JP2009145301A - 角速度センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】 外乱として作用する重力の影響を排除し、高精度な測定を行う。
【解決手段】 周囲が固定された可撓性基板２００に、重錘体４００を接合する。基板２００の上面に電極Ｄ１０〜Ｄ１５を設け、固定基板１００の下面に電極Ｅ１０〜Ｅ１５を設ける。重錘体４００の下面に電極Ｄ１０Ｂ，Ｄ１５Ｂを設け、固定基板３００の上面に電極Ｅ１０Ｂ，Ｅ１５Ｂを設ける。電極Ｄ１０／Ｅ１０間に交流電圧φ１を印加し、電極Ｄ１０Ｂ／Ｅ１０Ｂ間に逆位相の交流電圧φ２を印加して、重錘体４００をＺ軸方向に振動させる。このとき、電極Ｄ１５／Ｅ１５間、電極Ｄ１５Ｂ／Ｅ１５Ｂ間の静電容量をモニタし、交流電圧φ１，φ２の振幅をフィードバック制御する。電極Ｄ１１／Ｅ１１間、電極Ｄ１２／Ｅ１２間、電極Ｄ１３／Ｅ１３間、電極Ｄ１４／Ｅ１４間の静電容量により、Ｘ軸，Ｙ軸方向のコリオリ力を検出し、角速度検出を行う。
【選択図】図１５

Description

本発明は、角速度センサに関し、特に、運動中の振動子に作用するコリオリ力を検出することにより角速度の検出を行うセンサに関する。
小型で量産に適した角速度センサとして、静電容量素子を用いたタイプのセンサが提案されている。たとえば、下記の特許文献１および２には、装置筐体内に可撓性部材を介して振動子を支持した構造体を設け、振動子側に形成した変位電極と装置筐体側に形成した固定電極との間にクーロン力を作用させることにより、振動子を振動状態に維持し、この状態において振動子に作用するコリオリ力を検出することにより、角速度の検出を行う角速度センサが開示されている。
上掲の各文献に開示された静電容量式角速度センサは、振動子を振動させる機構も、コリオリ力を検出する機構も、いずれも静電容量素子によって構成することができる。したがって、物理的には、振動子側と装置筐体側とにそれぞれ必要な数だけ電極を設ける単純な構造により実現が可能であるため、小型で量産される工業製品へ広く利用することができる。
特開平８−２２６９３１号公報 特開平１０−２２７６４４号公報
上述したように、従来の静電容量式角速度センサは、装置筐体内に可撓性部材を介して振動子を支持した構造を有している。この振動子を支持する構造体としては、薄い板状部材（いわゆるダイアフラム）を用いる場合や、複数の橋梁部を用いる場合など、様々であるが、いずれも可撓性をもった部材を用いる点では変わりはない。すなわち、振動子を装置筐体内で振動させるために、可撓性部材による撓みを利用することになる。
ところが、この可撓性部材に撓みを生じさせる力は、本来、意図している力だけではなく、測定系に対しては外乱として作用する力も含まれている。そのため、従来の角速度センサには、この外乱の影響を受けて測定精度が低下するという問題がある。たとえば、角速度センサに対して加速度が作用している測定環境では、この加速度に起因する力が振動子に作用することになり、その影響を受けて、可撓性部材に撓みが生じることになる。特に、地球上では、常に重力加速度が作用している測定環境が不可避である。
もちろん、角速度センサを地上に固定して使用するような測定環境であれば、予め、重力加速度の作用を考慮した設定が可能であり、重力加速度の影響を排除した測定値を得ることができよう。しかしながら、角速度センサは、その性質上、空間内で移動したり姿勢を変えたりする物体に取り付けて利用するのが一般的である。このため、実用上は、角速度センサには、重力加速度をはじめとする様々な加速度が、全く予測できない方向から外乱として加わることになり、従来装置では、この外乱による測定精度の低下が避けられない。
そこで本発明は、測定系に対して外乱として作用する力の影響を排除し、高精度な角速度測定を行うことが可能な角速度センサを提供することを目的とする。
(1) 本発明の第１の態様は、振動子と、この振動子を収容する装置筐体と、振動子を装置筐体に対して接続する可撓性部材と、振動子の表面に設けられた複数の変位電極と、装置筐体に固定され、変位電極のそれぞれに対向する位置に設けられた複数の固定電極と、を備えた角速度センサにおいて、
互いに対向する変位電極と固定電極とによって、それぞれ独立した容量素子を形成し、これらの容量素子には、振動子を駆動させるための駆動用容量素子と、振動子の駆動状態をモニタするためのモニタ用容量素子と、振動子に作用するコリオリ力を検出するためのコリオリ力検出用容量素子と、が含まれるようにし、
角速度センサには、更に、
駆動用容量素子に交流駆動信号を供給することにより、駆動用容量素子を構成する電極間にクーロン力を作用させ、振動子に周期的運動を生じさせる駆動制御回路と、
振動子が周期的運動を行っている状態において、周期的運動に同期した所定タイミングでコリオリ力検出用容量素子の静電容量値を測定し、得られた静電容量値に基づいて所定軸まわりの角速度の検出値を出力する角速度検出回路と、
を設け、
駆動制御回路が、モニタ用容量素子の静電容量値をフィードバック量として、振動子の周期的運動が、予め設定された基準運動に維持されるようにフィードバック制御を行うようにしたものである。
(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、
振動子の上面に形成された変位電極と、これに対向する位置に設けられた固定電極と、によって上方駆動用容量素子が構成され、
振動子の上面に形成された変位電極と、これに対向する位置に設けられた固定電極と、によって上方モニタ用容量素子が構成され、
駆動制御回路は、
上方駆動用容量素子を構成する一方の電極の電圧を基準として、他方の電極に対して交流電圧信号を供給することにより両電極間にクーロン力を作用させ、作用させたクーロン力によって振動子を上下方向に振動させ、
上方モニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも小さくなったときには、上方駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより大きくする制御を行い、
上方モニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも大きくなったときには、上方駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより小さくする制御を行うようにしたものである。
(3) 本発明の第３の態様は、上述の第２の態様に係る角速度センサにおいて、
振動子の上面の中心部に配置された上面中心電極と、振動子の上面における上面中心電極を取り囲む位置に配置された上面包囲電極と、を設け、
上面中心電極および上面包囲電極のいずれか一方を用いて上方駆動用容量素子を構成し、他方を用いて上方モニタ用容量素子を構成したものである。
(4) 本発明の第４の態様は、上述の第２または第３の態様に係る角速度センサにおいて、
駆動制御回路が、交流電圧信号として半波整流電圧信号を用い、作用させるクーロン力をより大きくする場合は、供給する交流電圧信号の振幅を大きくし、作用させるクーロン力をより小さくする場合は、供給する交流電圧信号の振幅を小さくする制御を行うようにしたものである。
(5) 本発明の第５の態様は、上述の第２または第３の態様に係る角速度センサにおいて、
駆動制御回路が、交流電圧信号として半波整流電圧信号を用い、作用させるクーロン力をより大きくする場合は、供給する交流電圧信号に正のオフセット電圧を加え、作用させるクーロン力をより小さくする場合は、供給する交流電圧信号に負のオフセット電圧を加える（但し、電圧値が負になる場合は０とする）ようにしたものである。
(6) 本発明の第６の態様は、上述の第２の態様に係る角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点Ｏを定義し、振動子の上面がＸＹ平面に平行になるように、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、Ｘ軸およびＹ軸の振動子上面に対する正射影像を定義したときに、
上方駆動用容量素子および上方モニタ用容量素子が、いずれもＺ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置に配置され、
Ｘ軸の正射影像の正の部分に配置された容量素子および負の部分に配置された容量素子によって、Ｘ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを検出するためのコリオリ力検出用容量素子が構成され、これら両容量素子の静電容量値の差に基づいてコリオリ力Ｆｘが決定され、
Ｙ軸の正射影像の正の部分に配置された容量素子および負の部分に配置された容量素子によって、Ｙ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを検出するためのコリオリ力検出用容量素子が構成され、これら両容量素子の静電容量値の差に基づいてコリオリ力Ｆｙが決定され、
駆動制御回路が、上方駆動用容量素子に対して交流駆動信号を供給することにより、振動子をＺ軸方向に振動させ、
角速度検出回路が、コリオリ力Ｆｘに基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出し、コリオリ力Ｆｙに基づいてＸ軸まわりの角速度ωｘを検出するようにしたものである。
(7) 本発明の第７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、
振動子の上面に形成された変位電極と、これに対向する位置に設けられた固定電極と、によって上方駆動用容量素子が構成され、
振動子の下面に形成された変位電極と、これに対向する位置に設けられた固定電極と、によって下方駆動用容量素子が構成され、
振動子の上面に形成された変位電極と、これに対向する位置に設けられた固定電極と、によって上方モニタ用容量素子が構成され、
振動子の下面に形成された変位電極と、これに対向する位置に設けられた固定電極と、によって下方モニタ用容量素子が構成され、
駆動制御回路は、
上方駆動用容量素子を構成する一方の電極の電圧を基準として、他方の電極に対して第１の交流電圧信号φ１を供給することにより両電極間にクーロン力を作用させ、
下方駆動用容量素子を構成する一方の電極の電圧を基準として、他方の電極に対して、第１の交流電圧信号φ１とは逆位相の第２の交流電圧信号φ２を供給することにより両電極間にクーロン力を作用させ、
作用させたクーロン力によって振動子を上下方向に振動させ、
上方モニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも小さくなったときには、上方駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより大きくする制御を行い、
上方モニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも大きくなったときには、上方駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより小さくする制御を行い、
下方モニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも小さくなったときには、下方駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより大きくする制御を行い、
下方モニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも大きくなったときには、下方駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより小さくする制御を行うようにしたものである。
(8) 本発明の第８の態様は、上述の第７の態様に係る角速度センサにおいて、
振動子の上面の中心部に配置された上面中心電極と、振動子の上面における上面中心電極を取り囲む位置に配置された上面包囲電極と、振動子の下面の中心部に配置された下面中心電極と、振動子の下面における下面中心電極を取り囲む位置に配置された下面包囲電極と、を設け、
上面中心電極および上面包囲電極のいずれか一方を用いて上方駆動用容量素子を構成し、他方を用いて上方モニタ用容量素子を構成し、下面中心電極および下面包囲電極のいずれか一方を用いて下方駆動用容量素子を構成し、他方を用いて下方モニタ用容量素子を構成したものである。
(9) 本発明の第9の態様は、上述の第７または第８の態様に係る角速度センサにおいて、
駆動制御回路が、第１の交流電圧信号φ１および第２の交流電圧信号φ２として、互いに逆位相となる半波整流電圧信号を用い、作用させるクーロン力をより大きくする場合は、供給する交流電圧信号の振幅を大きくし、作用させるクーロン力をより小さくする場合は、供給する交流電圧信号の振幅を小さくする制御を行うようにしたものである。
(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第７または第８の態様に係る角速度センサにおいて、
駆動制御回路が、第１の交流電圧信号φ１および第２の交流電圧信号φ２として、互いに逆位相となる半波整流電圧信号を用い、作用させるクーロン力をより大きくする場合は、供給する交流電圧信号に正のオフセット電圧を加え、作用させるクーロン力をより小さくする場合は、供給する交流電圧信号に負のオフセット電圧を加える（但し、電圧値が負になる場合は０とする）ようにしたものである。
(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第７の態様に係る角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点Ｏを定義し、振動子の上面がＸＹ平面に平行になるように、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、Ｘ軸およびＹ軸の振動子上面に対する正射影像を定義したときに、
上方駆動用容量素子、下方駆動用容量素子、上方モニタ用容量素子、下方モニタ用容量素子が、いずれもＺ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置に配置され、
Ｘ軸の正射影像の正の部分に配置された容量素子および負の部分に配置された容量素子によって、Ｘ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを検出するためのコリオリ力検出用容量素子が構成され、これら両容量素子の静電容量値の差に基づいてコリオリ力Ｆｘが決定され、
Ｙ軸の正射影像の正の部分に配置された容量素子および負の部分に配置された容量素子によって、Ｙ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを検出するためのコリオリ力検出用容量素子が構成され、これら両容量素子の静電容量値の差に基づいてコリオリ力Ｆｙが決定され、
駆動制御回路が、上方駆動用容量素子および下方駆動用容量素子に対して交流駆動信号を供給することにより、振動子をＺ軸方向に振動させ、
角速度検出回路が、コリオリ力Ｆｘに基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出し、コリオリ力Ｆｙに基づいてＸ軸まわりの角速度ωｘを検出するようにしたものである。
(12) 本発明の第１２の態様は、上述の第６または第１１の態様に係る角速度センサにおいて、
上方モニタ用容量素子もしくは下方モニタ用容量素子が、同一平面上においてＺ軸を取り囲む位置に配置された複数の容量素子によって構成され、
駆動制御回路が、これら複数の容量素子の静電容量値の平均値をフィードバック量として、フィードバック制御を行うようにしたものである。
(13) 本発明の第１３の態様は、上述の第１２の態様に係る角速度センサにおいて、
上方モニタ用容量素子もしくは下方モニタ用容量素子を構成する、同一平面上に配置された複数の容量素子の静電容量値の差が、所定のしきい値以上になった場合には、異常報知信号を出力するようにしたものである。
(14) 本発明の第１４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、
振動子の重心位置に原点Ｏを定義し、振動子の上面がＸＹ平面に平行になるように、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、Ｘ軸およびＹ軸の振動子上面に対する正射影像を定義したときに、
Ｘ軸の正射影像の正の部分に配置された第１の容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分に配置された第２の容量素子と、Ｙ軸の正射影像の正の部分に配置された第３の容量素子と、Ｙ軸の正射影像の負の部分に配置された第４の容量素子と、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置に配置された第５の容量素子と、Ｘ軸の正射影像の正の部分における第１の容量素子とは重ならない位置に配置された第６の容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分における第２の容量素子とは重ならない位置に配置された第７の容量素子と、Ｙ軸の正射影像の正の部分における第３の容量素子とは重ならない位置に配置された第８の容量素子と、Ｙ軸の正射影像の負の部分における第４の容量素子とは重ならない位置に配置された第９の容量素子と、を設け、
第１の容量素子と第２の容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第３の容量素子と第４の容量素子は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第５の容量素子はＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしており、第６の容量素子と第７の容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第８の容量素子と第９の容量素子は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、
第１〜第９の容量素子から選択された容量素子によって、駆動用容量素子、コリオリ力検出用容量素子、モニタ用容量素子を構成したものである。
(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、
Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置であって第５の容量素子とは重ならない位置に配置され、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をした第１０の容量素子を更に設け、
第１〜第１０の容量素子から選択された容量素子によって、駆動用容量素子、コリオリ力検出用容量素子、モニタ用容量素子を構成したものである。
(16) 本発明の第１６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、
第１〜第４の容量素子が駆動用容量素子を構成し、第６〜第９の容量素子がモニタ用容量素子を構成し、第５の容量素子がＺ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを検出するコリオリ力検出用容量素子を構成し、
駆動制御回路が、第１，第３，第２，第４の容量素子に、それぞれ位相が順次π／２ずつ遅れた交流駆動信号を供給することにより、振動子をＸＹ平面に平行な平面内で円運動させ、第６〜第９の容量素子の静電容量値をフィードバック量として、振動子の運動が、予め設定された基準円運動に維持されるようにフィードバック制御を行い、
角速度検出回路が、振動子の重心がＸＺ平面を通過するタイミングで測定されたコリオリ力Ｆｚに基づいてＸ軸まわりの角速度ωｘを検出し、振動子の重心がＹＺ平面を通過するタイミングで測定されたコリオリ力Ｆｚに基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出するようにしたものである。
(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、
第６および第７の容量素子をＸ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを検出するコリオリ力検出用容量素子として兼用し、
角速度検出回路が、振動子の重心がＸＺ平面を通過するタイミングで測定されたコリオリ力Ｆｘに基づいてＺ軸まわりの角速度ωｚを検出するようにしたものである。
(18) 本発明の第１８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、
互いに平行な上面と下面とを有する振動子の重心位置に原点Ｏを定義し、振動子の上面および下面がＸＹ平面に平行になるように、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、Ｘ軸およびＹ軸の振動子上面および下面に対する正射影像を定義したときに、
振動子上面側において、Ｘ軸の正射影像の正の部分に配置された第１の上面側容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分に配置された第２の上面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の正の部分に配置された第３の上面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の負の部分に配置された第４の上面側容量素子と、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置に配置された第５の上面側容量素子と、Ｘ軸の正射影像の正の部分における第１の上面側容量素子とは重ならない位置に配置された第６の上面側容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分における第２の上面側容量素子とは重ならない位置に配置された第７の上面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の正の部分における第３の上面側容量素子とは重ならない位置に配置された第８の上面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の負の部分における第４の上面側容量素子とは重ならない位置に配置された第９の上面側容量素子と、を設け、
第１の上面側容量素子と第２の上面側容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第３の上面側容量素子と第４の上面側容量素子は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第５の上面側容量素子はＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしており、第６の上面側容量素子と第７の上面側容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第８の上面側容量素子と第９の上面側容量素子は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、
振動子下面側において、Ｘ軸の正射影像の正の部分に配置された第１の下面側容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分に配置された第２の下面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の正の部分に配置された第３の下面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の負の部分に配置された第４の下面側容量素子と、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置に配置された第５の下面側容量素子と、Ｘ軸の正射影像の正の部分における第１の下面側容量素子とは重ならない位置に配置された第６の下面側容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分における第２の下面側容量素子とは重ならない位置に配置された第７の下面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の正の部分における第３の下面側容量素子とは重ならない位置に配置された第８の下面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の負の部分における第４の下面側容量素子とは重ならない位置に配置された第９の下面側容量素子と、を設け、
第１の下面側容量素子と第２の下面側容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第３の下面側容量素子と第４の下面側容量素子は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第５の下面側容量素子はＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしており、第６の下面側容量素子と第７の下面側容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第８の下面側容量素子と第９の下面側容量素子は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、
第１〜第９の上面側容量素子および第１〜第９の下面側容量素子から選択された容量素子によって、駆動用容量素子、コリオリ力検出用容量素子、モニタ用容量素子を構成したものである。
(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、
振動子上面側において、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置であって第５の上面側容量素子とは重ならない位置に配置され、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をした第１０の上面側容量素子と、振動子下面側において、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置であって第５の下面側容量素子とは重ならない位置に配置され、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をした第１０の下面側容量素子と、を更に設け、
