WO1998001722A1

WO1998001722A1 - Angular velocity sensor

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Publication number: WO1998001722A1
Application number: PCT/JP1996/001926
Authority: WO
Inventors: Kazuhiro Okada
Original assignee: Wacoh Corp; Wako KK
Current assignee: Wacoh Corp; Wako KK
Priority date: 1996-07-10
Filing date: 1996-07-10
Publication date: 1998-01-15
Anticipated expiration: 1999-01-10
Also published as: US6076401A; EP0851212B1; EP0851212A1; DE69634571D1; EP0851212A4; JP4011626B2

Description

明细書角速度センサ技術分野

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つている。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 W088 0852 2号公報（米国特許第 4967605号/同第 5 18251 5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 WO 92/ 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 WO 93/02342号公報（米国特許第 5365799号）には、また別なタイブ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、多拳由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 t由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 f由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台には、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、二軸もしくは三幸由まわりの角速度を同時に検出することができる多粬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 W O 9 4 / 2 3 2 7 2号公報（米国特許出願第 0 8 / 3 6 6 0 2 6号）および日本国特許出願第 7 - 5 6 6 9 0 / 1 9 9 5号明細害 (米国特許出願第 0 8ノ6 0 1 7 9 4号）に、新規な多粬角速度センサを提案した。この新規な角速度センサは、 X Y Z三次元直交座標系において、第 1の座標 ΐ由方向に運動中の物体に対して、第 2の座標 f由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カが発生するという原理を利用したもので、発生したコリオリカ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。コリオリカの検出には、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 f由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、角速度センサにおいて、

X Y Z三次元座標系における X Y平面に沿つた上面を有する基板と、基板上面に直交する z $由を回転 f由として基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行う重錘体と、

外力が作用しない状態において、この重錘体が基板上面に対して一定の距離を保ちつつ回転運動を行うように、重錘休に対してエネルギーを供給するエネルギー ift給手段と、

重錘体が X幸由上空を通過した時点において基板上面と通過中の重錘体との距離を測定する X铀上方距離蒯定手段と、

を設け、 X軸上方距離測定手段によって測定された距離に基づいて、基板に作用した x$由まわりの角速度を検出するようにしたものである。

(2) 木発明の第 2の態様は、上述の第 1の態様に係る角速度センサにおいて、

Z軸を回転軸として基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行う第 1の重錘休と第 2の重錘体とを設け、

第 1の重錘体が正の X f由上空に位置するときに第 2の重錘体が負の X 軸上空に位置するように、第 1の重錘体と第 2の重錘体とを位相を 1 8

〇° ずらして回転させ、

いずれかの重錘体が王の X軸上空を通過した時点において基板上面と通過中の重錘体との距離を測定する正の X申由上方距離脷定手段と、いずれかの重錘休が負の X t由上空を通過した時点において基板上面と通過中の重錘休との距離を脷定する負の X軸上方距離刺定手段と、正の X f由上方距離測定手段によって測定された距離と負の X軸上方距離刺定手段によって測定された距離との差を求める差分演算手段と、を設け、差分演算手段によって求めた差に基づいて、基板に作用した

X軸まわりの角速度を検出するようにしたものである。

(3) 本発明の第 3の態様は、上述の第 1の態様に係る角速度センサにおいて、

重錘体が Υ «ι上空を通過した時点において基板上面と重綞体との距離を測定する Y軸上方距離測定手段を更に設け、

X軸上方距離測定手段によって測定された距離に基づいて、基板に作用した X幸由まわりの角速度を検出するとともに、 Y蚰上方距離猁定手段によって測定された距離に基づいて、基板に作用した Y Mlまわりの角速度を検出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、

Z軸を回転軸として基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行う第 1の重錘体と第 2の重錘体とを設け、

第 1の重錘体が正の X軸上空に位置するときに第 2の重錘体が負の X t由上空に位置し、第 1の重錘体が正の Y紬上空に位置するときに第 2の重錘体が負の Y «l上空に位置するように、第 1の重綞体と第 2の重錘体とを位相を 1 8 0。ずらして回転させ、

いずれかの重錘体が正の X軸上空を通過した時点において基板上面と通過中の重錘体との距離を測定する正の X拳由上方距離測定手段と、いずれかの重錘体が負の X t由上空を通過した時点において基板上面と通過中の重錘体との距離を測定する負の X軸上方距離測定手段と、いずれかの重錘休が正の Y軸上空を通過した時点において基板上面と通過中の重錘体との距離を測定する正の Y 由上方距離蒯定手段と、いずれかの重錘体が負の Υ軸上空を通過した時点において基板上面と通過中の重錘体との距離を測定する負の Υ蚰上方距離測定手段と、正の X軸上方距離測定手段によって測定された距離と負の X軸上方距離測定手段によって測定された距離との差を求める第 1の差分演算手段と、

正の Υ $由上方距離測定手段によって測定された距離と負の Υ軸上方距離測定手段によって測定された距離との差を求める第 2の差分演算手段と、

を設け、第 1の差分演算手段によって求めた差に基づいて、基板に作用した X軸まわりの角速度を検出するとともに、第 2の差分演算手段によって求めた差に基づいて、基板に作用した Υ蚰まわりの角速度を検出するようにしたものである。

(5) 本発明の第 5の態様は、上述の第 4の態様に係る角速度センサにおいて、

第 1の重錘体および第 2の重錘体に加えて、更に、 Z f由を回転攀由として基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行う第 3の重錘体および第 4の重錘休を設け、

第 1の重錘体が正の X軸上空に位置するときに、第 2の重錘体が負の X粬上空に位置し、第 3の重錘体が正の Y蚰上空に位置し、第 4の重錘体が負の Y t由上空に位置するように、第 1の重錘体、第 2の重錘体、第 3の重錘体、第 4の重錘体を中間部材を介して結台するようにしたものである。

(6) 本発明の第 6の態様は、上述の第 2 , 4， 5の態様に係る角速度センサにおいて、

用いる複数の重錘体の形状および質量を同一にしたものである。

(7) 本発明の第 7の態様は、上述の第 1〜第 6の態様に係る角速度センサにおいて、

Z軸の周囲を取り囲むような環状構造休を用意し、エネルギー供給手段から供給されるエネルギーを利用して、環状構造体を Z軸を回率云蛐として基板上面に対して非接触の状態で回奉云運動させ、この環状構造体の一部分を 1個の重鍾体とみなして距離測定の対象とするようにしたものである。

(8) 本発明の第 8の態様は、上述の第 1〜第 7の態様に係る角速度センサにおいて、

重錘体の回転運動を、常に同一の回転方向に向かった連続回転運動とするようにしたものである。

(9) 本発明の第 9の態様は、上述の第 8の態様に係る角速度センサにおいて、

Z幸由に沿って伸びるように基板上面に固定された枢 fihを設け、重綞体をこの枢軸によって回転自在に、かつ、所定の自由度をもって Z軸方向に移動自在になるように支持するようにしたものである。

(10) 本発明の第 1 0の態様は、上述の第 1〜第 7の態様に係る角速度センサにおいて、

重錘体の回転運動を、時計回りの方向への回転と反時計回りの方向への回転とを交互に繰り返す反転回転運動としたものである。

(11) 本発明の第 1 1の態様は、上述の第 1 0の態様に係る角速度センサにおいて、正の X軸を横切るような反転回転運動を行う第 1の重錘休と、負の X ΐ由を横切るような反転回転運動を行う第 2の重錘体と、正の Y f由を横切るような反転回転運動を行う第 3の重錘体と、負の Y軸を横切るような反転回転運動を行う第 4の重錘休と、を設け、第 1の重錘体および第 2 の重錘休の反転回転運動の回お方向と、第 3の重錘体および第 4の重綞体の反転回転運動の冋転方向と、が常に逆向きになるように設定したものである。

(12) 本発明の第 1 2の態様は、上述の第 1 0または第 1 1の態様に係る角速度センサにおいて、

z $由まわりに捩じれを生じることができる材質からなる支持体を基板上面に固着し、重錘体をこの支持体によって支持するようにしたものでめ。

(13) 本発明の第〗 3の態様は、上述の第 1〜第 1 2の態様に係る角速度センサにおいて、

重錘体の少なくとも一部分を誘電体で構成し、

エネルギー供給手段を、重錘休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。

(14) 木発明の第 1 4の態様は、上述の第 1〜第 1 3の態様に係る角速度センサにおいて、

所定の座標軸上空を通過中の重錘体と基板上面との距離を測定する距離測定手段を、重錘体の下面に形成された移動電極と、基板上面の座標拳も近傍に形成された固定電極と、移動電極と固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値を検出する検出回路と、によって構成したものである。

(15) 本発明の第 1 5の態様は、上述の第 1 4の態様に係る角速度センサにおいて、

固定電極を、互いに隣接して配置された第 1固定電極と第 2固定電極とによって構成し、

移動電極を、第 1固定電極と第 2固定電極との双方に対向可能な電気的に単一な電極によって構成し、

検出回路を、第 1固定電極と第 2固定電極との間の静電容量値を電気的に検出する回路によって構成したものである。

( 16) 本発明の第 1 6の態様は、角速度センサにおいて、

X Y Z三次元座標系における X Y平面に沿つた上面を有する基板と、基板上面に直交する Z幸由を回転幸由として基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行う重錘体と、

外力が作用しない状態において、この重綞体が Z蚰に対して一定の距離を保ちつつ回転運動を行うように、重錘体に対してエネルギーを供給するエネルギー供給手段と、

重錘体と Z軸との距離を脷定する距離猁定手段と、

を設け、距離測定手段によって測定された距離に基づいて、基板に作用した Z蚰まわりの角速度を検出するようにしたものである。

(17) 本発明の第 1 7の態様は、上述の第 1 6の態様に係る角速度センサにおいて、

z拳由を回転軸として基板上面に対して非接触の状態で回転運動を行う第 1の重錘体と第 2の重錘体とを設け、

第 1の重錘体が正の X铀上空に位置するときに第 2の重錘体が負の X 軸上空に位置するように、第 1の重錘体と第 2の重錘休とを位相を 1 8 0 ° ずらして回転させ、

