JP3586271B2 - 角速度センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は角速度センサに関し、特に、ＸＹＺ三次元座標系における所定軸まわりの角速度を検出することのできる角速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。一般に、三次元空間内において自由運動をする物体には、任意の向きの加速度および任意の回転方向の角速度が作用する。このため、この物体の運動を正確に把握するためには、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸方向ごとの加速度と各座標軸まわりの角速度とをそれぞれ独立して検出する必要がある。
【０００３】
従来から多次元の加速度センサは種々のものが提案されている。たとえば、特許協力条約に基づく国際公開第ＷＯ８８／０８５２２号公報（米国特許第４９６７６０５号／同第５１８２５１５号）には、半導体基板上に形成された抵抗素子を用い、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いる。また、特許協力条約に基づく国際公開第ＷＯ９１／１０１１８号公報（米国特許出願第０７／７６１７７１号）には、自己診断機能をもった多軸加速度センサが開示されている。更に、特許協力条約に基づく国際公開第ＷＯ９２／１７７５９号公報（米国特許出願第０７／９５２７５３号）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いる。また、特願平２−２７４２９９号および特願平２−４１６１８８号明細書（米国特許出願第０７／７６４１５９号）にも、同様の多軸加速度センサが開示されている。特願平３−３０６５８７号明細書（米国特許出願第０７／９６０５４５号）には、同様の多軸加速度センサにおける新規な電極配置が開示されており、特許協力条約に基づく国際出願ＰＣＴ／ＪＰ９２／００８８２号明細書には、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。これらの加速度センサの特徴は、複数の抵抗素子／静電容量素子／圧電素子を、可撓性をもった基板の所定位置に配置し、抵抗素子の抵抗値の変化／静電容量素子の容量値の変化／圧電素子の発生電圧の変化に基づいて、作用した加速度を検出する点にある。可撓性をもった基板には、重錘体が取り付けられており、加速度が作用するとこの重錘体に力が加わり、可撓性基板に撓みが生じる。この撓みを上述した抵抗値／容量値／発生電荷の変化に基づいて検出すれば、加速度の各軸方向成分を求めることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、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には、ＸＹＺ三次元座標系における所定軸まわりの角速度を効率よく検出する必要がある。しかしながら、従来利用されている一次元の角速度センサは、全体としての構造は複雑になり、コストも高いものになる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、比較的単純な構造をもち、ＸＹＺ三次元座標系における所定軸まわりの角速度を独立して検出することができる新規な角速度センサを提供することにある。
【０００６】
本発明において利用されている基本原理は、ＸＹＺ三次元座標系に置かれた振動子に対して第１の座標軸まわりの角速度ωが作用している場合、この振動子を第２の座標軸方向に振動させると、角速度ωの大きさに比例したコリオリ力が第３の座標軸方向に発生するという原理である。この原理を利用して角速度ωを検出するには、振動子を所定の座標軸方向に振動させる手段と、コリオリ力の作用により振動子に生じた所定の座標軸方向の変位を検出する手段と、が必要になる。本発明は、このような手段を備えたセンサを提供するものであり、次のような特徴をもっている。
【０００７】
(1) 本発明の第１の特徴は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、
センサ筐体に固定され、ＸＹ平面に平行な基板面を有する第１の基板と、
この第１の基板の基板面に対して所定の距離を保って平行に配置された基板面を有し、中心部分と周囲部分とのうち、少なくとも周囲部分が可撓性を有し、周囲部分を介してセンサ筐体に固定されている第２の基板と、
第２の基板の中心部分からＺ軸に沿った方向に突出するように、第２の基板に接続された振動子と、
を設け、
振動子に対して外力が作用した場合に、周囲部分に撓みが生じることにより、中心部分が第１の基板に対して変位を生じるように構成し、
第２の基板の中心部分には、第１の変位電極、第２の変位電極、第３の変位電極をＸＹ平面に平行となるように形成し、第１の基板における第１の変位電極、第２の変位電極、第３の変位電極に対向する位置に、それぞれ第１の固定電極、第２の固定電極、第３の固定電極をＸＹ平面に平行となるように形成し、第１の固定電極と第１の変位電極とにより第１の容量素子を形成し、第２の固定電極と第２の変位電極とにより第２の容量素子を形成し、第３の固定電極と第３の変位電極とにより第３の容量素子を形成し、
第１の容量素子と第２の容量素子を、振動子がＹ軸方向に変位を生じた際に、一方の電極間隔が増加し、他方の電極間隔が減少するような位置に配置し、第３の容量素子を、振動子がＺ軸方向に変位を生じた際に電極間隔が変化するような位置に配置し、
第３の容量素子を構成する一対の電極間に交流信号を供給することによりクーロン力を作用させ、作用したクーロン力によって振動子をＺ軸方向に振動させる手段と、
第１の容量素子の静電容量値と第２の容量素子の静電容量値との差に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を示す値を出力する手段と、
を更に設けるようにしたものである。
【０００８】
(2) 本発明の第２の特徴は、上述した第１の特徴に係る角速度センサにおいて、
第１の容量素子をＹ軸の正の領域上に配置し、第２の容量素子をＹ軸の負の領域上に配置し、第３の容量素子をＺ軸と交差する位置に配置するようにしたものである。
【０００９】
(3) 本発明の第３の特徴は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＹ軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、
センサ筐体に固定され、ＸＹ平面に平行な基板面を有する第１の基板と、
この第１の基板の基板面に対して所定の距離を保って平行に配置された基板面を有し、中心部分と周囲部分とのうち、少なくとも周囲部分が可撓性を有し、周囲部分を介してセンサ筐体に固定されている第２の基板と、
第２の基板の中心部分からＺ軸に沿った方向に突出するように、第２の基板に接続された振動子と、
を設け、
振動子に対して外力が作用した場合に、周囲部分に撓みが生じることにより、中心部分が第１の基板に対して変位を生じるように構成し、
第２の基板の中心部分に、第１の変位電極、第２の変位電極、第３の変位電極をＸＹ平面に平行となるように形成し、第１の基板における第１の変位電極、第２の変位電極、第３の変位電極に対向する位置に、それぞれ第１の固定電極、第２の固定電極、第３の固定電極をＸＹ平面に平行となるように形成し、第１の固定電極と第１の変位電極とにより第１の容量素子を形成し、第２の固定電極と第２の変位電極とにより第２の容量素子を形成し、第３の固定電極と第３の変位電極とにより第３の容量素子を形成し、
第１の容量素子と第２の容量素子を、振動子がＸ軸方向に変位を生じた際に、一方の電極間隔が増加し、他方の電極間隔が減少するような位置に配置し、第３の容量素子を、振動子がＺ軸方向に変位を生じた際に電極間隔が変化するような位置に配置し、
第１の容量素子を構成する一対の電極間および第２の容量素子を構成する一対の電極間に互いに位相が異なる交流信号を供給することによりクーロン力を作用させ、作用したクーロン力によって振動子をＸ軸方向に振動させる手段と、
第３の容量素子の静電容量値に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を示す値を出力する手段と、
を更に設けるようにしたものである。
【００１０】
(4) 本発明の第４の特徴は、上述した第３の特徴に係る角速度センサにおいて、
第１の容量素子をＸ軸の正の領域上に配置し、第２の容量素子をＸ軸の負の領域上に配置し、第３の容量素子をＺ軸と交差する位置に配置するようにしたものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
＜＜＜ Ｓｅｃｔｉｏｎ ０ 基本原理 ＞＞＞
＜０．１＞ 一軸の角速度センサ
【００３０】
はじめに、本発明に係る一軸の角速度センサによる角速度の検出原理を簡単に説明しておく。第１図は、日本国特許庁監修の雑誌「発明（THE INVENTION)」、vol.90，No.3（１９９３年）の６０頁に開示されている角速度センサの基本原理を示す図である。いま、角柱状の振動子１０を用意し、図示するような方向にＸ，Ｙ，Ｚ軸を定義したＸＹＺ三次元座標系を考える。このような系において、振動子１０がＺ軸を回転軸として角速度ωで回転運動を行っている場合、次のような現象が生じることが知られている。すなわち、この振動子１０をＸ軸方向に往復運動させるような振動Ｕを与えると、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆが発生する。別言すれば、振動子１０を図のＸ軸に沿って振動させた状態で、この振動子１０をＺ軸を中心軸として回転させると、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆが生じることになる。この現象は、フーコーの振り子として古くから知られている力学現象であり、発生するコリオリ力Ｆは、
Ｆ＝２ｍ・ｖ・ω
で表される。ここで、ｍは振動子１０の質量、ｖは振動子１０の振動についての瞬時の速度、ωは振動子１０の瞬時の角速度である。
【００３１】
前述の雑誌に開示された一軸の角速度センサは、この現象を利用して角速度ωを検出するものである。すなわち、第１図に示すように、角柱状の振動子１０の第１の面には第１の圧電素子１１が、この第１の面と直交する第２の面には第２の圧電素子１２が、それぞれ取り付けられる。圧電素子１１，１２としては、ピエゾエレクトリックセラミックからなる板状の素子が用いられている。そして、振動子１０に対して振動Ｕを与えるために圧電素子１１が利用され、発生したコリオリ力Ｆを検出するために圧電素子１２が利用される。すなわち、圧電素子１１に交流電圧を与えると、この圧電素子１１は伸縮運動を繰り返しＸ軸方向に振動する。この振動Ｕが振動子１０に伝達され、振動子１０がＸ軸方向に振動することになる。このように、振動子１０に振動Ｕを与えた状態で、振動子１０自身がＺ軸を中心軸として角速度ωで回転すると、上述した現象により、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆが発生する。このコリオリ力Ｆは、圧電素子１２の厚み方向に作用するため、圧電素子１２の両面にはコリオリ力Ｆに比例した電圧Ｖが発生する。そこで、この電圧Ｖを測定することにより、角速度ωを検出することが可能になる。
【００３２】
＜０．２＞ 多軸の角速度センサ
上述した従来の角速度センサは、Ｚ軸まわりの角速度を検出するためのものであり、Ｘ軸あるいはＹ軸まわりの角速度の検出を行うことはできない。本発明は、第２図に示すように、所定の物体２０について、ＸＹＺ三次元座標系における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、のうちの必要な所定軸まわりの角速度をそれぞれを必要に応じて検出することのできる角速度センサを提供するものである。その基本原理を、第３図〜第５図を参照して説明する。いま、ＸＹＺ三次元座標系の原点位置に振動子３０が置かれているものとする。この振動子３０のＸ軸まわりの角速度ωｘを検出するには、第３図に示すように、この振動子３０にＺ軸方向の振動Ｕｚを与えたときに、Ｙ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｙを測定すればよい。コリオリ力Ｆｙは角速度ωｘに比例した値となる。また、この振動子３０のＹ軸まわりの角速度ωｙを検出するには、第４図に示すように、この振動子３０にＸ軸方向の振動Ｕｘを与えたときに、Ｚ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｚを測定すればよい。コリオリ力Ｆｚは角速度ωｙに比例した値となる。更に、この振動子３０のＺ軸まわりの角速度ωｚを検出するには、第５図に示すように、この振動子３０にＹ軸方向の振動Ｕｙを与えたときに、Ｘ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｘを測定すればよい。コリオリ力Ｆｘは角速度ωｚに比例した値となる。
【００３３】
結局、ＸＹＺ三次元座標系における各軸ごとの角速度を検出するには、振動子３０をＸ軸方向に振動させる機構、Ｙ軸方向に振動させる機構、Ｚ軸方向に振動させる機構、のそれぞれと、振動子３０に作用するＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを検出する機構、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙを検出する機構、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｚを検出する機構、のそれぞれとが必要になる。
【００３４】
＜０．３＞ 振動機構／検出機構
上述したように、本発明に係る角速度センサでは、振動子を特定の座標軸方向に振動させるための機構と、振動子に作用した特定の座標軸方向のコリオリ力を検出するための機構とが必要になる。振動機構としては、次のような各機構を利用することができる。
【００３５】
（１） クーロン力を利用した機構：振動子側に第１の電極を、センサ筐体側に第２の電極を、それぞれ形成し、これら一対の電極を対向させるように配置する。両電極に同じ極性の電荷を供給すれば反発力が作用し、異なる極性の電荷を供給すれば吸引力が作用する。そこで、両電極間に反発力と吸引力とを交互に作用させるようにすれば、振動子はセンサ筐体に対して振動する。
【００３６】
（２） 圧電素子を利用した機構：第１図に示す一軸の角速度センサに用いられている機構である。圧電素子１１に交流電圧を供給することにより、振動子１０を振動させる。
【００３７】
（３） 電磁力を利用した機構：磁性材料からなる振動子を用い、センサ筐体側にコイルを配置し、このコイルに電流を流して電磁力を作用させ、振動子を振動させる。
【００３８】
一方、コリオリ力の検出機構としては、次のような各機構を利用することができる。
【００３９】
（１） 静電容量の変化を利用する機構：振動子側に第１の電極を、センサ筐体側に第２の電極を、それぞれ形成し、これら一対の電極を対向させるように配置する。振動子にコリオリ力が作用して変位が生じると、両電極の間隔が変化するため、両電極によって構成される静電容量素子の静電容量値が変化する。この容量値の変化を測定することにより、作用したコリオリ力を検出する。
【００４０】
（２） 圧電素子を利用した機構：第１図に示す一軸の角速度センサに用いられている機構である。圧電素子１２にコリオリ力Ｆが作用すると、圧電素子１２はコリオリ力Ｆに比例した電圧を発生する。この発生電圧を測定することにより、作用したコリオリ力を検出する。
【００４１】
（３） 差動トランスを利用した機構：磁性材料からなる振動子を用い、センサ筐体側にコイルを配置する。振動子にコリオリ力が作用して変位が生じると、振動子とコイルとの距離が変化するため、コイルのインダクタンスが変化する。このインダクタンスの変化を測定することにより、作用したコリオリ力を検出する。
【００４２】
（４） ピエゾ抵抗素子を利用した機構：コリオリ力の作用により撓みが生じるような基板を設けておく。この基板上にピエゾ抵抗素子を形成しておき、基板に生じた撓みをピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化として検出する。すなわち、抵抗値の変化を測定することにより、作用したコリオリ力を検出する。
【００４３】
以上、本発明に係る角速度センサの基本原理について簡単に述べたが、このような基本原理に基づいて動作する単純な構造をもったセンサの具体例を以下に詳述する。なお、本発明は、ＸＹＺ三次元座標系における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、のうちの必要な所定軸まわりの角速度を検出することのできる一軸角速度センサに関するものであるが、この一軸角速度センサを共通の構造体に組み込めば、複数の軸まわりの角速度を検出することが可能な多軸角速度センサを実現することができる。そこで、以下の実施例では、本発明に係る一軸角速度センサを複数組み合わせることにより、多軸角速度センサを実現した実施例を述べることにする。
【００４４】
＜＜＜ Ｓｅｃｔｉｏｎ １ 第１の実施例 ＞＞＞
＜１．１＞ 第１の実施例に係るセンサの構造
まず、本発明の第１の実施例に係る多軸角速度センサについて説明する。この第１の実施例は、振動機構としてクーロン力を利用した機構を用い、検出機構として静電容量の変化を利用する機構を用いたセンサである。
【００４５】
第６図は、この第１の実施例に係る多軸角速度センサの側断面図である。可撓基板１１０および固定基板１２０は、いずれも円盤状の基板であり、所定の間隔を保って互いに平行に配置されている。可撓基板１１０の下面には、円柱状の振動子１３０が固着されている。また、可撓基板１１０の外周部分および固定基板１２０の外周部分は、いずれもセンサ筐体１４０によって支持されている。固定基板１２０の下面には、５枚の上部電極層Ｅ１〜Ｅ５（第６図には、その一部だけが示されている）が形成され、同様に可撓基板１１０の上面には、５枚の下部電極層Ｆ１〜Ｆ５（やはり、その一部だけが示されている）が形成されている。ここで、固定基板１２０は十分な剛性をもち、撓みを生じることはないが、可撓基板１１０は可撓性をもち、いわゆるダイヤフラムとして機能する。振動子１３０は、安定した振動を生じるのに十分な重量をもった材質で構成されており、ここでは、説明の便宜上、この振動子１３０の重心位置Ｏを原点としたＸＹＺ三次元座標系を考えることにする。すなわち、図の右方向にＸ軸、上方向にＺ軸、そして紙面に垂直な方向にＹ軸を定義する。第６図は、このセンサをＸＺ平面で切った断面図ということになる。なお、この実施例では、可撓基板１１０および固定基板１２０は、いずれも絶縁性の材料によって構成されている。これらの基板を金属などの導電性の材料で構成したい場合には、絶縁膜を介して各電極層の形成を行い、電極層同士が短絡しないようにすればよい。
【００４６】
下部電極層Ｆ１〜Ｆ５の形状および配置は、第７図に明瞭に示されている。第７図は、可撓基板１１０の上面図であり、扇状の下部電極層Ｆ１〜Ｆ４と円形の下部電極層Ｆ５が配置されている様子が明瞭に示されている。一方、上部電極層Ｅ１〜Ｅ５の形状および配置は、第８図に明瞭に示されている。第８図は、固定基板１２０の下面図であり、扇状の上部電極層Ｅ１〜Ｅ４と円形の上部電極層Ｅ５が配置されている様子が明瞭に示されている。上部電極層Ｅ１〜Ｅ５と下部電極層Ｆ１〜Ｆ５とは、それぞれ同じ形状をしており、互いに向かい合った位置に形成されている。したがって、対向する一対の電極層により静電容量素子が形成され、合計５組の静電容量素子が形成される。ここでは、これらをそれぞれ静電容量素子Ｃ１〜Ｃ５と呼ぶことにする。たとえば、上部電極層Ｅ１と下部電極層Ｆ１とによって形成される素子を、静電容量素子Ｃ１と呼ぶ。