第１〜第１０の上面側容量素子および第１〜第１０の下面側容量素子から選択された容量素子によって、駆動用容量素子、コリオリ力検出用容量素子、モニタ用容量素子を構成したものである。
(20) 本発明の第２０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〜第４の上面側容量素子および第１〜第４の下面側容量素子が駆動用容量素子を構成し、第６〜第９の上面側容量素子および第６〜第９の下面側容量素子がモニタ用容量素子を構成し、第５の上面側容量素子および第５の下面側容量素子がＺ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを検出するコリオリ力検出用容量素子を構成し、
駆動制御回路が、第１，第３，第２，第４の上面側容量素子に、それぞれ位相が順次π／２ずつ遅れた交流駆動信号を供給するとともに、第１，第３，第２，第４の下面側容量素子に、それぞれ第１，第３，第２，第４の上面側容量素子とは逆位相の交流駆動信号を供給することにより、振動子をＸＹ平面に平行な平面内で円運動させ、第６〜第９の上面側容量素子および第６〜第９の下面側容量素子の静電容量値をフィードバック量として、振動子の運動が、予め設定された基準円運動に維持されるようにフィードバック制御を行い、
角速度検出回路が、振動子の重心がＸＺ平面を通過するタイミングで測定されたコリオリ力Ｆｚに基づいてＸ軸まわりの角速度ωｘを検出し、振動子の重心がＹＺ平面を通過するタイミングで測定されたコリオリ力Ｆｚに基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出するようにしたものである。
(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、
第６および第７の上面側容量素子および第６および第７の下面側容量素子をＸ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを検出するコリオリ力検出用容量素子として兼用し、
角速度検出回路が、振動子の重心がＸＺ平面を通過するタイミングで測定されたコリオリ力Ｆｘに基づいてＺ軸まわりの角速度ωｚを検出するようにしたものである。
(22) 本発明の第２２の態様は、上述の第２０または第２１の態様に係る角速度センサにおいて、
振動子上面側において、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置であって第５の上面側容量素子とは重ならない位置に配置され、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をした第１０の上面側容量素子と、振動子下面側において、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置であって第５の下面側容量素子とは重ならない位置に配置され、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をした第１０の下面側容量素子と、を更に設け、
第１０の上面側容量素子および第１０の下面側容量素子の静電容量値をフィードバック量として、振動子の運動面が、予め設定された基準平面の位置に維持されるようにフィードバック制御を行うようにしたものである。
(23) 本発明の第２３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、
振動子の重心位置に原点Ｏを定義し、振動子の上面がＸＹ平面に平行になるように、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、Ｘ軸およびＹ軸の振動子上面に対する正射影像を定義したときに、
振動子上面側において、Ｘ軸の正射影像の正の部分に配置された第１の容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分に配置された第２の容量素子と、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置に配置された第３の容量素子と、Ｘ軸の正射影像の正の部分における第１の容量素子とは重ならない位置に配置された第４の容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分における第２の容量素子とは重ならない位置に配置された第５の容量素子と、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置における第３の容量素子とは重ならない位置に配置された第６の容量素子と、Ｙ軸の正射影像の正の部分に配置された第７の容量素子と、Ｙ軸の正射影像の負の部分に配置された第８の容量素子と、
を設け、
第１の容量素子と第２の容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第４の容量素子と第５の容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第３の容量素子はＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしており、第６の容量素子はＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしており、第７の容量素子と第８の容量素子は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、
第１〜第３の容量素子が駆動用容量素子を構成し、第４〜第６の容量素子がモニタ用容量素子を構成し、第７〜第８の容量素子がＹ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを検出するコリオリ力検出用容量素子を構成し、
駆動制御回路が、第１および第２の容量素子に、互いに逆位相の交流駆動信号を供給し、第３の容量素子に、第１の容量素子に供給する交流駆動信号に対して位相がπ／２だけずれた交流駆動信号を供給することにより、振動子をＸＺ平面内で円運動させ、第４〜第６の容量素子の静電容量値をフィードバック量として、振動子の運動が、予め設定された基準円運動に維持されるようにフィードバック制御を行い、
角速度検出回路が、振動子の重心がＸＹ平面を通過するタイミングで測定されたコリオリ力Ｆｙに基づいてＸ軸まわりの角速度ωｘを検出し、振動子の重心がＹＺ平面を通過するタイミングで測定されたコリオリ力Ｆｙに基づいてＺ軸まわりの角速度ωｚを検出するようにしたものである。
(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、
振動子下面側において、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置に配置された第９の容量素子と、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置における第９の容量素子とは重ならない位置に配置された第１０の容量素子と、を更に設け、
第９の容量素子および第１０の容量素子は、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしており、
駆動制御回路が、第９の容量素子に、第３の容量素子に供給する交流駆動信号に対して逆位相の交流駆動信号を供給することにより、振動子をＸＺ平面内で円運動させ、第１０の容量素子の静電容量値をフィードバック量として加えることにより、振動子の運動が、予め設定された基準円運動に維持されるようにフィードバック制御を行うようにしたものである。
(25) 本発明の第２５の態様は、上述の第２３または第２４の態様に係る角速度センサにおいて、
第４および第５の容量素子をＸ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを検出するコリオリ力検出用容量素子として兼用し、
角速度検出回路が、振動子の重心がＸＹ平面を通過するタイミングで測定されたコリオリ力Ｆｘに基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出するようにしたものである。
(26) 本発明の第２６の態様は、上述の第２３または第２４の態様に係る角速度センサにおいて、
第６の容量素子をＺ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを検出するコリオリ力検出用容量素子として兼用し、
角速度検出回路が、振動子の重心がＹＺ平面を通過するタイミングで測定されたコリオリ力Ｆｚに基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出するようにしたものである。
(27) 本発明の第２７の態様は、上述の第１４〜第２６の態様に係る角速度センサにおいて、
個々のモニタ用容量素子について、それぞれ最も近い位置に配置されている駆動用容量素子を対応づけ、
駆動制御回路が、特定のモニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも小さくなったときには、これに対応する駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより大きくする制御を行い、特定のモニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも大きくなったときには、これに対応する駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより小さくする制御を行うようにしたものである。
(28) 本発明の第２８の態様は、上述の第２７の態様に係る角速度センサにおいて、
駆動制御回路が、各駆動用容量素子に供給する交流駆動信号として、半波整流電圧信号を用い、作用させるクーロン力をより大きくする場合は、供給する交流電圧信号の振幅を大きくし、作用させるクーロン力をより小さくする場合は、供給する交流電圧信号の振幅を小さくする制御を行うようにしたものである。
(29) 本発明の第２９の態様は、上述の第２７の態様に係る角速度センサにおいて、
駆動制御回路が、各駆動用容量素子に供給する交流駆動信号として、半波整流電圧信号を用い、作用させるクーロン力をより大きくする場合は、供給する交流電圧信号に正のオフセット電圧を加え、作用させるクーロン力をより小さくする場合は、供給する交流電圧信号に負のオフセット電圧を加える（但し、電圧値が負になる場合は０とする）ようにしたものである。
(30) 本発明の第３０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、
物理的に同一の容量素子を、モニタ用容量素子およびコリオリ力検出用容量素子として兼用するようにしたものである。
(31) 本発明の第３１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、
駆動制御回路からの交流駆動信号を、切替スイッチを介して駆動用容量素子に供給し、切替スイッチを切り替えることにより、物理的に同一の容量素子を、ある期間には、駆動用容量素子として機能させ、別な期間には、モニタ用容量素子もしくはコリオリ力検出用容量素子として機能させることができるようにしたものである。
(32) 本発明の第３２の態様は、上述の第３１の態様に係る角速度センサにおいて、
互いに平行な上面と下面とを有する振動子の重心位置に原点Ｏを定義し、振動子の上面および下面がＸＹ平面に平行になるように、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、Ｘ軸およびＹ軸の振動子上面および下面に対する正射影像を定義したときに、
振動子上面側において、Ｘ軸の正射影像の正の部分に配置された第１の上面側容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分に配置された第２の上面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の正の部分に配置された第３の上面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の負の部分に配置された第４の上面側容量素子と、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置に配置された第５の上面側容量素子と、を設け、
第１の上面側容量素子と第２の上面側容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第３の上面側容量素子と第４の上面側容量素子は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第５の上面側容量素子はＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしており、
振動子下面側において、Ｘ軸の正射影像の正の部分に配置された第１の下面側容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分に配置された第２の下面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の正の部分に配置された第３の下面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の負の部分に配置された第４の下面側容量素子と、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置に配置された第５の下面側容量素子と、を設け、
第１の下面側容量素子と第２の下面側容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第３の下面側容量素子と第４の下面側容量素子は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第５の下面側容量素子はＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしており、
駆動制御回路は、振動子の運動周期の第１の四半周期を構成する期間Ｔ１にクーロン力を発生させることができる交流駆動信号φ１と、振動子の運動周期の第２の四半周期を構成する期間Ｔ２にクーロン力を発生させることができる交流駆動信号φ２と、振動子の運動周期の第３の四半周期を構成する期間Ｔ３にクーロン力を発生させることができる交流駆動信号φ３と、振動子の運動周期の第４の四半周期を構成する期間Ｔ４にクーロン力を発生させることができる交流駆動信号φ４と、を発生させ、
交流駆動信号φ１は、期間Ｔ１に第１の切替状態となるように制御される第１の切替スイッチを介して第５の上面側容量素子に供給され、交流駆動信号φ２は、期間Ｔ２に第１の切替状態となるように制御される第２の切替スイッチを介して第２の上面側容量素子および第１の下面側容量素子に供給され、交流駆動信号φ３は、期間Ｔ３に第１の切替状態となるように制御される第３の切替スイッチを介して第５の下面側容量素子に供給され、交流駆動信号φ４は、期間Ｔ４に第１の切替状態となるように制御される第４の切替スイッチを介して第１の上面側容量素子および第２の下面側容量素子に供給され、これら交流駆動信号の供給により、振動子はＸＺ平面内で円運動し、
駆動制御回路は、
期間Ｔ１において、第２の切替状態となるように制御された第３の切替スイッチを介して第５の下面側容量素子の静電容量値を検出し、当該静電容量値をフィードバック量として、交流駆動信号φ１を制御し、
期間Ｔ２において、第２の切替状態となるように制御された第４の切替スイッチを介して第１の上面側容量素子の静電容量値および第２の下面側容量素子の静電容量値を検出し、当該静電容量値をフィードバック量として、交流駆動信号φ２を制御し、
期間Ｔ３において、第２の切替状態となるように制御された第１の切替スイッチを介して第５の上面側容量素子の静電容量値を検出し、当該静電容量値をフィードバック量として、交流駆動信号φ３を制御し、
期間Ｔ４において、第２の切替状態となるように制御された第２の切替スイッチを介して第２の上面側容量素子の静電容量値および第１の下面側容量素子の静電容量値を検出し、当該静電容量値をフィードバック量として、交流駆動信号φ４を制御し、
角速度検出回路は、
期間Ｔ１および期間Ｔ３において、第３の上面側容量素子および第３の下面側容量素子ならびに第４の上面側容量素子および第４の下面側容量素子の静電容量値に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出し、
期間Ｔ２および期間Ｔ４において、第２の切替状態となるように制御された第１の切替スイッチを介して第５の上面側容量素子の静電容量値を検出し、第２の切替状態となるように制御された第３の切替スイッチを介して第５の下面側容量素子の静電容量値を検出し、当該静電容量値に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出し、
期間Ｔ２および期間Ｔ４において、第３の上面側容量素子および第３の下面側容量素子ならびに第４の上面側容量素子および第４の下面側容量素子の静電容量値に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出するようにしたものである。
(33) 本発明の第３３の態様は、上述の第１〜第３２の態様に係る角速度センサにおいて、
角速度検出回路が、モニタ用容量素子の静電容量値に基づいて、コリオリ力検出用容量素子の静電容量値の測定タイミングを決定するようにしたものである。
(34) 本発明の第３４の態様は、上述の第１〜第３３の態様に係る角速度センサにおいて、
それぞれ独立した容量素子が形成されるという条件が満足される限りにおいて、複数の変位電極もしくは複数の固定電極を物理的に単一の導電層によって構成したものである。
(35) 本発明の第３５の態様は、上述の第３４の態様に係る角速度センサにおいて、
振動子を導電性材料によって構成し、各変位電極を振動子の表面層のそれぞれ特定の部分領域によって構成し、すべての変位電極が共通電位となるようにしたものである。
(36) 本発明の第３６の態様は、上述の第１〜第３５の態様に係る角速度センサにおいて、
可撓性部材が、振動子の周囲を取り囲む形状をなし、可撓性をもった板状構造体によって構成されており、板状構造体の内側部分が振動子に接続され、外側部分が装置筐体に固定されているようにしたものである。
(37) 本発明の第３７の態様は、上述の第１〜第３５の態様に係る角速度センサにおいて、
可撓性部材が、可撓性をもった複数の橋梁部によって構成されており、各橋梁部の内側端が振動子に接続され、外側端が装置筐体に固定されているようにしたものである。
本発明に係る角速度センサでは、駆動用容量素子およびコリオリ力検出用容量素子の他に、振動子の運動をモニタするためのモニタ用容量素子を設け、このモニタ用容量素子の静電容量値をフィードバック量として、駆動用容量素子に供給する駆動信号をフィードバック制御するようにしたため、振動子の周期的運動を、予め設定した基準運動に維持することができるようになる。このため、測定系に対して外乱として作用する加速度などに起因する力が働いたとしても、振動子の運動が予め設定した基準運動を維持するような制御が行われ、測定系を安定させることが可能になる。こうして、本発明によれば、測定系に対して外乱として作用する力の影響を排除し、高精度な角速度測定を行うことが可能になる。
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
＜＜＜ §１．従来の角速度センサ ＞＞＞
本発明は、前掲の各文献に記載された従来の静電容量式角速度センサの測定精度を向上させるための工夫を提案するものである。そこで、まず、従来の基本的な角速度センサの構造部の一例を、図１の斜視図を参照して説明するとともに、この角速度センサによる検出原理を簡単に述べておく。
図１に示す角速度センサの主たる構成要素は、上方基板１００、可撓性基板２００、下方基板３００、重錘体４００である。可撓性基板２００は、可撓性をもった薄い円板状の構造体であり、その下面中央部分には、円柱状の重錘体４００が接合されている。可撓性基板２００の周囲部分は装置筐体に固定されている。一方、上方基板１００および下方基板３００は剛性をもった基板であり、やはり装置筐体に固定されている。具体的には、上方基板１００は、可撓性基板２００の上方に、可撓性基板２００の上面に対して平行になる位置に配置され、下方基板３００は、重錘体４００の下方に、重錘体４００の下面に対して平行になる位置に配置されている。なお、図において、各基板１００，２００，３００の左右に示す斜線は、これら各基板の周囲部分が装置筐体に固定されていることを示している。
可撓性基板２００の上面には、図示のとおり、５枚の電極Ｄ１０〜Ｄ１４が設けられており、重錘体４００の下面には、図示のとおり、電極Ｄ１０Ｂが設けられている。後述するように、これらの電極は、重錘体４００の運動とともに変位する電極であるため、以後、「変位電極」と呼ぶことにし、「Deviate（変位）」の頭文字Ｄを冠した符号で示すことにする。図では、各電極の形状を明確にするために、斜視図に現れる電極部分にはハッチングを施して示す。
変位電極Ｄ１０は、可撓性基板２００の上面中心部に配置された円盤状の電極であり、変位電極Ｄ１１〜Ｄ１４は、その周囲に配置された扇型の電極である。一方、変位電極Ｄ１０Ｂは、変位電極Ｄ１０と同様に円盤状の電極であるが、重錘体４００の底面に形成されている。本明細書では、重錘体４００の底面側に形成された電極については、「Bottom（底）」の頭文字Ｂを末尾に付した符号を用いることにする。変位電極Ｄ１０Ｂは、変位電極Ｄ１０と同一形状の電極であり、変位電極Ｄ１０の真下に配置された電極である。
これら各変位電極Ｄ１０〜Ｄ１４，Ｄ１０Ｂに対して対向する位置に、それぞれ同一の形状をもった固定電極Ｅ１０〜Ｅ１４，Ｅ１０Ｂが配置されている。すなわち、上方基板１００の下面に形成された固定電極Ｅ１０〜Ｅ１４は、変位電極Ｄ１０〜Ｄ１４に対向する電極であり、下方基板３００の下面に形成された固定電極Ｅ１０Ｂは、変位電極Ｄ１０Ｂに対向する電極である。
この角速度センサでは、重錘体４００と、可撓性基板２００の中央部分（重錘体４００が接合されている部分）とは、一塊の物体として運動を行うことになるので、以下、この一塊の物体を「振動子」と呼ぶことにする。一方、可撓性基板２００の周囲部分（重錘体４００が接合されていない部分）は、可撓性をもった薄いワッシャ状の構造体を構成し、「振動子」の部分を周囲から支持する可撓性部材としての機能を果たす。結局、可撓性基板２００に重錘体４００を接合することによって得られる構造体は、振動子と、この振動子を装置筐体に対して接続する可撓性部材を構成することになる。
ここでは、説明の便宜上、この振動子の重心Ｇの位置に原点Ｏを定義し、振動子の上面（可撓性基板２００の上面）がＸＹ平面に平行になるように、ＸＹＺ三次元座標系を定義する。すると、図示のとおり、電極Ｄ１０，Ｅ１０，Ｄ１０Ｂ，Ｅ１０Ｂは、いずれもＺ軸上に配置された同一半径をもった円盤状の電極（円の中心がＺ軸上にくる）ということになる。
図２は、図１に示す角速度センサの上方基板１００の下面図であり、図３は、図１に示す角速度センサの可撓性基板２００の上面図である。いずれも、ハッチングは、電極形状を示すためのものである。図に示すＸ′軸およびＹ′軸は、図１に示すＸ軸およびＹ軸を、図示されている面に投影した正射影像である。図３に示すように、変位電極Ｄ１１，Ｄ１２は、Ｘ′軸の正の部分および負の部分に配置された扇型の電極であり、変位電極Ｄ１３，Ｄ１４は、Ｙ′軸の正の部分および負の部分に配置された扇型の電極である。一方、固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、図２に示すように、各変位電極Ｄ１１〜Ｄ１４に対向する位置に配置されている。
図４は、図１に示す角速度センサの中立状態（何ら力が加わっていない状態、たとえば、無重力空間内に静止している状態）を示す側断面図である。これに対して、図５は、振動子の重心Ｇに対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが加えられたときの状態（上方変位状態）を示し、図６は、重心Ｇに対してＺ軸負方向の力−Ｆｚが加えられたときの状態（下方変位状態）を示している。もちろん、振動子の変位方向は、Ｚ軸方向に限定されるものではない。たとえば、重心Ｇに対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが加えられると、図７に示すような右方変位状態が得られ、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが加えられると、図７とは逆の左方変位状態が得られる。Ｙ軸方向の力が加えられた場合も、同様にＹ軸方向の変位状態が得られることになる。
このように、振動子に対して力が作用すると、可撓性部材（可撓性基板２００の周囲部分）に撓みが生じ、振動子は作用した力の方向に変位することになる。こうして振動子が変位すると、振動子の表面に設けられている各変位電極も変位し、対向する各固定電極との電極間距離に変化が生じる。逆に、対向する変位電極と固定電極との間にクーロン力を作用させて、電極間距離を変化させれば、振動子を変位させることができる。
そこで、図８(a) ，(b) に示すような交流電圧信号φ１，φ２を用意し、これを図１に示す角速度センサに、振動子を振動させるための交流駆動信号として供給する。図８(a) ，(b) の横軸は時間軸ｔであり、縦軸は電圧値Ｖを示している。図示のとおり、交流電圧信号φ１，φ２は、いずれもピーク電圧Ｖｐをもった同一周期の正弦波を半波整流して得られる電圧信号であるが、位相は互いに逆になっている（πだけずれている）。