いずれかの重錘体が正の X蛐上空を通過した時点における Z軸に対する距離を測定する正の X軸上距離測定手段と、

いずれかの重錘休が負の X軸上空を通過した時点における Z軸に対する距離を測定する負の X軸上距離測定手段と、

正の X軸上距離測定手段によつて測定された距離と負の X軸上距離測定手段によって測定された距離との和を求める演算手段と、

を設け、演算手段によって求めた和に基づいて、基板に作用した Z軸まわりの角速度を検出するようにしたものである。

(18) 本発明の第 1 8の態様は、上述の第 1 7の態様に係る角速度センサにおいて、

重錘体の回転運動を、常に同一の回方向に向かった連続回転運動とするようにしたものである。

(19) 本発明の第 1 9の態様は、上述の第 1 8の態様に係る角速度センサにおいて、

第 1の重錘体と第 2の重錘体とを伸縮性をもった中間部材を用いて結合し、

Z蚰に沿って伸びるように基板上面に固定された枢铀を設け、この枢 ί由によって回転自在に中間部材を支持するようにしたものである。

(20) 本発明の第 2 0の態様は、上述の第 1 7の態様に係る角速度センサにおいて、

重鐘体の回転運動を、時計回りの方向への回転と反時計回りの方向への回転とを交互に繰り返す反転回転運動とするようにしたものである。 (21) 本発明の第 2 1の態様は、上述の第 2 0の態様に係る角速度センサにおいて、

Z轴まわりに捩じれを生じることができる材質からなる支持体を基板上面に固着し、重錘体を、伸縮性をもった中間部材を介して、この支持体によって支持するようにしたものである。

(22) 本発明の第 2 2の態様は、上述の第 1 6〜第 2 1の態様に係る角速度センサにおいて、

重綞体の少なくとも一部分を誘電体で構成し、

エネルギー供給手段を、重錘体の回転運動経路に沿って配置した複数の電極と、これら複数の電極に対してそれぞれ位相の異なる交流電圧を供給する電圧供給回路と、によって構成したものである。

(23) 本発明の第 2 3の態様は、上述の第】 6〜第 2 2の態様に係る角速度センサにおいて、

重綞休と Z軸との距離を測定する距離脷定手段を、重綞体の下面に形成された移動電極と、基板上面の移動電極に対向する位置よりも内側もしくは外側に所定のオフセット量だけシフトした位置に形成された固定電極と、移動電極と固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値を検出する検出回路と、によって構成したものである。

(24) 本発明の第 2 4の態様は、上述の第 2 3の態様に係る角速度センサにおいて、

移動電極を、第 1固定電極と第 2固定電極との双方に対向可能な電気的に単一な電極によって構成し、検出回路を、第 1固定電極と第 2固定電極との間の静電容量値を電気的に検出する回路によつて構成したものである。図面の簡単な説明

第 1図は、 X铀および Y铀まわりの角速度 ω X , 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、コリオリカ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 ffl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幸由および Y铀まわりの角速度 ω X , o» yを検出するための角速度センサの基木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夕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図に示すロー夕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 1 0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 1 1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 1 2図は、第 7図に示すロータを、回転振動成分をキヤ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 1 3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 1 4図は、第 1 3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 1 5図は、第 1 3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 1 6図は、第 1 3図に示す角速度センサからロー夕を取り外した状態を示す平面図である。

第 1 7図は、第 1 3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 1 8図は、第 1 3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 1 9図は、第 1 3図に示す角速度センサのステ一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 2 0図は、第〗 3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申云させる原理を示す別な平面図である。第 2 1図は、第 1 3図に示す角速度センサのステ一タに与えるべき交流電圧を示す波形図である。

第 2 2図は、第 1 3図に示す角速度センサのロー夕側に形成された移動電極とステ—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 2 3図は、第 1 3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一夕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 Υ «1に沿った切断面を示す側断面図である。

2 第 2 4図は、第 1 3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 2 5図は、第 1 3図に示す角速度センサにおいて、ロータ回転中に X $由まわりの角速度 ω Xが作用した場合の X铀に沿つた切断面を示す側断面図である。

第 2 6図は、第 1 3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 2 7図は、第 1 3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 2 8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 $由に沿つた切断面を示す側断面図である。

第 2 9図は、第 2 8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 3 0図は、第 2 8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 3 1図は、第 2 8図に示す角速度センサにおいて、回転振動成分をキヤ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 3 2図は、第 2 8図に示す角速度センサにおいて、回転振動成分をキヤ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 3 3図は、第 2 8図に示す角速度センサにおいて、回転振動成分を

3 P JP96/01926 キヤンセルさせる方法でロータを反拳云回転運動させる第 3の動作態様を示す平面図である。

第 3 4図は、 Z粬まわりの角速度 ω ζ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 3 5図は、加速度が作用する環境下において、加速度の成分をキヤンセルしつつ、 Ζ軸まわりの角速度 ω 2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 3 6図は、三由まわりの角速度 ω X , ω y , ω ζを検出すること力《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 3 7図は、第 3 6図に示す角速度センサを X に沿って切断した状態を示す側断面図である。

第 3 8図は、第 3 6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 3 9図は、第 3 6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 4 0図は、第 3 6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 4 1図は、第 3 6図に示す角速度センサに Ζ粬まわりの角速度 ω ζ 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 4 2図は、第 3 6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 4 3図は、第 3 6図に示す角速度センサに X軸方向の加速度 α X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 4 4図は、第 3 6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 4 5図は、第 3 6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、 X Y Z三次元座標系における X $由および Y铀まわりの角速度 ω X , ω yを検出する機能を有する。基板 1 0は、甲坦な上面 1 1を有し、装置筐体として機能する。ここで、 X Y Z三次元座標系は、この上面 1 1が X Y平面に含まれるように定義されており、原点 0から上方に伸びる Z铀は、上面 1 1に直交する軸となる。いま、所定の質量をもった重錘体 2 0を用意し、この重錘体 2 0を Z蚰を回転粬として図の軌道 Cに沿って回転運動させたとする。すなわち、重錘体 2 ϋは、基板 1 0の上面 1 1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 3 0から重錘体 2 0に対して问運動のためのエネルギーを供給するようにし, 重錘体 2 0が上面 1 1 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 2 0を基板 1 0に対して支持するための具体的な機構や、上面 1 1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、コリオリカ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 1 0が静止状態にある限り）、上面 1 1 から常に一定の距離 hを維持しつつ、重錘体 2 0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、重錘休 2 0が X軸上空を通過した時点において、上面 1 1と通過中の重錘体 2 ϋとの距離を測定する X粬上方距離測定手段 4 0と、重綞体 2 0が Υ ΐώ上空を通過した時点において、上面 1 1 と通過中の重綞体 2 0との距離を蒯定する Υ輔上方距離猁定手段 5 0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 2 0は常に上面 1 1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に沿って重綞体 2 0は移動する。したがって、この状態では、 X拳由上方距離測定手段 4 〇による測定値も、 Y軸上方距離測定手段 5〔）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 ω Xもしくは Υ奉由まわりの角速度 ω yをもって回転運動していた場台、别言すれば、基板 1 0に対して角速度 ω Xあるいは ω yが作用していた場台、この角速度に基づくコリオリカが重錘体 2 0に作用することになり、重錘休 2 0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ォリ力との関係を第 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、 X Y Z 三次元座標系内において、所定の質量 mをもった重錘体 2 0が Y軸方向に所定の速度 V y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 f由まわりの角速度 ω X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 2 0の運動は、 Ζ軸方向の外力 F ezが発生した

6 ものとして取り扱うことができる。この外力 Fezは、この系内でのみ現れるみかけの力であり、コリオリカと呼ばれ、

Fez 一 2 · m · V y · ω x

なる式で定義される。第 2図に示す例では、このコリオリカ Fez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 ω Xが加えられた場合の重錘体 20に対するコリォ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« lの上方を通過する瞬間に、円軌道 C の接線方向である Υ铀方向の速度成分 V yを有している。したがって、この瞬間に系全体に X$由まわりの角速度 ω Xが作用した場合、 Zf由方向にコリオリ力 Fezが作用することになる。エネルギー供給手段 30は、重錘体 2◦を当初の円軌道 C (角速度 ω X = ()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力《、重錘体 20に Ζ軸方向のコリオリカ Fezが加わると、重綞体 20は当初の円軌道 Cから Z軸方向に Δ hだけ外れて、図に示すように、基板上面 1 1から距離 h + Δ h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 Δ hは、作用したコリォリ力 Fezに関連した値となる。前述したように、このコリオリカ Fezの大きさは、

Fez = 2 · ηι · ν γ · ω χ

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 V y を一定にしておけば、コリオリカ Fezは角速度 ω Xに比例した値となり、結局、重錘休 20が X铀上方を通過する時点における当初の円軌道じからの隔たり厶 hを、角速度 ω X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 2 0と基板上面 1 1 との距離 h +厶 h を測定することができれば、角速度 ω X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拳由まわりの角速度 ω Xおよび Υ軸まわりの角速度 ω y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 1 0を被測定対象物に取り付け、エネルギー供耠手段 3 0からエネルギーを供給すると、重錘体 2 0は円軌道 Cに沿って回転運動する。この状態において、 X軸上方距離刺定手段 4◦からは、重錘体 2 0が X拳由上方を通過したときの基板上面 1 1からの距離の測定暄が出力され、 Y舳上方距離刺定手段 5 0からは、重錘休 2 0が Y f由上方を通過したときの基板上面 1 〗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 4 ϋの出力は、基板 1 0の X蚰まわりの角速度 ω X (すなわち、被測定対象物の角速度 ω X ) を示すものになり、 Υ粬上方距離測定手段 5 0の出力は、基板 1 0の Υ 拳由まわりの角速度 iu y (すなわち、被測定対象物の角速度 ω y ) を示すものになる。

