JP4011626B2 - 角速度センサ - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は角速度センサに関し、特に、マイクロマシニング技術および半導体技術を利用した大量生産に適する角速度センサに関する。
背景技術
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。加速度センサに関しては、従来から種々のタイプのものが提案されており、作用した加速度を二次元あるいは三次元的に正確に検出可能な小型のセンサが実用化に至っている。たとえば、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ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を利用した加速度センサが開示されている。また、特許協力条約に基づく国際公開第ＷＯ９２／１７７５９号公報（米国特許第５４９２０２０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おり、特許協力条約に基づく国際公開第ＷＯ９３／０２３４２号公報（米国特許第５３６５７９９号）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。
これに対して、角速度センサについての文献は比較的少ない。特に、多軸まわりの角速度を同時に検出できる角速度センサに関する文献は、ほとんど見受けられない。通常、角速度センサは車両の動力軸などの角速度を検出するために利用されており、ある特定の一軸まわりの角速度を検出する機能しかもたない。このような動力軸の回転速度を求めるような場合には、一次元の角速度センサを用いれば十分であるが、三次元空間内において自由運動する物体についての角速度を検出するセンサとしては、二軸もしくは三軸まわりの角速度を同時に検出することができる多軸角速度センサが望まれる。
このような需要に応えるため、本願発明者は、特許協力条約に基づく国際公開第ＷＯ９４／２３２７２号公報（米国特許出願第０８／３６６０２６号）および日本国特許出願第７−５６６９０／１９９５号明細書（米国特許出願第０８／６０１７９４号）に、新規な多軸角速度センサを提案した。この新規な角速度センサは、ＸＹＺ三次元直交座標系において、第１の座標軸方向に運動中の物体に対して、第２の座標軸まわりに角速度が作用すると、第３の座標軸方向にコリオリ力が発生するという原理を利用したもので、発生したコリオリ力を検出することにより、作用した角速度を間接的に検出するものである。コリオリ力の検出には、従来の加速度センサで培われてきた技術が応用されており、ピエゾ抵抗素子、容量素子、圧電素子などが利用される。
本発明の目的は、上述の原理に基づく角速度センサのより具体的かつ実用的なメカニズムを提供することにあり、特に、マイクロマシニング技術および半導体技術を利用した多軸角速度センサを実現するための新規な手法を提供することにある。本発明の適用により、小型で高精度な多軸角速度センサを大量生産することが可能になる。
発明の開示
(1) 本発明の第１の態様は、
ＸＹＺ三次元座標系におけるＸＹ平面に沿った上面を有する基板と、
基板上面に直交するＺ軸を回転軸として前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行う第１の重錘体および第２の重錘体と、
外力が作用しない状態において、前記第１の重錘体が、前記基板上面に対して一定の距離を保ちつつ、正のＸ軸を時計回りの方向へ横切るような回転と反時計回りの方向へ横切るような回転とを交互に繰り返す反転回転運動を行うようにエネルギーを供給するとともに、前記第２の重錘体が、前記基板上面に対して一定の距離を保ちつつ、負のＸ軸を時計回りの方向へ横切るような回転と反時計回りの方向へ横切るような回転とを交互に繰り返す反転回転運動を行うようにエネルギーを供給するエネルギー供給手段と、
前記第１の重錘体が正のＸ軸上空を通過した時点において前記基板上面と通過中の前記第１の重錘体との距離を測定する正のＸ軸上方距離測定手段と、
前記第２の重錘体が負のＸ軸上空を通過した時点において前記基板上面と通過中の前記第２の重錘体との距離を測定する負のＸ軸上方距離測定手段と、
を備え、
前記正のＸ軸上方距離測定手段によって測定された距離と、前記負のＸ軸上方距離測定手段によって測定された距離と、に基づいて、前記基板に作用したＸ軸まわりの角速度を検出する機能を有する角速度センサを構成し、
前記正のＸ軸上方距離測定手段は、前記基板上面の正のＸ軸の近傍に互いに隣接して配置された一対の電極からなる第１の固定電極対と、前記第１の固定電極対を構成する一対の電極の双方に対向可能となるように前記第１の重錘体の下面に形成された第１の移動電極と、前記第１の固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第１の検出回路と、を有し、前記第１の固定電極対を構成する一対の電極のそれぞれと前記第１の移動電極とによって構成される一対の容量素子を直列接続して得られる容量素子の静電容量値を前記第１の検出回路によって検出することにより距離の測定を行う機能を有し、
前記負のＸ軸上方距離測定手段は、前記基板上面の負のＸ軸の近傍に互いに隣接して配置された一対の電極からなる第２の固定電極対と、前記第２の固定電極対を構成する一対の電極の双方に対向可能となるように前記第２の重錘体の下面に形成された第２の移動電極と、前記第２の固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第２の検出回路と、を有し、前記第２の固定電極対を構成する一対の電極のそれぞれと前記第２の移動電極とによって構成される一対の容量素子を直列接続して得られる容量素子の静電容量値を前記第２の検出回路によって検出することにより距離の測定を行う機能を有する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、
エネルギー供給手段が、第１の重錘体の反転回転運動の回転方向と第２の重錘体の反転回転運動の回転方向とが同じになるように各重錘体に対するエネルギーの供給を行うようにし、
正のＸ軸上方距離測定手段によって測定された距離と負のＸ軸上方距離測定手段によって測定された距離との差を求める差分演算手段を設け、この差分演算手段によって求めた差に基づいて、基板に作用したＸ軸まわりの角速度を検出する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、
基板上面に直交するＺ軸を回転軸として前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行う第３の重錘体および第４の重錘体と、
外力が作用しない状態において、前記第３の重錘体が、前記基板上面に対して一定の距離を保ちつつ、正のＹ軸を時計回りの方向へ横切るような回転と反時計回りの方向へ横切るような回転とを交互に繰り返す反転回転運動を行うようにエネルギーを供給するとともに、前記第４の重錘体が、前記基板上面に対して一定の距離を保ちつつ、負のＹ軸を時計回りの方向へ横切るような回転と反時計回りの方向へ横切るような回転とを交互に繰り返す反転回転運動を行うようにエネルギーを供給し、かつ、前記第３の重錘体の反転回転運動の回転方向と前記第４の重錘体の反転回転運動の回転方向とが同じになるように各重錘体に対するエネルギーの供給を行うエネルギー供給手段と、
前記第３の重錘体が正のＹ軸上空を通過した時点において前記基板上面と通過中の前記第３の重錘体との距離を測定する正のＹ軸上方距離測定手段と、
前記第４の重錘体が負のＹ軸上空を通過した時点において前記基板上面と通過中の前記第４の重錘体との距離を測定する負のＹ軸上方距離測定手段と、
前記正のＹ軸上方距離測定手段によって測定された距離と前記負のＹ軸上方距離測定手段によって測定された距離との差を求める差分演算手段と、
を更に設け、前記差に基づいて、前記基板に作用したＹ軸まわりの角速度を検出する機能をもたせるようにし、
前記正のＹ軸上方距離測定手段は、前記基板上面の正のＹ軸の近傍に互いに隣接して配置された一対の電極からなる第３の固定電極対と、前記第３の固定電極対を構成する一対の電極の双方に対向可能となるように前記第３の重錘体の下面に形成された第３の移動電極と、前記第３の固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第３の検出回路と、を有し、前記第３の固定電極対を構成する一対の電極のそれぞれと前記第３の移動電極とによって構成される一対の容量素子を直列接続して得られる容量素子の静電容量値を前記第３の検出回路によって検出することにより距離の測定を行う機能を有し、
前記負のＹ軸上方距離測定手段は、前記基板上面の負のＹ軸の近傍に互いに隣接して配置された一対の電極からなる第４の固定電極対と、前記第４の固定電極対を構成する一対の電極の双方に対向可能となるように前記第４の重錘体の下面に形成された第４の移動電極と、前記第４の固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第４の検出回路と、を有し、前記第４の固定電極対を構成する一対の電極のそれぞれと前記第４の移動電極とによって構成される一対の容量素子を直列接続して得られる容量素子の静電容量値を前記第４の検出回路によって検出することにより距離の測定を行う機能を有するようにしたものである。
(4) 本発明の第４の態様は、上述の第３の態様に係る角速度センサにおいて、
第１の重錘体および第２の重錘体の反転回転運動の回転方向と、第３の重錘体および第４の重錘体の反転回転運動の回転方向と、が常に逆向きになるように設定したものである。
(5) 本発明の第５の態様は、上述の第３または第４の態様に係る角速度センサにおいて、
第１の重錘体が正のＸ軸上空に位置するときに、第２の重錘体が負のＸ軸上空に位置し、第３の重錘体が正のＹ軸上空に位置し、第４の重錘体が負のＹ軸上空に位置するように、前記第１の重錘体、前記第２の重錘体、前記第３の重錘体、前記第４の重錘体を中間部材を介して結合したものである。
(6) 本発明の第６の態様は、上述の第１〜第５の態様に係る角速度センサにおいて、
Ｚ軸まわりに捩じれを生じることができる材質からなる支持体を基板上面に固着し、各重錘体をこの支持体によって支持するようにしたものである。
(7) 本発明の第７の態様は、上述の第１〜第６の態様に係る角速度センサにおいて、
用いる複数の重錘体の形状および質量を同一にしたものである。
(8) 本発明の第８の態様は、上述の第１〜第７の態様に係る角速度センサにおいて、
各重錘体の少なくとも一部分を誘電体で構成し、
エネルギー供給手段を、前記重錘体の回転運動経路に沿って配置した複数の電極と、これら複数の電極に対してそれぞれ位相の異なる交流電圧を供給する電圧供給回路と、によって構成したものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、Ｘ軸およびＹ軸まわりの角速度ωｘ，ωｙを検出するための角速度センサの基本構成を示す斜視図である。
第２図は、移動中の物体に角速度が作用した場合に、コリオリ力が作用する原理を示す斜視図である。
第３図は、第１図に示す角速度センサの動作を説明する斜視図である。
第４図は、加速度が作用する環境下において、加速度の成分をキャンセルしつつ、Ｘ軸およびＹ軸まわりの角速度ωｘ，ωｙを検出するための角速度センサの基本構成を示す斜視図である。
第５図は、第４図に示す角速度センサの動作を説明する斜視図である。
第６図は、第４図に示す角速度センサの変形例を示す斜視図である。
第７図は、第６図に示す角速度センサのロータ部分の具体的な構造例を示す平面図である。
第８図は、第７図に示すロータの変形例を示す平面図である。
第９図は、第７図に示すロータの更に別な変形例を示す平面図である。
第１０図は、第７図に示すロータを反転回転運動（振動運動）させる動作態様を示す平面図である。
第１１図は、第７図に示すロータを、回転振動成分をキャンセルさせる方法で反転回転運動させる第１の動作態様を示す平面図である。
第１２図は、第７図に示すロータを、回転振動成分をキャンセルさせる方法で反転回転運動させる第２の動作態様を示す平面図である。
第１３図は、ロータを連続回転運動させるタイプの本発明の具体的な実施例に係る角速度センサの平面図である。
第１４図は、第１３図に示す角速度センサをＸ軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。
第１５図は、第１３図に示す角速度センサのロータのみを示す平面図である。
第１６図は、第１３図に示す角速度センサからロータを取り外した状態を示す平面図である。
第１７図は、第１３図に示す角速度センサの動作を説明するための平面図である。
第１８図は、第１３図に示す角速度センサの動作を説明するためのＸ軸に沿った切断面を示す側断面図である。
第１９図は、第１３図に示す角速度センサのステータに所定の電圧を与えることによりロータを回転させる原理を示す平面図である。
第２０図は、第１３図に示す角速度センサのステータに所定の電圧を与えることによりロータを回転させる原理を示す別な平面図である。
第２１図は、第１３図に示す角速度センサのステータに与えるべき交流電圧を示す波形図である。
第２２図は、第１３図に示す角速度センサのロータ側に形成された移動電極とステータ側に形成された固定電極とにより構成される容量素子を示すためにＸ軸に沿った切断面を示す側断面図である。
第２３図は、第１３図に示す角速度センサのロータ側に形成された移動電極とステータ側に形成された固定電極とにより構成される容量素子を示すためにＹ軸に沿った切断面を示す側断面図である。
第２４図は、第１３図に示す角速度センサのロータ側に形成された移動電極とステータ側に形成された固定電極とにより構成される容量素子を示す平面図である。
第２５図は、第１３図に示す角速度センサにおいて、ロータ回転中にＸ軸まわりの角速度ωｘが作用した場合のＸ軸に沿った切断面を示す側断面図である。
第２６図は、第１３図に示す角速度センサについて用いられる検出回路を示す回路図である。
第２７図は、第１３図に示す角速度センサに用いられる固定電極の別な配置例を示す平面図である。
第２８図は、ロータを反転回転運動（振動運動）させるタイプの本発明の具体的な実施例に係る角速度センサのＸ軸に沿った切断面を示す側断面図である。
第２９図は、第２８図に示す角速度センサの主要な構成要素の配置を示す平面図である。
第３０図は、第２８図に示す角速度センサにおいて、ロータを反転回転運動させる動作態様を示す平面図である。
第３１図は、第２８図に示す角速度センサにおいて、回転振動成分をキャンセルさせる方法でロータを反転回転運動させる第１の動作態様を示す平面図である。
第３２図は、第２８図に示す角速度センサにおいて、回転振動成分をキャンセルさせる方法でロータを反転回転運動させる第２の動作態様を示す平面図である。
第３３図は、第２８図に示す角速度センサにおいて、回転振動成分をキャンセルさせる方法でロータを反転回転運動させる第３の動作態様を示す平面図である。
第３４図は、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出するための角速度センサの基本構成を示す斜視図である。
第３５図は、加速度が作用する環境下において、加速度の成分をキャンセルしつつ、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出するための角速度センサの基本構成を示す斜視図である。
第３６図は、三軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚを検出することができる三次元角速度センサの具体的な実施例を示す平面図である。
第３７図は、第３６図に示す角速度センサをＸ軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。
第３８図は、第３６図に示す角速度センサのロータのみを示す平面図である。
第３９図は、第３６図に示す角速度センサからロータを取り外した状態を示す平面図である。
第４０図は、第３６図に示す角速度センサに外力が作用していないときに形成される容量素子を示す平面図である。
第４１図は、第３６図に示す角速度センサにＺ軸まわりの角速度ωｚが作用しているときに形成される容量素子を示す平面図である。
第４２図は、第３６図に示す角速度センサについて用いられる検出回路の一部を示す回路図である。
第４３図は、第３６図に示す角速度センサにＸ軸方向の加速度αｘが作用しているときに形成される容量素子を示す平面図である。
第４４図は、第３６図に示す角速度センサについて、ロータの構造を変えた変形例を示す側断面図である。
第４５図は、第３６図に示す角速度センサについて、ロータを反転回転運動（振動運動）させるタイプに変えた変形例を示す側断面図である。
発明を実施するための最良の形態
§１． 本発明の基本原理
はじめに、本発明に係る角速度センサの基本原理を第１図を参照しながら説明する。この第１図に示す角速度センサは、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸およびＹ軸まわりの角速度ωｘ，ωｙを検出する機能を有する。基板１０は、平坦な上面１１を有し、装置筐体として機能する。ここで、ＸＹＺ三次元座標系は、この上面１１がＸＹ平面に含まれるように定義されており、原点Ｏから上方に伸びるＺ軸は、上面１１に直交する軸となる。いま、所定の質量をもった重錘体２０を用意し、この重錘体２０をＺ軸を回転軸として図の軌道Ｃに沿って回転運動させたとする。すなわち、重錘体２０は、基板１０の上面１１に対して非接触の状態で回転運動を行うことになる。このとき、エネルギー供給手段３０から重錘体２０に対して回転運動のためのエネルギーを供給するようにし、重錘体２０が上面１１に対して一定の距離ｈを保ちながら回転運動を行うようにする。
もちろん、実際の角速度センサでは、重錘体２０を基板１０に対して支持するための具体的な機構や、上面１１に非接触状態で一定の距離ｈを維持しつつ回転運動させるための具体的な機構が必要になるが、そのような具体的な機構については§５以降において詳述する。ここでは、コリオリ力や加速度に基づく力などの系外からの余分な力（外力）が加わらない限り（すなわち、基板１０が静止状態にある限り）、上面１１から常に一定の距離ｈを維持しつつ、重錘体２０に回転運動をさせるような何らかの機構が設けられているものとする。
この角速度センサは、更に、重錘体２０がＸ軸上空を通過した時点において、上面１１と通過中の重錘体２０との距離を測定するＸ軸上方距離測定手段４０と、重錘体２０がＹ軸上空を通過した時点において、上面１１と通過中の重錘体２０との距離を測定するＹ軸上方距離測定手段５０とを備えている。上述したように、系外からの力が作用しない状態では、重錘体２０は常に上面１１から距離ｈの高さの位置を運動する。別言すれば、方程式Ｚ＝ｈで示される平面上の円軌道Ｃに沿って重錘体２０は移動する。したがって、この状態では、Ｘ軸上方距離測定手段４０による測定値も、Ｙ軸上方距離測定手段５０による測定値も、いずれも定常状態の距離ｈとなる。
しかしながら、この系全体がＸ軸まわりの角速度ωｘもしくはＹ軸まわりの角速度ωｙをもって回転運動していた場合、別言すれば、基板１０に対して角速度ωｘあるいはωｙが作用していた場合、この角速度に基づくコリオリ力が重錘体２０に作用することになり、重錘体２０の運動は本来の円軌道Ｃから外れることになる。
ここで、運動中の物体に作用する角速度とコリオリ力との関係を第２図を参照して簡単に説明しておく。いま、第２図に示すように、ＸＹＺ三次元座標系内において、所定の質量ｍをもった重錘体２０がＹ軸方向に所定の速度Ｖｙで運動している場合を考える。このとき、この座標系全体が、Ｘ軸まわりの角速度ωｘをもって回転していたとすると、この座標系内における重錘体２０の運動は、Ｚ軸方向の外力Ｆczが発生したものとして取り扱うことができる。この外力Ｆczは、この系内でのみ現れるみかけの力であり、コリオリ力と呼ばれ、
Ｆcz＝２・ｍ・Ｖｙ・ωｘ
なる式で定義される。第２図に示す例では、このコリオリ力Ｆczの作用により、Ｙ軸方向に移動中の重錘体２０の軌道は、Ｚ軸方向に曲げられることになる。
そこで、第１図に示す系全体に、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが加えられた場合の重錘体２０に対するコリオリ力の作用について考える。第３図に示すように、重錘体２０は、Ｘ軸の上方を通過する瞬間に、円軌道Ｃの接線方向であるＹ軸方向の速度成分Ｖｙを有している。したがって、この瞬間に系全体にＸ軸まわりの角速度ωｘが作用した場合、Ｚ軸方向にコリオリ力Ｆczが作用することになる。エネルギー供給手段３０は、重錘体２０を当初の円軌道Ｃ（角速度ωｘ＝０のときに予定されていた軌道）に沿って回転移動させるためのエネルギーを供給しているが、重錘体２０にＺ軸方向のコリオリ力Ｆczが加わると、重錘体２０は当初の円軌道ＣからＺ軸方向にΔｈだけ外れて、図に示すように、基板上面１１から距離ｈ＋Δｈだけ離れた地点を通過することになる。当初の円軌道Ｃからの隔たりΔｈは、作用したコリオリ力Ｆczに関連した値となる。前述したように、このコリオリ力Ｆczの大きさは、
Ｆcz＝２・ｍ・Ｖｙ・ωｘ
なる式により定義されるので、重錘体２０の質量ｍおよび運動速度Ｖｙを一定にしておけば、コリオリ力Ｆczは角速度ωｘに比例した値となり、結局、重錘体２０がＸ軸上方を通過する時点における当初の円軌道Ｃからの隔たりΔｈを、角速度ωｘを示す値として用いることができる。また、ｈは一定であるから、重錘体２０と基板上面１１との距離ｈ＋Δｈを測定することができれば、角速度ωｘの値を得ることができる。
第１図に示した角速度センサは、このような原理に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘおよびＹ軸まわりの角速度ωｙを検出する機能を有する。すなわち、センサ筐体としての基板１０を被測定対象物に取り付け、エネルギー供給手段３０からエネルギーを供給すると、重錘体２０は円軌道Ｃに沿って回転運動する。この状態において、Ｘ軸上方距離測定手段４０からは、重錘体２０がＸ軸上方を通過したときの基板上面１１からの距離の測定値が出力され、Ｙ軸上方距離測定手段５０からは、重錘体２０がＹ軸上方を通過したときの基板上面１１からの距離の測定値が出力される。したがって、Ｘ軸上方距離測定手段４０の出力は、基板１０のＸ軸まわりの角速度ωｘ（すなわち、被測定対象物の角速度ωｘ）を示すものになり、Ｙ軸上方距離測定手段５０の出力は、基板１０のＹ軸まわりの角速度ωｙ（すなわち、被測定対象物の角速度ωｙ）を示すものになる。
なお、逆向きの角速度が作用した場合には、発生するコリオリ力の向きが逆転し、円軌道Ｃからの隔たりΔｈの符号が逆転することになるので、重錘体２０と基板上面１１との距離ｈが増えたか減ったかによって、作用した角速度の向きを認識することができる。
§２． 加速度成分のキャンセル
角速度センサを実際に使用する環境を考えた場合、純然たる角速度のみが作用する環境は非常にまれであり、通常は、加速度と角速度との双方が作用する環境下で使用されることが多い。このような一般的な環境下での使用を前提とした場合、加速度の影響を受けることなく、角速度のみを正確に検出する機能が必要になる。
前述の§１で述べた角速度センサは、実は、加速度が作用する環境下では、正確な角速度の検出を行うことはできない。すなわち、第３図において、角速度ωｘのみが作用している環境下では、隔たりΔｈは角速度ωｘに比例したコリオリ力Ｆczのみに基づく量になり、測定されたΔｈの値は、角速度ωｘを示すものになる。ところが、この系全体に、Ｚ軸方向の加速度αｚが作用していた場合には、この加速度αｚに基づく力Ｆazが重錘体２０に加わることになり、隔たりΔｈは角速度ωｘに比例したコリオリ力Ｆczと加速度αｚに基づく力Ｆazとの双方によって決定される量になるため、測定されたΔｈの値には加速度成分が含まれることになり、正確な角速度ωｘを求めることはできない。
もちろん、§１で述べた角速度センサとともに、一般的な加速度センサを併用するようにして、この加速度センサが検出した加速度の値によって、角速度センサの検出値に対する補正を行い、加速度成分をキャンセルすることも可能である。しかしながら、常に加速度センサとの併用を前提とした装置構成は複雑にならざるを得ず、装置の小型化およびコストダウンという見地から好ましくない。この§２で述べる角速度センサは、基本的には§１で述べた角速度センサの原理を採用しているものの、加速度成分をキャンセルした検出値を容易に得ることが可能である。