【００４７】
＜１．２＞ 振動子の振動機構
いま、このセンサの所定の電極層間に電圧を供給した場合にどのような現象が起こるかを検討する。まず、電極層Ｅ１，Ｆ１間に所定の電圧を印加した場合を考える。たとえば、第９図に示すように、電極層Ｅ１側が正、Ｆ１側が負となるように電圧を供給すると、両電極層間にはクーロン力に基づく吸引力が作用する。前述したように、可撓基板１１０は可撓性をもった基板であり、このような吸引力により撓みが生じることになる。すなわち、第９図に示すように、電圧を印加した電極層Ｅ１，Ｆ１間の距離が縮まるように、可撓基板１１０は機械的に変形する。可撓基板１１０にこのような機械的変形が生じると、振動子１３０はＸ軸の正の方向にΔＸだけ変位を生じることになる。
【００４８】
今度は、電極層Ｅ２，Ｆ２間に所定の電圧を印加した場合を考える。たとえば、第１０図に示すように、電極層Ｅ２側が正、Ｆ２側が負となるように電圧を供給すると、これらの間に吸引力が作用し、電極層Ｅ２，Ｆ２間の距離が縮まるように可撓基板１１０は機械的に変形する。この結果、振動子１３０はＸ軸の負の方向にΔＸだけ変位を生じることになる。結局、電極層Ｅ１，Ｆ１間に電圧を印加すれば、振動子１３０はＸ軸の正の方向に変位し、電極層Ｅ２，Ｆ２間に電圧を印加すれば、振動子１３０はＸ軸の負の方向に変位することになる。したがって、電極層Ｅ１，Ｆ１間への電圧印加と、電極層Ｅ２，Ｆ２間への電圧印加と、を交互に行えば、振動子１３０をＸ軸方向に往復運動させることができる。
【００４９】
ところで、第７図および第８図に示されているように、上述した電極層Ｅ１，Ｆ１，Ｅ２，Ｆ２はＸ軸上に配置された電極層である。これに対し、電極層Ｅ３，Ｆ３，Ｅ４，Ｆ４はＹ軸上に配置されている。したがって、電極層Ｅ３，Ｆ３間への電圧印加と、電極層Ｅ４，Ｆ４間への電圧印加と、を交互に行えば、振動子１３０をＹ軸方向に往復運動させることができることは、容易に理解できるであろう。
【００５０】
続いて、電極層Ｅ５，Ｆ５間に所定の電圧を印加した場合を考える。たとえば、第１１図に示すように、電極層Ｅ５側が正、Ｆ５側が負となるように電圧を供給すると、これらの間に吸引力が作用し、電極層Ｅ５，Ｆ５間の距離が縮まるように可撓基板１１０は機械的に変形する。電極層Ｅ５，Ｆ５はいずれも各基板の中央に位置するため、可撓基板１１０は傾くことなく、Ｚ軸方向へ平行移動するような変位を生じることになる。この結果、振動子１３０はＺ軸の正の方向にΔＺだけ変位を生じることになる。両電極層Ｅ５，Ｆ５への電圧印加をやめれば、振動子１３０はもとの位置（第６図に示す位置）へ復帰する。したがって、両電極層Ｅ５，Ｆ５への電圧印加を断続的に行えば、振動子１３０をＺ軸方向に往復運動させることができる。
【００５１】
以上のように、特定の電極層の組に対して、特定のタイミングで電圧印加を行えば、振動子１３０をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に沿って振動させることができる。なお、上述の説明では、上部電極層Ｅ１〜Ｅ５側に正、下部電極層Ｆ１〜Ｆ５側に負の電圧を印加しているが、極性を逆にしてもやはり吸引力が作用するため同じ現象が起こる。
【００５２】
結局、振動子１３０についてＸ軸方向の振動Ｕｘを起こさせるには、第１２図に示すような波形をもった電圧Ｖ１を電極層Ｅ１，Ｆ１間に供給するとともに、電圧Ｖ２を電極層Ｅ２，Ｆ２間に供給すればよい。このような波形の電圧を供給すれば、期間ｔ１，ｔ３，ｔ５において振動子１３０には第９図に示すような変位ΔＸが生じ、期間ｔ２，ｔ４において振動子１３０には第１０図に示すような変位−ΔＸが生じることになる。同様に、振動子１３０についてＹ軸方向の振動Ｕｙを起こさせるには、第１３図に示すような波形をもった電圧Ｖ３を電極層Ｅ３，Ｆ３間に供給するとともに、電圧Ｖ４を電極層Ｅ４，Ｆ４間に供給すればよい。また、振動子１３０についてＺ軸方向の振動Ｕｚを起こさせるには、第１４図に示すような波形をもった電圧Ｖ５を電極層Ｅ５，Ｆ５間に供給すればよい。このような波形の電圧Ｖ５を供給すれば、期間ｔ１，ｔ３，ｔ５において振動子１３０には第１１図に示すような変位ΔＺが生じ、期間ｔ２，ｔ４において振動子１３０は、可撓基板１１０の復元力により第６図に示す位置に復帰する（このとき、慣性力に応じた変位−ΔＺが発生する）。
【００５３】
＜１．３＞ コリオリ力の検出機構
１．３．１ Ｘ軸まわりの角速度ωｘに基づくコリオリ力
続いて、このセンサに作用するコリオリ力を、静電容量の変化を利用して検出する機構について説明する。はじめに、このセンサにＸ軸まわりの角速度ωｘが作用した場合の現象について考える。たとえば、第２図に示す物体２０が、Ｘ軸まわりに角速度ωｘで回転運動している場合、この物体２０にこのセンサを搭載しておけば、振動子１３０に対してＸ軸まわりの角速度ωｘが作用することになる。ところで、第３図で説明したように、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが作用している状態において、振動子に対してＺ軸方向の振動Ｕｚを与えると、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆｙが発生する。したがって、このセンサの電極層Ｅ５，Ｆ５間に、第１４図に示すような波形をもった電圧Ｖ５を供給し、振動子１３０にＺ軸方向の振動Ｕｚを与えれば、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆｙが発生するはずである。
【００５４】
第１５図は、このコリオリ力Ｆｙによって、可撓基板１１０に機械的変形が生じた状態を示す側断面図である。このセンサ全体が、Ｘ軸（図の紙面に垂直な方向）まわりに角速度ωｘで回転している状態において、振動子１３０をＺ軸方向に振動させると、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆｙが発生し、振動子１３０をＹ軸方向に動かす力が加わる。この力により、可撓基板１１０は図のように変形する。このようなＹ軸方向に偏った変形は、電極層間のクーロン力によるものではなく、コリオリ力Ｆｙに起因したものである。電極層間の印加電圧に関しては、上述したように、電極層Ｅ５，Ｆ５間に第１４図に示すような電圧Ｖ５が供給されているだけであり、他の電極層間には何ら電圧供給は行われていない。ここで、発生したコリオリ力Ｆｙは角速度ωｘに比例したものになるので、コリオリ力Ｆｙの値を測定することができれば、角速度ωｘを検出することができる。
【００５５】
そこで、静電容量の変化を利用して、次のような方法でこのコリオリ力Ｆｙを測定する。いま、上部電極層Ｅ１〜Ｅ５と、下部電極層Ｆ１〜Ｆ５と、の距離について考える。振動子１３０は第１５図の上下方向に振動しているので、両電極層間の距離は縮んだり広がったりを周期的に繰り返すことになる。したがって、上部電極層Ｅ１〜Ｅ５と下部電極層Ｆ１〜Ｆ５とで構成される容量素子Ｃ１〜Ｃ５の容量値（同じ符号Ｃ１〜Ｃ５で表すことにする）は、いずれも周期的に増えたり減ったりを繰り返すことになる。ところが、コリオリ力Ｆｙの作用により、可撓基板１１０には常にＹ軸方向に偏った変形が生じることになり、このような変形を保ったまま振動子１３０は上下に振動することになる。すなわち、容量素子Ｃ３の電極間隔は、容量素子Ｃ４の電極間隔よりも常に小さくなり、容量値Ｃ３と容量値Ｃ４との間には、常にＣ３＞Ｃ４の関係が保たれる。この容量値Ｃ３とＣ４との差ΔＣ３４は、Ｙ軸方向への偏りの程度に依存するため、コリオリ力Ｆｙの大きさを示す量となる。別言すれば、コリオリ力Ｆｙが大きければ大きいほど、差ΔＣ３４も大きくなる。
【００５６】
以上述べたＸ軸まわりの角速度ωｘの検出手順をまとめると次のようになる。まず、電極層Ｅ５，Ｆ５間に第１４図に示すような波形の電圧Ｖ５を供給して振動子１３０にＺ軸方向の振動Ｕｚを与え、その時点での容量素子Ｃ３，Ｃ４の容量値の差ΔＣ３４を求める。こうして求めた差ΔＣ３４が求める角速度ωｘの検出値となる。振動を与えるために用いる電極層Ｅ５，Ｆ５と、容量値の差を測定するために用いる電極層Ｅ３，Ｆ３，Ｅ４，Ｆ４とは、電気的に完全に独立しているため、振動機構と検出機構との間に干渉が生じることはない。
【００５７】
１．３．２ Ｙ軸まわりの角速度ωｙに基づくコリオリ力
次に、このセンサにＹ軸まわりの角速度ωｙが作用した場合の現象について考える。第４図で説明したように、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが作用している状態において、振動子に対してＸ軸方向の振動Ｕｘを与えると、Ｚ軸方向にコリオリ力Ｆｚが発生する。したがって、このセンサの電極層Ｅ１，Ｆ１間および電極層Ｅ２，Ｆ２間に、第１２図に示すような波形をもった電圧Ｖ１および電圧Ｖ２を供給し、振動子１３０にＸ軸方向の振動Ｕｘを与えれば、Ｚ軸方向にコリオリ力Ｆｚが発生するはずである。
【００５８】
第１６図は、このコリオリ力Ｆｚによって、可撓基板１１０に機械的変形が生じた状態を示す側断面図である。このセンサ全体が、Ｙ軸（図の紙面に垂直な方向）まわりに角速度ωｙで回転している状態において、振動子１３０をＸ軸方向に振動させると、Ｚ軸方向にコリオリ力Ｆｚが発生し、振動子１３０をＺ軸方向に動かす力が加わる。この力により、可撓基板１１０は図のように変形する。このようなＺ軸方向に偏った変形は、電極層間のクーロン力によるものではなく、コリオリ力Ｆｚに起因したものである。電極層間の印加電圧に関しては、上述したように、電極層Ｅ１，Ｆ１，Ｅ２，Ｆ２間に第１２図に示すような電圧Ｖ１，Ｖ２が供給されているだけであり、他の電極層間には何ら電圧供給は行われていない。ここで、発生したコリオリ力Ｆｚは角速度ωｙに比例したものになるので、コリオリ力Ｆｚの値を測定することができれば、角速度ωｙを検出することができる。
【００５９】
コリオリ力Ｆｚの値は、上部電極層Ｅ５および下部電極層Ｆ５によって形成される容量素子Ｃ５の容量値Ｃ５に基づいて求めることができる。なぜなら、コリオリ力Ｆｚが大きくなれば、両電極層間の距離は縮まり容量値Ｃ５は大きくなり、逆に、コリオリ力Ｆｚが小さくなれば、両電極層間の距離は広がり容量値Ｃ５は小さくなる関係が得られるからである。なお、振動子１３０はＸ軸方向に振動しているが、この振動Ｕｘは容量値Ｃ５の測定に何ら影響を及ぼさない。振動子１３０がＸ軸の正方向または負方向に変位を生じると、上部電極層Ｅ５と下部電極層Ｆ５とは非平行の状態になるが、両電極層間の距離は、部分的に縮まり部分的に広がるため、全体としては振動Ｕｘは容量値Ｃ５に影響を与えないのである。
【００６０】
以上述べたＹ軸まわりの角速度ωｙの検出手順をまとめると次のようになる。まず、電極層Ｅ１，Ｆ１，Ｅ２，Ｆ２間に第１２図に示すような波形の電圧Ｖ１および電圧Ｖ２を供給して振動子１３０にＸ軸方向の振動Ｕｘを与え、その時点での容量素子Ｃ５の容量値を求める。こうして求めた容量値Ｃ５が求める角速度ωｙの検出値となる。振動を与えるために用いる電極層Ｅ１，Ｆ１，Ｅ２，Ｆ２と、容量値を測定するために用いる電極層Ｅ５，Ｆ５とは、電気的に完全に独立しているため、振動機構と検出機構との間に干渉が生じることはない。
【００６１】
１．３．３ Ｚ軸まわりの角速度ωｚに基づくコリオリ力
最後に、このセンサにＺ軸まわりの角速度ωｚが作用した場合の現象について考える。第５図で説明したように、Ｚ軸まわりの角速度ωｚが作用している状態において、振動子に対してＹ軸方向の振動Ｕｙを与えると、Ｘ軸方向にコリオリ力Ｆｘが発生する。したがって、このセンサの電極層Ｅ３，Ｆ３間および電極層Ｅ４，Ｆ４間に、第１３図に示すような波形をもった電圧Ｖ３，Ｖ４を供給し、振動子１３０にＹ軸方向の振動Ｕｙを与えれば、Ｘ軸方向にコリオリ力Ｆｘが発生するはずである。
【００６２】
第１７図は、このコリオリ力Ｆｘによって、可撓基板１１０に機械的変形が生じた状態を示す側断面図である。このセンサ全体が、Ｚ軸まわりに角速度ωｚで回転している状態において、振動子１３０をＹ軸方向（紙面に垂直な方向）に振動させると、Ｘ軸方向にコリオリ力Ｆｘが発生し、振動子１３０をＸ軸方向に動かす力が加わる。この力により、可撓基板１１０は図のように変形する。このようなＸ軸方向に偏った変形は、電極層間のクーロン力によるものではなく、コリオリ力Ｆｘに起因したものである。このコリオリ力Ｆｘは角速度ωｚに比例したものになるので、コリオリ力Ｆｘの値を測定することができれば、角速度ωｚを検出することができる。
【００６３】
このコリオリ力Ｆｘは、コリオリ力Ｆｙと同様に、静電容量の変化を利用して測定することができる。すなわち、前述したコリオリ力Ｆｙは容量値Ｃ３とＣ４との差ΔＣ３４によって求めることができたが、これと全く同じ原理により、コリオリ力Ｆｘは容量値Ｃ１とＣ２との差ΔＣ１２によって求めることができる。
【００６４】
以上述べたＺ軸まわりの角速度ωｚの検出手順をまとめると次のようになる。まず、電極層Ｅ３，Ｆ３間および電極層Ｅ４，Ｆ４間に第１３図に示すような波形の電圧Ｖ３および電圧Ｖ４を供給して振動子１３０にＹ軸方向の振動Ｕｙを与え、その時点での容量素子Ｃ１，Ｃ２の容量値の差ΔＣ１２を求める。こうして求めた差ΔＣ１２が求める角速度ωｚの検出値となる。振動を与えるために用いる電極層Ｅ３，Ｆ３，Ｅ４，Ｆ４と、容量値の差を測定するために用いる電極層Ｅ１，Ｆ１，Ｅ２，Ｆ２とは、電気的に完全に独立しているため、振動機構と検出機構との間に干渉が生じることはない。
【００６５】
＜１．４＞ コリオリ力の検出回路
上述したように、この第１の実施例に係るセンサでは、Ｘ軸まわりの角速度ωｘは容量値Ｃ３とＣ４との差ΔＣ３４を求めることにより検出され、Ｙ軸まわりの角速度ωｙは容量値Ｃ５を求めることにより検出され、Ｚ軸まわりの角速度ωｚは容量値Ｃ１とＣ２との差ΔＣ１２を求めることにより検出される。そこで、ここではこのような容量値あるいは容量値の差を測定するのに適した回路の一例を開示しておく。
【００６６】
第１８図は、容量素子Ｃの容量値を測定するための回路の一例である。入力端子Ｔ１に与えられた信号は２つの経路に分岐し、インバータ１５１および１５２を通る。下の経路では、インバータ１５２を通った信号は、抵抗１５３と容量素子Ｃとによって構成される遅延回路を経て、排他的ＯＲ回路１５４の一方の入力信号となる。上の経路では、インバータ１５１を通った信号は、そのまま排他的ＯＲ回路１５４の他方の入力信号となる。排他的ＯＲ回路１５４の論理出力は、出力端子Ｔ２に与えられる。ここで、インバータ１５２は、抵抗１５３と容量素子Ｃとによって構成される遅延回路に対する十分な駆動能力を与える目的で設けられた素子である。また、インバータ１５１は、上下の経路を同じ条件にする目的で設けられた素子であり、インバータ１５２と同じ動作特性をもった素子である。
【００６７】
このような回路において、入力端子Ｔ１に所定周期の交流信号を供給した場合に、出力端子Ｔ２にどのような信号が得られるかを考える。第１９図は、入力端子Ｔ１に半周期ｆの矩形交流信号を供給した場合に、各部に表れる波形を示すタイミングチャートである（実際には、矩形波になまりが生じるが、ここでは説明の便宜上、純粋な矩形波として示してある）。排他的ＯＲ回路１５４の一方の入力端であるノードＮ１における波形は、入力端子Ｔ１に与えた波形に対して、インバータ１５１を通過するために必要な時間ａだけ遅延した反転波形となる。一方、排他的ＯＲ回路１５４のもう一方の入力端であるノードＮ２における波形は、入力端子Ｔ１に与えた波形に対して、インバータ１５２を通過するために必要な時間ａと、抵抗１５３および容量素子Ｃによって構成される遅延回路を通過するために必要な時間ｂと、の合計時間（ａ＋ｂ）だけ遅延した反転波形となる。この結果、出力端子Ｔ２に得られる排他的ＯＲ回路１５４の出力波形は、図に示すように、パルス幅ｂ、周期ｆをもった波形となる。ここで、容量素子Ｃの容量値が変化すると、抵抗１５３と容量素子Ｃとによって構成される遅延回路の遅延時間ｂに変化が生じる。したがって、得られるパルス幅ｂは、容量素子Ｃの容量値を示す値となる。
【００６８】
第２０図は、２つの容量素子Ｃ１，Ｃ２の容量値の差ΔＣを測定するための回路の一例である。入力端子Ｔ３に与えられた信号は２つの経路に分岐し、インバータ１６１および１６２を通る。上の経路では、インバータ１６１を通った信号は、抵抗１６３と容量素子Ｃ１とによって構成される遅延回路を経て、排他的ＯＲ回路１６５の一方の入力信号となる。下の経路では、インバータ１６２を通った信号は、抵抗１６４と容量素子Ｃ２とによって構成される遅延回路を経て、排他的ＯＲ回路１６５のもう一方の入力信号となる。排他的ＯＲ回路１６５の論理出力は、出力端子Ｔ４に与えられる。ここで、インバータ１６１，１６２は、後段の遅延回路に対する十分な駆動能力を与える目的で設けられた素子であり、両者は同じ動作特性をもつ。
【００６９】
このような回路において、入力端子Ｔ３に所定周期の交流信号を供給した場合に、出力端子Ｔ４にどのような信号が得られるかを考える。第２１図に示すように、入力端子Ｔ３に矩形交流信号を供給すると、排他的ＯＲ回路１６５の一方の入力端であるノードＮ３における波形は、所定の遅延時間ｄ１をもった反転波形となる。同様に、もう一方の入力端であるノードＮ４における波形は、所定の遅延時間ｄ２をもった反転波形となる。この結果、出力端子Ｔ４に得られる排他的ＯＲ回路１６５の出力波形は、図に示すように、パルス幅ｄをもった波形となる。ここで、パルス幅ｄは、遅延時間ｄ１とｄ２との差に相当する値であり、２つの容量素子Ｃ１，Ｃ２の容量値の差ΔＣに対応する値となる。こうして、容量値の差ΔＣをパルス幅ｄとして得ることができる。
【００７０】
＜１．５＞ 変形例１
上述した第１の実施例に係るセンサでは、クーロン力に基づく吸引力を作用させて振動子１３０を振動させている。たとえば、振動子１３０をＸ軸方向に振動させる場合は、第９図に示すように両電極層Ｅ１，Ｆ１に逆極性の電荷を供給して吸引力を作用させた第１の状態と、第１０図に示すように両電極層Ｅ２，Ｆ２に逆極性の電荷を供給して吸引力を作用させた第２の状態と、が交互に繰り返されるようにすればよい。しかしながら、このような振動をより安定させるには、吸引力とともに排斥力を作用させるのが好ましい。たとえば、第２２図に示すように、上部電極層Ｅ１に正の電荷を、下部電極層Ｆ１に負の電荷を、それぞれ供給して、両電極層間に吸引力を作用させるのと同時に、上部電極層Ｅ２および下部電極層Ｆ２の両方に負の電荷を供給し（両方に正の電荷を供給してもよい）、両電極層間に排斥力を作用させると、振動子１３０をＸ軸の正方向にΔＸだけ変位させる動作をより安定して行うことができる。第９図に示す状態と、第２２図に示す状態とは、振動子１３０に変位ΔＸを生じさせるという点では同じであるが、前者は１か所に作用する力に依存しているのに対し、後者は２か所に作用する力に依存しており、後者の方が前者より安定する。
【００７１】
同様に、第１０図に示すように、振動子１３０をＸ軸の負方向に−ΔＸだけ変位させる場合にも、第２３図に示すように、上部電極層Ｅ２に正の電荷を、下部電極層Ｆ２に負の電荷を、それぞれ供給して、両電極層間に吸引力を作用させるのと同時に、上部電極層Ｅ１および下部電極層Ｆ１の両方に負の電荷を供給し（両方に正の電荷を供給してもよい）、両電極層間に排斥力を作用させると、動作をより安定させることができる。結局、第２２図に示す第１の状態と、第２３図に示す第２の状態と、が交互に繰り返されるように、各電極層に所定の極性の電荷を所定のタイミングで供給するようにすれば、振動子１３０をＸ軸方向に安定して振動させることができるようになる。振動子１３０をＹ軸方向に振動させる場合も全く同様である。
【００７２】
