(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子と、固定部材と、前記振動子を前記固定部材に対して接続する可撓性部材と、前記可撓性部材の表面の所定箇所に、当該所定箇所の撓みに応じて機械的変形を生じるように配置された複数の圧電素子と、を備えた角速度センサであって、
前記複数の圧電素子には、前記振動子を駆動させるための駆動用圧電素子と、前記振動子の駆動状態をモニタするためのモニタ用圧電素子と、前記振動子に作用するコリオリ力を検出するためのコリオリ力検出用圧電素子と、が含まれており、
前記角速度センサは、更に、
交流駆動信号を供給して前記駆動用圧電素子を周期的に変形させ、前記可撓性部材を周期的に撓ませることにより前記振動子に周期的運動を生じさせる駆動制御回路と、
前記振動子が前記周期的運動を行っている状態において、前記周期的運動に同期した所定タイミングで前記コリオリ力検出用圧電素子の発生電荷を測定し、これを所定軸まわりの角速度の検出値として出力する角速度検出回路と、
を備えており、
前記駆動制御回路が、前記モニタ用圧電素子の発生電荷に基づいて、前記振動子の前記周期的運動が、予め設定された基準運動に維持されるようにフィードバック制御を行うようにし、
各モニタ用圧電素子について、それぞれ対応する駆動用圧電素子を定め、
前記駆動制御回路が、特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の全振幅が所定の基準振幅値に維持されるように、これに対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行う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、
特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の全振幅が、所定の基準振幅値よりも小さいときには、供給する交流駆動信号の全振幅を大きくする制御を行い、所定の基準振幅値よりも大きいときには、供給する交流駆動信号の全振幅を小さくする制御を行う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、
駆動制御回路が、更に、特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の時間的な平均値が所定の基準値に維持されるように、これに対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の角速度センサにおいて、
特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の時間的な平均値が、所定の基準値に対して第１の方向に変動したときには、供給する交流駆動信号の奇数番目の半周期の振幅を偶数番目の半周期の振幅に比べて大きくするような制御を行い、所定の基準値に対して前記第１の方向とは逆の第２の方向に変動したときには、供給する交流駆動信号の奇数番目の半周期の振幅を偶数番目の半周期の振幅に比べて小さくするような制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
【請求項５】
請求項３に記載の角速度センサにおいて、
特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の時間的な平均値が、所定の基準値に対して第１の方向に変動したときには、供給する交流駆動信号に正のオフセット電圧を加える制御を行い、所定の基準値に対して前記第１の方向とは逆の第２の方向に変動したときには、供給する交流駆動信号に負のオフセット電圧を加える制御を行う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、
複数のモニタ用圧電素子に同一の駆動用圧電素子を対応させ、前記複数のモニタ用圧電素子のモニタ電圧の全振幅値の複数についての平均が所定の基準振幅値に維持されるように、もしくは前記複数のモニタ用圧電素子のモニタ電圧の時間的な平均値の複数についての平均が所定の基準値に維持されるように、対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行う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、
各圧電素子の一方の面を接地電位に接続し、
駆動用圧電素子の他方の面に交流駆動信号を供給して振動子を駆動させ、
モニタ用圧電素子の他方の面の電位をモニタ電圧として測定し、このモニタ電圧に基づくフィードバック制御を行い、
コリオリ力検出用圧電素子の他方の面の所定タイミングにおける電位に基づいて、角速度の検出値を出力することを特徴とする角速度センサ。
【請求項８】
請求項７に記載の角速度センサにおいて、
各圧電素子の上面に上方電極を接合し、下面に下方電極を接合し、前記下方電極を可撓性部材の上面に接合したことを特徴とする角速度センサ。
【請求項９】
請求項８に記載の角速度センサにおいて、
可撓性部材の表面に形成した単一の導電層を、各圧電素子に共通する下方電極として用いることを特徴とする角速度センサ。
【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、
接地電位を基準として、正および負の電圧を交互にとる交流駆動信号を駆動用圧電素子に供給することにより振動子を駆動し、
特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の時間的な平均値が接地電位に維持されるように、これに対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点ＯをもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、ＸＹ平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、前記振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、前記可撓性部材が前記振動子をその周囲から支持する構造をなし、
前記可撓性部材の上面を投影面としてＸ軸の正射影像となるＸ′軸およびＹ軸の正射影像となるＹ′軸を定義したときに、前記Ｘ′軸上に配置された圧電素子と、前記Ｙ′軸上に配置された圧電素子と、を有し、
振動子をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれかの座標軸に沿って振動させた状態、もしくは、振動子をＸＹ平面，ＸＺ平面，ＹＺ平面のいずれかの平面に沿って円運動させた状態において、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれかの座標軸方向に作用するコリオリ力を測定することにより、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれかの座標軸まわりの角速度を検出することを特徴とする角速度センサ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の角速度センサにおいて、
圧電素子の配置パターンが、ＸＺ平面に対称、かつ、ＹＺ平面にも対称となるように構成されている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、
各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されている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、
Ｘ′軸もしくはＹ′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたＩ字状圧電素子と、このＩ字状圧電素子の近傍に配置されたＵ字状圧電素子と、によって圧電素子対が構成されており、
前記Ｕ字状圧電素子は、前記Ｉ字状圧電素子の両脇位置において前記長手方向軸に対して平行な方向に伸びる第１の並伸部および第２の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有しており、
前記圧電素子対を構成する一方の圧電素子をモニタ用圧電素子、他方の圧電素子を駆動用圧電素子として用い、前記モニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として、前記駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号を制御するフィードバック制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
【請求項１５】
請求項１４に記載の角速度センサにおいて、
Ｕ字状圧電素子の第１の並伸部および第２の並伸部が可撓性部材上に配置され、接続部が振動子上もしくは固定部材上に配置されていることを特徴とする角速度センサ。
【請求項１６】
請求項１２または１３に記載の角速度センサにおいて、
可撓性部材の固定部材に対する接続位置近傍に配置された第１の圧電素子と、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍に配置された第２の圧電素子と、を有し、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とは、同一の軸上に配置されており、これら一対の圧電素子のうち、一方の圧電素子をモニタ用圧電素子、他方の圧電素子を駆動用圧電素子として用い、前記モニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として、前記駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号を制御するフィードバック制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
【請求項１７】
請求項１〜１０のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点ＯをもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、ＸＹ平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、前記振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、前記可撓性部材が前記振動子をその周囲から支持する構造をなし、
前記可撓性部材の上面を投影面としてＸ軸の正射影像となるＸ′軸およびＹ軸の正射影像となるＹ′軸を定義したときに、
前記Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１の駆動用圧電素子と、前記Ｘ′軸の負の領域上に配置された第２の駆動用圧電素子と、
前記Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のモニタ用圧電素子と、前記Ｘ′軸の負の領域上に配置された第２のモニタ用圧電素子と、
前記Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４のコリオリ力検出用圧電素子と、
を有し、
駆動制御回路は、前記第１および第２の駆動用圧電素子に対して交流駆動信号を供給することにより、振動子をＺ軸方向に振動させ、前記第１のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第１の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、前記第２のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第２の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、前記第１および第３のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＸ軸方向に作用するコリオリ力をＹ軸まわりの角速度として検出し、前記第２および第４のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＹ軸方向に作用するコリオリ力をＸ軸まわりの角速度として検出することを特徴とする角速度センサ。
【請求項１８】
請求項１７に記載の角速度センサにおいて、
圧電素子の配置パターンが、ＸＺ平面に対称、かつ、ＹＺ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されており、
Ｘ′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はＸ′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたＩ字状圧電素子からなり、他方はこのＩ字状圧電素子の近傍に配置されたＵ字状圧電素子からなり、
前記Ｕ字状圧電素子は、前記Ｉ字状圧電素子の両脇位置において前記Ｘ′軸に対して平行な方向に伸びる第１の並伸部および第２の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有していることを特徴とする角速度センサ。
【請求項１９】
請求項１〜１０のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点ＯをもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、ＸＹ平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、前記振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、前記可撓性部材が前記振動子をその周囲から支持する構造をなし、
前記可撓性部材の上面を投影面としてＸ軸の正射影像となるＸ′軸およびＹ軸の正射影像となるＹ′軸を定義したときに、
前記Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１の駆動用圧電素子と、前記Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２の駆動用圧電素子と、前記Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３の駆動用圧電素子と、前記Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４の駆動用圧電素子と、
前記Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のモニタ用圧電素子と、前記Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２のモニタ用圧電素子と、前記Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３のモニタ用圧電素子と、前記Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４のモニタ用圧電素子と、
前記Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４のコリオリ力検出用圧電素子と、
を有し、
駆動制御回路は、前記第１〜第４の駆動用圧電素子に対して交流駆動信号を供給することにより、振動子をＺ軸方向に振動させ、前記第１のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第１の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、前記第２のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第２の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、前記第３のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第３の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、前記第４のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第４の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、前記第１および第３のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＸ軸方向に作用するコリオリ力をＹ軸まわりの角速度として検出し、前記第２および第４のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＹ軸方向に作用するコリオリ力をＸ軸まわりの角速度として検出することを特徴とする角速度センサ。
【請求項２０】
請求項１９に記載の角速度センサにおいて、
圧電素子の配置パターンが、ＸＺ平面に対称、かつ、ＹＺ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されており、
Ｘ′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はＸ′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたＩ字状圧電素子からなり、他方はこのＩ字状圧電素子の近傍に配置されたＵ字状圧電素子からなり、
Ｙ′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はＹ′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたＩ字状圧電素子からなり、他方はこのＩ字状圧電素子の近傍に配置されたＵ字状圧電素子からなり、
前記各Ｕ字状圧電素子は、前記各Ｉ字状圧電素子の両脇位置において前記Ｘ′軸もしくは前記Ｙ′軸に対して平行な方向に伸びる第１の並伸部および第２の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有していることを特徴とする角速度センサ。
【請求項２１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点ＯをもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、ＸＹ平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、前記振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、前記可撓性部材が前記振動子をその周囲から支持する構造をなし、
前記可撓性部材の上面を投影面としてＸ軸の正射影像となるＸ′軸およびＹ軸の正射影像となるＹ′軸を定義したときに、
前記Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１の駆動用圧電素子と、前記Ｘ′軸の負の領域上に配置された第２の駆動用圧電素子と、
前記Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のモニタ用圧電素子と、前記Ｘ′軸の負の領域上に配置された第２のモニタ用圧電素子と、
前記Ｙ′軸の正の領域上に配置された第１および第２のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Ｙ′軸の負の領域上に配置された第３および第４のコリオリ力検出用圧電素子と、  を有し、
駆動制御回路は、前記第１および第２の駆動用圧電素子に対して交流駆動信号を供給することにより、振動子をＸ軸方向に振動させ、前記第１のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第１の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、前記第２のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第２の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、前記第１および第４のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＺ軸方向に作用するコリオリ力をＹ軸まわりの角速度として検出し、前記第２および第３のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＹ軸方向に作用するコリオリ力をＺ軸まわりの角速度として検出することを特徴とする角速度センサ。
【請求項２２】
請求項２１に記載の角速度センサにおいて、
圧電素子の配置パターンが、ＸＺ平面に対称、かつ、ＹＺ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されていることを特徴とする角速度センサ。
【請求項２３】
請求項１〜１０のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点ＯをもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、ＸＹ平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、前記振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、前記可撓性部材が前記振動子をその周囲から支持する構造をなし、
前記可撓性部材の上面を投影面としてＸ軸の正射影像となるＸ′軸およびＹ軸の正射影像となるＹ′軸を定義したときに、
前記Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１の駆動用圧電素子と、前記Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２の駆動用圧電素子と、前記Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３の駆動用圧電素子と、前記Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４の駆動用圧電素子と、
前記Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のモニタ用圧電素子と、前記Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２のモニタ用圧電素子と、前記Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３のモニタ用圧電素子と、前記Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４のモニタ用圧電素子と、
前記Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４のコリオリ力検出用圧電素子と、
を有し、
駆動制御回路は、前記第１〜第４の駆動用圧電素子に対して、この順番でπ／２ずつ位相が遅れた交流駆動信号を供給することにより、振動子をＸＹ平面に沿って円運動させ、前記第１のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第１の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、前記第２のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第２の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、前記第３のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第３の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、前記第４のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第４の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、
振動子がＹ軸方向に運動しているタイミングにおいて前記第１および第３のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＸ軸方向に作用するコリオリ力もしくは振動子がＸ軸方向に運動しているタイミングにおいて前記第２および第４のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＹ軸方向に作用するコリオリ力をＺ軸まわりの角速度として検出し、
振動子がＹ軸方向に運動しているタイミングにおいて前記第１〜第４のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＺ軸方向に作用するコリオリ力をＸ軸まわりの角速度として検出し、
振動子がＸ軸方向に運動しているタイミングにおいて前記第１〜第４のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＺ軸方向に作用するコリオリ力をＹ軸まわりの角速度として検出することを特徴とする角速度センサ。
【請求項２４】
請求項２３に記載の角速度センサにおいて、
圧電素子の配置パターンが、ＸＺ平面に対称、かつ、ＹＺ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されており、
Ｘ′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はＸ′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたＩ字状圧電素子からなり、他方はこのＩ字状圧電素子の近傍に配置されたＵ字状圧電素子からなり、