第４図に、この加速度成分をキャンセルする機能をもった角速度センサの基本構成を示す。このセンサの特徴は、軌道Ｃ上に一対の重錘体２１，２２を設けた点にある。いずれの重錘体も、エネルギー供給手段３０からのエネルギーの供給を受けて、Ｚ軸を回転軸として基板上面１１に対して非接触の状態で回転運動を行う。ただし、図示のとおり、第１の重錘体２１が正のＸ軸上空に位置するときに、第２の重錘体２２は負のＸ軸上空に位置するように、第１の重錘体と前記第２の重錘体とは、互いに位相が１８０°ずれた状態で回転運動を行う。したがって、第１の重錘体２１が正のＹ軸上空に位置するときには、第２の重錘体２２は負のＹ軸上空に位置することになる。
また、この角速度センサには、４組の距離測定手段が設けられている。すなわち、正のＸ軸上方距離測定手段４１は、いずれかの重錘体が正のＸ軸上空（第４図において、第１の重錘体２１が存在する地点）を通過した時点において基板上面１１と通過中の重錘体との距離を測定する機能を有し、負のＸ軸上方距離測定手段４２は、いずれかの重錘体が負のＸ軸上空（第４図において、第２の重錘体２２が存在する地点）を通過した時点において基板上面１１と通過中の重錘体との距離を測定する機能を有する。また、正のＹ軸上方距離測定手段５１は、いずれかの重錘体が正のＹ軸上空を通過した時点において基板上面１１と通過中の重錘体との距離を測定する機能を有し、負のＹ軸上方距離測定手段５２は、いずれかの重錘体が負のＹ軸上空を通過した時点において基板上面１１と通過中の重錘体との距離を測定する機能を有する。
更に、正のＸ軸上方距離測定手段４１によって測定された距離と負のＸ軸上方距離測定手段４２によって測定された距離との差を求めるための第１の差分演算手段４３と、正のＹ軸上方距離測定手段５１によって測定された距離と負のＹ軸上方距離測定手段５２によって測定された距離との差を求めるための第２の差分演算手段５３と、が備わっており、最終的に、これら差分演算手段４３，５３の出力に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘおよびＹ軸まわりの角速度ωｙが検出されることになる。
続いて、この角速度センサにおける検出原理および加速度成分がキャンセルされる理由について述べる。いま、第４図に図示されているように、Ｚ＝ｈで示される平面上に含まれる円軌道Ｃ上を、互いに位相が１８０°ずれた状態で一対の重錘体２１，２２が回転運動を行うように、エネルギー供給手段３０からエネルギーが供給されている状態を考える。この状態では、図示のように、第１の重錘体２１は正のＸ軸上空をＹ軸正方向の速度Ｖｙをもって通過し、それと同時に、第２の重錘体２２は負のＸ軸上空をＹ軸負方向の速度−Ｖｙをもって通過する。このとき、もしこの系全体に対して、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが作用していたとすると、第５図に示すように、第１の重錘体２１に対しては、Ｚ軸正方向のコリオリ力Ｆczが加わり、第１の重錘体２１は当初の円軌道Ｃから上方に外れる。一方、第２の重錘体２２に対しては、Ｚ軸負方向のコリオリ力−Ｆczが加わり、第２の重錘体２２は当初の円軌道Ｃから下方に外れる。
いま、第１の重錘体２１と第２の重錘体２２とが、全く同一の形状を有し、全く同一の質量を有していたとする。ここで、両者は常に１８０°の位相差を保って回転運動をしているのであるから、回転運動の速度の絶対値も両者は同じになる。したがって、両重錘体に作用するコリオリ力の絶対値は同じになり、第１の重錘体２１がΔｈだけ円軌道Ｃから上方に外れ、基板上面１１からの距離ｈ＋Δｈの位置を通過したとすれば、第２の重錘体２２はΔｈだけ円軌道Ｃから下方に外れ、基板上面１１からの距離ｈ−Δｈの位置を通過することになる。したがって、正のＸ軸上方距離測定手段４１の出力はｈ＋Δｈとなり、負のＸ軸上方距離測定手段４２の出力はｈ−Δｈとなる。結局、差分演算手段４３からは、両者の差分である２・Δｈが出力される。この差分２・Δｈは、作用したコリオリ力Ｆcz（−Ｆcz）の大きさを示すものであり、Ｘ軸まわりの角速度ωｘの大きさを示すものになる。なお、作用した角速度ωｘの向きが逆の場合、コリオリ力の向きは逆転し、差分演算手段４３からの出力は−２・Δｈになる。したがって、差分演算手段４３から得られる出力信号の符号は角速度ωｘの向きを示し、出力信号の大きさは角速度ωｘの大きさを示すものとなる。
ここで、この系全体に対して加速度が作用していたとしても、この加速度は検出結果には何ら影響を与えない。すなわち、この系全体に何らかの加速度成分が作用していたとしても、この加速度成分に基づく力は、第１の重錘体２１と第２の重錘体２２との双方に加わることになるので、差分をとった段階でキャンセルされるのである。たとえば、第５図に示す例において、Ｚ軸方向の加速度αｚが作用したために、この加速度αｚに基づく力Ｆazに起因して、両重錘体がＺ軸正方向に更にΔｋだけ変位したとする。この場合、正のＸ軸上方距離測定手段４１の出力はｈ＋Δｈ＋Δｋとなり、負のＸ軸上方距離測定手段４２の出力はｈ−Δｈ＋Δｋとなり、差分演算手段４３から出力される差分は依然として２・Δｈとなる。すなわち、差分をとったために、加速度αｚの影響はキャンセルされたことになる。
このように、互いに位相が１８０°ずれた状態で回転運動を行う一対の重錘体を用いることにより、加速度成分をキャンセルすることが可能になる。
なお、上述の説明では、正のＸ軸上方距離測定手段４１および負のＸ軸上方距離測定手段４２と、これら両測定手段の出力の差分をとる差分演算手段４３とを用いて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出する動作を説明したが、正のＹ軸上方距離測定手段５１および負のＹ軸上方距離測定手段５２と、これら両測定手段の出力の差分をとる差分演算手段５３とを用いれば、全く同様の原理でＹ軸まわりの角速度ωｙを検出することが可能である。このように、両重錘体２１，２２が正のＸ軸上方および負のＸ軸上方を通過する瞬間にＸ軸まわりの角速度ωｘの検出を行い、正のＹ軸上方および負のＹ軸上方を通過する瞬間にＹ軸まわりの角速度ωｙの検出を行うようにすれば、角速度ωｘ，ωｙを交互に検出することができる。また、この検出周期は、重錘体２１，２２の回転速度によって調節可能である。
§３． 重錘体によるロータの構成
上述した§２では、一対の重錘体を互いに位相を１８０°ずらして回転運動させることにより、加速度成分をキャンセルする手法を説明した。原理的には、この一対の重錘体を、それぞれが全く別個独立した物体として構成してもかまわないが、実用上は、一対の重錘体を単一の構造体として用意するのが好ましい。また、少なくとも２個の重錘体を用いれば加速度成分のキャンセルは可能であるが、実用上は、より多数の重錘体を用いた方が好ましい。
ここでは、複数の重錘体を相互に結合することにより、ロータを形成する実施例を示すことにする。第６図に示す実施例は、４組の重錘体２１，２２，２３，２４をアーム６１，６２，６３，６４を介して結合することにより、ロータ６０を形成した例である。４本のアーム６１−６４は、Ｚ＝ｈの平面上に配置され、点Ｐにおいて相互に９０°の角度を保って結合されている。各アームの外側端部には、それぞれ重錘体２１−２４が結合されており、このようなロータ６０を、点Ｐを中心点として回転させれば、４つの重錘体２１−２４は、互いに９０°の位相差をもって円軌道Ｃ上を回転運動することになる。このように、互いに９０°の位相差をもって４つの重錘体２１−２４が配置されているため、図示の状態のように、第１の重錘体２１が正のＸ軸上空に位置するときには、第２の重錘体２２は負のＸ軸上空に位置し、第３の重錘体２３は正のＹ軸上空に位置し、第４の重錘体は負のＹ軸上空に位置するようになる。したがって、この瞬間に、各重錘体と基板上面１１との距離を測定するようにすれば、第１の重錘体２１および第２の重錘体２２に関する測定結果に基づきＸ軸まわりの角速度ωｘを検出することができ、同時に、第３の重錘体２３および第４の重錘体２４に関する測定結果に基づきＹ軸まわりの角速度ωｙを検出することができる。
なお、このような検出を行うためには、ロータ６０の中心点ＰがＺ軸上の所定位置に支持されるようにしなければならないが、その場合、次の２つの条件が満たされるような工夫が必要である。第１の条件は、各重錘体２１−２４がＺ軸を回転軸として回転移動できるようにするという条件であり、回転運動中の重錘体に作用するコリオリ力を検出するという本発明の基本原理を実現するためには、この条件は不可欠である。また、第２の条件は、各重錘体２１−２４がＺ軸方向に所定の自由度をもって移動自在となるようにするという条件であり、コリオリ力を基板上面１１からの距離の変化として検出するためには、各重錘体がＺ軸方向に必要な範囲内で移動できるような構成にしておくことが不可欠である。
第７図は、第６図に示したロータ６０のより実用的な構成を示す平面図である。４つの重錘体２１−２４は、４本のアーム６１−６４の外側端部に接続されており、４本のアーム６１−６４の内側端部は、中心点Ｐの近傍に配置された中心部材６５に接続されている。ロータ６０は、全体的に剛性を有し、中心点Ｐを中心として図の矢印で示すように回転する。
図示の瞬間には、第１の重錘体２１はＹ軸正方向の速度Ｖｙをもって正のＸ軸を通過し、第２の重錘体２２はＹ軸負方向の速度−Ｖｙをもって負のＸ軸を通過する。したがって、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが作用している環境下では、第１の重錘体２１に対しては、Ｚ軸正方向のコリオリ力Ｆczが作用し、第２の重錘体２２に対しては、Ｚ軸負方向のコリオリ力−Ｆczが作用し、両者の差分として角速度ωｘが検出される。同様に、第３の重錘体２３はＸ軸負方向の速度−Ｖｘをもって正のＹ軸を通過し、第４の重錘体２４はＸ軸正方向の速度Ｖｘをもって負のＹ軸を通過するので、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが作用している環境下では、第３の重錘体２３および第４の重錘体２４に対してそれぞれ逆方向のコリオリ力が作用し、両者の差分として角速度ωｙが検出される。
既に§２で説明したように、差分をとることにより加速度の影響はキャンセルすることができる。また、角速度ωｘの作用によっては、Ｘ軸方向の速度成分をもった第３の重錘体２３および第４の重錘体２４に対しては、何らコリオリ力は発生せず、同様に、角速度ωｙの作用によっては、Ｙ軸方向の速度成分をもった第１の重錘体２１および第２の重錘体２２に対しては、何らコリオリ力は発生しない。したがって、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｙとの双方が作用している環境下においても、両者をそれぞれ独立して同時に検出することが可能であり、両者間に干渉が生じることはない。
また、Ｚ軸まわりの角速度ωｚが作用していた場合、本発明に係る角速度センサでは、この角速度ωｚ自体を検出することはできないが、この角速度ωｚの存在によって、角速度ωｘあるいは角速度ωｚの検出結果が影響を受けることはない。たとえば、角速度ωｚに起因して第１の重錘体２１に対してＸ軸正方向に向かうコリオリ力Ｆcxが作用したとしても、第２の重錘体２２に対してはＸ軸負方向に向かうコリオリ力−Ｆcxが作用するため、ロータ６０全体としては、これらコリオリ力の影響はキャンセルされてしまうことになる。
以上のように、第７図に示すロータ６０を用いれば、このロータ６０が９０°回転するたびに、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｙとの双方の検出値を得ることができる。この検出周期を短くするには、ロータ６０の回転速度を高めてもよいが、重錘体の数を増やしてもよい。たとえば、第８図は、８個の重錘体２１−２８を含むロータ６８の平面図である。このようなロータ６８を用いれば、ロータ６８が４５°回転するたびに、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｙとの双方の検出値を得ることができ、第７図に示すロータ６０を用いた場合に比べて、回転速度が同じでも検出周期を１／２に短縮することができる。
なお、複数の重錘体を用いてロータを形成する場合には、個々の重錘体の形状および質量を同一にするのが好ましい。もちろん、形状あるいは質量の異なる複数の重錘体を用いても本発明は実現可能ではあるが、加速度成分をキャンセルするために質量やモーメントを考慮した補正演算を行う必要が生じるため実用的ではない。
第９図に示すロータ７０は、４本のアーム７１−７４と、その内側端部に接続された中心部材７５と、外側端部に接続された環状構造体７６とによって構成される。中心点ＰをＺ軸上に支持し、エネルギー供給手段３０から供給されるエネルギーを利用して、環状構造体７６をＺ軸を回転軸として基板上面１１に対して非接触の状態で回転運動させれば、この環状構造体７６が多数の重錘体として機能することになる。すなわち、この環状構造体７６の一部分を１個の重錘体とみなして距離測定の対象とすれば、上述の原理に基づく角速度検出が可能になる。たとえば、第９図に示すように、環状構造体７６上に質点Ｍ１−Ｍ４を定義し、これらの質点をそれぞれ重錘体２１−２４とみなせば、このロータ７０は、第７図に示すロータ６０と等価になる。
この環状構造体７６を有するロータ７０は、原理的には、重錘体の個数を無限個にしたロータとして機能するため、角速度の検出周期を零にまで短縮することができ、時間的に連続した検出値を得ることが可能になる。
§４． ロータの反転回転運動
これまで述べてきた例では、いずれも重錘体もしくはその集合体としてのロータを、常に同一の回転方向に向かって運動させていた。たとえば、第７図に示すロータ６０を用いた例では、点Ｐを中心点として、ロータ６０全体を「反時計回り」に回転させており、この「反時計回り」という回転方向には変わりがなく、連続回転運動が行われることになる。
しかしながら、本発明の基本原理によれば、重錘体がＸ軸もしくはＹ軸の上空を、軸に対して垂直な速度成分をもって横切るような運動が繰り返し実行されればよいのであり、必ずしも重錘体を連続回転運動させる必要はない。
たとえば、第１０図に示すように、ロータ６０を反転回転運動させても、本発明の基本原理に基づく角速度検出は可能である。ここで、反転回転運動とは、時計回りの方向への回転と反時計回りの方向への回転とを交互に繰り返す運動を言う。第１０図に示す例では、各重錘体２１−２４を、位置Ａから位置Ｂへと移動させる前半周期の回転運動（時計回りの方向への回転運動）と、逆に、位置Ｂから位置Ａへと移動させる後半周期の回転運動（反時計回りの方向への回転運動）とが、交互に繰り返し実行されることになる。位置ＡＢ間にＸ軸もしくはＹ軸が位置するため、前半周期および後半周期のそれぞれにおいて、重錘体はＸ軸もしくはＹ軸の上空を、軸に対して垂直な速度成分をもって横切ることになる。要するに、各重錘体は、円弧状の軌道に沿って往復運動を繰り返すことになる。別言すれば、各重錘体は、各軸を横切るような円弧に沿った振動運動を行うことになり、特に、固有の共振周波数で振動させるようにすると、効率のよい往復運動が可能になる。
ただ、このような反転回転運動を行わせた場合には、前半周期と後半周期とで、検出値の符号が反転する点に留意する必要がある。すなわち、重錘体が位置Ａから位置Ｂへと移動する前半周期に各軸上空を横切ったときに得られる検出値と、重錘体が位置Ｂから位置Ａへと移動する後半周期に各軸上空を横切ったときに得られる検出値とは、作用するコリオリ力の向きが逆転するために、符号が逆転することになる。よって、たとえば、後半周期に得られた検出値については符号を逆転させるような処理が必要になる。
以上のように、本明細書における「回転運動」とは、常に回転方向が一定の「連続回転運動」と、回転方向が周期的に反転する「反転回転運動（振動）」との双方を含む広い概念で用いており、中心に対する回転角度も３６０°の全範囲にわたっている必要はなく、第１０図に示すように、Ｘ軸もしくはＹ軸の両側に定義した位置ＡＢ間に相当する一定の角度θだけ回転すれば十分である。
ロータを連続回転運動させずに反転回転運動させるメリットは、後述する§８の実施例のように、ロータの支持機構が単純化されるという点にある。すなわち、反転回転運動の場合は、ロータを３６０°回転させる必要はなく、第１０図に示す角度θだけ回転させれば十分であるので、Ｚ軸まわりに角度θだけ捩じれを生じさせることができるような態様で、ロータを基板上に固定すればよい。要するに、Ｚ軸まわりに捩じれを生じることができる材質からなる支持体を基板上に固着し、ロータ（重錘体）をこの支持体によって支持する単純な構造を採ることが可能になる。
ただし、このような単純な構造を採った場合、ロータの反転回転運動による振動が、支持体を介して基板から装置筐体へと伝播することになる。すなわち、前半周期には、ロータ全体が時計回りの方向に回転するため、この時計回りの回転要素が筐体へと伝播し、後半周期には、ロータ全体が反時計回りの方向に回転するため、この反時計回りの回転要素が筐体へと伝播する。このようにロータの振動成分が装置筐体へと漏れることは、正確な検出を行う上では好ましくない。たとえば、装置筐体に手を触れただけでも、ロータの反転回転運動に影響が及ぶことになり、被測定対象物に対する装置筐体の取り付け態様によっても検出結果が影響を受けることになる。
こうした振動漏れを防ぐためには、時計回りの回転と反時計回りの回転とが互いにキャンセルし合うような態様で、反転回転運動を行うようにすればよい。具体的には、前半周期においては、第１１図に示すように、第１の重錘体２１および第２の重錘体２２（Ｘ軸を横切る重錘体）を位置Ａから位置Ｂへと向かうように時計回りの方向に回転運動させ、第３の重錘体２３および第４の重錘体２４（Ｙ軸を横切る重錘体）を位置Ｂから位置Ａへと向かうように反時計回りの方向に回転運動させる。そして、後半周期においては、第１２図に示すように、第１の重錘体２１および第２の重錘体２２（Ｘ軸を横切る重錘体）を位置Ｂから位置Ａへと向かうように反時計回りの方向に回転運動させ、第３の重錘体２３および第４の重錘体２４（Ｙ軸を横切る重錘体）を位置Ａから位置Ｂへと向かうように時計回りの方向に回転運動させる。
このように、第１の重錘体２１および第２の重錘体２２の反転回転運動の回転方向と、第３の重錘体２３および第４の重錘体２４の反転回転運動の回転方向と、が常に逆向きになるように設定しておけば、時計回りの振動成分と反時計回りの振動成分とがロータ６０内で互いにキャンセルし合い、装置筐体への振動漏れを抑制することが可能になる。もっとも、このような駆動方法を採る場合には、ロータ６０を構成するアーム６１，６２，６３，６４が、ある程度の可撓性を有するような構造にしておく必要がある（アームの可撓性は、たとえば、太さによって調整可能である）。
§５． 本発明の角速度センサの具体的な実施例
続いて、本発明に係る角速度センサをより具体的な実施例に基づいて説明する。第１３図は、この実施例の平面図であり、第１４図は、この実施例をＸ軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。この実施例は、マイクロマシニング技術および半導体技術を利用して製造可能な角速度センサであり、必要な構成要素はすべて半導体基板上に形成されている。
この角速度センサの主たる構成要素は、基板１００およびロータ２００である。基板１００は、第１４図に示されているように、シリコン基板１０１とその上部に形成されたシリコン酸化膜１０２から構成されており、ここでは、この基板の上面１０３がＸＹ平面に含まれるようにＸＹＺ三次元座標系を定義して以下の説明を行う。
基板１００の上面１０３には、ロータ２００が配置されている。ロータ２００は、第１５図の平面図に明瞭に示されているように、基本的には第７図に示したロータ６０と同じ構造を有する。すなわち、４本のアーム２２１−２２４が、互いに９０°の角度差をもって配置され、それぞれの内側端部は肉厚円筒状の中心部材２２５に接続されている。また、各アーム２２１−２２４の外側端部には、それぞれ重錘体２１１−２１４が接続されている。４本のアーム２２１−２２４および４個の重錘体２１１−２１４は、いずれも形状および質量が同一のものである。
このロータ２００の本体部は誘電体材料によって構成されているが、その下面には導電性を有する電極が形成されている。すなわち、ロータ２００の本体部を構成する重錘体２１１−２１４、アーム２２１−２２４、中心部材２２５は、いずれも誘電体材料（この例では、ポリシリコン）によって構成されているが、重錘体２１１−２１４および中心部材２２５の下面には、それぞれ導電性材料（この例ではアルミニウムあるいは高濃度不純物がドープされたポリシリコン）からなる移動電極２３１−２３５が形成されている（移動電極２３３，２３４は第２３図に示されている）。ロータ２００の本体部を誘電体材料によって構成する理由は、§６において詳述するように、誘導モータの原理によってロータ２００に回転運動を行わせるためである。また、各重錘体２１１−２１４の下面に移動電極２３１−２３４を形成する理由は、§７において詳述するように、重錘体２１１−２１４と基板上面１０３との距離を測定するための容量素子を形成するためである。
なお、中心部材２２５の下面には電極２３５を形成する必要はないが、一般的な半導体製造プロセスを実施すると、各重錘体の下面に移動電極の層を形成する工程において、中心部材２２５の下面にも電極層２３５が形成されてしまうことになる。この電極層２３５は、角速度センサの動作を何ら阻害するものではないので、この実施例では、電極層２３５をそのまま残してある。
基板１００上には、Ｚ軸に沿って伸びるように円柱状の枢軸１３０が固着されている。第１５図に示されているように、ロータ２００の中心部材２２５は肉厚の円筒状をしており、中心部には円柱状の空洞が形成されている。この空洞の直径は、枢軸１３０の直径よりもやや大きくなっており、第１４図に示すように、この空洞内に枢軸１３０を通すようにして、ロータ２００を枢軸１３０に嵌合させると、枢軸１３０の外周部と空洞内周部との間に空隙が形成されることになる。この空隙によって、ロータ２００は枢軸１３０に対して回転自在に、かつ、所定の自由度をもって傾斜自在に（別言すれば、各重錘体がＺ軸方向に移動自在に）なるように支持されることになる。枢軸１３０の上端部には円盤状のストッパ１３１が取り付けられており、ロータ２００が枢軸１３０から抜け落ちるのを防止している。枢軸１３０やストッパ１３１は、どのような材料によって構成してもかまわないが、ロータ２００が接触したときに電気的な動作に支障を及ぼさないように、絶縁性材料によって構成するのが好ましい。
なお、第１４図では、ロータ２００が基板１００上に浮上した状態が示されているが、これは後述するように、ロータ２００の回転運動中の状態を示したためである。
第１３図の平面図をみればわかるように、基板１００上には、ロータ２００の周囲を取り囲むように、８個のステータ電極１１１−１１８が配置されている。これらのステータ電極１１１−１１８は、ロータ２００を回転させるためのエネルギーを供給する。この実施例では、各重錘体２１１−２１４の回転運動経路に沿って、互いに４５°の角度差をもって交わるＸ軸，Ｗ１軸，Ｙ軸，Ｗ２軸上に８個のステータ電極１１１−１１８を配置しているが、より円滑な回転運動を行わせるために、更に多くのステータ電極を配置するようにしてもかまわない。
各ステータ電極１１１−１１８は、絶縁材料からなる台座を介して、基板１００上に固着されている。たとえば、第１４図の側断面図に示されているように、ステータ電極１１１は台座１２１を介して基板１００上に固定されており、ステータ電極１１５は台座１２５を介して基板１００上に固定されている。この実施例では、ポリシリコンによって各台座を構成し、アルミニウムによってステータ電極を構成している。各ステータ電極を絶縁性の台座を介して基板１００上に設けたのは、後述するように、ロータ２００の浮上回転運動を円滑に行わせるためである。
第１６図は、第１３図に示す角速度センサのストッパ１３１を除去し、ロータ２００を取り外した状態を示す平面図であり、基板１００上に固定電極１４１Ａ−１４４Ａ，１４１Ｂ−１４４Ｂが配置されている状態が明瞭に示されている。これら固定電極は、いずれも各座標軸の近傍にそれぞれ対をなして配置されている。すなわち、固定電極対１４１Ａ，１４１Ｂは正のＸ軸近傍に配置され、固定電極対１４２Ａ，１４２Ｂは負のＸ軸近傍に配置され、固定電極対１４３Ａ，１４３Ｂは正のＹ軸近傍に配置され、固定電極対１４４Ａ，１４４Ｂは負のＸ軸近傍に配置されている。しかも、第１３図に破線で示されているように、ロータ２００の各重錘体２１１−２１４がＸ軸上空およびＹ軸上空を通過する際に、各重錘体の下面に形成されている移動電極２３１−２３４に対向するような位置に、各固定電極１４１Ａ−１４４Ａ，１４１Ｂ−１４４Ｂは配置されている。
