JP2000074673A

JP2000074673A - 複合運動センサ

Info

Publication number: JP2000074673A
Application number: JP10240977A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Shiratori; 典彦白鳥; Yoshiro Tomikawa; 義朗富川
Original assignee: Miyota KK
Current assignee: Miyota KK
Priority date: 1998-08-27
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 2000-03-14

Abstract

(57)【要約】【課題】少なくとも１つの方向の角速度と、少なくと
も１つの方向の加速度とを複合的に計測することができ
る、小型かつ簡素化され、一体的にまとめられた構造を
有する、複合機能を有する運動センサを提供する。【解決手段】複数の振動脚に作用するコリオリ力を検
出する角速度センサと、複数のほぼ平行な脚の末端およ
び先端が連結されて末端部には負荷質量を有し、枠形の
対称軸に関して対称的に励振される枠形の振動体で構成
され、加速度が印加されたとき該枠形の振動体の振動数
が変化することにより加速度を検出する加速度センサと
が一体的に構成されていることを特徴とする複合運動セ
ンサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は角速度を検出する機
能と加速度を検出する機能とを併せ持つ運動センサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】乗物やロボット等の運動体やカメラの手
ぶれなどの運動状況を知り、それらを制御するために、
それらに搭載して角速度や加速度等を計測する小型の運
動センサが既に多種類知られている。例えば、角速度を
検出するためには、２脚あるいは３脚の音叉を用い、振
動する脚に作用するコリオリ力を検出する原理のものが
多数提案されているが、それらは簡素で小型な構造であ
るために好ましい。また加速度センサとしては負荷質量
に作用する力を圧電素子によって検出するものがあっ
た。

【０００３】加速度検出のために本発明が利用する先行
技術の一つである、従来の力計測技術について、図１５
を用いて説明する。図１５は力センサとなる振動体を示
す。振動体は全体としてほぼ対称軸１５０に関して対称
な枠形をなし、例えば圧電材料から一体的に作られてい
る。２本の平行した枠脚１８４、１８５は図示しない発
振回路によって、たわみ曲線１９２で示すように対称軸
１５０に関して対称な自由振動を励振される。

【０００４】枠形の基部１８３を基台２に固定し、枠形
振動体の軸方向の力Ｆを先端結合部１８６に加えると、
力Ｆの大きさに応じて枠脚の自由振動の周波数が変化す
る。その周波数偏差を基準周波数と比較することによっ
て印加された力の大きさを計測することができる。これ
は測定精度が高く、電子秤などに応用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】例えば運動体などの運
動状況の表示や制御のために、角速度と加速度とを１個
にまとまった装置によって同時に検出することは極めて
望ましいにもかかわらず、その目的に沿った、例えば自
動車の運転操作に伴い同時に発生する進路方向の変化と
横方向の加速度とを知るために用いることができるよう
な、小型かつ簡素な構造の、実用的な検出素子はまだ提
供されていなかった。

【０００６】本発明の目的は、少なくとも１つの方向の
角速度と、少なくとも１つの方向の加速度とを複合的に
計測することができる、小型かつ簡素化され、一体的に
まとめられた構造を有する、複合機能を有する運動セン
サを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的のため、本発明
は以下の特徴の少なくとも１つを有する。（１）複数の脚を有してその少なくとも一部を励振さ
せ、回転運動を行うとき前記複数の脚に作用するコリオ
リ力を検出する角速度センサと、複数のほぼ平行な脚の
末端および先端が連結されて末端部には負荷質量を有す
る枠形の振動体で構成され、該枠形の振動体は枠形の対
称軸に関して対称的に励振されており、加速度が印加さ
れたとき前記枠形の振動体の振動数が変化することによ
り加速度を検出する加速度センサとが一体的に構成され
ていること。

【０００８】（２）角速度の検出にあずかる脚と加速度
の検出にあずかる脚とがほぼ平行に配置されているこ
と。（３）角速度の検出にあずかる脚と加速度の検出にあず
かる脚とが分離して設けられていること。（４）角速度の検出にあずかる脚と加速度の検出にあず
かる脚とが共通であること。

【０００９】（５）前記負荷質量の前記対称軸方向と異
なる方向の運動を制限する運動制限手段が更に設けられ
ていること。（６）前記角速度センサと前記加速度センサの各脚が１
枚の平板状の素材より構成されていること。（７）検出される角速度の回転軸の方向と、検出される
加速度の方向とが直交していること。

【００１０】（８）角速度検出にあずかる脚を両外側に
設け、加速度検出にあずかる脚を前記両外側の脚の間に
設けたこと。（９）加速度検出にあずかる複数の脚を他の脚の外側に
設けたこと。（１０）前記両外側の脚にはそれぞれ偏心質量が設けら
れていること。

【００１１】（１１）角速度の検出にあずかる脚の励振
周波数と加速度検出にあずかる脚の励振周波数の比を２
倍以上異ならせたこと。（１２）角速度の検出にあずかる脚の励振周波数と加速
度検出にあずかる脚の励振周波数の比を非調和的にした
こと。

【００１２】（１３）角速度検出にあずかる脚の励振、
コリオリ力の検出、および加速度検出にあずかる脚の励
振を行う電気機械変換手段として、圧電作用を持つ変換
手段が用いられていること。

【００１３】（１４）角速度検出にあずかる脚の励振、
コリオリ力の検出、および加速度検出にあずかる脚の励
振を行う電気機械変換手段は、圧電作用、静電作用、電
磁作用等異なる作用を持つ変換手段が混合して用いられ
ていること。

【００１４】（１５）複数の脚の少なくとも一部を連結
するブリッジ部を基部より離れた場所に少なくとも１つ
設けたこと。（１６）外部回路への接続パッドを前記ブリッジ部ある
いはその近傍に設けたこと。

【００１５】（１７）前記枠形の振動体を複数組備え、
少なくともその内の１組の加速度に対する周波数変化の
感受性を他の枠形の振動体と異ならせ、前者と後者の周
波数を比較することにより、加速度検出を行うこと。（１８）前記周波数変化の感受性を他の枠形の振動体と
異ならせる手段は、前者と後者の枠形の振動体に異なる
負荷質量を設けたことであること。

