(57)【要約】【課題】本発明は、簡単な回路構成を用いながら電荷／電圧変換およびバッファアンプの飽和を防止することにより、０点変動を低減させることができ、これにより、角速度の測定精度の向上を図ることができる角速度センサを提供することを目的とするものである。【解決手段】本発明の角速度センサは、検出部２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄを可撓部２２の内周部から外周部にわたって設けるとともに、前記検出部２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄの幅を質量部２３の中心からの距離に応じて大きくすることにより、検出部２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄのコリオリ力に起因しない電荷分をキャンセルまたは極めて小さくなるようにしたものである。【選択図】図１
2011145080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板の底面の略中央部に設けた質量部と、前記質量部を取り囲むように配置した固定部と、前記質量部と固定部とを連結する前記基板の薄肉部から成る可撓部と、前記可撓部の表面に設けられ、かつ前記質量部を前記基板に垂直な第１の軸方向に振動させるための駆動部と、前記可撓部の表面に設けられ、かつ前記可撓部に加えられる歪を電気信号として検出するための上下の電極に挟持された検出部とを備え、前記質量部が前記第１の軸方向に振動している場合には前記検出部の電極内に正負の電荷を実質的に等量発生させることによりコリオリ力に起因しない電荷分をキャンセルまたは極めて小さくなるように、前記検出部を前記可撓部の内周部から外周部にわたって設けるとともに、その幅寸法が前記質量部の中心からの距離に応じて大きくなるようにした角速度センサ。
【請求項２】
前記質量部が前記第１の軸方向に振動している状態で前記第１の軸に垂直な第２の軸を中心とした回転が加えられた場合に、前記質量部に働く前記第１、第２の軸に垂直な第３の軸方向のコリオリ力によって前記可撓部に発生する歪により前記検出部の電極内に誘起される正負の電荷がキャンセルされるのを最小とするように、前記検出部に前記第２、第３の軸を含む切り欠き部を前記可撓部の外周部から略中央部までに設けた請求項１記載の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等の各種電子機器に用いてこれらの機器に働く角速度を検出する角速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来における航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等の各種電子機器に用いて、これらの機器に働く角速度を検出する角速度センサとしては、図６（ａ）（ｂ）に示すようなものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
図６（ａ）は従来の角速度センサの平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）の角速度センサをＸ軸に沿って切断した断面図である。この図６（ａ）（ｂ）において、１はＸＹ平面に平行に配置されたシリコンからなる基板で、この基板１は底面をエッチング処理して内周、外周が八角形である薄肉の可撓部２を形成することにより、この薄肉の可撓部２に囲まれた厚肉部３と、前記薄肉の可撓部２を取り囲むように配置された固定部４とを形成している。５は質量部で、この質量部５は前記厚肉部３の底面にガラス層６により固定されている。また、前記固定部４の底面には支持体７が固定され、さらに、この支持体７の底面には台座８が固着されている。そしてまた、前記質量部５は前記支持体７、台座８から離間して配置されており、これにより、質量部５は前記基板１、支持体７、台座８で囲まれた空間内で振動することができる。また、前記薄肉の可撓部２の表面には質量部５を駆動するための複数のＰＺＴ等からなる外側駆動圧電体９と内側駆動圧電体１０が形成されている。そしてまた、前記薄肉の可撓部２の表面には、前記外側駆動圧電体９と内側駆動圧電体１０に隣接して、質量部５の変位を検出するための複数のＰＺＴ等からなる外側検出圧電体１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと内側検出圧電体１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが形成されている。また、前記外側駆動圧電体９、内側駆動圧電体１０、外側検出圧電体１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ、内側検出圧電体１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄはその上下に上部電極、下部電極（図示せず）を有し、そして、下部電極は基準電位に接続しているものである。
