversely rotate the rotor 250, a predetermined AC voltage may be applied to each stator electrode.

たとえば、図30に示すように、ステータ電極E11に正の電荷、ステータ電極E17に負の電荷をそれぞれ発生させれば、ロータ250側では、重錘体211に負の電荷、重錘体212に正の電荷が集まる分極現象が起こる。続いて、ステータ電極E11,E17を中立状態に戻し、ステータ電極E12に正の電荷、ステータ電極E18に負の電荷をそれぞれ発生させれば、ロータ250は反時計回りに回転し始める。次に、ステータ電極E12,E18を中立状態に戻し、再び図30に示すように、ステータ電極E11に正の電荷、ステータ電極E17に負の電荷をそれぞれ発生させると、ロータ250の回転運動は時計回りに反転する。更に、ステータ電極E11,E17を中立状態に戻し、今度は、ステータ電極E22に正の電荷、ステータ電極E16に負の電荷をそれぞれ発生させれば、ロータ250は更に時計回りに回転し続ける。そこで、ステータ電極E22,E16を中立状態に戻し、再び図30に示すように、ステータ電極E11に正の電荷、ステータ電極E17に負の電荷をそれぞれ発生させれば、ロータ250の回転運動は反時計回りに反転する。   For example, as shown in FIG. 30, if a positive charge is generated in the stator electrode E11 and a negative charge is generated in the stator electrode E17, a negative charge is generated in the weight body 211 and a weight body 212 is formed on the rotor 250 side. A polarization phenomenon occurs in which positive charges are collected. Subsequently, when the stator electrodes E11 and E17 are returned to the neutral state and a positive charge is generated in the stator electrode E12 and a negative charge is generated in the stator electrode E18, the rotor 250 starts to rotate counterclockwise. Next, when the stator electrodes E12, E18 are returned to the neutral state and positive charges are generated in the stator electrode E11 and negative charges in the stator electrode E17, respectively, as shown in FIG. Flip around. Furthermore, if the stator electrodes E11 and E17 are returned to the neutral state, and a positive charge is generated in the stator electrode E22 and a negative charge is generated in the stator electrode E16, the rotor 250 continues to rotate further clockwise. Therefore, if the stator electrodes E22 and E16 are returned to the neutral state and positive charges are generated in the stator electrode E11 and negative charges in the stator electrode E17 as shown in FIG. 30, the rotational movement of the rotor 250 is counteracted. Flip clockwise.

以上のような駆動動作を行えば、ロータ250は前半周期には反時計回りに回転運動し、後半周期には時計回りに回転運動するようになり、図に矢印で示すように、所定の角度範囲内で反転回転運動(振動)することになる。   If the driving operation as described above is performed, the rotor 250 rotates counterclockwise in the first half cycle, and rotates clockwise in the second half cycle. As shown by the arrows in the figure, the rotor 250 rotates at a predetermined angle. Within this range, it will rotate and vibrate in reverse.

しかしながら、ロータ250がこのような反転回転運動を行うと、ロータの振動成分が支持体270を介して基板100へと伝播し、振動が装置筐体へ漏れるという弊害がある点は、既に§4で述べたとおりである。また、こうした振動漏れを防ぐためには、時計回りの回転と反時計回りの回転とが互いにキャンセルし合うような態様で、反転回転運動を行うようにすればよいことも既に説明した。すなわち、4個の重錘体を有するロータの場合、前半周期では図11に示すように、後半周期では図12に示すように、それそれ各重錘体ごとに所定の方向に回転を行うようにすればよい。   However, when the rotor 250 performs such reverse rotational movement, the vibration component of the rotor propagates to the substrate 100 via the support 270, and there is an adverse effect that the vibration leaks to the apparatus housing. As described in. In addition, it has already been described that in order to prevent such vibration leakage, the reverse rotation motion may be performed in such a manner that the clockwise rotation and the counterclockwise rotation cancel each other. That is, in the case of a rotor having four weight bodies, as shown in FIG. 11 in the first half cycle and in FIG. 12 in the second half cycle, each weight body is rotated in a predetermined direction. You can do it.

図29に示す実施例に対して、このような反転回転運動を適用するには、次のような駆動方法を実施すればよい。まず、図31に示すように、ステータ電極E11,E14に正の電荷、ステータ電極E17,E20に負の電荷をそれぞれ発生させる。すると、ロータ250側では、重錘体211,213に負の電荷、重錘体212,214に正の電荷が集まる分極現象が起こる。続いて、ステータ電極E11,E14,E17,E20を中立状態に戻し、ステータ電極E12,E13に正の電荷、ステータ電極E18,E19に負の電荷をそれぞれ発生させれば、図32に示すように、重錘体211,212は反時計回りに、重錘体213,214は時計回りに、それぞれ回転し始める。次に、ステータ電極E12,E13,E18,E19を中立状態に戻し、再び図31に示すように、ステータ電極E11,E14に正の電荷、ステータ電極E17,E20に負の電荷をそれぞれ発生させると、各重錘体の回転方向は反転する。更に、ステータ電極E11,E14,E17,E20を中立状態に戻し、ステータ電極E15,E22に正の電荷、ステータ電極E16,E21に負の電荷をそれぞれ発生させれば、図33に示すように、重錘体211,212は時計回りに、重錘体213,214は反時計回りに、それぞれ移動を続ける。そこで、ステータ電極E15,E16,E21,E22を中立状態に戻し、再び図31に示すように、ステータ電極E11,E14に正の電荷、ステータ電極E17,E20に負の電荷をそれぞれ発生させると、各重錘体の回転方向は反転する。   In order to apply such reverse rotation motion to the embodiment shown in FIG. 29, the following driving method may be implemented. First, as shown in FIG. 31, positive charges are generated on the stator electrodes E11 and E14, and negative charges are generated on the stator electrodes E17 and E20, respectively. Then, on the rotor 250 side, a polarization phenomenon occurs in which negative charges are collected in the weight bodies 211 and 213 and positive charges are collected in the weight bodies 212 and 214. Subsequently, when the stator electrodes E11, E14, E17, and E20 are returned to the neutral state and positive charges are generated in the stator electrodes E12 and E13 and negative charges are generated in the stator electrodes E18 and E19, respectively, as shown in FIG. The weight bodies 211 and 212 start to rotate counterclockwise, and the weight bodies 213 and 214 start to rotate clockwise. Next, when the stator electrodes E12, E13, E18, E19 are returned to the neutral state, and positive charges are generated in the stator electrodes E11, E14 and negative charges are generated in the stator electrodes E17, E20, respectively, as shown in FIG. The rotation direction of each weight body is reversed. Furthermore, if the stator electrodes E11, E14, E17, and E20 are returned to the neutral state and positive charges are generated on the stator electrodes E15 and E22 and negative charges are generated on the stator electrodes E16 and E21, respectively, as shown in FIG. The weight bodies 211 and 212 continue to move clockwise, and the weight bodies 213 and 214 continue to move counterclockwise. Therefore, when the stator electrodes E15, E16, E21, and E22 are returned to the neutral state and positive charges are generated in the stator electrodes E11 and E14 and negative charges are generated in the stator electrodes E17 and E20, respectively, as shown in FIG. The rotation direction of each weight body is reversed.

以上のような駆動動作を行えば、ロータ250を構成する2個の重錘体は時計回り、残りの2個の重錘体は反時計回りに回転することになり、振動成分がロータ250内でキャンセルされ、振動が装置筐体へ漏れるという弊害を防止することができる。なお、この反転回転運動の周波数(振動周波数)として、ロータ250に固有の共振周波数を選択するようにすると、効率よい駆動が可能になる。   When the driving operation as described above is performed, the two weight bodies constituting the rotor 250 rotate clockwise, and the remaining two weight bodies rotate counterclockwise. It is possible to prevent the adverse effect that the vibration leaks to the apparatus housing. If a resonance frequency specific to the rotor 250 is selected as the frequency (vibration frequency) of the reverse rotation motion, efficient driving is possible.

<<< §9. Z軸まわりの角速度検出の基本原理 >>>
これまで述べてきた角速度センサは、XYZ三次元座標系において、XY平面に平行な基板上で重錘体を回転運動させ、X軸まわりの角速度ωxおよびY軸まわりの角速度ωyを検出するものであった。ここでは、更に、基板に対して垂直なZ軸まわりの角速度ωzを検出する原理を説明する。
<<< §9. Basic principle of angular velocity detection around the Z axis >>
In the XYZ three-dimensional coordinate system, the angular velocity sensor described so far detects the angular velocity ωx around the X axis and the angular velocity ωy around the Y axis by rotating the weight body on the substrate parallel to the XY plane. there were. Here, the principle of detecting the angular velocity ωz about the Z axis perpendicular to the substrate will be described.

図34は、角速度ωzの検出原理を示す斜視図である。この図に示されている個々の構成要素は、図1に示されている構成要素とほぼ同じである。すなわち、基板10は、平坦な上面11を有し、装置筐体として機能する。XYZ三次元座標系は、この上面11がXY平面に含まれるように定義されており、原点Oから上方に伸びるZ軸は、上面11に直交する軸となる。ここで、所定の質量をもった重錘体20に対して、エネルギー供給手段30からエネルギーを供給し、重錘体20がZ軸を回転軸として図の軌道Cに沿って回転運動するようにする。このとき、この系に対して角速度や加速度などの外力が作用しない状態において、重錘体20が上面11に対して一定の距離hを保ちながら、かつ、Z軸に対して一定の距離rを保ちながら、軌道Cに沿って回転運動するように、エネルギー供給手段30からのエネルギー供給が行われるようにする。したがって、この系に外力が作用していない状態(基板10が静止している状態)では、エネルギー供給手段30からのエネルギー供給を受けて、重錘体20は、方程式Z=hで示される平面内で半径rをもった円軌道C上を回転運動することになる。   FIG. 34 is a perspective view showing the detection principle of the angular velocity ωz. The individual components shown in this figure are substantially the same as those shown in FIG. That is, the substrate 10 has a flat upper surface 11 and functions as an apparatus housing. The XYZ three-dimensional coordinate system is defined such that the upper surface 11 is included in the XY plane, and the Z axis extending upward from the origin O is an axis orthogonal to the upper surface 11. Here, energy is supplied from the energy supply means 30 to the weight body 20 having a predetermined mass so that the weight body 20 rotates along the orbit C in the figure with the Z axis as the rotation axis. To do. At this time, in a state where an external force such as angular velocity or acceleration does not act on this system, the weight body 20 maintains a constant distance h with respect to the upper surface 11 and a constant distance r with respect to the Z axis. While maintaining, energy supply from the energy supply means 30 is performed so as to rotate along the track C. Therefore, in a state where no external force is applied to the system (a state where the substrate 10 is stationary), the weight body 20 receives the energy supply from the energy supply means 30, and the weight body 20 is a plane represented by the equation Z = h. In this case, a rotational movement is made on a circular orbit C having a radius r.

この角速度センサは、更に、重錘体20がX軸上空を通過した時点において、Z軸と重錘体20との距離(回転運度の半径)を測定する距離測定手段80を備えている。上述したように、系外からの力が作用しない状態では、重錘体20は常に円軌道Cに沿った運動を行うので、その状態では、距離測定手段80による測定値は、常に一定の半径値rを示すものとなる。   The angular velocity sensor further includes distance measuring means 80 that measures the distance (radius of rotational mobility) between the Z axis and the weight body 20 when the weight body 20 passes over the X axis. As described above, the weight body 20 always moves along the circular orbit C in a state where a force from outside the system does not act. In this state, the measured value by the distance measuring means 80 is always a constant radius. The value r is indicated.

ところが、この系全体がZ軸まわりの角速度ωzをもって回転運動していた場合、別言すれば、基板10に対して角速度ωzが作用していた場合、この角速度に基づくコリオリ力が重錘体20に作用することになり、重錘体20の運動は本来の円軌道Cから外れることになる。すなわち、図34に示すように、この系全体がZ軸まわりの角速度ωzをもって回転していた場合、X軸上空をY軸方向の速度成分Vyをもって運動している重錘体20に対しては、X軸方向のコリオリ力Fcx(角速度ωzの向きによっては−X軸方向のコリオリ力−Fcx)が作用することになり、このコリオリ力は、
Fcx = 2・m・Vy・ωz
なる式で定義される。図34に示す例では、このコリオリ力Fcxの作用により、Y軸方向に移動中の重錘体20の軌道は、X軸方向に歪められることになり、X軸上空を通過する時点における重錘体20とZ軸との距離はΔrだけ増加もしくは減少(角速度ωzの向きに依存)し、r±Δrとなる。
However, when the entire system is rotating at an angular velocity ωz around the Z axis, in other words, when the angular velocity ωz is acting on the substrate 10, the Coriolis force based on this angular velocity is applied to the weight body 20. The movement of the weight body 20 deviates from the original circular orbit C. That is, as shown in FIG. 34, when the entire system rotates at an angular velocity ωz around the Z axis, the weight body 20 moving over the X axis with a velocity component Vy in the Y axis direction is used. , The Coriolis force Fcx in the X-axis direction (-Coriolis force in the X-axis direction -Fcx depending on the direction of the angular velocity ωz) acts.
Fcx = 2 ・ m ・ Vy ・ ωz
Is defined by the expression In the example shown in FIG. 34, due to the action of the Coriolis force Fcx, the trajectory of the weight body 20 moving in the Y-axis direction is distorted in the X-axis direction, and the weight at the time when it passes over the X-axis. The distance between the body 20 and the Z axis increases or decreases by Δr (depends on the direction of the angular velocity ωz), and becomes r ± Δr.

