JPH08226931A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ３つの軸についての角速度を、高い応答性を
もって検出する。 【構成】 重錘体４０を、筐体内において所定の自由度
をもって移動可能となるように支持した状態で、原点Ｏ
を中心としてＸＹ平面内で円軌道４１に沿って円運動さ
せる。点Ｐｘにおいて重錘体４０がＸ軸を通過する瞬間
に、重錘体４０に対してＺ軸方向に作用するコリオリ力
Ｆcoを検出することにより、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを
検出する。点Ｐｙにおいて重錘体４０がＹ軸を通過する
瞬間に、重錘体４０に対してＺ軸方向に作用するコリオ
リ力Ｆcoを検出することにより、Ｙ軸まわりの角速度ω
ｙを検出する。また、点Ｐｘにおいて重錘体４０に対し
てＸ軸方向に作用する力を検出し、この力から遠心力を
除去することにより得られたコリオリ力に基いて、Ｚ軸
まわりの角速度ωｚを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、角速度センサ、特に、
多次元の各成分ごとに角速度を検出することのできるセ
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、加速度
や角速度といった物理量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。このた
め、小型で精度が高く、しかも製造コストを抑えること
ができる多次元加速度センサや多軸角速度センサの需要
が高まっている。

【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４
９６７６０５号／同第５１８２５１５号）、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）、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）などには、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。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】これに対して、多軸の角速度センサについ
ての記述は、これまでの文献にはほとんど記述が見られ
ず、実用化もされていない。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。しかしながら、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Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各軸まわりの角速度を
それぞれ独立して検出する必要がある。従来利用されて
いる一次元の角速度センサを用いてＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の
各軸まわりの角速度を検出するには、この一次元角速度
センサを３組用意し、それぞれを各軸まわりの角速度を
検出できるような特定の方向に取り付ける必要がある。
このため、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】このような状況において、本願発明者は、
小型で精度が高く、しかも製造コストを抑えることがで
きる新規な多軸角速度センサを提案し、特許協力条約に
基づく国際公開第ＷＯ９４／２３２７２号公報において
開示した。また、特願平６−１９１０８１号明細書、特
願平６−２２５８９４号明細書、特願平６−２５８９０
９号明細書には、その改良案をいくつか開示した。これ
らの新規なセンサによれば、三次元の各軸まわりの角速
度を検出することができる。これは、Ｘ軸まわりの角速
度ωｘが作用している状態において、この物体をＺ軸方
向に振動させると、Ｙ軸方向にコリオリ力が作用すると
いう原理を利用したものである。たとえば、可撓性基板
上に配置された所定の圧電素子に交流電圧を印加し、可
撓性基板に取り付けられた重錘体をＺ軸方向に振動させ
る。ここで、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが作用している
と、重錘体にはＹ軸方向にコリオリ力が働くので、重錘
体はＹ軸方向へ変位することになる。この変位を圧電素
子が発生する電荷により検出すれば、作用した角速度ω
ｘを間接的に検出することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した多軸角速度セ
ンサでは、二軸まわりの角速度検出は比較的容易に行う
ことができる。たとえば、上述のように、重錘体をＺ軸
方向に振動させた状態において、Ｙ軸方向に作用するコ
リオリ力を検出できれば、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを求
めることができ、逆に、Ｘ軸方向に作用するコリオリ力
を検出できれば、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを求めること
ができる。すなわち、重錘体を同じＺ軸方向に振動させ
た状態のまま、Ｘ軸まわりの角速度ωｘと、Ｙ軸まわり
の角速度ωｙとの双方を求めることができることにな
る。ところが、重錘体をＺ軸方向に振動させた状態のま
までは、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを求めることはできな
い。Ｚ軸まわりの角速度ωｚを求めるためには、重錘体
の振動方向をＸ軸もしくはＹ軸に変える必要がある。

【０００７】ところが、ある程度の質量をもった重錘体
が振動している場合に、その振動方向を、これまでの振
動方向とは直交する別な方向に変えるためには、一度、
重錘体の振動を停止させてから、あらためて新たな振動
方向に振動させてやる必要がある。通常、振動物体を停
止させるには、ある程度の時間が必要であり、また、こ
の物体を別な方向に振動させ、安定した振動状態にもっ
てゆくにも、ある程度の時間が必要になる。このため、
三軸まわりの角速度検出を行う場合に、応答性が低下す
るという問題があった。

【０００８】そこで本発明は、複数の異なる軸について
の角速度を、高い応答性をもって検出することのできる
角速度センサを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

(1) 本発明の第１の態様は、角速度センサにおいて、
質量をもった重錘体と、この重錘体を収容する筐体と、
筐体に対して所定の自由度をもって移動可能となるよう
に重錘体を支持する支持手段と、重錘体を移動可能な自
由度の範囲内で所定の周回軌道に沿って周回運動させる
駆動手段と、この周回運動の接線方向に対して垂直な第
１の軸方向について重錘体に作用するコリオリ力を検出
する検出手段と、重錘体の周回運動接線速度とコリオリ
力とに基いて接線方向および第１の軸方向の双方に垂直
な第２の軸まわりの角速度を演算によって求める演算手
段と、を設けたものである。

【００１０】(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、重錘体を所定平面
内で円運動させ、この平面に対して垂直な方向に第１の
軸をとり、円運動の半径方向に第２の軸をとり、重錘体
に作用する力の第１の軸方向成分をコリオリ力として検
出し、第２の軸まわりの角速度を求めるようにしたもの
である。

【００１１】(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１
の態様に係る角速度センサにおいて、重錘体を所定平面
内で円運動させ、この円運動の半径方向に第１の軸をと
り、円運動の所定平面に対して垂直な方向に第２の軸を
とり、重錘体に作用する力の第１の軸方向成分から円運
動に基く遠心力成分を除去することによりコリオリ力を
検出し、第２の軸まわりの角速度を求めるようにしたも
のである。

【００１２】(4) 本発明の第４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、ＸＹＺ三次元座標
系のＸＹ平面内で重錘体を円運動させ、重錘体がＸ軸お
よびＹ軸を通過する瞬間にそれぞれコリオリ力の検出を
行い、ＸＹＺ三次元座標系における少なくとも２軸まわ
りの角速度を求めるようにしたものである。

【００１３】(5) 本発明の第５の態様は、上述の第４
の態様に係る角速度センサにおいて、重錘体がＹ軸方向
に沿った所定の瞬時速度をもってＸ軸を通過する瞬間
に、この重錘体に作用する力のＺ軸方向成分をコリオリ
力として検出し、Ｘ軸通過の瞬時速度と検出したコリオ
リ力とに基いてＸ軸まわりの角速度を求め、重錘体がＸ
軸方向に沿った所定の瞬時速度をもってＹ軸を通過する
瞬間に、この重錘体に作用する力のＺ軸方向成分をコリ
オリ力として検出し、Ｙ軸通過の瞬時速度と検出したコ
リオリ力とに基いてＹ軸まわりの角速度を求め、重錘体
がＹ軸方向に沿った所定の瞬時速度をもってＸ軸を通過
する瞬間に、この重錘体に作用する力のＸ軸方向成分を
検出し、検出したＸ軸方向成分から円運動に基く遠心力
成分を除去することによりコリオリ力を検出し、Ｙ軸通
過の瞬時速度と検出したコリオリ力とに基いてＺ軸まわ
りの角速度を求め、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸まわりの角
速度を求めるようにしたものである。

【００１４】(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、重錘体が原
点に位置するＸＹＺ三次元座標系を定義し、重錘体に対
してＸ軸の正方向に力を作用させる第１の力発生器と、
重錘体に対してＹ軸の正方向に力を作用させる第２の力
発生器と、重錘体に対してＸ軸の負方向に力を作用させ
る第３の力発生器と、重錘体に対してＹ軸の負方向に力
を作用させる第４の力発生器と、によって駆動手段を構
成し、第１〜第４の力発生器を周期的に動作させること
により、重錘体をＸＹ平面内で周回運動させるようにし
たものである。

【００１５】(7) 本発明の第７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、可撓性をも
った可撓性基板によって支持手段を構成し、この可撓性
基板の周囲部を筐体に固定し、可撓性基板の中心部に重
錘体を固着し、可撓性基板の所定箇所に対して所定方向
の力を作用させる力発生器を、可撓性基板上に複数配置
することにより駆動手段を構成し、可撓性基板の所定箇
所の所定方向への変位を検出する変位検出器を、可撓性
基板上に複数配置することにより検出手段を構成したも
のである。

【００１６】(8) 本発明の第８の態様は、上述の第７
の態様に係る角速度センサにおいて、板状の基板の周囲
部と中心部との間に環状の溝を掘ることにより肉厚の薄
い可撓部を形成し、この可撓部の撓みによって、中心部
が周囲部に対して変位を生じるような構造にし、この板
状の基板によって可撓性基板を構成したものである。

【００１７】(9) 本発明の第９の態様は、上述の第７
または第８の態様に係る角速度センサにおいて、可撓性
基板の表面がＸＹ平面に平行になるようなＸＹＺ三次元
座標系を定義し、Ｘ軸の正の領域および負の領域、なら
びに、Ｙ軸の正の領域および負の領域に、Ｚ軸に沿った
方向に力を作用させる力発生器をそれぞれ配置し、これ
らの力発生器を周期的に動作させることにより、重錘体
をＸＹ平面内で周回運動させるようにしたものである。

【００１８】(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第
７または第８の態様に係る角速度センサにおいて、可撓
性基板の表面がＸＹ平面に平行になるようなＸＹＺ三次
元座標系を定義し、Ｘ軸の正の領域および負の領域、な
らびに、原点近傍領域に、Ｚ軸に沿った方向に力を作用
させる力発生器をそれぞれ配置し、これらの力発生器を
周期的に動作させることにより、重錘体をＸＺ平面内で
周回運動させるようにしたものである。

【００１９】(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第
７または第８の態様に係る角速度センサにおいて、可撓
性基板の表面がＸＹ平面に平行になるようなＸＹＺ三次
元座標系を定義し、Ｘ軸の正の領域および負の領域に、
Ｘ軸に沿った方向に力を作用させる力発生器をそれぞれ
配置し、Ｙ軸の正の領域および負の領域に、Ｙ軸に沿っ
た方向に力を作用させる力発生器をそれぞれ配置し、こ
れらの力発生器を周期的に動作させることにより、重錘
体をＸＹ平面内で周回運動させるようにしたものであ
る。

【００２０】(12) 本発明の第１２の態様は、上述の第
７または第８の態様に係る角速度センサにおいて、可撓
性基板の表面がＸＹ平面に平行になるようなＸＹＺ三次
元座標系を定義し、可撓性基板上に原点近傍の内側領域
とその周囲の外側領域とを定義し、Ｘ軸の正方向の内側
領域および外側領域、ならびに、Ｘ軸の負方向の内側領
域および外側領域に、Ｘ軸に沿った方向に力を作用させ
る力発生器をそれぞれ配置し、これらの力発生器を周期
的に動作させることにより、重錘体をＸＺ平面内で周回
運動させるようにしたものである。

【００２１】(13) 本発明の第１３の態様は、上述の第
７または第８の態様に係る角速度センサにおいて、可撓
性基板の表面がＸＹ平面に平行になるようなＸＹＺ三次
元座標系を定義し、Ｘ軸の正の領域および負の領域、な
らびに、Ｙ軸の正の領域および負の領域に、Ｚ軸に沿っ
た方向への変位を検出する変位検出器をそれぞれ配置
し、Ｘ軸の正負両領域に配置された変位検出器を用いて
重錘体のＸ軸方向に作用するコリオリ力を検出し、Ｙ軸
の正負両領域に配置された変位検出器を用いて重錘体の
Ｙ軸方向に作用するコリオリ力を検出するようにしたも
のである。

【００２２】(14) 本発明の第１４の態様は、上述の第
７または第８の態様に係る角速度センサにおいて、可撓
性基板の表面がＸＹ平面に平行になるようなＸＹＺ三次
元座標系を定義し、Ｘ軸の正の領域および負の領域に、
Ｘ軸に沿った方向への変位を検出する変位検出器をそれ
ぞれ配置し、Ｙ軸の正の領域および負の領域に、Ｙ軸に
沿った方向への変位を検出する変位検出器をそれぞれ配
置し、Ｘ軸の正負両領域に配置された変位検出器を用い
て重錘体のＸ軸方向に作用するコリオリ力を検出し、Ｙ
軸の正負両領域に配置された変位検出器を用いて重錘体
のＹ軸方向に作用するコリオリ力を検出するようにした
ものである。

【００２３】(15) 本発明の第１５の態様は、上述の第
７または第８の態様に係る角速度センサにおいて、可撓
性基板上に形成された第１の電極と、この可撓性基板に
対向して設けられた固定基板上に形成された第２の電極
と、の一対の電極からなる容量素子によって、力発生器
および変位検出器を構成したものである。

【００２４】(16) 本発明の第１６の態様は、上述の第
７または第８の態様に係る角速度センサにおいて、可撓
性基板上に形成された第１の電極と、この第１の電極上
に可撓性基板の撓みが伝達されるように固着された圧電
素子と、この圧電素子の上の第１の電極に対向する位置
に形成された第２の電極と、によって、力発生器および
変位検出器を構成したものである。

【００２５】(17) 本発明の第１７の態様は、上述の第
７または第８の態様に係る角速度センサにおいて、可撓
性基板上に形成された第１の電極と、この可撓性基板に
対向して設けられた固定基板上に形成された第２の電極
と、これら一対の電極間に設けられた圧電素子と、によ
って、力発生器および変位検出器を構成したものであ
る。

【００２６】(18) 本発明の第１８の態様は、上述の第
７または第８の態様に係る角速度センサにおいて、力発
生器としての機能と変位検出器としての機能とを併せも
った兼用器を用いることにより、駆動手段の一部分と検
出手段の一部分とを物理的に同一の要素によって構成し
たものである。

【００２７】(19) 本発明の第１９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、筐体に固
着された固定基板と、この固定基板の下方に固定された
圧電素子と、により支持手段を構成し、圧電素子の下方
に重錘体を固着し、圧電素子の所定位置に電荷を供給す
る手段によって駆動手段を構成し、圧電素子の所定位置
に発生する電荷を測定する手段によって検出手段を構成
したものである。

【００２８】

【作 用】これまでの角速度センサでは、重錘体を第１
の方向に振動（往復運動）させた状態において、第２の
方向に作用するコリオリ力を検出することにより、第３
の軸まわりの角速度を求めていた。このため、異なる軸
まわりの角速度を求めるためには、振動方向やコリオリ
力の検出方向を変える必要があった。本発明の基本思想
は、重錘体を振動させる代わりに、周回運動させる点に
ある。周回運動する物体を、瞬時瞬時でとらえれば、こ
の周回運動の接線方向に速度成分をもっている。したが
って、この瞬時において、接線方向に対して垂直な第１
の軸方向について、重錘体に作用するコリオリ力を検出
することができれば、上述の基本原理によって、接線方
向と第１の軸方向との双方に垂直な第２の軸まわりの角
速度を演算によって求めることができる。振動運動は、
常に１つの軸に沿っての往復運動であり、運動の速度成
分の向きは常にこの１軸方向に沿ったものになる。これ
に対し、周回運動の速度成分の向きは、周回運動軌跡の
接線に沿ったものになり、瞬時瞬時で変化するものにな
る。このため、コリオリ力の検出時点を適宜設定すれ
ば、非常に多様な方向についての角速度検出が可能にな
る。

【００２９】理論的には、重錘体にどのような周回運動
をさせてもよいが、実用上は、代表的な周回運動として
の円運動を行わせるのが好ましい。円運動は、比較的単
純な機構で実現することができ、非常に安定した運動に
なる。しかも、速度成分の向き（接線方向）が規則的に
変化するため、コリオリ力の検出処理も単純になる。特
に、ＸＹＺ三次元座標系のＸＹ平面内で重錘体を円運動
させ、重錘体がＸ軸およびＹ軸を通過する瞬間にそれぞ
れコリオリ力の検出を行えば、ＸＹＺ三次元座標系にお
ける各軸まわりの角速度を簡単な演算で求めることがで
きるようになる。

【００３０】重錘体を周回運動させるために、重錘体は
筐体内において、所定の自由度をもって移動可能となる
ように支持される。特に、周囲部が筐体に固定された可
撓性基板を支持手段として用い、この可撓性基板の中心
部に重錘体を固着するようにすれば、この可撓性基板の
平面内あるいはそれに直交する平面内における周回運動
を容易に行うことができる。すなわち、この可撓性基板
の所定箇所に対して所定方向の力を作用させる力発生器
を、可撓性基板上に複数配置し、これら力発生器を交互
に動作させるようにすれば、重錘体を周回運動させるこ
とができる。また、コリオリ力の検出は、この可撓性基
板の所定箇所の所定方向への変位を検出する変位検出器
を、可撓性基板上に複数配置しておけば、所定方向に作
用したコリオリ力の検出が可能になる。なお、周回運動
による遠心力が作用している場合には、この遠心力に基
く力を除去してコリオリ力のみを検出する必要がある
が、予め一定の周回運動を行わせるようにすれば、作用
する遠心力は既知の値となるので、コリオリ力のみを検
出することは容易である。

【００３１】力発生器や変位検出器は、容量素子や圧電
素子を用いて構成することができる。たとえば、一対の
電極からなる容量素子は、両電極間に所定の電圧を印加
することによりクーロン力を発生させる力発生器として
利用することができる。また、一方の電極の変位によっ
て電極間距離が変化すれば、この容量素子の静電容量が
変化するので、これを電気的に検出することも可能であ
る。したがって、この容量素子を変位検出器として利用
することもできる。同様に、圧電素子は、所定の電荷を
供給することにより所定方向への応力を発生させる力発
生器として利用することができる。また、変位によって
圧電素子に応力が加わると、この圧電素子に電荷が発生
するので、これを電気的に検出することにより、変位検
出器として利用することもできる。

【００３２】

【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基いて説明
する。

【００３３】§１ 角速度の検出原理 はじめに、本発明に係る多軸角速度センサの基本となる
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。図１は、日本国特許庁監修の雑誌「発明
（THE INVENTION)」、vol.90，No.3（１９９３年）の６
０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軸に沿って運動さ
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の運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。

【００３４】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、図１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。

【００３５】上述した角速度センサは、Ｚ軸まわりの角
速度を検出する１軸の角速度センサであり、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。現
在、産業界において需要が望まれている多軸角速度セン
サは、図２に示すように、所定の物体２０について、Ｘ
ＹＺ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、のそ
れぞれを別個独立して検出することのできる多軸角速度
センサである。このような多軸角速度センサを実現する
ための検出原理を、図３〜図５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、図３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、図
４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、図５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。

【００３６】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、のそれぞれとを用意すればよいこ
とになる。もっとも、３軸まわりについての角速度を検
出するためには、これらの機構がすべて必要かという
と、必ずしもそうではない。上述した図３〜図５に示す
原理の代わりに、図６〜図８に示す原理を用いた検出も
可能である。すなわち、振動子３０のＸ軸まわりの角速
度ωｘは、図６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、Ｚ軸方向に発生するコリ
オリ力Ｆｚを測定しても検出できるし、振動子３０のＹ
軸まわりの角速度ωｙは、図７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、Ｘ軸方向
に発生するコリオリ力Ｆｘを測定しても検出できるし、
振動子３０のＺ軸まわりの角速度ωｚは、図８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、Ｙ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｙを測定しても
検出できる。

【００３７】したがって、２軸まわりの角速度を検出す
るのであれば、１つの振動機構と２つの検出機構があれ
ば足りる。たとえば、図３に示す原理でＸ軸まわりの角
速度ωｘを検出し、図７に示す原理でＹ軸まわりの角速
度ωｙを検出するのであれば、Ｚ軸方向に振動させる機
構と、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙを検出する機構と、Ｘ
軸方向のコリオリ力Ｆｘを検出する機構と、があればよ
く、振動子３０をＺ軸方向に振動させた状態のまま、Ｘ
軸およびＹ軸まわりの角速度が検出できる。ところが、
振動子３０をＺ軸方向に振動させた状態のままでは、Ｚ
軸まわりの角速度ωｚを検出することはできない。Ｚ軸
まわりの角速度ωｚを検出するためには、振動子３０の
振動方向をＸ軸（図８）もしくはＹ軸（図５）に変える
必要がある。

【００３８】このように、従来提案されている角速度セ
ンサにおいて、３軸まわりの角速度を検出するために
は、少なくとも振動子３０を２方向に振動させる必要が
ある。しかしながら、実際には、振動子の振動方向を変
えるには、重錘体の振動を停止させてから、あらためて
新たな振動方向に振動させてやる必要があるため、ある
程度の時間が必要になる。特に、精度良い検出値を得る
には、振動状態が安定するまで待つ必要があり、応答性
はかなり低下せざるを得ない。たとえば、上述の例で
は、振動子をＺ軸方向に振動させた状態において、Ｘ軸
まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｚとを検出
することは可能であるが、続いて、Ｚ軸まわりの角速度
ωｚを検出するには、一度、振動子を静止させた後、あ
らためて、たとえばＸ軸方向に振動させる必要がある。
しかも、このＸ軸方向の振動が安定するまで、Ｚ軸まわ
りの角速度ωｚを検出することはできない。したがっ
て、３軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚをリアルタイ
ムで逐次検出する必要がある場合には、かなり応答性の
悪いものになってしまう。

【００３９】本発明の目的は、このような従来技術の問
題点を解決し、複数の異なる軸についての角速度を、高
い応答性をもって検出することのできる角速度センサを
提供することにある。

【００４０】§２ 本発明に係る角速度センサの検出原
理 続いて、本発明に係る角速度センサの検出原理を説明す
る。いま、図９に示すように、所定の質量ｍをもった物
体４０（以下、本明細書では重錘体と呼ぶ）が、所定の
周回軌道４１に沿って周回運動を行っているものとす
る。ここで、周回運動とは、閉ループからなる周回軌道
に沿った運動であれば、どのような運動でもかまわな
い。したがって、楕円運動や、放物線・双曲線・自由曲
線を含む軌道上の運動でもかまわないが、実用上は円運
動が最も単純で好ましい。そこで、以下の実施例では、
いずれも重錘体を円運動させる例について述べるが、本
発明は、この円運動だけに限定されるものではない。