なお、逆向きの角速度が作 fflした場合には、発生するコリオリカの向きが逆申云し、円軌道 Cからの隔たり Δ hの符号が逆申云することになるので、重錘体 2 0と基板上面 1 1との距離 hが增えたか減ったかによつて、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台、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 ω Xのみが作用している環境下では、隔たり A hは角速度 ω Xに比例したコリオリカ F ezのみに基づく量になり、脷定された Δ hの値は、角速度 ω Xを示すものになる。ところ力く、この系全体に、 Ζ 幸由方向の加速度 α ζが作用していた場合には、この加速度 α ζに基づく力 F azが重錘体 2 0に加わることになり、隔たり厶 11は角速度0 に比例したコリオリカ F ezと加速度ひ zに基づく力 F azとの双方によって決定される量になるため、则定された Δ h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 ω X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つて、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卜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、加速度成分をキヤ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ザの基本構成を示す。このセンサの特徴は、軌道 C上に一対の重錘体 2 1 , 2 2を設けた点にある。いずれの重鏵休も、エネルギー供耠手段 3 0からのエネルギーの供袷を受けて、 Ζ $由を回転拳由として基板上面 1 1 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

9 の重錘体 2 1が正の X軸上空に位置するときに、第 2の重錘体 2 2は負の X $由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 1 8 0 ° ずれた状態で回転運動を行う。したがって、第 1 の重錘体 2 1が正の Y軸上空に位置するときには、第 2の重錘体 2 2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 Χ «1上方距離測定手段 4 1は、いずれかの重錘体が正の Χ ί由上空（第 4図において、第 1の重錘体 2 1が存在する地点）を通過した時点において基板上面 1 1 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 4 2は、いずれかの重錘休が負の X軸上空（第 4図において、第 2の重錘体 2 2が存在する地点）を通過した時点において基板上面 1 1 と通過中の重錘休との距離を刺定する機能を有する。また、正の Υ蚰上方距離測定手段 5 1は、いずれかの重錘体が正の Υ軸上空を通過した時点において基板上面 1 1 と通過中の重錘体との距離を測定する機能を有し、負の Υ铀上方距離測定手段 5 2は、いずれかの重錘体が負の Y l上空を通過した時点において基板上面 1 1 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 «l上方距離測定手段 4 1によって測定された距離と負の X軸上方距離測定手段 4 2によって制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 4 3と、正の Y紬上方距離測定手段 5 1によって刺定された距離と負の Y f由上方距離脷定手段 5 2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 5 3と、が備わっており、最終的に、これら差分演算手段 4 3， 5 3の出力に基づいて、 X铀まわりの角速度 ω Xおよび Υ軸まわりの角速度 ω y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ヤ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 1 8 0 ° ずれた状態で一対の重錘体 2 1 , 2 2が回転運動を行うように、エネルギー供給手段 3 0からエネルギーが^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の重錘休 2 1は正の X fili上空を Y軸正方向の速度 V yをもって通過し、それと同時に、第 2の重錘体 2 2は負の X幸由上空を由負方向の速度 - V yをもって通過する。このとき、もしこの系全体に対して、 X蚰まわりの角速度 ω Xが作用していたとすると、第 5図に示すように、第 "！の重錘休 2 1 に対しては、 Z f由正方向のコリオリ力 F ezが加わり、第 1の重錘休 2 1 は当初の円軌道 Cから上方に外れる。一方、第 2の重錘体 2 2に対しては、由負方向のコリオリカー F ezが加わり、第 2の重錘休 2 2は当初の円軌道 Cから下方に外れる。

いま、第 1の重錘体 2 1と第 2の重錘体 2 2と力《、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 1 8 0 ° 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カの絶対値は同じになり、第 1の重錘休 2 1が Δ hだけ円軌道じから上方に外れ、基板上面 1 1からの距離 h + Δ hの位置を通過したとすれば、第 2の重錘体 2 2は Δ ΐιだけ円軌道 Cから下方に外れ、基板上面] 1からの距離 h —厶 hの位匿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 4 1の出力は h + Δ Ιιとなり、負の X軸上方距離測定手段 4 2の出力は h - Δ hとなる。結局、差分演算手段 4 3からは、両者の差分である 2 · Δ hが出力される。この差分 2 · A hは、作用したコリオリカ F ez ( - F ez) の大きさを示すものであり、 X铀まわりの角速度 ω Xの大きさを示すものになる。なお、作用した角速度 ω χの向きが逆の場合、コリオリカの向きは逆転し、差分演算手段 4 3からの出力は一 2 · 厶 hになる。したがって、差分演算手段 4 3から得られる出力信号の符号は角速度 ω Xの向きを示し、出力 ί言号の大きさは角速度 ω X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 2 1と第 2の重錘休 2 2との双方に加わることになるので、差分をとつ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、 Ζ拳由方向の加速度 α ζが作用したために、この加速度 α ζに基づく力 F azに起因して、両重錘体が Z軸正方向に更に Δ kだけ変位したとする。この場台、正の X粬上方距離脷定手段 4 1の出力は h + 厶 h + A kとなり、負の X軸上方距離測定手段 4 2の出力は h— Δ h + Δ kとなり、差分演算手段 4 3から出力される差分は依然として 2 · 厶 hとなる。すなわち、差分をとつたために、加速度 α ζの影響はキヤンセルされたことになる。

このように、互いに位相が 1 8 0 ° 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、加速度成分をキヤ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 4 1および負の X 章も上方距離刺定手段 4 2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铀まわりの角速度 ω Xを検出する動作を説明したが、正の Υ軸上方距離蒯定手段 51および負の Υ軸上方距離剃定手段 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 lまわりの角速度 ω y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铀上方および負の X蚰上方を通過する瞬間に X袖まわりの角速度 ω Xの検出を行い、正の Υ幸由上方および負の Υ軸上方を通過する瞬間に ΥΐΑまわりの角速度 ω yの検出を行うようにすれば、角速度 ω χ, o» yを交互に検出することができる。また、この険出周期は、重綞体 21 , 22の回転速度によつて調節可能である。

§ 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、加速度成分をキヤンセルする手法を説明した。原理的には、この一対の重錘休を、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個の重錘休を用いれば加速度成分のキャンセルは可能である力 ^;、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 2 1， 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— 6 4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 一 2 4が結合されており、このようなロータ 6 0を、点 Pを中心点として回転させれば、 4つの重錘体 2 1 - 2 4は、互いに 9 0。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 9 0 ° の位相差をもって 4つの重錘体 2 1— 2 4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 2 1が正の X軸上空に位置するときには、第 2の重錘体 2 2は負の X铀上空に位置し、第 3の重錘体 2 3は正の Y f由上空に位匿し、第 4の重錘体は負の Υ ΐ由上空に位匿するようになる。したがって、この瞬間に、各重錘体と基板上面 1 1 との距離を測定するようにすれば、第 1の重錘体 2 1および第 2の重錘体 2 2に関する猁定結果に基づき X軸まわりの角速度 ω Xを検出することができ、同時に、第 3の重錘体 2 '3および第 4の重錘体 2 4に関する測定結果に基づき Υ $Ι¾まわりの角速度 ω y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、口一夕 6 0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 2 1 一 2 4が Z紬を回転轴として回転移動できるようにするという条件であり、回転運動中の重錘休に作 fflするコリォ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 2 1 - 2 4が Z fih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、コリオリカを基板上面 1 1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铀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 o

第 7図は、第 6図に示したロー夕 6 0のより実用的な構成を示す平面図である。 4つの重錘体 2 1— 2 4は、 4本のアーム 6 1 - 6 4の外側端部に接続されており、 4本のアーム 6 1 — 6 4の内側端部は、中心点 Pの近傍に配置された中心部材 6 5に接続されている。ロー夕 6 0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の重錘休 2 1は Υ ΐΑ正方向の速度 V yをもって正の X軸を通過し、第 2の重錘体 2 2は Y軸負方向の速度一 V yをもつて負の X $由を通過する。したがって、 X蚰まわりの角速度 ω Xが作用している環境下では、第 1の重錘体 2 1に対しては、 Ζ軸正方向のコリォリカ F ezが作用し、第 2の重錘体 2 2に対しては、 Z睾由負方向のコリオリカ- F ezが作用し、両者の差分として角速度 ω Xが検出される。同様に、第 3の重錘体 2 3は X紬負方向の速度 - V Xをもって正の Υ ΐ由を通過し、第 4の重錘休 2 4は X軸正方向の速度 V Xをもって負の Υ軸を通過するので、 Υ軸まわりの角速度 ω yが作用している環境下では、第 3 の重鍾体 2 3および第 4の重錘体 2 4に対してそれぞれ逆方向のコリォリカが作用し、両者の差分として角速度 ω y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ヤンセルすることができる。また、角速度 ω Xの作用によっては、 X铀方向の速度成分をもった第 3の重錘休 2 3および第 4の重錘体 2 4に対しては、何らコリオリカは発生せず、同様に、角速度の作用によつては、 Y Wi方向の速度成分をもつた第 1の重錘体 2 1および第 2の重錘体 2 2に対しては、何らコリオリカは発生しない。したがって、 X拳由まわりの角速度 ω Xと Υ軸まわりの角速度 ω y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 6 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 ω zが作用していた場台、本発明に係る角速度センサでは、この角速度 ω ζ自体を検出することはできないが、この角速度 ω ζの存在によって、角速度 ω Xあるいは角速度 ω ζの検出結果が影饗を受けることはない。たとえば、角速度 ω ζに起因して第 1の重綞体 2 1に対して X拳由正方向に向かうコリオリ力 F cxが作用したとしても、第 2の重綞体 2 2に対しては X粬負方向に向かうコリ才リカー F cxが作用するため、ロータ 6 0全体としては、これらコリオリカ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図に示す口一夕 6 0を用いれば、このロー夕 6 0 が 9 0。回転するたびに、 Χ ί由まわりの角速度 Xと Y ifiまわりの角速度 ω y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 6 0の回転速度を高めてもよいが、重錘休の数を增やしてもよい。たとえば、第 8図は、 8個の重錘体 2 1— 2 8を含むロー夕 6 8の平面図である。このようなロー夕 6 8を用いれば、口一夕 6 8が 4 5 ° 回転するたびに、 X粬まわりの角速度 ω Xと Y軸まわりの角速度 _ω y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 6◦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 Z 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 S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、加速度成分をキヤンセルするために質量やモ一メン卜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 7 0は、 4本のアーム 7 1— 7 4と、その内側端部に接続された中心部材 7 5と、外側端部に接続された環状構造体 7 6 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 3 0から供給されるエネルギーを利用して、環状構造体 7 6を Z軸を回転紬として基板上面 1 ] 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 7 6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 7 6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、環状構造休 7 6上に質点 M l - M 4を定義し、これらの質点をそれぞれ重錘休 2 1 — 2 4とみなせば、このロー夕 7 0は、第 7図に示す口一夕 6 ϋと等価になる。

