角速度センサ
【課題】 振動ジャイロ式の角速度センサにおいて、コリオリ力の検出感度を高める。
【解決手段】 外寸ξ１のシリコン基板の下面に、外径φ１，内径Ｄ１の円環状の溝Ｇを堀り、この溝Ｇで取り囲まれた内側部分に、直径Ｄ１、高さＨの円柱状の振動子１２０を形成する。溝Ｇの上方のダイアフラム部１１０は、可撓性をもち、その外周部は台座１３０によって装置筐体に固定される。振動子１２０は、ダイアフラム部１１０によって変位自在に支持される。ここで、寸法比φ／Ｈの値が「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる条件を満たすように設定すると、他の部分の寸法にかかわらず、振動子１２０の水平方向振動の共振周波数と垂直方向振動の共振周波数とが近似し、コリオリ力の検出感度が著しく向上する。
【解決手段】 外寸ξ１のシリコン基板の下面に、外径φ１，内径Ｄ１の円環状の溝Ｇを堀り、この溝Ｇで取り囲まれた内側部分に、直径Ｄ１、高さＨの円柱状の振動子１２０を形成する。溝Ｇの上方のダイアフラム部１１０は、可撓性をもち、その外周部は台座１３０によって装置筐体に固定される。振動子１２０は、ダイアフラム部１１０によって変位自在に支持される。ここで、寸法比φ／Ｈの値が「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる条件を満たすように設定すると、他の部分の寸法にかかわらず、振動子１２０の水平方向振動の共振周波数と垂直方向振動の共振周波数とが近似し、コリオリ力の検出感度が著しく向上する。
【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、振動ジャイロ式の角速度センサについて、その検出感度を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型で量産に適した角速度センサとして、振動ジャイロ式のセンサが普及している。この振動ジャイロ式の角速度センサでは、互いに直交する３軸のうち、第１の軸方向に振動子を運動させ、このとき振動子に対して第２の軸方向に加わったコリオリ力を測定することにより、第３の軸まわりに作用した角速度の検出が行われる。
【０００３】
たとえば、下記の特許文献１および２には、円盤状の圧電素子の下面に環状溝を掘り、この環状溝で囲まれた円柱状の部分を振動子として利用した振動ジャイロ式の角速度センサが開示されている。このセンサでは、圧電素子の所定部分に交流電気信号を供給することにより、振動子を所定の軸方向に振動させることができ、その状態において、圧電素子の所定部分に生じる電圧を測定することにより、振動子に作用したコリオリ力を検出することができる。円盤状の圧電素子を用いることにより、小型で量産に適した角速度センサが実現できる。
【０００４】
また、下記の特許文献３には、金属製のダイアフラムの下面に板状の圧電素子を接合し、これらの中央部に円形貫通孔を形成した構造体を用いた角速度センサが開示されている。このセンサでは、円柱状の振動子が円形貫通孔内に配置され、圧電素子上に形成された電極から、コリオリ力を示す電気信号が取り出される。圧電素子のエッジ位置には、効率的な応力集中が生じるので、このエッジ位置に配置した電極から信号を取り出すことにより、検出感度を高めることが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０８−０３５９８１号公報
【特許文献２】特開平０８−０９４６６１号公報
【特許文献３】特開２００２−０７１７０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
角速度センサを小型化するには、振動子を含めた機械的構造部を小さくすることが不可欠である。しかしながら、この機械的構造部を小さくすればするほど、コリオリ力の作用によって生じる振動子の変位も小さくなり、コリオリ力の測定信号も小さくならざるを得ない。このため、小型で高精度の角速度センサを実現するためには、コリオリ力の検出感度を高めることが重要である。
【０００７】
しかしながら、これまで提案されてきた振動ジャイロ式の角速度センサでは、コリオリ力の検出感度を十分に高めることができず、小型で高精度の角速度センサを実現することが困難であった。
【０００８】
そこで本発明は、コリオリ力の検出感度を更に高めることが可能な振動ジャイロ式の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】
【０００９】
(1) 本発明の第１の態様は、
少なくとも周囲部分が可撓性をもった円盤からなるダイアフラム部と、
ダイアフラム部と中心軸を共通にする同心位置に配置された円柱状の剛体からなり、ダイアフラム部の下面に接合された振動子と、
ダイアフラム部の外周面に接合された円柱表面状の内周面を有する剛体であって、ダイアフラム部の外周面を装置筐体に固定する台座部と、
振動子に対して、所定の振動軸方向の運動成分をもった振動を誘起する励振手段と、
コリオリ力に基づいて振動子に生じる所定の変位軸方向の変位を検出する変位検出手段と、
を備え、
ダイアフラム部の上面中心位置に原点Ｏをもち、ダイアフラム部の上面がＸＹ平面に含まれるようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、Ｘ軸およびＺ軸のうちの一方を振動軸、他方を変位軸とし、変位検出手段による検出値に基づいてＹ軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、
ダイアフラム部を構成する円盤の外径をφとし、振動子を構成する円柱の外径をＤとし、振動子を構成する円柱の高さをＨとしたときに、「Ｄ＜φ」かつ「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる寸法条件を満たすようにしたものである。
【００１０】
(2) 本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る角速度センサにおいて、
ダイアフラム部と、振動子と、台座部とを、同一材料からなる一体構造体によって構成したものである。
【００１１】
(3) 本発明の第３の態様は、上述した第２の態様に係る角速度センサにおいて、
基板の上面側の厚みＴの部分を上層部分、残りの下面側の部分を下層部分と定義したときに、この基板の下面側の下層部分に、Ｚ軸を中心軸として内径Ｄ，外径φをもった円環状の溝が形成されており、
上層部分のうち、Ｚ軸を中心軸として外径φをもった円盤部分によってダイアフラム部が構成され、
下層部分のうち、Ｚ軸を中心軸として直径Ｄをもった円柱部分によって振動子が構成され、
基板のうち、Ｚ軸を中心軸として直径φをもった円柱に含まれない部分によって台座部が構成されているようにしたものである。
【００１２】
(4) 本発明の第４の態様は、上述した第３の態様に係る角速度センサにおいて、
ダイアフラム部の厚みＴと、円柱状の振動子の高さＨと、台座部の厚みＫとの間に、Ｔ＋Ｈ＜Ｋなる寸法条件が満されるようにしたものである。
【００１３】
(5) 本発明の第５の態様は、上述した第３または第４の態様に係る角速度センサにおいて、
シリコン基板の下面に円環状の溝を形成することにより、シリコンからなるダイアフラム部と、シリコンからなる振動子と、シリコンからなる台座部とを、形成するようにしたものである。
【００１４】
(6) 本発明の第６の態様は、上述した第１〜第５の態様に係る角速度センサにおいて、
励振手段が、ダイアフラム部上面の所定箇所に固着された励振用圧電素子と、この励振用圧電素子に交流電気信号を加える励振用電気回路と、を有し、
変位検出手段が、ダイアフラム部上面の所定箇所に固着された検出用圧電素子と、この検出用圧電素子に発生する電荷を検出する検出用電気回路と、を有するようにしたものである。
【００１５】
(7) 本発明の第７の態様は、上述した第１〜第５の態様に係る角速度センサにおいて、
励振手段が、ダイアフラム部もしくは振動子の所定箇所に形成された励振用変位電極と、励振用変位電極に対向するように装置筐体に固定された励振用固定電極と、励振用変位電極と励振用固定電極との間に交流電気信号を加える励振用電気回路と、を有し、
変位検出手段が、ダイアフラム部もしくは振動子の所定箇所に形成された検出用変位電極と、検出用変位電極に対向するように装置筐体に固定された検出用固定電極と、検出用変位電極と検出用固定電極との間の静電容量値を検出する検出用電気回路と、を有するようにしたものである。
【００１６】
(8) 本発明の第８の態様は、上述した第６または第７の態様に係る角速度センサにおいて、
励振用電気回路が、振動子の振動軸方向に関する共振周波数に等しい周波数をもった交流電気信号を加えることを特徴とする角速度センサ。
【００１７】
(9) 本発明の第９の態様は、上述した第１〜第８の態様に係る角速度センサにおいて、
振動子を構成する円柱の高さＨが、「０．２ｍｍ ≦ Ｈ ≦ ０．７ｍｍ」なる寸法条件を満たすことを特徴とする角速度センサ。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る角速度センサでは、外径φをもった円盤からなるダイアフラム部の周囲を固定し、このダイアフラム部の中心に高さＨをもった円柱状の振動子を同心配置し、ダイアフラム部の撓みにより振動子を振動させる構造を採り、更に、「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる寸法条件を満たすような設計がなされる。このような寸法条件を設定すると、ダイアフラム部の上面に平行な軸方向に関する振動子の共振周波数と、ダイアフラム部の上面に垂直な軸方向に関する振動子の共振周波数とが極めて近似し、コリオリ力の検出感度が著しく向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る角速度センサの基本構造体１００を上方から見た斜視図である。
【図２】図１に示す基本構造体１００を下方から見た斜視図である。
【図３】図１に示す基本構造体１００の下面図である。
【図４】図１に示す基本構造体１００をＸＺ平面で切断した側断面図である。
【図５】図１に示す基本構造体１００における振動子１２０をＸ軸正方向に変位させた状態を示す側断面図である。
【図６】図１に示す基本構造体１００における振動子１２０をＸ軸負方向に変位させ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における振動子１２０をＺ軸正方向に変位させた状態を示す側断面図である。
【図８】図１に示す基本構造体１００における振動子１２０をＺ軸負方向に変位させた状態を示す側断面図である。
【図９】図１に示す基本構造体１００に、圧電素子を利用した励振手段および変位検出手段を付加することにより構成される角速度センサを示す側断面図である。
【図１０】図９に示す角速度センサの上面図である。
【図１１】図９に示す角速度センサに用いられている圧電素子の特性を示す側断面図である。
【図１２】図９に示す角速度センサを駆動するために用いる交流電気信号を示す波形図である。
【図１３】図１に示す基本構造体１００に、容量素子を利用した励振手段および変位検出手段を付加することにより構成される角速度センサを示す側断面図である。
【図１４】図１３に示す角速度センサの下方基板３２０の上面図である。
【図１５】図１に示す基本構造体１００の振動周波数特性を示すグラフである。
【図１６】図１に示す基本構造体１００の各部の寸法を示す側断面図である。
【図１７】図１に示す基本構造体１００の寸法比φ／Ｈと角速度センサの感度との関係を示すグラフである。
【図１８】図１７に示すグラフのもとになったデータを示す表である。
【図１９】本発明の特徴となる寸法比φ／Ｈを満たす基本構造体の一例を示す側断面図である。
【図２０】本発明の特徴となる寸法比φ／Ｈを満たす基本構造体の別な一例を示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００２１】
＜＜＜ §１．センサの基本構造体 ＞＞＞
はじめに、本発明に係る角速度センサの振動子を含めた機械的構造部分（以下、基本構造体という）の一例を説明する。図１は、この基本構造体１００を上方から見た斜視図、図２は、下方から見た斜視図である。ここに示す例の場合、基本構造体１００は、上面が正方形をした基板（たとえば、シリコン基板）の下面側に、円環状の溝Ｇが掘られた形態をなす。溝Ｇの底部をなす上層部分は可撓性をもったダイアフラム部１１０を構成し、溝Ｇによって周囲を取り囲まれた円柱状の部分は振動子１２０を構成し、溝Ｇの外側部分は台座１３０を構成する。
【００２２】
図３は、この基本構造体１００の下面図である。図示のとおり、円柱状の振動子１２０と、円環状の溝Ｇとが同心円をなすように配置されていることが明瞭に示されている。図４は、この基本構造体１００の側断面図である。ここでは、説明の便宜上、図１に示すとおり、基本構造体１００の上面中心位置に原点Ｏをもち、基本構造体１００の上面（ダイアフラム部１１０の上面）がＸＹ平面に含まれるようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。Ｘ軸およびＹ軸は、この基本構造体１００の上面に含まれる座標軸になり、Ｚ軸は、この基本構造体１００を構成する基板主面に直交する座標軸になる。図４は、基本構造体１００をＸＺ平面に沿って切った断面を示すものである。
【００２３】
前述したとおり、この基本構造体１００は、基板の下面側に円環状の溝Ｇを形成したものであり、この溝Ｇの上方には、可撓性をもったダイアフラム部１１０が形成される。振動子１２０および台座１３０の部分が剛体として機能するのに対して、ダイアフラム部１１０が可撓性をもった弾性体として機能するのは、その厚みの違いによるものである。図示の例の場合、厚み０．８ｍｍのシリコン基板を用意し、その上層部分の厚み７μｍの部分を残して、下面側から溝Ｇを掘ることにより、可撓性をもったダイアフラム部１１０を形成している（図の寸法比は、図示の便宜上、実際のものとは異なる）。
【００２４】
なお、この例の場合、円柱状の振動子１２０の下面が、台座１３０の下面の位置よりも若干上方に上がっている。これは、台座１３０を装置筐体（図示省略）に固定する際に、振動子１２０が下方へ変位する自由度を確保しておくためである。たとえば、装置筐体の一部を構成する支持基板上に台座１３０の底面を固着した場合でも、振動子１２０の下面と支持基板の上面との間には空隙部が確保されるため、振動子１２０は所定の寸法範囲内で下方へ変位可能になる。
【００２５】
実際、このような構造をもった基本構造体１００では、振動子１２０は、ダイアフラム部１１０が撓みを生じることにより、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれの方向へも変位可能である。たとえば、振動子１２０の重心位置にＸ軸正方向の力＋Ｆｘを作用させれば、ダイアフラム部１１０には図５に示すような撓みが生じ、振動子１２０の重心位置は、Ｘ軸正方向に変位する。逆に、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘを作用させれば、ダイアフラム部１１０には図６に示すような撓みが生じ、振動子１２０の重心位置は、Ｘ軸負方向に変位する。
【００２６】
図１の斜視図を見れば明らかなとおり、この基本構造体１００は、Ｚ軸まわりに９０°回転させても、その幾何学的な構造は全く同一であるから、Ｘ軸方向の力＋Ｆｘ，−Ｆｘの代わりに、Ｙ軸方向の力＋Ｆｙ，−Ｆｙを作用させれば、全く同様の変位をＹ軸方向に関して生じさせることが可能である。
【００２７】
一方、振動子１２０の重心位置にＺ軸正方向の力＋Ｆｚを作用させれば、ダイアフラム部１１０には図７に示すような撓みが生じ、振動子１２０の重心位置は、Ｚ軸正方向に変位する。逆に、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚを作用させれば、ダイアフラム部１１０には図８に示すような撓みが生じ、振動子１２０の重心位置は、Ｚ軸負方向に変位する。
【００２８】
なお、この§１で説明したような基本構造体１００を用いた角速度センサ自体は既に公知の装置であり、前掲の特許文献１〜３に開示されている。
【００２９】
＜＜＜ §２．角速度センサの構成例 ＞＞＞
一般に、振動ジャイロ式の角速度センサでは、互いに直交する３軸のうち、第１の軸方向に振動子を運動させ、このとき振動子に対して第２の軸方向に加わったコリオリ力を測定することにより、第３の軸まわりに作用した角速度の検出を行うことができる。§１で述べたとおり、基本構造体１００における振動子１２０は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれの方向へも変位可能である。したがって、この基本構造体１００を用いたセンサでは、次のような６通りの方法で角速度の検出が可能になる。
【００３０】
