JPH08285608A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型で高感度の実用的な二軸角速度センサを
提供する。 【構成】 同心円状スリット３１が形成された金属製の
振動基板３０を、２枚の圧電素子２０，４０で挟んで接
着し、三層ダイヤフラムを構成する。圧電素子２０の上
面には４枚の電極Ｅ１〜Ｅ４が形成され、下面には対向
電極Ｅ０が形成される。圧電素子４０の両面にもそれぞ
れ電極が形成される。圧電素子４０の下面には図示され
ていない重錘体が接合される。台座５０は、三層ダイヤ
フラムの下面を、円周状ノード位置において支持すると
ともに、ワイヤ部材５２，５３によって回路基板１０か
ら吊り下げられる。圧電素子４０の電極に発生する電荷
をフィードバック信号として、電極Ｅ１〜Ｅ４に励振用
交流電圧を供給し、重錘体を上下に振動させる。このと
き、電極Ｅ１〜Ｅ４に発生する電荷により、重錘体に作
用したコリオリ力を検出し、作用した角速度を求める。

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、
２つの独立した軸まわりの角速度を各軸ごとに検出する
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。そこで、
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】一方、角速度センサに関しては、従来から
車両の動力軸などの角速度を検出するために種々のもの
が利用されているが、ほとんどが一軸の角速度センサで
あり、二軸以上の角速度センサは、本願発明者の知る限
り、現段階では実用化に至ってはいない。

【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】コリオリ力を利用した
多軸角速度センサの基本原理は、上述した各特許文献に
おいて開示されている。この基本原理によれば、重錘体
を所定軸方向に振動させた状態で、この重錘体に作用す
るコリオリ力を検出する必要がある。ところが、このよ
うな原理で動作する小型で高感度の角速度センサを実現
するためには、解決すべき種々の技術的課題が残されて
いる。まず、第１に、重錘体を効率良く振動させる機構
が必要になる。たとえば、重錘体の振動がセンサ筐体に
まで伝播すると、供給した振動エネルギーが無駄に消費
されてしまうことになるので、できるだけ重錘体の振動
を外部に逃がさないようにするための工夫が必要にな
る。第２に、作用したコリオリ力をできるだけ高精度で
検出する機構が必要になる。角速度は所定の軸方向に作
用したコリオリ力に基づいて求まるので、特定の軸方向
に関するコリオリ力を高精度で検出する必要がある。こ
のような技術的課題が残っていたため、従来は、小型で
高感度の実用的な多軸角速度センサを製造することが困
難であった。

【０００７】そこで本発明は、小型で高感度の実用的な
二軸角速度センサを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

(1) 本発明の第１の態様は、ＸＹＺ三次元座標系にお
けるＸ軸まわりの角速度ωｘおよびＹ軸まわりの角速度
ωｙを検出する角速度センサにおいて、ＸＹ平面に沿っ
て延びた板状形状を有し、座標系の原点に位置する中心
部を、所定の円周をノードとする振動モードでＺ軸方向
に振動させることができる可撓性をもった振動基板と、
この振動基板に積層するように接合された板状の圧電素
子と、振動基板の下面を円周に沿ったノード位置におい
て直接もしくは他の構成要素を介して間接的に支持する
台座と、振動基板の中心部に直接もしくは他の構成要素
を介して間接的に接合された重錘体と、振動基板の上方
に所定距離だけ離れて配置された支持基板と、所定の運
動自由度を確保した状態で、台座を支持基板に対して吊
着するワイヤ部材と、圧電素子に交流電圧を印加するこ
とにより、重錘体がＺ軸方向に振動するような周期的な
撓みを圧電素子に生じさせる励振手段と、励振手段によ
り重錘体をＺ軸方向に振動させた状態において、重錘体
に作用するＸ軸方向のコリオリ力およびＹ軸方向のコリ
オリ力を、圧電素子に発生する電荷の分布に基づいて検
出するコリオリ力検出手段と、検出したＸ軸方向のコリ
オリ力に基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを演算し、検
出したＹ軸方向のコリオリ力に基づいてＸ軸まわりの角
速度ωｘを演算する演算手段と、を設けたものである。

【０００９】(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、ＸＹ平面に沿った
方向の応力が作用したときに、上面および下面に所定の
電荷が発生する分極特性をもった圧電素子を用い、この
圧電素子の上面もしくは下面のいずれか一方の面に、Ｘ
軸およびＹ軸の双方に関して線対称な配置になるように
複数の電極を形成し、他方の面には、この複数の電極に
対向する位置に電極を形成し、これらの電極に対して励
振手段による電圧印加を行うとともに、これらの電極に
発生する電荷をコリオリ力検出手段によって検出するよ
うに構成したものである。

【００１０】(3) 本発明の第３の態様は、上述の第２
の態様に係る角速度センサにおいて、圧電素子の一方の
面には、Ｘ軸の正の領域に第１の電極を、Ｙ軸の正の領
域に第２の電極を、Ｘ軸の負の領域に第３の電極を、Ｙ
軸の負の領域に第４の電極を、それぞれ配置し、圧電素
子の他方の面には、第１〜第４の電極に対向する対向電
極を配置し、励振手段は、対向電極を接地電位に固定す
るとともに、第１〜第４の電極に対して同一の交流電圧
を印加することにより、重錘体をＺ軸方向に振動させ、
コリオリ力検出手段は、第１の電極に発生する電荷と第
３の電極に発生する電荷との差に基づいてＸ軸方向のコ
リオリ力を検出し、第２の電極に発生する電荷と第４の
電極に発生する電荷との差に基づいてＹ軸方向のコリオ
リ力を検出するようにしたものである。

【００１１】(4) 本発明の第４の態様は、上述の第３
の態様に係る角速度センサにおいて、第１〜第４の電極
を、振動基板のノードとなる円周より内側の領域に配置
するようにしたものである。

【００１２】(5) 本発明の第５の態様は、上述の第１
〜第４の態様に係る角速度センサにおいて、振動基板に
積層するように接合された板状の補助圧電素子を更に設
け、振動基板、圧電素子、補助圧電素子によって三層ダ
イヤフラムが構成されるようにし、補助圧電素子に発生
する電荷に基づく信号をフィードバック信号として励振
手段に与え、励振手段によるフィードバック制御によっ
て振動基板を振動させることができるようにしたもので
ある。

【００１３】(6) 本発明の第６の態様は、上述の第５
の態様に係る角速度センサにおいて、振動基板の上面に
圧電素子が積層され、下面に補助圧電素子が積層される
ように三層ダイヤフラムを構成し、この三層ダイヤフラ
ムの下面を台座によって支持するとともに、下面中心部
に重錘体を接合するようにしたものである。

【００１４】(7) 本発明の第７の態様は、上述の第２
〜第４の態様に係る角速度センサにおいて、圧電素子の
一方の面に、更に補助電極を設け、この補助電極に発生
する電荷に基づく信号をフィードバック信号として励振
手段に与え、励振手段によるフィードバック制御によっ
て振動基板を振動させることができるようにしたもので
ある。

【００１５】(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、振動基板と
して、同心円状に複数のスリットが形成された可撓性基
板を用いるようにしたものである。

【００１６】(9) 本発明の第９の態様は、上述の第１
〜第８の態様に係る角速度センサにおいて、台座を円筒
状の構造体によって構成し、その上端部分にナイフエッ
ジを形成し、このナイフエッジの先端部分によって振動
基板の下面を直接もしくは間接的に支持するようにした
ものである。

【００１７】(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第
１〜第９の態様に係る角速度センサにおいて、支持基板
を回路基板として利用し、励振手段、コリオリ力検出手
段、演算手段の構成要素となる回路素子を、この回路基
板上に実装するようにしたものである。

【００１８】(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第
１〜第５および第７〜第１０の態様に係る角速度センサ
において、重錘体を振動基板の上方に配置し、かつ、重
錘体の振動を阻害しないように、支持基板の中央部に貫
通孔を設けるようにしたものである。

【００１９】

【作 用】本発明に係る角速度センサの基本原理は、重
錘体をＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向に振動させ
た状態において、この重錘体に作用するＸ軸方向のコリ
オリ力Ｆｘを検出することによりＹ軸まわりの角速度ω
ｙを求め、この重錘体に作用するＹ軸方向のコリオリ力
Ｆｙを検出することによりＸ軸まわりの角速度ωｘを求
めるものである。

【００２０】重錘体をＺ軸方向に振動させるために、本
発明では、ＸＹ平面に沿って延びた板状の可撓性振動基
板（いわゆるダイヤフラム）を用意し、この振動基板の
中心部に重錘体を接合するようにしている。一般に、こ
のようなダイヤフラムの中心部を上下方向に振動させる
と、円周に沿ったノードが形成されることが知られてい
る。本発明では、台座によって、ダイヤフラムのこの円
周状のノード位置を支持するようにしている。このノー
ド位置では、振動状態にあった場合でも変位が非常に小
さくなり、台座を通して振動が外部に漏れるのを最小限
に抑えることができる。しかも、台座は支持基板に対し
て所定の運動自由度を確保した状態でワイヤ部材によっ
て吊着されているので、外部に漏れる振動成分を更に小
さくすることが可能になる。このような構造により、本
発明に係る角速度センサでは、重錘体を効率良く振動さ
せることが可能になる。