この環状構造体 7 6を有するロータ 7 0は、原理的には、重錘休の個. 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^ Ϊ1的に連続した検出値を得ることが可能になる。

§ 4 . π一夕の反転回転運動

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夕を、常に同一の回申云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 6 0を用いた例では、点 Ρを中心点として、口 —夕 6 0全体を「反時計回り」に回申云させており、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、重綞体が X铀もしくは Υ 幸由の上空を、 fillに対して垂直な速度成分をもつ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 1 0図に示すように、ロータ 6 0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 1 0図に示す例では、各重錘体 2 1 - 2 4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 A B間に X軸もしくは Υ ΐ由が位置するため、前半周期および後半周期のそれぞれにおいて、重錘休は X铀もしくは Υ蚰の上空を、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つ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、このような反転回云運動を行わせた場合には、前半周期と後半周期とで、検出値の符号が反する点に留意する必要がある。すなわち、重綞体が位置 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幸由上空を横切ったときに得られる検出値とは、作用するコリオリカ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 3 6◦。の全範囲にわたっている必要はなく、第 1 0図に示すように、 X軸もしくは Υ ΐ由の両側に定義した位置 A B間に相当する一定の角度 0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、口一夕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 3 6 0 ° 回転させる必要はなく、第 1 0図に示す角度だけ回転させれば十分であるので、 Z蚰まわりに角度 0だけ捩じれを生じさせることができるような態様で、口一夕を基板上に固定すればよい。要するに、 Ζ ΪΑ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、ロー夕（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台、口一夕の反転回転運動による振動が、支持休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、ロー夕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つ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、時計回りの冋転と反時計回りの回転とが互いにキヤ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 1 1図に示すように、第 1の重錘体 2 1および第 2の重錘体 2 2 ( 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 2 3および第 4の重錘体 2 4 ( Y軸を横切る重錘休）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畅運動させる。そして、後半周期においては、第 1 2図に示すように、第 1の重錘体 2 1および第 2の重錘体 2 2 ( 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 2 3 および第 4の重錘体 2 4 ( Y軸を横切る重錘休）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 2 1および第 2の重錘体 2 2の反転回転運. 動の回転方向と、第 3の重錘体 2 3および第 4の重錘体 2 4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 6 0内で互いにキヤンセルし合い、装置筐体への振動漏れを抑制することが可能になる。もつとも、このような駆動方法を採る場合には、口一夕 6 0を構成するァーム 6 1 , 6 2 . 6 3 , 6 4力 <、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 1 3図は、この実施例の平面図であり、第 1 4図は、この実施例を X t由に沿つて切断した状態を示す側断面図である。この実施例

0 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 20 0である。基板 1 00は、第 14図に示されているように、シリコン基板 1 01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 1 03が XY平面に含まれるように X Y Z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 1 03には、ロー夕 2◦ 0が配置されている。ロー夕 2◦ 0は、第 1 5図の^面図に明瞭に示されているように、基本的には第 7図に示したロー夕 60と同じ構造を有する。すなわち、 4本のァーム 221— 224力〈、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、それぞれ重綞体 21 1 - 21 4が接続されている。 4本のアーム 221 - 224および 4個の重錘休 21 1— 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 20 C1の本体部は誘電体材料によって構成されている力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、ロー夕 200の本体部を構成する重錘体 21 1— 214、アーム 221— 22 4、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 21 1 - 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―プされたポリシリコン）からなる移動電極 23 1一 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 2 0 0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夕 2 0 0に回耘運動を行わせるためである。また、各重綞体 2 1 1 - 2 1 4の下面に移動電極 2 3 1 - 2 3 4を形成する理由は、 § 7において詳述するように、重錘体 2 1 1 - 2 1 4と基板上面 1 0 3との距離を刺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 2 2 5の下面には電極 2 3 5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雇を形成する工程において、中心部材 2 2 5の下面にも電極雇 2 3 5 が形成されてしまうことになる。この電極層 2 3 5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 2 3 5 をそのまま残してある。

基板 1 0 0上には、 Z岫に沿って伸びるように円柱状の枢軸 1 3〇カ《固着されている。第 1 5図に示されているように、ロー夕 2 0 0の中心部材 2 2 5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 1 3◦の直径よりもやや大きくなつており、第 1 4図に示すように、この空涧内に抠粬 1 3 0を通すようにして、ロータ 2 0◦を枢軸 1 3 0に嵌合させると、枢軸] 3 0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。この空隙によつて、ロータ 2 0◦は枢拳由 1 3 0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（别言すれば、各重錘体が Ζ Μι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 1 3 0の上端部には円盤状のストツパ 1 3 1が取り付けられており、ロータ 2 0 0が枢軸 1 3◦から抜け落ちるのを防止している。抠 f由 1 3 0やストッパ 1 3 1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 2◦ 0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、絶縁性材料によつて構成するのが好ましい。

なお、第 1 4図では、ロータ 2 0 0が基板 1 0 0上に浮上した状態が示されている力、これは後述するように、ロータ 2 0 0の回転運動中の状態を示したためである。

第 1 3図の平面図をみればわかるように、基板 1 ϋ 0上には、ロー夕 2 0 0の周囲を取り囲むように、 8個のステータ電極 1 1 1 一 1 1 8力《配置されている。これらのステ一夕電極 1 1 1— 1 1 8は、ロータ 2 0 0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 2 1 1 - 2 1 4の回転運動経路に沿って、互いに 4 5 ° の角度差をもつて交わる X軸， W U由， Υ軸， W 2 由上に 8個のステ一夕電極 1 1 1 一 1 】 8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 1 1 1— 1 1 8は、絶縁材料からなる台座を介して、基板 1 0◦上に固着されている。たとえば、第 1 4図の側断面図に示されているように、ステ一タ電極 1 1 1は台座 1 2 1を介して基板 1 〔〕 0 上に固定されており、ステ一タ電極 1 1 5は台座 1 2 5を介して基板 1 0 0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一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 1 0 0上に設けたのは、後述するように、ロータ 2 0 0の浮上回転運動を円滑に行わせるためである。第 1 6図は、第 1 3図に示す角速度センサのストッパ 1 3 1を除去し、口一夕 2 0 0を取り外した状態を示す平面図であり、基板 1 0 0上に固定電極 141 A— 144A, 141 B - 144 B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 141 A, 141 Bは正の X軸近傍に配置され、固定電極対 142 A, 142 Bは負の X粬近傍に配置され、固定電極対 143 A, 143 Bは正の Y軸近傍に配置され、固定電極対 144 A, 144 Bは負の X蚰近傍に配置されている。しかも、第 1 3図に破線で示されているように、ロータ 20 0の各重鐘体 21 1 - 214が X蚰上空および Y軸上空を通過する際に、各重錘休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 14 ] A - 1 44 A, 】 4 1 B - 144 Bは配置されている。

基板 1 ◦ 0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 21 1 - 214が X軸上空および Y铀上空を通過する際に、各軸の位置において容最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 21 1が正の X粬上空に位置し、重睡体 212が負の X 拳由上空に位置する状態が示されている。この状態において、重鐘休 21 1の下面に形成された移動電極 231は、基板 1 ϋ ϋ上に形成された固定電極対 14 1 Α, 14 1 Β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 2 32は、基板 1 00上に形成された固定電極対 142 A， 142 B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脷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 3 2 0が示されているが、電圧供給回路 3 1 0は、各ステ一夕電極 1 1 1 - 1 1 8に所定の電圧を供袷するための回路であり、検出回路 3 2 0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 1 1 1— 1 1 8と電圧供給回路 3 1 0との間には、電圧供給用の配線が存在し、また、各固定電極 1 4 1 A — 1 4 4 A , 1 4 1 B - 1 4 4 Bと検出回路 3 2 0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 1 6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 1 0 0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、半導休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夕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。木実施例では、電圧供給回路 3 1 ◦から各ステータ電極 1 1 1— 1 1 8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、誘電休材料からなる口一夕 2 0 ϋに回転エネルギーを供給することになる。

いま、第 1 7図に示すように、ステ一夕電極 1 1 1とステ一夕電極 1 1 5との間に所定の電圧を印加し、ステータ電極 1 1 1側に正の電荷を発生させ、ステータ電極 1 1 5側に負の電荷を発生させる。すると、口一夕 2 0 0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 2 1 1側に負の電荷が集まり、重錘体 2 1 2側に正の電荷が集まることになる。第 1 8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 2 1 1 とステ一夕電極 1 1 1との間、重錘体 2 1 2とステ一夕電極 1 1 5との間には、それぞれクーロン引力が作 fflした状態になる。

铳いて、ステ一夕電極 1 1 1 とステ一夕電極 1 1 5間の電圧印加を中止し、代わりに、ステ一タ電極 1 1 2とステ一タ電極 1 1 6との間に所定の電圧を印加し、第 1 9図に示すように、ステータ電極 1 1 2側に正の電荷を発生させ、ステ一夕電極 1 1 6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 2 ϋ 0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、誘電休内の電荷移動速度は遅いため、ロータ 2 0 0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 1 9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 2 1 1とステ一タ電極 1 1 2との間にクーロン引力が作用し、重錘体 2 1 2とステ一夕電極 1 1 6との間にクーロン引力が作用する。その結果、口一夕 2 0 0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 2 0図に示す位置までロータ 2 0◦が回転することになる。

そこで、今度は、ステ一夕電極 1 1 2とステータ電極 1 1 6間の電圧印加を中止し、代わりに、ステータ電極 1 1 3とステ一タ電極 1 1 7との間に所定の電圧を印加し、ステ—タ電極 1 1 3側に正の電荷を発生させ、ステ一夕電極 1 1 7側に負の電荷を発生させれば、重錘体 2 1 1とステ一夕電極 1 1 3との間にクーロン引力が作用し、重錘休 2 1 2とステ一タ電極 1 1 7との間にクーロン引力が作用する。その結果、ロー夕 2 0◦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 1 1 1—〗 1 8に閲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 2 0 0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 3 1 0から各ステータ電極 1 1 1— 1 1 8に対して、それぞれ第 2 1図に示すような交流電圧信号 S 〗一 S 8を供給してやれば、ロー夕 2 0 0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 2 0 0を、一定の回転速度で連続回転運動させるのが好ましい。口—タ 2 0 0を一定速度で連铳回転運動させると、ロータ 2 0◦の下面に空気の流休層が形成され、第 1 4図に示すように、ロータ 2 0 0が基板 1 0 0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。口一タ 2 0 0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一タ電極に対するクーロン引力が作 fflするとともに、回転に伴つて形成される空気の流体層の上に乗つた状態になるためである。

