(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の軸方向に振動中の振動子に対して、前記第１の軸に直交する第２の軸方向に作用するコリオリ力を検出することにより、前記第１の軸および前記第２の軸の双方に直交する第３の軸まわりの角速度を求める角速度センサであって、
センサを構成する要素の一部もしくは全部を収容する装置筐体と、
前記装置筐体内に収容された振動子と、
前記第１の軸方向に振動することができ、かつ、前記第２の軸方向のコリオリ力の作用により変位することができるように、前記振動子を前記装置筐体に対して所定の自由度をもって支持する支持手段と、
前記振動子を前記第１の軸方向に、所定の周期φで振動させる駆動手段と、
前記振動子側に形成された変位電極と、前記装置筐体側に形成された固定電極と、を有し、前記第２の軸の正方向を向いたコリオリ力が作用したとき、前記振動子の当該コリオリ力の作用に起因する変位により静電容量値が小さくなり、前記第２の軸の負方向を向いたコリオリ力が作用したとき、前記振動子の当該コリオリ力の作用に起因する変位により静電容量値が大きくなるように配置された第１の容量素子と、
前記振動子側に形成された変位電極と、前記装置筐体側に形成された固定電極と、を有し、前記第２の軸の正方向を向いたコリオリ力が作用したとき、前記振動子の当該コリオリ力の作用に起因する変位により静電容量値が大きくなり、前記第２の軸の負方向を向いたコリオリ力が作用したとき、前記振動子の当該コリオリ力の作用に起因する変位により静電容量値が小さくなるように配置された第２の容量素子と、
前記第１の容量素子の静電容量値に起因して遅延時間が定まる第１の遅延回路と、
前記第２の容量素子の静電容量値に起因して遅延時間が定まる第２の遅延回路と、
前記周期φをもった第１の周期信号を発生し、この第１の周期信号を前記第１の遅延回路に与える第１の信号供給回路と、
前記周期φをもった第２の周期信号を発生し、この第２の周期信号を前記第２の遅延回路に与える第２の信号供給回路と、
前記第１の遅延回路から出力される第１の遅延信号と、前記第２の遅延回路から出力される第２の遅延信号と、の位相差を示す位相差信号を生成する位相差検出回路と、
前記位相差信号を前記周期φの半分に相当する周期φ／２ごとの期間に区切り、奇数番目の期間に示された位相差および偶数番目の期間に示された位相差の少なくとも一方に基づいて第３の軸まわりの角速度を検出する角速度検出回路と、
を備えることを特徴とする振動子を用いた角速度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
第２の容量素子として、振動子側に形成された変位電極と、装置筐体側に形成された固定電極と、を有する可変容量素子を用いる代わりに、所定の固定容量をもった固定容量素子を用いるようにしたことを特徴とする振動子を用いた角速度センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の角速度センサにおいて、
角速度検出回路が、奇数番目の期間に示された位相差と偶数番目の期間に示された位相差との差に基づいて角速度を検出することを特徴とする振動子を用いた角速度センサ。
【請求項４】
請求項１または２に記載の角速度センサにおいて、
位相差検出回路が、第１の遅延信号と第２の遅延信号との排他的論理和を求める第１の論理素子により位相差検出を行い、この第１の論理素子が出力する位相差信号のパルス幅によって位相差を示すようにし、
角速度検出回路が、周期φをもった第３の周期信号を発生する第３の信号供給回路と、この第３の周期信号と前記位相差信号との論理積を求める第２の論理素子と、を有し、この第２の論理素子により、前記位相差信号の奇数番目のパルスと偶数番目のパルスとを分離し、前記奇数番目のパルスのパルス幅および前記偶数番目のパルスのパルス幅の少なくとも一方に基づいて角速度を検出することを特徴とする振動子を用いた角速度センサ。
【請求項５】
請求項１または２に記載の角速度センサにおいて、
位相差検出回路が、第１の遅延信号と第２の遅延信号との排他的論理和を求める第１の論理素子により位相差検出を行い、この第１の論理素子が出力する位相差信号のパルス幅によって位相差を示すようにし、
角速度検出回路が、周期φをもった第３の周期信号を発生する第３の信号供給回路と、この第３の周期信号に対して論理反転状態にある第４の周期信号を発生する第４の信号供給回路と、前記第３の周期信号と前記位相差信号との論理積を求める第２の論理素子と、前記位相差信号に対して論理反転状態にある反転位相差信号を発生する第３の論理素子と、前記第４の周期信号と前記反転位相差信号との論理積を求める第４の論理素子と、前記第２の論理素子の出力信号と前記第４の論理素子の出力信号との論理和を求める第５の論理素子と、を有し、前記第５の論理素子の出力信号のパルス幅に基づいて角速度を検出することを特徴とする振動子を用いた角速度センサ。
【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２の信号供給回路が、第１の信号供給回路が発生する第１の周期信号に対して所定の位相差ｐをもった第２の周期信号を発生させ、
角速度検出回路が、コリオリ力が作用していない状態における位相差を基準値として定義し、実際に検出された位相差が前記基準値より大きい場合には、その差分を第１の回転方向に関する角速度として出力し、実際に検出された位相差が前記基準値より小さい場合には、その差分を、前記第１の回転方向とは逆の第２の回転方向に関する角速度として出力することを特徴とする振動子を用いた角速度センサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
駆動手段に、振動子側に形成された変位電極と装置筐体側に形成された固定電極とからなる駆動用容量素子と、この駆動用容量素子に対して周期φの交流駆動信号を供給する駆動信号供給回路と、を設け、前記駆動用容量素子内に作用するクーロン力により振動子を振動させることを特徴とする振動子を用いた角速度センサ。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
振動子の少なくとも一部を磁性材料によって構成し、
駆動手段に、前記振動子の磁性材料部分に作用する磁場を発生させる磁場発生部と、この磁場発生部に周期φの交流信号を供給する駆動信号供給回路と、を設け、前記磁場発生部に前記交流信号に基づいた周期的磁場を発生させて振動子を振動させることを特徴とする振動子を用いた角速度センサ。
【請求項９】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
一部分が装置筐体に固定され、かつ、一部分に振動子が固定された可撓性をもった変位基板によって支持手段を構成し、
前記変位基板に対向するように、前記装置筐体に固定基板を設け、前記変位基板上に形成された変位電極と、前記固定基板上に形成された固定電極と、によって容量素子を構成するようにしたことを特徴とする振動子を用いた角速度センサ。
【請求項１０】
請求項９に記載の角速度センサにおいて、
変位基板に垂直で、かつ、振動子の重心と第３の軸方向とを含む平面を定義し、この平面に対して第１の側に第１の容量素子を形成し、この平面に対して前記第１の側とは逆の第２の側に第２の容量素子を形成したことを特徴とする振動子を用いた角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は振動子を用いた角速度センサに関し、特に、振動子に作用するコリオリ力を容量素子の静電容量の変化に基づいて検出する角速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車産業や機械産業などでは、運動する物体の加速度や角速度を正確に検出できるセンサの需要が高まっている。一般に、三次元空間内において自由運動する物体には、任意の向きの加速度および任意の回転方向の角速度が作用する。このため、この物体の運動を正確に把握するためには、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸方向ごとの加速度と各座標軸まわりの角速度とを独立して検出する必要がある。