＜方法１：Ｖｘ，Ｆｙ，ωｚ＞ 振動子にＸ軸方向の振動Ｖｘを与えた状態で、Ｙ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを測定することにより、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出する。
【００３１】
＜方法２：Ｖｘ，Ｆｚ，ωｙ＞ 振動子にＸ軸方向の振動Ｖｘを与えた状態で、Ｚ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを測定することにより、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出する。
【００３２】
＜方法３：Ｖｙ，Ｆｘ，ωｚ＞ 振動子にＹ軸方向の振動Ｖｙを与えた状態で、Ｘ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを測定することにより、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出する。
【００３３】
＜方法４：Ｖｙ，Ｆｚ，ωｘ＞ 振動子にＹ軸方向の振動Ｖｙを与えた状態で、Ｚ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを測定することにより、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出する。
【００３４】
＜方法５：Ｖｚ，Ｆｘ，ωｙ＞ 振動子にＺ軸方向の振動Ｖｚを与えた状態で、Ｘ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを測定することにより、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出する。
【００３５】
＜方法６：Ｖｚ，Ｆｙ，ωｘ＞ 振動子にＺ軸方向の振動Ｖｚを与えた状態で、Ｙ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを測定することにより、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出する。
【００３６】
ここで、振動子１２０に対して所定の振動軸方向の運動成分をもった振動を電気的に誘起する励振手段や、コリオリ力に基づいて振動子１２０に生じた所定の変位軸方向の変位を電気的に検出する変位検出手段として、圧電素子や容量素子など、様々な素子の利用が提案されている（たとえば、前掲の特許文献１〜３参照）。
【００３７】
図９に側断面図を示す角速度センサは、圧電素子によって、励振手段および変位検出手段を構成した一例である。ここで、基本構造体１００は、§１で述べたとおり、シリコン基板の下面に円環状の溝Ｇを掘ることにより構成されたものである。この基本構造体１００の上面には、絶縁層２１０，下部電極２２０，圧電素子２３０が形成されており、更にその上面には、上部電極Ｅ１１〜Ｅ２４が形成されている。
【００３８】
図１０は、この角速度センサの上面図である。図９に示すとおり、絶縁層２１０（たとえば、酸化シリコン膜），下部電極２２０（たとえば、Ｐｔ／Ｔｉ膜），圧電素子２３０（たとえば、ＰＺＴ薄膜）は、いずれも基本構造体１００の上面全面を覆う層であるが、上部電極Ｅ１１〜Ｅ２４（たとえば、Ａｕ／Ｐｔ膜）は、いずれも扇形をした電極層であり、Ｘ軸上もしくはＹ軸上の所定箇所に配置されている。
【００３９】
圧電素子２３０は、その上面と下面との間に電圧を印加すると、図９の水平方向に伸縮する性質をもっている。図１１は、この圧電素子２３０の特性を示す側断面図である。図に符号Ｐとして示す構成要素は、図９に示す圧電素子２３０の一部分である。この圧電素子Ｐの上面および下面に、それぞれ電極Ｅ１，Ｅ２を形成し、下面側の電極Ｅ２を接地して、上面側の電極Ｅ１に正の電圧を印加すると、図１１(a) に示すように圧電素子Ｐは水平方向に伸び、上面側の電極Ｅ１に負の電圧を印加すると、図１１(b) に示すように圧電素子Ｐは水平方向に縮む性質を有している（伸縮の性質は逆でもかまわない）。また、図１１(a) に示すように圧電素子Ｐを水平方向に伸ばす応力が加わると、上面側の電極Ｅ１に正の電荷が発生し、図１１(b) に示すように圧電素子Ｐを水平方向に縮める応力が加わると、上面側の電極Ｅ１に負の電荷が発生する性質も有する。
【００４０】
図９に示す構成において、圧電素子２３０が図１１に示すような性質を有していれば、下部電極２２０を接地して、上部電極Ｅ１１〜Ｅ２４のいずれかに正もしくは負の電圧を印加することによって、ダイアフラム部１１０の所定部分に撓みを誘発させ、振動子１２０を所望の方向に変位させることが可能である。
【００４１】
たとえば、上部電極Ｅ１１に負の電圧を加え、上部電極Ｅ１２に正の電圧を加え、上部電極Ｅ１３に負の電圧を加え、上部電極Ｅ１４に正の電圧を加えれば、図５に示すように、振動子１２０をＸ軸正方向に変位させることができ、逆に、上部電極Ｅ１１に正の電圧を加え、上部電極Ｅ１２に負の電圧を加え、上部電極Ｅ１３に正の電圧を加え、上部電極Ｅ１４に負の電圧を加えれば、図６に示すように、振動子１２０をＸ軸負方向に変位させることができる。したがって、図１２に示すような互いに逆位相の交流電気信号Ｓ１，Ｓ２を用意しておき（縦軸は波形中心を接地電位とした電圧軸、横軸は時間軸）、上部電極Ｅ１１，Ｅ１３に信号Ｓ１を与え、上部電極Ｅ１２，Ｅ１４に信号Ｓ２を与えるようにすれば、振動子１２０をＸ軸に沿って振動させることができる。
【００４２】
同様に、上部電極Ｅ２１，Ｅ２３に信号Ｓ１を与え、上部電極Ｅ２２，Ｅ２４に信号Ｓ２を与えるようにすれば、振動子１２０をＹ軸に沿って振動させることができる。
【００４３】
また、上部電極Ｅ１１に負の電圧を加え、上部電極Ｅ１２に正の電圧を加え、上部電極Ｅ１３に正の電圧を加え、上部電極Ｅ１４に負の電圧を加えれば、図７に示すように、振動子１２０をＺ軸正方向に変位させることができ、逆に、上部電極Ｅ１１に正の電圧を加え、上部電極Ｅ１２に負の電圧を加え、上部電極Ｅ１３に負の電圧を加え、上部電極Ｅ１４に正の電圧を加えれば、図８に示すように、振動子１２０をＺ軸負方向に変位させることができる。したがって、図１２に示すような互いに逆位相の交流電気信号Ｓ１，Ｓ２を用意しておき（縦軸は波形中心を接地電位とした電圧軸、横軸は時間軸）、上部電極Ｅ１１，Ｅ１４に信号Ｓ１を与え、上部電極Ｅ１２，Ｅ１３に信号Ｓ２を与えるようにすれば、振動子１２０をＺ軸に沿って振動させることができる。あるいは、上部電極Ｅ２１，Ｅ２４に信号Ｓ１を与え、上部電極Ｅ２２，Ｅ２３に信号Ｓ２を与えても、やはり振動子１２０をＺ軸に沿って振動させることができる。
【００４４】
一方、図９に示す構成において、圧電素子２３０が図１１に示すような性質を有していれば、下部電極２２０を接地して、上部電極Ｅ１１〜Ｅ２４のいずれかに発生する電荷量を測定することによって、ダイアフラム部１１０の所定部分に生じている撓みを認識することができ、振動子１２０の所定軸方向の変位を検出することができる。当該変位は、振動子１２０について当該所定軸方向に作用したコリオリ力に対応する。
【００４５】
たとえば、上部電極Ｅ１１，Ｅ１３の発生電荷量の和と、上部電極Ｅ１２，Ｅ１４の発生電荷量の和と、を求め（実際には、接地電位に対する各電極の電位の和を測定してもよい）、両者の差を求めれば、当該差は、振動子１２０のＸ軸方向の変位量（符号は、変位方向）を示すものになり、振動子１２０に加わったＸ軸方向のコリオリ力を示すものになる。
【００４６】
同様に、上部電極Ｅ２１，Ｅ２３の発生電荷量の和と、上部電極Ｅ２２，Ｅ２４の発生電荷量の和と、を求め（実際には、接地電位に対する各電極の電位の和を測定してもよい）、両者の差を求めれば、当該差は、振動子１２０のＹ軸方向の変位量（符号は、変位方向）を示すものになり、振動子１２０に加わったＹ軸方向のコリオリ力を示すものになる。
【００４７】
また、上部電極Ｅ１１，Ｅ１４の発生電荷量の和と、上部電極Ｅ１２，Ｅ１３の発生電荷量の和と、を求め（実際には、接地電位に対する各電極の電位の和を測定してもよい）、両者の差を求めれば、当該差は、振動子１２０のＺ軸方向の変位量（符号は、変位方向）を示すものになり、振動子１２０に加わったＺ軸方向のコリオリ力を示すものになる。これは、上部電極Ｅ２１，Ｅ２４の発生電荷量の和と、上部電極Ｅ２２，Ｅ２３の発生電荷量の和と、を求め（実際には、接地電位に対する各電極の電位の和を測定してもよい）、両者の差を求めても同様である。
【００４８】
結局、図９に示す角速度センサは、下部電極２２０を接地し、所定の上部電極に所定位相をもった交流電気信号を供給することにより、振動子１２０に対して、Ｘ軸方向の振動Ｖｘを与えることもできるし、Ｙ軸方向の振動Ｖｙを与えることもできるし、Ｚ軸方向の振動Ｖｚを与えることもできる。また、下部電極２２０を接地し、所定の上部電極に発生した電荷量を検出することにより、振動子１２０に対して作用したＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを求めることもできるし、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙを求めることもできるし、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｚを求めることもできる。
【００４９】
このように、図９に示す角速度センサは、前述した＜方法１＞〜＜方法６＞のいずれの方法も実施可能であり、Ｘ軸方向の角速度ωｘ，Ｙ軸方向の角速度ωｙ，Ｚ軸方向の角速度ωｚのいずれの検出も可能である。なお、この６通りの方法のうちのいくつかを実施する際には、図１０に示されている８枚の上部電極Ｅ１１〜Ｅ２４の一部を、励振手段用の電極として用いるとともに変位検出手段用の電極としても用いる必要があるが、そのような場合には、１枚の電極を電気的に分離された２枚の電極に分け、それぞれ役割を分担させるようにすればよい。
【００５０】
要するに、圧電素子を用いて角速度センサを構成するのであれば、ダイアフラム部１１０の上面の所定箇所に固着された励振用圧電素子（図９に示す圧電素子２３０のうち、励振に用いる上部電極が形成されている部分）と、この励振用圧電素子に交流電気信号を加える励振用電気回路と、によって励振手段を構成し、ダイアフラム部１１０の上面の所定箇所に固着された検出用圧電素子（図９に示す圧電素子２３０のうち、検出に用いる上部電極が形成されている部分）と、この検出用圧電素子に発生する電荷を検出する検出用電気回路と、によって変位検出手段を構成すればよい。
【００５１】
なお、励振手段や変位検出手段として機能する圧電素子は、ダイアフラム部１１０の上面における溝Ｇの上方に位置する所定部分に配置するのが好ましい。これは、当該箇所に配置された圧電素子には、ダイアフラム部１１０の撓みによる応力が効率的に伝達されるためである。また、前掲の特許文献１および２に開示されている例のように、基本構造体１００それ自身を圧電素子として用いることも可能である。
【００５２】
もちろん、励振手段や変位検出手段は、必ずしも圧電素子を用いて構成する必要はない。図１３に側断面図を示す角速度センサは、静電容量素子によって、励振手段および変位検出手段を構成した一例である。この例でも、基本構造体１００は、§１で述べたとおり、シリコン基板の下面に円環状の溝Ｇを掘ることにより構成されたものである。この基本構造体１００の上方には上方基板３１０が配置され、下方には下方基板３２０が配置されている。
【００５３】
下方基板３２０は、板状の絶縁性基板であり、その上面には、図１４の上面図に示すとおり、５枚の固定電極Ｅ３１〜Ｅ３５（たとえば、アルミニウム膜）が形成されている。中央の固定電極Ｅ３５は、Ｚ軸を中心軸とする円形の電極であり、その周囲に扇形の固定電極Ｅ３１〜Ｅ３４が取り巻くように配置されている。図１３の側断面図に示されているとおり、各固定電極Ｅ３１〜Ｅ３５と振動子１２０の下面との間には、空隙部が形成されており、振動子１２０が下方へ変位する自由度が確保されている。
【００５４】
一方、上方基板３１０は、下面の中央領域に溝Ｇ′が形成されており、この溝Ｇ′の底部に５枚の固定電極Ｅ４１〜Ｅ４５（たとえば、アルミニウム膜）が形成されている。これら固定電極Ｅ４１〜Ｅ４５は、それぞれ図１４に示す固定電極Ｅ３１〜Ｅ３５と同一の形状をなし、同一の配置をなす。すなわち、固定電極Ｅ４１〜Ｅ４５は、それぞれ固定電極Ｅ３１〜Ｅ３５の上方に鏡像をなす関係となるように配置されている。図１３の側断面図に示されているとおり、各固定電極Ｅ４１〜Ｅ４５と基本構造体１００の上面との間には、溝Ｇ′による空隙部が形成されており、振動子１２０が上方へ変位する自由度が確保されている。
【００５５】
この例の場合、基本構造体１００の材質はシリコンであるので、全体が導体として機能する。したがって、各固定電極Ｅ３１〜Ｅ４５のそれぞれと、基本構造体１００の対向面（変位電極として機能する）とによって、合計１０組の静電容量素子Ｃ３１〜Ｃ４５が形成されることになる。したがって、図１３に示す構成において、容量素子Ｃ３１〜Ｃ４５のいずれかにクーロン力を作用させることによって、ダイアフラム部１１０の所定部分に撓みを誘発させ、振動子１２０を所望の方向に変位させることが可能である。
【００５６】
たとえば、基本構造体１００を接地レベルに維持しておき（変位電極はいずれも接地電位になる）、固定電極Ｅ４１，Ｅ３２に電圧を印加すれば、容量素子Ｃ４１，Ｃ３２にクーロン引力を作用させることができ、図５に示すように、振動子１２０をＸ軸正方向に変位させることができる。一方、固定電極Ｅ３１，Ｅ４２に電圧を印加すれば、容量素子Ｃ３１，Ｃ４２にクーロン引力を作用させることができ、図６に示すように、振動子１２０をＸ軸負方向に変位させることができる。これらの変位動作を交互に行えば、振動子１２０をＸ軸に沿って振動させることができる。
【００５７】
同様に、基本構造体１００を接地レベルに維持しておき、固定電極Ｅ４３，Ｅ３４に電圧を印加すれば、容量素子Ｃ４３，Ｃ３４にクーロン引力を作用させることができ、固定電極Ｅ３３，Ｅ４４に電圧を印加すれば、容量素子Ｃ３３，Ｃ４４にクーロン引力を作用させることができるので、これらの変位動作を交互に行えば、振動子１２０をＹ軸に沿って振動させることができる。
【００５８】
また、基本構造体１００を接地レベルに維持しておき、固定電極Ｅ４５に電圧を印加すれば、容量素子Ｃ４５にクーロン引力を作用させることができ、図７に示すように、振動子１２０をＺ軸正方向に変位させることができる。一方、固定電極Ｅ３５に電圧を印加すれば、容量素子Ｃ３５にクーロン引力を作用させることができ、図８に示すように、振動子１２０をＺ軸負方向に変位させることができる。これらの変位動作を交互に行えば、振動子１２０をＺ軸に沿って振動させることができる。
【００５９】
一方、図１３に示す構成において、共通の変位電極として機能する基本構造体１００と、所定の固定電極との間の静電容量値を電気的に検出すれば、両電極間の距離を認識することができるので、振動子１２０の所定軸方向の変位を検出することができる。当該変位は、振動子１２０について当該所定軸方向に作用したコリオリ力に対応する。
【００６０】
たとえば、容量素子Ｃ４１の静電容量値と容量素子Ｃ３２の静電容量値との和と、容量素子Ｃ３１の静電容量値と容量素子Ｃ４２の静電容量値との和と、を求め、両者の差を求めれば、当該差は、振動子１２０のＸ軸方向の変位量（符号は、変位方向）を示すものになり、振動子１２０に加わったＸ軸方向のコリオリ力を示すものになる。
【００６１】
同様に、容量素子Ｃ４３の静電容量値と容量素子Ｃ３４の静電容量値との和と、容量素子Ｃ３３の静電容量値と容量素子Ｃ４４の静電容量値との和と、を求め、両者の差を求めれば、当該差は、振動子１２０のＹ軸方向の変位量（符号は、変位方向）を示すものになり、振動子１２０に加わったＹ軸方向のコリオリ力を示すものになる。
【００６２】
また、容量素子Ｃ４５の静電容量値と容量素子Ｃ３５の静電容量値との差を求めれば、当該差は、振動子１２０のＺ軸方向の変位量（符号は、変位方向）を示すものになり、振動子１２０に加わったＺ軸方向のコリオリ力を示すものになる。
【００６３】
結局、図１３に示す角速度センサでは、基本構造体１００を接地し、所定の固定電極に所定位相をもった交流電気信号を供給することにより、振動子１２０に対して、Ｘ軸方向の振動Ｖｘを与えることもできるし、Ｙ軸方向の振動Ｖｙを与えることもできるし、Ｚ軸方向の振動Ｖｚを与えることもできる。また、基本構造体１００を接地し、所定の固定電極と基本構造体１００（変位電極）との間の静電容量値を検出することにより、振動子１２０に対して作用したＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを求めることもできるし、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙを求めることもできるし、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｚを求めることもできる。
【００６４】