次に、振動子１３０をＺ軸方向に振動させる場合を考える。前述した実施例では、第１１図に示すように、上部電極層Ｅ５に正の電荷を、下部電極層Ｆ５に負の電荷を、それぞれ供給して両電極層間に吸引力を作用させた第１の状態と、第６図に示すように、いずれの電極層にも電荷供給を行わない中立の状態と、が交互に繰り返されるようにして振動Ｕｚを発生させていた。この場合にも、両電極層間の排斥力を利用すると、動作をより安定させることができる。すなわち、第２４図に示すように、上部電極層Ｅ５および下部電極層Ｆ５の両方に正の電荷を供給し（両方に負の電荷を供給してもよい）、両電極層間に排斥力を作用させると、振動子１３０はＺ軸の負の方向に変位−ΔＺを生じることになる。そこで、第１１図に示す第１の状態と、第２４図に示す第２の状態と、が交互に繰り返されるように、各電極層に所定の極性の電荷を所定のタイミングで供給するようにすれば、振動子１３０をＺ軸方向に安定して振動させることができるようになる。
【００７３】
しかしながら、対向する一対の電極層に逆極性の電荷を供給することは容易にできるが、同極性の電荷を供給するには工夫が必要である。すなわち、逆極性の電荷を供給するには、両電極層間に所定の電圧を印加すればよいが、同極性の電荷を供給するには、そのような方法は適用できない。この問題を解決するためには、各電極層を誘電体を介した二層構造にする方法が利用できる。第２５図は、このような構造を採ったセンサの側断面図である。下部電極層Ｆ１〜Ｆ５は、誘電体基板１７１の上面に形成され、この誘電体基板１７１と可撓基板１１０との間には、補助電極層Ｆ１ａ〜Ｆ５ａが形成されている。補助電極層Ｆ１ａ〜Ｆ５ａは、それぞれ下部電極層Ｆ１〜Ｆ５と同じ形状をしており同じ位置に配置されている。同様に、上部電極層Ｅ１〜Ｅ５は、誘電体基板１７２の下面に形成され、この誘電体基板１７２と固定基板１２０との間には、補助電極層Ｅ１ａ〜Ｅ５ａが形成されている。補助電極層Ｅ１ａ〜Ｅ５ａは、それぞれ上部電極層Ｅ１〜Ｅ５と同じ形状をしており同じ位置に配置されている。
【００７４】
このような二層構造にしておけば、特定の電極層間に吸引力を作用させることも、排斥力を作用させることも、自由にできるようになる。これを具体例で示す。第２６図は、第２５図に示すセンサにおける各電極層および各誘電体基板の部分のみを抽出して示した図である。たとえば、電極層Ｅ１，Ｆ１間に吸引力を作用させたい場合には、図に示すように、両電極層間に電圧Ｖを印加して逆極性の電荷を供給すればよい。これに対して、電極層Ｅ２，Ｆ２間に排斥力を作用させたい場合には、図に示すように、補助基板Ｅ２ａ，Ｆ２ａと電極層Ｅ２，Ｆ２との間に電圧Ｖを印加すればよい。誘電体基板１７１を挟んで電圧Ｖが印加されるため、電極層Ｆ２に負の電荷が、補助電極層Ｆ２ａに正の電荷が発生し、同様に、誘電体基板１７２を挟んで電圧Ｖが印加されるため、電極層Ｅ２に負の電荷が、補助電極層Ｅ２ａに正の電荷が発生する。こうして結果的に、両電極層Ｅ２，Ｆ２に同極性の電荷が供給されることになり、両者間に排斥力を作用させることができる。
【００７５】
＜１．６＞ 変形例２
上述の変形例１は、第６図に示すセンサに比べて構造はやや複雑になる。これに対して、ここに述べる変形例２は、第６図に示すセンサの構造をより単純化したものである。すなわち、この変形例２のセンサでは、第２７図に示すように、上部電極層Ｅ１〜Ｅ５の代わりに単一の共通電極層Ｅ０が形成されている。この共通電極層Ｅ０は、下部電極層Ｆ１〜Ｆ５のすべてに対向するような大きさの円盤状の電極層である。このように、一方の電極層を１枚の共通電極層にしても、常にこの共通電極層側を基準電位にとるようにすれば、このセンサの動作には何ら支障は生じない。たとえば、振動子１３０に振動を与えるために、特定の電極層間に電圧を印加する場合、共通電極層Ｅ０側をアースにして、下部電極層Ｆ１〜Ｆ５のうちの所定の電極層に電圧を供給すればよい。また、容量値の変化に基づいてコリオリ力の検出を行う場合も同様に、共通電極層Ｅ０側をアースにして各容量素子Ｃ１〜Ｃ５を取り扱うようにすればよい。
【００７６】
このように、５枚の上部電極層Ｅ１〜Ｅ５を単一の共通電極層Ｅ０に置き換えることにより、センサの機械的な構造や、必要な配線はより単純になる。また、固定基板１２０を金属などの導電性の材料で構成するようにすれば、固定基板１２０の下面を共通電極層Ｅ０として用いることができるため、わざわざ固定基板１２０の下面に別体として共通電極層Ｅ０を形成する必要がなくなり、構造は更に単純になる。
【００７７】
以上は、上部電極層Ｅ１〜Ｅ５側を共通電極層Ｅ０に置き換えた例であるが、逆に、下部電極層Ｆ１〜Ｆ５側を共通電極層Ｆ０に置き換えることも可能である。
【００７８】
＜＜＜ Ｓｅｃｔｉｏｎ ２ 第２の実施例 ＞＞＞
＜２．１＞ 第２の実施例に係るセンサの構造
続いて、本発明の第２の実施例に係る多軸角速度センサについて説明する。この第２の実施例も、振動機構としてクーロン力を利用した機構を用い、検出機構として静電容量の変化を利用する機構を用いた点において、前述した第１の実施例のセンサと同様である。ただ、その構造は複数の基板を積層したものになっており、より大量生産に向いたものとなっている。
【００７９】
第２８図は、この第２の実施例に係る多軸角速度センサの側断面図である。このセンサの主たる構成要素は、第１の基板２１０、第２の基板２２０、第３の基板２３０である。この実施例では、第１の基板２１０はシリコン基板から構成されており、第２の基板２２０および第３の基板２３０はガラス基板から構成されており、各基板は互いに陽極接合によって接合されている。。第１の基板２１０は、このセンサの中枢をなす役割を果たす基板であり、第２９図はこの第１の基板２１０の上面図である。第２９図に明瞭に示されているように、第１の基板２１０には、Ｌ字型の開口部Ｈ１〜Ｈ４が設けられている。各開口部Ｈ１〜Ｈ４は、下面にゆくほど幅が広がるようなテーパ状になっている。第２９図における切断線２８−２８に沿って切った側断面図が第２８図であり、切断線３０−３０に沿って切った側断面図が第３０図である。第３０図には、開口部Ｈ３，Ｈ４のテーパ状の断面が示されている。第２９図において、４つのＬ字型開口部Ｈ１〜Ｈ４によって囲まれた内側の正方形状の部分が振動子２１１を構成し、Ｌ字型開口部Ｈ１〜Ｈ４の外側部分がこの振動子２１１についての支持枠２１３を構成している。振動子２１１は、支持枠２１３に対して４か所で連結されている。この４か所の連結部分が架橋部２１２である。別言すれば、正方形状の振動子２１１は、４か所で架橋部２１２によって吊られた状態になっている。しかも架橋部２１２は、第２８図あるいは第３０図に示されているように、第１の基板２１０の本来の厚みに比べて非常に薄い板状の部材であり、可撓性を有する。このため、振動子２１１は架橋部２１２に吊られた状態で、ある程度の自由度をもって動くことができる。振動子２１１の上面には、第２９図に示されているように、５枚の下部電極層Ｇ１〜Ｇ５が形成されている。これらの下部電極層Ｇ１〜Ｇ５は、前述した第１の実施例のセンサにおける下部電極層Ｆ１〜Ｆ５と同様に、振動子２１１に対して振動を発生させる機能と、振動子２１１に作用するコリオリ力を検出する機能とを果たすことになる。
【００８０】
第２の基板２２０は、第１の基板２１０の周囲部分を支えるための台座として機能する。そのため、第２の基板２２０の上面の周囲以外の部分には、窪み２２１が形成されている。この窪み２２１の形成により、振動子２１１は第２の基板に接触することなしに宙吊りの状態を保つことができる。
【００８１】
第３の基板２３０は、第１の基板２１０の上面を覆う蓋として機能している。この第３の基板２３０の下面図を第３１図に示す。この第３の基板２３０の下面は、周囲のわずかな部分を除いて切削されており、切削面２３１には上部電極層Ｇ０が形成されている。上部電極層Ｇ０は正方形状をしており、第２８図あるいは第３０図の側断面図に示されているように、下部電極層Ｇ１〜Ｇ５のすべてに対して向かい合った状態となる。この下部電極層Ｇ０は、前述した第１の実施例において変形例２として示した第２７図のセンサの共通電極層Ｅ０に相当する。
【００８２】
このような３枚の基板からなるセンサは、大量生産に適している。すなわち、各基板に対してそれぞれ別個に機械加工（あるいは、エッチングなどの化学加工）を施し、電極層や配線層を形成した後、これらを接合して組み立てればよい。第１の基板２１０としてシリコン基板を用いれば、電極層Ｇ１〜Ｇ５は拡散層で形成することができる。また、電極層Ｇ０はアルミニウムなどの蒸着層で形成すればよい。このようにして、電極層や配線層は一般的な半導体プレーナプロセスによって形成することができる。
【００８３】
＜２．２＞ 振動子の振動機構
さて、振動子２１１上に形成された５枚の下部電極層Ｇ１〜Ｇ５と、これに対向する上部電極層Ｇ０と、の間に所定のタイミングで所定の電圧を供給することにより、両電極層間にクーロン力を作用させ、その結果として、振動子２１１を所定の方向に振動させることができる点は、前述の第１の実施例のセンサと同様である。ただ、この第２の実施例のセンサと、前述した第１の実施例のセンサとでは、電極層の配置が若干異なっている。第１の実施例のセンサでは、第７図に示すように、Ｘ軸上に電極層Ｆ１，Ｆ２が配され、Ｙ軸上に電極層Ｆ３，Ｆ４が配されている。これに対して、ここで述べる第２の実施例のセンサでは、第２９図に示すように、電極層Ｇ１〜Ｇ４はいずれもＸ軸上あるいはＹ軸上には配されていない。すなわち、電極層Ｇ１〜Ｇ４は、それぞれＸＹ平面についての第１象限〜第４象限に配されている。このため、振動子２１１を特定の方向に振動させるために必要な電圧の印加方法は、前述の例とは若干異なる。以下、これを具体的に説明する。
【００８４】
振動子２１１をＸ軸方向に振動させるには、次のようにする。ここでは、上部電極層Ｇ０の電位を基準電位としてアースにとり、この基準電位に対して所定の電圧（たとえば、＋５Ｖ）を下部電極層Ｇ１〜Ｇ５に印加することにする。まず、下部電極層Ｇ１とＧ４との両方にそれぞれ＋５Ｖの電圧を印加すれば、電極層Ｇ１，Ｇ０間および電極層Ｇ４，Ｇ０間にそれぞれ吸引力が作用することになる。これにより、振動子２１１はＸ軸の正の方向に変位ΔＸを生じた状態になる。次に、下部電極層Ｇ１，Ｇ４の電位を基準電位に戻し、下部電極層Ｇ２とＧ３との両方にそれぞれ＋５Ｖの電圧を印加する。すると、電極層Ｇ２，Ｇ０間および電極層Ｇ３，Ｇ０間にそれぞれ吸引力が作用することになる。これにより、振動子２１１はＸ軸の負の方向に変位−ΔＸを生じた状態になる。この２つの状態が交互に繰り返されるように、各電極層へ所定の電圧を所定のタイミングで印加すれば、振動子２１１をＸ軸方向に振動させることができるようになる。
【００８５】
振動子２１１をＹ軸方向に振動させる場合も同様である。まず、下部電極層Ｇ１とＧ２との両方にそれぞれ＋５Ｖの電圧を印加すれば、電極層Ｇ１，Ｇ０間および電極層Ｇ２，Ｇ０間にそれぞれ吸引力が作用することになる。これにより、振動子２１１はＹ軸の正の方向に変位ΔＹを生じた状態になる。次に、下部電極層Ｇ１，Ｇ２の電位を基準電位に戻し、下部電極層Ｇ３とＧ４との両方にそれぞれ＋５Ｖの電圧を印加する。すると、電極層Ｇ３，Ｇ０間および電極層Ｇ４，Ｇ０間にそれぞれ吸引力が作用することになる。これにより、振動子２１１はＹ軸の負の方向に変位−ΔＹを生じた状態になる。この２つの状態が交互に繰り返されるように、各電極層へ所定の電圧を所定のタイミングで印加すれば、振動子２１１をＹ軸方向に振動させることができるようになる。
【００８６】
また、振動子２１１をＺ軸方向に振動させるには、前述した第１の実施例のセンサと同じ方法を採ればよい。すなわち、下部電極層Ｇ５に＋５Ｖを供給したり、０Ｖに戻したり、という操作を繰り返し行えばよい。
【００８７】
＜２．３＞ コリオリ力の検出機構
この第２の実施例に係るセンサにおいて、振動子２１１に作用したコリオリ力を検出する原理は、前述の第１の実施例に係るセンサと同様に、静電容量の変化を利用するものである。ただ、電極層の配置に若干の相違があるため、検出対象として用いる容量素子の組み合わせに若干の違いがある。以下、これを具体的に説明する。なお、ここでは、説明の便宜上、下部電極層Ｇ１〜Ｇ５と上部電極層Ｇ０との組み合わせによって構成される５組の容量素子を、それぞれ容量素子Ｃ１〜Ｃ５と呼び、これら容量素子の容量値も同じくＣ１〜Ｃ５と呼ぶことにする。
【００８８】
まず、Ｘ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを検出する方法を検討する。第２９図に示す電極層配置によれば、振動子２１１にＸ軸正方向へのコリオリ力Ｆｘが作用すると、容量素子Ｃ１，Ｃ４の電極層間隔は縮み、容量素子Ｃ２，Ｃ３の電極層間隔は広がることが容易に想像できる。したがって、容量値Ｃ１，Ｃ４は増え、容量値Ｃ２，Ｃ３は減ることになる。そこで、（Ｃ１＋Ｃ４）−（Ｃ２＋Ｃ３）なる差を求めれば、この差がコリオリ力Ｆｘに対応した値となる。
【００８９】
次に、Ｙ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを検出する方法を検討する。第２９図に示す電極層配置によれば、振動子２１１にＹ軸正方向へのコリオリ力Ｆｙが作用すると、容量素子Ｃ１，Ｃ２の電極層間隔は縮み、容量素子Ｃ３，Ｃ４の電極層間隔は広がることが容易に想像できる。したがって、容量値Ｃ１，Ｃ２は増え、容量値Ｃ３，Ｃ４は減ることになる。そこで、（Ｃ１＋Ｃ２）−（Ｃ３＋Ｃ４）なる差を求めれば、この差がコリオリ力Ｆｙに対応した値となる。
【００９０】
Ｚ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを検出する方法は、前述した第１の実施例のセンサにおける検出方法と同様である。すなわち、容量素子Ｃ５の容量値Ｃ５が、コリオリ力Ｆｚを示す値となる。
【００９１】
なお、この実施例のセンサでは、同一の電極層を振動機構と検出機構との両方に同時に用いることになるため、振動を与えるための電圧供給回路と、コリオリ力に基づいて変化する容量値を検出する回路とは、互いに干渉しないようにする必要がある。
【００９２】
＜２．４＞ 変形例１
第３２図に示すセンサは、第２８図に示した第２の実施例に係るセンサの変形例である。この変形例では、第１の基板２１０、第２の基板２２０、第３の基板２３０、の他に、更に第４の基板２４０が用いられている。第４の基板２４０は、振動子２４１と台座２４２とによって構成されている。振動子２４１は上から見ると正方形状をしたブロックであり、台座２４２はその周囲を囲うような形状をしたフレームである。第４の基板の振動子２４１は第１の基板の振動子２１１に接合されており、振動子２１１および２４１は全体が１つの振動子として機能する。このように第４の基板２４０を付加することにより、振動子の質量を増加させることができ、より感度の高い検出が可能になる。なお、この変形例では、５つの下部電極層Ｇ１〜Ｇ５に対向する電極層として、共通の上部電極層Ｇ０を設ける代わりに、５つの上部電極層Ｇ６〜Ｇ１０が設けられている。
【００９３】
＜２．５＞ 変形例２
第３３図に示すセンサは、第２８図に示した第２の実施例に係るセンサのまた別な変形例である。このセンサの中枢として機能する基板は可撓基板２５０である。第３４図は、この可撓基板２５０の上面図である。図に破線で示されているように、可撓基板２５０の下面には、円環状の溝が形成されており、この溝が形成された部分は肉厚が薄いために可撓性をもっている（第３３図に、可撓部２５２として示されている）。ここでは、この円環状の可撓部２５２に囲まれた内側の部分を作用部２５１と呼び、可撓部２５２の外側の部分を固定部２５３と呼ぶことにする。作用部２５１の下面には、ブロック状の振動子２６０が固着されている。また、固定部２５３は、台座２７０によって支持されており、台座２７０はベース基板２８０に固定されている。結局、振動子２６０は、台座２７０によって囲まれた空間内において宙吊りの状態となっている。肉厚の薄い可撓部２５２が可撓性をもっているため、振動子２６０は、ある程度の自由度をもってこの空間内で変位できる。また、可撓基板２５０の上部には、蓋基板２９０が所定の空間を確保しながら覆うように取り付けられている。
【００９４】
第３４図に示すように、可撓基板２５０の上面には、５枚の下部電極層Ｆ１〜Ｆ５が形成されている。これらの電極層は、第６図に示す第１の実施例に係るセンサにおける下部電極層Ｆ１〜Ｆ５と同形状、同配置のものである。また、蓋基板２９０の下面には、この５枚の下部電極層Ｆ１〜Ｆ５のすべてに対向する共通の上部電極層Ｅ０が形成されている。なお、このセンサの動作は、第２７図に示すセンサの動作と同等であるため、ここでは詳しい説明は省略する。
【００９５】
＜＜＜ Ｓｅｃｔｉｏｎ ３ 第３の実施例 ＞＞＞
＜３．１＞ 第３の実施例に係るセンサの構造
続いて、本発明の第３の実施例に係る多軸角速度センサについて説明する。この第３の実施例は、振動機構としてクーロン力を利用した機構を用いる点においては、前述した第１の実施例および第２の実施例のセンサと同様であるが、検出機構としてはピエゾ抵抗素子を利用した機構を用いている点に特徴がある。
【００９６】
第３５図は、この第３の実施例に係る多軸角速度センサの側断面図である。このセンサの主たる構成要素は、第１の基板３１０、第２の基板３２０、第３の基板３３０、第４の基板３４０である。この実施例では、第１の基板３１０と第３の基板３３０とはシリコン基板で構成され、第２の基板３２０と第４の基板３４０とはガラス基板で構成されている。このような４層の基板からなる構造は、前述した第２の実施例における第３２図に示す変形例と実質的に同じものである。第１の基板３１０は、このセンサの中枢をなす役割を果たす基板であり、第３６図はこの第１の基板３１０の上面図である。図に破線で示されているように、第１の基板３１０の下面には、円環状の溝が形成されており、この溝が形成された部分は肉厚が薄いために可撓性をもっている（第３５図に、可撓部３１２として示されている）。ここでは、この円環状の可撓部３１２に囲まれた内側の部分を作用部３１１と呼び、可撓部３１２の外側の部分を固定部３１３と呼ぶことにする。第２の基板３２０は、ブロック状の振動子３２１と、その周囲を取り囲むようなフレーム状の台座３２２とによって構成されている。振動子３２１は、作用部３１１の底面に固着されている。また、台座３２２は固定部３１３の底面に固着されている。
【００９７】
第３の基板３３０は、台座３２２を支持するためのベース基板としての役割を果たす。そのため、第３の基板３３０の上面の周囲以外の部分には、窪み３３１が形成されている。この窪み３３１の形成により、振動子３２１は第３の基板３３０に接触することなしに支持される。結局、振動子３２１は、台座３２２によって囲まれた空間内において宙吊りの状態となっている。第１の基板３１０において肉厚の薄い可撓部３１２が可撓性をもっているため、振動子３２１は、ある程度の自由度をもってこの空間内で変位できる。また、第１の基板３１０の上部には、第４の基板３４０が所定の空間を確保しながら覆うように取り付けられている。
【００９８】
第３６図に示すように、第１の基板３１０の上面には、５枚の下部電極層Ｆ１〜Ｆ５が形成されている。これらの電極層は、第６図に示す第１の実施例に係るセンサにおける下部電極層Ｆ１〜Ｆ５と等価のものである。ただし、後述するように、この第１の基板３１０の上面には、複数のピエゾ抵抗素子Ｒが形成されており、下部電極層Ｆ１〜Ｆ４の形状は、これらピエゾ抵抗素子Ｒの形成領域を避けるために、第６図に示すセンサにおける下部電極層Ｆ１〜Ｆ４の形状とは若干異なっている。また、第４の基板３４０の下面には、この５枚の下部電極層Ｆ１〜Ｆ５のすべてに対向する共通の上部電極層Ｅ０が形成されている。
【００９９】