Ｙ′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はＹ′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたＩ字状圧電素子からなり、他方はこのＩ字状圧電素子の近傍に配置されたＵ字状圧電素子からなり、
前記各Ｕ字状圧電素子は、前記各Ｉ字状圧電素子の両脇位置において前記Ｘ′軸もしくは前記Ｙ′軸に対して平行な方向に伸びる第１の並伸部および第２の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有していることを特徴とする角速度センサ。
【請求項２５】
請求項１〜１０のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点ＯをもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、ＸＹ平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、前記振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、前記可撓性部材が前記振動子をその周囲から支持する構造をなし、
前記可撓性部材の上面を投影面としてＸ軸の正射影像となるＸ′軸およびＹ軸の正射影像となるＹ′軸を定義したときに、
前記Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１の駆動用圧電素子と、前記Ｘ′軸の負の領域上に配置された第２の駆動用圧電素子と、
前記Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のモニタ用圧電素子と、前記Ｘ′軸の負の領域上に配置された第２のモニタ用圧電素子と、
前記Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４のコリオリ力検出用圧電素子と、
を有し、
駆動制御回路は、前記第１の駆動用圧電素子に対して第１の交流駆動信号を供給し、前記第２の駆動用圧電素子に対して前記第１の交流駆動信号に対して位相がπ／２だけ遅れた第２の交流駆動信号を供給することにより、振動子をＸＺ平面に沿って円運動させ、前記第１のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第１の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、前記第２のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第２の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、
振動子がＺ軸方向に運動しているタイミングにおいて前記第１および第３のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＸ軸方向に作用するコリオリ力もしくは振動子がＸ軸方向に運動しているタイミングにおいて前記第１〜第４のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＺ軸方向に作用するコリオリ力をＹ軸まわりの角速度として検出し、
振動子がＺ軸方向に運動しているタイミングにおいて前記第２および第４のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＹ軸方向に作用するコリオリ力をＸ軸まわりの角速度として検出し、
振動子がＸ軸方向に運動しているタイミングにおいて前記第２および第４のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＹ軸方向に作用するコリオリ力をＺ軸まわりの角速度として検出することを特徴とする角速度センサ。
【請求項２６】
請求項２５に記載の角速度センサにおいて、
圧電素子の配置パターンが、ＸＺ平面に対称、かつ、ＹＺ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されており、
Ｘ′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はＸ′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたＩ字状圧電素子からなり、他方はこのＩ字状圧電素子の近傍に配置されたＵ字状圧電素子からなり、
前記Ｕ字状圧電素子は、前記Ｉ字状圧電素子の両脇位置において前記Ｘ′軸に対して平行な方向に伸びる第１の並伸部および第２の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有していることを特徴とする角速度センサ。
【請求項２７】
請求項１〜２６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、モニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧に基づいて、コリオリ力検出用圧電素子の発生電荷の検出タイミングを決定することを特徴とする角速度センサ。
【請求項２８】
請求項１〜２７のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
可撓性部材が、可撓性をもった複数の架橋部によって構成されており、各架橋部の一方の端が振動子に接続され、他方の端が固定部材に固定されていることを特徴とする角速度センサ。
【請求項２９】
請求項１〜２７のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
可撓性部材が、振動子の周囲を取り囲む形状をなし、可撓性をもった板状構造体によって構成されており、前記板状構造体の内側部分が振動子に接続され、外側部分が固定部材に固定されている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、角速度センサに関し、特に、運動中の振動子に作用するコリオリ力を検出することにより角速度の検出を行うセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
小型で量産に適した角速度センサとして、圧電素子を用いたタイプのセンサが提案されている。たとえば、下記の特許文献１および２には、装置筐体内の固定部材に可撓性部材を介して振動子を支持した構造体を設け、可撓性部材の表面に形成した駆動用圧電素子に交流駆動信号を供給することにより、振動子を振動状態に維持し、この状態において振動子に作用するコリオリ力を、可撓性部材の表面に形成したコリオリ力検出用圧電素子の発生電荷に基づいて検出することにより、角速度の検出を行う角速度センサが開示されている。
【０００３】
これらの各文献に開示された角速度センサは、振動子を振動させる機構も、コリオリ力を検出する機構も、いずれも可撓性部材の表面に設けた圧電素子によって構成することができる。したがって、物理的には、可撓性部材の所定箇所にそれぞれ必要な数だけ圧電素子を配置した単純な構造により実現が可能であるため、小型で量産される工業製品へ広く利用することができる。
【特許文献１】特開平８−３５９８１号公報
【特許文献２】特開平８−９４６６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、従来の圧電素子型角速度センサは、装置筐体内の固定部材に可撓性部材を介して振動子を支持した構造を有している。この振動子を支持する構造体としては、薄い板状部材（いわゆるダイアフラム）を用いる場合や、複数の架橋部を用いる場合など、様々であるが、いずれも可撓性をもった部材を用いる点では変わりはない。すなわち、振動子を装置筐体内で振動させるために、可撓性部材による撓みを利用することになる。
【０００５】
ところが、この可撓性部材に撓みを生じさせる力は、本来、意図している力だけではなく、測定系に対しては外乱として作用する力も含まれている。そのため、従来の角速度センサには、この外乱の影響を受けて測定精度が低下するという問題がある。たとえば、角速度センサに対して加速度が作用している測定環境では、この加速度に起因する力が振動子に作用することになり、その影響を受けて、可撓性部材に撓みが生じることになる。特に、地球上では、常に重力加速度が作用している測定環境が不可避である。
【０００６】
もちろん、角速度センサを地上に固定して使用するような測定環境であれば、予め、重力加速度の作用を考慮した設定が可能であり、重力加速度の影響を排除した測定値を得ることができよう。しかしながら、角速度センサは、その性質上、空間内で移動したり姿勢を変えたりする物体に取り付けて利用するのが一般的である。このため、実用上は、角速度センサには、重力加速度をはじめとする様々な加速度が、全く予測できない方向から外乱として加わることになり、従来装置では、この外乱による測定精度の低下が避けられない。
【０００７】
そこで本発明は、測定系に対して外乱として作用する力の影響を排除し、高精度な角速度測定を行うことが可能な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】
【０００８】
(1)   本発明の第１の態様は、振動子と、固定部材と、振動子を固定部材に対して接続する可撓性部材と、可撓性部材の表面の所定箇所に、当該所定箇所の撓みに応じて機械的変形を生じるように配置された複数の圧電素子と、を備えた角速度センサにおいて、
複数の圧電素子を、振動子を駆動させるための駆動用圧電素子と、振動子の駆動状態をモニタするためのモニタ用圧電素子と、振動子に作用するコリオリ力を検出するためのコリオリ力検出用圧電素子と、のいずれかとして用いるようにし、
更に、
交流駆動信号を供給して駆動用圧電素子を周期的に変形させ、可撓性部材を周期的に撓ませることにより振動子に周期的運動を生じさせる駆動制御回路と、
振動子が周期的運動を行っている状態において、周期的運動に同期した所定タイミングでコリオリ力検出用圧電素子の発生電荷を測定し、これを所定軸まわりの角速度の検出値として出力する角速度検出回路と、
を設け、
駆動制御回路が、モニタ用圧電素子の発生電荷に基づいて、振動子の周期的運動が、予め設定された基準運動に維持されるようにフィードバック制御を行うようにし、
各モニタ用圧電素子について、それぞれ対応する駆動用圧電素子を定め、
駆動制御回路が、特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の全振幅が所定の基準振幅値に維持されるように、これに対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うようにしたものである。
【００１０】
(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、
特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の全振幅が、所定の基準振幅値よりも小さいときには、供給する交流駆動信号の全振幅を大きくする制御を行い、所定の基準振幅値よりも大きいときには、供給する交流駆動信号の全振幅を小さくする制御を行うようにしたものである。
【００１１】
(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、
駆動制御回路が、更に、特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の時間的な平均値が所定の基準値に維持されるように、これに対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うようにしたものである。
【００１２】
(4)   本発明の第４の態様は、上述の第３の態様に係る角速度センサにおいて、
特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の時間的な平均値が、所定の基準値に対して第１の方向に変動したときには、供給する交流駆動信号の奇数番目の半周期の振幅を偶数番目の半周期の振幅に比べて大きくするような制御を行い、所定の基準値に対して第１の方向とは逆の第２の方向に変動したときには、供給する交流駆動信号の奇数番目の半周期の振幅を偶数番目の半周期の振幅に比べて小さくするような制御を行うようにしたものである。
【００１３】
(5)   本発明の第５の態様は、上述の第３の態様に係る角速度センサにおいて、
特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の時間的な平均値が、所定の基準値に対して第１の方向に変動したときには、供給する交流駆動信号に正のオフセット電圧を加える制御を行い、所定の基準値に対して第１の方向とは逆の第２の方向に変動したときには、供給する交流駆動信号に負のオフセット電圧を加える制御を行うようにしたものである。
【００１４】
(6)   本発明の第６の態様は、上述の第１〜第５の態様に係る角速度センサにおいて、
複数のモニタ用圧電素子に同一の駆動用圧電素子を対応させ、これら複数のモニタ用圧電素子のモニタ電圧の全振幅値の複数についての平均が所定の基準振幅値に維持されるように、もしくはこれら複数のモニタ用圧電素子のモニタ電圧の時間的な平均値の複数についての平均が所定の基準値に維持されるように、対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うようにしたものである。
【００１５】
(7)   本発明の第７の態様は、上述の第１〜第６の態様に係る角速度センサにおいて、
各圧電素子の一方の面を接地電位に接続し、
駆動用圧電素子の他方の面に交流駆動信号を供給して振動子を駆動させ、
モニタ用圧電素子の他方の面の電位をモニタ電圧として測定し、このモニタ電圧に基づくフィードバック制御を行い、
コリオリ力検出用圧電素子の他方の面の所定タイミングにおける電位に基づいて、角速度の検出値を出力するようにしたものである。
【００１６】
(8)   本発明の第８の態様は、上述の第７の態様に係る角速度センサにおいて、
各圧電素子の上面に上方電極を接合し、下面に下方電極を接合し、下方電極を可撓性部材の上面に接合するようにしたものである。
【００１７】
(9)   本発明の第９の態様は、上述の第８の態様に係る角速度センサにおいて、
可撓性部材の表面に形成した単一の導電層を、各圧電素子に共通する下方電極として用いるようにしたものである。
【００１８】
(10)  本発明の第１０の態様は、上述の第７〜第９の態様に係る角速度センサにおいて、
接地電位を基準として、正および負の電圧を交互にとる交流駆動信号を駆動用圧電素子に供給することにより振動子を駆動し、
特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の時間的な平均値が接地電位に維持されるように、これに対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うようにしたものである。
【００１９】
(11)  本発明の第１１の態様は、上述の第１〜第１０の態様に係る角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点ＯをもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、ＸＹ平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、可撓性部材が振動子をその周囲から支持する構造をなし、
可撓性部材の上面を投影面としてＸ軸の正射影像となるＸ′軸およびＹ軸の正射影像となるＹ′軸を定義したときに、Ｘ′軸上に配置された圧電素子と、Ｙ′軸上に配置された圧電素子と、を有し、
振動子をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれかの座標軸に沿って振動させた状態、もしくは、振動子をＸＹ平面，ＸＺ平面，ＹＺ平面のいずれかの平面に沿って円運動させた状態において、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれかの座標軸方向に作用するコリオリ力を測定することにより、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれかの座標軸まわりの角速度を検出するようにしたものである。
【００２０】
(12)  本発明の第１２の態様は、上述の第１１の態様に係る角速度センサにおいて、
圧電素子の配置パターンが、ＸＺ平面に対称、かつ、ＹＺ平面にも対称となるように構成したものである。
【００２１】
(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、
各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されているようにしたものである。
【００２２】
(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、
Ｘ′軸もしくはＹ′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたＩ字状圧電素子と、このＩ字状圧電素子の近傍に配置されたＵ字状圧電素子と、によって圧電素子対が構成されており、
Ｕ字状圧電素子は、Ｉ字状圧電素子の両脇位置において長手方向軸に対して平行な方向に伸びる第１の並伸部および第２の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有しており、
圧電素子対を構成する一方の圧電素子をモニタ用圧電素子、他方の圧電素子を駆動用圧電素子として用い、モニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として、駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号を制御するフィードバック制御を行うようにしたものである。
【００２３】
(15)  本発明の第１５の態様は、上述の第１４の態様に係る角速度センサにおいて、
Ｕ字状圧電素子の第１の並伸部および第２の並伸部が可撓性部材上に配置され、接続部が振動子上もしくは固定部材上に配置されているようにしたものである。
【００２４】
(16)  本発明の第１６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、
可撓性部材の固定部材に対する接続位置近傍に配置された第１の圧電素子と、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍に配置された第２の圧電素子と、を有し、第１の圧電素子と第２の圧電素子とは、同一の軸上に配置されており、これら一対の圧電素子のうち、一方の圧電素子をモニタ用圧電素子、他方の圧電素子を駆動用圧電素子として用い、モニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として、駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号を制御するフィードバック制御を行うようにしたものである。
【００２５】
(17)  本発明の第１７の態様は、上述の第１〜第１０の態様に係る角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点ＯをもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、ＸＹ平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、可撓性部材が振動子をその周囲から支持する構造をなし、
可撓性部材の上面を投影面としてＸ軸の正射影像となるＸ′軸およびＹ軸の正射影像となるＹ′軸を定義したときに、
Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１の駆動用圧電素子と、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第２の駆動用圧電素子と、
Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のモニタ用圧電素子と、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第２のモニタ用圧電素子と、
Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のコリオリ力検出用圧電素子と、Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２のコリオリ力検出用圧電素子と、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３のコリオリ力検出用圧電素子と、Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４のコリオリ力検出用圧電素子と、
を有し、
駆動制御回路は、第１および第２の駆動用圧電素子に対して交流駆動信号を供給することにより、振動子をＺ軸方向に振動させ、第１のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第１の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第２のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第２の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、第１および第３のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＸ軸方向に作用するコリオリ力をＹ軸まわりの角速度として検出し、第２および第４のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＹ軸方向に作用するコリオリ力をＸ軸まわりの角速度として検出するようにしたものである。
【００２６】
(18)  本発明の第１８の態様は、上述の第１７の態様に係る角速度センサにおいて、
圧電素子の配置パターンが、ＸＺ平面に対称、かつ、ＹＺ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されており、
Ｘ′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はＸ′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたＩ字状圧電素子からなり、他方はこのＩ字状圧電素子の近傍に配置されたＵ字状圧電素子からなり、
Ｕ字状圧電素子は、Ｉ字状圧電素子の両脇位置においてＸ′軸に対して平行な方向に伸びる第１の並伸部および第２の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有しているようにしたものである。
【００２７】
(19)  本発明の第１９の態様は、上述の第１〜第１０の態様に係る角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点ＯをもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、ＸＹ平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、可撓性部材が振動子をその周囲から支持する構造をなし、
可撓性部材の上面を投影面としてＸ軸の正射影像となるＸ′軸およびＹ軸の正射影像となるＹ′軸を定義したときに、
Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１の駆動用圧電素子と、Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２の駆動用圧電素子と、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３の駆動用圧電素子と、Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４の駆動用圧電素子と、
Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のモニタ用圧電素子と、Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２のモニタ用圧電素子と、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３のモニタ用圧電素子と、Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４のモニタ用圧電素子と、
Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のコリオリ力検出用圧電素子と、Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２のコリオリ力検出用圧電素子と、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３のコリオリ力検出用圧電素子と、Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４のコリオリ力検出用圧電素子と、
を有し、
駆動制御回路は、第１〜第４の駆動用圧電素子に対して交流駆動信号を供給することにより、振動子をＺ軸方向に振動させ、第１のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第１の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第２のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第２の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第３のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第３の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第４のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第４の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、第１および第３のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＸ軸方向に作用するコリオリ力をＹ軸まわりの角速度として検出し、第２および第４のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＹ軸方向に作用するコリオリ力をＸ軸まわりの角速度として検出するようにしたものである。