ここでは、図１に示す角速度センサにおける変位電極Ｄ１０，Ｄ１０Ｂを電気的に接地電位に接続し、固定電極Ｅ１０に対して図８(a) に示す交流電圧信号φ１を与え、固定電極Ｅ１０Ｂに対して図８(b) に示す交流電圧信号φ２を与えることにする。すると、時間軸上に示す位相が０〜πの期間内は、変位電極Ｄ１０と固定電極Ｅ１０との間にクーロン引力が作用するので、振動子に対しては、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用し、振動子は上方へと運動する。ところが、時間軸上に示す位相がπ〜２πの期間内は、変位電極Ｄ１０Ｂと固定電極Ｅ１０Ｂとの間にクーロン引力が作用するので、振動子に対しては、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用し、振動子は下方へと運動する。
結局、交流電圧信号φ１，φ２を供給することにより、振動子は、Ｚ軸方向に振動することになる。図８(c) は、振動子の重心Ｇの変位を示すグラフであり、横軸は図８(a) ，(b) の横軸と同期した時間軸ｔであり、縦軸は変位を示している。ここで、変位０は、重心Ｇが座標系の原点Ｏの位置にあることを示している。振動子は、振幅 Ａをもって上下方向に振動し、その周期は、交流電圧信号φ１，φ２の周期に一致する。ただし、振動子の変位の位相は、交流電圧信号の位相に対して所定の位相差ｄだけ遅れることになる。これは、クーロン力が作用してから、実際に振動子が当該クーロン力に応じた変位を生じるまでに、機械系や回路系の遅延により若干の時間的な遅れが生じるためである。位相差ｄは、振動子や可撓性部材といった機械的な振動系に固有の特性と振動周波数に応じて定まる値であり、たとえば、振動系のもつ共振周波数で振動子を振動させた場合、ｄ＝π／２になることが知られている。
さて、こうして、振動子をＺ軸方向に振動させた状態において、角速度が作用すると、作用した角速度に応じて、振動子に対してコリオリ力が作用する。たとえば、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが作用したとすると、振動子の運動方向はＺ軸方向であるから、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｘが作用することになる。このＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘの作用により、振動子は図７に示すように傾くことになる。その結果、変位電極Ｄ１１と固定電極Ｅ１１との間の電極間距離は、変位電極Ｄ１２と固定電極Ｅ１２との間の電極間距離よりも小さくなるので、これら対向する電極によって構成される２組の容量素子の静電容量値の差を測定することにより、作用したコリオリ力Ｆｘを検出することができ、これをＹ軸まわりの角速度ωｙの検出値として出力することができる。
同様に、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが作用したとすると、振動子の運動方向はＺ軸方向であるから、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙが作用することになる。このＹ軸方向のコリオリ力Ｆｙの作用により振動子が傾斜し、変位電極Ｄ１３と固定電極Ｅ１３との間の電極間距離と、変位電極Ｄ１４と固定電極Ｅ１４との間の電極間距離と、の間に差が生じることになる。そこで、これら対向する電極によって構成される２組の容量素子の静電容量値の差を測定することにより、作用したコリオリ力Ｆｙを検出することができ、これをＸ軸まわりの角速度ωｘの検出値として出力することができる。
かくして、図１に示す角速度センサでは、振動子をＺ軸方向に振動させた状態において、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｙとを検出することが可能になる。
＜＜＜ §２．本発明の基本原理 ＞＞＞
さて、§１では、図１に示す従来の角速度センサの基本構造とその検出動作を述べた。しかしながら、この説明は、「角速度センサには外乱となる力が作用しない」という理想的な測定環境における説明であり、実用上は、このような理想的な測定環境でセンサが利用されることは稀である。前述したとおり、センサが実際に利用される環境では、たとえば、重力加速度などの外乱要因が存在するため、§１で説明した従来の角速度センサには、この外乱の影響を受けて測定精度が低下するという問題がある。
たとえば、図１に示す角速度センサの振動子を静止状態にして、無重力空間内に放置した場合であれば、振動子は、図４の側断面図に示すような基準位置をとる。ところが、重力の影響下にある地球上では、図９に示すように、振動子の重心Ｇには、重力加速度αｇに基づく力が作用するため、図４に示す状態に比べて、振動子の静止状態の基準位置は若干下方に変位した状態になる。一方、図１０に示すように、この加速度センサを地球上で天地逆の状態にすれば、振動子の重心Ｇには、図示の方向に重力加速度αｇに基づく力が作用する。これは、図４において、振動子の静止状態の基準位置が若干上方に変位した状態に相当する。
角速度センサは、その性質上、空間内で移動したり姿勢を変えたりする物体に取り付けて利用するのが一般的であるから、振動子に作用する重力加速度αｇの向きは、全く予想することができない。また、運動中の物体にセンサを取り付けて利用する場合、当該物体には、その運動に起因する加速度も作用することになるので、振動子の静止状態の基準位置に影響を与える要因は、重力加速度だけではなく、運動に起因する加速度も加わることになる。
振動子は、その静止状態の基準位置を中心として振動することになるので、この基準位置が変化すると、振動の運動系全体の位置がずれることになる。図１１は、図９に示すような重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサにおいて、供給する交流電圧信号φ１，φ２と振動子の重心Ｇの変位との関係を示すグラフである。ここで、図１１(a) ，(b) に示す交流電圧信号φ１，φ２は、図８(a) ，(b) に示すものと全く同じである。ところが、図９に示すように、振動子の静止状態の基準位置が重力加速度αｇの作用によってＺ軸負方向にずれるため、図１１(c) に示すように、振動子の振動中心位置Ｌが下方にずれ、振動子はこの振動中心位置Ｌを中心として上下に振動することになる。
一方、図１２は、図１０に示すような重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサにおいて、供給する交流電圧信号φ１，φ２と振動子の重心Ｇの変位との関係を示すグラフである。やはり、図１２(a) ，(b) に示す交流電圧信号φ１，φ２は、図８(a) ，(b) に示すものと全く同じである。ところが、図１０に示すように、振動子の静止状態の基準位置が重力加速度αｇの作用によってＺ軸正方向にずれるため、図１２(c) に示すように、振動子の振動中心位置Ｌが上方にずれ、振動子はこの振動中心位置Ｌを中心として上下に振動することになる。
このように、振動子の振動中心位置Ｌが一定でないと、容量素子の静電容量値に基づく正確な角速度検出を行うことができず、測定精度の低下が避けられない。すなわち、対向する一対の電極間距離と静電容量値との間には、線形関係が得られないため、振動子の振動中心位置Ｌが変動すると、検出感度にも変動が生じることになる。具体的には、図１１(c) に示すように、振動中心位置Ｌが下方にずれると、コリオリ力の検出に利用される変位電極Ｄ１１〜Ｄ１４と、これに対向する固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４との距離が全体的に広がることになり検出感度は低くなる。逆に、図１２(c) に示すように、振動中心位置Ｌが上方にずれると、コリオリ力の検出に利用される変位電極Ｄ１１〜Ｄ１４と、これに対向する固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４との距離が全体的に狭まることになり、検出感度は高くなる。
結局、§１に示す従来の角速度センサを用いた測定では、検出対象となる角速度が同一であったとしても、図９に示すような姿勢で検出を行った場合に比べて、図１０に示すような姿勢で検出を行った場合の方が、より大きな測定値が得られることになる。このように、測定時のセンサの姿勢によって、測定値に差が生じるようでは、高精度の角速度検出を行うことはできない。
本発明は、従来装置のこのような問題を解決するための新技術を提案するものであり、その目的は、測定系に対して外乱として作用する力の影響を排除し、高精度な角速度測定を行うことを可能にすることにある。
上記問題を解決するためには、センサの姿勢に拘わらず、振動子が常に同一の振動中心位置Ｌを中心として、常に同一の振幅をもって、安定した振動を行うようにすればよい。そのために、本発明では、振動子の駆動状態をモニタするためのモニタ用容量素子を設け、このモニタ用容量素子の静電容量値をフィードバック量として、振動子の振動が、予め設定された基準振動（予め設定された所定の振動中心位置Ｌを中心として、予め設定された所定の振幅をもった振動）に維持されるようにフィードバック制御を行うようにする。
図１３は、図９に示す重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサにおいて、供給する交流電圧信号φ１，φ２の振幅制御方法と、そのときの重心Ｇの変位を示すグラフである。図９に示す重力加速度αｇの影響を受けると、そのままでは、図１１(c) に示すように、振動中心位置Ｌが下方にずれることになる。そこで、図１３(a) に示すように、交流電圧信号φ１の振幅を大きくし、図１３(b) に示すように、交流電圧信号φ２の振幅を小さくするような制御を行うのである。図１３(a) ，(b) において、破線で示す信号は制御前の信号（図１１(a) ，(b) と同じ信号）を示し、実線で示す信号は制御後の信号を示している。
このような制御後の交流電圧信号φ１，φ２を図１に示す角速度センサに供給すると、振動子を上方向（Ｚ軸正方向）に引き寄せるクーロン力はより大きくなり、振動子を下方向（Ｚ軸負方向）に引き寄せるクーロン力はより小さくなるので、図１３(c) に示すように、振動中心位置Ｌは本来の位置（座標系の原点Ｏの位置）へ復帰する。したがって、図８(c) に示すように、重力加速度αｇが作用していない測定環境と同一の振動状態を維持することができ、正しい検出結果を得ることができる。
一方、図１４は、図１０に示す重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサにおいて、供給する交流電圧信号φ１，φ２の振幅制御方法と、そのときの重心Ｇの変位を示すグラフである。図１０に示す重力加速度αｇの影響を受けると、そのままでは、図１２(c) に示すように、振動中心位置Ｌが上方にずれることになる。そこで、図１４(a) に示すように、交流電圧信号φ１の振幅を小さくし、図１４(b) に示すように、交流電圧信号φ２の振幅を大きくするような制御を行うのである。図１４(a) ，(b) において、破線で示す信号は制御前の信号（図１２(a) ，(b) と同じ信号）を示し、実線で示す信号は制御後の信号を示している。
このような制御後の交流電圧信号φ１，φ２を図１に示す角速度センサに供給すると、振動子を上方向（Ｚ軸正方向）に引き寄せるクーロン力はより小さくなり、振動子を下方向（Ｚ軸負方向）に引き寄せるクーロン力はより大きくなるので、図１４(c) に示すように、振動中心位置Ｌは本来の位置（座標系の原点Ｏの位置）へ復帰する。したがって、図８(c) に示すように、重力加速度αｇが作用していない測定環境と同一の振動状態を維持することができ、正しい検出結果を得ることができる。
このように、振動子の駆動状態をモニタして、振動子の振動を安定させるフィードバック制御を行う点が、本発明の重要な特徴である。要するに本発明では、図８(c) に示すように、測定系に対して外乱として作用する力が何ら作用していない理想的な測定環境における振動子の運動を予め基準運動として設定しておき、実際の振動子の運動がこの基準運動に維持されるようなフィードバック制御を行うようにすればよい。
なお、本発明を実施する場合、振動子の駆動周波数を振動子の共振周波数に一致させると、より効率的な制御を行うことが可能である。本願発明者は、本願に係る角速度センサの試作品（空気によるダンピング効果を排除するために、振動子の収容空間を真空状態としたもの）を用いて、振動子の駆動周波数（交流電圧信号φ１，φ２の周波数）をいろいろな値に設定し、各駆動周波数ごとに正しい制御を行う実験を行った。その結果、振動子をその共振周波数（試作品の場合、４ｋＨｚ）で駆動した場合は、非共振周波数で駆動した場合に比べて、重力加速度の影響を排除するためのフィードバック制御に必要な電圧変化分（図１３(a) ，(b) や図１４(a) ，(b) における破線で示す信号のピーク値と実線で示す信号のピーク値との差）が、数百分の１ですむことが確認できた。
具体的には、重力加速度が作用していない環境下において、ピーク電圧５Ｖをもった交流電圧信号φ１，φ２を用いて振動子を駆動させるよう設計された角速度センサを用意し、この角速度センサに、その振動子の共振周波数に相当する交流電圧信号φ１，φ２を供給して駆動した場合と、非共振周波数に相当する交流電圧信号φ１，φ２を供給して駆動した場合とを比較してみた。その結果、前者では、ピーク電圧５Ｖを５．１Ｖ程度に変化させる制御（電圧変化分：０．１Ｖ）を行うだけで、重力加速度の影響を排除した動作が可能になったのに対して、後者では、重力加速度の影響を排除した動作を行うために、ピーク電圧５Ｖを２５Ｖ程度に変化させる制御（電圧変化分：２０Ｖ）が必要であった。
このように、振動子を非共振周波数で駆動する場合に比べて、共振周波数で駆動する場合では、フィードバック制御に必要な電圧変化分が数百分の１ですむことになり、極めて効率的な制御が可能になる。これは、本発明に係るセンサ構造体における振動子の尖鋭度Ｑが１００〜１０００程度であるため、共振周波数で駆動した場合は、非共振周波数で駆動した場合に比べて、１００〜１０００倍の効率が得られ、交流電圧信号の電圧変化分がわずかであっても、振動子の振幅を大きく変化させることができるためと考えられる。よって、本発明を実施する場合、振動子の駆動周波数を振動子の共振周波数に一致させるのが好ましい。
＜＜＜ §３．本発明の基本的な実施形態 ＞＞＞
図１５は、本発明の基本的な実施形態に係る角速度センサの構造部の一例を示す斜視図である。なお、この図においても、ハッチングは、電極形状を示すためのものである。図１に示す従来の角速度センサとの相違点は、変位電極Ｄ１５，Ｄ１５Ｂおよびこれらに対向する固定電極Ｅ１５，Ｅ１５Ｂを新たに設けた点と、後述するフィードバック制御を行うための回路を付加した点である。その他の構成は、§１で述べた従来の角速度センサと同じである。
図１６は、図１５に示す角速度センサの上方基板１００の下面図であり、図１７は、図１５に示す角速度センサの可撓性基板２００の上面図である。いずれも、ハッチングは、電極形状を示すためのものである。図に示すＸ′軸およびＹ′軸は、図１５に示すＸ軸およびＹ軸を、図示されている面に投影した正射影像である。
図１６を図２と比較すると、この実施形態に係るセンサでは、円盤状の固定電極Ｅ１０が若干小さくなり、その外側に、新たにワッシャ状の固定電極Ｅ１５が付加されていることがわかる。また、図１７を図３と比較すると、この実施形態に係るセンサでは、円盤状の変位電極Ｄ１０が若干小さくなり、その外側に、新たにワッシャ状の変位電極Ｄ１５が付加されていることがわかる。同様に、図１５の斜視図を見ればわかるとおり、この実施形態に係るセンサでは、重錘体４００の底面に設けられていた円盤状の変位電極Ｄ１０Ｂが若干小さくなり、その外側に、新たにワッシャ状の変位電極Ｄ１５Ｂが付加されており、下方基板３００の上面に設けられていた円盤状の固定電極Ｅ１０Ｂが若干小さくなり、その外側に、新たにワッシャ状の固定電極Ｅ１５Ｂが付加されている。
この実施形態に係るセンサにおいても、変位電極Ｄ１０と固定電極Ｅ１０との間に、交流駆動電圧φ１を印加し、変位電極Ｄ１０Ｂと固定電極Ｅ１０Ｂとの間に、交流駆動電圧φ２を印加することにより、振動子をＺ軸方向に振動させる点に変わりはない。ただ、この実施形態に係るセンサでは、これら駆動用の各電極Ｄ１０，Ｅ１０，Ｄ１０Ｂ，Ｅ１０Ｂの外側近傍に、それぞれモニタ用の各電極Ｄ１５，Ｅ１５，Ｄ１５Ｂ，Ｅ１５Ｂが付加されており、振動子の駆動状態をモニタする機能が付加されている。
図１８は、この実施形態に係るセンサに用いる信号処理回路の一例を示す回路図である。この図１８に示す回路は、図１５に示す構造体とは別個独立して設けることも可能であるが、図１５に示す構造体をシリコンなどの半導体を利用して構成するのであれば、その一部（たとえば、上方基板１００や下方基板３００の一部）に半導体集積回路として図１８に示す回路を設けるのが好ましい。
図１８の回路図の左端に示すＥ１１〜Ｅ１５，Ｅ１５Ｂは、図１５に同符号で示す各固定電極であり、図１８の回路図の左端に示すＤ１１〜Ｄ１５，Ｄ１５Ｂは、図１５に同符号で示す各変位電極である。ここでは、説明の便宜上、任意の変位電極Ｄｘとこれに対向する固定電極Ｅｘとによって構成される静電容量素子を、容量素子Ｃｘと呼ぶことにし、当該容量素子Ｃｘの静電容量値も、同じ記号Ｃｘで示すことにする。たとえば、変位電極Ｄ１５と固定電極Ｅ１５とによって構成される容量素子Ｃ１５の静電容量値は、Ｃ１５ということになる。図１８の回路図に示すＣ１１〜Ｃ１５，Ｃ１５Ｂは、各静電容量素子の静電容量値を示している。
図示のとおり、静電容量値Ｃ１５，Ｃ１５Ｂは、Ｃ／Ｖ変換回路１５，ｌ５Ｂによって電圧値Ｖ１５，Ｖ１５Ｂに変換され、駆動制御回路３０および角速度検出回路４０に与えられる。また、静電容量値Ｃ１１〜Ｃ１４は、Ｃ／Ｖ変換回路１１〜１４によって電圧値Ｖ１１〜Ｖ１４に変換される。そして、差分回路２１によって、電圧値Ｖ１１とＶ１２との差電圧Ｖｘが求められ、差分回路２２によって、電圧値Ｖ１３とＶ１４との差電圧Ｖｙが求められる。これら差電圧Ｖｘ，Ｖｙは、角速度検出回路４０に与えられる。
駆動制御回路３０は、交流信号源３１で発生された交流信号に基づいて、交流電圧信号φ１およびφ２を生成し、これを固定電極Ｅ１０およびＥ１０Ｂに供給する。既に述べたとおり、交流電圧信号φ１およびφ２は、振動子をＺ軸方向に振動させるための交流駆動信号であり、たとえば、図８(a) ，(b) に示すように互いに逆位相の信号である。この交流駆動信号の供給によって、固定電極Ｅ１０と変位電極Ｄ１０との間、および固定電極Ｅ１０Ｂと変位電極Ｄ１０Ｂとの間に、それぞれ逆位相のクーロン引力が周期的に作用することになり、振動子がＺ軸方向に振動する。
駆動制御回路３０には、モニタ用容量素子Ｃ１５，Ｃ１５Ｂの静電容量値に対応する電圧値Ｖ１５，Ｖ１５Ｂが与えられており、これらの電圧値をフィードバック量として、交流電圧信号φ１およびφ２の振幅の制御が行われる。§２で述べたとおり、振動子に対して、図９に示すような方向に重力加速度αｇが作用すると、振動子の振動中心位置Ｌは、図１１(c) に示すように下方に移動する。このため、振動子の上方に設けられたモニタ用容量素子Ｃ１５の電極間距離は広がり、振動子の下方に設けられたモニタ用容量素子Ｃ１５Ｂの電極間距離は狭まる。よって、電圧値Ｖ１５は低くなり、電圧値Ｖ１５Ｂは高くなる。逆に、振動子に対して、図１０に示すような方向に重力加速度αｇが作用すると、振動子の振動中心位置Ｌは、図１２(c) に示すように上方に移動する。このため、振動子の上方に設けられたモニタ用容量素子Ｃ１５の電極間距離は狭まり、振動子の下方に設けられたモニタ用容量素子Ｃ１５Ｂの電極間距離は広がる。よって、電圧値Ｖ１５は高くなり、電圧値Ｖ１５Ｂは低くなる。
図１９は、図１８に示す回路におけるモニタ電圧Ｖ１５の変動の一例を示すグラフであり、図２０は、図１８に示す回路におけるモニタ電圧Ｖ１５Ｂの変動の一例を示すグラフである。ここで、横軸は時間軸ｔを示し、縦軸は電圧値Ｖを示す。いずれのグラフにおいても、実線は、重力加速度などの外乱要因が全く作用していない状態のモニタ電圧の時間的変化を示している。図示のとおり、モニタ電圧Ｖ１５は、基準電圧Ｖref１を中心として、振幅Ａ１をもった交流波形をとり、モニタ電圧Ｖ１５Ｂは、基準電圧Ｖref２を中心として、振幅Ａ２をもった逆位相の交流波形をとる。
ところが、振動子に対して、図９に示すような方向に重力加速度αｇが作用すると、振動子の振動中心位置Ｌは、図１１(c) に示すように下方に移動するので、各モニタ電圧Ｖ１５，Ｖ１５Ｂは、図１９および図２０に破線で示すグラフのように変化する。すなわち、モニタ電圧Ｖ１５は、図１９の破線の波形として示されているように、全体的に低下し、その中心電圧は基準電圧Ｖref１よりも低いＶref１−（図に破線で示す電位レベル）になる。一方、モニタ電圧Ｖ１５Ｂは、図２０の破線の波形として示されているように、全体的に上昇し、その中心電圧は基準電圧Ｖref２よりも高いＶref２＋（図に破線で示す電位レベル）になる。
これとは逆に、振動子に対して、図１０に示すような方向に重力加速度αｇが作用すると、振動子の振動中心位置Ｌは、図１２(c) に示すように上方に移動するので、各モニタ電圧Ｖ１５，Ｖ１５Ｂは、図１９および図２０に一点鎖線で示すグラフのように変化する。すなわち、モニタ電圧Ｖ１５は、図１９の一点鎖線の波形として示されているように、全体的に上昇し、その中心電圧は基準電圧Ｖref１よりも高いＶref１＋（図に一点鎖線で示す電位レベル）になる。一方、モニタ電圧Ｖ１５Ｂは、図２０の一点鎖線の波形として示されているように、全体的に低下し、その中心電圧は基準電圧Ｖref２よりも低いＶref２−（図に一点鎖線で示す電位レベル）になる。
図１８の回路図に示すように、駆動制御回路３０には、基準電圧Ｖref１，Ｖref２が与えられている。そこで、駆動制御回路３０は、モニタ電圧Ｖ１５，Ｖ１５Ｂの中心電圧レベルを常に監視し、これらが基準電圧Ｖref１，Ｖref２を維持するようなフィードバック制御を行う。
具体的には、モニタ電圧Ｖ１５の中心電圧レベル（平均電圧）が基準電圧Ｖref１よりも低下したら（図１９の破線）、図１３(a) に示すように、交流電圧信号φ１の振幅を大きくする制御（ピーク電圧Ｖｐを高くする制御）を行い、逆に、モニタ電圧Ｖ１５の中心電圧レベル（平均電圧）が基準電圧Ｖref１よりも上昇したら（図１９の一点鎖線）、図１４(a) に示すように、交流電圧信号φ１の振幅を小さくする制御（ピーク電圧Ｖｐを低くする制御）を行う。
同様に、モニタ電圧Ｖ１５Ｂの中心電圧レベル（平均電圧）が基準電圧Ｖref２よりも上昇したら（図２０の破線）、図１３(b) に示すように、交流電圧信号φ２の振幅を小さくする制御（ピーク電圧Ｖｐを低くする制御）を行い、逆に、モニタ電圧Ｖ１５Ｂの中心電圧レベル（平均電圧）が基準電圧Ｖref２よりも低下したら（図２０の一点鎖線）、図１４(b) に示すように、交流電圧信号φ２の振幅を大きくする制御（ピーク電圧Ｖｐを高くする制御）を行う。
駆動制御回路３０によって、このようなフィードバック制御を行えば、振動子の振動態様を、図１３(c) や図１４(c) に示すような基準振動（原点Ｏの位置を重心Ｇの振動中心とし、予め設定された振幅Ａをもった振動）に維持することが可能になる。したがって、角速度検出回路４０は、重力加速度などの外乱要因の影響を受けない正確な角速度を検出することができる。
図１８に示す回路において、差分回路２１は、容量素子Ｃ１１の静電容量値と容量素子Ｃ１２の静電容量値との差を示す電圧Ｖｘを出力する。この電圧Ｖｘの大きさは、振動子に作用したＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘの大きさに対応し、その符号は、コリオリ力Ｆｘの向きを示すものになる（図７を参照）。同様に、差分回路２２は、容量素子Ｃ１３の静電容量値と容量素子Ｃ１４の静電容量値との差を示す電圧Ｖｙを出力する。この電圧Ｖｙの大きさは、振動子に作用したＹ軸方向のコリオリ力Ｆｙの大きさに対応し、その符号は、コリオリ力Ｆｙの向きを示すものになる。
角速度検出回路４０は、振動子が周期的運動（この実施形態の場合は、Ｚ軸方向への振動）を行っている状態において、この周期的運動に同期した所定タイミングで電圧Ｖｘ，Ｖｙを取り込み、電圧Ｖｘに対応する値をＹ軸まわりの角速度ωｙの検出値として出力し、電圧Ｖｙに対応する値をＸ軸まわりの角速度ωｘの検出値として出力する。要するに、コリオリ力検出用容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値を測定し、得られた静電容量値に基づいて所定軸まわりの角速度の検出値を出力することになる。
電圧Ｖｘ，Ｖｙを取り込むタイミング、別言すれば、コリオリ力検出用容量素子の静電容量値を測定するタイミングは、振動子の重心Ｇが原点Ｏ（すなわち、振動中心）を通過する瞬間に設定するのが好ましい。振動子の運動が予め設定された基準振動に維持されていれば、重心Ｇが原点Ｏを通過する瞬間に、振動子の速度は最大値に達するので、作用するコリオリ力も最大値に達することになる。したがって、このタイミングで取り込んだ電圧Ｖｘ，Ｖｙを、そのまま角速度ωｙ，ωｘを示す検出値として出力するようにすれば、最も効率が良い検出が可能になる。
角速度検出回路４０に、振動子の重心Ｇが原点Ｏを通過する測定タイミングを認識させる１つの方法は、交流信号源３１からの交流信号と遅延時間に相当する位相差ｄを角速度検出回路４０に与える方法である。図１８において、角速度検出回路４０に入力されている交流信号源３１からの交流信号と位相差ｄは、このタイミング認識に利用するための情報である。図８(c) に示すように、振動子の振動変位を示す波形は、交流電圧信号φ１に対して所定の位相差ｄをもっている。この位相差ｄは、センサを構成する構造体に固有の機械的特性と振動周波数に応じて定まる。したがって、交流信号源３１からの交流信号と位相差ｄとを角速度検出回路４０に与えておけば、振動子の重心Ｇが原点Ｏを通過するタイミング（図８(c) において、変位０を示す水平線を横切るタイミング）を把握することができる。
角速度検出回路４０に、振動子の重心Ｇが原点Ｏを通過する測定タイミングを認識させる別な方法は、モニタ用容量素子Ｃ１０，Ｃ１５Ｂの静電容量値、すなわち、モニタ電圧Ｖ１５，Ｖ１５Ｂを利用する方法である。図１８において、角速度検出回路４０にモニタ電圧Ｖ１５，Ｖ１５Ｂが入力されているのは、この方法によるタイミング認識を行う例を示すためのものである。モニタ電圧Ｖ１５，Ｖ１５Ｂは、たとえば、図１９，図２０に示すような波形の信号になる。ここで、上述したフィードバック制御が適正に行われていれば、各モニタ電圧Ｖ１５，Ｖ１５Ｂは、ほぼ図に実線で示す波形に維持されることになる。この場合、モニタ電圧Ｖ１５が基準電圧Ｖref１を横切るタイミング、もしくはモニタ電圧Ｖ１５Ｂが基準電圧Ｖref２を横切るタイミングは、振動子の重心Ｇが原点Ｏを通過する測定タイミングに対応する。よって、モニタ電圧Ｖ１５が基準電圧Ｖref１に一致したタイミング、もしくはモニタ電圧Ｖ１５Ｂが基準電圧Ｖref２に一致したタイミングとして、測定タイミングの認識が可能になる。