このように、ロータ 2 0 0は、基板 1 0 0に対して非接触な状態で安定した連铳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口—タ（重錘休）を連続回転運動 26 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、可変容量モ一夕あるいはエレクトレツトモ一タなどの原理に基づいて、ロー夕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、回転運動中の重綞体が 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カ F ezを求め、間接的に X幸由まわりの角速度 ω Xもしくは Υ幸由まわりの角速度 w y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綞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 2 2図の側断面図には、重錘休 2 1 〗の下面に形成された移動電極 2 3 1 が、基板 1 0 0上に形成された一対の固定電極 1 4 1 A , 1 4 1 B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 1 4 1 Aと移動電極 2 3 1の一部分とによって第 1の容量索子 C 1 Aが形成され、第 2 の固定電極 1 4 1 Bと移動電極 2 3 1の一部分とによって第 2の容量素子 C 1 Bが形成されている。しかも、移動電極 2 3 1は単一の電極であるから、これら一対の容量素子 C 1 A , C 1 Bは、移動電極 2 3 1を中間点として直列接続された伏態になっている。そこで、この直列接铳された一対の容量素子 C 1 A, じ 18全体を1 つの容量素子 C 1とみなせば、容量素子 C 1の静電容量値を C 1、個々の容量素子 C I A, C 1 Bの各静電容量値をそれぞれ C 1 A, C 1 Bとしたときに、

1 /C 1 = ( 1 /C 1 A) + ( 1 /C 1 B) が成り立つことになり、特に、 C 1 A= C 1 Bの場台には、

C 1 = C 1 A/2

となる。

同様に、重錘休 21 2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 1 42 A, 142 B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 C 2が構成されることになる。一方、 Υΐ由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 14

3 A, 143 Β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 144 Α, 14

4 Β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 C 3, C 4が構成されることになる。

結局、ロータ 2◦ 0が第 24図に示すような位置にある場合、正の X 拳由上方に位置する重錘休 21 1の下方には容量素子 C ]が形成され、負の Χΐ由上方に位匿する重錘体 21 2の下方には容量素子 C 2が形成され、正の Υ铀上方に位置する重錘体 213の下方には容量素子 C 3が形成され、負の Yflh上方に位置する重錘体 214の下方には容量素子 C 4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 141 A, 14 I B ) 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 C 1 A , C 1 B ) を 1つの容量素子（たとえば、容量素子 C 1 ) とみなす取扱いをする理由は、ロータ 2 0 0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 2 2図の右上に示した等価回路において、一方の容量素子 C 1 A自身の静電容量値を直接脷定するためには、固定電極 1 4 1 Aに対する配線と移動電極 2 3 1に対する配線とが必要になる。ところが、移動電極 2 3 1は、ロータ 2 0 0の回転運動によって回転する電極であり、前述のように、口一夕 2 0 ϋは基板 1 0 0 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 2 3 1 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 C 1 A , C 1 Β全体の静電容量値を容量素子 C 1の静電容量値として猁定するようにすれば、移動電極 2 3 1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 1 4 1 Αと第 2の固定電極 1 4 1 Bとの間の静電容量碴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 2 2 図および第 2 3図に示された等価回路において、静電容量値 C I , C 2 , C 3 , C 4の値は、それぞれ重錘体 2 1 1 , 2 1 2 , 2 1 3 , 2 1 4と基板 1 0 0の上面との距離に関連した値になる。結局、これら静電容量碴 C 1一 C 4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、口一夕 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 ω Xが作用したとすると、重錘体 21 1が正の X蛐上方を通過する瞬間には、正方向のコリオリカ Fezが作用する。このとき、重銪体 212は負の Xfili上方を通過中であり、この重錘休 232に対しては、 Ztih負方向のコリオリカー Fezが作用することになる。その結果、ロー夕 2◦ 0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 C 1の電極間隔は広がり、容量素子 C 2の電極間隔は狭まる。その結果、静電容量値 C 1は Δ C 1だけ小さくなり、静電容量値 C 2は AC 2だけ大きくなる。そこで、両静電容量値の差分 (△C 1 + A C 2) をとれば、この差分の符号が作 fflした X蚰まわりの角速度 ω Xの向きを示し、この差分の大きさが角速度 ω Xの大きさを示す量になる。なお、 AC lと A C 2とは、厳密には等しくならないが、実用的なレベルでは、 A C 1 =A C 2 = ACとして取り扱うことができ、差分は 2 · 厶 C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 C I, C 2, C 3, 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 CZV変換回路 321 , 322. 32 3, 324によって、それぞれ電圧値 V 1 , V 2, V 3, V4に変換さ P TJP96/01926 れ、差動増幅器 325によって、電圧値 V 1と V 2との差が演算され、差動増幅器 326によって、電圧値 V 3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（V 1—V 2) は、 X軸まわりの角速度 ω Xを示す出力電圧 νω Xとして差動增幅器 325から出力され、電圧値の差（V 3— V4) は、 Yflhまわりの角速度 ω yを示す出力電圧 y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個の重錘休を有するロータ 200を用いているため、ロー夕 200が 90° 回するたびに（各重錘体が各 t由上を通過するたびに）、正しい検出値を示す出力電圧 V OJ Xおよび νω y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 7 6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 14 1 A - 144 A, 14 1 B - 144 B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 t由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（重锤体 2 1 1 - 2 14の参考位置を破線で示す）、各座標 t由を挟んで固定電極 14 1 C一 144 C, 14 1 D - 144 D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 2 8図は、このような実施例の側断面図であり、第 2 9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 1 0 0の構造は、 § 5で述べた実施例と全く同様である。口一夕 2 5 0の構造も、 § 5で述べた口一夕 2 0 0 の構造とほぼ同じである力;'、中心部材 2 6 0は円柱状のプロックであり、電極 2 6 5を介して支持体 2 7 0の上端に固着されている。支持体 2 7 0は、円柱状のプロックであり、下端は基板 1 0 0上に固定されている。結局、ロー夕 2 5 0は、その中心部が支持体 2 7 0を介して基板 1 0 0 上に固定された状態になっている。ただし、重錘体 2 1 1— 2 1 4は、アーム 2 2 1 - 2 2 4や支持体 2 7 0を介して間接的には基板 1 0 0に接続されているものの、基板 1 0 0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 2 5◦を反転回申云運動させるためには、支持体 2 7 0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 fflいる必要がある。この実施例では、上述のように、支持体 2 7 0はポリシリコンから構成されており、 ί圣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 3 0 ° となるように配置された 1 2個のステ一夕電極を設けている。第 2 9図は、これら 1 2個のステ一夕電極 E l 1—E 2 2およびロー夕 2 5 0の配置を示す平面図である。ロータ 2 5 0を反転回転運動させるには、各ステ一タ電極に所定の交流電圧を印加すればよい。

たとえば、第 3 O KIに示すように、ステ一夕電極 E 1 1に正の電荷、

4 ステ一夕電極 E 1 7に負の電荷をそれぞれ発生させれば、ロータ 2 5 0 側では、重錘体 2 1 1に負の電荷、重綞体 2 1 2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 E 1 1 , E 1 7を中立状態に戻し、ステータ電極 E 1 2に正の電荷、ステ一夕電極 E 1 8に負の電荷をそれぞれ発生させれば、ロータ 2 5 0は反時計回りに回転し始める。次に、ステータ電極 E 1 2 , E 1 8を中立状態に戻し、再び第 3 0図に示すように、ステータ電極 E 1 1に正の電荷、ステ一夕電極 E 1 7に負の電荷をそれぞれ発生させると、ロータ 2 5 0の回転運動は時計回りに反転する。更に、ステ一夕電極 E 1 1 , E 1 7を中立状態に戻し、今度は、ステ一夕電極 E 2 2に ίΕの電荷、ステータ電極 Ε 1 6に負の電荷をそれぞれ発生させれば、ロータ 2 5 0は更に時計回りに回申云し続ける。そこで、ステータ電極 Ε 2 2 , Ε 1 6を中立状態に戻し、再び第 3 0図に示すように、ステ一夕電極 Ε 1 】に正の電荷、ステータ電極 Ε 1 7に負の電荷をそれぞれ発生させれば、ロータ 2 5 0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 2 5 0は前半周期には反時計回りに回申云運動し、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、口一夕 2 5 0がこのような反転回転運動を行うと、口 —夕の振動成分が支持体 2 7 0を介して基板 1 0 0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、時計回りの回幸云と反時計回りの回転とが互いにキヤ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 1 1図に示すように、後半周期では第 1 2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、ステ一夕電極 E 1 1 , E 14に正の電荷、ステ一夕電極 E 1 7, E 2◦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 21 1， 213に負の電荷、重錘体 21 2, 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 E 〗〗， E 14, E 1 7, E 2◦を中立状態に戻し、ステータ電極 E 1 2, E 13に正の電荷、ステ一夕電極 E 18， E 1 9に負の電荷をそれぞれ発生させれば、第 3 2図に示すように、重錘体 21 1 , 21 2は反時計回りに、重錘体 21 3, 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 E 12, E 13, E 18, E 1 9を中立状態に戻し、再び第 31図に示すように、ステ一夕電極 E 1 1, E 14に正の電荷、ステータ電極 E 1 7, E 20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、ステ一夕電極 E 1 1 , E 14, E 17, E 20を中立状態に戻し、ステータ電極 E 1 5, E 22に正の電荷、ステ一タ電極 E 16, E 21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 21 1, 212は時計回りに、重錘休 213, 214は反時計回りに、それぞれ移動を铳ける。そこで、ステータ電極 E 15, E 1 6, E 21 , E 22を中立状態に戻し、再び第 31図に示すように、ステ一夕電砾 E l l, E 14に正の電荷、ステ一夕電極 E 1 7， E 20に