【０００４】
図７（ａ）は前記外側駆動圧電体９の上電極に負の電位が与えられ、かつ内側駆動圧電体１０の上電極に正の電位が与えられた時の、質量部５の動きを示す側断面図であり、この時、外側駆動圧電体９はＸＹ平面に沿って縮むとともに、内側駆動圧電体１０はＸＹ平面に沿って伸びる。これにより、前記薄肉の可撓部２が歪み、質量部５がＺ軸の正方向に変位するとともに、外側検出圧電体１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの上電極には負の電荷が発生し、かつ内側検出圧電体１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの上電極には正の電荷が発生することになる。また、図７（ｂ）は前記外側駆動圧電体９の上電極に正の電位が与えられ、かつ内側駆動圧電体１０の上電極に負の電位が与えられた時の、質量部５の動きを示す側断面図であり、この時、外側駆動圧電体９はＸＹ平面に沿って伸びるとともに、内側駆動圧電体１０はＸＹ平面に沿って縮む。これにより、前記薄肉の可撓部２が歪み、質量部５がＺ軸の負方向に変位するとともに、外側検出圧電体１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの上電極には正の電荷が発生し、かつ内側検出圧電体１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの上電極には負の電荷が発生することになる。これによって、上記角速度センサにおける外側駆動圧電体９と内側駆動圧電体１０に互いに逆位相の交流電圧を印加すると、前記外側駆動圧電体９と内側駆動圧電体１０はＸＹ平面に沿って互いに逆位相で伸縮するもので、これにより、質量部５はＺ軸方向に単振動を行うとともに、外側検出圧電体１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの上電極と、内側検出圧電体１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの上電極には互いに逆極性の電荷（±Ｑ）が発生することになる。
【０００５】
この状態で、角速度センサがＹ軸の周りに回転すると、Ｘ軸方向にコリオリ力が働き前記質量部５はＸ軸方向に振り子振動するために、前記薄肉の可撓部２が歪む。図８（ａ）は前記質量部５がＸ軸の負方向に変位した状態を示す側断面図であり、この時、外側検出圧電体１１ａと内側検出圧電体１２ｃがＸＹ平面に沿って縮むとともに、外側検出圧電体１１ｃと内側検出圧電体１２ａがＸＹ平面に沿って伸びる。これにより、外側検出圧電体１１ａと内側検出圧電体１２ｃの上電極には負の電荷がさらに発生するとともに、外側検出圧電体１１ｃと内側検出圧電体１２ａの上電極には正の電荷がさらに発生する。また、図８（ｂ）は前記質量部５がＸ軸の正方向に変位した状態を示す側断面図であり、この時、外側検出圧電体１１ａと内側検出圧電体１２ｃがＸＹ平面に沿って伸びるとともに、外側検出圧電体１１ｃと内側検出圧電体１２ａがＸＹ平面に沿って縮む。これにより、外側検出圧電体１１ａと内側検出圧電体１２ｃの上電極には正の電荷がさらに発生するとともに、外側検出圧電体１１ｃと内側検出圧電体１２ａの上電極には負の電荷がさらに発生する。これによって、上記角速度センサをＺ軸方向に単振動させた状態で、角速度センサがＹ軸の周りに回転すると、Ｘ軸方向にコリオリ力が働き質量部５はＸ軸方向に振り子振動するために、外側検出圧電体１１ａ、内側検出圧電体１２ｃの上電極と、外側検出圧電体１１ｃ、内側検出圧電体１２ａの上電極には互いに逆極性の電荷（±ｑy）がさらに発生することになる。
【０００６】
図９（ａ）は質量部５のＸ軸方向の変位を検出するための回路図であり、外側検出圧電体１１ａ，１１ｃおよび内側検出圧電体１２ａ，１２ｃの接続方法を示している。外側検出圧電体１１ａ、内側検出圧電体１２ｃの上電極から発生する同極性の電荷は各々電荷／電圧変換およびバッファアンプ１３ａ，１３ｂで同極性の電圧に変換、増幅された後、加算器１４ａで加算される。これと同様にして、外側検出圧電体１１ｃ、内側検出圧電体１２ａの上電極から発生する同極性の電荷は各々電荷／電圧変換およびバッファアンプ１３ｃ，１３ｄで同極性の電圧に変換、増幅された後、加算器１４ｂで加算される。この時、加算器１４ａの出力と加算器１４ｂの出力とは互いに逆極性となっている。その後、減算器１５により、加算器１４ａの出力から加算器１４ｂの出力が減算される。このようにして、減算器１５の出力からＹ軸周りの角速度が検出できる。
【０００７】
