DE19942573A1

DE19942573A1 - Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE19942573A1
Application number: DE19942573A
Authority: DE
Inventors: Masanori Yachi; Hiroshi Ishikawa; Yoshio Satoh
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1999-09-07
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2019-09-08
Also published as: DE19942573B4; JP2000097707A; US6895819B1

Abstract

Ein Beschleunigungssensor, welcher einen Vibrator aufweist, ferner einen Gewichtsabschnitt, welcher mit dem Vibrator verbunden ist und welcher bei einer Position gehalten wird, die von dem Schwerpunkt des Vibrators einschließlich dessen eigener Struktur verschieden ist, und eine Detektiersektion, welche die Eigenschaftsgröße detektiert, die einem Winkelmoment entspricht, welches in dem Vibrator beim Aufbringen einer Beschleunigung in Richtung auf den Vibrator und den Gewichtsabschnitt erzeugt wird. Wenn eine Beschleunigung in einer Richtung auf den Vibrator und den damit verbundenen Gewichtsabschnitt aufgebracht wird, wird in dem Vibrator infolge der Differenz zwischen dem Haltepunkt des Gewichtsabschnittes und dem Schwerpunkt des Vibrators einschließlich des Gewichtsabschnittes ein Winkelmoment erzeugt, und die Eigenschaftsgröße, die dem Winkelmoment entspricht, wird durch die Detektiersektion detektiert, so daß die Beschleunigung einer linearen Bewegung detektiert wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Beschleuni gungssensor, und mehr im besonderen betrifft sie einen Be schleunigungssensor, welcher eine Beschleunigung in einer Richtung (Beschleunigung in einer linearen Bewegung) detek tiert.

Herkömmlicherweise wurden Beschleunigungssensoren ver schiedener Typen mit kleinen Abmessungen zum Detektieren einer Beschleunigung in praktischen Gebrauch genommen. Bei spielsweise waren mit Bezug auf Beschleunigungssensoren vom Auslegertyp die folgenden Beschleunigungssensoren bekannt: solche mit einer Konstruktion, bei welcher ein piezoelek trisches Element durch ein Halteelement so freitragend ein gespannt und gehalten wird, daß eine durch eine Verwindung in dem piezoelektrischen Element als Reaktion auf eine er zeugte Beschleunigung verursachte Spannung erfaßt und die Beschleunigung als Folge davon detektiert wird; und solche mit einer Konstruktion, bei welcher ein Halbleiter durch ein Halteelement so freitragend eingespannt und gehalten wird, daß eine Änderung beim spezifischen Widerstand in folge einer Verwindung in dem Halbleiter als Reaktion auf eine erzeugte Beschleunigung erfaßt und die Beschleunigung infolgedessen detektiert wird. Darüber hinaus sind andere Beschleunigungssensoren vorgeschlagen worden, bei welchen die Trägheit eines Optikfaserkreisels verwendet wird, um eine Beschleunigung zu detektieren.

In dem Fall der oben erwähnten Beschleunigungssensoren vom Auslegertyp ist es, um das Strukturelement (piezoelek trisches Element oder Halbleiter) zu verwinden, erforder lich, die Masse des Strukturelementes zu erhöhen, um eine größere Spannung zu erreichen. Um die Detektiergenauigkeit zu verbessern, ist es deshalb unausweichlich, die Beschleu nigungssensoren schwerer und sperriger zu machen. In dem Fall des Beschleunigungssensors, welcher einen Optikfaser kreisel verwendet, tendiert darüber hinaus dann, wenn der Durchmesser der Optikfaser kleiner gemacht wird in dem Ver such, den Beschleunigungssensor kleiner zu machen, die De tektiergenauigkeit dazu, sich zu verschlechtern. Da es nicht möglich ist, eine Beschleunigung in einer Richtung und eine Rotationswinkelgeschwindigkeit unter Verwendung eines einzigen Beschleunigungssensors zu trennen, gibt es immer noch einige Probleme zu lösen, bevor dieser in prak tischen Gebrauch genommen wird.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen Be schleunigungssensor kleiner Abmessung zu schaffen, welcher eine Beschleunigung in einer Richtung mit hoher Genauigkeit detektieren kann.

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Beschleunigungssensor zu schaffen, welcher eine Be schleunigung in einer Richtung und eine Rotationswinkelge schwindigkeit unter Verwendung nur eines einzigen Sensors trennen kann, um so die Beschleunigung in einer Richtung genau zu detektieren.

Noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen Beschleunigungssensor zu schaffen, welcher Beschleu nigungen in den jeweiligen dreidimensionalen Richtungen gleichzeitig detektieren kann.