4 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 2 5 0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 2 5 0内でキヤンセルされ、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 2 5 0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幸由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、 X Y Z三次元座標系において、 X Y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 ω Xおよび Υ奉由まわりの角速度 ω y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 $由まわりの角速度 ω ζを検出する原理を説明する。

第 3 4図は、角速度 ω ζ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 1 0は、平坦な上面 1 1を有し、装置筐体として機能する。 Χ Υ Ζ三次元座標系は、この上面 1 1が Χ Υ甲-面に含まれるように定義されており、原点◦から上方に伸びる Ζ轴は、上面 1 1に直交する軸となる。ここで、所定の質量をもった重錘体 2 0に対して、エネルギー供給手段 3 0からエネルギーを供給し、重錘体 2 0が Ζ蚰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 2 0が上面 1 1に対して一定の距離 hを保ちながら、かつ、 Z拿由に対して一定の距離 rを保ちながら、軌道 Cに沿って回率云運動するように、エネルギー供給手段 3 0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 1 0が静止している状態）では、エネルギー供給手段 3 0からのエネルギー供袷を受けて、重綞体 2 0は、方程式 Ζ - hで示される平面内で半径 rをもつた円軌道 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、重錘休 2 0が X 由上空を通過した時点において、と重錘体 2 0との距離（回幸云運度の半径）を蒯定する距離測定手段 8 0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、重錘休 2 0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 8 ϋによる M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 ! lまわりの角速度 ω ζをもって回転運動していた場合、別言すれば、基板 1 ϋに対して角速度 ω ζ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 2 0に作用することになり、重錘休 2 0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 3 4図に示すように、この系全体が Ζ ΐまわりの角速度 ω ζをもつて回 feしていた場台、 X铀上空を Y軸方向の速度成分 V yをもって運動している重錘休 2 0に対しては、 X軸方向のコリオリカ F cx (角速度 ω ζの向きによっては一 X軸方向のコリオリカ— F cx) が作用することになり、このコリオリカは、

F C X = 2 · m · V y · ω z

なる式で定義される。第 3 4図に示す例では、このコリオリカ F cxの作用により、 Y f由方向に移動中の重錘体 2 0の軌道は、 X f由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 2 0と Z幸由との距離は Δ rだけ增加もしくは減少（角速度 ω zの向きに依存）し、 r ±厶 rとなる。

重錘休 2 0の質量 mおよび運動速度 V yを一定にしておけば、コリオリカ F cxは角速度 ω zに比例した値となり、結局、重綞休 2 0が X蚰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 Δ rを、角速度 ω z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 2 0と Z軸との距離 r + Δ rを刺定することができれば、角速度 ω zの値を得ることができる。第 3 4図に示した角速度センサは、このような原理に基づいて、 Ζ蚰まわりの角速度 ω ζを検出する機能を有する。すなわち、距離測定手段 8 0の出力が、角速度 ω ζの検出値を示すものになる。

以上が角速度 ω ζを検出するための基本原理である力《、 § 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 3 4図に示す構成では、重錘体 2 〔）の軌道が X軸方向に厶 Γ だけ変位したとしても、その変位が、コリオリカ F cxに起因するものなのか、 X軸方向の加速度 α Xに基づく力 F a: (に起因するものなのかが区別できないのである。

第 3 5図に、この加速度成分をキヤ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 2 1 . 2 2が用意され、いずれの重錘体も、エネルギー供給手段 3 ()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 2 1が正の X拳も上空に位置するときに、第 2の重鐘休 2 2は負の X 由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 1 8 0 ° ずれた状態で回転動 ¾" ί亍う。

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 8 1は、いずれかの重錘休が正の X f由上空（第 3 5図において、第 1の重錘休 2 1が存在する地点）を通過した時点において Z铀と通過中の重錘体との距離を脷定する機能を有し、負の X粬上距離測定手段 8 2は、いずれかの重錘体が負の X $由上空（第 3 5図において、第 2の重錘休 2 2が存在する地点）を通過した時点において Z軸と通過中の重錘休との距離を脷定する機能を有する。更に、正の X軸上距離測定手段 8 1によって測定された距離と負の X紬上距離測定手段 8 2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 8 3が備わっており、最終的に、この演算手段 8 3の出力に基づいて、 Z ί由まわりの角速度 ω ζ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ヤンセルされる理由について述べる。いま、第 3 5図に図示されているように、 Ζ - hで示される甲面上に aまれる円軌道 C上を、互いに位相が 1 8 0 ° ずれた状態で一対の重錘体 2 1 , 2 2が回転運動を行うように、エネルギー供給手段 3 ()からエネルギーが供耠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 2 1は正の X軸上空を Y軸正方向の速度 V yをもって通過し、それと同時に、第 2の重錘体 2 2は負の X蛐上空を Y蛐負方向の速度 - V y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 ω ζが作用していたとすると、第 1の重鍾体 2 1 に対しては、 Χ ΐ由正方向のコリオリカ F cxが加わり、第 1の重錘体 2 1は当初の円軌道 Cから外側（Z f由から遠ざかる方向）に外れる。一方、第 2の重錘体 2 2に対しては、 X粬負方向のコリオリカー F cxが加わり、第 2の重錘体 2 2は当初の円軌道 Cから外側に外れる。

いま、第 1の重錘体 2 1 と第 2の重錘体 2 2とが、全く同一の形状を有し、全く同一の質 Sを有していたとする。ここで、両者は常に 1 8 0 ° 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、両重錚体に作 fflするコリオリ力の絶対値は同じになり、第 1の重錘体 2 1力 Δ rだけ円軌道じから外側に外れ、 Z拳由からの距離 r + Δ rの位置を通過したとすれば、第 2 の重錘体 2 2も Δ rだけ円軌道 Cから外側に外れ、 Z f由からの距離 r + Δ rの位置を通過することになる。したがって、演算手段 8 3からは、これらの和に相当する 2 r + 2 · Δ r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 8 3の出力値 2 rを基準碴として定めておけば、この基準値 2 rとの差 2 · Δ rが Z f由まわりの角速度 ω ζを示す値になる。なお、作 fflした角速度 ω ζの向きが逆の場合、コリオリカの向きは逆転し、 2つの重錘体 2 1 , 2 2はいずれも当初の PJ軌道じから内側に外れることになる。この場合、演算手段 8 3からの出力は 2 r — 2 · 厶 rになる。したがって、演算手段 8 3から得られる出力 ί言号の符号は角速度 ω ζの向きを示し、出力 ί言号の大きさは角速度 ω ζ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台を考える。 Ζ 蚰方向の加速度 α ζに基づいて生じる力 F azおよび Y f由方向の加速度 α yに基づいて生じる力 F ayは、いずれも X軸方向のコリォリカ F cxに対して直交しているため、この脷定系に干渉することはない。ところ力;'、 X拿由方向の加速度 _α Xに基づいて生じる力 F axは、コリオリカ F cx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 3 4図に示す単一の重錘休 2 0を用いた測定系では、この加速度 α Xに基づいて生じる力 F axが、角速度 ω zの検出値に千渉することになる。しかしながら、一対の重錘体 2 1 , 2 2を fflいた第 3 5図に示す刺定系では、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 α χに基づいて生じる力 F axが作用すると、 2つの重錘体 2 1 , 2 2は、いずれも X軸正方向に変位 Δ Xを生じることになるため、正の X軸上距離測定手段 8 1の出力は Δ Xだけ増加するが、負の X軸上距離測定手段 8 2 の出力は Δ Xだけ減少する。したがって、演算手段 8 3の出力は、加速度 or X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 1 8 0 ° ずれた状態で回運動を行う一対の重錘体を fflいることにより、加速度成分をキヤ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 $ltl上距離測定手段 8 1および負の X軸上距離測定手段 8 2と、を用いて、重錘休が X f由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 上距離測定手段を用いて、重錘休が Y iifiを通過する時点に測定を行っても同様に角速度 ω zの検出が可能である。もちろん、 X窄由ゃ Y 由に限らず、重錘休が任意の铀上を通過する時点で角速度 ω ζの測定を行うことも可能である。 § 1 0 . 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 ω Xと Υ紬まわりの角速度 ω y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铀まわりの角速度 ω χ、 Υ粬まわりの角速度 w y、 Z軸まわりの角速度 Z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 3 6図は、この三次元角速度センサの平面図であり、第 3 7図は、このセンサを X拳由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 ] 3 図〜第 1 6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夕 4 0 0を fflいた点である。ロータ 4 0 0は、第 3 8図の平面図に明瞭に示されているように、 4個の重錘休 4 1 1 〜4 1 4を 4本のアーム 4 2 1 - 4 2 4によって、中心部材 4 2 5に接統した構造をなす。ここで、 4本のアーム 4 2 1— 4 2 4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 4 1 1 ー 4 1 4に対して、中心部材 4 2 5から離れる方向の力もしくは中心部材 4 2 5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。各重麵体 4 1 1—4 1 4の下面に、それぞれ移動電極 4 3 1 - 4 3 4が形成され（電極 4 3 3 , 4 3 4は図示されていない）、中心部材 4 2 5の下面に電極 4 3 5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 ω z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 3 9図は、第 3 6図に示す角速度センサのストッパ 1 3 1を除去し、ロータ 4 0 0を取り外した状態を示す平面図である。基板 1 0 0上に配置されている固定電極 14 5 A— 1 48A, 14 5 B— 1 48 Bは、第 1 6図に示されている固定電極 1 4 1 A— 1 44 A, 1 4 1 B - 1 44 Bと全く同等の機能（すなわち、 X轴まわりの角速度 ω Xと Υ軸まわりの角速度 ω y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つている。このように面積を小さくしたのは、ロー夕 4 00を構成する 4本のアーム 4 2 1 一 4 24が伸縮性を有するため、各重錘体 4 1 1〜4 14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 1 4 5 C, 1 4 5 D, 1 4 6 C, 1 46 Dは、 Zf由まわりの角速度 ω zを検出するために付加された電極である。検出回路 3 3 0は、基板 1 0 0上に配置された合計 1 2個の固定電極と、ロータ 4 0◦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 ω χ， ω y , ω ζ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 ω Xおよび ω yの検出原理は、既に § 7で述ベたとおりである。ここでは、角速度 ω zの検出原理を以下に説明する。第 4 ◦図は、重錘休 4 1および 4 1 2が X紬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甲-面図である。ここで、破線の矩形で示す構成要素 4 3 1 , 4 3 2は、それぞれ重錘体 4 1 1 , 4 1 2の下面に形成された移動電極を示し、構成要素 4 20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 1 00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 4 3 1， 4 3 2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、