このように、図１３に示す角速度センサは、前述した＜方法１＞〜＜方法６＞のいずれの方法も実施可能であり、Ｘ軸方向の角速度ωｘ，Ｙ軸方向の角速度ωｙ，Ｚ軸方向の角速度ωｚのいずれの検出も可能である。なお、この６通りの方法のうちのいくつかを実施する際には、１０枚の固定電極Ｅ３１〜Ｅ４５の一部を、励振手段用の電極として用いるとともに変位検出手段用の電極としても用いる必要があるが、そのような場合には、１枚の電極を電気的に分離された２枚の電極に分け、それぞれ役割を分担させるようにすればよい。
【００６５】
要するに、静電容量素子を用いて角速度センサを構成するのであれば、ダイアフラム部１１０もしくは振動子１２０の所定箇所に形成された励振用変位電極と、この励振用変位電極に対向するように装置筐体に固定された励振用固定電極と、励振用変位電極と励振用固定電極との間に交流電気信号を加える励振用電気回路と、によって励振手段を構成し、ダイアフラム部１１０もしくは振動子１２０の所定箇所に形成された検出用変位電極と、この検出用変位電極に対向するように装置筐体に固定された検出用固定電極と、検出用変位電極と検出用固定電極との間の静電容量値を検出する検出用電気回路と、によって変位検出手段を構成すればよい。
【００６６】
＜＜＜ §３．検出感度に影響を与えるファクター ＞＞＞
さて、§２では、§１で述べた基本構造体１００に、圧電素子からなる励振手段および変位検出手段を付加した角速度センサと、静電容量素子からなる励振手段および変位検出手段を付加した角速度センサとを例示した。もっとも、このような原理で動作する角速度センサそれ自身は、既に公知の装置であり、たとえば、前掲の特許文献１〜３などに開示されている。本発明の特徴は、このようなセンサにおいて、検出感度を高めるために、基本構造体１００の構造に特殊な条件を設定する点にある。
【００６７】
既に述べたとおり、振動ジャイロ式の角速度センサでは、互いに直交する３軸のうち、第１の軸方向に振動子を運動させ、このとき振動子に対して第２の軸方向に加わったコリオリ力を測定することにより、第３の軸まわりに作用した角速度の検出を行う。ここで、コリオリ力の測定は、§２で述べたとおり、振動子に生じる第２の軸方向への変位を検出することによって行われる。
【００６８】
したがって、コリオリ力の検出感度を高める第１の方法は、振動子の質量を増加させることである。振動子の質量が大きければ大きいほど、作用するコリオリ力も大きくなる。しかしながら、振動子の質量を大きくするには、より密度の大きな材質で振動子を構成するか、あるいは、振動子の体積を大きくする必要がある。量産タイプのセンサの場合、材質は限定せざるを得ず、また、センサを小型化するためには、振動子の体積を大きくするのも好ましくない。そこで、本発明では、この第１の方法は採用しない。
【００６９】
コリオリ力の検出感度を高める第２の方法は、振動子の運動速度を高めることである。§２で述べた駆動方法では、振動子は所定の振動軸に沿って往復運動（単振動）するが、振動の両端点では速度は零になり、振動の中心点において最大速度となる。一般に、機械的構造体には、当該構造体に固有の共振周波数（固有振動数）を定義することができ、当該構造体をその共振周波数で振動させた場合に、エネルギーを最も効率的に利用した振動態様が得られることが知られている。したがって、同一の機械的構造体を同一の振動軸に沿って振動させた場合でも、その振動周波数によって振幅や運動速度などの振動態様は異なり、共振周波数で振動させた場合に、最大振幅をもった安定した振動態様が得られる。
【００７０】
結局、§１で述べた基本構造体１００において、振動子１２０を固有の共振周波数ｆｒ１で振動させるようにすれば、振動子１２０が最大振幅で安定した振動を行うことになり、最大の運動速度を得ることができる。具体的には、たとえば、図１２に示すような交流電気信号Ｓ１，Ｓ２を用いて励振を行う場合であれば、これらの信号Ｓ１，Ｓ２の周波数ｆ１が振動子１２０の所定の振動軸方向に関する共振周波数ｆｒ１に一致するようにすれば、振動子１２０の運動速度を最大にすることができ、作用するコリオリ力の大きさを最大にすることができる。
【００７１】
コリオリ力の検出感度を高める第３の方法は、コリオリ力の作用によって生じる変位を大きくすることである。上述したとおり、§２で説明した角速度センサは、振動子１２０に作用するコリオリ力を直接的に検出する代わりに、コリオリ力の作用によって生じる変位を測定することにより、間接的にコリオリ力の検出を行っている。§２では、圧電素子を用いた変位検出手段と容量素子を用いた変位検出手段の例を述べたが、いずれの場合も、振動子の変位が大きければ大きいほど、大きな電気信号が得られる。
【００７２】
ここで、コリオリ力の作用によって生じる変位の大きさも、振動子１２０に固有の共振周波数が関与してくる。振動子は所定の振動軸に沿って往復運動（単振動）するので、振動子の運動方向は半周期ごとに反転する。したがって、振動子に作用するコリオリ力の方向も半周期ごとに反転するので、結局、振動子は所定の変位軸に沿って、所定の周波数ｆ２で往復運動（単振動）することになり、コリオリ力は、当該往復運動の振幅として測定されることになる。このため、コリオリ力の作用による振動子の変位軸方向への振動周波数ｆ２が、振動子１２０の当該変位軸方向に関する共振周波数ｆｒ２に一致すれば、コリオリ力の作用によって生じる変位の大きさを最大にすることができる。
【００７３】
ところで、コリオリ力は、振動子の運動に基づいて生じる力であるから、コリオリ力に起因して生じる「振動子の変位軸方向に関する振動周波数ｆ２」は、「振動子の振動軸方向に関する振動周波数ｆ１」に一致し、ｆ１＝ｆ２である。たとえば、前述した＜方法１：Ｖｘ，Ｆｙ，ωｚ＞による検出において、振動子をＸ軸方向（振動軸方向）に周波数ｆ１＝１０ｋＨｚで振動するように駆動した場合に、Ｚ軸まわりの一定の角速度ωｚが作用していたとすると、振動子はコリオリ力によって、Ｙ軸方向（変位軸方向）に周波数ｆ２＝１０ｋＨｚで振動することになる。§２に例示したセンサの場合、このＹ軸方向の振動の振幅を圧電素子や容量素子で測定することになる。
【００７４】
したがって、コリオリ力の作用によって生じる変位を大きくするには、基本構造体１００における振動軸方向の共振周波数ｆｒ１と、変位軸方向の共振周波数ｆｒ２とをできるだけ近づけた設計を行った上で、振動子を共振周波数ｆｒ１（もしくは、その近傍）で振動させるようにすればよい。
【００７５】
図１５は、図１に示す基本構造体１００の振動周波数特性を示すグラフである。横軸は周波数ｆを示し、縦軸は振動の安定性を示すＱ値（一般的な振動系において、一周期の間に系に蓄積されるエネルギーを、系から散逸するエネルギーで割った値）を示す。ここで、グラフｇ１は、第１の軸方向に関する周波数特性を示すグラフであり、グラフｇ２は、第２の軸方向に関する周波数特性を示すグラフである。いずれのグラフにおいても、Ｑ値がピークとなる周波数が共振周波数である。このグラフの例の場合、第１の軸方向に関する共振周波数はｆｒ１，第２の軸方向に関する共振周波数はｆｒ２である。
【００７６】
§１で述べた基本構造体１００を用いた角速度センサの場合、既に述べたとおり、第１の軸方向（振動軸方向）の共振周波数ｆｒ１と、第２の軸方向（変位軸方向）の共振周波数ｆｒ２とをできるだけ近づける設計を行った上で、振動子を共振周波数ｆｒ１（もしくは、その近傍）で振動させるような駆動を行えば、コリオリ力の検出感度（センサの検出感度）を高めることが可能になる。
【００７７】
理論的には、振動子を所定の周波数ｆで振動させたときの検出感度Ｓは、振動軸方向の周波数ｆに対応するＱ値と、変位軸方向の周波数ｆに対応するＱ値との積に比例する。したがって、図１５のグラフに示すような振動周波数特性をもったセンサの場合、グラフｇ１のような周波数特性を示す振動方向を振動軸とし、グラフｇ２のような周波数特性を示す振動方向を変位軸として、振動子を共振周波数ｆｒ１（グラフｇ１のピーク周波数、すなわち、振動軸方向に関する共振周波数）で振動させれば、グラフｇ１のピーク値Ｑ１と、グラフｇ２の周波数ｆｒ１に対応するＱの値Ｑ２との積、Ｓ＝ｋ・Ｑ１・Ｑ２（ｋは比例定数）によって、検出感度Ｓが与えられることになる。
【００７８】
もちろん、振動軸方向に関する共振周波数ｆｒ１と変位軸方向に関する共振周波数ｆｒ２とが一致した場合に、最大感度Ｓが得られることになるので、感度向上の観点からは、ｆｒ１＝ｆｒ２となるように、基本構造体１００の設計を行うのが好ましい。
【００７９】
§２で述べたとおり、基本構造体１００を用いたセンサでは、次のような６通りの方法で角速度の検出が可能になる。ここで、Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚは、振動軸をそれぞれＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸にとることを示し、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚは、変位軸をそれぞれＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸にとることを示し、ωｘ，ωｙ，ωｚは、それぞれＸ軸まわり，Ｙ軸まわり，Ｚ軸まわりの角速度を検出することを示している。
＜方法１：Ｖｘ，Ｆｙ，ωｚ＞
＜方法２：Ｖｘ，Ｆｚ，ωｙ＞
＜方法３：Ｖｙ，Ｆｘ，ωｚ＞
＜方法４：Ｖｙ，Ｆｚ，ωｘ＞
＜方法５：Ｖｚ，Ｆｘ，ωｙ＞
＜方法６：Ｖｚ，Ｆｙ，ωｘ＞
【００８０】
ここで、方法１は、振動軸をＸ軸，変位軸をＹ軸にとったものであり、方法３は、振動軸をＹ軸，変位軸をＸ軸にとったものであるから、§１で述べた構造をもつ基本構造体１００を用いる限り、振動軸方向に関する共振周波数ｆｒ１と変位軸方向に関する共振周波数ｆｒ２とは一致する。なぜなら、図１に示すとおり、この基本構造体１００は、Ｚ軸まわりに９０°回転させても、その幾何学的な構造は全く同一であり、Ｘ軸方向に関する周波数特性とＹ軸方向に関する周波数特性とは同一になるためである。
【００８１】
したがって、上記方法１もしくは３を採用する限りにおいて、§１で述べた特徴をもつ基本構造体１００であれば、理論的に最大の感度Ｓが得られることになる。しかしながら、方法１もしくは３では、Ｚ軸まわりの角速度ωｚの検出しか行うことはできない。Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出するためには、方法４もしくは６を採用する必要があり、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出するためには、方法２もしくは５を採用する必要がある。
【００８２】
実際、複数の座標軸まわりの角速度を検出する機能をもった多次元角速度センサの場合、同一の振動軸に沿って運動中の振動子に対して、２つの独立した変位軸方向に作用するコリオリ力を検出したり、あるいは、振動子の振動方向を様々な方向に変化させ（たとえば、振動子をＸＹ平面に平行な面内で円運動させれば、Ｘ軸方向への振動とＹ軸方向への振動とを合成した運動を行わせることができる）、各振動方向に対応した所定の変位軸方向に作用するコリオリ力を検出したりする必要が生じる。
【００８３】
このような多様な検出方法を採った場合にも対応できるようにするには、方法２，４，５，６を採用した場合にも、最大の検出感度が得られるような工夫が必要になる。なお、基本構造体１００は、Ｘ軸とＹ軸との間に幾何学的可換性があるため、方法２もしくは５を採用した場合のみを考慮すれば、方法４もしくは６を採用した場合にも対応できるので、以下、方法２もしくは５を採用した場合のみを検討する。
【００８４】
ここで、方法２は、振動軸をＸ軸，変位軸をＺ軸にとったものであり、方法５は、振動軸をＺ軸，変位軸をＸ軸にとったものであるから、結局、Ｘ軸方向に関する共振周波数ｆｒｘとＺ軸方向に関する共振周波数ｆｒｚとができるだけ近似するような構造が実現できればよいことになる。そのような構造では、当然、Ｙ軸方向に関する共振周波数ｆｒｙとＺ軸方向に関する共振周波数ｆｒｚとの間にも近似関係が得られ、方法４もしくは６を採用した場合にも対応できることになる。
【００８５】
＜＜＜ §４．検出感度を高めるための寸法条件 ＞＞＞
さて、本願発明者は、§３で述べた理論を踏まえて、図１に示す基本構造体１００の各部の寸法比を様々に変化させた試作品を用いて、検出感度がどのように変化するかを調べる実験を行った。また、これらの寸法比を様々に変化させた場合について、有限要素法による振動シミュレーションを併せて行い、各部の寸法比がＸ軸方向に関する共振周波数ｆｒｘおよびＺ軸方向に関する共振周波数ｆｒｚに対して及ぼす影響を調べてみた。その結果、以下のような結論を得ることができた。
【００８６】
ここでは、当該結論について述べる前に、図１６の側断面図を参照して、この基本構造体１００の各部について、次のような定義を行う。この基本構造体１００は、実用上、シリコン基板などの下面に溝を掘る加工を施すことによって構成され、同一材料の一体構造体からなる（もちろん、異なる材料からなる複数の部品を接合して、基本構造体１００を作成することも可能である）。ただ、ここでは、便宜上、図１６に示すように、この基本構造体１００を、ダイアフラム部１１０、振動子１２０、台座部１３０、という３つの部分に分けて説明を行うことにする。
【００８７】
ダイアフラム部１１０は、可撓性をもった円盤からなる部分であり、ここでは、その厚み寸法をＴ、外径寸法（直径）をφとする。また、振動子１２０は、このダイアフラム部１１０と中心軸（Ｚ軸）を共通にする同心位置に配置された円柱状の剛体であり、ダイアフラム部１１０の下面に接合されている。ここでは、この円柱状の振動子１２０の外径寸法（直径）をＤとし、高さをＨとする。もちろん、振動子の外径寸法Ｄは、ダイアフラム部１１０の外径寸法φよりも小さく、「Ｄ＜φ」なる条件を満たしている。
【００８８】
一方、台座部１３０は、ダイアフラム部１１０の外周面に接合された円柱表面状の内周面を有する剛体であり、ダイアフラム部１１０の外周面を装置筐体（図示されていない）に固定する機能を果たす。たとえば、台座部１３０の底面を装置筐体に固定すれば、ダイアフラム部１１０の外周面は、台座部１３０を介して、装置筐体に固定されることになる。ここで、台座部１３０の内径寸法は、ダイアフラム部１１０の外径寸法と同じφである。なお、台座部１３０の外形は、図１に示すとおり、正方形状をなすが、ここでは、この正方形の一辺の寸法をξとする。
【００８９】
このような基本構造体１００は、１枚のシリコン基板の下面側の一部を掘る加工を行うことによって得ることができる。すなわち、まず、用意したシリコン基板の上面側の厚みＴの部分を上層部分、残りの下面側の部分を下層部分と定義したときに、このシリコン基板の下面側の下層部分に、Ｚ軸を中心軸として内径Ｄ，外径φをもった円環状の溝Ｇを形成する。そうすれば、上層部分のうち、Ｚ軸を中心軸として外径φをもった円盤部分によってシリコンからなるダイアフラム部１１０が構成される。また、下層部分のうち、Ｚ軸を中心軸として直径Ｄをもった円柱部分によってシリコンからなる振動子が構成され、シリコン基板のうち、Ｚ軸を中心軸として直径φをもった円柱に含まれない部分によってシリコンからなる台座部１３０が構成される。
【００９０】
なお、図示の例では、直径Ｄの円柱部分の下側の一部を切除し、台座部１３０の底面より、振動子１２０の底面が若干上方にくるような加工を施している。すなわち、ダイアフラム部１１０の厚みＴと、円柱状の振動子１２０の高さＨと、台座部１３０の厚みＫとの間に、Ｔ＋Ｈ＜Ｋなる寸法条件が満されるようにしている。これは、振動子１２０の下方への変位の自由度を確保するための配慮である。
【００９１】
ダイアフラム部１１０の厚みＴは、可撓性をもたせるために十分に薄い寸法に設定されており、それ故に、ダイアフラム部１１０の円環状の溝Ｇの上方に位置する部分は、図５〜図８に示すように撓みを生じることになる。これに対して、円柱状の振動子１２０の高さＨや、台座部１３０の厚みＫは、振動子１２０や台座部１３０が剛体として振る舞うのに十分に厚い寸法に設定されている（図は、便宜上、実際の寸法比を無視して描いてある）。なお、ダイアフラム部１１０は、可撓性をもつのに十分に薄い厚みＴをもった円盤であるが、その中央部分の下面には、剛体からなる振動子１２０が接合されているため、当該中央部分は剛体として振る舞うことになる。振動子１２０を変位自在に支持する上で、ダイアフラム部１１０は、少なくともその周囲部分が可撓性を有していれば足りる。
【００９２】
さて、本願発明者が行った実験およびシミュレーションによって得られた重要な結論は、基本構造体１００の寸法比φ／Ｈが、前述した方法２もしくは方法５を採用した場合（方法４もしくは方法６を採用した場合も同様）の検出感度に影響を及ぼす重要なパラメータになる、という事実である。ここで、φは、厚みＴをもったダイアフラム部１１０の外径（円盤の直径）であり、Ｈは、円柱状の振動子１２０の高さ（直径Ｄをもった円柱部分の高さ）である。
【００９３】