ピエゾ抵抗素子Ｒは、シリコンからなる第１の基板３１０の上面の所定位置に、不純物を注入することによって形成された素子であり、機械的な応力の作用により電気抵抗が変化する性質を有する。第３６図に示すように、このピエゾ抵抗素子Ｒは、Ｘ軸に沿って４個、Ｙ軸に沿って４個、そしてＹ軸に対して４５°の傾きをもった斜方軸に沿って４個、合計で１２個が配置されている。いずれも、肉厚の薄い可撓部３１２の部分に配置されており、振動子３２１の変位により可撓部３１２に撓みが生じると、この撓みに応じて抵抗値が変化するようになっている。なお、第３５図の側断面図においては、図が繁雑になるのを避けるためこれらピエゾ抵抗素子Ｒの図示は省略している。ここでは、第３７図に示すように、この１２個の抵抗素子について、Ｘ軸に沿って配置された４個をＲｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４と呼び、Ｙ軸に沿って配置された４個をＲｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４と呼び、斜方軸に沿って配置された４個をＲｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４と呼ぶことにする。
【０１００】
＜３．２＞ 振動子の振動機構
このセンサにおいて、振動子３２１を所定の軸方向に振動させる機構は、第６図に示した第１の実施例に係るセンサと全く同様である。第３６図に示す５枚の下部電極層Ｆ１〜Ｆ５は、第７図に示す５枚の下部電極層Ｆ１〜Ｆ５と、形状に若干の違いはあるものの本質的な機能の点では全く等価である。したがって、この５枚の下部電極層Ｆ１〜Ｆ５と、これに対向する共通の上部電極層Ｅ０と、の間に所定のタイミングで所定の電圧を供給することにより、両電極層間にクーロン力を作用させ、その結果として、振動子３２１をＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれの方向にも振動させることができる。
【０１０１】
＜３．３＞ コリオリ力の検出機構
この第３の実施例に係るセンサの特徴は、ピエゾ抵抗素子を用いてコリオリ力の検出を行う点にある。この検出方法を以下に説明する。いま、第３８図に示すように、振動子３２１にＸ軸正方向のコリオリ力Ｆｘが作用した場合を考える（図が繁雑になるのを避けるため、この図では、各電極層は図示を省略してある）。コリオリ力Ｆｘが作用すると、第１の基板３１０の可撓部３１２に図のような撓みが生じる。そして、このような撓みは、Ｘ軸に沿って配置された４個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４の抵抗値を変化させる。具体的には、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ３の抵抗値は増え（図には“＋”符号で示す）、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ２，Ｒｘ４の抵抗値は減る（図には“−”符号で示す）。しかも増減の程度は、作用したコリオリ力Ｆｘの大きさに比例する。また、Ｘ軸負方向のコリオリ力−Ｆｘが作用した場合は、増減の関係が逆転する。したがって、これら各ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を検出すれば、作用したコリオリ力Ｆｘを求めることができる。
【０１０２】
実際には、４個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４によって、第３９図に示すようなブリッジ回路を形成し、電源３５０によって所定の電圧を供給する。そして、電圧計３６１によってブリッジ電圧Ｖｘを測定するようにする。ここで、コリオリ力が作用しない基準状態（第３５図に示す状態）において、このブリッジ回路が平衡する（ブリッジ電圧Ｖｘが零になる）ように設定しておけば、電圧計３６１によって測定されたブリッジ電圧Ｖｘがコリオリ力Ｆｘを示すことになる。
【０１０３】
一方、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙが作用すると、Ｙ軸に沿って配置された４個のピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４について同様の抵抗値変化が起こる。したがって、これら４個のピエゾ抵抗素子によって、第４０図に示すようなブリッジ回路を形成し、電源３５０によって所定の電圧を供給すれば、電圧計３６２によって測定されたブリッジ電圧Ｖｙがコリオリ力Ｆｙを示すことになる。
【０１０４】
また、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｚが作用すると、斜方軸に沿って配置された４個のピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４について抵抗値変化が起こる。たとえば、Ｚ軸正方向のコリオリ力が作用すると、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ４の抵抗値は減り、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ２，Ｒｚ３の抵抗値は増える。したがって、これら４個のピエゾ抵抗素子によって、第４１図に示すようなブリッジ回路を形成し、電源３５０によって所定の電圧を供給すれば、電圧計３６３によって測定されたブリッジ電圧Ｖｚがコリオリ力Ｆｚを示すことになる。
【０１０５】
このように、コリオリ力の検出をピエゾ抵抗素子を用いて行うようにすれば、振動子３２１を所定の軸方向に振動させる機構（電極層間のクーロン力を利用）と、コリオリ力を検出する機構と、が完全に独立した機構となり、相互の干渉は全く生じることがない。
【０１０６】
＜３．４＞ 変形例
上述したセンサにおける各下部電極層Ｆ１〜Ｆ４は、前述した第１の実施例に係るセンサと同様に、Ｘ軸およびＹ軸上に配されている。これに対し、第２９図に示した第２の実施例に係るセンサにおける下部電極層Ｇ１〜Ｇ４のように、ＸＹ平面についての第１象限〜第４象限に配置することも可能である。また、４個のピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４を配置する軸の向きは任意でよく、Ｘ軸あるいはＹ軸に平行な軸に沿って配置してもかまわない。
【０１０７】
＜＜＜ Ｓｅｃｔｉｏｎ ４ 第４の実施例 ＞＞＞
＜４．１＞ 第４の実施例に係るセンサの構造
ここでは、本発明の第４の実施例に係る多軸角速度センサについて説明する。この第４の実施例は、振動機構および検出機構の双方に圧電素子を利用した機構を用いたセンサである。
【０１０８】
第４２図は、この第４の実施例に係る多軸角速度センサの側断面図である。このセンサは、第６図に示した第１の実施例に係るセンサと非常によく似た構造をもち、次のような各構成要素からなる。すなわち、基本的には、円盤状の可撓基板４１０および円盤状の固定基板４２０の間に、同じく円盤状をした圧電素子４３０が介挿された構造となっている。可撓基板４１０の下面には、円柱状の振動子４４０が固着されている。また、可撓基板４１０の外周部分および固定基板４２０の外周部分は、いずれもセンサ筐体４５０によって支持されている。圧電素子４３０の上面には、５枚の上部電極層Ｅ１〜Ｅ５（図４２には、その一部だけが示されている）が形成され、同様に下面には５枚の下部電極層Ｆ１〜Ｆ５（やはり、その一部だけが示されている）が形成されており、上部電極層Ｅ１〜Ｅ５の上面は固定基板４２０の下面に固着され、下部電極層Ｆ１〜Ｆ５の下面は可撓基板４１０の上面に固着されている。ここで、固定基板４２０は十分な剛性をもち、撓みを生じることはないが、可撓基板４１０は可撓性をもち、いわゆるダイヤフラムとして機能する。ここでは、説明の便宜上、振動子４４０の重心位置Ｏを原点としたＸＹＺ三次元座標系を考えることにする。すなわち、図の右方向にＸ軸、上方向にＺ軸、そして紙面に垂直な方向にＹ軸を定義する。図４２は、このセンサをＸＺ平面で切った断面図ということになる。なお、上部電極層Ｅ１〜Ｅ５および下部電極層Ｆ１〜Ｆ５の形状および配置は、第６図に示す第１の実施例のセンサと全く同じである（第７図および第８図参照）。また、この実施例では、可撓基板４１０および固定基板４２０は、いずれも絶縁性の材料によって構成されている。これらの基板を金属などの導電性の材料で構成したい場合には、これらの基板と各電極層との間に絶縁膜を形成し、電極層同士が短絡しないようにすればよい。
【０１０９】
一般に、圧電素子には、外部から圧力を加えると、圧電素子内部の所定方向に電圧が発生する第１の性質と、逆に、外部から電圧を加えると、圧電素子内部の所定方向に圧力が発生する第２の性質と、が備わっている。この２つの性質は表裏一体の関係にある。どの方向に圧力／電圧を加えると、どの方向に電圧／圧力が発生するかは、個々の圧電素子によって固有のものであり、ここでは、このような方向性の性質を「分極特性」と呼ぶことにする。この実施例のセンサに用いられている圧電素子４３０は、第４３図に示すような分極特性をもった圧電セラミックスが用いられている。すなわち、前述した第１の性質の観点からみれば、第４３図（ａ） に示すように、厚み方向に伸ばす方向の力が作用した場合には、上部電極層Ｅ側に正の電荷が、下部電極層Ｆ側に負の電荷が、それぞれ発生し、第４３図（ｂ） に示すように、厚み方向に縮める方向の力が作用した場合には、上部電極層Ｅ側に負の電荷が、下部電極層Ｆ側に正の電荷が、それぞれ発生するような分極特性をもっている。逆に、前述した第２の性質の観点からみれば、第４３図（ａ） に示すように、上部電極層Ｅ側に正の電荷を、下部電極層Ｆ側に負の電荷を、それぞれ供給すれば、厚み方向に伸ばす方向の力が発生し、第４３図（ｂ） に示すように、上部電極層Ｅ側に負の電荷を、下部電極層Ｆ側に正の電荷を、それぞれ供給すれば、厚み方向に縮める方向の力が発生するような分極特性をもっている。
【０１１０】
＜４．２＞ 振動子の振動機構
いま、このセンサの所定の電極層に所定の極性をもった電荷を供給した場合にどのような現象が起こるかを検討する。電極層Ｅ１に負、Ｆ１に正の電荷を供給すると、第４３図（ｂ） に示す性質により、この両電極層に挟まれた圧電素子の一部分には、厚み方向に縮む方向の力が発生する。また、電極層Ｅ２に正、Ｆ２に負の電荷を供給すると、第４３図（ａ） に示す性質により、この両電極層に挟まれた圧電素子の一部分には、厚み方向に伸びる方向の力が発生する。この結果、圧電素子４３０は、第４４図に示すように変形し、振動子４４０はＸ軸正方向に変位することになる。ここで、電極層Ｅ１，Ｆ１，Ｅ２，Ｆ２に供給していた電荷の極性を逆転させると、圧電素子の伸縮状態も逆転することになり、振動子４４０はＸ軸負方向に変位する。この２つの変位状態が交互に起こるように、供給電荷の極性を交互に反転させてやれば、振動子４４０をＸ軸方向に往復運動させてやることができる。別言すれば、振動子４４０に対して、Ｘ軸方向に関する振動Ｕｘを与えることができる。
【０１１１】
このような電荷供給は、対向する電極層間に交流信号を印加することにより実現できる。すなわち、電極層Ｅ１，Ｆ１間に第１の交流信号を印加し、電極層Ｅ２，Ｆ２間に第２の交流信号を印加する。そして、第１の交流信号および第２の交流信号として、互いに周波数は同じで位相が反転した信号を用いるようにすれば、振動子４４０をＸ軸方向に振動させることができる。
【０１１２】
振動子４４０に対して、Ｙ軸方向に関する振動Ｕｙを与える方法も全く同様である。すなわち、電極層Ｅ３，Ｆ３間に第１の交流信号を印加し、電極層Ｅ４，Ｆ４間に第２の交流信号を印加すればよい。
【０１１３】
次に、振動子４４０に対して、Ｚ軸方向に関する振動Ｕｚを与える方法について考えてみる。いま、電極層Ｅ５に負、Ｆ５に正の電荷を供給すると、第４３図（ｂ） に示す性質により、この両電極層に挟まれた圧電素子の一部分には、厚み方向に縮む方向の力が発生する。この結果、圧電素子４３０は、第４５図に示すように変形し、振動子４４０はＺ軸正方向に変位することになる。ここで、電極層Ｅ５，Ｆ５に供給していた電荷の極性を逆転させると、圧電素子の伸縮状態も逆転することになり、振動子４４０はＺ軸負方向に変位する。この２つの変位状態が交互に起こるように、供給電荷の極性を交互に反転させてやれば、振動子４４０をＺ軸方向に往復運動させてやることができる。別言すれば、振動子４４０に対して、Ｚ軸方向に関する振動Ｕｚを与えることができる。このような電荷供給は、対向する電極層Ｅ５，Ｆ５間に交流信号を印加することにより実現できる。
【０１１４】
以上のように、特定の電極層の組に対して、所定の交流信号を供給すれば、振動子４３０をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に沿って振動させることができる。
【０１１５】
＜４．３＞ コリオリ力の検出機構
続いて、この第４の実施例に係るセンサにおいて各軸方向に作用したコリオリ力の検出方法について説明する。なお、紙面を節約する上で、前述した振動子の振動方法の説明に用いた第４４図および第４５図を、このコリオリ力の検出方法の説明においても用いることにする。
【０１１６】
まず、第４４図に示すように、振動子４４０に対してＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘが作用した場合を考える（第５図に示す原理によれば、このようなコリオリ力Ｆｘの測定は、Ｙ軸方向への振動Ｕｙを与えた状態で行われるため、振動子４４０は第４４図における紙面に垂直な方向に振動していることになるが、このようなＹ軸方向への振動現象は、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｘの測定には影響を与えない）。このようなコリオリ力Ｆｘの作用により、ダイヤフラムの機能を果たす可撓基板４１０に撓みが生じ、圧電素子４３０の右半分には厚み方向に縮む力が、左半分には厚み方向に伸びる力が、それぞれ作用することになる。Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙが作用した場合も、軸の方向が９０°ずれるだけで、これと同様の現象が起こることになる。また、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｚが作用した場合は、第４５図に示すように、圧電素子４３０が全体的に厚み方向に縮む力を受けることになる。
【０１１７】
圧電素子４３０に上述したような圧力が加わると、第４３図に示す性質により、各電極層に所定の極性の電荷が発生する。そこで、この発生した電荷を検出すれば、作用したコリオリ力を検出することができる。具体的には、各電極層に対して、第４６図〜第４８図に示すような配線を施すことにより、作用したコリオリ力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを検出することができる。たとえば、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｘは、第４６図に示すように、端子Ｔｘ１と端子Ｔｘ２との間に生じる電圧差Ｖｘとして検出することができる。この理由は、第４４図に示すような撓みにより、各電極層に発生する電荷の極性を考えれば容易に理解できる。すなわち、電極層Ｅ２，Ｆ２に関しては、これらに挟まれた圧電素子４３０の一部分が厚み方向に伸びる力を受けているので、第４３図（ａ） に示したように、上部電極層Ｅ２には正の電荷が、下部電極層Ｆ２には負の電荷が、それぞれ発生する。一方、電極層Ｅ１，Ｆ１に関しては、これらに挟まれた圧電素子４３０の一部分が厚み方向に縮む力を受けているので、第４３図（ｂ） に示したように、上部電極層Ｅ１には負の電荷が、下部電極層Ｆ１には正の電荷が、それぞれ発生する。したがって、第４６図に示すような配線を施しておけば、正の電荷はすべて端子Ｔｘ１に集まり、負の電荷はすべて端子Ｔｘ２に集まり、両端子間の電位差Ｖｘがコリオリ力Ｆｘを示すものになる。全く同様に、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙは、上部電極層Ｅ３，Ｅ４および下部電極層Ｆ３，Ｆ４に対して、第４７図に示すような配線を施せば、端子Ｔｙ１と端子Ｔｙ２との間の電位差Ｖｙとして検出することができる。また、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｚは、第４８図に示すように、端子Ｔｚ１と端子Ｔｚ２との間に生じる電位差Ｖｚとして検出することができる。この理由は、第４５図に示すような撓みにより、各電極層に発生する電荷の極性を考えれば容易に理解できる。すなわち、電極層Ｅ５，Ｆ５に関しては、これらに挟まれた圧電素子４３０の一部分が厚み方向に縮む力を受けているので、第４３図（ｂ） に示したように、上部電極層Ｅ５には負の電荷が、下部電極層Ｆ５には正の電荷が、それぞれ発生する。そこで、第４８図に示すように、正の電荷を端子Ｔｚ１に集め、負の電荷を端子Ｔｚ２に集めるような配線を施しておけば、両端子間の電位差ＶｚがＺ軸方向のコリオリ力Ｆｚを示すものになる。
【０１１８】
＜４．４＞ 角速度の検出
本発明に係る多軸角速度センサの目的は、§０において説明したように、第１の軸まわりの角速度ωを検出するために、振動子に対して第２の軸方向の振動Ｕを与え、そのときに第３の軸方向に発生するコリオリ力Ｆを検出することにある。上述したように、この第４の実施例に係るセンサでは、所定の電極層間に交流信号を印加することにより、振動子４３０をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれかの軸方向に沿って振動させることができ、そのときに発生した各軸方向のコリオリ力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを、それぞれ電位差Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚとして検出することができる。したがって、第３図〜第５図に示す原理により、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれかの軸まわりの角速度ωを検出することができる。
【０１１９】
ただ、この実施例に係るセンサでは、振動機構および検出機構の双方に圧電素子を利用した機構が用いられている。別言すれば、同一の電極層が、振動を発生させるための電荷を供給する役割（振動機構としての役割）を果たすこともあれば、コリオリ力によって発生した電荷を検出する役割（検出機構としての役割）を果たすこともある。同一の電極層によって、同時にこれら２つの役割を果たすことができるようにすることは比較的困難である。しかしながら、このセンサでは、各電極層について次のような役割分担が行われるため、同一の電極層に同時に２つの役割が与えられることはない。
【０１２０】
まず、第３図に示す原理に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出する動作について考えてみよう。この場合、振動子に対してＺ軸方向の振動Ｕｚを与えたときに、Ｙ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｙを検出する必要がある。第４２図に示すセンサにおいて、振動子４３０に振動Ｕｚを与えるには、電極層Ｅ５，Ｆ５間に交流信号を供給すればよい。また、振動子４３０に作用するコリオリ力Ｆｙを検出するには、第４７図の回路図に示されているように、電極層Ｅ３，Ｆ３，Ｅ４，Ｆ４に発生する電荷を検出すればよい。残りの電極層Ｅ１，Ｆ１，Ｅ２，Ｆ２は、この検出動作では使用されない。
【０１２１】
