(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ三次元直交座標系において定義されるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちの少なくとも１軸まわりの角速度を検出する角速度センサであって、
前記三次元直交座標系の空間内で運動可能な第１の重錘体および第２の重錘体と、
前記２つの重錘体を収容する装置筐体と、
前記第１の重錘体を、前記装置筐体に対して、所定の自由度をもって運動可能となるように接続する可撓性をもった第１の接続部材と、
前記第２の重錘体を、前記装置筐体に対して、所定の自由度をもって運動可能となるように接続する可撓性をもった第２の接続部材と、
前記第１の重錘体と前記第２の重錘体とを接続する可撓性をもった第３の接続部材と、
少なくとも所定の検出時において、前記第１の重錘体が前記Ｘ軸の正方向の速度成分をもって運動し、前記第２の重錘体が前記Ｘ軸の負方向の速度成分をもって運動するように、前記第１の重錘体および前記第２の重錘体を前記装置筐体内で運動させる駆動手段と、
前記検出時に前記Ｙ軸まわりの角速度が作用していた場合に、前記第１の重錘体に対して前記Ｚ軸方向に作用する第１のＺ軸コリオリ力を検出する第１のコリオリ力検出手段と、
前記検出時に前記Ｙ軸まわりの角速度が作用していた場合に、前記第２の重錘体に対して前記Ｚ軸方向に作用する第２のＺ軸コリオリ力を検出する第２のコリオリ力検出手段と、
前記第１のＺ軸コリオリ力と前記第２のＺ軸コリオリ力との差に基づいて、作用したＹ軸まわりの角速度を求める演算手段と、
を備え、少なくともＹ軸まわりの角速度を検出する機能をもち、
前記各重錘体上には、励振用導電路と検出用導電路とが形成されており、
前記励振用導電路および前記検出用導電路が位置する空間に、これら両導電路に対して磁束が平行にはならないような磁界を発生させる磁界発生手段が設けられており、
前記駆動手段は、前記励振用導電路と前記磁界発生手段とを利用して構成され、前記励振用導電路に電流を供給することにより、この電流と前記磁界との相互作用に基づくローレンツ力によって前記各重錘体を運動させ、
前記各コリオリ力検出手段は、前記検出用導電路と前記磁界発生手段とを利用して構成され、前記検出用導電路に発生する誘導起電力に基づいて前記各重錘体に作用するコリオリ力を検出し、
前記各重錘体は、前記ＸＹＺ三次元直交座標系のＸＹ平面内に上面が含まれる基板からなり、
前記各重錘体のそれぞれについて、上面の中央部に原点Ｏを定義した場合に、
Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の負の部分に交差する第１の導電路と、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の正の部分に交差する第２の導電路と、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の負の部分に交差する第３の導電路と、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の正の部分に交差する第４の導電路と、により前記励振用導電路が構成され、
Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の負の部分に交差する第５の導電路と、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の正の部分に交差する第６の導電路と、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の負の部分に交差する第７の導電路と、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の正の部分に交差する第８の導電路と、により前記検出用導電路が構成されていることを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
第１のコリオリ力検出手段が、所定の検出時にＺ軸まわりの角速度が作用していた場合に、第１の重錘体に対してＹ軸方向に作用する第１のＹ軸コリオリ力を検出する機能を更に有し、
第２のコリオリ力検出手段が、前記所定の検出時にＺ軸まわりの角速度が作用していた場合に、第２の重錘体に対してＹ軸方向に作用する第２のＹ軸コリオリ力を検出する機能を更に有し、
演算手段が、前記第１のＹ軸コリオリ力と前記第２のＹ軸コリオリ力との差に基づいて、作用したＺ軸まわりの角速度を求める機能を更に有し、
Ｙ軸まわりの角速度とともにＺ軸まわりの角速度を検出する機能をもつことを特徴とする角速度センサ。
【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、
駆動手段が、第１の重錘体をＸ軸方向に沿って往復運動させる第１のＸ軸方向駆動手段と、第２の重錘体をＸ軸方向に沿って往復運動させる第２のＸ軸方向駆動手段と、を有し、前記第１の重錘体の往復運動と前記第２の重錘体の往復運動とが、周期が同一で位相が反転したものとなるようにしたことを特徴とする角速度センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
装置筐体内を、所定の境界面を境として右側領域と左側領域とに分けたときに、駆動手段による運動が行われていない状態において、
第１の重錘体と第２の重錘体とは、前記境界面に関して互いに対称な構造をなし、
第１の接続部材と第２の接続部材とは、前記境界面に関して互いに対称な構造をなし、
第３の接続部材は、前記右側領域から前記境界面を跨いで前記左側領域へと連なり、前記境界面に関して対称構造をなすことを特徴とする角速度センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の角速度センサにおいて、
第３の接続部材が、
駆動手段による運動が行われていない状態において境界面上に配置され、前記境界面に関して対称構造をなす中間部材と、
前記中間部材と第１の重錘体とを接続する可撓性を有する橋梁構造体と、
前記中間部材と第２の重錘体とを接続する可撓性を有する橋梁構造体と、
を有することを特徴とする角速度センサ。
【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、
第１の重錘体および第２の重錘体が、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有する板状構造体によって構成されていることを特徴とする角速度センサ。
【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、
検出時にＸ軸方向の加速度が作用していた場合に、第１の重錘体に対して前記加速度に起因して前記Ｘ軸方向に作用する第１のＸ軸加速度力を検出する第１の加速度力検出手段と、
検出時にＸ軸方向の加速度が作用していた場合に、第２の重錘体に対して前記加速度に起因して前記Ｘ軸方向に作用する第２のＸ軸加速度力を検出する第２の加速度力検出手段と、
を更に設け、
演算手段が、前記第１の加速度力と前記第２の加速度力との和に基づいて、作用したＸ軸方向の加速度を求める演算を行う機能を更に有することを特徴とする加速度検出機能をもった角速度センサ。
【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、
検出時にＹ軸方向の加速度が作用していた場合に、第１の重錘体に対して前記加速度に起因して前記Ｙ軸方向に作用する第１のＹ軸加速度力を検出する第１の加速度力検出手段と、
検出時にＹ軸方向の加速度が作用していた場合に、第２の重錘体に対して前記加速度に起因して前記Ｙ軸方向に作用する第２のＹ軸加速度力を検出する第２の加速度力検出手段と、
を更に設け、
演算手段が、前記第１の加速度力と前記第２の加速度力との和に基づいて、作用したＹ軸方向の加速度を求める演算を行う機能を更に有することを特徴とする加速度検出機能をもった角速度センサ。
【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、
検出時にＺ軸方向の加速度が作用していた場合に、第１の重錘体に対して前記加速度に起因して前記Ｚ軸方向に作用する第１のＺ軸加速度力を検出する第１の加速度力検出手段と、
検出時にＺ軸方向の加速度が作用していた場合に、第２の重錘体に対して前記加速度に起因して前記Ｚ軸方向に作用する第２のＺ軸加速度力を検出する第２の加速度力検出手段と、
を更に設け、
演算手段が、前記第１の加速度力と前記第２の加速度力との和に基づいて、作用したＺ軸方向の加速度を求める演算を行う機能を更に有することを特徴とする加速度検出機能をもった角速度センサ。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
第１の重錘体について所定軸の方向に作用した力を検出する第１の力検出手段を、この所定軸を検出軸とする第１のコリオリ力検出手段および第１の加速度力検出手段として兼用し、
第２の重錘体について所定軸の方向に作用した力を検出する第２の力検出手段を、この所定軸を検出軸とする第２のコリオリ力検出手段および第２の加速度力検出手段として兼用し、
前記第１の力検出手段による力の検出値と前記第２の力検出手段による力の検出値との差に基づいて角速度を求め、
前記第１の力検出手段による力の検出値と前記第２の力検出手段による力の検出値との和に基づいて加速度を求めるようにしたことを特徴とする加速度検出機能をもった角速度センサ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の角速度センサにおいて、
第１の重錘体および第２の重錘体の運動周波数を、検出対象となる加速度の周波数に比べて十分に高く設定し、前者を高周波数、後者を低周波数とする識別が可能になるようにし、
第１の力検出手段による力の検出値の前記高周波数の成分と第２の力検出手段による力の検出値の前記高周波数の成分との差に基づいて角速度を求め、
第１の力検出手段による力の検出値の前記低周波数の成分と第２の力検出手段による力の検出値の前記低周波数の成分との和に基づいて加速度を求めるようにしたことを特徴とする加速度検出機能をもった角速度センサ。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
互いに所定間隔をおいてほぼ平行に配置された２枚の空間構成用基板と、この２枚の空間構成用基板の外周部を互いに接続する側壁部と、によって密閉された検出動作空間を構成し、
この検出動作空間内に２つの重錘体を収容し、前記重錘体が前記検出動作空間内で所定の自由度をもって運動可能となるように、前記重錘体と前記空間構成用基板とを直接または間接的に接続部材によって接続したことを特徴とする角速度センサ。
【請求項１３】
請求項１２に記載の角速度センサにおいて、
検出対象となる範囲を越えた過度に大きな角速度または加速度が作用した場合に、重錘体がいずれか一方の空間構成用基板に接触してその運動が妨げられるように、重錘体と各空間構成用基板との間隔を設定し、各空間構成用基板を重錘体の運動を制御する制御部材として利用できるようにしたことを特徴とする角速度センサ。
【請求項１４】
請求項１２または１３に記載の角速度センサにおいて、
一方の空間構成用基板に配線用開口窓を形成し、検出動作空間内に、この配線用開口窓を塞ぐように導電性の配線部材を設け、
前記検出動作空間の内部においては、重錘体を運動させるための駆動手段と、重錘体に作用したコリオリ力または加速度力を検出する力検出手段と、を前記配線部材に電気的に接続し、
前記検出動作空間の外部においては、前記配線用開口窓を通して、前記配線部材と外部配線とを電気的に接続するようにし、
前記検出動作空間の密閉状態を維持したまま電気的な配線が行われるようにしたことを特徴とする角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は角速度センサおよび加速度検出機能をもった角速度センサに関し、特に、多軸まわりの角速度検出および多軸方向の加速度検出に適した角速度／加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車産業や機械産業などでは、所定軸まわりの角速度や所定軸方向の加速度を正確に検出できる角速度センサや加速度センサの需要が高まってきている。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とともに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に関する加速度とともに、各座標軸まわりの角速度を検出する必要がある。特に、ＸＹＺ三次元直交座標系内において、物体の三次元の動きを正確に捉えるためには、Ｘ軸まわりの角速度ωｘ，Ｙ軸まわりの角速度ωｙ，Ｚ軸まわりの角速度ωｚ，Ｘ軸方向の加速度αｘ，Ｙ軸方向の加速度αｙ，Ｚ軸方向の加速度αｚという合計６軸に関する角速度および加速度の成分を検出することが不可欠である。
【０００３】
このような需要に応えるため、本願発明者は、たとえば、下記の特許文献１〜６などに、いくつかの角速度センサおよび加速度センサを提案した。これらのセンサによれば三次元の各軸まわりの角速度や各軸方向の加速度を検出することができる。ここで、角速度については、ある物体に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軸方向に運動させると、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆｙが作用するという原理を利用した検出が行われ、加速度については、ある物体にＸ軸方向の加速度αｘが作用すると、同じくＸ軸方向に加速度に基づく力（ここでは、加速度力と呼ぶことにする）ｆｘが作用するという原理を利用した検出が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】第ＷＯ９４／２３２７２号公報
【特許文献２】特開平８−３５９８１号公報
【特許文献３】特開平８−６８６３６号公報
【特許文献４】特開平８−９４６６１号公報
【特許文献５】特開平８−２２６９３１号公報
【特許文献６】特開平８−２８５６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
三次元空間内で運動する物体についての角速度・加速度検出という需要は、益々高まるばかりであり、今後は特に、小型かつ低価格でありながら、誤差の少ない信頼性の高い検出が可能なセンサが望まれている。しかしながら、これまで実用化されてきた角速度センサあるいは加速度センサは、構造的にまだまだ複雑な部分が多く、信頼性を高めるためには、小型化や低価格化が困難であるという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、小型かつ低価格でありながら、誤差の少ない信頼性の高い検出が可能な角速度センサおよび加速度検出機能をもった角速度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
(1)   本発明の第１の態様は、ＸＹＺ三次元直交座標系において定義されるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちの少なくとも１軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、
三次元直交座標系の空間内で運動可能な第１の重錘体および第２の重錘体と、
この２つの重錘体を収容する装置筐体と、
第１の重錘体を、装置筐体に対して、所定の自由度をもって運動可能となるように接続する可撓性をもった第１の接続部材と、
第２の重錘体を、装置筐体に対して、所定の自由度をもって運動可能となるように接続する可撓性をもった第２の接続部材と、
第１の重錘体と第２の重錘体とを接続する可撓性をもった第３の接続部材と、
少なくとも所定の検出時において、第１の重錘体がＸ軸の正方向の速度成分をもって運動し、第２の重錘体がＸ軸の負方向の速度成分をもって運動するように、第１の重錘体および第２の重錘体を装置筐体内で運動させる駆動手段と、
検出時にＹ軸まわりの角速度が作用していた場合に、第１の重錘体に対してＺ軸方向に作用する第１のＺ軸コリオリ力を検出する第１のコリオリ力検出手段と、
検出時にＹ軸まわりの角速度が作用していた場合に、第２の重錘体に対してＺ軸方向に作用する第２のＺ軸コリオリ力を検出する第２のコリオリ力検出手段と、
第１のＺ軸コリオリ力と第２のＺ軸コリオリ力との差に基づいて、作用したＹ軸まわりの角速度を求める演算手段と、
を設け、少なくともＹ軸まわりの角速度を検出することができるようにし、
各重錘体上には、励振用導電路と検出用導電路とを形成し、
励振用導電路および検出用導電路が位置する空間に、これら両導電路に対して磁束が平行にはならないような磁界を発生させる磁界発生手段を設け、