また、上記と同様にして、質量部５をＺ軸方向に単振動させた状態で角速度センサがＸ軸の周りに回転すると、Ｙ軸方向にコリオリ力が働き質量部５はＹ軸方向に振り子振動するために、外側検出圧電体１１ｄ、内側検出圧電体１２ｂの上電極と、外側検出圧電体１１ｂ、内側検出圧電体１２ｄの上電極には互いに逆極性の電荷（±ｑx）が発生することになる。
【０００８】
図９（ｂ）は質量部５のＹ軸方向の変位を検出するための回路図であり、外側検出圧電体１１ｂ，１１ｄおよび内側検出圧電体１２ｂ，１２ｄの接続方法を示している。外側検出圧電体１１ｄ、内側検出圧電体１２ｂの上電極から発生する同極性の電荷は各々電荷／電圧変換およびバッファアンプ１６ａ，１６ｂで同極性の電圧に変換、増幅された後、加算器１７ａで加算される。これと同様にして、外側検出圧電体１１ｂ、内側検出圧電体１２ｄの上電極から発生する同極性の電荷は各々電荷／電圧変換およびバッファアンプ１６ｃ，１６ｄで同極性の電圧に変換、増幅された後、加算器１７ｂで加算される。この時、加算器１７ａの出力と加算器１７ｂの出力とは互いに逆極性となっている。その後、減算器１８により、加算器１７ａの出力から加算器１７ｂの出力が減算される。このようにして、減算器１８の出力からＸ軸周りの角速度が検出できる。
【０００９】
一方、角速度センサに回転が加えられていない場合には、前記のように、外側検出圧電体１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの上電極と、内側検出圧電体１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの上電極には互いに逆極性の電荷（±Ｑ）が発生する。よって、図９（ａ）の検出回路において、外側検出圧電体１１ａ、内側検出圧電体１２ｃの上電極から発生する互いに逆極性の電荷は各々電荷／電圧変換およびバッファアンプ１３ａ，１３ｂで互いに逆極性の電圧に変換、増幅された後、加算器１４ａで加算される。これと同様にして、外側検出圧電体１１ｃ、内側検出圧電体１２ａの上電極から発生する互いに逆極性の電荷は各々電荷／電圧変換およびバッファアンプ１３ｃ，１３ｄで互いに逆極性の電圧に変換、増幅された後、加算器１４ｂで加算される。その後、減算器１５により、加算器１４ａの出力から加算器１４ｂの出力が減算されることになる。また、図９（ｂ）の検出回路において、外側検出圧電体１１ｄ、内側検出圧電体１２ｂの上電極から発生する互いに逆極性の電荷は各々電荷／電圧変換およびバッファアンプ１６ａ，１６ｂで互いに逆極性の電圧に変換、増幅された後、加算器１７ａで加算される。これと同様にして、外側検出圧電体１１ｂ、内側検出圧電体１２ｄの上電極から発生する互いに逆極性の電荷は各々電荷／電圧変換およびバッファアンプ１６ｃ，１６ｄで互いに逆極性の電圧に変換、増幅された後、加算器１７ｂで加算される。その後、減算器１８により、加算器１７ａの出力から加算器１７ｂの出力が減算されることになる。この時、減算器１５および減算器１８の出力が零でない場合には、角速度零（静止状態）であるにもかかわらず角速度センサは角速度が印加されたかのような出力電圧（０点変動）が発生することになる。そのため、電荷／電圧変換およびバッファアンプ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの増幅度を調整して減算器１５および減算器１８の出力を零にしようとしているものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平８−１４５６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記した従来の角速度センサにおいては、静止時において減算器１５および減算器１８の出力を実質上零に設定することができない場合があるため、０点変動が発生し、これにより、角速度の測定に誤差が発生するという問題点を有していた。すなわち、前記した図９（ａ）（ｂ）の検出回路において、角速度センサがＸ軸またはＹ軸の周りに回転した時に外側検出圧電体１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ、内側検出圧電体１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの各上電極に発生する電荷±ｑx、±ｑyはたかだかピコクーロンオーダーの微弱なものであるため、電荷／電圧変換およびバッファアンプ１３ａ，１６ｃ，１３ｃ，１６ａ，１３ｄ，１６ｂ，１３ｂ，１６ｄの増幅度を非常に大きくする必要がある。ところが、角速度センサにおける前記外側駆動圧電体９と内側駆動圧電体１０に互いに逆位相の交流電圧を印加して質量部５をＺ軸方向に単振動させている時に外側検出圧電体１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ、内側検出圧電体１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの上電極に発生する電荷±Ｑは典型的にはナノクーロンオーダーと前記±ｑx、±ｑyに比べて、極めて大きなものとなるもので、そのため、電荷／電圧変換およびバッファアンプ１３ａ，１６ｃ，１３ｃ，１６ａ，１３ｄ，１６ｂ，１３ｂ，１６ｄが飽和してしまい、加算器１４ａ，１４ｂ等の入力電圧は検出圧電体の電荷量に比例しないものとなってしまう。