【００２８】
(20)  本発明の第２０の態様は、上述の第１９の態様に係る角速度センサにおいて、
圧電素子の配置パターンが、ＸＺ平面に対称、かつ、ＹＺ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されており、
Ｘ′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はＸ′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたＩ字状圧電素子からなり、他方はこのＩ字状圧電素子の近傍に配置されたＵ字状圧電素子からなり、
Ｙ′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はＹ′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたＩ字状圧電素子からなり、他方はこのＩ字状圧電素子の近傍に配置されたＵ字状圧電素子からなり、
各Ｕ字状圧電素子は、各Ｉ字状圧電素子の両脇位置においてＸ′軸もしくはＹ′軸に対して平行な方向に伸びる第１の並伸部および第２の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有しているようにしたものである。
【００２９】
(21)  本発明の第２１の態様は、上述の第１〜第１０の態様に係る角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点ＯをもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、ＸＹ平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、可撓性部材が振動子をその周囲から支持する構造をなし、
可撓性部材の上面を投影面としてＸ軸の正射影像となるＸ′軸およびＹ軸の正射影像となるＹ′軸を定義したときに、
Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１の駆動用圧電素子と、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第２の駆動用圧電素子と、
Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のモニタ用圧電素子と、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第２のモニタ用圧電素子と、
Ｙ′軸の正の領域上に配置された第１および第２のコリオリ力検出用圧電素子と、Ｙ′軸の負の領域上に配置された第３および第４のコリオリ力検出用圧電素子と、  を有し、
駆動制御回路は、第１および第２の駆動用圧電素子に対して交流駆動信号を供給することにより、振動子をＸ軸方向に振動させ、第１のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第１の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第２のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第２の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、第１および第４のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＺ軸方向に作用するコリオリ力をＹ軸まわりの角速度として検出し、第２および第３のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＹ軸方向に作用するコリオリ力をＺ軸まわりの角速度として検出するようにしたものである。
【００３０】
(22)  本発明の第２２の態様は、上述の第２１の態様に係る角速度センサにおいて、
圧電素子の配置パターンが、ＸＺ平面に対称、かつ、ＹＺ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されているようにしたものである。
【００３１】
(23)  本発明の第２３の態様は、上述の第１〜第１０の態様に係る角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点ＯをもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、ＸＹ平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、可撓性部材が振動子をその周囲から支持する構造をなし、
可撓性部材の上面を投影面としてＸ軸の正射影像となるＸ′軸およびＹ軸の正射影像となるＹ′軸を定義したときに、
Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１の駆動用圧電素子と、Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２の駆動用圧電素子と、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３の駆動用圧電素子と、Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４の駆動用圧電素子と、
Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のモニタ用圧電素子と、Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２のモニタ用圧電素子と、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３のモニタ用圧電素子と、Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４のモニタ用圧電素子と、
Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のコリオリ力検出用圧電素子と、Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２のコリオリ力検出用圧電素子と、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３のコリオリ力検出用圧電素子と、Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４のコリオリ力検出用圧電素子と、
を有し、
駆動制御回路は、第１〜第４の駆動用圧電素子に対して、この順番でπ／２ずつ位相が遅れた交流駆動信号を供給することにより、振動子をＸＹ平面に沿って円運動させ、第１のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第１の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第２のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第２の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第３のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第３の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第４のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第４の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、
振動子がＹ軸方向に運動しているタイミングにおいて第１および第３のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＸ軸方向に作用するコリオリ力もしくは振動子がＸ軸方向に運動しているタイミングにおいて第２および第４のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＹ軸方向に作用するコリオリ力をＺ軸まわりの角速度として検出し、
振動子がＹ軸方向に運動しているタイミングにおいて第１〜第４のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＺ軸方向に作用するコリオリ力をＸ軸まわりの角速度として検出し、
振動子がＸ軸方向に運動しているタイミングにおいて第１〜第４のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＺ軸方向に作用するコリオリ力をＹ軸まわりの角速度として検出するようにしたものである。
【００３２】
(24)  本発明の第２４の態様は、上述の第２３の態様に係る角速度センサにおいて、
圧電素子の配置パターンが、ＸＺ平面に対称、かつ、ＹＺ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されており、
Ｘ′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はＸ′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたＩ字状圧電素子からなり、他方はこのＩ字状圧電素子の近傍に配置されたＵ字状圧電素子からなり、
Ｙ′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はＹ′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたＩ字状圧電素子からなり、他方はこのＩ字状圧電素子の近傍に配置されたＵ字状圧電素子からなり、
各Ｕ字状圧電素子は、各Ｉ字状圧電素子の両脇位置においてＸ′軸もしくはＹ′軸に対して平行な方向に伸びる第１の並伸部および第２の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有しているようにしたものである。
【００３３】
(25)  本発明の第２５の態様は、上述の第１〜第１０の態様に係る角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点ＯをもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、ＸＹ平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、可撓性部材が振動子をその周囲から支持する構造をなし、
可撓性部材の上面を投影面としてＸ軸の正射影像となるＸ′軸およびＹ軸の正射影像となるＹ′軸を定義したときに、
Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１の駆動用圧電素子と、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第２の駆動用圧電素子と、
Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のモニタ用圧電素子と、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第２のモニタ用圧電素子と、
Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のコリオリ力検出用圧電素子と、Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２のコリオリ力検出用圧電素子と、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３のコリオリ力検出用圧電素子と、Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４のコリオリ力検出用圧電素子と、
を有し、
駆動制御回路は、第１の駆動用圧電素子に対して第１の交流駆動信号を供給し、第２の駆動用圧電素子に対して第１の交流駆動信号に対して位相がπ／２だけ遅れた第２の交流駆動信号を供給することにより、振動子をＸＺ平面に沿って円運動させ、第１のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第１の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第２のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第２の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、
振動子がＺ軸方向に運動しているタイミングにおいて第１および第３のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＸ軸方向に作用するコリオリ力もしくは振動子がＸ軸方向に運動しているタイミングにおいて第１〜第４のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＺ軸方向に作用するコリオリ力をＹ軸まわりの角速度として検出し、
振動子がＺ軸方向に運動しているタイミングにおいて第２および第４のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＹ軸方向に作用するコリオリ力をＸ軸まわりの角速度として検出し、
振動子がＸ軸方向に運動しているタイミングにおいて第２および第４のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたＹ軸方向に作用するコリオリ力をＺ軸まわりの角速度として検出するようにしたものである。
【００３４】
(26)  本発明の第２６の態様は、上述の第２５の態様に係る角速度センサにおいて、
圧電素子の配置パターンが、ＸＺ平面に対称、かつ、ＹＺ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されており、
Ｘ′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はＸ′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたＩ字状圧電素子からなり、他方はこのＩ字状圧電素子の近傍に配置されたＵ字状圧電素子からなり、
Ｕ字状圧電素子は、Ｉ字状圧電素子の両脇位置においてＸ′軸に対して平行な方向に伸びる第１の並伸部および第２の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有しているようにしたものである。
【００３５】
(27)  本発明の第２７の態様は、上述の第１〜第２６の態様に係る角速度センサにおいて、
角速度検出回路が、モニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧に基づいて、コリオリ力検出用圧電素子の発生電荷の検出タイミングを決定するようにしたものである。
【００３６】
(28)  本発明の第２８の態様は、上述の第１〜第２７の態様に係る角速度センサにおいて、
可撓性部材が、可撓性をもった複数の架橋部によって構成されており、各架橋部の一方の端が振動子に接続され、他方の端が固定部材に固定されているようにしたものである。
【００３７】
(29)  本発明の第２９の態様は、上述の第１〜第２７の態様に係る角速度センサにおいて、
可撓性部材が、振動子の周囲を取り囲む形状をなし、可撓性をもった板状構造体によって構成されており、板状構造体の内側部分が振動子に接続され、外側部分が固定部材に固定されているようにしたものである。
【発明の効果】
【００４１】
本発明に係る角速度センサでは、駆動用圧電素子およびコリオリ力検出用圧電素子の他に、振動子の運動をモニタするためのモニタ用素子を設け、このモニタ用素子のモニタ結果をフィードバック量として、駆動用圧電素子に供給する駆動信号をフィードバック制御するようにしたため、振動子の周期的運動を、予め設定した基準運動に維持することができるようになる。このため、測定系に対して外乱として作用する加速度などに起因する力が働いたとしても、振動子の運動が予め設定した基準運動を維持するような制御が行われ、測定系を安定させることが可能になる。こうして、本発明によれば、測定系に対して外乱として作用する力の影響を排除し、高精度な角速度測定を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００４３】
＜＜＜  §１．角速度センサの基本構造  ＞＞＞
図１は、本発明に係る圧電素子を用いた角速度センサの基本構造体１００の一例を示す平面図であり、図２は、図１に示す基本構造体１００を切断線２−２に沿って切った側断面図である。もっとも、このような基本構造体１００は、従来の圧電素子式角速度センサにおいても利用されてきたものであり、本発明に係る角速度センサは、このような従来のセンサで利用されている一般的な基本構造体１００をそのまま利用して実現することができる。
【００４４】
図１の平面図に示されているとおり、この基本構造体１００は、中央に位置する振動子１１０と、その上下左右に設けられた４本の架橋部１２１〜１２４と、その周囲に配置された枠状の固定部材１３０と、によって構成されている。図２の側断面図を見ればわかるように、この基本構造体１００は、実際には半導体や金属などからなる基板の底面を掘り上げる加工を行うことにより量産することができる。
【００４５】
振動子１１０は、四角柱状の重錘体を構成しており、ここでは説明の便宜上、この振動子１１０の重心Ｇの位置に原点をもつＸＹＺ三次元座標系を定義する。具体的には、図２において右方向をＸ軸、上方向をＺ軸、紙面に垂直方向をＹ軸と定義する。基本構造体１００の上面（図１の平面図に示されている面）は、ＸＹ平面に平行な平面になる。図１に示されているＨ１〜Ｈ４は開口部であり、振動子１１０は、４本の架橋部１２１〜１２４によってのみ、固定部材１３０に対して接続されている。固定部材１３０は、振動子１１０の周囲を取り囲むような枠状の構造体であり、装置筐体に対して固定される。装置筐体は、図示されていないが、基本構造体１００をそっくり収容する役割を果たす。４本の架橋部１２１〜１２４は、図２に示されているように、薄いビーム構造をなしており、可撓性を有する可撓性部材として機能する。
【００４６】
このように、図１および図２に示す基本構造体１００は、振動子１１０と、その周囲に配置された枠状の固定部材１３０と、振動子１１０を固定部材１３０に対して接続する可撓性部材と、によって構成されている。しかも、可撓性部材は、可撓性をもった複数の架橋部１２１〜１２４によって構成されており、各架橋部１２１〜１２４の一方の端が振動子１１０に接続され、他方の端が固定部材に固定されている。
【００４７】
ここでは、このような基本構造体１００において、振動子１１０の重心Ｇに対して、各座標軸方向の力が加わった場合に、可撓性部材（架橋部１２１〜１２４）の各部にどのような撓みが生じるかを考えてみる。
【００４８】
まず、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した場合は、図３に示すような変形が生じ、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合は、図４に示すような変形が生じる。図において、円で囲った「＋」印は、架橋部の該当箇所の上面が、当該架橋部が配置されている座標軸方向（Ｘ軸方向）に関して伸びることを示し、円で囲った「−」印は、架橋部の該当箇所の上面が、当該架橋部が配置されている座標軸方向（Ｘ軸方向）に関して縮むことを示している。ここで「＋」および「−」を付した箇所は、架橋部１２１〜１２４の両端位置であり、可撓性部材の振動子１１０に対する接続位置近傍および可撓性部材の固定部材１３０に対する接続位置近傍ということになる。このような接続位置近傍は、可撓性部材に加わる応力が集中する位置であるため、ここに圧電素子を配置すると、極めて効率的な動作（圧電素子に電気信号を供給して機械的な撓みを生じさせる動作と、圧電素子に生じる電気信号に基づいて機械的な撓みを検出する動作）が可能になる。
【００４９】
図３と図４とを比較するとわかるとおり、Ｘ軸方向に作用する力の向きが逆転すると、各位置の伸縮状態も逆転する。また、図３あるいは図４を見ればわかるとおり、同じ架橋部であっても、振動子１１０に対する接続位置近傍と、固定部材１３０に対する接続位置近傍とでは、伸縮状態が異なっている。たとえば、図３において、架橋部１２１の右端は縮み（−）、左端は伸び（＋）、架橋部１２３の右端は縮み（−）、左端は伸び（＋）ている。
【００５０】
Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合およびＹ軸負方向の力−Ｆｙが作用した場合の変形態様は、図３および図４のＸ軸をＹ軸に置き換えたものになる。
【００５１】
一方、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した場合は、図５に示すような変形が生じ、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用した場合は、図６に示すような変形が生じる。図示のとおり、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した場合は、架橋部１２１〜１２４の振動子１１０に対する接続位置近傍の上面は伸び（＋）、固定部材１３０に対する接続位置近傍の上面は縮む（−）。逆に、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用した場合は、架橋部１２１〜１２４の振動子１１０に対する接続位置近傍の上面は縮み（−）、固定部材１３０に対する接続位置近傍の上面は伸びる（＋）。
【００５２】
なお、以上述べた伸縮状態は、各架橋部１２１〜１２４の上面の状態を示しており、下面では伸縮状態が逆転する。図７〜図１２は、振動子１１０の重心Ｇに対して、各座標軸の正方向および負方向の力が作用した場合に、各架橋部１２１〜１２４の上面の両端位置（上述したように、応力が集中する位置）の伸縮状態を示す平面図である。前述したとおり、図において、円で囲った「＋」印は、架橋部の該当箇所の上面が当該架橋部が配置されている座標軸方向（Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向）に関して伸びることを示し、円で囲った「−」印は、架橋部の該当箇所の上面が当該架橋部が配置されている座標軸方向（Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向）に関して縮むことを示している。
【００５３】
また、図における「０」印は、当該架橋部が配置されている座標軸方向に関しては、機械的な伸縮がほとんど生じないことを示している。たとえば、図７および図８の場合、Ｙ軸に沿って配置されている架橋部１２２，１２４上には「０」印が示されている。これは、振動子１１０に対してＸ軸方向の力＋Ｆｘ，−Ｆｘが作用した場合、架橋部１２２，１２４についてのＹ軸方向に関する伸縮はほとんど生じないことを示している。同様に、図９および図１０の場合、Ｘ軸に沿って配置されている架橋部１２１，１２３上には「０」印が示されている。これは、振動子１１０に対してＹ軸方向の力＋Ｆｙ，−Ｆｙが作用した場合、架橋部１２１，１２３についてのＸ軸方向に関する伸縮はほとんど生じないことを示している。
【００５４】
振動子１１０に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した場合は、図１１に示すとおり、各架橋部１２１〜１２４上面の内側部分（振動子１１０に対する接続位置近傍）は伸び（＋）、外側部分（固定部材１３０に対する接続位置近傍）は縮む（−）。また、振動子１１０に対してＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用した場合は、図１２に示すとおり、各架橋部１２１〜１２４上面の内側部分（振動子１１０に対する接続位置近傍）は縮み（−）、外側部分（固定部材１３０に対する接続位置近傍）は伸びる（＋）。
【００５５】
圧電素子を用いた角速度センサは、このような機械的特性をもった基本構造体１００の各架橋部１２１〜１２４の上面の所定箇所に、それぞれ圧電素子を配置することにより構成される。図１３は、この圧電素子の構造とその特性を示す側断面図である。図１３(a) に示すように、この圧電素子５０は、板状の圧電素子本体部５１、その上面に接合された上方電極５２、下面に接合された下方電極５３によって構成されている。
【００５６】
圧電素子の一般的な性質として、電圧を印加すると機械的変形が生じる性質と、逆に、機械的変形を加えると電荷が生じる性質がある。どのような極性の電圧を印加すると、どのような機械的変形が生じるか、あるいは、どのような機械的変形を加えると、どのような極性の電荷が生じるか、といった特性は、個々の圧電素子ごとに異なる（圧電素子を生成する際に行う分極処理によって決定される）。なお、図１３に示す例のように、圧電素子の上下両面に電極を形成した場合、圧電素子に機械的変形を加えることにより生じる電荷は、上下両電極間に生じる電圧に比例する。したがって、以下の説明では、「発生電圧」を「発生電荷」と等価なものとして取り扱うことにする。
【００５７】
ここに例示する圧電素子５０は、図１３(b) に示すように、上方電極５２側を正、下方電極５３側を負とする電圧を印加すると、横方向に伸びる機械的変形を生じ、図１３(c) に示すように、上方電極５２側を負、下方電極５３側を正とする電圧を印加すると、横方向に縮む機械的変形を生じる。また、横方向に伸ばす機械的変形を加えると、上方電極５２側が正、下方電極５３側が負となるような電圧が生じ、横方向に縮める機械的変形を加えると、上方電極５２側が負、下方電極５３側が正となるような電圧が生じる。