続いて、第４図に示す原理に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出する動作について考えてみよう。この場合、振動子に対してＸ軸方向の振動Ｕｘを与えたときに、Ｚ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｚを検出する必要がある。第４２図に示すセンサにおいて、振動子４３０に振動Ｕｘを与えるには、電極層Ｅ１，Ｆ１間およびＥ２，Ｆ２間にそれぞれ位相が逆転した交流信号を供給すればよい。また、振動子４３０に作用するコリオリ力Ｆｚを検出するには、第４８図の回路図に示されているように、電極層Ｅ５，Ｆ５に発生する電荷を検出すればよい。残りの電極層Ｅ３，Ｆ３，Ｅ４，Ｆ４は、この検出動作では使用されない。
【０１２２】
最後に、第５図に示す原理に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出する動作について考えてみよう。この場合、振動子に対してＹ軸方向の振動Ｕｙを与えたときに、Ｘ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｘを検出する必要がある。第４２図に示すセンサにおいて、振動子４３０に振動Ｕｙを与えるには、電極層Ｅ３，Ｆ３間およびＥ４，Ｆ４間にそれぞれ位相が逆転した交流信号を供給すればよい。また、振動子４３０に作用するコリオリ力Ｆｘを検出するには、第４６図の回路図に示されているように、電極層Ｅ１，Ｆ１，Ｅ２，Ｆ２に発生する電荷を検出すればよい。残りの電極層Ｅ５，Ｆ５は、この検出動作では使用されない。
【０１２３】
以上のように、このセンサを用いて角速度ωｘ，ωｙ，ωｚのいずれか１つを検出する場合、各電極層についての役割分担が都合よくなされ、支障なく検出が行われることがわかる。もっとも、角速度ωｘ，ωｙ，ωｚのうちの複数を同時に検出することはできないので、３つの角速度を検出する場合には、後述するように時分割処理を行い、１つずつ順に検出を行う必要がある。
【０１２４】
＜４．５＞ 変形例１
上述した第４の実施例に係るセンサによれば、ＸＹＺ三次元座標系におけるコリオリ力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを、それぞれ電位差Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚとして求めることができる。そして、これらの電位差に基づいて角速度の検出が可能である。しかしながら、これらの電位差を検出するためには、各電極層に対して、第４６図〜第４８図の回路図に示すような配線を行う必要がある。この配線は、上部電極層と下部電極層とが入り乱れたものとなっており、このセンサを大量生産する場合、製品の全コストに比べて配線のためのコストが無視できなくなる。この変形例１は、圧電素子の分極特性を部分的に変えることにより、配線を単純化し製造コストを低減するようにしたものである。
【０１２５】
一般に、任意の分極特性をもった圧電素子を製造することは、現在の技術で可能である。たとえば、上述した第４の実施例に係るセンサにおいて用いられている圧電素子４３０は、第４３図に示すような分極特性をもったものであった。これに対して、第４９図に示すような分極特性をもった圧電素子４６０を製造することも可能である。すなわち、第４９図（ａ） に示すように、厚み方向に伸ばす方向の力が作用した場合には、上部電極層Ｅ側に負の電荷が、下部電極層Ｆ側に正の電荷が、それぞれ発生し、逆に、第４９図（ｂ） に示すように、厚み方向に縮める方向の力が作用した場合には、上部電極層Ｅ側に正の電荷が、下部電極層Ｆ側に負の電荷が、それぞれ発生するような分極特性をもっている。ここでは、便宜上、第４３図に示すような分極特性をタイプＩ、第４９図に示すような分極特性をタイプＩＩと呼ぶことにする。タイプＩの分極特性をもった圧電素子４３０と、タイプＩＩの分極特性をもった圧電素子４６０とは、上面および下面に発生する電荷の符号が逆転していることになる。もっとも、圧電素子４３０の上下を逆にすれば圧電素子４６０になるので、両者は単体としてみれば全く同じ圧電素子ということができ、両者を区別する意味はあまりない。しかしながら、１つの圧電素子の一部分にタイプＩの分極特性をもたせ、別な一部分にタイプＩＩの分極特性をもたせることも可能である。ここで述べる変形例は、このような局在的な分極処理を施した圧電素子を用いることにより、多軸角速度センサの構造を単純化することに特徴がある。
【０１２６】
いま、第５０図に示すような圧電素子４７０を考える。この圧電素子４７０は、形状は上述した第４２図のセンサにおいて用いられている圧電素子４３０と全く同じ円盤状をした素子である。しかしながら、その分極特性は圧電素子４３０とは異なっている。圧電素子４３０は、前述したように、すべての部分がタイプＩの分極特性をもつ素子であった。これに対し、圧電素子４７０は、第５０図に示すように、５つの領域Ａ１〜Ａ５においてタイプＩまたはタイプＩＩのいずれかの分極特性をもつ。すなわち、領域Ａ２，Ａ４においてはタイプＩの分極特性を示し、領域Ａ１，Ａ３，Ａ５においてはタイプＩＩの分極特性を示す。ここで、領域Ａ１〜Ａ５は、それぞれ上部電極層Ｅ１〜Ｅ５あるいは下部電極層Ｆ１〜Ｆ５が形成される領域に対応する。
【０１２７】
さて、第４２図のセンサにおいて、圧電素子４３０の代わりに、第５０図に示すような局在的分極特性をもった圧電素子４７０を用いた場合、各電極層に発生する電荷の極性がどのように変わるかを考えてみる。すると、タイプＩＩの分極特性をもった領域に形成されている上部電極層Ｅ１，Ｅ３，Ｅ５、および下部電極層Ｆ１，Ｆ３，Ｆ５に発生する電荷の極性が、圧電素子４３０を用いたセンサに対して反転することが理解できよう。このため、各電極層に対して、第５１図〜第５３図に示すような配線を施しておけば、コリオリ力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを、それぞれ電位差Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚとして求めることができるようになる。たとえば、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｘに関しては、電極層Ｅ１，Ｆ１に発生する電荷の極性が前述の例に対して逆転するため、第４６図に示す配線は第５１図に示す配線に置き換えられる。同様に、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙに関しては、電極層Ｅ３，Ｆ３に発生する電荷の極性が逆転するため、第４７図に示す配線は第５２図に示す配線に置き換えられる。更に、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｚに関しては、電極層Ｅ５，Ｆ５に発生する電荷の極性が逆転するため、第４８図に示す配線は第５３図に示す配線に置き換えられる。
【０１２８】
なお、局在的分極特性をもった圧電素子４７０を用いた場合、振動子４３０を振動させるために印加する交流信号の極性も、必要に応じて変えねばならない。すなわち、第５０図に示す分極特性分布をもった圧電素子４７０を用いた場合、領域Ａ１に形成された電極層Ｅ１，Ｆ１と、領域Ａ２に形成された電極層Ｅ２，Ｆ２と、に対して位相が同じ交流信号を与えれば、振動子４３０をＸ軸方向に振動させることができ、同様に、領域Ａ３に形成された電極層Ｅ３，Ｆ３と、領域Ａ４に形成された電極層Ｅ４，Ｆ４と、に対して位相が同じ交流信号を与えれば、振動子４３０をＹ軸方向に振動させることができることが理解できよう。
【０１２９】
第４６図〜第４８図に示す配線に対して、第５１図〜第５３図に示す配線は、実際のセンサを製造する上で重大なメリットを有する。第５１図〜第５３図に示す配線の特徴は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれの方向のコリオリ力が作用した場合であっても、各軸の正方向にコリオリ力が作用したのであれば、必ず上部電極層側に正の電荷が、下部電極層側に負の電荷が、それぞれ発生する点にある。この特徴を利用すれば、センサ全体の配線を単純化することが可能になる。たとえば、第５１図〜第５３図における端子Ｔｘ２，Ｔｙ２，Ｔｚ２を、センサ筐体４５０に接続して基準電位（アース）にとった場合を考える。この場合、５枚の下部電極層Ｆ１〜Ｆ５は互いに導通状態になる。このようにしても、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｘを示す電位差Ｖｘは端子Ｔｘ１のアースに対する電圧として得られ、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙを示す電位差Ｖｙは端子Ｔｙ１のアースに対する電圧として得られ、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｚを示す電位差Ｖｚは端子Ｔｚ１のアースに対する電圧として得られるので、このセンサは何ら支障なく動作する。しかも５枚の下部電極層Ｆ１〜Ｆ５についての配線は、互いに導通させるだけでよいので、非常に単純な配線ですむ。
【０１３０】
＜４．６＞ 変形例２
上述した変形例１のように、局在的な分極特性をもった圧電素子４７０を用いた場合、５枚の下部電極層Ｆ１〜Ｆ５を導通させる配線が可能になる。このように、下部電極層Ｆ１〜Ｆ５を導通させることができるのであれば、あえてこれら５枚の電極層を、それぞれ独立した電極層にしておく必要はない。すなわち、第５４図の側断面図に示されているように、共通の下部電極層Ｆ０を１枚だけ設けるようにすればよい。共通の下部電極層Ｆ０は、１枚の円盤状の電極層であり、５枚の上部電極層Ｅ１〜Ｅ５のすべてに対向した電極となる。
【０１３１】
＜４．７＞ 変形例３
上述した変形例２の構造を更に単純化するには、可撓基板４１０の代わりに、導電性の材料（たとえば、金属）からなる可撓基板４８０を用いればよい。こうすれば、第５５図の側断面図に示されているように、特別な下部電極層Ｆ０を用いずに、圧電素子４７０の下面を可撓基板４８０の上面に直接接合した構造が実現できる。この場合、可撓基板４８０自身が共通の下部電極層Ｆ０として機能することになる。
【０１３２】
また、上述の変形例２，３では、下部電極層側を共通の単一電極層としているが、逆に上部電極層側を共通の単一電極層とすることも可能である。
【０１３３】
＜４．８＞ その他の変形例
上述したセンサは、いずれも物理的に単一の圧電素子４３０あるいは４７０を用いているが、これらを物理的に複数の圧電素子で構成してもかまわない。たとえば、第５０図において、領域Ａ１〜Ａ５のそれぞれを別個独立した圧電素子で構成し、合計で５個の圧電素子を用いるようにしてもかまわない。このように、物理的にいくつの圧電素子を用いるかは、設計上適宜変更できる事項である。
【０１３４】
また、上述したセンサでは、可撓基板４１０，４８０の外周部分はセンサ筐体４５０によって支持されているが、可撓基板は必ずしもセンサ筐体に固着する必要はない。たとえば、第５６図に示すように、可撓基板４８０の代わりに直径が少し小さな可撓基板４９０を用い、可撓基板４９０の周囲を自由端としておくことも可能である。
【０１３５】
＜＜＜ Ｓｅｃｔｉｏｎ ５ 第５の実施例 ＞＞＞
＜５．１＞ 第５の実施例に係るセンサの構造
ここでは、本発明の第５の実施例に係る多軸角速度センサについて説明する。この第５の実施例も、前述した第４の実施例と同様に、振動機構および検出機構の双方に圧電素子を利用した機構を用いたセンサである。
【０１３６】
第５７図は、この第５の実施例に係る多軸角速度センサの上面図である。可撓基板５１０はいわゆるダイヤフラムとして機能する可撓性をもった円盤状の基板であり、この可撓基板５１０の上には、いわゆるドーナツ盤状をした圧電素子５２０が配置されている。この圧電素子５２０の上面には、それぞれ図示したような形状をした１６枚の上部電極層Ｌ１〜Ｌ１６が、それぞれ図示した位置に形成されている。また、この圧電素子５２０の下面には、上部電極層Ｌ１〜Ｌ１６のそれぞれと全く同じ形状をした１６枚の下部電極層Ｍ１〜Ｍ１６（第５７図には示されていない）が、上部電極層Ｌ１〜Ｌ１６のそれぞれと対向する位置に形成されている。第５８図は、このセンサの側断面図である（図が繁雑になるのを避けるため、各電極層については、断面切り口部分のみを描いてある。以下の側断面図も同様）。この図に明瞭に示されているように、ドーナツ盤状の圧電素子５２０は、１６枚の上部電極層Ｌ１〜Ｌ１６（第５８図には、Ｌ１〜Ｌ４のみ示されている）と、１６枚の下部電極層Ｍ１〜Ｍ１６（第５８図には、Ｍ１〜Ｍ４のみ示されている）と、によって挟まれ、いわゆるサンドイッチの状態になっている。そして、下部電極層Ｍ１〜Ｍ１６の下面が可撓基板５１０の上面に固着されている。一方、可撓基板５１０の下面には、振動子５５０が固着されており、可撓基板５１０の周囲部分はセンサ筐体５６０によって固着支持されている。この実施例では、可撓基板５１０は絶縁性の材料によって構成されている。可撓基板５１０を金属などの導電性の材料によって構成した場合には、その上面に絶縁膜を形成することにより、１６枚の下部電極層Ｍ１〜Ｍ１６が短絡するのを防ぐようにする。
【０１３７】
ここでは、説明の便宜上、可撓基板５１０の中心位置Ｏを原点としたＸＹＺ三次元座標系を考えることにする。すなわち、第５７図の右方向にＸ軸、下方向にＹ軸、そして紙面に垂直な方向にＺ軸を定義する。第５８図は、このセンサをＸＺ平面で切った断面図ということになり、可撓基板１０、圧電素子２０、各電極層Ｌ１〜Ｌ１６，Ｍ１〜Ｍ１６は、いずれもＸＹ平面に平行に配置されていることになる（この第５の実施例では、説明の便宜上、側断面図における下方向をＺ軸の正方向にとってある）。また、第５７図に示すように、ＸＹ平面上において、Ｘ軸あるいはＹ軸と４５°の角をなす方向にＷ１軸およびＷ２軸を定義する。Ｗ１軸およびＷ２軸はいずれも原点Ｏを通る。このような座標系を定義すると、上部電極層Ｌ１〜Ｌ４および下部電極層Ｍ１〜Ｍ４は、Ｘ軸の負方向から正方向に向かって順に配置されており、上部電極層Ｌ５〜Ｌ８および下部電極層Ｍ５〜Ｍ８は、Ｙ軸の負方向から正方向に向かって順に配置されており、上部電極層Ｌ９〜Ｌ１２および下部電極層Ｍ９〜Ｍ１２は、Ｗ１軸の負方向から正方向に向かって順に配置されており、上部電極層Ｌ１３〜Ｌ１６および下部電極層Ｍ１３〜Ｍ１６は、Ｗ２軸の負方向から正方向に向かって順に配置されていることになる。
【０１３８】
さて、圧電素子の上面および下面にそれぞれ電極層を形成し、この一対の電極層間に所定の電圧を印加すると、この圧電素子内部に所定の圧力が発生し、逆に、この圧電素子に所定の力を加えると、一対の電極層間に所定の電圧が発生する性質があることは、既に述べたとおりである。そこで、上述した１６枚の上部電極層Ｌ１〜Ｌ１６と、１６枚の下部電極層Ｍ１〜Ｍ１６と、これらによって挟まれた圧電素子５２０の１６個の部分と、によって、それぞれ１６組の局在素子Ｄ１〜Ｄ１６が形成されたものと考えることにする。たとえば、上部電極層Ｌ１と下部電極層Ｍ１と、これらに挟まれた圧電素子５２０の一部分と、によって局在素子Ｄ１が形成されることになる。結局、１６組の局在素子Ｄ１〜Ｄ１６は、第５９図の上面図に示されるように配置されていることになる。
【０１３９】
ここで、このセンサにおける圧電素子５２０としては、第６０図に示すような分極特性をもった圧電セラミックスが用いられている。すなわち、第６０図（ａ） に示すように、ＸＹ平面に沿って伸びる方向の力が作用した場合には、上部電極層Ｌ側に正の電荷が、下部電極層Ｍ側に負の電荷が、それぞれ発生し、逆に、第６０図（ｂ） に示すように、ＸＹ平面に沿って縮む方向の力が作用した場合には、上部電極層Ｌ側に負の電荷が、下部電極層Ｍ側に正の電荷が、それぞれ発生するような分極特性をもっている。ここでは、このような分極特性をタイプＩＩＩと呼ぶことにする。このセンサにおける１６組の局在素子Ｄ１〜Ｄ１６は、いずれもタイプＩＩＩの分極特性をもった圧電素子を有することになる。
【０１４０】
＜５．２＞ 振動子の振動機構
続いて、このセンサの所定の電極層に所定の極性をもった電荷を供給した場合にどのような現象が起こるかを検討する。いま、Ｘ軸上に配置された４つの局在素子Ｄ１〜Ｄ４を構成する各電極層に、第６１図に示すような極性の電荷を供給した場合を考える。すなわち、電極層Ｌ１，Ｍ２，Ｌ３，Ｍ４には正の電荷を、電極層Ｍ１，Ｌ２，Ｍ３，Ｌ４には負の電荷を、それぞれ供給する。すると、局在素子Ｄ１およびＤ３については、第６０図（ａ） に示す性質によりＸＹ平面に沿って伸びることになる。逆に、局在素子Ｄ２およびＤ４については、第６０図（ｂ） に示す性質によりＸＹ平面に沿って縮むことになる。その結果、可撓基板５１０は、第６１図に示すように変形し、振動子５５０はＸ軸正方向に変位することになる。ここで、各電極層に供給していた電荷の極性を逆転させると、圧電素子の伸縮状態も逆転することになり、振動子５５０はＸ軸負方向に変位する。この２つの変位状態が交互に起こるように、供給電荷の極性を交互に反転させてやれば、振動子５５０をＸ軸方向に往復運動させてやることができる。別言すれば、振動子５５０に対して、Ｘ軸方向に関する振動Ｕｘを与えることができる。
【０１４１】
このような電荷供給は、対向する電極層間に交流信号を印加することにより実現できる。すなわち、電極層Ｌ１，Ｍ１間および電極層Ｌ３，Ｍ３間に第１の交流信号を印加し、電極層Ｌ２，Ｍ２間および電極層Ｌ４，Ｍ４間に第２の交流信号を印加する。そして、第１の交流信号および第２の交流信号として、互いに周波数は同じで位相が反転した信号を用いるようにすれば、振動子５５０をＸ軸方向に振動させることができる。
【０１４２】
振動子５５０に対して、Ｙ軸方向に関する振動Ｕｙを与える方法も全く同様である。すなわち、電極層Ｌ５，Ｍ５間および電極層Ｌ７，Ｍ７間に第１の交流信号を印加し、電極層Ｌ６，Ｍ６間および電極層Ｌ８，Ｍ８間に第２の交流信号を印加する。そして、第１の交流信号および第２の交流信号として、互いに周波数は同じで位相が反転した信号を用いるようにすれば、振動子５５０をＹ軸方向に振動させることができる。
【０１４３】
次に、振動子５５０に対して、Ｚ軸方向に関する振動Ｕｚを与える方法について考えてみる。いま、Ｗ１軸上に配置された４つの局在素子Ｄ９〜Ｄ１２を構成する各電極層に、第６２図に示すような極性の電荷を供給した場合を考える。すなわち、電極層Ｌ９，Ｍ１０，Ｍ１１，Ｌ１２には正の電荷を、電極層Ｍ９，Ｌ１０，Ｌ１１，Ｍ１２には負の電荷を、それぞれ供給する。すると、局在素子Ｄ９およびＤ１２については、第６０図（ａ） に示す性質によりＸＹ平面に沿って伸びることになる。逆に、局在素子Ｄ１０およびＤ１１については、第６０図（ｂ） に示す性質によりＸＹ平面に沿って縮むことになる。その結果、可撓基板５１０は、第６２図に示すように変形し、振動子５５０はＺ軸正方向に変位することになる。ここで、各電極層に供給していた電荷の極性を逆転させると、圧電素子の伸縮状態も逆転することになり、振動子５５０はＺ軸負方向に変位する。この２つの変位状態が交互に起こるように、供給電荷の極性を交互に反転させてやれば、振動子５５０をＺ軸方向に往復運動させてやることができる。別言すれば、振動子５５０に対して、Ｚ軸方向に関する振動Ｕｚを与えることができる。
【０１４４】
このような電荷供給も、対向する電極層間に交流信号を印加することにより実現できる。すなわち、電極層Ｌ９，Ｍ９間および電極層Ｌ１２，Ｍ１２間に第１の交流信号を印加し、電極層Ｌ１０，Ｍ１０間および電極層Ｌ１１，Ｍ１１間に第２の交流信号を印加する。そして、第１の交流信号および第２の交流信号として、互いに周波数は同じで位相が反転した信号を用いるようにすれば、振動子５５０をＺ軸方向に振動させることができる。
【０１４５】
第５９図に示されているように、このセンサには、更に、Ｗ２軸に沿った４つの局在素子Ｄ１３〜Ｄ１６が設けられている。この４つの局在素子は、必ずしも必要なものではないが、この実施例では、Ｚ軸方向の振動動作をより安定させ、後述するＺ軸方向のコリオリ力Ｆｚの検出精度をより高める目的で設けてある。この４つの局在素子Ｄ１３〜Ｄ１６は、上述した４つの局在素子Ｄ９〜Ｄ１２と全く同じ機能を果たす。すなわち、局在素子Ｄ９〜Ｄ１２に供給するのと同じ交流信号を、局在素子Ｄ１３〜Ｄ１６に供給すれば、Ｚ軸方向の振動動作を８個の局在素子Ｄ９〜Ｄ１６によって行うことができるようになるので、より安定した振動動作が可能になる。