【０００３】
角速度を検出するためのセンサとしては、振動子を用いた角速度センサが注目を集めている。この振動子を用いた角速度センサの基本原理は、互いに直交する３軸について、第１の軸方向に振動子を振動させた状態において、第２の軸方向に作用するコリオリ力を検出することにより、第３の軸まわりの角速度を求めるものである。これは、第１の方向に移動中の物体に対して、第３の軸まわりの角速度が作用すると、第２の軸方向にコリオリ力が作用するという物理現象を利用したものである。この第２の軸方向のコリオリ力を検出すれば、第３の軸まわりの角速度を間接的に求めることができる。
【０００４】
このような原理に基づく角速度センサとして、たとえば、特許協力条約に基づく国際公開第ＷＯ９４／２３２７２号公報には、コリオリ力を容量素子の静電容量の変化に基づいて検出することにより、二軸もしくは三軸まわりの角速度を検出することができる多軸角速度センサが開示されている。このセンサは、コリオリ力が作用すると、容量素子の電極間隔に変化が生じるような構造を有し、容量素子の静電容量の変化をモニタすることにより、作用した角速度を検出することが可能になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
振動子に作用するコリオリ力を、静電容量素子を利用して検出する上述の角速度センサは、本体部分の機械的構造が比較的単純になるため、大量生産に適し、かなり低コストでの商業利用が見込まれている。しかしながら、本体部分の構造に比べ、信号処理回路部分の単純化は不十分であり、実用化する上でのコスト低下を阻んでいる。すなわち、この種の角速度センサでは、容量素子の静電容量の変化を何らかの電気信号として取り出す信号処理が不可欠であるが、このような信号処理を行うためのアナログ回路はいくつか提案されているものの、回路構成はかなり複雑なものにならざるを得ない。
【０００６】
また、デジタル信号を用いた制御技術が一般化している今日では、角速度センサからの信号を利用する形態としても、デジタル信号としての利用形態が主流になってきており、デジタル信号としての利用に適した単純な信号処理回路の実現が望まれている。
【０００７】
そこで本発明は、単純で効率的な信号処理回路をもった、振動子を用いた角速度センサを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
(1)   本発明の第１の態様は、第１の軸方向に振動中の振動子に対して、この第１の軸に直交する第２の軸方向に作用するコリオリ力を検出することにより、第１の軸および第２の軸の双方に直交する第３の軸まわりの角速度を求める角速度センサにおいて、
センサを構成する要素の一部もしくは全部を収容する装置筐体と、
装置筐体内に収容された振動子と、
第１の軸方向に振動することができ、かつ、第２の軸方向のコリオリ力の作用により傾斜することができるように、振動子を装置筐体に対して所定の自由度をもって支持する支持手段と、
振動子を第１の軸方向に、所定の周期φで振動させる駆動手段と、
振動子側に形成された変位電極と、装置筐体側に形成された固定電極と、を有し、第２の軸の正方向を向いたコリオリ力が作用したとき、振動子の傾斜により電極間隔が小さくなり、第２の軸の負方向を向いたコリオリ力が作用したとき、振動子の傾斜により電極間隔が大きくなるように配置された第１の容量素子と、
振動子側に形成された変位電極と、装置筐体側に形成された固定電極と、を有し、第２の軸の正方向を向いたコリオリ力が作用したとき、振動子の傾斜により電極間隔が大きくなり、第２の軸の負方向を向いたコリオリ力が作用したとき、振動子の傾斜により電極間隔が小さくなるように配置された第２の容量素子と、
第１の容量素子と抵抗素子とを組み合わせてなる第１の遅延回路と、
第２の容量素子と抵抗素子とを組み合わせてなる第２の遅延回路と、
周期φをもった第１の周期信号を発生し、この第１の周期信号を第１の遅延回路に与える第１の信号供給回路と、
周期φをもち、第１の周期信号に対して所定の位相差ｐをもった第２の周期信号を発生し、この第２の周期信号を第２の遅延回路に与える第２の信号供給回路と、
第１の遅延回路から出力される第１の遅延信号と、第２の遅延回路から出力される第２の遅延信号と、の位相差を示す位相差信号を生成する位相差検出回路と、
この位相差信号を上記周期φの半分に相当する周期φ／２ごとの期間に区切り、奇数番目の期間に示された位相差および偶数番目の期間に示された位相差の少なくとも一方に基づいて第３の軸まわりの角速度を検出する角速度検出回路と、
を設けたものである。
【０００９】
(2)   本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る振動子を用いた角速度センサにおいて、
第２の容量素子として、振動子側に形成された変位電極と、装置筐体側に形成された固定電極と、を有する可変容量素子を用いる代わりに、所定の固定容量をもった固定容量素子を用いるようにしたものである。
【００１０】
(3)   本発明の第３の態様は、上述の第１または第２の態様に係る振動子を用いた角速度センサにおいて、
角速度検出回路が、奇数番目の期間に示された位相差と偶数番目の期間に示された位相差との差に基づいて角速度を検出するようにしたものである。
【００１１】
(4)   本発明の第４の態様は、上述の第１または第２の態様に係る振動子を用いた角速度センサにおいて、
位相差検出回路が、第１の遅延信号と第２の遅延信号との排他的論理和を求める第１の論理素子により位相差検出を行い、この第１の論理素子が出力する位相差信号のパルス幅によって位相差を示すようにし、
角速度検出回路が、周期φをもった第３の周期信号を発生する第３の信号供給回路と、この第３の周期信号と位相差信号との論理積を求める第２の論理素子と、を有し、この第２の論理素子により、位相差信号の奇数番目のパルスと偶数番目のパルスとを分離し、奇数番目のパルスのパルス幅および偶数番目のパルスのパルス幅の少なくとも一方に基づいて角速度を検出するようにしたものである。
【００１２】
(5)   本発明の第５の態様は、上述の第１または第２の態様に係る振動子を用いた角速度センサにおいて、
位相差検出回路が、第１の遅延信号と第２の遅延信号との排他的論理和を求める第１の論理素子により位相差検出を行い、この第１の論理素子が出力する位相差信号のパルス幅によって位相差を示すようにし、
角速度検出回路が、周期φをもった第３の周期信号を発生する第３の信号供給回路と、この第３の周期信号に対して論理反転状態にある第４の周期信号を発生する第４の信号供給回路と、第３の周期信号と位相差信号との論理積を求める第２の論理素子と、位相差信号に対して論理反転状態にある反転位相差信号を発生する第３の論理素子と、第４の周期信号と反転位相差信号との論理積を求める第４の論理素子と、第２の論理素子の出力信号と第４の論理素子の出力信号との論理和を求める第５の論理素子と、を有し、第５の論理素子の出力信号のパルス幅に基づいて角速度を検出するようにしたものである。
【００１３】
(6)   本発明の第６の態様は、上述の第１〜第５の態様に係る振動子を用いた角速度センサにおいて、
第２の信号供給回路が、第１の信号供給回路が発生する第１の周期信号に対して所定の位相差ｐをもった第２の周期信号を発生させ、
角速度検出回路が、コリオリ力が作用していない状態における位相差を基準値として定義し、実際に検出された位相差が基準値より大きい場合には、その差分を第１の回転方向に関する角速度として出力し、実際に検出された位相差が基準値より小さい場合には、その差分を、第１の回転方向とは逆の第２の回転方向に関する角速度として出力するようにしたものである。
【００１４】
(7)   本発明の第７の態様は、上述の第１〜第６の態様に係る振動子を用いた角速度センサにおいて、
駆動手段に、振動子側に形成された変位電極と装置筐体側に形成された固定電極とからなる駆動用容量素子と、この駆動用容量素子に対して周期φの交流駆動信号を供給する駆動信号供給回路と、を設け、駆動用容量素子内に作用するクーロン力により振動子を振動させるようにしたものである。
【００１５】
(8)   本発明の第８の態様は、上述の第１〜第６の態様に係る振動子を用いた角速度センサにおいて、