5 固定電極 145A， 145 B, 145 C, 145 Dと移動電極 431とによって、容量素子 C 1 A， C 1 B, C 5 C, C 5Dが形成され、固定電極 146A, 146 B, 146 C, 146 Dと移動電極 432とによつて、容量素子 C 2A, C 2 B, C 6 C, C 6Dが形成される。ここで、容量素子 C I A, C 1 B, C 2A, C 2 B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 ω X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 C 5 C, C 5 D, C 6 C, C 6Dを用いて、 Ζ拳由まわりの角速度 ω ζ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力《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 4 1 1, 4 1 2が X蚰上空を通過する瞬間に、各固定電極と各移動電極とが第 4◦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。别言すれば、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 ω X検出用の固定電極 14 5 A, 145 Β , 146 A, 146 Βは、いずれも全面にハッチング力く施され、全面が容量素子の形成に閱与するのに対し、角速度 ω ζ検出用の固定電極 145 C, 145 D, 146 C, 146 D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 145 A, 145 Β, 146 A, 146 Βは、 Υ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 145 C, 145 Dは、外側 (Ζ$由から遠ざかる方向）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 146 C， 146 Dは、内側（2蛐に近付く方向）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幸由まわりの角速度 ω z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 ζが作用すると、各重錘体 41 1 -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 ω ζの向きによっては内側）に変化することになる。たとえば、各重錘休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 4 1図のようになる。すなわち、正の Xfili上空を通過中の移動電極 431は、 X蚰正方向のコリオリカ Fcxの作用により、 X軸正方向に所定量 Δ rだけ変位することになり、負の X幸由上空を通過中の移動電極 432は、 Χΐ由負方向のコリオリカー Fcxの作用により、 X 由負方向に所定量 Δ r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台、 X軸まわりの角速度 ω χ の検出に用いられる固定電極 145 A, 145 B, 1 46 A, 1 46 B 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 145 A, 1 45 B, 146 A, 146 B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 ω ζは、 X軸まわりの角速度 ω Xの検出には干渉しない。同じ理由により、 Ζ拿由まわりの角速度 ω ζは、 Υ铀まわりの角速度 ω yの検出にも干渉しない。

5 —方、 Z軸まわりの角速度 ω ζの検出に用いられる固定電極 145 C, 145 D, 146 C. 146 D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 145 145 D, 146 146 Dと移動電極 431 , 43 2とによって構成される容量素子を、それぞれ容量素子 C 5 C， C 5 D, C 6 C, C 6 Dと呼ぶことにすると、第 41図に示す状態では、容量素子 C 5 C, C 5 D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 C 6 C, C 6 Dは電極面積の'减少によって静電容量値は'减少することになる。

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 ί直は、基板 1◦ 0側に配線を行っておくだけで刺定可能になる。すなわち、直列接続された一対の容量素子 C 5 C, C 5 D全体を 1つの容量素子 C 5とみなし、直列接続された一対の容量素子 C 6 C， C 6 D全体を 1つの容量素子 C 6とみなせば、容量素子 C 5の静電容量値は固定電極 145 Cと 145 Dとの間の静電容量値として測定でき、容量素子 C 6の静電容量値は固定電極 146 Cと 146 Dとの間の静電容量値として測定できる。

第 42図は、角速度 ω ζ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 C 5， C 6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 V 5, V6に変換され、差動増幅器 333によって、電圧値 V 5と V 6との差が演算されて出力される。この出力電圧は、作用したコリオリカの符号を考慮した差（Fcx— ( - Fcx) ) を示すものになり、作用した Z$由まわりの角速度 ω _Z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«l方向の加速度 α χが作用した場合、第 43図に示すように、加速度 α χに基づく力 Faxにより、移動電極 431 , 432がともに X$ 方向に変位することになるが、容量素子 C 5 C, C 5 D, C 6 C, C 6D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拳由方向の加速度 a yが作用した場台、移動電極 431 , 432は Y蚰方向に若千変位することになる力《、容量素子 C 5 C. C 5 D, C 6 C, C 6 D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 a zが作用した場合、容量素子 C 5 C, C 5 D, C 6 C, C 6 D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增'减することになる。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、この增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、加速度成分をキヤンセルするために、正の X軸上距離测定手段 81の出力と負の X蛐上距離測定手段 8 2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 3 33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 Iffi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 0172 現象に対して、距離 rの増減と静電容量値 Cの增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鍾休の円運動半径を r + 厶「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铀からの距離の和に基づいて Zt由まわりの角速度 ω ζ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「2 r」であったのに、第 4 1図の状態では「2 r + 2厶 r」となつており、両状態の変動分である Γ2 Δ r」が作用した角速度 ω z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の增'减は、必ずしも距離 rの增減には一致しない。すなわち、第 4 1図を見ればわかるように、容量素子 C 5 C, C 5Dの容量値は距離 _r の増加によって增加するのに対し、容量素子 C 6 C, C 6D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 C 6に対応する電圧 igV 6の符号を反転させているのであり、差動增蝠器 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 (ffiである。

§ 1 1. 三次元角速度センサの変形例

第 44図は、 § 1 0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 40◦を、ロー夕 450に置き換えたものである。ロー夕 400とロー夕 450との相違点は、重鐘体 41 1 -414を接铳するための伸縮性をもったァームの構造だけである。すなわち、口一夕 400で用いられていたァーム 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力第 44図に示す変形例のロータ 45◦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、 § 1◦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。口一夕 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 51 1— 514力側面から見たときにジグザグの構造を有するァーム 541— 544によって中心部材 560に接続されている（重錘体 5 13, 514, アーム 543, 544は図示されていない）。重錘体 5 1 1— 514および中心部材 560の下面には、移動電極 531 - 53 4， 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および支持休 570を介して基板 1 00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、口—夕 50◦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、ロー夕 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 M?まわりの角速度 ω xおよび Υ蛐まわりの角速度 ω y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饗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一ドバック制御を行う上でのセンサとして広く禾リ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

請求の範囲

1. X Y Z三次元座標系における XY平面に沿った上面（ 1 1 ) を有する基板（ 10) と、

前記上面（ 1 1) に直交する Ζ軸を回 Ιδΐ由として前記上面（ 1 1 ) に対して非接触の状態で回転運動を行う重錘休（20) と、

外力が作用しない状態において、前記重錘休（20) が前記上面（1 1 ) に対して一定の距離（h) を保ちつつ前記回転運動を行うように、前記重錘休（20) に対してエネルギーを供給するエネルギー供給手段 (30) と、

前記重錘体（20) が X鈾上空を通過した時点において前記上面（ 1 1 ) 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、

を備え、前記 Xf!b上方距離蒯定手段（40) によって測定された距離に基づいて、前記基板（ 1 0) に作用した X$由まわりの角速度（ω X ) を検出することを特徴とする角速度センサ。

2. 請求項 1に記載の角速度センサにおいて、

Ζ軸を回転 f由として基板上面（ 1 1 ) に対して非接触の状態で回転運動を行う第 1の重錘体（21 ) と第 2の重錘体（22) とを設け、前記第 1の重錘体（21 ) が正の X蚰上空に位置するときに前記第 2 の重錘体（22) が負の X铀上空に位置するように、前記第 1の重錘体 (21 ) と前記第 2の重錘体（22) とを位相を 180° ずらして回転させ、いずれかの重錘体（21, 22) が正の X铀上空を通過した時点において前記上面（ 1 1) と通過中の重錘体との距離を猁定する正の X粬上方距離測定手段（41 ) と、

いずれかの重錘体（21, 22) が負の X軸上空を通過した時点において前記上面（1 1 ) と通過中の重鐘体との距離を測定する負の X铀上方距離猁定手段（42) と、

前記正の Xf由上方距離測定手段（41 ) によって刺定された距離と前記負の X軸上方距離制定手段（42) によって猁定された距離との差を求める差分演算手段（43) と、

を設け、前記差分演算手段（43) によって求めた差に基づいて、基板（ 10) に作用した X拿由まわりの角速度（ω χ ) を検出することを特徴とする角速度センサ。

3. 請求項 1に記載の角速度センサにおいて、

重錘体（20) が Υ蚰上空を通過した時点において基板上面（1 1 ) と前記重錘体（20) との距離を測定する Υ軸上方距離測定手段（50) を更に設け、

X軸上方距離測定手段（40) によって測定された距離に基づいて、基板に作用した X軸まわりの角速度（ω χ ) を検出するとともに、 Υ拳由上方距離測定手段（50) によって測定された距離に基づいて、基板 (10) に作用した Υΐ由まわりの角速度（w y ) を検出することを特徴とする角速度センサ。

4. 請求項 3に記載の角速度センサにおいて、 Z軸を回転拳由として基板上面（ 1 1 ) に対して非接触の状態で回転運動を行う第 1の重錘体（21 ) と第 2の重錘体（22) とを設け、前記第 1の重錘体（21 ) が正の X軸上空に位置するときに前記第 2 の重綞体（22) が負の X$由上空に位窿し、前記第 1の重綞体（21) が正の Y軸上空に位置するときに前記第 2の重錘体（22) が負の Y幸由上空に位置するように、前記第 1の重錘体と前記第 2の重錘体とを位相を 180° ずらして回転させ、

いずれかの重錘体（21， 22) が正の X 上空を通過した時点において前記上面（ 1 1 ) と通過中の重錘体との距離を则定する正の Χΐ由上方距離測定手段（4 1 ) と、

いずれかの重錘体（21, 22) が負の XWl上空を通過した時点において前記上面（ 1 1 ) と通過中の重錘体との距離を測定する負の X軸上方距離刺定手段（42) と、