重錘体20の質量mおよび運動速度Vyを一定にしておけば、コリオリ力Fcxは角速度ωzに比例した値となり、結局、重錘体20がX軸上方を通過する時点における当初の円軌道Cからの隔たりΔrを、角速度ωzを示す値として用いることができる。また、rは一定であるから、重錘体20とZ軸との距離r+Δrを測定することができれば、角速度ωzの値を得ることができる。図34に示した角速度センサは、このような原理に基づいて、Z軸まわりの角速度ωzを検出する機能を有する。すなわち、距離測定手段80の出力が、角速度ωzの検出値を示すものになる。   If the mass m and the motion speed Vy of the weight body 20 are kept constant, the Coriolis force Fcx becomes a value proportional to the angular speed ωz, and eventually the initial circular orbit C when the weight body 20 passes above the X axis. The distance Δr from can be used as a value indicating the angular velocity ωz. Since r is constant, if the distance r + Δr between the weight body 20 and the Z axis can be measured, the value of the angular velocity ωz can be obtained. The angular velocity sensor shown in FIG. 34 has a function of detecting an angular velocity ωz around the Z axis based on such a principle. That is, the output of the distance measuring means 80 indicates the detected value of the angular velocity ωz.

以上が角速度ωzを検出するための基本原理であるが、§2で述べたように、実用上は、加速度の影響をキャンセルする機能を設けるのが好ましい。図34に示す構成では、重錘体20の軌道がX軸方向にΔrだけ変位したとしても、その変位が、コリオリ力Fcxに起因するものなのか、X軸方向の加速度αxに基づく力Faxに起因するものなのかが区別できないのである。   The above is the basic principle for detecting the angular velocity ωz. However, as described in §2, it is preferable to provide a function for canceling the influence of acceleration. In the configuration shown in FIG. 34, even if the trajectory of the weight body 20 is displaced by Δr in the X-axis direction, whether the displacement is caused by the Coriolis force Fcx or the force Fax based on the acceleration αx in the X-axis direction. It cannot be distinguished whether it is the cause or not.

図35に、この加速度成分をキャンセルする機能をもった角速度センサの基本構成を示す。このセンサでは、一対の重錘体21,22が用意され、いずれの重錘体も、エネルギー供給手段30からのエネルギーの供給を受けて、Z軸を回転軸として半径rの円軌道C上を回転運動する。ただし、図示のとおり、第1の重錘体21が正のX軸上空に位置するときに、第2の重錘体22は負のX軸上空に位置するように、第1の重錘体と前記第2の重錘体とは、互いに位相が180°ずれた状態で回転運動を行う。   FIG. 35 shows a basic configuration of an angular velocity sensor having a function of canceling the acceleration component. In this sensor, a pair of weight bodies 21 and 22 are prepared, and each weight body is supplied with energy from the energy supply means 30 and moves on a circular orbit C having a radius r about the Z axis as a rotation axis. Rotating motion. However, as illustrated, when the first weight body 21 is located above the positive X axis, the first weight body 22 is located above the negative X axis. And the second weight body rotate in a state where the phases are shifted from each other by 180 °.

また、この角速度センサには、一対の距離測定手段が設けられている。すなわち、正のX軸上距離測定手段81は、いずれかの重錘体が正のX軸上空(図35において、第1の重錘体21が存在する地点)を通過した時点においてZ軸と通過中の重錘体との距離を測定する機能を有し、負のX軸上距離測定手段82は、いずれかの重錘体が負のX軸上空(図35において、第2の重錘体22が存在する地点)を通過した時点においてZ軸と通過中の重錘体との距離を測定する機能を有する。更に、正のX軸上距離測定手段81によって測定された距離と負のX軸上距離測定手段82によって測定された距離との和を求めるための演算手段83が備わっており、最終的に、この演算手段83の出力に基づいて、Z軸まわりの角速度ωzが検出されることになる。   The angular velocity sensor is provided with a pair of distance measuring means. That is, the positive on-axis distance measuring means 81 is configured such that when any weight body passes over the positive X-axis (the point where the first weight body 21 exists in FIG. 35), The negative on-axis distance measuring means 82 has a function of measuring the distance to the weight body that is passing, and any weight body is above the negative X-axis (the second weight in FIG. It has a function of measuring the distance between the Z-axis and the passing weight body at the time of passing through the point where the body 22 exists. In addition, a calculation means 83 for obtaining the sum of the distance measured by the positive X-axis distance measurement means 81 and the distance measured by the negative X-axis distance measurement means 82 is provided. Based on the output of the calculation means 83, the angular velocity ωz around the Z axis is detected.

続いて、この角速度センサにおける検出原理および加速度成分がキャンセルされる理由について述べる。いま、図35に図示されているように、Z=hで示される平面上に含まれる円軌道C上を、互いに位相が180°ずれた状態で一対の重錘体21,22が回転運動を行うように、エネルギー供給手段30からエネルギーが供給されている状態を考える。この状態では、図示のように、第1の重錘体21は正のX軸上空をY軸正方向の速度Vyをもって通過し、それと同時に、第2の重錘体22は負のX軸上空をY軸負方向の速度−Vyをもって通過する。このとき、もしこの系全体に対して、Z軸まわりの角速度ωzが作用していたとすると、第1の重錘体21に対しては、X軸正方向のコリオリ力Fcxが加わり、第1の重錘体21は当初の円軌道Cから外側(Z軸から遠ざかる方向)に外れる。一方、第2の重錘体22に対しては、X軸負方向のコリオリ力−Fcxが加わり、第2の重錘体22は当初の円軌道Cから外側に外れる。   Next, the detection principle and the reason for canceling the acceleration component in this angular velocity sensor will be described. Now, as shown in FIG. 35, a pair of weight bodies 21 and 22 rotate on a circular orbit C included on a plane indicated by Z = h with a phase shifted by 180 ° from each other. Let us consider a state in which energy is supplied from the energy supply means 30 to be performed. In this state, as shown in the figure, the first weight body 21 passes over the positive X-axis with a velocity Vy in the Y-axis positive direction, and at the same time, the second weight body 22 passes over the negative X-axis. Through Y-axis negative direction speed -Vy. At this time, if an angular velocity ωz around the Z-axis is acting on the entire system, a Coriolis force Fcx in the X-axis positive direction is applied to the first weight body 21, and the first The weight body 21 deviates from the original circular orbit C to the outside (the direction away from the Z axis). On the other hand, a negative Coriolis force -Fcx in the negative direction of the X axis is applied to the second weight body 22, and the second weight body 22 deviates from the original circular orbit C to the outside.

いま、第1の重錘体21と第2の重錘体22とが、全く同一の形状を有し、全く同一の質量を有していたとする。ここで、両者は常に180°の位相差を保って回転運動をしているのであるから、回転運動の速度の絶対値も両者は同じになる。したがって、両重錘体に作用するコリオリ力の絶対値は同じになり、第1の重錘体21がΔrだけ円軌道Cから外側に外れ、Z軸からの距離r+Δrの位置を通過したとすれば、第2の重錘体22もΔrだけ円軌道Cから外側に外れ、Z軸からの距離r+Δrの位置を通過することになる。したがって、演算手段83からは、これらの和に相当する2r+2・Δrが出力される。予め、外力が作用していない状態での演算手段83の出力値2rを基準値として定めておけば、この基準値2rとの差2・ΔrがZ軸まわりの角速度ωzを示す値になる。なお、作用した角速度ωzの向きが逆の場合、コリオリ力の向きは逆転し、2つの重錘体21,22はいずれも当初の円軌道Cから内側に外れることになる。この場合、演算手段83からの出力は2r−2・Δrになる。したがって、演算手段83から得られる出力信号の符号は角速度ωzの向きを示し、出力信号の大きさは角速度ωzの大きさを示すものとなる。   Now, it is assumed that the first weight body 21 and the second weight body 22 have exactly the same shape and the completely same mass. Here, since they are always rotating with a phase difference of 180 °, the absolute value of the speed of the rotating motion is the same. Therefore, the absolute value of the Coriolis force acting on both weights becomes the same, and it is assumed that the first weight 21 is moved outward from the circular orbit C by Δr and passes the position of the distance r + Δr from the Z axis. For example, the second weight body 22 also deviates from the circular orbit C by Δr and passes through the position of the distance r + Δr from the Z axis. Therefore, the calculation means 83 outputs 2r + 2 · Δr corresponding to the sum of these. If the output value 2r of the calculation means 83 in a state where no external force is applied is determined in advance as a reference value, the difference 2 · Δr from the reference value 2r becomes a value indicating the angular velocity ωz around the Z axis. When the direction of the applied angular velocity ωz is reversed, the direction of the Coriolis force is reversed, and the two weight bodies 21 and 22 are both disengaged from the original circular orbit C. In this case, the output from the calculation means 83 is 2r−2 · Δr. Therefore, the sign of the output signal obtained from the calculation means 83 indicates the direction of the angular velocity ωz, and the magnitude of the output signal indicates the magnitude of the angular velocity ωz.

ここで、この系全体に対して加速度が作用していた場合を考える。Z軸方向の加速度αzに基づいて生じる力FazおよびY軸方向の加速度αyに基づいて生じる力Fayは、いずれもX軸方向のコリオリ力Fcxに対して直交しているため、この測定系に干渉することはない。ところが、X軸方向の加速度αxに基づいて生じる力Faxは、コリオリ力Fcxと同じ方向を向いているため、干渉の影響を考えねばならない。実際、図34に示す単一の重錘体20を用いた測定系では、この加速度αxに基づいて生じる力Faxが、角速度ωzの検出値に干渉することになる。しかしながら、一対の重錘体21,22を用いた図35に示す測定系では、この干渉はキャンセルされることになる。なぜなら、加速度αxに基づいて生じる力Faxが作用すると、2つの重錘体21,22は、いずれもX軸正方向に変位Δxを生じることになるため、正のX軸上距離測定手段81の出力はΔxだけ増加するが、負のX軸上距離測定手段82の出力はΔxだけ減少する。したがって、演算手段83の出力は、加速度αxの作用に起因して変化することはないのである。   Here, consider a case in which acceleration acts on the entire system. Since the force Faz generated based on the acceleration αz in the Z-axis direction and the force Fay generated based on the acceleration αy in the Y-axis direction are both orthogonal to the Coriolis force Fcx in the X-axis direction, they interfere with this measurement system. Never do. However, since the force Fax generated based on the acceleration αx in the X-axis direction is in the same direction as the Coriolis force Fcx, the influence of interference must be considered. Actually, in the measurement system using the single weight body 20 shown in FIG. 34, the force Fax generated based on the acceleration αx interferes with the detected value of the angular velocity ωz. However, in the measurement system shown in FIG. 35 using a pair of weight bodies 21 and 22, this interference is cancelled. This is because when the force Fax generated based on the acceleration αx is applied, the two weight bodies 21 and 22 both generate the displacement Δx in the positive X-axis direction. The output increases by Δx, but the output of the negative X-axis distance measuring means 82 decreases by Δx. Therefore, the output of the calculation means 83 does not change due to the action of the acceleration αx.

このように、互いに位相が180°ずれた状態で回転運動を行う一対の重錘体を用いることにより、加速度成分をキャンセルすることが可能になる。   As described above, the acceleration component can be canceled by using the pair of weight bodies that perform the rotational motion in a state where the phases are shifted from each other by 180 °.

なお、上述の説明では、正のX軸上距離測定手段81および負のX軸上距離測定手段82と、を用いて、重錘体がX軸を通過する時点に測定を行っているが、正のY軸上距離測定手段および負のY軸上距離測定手段を用いて、重錘体がY軸を通過する時点に測定を行っても同様に角速度ωzの検出が可能である。もちろん、X軸やY軸に限らず、重錘体が任意の軸上を通過する時点で角速度ωzの測定を行うことも可能である。   In the above description, the positive X-axis distance measuring unit 81 and the negative X-axis distance measuring unit 82 are used to perform measurement when the weight body passes the X axis. The angular velocity ωz can be similarly detected even if measurement is performed when the weight body passes the Y axis using the positive Y-axis distance measuring means and the negative Y-axis distance measuring means. Needless to say, the angular velocity ωz can be measured not only on the X axis and the Y axis but also when the weight body passes on an arbitrary axis.