【００１６】（１９）検出し得る回転方向が互いに異な
る複数組の前記角速度センサが前記加速度センサと一体
に形成されていること。（２０）前記複数組の前記角速度センサの固有振動数を
互いに等しく設定したこと。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施の形態
の複合運動センサの振動体の平面図およびそれに用いら
れる回路のブロック図である。１は複合センサ振動体で
水晶等の圧電性材料の平板から一体に成形加工されてい
る。１１はその基部で、陰影で表した基台２に端部を固
定される。振動体１の振動部分は大別して中心軸に対称
な３つの平行な部分から成る。外側の２本の脚Ａ１２、
脚Ｂ１３は平行なバネ部を持つ片持ち梁であって２脚の
音叉を形成する。これらの脚は表面に公知の手法で設け
た電極膜（図示せず）から取り出された圧電入出力３１
１、３１２に対して結線された角速度検出回路５の一部
である発振回路５に接続され、励振されている。

【００１８】脚Ａ１２、脚Ｂ１３は自由端にそれぞれ偏
心質量１２１、１３１を持っている。それら偏心質量の
重心をＧA 、ＧB とする。ＧA*、ＧB*は振動により変位
した重心の位置を示す。３１０、３２０は各脚の中心線
であり、３１は脚Ａのたわみ、３２は脚Ｂのたわみを誇
張して示している。脚Ａ、Ｂは角速度センサを構成す
る。

【００１９】コリオリ力の発生機構と角速度の検出機構
を説明する。図示状態では偏心質量の重心ＧA 、ＧB が
振動体１の外側に向かって運動中であり、ＵA 、ＵB は
それら重心の速度である。基部１１が基台２と共に振動
体板面に垂直な回転軸の回りに（従って板面内で）角速
度Ωz で回転するとき、偏心質量とその速度と角速度Ω
z に比例したコリオリ力ＦA 、ＦB が板面内に互に反対
向きに生じ、この力は脚Ａ、Ｂの中心線３１０、３２０
に対して偏心しているので各脚に曲げモーメントを生じ
させ、各脚の励振用の電極の一方にΔＶ、他方に−ΔＶ
の出力電圧の偏差を圧電作用で発生させる。

【００２０】電圧ΔＶは各脚の振動変位によって発生す
る電圧Ｖと同様に正弦波的であるが位相は電圧Ｖと９０
°異なる。ＶとΔＶは混合して出力されるので、圧電入
出力３１１、３１２の出力信号Ｖ＋ΔＶ、Ｖ−ΔＶを差
動増幅回路５２に印加して差信号とし、更に同期検波回
路５３（発振回路５１の内部信号により同期信号作成回
路５４が作成する同期信号により制御される）によって
ΔＶ成分のみを取り出し、増幅回路５５で増幅してコリ
オリ力の大きさに比例する角速度出力５６を得る。

【００２１】脚Ｃは加速度センサ機能を有する。脚Ｃ１
４はスリット１５１によって対称軸１５０に関して対称
な枠脚１４１と１４２が分離形成されている。各枠脚は
基部１１側の末端部１４３と他側の先端部１４４では一
体に結合されており、前述の図１５における枠脚１８
４、１８５と同様に対称な姿態での振動が可能である。
枠脚１４１と１４２に設けた励振電極膜からは圧電入出
力４１１、４１２が引き出され、加速度検出回路６を構
成する発振回路６１に接続され、固有振動数で自励発振
する。弓形をなす２つの曲線４１、４２は枠脚のたわみ
を表している（振動の片側のみを図示）。

【００２２】脚Ｃ１４の先端部１４４には負荷質量１４
５が固着されている。これは比重の大きな金属等を厚メ
ッキし、あるいは接着して設けられる。基台２即ち基部
１１が左右方向に加速運動をするとき、枠脚は軸方向に
ほとんど伸縮しないので、負荷質量１４５は基部１１の
加速度で運動する。するとその慣性力により、先端部１
４４には図１５における力Ｆの如き枠脚の軸方向の力
（加速度に比例する）が生じ、枠脚の発振周波数が変化
する。その発振周波数の変化分を周波数計測回路６２で
検出し、出力変換回路６３で加速度に比例する信号と
し、加速度出力６４を得る。

【００２３】運動制限器１４６は、左右方向以外の方向
の加速度が負荷質量に過度に作用することによって測定
条件が乱されないよう、負荷質量の運動可能な方向を脚
に平行な方向のみに制限する役割をする。本実施の形態
においては脚Ｃ１４の先端部１４４、あるいは負荷質量
１４５と静止時において僅かな隙間を保った固定部材で
ある。なお板面に垂直な方向の運動制限手段についても
同様でよいが、図示は省略した。

【００２４】図の左下に示した直交座標Ｘ、Ｙ、Ｚは振
動体１と、それを切り出すための水晶材の結晶軸との概
略の方位関係を示している。これは各脚の屈曲振動が高
い能率で圧電的に励振可能であることと、振動数の温度
による変動がなるべく少ないことと、コリオリ力が検出
可能であることの諸条件を満たすように定められる。そ
のため振動体１の板面は水晶のＺ軸に関して数度近く傾
けて切り出されることがある。なおこの結晶軸Ｘ、Ｙ、
Ｚは本明細書で説明される角速度Ωx 、Ωy 、Ωz の回
転軸であるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸とは直接の関係はない。

【００２５】図２は本発明の第２の実施の形態の複合運
動センサの振動体の平面図および回路のブロック図であ
る。前述の第１の実施の形態においては外側の脚Ａ、脚
Ｂが角速度センサであり、脚Ｃが加速度センサであるよ
うに役割が分離されていたが、以下に述べる第２の実施
の形態においては脚Ｃ１４が二つの量の計測を担当す
る。振動体１においては脚Ｃ１４の構造が異なる以外、
第１の実施の形態と実質的には変わらない。検出さるべ
き角速度、加速度の方向についても同様である。