図１７は、基本構造体１００の寸法比φ／Ｈと、角速度センサの感度との関係を示すグラフである。このグラフは、寸法比φ／Ｈが異なる様々な試作品を使って、上記方法２を採用して角速度の測定を行った場合の検出感度を示すものである。より具体的に説明すれば、所定の励振エネルギーを供給することにより、振動子をＸ軸方向に、当該軸方向に関する共振周波数で振動させた状態において、Ｙ軸まわりの一定の角速度ωｙを加えたときに、振動子に生じるＺ軸方向の振動の振幅値を検出感度として測定したものである。グラフの横軸は、測定に用いたセンサに用いられている基本構造体１００の寸法比φ／Ｈを示し、縦軸は、検出感度（最大値が１．０となるように規格化したもの）を示す。
【００９４】
なお、図１７に示すグラフを得る方法として、φ，Ｄ，Ｔなどの値を一定値に維持しつつ、Ｈの値のみを様々に変化させた場合の検出感度を測定する方法と、Ｈ，Ｄ，Ｔなどの値を一定値に維持しつつ、φの値のみを様々に変化させた場合の検出感度を測定する方法とがある。本願発明者は、これら両方の方法を実施したが、いずれの場合についても、図１７に示す同じグラフが得られた。
【００９５】
図示のとおり、寸法比φ／Ｈが２〜３の間で、検出感度は急峻な立ち上がりを示している。図１８は、図１７に示すグラフのもとになったデータを示す表である。この表を見ればわかるとおり、検出感度は「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる寸法条件を満たす領域において、極めて顕著に増加している。すなわち、図示の検出感度の有効桁数（小数点以下第３位）では、φ／Ｈが２以下の場合や、３以上の場合では、検出感度が０．０００を示すほど（実際には、表における「０．０００」なる測定結果は、感度が零であることを示すものではなく、ノイズ成分に埋もれて、正確な感度測定が不能であることを示す）、「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」という寸法条件を満たす領域の検出感度は顕著である。これは、このような寸法条件を満足する基本構造体１００を設計すれば、Ｘ軸方向に関する共振周波数とＺ軸方向に関する共振周波数とが極めて近似し、前述した方法２，４，５，６を採用した場合に、極めて良好な検出感度が得られることを意味する。
【００９６】
より厳密に言えば、寸法比φ／Ｈが２．４０近傍のときに、検出感度は１．０００（最大値）となるので、検出感度を向上させる観点からは、寸法比φ／Ｈ＝２．４０となるような設計を行えば、理想的な基本構造体１００を得ることができる。
【００９７】
ここで重要な点は、ダイアフラム部１１０の厚みＴや、振動子１２０の直径Ｄを変えても、図１７および図１８に示す結果に変わりはなく、当該結果が普遍性を有する点である。実際、前述した方法２，４，５，６を採用して検出感度の測定を行った結果、いずれの場合も図１７および図１８に示す結果と同等の結果が得られた。
【００９８】
寸法比φ／Ｈを決定するための値φはダイアフラム部１１０を構成する円盤の外径であり、値Ｈは振動子１２０を構成する円柱の高さである。図１６に示す基本構造体１００の幾何学的な形態を決定するファクターは、寸法φおよび寸法Ｈだけではない。しかしながら、本願発明者が行った実験およびシミュレーションによれば、寸法φ，Ｈ以外のファクターは、当該実験およびシミュレーションで求める検出感度のピーク位置に関して、有意な影響を及ぼすことがないことが判明した。
【００９９】
たとえば、ダイアフラム部１１０の厚みＴは、共振周波数に対しては影響を及ぼすファクターになる。実際、厚みＴを変えることにより、各座標軸方向の共振周波数は様々に変化する。しかしながら、本願にいう「検出感度」とは、振動軸方向に関する共振周波数（たとえば、Ｘ軸方向の共振周波数）と変位軸方向に関する共振周波数（たとえば、Ｚ軸方向の共振周波数）との一致度合いに基づいて決定されるものであり、特定の軸方向の共振周波数のみによって決定されるものではない。
【０１００】
本願発明者は、ダイアフラム部１１０の厚みＴが角速度センサとして実用可能な範囲をとる様々な基本構造体の試作品について、上記実験およびシミュレーションを行った。その結果、センサ感度の絶対値は様々に変化するが、図１７のグラフの山形の波形が得られる範囲（検出感度が顕著になる寸法比φ／Ｈの範囲）が、「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」になる点については、変わりはなかった。すなわち、最大感度が得られる寸法比φ／Ｈの値は、ダイアフラム部１１０の厚みＴには依存しないことが確認できた。
【０１０１】
同様に、振動子１２０の外径Ｄも、共振周波数に対して影響を及ぼすファクターであるものの、顕著な検出感度を示す寸法比φ／Ｈの範囲には影響を及ぼさないことが確認できた。
【０１０２】
一方、台座部１３０の外寸ξや厚みＫは、共振周波数に対しても、検出感度に対しても、何ら影響を及ぼすものではない。そもそも台座部１３０は、装置筐体に固定されることを前提とする剛体であるから、外形の形状や厚みは、ダイアフラム部１１０の外周部分の支持構造に何ら影響を与えるものではない。もちろん、台座部１３０の内径φは、ダイアフラム部１１０の外径φに等しいので、「検出感度」を左右する重要なファクターになる。
【０１０３】
以上、基本構造体１１０の幾何学的な構造に関して、「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる寸法条件が、良好な検出感度を得る上で普遍的な条件であることを述べたが、上記寸法条件は、基本構造体１１０の材質に関しても普遍性をもつものである。本願発明者は、基本構造体１１０の弾性係数に様々な数値を与え、有限要素法によるシミュレーションを実行したが、現実的な弾性係数の設定を用いる限り、図１７および図１８に示す結果に変わりはなかった。
【０１０４】
なお、この図１７および図１８に示す結果は、振動子１２０の高さＨが、０．２ｍｍ ≦ Ｈ ≦ ０．７ｍｍの範囲内（産業上、最も需要が見込まれるサイズ）の試作品について、実験およびシミュレーションによる解析を行った結果である。現段階では、振動子１２０の高さＨを、上記以外の範囲に設定した検証は行っていない。しかしながら、振動子１２０の高さＨを、上記以外の範囲に設定した場合についても、全く同様の結果が得られるものと考えられ、「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる条件は、振動子１２０の高さＨがどのような値をとる場合でも、良好な検出感度を得る普遍的な条件であるものと推定される。
【０１０５】
また、実際の角速度センサでは、振動子１２０に対して、所定の振動軸方向の運動成分をもった振動を誘起する励振手段と、コリオリ力に基づいて振動子１２０に生じる所定の変位軸方向の変位を検出する変位検出手段と、が付加されることになる。たとえば、図９に示す例では、基本構造体１００の上面に、絶縁層２１０，下部電極２２０，圧電素子２３０などの層状構造体が形成される。
【０１０６】
このような層状構造体を形成すると、ダイアフラム部１１０の厚みＴを変えたときと同様に、共振周波数自体は変化する。しかしながら、予め、寸法比φ／Ｈの値が「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる条件を満足する基本構造体１００を用意しておけば、その上面にさまざまな層状構造体を形成したとしても、ダイアフラム部１１０の外径φや、振動子１２０の高さＨに変わりはないので、寸法比φ／Ｈの値が上記条件を満たすことに変わりはなく、良好な検出感度が得られることになる。
【０１０７】
このように、ダイアフラム部１１０を構成する円盤の外径をφとし、振動子１２０を構成する円柱の外径をＤとし、振動子１２０を構成する円柱の高さをＨとしたときに、「Ｄ＜φ」かつ「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる寸法条件を満たすような基本構造体１００を設計すれば、振動子のＸ軸方向に関する共振周波数と振動子のＺ軸方向に関する共振周波数とを近似させることができ、極めて良好な検出感度を得ることが可能になる。しかも、上記寸法条件は、その他の各部分の寸法値や材質などに影響されない普遍的な条件である。
【０１０８】
したがって、ダイアフラム部１１０の上面中心位置に原点Ｏをもち、ダイアフラム部１１０の上面がＸＹ平面に含まれるようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、Ｘ軸およびＺ軸のうちの一方を振動軸、他方を変位軸とし、変位検出手段による検出値に基づいてＹ軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、上記条件を満たす基本構造体１００を設計することは、検出感度を高める上で非常に有用である。もちろん、この基本構造体１００は、Ｘ軸とＹ軸との間に幾何学的可換性があるため、Ｙ軸およびＺ軸のうちの一方を振動軸、他方を変位軸とし、変位検出手段による検出値に基づいてＸ軸まわりの角速度を検出する角速度センサに用いても、検出感度を高める上で非常に有用である。
【０１０９】
前掲の特許文献１〜３などには、寸法比φ／Ｈが６以上となる基本構造体が開示されている。これは、センサ全体の薄型化を図る上では、寸法値φに比べて寸法値Ｈを十分に小さくした方が有利であり、小型の角速度センサには好ましい構造と考えられていたためである。しかしながら、前掲の特許文献１〜３は、新規なセンサの構造や動作原理に関する発明を開示した文献であり、良好な検出感度を得るための寸法比に関しては何ら言及していない。実際、検出感度の観点からは、前掲の特許文献１〜３などに図示されている基本構造体の寸法比は、決して好ましいものではない。実際、図１８に示す結果によれば、寸法比φ／Ｈ＝６となる基本構造体の代わりに、φ／Ｈ＝２．４０となる基本構造体を用いれば、極めて高い検出感度が得られることになる。
【０１１０】
図１９および図２０は、本発明の特徴となる寸法比φ／Ｈを満たす基本構造体の一例を示す側断面図である。両図に示された基本構造体において、円柱状の振動子１２０の高さＨと、円盤状のダイアフラム部１１０の外径φとは共通であり、寸法比φ／Ｈ＝２．４０に設定されている。これは、図１８の表に示されているとおり、最大の検出感度が得られる寸法比に相当する。別言すれば、Ｘ軸もしくはＹ軸方向に関する共振周波数と、Ｚ軸方向に関する共振周波数とが完全に一致する寸法比ということになる。
【０１１１】
もちろん、図１９に示す例と図２０に示す例とを比較すると、その他の寸法、たとえば、ダイアフラム部１１０の厚みＴ１，Ｔ２、振動子１２０の外径Ｄ１，Ｄ２、台座部１３０の外寸ξ１，ξ２、台座部１３０の厚みＫ１，Ｋ２はそれぞれ異なっている。よって、図１９に示す例と図２０に示す例とでは、各座標軸方向に関する共振周波数それ自身は相違する。しかしながら、寸法比φ／Ｈはいずれも２．４０に設定されているため、いずれの例の場合も、それぞれに固有の共振周波数（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に関する共通の共振周波数）で振動子１２０を振動させて検出を行うようにすれば、最大の検出感度が得られることになる。
【０１１２】
なお、上述したとおり、寸法比φ／Ｈ＝２．４０に設定すれば、最大の検出感度が得られるが、一般に、検出感度が高くなればなるほど、センサとしての周波数応答性は低下する。したがって、実用上は、寸法比φ／Ｈの値を「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．４０−δ」もしくは「２．４０＋δ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる範囲に設定するのが好ましい。ここで、δの値としては、高い応答周波数が必要な場合には大きな値を、低い応答周波数が得られれば十分な場合には小さな値を適宜設定すればよい。
【符号の説明】
【０１１３】
１００：基本構造体
１１０：ダイアフラム部
１２０：振動子
１３０：台座部
２１０：絶縁層
２２０：下部電極
２３０：圧電素子
３１０：上方基板
３２０：下方基板
Ｄ，Ｄ１，Ｄ２：円柱状振動子１２０の外径
Ｅ１，Ｅ２：電極
Ｅ１１〜Ｅ２４：上部電極
Ｅ３１〜Ｅ４５：固定電極
ｆ：周波数
ｆｒ１，ｆｒ２：共振周波数
Ｇ：円環状の溝
Ｇ′：上方基板３１０の下面に形成された溝
ｇ１，ｇ２：振動周波数特性を示すグラフ
Ｈ：円柱状振動子１２０の高さ
Ｋ，Ｋ１，Ｋ２：基本構造体１００の厚み
Ｐ：圧電素子の一部分
Ｑ１，Ｑ２：振動系のＱ値
Ｓ１，Ｓ２：交流電気信号
Ｔ，Ｔ１，Ｔ２：円盤状ダイアフラムの厚み
ｔ：時間
ＸＹＺ：三次元直交座標系の各座標軸
φ：円盤状ダイアフラム１１０の外径
ξ，ξ１，ξ２：基本構造体１００の外寸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度センサに関し、特に、振動ジャイロ式の角速度センサについて、その検出感度を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型で量産に適した角速度センサとして、振動ジャイロ式のセンサが普及している。この振動ジャイロ式の角速度センサでは、互いに直交する３軸のうち、第１の軸方向に振動子を運動させ、このとき振動子に対して第２の軸方向に加わったコリオリ力を測定することにより、第３の軸まわりに作用した角速度の検出が行われる。
【０００３】
たとえば、下記の特許文献１および２には、円盤状の圧電素子の下面に環状溝を掘り、この環状溝で囲まれた円柱状の部分を振動子として利用した振動ジャイロ式の角速度センサが開示されている。このセンサでは、圧電素子の所定部分に交流電気信号を供給することにより、振動子を所定の軸方向に振動させることができ、その状態において、圧電素子の所定部分に生じる電圧を測定することにより、振動子に作用したコリオリ力を検出することができる。円盤状の圧電素子を用いることにより、小型で量産に適した角速度センサが実現できる。
【０００４】
また、下記の特許文献３には、金属製のダイアフラムの下面に板状の圧電素子を接合し、これらの中央部に円形貫通孔を形成した構造体を用いた角速度センサが開示されている。このセンサでは、円柱状の振動子が円形貫通孔内に配置され、圧電素子上に形成された電極から、コリオリ力を示す電気信号が取り出される。圧電素子のエッジ位置には、効率的な応力集中が生じるので、このエッジ位置に配置した電極から信号を取り出すことにより、検出感度を高めることが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０８−０３５９８１号公報
【特許文献２】特開平０８−０９４６６１号公報
【特許文献３】特開２００２−０７１７０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
角速度センサを小型化するには、振動子を含めた機械的構造部を小さくすることが不可欠である。しかしながら、この機械的構造部を小さくすればするほど、コリオリ力の作用によって生じる振動子の変位も小さくなり、コリオリ力の測定信号も小さくならざるを得ない。このため、小型で高精度の角速度センサを実現するためには、コリオリ力の検出感度を高めることが重要である。
【０００７】
しかしながら、これまで提案されてきた振動ジャイロ式の角速度センサでは、コリオリ力の検出感度を十分に高めることができず、小型で高精度の角速度センサを実現することが困難であった。
【０００８】
そこで本発明は、コリオリ力の検出感度を更に高めることが可能な振動ジャイロ式の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】
【０００９】
(1) 本発明の第１の態様は、
少なくとも周囲部分が可撓性をもった円盤からなるダイアフラム部と、
ダイアフラム部と中心軸を共通にする同心位置に配置された円柱状の剛体からなり、ダイアフラム部の下面に接合された振動子と、
ダイアフラム部の外周面に接合された円柱表面状の内周面を有する剛体であって、ダイアフラム部の外周面を装置筐体に固定する台座部と、
振動子に対して、所定の振動軸方向の運動成分をもった振動を誘起する励振手段と、
コリオリ力に基づいて振動子に生じる所定の変位軸方向の変位を検出する変位検出手段と、
を備え、
ダイアフラム部の上面中心位置に原点Ｏをもち、ダイアフラム部の上面がＸＹ平面に含まれるようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、Ｘ軸およびＺ軸のうちの一方を振動軸、他方を変位軸とし、変位検出手段による検出値に基づいてＹ軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、
ダイアフラム部を構成する円盤の外径をφとし、振動子を構成する円柱の外径をＤとし、振動子を構成する円柱の高さをＨとしたときに、「Ｄ＜φ」かつ「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる寸法条件を満たすようにしたものである。