<<< §10. 三次元角速度センサの具体的な実施例 >>>
§5では、X軸まわりの角速度ωxとY軸まわりの角速度ωyとを同時に検出できる二次元角速度センサの具体的な実施例を説明した。ここでは、この二次元角速度センサに§9で述べた原理を適用することにより、X軸まわりの角速度ωx、Y軸まわりの角速度ωy、Z軸まわりの角速度ωzのすべてが検出可能な三次元角速度センサを実現した実施例を説明することにする。
<<< §10. Specific Example of Three-dimensional Angular Velocity Sensor >>>
In §5, a specific example of the two-dimensional angular velocity sensor that can simultaneously detect the angular velocity ωx around the X axis and the angular velocity ωy around the Y axis has been described. Here, by applying the principle described in §9 to this two-dimensional angular velocity sensor, the angular velocity ωx around the X axis, the angular velocity ωy around the Y axis, and the angular velocity ωz around the Z axis can be detected. An embodiment that implements the sensor will be described.

図36は、この三次元角速度センサの平面図であり、図37は、このセンサをX軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。この三次元角速度センサの構造は、§5で述べた二次元角速度センサ(図13〜図16参照)の構造とほぼ同じであるため、ここでは両者の相違点のみを述べることにする。両者間に共通の構成要素については、同一符号で示すことにし、詳しい説明は省略する。   FIG. 36 is a plan view of the three-dimensional angular velocity sensor, and FIG. 37 is a side sectional view showing a state in which the sensor is cut along the X axis. Since the structure of this three-dimensional angular velocity sensor is almost the same as the structure of the two-dimensional angular velocity sensor (see FIGS. 13 to 16) described in §5, only the difference between the two will be described here. Constituent elements common to both are indicated by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

この三次元角速度センサの第1の特徴は、一部分が伸縮性を有する構造をもったロータ400を用いた点である。ロータ400は、図38の平面図に明瞭に示されているように、4個の重錘体411〜414を4本のアーム421−424によって、中心部材425に接続した構造をなす。ここで、4本のアーム421−424は、図示のとおりジグザグ構造を有し、伸縮性を有している。したがって、各重錘体411−414に対して、中心部材425から離れる方向の力もしくは中心部材425に近付く方向の力が作用した場合、重錘体は作用した力の方向に変位することが可能である。各重錘体411−414の下面に、それぞれ移動電極431−434が形成され(電極433,434は図示されていない)、中心部材425の下面に電極435が形成されている点は、前述した二次元角速度センサと同様である。   The first feature of this three-dimensional angular velocity sensor is that a rotor 400 having a structure having a stretchable part is used. As clearly shown in the plan view of FIG. 38, the rotor 400 has a structure in which four weight bodies 411 to 414 are connected to a central member 425 by four arms 421 to 424. Here, the four arms 421-424 have a zigzag structure as shown in the figure, and have elasticity. Therefore, when a force in a direction away from the center member 425 or a force in a direction approaching the center member 425 is applied to each weight body 411-414, the weight body can be displaced in the direction of the applied force. It is. The movement electrodes 431-434 are formed on the lower surfaces of the respective weight bodies 411-414 (the electrodes 433 and 434 are not shown), and the electrodes 435 are formed on the lower surface of the central member 425 as described above. The same as the two-dimensional angular velocity sensor.

この三次元角速度センサの第2の特徴は、基板上の固定電極の形状および配置を若干変更した点と、角速度ωzを検出するために、新たな固定電極を付加した点である。図39は、図36に示す角速度センサのストッパ131を除去し、ロータ400を取り外した状態を示す平面図である。基板100上に配置されている固定電極145A−148A,145B−148Bは、図16に示されている固定電極141A−144A,141B−144Bと全く同等の機能(すなわち、X軸まわりの角速度ωxとY軸まわりの角速度ωyとを検出する機能)を果たす固定電極であるが、個々の電極の面積は若干小さくなっている。このように面積を小さくしたのは、ロータ400を構成する4本のアーム421−424が伸縮性を有するため、各重錘体411〜414がこのアームの伸縮性に基づいて多少変位しても、形成される容量素子の面積に変化が生じないようにするためである。一方、固定電極145C,145D,146C,146Dは、Z軸まわりの角速度ωzを検出するために付加された電極である。検出回路330は、基板100上に配置された合計12個の固定電極と、ロータ400側(各重錘体の下面)に形成された移動電極とによって構成される容量素子の静電容量値を検出する回路であり、この回路の出力として、三次元角速度ωx,ωy,ωzの検出値が出力されることになる。   The second feature of the three-dimensional angular velocity sensor is that the shape and arrangement of the fixed electrodes on the substrate are slightly changed, and a new fixed electrode is added to detect the angular velocity ωz. FIG. 39 is a plan view showing a state where the stopper 400 of the angular velocity sensor shown in FIG. 36 is removed and the rotor 400 is removed. The fixed electrodes 145A to 148A and 145B to 148B arranged on the substrate 100 have the same function (that is, the angular velocity ωx around the X axis) as the fixed electrodes 141A to 144A and 141B to 144B shown in FIG. The fixed electrode fulfills the function of detecting the angular velocity ωy around the Y axis), but the area of each electrode is slightly smaller. The reason why the area is reduced in this way is that the four arms 421 to 424 constituting the rotor 400 have elasticity, so that the weight bodies 411 to 414 may be slightly displaced based on the elasticity of the arms. This is to prevent a change in the area of the capacitor element to be formed. On the other hand, the fixed electrodes 145C, 145D, 146C, and 146D are electrodes added to detect the angular velocity ωz around the Z axis. The detection circuit 330 calculates the capacitance value of a capacitive element configured by a total of 12 fixed electrodes arranged on the substrate 100 and a moving electrode formed on the rotor 400 side (the lower surface of each weight body). The detected value of the three-dimensional angular velocities ωx, ωy, ωz is output as an output of this circuit.

このセンサによる角速度ωxおよびωyの検出原理は、既に§7で述べたとおりである。ここでは、角速度ωzの検出原理を以下に説明する。図40は、重錘体411および412がX軸上空を通過する瞬間において形成される容量素子を示す平面図である。ここで、破線の矩形で示す構成要素431,432は、それぞれ重錘体411,412の下面に形成された移動電極を示し、構成要素420は両重錘体を接続する伸縮性をもった中間部材を示している。基板100上に配置された各固定電極の上空に、図に破線で示すような移動電極431,432が位置すると、対向する電極によってそれぞれ容量素子が形成される。すなわち、固定電極145A,145B,145C,145Dと移動電極431とによって、容量素子C1A,C1B,C5C,C5Dが形成され、固定電極146A,146B,146C,146Dと移動電極432とによって、容量素子C2A,C2B,C6C,C6Dが形成される。ここで、容量素子C1A,C1B,C2A,C2Bを用いて、図26の左半分に示す回路を構成すれば、X軸まわりの角速度ωxが検出できることは既に述べたとおりである。ここでは、容量素子C5C,C5D,C6C,C6Dを用いて、Z軸まわりの角速度ωzが検出できることを示そう。   The detection principle of the angular velocities ωx and ωy by this sensor is as already described in §7. Here, the detection principle of the angular velocity ωz will be described below. FIG. 40 is a plan view showing the capacitive element formed at the moment when the weight bodies 411 and 412 pass over the X-axis. Here, the constituent elements 431 and 432 indicated by broken-line rectangles indicate moving electrodes formed on the lower surfaces of the weight bodies 411 and 412, respectively, and the constituent element 420 is an intermediate with elasticity that connects both weight bodies. The member is shown. When the movable electrodes 431 and 432 as indicated by broken lines in the drawing are positioned above the fixed electrodes arranged on the substrate 100, capacitive elements are formed by the opposing electrodes, respectively. That is, the fixed electrodes 145A, 145B, 145C, 145D and the moving electrode 431 form the capacitive elements C1A, C1B, C5C, C5D, and the fixed electrodes 146A, 146B, 146C, 146D and the moving electrode 432 form the capacitive element C2A. , C2B, C6C, C6D are formed. Here, as described above, if the circuit shown in the left half of FIG. 26 is configured using the capacitive elements C1A, C1B, C2A, and C2B, the angular velocity ωx around the X axis can be detected. Here, it will be shown that the angular velocity ωz about the Z-axis can be detected using the capacitive elements C5C, C5D, C6C, and C6D.

いま、このセンサに外力が作用しない状態において、ロータ400が一定速度で回転運動を行っている場合を考える。そして、この定常状態において、重錘体411,412がX軸上空を通過する瞬間に、各固定電極と各移動電極とが図40の平面図に示すような位置関係を保つように、各固定電極が配置されていたものとする。この場合、各固定電極のうち、ハッチングを施した部分が移動電極に対向した部分となる。別言すれば、容量素子は、このハッチングを施した領域にのみ形成されることになる。ここで留意すべき点は、角速度ωx検出用の固定電極145A,145B,146A,146Bは、いずれも全面にハッチングが施され、全面が容量素子の形成に関与するのに対し、角速度ωz検出用の固定電極145C,145D,146C,146Dは、いずれも図の左半分にのみハッチングが施されている点である。要するに、固定電極145A,145B,146A,146Bは、Y軸に対して対称になる位置に形成されているのに対し、固定電極145C,145Dは、外側(Z軸から遠ざかる方向)に所定のオフセット量だけシフトした位置に形成され、固定電極146C,146Dは、内側(Z軸に近付く方向)に所定のオフセット量だけシフトした位置に形成されていることになる。   Consider a case where the rotor 400 is rotating at a constant speed in the state where no external force is applied to the sensor. In this steady state, at a moment when the weight bodies 411 and 412 pass over the X-axis, each fixed electrode and each moving electrode are fixed so that the positional relationship shown in the plan view of FIG. 40 is maintained. It is assumed that electrodes have been arranged. In this case, the hatched portion of each fixed electrode is the portion facing the moving electrode. In other words, the capacitive element is formed only in the hatched region. It should be noted that the fixed electrodes 145A, 145B, 146A, and 146B for detecting the angular velocity ωx are all hatched and the entire surface is involved in the formation of the capacitive element, whereas the fixed electrodes 145A, 145B, 146A, and 146B are used for detecting the angular velocity ωz. The fixed electrodes 145C, 145D, 146C, and 146D are all hatched only in the left half of the figure. In short, the fixed electrodes 145A, 145B, 146A, and 146B are formed at positions that are symmetric with respect to the Y axis, whereas the fixed electrodes 145C and 145D have a predetermined offset outward (in the direction away from the Z axis). The fixed electrodes 146C and 146D are formed at positions shifted by a predetermined offset amount inwardly (in the direction approaching the Z axis).

さて、ここで、このセンサ全体にZ軸まわりの角速度ωzが作用した場合を考える。既に、§9で説明したように、角速度ωzが作用すると、各重錘体411−414には円運動の半径方向に沿ったコリオリ力が加わる。ロータ400では、各重錘体が伸縮性を有する中間部材420(アーム421−424)によって接続されているため、このコリオリ力により、重錘体の軌道は外側(角速度ωzの向きによっては内側)に変化することになる。たとえば、各重錘体の軌道が外側に変化したとすれば、X軸周辺の固定電極と移動電極との位置関係は図41のようになる。すなわち、正のX軸上空を通過中の移動電極431は、X軸正方向のコリオリ力Fcxの作用により、X軸正方向に所定量Δrだけ変位することになり、負のX軸上空を通過中の移動電極432は、X軸負方向のコリオリ力−Fcxの作用により、X軸負方向に所定量Δrだけ変位することになる。   Now, let us consider a case where an angular velocity ωz around the Z axis acts on the entire sensor. As already described in §9, when the angular velocity ωz is applied, Coriolis force along the radial direction of the circular motion is applied to each of the weight bodies 411-414. In the rotor 400, since each weight body is connected by the elastic intermediate member 420 (arms 421-424), the orbit of the weight body is outside (inside depending on the direction of the angular velocity ωz) by this Coriolis force. Will change. For example, if the trajectory of each weight body changes to the outside, the positional relationship between the fixed electrode and the moving electrode around the X axis is as shown in FIG. That is, the moving electrode 431 passing over the positive X-axis is displaced by a predetermined amount Δr in the positive X-axis direction by the action of the Coriolis force Fcx in the positive X-axis direction and passes over the negative X-axis. The moving electrode 432 in the middle is displaced by a predetermined amount Δr in the negative X-axis direction by the action of the Coriolis force −Fcx in the negative X-axis direction.

移動電極の位置がこのように変位した場合、X軸まわりの角速度ωxの検出に用いられる固定電極145A,145B,146A,146Bによって構成される容量素子の電極面積(図のハッチング部分の面積)には、変化は生じない。逆に言えば、中間部材420の伸縮に基づいて、重錘体の軌道が円運動の半径方向へ変位しても、固定電極145A,145B,146A,146Bは、常にその全面積が移動電極に対向した状態になるように配置されていることになる。このため、Z軸まわりの角速度ωzは、X軸まわりの角速度ωxの検出には干渉しない。同じ理由により、Z軸まわりの角速度ωzは、Y軸まわりの角速度ωyの検出にも干渉しない。   When the position of the moving electrode is displaced in this way, the electrode area of the capacitive element constituted by the fixed electrodes 145A, 145B, 146A, 146B used for detecting the angular velocity ωx around the X axis (the area of the hatched portion in the figure) Does not change. In other words, the fixed electrodes 145A, 145B, 146A, and 146B always have the entire area as the moving electrode even if the trajectory of the weight body is displaced in the radial direction of the circular motion based on the expansion and contraction of the intermediate member 420. It will be arranged so as to face each other. For this reason, the angular velocity ωz around the Z axis does not interfere with the detection of the angular velocity ωx around the X axis. For the same reason, the angular velocity ωz around the Z axis does not interfere with the detection of the angular velocity ωy around the Y axis.