Der Beschleunigungssensor gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist mit einem Vibrator (Schwinger), einem Gewichtsabschnitt, welcher mit dem Vibrator verbunden ist und an einer Position gehalten wird, die von dem Schwerpunkt des Vibrators einschließlich dessen eigener Struktur verschieden ist, und einer Detektiersektion ausge stattet, welche die Eigenschaftsgröße (amount of characte ristic) detektiert, die einem Winkelmoment entspricht, wel ches in dem Vibrator beim Aufbringen einer Beschleunigung in einer Richtung auf den Vibrator und den Gewichtsab schnitt erzeugt wird.

Fig. 1 ist eine erläuternde Zeichnung, die das Detek tierprinzip des Beschleunigungssensors der vorliegenden Er findung zeigt. Der Beschleunigungssensor der vorliegenden Erfindung hat einen Vibrator 1, einen damit verbundenen Ge wichtsabschnitt 2 und eine Detektiersektion 3. Der Ge wichtsabschnitt 2 ist an einem Haltepunkt S gehalten, und die Position dieses Haltepunktes S ist von der Position des Schwerpunktes G des Vibrators 1 und des Gewichtsabschnittes 2 verschieden. Wenn ein solcher Beschleunigungssensor einer Beschleunigung in einer Richtung (in der Richtung des Leer pfeils der Fig. 1) unterworfen wird, dann wird ein Winkel moment erzeugt, welches auf den Haltepunkt S zentriert ist (Pfeil A, Größe MLa in Fig. 1 (wobei M: Masse des Gewichts abschnittes 2, L: Abstand von dem Haltepunkt S zu dem Schwerpunkt des Gewichtsabschnittes 2, a: aufgebrachte Be schleunigung ist)). Eine Torsionsauslenkung (Pfeil B in Fig. 1) wird durch dieses Winkelmoment in dem Vibrator 1 erzeugt. Die Detektiersektion 3 detektiert die Eigen schaftsgröße, die diesem Winkelmoment entspricht. Da die Größe des Winkelmomentes proportional zu der Größe der Be schleunigung eines Detektierziels ist, ist es möglich, die Beschleunigung durch Detektieren der Eigenschaftsgröße zu detektieren.

Bei dem Beschleunigungssensor gemäß dem zweiten Aspekt, welcher die gleiche Konstruktion aufweist wie beim ersten Aspekt, ist der Vibrator als ein Torsionsvibrator ausgebildet, welcher durch ein piezoelektrisches Element gebildet ist, und die Eigenschaftsgröße ist als eine Span nung in dem Torsionsvibrator gegeben, welche dem Winkelmo ment entspricht. Der Torsionsvibrator des piezoelektrischen Elementes wird als der Vibrator verwendet, und ein Unter schied bei den Ausgangsspannungen, welche den Winkelmomen ten entsprechen, wird erfaßt, so daß die Beschleunigung de tektiert wird. Es ist demnach möglich, einen Vibrator mit einer einfachen Struktur zu schaffen.

Der Beschleunigungssensor gemäß dem dritten Aspekt ist mit einem Vibrator, einem Gewichtsabschnitt, der mit dem Vibrator verbunden ist und in einer Position gehalten wird, die von dem Schwerpunkt des Vibrators einschließlich dessen eigener Struktur verschieden ist, und einer Detektiersek tion ausgestattet, welche eine Corioliskraft detektiert, die durch eine Rotationswinkelgeschwindigkeit verursacht wird, die in dem Vibrator bei der Aufbringung einer Be schleunigung in einer Richtung auf den Vibrator und den Ge wichtsabschnitt erzeugt wird, während der Vibrator in einer konstanten Richtung schwingt. Wenn der Vibrator einer Be schleunigung in einer Richtung unterworfen wird, während eine Vibration aufgebracht wird, dann erzeugt das Winkelmo ment eine Rotationswinkelgeschwindigkeit in dem Vibrator, und die Rotationswinkelgeschwindigkeit resultiert in einer Corioliskraft, die orthogonal zu der Vibrationsrichtung des Vibrators liegt. Die Beschleunigung wird durch Erfassen dieser Corioliskraft detektiert. Es wird demnach möglich, die Beschleunigung mit einer einfachen Konstruktion zu de tektieren.

Bei dem Beschleunigungssensor gemäß dem vierten Aspekt, welcher eine Konstruktion ähnlich der des dritten Aspektes hat, ist die Rotationsachse der Rotationswinkelge schwindigkeit in die gleiche Richtung eingestellt wie die Detektierachse der Corioliskraft. Da die Rotationsachse der Rotationswinkelgeschwindigkeit in der gleichen Richtung eingestellt ist wie die Detektierachse der Corioliskraft, wird die Corioliskraft, die durch die Rotationswinkelge schwindigkeit verursacht wird, welche in dem Vibrator in folge des Winkelmomentes erzeugt wird, genau detektiert, so daß es möglich wird, die Detektiergenauigkeit für die Be schleunigung zu verbessern.