【００２６】脚Ｃ１４における枠脚１４１、１４２の分
割は脚の全長ではなく先端から途中までである。枠脚の
圧電入出力４１１、４１２は途中の末端部１４３から取
り出されて加速度検出回路６に接続される。末端部１４
３と基部１１との中間は脚Ｃバネ部１４０であり、この
バネ性は脚Ｃ１４全体が脚Ａ１２、脚Ｂ１３より成る音
叉と等しい振動数で片持ち梁として屈曲振動し得るよう
に調整されている。従って脚Ａ１２、脚Ｂ１３がコリオ
リ力を受けて基部１１に作用するモーメントがアンバラ
ンスに変化したとき、その変化分が基部１１から脚Ｃ１
４に伝達され、これを補償して打ち消すような振動が脚
Ｃに容易に生起される。

【００２７】脚Ｃバネ部１４０の周囲表面に設けた電極
膜（図示せず）は屈曲振動の検出のみを行い励振はしな
い。コリオリ力の大きさに比例する脚Ｃバネ部１４０の
圧電出力４１３、４１４は角速度検出回路５を構成する
増幅回路５７に印加され（差動増幅の必要はないの
で）、以下第１の実施の形態と同様に処理され同期検波
回路５３でノイズを除去され、更に増幅回路５５で増幅
されて角速度出力５６を得る。なお枠脚１４１、１４２
の運動と加速度を検出する動作、回路は第１の実施の形
態と同様である。

【００２８】なお本実施の形態においては脚Ｃが屈曲振
動するので運動制限器を設けなかったが、一般にコリオ
リ力は小さいため脚Ｃの振幅は僅かであるから、設定す
る隙間の量に注意を払った上で第１の実施の形態の如き
運動制限器を設けることができる。

【００２９】図３は本発明の第２の実施の形態のセンサ
振動体の振動姿態を模式的に説明して理解を助けるため
の線画である。角速度検出の場合のみを扱うので、脚Ｃ
１４の分岐形状は無視して１本の線で表してある。
（ａ）は各脚が振動せずに静止している状態、（ｂ）は
回転がないか、または回転（角速度Ωz ）があって脚Ａ
１２、脚Ｂ１３にコリオリ力による振動のアンバランス
が発生しても脚Ｃ１４の固有振動数が一致しないため、
脚Ｃが共振できずほとんど振動していない状態、（ｃ）
は脚Ｃ１４、脚Ａ１２、脚Ｂ１３の屈曲の固有振動数が
互いにほぼ一致しており、角速度Ωに応じて発生する脚
Ａ１２、脚Ｂ１３の振動のアンバランスを補償するよう
に脚Ｃが振動している状態をそれぞれ示している。

【００３０】図４は本発明の第１および第２の実施の形
態におけるセンサ振動体の脚Ｃの枠脚部分の電極配置を
示し、（ａ）は部分平面図、他はそれぞれ枠脚の各部の
断面図で、（ｂ）はＹ−Ｙ断面図、（ｃ）はＸ−Ｘ断面
図、（ｄ）はＺ−Ｚ断面図である。枠脚は長手方向をほ
ぼ結晶のＹ軸に一致させた水晶材より成ることを想定し
ている。枠脚１４１、１４２の輪郭は細い実線で、電極
膜の輪郭は太い実線で示し、かつ判り易いように枠脚の
表面から少し浮かして描いてある。

【００３１】枠脚に４側面あることに対応して枠脚１４
１にはＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２の４電極を、枠脚１４２
にはＣ１、Ｃ２、Ｄ１、Ｄ２の４電極が設けられる。こ
れらは図示のように枠脚や先端部１４４、末端部１４３
の各面を利用して結線されて圧電入出力４１１、４１２
を構成する。枠脚のたわみの曲率は全長の両端からほぼ
１／４の場所で反転するので、それを励振するため枠脚
の中央部における約半分の長さの部分は電極膜が隣の側
面に位置を変えるように、全長の２か所でねじれた配置
になっている。

【００３２】図５は本発明の第２の実施の形態のセンサ
振動体の脚Ｃのバネ部１４０付近の電極配置を示す図で
あり、（ａ）は部分平面図、（ｂ）はＷ−Ｗ断面図で、
材質は図４と同様水晶のＹバーを想定している。通常の
水晶の屈曲振動子における基本的な電極配置を踏襲して
おり、電極Ｅ１、Ｅ２、Ｆ１、Ｆ２のうち対向面の電極
膜を同極に、両隣の電極膜を他極に接続し、接続線パタ
ーンを基部１１の上面まで導き、圧電入出力４１３、４
１４とする。また枠脚の圧電入出力４１１、４１２の引
出線は例えば電極Ｅ１をＥ１１、Ｅ１２に分割してその
隙間を通せばよい。

【００３３】図６は本発明の第３の実施の形態の部分平
面図およびブロック回路図である。これは枠脚を静電駆
動しようとするものである。また第２の実施の形態と同
様、脚Ｃを屈曲振動させるが、そのため第２の実施の形
態の如く枠脚に脚Ｃバネ部を追加して設けることはせ
ず、平行な枠脚自身のバネ性を用いて必要な固有振動数
を設定する。従って、枠脚の全長の半分を加速度検出用
の励振に用い、他の半分をコリオリ力による屈曲運動の
検出に用いる構成である。

【００３４】脚Ｃ１４の先端部１４４寄りの枠脚１４
１、１４２の内面（スリットの内側面）に電極膜Ｇ１、
Ｇ２を設ける。この両者に同極性の電位を与えれば反発
力、異極の電位（小矢印Ｋで電界を示す）を与えれば吸
引力が生じ、駆動（励振）ができる。また両電極膜の間
隔が変化すれば極間容量の変化により電圧が生じ、振動
の検出ができる。両電極の静電入出力４１５、４１６は
加速度検出回路６の静電発振器６５に接続される。以下
加速度出力６４を得るまでの過程は他の実施の形態と同
様である。