【００４１】重錘体４０が円運動をしている場合、周回
軌道４１は中心Ｏ、半径ｒの円軌道となる。ここで、瞬
時における重錘体４０の速度成分を考えると、図９に示
すように、円軌道４１の接線方向Ｄｔを向いていること
になる。このとき、この接線方向Ｄｔに対して垂直な２
つの方向を考える。この図９の例では、重錘体４０が円
運動をしているので、円運動の半径方向Ｄｒと、円軌道
４１を含む平面に対して垂直な方向Ｄｕと、を考えるこ
とにする。ここで、２軸Ｄｔ，Ｄｒは、ある瞬時におい
てのみ定義される軸であり、時間が経過すれば、重錘体
４０が円軌道４１に沿って移動してしまうため、各軸の
向きは変化してしまうことになる。したがって、以下に
説明する２つの検出原理における各物理量は、いずれも
瞬時における物理量である。

【００４２】図１０は、本発明の第１の検出原理を説明
するための原理図である。上述のように、質量ｍをもっ
た重錘体４０が、円軌道４１に沿って円運動していると
き、重錘体４０の速度ベクトルＶｔは、接線方向Ｄｔを
向く。このとき、もしこの検出系全体に対して、半径方
向Ｄｒを向いた軸まわりに角速度ωが作用していたとす
ると、円軌道４１に対して垂直な方向（円を含む平面に
対して垂直な方向）Ｄｕに沿って、コリオリ力Ｆcoが発
生することになり、このコリオリ力Ｆcoと、重錘体４０
の質量ｍと、重錘体４０の接線方向速度Ｖｔと、作用し
た角速度ωと、の間には、 Ｆco＝２ｍ・Ｖｔ・ω なる関係が成り立つことになる。ここで、ｍは重錘体４
０の質量として知ることのできる値である。また、速度
Ｖｔも測定可能な値であり、特に、重錘体４０を所定の
駆動機構によって等速円運動させておけば、常に一定の
値となる。したがって、コリオリ力Ｆcoを検出すること
ができれば、上述の式に基いて、角速度ωを演算によっ
て求めることができる。この例のように、重錘体４０
が、円軌道４１に沿った円運動を行っている場合には、
この円軌道４１に対して垂直な方向Ｄｕについては、遠
心力のような円運動のための力は作用しない。したがっ
て、重錘体４０に対して、加速度、電磁気力などの外力
の作用がないとすれば、重錘体４０に対して方向Ｄｕの
向きに加わっている力Ｆｕは、コリオリ力Ｆcoに等し
い。そこで、この方向Ｄｕを向いた力Ｆｕを検出するこ
とにより、コリオリ力Ｆcoを得ることができる。

【００４３】結局、この第１の検出原理は、重錘体４０
を円運動させた状態において、重錘体４０にＤｕ方向に
作用する力Ｆｕを求め、この力Ｆｕをコリオリ力Ｆcoと
して、上述の関係式を用いれば、円運動の半径方向Ｄｒ
に沿った軸まわりの角速度ωが得られることを示してい
る。ここで、円運動の半径方向Ｄｒは、中心点Ｏから外
側を指す矢印で示される方向であり、円軌道４１を含む
平面内において時事刻々と変化してゆく方向である。し
たがって、この第１の検出原理に基く角速度検出を行え
ば、重錘体４０が円軌道４１を一周運動する間に、この
平面内のあらゆる方向を向いた軸まわりの角速度を検出
することが可能になる。

【００４４】一方、図１１は、本発明の第２の検出原理
を説明するための原理図である。前述の第１の検出原理
と同様に、質量ｍをもった重錘体４０を、円軌道４１に
沿って円運動させれば、重錘体４０の速度ベクトルＶｔ
は、接線方向Ｄｔを向く。このとき、もしこの検出系全
体に対して、円軌道４１に対して垂直な方向Ｄｕに沿っ
た軸まわりに角速度ωが作用していたとすると、円運動
の半径方向Ｄｒに沿って、コリオリ力Ｆcoが発生するこ
とになり、このコリオリ力Ｆcoと、重錘体４０の質量ｍ
と、重錘体４０の接線方向速度Ｖｔと、作用した角速度
ωと、の間には、やはり Ｆco＝２ｍ・Ｖｔ・ω なる関係が成り立つことになる。したがって、上述した
第１の検出原理と同様に、コリオリ力Ｆcoを検出するこ
とができれば、上述の式に基いて、角速度ωを演算によ
って求めることができる。ただ、第１の検出原理と異な
る点は、半径方向Ｄｒには、円運動に基く遠心力Ｆceが
作用する点である。すなわち、重錘体４０に対して、加
速度、電磁気力などの外力の作用がないとすると、重錘
体４０に対して半径方向Ｄｒに加わっている力Ｆｒは、
遠心力Ｆceにコリオリ力Ｆcoを合成したものになる。た
だ、遠心力Ｆceの大きさは、円運動が特定できれば、計
算によって求めることができる。すなわち、重錘体の質
量をｍ、円運動の半径をｒ、円運動の角速度をΩとすれ
ば、 Ｆce＝ｍ・ｒ・Ω^２ によって求めることができる。そこで、半径方向Ｄｒを
向いた力Ｆｒを検出し、そこから遠心力Ｆceの成分を除
去すれば、コリオリ力Ｆcoを得ることができる。

【００４５】結局、この第２の検出原理は、重錘体４０
を円運動させた状態において、重錘体４０に対して半径
方向Ｄｒに作用する力Ｆｒを求め、この力Ｆｒから遠心
力の成分Ｆceを除去したものをコリオリ力Ｆcoとして、
上述の関係式を用いれば、円軌道４１に対して垂直な方
向Ｄｕに沿った軸まわりの角速度ωが得られることを示
している。

【００４６】なお、この検出系全体に対して、加速度や
電磁気力（重錘体４０が磁性体の場合に影響を受ける）
などの外力が更に作用していた場合には、この角速度セ
ンサとは別に、加速度センサや磁気センサなどを併用し
て加速度や磁気力を検出し、この検出値に基く補正を行
えばよい。たとえば、第１の検出原理に基く検出を行う
場合には、Ｄｕ方向に作用する力Ｆｕから、加速度や磁
気力に基く成分を除去してコリオリ力Ｆcoを求めるよう
にすればよいし、第２の検出原理に基く検出を行う場合
には、Ｄｒ方向に作用する力Ｆｒから、遠心力Ｆceを除
去するとともに、加速度や磁気力に基く成分を除去して
コリオリ力Ｆcoを求めるようにすればよい。

【００４７】図１２は、上述した原理によって、角速度
検出を行う角速度センサの基本構成を示すブロック図で
ある。質量をもった重錘体４０を、所定の周回軌道４１
に沿って周回運動させる必要があるため、実用的なセン
サとして利用するためには、この周回運動が阻害されな
いように、重錘体４０を筐体４２内に収容する必要があ
る。このとき、重錘体４０を筐体４２によって支持する
必要があるが、重錘体４０を筐体４２に固着してしまう
と周回運動ができなくなるので、所定の自由度をもって
移動可能となるように支持する支持手段４３が必要にな
る。また、重錘体４０を周回運動させるための駆動手段
４４と、上述した検出原理に不可欠なコリオリ力を検出
するための検出手段４５と、上述した検出原理に基く演
算を実行する演算手段４６と、が必須の構成要素とな
る。これらの各構成要素を、具体的にどのように実現す
るかという点については、後述する具体的な実施例にお
いて詳述する。

【００４８】§３ ＸＹＺ三次元座標系における３軸ま
わりの角速度検出 上述した基本原理によれば、任意の軸まわりの角速度検
出が可能であるが、実用上は、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ω
ｙ、Ｚ軸まわりの角速度ωｚ、の３成分を検出できれば
必要十分である。そこで、ここでは、このような３軸ま
わりの角速度検出を行うための原理を説明する。

【００４９】いま、図１３に示すように、ＸＹＺ三次元
座標系を定義し、原点Ｏを中心としてＸＹ平面に含まれ
るような円からなる周回軌道４１を考え、この周回軌道
に沿って重錘体４０が円運動をしているものとする。結
局、重錘体４０はＸＹ平面内において、原点Ｏの周囲を
まわるように円運動することになる。そこで、円運動中
の重錘体４０が、Ｘ軸を通過する瞬間およびＹ軸を通過
する瞬間に、§２で述べた基本原理に基く角速度検出を
行うのである。

【００５０】まず、§２で述べた第１の検出原理による
検出を考えてみよう。図１３に示すように、重錘体４０
は点ＰｘにおいてＸ軸を通過する。このときの重錘体４
０の瞬時速度ベクトルＶｙは、点Ｐｘにおける円軌道４
１の接線方向を向いているためＹ軸に平行になる。そし
て、この時点において、重錘体４０に作用するＺ軸方向
の力Ｆｚを求めれば、この力Ｆｚは、この検出系全体に
作用しているＸ軸まわりの角速度ωｘに基いて生じるコ
リオリ力Ｆcoに等しい。したがって、点Ｐｘにおいて、
重錘体４０に作用する力Ｆｚを検出すれば、重錘体４０
の質量をｍとして、 Ｆｚ＝Ｆco＝２ｍ・Ｖｙ・ωｘ なる関係式を用いて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを求める
ことができる。また、重錘体４０は点ＰｙにおいてＹ軸
を通過する。このときの重錘体４０の瞬時速度ベクトル
Ｖｘは、点Ｐｙにおける円軌道４１の接線方向を向いて
いるためＸ軸に平行になる。そして、この時点におい
て、重錘体４０に作用するＺ軸方向の力Ｆｚを求めれ
ば、この力Ｆｚは、この検出系全体に作用しているＹ軸
まわりの角速度ωｙに基いて生じるコリオリ力Ｆcoに等
しい。したがって、点Ｐｙにおいて、重錘体４０に作用
する力Ｆｚを検出すれば、重錘体４０の質量をｍとし
て、 Ｆｚ＝Ｆco＝２ｍ・Ｖｘ・ωｙ なる関係式を用いて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを求める
ことができる。結局、§２で述べた第１の検出原理を用
いれば、重錘体４０がＸ軸を通過する瞬間においてＸ軸
まわりの角速度ωｘを検出することができ、重錘体４０
がＹ軸を通過する瞬間においてＹ軸まわりの角速度ωｙ
を検出することができる。

【００５１】続いて、§２で述べた第２の検出原理によ
る検出を考えてみよう。図１４に示すように、重錘体４
０が点ＰｘにおいてＸ軸を通過する瞬間において、重錘
体４０に作用するＸ軸方向の力Ｆｘを求めれば、この力
Ｆｘは、この検出系全体に作用しているＺ軸まわりの角
速度ωｚに基いて生じるコリオリ力Ｆcoと重錘体４０に
作用する遠心力Ｆceとの合成力に等しい。したがって、
点Ｐｘにおいて、重錘体４０に作用する力Ｆｘを検出す
れば、重錘体４０の質量をｍとして、 Ｆｘ−Ｆce＝Ｆco＝２ｍ・Ｖｙ・ωｚ なる関係式を用いて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを求める
ことができる。また、重錘体４０が点ＰｙにおいてＹ軸
を通過する瞬間において、重錘体４０に作用するＹ軸方
向の力Ｆｙを求めれば、この力Ｆｙは、この検出系全体
に作用しているＺ軸まわりの角速度ωｚに基いて生じる
コリオリ力Ｆcoと重錘体４０に作用する遠心力Ｆceとの
合成力に等しい。したがって、点Ｐｙにおいて、重錘体
４０に作用する力Ｆｙを検出すれば、重錘体４０の質量
をｍとして、 Ｆｙ−Ｆce＝Ｆco＝２ｍ・Ｖｘ・ωｚ なる関係式を用いて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを求める
ことができる。結局、§２で述べた第２の検出原理を用
いれば、重錘体４０がＸ軸を通過する瞬間あるいはＹ軸
を通過する瞬間において、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検
出することができる（もっとも、この第２の検出原理に
よれば、どの瞬間においても、Ｚ軸まわりの角速度ωｚ
が検出できる）。

【００５２】このように、ＸＹＺ三次元座標系のＸＹ平
面内で重錘体４０を円運動させ、重錘体がＸ軸およびＹ
軸を通過する瞬間にそれぞれコリオリ力の検出を行え
ば、第１の検出原理あるいは第２の検出原理に基いて、
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３成分を検出することが可能
になる。具体的には、たとえば、図１３に示すように、
点Ｐｘおよび点Ｐｙを通過するたびに、それぞれＺ軸方
向の力Ｆｚを検出するようにしておけば、それぞれ角速
度ωｘおよびωｙを求めることができ、更に、図１４に
示すように、点Ｐｘを通過するたびに、Ｘ軸方向の力Ｆ
ｘを検出するようにしておけば、遠心力Ｆceによる補正
を行うことにより角速度ωｚを求めることができる（こ
の場合、点Ｐｘ通過時には、力Ｆｚと力Ｆｘとの双方を
検出する必要があるが、それぞれ別個の力センサを用い
るようにすれば、何ら問題はない）。結局、重錘体４０
が円軌道４１上を一周回転する間に、３軸についての角
速度ωｘ，ωｙ，ωｚをそれぞれ得ることができる。重
錘体４０の円運動速度は、比較的高速に維持することが
可能であるから、３軸角速度センサとしての応答性は極
めて高くなる。もちろん、図示されていないＸ軸あるい
はＹ軸の負の領域を通過したときにも同様の検出を行う
ようにすれば、応答性は更に向上する。

【００５３】§４ 駆動手段と検出手段 本発明に係る角速度センサでは、重錘体を周回運動させ
る駆動手段と、重錘体に作用するコリオリ力を検出する
検出手段とが必須の構成要素となる。そこで、ここで
は、重錘体をＸＹ平面内において円運動させる場合に適
した駆動手段および検出手段の構成および配置を簡単に
述べておく。

【００５４】まず、駆動手段の構成および配置の一例を
図１５に示す。この例では、ＸＹ平面の原点位置に重錘
体４０が示されており、その周囲に４つの力発生器Ｇ１
〜Ｇ４が配置されている。Ｘ軸の正領域に配置された第
１の力発生器Ｇ１は、重錘体４０に対してＸ軸の正方向
に力を作用させる機能を有し、Ｙ軸の正領域に配置され
た第２の力発生器Ｇ２は、重錘体４０に対してＹ軸の正
方向に力を作用させる機能を有し、Ｘ軸の負領域に配置
された第３の力発生器Ｇ３は、重錘体４０に対してＸ軸
の負方向に力を作用させる機能を有し、Ｙ軸の負領域に
配置された第４の力発生器Ｇ４は、重錘体４０に対して
Ｙ軸の負方向に力を作用させる機能を有する。そして、
重錘体４０は、これら４つの力発生器Ｇ１〜Ｇ４が動作
していない中立状態においては、図の原点Ｏの位置に静
止状態となるように、筐体に対して支持されている。た
だし、所定の自由度をもって移動可能となるように支持
されており、４つの力発生器Ｇ１〜Ｇ４を動作させるこ
とにより、たとえば、図１６に示す位置ａ〜ｅに示すよ
うに変位することが可能である。具体的には、たとえ
ば、ばねなどの弾力性部材によって、重錘体４０を筐体
に取り付ければよい。

【００５５】力発生器Ｇ１〜Ｇ４は、たとえば、電磁石
によって構成することができる。この場合、重錘体４０
は、磁気的な吸引力を受けることができるように、鉄な
どの磁性体で構成しておく必要がある。４つの電磁石に
よって、重錘体４０に円運動をさせるには、図１７に示
すように位相がπ／２ずつずれた４つの正弦波半波整流
信号Ｓ１〜Ｓ４を用意し、これらをそれぞれ力発生器Ｇ
１〜Ｇ４に与えて周期的に動作させればよい。図１７の
グラフの下に示したａ〜ｅの文字は、図１６に示した位
置ａ〜ｅに対応しており、各時点における重錘体４０の
位置を示すものである。時間軸に示す０〜πの期間に、
重錘体４０は位置ａ〜位置ｅに至るまでの円軌道上を移
動することになる。なお、実用上は、この図１６に示す
ように、重錘体４０の円運動の半径を、重錘体４０その
ものの半径よりも小さくした方が角速度センサとして設
計がしやすい（重錘体４０の重心の軌跡をみれば、重錘
体４０が円運動していることが理解できよう）。

【００５６】以上、重錘体に吸引力を作用させて円運動
させる例を説明したが、逆に斥力を作用させて円運動さ
せることも可能である。また、吸引力と斥力との双方を
作用させる機能をもった力発生器を用いれば、２組の力
発生器（たとえば、図１６においてＸ軸上に配置された
力発生器Ｇ１とＹ軸上に配置された力発生器Ｇ２）だけ
で重錘体を円運動させることが可能になる。もちろん、
吸引力と斥力との双方を作用させる機能をもった力発生
器を４組用意し、図１６に示すように配置すれば、重錘
体をより効率よく円運動させることができる。

【００５７】続いて、上述した力発生器Ｇ１〜Ｇ４（駆
動手段）に加えて、更に検出手段として、６つの変位検
出器を配置した例を図１８に示す。既に述べたように、
本発明における検出手段は、重錘体４０に作用した所定
方向のコリオリ力を検出する構成要素であるが、ここで
は、重錘体４０の変位を検出することにより、間接的
に、重錘体４０に作用した力を検出し、（必要があれ
ば、遠心力、加速度に基づく力、磁気力などを除去する
補正を行い）コリオリ力を検出するような構成をとって
いる。すなわち、変位検出器Ｄ１は、重錘体４０のＸ軸
正方向への変位を検出し、変位検出器Ｄ２は、重錘体４
０のＹ軸正方向への変位を検出し、変位検出器Ｄ３は、
重錘体４０のＸ軸負方向への変位を検出し、変位検出器
Ｄ４は、重錘体４０のＹ軸負方向への変位を検出し、変
位検出器Ｄ５は、重錘体４０のＺ軸正方向への変位を検
出し、変位検出器Ｄ６は、重錘体４０のＺ軸負方向への
変位を検出する。

【００５８】重錘体４０が筐体に対してばねによって支
持されていた場合には、重錘体４０に作用した力と生じ
る変位との間には、ばね定数を介した線形関係が維持さ
れるので、変位検出器によって検出した各方向への変位
は、各方向に作用した力と等価な量として扱うことがで
きる。また、力と変位との間に、このような線形関係が
維持されなくても、両者の間の関係は、実際に試作した
角速度センサについて実測することができるので、この
実測した関係に基いて対応づけることができ、いずれに
せよ、変位検出器によって検出した変位を作用した力と
して取り扱うことが可能になる。したがって、変位検出
器Ｄ１によってＸ軸正方向の力＋Ｆｘが検出され、変位
検出器Ｄ２によってＹ軸正方向の力＋Ｆｙが検出され、
変位検出器Ｄ３によってＸ軸負方向の力−Ｆｘが検出さ
れ、変位検出器Ｄ４によってＹ軸負方向の力−Ｆｙが検
出され、変位検出器Ｄ５によってＺ軸正方向の力＋Ｆｚ
が検出され、変位検出器Ｄ６によってＺ軸負方向の力−
Ｆｚが検出されることになる。

【００５９】また、所定軸について正負両方向の変位を
検出できる機能をもった変位検出器を用いれば、３組の
変位検出器によって、±Ｆｘ，±Ｆｙ，±Ｆｚのすべて
の力を検出することが可能になる。もちろん、このよう
な変位検出器を６組用意し、図１８に示すように配置し
て、Ｘ軸方向の力±Ｆｘを検出器Ｄ１，Ｄ３の双方の出
力により、Ｙ軸方向の力±Ｆｙを検出器Ｄ２，Ｄ４の双
方の出力により、Ｚ軸方向の力±Ｆｚを検出器Ｄ５，Ｄ
６の双方の出力により、それぞれ検出するようにすれ
ば、より高精度の検出が可能になる。

【００６０】この図１８に示す構成要素をもった角速度
センサによって、各軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚ
を検出するには、次のような検出動作を行えばよい。ま
ず、力発生器Ｇ１〜Ｇ４に対して、既に説明したよう
に、図１７に示す信号Ｓ１〜Ｓ４を与えることにより、
重錘体４０を円運動させる。そして、たとえば、図１７
のグラフの時間軸における位相０の時点（重錘体４０
は、図１６の位置ａにくることになり、Ｘ軸を通過する
瞬間となる）において、変位検出器Ｄ５あるいはＤ６に
よって、Ｚ軸方向の力＋Ｆｚあるいは−Ｆｚを検出すれ
ば、図１３に示す点Ｐｘにおける検出原理に基いて、Ｘ
軸まわりの角速度ωｘを求めることができる。また、こ
の同じ時点において、変位検出器Ｄ１あるいはＤ３によ
って、Ｘ軸方向の力＋Ｆｘあるいは−Ｆｘを検出すれ
ば、図１４に示す点Ｐｘにおける検出原理に基いて、Ｚ
軸まわりの角速度ωｚを求めることができる。更に、図
１７のグラフの時間軸における位相π／２の時点（重錘
体４０は、図１６の位置ｃにくることになり、Ｙ軸を通
過する瞬間となる）において、変位検出器Ｄ５あるいは
Ｄ６によって、Ｚ軸方向の力＋Ｆｚあるいは−Ｆｚを検
出すれば、図１３に示す点Ｐｙにおける検出原理に基い
て、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを求めることができる。な
お、この同じ時点において、変位検出器Ｄ２あるいはＤ
４によって、Ｙ軸方向の力＋Ｆｙあるいは−Ｆｙを検出
すると、図１４に示す点Ｐｙにおける検出原理に基い
て、やはりＺ軸まわりの角速度ωｚを求めることができ
る。

【００６１】ここで、図１４に示す点Ｐｘあるいは点Ｐ
ｙにおける検出原理（第２の検出原理）を用いる場合に
は、検出した力ＦｘやＦｙから遠心力Ｆceの成分を除外
する補正が必要になるが、具体的な重錘体４０の構成お
よび筐体に対する支持構造、力発生器Ｇ１〜Ｇ４の構
成、そしてこれらに与える信号Ｓ１〜Ｓ４の周期や大き
さが定まれば、重錘体４０の質量ｍ、円運動の半径ｒ、
円運動の角速度Ωは定まるので、 Ｆce＝ｍ・ｒ・Ω^２ なる演算によって、遠心力Ｆceを計算することが可能で
ある。