振動子の少なくとも一部を磁性材料によって構成し、
駆動手段に、振動子の磁性材料部分に作用する磁場を発生させる磁場発生部と、この磁場発生部に周期φの交流信号を供給する駆動信号供給回路と、を設け、磁場発生部に交流信号に基づいた周期的磁場を発生させて振動子を振動させるようにしたものである。
【００１６】
(9)   本発明の第９の態様は、上述の第１の態様に係る振動子を用いた角速度センサにおいて、
一部分が装置筐体に固定され、かつ、一部分に振動子が固定された可撓性をもった変位基板によって支持手段を構成し、
この変位基板に対向するように、装置筐体に固定基板を設け、変位基板上に形成された変位電極と、固定基板上に形成された固定電極と、によって容量素子を構成するようにしたものである。
【００１７】
(10)  本発明の第１０の態様は、上述の第９の態様に係る振動子を用いた角速度センサにおいて、
変位基板に垂直で、かつ、振動子の重心と第３の軸方向とを含む平面を定義し、この平面に対して第１の側に第１の容量素子を形成し、この平面に対して第１の側とは逆の第２の側に第２の容量素子を形成するようにしたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００１９】
§１．  センサ本体部の基本構造
図１は、本発明の一実施形態に係る角速度センサのセンサ本体部の基本構造を示す側断面図である。この角速度センサには、この図１に示すセンサ本体部の他に、信号処理回路が必要であるが、信号処理回路の構成については後述する。
【００２０】
図１に示すように、変位基板１１０と固定基板１２０とは、互いに所定間隔を保って対向するように配置されており、変位基板１１０の下面には、所定の質量をもった振動子１３０が固着されている。ここに示す例では、変位基板１１０および固定基板１２０は、いずれも円盤状の基板であり、その周囲部分が装置筐体１４０によって固定されている。また、変位基板１１０の下面に固着された振動子１３０は、この実施形態では、円柱状の錘りである。一方、装置筐体１４０は、円筒状の構造体であり、変位基板１１０の外周部および固定基板１２０の外周部は、この装置筐体１４０の内周部に固着されている。
【００２１】
ここでは、説明の便宜上、静止状態の振動子１３０の重心Ｇの位置に原点Ｏを定義し、図の右方にＸ軸、紙面に垂直な方向にＹ軸、図の上方にＺ軸をとったＸＹＺ三次元座標系を考えることにする。変位基板１１０は、可撓性を有しており、いわゆるダイヤフラムとして機能する基板であり、外力を加えることにより、振動子１３０をＺ軸方向に振動させることができる。これに対して、固定基板１２０は剛性を有し、外力が作用しても実質的な撓みは生じない。変位基板１１０と固定基板１２０とは、いずれもＸＹ平面に平行になるように支持されており、外力が作用しない状態では、両基板は互いに平行になる。
【００２２】
変位基板１１０の上面には、図２の上面図に示されているように、５枚の電極Ｅ１１〜Ｅ１５が形成されている。電極Ｅ１１，Ｅ１２はいずれもＸ軸に関して線対称の同一形状を有し、両者は互いにＹ軸に関して線対称となる位置に配置されている。一方、電極Ｅ１３，Ｅ１４はいずれもＹ軸に関して線対称の同一形状を有し、両者は互いにＸ軸に関して線対称となる位置に配置されている。また、電極Ｅ１５は、その中心がＺ軸上に位置する円盤状の電極である。この５枚の電極Ｅ１１〜Ｅ１５は、変位基板１１０とともに変位する電極であり、以下、変位電極と呼ぶことにする。
【００２３】
一方、固定基板１２０の下面には、図３の下面図に示されているように、５枚の電極Ｅ２１〜Ｅ２５が形成されている。これらの電極は固定基板１２０側に固定された電極であるため、以下、固定電極と呼ぶ。５枚の固定電極Ｅ２１〜Ｅ２５は、それぞれ５枚の変位電極Ｅ１１〜Ｅ２５と同じ形状の電極であり、各変位電極に対して鏡像関係の位置に配置されている。したがって、変位電極Ｅ１１〜Ｅ１５とこれに対向する固定電極Ｅ２１〜Ｅ２５とによって、５組の容量素子が形成されることになる。ここでは、電極対Ｅ１１，Ｅ２１からなる容量素子を第１の容量素子Ｃ１と呼び、電極対Ｅ１２，Ｅ２２からなる容量素子を第２の容量素子Ｃ２と呼び、電極対Ｅ１３，Ｅ２３からなる容量素子を第３の容量素子Ｃ３と呼び、電極対Ｅ１４，Ｅ２４からなる容量素子を第４の容量素子Ｃ４と呼び、電極対Ｅ１５，Ｅ２５からなる容量素子を第５の容量素子Ｃ５と呼ぶことにする。
【００２４】
§２．  角速度の検出原理
ここで述べる実施形態の角速度センサは、装置全体に作用するＸ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｙとを同時に検出することができる二軸角速度センサである。たとえば、振動子１３０をＺ軸方向に振動させた状態において、この装置筐体１４０に対してＹ軸まわりの角速度ωｙが作用すると、Ｘ軸方向にコリオリ力Ｆｘが作用する（振動子１３０の質量をｍ、速度をＶｚとすると、作用するコリオリ力Ｆｘは、Ｆｘ＝２・ｍ・Ｖｚ・ωｙとなる）。したがって、このコリオリ力Ｆｘを検出することができれば、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを間接的に求めることができる。Ｘ軸上に配置された第１の容量素子Ｃ１と第２の容量素子Ｃ２とは、このＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを検出する機能を有する。ここで、ＹＺ平面（変位基板１１０に垂直で、かつ、振動子１３０の重心ＧとＹ軸とを含む平面）を考えると、第１の容量素子Ｃ１は、このＹＺ平面の第１の側に位置し、第２の容量素子Ｃ２は、このＹＺ平面の第２の側に位置する。このように、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｘを効率良く検出するためには、ＹＺ平面のそれぞれ反対側に、かつ対称となる位置に配置された一対の容量素子Ｃ１，Ｃ２を用いるのが好ましい。
【００２５】
また、振動子１３０をＺ軸方向に振動させた状態において、装置筐体１４０に対してＸ軸まわりの角速度ωｘが作用すると、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆｙが作用する。したがって、このコリオリ力Ｆｙを検出することができれば、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを間接的に求めることができる。Ｙ軸上に配置された第３の容量素子Ｃ３と第４の容量素子Ｃ４とは、このＹ軸方向のコリオリ力Ｆｙを検出する機能を有する。ここで、ＸＺ平面（変位基板１１０に垂直で、かつ、振動子１３０の重心ＧとＸ軸とを含む平面）を考えると、第３の容量素子Ｃ３は、このＸＺ平面の第１の側に位置し、第４の容量素子Ｃ４は、このＸＺ平面の第２の側に位置する。このように、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙを効率良く検出するためには、ＸＺ平面のそれぞれ反対側に、かつ対称となる位置に配置された一対の容量素子Ｃ３，Ｃ４を用いるのが好ましい。
【００２６】
上述したように、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４はいずれもコリオリ力の検出に用いられる検出用容量素子であるのに対し、第５の容量素子Ｃ５は振動子１３０をＺ軸方向に振動させるために用いられる駆動用容量素子である。ここでは、この駆動用容量素子Ｃ５を用いて、振動子１３０を振動させる原理を説明しよう。いま、図４の側断面図に示すように、変位電極Ｅ１５に正電荷を供給し、固定電極Ｅ２５に負電荷を供給した場合を考えよう（電荷の極性をそれぞれ逆にしてもよい）。このように、対向する一対の電極にそれぞれ異なる電荷を供給すると、両者間にクーロン力が作用し、両電極間に引力が働くことになる。ここで、固定基板１２０は剛性をもった基板であるのに対し、変位基板１１０は可撓性をもった基板であるため、このクーロン引力により、図４に示されているように、変位基板１１０が撓み（弾性変形）を生じ、変位電極Ｅ１５が固定電極Ｅ２５へ接近することになる。別言すれば、振動子１３０はＺ軸正方向に速度＋Ｖｚをもって運動することになる。
【００２７】