【００３５】角速度Ωz は枠脚の側面に設けた電極Ｈ
１、Ｊ１、Ｈ２、Ｊ２により検出する。今コリオリ力に
より脚Ｃの先端部１４４が図の上または下向きに変位す
るような撓み（図示しない脚Ａ、脚Ｂのモーメントのア
ンバランスを補償しようとして）が起ったとすると、枠
脚１４１は平均的に伸び、枠脚１４２は縮む。この水晶
のＹ軸方向の伸縮歪みの圧電作用により、各脚の内部に
は大きい矢印Ｌ１、Ｌ２で示したような偏極がＸ軸方向
に発生する。これを図示のような接続で圧電入出力４１
７、４１８として取り出し、角速度検出回路５の増幅回
路５５の入力とする。この入力信号には枠脚の励振用の
信号が静電誘導や枠脚のたわみの圧電作用として重畳し
ているが、コリオリ振動とは周波数を異ならせておき、
フィルタ回路５８により除去され、角速度出力５６が得
られる。

【００３６】図７は本発明の第４の実施の形態のセンサ
振動体の平面図および作動図である。本形態例では枠脚
が振動体の外側に位置し、直接コリオリ力の検出も行う
構成である。振動体１は平板状で、枠脚Ａ１６１、同Ｂ
１６２、先端連結部１６９、その上に設けた負荷質量１
６４、中脚Ｃ１６３、その先端に設けた負荷質量Ｃ１６
６、基部１６５、各枠脚に設けた偏心質量Ａ１６７、同
Ｂ１６８より成る。各枠脚はその中心軸１７１、１７２
の両側に加速度検出のための振動を行う。枠脚の振動姿
態は枠の長手方向の中心軸に関して対称な拡張・収縮
（２つの弓形）であり、負荷質量１６４に作用する軸方
向の加速度により振動数が変化する。加速度検出の原理
は前述の実施の形態と同じである。振動体１の材質、検
出回路構成については特に限定しない。

【００３７】各脚は偏心質量Ａ１６７、同Ｂ１６８を有
する。基部１６５が角速度Ωz で回転すると、各偏心質
量の速度ＵA 、ＵB に対してコリオリ力ＦAz、ＦBzが作
用し、その結果各脚の振動姿態にはたわみ成分Ａ１７
３、同Ｂ１７４が重畳する。故にこの２次のたわみ成分
（枠脚の本来の振動は１次のたわみであり、弓形をな
す）を検出すれば角速度Ωz に比例する出力が生じる。
励振、検出のための電極構成はやや複雑にはなるが既に
述べた手法を適用することでも可能なので改めて図示し
ない。検出回路についても同様とする。

【００３８】角速度検出はまた中脚Ｃ１６３（固有振動
数を枠脚の振動数に近くしておく）が偏心質量Ａ１６
７、Ｂ１６８がコリオリ力ＦAz、ＦBzによって生み出す
モーメントを補償するように振動することを利用し、そ
の屈曲歪みを検出して行うこともできる。１７５は静止
時の中脚Ｃの中心軸、１７６は中脚Ｃのたわみ、ＤC は
中脚Ｃの負荷質量１６６の重心の変位である。

【００３９】角速度検出はまた図示しないが別の手法に
よっても検出できる。負荷質量１６７、１６８の表面に
電極を設け、この電極と僅かな隙間を保ちかつ一部が重
なるような平面電極を基台側に設けておけば、各負荷質
量が振動中、コリオリ力の方向に少しずれ、基台側の平
面電極との重なり面積が平均的に変化するので、これを
静電容量値の変化として検出してもよい。

【００４０】図８は本発明の第５の実施の形態における
センサ振動体の平面図および作動図である。振動体１の
概形は第４の実施の形態のものと同じであるが、枠脚の
振動の励振方向が異なり、従って検出される角速度の方
向も異なる。枠脚Ａ１６１、枠脚Ｂ１６２は、脚の中点
の両側が互いに逆向きにねじれるようにかつ対称的に励
振され、従って負荷質量１６７、１６８は羽ばたき様の
振動を行い、速度ＵA、ＵB は板面に垂直でかつ同方向
である。負荷質量１６４に作用する長手方向の加速度
は、枠脚の振動姿態が記述の実施の形態とは異なるが、
同様な手法で検出可能である。

【００４１】そこで板面に平行なｙ軸の回りの角速度Ω
y の回転が基部１６５に作用すると、コリオリ力ＦAy、
ＦByが長手方向に発生し、枠脚には板面内に２次の屈曲
をするたわみ成分Ａ１７３、同Ｂ１７４が発生する。こ
れを圧電的に検出すれば角速度Ωy が測定できる。なお
中脚Ｃ１６３の負荷質量Ｃ１６６は、偏心質量の羽ばた
き運動の慣性力を補償するため、板面に対して返信質量
と反対方向に運動する。

【００４２】図９は本発明の第６の実施の形態のセンサ
振動体の平面図および作動図であり、長手方向であるｘ
軸回りの回転の角速度Ωｘを検出するためのものであ
る。各枠脚は図７の第４の実施の形態と同様に枠形の内
外へ拡張・収縮の振動を行わせる。枠脚Ａ１６１、枠脚
Ｂ１６２の中心部の質量（必要に応じて中心部に例えば
厚メッキ等の手段により負荷質量を追加し中心部の振動
質量を増すことができる）の速度ＵA 、ＵB に対してコ
リオリ力ＦAx、ＦBxが発生し、各枠脚は板面に垂直でか
つ互いに反対の方向に振動する成分が発生する。この振
動姿態成分は１次の形（弓形）であるから、その歪みを
検出すればよい。また各枠脚Ａ，Ｂの中心部の質量が前
の実施例の如く偏心質量であった場合は、コリオリ力に
より各枠脚にはねじれ振動成分が生じるので、これを検
出・処理して角速度を知ることもできる。