基板１００上の上述したような位置に各固定電極を配置しておくと、各重錘体２１１−２１４がＸ軸上空およびＹ軸上空を通過する際に、各軸の位置において容量素子が形成されることになる。たとえば、第１４図には、重錘体２１１が正のＸ軸上空に位置し、重錘体２１２が負のＸ軸上空に位置する状態が示されている。この状態において、重錘体２１１の下面に形成された移動電極２３１は、基板１００上に形成された固定電極対１４１Ａ，１４１Ｂの双方に対向しており、一対の容量素子が形成されている。同様に、重錘体２１２の下面に形成された移動電極２３２は、基板１００上に形成された固定電極対１４２Ａ，１４２Ｂの双方に対向しており、一対の容量素子が形成されている。これらの容量素子は、各重錘体と基板上面との距離を測定するために用いられるが、詳細については§７で説明を行う。
なお、第１６図にブロック図として電圧供給回路３１０および検出回路３２０が示されているが、電圧供給回路３１０は、各ステータ電極１１１−１１８に所定の電圧を供給するための回路であり、検出回路３２０は、上述した各容量素子の静電容量値を検出するための回路である。実際には、各ステータ電極１１１−１１８と電圧供給回路３１０との間には、電圧供給用の配線が存在し、また、各固定電極１４１Ａ−１４４Ａ，１４１Ｂ−１４４Ｂと検出回路３２０との間にも、容量検出用の配線が存在する。ただ、図が繁雑になるのを避けるため、第１６図においては、これらの配線の図示は省略されている。この実施例では、基板１００は半導体基板であるので、このような配線を形成する工程は、半導体製造プロセスの工程内に容易に組み入れることが可能である。
§６． ロータの回転動作の原理
ここでは、§５で構造を説明した角速度センサにおけるロータの回転動作の原理を説明する。この原理は、誘導モータの原理として古くから知られているものであり、最近では、マイクロマシニングなどの分野において、半導体基板上に形成したマイクロモータを回転させるための原理として利用されている。本実施例では、電圧供給回路３１０から各ステータ電極１１１−１１８に対して、互いに位相の異なる交流電圧を供給することにより、誘電体材料からなるロータ２００に回転エネルギーを供給することになる。
いま、第１７図に示すように、ステータ電極１１１とステータ電極１１５との間に所定の電圧を印加し、ステータ電極１１１側に正の電荷を発生させ、ステータ電極１１５側に負の電荷を発生させる。すると、ロータ２００の本体部は誘電体材料で構成されているため、内部で分極作用が生じ、図示のように、重錘体２１１側に負の電荷が集まり、重錘体２１２側に正の電荷が集まることになる。第１８図は、このときの状態を示す側断面図である（断面を示すハッチングは省略）。重錘体２１１とステータ電極１１１との間、重錘体２１２とステータ電極１１５との間には、それぞれクーロン引力が作用した状態になる。
続いて、ステータ電極１１１とステータ電極１１５間の電圧印加を中止し、代わりに、ステータ電極１１２とステータ電極１１６との間に所定の電圧を印加し、第１９図に示すように、ステータ電極１１２側に正の電荷を発生させ、ステータ電極１１６側に負の電荷を発生させる。このようにステータ電極側の電荷の分布状態が変化すると、それに応じてロータ２００内の分極状態も変化することになるが、導体内の電荷移動速度に比べて、誘電体内の電荷移動速度は遅いため、ロータ２００内の分極状態の変化は、ステータ電極側の電荷分布状態の変化には十分に追従することができない。そのため、第１９図に示すように、ステータ電極側の電極分布が変化した後も、ロータ側の分極状態は直前の状態のままとなり、重錘体２１１とステータ電極１１２との間にクーロン引力が作用し、重錘体２１２とステータ電極１１６との間にクーロン引力が作用する。その結果、ロータ２００には、図の矢印の方向を向いた回転力が作用することになり、第２０図に示す位置までロータ２００が回転することになる。
そこで、今度は、ステータ電極１１２とステータ電極１１６間の電圧印加を中止し、代わりに、ステータ電極１１３とステータ電極１１７との間に所定の電圧を印加し、ステータ電極１１３側に正の電荷を発生させ、ステータ電極１１７側に負の電荷を発生させれば、重錘体２１１とステータ電極１１３との間にクーロン引力が作用し、重錘体２１２とステータ電極１１７との間にクーロン引力が作用する。その結果、ロータ２００には、更に反時計回りの方向への回転力が作用することになる。以下、同様にして、ステータ電極１１１−１１８に関する電荷分布を反時計回りに移動させてゆけば、これに応じてロータ２００は反時計回りに連続回転運動を行うことになる。
結局、電圧供給回路３１０から各ステータ電極１１１−１１８に対して、それぞれ第２１図に示すような交流電圧信号Ｓ１−Ｓ８を供給してやれば、ロータ２００を反時計回りの方向に連続回転運動させることが可能になる。もちろん、供給する交流電圧信号を変えれば、時計回りの方向に連続回転運動させることもできるし、時計回りの運動と反時計回りの運動とを交互に繰り返す反転回転運動をさせることも可能である。ただし、この実施例に示す構造では、ロータ２００を、一定の回転速度で連続回転運動させるのが好ましい。ロータ２００を一定速度で連続回転運動させると、ロータ２００の下面に空気の流体層が形成され、第１４図に示すように、ロータ２００が基板１００の上方で浮き上がった状態で回転を行うことになり、安定した回転運動を維持させることが可能である。ロータ２００が回転状態においてこのように浮き上がるのは、台座上に設けられたステータ電極に対するクーロン引力が作用するとともに、回転に伴って形成される空気の流体層の上に乗った状態になるためである。
このように、ロータ２００は、基板１００に対して非接触な状態で安定した連続回転運動を行うため、回転に伴う振動成分が基板側へ漏れることはなく、信頼できる角速度検出が可能になる。
以上、誘導モータの原理に基づいてロータ（重錘体）を連続回転運動させる実施例を述べたが、本発明を実施するにあたって、ロータを回転させるための原理は、この誘導モータの原理に限定されるものではない。要するに、ロータ（重錘体）を基板に非接触の状態で回転させることができれば、どのような方法を用いてもかまわない。たとえば、可変容量モータあるいはエレクトレットモータなどの原理に基づいて、ロータを回転させるような構造を採ることも可能である。
§７． 重錘体と基板との間の距離検出の原理
本発明に係る角速度センサの基本原理によれば、回転運動中の重錘体がＸ軸もしくはＹ軸の上方を通過する時点において、重錘体と基板との距離を検出することにより、Ｚ軸方向に作用したコリオリ力Ｆczを求め、間接的にＸ軸まわりの角速度ωｘもしくはＹ軸まわりの角速度ωｙを検出することになる。ここでは、§５で構造を説明した角速度センサにおける重錘体と基板との間の距離検出の原理を説明する。
いま、基板上に形成された固定電極対と重錘体の下面に形成された移動電極とによって形成される一対の容量素子を考える。たとえば、第２２図の側断面図には、重錘体２１１の下面に形成された移動電極２３１が、基板１００上に形成された一対の固定電極１４１Ａ，１４１Ｂに対向した状態が示されており、この状態は、図の右上に示された等価回路に置き換えることができる。すなわち、第１の固定電極１４１Ａと移動電極２３１の一部分とによって第１の容量素子Ｃ１Ａが形成され、第２の固定電極１４１Ｂと移動電極２３１の一部分とによって第２の容量素子Ｃ１Ｂが形成されている。しかも、移動電極２３１は単一の電極であるから、これら一対の容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂは、移動電極２３１を中間点として直列接続された状態になっている。
そこで、この直列接続された一対の容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂ全体を１つの容量素子Ｃ１とみなせば、容量素子Ｃ１の静電容量値をＣ１、個々の容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂの各静電容量値をそれぞれＣ１Ａ，Ｃ１Ｂとしたときに、
１／Ｃ１＝（１／Ｃ１Ａ）＋（１／Ｃ１Ｂ）
が成り立つことになり、特に、Ｃ１Ａ＝Ｃ１Ｂの場合には、
Ｃ１＝Ｃ１Ａ／２
となる。
同様に、重錘体２１２の下面に形成された移動電極２３２と、これに対向する一対の固定電極１４２Ａ，１４２Ｂとについて、第２２図左上に示すような等価回路を考えれば、容量素子Ｃ２が構成されることになる。一方、Ｙ軸に沿った切断面を示す第２３図には、重錘体２１３の下面に形成された移動電極２３３と、これに対向する一対の固定電極１４３Ａ，１４３Ｂとについての等価回路と、重錘体２１４の下面に形成された移動電極２３４と、これに対向する一対の固定電極１４４Ａ，１４４Ｂとについての等価回路とが示されており、これらの等価回路により、容量素子Ｃ３，Ｃ４が構成されることになる。
結局、ロータ２００が第２４図に示すような位置にある場合、正のＸ軸上方に位置する重錘体２１１の下方には容量素子Ｃ１が形成され、負のＸ軸上方に位置する重錘体２１２の下方には容量素子Ｃ２が形成され、正のＹ軸上方に位置する重錘体２１３の下方には容量素子Ｃ３が形成され、負のＹ軸上方に位置する重錘体２１４の下方には容量素子Ｃ４が形成されることになる。
なお、基板側に一対の固定電極（たとえば、固定電極１４１Ａ，１４１Ｂ）を設け、直列接続された一対の容量素子（たとえば、容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂ）を１つの容量素子（たとえば、容量素子Ｃ１）とみなす取扱いをする理由は、ロータ２００側に設けられた移動電極に対する配線が困難なためである。たとえば、第２２図の右上に示した等価回路において、一方の容量素子Ｃ１Ａ自身の静電容量値を直接測定するためには、固定電極１４１Ａに対する配線と移動電極２３１に対する配線とが必要になる。ところが、移動電極２３１は、ロータ２００の回転運動によって回転する電極であり、前述のように、ロータ２００は基板１００に対して非接触の状態で回転運動を行うため、実用上、移動電極２３１に対して配線を行うことは困難である。これに対し、直列接続された一対の容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂ全体の静電容量値を容量素子Ｃ１の静電容量値として測定するようにすれば、移動電極２３１に対する配線は不要になる。すなわち、電気的には、第１の固定電極１４１Ａと第２の固定電極１４１Ｂとの間の静電容量値を測定することができればよいので、これら一対の固定電極に対する配線が行われていれば足りる。
ところで、一対の電極によって構成される容量素子の静電容量値Ｃは、電極の面積をＳ、電極間隔をｄ、電極間の誘電率をεとすれば、
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ
なる式で表される。ここで、電極面積Ｓおよび誘電率εが一定であれば、静電容量値Ｃはｄに反比例することになり、静電容量値Ｃを測定することができれば、電極間隔ｄを求めることができる。したがって、第２２図および第２３図に示された等価回路において、静電容量値Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の値は、それぞれ重錘体２１１，２１２，２１３，２１４と基板１００の上面との距離に関連した値になる。結局、これら静電容量値Ｃ１−Ｃ４を検出回路３２０によって検出すれば、この検出値は、重錘体と基板との間の距離を示す値となり、作用した角速度を示す値になる。
続いて、第２５図を参照しながら、実際の角速度検出の原理を説明しよう。いま、ロータ２００が前述の§６で述べた原理に基づき、上方から見たときに反時計回りの方向に一定の速度で連続回転運動を行っていたとする。このとき、基板１００に対して、図のようなＸ軸まわりの角速度ωｘが作用したとすると、重錘体２１１が正のＸ軸上方を通過する瞬間には、Ｚ軸正方向のコリオリ力Ｆczが作用する。このとき、重錘体２１２は負のＸ軸上方を通過中であり、この重錘体２３２に対しては、Ｚ軸負方向のコリオリ力−Ｆczが作用することになる。その結果、ロータ２００全体は図示のように傾斜し、角速度が何ら作用していない基準状態に比べると、容量素子Ｃ１の電極間隔は広がり、容量素子Ｃ２の電極間隔は狭まる。その結果、静電容量値Ｃ１はΔＣ１だけ小さくなり、静電容量値Ｃ２はΔＣ２だけ大きくなる。そこで、両静電容量値の差分（ΔＣ１＋ΔＣ２）をとれば、この差分の符号が作用したＸ軸まわりの角速度ωｘの向きを示し、この差分の大きさが角速度ωｘの大きさを示す量になる。なお、ΔＣ１とΔＣ２とは、厳密には等しくならないが、実用的なレベルでは、ΔＣ１＝ΔＣ２＝ΔＣとして取り扱うことができ、差分は２・ΔＣとして求めることができる。
第２６図は、検出回路３２０の具体的な回路構成例を示す回路図である。容量素子Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の静電容量値は、静電容量値Ｃを電圧値Ｖに変換する機能をもったＣ／Ｖ変換回路３２１，３２２，３２３，３２４によって、それぞれ電圧値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４に変換され、差動増幅器３２５によって、電圧値Ｖ１とＶ２との差が演算され、差動増幅器３２６によって、電圧値Ｖ３とＶ４との差が演算される。上述の説明のとおり、電圧値の差（Ｖ１−Ｖ２）は、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを示す出力電圧Ｖωｘとして差動増幅器３２５から出力され、電圧値の差（Ｖ３−Ｖ４）は、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを示す出力電圧Ｖωｙとして差動増幅器３２６から出力される。
ここに示す実施例では、第２４図に示すように、４個の重錘体を有するロータ２００を用いているため、ロータ２００が９０°回転するたびに（各重錘体が各軸上を通過するたびに）、正しい検出値を示す出力電圧ＶωｘおよびＶωｙが得られることになる。また、第９図に示すような環状構造体７６を有するロータ７０を用いる場合には、環状構造体７６の下面全体に移動電極を形成しておくようにすれば、常に正しい検出値が出力されることになる。
なお、上述の実施例における固定電極１４１Ａ−１４４Ａ，１４１Ｂ−１４４Ｂは、いずれも各座標軸上に配置されているが、一対の固定電極は座標軸の近傍に隣接配置されていれば足り、たとえば、第２７図に示すように（重錘体２１１−２１４の参考位置を破線で示す）、各座標軸を挟んで固定電極１４１Ｃ−１４４Ｃ，１４１Ｄ−１４４Ｄを配置してもかまわない。また、隣接配置する一対の固定電極は、形状や大きさが異なっていてもかまわないが、検出回路を単純化する上では、すべての固定電極を同一の形状かつ同一の大きさにするのが好ましい。
§８． 本発明の角速度センサの別な実施例
§５で述べた実施例は、ロータを連続回転運動させるのに適した構造をもった角速度センサであるが、ここでは、ロータを反転回転運動させるのに適した構造をもった角速度センサの例を示す。第２８図は、このような実施例の側断面図であり、第２９図は、この実施例の主要な構成要素の配置を示す平面図である。
この角速度センサにおける基板１００の構造は、§５で述べた実施例と全く同様である。ロータ２５０の構造も、§５で述べたロータ２００の構造とほぼ同じであるが、中心部材２６０は円柱状のブロックであり、電極２６５を介して支持体２７０の上端に固着されている。支持体２７０は、円柱状のブロックであり、下端は基板１００上に固定されている。結局、ロータ２５０は、その中心部が支持体２７０を介して基板１００上に固定された状態になっている。ただし、重錘体２１１−２１４は、アーム２２１−２２４や支持体２７０を介して間接的には基板１００に接続されているものの、基板１００に対して非接触な状態で反転回転運動が可能な状態となっている。
ロータ２５０を反転回転運動させるためには、支持体２７０として、Ｚ軸まわりに捩じれを生じることができる構造のものを用いる必要がある。この実施例では、上述のように、支持体２７０はポリシリコンから構成されており、径の大きさを適当な寸法に設定することにより、必要な自由度で反転回転運動が可能になるようにしている。
より円滑な反転回転運動を実現するために、この実施例では、角度差が３０°となるように配置された１２個のステータ電極を設けている。第２９図は、これら１２個のステータ電極Ｅ１１−Ｅ２２およびロータ２５０の配置を示す平面図である。ロータ２５０を反転回転運動させるには、各ステータ電極に所定の交流電圧を印加すればよい。
たとえば、第３０図に示すように、ステータ電極Ｅ１１に正の電荷、ステータ電極Ｅ１７に負の電荷をそれぞれ発生させれば、ロータ２５０側では、重錘体２１１に負の電荷、重錘体２１２に正の電荷が集まる分極現象が起こる。続いて、ステータ電極Ｅ１１，Ｅ１７を中立状態に戻し、ステータ電極Ｅ１２に正の電荷、ステータ電極Ｅ１８に負の電荷をそれぞれ発生させれば、ロータ２５０は反時計回りに回転し始める。次に、ステータ電極Ｅ１２，Ｅ１８を中立状態に戻し、再び第３０図に示すように、ステータ電極Ｅ１１に正の電荷、ステータ電極Ｅ１７に負の電荷をそれぞれ発生させると、ロータ２５０の回転運動は時計回りに反転する。更に、ステータ電極Ｅ１１，Ｅ１７を中立状態に戻し、今度は、ステータ電極Ｅ２２に正の電荷、ステータ電極Ｅ１６に負の電荷をそれぞれ発生させれば、ロータ２５０は更に時計回りに回転し続ける。そこで、ステータ電極Ｅ２２，Ｅ１６を中立状態に戻し、再び第３０図に示すように、ステータ電極Ｅ１１に正の電荷、ステータ電極Ｅ１７に負の電荷をそれぞれ発生させれば、ロータ２５０の回転運動は反時計回りに反転する。
以上のような駆動動作を行えば、ロータ２５０は前半周期には反時計回りに回転運動し、後半周期には時計回りに回転運動するようになり、図に矢印で示すように、所定の角度範囲内で反転回転運動（振動）することになる。
しかしながら、ロータ２５０がこのような反転回転運動を行うと、ロータの振動成分が支持体２７０を介して基板１００へと伝播し、振動が装置筐体へ漏れるという弊害がある点は、既に§４で述べたとおりである。また、こうした振動漏れを防ぐためには、時計回りの回転と反時計回りの回転とが互いにキャンセルし合うような態様で、反転回転運動を行うようにすればよいことも既に説明した。すなわち、４個の重錘体を有するロータの場合、前半周期では第１１図に示すように、後半周期では第１２図に示すように、それそれ各重錘体ごとに所定の方向に回転を行うようにすればよい。
第２９図に示す実施例に対して、このような反転回転運動を適用するには、次のような駆動方法を実施すればよい。まず、第３１図に示すように、ステータ電極Ｅ１１，Ｅ１４に正の電荷、ステータ電極Ｅ１７，Ｅ２０に負の電荷をそれぞれ発生させる。すると、ロータ２５０側では、重錘体２１１，２１３に負の電荷、重錘体２１２，２１４に正の電荷が集まる分極現象が起こる。続いて、ステータ電極Ｅ１１，Ｅ１４，Ｅ１７，Ｅ２０を中立状態に戻し、ステータ電極Ｅ１２，Ｅ１３に正の電荷、ステータ電極Ｅ１８，Ｅ１９に負の電荷をそれぞれ発生させれば、第３２図に示すように、重錘体２１１，２１２は反時計回りに、重錘体２１３，２１４は時計回りに、それぞれ回転し始める。次に、ステータ電極Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ１８，Ｅ１９を中立状態に戻し、再び第３１図に示すように、ステータ電極Ｅ１１，Ｅ１４に正の電荷、ステータ電極Ｅ１７，Ｅ２０に負の電荷をそれぞれ発生させると、各重錘体の回転方向は反転する。更に、ステータ電極Ｅ１１，Ｅ１４，Ｅ１７，Ｅ２０を中立状態に戻し、ステータ電極Ｅ１５，Ｅ２２に正の電荷、ステータ電極Ｅ１６，Ｅ２１に負の電荷をそれぞれ発生させれば、第３３図に示すように、重錘体２１１，２１２は時計回りに、重錘体２１３，２１４は反時計回りに、それぞれ移動を続ける。そこで、ステータ電極Ｅ１５，Ｅ１６，Ｅ２１，Ｅ２２を中立状態に戻し、再び第３１図に示すように、ステータ電極Ｅ１１，Ｅ１４に正の電荷、ステータ電極Ｅ１７，Ｅ２０に負の電荷をそれぞれ発生させると、各重錘体の回転方向は反転する。
以上のような駆動動作を行えば、ロータ２５０を構成する２個の重錘体は時計回り、残りの２個の重錘体は反時計回りに回転することになり、振動成分がロータ２５０内でキャンセルされ、振動が装置筐体へ漏れるという弊害を防止することができる。なお、この反転回転運動の周波数（振動周波数）として、ロータ２５０に固有の共振周波数を選択するようにすると、効率よい駆動が可能になる。
§９． Ｚ軸まわりの角速度検出の基本原理
これまで述べてきた角速度センサは、ＸＹＺ三次元座標系において、ＸＹ平面に平行な基板上で重錘体を回転運動させ、Ｘ軸まわりの角速度ωｘおよびＹ軸まわりの角速度ωｙを検出するものであった。ここでは、更に、基板に対して垂直なＺ軸まわりの角速度ωｚを検出する原理を説明する。
第３４図は、角速度ωｚの検出原理を示す斜視図である。この図に示されている個々の構成要素は、図１に示されている構成要素とほぼ同じである。すなわち、基板１０は、平坦な上面１１を有し、装置筐体として機能する。ＸＹＺ三次元座標系は、この上面１１がＸＹ平面に含まれるように定義されており、原点Ｏから上方に伸びるＺ軸は、上面１１に直交する軸となる。ここで、所定の質量をもった重錘体２０に対して、エネルギー供給手段３０からエネルギーを供給し、重錘体２０がＺ軸を回転軸として図の軌道Ｃに沿って回転運動するようにする。このとき、この系に対して角速度や加速度などの外力が作用しない状態において、重錘体２０が上面１１に対して一定の距離ｈを保ちながら、かつ、Ｚ軸に対して一定の距離ｒを保ちながら、軌道Ｃに沿って回転運動するように、エネルギー供給手段３０からのエネルギー供給が行われるようにする。したがって、この系に外力が作用していない状態（基板１０が静止している状態）では、エネルギー供給手段３０からのエネルギー供給を受けて、重錘体２０は、方程式Ｚ＝ｈで示される平面内で半径ｒをもった円軌道Ｃ上を回転運動することになる。
この角速度センサは、更に、重錘体２０がＸ軸上空を通過した時点において、Ｚ軸と重錘体２０との距離（回転運度の半径）を測定する距離測定手段８０を備えている。上述したように、系外からの力が作用しない状態では、重錘体２０は常に円軌道Ｃに沿った運動を行うので、その状態では、距離測定手段８０による測定値は、常に一定の半径値ｒを示すものとなる。
ところが、この系全体がＺ軸まわりの角速度ωｚをもって回転運動していた場合、別言すれば、基板１０に対して角速度ωｚが作用していた場合、この角速度に基づくコリオリ力が重錘体２０に作用することになり、重錘体２０の運動は本来の円軌道Ｃから外れることになる。すなわち、第３４図に示すように、この系全体がＺ軸まわりの角速度ωｚをもって回転していた場合、Ｘ軸上空をＹ軸方向の速度成分Ｖｙをもって運動している重錘体２０に対しては、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆcx（角速度ωｚの向きによっては−Ｘ軸方向のコリオリ力−Ｆcx）が作用することになり、このコリオリ力は、
Ｆcx＝２・ｍ・Ｖｙ・ωｚ
なる式で定義される。第３４図に示す例では、このコリオリ力Ｆcxの作用により、Ｙ軸方向に移動中の重錘体２０の軌道は、Ｘ軸方向に歪められることになり、Ｘ軸上空を通過する時点における重錘体２０とＺ軸との距離はΔｒだけ増加もしくは減少（角速度ωｚの向きに依存）し、ｒ±Δｒとなる。
重錘体２０の質量ｍおよび運動速度Ｖｙを一定にしておけば、コリオリ力Ｆcxは角速度ωｚに比例した値となり、結局、重錘体２０がＸ軸上方を通過する時点における当初の円軌道Ｃからの隔たりΔｒを、角速度ωｚを示す値として用いることができる。また、ｒは一定であるから、重錘体２０とＺ軸との距離ｒ＋Δｒを測定することができれば、角速度ωｚの値を得ることができる。第３４図に示した角速度センサは、このような原理に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出する機能を有する。すなわち、距離測定手段８０の出力が、角速度ωｚの検出値を示すものになる。
以上が角速度ωｚを検出するための基本原理であるが、§２で述べたように、実用上は、加速度の影響をキャンセルする機能を設けるのが好ましい。第３４図に示す構成では、重錘体２０の軌道がＸ軸方向にΔｒだけ変位したとしても、その変位が、コリオリ力Ｆcxに起因するものなのか、Ｘ軸方向の加速度αｘに基づく力Ｆaxに起因するものなのかが区別できないのである。