【００２１】振動基板には、板状の圧電素子が接合さ
れ、積層構造が採られる。圧電素子に対して、励振手段
から所定の電圧を印加すると、圧電素子に撓みが生じ、
この撓みは振動基板に伝達される。したがって、励振手
段によって印加する電圧を交流電圧にすれば、振動基板
に伝達される撓みは周期的に変動することになり、振動
基板の中心部に接合された重錘体をＺ軸方向に振動させ
ることが可能になる。また、重錘体に対してＸ軸または
Ｙ軸方向のコリオリ力が作用すると、このコリオリ力に
よって、振動成分とは異なる別な撓みが振動基板に発生
し、この撓みは圧電素子に伝達される。このため、圧電
素子には、この撓みに応じた電荷が発生することにな
る。この発生電荷の分布は、作用したコリオリ力の方向
性に依存するため、発生電荷の分布に基づいてコリオリ
力の検出が可能になる。このような方法により、コリオ
リ力を各軸方向成分ごとに精度良く検出することが可能
になる。

【００２２】板状の圧電素子として、ＸＹ平面に沿った
方向の応力が作用したときに、上下両面に所定の電荷が
発生する分極特性をもった圧電素子を用い、この上下両
面のＸ軸およびＹ軸に関して線対称な位置に、Ｘ，Ｙ軸
の正負両方の位置に電極を形成し、この電極を介して励
振用の交流電流を供給し、同時に、コリオリ力に基づく
発生電荷を検出するようにすれば、重錘体を更に安定に
振動させることが可能になり、また、コリオリ力の効率
的な検出が可能になる。なお、振動基板のノードとなる
円周より内側の領域に各電極を配置すれば、重錘体の振
動およびコリオリ力検出をより効率的に行うことができ
る。更に、種々の外乱に対しても重錘体の振動を安定さ
せるためには、振動を検出するための補助圧電素子を付
加したり、振動検出用の電極を付加したりし、振動の検
出信号をフィードバック信号とするフィードバック制御
を行うとよい。

【００２３】振動基板としては、同心円状に複数のスリ
ットが形成された可撓性基板を用いると、中心部の各方
向への移動が容易になり、効率的な振動および検出が期
待できる。また、この振動基板のノード位置を、円筒状
の台座の上端部分に形成したナイフエッジで支持するよ
うにすれば、振動基板の振動が外部へ漏れるのを抑制す
る上で効果的である。更に、支持基板を回路基板として
利用し、振動基板に対して交流信号を供給する回路、コ
リオリ力を検出する回路、角速度を演算する回路、など
の回路素子をこの回路基板上に実装するようにすれば、
センサ全体をより小型化することが可能になり、また、
この支持基板の中央部に貫通孔を設け、この貫通孔位置
に重錘体を配置するようにすれば、センサ全体の更なる
小型化が可能になる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基づいて詳
述する。

【００２５】§１． 実施例の基本構造 本発明の一実施例に係る角速度センサを分解した状態
を、斜め上方から見た斜視図を図１に示し、斜め下方か
ら見た斜視図を図２に示す（各平板状部材の上面は図１
に示され、下面は図２に示されていることになる）。こ
の角速度センサの基本構成要素は、図示のとおり、回路
基板１０、圧電素子２０、振動基板３０、補助圧電素子
４０、台座５０である。回路基板１０は、図示されてい
る他の構成要素を支持するための支持基板としての機能
と、後述する回路素子（図示は省略）を実装する回路素
子実装基板としての機能と、を果たし、この実施例で
は、一般的なプリント回路基板によって回路基板１０を
構成している。

【００２６】圧電素子２０、振動基板３０、補助圧電素
子４０は、いずれも同一直径の薄い円盤状の部材であ
り、図では分解された状態が示されているが、実際には
この３枚の円盤は互いにエポキシ系の接着剤によって接
着された状態になっている。振動基板３０は、金属製の
円盤に、同心円状スリット３１を形成したものであり、
全体として可撓性をもった基板となる。特に、同心円状
スリット３１が形成されているため、その中心部は容易
に変位させることができる。圧電素子２０および補助圧
電素子４０は、水平方向に伸びるまたは縮む方向の応力
が作用すると、上下両面に所定の電荷が発生する第１の
性質と、逆に、上下両面に所定の電圧を印加すると、水
平方向に伸びるまたは縮む方向の応力が発生する第２の
性質と、を有する薄い円盤状の圧電素子である。

【００２７】圧電素子２０の上面には、図１に示すよう
に、第１電極Ｅ１〜第４電極Ｅ４の４枚の扇形状の電極
が形成されており、これらの各電極Ｅ１〜Ｅ４は、それ
ぞれ配線パッドＰ１〜Ｐ４に接続されている。また、圧
電素子２０の下面には、図２に示すように、対向電極Ｅ
０が形成されている。この対向電極Ｅ０は、４枚の扇形
状の電極Ｅ１〜Ｅ４のすべてに対して対向する共通電極
として機能する円形の電極であり、その円周の一端に設
けられた配線部は圧電素子２０の上面へと伸びて配線パ
ッドＰ０を形成している（図１参照）。結局、圧電素子
２０に形成された５枚の電極Ｅ０〜Ｅ４に対する配線
は、圧電素子２０上面に形成された５つの配線パッドＰ
０〜Ｐ４に対して行えばよい。

【００２８】補助圧電素子４０の上面には、図１に示す
ように、円形の第５電極Ｅ５が形成されており、下面に
は、図２に示すように、第５電極Ｅ５に対向するように
円形の第６電極Ｅ６が形成されている。第５電極Ｅ５の
円周の一端に設けられた配線部は補助圧電素子４０の下
面へと伸びて配線パッドＰ５を形成しており（図２参
照）、第６電極Ｅ６の円周の一端に設けられた配線部は
配線パッドＰ６を形成している。結局、補助圧電素子４
０に形成された２枚の電極Ｅ５，Ｅ６に対する配線は、
補助圧電素子４０下面に形成された２つの配線パッドＰ
５，Ｐ６に対して行えばよい。

【００２９】上述したように、圧電素子２０の下面と振
動基板３０の上面との間、および振動基板３０の下面と
補助圧電素子４０の上面との間、にはそれぞれエポキシ
系の接着剤が充填され、この３枚の円盤は積層状態で接
着固定される。振動基板３０は、圧電素子２０，４０に
よって挟まれ、いわゆるサンドイッチの状態になってい
る。補助圧電素子４０の下面中心部には、重錘体４１が
接合されている。この重錘体４１は、金属製の重りであ
り、検出感度を向上させるためには、できるだけ質量の
大きな重錘体４１を用いるのが好ましい。前述したよう
に、振動基板３０はある程度の可撓性を有し、特にその
中心部は比較的容易に変位できる構造となっている。そ
のため、圧電素子２０，振動基板３０，補助圧電素子４
０の積層構造体も、全体的に可撓性をもったものとな
り、中心部が上下に変位しやすい三層ダイヤフラムとし
て機能する。したがって、重錘体４１は、この三層ダイ
ヤフラムの下面中心部に取り付けられた振動子として機
能し、後述するように、上下に振動を生じることにな
る。なお、この実施例では、上から順に圧電素子２０，
振動基板３０，補助圧電素子４０を積層することにより
三層ダイヤフラムを構成しているが、三層の積層順は必
ずしもこのとおりである必要はない。ただ、効率的な検
出を行うためには、振動基板３０を中間層とする構造が
好ましい。

【００３０】台座５０は、上記三層ダイヤフラム（圧電
素子２０，振動基板３０，補助圧電素子４０の積層体）
を下方から支持する機能を果たす。この実施例では、台
座５０は円筒状構造体５１によって構成されており、そ
の上端部分は、補助圧電素子４０の下面（第６電極Ｅ６
の外周より外側部分）にエポキシ系接着剤で接着固定さ
れている。重錘体４１は、この円筒状構造体５１の筒内
部に収容された状態になる。また、円筒状構造体５１の
側面には、Ｌ字状のワイヤ部材５２，５３の一端が接着
されている。このワイヤ部材５２，５３の上端部は、回
路基板１０の下面に半田接合される。

【００３１】図３は、上述した分解構造をもった角速度
センサを組み立てた状態を示す側断面図である（ここで
は説明の便宜上、各部の寸法比は無視して描いてある。
特に、圧電素子２０，振動基板３０，補助圧電素子４０
は、実際には、図示の寸法比で示すよりもかなり薄いも
のである）。回路基板１０は図示しないセンサ筐体に取
り付けられる。この回路基板１０の下面には、図示のと
おり、半田接合部１１においてワイヤ部材５２，５３の
上端部が接合されており、円筒状構造体５１およびその
上に支持されている三層ダイヤフラムは、回路基板１０
に対して、ワイヤ部材５２，５３によって吊り下げられ
た状態になっている。重錘体４１は、円筒状構造体５１
の内部に収容された状態のまま、図の上下方向に振動す
ることになる。したがって、圧電素子２０と回路基板１
０との間は、この振動によって両者が接触しないように
ある程度の距離を確保する必要がある。

【００３２】図４は、振動基板３０の上面図であり、同
心円状スリット３１の構造がより詳細に示されている。
この実施例では、図示のとおり、同一円周上にそれぞれ
４本のスリットを配置し、これを４重の同心円として配
置することにより、合計１６本のスリットが設けられて
いる。また、偶数番目の同心円と奇数番目の同心円とで
は、スリットの円周方向に関する位相を４５°ずつずら
すようにしてある。このような同心円状スリット３１を
形成することにより、その中心部を効率良く三次元の任
意の方向に変位させることが可能になる。