駆動手段が、励振用導電路と磁界発生手段とを利用して構成され、励振用導電路に電流を供給することにより、この電流と磁界との相互作用に基づくローレンツ力によって各重錘体を運動させるようにし、
各コリオリ力検出手段が、検出用導電路と磁界発生手段とを利用して構成され、検出用導電路に発生する誘導起電力に基づいて各重錘体に作用するコリオリ力を検出し、
各重錘体は、ＸＹＺ三次元直交座標系のＸＹ平面内に上面が含まれる基板からなり、
各重錘体のそれぞれについて、上面の中央部に原点Ｏを定義した場合に、
Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の負の部分に交差する第１の導電路と、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の正の部分に交差する第２の導電路と、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の負の部分に交差する第３の導電路と、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の正の部分に交差する第４の導電路と、により励振用導電路が構成され、
Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の負の部分に交差する第５の導電路と、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の正の部分に交差する第６の導電路と、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の負の部分に交差する第７の導電路と、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の正の部分に交差する第８の導電路と、により検出用導電路が構成されているようにしたものである。
【０００８】
(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、
第１のコリオリ力検出手段が、所定の検出時にＺ軸まわりの角速度が作用していた場合に、第１の重錘体に対してＹ軸方向に作用する第１のＹ軸コリオリ力を検出する機能を更に有し、
第２のコリオリ力検出手段が、この検出時にＺ軸まわりの角速度が作用していた場合に、第２の重錘体に対してＹ軸方向に作用する第２のＹ軸コリオリ力を検出する機能を更に有し、
演算手段が、第１のＹ軸コリオリ力と第２のＹ軸コリオリ力との差に基づいて、作用したＺ軸まわりの角速度を求める機能を更に有し、
Ｙ軸まわりの角速度とともにＺ軸まわりの角速度を検出する機能をもつようにしたものである。
【０００９】
(3)   本発明の第３の態様は、上述の第１または第２の態様に係る角速度センサにおいて、
駆動手段が、第１の重錘体をＸ軸方向に沿って往復運動させる第１のＸ軸方向駆動手段と、第２の重錘体をＸ軸方向に沿って往復運動させる第２のＸ軸方向駆動手段と、を有し、第１の重錘体の往復運動と第２の重錘体の往復運動とが、周期が同一で位相が反転したものとなるようにしたものである。
【００１０】
(4)   本発明の第４の態様は、上述の第１から第３の態様に係る角速度センサにおいて、
装置筐体内を、所定の境界面を境として右側領域と左側領域とに分けたときに、駆動手段による運動が行われていない状態において、
第１の重錘体と第２の重錘体とは、この境界面に関して互いに対称な構造をなし、
第１の接続部材と第２の接続部材とは、この境界面に関して互いに対称な構造をなし、
第３の接続部材は、右側領域から境界面を跨いで左側領域へと連なり、境界面に関して対称構造をなすようにしたものである。
【００１１】
(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３の接続部材が、
駆動手段による運動が行われていない状態において境界面上に配置され、この境界面に関して対称構造をなす中間部材と、
中間部材と第１の重錘体とを接続する可撓性を有する橋梁構造体と、
中間部材と第２の重錘体とを接続する可撓性を有する橋梁構造体と、
を有するようにしたものである。
【００１２】
(6)   本発明の第６の態様は、上述の第１から第５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の重錘体を、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有する板状構造体によって構成したものである。
【００１３】
(7)   本発明の第７の態様は、上述の第１から第６の態様に係る角速度センサにおいて、
検出時にＸ軸方向の加速度が作用していた場合に、第１の重錘体に対して加速度に起因してＸ軸方向に作用する第１のＸ軸加速度力を検出する第１の加速度力検出手段と、
検出時にＸ軸方向の加速度が作用していた場合に、第２の重錘体に対して加速度に起因してＸ軸方向に作用する第２のＸ軸加速度力を検出する第２の加速度力検出手段と、
を更に設け、
演算手段が、第１の加速度力と第２の加速度力との和に基づいて、作用したＸ軸方向の加速度を求める演算を行う機能を更に有するようにしたものである。
【００１４】
(8)   本発明の第８の態様は、上述の第１から第７の態様に係る角速度センサにおいて、
検出時にＹ軸方向の加速度が作用していた場合に、第１の重錘体に対して加速度に起因してＹ軸方向に作用する第１のＹ軸加速度力を検出する第１の加速度力検出手段と、
検出時にＹ軸方向の加速度が作用していた場合に、第２の重錘体に対して加速度に起因してＹ軸方向に作用する第２のＹ軸加速度力を検出する第２の加速度力検出手段と、
を更に設け、
演算手段が、第１の加速度力と第２の加速度力との和に基づいて、作用したＹ軸方向の加速度を求める演算を行う機能を更に有するようにしたものである。
【００１５】
(9)   本発明の第９の態様は、上述の第１から第８の態様に係る角速度センサにおいて、
検出時にＺ軸方向の加速度が作用していた場合に、第１の重錘体に対して加速度に起因してＺ軸方向に作用する第１のＺ軸加速度力を検出する第１の加速度力検出手段と、
検出時にＺ軸方向の加速度が作用していた場合に、第２の重錘体に対して加速度に起因してＺ軸方向に作用する第２のＺ軸加速度力を検出する第２の加速度力検出手段と、
を更に設け、
演算手段が、第１の加速度力と第２の加速度力との和に基づいて、作用したＺ軸方向の加速度を求める演算を行う機能を更に有するようにしたものである。
【００１６】
(10)  本発明の第１０の態様は、上述の第７から第９の態様に係る角速度センサにおいて、
第１の重錘体について所定軸の方向に作用した力を検出する第１の力検出手段を、この所定軸を検出軸とする第１のコリオリ力検出手段および第１の加速度力検出手段として兼用し、
第２の重錘体について所定軸の方向に作用した力を検出する第２の力検出手段を、この所定軸を検出軸とする第２のコリオリ力検出手段および第２の加速度力検出手段として兼用し、
第１の力検出手段による力の検出値と第２の力検出手段による力の検出値との差に基づいて角速度を求め、
第１の力検出手段による力の検出値と第２の力検出手段による力の検出値との和に基づいて加速度を求めるようにしたものである。
【００１７】
(11)  本発明の第１１の態様は、上述の第１０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の重錘体の運動周波数を、検出対象となる加速度の周波数に比べて十分に高く設定し、前者を高周波数、後者を低周波数とする識別が可能になるようにし、
第１の力検出手段による力の検出値の高周波数の成分と第２の力検出手段による力の検出値の高周波数の成分との差に基づいて角速度を求め、
第１の力検出手段による力の検出値の低周波数の成分と第２の力検出手段による力の検出値の低周波数の成分との和に基づいて加速度を求めるようにしたものである。
【００３１】
(12)  本発明の第１２の態様は、上述の第１〜第１１の態様に係る角速度センサにおいて、
互いに所定間隔をおいてほぼ平行に配置された２枚の空間構成用基板と、この２枚の空間構成用基板の外周部を互いに接続する側壁部と、によって密閉された検出動作空間を構成し、
この検出動作空間内に２つの重錘体を収容し、この重錘体が検出動作空間内で所定の自由度をもって運動可能となるように、重錘体と空間構成用基板とを直接または間接的に接続部材によって接続するようにしたものである。
【００３２】
(13)  本発明の第１３の態様は、上述の第１２の態様に係る角速度センサにおいて、
検出対象となる範囲を越えた過度に大きな角速度または加速度が作用した場合に、重錘体がいずれか一方の空間構成用基板に接触してその運動が妨げられるように、重錘体と各空間構成用基板との間隔を設定し、各空間構成用基板を重錘体の運動を制御する制御部材として利用できるようにしたものである。
【００３３】
(14)  本発明の第１４の態様は、上述の第１２または第１３の態様に係る角速度センサにおいて、
一方の空間構成用基板に配線用開口窓を形成し、検出動作空間内に、この配線用開口窓を塞ぐように導電性の配線部材を設け、
検出動作空間の内部においては、重錘体を運動させるための駆動手段と、重錘体に作用したコリオリ力または加速度力を検出する力検出手段と、を配線部材に電気的に接続し、
検出動作空間の外部においては、配線用開口窓を通して、配線部材と外部配線とを電気的に接続するようにし、
検出動作空間の密閉状態を維持したまま電気的な配線が行われるようにしたものである。
【発明の効果】
【００３４】
本発明に係る角速度センサによれば、装置筐体内に２つの重錘体を収容して逆方向の運動をさせ、両者を可撓性をもった接続部材で接続し、一対の重錘体を用いた測定における差により角速度を検出し、和により加速度を検出するようにしたため、小型かつ低価格でありながら、誤差の少ない信頼性の高い検出が可能な角速度センサおよび加速度検出機能をもった角速度センサを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に係る角速度センサの基本構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す角速度センサにおける重錘体の重心の変位を示す図である。
【図３】図１に示す角速度センサにおける第１の重錘体１０Ａの運動およびこれに基づいて生じるコリオリ力を示すグラフである。
【図４】図１に示す角速度センサにおける第２の重錘体１０Ｂの運動およびこれに基づいて生じるコリオリ力を示すグラフである。
【図５】図１に示す角速度センサに用いられる検出回路の第１の部分を示すブロック図である。
【図６】図１に示す角速度センサに用いられる検出回路の第２の部分を示すブロック図である。
【図７】図１に示す角速度センサに用いられる検出回路の第３の部分を示すブロック図である。
【図８】本発明の別な一実施形態に係る角速度センサの基本構成を示す斜視図である。
【図９】図８に示す角速度センサにおける重錘体の重心の変位を示す図である。
【図１０】本発明の更に別な一実施形態に係る角速度センサの動作原理を示す平面図である。
【図１１】図１０に示す角速度センサに用いられる検出回路の第１の部分を示すブロック図である。
【図１２】図１０に示す角速度センサに用いられる検出回路の第２の部分を示すブロック図である。
【図１３】図１０に示す角速度センサに用いられる検出回路の第３の部分を示すブロック図である。
【図１４】本発明に係る角速度センサに適用する励振用導電路による駆動原理を示す斜視図である。
【図１５】本発明に係る角速度センサに適用する検出用導電路による検出原理を示す第１の斜視図である。
【図１６】本発明に係る角速度センサに適用する検出用導電路による検出原理を示す第２の斜視図である。
【図１７】本発明に係る角速度センサに適用する容量素子による検出原理を示す側断面図である。
【図１８】図１に示す実施形態をより具体化した角速度センサの平面図である。
【図１９】図１８に示す角速度センサの側断面図である。
【図２０】図８に示す実施形態をより具体化した角速度センサの平面図である。
【図２１】図１０に示す実施形態をより具体化した角速度センサの平面図である。
【図２２】図２１に示す角速度センサを動作させるために用いる交流信号波形を示すグラフである。
【図２３】大量生産に適した角速度センサを構成するために用いる基板の平断面図である。
【図２４】図２３に示す基板の側断面図である。
【図２５】図２３に示す基板の上面図である。
【図２６】図２３に示す基板を利用して構成した角速度センサの側断面図である。
【図２７】容量素子により重錘体の駆動および力の検出を行う角速度センサの主要部分の上面図である。
【図２８】図２７に示す左側領域４００Ａに配置された構成要素のみを示す平面図である（形状の把握を容易にするため、個々の構成要素の部分についてはハッチングを施して示してあるが、このハッチングは、断面を示すものではない）。
【図２９】図２７に示す重錘体４１０の上辺近傍の拡大上面図である。
【図３０】図２９に示す構造体を、切断線Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃで切断した断面を示す側断面図である。
【図３１】図２７に示す重錘体４１０の上辺近傍の別な拡大上面図である。
【図３２】図２７に示す角速度センサの変形例を示す拡大上面図である。
【図３３】図２７に示す角速度センサのベース基板を大量生産する際に用いるシリコンウエハの上面図である。
【図３４】図２７に示す角速度センサに用いる保護基板の上面図である。
【図３５】図３４に示す保護基板を図２７に示す角速度センサの上に固着した状態を示す上面図である。
【図３６】図３５に示す角速度センサの一部分を、切断線Ａ−Ａで切断した拡大断面を示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００３７】
§１．  重錘体を往復運動させる実施形態
【００３８】
＜＜＜  １．１  センサの物理的な基本構成  ＞＞＞
はじめに、本発明の一実施形態に係る角速度センサの基本構成を図１の斜視図を参照しながら説明する。図示のように、この角速度センサは、第１の重錘体１０Ａと第２の重錘体１０Ｂとを有しており、第１の重錘体１０Ａを用いた第１の検出系と第２の重錘体１０Ｂを用いた第２の検出系とが用意されている。両重錘体１０Ａ，１０Ｂは、いずれも接続部材２０によって装置筐体３０に接続されている。このとき、接続部材２０は、第１の重錘体１０Ａおよび第２の重錘体１０Ｂのそれぞれを、装置筐体３０に対して、所定の自由度をもって運動可能となるように接続する機能を有する。装置筐体３０は、図１では、単なる接続部材２０の支持点として描かれているが、実際には、接続部材２０を介して各重錘体１０Ａ，１０Ｂを支持する機能を果たすとともに、各重錘体１０Ａ，１０Ｂを収容する容器としても機能する。したがって、各重錘体１０Ａ，１０Ｂは、装置筐体３０の内部に、所定の自由度をもって運動可能となるように収容されることになり、振動子として機能することができる。
【００３９】
ここでは、説明の便宜上、図示されているＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸をもったＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、この座標系におけるこの角速度センサの動作原理を説明することにする。上述したように、各重錘体１０Ａ，１０Ｂは、装置筐体３０内において、所定の自由度をもって運動可能となるように、接続部材２０によって支持されていることになる。より具体的に説明すれば、各重錘体１０Ａ，１０Ｂは、この直交座標系内におけるＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各座標軸方向に所定の範囲内で移動可能となるように、接続部材２０によって支持されている。図１では、接続部材２０をいわゆるコイル状のばねとして描いてあるが、本発明を実施する上での接続部材２０は、必ずしもコイル状のばねによって構成する必要はなく、後述するような板ばね状の橋梁構造などの弾力性あるいは可撓性をもった構造体によって接続部材２０を形成してもよい。また、図１の例では、第１の重錘体１０Ａと第２の重錘体１０Ｂとを接続するための接続部材２５が形成されているが、このように両重錘体間を直接接続する接続部材は必ずしも必要ではない。更に、図１の例では、接続部材２５上の１点Ｊは装置筐体３０には接続されていないが、この１点Ｊを装置筐体３０に直接接続して固定するようにしてもかまわない。要するに、本発明における接続部材２０は、各重錘体１０Ａ，１０Ｂが、それぞれ独立してＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各座標軸方向に、検出に必要な所定の範囲内で移動可能となるのであれば、どのような構造で実現してもかまわない。
【００４０】