In dem Beschleunigungssensor gemäß dem fünften Aspekt, welcher die gleiche Konstruktion hat wie die des dritten Aspektes, ist wenigstens ein Abschnitt des Gewichtsab schnittes als ein elastisches Element ausgebildet. Da we nigstens ein Abschnitt des Gewichtsabschnittes ein elasti sches Element ist, ist es möglich, die durch das Winkelmo ment erzeugte Rotationswinkelgeschwindigkeit zu erhöhen.

Der Beschleunigungssensor gemäß dem sechsten Aspekt ist mit einem ersten Sensor ausgestattet, welcher einen er sten, in einer Position gehaltenen Vibrator hat, wobei der Schwerpunkt desselben von der Position verschieden ist, in der der erste Vibrator gehalten wird, und in welchem beim Aufbringen einer Beschleunigung in einer Richtung eine Ro tationswinkelgeschwindigkeit in dem ersten Vibrator erzeugt wird; und mit einem zweiten Sensor, welcher einen zweiten in einer Position gehaltenen Vibrator aufweist, wobei der Schwerpunkt desselben der gleiche wie die Position ist, bei der der zweite Vibrator gehalten wird und in welchem beim Aufbringen einer Beschleunigung in einer Richtung keine Ro tationswinkelgeschwindigkeit in dem zweiten Vibrator er zeugt wird, und mit einem Differentialdetektor, welcher eine Differenz zwischen Ausgängen des ersten Sensors und des zweiten Sensors detektiert. So wird die Differenz zwi schen dem Ausgang des ersten Sensors, dessen Halteposition und Schwerpunkt voneinander verschieden sind, so daß eine Rotationswinkelgeschwindigkeit entsprechend einer Beschleu nigung in einer Richtung in dem ersten Vibrator erzeugt wird, und dem Ausgang des zweiten Sensors, dessen Haltepo sition und Schwerpunkt miteinander zusammenfallen, so daß keine Rotationswinkelgeschwindigkeit entsprechend einer Be schleunigung in einer Richtung in dem zweiten Vibrator er zeugt wird, detektiert. Der Ausgang des ersten Sensors ent hält eine Komponente, welche der Rotationsbewegung des ge samten Systems entspricht, und eine Komponente, welche der Beschleunigung in einer Richtung entspricht, während die Ausgabe des zweiten Sensors nur die Komponente enthält, die der Rotationsbewegung des gesamten Systems entspricht. Des halb kann durch Detektieren der Differenz zwischen der Aus gabe des ersten Sensors und der Ausgabe des zweiten Sensors allein die Komponente, die der Beschleunigung in einer Richtung entspricht, detektiert werden; deshalb kann sogar dann, wenn das gesamte System rotiert, die Beschleunigung in einer Richtung genau durch Verwendung eines einzigen Be schleunigungssensor detektiert werden. Darüber hinaus wird es möglich, die Rotationsbewegung des gesamten Systems und eine lineare Bewegung zu trennen.

Bei dem Beschleunigungssensor gemäß dem siebten Aspekt, welcher eine Konstruktion ähnlich der des sechsten Aspektes hat, sind die Rotationsachse der Rotationswinkel geschwindigkeit des ersten Sensors und die Rotationsachse der Rotationswinkelgeschwindigkeit des zweiten Sensors in der gleichen Richtung eingestellt. Da die Rotationsachse der Rotationswinkelgeschwindigkeit des ersten Sensors und die Rotationsachse der Rotationswinkelgeschwindigkeit des zweiten Sensors in der gleichen Richtung eingestellt sind, ist es möglich, die Komponente, die der Beschleunigung in einer Richtung entspricht, mit hoher Genauigkeit zu detek tieren.

Bei dem Beschleunigungssensor gemäß dem achten Aspekt, welcher die gleiche Konstruktion wie die des sechsten oder siebten Aspektes hat, sind die Charakteristik des ersten Vibrators und die Charakteristik des zweiten Vibrators übereinstimmend ausgebildet. Da die Charakteristiken (Emp findlichkeit, Frequenzansprechverhalten usw.) des ersten und zweiten Sensors übereinstimmend ausgebildet sind, wer den die gleichen Komponenten bezüglich der Komponente, die der Rotationsbewegung des gesamten Systems entspricht, de tektiert; es wird so möglich, die Komponente, die der Be schleunigung in einer Richtung entspricht, mit hoher Genau igkeit zu detektieren.

Bei dem Beschleunigungssensor gemäß dem neunten Aspekt, welcher eine Konstruktion ähnlich der des sechsten, siebten oder achten Aspektes hat, ist eine Vielzahl von Sätzen vorgesehen, deren jeder aus dem ersten Sensor, dem zweiten Sensor und dem Differentialdetektor besteht.

Bei dem Beschleunigungssensor gemäß dem zehnten Aspekt, welcher eine ähnliche Konstruktion wie die des neunten Aspektes hat, sind drei Sätze, deren jeder aus dem ersten Sensor, dem zweiten Sensor und dem Differentialde tektor besteht, vorgesehen, und diese Sätze sind so ange ordnet, daß die Detektierrichtungen für eine Beschleunigung in den jeweiligen Sätzen orthogonal zueinander eingestellt sind.