【００３３】§２． 台座による支持位置 図３に示す基本構造において、台座５０（円筒状構造体
５１）による三層ダイヤフラム（圧電素子２０，振動基
板３０，補助圧電素子４０の積層体）の支持位置は重要
である。理想的な支持位置を定めるための基本概念を、
図５および図６を参照して説明しておく。いま、図５に
側断面図を示すようなダイヤフラム７０（破線で示す）
を考える。ここでは、このダイヤフラム７０の下面中央
部に重錘体７５が接合されているものとする。図５の破
線は、このダイヤフラム７０に何ら力が作用しない基準
状態を示すものである。ここで、ダイヤフラム７０の外
周部分を支持した状態において、重錘体７５に対して、
図の上方向の力Ｆｕが作用したとすると、ダイヤフラム
７０はダイヤフラム７０ａのように変形する。逆に、図
の下方向の力Ｆｄが作用したとすると、ダイヤフラム７
０はダイヤフラム７０ｂのように変形する。したがっ
て、重錘体７５に対して、力Ｆｕ，Ｆｄを交互に作用さ
せたとすると、重錘体７５は図の上下方向に振動するこ
とになり、ダイヤフラムは、７０→７０ａ→７０→７０
ｂ→７０→、というように周期的に変形することにな
る。ダイヤフラム７０をこのように振動させると、振動
中であっても静止状態を保つノードＮ１，Ｎ２が存在す
ることが知られている。

【００３４】図６は、重錘体７５に対して、図の横方向
の力を作用させたときのダイヤフラムの変形状態を示す
側断面図であり、破線で示すダイヤフラム７０および重
錘体７５は、力の作用しないときの基準状態を示し、実
線で示すダイヤフラム７０ｃおよび重錘体７５ｃは、図
の右方向の力Ｆｒを作用させたときの変形状態を示して
いる。逆に、図の左方向の力Ｆｌを作用させると、図６
を鏡に写したような変形状態が得られることになる。そ
こで、重錘体７５に対して、力Ｆｒ，Ｆｌを交互に作用
させれば、重錘体７５を図の左右方向に振動させること
ができる。このような左右方向の振動モードであって
も、やはり静止状態を保つノードＮ１，Ｎ２が存在する
ことが知られており、通常、上下方向の振動モードで
も、左右方向の振動モードでも、ノードＮ１，Ｎ２はほ
ぼ同じ位置に現れる。

【００３５】このようなノードＮ１，Ｎ２は、ダイヤフ
ラム７０の変形によって生じる内部応力が０になる点に
対応する。たとえば、図６に示す変形状態では、ダイヤ
フラム７０の上面の応力および下面の応力の分布は、そ
れぞれ図のグラフに示すようになる。いずれも、図の左
右に伸びる方向の応力を正、左右に縮む方向の応力を負
にとって示してある。ノードＮ１，Ｎ２の位置では、上
面および下面ともに、内部応力は０になる。図６に示す
グラフにおけるノードＮ２より右側の領域では、上面に
は左右に縮む方向の応力が作用し、下面には左右に伸び
る方向の応力が作用することが示されている。一方、ノ
ードＮ２より左側の領域では、上面には左右に伸びる方
向の応力が作用し、下面には左右に縮む方向の応力が作
用することが示されている。いずれにしても、ノードＮ
１，Ｎ２では、応力は０となり、伸びもしないし縮みも
しないことになり、結果的に、振動中も静止状態を保つ
ことになる。

【００３６】以上、図５および図６の説明では、側断面
におけるノードＮ１，Ｎ２のみを考慮したが、本実施例
のような円盤状のダイヤフラム７０において、中心部を
所定方向に振動させた場合、ノードは円周に沿って分布
したものとなる。このようなノードが分布する円周の半
径は、ダイヤフラム７０の材質や各部の寸法、あるいは
その中心部に接合された重錘体７５の質量などの条件に
よって多少異なるが、図７の側断面図に示すように、通
常は、ダイヤフラム７０の半径をｒとしたときに、０．
５４ｒ〜０．７０ｒの範囲（図７にハッチングを施した
領域）に分布することが確認できた。正確なノード位置
（円周位置）は、個々のダイヤフラム７０に対して有限
要素法などの手法を適用したコンピュータシミュレーシ
ョンによって求めることが可能である。

【００３７】そこで本実施例では、このようなシミュレ
ーションによってノード位置（円周位置）を演算し、台
座５０によって、ダイヤフラム７０の下面を、このノー
ド位置において支持するようにしている。別言すれば、
台座５０を構成する円筒状構造体５１の上端を構成する
円周が、演算によって求めたダイヤフラム７０のノード
位置に一致するようにしている。図８は、本実施例にお
ける円筒状構造体５１によるダイヤフラム７０の支持態
様を説明するための側断面図である。図におけるノード
Ｎ１，Ｎ２は、シミュレーションによって演算したノー
ド位置（円周位置）を示すものである。本実施例では、
このノードＮ１，Ｎ２をできるだけ正確に支持すること
ができるように、円筒状構造体５１の上端部分にナイフ
エッジ５４を形成し、この円周状のナイフエッジ５４の
先端部分によって、ダイヤフラム７０の下面を支持する
ようにしている。図９は、このナイフエッジ５４の先端
部分による支持状態を詳細に示す拡大側断面図である。
実際には、ナイフエッジ５４の先端部分は微小面積をも
った面を構成するので、この面にエポキシ系接着剤を塗
布して補助圧電素子４０の下面に接着し、ダイヤフラム
７０を支持するようにしている。

【００３８】このように、ダイヤフラム７０の円周状ノ
ード位置を台座５０によって支持するようにすると、重
錘体４１を非常に効率良く振動させることができる。上
述したように、このノード位置は、重錘体４１が振動し
ても静止状態が保たれるため、ノード位置を支持してい
る限り振動が外部へ漏れることがなくなるためである。
もっとも、図８のノードＮ１，Ｎ２の位置を見ればわか
るとおり、ノード位置はダイヤフラム７０の厚み方向に
関する中心に位置するのに対し、ナイフエッジ５４が直
接支持するのは、ダイヤフラム７０の下面（補助圧電素
子４０の下面）であるから、厳密には、ナイフエッジ５
４によってノードを直接支持しているわけではない。ま
た、図９に示すように、ナイフエッジ５４の先端部分も
面積をもった領域になるため、ノード位置を支持してい
るからといって、重錘体４１の振動が全く外部へ漏れな
いわけではない。そこで、本実施例では、更に、図３の
側断面図に示されているように、ワイヤ部材５２，５３
によって台座５０全体を吊り下げる構造を採っている。
すなわち、台座５０は、ワイヤ部材５２，５３によっ
て、所定の運動自由度を確保した状態で、回路基板１０
に対して取り付けられているので、重錘体４１の振動の
一部が台座５０まで漏れてきたとしても、この振動が更
に回路基板１０を介してセンサ筐体へと漏れることを抑
制することができる。

【００３９】なお、本実施例では、各電極Ｅ０〜Ｅ５に
対する配線に関しても、重錘体４１の振動の影響をでき
るだけ受けないような配慮がなされている。図１０は圧
電素子２０の上面図であり、円周上のノードＮが破線で
示されている。ここで留意すべき点は、各電極Ｅ０〜Ｅ
４用の配線パッドＰ０〜Ｐ４はいずれもこのノードＮの
上に位置している点である。ノードＮは振動中でも静止
状態を保つ位置であるため、この位置において各配線パ
ッドＰ０〜Ｐ４に対する配線を行えば、振動を原因とす
る配線不良が起こることを防ぐことができる。また、配
線を伝わって振動が漏れるのを防ぐことができる。な
お、図１０に示されているとおり、各電極Ｅ１〜Ｅ４
は、いずれもＸ軸およびＹ軸の双方に関して線対称とな
るような形状および配置を有している。その理由につい
ては後述する。

【００４０】§３． 圧電素子の性質 既に述べたように、本実施例における圧電素子２０およ
び補助圧電素子４０は、水平方向に伸びるまたは縮む方
向の応力が作用すると、上下両面に所定の電荷が発生す
る第１の性質と、逆に、上下両面に所定の電圧を印加す
ると、水平方向に伸びるまたは縮む方向の応力が発生す
る第２の性質と、を有する薄い円盤状の圧電素子であ
る。このような性質は、一般に圧電素子の分極特性と呼
ばれている。図１１は、この分極特性を説明するための
図である。図１１(a) は、圧電素子２０に対して、図の
左右に伸びる方向の力が作用した状態を示し、図１１
(b) は、圧電素子２０に対して、図の左右に縮む方向の
力が作用した状態を示している。ここで示す分極特性で
は、伸びる方向の力が作用すると、図１１(a) に示すよ
うに、上部電極Ａ側に正電荷が発生し、下部電極Ｂ側に
負電荷が発生する。逆に、縮む方向の力が作用すると、
図１１(b) に示すように、上部電極Ａ側に負電荷が発生
し、下部電極Ｂ側に正電荷が発生する。