本発明を実施する上で、各重錘体１０Ａ，１０Ｂの形状は特に限定されるものではないが、実用上は、図１に示すような基板状の重錘体を用いるのが好ましい。ここでは、ＸＹＺ三次元直交座標系のＸＹ平面に平行な上面および下面を有する同一サイズ、同一質量の基板を、第１の重錘体１０Ａおよび第２の重錘体１０Ｂとして用いた例を述べることにする。両重錘体は必ずしも同一サイズ、同一質量にする必要はないが、演算を容易にするためには、同一サイズ、同一質量にするのが好ましい。また、ここでは、第１の重錘体１０Ａと第２の重錘体１０Ｂとを、Ｘ軸方向に並べて配置した例を述べることにする。
【００４１】
＜＜＜  １．２  角速度検出の基本原理  ＞＞＞
本発明に係る角速度センサの特徴は、第１の重錘体１０Ａを用いた第１の検出系と、第２の重錘体１０Ｂを用いた第２の検出系と、の２つの検出系を用いて、それぞれ重錘体に作用するコリオリ力を検出する点にある。後述するように、第１の重錘体１０Ａと第２の重錘体１０Ｂとを、互いに逆方向の速度成分をもつように運動させると、両重錘体に作用するコリオリ力は逆向きになるため、この両コリオリ力の差分として角速度の検出が可能になる。このような差分検出は、種々の要素に基づく誤差成分を取り除いた正確な検出値を得る上で効果的である。以下、この差分検出の原理を説明する。
【００４２】
いま、第１の重錘体１０Ａに対して、図に矢印で示されているようなＸ軸方向の振動Ｕｘ（Ａ）を与え、同時に、第２の重錘体１０Ｂに対して、図に矢印で示されているようなＸ軸方向の振動Ｕｘ（Ｂ）を与えた場合を考える。別言すれば、第１の重錘体１０Ａも第２の重錘体１０Ｂも、Ｘ軸方向に沿って往復運動していることになる。ここで、第１の重錘体１０Ａの重心Ｇ（Ａ）と、第２の重錘体１０Ｂの重心Ｇ（Ｂ）とが、いずれもＸ軸上に位置していたとすると、これら重心の変位は図２に示すようなものになる。すなわち、振動Ｕｘ（Ａ）によって、第１の重錘体１０Ａの重心Ｇ（Ａ）は、位置Ｘ０（Ａ）を中心として、Ｘ軸正方向へはＸ＋（Ａ）の位置まで移動し、Ｘ軸負方向へはＸ−（Ａ）の位置まで移動することになる。同様に、振動Ｕｘ（Ｂ）によって、第２の重錘体１０Ｂの重心Ｇ（Ｂ）は、位置Ｘ０（Ｂ）を中心として、Ｘ軸正方向へはＸ＋（Ｂ）の位置まで移動し、Ｘ軸負方向へはＸ−（Ｂ）の位置まで移動することになる。
【００４３】
さて、重錘体１０Ａ，１０ＢがこのようにＸ軸方向に往復運動しているときに、この系全体（別言すれば、装置筐体３０全体）に対して、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが作用すると、Ｚ軸方向にコリオリ力Ｆｚが作用することになる。このコリオリ力Ｆｚの向きは、重錘体１０Ａ，１０Ｂの移動方向に応じて反転する。たとえば、作用しているＹ軸まわりの角速度ωｙが一定であったとしても、重錘体がＸ軸正方向へ移動しているときに、Ｚ軸正方向へのコリオリ力が作用したとすれば、重錘体がＸ軸負方向へ移動しているときには、Ｚ軸負方向へのコリオリ力が作用することになる。もちろん、これとは逆に、重錘体がＸ軸正方向へ移動しているときに、Ｚ軸負方向へのコリオリ力が作用し、重錘体がＸ軸負方向へ移動しているときには、Ｚ軸正方向へのコリオリ力が作用する場合もある。いずれの現象が起こるかは、作用したＹ軸まわりの角速度ωｙの回転方向（右まわりか左まわりか）に依存することになる。
【００４４】
図３(a) は、第１の重錘体１０ＡのＸ軸方向に関する往復運動（振動Ｕｘ（Ａ））によるＸ軸方向の速度Ｖｘ（Ａ）の時間変化を示すグラフであり、同図(b) は、第１の重錘体１０Ａがこのような運動を行っているときに、系全体に対してＹ軸まわりの角速度＋ωｙが作用した場合に、この角速度＋ωｙに起因して生じるＺ軸方向へのコリオリ力Ｆｚ（以下、Ｚ軸コリオリ力という）の時間変化を示すグラフであり、同図(c) は、第１の重錘体１０Ａがこのような運動を行っているときに、系全体に対してＹ軸まわりの角速度−ωｙ（角速度＋ωｙに対して逆まわりの角速度）が作用した場合に、この角速度−ωｙに起因して生じるＺ軸コリオリ力Ｆｚの時間変化を示すグラフである。これらの各グラフの横軸は、同図(d) に示す共通の時間軸に対応したものとなっている。
【００４５】
まず、第１の重錘体１０ＡのＸ軸方向の速度Ｖｘ（Ａ）の変化は、図３(a) に示すように、時刻ｔ＝ｔ０〜ｔ４を一周期とする正弦波グラフとなる。時刻ｔ＝ｔ０において、重心Ｇ（Ａ）は、Ｘ軸上の最も負側の位置Ｘ−（Ａ）にあり、このときの速度は０である。続く時刻ｔ＝ｔ１には、重心Ｇ（Ａ）は、中心位置Ｘ０（Ａ）を矢印ｒ１１で示される正の最大速度（ここでは、Ｖｘ（Ａｔ１）と表すことにする）で通過し、時刻ｔ＝ｔ２において、Ｘ軸上の最も正側の位置Ｘ＋（Ａ）に到達する。このときの速度は０である。そして、時刻ｔ＝ｔ３には、重心Ｇ（Ａ）は、中心位置Ｘ０（Ａ）を矢印ｒ１２で示される負の最大速度（ここでは、Ｖｘ（Ａｔ３）と表すことにする）で通過し、時刻ｔ＝ｔ４において、Ｘ軸上の最も負側の位置Ｘ−（Ａ）に到達する。これは、時刻ｔ０のときの状態と同じである。
【００４６】
第１の重錘体１０Ａがこのような往復運動を行っているときに、系全体にＹ軸まわりの各速度＋ωｙが作用すると、図３(b) に示すように、図３(a) のグラフと同位相の正弦波グラフで示されるようなＺ軸コリオリ力Ｆｚ（Ａ：＋ωｙ）が生じることになる。すなわち、Ｚ軸コリオリ力Ｆｚ（Ａ：＋ωｙ）の絶対値および極性は、速度Ｖｘ（Ａ）の絶対値および極性に応じて決まり、時刻ｔ＝ｔ１において矢印ｒ１３で示される正の最大値（ここでは、Ｆｚ（Ａｔ１）と表すことにする）をとり、時刻ｔ＝ｔ３において矢印ｒ１４で示される負の最大値（ここでは、Ｆｚ（Ａｔ３）と表すことにする）をとることになる。一方、角速度＋ωｙとは逆まわりの角速度−ωｙが作用していた場合には、図３(c) に示すように、図３(b) のグラフとは逆位相の正弦波グラフで示されるようなＺ軸コリオリ力Ｆｚ（Ａ：−ωｙ）が生じることになる。やはり、Ｚ軸コリオリ力Ｆｚ（Ａ：−ωｙ）の絶対値および極性は、速度Ｖｘ（Ａ）の絶対値および極性に応じて決まり、時刻ｔ＝ｔ１において矢印ｒ１５で示される負の最大値（ここでは、Ｆｚ（Ａｔ１）と表すことにする）をとり、時刻ｔ＝ｔ３において矢印ｒ１６で示される負の最大値（ここでは、Ｆｚ（Ａｔ３）と表すことにする）をとることになる。
【００４７】
結局、第１の重錘体１０ＡをＸ軸方向に往復運動させた状態において、Ｙ軸まわりの角速度＋ωｙまたは−ωｙが作用した場合、これに起因して生じるＺ軸コリオリ力Ｆｚを検出すれば、作用した角速度＋ωｙまたは−ωｙを求めることができる。たとえば、時刻ｔ１またはｔ３を検出時と定義し、この検出時におけるＺ軸コリオリ力Ｆｚの大きさおよび極性を検出することができれば、作用した角速度ωｙの大きさおよび極性（＋ωｙか、−ωｙか、別言すれば、右まわりか、左まわりか）を求めることができる。このような角速度検出原理は、既に前掲の先願において開示されている。
【００４８】
本発明の特徴は、第１の重錘体１０Ａとともに、第２の重錘体１０Ｂを設け、両重錘体の運動の位相を逆転させるようにした点にある。図４(a) は、第２の重錘体１０ＢのＸ軸方向に関する往復運動（振動Ｕｘ（Ｂ））によるＸ軸方向の速度Ｖｘ（Ｂ）の時間変化を示すグラフであり、同図(b) は、第２の重錘体１０Ｂがこのような運動を行っているときに、系全体に対してＹ軸まわりの角速度＋ωｙが作用した場合に、この角速度＋ωｙに起因して生じるＺ軸コリオリ力の時間変化を示すグラフであり、同図(c) は、第２の重錘体１０Ｂがこのような運動を行っているときに、系全体に対してＹ軸まわりの角速度−ωｙ（角速度＋ωｙに対して逆まわりの角速度）が作用した場合に、この角速度−ωｙに起因して生じるＺ軸コリオリ力Ｆｚの時間変化を示すグラフである。これらの各グラフの横軸は、同図(d) に示す共通の時間軸に対応したものとなっている。
【００４９】
まず、第２の重錘体１０ＢのＸ軸方向の速度Ｖｘ（Ｂ）の変化は、図４(a) に示すように、時刻ｔ＝ｔ０〜ｔ４を一周期とする正弦波グラフとなる。ここで留意すべき点は、図４(a) に示すグラフは、図３(a) に示すグラフに対して、位相が逆転している点である。すなわち、図４(a) のグラフでは、時刻ｔ＝ｔ０において、重心Ｇ（Ｂ）は、Ｘ軸上の最も正側の位置Ｘ＋（Ｂ）にあり、このときの速度は０である。続く時刻ｔ＝ｔ１には、重心Ｇ（Ｂ）は、中心位置Ｘ０（Ｂ）を矢印ｒ２１で示される負の最大速度（ここでは、Ｖｘ（Ｂｔ１）と表すことにする）で通過し、時刻ｔ＝ｔ２において、Ｘ軸上の最も負側の位置Ｘ−（Ｂ）に到達する。このときの速度は０である。そして、時刻ｔ＝ｔ３には、重心Ｇ（Ｂ）は、中心位置Ｘ０（Ｂ）を矢印ｒ２２で示される正の最大速度（ここでは、Ｖｘ（Ｂｔ３）と表すことにする）で通過し、時刻ｔ＝ｔ４において、Ｘ軸上の最も正側の位置Ｘ＋（Ｂ）に到達する。これは、時刻ｔ０のときの状態と同じである。
【００５０】
第２の重錘体１０Ｂがこのような往復運動を行っているときに、系全体にＹ軸まわりの各速度＋ωｙが作用すると、図４(b) に示すように、図４(a) のグラフと同位相の正弦波グラフで示されるようなＺ軸コリオリ力Ｆｚ（Ｂ：＋ωｙ）が生じることになる。すなわち、Ｚ軸コリオリ力Ｆｚ（Ｂ：＋ωｙ）の絶対値および極性は、速度Ｖｘ（Ｂ）の絶対値および極性に応じて決まり、時刻ｔ＝ｔ１において矢印ｒ２３で示される負の最大値（ここでは、Ｆｚ（Ｂｔ１）と表すことにする）をとり、時刻ｔ＝ｔ３において矢印ｒ２４で示される正の最大値（ここでは、Ｆｚ（Ｂｔ３）と表すことにする）をとることになる。一方、角速度＋ωｙとは逆まわりの角速度−ωｙが作用していた場合には、図４(c) に示すように、図４(b) のグラフとは逆位相の正弦波グラフで示されるようなＺ軸コリオリ力Ｆｚ（Ｂ：−ωｙ）が生じることになる。やはり、Ｚ軸コリオリ力Ｆｚ（Ｂ：−ωｙ）の絶対値および極性は、速度Ｖｘ（Ｂ）の絶対値および極性に応じて決まり、時刻ｔ＝ｔ１において矢印ｒ２５で示される正の最大値（ここでは、Ｆｚ（Ｂｔ１）と表すことにする）をとり、時刻ｔ＝ｔ３において矢印ｒ２６で示される負の最大値（ここでは、Ｆｚ（Ｂｔ３）と表すことにする）をとることになる。
【００５１】
さて、第１の重錘体１０Ａに対して作用したＺ軸コリオリ力を第１のＺ軸コリオリ力と呼び、第２の重錘体１０Ｂに対して作用したＺ軸コリオリ力を第２のＺ軸コリオリ力と呼ぶことにすれば、これら個々のＺ軸コリオリ力は、いずれもこの角速度センサに作用したＹ軸まわりの角速度ωｙを示すものになるが、第１のＺ軸コリオリ力と第２のＺ軸コリオリ力との差を求めれば、Ｙ軸まわりの角速度ωｙのより正確な検出値を得ることが可能になる。その理由は、たとえば、図３(b) に示すグラフ（第１の重錘体１０Ａに関するグラフ）と図４(b) に示すグラフ（第２の重錘体１０Ｂに関するグラフ）との差を求める演算結果を考えれば理解できよう。両グラフの値は、どの時点においても、常に極性が反転したものとなっているため、両者の和は理論的には０になってしまうが、両者の差をとれば、両グラフの特性を倍にした結果が得られることになる。しかも、差分演算を行うことにより、両グラフに共通して含まれていた誤差成分（たとえば、後述するような加速度成分や、温度や湿度などによる誤差成分など）が除去されることになるので、より正確な信頼性の高い検出結果を得ることができるようになる。これが、本発明に係る角速度センサにおける角速度検出の基本原理である。
【００５２】
なお、第１の重錘体１０Ａの質量と第２の重錘体１０Ｂの質量とが同一ではない場合には、両グラフの振幅は等しくならない。このような場合は、質量比に基づいた補正を行う必要がある。このような補正演算を省略するために、両重錘体の質量は等しくしておくのが好ましい。また、後述する具体的な検出動作を行う上では、両重錘体の形状やサイズも等しくしておくのが好ましい。
【００５３】
＜＜＜  １．３  個々の角速度および加速度の検出原理  ＞＞＞
これまで、図１に示す角速度センサについて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出する原理を述べた。その要点は、まず、第１の重錘体１０Ａおよび第２の重錘体１０Ｂを、Ｘ軸方向に沿って往復運動させることである。このとき、両往復運動は、その周期は同一であるが、位相が反転したものとなるようにする。より広い概念でとらえれば、これら一対の重錘体の運動は、少なくとも所定の検出時において、第１の重錘体１０ＡがＸ軸の正方向の速度成分をもって運動し、第２の重錘体１０ＢがＸ軸の負方向の速度成分をもって運動していれば、必ずしも互いに位相が反転した往復運動である必要はない。ただ、実用上は、互いに位相が反転した往復運動をさせるのが最も簡単である。このように、一対の重錘体がＸ軸方向に運動している状態で、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが作用すると、各重錘体にはＺ軸方向にコリオリ力が作用するので、このＺ軸コリオリ力を検出する。このとき、両重錘体の移動方向は逆向きなので、両重錘体に作用するＺ軸コリオリ力の向きも逆向きになる（向きを示す正負の符号が逆になる）。そこで、検出した両Ｚ軸コリオリ力の差（符号を考慮した差）を求めれば、この差が、作用したＹ軸まわりの角速度ωｙを示す値となる。より具体的には、差の絶対値が角速度ωｙの絶対値を示し、差の符号が角速度ωｙの向きを示すことになる。たとえば、図３および図４に示す時刻ｔ１における検出結果では、第１の重錘体１０Ａに作用したＺ軸コリオリ力から第２の重錘体１０Ｂに作用したＺ軸コリオリ力を引くことにより得られた差の符号が正ならば、角速度＋ωｙが作用したことになり、逆にこの差の符号が負ならば、角速度−ωｙが作用したことになる。
【００５４】
以上は、Ｙ軸まわりの角速度ωｙの検出原理であるが、図１に示す角速度センサでは、全く同様にして、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出することも可能である。すなわち、両重錘体がＸ軸方向に往復運動している状態において、Ｚ軸まわりの角速度ωｚが作用すると、両重錘体には、Ｙ軸方向のコリオリ力（以下、Ｙ軸コリオリ力と呼ぶ）が作用することになる。この場合、やはり両重錘体の移動方向は逆向きなので、両重錘体に作用するＹ軸コリオリ力の向きも逆向きになる。そこで、検出した両Ｙ軸コリオリ力の差を求めれば、この差が、作用したＺ軸まわりの角速度ωｚを示す値となる。より具体的には、差の絶対値が角速度ωｚの絶対値を示し、差の符号が角速度ωｚの向きを示すことになる。
【００５５】
結局、両重錘体をＸ軸方向に往復運動させた状態において、各重錘体に作用するＺ軸コリオリ力およびＹ軸コリオリ力を検出すれば、Ｙ軸まわりの角速度ωｙとＺ軸まわりの角速度ωｚとの双方を求めることが可能である。なお、Ｘ軸まわりの角速度ωｘは、両重錘体をＸ軸方向に往復運動させる実施形態では求めることができない。この角速度ωｘの検出方法については、後に別な実施形態で説明する。
【００５６】
一方、図１に示す角速度センサでは、Ｘ軸方向の加速度αｘ、Ｙ軸方向の加速度αｙ、Ｚ軸方向の加速度αｚを検出することも可能である。すなわち、ニュートンの法則により、質量ｍを有する物体に加速度αが作用すると、この加速度αと同じ方向に加速度に起因した力ｆ（ここでは、加速度力ｆと呼ぶことにする）が作用し、この加速度力ｆは、ｆ＝ｍαで求められる。したがって、重錘体に作用する加速度力ｆを検出することができれば、重錘体に作用した加速度αを求めることができる。よって、図１の角速度センサでは、各重錘体に作用するＸ軸方向の加速度力ｆｘ、Ｙ軸方向の加速度力ｆｙ、Ｚ軸方向の加速度力ｆｚを検出すれば、各軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚを求めることができる。
【００５７】
ここで留意すべき点は、コリオリ力の向きは重錘体の運動方向によって左右されるのに対し、加速度力の向きは重錘体の運動方向とは無関係であるという点である。たとえば、この系全体に対して、Ｘ軸正方向の加速度＋αｘが作用していた場合、各重錘体がどのような方向に運動していようとも、重錘体には常にＸ軸正方向の加速度力＋ｆｘが加わることになる。すなわち、第１の重錘体１０Ａに加わる加速度力と第２の重錘体１０Ｂに加わる加速度力とは、両者の運動が逆向きであっても、理論的には常に同じ向き、同じ大きさとなる。したがって、両重錘体に作用した加速度力の和を求めれば、両重錘体に作用した平均的な加速度を求めることができる。
【００５８】
このように、重錘体に作用するコリオリ力に基づいて角速度を求めることができ、重錘体に作用する加速度力に基づいて加速度を求めることができるが、物理的な力としてみれば、コリオリ力と加速度力とに区別はない。これまで、重錘体に作用する力を検出するための具体的な手法については触れていないが、本実施形態では、後述するように、重錘体に生じた変位に基づいて作用した力を検出する方法を採っている。たとえば、図２に示すように、第１の重錘体１０Ａの重心Ｇ（Ａ）がＸ軸上で振動Ｕｘ（Ａ）に相当する運動を行っている状態において、Ｙ軸の正または負方向への力が作用すれば、重心Ｇ（Ａ）の位置はＹ軸の正または負方向へ変位することになり、振動Ｕｘ（Ａ）の軌道はＹ軸の正または負方向へずれることになる。このずれ量を検出すれば、作用したＹ軸方向の力を求めることができる。同様に、Ｚ軸方向の力については、Ｚ軸方向のずれ量を検出することにより求めることができ、Ｘ軸方向の力については、Ｘ軸方向のずれ量（この場合、振動Ｕｘ（Ａ）全体がＸ軸方向に移動することになり、たとえば、振動の中心位置Ｘ０（Ａ）が変位することになる）を検出することにより求めることができる。