In dem Fall, in welchem zwei Sätze, deren jeder aus dem ersten Sensor, dem zweiten Sensor und dem Differential detektor besteht, in einer solchen Weise installiert sind, daß deren Detektierachsen orthogonal zueinander ausgerich tet sind, können Beschleunigungen bei linearen Bewegungen in den zweidimensionalen Richtungen gleichzeitig auf einer Ebene detektiert werden, und in dem Fall, in welchem drei Sätze derselben installiert sind, wobei deren Detektierach sen orthogonal zueinander liegen, können Beschleunigungen bei linearen Bewegungen in den dreidimensionalen Richtungen gleichzeitig in drei Dimensionen detektiert werden.

Die oben beschriebenen und weitere Aufgaben und Merk male der Erfindung werden aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung mit den beigefügten Zeichnungen kla rer.

KURZE BESCHREIBUNG DER EINZELNEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine erläuternde Zeichnung, die das Detek tierprinzip eines Beschleunigungssensors der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die die Kon struktion eines Beschleunigungssensors gemäß der ersten Ausgestaltung zeigt.

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die die Kon struktion eines Vibrators (Torsionsvibrator) in der ersten Ausgestaltung zeigt.

Fig. 4 ist eine Vorderansicht, die die Konstruktion eines Beschleunigungssensors gemäß der zweiten Ausgestal tung zeigt.

Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht, die die Kon struktion des Beschleunigungssensors in der zweiten Ausge staltung zeigt.

Fig. 6 ist eine erläuternde Zeichnung, die einen Zu stand eines Vibrators vom Stimmgabeltyp zur Zeit des Detek tierens einer Beschleunigung zeigt.

Fig. 7 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die die Konstruktion eines Beschleunigungssensors gemäß der dritten Ausgestaltung zeigt.

Fig. 8 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die die Konstruktion eines Beschleunigungssensors gemäß der vierten Ausgestaltung zeigt.

INS EINZELNE GEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Mit Bezug auf die Figuren diskutiert die folgende Be schreibung Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.

(Erste Ausgestaltung)

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Konstruktion eines Beschleunigungssensors gemäß der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt. Dieser Be schleunigungssensor ist mit einer Basis 10 (3 mm in der Breite, 8 mm in der Länge und 0,7 mm in der Höhe) mit einer Rechteckquaderform, einem Vibrator 11 (3 mm in der Breite, 1,8 mm in der Länge und 0,5 mm in der Höhe) mit einer Rechteckquaderform, welcher durch ein beispielsweise aus 165Y-LiNbO₃ hergestelltes piezoelektrisches Element gebil det ist, und einem Gewichtsabschnitt 12 (3 mm in der Breite, 8 mm in der Länge und 1 mm in der Höhe) mit einer Rechteckquaderform, der beispielsweise aus Bleiglas herge stellt ist, ausgestattet. Der Vibrator 11 ist mit einem Kantenabschnitt des Gewichtsabschnittes 12 verbunden, wobei eine Fläche (3 mm × 0,5 mm) des Vibrators 11 bündig mit ei ner Fläche (3 mm × 1 mm) des Gewichtsabschnittes 12 gemacht ist. Die Basis 10 ist mit dem Gewichtsabschnitt 12 verbun den, wobei deren identische größte Flächen einander gegen überliegend ausgerichtet sind, und der Vibrator 11 ist an einem Kantenabschnitt der Basis 10 gehalten. Auf der Basis 10 sind eine Ausgangselektrode 10a zum Entnehmen des Ausga bewertes des Vibrators 11 sowie eine GND-Elektrode (GND = ground = Masse) 10b, die für eine Verbindung mit Masse ver wendet wird, installiert.

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die die Kon struktion des Vibrators 11 zeigt. Der Vibrator 11 ist ein Torsionsvibrator, welcher zwei Gleitvibratoren 11a und 11b aufweist, und so ausgestaltet ist, daß eine Potentialdiffe renz, die durch Gleitspannungen (in Fig. 3 durch Pfeile an gezeigt) auf die beiden Gleitvibratoren 11a und 11b mit zu einander verschiedenen Richtungen verursacht wird, detek tiert wird.

Bei einem solchen Beschleunigungssensor wird beim Auf bringen einer Beschleunigung in einer Richtung (in der Richtung des leeren Pfeiles der Fig. 2) ein Winkelmoment, welches auf dem Haltepunkt des Vibrators 11 zentriert ist, infolge eines Positionsversatzes zwischen dem Schwerpunkt und dem Haltepunkt erzeugt mit dem Ergebnis, daß jeder der beiden Gleitvibratoren 11a und 11b des Vibrators 11 einer seitlichen Gleitbewegung in zueinander unterschiedlichen Richtungen unterworfen wird. Da eine Potentialdifferenz zwischen den Gleitvibratoren 11a und 11b infolge einer Tor sionsvibration erzeugt wird, die durch die seitliche Gleit bewegung verursacht wird, kann die Beschleunigung durch Er fassen dieser Potentialdifferenz unter Verwendung der Aus gangselektrode 10a detektiert werden.