これにより、静止時において減算器１５および減算器１８の出力を実質上零に設定することができないことになる。一方、電荷／電圧変換およびバッファアンプ１３ａ，１６ｃ，１３ｃ，１６ａ，１３ｄ，１６ｂ，１３ｂ，１６ｄが飽和しないように、これらの増幅度を低下させる、あるいは前記外側駆動圧電体９と内側駆動圧電体１０に印加する交流電圧の振幅を小さくすると外側検出圧電体１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ、内側検出圧電体１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの上電極に発生する電荷±ｑx、±ｑyはさらに微弱なものとなり、Ｓ／Ｎが低下して角速度の測定精度が低下してしまうことになる。
【００１２】
さらに、上記した従来の角速度センサにおいては、各軸周りの角速度を測定するために電荷／電圧変換およびバッファアンプが各々４個、加算器が各々２個必要であり、その結果、信号処理回路が複雑なものになってしまうという問題点を有していた。
【００１３】
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、簡単な回路構成を用いながら電荷／電圧変換およびバッファアンプの飽和を防止することにより、０点変動を低減させることができ、これにより、角速度の測定精度の向上を図ることができる角速度センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。
【００１５】
本発明の請求項１に記載の発明は、基板と、前記基板の底面の略中央部に設けた質量部と、前記質量部を取り囲むように配置した固定部と、前記質量部と固定部とを連結する前記基板の薄肉部から成る可撓部と、前記可撓部の表面に設けられ、かつ前記質量部を前記基板に垂直な第１の軸方向に振動させるための駆動部と、前記可撓部の表面に設けられ、かつ前記可撓部に加えられる歪を電気信号として検出するための上下の電極に挟持された検出部とを備え、前記質量部が前記第１の軸方向に振動している場合には前記検出部の電極内に正負の電荷を実質的に等量発生させることによりコリオリ力に起因しない電荷分をキャンセルまたは極めて小さくなるように、前記検出部を前記可撓部の内周部から外周部にわたって設けるとともに、その幅寸法が前記質量部の中心からの距離に応じて大きくなるようにしたもので、この構成によれば、簡単な信号処理回路を用いながら前記質量部を前記基板に垂直な第１の軸方向に振動させた時に前記検出電極に発生する電荷量を極めて小さくすることができるため、０点変動を効果的に低減させることができ、これにより、角速度の測定精度の向上を図ることができるという作用効果を有するものである。
【００１６】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、前記質量部が前記第１の軸方向に振動している状態で前記第１の軸に垂直な第２の軸を中心とした回転が加えられた場合に、前記質量部に働く前記第１、第２の軸に垂直な第３の軸方向のコリオリ力によって前記可撓部に発生する歪により前記検出部の電極内に誘起される正負の電荷がキャンセルされるのを最小とするように、前記検出部に前記第２、第３の軸を含む切り欠き部を前記可撓部の外周部から略中央部までに設けたもので、この構成によれば、コリオリ力によって前記検出部内に誘起される電荷量を多くすることができるため、角速度検出信号の電圧振幅を増大させることができ、これにより、角速度の測定精度をさらに向上させることができるという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように本発明の角速度センサは、基板と、前記基板の底面の略中央部に設けた質量部と、前記質量部を取り囲むように配置した固定部と、前記質量部と固定部とを連結する前記基板の薄肉部から成る可撓部と、前記可撓部の表面に設けられ、かつ前記質量部を前記基板に垂直な第１の軸方向に振動させるための駆動部と、前記可撓部の表面に設けられ、かつ前記可撓部に加えられる歪を電気信号として検出するための上下の電極に挟持された検出部とを備え、前記質量部が前記第１の軸方向に振動している場合には前記検出部の電極内に正負の電荷を実質的に等量発生させることによりコリオリ力に起因しない電荷分をキャンセルまたは極めて小さくなるように、前記検出部を前記可撓部の内周部から外周部にわたって設けるとともに、その幅寸法が前記質量部の中心からの距離に応じて大きくなるようにしているため、簡単な信号処理回路を用いながら前記質量部を前記基板に垂直な第１の軸方向に振動させた時に前記検出電極に発生する電荷量を極めて小さくすることができ、これにより、０点変動を効果的に低減させることができるため、角速度の測定精度の向上を図ることができるという優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における角速度センサの平面図、（ｂ）同角速度センサをＸ軸に沿って切断した断面図