いずれかの重錘体（21 , 22) が正の Y軸上空を通過した時点において前記上面（ 1 1 ) と通過中の重錘体との距離を则定する正の Yま由上方距離猁定手段（51 ) と、

いずれかの重錘体（21 , 22) が負の Y軸上空を通過した時点において前記上面（1 1 ) と通過中の重錘体との距離を測定する負の Y蚰上方距離測定手段（52) と、

前記正の X軸上方距離剃定手段（4 1 ) 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（42) によって刺定された距離との差を求める第 1の差分演算手段（43) と、

前記正の Y軸上方距離測定手段（51) によって測定された距離と前記負の Y$由上方距離測定手段（52) によって猁定された距離との差を求める第 2の差分演算手段（53) と、

を設け、前記第 1の差分演算手段（43) によって求めた差に基づいて、基板（ 10) に作用した X軸まわりの角速度（ω χ) を検出するとともに、前記第 2の差分演算手段（53) によって求めた差に基づいて、基板（ 10) に作用した Yt由まわりの角速度（ω y ) を検出することを特徴とする角速度センサ。

5. 請求項 4に記載の角速度センサにおいて、

第 1の重錘休（21 ) および第 2の重錘休（22) に加えて、更に、 Z軸を回転蚰として基板上面（ ] 1 ) に対して非接触の状態で回転運動を行う第 3の重錘体（23) および第 4の重錘体（24) を設け、前記第 1の重錘体（21 ) が正の X軸上空に位置するときに、前記第 2の重錘体（22) が負の X$由上空に位置し、前記第 3の重錘体（23) が正の Y軸上空に位置し、前記第 4の重錘体（24) が負の Y蚰上空に位匿するように、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（61 — 65) を介して結合したことを特徴とする角速度センサ。

6. 請求項 2、 4、 5に記載の角速度センサにおいて、

用いる複数の重錘体（21— 28) 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。

7. 請求項 1〜6のいずれかに記載の角速度センサにおいて、

Z奉由の周囲を取り囲むような環状構造体（76) を用意し、エネルギ一供給手段（30) から供給されるエネルギーを利用して、前記環状構造体（76) を Ζϋ由を回転蛐として基板上面（ 1 1 ) に対して非接触の状態で回転運動させ、この環状構造体（76) の一部分（Ml - Μ4) を 1個の重錘体（20— 28) とみなして距離測定の対象とすることを特徴とする角速度センサ。

8. 請求項 1〜 7のいずれかに記載の角速度センサにおいて、重錘体（20 - 28) の回転運動を、常に同一の回転方向に向かった連铳回転運動とすることを特徴とする角速度センサ。

9. 請求項 8に記載の角速度センサにおいて、

Z軸に沿って伸びるように基板上面（ 1 03) に固定された枢軸（1 · 30) を備え、重錘休（21 1 - 214) を前記枢 il ( 1 30) によつて回転自在に、かつ、所定の自由度をもって Z蛐方向に移動自在になるように支持したことを特徴とする角速度センサ。

1 〇. 請求項 1〜 7のいずれかに記載の角速度センサにおいて、重錘体（20 - 28) の回転運動を、時計回りの方向への回と反時計回りの方向への回転とを交互に緣り返す反転回転運動とすることを特徵とする角速度センサ。

1 1. 請求項 10に記載の角速度センサにおいて、

正の X$由を横切るような反転回転運動を行う第 1の重錘体（21 ) と、負の X粬を横切るような反転回転運動を行う第 2の重錘体（22) と、正の Y軸を横切るような反転回転運動を行う第 3の重錘休（23) と、負の Υ軸を横切るような反転回転運動を行う第 4の重錘体（24) と、を設け、

前記第 1の重錘体（21 ) および前記第 2の重綞体（22) の反転回転運動の回転方向と、前記第 3の重錘体（23) および前記第 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たことを特徴とする角速度センサ。

1 2. 請求項 1◦または】 1に記載の角速度センサにおいて、 Z 由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休（27 0) を基板上面（ 1 03) に固着し、重錘体（21 1 — 214) をこの支持体（270) 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。

13. 請求項 1〜 1 2のいずれかに記載の角速度センサにおいて、重錘休（21 1— 214) の少なくとも一部分を誘電休で構成し、エネルギー供給手段を、前記重錘休の回転運動経路に沿って配置した複数の電極（ 1 1 1— 1 18， E 1 1— E 22) 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（S I - S 8) を供給する電圧供給回路（31 0) と、によって構成したことを特徴とする角速度センサ。

14. 請求項 1 ~ 1 3のいずれかに記載の角速度センサにおいて、所定の座標蚰上空を通過中の重錘体（21 1 - 214) と基板上面 (103) との距離を測定する距離測定手段を、前記重錘体（21 1 - 214) の下面に形成された移動電極（231— 234) と、前記基板上面（ 103) の前記座標軸近傍に形成された固定電極（ 141 A— 1 44 A, 14 1 B - 144 B) と、前記移動電極と前記固定電極とによつて構成される容量素子（C 1一 C4) の静電容量値を検出する検出回路（321— 324) と、によって構成したことを特徴とする角速度センサ。

15. 請求項 14に記載の角速度センサにおいて、

固定電極を、互いに隣接して配置された第 1固定電極（ 141 A - 1 44 A) と第 2固定電極（ 141 B— 144 B) とによって構成し、移動電極を、前記第 1固定電極と前記第 2固定電極との双方に対向可能な電気的に単一な電極（231— 234) によって構成し、

検出回路を、前記第 1固定電極と前記第 2固定電極との間の静電容量値を電気的に検出する回路（321— 324) によって構成したことを特徴とする角速度センサ。

16. X Y Z三次元座標系における X Y平面に沿った上面（ 1 1) を有する基板（ 10) と、

前記上面（ 1 1 ) に直交する Z軸を回転軸として前記上面（ 1 】）に対して非接触の状態で回幸云運動を行う重錘体（20) と、

外力が作用しない状態において、前記重錘体（20) が Z軸に対して一定の距離（ r ) を保ちつつ前記回転運動を行うように、前記重錘体 (20) に対してエネルギーを供給するエネルギー供袷手段（30) と、前記重錘体（20) と Z軸との距離を脷定する距離測定手段（80) と、

を備え、前記距離測定手段 (80) によって測定された距離に基づいて、前記基板（10) に作用した Z軸まわりの角速度（ω ζ ) を検出することを特徴とする角速度センサ。

17. 請求項 16に記載の角速度センサにおいて、

Ζ軸を回転軸として基板上面（1 1 ) に対して非接触の状態で回転運動を行う第 1の重錘体（21 ) と第 2の重錘体（22) とを設け、前記第〗の重錘休（21 ) が正の Χ$由上空に位置するときに前記第 2 の重錘体（22) が負の X軸上空に位置するように、前記第 1の重錘体 (21 ) と前記第 2の重錘体（22) とを位相を 180° ずらして回車云させ、

いずれかの重錘体（21, 22) が正の ΧΐιΙΐ上空を通過した時点における Z拳由に対する距離を脷定する正の X軸上距離刺定手段（81 ) と、いずれかの重錘体（2 ] , 22) が負の Xfltl上空を通過した時点における Z$ibに対する距離を则定する負の X幸由上距離測定手段（82) と、前記正の X軸上距離猁定手段（8〗）によって脷定された距離と前記負の X軸上距離刺定手段（82) によって測定された距離との和を求める演算手段（83) と、

を設け、前記演算手段（83) によって求めた和に基づいて、基板 (10) に作用した Z軸まわりの角速度（ω ζ ) を検出することを特徴とする角速度センサ。

18. 請求項 1 7に記載の角速度センサにおいて、重錘体（21, 22) の回転運動を、常に同一の回転方向に向かった連続回転運動とすることを特徴とする角速度センサ。

1 9. 請求項 18に記載の角速度センサにおいて、

第 1の重錘体（4 1 1 ) と第 2の重錘体（4 1 2) とを伸縮性をもつた中間部材（42 1， 422) を用いて結合し、

Z拿由に沿って伸びるように基板上面（ 1 03) に固定された枢軸（ 1 30) を設け、前記枢铀 ( 1 30) によって回転自在に前記中間部材を支持したことを特徴とする角速度センサ。

20. 請求項 1 7に記載の角速度センサにおいて、

重錘体（2 1 , 22) の回転運動を、時計回りの方向への回転と反時計回りの方向への回転とを交互に繰り返す反転回転運動とすることを特徴とする角速度センサ。

2 1. 請求項 20に記載の角速度センサにおいて、

Z幸由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（57

0) を基板上面（ 1 03) に固着し、重錘体（51 1， 5 1 2) を、伸縮性をもった中間部材（54 1, 542) を介して、前記支持体（57

0) 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。

22. 請求項 1 6〜 2 1のいずれかに記載の角速度センサにおいて、重錘体（4 1 1一 4 14 : 5 1 1. 5 1 2) の少なくとも一部分を誘電体で構成し、

エネルギー供耠手段を、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（ 1 1 1 — 1 18, E l ] — E 22) 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（S 1 - S 8) を供袷する電圧供給回路（310) と、によって構成したことを特徴とする角速度センサ。

23. 請求項 16~22のいずれかに記載の角速度センサにおいて、重錘体（4 1 1, 4 12) と Z軸との距離を測定する距離測定手段 (80) を、前記重錘体（4 1 1 , 41 2) の下面に形成された移動電極（431 , 432) と、前記基板上面（ 1 03) の前記移動電極に対向する位置よりも内側もしくは外側に所定のオフセット量だけシフトした位置に形成された固定電極（ 145 C, 145 D, 146 C, 146 D) と、前記移動電極と前記固定電極とによって構成される容量素子 (C 5, C 6) の静電容量値を検出する検出回路（331, 332) と、によって構成したことを特徴とする角速度センサ。

24. 請求項 23に記載の角速度センサにおいて、

固定電極を、互いに隣接して配置された第 1固定電極（ 145 C, 1 46 C) と第 2固定電極（ 145 D, 146 D ) とによって構成し、移動電極を、前記第 1固定電極と前記第 2固定電極との双方に対向可能な電気的に単一な電極（431, 432) によって構成し、

検出回路を、前記第 1固定電極と前記第 2固定電極との間の静電容量 fitを電気的に検出する回路（331, 332) によって構成したことを特徴とする角速度センサ <