【００５９】
各重錘体１０Ａ，１０Ｂを、接続部材２０によって、各座標軸方向に所定の自由度をもって運動可能なように支持しているのは、このように各軸方向の変位に基づいて、各軸方向に作用した力を検出することができるようにするためである。ただ、このようにして検出される力は、コリオリ力Ｆと加速度力ｆとの合成力であり、検出された力の絶対値からは、コリオリ力Ｆの割合や加速度力ｆの割合を知る手掛かりはない。上述したように、本発明では、コリオリ力Ｆに基づいて角速度を求め、加速度力ｆに基づいて加速度を求める必要があるため、コリオリ力Ｆと加速度力ｆとを区別して取り扱わねばならない。ところが、幸いにして、両者を区別した取り扱いが可能になる。以下、その理由を述べる。
【００６０】
まず、第１の理由は、周波数成分に基づいて両者を区別することが可能になるためである。一般に、重錘体の運動周波数は、たとえば、数ｋＨｚ程度の高い周波数に維持することが可能であるのに対し、検出対象となる加速度の周波数は、たかだか数Ｈｚ程度の低い周波数で十分である。たとえば、本発明に係る角速度センサを自動車や航空機などに搭載した場合、自動車の走行や航空機の航行によって生じる加速度は、たかだか数Ｈｚ程度の低い周波数成分だけ検出できれば十分である。もちろん、工作機械の振動検出などの用途に利用する場合は、検出対象となる加速度の周波数はより高くなるが、この場合でも、重錘体の運動周波数を更に高く設定することにより、重錘体の運動周波数と検出対象となる加速度の周波数とを区別することは可能である。
【００６１】
ところで、コリオリ力Ｆは、図３(b) ，(c) あるいは図４(b) ，(c) のグラフにも示されているように、重錘体の運動周波数と同じ周波数をもって変化する量になる。これに対して、加速度力ｆは、重錘体の運動周波数とは無関係の量である。したがって、上述したように、重錘体の運動周波数を、検出対象となる加速度の周波数に比べて十分に高く設定し、前者を高周波数、後者を低周波数とする識別が可能になるようにしておけば、得られた力の検出値のうち、高周波成分をコリオリ力Ｆとして取り扱い、低周波成分を加速度力ｆとして取り扱うことが可能になる。具体的には、力の検出信号を周波数フィルタで弁別すれば、コリオリ力Ｆに関する信号と加速度力ｆに関する信号とを分離することが可能になる。これが第１の理由である。
【００６２】
第２の理由は、角速度を求める際には、第１の重錘体１０Ａに作用したコリオリ力Ｆと第２の重錘体１０Ｂに作用したコリオリ力Ｆとの差を求める演算が行われるのに対し、加速度を求める際には、第１の重錘体１０Ａに作用した加速度力ｆと第２の重錘体１０Ｂに作用した加速度力ｆとの和を求める演算が行われるためである。たとえば、図３(b) には、角速度＋ωｙに起因して第１の重錘体１０Ａに対して生じるコリオリ力Ｆｚ（Ａ：＋ωｙ）のグラフが示されており、図４(b) には、角速度＋ωｙに起因して第２の重錘体１０Ｂに対して生じるコリオリ力Ｆｚ（Ｂ：＋ωｙ）のグラフが示されている。両グラフは正負が反転した状態になっており、両者の差に基づいて角速度ωｙが求まることになる。たとえば、時刻ｔ１を検出時とした場合、角速度ωｙは、Ｆｚ（Ａｔ１）−Ｆｚ（Ｂｔ１）なる演算によって求まる。ここで、Ｆｚ（Ｂｔ１）は負の値であり、実際には、この差の演算は、矢印ｒ１３の長さと矢印ｒ２３の長さとの和を求める演算になる。
【００６３】
以上は、コリオリ力Ｆｚのみが作用していた場合の議論であるが、もしＺ軸方向の加速度ｆｚが作用していた場合、実際に検出されるＺ軸方向の力は、コリオリ力Ｆｚと加速度力ｆｚとの合成力となる。いま、第１の重錘体１０Ａに作用するＺ軸方向の加速度力をｆｚ（Ａ）、第２の重錘体１０Ｂに作用するＺ軸方向の加速度力をｆｚ（Ｂ）とすれば、時刻ｔ１において、第１の重錘体１０Ａに作用する合成力は、Ｆｚ（Ａｔ１）＋ｆｚ（Ａ）となり、第２の重錘体１０Ｂに作用する合成力は、Ｆｚ（Ｂｔ１）＋ｆｚ（Ｂ）となる。ここで、Ｆｚ（Ａｔ１）とＦｚ（Ｂｔ１）とは、絶対値が等しく符号が逆であるのに対し、ｆｚ（Ａ）とｆｚ（Ｂ）とは、絶対値も符号も等しくなる。したがって、両合成力の差をとれば、コリオリ力Ｆｚの絶対値の和のみが求まり、加速度力ｆｚは相殺されてしまう。逆に、両合成力の和をとれば、加速度力ｆｚの絶対値の和のみが求まり、コリオリ力Ｆｚは相殺されてしまう。
【００６４】
このように、本発明では、２つの重錘体に作用した力の差に基づいて角速度が求まり、和に基づいて加速度が求まる、という基本原理があるため、差および和を求める演算によって、不要な力成分（角速度検出における加速度力の成分、加速度検出におけるコリオリ力の成分）がうまく相殺されることになる。これが第２の理由である。
【００６５】
＜＜＜  １．４  角速度および加速度の検出回路  ＞＞＞
図５〜図７は、上述した原理に基づいて、ＸＹＺの各座標軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚと、Ｙ軸まわりの角速度ωｙおよびＺ軸まわりの角速度ωｚとの５軸成分を検出する検出回路の基本構成を示すブロック図である。
【００６６】
図５は、第１の重錘体１０Ａに関する検出回路のブロック図を示す。Ｘ軸方向駆動手段４０Ａは、第１の重錘体１０ＡをＸ軸に沿って往復運動させる手段であり、その具体的な構成例については後述する。このＸ軸方向駆動手段４０Ａの動作により、第１の重錘体１０ＡがＸ軸に沿って運動している状態において、Ｘ軸方向力検出手段５１Ａ，Ｙ軸方向力検出手段５２Ａ，Ｚ軸方向力検出手段５３Ａによって、第１の重錘体１０Ａに対してＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に作用した力（コリオリ力Ｆと加速度力ｆ）が検出される。まず、Ｘ軸方向力検出手段５１Ａによって、加速度力ｆｘ（Ａ）のみが検出される（重錘体はＸ軸方向に運動しているので、Ｘ軸方向のコリオリ力は生じない）。一方、Ｙ軸方向力検出手段５２Ａによって、加速度力ｆｙ（Ａ）と、Ｚ軸まわりの角速度ωｚに起因して生じるコリオリ力Ｆｙ（Ａ：ωｚ）との合成力が検出される。また、Ｚ軸方向力検出手段５３Ａによって、加速度力ｆｚ（Ａ）と、Ｙ軸まわりの角速度ωｙに起因して生じるコリオリ力Ｆｚ（Ａ：ωｙ）との合成力が検出される。
【００６７】
Ｙ軸方向信号分離手段６１ＡおよびＺ軸方向信号分離手段６２Ａは、上述したように、得られた合成力の信号を、高周波成分（コリオリ力Ｆの成分）と低周波成分（加速度力ｆの成分）とに分離する機能を果たす。これにより、加速度力ｆｙ（Ａ）とコリオリ力Ｆｙ（Ａ：ωｚ）とが分離され、加速度力ｆｚ（Ａ）とコリオリ力Ｆｚ（Ａ：ωｙ）とが分離される。加速度および角速度の各演算手段７１Ａ〜７５Ａは、得られた加速度力ｆｘ（Ａ），ｆｙ（Ａ），ｆｚ（Ａ）とコリオリ力Ｆｙ（Ａ：ωｚ），Ｆｚ（Ａ：ωｙ）とに基づいて、それぞれ加速度αｘ（Ａ），αｙ（Ａ），αｚ（Ａ），角速度ωｚ（Ａ），ωｙ（Ａ）を演算する機能を有する。具体的には、所定の検出時に入力された加速度力ｆあるいはコリオリ力Ｆの信号値に、所定の係数を乗じて、加速度値あるいは角速度値として出力する処理を行う。
【００６８】
こうして、各演算手段７１Ａ〜７５Ａから出力された加速度αｘ（Ａ），αｙ（Ａ），αｚ（Ａ），角速度ωｚ（Ａ），ωｙ（Ａ）の値は、もちろん、そのまま加速度検出値および角速度検出値として利用することができる。しかしながら、これらの検出値は必ずしも正確な値ではなく、実際には、種々の誤差成分が含まれている。たとえば、信号分離手段６１Ａ，６２Ａにおいて行われた周波数に基づく分離処理では、必ずしも加速度力とコリオリ力との厳密な分離が行われているわけではない。また、実際のセンサでは、各軸方向に作用した力を検出するために具体的な検出素子が用いられるが、これらの検出素子では、温度などの環境によって検出感度に変化が生じる可能性がある。
【００６９】
本発明では、第１の重錘体１０Ａを用いた第１の検出系とともに、第２の重錘体１０Ｂを用いた第２の検出系が設けられており、両検出計の検出結果を用いて、種々の誤差成分を相殺できるようにしている。図６は、第２の重錘体１０Ｂに関する検出回路のブロック図を示す。この図６の検出回路は、図５に示す検出回路における符号Ａを符号Ｂに書き替えたものであり、両検出回路の実体的な内容は全く同じである。したがって、ここでは、図６の検出回路の構成および動作についての説明は省略する。この図６の検出回路によって、加速度αｘ（Ｂ），αｙ（Ｂ），αｚ（Ｂ），角速度ωｚ（Ｂ），ωｙ（Ｂ）の値が得られることになる。
【００７０】
図７に示す回路は、図５に示す検出回路によって得られた加速度αｘ（Ａ），αｙ（Ａ），αｚ（Ａ），角速度ωｙ（Ａ），ωｚ（Ａ）と、図６に示す検出回路によって得られた加速度αｘ（Ｂ），αｙ（Ｂ），αｚ（Ｂ），角速度ωｙ（Ｂ），ωｚ（Ｂ）とに基づいて、最終的な加速度αｘ，αｙ，αｚ，角速度ωｙ，ωｚを求める回路である。すなわち、各軸方向の加速度を示す値については和を求める演算が行われ、各軸まわりの角速度を示す値については差を求める演算が行われる。この演算により、種々の誤差成分が相殺され、より正確な検出値が得られることになる。
【００７１】
＜＜＜  １．５  Ｘ軸まわりの角速度ωｘの検出原理  ＞＞＞
図７に示されているように、上述した角速度センサでは、３軸に関する加速度αｘ，αｙ，αｚと、２軸に関する角速度ωｙ，ωｚを検出することができるが、Ｘ軸まわりの角速度ωｘについては検出することはできない。これは、重錘体の運動方向がＸ軸方向であるため、Ｘ軸まわりの角速度ωｘに基づくコリオリ力が発生しないためである。したがって、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出するためには、重錘体をＹ軸方向またはＺ軸方向に運動させた状態で、Ｚ軸方向またはＹ軸方向に作用するコリオリ力を検出すればよい。
【００７２】
たとえば、図８に示すように、第１の重錘体１０Ａに対して、図に矢印で示されているようなＹ軸方向の振動Ｕｙ（Ａ）を与え、同時に、第２の重錘体１０Ｂに対して、図に矢印で示されているようなＹ軸方向の振動Ｕｙ（Ｂ）を与えたとする。別言すれば、第１の重錘体１０Ａも第２の重錘体１０Ｂも、Ｙ軸方向に沿って往復運動していることになる。このとき、振動Ｕｙ（Ａ）と振動Ｕｙ（Ｂ）とは、周期が同一で位相が反転したものとなるようにし、常に、両重錘体が逆方向に運動するようにする。ここで、第１の重錘体１０Ａの重心Ｇ（Ａ）と、第２の重錘体１０Ｂの重心Ｇ（Ｂ）とが、いずれもＸ軸上に位置していたとすると、これら重心の変位は図９に示すようなものになる。すなわち、振動Ｕｙ（Ａ）によって、第１の重錘体１０Ａの重心Ｇ（Ａ）は、位置Ｙ０（Ａ）を中心として、Ｙ軸正方向へはＹ＋（Ａ）の位置まで移動し、Ｙ軸負方向へはＹ−（Ａ）の位置まで移動することになる。同様に、振動Ｕｙ（Ｂ）によって、第２の重錘体１０Ｂの重心Ｇ（Ｂ）は、位置Ｙ０（Ｂ）を中心として、Ｙ軸正方向へはＹ＋（Ｂ）の位置まで移動し、Ｙ軸負方向へはＹ−（Ｂ）の位置まで移動することになる。
【００７３】
この状態で、重錘体１０Ａ，１０Ｂに作用する各Ｚ軸コリオリ力（互いに逆符号になる）を検出し、両者の差を求めれば、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを得ることができる。もちろん、このとき、重錘体１０Ａ，１０Ｂに作用する各Ｙ軸コリオリ力（互いに逆符号になる）を検出し、両者の差を求めれば、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを得ることもできるし、各軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚを得ることもできる。
【００７４】
結局、図８に示すような運動態様（各重錘体をＹ軸方向に振動させる態様）では、３軸に関する加速度αｘ，αｙ，αｚと、２軸に関する角速度ωｘ，ωｚを検出することができるが、Ｙ軸まわりの角速度ωｙについては検出することはできない。したがって、各軸方向に関する加速度と各軸まわりに関する角速度とのすべてを検出するためには、図１に示すような運動態様（各重錘体をＸ軸方向に振動させる態様）と図８に示すような運動態様とを交互に切り替えて実施すればよい。しかしながら、実用上は、Ｘ軸方向の運動態様をＹ軸方向の運動態様に切り替えるのは非効率的である。そこで、３軸方向の加速度と３軸まわりの角速度との６軸成分を検出するためには、次のセクションで述べるように、重錘体を回転運動させる実施形態を採るのが好ましい。
【００７５】
§２．  重錘体を回転運動させる実施形態
【００７６】
＜＜＜  ２．１  回転運動の形態  ＞＞＞
前述した§１では、各重錘体１０Ａ，１０Ｂを、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に沿って往復運動させる形態を述べたが、ここでは、各重錘体１０Ａ，１０Ｂを、円軌道に沿って回転運動させる形態を、図１０を参照しながら説明する。図１０は、各重錘体１０Ａ，１０Ｂの重心Ｇ（Ａ），Ｇ（Ｂ）の運動軌跡を示すＸＹ平面の平面図である。ここでは、説明の便宜上、Ｘ軸の正方向を図の右方向にとり、Ｙ軸の正方向を図の上方向にとって示してあり、図の右半分には第１の重錘体１０Ａの運動軌跡が示され、図の左半分には第２の重錘体１０Ｂの運動軌跡が示されている。図の右半分において、点Ｐ１（Ａ）〜点Ｐ４（Ａ）は、それぞれ時刻ｔ１〜ｔ４における重心Ｇ（Ａ）の位置を示しており、重心Ｇ（Ａ）は図示された円軌道に沿って時計まわりに移動している。同様に、図の左半分において、点Ｐ１（Ｂ）〜点Ｐ４（Ｂ）は、それぞれ時刻ｔ１〜ｔ４における重心Ｇ（Ｂ）の位置を示しており、重心Ｇ（Ｂ）は図示された円軌道に沿って時計まわりに移動している。
【００７７】
このように、重錘体１０Ａ，１０Ｂはいずれも同一周期で同一の回転方向に回転運動をしていることになるが、その位相は１８０°ずれたものとなっている。すなわち、時刻ｔ１において、重心Ｇ（Ａ）は円軌道の最上位置にある点Ｐ１（Ａ）に位置しているのに対して、重心Ｇ（Ｂ）は円軌道の最下位置にある点Ｐ１（Ｂ）に位置している。このように両重錘体の回転運動の位相を１８０°ずらすと、どの瞬間においても、両重錘体の移動方向は逆向きになる。図１０の各点には、それぞれその時点における重錘体の運動速度ベクトル（円軌道の接線方向を向いている）を矢印で示してある。すなわち、時刻ｔ１では、第１の重錘体１０Ａは、点Ｐ１（Ａ）においてＸ軸正方向に速度Ｖｘ（Ａｔ１）で移動しているのに対し、第２の重錘体１０Ｂは、点Ｐ１（Ｂ）においてＸ軸負方向に速度Ｖｘ（Ｂｔ１）で移動している。同様に、時刻ｔ２では、第１の重錘体１０Ａは、点Ｐ２（Ａ）においてＹ軸負方向に速度Ｖｙ（Ａｔ２）で移動しているのに対し、第２の重錘体１０Ｂは、点Ｐ２（Ｂ）においてＹ軸正方向に速度Ｖｙ（Ｂｔ２）で移動しており、時刻ｔ３では、第１の重錘体１０Ａは、点Ｐ３（Ａ）においてＸ軸負方向に速度Ｖｘ（Ａｔ３）で移動しているのに対し、第２の重錘体１０Ｂは、点Ｐ３（Ｂ）においてＸ軸正方向に速度Ｖｘ（Ｂｔ３）で移動しており、時刻ｔ４では、第１の重錘体１０Ａは、点Ｐ４（Ａ）においてＹ軸正方向に速度Ｖｙ（Ａｔ４）で移動しているのに対し、第２の重錘体１０Ｂは、点Ｐ４（Ｂ）においてＹ軸負方向に速度Ｖｙ（Ｂｔ４）で移動している。
【００７８】
このような回転運動には、Ｘ軸方向についての単振動とＹ軸方向についての単振動とが含まれており、図１に示すように、重錘体をＸ軸方向に往復運動させた状態での検出動作と、図８に示すように、重錘体をＹ軸方向に往復運動させた状態での検出動作と、の両方を行うことが可能になる。
【００７９】
たとえば、時刻ｔ１では、上述したように、第１の重錘体１０Ａは、点Ｐ１（Ａ）においてＸ軸正方向に速度Ｖｘ（Ａｔ１）で移動し、第２の重錘体１０Ｂは、点Ｐ１（Ｂ）においてＸ軸負方向に速度Ｖｘ（Ｂｔ１）で移動しており、これは図３(a) の矢印ｒ１１および図４(a) の矢印ｒ２１で示されている運動と同じである。同様に、時刻ｔ３では、上述したように、第１の重錘体１０Ａは、点Ｐ３（Ａ）においてＸ軸負方向に速度Ｖｘ（Ａｔ３）で移動し、第２の重錘体１０Ｂは、点Ｐ３（Ｂ）においてＸ軸正方向に速度Ｖｘ（Ｂｔ３）で移動しており、これは図３(a) の矢印ｒ１２および図４(a) の矢印ｒ２２で示されている運動と同じである。結局、時刻ｔ１およびｔ３では、図１に示すように、重錘体をＸ軸方向に往復運動させた状態と等価な運動状態が得られることになり、この時刻ｔ１およびｔ３を検出時とする検出を行えば、加速度αｘ，αｙ，αｚおよび角速度ωｙ，ωｚの５軸成分を検出することができる。ここでは、時刻ｔ１およびｔ３を、Ｘ軸検出時と呼ぶことにする。
【００８０】
これに対して、時刻ｔ２およびｔ４では、図８に示すように、重錘体をＹ軸方向に往復運動させた状態と等価な運動状態が得られることになり、この時刻ｔ２およびｔ４を検出時とする検出を行えば、加速度αｘ，αｙ，αｚおよび角速度ωｘ，ωｚの５軸成分を検出することができる。ここでは、時刻ｔ２およびｔ４をＹ軸検出時と呼ぶことにする。