＜＜＜ §４．基本的な実施形態の変形例 ＞＞＞
さて、§３では、図１５に示すような構造体を有し、図１８に示すような信号処理回路を有する角速度センサを、本発明の基本的な実施形態に係る角速度センサとして例示したが、もちろん、本発明は、このような実施形態に限定されるものではない。
本発明は、振動子と、この振動子を収容する装置筐体と、振動子を装置筐体に対して接続する可撓性部材と、振動子の表面に設けられた複数の変位電極と、装置筐体に固定され、変位電極のそれぞれに対向する位置に設けられた複数の固定電極と、を備えた角速度センサに広く適用することが可能である。
本発明の第１の特徴は、上記構成をもったセンサにおいて、互いに対向する変位電極と固定電極とによって、それぞれ独立した容量素子を形成するようにし、振動子を駆動させるための駆動用容量素子と、振動子の駆動状態をモニタするためのモニタ用容量素子と、振動子に作用するコリオリ力を検出するためのコリオリ力検出用容量素子と、を設けるようにする点にある。
そして、本発明の第２の特徴は、駆動用容量素子に交流駆動信号を供給することにより、駆動用容量素子を構成する電極間にクーロン力を作用させ、振動子に周期的運動を生じさせる駆動制御回路と、振動子が周期的運動を行っている状態において、この周期的運動に同期した所定タイミングでコリオリ力検出用容量素子の静電容量値を測定し、得られた静電容量値に基づいて所定軸まわりの角速度の検出値を出力する角速度検出回路と、を設け、駆動制御回路によって、モニタ用容量素子の静電容量値をフィードバック量として、振動子の周期的運動が、予め設定された基準運動に維持されるようにフィードバック制御を行う点にある。
図１５に示す構造体は、上記特徴をもつ角速度センサを実現する一態様を示すものである。この構造体の場合、振動子の上面に形成された変位電極Ｄ１０と、これに対向する位置に設けられた固定電極Ｅ１０と、によって上方駆動用容量素子Ｃ１０が構成され、振動子の下面に形成された変位電極Ｄ１０Ｂと、これに対向する位置に設けられた固定電極Ｅ１０Ｂと、によって下方駆動用容量素子Ｃ１０Ｂが構成され、振動子の上面に形成された変位電極Ｄ１５と、これに対向する位置に設けられた固定電極Ｅ１５と、によって上方モニタ用容量素子Ｃ１５が構成され、振動子の下面に形成された変位電極Ｄ１５Ｂと、これに対向する位置に設けられた固定電極Ｅ１５Ｂと、によって下方モニタ用容量素子Ｃ１５Ｂが構成され、振動子の上面に形成された変位電極Ｄ１１〜Ｄ１４と、これに対向する位置に設けられた固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４と、によってコリオリ力検出用容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４が構成されている。
なお、図１８に示す回路では、各容量素子を構成する一対の電極において、変位電極側の電位を基準電位に固定し、固定電極側に交流駆動信号を供給したり、固定電極側の信号をＣ／Ｖ変換回路を介して取り出したりしているが、変位電極と固定電極との回路上での役割は入れ換えてもかまわない。
結局、図１８に示す駆動制御回路３０は、上方駆動用容量素子Ｃ１０を構成する一方の電極の電圧を基準として、他方の電極に対して第１の交流電圧信号φ１を供給することにより両電極間にクーロン力を作用させ、下方駆動用容量素子Ｃ１０Ｂを構成する一方の電極の電圧を基準として、他方の電極に対して、第１の交流電圧信号φ１とは逆位相の第２の交流電圧信号φ２を供給することにより両電極間にクーロン力を作用させ、作用させたクーロン力によって振動子を上下方向に振動させる処理を行い、更に、上方モニタ用容量素子Ｃ１５の静電容量を示すモニタ電圧Ｖ１５の振動中心レベルが、所定の基準レベルＶref１よりも小さくなったときには、上方駆動用容量素子Ｃ１０に作用させるクーロン力をより大きくする制御を行い、上方モニタ用容量素子Ｃ１５の静電容量を示すモニタ電圧Ｖ１５の振動中心レベルが、所定の基準レベルＶref１よりも大きくなったときには、上方駆動用容量素子Ｃ１０に作用させるクーロン力をより小さくする制御を行い、下方モニタ用容量素子Ｃ１５Ｂの静電容量を示すモニタ電圧Ｖ１５Ｂの振動中心レベルが、所定の基準レベルＶref２よりも小さくなったときには、下方駆動用容量素子Ｃ１０Ｂに作用させるクーロン力をより大きくする制御を行い、下方モニタ用容量素子Ｃ１５Ｂの静電容量を示すモニタ電圧Ｖ１５Ｂの振動中心レベルが、所定の基準レベルＶref２よりも大きくなったときには、下方駆動用容量素子Ｃ１０Ｂに作用させるクーロン力をより小さくする制御を行うようにすればよい。
なお、クーロン力を増減する制御を行うために、前述の実施形態では、駆動制御回路３０が、第１の交流電圧信号φ１および第２の交流電圧信号φ２として、互いに逆位相となる半波整流電圧信号を用い、作用させるクーロン力をより大きくする場合は、図１３(a) もしくは図１４(b) に示すように、供給する交流電圧信号の振幅を大きくし、作用させるクーロン力をより小さくする場合は、図１３(b) もしくは図１４(a) に示すように、供給する交流電圧信号の振幅を小さくしているが、クーロン力を増減させる方法は、このような振幅を制御する方法に限定されるものではない。
たとえば、作用させるクーロン力をより大きくする場合は、供給する交流電圧信号に正のオフセット電圧を加え、作用させるクーロン力をより小さくする場合は、供給する交流電圧信号に負のオフセット電圧を加える（但し、電圧値が負になる場合は０とする）という制御方法を採ることも可能である。
図２１は、図９に示す重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサにおいて、供給する交流電圧信号にオフセット電圧を印加することにより、振動子の運動が所定の基準振動に維持されるような制御を行う例を示すグラフである。図９に示す重力加速度αｇの影響を受けると、そのままでは、図１１(c) に示すように、振動中心位置Ｌが下方にずれることになる。
そこで、図２１(a) に示すように、交流電圧信号φ１に正のオフセット電圧＋Ｖoffsetを加えるようにし、交流信号に正の直流バイアス成分が重畳されるようにするとともに、図２１(b) に示すように、交流電圧信号φ２に負のオフセット電圧−Ｖoffsetを加えるようにし、交流信号に負の直流バイアス成分が重畳されるようにする。但し、電圧値が負になる場合は０とする。図２１(a) ，(b) において、破線で示す信号は制御前の信号（図１１(a) ，(b) と同じ信号）を示し、実線で示す信号は制御後の信号を示している。
このような制御後の交流電圧信号φ１，φ２を図１５に示す角速度センサに供給すると、振動子を上方向（Ｚ軸正方向）に引き寄せるクーロン力はより大きくなり、振動子を下方向（Ｚ軸負方向）に引き寄せるクーロン力はより小さくなるので、図２１(c) に示すように、振動中心位置Ｌは本来の位置（座標系の原点Ｏの位置）へ復帰する。したがって、図８(c) に示すように、重力加速度αｇが作用していない測定環境と同一の振動状態を維持することができ、正しい検出結果を得ることができる。
一方、図２２は、図１０に示す重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサにおいて、供給する交流電圧信号にオフセット電圧を印加することにより、振動子の運動が所定の基準振動に維持されるような制御を行う例を示すグラフである。図１０に示す重力加速度αｇの影響を受けると、そのままでは、図１２(c) に示すように、振動中心位置Ｌが上方にずれることになる。
そこで、図２２(a) に示すように、交流電圧信号φ１に負のオフセット電圧−Ｖoffsetを加えるようにし、交流信号に負の直流バイアス成分が重畳されるようにするとともに、図２２(b) に示すように、交流電圧信号φ２に正のオフセット電圧＋Ｖoffsetを加えるようにし、交流信号に正の直流バイアス成分が重畳されるようにする。但し、電圧値が負になる場合は０とする。図２２(a) ，(b) において、破線で示す信号は制御前の信号（図１１(a) ，(b) と同じ信号）を示し、実線で示す信号は制御後の信号を示している。
このような制御後の交流電圧信号φ１，φ２を図１５に示す角速度センサに供給すると、振動子を上方向（Ｚ軸正方向）に引き寄せるクーロン力はより小さくなり、振動子を下方向（Ｚ軸負方向）に引き寄せるクーロン力はより大きくなるので、図２２(c) に示すように、振動中心位置Ｌは本来の位置（座標系の原点Ｏの位置）へ復帰する。したがって、図８(c) に示すように、重力加速度αｇが作用していない測定環境と同一の振動状態を維持することができ、正しい検出結果を得ることができる。
なお、これまでの説明では、振動子を駆動させるための交流駆動信号として、正弦波形をとる交流電圧信号φ１，φ２を用いた例を述べたが、交流電圧信号φ１，φ２は必ずしも正弦波信号である必要はなく、矩形波や三角波など任意の波形をもった交流信号でかまわない。矩形波や三角波などを交流駆動信号として用いた場合でも、振動子はほぼ単振動に近い運動を行うことになり、実用上、何ら支障は生じない。
ところで、§３で述べた基本的な実施形態に係る角速度センサの場合、容量素子Ｃ１０（変位電極Ｄ１０と固定電極Ｅ１０）および容量素子Ｃ１０Ｂ（変位電極Ｄ１０Ｂと固定電極Ｅ１０Ｂ）を駆動用容量素子として利用し、容量素子Ｃ１５（変位電極Ｄ１５と固定電極Ｅ１５）および容量素子Ｃ１５Ｂ（変位電極Ｄ１５Ｂと固定電極Ｅ１５Ｂ）をモニタ用容量素子として利用しているが、いずれも役割分担を入れ替えてもかまわない。たとえば、容量素子Ｃ１０をモニタ用容量素子とし、容量素子Ｃ１５を駆動用容量素子とするような入れ替えを行ってもよいし、容量素子Ｃ１０Ｂをモニタ用容量素子とし、容量素子Ｃ１５Ｂを駆動用容量素子とするような入れ替えを行ってもよいし、これら両方の入れ替えを行ってもよい。
要するに、図１５に示す構造体は、振動子の上面の中心部に配置された上面中心電極Ｄ１０と、振動子の上面における上面中心電極Ｄ１０を取り囲む位置に配置された上面包囲電極Ｄ１５と、振動子の下面の中心部に配置された下面中心電極Ｄ１０Ｂと、振動子の下面における下面中心電極Ｄ１０Ｂを取り囲む位置に配置された下面包囲電極Ｄ１５Ｂと、を有しており、更に、これら各電極に対向する固定電極Ｅ１０，Ｅ１５，Ｅ１０Ｂ，Ｅ１５Ｂを有している。そこで、この場合、上面中心電極Ｄ１０および上面包囲電極Ｄ１５のいずれか一方を用いて上方駆動用容量素子を構成し、他方を用いて上方モニタ用容量素子を構成し、下面中心電極Ｄ１０Ｂおよび下面包囲電極Ｄ１５Ｂのいずれか一方を用いて下方駆動用容量素子を構成し、他方を用いて下方モニタ用容量素子を構成すればよい。
なお、図１５に示す具体的な構造体では、振動子の重心位置に原点Ｏを定義し、振動子の上面がＸＹ平面に平行になるように、ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、上方駆動用容量素子Ｃ１０、下方駆動用容量素子Ｃ１０Ｂ、上方モニタ用容量素子Ｃ１５、下方モニタ用容量素子Ｃ１５Ｂが、いずれもＺ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置に配置されている。このような配置を採ると、駆動制御回路３０が、上方駆動用容量素子Ｃ１０および下方駆動用容量素子Ｃ１０Ｂに対して交流駆動信号を供給することにより、振動子をＺ軸方向に安定して振動させることができ、この振動状態を効率的にモニタすることができる。
また、振動子の運動状態をモニタするためには、必ずしも上方モニタ用容量素子Ｃ１５と下方モニタ用容量素子Ｃ１５Ｂとの両方を設ける必要はなく、いずれか一方のみでも、振動子の運動制御を行うことは可能である。たとえば、上方モニタ用容量素子Ｃ１５のみを用いた制御を行う場合、フィードバック量としては、図１９に示すモニタ電圧Ｖ１５のみしか得られないことになるが、モニタ電圧Ｖ１５の振動中心レベルが、図に破線で示すように、所定の基準レベルＶref１よりも小さくなったときには、上方駆動用容量素子Ｃ１０に作用させるクーロン力をより大きくするとともに、下方駆動用容量素子Ｃ１０Ｂに作用させるクーロン力をより小さくする制御を行い、逆にモニタ電圧Ｖ１５の振動中心レベルが、図に一点鎖線で示すように、所定の基準レベルＶref１よりも大きくなったときには、上方駆動用容量素子Ｃ１０に作用させるクーロン力をより小さくするとともに、下方駆動用容量素子Ｃ１０Ｂに作用させるクーロン力をより大きくする制御を行えばよい。ただ、実用上は、振動子の上下両方にモニタ用容量素子を設け、モニタ電圧Ｖ１５，Ｖ１５Ｂの双方に基づくフィードバック制御を行うのが好ましい。
更に、上述の実施形態では、振動子の運動を予め設定された基準運動に維持するために、上方駆動用容量素子Ｃ１０に供給する交流電圧信号φ１と、下方駆動用容量素子Ｃ１０Ｂに供給する交流電圧信号φ２との双方に対するフィードバック制御を行っているが、いずれか一方についてのみフィードバック制御を行うことも可能である。たとえば、交流電圧信号φ２は常に一定に維持し、交流電圧信号φ１のみに対してフィードバック制御を行うことも可能であるし、逆に、交流電圧信号φ１は常に一定に維持し、交流電圧信号φ２のみに対してフィードバック制御を行うことも可能である。
但し、フィードバック制御を上下いずれか一方のみで行うと、振動子の振動中心レベルＬを所定の基準位置に維持することは可能であるが、振動子の振幅を一定に維持することはできなくなる。たとえば、重力加速度αｇの影響により、振動子の振動中心レベルＬが、図１１(c) に示すように本来の位置より下方にずれた場合、これまで述べてきた実施形態では、図１３(a) に示すように、上方駆動用容量素子Ｃ１０に供給する交流電圧信号φ１の振幅を大きくするとともに、図１３(b) に示すように、下方駆動用容量素子Ｃ１０Ｂに供給する交流電圧信号φ２の振幅を小さくするフィードバック制御を行っていたが、交流電圧信号φ２の振幅は一定に保ちつつ、交流電圧信号φ１の振幅のみを大きくするような制御を行っても、振動子の振動中心レベルＬを本来の位置に維持する制御が可能である。しかしながら、交流電圧信号φ１の振幅のみを大きくする制御を行うと、振動子の上下の振幅は全体的に増えてしまうことになる。同様に、上例の場合、交流電圧信号φ１の振幅は一定に保ちつつ、交流電圧信号φ２の振幅のみを小さくするような制御を行っても、振動子の振動中心レベルＬを本来の位置に維持する制御が可能であるが、今度は、振動子の上下の振幅は全体的に減ってしまうことになる。
要するに、フィードバック制御を上下いずれか一方のみで行うと、振動子に交流電圧信号として供給する電力量が変動を生じ、振動子の振幅が変化してしまうことになる。ここで、交流電圧信号の周波数が一定であるとすると、振動子の振幅変化は振動子の速度変化となって現れる。しかも、振動子に作用するコリオリ力は、振動子の速度に比例した値になるので、コリオリ力検出用容量素子の静電容量値として測定されるコリオリ力の値は、その時点の振動子の振幅によって変動してしまうことになる。
このような問題に対処するには、フィードバック制御を上下いずれか一方のみで行う場合、コリオリ力検出用容量素子の所定タイミングにおける静電容量値を角速度の大きさを示す値として出力する際に、その時点の振動子の振幅に応じた補正を行うようにすればよい。具体的には、振幅が基準より大きければ、出力値を小さくし、振幅が基準より小さければ、出力値を大きくする補正を行うことになる。なお、その時点の振幅値は、モニタ用容量素子の静電容量に基づいて認識することもできるし、駆動用容量素子に供給する交流電圧信号の振幅に基づいて認識することもできる。
もちろん、フィードバック制御を上下いずれか一方のみで行う運用は、図２１および図２２に示すように、交流電圧信号に直流バイアス成分を加えて制御を行う方法においても同様に行うことができる。
なお、センサの構造を更に単純化する上では、駆動用容量素子を上下いずれか一方のみに設けるような実施形態も可能である。たとえば、図１５に示す実施例では、上方駆動用容量素子Ｃ１０（電極Ｄ１０とＥ１０）と下方駆動用容量素子Ｃ１０Ｂと（電極Ｄ１０ＢとＥ１０Ｂ）の双方により、振動子を上下方向に振動させているが、振動子の上下振動は、上方駆動用容量素子Ｃ１０のみによって行うことも可能である。すなわち、上方モニタ用容量素子Ｃ１５（電極Ｄ１５とＥ１５）の静電容量値をフィードバック量として、上方駆動用容量素子Ｃ１０に供給する交流電圧信号φ１のみに対してフィードバック制御を行っても、上述したように、振動子の振動中心レベルＬを所定の基準位置に維持することは可能である（振幅は変動してしまうので、上述したような補正が必要になる）。そのような運用を採る場合には、図１５に示されている変位電極Ｄ１０Ｂ，Ｄ１５Ｂおよび固定電極Ｅ１０Ｂ，Ｅ１５Ｂは不要になる。
一方、コリオリ力検出用容量素子の配置に関しては、図１５に示す具体的な構造体では、振動子上面（可撓性基板２００の上面）に対するＸ軸およびＹ軸の正射影像を定義したときに、Ｘ軸の正射影像の正の部分に配置された容量素子Ｃ１１および負の部分に配置された容量素子Ｃ１２によって、Ｘ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを検出するためのコリオリ力検出用容量素子が構成され、Ｙ軸の正射影像の正の部分に配置された容量素子Ｃ１３および負の部分に配置された容量素子Ｃ１４によって、Ｙ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを検出するためのコリオリ力検出用容量素子が構成されている。このような構成を採れば、両容量素子Ｃ１１，Ｃ１２の静電容量値の差に基づいてコリオリ力Ｆｘを決定し、両容量素子Ｃ１３，Ｃ１４の静電容量値の差に基づいてコリオリ力Ｆｙを決定することができるので、角速度検出回路４０は、コリオリ力Ｆｘに基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出し、コリオリ力Ｆｙに基づいてＸ軸まわりの角速度ωｘを検出することができる。
図２３は、図１５に示す角速度センサにおいて、電極構成を変更した変形例についての可撓性基板２００の上面図である。ここでも、ハッチングは、電極形状を示すためのものである。この変形例では、可撓性基板２００の上面には、９枚の変位電極Ｄ２０〜Ｄ２９が形成されている。また、図示は省略するが、上方基板１００の下面には、この９枚の変位電極Ｄ２０〜Ｄ２９に対向する固定電極Ｅ２０〜Ｅ２９が形成されており、互いに対向する一対の電極により、合計９組の容量素子Ｃ２０〜Ｃ２９が構成されることになる。なお、振動子の下面側の電極構成は、これまで述べた基本的な実施形態と同様である。
この変形例の場合、容量素子Ｃ２０は駆動用容量素子として利用され、容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４はコリオリ力検出用容量素子として利用され、容量素子Ｃ２６〜Ｃ２９はモニタ用容量素子として利用される。ここで、駆動用容量素子Ｃ２０の機能は、これまで述べた実施形態における駆動用容量素子Ｃ１０の機能と全く同じであり、コリオリ力検出用容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４の機能も、これまで述べた実施形態におけるコリオリ力検出用容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の機能と全く同じである。そして、モニタ用容量素子Ｃ２６〜Ｃ２９は、これまで述べた実施形態におけるモニタ用容量素子Ｃ１５とほぼ同等の機能を果たす。
ただ、図１５に示す実施形態の場合、ワッシャ状の変位電極Ｄ１５とワッシャ状の固定電極Ｅ１５によって、単一のモニタ用容量素子Ｃ１５が構成されていたが、図２３に示す電極構成を採る変形例の場合、同一平面上（図２３に示す可撓性基板２００の上面）においてＺ軸を取り囲む位置に配置された複数の容量素子Ｃ２６〜Ｃ２９によって、モニタ用容量素子が構成されていることになる。このように、複数の容量素子Ｃ２６〜Ｃ２９によってモニタ用容量素子を構成した場合、駆動制御回路３０は、これら複数の容量素子Ｃ２６〜Ｃ２９の静電容量値の平均値をフィードバック量として、フィードバック制御を行うようにすればよい。
また、このように、複数の容量素子Ｃ２６〜Ｃ２９によってモニタ用容量素子を構成すると、振動子の振動方向がＺ軸から外れたことを検出できる。たとえば、容量素子Ｃ２６の静電容量値と容量素子Ｃ２７の静電容量値とに差が生じれば、当該差は振動方向がＸ軸方向にずれていることを示し、容量素子Ｃ２８の静電容量値と容量素子Ｃ２９の静電容量値とに差が生じれば、当該差は振動方向がＹ軸方向にずれていることを示す。
もちろん、角速度検出にあたっては、Ｘ軸方向やＹ軸方向にコリオリ力が作用するので、このようなコリオリ力も、上記差を生じさせる要因になる。しかしながら、通常の測定環境においては起こり得ないような大きな差が生じた場合には、何らかの異常により振動軸がＺ軸から外れたと判断することができる。そこで、これら複数の容量素子Ｃ２６〜Ｃ２９の静電容量値の差が、所定のしきい値以上になった場合には、何らかの異常報知信号を出力するような仕組を設けておけば、ユーザに何らかの異常が発生したことを知らせることができる。
また、振動子の下面側に設ける下方モニタ用容量素子を、同一平面上においてＺ軸を取り囲む位置に配置された複数の容量素子によって構成することも可能であり、その場合の取り扱いは、上述した上方モニタ用容量素子を複数の容量素子によって構成した場合と同様である。
図２４は、図１５に示す角速度センサにおいて、基板等の形状および電極形状を変更した変形例についての可撓性基板２２０の上面図である。ここでも、ハッチングは、電極形状を示すためのものである。図２４に示す可撓性基板２２０は、これまで述べてきた例のような円盤状ではなく、正方形をした板状基板となっており、図示されていないが、その下面には、四角柱状の重錘体が接合されている。可撓性基板２２０の上面には、図示のとおり、６枚の変位電極Ｄ３０〜Ｄ３５が形成されている。四角柱状の重錘体の上面のサイズは、変位電極Ｄ３１〜Ｄ３４の最外郭輪郭線で囲まれた正方形とほぼ等しくなっている。
もちろん、上方基板の下面には、各変位電極Ｄ３０〜Ｄ３５に対向した固定電極Ｅ３０〜Ｅ３５が設けられており、重錘体の下面および下方基板の上面にも、これまで述べてきた例における変位電極Ｄ１０Ｂ，Ｄ１５Ｂおよび固定電極Ｅ１０Ｂ，Ｅ１５Ｂが設けられている。
このように、この変形例は、可撓性基板２２０および重錘体の平面形状が円形ではなく、正方形となっている点において、これまで述べてきた基本的な実施形態と相違するが、角速度の検出原理については、何ら相違はない。すなわち、図２４に示す変位電極Ｄ３０〜Ｄ３５は、図１７に示す変位電極Ｄ１０〜Ｄ１５と全く同等の機能を果たすことになる。
なお、これまで述べてきた実施形態では、変位電極および固定電極を、それぞれ物理的に独立した個別の導電層によって構成した例を述べたが、それぞれ独立した容量素子が形成されるという条件が満足される限りにおいて、複数の変位電極もしくは複数の固定電極を物理的に単一の導電層によって構成することが可能である。
たとえば、図１８に示す回路では、すべての変位電極Ｄ１０〜Ｄ１５，Ｄ１０Ｂ，Ｄ１５Ｂが接地電位に接続されており、等電位となっている。したがって、これらすべての変位電極を物理的に単一の導電層によって構成したとしても、各容量素子Ｃ１０〜Ｃ１５，Ｃ１０Ｂ，Ｃ１５Ｂは、それぞれ電気的に独立した容量素子として機能する。このような場合、実用上は、すべての変位電極Ｄ１０〜Ｄ１５，Ｄ１０Ｂ，Ｄ１５Ｂを物理的に単一の導電層によって構成することにより、センサの構造を単純化することができる。
特に、振動子を導電性材料によって構成し、各変位電極を振動子の表面層のそれぞれ特定の部分領域によって構成し、すべての変位電極が共通電位となるようにすれば、個別の変位電極を形成する必要がなくなり、製造コストを大幅に低減できる。
図２５は、図１５に示す角速度センサにおいて、すべての変位電極を単一の共通電極に置き換えた変形例を示す斜視図である。図示の可撓性基板２００および重錘体４００は、金属などの導電性材料から構成されているので、その表面がそのまま単一の共通電極層として機能する。このため、振動子表面における各固定電極Ｅ１０〜Ｅ１５，Ｅ１０Ｂ，Ｅ１５Ｂに対向する特定の部分領域が、個々の変位電極Ｄ１０〜Ｄ１５，Ｄ１０Ｂ，Ｄ１５Ｂとしての役割を果たすことになる。図１８の回路に示すように、すべての変位電極Ｄ１０〜Ｄ１５，Ｄ１０Ｂ，Ｄ１５Ｂを接地電位に固定するのであれば、図２５に示すように、可撓性基板２００の任意の箇所を接地すればよい。
＜＜＜ §５．本発明の汎用型実施形態 ＞＞＞
最後に、本発明に係る角速度センサの汎用型実施形態を述べておく。これまで述べた実施形態は、振動子をＺ軸方向に振動させた状態において、Ｘ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを測定してＹ軸まわりの角速度ωｙを検出し、Ｙ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを測定してＸ軸まわりの角速度ωｘを検出する二軸角速度センサについての実施例であった。しかしながら、振動子の運動は、必ずしもＺ軸方向に沿った振動に限定されるものではなく、Ｘ軸方向に沿って振動させたり、Ｙ軸方向に沿って振動させたり、あるいは円運動させたりすることも可能であり、その運動方向に応じて、検出可能な角速度の成分も変わってくる。
ここに述べる実施形態は、用いる信号処理回路を変えることにより、様々な検出動作が可能になる汎用型の角速度センサの実施例である。この汎用型の実施形態の基本構造は、図２５に示すセンサとほぼ同じであるが、可撓性基板２００の代わりに、図２６に示すような可撓性基板２５０が用いられる。この可撓性基板２５０は、金属などの導電性をもった材料からなり、可撓性をもった板状の基板であるが、その重要な特徴は、厚み方向に貫通するスリットＳ１〜Ｓ４が形成されている点である。各スリットＳ１〜Ｓ４は、いずれも「ム」の字状をしている。