第３５図に、この加速度成分をキャンセルする機能をもった角速度センサの基本構成を示す。このセンサでは、一対の重錘体２１，２２が用意され、いずれの重錘体も、エネルギー供給手段３０からのエネルギーの供給を受けて、Ｚ軸を回転軸として半径ｒの円軌道Ｃ上を回転運動する。ただし、図示のとおり、第１の重錘体２１が正のＸ軸上空に位置するときに、第２の重錘体２２は負のＸ軸上空に位置するように、第１の重錘体と前記第２の重錘体とは、互いに位相が１８０°ずれた状態で回転運動を行う。
また、この角速度センサには、一対の距離測定手段が設けられている。すなわち、正のＸ軸上距離測定手段８１は、いずれかの重錘体が正のＸ軸上空（第３５図において、第１の重錘体２１が存在する地点）を通過した時点においてＺ軸と通過中の重錘体との距離を測定する機能を有し、負のＸ軸上距離測定手段８２は、いずれかの重錘体が負のＸ軸上空（第３５図において、第２の重錘体２２が存在する地点）を通過した時点においてＺ軸と通過中の重錘体との距離を測定する機能を有する。更に、正のＸ軸上距離測定手段８１によって測定された距離と負のＸ軸上距離測定手段８２によって測定された距離との和を求めるための演算手段８３が備わっており、最終的に、この演算手段８３の出力に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚが検出されることになる。
続いて、この角速度センサにおける検出原理および加速度成分がキャンセルされる理由について述べる。いま、第３５図に図示されているように、Ｚ＝ｈで示される平面上に含まれる円軌道Ｃ上を、互いに位相が１８０°ずれた状態で一対の重錘体２１，２２が回転運動を行うように、エネルギー供給手段３０からエネルギーが供給されている状態を考える。この状態では、図示のように、第１の重錘体２１は正のＸ軸上空をＹ軸正方向の速度Ｖｙをもって通過し、それと同時に、第２の重錘体２２は負のＸ軸上空をＹ軸負方向の速度−Ｖｙをもって通過する。このとき、もしこの系全体に対して、Ｚ軸まわりの角速度ωｚが作用していたとすると、第１の重錘体２１に対しては、Ｘ軸正方向のコリオリ力Ｆcxが加わり、第１の重錘体２１は当初の円軌道Ｃから外側（Ｚ軸から遠ざかる方向）に外れる。一方、第２の重錘体２２に対しては、Ｘ軸負方向のコリオリ力−Ｆcxが加わり、第２の重錘体２２は当初の円軌道Ｃから外側に外れる。
いま、第１の重錘体２１と第２の重錘体２２とが、全く同一の形状を有し、全く同一の質量を有していたとする。ここで、両者は常に１８０°の位相差を保って回転運動をしているのであるから、回転運動の速度の絶対値も両者は同じになる。したがって、両重錘体に作用するコリオリ力の絶対値は同じになり、第１の重錘体２１がΔｒだけ円軌道Ｃから外側に外れ、Ｚ軸からの距離ｒ＋Δｒの位置を通過したとすれば、第２の重錘体２２もΔｒだけ円軌道Ｃから外側に外れ、Ｚ軸からの距離ｒ＋Δｒの位置を通過することになる。したがって、演算手段８３からは、これらの和に相当する２ｒ＋２・Δｒが出力される。予め、外力が作用していない状態での演算手段８３の出力値２ｒを基準値として定めておけば、この基準値２ｒとの差２・ΔｒがＺ軸まわりの角速度ωｚを示す値になる。なお、作用した角速度ωｚの向きが逆の場合、コリオリ力の向きは逆転し、２つの重錘体２１，２２はいずれも当初の円軌道Ｃから内側に外れることになる。この場合、演算手段８３からの出力は２ｒ−２・Δｒになる。したがって、演算手段８３から得られる出力信号の符号は角速度ωｚの向きを示し、出力信号の大きさは角速度ωｚの大きさを示すものとなる。
ここで、この系全体に対して加速度が作用していた場合を考える。Ｚ軸方向の加速度αｚに基づいて生じる力ＦazおよびＹ軸方向の加速度αｙに基づいて生じる力Ｆayは、いずれもＸ軸方向のコリオリ力Ｆcxに対して直交しているため、この測定系に干渉することはない。ところが、Ｘ軸方向の加速度αｘに基づいて生じる力Ｆaxは、コリオリ力Ｆcxと同じ方向を向いているため、干渉の影響を考えねばならない。実際、第３４図に示す単一の重錘体２０を用いた測定系では、この加速度αｘに基づいて生じる力Ｆaxが、角速度ωｚの検出値に干渉することになる。しかしながら、一対の重錘体２１，２２を用いた第３５図に示す測定系では、この干渉はキャンセルされることになる。なぜなら、加速度αｘに基づいて生じる力Ｆaxが作用すると、２つの重錘体２１，２２は、いずれもＸ軸正方向に変位Δｘを生じることになるため、正のＸ軸上距離測定手段８１の出力はΔｘだけ増加するが、負のＸ軸上距離測定手段８２の出力はΔｘだけ減少する。したがって、演算手段８３の出力は、加速度αｘの作用に起因して変化することはないのである。
このように、互いに位相が１８０°ずれた状態で回転運動を行う一対の重錘体を用いることにより、加速度成分をキャンセルすることが可能になる。
なお、上述の説明では、正のＸ軸上距離測定手段８１および負のＸ軸上距離測定手段８２と、を用いて、重錘体がＸ軸を通過する時点に測定を行っているが、正のＹ軸上距離測定手段および負のＹ軸上距離測定手段を用いて、重錘体がＹ軸を通過する時点に測定を行っても同様に角速度ωｚの検出が可能である。もちろん、Ｘ軸やＹ軸に限らず、重錘体が任意の軸上を通過する時点で角速度ωｚの測定を行うことも可能である。
§１０． 三次元角速度センサの具体的な実施例
§５では、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｙとを同時に検出できる二次元角速度センサの具体的な実施例を説明した。ここでは、この二次元角速度センサに§９で述べた原理を適用することにより、Ｘ軸まわりの角速度ωｘ、Ｙ軸まわりの角速度ωｙ、Ｚ軸まわりの角速度ωｚのすべてが検出可能な三次元角速度センサを実現した実施例を説明することにする。
第３６図は、この三次元角速度センサの平面図であり、第３７図は、このセンサをＸ軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。この三次元角速度センサの構造は、§５で述べた二次元角速度センサ（第１３図〜第１６図参照）の構造とほぼ同じであるため、ここでは両者の相違点のみを述べることにする。両者間に共通の構成要素については、同一符号で示すことにし、詳しい説明は省略する。
この三次元角速度センサの第１の特徴は、一部分が伸縮性を有する構造をもったロータ４００を用いた点である。ロータ４００は、第３８図の平面図に明瞭に示されているように、４個の重錘体４１１〜４１４を４本のアーム４２１−４２４によって、中心部材４２５に接続した構造をなす。ここで、４本のアーム４２１−４２４は、図示のとおりジグザグ構造を有し、伸縮性を有している。したがって、各重錘体４１１−４１４に対して、中心部材４２５から離れる方向の力もしくは中心部材４２５に近付く方向の力が作用した場合、重錘体は作用した力の方向に変位することが可能である。各重錘体４１１−４１４の下面に、それぞれ移動電極４３１−４３４が形成され（電極４３３，４３４は図示されていない）、中心部材４２５の下面に電極４３５が形成されている点は、前述した二次元角速度センサと同様である。
この三次元角速度センサの第２の特徴は、基板上の固定電極の形状および配置を若干変更した点と、角速度ωｚを検出するために、新たな固定電極を付加した点である。第３９図は、第３６図に示す角速度センサのストッパ１３１を除去し、ロータ４００を取り外した状態を示す平面図である。基板１００上に配置されている固定電極１４５Ａ−１４８Ａ，１４５Ｂ−１４８Ｂは、第１６図に示されている固定電極１４１Ａ−１４４Ａ，１４１Ｂ−１４４Ｂと全く同等の機能（すなわち、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｙとを検出する機能）を果たす固定電極であるが、個々の電極の面積は若干小さくなっている。このように面積を小さくしたのは、ロータ４００を構成する４本のアーム４２１−４２４が伸縮性を有するため、各重錘体４１１〜４１４がこのアームの伸縮性に基づいて多少変位しても、形成される容量素子の面積に変化が生じないようにするためである。一方、固定電極１４５Ｃ，１４５Ｄ，１４６Ｃ，１４６Ｄは、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出するために付加された電極である。検出回路３３０は、基板１００上に配置された合計１２個の固定電極と、ロータ４００側（各重錘体の下面）に形成された移動電極とによって構成される容量素子の静電容量値を検出する回路であり、この回路の出力として、三次元角速度ωｘ，ωｙ，ωｚの検出値が出力されることになる。
このセンサによる角速度ωｘおよびωｙの検出原理は、既に§７で述べたとおりである。ここでは、角速度ωｚの検出原理を以下に説明する。第４０図は、重錘体４１１および４１２がＸ軸上空を通過する瞬間において形成される容量素子を示す平面図である。ここで、破線の矩形で示す構成要素４３１，４３２は、それぞれ重錘体４１１，４１２の下面に形成された移動電極を示し、構成要素４２０は両重錘体を接続する伸縮性をもった中間部材を示している。基板１００上に配置された各固定電極の上空に、図に破線で示すような移動電極４３１，４３２が位置すると、対向する電極によってそれぞれ容量素子が形成される。すなわち、固定電極１４５Ａ，１４５Ｂ，１４５Ｃ，１４５Ｄと移動電極４３１とによって、容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂ，Ｃ５Ｃ，Ｃ５Ｄが形成され、固定電極１４６Ａ，１４６Ｂ，１４６Ｃ，１４６Ｄと移動電極４３２とによって、容量素子Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂ，Ｃ６Ｃ，Ｃ６Ｄが形成される。ここで、容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂ，Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂを用いて、第２６図の左半分に示す回路を構成すれば、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが検出できることは既に述べたとおりである。ここでは、容量素子Ｃ５Ｃ，Ｃ５Ｄ，Ｃ６Ｃ，Ｃ６Ｄを用いて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚが検出できることを示そう。
いま、このセンサに外力が作用しない状態において、ロータ４００が一定速度で回転運動を行っている場合を考える。そして、この定常状態において、重錘体４１１，４１２がＸ軸上空を通過する瞬間に、各固定電極と各移動電極とが第４０図の平面図に示すような位置関係を保つように、各固定電極が配置されていたものとする。この場合、各固定電極のうち、ハッチングを施した部分が移動電極に対向した部分となる。別言すれば、容量素子は、このハッチングを施した領域にのみ形成されることになる。ここで留意すべき点は、角速度ωｘ検出用の固定電極１４５Ａ，１４５Ｂ，１４６Ａ，１４６Ｂは、いずれも全面にハッチングが施され、全面が容量素子の形成に関与するのに対し、角速度ωｚ検出用の固定電極１４５Ｃ，１４５Ｄ，１４６Ｃ，１４６Ｄは、いずれも図の左半分にのみハッチングが施されている点である。要するに、固定電極１４５Ａ，１４５Ｂ，１４６Ａ，１４６Ｂは、Ｙ軸に対して対称になる位置に形成されているのに対し、固定電極１４５Ｃ，１４５Ｄは、外側（Ｚ軸から遠ざかる方向）に所定のオフセット量だけシフトした位置に形成され、固定電極１４６Ｃ，１４６Ｄは、内側（Ｚ軸に近付く方向）に所定のオフセット量だけシフトした位置に形成されていることになる。
さて、ここで、このセンサ全体にＺ軸まわりの角速度ωｚが作用した場合を考える。既に、§９で説明したように、角速度ωｚが作用すると、各重錘体４１１−４１４には円運動の半径方向に沿ったコリオリ力が加わる。ロータ４００では、各重錘体が伸縮性を有する中間部材４２０（アーム４２１−４２４）によって接続されているため、このコリオリ力により、重錘体の軌道は外側（角速度ωｚの向きによっては内側）に変化することになる。たとえば、各重錘体の軌道が外側に変化したとすれば、Ｘ軸周辺の固定電極と移動電極との位置関係は第４１図のようになる。すなわち、正のＸ軸上空を通過中の移動電極４３１は、Ｘ軸正方向のコリオリ力Ｆcxの作用により、Ｘ軸正方向に所定量Δｒだけ変位することになり、負のＸ軸上空を通過中の移動電極４３２は、Ｘ軸負方向のコリオリ力−Ｆcxの作用により、Ｘ軸負方向に所定量Δｒだけ変位することになる。
移動電極の位置がこのように変位した場合、Ｘ軸まわりの角速度ωｘの検出に用いられる固定電極１４５Ａ，１４５Ｂ，１４６Ａ，１４６Ｂによって構成される容量素子の電極面積（図のハッチング部分の面積）には、変化は生じない。逆に言えば、中間部材４２０の伸縮に基づいて、重錘体の軌道が円運動の半径方向へ変位しても、固定電極１４５Ａ，１４５Ｂ，１４６Ａ，１４６Ｂは、常にその全面積が移動電極に対向した状態になるように配置されていることになる。このため、Ｚ軸まわりの角速度ωｚは、Ｘ軸まわりの角速度ωｘの検出には干渉しない。同じ理由により、Ｚ軸まわりの角速度ωｚは、Ｙ軸まわりの角速度ωｙの検出にも干渉しない。
一方、Ｚ軸まわりの角速度ωｚの検出に用いられる固定電極１４５Ｃ，１４５Ｄ，１４６Ｃ，１４６Ｄによって構成される容量素子の電極面積（図のハッチング部分の面積）には、変化が生じている。ここで、固定電極１４５Ｃ，１４５Ｄ，１４６Ｃ，１４６Ｄと移動電極４３１，４３２とによって構成される容量素子を、それぞれ容量素子Ｃ５Ｃ，Ｃ５Ｄ，Ｃ６Ｃ，Ｃ６Ｄと呼ぶことにすると、第４１図に示す状態では、容量素子Ｃ５Ｃ，Ｃ５Ｄは電極面積の増加によって静電容量値は増加し、容量素子Ｃ６Ｃ，Ｃ６Ｄは電極面積の減少によって静電容量値は減少することになる。
ところで、静電容量値の測定のために、回転運動を行うロータ４００に対して配線を行うことは困難であるが、それぞれ一対の固定電極を形成しておくことにより、上述した各静電容量の値は、基板１００側に配線を行っておくだけで測定可能になる。すなわち、直列接続された一対の容量素子Ｃ５Ｃ，Ｃ５Ｄ全体を１つの容量素子Ｃ５とみなし、直列接続された一対の容量素子Ｃ６Ｃ，Ｃ６Ｄ全体を１つの容量素子Ｃ６とみなせば、容量素子Ｃ５の静電容量値は固定電極１４５Ｃと１４５Ｄとの間の静電容量値として測定でき、容量素子Ｃ６の静電容量値は固定電極１４６Ｃと１４６Ｄとの間の静電容量値として測定できる。
第４２図は、角速度ωｚを検出するための具体的な回路構成例を示す回路図である。容量素子Ｃ５，Ｃ６の静電容量値は、静電容量値Ｃを電圧値Ｖに変換する機能をもったＣ／Ｖ変換回路３３１，３３２によって、それぞれ電圧値Ｖ５，Ｖ６に変換され、差動増幅器３３３によって、電圧値Ｖ５とＶ６との差が演算されて出力される。この出力電圧は、作用したコリオリ力の符号を考慮した差（Ｆcx−（−Ｆcx））を示すものになり、作用したＺ軸まわりの角速度ωｚに相当する値になる。
なお、加速度が作用する環境下であっても、差動増幅器３３３の出力電圧が加速度による影響を受けることはない。たとえば、Ｘ軸方向の加速度αｘが作用した場合、第４３図に示すように、加速度αｘに基づく力Ｆaxにより、移動電極４３１，４３２がともにＸ軸方向に変位することになるが、容量素子Ｃ５Ｃ，Ｃ５Ｄ，Ｃ６Ｃ，Ｃ６Ｄの電極面積は、いずれも同じ量だけ増加するため、差動増幅器３３３によって差分をとることにより、この増加分はキャンセルされることになる。また、Ｙ軸方向の加速度αｙが作用した場合、移動電極４３１，４３２はＹ軸方向に若干変位することになるが、容量素子Ｃ５Ｃ，Ｃ５Ｄ，Ｃ６Ｃ，Ｃ６Ｄの電極面積には変動はなく、これら各容量素子の静電容量値に影響はない。更に、Ｚ軸方向の加速度αｚが作用した場合、容量素子Ｃ５Ｃ，Ｃ５Ｄ，Ｃ６Ｃ，Ｃ６Ｄの電極間隔が、いずれも同じ量だけ増減するため、静電容量値も同じ量だけ増減することになる。しかしながら、差動増幅器３３３によって差分をとることにより、この増減分はキャンセルされることになる。
第３５図に示した基本原理によれば、加速度成分をキャンセルするために、正のＸ軸上距離測定手段８１の出力と負のＸ軸上距離測定手段８２の出力との和を演算手段８３によって求めていた。それに対し、ここに示す実施例では、加速度成分をキャンセルするために、差動増幅器３３３を用いて差を求めている。このように、前者では和を求め、後者では差を求めているが、両者は原理的には等価である。すなわち、前者では距離ｒに関する和を求めているのに対し、後者では静電容量値Ｃの差を求めているのであり、このように両者で取り扱いが異なるのは、同じ現象に対して、距離ｒの増減と静電容量値Ｃの増減とはそのふるまいが異なるため当然である。たとえば、第４０図の状態における重錘体の円運動半径をｒとし、第４１図の状態における重錘体の円運動半径をｒ＋Δｒとする。第３５図に示した基本原理によれば、位相が１８０°ずれた一対の重錘体の中心軸からの距離の和に基づいてＺ軸まわりの角速度ωｚを求めることになる。したがって、距離の和は、第４０図の状態では「２ｒ」であったのに、第４１図の状態では「２ｒ＋２Δｒ」となっており、両状態の変動分である「２Δｒ」が作用した角速度ωｚを示す値となる。ところが、この実施例における電極配置によれば、静電容量値Ｃの増減は、必ずしも距離ｒの増減には一致しない。すなわち、第４１図を見ればわかるように、容量素子Ｃ５Ｃ，Ｃ５Ｄの容量値は距離ｒの増加によって増加するのに対し、容量素子Ｃ６Ｃ，Ｃ６Ｄの容量値は距離ｒの増加によって減少する。このため、第４２図に示す回路図では、差動増幅器３３３によって、容量値Ｃ６に対応する電圧値Ｖ６の符号を反転させているのであり、差動増幅器３３３の行っている「静電容量値Ｃの差を求める演算」は、「距離ｒの和を求める演算」と等価である。
§１１． 三次元角速度センサの変形例
第４４図は、§１０で述べた三次元角速度センサの変形例を示す側断面図である。このセンサは、§１０で述べたセンサのロータ４００を、ロータ４５０に置き換えたものである。ロータ４００とロータ４５０との相違点は、重錘体４１１−４１４を接続するための伸縮性をもったアームの構造だけである。すなわち、ロータ４００で用いられていたアーム４２１−４２４は、上面から見たときにジグザグの構造を採っていたが、第４４図に示す変形例のロータ４５０では、側面から見たときにジグザグの構造を有するアーム４４１−４４４（アーム４４３，４４４は図示されていない）が用いられている。
伸縮性をもったアームとしては、この他にも種々の構造のものを利用することが可能であり、たとえば、コイルスプリング状のアームを用いてもかまわない。ただ、半導体基板にマイクロマシニング技術を利用してロータを形成する場合には、これまで述べた例のように、板ばねをジグザグ構造にしたものを用いると製造が容易である。
第４５図は、§１０で述べた三次元角速度センサにおけるロータを、反転回転運動させる構造にした変形例である。ロータ５００は、第４４図に示すロータ４５０とほぼ同じ構造を有する。すなわち、４個の重錘体５１１−５１４が、側面から見たときにジグザグの構造を有するアーム５４１−５４４によって中心部材５６０に接続されている（重錘体５１３，５１４，アーム５４３，５４４は図示されていない）。重錘体５１１−５１４および中心部材５６０の下面には、移動電極５３１−５３４，５６５が形成され（移動電極５３３，５３４は図示されていない）、中心部材５６０は電極５６５および支持体５７０を介して基板１００上に固着されている。支持体５７０は、Ｚ軸まわりに捩じれを生じることができる構造を有し、ロータ５００は§８で述べたような反転回転運動を行うことが可能になる。このセンサの動作は、ロータ５００が反転回転運動を行う点を除いて、§１０で述べたセンサの動作と全く同じであり、ここでは詳しい説明は省略する。
産業上の利用可能性
本発明に係る角速度センサを被測定対象物に装着すると、この対象物に作用するＸ軸まわりの角速度ωｘおよびＹ軸まわりの角速度ωｙを同時に検出することが可能になり、しかも加速度成分の影響を受けない正確な検出値を得ることが可能になる。この角速度センサは、マイクロマシニング技術および半導体技術を利用して製造することが可能であり、小型化および大量生産に適している。したがって、産業用機械、産業用ロボット、自動車、航空機、船舶などに搭載し、運動状態の認識、あるいは運動に対するフィードバック制御を行う上でのセンサとして広く利用できるものである。また、カメラの撮影時における手振れを補正する制御にも利用できる。
本発明は角速度センサに関し、特に、マイクロマシニング技術および半導体技術を利用した大量生産に適する角速度センサに関する。
背景技術
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。加速度センサに関しては、従来から種々のタイプのものが提案されており、作用した加速度を二次元あるいは三次元的に正確に検出可能な小型のセンサが実用化に至っている。たとえば、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ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を利用した加速度センサが開示されている。また、特許協力条約に基づく国際公開第ＷＯ９２／１７７５９号公報（米国特許第５４９２０２０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おり、特許協力条約に基づく国際公開第ＷＯ９３／０２３４２号公報（米国特許第５３６５７９９号）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。
これに対して、角速度センサについての文献は比較的少ない。特に、多軸まわりの角速度を同時に検出できる角速度センサに関する文献は、ほとんど見受けられない。通常、角速度センサは車両の動力軸などの角速度を検出するために利用されており、ある特定の一軸まわりの角速度を検出する機能しかもたない。このような動力軸の回転速度を求めるような場合には、一次元の角速度センサを用いれば十分であるが、三次元空間内において自由運動する物体についての角速度を検出するセンサとしては、二軸もしくは三軸まわりの角速度を同時に検出することができる多軸角速度センサが望まれる。
このような需要に応えるため、本願発明者は、特許協力条約に基づく国際公開第ＷＯ９４／２３２７２号公報（米国特許出願第０８／３６６０２６号）および日本国特許出願第７−５６６９０／１９９５号明細書（米国特許出願第０８／６０１７９４号）に、新規な多軸角速度センサを提案した。この新規な角速度センサは、ＸＹＺ三次元直交座標系において、第１の座標軸方向に運動中の物体に対して、第２の座標軸まわりに角速度が作用すると、第３の座標軸方向にコリオリ力が発生するという原理を利用したもので、発生したコリオリ力を検出することにより、作用した角速度を間接的に検出するものである。コリオリ力の検出には、従来の加速度センサで培われてきた技術が応用されており、ピエゾ抵抗素子、容量素子、圧電素子などが利用される。
本発明の目的は、上述の原理に基づく角速度センサのより具体的かつ実用的なメカニズムを提供することにあり、特に、マイクロマシニング技術および半導体技術を利用した多軸角速度センサを実現するための新規な手法を提供することにある。本発明の適用により、小型で高精度な多軸角速度センサを大量生産することが可能になる。
発明の開示
(1) 本発明の第１の態様は、
ＸＹＺ三次元座標系におけるＸＹ平面に沿った上面を有する基板と、
基板上面に直交するＺ軸を回転軸として前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行う第１の重錘体および第２の重錘体と、
外力が作用しない状態において、前記第１の重錘体が、前記基板上面に対して一定の距離を保ちつつ、正のＸ軸を時計回りの方向へ横切るような回転と反時計回りの方向へ横切るような回転とを交互に繰り返す反転回転運動を行うようにエネルギーを供給するとともに、前記第２の重錘体が、前記基板上面に対して一定の距離を保ちつつ、負のＸ軸を時計回りの方向へ横切るような回転と反時計回りの方向へ横切るような回転とを交互に繰り返す反転回転運動を行うようにエネルギーを供給するエネルギー供給手段と、
前記第１の重錘体が正のＸ軸上空を通過した時点において前記基板上面と通過中の前記第１の重錘体との距離を測定する正のＸ軸上方距離測定手段と、
前記第２の重錘体が負のＸ軸上空を通過した時点において前記基板上面と通過中の前記第２の重錘体との距離を測定する負のＸ軸上方距離測定手段と、