一方、Z軸まわりの角速度ωzの検出に用いられる固定電極145C,145D,146C,146Dによって構成される容量素子の電極面積(図のハッチング部分の面積)には、変化が生じている。ここで、固定電極145C,145D,146C,146Dと移動電極431,432とによって構成される容量素子を、それぞれ容量素子C5C,C5D,C6C,C6Dと呼ぶことにすると、図41に示す状態では、容量素子C5C,C5Dは電極面積の増加によって静電容量値は増加し、容量素子C6C,C6Dは電極面積の減少によって静電容量値は減少することになる。   On the other hand, there is a change in the electrode area (area of the hatched portion in the figure) of the capacitive element constituted by the fixed electrodes 145C, 145D, 146C, and 146D used for detecting the angular velocity ωz around the Z axis. Here, when the capacitive elements constituted by the fixed electrodes 145C, 145D, 146C, 146D and the moving electrodes 431, 432 are referred to as capacitive elements C5C, C5D, C6C, C6D, respectively, in the state shown in FIG. The capacitance values of the capacitive elements C5C and C5D increase as the electrode area increases, and the capacitance values of the capacitive elements C6C and C6D decrease as the electrode area decreases.

ところで、静電容量値の測定のために、回転運動を行うロータ400に対して配線を行うことは困難であるが、それぞれ一対の固定電極を形成しておくことにより、上述した各静電容量の値は、基板100側に配線を行っておくだけで測定可能になる。すなわち、直列接続された一対の容量素子C5C,C5D全体を1つの容量素子C5とみなし、直列接続された一対の容量素子C6C,C6D全体を1つの容量素子C6とみなせば、容量素子C5の静電容量値は固定電極145Cと145Dとの間の静電容量値として測定でき、容量素子C6の静電容量値は固定電極146Cと146Dとの間の静電容量値として測定できる。   By the way, although it is difficult to perform wiring for the rotor 400 that performs the rotational movement for the measurement of the capacitance value, each of the capacitances described above is formed by forming a pair of fixed electrodes. This value can be measured simply by wiring on the substrate 100 side. That is, if the entire pair of capacitive elements C5C and C5D connected in series is regarded as one capacitive element C5 and the entire pair of capacitive elements C6C and C6D connected in series is regarded as one capacitive element C6, The capacitance value can be measured as a capacitance value between the fixed electrodes 145C and 145D, and the capacitance value of the capacitive element C6 can be measured as a capacitance value between the fixed electrodes 146C and 146D.

図42は、角速度ωzを検出するための具体的な回路構成例を示す回路図である。容量素子C5,C6の静電容量値は、静電容量値Cを電圧値Vに変換する機能をもったC/V変換回路331,332によって、それぞれ電圧値V5,V6に変換され、差動増幅器333によって、電圧値V5とV6との差が演算されて出力される。この出力電圧は、作用したコリオリ力の符号を考慮した差(Fcx−(−Fcx))を示すものになり、作用したZ軸まわりの角速度ωzに相当する値になる。   FIG. 42 is a circuit diagram showing a specific circuit configuration example for detecting the angular velocity ωz. Capacitance values of the capacitive elements C5 and C6 are converted into voltage values V5 and V6 by C / V conversion circuits 331 and 332 having a function of converting the capacitance value C into a voltage value V, respectively. The difference between the voltage values V5 and V6 is calculated and output by the amplifier 333. This output voltage indicates a difference (Fcx − (− Fcx)) in consideration of the sign of the applied Coriolis force, and is a value corresponding to the applied angular velocity ωz around the Z axis.

なお、加速度が作用する環境下であっても、差動増幅器333の出力電圧が加速度による影響を受けることはない。たとえば、X軸方向の加速度αxが作用した場合、図43に示すように、加速度αxに基づく力Faxにより、移動電極431,432がともにX軸方向に変位することになるが、容量素子C5C,C5D,C6C,C6Dの電極面積は、いずれも同じ量だけ増加するため、差動増幅器333によって差分をとることにより、この増加分はキャンセルされることになる。また、Y軸方向の加速度αyが作用した場合、移動電極431,432はY軸方向に若干変位することになるが、容量素子C5C,C5D,C6C,C6Dの電極面積には変動はなく、これら各容量素子の静電容量値に影響はない。更に、Z軸方向の加速度αzが作用した場合、容量素子C5C,C5D,C6C,C6Dの電極間隔が、いずれも同じ量だけ増減するため、静電容量値も同じ量だけ増減することになる。しかしながら、差動増幅器333によって差分をとることにより、この増減分はキャンセルされることになる。   Even in an environment where acceleration acts, the output voltage of the differential amplifier 333 is not affected by the acceleration. For example, when the acceleration αx in the X-axis direction acts, as shown in FIG. 43, both the moving electrodes 431 and 432 are displaced in the X-axis direction by the force Fax based on the acceleration αx, but the capacitive elements C5C, Since the electrode areas of C5D, C6C, and C6D all increase by the same amount, this increase is canceled by taking the difference by the differential amplifier 333. When the acceleration αy in the Y-axis direction is applied, the movable electrodes 431 and 432 are slightly displaced in the Y-axis direction, but there is no change in the electrode areas of the capacitive elements C5C, C5D, C6C, and C6D. There is no influence on the capacitance value of each capacitive element. Further, when the acceleration αz in the Z-axis direction is applied, the electrode intervals of the capacitive elements C5C, C5D, C6C, and C6D all increase or decrease by the same amount, so that the capacitance value also increases or decreases by the same amount. However, this difference is canceled by taking the difference by the differential amplifier 333.

図35に示した基本原理によれば、加速度成分をキャンセルするために、正のX軸上距離測定手段81の出力と負のX軸上距離測定手段82の出力との和を演算手段83によって求めていた。それに対し、ここに示す実施例では、加速度成分をキャンセルするために、差動増幅器333を用いて差を求めている。このように、前者では和を求め、後者では差を求めているが、両者は原理的には等価である。すなわち、前者では距離rに関する和を求めているのに対し、後者では静電容量値Cの差を求めているのであり、このように両者で取り扱いが異なるのは、同じ現象に対して、距離rの増減と静電容量値Cの増減とはそのふるまいが異なるため当然である。たとえば、図40の状態における重錘体の円運動半径をrとし、図41の状態における重錘体の円運動半径をr+Δrとする。図35に示した基本原理によれば、位相が180°ずれた一対の重錘体の中心軸からの距離の和に基づいてZ軸まわりの角速度ωzを求めることになる。したがって、距離の和は、図40の状態では「2r」であったのに、図41の状態では「2r+2Δr」となっており、両状態の変動分である「2Δr」が作用した角速度ωzを示す値となる。ところが、この実施例における電極配置によれば、静電容量値Cの増減は、必ずしも距離rの増減には一致しない。すなわち、図41を見ればわかるように、容量素子C5C,C5Dの容量値は距離rの増加によって増加するのに対し、容量素子C6C,C6Dの容量値は距離rの増加によって減少する。このため、図42に示す回路図では、差動増幅器333によって、容量値C6に対応する電圧値V6の符号を反転させているのであり、差動増幅器333の行っている「静電容量値Cの差を求める演算」は、「距離rの和を求める演算」と等価である。   According to the basic principle shown in FIG. 35, in order to cancel the acceleration component, the sum of the output of the positive X-axis distance measuring means 81 and the output of the negative X-axis distance measuring means 82 is calculated by the calculating means 83. I was asking. On the other hand, in the embodiment shown here, the difference is obtained using the differential amplifier 333 in order to cancel the acceleration component. In this way, the former calculates the sum and the latter calculates the difference, but the two are equivalent in principle. In other words, the former calculates the sum related to the distance r, while the latter calculates the difference in the capacitance value C. Thus, the difference between the two is that the handling is different for the same phenomenon. Naturally, the increase / decrease in r and the increase / decrease in capacitance value C are different in behavior. For example, the circular motion radius of the weight body in the state of FIG. 40 is r, and the circular motion radius of the weight body in the state of FIG. 41 is r + Δr. According to the basic principle shown in FIG. 35, the angular velocity ωz about the Z-axis is obtained based on the sum of the distances from the central axis of the pair of weights whose phases are shifted by 180 °. Therefore, the sum of the distances was “2r” in the state of FIG. 40, but “2r + 2Δr” in the state of FIG. 41, and the angular velocity ωz at which “2Δr”, which is the variation of both states, acted. It becomes the value shown. However, according to the electrode arrangement in this embodiment, the increase / decrease in the capacitance value C does not necessarily coincide with the increase / decrease in the distance r. That is, as can be seen from FIG. 41, the capacitance values of the capacitive elements C5C and C5D increase as the distance r increases, whereas the capacitance values of the capacitive elements C6C and C6D decrease as the distance r increases. For this reason, in the circuit diagram shown in FIG. 42, the sign of the voltage value V6 corresponding to the capacitance value C6 is inverted by the differential amplifier 333. The “calculation for obtaining the difference between” is equivalent to the “calculation for obtaining the sum of the distances r”.

<<< §11. 三次元角速度センサの変形例 >>>
図44は、§10で述べた三次元角速度センサの変形例を示す側断面図である。このセンサは、§10で述べたセンサのロータ400を、ロータ450に置き換えたものである。ロータ400とロータ450との相違点は、重錘体411−414を接続するための伸縮性をもったアームの構造だけである。すなわち、ロータ400で用いられていたアーム421−424は、上面から見たときにジグザグの構造を採っていたが、図44に示す変形例のロータ450では、側面から見たときにジグザグの構造を有するアーム441−444(アーム443,444は図示されていない)が用いられている。
<<<< §11. Modification of 3D angular velocity sensor >>
44 is a side sectional view showing a modification of the three-dimensional angular velocity sensor described in §10. This sensor is obtained by replacing the rotor 400 of the sensor described in §10 with a rotor 450. The only difference between the rotor 400 and the rotor 450 is the structure of an arm having elasticity for connecting the weight bodies 411-414. That is, the arms 421-424 used in the rotor 400 have a zigzag structure when viewed from the top surface, but the rotor 450 of the modified example shown in FIG. 44 has a zigzag structure when viewed from the side surface. Arms 441 to 444 (arms 443 and 444 are not shown) are used.

伸縮性をもったアームとしては、この他にも種々の構造のものを利用することが可能であり、たとえば、コイルスプリング状のアームを用いてもかまわない。ただ、半導体基板にマイクロマシニング技術を利用してロータを形成する場合には、これまで述べた例のように、板ばねをジグザグ構造にしたものを用いると製造が容易である。   As the arm having elasticity, various other structures can be used. For example, a coil spring-like arm may be used. However, when a rotor is formed on a semiconductor substrate using a micromachining technique, manufacturing is easy if a plate spring having a zigzag structure is used as in the examples described above.

図45は、§10で述べた三次元角速度センサにおけるロータを、反転回転運動させる構造にした変形例である。ロータ500は、図44に示すロータ450とほぼ同じ構造を有する。すなわち、4個の重錘体511−514が、側面から見たときにジグザグの構造を有するアーム541−544によって中心部材560に接続されている(重錘体513,514,アーム543,544は図示されていない)。重錘体511−514および中心部材560の下面には、移動電極531−534,565が形成され(移動電極533,534は図示されていない)、中心部材560は電極565および支持体570を介して基板100上に固着されている。支持体570は、Z軸まわりに捩じれを生じることができる構造を有し、ロータ500は§8で述べたような反転回転運動を行うことが可能になる。このセンサの動作は、ロータ500が反転回転運動を行う点を除いて、§10で述べたセンサの動作と全く同じであり、ここでは詳しい説明は省略する。   FIG. 45 is a modified example in which the rotor in the three-dimensional angular velocity sensor described in §10 is configured to rotate and rotate. The rotor 500 has substantially the same structure as the rotor 450 shown in FIG. That is, the four weight bodies 511-514 are connected to the center member 560 by the arms 541-544 having a zigzag structure when viewed from the side (the weight bodies 513, 514, arms 543, 544 are Not shown). Moving electrodes 531-534 and 565 are formed on the lower surfaces of the weight body 511-514 and the central member 560 (the moving electrodes 533 and 534 are not shown), and the central member 560 is interposed via the electrode 565 and the support 570. Are fixed on the substrate 100. The support body 570 has a structure capable of generating a twist around the Z axis, and the rotor 500 can perform the reverse rotation motion as described in §8. The operation of this sensor is exactly the same as the operation of the sensor described in §10 except that the rotor 500 performs a reverse rotational motion, and detailed description thereof is omitted here.