【００４１】もちろん、ここで示す分極特性は、一般的
な圧電素子のもっている分極特性の一例を示すものであ
り、この他にも、例えば厚み方向に作用する力に基づい
て電荷が発生するような分極特性をもった圧電素子も存
在する。このように、用いる圧電素子のもつ分極特性に
よって、電圧の印加方法および電荷の検出方法は若干異
なることになるが、本実施例では、以下、図１１に示す
ような分極特性をもった圧電素子を用いた場合につい
て、角速度センサとしての動作を説明することにする。
なお、この動作説明の便宜上、ここではＸＹＺ三次元座
標系を次のように定義することにする。すなわち、図１
０に示す圧電素子２０において、図の右方にＸ軸、図の
上方にＹ軸を定義し、紙面垂直上方にＺ軸を定義する
（図８の側断面図における上方がＺ軸になる）。結局、
ダイヤフラム７０を構成する圧電素子２０，振動基板３
０，補助圧電素子４０は、いずれもＸＹ平面に沿って延
びた板状部材ということになる。

【００４２】さて、本実施例の角速度センサで用いるダ
イヤフラム７０は、圧電素子２０，振動基板３０，補助
圧電素子４０の三層積層構造を有するが、ここでは、上
層にある圧電素子２０について起こる現象をみてみよ
う。いま、図１２に示すように、ダイヤフラム７０がそ
のノード位置においてナイフエッジ５４で支持されてい
る状態において、ダイヤフラム７０の下面中心部に接合
された重錘体４１に、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘを作用させ
た場合を考える（破線はもとの基準状態を示す）。この
場合、ダイヤフラム７０は、図示したように変形する。
このときに、ダイヤフラム７０の上面（すなわち、圧電
素子２０）において水平方向（ＸＹ平面に平行な方向）
に作用する応力の分布は、図１２の各グラフに示すよう
なものになる。既に述べたように、ノードＮ１，Ｎ２の
位置において応力は０になり、このノード位置を境界と
して一方の側では正の応力（水平方向に伸びる力）、他
方の側では負の応力（水平方向に縮む力）が作用するこ
とになる。逆に、図１３に示すように、重錘体４１に、
Ｘ軸負方向の力−Ｆｘを作用させた場合を考える（破線
はもとの基準状態を示す）。この場合、ダイヤフラム７
０の上面（すなわち、圧電素子２０）において水平方向
（ＸＹ平面に平行な方向）に作用する応力の分布は、図
１３の各グラフに示すようなものになる。

【００４３】Ｙ軸正方向の力＋ＦｙあるいはＹ軸負方向
の力−Ｆｙを作用させた場合の応力分布も、向きが９０
°異なるだけで、上述したＸ軸方向の力が作用した場合
と全く同様である。次に、図１４に示すように、重錘体
４１に、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚを作用させた場合を考え
る。この場合、ダイヤフラム７０は、図示したように変
形する。このときに、ダイヤフラム７０の上面（すなわ
ち、圧電素子２０）において水平方向（ＸＹ平面に平行
な方向）に作用する応力の分布は、図１４の各グラフに
示すようなものになる。逆に、図１５に示すように、重
錘体４１に、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚを作用させた場合
は、図１５の各グラフに示す応力分布が得られる。

【００４４】ところで、圧電素子２０は図１１に示すよ
うな分極特性をもった圧電素子である。したがって、図
１２〜図１５に示す各グラフにおいて、正の応力（伸び
る方向の力）が作用した部分については、上面側の電極
に正の電荷が、下面側の電極に負の電荷が、それぞれ発
生し、逆に、負の応力（縮む方向の力）が作用した部分
については、上面側の電極に負の電荷が、下面側の電極
に正の電荷が、それぞれ発生することになる。

【００４５】以上の点を考慮すると、重錘体４１に所定
方向の力±Ｆｘ，±Ｆｙ，±Ｆｚが作用したとき、圧電
素子２０の上面側の４枚の電極Ｅ１〜Ｅ４に発生する電
荷の極性は、図１６に示すようになることがわかる。た
とえば、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが重錘体４１に作用する
と、ダイヤフラム７０は図１２に示すように変形する。
ここで、４枚の電極Ｅ１〜Ｅ４は、すべてノードＮの内
側の領域に配置されているので、図１２の応力分布グラ
フにおいてハッチングを施した部分だけが各電極の発生
電荷に関係することになる。このため、図１６(a) に示
すように、電極Ｅ１には正電荷が発生し、電極Ｅ３には
負電荷が発生することになる。逆に、Ｘ軸負方向の力−
Ｆｘが重錘体４１に作用すると、ダイヤフラム７０は図
１３に示すように変形する。ここで、やはり応力分布グ
ラフにおいてハッチングを施した部分だけが各電極の発
生電荷に関係することになり、図１６(b) に示すよう
に、電極Ｅ１には負電荷が発生し、電極Ｅ３には正電荷
が発生することになる。しかも、電極Ｅ１，Ｅ３は、Ｙ
軸に関して線対称となるような形状および配置を有する
ため、電極Ｅ１に発生する負電荷と電極Ｅ３に発生する
正電荷とは電荷量は等しくなる。一方、このように、Ｘ
軸方向に力が作用しているとき、Ｙ軸上に配置された電
極Ｅ２，Ｅ４にも部分的に正電荷や負電荷が発生するこ
とになるが、図１０の上面図に示されているように、電
極Ｅ２，Ｅ４は、いずれもＹ軸に関して線対称となる形
状および配置を有するため、各電極ごとに発生電荷は相
殺され、トータルでみれば、電極Ｅ２，Ｅ４ともに発生
電荷は０になる。

【００４６】同様に、Ｙ軸方向の力±Ｆｙが重錘体４１
に作用した場合は、図１６(c) ，(d) に示すように、Ｙ
軸上に配置された電極Ｅ２，Ｅ４に、正あるいは負の電
荷が発生する。これに対し、電極Ｅ１，Ｅ３は、いずれ
もＸ軸に関して線対称となる形状および配置を有するた
め、電極Ｅ１，Ｅ３については、トータルでみれば発生
電荷は０になる。

【００４７】また、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが重錘体４１
に作用すると、ダイヤフラム７０は図１４に示すように
変形する。ここで、やはり応力分布グラフにおいてハッ
チングを施した部分だけが各電極の発生電荷に関係する
ことになる。この図１４は、Ｘ軸に沿った側断面である
が、Ｙ軸に沿った側断面も全く同じようになるため、結
局、図１６(e) に示すように、４枚の電極Ｅ１〜Ｅ４の
すべてに正電荷が発生する。逆に、Ｚ軸負方向の力−Ｆ
ｚが重錘体４１に作用すると、ダイヤフラム７０は図１
５に示すように変形し、図１６(f) に示すように、４枚
の電極Ｅ１〜Ｅ４のすべてに負電荷が発生する。

【００４８】以上の説明により、重錘体４１に所定方向
の力±Ｆｘ，±Ｆｙ，±Ｆｚが作用したとき、圧電素子
２０の上面側の４枚の電極Ｅ１〜Ｅ４に発生する電荷の
極性が、図１６に示すようになることが理解できるであ
ろう。ここで、発生電荷の量は、作用した力の大きさを
示すものになる。各電極Ｅ１〜Ｅ４がＸ軸およびＹ軸の
双方に関して線対称な形状および配置を有するため、発
生電荷の分布パターンは、この図１６に示すように非常
に単純になる。

【００４９】なお、圧電素子２０の下面側の対向電極Ｅ
０は、上面側の４枚の電極Ｅ１〜Ｅ４のすべてに対向す
る共通の電極となっているので、対向電極Ｅ０を接地電
位に接続すれば、上面側の電極Ｅ１〜Ｅ４に発生する電
荷を電位として取り出すことが可能になる。したがっ
て、図１６の各電極に示す電荷極性は、そのまま取り出
した電圧の極性になる。

【００５０】これまでの説明は、すべて圧電素子２０に
発生する電荷についてのものであったが、重錘体４１に
力が作用した場合、補助圧電素子４０にも全く同様に電
荷が発生する。ただ、補助圧電素子４０は後述するよう
にフィードバック信号を取り出すためのものであるか
ら、上面には第５電極Ｅ５、下面には第６電極Ｅ６が形
成されているだけである。ここで、第５電極Ｅ５を接地
電位に固定すれば、第６電極Ｅ６には、重錘体４１に対
してＺ軸方向に作用する力に対応する電圧が得られる。
ダイヤフラム７０の上面の応力分布と下面の応力分布と
は全く逆になることと、補助圧電素子４０では下面の電
極Ｅ６から信号を取り出していることと、を考慮に入れ
れば、重錘体４１にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したと
きには、第６電極Ｅ６には正の電圧が得られ、Ｚ軸負方
向の力−Ｆｚが作用したときには、第６電極Ｅ６には負
の電圧が得られることが理解できよう。

【００５１】ところで、これまで述べてきた圧電素子の
性質は、所定方向に応力が作用すると所定位置に所定の
電荷が発生するという圧電素子の一方の性質についての
ものである。実は、この性質と表裏一体の性質として、
所定電圧を所定位置に印加すると所定方向に応力が発生
するというもう一方の性質があることにも留意しておく
必要がある。たとえば、対向電極Ｅ０を接地電位に固定
した状態において、図１６(e) に示すように、４枚の電
極Ｅ１〜Ｅ４に同時に正の電圧を印加すると、ダイヤフ
ラム７０を図１４に示すような状態に変形させるような
応力が発生し、結果的に、重錘体４１にＺ軸正方向の力
＋Ｆｚを作用させることができる。逆に、図１６(f) に
示すように、４枚の電極Ｅ１〜Ｅ４に同時に負の電圧を
印加すると、ダイヤフラム７０を図１５に示すような状
態に変形させるような応力が発生し、結果的に、重錘体
４１にＺ軸負方向の力−Ｆｚを作用させることができ
る。実は、本実施例の角速度センサでは、このような性
質を利用して、重錘体４１をＺ軸方向に振動させるので
ある。