【図２】（ａ）〜（ｃ）質量部がＺ軸方向に単振動を行っている時に可撓部に発生する歪をシミュレーション計算して相対値で示した図
【図３】（ａ）〜（ｃ）質量部がコリオリ力を受けてＸ軸方向に単振動を行っている時に可撓部に発生する歪をシミュレーション計算して相対値で示した図
【図４】（ａ）同角速度センサのＸ軸周りの角速度を検出するための回路図、（ｂ）同角速度センサのＹ軸周りの角速度を検出するための回路図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態２における角速度センサの平面図、（ｂ）同角速度センサをＸ軸に沿って切断した断面図
【図６】（ａ）従来の角速度センサの平面図、（ｂ）同角速度センサをＸ軸に沿って切断した断面図
【図７】（ａ）（ｂ）同角速度センサの外側駆動圧電体と内側駆動圧電体に逆極性の電位が与えられた時の質量部の動きを示す側断面図
【図８】（ａ）（ｂ）同角速度センサにＸ軸方向のコリオリ力が加えられた時の質量部の動きを示す側断面図
【図９】（ａ）同角速度センサのＸ軸周りの角速度を検出するための回路図、（ｂ）同角速度センサのＹ軸周りの角速度を検出するための回路図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１（ａ）は本発明の実施の形態１における角速度センサの平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の角速度センサをＸ軸に沿って切断した断面図である。この図１（ａ）（ｂ）において、２１はＸＹ平面に平行に配置された概略２ｍｍ角、厚み０．５ｍｍのシリコンからなる基板で、この基板２１は底面をエッチング処理して厚さ約５μｍの環状で薄肉の可撓部２２を形成することにより、前記基板２１の底面の略中央部に配置された質量部２３と、前記可撓部２２を取り囲むように配置された固定部２４とを形成している。また、前記可撓部２２の表面上には質量部２３を駆動するための複数のＰＺＴ等の圧電体からなる駆動部２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄがＺ軸の周りにほぼ９０°間隔で形成されている。そしてまた、前記可撓部２２の表面上には前記駆動部２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄに隣接して質量部２３の変位を検出するための複数のＰＺＴ等の圧電体からなる検出部２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄがＺ軸の周りにほぼ９０°間隔で形成されている。ここで、前記検出部２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄは前記可撓部２２の内周部から外周部にわたって設けられるとともに、その幅寸法が前記質量部２３の中心からの距離に応じて大きくなるように扇形に形成されている。さらに、前記駆動部２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ、検出部２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄはその上下に上部電極、下部電極（図示せず）を有し、そして、下部電極は基準電位に接続しているものである。
【００２１】
上記構成において、前記駆動部２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄの上電極に正弦波駆動信号を印加すると、前記駆動部２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄはＸＹ面内で伸縮し、これにより、質量部２３はＺ軸方向に単振動を行う。すなわち、前記駆動部２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄがともに面内方向に伸びると可撓部２２が撓むため、質量部２３はＺ軸の負方向に移動する。次に、前記駆動部２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄがともに面内方向に縮むと可撓部２２が前と逆方向に撓むため、質量部２３はＺ軸の正方向に移動する。このようにして質量部２３はＺ軸方向に単振動を行う。