【０１４６】
以上のように、特定の局在素子に対して、所定の交流信号を供給すれば、振動子５５０をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に沿って振動させることができる。
【０１４７】
＜５．３＞ コリオリ力の検出機構
続いて、この第５の実施例に係るセンサにおいて各軸方向に作用したコリオリ力の検出方法について説明する。なお、紙面を節約する上で、前述した振動子の振動方法の説明に用いた第６１図および第６２図を、このコリオリ力の検出方法の説明においても用いることにする。
【０１４８】
まず、第６１図に示すように、振動子５５０の重心Ｇに対してＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘが作用した場合を考える（第５図に示す原理によれば、このようなコリオリ力Ｆｘの測定は、Ｙ軸方向への振動Ｕｙを与えた状態で行われるため、振動子５５０は第６１図における紙面に垂直な方向に振動していることになるが、このようなＹ軸方向への振動現象は、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｘの測定には影響を与えない）。このようなコリオリ力Ｆｘの作用により、ダイヤフラムの機能を果たす可撓基板５１０に撓みが生じ、第６１図に示すような変形が起こる。この結果、Ｘ軸に沿って配置された局在素子Ｄ１，Ｄ３はＸ軸方向に伸び、同じくＸ軸に沿って配置された局在素子Ｄ２，Ｄ４はＸ軸方向に縮むことになる。これら各電極層に挟まれた圧電素子は、第６０図に示すような分極特性を有するので、これら各電極層には、第６１図に小円で囲った記号「＋」または「−」で示すような極性の電荷が発生する。また、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙが作用した場合は、Ｙ軸に沿って配置された局在素子Ｄ５〜Ｄ８を構成する各電極層について、同様に所定の極性をもった電荷が発生する。
【０１４９】
次に、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｚが作用した場合を考える。この場合は、ダイヤフラムの機能を果たす可撓基板５１０が第６２図に示すように変形し、Ｗ１軸に沿って配置された局在素子Ｄ９，Ｄ１２はＷ１軸方向に伸び、同じくＷ１軸に沿って配置された局在素子Ｄ１０，Ｄ１１はＷ１軸方向に縮むことになる。このため、局在素子Ｄ９〜Ｄ１２を構成する各電極層には、第６２図に小円で囲った記号「＋」または「−」で示すような極性の電荷が発生する。Ｗ２軸に沿って配置された局在素子Ｄ１３〜Ｄ１６を構成する各電極層にも、同様に所定の極性をもった電荷が発生する。
【０１５０】
このような現象を利用すれば、各電極層に対して、第６３図〜第６５図に示すような配線を施すことにより、コリオリ力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの検出を行うことができる。たとえば、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｙは、第６３図に示すように、端子Ｔｘ１と端子Ｔｘ２との間に生じる電圧差Ｖｘとして検出することができる。この理由は、第６１図に示すような撓みにより、各電極層に発生する電荷の極性を考えれば容易に理解できる。第６３図のような配線を施しておけば、正の電荷はすべて端子Ｔｘ１に集まり、負の電荷はすべて端子Ｔｘ２に集まり、両端子間の電位差ＶｘがＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを示すものになる。全く同様に、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙは、局在素子Ｄ５〜Ｄ８を構成する各電極層に対して、第６４図に示すような配線を施せば、端子Ｔｙ１と端子Ｔｙ２との間の電位差Ｖｙとして検出することができる。また、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｚは、局在素子Ｄ９〜Ｄ１６を構成する各電極層に対して、第６５図に示すような配線を施せば、端子Ｔｚ１と端子Ｔｚ２との間に生じる電圧差Ｖｚとして検出することができる。もっとも、局在素子Ｄ１３〜Ｄ１６は必ず必要なものではなく、局在素子Ｄ９〜Ｄ１２の４つだけを用いても、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｚの検出は可能である。
【０１５１】
＜５．４＞ 角速度の検出
以上述べたように、この第５の実施例に係る多軸角速度センサでは、所定の局在素子に交流信号を印加することにより、振動子５５０をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれかの軸方向に沿って振動させることができ、そのときに発生した各軸方向のコリオリ力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを、それぞれ電位差Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚとして検出することができる。したがって、第３図〜第５図に示す原理により、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれかの軸まわりの角速度ωを検出することができる。
【０１５２】
ただ、この第５の実施例に係るセンサは、前述した第４の実施例に係るセンサと同様に、振動機構および検出機構の双方に圧電素子（局在素子）を利用した機構が用いられている。そこで、各角速度の検出動作における各局在素子の役割分担を検討しておく。
【０１５３】
まず、第３図に示す原理に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出する動作について考えてみよう。この場合、振動子に対してＺ軸方向の振動Ｕｚを与えたときに、Ｙ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｙを検出する必要がある。振動子５５０に振動Ｕｚを与えるには、Ｗ１軸およびＷ２軸上に配された局在素子Ｄ９〜Ｄ１６に交流信号を供給すればよい。また、振動子５５０に作用するコリオリ力Ｆｙを検出するには、Ｙ軸上に配された局在素子Ｄ５〜Ｄ８に発生する電圧を検出すればよい。残りの局在素子Ｄ１〜Ｄ４は、この検出動作では使用されない。
【０１５４】
続いて、第４図に示す原理に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出する動作について考えてみよう。この場合、振動子に対してＸ軸方向の振動Ｕｘを与えたときに、Ｚ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｚを検出する必要がある。振動子５５０に振動Ｕｘを与えるには、Ｘ軸上に配された局在素子Ｄ１〜Ｄ４に交流信号を供給すればよい。また、振動子５５０に作用するコリオリ力Ｆｚを検出するには、Ｗ１軸およびＷ２軸上に配された局在素子Ｄ９〜Ｄ１６に発生する電圧を検出すればよい。残りの局在素子Ｄ５〜Ｄ８は、この検出動作では使用されない。
【０１５５】
最後に、第５図に示す原理に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出する動作について考えてみよう。この場合、振動子に対してＹ軸方向の振動Ｕｙを与えたときに、Ｘ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｘを検出する必要がある。振動子５５０に振動Ｕｙを与えるには、Ｙ軸上に配された局在素子Ｄ５〜Ｄ８に交流信号を供給すればよい。また、振動子５５０に作用するコリオリ力Ｆｘを検出するには、Ｘ軸上に配された局在素子Ｄ１〜Ｄ４に発生する電圧を検出すればよい。残りの局在素子Ｄ９〜Ｄ１６は、この検出動作では使用されない。
【０１５６】
以上のように、このセンサを用いて角速度ωｘ，ωｙ，ωｚのいずれか１つを検出する場合、各局在素子についての役割分担が都合よくなされ、支障なく検出が行われることがわかる。もっとも、角速度ωｘ，ωｙ，ωｚのうちの複数を同時に検出することはできないので、３つの角速度を検出する場合には、後述するように時分割処理を行い、１つずつ順に検出を行う必要がある。
【０１５７】
＜５．５＞ 変形例１
上述した第５の実施例に係るセンサによれば、ＸＹＺ三次元座標系におけるコリオリ力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを、それぞれ電位差Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚとして求めることができる。そして、これらの電位差に基づいて角速度の検出が可能である。しかしながら、これらの電位差を検出するためには、各電極層に対して、第６３図〜第６５図の回路図に示すような配線を行う必要がある。この配線は、上部電極層と下部電極層とが入り乱れたものとなっており、このセンサを大量生産する場合、製品の全コストに比べて配線のためのコストが無視できなくなる。この変形例１は、圧電素子の分極特性を部分的に変えることにより、配線を単純化し製造コストを低減するようにしたものである。
【０１５８】
既に述べたように、任意の分極特性をもった圧電素子を製造することは、現在の技術で可能である。たとえば、上述した第５の実施例に係るセンサにおいて用いられている圧電素子５２０は、第６０図に示すようなタイプＩＩＩの分極特性をもったものであった。これに対して、第６６図に示すようなタイプＩＶの分極特性をもった圧電素子５３０を製造することも可能である。すなわち、第６６図（ａ） に示すように、ＸＹ平面に沿って伸びる方向の力が作用した場合には、上部電極層Ｌ側に負の電荷が、下部電極層Ｍ側に正の電荷が、それぞれ発生し、逆に、第６６図（ｂ） に示すように、ＸＹ平面に沿って縮む方向の力が作用した場合には、上部電極層Ｌ側に正の電荷が、下部電極層Ｍ側に負の電荷が、それぞれ発生するような分極特性をもった圧電素子５３０を製造することが可能である。また、１つの圧電素子の一部分にタイプＩＩＩの分極特性をもたせ、別な一部分にタイプＩＶの分極特性をもたせることも可能である。ここに述べる変形例は、このような局在的な分極処理を施した圧電素子を用いることにより、センサの構造を単純化するものである。
【０１５９】
いま、第６７図に示すような圧電素子５４０を考える。この圧電素子５４０は、形状は上述した第５７図のセンサにおいて用いられている圧電素子５２０と全く同じドーナツ盤状をした素子である。しかしながら、その分極特性は圧電素子５２０とは異なっている。圧電素子５２０は、前述したように、すべての部分がタイプＩＩＩの分極特性をもつ素子であった。これに対し、圧電素子５４０は、第６７図に示すように、１６個の各領域においてタイプＩＩＩまたはタイプＩＶのいずれかの分極特性をもつ。すなわち、局在素子Ｄ１，Ｄ３，Ｄ５，Ｄ７，Ｄ９，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１６の領域においてはタイプＩＩＩの分極特性を示し、局在素子Ｄ２，Ｄ４，Ｄ６，Ｄ８，Ｄ１０，Ｄ１１，Ｄ１４，Ｄ１５の領域においてはタイプＩＶの分極特性を示す（第５９図と第６７図とを参照）。
【０１６０】
さて、前述した第５７図のセンサにおいて、圧電素子５２０の代わりに、第６７図に示すような分極特性をもった圧電素子５４０を用いた場合、各電極層に発生する電荷の極性がどのように変わるかを考えてみると、タイプＩＶの分極特性をもった領域に形成されている上部電極層Ｌ２，Ｌ４，Ｌ６，Ｌ８，Ｌ１０，Ｌ１１，Ｌ１４，Ｌ１５，および下部電極層Ｍ２，Ｍ４，Ｍ６，Ｍ８，Ｍ１０，Ｍ１１，Ｍ１４，Ｍ１５に発生する電荷の極性が反転することがわかる。たとえば、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｘが作用した場合、前述した第５７図のセンサでは第６１図に示すような極性の電荷が発生するのに対し、この変形例のセンサでは第６８図に示すような極性の電荷が発生する。また、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｚが作用した場合、前述した第５７図のセンサでは第６２図に示すような極性の電荷が発生するのに対し、この変形例のセンサでは第６９図に示すような極性の電荷が発生する。このため、各電極層に対して、第７０図〜第７２図に示すような配線を施しておけば、コリオリ力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを、それぞれ電位差Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚとして求めることができるようになる。
【０１６１】
たとえば、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｘの検出動作に関しては、電極層Ｌ２，Ｍ２およびＬ４，Ｍ４に発生する電荷の極性が逆転するため、第６３図に示す配線は第７０図に示す配線に置き換えられる。同様に、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙの検出動作に関しては、電極層Ｌ６，Ｍ６およびＬ８，Ｍ８に発生する電荷の極性が逆転するため、第６４図に示す配線は第７１図に示す配線に置き換えられる。更に、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｚの検出動作に関しては、電極層Ｌ１０，Ｍ１０、Ｌ１１，Ｍ１１、Ｌ１４，Ｍ１４、およびＬ１５，Ｍ１５に発生する電荷の極性が逆転するため、第６５図に示す配線は第７２図に示す配線に置き換えられる。
【０１６２】
なお、局在的分極特性をもった圧電素子５４０を用いた場合、振動子５５０を振動させるために印加する交流信号も単純化される。すなわち、Ｘ軸方向に振動させる場合には、第６８図に示すように、局在素子Ｄ１〜Ｄ４のすべてに同相の交流信号を供給すればよく、同様に、Ｙ軸方向に振動させる場合には、局在素子Ｄ５〜Ｄ８のすべてに同相の交流信号を供給すればよい。また、Ｚ軸方向に振動させる場合には、第６９図に示すように、局在素子Ｄ９〜Ｄ１６のすべてに同相の交流信号を供給すればよい。
【０１６３】
第６３図〜第６５図に示す配線に対して、第７０図〜第７２図に示す配線は、実際のセンサを製造する上で重大なメリットを有する。第７０図〜第７２図に示す配線の特徴は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれの方向にコリオリ力が作用した場合であっても、各軸の正方向にコリオリ力が作用したのであれば、必ず上部電極層側に正の電荷が、下部電極層側に負の電荷が、それぞれ発生する点にある。この特徴を利用すれば、センサ全体の配線を単純化することが可能になる。たとえば、第７０図〜第７２図における端子Ｔｘ２，Ｔｙ２，Ｔｚ２を、センサ筐体５６０に接続して基準電位（アース）にとった場合を考える。この場合、１６枚の下部電極層Ｍ１〜Ｍ１６は互いに導通状態になる。このようにしても、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｘを示す電位差Ｖｘは端子Ｔｘ１のアースに対する電圧として得られ、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙを示す電位差Ｖｙは端子Ｔｙ１のアースに対する電圧として得られ、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｚを示す電位差Ｖｚは端子Ｔｚ１のアースに対する電圧として得られるので、このセンサは何ら支障なく動作する。しかも１６枚の下部電極層Ｍ１〜Ｍ１６についての配線は、互いに導通させるだけでよいので、非常に単純な配線ですむ。
【０１６４】
＜５．６＞ 変形例２
上述した変形例１のように、局在的な分極特性をもった圧電素子５４０を用いた場合、１６枚の下部電極層Ｍ１〜Ｍ１６を導通させる配線が可能になる。このように、下部電極層Ｍ１〜Ｍ１６を導通させることができるのであれば、あえてこれら１６枚の電極層を、それぞれ独立した電極層にしておく必要はない。すなわち、第７３図の側断面図に示されているように、共通の下部電極層Ｍ０を１枚だけ設けるようにすればよい。共通の下部電極層Ｍ０は、１枚のドーナツ盤状の電極層であり、１６枚の上部電極層Ｌ１〜Ｌ１６のすべてに対向した電極となる。
【０１６５】
＜５．７＞ 変形例３
上述した変形例２の構造を更に単純化するには、可撓基板５１０の代わりに、導電性の材料（たとえば、金属）からなる可撓基板５７０を用いればよい。こうすれば、第７４図の側断面図に示されているように、特別な下部電極層Ｍ０を用いずに、圧電素子５４０の下面を可撓基板５７０の上面に直接接合した構造が実現できる。この場合、可撓基板５７０自身が共通の下部電極層Ｍ０として機能することになる。
【０１６６】
また、上述の変形例２，３では、下部電極層側を共通の単一電極層としているが、逆に上部電極層側を共通の単一電極層とすることも可能である。
【０１６７】
＜５．８＞ その他の変形例
上述したセンサは、いずれも物理的に単一の圧電素子５２０あるいは５４０を用いているが、これらを物理的に複数の圧電素子で構成してもかまわない。たとえば、第５９図において、局在素子Ｄ１〜Ｄ１６のそれぞれを別個独立した圧電素子を用いて構成し、合計で１６個の圧電素子を用いるようにしてもかまわない。また、たとえば、局在素子Ｄ１，Ｄ２について単一の圧電素子を用い、局在素子Ｄ３，Ｄ４について別な圧電素子を用いる、というように、２つの局在素子について１つの局在素子を用い、合計８個の圧電素子を用いるようにすることもできる。このように、物理的にいくつの圧電素子を用いるかは、設計上適宜変更できる事項である。
【０１６８】
＜＜＜ Ｓｅｃｔｉｏｎ ６ 第６の実施例 ＞＞＞
＜６．１＞ 第６の実施例に係るセンサの原理
ここで述べる第６の実施例に係る多軸角速度センサは、振動機構として電磁力を利用した機構を用い、検出機構として差動トランスを利用した機構を用いたセンサである。はじめに、第７５図に基づいて、その原理を簡単に説明する。いま、磁性材料からなる振動子６１０の重心位置に原点Ｏをとり、ＸＹＺ三次元座標系を定義する。そして、この振動子６１０を挟むように、Ｘ軸上に一対のコイルＪ１，Ｊ２を設け、Ｙ軸上に一対のコイルＪ３，Ｊ４を設け、Ｚ軸上に一対のコイルＪ５，Ｊ６を設ける。
【０１６９】
このように６個のコイルを配置しておけば、磁性材料からなる振動子６１０を、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の任意の軸方向に振動させることが可能である。たとえば、Ｘ軸方向の振動Ｕｘを与えるためには、Ｘ軸上に配されたコイルＪ１，Ｊ２に交互に通電すればよい。コイルＪ１に通電されたときは、振動子６１０はコイルＪ１の発生する磁力によりＸ軸正方向に移動し、コイルＪ２に通電されたときは、振動子６１０はコイルＪ２の発生する磁力によりＸ軸負方向に移動する。したがって、交互に通電を行えば、振動子６１０はＸ軸方向に往復運動をすることになる。同様に、Ｙ軸方向の振動Ｕｙを与えるためには、Ｙ軸上に配されたコイルＪ３，Ｊ４に交互に通電すればよく、Ｚ軸方向の振動Ｕｚを与えるためには、Ｚ軸上に配されたコイルＪ５，Ｊ６に交互に通電すればよい。
【０１７０】