【００１０】
(2) 本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る角速度センサにおいて、
ダイアフラム部と、振動子と、台座部とを、同一材料からなる一体構造体によって構成したものである。
【００１１】
(3) 本発明の第３の態様は、上述した第２の態様に係る角速度センサにおいて、
基板の上面側の厚みＴの部分を上層部分、残りの下面側の部分を下層部分と定義したときに、この基板の下面側の下層部分に、Ｚ軸を中心軸として内径Ｄ，外径φをもった円環状の溝が形成されており、
上層部分のうち、Ｚ軸を中心軸として外径φをもった円盤部分によってダイアフラム部が構成され、
下層部分のうち、Ｚ軸を中心軸として直径Ｄをもった円柱部分によって振動子が構成され、
基板のうち、Ｚ軸を中心軸として直径φをもった円柱に含まれない部分によって台座部が構成されているようにしたものである。
【００１２】
(4) 本発明の第４の態様は、上述した第３の態様に係る角速度センサにおいて、
ダイアフラム部の厚みＴと、円柱状の振動子の高さＨと、台座部の厚みＫとの間に、Ｔ＋Ｈ＜Ｋなる寸法条件が満されるようにしたものである。
【００１３】
(5) 本発明の第５の態様は、上述した第３または第４の態様に係る角速度センサにおいて、
シリコン基板の下面に円環状の溝を形成することにより、シリコンからなるダイアフラム部と、シリコンからなる振動子と、シリコンからなる台座部とを、形成するようにしたものである。
【００１４】
(6) 本発明の第６の態様は、上述した第１〜第５の態様に係る角速度センサにおいて、
励振手段が、ダイアフラム部上面の所定箇所に固着された励振用圧電素子と、この励振用圧電素子に交流電気信号を加える励振用電気回路と、を有し、
変位検出手段が、ダイアフラム部上面の所定箇所に固着された検出用圧電素子と、この検出用圧電素子に発生する電荷を検出する検出用電気回路と、を有するようにしたものである。
【００１５】
(7) 本発明の第７の態様は、上述した第１〜第５の態様に係る角速度センサにおいて、
励振手段が、ダイアフラム部もしくは振動子の所定箇所に形成された励振用変位電極と、励振用変位電極に対向するように装置筐体に固定された励振用固定電極と、励振用変位電極と励振用固定電極との間に交流電気信号を加える励振用電気回路と、を有し、
変位検出手段が、ダイアフラム部もしくは振動子の所定箇所に形成された検出用変位電極と、検出用変位電極に対向するように装置筐体に固定された検出用固定電極と、検出用変位電極と検出用固定電極との間の静電容量値を検出する検出用電気回路と、を有するようにしたものである。
【００１６】
(8) 本発明の第８の態様は、上述した第６または第７の態様に係る角速度センサにおいて、
励振用電気回路が、振動子の振動軸方向に関する共振周波数に等しい周波数をもった交流電気信号を加えることを特徴とする角速度センサ。
【００１７】
(9) 本発明の第９の態様は、上述した第１〜第８の態様に係る角速度センサにおいて、
振動子を構成する円柱の高さＨが、「０．２ｍｍ ≦ Ｈ ≦ ０．７ｍｍ」なる寸法条件を満たすことを特徴とする角速度センサ。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る角速度センサでは、外径φをもった円盤からなるダイアフラム部の周囲を固定し、このダイアフラム部の中心に高さＨをもった円柱状の振動子を同心配置し、ダイアフラム部の撓みにより振動子を振動させる構造を採り、更に、「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる寸法条件を満たすような設計がなされる。このような寸法条件を設定すると、ダイアフラム部の上面に平行な軸方向に関する振動子の共振周波数と、ダイアフラム部の上面に垂直な軸方向に関する振動子の共振周波数とが極めて近似し、コリオリ力の検出感度が著しく向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る角速度センサの基本構造体１００を上方から見た斜視図である。
【図２】図１に示す基本構造体１００を下方から見た斜視図である。
【図３】図１に示す基本構造体１００の下面図である。
【図４】図１に示す基本構造体１００をＸＺ平面で切断した側断面図である。
【図５】図１に示す基本構造体１００における振動子１２０をＸ軸正方向に変位させた状態を示す側断面図である。
【図６】図１に示す基本構造体１００における振動子１２０をＸ軸負方向に変位させ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における振動子１２０をＺ軸正方向に変位させた状態を示す側断面図である。
【図８】図１に示す基本構造体１００における振動子１２０をＺ軸負方向に変位させた状態を示す側断面図である。
【図９】図１に示す基本構造体１００に、圧電素子を利用した励振手段および変位検出手段を付加することにより構成される角速度センサを示す側断面図である。
【図１０】図９に示す角速度センサの上面図である。
【図１１】図９に示す角速度センサに用いられている圧電素子の特性を示す側断面図である。
【図１２】図９に示す角速度センサを駆動するために用いる交流電気信号を示す波形図である。
【図１３】図１に示す基本構造体１００に、容量素子を利用した励振手段および変位検出手段を付加することにより構成される角速度センサを示す側断面図である。
【図１４】図１３に示す角速度センサの下方基板３２０の上面図である。
【図１５】図１に示す基本構造体１００の振動周波数特性を示すグラフである。
【図１６】図１に示す基本構造体１００の各部の寸法を示す側断面図である。
【図１７】図１に示す基本構造体１００の寸法比φ／Ｈと角速度センサの感度との関係を示すグラフである。
【図１８】図１７に示すグラフのもとになったデータを示す表である。
【図１９】本発明の特徴となる寸法比φ／Ｈを満たす基本構造体の一例を示す側断面図である。
【図２０】本発明の特徴となる寸法比φ／Ｈを満たす基本構造体の別な一例を示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００２１】
＜＜＜ §１．センサの基本構造体 ＞＞＞
はじめに、本発明に係る角速度センサの振動子を含めた機械的構造部分（以下、基本構造体という）の一例を説明する。図１は、この基本構造体１００を上方から見た斜視図、図２は、下方から見た斜視図である。ここに示す例の場合、基本構造体１００は、上面が正方形をした基板（たとえば、シリコン基板）の下面側に、円環状の溝Ｇが掘られた形態をなす。溝Ｇの底部をなす上層部分は可撓性をもったダイアフラム部１１０を構成し、溝Ｇによって周囲を取り囲まれた円柱状の部分は振動子１２０を構成し、溝Ｇの外側部分は台座１３０を構成する。
【００２２】
図３は、この基本構造体１００の下面図である。図示のとおり、円柱状の振動子１２０と、円環状の溝Ｇとが同心円をなすように配置されていることが明瞭に示されている。図４は、この基本構造体１００の側断面図である。ここでは、説明の便宜上、図１に示すとおり、基本構造体１００の上面中心位置に原点Ｏをもち、基本構造体１００の上面（ダイアフラム部１１０の上面）がＸＹ平面に含まれるようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。Ｘ軸およびＹ軸は、この基本構造体１００の上面に含まれる座標軸になり、Ｚ軸は、この基本構造体１００を構成する基板主面に直交する座標軸になる。図４は、基本構造体１００をＸＺ平面に沿って切った断面を示すものである。
【００２３】
前述したとおり、この基本構造体１００は、基板の下面側に円環状の溝Ｇを形成したものであり、この溝Ｇの上方には、可撓性をもったダイアフラム部１１０が形成される。振動子１２０および台座１３０の部分が剛体として機能するのに対して、ダイアフラム部１１０が可撓性をもった弾性体として機能するのは、その厚みの違いによるものである。図示の例の場合、厚み０．８ｍｍのシリコン基板を用意し、その上層部分の厚み７μｍの部分を残して、下面側から溝Ｇを掘ることにより、可撓性をもったダイアフラム部１１０を形成している（図の寸法比は、図示の便宜上、実際のものとは異なる）。
【００２４】
なお、この例の場合、円柱状の振動子１２０の下面が、台座１３０の下面の位置よりも若干上方に上がっている。これは、台座１３０を装置筐体（図示省略）に固定する際に、振動子１２０が下方へ変位する自由度を確保しておくためである。たとえば、装置筐体の一部を構成する支持基板上に台座１３０の底面を固着した場合でも、振動子１２０の下面と支持基板の上面との間には空隙部が確保されるため、振動子１２０は所定の寸法範囲内で下方へ変位可能になる。
【００２５】
実際、このような構造をもった基本構造体１００では、振動子１２０は、ダイアフラム部１１０が撓みを生じることにより、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれの方向へも変位可能である。たとえば、振動子１２０の重心位置にＸ軸正方向の力＋Ｆｘを作用させれば、ダイアフラム部１１０には図５に示すような撓みが生じ、振動子１２０の重心位置は、Ｘ軸正方向に変位する。逆に、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘを作用させれば、ダイアフラム部１１０には図６に示すような撓みが生じ、振動子１２０の重心位置は、Ｘ軸負方向に変位する。
【００２６】
図１の斜視図を見れば明らかなとおり、この基本構造体１００は、Ｚ軸まわりに９０°回転させても、その幾何学的な構造は全く同一であるから、Ｘ軸方向の力＋Ｆｘ，−Ｆｘの代わりに、Ｙ軸方向の力＋Ｆｙ，−Ｆｙを作用させれば、全く同様の変位をＹ軸方向に関して生じさせることが可能である。
【００２７】
一方、振動子１２０の重心位置にＺ軸正方向の力＋Ｆｚを作用させれば、ダイアフラム部１１０には図７に示すような撓みが生じ、振動子１２０の重心位置は、Ｚ軸正方向に変位する。逆に、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚを作用させれば、ダイアフラム部１１０には図８に示すような撓みが生じ、振動子１２０の重心位置は、Ｚ軸負方向に変位する。
【００２８】
なお、この§１で説明したような基本構造体１００を用いた角速度センサ自体は既に公知の装置であり、前掲の特許文献１〜３に開示されている。
【００２９】
＜＜＜ §２．角速度センサの構成例 ＞＞＞
一般に、振動ジャイロ式の角速度センサでは、互いに直交する３軸のうち、第１の軸方向に振動子を運動させ、このとき振動子に対して第２の軸方向に加わったコリオリ力を測定することにより、第３の軸まわりに作用した角速度の検出を行うことができる。§１で述べたとおり、基本構造体１００における振動子１２０は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれの方向へも変位可能である。したがって、この基本構造体１００を用いたセンサでは、次のような６通りの方法で角速度の検出が可能になる。
【００３０】
＜方法１：Ｖｘ，Ｆｙ，ωｚ＞ 振動子にＸ軸方向の振動Ｖｘを与えた状態で、Ｙ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを測定することにより、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出する。
【００３１】
＜方法２：Ｖｘ，Ｆｚ，ωｙ＞ 振動子にＸ軸方向の振動Ｖｘを与えた状態で、Ｚ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを測定することにより、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出する。
【００３２】
＜方法３：Ｖｙ，Ｆｘ，ωｚ＞ 振動子にＹ軸方向の振動Ｖｙを与えた状態で、Ｘ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを測定することにより、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出する。
【００３３】
＜方法４：Ｖｙ，Ｆｚ，ωｘ＞ 振動子にＹ軸方向の振動Ｖｙを与えた状態で、Ｚ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを測定することにより、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出する。
【００３４】
＜方法５：Ｖｚ，Ｆｘ，ωｙ＞ 振動子にＺ軸方向の振動Ｖｚを与えた状態で、Ｘ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを測定することにより、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出する。
【００３５】
＜方法６：Ｖｚ，Ｆｙ，ωｘ＞ 振動子にＺ軸方向の振動Ｖｚを与えた状態で、Ｙ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを測定することにより、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出する。
【００３６】
ここで、振動子１２０に対して所定の振動軸方向の運動成分をもった振動を電気的に誘起する励振手段や、コリオリ力に基づいて振動子１２０に生じた所定の変位軸方向の変位を電気的に検出する変位検出手段として、圧電素子や容量素子など、様々な素子の利用が提案されている（たとえば、前掲の特許文献１〜３参照）。
【００３７】
図９に側断面図を示す角速度センサは、圧電素子によって、励振手段および変位検出手段を構成した一例である。ここで、基本構造体１００は、§１で述べたとおり、シリコン基板の下面に円環状の溝Ｇを掘ることにより構成されたものである。この基本構造体１００の上面には、絶縁層２１０，下部電極２２０，圧電素子２３０が形成されており、更にその上面には、上部電極Ｅ１１〜Ｅ２４が形成されている。
【００３８】
図１０は、この角速度センサの上面図である。図９に示すとおり、絶縁層２１０（たとえば、酸化シリコン膜），下部電極２２０（たとえば、Ｐｔ／Ｔｉ膜），圧電素子２３０（たとえば、ＰＺＴ薄膜）は、いずれも基本構造体１００の上面全面を覆う層であるが、上部電極Ｅ１１〜Ｅ２４（たとえば、Ａｕ／Ｐｔ膜）は、いずれも扇形をした電極層であり、Ｘ軸上もしくはＹ軸上の所定箇所に配置されている。
【００３９】
圧電素子２３０は、その上面と下面との間に電圧を印加すると、図９の水平方向に伸縮する性質をもっている。図１１は、この圧電素子２３０の特性を示す側断面図である。図に符号Ｐとして示す構成要素は、図９に示す圧電素子２３０の一部分である。この圧電素子Ｐの上面および下面に、それぞれ電極Ｅ１，Ｅ２を形成し、下面側の電極Ｅ２を接地して、上面側の電極Ｅ１に正の電圧を印加すると、図１１(a) に示すように圧電素子Ｐは水平方向に伸び、上面側の電極Ｅ１に負の電圧を印加すると、図１１(b) に示すように圧電素子Ｐは水平方向に縮む性質を有している（伸縮の性質は逆でもかまわない）。また、図１１(a) に示すように圧電素子Ｐを水平方向に伸ばす応力が加わると、上面側の電極Ｅ１に正の電荷が発生し、図１１(b) に示すように圧電素子Ｐを水平方向に縮める応力が加わると、上面側の電極Ｅ１に負の電荷が発生する性質も有する。
【００４０】
図９に示す構成において、圧電素子２３０が図１１に示すような性質を有していれば、下部電極２２０を接地して、上部電極Ｅ１１〜Ｅ２４のいずれかに正もしくは負の電圧を印加することによって、ダイアフラム部１１０の所定部分に撓みを誘発させ、振動子１２０を所望の方向に変位させることが可能である。
【００４１】
たとえば、上部電極Ｅ１１に負の電圧を加え、上部電極Ｅ１２に正の電圧を加え、上部電極Ｅ１３に負の電圧を加え、上部電極Ｅ１４に正の電圧を加えれば、図５に示すように、振動子１２０をＸ軸正方向に変位させることができ、逆に、上部電極Ｅ１１に正の電圧を加え、上部電極Ｅ１２に負の電圧を加え、上部電極Ｅ１３に正の電圧を加え、上部電極Ｅ１４に負の電圧を加えれば、図６に示すように、振動子１２０をＸ軸負方向に変位させることができる。したがって、図１２に示すような互いに逆位相の交流電気信号Ｓ１，Ｓ２を用意しておき（縦軸は波形中心を接地電位とした電圧軸、横軸は時間軸）、上部電極Ｅ１１，Ｅ１３に信号Ｓ１を与え、上部電極Ｅ１２，Ｅ１４に信号Ｓ２を与えるようにすれば、振動子１２０をＸ軸に沿って振動させることができる。
【００４２】
同様に、上部電極Ｅ２１，Ｅ２３に信号Ｓ１を与え、上部電極Ｅ２２，Ｅ２４に信号Ｓ２を与えるようにすれば、振動子１２０をＹ軸に沿って振動させることができる。
【００４３】