【００４３】図１０は本発明の第７の実施の形態のセン
サ振動体示し、（ａ）は平面図および作動図、（ｂ）は
側面図である。形状は第１の実施の形態である図１の振
動体に似ているが、角速度検出のための脚Ａ１２、脚Ｂ
１３の振動姿態が異なり、各脚は（ｂ）側面図にねじり
振動姿態１８０で示すように捩りモードで振動する。基
部１１もねじれ変形に参加させることができる。偏心質
量１２１、１３１の運動速度ＵA 、ＵB に対して、ｙ軸
回りの回転の角速度Ωy によりコリオリ力ＦAy、ＦByが
発生し、脚Ａ、Ｂには板面内の屈曲歪みが追加されるの
で、これを検出する。なお加速度センサとしての動作は
記述の他の実施の形態と同様である。

【００４４】図１１は本発明の第８の実施の形態のセン
サ振動体の平面図である。本実施の形態の特徴は摩擦の
ない運動制限器の構造にある。加速度および角速度セン
サとしての機能には特に説明を加えない。運動制限器１
８２は振動体１と一体化された外枠１８１の一部から分
岐し、先端連結部１６９に接続されたバネとして形成さ
れている。この一体化はセンサの組立てに際して振動体
１に歪みが及ばないことを考慮した結果である。この運
動制限器の構造は負荷質量１６４の長手方向の運動に対
しては抵抗が少ないように配慮されている。

【００４５】図１２は本発明の第９の実施の形態のセン
サ振動体の平面図である。本実施の形態も運動制限器１
８２の形状に眼目があり、負荷質量１４５の長手方向に
垂直な方向の振れに対して更に強い抵抗を与え、しかも
摩擦がない構造である。運動制限器１８２の外枠１８１
に対する固定端は対称的に２か所あり両持ちになってい
るが、片持ちでもよいことは自明である。センサ振動体
部分の説明は省略する。

【００４６】図１３は本発明の第１０の実施の形態のセ
ンサ振動体の平面図である。複合センサとしての動作原
理は図１に示した第１の実施の形態の振動体とほぼ同様
であるが、本実施の形態では振動体１をいわば倒立さ
せ、脚Ｃの先端部１４４を基台２に固定し、負荷質量１
４５を基部側に設けて、加速度が作用する負荷質量を、
負荷質量１４５と脚Ａ、Ｂ（偏心負荷質量を含む）およ
び基部の質量との合計としたものである。この場合もセ
ンサの動作については改めてこれ以上の説明を要しない
であろう。

【００４７】図１４は本発明の第１１の実施の形態のセ
ンサ振動体の平面図である。これは原理的に図２の第２
の実施の形態の振動体の系統に属するが、外側の脚Ａ、
Ｂと脚Ｃとの間の振動の伝達性を改良した形状を持つ。
振動体１の基部に近い部分には窓１８７を設け、その結
果として内外の脚を結ぶブリッジ１８８と各脚の延長部
１８９が形成されている。外脚Ａ、Ｂが振動するとき、
その延長部１８９とブリッジ１８８も僅かに撓む。従っ
てコリオリ力により外脚Ａ１２、同Ｂ１３の振動にアン
バランスが生じた場合、それはブリッジ１８８の僅かな
撓みの差として脚Ｃ１４に速やかに直接伝達される。

【００４８】窓１８７がない振動体の場合は外側の脚Ａ
１２、脚Ｂ１３の振動のアンバランスのモーメントは一
旦基部１１に落ち（極く一部は基部１１を歪ませて脚Ｃ
に伝えられ得るが）、その大部分は基台２を揺らせ、そ
の揺れがまた基台１１を通じて脚Ｃ１４を振動させるの
で振動の伝達が極めて迂遠かつ迂回的であり、振動体の
支持条件によってはうまく力の伝達が行われないことさ
えあるが、本構造によりモーメントあるいは力のかなり
の部分が直接かつ双方向的に伝達されるので、センサ性
能の格段の改善を図ることができる。

【００４９】更に脚Ｃ１４の延長部１８９の一部をスリ
ット１９０で分断することができる。これにより、各脚
間の力あるいはモーメントの伝達はほとんどブリッジ１
８８のみによってなされるようになり、一層伝達性が良
くなる。

【００５０】またブリッジ１８８や延長部１８９は実質
的にはほとんど不動であるので、その部分を基部１１と
同様に扱って、その表面の任意の場所に接続パッド１９
１を設け、振動体の外側の端子とのワイヤボンディング
などを行って電極膜の端子を取り出すことができ、接続
の自由度が増す。スリット１９０を越えて接続したい場
合はその両岸に接続パッドを設け、ワイヤで接続するこ
とができる。またブリッジ１８８には各脚間の電極膜を
連結する基板の役割もさせることができる。

【００５１】図１６は本発明の第１２の実施の形態にお
けるセンサ振動体の平面図である。複合センサ振動体１
は第１の実施の形態の説明で既にその作用を述べた脚Ａ
１２、脚Ｂ１３、脚Ｃ１４の他にもう１つの枠形振動体
である脚Ｄ７が１枚の圧電性材料から一体に形成されて
いる。脚Ｄ７は脚Ｃ１４と平行で同形であり、枠脚の振
動姿態も振動数も等しいが、先端に負荷質量を持たな
い。従ってその長手方向方向の加速度に対する感受性が
異なり、加速度印加時の周波数の変化が脚Ｃ１４よりも
極めて小さい。

【００５２】従って２つの枠形振動体である脚Ｃ１４と
脚Ｄ７とを回路（図示せず）で別々に発振させておき、
両者の周波数を比較し、差が生じればそれに対応する加
速度の大きさが直ちに知られる。記述の他の実施の形態
においては脚Ｃ等の枠形振動体の加速度による周波数の
変化を知るために回路側に比較基準となる周波数源を別
途必要としたが、本実施の形態の複合センサ振動体にお
いては比較用の振動体が本体にあらかじめ作り込まれて
おり、加速度に対する感受性を除く条件をセンサ用の枠
形振動体と等しくしてあるので比較回路の構成が簡素化
され、温度変化等も補償が容易であり測定の精度も高
い。