この時、検出部２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄの電極内には正負の電荷が発生する。すなわち、前記質量部２３がＺ軸の負方向に移動した場合には、検出部２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄの内周部近傍には負の電荷が発生し、かつ検出部２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄの外周部近傍には正の電荷が発生する。次に、前記質量部２３がＺ軸の正方向に移動した場合には、可撓部２２の内周部近傍には正の電荷が発生し、かつ可撓部２２の外周部近傍には負の電荷が発生する。
【００２２】
図２（ａ）は質量部２３がＺ軸方向に単振動を行っている時に、Ｘ軸上に発生する歪をシミュレーション計算して相対値で示したものである。ここで可撓部２２の内周部は原点から２００μｍの位置にあり、外周部は原点から６００μｍの位置にあるものとしている。図２（ａ）を見ると、可撓部２２に発生する歪は原点から約２７０μｍの位置で正の最大値である約０．３２（相対値）となった後、約４１０μｍの位置で０となり、さらに原点から約５２０μｍの位置で負の最大値である約−０．２２（相対値）となることが分かる。また、図２（ｂ）、図２（ｃ）は各々原点から半径約２７０μｍ、約５２０μｍの円周上に発生する歪をシミュレーション計算して相対値で示したものである。図２（ｂ）、図２（ｃ）を見ると、可撓部２２に発生する歪の円周上での変化は比較的小さいものであることが分かる。圧電体の電極内に発生する電荷は歪に比例するため、検出部の電極内に発生する電荷密度は円周上ではほぼ一様で、可撓部２２の内周部近傍の電荷密度は可撓部２２の外周部近傍の電荷密度より大きく、かつ互いに極性が逆となる。これにより、検出部２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄを前記可撓部２２の内周部から外周部にわたって設けるとともに、その幅寸法が前記質量部２３の中心からの距離に応じて大きくなるように扇形に形成すれば、検出部２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄの電極内に発生する正負の電荷を実質的に等量だけ誘起することによりコリオリ力に起因しない電荷分をキャンセルまたは極めて小さくなるようにすることができる。
【００２３】
この状態で、角速度センサにＹ軸周りの角速度ωyが加えられると、質量部２３はＺ軸方向に振動しているため、質量部２３の質量をｍ、Ｚ軸方向の速度をＶzとするとＸ軸方向のコリオリ力Ｒx＝−２ｍωyＶzが発生して質量部２３はＸ軸方向に振動する。この時、検出部２６ａ，２６ｃの電極内には正負の電荷が発生する。すなわち、前記質量部２３がＺ軸の負方向に移動した場合には、検出部２６ａの内周部近傍と検出部２６ｃの外周部近傍には正の電荷が発生するとともに、検出部２６ａの外周部近傍と検出部２６ｃの内周部近傍には負の電荷が発生する。次に、前記質量部２３がＺ軸の正方向に移動した場合には、検出部２６ａの内周部近傍と検出部２６ｃの外周部近傍には負の電荷が発生するとともに、検出部２６ａの外周部近傍と検出部２６ｃの内周部近傍には正の電荷が発生する。
【００２４】
図３（ａ）は質量部２３がコリオリ力を受けてＸ軸方向に単振動を行っている時に、Ｘ軸上に発生する歪をシミュレーション計算して相対値で示したものである。図３（ａ）を見ると、可撓部２２に発生する歪は原点から約２６０μｍの位置で正の最大値である約０．３３（相対値）となった後、約３８０μｍの位置で０となり、さらに原点から約５２０μｍの位置で負の最大値である約−０．１６（相対値）となることが分かる。また、図３（ｂ）、図３（ｃ）は各々原点から半径約２６０μｍ、約５２０μｍの円周上に発生する歪をシミュレーション計算して相対値で示したものである。図３（ｂ）、図３（ｃ）を見ると、可撓部２２に発生する歪はＸ軸上で最大であり、かつ円周上ではＸ軸からの角度が大きくなるにつれ余弦関数的に低下しＹ軸方向上で零になることが分かる。圧電体の電極内に発生する電荷は歪に比例するため、検出部の電極内に発生する電荷密度はＸ軸上で最大となり、かつ円周上ではＸ軸からの角度が大きくなるにつれ余弦関数的に低下することが分かる。また、検出部２６ａ，２６ｃの内周部近傍の電荷密度は検出部２６ａ，２６ｃの外周部近傍の電荷密度の２倍以上大きく、かつ互いに極性が逆となることが分かる。これにより、前記質量部２３にコリオリ力が働いてＺ軸の負方向に移動した場合には、検出部２６ａには正の電荷が負の電荷よりも大きく発生するとともに、検出部２６ｃには負の電荷が正の電荷よりも多く発生することになる。これと同様に、質量部２３にコリオリ力が働いてＺ軸の正方向に移動した場合には、検出部２６ａには負の電荷が正の電荷よりも多く発生するとともに、検出部２６ｃには正の電荷が負の電荷よりも多く発生することになる。このように、前記質量部２３にコリオリ力が働いてＺ軸方向に振動すると、検出部２６ａ，２６ｃには互いに逆極性の電荷が発生することになる。
