JPH10227644A - 振動子を用いた角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 角速度検出のための信号処理を単純化する。 【解決手段】 可撓性をもった変位基板１１０と剛性を
もった固定基板１２０とを対向させて装置筐体１４０で
支持する。変位基板１１０に振動子１３０を固着する。
電極Ｅ１５／Ｅ２５間に交流駆動信号を与え、クーロン
力を利用して、振動子１３０を上下に振動させる。電極
Ｅ１１／Ｅ２１により容量素子Ｃ１を、電極Ｅ１２／Ｅ
２２により容量素子Ｃ２を構成し、容量素子Ｃ１を用い
たＣＲ遅延回路と容量素子Ｃ２を用いたＣＲ遅延回路
に、それぞれ位相の異なる周期信号を与え、遅延後の両
周期信号の位相差をＸＯＲ回路で検出する。角速度ωｙ
が作用すると、コリオリ力＋Ｆｘにより変位基板１１０
が傾斜し、両遅延回路の遅延時間に差が生じて位相差が
変化する。位相差の変化態様により角速度ωｙを検出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は振動子を用いた角速
度センサに関し、特に、振動子に作用するコリオリ力を
容量素子の静電容量の変化に基づいて検出する角速度セ
ンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車産業や機械産業などでは、運動す
る物体の加速度や角速度を正確に検出できるセンサの需
要が高まっている。一般に、三次元空間内において自由
運動する物体には、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
とを独立して検出する必要がある。

【０００３】角速度を検出するためのセンサとしては、
振動子を用いた角速度センサが注目を集めている。この
振動子を用いた角速度センサの基本原理は、互いに直交
する３軸について、第１の軸方向に振動子を振動させた
状態において、第２の軸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るも
のである。これは、第１の方向に移動中の物体に対し
て、第３の軸まわりの角速度が作用すると、第２の軸方
向にコリオリ力が作用するという物理現象を利用したも
のである。この第２の軸方向のコリオリ力を検出すれ
ば、第３の軸まわりの角速度を間接的に求めることがで
きる。

【０００４】このような原理に基づく角速度センサとし
て、たとえば、特許協力条約に基づく国際公開第ＷＯ９
４／２３２７２号公報には、コリオリ力を容量素子の静
電容量の変化に基づいて検出することにより、二軸もし
くは三軸まわりの角速度を検出することができる多軸角
速度センサが開示されている。このセンサは、コリオリ
力が作用すると、容量素子の電極間隔に変化が生じるよ
うな構造を有し、容量素子の静電容量の変化をモニタす
ることにより、作用した角速度を検出することが可能に
なる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】振動子に作用するコリ
オリ力を、静電容量素子を利用して検出する上述の角速
度センサは、本体部分の機械的構造が比較的単純になる
ため、大量生産に適し、かなり低コストでの商業利用が
見込まれている。しかしながら、本体部分の構造に比
べ、信号処理回路部分の単純化は不十分であり、実用化
する上でのコスト低下を阻んでいる。すなわち、この種
の角速度センサでは、容量素子の静電容量の変化を何ら
かの電気信号として取り出す信号処理が不可欠である
が、このような信号処理を行うためのアナログ回路はい
くつか提案されているものの、回路構成はかなり複雑な
ものにならざるを得ない。

【０００６】また、デジタル信号を用いた制御技術が一
般化している今日では、角速度センサからの信号を利用
する形態としても、デジタル信号としての利用形態が主
流になってきており、デジタル信号としての利用に適し
た単純な信号処理回路の実現が望まれている。

【０００７】そこで本発明は、単純で効率的な信号処理
回路をもった、振動子を用いた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、第１の軸方向に振動中の
振動子に対して、この第１の軸に直交する第２の軸方向
に作用するコリオリ力を検出することにより、第１の軸
および第２の軸の双方に直交する第３の軸まわりの角速
度を求める角速度センサにおいて、センサを構成する要
素の一部もしくは全部を収容する装置筐体と、装置筐体
内に収容された振動子と、第１の軸方向に振動すること
ができ、かつ、第２の軸方向のコリオリ力の作用により
傾斜することができるように、振動子を装置筐体に対し
て所定の自由度をもって支持する支持手段と、振動子を
第１の軸方向に、所定の周期φで振動させる駆動手段
と、振動子側に形成された変位電極と、装置筐体側に形
成された固定電極と、を有し、第２の軸の正方向を向い
たコリオリ力が作用したとき、振動子の傾斜により電極
間隔が小さくなり、第２の軸の負方向を向いたコリオリ
力が作用したとき、振動子の傾斜により電極間隔が大き
くなるように配置された第１の容量素子と、振動子側に
形成された変位電極と、装置筐体側に形成された固定電
極と、を有し、第２の軸の正方向を向いたコリオリ力が
作用したとき、振動子の傾斜により電極間隔が大きくな
り、第２の軸の負方向を向いたコリオリ力が作用したと
き、振動子の傾斜により電極間隔が小さくなるように配
置された第２の容量素子と、第１の容量素子と抵抗素子
とを組み合わせてなる第１の遅延回路と、第２の容量素
子と抵抗素子とを組み合わせてなる第２の遅延回路と、
周期φをもった第１の周期信号を発生し、この第１の周
期信号を第１の遅延回路に与える第１の信号供給回路
と、周期φをもち、第１の周期信号に対して所定の位相
差ｐをもった第２の周期信号を発生し、この第２の周期
信号を第２の遅延回路に与える第２の信号供給回路と、
第１の遅延回路から出力される第１の遅延信号と、第２
の遅延回路から出力される第２の遅延信号と、の位相差
を示す位相差信号を生成する位相差検出回路と、この位
相差信号を周期φ／２ごとの期間に区切り、奇数番目の
期間に示された位相差および偶数番目の期間に示された
位相差の少なくとも一方に基づいて第３の軸まわりの角
速度を検出する角速度検出回路と、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
の態様に係る振動子を用いた角速度センサにおいて、第
２の容量素子として、振動子側に形成された変位電極
と、装置筐体側に形成された固定電極と、を有する可変
容量素子を用いる代わりに、所定の固定容量をもった固
定容量素子を用いるようにしたものである。

【００１０】(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１
または第２の態様に係る振動子を用いた角速度センサに
おいて、角速度検出回路が、奇数番目の期間に示された
位相差と偶数番目の期間に示された位相差との差に基づ
いて角速度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１
または第２の態様に係る振動子を用いた角速度センサに
おいて、位相差検出回路が、第１の遅延信号と第２の遅
延信号との排他的論理和を求める第１の論理素子により
位相差検出を行い、この第１の論理素子が出力する位相
差信号のパルス幅によって位相差を示すようにし、角速
度検出回路が、周期φをもった第３の周期信号を発生す
る第３の信号供給回路と、この第３の周期信号と位相差
信号との論理積を求める第２の論理素子と、を有し、こ
の第２の論理素子により、位相差信号の奇数番目のパル
スと偶数番目のパルスとを分離し、奇数番目のパルスの
パルス幅および偶数番目のパルスのパルス幅の少なくと
も一方に基づいて角速度を検出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
または第２の態様に係る振動子を用いた角速度センサに
おいて、位相差検出回路が、第１の遅延信号と第２の遅
延信号との排他的論理和を求める第１の論理素子により
位相差検出を行い、この第１の論理素子が出力する位相
差信号のパルス幅によって位相差を示すようにし、角速
度検出回路が、周期φをもった第３の周期信号を発生す
る第３の信号供給回路と、この第３の周期信号に対して
論理反転状態にある第４の周期信号を発生する第４の信
号供給回路と、第３の周期信号と位相差信号との論理積
を求める第２の論理素子と、位相差信号に対して論理反
転状態にある反転位相差信号を発生する第３の論理素子
と、第４の周期信号と反転位相差信号との論理積を求め
る第４の論理素子と、第２の論理素子の出力信号と第４
の論理素子の出力信号との論理和を求める第５の論理素
子と、を有し、第５の論理素子の出力信号のパルス幅に
基づいて角速度を検出す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１
〜第５の態様に係る振動子を用いた角速度センサにおい
て、角速度検出回路が、コリオリ力が作用していない状
態における位相差を基準値として定義し、実際に検出さ
れた位相差が基準値より大きい場合には、その差分を第
１の回転方向に関する角速度として出力し、実際に検出
された位相差が基準値より小さい場合には、その差分
を、第１の回転方向とは逆の第２の回転方向に関する角
速度として出力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１
〜第６の態様に係る振動子を用いた角速度センサにおい
て、駆動手段に、振動子側に形成された変位電極と装置
筐体側に形成された固定電極とからなる駆動用容量素子
と、この駆動用容量素子に対して周期φの交流駆動信号
を供給する駆動信号供給回路と、を設け、駆動用容量素
子内に作用するクーロン力により振動子を振動させるよ
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６の態様に係る振動子を用いた角速度センサにおい
て、振動子の少なくとも一部を磁性材料によって構成
し、駆動手段に、振動子の磁性材料部分に作用する磁場
を発生させる磁場発生部と、この磁場発生部に周期φの
交流信号を供給する駆動信号供給回路と、を設け、磁場
発生部に交流信号に基づいた周期的磁場を発生させて振
動子を振動させ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
の態様に係る振動子を用いた角速度センサにおいて、一
部分が装置筐体に固定され、かつ、一部分に振動子が固
定された可撓性をもった変位基板によって支持手段を構
成し、この変位基板に対向するように、装置筐体に固定
基板を設け、変位基板上に形成された変位電極と、固定
基板上に形成された固定電極と、によって容量素子を構
成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
９の態様に係る振動子を用いた角速度センサにおいて、
変位基板に垂直で、かつ、振動子の重心と第３の軸方向
とを含む平面を定義し、この平面に対して第１の側に第
１の容量素子を形成し、この平面に対して第１の側とは
逆の第２の側に第２の容量素子を形成するようにしたも
のである。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示する実施形態
に基づいて説明する。