【００５３】図１７は本発明の第１３の実施の形態にお
けるセンサ振動体の平面図である。本例においては枠形
振動体である脚Ｃ１４と比較用の枠形振動体である脚Ｄ
７を離して配置した。両者間で振動の引き込み現象が起
こると加速度計測ができないので、そのような現象が起
こり難いように配慮した。また複合センサ振動体全体の
スペース上の配置の合理性も追求した構造である。

【００５４】図１８は本発明の第１４の実施の形態にお
けるセンサ振動体の平面図である。本例のように比較用
の枠形振動体である脚Ｄ７と枠形振動体である脚Ｃ１４
は、一方を他方の内部に配することも可能である。両者
の発振周波数は必ずしも等しくなくても回路的な比較処
理は当然可能である。振動数の引き込みの恐れも少なく
なる。

【００５５】図１９は本発明の第１５の実施の形態にお
けるセンサ振動体の平面図である。本例では角速度セン
サ部分と加速度センサ部分を複合センサ振動体１の基部
１１を挟んでその両側に分けて配置し、複合センサ振動
体１の重量バランスを良くした。動作は前述の実施例と
同様である。

【００５６】図２０は本発明の第１６の実施の形態にお
けるセンサ振動体の平面図である。加速度センサの枠形
振動体である脚Ｄ７と脚Ｃ１４は基部１１の両側に配置
される。この場合脚Ｄ７の先端部にも負荷質量７１を設
けることができる。このことで加速度に関する感受性は
脚Ｃ１４と脚Ｄ７とで逆向きとなり、枠脚の周波数差の
検出感度をより向上させうる。

【００５７】なお角速度センサとしては脚８１、８２、
８３、８４から成るいわゆるＨ字型の音叉を用いた。各
脚の基本振動方向は図示の矢印Ｕで示し、角速度を検出
し得る回転軸はｘ軸方向であり、発生するコリオリ力を
Ｆで示した。また各脚の運動方向を振動体１の面に垂直
に、コリオリ力の方向を面内にと逆にして用いることも
できる。

【００５８】図２１は本発明の第１７の実施の形態にお
けるセンサ振動体の平面図である。本例においては角速
度センサに真直脚の３脚音叉を用いた。脚８５、８６、
８７の振動方向Ｕ、検出回転方向ｘ軸、発生コリオリ力
Ｆの方向を図中に示す。前例同様に、脚の振動方向Ｕを
振動体の面内にし、発生コリオリ力Ｆの方向を面に垂直
となるように交換することもできる。なお比較用の枠形
振動体脚Ｄ７の先端には負の負荷質量として穴７２を設
け、脚Ｃ１４との振動数の差を拡大して加速度検出感度
の増大を図っている。

【００５９】図２２は本発明の第１８の実施の形態にお
けるセンサ振動体の平面図である。本例では加速度セン
サである脚Ｃ１４と脚Ｄ７の他に、検出可能な回転軸の
方向が異なる２種類の角速度センサを基部１１の両側に
一体化して備え、より多目的化を図った。Ｌ字型音叉の
脚Ａ１２、脚Ｂ１３は図示角速度Ωｚを検出し、真直な
２脚音叉の脚８８、８９は角速度Ωｘを検出する。

【００６０】図２３は本発明の第１９の実施の形態にお
けるセンサ振動体の平面図である。本例では前例におけ
る各振動脚を基部１１の片側にまとめ、複合センサ振動
体の全長を短くした。なお、脚Ａ１２、脚Ｂ１３より成
るＬ字型音叉と、脚８８、脚８９より成る２脚音叉のの
屈曲の固有振動数を等しく調整しておくことにより、例
えば脚Ａ１２、脚Ｂ１３にΩｚにより発生する逆向きの
コリオリ力が作る振動体１の面内モーメントや、Ωｘに
より発生する面外モーメントは、他の脚８８、８９のい
ずれかあるいは両者が第２の実施の形態における脚Ｃ１
４の役割を演じ、それを相殺する振動を行ってバランス
を達成しうると考えられる。

【００６１】以上種々の本発明の実施の形態について述
べたが、本発明の技術はもちろんそれのみの範囲には留
まらない。例えばセンサ振動体は他の圧電性材料や金属
に圧電素子を貼ったものを用いてもよい。また駆動検出
に電磁変換器も使用し得る。また多方向の加速度や速度
を検出すべく振動体を組み合わせることもできる。また
各種の実施の形態に見られ、あるいは示唆された特徴を
適宜組み合わせた複合センサ振動体を構成することも可
能である。

【００６２】また異なる方向や異なる運動の物理量を同
時的に測定する場合、振動体に与えるベースとなる振動
の姿態や周波数を互いに異ならせると互いの影響やクロ
ストークの除去に効果がある。例えば周波数には２倍あ
るいは数倍以上の差を設けると周波数フィルタによる分
離が容易であるし、あるいは２つの周波数が簡単な整数
比をなさないように即ち非調和的な関係にしておくと時
間的平均をとることにより他方の影響を除きやすい。

【００６３】

【発明の効果】本発明においてはコリオリ力を検出する
角速度センサと振動脚の周波数変化を検出する加速度セ
ンサを一体化して複合センサとしたので、次の特徴を有
する。（１）小型でかつ構造が簡素化された複合運動センサを
提供できた。（２）各脚をほぼ平行に配置することにより更に小型化
を追求できる。また各センサの周波数温度特性を揃える
ことが容易になる。

【００６４】（３）角速度の検出にあずかる脚と加速度
の検出にあずかる脚とを分離して設けることにより、駆
動、検出系の電気的構造を簡素化できる。（４）角速度の検出にあずかる脚と加速度の検出にあず
かる脚とを一体化することにより、更に小型化を追求で
きる。

【００６５】（５）負荷質量に運動制限手段を設けるこ
とにより、加速度検出における外乱作用を減少させるこ
とができる。（６）両センサの各脚を１枚の平板状の素材より切り出
すことにより、小型化と検出精度の安定性を発揮するこ
とができる。