【００５８】
もちろん、本発明は、このような特性をもった圧電素子を用いたセンサに限定されるものではなく、任意の特性をもった圧電素子を利用することが可能である。ただ、ここでは、説明の便宜上、図１３(b) ，(c) に示すような特性をもった圧電素子５０を用いる場合を例として、以下の説明を行うことにする。
【００５９】
図１４は、図１および図２に示す基本構造体１００の上面に、図１３に示す圧電素子５０を配置した状態を示す側断面図である。各圧電素子５０の下方電極５３が、各架橋部１２１〜１２４上面の所定箇所に接合される。このため、各圧電素子５０の上下両電極間に所定の電圧を印加し、機械的変形を生じさせると、当該変形は各架橋部１２１〜１２４の上面へと伝達され、各架橋部１２１〜１２４の各部は伸縮変形を生じることになる。したがって、所定箇所に配置された各圧電素子５０にそれぞれ所定の交流駆動電圧を供給すれば、振動子に周期的な運動をさせることができる。逆に、振動子が外力によって所定方向に変位し、各架橋部１２１〜１２４の各部に機械的変形が生じると、当該変形は各圧電素子５０へと伝達され、各圧電素子５０の上下両電極間には所定の電圧が発生する。この発生電圧を測定することにより、振動子の変位状態を検出することができる。
【００６０】
なお、実用上は、図１５に示す例のように、図１４に示す各圧電素子５０の下方電極５３を単一の導電層６３に置き換えると、個々の下方電極５３に対する個別配線が不要になるので、構造をより単純化することができる。このように、各圧電素子５０の下方電極５３を単一の導電層６３に置き換えると、各圧電素子５０の圧電素子本体部５１の下面は共通電位になるが、上方電極５２は個別の電極として機能するため、動作上の支障は生じない。なお、図示の例では、基本構造体１００の上面全面に単一の導電層６３を形成しているが、少なくとも各架橋部１２１〜１２４（可撓性部材）の表面に形成した単一の導電層を、各圧電素子に共通する下方電極として用いるようにすればよい。また、基本構造体１００が導電性材料によって構成されている場合は、基本構造体１００の上面と導電層６３との間に絶縁層を形成しておくのが好ましい。
【００６１】
図１６は、図１に示す基本構造体１００の各架橋部（可撓性部材）１２１〜１２４の上面に複数の圧電素子５０を配置した構成をもつセンサの平面図である。図示の例の場合、合計８組の圧電素子５０が配置された状態が示されている。ここでは、基本構造体１００の上面（可撓性部材１２１〜１２４の上面）を投影面（ＸＹ平面に平行な面になる）として、Ｘ軸の正射影像となるＸ′軸およびＹ軸の正射影像となるＹ′軸を定義する。そして、図示のとおり、Ｘ′軸上に配置された４組の圧電素子を、それぞれ圧電素子Ｘ１１，Ｘ１２，Ｘ１３，Ｘ１４と呼び、Ｙ′軸上に配置された４組の圧電素子を、それぞれ圧電素子Ｙ１１，Ｙ１２，Ｙ１３，Ｙ１４と呼ぶことにする。
【００６２】
結局、図１６に示すセンサは、振動子１１０の重心Ｇの位置に原点ＯをもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、ＸＹ平面に平行な上面をもった可撓性部材１２１〜１２４を有しており、振動子１１０を取り囲む位置に固定部材１３０が配置されており、可撓性部材１２１〜１２４が振動子１１０をその周囲から支持する構造をなし、この可撓性部材１２１〜１２４の上面を投影面としてＸ軸の正射影像となるＸ′軸およびＹ軸の正射影像となるＹ′軸を定義したときに、Ｘ′軸上に配置された４組の圧電素子Ｘ１１，Ｘ１２，Ｘ１３，Ｘ１４と、Ｙ′軸上に配置された４組の圧電素子Ｙ１１，Ｙ１２，Ｙ１３，Ｙ１４と、を有していることになる。
【００６３】
ここで、Ｘ′軸上に配置された４組の圧電素子Ｘ１１，Ｘ１２，Ｘ１３，Ｘ１４は、いずれもＸ′軸を長手方向軸とする細長い平面形状をしており、そのうち、Ｘ１１，Ｘ１４は、可撓性部材１２１，１２３の固定部材１３０に対する接続位置近傍に配置されており、Ｘ１２，Ｘ１３は、可撓性部材１２１，１２３の振動子１１０に対する接続位置近傍に配置されている。同様に、Ｙ′軸上に配置された４組の圧電素子Ｙ１１，Ｙ１２，Ｙ１３，Ｙ１４は、いずれもＹ′軸を長手方向軸とする細長い平面形状をしており、そのうち、Ｙ１１，Ｙ１４は、可撓性部材１２２，１２４の固定部材１３０に対する接続位置近傍に配置されており、Ｙ１２，Ｙ１３は、可撓性部材１２２，１２４の振動子１１０に対する接続位置近傍に配置されている。
【００６４】
このように、各圧電素子を、可撓性部材１２１〜１２４の振動子１１０に対する接続位置近傍もしくは固定部材１３０に対する接続位置近傍に配置するのは、前述したように、このような接続位置近傍は、可撓性部材に加わる応力が集中する位置であるため、ここに圧電素子を配置すると、極めて効率的な動作（圧電素子に電気信号を供給して機械的な撓みを生じさせる動作と、圧電素子に生じる電気信号に基づいて機械的な撓みを検出する動作）が可能になるためである。
【００６５】
また、Ｘ′軸上に配置する４組の圧電素子Ｘ１１，Ｘ１２，Ｘ１３，Ｘ１４を、Ｘ′軸を長手方向軸とする細長い平面形状とし、Ｙ′軸上に配置する４組の圧電素子Ｙ１１，Ｙ１２，Ｙ１３，Ｙ１４を、Ｙ′軸を長手方向軸とする細長い平面形状とするのは、図７〜図１２の平面図に示した特性の感度を高めるためである。すなわち、図１６に示す８組の圧電素子Ｘ１１，Ｘ１２，Ｘ１３，Ｘ１４，Ｙ１１，Ｙ１２，Ｙ１３，Ｙ１４の配置は、図７〜図１２の平面図における「＋」，「−」，「０」の各印を記した位置に対応している。ここで、「＋」印は、当該箇所の上面が、当該箇所が置かれた座標軸方向に関して伸びることを示し、「−」印は、当該箇所の上面が、当該箇所が置かれた座標軸方向に関して縮むことを示している。４組の圧電素子Ｘ１１，Ｘ１２，Ｘ１３，Ｘ１４を、Ｘ′軸を長手方向軸とする細長い平面形状とすれば、Ｘ′軸方向に関する感度が高まり、Ｙ′軸上に配置する４組の圧電素子Ｙ１１，Ｙ１２，Ｙ１３，Ｙ１４を、Ｙ′軸を長手方向軸とする細長い平面形状とすれば、Ｙ′軸方向に関する感度が高まるので好都合である。
【００６６】
更に、図１６に示す８組の圧電素子Ｘ１１，Ｘ１２，Ｘ１３，Ｘ１４，Ｙ１１，Ｙ１２，Ｙ１３，Ｙ１４の配置パターンは、ＸＺ平面に対称（すなわちＸ′軸対称）、かつ、ＹＺ平面にも対称（すなわちＹ′軸対称）となるように構成されている。このように、圧電素子の配置パターンが、座標軸に関して幾何学的な対称性を維持するようにする第１のメリットは、図７〜図１２の平面図における「０」印を記した位置に配置された圧電素子の伸縮がトータルで０に維持される点である。圧電素子は面積をもった領域に配置されることになるので、「０」印を記した位置に配置された圧電素子であっても、厳密には、その一部分は伸び、一部分は縮むことになるが、軸対称性が維持されていれば、１つの圧電素子全体としてみれば、伸縮は相互にキャンセルされ、伸縮が生じなかったものとして取り扱うことができる。
【００６７】
そして、座標軸に関して幾何学的な対称性を維持するようにする第２のメリットは、後述するように、一対の圧電素子を協働させて、振動子１１０を駆動させたり、振動子１１０の変位を検出したりする場合に、信号処理が容易になる点である。協働させる一対の圧電素子の形状および配置が、座標軸に関する対称性を維持していれば、両者を対等な構成要素として取り扱うことができるので、同一の挙動をとらせるためには同一の信号を与えればよいし、同一の信号が検出されれば、同一の現象が生じたものとして取り扱うことができる。
【００６８】
図１６に示す８組の圧電素子Ｘ１１，Ｘ１２，Ｘ１３，Ｘ１４，Ｙ１１，Ｙ１２，Ｙ１３，Ｙ１４の配置パターンは、このような点において、最も理想的な配置パターンということができる。
【００６９】
＜＜＜  §２．角速度センサの基本的な動作原理  ＞＞＞
さて、ここでは、図１６に示す角速度センサの基本的な動作原理を説明する。この角速度センサでは、振動子１１０をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれかの座標軸に沿って振動させた状態、もしくは、振動子１１０をＸＹ平面，ＸＺ平面，ＹＺ平面のいずれかの平面に沿って円運動させた状態において、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれかの座標軸方向に作用するコリオリ力を測定することにより、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれかの座標軸まわりの角速度を検出することができる。
【００７０】
振動子１１０をどのように駆動して、どの座標軸まわりの角速度を検出するかについては、様々な組み合わせが選択できるが、以下、比較的単純な例として、振動子１１０をＺ軸方向に振動させた状態において、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｙとを検出する例を述べる。この例の場合、図１６に示す８組の圧電素子をすべて用いる必要はない。具体的には、圧電素子Ｙ１２，Ｙ１３は利用する必要がない。したがって、実用上は、図１７に示すように、６組の圧電素子Ｘ１１，Ｘ１２，Ｘ１３，Ｘ１４，Ｙ１１，Ｙ１４を設けておけば足りる。
【００７１】
図１７に示されている６組の圧電素子Ｘ１１，Ｘ１２，Ｘ１３，Ｘ１４，Ｙ１１，Ｙ１４は、いずれも図１３に示す特性をもった圧電素子５０によって構成されており、これらはその配置が異なるだけで、物理的な特性はいずれも同じものである。ただ、ここでは、圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３については、振動子１１０を駆動するための役割を与え、駆動用圧電素子と呼ぶことにし、圧電素子Ｘ１１，Ｘ１４，Ｙ１１，Ｙ１４については、振動子１１０に作用するコリオリ力を検出するための役割を与え、コリオリ力検出用圧電素子と呼ぶことにする。
【００７２】
このセンサを動作させるには、まず、図１８(a) に示すような交流電圧信号φ１を用意し（横軸は時間軸ｔ，縦軸は電圧軸Ｖ）、駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３に供給する。ここでは、図１５に示す例のように、全圧電素子の下方電極を、単一の導電層６３によって構成し、これを接地電位に固定して用いるものとしよう。この場合、６組の圧電素子の下方電極の電位は、いずれも接地電位に固定されることになる。そして、図１８(a) に示す交流電圧信号φ１を駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３の上方電極に与えることにする。この交流電圧信号φ１は、接地電位０Ｖを基準レベルとして、正側のピーク電圧Ｖｐ，負側のピーク電圧−Ｖｐをとる正弦波信号であるから、駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３の上方電極には、半周期ごとに正および負の電圧が印加されることになる。
【００７３】
駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３の上方電極に、正の電圧が印加されている半周期の間は、駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３は、図１３(b) に示す状態になるので、いずれもＸ′軸方向に伸びる変形を生じることになる。このように、架橋部１２１，１２３（可撓性部材）の上面における圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３の双方の配置箇所において、Ｘ′軸方向に伸びる応力が加わると、図１１に示すように、振動子１１０に対して、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したのと等価な状態になり、振動子１１０はＺ軸正方向に変位する。
【００７４】
一方、駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３の上方電極に、負の電圧が印加されている半周期の間は、駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３は、図１３(c) に示す状態になるので、いずれもＸ′軸方向に縮む変形を生じることになる。このように、架橋部１２１，１２３（可撓性部材）の上面における圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３の双方の配置箇所において、Ｘ′軸方向に縮む応力が加わると、図１２に示すように、振動子１１０に対して、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用したのと等価な状態になり、振動子１１０はＺ軸負方向に変位する。
【００７５】
結局、図１７に示す角速度センサにおいて、駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３に対して、図１８(a) に示すような交流電圧信号φ１を供給すると、振動子１１０はＺ軸に沿って振動することになる。図１８(b) は、振動子１１０の重心Ｇの変位を示すグラフであり、横軸は図１８(a)の横軸と同期した時間軸ｔであり、縦軸は変位Ｚを示している。ここで、変位０は、重心Ｇが座標系の原点Ｏの位置にあることを示している。
【００７６】
振動子１１０は、振幅Ａをもって上下方向に振動し、その周期は、交流電圧信号φ１の周期に一致する。ただし、振動子１１０の変位の位相は、交流電圧信号φ１の位相に対して所定の位相差ｄだけ遅れることになる。これは、駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３に所定の電圧が加えられてから、実際に振動子１１０が、圧電素子の機械的変形に基づく変位を生じるまでに、機械系や回路系の遅延により若干の時間的な遅れが生じるためである。位相差ｄは、振動子１１０や可撓性部材１２１〜１２４といった機械的な振動系に固有の特性と振動周波数に応じて定まる値であり、たとえば、振動系のもつ共振周波数で振動子を振動させた場合、ｄ＝π／２になることが知られている。
【００７７】
さて、こうして、振動子１１０をＺ軸方向に振動させた状態において、角速度が作用すると、作用した角速度に応じて、振動子１１０に対してコリオリ力が作用する。たとえば、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが作用したとすると、振動子１１０の運動方向はＺ軸方向であるから、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｘが作用することになる。そして、Ｘ軸正方向のコリオリ力＋Ｆｘが作用した場合は、振動子１１０は図３に示すように傾くことになり、Ｘ軸負方向のコリオリ力−Ｆｘが作用した場合は、振動子１１０は図４に示すように傾くことになる。
【００７８】
このような振動子１１０のＸ軸方向への傾斜は、コリオリ力検出用圧電素子Ｘ１１，Ｘ１４の発生電荷として検出することができる。すなわち、Ｘ軸正方向のコリオリ力＋Ｆｘが作用した場合は、図７に示すとおり、圧電素子Ｘ１１は縮み、圧電素子Ｘ１４は伸びるので、圧電素子Ｘ１１の上方電極には負の電圧が生じ、圧電素子Ｘ１４の上方電極には正の電圧が生じる。逆に、Ｘ軸負方向のコリオリ力−Ｆｘが作用した場合は、図８に示すとおり、圧電素子Ｘ１１は伸び、圧電素子Ｘ１４は縮むので、圧電素子Ｘ１１の上方電極には正の電圧が生じ、圧電素子Ｘ１４の上方電極には負の電圧が生じる。したがって、両者の電位差をとれば、その絶対値は作用したコリオリ力の大きさを示し、符号は作用したコリオリ力の向きを示すことになる。このコリオリ力の大きさと向きは、Ｙ軸まわりの角速度ωｙの大きさと向きを示している。
【００７９】
同様に、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが作用したとすると、振動子１１０の運動方向はＺ軸方向であるから、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙが作用することになり、振動子１１０はＹ軸方向に傾斜する。このような振動子１１０のＹ軸方向への傾斜は、コリオリ力検出用圧電素子Ｙ１１，Ｙ１４の発生電荷として検出することができる。すなわち、Ｙ軸正方向のコリオリ力＋Ｆｙが作用した場合は、図９に示すとおり、圧電素子Ｙ１１は縮み、圧電素子Ｙ１４は伸びるので、圧電素子Ｙ１１の上方電極には負の電圧が生じ、圧電素子Ｙ１４の上方電極には正の電圧が生じる。逆に、Ｙ軸負方向のコリオリ力−Ｆｙが作用した場合は、図１０に示すとおり、圧電素子Ｙ１１は伸び、圧電素子Ｙ１４は縮むので、圧電素子Ｙ１１の上方電極には正の電圧が生じ、圧電素子Ｙ１４の上方電極には負の電圧が生じる。したがって、両者の電位差をとれば、その絶対値はＸ軸まわりの角速度ωｘの大きさを示し、符号は向きを示すものになる。
【００８０】
かくして、図１７に示す角速度センサでは、振動子をＺ軸方向に振動させた状態において、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｙとを検出することが可能になる。もっとも、この図１７に示す角速度センサの動作方法は、上述した方法に限定されるものではない。
【００８１】
たとえば、圧電素子Ｘ１２とＸ１４とを駆動用圧電素子として用い、圧電素子Ｘ１１，Ｘ１３，Ｙ１１，Ｙ１４をコリオリ力検出用圧電素子として用いることも可能である。この変形例の場合、振動子１１０をＺ軸方向に振動させるためには、図１９(a) に示す交流電圧信号φ１と、図１９(b) に示す交流電圧信号φ２とを用意し、駆動用圧電素子Ｘ１２の上方電極には信号φ１を供給し、駆動用圧電素子Ｘ１４の上方電極には信号φ２を供給すればよい。信号φ１とφ２とは互いに逆位相の信号になっている。駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１４に対して、互いに逆位相の交流電圧信号φ１，φ２を供給するのは、振動子１１０のＺ軸方向への変位に関して、駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１４の位置における可撓性部材の伸縮の関係が逆になるためである（図１１および図１２における駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１４の対応位置の伸縮状態参照）。
【００８２】
なお、この変形例の場合、圧電素子Ｘ１１，Ｘ１３，Ｙ１１，Ｙ１４をコリオリ力検出用圧電素子として用いているため、コリオリ力検出原理も若干変更する必要がある。すなわち、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙの検出に関しては、前述の基本例と同様に、圧電素子Ｙ１１の上方電極の電位と圧電素子Ｙ１４の上方電極の電位との差をとればよいが、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｘの検出に関しては、前述の基本例とは異なり、圧電素子Ｘ１１の上方電極の電位と圧電素子Ｘ１３の上方電極の電位との和をとる必要がある。これは、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｘが作用したときに、コリオリ力検出用圧電素子Ｘ１１，Ｘ１３の位置における可撓性部材の伸縮の関係が同じになるためである（図７および図８におけるコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１１，Ｘ１３の対応位置の伸縮状態参照）。
【００８３】
このように、本発明に係る角速度センサにおいて、各駆動用圧電素子に同位相の交流電圧信号を供給すべきか、逆位相の交流電圧信号を供給すべきかは、各駆動用圧電素子の配置に応じて適宜決定すべき事項であり、また、各コリオリ力検出用圧電素子に生じた電圧の和をとるべきか、差をとるべきかも、各コリオリ力検出用圧電素子の配置に応じて適宜決定すべき事項である。また、ここでは、説明の便宜上、各圧電素子の特性が、図１３に示すようなものであるという前提に立っているが、分極処理の極性を逆にすることによって得られた圧電素子は、図１３に示す特性とは逆の特性をもつことになる。したがって、そのような逆の特性をもつ圧電素子を駆動用圧電素子として用いた場合には、交流電圧信号の位相は逆転させる必要があり、コリオリ力検出用圧電素子として用いた場合には、信号処理の正負を逆転させる必要がある。
【００８４】
＜＜＜  §３．本発明の基本的な着眼点  ＞＞＞
さて、§２では、図１７に示す角速度センサを例にとって、その検出動作を述べた。しかしながら、この説明は、「角速度センサには外乱となる力が作用しない」という理想的な測定環境における説明であり、実用上は、このような理想的な測定環境でセンサが利用されることは稀である。前述したとおり、センサが実際に利用される環境では、たとえば、重力加速度などの外乱要因が存在するため、§２で説明した角速度センサには、この外乱の影響を受けて測定精度が低下するという問題がある。
【００８５】
たとえば、図１７に示す角速度センサの振動子１１０を静止状態にして、無重力空間内に放置した場合であれば、振動子１１０は、図２の側断面図に示すような基準位置をとる（重心Ｇが座標系の原点Ｏに位置する）。ところが、重力の影響下にある地球上では、図２０に示すように、振動子１１０の重心Ｇには、重力加速度αｇに基づく力が作用するため、図２に示す状態に比べて、振動子１１０の静止状態の基準位置は若干下方に変位した状態になる。一方、図２１に示すように、この角速度センサを地球上で天地逆の状態にすれば、振動子１１０の重心Ｇには、図示の方向に重力加速度αｇに基づく力が作用する。これは、図２において、振動子１１０の静止状態の基準位置が若干上方に変位した状態に相当する。
【００８６】
角速度センサは、その性質上、空間内で移動したり姿勢を変えたりする物体に取り付けて利用するのが一般的であるから、振動子に作用する重力加速度αｇの向きは、全く予想することができない。また、運動中の物体にセンサを取り付けて利用する場合、当該物体には、その運動に起因する加速度も作用することになるので、振動子の静止状態の基準位置に影響を与える要因は、重力加速度だけではなく、運動に起因する加速度も加わることになる。
【００８７】
振動子は、その静止状態の基準位置を中心として振動することになるので、この基準位置が変化すると、振動の運動系全体の位置がずれることになる。図２２は、図２０に示すような重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサ（図１７に示すセンサ）において、供給する交流電圧信号φ１と振動子の重心Ｇの変位との関係を示すグラフである。ここで、図２２(a) に示す交流電圧信号φ１は、図１８(a) に示すものと全く同じである。ところが、図２０に示すように、振動子の静止状態の基準位置が重力加速度αｇの作用によってＺ軸負方向にずれるため、図２２(b) に示すように、振動子の振動中心位置Ｌが下方にずれ、振動子はこの振動中心位置Ｌを中心として上下に振動することになる。
【００８８】
図２２(b) に一点鎖線で示す振動中心位置Ｌは、図２０に示す振動子１１０の静止状態（駆動させるための交流電圧信号を供給しない状態）における重心Ｇの位置に対応するものになり、振動子１１０は、この位置を基準にして上下に振動する。但し、図２２(b) に示されているように、振動中心位置Ｌを基準とした上方向の振幅Ａ１と下方向の振幅Ａ２とは等しくならず、Ａ１＞Ａ２になる。これは、図２０に示す重心Ｇの位置を基準にすると、上方向に変位させるためのエネルギー変換効率の方が、下方向に変位させるためのエネルギー変換効率よりも勝っているためである。すなわち、振動子１１０を、図２０に示す状態から上方向に変位させるためのエネルギーＥupを加えた場合の上方向の変位量をＡ１とし、下方向に変位させるためのエネルギーＥdownを加えた場合の下方向の変位量をＡ２とすれば、Ｅup＝Ｅdownであったとしても、Ａ１＞Ａ２になる。
【００８９】
図２０に示すように、静止状態における重心Ｇの位置が重力αｇの作用によってＺ軸負方向にずれていた場合に、これを上下方向に変位させるためのエネルギー変換効率に差が生じる理由は、可撓性部材１２１〜１２４がばねとして機能することを考えれば、容易に理解できよう。すなわち、図２０に示す状態から、振動子１１０を上方向に変位させる場合、当初は（重心ＧのＺ座標値が負の値である間は）、ばねの復元力は変位方向に作用するのに対して、振動子１１０を下方向に変位させる場合、ばねの復元力は常に変位方向に対して反対方向に作用するのである。このため、図２２(a) に示すような交流電圧信号φ１（正方向の振幅と負方向の振幅とが等しい信号）を供給した場合、図２２(b) に示すように、上方向の振幅Ａ１の方が下方向の振幅Ａ２よりも大きくなる。したがって、図示する振動中心位置Ｌは、幾何学的な意味での振動中心にはならないが、ここでは説明の便宜上、「振動中心位置」と呼ぶことにする。
【００９０】
一方、図２３は、図２１に示すような重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサにおいて、供給する交流電圧信号φ１と振動子の重心Ｇの変位との関係を示すグラフである。図２３(a) に示す交流電圧信号φ１は、図１８(a) に示すものと全く同じである。ところが、図２１に示すように、振動子の静止状態の基準位置が重力加速度αｇの作用によってＺ軸正方向にずれるため、図２３(b) に示すように、振動子の振動中心位置Ｌが上方にずれ、振動子はこの振動中心位置Ｌを中心として上下に振動することになる。
【００９１】
しかも、図２１に示す重心Ｇの位置を基準にすると、Ｚ軸負方向（図２１における上方向）に変位させるためのエネルギー変換効率の方が、Ｚ軸正方向（図２１における下方向）に変位させるためのエネルギー変換効率よりも勝っているため、図２３(b) に示されているように、振動中心位置Ｌを基準としたＺ軸正方向（図２３(b) のグラフにおける上方向）の振幅Ａ１とＺ軸負方向（図２３(b) のグラフにおける下方向）の振幅Ａ２とは等しくならず、Ａ２＞Ａ１になる。
【００９２】