【００６２】なお、上述の検出動作において、重錘体４
０に作用する力を検出するときに符号（すなわち、各軸
の正方向か負方向か）を考慮しているが、この符号は、
求める角速度ωの回転方向を決定するために必要な情報
となる。また、図１８の構成例では、合計６個の変位検
出器Ｄ１〜Ｄ６を設け、同じ軸方向の力でも正方向の力
検出と、負方向の力検出とを別個の変位検出器で検出す
るようにしているが、前述したように、単一の変位検出
器によって、特定の軸方向に作用した正負両方向の力検
出を行うようにしてもかまわない。

【００６３】続いて、本発明に係る角速度センサのより
具体的な構成を示すいくつかの実施例を、§５以下に示
しておくことにする。これらの実施例は、主として、可
撓性をもった可撓性基板によって支持手段を構成し、こ
の可撓性基板の周囲部を筐体に固定し、可撓性基板の中
心部に重錘体を固着した構造を有するものである。この
ような構造を採ると、可撓性基板の基板面に平行な平面
内で重錘体を円運動させたり、あるいは、この基板面に
垂直な平面内で重錘体を円運動させたりすることを、比
較的簡単に行うことができ、また、重錘体の各方向への
変位を比較的簡単に検出することができるようになる。
すなわち、可撓性基板上の複数の所定箇所に力発生器を
配置し、これらを周期的に動作させれば、可撓性基板に
時事刻々と変化する撓みを生じさせることができ、重錘
体を円運動させることができるのである。また、可撓性
基板上の複数の所定箇所に変位検出器を配置しておけ
ば、各変位検出器によって可撓性基板の各部の変位を検
出することができ、結果的に、重錘体の変位を検出する
ことができるようになるのである。各力発生器や各変位
検出器の効果的な配置については、個々の実施例におい
て述べることにする。

【００６４】なお、以下の実施例では、力発生器および
変位検出器として、容量素子や圧電素子を用いている。
たとえば、容量素子は、両電極間に所定の電圧を印加す
ることによりクーロン力を発生させる力発生器として利
用することもできるし、一方の電極の変位によって電極
間距離が変化すれば、この容量素子の静電容量が変化す
るので、これを変位検出器としても利用できる。同様に
圧電素子は、所定の電圧を印加することにより所定方向
への応力を発生させる力発生器として利用することもで
きるし、変位によって圧電素子に応力が加わると、この
圧電素子に電荷が発生するので、これを電気的に検出す
ることにより、変位検出器として利用することもでき
る。

【００６５】§５ 容量素子を利用した角速度センサの
実施例 図１９に側断面を示す角速度センサ１００は、容量素子
によって、力発生器および変位検出器を構成した実施例
である。この角速度センサ１００の中枢として機能する
基板は可撓性基板１１０である。図２０に、この可撓性
基板１１０の上面図を示す。図２０に示す可撓性基板１
１０を、Ｘ軸に沿って切った断面が、図１９に示されて
いることになる。図２０において破線で示されているよ
うに、可撓性基板１１０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１９図には、可撓部１１２と
して示されている）。ここでは、この円環状の可撓部１
１２に囲まれた内側の部分を作用部１１１と呼び、可撓
部１１２の外側の部分を固定部１１３と呼ぶことにす
る。作用部１１１の下面には、ブロック状の重錘体１２
０が固着されており、固定部１１３は、台座１３０によ
って支持されている（図２０では、重錘体１２０および
台座１３０の位置を破線で示してある）。また、台座１
３０はベース基板１４０に固定されている。結局、重錘
体１２０は、台座１３０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。ここで、肉厚の薄い可撓
部１１２が可撓性をもっているため、重錘体１２０は、
ある程度の自由度をもってこの空間内で変位できる。す
なわち、固定部１１３、台座１３０、ベース基板１４０
からなる装置筐体の中に、支持手段として機能する可撓
部１１２および作用部１１１を介して、重錘体１２０
が、所定の自由度をもって移動可能になるように支持さ
れていることになる。また、可撓性基板１１０の上部に
は、蓋基板１５０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。

【００６６】第２０図に示すように、可撓性基板１１０
の上面には、力発生器として機能する４枚の電極層Ｇ１
１〜Ｇ１４と、変位検出器として機能する５枚の電極層
Ｄ１１〜Ｄ１５が形成されている。なお、図２０では、
これらの電極層の部分にハッチングを施して示してある
が、これは、各電極層のパターン認識が容易になるよう
にするための配慮であり、断面部分を示すためのハッチ
ングではない。また、力発生器として機能する電極層
と、変位検出器として機能する電極層とでは、異なるハ
ッチングパターンを施した。これは、電極の平面パター
ンを示す他の図についても同様である。一方、蓋基板１
５０の下面には、これらの各電極層Ｇ１１〜Ｇ１４およ
びＤ１１〜Ｄ１５のすべてに対向するように、１枚の大
きな円盤状の共通電極層Ｅ１０が形成されており、これ
ら上下に対向する電極層によって、合計９組の容量素子
が構成されることになる。ここでは、図１９に示すよう
に、重錘体１２０の重心位置に原点ＯをもつＸＹＺ三次
元座標系を定義し、以後の説明を行うことにする。図２
０に示されているように、電極層Ｇ１１〜Ｇ１４および
電極層Ｄ１１〜Ｄ１４は、いずれもこの座標系における
Ｘ軸上もしくはＹ軸上に位置し、しかもこれらの軸に関
して線対称な形状をしている。

【００６７】なお、この実施例では、可撓性基板１１０
側に９枚の個々の電極層Ｇ１１〜Ｇ１４，Ｄ１１〜Ｄ１
５を形成し、蓋基板１５０側に単一の共通電極層Ｅ１０
を形成したが、逆に、可撓性基板１１０側に単一の共通
電極層１０を形成し、蓋基板１５０側に９枚の個々の電
極層Ｇ１１〜Ｇ１４，Ｄ１１〜Ｄ１５を形成するように
してもかまわない。あるいは、共通電極層を用いずに、
可撓性基板１１０側にも、蓋基板１５０側にも、それぞ
れ９枚の個々の電極層を形成し、対向する電極層ごとに
物理的に独立した容量素子を構成してもかまわない。

【００６８】さて、はじめに、電極層Ｇ１１と共通電極
層Ｅ１０との間に、何らかの電圧を印加した場合に起こ
る現象を考えると、電極層Ｇ１１／Ｅ１０間には、クー
ロン力による引力が作用する。このとき、電極層Ｇ１１
は、肉厚の薄い可撓部１１２上に位置するため、この引
力に基いて、電極層Ｇ１１／Ｅ１０の間隔がやや小さく
なるように、可撓性基板１１０は撓みを生じることにな
る。このような撓みは、重錘体１２０について、Ｘ軸正
方向への変位を生じさせる。要するに、共通電極層Ｅ１
０の電位を基準電位として、電極層Ｇ１１に所定の電圧
を印加すると、重錘体１２０がＸ軸方向に変位すること
になる。したがって、この電極層Ｇ１１および共通電極
層Ｅ１０からなる容量素子は、図１８に示した構成例に
おける力発生器Ｇ１として機能することになる。同様
に、電極層Ｇ１２および共通電極層Ｅ１０からなる容量
素子、電極層Ｇ１３および共通電極層Ｅ１０からなる容
量素子、電極層Ｇ１４および共通電極層Ｅ１０からなる
容量素子、はそれぞれ図１８に示した構成例における力
発生器Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４として機能することになる。そ
こで、共通電極層Ｅ１０の電位を基準電位として、電極
層Ｇ１１〜Ｇ１４に、図１７に示す信号Ｓ１〜Ｓ４に対
応する電圧を印加すれば、重錘体１２０は、ほぼＸＹ平
面上において円運動をすることになる。

【００６９】以上の動作説明では、各電極層Ｇ１１〜Ｇ
１４と共通電極層Ｅ１０との間にクーロン引力を作用さ
せて、重錘体１２０を円運動させているが、逆に、クー
ロン斥力を作用させて円運動させることも可能である。
また、クーロン引力とクーロン斥力との両方を利用すれ
ば、更に効率的な円運動が可能になる。たとえばＸ軸正
方向に変位させるのであれば、電極層Ｇ１１／Ｅ１０間
にクーロン引力を作用させるとともに電極層Ｇ１３／Ｅ
１０間にクーロン斥力を作用させればよい。

【００７０】結局、この実施例では、Ｘ軸の正の領域お
よび負の領域、ならびに、Ｙ軸の正の領域および負の領
域に、Ｚ軸に沿った方向に力を作用させる力発生器（各
容量素子）をそれぞれ配置し、これらの力発生器を周期
的に動作させることにより、重錘体１２０をＸＹ平面内
で周回運動させる構成を採っていることになる。

【００７１】既に述べた検出原理によれば、このように
重錘体１２０を円運動させた状態において、重錘体１２
０に作用する各軸方向の力±Ｆｘ，±Ｆｙ，±Ｆｚを検
出することができれば、各軸まわりの角速度±ωｘ，±
ωｙ，±ωｚ（符号は回転方向を示す）を求めることが
できる。ここで、重錘体１２０に作用する各軸方向の力
±Ｆｘ，±Ｆｙ，±Ｆｚは、図１８に示す変位検出器Ｄ
１〜Ｄ６によって、各軸方向への変位として検出できる
ことは既に述べたとおりである。図２０に示す電極層Ｄ
１１〜Ｄ１５および共通電極層Ｅ１０からなる５組の容
量素子は、この変位検出器Ｄ１〜Ｄ６として機能するこ
とになる。たとえば、重錘体１２０がＸ軸の正方向に変
位した場合、可撓部１１２が撓むことにより、電極層Ｄ
１１／Ｅ１０間の距離が縮まることになり、これら２枚
の電極層によって構成される容量素子の静電容量値に変
化が生じることになる。したがって、電極層Ｄ１１／Ｅ
１０間の静電容量値を測定することにより、重錘体１２
０のＸ軸正方向への変位を求めることができる。具体的
には、試作品について、実際に重錘体１２０に種々の変
位を生じさせたときに、静電容量値がどのように変化す
るかを実測しておけば、この実測値に基いて、静電容量
値と変位量との関係を得ることができる。

【００７２】同様に、電極層Ｄ１２／Ｅ１０間の静電容
量値を測定することにより、重錘体１２０のＹ軸正方向
の変位を求めることができ、電極層Ｄ１３／Ｅ１０間の
静電容量値を測定することにより、重錘体１２０のＸ軸
負方向の変位を求めることができ、電極層Ｄ１４／Ｅ１
０間の静電容量値を測定することにより、重錘体１２０
のＹ軸負方向の変位を求めることができる。また、電極
層Ｄ１５／Ｅ１０間の静電容量値を測定することによ
り、重錘体１２０のＺ軸方向の変位を求めることができ
る。なお、この実施例では、この電極層Ｄ１５／Ｅ１０
間の静電容量値によって、Ｚ軸の正負両方向の変位を検
出するようにしている。すなわち、所定の基準容量値に
対して容量値が大きくなれば、電極間距離が縮まったこ
とを示すので、Ｚ軸の正方向への変位が生じたと判断で
き、所定の基準容量値に対して容量値が小さくなれば、
電極間距離が広がったことを示すので、Ｚ軸の負方向へ
の変位が生じたと判断できる。

【００７３】なお、実際には、Ｘ軸およびＹ軸方向の変
位については、一対の容量素子の容量値の差として検出
するのが効率的で好ましい。たとえば、Ｘ軸方向の変位
は電極層Ｄ１１／Ｅ１０間の容量値と電極層Ｄ１３／Ｅ
１０間の容量値との差として検出するとよい。Ｘ軸正方
向に変位した場合には、前者の容量値は大きくなるのに
対し、後者の容量値は小さくなるため、両者の差を求め
ればより高精度の検出が可能になる。逆に、Ｘ軸負方向
に変位した場合には、前者の容量値は小さくなるのに対
し、後者の容量値は大きくなり、両者の差は符号が反転
することになる。同様に、Ｙ軸方向の変位は電極層Ｄ１
２／Ｅ１０間の容量値と電極層Ｄ１４／Ｅ１０間の容量
値との差として検出すれば、やはり高精度の検出が可能
になる。

【００７４】このように、容量素子から構成される各変
位検出器は、いずれも直接的には、可撓性基板１１０の
上面の所定箇所についてのＺ軸方向の変位（すなわち、
容量素子を構成する上下一対の電極のうちの下方電極の
上下方向に関する変位）を検出しているにすぎないが、
可撓性基板１１０上に配置された位置に応じて、重錘体
１２０のＸＹＺ各軸方向への変位を間接的に検出してい
ることになる。なお、図２０に示すように、変位検出器
を構成する各電極層Ｄ１１〜Ｄ１４は、いずれもＸ軸も
しくはＹ軸に関して線対象となっているため、各軸方向
の変位検出を行う上で他軸成分の影響を受けることがな
い。たとえば、Ｘ軸方向の変位検出に用いられる電極層
Ｄ１１は、Ｘ軸に関して線対称となっているため、Ｙ軸
方向の変位が生じた場合に、その半分の領域は共通電極
層Ｅ１０に近付くが、別な半分の領域は共通電極層Ｅ１
０から遠ざかるため、全体的には変位が相殺されること
になる。

【００７５】結局、この実施例では、Ｘ軸の正の領域お
よび負の領域、ならびに、Ｙ軸の正の領域および負の領
域に、Ｚ軸に沿った方向への変位を検出する変位検出器
（各容量素子）をそれぞれ配置し、Ｘ軸の正負両領域に
配置された変位検出器を用いて重錘体のＸ軸方向に作用
するコリオリ力を検出し、Ｙ軸の正負両領域に配置され
た変位検出器を用いて重錘体のＹ軸方向に作用するコリ
オリ力を検出する構成を採っていることになる。

【００７６】以上のような角速度センサ１００によっ
て、各軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚを検出するに
は、次のような検出動作を行えばよい。まず、共通電極
層Ｅ１０の電位を基準電位として、電極層Ｇ１１〜Ｇ１
４に、図１７に示す信号Ｓ１〜Ｓ４に対応する電圧を印
加し、重錘体１２０をＸＹ平面上において円運動させ
る。そして、たとえば、図１７のグラフの時間軸におけ
る位相０の時点（重錘体４０が円軌道を移動しながら、
Ｘ軸を通過する瞬間となる）において、電極層Ｄ１５／
Ｅ１０間の静電容量値に基いて、重錘体１２０のＺ軸方
向の変位を検出すれば、この変位は、重錘体１２０に対
してＺ軸方向に作用した力Ｆｚに対応したものになり、
図１３に示す点Ｐｘにおける検出原理に基いて、Ｘ軸ま
わりの角速度ωｘを求めることができる。また、この同
じ時点において、電極層Ｄ１１／Ｅ１０間の静電容量値
もしくは電極層Ｄ１３／Ｅ１０間の静電容量値（あるい
は、両静電容量値の差）に基いて、重錘体１２０のＸ軸
方向の変位を検出すれば、この変位は、重錘体１２０に
対してＸ軸方向に作用した力Ｆｘに対応したものにな
り、図１４に示す点Ｐｘにおける検出原理に基いて、Ｚ
軸まわりの角速度ωｚを求めることができる。更に、図
１７のグラフの時間軸における位相π／２の時点（重錘
体４０が円軌道を移動しながら、Ｙ軸を通過する瞬間と
なる）において、電極層Ｄ１５／Ｅ１０間の静電容量値
に基いて、重錘体１２０のＺ軸方向の変位を検出すれ
ば、この変位は、重錘体１２０に対してＺ軸方向に作用
した力Ｆｚに対応したものになり、図１３に示す点Ｐｙ
における検出原理に基いて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを
求めることができる。あるいは、この同じ時点におい
て、電極層Ｄ１２／Ｅ１０間の静電容量値もしくは電極
層Ｄ１４／Ｅ１０間の静電容量値（あるいは、両静電容
量値の差）に基いて、重錘体１２０のＹ軸方向の変位を
検出すれば、この変位は、重錘体１２０に対してＹ軸方
向に作用した力Ｆｙに対応したものになり、図１４に示
す点Ｐｙにおける検出原理に基いて、やはりＺ軸まわり
の角速度ωｚを求めることができる。

【００７７】§６ 容量素子を利用した角速度センサの
別な実施例 続いて、上述した角速度センサ１００の変形例に相当す
る角速度センサ１８０の構造および検出動作を、図２１
の側断面図および図２２の上面図を参照しながら説明す
る。図２２は、図２１に示す角速度センサ１８０の構成
要素の中の可撓性基板１１０を上面から見た図を示して
おり、ここに示す可撓性基板１１０をＸ軸に沿って切っ
た断面が図２１に示されていることになる。図１９およ
び図２０に示す角速度センサ１００と、図２１および図
２２に示す角速度センサ１８０と、の構造上の相違は、
可撓性基板１１０上の各電極層の配置だけである。すな
わち、角速度センサ１８０では、角速度センサ１００に
おいて設けられていた電極層Ｇ１２およびＧ１４が図２
２に示すように省略されており、また、角速度センサ１
００においては変位検出器として機能していた電極層Ｄ
１５が、角速度センサ１８０では、力発生器として機能
する電極Ｇ１５となっている。

【００７８】角速度センサ１００と角速度センサ１８０
との動作上の大きな相違は、前者が、重錘体１２０をＸ
Ｙ平面内で円運動させているのに対し、後者は、重錘体
１２０をＸＺ平面内で円運動させる点である。前述した
ように、電極層Ｇ１１／Ｅ１０間に所定の電圧を印加す
ると、両電極間にクーロン引力が作用し、可撓性基板１
１０が撓みを生じ、重錘体１２０がＸ軸正方向に変位す
ることになる。同様に、電極層Ｇ１５／Ｅ１０間に所定
の電圧を印加すると、両電極間にクーロン引力が作用
し、重錘体１２０はＺ軸正方向に変位することになる。
更に、電極層Ｇ１３／Ｅ１０間に所定の電圧を印加する
と、両電極間にクーロン引力が作用し、可撓性基板１１
０が撓みを生じ、重錘体１２０がＸ軸負方向に変位する
ことになる。したがって、上記各電極層に位相が少しず
つずれた正弦波電圧を与えるようにすれば、図２１にお
いて、重錘体１２０は右方位置から徐々に上方位置へと
円弧を描いて移動し、更に左方位置へと円弧を描いて移
動し、半円軌道上を移動することになる。また、上述の
ように両電極間に電圧を印加する操作は、両電極にそれ
ぞれ異なる極性をもった電荷を供給する操作になるが、
逆に、両電極に同じ極性の電荷が供給されるように工夫
すれば、両電極間にはクーロン斥力が作用することにな
る。そこで、電極層Ｇ１５と電極層Ｅ１０とに、同極性
の電荷を供給してクーロン斥力を作用させれば、今度
は、重錘体１２０は、図２１における下方位置へと移動
することになる。このように、電極層Ｇ１１，Ｇ１３，
Ｇ１５にそれぞれ適当な電圧信号を供給するようにすれ
ば、図２１に矢印で示したような円軌道１２１に沿っ
て、重錘体１２０を円運動させることが可能になる。ま
た、前述したように、クーロン引力とクーロン斥力との
両方を組み合わせて用いれば、更に効率的な円運動が可
能になる。

【００７９】結局、この角速度センサ１８０では、Ｘ軸
の正の領域および負の領域、ならびに、原点近傍領域
に、Ｚ軸に沿った方向に力を作用させる力発生器（各容
量素子）をそれぞれ配置し、これらの力発生器を周期的
に動作させることにより、重錘体１２０をＸＺ平面内で
周回運動させる構成を採っていることになる。

【００８０】一方、変位検出器として機能する電極層Ｄ
１１〜Ｄ１４の配置については、前述した角速度センサ
１００の配置と全く同様であるから、これらを用いて、
Ｘ軸方向の力±ＦｘおよびＹ軸方向の力±Ｆｙを検出す
ることができる。こうして、重錘体１２０をＸＺ平面内
で円運動させながら、重錘体１２０がＸ軸あるいはＺ軸
を通過する瞬時において、重錘体１２０に作用するＸ軸
方向の力±ＦｘおよびＹ軸方向の力±Ｆｙを検出すれ
ば、前述の検出原理に基いて、３軸まわりの角速度ω
ｘ，ωｙ，ωｚのすべてを検出することが可能である。

【００８１】§７ 圧電素子の一般的な性質 続いて、駆動手段および検出手段として、圧電素子を用
いた実施例を述べる。一般に、圧電素子は、所定方向に
力を加えると所定極性の電荷が発生する性質を有し、逆
に、所定極性の電荷を供給すると所定方向に力が発生す
る性質を有する。力の方向や電荷の極性は、個々の圧電
素子のもつ分極特性によってそれぞれ異なる。ここで
は、図２３に示す圧電素子５１および図２４に示す圧電
素子５２について、その固有の性質を説明する。いずれ
も、図には側断面図が示されており、各圧電素子の上面
には上部電極層Ａが形成され、下面には下部電極層Ｂが
形成されている。

【００８２】圧電素子５１は、図２３(a) に矢印で示す
ように、横に伸びる方向の力を外部から加えた場合に
は、上部電極層Ａ側に正の電荷が、下部電極層Ｂ側に負
の電荷が、それぞれ発生し、逆に、図２３(b) に矢印で
示すように、横に縮む方向の力を外部から加えた場合に
は、上部電極層Ａ側に負の電荷が、下部電極層Ｂ側に正
の電荷が、それぞれ発生する。以上は、所定方向に力を
加えたときに所定極性の電荷が発生する性質を示したも
のであるが、逆に、所定極性の電荷を供給すると所定方
向に力が発生する性質も有する。すなわち、この圧電素
子５１について、上部電極層Ａ側に正の電荷を供給し、
下部電極層Ｂ側に負の電荷を供給すると、図２３(a) に
矢印で示すように、横に伸びる方向の力が発生し、逆
に、上部電極層Ａ側に負の電荷を供給し、下部電極層Ｂ
側に正の電荷を供給すると、図２３(b) に矢印で示すよ
うに、横に縮む方向の力が発生する。ここでは、このよ
うな分極特性をもった圧電素子をタイプＩの圧電素子と
呼ぶことにする。