このように、振動子１３０がＺ軸正方向に移動中に、変位電極Ｅ１５および固定電極Ｅ２５への電荷供給を中止すると、クーロン引力は消滅する。すると、変位基板１１０のもつ弾性変形に対する復元力により、振動子１３０はＺ軸負方向に速度−Ｖｚをもって運動することになる。このとき、振動子１３０の重心Ｇは、もとの原点Ｏの位置（図１に示す静止状態の位置）を通り越し、図５の側断面図に示されているように、更に下方へと運動を続けることになる。
【００２８】
そこで、図６に示すように、周期φをもった交流駆動信号Ｕを変位電極Ｅ１５と固定電極Ｅ２５との間に供給すれば、振動子１３０は周期φをもってＺ軸方向に振動することになる。実際には、たとえば、固定電極Ｅ２５を接地し、変位電極Ｅ１５に対して、図６に示すような交流駆動信号Ｕを供給すればよい。もっとも、交流駆動信号Ｕによってエネルギーが供給されている期間は、周期φの前半期間ｔ１のみであり、後半期間ｔ２には、何らエネルギー供給は行われていないので、振動子１３０の振動は、原点Ｏ（静止状態にあるときの重心Ｇの位置）を中心とした単振動にはならない。すなわち、Ｚ軸正方向への運動は、クーロン力によってＺ軸正方向に積極的に吸引することにより得られる運動であるのに対し、Ｚ軸負方向への運動は、Ｚ軸負方向に積極的に吸引することにより得られる運動ではなく、変位基板１１０の復元力に基づく運動である。このため、原点Ｏの位置を基準としたとき、Ｚ軸正方向の振幅とＺ軸負方向の振幅とは、必ずしも等価にはならない。しかしながら、中心位置が原点Ｏよりやや上方へ移動するものの、振動子１３０の上下運動はほぼ単振動となり、実用上は問題はない。もちろん、周期φの後半期間ｔ２において、Ｚ軸負方向へのクーロン力を作用させるような機構を付加すれば、原点Ｏを中心とした単振動を行わせることは可能であるが、構造はより複雑にならざるを得ない。
【００２９】
結局、このような交流駆動信号Ｕを駆動用容量素子Ｃ５に供給することにより、振動子１３０は、図６に示すような速度Ｖｚをもって、周期φでＺ軸の正負両方向に運動することになる（実際には、速度Ｖｚは、図示のような鋸歯状波ではなく、正弦波に近いなだらかな波形になると予想されるが、ここでは説明の便宜上、図示のような単純な波形を示す）。速度Ｖｚ＝０の時点は、振動子１３０が最大振幅位置（最上点もしくは最下点位置）に到達した時点に相当する。図６の期間Ｐは、速度Ｖｚが正の値をとる第１の期間Ｐ１と、負の値をとる第２の期間Ｐ２とが交互に現れることを示しており、各期間Ｐ１，Ｐ２は、周期φの半分の長さをもった期間になる。別言すれば、第１の期間Ｐ１は、図４に示すように、振動子１３０が図の上方へと運動している期間であり、第２の期間Ｐ２は、図５に示すように、振動子１３０が図の下方へと運動している期間である。
【００３０】
このように、振動子１３０がＺ軸に沿って振動している限りでは、変位基板１１０と固定基板１２０とは平行な関係を維持している。すなわち、図４に示す状態では、両基板の間隔は小さくなり、図５に示す状態では、両基板の間隔は大きくなるが、両基板が平行であるという関係は維持されている。ところが、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが作用している状態では、Ｘ軸方向のコリオリ力が発生するため、この両基板の平行状態は維持されなくなる。たとえば、図７の側断面図に示すように、装置筐体１４０に対してＹ軸まわりの角速度ωｙが作用していた状態において、振動子１３０が速度＋Ｖｚで図の上方へ運動すると、Ｘ軸正方向のコリオリ力＋Ｆｘが発生することになる。振動子１３０に対して、このようなコリオリ力＋Ｆｘが作用すると、変位基板１１０には図示のような撓みが生じ、振動子１３０は図示のように傾斜することになる。その結果、通常の状態（角速度が作用していない状態）に比べると、第１の容量素子Ｃ１を構成する一対の電極Ｅ１１，Ｅ１２の電極間隔は小さくなり、逆に、第２の容量素子Ｃ２を構成する一対の電極Ｅ１２，Ｅ２２の電極間隔は大きくなる。別言すれば、角速度ωｙの作用により、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値は大きくなり、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値は小さくなる。
【００３１】
ところが、図８の側断面図に示すように、振動子１３０が速度−Ｖｚで図の下方へ運動すると、運動方向が逆転したために、作用するコリオリ力の方向も逆転することになり、Ｘ軸負方向のコリオリ力−Ｆｘが発生することになる。振動子１３０に対して、このようなコリオリ力−Ｆｘが作用すると、変位基板１１０には図８に示すような撓みが生じ、振動子１３０は図７とは逆の方向に傾斜することになる。その結果、通常の状態（角速度が作用していない状態）に比べると、第１の容量素子Ｃ１を構成する一対の電極Ｅ１１，Ｅ１２の電極間隔は大きくなり、逆に、第２の容量素子Ｃ２を構成する一対の電極Ｅ１２，Ｅ２２の電極間隔は小さくなる。別言すれば、角速度ωｙの作用により、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値は小さくなり、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値は大きくなる。
【００３２】
ここで注意すべき点は、上述の議論で、各容量素子の静電容量値が「大きくなる」、あるいは「小さくなる」という表現は、あくまでも角速度ωｙが作用していない通常の状態と、角速度ωｙが作用したときの状態とを比較した表現である。すなわち、振動子１３０を振動させた状態においては、角速度が何ら作用していなくても、各容量素子の電極間隔は周期φで狭くなったり広くなったり、周期的に変化を繰り返している。たとえば、図４に示すように、振動子１３０が図の上方へと移動した時点では、各容量素子の電極間隔は狭くなり、静電容量値は大きくなるのに対し、図５に示すように、振動子１３０が図の下方へと移動した時点では、各容量素子の電極間隔は広くなり、静電容量値は小さくなる。このように、各容量素子の静電容量値は、周期φで絶えず変化していることになる。
【００３３】
結局、各容量素子の静電容量値の変化分には、振動子１３０の振動に起因する要素と、角速度の作用に起因する要素とが含まれていることになる。本発明に係る角速度センサでは、次の§３で述べる信号処理回路を採用することにより、角速度の作用に起因する要素のみを抽出することができる。
【００３４】
§３．  角速度を検出するための信号処理回路
図９は、本発明に係る角速度センサに用いる信号処理回路の一部を示す回路図である。この回路図で、可変容量素子Ｃ１，Ｃ２は、それぞれ上述したセンサ本体部における第１の容量素子Ｃ１および第２の容量素子Ｃ２に相当する。実際には、この例では、図９の容量素子Ｃ１の接地側の電極が固定電極Ｅ２１であり、抵抗素子Ｒ１に接続されている電極が変位電極Ｅ１１である。同様に、図９の容量素子Ｃ２の接地側の電極が固定電極Ｅ２２であり、抵抗素子Ｒ２に接続されている電極が変位電極Ｅ１２である。ここで、容量素子Ｃ１および抵抗素子Ｒ１により第１の遅延回路が構成され、容量素子Ｃ２および抵抗素子Ｒ２により第２の遅延回路が構成されており、抵抗素子Ｒ１の抵抗値と抵抗素子Ｒ２の抵抗値は互いに等しい。
【００３５】
ここで、図の入力端子Ｔ１に周期φをもった第１の周期信号φ１を与えると、第１の遅延回路（Ｒ１，Ｃ１）からは第１の遅延信号Ｄ１が出力され、図の入力端子Ｔ２に周期φをもった第２の周期信号φ２を与えると、第２の遅延回路（Ｒ２，Ｃ２）からは第２の遅延信号Ｄ２が出力されることになる。これら一対の遅延信号Ｄ１，Ｄ２は、排他的論理和演算を行う論理素子Ｌ１に与えられ、両遅延信号Ｄ１，Ｄ２の位相差を示す位相差信号Ａが出力端子Ｔ３に得られる。
【００３６】
いま、この図９に示す回路に対して、図１０に示すような第１の周期信号φ１および第２の周期信号φ２を与えた場合を考える。ここで、第１の周期信号φ１は、周期φをもったデューティ比５０％の矩形波信号である。また、第２の周期信号φ２は、同じく周期φをもったデューティ比５０％の矩形波信号であるが、第１の周期信号φ１に対して所定の位相差ｐをもった信号である。ここでは、位相差ｐ＝π／２（周期φの１／４）に設定している。
【００３７】