【００８１】
結局、時刻ｔ１〜ｔ４を一周期とする検出動作を行えば、Ｘ軸検出時には、αｘ，αｙ，αｚ，ωｙ，ωｚの５軸成分が検出でき、Ｙ軸検出時には、αｘ，αｙ，αｚ，ωｘ，ωｚの５軸成分が検出できることになり、一検出周期の間に、全６軸成分の検出が可能になる。
【００８２】
＜＜＜  ２．２  角速度および加速度の検出回路  ＞＞＞
図１１〜図１３は、上述した原理に基づいて、ＸＹＺの各座標軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚと、各座標軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚとの６軸成分を検出する検出回路の基本構成を示すブロック図である。
【００８３】
図１１は、第１の重錘体１０Ａに関する検出回路のブロック図を示す。回転駆動手段１４０Ａは、第１の重錘体１０Ａを円軌道に沿って回転運動させる手段であり、その具体的な構成例については後述する。この回転駆動手段１４０Ａの動作により、第１の重錘体１０Ａが円軌道に沿って運動している状態において、Ｘ軸方向力検出手段１５１Ａ，Ｙ軸方向力検出手段１５２Ａ，Ｚ軸方向力検出手段１５３Ａによって、第１の重錘体１０Ａに対してＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に作用した力（コリオリ力Ｆと加速度力ｆ）が検出される。
【００８４】
まず、Ｘ軸方向力検出手段１５１Ａによって、Ｘ軸方向に作用した力が検出されるが、Ｘ軸検出時（時刻ｔ１，ｔ３）には、加速度力ｆｘ（Ａ）のみが検出され（Ｘ軸検出時には、重錘体はＸ軸方向に運動しているので、Ｘ軸方向のコリオリ力は生じない）、Ｙ軸検出時（時刻ｔ２，ｔ４）には、加速度力ｆｘ（Ａ）とコリオリ力Ｆｘ（Ａ：ωｚ）との合成力が検出される。なお、図では、Ｘ軸検出時に検出される力を1で示し、Ｙ軸検出時に検出される力を2で示してある。
【００８５】
同様に、Ｙ軸方向力検出手段１５２Ａによって、Ｙ軸方向に作用した力が検出されるが、Ｘ軸検出時（時刻ｔ１，ｔ３）には、加速度力ｆｙ（Ａ）とコリオリ力Ｆｙ（Ａ：ωｚ）との合成力が検出され、Ｙ軸検出時（時刻ｔ２，ｔ４）には、加速度力ｆｙ（Ａ）のみが検出される（Ｙ軸検出時には、重錘体はＹ軸方向に運動しているので、Ｙ軸方向のコリオリ力は生じない）。
【００８６】
また、Ｚ軸方向力検出手段１５３Ａによって、Ｚ軸方向に作用した力が検出されるが、Ｘ軸検出時（時刻ｔ１，ｔ３）には、加速度力ｆｚ（Ａ）とＹ軸まわりの角速度に起因したコリオリ力Ｆｚ（Ａ：ωｙ）との合成力が検出され、Ｙ軸検出時（時刻ｔ２，ｔ４）には、加速度力ｆｚ（Ａ）とＸ軸まわりの角速度に起因したコリオリ力Ｆｚ（Ａ：ωｘ）との合成力が検出される。
【００８７】
Ｘ軸方向信号分離手段１６１Ａ，Ｙ軸方向信号分離手段１６２Ａ，Ｚ軸方向信号分離手段１６３Ａは、得られた合成力の信号を、高周波成分（コリオリ力Ｆの成分）と低周波成分（加速度力ｆの成分）とに分離する機能を果たす。これにより、加速度力ｆｘ（Ａ）とコリオリ力Ｆｘ（Ａ：ωｚ）とが分離され、加速度力ｆｙ（Ａ）とコリオリ力Ｆｙ（Ａ：ωｚ）とが分離され、加速度力ｆｚ（Ａ）とコリオリ力Ｆｚ（Ａ：ωｙ）またはＦｚ（Ａ：ωｘ）とが分離される。加速度および角速度の各演算手段１７１Ａ〜１７６Ａは、得られた加速度力ｆｘ（Ａ），ｆｙ（Ａ），ｆｚ（Ａ）とコリオリ力Ｆｘ（Ａ：ωｚ），Ｆｙ（Ａ：ωｚ），Ｆｚ（Ａ：ωｙ），Ｆｚ（Ａ：ωｘ）とに基づいて、加速度αｘ（Ａ），αｙ（Ａ），αｚ（Ａ），角速度ωｘ（Ａ），ωｙ（Ａ），ωｚ（Ａ）を演算する機能を有する。具体的には、所定の検出時に入力された加速度力ｆあるいはコリオリ力Ｆの信号値に、所定の係数を乗じて、加速度値あるいは角速度値として出力する処理を行う。
【００８８】
なお、角速度演算手段１７２Ａと１７４Ａとは、いずれも角速度ωｚ（Ａ）を出力する機能を有しているので、少なくとも一方があれば足りる。ただ、両方を設けておけば、Ｘ軸検出時にもＹ軸検出時にも、角速度ωｚ（Ａ）を得ることができる。また、角速度演算手段１７６Ａは、Ｘ軸検出時には角速度ωｙ（Ａ）を出力し、Ｙ軸検出時には角速度ωｘ（Ａ）を出力する、という交互出力動作を行うことになるので、いずれの検出時に出力された値であるかによって、出力値を区別して取り扱うようにする必要がある。
【００８９】
こうして、各演算手段１７１Ａ〜１７６Ａから出力された加速度αｘ（Ａ），αｙ（Ａ），αｚ（Ａ），角速度ωｘ（Ａ），ωｙ（Ａ），ωｚ（Ａ）の値は、もちろん、そのまま加速度検出値および角速度検出値として利用することができる。しかしながら、これらの検出値は必ずしも正確な値ではなく、実際には、上述したように種々の誤差成分が含まれている。そこで、第１の重錘体１０Ａを用いた第１の検出系と、第２の重錘体１０Ｂを用いた第２の検出系とを利用して、誤差成分を相殺する。図１２は、第２の重錘体１０Ｂに関する検出回路のブロック図を示す。この図１２の検出回路は、図１１に示す検出回路における符号Ａを符号Ｂに書き替えたものであり、両検出回路の実体的な内容は全く同じである。したがって、ここでは、図１２の検出回路の構成および動作についての説明は省略する。この図１２の検出回路によって、加速度αｘ（Ｂ），αｙ（Ｂ），αｚ（Ｂ），角速度ωｘ（Ｂ），ωｙ（Ｂ），ωｚ（Ｂ）の値が得られることになる。
【００９０】
図１３に示す回路は、図１１に示す検出回路によって得られた加速度αｘ（Ａ），αｙ（Ａ），αｚ（Ａ），角速度ωｘ（Ａ），ωｙ（Ａ），ωｚ（Ａ）と、図１２に示す検出回路によって得られた加速度αｘ（Ｂ），αｙ（Ｂ），αｚ（Ｂ），角速度ωｘ（Ｂ），ωｙ（Ｂ），ωｚ（Ｂ）とに基づいて、最終的な加速度αｘ，αｙ，αｚ，角速度ωｘ，ωｙ，ωｚを求める回路である。すなわち、各軸方向の加速度を示す値については和を求める演算が行われ、各軸まわりの角速度を示す値については差を求める演算が行われる。この演算により、種々の誤差成分が相殺され、より正確な検出値が得られることになる。
【００９１】
§３．  重錘体の運動機構および力の検出機構
本発明に係る角速度センサでは、重錘体に所定の運動を行わせた状態において、この重錘体に作用する力を検出することにより、角速度および加速度の検出を行うことになる。そこで、ここでは、重錘体を運動させるための具体的な機構および重錘体に作用する力を検出するための具体的な機構を述べることにする。
【００９２】
＜＜＜  ３．１  導電路を利用した基本原理  ＞＞＞
いま、図１４に示すように、ＸＹ平面に平行な上面を有する基板を重錘体１０として用いることにし、この重錘体１０を接続部材２０によって装置筐体３０に接続する。そして、この重錘体１０の上面に、図示のように、Ｙ軸に沿って伸びる一対の励振用導電路Ｌｙ１，Ｌｙ２を形成する。一方、この励振用導電路Ｌｙ１，Ｌｙ２が位置する空間に、この励振用導電路Ｌｙ１，Ｌｙ２に対して磁束が平行にはならないような均一磁界を発生させる磁界発生手段１００を設ける。図示の例の場合、磁界発生手段１００は、Ｚ軸方向を向いた均一な平行磁束φｚを発生させる機能を有する。
【００９３】
このような構成において、励振用導電路Ｌｙ１，Ｌｙ２に励振用電流Ｉｙを流すと、この電流Ｉｙと磁界との相互作用に基づくローレンツ力によって、重錘体１０に対してＸ軸方向の力が作用する。したがって、励振用導電路Ｌｙ１，Ｌｙ２に対して、それぞれ同位相の交流電流Ｉｙを供給すると、重錘体１０はＸ軸方向に単振動することになる。よって、重錘体１０上に励振用導電路Ｌｙ１，Ｌｙ２を設けておけば、重錘体１０をＸ軸方向に往復運動させることが可能になる。なお、原理的には、励振用導電路は、Ｌｙ１またはＬｙ２のいずれか一方のみで足りるが、安定した往復運動を行わせるためには、重錘体１０の重心位置を挟んで線対称となる位置に一対の励起用導電路を設けるのが好ましい。また、重錘体１０をＹ軸方向に往復運動させる場合には、Ｘ軸に沿って伸びる励振用導電路を用いればよいし、重錘体１０をＸＹ平面内で回転運動させる場合には、後述するように、Ｘ軸に沿って伸びる励振用導電路とＹ軸に沿って伸びる励振用導電路との双方を用いればよい。
【００９４】
次に、図１５に示すように、重錘体１０の上面に、Ｘ軸に沿って伸びる一対の検出用導電路Ｋｘ１，Ｋｘ２と、Ｙ軸に沿って伸びる一対の検出用導電路Ｋｙ１，Ｋｙ２とを形成した場合を考える。この場合も、検出用導電路Ｋｘ１，Ｋｘ２，Ｋｙ１，Ｋｙ２が位置する空間に、これらの導電路に対して磁束が平行にはならないような均一磁界を発生させる磁界発生手段１００を設ける。図示の例の場合、磁界発生手段１００は、Ｚ軸方向を向いた均一な平行磁束φｚを発生させる機能を有する。
【００９５】
この図１５に示すような構成において、重錘体１０に何らかの力が作用し、重錘体１０がＸ軸方向に速度Ｖｘで変位した場合、Ｙ軸に沿って伸びる検出用導電路Ｋｙ１，Ｋｙ２が磁束φｚを切る運動を行うため、この検出用導電路Ｋｙ１，Ｋｙ２の両端には、フレミングの法則に基づいて、それぞれ所定の誘導起電力Ｅｙが生じることになる。よって、この起電力Ｅｙを検出することにより、Ｘ軸方向への変位速度Ｖｘを求めることができる。また、図１６に示すように、重錘体１０に何らかの力が作用し、重錘体１０がＹ軸方向に速度Ｖｙで変位した場合、Ｘ軸に沿って伸びる検出用導電路Ｋｘ１，Ｋｘ２が磁束φｚを切る運動を行うため、この検出用導電路Ｋｘ１，Ｋｘ２の両端には、それぞれ所定の誘導起電力Ｅｘが生じることになる。よって、この起電力Ｅｘを検出することにより、Ｙ軸方向への変位速度Ｖｙを求めることができる。
【００９６】
なお、原理的には、検出用導電路は、Ｋｘ１またはＫｘ２のいずれか一方と、Ｋｙ１またはＫｙ２のいずれか一方と、を設けておけば足りるが、安定した検出動作を行うためには、重錘体１０の重心位置を挟んで線対称となる位置にそれぞれ一対の検出用導電路を設けるのが好ましい。
【００９７】
ところで、本発明において検出すべき量は、重錘体１０に作用した力（コリオリ力および加速度力）である。ここで、この重錘体１０に作用した力と、重錘体１０に生じた変位との間には、所定の対応関係が定義できる。すなわち、作用した力の方向と変位の方向は一致し、力の大きさと変位の大きさは対応する（作用した力が大きくなればなるほど、変位も大きくなる）。特に、接続部材２０が線形伸縮動作を行う場合には、作用した力の大きさと、変位の大きさは線形対応することになる。したがって、重錘体１０の変位量を直接検出することができれば、この変位量を作用した力を示す量としてそのまま利用することができる。
【００９８】
しかしながら、上述した検出用導電路に発生する誘導起電力は、重錘体１０の変位量を直接示す物理量ではなく、あくまでも重錘体１０の変位速度を示す物理量である。別言すれば、変位の時間微分値を示す物理量である。よって、この誘導起電力の値は、作用した力の時間微分値に対応した値ということになり、作用した力そのものを示す値にはならない。ただ、この誘導起電力の値を、作用した力を示す疑似的な値として利用しても、三次元空間内を自由運動する物体についての角速度や加速度を検出する用途における実用上は大きな問題は生じない。その理由は次のとおりである。
【００９９】
まず、角速度の検出については、何ら問題は生じない。なぜなら、角速度に基づいて作用するコリオリ力は、重錘体１０の運動方向が周期的に変化しているため、必ず周期的に変化することになるためである。たとえば、一定の向きに一定の角速度で回転しているシャフトに、この角速度センサを取り付けたとすると、センサの装置筐体３０内で、重錘体１０の運動方向は周期的に向きを変えるため、コリオリ力の向きも周期的に変わることになり、検出用導電路には常に誘導起電力が発生することになる。したがって、この誘導起電力の値を、重錘体１０に作用したコリオリ力を示す値として利用し、角速度ωを演算しても何ら問題はない。
【０１００】
一方、この誘導起電力の値を、重錘体１０に作用した加速度力を示す値として利用し、加速度αを求める場合を考える。フレミングの法則によると、発生する誘導起電力は、導電路の移動速度に比例するので、加速度は誘導起電力の微分値に比例することになる。したがって、発生した誘導起電力から加速度αを求めるためには、誘導起電力の値を微分すればよいことになる（図５，図６，図１１，図１２に示されている力検出手段または加速度演算手段に、このような微分を求めるための微分回路を内蔵させておけばよい）。
【０１０１】
もっとも、この方法では、静的な加速度ではなく、動的な加速度（加速度の変動成分）のみしか検出することはできず、重力加速度ｇのような静的な加速度は、この方法では検出することができない。たとえば、重力加速度ｇが、重錘体１０に対してＹ軸方向に作用していた場合、重錘体１０自体はこの重力加速度ｇに起因した加速度力によってＹ軸方向に変位した状態を維持することになるが、このような定常的な変位によっては、検出用導電路に誘導起電力は生じない。このため、静的な加速度は、検出用導電路を利用する方法では検出することができない。しかしながら、自動車や航空機など、三次元空間内を自由運動する物体について測定すべき加速度は、ほとんどの場合、動的な加速度である。したがって、実用上は、上述した誘導起電力の微分値に基づいて動的加速度のみを検出する手法を採っても問題は生じない。もちろん、重力加速度ｇのような静的な加速度検出をも必要とする場合には、重錘体１０の変位自体を検出することができる別な手法を採ればよい。
【０１０２】
＜＜＜  ３．２  容量素子を利用した基本原理  ＞＞＞
上述した検出用導電路を用いた方法によれば、重錘体１０に作用したＸ軸方向の力およびＹ軸方向の力を検出することはできるが、Ｚ軸方向の力を検出することはできない。なぜなら、磁界発生手段１００によって発生した磁界が、Ｚ軸方向を向いた磁束φｚを有するからである。そこで、Ｚ軸方向の力検出を行うためには、別な手段を用いなければならない。ここでは、容量素子を利用して、Ｚ軸方向の力検出を行う方法を述べる。
【０１０３】
図１７は、この方法で用いる重錘体１０の側断面図である。ここで、重錘体１０は、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有する基板であり、接続部材２０によって、装置筐体３０に接続されている。また、この装置筐体３０の一部には、重錘体１０の下面に対向する対向面８０が形成されている。更に、重錘体１０の下面には、電極Ｅ１が形成され、対向面８０の上面には、電極Ｅ２が形成されている。両電極Ｅ１，Ｅ２は、対向した位置に配置され、対向した一対の導電面によって容量素子が形成されている。
【０１０４】
一般に、容量素子の静電容量値は、その容量素子を形成する一対の電極間隔に反比例する。したがって、図１７において、両電極Ｅ１，Ｅ２によって形成された容量素子の静電容量値は、これら両電極間距離に応じて定まることになる。ここで、重錘体１０が図の下方（Ｚ軸負方向）に変位すると、電極間距離は短くなり、重錘体１０が図の上方（Ｚ軸正方向）に変位すると、電極間距離は長くなる。結局、この容量素子の静電容量値を測定することができれば、重錘体１０のＺ軸方向の変位を検出することができ、重錘体１０に作用したＺ軸方向の力を間接的に検出することができる。なお、この容量素子によって検出される値は、重錘体１０の変位そのものであるので、この検出値を利用して、重力加速度ｇのような静的加速度も求めることが可能である。
【０１０５】
また、ここでは、Ｚ軸方向に作用した力の検出に容量素子を用いているが、この検出の原理は、Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向に作用した力の検出にも利用することができる。更に、容量素子を構成する一対の電極間に電圧を印加するとクーロン力が発生するので、このクーロン力を利用して重錘体を運動させることも可能であり、容量素子は重錘体の駆動手段として利用することも可能である。このような利用形態の具体例は、§５の実施例で述べる。
【０１０６】
＜＜＜  ３．３  具体的な適用例  ＞＞＞
以上、重錘体上に導電路を形成することにより、重錘体の運動および力検出を行う原理と、容量素子を利用して力検出を行う原理とを説明したが、ここでは、これらの原理を、§１および§２で述べた実施形態に具体的に適用した例を述べる。
【０１０７】
図１８は、図１に示す実施形態への適用例を示す平面図であり、ＸＹ平面を上方から見た状態が示されている。装置筐体３０内には、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有する基板からなる第１の重錘体１０Ａおよび第２の重錘体１０Ｂが左右に並んで配置されている。これら重錘体１０Ａ，１０Ｂは、接続部材２０によって、装置筐体３０に接続されている。また、両重錘体１０Ａ，１０Ｂ間には、これらを相互接続する接続部材２５が設けられており、この接続部材２５上の１点Ｊは、装置筐体３０に接続した状態にしてもよいし、接続せずに自由な状態にしておいてもよい。
【０１０８】