を備え、
前記正のＸ軸上方距離測定手段によって測定された距離と、前記負のＸ軸上方距離測定手段によって測定された距離と、に基づいて、前記基板に作用したＸ軸まわりの角速度を検出する機能を有する角速度センサを構成し、
前記正のＸ軸上方距離測定手段は、前記基板上面の正のＸ軸の近傍に互いに隣接して配置された一対の電極からなる第１の固定電極対と、前記第１の固定電極対を構成する一対の電極の双方に対向可能となるように前記第１の重錘体の下面に形成された第１の移動電極と、前記第１の固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第１の検出回路と、を有し、前記第１の固定電極対を構成する一対の電極のそれぞれと前記第１の移動電極とによって構成される一対の容量素子を直列接続して得られる容量素子の静電容量値を前記第１の検出回路によって検出することにより距離の測定を行う機能を有し、
前記負のＸ軸上方距離測定手段は、前記基板上面の負のＸ軸の近傍に互いに隣接して配置された一対の電極からなる第２の固定電極対と、前記第２の固定電極対を構成する一対の電極の双方に対向可能となるように前記第２の重錘体の下面に形成された第２の移動電極と、前記第２の固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第２の検出回路と、を有し、前記第２の固定電極対を構成する一対の電極のそれぞれと前記第２の移動電極とによって構成される一対の容量素子を直列接続して得られる容量素子の静電容量値を前記第２の検出回路によって検出することにより距離の測定を行う機能を有する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、
エネルギー供給手段が、第１の重錘体の反転回転運動の回転方向と第２の重錘体の反転回転運動の回転方向とが同じになるように各重錘体に対するエネルギーの供給を行うようにし、
正のＸ軸上方距離測定手段によって測定された距離と負のＸ軸上方距離測定手段によって測定された距離との差を求める差分演算手段を設け、この差分演算手段によって求めた差に基づいて、基板に作用したＸ軸まわりの角速度を検出する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、
基板上面に直交するＺ軸を回転軸として前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行う第３の重錘体および第４の重錘体と、
外力が作用しない状態において、前記第３の重錘体が、前記基板上面に対して一定の距離を保ちつつ、正のＹ軸を時計回りの方向へ横切るような回転と反時計回りの方向へ横切るような回転とを交互に繰り返す反転回転運動を行うようにエネルギーを供給するとともに、前記第４の重錘体が、前記基板上面に対して一定の距離を保ちつつ、負のＹ軸を時計回りの方向へ横切るような回転と反時計回りの方向へ横切るような回転とを交互に繰り返す反転回転運動を行うようにエネルギーを供給し、かつ、前記第３の重錘体の反転回転運動の回転方向と前記第４の重錘体の反転回転運動の回転方向とが同じになるように各重錘体に対するエネルギーの供給を行うエネルギー供給手段と、
前記第３の重錘体が正のＹ軸上空を通過した時点において前記基板上面と通過中の前記第３の重錘体との距離を測定する正のＹ軸上方距離測定手段と、
前記第４の重錘体が負のＹ軸上空を通過した時点において前記基板上面と通過中の前記第４の重錘体との距離を測定する負のＹ軸上方距離測定手段と、
前記正のＹ軸上方距離測定手段によって測定された距離と前記負のＹ軸上方距離測定手段によって測定された距離との差を求める差分演算手段と、
を更に設け、前記差に基づいて、前記基板に作用したＹ軸まわりの角速度を検出する機能をもたせるようにし、
前記正のＹ軸上方距離測定手段は、前記基板上面の正のＹ軸の近傍に互いに隣接して配置された一対の電極からなる第３の固定電極対と、前記第３の固定電極対を構成する一対の電極の双方に対向可能となるように前記第３の重錘体の下面に形成された第３の移動電極と、前記第３の固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第３の検出回路と、を有し、前記第３の固定電極対を構成する一対の電極のそれぞれと前記第３の移動電極とによって構成される一対の容量素子を直列接続して得られる容量素子の静電容量値を前記第３の検出回路によって検出することにより距離の測定を行う機能を有し、
前記負のＹ軸上方距離測定手段は、前記基板上面の負のＹ軸の近傍に互いに隣接して配置された一対の電極からなる第４の固定電極対と、前記第４の固定電極対を構成する一対の電極の双方に対向可能となるように前記第４の重錘体の下面に形成された第４の移動電極と、前記第４の固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第４の検出回路と、を有し、前記第４の固定電極対を構成する一対の電極のそれぞれと前記第４の移動電極とによって構成される一対の容量素子を直列接続して得られる容量素子の静電容量値を前記第４の検出回路によって検出することにより距離の測定を行う機能を有するようにしたものである。
(4) 本発明の第４の態様は、上述の第３の態様に係る角速度センサにおいて、
第１の重錘体および第２の重錘体の反転回転運動の回転方向と、第３の重錘体および第４の重錘体の反転回転運動の回転方向と、が常に逆向きになるように設定したものである。
(5) 本発明の第５の態様は、上述の第３または第４の態様に係る角速度センサにおいて、
第１の重錘体が正のＸ軸上空に位置するときに、第２の重錘体が負のＸ軸上空に位置し、第３の重錘体が正のＹ軸上空に位置し、第４の重錘体が負のＹ軸上空に位置するように、前記第１の重錘体、前記第２の重錘体、前記第３の重錘体、前記第４の重錘体を中間部材を介して結合したものである。
(6) 本発明の第６の態様は、上述の第１〜第５の態様に係る角速度センサにおいて、
Ｚ軸まわりに捩じれを生じることができる材質からなる支持体を基板上面に固着し、各重錘体をこの支持体によって支持するようにしたものである。
(7) 本発明の第７の態様は、上述の第１〜第６の態様に係る角速度センサにおいて、
用いる複数の重錘体の形状および質量を同一にしたものである。
(8) 本発明の第８の態様は、上述の第１〜第７の態様に係る角速度センサにおいて、
各重錘体の少なくとも一部分を誘電体で構成し、
エネルギー供給手段を、前記重錘体の回転運動経路に沿って配置した複数の電極と、これら複数の電極に対してそれぞれ位相の異なる交流電圧を供給する電圧供給回路と、によって構成したものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、Ｘ軸およびＹ軸まわりの角速度ωｘ，ωｙを検出するための角速度センサの基本構成を示す斜視図である。
第２図は、移動中の物体に角速度が作用した場合に、コリオリ力が作用する原理を示す斜視図である。
第３図は、第１図に示す角速度センサの動作を説明する斜視図である。
第４図は、加速度が作用する環境下において、加速度の成分をキャンセルしつつ、Ｘ軸およびＹ軸まわりの角速度ωｘ，ωｙを検出するための角速度センサの基本構成を示す斜視図である。
第５図は、第４図に示す角速度センサの動作を説明する斜視図である。
第６図は、第４図に示す角速度センサの変形例を示す斜視図である。
第７図は、第６図に示す角速度センサのロータ部分の具体的な構造例を示す平面図である。
第８図は、第７図に示すロータの変形例を示す平面図である。
第９図は、第７図に示すロータの更に別な変形例を示す平面図である。
第１０図は、第７図に示すロータを反転回転運動（振動運動）させる動作態様を示す平面図である。
第１１図は、第７図に示すロータを、回転振動成分をキャンセルさせる方法で反転回転運動させる第１の動作態様を示す平面図である。
第１２図は、第７図に示すロータを、回転振動成分をキャンセルさせる方法で反転回転運動させる第２の動作態様を示す平面図である。
第１３図は、ロータを連続回転運動させるタイプの本発明の具体的な実施例に係る角速度センサの平面図である。
第１４図は、第１３図に示す角速度センサをＸ軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。
第１５図は、第１３図に示す角速度センサのロータのみを示す平面図である。
第１６図は、第１３図に示す角速度センサからロータを取り外した状態を示す平面図である。
第１７図は、第１３図に示す角速度センサの動作を説明するための平面図である。
第１８図は、第１３図に示す角速度センサの動作を説明するためのＸ軸に沿った切断面を示す側断面図である。
第１９図は、第１３図に示す角速度センサのステータに所定の電圧を与えることによりロータを回転させる原理を示す平面図である。
第２０図は、第１３図に示す角速度センサのステータに所定の電圧を与えることによりロータを回転させる原理を示す別な平面図である。
第２１図は、第１３図に示す角速度センサのステータに与えるべき交流電圧を示す波形図である。
第２２図は、第１３図に示す角速度センサのロータ側に形成された移動電極とステータ側に形成された固定電極とにより構成される容量素子を示すためにＸ軸に沿った切断面を示す側断面図である。
第２３図は、第１３図に示す角速度センサのロータ側に形成された移動電極とステータ側に形成された固定電極とにより構成される容量素子を示すためにＹ軸に沿った切断面を示す側断面図である。
第２４図は、第１３図に示す角速度センサのロータ側に形成された移動電極とステータ側に形成された固定電極とにより構成される容量素子を示す平面図である。
第２５図は、第１３図に示す角速度センサにおいて、ロータ回転中にＸ軸まわりの角速度ωｘが作用した場合のＸ軸に沿った切断面を示す側断面図である。
第２６図は、第１３図に示す角速度センサについて用いられる検出回路を示す回路図である。
第２７図は、第１３図に示す角速度センサに用いられる固定電極の別な配置例を示す平面図である。
第２８図は、ロータを反転回転運動（振動運動）させるタイプの本発明の具体的な実施例に係る角速度センサのＸ軸に沿った切断面を示す側断面図である。
第２９図は、第２８図に示す角速度センサの主要な構成要素の配置を示す平面図である。
第３０図は、第２８図に示す角速度センサにおいて、ロータを反転回転運動させる動作態様を示す平面図である。
第３１図は、第２８図に示す角速度センサにおいて、回転振動成分をキャンセルさせる方法でロータを反転回転運動させる第１の動作態様を示す平面図である。
第３２図は、第２８図に示す角速度センサにおいて、回転振動成分をキャンセルさせる方法でロータを反転回転運動させる第２の動作態様を示す平面図である。
第３３図は、第２８図に示す角速度センサにおいて、回転振動成分をキャンセルさせる方法でロータを反転回転運動させる第３の動作態様を示す平面図である。
第３４図は、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出するための角速度センサの基本構成を示す斜視図である。
第３５図は、加速度が作用する環境下において、加速度の成分をキャンセルしつつ、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出するための角速度センサの基本構成を示す斜視図である。
第３６図は、三軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚを検出することができる三次元角速度センサの具体的な実施例を示す平面図である。
第３７図は、第３６図に示す角速度センサをＸ軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。
第３８図は、第３６図に示す角速度センサのロータのみを示す平面図である。
第３９図は、第３６図に示す角速度センサからロータを取り外した状態を示す平面図である。
第４０図は、第３６図に示す角速度センサに外力が作用していないときに形成される容量素子を示す平面図である。
第４１図は、第３６図に示す角速度センサにＺ軸まわりの角速度ωｚが作用しているときに形成される容量素子を示す平面図である。
第４２図は、第３６図に示す角速度センサについて用いられる検出回路の一部を示す回路図である。
第４３図は、第３６図に示す角速度センサにＸ軸方向の加速度αｘが作用しているときに形成される容量素子を示す平面図である。
第４４図は、第３６図に示す角速度センサについて、ロータの構造を変えた変形例を示す側断面図である。
第４５図は、第３６図に示す角速度センサについて、ロータを反転回転運動（振動運動）させるタイプに変えた変形例を示す側断面図である。
発明を実施するための最良の形態
§１． 本発明の基本原理
はじめに、本発明に係る角速度センサの基本原理を第１図を参照しながら説明する。この第１図に示す角速度センサは、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸およびＹ軸まわりの角速度ωｘ，ωｙを検出する機能を有する。基板１０は、平坦な上面１１を有し、装置筐体として機能する。ここで、ＸＹＺ三次元座標系は、この上面１１がＸＹ平面に含まれるように定義されており、原点Ｏから上方に伸びるＺ軸は、上面１１に直交する軸となる。いま、所定の質量をもった重錘体２０を用意し、この重錘体２０をＺ軸を回転軸として図の軌道Ｃに沿って回転運動させたとする。すなわち、重錘体２０は、基板１０の上面１１に対して非接触の状態で回転運動を行うことになる。このとき、エネルギー供給手段３０から重錘体２０に対して回転運動のためのエネルギーを供給するようにし、重錘体２０が上面１１に対して一定の距離ｈを保ちながら回転運動を行うようにする。
もちろん、実際の角速度センサでは、重錘体２０を基板１０に対して支持するための具体的な機構や、上面１１に非接触状態で一定の距離ｈを維持しつつ回転運動させるための具体的な機構が必要になるが、そのような具体的な機構については§５以降において詳述する。ここでは、コリオリ力や加速度に基づく力などの系外からの余分な力（外力）が加わらない限り（すなわち、基板１０が静止状態にある限り）、上面１１から常に一定の距離ｈを維持しつつ、重錘体２０に回転運動をさせるような何らかの機構が設けられているものとする。
この角速度センサは、更に、重錘体２０がＸ軸上空を通過した時点において、上面１１と通過中の重錘体２０との距離を測定するＸ軸上方距離測定手段４０と、重錘体２０がＹ軸上空を通過した時点において、上面１１と通過中の重錘体２０との距離を測定するＹ軸上方距離測定手段５０とを備えている。上述したように、系外からの力が作用しない状態では、重錘体２０は常に上面１１から距離ｈの高さの位置を運動する。別言すれば、方程式Ｚ＝ｈで示される平面上の円軌道Ｃに沿って重錘体２０は移動する。したがって、この状態では、Ｘ軸上方距離測定手段４０による測定値も、Ｙ軸上方距離測定手段５０による測定値も、いずれも定常状態の距離ｈとなる。
しかしながら、この系全体がＸ軸まわりの角速度ωｘもしくはＹ軸まわりの角速度ωｙをもって回転運動していた場合、別言すれば、基板１０に対して角速度ωｘあるいはωｙが作用していた場合、この角速度に基づくコリオリ力が重錘体２０に作用することになり、重錘体２０の運動は本来の円軌道Ｃから外れることになる。
ここで、運動中の物体に作用する角速度とコリオリ力との関係を第２図を参照して簡単に説明しておく。いま、第２図に示すように、ＸＹＺ三次元座標系内において、所定の質量ｍをもった重錘体２０がＹ軸方向に所定の速度Ｖｙで運動している場合を考える。このとき、この座標系全体が、Ｘ軸まわりの角速度ωｘをもって回転していたとすると、この座標系内における重錘体２０の運動は、Ｚ軸方向の外力Ｆczが発生したものとして取り扱うことができる。この外力Ｆczは、この系内でのみ現れるみかけの力であり、コリオリ力と呼ばれ、
Ｆcz＝２・ｍ・Ｖｙ・ωｘ
なる式で定義される。第２図に示す例では、このコリオリ力Ｆczの作用により、Ｙ軸方向に移動中の重錘体２０の軌道は、Ｚ軸方向に曲げられることになる。
そこで、第１図に示す系全体に、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが加えられた場合の重錘体２０に対するコリオリ力の作用について考える。第３図に示すように、重錘体２０は、Ｘ軸の上方を通過する瞬間に、円軌道Ｃの接線方向であるＹ軸方向の速度成分Ｖｙを有している。したがって、この瞬間に系全体にＸ軸まわりの角速度ωｘが作用した場合、Ｚ軸方向にコリオリ力Ｆczが作用することになる。エネルギー供給手段３０は、重錘体２０を当初の円軌道Ｃ（角速度ωｘ＝０のときに予定されていた軌道）に沿って回転移動させるためのエネルギーを供給しているが、重錘体２０にＺ軸方向のコリオリ力Ｆczが加わると、重錘体２０は当初の円軌道ＣからＺ軸方向にΔｈだけ外れて、図に示すように、基板上面１１から距離ｈ＋Δｈだけ離れた地点を通過することになる。当初の円軌道Ｃからの隔たりΔｈは、作用したコリオリ力Ｆczに関連した値となる。前述したように、このコリオリ力Ｆczの大きさは、
Ｆcz＝２・ｍ・Ｖｙ・ωｘ
なる式により定義されるので、重錘体２０の質量ｍおよび運動速度Ｖｙを一定にしておけば、コリオリ力Ｆczは角速度ωｘに比例した値となり、結局、重錘体２０がＸ軸上方を通過する時点における当初の円軌道Ｃからの隔たりΔｈを、角速度ωｘを示す値として用いることができる。また、ｈは一定であるから、重錘体２０と基板上面１１との距離ｈ＋Δｈを測定することができれば、角速度ωｘの値を得ることができる。
第１図に示した角速度センサは、このような原理に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘおよびＹ軸まわりの角速度ωｙを検出する機能を有する。すなわち、センサ筐体としての基板１０を被測定対象物に取り付け、エネルギー供給手段３０からエネルギーを供給すると、重錘体２０は円軌道Ｃに沿って回転運動する。この状態において、Ｘ軸上方距離測定手段４０からは、重錘体２０がＸ軸上方を通過したときの基板上面１１からの距離の測定値が出力され、Ｙ軸上方距離測定手段５０からは、重錘体２０がＹ軸上方を通過したときの基板上面１１からの距離の測定値が出力される。したがって、Ｘ軸上方距離測定手段４０の出力は、基板１０のＸ軸まわりの角速度ωｘ（すなわち、被測定対象物の角速度ωｘ）を示すものになり、Ｙ軸上方距離測定手段５０の出力は、基板１０のＹ軸まわりの角速度ωｙ（すなわち、被測定対象物の角速度ωｙ）を示すものになる。
なお、逆向きの角速度が作用した場合には、発生するコリオリ力の向きが逆転し、円軌道Ｃからの隔たりΔｈの符号が逆転することになるので、重錘体２０と基板上面１１との距離ｈが増えたか減ったかによって、作用した角速度の向きを認識することができる。
§２． 加速度成分のキャンセル
角速度センサを実際に使用する環境を考えた場合、純然たる角速度のみが作用する環境は非常にまれであり、通常は、加速度と角速度との双方が作用する環境下で使用されることが多い。このような一般的な環境下での使用を前提とした場合、加速度の影響を受けることなく、角速度のみを正確に検出する機能が必要になる。
前述の§１で述べた角速度センサは、実は、加速度が作用する環境下では、正確な角速度の検出を行うことはできない。すなわち、第３図において、角速度ωｘのみが作用している環境下では、隔たりΔｈは角速度ωｘに比例したコリオリ力Ｆczのみに基づく量になり、測定されたΔｈの値は、角速度ωｘを示すものになる。ところが、この系全体に、Ｚ軸方向の加速度αｚが作用していた場合には、この加速度αｚに基づく力Ｆazが重錘体２０に加わることになり、隔たりΔｈは角速度ωｘに比例したコリオリ力Ｆczと加速度αｚに基づく力Ｆazとの双方によって決定される量になるため、測定されたΔｈの値には加速度成分が含まれることになり、正確な角速度ωｘを求めることはできない。
もちろん、§１で述べた角速度センサとともに、一般的な加速度センサを併用するようにして、この加速度センサが検出した加速度の値によって、角速度センサの検出値に対する補正を行い、加速度成分をキャンセルすることも可能である。しかしながら、常に加速度センサとの併用を前提とした装置構成は複雑にならざるを得ず、装置の小型化およびコストダウンという見地から好ましくない。この§２で述べる角速度センサは、基本的には§１で述べた角速度センサの原理を採用しているものの、加速度成分をキャンセルした検出値を容易に得ることが可能である。
第４図に、この加速度成分をキャンセルする機能をもった角速度センサの基本構成を示す。このセンサの特徴は、軌道Ｃ上に一対の重錘体２１，２２を設けた点にある。いずれの重錘体も、エネルギー供給手段３０からのエネルギーの供給を受けて、Ｚ軸を回転軸として基板上面１１に対して非接触の状態で回転運動を行う。ただし、図示のとおり、第１の重錘体２１が正のＸ軸上空に位置するときに、第２の重錘体２２は負のＸ軸上空に位置するように、第１の重錘体と前記第２の重錘体とは、互いに位相が１８０°ずれた状態で回転運動を行う。したがって、第１の重錘体２１が正のＹ軸上空に位置するときには、第２の重錘体２２は負のＹ軸上空に位置することになる。
また、この角速度センサには、４組の距離測定手段が設けられている。すなわち、正のＸ軸上方距離測定手段４１は、いずれかの重錘体が正のＸ軸上空（第４図において、第１の重錘体２１が存在する地点）を通過した時点において基板上面１１と通過中の重錘体との距離を測定する機能を有し、負のＸ軸上方距離測定手段４２は、いずれかの重錘体が負のＸ軸上空（第４図において、第２の重錘体２２が存在する地点）を通過した時点において基板上面１１と通過中の重錘体との距離を測定する機能を有する。また、正のＹ軸上方距離測定手段５１は、いずれかの重錘体が正のＹ軸上空を通過した時点において基板上面１１と通過中の重錘体との距離を測定する機能を有し、負のＹ軸上方距離測定手段５２は、いずれかの重錘体が負のＹ軸上空を通過した時点において基板上面１１と通過中の重錘体との距離を測定する機能を有する。
更に、正のＸ軸上方距離測定手段４１によって測定された距離と負のＸ軸上方距離測定手段４２によって測定された距離との差を求めるための第１の差分演算手段４３と、正のＹ軸上方距離測定手段５１によって測定された距離と負のＹ軸上方距離測定手段５２によって測定された距離との差を求めるための第２の差分演算手段５３と、が備わっており、最終的に、これら差分演算手段４３，５３の出力に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘおよびＹ軸まわりの角速度ωｙが検出されることになる。
続いて、この角速度センサにおける検出原理および加速度成分がキャンセルされる理由について述べる。いま、第４図に図示されているように、Ｚ＝ｈで示される平面上に含まれる円軌道Ｃ上を、互いに位相が１８０°ずれた状態で一対の重錘体２１，２２が回転運動を行うように、エネルギー供給手段３０からエネルギーが供給されている状態を考える。この状態では、図示のように、第１の重錘体２１は正のＸ軸上空をＹ軸正方向の速度Ｖｙをもって通過し、それと同時に、第２の重錘体２２は負のＸ軸上空をＹ軸負方向の速度−Ｖｙをもって通過する。このとき、もしこの系全体に対して、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが作用していたとすると、第５図に示すように、第１の重錘体２１に対しては、Ｚ軸正方向のコリオリ力Ｆczが加わり、第１の重錘体２１は当初の円軌道Ｃから上方に外れる。一方、第２の重錘体２２に対しては、Ｚ軸負方向のコリオリ力−Ｆczが加わり、第２の重錘体２２は当初の円軌道Ｃから下方に外れる。
いま、第１の重錘体２１と第２の重錘体２２とが、全く同一の形状を有し、全く同一の質量を有していたとする。ここで、両者は常に１８０°の位相差を保って回転運動をしているのであるから、回転運動の速度の絶対値も両者は同じになる。したがって、両重錘体に作用するコリオリ力の絶対値は同じになり、第１の重錘体２１がΔｈだけ円軌道Ｃから上方に外れ、基板上面１１からの距離ｈ＋Δｈの位置を通過したとすれば、第２の重錘体２２はΔｈだけ円軌道Ｃから下方に外れ、基板上面１１からの距離ｈ−Δｈの位置を通過することになる。したがって、正のＸ軸上方距離測定手段４１の出力はｈ＋Δｈとなり、負のＸ軸上方距離測定手段４２の出力はｈ−Δｈとなる。結局、差分演算手段４３からは、両者の差分である２・Δｈが出力される。この差分２・Δｈは、作用したコリオリ力Ｆcz（−Ｆcz）の大きさを示すものであり、Ｘ軸まわりの角速度ωｘの大きさを示すものになる。なお、作用した角速度ωｘの向きが逆の場合、コリオリ力の向きは逆転し、差分演算手段４３からの出力は−２・Δｈになる。したがって、差分演算手段４３から得られる出力信号の符号は角速度ωｘの向きを示し、出力信号の大きさは角速度ωｘの大きさを示すものとなる。