また、上部電極Ｅ１１に負の電圧を加え、上部電極Ｅ１２に正の電圧を加え、上部電極Ｅ１３に正の電圧を加え、上部電極Ｅ１４に負の電圧を加えれば、図７に示すように、振動子１２０をＺ軸正方向に変位させることができ、逆に、上部電極Ｅ１１に正の電圧を加え、上部電極Ｅ１２に負の電圧を加え、上部電極Ｅ１３に負の電圧を加え、上部電極Ｅ１４に正の電圧を加えれば、図８に示すように、振動子１２０をＺ軸負方向に変位させることができる。したがって、図１２に示すような互いに逆位相の交流電気信号Ｓ１，Ｓ２を用意しておき（縦軸は波形中心を接地電位とした電圧軸、横軸は時間軸）、上部電極Ｅ１１，Ｅ１４に信号Ｓ１を与え、上部電極Ｅ１２，Ｅ１３に信号Ｓ２を与えるようにすれば、振動子１２０をＺ軸に沿って振動させることができる。あるいは、上部電極Ｅ２１，Ｅ２４に信号Ｓ１を与え、上部電極Ｅ２２，Ｅ２３に信号Ｓ２を与えても、やはり振動子１２０をＺ軸に沿って振動させることができる。
【００４４】
一方、図９に示す構成において、圧電素子２３０が図１１に示すような性質を有していれば、下部電極２２０を接地して、上部電極Ｅ１１〜Ｅ２４のいずれかに発生する電荷量を測定することによって、ダイアフラム部１１０の所定部分に生じている撓みを認識することができ、振動子１２０の所定軸方向の変位を検出することができる。当該変位は、振動子１２０について当該所定軸方向に作用したコリオリ力に対応する。
【００４５】
たとえば、上部電極Ｅ１１，Ｅ１３の発生電荷量の和と、上部電極Ｅ１２，Ｅ１４の発生電荷量の和と、を求め（実際には、接地電位に対する各電極の電位の和を測定してもよい）、両者の差を求めれば、当該差は、振動子１２０のＸ軸方向の変位量（符号は、変位方向）を示すものになり、振動子１２０に加わったＸ軸方向のコリオリ力を示すものになる。
【００４６】
同様に、上部電極Ｅ２１，Ｅ２３の発生電荷量の和と、上部電極Ｅ２２，Ｅ２４の発生電荷量の和と、を求め（実際には、接地電位に対する各電極の電位の和を測定してもよい）、両者の差を求めれば、当該差は、振動子１２０のＹ軸方向の変位量（符号は、変位方向）を示すものになり、振動子１２０に加わったＹ軸方向のコリオリ力を示すものになる。
【００４７】
また、上部電極Ｅ１１，Ｅ１４の発生電荷量の和と、上部電極Ｅ１２，Ｅ１３の発生電荷量の和と、を求め（実際には、接地電位に対する各電極の電位の和を測定してもよい）、両者の差を求めれば、当該差は、振動子１２０のＺ軸方向の変位量（符号は、変位方向）を示すものになり、振動子１２０に加わったＺ軸方向のコリオリ力を示すものになる。これは、上部電極Ｅ２１，Ｅ２４の発生電荷量の和と、上部電極Ｅ２２，Ｅ２３の発生電荷量の和と、を求め（実際には、接地電位に対する各電極の電位の和を測定してもよい）、両者の差を求めても同様である。
【００４８】
結局、図９に示す角速度センサは、下部電極２２０を接地し、所定の上部電極に所定位相をもった交流電気信号を供給することにより、振動子１２０に対して、Ｘ軸方向の振動Ｖｘを与えることもできるし、Ｙ軸方向の振動Ｖｙを与えることもできるし、Ｚ軸方向の振動Ｖｚを与えることもできる。また、下部電極２２０を接地し、所定の上部電極に発生した電荷量を検出することにより、振動子１２０に対して作用したＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを求めることもできるし、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙを求めることもできるし、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｚを求めることもできる。
【００４９】
このように、図９に示す角速度センサは、前述した＜方法１＞〜＜方法６＞のいずれの方法も実施可能であり、Ｘ軸方向の角速度ωｘ，Ｙ軸方向の角速度ωｙ，Ｚ軸方向の角速度ωｚのいずれの検出も可能である。なお、この６通りの方法のうちのいくつかを実施する際には、図１０に示されている８枚の上部電極Ｅ１１〜Ｅ２４の一部を、励振手段用の電極として用いるとともに変位検出手段用の電極としても用いる必要があるが、そのような場合には、１枚の電極を電気的に分離された２枚の電極に分け、それぞれ役割を分担させるようにすればよい。
【００５０】
要するに、圧電素子を用いて角速度センサを構成するのであれば、ダイアフラム部１１０の上面の所定箇所に固着された励振用圧電素子（図９に示す圧電素子２３０のうち、励振に用いる上部電極が形成されている部分）と、この励振用圧電素子に交流電気信号を加える励振用電気回路と、によって励振手段を構成し、ダイアフラム部１１０の上面の所定箇所に固着された検出用圧電素子（図９に示す圧電素子２３０のうち、検出に用いる上部電極が形成されている部分）と、この検出用圧電素子に発生する電荷を検出する検出用電気回路と、によって変位検出手段を構成すればよい。
【００５１】
なお、励振手段や変位検出手段として機能する圧電素子は、ダイアフラム部１１０の上面における溝Ｇの上方に位置する所定部分に配置するのが好ましい。これは、当該箇所に配置された圧電素子には、ダイアフラム部１１０の撓みによる応力が効率的に伝達されるためである。また、前掲の特許文献１および２に開示されている例のように、基本構造体１００それ自身を圧電素子として用いることも可能である。
【００５２】
もちろん、励振手段や変位検出手段は、必ずしも圧電素子を用いて構成する必要はない。図１３に側断面図を示す角速度センサは、静電容量素子によって、励振手段および変位検出手段を構成した一例である。この例でも、基本構造体１００は、§１で述べたとおり、シリコン基板の下面に円環状の溝Ｇを掘ることにより構成されたものである。この基本構造体１００の上方には上方基板３１０が配置され、下方には下方基板３２０が配置されている。
【００５３】
下方基板３２０は、板状の絶縁性基板であり、その上面には、図１４の上面図に示すとおり、５枚の固定電極Ｅ３１〜Ｅ３５（たとえば、アルミニウム膜）が形成されている。中央の固定電極Ｅ３５は、Ｚ軸を中心軸とする円形の電極であり、その周囲に扇形の固定電極Ｅ３１〜Ｅ３４が取り巻くように配置されている。図１３の側断面図に示されているとおり、各固定電極Ｅ３１〜Ｅ３５と振動子１２０の下面との間には、空隙部が形成されており、振動子１２０が下方へ変位する自由度が確保されている。
【００５４】
一方、上方基板３１０は、下面の中央領域に溝Ｇ′が形成されており、この溝Ｇ′の底部に５枚の固定電極Ｅ４１〜Ｅ４５（たとえば、アルミニウム膜）が形成されている。これら固定電極Ｅ４１〜Ｅ４５は、それぞれ図１４に示す固定電極Ｅ３１〜Ｅ３５と同一の形状をなし、同一の配置をなす。すなわち、固定電極Ｅ４１〜Ｅ４５は、それぞれ固定電極Ｅ３１〜Ｅ３５の上方に鏡像をなす関係となるように配置されている。図１３の側断面図に示されているとおり、各固定電極Ｅ４１〜Ｅ４５と基本構造体１００の上面との間には、溝Ｇ′による空隙部が形成されており、振動子１２０が上方へ変位する自由度が確保されている。
【００５５】
この例の場合、基本構造体１００の材質はシリコンであるので、全体が導体として機能する。したがって、各固定電極Ｅ３１〜Ｅ４５のそれぞれと、基本構造体１００の対向面（変位電極として機能する）とによって、合計１０組の静電容量素子Ｃ３１〜Ｃ４５が形成されることになる。したがって、図１３に示す構成において、容量素子Ｃ３１〜Ｃ４５のいずれかにクーロン力を作用させることによって、ダイアフラム部１１０の所定部分に撓みを誘発させ、振動子１２０を所望の方向に変位させることが可能である。
【００５６】
たとえば、基本構造体１００を接地レベルに維持しておき（変位電極はいずれも接地電位になる）、固定電極Ｅ４１，Ｅ３２に電圧を印加すれば、容量素子Ｃ４１，Ｃ３２にクーロン引力を作用させることができ、図５に示すように、振動子１２０をＸ軸正方向に変位させることができる。一方、固定電極Ｅ３１，Ｅ４２に電圧を印加すれば、容量素子Ｃ３１，Ｃ４２にクーロン引力を作用させることができ、図６に示すように、振動子１２０をＸ軸負方向に変位させることができる。これらの変位動作を交互に行えば、振動子１２０をＸ軸に沿って振動させることができる。
【００５７】
同様に、基本構造体１００を接地レベルに維持しておき、固定電極Ｅ４３，Ｅ３４に電圧を印加すれば、容量素子Ｃ４３，Ｃ３４にクーロン引力を作用させることができ、固定電極Ｅ３３，Ｅ４４に電圧を印加すれば、容量素子Ｃ３３，Ｃ４４にクーロン引力を作用させることができるので、これらの変位動作を交互に行えば、振動子１２０をＹ軸に沿って振動させることができる。
【００５８】
また、基本構造体１００を接地レベルに維持しておき、固定電極Ｅ４５に電圧を印加すれば、容量素子Ｃ４５にクーロン引力を作用させることができ、図７に示すように、振動子１２０をＺ軸正方向に変位させることができる。一方、固定電極Ｅ３５に電圧を印加すれば、容量素子Ｃ３５にクーロン引力を作用させることができ、図８に示すように、振動子１２０をＺ軸負方向に変位させることができる。これらの変位動作を交互に行えば、振動子１２０をＺ軸に沿って振動させることができる。
【００５９】
一方、図１３に示す構成において、共通の変位電極として機能する基本構造体１００と、所定の固定電極との間の静電容量値を電気的に検出すれば、両電極間の距離を認識することができるので、振動子１２０の所定軸方向の変位を検出することができる。当該変位は、振動子１２０について当該所定軸方向に作用したコリオリ力に対応する。
【００６０】
たとえば、容量素子Ｃ４１の静電容量値と容量素子Ｃ３２の静電容量値との和と、容量素子Ｃ３１の静電容量値と容量素子Ｃ４２の静電容量値との和と、を求め、両者の差を求めれば、当該差は、振動子１２０のＸ軸方向の変位量（符号は、変位方向）を示すものになり、振動子１２０に加わったＸ軸方向のコリオリ力を示すものになる。
【００６１】
同様に、容量素子Ｃ４３の静電容量値と容量素子Ｃ３４の静電容量値との和と、容量素子Ｃ３３の静電容量値と容量素子Ｃ４４の静電容量値との和と、を求め、両者の差を求めれば、当該差は、振動子１２０のＹ軸方向の変位量（符号は、変位方向）を示すものになり、振動子１２０に加わったＹ軸方向のコリオリ力を示すものになる。
【００６２】
また、容量素子Ｃ４５の静電容量値と容量素子Ｃ３５の静電容量値との差を求めれば、当該差は、振動子１２０のＺ軸方向の変位量（符号は、変位方向）を示すものになり、振動子１２０に加わったＺ軸方向のコリオリ力を示すものになる。
【００６３】
結局、図１３に示す角速度センサでは、基本構造体１００を接地し、所定の固定電極に所定位相をもった交流電気信号を供給することにより、振動子１２０に対して、Ｘ軸方向の振動Ｖｘを与えることもできるし、Ｙ軸方向の振動Ｖｙを与えることもできるし、Ｚ軸方向の振動Ｖｚを与えることもできる。また、基本構造体１００を接地し、所定の固定電極と基本構造体１００（変位電極）との間の静電容量値を検出することにより、振動子１２０に対して作用したＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを求めることもできるし、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙを求めることもできるし、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｚを求めることもできる。
【００６４】
このように、図１３に示す角速度センサは、前述した＜方法１＞〜＜方法６＞のいずれの方法も実施可能であり、Ｘ軸方向の角速度ωｘ，Ｙ軸方向の角速度ωｙ，Ｚ軸方向の角速度ωｚのいずれの検出も可能である。なお、この６通りの方法のうちのいくつかを実施する際には、１０枚の固定電極Ｅ３１〜Ｅ４５の一部を、励振手段用の電極として用いるとともに変位検出手段用の電極としても用いる必要があるが、そのような場合には、１枚の電極を電気的に分離された２枚の電極に分け、それぞれ役割を分担させるようにすればよい。
【００６５】
要するに、静電容量素子を用いて角速度センサを構成するのであれば、ダイアフラム部１１０もしくは振動子１２０の所定箇所に形成された励振用変位電極と、この励振用変位電極に対向するように装置筐体に固定された励振用固定電極と、励振用変位電極と励振用固定電極との間に交流電気信号を加える励振用電気回路と、によって励振手段を構成し、ダイアフラム部１１０もしくは振動子１２０の所定箇所に形成された検出用変位電極と、この検出用変位電極に対向するように装置筐体に固定された検出用固定電極と、検出用変位電極と検出用固定電極との間の静電容量値を検出する検出用電気回路と、によって変位検出手段を構成すればよい。
【００６６】
＜＜＜ §３．検出感度に影響を与えるファクター ＞＞＞
さて、§２では、§１で述べた基本構造体１００に、圧電素子からなる励振手段および変位検出手段を付加した角速度センサと、静電容量素子からなる励振手段および変位検出手段を付加した角速度センサとを例示した。もっとも、このような原理で動作する角速度センサそれ自身は、既に公知の装置であり、たとえば、前掲の特許文献１〜３などに開示されている。本発明の特徴は、このようなセンサにおいて、検出感度を高めるために、基本構造体１００の構造に特殊な条件を設定する点にある。
【００６７】
既に述べたとおり、振動ジャイロ式の角速度センサでは、互いに直交する３軸のうち、第１の軸方向に振動子を運動させ、このとき振動子に対して第２の軸方向に加わったコリオリ力を測定することにより、第３の軸まわりに作用した角速度の検出を行う。ここで、コリオリ力の測定は、§２で述べたとおり、振動子に生じる第２の軸方向への変位を検出することによって行われる。
【００６８】
したがって、コリオリ力の検出感度を高める第１の方法は、振動子の質量を増加させることである。振動子の質量が大きければ大きいほど、作用するコリオリ力も大きくなる。しかしながら、振動子の質量を大きくするには、より密度の大きな材質で振動子を構成するか、あるいは、振動子の体積を大きくする必要がある。量産タイプのセンサの場合、材質は限定せざるを得ず、また、センサを小型化するためには、振動子の体積を大きくするのも好ましくない。そこで、本発明では、この第１の方法は採用しない。
【００６９】
コリオリ力の検出感度を高める第２の方法は、振動子の運動速度を高めることである。§２で述べた駆動方法では、振動子は所定の振動軸に沿って往復運動（単振動）するが、振動の両端点では速度は零になり、振動の中心点において最大速度となる。一般に、機械的構造体には、当該構造体に固有の共振周波数（固有振動数）を定義することができ、当該構造体をその共振周波数で振動させた場合に、エネルギーを最も効率的に利用した振動態様が得られることが知られている。したがって、同一の機械的構造体を同一の振動軸に沿って振動させた場合でも、その振動周波数によって振幅や運動速度などの振動態様は異なり、共振周波数で振動させた場合に、最大振幅をもった安定した振動態様が得られる。
【００７０】
結局、§１で述べた基本構造体１００において、振動子１２０を固有の共振周波数ｆｒ１で振動させるようにすれば、振動子１２０が最大振幅で安定した振動を行うことになり、最大の運動速度を得ることができる。具体的には、たとえば、図１２に示すような交流電気信号Ｓ１，Ｓ２を用いて励振を行う場合であれば、これらの信号Ｓ１，Ｓ２の周波数ｆ１が振動子１２０の所定の振動軸方向に関する共振周波数ｆｒ１に一致するようにすれば、振動子１２０の運動速度を最大にすることができ、作用するコリオリ力の大きさを最大にすることができる。
【００７１】
コリオリ力の検出感度を高める第３の方法は、コリオリ力の作用によって生じる変位を大きくすることである。上述したとおり、§２で説明した角速度センサは、振動子１２０に作用するコリオリ力を直接的に検出する代わりに、コリオリ力の作用によって生じる変位を測定することにより、間接的にコリオリ力の検出を行っている。§２では、圧電素子を用いた変位検出手段と容量素子を用いた変位検出手段の例を述べたが、いずれの場合も、振動子の変位が大きければ大きいほど、大きな電気信号が得られる。
【００７２】
ここで、コリオリ力の作用によって生じる変位の大きさも、振動子１２０に固有の共振周波数が関与してくる。振動子は所定の振動軸に沿って往復運動（単振動）するので、振動子の運動方向は半周期ごとに反転する。したがって、振動子に作用するコリオリ力の方向も半周期ごとに反転するので、結局、振動子は所定の変位軸に沿って、所定の周波数ｆ２で往復運動（単振動）することになり、コリオリ力は、当該往復運動の振幅として測定されることになる。このため、コリオリ力の作用による振動子の変位軸方向への振動周波数ｆ２が、振動子１２０の当該変位軸方向に関する共振周波数ｆｒ２に一致すれば、コリオリ力の作用によって生じる変位の大きさを最大にすることができる。
【００７３】
ところで、コリオリ力は、振動子の運動に基づいて生じる力であるから、コリオリ力に起因して生じる「振動子の変位軸方向に関する振動周波数ｆ２」は、「振動子の振動軸方向に関する振動周波数ｆ１」に一致し、ｆ１＝ｆ２である。たとえば、前述した＜方法１：Ｖｘ，Ｆｙ，ωｚ＞による検出において、振動子をＸ軸方向（振動軸方向）に周波数ｆ１＝１０ｋＨｚで振動するように駆動した場合に、Ｚ軸まわりの一定の角速度ωｚが作用していたとすると、振動子はコリオリ力によって、Ｙ軸方向（変位軸方向）に周波数ｆ２＝１０ｋＨｚで振動することになる。§２に例示したセンサの場合、このＹ軸方向の振動の振幅を圧電素子や容量素子で測定することになる。