【００１９】§１． センサ本体部の基本構造 図１は、本発明の一実施形態に係る角速度センサのセン
サ本体部の基本構造を示す側断面図である。この角速度
センサには、この図１に示すセンサ本体部の他に、信号
処理回路が必要であるが、信号処理回路の構成について
は後述する。

【００２０】図１に示すように、変位基板１１０と固定
基板１２０とは、互いに所定間隔を保って対向するよう
に配置されており、変位基板１１０の下面には、所定の
質量をもった振動子１３０が固着されている。ここに示
す例では、変位基板１１０および固定基板１２０は、い
ずれも円盤状の基板であり、その周囲部分が装置筐体１
４０によって固定されている。また、変位基板１１０の
下面に固着された振動子１３０は、この実施形態では、
円柱状の錘りである。一方、装置筐体１４０は、円筒状
の構造体であり、変位基板１１０の外周部および固定基
板１２０の外周部は、この装置筐体１４０の内周部に固
着されている。

【００２１】ここでは、説明の便宜上、静止状態の振動
子１３０の重心Ｇの位置に原点Ｏを定義し、図の右方に
Ｘ軸、紙面に垂直な方向にＹ軸、図の上方にＺ軸をとっ
たＸＹＺ三次元座標系を考えることにする。変位基板１
１０は、可撓性を有しており、いわゆるダイヤフラムと
して機能する基板であり、外力を加えることにより、振
動子１３０をＺ軸方向に振動させることができる。これ
に対して、固定基板１２０は剛性を有し、外力が作用し
ても実質的な撓みは生じない。変位基板１１０と固定基
板１２０とは、いずれもＸＹ平面に平行になるように支
持されており、外力が作用しない状態では、両基板は互
いに平行になる。

【００２２】変位基板１１０の上面には、図２の上面図
に示されているように、５枚の電極Ｅ１１〜Ｅ１５が形
成されている。電極Ｅ１１，Ｅ１２はいずれもＸ軸に関
して線対称の同一形状を有し、両者は互いにＹ軸に関し
て線対称となる位置に配置されている。一方、電極Ｅ１
３，Ｅ１４はいずれもＹ軸に関して線対称の同一形状を
有し、両者は互いにＸ軸に関して線対称となる位置に配
置されている。また、電極Ｅ１５は、その中心がＺ軸上
に位置する円盤状の電極である。この５枚の電極Ｅ１１
〜Ｅ１５は、変位基板１１０とともに変位する電極であ
り、以下、変位電極と呼ぶことにする。

【００２３】一方、固定基板１２０の下面には、図３の
下面図に示されているように、５枚の電極Ｅ２１〜Ｅ２
５が形成されている。これらの電極は固定基板１２０側
に固定された電極であるため、以下、固定電極と呼ぶ。
５枚の固定電極Ｅ２１〜Ｅ２５は、それぞれ５枚の変位
電極Ｅ１１〜Ｅ２５と同じ形状の電極であり、各変位電
極に対して鏡像関係の位置に配置されている。したがっ
て、変位電極Ｅ１１〜Ｅ１５とこれに対向する固定電極
Ｅ２１〜Ｅ２５とによって、５組の容量素子が形成され
ることになる。ここでは、電極対Ｅ１１，Ｅ２１からな
る容量素子を第１の容量素子Ｃ１と呼び、電極対Ｅ１
２，Ｅ２２からなる容量素子を第２の容量素子Ｃ２と呼
び、電極対Ｅ１３，Ｅ２３からなる容量素子を第３の容
量素子Ｃ３と呼び、電極対Ｅ１４，Ｅ２４からなる容量
素子を第４の容量素子Ｃ４と呼び、電極対Ｅ１５，Ｅ２
５からなる容量素子を第５の容量素子Ｃ５と呼ぶことに
する。

【００２４】§２． 角速度の検出原理 ここで述べる実施形態の角速度センサは、装置全体に作
用するＸ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ω
ｙとを同時に検出することができる二軸角速度センサで
ある。たとえば、振動子１３０をＺ軸方向に振動させた
状態において、この装置筐体１４０に対してＹ軸まわり
の角速度ωｙが作用すると、Ｘ軸方向にコリオリ力Ｆｘ
が作用する（振動子１３０の質量をｍ、速度をＶｚとす
ると、作用するコリオリ力Ｆｘは、Ｆｘ＝２・ｍ・Ｖｚ
・ωｙとなる）。したがって、このコリオリ力Ｆｘを検
出することができれば、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを間接
的に求めることができる。Ｘ軸上に配置された第１の容
量素子Ｃ１と第２の容量素子Ｃ２とは、このＸ軸方向の
コリオリ力Ｆｘを検出する機能を有する。ここで、ＹＺ
平面（変位基板１１０に垂直で、かつ、振動子１３０の
重心ＧとＹ軸とを含む平面）を考えると、第１の容量素
子Ｃ１は、このＹＺ平面の第１の側に位置し、第２の容
量素子Ｃ２は、このＹＺ平面の第２の側に位置する。こ
のように、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｘを効率良く検出す
るためには、ＹＺ平面のそれぞれ反対側に、かつ対称と
なる位置に配置された一対の容量素子Ｃ１，Ｃ２を用い
るのが好ましい。

【００２５】また、振動子１３０をＺ軸方向に振動させ
た状態において、装置筐体１４０に対してＸ軸まわりの
角速度ωｘが作用すると、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆｙが
作用する。したがって、このコリオリ力Ｆｙを検出する
ことができれば、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを間接的に求
めることができる。Ｙ軸上に配置された第３の容量素子
Ｃ３と第４の容量素子Ｃ４とは、このＹ軸方向のコリオ
リ力Ｆｙを検出する機能を有する。ここで、ＸＺ平面
（変位基板１１０に垂直で、かつ、振動子１３０の重心
ＧとＸ軸とを含む平面）を考えると、第３の容量素子Ｃ
３は、このＸＺ平面の第１の側に位置し、第４の容量素
子Ｃ４は、このＸＺ平面の第２の側に位置する。このよ
うに、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙを効率良く検出するた
めには、ＸＺ平面のそれぞれ反対側に、かつ対称となる
位置に配置された一対の容量素子Ｃ３，Ｃ４を用いるの
が好ましい。

【００２６】上述したように、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４は
いずれもコリオリ力の検出に用いられる検出用容量素子
であるのに対し、第５の容量素子Ｃ５は振動子１３０を
Ｚ軸方向に振動させるために用いられる駆動用容量素子
である。ここでは、この駆動用容量素子Ｃ５を用いて、
振動子１３０を振動させる原理を説明しよう。いま、図
４の側断面図に示すように、変位電極Ｅ１５に正電荷を
供給し、固定電極Ｅ２５に負電荷を供給した場合を考え
よう（電荷の極性をそれぞれ逆にしてもよい）。このよ
うに、対向する一対の電極にそれぞれ異なる電荷を供給
すると、両者間にクーロン力が作用し、両電極間に引力
が働くことになる。ここで、固定基板１２０は剛性をも
った基板であるのに対し、変位基板１１０は可撓性をも
った基板であるため、このクーロン引力により、図４に
示されているように、変位基板１１０が撓み（弾性変
形）を生じ、変位電極Ｅ１５が固定電極Ｅ２５へ接近す
ることになる。別言すれば、振動子１３０はＺ軸正方向
に速度＋Ｖｚをもって運動することになる。

【００２７】このように、振動子１３０がＺ軸正方向に
移動中に、変位電極Ｅ１５および固定電極Ｅ２５への電
荷供給を中止すると、クーロン引力は消滅する。する
と、変位基板１１０のもつ弾性変形に対する復元力によ
り、振動子１３０はＺ軸負方向に速度−Ｖｚをもって運
動することになる。このとき、振動子１３０の重心Ｇ
は、もとの原点Ｏの位置（図１に示す静止状態の位置）
を通り越し、図５の側断面図に示されているように、更
に下方へと運動を続けることになる。