一方、このように配置された６個のコイルにより、磁性材料からなる振動子６１０の変位を検出することも可能である。たとえば、振動子６１０がＸ軸の正方向に変位した場合、振動子６１０とコイルＪ１との距離は近付き、振動子６１０とコイルＪ２との距離は離れる。一般に、コイルに対する磁性材料の距離に変化が生じると、そのコイルのインダクタンスに変化が生じる。したがって、コイルＪ１のインダクタンス変化と、コイルＪ２のインダクタンス変化とを検出すれば、振動子６１０のＸ軸方向の変位を認識することができる。同様に、コイルＪ３のインダクタンス変化と、コイルＪ４のインダクタンス変化とにより、振動子６１０のＹ軸方向の変位を認識することができ、コイルＪ５のインダクタンス変化と、コイルＪ６のインダクタンス変化とにより、振動子６１０のＺ軸方向の変位を認識することができる。そこで、コリオリ力によって振動子６１０に変位が生じるような構造にしておけば、各コイルのインダクタンス変化により、各軸方向のコリオリ力を検出することができる。
【０１７１】
このように、コイルＪ１〜Ｊ６は振動子６１０を振動させる役割と振動子６１０の変位を検出する役割とを兼ねることになるが、振動用コイルと検出用コイルとを別々に設けるようにしてもよい。
【０１７２】
＜６．２＞ 具体的なセンサの構造と動作
第７６は、上述した原理に基づく多軸角速度センサの具体的な構造を示す側断面図である。鉄などの磁性材料からなる円柱状の振動子６１０は、センサ筐体６２０内に収容されている。センサ筐体６２０の上面には、仕切り板６３０が接合されており、この仕切り板６３０の上面には、皿状のダイヤフラム６４０が伏せた状態で取り付けられている。このダイヤフラムの中心には、連結棒６５０の上端が固着されている。仕切り板６３０の中央には貫通孔が形成されており、連結棒６５０はこの貫通孔を挿通している。連結棒６５０の下端には、振動子６１０が取り付けられており、振動子６１０はセンサ筐体６２０内において、連結棒６５０によって宙吊りの状態になっている。また、仕切り板６３０の上方には、ダイヤフラム６４０を覆うように保護カバー６６０が取り付けられている。
【０１７３】
ここで、振動子６１０の重心位置に原点Ｏをとり、第７６図の右方にＹ軸を、上方にＺ軸を、紙面に垂直な方向にＸ軸をとる。そして、センサ筐体６２０の内側に、６個のコイルＪ１〜Ｊ６を図のように配置する（コイルＪ１，Ｊ２は第７６図には示されていないが、振動子６１０の手前側にコイルＪ１が、向こう側にコイルＪ２が、それぞれ配置される）。この配置は、第７５図に示す配置と同じである。
【０１７４】
上述したように、所定のコイルに通電を行うことにより、振動子６１０を所定の軸方向に振動させることができ、また、所定のコイルのインダクタンス変化を検出することにより、所定の軸方向に作用したコリオリ力を検出することができる。したがって、第３図〜第５図に示す基本原理に基づき、所定の軸まわりの角速度を検出することが可能になる。
【０１７５】
＜＜＜ Ｓｅｃｔｉｏｎ ７ 検出動作 ＞＞＞
＜７．１＞ 加速度の検出
以上述べてきた種々の実施例は、いずれも多軸角速度センサであるが、実はこれらのセンサは、多軸加速度センサとしての機能も兼ね備えている。これを第１の実施例のセンサについて示そう。第１５図は、この第１の実施例のセンサにおいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出する動作を説明する図である。角速度ωｘを検出するには、振動子１３０に対してＺ軸方向の振動Ｕｚを与えた状態で、Ｙ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを測定すればよい。ところで、このようなＹ軸方向のコリオリ力Ｆｙが発生するのは、角速度ωｘが作用した状態において、振動子１３０をＺ軸方向に意図的に振動させたためである。もし、振動子１３０を振動させなかったら、コリオリ力Ｆｙは発生しない。しかしながら、振動子１３０を振動させていないにもかかわらず、振動子１３０をＹ軸方向に動かそうとする力Ｆｙが発生する場合がある。これは、振動子１３０にＹ軸方向の加速度が作用した場合である。力学の基本法則によれば、質量をもった物体に加速度が作用すると、この加速度と同じ方向に、物体の質量に比例した力が作用する。したがって、振動子１３０に対して、Ｙ軸方向の加速度が作用した場合には、この振動子１３０の質量に比例した大きさをもったＹ軸方向の力Ｆｙが作用することになる。このように加速度に起因した力Ｆｙも、コリオリ力Ｆｙも、力としては全く同じであり、コリオリ力の検出方法と全く同様の方法により加速度に起因した力を検出することができる。
【０１７６】
結局、上述した各実施例のセンサにおいて、振動子を所定の軸方向に意図的に振動させた状態で所定の軸方向に検出される力は、コリオリ力であり、このコリオリ力の大きさは所定の軸まわりの角速度に対応した値となる。ところが、振動子を振動させない状態で所定の軸方向に検出される力は、その軸方向に作用している加速度に基づく力であり、この力の大きさはその軸方向の加速度に対応した値となる。このように、上述した各実施例のセンサは、振動子を振動させた状態で測定を行えば角速度センサとして機能するが、振動子を振動させない状態で測定を行えば加速度センサとして機能することになる。
【０１７７】
＜７．２＞ 時分割検出動作
上述したように、本発明に係るセンサは、多軸角速度センサとしての機能と多軸加速度センサとしての機能を兼ね備えている。そこで、実際には、第７７図の流れ図に示すような時分割検出動作を行うことにより、Ｘ軸方向の加速度αｘ，Ｙ軸方向の加速度αｙ，Ｚ軸方向の加速度αｚ，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、という６つの成分の検出を行うことができる。
【０１７８】
まず、ステップＳ１において、各軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚの検出を同時に行う。すなわち、振動子を振動させないで、コリオリ力の検出と同等の検出処理を行えばよい。このときに検出された力は、実はコリオリ力ではなく、加速度に基づいて発生した力である。加速度については、３軸成分を同時に検出することが可能である。なぜなら、振動子に振動を与える作業を行う必要がないので、各電極層は、振動機構としての役割を果たす必要はなく、検出機構としての役割だけを果たせばよいからである。たとえば、第４２図に示す第４の実施例に係るセンサの場合、コリオリ力の検出のために、第４６図〜第４８図に示すような回路が形成されている。加速度の検出を行う場合には、振動を与えるための交流信号の供給は必要ないため、これらの回路に示された電極層Ｅ１〜Ｅ５およびＦ１〜Ｆ５のいずれに対しても、交流信号を与える必要はない。したがって、これらの回路によって検出された電位差Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚが、そのまま加速度αｘ，αｙ，αｚを示すことになる。
【０１７９】
続いて、ステップＳ２において角速度ωｘの検出を行い、次のステップＳ３において角速度ωｙの検出を行い、続くステップＳ４において角速度ωｚの検出を行う。角速度については、既に述べたように、３軸まわりの各角速度を同時に検出することはできない。したがって、このような時分割により各角速度の検出を順に行うことになる。
【０１８０】
最後に、ステップＳ５から再びステップＳ１へと戻り、検出動作を継続して実行する限り、同様の動作が繰り返し実行されることになる。
【０１８１】
＜７．３＞ 検出回路
続いて、前述のような時分割検出動作を行うための検出回路の基本構成を第７８図に示す。ここで、ブロック７００は、これまで述べてきた多軸角速度センサの種々の実施例に対応するものであり、機能の観点から、振動部７１０と検出部７２０との２つの部分に分けて示してある。振動部７１０は、内蔵した振動子を所定の軸方向に振動させる機能をもった部分であり、図にＸ，Ｙ，Ｚと示した各端子に駆動信号を供給すると、振動子はそれぞれＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に振動する。また、検出部７２０は、内蔵した振動子の変位を示す検出信号を出力する機能をもった部分であり、図にＸ，Ｙ，Ｚと示した各端子から、それぞれＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向についての変位の検出信号が出力される。実際のセンサにおいては、１つの電極層が振動部７１０側の機能と、検出部７２０側の機能とを兼ねる場合もあり、センサを構成する各部を、振動部７１０か検出部７２０かのいずれかにはっきりと分類することは困難であるが、ここでは便宜上、このセンサを機能的にとらえることによりブロック７００のような単純なモデルで表現することにする。
【０１８２】
振動発生回路７１１は、振動部７１０の各端子Ｘ，Ｙ，Ｚに供給する駆動信号を発生する回路であり、具体的には、たとえば交流信号を発生する装置である。マルチプレクサ７１２は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を有し、振動発生回路７１１で発生した駆動信号を、振動部７１０のいずれの端子Ｘ，Ｙ，Ｚへ供給するかを制御する。一方、検出部７２０の各端子Ｘ，Ｙ，Ｚから出力された検出信号は、マルチプレクサ７２２を経て、変位検出回路７２１へ与えられる。マルチプレクサ７２２は、スイッチＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６を有し、変位検出回路７２１へ与える検出信号の選択を行う。変位検出回路７２１は、与えられた検出信号に基づいて、具体的な変位量を検出し、これを検出値出力回路７３０へ与える。コントローラ７４０は、マルチプレクサ７１２，７２２の動作を制御するとともに、検出値出力回路７３０に対して制御信号を与える。
【０１８３】
以上が、この検出回路の構成である。なお、この第７８図は、実際の電流経路を示す具体的な回路図ではなく、検出回路の構成の概略を示した図である。したがって、図に示された１本の線は、ひとまとまりの制御信号あるいは検出信号の経路を示しているものであり、電流経路そのものを示しているわけではない。たとえば、スイッチＳＷ１と振動部７１０の端子Ｘとの間には１本の制御信号線が描かれているだけであるが、実際には、振動子をＸ軸方向に振動させるためには複数の電極層に所定の位相をもった交流信号を供給する必要があり、複数の電流経路が必要になる。
【０１８４】
さて、このような検出回路を構成しておけば、第７７図の流れ図に示す検出動作は、次のように実行される。まず、コントローラ７４０は、ステップＳ１として、加速度αｘ，αｙ，αｚを検出する処理を行う。すなわち、コントローラ７４０は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３をいずれもＯＦＦにし、スイッチＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６をいずれもＯＮにする指示を、マルチプレクサ７１２，７２２に与える。その結果、振動部７１０には駆動信号は供給されず、振動子に対する意図的な励振は行われない。したがって、このとき検出部７２０の各端子Ｘ，Ｙ，Ｚから出力される検出信号は、コリオリ力ではなく加速度の作用に基づく力によって生じた変位を示す信号となる。スイッチＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６はいずれもＯＮとなっているので、３つの信号がすべて変位検出回路７２１に与えられ、ここで、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸方向の変位量が検出される。コントローラ７４０は、検出値出力回路７３０に対して、検出された３つの変位量を加速度の値として出力するよう指示する。こうして、変位検出回路７２１において検出された３軸方向の変位量は、検出値出力回路７３０から、それぞれ加速度値αｘ，αｙ，αｚとして出力される。
【０１８５】
続いて、コントローラ７４０は、ステップＳ２として、角速度ωｘを検出する処理を行う。すなわち、コントローラ７４０は、第３図に示す原理に基づき、
スイッチＳＷ１：ＯＦＦ スイッチＳＷ４：ＯＦＦ
スイッチＳＷ２：ＯＦＦ スイッチＳＷ５：ＯＮ
スイッチＳＷ３：ＯＮ スイッチＳＷ６：ＯＦＦ
とする指示を、マルチプレクサ７１２，７２２に与える。その結果、振動部７１０は振動子にＺ軸方向の振動Ｕｚを与え、検出部７２０はこのとき発生するコリオリ力Ｆｙの作用による振動子のＹ軸方向の変位を示す検出信号を端子Ｙから出力する。変位検出回路７２１は、この検出信号に基づきＹ軸方向の変位量を検出する。コントローラ７４０は、検出値出力回路７３０に対して、検出された変位量をＸ軸まわりの角速度ωｘの値として出力するよう指示する。こうして、変位検出回路７２１において検出されたＹ軸方向の変位量は、検出値出力回路７３０から、角速度ωｘとして出力される。
【０１８６】
次に、コントローラ７４０は、ステップＳ３として、角速度ωｙを検出する処理を行う。すなわち、コントローラ７４０は、第４図に示す原理に基づき、
スイッチＳＷ１：ＯＮ スイッチＳＷ４：ＯＮ
スイッチＳＷ２：ＯＦＦ スイッチＳＷ５：ＯＦＦ
スイッチＳＷ３：ＯＦＦ スイッチＳＷ６：ＯＦＦ
とする指示を、マルチプレクサ７１２，７２２に与える。その結果、振動部７１０は振動子にＸ軸方向の振動Ｕｘを与え、検出部７２０はこのとき発生するコリオリ力Ｆｚの作用による振動子のＺ軸方向の変位を示す検出信号を端子Ｚから出力する。変位検出回路７２１は、この検出信号に基づきＺ軸方向の変位量を検出する。コントローラ７４０は、検出値出力回路７３０に対して、検出された変位量をＹ軸まわりの角速度ωｙの値として出力するよう指示する。こうして、変位検出回路７２１において検出されたＺ軸方向の変位量は、検出値出力回路７３０から、角速度ωｙとして出力される。
【０１８７】
更に、コントローラ７４０は、ステップＳ４として、角速度ωｚを検出する処理を行う。すなわち、コントローラ７４０は、第５図に示す原理に基づき、
スイッチＳＷ１：ＯＦＦ スイッチＳＷ４：ＯＦＦ
スイッチＳＷ２：ＯＮ スイッチＳＷ５：ＯＦＦ
スイッチＳＷ３：ＯＦＦ スイッチＳＷ６：ＯＮ
とする指示を、マルチプレクサ７１２，７２２に与える。その結果、振動部７１０は振動子にＹ軸方向の振動Ｕｙを与え、検出部７２０はこのとき発生するコリオリ力Ｆｘの作用による振動子のＸ軸方向の変位を示す検出信号を端子Ｘから出力する。変位検出回路７２１は、この検出信号に基づきＸ軸方向の変位量を検出する。コントローラ７４０は、検出値出力回路７３０に対して、検出された変位量をＺ軸まわりの角速度ωｚの値として出力するよう指示する。こうして、変位検出回路７２１において検出されたＸ軸方向の変位量は、検出値出力回路７３０から、角速度ωｚとして出力される。
【０１８８】
以上の処理が、ステップＳ５を経て繰り返し実行される。したがって、このセンサを運動する物体に搭載しておけば、各時点における３軸方向の加速度および３軸まわりの角速度を連続的に検出することが可能になる。
【０１８９】
＜７．４＞ 角速度の別な検出原理
多軸角速度の検出に関するこれまでの説明は、いずれも、第３図〜第５図に示す基本原理に基づくものであった。これに対し、第７９図〜第８１図に示す基本原理に基づく検出も可能である。たとえば、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出する場合、第３図に示す基本原理によれば、振動子にＺ軸方向の振動Ｕｚを与えたときにＹ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｙを検出することになるが、第７９図に示す基本原理によれば、振動子にＹ軸方向の振動Ｕｙを与えたときにＺ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｚを検出すればよい。同様に、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出する場合、第４図に示す基本原理によれば、振動子にＸ軸方向の振動Ｕｘを与えたときにＺ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｚを検出することになるが、第８０図に示す基本原理によれば、振動子にＺ軸方向の振動Ｕｚを与えたときにＸ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｘを検出すればよい。また、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出する場合、第５図に示す基本原理によれば、振動子にＹ軸方向の振動Ｕｙを与えたときにＸ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｘを検出することになるが、第８１図に示す基本原理によれば、振動子にＸ軸方向の振動Ｕｘを与えたときにＹ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｙを検出すればよい。
【０１９０】
要するに、本発明に係る多軸角速度センサは、互いに直交する３軸の原点に位置する振動子について、第１の軸まわりに角速度ωが作用している場合、第２の軸方向の振動Ｕを与えれば、第３の軸方向にコリオリ力が作用する、という自然法則を利用したものであり、第３図〜第５図に示すような軸の選択を行っても、第７９図〜第８１図に示すような軸の選択を行っても、いずれでもかまわないのである。したがって、これまで述べてきたすべての実施例について、第７９図〜第８１図に示す基本原理を適用した検出を行うことが可能である。
【０１９１】
＜７．５＞ 基本原理の組み合わせによる検出
上述したように、本発明による角速度検出においては、第３図〜第５図に示す基本原理に基づく検出と、第７９図〜第８１図に示す基本原理に基づく検出と、のいずれも可能であるが、更に、両者を組み合わせた検出も可能である。ここで、理解を容易にするために、各基本原理を整理してみると、次の表に示すような６とおりの検出動作が可能であることがわかる。

ここで、Ｕの欄は振動子を励振する軸方向を示し、Ｆの欄は振動子に作用するコリオリ力を検出する軸方向を示し、ωの欄は検出対象となる角速度に関する軸を示す。第３図〜第５図に示す基本原理に基づく検出は、上掲の表の偶数番目の３つの検出動作を行うものであり、第７９図〜第８１図に示す基本原理に基づく検出は、奇数番目の３つの検出動作を行うものである。このような３つの検出動作により、ＸＹＺの３つの軸まわりの角速度が検出できることは既に述べたとおりである。
【０１９２】
ところで、このような３軸まわりの角速度を検出するための組み合わせは、偶数番目および奇数番目の組み合わせだけに限らない。たとえば、前半の検出動作１〜３という組み合わせでもＸＹＺの３軸まわりの角速度が検出できるし、後半の検出動作４〜６という組み合わせでもＸＹＺの３軸まわりの角速度が検出できる（上掲の表のωの欄参照）。しかも、このような組み合わせを採ると、振動機構および検出機構の一部を省略することができる。たとえば、上掲の表における検出動作１〜３を実行するには、振動子の励振軸はＸ軸およびＹ軸だけでよい（Ｕの欄参照）。別言すれば、振動子をＺ軸方向に振動させる必要はないのである。また、コリオリ力の検出軸はＹ軸およびＺ軸だけでよい（Ｆの欄参照）。別言すれば、Ｘ軸方向のコリオリ力を検出する必要はないのである。結局、振動機構としては、Ｘ軸およびＹ軸の２つの軸方向に振動させることができれば十分であり、検出機構としては、Ｙ軸およびＺ軸の２つの軸方向の検出ができれば十分である。これまでに述べてきた種々の実施例は、いずれも、ＸＹＺの３軸方向に振動させる振動機構と、ＸＹＺの３軸方向のコリオリ力を検出する検出機構と、を備えることを前提としたものであったが、このように基本原理をうまく組み合わせることにより、２軸方向の振動機構と２軸方向の検出機構とによって、３軸についての角速度の検出が可能である。