結局、角速度センサに対する重力加速度αｇは、振動子１１０の運動に関する２通りの要素に影響を与えることになる。第１の要素は、振動中心位置である。振動中心位置Ｌは、重力加速度αｇが作用していない場合、図１８(b) に示すように、Ｚ座標値＝０の位置になるが、重力加速度αｇが作用すると、図２２(b) および図２３(b) に示すように、Ｚ軸負方向もしくは正方向にずれることになる。第２の要素は、振幅である。振動子の振幅は、重力加速度αｇが作用していない場合、図１８(b) に示すように、正方向および負方向ともにＡであり、１周期の振幅値（１周期の最大電圧値と最小電圧値との間の幅、以下、「全振幅値」と呼ぶ）は２Ａになる。ところが、重力加速度αｇが作用すると、図２２(b) および図２３(b) に示すように、全振幅値は「Ａ１＋Ａ２」になり、この値は、重力加速度αｇの作用する向きや、可撓性部材１２１〜１２４に固有のばね定数によって定まることになる。
【００９３】
このように、振動子の振動中心位置Ｌや全振幅値「Ａ１＋Ａ２」が一定でないと、コリオリ力検出用圧電素子に生じる電荷（電圧）に基づく正確な角速度検出を行うことができず、測定精度の低下が避けられない。たとえば、交流電圧信号φ１の周波数が一定であるとすると、振動子の振幅が変化すると、振動子の速度も変化することになる。そして、振動子の速度が変化すると、角速度に応じて生じるコリオリ力の大きさも変化することになる。したがって、「コリオリ力の大きさを検出して角速度の検出を行う」という基本原理を採る本発明に係るセンサの場合、振動子の予期せぬ振幅変化は測定誤差を生む要因となる。また、たとえ振幅が一定であったとしても、振動子の振動中心位置Ｌが変化すると、検出用圧電素子の検出感度（変位に対する発生電荷量）が変化するため、やはり測定誤差を生む要因となる。
【００９４】
結局、図１７に示す角速度センサを用いた測定では、検出対象となる角速度が同一であったとしても、図２０に示すような姿勢で検出を行った場合と、図２１に示すような姿勢で検出を行った場合とを比較すると、振動子の振動中心位置および振幅に変動が生じるため、両者の測定値は一致しなくなる。本願発明者が行った実験によると、特に、振幅の変動による測定誤差の影響はかなり大きい。
【００９５】
もちろん、このような測定誤差は、コリオリ力検出用圧電素子の所定タイミングにおける発生電荷を角速度の大きさを示す値として出力する際に、その時点の振動子の位置や振幅に応じた補正を行えば相殺可能である。しかしながら、そのような補正処理を行うためには、余分な回路が必要になり、実用上は好ましくない。
【００９６】
本発明は、このような問題を解決するための新技術を提案するものであり、その目的は、測定系に対して外乱として作用する力の影響を排除し、高精度な角速度測定を行うことを可能にすることにある。
【００９７】
上記問題を解決するためには、センサの姿勢に拘わらず、振動子が常に同一の振幅をもって、常に同一の振動中心位置を中心として、安定した振動を行うようにすればよい。そのために、本発明では、振動子の駆動状態をモニタするためのモニタ用素子を設け、このモニタ用素子のモニタ結果をフィードバック量として、振動子の振動が、予め設定された基準振動（予め設定された所定の振幅をもち、予め設定された所定の振動中心位置を中心とした振動）に維持されるようにフィードバック制御を行うようにする。
【００９８】
図２４は、図２０に示す重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサ（図１７に示すセンサ）において、供給する交流電圧信号φ１の振幅制御方法と、そのときの重心Ｇの変位を示すグラフである。図２０に示す重力加速度αｇの影響を受けると、そのままでは、図２２(b) に示すように、振動中心位置Ｌが下方にずれ、その結果として、前述したような振幅変動が生じることになる。そこで、図２４(a) に示すように、交流電圧信号φ１の奇数番目の半周期（正の電圧の区間）の振幅を大きく（ピーク電圧「Ｖｐ」の絶対値は大きくなる）、偶数番目の半周期（負の電圧の区間）の振幅を小さくする（ピーク電圧「−Ｖｐ」の絶対値は小さくなる）ような制御を行うのである。図２４(a) において、破線で示す信号は制御前の信号（図２２(a) と同じ信号）を示し、実線で示す信号は制御後の信号を示している。
【００９９】
このような制御後の交流電圧信号φ１を図１７に示す角速度センサの駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３に供給すると、振動子を上方向（Ｚ軸正方向）に移動させる力はより大きくなり、振動子を下方向（Ｚ軸負方向）に移動させる力はより小さくなるので、図２４(b) に示すように、振動中心位置Ｌは本来の位置（座標系の原点Ｏの位置）へ復帰する。したがって、図１８(b) に示すように、重力加速度αｇが作用していない測定環境と同一の振動状態を維持することができ、正しい検出結果を得ることができる。
【０１００】
一方、図２５は、図２１に示す重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサ（図１７に示すセンサ）において、供給する交流電圧信号φ１の振幅制御方法と、そのときの重心Ｇの変位を示すグラフである。図２１に示す重力加速度αｇの影響を受けると、そのままでは、図２３(b) に示すように、振動中心位置Ｌが上方にずれ、その結果として、前述したような振幅変動が生じることになる。そこで、図２５(a) に示すように、交流電圧信号φ１の奇数番目の半周期（正の電圧の区間）の振幅を小さく（ピーク電圧「Ｖｐ」の絶対値は小さくなる）、偶数番目の半周期（負の電圧の区間）の振幅を大きくする（ピーク電圧「−Ｖｐ」の絶対値は大きくなる）ような制御を行うのである。図２５(a) において、破線で示す信号は制御前の信号（図２３(a) と同じ信号）を示し、実線で示す信号は制御後の信号を示している。
【０１０１】
このような制御後の交流電圧信号φ１を図１７に示す角速度センサの駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３に供給すると、振動子を上方向（Ｚ軸正方向）に移動させる力はより小さくなり、振動子を下方向（Ｚ軸負方向）に移動させる力はより大きくなるので、図２５(b) に示すように、振動中心位置Ｌは本来の位置（座標系の原点Ｏの位置）へ復帰する。したがって、図１８(b) に示すように、重力加速度αｇが作用していない測定環境と同一の振動状態を維持することができ、正しい検出結果を得ることができる。
【０１０２】
以上、振動中心位置Ｌに関する制御を述べたが、同時に、振幅に関する制御を行うようにする。すなわち、図２２(b) および図２３(b) に示す振動子の全振幅値「Ａ１＋Ａ２」が、所定の基準値（図１８(b) に示す振動子の全振幅値２Ａ）に一致するようなフィードバック制御を行うようにする。具体的には、振動子の全振幅値「Ａ１＋Ａ２」が基準値より小さければ、交流電圧信号φ１の全振幅値をより大きくし、振動子の全振幅値「Ａ１＋Ａ２」が基準値より大きければ、交流電圧信号φ１の全振幅値をより小さくする制御を行えばよい。
【０１０３】
振動中心位置Ｌに関する制御と全振幅値に関する制御との関係をもう少し詳しく説明すれば、次のとおりである。すなわち、いずれの制御も、制御対象となる信号が、駆動用圧電素子に供給する交流電圧信号である点に相違はない。ただ、振動子の振動中心位置Ｌに関する制御は、奇数番目の半周期の振幅値（半振幅値）と偶数番目の半周期の振幅値（半振幅値）との大小関係のバランスを調整する制御（一方を大きくしたら、他方を小さくする制御）であるのに対して、振動子の全振幅値に関する制御は、交流電圧信号の全振幅値の大小を調整する制御になる。これは、ステレオオーディオシステムの音量調節において、左右のスピーカのバランス調整と主音量の調整との関係に似ている。
【０１０４】
このように、振動子の駆動状態をモニタして、振動子の振動を安定させるフィードバック制御を行う点が、本発明の重要な特徴である。なお、図１９に示す変形例のように、互いに逆位相となる交流電圧信号φ１，φ２を利用する場合も、上述の例と同様に、それぞれの信号について、半振幅値のバランス調整および全振幅値の大小調整を行えばよい。要するに本発明では、図１８(b) に示すように、測定系に対して外乱として作用する力が何ら作用していない理想的な測定環境における振動子の運動を予め基準運動として設定しておき、実際の振動子の運動がこの基準運動に維持されるようなフィードバック制御を行うようにすればよい。
【０１０５】
なお、振動子の振動中心位置Ｌを基準位置（座標系の原点Ｏの位置）に維持する制御を行うために、前述の例では、交流駆動信号の半周期ごとの振幅を増減する制御を行っているが、振動子の振動中心位置Ｌに対する制御方法は、このような半周期ごとの振幅を制御する方法に限定されるものではない。たとえば、振動中心位置Ｌが第１の方向にずれてしまった場合は、供給する交流電圧信号に正のオフセット電圧を加え、第２の方向にずれてしまった場合は、供給する交流電圧信号に負のオフセット電圧を加えるという制御方法を採ることも可能である。
【０１０６】
図２６は、重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサ（図１７に示すセンサ）において、供給する交流電圧信号φ１にオフセット電圧を印加することにより、振動子の運動が所定の基準振動に維持されるような制御を行う例を示すグラフである。図２０に示す重力加速度αｇの影響を受けると、そのままでは、図２２(b) に示すように、振動中心位置Ｌが下方にずれることになる。そこで、図２６(a) に示すように、交流電圧信号φ１に正のオフセット電圧＋ΔＶを加えるようにし、交流信号に正の直流バイアス成分が重畳されるようにする（正のピーク電圧「Ｖｐ」の絶対値は大きく、負のピーク電圧「−Ｖｐ」の絶対値は小さくなる）。図２６(a) において、破線で示す信号は制御前の信号（図１８(a) と同じ信号）を示し、実線で示す信号は制御後の信号を示している。
【０１０７】
このような制御後の交流電圧信号φ１を図１７に示す角速度センサの駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３に供給すると、振動子を上方向（Ｚ軸正方向）に移動させる力はより大きくなり、振動子を下方向（Ｚ軸負方向）に移動させる力はより小さくなるので、振動中心位置Ｌは本来の位置（座標系の原点Ｏの位置）へ復帰する。したがって、図１８(b) に示すように、重力加速度αｇが作用していない測定環境と同一の振動状態を維持することができ、正しい検出結果を得ることができる。
【０１０８】
これに対して、図２１に示す重力加速度αｇの影響を受けると、そのままでは、図２３(b) に示すように、振動中心位置Ｌが上方にずれることになる。そこで、図２６(b) に示すように、交流電圧信号φ１に負のオフセット電圧−ΔＶを加えるようにし、交流信号に負の直流バイアス成分が重畳されるようにする（正のピーク電圧「Ｖｐ」の絶対値は小さく、負のピーク電圧「−Ｖｐ」の絶対値は大きくなる）。図２６(b) において、破線で示す信号は制御前の信号（図１８(a) と同じ信号）を示し、実線で示す信号は制御後の信号を示している。
【０１０９】
このような制御後の交流電圧信号φ１を図１７に示す角速度センサの駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３に供給すると、振動子を上方向（Ｚ軸正方向）に移動させる力はより小さくなり、振動子を下方向（Ｚ軸負方向）に移動させる力はより大きくなるので、振動中心位置Ｌは本来の位置（座標系の原点Ｏの位置）へ復帰する。したがって、図１８(b) に示すように、重力加速度αｇが作用していない測定環境と同一の振動状態を維持することができ、正しい検出結果を得ることができる。
【０１１０】
なお、これまでの説明では、振動子を駆動させるための交流駆動信号として、正弦波形をとる交流電圧信号φ１を用いた例を述べたが、交流電圧信号φ１は必ずしも正弦波信号である必要はなく、矩形波や三角波など任意の波形をもった交流信号でかまわない。矩形波や三角波などを交流駆動信号として用いた場合でも、振動子はほぼ単振動に近い運動を行うことになり、実用上、何ら支障は生じない。
【０１１１】
図２７は、図１７に示す角速度センサに対して供給する矩形波状の交流電圧信号φ１と、その電圧制御方法を示すグラフである。図２７(a) は、角速度センサに対して何ら外力が作用していない場合に供給すべき矩形波の交流電圧信号φ１である。接地電圧０を基準として、正のピーク電圧「Ｖｐ」と負のピーク電圧「−Ｖｐ」とが半周期ごとに交互に現れる信号になっており、このような信号を図１７に示す角速度センサの駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３に供給すると、振動子をＺ軸方向に振動させることができる。
【０１１２】
これに対して、図２７(b) に示す交流電圧信号φ１は、図２０に示す重力加速度αｇの影響を排除する場合に供給する信号であり、奇数番目の半周期（正の電圧の区間）の振幅を大きく（ピーク電圧「Ｖｐ」の絶対値は大きくなる）、偶数番目の半周期（負の電圧の区間）の振幅を小さくする（ピーク電圧「−Ｖｐ」の絶対値は小さくなる）ような制御が行われている（矩形波信号であるため、正のオフセット電圧＋ΔＶを加えることにより、正の直流バイアス成分を重畳する制御が行われていると見ることもできる）。図２７(b) において、破線で示す信号は制御前の信号（図２７(a) と同じ信号）を示し、実線で示す信号は制御後の信号を示している。
【０１１３】
一方、図２７(c) に示す交流電圧信号φ１は、図２１に示す重力加速度αｇの影響を排除する場合に供給する信号であり、奇数番目の半周期（正の電圧の区間）の振幅を小さく（ピーク電圧「Ｖｐ」の絶対値は小さくなる）、偶数番目の半周期（負の電圧の区間）の振幅を大きくする（ピーク電圧「−Ｖｐ」の絶対値は大きくなる）ような制御が行われている（矩形波信号であるため、負のオフセット電圧−ΔＶを加えることにより、負の直流バイアス成分を重畳する制御が行われていると見ることもできる）。図２７(c) において、破線で示す信号は制御前の信号（図２７(a) と同じ信号）を示し、実線で示す信号は制御後の信号を示している。
【０１１４】
以上、本発明の基本原理を説明したが、続いて、本発明に係る角速度センサをいくつかの具体的な実施形態に基づいて説明する。
【０１１５】
＜＜＜  §４．第１の実施形態に係る角速度センサ  ＞＞＞
図２８は、本発明の第１の実施形態に係る角速度センサを示す平面図である。この角速度センサにおける基本構造体１００は、既に§１で述べた構造体（図１の平面図および図２の側断面図参照）と全く同じものである。すなわち、振動子１１０と、固定部材１３０と、振動子１１０を固定部材１３０に対して接続する可撓性部材（４本の架橋部１２１〜１２４）とを備えており、固定部材１３０は、装置筐体に固定される。そして、可撓性部材の表面の所定箇所には、当該所定箇所の撓みに応じて機械的変形を生じるように配置された複数の圧電素子が固定されている。
【０１１６】
この第１の実施形態の場合、全部で８組の圧電素子Ｘ１１，Ｘ１２，Ｘ１３，Ｘ１４，Ｘ１２Ｕ，Ｘ１３Ｕ，Ｙ１１，Ｙ１４が設けられている（いずれも図１３に示す特性をもった圧電素子５０）。ここで、圧電素子Ｘ１１，Ｘ１２，Ｘ１３，Ｘ１４，Ｙ１１，Ｙ１４は、図１７に示す角速度センサに用いられていたものと全く同じものである。したがって、図２８に示す角速度センサの圧電素子配置は、図１７に示す角速度センサに用いられていた６組の圧電素子に、更に、Ｘ１２Ｕ，Ｘ１３Ｕを追加したものということができる。
【０１１７】
図２８では、一部の圧電素子にハッチングを施して示してあるが、これは各圧電素子の用途を示すための便宜であって、断面を示すものではない（後述する図３３，図３４，図３６の平面図も同様）。すなわち、内部を黒く塗りつぶした圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３は、駆動用圧電素子であり、内部に斜線ハッチングを施した圧電素子Ｘ１２Ｕ，Ｘ１３Ｕは、モニタ用圧電素子であり、内部にハッチングが施されていない圧電素子Ｘ１１，Ｘ１４，Ｙ１１，Ｙ１４は、コリオリ力検出用圧電素子である。なお、これらのハッチングの意味は、図２８，図３３，図３４，図３６に示す平面図における意味であり、その他の図におけるハッチングは、単に断面を示すだけのものである。
【０１１８】
結局、この実施形態には、振動子を駆動させるための駆動用圧電素子と、振動子の駆動状態をモニタするためのモニタ用圧電素子と、振動子に作用するコリオリ力を検出するためのコリオリ力検出用圧電素子と、が含まれていることになる。この実施形態においても、各圧電素子の下方電極は、図１５に示すような単一の導電層６３によって構成されており、接地電位に固定されている。
【０１１９】
このように、各圧電素子の一方の面を接地電位に接続しておくと、駆動用圧電素子の他方の面に交流駆動信号（接地電位を基準として、正および負の電圧を交互にとる交流駆動信号）を供給して振動子を駆動させ、モニタ用圧電素子の他方の面の電位をモニタ電圧として測定し、このモニタ電圧に基づくフィードバック制御を行い、コリオリ力検出用圧電素子の他方の面の所定タイミングにおける電位に基づいて、角速度の検出値を出力することができる。
【０１２０】
ここで、駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３による振動子の駆動動作は、§２で述べた図１７に示す角速度センサの駆動動作と全く同様である。すなわち、駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３の上方電極に対して交流電圧信号を供給することにより、振動子をＺ軸方向に振動させることができる。また、コリオリ力検出用圧電素子Ｘ１１，Ｘ１４，Ｙ１１，Ｙ１４によるコリオリ力の検出動作も、§２で述べた図１７に示す角速度センサの検出動作と全く同様である。すなわち、振動子をＺ軸方向に振動させた状態において、圧電素子Ｘ１１，Ｘ１４の上方電極に生じる電圧に基づいて、Ｘ軸方向に作用したコリオリ力Ｆｘを測定し、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出し、圧電素子Ｙ１１，Ｙ１４の上方電極に生じる電圧に基づいて、Ｙ軸方向に作用したコリオリ力Ｆｙを測定し、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出する。
【０１２１】
§２で述べた図１７に示す角速度センサとの相違は、更に、振動子の駆動状態をモニタするためのモニタ用圧電素子Ｘ１２Ｕ，Ｘ１３Ｕが付加されており、このモニタ用圧電素子Ｘ１２Ｕ，Ｘ１３Ｕの発生電荷をフィードバック量として、振動子の周期的運動（Ｚ軸方向の振動）が、予め設定された基準運動（座標系の原点Ｏを振動中心位置として、所定の振幅をもった振動）に維持されるようにフィードバック制御を行う点にある。
【０１２２】
この実施形態の場合、モニタ用圧電素子Ｘ１２Ｕは駆動用圧電素子Ｘ１２に供給する交流電圧信号をフィードバック制御するために利用され、モニタ用圧電素子Ｘ１３Ｕは駆動用圧電素子Ｘ１３に供給する交流電圧信号をフィードバック制御するために利用される。そのため、モニタ用圧電素子Ｘ１２Ｕは駆動用圧電素子Ｘ１２の近傍に配置され、モニタ用圧電素子Ｘ１３Ｕは駆動用圧電素子Ｘ１３の近傍に配置されている。図２８の平面図に示されているように、駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３が、Ｘ′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたＩ字状の圧電素子であるのに対して、モニタ用圧電素子Ｘ１２Ｕ，Ｘ１３Ｕは、これらＩ字状圧電素子のそれぞれ近傍に配置されたＵ字状圧電素子となっている。モニタ用圧電素子Ｘ１２Ｕ，Ｘ１３Ｕの符号末尾の「Ｕ」は、形状がＵ字状であることを示している。
【０１２３】
図２９は、図２８に示す角速度センサの一部分（圧電素子Ｘ１２，Ｘ１２Ｕの部分）を拡大して示す拡大平面図である。圧電素子Ｘ１２，Ｘ１２Ｕは、いずれもＸ′軸に関して軸対称となっている。図に破線で示すエッジ部Ｅは、可撓性部材（架橋部１２１）と振動子１１０との接続位置を示している。図２の側断面図に示されているとおり、振動子１１０は、かなりの厚みをもった重錘体であるのに対して、架橋部１２１は厚みが薄い可撓性部材である。このため、架橋部１２１の振動子１１０に対する接続位置近傍（図２９におけるエッジ部Ｅの右側部分）は、架橋部１２１が撓みを生じたときに応力が集中する領域になる。圧電素子Ｘ１２をこの領域に配置することにより、振動子１１０を効率的に駆動することが可能になる。
【０１２４】
Ｕ字状の圧電素子Ｘ１２Ｕは、図２９に示されているとおり、Ｉ字状圧電素子Ｘ１２の両脇位置において長手方向軸（Ｘ′軸）に対して平行な方向に伸びる第１の並伸部Ｘ１２Ｕａおよび第２の並伸部Ｘ１２Ｕｂと、この一対の並伸部Ｘ１２Ｕａ，Ｘ１２Ｕｂの両端を接続する接続部Ｘ１２Ｕｃと、を有している。しかも、一対の並伸部Ｘ１２Ｕａ，Ｘ１２Ｕｂは可撓性部材（架橋部１２１）上に配置され、接続部Ｘ１２Ｕｃは振動子１１０上に配置されている。上述したとおり、架橋部１２１の振動子１１０に対する接続位置近傍（図２９におけるエッジ部Ｅの右側部分）は、架橋部１２１が撓みを生じたときに応力が集中する領域になるので、一対の並伸部Ｘ１２Ｕａ，Ｘ１２Ｕｂをこの領域に配置することにより、振動子１１０の駆動状態を効率的にモニタすることが可能になる。
【０１２５】
図３０は、図２８に示す角速度センサに用いる信号処理回路の一例を示す回路図である。図の右上に示された２組の圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３は、図２８に示す駆動用圧電素子であり、その下方電極は接地されている。駆動制御回路３０は、交流信号源３１から与えられる交流信号を調整して、駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３に交流駆動信号を供給する機能を果たす。具体的には、たとえば、図１８(a) に示すような交流電圧信号φ１を発生させて、駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３の上方電極に印加する。これにより、駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３が周期的に変形し、可撓性部材に周期的な撓みが生じ、振動子１１０が周期的運動（Ｚ軸方向の振動）を生じることは、既に述べたとおりである。
【０１２６】
一方、図の左上に示された２組の圧電素子Ｘ１２Ｕ，Ｘ１３Ｕは、図２８に示すモニタ用圧電素子であり、やはりその下方電極は接地されているが、その上方電極の電圧信号は、モニタ電圧値Ｖ（Ｘ１２），Ｖ（Ｘ１３）として駆動制御回路３０に与えられている。駆動制御回路３０は、モニタ用圧電素子Ｘ１２Ｕ，Ｘ１３Ｕの発生電荷、すなわち、各上方電極に生じるモニタ電圧値Ｖ（Ｘ１２），Ｖ（Ｘ１３）をフィードバック量として、振動子１１０の周期的運動が、予め設定された基準運動（座標系の原点Ｏを振動中心位置として、所定の振幅をもったＺ軸方向の振動）に維持されるようにフィードバック制御を行う。
【０１２７】
また、図の左下に示された４組の圧電素子Ｘ１１，Ｘ１４，Ｙ１１，Ｙ１４は、図２８に示すコリオリ力検出用圧電素子であり、その下方電極は接地されている。圧電素子Ｘ１１，Ｘ１４の上方電極の電圧値Ｖ（Ｘ１１），Ｖ（Ｘ１４）は、差分回路２１によってその差が電圧値Ｖｘとして求められる。同様に、圧電素子Ｙ１１，Ｙ１４の上方電極の電圧値Ｖ（Ｙ１１），Ｖ（Ｙ１４）は、差分回路２２によってその差が電圧値Ｖｙとして求められる。
【０１２８】
角速度検出回路４０は、振動子１１０が周期的運動（Ｚ軸方向の振動）を行っている状態において、この周期的運動に同期した所定タイミングで、コリオリ力検出用圧電素子Ｘ１１，Ｘ１４，Ｙ１１，Ｙ１４の発生電荷を測定し、これを所定軸まわりの角速度の検出値として出力する処理を行う。図２８に示す角速度センサの場合、差分回路２１によって求められた電圧値ＶｘがＸ軸方向に作用したコリオリ力Ｆｘの検出値になるため、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを示す検出値として出力され、差分回路２２によって求められた電圧値ＶｙがＹ軸方向に作用したコリオリ力Ｆｙの検出値になるため、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを示す検出値として出力されることになる。
【０１２９】
なお、角速度検出回路４０が、電圧値Ｖｘ，Ｖｙを角速度ωｙ，ωｘの検出値として出力するタイミングは、振動子１１０の重心Ｇが原点Ｏ（すなわち、振動中心）を通過する瞬間に設定するのが好ましい。振動子１１０の運動が予め設定された基準振動に維持されていれば、重心Ｇが原点Ｏを通過する瞬間に、振動子の速度は最大値に達するので、作用するコリオリ力も最大値に達することになる。したがって、このタイミングで取り込んだ電圧Ｖｘ，Ｖｙを、そのまま角速度ωｙ，ωｘを示す検出値として出力するようにすれば、最も効率が良い検出が可能になる。
【０１３０】
角速度検出回路４０に、振動子の重心Ｇが原点Ｏを通過する測定タイミングを認識させる１つの方法は、交流信号源３１からの交流信号と遅延時間に相当する位相差ｄを角速度検出回路４０に与える方法である。図３０の回路図において、角速度検出回路４０に入力されている交流信号源３１からの交流信号と位相差ｄは、このタイミング認識に利用するための情報である。図１８(b) に示すように、振動子の振動変位を示す波形は、交流電圧信号φ１に対して所定の位相差ｄをもっている。この位相差ｄは、センサを構成する構造体に固有の機械的特性と振動周波数に応じて定まる。したがって、交流信号源３１からの交流信号と位相差ｄとを角速度検出回路４０に与えておけば、振動子の重心Ｇが原点Ｏを通過するタイミング（図１８(b) において、変位０を示す水平線を横切るタイミング）を把握することができる。
【０１３１】
角速度検出回路４０に、振動子の重心Ｇが原点Ｏを通過する測定タイミングを認識させる別な方法は、モニタ用圧電素子Ｘ１２Ｕ，Ｘ１３Ｕの発生電荷を示すモニタ電圧Ｖ（Ｘ１２），Ｖ（Ｘ１３）を利用する方法である。図３０の回路図において、角速度検出回路４０にモニタ電圧Ｖ（Ｘ１２），Ｖ（Ｘ１３）が入力されているのは、この方法によるタイミング認識を行う例を示すためのものである。モニタ電圧Ｖ（Ｘ１２），Ｖ（Ｘ１３）は、後述するように、振動子の周期的な運動位置を示す情報になるので、このモニタ電圧Ｖ（Ｘ１２），Ｖ（Ｘ１３）をモニタすることにより、振動子の重心Ｇが原点Ｏを通過する測定タイミングを認識することが可能になる。