【００２８】そこで、図６に示すように、周期φをもっ
た交流駆動信号Ｕを変位電極Ｅ１５と固定電極Ｅ２５と
の間に供給すれば、振動子１３０は周期φをもってＺ軸
方向に振動することになる。実際には、たとえば、固定
電極Ｅ２５を接地し、変位電極Ｅ１５に対して、図６に
示すような交流駆動信号Ｕを供給すればよい。もっと
も、交流駆動信号Ｕによってエネルギーが供給されてい
る期間は、周期φの前半期間ｔ１のみであり、後半期間
ｔ２には、何らエネルギー供給は行われていないので、
振動子１３０の振動は、原点Ｏ（静止状態にあるときの
重心Ｇの位置）を中心とした単振動にはならない。すな
わち、Ｚ軸正方向への運動は、クーロン力によってＺ軸
正方向に積極的に吸引することにより得られる運動であ
るのに対し、Ｚ軸負方向への運動は、Ｚ軸負方向に積極
的に吸引することにより得られる運動ではなく、変位基
板１１０の復元力に基づく運動である。このため、原点
Ｏの位置を基準としたとき、Ｚ軸正方向の振幅とＺ軸負
方向の振幅とは、必ずしも等価にはならない。しかしな
がら、中心位置が原点Ｏよりやや上方へ移動するもの
の、振動子１３０の上下運動はほぼ単振動となり、実用
上は問題はない。もちろん、周期φの後半期間ｔ２にお
いて、Ｚ軸負方向へのクーロン力を作用させるような機
構を付加すれば、原点Ｏを中心とした単振動を行わせる
ことは可能であるが、構造はより複雑にならざるを得な
い。

【００２９】結局、このような交流駆動信号Ｕを駆動用
容量素子Ｃ５に供給することにより、振動子１３０は、
図６に示すような速度Ｖｚをもって、周期φでＺ軸の正
負両方向に運動することになる（実際には、速度Ｖｚ
は、図示のような鋸歯状波ではなく、正弦波に近いなだ
らかな波形になると予想されるが、ここでは説明の便宜
上、図示のような単純な波形を示す）。速度Ｖｚ＝０の
時点は、振動子１３０が最大振幅位置（最上点もしくは
最下点位置）に到達した時点に相当する。図６の期間Ｐ
は、速度Ｖｚが正の値をとる第１の期間Ｐ１と、負の値
をとる第２の期間Ｐ２とが交互に現れることを示してお
り、各期間Ｐ１，Ｐ２は、周期φの半分の長さをもった
期間になる。別言すれば、第１の期間Ｐ１は、図４に示
すように、振動子１３０が図の上方へと運動している期
間であり、第２の期間Ｐ２は、図５に示すように、振動
子１３０が図の下方へと運動している期間である。

【００３０】このように、振動子１３０がＺ軸に沿って
振動している限りでは、変位基板１１０と固定基板１２
０とは平行な関係を維持している。すなわち、図４に示
す状態では、両基板の間隔は小さくなり、図５に示す状
態では、両基板の間隔は大きくなるが、両基板が平行で
あるという関係は維持されている。ところが、Ｙ軸まわ
りの角速度ωｙが作用している状態では、Ｘ軸方向のコ
リオリ力が発生するため、この両基板の平行状態は維持
されなくなる。たとえば、図７の側断面図に示すよう
に、装置筐体１４０に対してＹ軸まわりの角速度ωｙが
作用していた状態において、振動子１３０が速度＋Ｖｚ
で図の上方へ運動すると、Ｘ軸正方向のコリオリ力＋Ｆ
ｘが発生することになる。振動子１３０に対して、この
ようなコリオリ力＋Ｆｘが作用すると、変位基板１１０
には図示のような撓みが生じ、振動子１３０は図示のよ
うに傾斜することになる。その結果、通常の状態（角速
度が作用していない状態）に比べると、第１の容量素子
Ｃ１を構成する一対の電極Ｅ１１，Ｅ１２の電極間隔は
小さくなり、逆に、第２の容量素子Ｃ２を構成する一対
の電極Ｅ１２，Ｅ２２の電極間隔は大きくなる。別言す
れば、角速度ωｙの作用により、第１の容量素子Ｃ１の
静電容量値は大きくなり、第２の容量素子Ｃ２の静電容
量値は小さくなる。

【００３１】ところが、図８の側断面図に示すように、
振動子１３０が速度−Ｖｚで図の下方へ運動すると、運
動方向が逆転したために、作用するコリオリ力の方向も
逆転することになり、Ｘ軸負方向のコリオリ力−Ｆｘが
発生することになる。振動子１３０に対して、このよう
なコリオリ力−Ｆｘが作用すると、変位基板１１０には
図８に示すような撓みが生じ、振動子１３０は図７とは
逆の方向に傾斜することになる。その結果、通常の状態
（角速度が作用していない状態）に比べると、第１の容
量素子Ｃ１を構成する一対の電極Ｅ１１，Ｅ１２の電極
間隔は大きくなり、逆に、第２の容量素子Ｃ２を構成す
る一対の電極Ｅ１２，Ｅ２２の電極間隔は小さくなる。
別言すれば、角速度ωｙの作用により、第１の容量素子
Ｃ１の静電容量値は小さくなり、第２の容量素子Ｃ２の
静電容量値は大きくなる。

【００３２】ここで注意すべき点は、上述の議論で、各
容量素子の静電容量値が「大きくなる」、あるいは「小
さくなる」という表現は、あくまでも角速度ωｙが作用
していない通常の状態と、角速度ωｙが作用したときの
状態とを比較した表現である。すなわち、振動子１３０
を振動させた状態においては、角速度が何ら作用してい
なくても、各容量素子の電極間隔は周期φで狭くなった
り広くなったり、周期的に変化を繰り返している。たと
えば、図４に示すように、振動子１３０が図の上方へと
移動した時点では、各容量素子の電極間隔は狭くなり、
静電容量値は大きくなるのに対し、図５に示すように、
振動子１３０が図の下方へと移動した時点では、各容量
素子の電極間隔は広くなり、静電容量値は小さくなる。
このように、各容量素子の静電容量値は、周期φで絶え
ず変化していることになる。

【００３３】結局、各容量素子の静電容量値の変化分に
は、振動子１３０の振動に起因する要素と、角速度の作
用に起因する要素とが含まれていることになる。本発明
に係る角速度センサでは、次の§３で述べる信号処理回
路を採用することにより、角速度の作用に起因する要素
のみを抽出することができる。

【００３４】§３． 角速度を検出するための信号処理
回路 図９は、本発明に係る角速度センサに用いる信号処理回
路の一部を示す回路図である。この回路図で、可変容量
素子Ｃ１，Ｃ２は、それぞれ上述したセンサ本体部にお
ける第１の容量素子Ｃ１および第２の容量素子Ｃ２に相
当する。実際には、この例では、図９の容量素子Ｃ１の
接地側の電極が固定電極Ｅ２１であり、抵抗素子Ｒ１に
接続されている電極が変位電極Ｅ１１である。同様に、
図９の容量素子Ｃ２の接地側の電極が固定電極Ｅ２２で
あり、抵抗素子Ｒ２に接続されている電極が変位電極Ｅ
１２である。ここで、容量素子Ｃ１および抵抗素子Ｒ１
により第１の遅延回路が構成され、容量素子Ｃ２および
抵抗素子Ｒ２により第２の遅延回路が構成されており、
抵抗素子Ｒ１の抵抗値と抵抗素子Ｒ２の抵抗値は互いに
等しい。

【００３５】ここで、図の入力端子Ｔ１に周期φをもっ
た第１の周期信号φ１を与えると、第１の遅延回路（Ｒ
１，Ｃ１）からは第１の遅延信号Ｄ１が出力され、図の
入力端子Ｔ２に周期φをもった第２の周期信号φ２を与
えると、第２の遅延回路（Ｒ２，Ｃ２）からは第２の遅
延信号Ｄ２が出力されることになる。これら一対の遅延
信号Ｄ１，Ｄ２は、排他的論理和演算を行う論理素子Ｌ
１に与えられ、両遅延信号Ｄ１，Ｄ２の位相差を示す位
相差信号Ａが出力端子Ｔ３に得られる。

【００３６】いま、この図９に示す回路に対して、図１
０に示すような第１の周期信号φ１および第２の周期信
号φ２を与えた場合を考える。ここで、第１の周期信号
φ１は、周期φをもったデューティ比５０％の矩形波信
号である。また、第２の周期信号φ２は、同じく周期φ
をもったデューティ比５０％の矩形波信号であるが、第
１の周期信号φ１に対して所定の移動差ｐをもった信号
である。ここでは、位相差ｐ＝π／２（周期φの１／
４）に設定している。