第１の遅延信号Ｄ１および第２の遅延信号Ｄ２は、それぞれ第１の周期信号φ１および第２の周期信号φ２を遅延させて得られる信号であるから、遅延時間をそれぞれｄ１，ｄ２とすれば、図１０に示すような信号になる。なお、実際には、ＣＲ遅延回路を通った遅延信号は、波形になまりが生じることになるが、本願の波形図では、説明の便宜上、各信号をなまりのない状態で示すことにする。
【００３８】
さて、ここではまず、角速度が作用していない通常の状態におけるこの信号処理回路の動作を考えてみる。いま、振動子１３０をＺ軸方向に周期φで振動させると、容量素子Ｃ１，Ｃ２を構成する一対の電極の間隔は、大きくなったり小さくなったりするので、容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値は周期φで変化することになる。しかしながら、既に述べたように、角速度が作用していない状態では、振動子１３０は傾斜することなしに振動するので、容量素子Ｃ１の静電容量値と容量素子Ｃ２の静電容量値とはどの瞬間においても互いに等しくなる。このため、図９に示す回路図における第１の遅延回路（Ｒ１，Ｃ１）による遅延時間ｄ１と、第２の遅延回路（Ｒ２，Ｃ２）による遅延時間ｄ２とは等しくなる。したがって、第１の遅延信号Ｄ１と第２の遅延信号Ｄ２との間には、第１の周期信号φ１と第２の周期信号φ２との位相差ｐ（この例の場合、ｐ＝π／２）がそのまま維持され、位相差信号Ａとしては、図１０に示すように、期間ｔ１０もしくは期間ｔ２０に相当するパルス幅をもったパルス信号が得られる。ここで、期間ｔ１０＝ｔ２０であり、これは位相差ｐに相当する期間になる。
【００３９】
図１０のタイミングチャートの位相差信号Ａにおける期間ｔ１０は、奇数番目のパルスの期間を示し、期間ｔ２０は、偶数番目のパルスの期間を示している（ここでは、便宜上、第１の周期信号φ１の最初の立上がりエッジ部分を起点として、それ以後に最初に現れるパルスを奇数番目のパルスとして数えることにする）。このように、角速度が作用していない状態では、ｔ１０＝ｔ２０となる。ここではこのパルス幅を基準幅と呼ぶことにする。ところが、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが作用した環境下では、位相差信号Ａに含まれるパルスのパルス幅が、この基準幅から外れることになる。別言すれば、第１の遅延信号Ｄ１と第２の遅延信号Ｄ２との位相差が、角速度ωｙの作用により変化することになる。その理由は、§２で述べた検出原理を考慮すれば、容易に理解できよう。すなわち、角速度ωｙが作用すると、図７あるいは図８に示すように、振動子１３０が傾斜するため、容量素子Ｃ１の静電容量値と容量素子Ｃ２の静電容量値との間に差が生じることになり、第１の遅延回路（Ｒ１，Ｃ１）による遅延時間ｄ１と、第２の遅延回路（Ｒ２，Ｃ２）による遅延時間ｄ２とに差が生じるからである。
【００４０】
ここでは、図１１に示すタイミングチャートを参照しながら、角速度ωｙが作用している環境下でのこの信号処理回路の動作を説明しよう。既に述べたように、駆動用容量素子Ｃ５に対し、周期φをもった交流駆動信号Ｕを供給すると、振動子１３０はＺ軸方向の速度ＶｚをもってＺ軸方向に振動することになる。このとき、図１１に期間Ｐとして示すように、速度Ｖｚが正の値をとる第１の期間Ｐ１と、負の値をとる第２の期間Ｐ２とが交互に現れることになるが、第１の期間Ｐ１では、図７に示すように振動子１３０が傾斜し、第２の期間Ｐ２では、図８に示すように振動子１３０が傾斜する。このように、振動子１３０を振動させた状態において、図９に示す回路に第１の周期信号φ１および第２の周期信号φ２を供給すると、図１１に示すような第１の遅延信号Ｄ１および第２の遅延信号Ｄ２が得られることになる。
【００４１】
ここで、図１１に示す第１の遅延信号Ｄ１の立上がりエッジの遅延時間ｄ１１は、図１０に示す遅延時間ｄ１よりも大きくなり、逆に、立ち下がりエッジの遅延時間ｄ１２は、図１０に示す遅延時間ｄ１よりも小さくなる。これは、遅延時間ｄ１１は第１の期間Ｐ１に得られる遅延時間であるのに対し、遅延時間ｄ１２は第２の期間Ｐ２に得られる遅延時間であるためである。すなわち、第１の期間Ｐ１では、図７に示すように振動子１３０が傾斜するため、容量素子Ｃ１の容量値は、振動子１３０が傾斜しない状態（すなわち、角速度が作用していない状態）に比べて大きくなり、遅延時間ｄ１１はｄ１よりも大きくなる。逆に、第２の期間Ｐ２では、図８に示すように振動子１３０が傾斜するため、容量素子Ｃ１の容量値は、振動子１３０が傾斜しない状態（すなわち、角速度が作用していない状態）に比べて小さくなり、遅延時間ｄ１２はｄ１よりも小さくなる。
【００４２】
一方、図１１に示す第２の遅延信号Ｄ２の立上がりエッジの遅延時間ｄ２１は、図１０に示す遅延時間ｄ２よりも小さくなり、逆に、立ち下がりエッジの遅延時間ｄ２２は、図１０に示す遅延時間ｄ２よりも大きくなる。これは、遅延時間ｄ２１は第１の期間Ｐ１に得られる遅延時間であるのに対し、遅延時間ｄ２２は第２の期間Ｐ２に得られる遅延時間であるためである。すなわち、第１の期間Ｐ１では、図７に示すように振動子１３０が傾斜するため、容量素子Ｃ２の容量値は、振動子１３０が傾斜しない状態（すなわち、角速度が作用していない状態）に比べて小さくなり、遅延時間ｄ２１はｄ２よりも小さくなる。逆に、第２の期間Ｐ２では、図８に示すように振動子１３０が傾斜するため、容量素子Ｃ２の容量値は、振動子１３０が傾斜しない状態（すなわち、角速度が作用していない状態）に比べて大きくなり、遅延時間ｄ２２はｄ２よりも大きくなる。
【００４３】
このように、角速度ωｙの作用により、両周期信号の遅延時間に変化が生じると、位相差信号Ａとしては、図１１に示すように、期間ｔ１１もしくは期間ｔ２１に相当するパルス幅をもったパルス信号になる。ここで、一点鎖線で示すパルスは、図１０に示した期間ｔ１０＝ｔ２０と同じパルス幅、すなわち標準幅をもったパルスを示すものである。この図１１のタイミングチャートの位相差信号Ａにおける期間ｔ１１は、奇数番目のパルスの期間を示し、期間ｔ２１は、偶数番目のパルスの期間を示している。このように、本発明に係る信号処理回路では、奇数番目のパルスと偶数番目のパルスとで、異なる挙動をとることは注目すべきである。すなわち、この例では、奇数番目のパルスは、パルス幅がいずれも基準幅より小さくなっているのに対し、偶数番目のパルスは、パルス幅がいずれも基準幅より大きくなっている。
【００４４】
ここで、実際のパルス幅と基準幅との差は、作用した角速度ωｙの大きさに対応する。すなわち、大きな角速度が作用すれば、それだけ大きなコリオリ力が作用し、振動子１３０は大きく傾斜するので、静電容量値は大きく変化し、遅延時間も大きく変化することになる。また、作用する角速度ωｙの向き（右まわりか、左まわりか）は、実際のパルス幅が基準幅より大きくなるか、小さくなるか、を決定する要因となる。すなわち、図７あるいは図８の例では、図において左まわりの矢印で示す角速度ωｙが作用した場合を示したが、逆に、右まわりの矢印で示す角速度−ωｙが作用した場合には（本出願では、図において左まわりの角速度を正、右まわりの角速度を負と便宜上定義している）、コリオリ力の方向が逆転し、これまで述べてきた現象と逆の現象が起こることになる。その結果、図１１に示す位相差信号Ａとは逆に、奇数番目のパルスは、パルス幅が基準幅より大きくなり、偶数番目のパルスは、パルス幅が基準幅より小さくなる。
【００４５】
このように、位相差信号Ａに含まれる１つのパルスのパルス幅を測定し、交流駆動信号φとの位相関係に基づいて、この１つのパルスが奇数番目のパルスか偶数番目のパルスかを特定し、測定したパルス幅を基準幅と比較することにより、瞬時の角速度ωｙの向きと大きさとを認識することができる。したがって、時系列で得られるパルスのパルス幅を次々と測定してゆけば、角速度の値を連続的に得ることができる。また、パルス幅の積算値を求めるようにすれば、ある程度の期間内の平均的な角速度値を得ることができる。
【００４６】