本発明に係る角速度センサを被測定対象物に装着すると、この対象物に作用するX軸まわりの角速度ωxおよびY軸まわりの角速度ωyを同時に検出することが可能になり、しかも加速度成分の影響を受けない正確な検出値を得ることが可能になる。この角速度センサは、マイクロマシニング技術および半導体技術を利用して製造することが可能であり、小型化および大量生産に適している。したがって、産業用機械、産業用ロボット、自動車、航空機、船舶などに搭載し、運動状態の認識、あるいは運動に対するフィードバック制御を行う上でのセンサとして広く利用できるものである。また、カメラの撮影時における手振れを補正する制御にも利用できる。   When the angular velocity sensor according to the present invention is attached to an object to be measured, the angular velocity ωx around the X axis and the angular velocity ωy around the Y axis acting on the object can be simultaneously detected, and the influence of the acceleration component can be detected. It is possible to obtain an accurate detection value that is not received. This angular velocity sensor can be manufactured using micromachining technology and semiconductor technology, and is suitable for miniaturization and mass production. Therefore, it is mounted on industrial machines, industrial robots, automobiles, airplanes, ships, etc., and can be widely used as sensors for recognizing motion states or performing feedback control for motions. It can also be used for control for correcting camera shake during shooting by the camera.

X軸およびY軸まわりの角速度ωx,ωyを検出するための角速度センサの基本構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the basic composition of the angular velocity sensor for detecting angular velocity (omega) x and (omega) y around an X-axis and a Y-axis. 移動中の物体に角速度が作用した場合に、コリオリ力が作用する原理を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the principle which Coriolis force acts when an angular velocity acts on the moving object. 図1に示す角速度センサの動作を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining operation | movement of the angular velocity sensor shown in FIG. 加速度が作用する環境下において、加速度の成分をキャンセルしつつ、X軸およびY軸まわりの角速度ωx,ωyを検出するための角速度センサの基本構成を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing a basic configuration of an angular velocity sensor for detecting angular velocities ωx and ωy about the X axis and the Y axis while canceling an acceleration component under an environment where acceleration acts. 図4に示す角速度センサの動作を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining operation | movement of the angular velocity sensor shown in FIG. 図4に示す角速度センサの変形例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the modification of the angular velocity sensor shown in FIG. 図6に示す角速度センサのロータ部分の具体的な構造例を示す平面図である。It is a top view which shows the specific structural example of the rotor part of the angular velocity sensor shown in FIG. 図7に示すロータの変形例を示す平面図である。FIG. 8 is a plan view showing a modification of the rotor shown in FIG. 7. 図7に示すロータの更に別な変形例を示す平面図である。FIG. 8 is a plan view showing still another modification of the rotor shown in FIG. 7. 図7に示すロータを反転回転運動(振動運動)させる動作態様を示す平面図である。It is a top view which shows the operation | movement aspect which carries out reverse rotation motion (vibration motion) of the rotor shown in FIG. 図7に示すロータを、回転振動成分をキャンセルさせる方法で反転回転運動させる第1の動作態様を示す平面図である。It is a top view which shows the 1st operation | movement aspect which carries out reverse rotation motion of the rotor shown in FIG. 7 by the method of canceling a rotational vibration component. 図7に示すロータを、回転振動成分をキャンセルさせる方法で反転回転運動させる第2の動作態様を示す平面図である。It is a top view which shows the 2nd operation | movement aspect which carries out reverse rotation motion of the rotor shown in FIG. 7 by the method of canceling a rotational vibration component. ロータを連続回転運動させるタイプの本発明の具体的な実施例に係る角速度センサの平面図である。It is a top view of the angular velocity sensor which concerns on the specific Example of this invention of the type which rotates a rotor continuously. 図13に示す角速度センサをX軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the state which cut | disconnected the angular velocity sensor shown in FIG. 13 along the X-axis. 図13に示す角速度センサのロータのみを示す平面図である。It is a top view which shows only the rotor of the angular velocity sensor shown in FIG. 図13に示す角速度センサからロータを取り外した状態を示す平面図である。It is a top view which shows the state which removed the rotor from the angular velocity sensor shown in FIG. 図13に示す角速度センサの動作を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating operation | movement of the angular velocity sensor shown in FIG. 図13に示す角速度センサの動作を説明するためのX軸に沿った切断面を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the cut surface along the X-axis for demonstrating operation | movement of the angular velocity sensor shown in FIG. 図13に示す角速度センサのステータに所定の電圧を与えることによりロータを回転させる原理を示す平面図である。It is a top view which shows the principle which rotates a rotor by giving a predetermined voltage to the stator of the angular velocity sensor shown in FIG. 図13に示す角速度センサのステータに所定の電圧を与えることによりロータを回転させる原理を示す別な平面図である。It is another top view which shows the principle which rotates a rotor by giving a predetermined voltage to the stator of the angular velocity sensor shown in FIG. 図13に示す角速度センサのステータに与えるべき交流電圧を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the alternating voltage which should be given to the stator of the angular velocity sensor shown in FIG. 図13に示す角速度センサのロータ側に形成された移動電極とステータ側に形成された固定電極とにより構成される容量素子を示すためにX軸に沿った切断面を示す側断面図である。FIG. 14 is a side sectional view showing a cut surface along the X axis in order to show a capacitive element constituted by a moving electrode formed on the rotor side of the angular velocity sensor shown in FIG. 13 and a fixed electrode formed on the stator side. 図13に示す角速度センサのロータ側に形成された移動電極とステータ側に形成された固定電極とにより構成される容量素子を示すためにY軸に沿った切断面を示す側断面図である。FIG. 14 is a side cross-sectional view showing a cut surface along the Y axis in order to show a capacitive element composed of a moving electrode formed on the rotor side of the angular velocity sensor shown in FIG. 13 and a fixed electrode formed on the stator side. 図13に示す角速度センサのロータ側に形成された移動電極とステータ側に形成された固定電極とにより構成される容量素子を示す平面図である。It is a top view which shows the capacitive element comprised by the moving electrode formed in the rotor side of the angular velocity sensor shown in FIG. 13, and the fixed electrode formed in the stator side. 図13に示す角速度センサにおいて、ロータ回転中にX軸まわりの角速度ωxが作用した場合のX軸に沿った切断面を示す側断面図である。FIG. 14 is a side cross-sectional view showing a cut surface along the X axis when an angular velocity ωx around the X axis acts during rotation of the rotor in the angular velocity sensor shown in FIG. 13. 図13に示す角速度センサについて用いられる検出回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the detection circuit used about the angular velocity sensor shown in FIG. 図13に示す角速度センサに用いられる固定電極の別な配置例を示す平面図である。It is a top view which shows another example of arrangement | positioning of the fixed electrode used for the angular velocity sensor shown in FIG. ロータを反転回転運動(振動運動)させるタイプの本発明の具体的な実施例に係る角速度センサのX軸に沿った切断面を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the cut surface along the X-axis of the angular velocity sensor which concerns on the specific Example of this invention of the type which carries out reverse rotation motion (vibration motion) of a rotor. 図28に示す角速度センサの主要な構成要素の配置を示す平面図である。It is a top view which shows arrangement | positioning of the main components of the angular velocity sensor shown in FIG. 図28に示す角速度センサにおいて、ロータを反転回転運動させる動作態様を示す平面図である。It is a top view which shows the operation | movement aspect which carries out reverse rotation motion of the rotor in the angular velocity sensor shown in FIG. 図28に示す角速度センサにおいて、回転振動成分をキャンセルさせる方法でロータを反転回転運動させる第1の動作態様を示す平面図である。FIG. 29 is a plan view showing a first operation mode in which the rotor is rotated in a reverse rotation manner by a method of canceling the rotational vibration component in the angular velocity sensor shown in FIG. 28. 図28に示す角速度センサにおいて、回転振動成分をキャンセルさせる方法でロータを反転回転運動させる第2の動作態様を示す平面図である。It is a top view which shows the 2nd operation | movement aspect which reversely rotationally moves a rotor by the method of canceling a rotational vibration component in the angular velocity sensor shown in FIG. 図28に示す角速度センサにおいて、回転振動成分をキャンセルさせる方法でロータを反転回転運動させる第3の動作態様を示す平面図である。It is a top view which shows the 3rd operation | movement aspect which reversely rotationally moves a rotor by the method of canceling a rotational vibration component in the angular velocity sensor shown in FIG. Z軸まわりの角速度ωzを検出するための角速度センサの基本構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the basic composition of the angular velocity sensor for detecting angular velocity (omega) z around Z-axis. 加速度が作用する環境下において、加速度の成分をキャンセルしつつ、Z軸まわりの角速度ωzを検出するための角速度センサの基本構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the basic composition of the angular velocity sensor for detecting angular velocity (omega) z around a Z-axis, canceling an acceleration component in the environment where an acceleration acts. 三軸まわりの角速度ωx,ωy,ωzを検出することができる三次元角速度センサの具体的な実施例を示す平面図である。It is a top view which shows the specific Example of the three-dimensional angular velocity sensor which can detect angular velocity (omega) x, (omega) y, and (omega) z around three axes. 図36に示す角速度センサをX軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。FIG. 37 is a side sectional view showing a state where the angular velocity sensor shown in FIG. 36 is cut along the X axis. 図36に示す角速度センサのロータのみを示す平面図である。It is a top view which shows only the rotor of the angular velocity sensor shown in FIG. 図36に示す角速度センサからロータを取り外した状態を示す平面図である。It is a top view which shows the state which removed the rotor from the angular velocity sensor shown in FIG. 図36に示す角速度センサに外力が作用していないときに形成される容量素子を示す平面図である。It is a top view which shows the capacitive element formed when external force is not acting on the angular velocity sensor shown in FIG. 図36に示す角速度センサにZ軸まわりの角速度ωzが作用しているときに形成される容量素子を示す平面図である。FIG. 37 is a plan view showing a capacitive element formed when an angular velocity ωz about the Z axis is acting on the angular velocity sensor shown in FIG. 36. 図36に示す角速度センサについて用いられる検出回路の一部を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows a part of detection circuit used about the angular velocity sensor shown in FIG. 図36に示す角速度センサにX軸方向の加速度αxが作用しているときに形成される容量素子を示す平面図である。FIG. 37 is a plan view showing a capacitive element formed when an acceleration αx in the X-axis direction is acting on the angular velocity sensor shown in FIG. 36. 図36に示す角速度センサについて、ロータの構造を変えた変形例を示す側断面図である。FIG. 37 is a side sectional view showing a modified example of the angular velocity sensor shown in FIG. 36 in which the structure of the rotor is changed. 図36に示す角速度センサについて、ロータを反転回転運動(振動運動)させるタイプに変えた変形例を示す側断面図である。FIG. 37 is a side cross-sectional view showing a modification in which the angular velocity sensor shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10:基板
11:基板の上面
20:重錘体
21〜28:重錘体
30:エネルギー供給手段
40:X軸上方距離測定手段
41:正のX軸上方距離測定手段
42:負のX軸上方距離測定手段
43:第1の差分演算手段
50:Y軸上方距離測定手段
51:正のY軸上方距離測定手段
52:負のY軸上方距離測定手段
53:第2の差分演算手段
60:ロータ
61〜64:アーム
65:中心部材
68:ロータ
70:ロータ
71〜74:アーム
75:中心部材
76:環状構造体
80:距離測定手段
81:正のX軸上距離測定手段
82:負のX軸上距離測定手段
83:演算手段
100:基板
101:シリコン基板
102:シリコン酸化膜
103:基板の上面
111〜118:ステータ電極
121〜128:台座
130:枢軸
131:ストッパ
141A〜141D:固定電極
142A〜142D:固定電極
143A〜143D:固定電極
144A〜144D:固定電極
145A〜145D:固定電極
146A〜146D:固定電極
147A,147B:固定電極
148A,148B:固定電極
200:ロータ
211〜214:重錘体
221〜224:アーム
225:中心部材
231〜234:移動電極
235:電極
250:ロータ
260:中心部材
265:電極
270:支持体
310:電圧供給回路
320:検出回路
321〜324:C/V変換回路
325,326:差動増幅器
330:検出回路
331,332:C/V変換回路
333:差動増幅器
400:ロータ
411〜414:アーム
420:中間部材
421〜424:アーム
425:中心部材
431〜434:移動電極
435:電極
441〜444:アーム
450:ロータ
500:ロータ
511〜514:重錘体
531〜534:移動電極
541〜544:アーム
560:中心部材
565:移動電極
570:支持体
A,B:位置
C:円軌道
C1〜C4:容量素子
C1A〜C4B:容量素子
C5C,C5D,C6C,C6D:容量素子
E11〜E22:ステータ電極
Fax:X軸方向の加速度に基づく力
Fcx:X軸方向のコリオリ力
Fcz:Z軸方向のコリオリ力
h:距離
Δh:距離の差
M1〜M4:質点
O:座標系の原点
P:点
r:距離
S1〜S8:交流電圧信号
T:時間
V,V1〜V6:電圧
Vx,Vy:各座標軸方向の速度
Vωx,Vωy,Vωz:各座標軸まわりの角速度に対応する電圧
W1,W2:軸
X,Y,Z:三次元座標系上の各座標軸
θ:角度
ωx,ωy,ωz:各座標軸まわりの角速度
10: Substrate 11: Upper surface of substrate 20: Weight bodies 21 to 28: Weight body 30: Energy supply means 40: X-axis upward distance measuring means 41: Positive X-axis upward distance measuring means 42: Negative X-axis upward Distance measuring means 43: first difference calculating means 50: Y-axis upward distance measuring means 51: positive Y-axis upward distance measuring means 52: negative Y-axis upward distance measuring means 53: second difference calculating means 60: rotor 61-64: arm 65: center member 68: rotor 70: rotors 71-74: arm 75: center member 76: annular structure 80: distance measuring means 81: positive on-axis distance measuring means 82: negative X-axis Upper distance measuring means 83: computing means 100: substrate 101: silicon substrate 102: silicon oxide film 103: upper surface 111-118 of substrate: stator electrodes 121-128: pedestal 130: pivot 131: stoppers 141A-14 D: Fixed electrodes 142A to 142D: Fixed electrodes 143A to 143D: Fixed electrodes 144A to 144D: Fixed electrodes 145A to 145D: Fixed electrodes 146A to 146D: Fixed electrodes 147A, 147B: Fixed electrodes 148A, 148B: Fixed electrodes 200: Rotor 211 To 214: weight bodies 221 to 224: arm 225: center members 231 to 234: moving electrode 235: electrode 250: rotor 260: center member 265: electrode 270: support 310: voltage supply circuit 320: detection circuits 321 to 324 : C / V conversion circuit 325, 326: Differential amplifier 330: Detection circuit 331, 332: C / V conversion circuit 333: Differential amplifier 400: Rotor 411-414: Arm 420: Intermediate members 421-424: Arm 425: Central members 431-434: moving electrode 435: electrode 441- 44: Arm 450: Rotor 500: Rotors 511 to 514: Weight bodies 531 to 534: Moving electrodes 541 to 544: Arm 560: Center member 565: Moving electrode 570: Support body A, B: Position C: Circular orbit C1 C4: Capacitance elements C1A to C4B: Capacitance elements C5C, C5D, C6C, C6D: Capacitance elements E11 to E22: Stator electrode Fax: Force based on acceleration in the X-axis direction Fcx: Coriolis force in the X-axis direction Fcz: Z-axis direction Coriolis force h: distance Δh: distance difference M1 to M4: mass point O: origin of coordinate system P: point r: distance S1 to S8: AC voltage signal T: time V, V1 to V6: voltage Vx, Vy: each coordinate axis Directional velocity Vωx, Vωy, Vωz: Voltages W1, W2 corresponding to angular velocity around each coordinate axis: Axes X, Y, Z: Each coordinate axis on the three-dimensional coordinate system θ: Angles ωx, ωy, ωz: Around each coordinate axis Angular velocity