図２７は、図２６に示す可撓性基板２５０の形状を明確に示すための平面図である。この図２７におけるハッチング部分は、基板としての実体部分を示しており、ハッチングが施されていない部分は、スリットＳ１〜Ｓ４に相当する部分である。このスリットＳ１〜Ｓ４の存在により、可撓性基板２５０は、４枚の台形状の翼状部２５１〜２５４と、図２６に破線で囲われている円形の中心部２５５と、４本の橋梁部Ｂ１〜Ｂ４と、外側に位置するフレーム状の周囲部２５６と、に分けられる。円形の中心部２５５の下面には、円柱状の重錘体４５０が接合されている。
この実施形態の場合、円形の中心部２５５と、その下面に接合されている円柱状の重錘体４５０と、４枚の台形状の翼状部２５１〜２５４と、によって構成される一塊の物体が振動子として機能し、４本の橋梁部Ｂ１〜Ｂ４が、この振動子を支持するための可撓性部材として機能する。フレーム状の周囲部２５６は、装置筐体に固定されるので、振動子は、可撓性をもった４本の橋梁部Ｂ１〜Ｂ４によって、装置筐体に対して接続されることになる。
要するに、図２５に示す構造体では、可撓性部材（可撓性基板２００の外側部分）が、振動子（可撓性基板２００の内側部分と、その下面に接合された重錘体４００）の周囲を取り囲む形状をなし、可撓性をもった板状構造体によって構成されており、この板状構造体の内側部分を振動子に接続し、外側部分を装置筐体に固定する構成をとっているのに対して、図２６に示す構造体では、可撓性部材が、可撓性をもった複数の橋梁部Ｂ１〜Ｂ４によって構成されており、各橋梁部Ｂ１〜Ｂ４の内側端が振動子に接続され、外側端が装置筐体に固定されている構成をとることになる。なお、各翼状部２５１〜２５４の下面にも重錘体を配置し、振動子の質量を増加させるようにしてもよい。
この§５で述べる汎用型実施形態の場合、可撓性基板２５０および重錘体４５０が半導体や金属などの導電性材料から構成されており、その表面が共通の変位電極として機能する。したがって、個別の変位電極を構成する必要はない。
可撓性基板２５０の上方には、図２８に下面図を示すような上方基板１５０が配置される。ここで、Ｘ′軸およびＹ′軸は、それぞれＸ軸およびＹ軸の正射影像である。この上方基板１５０の下面には、図示のとおり、固定電極Ｅ４１〜Ｅ５０が形成されている（ハッチングは、電極形状を示すためのものである）。また、重錘体４５０の下方には、図２５に示すような下方基板３００が配置される（この点は、前述した実施形態と同様である）。この下方基板３００の上面には、図２５に示すとおり、固定電極Ｅ１０Ｂ，Ｅ１５Ｂが形成されている。
結局、ここで述べる汎用型実施形態に係る角速度センサは、振動子の上方に設けられた合計１０組の容量素子Ｃ４１〜Ｃ５０と、振動子の下方に設けられた２組の容量素子Ｃ１０Ｂ，Ｃ１５Ｂとを有している（前述したとおり、本願では、任意の変位電極Ｄｘとこれに対向する固定電極Ｅｘとによって構成される静電容量素子を、容量素子Ｃｘと呼ぶ）。ここで、上方に設けられた合計１０組の容量素子Ｃ４１〜Ｃ５０の配置は、振動子の重心位置に原点Ｏを定義し、振動子の上面がＸＹ平面に平行になるように、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、Ｘ軸およびＹ軸の振動子上面に対する正射影像Ｘ′軸およびＹ′軸を定義すれば、次のとおりである。
第１の容量素子Ｃ４１：Ｘ′の正の部分に配置されている。第２の容量素子Ｃ４２：Ｘ′軸の負の部分に配置されている。第３の容量素子Ｃ４３：Ｙ′軸の正の部分に配置されている。第４の容量素子Ｃ４４：Ｙ′軸の負の部分に配置されている。第５の容量素子Ｃ４５：Ｚ軸上に配置されている（Ｚ軸を取り囲む位置に配置してもよい）。第６の容量素子Ｃ４６：Ｘ′軸の正の部分における第１の容量素子Ｃ４１とは重ならない位置に配置されている。第７の容量素子Ｃ４７：Ｘ′軸の負の部分における第２の容量素子Ｃ４２とは重ならない位置に配置されている。第８の容量素子Ｃ４８：Ｙ′軸の正の部分における第３の容量素子Ｃ４３とは重ならない位置に配置されている。第９の容量素子Ｃ４９：Ｙ′軸の負の部分における第４の容量素子Ｃ４４とは重ならない位置に配置されている。第１０の容量素子Ｃ５０：Ｚ軸を取り囲む位置（もしくは、Ｚ軸上の位置でもよい）であって、第５の容量素子Ｃ４５とは重ならない位置に配置されている。
しかも、第１の容量素子Ｃ４１と第２の容量素子Ｃ４２は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第３の容量素子Ｃ４３と第４の容量素子Ｃ４４は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第５の容量素子Ｃ４５はＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしており、第６の容量素子Ｃ４６と第７の容量素子Ｃ４７は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第８の容量素子Ｃ４８と第９の容量素子Ｃ４９は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第１０の容量素子Ｃ５０はＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしている。
また、振動子の下方に設けられた容量素子Ｃ１０ＢおよびＣ１５Ｂは、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置であって、相互に重ならない位置に配置されており、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしている。
このように、各容量素子について、幾何学的に対称となる配置や形状を採用すると、信号処理回路を単純化させる上で役立つ。上述した各容量素子の中から、振動子を駆動させるための駆動用容量素子と、振動子の駆動状態をモニタするためのモニタ用容量素子と、振動子に作用するコリオリ力を検出するためのコリオリ力検出用容量素子と、を適宜選択して用いることにより、振動子に対して所定の周期的運動を生じさせた状態で、所定軸まわりの角速度を検出する角速度センサを実現することができる。
以下、この汎用型実施形態に係る構造体を利用して、具体的な角速度センサを構成した例をいくつか述べておく。
（１） 振動子をＺ軸方向に振動させるセンサ
図２８に示す１０枚の固定電極Ｅ４１〜Ｅ５０のうち、電極Ｅ４１，Ｅ４６の２枚に、図１６に示す電極Ｅ１１の役割を担わせ、電極Ｅ４２，Ｅ４７の２枚に、図１６に示す電極Ｅ１２の役割を担わせ、電極Ｅ４３，Ｅ４８の２枚に、図１６に示す電極Ｅ１３の役割を担わせ、電極Ｅ４４，Ｅ４９の２枚に、図１６に示す電極Ｅ１４の役割を担わせるようにすれば、この汎用型実施形態に係る角速度センサは、§３で述べた基本的な実施形態に係る角速度センサとして機能し、振動子をＺ軸方向に振動させた状態において、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｙとを検出する二軸角速度センサとして利用できる。もちろん、電極Ｅ４６〜Ｅ４９を利用せずに、電極Ｅ４１〜Ｅ４４のみをコリオリ力検出に利用してもよいし、逆に、電極Ｅ４１〜Ｅ４４を利用せずに、電極Ｅ４６〜Ｅ４９のみをコリオリ力検出に利用してもよい。
（２） 振動子をＸＹ平面に沿って円運動させるセンサ
図２８に示す１０枚の固定電極Ｅ４１〜Ｅ５０を用いて構成される１０組の容量素子Ｃ４１〜Ｃ５０のうち、４組の容量素子Ｃ４１〜Ｃ４４を駆動用容量素子として利用し、４組の容量素子Ｃ４６〜Ｃ４９をモニタ用容量素子として利用し、１組の容量素子Ｃ４５をＺ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを検出するコリオリ力検出用容量素子として利用する。
この場合、駆動制御回路３０は、時計まわりに配置されている４組の駆動用容量素子Ｃ４１，Ｃ４３，Ｃ４２，Ｃ４４に対して、それぞれ位相が順次π／２ずつ遅れた交流駆動信号（たとえば、半波整流された正弦波電圧信号）を供給することにより、振動子をＸＹ平面に平行な平面内で円運動させることができる。あるいは、反時計まわりの順に並べた４組の駆動用容量素子Ｃ４１，Ｃ４４，Ｃ４２，Ｃ４３に対して、それぞれ位相が順次π／２ずつ遅れた交流駆動信号を供給すれば、逆まわりの円運動を行わせることができる。
このとき、駆動制御回路３０が、４組のモニタ用容量素子Ｃ４６〜Ｃ４９の静電容量値をフィードバック量として、振動子の運動が、予め設定された基準円運動に維持されるようにフィードバック制御を行うようにしておく。そうすれば、重力加速度などの外乱要因が作用したとしても、振動子の運動は基準円運動に維持されることになる。
具体的には、個々のモニタ用容量素子について、それぞれ最も近い位置に配置されている駆動用容量素子を対応づけ、駆動制御回路３０が、特定のモニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも小さくなったときには、これに対応する駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより大きくする制御を行い、特定のモニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも大きくなったときには、これに対応する駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより小さくする制御を行うようにすればよい。
たとえば、図２８に示す例では、モニタ用容量素子Ｃ４６には駆動用容量素子Ｃ４１が対応づけられ、モニタ用容量素子Ｃ４７には駆動用容量素子Ｃ４２が対応づけられ、モニタ用容量素子Ｃ４８には駆動用容量素子Ｃ４３が対応づけられ、モニタ用容量素子Ｃ４９には駆動用容量素子Ｃ４４が対応づけられる。したがって、たとえば、モニタ用容量素子Ｃ４６の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも小さくなったときには、これに対応する駆動用容量素子Ｃ４１に作用させるクーロン力をより大きくする制御を行い、所定の基準レベルよりも大きくなったときには、駆動用容量素子Ｃ４１に作用させるクーロン力をより小さくする制御を行えばよい。
実際には、各駆動用容量素子に供給する交流駆動信号として、半波整流電圧信号を用いるのであれば、作用させるクーロン力をより大きくする場合は、供給する交流電圧信号の振幅を大きくし、作用させるクーロン力をより小さくする場合は、供給する交流電圧信号の振幅を小さくする制御を行えばよい。あるいは、作用させるクーロン力をより大きくする場合は、供給する交流電圧信号に正のオフセット電圧を加え、作用させるクーロン力をより小さくする場合は、供給する交流電圧信号に負のオフセット電圧を加える（但し、電圧値が負になる場合は０とする）ようにしてもよい。
こうして、駆動制御回路３０によって、振動子がＸＹ平面に平行な平面内での基準円運動を続行するような制御を行いながら、角速度検出回路４０によって、所定タイミングで振動子に作用するコリオリ力を検出することにより、所定軸まわりの角速度検出が可能になる。具体的には、振動子の重心ＧがＸＺ平面を通過するタイミングで測定されたコリオリ力Ｆｚ（コリオリ力検出用容量素子Ｃ４５の静電容量）に基づいてＸ軸まわりの角速度ωｘを検出し、振動子の重心ＧがＹＺ平面を通過するタイミングで測定されたコリオリ力Ｆｚ（コリオリ力検出用容量素子Ｃ４５の静電容量）に基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出することができる。
なお、Ｚ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを検出するためのコリオリ力検出用容量素子としては、容量素子Ｃ４５の代わりに、容量素子Ｃ５０、容量素子Ｃ１０Ｂ、Ｃ１５Ｂを用いることもできるし、これらを組み合わせて用いることできる。また、４組の容量素子Ｃ４６〜Ｃ４９を駆動用容量素子として利用し、４組の容量素子Ｃ４１〜Ｃ４４をモニタ用容量素子として利用することも可能である。
更に、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出するのであれば、モニタ用容量素子Ｃ４６，Ｃ４７を、Ｘ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを検出するコリオリ力検出用容量素子として兼用し、角速度検出回路４０が、振動子の重心ＧがＸＺ平面を通過するタイミングで測定されたコリオリ力Ｆｘ（容量素子Ｃ４６の静電容量と容量素子Ｃ４７の静電容量との差）に基づいてＺ軸まわりの角速度ωｚを検出するようにすればよい。あるいは、モニタ用容量素子Ｃ４８，Ｃ４９を、Ｙ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを検出するコリオリ力検出用容量素子として兼用し、角速度検出回路４０が、振動子の重心ＧがＹＺ平面を通過するタイミングで測定されたコリオリ力Ｆｙ（容量素子Ｃ４８の静電容量と容量素子Ｃ４９の静電容量との差）に基づいてＺ軸まわりの角速度ωｚを検出するようにしてもよい。
このように、本発明に係る角速度センサでは、物理的に同一の容量素子を、モニタ用容量素子およびコリオリ力検出用容量素子として兼用することが可能である。このように、容量素子の兼用を行うようにすれば、電極の形成を単純化できるメリットが得られる。
（３） 振動子をＸＹ平面に沿って円運動させるセンサの変形例
上述した実施例では、図２８に示す１０枚の固定電極Ｅ４１〜Ｅ５０を用いて構成される１０組の容量素子Ｃ４１〜Ｃ５０のうち、４組の容量素子Ｃ４１〜Ｃ４４を駆動用容量素子として利用し、４組の容量素子Ｃ４６〜Ｃ４９をモニタ用容量素子として利用し、１組の容量素子Ｃ４５をＺ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを検出するコリオリ力検出用容量素子として利用することにより、振動子をＸＹ平面に沿って円運動させながら、Ｚ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚの検出を行っている。しかしながら、このような実施例では、振動子の運動を予め設定された基準円運動に維持することができない場合がある。これは、一対の電極間に所定の電圧を印加する方法では、クーロン引力を作用させることはできるが、クーロン斥力を作用させることができないためである。
たとえば、重力加速度αｇがＺ軸負方向に作用したために、振動子の運動軌跡が基準円運動に対してＺ軸負方向に変位した場合であれば、４組の駆動用容量素子Ｃ４１〜Ｃ４４の各電極間の印加電圧を増加させてクーロン引力を強化させ、振動子の運動軌跡を上方基板１５０側に引き上げるフィードバック制御を行うことができる。ところが、逆に、重力加速度αｇがＺ軸正方向に作用したために（たとえば、センサ全体を天地逆に設置した場合など）、振動子の運動軌跡が基準円運動に対してＺ軸正方向に変位した場合は、４組の駆動用容量素子Ｃ４１〜Ｃ４４の各電極間に所定電圧を印加することによってクーロン斥力を作用させることはできないため、振動子の運動軌跡が基準円運動となるようなフィードバック制御を行うことができなくなる。
このような状況にも対応できるようにするには、図２８に示す上方基板１５０と全く同じ基板を下方基板１５０Ｂとして、重錘体の下方に配置すればよい。図２８に示す上方基板１５０には、１０枚の固定電極Ｅ４１〜Ｅ５０が形成されているが、ここでは説明の便宜上、下方基板１５０Ｂ側に形成された１０枚の固定電極をＥ４１Ｂ〜Ｅ５０Ｂと呼ぶことにしよう。ここで、上方基板１５０側の固定電極Ｅ４１〜Ｅ５０と、下方基板１５０Ｂ側の固定電極Ｅ４１Ｂ〜Ｅ５０Ｂとは、それぞれ対向する位置にあるものとする。
結局、ここに示す変形例では、重錘体の上面には１０組の上面側容量素子Ｃ４１〜Ｃ５０が配置され、重錘体の下面には１０組の下面側容量素子Ｃ４１Ｂ〜Ｃ５０Ｂが配置されることになる。これらのうち、８組の容量素子Ｃ４１〜Ｃ４４，Ｃ４１Ｂ〜Ｃ４４Ｂを駆動用容量素子として利用し、８組の容量素子Ｃ４６〜Ｃ４９，Ｃ４６Ｂ〜Ｃ４９Ｂをモニタ用容量素子として利用し、２組の容量素子Ｃ４５，Ｃ４５ＢをＺ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを検出するコリオリ力検出用容量素子として利用することにより、振動子をＸＹ平面に沿って円運動させながら、Ｚ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚの検出を行うことになる。
この変形例において、駆動制御回路３０は、上面側の４組の駆動用容量素子Ｃ４１，Ｃ４３，Ｃ４２，Ｃ４４に対して、それぞれ位相が順次π／２ずつ遅れた交流駆動信号（たとえば、半波整流された正弦波電圧信号）を供給するとともに、下面側の４組の駆動用容量素子Ｃ４１Ｂ，Ｃ４３Ｂ，Ｃ４２Ｂ，Ｃ４４Ｂに対しては、それぞれＣ４１，Ｃ４３，Ｃ４２，Ｃ４４とは逆位相の（位相がπずれた）交流駆動信号を供給することにより、振動子をＸＹ平面に平行な平面内で円運動させることができる。
たとえば、第１四半周期のタイミングでは、Ｃ４１およびＣ４２Ｂにのみ電圧印加してクーロン引力を作用させ、振動子の重心Ｇが、Ｘ軸正方向に変位した状態とする。続く第２四半周期のタイミングでは、Ｃ４３およびＣ４４Ｂにのみ電圧印加してクーロン引力を作用させ、振動子の重心Ｇが、Ｙ軸正方向に変位した状態とする。次の第３四半周期のタイミングでは、Ｃ４２およびＣ４１Ｂにのみ電圧印加してクーロン引力を作用させ、振動子の重心Ｇが、Ｘ軸負方向に変位した状態とする。最後の第４四半周期のタイミングでは、Ｃ４４およびＣ４３Ｂにのみ電圧印加してクーロン引力を作用させ、振動子の重心Ｇが、Ｙ軸負方向に変位した状態とする。
このとき、駆動制御回路３０が、８組のモニタ用容量素子Ｃ４６〜Ｃ４９，Ｃ４６Ｂ〜Ｃ４９Ｂの静電容量値をフィードバック量として、振動子の運動が、予め設定された基準円運動に維持されるようにフィードバック制御を行うようにしておく。そうすれば、重力加速度などの外乱要因が作用したとしても、振動子の運動は基準円運動に維持されることになる。
具体的には、個々のモニタ用容量素子について、それぞれ最も近い位置に配置されている駆動用容量素子を対応づけ、駆動制御回路３０が、特定のモニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも小さくなったときには、これに対応する駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより大きくする制御を行い、特定のモニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも大きくなったときには、これに対応する駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより小さくする制御を行うようにすればよい。
たとえば、上面側の容量素子の場合、モニタ用容量素子Ｃ４６には駆動用容量素子Ｃ４１が対応づけられ、モニタ用容量素子Ｃ４７には駆動用容量素子Ｃ４２が対応づけられ、モニタ用容量素子Ｃ４８には駆動用容量素子Ｃ４３が対応づけられ、モニタ用容量素子Ｃ４９には駆動用容量素子Ｃ４４が対応づけられる。同様に、下面側の容量素子の場合、モニタ用容量素子Ｃ４６Ｂには駆動用容量素子Ｃ４１Ｂが対応づけられ、モニタ用容量素子Ｃ４７Ｂには駆動用容量素子Ｃ４２Ｂが対応づけられ、モニタ用容量素子Ｃ４８Ｂには駆動用容量素子Ｃ４３Ｂが対応づけられ、モニタ用容量素子Ｃ４９Ｂには駆動用容量素子Ｃ４４Ｂが対応づけられる。
ここで、たとえば、モニタ用容量素子Ｃ４６の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも小さくなったときには、これに対応する駆動用容量素子Ｃ４１に作用させるクーロン力をより大きくする制御を行い、所定の基準レベルよりも大きくなったときには、駆動用容量素子Ｃ４１に作用させるクーロン力をより小さくする制御を行えばよい。同様に、モニタ用容量素子Ｃ４６Ｂの静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも小さくなったときには、これに対応する駆動用容量素子Ｃ４１Ｂに作用させるクーロン力をより大きくする制御を行い、所定の基準レベルよりも大きくなったときには、駆動用容量素子Ｃ４１Ｂに作用させるクーロン力をより小さくする制御を行えばよい。
このように、振動子の上面側と下面側の双方に駆動用容量素子を配置するようにすれば、上下いずれの方向にもクーロン引力を作用させることが可能になるため、振動子の運動が予め設定された基準円運動になるように、正確に制御することができる。
なお、容量素子Ｃ５０およびＣ５０Ｂを運動面位置補正用容量素子として加え、振動子が正しい円運動を行うように制御する役割と、当該円運動面のＺ軸方向に関する位置が基準位置となるように制御する役割とを分担させるようにしてもよい。すなわち、８組の駆動用容量素子Ｃ４１〜Ｃ４４、Ｃ４１Ｂ〜Ｃ４４Ｂについては、上述したように、８組のモニタ用容量素子Ｃ４６〜Ｃ４９、Ｃ４６Ｂ〜Ｃ４９Ｂから得られるフィードバック量に基づいて、振動子が基準円運動を行うような制御を行う。それと同時に、運動面位置補正用容量素子Ｃ５０およびＣ５０Ｂには、それぞれ所定の直流電圧を印加し、この電圧値のバランスをとることにより、振動子の円運動面が所定の基準位置にくるように制御するのである。
すなわち、円運動面がＺ軸負方向にずれている場合には、容量素子Ｃ５０への印加電圧を増加するか、容量素子Ｃ５０Ｂへの印加電圧を減少させるか、その両方を行うことにより、Ｚ軸正方向へのクーロン力が増加するような制御を行い、円運動面がＺ軸正方向にずれている場合には、容量素子Ｃ５０への印加電圧を減少させるか、容量素子Ｃ５０Ｂへの印加電圧を増加するか、その両方を行うことにより、Ｚ軸負方向へのクーロン力が増加するような制御を行えばよい。なお、円運動面のＺ軸方向に関するずれ量は、たとえば、上面側のモニタ用容量素子Ｃ４６〜Ｃ４９の静電容量値の平均値と下面側のモニタ用容量素子Ｃ４６Ｂ〜Ｃ４９Ｂの静電容量値の平均値と差により認識することが可能である。あるいは、コリオリ力検出用容量素子Ｃ４５，Ｃ４５Ｂをモニタ用容量素子として兼用し、両容量素子Ｃ４５，Ｃ４５Ｂの静電容量値の差によっても認識可能である。
このように、容量素子Ｃ５０およびＣ５０Ｂを運動面位置補正用容量素子として加え、振動子の円運動面のＺ軸方向に関する位置が基準位置となるように制御する役割を担わせれば、８組の駆動用容量素子Ｃ４１〜Ｃ４４、Ｃ４１Ｂ〜Ｃ４４Ｂは、振動子を正しい円軌道を描くように駆動する役割のみを果たせばよいので、より安定した制御が可能になる。
（４） 振動子をＸＺ平面上で円運動させるセンサ
図２８に示す１０枚の固定電極Ｅ４１〜Ｅ５０を用いて構成される１０組の容量素子Ｃ４１〜Ｃ５０のうち、３組の容量素子Ｃ４１，Ｃ４２，Ｃ４５を駆動用容量素子として利用し、３組の容量素子Ｃ４６，Ｃ４７，Ｃ５０をモニタ用容量素子として利用し、２組の容量素子Ｃ４３，Ｃ４４をＹ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを検出するコリオリ力検出用容量素子として利用する。
この場合、駆動制御回路３０は、駆動用容量素子Ｃ４１，Ｃ４２に対して、互いに逆位相の交流駆動信号を供給し、駆動用容量素子Ｃ４５に対して、駆動用容量素子Ｃ４１に供給する交流駆動信号に対して位相がπ／２だけずれた交流駆動信号を供給することにより、振動子をＸＺ平面内で円運動させることができる。この場合、容量素子Ｃ４１は、振動子をＸ軸正方向に変位させる力を作用させ、容量素子Ｃ４５は、振動子をＺ軸正方向に変位させる力を作用させ、容量素子Ｃ４２は、振動子をＸ軸負方向に変位させる力を作用させることになる。このように３組の容量素子Ｃ４１，Ｃ４２，Ｃ４５を駆動用容量素子として利用した場合、振動子をＺ軸負方向に変位させる力を作用させることはできないため、振動子の運動軌跡は完全な円にはならないが、実用上、角速度検出には支障は生じない。したがって、本願では、このように運動軌跡が不完全な円になるような運動も、便宜上「円運動」と呼ぶことにする。なお、前述した下方側の容量素子Ｃ４５Ｂを更に駆動用容量素子として加え、この容量素子Ｃ４５Ｂに対して、容量素子Ｃ４５とは逆位相の交流駆動信号を与えるようにすれば、下方へのクーロン力を作用させることが可能になり、完全な円運動を行わせることが可能になる。
そもそも角速度の測定を行うために振動子が行うべき運動は、必ずしも単振動や円運動に限定されるものではなく、何らかの周期的運動であればよい。したがって、本発明に係る角速度センサでは、駆動制御回路３０は、モニタ用容量素子の静電容量値をフィードバック量として、振動子の周期的運動が、予め設定された基準運動に維持されるようにフィードバック制御を行うようにすれば足りる。
上例の場合、駆動制御回路３０が、３組のモニタ用容量素子Ｃ４６，Ｃ４７，Ｃ５０の静電容量値をフィードバック量として、振動子の運動が、予め設定された基準円運動（運動軌跡は、完全な円にはならない）に維持されるようにフィードバック制御を行うようにしておけばよい。そうすれば、重力加速度などの外乱要因が作用したとしても、振動子の運動は基準円運動に維持されることになる。なお、下方側の容量素子Ｃ４５Ｂを駆動用容量素子として加える場合は、下方側の容量素子Ｃ５０Ｂを対応するモニタ用容量素子として加えるようにし、その静電容量値をフィードバック量に加えた制御を行うようにすればよい。
具体的には、個々のモニタ用容量素子について、それぞれ最も近い位置に配置されている駆動用容量素子を対応づけ、駆動制御回路３０が、特定のモニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも小さくなったときには、これに対応する駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより大きくする制御を行い、特定のモニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも大きくなったときには、これに対応する駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより小さくする制御を行うようにすればよい。
たとえば、図２８に示す例では、モニタ用容量素子Ｃ４６には駆動用容量素子Ｃ４１が対応づけられ、モニタ用容量素子Ｃ４７には駆動用容量素子Ｃ４２が対応づけられ、モニタ用容量素子Ｃ５０には駆動用容量素子Ｃ４５が対応づけられる。したがって、たとえば、モニタ用容量素子Ｃ４６の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも小さくなったときには、これに対応する駆動用容量素子Ｃ４１に作用させるクーロン力をより大きくする制御を行い、所定の基準レベルよりも大きくなったときには、駆動用容量素子Ｃ４１に作用させるクーロン力をより小さくする制御を行えばよい。なお、下方側の容量素子Ｃ４５Ｂを駆動用容量素子として加え、下方側の容量素子Ｃ５０Ｂをモニタ用容量素子として加える場合は、モニタ用容量素子Ｃ５０Ｂには駆動用容量素子Ｃ４５Ｂが対応づけられる。