【００３７】第１の遅延信号Ｄ１および第２の遅延信号
Ｄ２は、それぞれ第１の周期信号φ１および第２の周期
信号φ２を遅延させて得られる信号であるから、遅延時
間をそれぞれｄ１，ｄ２とすれば、図１０に示すような
信号になる。なお、実際には、ＣＲ遅延回路を通った遅
延信号は、波形になまりが生じることになるが、本願の
波形図では、説明の便宜上、各信号をなまりのない状態
で示すことにする。

【００３８】さて、ここではまず、角速度が作用してい
ない通常の状態におけるこの信号処理回路の動作を考え
てみる。いま、振動子１３０をＺ軸方向に周期φで振動
させると、容量素子Ｃ１，Ｃ２を構成する一対の電極の
間隔は、大きくなったり小さくなったりするので、容量
素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値は周期φで変化することに
なる。しかしながら、既に述べたように、角速度が作用
していない状態では、振動子１３０は傾斜することなし
に振動するので、容量素子Ｃ１の静電容量値と容量素子
Ｃ２の静電容量値とはどの瞬間においても互いに等しく
なる。このため、図９に示す回路図における第１の遅延
回路（Ｒ１，Ｃ１）による遅延時間ｄ１と、第２の遅延
回路（Ｒ２，Ｃ２）による遅延時間ｄ２とは等しくな
る。したがって、第１の遅延信号Ｄ１と第２の遅延信号
Ｄ２との間には、第１の周期信号φ１と第２の周期信号
φ２との位相差ｐ（この例の場合、ｐ＝π／２）がその
まま維持され、位相差信号Ａとしては、図１０に示すよ
うに、期間ｔ１０もしくは期間ｔ２０に相当するパルス
幅をもったパルス信号が得られる。ここで、期間ｔ１０
＝ｔ２０であり、これは位相差ｐに相当する期間にな
る。

【００３９】図１０のタイミングチャートの位相差信号
Ａにおける期間ｔ１０は、奇数番目のパルスの期間を示
し、期間ｔ２０は、偶数番目のパルスの期間を示してい
る（ここでは、便宜上、第１の周期信号φ１の最初の立
上がりエッジ部分を起点として、それ以後に最初に現れ
るパルスを奇数番目のパルスとして数えることにす
る）。このように、角速度が作用していない状態では、
ｔ１０＝ｔ２０となる。ここではこのパルス幅を基準幅
と呼ぶことにする。ところが、Ｙ軸まわりの角速度ωｙ
が作用した環境下では、位相差信号Ａに含まれるパルス
のパルス幅が、この基準幅から外れることになる。別言
すれば、第１の遅延信号Ｄ１と第２の遅延信号Ｄ２との
位相差が、角速度ωｙの作用により変化することにな
る。その理由は、§２で述べた検出原理を考慮すれば、
容易に理解できよう。すなわち、角速度ωｙが作用する
と、図７あるいは図８に示すように、振動子１３０が傾
斜するため、容量素子Ｃ１の静電容量値と容量素子Ｃ２
の静電容量値との間に差が生じることになり、第１の遅
延回路（Ｒ１，Ｃ１）による遅延時間ｄ１と、第２の遅
延回路（Ｒ２，Ｃ２）による遅延時間ｄ２とに差が生じ
るからである。

【００４０】ここでは、図１１に示すタイミングチャー
トを参照しながら、角速度ωｙが作用している環境下で
のこの信号処理回路の動作を説明しよう。既に述べたよ
うに、駆動用容量素子Ｃ５に対し、周期φをもった交流
駆動信号Ｕを供給すると、振動子１３０はＺ軸方向の速
度ＶｚをもってＺ軸方向に振動することになる。このと
き、図１１に期間Ｐとして示すように、速度Ｖｚが正の
値をとる第１の期間Ｐ１と、負の値をとる第２の期間Ｐ
２とが交互に現れることになるが、第１の期間Ｐ１で
は、図７に示すように振動子１３０が傾斜し、第２の期
間Ｐ２では、図８に示すように振動子１３０が傾斜す
る。このように、振動子１３０を振動させた状態におい
て、図９に示す回路に第１の周期信号φ１および第２の
周期信号φ２を供給すると、図１１に示すような第１の
遅延信号Ｄ１および第２の遅延信号Ｄ２が得られること
になる。

【００４１】ここで、図１１に示す第１の遅延信号Ｄ１
の立上がりエッジの遅延時間ｄ１１は、図１０に示す遅
延時間ｄ１よりも大きくなり、逆に、立ち下がりエッジ
の遅延時間ｄ１２は、図１０に示す遅延時間ｄ１よりも
小さくなる。これは、遅延時間ｄ１１は第１の期間Ｐ１
に得られる遅延時間であるのに対し、遅延時間ｄ１２は
第２の期間Ｐ２に得られる遅延時間であるためである。
すなわち、第１の期間Ｐ１では、図７に示すように振動
子１３０が傾斜するため、容量素子Ｃ１の容量値は、振
動子１３０が傾斜しない状態（すなわち、角速度が作用
していない状態）に比べて大きくなり、遅延時間ｄ１１
はｄ１よりも大きくなる。逆に、第２の期間Ｐ２では、
図８に示すように振動子１３０が傾斜するため、容量素
子Ｃ１の容量値は、振動子１３０が傾斜しない状態（す
なわち、角速度が作用していない状態）に比べて小さく
なり、遅延時間ｄ１２はｄ１よりも小さくなる。

【００４２】一方、図１１に示す第２の遅延信号Ｄ２の
立上がりエッジの遅延時間ｄ２１は、図１０に示す遅延
時間ｄ２よりも小さくなり、逆に、立ち下がりエッジの
遅延時間ｄ２２は、図１０に示す遅延時間ｄ２よりも大
きくなる。これは、遅延時間ｄ２１は第１の期間Ｐ１に
得られる遅延時間であるのに対し、遅延時間ｄ２２は第
２の期間Ｐ２に得られる遅延時間であるためである。す
なわち、第１の期間Ｐ１では、図７に示すように振動子
１３０が傾斜するため、容量素子Ｃ２の容量値は、振動
子１３０が傾斜しない状態（すなわち、角速度が作用し
ていない状態）に比べて小さくなり、遅延時間ｄ２１は
ｄ２よりも小さくなる。逆に、第２の期間Ｐ２では、図
８に示すように振動子１３０が傾斜するため、容量素子
Ｃ２の容量値は、振動子１３０が傾斜しない状態（すな
わち、角速度が作用していない状態）に比べて大きくな
り、遅延時間ｄ２２はｄ２よりも大きくなる。

【００４３】このように、角速度ωｙの作用により、両
周期信号の遅延時間に変化が生じると、位相差信号Ａと
しては、図１１に示すように、期間ｔ１１もしくは期間
ｔ２１に相当するパルス幅をもったパルス信号になる。
ここで、一点鎖線で示すパルスは、図１０に示した期間
ｔ１０＝ｔ２０と同じパルス幅、すなわち標準幅をもっ
たパルスを示すものである。この図１１のタイミングチ
ャートの位相差信号Ａにおける期間ｔ１１は、奇数番目
のパルスの期間を示し、期間ｔ２１は、偶数番目のパル
スの期間を示している。このように、本発明に係る信号
処理回路では、奇数番目のパルスと偶数番目のパルスと
で、異なる挙動をとることは注目すべきである。すなわ
ち、この例では、奇数番目のパルスは、パルス幅がいず
れも基準幅より小さくなっているのに対し、偶数番目の
パルスは、パルス幅がいずれも基準幅より大きくなって
いる。

【００４４】ここで、実際のパルス幅と基準幅との差
は、作用した角速度ωｙの大きさに対応する。すなわ
ち、大きな角速度が作用すれば、それだけ大きなコリオ
リ力が作用し、振動子１３０は大きく傾斜するので、静
電容量値は大きく変化し、遅延時間も大きく変化するこ
とになる。また、作用する角速度ωｙの向き（右まわり
か、左まわりか）は、実際のパルス幅が基準幅より大き
くなるか、小さくなるか、を決定する要因となる。すな
わち、図７あるいは図８の例では、図において左まわり
の矢印で示す角速度ωｙが作用した場合を示したが、逆
に、右まわりの矢印で示す角速度−ωｙが作用した場合
には（本出願では、図において左まわりの角速度を正、
右まわりの角速度を負と便宜上定義している）、コリオ
リ力の方向が逆転し、これまで述べてきた現象と逆の現
象が起こることになる。その結果、図１１に示す位相差
信号Ａとは逆に、奇数番目のパルスは、パルス幅が基準
幅より大きくなり、偶数番目のパルスは、パルス幅が基
準幅より小さくなる。