【０１３２】
図３１および図３２は、図３０に示す回路におけるモニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）の変動の一例を示すグラフである。駆動制御回路３０は、各モニタ用圧電素子について、それぞれ対応する駆動用圧電素子を定め、特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の全振幅値および平均電圧値（時間的な平均値）が所定の基準に維持されるように、これに対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行う。ここに示す例では、前述したとおり、モニタ用圧電素子Ｘ１２Ｕと駆動用圧電素子Ｘ１２とを対応させ、モニタ用圧電素子Ｘ１３Ｕと駆動用圧電素子Ｘ１３とを対応させているため、駆動制御回路３０は、モニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）に基づいて、駆動用圧電素子Ｘ１２に供給する交流電圧信号をフィードバック制御し、モニタ電圧Ｖ（Ｘ１３）に基づいて、駆動用圧電素子Ｘ１３に供給する交流電圧信号をフィードバック制御することになる。
【０１３３】
ここで行うフィードバック制御の目的は、§３で述べたとおり、振動子１１０の全振幅を一定にすることと、振動子１１０の振動中心位置を一定にすることである。そして、モニタ用圧電素子Ｘ１２Ｕの発生電荷を示すモニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）は、このような制御を行うために必要な情報を含んでいる。
【０１３４】
ここで、振動子１１０の全振幅が、モニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）の全振幅値としてモニタされることは容易に理解できよう。振動子１１０が上下（Ｚ軸方向）に振動すれば、モニタ用圧電素子Ｘ１２Ｕは、伸びたり縮んだりを繰り返すことになり、正の電荷と負の電荷とが交互に発生する（図１１および図１２参照）。したがって、モニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）は、正および負の値を繰り返す波形となり、モニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）の全振幅値は、振動子１１０の全振幅に対応したものになる。
【０１３５】
続いて、モニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）に、振動子１１０の振動中心位置の情報が含まれることを説明する。そのためには、圧電素子では、振動子の静的位置の検出を行うことができない点を理解しておく必要がある。§１で述べたとおり、圧電素子には、機械的変形を加えると電荷が生じる性質がある。しかしながら、電荷の生成は過渡的な現象であるから、図２０に示すように、重力加速度αｇによって振動子１１０がＺ軸負方向に変位した状態で静止していた場合、モニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）は０（接地電位）を維持する。図２１に示すように、振動子１１０がＺ軸正方向に変位した状態で静止していた場合も、同様に、モニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）は０（接地電位）を維持する。
【０１３６】
結局、振動子１１０が静止している限り、図２の状態（振動子が原点Ｏに位置する状態）、図２０の状態（振動子がＺ軸負方向に変位している状態）、図２１の状態（振動子がＺ軸正方向に変位している状態）のいずれの場合も、モニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）＝０となるので、振動子１１０の静的な位置情報をモニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）から得ることはできない。それにもかかわらず、モニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）から、振動子１１０の振動中心位置を把握することができる理由は、振動中心位置のずれを、半振幅値のバランス変化として検出できるためである。
【０１３７】
図２２および図２３に示すとおり、奇数番目の半周期の振幅と偶数番目の半周期の振幅とが等しい交流電圧信号φ１を供給したとしても、振動子１１０の振動中心位置Ｌが変化すると、振動子の奇数番目の半周期の振幅Ａ１と偶数番目の半周期の振幅Ａ２との大小関係に変化が生じる。したがって、振動子１１０の振動中心位置Ｌが変化すると、図３１，図３２に示すようにモニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）の奇数番目の半周期の振幅Ａｍ１と偶数番目の半周期の振幅Ａｍ２との大小関係に変化が生じることになり、モニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）の時間的な平均値に変化が生じることになる。
【０１３８】
ここでは、仮に、この角速度センサを重力が作用しない宇宙空間に設置し、図１８(a) に示すような交流電圧信号φ１を供給して振動子をＺ軸方向に振動させた場合に、図３１の実線で示すようなモニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）が得られるものとしよう。図３１に実線で示すグラフは、縦軸の電圧値０を中心として、上下に同じ半振幅をもった正弦波となっている。上述したとおり、モニタ用圧電素子Ｘ１２Ｕは、振動子１１０の静的な位置検出を行うことができないので、図３１に示すモニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）は、振動子１１０の絶対的な位置（重心ＧのＺ座標値）を直接的に示すものではない。しかしながら、振動子の振動中心位置の変化は、モニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）の平均電圧値（時間的な平均値）に影響を及ぼすことになる。
【０１３９】
本願発明者が行った実験によると、図２０に示すように、重力加速度αｇの影響により振動子１１０の静止状態の位置がＺ軸負方向にずれた測定環境下において、図１８(a) に示すような交流電圧信号φ１を供給して振動子をＺ軸方向に振動させると、モニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）として、図３１の破線に示すような波形の電圧値が得られた。電圧値０を基準として、奇数番目の半周期の振幅Ａｍ１と偶数番目の半周期の振幅Ａｍ２とを比較すると、Ａｍ１＞Ａｍ２となっており、その結果、平均電圧値は一点鎖線で示すように正の電圧値Ｖ（＋）となる。ここで、図３１の実線の波形は、重力加速度αｇの影響を受けない測定環境下で得られるであろうと推定される波形（地球上における通常の測定環境では実測することができない波形）ということになる。
【０１４０】
一方、図２１に示すように、重力加速度αｇの影響により振動子１１０の静止状態の位置がＺ軸正方向にずれた測定環境下において、図１８(a) に示すような交流電圧信号φ１を供給して振動子をＺ軸方向に振動させると、モニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）として、図３２の破線に示すような波形の電圧値が得られた。電圧値０を基準として、奇数番目の半周期の振幅Ａｍ１と偶数番目の半周期の振幅Ａｍ２とを比較すると、Ａｍ２＞Ａｍ１となっており、その結果、平均電圧値は一点鎖線で示すように負の電圧値Ｖ（−）となる。なお、図３２の実線の波形は、図３１の実線の波形と同様に、重力加速度αｇの影響を受けない測定環境下で得られるであろうと推定される波形である。
【０１４１】
図２０に示すような方向に重力加速度αｇが作用する測定環境下において、図３１の破線で示すように、Ａｍ１＞Ａｍ２となるモニタ電圧波形が得られた理由は、図２２(b) に示すように、振動子１１０の振動中心位置ＬがＺ軸負方向に移動し、この振動中心位置Ｌを基準とした上方向の振幅Ａ１が下方向の振幅Ａ２よりも大きくなったためと考えられる。同様に、図２１に示すような方向に重力加速度αｇが作用する測定環境下において、図３２の破線で示すように、Ａｍ２＞Ａｍ１となるモニタ電圧波形が得られた理由は、図２３(b) に示すように、振動子１１０の振動中心位置ＬがＺ軸正方向に移動し、この振動中心位置Ｌを基準とした下方向の振幅Ａ２が上方向の振幅Ａ１よりも大きくなったためと考えられる。
【０１４２】
このように、モニタ用圧電素子Ｘ１２Ｕの発生電荷を示すモニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）には、駆動用圧電素子Ｘ１２に供給する交流電圧信号φ１に対するフィードバック制御を行うために必要な情報がすべて含まれていることになり、振動子１１０について、１周期の振幅（全振幅）を一定にする制御と、振動子１１０の振動中心位置を一定にする制御との双方を行うことが可能になる。
【０１４３】
具体的には、振動子１１０の全振幅を一定にする制御を行うには、モニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）の全振幅（最大電圧値と最小電圧値との間の幅）を所定の基準振幅値と比較し、基準振幅値よりも大きい場合には、交流電圧信号φ１の全振幅を小さくし、基準振幅値よりも小さい場合には、交流電圧信号φ１の全振幅を大きくする制御を行えばよい。この振幅制御は、いわばステレオオーディオシステムの音量調節における主音量の調整に比喩することができる。
【０１４４】
要するに、振動子１１０の全振幅を一定にする制御を行うには、特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の全振幅を所定の基準振幅値と比較し、基準振幅値よりも大きい場合には、対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号の全振幅を小さくし、基準振幅値よりも小さい場合には、対応する駆動用圧電素子に供給する交流電圧信号の全振幅を大きくする制御を行えばよい。
【０１４５】
一方、振動子１１０の振動中心位置を一定にする制御を行うには、交流電圧信号φ１の奇数番目の半周期の振幅と偶数番目の半周期の振幅との大小関係のバランスを調整すればよい。これは、いわばステレオオーディオシステムの音量調節における左右のスピーカのバランス調整に比喩することができる。
【０１４６】
具体的には、図３１に一点鎖線で示すように、モニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）の平均電圧値（時間的な平均値）が正の値Ｖ（＋）になった場合には、駆動用圧電素子Ｘ１２に供給する交流電圧信号を図２４(a) に示すように修正する制御を行い、図３２に一点鎖線で示すように、モニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）の平均電圧値が負の値Ｖ（−）になった場合には、駆動用圧電素子Ｘ１２に供給する交流電圧信号を図２５(a) に示すように修正する制御を行えばよい。同様に、駆動用圧電素子Ｘ１３に供給する交流電圧信号は、モニタ電圧Ｖ（Ｘ１３）に基づいて同様の制御を行えばよい。
【０１４７】
以上、図２８に示す具体的な実施例についての具体的な制御方法を説明したが、モニタ電圧の極性は、用いるモニタ用圧電素子の特性（施した分極処理によって定まる固有の特性）に応じて正／負の関係が逆転するものであり、また、モニタ用圧電素子の伸縮特性は、その配置に依存して決まるものである。
【０１４８】
したがって、一般論として述べれば、振動子の振動中心位置を一定にする制御を行うには、特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の平均電圧値が、所定の基準値に対して第１の方向に変動したときには（ここに示す実施例の場合には、モニタ電圧の平均電圧値が正の極性を示している場合には）、対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号の奇数番目の半周期の振幅を偶数番目の半周期の振幅に比べて大きくするような制御を行い、特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の平均電圧値が、所定の基準値に対して第１の方向とは逆の第２の方向に変動したときには（ここに示す実施例の場合には、モニタ電圧の平均電圧値が負の極性を示している場合には）、対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号の奇数番目の半周期の振幅を偶数番目の半周期の振幅に比べて小さくするような制御を行うようにすればよい。
【０１４９】
もちろん、振動子の振動中心位置を一定にする制御は、図２６(a) ，(b) に示すように、駆動用圧電素子に供給する交流電圧信号にオフセット電圧ΔＶを増減する方法で行うこともできる。この場合は、特定のモニタ用圧電素子の平均電圧値が、所定の基準値に対して第１の方向に変動したときには（ここに示す実施例の場合には、モニタ電圧の平均電圧値が正の極性を示している場合には）、供給する交流駆動信号に正のオフセット電圧を加える制御を行い、特定のモニタ用圧電素子の平均電圧値が、所定の基準値に対して第２の方向に変動したときには（ここに示す実施例の場合には、モニタ電圧の平均電圧値が負の極性を示している場合には）、供給する交流駆動信号に負のオフセット電圧を加える制御を行うことになる。
【０１５０】
駆動制御回路３０によって、このような制御を行えば、図２０もしくは図２１に示すような重力加速度αｇが作用していたとしても、振動子は、予め設定された基準振幅をもち、本来の振動中心位置（座標系の原点Ｏの位置）を中心とした基準振動を行うことになり、正しい検出結果を得ることができる。
【０１５１】
＜＜＜  §５．Ｕ字状圧電素子の特徴  ＞＞＞
さて、§４で述べた第１の実施形態に係る角速度センサは、図２８に示すように、振動子１１０の重心位置に原点ＯをもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、ＸＹ平面に平行な上面をもった可撓性部材（架橋部１２１〜１２４）を有しており、振動子１１０を取り囲む位置に固定部材１３０が配置されており、可撓性部材１２１〜１２４が振動子１１０をその周囲から支持する構造をもつ基本構造体１００に８組の圧電素子を付加することにより構成されている。
【０１５２】
各圧電素子の具体的な構成は、可撓性部材の上面を投影面としてＸ軸の正射影像となるＸ′軸およびＹ軸の正射影像となるＹ′軸を定義すれば、Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１の駆動用圧電素子Ｘ１２、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第２の駆動用圧電素子Ｘ１３、Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のモニタ用圧電素子Ｘ１２Ｕ、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第２のモニタ用圧電素子Ｘ１３Ｕ、Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１１、Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１１、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３のコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１４、Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１４ということになる。
【０１５３】
そして、図３０に示す駆動制御回路３０は、第１および第２の駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３に対して交流駆動信号を供給することにより、振動子１１０をＺ軸方向に振動させ、第１のモニタ用圧電素子Ｘ１２Ｕの発生電荷をフィードバック量として第１の駆動用圧電素子Ｘ１２に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第２のモニタ用圧電素子Ｘ１３Ｕの発生電荷をフィードバック量として第２の駆動用圧電素子Ｘ１３に供給する交流駆動信号に対する制御を行う。また、角速度検出回路４０は、Ｘ′軸上に配置された第１および第３のコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１１，Ｘ１４によって検出されたＸ軸方向に作用するコリオリ力ＦｘをＹ軸まわりの角速度ωｙとして検出し、Ｙ′軸上に配置された第２および第４のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１１，Ｙ１４によって検出されたＹ軸方向に作用するコリオリ力ＦｙをＸ軸まわりの角速度ωｘとして検出する。
【０１５４】
この第１の実施形態および後述する第２〜第５の実施形態の特徴は、各圧電素子の配置パターンが、ＸＺ平面に対称（Ｘ′軸に関して対称）、かつ、ＹＺ平面にも対称（Ｙ′軸に関して対称）となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材（架橋部１２１〜１２４）の振動子１１０に対する接続位置近傍もしくは固定部材１３０に対する接続位置近傍に配置されている点にある。
【０１５５】
§１で述べたとおり、各圧電素子の配置パターンを、座標軸に関して幾何学的な対称性を維持するようにする第１のメリットは、駆動や検出に関与しない軸方向の機械的変形に対して、１つの圧電素子全体としてみれば、伸縮状態が相互にキャンセルされるようになることであり、第２のメリットは、一対の圧電素子を協働させて、駆動や検出の動作を行う際に、信号処理が容易になることである。また、各圧電素子を、可撓性部材（架橋部１２１〜１２４）の振動子１１０に対する接続位置近傍もしくは固定部材１３０に対する接続位置近傍に配置するメリットは、この領域には可撓性部材に加わる応力が集中するため、極めて効率的な動作（圧電素子に電気信号を供給して機械的な撓みを生じさせる動作と、圧電素子に生じる電気信号に基づいて機械的な撓みを検出する動作）が可能になることである。
【０１５６】
図２８に示すように、第１の実施形態に係る角速度センサでは、モニタ用圧電素子Ｘ１２Ｕ，Ｘ１３Ｕとして、Ｕ字状圧電素子が用いられている。また、後述する第２、第４、第５の実施形態においても、Ｕ字状圧電素子が用いられている。本発明を実施する上で、このようなＵ字状圧電素子の採用は、極めて重要な意味をもつ。以下、その理由を説明しよう。
【０１５７】
既に述べたとおり、本発明では、モニタ用圧電素子の発生電荷を示す信号をフィードバック信号として、駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号を制御する。このようなフィードバック制御を良好に行うためには、制御対象となる駆動用圧電素子と、フィードバック信号を得るためのモニタ用圧電素子とは、できるだけ近くに配置するのが好ましい。理論的には、両者を完全に同一位置に配置するのが理想的であるが、一方の圧電素子には駆動用の交流信号を供給し、他方の圧電素子からは発生電荷を示す電圧信号をとり出す必要があるため、両者は物理的に独立した圧電素子である必要があり、次善の策として、両者をできるだけ近傍に配置するという方法を採らざるを得ない。
【０１５８】
その一方で、上述したように、各圧電素子は、座標軸に関して幾何学的な対称性を維持するような配置パターンにするのが好ましく、しかも可撓性部材（架橋部１２１〜１２４）の表面における応力集中領域、すなわち、振動子１１０に対する接続位置近傍もしくは固定部材１３０に対する接続位置近傍に配置するのが好ましい。Ｕ字状圧電素子の採用は、このような要望を満足させるために最適である。
【０１５９】
図２９の拡大平面図には、Ｘ′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたＩ字状圧電素子Ｘ１２と、このＩ字状圧電素子Ｘ１２の近傍に配置されたＵ字状圧電素子Ｘ１２Ｕが示されている。ここで、Ｕ字状圧電素子Ｘ１２Ｕは、Ｉ字状圧電素子Ｘ１２の両脇位置においてＸ′軸に対して平行な方向に伸びる第１の並伸部Ｘ１２Ｕａおよび第２の並伸部Ｘ１２Ｕｂと、この一対の並伸部の両端を接続する接続部Ｘ１２Ｕｃを有しており、Ｉ字状圧電素子Ｘ１２，並伸部Ｘ１２Ｕａ，並伸部Ｘ１２Ｕｂは、いずれも架橋部１２１の表面における振動子１１０に対する接続位置近傍に配置されている。
【０１６０】
このようなＩ字状圧電素子Ｘ１２とＵ字状圧電素子Ｘ１２Ｕとの組み合わせは、上述の要望を満足させるために最適である。すなわち、両者の一方を駆動用圧電素子とし、他方をその制御に利用するモニタ用圧電素子とすれば、両者を極めて近傍に配置することができる。しかも、両者はいずれも座標軸に関して幾何学的な対称性を維持する配置にすることができ、また応力が集中する接続位置近傍に配置することができる。実際、図２８の平面図を参照すれば、このような理想的な配置が実現されていることが理解できよう。
【０１６１】
図２９の拡大平面図において、第１の並伸部Ｘ１２Ｕａ、第２の並伸部Ｘ１２Ｕｂ、Ｉ字状圧電素子Ｘ１２は、いずれもＸ′軸を長手方向軸として、架橋部１２１上の応力が集中する領域に隣接配置された圧電素子を構成しており、架橋部１２１の撓みに対して、ほぼ同一の挙動をとる。このため、Ｉ字状圧電素子Ｘ１２を駆動用圧電素子として用い、その制御のために、Ｕ字状圧電素子Ｘ１２Ｕをモニタ用圧電素子として用いると（あるいは、その逆でもよい）、極めて安定した効率的なフィードバック制御が可能になる。しかも、接続部Ｘ１２Ｕｃは、架橋部１２１上ではなく、振動子１１０上に形成されているため、架橋部１２１に撓みが生じても、不動の状態を維持するため、外部に対する配線を行うために利用するのに適している。もちろん、接続部Ｘ１２Ｕｃは、下部に圧電素子のない単なる配線層によって構成してもかまわない。
【０１６２】
このように、Ｕ字状圧電素子をＩ字状圧電素子と組み合わせて利用すると、両者を、座標軸に関して幾何学的な対称性を維持したまま、応力が集中する領域に、互いに極めて近傍にくるように配置することができ、しかも接続部を撓みの生じない領域（振動子１１０上もしくは固定部材１３０上）に形成することが可能になる。
【０１６３】
このようなＵ字状圧電素子は、後述する第２、第４、第５の実施形態においても利用されている。そのメリットを十分に享受するには、要するに、Ｘ′軸もしくはＹ′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたＩ字状圧電素子と、このＩ字状圧電素子の近傍に配置されたＵ字状圧電素子と、によって圧電素子対を構成し、Ｕ字状圧電素子を、Ｉ字状圧電素子の両脇位置において上記長手方向軸に対して平行な方向に伸びる第１の並伸部および第２の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、によって構成し、この圧電素子対を構成する一方の圧電素子をモニタ用圧電素子、他方の圧電素子を駆動用圧電素子として用い、モニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として、駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号を制御するフィードバック制御を行うようにすればよい。特に、Ｕ字状圧電素子の第１の並伸部および第２の並伸部が可撓性部材上に配置され、接続部が振動子上もしくは固定部材上に配置されるようにするのが好ましい。
【０１６４】
＜＜＜  §６．第２の実施形態に係る角速度センサ  ＞＞＞
図３３は、本発明の第２の実施形態に係る角速度センサを示す平面図である。この角速度センサにおける基本構造体１００は、既に§１で述べた構造体（図１の平面図および図２の側断面図参照）と全く同じものである。すなわち、この角速度センサは、振動子１１０の重心位置に原点ＯをもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、ＸＹ平面に平行な上面をもった可撓性部材（架橋部１２１〜１２４）を有しており、振動子１１０を取り囲む位置に固定部材１３０が配置されており、可撓性部材１２１〜１２４が振動子１１０をその周囲から支持する構造をもつ基本構造体１００に１２組の圧電素子（いずれも図１３に示す特性をもった圧電素子５０）を付加することにより構成されている。
【０１６５】
この図３３においても、各圧電素子の用途がハッチングの相違によって示されている。すなわち、内部を黒く塗りつぶした圧電素子は駆動用圧電素子であり、内部に斜線ハッチングを施した圧電素子はモニタ用圧電素子であり、内部にハッチングが施されていない圧電素子は、コリオリ力検出用圧電素子である。また、この実施形態においても、各圧電素子の下方電極は、図１５に示すような単一の導電層６３によって構成されており、接地電位に固定されている。
【０１６６】
各圧電素子の具体的な構成は、可撓性部材の上面を投影面としてＸ軸の正射影像となるＸ′軸およびＹ軸の正射影像となるＹ′軸を定義すれば、次のとおりである。
【０１６７】
まず、駆動用圧電素子としては、Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１の駆動用圧電素子Ｘ１１、Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２の駆動用圧電素子Ｙ１１、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３の駆動用圧電素子Ｘ１４、Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４の駆動用圧電素子Ｙ１４が設けられている。これら４組の圧電素子に、たとえば、図１８(a) に示すような交流駆動信号を供給することにより、振動子１１０をＺ軸方向に振動させることができる。４組の駆動用圧電素子を用いているため、前述の第１の実施形態に係る角速度センサに比べて、振動子１１０の駆動をより安定させることが可能になる。