Hier in dem oben beschriebenen Beispiel wird der Tor sionsvibrator mit den beiden Gleitvibratoren 11a und 11b als der Vibrator 11 verwendet; es kann jedoch auch eine Torsionsvibrations-Stimmgabel als Vibrator 11 verwendet werden. Wenn ein Longitudinalvibrator verwendet wird, wird es darüber hinaus möglich, eine Spannung infolge eines Win kelmomentes in einer Längsrichtung zu detektieren.

(Zweite Ausgestaltung)

Die Fig. 4 und 5 sind eine Vorderansicht bzw. eine perspektivische Ansicht, welche die Konstruktion eines Be schleunigungssensors gemäß der zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigen. Dieser Beschleunigungssensor ist mit einer Basis 20 ausgestattet, welche eine flache Rechteckquaderform hat, und auf der Basis 20 sind instal liert ein flacher Halteabschnitt 22, welcher durch ein bei spielsweise aus Silikongummi hergestelltes elastisches Ele ment gebildet ist und welcher durch ein Gummielement 21 in einer Weise gehalten wird, daß er über die Basis 20 vor steht, ferner ein Kreiselelement 24, welches an dem äußeren Ende des Halteabschnittes 22 befestigt ist und einen einge bauten Vibrator 23 vom Stimmgabeltyp enthält, und ein De tektor 25 zum Detektieren einer Corioliskraft, die in dem Vibrator 23 vom Stimmgabeltyp erzeugt wird.

Fig. 6 ist eine erläuternde Zeichnung, welche einen Zustand des Vibrators 23 vom Stimmgabeltyp zum Zeitpunkt des Detektierens einer Beschleunigung in einem derartigen Beschleunigungssensor zeigt. Während der Beschleunigungsde tektierung wird der Vibrator 23 vom Stimmgabeltyp immer in einer Richtung (in der Richtung des leeren Pfeiles der Fig. 6A) angetrieben, wie in Fig. 6A gezeigt ist. Beim Aufnehmen einer Beschleunigung in einer Richtung (in der Richtung des leeren Pfeiles der Fig. 4 und der Fig. 5) wird infolge ei nes Positionsversatzes zwischen dem Schwerpunkt und dem Haltepunkt ein Winkelmoment (Rotationswinkelgeschwindig keit) erzeugt. Wenn eine solche Rotationswinkelgeschwindig keit erzeugt wird, dann wird eine Corioliskraft (in der Richtung des leeren Pfeiles der Fig. 6B, Größe Fc = 2mVω (m: die Masse des Vibrators 23 vom Stimmgabeltyp, V: Vibra tionsgeschwindigkeit, ω: Rotationswinkelgeschwindigkeit)) in einer Richtung rechtwinklig zu der Vibrationsrichtung erzeugt. Die Beschleunigung wird so durch Erfassen der Co rioliskraft durch den Einsatz des Detektors 25 detektiert.

Die Rotationsachse (Pfeil C in Fig. 5) des Winkelmo mentes (Rotationswinkelgeschwindigkeit), das durch die Be schleunigung verursacht wird, und die Detektierachse (Pfeil D in Fig. 5) der Corioliskraft, die auf den Vibrator 23 vom Stimmgabeltyp aufgebracht wird, sind in der gleichen Rich tung eingestellt, so daß die Beschleunigung durch Detektie ren der Corioliskraft genau detektiert werden kann. Das elastische Element wird darüber hinaus als Halteabschnitt 22 verwendet; in dem Fall, in welchem der Vibrator 23 vom Stimmgabeltyp an dem Ende des Halteabschnittes 22 ange bracht ist, wird deshalb im Vergleich zu der Verwendung ei nes starren Elementes als der Malteabschnitt 22 auch dann, wenn ein Winkelmoment mit der gleichen Größe erzeugt wird, eine größere Rotationswinkelgeschwindigkeit erzeugt, womit es möglich wird, die Empfindlichkeit zu verbessern.

Hier in dem oben beschriebenen Beispiel wird der Vi brator 23 vom Stimmgabeltyp verwendet; es kann jedoch auch ein prismenförmiger Vibrator oder ein säulenförmiger Vibra tor verwendet werden, solange eine Corioliskraft als Reak tion auf eine Rotationswinkelgeschwindigkeit erzeugt wird. Wenn auch der Halteabschnitt 22 als elastisches Element vorgesehen ist, so kann doch darüber hinaus ein starres Element, welches durch eine Feder gehalten wird, statt des sen genommen werden. In dem Falle dieser Konstruktion hat der Vibrator 23 vom Stimmgabeltyp eine Rotationswinkelge schwindigkeit der gleichen Größe in jedem Abschnitt dessel ben.