【００７４】
したがって、コリオリ力の作用によって生じる変位を大きくするには、基本構造体１００における振動軸方向の共振周波数ｆｒ１と、変位軸方向の共振周波数ｆｒ２とをできるだけ近づけた設計を行った上で、振動子を共振周波数ｆｒ１（もしくは、その近傍）で振動させるようにすればよい。
【００７５】
図１５は、図１に示す基本構造体１００の振動周波数特性を示すグラフである。横軸は周波数ｆを示し、縦軸は振動の安定性を示すＱ値（一般的な振動系において、一周期の間に系に蓄積されるエネルギーを、系から散逸するエネルギーで割った値）を示す。ここで、グラフｇ１は、第１の軸方向に関する周波数特性を示すグラフであり、グラフｇ２は、第２の軸方向に関する周波数特性を示すグラフである。いずれのグラフにおいても、Ｑ値がピークとなる周波数が共振周波数である。このグラフの例の場合、第１の軸方向に関する共振周波数はｆｒ１，第２の軸方向に関する共振周波数はｆｒ２である。
【００７６】
§１で述べた基本構造体１００を用いた角速度センサの場合、既に述べたとおり、第１の軸方向（振動軸方向）の共振周波数ｆｒ１と、第２の軸方向（変位軸方向）の共振周波数ｆｒ２とをできるだけ近づける設計を行った上で、振動子を共振周波数ｆｒ１（もしくは、その近傍）で振動させるような駆動を行えば、コリオリ力の検出感度（センサの検出感度）を高めることが可能になる。
【００７７】
理論的には、振動子を所定の周波数ｆで振動させたときの検出感度Ｓは、振動軸方向の周波数ｆに対応するＱ値と、変位軸方向の周波数ｆに対応するＱ値との積に比例する。したがって、図１５のグラフに示すような振動周波数特性をもったセンサの場合、グラフｇ１のような周波数特性を示す振動方向を振動軸とし、グラフｇ２のような周波数特性を示す振動方向を変位軸として、振動子を共振周波数ｆｒ１（グラフｇ１のピーク周波数、すなわち、振動軸方向に関する共振周波数）で振動させれば、グラフｇ１のピーク値Ｑ１と、グラフｇ２の周波数ｆｒ１に対応するＱの値Ｑ２との積、Ｓ＝ｋ・Ｑ１・Ｑ２（ｋは比例定数）によって、検出感度Ｓが与えられることになる。
【００７８】
もちろん、振動軸方向に関する共振周波数ｆｒ１と変位軸方向に関する共振周波数ｆｒ２とが一致した場合に、最大感度Ｓが得られることになるので、感度向上の観点からは、ｆｒ１＝ｆｒ２となるように、基本構造体１００の設計を行うのが好ましい。
【００７９】
§２で述べたとおり、基本構造体１００を用いたセンサでは、次のような６通りの方法で角速度の検出が可能になる。ここで、Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚは、振動軸をそれぞれＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸にとることを示し、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚは、変位軸をそれぞれＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸にとることを示し、ωｘ，ωｙ，ωｚは、それぞれＸ軸まわり，Ｙ軸まわり，Ｚ軸まわりの角速度を検出することを示している。
＜方法１：Ｖｘ，Ｆｙ，ωｚ＞
＜方法２：Ｖｘ，Ｆｚ，ωｙ＞
＜方法３：Ｖｙ，Ｆｘ，ωｚ＞
＜方法４：Ｖｙ，Ｆｚ，ωｘ＞
＜方法５：Ｖｚ，Ｆｘ，ωｙ＞
＜方法６：Ｖｚ，Ｆｙ，ωｘ＞
【００８０】
ここで、方法１は、振動軸をＸ軸，変位軸をＹ軸にとったものであり、方法３は、振動軸をＹ軸，変位軸をＸ軸にとったものであるから、§１で述べた構造をもつ基本構造体１００を用いる限り、振動軸方向に関する共振周波数ｆｒ１と変位軸方向に関する共振周波数ｆｒ２とは一致する。なぜなら、図１に示すとおり、この基本構造体１００は、Ｚ軸まわりに９０°回転させても、その幾何学的な構造は全く同一であり、Ｘ軸方向に関する周波数特性とＹ軸方向に関する周波数特性とは同一になるためである。
【００８１】
したがって、上記方法１もしくは３を採用する限りにおいて、§１で述べた特徴をもつ基本構造体１００であれば、理論的に最大の感度Ｓが得られることになる。しかしながら、方法１もしくは３では、Ｚ軸まわりの角速度ωｚの検出しか行うことはできない。Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出するためには、方法４もしくは６を採用する必要があり、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出するためには、方法２もしくは５を採用する必要がある。
【００８２】
実際、複数の座標軸まわりの角速度を検出する機能をもった多次元角速度センサの場合、同一の振動軸に沿って運動中の振動子に対して、２つの独立した変位軸方向に作用するコリオリ力を検出したり、あるいは、振動子の振動方向を様々な方向に変化させ（たとえば、振動子をＸＹ平面に平行な面内で円運動させれば、Ｘ軸方向への振動とＹ軸方向への振動とを合成した運動を行わせることができる）、各振動方向に対応した所定の変位軸方向に作用するコリオリ力を検出したりする必要が生じる。
【００８３】
このような多様な検出方法を採った場合にも対応できるようにするには、方法２，４，５，６を採用した場合にも、最大の検出感度が得られるような工夫が必要になる。なお、基本構造体１００は、Ｘ軸とＹ軸との間に幾何学的可換性があるため、方法２もしくは５を採用した場合のみを考慮すれば、方法４もしくは６を採用した場合にも対応できるので、以下、方法２もしくは５を採用した場合のみを検討する。
【００８４】
ここで、方法２は、振動軸をＸ軸，変位軸をＺ軸にとったものであり、方法５は、振動軸をＺ軸，変位軸をＸ軸にとったものであるから、結局、Ｘ軸方向に関する共振周波数ｆｒｘとＺ軸方向に関する共振周波数ｆｒｚとができるだけ近似するような構造が実現できればよいことになる。そのような構造では、当然、Ｙ軸方向に関する共振周波数ｆｒｙとＺ軸方向に関する共振周波数ｆｒｚとの間にも近似関係が得られ、方法４もしくは６を採用した場合にも対応できることになる。
【００８５】
＜＜＜ §４．検出感度を高めるための寸法条件 ＞＞＞
さて、本願発明者は、§３で述べた理論を踏まえて、図１に示す基本構造体１００の各部の寸法比を様々に変化させた試作品を用いて、検出感度がどのように変化するかを調べる実験を行った。また、これらの寸法比を様々に変化させた場合について、有限要素法による振動シミュレーションを併せて行い、各部の寸法比がＸ軸方向に関する共振周波数ｆｒｘおよびＺ軸方向に関する共振周波数ｆｒｚに対して及ぼす影響を調べてみた。その結果、以下のような結論を得ることができた。
【００８６】
ここでは、当該結論について述べる前に、図１６の側断面図を参照して、この基本構造体１００の各部について、次のような定義を行う。この基本構造体１００は、実用上、シリコン基板などの下面に溝を掘る加工を施すことによって構成され、同一材料の一体構造体からなる（もちろん、異なる材料からなる複数の部品を接合して、基本構造体１００を作成することも可能である）。ただ、ここでは、便宜上、図１６に示すように、この基本構造体１００を、ダイアフラム部１１０、振動子１２０、台座部１３０、という３つの部分に分けて説明を行うことにする。
【００８７】
ダイアフラム部１１０は、可撓性をもった円盤からなる部分であり、ここでは、その厚み寸法をＴ、外径寸法（直径）をφとする。また、振動子１２０は、このダイアフラム部１１０と中心軸（Ｚ軸）を共通にする同心位置に配置された円柱状の剛体であり、ダイアフラム部１１０の下面に接合されている。ここでは、この円柱状の振動子１２０の外径寸法（直径）をＤとし、高さをＨとする。もちろん、振動子の外径寸法Ｄは、ダイアフラム部１１０の外径寸法φよりも小さく、「Ｄ＜φ」なる条件を満たしている。
【００８８】
一方、台座部１３０は、ダイアフラム部１１０の外周面に接合された円柱表面状の内周面を有する剛体であり、ダイアフラム部１１０の外周面を装置筐体（図示されていない）に固定する機能を果たす。たとえば、台座部１３０の底面を装置筐体に固定すれば、ダイアフラム部１１０の外周面は、台座部１３０を介して、装置筐体に固定されることになる。ここで、台座部１３０の内径寸法は、ダイアフラム部１１０の外径寸法と同じφである。なお、台座部１３０の外形は、図１に示すとおり、正方形状をなすが、ここでは、この正方形の一辺の寸法をξとする。
【００８９】
このような基本構造体１００は、１枚のシリコン基板の下面側の一部を掘る加工を行うことによって得ることができる。すなわち、まず、用意したシリコン基板の上面側の厚みＴの部分を上層部分、残りの下面側の部分を下層部分と定義したときに、このシリコン基板の下面側の下層部分に、Ｚ軸を中心軸として内径Ｄ，外径φをもった円環状の溝Ｇを形成する。そうすれば、上層部分のうち、Ｚ軸を中心軸として外径φをもった円盤部分によってシリコンからなるダイアフラム部１１０が構成される。また、下層部分のうち、Ｚ軸を中心軸として直径Ｄをもった円柱部分によってシリコンからなる振動子が構成され、シリコン基板のうち、Ｚ軸を中心軸として直径φをもった円柱に含まれない部分によってシリコンからなる台座部１３０が構成される。
【００９０】
なお、図示の例では、直径Ｄの円柱部分の下側の一部を切除し、台座部１３０の底面より、振動子１２０の底面が若干上方にくるような加工を施している。すなわち、ダイアフラム部１１０の厚みＴと、円柱状の振動子１２０の高さＨと、台座部１３０の厚みＫとの間に、Ｔ＋Ｈ＜Ｋなる寸法条件が満されるようにしている。これは、振動子１２０の下方への変位の自由度を確保するための配慮である。
【００９１】
ダイアフラム部１１０の厚みＴは、可撓性をもたせるために十分に薄い寸法に設定されており、それ故に、ダイアフラム部１１０の円環状の溝Ｇの上方に位置する部分は、図５〜図８に示すように撓みを生じることになる。これに対して、円柱状の振動子１２０の高さＨや、台座部１３０の厚みＫは、振動子１２０や台座部１３０が剛体として振る舞うのに十分に厚い寸法に設定されている（図は、便宜上、実際の寸法比を無視して描いてある）。なお、ダイアフラム部１１０は、可撓性をもつのに十分に薄い厚みＴをもった円盤であるが、その中央部分の下面には、剛体からなる振動子１２０が接合されているため、当該中央部分は剛体として振る舞うことになる。振動子１２０を変位自在に支持する上で、ダイアフラム部１１０は、少なくともその周囲部分が可撓性を有していれば足りる。
【００９２】
さて、本願発明者が行った実験およびシミュレーションによって得られた重要な結論は、基本構造体１００の寸法比φ／Ｈが、前述した方法２もしくは方法５を採用した場合（方法４もしくは方法６を採用した場合も同様）の検出感度に影響を及ぼす重要なパラメータになる、という事実である。ここで、φは、厚みＴをもったダイアフラム部１１０の外径（円盤の直径）であり、Ｈは、円柱状の振動子１２０の高さ（直径Ｄをもった円柱部分の高さ）である。
【００９３】
図１７は、基本構造体１００の寸法比φ／Ｈと、角速度センサの感度との関係を示すグラフである。このグラフは、寸法比φ／Ｈが異なる様々な試作品を使って、上記方法２を採用して角速度の測定を行った場合の検出感度を示すものである。より具体的に説明すれば、所定の励振エネルギーを供給することにより、振動子をＸ軸方向に、当該軸方向に関する共振周波数で振動させた状態において、Ｙ軸まわりの一定の角速度ωｙを加えたときに、振動子に生じるＺ軸方向の振動の振幅値を検出感度として測定したものである。グラフの横軸は、測定に用いたセンサに用いられている基本構造体１００の寸法比φ／Ｈを示し、縦軸は、検出感度（最大値が１．０となるように規格化したもの）を示す。
【００９４】
なお、図１７に示すグラフを得る方法として、φ，Ｄ，Ｔなどの値を一定値に維持しつつ、Ｈの値のみを様々に変化させた場合の検出感度を測定する方法と、Ｈ，Ｄ，Ｔなどの値を一定値に維持しつつ、φの値のみを様々に変化させた場合の検出感度を測定する方法とがある。本願発明者は、これら両方の方法を実施したが、いずれの場合についても、図１７に示す同じグラフが得られた。
【００９５】
図示のとおり、寸法比φ／Ｈが２〜３の間で、検出感度は急峻な立ち上がりを示している。図１８は、図１７に示すグラフのもとになったデータを示す表である。この表を見ればわかるとおり、検出感度は「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる寸法条件を満たす領域において、極めて顕著に増加している。すなわち、図示の検出感度の有効桁数（小数点以下第３位）では、φ／Ｈが２以下の場合や、３以上の場合では、検出感度が０．０００を示すほど（実際には、表における「０．０００」なる測定結果は、感度が零であることを示すものではなく、ノイズ成分に埋もれて、正確な感度測定が不能であることを示す）、「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」という寸法条件を満たす領域の検出感度は顕著である。これは、このような寸法条件を満足する基本構造体１００を設計すれば、Ｘ軸方向に関する共振周波数とＺ軸方向に関する共振周波数とが極めて近似し、前述した方法２，４，５，６を採用した場合に、極めて良好な検出感度が得られることを意味する。
【００９６】
より厳密に言えば、寸法比φ／Ｈが２．４０近傍のときに、検出感度は１．０００（最大値）となるので、検出感度を向上させる観点からは、寸法比φ／Ｈ＝２．４０となるような設計を行えば、理想的な基本構造体１００を得ることができる。
【００９７】
ここで重要な点は、ダイアフラム部１１０の厚みＴや、振動子１２０の直径Ｄを変えても、図１７および図１８に示す結果に変わりはなく、当該結果が普遍性を有する点である。実際、前述した方法２，４，５，６を採用して検出感度の測定を行った結果、いずれの場合も図１７および図１８に示す結果と同等の結果が得られた。
【００９８】
寸法比φ／Ｈを決定するための値φはダイアフラム部１１０を構成する円盤の外径であり、値Ｈは振動子１２０を構成する円柱の高さである。図１６に示す基本構造体１００の幾何学的な形態を決定するファクターは、寸法φおよび寸法Ｈだけではない。しかしながら、本願発明者が行った実験およびシミュレーションによれば、寸法φ，Ｈ以外のファクターは、当該実験およびシミュレーションで求める検出感度のピーク位置に関して、有意な影響を及ぼすことがないことが判明した。
【００９９】
たとえば、ダイアフラム部１１０の厚みＴは、共振周波数に対しては影響を及ぼすファクターになる。実際、厚みＴを変えることにより、各座標軸方向の共振周波数は様々に変化する。しかしながら、本願にいう「検出感度」とは、振動軸方向に関する共振周波数（たとえば、Ｘ軸方向の共振周波数）と変位軸方向に関する共振周波数（たとえば、Ｚ軸方向の共振周波数）との一致度合いに基づいて決定されるものであり、特定の軸方向の共振周波数のみによって決定されるものではない。
【０１００】
本願発明者は、ダイアフラム部１１０の厚みＴが角速度センサとして実用可能な範囲をとる様々な基本構造体の試作品について、上記実験およびシミュレーションを行った。その結果、センサ感度の絶対値は様々に変化するが、図１７のグラフの山形の波形が得られる範囲（検出感度が顕著になる寸法比φ／Ｈの範囲）が、「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」になる点については、変わりはなかった。すなわち、最大感度が得られる寸法比φ／Ｈの値は、ダイアフラム部１１０の厚みＴには依存しないことが確認できた。
【０１０１】
同様に、振動子１２０の外径Ｄも、共振周波数に対して影響を及ぼすファクターであるものの、顕著な検出感度を示す寸法比φ／Ｈの範囲には影響を及ぼさないことが確認できた。
【０１０２】
一方、台座部１３０の外寸ξや厚みＫは、共振周波数に対しても、検出感度に対しても、何ら影響を及ぼすものではない。そもそも台座部１３０は、装置筐体に固定されることを前提とする剛体であるから、外形の形状や厚みは、ダイアフラム部１１０の外周部分の支持構造に何ら影響を与えるものではない。もちろん、台座部１３０の内径φは、ダイアフラム部１１０の外径φに等しいので、「検出感度」を左右する重要なファクターになる。
【０１０３】
以上、基本構造体１１０の幾何学的な構造に関して、「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる寸法条件が、良好な検出感度を得る上で普遍的な条件であることを述べたが、上記寸法条件は、基本構造体１１０の材質に関しても普遍性をもつものである。本願発明者は、基本構造体１１０の弾性係数に様々な数値を与え、有限要素法によるシミュレーションを実行したが、現実的な弾性係数の設定を用いる限り、図１７および図１８に示す結果に変わりはなかった。
【０１０４】