ここで、この系全体に対して加速度が作用していたとしても、この加速度は検出結果には何ら影響を与えない。すなわち、この系全体に何らかの加速度成分が作用していたとしても、この加速度成分に基づく力は、第１の重錘体２１と第２の重錘体２２との双方に加わることになるので、差分をとった段階でキャンセルされるのである。たとえば、第５図に示す例において、Ｚ軸方向の加速度αｚが作用したために、この加速度αｚに基づく力Ｆazに起因して、両重錘体がＺ軸正方向に更にΔｋだけ変位したとする。この場合、正のＸ軸上方距離測定手段４１の出力はｈ＋Δｈ＋Δｋとなり、負のＸ軸上方距離測定手段４２の出力はｈ−Δｈ＋Δｋとなり、差分演算手段４３から出力される差分は依然として２・Δｈとなる。すなわち、差分をとったために、加速度αｚの影響はキャンセルされたことになる。
このように、互いに位相が１８０°ずれた状態で回転運動を行う一対の重錘体を用いることにより、加速度成分をキャンセルすることが可能になる。
なお、上述の説明では、正のＸ軸上方距離測定手段４１および負のＸ軸上方距離測定手段４２と、これら両測定手段の出力の差分をとる差分演算手段４３とを用いて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出する動作を説明したが、正のＹ軸上方距離測定手段５１および負のＹ軸上方距離測定手段５２と、これら両測定手段の出力の差分をとる差分演算手段５３とを用いれば、全く同様の原理でＹ軸まわりの角速度ωｙを検出することが可能である。このように、両重錘体２１，２２が正のＸ軸上方および負のＸ軸上方を通過する瞬間にＸ軸まわりの角速度ωｘの検出を行い、正のＹ軸上方および負のＹ軸上方を通過する瞬間にＹ軸まわりの角速度ωｙの検出を行うようにすれば、角速度ωｘ，ωｙを交互に検出することができる。また、この検出周期は、重錘体２１，２２の回転速度によって調節可能である。
§３． 重錘体によるロータの構成
上述した§２では、一対の重錘体を互いに位相を１８０°ずらして回転運動させることにより、加速度成分をキャンセルする手法を説明した。原理的には、この一対の重錘体を、それぞれが全く別個独立した物体として構成してもかまわないが、実用上は、一対の重錘体を単一の構造体として用意するのが好ましい。また、少なくとも２個の重錘体を用いれば加速度成分のキャンセルは可能であるが、実用上は、より多数の重錘体を用いた方が好ましい。
ここでは、複数の重錘体を相互に結合することにより、ロータを形成する実施例を示すことにする。第６図に示す実施例は、４組の重錘体２１，２２，２３，２４をアーム６１，６２，６３，６４を介して結合することにより、ロータ６０を形成した例である。４本のアーム６１−６４は、Ｚ＝ｈの平面上に配置され、点Ｐにおいて相互に９０°の角度を保って結合されている。各アームの外側端部には、それぞれ重錘体２１−２４が結合されており、このようなロータ６０を、点Ｐを中心点として回転させれば、４つの重錘体２１−２４は、互いに９０°の位相差をもって円軌道Ｃ上を回転運動することになる。このように、互いに９０°の位相差をもって４つの重錘体２１−２４が配置されているため、図示の状態のように、第１の重錘体２１が正のＸ軸上空に位置するときには、第２の重錘体２２は負のＸ軸上空に位置し、第３の重錘体２３は正のＹ軸上空に位置し、第４の重錘体は負のＹ軸上空に位置するようになる。したがって、この瞬間に、各重錘体と基板上面１１との距離を測定するようにすれば、第１の重錘体２１および第２の重錘体２２に関する測定結果に基づきＸ軸まわりの角速度ωｘを検出することができ、同時に、第３の重錘体２３および第４の重錘体２４に関する測定結果に基づきＹ軸まわりの角速度ωｙを検出することができる。
なお、このような検出を行うためには、ロータ６０の中心点ＰがＺ軸上の所定位置に支持されるようにしなければならないが、その場合、次の２つの条件が満たされるような工夫が必要である。第１の条件は、各重錘体２１−２４がＺ軸を回転軸として回転移動できるようにするという条件であり、回転運動中の重錘体に作用するコリオリ力を検出するという本発明の基本原理を実現するためには、この条件は不可欠である。また、第２の条件は、各重錘体２１−２４がＺ軸方向に所定の自由度をもって移動自在となるようにするという条件であり、コリオリ力を基板上面１１からの距離の変化として検出するためには、各重錘体がＺ軸方向に必要な範囲内で移動できるような構成にしておくことが不可欠である。
第７図は、第６図に示したロータ６０のより実用的な構成を示す平面図である。４つの重錘体２１−２４は、４本のアーム６１−６４の外側端部に接続されており、４本のアーム６１−６４の内側端部は、中心点Ｐの近傍に配置された中心部材６５に接続されている。ロータ６０は、全体的に剛性を有し、中心点Ｐを中心として図の矢印で示すように回転する。
図示の瞬間には、第１の重錘体２１はＹ軸正方向の速度Ｖｙをもって正のＸ軸を通過し、第２の重錘体２２はＹ軸負方向の速度−Ｖｙをもって負のＸ軸を通過する。したがって、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが作用している環境下では、第１の重錘体２１に対しては、Ｚ軸正方向のコリオリ力Ｆczが作用し、第２の重錘体２２に対しては、Ｚ軸負方向のコリオリ力−Ｆczが作用し、両者の差分として角速度ωｘが検出される。同様に、第３の重錘体２３はＸ軸負方向の速度−Ｖｘをもって正のＹ軸を通過し、第４の重錘体２４はＸ軸正方向の速度Ｖｘをもって負のＹ軸を通過するので、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが作用している環境下では、第３の重錘体２３および第４の重錘体２４に対してそれぞれ逆方向のコリオリ力が作用し、両者の差分として角速度ωｙが検出される。
既に§２で説明したように、差分をとることにより加速度の影響はキャンセルすることができる。また、角速度ωｘの作用によっては、Ｘ軸方向の速度成分をもった第３の重錘体２３および第４の重錘体２４に対しては、何らコリオリ力は発生せず、同様に、角速度ωｙの作用によっては、Ｙ軸方向の速度成分をもった第１の重錘体２１および第２の重錘体２２に対しては、何らコリオリ力は発生しない。したがって、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｙとの双方が作用している環境下においても、両者をそれぞれ独立して同時に検出することが可能であり、両者間に干渉が生じることはない。
また、Ｚ軸まわりの角速度ωｚが作用していた場合、本発明に係る角速度センサでは、この角速度ωｚ自体を検出することはできないが、この角速度ωｚの存在によって、角速度ωｘあるいは角速度ωｚの検出結果が影響を受けることはない。たとえば、角速度ωｚに起因して第１の重錘体２１に対してＸ軸正方向に向かうコリオリ力Ｆcxが作用したとしても、第２の重錘体２２に対してはＸ軸負方向に向かうコリオリ力−Ｆcxが作用するため、ロータ６０全体としては、これらコリオリ力の影響はキャンセルされてしまうことになる。
以上のように、第７図に示すロータ６０を用いれば、このロータ６０が９０°回転するたびに、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｙとの双方の検出値を得ることができる。この検出周期を短くするには、ロータ６０の回転速度を高めてもよいが、重錘体の数を増やしてもよい。たとえば、第８図は、８個の重錘体２１−２８を含むロータ６８の平面図である。このようなロータ６８を用いれば、ロータ６８が４５°回転するたびに、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｙとの双方の検出値を得ることができ、第７図に示すロータ６０を用いた場合に比べて、回転速度が同じでも検出周期を１／２に短縮することができる。
なお、複数の重錘体を用いてロータを形成する場合には、個々の重錘体の形状および質量を同一にするのが好ましい。もちろん、形状あるいは質量の異なる複数の重錘体を用いても本発明は実現可能ではあるが、加速度成分をキャンセルするために質量やモーメントを考慮した補正演算を行う必要が生じるため実用的ではない。
第９図に示すロータ７０は、４本のアーム７１−７４と、その内側端部に接続された中心部材７５と、外側端部に接続された環状構造体７６とによって構成される。中心点ＰをＺ軸上に支持し、エネルギー供給手段３０から供給されるエネルギーを利用して、環状構造体７６をＺ軸を回転軸として基板上面１１に対して非接触の状態で回転運動させれば、この環状構造体７６が多数の重錘体として機能することになる。すなわち、この環状構造体７６の一部分を１個の重錘体とみなして距離測定の対象とすれば、上述の原理に基づく角速度検出が可能になる。たとえば、第９図に示すように、環状構造体７６上に質点Ｍ１−Ｍ４を定義し、これらの質点をそれぞれ重錘体２１−２４とみなせば、このロータ７０は、第７図に示すロータ６０と等価になる。
この環状構造体７６を有するロータ７０は、原理的には、重錘体の個数を無限個にしたロータとして機能するため、角速度の検出周期を零にまで短縮することができ、時間的に連続した検出値を得ることが可能になる。
§４． ロータの反転回転運動
これまで述べてきた例では、いずれも重錘体もしくはその集合体としてのロータを、常に同一の回転方向に向かって運動させていた。たとえば、第７図に示すロータ６０を用いた例では、点Ｐを中心点として、ロータ６０全体を「反時計回り」に回転させており、この「反時計回り」という回転方向には変わりがなく、連続回転運動が行われることになる。
しかしながら、本発明の基本原理によれば、重錘体がＸ軸もしくはＹ軸の上空を、軸に対して垂直な速度成分をもって横切るような運動が繰り返し実行されればよいのであり、必ずしも重錘体を連続回転運動させる必要はない。
たとえば、第１０図に示すように、ロータ６０を反転回転運動させても、本発明の基本原理に基づく角速度検出は可能である。ここで、反転回転運動とは、時計回りの方向への回転と反時計回りの方向への回転とを交互に繰り返す運動を言う。第１０図に示す例では、各重錘体２１−２４を、位置Ａから位置Ｂへと移動させる前半周期の回転運動（時計回りの方向への回転運動）と、逆に、位置Ｂから位置Ａへと移動させる後半周期の回転運動（反時計回りの方向への回転運動）とが、交互に繰り返し実行されることになる。位置ＡＢ間にＸ軸もしくはＹ軸が位置するため、前半周期および後半周期のそれぞれにおいて、重錘体はＸ軸もしくはＹ軸の上空を、軸に対して垂直な速度成分をもって横切ることになる。要するに、各重錘体は、円弧状の軌道に沿って往復運動を繰り返すことになる。別言すれば、各重錘体は、各軸を横切るような円弧に沿った振動運動を行うことになり、特に、固有の共振周波数で振動させるようにすると、効率のよい往復運動が可能になる。
ただ、このような反転回転運動を行わせた場合には、前半周期と後半周期とで、検出値の符号が反転する点に留意する必要がある。すなわち、重錘体が位置Ａから位置Ｂへと移動する前半周期に各軸上空を横切ったときに得られる検出値と、重錘体が位置Ｂから位置Ａへと移動する後半周期に各軸上空を横切ったときに得られる検出値とは、作用するコリオリ力の向きが逆転するために、符号が逆転することになる。よって、たとえば、後半周期に得られた検出値については符号を逆転させるような処理が必要になる。
以上のように、本明細書における「回転運動」とは、常に回転方向が一定の「連続回転運動」と、回転方向が周期的に反転する「反転回転運動（振動）」との双方を含む広い概念で用いており、中心に対する回転角度も３６０°の全範囲にわたっている必要はなく、第１０図に示すように、Ｘ軸もしくはＹ軸の両側に定義した位置ＡＢ間に相当する一定の角度θだけ回転すれば十分である。
ロータを連続回転運動させずに反転回転運動させるメリットは、後述する§８の実施例のように、ロータの支持機構が単純化されるという点にある。すなわち、反転回転運動の場合は、ロータを３６０°回転させる必要はなく、第１０図に示す角度θだけ回転させれば十分であるので、Ｚ軸まわりに角度θだけ捩じれを生じさせることができるような態様で、ロータを基板上に固定すればよい。要するに、Ｚ軸まわりに捩じれを生じることができる材質からなる支持体を基板上に固着し、ロータ（重錘体）をこの支持体によって支持する単純な構造を採ることが可能になる。
ただし、このような単純な構造を採った場合、ロータの反転回転運動による振動が、支持体を介して基板から装置筐体へと伝播することになる。すなわち、前半周期には、ロータ全体が時計回りの方向に回転するため、この時計回りの回転要素が筐体へと伝播し、後半周期には、ロータ全体が反時計回りの方向に回転するため、この反時計回りの回転要素が筐体へと伝播する。このようにロータの振動成分が装置筐体へと漏れることは、正確な検出を行う上では好ましくない。たとえば、装置筐体に手を触れただけでも、ロータの反転回転運動に影響が及ぶことになり、被測定対象物に対する装置筐体の取り付け態様によっても検出結果が影響を受けることになる。
こうした振動漏れを防ぐためには、時計回りの回転と反時計回りの回転とが互いにキャンセルし合うような態様で、反転回転運動を行うようにすればよい。具体的には、前半周期においては、第１１図に示すように、第１の重錘体２１および第２の重錘体２２（Ｘ軸を横切る重錘体）を位置Ａから位置Ｂへと向かうように時計回りの方向に回転運動させ、第３の重錘体２３および第４の重錘体２４（Ｙ軸を横切る重錘体）を位置Ｂから位置Ａへと向かうように反時計回りの方向に回転運動させる。そして、後半周期においては、第１２図に示すように、第１の重錘体２１および第２の重錘体２２（Ｘ軸を横切る重錘体）を位置Ｂから位置Ａへと向かうように反時計回りの方向に回転運動させ、第３の重錘体２３および第４の重錘体２４（Ｙ軸を横切る重錘体）を位置Ａから位置Ｂへと向かうように時計回りの方向に回転運動させる。
このように、第１の重錘体２１および第２の重錘体２２の反転回転運動の回転方向と、第３の重錘体２３および第４の重錘体２４の反転回転運動の回転方向と、が常に逆向きになるように設定しておけば、時計回りの振動成分と反時計回りの振動成分とがロータ６０内で互いにキャンセルし合い、装置筐体への振動漏れを抑制することが可能になる。もっとも、このような駆動方法を採る場合には、ロータ６０を構成するアーム６１，６２，６３，６４が、ある程度の可撓性を有するような構造にしておく必要がある（アームの可撓性は、たとえば、太さによって調整可能である）。
§５． 本発明の角速度センサの具体的な実施例
続いて、本発明に係る角速度センサをより具体的な実施例に基づいて説明する。第１３図は、この実施例の平面図であり、第１４図は、この実施例をＸ軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。この実施例は、マイクロマシニング技術および半導体技術を利用して製造可能な角速度センサであり、必要な構成要素はすべて半導体基板上に形成されている。
この角速度センサの主たる構成要素は、基板１００およびロータ２００である。基板１００は、第１４図に示されているように、シリコン基板１０１とその上部に形成されたシリコン酸化膜１０２から構成されており、ここでは、この基板の上面１０３がＸＹ平面に含まれるようにＸＹＺ三次元座標系を定義して以下の説明を行う。
基板１００の上面１０３には、ロータ２００が配置されている。ロータ２００は、第１５図の平面図に明瞭に示されているように、基本的には第７図に示したロータ６０と同じ構造を有する。すなわち、４本のアーム２２１−２２４が、互いに９０°の角度差をもって配置され、それぞれの内側端部は肉厚円筒状の中心部材２２５に接続されている。また、各アーム２２１−２２４の外側端部には、それぞれ重錘体２１１−２１４が接続されている。４本のアーム２２１−２２４および４個の重錘体２１１−２１４は、いずれも形状および質量が同一のものである。
このロータ２００の本体部は誘電体材料によって構成されているが、その下面には導電性を有する電極が形成されている。すなわち、ロータ２００の本体部を構成する重錘体２１１−２１４、アーム２２１−２２４、中心部材２２５は、いずれも誘電体材料（この例では、ポリシリコン）によって構成されているが、重錘体２１１−２１４および中心部材２２５の下面には、それぞれ導電性材料（この例ではアルミニウムあるいは高濃度不純物がドープされたポリシリコン）からなる移動電極２３１−２３５が形成されている（移動電極２３３，２３４は第２３図に示されている）。ロータ２００の本体部を誘電体材料によって構成する理由は、§６において詳述するように、誘導モータの原理によってロータ２００に回転運動を行わせるためである。また、各重錘体２１１−２１４の下面に移動電極２３１−２３４を形成する理由は、§７において詳述するように、重錘体２１１−２１４と基板上面１０３との距離を測定するための容量素子を形成するためである。
なお、中心部材２２５の下面には電極２３５を形成する必要はないが、一般的な半導体製造プロセスを実施すると、各重錘体の下面に移動電極の層を形成する工程において、中心部材２２５の下面にも電極層２３５が形成されてしまうことになる。この電極層２３５は、角速度センサの動作を何ら阻害するものではないので、この実施例では、電極層２３５をそのまま残してある。
基板１００上には、Ｚ軸に沿って伸びるように円柱状の枢軸１３０が固着されている。第１５図に示されているように、ロータ２００の中心部材２２５は肉厚の円筒状をしており、中心部には円柱状の空洞が形成されている。この空洞の直径は、枢軸１３０の直径よりもやや大きくなっており、第１４図に示すように、この空洞内に枢軸１３０を通すようにして、ロータ２００を枢軸１３０に嵌合させると、枢軸１３０の外周部と空洞内周部との間に空隙が形成されることになる。この空隙によって、ロータ２００は枢軸１３０に対して回転自在に、かつ、所定の自由度をもって傾斜自在に（別言すれば、各重錘体がＺ軸方向に移動自在に）なるように支持されることになる。枢軸１３０の上端部には円盤状のストッパ１３１が取り付けられており、ロータ２００が枢軸１３０から抜け落ちるのを防止している。枢軸１３０やストッパ１３１は、どのような材料によって構成してもかまわないが、ロータ２００が接触したときに電気的な動作に支障を及ぼさないように、絶縁性材料によって構成するのが好ましい。
なお、第１４図では、ロータ２００が基板１００上に浮上した状態が示されているが、これは後述するように、ロータ２００の回転運動中の状態を示したためである。
第１３図の平面図をみればわかるように、基板１００上には、ロータ２００の周囲を取り囲むように、８個のステータ電極１１１−１１８が配置されている。これらのステータ電極１１１−１１８は、ロータ２００を回転させるためのエネルギーを供給する。この実施例では、各重錘体２１１−２１４の回転運動経路に沿って、互いに４５°の角度差をもって交わるＸ軸，Ｗ１軸，Ｙ軸，Ｗ２軸上に８個のステータ電極１１１−１１８を配置しているが、より円滑な回転運動を行わせるために、更に多くのステータ電極を配置するようにしてもかまわない。
各ステータ電極１１１−１１８は、絶縁材料からなる台座を介して、基板１００上に固着されている。たとえば、第１４図の側断面図に示されているように、ステータ電極１１１は台座１２１を介して基板１００上に固定されており、ステータ電極１１５は台座１２５を介して基板１００上に固定されている。この実施例では、ポリシリコンによって各台座を構成し、アルミニウムによってステータ電極を構成している。各ステータ電極を絶縁性の台座を介して基板１００上に設けたのは、後述するように、ロータ２００の浮上回転運動を円滑に行わせるためである。
第１６図は、第１３図に示す角速度センサのストッパ１３１を除去し、ロータ２００を取り外した状態を示す平面図であり、基板１００上に固定電極１４１Ａ−１４４Ａ，１４１Ｂ−１４４Ｂが配置されている状態が明瞭に示されている。これら固定電極は、いずれも各座標軸の近傍にそれぞれ対をなして配置されている。すなわち、固定電極対１４１Ａ，１４１Ｂは正のＸ軸近傍に配置され、固定電極対１４２Ａ，１４２Ｂは負のＸ軸近傍に配置され、固定電極対１４３Ａ，１４３Ｂは正のＹ軸近傍に配置され、固定電極対１４４Ａ，１４４Ｂは負のＸ軸近傍に配置されている。しかも、第１３図に破線で示されているように、ロータ２００の各重錘体２１１−２１４がＸ軸上空およびＹ軸上空を通過する際に、各重錘体の下面に形成されている移動電極２３１−２３４に対向するような位置に、各固定電極１４１Ａ−１４４Ａ，１４１Ｂ−１４４Ｂは配置されている。
基板１００上の上述したような位置に各固定電極を配置しておくと、各重錘体２１１−２１４がＸ軸上空およびＹ軸上空を通過する際に、各軸の位置において容量素子が形成されることになる。たとえば、第１４図には、重錘体２１１が正のＸ軸上空に位置し、重錘体２１２が負のＸ軸上空に位置する状態が示されている。この状態において、重錘体２１１の下面に形成された移動電極２３１は、基板１００上に形成された固定電極対１４１Ａ，１４１Ｂの双方に対向しており、一対の容量素子が形成されている。同様に、重錘体２１２の下面に形成された移動電極２３２は、基板１００上に形成された固定電極対１４２Ａ，１４２Ｂの双方に対向しており、一対の容量素子が形成されている。これらの容量素子は、各重錘体と基板上面との距離を測定するために用いられるが、詳細については§７で説明を行う。
なお、第１６図にブロック図として電圧供給回路３１０および検出回路３２０が示されているが、電圧供給回路３１０は、各ステータ電極１１１−１１８に所定の電圧を供給するための回路であり、検出回路３２０は、上述した各容量素子の静電容量値を検出するための回路である。実際には、各ステータ電極１１１−１１８と電圧供給回路３１０との間には、電圧供給用の配線が存在し、また、各固定電極１４１Ａ−１４４Ａ，１４１Ｂ−１４４Ｂと検出回路３２０との間にも、容量検出用の配線が存在する。ただ、図が繁雑になるのを避けるため、第１６図においては、これらの配線の図示は省略されている。この実施例では、基板１００は半導体基板であるので、このような配線を形成する工程は、半導体製造プロセスの工程内に容易に組み入れることが可能である。
§６． ロータの回転動作の原理
ここでは、§５で構造を説明した角速度センサにおけるロータの回転動作の原理を説明する。この原理は、誘導モータの原理として古くから知られているものであり、最近では、マイクロマシニングなどの分野において、半導体基板上に形成したマイクロモータを回転させるための原理として利用されている。本実施例では、電圧供給回路３１０から各ステータ電極１１１−１１８に対して、互いに位相の異なる交流電圧を供給することにより、誘電体材料からなるロータ２００に回転エネルギーを供給することになる。
いま、第１７図に示すように、ステータ電極１１１とステータ電極１１５との間に所定の電圧を印加し、ステータ電極１１１側に正の電荷を発生させ、ステータ電極１１５側に負の電荷を発生させる。すると、ロータ２００の本体部は誘電体材料で構成されているため、内部で分極作用が生じ、図示のように、重錘体２１１側に負の電荷が集まり、重錘体２１２側に正の電荷が集まることになる。第１８図は、このときの状態を示す側断面図である（断面を示すハッチングは省略）。重錘体２１１とステータ電極１１１との間、重錘体２１２とステータ電極１１５との間には、それぞれクーロン引力が作用した状態になる。
続いて、ステータ電極１１１とステータ電極１１５間の電圧印加を中止し、代わりに、ステータ電極１１２とステータ電極１１６との間に所定の電圧を印加し、第１９図に示すように、ステータ電極１１２側に正の電荷を発生させ、ステータ電極１１６側に負の電荷を発生させる。このようにステータ電極側の電荷の分布状態が変化すると、それに応じてロータ２００内の分極状態も変化することになるが、導体内の電荷移動速度に比べて、誘電体内の電荷移動速度は遅いため、ロータ２００内の分極状態の変化は、ステータ電極側の電荷分布状態の変化には十分に追従することができない。そのため、第１９図に示すように、ステータ電極側の電極分布が変化した後も、ロータ側の分極状態は直前の状態のままとなり、重錘体２１１とステータ電極１１２との間にクーロン引力が作用し、重錘体２１２とステータ電極１１６との間にクーロン引力が作用する。その結果、ロータ２００には、図の矢印の方向を向いた回転力が作用することになり、第２０図に示す位置までロータ２００が回転することになる。