ただ、位相差信号Ａに含まれる奇数番目のパルスと偶数番目のパルスとは、互いに異なる挙動をとるため、別個の取り扱いをする必要がある。たとえば積算値を求める場合、全パルスについてのパルス幅をそのまま積算してしまうと正しい結果は得られない。すなわち、図１１に示す位相差信号Ａの全パルスについてのパルス幅を積算すると、基準幅よりも小さなパルス幅をもった奇数番目のパルスと基準幅よりも大きなパルス幅をもった偶数番目のパルスとが相殺されてしまう。そこで、位相差信号Ａを周期φ／２ごとの期間に区切り、奇数番目のパルスが存在する奇数番目の期間と、偶数番目のパルスが存在する偶数番目の期間とを定義し、奇数番目のパルスについてのパルス幅と偶数番目のパルスについてのパルス幅とを別個独立して求めるようにすればよい。
【００４７】
たとえば、図１１に示すように、第３の周期信号φ３を用意する。この第３の周期信号φ３は、周期φをもつデューティー比５０％の矩形波信号であるが、図にハッチングを施したハイレベルの区間に、位相差信号Ａの奇数番目のパルス（期間ｔ１１のパルス幅をもつパルス）が含まれるように位相を調整した信号である。たとえば、試作用のセンサ本体部と試作用の回路とを用いて、位相差信号Ａを実験的に求め、この位相差信号Ａに含まれる奇数番目のパルスの中心位置が、第３の周期信号φ３のハイレベル区間の中心位置に一致するように、位相差の調整を行うようにすればよい。そして、この第３の周期信号φ３と、位相差信号Ａとの論理積に相当する信号を求めれば、この信号には、奇数番目のパルスのみが含まれることになるので、奇数番目のパルスのパルス幅のみを選択的に取り出すことが可能になる。逆に、図１１に示すように、第３の周期信号φ３に対して論理反転状態にある第４の周期信号φ３＊を用意し、この第４の周期信号φ３＊と、位相差信号Ａとの論理積に相当する信号を求めれば、この信号には、偶数番目のパルスのみが含まれることになるので、偶数番目のパルスのパルス幅のみを選択的に取り出すことが可能になる。
【００４８】
なお、パルス幅を積算するには、たとえば、選択的に取り出した一方のパルスを含んだ信号を平滑用コンデンサに与えて平滑化し、アナログ電圧値として積算値を得る手法を採ることもできるし、あるいは、周期φに対して十分に短い周期で動作するカウンタによりパルス幅をカウントし、デジタルカウント値として積算値を得る手法を採ることもできる。
【００４９】
こうして得られた奇数番目のパルスについてのパルス幅も、偶数番目のパルスについてのパルス幅も、いずれも角速度ωｙの向きおよび大きさに関する情報を有している。すなわち、前者は、図１１に示す位相差信号Ａの期間ｔ１１に相当するものであるから、標準幅よりも小さければ、左まわりの角速度ωｙの作用を示し、標準幅よりも大きければ、右まわりの角速度−ωｙの作用を示すことになる。逆に、後者は、図１１に示す位相差信号Ａの期間ｔ２１に相当するものであるから、標準幅よりも大きければ、左まわりの角速度ωｙの作用を示し、標準幅よりも小さければ、右まわりの角速度−ωｙの作用を示すことになる。また、いずれの場合も、標準幅と実際のパルス幅との差が、作用した角速度の大きさを示すことになる。
【００５０】
このように、奇数番目のパルスについてのパルス幅も、偶数番目のパルスについてのパルス幅も、いずれも角速度ωｙの向きおよび大きさに関する情報を有しているので、原理的には、いずれか一方だけを用いて角速度の検出が可能である。しかしながら、精度の高い検出値を得る上では、両方のパルス幅をともに利用するのが好ましい。そのためには、奇数番目のパルスについてのパルス幅と、偶数番目のパルスについてのパルス幅との差をとるようにすればよい。同じ角速度が作用した場合、奇数番目のパルスと偶数番目のパルスとは、一方のパルス幅が大きくなると、他方のパルス幅は小さくなるという相補的な挙動をとるため、両者の差をとることにより、両方をともに利用した検出が可能になる。このように、奇数番目のパルスと偶数番目のパルスとの双方を利用した検出を行うことができる、より実用的な信号処理回路を以下に述べる。
【００５１】
§４．  角速度を検出するための実用的な信号処理回路
図１２は、本発明に係る角速度センサに用いる実用的な信号処理回路を示す回路図である。この信号処理回路は、検出用回路７１と駆動用回路７２とによって構成されている。検出用回路７１は、図１に示すセンサ本体部を用いて、Ｙ軸まわりに作用する角速度ωｙを検出するための回路であり、駆動用回路７２は、そのような検出を行う際に、振動子１３０をＺ軸方向に振動させるための駆動を行う回路である。
【００５２】
ここで、検出用回路７１の上段に示された抵抗素子Ｒ１，Ｒ２、容量素子Ｃ１，Ｃ２、排他的論理和演算を行う論理回路Ｌ１は、図９に示した回路の各構成要素と全く同じものである。また、第１の信号供給回路１０は、第１の周期信号φ１を発生させる回路を示しており、第２の信号供給回路２０は、第２の周期信号φ２を発生させる回路を示している。この信号処理回路では、更に、第３の周期信号φ３を発生させて入力端子Ｔ４に与える第３の信号供給回路３０と、第４の周期信号φ３＊を発生させて入力端子Ｔ５に与える第４の信号供給回路４０とが設けられている。ここで、第３の周期信号φ３，第４の周期信号φ３＊は、図１１のタイミングチャートに示された各信号である。
【００５３】
論理回路Ｌ２は、出力端子Ｔ３に得られた位相差信号Ａと、入力端子Ｔ４に与えられた第３の周期信号φ３との論理積演算を行い、出力信号Ａ１を得る回路である。また、論理回路Ｌ３は、出力端子Ｔ３に得られた位相差信号Ａを論理反転し、反転位相差信号Ａ＊を求める回路であり、論理回路Ｌ４は、この反転位相差信号Ａ＊と、入力端子Ｔ５に与えられた第４の周期信号φ３＊との論理積演算を行い、出力信号Ａ２を得る回路である。更に、論理回路Ｌ５は、出力信号Ａ１と出力信号Ａ２との論理和演算を行い、出力信号Ｂを求める回路であり、その後段に接続された積算回路５０は、出力信号Ｂに含まれる全パルスのパルス幅を積算し、積算値を示す出力信号Ｃを出力する回路である。かくして、出力端子Ｔ６には、所定の積算値を示す出力信号Ｃが得られることになる。
【００５４】
一方、駆動用回路７２は、実質的に、駆動信号供給回路６０によって構成される回路である。この駆動信号供給回路６０は、駆動用容量素子Ｃ５に対して供給する交流駆動信号Ｕを発生させる回路である。交流駆動信号Ｕは、既に述べたように、周期φをもった周期信号であり、この交流駆動信号Ｕを第５の容量素子Ｃ５に供給することにより、振動子１３０をＺ軸方向に振動させることができる。
【００５５】
さて、この図１２に示す信号処理回路の動作を図１３のタイミングチャートに基づいて説明しよう。この回路の出力端子Ｔ３に、図１３に示すような位相差信号Ａが得られることは既に§３で述べたとおりである。ここで、一点鎖線で示すパルスは、角速度が作用していない状態で得られる標準幅をもったパルスである。この例では、左まわりの角速度ωｙの作用により、奇数番目のパルスのパルス幅（期間ｔ１１）は標準幅より小さくなり、偶数番目のパルスのパルス幅（期間ｔ２１）は標準幅より大きくなっている。論理回路Ｌ２では、この位相差信号Ａと第３の周期信号φ３との論理積演算が行われ、出力信号Ａ１が得られる。出力信号Ａ１は、位相差信号Ａ内の奇数番目のパルスのみを抽出した信号になる。一方、論理回路Ｌ３で反転された反転位相差信号Ａ＊の波形と、入力端子Ｔ５に与えられる第４の周期信号φ３＊の波形とは、図１３に示すとおりになり、論理回路Ｌ４の出力信号Ａ２は、図示のように、所定の期間ｔ２１＊に相当するパルス幅をもったパルスになる。ここで、期間ｔ２１と期間ｔ２１＊とは、相補的な関係にある。すなわち、ｔ２１＋２・ｔ２１＊＝φ／２（半周期）の関係にあるので、期間ｔ２１が大きくなれば、期間ｔ２１＊は小さくなり、期間ｔ２１が小さくなれば、期間ｔ２１＊は大きくなる。
【００５６】
論理回路Ｌ５では、信号Ａ１と信号Ａ２との論理和信号Ｂが得られるが、この論理和信号Ｂは、図１３に示すように、期間ｔ１１（奇数番目のパルスのパルス幅）をもったパルスと、期間ｔ２１＊（偶数番目のパルスのパルス幅に対して相補的な値）をもったパルスと、を含む信号になる。このため、論理和信号Ｂに含まれる全パルスのパルス幅の積算値Ｓは、位相差信号Ａの奇数番目のパルスについての積算値と、偶数番目のパルスについての積算値との差に相当する値になる。積算回路５０は、この積算値Ｓを示す出力信号Ｃを出力端子Ｔ６に与える。積算値Ｓは、図１３の最下段に示すハッチング部分の面積の合計に相当する。
【００５７】