【０１９３】
また、これまでの実施例は、いずれもＸＹＺの３軸についての角速度を検出する三次元角速度センサについてのものであったが、これら３軸のうちの特定の２軸についての角速度だけを検出すれば足りる場合には、振動機構あるいは検出機構の一部を更に省略した二次元角速度センサを用いることができる。たとえば、上掲の表における検出動作１および検出動作２だけを考えてみる。これら２つの検出動作を行うためには、Ｘ軸方向への振動機構と、Ｙ軸およびＺ軸方向についての検出機構とがあれば十分であり、その結果として、Ｚ軸まわりの角速度とＹ軸まわりの角速度とが検出できる。したがって、１軸方向への振動機構と２軸についての検出機構とによって、二次元角速度センサが実現できることになる。
【０１９４】
あるいは、次のような組み合わせも可能である。今度は、上掲の表における検出動作２および検出動作３だけを考えてみる。これら２つの検出動作を行うためには、Ｘ軸およびＹ軸方向への振動機構と、Ｚ軸方向についての検出機構とがあれば十分であり、その結果として、Ｙ軸まわりの角速度とＸ軸まわりの角速度とが検出できる。したがって、２軸方向への振動機構と１軸についての検出機構とによって、二次元角速度センサが実現できることになる。
【０１９５】
なお、本発明に係る角速度センサにおいて振動子を振動させる場合、各振動子のもつ固有の共振周波数で振動させるのが好ましい。上述の実施例における各振動子１３０，２１１，２４１，２６０，３２１，４４０，５５０，６１０は、いずれもそれぞれ固有の共振周波数をもっている。各振動子を、このような固有の共振周波数で振動させることにより、小さな供給エネルギーで大きな振動を生じさせることができ、非常に効率が良くなる。
【０１９６】
【発明の効果】
本発明に係る角速度センサは、ＸＹＺ三次元座標系で運動する物体について、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、のうちの必要な所定軸まわりの角速度を検出することができる。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。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来提案されているコリオリ力を利用した一次元角速度センサの基本原理を示す斜視図である。
【図２】本発明の検出対象となるＸＹＺ三次元座標系における各軸まわりの角速度を示す図である。
【図３】本発明によってＸ軸まわりの角速度ωｘを検出する基本原理を説明する図である。
【図４】本発明によってＹ軸まわりの角速度ωｙを検出する基本原理を説明する図である。
【図５】本発明によってＺ軸まわりの角速度ωｚを検出する基本原理を説明する図である。
【図６】本発明の第１の実施例に係る多軸角速度センサの構造を示す側断面図である。
【図７】図６に示す多軸角速度センサの可撓基板１１０の上面図である。
【図８】図６に示す多軸角速度センサの固定基板１２０の下面図である。
【図９】図６に示す多軸角速度センサにおける振動子１３０をＸ軸方向に変位させた状態を示す側断面図である。
【図１０】図６に示す多軸角速度センサにおける振動子１３０を−Ｘ軸方向に変位させた状態を示す側断面図である。
【図１１】図６に示す多軸角速度センサにおける振動子１３０をＺ軸方向に変位させた状態を示す側断面図である。
【図１２】図６に示す多軸角速度センサにおける振動子１３０に対して、Ｘ軸方向の振動Ｕｘを与えるための供給電圧波形を示す図である。
【図１３】図６に示す多軸角速度センサにおける振動子１３０に対して、Ｙ軸方向の振動Ｕｙを与えるための供給電圧波形を示す図である。
【図１４】図６に示す多軸角速度センサにおける振動子１３０に対して、Ｚ軸方向の振動Ｕｚを与えるための供給電圧波形を示す図である。
【図１５】図６に示す多軸角速度センサにおいて、振動子１３０に振動Ｕｚを与えたときに、角速度ωｘに基づいてコリオリ力Ｆｙが発生する現象を示す側断面図である。
【図１６】図６に示す多軸角速度センサにおいて、振動子１３０に振動Ｕｘを与えたときに、角速度ωｙに基づいてコリオリ力Ｆｚが発生する現象を示す側断面図である。
【図１７】図６に示す多軸角速度センサにおいて、振動子１３０に振動Ｕｙを与えたときに、角速度ωｚに基づいてコリオリ力Ｆｘが発生する現象を示す側断面図である。
【図１８】静電容量素子Ｃの容量値の変化を検出するための回路の一例を示す回路図である。
【図１９】図１８に示す回路の動作を説明するタイミングチャートである。
【図２０】一対の静電容量素子Ｃ１，Ｃ２の容量値の変化を検出するための回路の一例を示す回路図である。
【図２１】図２０に示す回路の動作を説明するタイミングチャートである。
【図２２】図６に示す多軸角速度センサの第１の変形例の原理を説明する側断面図である。
【図２３】図６に示す多軸角速度センサの第１の変形例の原理を説明する別な側断面図である。
【図２４】図６に示す多軸角速度センサの第１の変形例の原理を説明する更に別な側断面図である。
【図２５】図６に示す多軸角速度センサの第１の変形例の具体的な構造を示す側断面図である。
【図２６】図２５に示す多軸角速度センサの各電極への電圧の印加方法の一例を示す図である。
【図２７】図６に示す多軸角速度センサの第２の変形例の具体的な構造を示す側断面図である。
【図２８】本発明の第２の実施例に係る多軸角速度センサの構造を示す側断面図である。
【図２９】図２８に示す多軸角速度センサの可撓基板２１０の上面図である。
【図３０】図２８に示す多軸角速度センサの別な位置における断面を示す側断面図である。
【図３１】図２８に示す多軸角速度センサの固定基板２３０の下面図である。
【図３２】図２８に示す多軸角速度センサの第１の変形例を示す側断面図である。
【図３３】図２８に示す多軸角速度センサの第２の変形例を示す側断面図である。
【図３４】図３３に示す多軸角速度センサの可撓基板２５０の上面図である。
【図３５】本発明の第３の実施例に係る多軸角速度センサの構造を示す側断面図である。
【図３６】第３５図に示す多軸角速度センサの可撓基板３１０の上面図である。
【図３７】図３６に示されている抵抗素子Ｒの配置を示す図である。
【図３８】図３５に示す多軸角速度センサにコリオリ力Ｆｘが作用した状態を示す側断面図である。
【図３９】図３５に示す多軸角速度センサに作用したＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを検出する回路の一例を示す回路図である。
【図４０】図３５に示す多軸角速度センサに作用したＹ軸方向のコリオリ力Ｆｙを検出する回路の一例を示す回路図である。
【図４１】図３５に示す多軸角速度センサに作用したＺ軸方向のコリオリ力Ｆｚを検出する回路の一例を示す回路図である。
【図４２】本発明の第４の実施例に係る多軸角速度センサの構造を示す側断面図である。
【図４３】図４２に示す多軸角速度センサに用いられている圧電素子の分極特性を示す図である。
【図４４】図４２に示す多軸角速度センサにＸ軸方向の変位を生じさせた状態を示す側断面図である。
【図４５】図４２に示す多軸角速度センサにＺ軸方向の変位を生じさせた状態を示す側断面図である。
【図４６】図４２に示す多軸角速度センサに作用したＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを検出するための配線を示す配線図である。
【図４７】図４２に示す多軸角速度センサに作用したＹ軸方向のコリオリ力Ｆｙを検出するための配線を示す配線図である。
【図４８】図４２に示す多軸角速度センサに作用したＺ軸方向のコリオリ力Ｆｚを検出するための配線を示す配線図である。
【図４９】図４３に示す分極特性とは逆の分極特性を示す図である。
【図５０】図４２に示す多軸角速度センサの第１の変形例に用いられる圧電素子の分極特性の分布を示す平面図である。
【図５１】図５０に示す圧電素子を用いた多軸角速度センサに作用したＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを検出するための配線を示す配線図である。
【図５２】図５０に示す圧電素子を用いた多軸角速度センサに作用したＹ軸方向のコリオリ力Ｆｙを検出するための配線を示す配線図である。
【図５３】図５０に示す圧電素子を用いた多軸角速度センサに作用したＺ軸方向のコリオリ力Ｆｚを検出するための配線を示す配線図である。
【図５４】図４２に示す多軸角速度センサの第２の変形例の構造を示す側断面図である。
【図５５】図４２に示す多軸角速度センサの第３の変形例の構造を示す側断面図である。
【図５６】図４２に示す多軸角速度センサの第４の変形例の構造を示す側断面図である。
【図５７】本発明の第５の実施例に係る多軸角速度センサの構造を示す上面図である。
【図５８】図５７に示す多軸角速度センサの構造を示す側断面図である。
【図５９】図５７に示す多軸角速度センサにおいて定義された局在素子の配置を示す上面図である。
【図６０】図５７に示す多軸角速度センサに用いられている圧電素子の分極特性を示す図である。
【図６１】図５７に示す多軸角速度センサにＸ軸方向の変位を生じさせた状態を示す側断面図である。
【図６２】図５７に示す多軸角速度センサにＺ軸方向の変位を生じさせた状態を示す側断面図である。
【図６３】図５７に示す多軸角速度センサに作用したＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを検出するための配線を示す配線図である。
【図６４】図５７に示す多軸角速度センサに作用したＹ軸方向のコリオリ力Ｆｙを検出するための配線を示す配線図である。
【図６５】図５７に示す多軸角速度センサに作用したＺ軸方向のコリオリ力Ｆｚを検出するための配線を示す配線図である。
【図６６】図６０に示す分極特性とは逆の分極特性を示す図である。
【図６７】図５７に示す多軸角速度センサの第１の変形例に用いられる圧電素子の分極特性の分布を示す平面図である。
【図６８】図６７に示す圧電素子を用いた多軸角速度センサにＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘが作用した状態を示す側断面図である。
【図６９】図６７に示す圧電素子を用いた多軸角速度センサにＺ軸方向のコリオリ力Ｆｚが作用した状態を示す側断面図である。
【図７０】図６７に示す圧電素子を用いた多軸角速度センサに作用したＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを検出するための配線を示す配線図である。
【図７１】図６７に示す圧電素子を用いた多軸角速度センサに作用したＹ軸方向のコリオリ力Ｆｙを検出するための配線を示す配線図である。
【図７２】図６７に示す圧電素子を用いた多軸角速度センサに作用したＺ軸方向のコリオリ力Ｆｚを検出するための配線を示す配線図である。
【図７３】図５７に示す多軸角速度センサの第２の変形例の構造を示す側断面図である。
【図７４】図５７に示す多軸角速度センサの第３の変形例の構造を示す側断面図である。
【図７５】本発明の第６の実施例に係る多軸角速度センサの基本原理を示す斜視図である。
【図７６】本発明の第６の実施例に係る多軸角速度センサの具体的な構造を示す側断面図である。
【図７７】本発明に係る多軸角速度センサにおける検出動作の手順を示す流れ図である。
【図７８】本発明に係る多軸角速度センサにおける検出動作を行うための具体的な回路構成例を示す図である。
【図７９】本発明によってＸ軸まわりの角速度ωｘを検出する別な基本原理を説明する図である。
【図８０】本発明によってＹ軸まわりの角速度ωｙを検出する別な基本原理を説明する図である。
【図８１】本発明によってＺ軸まわりの角速度ωｚを検出する別な基本原理を説明する図である。
【符号の説明】
１０…振動子
１１，１２…圧電素子
２０…物体
３０…振動子
１１０…可撓基板
１２０…固定基板
１３０…振動子
１４０…センサ筐体
１５１，１５２…インバータ
１５３…抵抗
１５４…排他的ＯＲ回路
１６１，１６２…インバータ
１６３，１６４…抵抗
１６５…排他的ＯＲ回路
１７１，１７２…誘電体基板
２１０…第１の基板
２１１…振動子
２１２…架橋部
２１３…支持枠
２２０…第２の基板
２２１…窪み
２３０…第３の基板
２３１…切削面
２４０…第４の基板
２４１…振動子
２４２…台座
２５０…可撓基板
２５１…作用部
２５２…可撓部
２５３…固定部
２６０…振動子
２７０…台座
２８０…ベース基板
２９０…蓋基板
３１０…第１の基板
３１１…作用部
３１２…可撓部
３１３…固定部
３２０…第２の基板
３２１…振動子
３２２…台座
３３０…第３の基板
３３１…窪み
３４０…第４の基板
３５０…電源
３６１〜３６３…電圧計
４１０…可撓基板
４２０…固定基板
４３０…圧電素子
４４０…振動子
４５０…センサ筐体
４６０…圧電素子
４７０…圧電素子
４８０…可撓基板
４９０…可撓基板
５１０…可撓基板
５２０…圧電素子
５３０…圧電素子
５４０…圧電素子
５５０…振動子
５６０…センサ筐体
５７０…可撓基板
６１０…振動子
６２０…センサ筐体
６３０…仕切板
６４０…ダイヤフラム
６５０…連結棒
６６０…保護カバー
７００…角速度センサを示すブロック
７１０…振動部
７１１…振動発生回路
７１２…マルチプレクサ
７２０…検出部
７２１…変位検出回路
７２２…マルチプレクサ
７３０…検出値出力回路
７４０…コントローラ
ａ…遅延時間
ｂ…パルス幅／遅延時間
Ｃ１〜Ｃ５…容量素子／容量値
ΔＣ，ΔＣ１２，ΔＣ３４…容量値の差
Ｄ１〜Ｄ１６…局在素子
ｄ…パルス幅／遅延時間
ｄ１，ｄ２…遅延時間
Ｅ０，Ｅ１〜Ｅ５…上部電極層
Ｅ１ａ〜Ｅ５ａ…補助電極層
Ｆ０，Ｆ１〜Ｆ５…下部電極層
Ｆ１ａ〜Ｆ５ａ…補助電極層
Ｆ，Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ…コリオリ力
ｆ…周期
Ｇ…重心
Ｇ０…上部電極層
Ｇ１〜Ｇ５…下部電極層
Ｇ６〜Ｇ１０…上部電極層
Ｈ１〜Ｈ４…開口部
Ｊ１〜Ｊ６…コイル
Ｌ１〜Ｌ１６…上部電極層
Ｍ０，Ｍ１〜Ｍ１６…下部電極層
Ｎ１〜Ｎ４…ノード
Ｒ…ピエゾ抵抗素子
Ｒｘ１〜Ｒｘ４…ピエゾ抵抗素子
Ｒｙ１〜Ｒｙ４…ピエゾ抵抗素子
Ｒｚ１〜Ｒｚ４…ピエゾ抵抗素子
ＳＷ１〜ＳＷ６…スイッチ
Ｔ１〜Ｔ４，Ｔｘ１，Ｔｙ１，Ｔｚ１，Ｔｘ２，Ｔｙ２，Ｔｚ２…端子
ｔ１〜ｔ５…期間
Ｕ，Ｕｘ，Ｕｙ，Ｕｚ…振動
Ｖ，Ｖ１〜Ｖ５…電圧
Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ…ブリッジ電圧
Ｗ１，Ｗ２，Ｘ，Ｙ，Ｚ…座標軸
α，αｘ，αｙ，αｚ…加速度
ω，ωｘ，ωｙ，ωｚ…角速度

Claims (4)

1. ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸まわりの角速度を検出する角速度センサであって、
   センサ筐体に固定され、ＸＹ平面に平行な基板面を有する第１の基板と、
   前記第１の基板の基板面に対して所定の距離を保って平行に配置された基板面を有し、中心部分と周囲部分とのうち、少なくとも周囲部分が可撓性を有し、前記周囲部分を介して前記センサ筐体に固定されている第２の基板と、
   前記第２の基板の前記中心部分からＺ軸に沿った方向に突出するように、前記第２の基板に接続された振動子と、
   を備え、
   前記振動子に対して外力が作用した場合に、前記周囲部分に撓みが生じることにより、前記中心部分が前記第１の基板に対して変位を生じるように構成され、
   前記第２の基板の前記中心部分には、第１の変位電極、第２の変位電極、第３の変位電極がＸＹ平面に平行となるように形成されており、前記第１の基板における前記第１の変位電極、前記第２の変位電極、前記第３の変位電極に対向する位置には、それぞれ第１の固定電極、第２の固定電極、第３の固定電極がＸＹ平面に平行となるように形成されており、前記第１の固定電極と前記第１の変位電極とにより第１の容量素子が形成され、前記第２の固定電極と前記第２の変位電極とにより第２の容量素子が形成され、前記第３の固定電極と前記第３の変位電極とにより第３の容量素子が形成されており、
   前記第１の容量素子と前記第２の容量素子は、前記振動子がＹ軸方向に変位を生じた際に、一方の電極間隔が増加し、他方の電極間隔が減少するような位置に配置されており、前記第３の容量素子は、前記振動子がＺ軸方向に変位を生じた際に電極間隔が変化するような位置に配置されており、
   前記第３の容量素子を構成する一対の電極間に交流信号を供給することによりクーロン力を作用させ、作用したクーロン力によって前記振動子をＺ軸方向に振動させる手段と、
   前記第１の容量素子の静電容量値と前記第２の容量素子の静電容量値との差に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を示す値を出力する手段と、
   を更に備える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、
   第１の容量素子をＹ軸の正の領域上に配置し、第２の容量素子をＹ軸の負の領域上に配置し、第３の容量素子をＺ軸と交差する位置に配置したことを特徴とする角速度センサ。
3. ＸＹＺ三次元座標系におけるＹ軸まわりの角速度を検出する角速度センサであって、
   センサ筐体に固定され、ＸＹ平面に平行な基板面を有する第１の基板と、
   前記第１の基板の基板面に対して所定の距離を保って平行に配置された基板面を有し、中心部分と周囲部分とのうち、少なくとも周囲部分が可撓性を有し、前記周囲部分を介して前記センサ筐体に固定されている第２の基板と、
   前記第２の基板の前記中心部分からＺ軸に沿った方向に突出するように、前記第２の基板に接続された振動子と、
   を備え、
   前記振動子に対して外力が作用した場合に、前記周囲部分に撓みが生じることにより、前記中心部分が前記第１の基板に対して変位を生じるように構成され、
   前記第２の基板の前記中心部分には、第１の変位電極、第２の変位電極、第３の変位電極がＸＹ平面に平行となるように形成されており、前記第１の基板における前記第１の変位電極、前記第２の変位電極、前記第３の変位電極に対向する位置には、それぞれ第１の固定電極、第２の固定電極、第３の固定電極がＸＹ平面に平行となるように形成されており、前記第１の固定電極と前記第１の変位電極とにより第１の容量素子が形成され、前記第２の固定電極と前記第２の変位電極とにより第２の容量素子が形成され、前記第３の固定電極と前記第３の変位電極とにより第３の容量素子が形成されており、
   前記第１の容量素子と前記第２の容量素子は、前記振動子がＸ軸方向に変位を生じた際に、一方の電極間隔が増加し、他方の電極間隔が減少するような位置に配置されており、前記第３の容量素子は、前記振動子がＺ軸方向に変位を生じた際に電極間隔が変化するような位置に配置されており、
   前記第１の容量素子を構成する一対の電極間および前記第２の容量素子を構成する一対の電極間に互いに位相が異なる交流信号を供給することによりクーロン力を作用させ、作用したクーロン力によって前記振動子をＸ軸方向に振動させる手段と、
   前記第３の容量素子の静電容量値に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を示す値を出力する手段と、
   を更に備えることを特徴とする角速度センサ。
4. 請求項３に記載の角速度センサにおいて、
   第１の容量素子をＸ軸の正の領域上に配置し、第２の容量素子をＸ軸の負の領域上に配置し、第３の容量素子をＺ軸と交差する位置に配置したことを特徴とする角速度センサ。

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