【０１６８】
一方、モニタ用圧電素子としては、Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のモニタ用圧電素子Ｘ１１Ｕと、Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２のモニタ用圧電素子Ｙ１１Ｕ、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３のモニタ用圧電素子Ｘ１４Ｕ、Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４のモニタ用圧電素子Ｙ１４Ｕが設けられている。駆動制御回路３０は、上述したように、第１〜第４の駆動用圧電素子Ｘ１１，Ｙ１１，Ｘ１４，Ｙ１４に対してそれぞれ所定の交流駆動信号を供給することにより、振動子をＺ軸方向に振動させるが、このとき、第１のモニタ用圧電素子Ｘ１１Ｕの発生電荷をフィードバック量として第１の駆動用圧電素子Ｘ１１に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第２のモニタ用圧電素子Ｙ１１Ｕの発生電荷をフィードバック量として第２の駆動用圧電素子Ｙ１１に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第３のモニタ用圧電素子Ｘ１４Ｕの発生電荷をフィードバック量として第３の駆動用圧電素子Ｘ１４に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第４のモニタ用圧電素子Ｙ１４Ｕの発生電荷をフィードバック量として第４の駆動用圧電素子Ｙ１４に供給する交流駆動信号に対する制御を行う。
【０１６９】
具体的には、既に述べたとおり、各モニタ電圧の全振幅が所定の基準振幅値に維持され、かつ、各モニタ電圧の平均電圧値が０に維持されるように、各交流電圧信号に対する制御を行えばよい。正しいフィードバック制御が行われれば、振動子１１０は、所定の基準位置（座標系の原点Ｏの位置）を振動中心として、所定の基準振幅をもってＺ軸方向に振動することになる。
【０１７０】
また、コリオリ力検出用圧電素子としては、Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１２、Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１２、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３のコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１３、Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１３が設けられている。角速度検出回路４０が、第１および第３のコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３によって検出されたＸ軸方向に作用するコリオリ力ＦｘをＹ軸まわりの角速度ωｙとして検出し、第２および第４のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１２，Ｙ１３によって検出されたＹ軸方向に作用するコリオリ力ＦｙをＸ軸まわりの角速度ωｘとして検出する点は、第１の実施形態に係る角速度センサと全く同様である。
【０１７１】
この第２の実施形態に係る角速度センサの場合も、図３３に示すとおり、圧電素子の配置パターンが、ＸＺ平面に対称、かつ、ＹＺ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されている。また、このような配置を実現するために、Ｘ′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方（この例の場合は駆動用圧電素子）はＸ′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたＩ字状圧電素子Ｘ１１，Ｘ１４からなり、他方（この例の場合はモニタ用圧電素子）はこのＩ字状圧電素子の近傍に配置されたＵ字状圧電素子Ｘ１１Ｕ，Ｘ１４Ｕからなり、Ｙ′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方（この例の場合は駆動用圧電素子）はＹ′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたＩ字状圧電素子Ｙ１１，Ｙ１４からなり、他方（この例の場合はモニタ用圧電素子）はこのＩ字状圧電素子の近傍に配置されたＵ字状圧電素子Ｙ１１Ｕ，Ｙ１４Ｕからなる。
【０１７２】
＜＜＜  §７．第３の実施形態に係る角速度センサ  ＞＞＞
図３４は、本発明の第３の実施形態に係る角速度センサを示す平面図である。この角速度センサにおける基本構造体１００も、既に§１で述べた構造体（図１の平面図および図２の側断面図参照）と全く同じものである。この角速度センサは、この基本構造体１００に８組の圧電素子（いずれも図１３に示す特性をもった圧電素子５０）を付加することにより構成されている。
【０１７３】
この図３４においても、各圧電素子の用途がハッチングの相違によって示されている。すなわち、内部を黒く塗りつぶした圧電素子は駆動用圧電素子であり、内部に斜線ハッチングを施した圧電素子はモニタ用圧電素子であり、内部にハッチングが施されていない圧電素子は、コリオリ力検出用圧電素子である。また、この実施形態においても、各圧電素子の下方電極は、図１５に示すような単一の導電層６３によって構成されており、接地電位に固定されている。
【０１７４】
各圧電素子の具体的な構成は、可撓性部材の上面を投影面としてＸ軸の正射影像となるＸ′軸およびＹ軸の正射影像となるＹ′軸を定義すれば、次のとおりである。すなわち、Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１の駆動用圧電素子Ｘ１２、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第２の駆動用圧電素子Ｘ１３、Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のモニタ用圧電素子Ｘ１１、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第２のモニタ用圧電素子Ｘ１４、Ｙ′軸の正の領域上に配置された第１のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１１および第２のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１２、Ｙ′軸の負の領域上に配置された第３のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１３および第４のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１４である。
【０１７５】
この第３の実施形態に係る角速度センサでは、振動子１１０をＸ軸方向に振動させる方法が採られる。そのために、駆動制御回路３０は、第１および第２の駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３に対して逆位相の交流駆動信号を供給する。そうすると、圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３の伸縮の状態は逆になるので、図７および図８に示されている関係から、振動子１１０はＸ軸方向に振動することになる。なお、圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３として、分極特性が互いに逆のものを用いれば、両者に同位相の交流駆動信号を供給することにより、振動子１１０をＸ軸方向に振動させることができる。
【０１７６】
このとき、駆動制御回路３０は、第１のモニタ用圧電素子Ｘ１１の発生電荷をフィードバック量として第１の駆動用圧電素子Ｘ１２に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第２のモニタ用圧電素子Ｘ１４の発生電荷をフィードバック量として第２の駆動用圧電素子Ｘ１３に供給する交流駆動信号に対する制御を行う。具体的には、既に述べたとおり、各モニタ電圧の全振幅が所定の基準振幅値に維持され、かつ、各モニタ電圧の平均電圧値が０に維持されるように、各交流電圧信号に対する制御を行えばよい。正しいフィードバック制御が行われれば、振動子１１０は、所定の基準位置（座標系の原点Ｏの位置）を振動中心として、所定の基準振幅をもってＸ軸方向に振動することになる。
【０１７７】
一方、角速度検出回路４０は、第１のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１１および第４のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１４によって検出されたＺ軸方向に作用するコリオリ力ＦｚをＹ軸まわりの角速度ωｘとして検出する。具体的には、圧電素子Ｙ１１から得られる電圧と圧電素子Ｙ１４から得られる電圧との和を、Ｚ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚの測定値として利用することができる（図１１，図１２に示す関係参照）。
【０１７８】
また、角速度検出回路４０は、第２のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１２および第３のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１３によって検出されたＹ軸方向に作用するコリオリ力ＦｙをＺ軸まわりの角速度ωｚとして検出する。具体的には、圧電素子Ｙ１２から得られる電圧と圧電素子Ｙ１３から得られる電圧との差を、Ｙ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙの測定値として利用することができる（図９，図１０に示す関係参照）。
【０１７９】
この第３の実施形態に係る角速度センサの場合も、図３４に示すとおり、圧電素子の配置パターンが、ＸＺ平面に対称、かつ、ＹＺ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されている。
【０１８０】
この第３の実施形態の場合、このような配置を実現するために、Ｕ字状圧電素子を用いる代わりに、別なアプローチを採っている。すなわち、可撓性部材の固定部材に対する接続位置近傍に配置された第１の圧電素子と、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍に配置された第２の圧電素子と、を設け、第１の圧電素子と第２の圧電素子とは、同一の軸上に配置されるようにし、これら一対の圧電素子のうち、一方の圧電素子をモニタ用圧電素子、他方の圧電素子を駆動用圧電素子として用い、このモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として、この駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号を制御するフィードバック制御を行うようにしている。
【０１８１】
具体的には、図３４のＸ′軸の正の部分に関して言えば、可撓性部材（架橋部１２１）の固定部材１３０に対する接続位置近傍に配置された第１の圧電素子Ｘ１１と、可撓性部材（架橋部１２１）の振動子１１０に対する接続位置近傍に配置された第２の圧電素子Ｘ１２と、を設け、第１の圧電素子Ｘ１１と第２の圧電素子Ｘ１２とは、同一の軸Ｘ′上に配置されるようにし、これら一対の圧電素子のうち、一方の圧電素子（この例の場合はＸ１１）をモニタ用圧電素子、他方の圧電素子（この例ではＸ１２）を駆動用圧電素子として用い、モニタ用圧電素子Ｘ１１の発生電荷をフィードバック量として、駆動用圧電素子Ｘ１２に供給する交流駆動信号を制御するフィードバック制御を行うようにしている。図３４のＸ′軸の負の部分に配置された圧電素子Ｘ１３，Ｘ１４についても同様である。
【０１８２】
第１の実施形態および第２の実施形態の場合、制御対象となる駆動用圧電素子と、当該制御に利用するフィードバック信号を得るためのモニタ用圧電素子との組み合わせを、Ｉ字状圧電素子とＵ字状圧電素子との組み合わせによって実現していたため、両圧電素子の位置を極めて近接させることが可能になった。これに対して、図３４に示す第３の実施形態の場合、圧電素子Ｘ１１とＸ１２の組み合わせ、あるいは、圧電素子Ｘ１３とＸ１４の組み合わせ、というように、同じ軸上ではあるが、「固定部材に対する接続位置近傍に配置された圧電素子」と「振動子に対する接続位置近傍に配置された圧電素子」との組み合わせを用いてフィードバック制御を行っている。その結果、両圧電素子の位置は若干遠ざかるものの、圧電素子の形状は非常に単純なものになる。
【０１８３】
なお、この第３の実施形態の場合、制御対象となる駆動用圧電素子が配置された領域と、当該制御に利用するフィードバック信号を得るためのモニタ用圧電素子が配置された領域との伸縮関係が逆になるため、フィードバック制御を行う上では、その点を考慮する必要がある。たとえば、モニタ用圧電素子Ｘ１１が基準よりも伸び過ぎていた場合、駆動用圧電素子Ｘ１２は基準よりも縮み過ぎているとの認識を行い、駆動用圧電素子Ｘ１２に対して、その縮みを少なくするような制御が必要になる。
【０１８４】
＜＜＜  §８．第４の実施形態に係る角速度センサ  ＞＞＞
これまで述べてきた実施形態は、いずれも振動子を１軸方向に振動させながら、当該振動軸に直交する２軸まわりの角速度を検出する２軸角速度センサに関するものであった。ここで述べる第４の実施形態および後述する第５の実施形態は、振動子を所定平面内で円運動させながら、所定タイミングでコリオリ力の検出を行い、３軸まわりの角速度を検出する３軸角速度センサに関するものである。
【０１８５】
この第４の実施形態に係る角速度センサの構造は、前述した第２の実施形態に係る角速度センサの構造と全く同じである。すなわち、図３３の平面図に示されているように、１２組の圧電素子を用いる。各圧電素子の役割も、第２の実施形態と全く同様である。すなわち、Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１の駆動用圧電素子Ｘ１１、Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２の駆動用圧電素子Ｙ１１、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３の駆動用圧電素子Ｘ１４、Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４の駆動用圧電素子Ｙ１４という４組の駆動用圧電素子によって、振動子１１０を駆動することになる。
【０１８６】
但し、駆動制御回路３０は、第１〜第４の駆動用圧電素子に対して、この順番でπ／２ずつ位相が遅れた交流駆動信号を供給することにより、振動子をＸＹ平面に沿って円運動させる。たとえば、図３５には、矩形波からなる交流電圧信号φ１１，φ１２，φ１３，φ１４を示す（もちろん、正弦波からなる交流電圧信号を用いてもかまわない）。このように、順にπ／２ずつ位相が遅れた交流電圧信号φ１１，φ１２，φ１３，φ１４を、それぞれ駆動用圧電素子Ｘ１１，Ｙ１１，Ｘ１４，Ｙ１４に供給すると、振動子をＸＹ平面に沿って円運動させることができる（振動子の重心Ｇが、ＸＹ平面に平行な平面内で円運動する）。
【０１８７】
このとき、Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のモニタ用圧電素子Ｘ１１Ｕ、Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２のモニタ用圧電素子Ｙ１１Ｕ、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３のモニタ用圧電素子Ｘ１４Ｕ、Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４のモニタ用圧電素子Ｙ１４Ｕの４組を用いたフィードバック制御が行われる。
【０１８８】
すなわち、駆動制御回路３０は、第１のモニタ用圧電素子Ｘ１１Ｕの発生電荷をフィードバック量として第１の駆動用圧電素子Ｘ１１に供給する交流電圧信号φ１１に対する制御を行い、第２のモニタ用圧電素子Ｙ１１Ｕの発生電荷をフィードバック量として第２の駆動用圧電素子Ｙ１１に供給する交流電圧信号φ１２に対する制御を行い、第３のモニタ用圧電素子Ｘ１４Ｕの発生電荷をフィードバック量として第３の駆動用圧電素子Ｘ１４に供給する交流電圧信号φ１３に対する制御を行い、第４のモニタ用圧電素子Ｙ１４Ｕの発生電荷をフィードバック量として第４の駆動用圧電素子Ｙ１４に供給する交流電圧信号φ１４に対する制御を行う。
【０１８９】
具体的には、これまで述べた実施形態と同様に、各モニタ用圧電素子から得られるモニタ電圧の全振幅が所定の基準振幅値に維持され、かつ、各モニタ電圧の平均電圧値が０に維持されるように、各交流電圧信号に対する制御を行えばよい。正しいフィードバック制御が行われれば、振動子１１０は、所定の半径をもった円軌道上を円運動することになる。
【０１９０】
一方、コリオリ力検出用圧電素子としては、Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１２、Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１２、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３のコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１３、Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１３が設けられている。
【０１９１】
角速度検出回路４０による角速度の検出動作は次のとおりである。まず、振動子がＹ軸方向に運動しているタイミング（振動子の円運動の接線成分がＹ軸を向いたタイミング）において第１のコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１２および第３のコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１３によって検出されたＸ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘ（両圧電素子から得られる電圧の差）をＺ軸まわりの角速度ωｚとして検出する。あるいは、振動子がＸ軸方向に運動しているタイミング（振動子の円運動の接線成分がＸ軸を向いたタイミング）において第２のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１２および第４のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１３によって検出されたＹ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙ（両圧電素子から得られる電圧の差）をＺ軸まわりの角速度ωｚとして検出することもできる。
【０１９２】
また、振動子がＹ軸方向に運動しているタイミングにおいて第１〜第４のコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１２，Ｙ１２，Ｘ１３，Ｙ１３によって検出されたＺ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚ（全圧電素子から得られる電圧の和）をＸ軸まわりの角速度ωｘとして検出し、振動子がＸ軸方向に運動しているタイミングにおいて第１〜第４のコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１２，Ｙ１２，Ｘ１３，Ｙ１３によって検出されたＺ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚ（全圧電素子から得られる電圧の和）をＹ軸まわりの角速度ωｙとして検出する。
【０１９３】
かくして、３軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚのすべてを検出することができる。この第４の実施形態においても、一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方をＩ字状圧電素子とし、他方をその近傍に配置されたＵ字状圧電素子とすることにより、両者を極めて近傍に配置している点は、第２の実施形態の場合と全く同様である。
【０１９４】
＜＜＜  §９．第５の実施形態に係る角速度センサ  ＞＞＞
図３６は、本発明の第５の実施形態に係る角速度センサを示す平面図である。この角速度センサにおける基本構造体１００も、既に§１で述べた構造体（図１の平面図および図２の側断面図参照）と全く同じものである。この角速度センサは、この基本構造体１００に８組の圧電素子（いずれも図１３に示す特性をもった圧電素子５０）を付加することにより構成されている。
【０１９５】
この図３６においても、各圧電素子の用途がハッチングの相違によって示されている。すなわち、内部を黒く塗りつぶした圧電素子は駆動用圧電素子であり、内部に斜線ハッチングを施した圧電素子はモニタ用圧電素子であり、内部にハッチングが施されていない圧電素子は、コリオリ力検出用圧電素子である。また、この実施形態においても、各圧電素子の下方電極は、図１５に示すような単一の導電層６３によって構成されており、接地電位に固定されている。
【０１９６】
各圧電素子の具体的な構成は、可撓性部材の上面を投影面としてＸ軸の正射影像となるＸ′軸およびＹ軸の正射影像となるＹ′軸を定義すれば、次のとおりである。すなわち、Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１の駆動用圧電素子Ｘ１１、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第２の駆動用圧電素子Ｘ１４、Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のモニタ用圧電素子Ｘ１１Ｕ、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第２のモニタ用圧電素子Ｘ１４Ｕ、Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１２、Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１２、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３のコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１３、Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１３である。
【０１９７】
図３７は、図３６に示す角速度センサの動作を説明するチャートである。この角速度センサの場合、駆動制御回路３０は、図３７(a) に示す交流電圧信号φ２１（第１の交流駆動信号）を第１の駆動用圧電素子Ｘ１１に供給し、図３７(b) に示す交流電圧信号φ２４（第１の交流駆動信号に対して位相がπ／２だけ遅れた第２の交流駆動信号）を第２の駆動用圧電素子Ｘ１４に供給する。すると、振動子をＸＺ平面に沿って円運動させることができる（振動子の重心Ｇが、ＸＺ平面内で円運動する）。なお、図３７では、矩形波を交流駆動信号として用いているが、正弦波を交流駆動信号として用いてもかまわない。
【０１９８】
このように、２組の駆動用圧電素子Ｘ１１，Ｘ１４と、２組の交流駆動信号のみを用いて、振動子を円運動させる動作態様は、非常にユニークなものである。このような動作態様によって、振動子がＸＺ平面に沿って円運動する理由は、図３７(c) の動作テーブルを参照すると理解できよう。動作テーブルの１行目には、交流電圧信号φ２１の符号が示され、２行目には、交流電圧信号φ２４の符号が示されている。そして、３行目には、これらの符号の組み合わせによる振動子の変位方向が示され、４行目には、当該変位方向に関連する参考図が示されている（変位が生じるまでの遅延時間ｄは考慮していない）。
【０１９９】
まず、第１の四半周期では、交流電圧信号φ２１が正、φ２４が負となるので、駆動用圧電素子Ｘ１１が伸び、Ｘ１４が縮むので、図８に示す変形状態が生じることになり、振動子は−Ｘ軸方向に変位する。続く第２の四半周期では、交流電圧信号φ２１が正、φ２４が正となるので、駆動用圧電素子Ｘ１１が伸び、Ｘ１４も伸びるので、図１２に示す変形状態が生じることになり、振動子は−Ｚ軸方向に変位する。次の第３の四半周期では、交流電圧信号φ２１が負、φ２４が正となるので、駆動用圧電素子Ｘ１１が縮み、Ｘ１４が伸びるので、図７に示す変形状態が生じることになり、振動子は＋Ｘ軸方向に変位する。最後の第４の四半周期では、交流電圧信号φ２１が負、φ２４が負となるので、駆動用圧電素子Ｘ１１が縮み、Ｘ１４も縮むので、図１１に示す変形状態が生じることになり、振動子は＋Ｚ軸方向に変位する。
【０２００】
結局、振動子の変位方向は、−Ｘ軸，−Ｚ軸，＋Ｘ軸，＋Ｚ軸と順に遷移してゆくことになる。そして、このような周期的な変位が連続することにより、振動子は、ＸＺ平面上で円運動を行うことになる。
【０２０１】
このとき、第１のモニタ用圧電素子Ｘ１１Ｕの発生電荷をフィードバック量として第１の駆動用圧電素子Ｘ１１に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第２のモニタ用圧電素子Ｘ１４Ｕの発生電荷をフィードバック量として第２の駆動用圧電素子Ｘ１４に供給する交流駆動信号に対する制御が行われる。すなわち、駆動制御回路３０は、第１のモニタ用圧電素子Ｘ１１Ｕの発生電荷をフィードバック量として第１の駆動用圧電素子Ｘ１１に供給する交流電圧信号φ２１に対する制御を行い、第２のモニタ用圧電素子Ｘ１４Ｕの発生電荷をフィードバック量として第２の駆動用圧電素子Ｘ１４に供給する交流電圧信号φ２４に対する制御を行う。