実際には、前述した例と同様に、各駆動用容量素子に供給する交流駆動信号として、半波整流電圧信号を用いるのであれば、作用させるクーロン力をより大きくする場合は、供給する交流電圧信号の振幅を大きくし、作用させるクーロン力をより小さくする場合は、供給する交流電圧信号の振幅を小さくする制御を行えばよい。あるいは、作用させるクーロン力をより大きくする場合は、供給する交流電圧信号に正のオフセット電圧を加え、作用させるクーロン力をより小さくする場合は、供給する交流電圧信号に負のオフセット電圧を加える（但し、電圧値が負になる場合は０とする）ようにしてもよい。
こうして、駆動制御回路３０によって、振動子がＸＺ平面内で基準円運動を続行するような制御を行いながら、角速度検出回路４０によって、所定タイミングで振動子に作用するコリオリ力を検出することにより、所定軸まわりの角速度検出が可能になる。具体的には、振動子の重心ＧがＸＹ平面を通過するタイミングで測定されたコリオリ力Ｆｙ（容量素子Ｃ４３の静電容量と容量素子Ｃ４４の静電容量との差）に基づいてＸ軸まわりの角速度ωｘを検出し、振動子の重心がＹＺ平面を通過するタイミングで測定されたコリオリ力Ｆｙ（容量素子Ｃ４３の静電容量と容量素子Ｃ４４の静電容量との差）に基づいてＺ軸まわりの角速度ωｚを検出することができる。
なお、Ｙ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを検出するためのコリオリ力検出用容量素子としては、容量素子Ｃ４３，Ｃ４４の代わりに、容量素子Ｃ４８，Ｃ４９を用いることもできる。また、３組の容量素子Ｃ４６，Ｃ４７，Ｃ５０を駆動用容量素子として利用し、３組の容量素子Ｃ４１，Ｃ４２，Ｃ４５をモニタ用容量素子として利用することも可能である。
更に、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出するのであれば、モニタ用容量素子Ｃ４６，Ｃ４７を、Ｘ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを検出するコリオリ力検出用容量素子として兼用し、角速度検出回路４０が、振動子の重心ＧがＸＹ平面を通過するタイミングで測定されたコリオリ力Ｆｘ（容量素子Ｃ４６の静電容量と容量素子Ｃ４７の静電容量との差）に基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出するようにすればよい。あるいは、モニタ用容量素子Ｃ５０を、Ｚ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを検出するコリオリ力検出用容量素子として兼用し、角速度検出回路４０が、振動子の重心ＧがＹＺ平面を通過するタイミングで測定されたコリオリ力Ｆｚ（容量素子Ｃ５０の静電容量）に基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出するようにしてもよい。
＜＜＜ §６．容量素子の役割を時分割する実施形態 ＞＞＞
本発明に係る角速度センサでは、駆動用容量素子、モニタ用容量素子、コリオリ力検出用容量素子の３通りの容量素子が必要になる。駆動用容量素子の役割は、振動子に対してクーロン力を作用させ、所定の周期的運動を行うように振動子を駆動することであり、モニタ用容量素子の役割は、振動子が上記周期的運動を正しく行っているかどうかをモニタしてフィードバック制御を可能にすることであり、コリオリ力検出用容量素子の役割は、振動子が上記周期的運動を行っているときに作用したコリオリ力を求めて角速度検出を行うことである。ここで、モニタ用容量素子とコリオリ力検出用容量素子については、既に述べたように、物理的に同一の容量素子を兼用することができる。これは、一対の電極間の静電容量値を得るという点において、両者は共通した機能をもつためである。一方、駆動用容量素子については、一対の電極間に交流電圧信号を供給する必要があるため、モニタ用容量素子あるいはコリオリ力検出用容量素子との兼用を行うためには、何らかの工夫を施す必要がある。以下、容量素子の役割を時分割することにより、このような兼用を行う実施形態を述べる。
図２９は、このように、容量素子の役割を時分割する実施形態に係る角速度センサの構造部の一例を示す斜視図である（ハッチングは、電極形状を示すためのものである）。この実施形態の基本構造は、図２５に示す角速度センサの基本構造とほぼ同じであり、可撓性基板２００および重錘体４００は、金属などの導電性材料から構成されているため、その表面がそのまま単一の共通電極層として機能する。上方基板１００の下面には、５枚の固定電極Ｅ１０〜Ｅ１４が形成されている。これらの形状および配置は、図２に示す例と全く同様である。一方、下方基板３００の上面には、５枚の固定電極Ｅ１０Ｂ〜Ｅ１４Ｂが形成されている。これらの形状および配置も、図２に示す例と全く同様である。結局、上方基板１００および下方基板３００は、全く同一の電極構成を有する同一構造をもった基板ということになる。
可撓性基板２００および重錘体４００（振動子）の導電性表面層は、単一の共通電極として機能するため、振動子表面における各固定電極Ｅ１０〜Ｅ１５，Ｅ１０Ｂ〜Ｅ１５Ｂに対向する特定の部分領域が、個々の変位電極Ｄ１０〜Ｄ１５，Ｄ１０Ｂ〜Ｄ１５Ｂとしての役割を果たすことになる。こうして、それぞれ対向する位置に設けられた固定電極と変位電極とによって、独立した容量素子が形成される。ここでは、これらの各容量素子を、それぞれ容量素子Ｃ１０〜Ｃ１５，Ｃ１０Ｂ〜Ｃ１５Ｂと呼ぶことにする。図２９に示す例では、可撓性基板２００の表面が接地されている。これにより、すべての変位電極Ｄ１０〜Ｄ１５，Ｄ１０Ｂ〜Ｄ１５Ｂが接地電位に固定されることになる。以下、この接地電位に固定された共通変位電極を電極Ｄと呼ぶことにする。
結局、互いに平行な上面と下面とを有する振動子の重心位置に原点Ｏを定義し、振動子の上面および下面がＸＹ平面に平行になるように、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、Ｘ軸およびＹ軸の振動子上面および下面に対する正射影像を定義すると、図２９に示すセンサ構造部には、次のような各容量素子が形成されていることになる。
まず、振動子上面側には、Ｘ軸の正射影像の正の部分に配置された第１の上面側容量素子Ｃ１１、Ｘ軸の正射影像の負の部分に配置された第２の上面側容量素子Ｃ１２、Ｙ軸の正射影像の正の部分に配置された第３の上面側容量素子Ｃ１３、Ｙ軸の正射影像の負の部分に配置された第４の上面側容量素子Ｃ１４、Ｚ軸上（もしくはＺ軸を取り囲む位置でもよい）に配置された第５の上面側容量素子Ｃ１０が配置されている。ここで、第１の上面側容量素子Ｃ１１と第２の上面側容量素子Ｃ１２は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第３の上面側容量素子Ｃ１３と第４の上面側容量素子Ｃ１４は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第５の上面側容量素子Ｃ１０はＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしている。
一方、振動子下面側には、Ｘ軸の正射影像の正の部分に配置された第１の下面側容量素子Ｃ１１Ｂ、Ｘ軸の正射影像の負の部分に配置された第２の下面側容量素子Ｃ１２Ｂ、Ｙ軸の正射影像の正の部分に配置された第３の下面側容量素子Ｃ１３Ｂ、Ｙ軸の正射影像の負の部分に配置された第４の下面側容量素子Ｃ１４Ｂ、Ｚ軸上（もしくはＺ軸を取り囲む位置でもよい）に配置された第５の下面側容量素子Ｃ１０Ｂが配置されている。ここで、第１の下面側容量素子Ｃ１１Ｂと第２の下面側容量素子Ｃ１２Ｂは、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第３の下面側容量素子Ｃ１３Ｂと第４の下面側容量素子Ｃ１４Ｂは、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、第５の下面側容量素子Ｃ１０ＢはＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしている。
図３０は、図２９に構造部が示されている角速度センサに用いる信号処理回路の駆動制御を行う部分の回路図であり、図３１は、図２９に構造部が示されている角速度センサに用いる信号処理回路のコリオリ力検出を行う部分の回路図である。また、図３２は、これらの回路の動作チャートである。以下、これらの回路図および動作チャートを参照しながら、この実施形態の角速度センサの動作原理を説明する。
図３０の上段に示されている回路は、振動子を駆動させるための構成要素であり、図３０の下段に示されている回路は、振動子の周期的運動をモニタするための構成要素である。図示のとおり、電極Ｅ１０，Ｅ１０Ｂ，Ｅ１１，Ｅ１２Ｂ，Ｅ１２，Ｅ１１Ｂは、それぞれ切替スイッチＳ１〜Ｓ６に接続されている。一方、これら各電極は、いずれも共通変位電極Ｄに対向しており、共通変位電極Ｄは接地されている。切替スイッチＳ１〜Ｓ６は、上側接点と下側接点とのいずれかに切り替えることができる。図では、便宜上、全切替スイッチＳ１〜Ｓ６が上側接点に切り替えられている状態が示されているが、実際は、図３２の動作チャート下段に示すようなタイミングで、各切替スイッチごとに「上／下」の切り替えが行われることになる。
切替スイッチＳ１〜Ｓ６を上側接点に切り替えた状態では、駆動制御回路５０からの交流電圧信号φ１〜φ４が各電極Ｅ１０，Ｅ１０Ｂ，Ｅ１１，Ｅ１２Ｂ，Ｅ１２，Ｅ１１Ｂに供給されることになる。この場合、これら各電極と共通変位電極Ｄとによって構成される容量素子Ｃ１０，Ｃ１０Ｂ，Ｃ１１，Ｃ１２Ｂ，Ｃ１２，Ｃ１１Ｂは、駆動用容量素子として機能する。
図３２の動作チャートは、振動子の周期的運動の１周期を、四半周期の期間Ｔ１〜Ｔ４に分け、この角速度センサの動作を説明するものである。この実施形態における交流電圧信号φ１〜φ４は、４つの期間Ｔ１〜Ｔ４のいずれかの期間にのみ半波整流された電圧信号（図では正弦波を示すが、矩形波などでもかまわない）になっている。すなわち、図３０に示す第１の交流電圧信号φ１は期間Ｔ１にのみ供給される信号であり、第２の交流電圧信号φ２は期間Ｔ２にのみ供給される信号であり、第３の交流電圧信号φ３は期間Ｔ３にのみ供給される信号であり、第４の交流電圧信号φ４は期間Ｔ４にのみ供給される信号である。これら４種類の交流電圧信号φ１〜φ４は、それぞれπ／２ずつ位相がずれた交流信号ということになる。
図３２の動作チャートの下段には、各切替スイッチＳ１〜Ｓ６の切替状態が示されているが、切替状態を一目で把握できるように、上側接点に切り替えた場合を示す「上」の文字を丸で囲って示してある。別言すれば、各切替スイッチＳ１〜Ｓ６は、丸がついた期間にのみ上側接点に切り替えられることになり、当該スイッチを介して交流電圧信号が供給されることになる。
まず、期間Ｔ１に着目すると、切替スイッチＳ１のみが上側接点に切り替えられ、第１の交流電圧信号φ１が電極Ｅ１０に加えられる。その結果、電極Ｅ１０と振動子との間にクーロン引力が作用し、振動子には＋Ｚ軸方向への加速度が加わることになる（図５の状態）。続く期間Ｔ２に着目すると、切替スイッチＳ５，Ｓ６のみが上側接点に切り替えられ、第２の交流電圧信号φ２が電極Ｅ１２，Ｅ１１Ｂに加えられる。その結果、電極Ｅ１２と振動子との間にクーロン引力が作用するとともに、電極Ｅ１１Ｂと振動子との間にクーロン引力が作用し、振動子には−Ｘ軸方向への加速度が加わることになる（図７とは左右逆の状態）。次に期間Ｔ３に着目すると、切替スイッチＳ２のみが上側接点に切り替えられ、第３の交流電圧信号φ３が電極Ｅ１０Ｂに加えられる。その結果、電極Ｅ１０Ｂと振動子との間にクーロン引力が作用し、振動子には−Ｚ軸方向への加速度が加わることになる（図６の状態）。最後の期間Ｔ４に着目すると、切替スイッチＳ３，Ｓ４のみが上側接点に切り替えられ、第４の交流電圧信号φ４が電極Ｅ１１，Ｅ１２Ｂに加えられる。その結果、電極Ｅ１１と振動子との間にクーロン引力が作用するとともに、電極Ｅ１２Ｂと振動子との間にクーロン引力が作用し、振動子には＋Ｘ軸方向への加速度が加わることになる（図７の状態）。
結局、駆動制御回路５０は、振動子の運動周期の第１の四半周期を構成する期間Ｔ１にクーロン力を発生させることができる交流駆動信号φ１と、振動子の運動周期の第２の四半周期を構成する期間Ｔ２にクーロン力を発生させることができる交流駆動信号φ２と、振動子の運動周期の第３の四半周期を構成する期間Ｔ３にクーロン力を発生させることができる交流駆動信号φ３と、振動子の運動周期の第４の四半周期を構成する期間Ｔ４にクーロン力を発生させることができる交流駆動信号φ４と、を発生させる機能を有している。
そして、交流駆動信号φ１は、期間Ｔ１に上側接点状態となるように制御される切替スイッチＳ１を介して上面側容量素子Ｃ１０に供給され、交流駆動信号φ２は、期間Ｔ２に上側接点状態となるように制御される切替スイッチＳ５，Ｓ６を介して上面側容量素子Ｃ１２および下面側容量素子Ｃ１１Ｂに供給され、交流駆動信号φ３は、期間Ｔ３に上側接点状態となるように制御される切替スイッチＳ２を介して下面側容量素子Ｃ１０Ｂに供給され、交流駆動信号φ４は、期間Ｔ４に上側接点状態となるように制御される切替スイッチＳ３，Ｓ４を介して上面側容量素子Ｃ１１および下面側容量素子Ｃ１２Ｂに供給され、これら交流駆動信号の供給により、振動子はＸＺ平面内で円運動する。
図３２の動作チャートにおける「振動子の速度成分」の欄には、４つの期間Ｔ１〜Ｔ４において、上述のクーロン引力に起因した加速度の作用によって生じる振動子の速度成分を示している。すなわち、期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４には、それぞれ＋Ｚ軸方向の速度成分＋Ｖｚ（図２９の上方向の速度成分），−Ｘ軸方向の速度成分−Ｖｘ（図２９の左方向の速度成分），−Ｚ軸方向の速度成分−Ｖｚ（図２９の下方向の速度成分），＋Ｘ軸方向の速度成分＋Ｖｘ（図２９の右方向の速度成分）が作用する。
なお、実際には、前述したとおり、振動子を所定方向に引っ張るクーロン力を作用させるための電圧を供給してから、実際に振動子がその方向へ移動するまでには、所定の遅延時間が生じるため、「振動子の速度成分」の欄に記載された速度成分をもって振動子が実際に運動をし始めるまでには、当該遅延時間が必要になる。
このように、駆動制御回路５０からの４種類の交流電圧信号φ１〜φ４を、適切なタイミングで適切な固定電極に供給すれば、振動子は、ＸＺ平面内で円運動を行うことになる。駆動制御回路５０は、交流信号源５１からの交流信号を利用して、それぞれ所定の位相（π／２ずつずれた位相）をもった交流信号電圧φ１〜φ４を発生するとともに、図３２の動作チャートに示されたタイミングに従って、各切替スイッチＳ１〜Ｓ６の切替制御を行うことになる。
一方、切替スイッチＳ１〜Ｓ６を下側接点に切り替えた状態では、駆動制御回路５０からの交流電圧信号φ１〜φ４は切り離され、各電極Ｅ１０，Ｅ１０Ｂ，Ｅ１１，Ｅ１２Ｂ，Ｅ１２，Ｅ１１Ｂは、丸数字１〜６で示されているノードを経て、Ｃ／Ｖ変換回路６１〜６６に接続される。その結果、各容量素子Ｃ１０，Ｃ１０Ｂ，Ｃ１１，Ｃ１２Ｂ，Ｃ１２，Ｃ１１Ｂの静電容量値は、電圧Ｖ１０，Ｖ１０Ｂ，Ｖ１１，Ｖ１２Ｂ，Ｖ１２，Ｖ１１Ｂに変換され、モニタ電圧として駆動制御回路５０に与えられる。この場合、これら各電極と共通変位電極Ｄとによって構成される容量素子Ｃ１０，Ｃ１０Ｂ，Ｃ１１，Ｃ１２Ｂ，Ｃ１２，Ｃ１１Ｂは、モニタ用容量素子として機能する。
このモニタ用容量素子の静電容量値に基づくフィードバック制御は、次のようにして行うことができる。まず、期間Ｔ１では、切替スイッチＳ２の状態は下側接点となっており、容量素子Ｃ１０Ｂはモニタ用容量素子として機能しているので、駆動制御回路５０には、モニタ電圧Ｖ１０Ｂが供給されている。そこで、このモニタ電圧Ｖ１０Ｂの振動中心レベルが所定の基準レベルに維持されるような方向に、第１の交流電圧信号φ１の振幅（もしくはバイアス電圧）をフィードバック制御すればよい。具体的には、期間Ｔ１において、モニタ電圧Ｖ１０Ｂは、振動子が上方に移動すると小さくなり（容量素子Ｃ１０Ｂは、電極間距離が大きくなるので、静電容量値は小さくなる）、逆に、振動子が下方に移動すると大きくなる。したがって、モニタ電圧Ｖ１０Ｂの振動中心レベルが基準レベルより大きい場合には作用するクーロン力を大きくし、モニタ電圧Ｖ１０Ｂの振動中心レベルが基準レベルより小さい場合には作用するクーロン力を小さくする制御を行えばよい。
次の期間Ｔ２では、切替スイッチＳ３，Ｓ４の状態は下側接点となっており、容量素子Ｃ１１，Ｃ１２Ｂはモニタ用容量素子として機能しているので、駆動制御回路５０には、モニタ電圧Ｖ１１，Ｖ１２Ｂが供給されている。そこで、このモニタ電圧Ｖ１１，Ｖ１２Ｂの振動中心レベルが所定の基準レベルに維持されるような方向に、第２の交流電圧信号φ２の振幅（もしくはバイアス電圧）をフィードバック制御すればよい。具体的には、期間Ｔ２において、モニタ電圧Ｖ１１，Ｖ１２Ｂは、振動子が左方に移動すると小さくなり（容量素子Ｃ１１，Ｃ１２Ｂは、電極間距離が大きくなるので、静電容量値は小さくなる）、逆に、振動子が右方に移動すると大きくなる。したがって、たとえば、モニタ電圧Ｖ１１，Ｖ１２Ｂの振動中心レベルの平均値が基準レベルより大きい場合には作用するクーロン力を大きくし、モニタ電圧Ｖ１１，Ｖ１２Ｂの振動中心レベルの平均値が基準レベルより小さい場合には作用するクーロン力を小さくする制御を行えばよい（モニタ電圧Ｖ１１，Ｖ１２Ｂのいずれか一方のみを用いたフィードバック制御も可能である）。
続く期間Ｔ３では、切替スイッチＳ１の状態は下側接点となっており、容量素子Ｃ１０はモニタ用容量素子として機能しているので、駆動制御回路５０には、モニタ電圧Ｖ１０が供給されている。そこで、このモニタ電圧Ｖ１０の振動中心レベルが所定の基準レベルに維持されるような方向に、第３の交流電圧信号φ３の振幅（もしくはバイアス電圧）をフィードバック制御すればよい。具体的には、期間Ｔ３において、モニタ電圧Ｖ１０は、振動子が下方に移動すると小さくなり（容量素子Ｃ１０は、電極間距離が大きくなるので、静電容量値は小さくなる）、逆に、振動子が上方に移動すると大きくなる。したがって、モニタ電圧Ｖ１０の振動中心レベルが基準レベルより大きい場合には作用するクーロン力を大きくし、モニタ電圧Ｖ１０の振動中心レベルが基準レベルより小さい場合には作用するクーロン力を小さくする制御を行えばよい。
最後の期間Ｔ４では、切替スイッチＳ５，Ｓ６の状態は下側接点となっており、容量素子Ｃ１２，Ｃ１１Ｂはモニタ用容量素子として機能しているので、駆動制御回路５０には、モニタ電圧Ｖ１２，Ｖ１１Ｂが供給されている。そこで、このモニタ電圧Ｖ１２，Ｖ１１Ｂの振動中心レベルが所定の基準レベルに維持されるような方向に、第４の交流電圧信号φ４の振幅（もしくはバイアス電圧）をフィードバック制御すればよい。具体的には、期間Ｔ４において、モニタ電圧Ｖ１２，Ｖ１１Ｂは、振動子が右方に移動すると小さくなり（容量素子Ｃ１２，Ｃ１１Ｂは、電極間距離が大きくなるので、静電容量値は小さくなる）、逆に、振動子が左方に移動すると大きくなる。したがって、たとえば、モニタ電圧Ｖ１２，Ｖ１１Ｂの振動中心レベルの平均値が基準レベルより大きい場合には作用するクーロン力を大きくし、モニタ電圧Ｖ１２，Ｖ１１Ｂの振動中心レベルの平均値が基準レベルより小さい場合には作用するクーロン力を小さくする制御を行えばよい（モニタ電圧Ｖ１２，Ｖ１１Ｂのいずれか一方のみを用いたフィードバック制御も可能である）。
要するに、駆動制御回路５０は、期間Ｔ１において、下側接点状態となるように制御された切替スイッチＳ２を介して下面側容量素子Ｃ１０Ｂの静電容量値を検出し、当該静電容量値をフィードバック量として、交流駆動信号φ１を制御し、期間Ｔ２において、下側接点状態となるように制御された切替スイッチＳ３，Ｓ４を介して上面側容量素子Ｃ１１の静電容量値および下面側容量素子Ｃ１２Ｂの静電容量値を検出し、当該静電容量値をフィードバック量として、交流駆動信号φ２を制御し、期間Ｔ３において、下側接点状態となるように制御された切替スイッチＳ１を介して上面側容量素子Ｃ１０の静電容量値を検出し、当該静電容量値をフィードバック量として、交流駆動信号φ３を制御し、期間Ｔ４において、下側接点状態となるように制御された切替スイッチＳ５，Ｓ６を介して上面側容量素子Ｃ１２の静電容量値および下面側容量素子Ｃ１１Ｂの静電容量値を検出し、当該静電容量値をフィードバック量として、交流駆動信号φ４を制御する。
このように、容量素子Ｃ１０，Ｃ１０Ｂ，Ｃ１１，Ｃ１１Ｂ，Ｃ１２，Ｃ１２Ｂは、切替スイッチＳ１〜Ｓ６の切替動作により、駆動用容量素子として機能する期間と、モニタ用容量素子として機能する期間とに切り替えられることになる。しかも、各期間Ｔ１〜Ｔ４のいずれにおいても、駆動用容量素子として機能するものとモニタ用容量素子として機能するものとの双方が必ず存在するため、兼用を行ったとしても支障は生じない。
続いて、コリオリ力を検出する原理について説明する。図３１の上段に示されている回路は、振動子に加わるＹ軸方向のコリオリ力を検出するための構成要素である。図示のとおり、電極Ｅ１３，Ｅ１３Ｂ，Ｅ１４，Ｅ１４Ｂは、いずれも共通変位電極Ｄに対向しており、共通変位電極Ｄは接地されている。また、電極Ｅ１３，Ｅ１３Ｂ，Ｅ１４，Ｅ１４Ｂは、Ｃ／Ｖ変換回路７１〜７４に接続されており、各容量素子Ｃ１３，Ｃ１３Ｂ，Ｃ１４，Ｃ１４Ｂの静電容量値は、電圧Ｖ１３，Ｖ１３Ｂ，Ｖ１４，Ｖ１４Ｂに変換され、差分回路８１に与えられる。差分回路８１は、与えられた電圧に基づいて、Ｖ１３−Ｖ１３Ｂ−Ｖ１４＋Ｖ１４Ｂなる演算を行い、その結果を電圧Ｖ８１として出力する。
図２９において、振動子の重心Ｇが＋Ｙ軸方向に移動すると、容量素子Ｃ１３，Ｃ１４Ｂの静電容量値は増加し、容量素子Ｃ１４，Ｃ１３Ｂの静電容量値は減少する。逆に、振動子の重心Ｇが−Ｙ軸方向に移動すると、容量素子Ｃ１３，Ｃ１４Ｂの静電容量値は減少し、容量素子Ｃ１４，Ｃ１３Ｂの静電容量値は増加する。差分回路８１における演算は、このような特性を考慮したものであり、電圧Ｖ８１は、Ｙ軸方向に作用したコリオリ力を示す値になる。結局、これら各電極Ｅ１３，Ｅ１３Ｂ，Ｅ１４，Ｅ１４Ｂと共通変位電極Ｄとによって構成される容量素子Ｃ１３，Ｃ１３Ｂ，Ｃ１４，Ｃ１４Ｂは、Ｙ軸方向についてのコリオリ力検出用容量素子として機能する。
一方、図３１の回路図における丸数字７，８で示されているノードは、図３０に示す丸数字７，８で示されているノードと同一のものであり、Ｃ／Ｖ変換回路６１，６２から出力される電圧Ｖ１０，Ｖ１０Ｂが与えられている。差分回路８２は、与えられた電圧に基づいて、Ｖ１０−Ｖ１０Ｂなる演算を行い、その結果を電圧Ｖ８２として出力する。この電圧Ｖ８２は、Ｚ軸方向に作用したコリオリ力を示す値になる。結局、この電圧Ｖ８２を得る動作に関しては、電極Ｅ１０，Ｅ１０Ｂと共通変位電極Ｄとによって構成される容量素子Ｃ１０，Ｃ１０Ｂは、Ｚ軸方向についてのコリオリ力検出用容量素子として機能する。
角速度検出回路９０は、所定の検出タイミングにおける電圧Ｖ８１およびＶ８２の値を、角速度ωｘ，ωｙ，ωｚの値として出力する処理を行う。各検出タイミングは、期間Ｔ１〜Ｔ４内の所定時点（たとえば、各期間の中間時点）に設定しておけばよく、検波信号に基づいて認識することができる。検波信号としては、交流信号源５１の信号を用いてもよいし、各モニタ電圧信号Ｖ１０，Ｖ１０Ｂ，Ｖ１１，Ｖ１２Ｂ，Ｖ１２，Ｖ１１Ｂを用いてもよい。この角速度検出回路９０による角速度検出原理は、図３２の動作チャートにおける「ωｘ」，「ωｙ」，「ωｚ」の欄に示されている。
まず、期間Ｔ１では、振動子は速度成分＋Ｖｚをもって運動中であるので、この期間内の所定のタイミング（実用上は、速度成分＋Ｖｚの絶対値が最大となるタイミング）において、振動子に作用するＹ軸方向のコリオリ力±Ｆｙを検出すれば、当該検出値はＸ軸まわりの角速度ωｘを示すものになる。Ｙ軸方向のコリオリ力±Ｆｙは、図３１の回路に示すように、検出用電極Ｅ１３，Ｅ１３Ｂ，Ｅ１４，Ｅ１４Ｂからの信号を利用して、電圧Ｖ８１として得られることになる。ここで、これらの電極Ｅ１３，Ｅ１３Ｂ，Ｅ１４，Ｅ１４Ｂを用いて構成された容量素子Ｃ１３，Ｃ１３Ｂ，Ｃ１４，Ｃ１４Ｂは、コリオリ力検出用に設けられた専用の容量素子であるため、検出にあたって何ら支障は生じない。
次の期間Ｔ２では、振動子は速度成分−Ｖｘをもって運動中であるので、この期間内の所定のタイミング（実用上は、速度成分−Ｖｘの絶対値が最大となるタイミング）において、振動子に作用するＺ軸方向のコリオリ力±Ｆｚを検出すれば、当該検出値はＹ軸まわりの角速度ωｙを示すものになる。Ｚ軸方向のコリオリ力±Ｆｚは、図３０および図３１の回路に示すように、電極Ｅ１０，Ｅ１０Ｂからの信号を利用して、電圧Ｖ８２として得られることになる。ここで、これらの電極Ｅ１０，Ｅ１０Ｂを用いて構成された容量素子Ｃ１０，Ｃ１０Ｂは、期間Ｔ２においては、コリオリ力検出用容量素子およびモニタ用容量素子として機能しており、駆動用容量素子としては機能していないので、検出にあたって何ら支障は生じない。
また、この期間Ｔ２において、振動子に作用するＹ軸方向のコリオリ力±Ｆｙを検出すれば、当該検出値はＺ軸まわりの角速度ωｚを示すものになる。Ｙ軸方向のコリオリ力±Ｆｙは、図３１の回路に示すように、検出用電極Ｅ１３，Ｅ１３Ｂ，Ｅ１４，Ｅ１４Ｂからの信号を利用して、電圧Ｖ８１として得られることになる。ここで、これらの電極Ｅ１３，Ｅ１３Ｂ，Ｅ１４，Ｅ１４Ｂを用いて構成された容量素子Ｃ１３，Ｃ１３Ｂ，Ｃ１４，Ｃ１４Ｂは、コリオリ力検出用に設けられた専用の容量素子であるため、検出にあたって何ら支障は生じない。
続く期間Ｔ３では、振動子は速度成分−Ｖｚをもって運動中であるので、この期間内の所定のタイミング（実用上は、速度成分−Ｖｚの絶対値が最大となるタイミング）において、振動子に作用するＹ軸方向のコリオリ力±Ｆｙを検出すれば、当該検出値はＸ軸まわりの角速度ωｘを示すものになる。Ｙ軸方向のコリオリ力±Ｆｙは、図３１の回路に示すように、検出用電極Ｅ１３，Ｅ１３Ｂ，Ｅ１４，Ｅ１４Ｂからの信号を利用して、電圧Ｖ８１として得られることになる。ここで、これらの電極Ｅ１３，Ｅ１３Ｂ，Ｅ１４，Ｅ１４Ｂを用いて構成された容量素子Ｃ１３，Ｃ１３Ｂ，Ｃ１４，Ｃ１４Ｂは、コリオリ力検出用に設けられた専用の容量素子であるため、検出にあたって何ら支障は生じない。