【００４５】このように、位相差信号Ａに含まれる１つ
のパルスのパルス幅を測定し、交流駆動信号φとの位相
関係に基づいて、この１つのパルスが奇数番目のパルス
か偶数番目のパルスかを特定し、測定したパルス幅を基
準幅と比較することにより、瞬時の角速度ωｙの向きと
大きさとを認識することができる。したがって、時系列
で得られるパルスのパルス幅を次々と測定してゆけば、
角速度の値を連続的に得ることができる。また、パルス
幅の積算値を求めるようにすれば、ある程度の期間内の
平均的な角速度値を得ることができる。

【００４６】ただ、位相差信号Ａに含まれる奇数番目の
パルスと偶数番目のパルスとは、互いに異なる挙動をと
るため、別個の取り扱いをする必要がある。たとえば積
算値を求める場合、全パルスについてのパルス幅をその
まま積算してしまうと正しい結果は得られない。すなわ
ち、図１１に示す位相差信号Ａの全パルスについてのパ
ルス幅を積算すると、基準幅よりも小さなパルス幅をも
った奇数番目のパルスと基準幅よりも大きなパルス幅を
もった偶数番目のパルスとが相殺されてしまう。そこ
で、位相差信号Ａを周期φ／２ごとの期間に区切り、奇
数番目のパルスが存在する奇数番目の期間と、偶数番目
のパルスが存在する偶数番目の期間とを定義し、奇数番
目のパルスについてのパルス幅と偶数番目のパルスにつ
いてのパルス幅とを別個独立して求めるようにすればよ
い。

【００４７】たとえば、図１１に示すように、第３の周
期信号φ３を用意する。この第３の周期信号φ３は、周
期φをもつデューティー比５０％の矩形波信号である
が、図にハッチングを施したハイレベルの区間に、位相
差信号Ａの奇数番目のパルス（期間ｔ１１のパルス幅を
もつパルス）が含まれるように位相を調整した信号であ
る。たとえば、試作用のセンサ本体部と試作用の回路と
を用いて、位相差信号Ａを実験的に求め、この位相差信
号Ａに含まれる奇数番目のパルスの中心位置が、第３の
周期信号φ３のハイレベル区間の中心位置に一致するよ
うに、位相差の調整を行うようにすればよい。そして、
この第３の周期信号φ３と、位相差信号Ａとの論理積に
相当する信号を求めれば、この信号には、奇数番目のパ
ルスのみが含まれることになるので、奇数番目のパルス
のパルス幅のみを選択的に取り出すことが可能になる。
逆に、図１１に示すように、第３の周期信号φ３に対し
て論理反転状態にある第４の周期信号φ３^＊を用意し、
この第４の周期信号φ３^＊と、位相差信号Ａとの論理積
に相当する信号を求めれば、この信号には、偶数番目の
パルスのみが含まれることになるので、偶数番目のパル
スのパルス幅のみを選択的に取り出すことが可能にな
る。

【００４８】なお、パルス幅を積算するには、たとえ
ば、選択的に取り出した一方のパルスを含んだ信号を平
滑用コンデンサに与えて平滑化し、アナログ電圧値とし
て積算値を得る手法を採ることもできるし、あるいは、
周期φに対して十分に短い周期で動作するカウンタによ
りパルス幅をカウントし、デジタルカウント値として積
算値を得る手法を採ることもできる。

【００４９】こうして得られた奇数番目のパルスについ
てのパルス幅も、偶数番目のパルスについてのパルス幅
も、いずれも角速度ωｙの向きおよび大きさに関する情
報を有している。すなわち、前者は、図１１に示す位相
差信号Ａの期間ｔ１１に相当するものであるから、標準
幅よりも小さければ、左まわりの角速度ωｙの作用を示
し、標準幅よりも大きければ、右まわりの角速度−ωｙ
の作用を示すことになる。逆に、後者は、図１１に示す
位相差信号Ａの期間ｔ２１に相当するものであるから、
標準幅よりも大きければ、左まわりの角速度ωｙの作用
を示し、標準幅よりも小さければ、右まわりの角速度−
ωｙの作用を示すことになる。また、いずれの場合も、
標準幅と実際のパルス幅との差が、作用した角速度の大
きさを示すことになる。

【００５０】このように、奇数番目のパルスについての
パルス幅も、偶数番目のパルスについてのパルス幅も、
いずれも角速度ωｙの向きおよび大きさに関する情報を
有しているので、原理的には、いずれか一方だけを用い
て角速度の検出が可能である。しかしながら、精度の高
い検出値を得る上では、両方のパルス幅をともに利用す
るのが好ましい。そのためには、奇数番目のパルスにつ
いてのパルス幅と、偶数番目のパルスについてのパルス
幅との差をとるようにすればよい。同じ角速度が作用し
た場合、奇数番目のパルスと偶数番目のパルスとは、一
方のパルス幅が大きくなると、他方のパルス幅は小さく
なるという相補的な挙動をとるため、両者の差をとるこ
とにより、両方をともに利用した検出が可能になる。こ
のように、奇数番目のパルスと偶数番目のパルスとの双
方を利用した検出を行うことができる、より実用的な信
号処理回路を以下に述べる。

【００５１】§４． 角速度を検出するための実用的な
信号処理回路 図１２は、本発明に係る角速度センサに用いる実用的な
信号処理回路を示す回路図である。この信号処理回路
は、検出用回路７１と駆動用回路７２とによって構成さ
れている。検出用回路７１は、図１に示すセンサ本体部
を用いて、Ｙ軸まわりに作用する角速度ωｙを検出する
ための回路であり、駆動用回路７２は、そのような検出
を行う際に、振動子１３０をＺ軸方向に振動させるため
の駆動を行う回路である。

【００５２】ここで、検出用回路７１の上段に示された
抵抗素子Ｒ１，Ｒ２、容量素子Ｃ１，Ｃ２、排他的論理
和演算を行う論理回路Ｌ１は、図９に示した回路の各構
成要素と全く同じものである。また、第１の信号供給回
路１０は、第１の周期信号φ１を発生させる回路を示し
ており、第２の信号供給回路２０は、第２の周期信号φ
２を発生させる回路を示している。この信号処理回路で
は、更に、第３の周期信号φ３を発生させて入力端子Ｔ
４に与える第３の信号供給回路３０と、第４の周期信号
φ３^＊を発生させて入力端子Ｔ５に与える第４の信号供
給回路４０とが設けられている。ここで、第３の周期信
号φ３，第４の周期信号φ３^＊は、図１１のタイミング
チャートに示された各信号である。

【００５３】論理回路Ｌ２は、出力端子Ｔ３に得られた
位相差信号Ａと、入力端子Ｔ４に与えられた第３の周期
信号φ３との論理積演算を行い、出力信号Ａ１を得る回
路である。また、論理回路Ｌ３は、出力端子Ｔ３に得ら
れた位相差信号Ａを論理反転し、反転位相差信号Ａ^＊を
求める回路であり、論理回路Ｌ４は、この反転位相差信
号Ａ^＊と、入力端子Ｔ５に与えられた第４の周期信号φ
３^＊との論理積演算を行い、出力信号Ａ２を得る回路で
ある。更に、論理回路Ｌ５は、出力信号Ａ１と出力信号
Ａ２との論理和演算を行い、出力信号Ｂを求める回路で
あり、その後段に接続された積算回路５０は、出力信号
Ｂに含まれる全パルスのパルス幅を積算し、積算値を示
す出力信号Ｃを出力する回路である。かくして、出力端
子Ｔ６には、所定の積算値を示す出力信号Ｃが得られる
ことになる。

【００５４】一方、駆動用回路７２は、実質的に、駆動
信号供給回路６０によって構成される回路である。この
駆動信号供給回路６０は、駆動用容量素子Ｃ５に対して
供給する交流駆動信号Ｕを発生させる回路である。交流
駆動信号Ｕは、既に述べたように、周期φをもった周期
信号であり、この交流駆動信号Ｕを第５の容量素子Ｃ５
に供給することにより、振動子１３０をＺ軸方向に振動
させることができる。

【００５５】さて、この図１２に示す信号処理回路の動
作を図１３のタイミングチャートに基づいて説明しよ
う。この回路の出力端子Ｔ３に、図１３に示すような位
相差信号Ａが得られることは既に§３で述べたとおりで
ある。ここで、一点鎖線で示すパルスは、角速度が作用
していない状態で得られる標準幅をもったパルスであ
る。この例では、左まわりの角速度ωｙの作用により、
奇数番目のパルスのパルス幅（期間ｔ１１）は標準幅よ
り小さくなり、偶数番目のパルスのパルス幅（期間ｔ２
１）は標準幅より大きくなっている。論理回路Ｌ２で
は、この位相差信号Ａと第３の周期信号φ３との論理積
演算が行われ、出力信号Ａ１が得られる。出力信号Ａ１
は、位相差信号Ａ内の奇数番目のパルスのみを抽出した
信号になる。一方、論理回路Ｌ３で反転された反転位相
差信号Ａ^＊の波形と、入力端子Ｔ５に与えられる第４の
周期信号φ３^＊の波形とは、図１３に示すとおりにな
り、論理回路Ｌ４の出力信号Ａ２は、図示のように、所
定の期間ｔ２１^＊に相当するパルス幅をもったパルスに
なる。ここで、期間ｔ２１と期間ｔ２１^＊とは、相補的
な関係にある。すなわち、ｔ２１＋２・ｔ２１^＊＝φ／
２（半周期）の関係にあるので、期間ｔ２１が大きくな
れば、期間ｔ２１^＊は小さくなり、期間ｔ２１が小さく
なれば、期間ｔ２１^＊は大きくなる。