第１の重錘体１０Ａの上面には、６個の導電路が配置されている。ここで、これら導電路の配置状態を説明する便宜のために、第１の重錘体１０Ａの上面中央の点Ｏａまで座標系の原点を移動させたとすると、この第１の重錘体１０Ａの上面には、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の負の部分に交差するように配置された励振用導電路Ｌｙ１Ａと、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の正の部分に交差するように配置された励振用導電路Ｌｙ２Ａと、が設けられている。また、同じく第１の重錘体１０Ａの上面には、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の負の部分に交差するように配置された検出用導電路Ｋｙ１Ａと、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の正の部分に交差するように配置された検出用導電路Ｋｙ２Ａと、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の負の部分に交差するように配置された検出用導電路Ｋｘ１Ａと、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の正の部分に交差するように配置された検出用導電路Ｋｘ２Ａと、が設けられている。一方、第２の重錘体１０Ｂの上面にも、原点Ｏｂの周囲に全く同じ構成で２本の励振用導電路Ｌｙ１Ｂ，Ｌｙ２Ｂと、４本の検出用導電路Ｋｙ１Ｂ，Ｋｙ２Ｂ，Ｋｘ１Ｂ，Ｋｘ２Ｂが設けられている。
【０１０９】
図１９は、図１８に示す角速度センサの側断面図であり、第１の重錘体１０Ａおよび第２の重錘体１０Ｂの上面に、各導電路が形成された状態が示されている。また、これら各重錘体の上方には、磁石９０（電磁石でもよい）が配置されている。この磁石９０は、磁界発生手段１００として機能し、Ｚ軸方向を向いた平行磁束φｚを発生させる機能を有する（図１８の平面図では、磁石９０の図示は省略されている）。第１の重錘体１０Ａの下面には、電極Ｅ１Ａが形成されており、第２の重錘体１０Ｂの下面には、電極Ｅ１Ｂが形成されている。装置筐体３０の底面には、これらの電極に対向して、電極Ｅ２Ａ，Ｅ２Ｂが形成されており、対向する一対の電極によって、それぞれ容量素子が形成されている。
【０１１０】
既に述べた原理により、図１８に示す一対の励振用導電路Ｌｙ１Ａ，Ｌｙ２Ａに同一の交流電流を供給すると、第１の重錘体１０ＡをＸ軸方向に往復運動させることができ、一対の励振用導電路Ｌｙ１Ｂ，Ｌｙ２Ｂに同一の交流電流を供給すると、第２の重錘体１０ＢをＸ軸方向に往復運動させることができる。このとき、第１の重錘体１０Ａ側に供給する交流電流の位相と、第２の重錘体１０Ｂ側に供給する交流電流の位相とを、互いに１８０°ずれた状態にしておけば、両重錘体は常に逆方向に運動することになる。
【０１１１】
こうして、重錘体１０Ａ，１０ＢをＸ軸方向に往復運動させた状態において、各重錘体に作用した各軸方向の力は、次のようにして検出することができる。まず、第１の重錘体１０Ａに対してＸ軸方向に作用した力は、検出用導電路Ｋｙ１Ａ，Ｋｙ２Ａに発生した誘導起電力に基づいて検出することができる。また、第１の重錘体１０Ａに対してＹ軸方向に作用した力は、検出用導電路Ｋｘ１Ａ，Ｋｘ２Ａに発生した誘導起電力に基づいて検出することができる。更に、第１の重錘体１０Ａに対してＺ軸方向に作用した力は、電極Ｅ１Ａ，Ｅ２Ａによって構成される容量素子の静電容量に基づいて検出することができる。第２の重錘体１０Ｂに作用した各軸方向の力についても、同様の方法で検出することが可能である。
【０１１２】
結局、図１に示す実施形態に適用した場合、次のような方法で角速度および加速度を検出することができる。まず、Ｙ軸まわりの角速度ωｙは、両重錘体に作用したＺ軸コリオリ力の差として検出されるので、両重錘体の容量素子の静電容量値の差として求めることができる。
【０１１３】
また、Ｚ軸まわりの角速度ωｚは、両重錘体に作用したＹ軸コリオリ力の差として検出されるので、検出用導電路Ｋｘ１ＡまたはＫｘ２Ａに発生する誘導起電力と、検出用導電路Ｋｘ１ＢまたはＫｘ２Ｂに発生する誘導起電力との差として求めることができる。あるいは、検出用導電路Ｋｘ１Ａに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｘ２Ａに発生する誘導起電力との和と、検出用導電路Ｋｘ１Ｂに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｘ２Ｂに発生する誘導起電力との和と、の差によって求めることも可能である。
【０１１４】
一方、Ｘ軸方向の加速度αｘは、検出用導電路Ｋｙ１ＡまたはＫｙ２Ａに発生する誘導起電力と、検出用導電路Ｋｙ１ＢまたはＫｙ２Ｂに発生する誘導起電力と、の和の微分値として検出することができる。あるいは、検出用導電路Ｋｙ１Ａに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｙ２Ａに発生する誘導起電力との和と、検出用導電路Ｋｙ１Ｂに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｙ２Ｂに発生する誘導起電力との和と、の更なる和の微分値として検出することもできる。
【０１１５】
また、Ｙ軸方向の加速度αｙは、検出用導電路Ｋｘ１ＡまたはＫｘ２Ａに発生する誘導起電力と、検出用導電路Ｋｘ１ＢまたはＫｘ２Ｂに発生する誘導起電力と、の和の微分値として検出することができる。あるいは、検出用導電路Ｋｘ１Ａに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｘ２Ａに発生する誘導起電力との和と、検出用導電路Ｋｘ１Ｂに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｘ２Ｂに発生する誘導起電力との和と、の更なる和の微分値として検出することもできる。
【０１１６】
更に、Ｚ軸方向の加速度αｚは、両重錘体に作用したＺ軸加速度力の和として検出されるので、両重錘体の容量素子の静電容量値の和として求めることができる。
【０１１７】
以上、図１に示す実施形態への適用例を述べた。これに対して、図２０は、図８に示す実施形態への適用例を示す平面図であり、ＸＹ平面を上方から見た状態が示されている。第１の重錘体１０Ａの上面には、座標系の原点を中央の点Ｏａまで移動させたとすれば、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の負の部分に交差するように配置された励振用導電路Ｌｘ１Ａと、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の正の部分に交差するように配置された励振用導電路Ｌｘ２Ａと、が設けられている。一方、検出用導電路Ｋｘ１Ａ，Ｋｘ２Ａ，Ｋｙ１Ａ，Ｋｙ２Ａの配置に関しては、図１８に示す前述の適用例と同様である。また、第２の重錘体１０Ｂの上面にも、全く同じ構成で２本の励振用導電路Ｌｘ１Ｂ，Ｌｘ２Ｂと、４本の検出用導電路Ｋｙ１Ｂ，Ｋｙ２Ｂ，Ｋｘ１Ｂ，Ｋｘ２Ｂが設けられている。更に、各重錘体１０Ａ，１０Ｂの下面には、図１９に示す前述の適用例と同様に電極が形成されており、装置筐体３０の底面側に形成された対向電極とともに容量素子が形成されている。
【０１１８】
結局、図８に示す実施形態に適用した場合、次のような方法で角速度および加速度を検出することができる。まず、Ｘ軸まわりの角速度ωｘは、両重錘体に作用したＺ軸コリオリ力の差として検出されるので、両重錘体の容量素子の静電容量値の差として求めることができる。また、Ｚ軸まわりの角速度ωｚは、両重錘体に作用したＸ軸コリオリ力の差として検出されるので、検出用導電路Ｋｙ１ＡまたはＫｙ２Ａに発生する誘導起電力と、検出用導電路Ｋｙ１ＢまたはＫｙ２Ｂに発生する誘導起電力との差として求めることができる。あるいは、検出用導電路Ｋｙ１Ａに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｙ２Ａに発生する誘導起電力との和と、検出用導電路Ｋｙ１Ｂに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｙ２Ｂに発生する誘導起電力との和と、の差によって求めることも可能である。
【０１１９】
一方、図２１は、図１０に示す実施形態への適用例を示す平面図であり、ＸＹ平面を上方から見た状態が示されている。第１の重錘体１０Ａの上面には、座標系の原点を中央の点Ｏａまで移動させたとすれば、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の負の部分に交差するように配置された励振用導電路Ｌｘ１Ａと、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の正の部分に交差するように配置された励振用導電路Ｌｘ２Ａと、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の負の部分に交差するように配置された励振用導電路Ｌｙ１Ａと、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の正の部分に交差するように配置された励振用導電路Ｌｙ２Ａと、が設けられている。また、同じく第１の重錘体１０Ａの上面には、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の負の部分に交差するように配置された検出用導電路Ｋｙ１Ａと、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の正の部分に交差するように配置された検出用導電路Ｋｙ２Ａと、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の負の部分に交差するように配置された検出用導電路Ｋｘ１Ａと、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の正の部分に交差するように配置された検出用導電路Ｋｘ２Ａと、が設けられている。一方、第２の重錘体１０Ｂの上面にも、原点Ｏｂの周囲に全く同じ構成で４本の励振用導電路Ｌｘ１Ｂ，Ｌｘ２Ｂ，Ｌｙ１Ｂ，Ｌｙ２Ｂと、４本の検出用導電路Ｋｙ１Ｂ，Ｋｙ２Ｂ，Ｋｘ１Ｂ，Ｋｘ２Ｂとが設けられている。更に、各重錘体１０Ａ，１０Ｂの下面には、図１９に示す前述の適用例と同様に電極が形成されており、装置筐体３０の底面側に形成された対向電極とともに容量素子が形成されている。
【０１２０】
このように、４本の励振用導電路Ｌｘ１Ａ，Ｌｘ２Ａ，Ｌｙ１Ａ，Ｌｙ２Ａを用いると、第１の重錘体１０Ａに対して回転運動をさせることが可能になる。既に述べたように、励振用導電路Ｌｙ１Ａ，Ｌｙ２Ａに同一の交流電流Ｉｙを与えると、重錘体はＸ軸方向に単振動を行うことになり、この励振用導電路Ｌｙ１Ａ，Ｌｙ２Ａは、重錘体をＸ軸方向に沿って往復運動させるＸ軸方向駆動手段として機能することになる。一方、励振用導電路Ｌｘ１Ａ，Ｌｘ２Ａに同一の交流電流Ｉｘを与えると、重錘体はＹ軸方向に単振動を行うことになり、この励振用導電路Ｌｘ１Ａ，Ｌｘ２Ａは、重錘体をＹ軸方向に沿って往復運動させるＹ軸方向駆動手段として機能することになる。このＸ軸方向駆動手段とＹ軸方向駆動手段とを組み合わせると、重錘体を回転運動させる回転駆動手段を構成することができる。そのためには、重錘体のＸ軸方向の往復運動とＹ軸方向の往復運動とが、周期が同一で位相が９０°ずれたものとなるように設定すればよい。すなわち、図２２に示すように、位相が９０°ずれた正弦波信号Ｉｙ，Ｉｘを用意し、信号Ｉｙを励振用導電路Ｌｙ１Ａ，Ｌｙ２Ａに与えて重錘体をＸ軸方向に沿って往復運動させるとともに、信号Ｉｘを励振用導電路Ｌｘ１Ａ，Ｌｘ２Ａに与えて重錘体をＹ軸方向に沿って往復運動させれば、第１の重錘体１０Ａの重心Ｇ（Ａ）は、図１０の右半分に示す円軌道に沿った回転運動を行うことになる。
【０１２１】
一方、図２２に示す正弦波信号Ｉｙ，Ｉｘに対して、それぞれ位相が１８０°ずれた信号を用意し、これらの信号を、第２の重錘体１０Ｂ上の励振用導電路Ｌｘ１Ｂ，Ｌｘ２ＢおよびＬｙ１Ｂ，Ｌｙ２Ｂに供給すれば、第２の重錘体１０Ｂの重心Ｇ（Ｂ）は、図１０の左半分に示す円軌道に沿った回転運動を行うことになる。重心Ｇ（Ｂ）の回転運動は、重心Ｇ（Ａ）の回転運動に対して、位相が１８０°ずれたものになる。
【０１２２】
こうして、重錘体１０Ａ，１０Ｂを回転運動させた状態において、各重錘体に作用した各軸方向の力は、次のようにして検出することができる。まず、第１の重錘体１０Ａに対してＸ軸方向に作用した力は、検出用導電路Ｋｙ１Ａ，Ｋｙ２Ａに発生した誘導起電力に基づいて検出することができる。また、第１の重錘体１０Ａに対してＹ軸方向に作用した力は、検出用導電路Ｋｘ１Ａ，Ｋｘ２Ａに発生した誘導起電力に基づいて検出することができる。更に、第１の重錘体１０Ａに対してＺ軸方向に作用した力は、電極Ｅ１Ａ，Ｅ２Ａによって構成される容量素子の静電容量に基づいて検出することができる。第２の重錘体１０Ｂに作用した各軸方向の力についても、同様の方法で検出することが可能である。
【０１２３】
結局、図１０に示す実施形態に適用した場合、次のような方法で角速度および加速度を検出することができる。
【０１２４】
まず、Ｘ軸まわりの角速度ωｘは、Ｙ軸検出時において、両重錘体に作用したＺ軸コリオリ力の差として検出されるので、両重錘体の容量素子の静電容量値の差として求めることができる。
【０１２５】
一方、Ｙ軸まわりの角速度ωｙは、Ｘ軸検出時において、両重錘体に作用したＺ軸コリオリ力の差として検出されるので、両重錘体の容量素子の静電容量値の差として求めることができる。
【０１２６】
また、Ｚ軸まわりの角速度ωｚは、Ｘ軸検出時において、両重錘体に作用したＹ軸コリオリ力の差として検出されるので、検出用導電路Ｋｘ１ＡまたはＫｘ２Ａに発生する誘導起電力と、検出用導電路Ｋｘ１ＢまたはＫｘ２Ｂに発生する誘導起電力との差として求めることができる。あるいは、検出用導電路Ｋｘ１Ａに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｘ２Ａに発生する誘導起電力との和と、検出用導電路Ｋｘ１Ｂに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｘ２Ｂに発生する誘導起電力との和と、の差によって求めることも可能である。更に、このＺ軸まわりの角速度ωｚは、Ｙ軸検出時にも検出可能である。すなわち、Ｚ軸まわりの角速度ωｚは、Ｙ軸検出時において、両重錘体に作用したＸ軸コリオリ力の差として検出されるので、検出用導電路Ｋｙ１ＡまたはＫｙ２Ａに発生する誘導起電力と、検出用導電路Ｋｙ１ＢまたはＫｙ２Ｂに発生する誘導起電力との差として求めることができる。あるいは、検出用導電路Ｋｙ１Ａに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｙ２Ａに発生する誘導起電力との和と、検出用導電路Ｋｙ１Ｂに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｙ２Ｂに発生する誘導起電力との和と、の差によって求めることも可能である。
【０１２７】
一方、Ｘ軸方向の加速度αｘは、検出用導電路Ｋｙ１ＡまたはＫｙ２Ａに発生する誘導起電力と、検出用導電路Ｋｙ１ＢまたはＫｙ２Ｂに発生する誘導起電力と、の和の微分値として検出することができる。あるいは、検出用導電路Ｋｙ１Ａに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｙ２Ａに発生する誘導起電力との和と、検出用導電路Ｋｙ１Ｂに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｙ２Ｂに発生する誘導起電力との和と、の更なる和の微分値として検出することもできる。
【０１２８】
また、Ｙ軸方向の加速度αｙは、検出用導電路Ｋｘ１ＡまたはＫｘ２Ａに発生する誘導起電力と、検出用導電路Ｋｘ１ＢまたはＫｘ２Ｂに発生する誘導起電力と、の和の微分値として検出することができる。あるいは、検出用導電路Ｋｘ１Ａに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｘ２Ａに発生する誘導起電力との和と、検出用導電路Ｋｘ１Ｂに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｘ２Ｂに発生する誘導起電力との和と、の更なる和の微分値として検出することもできる。
【０１２９】
更に、Ｚ軸方向の加速度αｚは、両重錘体に作用したＺ軸コリオリ力の和として検出されるので、両重錘体の容量素子の静電容量値の和として求めることができる。
【０１３０】
§４．  具体的な実施例（その１）