最後の期間Ｔ４では、振動子は速度成分＋Ｖｘをもって運動中であるので、この期間内の所定のタイミング（実用上は、速度成分＋Ｖｘの絶対値が最大となるタイミング）において、振動子に作用するＺ軸方向のコリオリ力±Ｆｚを検出すれば、当該検出値はＹ軸まわりの角速度ωｙを示すものになる。Ｚ軸方向のコリオリ力±Ｆｚは、図３０および図３１の回路に示すように、電極Ｅ１０，Ｅ１０Ｂからの信号を利用して、電圧Ｖ８２として得られることになる。ここで、これらの電極Ｅ１０，Ｅ１０Ｂを用いて構成された容量素子Ｃ１０，Ｃ１０Ｂは、期間Ｔ４においては、コリオリ力検出用容量素子およびモニタ用容量素子として機能しており、駆動用容量素子としては機能していないので、検出にあたって何ら支障は生じない。
また、この期間Ｔ４において、振動子に作用するＹ軸方向のコリオリ力±Ｆｙを検出すれば、当該検出値はＺ軸まわりの角速度ωｚを示すものになる。Ｙ軸方向のコリオリ力±Ｆｙは、図３１の回路に示すように、検出用電極Ｅ１３，Ｅ１３Ｂ，Ｅ１４，Ｅ１４Ｂからの信号を利用して、電圧Ｖ８１として得られることになる。ここで、これらの電極Ｅ１３，Ｅ１３Ｂ，Ｅ１４，Ｅ１４Ｂを用いて構成された容量素子Ｃ１３，Ｃ１３Ｂ，Ｃ１４，Ｃ１４Ｂは、コリオリ力検出用に設けられた専用の容量素子であるため、検出にあたって何ら支障は生じない。
要するに、角速度検出回路９０は、期間Ｔ１および期間Ｔ３において、上面側容量素子Ｃ１３および下面側容量素子Ｃ１３Ｂならびに上面側容量素子Ｃ１４および下面側容量素子Ｃ１４Ｂの静電容量値に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出する。また、期間Ｔ２および期間Ｔ４においては、下側接点状態となるように制御された切替スイッチＳ１を介して上面側容量素子Ｃ１０の静電容量値を検出し、下側接点状態となるように制御された切替スイッチＳ２を介して下面側容量素子Ｃ１０Ｂの静電容量値を検出し、当該静電容量値に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出する。更に、この期間Ｔ２および期間Ｔ４において、上面側容量素子Ｃ１３および下面側容量素子Ｃ１３Ｂならびに上面側容量素子Ｃ１４および下面側容量素子Ｃ１４Ｂの静電容量値に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出する。
なお、図３２の「ωｙ」の欄に括弧書きで示したように、期間Ｔ１，Ｔ３において、振動子に作用するＸ軸方向のコリオリ力±Ｆｘを検出すれば、当該検出値はＹ軸まわりの角速度ωｙを示すものになるので、角速度ωｙは、期間Ｔ１，Ｔ３においても検出可能である。Ｘ軸方向のコリオリ力±Ｆｘは、電極Ｅ１１，Ｅ１１Ｂ，Ｅ１２，Ｅ１２Ｂからの信号を利用して得ることができる（図３１の上段と同様な回路を構成すればよい）。これらの電極Ｅ１１，Ｅ１１Ｂ，Ｅ１２，Ｅ１２Ｂを用いて構成された容量素子Ｃ１１，Ｃ１１Ｂ，Ｃ１２，Ｃ１２Ｂは、期間Ｔ１，Ｔ３においては、モニタ用容量素子として機能しており、駆動用容量素子としては機能していないので、検出にあたって何ら支障は生じない。もっとも、Ｙ軸まわりの角速度ωｙは、期間Ｔ２，Ｔ４において検出されるので、実用上は、期間Ｔ１，Ｔ３において検出する必要性は乏しい。
このように、ここに示す実施形態では、駆動制御回路５０からの交流駆動信号φ１〜φ４を、切替スイッチＳ１〜Ｓ６を介して駆動用容量素子Ｃ１０，Ｃ１０Ｂ，Ｃ１１，Ｃ１１Ｂ，Ｃ１２，Ｃ１２Ｂに供給し、切替スイッチＳ１〜Ｓ６を切り替えることにより、物理的に同一の容量素子を、ある期間には、駆動用容量素子として機能させ、別な期間には、モニタ用容量素子もしくはコリオリ力検出用容量素子として機能させることができる。このような実施形態は、センサの物理的構造部の電極構成を単純化する上で効果的である。
従来の基本的な角速度センサの構造部の一例を示す斜視図である（ハッチングは、電極形状を示すためのものである）。 図１に示す角速度センサの上方基板１００の下面図である（ハッチングは、電極形状を示すためのものである）。 図１に示す角速度センサの可撓性基板２００の上面図である（ハッチングは、電極形状を示すためのものである）。 図１に示す角速度センサの中立状態を示す側断面図である。 図１に示す角速度センサの上方変位状態を示す側断面図である。 図１に示す角速度センサの下方変位状態を示す側断面図である。 図１に示す角速度センサの右方変位状態を示す側断面図である。 図１に示す角速度センサにおいて、供給する交流電圧信号と重心Ｇの変位との関係をを示すグラフである。 図１に示す角速度センサに重力加速度αｇが加わった状態を示す側断面図である。 図１に示す角速度センサを転置した場合に重力加速度αｇが加わった状態を示す側断面図である。 図９に示す重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサにおいて、供給する交流電圧信号と重心Ｇの変位との関係を示すグラフである。 図１０に示す重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサにおいて、供給する交流電圧信号と重心Ｇの変位との関係を示すグラフである。 図９に示す重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサにおいて、供給する交流電圧信号の振幅制御方法と、そのときの重心Ｇの変位を示すグラフである。 図１０に示す重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサにおいて、供給する交流電圧信号の振幅制御方法と、そのときの重心Ｇの変位を示すグラフである。 本発明の基本的な実施形態に係る角速度センサの構造部の一例を示す斜視図である（ハッチングは、電極形状を示すためのものである）。 図１５に示す角速度センサの上方基板１００の下面図である（ハッチングは、電極形状を示すためのものである）。 図１５に示す角速度センサの可撓性基板２００の上面図である（ハッチングは、電極形状を示すためのものである）。 図１５に構造部が示されている角速度センサに用いる信号処理回路の一例を示す回路図である。 図１８に示す回路におけるモニタ電圧Ｖ１５の変動の一例を示すグラフである。 図１８に示す回路におけるモニタ電圧Ｖ１５Ｂの変動の一例を示すグラフである。 図９に示す重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサにおいて、供給する交流電圧信号のオフセット電圧印加方法と、そのときの重心Ｇの変位を示すグラフである。 図１０に示す重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサにおいて、供給する交流電圧信号のオフセット電圧印加方法と、そのときの重心Ｇの変位を示すグラフである。 図１５に示す角速度センサにおいて、電極構成を変更した変形例についての可撓性基板２００の上面図である（ハッチングは、電極形状を示すためのものである）。 図１５に示す角速度センサにおいて、基板等の形状および電極形状を変更した変形例についての可撓性基板２２０の下面図である（ハッチングは、電極形状を示すためのものである）。 図１５に示す角速度センサにおいて、すべての変位電極を単一の共通電極に置き換えた変形例を示す斜視図である（ハッチングは、電極形状を示すためのものである）。 複数の橋梁部によって振動子を支持する構造をとる本発明の汎用型実施形態に用いる可撓性基板２５０の上面図である。 図２６に示す可撓性基板２５０の形状を明確に示すための平面図である（ハッチングは、基板形状を示すためのものである）。 図２６，図２７に示す可撓性基板２５０に対向させて用いる上方基板１５０の下面図である（ハッチングは、電極形状を示すためのものである）。 容量素子の役割を時分割する実施形態に係る角速度センサの構造部の一例を示す斜視図である（ハッチングは、電極形状を示すためのものである）。 図２９に構造部が示されている角速度センサに用いる信号処理回路の駆動制御を行う部分の回路図である。 図２９に構造部が示されている角速度センサに用いる信号処理回路のコリオリ力検出を行う部分の回路図である。 図３０，図３１に示す回路の動作チャートである。
符号の説明
１１〜１５，１５Ｂ：Ｃ／Ｖ変換回路
２１，２２：差分回路
３０：駆動制御回路
３１：交流信号源
４０：角速度検出回路
５０：駆動制御回路
５１：交流信号源
６１〜６６：Ｃ／Ｖ変換回路
７１〜７４：Ｃ／Ｖ変換回路
８１，８２：差分回路
９０：角速度検出回路
１００：上方基板
１５０：上方基板
２００：可撓性基板
２２０：可撓性基板
２５０：可撓性基板
２５１〜２５４：翼状部
２５５：中心部
２５６：周囲部
３００：下方基板
４００：重錘体
４５０：重錘体
５００：装置筐体
Ａ，Ａ１，Ａ２：振動の振幅
Ｂ１〜Ｂ４：橋梁部
Ｃ１０〜Ｃ１５，Ｃ１０Ｂ〜Ｃ１５Ｂ：容量素子／静電容量値
ｄ：位相差
Ｄ：共通変位電極
Ｄ１０〜Ｄ１５：変位電極
Ｄ１０Ｂ，Ｄ１５Ｂ：変位電極
Ｄ２０〜Ｄ２９：変位電極
Ｄ３０〜Ｄ３５：変位電極
Ｅ１０〜Ｅ１５：固定電極
Ｅ１０Ｂ〜Ｅ１５Ｂ：固定電極
Ｅ４１〜Ｅ５０：固定電極
Ｇ：振動子の重心
Ｌ：振動中心位置
Ｓ１〜Ｓ４：スリット
Ｓ１〜Ｓ６：切替スイッチ
Ｔ１〜Ｔ４：四半周期の期間
ｔ：時間
Ｖ：電圧
Ｖ１０〜Ｖ１５，Ｖ１０Ｂ〜Ｖ１５Ｂ，Ｖ８１，Ｖ８２：電圧
Ｖoffset：オフセット電圧
Ｖｐ：ピーク電圧
Ｖref１，Ｖref２：基準電圧
Ｖｘ，Ｖｙ：電圧
Ｘ，Ｙ，Ｚ：各座標軸
Ｘ′，Ｙ′：各座標軸の正射影像
αｇ：重力加速度
ΔＶ：偏差
φ１：第１の交流電圧信号
φ２：第２の交流電圧信号
φ３：第３の交流電圧信号
φ４：第４の交流電圧信号
ωｘ，ωｙ，ωｚ：角速度

Claims (37)

  1. 振動子と、この振動子を収容する装置筐体と、前記振動子を前記装置筐体に対して接続する可撓性部材と、前記振動子の表面に設けられた複数の変位電極と、前記装置筐体に固定され、前記変位電極のそれぞれに対向する位置に設けられた複数の固定電極と、を備えた角速度センサであって、
    互いに対向する変位電極と固定電極とによって、それぞれ独立した容量素子が形成されており、前記容量素子には、前記振動子を駆動させるための駆動用容量素子と、前記振動子の駆動状態をモニタするためのモニタ用容量素子と、前記振動子に作用するコリオリ力を検出するためのコリオリ力検出用容量素子と、が含まれており、
    前記角速度センサは、更に、
    前記駆動用容量素子に交流駆動信号を供給することにより、前記駆動用容量素子を構成する電極間にクーロン力を作用させ、前記振動子に周期的運動を生じさせる駆動制御回路と、
    前記振動子が前記周期的運動を行っている状態において、前記周期的運動に同期した所定タイミングで前記コリオリ力検出用容量素子の静電容量値を測定し、得られた静電容量値に基づいて所定軸まわりの角速度の検出値を出力する角速度検出回路と、
    を備えており、
    前記駆動制御回路が、前記モニタ用容量素子の静電容量値をフィードバック量として、前記振動子の前記周期的運動が、予め設定された基準運動に維持されるようにフィードバック制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
  2. 請求項１に記載の角速度センサにおいて、
    振動子の上面に形成された変位電極と、これに対向する位置に設けられた固定電極と、によって上方駆動用容量素子が構成され、
    振動子の上面に形成された変位電極と、これに対向する位置に設けられた固定電極と、によって上方モニタ用容量素子が構成され、
    駆動制御回路は、
    前記上方駆動用容量素子を構成する一方の電極の電圧を基準として、他方の電極に対して交流電圧信号を供給することにより両電極間にクーロン力を作用させ、作用させたクーロン力によって振動子を上下方向に振動させ、
    前記上方モニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも小さくなったときには、前記上方駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより大きくする制御を行い、
    前記上方モニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも大きくなったときには、前記上方駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより小さくする制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
  3. 請求項２に記載の角速度センサにおいて、
    振動子の上面の中心部に配置された上面中心電極と、振動子の上面における前記上面中心電極を取り囲む位置に配置された上面包囲電極と、を備え、
    前記上面中心電極および前記上面包囲電極のいずれか一方を用いて上方駆動用容量素子を構成し、他方を用いて上方モニタ用容量素子を構成したことを特徴とする角速度センサ。
  4. 請求項２または３に記載の角速度センサにおいて、
    駆動制御回路が、交流電圧信号として半波整流電圧信号を用い、作用させるクーロン力をより大きくする場合は、供給する交流電圧信号の振幅を大きくし、作用させるクーロン力をより小さくする場合は、供給する交流電圧信号の振幅を小さくする制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
  5. 請求項２または３に記載の角速度センサにおいて、
    駆動制御回路が、交流電圧信号として半波整流電圧信号を用い、作用させるクーロン力をより大きくする場合は、供給する交流電圧信号に正のオフセット電圧を加え、作用させるクーロン力をより小さくする場合は、供給する交流電圧信号に負のオフセット電圧を加える（但し、電圧値が負になる場合は０とする）ことを特徴とする角速度センサ。
  6. 請求項２に記載の角速度センサにおいて、
    振動子の重心位置に原点Ｏを定義し、振動子の上面がＸＹ平面に平行になるように、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、Ｘ軸およびＹ軸の振動子上面に対する正射影像を定義したときに、
    上方駆動用容量素子および上方モニタ用容量素子が、いずれもＺ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置に配置され、
    Ｘ軸の正射影像の正の部分に配置された容量素子および負の部分に配置された容量素子によって、Ｘ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを検出するためのコリオリ力検出用容量素子が構成され、これら両容量素子の静電容量値の差に基づいて前記コリオリ力Ｆｘが決定され、
    Ｙ軸の正射影像の正の部分に配置された容量素子および負の部分に配置された容量素子によって、Ｙ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを検出するためのコリオリ力検出用容量素子が構成され、これら両容量素子の静電容量値の差に基づいて前記コリオリ力Ｆｙが決定され、
    駆動制御回路が、前記上方駆動用容量素子に対して交流駆動信号を供給することにより、振動子をＺ軸方向に振動させ、
    角速度検出回路が、前記コリオリ力Ｆｘに基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出し、前記コリオリ力Ｆｙに基づいてＸ軸まわりの角速度ωｘを検出することを特徴とする角速度センサ。
  7. 請求項１に記載の角速度センサにおいて、
    振動子の上面に形成された変位電極と、これに対向する位置に設けられた固定電極と、によって上方駆動用容量素子が構成され、
    振動子の下面に形成された変位電極と、これに対向する位置に設けられた固定電極と、によって下方駆動用容量素子が構成され、
    振動子の上面に形成された変位電極と、これに対向する位置に設けられた固定電極と、によって上方モニタ用容量素子が構成され、
    振動子の下面に形成された変位電極と、これに対向する位置に設けられた固定電極と、によって下方モニタ用容量素子が構成され、
    駆動制御回路は、
    前記上方駆動用容量素子を構成する一方の電極の電圧を基準として、他方の電極に対して第１の交流電圧信号φ１を供給することにより両電極間にクーロン力を作用させ、
    前記下方駆動用容量素子を構成する一方の電極の電圧を基準として、他方の電極に対して、前記第１の交流電圧信号φ１とは逆位相の第２の交流電圧信号φ２を供給することにより両電極間にクーロン力を作用させ、
    作用させたクーロン力によって振動子を上下方向に振動させ、
    前記上方モニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも小さくなったときには、前記上方駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより大きくする制御を行い、
    前記上方モニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも大きくなったときには、前記上方駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより小さくする制御を行い、
    前記下方モニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも小さくなったときには、前記下方駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより大きくする制御を行い、
    前記下方モニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも大きくなったときには、前記下方駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより小さくする制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
  8. 請求項７に記載の角速度センサにおいて、
    振動子の上面の中心部に配置された上面中心電極と、振動子の上面における前記上面中心電極を取り囲む位置に配置された上面包囲電極と、振動子の下面の中心部に配置された下面中心電極と、振動子の下面における前記下面中心電極を取り囲む位置に配置された下面包囲電極と、を備え、
    前記上面中心電極および前記上面包囲電極のいずれか一方を用いて上方駆動用容量素子を構成し、他方を用いて上方モニタ用容量素子を構成し、前記下面中心電極および前記下面包囲電極のいずれか一方を用いて下方駆動用容量素子を構成し、他方を用いて下方モニタ用容量素子を構成したことを特徴とする角速度センサ。
  9. 請求項７または８に記載の角速度センサにおいて、
    駆動制御回路が、第１の交流電圧信号φ１および第２の交流電圧信号φ２として、互いに逆位相となる半波整流電圧信号を用い、作用させるクーロン力をより大きくする場合は、供給する交流電圧信号の振幅を大きくし、作用させるクーロン力をより小さくする場合は、供給する交流電圧信号の振幅を小さくする制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
  10. 請求項７または８に記載の角速度センサにおいて、
    駆動制御回路が、第１の交流電圧信号φ１および第２の交流電圧信号φ２として、互いに逆位相となる半波整流電圧信号を用い、作用させるクーロン力をより大きくする場合は、供給する交流電圧信号に正のオフセット電圧を加え、作用させるクーロン力をより小さくする場合は、供給する交流電圧信号に負のオフセット電圧を加える（但し、電圧値が負になる場合は０とする）ことを特徴とする角速度センサ。
  11. 請求項７に記載の角速度センサにおいて、
    振動子の重心位置に原点Ｏを定義し、振動子の上面がＸＹ平面に平行になるように、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、Ｘ軸およびＹ軸の振動子上面に対する正射影像を定義したときに、
    上方駆動用容量素子、下方駆動用容量素子、上方モニタ用容量素子、下方モニタ用容量素子が、いずれもＺ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置に配置され、
    Ｘ軸の正射影像の正の部分に配置された容量素子および負の部分に配置された容量素子によって、Ｘ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを検出するためのコリオリ力検出用容量素子が構成され、これら両容量素子の静電容量値の差に基づいて前記コリオリ力Ｆｘが決定され、
    Ｙ軸の正射影像の正の部分に配置された容量素子および負の部分に配置された容量素子によって、Ｙ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを検出するためのコリオリ力検出用容量素子が構成され、これら両容量素子の静電容量値の差に基づいて前記コリオリ力Ｆｙが決定され、
    駆動制御回路が、前記上方駆動用容量素子および前記下方駆動用容量素子に対して交流駆動信号を供給することにより、振動子をＺ軸方向に振動させ、
    角速度検出回路が、前記コリオリ力Ｆｘに基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出し、前記コリオリ力Ｆｙに基づいてＸ軸まわりの角速度ωｘを検出することを特徴とする角速度センサ。
  12. 請求項６または１１に記載の角速度センサにおいて、
    上方モニタ用容量素子もしくは下方モニタ用容量素子が、同一平面上においてＺ軸を取り囲む位置に配置された複数の容量素子によって構成され、
    駆動制御回路が、これら複数の容量素子の静電容量値の平均値をフィードバック量として、フィードバック制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
  13. 請求項１２に記載の角速度センサにおいて、
    上方モニタ用容量素子もしくは下方モニタ用容量素子を構成する、同一平面上に配置された複数の容量素子の静電容量値の差が、所定のしきい値以上になった場合には、異常報知信号を出力することを特徴とする角速度センサ。
  14. 請求項１に記載の角速度センサにおいて、
    振動子の重心位置に原点Ｏを定義し、振動子の上面がＸＹ平面に平行になるように、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、Ｘ軸およびＹ軸の振動子上面に対する正射影像を定義したときに、
    Ｘ軸の正射影像の正の部分に配置された第１の容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分に配置された第２の容量素子と、Ｙ軸の正射影像の正の部分に配置された第３の容量素子と、Ｙ軸の正射影像の負の部分に配置された第４の容量素子と、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置に配置された第５の容量素子と、Ｘ軸の正射影像の正の部分における前記第１の容量素子とは重ならない位置に配置された第６の容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分における前記第２の容量素子とは重ならない位置に配置された第７の容量素子と、Ｙ軸の正射影像の正の部分における前記第３の容量素子とは重ならない位置に配置された第８の容量素子と、Ｙ軸の正射影像の負の部分における前記第４の容量素子とは重ならない位置に配置された第９の容量素子と、を備え、
    前記第１の容量素子と前記第２の容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、前記第３の容量素子と前記第４の容量素子は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、前記第５の容量素子はＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしており、前記第６の容量素子と前記第７の容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、前記第８の容量素子と前記第９の容量素子は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、
    前記第１〜第９の容量素子から選択された容量素子によって、駆動用容量素子、コリオリ力検出用容量素子、モニタ用容量素子が構成されていることを特徴とする角速度センサ。
  15. 請求項１４に記載の角速度センサにおいて、
    Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置であって第５の容量素子とは重ならない位置に配置され、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をした第１０の容量素子を更に備え、
    第１〜第１０の容量素子から選択された容量素子によって、駆動用容量素子、コリオリ力検出用容量素子、モニタ用容量素子が構成されていることを特徴とする角速度センサ。
  16. 請求項１４に記載の角速度センサにおいて、
    第１〜第４の容量素子が駆動用容量素子を構成し、第６〜第９の容量素子がモニタ用容量素子を構成し、第５の容量素子がＺ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを検出するコリオリ力検出用容量素子を構成し、
    駆動制御回路が、前記第１，第３，第２，第４の容量素子に、それぞれ位相が順次π／２ずつ遅れた交流駆動信号を供給することにより、前記振動子をＸＹ平面に平行な平面内で円運動させ、前記第６〜第９の容量素子の静電容量値をフィードバック量として、前記振動子の運動が、予め設定された基準円運動に維持されるようにフィードバック制御を行い、