Claims (13)

XYZ三次元座標系におけるXY平面に沿った上面を有する基板と、
前記基板上面に直交するZ軸を回転軸として前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行い、外側部分がZ軸を中心軸とした環状構造体をなすロータと、
前記環状構造体の下面に形成された導電性の移動電極と、
外力が作用しない状態において、前記ロータをZ軸を回転軸として、前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動をさせるようにエネルギーを供給するエネルギー供給手段と、
前記基板上面のX軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面のX軸を挟むように互いに隣接して、それぞれ配置された一対の電極からなる固定電極対と、
を備え、
前記ロータは前記基板に対して、所定の自由度をもって傾斜自在に回転できるように前記基板上に配置されており、
前記固定電極対を構成する一対の電極は、いずれも上方を移動中の前記移動電極に対向可能な位置に配置されており、
前記固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する検出回路を更に備え、この検出回路の検出値を利用して、前記基板に作用したX軸まわりの角速度を検出することを特徴とする角速度センサ。
A substrate having an upper surface along an XY plane in an XYZ three-dimensional coordinate system;
A rotor that performs a rotational motion in a non-contact state with respect to the substrate upper surface with a Z axis orthogonal to the substrate upper surface as a rotation axis, and an outer portion forming an annular structure with the Z axis as a central axis;
A conductive moving electrode formed on the lower surface of the annular structure;
Energy supply means for supplying energy so that the rotor rotates in a non-contact state with respect to the upper surface of the substrate, with the Z axis serving as a rotation axis in a state where no external force acts;
A pair of fixed electrodes each composed of a pair of electrodes arranged adjacent to each other on the X axis of the upper surface of the substrate or adjacent to each other so as to sandwich the X axis of the upper surface of the substrate;
With
The rotor is disposed on the substrate so as to be able to rotate with a predetermined degree of freedom with respect to the substrate.
Each of the pair of electrodes constituting the fixed electrode pair is disposed at a position that can be opposed to the moving electrode that is moving above,
A detection circuit for electrically detecting a capacitance value between a pair of electrodes constituting the fixed electrode pair is further provided, and an angular velocity around the X axis acting on the substrate is determined using the detection value of the detection circuit. An angular velocity sensor characterized by detecting.
XYZ三次元座標系におけるXY平面に沿った上面を有する基板と、
前記基板上面に直交するZ軸を回転軸として前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行い、外側部分がZ軸を中心軸とした環状構造体をなすロータと、
前記環状構造体の下面に形成された導電性の移動電極と、
外力が作用しない状態において、前記ロータをZ軸を回転軸として、前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動をさせるようにエネルギーを供給するエネルギー供給手段と、
前記基板上面の正のX軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面の正のX軸を挟むように互いに隣接して、それぞれ配置された一対の電極からなる第1の固定電極対と、
前記基板上面の負のX軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面の負のX軸を挟むように互いに隣接して、それぞれ配置された一対の電極からなる第2の固定電極対と、
を備え、
前記ロータは前記基板に対して、所定の自由度をもって傾斜自在に回転できるように前記基板上に配置されており、
前記第1の固定電極対を構成する一対の電極および前記第2の固定電極対を構成する一対の電極は、いずれも上方を移動中の前記移動電極に対向可能な位置に配置されており、
前記第1の固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第1の検出回路と、
前記第2の固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第2の検出回路と、
前記第1の検出回路による検出値と前記第2の検出回路による検出値との差を求める差分演算手段と、
を更に備え、この差分演算手段によって求めた差を利用して、前記基板に作用したX軸まわりの角速度を検出することを特徴とする角速度センサ。
A substrate having an upper surface along an XY plane in an XYZ three-dimensional coordinate system;
A rotor that performs a rotational motion in a non-contact state with respect to the substrate upper surface with a Z axis orthogonal to the substrate upper surface as a rotation axis, and an outer portion forming an annular structure with the Z axis as a central axis;
A conductive moving electrode formed on the lower surface of the annular structure;
Energy supply means for supplying energy so that the rotor rotates in a non-contact state with respect to the upper surface of the substrate, with the Z axis serving as a rotation axis in a state where no external force acts;
A first fixed electrode pair comprising a pair of electrodes arranged adjacent to each other on the positive X axis of the upper surface of the substrate or adjacent to each other so as to sandwich the positive X axis of the upper surface of the substrate; ,
A second fixed electrode pair comprising a pair of electrodes arranged adjacent to each other on the negative X axis of the upper surface of the substrate or adjacent to each other so as to sandwich the negative X axis of the upper surface of the substrate; ,
With
The rotor is disposed on the substrate so as to be able to rotate with a predetermined degree of freedom with respect to the substrate.
The pair of electrodes constituting the first fixed electrode pair and the pair of electrodes constituting the second fixed electrode pair are both arranged at positions that can be opposed to the moving electrode moving upward,
A first detection circuit for electrically detecting a capacitance value between a pair of electrodes constituting the first fixed electrode pair;
A second detection circuit for electrically detecting a capacitance value between a pair of electrodes constituting the second fixed electrode pair;
Difference calculating means for obtaining a difference between a detection value by the first detection circuit and a detection value by the second detection circuit;
And detecting an angular velocity around the X-axis acting on the substrate using the difference obtained by the difference calculation means.
XYZ三次元座標系におけるXY平面に沿った上面を有する基板と、
前記基板上面に直交するZ軸を回転軸として前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行い、外側部分がZ軸を中心軸とした環状構造体をなすロータと、
前記環状構造体の下面に形成された導電性の移動電極と、
外力が作用しない状態において、前記ロータをZ軸を回転軸として、前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動をさせるようにエネルギーを供給するエネルギー供給手段と、
前記基板上面のX軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面のX軸を挟むように互いに隣接して、それぞれ配置された一対の電極からなるX軸用固定電極対と、
前記基板上面のY軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面のY軸を挟むように互いに隣接して、それぞれ配置された一対の電極からなるY軸用固定電極対と、
を備え、
前記ロータは前記基板に対して、所定の自由度をもって傾斜自在に回転できるように前記基板上に配置されており、
前記X軸用固定電極対を構成する一対の電極および前記Y軸用固定電極対を構成する一対の電極は、いずれも上方を移動中の前記移動電極に対向可能な位置に配置されており、
前記X軸用固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出するX軸用検出回路と、
前記Y軸用固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出するY軸用検出回路と、
を更に備え、
前記X軸用検出回路の検出値を利用して、前記基板に作用したX軸まわりの角速度を検出し、前記Y軸用検出回路の検出値を利用して、前記基板に作用したY軸まわりの角速度を検出することを特徴とする角速度センサ。
A substrate having an upper surface along an XY plane in an XYZ three-dimensional coordinate system;
A rotor that performs a rotational motion in a non-contact state with respect to the substrate upper surface with a Z axis orthogonal to the substrate upper surface as a rotation axis, and an outer portion forming an annular structure with the Z axis as a central axis;
A conductive moving electrode formed on the lower surface of the annular structure;
Energy supply means for supplying energy so that the rotor rotates in a non-contact state with respect to the upper surface of the substrate, with the Z axis serving as a rotation axis in a state where no external force acts;
An X-axis fixed electrode pair comprising a pair of electrodes arranged adjacent to each other on the X-axis of the upper surface of the substrate or adjacent to each other so as to sandwich the X-axis of the upper surface of the substrate;
A pair of fixed Y-axis electrodes each composed of a pair of electrodes arranged adjacent to each other on the Y-axis of the upper surface of the substrate or adjacent to each other so as to sandwich the Y-axis of the upper surface of the substrate;
With
The rotor is disposed on the substrate so as to be able to rotate with a predetermined degree of freedom with respect to the substrate.
The pair of electrodes constituting the X-axis fixed electrode pair and the pair of electrodes constituting the Y-axis fixed electrode pair are both arranged at positions that can be opposed to the moving electrode moving upward,
An X-axis detection circuit that electrically detects a capacitance value between a pair of electrodes constituting the X-axis fixed electrode pair;
A Y-axis detection circuit for electrically detecting a capacitance value between a pair of electrodes constituting the Y-axis fixed electrode pair;
Further comprising
Using the detection value of the X-axis detection circuit, the angular velocity around the X-axis acting on the substrate is detected, and using the detection value of the Y-axis detection circuit, the Y-axis rotation acting on the substrate An angular velocity sensor for detecting an angular velocity of the sensor.
XYZ三次元座標系におけるXY平面に沿った上面を有する基板と、
前記基板上面に直交するZ軸を回転軸として前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行い、外側部分がZ軸を中心軸とした環状構造体をなすロータと、
前記環状構造体の下面に形成された導電性の移動電極と、
外力が作用しない状態において、前記ロータをZ軸を回転軸として、前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動をさせるようにエネルギーを供給するエネルギー供給手段と、
前記基板上面の正のX軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面の正のX軸を挟むように互いに隣接して、それぞれ配置された一対の電極からなる第1の固定電極対と、
前記基板上面の負のX軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面の負のX軸を挟むように互いに隣接して、それぞれ配置された一対の電極からなる第2の固定電極対と、
前記基板上面の正のY軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面の正のY軸を挟むように互いに隣接して、それぞれ配置された一対の電極からなる第3の固定電極対と、
前記基板上面の負のY軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面の負のY軸を挟むように互いに隣接して、それぞれ配置された一対の電極からなる第4の固定電極対と、
を備え、
前記ロータは前記基板に対して、所定の自由度をもって傾斜自在に回転できるように前記基板上に配置されており、
前記第1の固定電極対を構成する一対の電極、前記第2の固定電極対を構成する一対の電極、前記第3の固定電極対を構成する一対の電極、前記第4の固定電極対を構成する一対の電極は、いずれも上方を移動中の前記移動電極に対向可能な位置に配置されており、
前記第1の固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第1の検出回路と、
前記第2の固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第2の検出回路と、
前記第3の固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第3の検出回路と、
前記第4の固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第4の検出回路と、
前記第1の検出回路による検出値と前記第2の検出回路による検出値との差を求める第1の差分演算手段と、
前記第3の検出回路による検出値と前記第4の検出回路による検出値との差を求める第2の差分演算手段と、
を更に備え、前記第1の差分演算手段によって求めた差を利用して、前記基板に作用したX軸まわりの角速度を検出し、前記第2の差分演算手段によって求めた差を利用して、前記基板に作用したY軸まわりの角速度を検出することを特徴とする角速度センサ。
A substrate having an upper surface along an XY plane in an XYZ three-dimensional coordinate system;
A rotor that performs a rotational motion in a non-contact state with respect to the substrate upper surface with a Z axis orthogonal to the substrate upper surface as a rotation axis, and an outer portion forming an annular structure with the Z axis as a central axis;
A conductive moving electrode formed on the lower surface of the annular structure;
Energy supply means for supplying energy so that the rotor rotates in a non-contact state with respect to the upper surface of the substrate, with the Z axis serving as a rotation axis in a state where no external force acts;
A first fixed electrode pair comprising a pair of electrodes arranged adjacent to each other on the positive X axis of the upper surface of the substrate or adjacent to each other so as to sandwich the positive X axis of the upper surface of the substrate; ,
A second fixed electrode pair comprising a pair of electrodes arranged adjacent to each other on the negative X axis of the upper surface of the substrate or adjacent to each other so as to sandwich the negative X axis of the upper surface of the substrate; ,
A third fixed electrode pair comprising a pair of electrodes arranged adjacent to each other on the positive Y axis on the upper surface of the substrate or adjacent to each other so as to sandwich the positive Y axis on the upper surface of the substrate; ,
A fourth fixed electrode pair composed of a pair of electrodes arranged adjacent to each other on the negative Y axis of the upper surface of the substrate or adjacent to each other so as to sandwich the negative Y axis of the upper surface of the substrate; ,
With
The rotor is disposed on the substrate so as to be able to rotate with a predetermined degree of freedom with respect to the substrate.
A pair of electrodes constituting the first fixed electrode pair, a pair of electrodes constituting the second fixed electrode pair, a pair of electrodes constituting the third fixed electrode pair, and the fourth fixed electrode pair Each of the pair of electrodes that are configured is disposed at a position that can be opposed to the moving electrode that is moving above,
A first detection circuit for electrically detecting a capacitance value between a pair of electrodes constituting the first fixed electrode pair;