【００２５】
上記と同様にして、質量部２３をＺ軸方向に単振動させた状態で角速度センサにＸ軸周りの角速度ωxが加えられると、Ｙ軸方向にコリオリ力が働いて質量部２３はＹ軸方向に振り子振動するために、検出部２６ｂ，２６ｄに互いに逆極性の電荷が発生することになる。
【００２６】
図４（ａ）は質量部２３のＸ軸方向の変位を検出するための回路図である。検出部２６ａ，２６ｃの電極内に発生する逆極性の電荷は各々電荷／電圧変換され、かつバッファアンプ２７ａ，２７ｂで電圧に変換、増幅された後、減算器２８により電荷／電圧変換され、そしてバッファアンプ２７ａの出力から電荷／電圧変換され、さらにバッファアンプ２７ｂの出力が減算される。そして、減算器２８の出力からＹ軸周りの角速度を検出することができる。また、図４（ｂ）は質量部２３のＹ軸方向の変位を検出するための回路図である。検出部２６ｂ，２６ｄの電極内に発生する逆極性の電荷は各々電荷／電圧変換され、かつバッファアンプ２７ｃ，２７ｄで電圧に変換、増幅された後、減算器２９により電荷／電圧変換され、そしてバッファアンプ２７ｃの出力から電荷／電圧変換され、さらにバッファアンプ２７ｄの出力が減算される。そして、減算器２９の出力からＹ軸周りの角速度を検出することができる。
【００２７】
一方、角速度センサに回転が加えられていない場合には、前記したように、検出部２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄの各々の電極内に発生する電荷は実質的にキャンセルまたは極めて小さくなっている。よって、図４（ａ）の検出回路において、角速度検出信号のＳ／Ｎを高めるために、電荷／電圧変換およびバッファアンプ２６ａ，２６ｃの増幅度を大きく設定しても、電荷／電圧変換およびバッファアンプ２６ａ，２６ｃの出力は飽和することがないため、角速度センサに回転が加えられていない場合には、減算器２８の出力を実質的に零にすることが可能となる。これと同様にして、図４（ｂ）の検出回路においても、角速度センサに回転が加えられていない場合には、減算器２９の出力を実質的に零にすることが可能となるため、角速度センサの０点変動を低減させることができ、これにより、角速度の測定精度の向上を図ることができるものである。
【００２８】
このようにして、各軸周りの角速度を検出するのに、加算器を用いずに電荷／電圧変換およびバッファアンプ２個、減算器１個という簡単な回路構成を用いながら電荷／電圧変換およびバッファアンプの飽和を防止することによって、０点変動を低減させることができるとともに、角速度の測定精度の向上を図ることができる角速度センサを提供することができるものである。
【００２９】
（実施の形態２）
図５（ａ）は本発明の実施の形態２における角速度センサの平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の角速度センサをＸ軸に沿って切断した断面図である。そして、本発明の実施の形態２における角速度センサは上記した本発明の実施の形態１における角速度センサの駆動部の形成位置と検出部の形状を変更したものである。なお、本発明の実施の形態２において、上記本発明の実施の形態１の構成と同様の構成を有するものについては、同一番号を付し、その説明は省略する。この図５（ａ）（ｂ）に示すように、本発明の実施の形態２においては、可撓部２２の表面上に可撓部２２の変位を検出するための検出部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄをＺ軸の周りにほぼ９０°間隔で形成したものである。ここで、前記検出部３０ａ，３０ｃは本発明の実施の形態１における角速度センサの扇形の検出部２６ａ，２６ｃにＸ軸を対称軸とする切り欠き部３１ａ，３１ｃを前記可撓部２２の外周部から略中央部までに設けるとともに、前記検出部３０ａ，３０ｃにおける前記可撓部２２の略中央部から外周部までの幅を拡大したものである。これと同様に、前記検出部３０ｂ，３０ｄは本発明の実施の形態１における角速度センサの扇形の検出部２６ｂ，２６ｄにＹ軸を対称軸とする切り欠き部３１ｂ，３１ｄを前記可撓部２２の外周部から略中央部までに設けるとともに、前記検出部３０ｂ，３０ｄにおける前記可撓部２２の略中央部から外周部までの幅を拡大したものである。また、可撓部２２の表面上には前記切り欠き部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ内に質量部２３を駆動するための駆動部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄが設けられているものである。さらに、検出部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ、前記駆動部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄはその上下に上部電極、下部電極（図示せず）を有し、かつ下部電極は基準電位に接続されているものである。