    角速度検出回路が、振動子の重心がＸＺ平面を通過するタイミングで測定された前記コリオリ力Ｆｚに基づいてＸ軸まわりの角速度ωｘを検出し、振動子の重心がＹＺ平面を通過するタイミングで測定された前記コリオリ力Ｆｚに基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出することを特徴とする角速度センサ。
  17. 請求項１６に記載の角速度センサにおいて、
    第６および第７の容量素子をＸ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを検出するコリオリ力検出用容量素子として兼用し、
    角速度検出回路が、振動子の重心がＸＺ平面を通過するタイミングで測定された前記コリオリ力Ｆｘに基づいてＺ軸まわりの角速度ωｚを検出することを特徴とする角速度センサ。
  18. 請求項１に記載の角速度センサにおいて、
    互いに平行な上面と下面とを有する振動子の重心位置に原点Ｏを定義し、振動子の上面および下面がＸＹ平面に平行になるように、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、Ｘ軸およびＹ軸の振動子上面および下面に対する正射影像を定義したときに、
    振動子上面側において、Ｘ軸の正射影像の正の部分に配置された第１の上面側容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分に配置された第２の上面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の正の部分に配置された第３の上面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の負の部分に配置された第４の上面側容量素子と、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置に配置された第５の上面側容量素子と、Ｘ軸の正射影像の正の部分における前記第１の上面側容量素子とは重ならない位置に配置された第６の上面側容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分における前記第２の上面側容量素子とは重ならない位置に配置された第７の上面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の正の部分における前記第３の上面側容量素子とは重ならない位置に配置された第８の上面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の負の部分における前記第４の上面側容量素子とは重ならない位置に配置された第９の上面側容量素子と、を備え、
    前記第１の上面側容量素子と前記第２の上面側容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、前記第３の上面側容量素子と前記第４の上面側容量素子は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、前記第５の上面側容量素子はＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしており、前記第６の上面側容量素子と前記第７の上面側容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、前記第８の上面側容量素子と前記第９の上面側容量素子は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、
    振動子下面側において、Ｘ軸の正射影像の正の部分に配置された第１の下面側容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分に配置された第２の下面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の正の部分に配置された第３の下面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の負の部分に配置された第４の下面側容量素子と、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置に配置された第５の下面側容量素子と、Ｘ軸の正射影像の正の部分における前記第１の下面側容量素子とは重ならない位置に配置された第６の下面側容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分における前記第２の下面側容量素子とは重ならない位置に配置された第７の下面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の正の部分における前記第３の下面側容量素子とは重ならない位置に配置された第８の下面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の負の部分における前記第４の下面側容量素子とは重ならない位置に配置された第９の下面側容量素子と、を備え、
    前記第１の下面側容量素子と前記第２の下面側容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、前記第３の下面側容量素子と前記第４の下面側容量素子は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、前記第５の下面側容量素子はＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしており、前記第６の下面側容量素子と前記第７の下面側容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、前記第８の下面側容量素子と前記第９の下面側容量素子は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、
    前記第１〜第９の上面側容量素子および前記第１〜第９の下面側容量素子から選択された容量素子によって、駆動用容量素子、コリオリ力検出用容量素子、モニタ用容量素子が構成されていることを特徴とする角速度センサ。
  19. 請求項１８に記載の角速度センサにおいて、
    振動子上面側において、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置であって第５の上面側容量素子とは重ならない位置に配置され、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をした第１０の上面側容量素子と、振動子下面側において、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置であって第５の下面側容量素子とは重ならない位置に配置され、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をした第１０の下面側容量素子と、を更に備え、
    第１〜第１０の上面側容量素子および第１〜第１０の下面側容量素子から選択された容量素子によって、駆動用容量素子、コリオリ力検出用容量素子、モニタ用容量素子が構成されていることを特徴とする角速度センサ。
  20. 請求項１８に記載の角速度センサにおいて、
    第１〜第４の上面側容量素子および第１〜第４の下面側容量素子が駆動用容量素子を構成し、第６〜第９の上面側容量素子および第６〜第９の下面側容量素子がモニタ用容量素子を構成し、第５の上面側容量素子および第５の下面側容量素子がＺ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを検出するコリオリ力検出用容量素子を構成し、
    駆動制御回路が、前記第１，第３，第２，第４の上面側容量素子に、それぞれ位相が順次π／２ずつ遅れた交流駆動信号を供給するとともに、前記第１，第３，第２，第４の下面側容量素子に、それぞれ前記第１，第３，第２，第４の上面側容量素子とは逆位相の交流駆動信号を供給することにより、前記振動子をＸＹ平面に平行な平面内で円運動させ、前記第６〜第９の上面側容量素子および前記第６〜第９の下面側容量素子の静電容量値をフィードバック量として、前記振動子の運動が、予め設定された基準円運動に維持されるようにフィードバック制御を行い、
    角速度検出回路が、振動子の重心がＸＺ平面を通過するタイミングで測定された前記コリオリ力Ｆｚに基づいてＸ軸まわりの角速度ωｘを検出し、振動子の重心がＹＺ平面を通過するタイミングで測定された前記コリオリ力Ｆｚに基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出することを特徴とする角速度センサ。
  21. 請求項２０に記載の角速度センサにおいて、
    第６および第７の上面側容量素子および第６および第７の下面側容量素子をＸ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを検出するコリオリ力検出用容量素子として兼用し、
    角速度検出回路が、振動子の重心がＸＺ平面を通過するタイミングで測定された前記コリオリ力Ｆｘに基づいてＺ軸まわりの角速度ωｚを検出することを特徴とする角速度センサ。
  22. 請求項２０または２１に記載の角速度センサにおいて、
    振動子上面側において、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置であって第５の上面側容量素子とは重ならない位置に配置され、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をした第１０の上面側容量素子と、振動子下面側において、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置であって第５の下面側容量素子とは重ならない位置に配置され、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をした第１０の下面側容量素子と、を更に備え、
    前記第１０の上面側容量素子および前記第１０の下面側容量素子の静電容量値をフィードバック量として、前記振動子の運動面が、予め設定された基準平面の位置に維持されるようにフィードバック制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
  23. 請求項１に記載の角速度センサにおいて、
    振動子の重心位置に原点Ｏを定義し、振動子の上面がＸＹ平面に平行になるように、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、Ｘ軸およびＹ軸の振動子上面に対する正射影像を定義したときに、
    振動子上面側において、Ｘ軸の正射影像の正の部分に配置された第１の容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分に配置された第２の容量素子と、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置に配置された第３の容量素子と、Ｘ軸の正射影像の正の部分における前記第１の容量素子とは重ならない位置に配置された第４の容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分における前記第２の容量素子とは重ならない位置に配置された第５の容量素子と、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置における前記第３の容量素子とは重ならない位置に配置された第６の容量素子と、Ｙ軸の正射影像の正の部分に配置された第７の容量素子と、Ｙ軸の正射影像の負の部分に配置された第８の容量素子と、
    を備え、
    前記第１の容量素子と前記第２の容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、前記第４の容量素子と前記第５の容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、前記第３の容量素子はＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしており、前記第６の容量素子はＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしており、前記第７の容量素子と前記第８の容量素子は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、
    第１〜第３の容量素子が駆動用容量素子を構成し、第４〜第６の容量素子がモニタ用容量素子を構成し、第７〜第８の容量素子がＹ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを検出するコリオリ力検出用容量素子を構成し、
    駆動制御回路が、前記第１および第２の容量素子に、互いに逆位相の交流駆動信号を供給し、前記第３の容量素子に、前記第１の容量素子に供給する交流駆動信号に対して位相がπ／２だけずれた交流駆動信号を供給することにより、前記振動子をＸＺ平面内で円運動させ、前記第４〜第６の容量素子の静電容量値をフィードバック量として、前記振動子の運動が、予め設定された基準円運動に維持されるようにフィードバック制御を行い、
    角速度検出回路が、振動子の重心がＸＹ平面を通過するタイミングで測定された前記コリオリ力Ｆｙに基づいてＸ軸まわりの角速度ωｘを検出し、振動子の重心がＹＺ平面を通過するタイミングで測定された前記コリオリ力Ｆｙに基づいてＺ軸まわりの角速度ωｚを検出することを特徴とする角速度センサ。
  24. 請求項２３に記載の角速度センサにおいて、
    振動子下面側において、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置に配置された第９の容量素子と、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置における前記第９の容量素子とは重ならない位置に配置された第１０の容量素子と、を更に備え、
    前記第９の容量素子および前記第１０の容量素子は、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしており、
    駆動制御回路が、前記第９の容量素子に、前記第３の容量素子に供給する交流駆動信号に対して逆位相の交流駆動信号を供給することにより、前記振動子をＸＺ平面内で円運動させ、前記第１０の容量素子の静電容量値をフィードバック量として加えることにより、前記振動子の運動が、予め設定された基準円運動に維持されるようにフィードバック制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
  25. 請求項２３または２４に記載の角速度センサにおいて、
    第４および第５の容量素子をＸ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを検出するコリオリ力検出用容量素子として兼用し、
    角速度検出回路が、振動子の重心がＸＹ平面を通過するタイミングで測定された前記コリオリ力Ｆｘに基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出することを特徴とする角速度センサ。
  26. 請求項２３または２４に記載の角速度センサにおいて、
    第６の容量素子をＺ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを検出するコリオリ力検出用容量素子として兼用し、
    角速度検出回路が、振動子の重心がＹＺ平面を通過するタイミングで測定された前記コリオリ力Ｆｚに基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出することを特徴とする角速度センサ。
  27. 請求項１４〜２６のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
    個々のモニタ用容量素子について、それぞれ最も近い位置に配置されている駆動用容量素子を対応づけ、
    駆動制御回路が、特定のモニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも小さくなったときには、これに対応する駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより大きくする制御を行い、特定のモニタ用容量素子の静電容量を示すモニタ電圧の振動中心レベルが、所定の基準レベルよりも大きくなったときには、これに対応する駆動用容量素子に作用させるクーロン力をより小さくする制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
  28. 請求項２７に記載の角速度センサにおいて、
    駆動制御回路が、各駆動用容量素子に供給する交流駆動信号として、半波整流電圧信号を用い、作用させるクーロン力をより大きくする場合は、供給する交流電圧信号の振幅を大きくし、作用させるクーロン力をより小さくする場合は、供給する交流電圧信号の振幅を小さくする制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
  29. 請求項２７に記載の角速度センサにおいて、
    駆動制御回路が、各駆動用容量素子に供給する交流駆動信号として、半波整流電圧信号を用い、作用させるクーロン力をより大きくする場合は、供給する交流電圧信号に正のオフセット電圧を加え、作用させるクーロン力をより小さくする場合は、供給する交流電圧信号に負のオフセット電圧を加える（但し、電圧値が負になる場合は０とする）ことを特徴とする角速度センサ。
  30. 請求項１に記載の角速度センサにおいて、
    物理的に同一の容量素子を、モニタ用容量素子およびコリオリ力検出用容量素子として兼用することを特徴とする角速度センサ。
  31. 請求項１に記載の角速度センサにおいて、
    駆動制御回路からの交流駆動信号を、切替スイッチを介して駆動用容量素子に供給し、前記切替スイッチを切り替えることにより、物理的に同一の容量素子を、ある期間には、駆動用容量素子として機能させ、別な期間には、モニタ用容量素子もしくはコリオリ力検出用容量素子として機能させることができるようにしたことを特徴とする角速度センサ。
  32. 請求項３１に記載の角速度センサにおいて、
    互いに平行な上面と下面とを有する振動子の重心位置に原点Ｏを定義し、振動子の上面および下面がＸＹ平面に平行になるように、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、Ｘ軸およびＹ軸の振動子上面および下面に対する正射影像を定義したときに、
    振動子上面側において、Ｘ軸の正射影像の正の部分に配置された第１の上面側容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分に配置された第２の上面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の正の部分に配置された第３の上面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の負の部分に配置された第４の上面側容量素子と、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置に配置された第５の上面側容量素子と、を備え、
    前記第１の上面側容量素子と前記第２の上面側容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、前記第３の上面側容量素子と前記第４の上面側容量素子は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、前記第５の上面側容量素子はＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしており、
    振動子下面側において、Ｘ軸の正射影像の正の部分に配置された第１の下面側容量素子と、Ｘ軸の正射影像の負の部分に配置された第２の下面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の正の部分に配置された第３の下面側容量素子と、Ｙ軸の正射影像の負の部分に配置された第４の下面側容量素子と、Ｚ軸上もしくはＺ軸を取り囲む位置に配置された第５の下面側容量素子と、を備え、
    前記第１の下面側容量素子と前記第２の下面側容量素子は、ＹＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、前記第３の下面側容量素子と前記第４の下面側容量素子は、ＸＺ平面に関して幾何学的に対称となっており、前記第５の下面側容量素子はＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して幾何学的に対称となる形状をしており、
    駆動制御回路は、振動子の運動周期の第１の四半周期を構成する期間Ｔ１にクーロン力を発生させることができる交流駆動信号φ１と、振動子の運動周期の第２の四半周期を構成する期間Ｔ２にクーロン力を発生させることができる交流駆動信号φ２と、振動子の運動周期の第３の四半周期を構成する期間Ｔ３にクーロン力を発生させることができる交流駆動信号φ３と、振動子の運動周期の第４の四半周期を構成する期間Ｔ４にクーロン力を発生させることができる交流駆動信号φ４と、を発生させ、
    前記交流駆動信号φ１は、前記期間Ｔ１に第１の切替状態となるように制御される第１の切替スイッチを介して前記第５の上面側容量素子に供給され、前記交流駆動信号φ２は、前記期間Ｔ２に第１の切替状態となるように制御される第２の切替スイッチを介して前記第２の上面側容量素子および前記第１の下面側容量素子に供給され、前記交流駆動信号φ３は、前記期間Ｔ３に第１の切替状態となるように制御される第３の切替スイッチを介して前記第５の下面側容量素子に供給され、前記交流駆動信号φ４は、前記期間Ｔ４に第１の切替状態となるように制御される第４の切替スイッチを介して前記第１の上面側容量素子および前記第２の下面側容量素子に供給され、これら交流駆動信号の供給により、振動子はＸＺ平面内で円運動し、
    前記駆動制御回路は、
    前記期間Ｔ１において、第２の切替状態となるように制御された前記第３の切替スイッチを介して前記第５の下面側容量素子の静電容量値を検出し、当該静電容量値をフィードバック量として、前記交流駆動信号φ１を制御し、
    前記期間Ｔ２において、第２の切替状態となるように制御された前記第４の切替スイッチを介して前記第１の上面側容量素子の静電容量値および前記第２の下面側容量素子の静電容量値を検出し、当該静電容量値をフィードバック量として、前記交流駆動信号φ２を制御し、
    前記期間Ｔ３において、第２の切替状態となるように制御された前記第１の切替スイッチを介して前記第５の上面側容量素子の静電容量値を検出し、当該静電容量値をフィードバック量として、前記交流駆動信号φ３を制御し、
    前記期間Ｔ４において、第２の切替状態となるように制御された前記第２の切替スイッチを介して前記第２の上面側容量素子の静電容量値および前記第１の下面側容量素子の静電容量値を検出し、当該静電容量値をフィードバック量として、前記交流駆動信号φ４を制御し、
    角速度検出回路は、
    前記期間Ｔ１および前記期間Ｔ３において、前記第３の上面側容量素子および前記第３の下面側容量素子ならびに前記第４の上面側容量素子および前記第４の下面側容量素子の静電容量値に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出し、
    前記期間Ｔ２および前記期間Ｔ４において、第２の切替状態となるように制御された前記第１の切替スイッチを介して前記第５の上面側容量素子の静電容量値を検出し、第２の切替状態となるように制御された前記第３の切替スイッチを介して前記第５の下面側容量素子の静電容量値を検出し、当該静電容量値に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出し、
    前記期間Ｔ２および前記期間Ｔ４において、前記第３の上面側容量素子および前記第３の下面側容量素子ならびに前記第４の上面側容量素子および前記第４の下面側容量素子の静電容量値に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出することを特徴とする角速度センサ。
  33. 請求項１〜３２のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
    角速度検出回路が、モニタ用容量素子の静電容量値に基づいて、コリオリ力検出用容量素子の静電容量値の測定タイミングを決定することを特徴とする角速度センサ。
  34. 請求項１〜３３のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
    それぞれ独立した容量素子が形成されるという条件が満足される限りにおいて、複数の変位電極もしくは複数の固定電極を物理的に単一の導電層によって構成したことを特徴とする角速度センサ。
  35. 請求項３４に記載の角速度センサにおいて、
    振動子を導電性材料によって構成し、各変位電極を振動子の表面層のそれぞれ特定の部分領域によって構成し、すべての変位電極が共通電位となるようにしたことを特徴とする角速度センサ。
  36. 請求項１〜３５のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
    可撓性部材が、振動子の周囲を取り囲む形状をなし、可撓性をもった板状構造体によって構成されており、前記板状構造体の内側部分が振動子に接続され、外側部分が装置筐体に固定されていることを特徴とする角速度センサ。
  37. 請求項１〜３５のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
    可撓性部材が、可撓性をもった複数の橋梁部によって構成されており、各橋梁部の内側端が振動子に接続され、外側端が装置筐体に固定されていることを特徴とする角速度センサ。
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