(Dritte Ausgestaltung)

In dem Fall, in dem die den Vibrator vom Stimmgabeltyp haltende Basis sich nicht drehen kann, macht die oben be schriebene zweite Ausgestaltung es möglich, eine Beschleu nigung in einer Richtung genau zu detektieren. Allerdings ist es wahrscheinlicher, daß die Basis selbst sich drehen würde. In einem solchen Fall wird eine Corioliskraft in folge einer solchen Drehung auch in dem Vibrator vom Stimm gabeltyp erzeugt; es ist deshalb nicht möglich, eine genaue Beschleunigung in einer Richtung zu detektieren, ohne die Corioliskraft, die durch die Beschleunigung in einer Rich tung erzeugt wird, und die Corioliskraft, die durch die Drehung der Basis erzeugt wird, zu trennen. Die folgende dritte Ausgestaltung gibt ein Beispiel an, in welchem die Corioliskräfte dieser beiden Typen getrennt werden, so daß die Beschleunigung in einer Richtung genau detektiert wer den kann, auch wenn die Basis sich drehen kann.

Fig. 7 ist eine schematische perspektivische Ansicht, welche die Konstruktion eines Beschleunigungssensors gemäß der dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt.

Dieser Beschleunigungssensor ist mit einer Basis 30 ausge stattet, welche eine flache Rechteckquaderform hat; ferner mit einem ersten Sensor 35, welcher einen flachen Halteab schnitt 32 aufweist, der durch ein beispielsweise aus Sili kongummi hergestelltes elastisches Element gebildet ist und der durch ein Gummielement 31 in einer Weise gehalten wird, daß er von der Basis 30 absteht, und ein Kreiselelement 34, welches an dem Ende des Halteabschnittes 32 angebracht ist und einen eingebauten Vibrator 33 vom Stimmgabeltyp ent hält; mit einem zweiten Sensor 39, welcher ein Kreiselement 38 aufweist, welches an der Basis 30 durch ein Metallele ment 36 befestigt ist, und welches einen eingebauten Vibra tor 37 vom Stimmgabeltyp enthält; und mit einem Differen tialverstärker 40, welcher eine Differenz zwischen der Aus gabe des ersten Sensors 35 und der Ausgabe des zweiten Sen sors 39 detektiert. Das Kreiselelement 34 des ersten Sen sors 35 und das Kreiselelement 38 des zweiten Sensors 39 sind so eingestellt, daß sie die gleichen Charakteristiken in der Empfindlichkeit auf die Rotationswinkelgeschwindig keit, das Frequenzansprechverhalten usw. haben, und sie ha ben auch die gleiche Richtung bei der Detektierachse (Pfeile E und F in Fig. 7) von Corioliskräften; demnach bringt jede von diesen eine Corioliskraft von der gleichen Größe als Reaktion auf eine Rotationswinkelgeschwindigkeit mit der gleichen Größe auf.

Der erste Sensor 35, welcher die gleiche Konstruktion wie der Beschleunigungssensor in der zuvor beschriebenen zweiten Ausgestaltung hat, hat voneinander verschiedene Po sitionen des Haltepunktes und des Schwerpunktes; deshalb wird beim Empfangen einer Beschleunigung in einer Richtung (in der Richtung des leeren Pfeiles in Fig. 7) ein Winkel moment erzeugt. Im Gegensatz dazu hat der zweite Sensor 39 zusammenfallende Positionen des Haltepunktes und des Schwerpunktes; deshalb wird auch beim Empfangen einer Be schleunigung in einer Richtung kein Winkelmoment erzeugt.

Beim Empfangen einer Beschleunigung in einer Richtung (in der Richtung des leeren Pfeiles in Fig. 7) in einem Zu stand, in welchem die Basis 30 sich drehen darf, wird ein Winkelmoment (Rotationswinkelgeschwindigkeit) in dem ersten Sensor 35 infolge eines Positionsversatzes zwischen dem Schwerpunkt und dem Haltepunkt erzeugt. Sodann wird in der gleichen Weise wie bei der zweiten Ausgestaltung eine Co rioliskraft in dem Vibrator 33 vom Stimmgabeltyp infolge der Rotationswinkelgeschwindigkeit erzeugt, die durch die Beschleunigung in einer Richtung verursacht wird, und es wird auch eine Corioliskraft in dem Vibrator 33 vom Stimm gabeltyp infolge einer Rotationswinkelgeschwindigkeit er zeugt, die durch die Drehung der Basis 30 verursacht wird. Ein elektrisches Signal, welches durch Addieren dieser Co rioliskräfte der beiden Typen gebildet wird, wird an den Differentialverstärker 40 ausgegeben.