A second detection circuit for electrically detecting a capacitance value between a pair of electrodes constituting the second fixed electrode pair;
A third detection circuit for electrically detecting a capacitance value between a pair of electrodes constituting the third fixed electrode pair;
A fourth detection circuit for electrically detecting a capacitance value between a pair of electrodes constituting the fourth fixed electrode pair;
First difference calculation means for obtaining a difference between a detection value by the first detection circuit and a detection value by the second detection circuit;
Second difference calculation means for obtaining a difference between a detection value by the third detection circuit and a detection value by the fourth detection circuit;
And detecting the angular velocity around the X-axis acting on the substrate using the difference obtained by the first difference calculation means, and using the difference obtained by the second difference calculation means, An angular velocity sensor for detecting an angular velocity around the Y-axis acting on the substrate.
XYZ三次元座標系におけるXY平面に沿った上面を有する基板と、
前記基板上面に直交するZ軸を回転軸として前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行い、外側部分がZ軸を中心軸とした環状構造体をなすロータと、
外力が作用しない状態において、前記ロータをZ軸を回転軸として、前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動をさせるようにエネルギーを供給するエネルギー供給手段と、
X軸上の所定点と、その上方を移動する前記環状構造体の所定部分との距離を測定する距離測定手段と、
を備え、
前記ロータは前記基板に対して、所定の自由度をもって傾斜自在に回転できるように前記基板上に配置されており、
前記距離測定手段によって測定された距離を利用して、前記基板に作用したX軸まわりの角速度を検出する機能を有し、
前記距離測定手段は、前記環状構造体の下面に形成された導電性の移動電極と、前記基板上面のX軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面のX軸を挟むように互いに隣接して、いずれも上方を移動中の前記移動電極に対向可能な位置に配置された一対の電極からなる固定電極対と、この固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する検出回路と、を有し、この検出回路によって検出された静電容量値を距離の測定値とすることを特徴とする角速度センサ。
A substrate having an upper surface along an XY plane in an XYZ three-dimensional coordinate system;
A rotor that performs a rotational motion in a non-contact state with respect to the substrate upper surface with a Z axis orthogonal to the substrate upper surface as a rotation axis, and an outer portion forming an annular structure with the Z axis as a central axis;
Energy supply means for supplying energy so that the rotor rotates in a non-contact state with respect to the upper surface of the substrate, with the Z axis serving as a rotation axis in a state where no external force acts;
Distance measuring means for measuring a distance between a predetermined point on the X axis and a predetermined portion of the annular structure moving above the X axis;
With
The rotor is disposed on the substrate so as to be able to rotate with a predetermined degree of freedom with respect to the substrate.
Using the distance measured by the distance measuring means, and having a function of detecting an angular velocity around the X-axis acting on the substrate;
The distance measuring unit is adjacent to the conductive moving electrode formed on the lower surface of the annular structure and the X axis of the upper surface of the substrate, or adjacent to the X axis of the upper surface of the substrate. In either case, the fixed electrode pair consisting of a pair of electrodes arranged at positions that can be opposed to the moving electrode moving upward, and the capacitance value between the pair of electrodes constituting the fixed electrode pair are electrically An angular velocity sensor, wherein the capacitance value detected by the detection circuit is used as a distance measurement value.
XYZ三次元座標系におけるXY平面に沿った上面を有する基板と、
前記基板上面に直交するZ軸を回転軸として前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行い、外側部分がZ軸を中心軸とした環状構造体をなすロータと、
外力が作用しない状態において、前記ロータをZ軸を回転軸として、前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動をさせるようにエネルギーを供給するエネルギー供給手段と、
正のX軸上の所定点と、その上方を移動する前記環状構造体の所定部分との距離を測定する第1の距離測定手段と、
負のX軸上の所定点と、その上方を移動する前記環状構造体の所定部分との距離を測定する第2の距離測定手段と、
前記第1の距離測定手段による測定値と前記第2の距離測定手段による測定値との差を求める差分演算手段と、
を備え、
前記ロータは前記基板に対して、所定の自由度をもって傾斜自在に回転できるように前記基板上に配置されており、
前記差分演算手段によって求めた差を利用して、前記基板に作用したX軸まわりの角速度を検出する機能を有し、
前記第1の距離測定手段は、前記環状構造体の下面に形成された導電性の移動電極と、前記基板上面の正のX軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面の正のX軸を挟むように互いに隣接して、いずれも上方を移動中の前記移動電極に対向可能な位置に配置された一対の電極からなる固定電極対と、この固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する検出回路と、を有し、この検出回路によって検出された静電容量値を距離の測定値とし、
前記第2の距離測定手段は、前記環状構造体の下面に形成された導電性の移動電極と、前記基板上面の負のX軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面の負のX軸を挟むように互いに隣接して、いずれも上方を移動中の前記移動電極に対向可能な位置に配置された一対の電極からなる固定電極対と、この固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する検出回路と、を有し、この検出回路によって検出された静電容量値を距離の測定値とすることを特徴とする角速度センサ。
A substrate having an upper surface along an XY plane in an XYZ three-dimensional coordinate system;
A rotor that performs a rotational motion in a non-contact state with respect to the substrate upper surface with a Z axis orthogonal to the substrate upper surface as a rotation axis, and an outer portion forming an annular structure with the Z axis as a central axis;
Energy supply means for supplying energy so that the rotor rotates in a non-contact state with respect to the upper surface of the substrate, with the Z axis serving as a rotation axis in a state where no external force acts;
First distance measuring means for measuring a distance between a predetermined point on the positive X axis and a predetermined portion of the annular structure moving above the positive point;
A second distance measuring means for measuring a distance between a predetermined point on the negative X axis and a predetermined portion of the annular structure moving above the negative point;
Difference calculating means for obtaining a difference between a measured value by the first distance measuring means and a measured value by the second distance measuring means;
With
The rotor is disposed on the substrate so as to be able to rotate with a predetermined degree of freedom with respect to the substrate.
Using the difference obtained by the difference calculation means, it has a function of detecting an angular velocity around the X axis acting on the substrate,
The first distance measuring means includes a conductive moving electrode formed on the lower surface of the annular structure and a positive X axis on the upper surface of the substrate adjacent to each other on the positive X axis. A pair of fixed electrodes composed of a pair of electrodes disposed adjacent to each other so as to sandwich the shaft and facing each of the moving electrodes moving upward, and a pair of electrodes constituting the pair of fixed electrodes And a detection circuit that electrically detects the capacitance value of the sensor, and the capacitance value detected by the detection circuit is used as a distance measurement value.
The second distance measuring means includes a conductive moving electrode formed on the lower surface of the annular structure and a negative X axis on the upper surface of the substrate adjacent to each other on the negative X axis of the upper surface of the substrate. A pair of fixed electrodes composed of a pair of electrodes disposed adjacent to each other so as to sandwich the shaft and facing each of the moving electrodes moving upward, and a pair of electrodes constituting the pair of fixed electrodes And a detection circuit that electrically detects a capacitance value of the angular velocity sensor, wherein the capacitance value detected by the detection circuit is used as a distance measurement value.
XYZ三次元座標系におけるXY平面に沿った上面を有する基板と、
前記基板上面に直交するZ軸を回転軸として前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行い、外側部分がZ軸を中心軸とした環状構造体をなすロータと、
外力が作用しない状態において、前記ロータをZ軸を回転軸として、前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動をさせるようにエネルギーを供給するエネルギー供給手段と、
X軸上の所定点と、その上方を移動する前記環状構造体の所定部分との距離を測定するX軸上方距離測定手段と、
Y軸上の所定点と、その上方を移動する前記環状構造体の所定部分との距離を測定するY軸上方距離測定手段と、
を備え、
前記ロータは前記基板に対して、所定の自由度をもって傾斜自在に回転できるように前記基板上に配置されており、
前記X軸上方距離測定手段によって測定された距離を利用して、前記基板に作用したX軸まわりの角速度を検出し、前記Y軸上方距離測定手段によって測定された距離を利用して、前記基板に作用したY軸まわりの角速度を検出する機能を有し、
前記X軸上方距離測定手段は、前記環状構造体の下面に形成された導電性の移動電極と、前記基板上面のX軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面のX軸を挟むように互いに隣接して、いずれも上方を移動中の前記移動電極に対向可能な位置に配置された一対の電極からなる固定電極対と、この固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する検出回路と、を有し、この検出回路によって検出された静電容量値を距離の測定値とし、
前記Y軸上方距離測定手段は、前記環状構造体の下面に形成された導電性の移動電極と、前記基板上面のY軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面のY軸を挟むように互いに隣接して、いずれも上方を移動中の前記移動電極に対向可能な位置に配置された一対の電極からなる固定電極対と、この固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する検出回路と、を有し、この検出回路によって検出された静電容量値を距離の測定値とすることを特徴とする角速度センサ。
A substrate having an upper surface along an XY plane in an XYZ three-dimensional coordinate system;
A rotor that performs a rotational motion in a non-contact state with respect to the substrate upper surface with a Z axis orthogonal to the substrate upper surface as a rotation axis, and an outer portion forming an annular structure with the Z axis as a central axis;
Energy supply means for supplying energy so that the rotor rotates in a non-contact state with respect to the upper surface of the substrate, with the Z axis serving as a rotation axis in a state where no external force acts;
X-axis upward distance measuring means for measuring a distance between a predetermined point on the X-axis and a predetermined portion of the annular structure that moves above the X-axis,
Y-axis upward distance measuring means for measuring a distance between a predetermined point on the Y-axis and a predetermined part of the annular structure that moves above the Y-axis;
With
The rotor is disposed on the substrate so as to be able to rotate with a predetermined degree of freedom with respect to the substrate.
Using the distance measured by the X-axis upward distance measuring means, the angular velocity around the X-axis acting on the substrate is detected, and using the distance measured by the Y-axis upward distance measuring means, the substrate Has a function of detecting the angular velocity around the Y-axis acting on
The X-axis upward distance measuring means is arranged such that the conductive moving electrode formed on the lower surface of the annular structure and the X-axis of the upper surface of the substrate are adjacent to each other or sandwich the X-axis of the upper surface of the substrate. Adjacent to each other, a fixed electrode pair consisting of a pair of electrodes arranged at positions that can be opposed to the moving electrode that is moving upward, and a capacitance between the pair of electrodes constituting the fixed electrode pair A detection circuit that electrically detects a value, and a capacitance value detected by the detection circuit is used as a distance measurement value,
The Y-axis upward distance measuring means is arranged such that the conductive moving electrode formed on the lower surface of the annular structure and the Y-axis on the upper surface of the substrate are adjacent to each other or sandwich the Y-axis on the upper surface of the substrate. Adjacent to each other, a fixed electrode pair consisting of a pair of electrodes arranged at positions that can be opposed to the moving electrode that is moving upward, and a capacitance between the pair of electrodes constituting the fixed electrode pair An angular velocity sensor comprising: a detection circuit that electrically detects a value; and a capacitance value detected by the detection circuit as a measured value of distance.
XYZ三次元座標系におけるXY平面に沿った上面を有する基板と、
前記基板上面に直交するZ軸を回転軸として前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行い、外側部分がZ軸を中心軸とした環状構造体をなすロータと、
外力が作用しない状態において、前記ロータをZ軸を回転軸として、前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動をさせるようにエネルギーを供給するエネルギー供給手段と、
正のX軸上の所定点と、その上方を移動する前記環状構造体の所定部分との距離を測定する第1の距離測定手段と、
負のX軸上の所定点と、その上方を移動する前記環状構造体の所定部分との距離を測定する第2の距離測定手段と、
正のY軸上の所定点と、その上方を移動する前記環状構造体の所定部分との距離を測定する第3の距離測定手段と、
負のY軸上の所定点と、その上方を移動する前記環状構造体の所定部分との距離を測定する第4の距離測定手段と、
前記第1の距離測定手段による測定値と前記第2の距離測定手段による測定値との差を求める第1の差分演算手段と、
前記第3の距離測定手段による測定値と前記第4の距離測定手段による測定値との差を求める第2の差分演算手段と、
を備え、
前記ロータは前記基板に対して、所定の自由度をもって傾斜自在に回転できるように前記基板上に配置されており、