【００６６】（７）検出される角速度の回転軸の方向
と、検出される加速度の方向とを直交させたことによ
り、同じ平面内での回転運動と並進運動との同時的な検
出が容易となる。（８）角速度検出にあずかる脚を両外側に設け、加速度
検出にあずかる脚を前記両外側の脚の間に設けることに
より、３脚音叉による角速度センサの構造を僅かに変更
し、その特性を損なうことなく複合運動センサを実現で
きる。

【００６７】（９）加速度検出にあずかる複数の脚を両
外側に設けることにより、加速度センサを比較的大型と
し、加速度検出の精度を向上させることができる。（１０）両外側の各脚に偏心質量を設けたことにより、
加速度とコリオリ力の検出方向の関係を選択することが
可能となり、例えば上記特徴（７）を容易に実現でき
る。

【００６８】（１１）角速度検出用の脚の励振周波数と
加速度検出用の脚の励振周波数の比を２倍以上異ならせ
ることにより、両者の検出出力を電気的に分離すること
が容易となる。（１２）角速度検出用の脚の励振周波数と加速度検出用
の脚の励振周波数の比を非調和的にすることにより、両
者の検出出力を電気的に分離することが容易となる。

【００６９】（１３）角速度検出用の脚の励振、コリオ
リ力の検出、および加速度検出用の脚の励振を行う電気
機械変換手段として、圧電作用を持つ変換手段を用いる
ことにより、水晶板等圧電性材料に電極膜を付与し、あ
るいは金属製振動体に圧電素子を接着することにより、
構造が簡素化された複合運動センサを構成することがで
きる。

【００７０】（１４）角速度検出用の脚の励振、コリオ
リ力の検出、および加速度検出用の脚の励振を行う電気
機械変換手段として、圧電作用、静電作用、電磁作用等
異なる作用を持つ変換手段を混合して用いることによ
り、複合運動センサの総合的な構造を簡素化しうること
がある。

【００７１】（１５）脚同士を連結するブリッジ部を設
けたことにより振動の伝達性が良くなり、センサの性能
（例えば応答の速度や精度、外乱への耐性等）が向上す
る。

【００７２】（１６）ほとんど不動であるブリッジ部近
傍にも接続パッドを設けることにより、端子取り出しの
自由度が増し、外部回路との接続が容易になる。

【００７３】（１７）加速度に対する感受性の異なる複
数の枠形振動体を設けて相互の振動数を比較すること
（例えば差の検出）により、別途周波数基準を設けずと
も加速度検出が可能かつ容易になる。

【００７４】（１８）複数の枠形振動体に対して異なる
負荷質量を与えることにより、加速度に対する感受性の
差を容易に与えることができる。

【００７５】（１９）複数の方向の回転軸に関して角速
度検出能力のあるセンサ振動体と加速度センサ振動体と
を一体に作り込むことにより、更に応用範囲の広い複合
運動センサを得ることができる。

【００７６】（２０）複数の角速度センサ振動体の固有
振動数を等しく設定することにより、各脚が発生するコ
リオリ力あるいはそれが作るモーメントを相殺させ、動
作の安定な複合運動センサとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の平面図およびブロ
ック回路図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態の平面図、作動図お
よびブロック回路図である。

【図３】本発明の第１および第２の実施の形態のセンサ
振動体の振動姿態を示す線画であり、（ａ）は静止状
態、（ｂ）は中央脚不動の状態、（ｃ）は中央脚が振動
する状態を示す図である。

【図４】本発明の第１および第２の実施の形態のセンサ
振動体の中央脚の加速度センサ部分の電極配置を示し、
（ａ）は部分平面図、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は枠脚の
各部の断面図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態のセンサ振動体の中
央脚のバネ部付近の電極配置を示す図であり、（ａ）は
部分平面図、（ｂ）はＷ−Ｗ断面図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態の部分平面図および
ブロック回路図である。