【００５６】論理回路Ｌ５では、信号Ａ１と信号Ａ２と
の論理和信号Ｂが得られるが、この論理和信号Ｂは、図
１３に示すように、期間ｔ１１（奇数番目のパルスのパ
ルス幅）をもったパルスと、期間ｔ２１^＊（偶数番目の
パルスのパルス幅に対して相補的な値）をもったパルス
と、を含む信号になる。このため、論理和信号Ｂに含ま
れる全パルスのパルス幅の積算値Ｓは、位相差信号Ａの
奇数番目のパルスについての積算値と、偶数番目のパル
スについての積算値との差に相当する値になる。積算回
路５０は、この積算値Ｓを示す出力信号Ｃを出力端子Ｔ
６に与える。積算値Ｓは、図１３の最下段に示すハッチ
ング部分の面積の合計に相当する。

【００５７】この積算値Ｓと角速度ωｙとの間には、た
とえば、図１４のグラフに示すような関係がある。な
お、図１４では、説明の便宜上、両者間の線形関係を示
すグラフを示したが、実際には、両者間の関係は必ずし
も線形関係にはならない。しかしながら、両者の関係は
必ず単調増加（あるいは単調減少）関数となり、積算値
Ｓと角速度ωｙとの間には、必ず１対１の対応関係が得
られる。したがって、積算値Ｓが特定されれば、必ず角
速度ωｙの値が特定されることになる。図１４に示す線
形関係のグラフの場合、積算値Ｓが基準積算値Ｓ０（角
速度のない状態で得られる標準幅をもったパルスについ
ての積算値）をとる場合には、Ｙ軸まわりの角速度ωｙ
＝０であることを示しており、基準積算値Ｓ０よりも大
きな積算値Ｓ０＋ΔＳをとる場合には、Ｙ軸まわりの角
速度ωｙが正の値（たとえば左まわり）であることを示
し、基準積算値Ｓ０よりも小さな積算値Ｓ０−ΔＳをと
る場合には、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが負の値（たとえ
ば右まわり）であることを示している。

【００５８】なお、第１の周期信号φ１と第２の周期信
号φ２との間に所定の位相差ｐを設定する理由は、基準
積算値Ｓ０を零でない所定の値に設定するためである。
すなわち、位相差ｐ＝０に設定すると、基準積算値Ｓ０
＝０となってしまい、角速度の向き（右まわりか、左ま
わりか）について正しい情報を得ることができなくな
る。位相差ｐを予め設けておけば、基準積算値Ｓ０を零
でない所定の値に設定することができ、実際に得られた
積算値Ｓが、この基準積算値Ｓ０より大きいか、小さい
か、という情報により、作用した角速度の向きを認識す
ることができ、実際に得られた積算値Ｓと基準積算値Ｓ
０との差ΔＳにより、作用した角速度の大きさを認識す
ることができるのである。ΔＳがある程度大きくなって
も、角速度の向きを正しく認識できるようにするために
は、基準積算値Ｓ０をできるだけ大きな値に設定するの
が好ましい。そのためには、位相差ｐ＝π／２に設定す
るのが最も好ましい。

【００５９】§５． その他の実施形態 以上、本発明を図示する基本的な実施形態に基づいて説
明したが、ここでは、本発明の別な実施形態をいくつか
述べておく。

【００６０】(1) 角速度ωｘの検出 これまで、図１に示す構造をもったセンサ本体部を用い
て、Ｙ軸まわりに作用した角速度ωｙを検出するための
信号処理回路を述べてきたが、この図１に示す角速度セ
ンサは、Ｙ軸まわりの角速度ωｙとともに、Ｘ軸まわり
の角速度ωｘを検出する機能を有する。Ｙ軸まわりの角
速度ωｙは、質量ｍの振動子１３０を速度ＶｚでＺ軸方
向に振動させながら、Ｘ軸方向に作用するコリオリ力Ｆ
ｘ（Ｆｘ＝２・ｍ・Ｖｚ・ωｙ）を測定すれば求めるこ
とができた。同様に、Ｘ軸まわりの角速度ωｘは、質量
ｍの振動子１３０を速度ＶｚでＺ軸方向に振動させなが
ら、Ｙ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙ（Ｆｙ＝２・ｍ
・Ｖｚ・ωｘ）を測定すればよい。

【００６１】図１２の検出用回路７１は、Ｘ軸上に配置
された第１の容量素子Ｃ１および第２の容量素子Ｃ２を
組み込んだ信号処理回路であり、出力端子Ｔ６には、コ
リオリ力Ｆｘに基づく角速度ωｙの検出値が得られた。
そこで、この検出用回路７１と全く同じ回路を用意し、
第１の容量素子Ｃ１および第２の容量素子Ｃ２の部分
を、それぞれ第３の容量素子Ｃ３および第４の容量素子
Ｃ４に置き換えれば、出力端子Ｔ６には、コリオリ力Ｆ
ｙに基づく角速度ωｘの検出値が得られることになる。
ここでは、このように、検出用回路７１におけるＣ１，
Ｃ２を、Ｃ３，Ｃ４に置き換えた回路を検出用回路７３
と呼ぶことにする。

【００６２】図１に示すセンサ本体部は、本来、角速度
ωｘ，ωｙを同時に検出することができる構造をもって
いる。すなわち、図２および図３に示す各電極のうち、
電極Ｅ１５，Ｅ２５（容量素子Ｃ５）は、振動子１３０
をＺ軸方向に振動させるために用いられ、電極Ｅ１１，
Ｅ２１（容量素子Ｃ１）および電極Ｅ１２，Ｅ２２（容
量素子Ｃ２）はコリオリ力Ｆｘに基づいて角速度ωｙを
検出するために用いられ、電極Ｅ１３，Ｅ２３（容量素
子Ｃ３）および電極Ｅ１４，Ｅ２４（容量素子Ｃ４）は
コリオリ力Ｆｙに基づいて角速度ωｘを検出するために
用いられる。したがって、このセンサ本体部に二軸角速
度センサとしての機能をもたせるためには、図１２に示
す検出用回路７１および駆動用回路７２の他に、上述し
た検出用回路７３を用意しておけばよい。駆動用回路７
２を用いて振動子１３０をＺ軸方向に振動させれば、検
出用回路７１の出力端子Ｔ６には、角速度ωｙが得ら
れ、検出用回路７３の出力端子Ｔ６には、角速度ωｘが
得られることになる。

【００６３】(2) 単一の容量素子を用いた検出 これまで述べてきた例では、１つの軸まわりの角速度検
出に、一対の容量素子を用いている。たとえば、角速度
ωｙの検出には、容量素子Ｃ１，Ｃ２が用いられ、角速
度ωｘの検出には、容量素子Ｃ３，Ｃ４が用いられる。
このように一対の容量素子を用いる形態は、単一の容量
素子を用いる形態に比べて検出精度を高めることができ
るので、実用上は好ましい実施形態である。しかしなが
ら、本発明の技術思想は、一対の容量素子を用いた形態
に限定されるものではない。ここでは、参考のために、
単一の容量素子を用いた場合でも、角速度の検出が可能
なことを示しておく。

【００６４】たとえば、単一の容量素子Ｃ１のみを用い
ても、角速度ωｙの検出が可能なことを示そう。この場
合、容量素子Ｃ２は不要になるが、その代わりに、所定
の固定容量をもった固定容量素子Ｃ０を用いるようにす
ればよい。すなわち、図１２に示す検出用回路７１にお
いて、容量素子Ｃ２を固定容量素子Ｃ０に置き換えれば
よい。容量素子Ｃ２は、図１に示すセンサ本体部の電極
Ｅ１２，Ｅ２２によって構成される可変容量素子であっ
たが、ここで用いる固定容量素子Ｃ０は、静電容量値が
固定の素子であり、どこに設けてもかまわない。たとえ
ば、検出用回路７１を実装するための回路基板上に、コ
ンデンサ素子として設けておけば十分である。