【００８３】一方、図２４に示す圧電素子５２は、上述
の圧電素子５１とはやや異なった性質をもっている。す
なわち、この圧電素子５２は、図２４(a) に矢印で示す
ように、縦に伸びる方向の力を外部から加えた場合に
は、上部電極層Ａ側に正の電荷が、下部電極層Ｂ側に負
の電荷が、それぞれ発生し、逆に、図２４(b) に矢印で
示すように、縦に縮む方向の力を外部から加えた場合に
は、上部電極層Ａ側に負の電荷が、下部電極層Ｂ側に正
の電荷が、それぞれ発生する。以上は、所定方向に力を
加えたときに所定極性の電荷が発生する性質を示したも
のであるが、逆に、所定極性の電荷を供給すると所定方
向に力が発生する性質も有する。すなわち、この圧電素
子５２について、上部電極層Ａ側に正の電荷を供給し、
下部電極層Ｂ側に負の電荷を供給すると、図２４(a) に
矢印で示すように、縦に伸びる方向の力が発生し、逆
に、上部電極層Ａ側に負の電荷を供給し、下部電極層Ｂ
側に正の電荷を供給すると、図２４(b) に矢印で示すよ
うに、縦に縮む方向の力が発生する。ここでは、このよ
うな分極特性をもった圧電素子をタイプＩＩの圧電素子
と呼ぶことにする。

【００８４】このような圧電素子としては、たとえば圧
電セラミックスなどが広く利用されており、最近の技術
では、特定の分極処理を施すことにより、所望の分極特
性をもった圧電セラミックスを自由に製造することが可
能である。また、物理的に単一の圧電セラミックスにつ
いて、部分ごとに異なる分極処理を施すことにより、そ
れぞれ部分ごとに分極特性が異なる圧電素子を得ること
も可能である。

【００８５】このように、圧電素子には、「力→電荷」
という変換を行う機能と、「電荷→力」という変換を行
う機能とが備わっている。以下に示す実施例では、前者
の機能をコリオリ力の検出手段（変位検出器）として利
用し、後者の機能を重錘体を周回運動させるための駆動
手段（力発生器）として利用したものである。

【００８６】§８ タイプＩの圧電素子を利用した角速
度センサの実施例 図２５に側断面を示す角速度センサ２００は、上述した
タイプＩの分極特性をもった圧電素子によって、力発生
器および変位検出器を構成した実施例である。この角速
度センサ２００の基本部分の構成は、図１９に示す角速
度センサ１００とほぼ同じである。すなわち、可撓性基
板２１０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
た可撓部２１２を形成しており、この可撓部２１２に囲
まれた内側の部分が作用部２１１を形成し、可撓部２１
２の外側の部分が固定部２１３を形成している。作用部
２１１の下面には、ブロック状の重錘体２２０が固着さ
れており、固定部２１３は、台座２３０によって支持さ
れている。また、台座２３０はベース基板２４０に固定
されている。ただ、可撓性基板２１０の上面に形成され
た構成要素が、前述した角速度センサ１００のものとは
異なる。すなわち、可撓性基板２１０の上面には、ワッ
シャ状の共通電極層Ｅ２０が固着され、その上に、同じ
くワッシャ状の圧電素子２５０が固着され、この圧電素
子２５０の上面に、１２枚の電極層Ｇ２１〜Ｇ２４，Ｄ
２１〜Ｄ２８が形成されている。ここで、圧電素子２５
０は、図２３に示すタイプＩの分極特性をもった圧電セ
ラミックスよりなる。

【００８７】図２６に、この可撓性基板２１０の上面図
を示す。図２６に示す可撓性基板２１０を、Ｘ軸に沿っ
て切った断面が、図２５に示されていることになる。図
２６では、ワッシャ状の圧電素子２５０の上に、１２枚
の電極層のパターンが明瞭に示されている。圧電素子２
５０の中央部分には、円形の開口部があり、可撓性基板
２１０の中心部２１１が覗いている。この圧電素子２５
０の下面には、ワッシャ状の共通電極層Ｅ２０が配置さ
れているが、図２６には示されていない。なお、図２６
においては、各電極層の部分にハッチングを施して示し
てあるが、これは、各電極層のパターン認識が容易にな
るようにするための配慮であり、断面部分を示すための
ハッチングではない。図２６に示す１２枚の電極層のう
ち、電極層Ｇ２１〜Ｇ２４は、力発生器として利用する
ためのものであり、電極層Ｄ２１〜Ｄ２８は、変位検出
器として利用するためのものである。すなわち、圧電素
子２５０および共通電極層Ｅ２０はいずれも単一のもの
であるが、圧電素子２５０の上面に形成されている１２
枚の電極層がそれぞれ別個独立したものであるため、動
作を考える上では、１２組の独立した圧電素子として取
り扱うことができる。ここでは、図２５に示すように、
重錘体２２０の重心位置に原点ＯをもつＸＹＺ三次元座
標系を定義し、以後の説明を行うことにする。図２６に
示されているように、電極層Ｇ２１〜Ｇ２４および電極
層Ｄ２１〜Ｄ２８は、いずれもこの座標系におけるＸ軸
上もしくはＹ軸上に位置し、しかもこれらの軸に関して
線対称な形状をしている。

【００８８】さて、はじめに、この角速度センサ２００
において、電極層Ｇ２１〜Ｇ２４に周期的に電荷の供給
を行えば、重錘体２２０をＸＹ平面内において円運動さ
せることができることを示そう。前述したように、圧電
素子２５０は、図２３に示すような分極特性をもったタ
イプＩの圧電素子である。そこで、たとえば、電極層Ｇ
２１に負の電荷が、共通電極層Ｅ２０に正の電荷が、そ
れぞれ発生するように電圧供給を行えば、圧電素子２５
０のうちの電極層Ｇ２１の下方に位置する一部分には、
図２３(b) に示すように、横方向に縮む力が発生するこ
とになる。一方、電極層Ｇ２３に正の電荷が、共通電極
層Ｅ２０に負の電荷が、それぞれ発生するように電圧供
給を行うと、圧電素子２５０のうちの電極層Ｇ２３の下
方に位置する一部分には、図２３(a) に示すように、横
方向に伸びる力が発生することになる。このように、電
極層Ｇ２１の下方部分においては縮む力が、電極層Ｇ２
３の下方部分においては伸びる力が、それぞれ発生する
と、可撓性基板２１０には、重錘体２２０をＸ軸の正方
向に変位させるような撓みが生じることになる。また、
各電極層に対する供給電荷の極性を逆転させれば、逆
に、重錘体２２０をＸ軸の負方向に変位させるような撓
みを生じさせることができる。

【００８９】このように、Ｘ軸上に配置された電極層Ｇ
２１，Ｇ２３に対する所定電荷の供給は、図１８に示す
モデルにおいて、力発生器Ｇ１もしくはＧ３を動作させ
ることと等価になる。同様に、Ｙ軸上に配置された電極
層Ｇ２２，Ｇ２４に対する所定電荷の供給は、図１８に
示すモデルにおいて、力発生器Ｇ２もしくはＧ４を動作
させることと等価になる。したがって、電極層Ｇ２１〜
Ｇ２４に、位相がずれた周期的な動作信号を与えれば、
重錘体２２０を、ＸＹ平面内において円運動させること
が可能になる。なお、実際には、圧電素子２５０の分極
特性を部分ごとに反転させると（上下に発生する電荷の
極性が逆転するようにする）、円運動させるための電圧
供給が簡便になる。

【００９０】結局、この実施例では、Ｘ軸の正の領域お
よび負の領域に、Ｘ軸に沿った方向に力を作用させる力
発生器（圧電素子の各部分）をそれぞれ配置し、Ｙ軸の
正の領域および負の領域に、Ｙ軸に沿った方向に力を作
用させる力発生器（圧電素子の各部分）をそれぞれ配置
し、これらの力発生器を周期的に動作させることによ
り、重錘体２２０をＸＹ平面内で周回運動させる構成を
採っていることになる。

【００９１】既に述べた検出原理によれば、このように
重錘体２２０を円運動させた状態において、重錘体２２
０に作用する各軸方向の力±Ｆｘ，±Ｆｙ，±Ｆｚを検
出することができれば、各軸まわりの角速度±ωｘ，±
ωｙ，±ωｚ（符号は回転方向を示す）を求めることが
できる。また、重錘体２２０に作用する各軸方向の力±
Ｆｘ，±Ｆｙ，±Ｆｚは、各軸方向への変位として検出
できることは既に述べたとおりである。図２６に示す電
極層Ｄ２１〜Ｄ２８および共通電極層Ｅ２０によって狭
まれた８組の圧電素子は、この各軸方向への変位検出器
として機能することになる。この実施例では、電極層Ｄ
２１，Ｄ２３を、Ｘ軸方向に関する変位（力±Ｆｘに相
当）を検出するために用いており、電極層Ｄ２６，Ｄ２
８を、Ｙ軸方向に関する変位（力±Ｆｙに相当）を検出
するために用いており、電極層Ｄ２２，Ｄ２４，Ｄ２
５，Ｄ２７を、Ｚ軸方向に関する変位（力±Ｆｚに相
当）を検出するために用いている。

【００９２】たとえば、重錘体２２０がＸ軸の正方向に
変位した場合、可撓性基板２１０の撓みが圧電素子２５
０へと伝達され、圧電素子２５０のうち電極層Ｄ２１の
下方に位置する一部分は横方向に縮むように変形し、電
極層Ｄ２３の下方に位置する一部分は横方向に伸びるよ
うに変形する。したがって、図２３に示す分極特性か
ら、電極層Ｄ２１には負の電荷が発生し、電極層Ｄ２３
には正の電荷が発生することになる。これらの発生電荷
を測定することにより、重錘体２２０のＸ軸正方向への
変位を求めることができる。また、重錘体２２０がＸ軸
の負方向に変位した場合には、発生電荷の極性が上述の
場合と比べて逆転することになる。こうして、電極層Ｄ
２１，Ｄ２３についての発生電荷を測定することによ
り、重錘体２２０のＸ軸方向への変位量を検出すること
が可能になる。具体的には、試作品について、実際に重
錘体２２０を変位させたときに、どの程度の電荷が発生
するかを実測しておけば、この実測値に基いて、発生電
荷量と変位量との関係を得ることができる。

【００９３】同様に、電極層Ｄ２６，Ｄ２８についての
発生電荷を測定することにより、重錘体２２０のＹ軸方
向への変位量を検出することが可能になる。なお、この
実施例において、Ｙ軸方向の検出に、外側に配置された
電極層Ｄ２２，Ｄ２４を用いずに、内側に配置された電
極層Ｄ２６，Ｄ２８を用いるのは、次に述べるＺ軸方向
への変位量検出において、外側に配置された電極層Ｄ２
２，Ｄ２４を用いる必要があるためであり、原理的に
は、外側に配置された電極層Ｄ２２，Ｄ２４を用いてＹ
軸方向の検出を行っても何ら問題はない。

【００９４】さて、Ｚ軸方向への変位量の検出には、こ
の実施例では４枚の電極層Ｄ２２，Ｄ２４，Ｄ２５，Ｄ
２７を用いている。ここで、図２６に示されているよう
に、電極層Ｄ２２，Ｄ２４は外側に配置された電極層で
あるのに対し、電極層Ｄ２５，Ｄ２７は内側に配置され
た電極層である。Ｚ軸方向への変位量の検出には、この
ように、外側に配置された電極層と内側に配置された電
極層とを組み合わせて用いるのが好ましい。これは、角
速度センサ２００においては、重錘体２２０が、＋Ｚ軸
方向（図２５における上方）に変位すると、圧電素子２
５０の内側部分は横方向に伸び、外側部分は横方向に縮
むことになるからである。したがって、図２３に示す分
極特性から、内側に配置されている電極層Ｄ２５，Ｄ２
７には正の電荷が発生し、外側に配置されている電極層
Ｄ２２，Ｄ２４には負の電荷が発生する。逆に、重錘体
２２０が、−Ｚ軸方向（図２５における下方）に変位す
ると、圧電素子２５０の内側部分は横方向に縮み、外側
部分は横方向に伸びることになる。したがって、図２３
に示す分極特性から、内側に配置されている電極層Ｄ２
５，Ｄ２７には負の電荷が発生し、外側に配置されてい
る電極層Ｄ２２，Ｄ２４には正の電荷が発生する。こう
して、電極層Ｄ２２，Ｄ２４，Ｄ２５，Ｄ２７について
の発生電荷を測定することにより、重錘体２２０のＺ軸
方向への変位量を検出することが可能になる。

【００９５】なお、図２６に示すように、変位検出器を
構成する各電極層Ｄ２１〜Ｄ２８は、いずれもＸ軸もし
くはＹ軸に関して線対象となっているため、各軸方向の
変位検出を行う上で他軸成分の影響を受けることがな
い。たとえば、Ｘ軸方向の変位検出に用いられる電極層
Ｄ２１，Ｄ２３は、Ｘ軸に関して線対称となっているた
め、Ｙ軸方向の変位が生じた場合に、その半分の領域は
横方向に伸びるが、別な半分の領域は横方向に縮むた
め、全体的には発生電荷が相殺されることになる。

【００９６】結局、この実施例では、Ｘ軸の正の領域お
よび負の領域、ならびに、Ｙ軸の正の領域および負の領
域に、各軸に沿った方向への変位を検出する変位検出器
（圧電素子の各部分）をそれぞれ配置し、Ｘ軸の正負両
領域に配置された変位検出器を用いて重錘体のＸ軸方向
に作用するコリオリ力を検出し、Ｙ軸の正負両領域に配
置された変位検出器を用いて重錘体のＹ軸方向に作用す
るコリオリ力を検出する構成を採っていることになる。

【００９７】以上のような角速度センサ２００によっ
て、各軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚを検出するに
は、電極層Ｇ２１〜Ｇ２４に、それぞれ位相をずらして
周期的に所定の電荷を供給して、重錘体２２０をＸＹ平
面上において円運動させる。そして、重錘体２２０がＸ
軸を通過する瞬間において、電極層Ｄ２２，Ｄ２４，Ｄ
２５，Ｄ２７の発生電荷を測定して、重錘体２２０のＺ
軸方向の変位を検出すれば、この変位は、重錘体２２０
に対してＺ軸方向に作用した力Ｆｚに対応したものにな
り、図１３に示す点Ｐｘにおける検出原理に基いて、Ｘ
軸まわりの角速度ωｘを求めることができる。また、こ
の同じ時点において、電極層Ｄ２１，Ｄ２３の発生電荷
を測定して、重錘体２２０のＸ軸方向の変位を検出すれ
ば、この変位は、重錘体２２０に対してＸ軸方向に作用
した力Ｆｘに対応したものになり、図１４に示す点Ｐｘ
における検出原理に基いて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを
求めることができる。更に、重錘体２２０がＹ軸を通過
する瞬間において、電極層Ｄ２２，Ｄ２４，Ｄ２５，Ｄ
２７の発生電荷を測定して、重錘体２２０のＺ軸方向の
変位を検出すれば、この変位は、重錘体２２０に対して
Ｚ軸方向に作用した力Ｆｚに対応したものになり、図１
３に示す点Ｐｙにおける検出原理に基いて、Ｙ軸まわり
の角速度ωｙを求めることができる。あるいは、この同
じ時点において、電極層Ｄ２６，Ｄ２８の発生電荷を測
定して、重錘体２２０のＹ軸方向の変位を検出すれば、
この変位は、重錘体２２０に対してＹ軸方向に作用した
力Ｆｙに対応したものになり、図１４に示す点Ｐｙにお
ける検出原理に基いて、やはりＺ軸まわりの角速度ωｚ
を求めることができる。

【００９８】なお、上述の実施例では、圧電素子２５０
の上面に１２枚の個々の電極層Ｇ２１〜Ｇ２４，Ｄ２１
〜Ｄ２８を形成し、下面に単一の共通電極層Ｅ２０を形
成したが、逆に、上面に単一の共通電極層Ｅ２０を形成
し、下面に１２枚の個々の電極層Ｇ２１〜Ｇ２４，Ｄ２
１〜Ｄ２８を形成するようにしてもかまわない。あるい
は、共通電極層を用いずに、圧電素子２５０の上面にも
下面にも、それぞれ１２枚の個々の電極層を形成するよ
うにしてもかまわない。ただし、配線を単純化する上で
は、共通電極層を形成するのが好ましい。

【００９９】§９ タイプＩの圧電素子を利用した角速
度センサの別な実施例 続いて、上述した角速度センサ２００の変形例に相当す
る角速度センサ２８０の構造および検出動作を、図２７
の側断面図および図２８の上面図を参照しながら説明す
る。図２８は、図２７に示す角速度センサ２８０の構成
要素の中の可撓性基板２１０を上面から見た図を示して
おり、ここに示す可撓性基板２１０をＸ軸に沿って切っ
た断面が図２７に示されていることになる。図２５およ
び図２６に示す角速度センサ２００と、図２７および図
２８に示す角速度センサ２８０と、の構造上の相違は、
圧電素子２５０上の各電極層の配置だけである。すなわ
ち、角速度センサ２８０では、角速度センサ２００にお
いて設けられていた内側の電極層Ｇ２２，Ｇ２４，Ｄ２
５〜Ｄ２８が、図２８に示すように単一の電極層Ｇ２５
に置き換えられている。なお、外側の電極層Ｇ２１，Ｇ
２３，Ｄ２１〜Ｄ２４については、若干形状が異なって
いるが、本質的には変わりはない。この角速度センサ２
８０では、電極層Ｇ２１，Ｇ２３，Ｇ２５が、力発生器
として機能し、電極層Ｄ２１〜Ｄ２４が、変位検出器と
して機能することになる。

【０１００】角速度センサ２００と角速度センサ２８０
との動作上の大きな相違は、前者が、重錘体２２０をＸ
Ｙ平面内で円運動させているのに対し、後者は、重錘体
２２０をＸＺ平面内で円運動させる点である。前述した
ように、共通電極層Ｅ２０を基準として、電極層Ｇ２
１，Ｇ２３に所定電荷を供給すると、重錘体２２０をＸ
軸方向に変位させることができる。この角速度センサ２
８０では、更に、電極層Ｇ２５に所定電荷を供給するこ
とによって、重錘体２２０をＺ軸方向にも変位させるこ
とができるようにしている。すなわち、電極層Ｇ２５に
正の電荷を供給すると、図２３(a) に示す分極特性か
ら、この電極層Ｇ２５の下方の圧電素子部分には横方向
に伸びる力が発生し、結果的に、重錘体２２０を＋Ｚ軸
方向（図２７における上方）に変位させるような撓みが
生じることになり、逆に、電極層Ｇ２５に負の電荷を供
給すると、図２３(b) に示す分極特性から、この電極層
Ｇ２５の下方の圧電素子部分には横方向に縮む力が発生
し、結果的に、重錘体２２０を−Ｚ軸方向（図２７にお
ける下方）に変位させるような撓みが生じることにな
る。したがって、電極層Ｇ２１，Ｇ２３，Ｇ２５にそれ
ぞれ適当に電荷供給を行えば、図２７に矢印で示したよ
うな円軌道２２１に沿って、重錘体２２０を円運動させ
ることが可能になる。

【０１０１】結局、この角速度センサ２８０では、Ｘ軸
の正の領域および負の領域、ならびに、原点近傍領域
に、Ｘ軸に沿った方向に力を作用させる力発生器（各圧
電素子）をそれぞれ配置し、これらの力発生器を周期的
に動作させることにより、重錘体２２０をＸＺ平面内で
周回運動させる構成を採っていることになる。一方、変
位検出器として機能する電極層Ｄ２１〜Ｄ２４の配置に
ついては、前述した角速度センサ２００の配置とほぼ同
様であるから、これらを用いて、Ｘ軸方向の力±Ｆｘお
よびＹ軸方向の力±Ｆｙを検出することができる。こう
して、重錘体２２０をＸＺ平面内で円運動させながら、
重錘体２２０がＸ軸あるいはＺ軸を通過する瞬時におい
て、重錘体２２０に作用するＸ軸方向の力±Ｆｘおよび
Ｙ軸方向の力±Ｆｙを検出すれば、前述の検出原理に基
いて、３軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚのすべてを
検出することが可能である。

【０１０２】もちろん、この実施例でも、§８で述べた
実施例と同様に、圧電素子２５０の上面側を単一の共通
電極層としてもよいし、上面下面ともに個々の独立した
電極層を形成するようにしてもよい。

【０１０３】§１０ タイプＩＩの圧電素子を利用した
角速度センサの実施例 図２９に側断面を示す角速度センサ３００は、図２４に
示したタイプＩＩの分極特性をもった圧電素子によっ
て、力発生器および変位検出器を構成した実施例であ
る。この角速度センサ３００は、円盤状の可撓性基板３
１０と円盤状の固定基板３２０との間に、タイプＩＩの
分極特性をもつ円盤状の圧電素子３３０が介挿された構
造となっている。可撓性基板３１０の下面には、円柱状
の重錘体３４０が固着されている。また、可撓性基板３
１０の外周部分および固定基板３２０の外周部分は、い
ずれも筐体３５０によって支持されている。圧電素子３
３０の上面には、５枚の上部電極層Ｅ３１〜Ｅ３５（図
２９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Ｅ３６〜Ｅ４０（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Ｅ３１〜Ｅ３５の上面は固定基板３２０
の下面に固着され、下部電極層Ｅ３６〜Ｅ４０の下面は
可撓性基板３１０の上面に固着されている。ここで、固
定基板３２０は十分な剛性をもち、撓みを生じることは
ないが、可撓性基板３１０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、図２９に示すよ
うに、重錘体３４０の重心位置に原点ＯをもつＸＹＺ三
次元座標系を定義し、以後の説明を行うことにする。図
２９は、この角速度センサをＸＺ平面で切った側断面図
に相当する。

【０１０４】図３０は、圧電素子３３０の上面および上
部電極層Ｅ３１〜Ｅ３５を示す上面図であり、図３１
は、圧電素子３３０の下面および下部電極層Ｅ３６〜Ｅ
４０を示す下面図である。図３０に示されているよう
に、上部電極層Ｅ３１〜Ｅ３４は、いずれも扇状をして
おり、この座標系におけるＸ軸上もしくはＹ軸上に位置
し、しかもこれらの軸に関して線対称な形状をしてい
る。また、上部電極層Ｅ３５は、円形をしており、ちょ
うど原点の位置に配置されている。一方、下部電極層Ｅ
３６〜Ｅ４０は、図３１に示されているように、それぞ
れ上部電極層Ｅ３１〜Ｅ３５と同じ形状をしており、対
向する位置に配置されている。なお、下部電極層Ｅ３６
〜Ｅ４０は、単一の共通電極層にしてもかまわない。ま
た、可撓性基板３１０を導電性の材料によって構成して
おけば、可撓性基板３１０自身を単一の共通電極層とし
て用いることができ、下部電極層を物理的に構成する必
要はなくなる。