【００５２】§４． ωｘ，ωｙの検出原理 本実施例の角速度センサは、Ｘ軸まわりの角速度ωｘお
よびＹ軸まわりの角速度ωｙの両方を検出することを目
的とする。そこで、この角速度検出のための基本原理を
以下に説明しておく。

【００５３】いま、図１７に示すように、重錘体８０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、
重錘体８０をＺ軸方向に往復運動させて振動Ｕｚを与え
ておく。このとき、もし重錘体８０に対して、Ｘ軸まわ
りに回転させるような角速度ωｘが作用すると、Ｙ軸方
向のコリオリ力Ｆｙが発生する現象が知られている。同
様に、図１８に示すように、重錘体８０に振動Ｕｚを与
えた状態において、Ｙ軸まわりに回転させるような角速
度ωｙが作用すると、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｘが発生
する現象が知られている。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、図１７
の場合に発生するコリオリ力Ｆｙおよび図１８の場合に
発生するコリオリ力Ｆｘは、 Ｆｙ＝２ｍ・Ｖｚ・ωｘ Ｆｘ＝２ｍ・Ｖｚ・ωｙ で表される。ここで、ｍは重錘体８０の質量、Ｖｚは重
錘体８０の振動についての瞬時の速度である。

【００５４】本発明に係る角速度センサは、このような
現象を利用して、重錘体８０をＺ軸方向に振動させた状
態において、Ｘ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｘを検出
することによりＹ軸まわりの角速度ωｙを検出し、Ｙ軸
方向に発生するコリオリ力Ｆｙを検出することによりＸ
軸まわりの角速度ωｘを検出するものである。

【００５５】前述したように、圧電素子２０の下面に形
成された対向電極Ｅ０を接地電位に固定した状態におい
て、上面の４枚の電極Ｅ１〜Ｅ４のすべてに正電圧を印
加すると、重錘体４１をＺ軸正方向に移動させる力＋Ｆ
ｚを発生させることができ、逆に負電圧を印加すると、
重錘体４１をＺ軸負方向に移動させる力−Ｆｚを発生さ
せることができる。そこで、４枚の電極Ｅ１〜Ｅ４のす
べてに、図１９に示すような交流電圧（励振電圧）を印
加すれば、重錘体４１をＺ軸方向に単振動させることが
できる。すなわち、重錘体４１に対して、Ｚ軸方向の振
動Ｕｚを与えることができる。このとき、補助圧電素子
４０の上面に形成された第５電極Ｅ５を接地電位に固定
し、下面に形成された第６電極Ｅ６の電位をモニタする
と、重錘体４１のＺ軸方向の変位に応じた電圧値（図１
９に示す交流電圧と同じ周期の交流電圧値）が得られ
る。そこで、この電圧値をフィードバック信号として用
い、電極Ｅ１〜Ｅ４に与える励振用の交流電圧を制御す
るようにすれば、フィードバック制御により、重錘体４
１を安定して振動させることが可能になる。補助圧電素
子４０を設けた理由は、このようなフィードバック信号
を取り出すためである。

【００５６】このように、重錘体４１をＺ軸方向に振動
させた状態において、もし重錘体４１に対してＸ軸まわ
りの角速度ωｘが作用していたとすれば、重錘体４１に
はＹ軸方向にコリオリ力Ｆｙが発生することになる。ま
た、重錘体４１に対してＹ軸まわりの角速度ωｙが作用
していたとすれば、重錘体４１にはＸ軸方向にコリオリ
力Ｆｘが発生することになる。そこで、重錘体４１に作
用するＹ軸方向の力（コリオリ力Ｆｙ）およびＸ軸方向
の力（コリオリ力Ｆｘ）を検出することができれば、上
述の式に基づいて、角速度ωｘおよびωｙを演算によっ
て求めることができる。なぜなら、重錘体４１の質量ｍ
は既知であり、Ｚ軸方向の瞬時速度Ｖｚも知ることがで
きるからである（たとえば、図１９に示すような励振電
圧を与えたときに、各位相０〜２πの瞬時瞬時における
重錘体４１の瞬間速度Ｖｚを実測しておけばよい）。

【００５７】ところで、重錘体４１にＹ軸方向の力±Ｆ
ｙが作用した場合、図１６(c) あるいは(d) に示すよう
に、電極Ｅ２，Ｅ４に所定極性の電荷が発生し、これを
電圧値として取り出すことができる。また、重錘体４１
にＸ軸方向の力±Ｆｘが作用した場合、図１６(a) ある
いは(b) に示すように、電極Ｅ１，Ｅ３に所定極性の電
荷が発生し、これを電圧値として取り出すことができ
る。すなわち、本実施例の角速度センサを用いれば、重
錘体４１をＺ軸方向に振動させた状態において、重錘体
４１に作用するＹ軸方向の力ＦｙおよびＸ軸方向の力Ｆ
ｘを、電極Ｅ１〜Ｅ４の電圧値として取り出すことがで
きるのである。こうして取り出した力（コリオリ力）Ｆ
ｙ，Ｆｘを用いて、前述の式による演算を行えば、角速
度ωｘ，ωｙを得ることができる。これが本発明に係る
角速度センサにおける角速度ωｘ，ωｙの検出原理であ
る。

【００５８】ただ、本実施例では、電極Ｅ１〜Ｅ４を、
重錘体４１をＺ軸方向に振動させるための交流電圧を印
加する励振用電極として用いるとともに、重錘体４１に
作用するコリオリ力を示す電圧を検出するための検出用
電極としても用いている。そこで、コリオリ力を示す電
圧検出を行うには、各電極Ｅ１〜Ｅ４の電圧から、励振
用に印加した電圧の成分を除外する必要がある。このよ
うな技術的課題は、次のような検出方法を採ることによ
って解決できる。すなわち、コリオリ力Ｆｘの値として
は、電極Ｅ１の電圧と電極Ｅ３の電圧との差をとるので
ある。励振用の電圧は、４枚の電極Ｅ１〜Ｅ４のすべて
に対して供給されるため、このような差をとることによ
って相殺される。これに対して、コリオリ力Ｆｘに基づ
いて発生する電圧は、図１６(a) ，(b) に示すように、
電極Ｅ１とＥ３とでは極性が反転したものとなる。よっ
て、差をとることは、両者の絶対値の和をとることにな
る。こうして、電極Ｅ１の電圧と電極Ｅ３の電圧との差
をとれば、その値はコリオリ力Ｆｘに基づく成分だけを
示すものになる。全く同様に、電極Ｅ２の電圧と電極Ｅ
４の電圧との差をとれば、その値はコリオリ力Ｆｙに基
づく成分だけを示すものになる。

【００５９】§５． 具体的な検出回路 続いて、§４で述べた検出原理に基づいて、Ｘ軸まわり
の角速度ωｘおよびＹ軸まわりの角速度ωｙの両方を検
出する具体的な回路の一例を、図２０の回路図に基づい
て説明しよう。

【００６０】まず、圧電素子２０の上面の配線パッドＰ
０を接地し、補助圧電素子４０の下面の配線パッドＰ５
を接地する。これにより、対向電極Ｅ０および第５電極
Ｅ５は接地電位に固定されることになる。また、電極Ｅ
１〜Ｅ４は、それぞれインピーダンス変換回路１２１〜
１２４を介して、差動増幅回路１３１，１３２の入力端
子に接続し、この差動増幅回路１３１，１３２の出力信
号を、同期検波回路１４１，１４２に与える。一方、第
６電極Ｅ６の電位を、増幅回路１１５によって増幅した
後、励振電圧発生回路１１０に与える。ここで、励振電
圧発生回路１１０は、図１９に示すような励振電圧を発
生する回路であり、発生した励振電圧は抵抗Ｒを介し
て、各電極Ｅ１〜Ｅ４に印加される。また、増幅回路１
１５の出力信号は、コンパレータ１４３に与えられる。
コンパレータ１４３は、入力した信号を所定のしきい値
と比較し、二値信号（矩形波信号）を生成し、この二値
信号の位相を９０°シフトした信号を出力する機能を有
し、このコンパレータ１４３が出力した二値信号は同期
検波回路１４１，１４２に与えられる。同期検波回路１
４１，１４２は、この二値信号を参照して、差動増幅回
路１３１，１３２の出力信号を全波整流する。この全波
整流信号は、低周波成分を通過させる低域フィルタ回路
１５１，１５２を通して平滑化され、直流信号に変換さ
れる。この直流信号は、直流増幅回路１６１，１６２に
よって増幅され、最終的に出力端子Ｔｘ，Ｔｙに出力さ
れる。後述するように、こうして、出力端子Ｔｘ，Ｔｙ
に得られる直流電圧値は、それぞれ重錘体４１に作用し
ているコリオリ力Ｆｘ，Ｆｙの時間的な平均値を示すも
のになる。結局、前述の式により、出力端子Ｔｘに得ら
れる電圧Ｖｘは、Ｙ軸まわりの角速度ωｙの時間平均値
を示し、出力端子Ｔｙに得られる電圧Ｖｙは、Ｘ軸まわ
りの角速度ωｘの時間平均値を示すものになる。