Im Gegensatz dazu wird auch beim Empfangen einer Be schleunigung in einer Richtung in einem Zustand, in dem die Basis sich drehen kann, der zweite Sensor 39 dicht einem Winkelmoment (Rotationswinkelgeschwindigkeit) infolge der Beschleunigung unterworfen, da die Positionen des Halte punktes und des Schwerpunktes zusammenfallen, und nur die Corioliskraft infolge der Drehbewegung der Basis 30 wird in dem Vibrator 37 vom Stimmgabeltyp erzeugt. Die Größe dieser Corioliskraft ist gleich der Größe der Corioliskraft, die durch die Drehbewegung der Basis 30 im ersten Sensor 35 verursacht wird. Sodann wird das elektrische Signal, wel ches dieser Corioliskraft entspricht, an den Differential verstärker 40 und andere Peripherieeinrichtungen ausgege ben.

Der Differentialverstärker 40 detektiert eine Diffe renz zwischen der Ausgabe des ersten Sensors 35 und der Ausgabe des zweiten Sensors 39, und verstärkt die Differenz auf eine angemessene Größe, um diese dann auszugeben. Des halb ist es möglich, daß die Ausgabe von dem Differential verstärker 40 nur die Corioliskraft darstellt, die durch die Beschleunigung in einer Richtung verursacht wird, und die Beschleunigung wird durch Erfassen dieser Ausgabe de tektiert. Als Ergebnis kann der Zustand einer linearen Be wegung durch die Ausgabe des Differentialverstärkers 40 be stätigt werden, während der Zustand einer Drehbewegung durch die Ausgabe von dem zweiten Sensor 39 bestätigt wer den kann.

Wie oben beschrieben wurde, kann auch dann, wenn eine Drehbewegung in dem gesamten System auftritt, die Beschleu nigung in einer Richtung genau detektiert werden. Darüber hinaus können die Arten der Bewegungen in die lineare Bewe gung und die Drehbewegung klassifiziert werden.

(Vierte Ausgestaltung)

Fig. 8 ist eine schematische perspektivische Ansicht, welche die Konstruktion eines Beschleunigungssensors gemäß der vierten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt. Die vierte Ausgestaltung gibt ein Beispiel an, bei welchem Beschleunigungen in den jeweiligen dreidimensionalen Rich tungen (X-Richtung, Y-Richtung und Z-Richtung) gleichzeitig detektiert werden.

Bei diesem Beschleunigungssensor sind drei Sätze von Beschleunigungssensoren, deren jeder den ersten Sensor 35, den zweiten Sensor 39 und den Differentialverstärker 40 aufweist, die bei der dritten Ausgestaltung erläutert wur den, installiert, wobei deren Beschleunigungsdetektierrich tungen orthogonal zueinander angeordnet sind. In einem Satz der Beschleunigungssensoren haben der erste Sensor 35 und der zweite Sensor 39 ihre Detektierrichtungen für Beschleu nigungen in X-Richtung ausgerichtet. In einem anderen Satz der Beschleunigungssensoren haben der erste Sensor 35 und der zweite Sensor 39 ihre Detektierrichtungen für Beschleu nigungen in Y-Richtung ausgerichtet, und in dem anderen Satz der Beschleunigungssensoren haben der erste Sensor 35 und der zweite Sensor 39 ihre Detektierrichtungen für Be schleunigungen in Z-Richtung ausgerichtet. Hier sind die Konstruktion und die Betriebsweise eines jeden Satzes der Beschleunigungssensoren die gleichen wie bei dem Beschleu nigungssensor in der dritten Ausgestaltung. Hier wurden in der Fig. 8 die Differentialverstärker in der Zeichnung weg gelassen.

Mit dieser Anordnung können die lineare Beschleunigung in X-Richtung, die lineare Beschleunigung in Y-Richtung und die lineare Beschleunigung in Z-Richtung gleichzeitig de tektiert werden. Darüber hinaus können die lineare Bewegung und die Drehbewegung in drei Dimensionen erkannt werden.

Wie oben beschrieben wurde, wird in der vorliegenden Erfindung der Betrag einer Eigenschaft eines Winkelmomen tes, welches auf einen Vibrator bei dem Aufbringen einer Beschleunigung in einer Richtung erzeugt wird, detektiert, so daß die Beschleunigung detektiert werden kann; deshalb wird es möglich, die Beschleunigung in einer Richtung mit hoher Genauigkeit unter Verwendung einer Konstruktion klei ner Abmessung zu detektieren.

Beim Aufbringen einer Beschleunigung in einer Richtung wird darüber hinaus eine Corioliskraft infolge des Winkel momentes, welches in dem einer Vibration unterworfenen Vi brator erzeugt wird, erfaßt, so daß die Beschleunigung de tektiert werden kann; deshalb ist es auch dann, wenn das ganze System sich drehen kann, möglich, die Beschleunigung in einer Richtung genau zu detektieren.

Da darüber hinaus drei Sätze der Beschleunigungssenso ren installiert sind, wobei deren Detektierrichtungen or thogonal zueinander ausgerichtet sind, wird es möglich, gleichzeitig Beschleunigungen in den jeweiligen dreidimen sionalen Richtungen zu detektieren.