【００３０】
前記駆動部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄの上電極に正弦波駆動信号を印加すると、前記駆動部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄはＸＹ面内で伸縮することになり、これにより、質量部２３はＺ軸方向に単振動を行う。この時、検出部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの電極内には正負の電荷が発生するが、前記したように、検出部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは前記可撓部２２の内周部から外周部にわたって設けるとともに、その幅寸法を前記質量部２３の中心からの距離に応じて大きくなるように形成しているため、検出部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの電極内には正負の電荷を実質的に等しい量だけ発生させることができ、これにより、コリオリ力に起因しない電荷分をキャンセルまたは極めて小さくすることができるものである。
【００３１】
質量部２３をＺ軸方向に単振動させた状態で角速度センサにＹ軸周りの角速度ωyが加えられると、Ｘ軸方向にコリオリ力が働き質量部２３はＸ軸方向に振り子振動するために、検出部３０ａの内周部近傍と外周部近傍には互いに逆極性の電荷が発生するが、前記したように、検出部３０ａの電極内に発生する電荷密度はＸ軸上で最大となるため、検出部３０ａにＸ軸を対称軸とする切り欠き部３１ａを前記可撓部２２の外周部から略中央部までに設けることにより、前記検出部３０ａの電極内に誘起される正負の電荷がキャンセルされるのを最小化することができる。これにより、コリオリ力によって前記検出部３０ａ内に誘起される電荷量を多くすることができる。また、これと同様にして、検出部３０ｃにＸ軸を対称軸とする切り欠き部３１ｃを前記可撓部２２の外周部から略中央部までに設けることにより、コリオリ力によって前記検出部３０ｃ内に誘起される電荷量を多くすることができ、そして、図４（ａ）と同様な回路を用いることにより、角速度検出信号の電圧振幅を増大させることができ、これにより、Ｙ軸周りの角速度の測定精度をさらに向上させることができるものである。
【００３２】
上記と同様にして、質量部２３をＺ軸方向に単振動させた状態で角速度センサにＸ軸周りの角速度ωxが加えられると、Ｙ軸方向にコリオリ力が働き質量部２３はＹ軸方向に振り子振動するが、検出部３０ｂ，３０ｄに各々Ｙ軸を対称軸とする切り欠き部３１ｂ，３１ｄを前記可撓部２２の外周部から略中央部までに設けることにより、コリオリ力によって前記検出部３０ｂ，３０ｄ内に誘起される電荷量を多くすることができ、そして、図４（ｂ）と同様な回路を用いることにより、角速度検出信号の電圧振幅を増大させることができ、これにより、Ｘ軸周りの角速度の測定精度をさらに向上させることができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明に係る角速度センサは、０点変動を効果的に低減させることができ、これにより、角速度の測定精度の向上を図ることができるという効果を有するものであり、特に、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等の各種電子機器に用いてこれらの機器に働く角速度を検出する角速度センサとして有用なものである。
【符号の説明】
【００３４】
２１  基板
２２  可撓部
２３  質量部
２４  固定部
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ  駆動部
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ  検出部
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ  検出部
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ  切り欠き部
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ  駆動部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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