【００６１】続いて、この回路の動作を説明しよう。ま
ず、励振動作、すなわち重錘体４１をＺ軸方向に振動さ
せるための動作を説明する。上述したように、励振電圧
発生回路１１０は、図１９に示すような励振電圧を発生
し、この励振電圧を抵抗Ｒを介して、各電極Ｅ１〜Ｅ４
に印加する。これにより、励振電圧の周期で重錘体４１
がＺ軸方向に振動することは既に述べたとおりである。
この振動は、第６電極Ｅ６の出力信号としてモニタされ
る。すなわち、第６電極Ｅ６の出力信号は、増幅回路１
１５によって増幅されて励振電圧発生回路１１０へフィ
ードバック信号として戻される。励振電圧発生回路１１
０は、このフィードバック信号に基づいて、出力する励
振電圧の周波数および位相を決定する。この実施例で
は、フィードバック信号の位相を９０°シフトした交流
電圧を、励振電圧として出力している。このようなフィ
ードバック制御を行いながら、重錘体４１を振動させる
ようにすると、ダイヤフラム７０のもつ固有の共振周波
数で重錘体４１を振動させることができるようになり、
振動を安定させることができるようになる。

【００６２】続いて、検出動作、すなわち重錘体４１に
作用したＸ軸方向のコリオリ力±ＦｘおよびＹ軸方向の
コリオリ力±Ｆｙを検出するための動作を説明する。は
じめに、Ｘ軸方向のコリオリ力±Ｆｘを、電極Ｅ１，Ｅ
３の電圧に基づいて検出する動作を説明しよう。電極Ｅ
１，Ｅ３の電圧は、励振電圧発生回路１１０から供給さ
れる励振電圧と、Ｘ軸方向のコリオリ力±Ｆｘに基づい
て発生する電圧（以下、コリオリ力電圧と呼ぶ）とを重
畳したものである。いま、電極Ｅ１に供給されている励
振電圧Ｖ1eが図２１(a) に示すような交流電圧であり、
同様に、電極Ｅ３に供給されている励振電圧Ｖ3eが図２
１(b) に示すような交流電圧であったとしよう（両者は
全く同一の交流電圧となる）。また、電極Ｅ１に生じた
コリオリ力電圧Ｖ1cが図２１(c) に示すような交流電圧
であり、同様に、電極Ｅ３に生じたコリオリ力電圧Ｖ3c
が図２１(d) に示すような交流電圧であったとしよう
（両者は極性が反転した交流電圧となる）。ここで参考
のために説明しておくと、コリオリ力電圧は、励振電圧
に対して位相が９０°ずれることになる。なぜなら、励
振電圧が正負のピーク位置をとる瞬間（図２１の各グラ
フにおける位相π／２，π３／２の時点）は、重錘体４
１は振幅区間の最高位置あるいは最低位置にあるため、
Ｚ軸方向の瞬間速度は０になり、この時点でのコリオリ
力は０になる。逆に、励振電圧が０になる瞬間（図２１
の各グラフにおける位相０，πの時点）は、重錘体４１
は振幅の中心位置を最高速度で通過中であり、この時点
でのコリオリ力は最大になるのである。

【００６３】さて、図２０の回路によれば、電極Ｅ１，
Ｅ３の電圧は、インピーダンス変換回路１２１，１２３
を介して、差動増幅回路１３１の入力端子に与えられて
おり、差動増幅回路１３１の出力は、電極Ｅ１の電圧と
電極Ｅ３の電圧との差になる。ここで、もし重錘体４１
にＹ軸まわりの角速度ωｙが作用していなかったとした
ら、当然、Ｘ軸方向のコリオリ力±Ｆｘも発生していな
いので、電極Ｅ１，Ｅ３の電圧は、それぞれ図２１(a)
，(b) に示す励振電圧Ｖ1e，Ｖ3eだけとなる。したが
って、差動増幅回路１３１の出力は、両者の差、すなわ
ち０になる。結局、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが全く作用
していなければ、出力端子Ｔｘの出力電圧は０になる。
ところが、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが作用していると、
Ｘ軸方向のコリオリ力±Ｆｘが発生するため、電極Ｅ１
の電圧は、図２１(a) に示す励振電圧Ｖ1eに、図２１
(c) に示すコリオリ力電圧Ｖ1cを重畳したものになる。
同様に、電極Ｅ３の電圧は、図２１(b) に示す励振電圧
Ｖ3eに、図２１(d) に示すコリオリ力電圧Ｖ3cを重畳し
たものになる。したがって、差動増幅回路１３１の出力
電圧は、図２１(e) に示すような電圧Ｖ131 になる。励
振電圧は相殺され、結局、この電圧Ｖ131 は、コリオリ
力電圧Ｖ1cにコリオリ力電圧Ｖ3cを反転させて加えたよ
うなものになり、Ｘ軸方向のコリオリ力±Ｆｘの成分の
みを示すものになる。

【００６４】この差動増幅回路１３１の出力信号は、同
期検波回路１４１に与えられて全波整流されることにな
るが、このとき、コンパレータ１４３から与えられる二
値信号との位相関係に基づいて、正側に全波整流する
か、負側に全波整流するかが決められる。たとえば、図
２２(a1)に示すような電圧Ｖ131 の信号波形とともに、
図２２(a2)に示すようなコンパレータ１４３の出力電圧
Ｖ143 の信号波形が得られた場合は、電圧Ｖ131 の信号
波形は電圧Ｖ143 の信号波形と同相になるので、正側へ
の全波整流を行い、図２２(a3)に示すような信号波形
が、同期検波回路１４１の出力電圧Ｖ141 として出力さ
れることになり、最終的に出力端子Ｔｘに出力される電
圧Ｖｘは、図２２(a4)に示すようなものになる。これに
対して、図２２(b1)に示すような電圧Ｖ131 の信号波形
とともに、図２２(b2)に示すようなコンパレータ１４３
の出力電圧Ｖ143 の信号波形が得られた場合は、電圧Ｖ
131 の信号波形は電圧Ｖ143 の信号波形と逆相になるの
で、負側への全波整流を行い、図２２(b3)に示すような
信号波形が、同期検波回路１４１の出力電圧Ｖ141 とし
て出力されることになり、最終的に出力端子Ｔｘに出力
される電圧Ｖｘは、図２２(b4)に示すようなものにな
る。

【００６５】このように、同期検波回路１４１における
全波整流の正負の向きを、コンパレータ１４３の出力電
圧Ｖ143 の信号波形との位相差に基づいて変えるのは、
作用している角速度の向きの情報を、電圧の正負で表現
できるようにするためである。たとえば、図２２(a2)あ
るいは図２２(b2)に示すような出力電圧Ｖ143 が得られ
ている場合、位相０の瞬間は重錘体４１が＋Ｚ軸方向に
向かって最高速度で移動している瞬間であり、位相πの
瞬間は重錘体４１が−Ｚ軸方向に向かって最高速度で移
動している瞬間であることが認識できる。ここで、差動
増幅回路１３１の出力電圧Ｖ131 の各位相位置における
値が、重錘体４１のいずれの方向の運動によって得られ
たかを認識することは重要である。なぜなら、たとえ、
同極性の全く同じ大きさのコリオリ力Ｆｘが得られたと
しても、その時点における重錘体４１の運動方向が逆で
あれば、作用しているＹ軸まわりの角速度の向きが逆に
なるからである。同期検波回路１４１における全波整流
の正負の向きを、コンパレータ１４３の出力電圧との位
相差（９０°進んでいるか遅れているか）に基づいて逆
転させるようにしておけば、この角速度の向きの情報
を、電圧値の正負で表現できるようになるのである。

【００６６】以上の動作説明により、図２０に示す回路
を用いれば、出力端子Ｔｘの出力電圧Ｖｘとして、Ｙ軸
まわりの角速度ωｙを得ることができることが理解でき
よう。すなわち、出力電圧Ｖｘの大きさは、角速度ωｙ
の時間的な平均値を示すものとなり、その符号は、Ｙ軸
に関して右まわりか左まわりかという向きを示すものと
なる。全く同様にして、出力端子Ｔｙの出力電圧Ｖｙと
して、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを得ることができる。な
お、既に述べたように、この図２０に示す各回路の構成
要素は、回路基板１０上に実装するのが好ましい。

【００６７】§６． 本実施例のメリット ここでは、上述した本実施例のメリットについてまとめ
て記述しておく。本発明の目的である小型で高感度の実
用的な二軸角速度センサを実現するためには、次の２つ
の技術的課題を達成する必要がある。すなわち、第１の
課題は、重錘体をできるだけ効率良く振動させることで
あり、第２の課題は、作用したコリオリ力をできるだけ
感度良く検出することである。上述した実施例では、こ
の２つの課題が、次のような点においてうまく解決され
ているのである。

【００６８】＜第１の課題：重錘体を効率良く振動させ
る＞ ダイヤフラム７０のノードＮの位置を台座５０によ
って支持する構造であるため、ダイヤフラム７０の振動
が外部に漏れることを抑制することができる。 台座５０をワイヤ部材５２，５３によって、回路基
板１０に対して吊った状態で支持するため、台座５０ま
で漏れた振動があったとしても、この振動は回路基板１
０、すなわちセンサ筐体までは伝達しにくくなる。した
がって、このセンサの動作中に、筐体を手で触れたとし
ても、重錘体の振動に悪影響が及ぶことは最小限に抑え
られる。 励振動作にフィードバック制御を用いているため、
ダイヤフラム７０を共振周波数で効率良く振動させるこ
とができる。