この積算値Ｓと角速度ωｙとの間には、たとえば、図１４のグラフに示すような関係がある。なお、図１４では、説明の便宜上、両者間の線形関係を示すグラフを示したが、実際には、両者間の関係は必ずしも線形関係にはならない。しかしながら、両者の関係は必ず単調増加（あるいは単調減少）関数となり、積算値Ｓと角速度ωｙとの間には、必ず１対１の対応関係が得られる。したがって、積算値Ｓが特定されれば、必ず角速度ωｙの値が特定されることになる。図１４に示す線形関係のグラフの場合、積算値Ｓが基準積算値Ｓ０（角速度のない状態で得られる標準幅をもったパルスについての積算値）をとる場合には、Ｙ軸まわりの角速度ωｙ＝０であることを示しており、基準積算値Ｓ０よりも大きな積算値Ｓ０＋ΔＳをとる場合には、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが正の値（たとえば左まわり）であることを示し、基準積算値Ｓ０よりも小さな積算値Ｓ０−ΔＳをとる場合には、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが負の値（たとえば右まわり）であることを示している。
【００５８】
なお、第１の周期信号φ１と第２の周期信号φ２との間に所定の位相差ｐを設定する理由は、基準積算値Ｓ０を零でない所定の値に設定するためである。すなわち、位相差ｐ＝０に設定すると、基準積算値Ｓ０＝０となってしまい、角速度の向き（右まわりか、左まわりか）について正しい情報を得ることができなくなる。位相差ｐを予め設けておけば、基準積算値Ｓ０を零でない所定の値に設定することができ、実際に得られた積算値Ｓが、この基準積算値Ｓ０より大きいか、小さいか、という情報により、作用した角速度の向きを認識することができ、実際に得られた積算値Ｓと基準積算値Ｓ０との差ΔＳにより、作用した角速度の大きさを認識することができるのである。ΔＳがある程度大きくなっても、角速度の向きを正しく認識できるようにするためには、基準積算値Ｓ０をできるだけ大きな値に設定するのが好ましい。そのためには、位相差ｐ＝π／２に設定するのが最も好ましい。
【００５９】
§５．  その他の実施形態
以上、本発明を図示する基本的な実施形態に基づいて説明したが、ここでは、本発明の別な実施形態をいくつか述べておく。
【００６０】
(1)   角速度ωｘの検出
これまで、図１に示す構造をもったセンサ本体部を用いて、Ｙ軸まわりに作用した角速度ωｙを検出するための信号処理回路を述べてきたが、この図１に示す角速度センサは、Ｙ軸まわりの角速度ωｙとともに、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出する機能を有する。Ｙ軸まわりの角速度ωｙは、質量ｍの振動子１３０を速度ＶｚでＺ軸方向に振動させながら、Ｘ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘ（Ｆｘ＝２・ｍ・Ｖｚ・ωｙ）を測定すれば求めることができた。同様に、Ｘ軸まわりの角速度ωｘは、質量ｍの振動子１３０を速度ＶｚでＺ軸方向に振動させながら、Ｙ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙ（Ｆｙ＝２・ｍ・Ｖｚ・ωｘ）を測定すればよい。
【００６１】
図１２の検出用回路７１は、Ｘ軸上に配置された第１の容量素子Ｃ１および第２の容量素子Ｃ２を組み込んだ信号処理回路であり、出力端子Ｔ６には、コリオリ力Ｆｘに基づく角速度ωｙの検出値が得られた。そこで、この検出用回路７１と全く同じ回路を用意し、第１の容量素子Ｃ１および第２の容量素子Ｃ２の部分を、それぞれ第３の容量素子Ｃ３および第４の容量素子Ｃ４に置き換えれば、出力端子Ｔ６には、コリオリ力Ｆｙに基づく角速度ωｘの検出値が得られることになる。ここでは、このように、検出用回路７１におけるＣ１，Ｃ２を、Ｃ３，Ｃ４に置き換えた回路を検出用回路７３と呼ぶことにする。
【００６２】
図１に示すセンサ本体部は、本来、角速度ωｘ，ωｙを同時に検出することができる構造をもっている。すなわち、図２および図３に示す各電極のうち、電極Ｅ１５，Ｅ２５（容量素子Ｃ５）は、振動子１３０をＺ軸方向に振動させるために用いられ、電極Ｅ１１，Ｅ２１（容量素子Ｃ１）および電極Ｅ１２，Ｅ２２（容量素子Ｃ２）はコリオリ力Ｆｘに基づいて角速度ωｙを検出するために用いられ、電極Ｅ１３，Ｅ２３（容量素子Ｃ３）および電極Ｅ１４，Ｅ２４（容量素子Ｃ４）はコリオリ力Ｆｙに基づいて角速度ωｘを検出するために用いられる。したがって、このセンサ本体部に二軸角速度センサとしての機能をもたせるためには、図１２に示す検出用回路７１および駆動用回路７２の他に、上述した検出用回路７３を用意しておけばよい。駆動用回路７２を用いて振動子１３０をＺ軸方向に振動させれば、検出用回路７１の出力端子Ｔ６には、角速度ωｙが得られ、検出用回路７３の出力端子Ｔ６には、角速度ωｘが得られることになる。
【００６３】
(2)   単一の容量素子を用いた検出
これまで述べてきた例では、１つの軸まわりの角速度検出に、一対の容量素子を用いている。たとえば、角速度ωｙの検出には、容量素子Ｃ１，Ｃ２が用いられ、角速度ωｘの検出には、容量素子Ｃ３，Ｃ４が用いられる。このように一対の容量素子を用いる形態は、単一の容量素子を用いる形態に比べて検出精度を高めることができるので、実用上は好ましい実施形態である。しかしながら、本発明の技術思想は、一対の容量素子を用いた形態に限定されるものではない。ここでは、参考のために、単一の容量素子を用いた場合でも、角速度の検出が可能なことを示しておく。
【００６４】
たとえば、単一の容量素子Ｃ１のみを用いても、角速度ωｙの検出が可能なことを示そう。この場合、容量素子Ｃ２は不要になるが、その代わりに、所定の固定容量をもった固定容量素子Ｃ０を用いるようにすればよい。すなわち、図１２に示す検出用回路７１において、容量素子Ｃ２を固定容量素子Ｃ０に置き換えればよい。容量素子Ｃ２は、図１に示すセンサ本体部の電極Ｅ１２，Ｅ２２によって構成される可変容量素子であったが、ここで用いる固定容量素子Ｃ０は、静電容量値が固定の素子であり、どこに設けてもかまわない。たとえば、検出用回路７１を実装するための回路基板上に、コンデンサ素子として設けておけば十分である。
【００６５】
いま、図７に示すように、振動子１３０が速度＋Ｖｚをもって運動中に、角速度ωｙが作用したときの状態を考えると、既に述べたように、コリオリ力＋Ｆｘの作用により、容量素子Ｃ１の電極間隔は、角速度ωｙが作用していなかった場合に比べて小さくなる。同様に、図８に示すように、振動子１３０が速度−Ｖｚをもって運動中に、角速度ωｙが作用したときの状態を考えると、既に述べたように、コリオリ力−Ｆｘの作用により、容量素子Ｃ１の電極間隔は、角速度ωｙが作用していなかった場合に比べて大きくなる。このように、単一の容量素子Ｃ１にのみ着目しても、やはりコリオリ力の作用による静電容量値の変化は生じているのである。したがって、単一の容量素子Ｃ１のみを用いた場合でも、図１１に示すタイミングチャートにおいて、遅延信号Ｄ１が得られることには変わりはない。
【００６６】
ただ、可変容量素子Ｃ２の代わりに、固定容量素子Ｃ０を用いた場合、もう一方の遅延信号Ｄ２は、図１１のタイミングチャートに示すものとは若干異なってくる。すなわち、静電容量値が固定であるため、周期信号φ２を常に一定の遅延時間だけ遅らせた固定の信号になる。しかしながら、遅延信号Ｄ１は角速度の作用に応じて変化する信号であるため、両者の位相差を示す位相差信号Ａには、角速度の作用を示す信号成分が含まれていることになり、既に述べたとおりの動作により、角速度の検出が可能である。
【００６７】
(3)   別な振動態様
これまで述べた例は、電極Ｅ１５，Ｅ２５からなる第５の容量素子に交流駆動信号Ｕを与えて、振動子１３０をＺ軸方向に振動させていたが、振動子１３０の振動方向は必ずしもＺ軸方向に限定する必要はない。たとえば、図１５に示すような２種類の交流駆動信号Ｕ１，Ｕ２（互いに位相差がπであるデューティ比５０％の矩形波信号）を用意し、第１の交流駆動信号Ｕ１を第１の容量素子Ｃ１に与え、第２の交流駆動信号Ｕ２を第２の容量素子Ｃ２に与えれば、振動子１３０は、図示のようなＸ軸方向の速度成分ＶｘをもってＸ軸方向に振動することになる。
【００６８】