そこで、今度は、ステータ電極１１２とステータ電極１１６間の電圧印加を中止し、代わりに、ステータ電極１１３とステータ電極１１７との間に所定の電圧を印加し、ステータ電極１１３側に正の電荷を発生させ、ステータ電極１１７側に負の電荷を発生させれば、重錘体２１１とステータ電極１１３との間にクーロン引力が作用し、重錘体２１２とステータ電極１１７との間にクーロン引力が作用する。その結果、ロータ２００には、更に反時計回りの方向への回転力が作用することになる。以下、同様にして、ステータ電極１１１−１１８に関する電荷分布を反時計回りに移動させてゆけば、これに応じてロータ２００は反時計回りに連続回転運動を行うことになる。
結局、電圧供給回路３１０から各ステータ電極１１１−１１８に対して、それぞれ第２１図に示すような交流電圧信号Ｓ１−Ｓ８を供給してやれば、ロータ２００を反時計回りの方向に連続回転運動させることが可能になる。もちろん、供給する交流電圧信号を変えれば、時計回りの方向に連続回転運動させることもできるし、時計回りの運動と反時計回りの運動とを交互に繰り返す反転回転運動をさせることも可能である。ただし、この実施例に示す構造では、ロータ２００を、一定の回転速度で連続回転運動させるのが好ましい。ロータ２００を一定速度で連続回転運動させると、ロータ２００の下面に空気の流体層が形成され、第１４図に示すように、ロータ２００が基板１００の上方で浮き上がった状態で回転を行うことになり、安定した回転運動を維持させることが可能である。ロータ２００が回転状態においてこのように浮き上がるのは、台座上に設けられたステータ電極に対するクーロン引力が作用するとともに、回転に伴って形成される空気の流体層の上に乗った状態になるためである。
このように、ロータ２００は、基板１００に対して非接触な状態で安定した連続回転運動を行うため、回転に伴う振動成分が基板側へ漏れることはなく、信頼できる角速度検出が可能になる。
以上、誘導モータの原理に基づいてロータ（重錘体）を連続回転運動させる実施例を述べたが、本発明を実施するにあたって、ロータを回転させるための原理は、この誘導モータの原理に限定されるものではない。要するに、ロータ（重錘体）を基板に非接触の状態で回転させることができれば、どのような方法を用いてもかまわない。たとえば、可変容量モータあるいはエレクトレットモータなどの原理に基づいて、ロータを回転させるような構造を採ることも可能である。
§７． 重錘体と基板との間の距離検出の原理
本発明に係る角速度センサの基本原理によれば、回転運動中の重錘体がＸ軸もしくはＹ軸の上方を通過する時点において、重錘体と基板との距離を検出することにより、Ｚ軸方向に作用したコリオリ力Ｆczを求め、間接的にＸ軸まわりの角速度ωｘもしくはＹ軸まわりの角速度ωｙを検出することになる。ここでは、§５で構造を説明した角速度センサにおける重錘体と基板との間の距離検出の原理を説明する。
いま、基板上に形成された固定電極対と重錘体の下面に形成された移動電極とによって形成される一対の容量素子を考える。たとえば、第２２図の側断面図には、重錘体２１１の下面に形成された移動電極２３１が、基板１００上に形成された一対の固定電極１４１Ａ，１４１Ｂに対向した状態が示されており、この状態は、図の右上に示された等価回路に置き換えることができる。すなわち、第１の固定電極１４１Ａと移動電極２３１の一部分とによって第１の容量素子Ｃ１Ａが形成され、第２の固定電極１４１Ｂと移動電極２３１の一部分とによって第２の容量素子Ｃ１Ｂが形成されている。しかも、移動電極２３１は単一の電極であるから、これら一対の容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂは、移動電極２３１を中間点として直列接続された状態になっている。
そこで、この直列接続された一対の容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂ全体を１つの容量素子Ｃ１とみなせば、容量素子Ｃ１の静電容量値をＣ１、個々の容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂの各静電容量値をそれぞれＣ１Ａ，Ｃ１Ｂとしたときに、
１／Ｃ１＝（１／Ｃ１Ａ）＋（１／Ｃ１Ｂ）
が成り立つことになり、特に、Ｃ１Ａ＝Ｃ１Ｂの場合には、
Ｃ１＝Ｃ１Ａ／２
となる。
同様に、重錘体２１２の下面に形成された移動電極２３２と、これに対向する一対の固定電極１４２Ａ，１４２Ｂとについて、第２２図左上に示すような等価回路を考えれば、容量素子Ｃ２が構成されることになる。一方、Ｙ軸に沿った切断面を示す第２３図には、重錘体２１３の下面に形成された移動電極２３３と、これに対向する一対の固定電極１４３Ａ，１４３Ｂとについての等価回路と、重錘体２１４の下面に形成された移動電極２３４と、これに対向する一対の固定電極１４４Ａ，１４４Ｂとについての等価回路とが示されており、これらの等価回路により、容量素子Ｃ３，Ｃ４が構成されることになる。
結局、ロータ２００が第２４図に示すような位置にある場合、正のＸ軸上方に位置する重錘体２１１の下方には容量素子Ｃ１が形成され、負のＸ軸上方に位置する重錘体２１２の下方には容量素子Ｃ２が形成され、正のＹ軸上方に位置する重錘体２１３の下方には容量素子Ｃ３が形成され、負のＹ軸上方に位置する重錘体２１４の下方には容量素子Ｃ４が形成されることになる。
なお、基板側に一対の固定電極（たとえば、固定電極１４１Ａ，１４１Ｂ）を設け、直列接続された一対の容量素子（たとえば、容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂ）を１つの容量素子（たとえば、容量素子Ｃ１）とみなす取扱いをする理由は、ロータ２００側に設けられた移動電極に対する配線が困難なためである。たとえば、第２２図の右上に示した等価回路において、一方の容量素子Ｃ１Ａ自身の静電容量値を直接測定するためには、固定電極１４１Ａに対する配線と移動電極２３１に対する配線とが必要になる。ところが、移動電極２３１は、ロータ２００の回転運動によって回転する電極であり、前述のように、ロータ２００は基板１００に対して非接触の状態で回転運動を行うため、実用上、移動電極２３１に対して配線を行うことは困難である。これに対し、直列接続された一対の容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂ全体の静電容量値を容量素子Ｃ１の静電容量値として測定するようにすれば、移動電極２３１に対する配線は不要になる。すなわち、電気的には、第１の固定電極１４１Ａと第２の固定電極１４１Ｂとの間の静電容量値を測定することができればよいので、これら一対の固定電極に対する配線が行われていれば足りる。
ところで、一対の電極によって構成される容量素子の静電容量値Ｃは、電極の面積をＳ、電極間隔をｄ、電極間の誘電率をεとすれば、
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ
なる式で表される。ここで、電極面積Ｓおよび誘電率εが一定であれば、静電容量値Ｃはｄに反比例することになり、静電容量値Ｃを測定することができれば、電極間隔ｄを求めることができる。したがって、第２２図および第２３図に示された等価回路において、静電容量値Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の値は、それぞれ重錘体２１１，２１２，２１３，２１４と基板１００の上面との距離に関連した値になる。結局、これら静電容量値Ｃ１−Ｃ４を検出回路３２０によって検出すれば、この検出値は、重錘体と基板との間の距離を示す値となり、作用した角速度を示す値になる。
続いて、第２５図を参照しながら、実際の角速度検出の原理を説明しよう。いま、ロータ２００が前述の§６で述べた原理に基づき、上方から見たときに反時計回りの方向に一定の速度で連続回転運動を行っていたとする。このとき、基板１００に対して、図のようなＸ軸まわりの角速度ωｘが作用したとすると、重錘体２１１が正のＸ軸上方を通過する瞬間には、Ｚ軸正方向のコリオリ力Ｆczが作用する。このとき、重錘体２１２は負のＸ軸上方を通過中であり、この重錘体２３２に対しては、Ｚ軸負方向のコリオリ力−Ｆczが作用することになる。その結果、ロータ２００全体は図示のように傾斜し、角速度が何ら作用していない基準状態に比べると、容量素子Ｃ１の電極間隔は広がり、容量素子Ｃ２の電極間隔は狭まる。その結果、静電容量値Ｃ１はΔＣ１だけ小さくなり、静電容量値Ｃ２はΔＣ２だけ大きくなる。そこで、両静電容量値の差分（ΔＣ１＋ΔＣ２）をとれば、この差分の符号が作用したＸ軸まわりの角速度ωｘの向きを示し、この差分の大きさが角速度ωｘの大きさを示す量になる。なお、ΔＣ１とΔＣ２とは、厳密には等しくならないが、実用的なレベルでは、ΔＣ１＝ΔＣ２＝ΔＣとして取り扱うことができ、差分は２・ΔＣとして求めることができる。
第２６図は、検出回路３２０の具体的な回路構成例を示す回路図である。容量素子Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の静電容量値は、静電容量値Ｃを電圧値Ｖに変換する機能をもったＣ／Ｖ変換回路３２１，３２２，３２３，３２４によって、それぞれ電圧値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４に変換され、差動増幅器３２５によって、電圧値Ｖ１とＶ２との差が演算され、差動増幅器３２６によって、電圧値Ｖ３とＶ４との差が演算される。上述の説明のとおり、電圧値の差（Ｖ１−Ｖ２）は、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを示す出力電圧Ｖωｘとして差動増幅器３２５から出力され、電圧値の差（Ｖ３−Ｖ４）は、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを示す出力電圧Ｖωｙとして差動増幅器３２６から出力される。
ここに示す実施例では、第２４図に示すように、４個の重錘体を有するロータ２００を用いているため、ロータ２００が９０°回転するたびに（各重錘体が各軸上を通過するたびに）、正しい検出値を示す出力電圧ＶωｘおよびＶωｙが得られることになる。また、第９図に示すような環状構造体７６を有するロータ７０を用いる場合には、環状構造体７６の下面全体に移動電極を形成しておくようにすれば、常に正しい検出値が出力されることになる。
なお、上述の実施例における固定電極１４１Ａ−１４４Ａ，１４１Ｂ−１４４Ｂは、いずれも各座標軸上に配置されているが、一対の固定電極は座標軸の近傍に隣接配置されていれば足り、たとえば、第２７図に示すように（重錘体２１１−２１４の参考位置を破線で示す）、各座標軸を挟んで固定電極１４１Ｃ−１４４Ｃ，１４１Ｄ−１４４Ｄを配置してもかまわない。また、隣接配置する一対の固定電極は、形状や大きさが異なっていてもかまわないが、検出回路を単純化する上では、すべての固定電極を同一の形状かつ同一の大きさにするのが好ましい。
§８． 本発明の角速度センサの別な実施例
§５で述べた実施例は、ロータを連続回転運動させるのに適した構造をもった角速度センサであるが、ここでは、ロータを反転回転運動させるのに適した構造をもった角速度センサの例を示す。第２８図は、このような実施例の側断面図であり、第２９図は、この実施例の主要な構成要素の配置を示す平面図である。
この角速度センサにおける基板１００の構造は、§５で述べた実施例と全く同様である。ロータ２５０の構造も、§５で述べたロータ２００の構造とほぼ同じであるが、中心部材２６０は円柱状のブロックであり、電極２６５を介して支持体２７０の上端に固着されている。支持体２７０は、円柱状のブロックであり、下端は基板１００上に固定されている。結局、ロータ２５０は、その中心部が支持体２７０を介して基板１００上に固定された状態になっている。ただし、重錘体２１１−２１４は、アーム２２１−２２４や支持体２７０を介して間接的には基板１００に接続されているものの、基板１００に対して非接触な状態で反転回転運動が可能な状態となっている。
ロータ２５０を反転回転運動させるためには、支持体２７０として、Ｚ軸まわりに捩じれを生じることができる構造のものを用いる必要がある。この実施例では、上述のように、支持体２７０はポリシリコンから構成されており、径の大きさを適当な寸法に設定することにより、必要な自由度で反転回転運動が可能になるようにしている。
より円滑な反転回転運動を実現するために、この実施例では、角度差が３０°となるように配置された１２個のステータ電極を設けている。第２９図は、これら１２個のステータ電極Ｅ１１−Ｅ２２およびロータ２５０の配置を示す平面図である。ロータ２５０を反転回転運動させるには、各ステータ電極に所定の交流電圧を印加すればよい。
たとえば、第３０図に示すように、ステータ電極Ｅ１１に正の電荷、ステータ電極Ｅ１７に負の電荷をそれぞれ発生させれば、ロータ２５０側では、重錘体２１１に負の電荷、重錘体２１２に正の電荷が集まる分極現象が起こる。続いて、ステータ電極Ｅ１１，Ｅ１７を中立状態に戻し、ステータ電極Ｅ１２に正の電荷、ステータ電極Ｅ１８に負の電荷をそれぞれ発生させれば、ロータ２５０は反時計回りに回転し始める。次に、ステータ電極Ｅ１２，Ｅ１８を中立状態に戻し、再び第３０図に示すように、ステータ電極Ｅ１１に正の電荷、ステータ電極Ｅ１７に負の電荷をそれぞれ発生させると、ロータ２５０の回転運動は時計回りに反転する。更に、ステータ電極Ｅ１１，Ｅ１７を中立状態に戻し、今度は、ステータ電極Ｅ２２に正の電荷、ステータ電極Ｅ１６に負の電荷をそれぞれ発生させれば、ロータ２５０は更に時計回りに回転し続ける。そこで、ステータ電極Ｅ２２，Ｅ１６を中立状態に戻し、再び第３０図に示すように、ステータ電極Ｅ１１に正の電荷、ステータ電極Ｅ１７に負の電荷をそれぞれ発生させれば、ロータ２５０の回転運動は反時計回りに反転する。
以上のような駆動動作を行えば、ロータ２５０は前半周期には反時計回りに回転運動し、後半周期には時計回りに回転運動するようになり、図に矢印で示すように、所定の角度範囲内で反転回転運動（振動）することになる。
しかしながら、ロータ２５０がこのような反転回転運動を行うと、ロータの振動成分が支持体２７０を介して基板１００へと伝播し、振動が装置筐体へ漏れるという弊害がある点は、既に§４で述べたとおりである。また、こうした振動漏れを防ぐためには、時計回りの回転と反時計回りの回転とが互いにキャンセルし合うような態様で、反転回転運動を行うようにすればよいことも既に説明した。すなわち、４個の重錘体を有するロータの場合、前半周期では第１１図に示すように、後半周期では第１２図に示すように、それそれ各重錘体ごとに所定の方向に回転を行うようにすればよい。
第２９図に示す実施例に対して、このような反転回転運動を適用するには、次のような駆動方法を実施すればよい。まず、第３１図に示すように、ステータ電極Ｅ１１，Ｅ１４に正の電荷、ステータ電極Ｅ１７，Ｅ２０に負の電荷をそれぞれ発生させる。すると、ロータ２５０側では、重錘体２１１，２１３に負の電荷、重錘体２１２，２１４に正の電荷が集まる分極現象が起こる。続いて、ステータ電極Ｅ１１，Ｅ１４，Ｅ１７，Ｅ２０を中立状態に戻し、ステータ電極Ｅ１２，Ｅ１３に正の電荷、ステータ電極Ｅ１８，Ｅ１９に負の電荷をそれぞれ発生させれば、第３２図に示すように、重錘体２１１，２１２は反時計回りに、重錘体２１３，２１４は時計回りに、それぞれ回転し始める。次に、ステータ電極Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ１８，Ｅ１９を中立状態に戻し、再び第３１図に示すように、ステータ電極Ｅ１１，Ｅ１４に正の電荷、ステータ電極Ｅ１７，Ｅ２０に負の電荷をそれぞれ発生させると、各重錘体の回転方向は反転する。更に、ステータ電極Ｅ１１，Ｅ１４，Ｅ１７，Ｅ２０を中立状態に戻し、ステータ電極Ｅ１５，Ｅ２２に正の電荷、ステータ電極Ｅ１６，Ｅ２１に負の電荷をそれぞれ発生させれば、第３３図に示すように、重錘体２１１，２１２は時計回りに、重錘体２１３，２１４は反時計回りに、それぞれ移動を続ける。そこで、ステータ電極Ｅ１５，Ｅ１６，Ｅ２１，Ｅ２２を中立状態に戻し、再び第３１図に示すように、ステータ電極Ｅ１１，Ｅ１４に正の電荷、ステータ電極Ｅ１７，Ｅ２０に負の電荷をそれぞれ発生させると、各重錘体の回転方向は反転する。
以上のような駆動動作を行えば、ロータ２５０を構成する２個の重錘体は時計回り、残りの２個の重錘体は反時計回りに回転することになり、振動成分がロータ２５０内でキャンセルされ、振動が装置筐体へ漏れるという弊害を防止することができる。なお、この反転回転運動の周波数（振動周波数）として、ロータ２５０に固有の共振周波数を選択するようにすると、効率よい駆動が可能になる。
§９． Ｚ軸まわりの角速度検出の基本原理
これまで述べてきた角速度センサは、ＸＹＺ三次元座標系において、ＸＹ平面に平行な基板上で重錘体を回転運動させ、Ｘ軸まわりの角速度ωｘおよびＹ軸まわりの角速度ωｙを検出するものであった。ここでは、更に、基板に対して垂直なＺ軸まわりの角速度ωｚを検出する原理を説明する。
第３４図は、角速度ωｚの検出原理を示す斜視図である。この図に示されている個々の構成要素は、図１に示されている構成要素とほぼ同じである。すなわち、基板１０は、平坦な上面１１を有し、装置筐体として機能する。ＸＹＺ三次元座標系は、この上面１１がＸＹ平面に含まれるように定義されており、原点Ｏから上方に伸びるＺ軸は、上面１１に直交する軸となる。ここで、所定の質量をもった重錘体２０に対して、エネルギー供給手段３０からエネルギーを供給し、重錘体２０がＺ軸を回転軸として図の軌道Ｃに沿って回転運動するようにする。このとき、この系に対して角速度や加速度などの外力が作用しない状態において、重錘体２０が上面１１に対して一定の距離ｈを保ちながら、かつ、Ｚ軸に対して一定の距離ｒを保ちながら、軌道Ｃに沿って回転運動するように、エネルギー供給手段３０からのエネルギー供給が行われるようにする。したがって、この系に外力が作用していない状態（基板１０が静止している状態）では、エネルギー供給手段３０からのエネルギー供給を受けて、重錘体２０は、方程式Ｚ＝ｈで示される平面内で半径ｒをもった円軌道Ｃ上を回転運動することになる。
この角速度センサは、更に、重錘体２０がＸ軸上空を通過した時点において、Ｚ軸と重錘体２０との距離（回転運度の半径）を測定する距離測定手段８０を備えている。上述したように、系外からの力が作用しない状態では、重錘体２０は常に円軌道Ｃに沿った運動を行うので、その状態では、距離測定手段８０による測定値は、常に一定の半径値ｒを示すものとなる。
ところが、この系全体がＺ軸まわりの角速度ωｚをもって回転運動していた場合、別言すれば、基板１０に対して角速度ωｚが作用していた場合、この角速度に基づくコリオリ力が重錘体２０に作用することになり、重錘体２０の運動は本来の円軌道Ｃから外れることになる。すなわち、第３４図に示すように、この系全体がＺ軸まわりの角速度ωｚをもって回転していた場合、Ｘ軸上空をＹ軸方向の速度成分Ｖｙをもって運動している重錘体２０に対しては、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆcx（角速度ωｚの向きによっては−Ｘ軸方向のコリオリ力−Ｆcx）が作用することになり、このコリオリ力は、
Ｆcx＝２・ｍ・Ｖｙ・ωｚ
なる式で定義される。第３４図に示す例では、このコリオリ力Ｆcxの作用により、Ｙ軸方向に移動中の重錘体２０の軌道は、Ｘ軸方向に歪められることになり、Ｘ軸上空を通過する時点における重錘体２０とＺ軸との距離はΔｒだけ増加もしくは減少（角速度ωｚの向きに依存）し、ｒ±Δｒとなる。
重錘体２０の質量ｍおよび運動速度Ｖｙを一定にしておけば、コリオリ力Ｆcxは角速度ωｚに比例した値となり、結局、重錘体２０がＸ軸上方を通過する時点における当初の円軌道Ｃからの隔たりΔｒを、角速度ωｚを示す値として用いることができる。また、ｒは一定であるから、重錘体２０とＺ軸との距離ｒ＋Δｒを測定することができれば、角速度ωｚの値を得ることができる。第３４図に示した角速度センサは、このような原理に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出する機能を有する。すなわち、距離測定手段８０の出力が、角速度ωｚの検出値を示すものになる。
以上が角速度ωｚを検出するための基本原理であるが、§２で述べたように、実用上は、加速度の影響をキャンセルする機能を設けるのが好ましい。第３４図に示す構成では、重錘体２０の軌道がＸ軸方向にΔｒだけ変位したとしても、その変位が、コリオリ力Ｆcxに起因するものなのか、Ｘ軸方向の加速度αｘに基づく力Ｆaxに起因するものなのかが区別できないのである。
第３５図に、この加速度成分をキャンセルする機能をもった角速度センサの基本構成を示す。このセンサでは、一対の重錘体２１，２２が用意され、いずれの重錘体も、エネルギー供給手段３０からのエネルギーの供給を受けて、Ｚ軸を回転軸として半径ｒの円軌道Ｃ上を回転運動する。ただし、図示のとおり、第１の重錘体２１が正のＸ軸上空に位置するときに、第２の重錘体２２は負のＸ軸上空に位置するように、第１の重錘体と前記第２の重錘体とは、互いに位相が１８０°ずれた状態で回転運動を行う。
また、この角速度センサには、一対の距離測定手段が設けられている。すなわち、正のＸ軸上距離測定手段８１は、いずれかの重錘体が正のＸ軸上空（第３５図において、第１の重錘体２１が存在する地点）を通過した時点においてＺ軸と通過中の重錘体との距離を測定する機能を有し、負のＸ軸上距離測定手段８２は、いずれかの重錘体が負のＸ軸上空（第３５図において、第２の重錘体２２が存在する地点）を通過した時点においてＺ軸と通過中の重錘体との距離を測定する機能を有する。更に、正のＸ軸上距離測定手段８１によって測定された距離と負のＸ軸上距離測定手段８２によって測定された距離との和を求めるための演算手段８３が備わっており、最終的に、この演算手段８３の出力に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚが検出されることになる。
続いて、この角速度センサにおける検出原理および加速度成分がキャンセルされる理由について述べる。いま、第３５図に図示されているように、Ｚ＝ｈで示される平面上に含まれる円軌道Ｃ上を、互いに位相が１８０°ずれた状態で一対の重錘体２１，２２が回転運動を行うように、エネルギー供給手段３０からエネルギーが供給されている状態を考える。この状態では、図示のように、第１の重錘体２１は正のＸ軸上空をＹ軸正方向の速度Ｖｙをもって通過し、それと同時に、第２の重錘体２２は負のＸ軸上空をＹ軸負方向の速度−Ｖｙをもって通過する。このとき、もしこの系全体に対して、Ｚ軸まわりの角速度ωｚが作用していたとすると、第１の重錘体２１に対しては、Ｘ軸正方向のコリオリ力Ｆcxが加わり、第１の重錘体２１は当初の円軌道Ｃから外側（Ｚ軸から遠ざかる方向）に外れる。一方、第２の重錘体２２に対しては、Ｘ軸負方向のコリオリ力−Ｆcxが加わり、第２の重錘体２２は当初の円軌道Ｃから外側に外れる。
いま、第１の重錘体２１と第２の重錘体２２とが、全く同一の形状を有し、全く同一の質量を有していたとする。ここで、両者は常に１８０°の位相差を保って回転運動をしているのであるから、回転運動の速度の絶対値も両者は同じになる。したがって、両重錘体に作用するコリオリ力の絶対値は同じになり、第１の重錘体２１がΔｒだけ円軌道Ｃから外側に外れ、Ｚ軸からの距離ｒ＋Δｒの位置を通過したとすれば、第２の重錘体２２もΔｒだけ円軌道Ｃから外側に外れ、Ｚ軸からの距離ｒ＋Δｒの位置を通過することになる。したがって、演算手段８３からは、これらの和に相当する２ｒ＋２・Δｒが出力される。予め、外力が作用していない状態での演算手段８３の出力値２ｒを基準値として定めておけば、この基準値２ｒとの差２・ΔｒがＺ軸まわりの角速度ωｚを示す値になる。なお、作用した角速度ωｚの向きが逆の場合、コリオリ力の向きは逆転し、２つの重錘体２１，２２はいずれも当初の円軌道Ｃから内側に外れることになる。この場合、演算手段８３からの出力は２ｒ−２・Δｒになる。したがって、演算手段８３から得られる出力信号の符号は角速度ωｚの向きを示し、出力信号の大きさは角速度ωｚの大きさを示すものとなる。