なお、この図１７および図１８に示す結果は、振動子１２０の高さＨが、０．２ｍｍ ≦ Ｈ ≦ ０．７ｍｍの範囲内（産業上、最も需要が見込まれるサイズ）の試作品について、実験およびシミュレーションによる解析を行った結果である。現段階では、振動子１２０の高さＨを、上記以外の範囲に設定した検証は行っていない。しかしながら、振動子１２０の高さＨを、上記以外の範囲に設定した場合についても、全く同様の結果が得られるものと考えられ、「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる条件は、振動子１２０の高さＨがどのような値をとる場合でも、良好な検出感度を得る普遍的な条件であるものと推定される。
【０１０５】
また、実際の角速度センサでは、振動子１２０に対して、所定の振動軸方向の運動成分をもった振動を誘起する励振手段と、コリオリ力に基づいて振動子１２０に生じる所定の変位軸方向の変位を検出する変位検出手段と、が付加されることになる。たとえば、図９に示す例では、基本構造体１００の上面に、絶縁層２１０，下部電極２２０，圧電素子２３０などの層状構造体が形成される。
【０１０６】
このような層状構造体を形成すると、ダイアフラム部１１０の厚みＴを変えたときと同様に、共振周波数自体は変化する。しかしながら、予め、寸法比φ／Ｈの値が「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる条件を満足する基本構造体１００を用意しておけば、その上面にさまざまな層状構造体を形成したとしても、ダイアフラム部１１０の外径φや、振動子１２０の高さＨに変わりはないので、寸法比φ／Ｈの値が上記条件を満たすことに変わりはなく、良好な検出感度が得られることになる。
【０１０７】
このように、ダイアフラム部１１０を構成する円盤の外径をφとし、振動子１２０を構成する円柱の外径をＤとし、振動子１２０を構成する円柱の高さをＨとしたときに、「Ｄ＜φ」かつ「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる寸法条件を満たすような基本構造体１００を設計すれば、振動子のＸ軸方向に関する共振周波数と振動子のＺ軸方向に関する共振周波数とを近似させることができ、極めて良好な検出感度を得ることが可能になる。しかも、上記寸法条件は、その他の各部分の寸法値や材質などに影響されない普遍的な条件である。
【０１０８】
したがって、ダイアフラム部１１０の上面中心位置に原点Ｏをもち、ダイアフラム部１１０の上面がＸＹ平面に含まれるようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、Ｘ軸およびＺ軸のうちの一方を振動軸、他方を変位軸とし、変位検出手段による検出値に基づいてＹ軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、上記条件を満たす基本構造体１００を設計することは、検出感度を高める上で非常に有用である。もちろん、この基本構造体１００は、Ｘ軸とＹ軸との間に幾何学的可換性があるため、Ｙ軸およびＺ軸のうちの一方を振動軸、他方を変位軸とし、変位検出手段による検出値に基づいてＸ軸まわりの角速度を検出する角速度センサに用いても、検出感度を高める上で非常に有用である。
【０１０９】
前掲の特許文献１〜３などには、寸法比φ／Ｈが６以上となる基本構造体が開示されている。これは、センサ全体の薄型化を図る上では、寸法値φに比べて寸法値Ｈを十分に小さくした方が有利であり、小型の角速度センサには好ましい構造と考えられていたためである。しかしながら、前掲の特許文献１〜３は、新規なセンサの構造や動作原理に関する発明を開示した文献であり、良好な検出感度を得るための寸法比に関しては何ら言及していない。実際、検出感度の観点からは、前掲の特許文献１〜３などに図示されている基本構造体の寸法比は、決して好ましいものではない。実際、図１８に示す結果によれば、寸法比φ／Ｈ＝６となる基本構造体の代わりに、φ／Ｈ＝２．４０となる基本構造体を用いれば、極めて高い検出感度が得られることになる。
【０１１０】
図１９および図２０は、本発明の特徴となる寸法比φ／Ｈを満たす基本構造体の一例を示す側断面図である。両図に示された基本構造体において、円柱状の振動子１２０の高さＨと、円盤状のダイアフラム部１１０の外径φとは共通であり、寸法比φ／Ｈ＝２．４０に設定されている。これは、図１８の表に示されているとおり、最大の検出感度が得られる寸法比に相当する。別言すれば、Ｘ軸もしくはＹ軸方向に関する共振周波数と、Ｚ軸方向に関する共振周波数とが完全に一致する寸法比ということになる。
【０１１１】
もちろん、図１９に示す例と図２０に示す例とを比較すると、その他の寸法、たとえば、ダイアフラム部１１０の厚みＴ１，Ｔ２、振動子１２０の外径Ｄ１，Ｄ２、台座部１３０の外寸ξ１，ξ２、台座部１３０の厚みＫ１，Ｋ２はそれぞれ異なっている。よって、図１９に示す例と図２０に示す例とでは、各座標軸方向に関する共振周波数それ自身は相違する。しかしながら、寸法比φ／Ｈはいずれも２．４０に設定されているため、いずれの例の場合も、それぞれに固有の共振周波数（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に関する共通の共振周波数）で振動子１２０を振動させて検出を行うようにすれば、最大の検出感度が得られることになる。
【０１１２】
なお、上述したとおり、寸法比φ／Ｈ＝２．４０に設定すれば、最大の検出感度が得られるが、一般に、検出感度が高くなればなるほど、センサとしての周波数応答性は低下する。したがって、実用上は、寸法比φ／Ｈの値を「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．４０−δ」もしくは「２．４０＋δ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる範囲に設定するのが好ましい。ここで、δの値としては、高い応答周波数が必要な場合には大きな値を、低い応答周波数が得られれば十分な場合には小さな値を適宜設定すればよい。
【符号の説明】
【０１１３】
１００：基本構造体
１１０：ダイアフラム部
１２０：振動子
１３０：台座部
２１０：絶縁層
２２０：下部電極
２３０：圧電素子
３１０：上方基板
３２０：下方基板
Ｄ，Ｄ１，Ｄ２：円柱状振動子１２０の外径
Ｅ１，Ｅ２：電極
Ｅ１１〜Ｅ２４：上部電極
Ｅ３１〜Ｅ４５：固定電極
ｆ：周波数
ｆｒ１，ｆｒ２：共振周波数
Ｇ：円環状の溝
Ｇ′：上方基板３１０の下面に形成された溝
ｇ１，ｇ２：振動周波数特性を示すグラフ
Ｈ：円柱状振動子１２０の高さ
Ｋ，Ｋ１，Ｋ２：基本構造体１００の厚み
Ｐ：圧電素子の一部分
Ｑ１，Ｑ２：振動系のＱ値
Ｓ１，Ｓ２：交流電気信号
Ｔ，Ｔ１，Ｔ２：円盤状ダイアフラムの厚み
ｔ：時間
ＸＹＺ：三次元直交座標系の各座標軸
φ：円盤状ダイアフラム１１０の外径
ξ，ξ１，ξ２：基本構造体１００の外寸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも周囲部分が可撓性をもった円盤からなるダイアフラム部と、
前記ダイアフラム部と中心軸を共通にする同心位置に配置された円柱状の剛体からなり、前記ダイアフラム部の下面に接合された振動子と、
前記ダイアフラム部の外周面に接合された円柱表面状の内周面を有する剛体であって、前記ダイアフラム部の外周面を装置筐体に固定する台座部と、
前記振動子に対して、所定の振動軸方向の運動成分をもった振動を誘起する励振手段と、
コリオリ力に基づいて前記振動子に生じる所定の変位軸方向の変位を検出する変位検出手段と、
を備え、
前記ダイアフラム部の上面中心位置に原点Ｏをもち、前記ダイアフラム部の上面がＸＹ平面に含まれるようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、Ｘ軸およびＺ軸のうちの一方を前記振動軸、他方を前記変位軸とし、前記変位検出手段による検出値に基づいてＹ軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、
前記ダイアフラム部を構成する円盤の外径をφとし、前記振動子を構成する円柱の外径をＤとし、前記振動子を構成する円柱の高さをＨとしたときに、「Ｄ＜φ」かつ「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる寸法条件を満たす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、
ダイアフラム部と、振動子と、台座部とが、同一材料からなる一体構造体によって構成されていることを特徴とする角速度センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の角速度センサにおいて、
基板の上面側の厚みＴの部分を上層部分、残りの下面側の部分を下層部分と定義したときに、この基板の下面側の前記下層部分に、Ｚ軸を中心軸として内径Ｄ，外径φをもった円環状の溝が形成されており、
前記上層部分のうち、Ｚ軸を中心軸として外径φをもった円盤部分によってダイアフラム部が構成され、
前記下層部分のうち、Ｚ軸を中心軸として直径Ｄをもった円柱部分によって振動子が構成され、
前記基板のうち、Ｚ軸を中心軸として直径φをもった円柱に含まれない部分によって台座部が構成されていることを特徴とする角速度センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の角速度センサにおいて、
ダイアフラム部の厚みＴと、円柱状の振動子の高さＨと、台座部の厚みＫとの間に、Ｔ＋Ｈ＜Ｋなる寸法条件が満されることを特徴とする角速度センサ。
【請求項５】
請求項３または４に記載の角速度センサにおいて、
シリコン基板の下面に円環状の溝を形成することにより、シリコンからなるダイアフラム部と、シリコンからなる振動子と、シリコンからなる台座部とが、形成されていることを特徴とする角速度センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
励振手段が、ダイアフラム部上面の所定箇所に固着された励振用圧電素子と、この励振用圧電素子に交流電気信号を加える励振用電気回路と、を有し、
変位検出手段が、ダイアフラム部上面の所定箇所に固着された検出用圧電素子と、この検出用圧電素子に発生する電荷を検出する検出用電気回路と、を有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
励振手段が、ダイアフラム部もしくは振動子の所定箇所に形成された励振用変位電極と、前記励振用変位電極に対向するように装置筐体に固定された励振用固定電極と、前記励振用変位電極と前記励振用固定電極との間に交流電気信号を加える励振用電気回路と、を有し、
変位検出手段が、ダイアフラム部もしくは振動子の所定箇所に形成された検出用変位電極と、前記検出用変位電極に対向するように装置筐体に固定された検出用固定電極と、前記検出用変位電極と前記検出用固定電極との間の静電容量値を検出する検出用電気回路と、を有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項８】
請求項６または７に記載の角速度センサにおいて、
励振用電気回路が、振動子の振動軸方向に関する共振周波数に等しい周波数をもった交流電気信号を加えることを特徴とする角速度センサ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
振動子を構成する円柱の高さＨが、「０．２ｍｍ ≦ Ｈ ≦ ０．７ｍｍ」なる寸法条件を満たすことを特徴とする角速度センサ。
【請求項１】
少なくとも周囲部分が可撓性をもった円盤からなるダイアフラム部と、
前記ダイアフラム部と中心軸を共通にする同心位置に配置された円柱状の剛体からなり、前記ダイアフラム部の下面に接合された振動子と、
前記ダイアフラム部の外周面に接合された円柱表面状の内周面を有する剛体であって、前記ダイアフラム部の外周面を装置筐体に固定する台座部と、
前記振動子に対して、所定の振動軸方向の運動成分をもった振動を誘起する励振手段と、
コリオリ力に基づいて前記振動子に生じる所定の変位軸方向の変位を検出する変位検出手段と、
を備え、
前記ダイアフラム部の上面中心位置に原点Ｏをもち、前記ダイアフラム部の上面がＸＹ平面に含まれるようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、Ｘ軸およびＺ軸のうちの一方を前記振動軸、他方を前記変位軸とし、前記変位検出手段による検出値に基づいてＹ軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、
前記ダイアフラム部を構成する円盤の外径をφとし、前記振動子を構成する円柱の外径をＤとし、前記振動子を構成する円柱の高さをＨとしたときに、「Ｄ＜φ」かつ「２．２５ ≦ φ／Ｈ ≦ ２．５４」なる寸法条件を満たす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、
ダイアフラム部と、振動子と、台座部とが、同一材料からなる一体構造体によって構成されていることを特徴とする角速度センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の角速度センサにおいて、
基板の上面側の厚みＴの部分を上層部分、残りの下面側の部分を下層部分と定義したときに、この基板の下面側の前記下層部分に、Ｚ軸を中心軸として内径Ｄ，外径φをもった円環状の溝が形成されており、
前記上層部分のうち、Ｚ軸を中心軸として外径φをもった円盤部分によってダイアフラム部が構成され、
前記下層部分のうち、Ｚ軸を中心軸として直径Ｄをもった円柱部分によって振動子が構成され、
前記基板のうち、Ｚ軸を中心軸として直径φをもった円柱に含まれない部分によって台座部が構成されていることを特徴とする角速度センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の角速度センサにおいて、
ダイアフラム部の厚みＴと、円柱状の振動子の高さＨと、台座部の厚みＫとの間に、Ｔ＋Ｈ＜Ｋなる寸法条件が満されることを特徴とする角速度センサ。
【請求項５】
請求項３または４に記載の角速度センサにおいて、
シリコン基板の下面に円環状の溝を形成することにより、シリコンからなるダイアフラム部と、シリコンからなる振動子と、シリコンからなる台座部とが、形成されていることを特徴とする角速度センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
励振手段が、ダイアフラム部上面の所定箇所に固着された励振用圧電素子と、この励振用圧電素子に交流電気信号を加える励振用電気回路と、を有し、
変位検出手段が、ダイアフラム部上面の所定箇所に固着された検出用圧電素子と、この検出用圧電素子に発生する電荷を検出する検出用電気回路と、を有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
励振手段が、ダイアフラム部もしくは振動子の所定箇所に形成された励振用変位電極と、前記励振用変位電極に対向するように装置筐体に固定された励振用固定電極と、前記励振用変位電極と前記励振用固定電極との間に交流電気信号を加える励振用電気回路と、を有し、
変位検出手段が、ダイアフラム部もしくは振動子の所定箇所に形成された検出用変位電極と、前記検出用変位電極に対向するように装置筐体に固定された検出用固定電極と、前記検出用変位電極と前記検出用固定電極との間の静電容量値を検出する検出用電気回路と、を有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項８】
請求項６または７に記載の角速度センサにおいて、
励振用電気回路が、振動子の振動軸方向に関する共振周波数に等しい周波数をもった交流電気信号を加えることを特徴とする角速度センサ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
振動子を構成する円柱の高さＨが、「０．２ｍｍ ≦ Ｈ ≦ ０．７ｍｍ」なる寸法条件を満たすことを特徴とする角速度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１０−１６００９５（Ｐ２０１０−１６００９５Ａ）
【公開日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３３８６（Ｐ２００９−３３８６）
【出願日】平成２１年１月９日（２００９．１．９）
【出願人】（３９００１３３４３）株式会社ワコー (34)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月９日（２００９．１．９）
【出願人】（３９００１３３４３）株式会社ワコー (34)
【Ｆターム（参考）】
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