【００６５】いま、図７に示すように、振動子１３０が
速度＋Ｖｚをもって運動中に、角速度ωｙが作用したと
きの状態を考えると、既に述べたように、コリオリ力＋
Ｆｘの作用により、容量素子Ｃ１の電極間隔は、角速度
ωｙが作用していなかった場合に比べて小さくなる。同
様に、図８に示すように、振動子１３０が速度−Ｖｚを
もって運動中に、角速度ωｙが作用したときの状態を考
えると、既に述べたように、コリオリ力−Ｆｘの作用に
より、容量素子Ｃ１の電極間隔は、角速度ωｙが作用し
ていなかった場合に比べて大きくなる。このように、単
一の容量素子Ｃ１にのみ着目しても、やはりコリオリ力
の作用による静電容量値の変化は生じているのである。
したがって、単一の容量素子Ｃ１のみを用いた場合で
も、図１１に示すタイミングチャートにおいて、遅延信
号Ｄ１が得られることには変わりはない。

【００６６】ただ、可変容量素子Ｃ２の代わりに、固定
容量素子Ｃ０を用いた場合、もう一方の遅延信号Ｄ２
は、図１１のタイミングチャートに示すものとは若干異
なってくる。すなわち、静電容量値が固定であるため、
周期信号φ２を常に一定の遅延時間だけ遅らせた固定の
信号になる。しかしながら、遅延信号Ｄ１は角速度の作
用に応じて変化する信号であるため、両者の位相差を示
す位相差信号Ａには、角速度の作用を示す信号成分が含
まれていることになり、既に述べたとおりの動作によ
り、角速度の検出が可能である。

【００６７】(3) 別な振動態様 これまで述べた例は、電極Ｅ１５，Ｅ２５からなる第５
の容量素子に交流駆動信号Ｕを与えて、振動子１３０を
Ｚ軸方向に振動させていたが、振動子１３０の振動方向
は必ずしもＺ軸方向に限定する必要はない。たとえば、
図１５に示すような２種類の交流駆動信号Ｕ１，Ｕ２
（互いに位相差がπであるデューティ比５０％の矩形波
信号）を用意し、第１の交流駆動信号Ｕ１を第１の容量
素子Ｃ１に与え、第２の交流駆動信号Ｕ２を第２の容量
素子Ｃ２に与えれば、振動子１３０は、図示のようなＸ
軸方向の速度成分ＶｘをもってＸ軸方向に振動すること
になる。

【００６８】このように、振動子１３０をＸ軸方向に振
動させた状態において、たとえば、容量素子Ｃ３，Ｃ４
を用いてＹ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを検出する
ようにすれば、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出すること
が可能になる。あるいは、容量素子Ｃ５および固定容量
素子Ｃ０を用いてＺ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを
検出するようにすれば、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出
することが可能になる。

【００６９】なお、いずれの振動態様をとる場合でも、
振動子１３０を最も効率的に振動させることができる共
振周波数をもった交流駆動信号Ｕを与え、この共振周波
数で振動させるのが好ましい。共振周波数の値は、たと
えば、試作品について種々の周波数の交流駆動信号を与
える実験を行えば求めることができる。

【００７０】(4) センサ本体部のより実用的な構造 図１に示すセンサ本体部の構造は、本発明の一実施形態
を示すものであり、この他にも種々の構造のものを用い
ることが可能である。たとえば、図１６は、本発明に用
いるセンサ本体部のより実用的な構造を示す側断面図で
ある。可撓性をもった変位基板２１０の上に、固定基板
２２０が取り付けられている。固定基板２２０の外周部
には脚部２２１が形成されており、この脚部２２１の底
面が変位基板２１０の上面に固着されている。したがっ
て、変位基板２１０と固定基板２２０とは所定間隔を隔
てて、平行な状態に支持されている。変位基板２１０の
下面中央部には、振動子２３０が固着されている。ま
た、この振動子２３０の周囲には、台座２４０が設けら
れており、この台座２４０によって、変位基板２１０は
ベース基板２５０に対して支持されている。振動子２３
０の上方および下方には、若干の空間が確保されている
ため、図の上下方向への振動が可能である。

【００７１】図１７は、変位基板２１０の上面図であ
る。この図に示されているように、変位基板２１０の上
面には５枚の変位電極Ｅ３１〜Ｅ３５が形成されてい
る。これらは、図２に示す実施形態における変位電極Ｅ
１１〜Ｅ１５に相当するものである。一方、図１８は、
固定基板２２０の下面図である。この固定基板２２０の
下面には、単一の共通電極Ｅ４０が形成されている。こ
の共通電極Ｅ４０は、図３に示す実施形態における固定
電極Ｅ２１〜Ｅ２５に相当するものである。図１２の回
路図を見ればわかるように、実際の信号処理回路では、
各容量素子Ｃ１〜Ｃ５の一方の電極はいずれも接地され
ることになる。したがって、一方を共通電極Ｅ４０と
し、この共通電極Ｅ４０を接地するようにすれば、実用
上は支障は生じない。むしろ、構造を単純化する上で
は、このように一方を共通電極にするのが好ましい。特
に、固定基板２２０にセンサ筐体を兼ねさせるととも
に、これを導電性材料で構成すれば、固定基板２２０自
体を共通電極として用いることが可能になり、構造は更
に単純化される。

【００７２】(5) 振動子の別な駆動方法 これまで述べた実施形態は、駆動用の容量素子に交流駆
動信号を与えることにより、振動子を振動させていた
が、振動子に振動エネルギーを供給する方法としては、
どのような方法を採ってもかまわない。たとえば、図１
９に示す実施形態は、図１６に示す実施形態において、
振動子の駆動方法を磁力を利用した方法に変えた例であ
る。すなわち、台座２４５の桁上げを行い、振動子２３
０の下方に、磁場発生部３００を設置するようにし、こ
の磁場発生部３００に対して、駆動信号供給回路３１０
から周期φの交流信号を供給するようにしている。磁場
発生部３００としては、たとえば、一般的な電磁コイル
を用いればよい。振動子２３０の少なくとも一部を鉄，
コバルト，ニッケルなどの磁性材料によって構成してお
き、磁場発生部３００に周期φの交流信号に基づいた周
期磁場を発生させれば、振動子２３０を図の上下方向に
振動させることができる。この場合、駆動用の容量素子
Ｃ５を構成する変位電極Ｅ３５は不要になる。

【００７３】

【発明の効果】以上のとおり本発明に係る振動子を用い
た角速度センサによれば、コリオリ力の作用により振動
子に傾斜が生じるような構成とし、この傾斜に基づく静
電容量の変化を２つの周期信号の位相差として検出する
ようにしたため、信号処理回路を単純化することがで
き、効率的な角速度検出が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る角速度センサのセン
サ本体部の基本構造を示す側断面図である。

【図２】図１に示すセンサ本体部における変位基板１１
０の上面図である。

【図３】図１に示すセンサ本体部における固定基板１２
０の下面図である。

【図４】図１に示すセンサ本体部において、振動子１３
０を図の上方へ運動させた状態を示す側断面図である。

【図５】図１に示すセンサ本体部において、振動子１３
０を図の下方へ運動させた状態を示す側断面図である。

【図６】図１に示すセンサ本体部において、振動子１３
０を図の上下方向へ振動させるために供給する交流駆動
信号Ｕおよび振動子１３０の速度成分Ｖｚの波形を示す
タイミングチャートである。

【図７】図１に示すセンサ本体部において、振動子１３
０が図の上方へ運動中に、Ｙ軸まわりの角速度ωｙに基
づくＸ軸方向のコリオリ力＋Ｆｘが作用した状態を示す
側断面図である。

【図８】図１に示すセンサ本体部において、振動子１３
０が図の下方へ運動中に、Ｙ軸まわりの角速度ωｙに基
づくＸ軸方向のコリオリ力−Ｆｘが作用した状態を示す
側断面図である。

【図９】本発明に係る角速度センサに用いる信号処理回
路の一部を示す回路図である。

【図１０】図９に示す信号処理回路の動作を説明するた
めのタイミングチャートである。

【図１１】図９に示す信号処理回路の動作を説明するた
めの更に別なタイミングチャートである。

【図１２】本発明に係る角速度センサに用いる実用的な
信号処理回路を示す回路図である。

【図１３】図１２に示す信号処理回路の動作を説明する
ためのタイミングチャートである。

【図１４】図１２に示す信号処理回路によって得られる
積算値Ｓと角速度ωｙとの関係を示すグラフである。

【図１５】図１に示すセンサ本体部において、振動子１
３０を図の左右方向へ振動させるために供給する交流駆
動信号Ｕ１，Ｕ２および振動子１３０の速度成分Ｖｘの
波形を示すタイミングチャートである。