ここで、この系全体に対して加速度が作用していた場合を考える。Ｚ軸方向の加速度αｚに基づいて生じる力ＦazおよびＹ軸方向の加速度αｙに基づいて生じる力Ｆayは、いずれもＸ軸方向のコリオリ力Ｆcxに対して直交しているため、この測定系に干渉することはない。ところが、Ｘ軸方向の加速度αｘに基づいて生じる力Ｆaxは、コリオリ力Ｆcxと同じ方向を向いているため、干渉の影響を考えねばならない。実際、第３４図に示す単一の重錘体２０を用いた測定系では、この加速度αｘに基づいて生じる力Ｆaxが、角速度ωｚの検出値に干渉することになる。しかしながら、一対の重錘体２１，２２を用いた第３５図に示す測定系では、この干渉はキャンセルされることになる。なぜなら、加速度αｘに基づいて生じる力Ｆaxが作用すると、２つの重錘体２１，２２は、いずれもＸ軸正方向に変位Δｘを生じることになるため、正のＸ軸上距離測定手段８１の出力はΔｘだけ増加するが、負のＸ軸上距離測定手段８２の出力はΔｘだけ減少する。したがって、演算手段８３の出力は、加速度αｘの作用に起因して変化することはないのである。
このように、互いに位相が１８０°ずれた状態で回転運動を行う一対の重錘体を用いることにより、加速度成分をキャンセルすることが可能になる。
なお、上述の説明では、正のＸ軸上距離測定手段８１および負のＸ軸上距離測定手段８２と、を用いて、重錘体がＸ軸を通過する時点に測定を行っているが、正のＹ軸上距離測定手段および負のＹ軸上距離測定手段を用いて、重錘体がＹ軸を通過する時点に測定を行っても同様に角速度ωｚの検出が可能である。もちろん、Ｘ軸やＹ軸に限らず、重錘体が任意の軸上を通過する時点で角速度ωｚの測定を行うことも可能である。
§１０． 三次元角速度センサの具体的な実施例
§５では、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｙとを同時に検出できる二次元角速度センサの具体的な実施例を説明した。ここでは、この二次元角速度センサに§９で述べた原理を適用することにより、Ｘ軸まわりの角速度ωｘ、Ｙ軸まわりの角速度ωｙ、Ｚ軸まわりの角速度ωｚのすべてが検出可能な三次元角速度センサを実現した実施例を説明することにする。
第３６図は、この三次元角速度センサの平面図であり、第３７図は、このセンサをＸ軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。この三次元角速度センサの構造は、§５で述べた二次元角速度センサ（第１３図〜第１６図参照）の構造とほぼ同じであるため、ここでは両者の相違点のみを述べることにする。両者間に共通の構成要素については、同一符号で示すことにし、詳しい説明は省略する。
この三次元角速度センサの第１の特徴は、一部分が伸縮性を有する構造をもったロータ４００を用いた点である。ロータ４００は、第３８図の平面図に明瞭に示されているように、４個の重錘体４１１〜４１４を４本のアーム４２１−４２４によって、中心部材４２５に接続した構造をなす。ここで、４本のアーム４２１−４２４は、図示のとおりジグザグ構造を有し、伸縮性を有している。したがって、各重錘体４１１−４１４に対して、中心部材４２５から離れる方向の力もしくは中心部材４２５に近付く方向の力が作用した場合、重錘体は作用した力の方向に変位することが可能である。各重錘体４１１−４１４の下面に、それぞれ移動電極４３１−４３４が形成され（電極４３３，４３４は図示されていない）、中心部材４２５の下面に電極４３５が形成されている点は、前述した二次元角速度センサと同様である。
この三次元角速度センサの第２の特徴は、基板上の固定電極の形状および配置を若干変更した点と、角速度ωｚを検出するために、新たな固定電極を付加した点である。第３９図は、第３６図に示す角速度センサのストッパ１３１を除去し、ロータ４００を取り外した状態を示す平面図である。基板１００上に配置されている固定電極１４５Ａ−１４８Ａ，１４５Ｂ−１４８Ｂは、第１６図に示されている固定電極１４１Ａ−１４４Ａ，１４１Ｂ−１４４Ｂと全く同等の機能（すなわち、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｙとを検出する機能）を果たす固定電極であるが、個々の電極の面積は若干小さくなっている。このように面積を小さくしたのは、ロータ４００を構成する４本のアーム４２１−４２４が伸縮性を有するため、各重錘体４１１〜４１４がこのアームの伸縮性に基づいて多少変位しても、形成される容量素子の面積に変化が生じないようにするためである。一方、固定電極１４５Ｃ，１４５Ｄ，１４６Ｃ，１４６Ｄは、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出するために付加された電極である。検出回路３３０は、基板１００上に配置された合計１２個の固定電極と、ロータ４００側（各重錘体の下面）に形成された移動電極とによって構成される容量素子の静電容量値を検出する回路であり、この回路の出力として、三次元角速度ωｘ，ωｙ，ωｚの検出値が出力されることになる。
このセンサによる角速度ωｘおよびωｙの検出原理は、既に§７で述べたとおりである。ここでは、角速度ωｚの検出原理を以下に説明する。第４０図は、重錘体４１１および４１２がＸ軸上空を通過する瞬間において形成される容量素子を示す平面図である。ここで、破線の矩形で示す構成要素４３１，４３２は、それぞれ重錘体４１１，４１２の下面に形成された移動電極を示し、構成要素４２０は両重錘体を接続する伸縮性をもった中間部材を示している。基板１００上に配置された各固定電極の上空に、図に破線で示すような移動電極４３１，４３２が位置すると、対向する電極によってそれぞれ容量素子が形成される。すなわち、固定電極１４５Ａ，１４５Ｂ，１４５Ｃ，１４５Ｄと移動電極４３１とによって、容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂ，Ｃ５Ｃ，Ｃ５Ｄが形成され、固定電極１４６Ａ，１４６Ｂ，１４６Ｃ，１４６Ｄと移動電極４３２とによって、容量素子Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂ，Ｃ６Ｃ，Ｃ６Ｄが形成される。ここで、容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂ，Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂを用いて、第２６図の左半分に示す回路を構成すれば、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが検出できることは既に述べたとおりである。ここでは、容量素子Ｃ５Ｃ，Ｃ５Ｄ，Ｃ６Ｃ，Ｃ６Ｄを用いて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚが検出できることを示そう。
いま、このセンサに外力が作用しない状態において、ロータ４００が一定速度で回転運動を行っている場合を考える。そして、この定常状態において、重錘体４１１，４１２がＸ軸上空を通過する瞬間に、各固定電極と各移動電極とが第４０図の平面図に示すような位置関係を保つように、各固定電極が配置されていたものとする。この場合、各固定電極のうち、ハッチングを施した部分が移動電極に対向した部分となる。別言すれば、容量素子は、このハッチングを施した領域にのみ形成されることになる。ここで留意すべき点は、角速度ωｘ検出用の固定電極１４５Ａ，１４５Ｂ，１４６Ａ，１４６Ｂは、いずれも全面にハッチングが施され、全面が容量素子の形成に関与するのに対し、角速度ωｚ検出用の固定電極１４５Ｃ，１４５Ｄ，１４６Ｃ，１４６Ｄは、いずれも図の左半分にのみハッチングが施されている点である。要するに、固定電極１４５Ａ，１４５Ｂ，１４６Ａ，１４６Ｂは、Ｙ軸に対して対称になる位置に形成されているのに対し、固定電極１４５Ｃ，１４５Ｄは、外側（Ｚ軸から遠ざかる方向）に所定のオフセット量だけシフトした位置に形成され、固定電極１４６Ｃ，１４６Ｄは、内側（Ｚ軸に近付く方向）に所定のオフセット量だけシフトした位置に形成されていることになる。
さて、ここで、このセンサ全体にＺ軸まわりの角速度ωｚが作用した場合を考える。既に、§９で説明したように、角速度ωｚが作用すると、各重錘体４１１−４１４には円運動の半径方向に沿ったコリオリ力が加わる。ロータ４００では、各重錘体が伸縮性を有する中間部材４２０（アーム４２１−４２４）によって接続されているため、このコリオリ力により、重錘体の軌道は外側（角速度ωｚの向きによっては内側）に変化することになる。たとえば、各重錘体の軌道が外側に変化したとすれば、Ｘ軸周辺の固定電極と移動電極との位置関係は第４１図のようになる。すなわち、正のＸ軸上空を通過中の移動電極４３１は、Ｘ軸正方向のコリオリ力Ｆcxの作用により、Ｘ軸正方向に所定量Δｒだけ変位することになり、負のＸ軸上空を通過中の移動電極４３２は、Ｘ軸負方向のコリオリ力−Ｆcxの作用により、Ｘ軸負方向に所定量Δｒだけ変位することになる。
移動電極の位置がこのように変位した場合、Ｘ軸まわりの角速度ωｘの検出に用いられる固定電極１４５Ａ，１４５Ｂ，１４６Ａ，１４６Ｂによって構成される容量素子の電極面積（図のハッチング部分の面積）には、変化は生じない。逆に言えば、中間部材４２０の伸縮に基づいて、重錘体の軌道が円運動の半径方向へ変位しても、固定電極１４５Ａ，１４５Ｂ，１４６Ａ，１４６Ｂは、常にその全面積が移動電極に対向した状態になるように配置されていることになる。このため、Ｚ軸まわりの角速度ωｚは、Ｘ軸まわりの角速度ωｘの検出には干渉しない。同じ理由により、Ｚ軸まわりの角速度ωｚは、Ｙ軸まわりの角速度ωｙの検出にも干渉しない。
一方、Ｚ軸まわりの角速度ωｚの検出に用いられる固定電極１４５Ｃ，１４５Ｄ，１４６Ｃ，１４６Ｄによって構成される容量素子の電極面積（図のハッチング部分の面積）には、変化が生じている。ここで、固定電極１４５Ｃ，１４５Ｄ，１４６Ｃ，１４６Ｄと移動電極４３１，４３２とによって構成される容量素子を、それぞれ容量素子Ｃ５Ｃ，Ｃ５Ｄ，Ｃ６Ｃ，Ｃ６Ｄと呼ぶことにすると、第４１図に示す状態では、容量素子Ｃ５Ｃ，Ｃ５Ｄは電極面積の増加によって静電容量値は増加し、容量素子Ｃ６Ｃ，Ｃ６Ｄは電極面積の減少によって静電容量値は減少することになる。
ところで、静電容量値の測定のために、回転運動を行うロータ４００に対して配線を行うことは困難であるが、それぞれ一対の固定電極を形成しておくことにより、上述した各静電容量の値は、基板１００側に配線を行っておくだけで測定可能になる。すなわち、直列接続された一対の容量素子Ｃ５Ｃ，Ｃ５Ｄ全体を１つの容量素子Ｃ５とみなし、直列接続された一対の容量素子Ｃ６Ｃ，Ｃ６Ｄ全体を１つの容量素子Ｃ６とみなせば、容量素子Ｃ５の静電容量値は固定電極１４５Ｃと１４５Ｄとの間の静電容量値として測定でき、容量素子Ｃ６の静電容量値は固定電極１４６Ｃと１４６Ｄとの間の静電容量値として測定できる。
第４２図は、角速度ωｚを検出するための具体的な回路構成例を示す回路図である。容量素子Ｃ５，Ｃ６の静電容量値は、静電容量値Ｃを電圧値Ｖに変換する機能をもったＣ／Ｖ変換回路３３１，３３２によって、それぞれ電圧値Ｖ５，Ｖ６に変換され、差動増幅器３３３によって、電圧値Ｖ５とＶ６との差が演算されて出力される。この出力電圧は、作用したコリオリ力の符号を考慮した差（Ｆcx−（−Ｆcx））を示すものになり、作用したＺ軸まわりの角速度ωｚに相当する値になる。
なお、加速度が作用する環境下であっても、差動増幅器３３３の出力電圧が加速度による影響を受けることはない。たとえば、Ｘ軸方向の加速度αｘが作用した場合、第４３図に示すように、加速度αｘに基づく力Ｆaxにより、移動電極４３１，４３２がともにＸ軸方向に変位することになるが、容量素子Ｃ５Ｃ，Ｃ５Ｄ，Ｃ６Ｃ，Ｃ６Ｄの電極面積は、いずれも同じ量だけ増加するため、差動増幅器３３３によって差分をとることにより、この増加分はキャンセルされることになる。また、Ｙ軸方向の加速度αｙが作用した場合、移動電極４３１，４３２はＹ軸方向に若干変位することになるが、容量素子Ｃ５Ｃ，Ｃ５Ｄ，Ｃ６Ｃ，Ｃ６Ｄの電極面積には変動はなく、これら各容量素子の静電容量値に影響はない。更に、Ｚ軸方向の加速度αｚが作用した場合、容量素子Ｃ５Ｃ，Ｃ５Ｄ，Ｃ６Ｃ，Ｃ６Ｄの電極間隔が、いずれも同じ量だけ増減するため、静電容量値も同じ量だけ増減することになる。しかしながら、差動増幅器３３３によって差分をとることにより、この増減分はキャンセルされることになる。
第３５図に示した基本原理によれば、加速度成分をキャンセルするために、正のＸ軸上距離測定手段８１の出力と負のＸ軸上距離測定手段８２の出力との和を演算手段８３によって求めていた。それに対し、ここに示す実施例では、加速度成分をキャンセルするために、差動増幅器３３３を用いて差を求めている。このように、前者では和を求め、後者では差を求めているが、両者は原理的には等価である。すなわち、前者では距離ｒに関する和を求めているのに対し、後者では静電容量値Ｃの差を求めているのであり、このように両者で取り扱いが異なるのは、同じ現象に対して、距離ｒの増減と静電容量値Ｃの増減とはそのふるまいが異なるため当然である。たとえば、第４０図の状態における重錘体の円運動半径をｒとし、第４１図の状態における重錘体の円運動半径をｒ＋Δｒとする。第３５図に示した基本原理によれば、位相が１８０°ずれた一対の重錘体の中心軸からの距離の和に基づいてＺ軸まわりの角速度ωｚを求めることになる。したがって、距離の和は、第４０図の状態では「２ｒ」であったのに、第４１図の状態では「２ｒ＋２Δｒ」となっており、両状態の変動分である「２Δｒ」が作用した角速度ωｚを示す値となる。ところが、この実施例における電極配置によれば、静電容量値Ｃの増減は、必ずしも距離ｒの増減には一致しない。すなわち、第４１図を見ればわかるように、容量素子Ｃ５Ｃ，Ｃ５Ｄの容量値は距離ｒの増加によって増加するのに対し、容量素子Ｃ６Ｃ，Ｃ６Ｄの容量値は距離ｒの増加によって減少する。このため、第４２図に示す回路図では、差動増幅器３３３によって、容量値Ｃ６に対応する電圧値Ｖ６の符号を反転させているのであり、差動増幅器３３３の行っている「静電容量値Ｃの差を求める演算」は、「距離ｒの和を求める演算」と等価である。
§１１． 三次元角速度センサの変形例
第４４図は、§１０で述べた三次元角速度センサの変形例を示す側断面図である。このセンサは、§１０で述べたセンサのロータ４００を、ロータ４５０に置き換えたものである。ロータ４００とロータ４５０との相違点は、重錘体４１１−４１４を接続するための伸縮性をもったアームの構造だけである。すなわち、ロータ４００で用いられていたアーム４２１−４２４は、上面から見たときにジグザグの構造を採っていたが、第４４図に示す変形例のロータ４５０では、側面から見たときにジグザグの構造を有するアーム４４１−４４４（アーム４４３，４４４は図示されていない）が用いられている。
伸縮性をもったアームとしては、この他にも種々の構造のものを利用することが可能であり、たとえば、コイルスプリング状のアームを用いてもかまわない。ただ、半導体基板にマイクロマシニング技術を利用してロータを形成する場合には、これまで述べた例のように、板ばねをジグザグ構造にしたものを用いると製造が容易である。
第４５図は、§１０で述べた三次元角速度センサにおけるロータを、反転回転運動させる構造にした変形例である。ロータ５００は、第４４図に示すロータ４５０とほぼ同じ構造を有する。すなわち、４個の重錘体５１１−５１４が、側面から見たときにジグザグの構造を有するアーム５４１−５４４によって中心部材５６０に接続されている（重錘体５１３，５１４，アーム５４３，５４４は図示されていない）。重錘体５１１−５１４および中心部材５６０の下面には、移動電極５３１−５３４，５６５が形成され（移動電極５３３，５３４は図示されていない）、中心部材５６０は電極５６５および支持体５７０を介して基板１００上に固着されている。支持体５７０は、Ｚ軸まわりに捩じれを生じることができる構造を有し、ロータ５００は§８で述べたような反転回転運動を行うことが可能になる。このセンサの動作は、ロータ５００が反転回転運動を行う点を除いて、§１０で述べたセンサの動作と全く同じであり、ここでは詳しい説明は省略する。
産業上の利用可能性
本発明に係る角速度センサを被測定対象物に装着すると、この対象物に作用するＸ軸まわりの角速度ωｘおよびＹ軸まわりの角速度ωｙを同時に検出することが可能になり、しかも加速度成分の影響を受けない正確な検出値を得ることが可能になる。この角速度センサは、マイクロマシニング技術および半導体技術を利用して製造することが可能であり、小型化および大量生産に適している。したがって、産業用機械、産業用ロボット、自動車、航空機、船舶などに搭載し、運動状態の認識、あるいは運動に対するフィードバック制御を行う上でのセンサとして広く利用できるものである。また、カメラの撮影時における手振れを補正する制御にも利用できる。
Claims (8)
- ＸＹＺ三次元座標系におけるＸＹ平面に沿った上面を有する基板と、
基板上面に直交するＺ軸を回転軸として前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行う第１の重錘体および第２の重錘体と、
外力が作用しない状態において、前記第１の重錘体が、前記基板上面に対して一定の距離を保ちつつ、正のＸ軸を時計回りの方向へ横切るような回転と反時計回りの方向へ横切るような回転とを交互に繰り返す反転回転運動を行うようにエネルギーを供給するとともに、前記第２の重錘体が、前記基板上面に対して一定の距離を保ちつつ、負のＸ軸を時計回りの方向へ横切るような回転と反時計回りの方向へ横切るような回転とを交互に繰り返す反転回転運動を行うようにエネルギーを供給するエネルギー供給手段と、
前記第１の重錘体が正のＸ軸上空を通過した時点において前記基板上面と通過中の前記第１の重錘体との距離を測定する正のＸ軸上方距離測定手段と、
前記第２の重錘体が負のＸ軸上空を通過した時点において前記基板上面と通過中の前記第２の重錘体との距離を測定する負のＸ軸上方距離測定手段と、
を備え、
前記正のＸ軸上方距離測定手段によって測定された距離と、前記負のＸ軸上方距離測定手段によって測定された距離と、に基づいて、前記基板に作用したＸ軸まわりの角速度を検出する機能を有し、
前記正のＸ軸上方距離測定手段は、前記基板上面の正のＸ軸の近傍に互いに隣接して配置された一対の電極からなる第１の固定電極対と、前記第１の固定電極対を構成する一対の電極の双方に対向可能となるように前記第１の重錘体の下面に形成された第１の移動電極と、前記第１の固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第１の検出回路と、を有し、前記第１の固定電極対を構成する一対の電極のそれぞれと前記第１の移動電極とによって構成される一対の容量素子を直列接続して得られる容量素子の静電容量値を前記第１の検出回路によって検出することにより距離の測定を行う機能を有し、
前記負のＸ軸上方距離測定手段は、前記基板上面の負のＸ軸の近傍に互いに隣接して配置された一対の電極からなる第２の固定電極対と、前記第２の固定電極対を構成する一対の電極の双方に対向可能となるように前記第２の重錘体の下面に形成された第２の移動電極と、前記第２の固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第２の検出回路と、を有し、前記第２の固定電極対を構成する一対の電極のそれぞれと前記第２の移動電極とによって構成される一対の容量素子を直列接続して得られる容量素子の静電容量値を前記第２の検出回路によって検出することにより距離の測定を行う機能を有することを特徴とする角速度センサ。 - 請求項１に記載の角速度センサにおいて、
エネルギー供給手段が、第１の重錘体の反転回転運動の回転方向と第２の重錘体の反転回転運動の回転方向とが同じになるように各重錘体に対するエネルギーの供給を行うようにし、
正のＸ軸上方距離測定手段によって測定された距離と負のＸ軸上方距離測定手段によって測定された距離との差を求める差分演算手段を設け、この差分演算手段によって求めた差に基づいて、基板に作用したＸ軸まわりの角速度を検出することを特徴とする角速度センサ。 - 請求項２に記載の角速度センサにおいて、
基板上面に直交するＺ軸を回転軸として前記基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行う第３の重錘体および第４の重錘体と、
外力が作用しない状態において、前記第３の重錘体が、前記基板上面に対して一定の距離を保ちつつ、正のＹ軸を時計回りの方向へ横切るような回転と反時計回りの方向へ横切るような回転とを交互に繰り返す反転回転運動を行うようにエネルギーを供給するとともに、前記第４の重錘体が、前記基板上面に対して一定の距離を保ちつつ、負のＹ軸を時計回りの方向へ横切るような回転と反時計回りの方向へ横切るような回転とを交互に繰り返す反転回転運動を行うようにエネルギーを供給し、かつ、前記第３の重錘体の反転回転運動の回転方向と前記第４の重錘体の反転回転運動の回転方向とが同じになるように各重錘体に対するエネルギーの供給を行うエネルギー供給手段と、
前記第３の重錘体が正のＹ軸上空を通過した時点において前記基板上面と通過中の前記第３の重錘体との距離を測定する正のＹ軸上方距離測定手段と、
前記第４の重錘体が負のＹ軸上空を通過した時点において前記基板上面と通過中の前記第４の重錘体との距離を測定する負のＹ軸上方距離測定手段と、
前記正のＹ軸上方距離測定手段によって測定された距離と前記負のＹ軸上方距離測定手段によって測定された距離との差を求める差分演算手段と、
を更に備え、前記差に基づいて、前記基板に作用したＹ軸まわりの角速度を検出する機能を有し、
前記正のＹ軸上方距離測定手段は、前記基板上面の正のＹ軸の近傍に互いに隣接して配置された一対の電極からなる第３の固定電極対と、前記第３の固定電極対を構成する一対の電極の双方に対向可能となるように前記第３の重錘体の下面に形成された第３の移動電極と、前記第３の固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第３の検出回路と、を有し、前記第３の固定電極対を構成する一対の電極のそれぞれと前記第３の移動電極とによって構成される一対の容量素子を直列接続して得られる容量素子の静電容量値を前記第３の検出回路によって検出することにより距離の測定を行う機能を有し、
前記負のＹ軸上方距離測定手段は、前記基板上面の負のＹ軸の近傍に互いに隣接して配置された一対の電極からなる第４の固定電極対と、前記第４の固定電極対を構成する一対の電極の双方に対向可能となるように前記第４の重錘体の下面に形成された第４の移動電極と、前記第４の固定電極対を構成する一対の電極間の静電容量値を電気的に検出する第４の検出回路と、を有し、前記第４の固定電極対を構成する一対の電極のそれぞれと前記第４の移動電極とによって構成される一対の容量素子を直列接続して得られる容量素子の静電容量値を前記第４の検出回路によって検出することにより距離の測定を行う機能を有することを特徴とする角速度センサ。 - 請求項３に記載の角速度センサにおいて、
第１の重錘体および第２の重錘体の反転回転運動の回転方向と、第３の重錘体および第４の重錘体の反転回転運動の回転方向と、が常に逆向きになるように設定したことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項３または４に記載の角速度センサにおいて、
第１の重錘体が正のＸ軸上空に位置するときに、第２の重錘体が負のＸ軸上空に位置し、第３の重錘体が正のＹ軸上空に位置し、第４の重錘体が負のＹ軸上空に位置するように、前記第１の重錘体、前記第２の重錘体、前記第３の重錘体、前記第４の重錘体を中間部材を介して結合したことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項１〜５のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
Ｚ軸まわりに捩じれを生じることができる材質からなる支持体を基板上面に固着し、各重錘体をこの支持体によって支持するようにしたことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項１〜６のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
用いる複数の重錘体の形状および質量を同一にしたことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項１〜７のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
各重錘体の少なくとも一部分を誘電体で構成し、
エネルギー供給手段を、前記重錘体の回転運動経路に沿って配置した複数の電極と、これら複数の電極に対してそれぞれ位相の異なる交流電圧を供給する電圧供給回路と、によって構成したことを特徴とする角速度センサ。
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