【図７】本発明の第４の実施の形態のセンサ振動体の平
面図および作動図である。

【図８】本発明の第５の実施の形態のセンサ振動体の平
面図および作動図である。

【図９】本発明の第６の実施の形態のセンサ振動体の平
面図および作動図である。

【図１０】本発明の第７の実施の形態のセンサ振動体を
示し、（ａ）は平面図および作動図、（ｂ）は側面図で
ある。

【図１１】本発明の第８の実施の形態のセンサ振動体の
平面図である。

【図１２】本発明の第９の実施の形態のセンサ振動体の
平面図である。

【図１３】本発明の第１０の実施の形態のセンサ振動体
の平面図である。

【図１４】本発明の第１１の実施の形態のセンサ振動体
の平面図である。

【図１５】従来の力検出用の振動体の平面図および作動
図である。

【図１６】本発明の第１２の実施の形態のセンサ振動体
の平面図である。

【図１７】本発明の第１３の実施の形態のセンサ振動体
の平面図である。

【図１８】本発明の第１４の実施の形態のセンサ振動体
の平面図である。

【図１９】本発明の第１５の実施の形態のセンサ振動体
の平面図である。

【図２０】本発明の第１６の実施の形態のセンサ振動体
の平面図である。

【図２１】本発明の第１７の実施の形態のセンサ振動体
の平面図である。

【図２２】本発明の第１８の実施の形態のセンサ振動体
の平面図である。

【図２３】本発明の第１９の実施の形態のセンサ振動体
の平面図である。

【符号の説明】

１複合センサ振動体１１基部１２脚Ａ１２１偏心質量１３脚Ｂ１３１偏心質量１４脚Ｃ１４０脚Ｃバネ部１４１枠脚１４２枠脚１４３末端部１４４先端部１４５負荷質量１４６運動制限器１５０対称軸１５１中央スリット１６１枠脚Ａ１６２枠脚Ｂ１６３中脚Ｃ１６４負荷質量１６５基部１６６負荷質量Ｃ１６７偏心質量Ａ１６８偏心質量Ｂ１６９先端連結部１７１枠脚Ａの中心軸１７２枠脚Ｂの中心軸１７３たわみ成分Ａ１７４たわみ成分Ｂ１７５中脚Ｃの中心軸１７６中脚Ｃのたわみ曲線１８０ねじり振動姿態１８１外枠１８２運動制限器１８３基部１８４枠脚１８５枠脚１８６先端結合部１８７窓１８８ブリッジ１８９延長部１９０スリット１９１接続パッド１９２たわみ曲線２基台３１脚Ａのたわみ３１０中心線３２脚Ｂのたわみ３２０中心線３１１圧電入出力３１２圧電入出力４１枠脚のたわみ４１１圧電入出力４２枠脚のたわみ４１２圧電入出力４１３圧電出力４１４圧電出力４１５静電入出力４１６静電入出力４１７圧電入出力４１８圧電入出力５角速度検出回路５１発振回路５２差動増幅回路５３同期検波回路５４同期信号作成回路５５増幅回路５６角速度出力５７増幅回路５８フィルタ回路６加速度検出回路６１発振回路６２周波数計測回路６３出力変換回路６４加速度出力６５静電発振器７枠形振動体７１負荷質量７２穴８１Ｈ型音叉の脚８２Ｈ型音叉の脚８３Ｈ型音叉の脚８４Ｈ型音叉の脚８５３脚音叉の脚８６３脚音叉の脚８７３脚音叉の脚８８２脚音叉の脚８９２脚音叉の脚Ｆ力ＦA コリオリ力ＦB コリオリ力ＧA 偏心質量の重心ＧB 偏心質量の重心ＧA* 重心の変位ＧB* 重心の変位ＵA 重心の速度ＵB 重心の速度ＵC 重心の速度Ｕ振動方向ＤC 中脚Ｃの負荷質量の重心の変位Ｖ出力電圧 ΔＶ出力電圧の偏差Ｘ結晶軸Ｙ結晶軸Ｚ結晶軸ｘ軸角速度軸ｙ軸角速度軸ｚ軸角速度軸 Ωx 角速度 Ωy 角速度 Ωz 角速度

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の脚を有してその少なくとも一部を
励振させ、回転運動を行うとき前記複数の脚に作用する
コリオリ力を検出する角速度センサと、複数のほぼ平行
な脚の末端および先端が連結されて末端部には負荷質量
を有する枠形の振動体で構成され、該枠形の振動体は枠
形の対称軸に関して対称的に励振されており、加速度が
印加されたとき前記枠形の振動体の振動数が変化するこ
とにより加速度を検出する加速度センサとが一体的に構
成されていることを特徴とする複合運動センサ。
【請求項２】角速度の検出にあずかる脚と加速度の検
出にあずかる脚とがほぼ平行に配置されていることを特
徴とする請求項１の複合運動センサ。
【請求項３】角速度の検出にあずかる脚と加速度の検
出にあずかる脚とが分離して設けられていることを特徴
とする請求項１あるいは２の複合運動センサ。
【請求項４】角速度の検出にあずかる脚と加速度の検
出にあずかる脚との少なくとも一部が共通であることを
特徴とする請求項１あるいは２の複合運動センサ。
【請求項５】前記負荷質量の前記対称軸方向と異なる
方向の運動を制限する運動制限手段が更に設けられてい
ることを特徴とする請求項１の複合運動センサ。
【請求項６】前記角速度センサと前記加速度センサの
各脚が１枚の平板状の素材より構成されていることを特
徴とする請求項１の複合運動センサ。
【請求項７】検出される角速度の回転軸の方向と、検
出される加速度の方向とが直交していることを特徴とす
る請求項１の複合運動センサ。
【請求項８】角速度検出にあずかる脚を両外側に設
け、加速度検出にあずかる脚を他の脚の間に設けたこと
を特徴とする請求項３あるいは４の複合運動センサ。
【請求項９】加速度検出にあずかる脚を他の脚の外側
に設けたことを特徴とする請求項３あるいは４の複合運
動センサ。
【請求項１０】前記両外側の脚にはそれぞれ偏心質量
が設けられていることを特徴とする請求項８あるいは９
の複合運動センサ。
【請求項１１】角速度の検出にあずかる脚の励振周波
数と加速度検出にあずかる脚の励振周波数の比を２倍以
上異ならせたことを特徴とする請求項１の複合運動セン
サ。
【請求項１２】角速度の検出にあずかる脚の励振周波
数と加速度検出にあずかる脚の励振周波数の比を非調和
的にしたことを特徴とする請求項１の複合運動センサ。
【請求項１３】角速度検出にあずかる脚の励振、コリ
オリ力の検出、および加速度検出にあずかる脚の励振を
行う電気機械変換手段として、圧電作用を持つ変換手段
が用いられていることを特徴とする請求項１の複合運動
センサ。
【請求項１４】角速度検出にあずかる脚の励振、コリ
オリ力の検出、および加速度検出にあずかる脚の励振を
行う電気機械変換手段は、圧電作用、静電作用、電磁作
用等異なる作用を持つ変換手段が混合して用いられてい
ることを特徴とする請求項１の複合運動センサ。
【請求項１５】前記複数の脚の少なくとも一部を連結
するブリッジ部を基部より離れた場所に少なくとも１つ
設けたことを特徴とする請求項１の複合運動センサ。
【請求項１６】外部回路への接続パッドを前記ブリッ
ジ部あるいはその近傍に設けたことを特徴とする請求項
１５の複合運動センサ。
【請求項１７】前記枠形の振動体を複数組備え、少な
くともその内の１組の加速度に対する周波数変化の感受
性を他の枠形の振動体と異ならせ、前者と後者の周波数
を比較することにより、加速度検出を行うことを特徴と
する請求項１の複合運動センサ。
【請求項１８】前記周波数変化の感受性を他の枠形の
振動体と異ならせる手段は、前者と後者の枠形の振動体
に異なる負荷質量を設けたことであることを特徴とする
請求項１７の複合運動センサ。
【請求項１９】検出し得る回転方向が互いに異なる複
数組の前記角速度センサが前記加速度センサと一体に形
成されていることを特徴とする請求項１の複合運動セン
サ。
【請求項２０】前記複数組の前記角速度センサの固有
振動数を互いに等しく設定したことを特徴とする請求項
１９の複合運動センサ。