Wie oben beschrieben wurde, macht es der Beschleuni gungssensor der vorliegenden Erfindung möglich, eine Be schleunigung in einer linearen Richtung ohne die Notwendig keit zur Verwendung einer Spannungsverzerrung zu detektie ren und infolgedessen die Anwendung des Beschleunigungs sensors auf einem neuen technischen Gebiet zu entwickeln.

Claims

1. Beschleunigungssensor zum Detektieren einer Be schleunigung, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:
einen Vibrator (1, 11);
einen Gewichtsabschnitt (2, 12), welcher mit dem Vi brator (1, 11) verbunden ist und in einer Position gehalten wird, die von dem Schwerpunkt des Vibrators (1, 11) ein schließlich dessen eigener Struktur verschieden ist; und
eine Detektiersektion (3, 10a), welche die Eigen schaftsgröße (amount of characteristic) detektiert, die ei nem Winkelmoment entspricht, welches in dem Vibrator (1, 11) beim Aufbringen einer Beschleunigung in einer Richtung auf den Vibrator (1, 11) und den Gewichtsabschnitt (2, 12) erzeugt wird.

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, bei welchem der Vibrator (1, 11) als ein Torsionsvibrator (11) vorgese hen ist, welcher durch ein piezoelektrisches Element gebil det wird und bei welchem die Eigenschaftsgröße eine Span nung in dem Torsionsvibrator (11) ist, die dem Winkelmoment entspricht.

3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem der Vibrator (11) zwei piezoelektrische Ele mente (11a, 11b) umfaßt, welche mechanisch miteinander ver bunden und einer Gleitverformung unterworfen sind.

4. Beschleunigungssensor zum Detektieren einer Be schleunigung, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:
einen Vibrator (23);
einen Gewichtsabschnitt (22), welcher mit dem Vibrator (23) verbunden ist und in einer Position gehalten wird, die von dem Schwerpunkt des Vibrators (23) einschließlich des sen eigener Struktur verschieden ist; und
eine Detektiersektion (25), welche eine Corioliskraft detektiert, die durch eine Rotationswinkelgeschwindigkeit verursacht wird, welche in dem Vibrator (23) beim Aufbrin gen einer Beschleunigung in einer Richtung auf den Vibrator (23) und den Gewichtsabschnitt (22) erzeugt wird, während der Vibrator (23) in einer konstanten Richtung vibriert.

5. Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, bei welchem die Rotationsachse der Rotationswinkelgeschwindigkeit in die gleiche Richtung eingestellt ist wie die Detektierachse der Corioliskraft.

6. Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, bei welchem wenigstens ein Abschnitt des Gewichtsabschnittes (22) als ein elastisches Element ausgebildet ist.

7. Beschleunigungssensor zum Detektieren einer Be schleunigung, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:
einen ersten Sensor (35) mit einem ersten, in einer Position gehaltenen Vibrator (33), wobei der Schwerpunkt desselben von der Position, bei der der erste Vibrator (33) gehalten wird, verschieden ist, wobei beim Aufbringen einer Beschleunigung in einer Richtung eine Rotationswinkelge schwindigkeit in dem ersten Vibrator (33) erzeugt wird;
einen zweiten Sensor (39) mit einem zweiten bei einer Position gehaltenen Vibrator (37), wobei der Schwerpunkt desselben der gleiche wie die Position ist, bei der der zweite Vibrator (37) gehalten wird, wobei beim Aufbringen einer Beschleunigung in einer Richtung keine Rotationswin kelgeschwindigkeit in dem zweiten Vibrator (37) erzeugt wird; und
einen Differentialdetektor (40), welcher eine Diffe renz zwischen Ausgaben des ersten Sensors (35) und des zweiten Sensors (39) detektiert.

8. Beschleunigungssensor nach Anspruch 7, bei welchem die Rotationsachse der Rotationswinkelgeschwindigkeit des ersten Sensors (35) und die Rotationsachse der Rotations winkelgeschwindigkeit des zweiten Sensors (39) in der glei chen Richtung eingestellt sind.

9. Beschleunigungssensor nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei welchem die Charakteristik des ersten Vibrators (33) und die Charakteristik des zweiten Vibrators (37) überein stimmen.

10. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei welchem eine Vielzahl von Sätzen, deren jeder den ersten Sensor (35), den zweiten Sensor (39) und den Differentialdetektor (40) umfaßt, vorgesehen ist.

11. Beschleunigungssensor nach Anspruch 10, bei wel chem drei Sätze vorgesehen sind, deren jeder aus dem ersten Sensor (35), dem zweiten Sensor (39) und dem Differential detektor (40) besteht, wobei die Sätze so angeordnet sind, daß die Detektierrichtungen für Beschleunigungen in den je weiligen Sätzen zueinander rechtwinklig gemacht sind.