【０１０５】前述したように、圧電素子３３０は、図２
４に示すような分極特性をもったタイプＩＩの圧電素子
である。そこで、たとえば、電極層Ｅ３１に負の電圧を
与え、電極層Ｅ３６に正の電圧を与えれば、図２４(b)
に示すように、縦方向に縮む力が発生する。また、電極
層Ｅ３３に正の電圧を与え、電極層Ｅ３８に負の電圧を
与えれば、図２４(a) に示すように、縦方向に伸びる力
が発生する。したがって、これらの電圧供給操作のいず
れか一方あるいは双方を行うことにより、重錘体３４０
をＸ軸に沿った方向に変位させることができる。すなわ
ち、Ｘ軸上に配置された各電極層Ｅ３１，Ｅ３３，Ｅ３
６，Ｅ３８に所定の電圧を印加することにより、重錘体
３４０に対してＸ軸方向に沿った変位を生じさせること
ができる。同様に、Ｙ軸上に配置された各電極層Ｅ３
２，Ｅ３４，Ｅ３７，Ｅ３９に所定の電圧を印加するこ
とにより、重錘体３４０に対してＹ軸方向に沿った変位
を生じさせることもできる。そこで、これらの各電極
に、位相がずれた周期的な電圧を印加するようにすれ
ば、重錘体３４０をＸＹ平面内において円運動させるこ
とが可能になる。

【０１０６】結局、この角速度センサ３００では、Ｘ軸
の正の領域および負の領域、ならびに、Ｙ軸の正の領域
および負の領域に、Ｚ軸に沿った方向に力を作用させる
力発生器（圧電素子の各部分）をそれぞれ配置し、これ
らの力発生器を周期的に動作させることにより、重錘体
３４０をＸＹ平面内で周回運動させる構成を採っている
ことになる。

【０１０７】また、この角速度センサ３００では、重錘
体３４０をＸＺ平面内において円運動させることも可能
である。たとえば、電極層Ｅ３５に負の電圧を与え、電
極層Ｅ４０に正の電圧を与えれば、図２４(b) に示すよ
うに、縦方向に縮む力が発生するので、重錘体３４０
は、＋Ｚ軸方向（図２９における上方）に変位する。逆
に、電極層Ｅ３５に正の電圧を与え、電極層Ｅ４０に負
の電圧を与えれば、図２４(a) に示すように、縦方向に
伸びる力が発生するので、重錘体３４０は、−Ｚ軸方向
（図２９における下方）に変位する。結局、原点位置に
配置された電極層Ｅ３５，Ｅ４０に所定の電圧を印加す
ることにより、重錘体３４０に対してＺ軸方向に沿った
変位を生じさせることもできる。そこで、Ｘ軸上に配置
された各電極層Ｅ３１，Ｅ３３，Ｅ３６，Ｅ３８と、原
点位置に配置された電極層Ｅ３５，Ｅ４０とに、位相が
ずれた周期的な電圧を印加するようにすれば、重錘体３
４０をＸＺ平面内において円運動させることも可能にな
る。

【０１０８】この場合、この角速度センサ３００では、
Ｘ軸の正の領域および負の領域、ならびに、原点近傍領
域に、Ｚ軸に沿った方向に力を作用させる力発生器（圧
電素子の各部分）をそれぞれ配置し、これらの力発生器
を周期的に動作させることにより、重錘体３４０をＸＺ
平面内で周回運動させる構成を採っていることになる。

【０１０９】一方、これらの電極層に発生する電荷を測
定することにより、重錘体３４０に生じた変位（重錘体
３４０に作用した力）を検出することも可能である。た
とえば、重錘体３４０に対してＸ軸の正方向の力＋Ｆｘ
が作用し、Ｘ軸の正方向に変位した場合、図２９に示す
圧電素子３３０の右側部分は上下に押しつぶされ、左側
部分は上下に引き伸ばされる。したがって、図２４に示
す分極特性から、電極層Ｅ３３，Ｅ３６には正の電荷が
発生し、電極層Ｅ３１，Ｅ３８には負の電荷が発生する
ことになる。結局、Ｘ軸上に配置された各電極層Ｅ３
１，Ｅ３３，Ｅ３６，Ｅ３８に発生する電荷を測定する
ことにより、重錘体３４０のＸ軸方向の変位（重錘体３
４０に作用したＸ軸方向の力±Ｆｘ）を検出することが
できる。同様に、Ｙ軸上に配置された各電極層Ｅ３２，
Ｅ３４，Ｅ３７，Ｅ３９に発生する電荷を測定すること
により、重錘体３４０のＹ軸方向の変位（重錘体３４０
に作用したＹ軸方向の力±Ｆｙ）を検出することができ
る。また、Ｚ軸方向の変位（力±Ｆｚ）については、原
点位置に配置された電極層Ｅ３５，Ｅ４０に発生する電
荷を測定することにより検出が可能である。すなわち、
重錘体３４０に対して、Ｚ軸方向の力±Ｆｚが作用すれ
ば、電極層Ｅ３５，Ｅ４０間の圧電素子は、上下に押し
つぶされるか（＋Ｆｚの場合）、上下に引き伸ばされる
（−Ｆｚの場合）ので、両電極層に発生する電荷量およ
び極性に基いて、作用した力±Ｆｚを検出することが可
能である。

【０１１０】このように、角速度センサ３００の各電極
層は、重錘体３４０を円運動させるための力発生器の構
成要素としての役割と、重錘体３４０に作用したコリオ
リ力を検出するための変位検出器の構成要素としての役
割と、を兼ね備えることになる。

【０１１１】ここで、電極層Ｅ３１〜Ｅ３４，Ｅ３６〜
Ｅ３９には、力発生器としての役割を与え、電極層Ｅ３
５，Ｅ４０には、変位検出器としての役割を与えるよう
にすれば、重錘体３４０をＸＹ平面内で円運動させた状
態において、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角
速度ωｙとを検出する２軸まわりの角速度センサが実現
できる。すなわち、重錘体３４０がＸ軸を通過する瞬間
において、電極層Ｅ３５，Ｅ４０における発生電荷を測
定して、重錘体３４０のＺ軸方向の変位を検出すれば、
この変位は、重錘体３４０に対してＺ軸方向に作用した
力Ｆｚに対応したものになり、図１３に示す点Ｐｘにお
ける検出原理に基いて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを求め
ることができる。同様に、重錘体３４０がＹ軸を通過す
る瞬間において、電極層Ｅ３５，Ｅ４０における発生電
荷を測定して、重錘体３４０のＺ軸方向の変位を検出す
れば、この変位は、重錘体３４０に対してＺ軸方向に作
用した力Ｆｚに対応したものになり、図１３に示す点Ｐ
ｙにおける検出原理に基いて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙ
を求めることができる。

【０１１２】また、電極層Ｅ３１，Ｅ３６，Ｅ３３，Ｅ
３８，Ｅ３５，Ｅ４０には、力発生器としての役割を与
え、電極層Ｅ３２，Ｅ３７，Ｅ３４，Ｅ３９には、変位
検出器としての役割を与えるようにすれば、重錘体３４
０をＸＺ平面内で円運動させた状態において、Ｘ軸まわ
りの角速度ωｘとＺ軸まわりの角速度ωｚとを検出する
２軸まわりの角速度センサが実現できる。すなわち、重
錘体３４０がＸ軸を通過する瞬間において、電極層Ｅ３
２，Ｅ３７，Ｅ３４，Ｅ３９おける発生電荷を測定し
て、重錘体３４０のＹ軸方向の変位を検出すれば、この
変位は、重錘体３４０に対してＹ軸方向に作用した力Ｆ
ｙに対応したものになり、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを求
めることができる。同様に、重錘体３４０がＺ軸を通過
する瞬間において、電極層Ｅ３２，Ｅ３７，Ｅ３４，Ｅ
３９おける発生電荷を測定して、重錘体３４０のＹ軸方
向の変位を検出すれば、この変位は、重錘体３４０に対
してＹ軸方向に作用した力Ｆｙに対応したものになり、
Ｚ軸まわりの角速度ωｚを求めることができる。

【０１１３】なお、３軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ω
ｚのすべてを検出するためには、力発生器としての役割
を担う電極層と変位検出器としての役割を担う電極層と
を分割した構成とすればよい。たとえば、図３２に示す
例は、図３０における電極層Ｅ３１を、Ｅ３１ＧとＥ３
１Ｄとに分割し、電極層Ｅ３３を、Ｅ３３ＧとＥ３３Ｄ
とに分割し、電極層Ｅ３２，Ｅ３４の形状をＥ３２Ｄ，
Ｅ３４Ｄのように変更したものである。なお、電極層Ｅ
３２Ｄ，Ｅ３４Ｄの形状は、電極層Ｅ３１Ｄ，Ｅ３３Ｄ
の形状と同一にしてあり、Ｘ軸方向とＹ軸方向との検出
感度が揃うようにしてある。ここで、電極層Ｅ３１Ｇ，
Ｅ３３Ｇ，Ｅ３５Ｇは、力発生器としての役割を果た
し、重錘体３４０をＸＺ平面内で円運動させる機能を果
たす。また、電極層Ｅ３１Ｄ，Ｅ３２Ｄ，Ｅ３３Ｄ，Ｅ
３４Ｄは、変位検出器としての役割を果たし、重錘体３
４０のＸ軸方向およびＹ軸方向の変位（すなわち、力Ｆ
ｘ，Ｆｙ）を検出する機能を果たす。

【０１１４】このような構成の角速度センサでは、重錘
体３４０をＸＺ平面内で円運動させ、重錘体３４０がＸ
軸を通過する瞬間において、重錘体３４０のＹ軸方向の
変位を検出してＸ軸まわりの角速度ωｘを求めることが
でき、同時点において、重錘体３４０のＸ軸方向の変位
を検出してＹ軸まわりの角速度ωｙを求めることができ
る。更に、重錘体３４０がＺ軸を通過する瞬間におい
て、重錘体３４０のＹ軸方向の変位を検出してＺ軸まわ
りの角速度ωｚを求めることができる。

【０１１５】なお、図２９に示す角速度センサ３００で
は、圧電素子３３０の上面には図３０に示すように５枚
の個々の電極層Ｅ３１〜Ｅ３５が形成され、下面には図
３１に示すように５枚の個々の電極層Ｅ３６〜Ｅ４０が
形成されているが、いずれか一方は単一の共通電極層に
してもかまわない。

【０１１６】図３３に側断面図を示す角速度センサ３６
０は、図２９に示す角速度センサ３００の変形例であ
る。角速度センサ３００との相違点は、可撓性基板３１
０の代わりに、導電性の可撓性基板３１５が用いられて
いる点と、下部電極層Ｅ３６〜Ｅ４０が省略されている
点である。可撓性基板３１５は、可撓性基板３１０より
も直径が若干小さな円盤状の基板であり、その外周部分
は、筐体３５０には支持されておらず、自由になってい
る。重錘体３４０は、この可撓性基板３１５と、圧電素
子３３０と、上部電極層Ｅ３１〜Ｅ３５と、固定基板３
２０とによって、筐体３５０に支持された状態になって
おり、図のように宙吊りの状態になっている。したがっ
て、重錘体３４０は、筐体３５０内において、ある程度
の自由度をもって移動可能である。また、可撓性基板３
１５は導電性をもっているため、共通電極層としての機
能を果たし、下部電極層Ｅ３６〜Ｅ４０は不要になって
いる。このように、図３３に示す角速度センサ３６０
は、図２９に示す角速度センサ３００と比べて、構造
上、若干の違いはあるが、その動作は全く同じである。

【０１１７】§１１ 駆動手段と検出手段との兼用 既に述べてきたように、本発明に係る角速度センサで
は、重錘体を円運動させるための駆動手段と、円運動中
の重錘体に作用するコリオリ力を検出する検出手段とが
必要である。たとえば、図１８に示すモデルでは、重錘
体４０をＸＹ平面内において円運動させるための力発生
器（駆動手段）Ｇ１〜Ｇ４と、この重錘体４０に対し
て、各座標軸方向に作用するコリオリ力を検出するため
の変位検出器（検出手段）Ｄ１〜Ｄ６とをそれぞれ別個
独立して設けている。これまでに説明した種々の実施例
においても、力発生器と変位検出器とをそれぞれ別個独
立して設けた構造のものを主として例示した。

【０１１８】しかしながら、これまでの実施例を見れば
わかるように、力発生器と変位検出器とは物理的には全
く同一の構造をもった要素で構成することができる。た
とえば、静電容量素子は、電圧を印加することにより一
対の電極間にクーロン引力／斥力を発生する性質をもっ
ているため、力発生器として用いることもできるし、両
電極間の距離の変化を電気信号として取り出すことがで
きるため、変位検出器として用いることもできる。同様
に、圧電素子は、電圧を印加することにより応力を発生
する性質をもっているため、力発生器として用いること
もできるし、変位によって加えられた応力を電気信号と
して取り出すことができるため、変位検出器として用い
ることもできる。

【０１１９】このように、これまでの実施例では、力発
生器としての構成要素と変位検出器としての構成要素と
を別個のものとして取り扱ってきたが、実際には、両者
間には物理的な構造の差はなく、角速度センサとして動
作させる上で、便宜的にこれらを別個の要素として取り
扱っただけのことである。したがって、両者は互いに可
換性をもった構成要素であり、動作態様によって、同一
の構成要素を力発生器として利用することも、変位検出
器として利用することもできるものである。たとえば、
図２９〜図３１に示す角速度センサでは、既に§１０に
おいて述べたように、電極層Ｅ３１〜Ｅ３４，Ｅ３６〜
Ｅ３９に力発生器としての役割を与え、電極層Ｅ３５，
Ｅ４０に変位検出器としての役割を与えれば、重錘体３
４０をＸＹ平面内で円運動させた状態において、Ｚ軸方
向に作用するコリオリ力を検出することができ、Ｘ軸ま
わりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｙとを検出す
ることができるが、一方で、電極層Ｅ３１，Ｅ３６，Ｅ
３３，Ｅ３８，Ｅ３５，Ｅ４０に力発生器としての役割
を与え、電極層Ｅ３２，Ｅ３７，Ｅ３４，Ｅ３９に変位
検出器としての役割を与えれば、重錘体３４０をＸＺ平
面内で円運動させた状態において、Ｙ軸方向に作用する
コリオリ力を検出することができ、Ｘ軸まわりの角速度
ωｘとＺ軸まわりの角速度ωｚとを検出することができ
る。

【０１２０】ただ、この§１０で述べた動作方法は、個
々の構成要素を、力発生器として用いるか、変位検出器
として用いるか、いずれか一方を選択して用いるもので
あって、同一の構成要素を力発生器として用いながら同
時に変位検出器としても用いるものではない。実は、検
出回路を少し工夫すれば、同一の構成要素に対して、力
発生器の役割と変位検出器の役割とを同時に兼務させる
ことが可能になるのである。ここでは、このように、同
一の構成要素を駆動手段および検出手段として同時に兼
用する利用態様を述べることにする。

【０１２１】図３４は、力発生と変位検出の兼用器ＧＤ
１〜ＧＤ６を用いた角速度センサの構成例を示す概念図
である。ここで、兼用器ＧＤ１〜ＧＤ６は、力発生器と
しての機能と変位検出器としての機能とを同時に果たす
ことになる。まず、これら兼用器ＧＤ１〜ＧＤ６の力発
生器としての機能に着目してみると、兼用器ＧＤ１は、
駆動信号ｇ１を受けて重錘体４０をＸ軸正方向に移動さ
せる力を発生し、兼用器ＧＤ２は、駆動信号ｇ２を受け
て重錘体４０をＹ軸正方向に移動させる力を発生し、兼
用器ＧＤ３は、駆動信号ｇ３を受けて重錘体４０をＸ軸
負方向に移動させる力を発生し、兼用器ＧＤ４は、駆動
信号ｇ４を受けて重錘体４０をＹ軸負方向に移動させる
力を発生し、兼用器ＧＤ５は、駆動信号ｇ５を受けて重
錘体４０をＺ軸正方向に移動させる力を発生し、兼用器
ＧＤ６は、駆動信号ｇ６を受けて重錘体４０をＺ軸負方
向に移動させる力を発生する。一方、これら兼用器ＧＤ
１〜ＧＤ６の変位検出器としての機能に着目してみる
と、兼用器ＧＤ１は、重錘体４０がＸ軸正方向に変位す
ると検出信号ｄ１を出力し、兼用器ＧＤ２は、重錘体４
０がＹ軸正方向に変位すると検出信号ｄ２を出力し、兼
用器ＧＤ３は、重錘体４０がＸ軸負方向に変位すると検
出信号ｄ３を出力し、兼用器ＧＤ４は、重錘体４０がＹ
軸負方向に変位すると検出信号ｄ４を出力し、兼用器Ｇ
Ｄ５は、重錘体４０がＺ軸正方向に変位すると検出信号
ｄ５を出力し、兼用器ＧＤ６は、重錘体４０がＺ軸負方
向に変位すると検出信号ｄ６を出力する。

【０１２２】さて、ここで駆動信号ｇ１〜ｇ４として、
たとえば、図１７に示す駆動信号Ｓ１〜Ｓ４のような互
いに位相のずれた周期信号を用いれば、重錘体４０はＸ
Ｙ平面内において円運動を行うことになる。そこで、全
く角速度が作用していない環境において、重錘体４０を
このように円運動させ、そのときにどのような検出信号
が得られるかを測定しておく。たとえば、このとき、各
兼用器ＧＤ１〜ＧＤ６から、所定の検出信号ｄ１〜ｄ６
が出力されたものとする。重錘体４０が正確にＸＹ平面
内において円運動しているのであれば、当然、検出信号
ｄ１〜ｄ４はこの円運動の周期に合わせた周期信号とな
り、検出信号ｄ５，ｄ６は定常信号となる。ここで、外
界から何らかの角速度が作用した場合を考える。この角
速度は、円運動している重錘体４０に対してコリオリ力
を作用させることになる。たとえば、ある瞬間におい
て、この作用した角速度に基づいてＸ軸正方向のコリオ
リ力が発生したとしよう。この場合、兼用器ＧＤ１の検
出信号には、発生したコリオリ力に基づく信号成分Δα
が加わることになり、兼用器ＧＤ１からは、（ｄ１＋Δ
α）なる検出信号が得られることになる。

【０１２３】すなわち、全く角速度が作用していない環
境においては、兼用器ＧＤ１に駆動信号ｇ１を与える
と、検出信号ｄ１が得られていたのに、角速度が作用し
た環境においては、同じ駆動信号ｇ１を与えているの
に、検出信号（ｄ１＋Δα）が得られたことになる。し
たがって、全く角速度が作用していない環境において、
検出信号ｄ１を予め測定しておけば、実際に角速度が作
用している環境において得られた検出信号（ｄ１＋Δ
α）に基づいて、Ｘ軸正方向のコリオリ力に基づく信号
成分Δαを求めることが可能になる。これは、他の兼用
器ＧＤ２〜ＧＤ６についても全く同様である。別言すれ
ば、兼用器ＧＤ１〜ＧＤ６は、駆動信号ｇ１〜ｇ６を受
けて力発生器としての機能を果たしながら、同時に、コ
リオリ力の成分を含んだ検出信号を出力する変位検出器
としての機能を果たしていることになる。

【０１２４】このように、兼用器を用いた角速度センサ
では、センサ本体の構成要素の数を低減させることがで
きるため、センサ本体の構造を単純化できるというメリ
ットが得られる。ただ、信号処理回路は、これまでの実
施例で述べてきた力発生器と変位検出器とを別個独立し
て設けたセンサに比べて若干複雑になるというデメリッ
トはある。したがって、実用上は、これらのメリットや
デメリットを考慮して、用途に応じて、力発生器と変位
検出器とを別個独立した構造にするか、兼用器を用いた
構造にするかを適宜使い分けるのが好ましい。

【０１２５】以下、この§１１で述べた基本思想に基づ
いて、兼用器を用いたいくつかの実施例を、信号処理回
路とともに説明することにする。すなわち、§１２で
は、§５，６で述べた容量素子を利用した角速度センサ
に兼用器を適用した実施例について述べ、§１３では、
§８，９で述べたタイプＩの圧電素子を利用した角速度
センサに兼用器を適用した実施例について述べ、§１
４，§１５では、§１０で述べたタイプＩＩの圧電素子
を利用した角速度センサに兼用器を適用した実施例につ
いて述べる。

【０１２６】§１２ 兼用容量素子を利用した角速度セ
ンサの実施例 図３５に側断面を示す角速度センサ１９０は、図１９に
示す容量素子を利用した角速度センサに兼用器を適用す
ることにより、必要な電極層の枚数を低減させ、全体構
造を単純化した実施例である。図１９に示すセンサとの
相違は、可撓性基板１１０の上面に配置された電極層お
よび蓋基板１５０の下面に配置された電極層の構成だけ
である。そこで、以下、この電極層の構成のみを説明
し、その他の構成要素の説明は省略する。

【０１２７】可撓性基板１１０の上面には、図３６に示
されているように、４枚の扇形の下部電極層Ｌ１１〜Ｌ
１４が配置されている。下部電極層Ｌ１１はＸ軸の正の
領域上、Ｌ１２はＹ軸の正の領域上、Ｌ１３はＸ軸の負
の領域上、Ｌ１４はＹ軸の負の領域上、にそれぞれ配置
されており、いずれも各座標軸に関して対称形をしてい
る。一方、蓋基板１５０の下面にも、上部電極層Ｕ１１
〜Ｕ１４が、それぞれ各下部電極層Ｌ１１〜Ｌ１４に対
向する位置に配置されている。ここで、上部電極層Ｕ１
１〜Ｕ１４は、下部電極層Ｌ１１〜Ｌ１４と全く同一形
状をしている。こうして、電極層Ｌ１１／Ｕ１１、電極
層Ｌ１２／Ｕ１２、電極層Ｌ１３／Ｕ１３、電極層Ｌ１
４／Ｕ１４、によってそれぞれ１組ずつの容量素子が形
成されていることになる。