ここでは、本発明に係る角速度センサの具体的な実施例を述べておく。まず、図２３に示すような断面を有する１枚の基板２００を用意する。図示の断面は、この基板２００を、基板面に平行な面で切断したときに現れる断面であり、境界線Ｗ−Ｗによって右側領域と左側領域との２つの領域に分けられている。これらの領域の構造は、境界線Ｗ−Ｗを対称軸として対称となっており、各領域のそれぞれにおいて、中央に位置する重錘体２１０Ａ，２１０Ｂと、この重錘体の周囲に位置し、可撓性の橋梁構造をもった接続部材２２０とが形成されている。また、基板２００の外周部分はフレーム２３０を形成しており、橋梁構造をもった接続部材２２０により、各重錘体２１０Ａ，２１０Ｂは、フレーム２３０に接続されている。また、重錘体２１０Ａと２１０Ｂとの間は、接続部材２２０および中間部材２４０によって接続されている。接続部材２２０は、可撓性をもった橋梁構造を有しているため、各重錘体２１０Ａ，２１０Ｂは、この橋梁構造の可撓性の範囲内で、フレーム２３０内で所定の自由度をもって運動可能となる。
【０１３１】
図２４は、基板２００を切断線Ｘ−Ｘに沿って切った側断面図である。図示のとおり、フレーム２３０の部分は、他の部分に比べて足桁が高くなっており、台座の働きを果たす。また、基板２００自身は導電性の材料から構成されているが、その上面部分には、絶縁層２０１が形成されている。
【０１３２】
このような構造をもった基板は、１枚の完全な基板に対してエッチング加工などを施し、所定部分を除去することにより大量生産することができる。この実施例では、Ｐ型またはＮ型の不純物を高濃度にドープしたシリコン基板に、所定のマスクを用いたエッチング加工を施すことにより、図２３に示すような構造をもった基板２００を用意している。橋梁構造の幅をある程度まで細くすると、十分な可撓性をもった接続部材２２０を構成することができ、この可撓性をもった接続部材２２０によって、重錘体２１０Ａ，２１０Ｂを三次元空間内の各軸方向に所定の許容範囲内で運動可能な状態で支持することができる。なお、この基板２００の上面に形成される絶縁層２０１としては、この実施例では酸化シリコン膜を用いている。
【０１３３】
続いて、このような基板２００の上面に、図２５の上面図に示すように、各導電路２１１Ａ，２１１Ｂと、ボンディングパッド２５０Ａ，２５０Ｂを形成する。すなわち、重錘体２１０Ａの上面には、８本の導電路２１１Ａが形成され、重錘体２１０Ｂの上面には、８本の導電路２１１Ｂが形成される。これらの導電路は、図２１に示されている各励振用導電路および各検出用導電路に相当するものである。なお、図には示されていないが、これら各導電路の両端部と、特定のボンディングパッド２５０Ａ，２５０Ｂとの間には、接続部材２２０上を通る配線が形成されている。
【０１３４】
このような基板２００が用意できたら、この基板２００を利用して、図２６の側断面図に示すような角速度センサを構成する。このセンサの外装は、ベース基板３１０とキャップ部３２０とによって構成されており、これらによって装置筐体が構成されている。ベース基板３１０の上面には、ガラスからなる固定基板３３０が固着されており、上述した基板２００は、この固定基板３３０の上面に固着される。前述したように、基板２００のフレーム２３０は、台座として機能するため、フレーム２３０より内側の部分と、固定基板３３０の上面との間には、所定の空隙が形成される。この空隙は、容量素子を形成するために利用される。すなわち、固定基板３３０の上面には、図示のとおり、電極３３５Ａ，３３５Ｂが形成される。一方、基板２００自身は導電性を有しているため、電極３３５Ａ，３３５Ｂと、基板２００の下面側の対向面とにより、それぞれ容量素子が形成されることになる。これらの容量素子は、図１９に示されている容量素子に相当するものである。
【０１３５】
キャップ部３２０の内側面には、磁石３４０（永久磁石でも電磁石でもよい）が取り付けられており、図の垂直方向に平行な磁束を形成する。この磁石３４０は、図１９に示されている磁石９０に相当するものである。ベース基板３１０には、配線用の孔部が形成されており、この孔部を挿通して、配線ピン３５０Ａ，３５０Ｂが設けられている（実際には、ボンディングパッド２５０Ａ，２５０Ｂに対応した数だけ設けられる）。また、ボンディングパッド２５０Ａ，２５０Ｂと、配線ピン３５０Ａ，３５０Ｂとの間は、ボンディングワイヤ３５５Ａ，３５５Ｂによって接続される。
【０１３６】
以上のような構成の角速度センサは、図２１に示す角速度センサと同等の動作を行う機能を有し、３軸まわりの角速度と３軸方向の加速度とを検出することが可能である。すなわち、所定の配線ピンに所定の交流信号を供給することにより各重錘体２１０Ａ，２１０Ｂを回転運動させることができ、その状態において、所定の配線ピン間に生じる誘導起電力または所定の配線ピン間の静電容量値を所定の検出タイミングで測定することにより、角速度および加速度の検出が可能になる。
【０１３７】
前述したように、基板２００は、一般的な半導体プロセスにおけるエッチング加工などを利用して構成することができ、この基板２００上の各導電路、ボンディングパッド、基板上の配線などは、印刷の手法を利用して形成することができるので、ここで述べた実施例に係る角速度センサは、大量生産を行う場合に好適である。
【０１３８】
§５．  具体的な実施例（その２）
続いて、容量素子により重錘体の駆動および力の検出を行う具体的な実施例を述べる。図２７は、この実施例に係る角速度センサの主要部分の上面図である。ベース基板４００は、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有する基板であり、その上面には、図示のとおり、多数の細かな構成要素が配置されている。これらの構成要素は、図示のとおり、境界線Ｗ−Ｗを対称軸として左右対称に配置されており、左側領域４００Ａに配置された構成要素からなる系は、図１に示す角速度センサにおける重錘体１０Ａを用いた第１の検出系と同等の機能を果たし、右側領域４００Ｂに配置された構成要素からなる系は、図１に示す角速度センサにおける重錘体１０Ｂを用いた第２の検出系と同等の機能を果たす。このような２つの検出系を用いた連係動作による角速度および加速度検出の基本原理については既に前節までに述べてあるので、ここでは、左側領域４００Ａに配置された構成要素からなる系についての構造および簡単な動作原理のみを示す。
【０１３９】
図２８は、ベース基板４００上の左側領域４００Ａに配置された構成要素のみを示す平面図であり、形状の把握を容易にするため、個々の構成要素の部分についてはハッチングを施して示してある（このハッチングは、断面を示すものではない）。多数の構成要素が配置されているため、やや図面が繁雑ではあるが、基本的には、中心部に板状の重錘体（上面から見ると正方形の部分）４１０が配置されており、この重錘体４１０の上辺に突起するように４つの変位電極４２１〜４２４が形成され、下辺に突起するように４つの変位電極４３１〜４３４が形成され、左辺に突起するように４つの変位電極４４１〜４４４が形成され、右辺に突起するように４つの変位電極４５１〜４５４が形成されている。これらの各変位電極に対向するように、上辺近傍に固定電極５２１〜５２４が配置され、下辺近傍に固定電極５３１〜５３４が配置され、左辺近傍に固定電極５４１〜５４４が配置され、右辺近傍に固定電極５５１〜５５４が配置されている。
【０１４０】
各固定電極５２１〜５５４は、ベース基板４００上に絶縁層を介して固定されている。一方、重錘体４１０は、その四辺の各中央部において、それぞれ可撓性の橋梁構造をもった接続部材４６１〜４６４を介して、固定部材５６１〜５６４に取り付けられており、ベース基板４００の上面と重錘体４１０の下面との間には所定の空隙が形成されている。要するに、板状の重錘体４１０は、四辺の各中央部において、可撓性の橋梁構造をもった接続部材４６１〜４６４によって宙吊り状態で支持されていることになる。このため、重錘体４１０は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸（図の紙面に垂直な軸）のいずれの方向についても所定の自由度（接続部材４６１〜４６４の可撓性の範囲内の自由度）をもって運動することが可能である。したがって、各変位電極４２１〜４５４は、重錘体４１０の運動とともに変位することになる。これに対して、各固定電極５２１〜５５４は、ベース基板４００上に固定されており、変位することはない。
【０１４１】
なお、各固定電極５２１〜５５４の外側部分（ベース基板４００の外周に近い部分）は、ボンディングパッドを形成できるように、内側部分（本来の電極として機能する部分）に比べて、上面から見たときの面積が広くなっている。このような構造を採ることにより、図２７の上面図に示されているように、ベース基板４００の外周に沿って、各固定電極の外側部分が配列されることになり、各固定電極への配線が容易になる。なお、図２８における右辺近傍に配置された固定電極５５１〜５５４については、別途、配線部材５７１〜５７４を設け、配線層で接続するようにしている。これは、右側領域４００Ｂに形成された重錘体の左辺近傍に配置された固定電極についても同様である。また、この実施例では、重錘体４１０は、全体が導電性材料（具体的には、Ｐ型またはＮ型の不純物を高濃度でドープしたシリコン基板）から構成されており、各変位電極４２１〜４５４、各固定電極５２１〜５５４、各固定部材５６１〜５６４、各配線部材５７１〜５７４も、同じ導電性材料から構成されている。したがって、各変位電極４２１〜４５４は電気的にはいずれも等電位となり、固定部材５６１〜５６４は、各変位電極４２１〜４５４に共通した配線用の部材として機能する。実際には、この角速度センサは、固定部材５６１〜５６４を接地電位とし、各変位電極４２１〜４５４を接地レベルに維持した状態で動作させている。
【０１４２】
図２９は、重錘体４１０の上辺近傍の拡大上面図である。上述したように、重錘体４１０の上辺には、４つの変位電極４２１〜４２４が形成されている。これらの変位電極は、重錘体４１０のＸＺ平面に平行な側面４１１（上面図における重錘体４１０の上辺に相当する側面）に形成された電極であり、その電極面（図２９における各電極の左右の面）は、いずれもＹＺ平面に平行になっている。一方、上述したように、４つの固定電極５２１〜５２４の外側部分（図２９における上方の部分）はボンディングパッドを形成する配線用の部材として機能し、内側部分（図２９における下方の部分）が本来の電極として機能する。すなわち、各固定電極５２１〜５２４の内側部分の電極面（図２９における各電極の下方側部分の左右の面）は、いずれもＹＺ平面に平行になっている。結局、各変位電極４２１〜４２４の電極面も各固定電極５２１〜５２４の電極面も、いずれもＹＺ平面に平行になっており、隣接して配置された変位電極と固定電極とによって容量素子が形成されることになる。すなわち、変位電極４２１と固定電極５２１とによって１つの容量素子が形成され、変位電極４２２と固定電極５２２とによって１つの容量素子が形成され、変位電極４２３と固定電極５２３とによって１つの容量素子が形成され、変位電極４２４と固定電極５２４とによって１つの容量素子が形成される。
【０１４３】
要するに、重錘体４１０の側面には、複数の変位電極がこの側面の長手方向に並べて配置され、ベース基板４００（装置筐体に固定される）側には、これら複数の変位電極の間に互い違いに挿入されるように複数の固定電極が配置されており、隣接して配置された１枚の変位電極と１枚の固定電極とにより容量素子が形成されている。
【０１４４】
図３０(a) ，(b) ，(c) は、図２９に示す構造物を、それぞれ切断線Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃに沿って切った側断面図である。図３０(a) に示すように、固定電極５２１は、絶縁層６２１を介してベース基板４００上に固定されており、その奥に配置されている変位電極４２１とともに容量素子が形成される。また、重錘体４１０は、ベース基板４００の上方に浮いた状態になっている。図３０(b) には、固定電極５２２の配線用の部材として機能する部分が絶縁層６２２を介してベース基板４００上に固定された状態が示されている。この固定電極５２２は、変位電極４２２とともに容量素子を形成することになり、その奥には、接続部材４６１が示されている。図３０(c) は、接続部材４６１および固定部材５６１の位置における側断面図であり、固定部材５６１が絶縁層６６１を介してベース基板４００上に固定された状態が示されている。接続部材４６１は、可撓性をもった橋梁構造をなし、重錘体４１０が所定の自由度をもって運動することができるように支持している。
【０１４５】
図２９に示す変位電極４２１，４２４および固定電極５２１，５２４は、重錘体４１０を駆動するために用いられ、ここでは駆動用変位電極および駆動用固定電極と呼ぶことにする。一方、変位電極４２２，４２３および固定電極５２２，５２３は、重錘体４１０に作用した力を検出するために用いられ、ここでは検出用変位電極および検出用固定電極と呼ぶことにする。いま、固定部材５６１を電気的な接地レベルに接続すると、重錘体４１０全体が接地レベルとなり、各変位電極も接地レベルとなる。この状態で、駆動用固定電極５２１に所定の電圧を印加すると、駆動用変位電極４２１と駆動用固定電極５２１との間にクーロン引力が作用することになり、重錘体４１０は図の左方向に移動することになる。逆に、駆動用固定電極５２４に所定の電圧を印加すると、駆動用変位電極４２４と駆動用固定電極５２４との間にクーロン引力が作用することになり、重錘体４１０は図の右方向に移動することになる。したがって、駆動用固定電極５２１への電圧印加と駆動用固定電極５２４への電圧印加とを交互に行えば（たとえば、交互にパルス電圧を印加する）、重錘体４１０はＸ軸方向に振動することになる。
【０１４６】
一方、重錘体４１０に対して、コリオリ力あるいは加速度力が作用して、重錘体４１０が図の左方向（Ｘ軸の正方向）に移動した場合、検出用変位電極４２２と検出用固定電極５２２との電極間隔は減少し、検出用変位電極４２３と検出用固定電極５２３との電極間隔は増大する。よって、前者によって構成される容量素子の静電容量値は増加し、後者によって構成される容量素子の静電容量値は減少する。したがって、両容量素子の静電容量値の差をとることにより、作用したＸ軸正方向の力の大きさを検出することができる。また、重錘体４１０を図の右方向（Ｘ軸の負方向）に移動させる力が作用した場合も、同様に両容量素子の静電容量値の差として作用した力の大きさを検出することができる。しかも、作用した力の方向は、各容量素子の静電容量値が減少するか増加するかによって判断することができる。結局、検出用変位電極４２２と検出用固定電極５２２とによって構成される容量素子と、検出用変位電極４２３と検出用固定電極５２３とによって構成される容量素子と、の静電容量値を電気的に検出することができれば、重錘体４１０に対してＸ軸方向に作用したコリオリ力あるいは加速度力を検出することが可能になる。
【０１４７】
以上、図２９を用いて、重錘体４１０の上辺近傍に配置された電極を利用して、重錘体４１０をＸ軸方向に駆動する方法および重錘体４１０に作用したＸ軸方向の力を検出する方法について述べたが、重錘体４１０の下辺近傍に配置された電極を利用しても全く同様のことが可能である。すなわち、図２８において、重錘体４１０の下辺近傍に配置された電極のうち、変位電極４３１，４３４および固定電極５３１，５３４を、重錘体４１０を駆動するための駆動用変位電極および駆動用固定電極として用いれば、Ｘ軸方向への駆動が可能になり、変位電極４２２，４２３および固定電極５２２，５２３を、重錘体４１０に作用した力を検出するための検出用変位電極および検出用固定電極として用いれば、Ｘ軸方向に作用した力の検出が可能になる。実際には、重錘体４１０の上辺近傍に配置された電極と下辺近傍に配置された電極との双方を利用して、Ｘ軸方向への駆動およびＸ軸方向に作用した力の検出を行うようにすると、安定した駆動および安定した検出が可能になり好ましい。
【０１４８】
全く同様にして、Ｙ軸方向への駆動およびＹ軸方向に作用した力の検出も可能である。すなわち、重錘体４１０の左辺近傍に配置された電極のうち、変位電極４４１，４４４および固定電極５４１，５４４を、重錘体４１０を駆動するための駆動用変位電極および駆動用固定電極として用いれば、Ｙ軸方向への駆動が可能になり、変位電極４４２，４４３および固定電極５５２，５５３を、重錘体４１０に作用した力を検出するための検出用変位電極および検出用固定電極として用いれば、Ｙ軸方向に作用した力の検出が可能になる。重錘体４１０の右辺近傍に配置された電極も同等の機能を果たし、実用上は、左辺および右辺に配置された全電極を用いた駆動および検出を行うのが好ましい。
【０１４９】
また、この実施例では、Ｚ軸方向に作用した力の検出も可能である。上述したように、この実施例では、重錘体４１０は導電性材料の基板で構成されているが、ベース基板４００も同様の導電性材料（不純物をドープしたシリコン基板）で構成されている。したがって、重錘体４１０の下面およびベース基板４００の上面を、それぞれ電極と考えれば、これら両電極によって容量素子が形成されることになる。しかも、重錘体４１０に対してＺ軸方向の力が作用すると、重錘体４１０全体はベース基板４００に対して、離れる方向または近付く方向に変位するため、この容量素子の静電容量は減少するか増加することになる。したがって、この容量素子の静電容量値を検出することにより、Ｚ軸方向に作用した力の検出が可能になる。