前記第1の差分演算手段によって求めた差を利用して、前記基板に作用したX軸まわりの角速度を検出し、前記第2の差分演算手段によって求めた差を利用して、前記基板に作用したY軸まわりの角速度を検出する機能を有し、
前記第1の距離測定手段は、前記環状構造体の下面に形成された導電性の移動電極と、前記基板上面の正のX軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面の正のX軸を挟むように互いに隣接して、いずれも上方を移動中の前記移動電極に対向可能な位置に配置された一対の電極からなる固定電極対と、この固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する検出回路と、を有し、この検出回路によって検出された静電容量値を距離の測定値とし、
前記第2の距離測定手段は、前記環状構造体の下面に形成された導電性の移動電極と、前記基板上面の負のX軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面の負のX軸を挟むように互いに隣接して、いずれも上方を移動中の前記移動電極に対向可能な位置に配置された一対の電極からなる固定電極対と、この固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する検出回路と、を有し、この検出回路によって検出された静電容量値を距離の測定値とし、
前記第3の距離測定手段は、前記環状構造体の下面に形成された導電性の移動電極と、前記基板上面の正のY軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面の正のY軸を挟むように互いに隣接して、いずれも上方を移動中の前記移動電極に対向可能な位置に配置された一対の電極からなる固定電極対と、この固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する検出回路と、を有し、この検出回路によって検出された静電容量値を距離の測定値とし、
前記第4の距離測定手段は、前記環状構造体の下面に形成された導電性の移動電極と、前記基板上面の負のY軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面の負のY軸を挟むように互いに隣接して、いずれも上方を移動中の前記移動電極に対向可能な位置に配置された一対の電極からなる固定電極対と、この固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する検出回路と、を有し、この検出回路によって検出された静電容量値を距離の測定値とすることを特徴とする角速度センサ。
A substrate having an upper surface along an XY plane in an XYZ three-dimensional coordinate system;
A rotor that performs a rotational motion in a non-contact state with respect to the substrate upper surface with a Z axis orthogonal to the substrate upper surface as a rotation axis, and an outer portion forming an annular structure with the Z axis as a central axis;
Energy supply means for supplying energy so that the rotor rotates in a non-contact state with respect to the upper surface of the substrate, with the Z axis serving as a rotation axis in a state where no external force acts;
First distance measuring means for measuring a distance between a predetermined point on the positive X axis and a predetermined portion of the annular structure moving above the positive point;
A second distance measuring means for measuring a distance between a predetermined point on the negative X axis and a predetermined portion of the annular structure moving above the negative point;
A third distance measuring means for measuring a distance between a predetermined point on the positive Y axis and a predetermined portion of the annular structure moving above the positive point;
A fourth distance measuring means for measuring a distance between a predetermined point on the negative Y axis and a predetermined portion of the annular structure moving above the negative point;
First difference calculation means for obtaining a difference between a measurement value obtained by the first distance measurement means and a measurement value obtained by the second distance measurement means;
Second difference calculation means for obtaining a difference between a measurement value obtained by the third distance measurement means and a measurement value obtained by the fourth distance measurement means;
With
The rotor is disposed on the substrate so as to be able to rotate with a predetermined degree of freedom with respect to the substrate.
An angular velocity around the X-axis acting on the substrate is detected using the difference obtained by the first difference calculation means, and the difference obtained by the second difference calculation means is used to act on the substrate. Has a function to detect the angular velocity around the Y axis,
The first distance measuring means includes a conductive moving electrode formed on the lower surface of the annular structure and a positive X axis on the upper surface of the substrate adjacent to each other on the positive X axis. A pair of fixed electrodes composed of a pair of electrodes disposed adjacent to each other so as to sandwich the shaft and facing each of the moving electrodes moving upward, and a pair of electrodes constituting the pair of fixed electrodes And a detection circuit that electrically detects the capacitance value of the sensor, and the capacitance value detected by the detection circuit is used as a distance measurement value.
The second distance measuring means includes a conductive moving electrode formed on the lower surface of the annular structure and a negative X axis on the upper surface of the substrate adjacent to each other on the negative X axis of the upper surface of the substrate. A pair of fixed electrodes composed of a pair of electrodes disposed adjacent to each other so as to sandwich the shaft and facing each of the moving electrodes moving upward, and a pair of electrodes constituting the pair of fixed electrodes And a detection circuit that electrically detects the capacitance value of the sensor, and the capacitance value detected by the detection circuit is used as a distance measurement value.
The third distance measuring means includes a conductive moving electrode formed on the lower surface of the annular structure and a positive Y axis on the upper surface of the substrate adjacent to each other, or a positive Y on the upper surface of the substrate. A pair of fixed electrodes composed of a pair of electrodes disposed adjacent to each other so as to sandwich the shaft and facing each of the moving electrodes moving upward, and a pair of electrodes constituting the pair of fixed electrodes And a detection circuit that electrically detects the capacitance value of the sensor, and the capacitance value detected by the detection circuit is used as a distance measurement value.
The fourth distance measuring means includes a conductive moving electrode formed on a lower surface of the annular structure and a negative Y axis on the upper surface of the substrate adjacent to each other on the negative Y axis. A pair of fixed electrodes composed of a pair of electrodes disposed adjacent to each other so as to sandwich the shaft and facing each of the moving electrodes moving upward, and a pair of electrodes constituting the pair of fixed electrodes And a detection circuit that electrically detects a capacitance value of the angular velocity sensor, wherein the capacitance value detected by the detection circuit is used as a distance measurement value.
請求項1〜8のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
ロータがシリコンによって構成され、このロータの環状構造体の下面に形成された移動電極が高濃度不純物がドープされたシリコンによって構成されていることを特徴とする角速度センサ。
In the angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 8,
An angular velocity sensor characterized in that the rotor is made of silicon, and the moving electrode formed on the lower surface of the annular structure of the rotor is made of silicon doped with high-concentration impurities.
請求項1〜9のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
Z軸に沿って伸びるように基板上面に固定された枢軸を設け、
ロータを、環状構造体をなす外側部分と、前記枢軸に対して、回転自在に、かつ、所定の自由度をもってZ軸方向に移動自在になるように取り付けられた内側部分と、によって構成したことを特徴とする角速度センサ。
In the angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 9,
Providing a pivot fixed to the upper surface of the substrate so as to extend along the Z axis;
The rotor is constituted by an outer part forming an annular structure and an inner part attached so as to be rotatable with respect to the pivot axis and movable in the Z-axis direction with a predetermined degree of freedom. An angular velocity sensor.
XYZ三次元座標系におけるXY平面に沿った上面を有する基板と、
前記基板上面に直交するZ軸を回転軸として、前記基板に対して所定の自由度をもって傾斜自在に回転できるように配置された円盤状のロータと、
前記ロータの下面に形成された移動電極と、
外力が作用しない状態において、前記ロータをZ軸を回転軸として、前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動をさせるようにエネルギーを供給するエネルギー供給手段と、
前記基板上面のX軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面のX軸を挟むように互いに隣接して、それぞれ配置された一対の電極からなる固定電極対と、
を備え、
前記固定電極対を構成する一対の電極は、いずれも上方を移動中の前記移動電極に対向可能な位置に配置されており、
前記固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する検出回路を更に備え、この検出回路の検出値を利用して、前記基板に作用したX軸まわりの角速度を検出することを特徴とする角速度センサ。
A substrate having an upper surface along an XY plane in an XYZ three-dimensional coordinate system;
A disk-shaped rotor disposed so as to be tiltable with a predetermined degree of freedom with respect to the substrate, with the Z axis orthogonal to the substrate upper surface as a rotation axis;
A moving electrode formed on the lower surface of the rotor;
Energy supply means for supplying energy so that the rotor rotates in a non-contact state with respect to the upper surface of the substrate, with the Z axis serving as a rotation axis in a state where no external force acts;
A pair of fixed electrodes each composed of a pair of electrodes arranged adjacent to each other on the X axis of the upper surface of the substrate or adjacent to each other so as to sandwich the X axis of the upper surface of the substrate;
With
Each of the pair of electrodes constituting the fixed electrode pair is disposed at a position that can be opposed to the moving electrode that is moving above,
A detection circuit for electrically detecting a capacitance value between a pair of electrodes constituting the fixed electrode pair is further provided, and an angular velocity around the X axis acting on the substrate is determined using the detection value of the detection circuit. An angular velocity sensor characterized by detecting.
XYZ三次元座標系におけるXY平面に沿った上面を有する基板と、
前記基板上面に直交するZ軸を回転軸として、前記基板に対して所定の自由度をもって傾斜自在に回転できるように配置された円盤状のロータと、
前記ロータの下面に形成された移動電極と、
外力が作用しない状態において、前記ロータをZ軸を回転軸として、前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動をさせるようにエネルギーを供給するエネルギー供給手段と、
前記基板上面のX軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面のX軸を挟むように互いに隣接して、それぞれ配置された一対の電極からなるX軸用固定電極対と、
前記基板上面のY軸上に互いに隣接して、もしくは、前記基板上面のY軸を挟むように互いに隣接して、それぞれ配置された一対の電極からなるY軸用固定電極対と、
を備え、
前記X軸用固定電極対を構成する一対の電極および前記Y軸用固定電極対を構成する一対の電極は、いずれも上方を移動中の前記移動電極に対向可能な位置に配置されており、
前記X軸用固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第1の検出回路と、前記Y軸用固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第2の検出回路と、を更に備え、前記第1の検出回路の検出値を利用して、前記基板に作用したX軸まわりの角速度を検出し、前記第2の検出回路の検出値を利用して、前記基板に作用したY軸まわりの角速度を検出することを特徴とする角速度センサ。
A substrate having an upper surface along an XY plane in an XYZ three-dimensional coordinate system;
A disk-shaped rotor disposed so as to be tiltable with a predetermined degree of freedom with respect to the substrate, with the Z axis orthogonal to the substrate upper surface as a rotation axis;
A moving electrode formed on the lower surface of the rotor;
Energy supply means for supplying energy so that the rotor rotates in a non-contact state with respect to the upper surface of the substrate, with the Z axis serving as a rotation axis in a state where no external force acts;
An X-axis fixed electrode pair comprising a pair of electrodes arranged adjacent to each other on the X-axis of the upper surface of the substrate or adjacent to each other so as to sandwich the X-axis of the upper surface of the substrate;
A pair of fixed Y-axis electrodes each composed of a pair of electrodes arranged adjacent to each other on the Y-axis of the upper surface of the substrate or adjacent to each other so as to sandwich the Y-axis of the upper surface of the substrate;
With
The pair of electrodes constituting the X-axis fixed electrode pair and the pair of electrodes constituting the Y-axis fixed electrode pair are both arranged at positions that can be opposed to the moving electrode moving upward,
A first detection circuit for electrically detecting a capacitance value between a pair of electrodes constituting the X-axis fixed electrode pair; and a capacitance between the pair of electrodes constituting the Y-axis fixed electrode pair. A second detection circuit that electrically detects a value, and using the detection value of the first detection circuit, detects an angular velocity around the X-axis acting on the substrate; and An angular velocity sensor that detects an angular velocity around the Y-axis acting on the substrate by using a detection value of a detection circuit.
請求項11または12に記載の角速度センサにおいて、
ロータがシリコンの円盤によって構成されていることを特徴とする角速度センサ。
The angular velocity sensor according to claim 11 or 12,
An angular velocity sensor characterized in that the rotor is constituted by a silicon disk.
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