【００６９】＜第２の課題：コリオリ力を感度良く検出
する＞ 図４に示すように、振動基板３０に同心円状スリッ
ト３１を形成したため、ダイヤフラム７０は全体として
十分な可撓性をもつ。このため、比較的小さなコリオリ
力が作用しても、ダイヤフラム７０に十分な変形が生
じ、高感度検出に必要な電荷が発生する。 図１０に示すように、圧電素子２０上の電極Ｅ１〜
Ｅ４を、すべてノードＮの内側領域に配置しているた
め、図１２〜図１５のグラフにおいて、ハッチングで示
した部分の応力だけを効率的に電荷に変換して取り出す
ことができる（逆に言えば、ノードＮを跨ぐように電極
を配置すると、同一電極内で逆極性の電荷が発生し、部
分的に相殺されてしまうため、効率良い検出ができなく
なる）。 同一の電極を、励振用の電圧印加電極として利用す
るとともに、コリオリ力検出用の電極としても利用して
いるため、個々の電極の面積を広くとることができ、検
出感度が向上する。

【００７０】§７． いくつかの変形例 以上、本発明を図示する実施例に基づいて説明したが、
本発明はこの実施例に限定されるものではなく、この他
にも種々の態様で実施可能である。ここでは、いくつか
の変形例を述べておく。

【００７１】図２３に側断面図を示す変形例は、補助圧
電素子４０を用いない構造としたものである。この変形
例では、ダイヤフラム７０は、圧電素子２５と振動基板
３０との二層積層構造を採る。重錘体４１は振動基板３
０の下面に直接接合され、台座５０の上端（ナイフエッ
ジ）は振動基板３０の下面に直接接合されている。この
変形例における圧電素子２５は、上述の実施例における
圧電素子２０と比べて、上面側の電極構成が若干異なっ
ている。すなわち、図２４にその上面図が示されている
ように、圧電素子２５の上面には、４枚の電極Ｅ１〜Ｅ
４の他に、十文字状の第７電極Ｅ７が配置されており、
配線パッドＰ７に繋がっている。この第７電極Ｅ７は、
上述した実施例における第６電極Ｅ６と同様の機能を果
たすものである。すなわち、配線パッドＰ７から、振動
を制御するためのフィードバック信号を取り出すのであ
る。このように、圧電素子２５を用いてフィードバック
信号を取り出すようにすれば、補助圧電素子４０を省略
することが可能になり、構造はより単純化される。

【００７２】図２５に側断面図を示す変形例は、上述し
た実施例における重錘体４１の代わりに、重錘体４２を
用いるようにしたものである。重錘体４１が補助圧電素
子４０の下面に接合されていたのに対し、重錘体４２は
圧電素子２０の上面に接合されている。しかも、回路基
板１０の中央部には、貫通孔１２が形成されており、重
錘体４２はこの貫通孔１２内に挿通するようになってい
る。このため、重錘体４２の振動が回路基板１０によっ
て阻害されることはない。この変形例のメリットは、重
錘体４２を上方に配置したため、円筒状構造体５５を薄
くすることができ、全体的な厚みを小さくすることがで
きる点である。

【００７３】上述した実施例では、円筒状構造体５１
を、２本のワイヤ部材５２，５３によって、回路基板１
０から吊るようにしていたが、図２６に示すように、４
本のワイヤ部材５２，５３，５６，５７によって、回路
基板１０から吊るようにしてもよいし、図２７に示すよ
うに、互いに平行な２本のワイヤ部材５８，５９を接続
箇所Ｑにおいて固定し、回路基板１０から吊るようにし
てもかまわない。もちろん、この他にも、何本のワイヤ
部材を用いてもよい。

【００７４】また、上述した実施例では、圧電素子２０
の上面に４枚の電極Ｅ１〜Ｅ４を配置し、下面に共通の
対向電極Ｅ０を配置しているが、逆に、下面に４枚の電
極Ｅ１〜Ｅ４を配置し、上面に共通の対向電極Ｅ０を配
置してもかまわない。あるいは、共通の対向電極Ｅ０を
用いる代わりに、４枚の電極Ｅ１〜Ｅ４のそれぞれに対
向する個々に独立した４枚の対向電極を用いてもよい。

【００７５】更に、上述した実施例では、電極Ｅ１〜Ｅ
４を励振用電極兼検出用電極として用い、電極Ｅ６をフ
ィードバック用電極として用いているが、電極Ｅ１〜Ｅ
４を検出用電極兼フィードバック用電極として用い、電
極Ｅ６を励振用電極として用いてもよい。

【００７６】なお、これまでの実施例では、ダイヤフラ
ム固有の所定半径をもった円周位置に、単一の振動ノー
ドＮが生じるものとして説明したが、実際には、この単
一のノードＮの位置を円筒状の台座によって固定支持し
た場合、その内側に第２のノードＭが生じることがあ
る。図２８は、このようなダイヤフラム上の複数のノー
ドを示す側断面図である。ノードＮは、これまで述べて
きた円周状のノードであり、この位置は台座５０によっ
て固定支持されている。一方、ノードＭは、ノードＮの
半径よりも小さな半径をもつ円周状のノードであり、ダ
イヤフラムの上面および下面の応力は、図のグラフに示
されているように、ノードＮおよびノードＭのいずれに
おいても０になる。また、台座５０によってダイヤフラ
ムを支持し、ダイヤフラムの外周部分を自由端とすれ
ば、ノードＮよりも外側の部分についての応力も０にな
る。このような第２のノードＭの発生理論は、現段階で
は、詳細な解析は成されていないが、図４に示すような
同心円状スリット３１を有するダイヤフラムを用いた場
合には、このような第２のノードＭが発生することが、
有限要素法による解析で確認できた。

【００７７】このように、複数のノードが生じる場合に
は、ノードを跨がないような領域に個々の電極を形成す
るのが好ましい。たとえば、図２８の例では、この側断
面図において、ノードＭの左右両側に跨がるような電極
が形成されていると、ダイヤフラムが図のような変形状
態にある場合、その電極の一部分には正電荷が生じ、別
な一部分には負電荷が生じることになり、両者の差に相
当する電荷だけしか検出されないことになり、検出感度
が低下してしまうことになる。

【００７８】そこで、このような場合には、図２９の上
面図に示すように、圧電素子２０の上面には、ノードＭ
の内側の領域に電極Ｅ１１〜Ｅ１４を、ノードＭの外側
の領域に電極Ｅ２１〜Ｅ２４を、それぞれ形成し、発生
電荷をそれぞれ別個に取り出すようにするのが好まし
い。この場合、図２８の応力分布グラフから明らかなよ
うに、電極Ｅ１１〜Ｅ１４に発生する電荷と、電極Ｅ２
１〜Ｅ２４に発生する電荷とは、常に極性が逆の関係に
なるので、信号処理回路において、極性が逆転している
ことを考慮しながら、各電極から得られる電気信号を処
理する必要がある。また、これらの電極に励振電圧を供
給する場合も、電極Ｅ１１〜Ｅ１４と、電極Ｅ２１〜Ｅ
２４とでは、常に逆極性の電圧を印加するようにする必
要がある。あるいは、圧電素子２０の分極特性を部分的
に逆転させることにより、このような極性逆転に基く不
都合を解消することも可能である。たとえば、円周状の
ノードＭと円周状のノードＮとによって狭まれた領域
（図２９において、電極Ｅ２１〜Ｅ２４が形成されてい
る領域）について、圧電素子２０の分極特性が逆転する
ような分極処理（図１１に示す分極特性とは正負が逆転
するような特性を持つ処理）を施しておけばよい。

【００７９】もちろん、図２９に示す実施例において、
電極Ｅ２１〜Ｅ２４を形成せずに、電極Ｅ１１〜Ｅ１４
のみを用いても、この角速度センサは動作可能であり、
逆に、電極Ｅ１１〜Ｅ１４を形成せずに、電極Ｅ２１〜
Ｅ２４のみを用いても、この角速度センサは動作可能で
ある。ただ、検出感度を高める上では、上述したよう
に、８枚の電極Ｅ１１〜Ｅ２４を用いるのが好ましい。

【００８０】

【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、重錘体を効率良く振動できるように支持
し、この重錘体に作用するコリオリ力を感度良く検出で
きるようにしたため、小型で高感度の実用的な二軸角速
度センサが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る角速度センサを分解し
た状態を、斜め上方から見た斜視図である。

【図２】本発明の一実施例に係る角速度センサを分解し
た状態を、斜め下方から見た斜視図である。

【図３】図１および図２に示す角速度センサを組み立て
た状態を示す側断面図である。

【図４】図３に示す角速度センサの振動基板３０の上面
図である。

【図５】重錘体７５に対して、図の縦方向の力を作用さ
せたときのダイヤフラムの変形状態を示す側断面図であ
り、破線で示すダイヤフラム７０および重錘体７５は、
力の作用しないときの基準状態を示す。

【図６】重錘体７５に対して、図の右方向の力を作用さ
せたときのダイヤフラムの変形状態を示す側断面図であ
り、破線で示すダイヤフラム７０および重錘体７５は、
力の作用しないときの基準状態を示す。