このように、振動子１３０をＸ軸方向に振動させた状態において、たとえば、容量素子Ｃ３，Ｃ４を用いてＹ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを検出するようにすれば、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出することが可能になる。あるいは、容量素子Ｃ５および固定容量素子Ｃ０を用いてＺ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを検出するようにすれば、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出することが可能になる。
【００６９】
なお、いずれの振動態様をとる場合でも、振動子１３０を最も効率的に振動させることができる共振周波数をもった交流駆動信号Ｕを与え、この共振周波数で振動させるのが好ましい。共振周波数の値は、たとえば、試作品について種々の周波数の交流駆動信号を与える実験を行えば求めることができる。
【００７０】
(4)   センサ本体部のより実用的な構造
図１に示すセンサ本体部の構造は、本発明の一実施形態を示すものであり、この他にも種々の構造のものを用いることが可能である。たとえば、図１６は、本発明に用いるセンサ本体部のより実用的な構造を示す側断面図である。可撓性をもった変位基板２１０の上に、固定基板２２０が取り付けられている。固定基板２２０の外周部には脚部２２１が形成されており、この脚部２２１の底面が変位基板２１０の上面に固着されている。したがって、変位基板２１０と固定基板２２０とは所定間隔を隔てて、平行な状態に支持されている。変位基板２１０の下面中央部には、振動子２３０が固着されている。また、この振動子２３０の周囲には、台座２４０が設けられており、この台座２４０によって、変位基板２１０はベース基板２５０に対して支持されている。振動子２３０の上方および下方には、若干の空間が確保されているため、図の上下方向への振動が可能である。
【００７１】
図１７は、変位基板２１０の上面図である。この図に示されているように、変位基板２１０の上面には５枚の変位電極Ｅ３１〜Ｅ３５が形成されている。これらは、図２に示す実施形態における変位電極Ｅ１１〜Ｅ１５に相当するものである。一方、図１８は、固定基板２２０の下面図である。この固定基板２２０の下面には、単一の共通電極Ｅ４０が形成されている。この共通電極Ｅ４０は、図３に示す実施形態における固定電極Ｅ２１〜Ｅ２５に相当するものである。図１２の回路図を見ればわかるように、実際の信号処理回路では、各容量素子Ｃ１〜Ｃ５の一方の電極はいずれも接地されることになる。したがって、一方を共通電極Ｅ４０とし、この共通電極Ｅ４０を接地するようにすれば、実用上は支障は生じない。むしろ、構造を単純化する上では、このように一方を共通電極にするのが好ましい。特に、固定基板２２０にセンサ筐体を兼ねさせるとともに、これを導電性材料で構成すれば、固定基板２２０自体を共通電極として用いることが可能になり、構造は更に単純化される。
【００７２】
(5)   振動子の別な駆動方法
これまで述べた実施形態は、駆動用の容量素子に交流駆動信号を与えることにより、振動子を振動させていたが、振動子に振動エネルギーを供給する方法としては、どのような方法を採ってもかまわない。たとえば、図１９に示す実施形態は、図１６に示す実施形態において、振動子の駆動方法を磁力を利用した方法に変えた例である。すなわち、台座２４５の桁上げを行い、振動子２３０の下方に、磁場発生部３００を設置するようにし、この磁場発生部３００に対して、駆動信号供給回路３１０から周期φの交流信号を供給するようにしている。磁場発生部３００としては、たとえば、一般的な電磁コイルを用いればよい。振動子２３０の少なくとも一部を鉄，コバルト，ニッケルなどの磁性材料によって構成しておき、磁場発生部３００に周期φの交流信号に基づいた周期磁場を発生させれば、振動子２３０を図の上下方向に振動させることができる。この場合、駆動用の容量素子Ｃ５を構成する変位電極Ｅ３５は不要になる。
【００７３】
【発明の効果】
以上のとおり本発明に係る振動子を用いた角速度センサによれば、コリオリ力の作用により振動子に傾斜が生じるような構成とし、この傾斜に基づく静電容量の変化を２つの周期信号の位相差として検出するようにしたため、信号処理回路を単純化することができ、効率的な角速度検出が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る角速度センサのセンサ本体部の基本構造を示す側断面図である。
【図２】図１に示すセンサ本体部における変位基板１１０の上面図である。
【図３】図１に示すセンサ本体部における固定基板１２０の下面図である。
【図４】図１に示すセンサ本体部において、振動子１３０を図の上方へ運動させた状態を示す側断面図である。
【図５】図１に示すセンサ本体部において、振動子１３０を図の下方へ運動させた状態を示す側断面図である。
【図６】図１に示すセンサ本体部において、振動子１３０を図の上下方向へ振動させるために供給する交流駆動信号Ｕおよび振動子１３０の速度成分Ｖｚの波形を示すタイミングチャートである。
【図７】図１に示すセンサ本体部において、振動子１３０が図の上方へ運動中に、Ｙ軸まわりの角速度ωｙに基づくＸ軸方向のコリオリ力＋Ｆｘが作用した状態を示す側断面図である。
【図８】図１に示すセンサ本体部において、振動子１３０が図の下方へ運動中に、Ｙ軸まわりの角速度ωｙに基づくＸ軸方向のコリオリ力−Ｆｘが作用した状態を示す側断面図である。
【図９】本発明に係る角速度センサに用いる信号処理回路の一部を示す回路図である。
【図１０】図９に示す信号処理回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図１１】図９に示す信号処理回路の動作を説明するための更に別なタイミングチャートである。
【図１２】本発明に係る角速度センサに用いる実用的な信号処理回路を示す回路図である。
【図１３】図１２に示す信号処理回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図１４】図１２に示す信号処理回路によって得られる積算値Ｓと角速度ωｙとの関係を示すグラフである。
【図１５】図１に示すセンサ本体部において、振動子１３０を図の左右方向へ振動させるために供給する交流駆動信号Ｕ１，Ｕ２および振動子１３０の速度成分Ｖｘの波形を示すタイミングチャートである。
【図１６】本発明に用いるセンサ本体部のより実用的な構造を示す側断面図である。
【図１７】図１６に示すセンサ本体部における変位基板２１０の上面図である。
【図１８】図１６に示すセンサ本体部における固定基板２２０の下面図である。
【図１９】図１６に示すセンサ本体部において、振動子の駆動方法を変えた実施形態の構造を示す側断面図である。
【符号の説明】
１０〜４０…信号供給回路
５０…積算回路
６０…駆動信号供給回路
７１…検出用回路
７２…駆動用回路
１１０…変位基板
１２０…固定基板
１３０…振動子
１４０…装置筐体
２１０…変位基板
２２０…固定基板
２２１…脚部
２３０…振動子
２４０，２４５…台座
２５０…ベース基板
３００…磁場発生部
３１０…駆動信号供給回路
Ａ…位相差信号
Ａ１，Ａ２…論理積信号
Ａ＊…反転位相差信号
Ｂ…出力信号
Ｃ…出力信号
Ｃ１〜Ｃ５…容量素子
Ｄ１，Ｄ２…遅延信号
ｄ１，ｄ２，ｄ１１，ｄ１２，ｄ２１，ｄ２２，ｔ２１＊…遅延時間
Ｅ１１〜Ｅ１５…変位電極
Ｅ２１〜Ｅ２５…固定電極
Ｅ３１〜Ｅ３５…変位電極
Ｅ４０…共通電極
Ｇ…重心
Ｌ１〜Ｌ５…論理素子
ｐ…位相差
Ｐ１，Ｐ２…奇数番目の期間，偶数番目の期間
Ｒ１，Ｒ２…抵抗素子
Ｓ…積算値
Ｓ０…基準積算値
Ｔ１〜Ｔ６…入出力端子
ｔ１，ｔ２，ｔ１０，ｔ１１，ｔ２０，ｔ２１…期間（パルス幅）
Ｕ，Ｕ１，Ｕ２…交流駆動信号
Ｖｘ，Ｖｚ…Ｘ軸，Ｚ軸方向の速度成分
φ１，φ２，φ３，φ３＊…周期φの周期信号
ωｙ…Ｙ軸まわりの角速度
【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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