【０１５０】
結局、この実施例に係る角速度センサでは、重錘体をＸ軸方向に振動させることもできるし、Ｙ軸方向に振動させることもでき、また、両振動を組み合わせることにより、ＸＹ平面に沿った回転運動をさせることもできる。しかも、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に作用した力を検出することもできる。したがって、前節までに述べた角速度センサと同様に、３軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚと、３軸まわりの加速度αｘ，αｙ，αｚを検出することが可能である。
【０１５１】
なお、本実施例においては、同一の容量素子を形成する変位電極と固定電極との電極間隔が、同一の容量素子を形成しない変位電極と固定電極との電極間隔よりも小さくなるように設定するのが好ましい。たとえば、図３１は、図２９と同様に、重錘体４１０の上辺近傍の拡大上面図であるが、ここで、駆動用変位電極４２１と駆動用固定電極５２１との間隔ｄ１（角速度や加速度が作用していない状態での間隔）は、駆動用変位電極４２１と検出用固定電極５２２との間隔ｄ２よりも小さく設定されている。これは、この角速度センサの動作上、駆動用変位電極４２１と駆動用固定電極５２１とによって１つの容量素子が形成されることを配慮したためである。すなわち、変位電極４２１にとって、容量素子を形成するためのパートナーとなる電極は固定電極５２１であるため、このパートナーとなる電極５２１に対する距離ｄ１を、パートナーとはならない電極５２２に対する距離ｄ２よりも小さく設定することにより、効率的な動作を行わせることが可能になる。
【０１５２】
このような電極間距離設定は、特に、隣接配置された複数の電極によって同一の機能を分担させるような設計を行った場合に重要である。たとえば、図３２に上面図を示す例は、駆動用変位電極４２１を、隣接配置された２つの電極４２１ａ，４２１ｂによって構成し、駆動用固定電極５２１を、隣接配置された２つの電極５２１ａ，５２１ｂによって構成し、検出用変位電極４２２を、隣接配置された２つの電極４２２ａ，４２２ｂによって構成し、検出用固定電極５２２を、隣接配置された２つの電極５２２ａ，５２２ｂによって構成した例である。このように、重錘体４１０をより効率的に運動させ、これに作用した力をより効率的に検出するためには、同等の機能を果たす電極を多数配置するのが好ましい。図３２の例では、同一の機能を果たす電極を２つだけ隣接配置しているが、実用上は、より多数の電極を隣接配置するのが好ましい。
【０１５３】
さて、このように同一機能を果たす電極が隣接配置されている場合、上述したような電極間距離設定がなされていないと、正しい動作が期待できない。たとえば、図３２において、重錘体４１０を左方向に移動させるためには、重錘体４１０を接地レベルに維持した状態で、駆動用固定電極５２１ａ，５２１ｂに所定の電圧を印加することになる。このとき、図示のように、駆動用変位電極４２１ａは、その左側に位置する駆動用固定電極５２１ａの方に近くなるように配置されているので、電極５２１ａと電極４２１ａとの間に作用するクーロン引力の方が、電極５２１ｂと電極４２１ａとの間に作用するクーロン力よりも大きくなり、電極４２１ａは図の左方向へと移動することができる。もし、電極４２１ａが、電極５２１ａと電極５２１ｂとの中間位置に配置されていると、左右から等しいクーロン引力が作用し、正しい動作を行うことができなくなる。検出用電極についても同様の理由から、容量素子を形成するパートナーとなる電極同士の距離を短く設定するようにする。
【０１５４】
最後に、上述した構造を有する角速度センサを大量生産するためのより具体的な工夫を述べる。まず、図２７に示す角速度センサにおけるベース基板４００および重錘体４１０は、いずれも導電性材料で構成しておくと、配線が単純になる。特に、ベース基板４００および重錘体４１０を、導電性の半導体基板（たとえば、不純物をドープしたシリコン基板）で構成すると、一般的な半導体加工プロセスを利用することができるため、実用的な量産工程への適用が容易になる。通常、このような半導体加工プロセスでは、１枚の半導体ウエハから、多数の半導体ペレットを切り出し、これを１つの製品として利用する。たとえば、図２７に示すような構造を半導体加工プロセスで量産する場合、図３３に示すようなシリコンウエハ上に多数の区画を定義し（図では、１つの区間をハッチング表示している）、個々の区画をベース基板４００として利用することになる。実際には、図２７に示す細かな構造体のすべてをシリコンウエハ上の個々の区画上に形成し、最終的に、このシリコンウエハをダイシングして、個々の区画ごとに分離して利用することになる。
【０１５５】
ただ、半導体加工プロセスにおけるダイシング工程は、通常、ダイシングブレードを用いた機械的な切断工程になるため、細かな削りかすが発生する。このような削りかすが、図２７に示す細かな構造体の上に堆積すると、電極間の短絡などが発生する要因になり好ましくない。このような問題に対処するためには、図３４に示すような保護基板７００を用いるようにするとよい。この保護基板７００は、ベース基板４００と同じ大きさの矩形基板であり、ここに示す例では、絶縁性の基板（たとえば、酸化シリコン、ガラスなどを用いればよい）によって保護基板７００を構成している。この保護基板７００には、多数の配線用開口窓７０１が形成されている。これらの開口窓は、図２７に示す各固定電極５２１〜５５４、固定部材５６１〜５６４、配線部材５７１〜５７４に対する配線を行うために用いられ、これらの位置に合わせた貫通孔として、各配線用開口窓７０１が形成されている。
【０１５６】
図３５は、図３４に示す保護基板７００を、図２７に示す構造体の上に固定した状態を示す上面図である。ベース基板４００上に形成された細かな構造体は、すべて保護基板７００によって覆われて保護された状態になっているが、必要な配線は、配線用開口窓７０１の部分から行うことができるようになっている。ベース基板４００上に保護基板７００を固定するために、フレーム状の側壁部７５０が形成されている。この側壁部７５０は、ベース基板４００の外周部に沿って配置された壁であり、ベース基板４００と保護基板７００とは、互いに所定間隔をおいて平行に配置された状態において、この側壁部７５０によって外周部を互いに接続された状態になる。結局、ベース基板４００、側壁部７５０、保護基板７００によって囲まれた部分として、検出動作空間が形成されることになり、重錘体４１０Ａ，４１０Ｂは、この検出動作空間内に収容された状態になる。
【０１５７】
図３６は、図３５に示す角速度センサを切断線Ａ−Ａで切断した断面を拡大して示す側断面図である。ベース基板４００の左端部には、側壁部７５０が絶縁層７５５上に形成された状態を示されている。絶縁層７５５は、このセンサの動作上、特に必要な層ではないが、絶縁層６４３を形成する工程で、一緒に形成される層である。もちろん、絶縁層７５５を形成せずに、ベース基板４００上に側壁部７５０を直接形成するようにしてもかまわない。この図３６に示す実施形態では、図３０に示す実施形態に比べて、固定電極５４３の厚みを若干厚く設定してある。すなわち、各固定電極５２１〜５５４、固定部材５６１〜５６４、配線部材５７１〜５７４は、いずれも側壁部７５０と同じ厚みに設定されており、これらの上面には、保護基板７００が密着した状態で接続されている。この接続には、たとえば、陽極接合や低融点ガラスを用いた接合などが可能である。このような接合を行うと、検出動作空間を密閉状態に維持することができ、また、必要に応じて、この検出動作空間内を真空状態にすることも可能になる。
【０１５８】
一方、重錘体４１０の上面は、図３６に示すように、保護基板７００の下面との間に所定間隔を維持した状態となる。したがって、重錘体４１０は、検出動作空間内で所定の自由度をもって運動可能である。特に、検出動作空間内を真空状態にした場合、重錘体４１０をその共振点で効率良く振動させることができる。
【０１５９】
この実施形態では、重錘体４１０の上面と保護基板７００の下面との間隔、および重錘体４１０の下面とベース基板４００の上面との間隔を、所定の寸法値に設定することにより、ベース基板４００および保護基板７００が、重錘体４１０の運動を制御する制御部材として機能するようにしている。すなわち、このセンサの検出対象となる範囲を越えた過度に大きな角速度または加速度が作用した場合、重錘体４１０は、この作用した角速度または加速度に応じて大きな運動を行うことになる。ところが、重錘体４１０が何ら制限を受けずに過度の運動を行うと、可撓性橋梁構造を有する接続部材４６１〜４６４が破損するおそれがある。そこで、重錘体４１０に過度の力が加わった場合、ベース基板４００あるいは保護基板７００に接触して、その運動が妨げられるように、重錘体４１０と各基板間との距離を設定するようにしている。
【０１６０】
なお、検出動作空間内の各固定電極５２１〜５５４、固定部材５６１〜５６４、配線部材５７１〜５７４への配線は、配線用開口窓７０１を通して行うことができる。たとえば、図３６には、固定電極５４３に対して配線を行った状態が示されている。固定電極５４３の上面の一部分は、配線用開口窓７０１によって外部に露出した状態となっているので、この露出面に、この例ではアルミニウムからなるボンディングパッド７０２を形成し、このボンディングパッド７０２にボンディングワイヤ７０３を接続するようにしている。固定電極５４３は、配線用開口窓７０１を内側から塞ぐように配置されているため、配線用開口窓７０１が存在していても、検出動作空間の密閉状態はそのまま維持される。
【０１６１】
以上、本発明を図示する実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態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。特に、本発明は、１軸まわりの角速度を検出する１軸角速度センサとしても利用できるし、３軸まわりの角速度および３軸方向の加速度を検出することができる６軸の角速度／加速度センサとしても利用できる。もちろん、２〜５軸のセンサとして利用してもかまわない。また、上述の実施形態では、励起用導電路に電流を供給することにより重錘体を運動させる例を示したが、重錘体を運動させる手法は、このような方法に限定されるものではない。更に、上述の実施形態では、検出用導電路に生じる誘導起電力または容量素子の静電容量の変化によって、重錘体に作用した力を検出する例を示したが、重錘体に作用した力を検出する手法は、このような方法に限定されるものではない。
【符号の説明】
【０１６２】
１０：重錘体
１０Ａ：第１の重錘体
１０Ｂ：第２の重錘体
２０：接続部材
２５：接続部材
３０：装置筐体
４０Ａ，４０Ｂ：Ｘ軸方向駆動手段
５１Ａ，５１Ｂ：Ｘ軸方向力検出手段
５２Ａ，５２Ｂ：Ｙ軸方向力検出手段
５３Ａ，５３Ｂ：Ｚ軸方向力検出手段
６１Ａ，６１Ｂ：Ｙ軸方向信号分離手段
６２Ａ，６２Ｂ：Ｚ軸方向信号分離手段
７１Ａ，７１Ｂ：加速度演算手段
７２Ａ，７２Ｂ：加速度演算手段
７３Ａ，７３Ｂ：角速度演算手段
７４Ａ，７４Ｂ：加速度演算手段
７５Ａ，７５Ｂ：角速度演算手段
８０：対向面
９０：磁石／電磁石
１００：磁界発生手段
１４０Ａ，１４０Ｂ：回転駆動手段
１５１Ａ，１５１Ｂ：Ｘ軸方向力検出手段
１５２Ａ，１５２Ｂ：Ｙ軸方向力検出手段
１５３Ａ，１５３Ｂ：Ｚ軸方向力検出手段
１６１Ａ，１６１Ｂ：Ｘ軸方向信号分離手段
１６２Ａ，１６２Ｂ：Ｙ軸方向信号分離手段
１６３Ａ，１６３Ｂ：Ｚ軸方向信号分離手段
１７１Ａ，１７１Ｂ：加速度演算手段
１７２Ａ，１７２Ｂ：角速度演算手段
１７３Ａ，１７３Ｂ：加速度演算手段
１７４Ａ，１７４Ｂ：角速度演算手段
１７５Ａ，１７５Ｂ：加速度演算手段
１７６Ａ，１７６Ｂ：角速度演算手段
２００：基板
２０１：絶縁層
２１０Ａ，２１０Ｂ：重錘体
２１１Ａ，２１１Ｂ：導電路
２２０：可撓性の橋梁構造をもった接続部材
２３０：フレーム
２４０：中間部材
２５０Ａ，２５０Ｂ：ボンディングパッド
３１０：ベース基板
３２０：キャップ部
３３０：固定基板
３４０：磁石／電磁石
３５０Ａ，３５０Ｂ：配線ピン
３５５Ａ，３５５Ｂ：ボンディングワイヤ
４００：ベース基板
４００Ａ：左側領域
４００Ｂ：右側領域
４１０：重錘体
４１１：重錘体の側面
４２１〜４５４：変位電極（駆動用変位電極および検出用変位電極）
４６１〜４６４：接続部材
４２１ａ，４２１ｂ，４２２ａ，４２２ｂ：変位電極（駆動用変位電極および検出用変位電極）
５２１〜５５４：固定電極（駆動用固定電極および検出用固定電極）
５２１ａ，５２１ｂ，５２２ａ，５２２ｂ：固定電極（駆動用固定電極および検出用固定電極）
５６１〜５６４：固定部材
５７１〜５７４：配線部材
６２１，６２２，６６１：絶縁層
７００：保護基板
７０１：配線用開口窓
７０２：ボンディングパッド
７０３：ボンディングワイヤ
７５０：側壁部
７５５：絶縁層
ｄ１，ｄ２：電極間距離
Ｅ１，Ｅ２，Ｅ１Ａ，Ｅ１Ｂ，Ｅ２Ａ，Ｅ２Ｂ：電極
Ｆｘ（Ａ：ωｚ）：角速度ωｚが作用したときに第１の重錘体１０Ａに対してＸ軸方向に作用するコリオリ力
Ｆｘ（Ｂ：ωｚ）：角速度ωｚが作用したときに第２の重錘体１０Ｂに対してＸ軸方向に作用するコリオリ力
Ｆｙ（Ａ：ωｚ）：角速度ωｚが作用したときに第１の重錘体１０Ａに対してＹ軸方向に作用するコリオリ力
Ｆｙ（Ｂ：ωｚ）：角速度ωｚが作用したときに第２の重錘体１０Ｂに対してＹ軸方向に作用するコリオリ力
Ｆｚ（Ａ：ωｘ）：角速度ωｘが作用したときに第１の重錘体１０Ａに対してＺ軸方向に作用するコリオリ力
Ｆｚ（Ｂ：ωｘ）：角速度ωｘが作用したときに第２の重錘体１０Ｂに対してＺ軸方向に作用するコリオリ力
Ｆｚ（Ａ：ωｙ）：角速度ωｙが作用したときに第１の重錘体１０Ａに対してＺ軸方向に作用するコリオリ力
Ｆｚ（Ｂ：ωｙ）：角速度ωｙが作用したときに第２の重錘体１０Ｂに対してＺ軸方向に作用するコリオリ力
ｆｘ（Ａ）：加速度αｘが作用したときに第１の重錘体１０Ａに対してＸ軸方向に作用する加速度力
ｆｘ（Ｂ）：加速度αｘが作用したときに第２の重錘体１０Ｂに対してＸ軸方向に作用する加速度力
ｆｙ（Ａ）：加速度αｙが作用したときに第１の重錘体１０Ａに対してＹ軸方向に作用する加速度力
ｆｙ（Ｂ）：加速度αｙが作用したときに第２の重錘体１０Ｂに対してＹ軸方向に作用する加速度力
ｆｚ（Ａ）：加速度αｚが作用したときに第１の重錘体１０Ａに対してＺ軸方向に作用する加速度力
ｆｚ（Ｂ）：加速度αｚが作用したときに第２の重錘体１０Ｂに対してＺ軸方向に作用する加速度力
Ｇ（Ａ）：第１の重錘体１０Ａの重心
Ｇ（Ｂ）：第２の重錘体１０Ｂの重心
Ｉｘ，Ｉｙ：駆動用交流電流
Ｊ：接続点
Ｋｘ１，Ｋｘ２，Ｋｙ１，Ｋｙ２：検出用導電路
Ｋｘ１Ａ，Ｋｘ２Ａ，Ｋｙ１Ａ，Ｋｙ２Ａ：検出用導電路
Ｋｘ１Ｂ，Ｋｘ２Ｂ，Ｋｙ１Ｂ，Ｋｙ２Ｂ：検出用導電路
Ｌｘ１，Ｌｘ２：励振用導電路
Ｌｘ１Ａ，Ｌｘ２Ａ，Ｌｙ１Ａ，Ｌｙ２Ａ：励振用導電路
Ｌｘ１Ｂ，Ｌｘ２Ｂ，Ｌｙ１Ｂ，Ｌｙ２Ｂ：励振用導電路
Ｏａ，Ｏｂ：座標系の原点
Ｐ１（Ａ）〜Ｐ４（Ａ）：重心Ｇ（Ａ）の位置
Ｐ１（Ｂ）〜Ｐ４（Ｂ）：重心Ｇ（Ｂ）の位置
ｔ０〜ｔ４：時刻
Ｕｘ（Ａ）：第１の重錘体１０ＡのＸ軸方向への振動
Ｕｘ（Ｂ）：第２の重錘体１０ＢのＸ軸方向への振動
Ｕｙ（Ａ）：第１の重錘体１０ＡのＹ軸方向への振動
Ｕｙ（Ｂ）：第２の重錘体１０ＢのＹ軸方向への振動
Ｖｘ（Ａ）：第１の重錘体１０ＡのＸ軸方向速度
Ｖｘ（Ｂ）：第２の重錘体１０ＢのＸ軸方向速度
Ｗ：境界線
Ｘ＋（Ａ），Ｘ０（Ａ），Ｘ−（Ａ）：重心Ｇ（Ａ）の位置
Ｘ＋（Ａ），Ｘ０（Ａ），Ｘ−（Ａ）：重心Ｇ（Ｂ）の位置
Ｙ＋（Ａ），Ｙ０（Ａ），Ｙ−（Ａ）：重心Ｇ（Ａ）の位置
Ｙ＋（Ａ），Ｙ０（Ａ），Ｙ−（Ａ）：重心Ｇ（Ｂ）の位置
αｘ：Ｘ軸方向の加速度
αｙ：Ｙ軸方向の加速度
αｚ：ｚ軸方向の加速度
ωｘ：Ｘ軸まわりの角速度
ωｙ：Ｙ軸まわりの角速度
ωｚ：ｚ軸まわりの角速度
αｘ（Ａ）：第１の重錘体１０Ａによって検出されたＸ軸方向の加速度
αｙ（Ａ）：第１の重錘体１０Ａによって検出されたＸ軸方向の加速度
αｚ（Ａ）：第１の重錘体１０Ａによって検出されたＸ軸方向の加速度
ωｘ（Ａ）：第１の重錘体１０Ａによって検出されたＸ軸まわりの角速度
ωｙ（Ａ）：第１の重錘体１０Ａによって検出されたＹ軸まわりの角速度
ωｚ（Ａ）：第１の重錘体１０Ａによって検出されたＺ軸まわりの角速度
αｘ（Ｂ）：第２の重錘体１０Ｂによって検出されたＸ軸方向の加速度
αｙ（Ｂ）：第２の重錘体１０Ｂによって検出されたＸ軸方向の加速度
αｚ（Ｂ）：第２の重錘体１０Ｂによって検出されたＸ軸方向の加速度
ωｘ（Ｂ）：第２の重錘体１０Ｂによって検出されたＸ軸まわりの角速度
ωｙ（Ｂ）：第２の重錘体１０Ｂによって検出されたＹ軸まわりの角速度
ωｚ（Ｂ）：第２の重錘体１０Ｂによって検出されたＺ軸まわりの角速度
φｚ：Ｚ軸方向を向いた平行磁束
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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