【０２０２】
具体的には、これまで述べた実施形態と同様に、各モニタ用圧電素子から得られるモニタ電圧の全振幅が所定の基準振幅値に維持され、かつ、各モニタ電圧の平均電圧値が０に維持されるように、各交流電圧信号に対する制御を行えばよい。正しいフィードバック制御が行われれば、振動子１１０は、所定の半径をもった円軌道上を円運動することになる。
【０２０３】
一方、コリオリ力検出用圧電素子としては、Ｘ′軸の正の領域上に配置された第１のコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１２、Ｙ′軸の正の領域上に配置された第２のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１２、Ｘ′軸の負の領域上に配置された第３のコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１３、Ｙ′軸の負の領域上に配置された第４のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１３が設けられている。
【０２０４】
角速度検出回路４０による角速度の検出動作は次のとおりである。まず、振動子がＺ軸方向に運動しているタイミング（振動子の円運動の接線成分がＺ軸を向いたタイミング）において第１のコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１２および第３のコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１３によって検出されたＸ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘ（両圧電素子から得られる電圧の差）をＹ軸まわりの角速度ωｙとして検出する。あるいは、振動子がＸ軸方向に運動しているタイミング（振動子の円運動の接線成分がＸ軸を向いたタイミング）において第１〜第４のコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１２，Ｙ１２，Ｘ１３，Ｙ１３によって検出されたＺ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚ（全圧電素子から得られる電圧の和）をＹ軸まわりの角速度ωｙとして検出することもできる。
【０２０５】
また、振動子がＺ軸方向に運動しているタイミングにおいて第２のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１２および第４のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１３によって検出されたＹ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙ（両圧電素子から得られる電圧の差）をＸ軸まわりの角速度ωｘとして検出し、振動子がＸ軸方向に運動しているタイミングにおいて第２のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１２および第４のコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１３によって検出されたＹ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙ（両圧電素子から得られる電圧の差）をＺ軸まわりの角速度ωｚとして検出する。
【０２０６】
かくして、３軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚのすべてを検出することができる。この第５の実施形態においても、図３６に示すとおり、圧電素子の配置パターンは、ＸＺ平面に対称、かつ、ＹＺ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されている。また、一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方をＩ字状圧電素子とし、他方をその近傍に配置されたＵ字状圧電素子とすることにより、両者を極めて近傍に配置している点も、第２の実施形態の場合と全く同様である。
【０２０７】
＜＜＜  §１０．いくつかの変形例  ＞＞＞
最後に、本発明のいくつかの変形例を述べておく。
【０２０８】
（１）板状構造体を用いた例
これまで述べた実施形態は、いずれも、可撓性をもった複数の架橋部１２１〜１２４によって可撓性部材を構成し、各架橋部の一方の端を振動子１１０に接続し、他方の端を固定部材１３０に固定した構造を有するものであったが、可撓性部材は必ずしも架橋部によって構成する必要はない。図３８は、本発明に係る角速度センサに利用可能な別な基本構造体２００の一例を示す平面図であり、図３９は、この基本構造体２００をＸ′軸に沿って切った側断面図である。図３８の平面図を見ればわかるとおり、この基本構造体２００は、全体的に円盤状をしており、その上面は平面となっている。
【０２０９】
図３９に示すように、この基本構造体２００は、振動子２１０と、この振動子の周囲を取り囲む形状をなし、可撓性をもった板状構造体２２０と、その周囲に位置する固定部材２３０とによって構成されている。ここでも、振動子２１０の重心Ｇの位置に原点ＯをもつＸＹＺ三次元座標系が定義されており、板状構造体２２０の上面を投影面としたＸ軸の正射影像となるＸ′軸とＹ軸の正射影像となるＹ′軸とが定義されている。振動子２１０は、円柱状の物体をなし、その周囲に厚みの薄いワッシャ状の板状構造体２２０が位置しており、この板状構造体２２０が振動子２１０を支持する可撓性部材として機能する。板状構造体２２０の外側部分は、固定部材２３０に固定されている。
【０２１０】
本発明に係る角速度センサは、これまで述べてきた各実施形態における基本構造体１００の代わりに、図３８および図３９に示す基本構造体２００を用いても構成することが可能である。もちろん、各圧電素子の配置は、これまで述べてきた実施形態と全く同様でよい。
【０２１１】
（２）モニタ用圧電素子と駆動用圧電素子との対応関係
これまで述べた実施形態では、特定のモニタ用圧電素子と特定の駆動用圧電素子とを１対１に対応させ、当該特定のモニタ用圧電素子から得られたモニタ電圧に基づいて、当該特定の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号を制御する形態をとっていた。しかしながら、モニタ用圧電素子と駆動用圧電素子との対応関係は、必ずしも１対１に定義する必要はない。
【０２１２】
たとえば、１つのモニタ用圧電素子に複数の駆動用圧電素子を対応させ、当該１つのモニタ用圧電素子から得られたモニタ電圧に基づいて、当該複数の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号を制御するようにしてもよい。逆に、複数のモニタ用圧電素子に同一の駆動用圧電素子を対応させ、当該複数のモニタ用圧電素子から得られたモニタ電圧に基づいて、当該１つの駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号を制御するようにしてもよい。後者の場合、複数のモニタ用圧電素子のモニタ電圧の全振幅の平均値（複数の素子についての平均値）が所定の基準振幅値に維持され、かつ、各モニタ電圧の平均電圧値（時間的な平均値）の平均値（複数の素子についての平均値）が０に維持されるように、対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うようにすればよい。
【０２１３】
（３）役割の交換
これまで述べた各実施形態に係る角速度センサでは、駆動用圧電素子、モニタ用圧電素子、コリオリ力検出用圧電素子という３種類の圧電素子が用いられるが、これらの圧電素子は、単に役割が異なるだけであり、物理的にはいずれも同一の圧電素子である。したがって、必要に応じて、役割を交換することも可能である。特に、互いに近傍に配置された一対の駆動用圧電素子とモニタ用圧電素子とは、相互に役割を交換しても、実質的なセンサの動作に変更は生じない。
【０２１４】
たとえば、互いに近傍位置に配置されたＩ字状圧電素子とＵ字状圧電素子とを設けた実施形態において、これまでの説明では、Ｉ字状圧電素子を駆動用圧電素子として用い、Ｕ字状圧電素子をモニタ用圧電素子として用いた例を述べたが、両者の役割を逆にしても何ら支障は生じない。もちろん、コリオリ力検出用圧電素子とモニタ用圧電素子との役割を交換することもできるし、コリオリ力検出用圧電素子と駆動用圧電素子との役割を交換することもできる。たとえば、図３３に示す例の場合、内部を黒く塗りつぶした圧電素子、内部に斜線ハッチングを施した圧電素子、内部にハッチングが施されていない圧電素子の３種類が設けられているが、この３種類のうち、どれをどの役割に割り当てても、実質的な動作に変わりはない。
【０２１５】
（４）圧電素子の分極特性
これまで述べた実施形態では、図１３に示すような分極特性をもつ圧電素子５０を用いた例を述べたが、これと逆の分極特性（上方電極５２を負、下方電極５３を正とする電圧印加を行うと伸び、上方電極５２を正、下方電極５３を負とする電圧印加を行うと縮む特性）をもった圧電素子を用いることも勿論可能である。その場合は、交流駆動信号の極性（位相）を逆にしたり、生じた電圧信号の符号の取り扱いを逆にしたりすればよい。
【０２１６】
（５）モニタ用ピエゾ抵抗素子を用いた例
これまで述べた実施形態では、振動子の運動をモニタするためにモニタ用圧電素子を設けていたが、圧電素子の代わりにピエゾ抵抗素子を用いて振動子の運動をモニタすることも可能である。図４０は、§４で述べた第１の実施形態に係る角速度センサにおけるモニタ用圧電素子Ｘ１２Ｕ，Ｘ１３Ｕの代わりに、４個のピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４を用いた変形例を示す側断面図である。
【０２１７】
図４０に示すＸ１１，Ｘ１４は、図２８に示されているコリオリ力検出用圧電素子Ｘ１１，Ｘ１４であり、図４０に示すＸ１２，Ｘ１３は、図２８に示されている駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３である。また、図４０には示されていないが、ここで述べる変形例に係るセンサは、図２８のＹ′軸上に配置されているコリオリ力検出用圧電素子Ｙ１１，Ｙ１４も備えている。ただ、ここで述べる変形例に係るセンサには、図２８に示すモニタ用圧電素子Ｘ１２Ｕ，Ｘ１３Ｕは設けられておらず、その代わりに、図４０に示すように、４個のピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４が設けられている。
【０２１８】
図４０に示すとおり、ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４は、それぞれ圧電素子Ｘ１１〜Ｘ１４の真下の位置に配置されている。ここに示す例では、基本構造体１００はｎ型シリコン基板によって構成されており、各ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４は、このｎ型シリコンから構成されている可撓性部材１２１，１２３の上面に形成されたｐ型の不純物層からなる。基本構造体１００の上面には絶縁膜１５０が形成されているが、これは各ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４と各圧電素子Ｘ１１〜Ｘ１４とを電気的に絶縁するためである。
【０２１９】
各ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４に対しては、図４１に示すような配線が施されている。すなわち、４個のピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４によってブリッジ回路が構成されており、直流電源Ｅｖからこのブリッジ回路に対して一定の電圧が印加されている。また、ブリッジ回路の下端は、所定の基準電圧Ｓｔ（この例では接地電位）に固定されている。この場合、各抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の電気抵抗の変化は、端子Ｔ１，Ｔ２間のブリッジ電圧Ｖｍの変化として検出できる。すなわち、各抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の電気抵抗が互いに等しい場合には、ブリッジ電圧Ｖｍ＝０であるが、可撓性部材１２１，１２３の上面が伸縮すると、ブリッジのバランスが崩れ、伸縮態様に応じて、ブリッジ電圧Ｖｍは正または負の値をとる。
【０２２０】
たとえば、振動子１１０がＺ軸正方向に変位すると、抵抗素子Ｒ１，Ｒ４は長手方向（電流路方向）に関して縮むため電気抵抗が減少し、抵抗素子Ｒ２，Ｒ３は長手方向（電流路方向）に関して伸びるため電気抵抗が増加する。その結果、端子Ｔ１の電位Ｖt1と端子Ｔ２の電位Ｖt2との関係はＶt2＞Ｖt1になる。逆に、振動子１１０がＺ軸負方向に変位すると、抵抗素子Ｒ１，Ｒ４は長手方向（電流路方向）に関して伸びるため電気抵抗が増加し、抵抗素子Ｒ２，Ｒ３は長手方向（電流路方向）に関して縮むため電気抵抗が減少する。その結果、端子Ｔ１の電位Ｖt1と端子Ｔ２の電位Ｖt2との関係はＶt1＞Ｖt2になる。振動子１１０の変位が大きければ大きいほど、Ｖt1とＶt2との差は大きくなる。したがって、ブリッジ電圧Ｖｍの極性は、振動子１１０の変位方向（Ｚ軸正方向か負方向か）を示し、ブリッジ電圧Ｖｍの絶対値は、振動子１１０の変位の絶対値を示すことになるので、ブリッジ電圧Ｖｍは、振動子１１０の運動をモニタするためのモニタ電圧として利用することができる。
【０２２１】
振動子の運動をモニタするためのモニタ用素子として、圧電素子ではなく、ピエゾ抵抗素子を用いる利点は、圧電素子では振動子の静的位置の検出を行うことができないのに対して、ピエゾ抵抗素子では振動子の静的位置の検出が可能になる点である。すなわち、図４１に示す回路のブリッジ電圧として得られるモニタ電圧Ｖｍは、振動子のＺ軸方向に関する位置に対応した値になるので、振動子の位置を直接的に把握することが可能になる。
【０２２２】
振動子に対するフィードバック制御の方法は、これまで述べてきた実施形態と同様である。すなわち、振動子の全振幅を一定に維持するには、モニタ電圧Ｖｍの全振幅が一定になるようなフィードバック制御を行えばよい。具体的には、モニタ電圧Ｖｍの全振幅を所定の基準振幅値と比較し、基準振幅値よりも大きい場合には、駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３に供給する交流駆動信号の全振幅を小さくし、基準振幅値よりも小さい場合には、交流駆動信号の全振幅を大きくする制御を行えばよい。一方、振動子の振動中心位置を一定に維持するには、モニタ電圧Ｖｍの平均電圧値が０になるようなフィードバック制御を行えばよい。具体的には、モニタ電圧Ｖｍの平均電圧値が第１の極性を示している場合には、駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３に供給する交流駆動信号の奇数番目の半周期の振幅を偶数番目の半周期の振幅に比べて大きくするような制御を行い、モニタ電圧Ｖｍの平均電圧値が第２の極性を示している場合には、駆動用圧電素子Ｘ１２，Ｘ１３に供給する交流駆動信号の奇数番目の半周期の振幅を偶数番目の半周期の振幅に比べて小さくするような制御を行うようにすればよい。
【０２２３】
以上、§４で述べた第１の実施形態に係る角速度センサについて、モニタ用圧電素子の代わりにモニタ用ピエゾ抵抗素子を用いる変形例を述べたが、もちろん、その他の実施形態に係る角速度センサについても、モニタ用圧電素子の代わりにモニタ用ピエゾ抵抗素子を用いることが可能である。
【０２２４】
要するに、この変形例では、モニタ用ピエゾ抵抗素子の電気抵抗に基づいて、振動子の周期的運動が、予め設定された基準運動に維持されるようなフィードバック制御が行われるようにすればよい。特に、図４１に示すように、振動子が特定方向に変位したときに電気抵抗が増加する一対のピエゾ抵抗素子を対辺とし、振動子が上記特定方向に変位したときに電気抵抗が減少する一対のピエゾ抵抗素子を別な対辺とするブリッジ回路を形成しておけば、駆動制御回路は、このブリッジ回路のブリッジ電圧Ｖｍの全振幅が所定の基準振幅値に維持されるように、また、ブリッジ電圧Ｖｍの平均値が所定の基準値に維持されるように、駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０２２５】
【図１】本発明に係る圧電素子を用いた角速度センサの基本構造体１００の一例を示す平面図である。
【図２】図１に示す基本構造体１００を切断線２−２に沿って切った側断面図である。
【図３】図２に示す基本構造体１００の振動子１１０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した状態を示す側断面図である。
【図４】図２に示す基本構造体１００の振動子１１０にＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用した状態を示す側断面図である。
【図５】図２に示す基本構造体１００の振動子１１０にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した状態を示す側断面図である。
【図６】図２に示す基本構造体１００の振動子１１０にＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用した状態を示す側断面図である。
【図７】図１に示す基本構造体１００の振動子１１０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの各可撓性部材１２１〜１２４の上面の伸縮状態を示す平面図である。
【図８】図１に示す基本構造体１００の振動子１１０にＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用したときの各可撓性部材１２１〜１２４の上面の伸縮状態を示す平面図である。
【図９】図１に示す基本構造体１００の振動子１１０にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときの各可撓性部材１２１〜１２４の上面の伸縮状態を示す平面図である。
【図１０】図１に示す基本構造体１００の振動子１１０にＹ軸負方向の力−Ｆｙが作用したときの各可撓性部材１２１〜１２４の上面の伸縮状態を示す平面図である。
【図１１】図１に示す基本構造体１００の振動子１１０にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの各可撓性部材１２１〜１２４の上面の伸縮状態を示す平面図である。
【図１２】図１に示す基本構造体１００の振動子１１０にＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの各可撓性部材１２１〜１２４の上面の伸縮状態を示す平面図である。
【図１３】本発明に係る角速度センサに利用される圧電素子の構造とその特性を示す側断面図である。
【図１４】図１および図２に示す基本構造体１００の上面に、図１３に示す圧電素子５０を配置した状態を示す側断面図である。
【図１５】図１４に示す各圧電素子の下方電極を単一の導電層６３に置き換えた変形例を示す側断面図である。
【図１６】図１に示す基本構造体１００の各可撓性部材１２１〜１２４の上面に複数の圧電素子を配置した状態を示す平面図である。
【図１７】図１に示す基本構造体１００を用いて設計された角速度センサの一例を示す平面図である。
【図１８】図１７に示す角速度センサに対して供給する交流電圧信号φ１と、これによって生じる振動子１１０の変位を示すグラフである。
【図１９】図１７に示す角速度センサに対して供給する互いに逆位相の交流電圧信号φ１，φ２を示すグラフである。
【図２０】図１７に示す角速度センサに重力加速度αｇが加わった状態を示す側断面図である。
【図２１】図１７に示す角速度センサを転置した場合に重力加速度αｇが加わった状態を示す側断面図である。
【図２２】図２０に示す重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサにおいて、供給する交流電圧信号φ１と振動子１１０の変位との関係を示すグラフである。
【図２３】図２１に示す重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサにおいて、供給する交流電圧信号φ１と振動子１１０の変位との関係を示すグラフである。
【図２４】図２０に示す重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサに対して供給する交流電圧信号φ１の振幅制御方法と、そのときの振動子１１０の変位を示すグラフである。
【図２５】図２１に示す重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサに対して供給する交流電圧信号φ１の振幅制御方法と、そのときの振動子１１０の変位を示すグラフである。
【図２６】図２０もしくは図２１に示す重力加速度αｇの影響を受けている角速度センサに対して供給する交流電圧信号φ１に印加するオフセット電圧の制御方法を示すグラフである。
【図２７】図１７に示す角速度センサに対して供給する矩形波状の交流電圧信号φ１と、その電圧制御方法を示すグラフである。
【図２８】本発明の第１の実施形態に係る角速度センサを示す平面図である（ハッチングは、圧電素子の用途を示す）。
【図２９】図２８に示す角速度センサの一部分（圧電素子Ｘ１２，Ｘ１２Ｕの部分）を拡大して示す拡大平面図である。
【図３０】図２８に示す角速度センサに用いる信号処理回路の一例を示す回路図である。
【図３１】図３０に示す回路におけるモニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）の変動の一例を示すグラフである。
【図３２】図３０に示す回路におけるモニタ電圧Ｖ（Ｘ１２）の変動の別な一例を示すグラフである。
【図３３】本発明の第２の実施形態に係る角速度センサを示す平面図である（ハッチングは、圧電素子の用途を示す）。
【図３４】本発明の第３の実施形態に係る角速度センサを示す平面図である（ハッチングは、圧電素子の用途を示す）。
【図３５】本発明の第４の実施形態に係る角速度センサに供給する交流電圧信号φ１１〜φ１４を示すグラフである。
【図３６】本発明の第５の実施形態に係る角速度センサを示す平面図である（ハッチングは、圧電素子の用途を示す）。
【図３７】図３６に示す角速度センサの動作を説明するチャートである。
【図３８】本発明に係る圧電素子を用いた角速度センサに利用可能な別な基本構造体２００の一例を示す平面図である。
【図３９】図３８に示す基本構造体２００をＸ′軸に沿って切った側断面図である。
【図４０】モニタ用ピエゾ抵抗素子を用いた変形例に係る角速度センサを示す側断面図である。
【図４１】図４０に示す変形例に用いるモニタ回路を示す回路図である。
【符号の説明】
【０２２６】
２１，２２：差分回路
３０：駆動制御回路
３１：交流信号源
４０：角速度検出回路
５０：圧電素子
５１：圧電素子本体部
５２：上方電極
５３：下方電極
６０：圧電素子
６３：単一の導電層
１００：角速度センサの基本構造体
１１０：振動子
１２１〜１２４：架橋部（可撓性部材）
１３０：固定部材
１５０：絶縁膜
２００：角速度センサの基本構造体
２１０：振動子
２２０：可撓性部材
２３０：固定部材
Ａ，Ａ１，Ａ２：振動の振幅（半振幅）
Ａｍ１，Ａｍ２：モニタ電圧の振幅（半振幅）
ｄ：位相差／遅延時間
Ｅ：エッジ部
Ｅｖ：直流電源
＋Ｆｘ，−Ｆｘ：Ｘ軸方向に作用する力
＋Ｆｙ，−Ｆｙ：Ｙ軸方向に作用する力
＋Ｆｚ，−Ｆｚ：Ｚ軸方向に作用する力
Ｇ：振動子の重心
Ｈ１〜Ｈ４：開口部
Ｌ，Ｌ＋，Ｌ−：振動中心位置／振動中心レベル
Ｒ１〜Ｒ４：ピエゾ抵抗素子
Ｓｔ：基準電圧
ｔ：時間
Ｔ１，Ｔ２：端子
Ｖ，Ｖｘ，Ｖｙ：電圧値
Ｖ（＋），Ｖ（−）：モニタ電圧の平均電圧値
Ｖｍ：モニタ電圧
Ｖｐ：ピーク電圧
Ｘ，Ｙ，Ｚ：座標軸
Ｘ′，Ｙ′：各座標軸の正射影像
Ｘ１１〜Ｘ１４：Ｘ′軸上に配置された圧電素子
Ｘ１１Ｕ〜Ｘ１４Ｕ：Ｘ′軸上に配置されたＵ字状圧電素子
Ｘ１２Ｕａ，Ｘ１２Ｕｂ：Ｕ字状圧電素子の一部（並伸部）
Ｘ１２Ｕｃ：Ｕ字状圧電素子の一部（接続部）
Ｙ１１Ｕ，Ｙ１４Ｕ：Ｙ′軸上に配置されたＵ字状圧電素子
αｇ：重力加速度
ΔＶ：オフセット電圧
φ，φ１，φ２，φ１１〜φ１４，φ２１，φ２２：交流電圧信号
ωｘ，ωｙ，ωｚ：角速度
【図２】
0005202009.tif 000002
【図３】
0005202009.tif 000003
【図４】
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【図５】
0005202009.tif 000005
【図６】
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【図７】
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【図８】
0005202009.tif 000008
【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】
0005202009.tif 000020
【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】
0005202009.tif 000029
【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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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図１】
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