【図７】一般的なダイヤフラムについてのノードの分布
位置を示す側断面図である。

【図８】図１，２に示す実施例における円筒状構造体５
１によるダイヤフラム７０の支持態様を説明するための
側断面図である。

【図９】図８におけるナイフエッジ５４の先端部分によ
る支持状態を詳細に示す拡大側断面図である。

【図１０】図１，２に示す実施例における圧電素子２０
の上面図であり、円周上のノードＮが破線で示されてい
る。

【図１１】図１，２に示す実施例における圧電素子２０
の分極特性を説明する図である。

【図１２】ダイヤフラム７０に、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘ
を作用させた場合の変形状態および応力分布を示す図で
ある。

【図１３】ダイヤフラム７０に、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘ
を作用させた場合の変形状態および応力分布を示す図で
ある。

【図１４】ダイヤフラム７０に、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚ
を作用させた場合の変形状態および応力分布を示す図で
ある。

【図１５】ダイヤフラム７０に、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚ
を作用させた場合の変形状態および応力分布を示す図で
ある。

【図１６】図１，２に示す実施例において、重錘体４１
に所定方向の力±Ｆｘ，±Ｆｙ，±Ｆｚが作用したと
き、圧電素子２０の上面側の４枚の電極Ｅ１〜Ｅ４に発
生する電荷の極性を示す図である。

【図１７】本発明に係る角速度センサにおけるＸ軸まわ
りの角速度ωｘを検出する原理を示す図である。

【図１８】本発明に係る角速度センサにおけるＹ軸まわ
りの角速度ωｙを検出する原理を示す図である。

【図１９】図１，２に示す実施例において用いる励振電
圧の一例を示す波形図である。

【図２０】図１，２に示す実施例において、角速度ωｘ
および角速度ωｙの両方を検出する具体的な回路の一例
を示す回路図である。

【図２１】図２０に示す回路の動作を説明する波形図で
ある。

【図２２】図２０に示す回路の動作を説明する別な波形
図である。

【図２３】補助圧電素子４０を用いない構造とした変形
例の側断面図である。

【図２４】図２３に示す変形例における圧電素子２５の
上面図である。

【図２５】重錘体を上方に配置した変形例の側断面図で
ある。

【図２６】台座５０を４本のワイヤ部材で吊った変形例
の側断面図である。

【図２７】台座５０を平行な２本のワイヤ部材で吊った
変形例の側断面図である。

【図２８】ダイヤフラムに複数のノードＮ，Ｍが生じる
状態を示す側断面図である。

【図２９】図２８に示すように複数のノードが生じる場
合の電極配置を示す上面図である。

【符号の説明】

１０…回路基板 １１…半田接合部 １２…貫通孔 ２０…圧電素子 ２５…圧電素子 ３０…振動基板 ３１…同心円状スリット ４０…補助圧電素子 ４１，４２…重錘体 ５０…台座 ５１…円筒状構造体 ５２，５３…ワイヤ部材 ５４…ナイフエッジ ５５…円筒状構造体 ５６〜５９…ワイヤ部材 ７０，７０ａ〜７０ｃ…ダイヤフラム ７５，７５ｃ…重錘体 ８０…重錘体 １１０…励振電圧発生回路 １１５…増幅回路 １２１〜１２４…インピーダンス変換回路 １３１，１３２…差動増幅回路 １４１，１４２…同期検波回路 １４３…コンパレータ １５１，１５２…フィルタ回路 １６１，１６２…直流増幅回路 Ａ…上部電極 Ｂ…下部電極 Ｅ０…対向電極 Ｅ１…第１電極 Ｅ２…第２電極 Ｅ３…第３電極 Ｅ４…第４電極 Ｅ５…第５電極 Ｅ６…第６電極 Ｅ７…第７電極 Ｅ１１〜Ｅ２４…電極 Ｎ，Ｎ１，Ｎ２，Ｍ…ノード Ｐ０〜Ｐ７…配線パッド Ｑ…接続箇所 Ｒ…抵抗 Ｔｘ，Ｔｙ…出力端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺尾 博明 長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番 地５ ミヨタ株式会社内 (72)発明者 並木 智雄 長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番 地５ ミヨタ株式会社内 (72)発明者 重田 利靖 長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番 地５ ミヨタ株式会社内 (72)発明者 畠山 稔 長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番 地５ ミヨタ株式会社内 (72)発明者 岡田 和廣 埼玉県上尾市菅谷４丁目73番地

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸まわり
   の角速度ωｘおよびＹ軸まわりの角速度ωｙを検出する
   角速度センサであって、 ＸＹ平面に沿って延びた板状形状を有し、前記座標系の
   原点に位置する中心部を、所定の円周をノードとする振
   動モードでＺ軸方向に振動させることができる可撓性を
   もった振動基板と、 この振動基板に積層するように接合された板状の圧電素
   子と、 前記振動基板の下面を前記ノード位置において直接もし
   くは他の構成要素を介して間接的に支持する台座と、 前記振動基板の中心部に直接もしくは他の構成要素を介
   して間接的に接合された重錘体と、 前記振動基板の上方に所定距離だけ離れて配置された支
   持基板と、 所定の運動自由度を確保した状態で、前記台座を前記支
   持基板に対して吊着するワイヤ部材と、 前記圧電素子に交流電圧を印加することにより、前記重
   錘体がＺ軸方向に振動するような周期的な撓みを前記圧
   電素子に生じさせる励振手段と、 前記励振手段により前記重錘体をＺ軸方向に振動させた
   状態において、前記重錘体に作用するＸ軸方向のコリオ
   リ力およびＹ軸方向のコリオリ力を、前記圧電素子に発
   生する電荷の分布に基づいて検出するコリオリ力検出手
   段と、 検出したＸ軸方向のコリオリ力に基づいてＹ軸まわりの
   角速度ωｙを演算し、検出したＹ軸方向のコリオリ力に
   基づいてＸ軸まわりの角速度ωｘを演算する演算手段
   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、 ＸＹ平面に沿った方向の応力が作用したときに、上面お
   よび下面に所定の電荷が発生する分極特性をもった圧電
   素子を用い、 この圧電素子の上面もしくは下面のいずれか一方の面
   に、Ｘ軸およびＹ軸の双方に関して線対称な配置になる
   ように複数の電極を形成し、他方の面には、この複数の
   電極に対向する位置に電極を形成し、これらの電極に対
   して励振手段による電圧印加を行うとともに、これらの
   電極に発生する電荷をコリオリ力検出手段によって検出
   するように構成したことを特徴とする角速度センサ。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の角速度センサにおい
   て、 圧電素子の一方の面には、Ｘ軸の正の領域に第１の電極
   を、Ｙ軸の正の領域に第２の電極を、Ｘ軸の負の領域に
   第３の電極を、Ｙ軸の負の領域に第４の電極を、それぞ
   れ配置し、圧電素子の他方の面には、前記第１〜第４の
   電極に対向する対向電極を配置し、 励振手段は、前記対向電極を接地電位に固定するととも
   に、前記第１〜第４の電極に対して同一の交流電圧を印
   加することにより、重錘体をＺ軸方向に振動させ、 コリオリ力検出手段は、前記第１の電極に発生する電荷
   と前記第３の電極に発生する電荷との差に基づいてＸ軸
   方向のコリオリ力を検出し、前記第２の電極に発生する
   電荷と前記第４の電極に発生する電荷との差に基づいて
   Ｙ軸方向のコリオリ力を検出することを特徴とする角速
   度センサ。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の角速度センサにおい
   て、 第１〜第４の電極を、振動基板のノードとなる円周より
   内側の領域に配置したことを特徴とする角速度センサ。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載の角速度
   センサにおいて、 振動基板に積層するように接合された板状の補助圧電素
   子を更に設け、振動基板、圧電素子、補助圧電素子によ
   って三層ダイヤフラムが構成されるようにし、 前記補助圧電素子に発生する電荷に基づく信号をフィー
   ドバック信号として励振手段に与え、励振手段によるフ
   ィードバック制御によって振動基板を振動させることが
   できるようにしたことを特徴とする角速度センサ。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の角速度センサにおい
   て、 振動基板の上面に圧電素子が積層され、下面に補助圧電
   素子が積層されるように三層ダイヤフラムを構成し、 この三層ダイヤフラムの下面を台座によって支持すると
   ともに、下面中心部に重錘体を接合するようにしたこと
   を特徴とする角速度センサ。
7. 【請求項７】 請求項２〜４のいずれかに記載の角速度
   センサにおいて、 圧電素子の一方の面に、更に補助電極を設け、この補助
   電極に発生する電荷に基づく信号をフィードバック信号
   として励振手段に与え、励振手段によるフィードバック
   制御によって振動基板を振動させることができるように
   したことを特徴とする角速度センサ。
8. 【請求項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、 振動基板として、同心円状に複数のスリットが形成され
   た可撓性基板を用いたことを特徴とする角速度センサ。
9. 【請求項９】 請求項１〜８のいずれかに記載の角速度
   センサにおいて、 台座を円筒状の構造体によって構成し、その上端部分に
   ナイフエッジを形成し、このナイフエッジの先端部分に
   よって振動基板の下面を直接もしくは間接的に支持する
   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１〜９のいずれかに記載の角速
    度センサにおいて、 支持基板を回路基板として利用し、励振手段、コリオリ
    力検出手段、演算手段の構成要素となる回路素子を、こ
    の回路基板上に実装したことを特徴とする角速度セン
    サ。
11. 【請求項１１】 請求項１〜５および７〜１０のいずれ
    かに記載の角速度センサにおいて、 重錘体を振動基板の上方に配置し、かつ、前記重錘体の
    振動を阻害しないように、支持基板の中央部に貫通孔を
    設けたことを特徴とする角速度センサ。