【図１６】本発明に用いるセンサ本体部のより実用的な
構造を示す側断面図である。

【図１７】図１６に示すセンサ本体部における変位基板
２１０の上面図である。

【図１８】図１６に示すセンサ本体部における固定基板
２２０の下面図である。

【図１９】図１６に示すセンサ本体部において、振動子
の駆動方法を変えた実施形態の構造を示す側断面図であ
る。

【符号の説明】 １０〜４０…信号供給回路 ５０…積算回路 ６０…駆動信号供給回路 ７１…検出用回路 ７２…駆動用回路 １１０…変位基板 １２０…固定基板 １３０…振動子 １４０…装置筐体 ２１０…変位基板 ２２０…固定基板 ２２１…脚部 ２３０…振動子 ２４０，２４５…台座 ２５０…ベース基板 ３００…磁場発生部 ３１０…駆動信号供給回路 Ａ…位相差信号 Ａ１，Ａ２…論理積信号 Ａ^＊…反転位相差信号 Ｂ…出力信号 Ｃ…出力信号 Ｃ１〜Ｃ５…容量素子 Ｄ１，Ｄ２…遅延信号 ｄ１，ｄ２，ｄ１１，ｄ１２，ｄ２１，ｄ２２，ｔ２１
^＊…遅延時間 Ｅ１１〜Ｅ１５…変位電極 Ｅ２１〜Ｅ２５…固定電極 Ｅ３１〜Ｅ３５…変位電極 Ｅ４０…共通電極 Ｇ…重心 Ｌ１〜Ｌ５…論理素子 ｐ…位相差 Ｐ１，Ｐ２…奇数番目の期間，偶数番目の期間 Ｒ１，Ｒ２…抵抗素子 Ｓ…積算値 Ｓ０…基準積算値 Ｔ１〜Ｔ６…入出力端子 ｔ１，ｔ２，ｔ１０，ｔ１１，ｔ２０，ｔ２１…期間
（パルス幅） Ｕ，Ｕ１，Ｕ２…交流駆動信号 Ｖｘ，Ｖｚ…Ｘ軸，Ｚ軸方向の速度成分 φ１，φ２，φ３，φ３^＊…周期φの周期信号 ωｙ…Ｙ軸まわりの角速度

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の軸方向に振動中の振動子に対し
   て、前記第１の軸に直交する第２の軸方向に作用するコ
   リオリ力を検出することにより、前記第１の軸および前
   記第２の軸の双方に直交する第３の軸まわりの角速度を
   求める角速度センサであって、 センサを構成する要素の一部もしくは全部を収容する装
   置筐体と、 前記装置筐体内に収容された振動子と、 前記第１の軸方向に振動することができ、かつ、前記第
   ２の軸方向のコリオリ力の作用により傾斜することがで
   きるように、前記振動子を前記装置筐体に対して所定の
   自由度をもって支持する支持手段と、 前記振動子を前記第１の軸方向に、所定の周期φで振動
   させる駆動手段と、 前記振動子側に形成された変位電極と、前記装置筐体側
   に形成された固定電極と、を有し、前記第２の軸の正方
   向を向いたコリオリ力が作用したとき、前記振動子の傾
   斜により電極間隔が小さくなり、前記第２の軸の負方向
   を向いたコリオリ力が作用したとき、前記振動子の傾斜
   により電極間隔が大きくなるように配置された第１の容
   量素子と、 前記振動子側に形成された変位電極と、前記装置筐体側
   に形成された固定電極と、を有し、前記第２の軸の正方
   向を向いたコリオリ力が作用したとき、前記振動子の傾
   斜により電極間隔が大きくなり、前記第２の軸の負方向
   を向いたコリオリ力が作用したとき、前記振動子の傾斜
   により電極間隔が小さくなるように配置された第２の容
   量素子と、 前記第１の容量素子と抵抗素子とを組み合わせてなる第
   １の遅延回路と、 前記第２の容量素子と抵抗素子とを組み合わせてなる第
   ２の遅延回路と、 前記周期φをもった第１の周期信号を発生し、この第１
   の周期信号を前記第１の遅延回路に与える第１の信号供
   給回路と、 前記周期φをもち、前記第１の周期信号に対して所定の
   位相差ｐをもった第２の周期信号を発生し、この第２の
   周期信号を前記第２の遅延回路に与える第２の信号供給
   回路と、 前記第１の遅延回路から出力される第１の遅延信号と、
   前記第２の遅延回路から出力される第２の遅延信号と、
   の位相差を示す位相差信号を生成する位相差検出回路
   と、 前記位相差信号を周期φ／２ごとの期間に区切り、奇数
   番目の期間に示された位相差および偶数番目の期間に示
   された位相差の少なくとも一方に基づいて第３の軸まわ
   りの角速度を検出する角速度検出回路と、 を備えることを特徴とする振動子を用いた角速度セン
   サ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の角速度センサにおい
   て、 第２の容量素子として、振動子側に形成された変位電極
   と、装置筐体側に形成された固定電極と、を有する可変
   容量素子を用いる代わりに、所定の固定容量をもった固
   定容量素子を用いるようにしたことを特徴とする振動子
   を用いた角速度センサ。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の角速度センサ
   において、 角速度検出回路が、奇数番目の期間に示された位相差と
   偶数番目の期間に示された位相差との差に基づいて角速
   度を検出することを特徴とする振動子を用いた角速度セ
   ンサ。
4. 【請求項４】 請求項１または２に記載の角速度センサ
   において、 位相差検出回路が、第１の遅延信号と第２の遅延信号と
   の排他的論理和を求める第１の論理素子により位相差検
   出を行い、この第１の論理素子が出力する位相差信号の
   パルス幅によって位相差を示すようにし、 角速度検出回路が、周期φをもった第３の周期信号を発
   生する第３の信号供給回路と、この第３の周期信号と前
   記位相差信号との論理積を求める第２の論理素子と、を
   有し、この第２の論理素子により、前記位相差信号の奇
   数番目のパルスと偶数番目のパルスとを分離し、前記奇
   数番目のパルスのパルス幅および前記偶数番目のパルス
   のパルス幅の少なくとも一方に基づいて角速度を検出す
   ることを特徴とする振動子を用いた角速度センサ。
5. 【請求項５】 請求項１または２に記載の角速度センサ
   において、 位相差検出回路が、第１の遅延信号と第２の遅延信号と
   の排他的論理和を求める第１の論理素子により位相差検
   出を行い、この第１の論理素子が出力する位相差信号の
   パルス幅によって位相差を示すようにし、 角速度検出回路が、周期φをもった第３の周期信号を発
   生する第３の信号供給回路と、この第３の周期信号に対
   して論理反転状態にある第４の周期信号を発生する第４
   の信号供給回路と、前記第３の周期信号と前記位相差信
   号との論理積を求める第２の論理素子と、前記位相差信
   号に対して論理反転状態にある反転位相差信号を発生す
   る第３の論理素子と、前記第４の周期信号と前記反転位
   相差信号との論理積を求める第４の論理素子と、前記第
   ２の論理素子の出力信号と前記第４の論理素子の出力信
   号との論理和を求める第５の論理素子と、を有し、前記
   第５の論理素子の出力信号のパルス幅に基づいて角速度
   を検出することを特徴とする振動子を用いた角速度セン
   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、 角速度検出回路が、コリオリ力が作用していない状態に
   おける位相差を基準値として定義し、実際に検出された
   位相差が前記基準値より大きい場合には、その差分を第
   １の回転方向に関する角速度として出力し、実際に検出
   された位相差が前記基準値より小さい場合には、その差
   分を、前記第１の回転方向とは逆の第２の回転方向に関
   する角速度として出力することを特徴とする振動子を用
   いた角速度センサ。
7. 【請求項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、 駆動手段に、振動子側に形成された変位電極と装置筐体
   側に形成された固定電極とからなる駆動用容量素子と、
   この駆動用容量素子に対して周期φの交流駆動信号を供
   給する駆動信号供給回路と、を設け、前記駆動用容量素
   子内に作用するクーロン力により振動子を振動させるこ
   とを特徴とする振動子を用いた角速度センサ。
8. 【請求項８】 請求項１〜６のいずれかに記載の角速度
   センサにおいて、 振動子の少なくとも一部を磁性材料によって構成し、 駆動手段に、前記振動子の磁性材料部分に作用する磁場
   を発生させる磁場発生部と、この磁場発生部に周期φの
   交流信号を供給する駆動信号供給回路と、を設け、前記
   磁場発生部に前記交流信号に基づいた周期的磁場を発生
   させて振動子を振動させることを特徴とする振動子を用
   いた角速度センサ。
9. 【請求項９】 請求項１に記載の角速度センサにおい
   て、 一部分が装置筐体に固定され、かつ、一部分に振動子が
   固定された可撓性をもった変位基板によって支持手段を
   構成し、 前記変位基板に対向するように、前記装置筐体に固定基
   板を設け、前記変位基板上に形成された変位電極と、前
   記固定基板上に形成された固定電極と、によって容量素
   子を構成するようにしたことを特徴とする振動子を用い
   た角速度センサ。
10. 【請求項１０】 請求項９に記載の角速度センサにおい
    て、 変位基板に垂直で、かつ、振動子の重心と第３の軸方向
    とを含む平面を定義し、この平面に対して第１の側に第
    １の容量素子を形成し、この平面に対して前記第１の側
    とは逆の第２の側に第２の容量素子を形成したことを特
    徴とする振動子を用いた角速度センサ。