【０１２８】さて、このような構成の角速度センサを動
作させるために、図３７に示すような信号処理回路を用
意する。この回路図において、左端に示されている各容
量素子は、蓋基板１５０の下面に形成された上部電極層
と可撓性基板１１０の上面に形成された下部電極層とに
よって構成される容量素子であり、Ｕ１１〜Ｕ１４およ
びＬ１１〜Ｌ１４は、各上部電極層および下部電極層を
示している。Ｌ１１〜Ｌ１４は共通の接地レベルに接続
され、互いに導通している。ここで、Ｂ１１〜Ｂ１８は
バッファ回路であり、Ｒ１１〜Ｒ１８は抵抗である。ま
た、Ｃ１〜Ｃ４は、容量／電圧変換回路であり、各容量
素子の静電容量値を電圧値に変換して出力する機能を有
する。駆動信号入力端子Ｔ１１，Ｔ１３，Ｔ１５，Ｔ１
７は、それぞれ上部電極層Ｕ１１，Ｕ１２，Ｕ１３，Ｕ
１４に印加するための駆動電圧Ｖ１１，Ｖ１３，Ｖ１
５，Ｖ１７を入力する端子であり、検出信号出力端子Ｔ
１２，Ｔ１４，Ｔ１６，Ｔ１８は、それぞれ容量／電圧
変換回路Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４から出力された検出電
圧Ｖ１２，Ｖ１４，Ｖ１６，Ｖ１８を出力する端子であ
る。

【０１２９】このような信号処理回路を用いて、重錘体
１２０をＸＹ平面に沿って円運動させるには、たとえ
ば、駆動信号入力端子Ｔ１１，Ｔ１３，Ｔ１５，Ｔ１７
に、それぞれ図１７に示す駆動信号Ｓ１〜Ｓ４を与えれ
ばよい。４組の容量素子には、それぞれ位相をずらして
順々にクーロン引力が作用することになり、重錘体１２
０はＸＹ平面に沿って円運動する。

【０１３０】一方、このような信号処理回路を用いれ
ば、重錘体１２０の各軸方向への変位を検出することが
できる。たとえば、重錘体１２０がＸ軸の正方向に変位
すると、電極層Ｕ１１／Ｌ１１間の距離は短く、電極層
Ｕ１３／Ｌ１３間の距離は長くなるため、前者における
静電容量値は増加し、後者における静電容量値は減少す
る。したがって、図３７の回路において、検出電圧Ｖ１
２は上昇し、検出電圧Ｖ１６は下降する。そこで、両検
出電圧の差（Ｖ１２−Ｖ１６）によって、重錘体１２０
のＸ軸正方向の変位検出が可能になる。逆に、重錘体１
２０がＸ軸の負方向に変位すると、上述の場合と増減が
逆になるため、両検出電圧の差（Ｖ１２−Ｖ１６）の符
号が逆転することになる。結局、出力端子Ｔ１２，Ｔ１
６に得られる検出電圧の差（Ｖ１２−Ｖ１６）によっ
て、Ｘ軸の正負両方向の変位検出が可能になる。全く同
様に、出力端子Ｔ１４，Ｔ１８に得られる検出電圧の差
（Ｖ１４−Ｖ１８）によって、Ｙ軸の正負両方向の変位
検出が可能になる。更に、この信号処理回路では、Ｚ軸
の正負両方向の変位検出も可能である。たとえば、重錘
体１２０がＺ軸の正方向に変位すると、４組の容量素子
はいずれも電極間距離が短くなり静電容量値が増加し、
逆にＺ軸の負方向に変位すると、４組の容量素子はいず
れも電極間距離が長くなり静電容量値が減少する。した
がって、４つの出力端子Ｔ１２，Ｔ１４，Ｔ１６，Ｔ１
８に得られる電圧の総和（Ｖ１２＋Ｖ１４＋Ｖ１６＋Ｖ
１８）の増加または減少により、Ｚ軸の正負両方向の変
位検出が可能になる（２つの電圧の和（Ｖ１２＋Ｖ１
６）あるいは（Ｖ１４＋Ｖ１８）によっても、Ｚ軸方向
の変位検出は可能であるが、効率良い安定した検出を行
うためには、上述のように４つの電圧の総和を用いるの
が好ましい）。

【０１３１】なお、各電極層Ｌ１１〜Ｌ１４，Ｕ１１〜
Ｕ１４はいずれもＸ軸またはＹ軸に関して線対称な形状
をしているため、上述の検出結果には、他軸成分が干渉
することはない。たとえば、重錘体１２０がＸ軸方向に
変位した場合、電極層Ｕ１１／Ｌ１１間と電極層Ｕ１３
／Ｌ１３間の距離は一方が短く他方は長くなるため、検
出電圧の差（Ｖ１２−Ｖ１６）としてＸ軸方向の変位を
求めることができる。ところが、重錘体１２０がＹ軸方
向に変位した場合は、電極層Ｕ１１／Ｌ１１間の距離
も、電極層Ｕ１３／Ｌ１３間の距離も、部分的に短くな
ったり長くなったりするが、全体的には相殺されて電圧
差は発生しない。また、重錘体１２０がＺ軸方向に変位
した場合は、電極層Ｕ１１／Ｌ１１間の距離も、電極層
Ｕ１３／Ｌ１３間の距離も、双方ともに短くなったり長
くなったりするので、検出電圧の差（Ｖ１２−Ｖ１６）
をとると相殺されることになる。

【０１３２】以上の説明により、この角速度センサ１９
０では、たった４組の電極対Ｕ１１／Ｌ１１，Ｕ１２／
Ｌ１２，Ｕ１３／Ｌ１３，Ｕ１４／Ｌ１４を利用して、
重錘体１２０をＸＹ平面に沿って円運動させる機能と、
重錘体１２０のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の正負両方向に関する
変位を別個に検出する機能と、を備えていることがわか
る。そこで、これらの電極対を、§１１において説明し
た兼用器として利用すれば、各軸まわりの角速度ωｘ，
ωｙ，ωｚの検出が可能になる。すなわち、まず全く角
速度が作用しない環境において、入力端子Ｔ１１，Ｔ１
３，Ｔ１５，Ｔ１７に、それぞれ図１７に示す駆動信号
Ｓ１〜Ｓ４を与え、重錘体１２０をＸＹ平面に沿って円
運動させた状態にする。そして、このときに、出力端子
Ｔ１２，Ｔ１４，Ｔ１６，Ｔ１８に出力される電圧Ｖ１
２，Ｖ１４，Ｖ１６，Ｖ１８を予め測定しておく。もち
ろん、これらの電圧値は駆動信号Ｓ１〜Ｓ４と同じ周期
で変化する周期信号となる。続いて、この角速度センサ
１９０を、実際に角速度が作用する環境におき、やはり
入力端子Ｔ１１，Ｔ１３，Ｔ１５，Ｔ１７に、それぞれ
駆動信号Ｓ１〜Ｓ４を与え、重錘体１２０をＸＹ平面に
沿って円運動させた状態にし、そのときに、出力端子Ｔ
１２，Ｔ１４，Ｔ１６，Ｔ１８に出力される電圧を測定
する。これらの電圧値が、予め測定した値と異なれば、
その差分は作用した角速度に基づくコリオリ力の成分と
いうことになる。たとえば、Ｘ軸方向への変位を示す検
出電圧差（Ｖ１２−Ｖ１６）が予め測定した値よりもΔ
αだけ増えていれば、Ｘ軸の正方向にΔαに相当する大
きさのコリオリ力が作用していることになる。

【０１３３】結局、この角速度センサ１９０では、重錘
体１２０をＸＹ平面に沿って円運動させた状態で、Ｘ軸
方向のコリオリ力、Ｙ軸方向のコリオリ力、Ｚ軸方向の
コリオリ力、をそれぞれ別個独立して検出できることに
なる。したがって、既に述べた原理により、作用した角
速度を、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、と各軸ごとに検出する
ことが可能になる。

【０１３４】なお、上述の説明では、互いに向かい合う
上部電極層と下部電極層との間に電圧を印加し、両電極
層にそれぞれ極性の異なる電荷を供給してクーロン引力
を作用させ、重錘体１２０を駆動していたが、互いに向
かい合う上部電極層と下部電極層とに、それぞれ同極性
の電荷を供給できるような構造にしておけば、クーロン
斥力によって重錘体１２０を駆動することも可能であ
る。また、たとえば、電極対Ｕ１１／Ｌ１１にクーロン
引力を作用させると同時に、電極対Ｕ１３／Ｌ１３にク
ーロン斥力を作用させるようにすれば、重錘体１２０を
Ｘ軸の正方向により効率的に変位させることが可能にな
る。このように、一方で引力、他方で斥力を作用させる
ようにして重錘体１２０を円運動させると、より効率的
な駆動動作が可能になる。

【０１３５】また、４組の電極対のすべてに、あるい
は、同一座標軸上に配置された２組の電極対にクーロン
引力を作用させれば、重錘体１２０をＺ軸の正方向に変
位させることができ、４組の電極対のすべてに、あるい
は、同一座標軸上に配置された２組の電極対にクーロン
斥力を作用させれば、重錘体１２０をＺ軸の負方向に変
位させることができるので、このＺ軸の正負両方向への
駆動操作と、たとえば、既に述べたＸ軸の正負両方向へ
の駆動操作とを組み合わせれば、重錘体１２０をＸＺ平
面に沿って円運動させることも可能である。

【０１３６】更に、上述の説明では、重錘体１２０のＸ
軸方向の変位を、検出電圧の差（Ｖ１２−Ｖ１６）によ
り求め、重錘体１２０のＹ軸方向の変位を、検出電圧の
差（Ｖ１４−Ｖ１８）により求めているが、このような
差分をとっているのは、検出精度を向上させる意味と、
Ｚ軸方向の変位成分が検出結果に干渉しないようにする
ためである。したがって、たとえば、Ｚ軸方向へのコリ
オリ力が作用しないような検出環境で用いることを前提
とするのであれば、たとえば、電圧値Ｖ１２あるいはＶ
１６をＸ軸方向の変位を示す値として単独で用いること
も可能であるし、同様に、電圧値Ｖ１４あるいはＶ１８
をＹ軸方向の変位を示す値として単独で用いることも可
能である。

【０１３７】また、上述の実施例では、上部電極層Ｕ１
１〜Ｕ１４も、下部電極層Ｌ１１〜Ｌ１４も、いずれも
物理的に独立した個別の電極層となっているが、いずれ
か一方は、物理的には単一の共通電極層（この例の場合
は、４枚の扇形の電極層のすべてに対向するような円盤
状の共通電極層）としてもかまわない。電極層間の配線
を単純化するには、このような共通電極層を形成してお
くのが好ましい。図３７に示される回路ではＬ１１〜Ｌ
１４が共通接地され、電気的には共通電極となってい
る。

【０１３８】なお、図３５および図１９〜図２２に示す
ような構造の角速度センサ１９０は、一般的な半導体装
置の製造プロセスの技術やマイクロマシニング技術を適
用できる材料によって構成することにより、安価で高性
能なものを大量生産することが可能になる。たとえば、
図３５において、可撓性基板１１０，重錘体１２０，台
座１３０，蓋基板１５０といった部材を、シリコン基板
やガラス基板を用いて構成するようにすれば、ガラス基
板とシリコン基板との接合には陽極接合技術などを利用
することができ、シリコン基板同士の接合にはシリコン
・ダイレクトボンディング技術などを利用することがで
きる。ただ、シリコン基板上に物理的に異なる個別の電
極層を隣接して配置すると、シリコン基板中の容量によ
る結合により、互いに干渉が起こるおそれがあるので、
個別の電極層はできるだけガラス基板上に形成するのが
好ましい。物理的に単一の共通電極層であれば、シリコ
ン基板上に形成しても問題はない。

【０１３９】§１３ タイプＩの兼用圧電素子を利用し
た角速度センサの実施例 図３８に側断面を示す角速度センサ２９０は、図２５に
示すタイプＩの圧電素子を利用した角速度センサに兼用
器を適用することにより、必要な電極層の枚数を低減さ
せ、全体構造を単純化した実施例である。図２５に示す
センサとの相違は、圧電素子２５０の上下両面に配置さ
れた電極層の構成だけである。そこで、以下、この電極
層の構成のみを説明し、その他の構成要素の説明は省略
する。

【０１４０】圧電素子２５０の上面には、図３９に示さ
れているように、４枚の扇形の上部電極層Ｕ２１〜Ｕ２
４が配置されている。上部電極層Ｕ２１はＸ軸の正の領
域上、Ｕ２２はＹ軸の正の領域上、Ｕ２３はＸ軸の負の
領域上、Ｕ２４はＹ軸の負の領域上、にそれぞれ配置さ
れており、いずれも各座標軸に関して対称形をしてい
る。また、圧電素子２５０の下面には、上部電極層Ｕ２
１〜Ｕ２４のすべてに対向するようなワッシャ状の共通
下部電極層Ｌ２０が配置されている。こうして、電極層
Ｕ２１／Ｌ２０、電極層Ｕ２２／Ｌ２０、電極層Ｕ２３
／Ｌ２０、電極層Ｕ２４／Ｌ２０、によってそれぞれ挟
まれた４組の部分圧電素子が形成されることになる。

【０１４１】一方、図４０に側断面を示す角速度センサ
２９５は、図３８に示す角速度センサ２９０の電極層の
配置を若干変えた実施例である。すなわち、この角速度
センサ２９５における圧電素子２５０の上面には、図４
１に示されているように、４枚の扇形の上部電極層Ｕ２
６〜Ｕ２９が配置されている。上部電極層Ｕ２６はＸ軸
の正の領域上、Ｕ２７はＹ軸の正の領域上、Ｕ２８はＸ
軸の負の領域上、Ｕ２９はＹ軸の負の領域上、にそれぞ
れ配置されており、いずれも各座標軸に関して対称形を
している。また、圧電素子２５０の下面には、上部電極
層Ｕ２６〜Ｕ２９のすべてに対向するようなワッシャ状
の共通下部電極層Ｌ２５が配置されている。こうして、
電極層Ｕ２６／Ｌ２５、電極層Ｕ２７／Ｌ２５、電極層
Ｕ２８／Ｌ２５、電極層Ｕ２９／Ｌ２５、によってそれ
ぞれ挟まれた４組の部分圧電素子が形成されることにな
る。

【０１４２】図３８および図３９に示す角速度センサ２
９０と、図４０および図４１に示す角速度センサ２９５
との相違は、各電極層が内側領域に配置されているか、
外側領域に配置されているか、という点だけである。こ
の配置領域の意味するところを図４２の側断面図を用い
て説明しよう。いま、可撓性基板２１０の固定部２１３
を固定した状態において、作用部２１１に上方への力Ｆ
ｚを作用させると、可撓部２１２に図のような撓みが生
じる。このとき、可撓部２１２の内部に生じている応力
は、個々の部位によって異なる。いま、図の横に伸びる
方向の応力を正、横に縮む方向の応力を負で表すことに
すると、図４２の下方の応力分布図に示すように、内側
のエッジ位置Ｐ１において応力は正の最大値となり、外
側のエッジ位置Ｐ２において応力は負の最大値となる。
そして、位置Ｐ１〜Ｐ２間で応力は徐々に変化し、変極
点Ｐ３において応力は零になる。ここで、内側のエッジ
位置Ｐ１から変極点Ｐ３までの領域を内側領域Ａ１、変
極点Ｐ３から外側のエッジ位置Ｐ２までの領域を外側領
域Ａ２、と定義すると、内側領域Ａ１においては正の応
力が発生し、外側領域Ａ２においては負の応力が発生す
ることになる。図４３は、この内側領域Ａ１と外側領域
Ａ２との分布を示すための可撓性基板２１０の上面図で
ある。

【０１４３】このような応力分布を考慮すれば、内側領
域Ａ１に配置された電極層と、外側領域Ａ２に配置され
た電極層とでは、作用部２１１が全く同じ方向に変位し
ているにもかかわらず、全く正反対の現象が生じること
が理解できよう。たとえば、内側領域Ａ１に配置された
電極層には正の電荷が発生しているのに、外側領域Ａ２
に配置された電極層には負の電荷が発生することにな
る。したがって、内側領域Ａ１と外側領域Ａ２とに跨が
るような単一の電極層を配置するのは、作用部２１１の
変位を検出する上では好ましくない。このように跨がっ
た電極層では、内側領域Ａ１の部分で起こる現象と外側
領域Ａ２の部分で起こる現象とが、互いに打ち消し合う
ように働くため、力発生器として利用する場合には駆動
効率が低下し、変位検出器として利用する場合には検出
感度が低下することになる。図２５および図２６に示し
た角速度センサ２００（§８で述べた角速度センサ）
は、内側領域Ａ１内に配置した電極層Ｇ２２，Ｇ２４，
Ｄ２５〜Ｄ２８と、外側領域Ａ２内に配置した電極層Ｇ
２１，Ｇ２３，Ｄ２１〜Ｄ２４と、において正反対の現
象が起こることを考慮し、両方を巧妙に組み合わせるこ
とにより効率的な検出を可能にしたセンサということに
なる。

【０１４４】図３８および図３９に示す角速度センサ２
９０は、すべての電極を内側領域Ａ１内に配置した実施
例であり、内側領域Ａ１内に応力を発生させて重錘体２
２０を駆動し、内側領域Ａ１内に発生する応力に基づい
て重錘体２２０の変位を検出することになる。このセン
サ２９０では、外側領域Ａ２の応力は利用されないこと
になる。一方、図４０および図４１に示す角速度センサ
２９５は、すべての電極を外側領域Ａ２内に配置した実
施例であり、外側領域Ａ２内に応力を発生させて重錘体
２２０を駆動し、外側領域Ａ２内に発生する応力に基づ
いて重錘体２２０の変位を検出することになる。このセ
ンサ２９５では、内側領域Ａ１の応力は利用されないこ
とになる。上述したように、各電極層が、内側領域Ａ１
内にあるか、外側領域Ａ２内にあるか、によって、具体
的に生じる現象は異なることになるが、センサの検出原
理は基本的には同じである。そこで、以下、図３８およ
び図３９に示す角速度センサ２９０を代表として、その
動作を説明することにし、角速度センサ２９５の動作説
明は省略する。

【０１４５】さて、図３８および図３９に示す角速度セ
ンサ２９０を動作させるために、図４４に示すような信
号処理回路を用意する。この回路図において、左端に示
されているＵ２１〜Ｕ２４およびＬ２０は、圧電素子２
５０の上面に形成された上部電極層および下面に形成さ
れた下部電極層であり、それぞれ一対の電極層間には、
タイプＩの圧電素子が挟まれていることになる。また、
Ｂ２１〜Ｂ２８はバッファ回路であり、Ｒ２１〜Ｒ２８
は抵抗である。駆動信号入力端子Ｔ２１，Ｔ２３，Ｔ２
５，Ｔ２７は、それぞれ上部電極層Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ
２３，Ｕ２４に印加するための駆動電圧Ｖ２１，Ｖ２
３，Ｖ２５，Ｖ２７を入力する端子であり、検出信号出
力端子Ｔ２２，Ｔ２４，Ｔ２６，Ｔ２８は、それぞれ上
部電極層Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４の実際の電位
を示す検出電圧Ｖ２２，Ｖ２４，Ｖ２６，Ｖ２８を出力
する端子である。

【０１４６】このような信号処理回路を用いて、重錘体
２２０をＸＹ平面に沿って円運動させるには、たとえ
ば、駆動信号入力端子Ｔ２１，Ｔ２３，Ｔ２５，Ｔ２７
に、それぞれ図１７に示す駆動信号Ｓ１〜Ｓ４を与えれ
ばよい。４組の各圧電素子の一部分には、それぞれ位相
をずらして順々に電圧が供給され、所定方向への変位が
生じることになり、重錘体２２０はＸＹ平面に沿って円
運動する。

【０１４７】一方、このような信号処理回路を用いれ
ば、重錘体２２０の各軸方向への変位を検出することが
できる。たとえば、重錘体２２０がＸ軸の正方向に変位
すると、上部電極層Ｕ２１の形成領域にはＸ軸に沿って
伸びる方向の応力が作用し、上部電極層Ｕ２３の形成領
域にはＸ軸に沿って縮む方向の応力が作用するため、図
２３に示すタイプＩの圧電素子の分極特性を考慮すれ
ば、検出電圧Ｖ２２としては正の電圧が、検出電圧Ｖ２
６としては負の電圧が、それぞれ得られることがわか
る。そこで、両検出電圧の差（Ｖ２２−Ｖ２６）によっ
て、重錘体２２０のＸ軸正方向の変位検出が可能にな
る。逆に、重錘体２２０がＸ軸の負方向に変位すると、
上述の場合と電圧極性が逆になるため、両検出電圧の差
（Ｖ２２−Ｖ２６）の符号が逆転することになる。結
局、出力端子Ｔ２２，Ｔ２６に得られる検出電圧の差
（Ｖ２２−Ｖ２６）によって、Ｘ軸の正負両方向の変位
検出が可能になる。全く同様に、出力端子Ｔ２４，Ｔ２
８に得られる検出電圧の差（Ｖ２４−Ｖ２８）によっ
て、Ｙ軸の正負両方向の変位検出が可能になる。更に、
この信号処理回路では、Ｚ軸の正負両方向の変位検出も
可能である。たとえば、重錘体２２０がＺ軸の正方向に
変位すると、図４２に示すように、内側領域Ａ１には横
に伸びる方向の応力が発生するため、内側領域Ａ１上に
形成された上部電極層Ｕ２１〜Ｕ２４のすべてについて
正の電荷が発生することになる。このため、４組の検出
電圧Ｖ２２，Ｖ２４，Ｖ２６，Ｖ２８はいずれも正の値
になる。逆に、重錘体２２０がＺ軸の負方向に変位する
と、４組の検出電圧Ｖ２２，Ｖ２４，Ｖ２６，Ｖ２８は
いずれも負の値になる。したがって、４つの出力端子Ｔ
２２，Ｔ２４，Ｔ２６，Ｔ２８に得られる電圧の総和
（Ｖ２２＋Ｖ２４＋Ｖ２６＋Ｖ２８）の増加または減少
により、Ｚ軸の正負両方向の変位検出が可能になる（２
つの電圧の和（Ｖ２２＋Ｖ２６）あるいは（Ｖ２４＋Ｖ
２８）によっても、Ｚ軸方向の変位検出は可能である
が、効率良い安定した検出を行うためには、上述のよう
に４つの電圧の総和を用いるのが好ましい）。

【０１４８】なお、各上部電極層Ｕ２１〜Ｕ２４はいず
れもＸ軸またはＹ軸に関して線対称な形状をしているた
め、上述の検出結果には、他軸成分が干渉することはな
い。たとえば、重錘体２２０がＸ軸方向に変位した場
合、Ｘ軸上に配置された上部電極層Ｕ２１，Ｕ２３の形
成領域にはＸ軸に沿って伸びる方向もしくは縮む方向の
応力が作用し、この応力は、検出電圧の差（Ｖ２２−Ｖ
２６）として求めることができる。ところが、重錘体２
２０がＹ軸方向に変位した場合は、Ｘ軸上に配置された
上部電極層Ｕ２１，Ｕ２３の形成領域は、それぞれ部分
的に伸びたり縮んだりするが、全体的には発生電荷は各
電極層ごとに相殺されてしまい、検出電圧Ｖ２２，Ｖ２
６には影響を与えない。また、重錘体２２０がＺ軸方向
に変位した場合は、内側領域Ａ１上の上部電極層にはい
ずれも正電荷が発生し、検出電圧Ｖ２２，Ｖ２６はいず
れも正の同じ値になるので、検出電圧の差（Ｖ２２−Ｖ
２６）をとると相殺されることになる。

【０１４９】以上の説明により、この角速度センサ２９
０では、たった４組の電極対Ｕ２１／Ｌ２０，Ｕ２２／
Ｌ２０，Ｕ２３／Ｌ２０，Ｕ２４／Ｌ２０（Ｌ２０は単
一の共通電極層）を利用して、重錘体２２０をＸＹ平面
に沿って円運動させる機能と、重錘体２２０のＸ軸，Ｙ
軸，Ｚ軸の正負両方向に関する変位を別個に検出する機
能と、を備えていることがわかる。そこで、これらの電
極対を、§１１において説明した兼用器として利用すれ
ば、各軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚの検出が可能
になる。すなわち、まず全く角速度が作用しない環境に
おいて、入力端子Ｔ２１，Ｔ２３，Ｔ２５，Ｔ２７に、
それぞれ図１７に示す駆動信号Ｓ１〜Ｓ４を与え、重錘
体２２０をＸＹ平面に沿って円運動させた状態にする。
そして、このときに、出力端子Ｔ２２，Ｔ２４，Ｔ２
６，Ｔ２８に出力される電圧Ｖ２２，Ｖ２４，Ｖ２６，
Ｖ２８を予め測定しておく。もちろん、これらの電圧値
は駆動信号Ｓ１〜Ｓ４と同じ周期で変化する周期信号と
なる。続いて、この角速度センサ２９０を、実際に角速
度が作用する環境におき、やはり入力端子Ｔ２１，Ｔ２
３，Ｔ２５，Ｔ２７に、それぞれ駆動信号Ｓ１〜Ｓ４を
与え、重錘体２２０をＸＹ平面に沿って円運動させた状
態にし、そのときに、出力端子Ｔ２２，Ｔ２４，Ｔ２
６，Ｔ２８に出力される電圧を測定する。これらの電圧
値が、予め測定した値と異なれば、その差分は作用した
角速度に基づくコリオリ力の成分ということになる。た
とえば、Ｘ軸方向への変位を示す検出電圧差（Ｖ２２−
Ｖ２６）が予め測定した値よりもΔαだけ増えていれ
ば、Ｘ軸の正方向にΔαに相当する大きさのコリオリ力
が作用していることになる。

【０１５０】結局、この角速度センサ２９０では、重錘
体２２０をＸＹ平面に沿って円運動させた状態で、Ｘ軸
方向のコリオリ力、Ｙ軸方向のコリオリ力、Ｚ軸方向の
コリオリ力、をそれぞれ別個独立して検出できることに
なる。したがって、既に述べた原理により、作用した角
速度を、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、と各軸ごとに検出する
ことが可能になる。

【０１５１】また、電圧Ｖ２１，Ｖ２３，Ｖ２５，Ｖ２
７として、同じ値の正の電圧を同時に供給すれば、４組
の上部電極層Ｕ２１〜Ｕ２４に対して正の電荷を同時に
供給することができ、各電極層の形成領域は同時に横方
向に伸びるため、図４２に示すように、重錘体２２０を
Ｚ軸の正方向に変位させることができる。逆に、同じ値
の負の電圧を同時に供給すれば、４組の上部電極層Ｕ２
１〜Ｕ２４に対して負の電荷を同時に供給することがで
き、各電極層の形成領域は同時に横方向に縮むため、重
錘体２２０をＺ軸の負方向に変位させることができる
（上部電極層Ｕ２１，Ｕ２３だけに、あるいは、上部電
極層Ｕ２２，Ｕ２４だけに上述のような電荷供給を行っ
ても、同様にＺ軸方向へ変位させることは可能である
が、効率良い安定した変位を行わせるためには、上述の
ように４枚の電極層Ｕ２１〜Ｕ２４のすべてに電荷供給
を行うのが好ましい）。このようなＺ軸の正負両方向へ
の駆動操作と、たとえば、既に述べたＸ軸の正負両方向
への駆動操作とを組み合わせれば、重錘体２２０をＸＺ
平面に沿って円運動させることも可能である。

【０１５２】更に、上述の説明では、重錘体２２０のＸ
軸方向の変位を、検出電圧の差（Ｖ２２−Ｖ２６）によ
り求め、重錘体２２０のＹ軸方向の変位を、検出電圧の
差（Ｖ２４−Ｖ２８）により求めているが、このような
差分をとっているのは、検出精度を向上させる意味と、
Ｚ軸方向の変位成分が検出結果に干渉しないようにする
ためである。したがって、たとえば、Ｚ軸方向へのコリ
オリ力が作用しないような検出環境で用いることを前提
とするのであれば、たとえば、電圧値Ｖ２２あるいはＶ
２６をＸ軸方向の変位を示す値として単独で用いること
も可能であるし、同様に、電圧値Ｖ２４あるいはＶ２８
をＹ軸方向の変位を示す値として単独で用いることも可
能である。

【０１５３】また、上述の実施例では、上部電極層Ｕ２
１〜Ｕ２４をそれぞれ物理的に独立した個別の電極層と
し、下部電極層Ｌ２０をこれら４枚の上部電極層のすべ
てに対向するような物理的に単一の共通電極層としてい
るが、逆に、下部電極層を物理的に独立した個別の４枚
の電極層とし、上部電極層を物理的に単一の共通電極層
としてもかまわない。あるいは、共通電極層を用いず
に、上部電極層、下部電極層ともに、それぞれ物理的に
独立した個別の電極層としてもよい。ただ、電極層間の
配線を単純化するには、いずれか一方を共通電極層にす
るのが好ましい。

【０１５４】§１４ タイプＩＩの兼用圧電素子を利用
した角速度センサの実施例 既に§１０において、図２９に示すようなタイプＩＩの
圧電素子を利用した角速度センサ３００の構成および動
作を説明した。ただ、§１０では、３つの軸まわりの角
速度ωｘ，ωｙ，ωｚのすべてを検出するには、図３２
に示すように、力発生器としての役割を担う電極層Ｅ３
１Ｇ，Ｅ３３Ｇ，Ｅ３５Ｇと、変位検出器としての役割
を担う電極層Ｅ３１Ｄ〜Ｅ３４Ｄと、を別個独立して設
ければよいという説明を行った。もちろん、このような
分担を行えば、信号処理回路は簡単になるが、逆に、必
要な電極層の枚数は増えるため、センサ本体の構造は複
雑になる。ここでは、まず、図２９〜図３１に示した角
速度センサ３００について、§１１で述べた兼用器の概
念を適用することによって、３つの軸まわりの角速度ω
ｘ，ωｙ，ωｚのすべてを検出する動作方法を説明す
る。

【０１５５】いま、図４５に示すような信号処理回路を
用意してみる。この回路図において、左側に示されてい
る構成要素は、図２９に示す角速度センサ３００のう
ち、圧電素子３３０およびその両面に形成されている電
極層Ｅ３１，Ｅ３３，Ｅ３５，Ｅ３６，Ｅ３８，Ｅ４０
の部分だけを抜き出して描いたものである。ここで、Ｂ
３１〜Ｂ３８はバッファ回路であり、Ｒ３１〜Ｒ３８は
抵抗である。駆動信号入力端子Ｔ３１，Ｔ３２，Ｔ３
３，Ｔ３４は、それぞれ電極層Ｅ３３，Ｅ３１，Ｅ３
６，Ｅ３８に印加するための駆動電圧Ｖ３１，Ｖ３２，
Ｖ３３，Ｖ３４を入力する端子であり、検出信号出力端
子Ｔ３５，Ｔ３６，Ｔ３７，Ｔ３８は、それぞれ電極層
Ｅ３３，Ｅ３１，Ｅ３６，Ｅ３８に実際に発生する電圧
を、検出電圧Ｖ３５，Ｖ３６，Ｖ３７，Ｖ３８として出
力する端子である。

【０１５６】ここで、駆動電圧Ｖ３１，Ｖ３３として正
の電圧を、駆動電圧Ｖ３２，Ｖ３４として負の電圧を印
加すると、電極層Ｅ３３，Ｅ３６には正の電荷が供給さ
れ、電極層Ｅ３１，Ｅ３８には負の電荷が供給されるこ
とになる。ここで圧電素子３３０が、図２４に示すタイ
プＩＩの分極特性を有することを考慮すれば、図４５に
示す圧電素子３３０の右側部分は縦方向に縮み、左側部
分は縦方向に伸びることが理解できよう。これにより、
図４５には図示されていない重錘体３４０（図２９参
照）は、Ｘ軸正方向に変位することになる。

【０１５７】いま、全く角速度が作用しない環境におい
て、上述したように、重錘体３４０をＸ軸正方向に変位
させたときに、出力端子Ｔ３５〜Ｔ３８に出力される検
出電圧Ｖ３５〜Ｖ３８を予め測定しておく。続いて、こ
の角速度センサ３００を、実際に角速度が作用する環境
におき、やはり入力端子Ｔ３１〜Ｔ３４に、それぞれ所
定の極性の駆動電圧を与え、重錘体３４０をＸ軸正方向
に変位させた状態にし、そのときに、出力端子Ｔ３５〜
Ｔ３８に出力される電圧を測定する。これらの電圧値
が、予め測定した値と異なれば、その差分は作用した角
速度に基づくコリオリ力の成分ということになる。

【０１５８】以上は、Ｘ軸方向に関する駆動および変位
検出についての説明であるが、Ｙ軸およびＺ軸方向に関
する駆動および変位検出についても全く同様に、図４５
に示した信号処理回路に準じた回路を用意しておけば、
各電極層に力発生器としての役割と変位検出器としての
役割とを同時に担わせることが可能になる。

【０１５９】§１５ タイプＩＩの兼用圧電素子を利用
した角速度センサの別な実施例 図４６に側断面を示す角速度センサ３９０は、図２９に
示す容量素子を利用した角速度センサ３００に兼用器を
適用することにより、必要な電極層の枚数を低減させ、
全体構造を単純化した実施例である。図２９に示すセン
サとの相違は、圧電素子３３０の上面および下面に配置
された電極層の構成だけである。そこで、以下、この電
極層の構成のみを説明し、その他の構成要素の説明は省
略する。

【０１６０】圧電素子３３０の上面には、図４７に示さ
れているように、４枚の扇形の上部電極層Ｕ４１〜Ｕ４
４が配置されている。上部電極層Ｕ４１はＸ軸の正の領
域上、Ｕ４２はＹ軸の正の領域上、Ｕ４３はＸ軸の負の
領域上、Ｕ４４はＹ軸の負の領域上、にそれぞれ配置さ
れており、いずれも各座標軸に関して対称形をしてい
る。一方、圧電素子３３０の下面にも、上部電極層Ｕ４
１〜Ｌ４４と全く同一形状をした下部電極層Ｌ４１〜Ｌ
４４が、それぞれ各上部電極層Ｕ４１〜Ｕ４４に対向す
る位置に配置されている。こうして、電極層Ｕ４１／Ｌ
４１、電極層Ｕ４２／Ｌ４２、電極層Ｕ４３／Ｌ４３、
電極層Ｕ４４／Ｌ４４、によってそれぞれ１組ずつの部
分圧電素子が形成されていることになる。

【０１６１】さて、このような構成の角速度センサを動
作させるために、図４８に示すような信号処理回路を用
意する。この回路図において、左端に示されている各電
極層Ｕ４１〜Ｕ４４，Ｌ４１〜Ｌ４４は、それぞれ上述
した上部電極層Ｕ４１〜Ｕ４４および下部電極層Ｌ４１
〜Ｌ４４であり、各電極層間には、圧電素子３３０の一
部分が挟まれていることになる。ここで、Ｂ４１〜Ｂ４
８はバッファ回路であり、Ｒ４１〜Ｒ４８は抵抗であ
る。駆動信号入力端子Ｔ４１，Ｔ４３，Ｔ４５，Ｔ４７
は、それぞれ上部電極層Ｕ４１，Ｕ４２，Ｕ４３，Ｕ４
４に印加するための駆動電圧Ｖ４１，Ｖ４３，Ｖ４５，
Ｖ４７を入力する端子であり、検出信号出力端子Ｔ４
２，Ｔ４４，Ｔ４６，Ｔ４８は、それぞれ上部電極層Ｕ
４１，Ｕ４２，Ｕ４３，Ｕ４４の実際の電圧を、検出電
圧Ｖ４２，Ｖ４４，Ｖ４６，Ｖ４８として出力する端子
である。

【０１６２】このような信号処理回路を用いて、重錘体
３４０をＸＹ平面に沿って円運動させるには、たとえ
ば、駆動信号入力端子Ｔ４１，Ｔ４３，Ｔ４５，Ｔ４７
に、それぞれ図１７に示す駆動信号Ｓ１〜Ｓ４を与えれ
ばよい。４組の部分圧電素子には、それぞれ位相をずら
して順々に所定方向の応力が作用することになり、重錘
体３４０はＸＹ平面に沿って円運動する。

【０１６３】一方、このような信号処理回路を用いれ
ば、重錘体３４０の各軸方向への変位を検出することが
できる。たとえば、重錘体３４０がＸ軸の正方向に変位
すると、電極層Ｕ４１／Ｌ４１間は縦方向に縮み、電極
層Ｕ４３／Ｌ４３間は縦方向に伸びるため、検出電圧Ｖ
４２としては負の電圧が、検出電圧Ｖ４６としては正の
電圧が、それぞれ出力されることになる。そこで、両検
出電圧の差（Ｖ４６−Ｖ４２）によって、重錘体３４０
のＸ軸正方向の変位検出が可能になる。逆に、重錘体３
４０がＸ軸の負方向に変位すると、上述の場合と極性が
逆になるため、両検出電圧の差（Ｖ４６−Ｖ４２）の符
号が逆転することになる。結局、出力端子Ｔ４２，Ｔ４
６に得られる検出電圧の差（Ｖ４６−Ｖ４２）によっ
て、Ｘ軸の正負両方向の変位検出が可能になる。全く同
様に、出力端子Ｔ４４，Ｔ４８に得られる検出電圧の差
（Ｖ４８−Ｖ４４）によって、Ｙ軸の正負両方向の変位
検出が可能になる。更に、この信号処理回路では、Ｚ軸
の正負両方向の変位検出も可能である。たとえば、重錘
体３４０がＺ軸の正方向に変位すると、圧電素子３３０
には、いずれの箇所においても縦方向に縮む方向の応力
が作用するため、検出電圧Ｖ４２，Ｖ４４，Ｖ４６，Ｖ
４８としては、いずれも負の電圧が出力される。逆に、
重錘体３４０がＺ軸の負方向に変位すると、圧電素子３
３０には、いずれの箇所においても縦方向に伸びる方向
の応力が作用するため、検出電圧Ｖ４２，Ｖ４４，Ｖ４
６，Ｖ４８としては、いずれも正の電圧が出力される。
したがって、４つの出力端子Ｔ４２，Ｔ４４，Ｔ４６，
Ｔ４８に得られる電圧の総和（Ｖ４２＋Ｖ４４＋Ｖ４６
＋Ｖ４８）の増加または減少により、Ｚ軸の正負両方向
の変位検出が可能になる（２つの電圧の和（Ｖ４２＋Ｖ
４６）あるいは（Ｖ４４＋Ｖ４８）によっても、Ｚ軸方
向の変位検出は可能であるが、効率良い安定した検出を
行うためには、上述のように４つの電圧の総和を用いる
のが好ましい）。

【０１６４】なお、各電極層Ｕ４１〜Ｕ４４，Ｌ４１〜
Ｌ４４はいずれもＸ軸またはＹ軸に関して線対称な形状
をしているため、上述の検出結果には、他軸成分が干渉
することはない。たとえば、重錘体３４０がＸ軸方向に
変位した場合、電極層Ｕ４１／Ｌ４１間は縮み、電極層
Ｕ４３／Ｕ４３間は伸びるため、検出電圧の差（Ｖ４６
−Ｖ４２）としてＸ軸方向の変位を求めることができ
る。ところが、重錘体３４０がＹ軸方向に変位した場合
は、電極層Ｕ４１／Ｌ４１間も、電極層Ｕ４３／Ｌ４３
間も、それぞれ部分的に縮んだり伸びたりするため、発
生電荷は相殺されてしまい検出電圧Ｖ４２，Ｖ４６には
変化は生じない。また、重錘体３４０がＺ軸方向に変位
した場合は、電極層Ｕ４１／Ｌ４１間も、電極層Ｕ４３
／Ｌ４３間も、双方ともに縮んだりあるいは双方ともに
伸びたりするので、検出電圧の差（Ｖ４６−Ｖ４２）を
とると相殺されることになる。

【０１６５】以上の説明により、この角速度センサ３９
０では、たった４組の電極対Ｕ４１／Ｌ４１，Ｕ４２／
Ｌ４２，Ｕ４３／Ｌ４３，Ｕ４４／Ｌ４４を利用して、
重錘体３４０をＸＹ平面に沿って円運動させる機能と、
重錘体３４０のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の正負両方向に関する
変位を別個に検出する機能と、を備えていることがわか
る。そこで、これらの電極対を、§１１において説明し
た兼用器として利用すれば、各軸まわりの角速度ωｘ，
ωｙ，ωｚの検出が可能になる。すなわち、まず全く角
速度が作用しない環境において、入力端子Ｔ４１，Ｔ４
３，Ｔ４５，Ｔ４７に、それぞれ図１７に示す駆動信号
Ｓ１〜Ｓ４を与え、重錘体３４０をＸＹ平面に沿って円
運動させた状態にする。そして、このときに、出力端子
Ｔ４２，Ｔ４４，Ｔ４６，Ｔ４８に出力される電圧Ｖ４
２，Ｖ４４，Ｖ４６，Ｖ４８を予め測定しておく。もち
ろん、これらの電圧値は駆動信号Ｓ１〜Ｓ４と同じ周期
で変化する周期信号となる。続いて、この角速度センサ
３９０を、実際に角速度が作用する環境におき、やはり
入力端子Ｔ４１，Ｔ４３，Ｔ４５，Ｔ４７に、それぞれ
駆動信号Ｓ１〜Ｓ４を与え、重錘体３４０をＸＹ平面に
沿って円運動させた状態にし、そのときに、出力端子Ｔ
４２，Ｔ４４，Ｔ４６，Ｔ４８に出力される電圧を測定
する。これらの電圧値が、予め測定した値と異なれば、
その差分は作用した角速度に基づくコリオリ力の成分と
いうことになる。たとえば、Ｘ軸方向への変位を示す検
出電圧差（Ｖ４６−Ｖ４２）が予め測定した値よりもΔ
αだけ増えていれば、Ｘ軸の正方向にΔαに相当する大
きさのコリオリ力が作用していることになる。

【０１６６】結局、この角速度センサ３９０では、重錘
体３４０をＸＹ平面に沿って円運動させた状態で、Ｘ軸
方向のコリオリ力、Ｙ軸方向のコリオリ力、Ｚ軸方向の
コリオリ力、をそれぞれ別個独立して検出できることに
なる。したがって、既に述べた原理により、作用した角
速度を、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、と各軸ごとに検出する
ことが可能になる。

【０１６７】また、電圧Ｖ４１，Ｖ４３，Ｖ４５，Ｖ４
７として、同じ値の正の電圧を同時に供給すれば、４組
の上部電極層Ｕ４１〜Ｕ４４に対して正の電荷を同時に
供給することができ、圧電素子３３０は全域にわたって
縦方向に伸びるため、重錘体３４０をＺ軸の負方向に変
位させることができる。逆に、同じ値の負の電圧を同時
に供給すれば、４組の上部電極層Ｕ４１〜Ｕ４４に対し
て負の電荷を同時に供給することができ、圧電素子３３
０は全域にわたって縦方向に縮むため、重錘体３４０を
Ｚ軸の負方向に変位させることができる（上部電極層Ｕ
４１，Ｕ４３だけに、あるいは、上部電極層Ｕ４２，Ｕ
４４だけに上述のような電荷供給を行っても、同様にＺ
軸方向へ変位させることは可能であるが、効率良い安定
した変位を行わせるためには、上述のように４枚の電極
層Ｕ４１〜Ｕ４４のすべてに電荷供給を行うのが好まし
い）。このようなＺ軸の正負両方向への駆動操作と、た
とえば、既に述べたＸ軸の正負両方向への駆動操作とを
組み合わせれば、重錘体３４０をＸＺ平面に沿って円運
動させることも可能である。

【０１６８】更に、上述の説明では、重錘体３４０のＸ
軸方向の変位を、検出電圧の差（Ｖ４６−Ｖ４２）によ
り求め、重錘体３４０のＹ軸方向の変位を、検出電圧の
差（Ｖ４８−Ｖ４４）により求めているが、このような
差分をとっているのは、検出精度を向上させる意味と、
Ｚ軸方向の変位成分が検出結果に干渉しないようにする
ためである。したがって、たとえば、Ｚ軸方向へのコリ
オリ力が作用しないような検出環境で用いることを前提
とするのであれば、たとえば、電圧値Ｖ４２あるいはＶ
４６をＸ軸方向の変位を示す値として単独で用いること
も可能であるし、同様に、電圧値Ｖ４４あるいはＶ４８
をＹ軸方向の変位を示す値として単独で用いることも可
能である。

【０１６９】また、上述の実施例では、上部電極層Ｕ４
１〜Ｕ４４も、下部電極層Ｌ４１〜Ｌ４４も、いずれも
物理的に独立した個別の電極層となっているが、いずれ
か一方は、物理的には単一の共通電極層（この例の場合
は、４枚の扇形の電極層のすべてに対向するような円盤
状の共通電極層）としてもかまわない。電極層間の配線
を単純化するには、このような共通電極層を形成してお
くのが好ましい。

【０１７０】最後に、タイプＩＩの圧電素子を用いたよ
り単純な角速度センサ３９５の側断面図を図４９に示し
ておく。図４６に示す角速度センサ３９０との相違点
は、可撓性基板３１０および重錘体３４０の代わりに、
導電性の重錘体３４５が用いられている点と、下部電極
層Ｌ４１〜Ｌ４４が省略されている点である。導電性の
重錘体３４５は、金属などの円盤状の塊であり、その外
周部分は筐体３５０に接することなく自由になってい
る。別言すれば、重錘体３４５は、圧電素子３３０と、
上部電極層Ｕ４１〜Ｕ４４と、固定基板３２０とによっ
て、筐体３５０に支持された状態になっており、図のよ
うに宙吊りの状態になっている。したがって、重錘体３
４５は、筐体３５０内において、ある程度の自由度をも
って移動可能である。図４６に示す角速度センサ３９０
における重錘体３４０は、可撓性基板３１０の周囲部分
が筐体３５０に固定されていたため、あまり直径を大き
くすることができなかったが、図４９に示す角速度セン
サ３９５における重錘体３４５は、変位によって筐体３
４５に接しない程度の空間を十分に確保できる範囲内
で、直径を大きくとることが可能であり、質量を大きく
して感度を高める上では、この角速度センサ３９５の構
造は優れている。また、重錘体３４５自身が導電性の材
料であるため、共通電極層としての機能を果たし、下部
電極層Ｌ４１〜Ｌ４４は不要になり、全体の構成は非常
に単純化されている。このように、図４９に示す角速度
センサ３９５は、図４６に示す角速度センサ３９０に比
べて、構造上、若干の違いはあるが、その動作は全く同
じである。

【０１７１】

【発明の効果】以上のとおり本発明に係る角速度センサ
によれば、重錘体を筐体内で周回運動させた状態におい
てコリオリ力を検出し、角速度を演算によって求めるよ
うにしたため、複数の異なる軸についての角速度を、高
い応答性をもって検出することができるようになる。

【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軸
角速度センサの基本原理を示す斜視図である。

【図２】角速度センサにおける検出対象となる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】本発明に係る角速度センサを用いて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】本発明に係る角速度センサを用いて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】本発明に係る角速度センサを用いて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】本発明に係る角速度センサを用いて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７】本発明に係る角速度センサを用いて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８】本発明に係る角速度センサを用いて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。

【図９】重錘体４０を円軌道４１に沿って円運動させた
場合に、角速度の検出に関与する各軸を示す図である。

【図１０】本発明の第１の検出原理を説明するための原
理図である。

【図１１】本発明の第２の検出原理を説明するための原
理図である。

【図１２】本発明に係る角速度センサの基本構成を示す
ブロック図である。

【図１３】ＸＹＺ三次元座標系における本発明の第１の
検出原理を説明するための原理図である。

【図１４】ＸＹＺ三次元座標系における本発明の第２の
検出原理を説明するための原理図である。

【図１５】図１２に示す駆動手段の構成および配置の一
例を示す図である。

【図１６】図１５に示す駆動手段によって、重錘体を円
運動させる動作を説明する図である。

【図１７】図１５に示す駆動手段を構成する力発生器Ｇ
１〜Ｇ４に与える電流信号Ｓ１〜Ｓ４を示す波形図であ
る。

【図１８】図１２に示す駆動手段および検出手段につい
ての構成および配置の一例を示す図である。

【図１９】容量素子によって、力発生器および変位検出
器を構成した角速度センサの一実施例を示す側断面図で
ある。

【図２０】図１９に示す角速度センサにおける可撓性基
板１１０の上面図である。この図２０に示す可撓性基板
１１０を、Ｘ軸に沿って切った断面が、図１９に示され
ている。

【図２１】容量素子によって、力発生器および変位検出
器を構成した角速度センサの別な一実施例を示す側断面
図である。

【図２２】図２１に示す角速度センサにおける可撓性基
板１１０の上面図である。この図２２に示す可撓性基板
１１０を、Ｘ軸に沿って切った断面が、図２１に示され
ている。

【図２３】本発明に係る角速度センサに利用されるタイ
プＩの圧電素子の分極特性を説明する図である。

【図２４】本発明に係る角速度センサに利用されるタイ
プＩＩの圧電素子の分極特性を説明する図である。

【図２５】図２３に示すタイプＩの圧電素子によって、
力発生器および変位検出器を構成した角速度センサの一
実施例を示す側断面図である。

【図２６】図２５に示す角速度センサにおける可撓性基
板２１０の上面図である。この図２６に示す可撓性基板
２１０を、Ｘ軸に沿って切った断面が、図２５に示され
ている。

【図２７】図２３に示すタイプＩの圧電素子によって、
力発生器および変位検出器を構成した角速度センサの別
な一実施例を示す側断面図である。

【図２８】図２７に示す角速度センサにおける可撓性基
板２１０の上面図である。この図２８に示す可撓性基板
２１０を、Ｘ軸に沿って切った断面が、図２７に示され
ている。

【図２９】図２４に示すタイプＩＩの圧電素子によっ
て、力発生器および変位検出器を構成した角速度センサ
の一実施例を示す側断面図である。

【図３０】図２９に示す角速度センサにおける圧電素子
３３０の上面図である。

【図３１】図２９に示す角速度センサにおける圧電素子
３３０の下面図である。

【図３２】図２９に示す角速度センサの変形例における
圧電素子３３０の上面図である。

【図３３】図２９に示す角速度センサの別な変形例の側
断面図である。

【図３４】力発生と変位検出の兼用器を用いた角速度セ
ンサの構成の一例を示す概念図である。

【図３５】図１９に示す容量素子を用いた角速度センサ
に兼用器を適用することにより構造を単純化した実施例
を示す側断面図である。

【図３６】図３５に示す角速度センサにおける可撓性基
板１１０の上面図である。この図３６に示す可撓性基板
１１０を、Ｘ軸に沿って切った断面が、図３５に示され
ている。

【図３７】図３５に示す角速度センサを動作させるため
に用いる信号処理回路の一例を示す回路図である。

【図３８】図２５に示すタイプＩの圧電素子を用いた角
速度センサに兼用器を適用することにより構造を単純化
した実施例を示す側断面図である。

【図３９】図３８に示す角速度センサにおける可撓性基
板２１０の上面図である。この図３９に示す可撓性基板
２１０を、Ｘ軸に沿って切った断面が、図３８に示され
ている。

【図４０】図２５に示すタイプＩの圧電素子を用いた角
速度センサに兼用器を適用することにより構造を単純化
した別な実施例を示す側断面図である。

【図４１】図４０に示す角速度センサにおける可撓性基
板２１０の上面図である。この図４１に示す可撓性基板
２１０を、Ｘ軸に沿って切った断面が、図４０に示され
ている。

【図４２】本発明に係る角速度センサを構成する可撓性
基板２１０に撓みを与えたときに生じる応力分布を示す
側断面図である。

【図４３】図４２に示す応力分布に基づいて定まる内側
領域Ａ１と外側領域Ｂ２とを示す平面図である。

【図４４】図３８に示す角速度センサを動作させるため
に用いる信号処理回路の一例を示す回路図である。

【図４５】図２９に示す角速度センサを動作させるため
に用いる信号処理回路の一例を示す回路図である。

【図４６】図２９に示すタイプＩＩの圧電素子を用いた
角速度センサに兼用器を適用することにより構造を単純
化した実施例を示す側断面図である。

【図４７】図４６に示す角速度センサにおける圧電素子
３３０の上面図である。この図４７に示す圧電素子３３
０を、Ｘ軸に沿って切った断面が、図４６に示されてい
る。

【図４８】図４６に示す角速度センサを動作させるため
に用いる信号処理回路の一例を示す回路図である。

【図４９】図４６に示す角速度センサの変形例の側断面
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 ４０…重錘体 ４１…円軌道（周回軌道） ４２…筐体 ４３…支持手段 ４４…駆動手段 ４５…検出手段 ４６…演算手段 ５１…タイプＩの圧電素子 ５２…タイプＩＩの圧電素子 １００…角速度センサ １１０…可撓性基板 １１１…作用部 １１２…可撓部 １１３…固定部 １２０…重錘体 １３０…台座 １４０…ベース基板 １５０…蓋基板 １８０…角速度センサ １９０…角速度センサ ２００…角速度センサ ２１０…可撓性基板 ２１１…作用部 ２１２…可撓部 ２１３…固定部 ２２０…重錘体 ２３０…台座 ２４０…ベース基板 ２５０…圧電素子 ２８０…角速度センサ ２９０…角速度センサ ２９５…角速度センサ ３００…角速度センサ ３１０…可撓性基板 ３１５…導電性の可撓性基板 ３２０…固定基板 ３３０…圧電素子 ３４０…重錘体 ３４５…導電性の重錘体 ３５０…筐体 ３６０…角速度センサ ３９０…角速度センサ ３９５…角速度センサ ａ〜ｅ…円運動の各位置 ｄ１〜ｄ６…検出信号 ｇ１〜ｇ６…駆動信号 Ａ…上部電極層 Ａ１…内側領域 Ａ２…外側領域 Ｂ…下部電極層 Ｂ１１〜Ｂ４８…バッファ回路 Ｃ１〜Ｃ４…容量／電圧変換回路 Ｄ１〜Ｄ６…変位検出器 Ｄ１１〜Ｄ１５，Ｄ２１〜Ｄ２８…変位検出器用の電極
層 Ｄｔ…円運動の接線方向 Ｄｒ…円運動の半径方向 Ｄｕ…円運動を含む平面に垂直な方向 Ｅ１０，Ｅ２０…共通電極層 Ｅ３１〜Ｅ４０…電極層 Ｅ３１Ｇ，Ｅ３３Ｇ，Ｅ３５Ｇ…力発生器用の電極層 Ｅ３１Ｄ，Ｅ３２Ｄ，Ｅ３３Ｄ，Ｅ３４Ｄ…変位検出器
用の電極層 Ｆｕ…Ｄｕ方向に作用する力 Ｆｘ…Ｘ軸方向に作用する力 Ｆｙ…Ｙ軸方向に作用する力 Ｆco…コリオリ力 Ｆce…遠心力 Ｇ１〜Ｇ４…力発生器 Ｇ１１〜Ｇ１５，Ｇ２１〜Ｇ２５…力発生器用の電極層 ＧＤ１〜ＧＤ６…力発生と変位検出の兼用器 Ｌ１１〜Ｌ４４…下部電極層 Ｏ…円軌道の中心点、座標系の原点 Ｐ１…内側エッジの位置 Ｐ２…外側エッジの位置 Ｐ３…応力の変極点 Ｐｘ…円軌道上の重錘体がＸ軸を通過する点 Ｐｙ…円軌道上の重錘体がＹ軸を通過する点 Ｒ１１〜Ｒ４８…抵抗 ｒ…円軌道の半径 Ｓ１〜Ｓ４…力発生器に与える駆動信号 Ｔ１１〜Ｔ４８…端子 Ｕ１１〜Ｕ４４…上部電極層 Ｖ１１〜Ｖ４８…電圧値 Ｖｔ…重錘体の接線方向速度ベクトル Ｖｘ…重錘体のＸ軸方向速度ベクトル Ｖｙ…重錘体のＹ軸方向速度ベクトル ω，ωｘ，ωｙ，ωｚ…軸まわりの角速度

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量をもった重錘体と、この重錘体を収
   容する筐体と、前記筐体に対して所定の自由度をもって
   移動可能となるように前記重錘体を支持する支持手段
   と、前記重錘体を前記自由度の範囲内で所定の周回軌道
   に沿って周回運動させる駆動手段と、前記周回運動の接
   線方向に対して垂直な第１の軸方向について前記重錘体
   に作用するコリオリ力を検出する検出手段と、前記重錘
   体の周回運動接線速度と前記コリオリ力とに基いて前記
   接線方向および前記第１の軸方向の双方に垂直な第２の
   軸まわりの角速度を演算によって求める演算手段と、を
   備えることを特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の角速度センサにおい
   て、 重錘体を所定平面内で円運動させ、前記平面に対して垂
   直な方向に第１の軸をとり、前記円運動の半径方向に第
   ２の軸をとり、前記重錘体に作用する力の前記第１の軸
   方向成分をコリオリ力として検出し、前記第２の軸まわ
   りの角速度を求めるようにしたことを特徴とする角速度
   センサ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の角速度センサにおい
   て、 重錘体を所定平面内で円運動させ、前記円運動の半径方
   向に第１の軸をとり、前記平面に対して垂直な方向に第
   ２の軸をとり、前記重錘体に作用する力の前記第１の軸
   方向成分から前記円運動に基く遠心力成分を除去するこ
   とによりコリオリ力を検出し、前記第２の軸まわりの角
   速度を求めるようにしたことを特徴とする角速度セン
   サ。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の角速度センサにおい
   て、 ＸＹＺ三次元座標系のＸＹ平面内で重錘体を円運動さ
   せ、重錘体がＸ軸およびＹ軸を通過する瞬間にそれぞれ
   コリオリ力の検出を行い、前記ＸＹＺ三次元座標系にお
   ける少なくとも２軸まわりの角速度を求めるようにした
   ことを特徴とする角速度センサ。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の角速度センサにおい
   て、 重錘体がＹ軸方向に沿った所定の瞬時速度をもってＸ軸
   を通過する瞬間に、この重錘体に作用する力のＺ軸方向
   成分をコリオリ力として検出し、前記瞬時速度と前記コ
   リオリ力とに基いてＸ軸まわりの角速度を求め、 重錘体がＸ軸方向に沿った所定の瞬時速度をもってＹ軸
   を通過する瞬間に、この重錘体に作用する力のＺ軸方向
   成分をコリオリ力として検出し、前記瞬時速度と前記コ
   リオリ力とに基いてＹ軸まわりの角速度を求め、 重錘体がＹ軸方向に沿った所定の瞬時速度をもってＸ軸
   を通過する瞬間に、この重錘体に作用する力のＸ軸方向
   成分を検出し、検出したＸ軸方向成分から円運動に基く
   遠心力成分を除去することによりコリオリ力を検出し、
   前記瞬時速度と前記コリオリ力とに基いてＺ軸まわりの
   角速度を求め、 Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸まわりの角速度を求めるように
   したことを特徴とする角速度センサ。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかに記載の角速度
   センサにおいて、 重錘体が原点に位置するＸＹＺ三次元座標系を定義し、
   前記重錘体に対してＸ軸の正方向に力を作用させる第１
   の力発生器と、前記重錘体に対してＹ軸の正方向に力を
   作用させる第２の力発生器と、前記重錘体に対してＸ軸
   の負方向に力を作用させる第３の力発生器と、前記重錘
   体に対してＹ軸の負方向に力を作用させる第４の力発生
   器と、によって駆動手段を構成し、前記第１〜第４の力
   発生器を周期的に動作させることにより、前記重錘体を
   ＸＹ平面内で周回運動させるようにしたことを特徴とす
   る角速度センサ。
7. 【請求項７】 請求項１〜５のいずれかに記載の角速度
   センサにおいて、 可撓性をもった可撓性基板によって支持手段を構成し、
   前記可撓性基板の周囲部を筐体に固定し、前記可撓性基
   板の中心部に重錘体を固着し、 前記可撓性基板の所定箇所に対して所定方向の力を作用
   させる力発生器を、前記可撓性基板上に複数配置するこ
   とにより駆動手段を構成し、 前記可撓性基板の所定箇所の所定方向への変位を検出す
   る変位検出器を、前記可撓性基板上に複数配置すること
   により検出手段を構成したことを特徴とする角速度セン
   サ。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の角速度センサにおい
   て、 板状の基板の周囲部と中心部との間に環状の溝を掘るこ
   とにより肉厚の薄い可撓部を形成し、この可撓部の撓み
   によって、前記中心部が前記周囲部に対して変位を生じ
   るような構造にし、前記板状の基板によって可撓性基板
   を構成したことを特徴とする角速度センサ。
9. 【請求項９】 請求項７または８に記載の角速度センサ
   において、 可撓性基板の表面がＸＹ平面に平行になるようなＸＹＺ
   三次元座標系を定義し、Ｘ軸の正の領域および負の領
   域、ならびに、Ｙ軸の正の領域および負の領域に、Ｚ軸
   に沿った方向に力を作用させる力発生器をそれぞれ配置
   し、これらの力発生器を周期的に動作させることによ
   り、重錘体をＸＹ平面内で周回運動させるようにしたこ
   とを特徴とする角速度センサ。
10. 【請求項１０】 請求項７または８に記載の角速度セン
    サにおいて、 可撓性基板の表面がＸＹ平面に平行になるようなＸＹＺ
    三次元座標系を定義し、Ｘ軸の正の領域および負の領
    域、ならびに、原点近傍領域に、Ｚ軸に沿った方向に力
    を作用させる力発生器をそれぞれ配置し、これらの力発
    生器を周期的に動作させることにより、重錘体をＸＺ平
    面内で周回運動させるようにしたことを特徴とする角速
    度センサ。
11. 【請求項１１】 請求項７または８に記載の角速度セン
    サにおいて、 可撓性基板の表面がＸＹ平面に平行になるようなＸＹＺ
    三次元座標系を定義し、Ｘ軸の正の領域および負の領域
    に、Ｘ軸に沿った方向に力を作用させる力発生器をそれ
    ぞれ配置し、Ｙ軸の正の領域および負の領域に、Ｙ軸に
    沿った方向に力を作用させる力発生器をそれぞれ配置
    し、これらの力発生器を周期的に動作させることによ
    り、重錘体をＸＹ平面内で周回運動させるようにしたこ
    とを特徴とする角速度センサ。
12. 【請求項１２】 請求項７または８に記載の角速度セン
    サにおいて、 可撓性基板の表面がＸＹ平面に平行になるようなＸＹＺ
    三次元座標系を定義し、前記可撓性基板上に原点近傍の
    内側領域とその周囲の外側領域とを定義し、Ｘ軸の正方
    向の内側領域および外側領域、ならびに、Ｘ軸の負方向
    の内側領域および外側領域に、Ｘ軸に沿った方向に力を
    作用させる力発生器をそれぞれ配置し、これらの力発生
    器を周期的に動作させることにより、重錘体をＸＺ平面
    内で周回運動させるようにしたことを特徴とする角速度
    センサ。
13. 【請求項１３】 請求項７または８に記載の角速度セン
    サにおいて、 可撓性基板の表面がＸＹ平面に平行になるようなＸＹＺ
    三次元座標系を定義し、Ｘ軸の正の領域および負の領
    域、ならびに、Ｙ軸の正の領域および負の領域に、Ｚ軸
    に沿った方向への変位を検出する変位検出器をそれぞれ
    配置し、Ｘ軸の正負両領域に配置された変位検出器を用
    いて重錘体のＸ軸方向に作用するコリオリ力を検出し、
    Ｙ軸の正負両領域に配置された変位検出器を用いて重錘
    体のＹ軸方向に作用するコリオリ力を検出することを特
    徴とする角速度センサ。
14. 【請求項１４】 請求項７または８に記載の角速度セン
    サにおいて、 可撓性基板の表面がＸＹ平面に平行になるようなＸＹＺ
    三次元座標系を定義し、Ｘ軸の正の領域および負の領域
    に、Ｘ軸に沿った方向への変位を検出する変位検出器を
    それぞれ配置し、Ｙ軸の正の領域および負の領域に、Ｙ
    軸に沿った方向への変位を検出する変位検出器をそれぞ
    れ配置し、Ｘ軸の正負両領域に配置された変位検出器を
    用いて重錘体のＸ軸方向に作用するコリオリ力を検出
    し、Ｙ軸の正負両領域に配置された変位検出器を用いて
    重錘体のＹ軸方向に作用するコリオリ力を検出すること
    を特徴とする角速度センサ。
15. 【請求項１５】 請求項７または８に記載の角速度セン
    サにおいて、 可撓性基板上に形成された第１の電極と、この可撓性基
    板に対向して設けられた固定基板上に形成された第２の
    電極と、の一対の電極からなる容量素子によって、力発
    生器および変位検出器を構成したことを特徴とする角速
    度センサ。
16. 【請求項１６】 請求項７または８に記載の角速度セン
    サにおいて、 可撓性基板上に形成された第１の電極と、この第１の電
    極上に前記可撓性基板の撓みが伝達されるように固着さ
    れた圧電素子と、この圧電素子の上の前記第１の電極に
    対向する位置に形成された第２の電極と、によって、力
    発生器および変位検出器を構成したことを特徴とする角
    速度センサ。
17. 【請求項１７】 請求項７または８に記載の角速度セン
    サにおいて、 可撓性基板上に形成された第１の電極と、この可撓性基
    板に対向して設けられた固定基板上に形成された第２の
    電極と、これら一対の電極間に設けられた圧電素子と、
    によって、力発生器および変位検出器を構成したことを
    特徴とする角速度センサ。
18. 【請求項１８】 請求項７または８に記載の角速度セン
    サにおいて、 力発生器としての機能と変位検出器としての機能とを併
    せもった兼用器を用いることにより、駆動手段の一部分
    と検出手段の一部分とを物理的に同一の要素によって構
    成したことを特徴とする角速度センサ。
19. 【請求項１９】 請求項１〜５のいずれかに記載の角速
    度センサにおいて、 筐体に固着された固定基板と、この固定基板の下方に固
    定された圧電素子と、により支持手段を構成し、前記圧
    電素子の下方に重錘体を固着し、 前記圧電素子の所定位置に電荷を供給する手段によって
    駆動手段を構成し、 前記圧電素子の所定位置に発生する電荷を測定する手段
    によって検出手段を構成したことを特徴とする角速度セ
    ンサ。