JP2002022445A

JP2002022445A - 運動センサ

Info

Publication number: JP2002022445A
Application number: JP2000201655A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Tomikawa; 義朗富川; Norihiko Shiratori; 典彦白鳥
Original assignee: Microstone Corp
Current assignee: Microstone Corp
Priority date: 2000-07-03
Filing date: 2000-07-03
Publication date: 2002-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】簡素な構造で、かつ複数の運動要素を検出す
ることができる、振動体を応用した運動センサの構成を
提供すること。【解決手段】平板状の圧電材料で主体が形成され、板
面内に基部を設けると共に、２脚または３脚の片持ち平
行脚より成りコリオリ力を検出する振動型角速度センサ
部、あるいは一端に設けた付加質量から印加される慣性
力に従って発振周波数が変化する１個または複数個の棒
状振動体あるいは音叉型振動体より成る振動型加速度セ
ンサ部が設けられており、３軸の角速度または３軸の加
速度のうち複数の運動要素に対して撓みまたは発振周波
数が変化するように構成したこと。捩り要素を含む形態
あるいは２次の屈曲振動モードを用いた振動型角速度セ
ンサをも含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は振動ジャイロや加速
度センサより成る運動センサの構造に関する。更に詳し
くは、３軸の回転角速度成分と３方向の加速度成分より
成る合計６個の運動要素のうち少なくとも２つの要素を
計測可能にする運動センサの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、振動ジャイロや加速度センサの構
造については様々な提案がされている。特に近年になっ
て、運動センサが搭載される機器の小型化や、運動セン
サの応用範囲の拡大（例えば人体や家畜体に装着し動作
チェックする等）に伴い、運動センサ自体の小型化、多
機能化、同時に低廉化がますます要望されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そのニーズに沿うに
は、運動センサの構成が簡素であること（例えばその主
要部を平板状の素材から切り出して成形できること）、
また一個のセンサで複数の運動要素を検出できること等
が強く求められている。しかしこのような特性を備えた
運動センサの最適な構成は実際には探索の途上にあると
言え、未だ決定版が登場していない状況である。本発明
はこの課題を解決しようとするものである。本発明の目
的は、比較的簡素な構造で、かつ複数の運動要素を検出
することができる、振動体を応用した運動センサの構成
を提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の運動センサは次の特徴のいずれかを備えること
がある。（１）平板状の圧電材料を主体とし、基台に固定ある
いは支持される基部の側面に２脚または３脚の片持ち平
行脚より成りコリオリ力を検出する振動型角速度検出部
を備え、また前記基部の同じ側面または他の側面には、
一端に設けた付加質量から印加される慣性力に従って発
振周波数が変化する少なくとも１個の棒状振動体より成
る振動型加速度検出部を備えていること。

【０００５】（２）平板状の圧電材料を主体とし、基台
に固定されない基部の１側面に２脚の片持ち平行脚より
成りコリオリ力を検出する振動型角速度検出部と、一端
が基台に固定され、印加される加速度により前記基部に
発生する慣性力に従って発振周波数が変化する少なくと
も１個の棒状振動体より成る振動型加速度検出部を備え
ると共に、前記棒状振動体に対する付加質量の一部とな
る前記基部の重心付近を支える弾性支持部材を備えたこ
と。

【０００６】（３）平板状の圧電材料を主体とし、各一
端を基部に結合した固定端とし他端は共通の負荷質量に
異なる角度で結合した、少なくとも１個の棒状の振動体
より成る複数の振動部を有し、前記負荷質量に作用する
慣性力による、前記複数の振動部の各々の発振周波数の
変化を検出するようにした振動型加速度センサ部を備え
ていること。

【０００７】本発明の運動センサは更に以下の特徴の少
なくとも一つを備えることがある。（４）前記少なくとも１個の棒状振動体は、互いに平行
でかつそれぞれの両端が連結された２本の棒状の振動体
より成る枠状の振動体であること。

【０００８】（５）前記付加質量の慣性力は、平行運動
を促す部材の作用を伴って前記棒状振動体に印加される
ようにした振動型加速度センサ部を備えていること。

【０００９】（６）前記付加質量の慣性力は、支点とな
る部材の作用を伴って前記棒状振動体に印加されるよう
にした振動型加速度センサ部を備えていること。

【００１０】上記目的を達成するため本発明の運動セン
サは次の特徴のいずれかを備えることがある。（７）平板状の圧電材料を主体とし、共通基部の１側面
に２脚または３脚の片持ち平行脚より成りコリオリ力を
検出する振動型角速度検出部を備え、前記共通基部の同
じ側面または他の側面には印加される加速度に従って発
振周波数が変化する片持ち平行脚より成る振動型加速度
検出部を少なくとも１個備えていること。

【００１１】（８）平板状の圧電材料を主体とし、共通
基部の１側面に３脚の片持ち平行脚より成り、板面内の
回転により外側の２脚が発生するコリオリ力によるモー
メントを内側の１脚の変形によって検出する少なくとも
１個の振動型角速度検出部を備え、前記共通基部の他の
側面には印加される加速度に従って発振周波数が変化す
る片持ち平行脚より成る振動型加速度検出部を少なくと
も１個備え、そして少なくとも１個の前記角速度検出部
の平行脚と少なくとも１個の前記加速度検出部の平行脚
とは互いに平行でかつ逆向きとしたこと。

【００１２】本発明の運動センサは更に以下の特徴の少
なくとも一つを備えることがある。（９）前記角速度検出部の平行脚の間隔の少なくとも１
つに前記前記加速度検出部の平行脚の少なくとも１本が
挿入されたこと。

【００１３】上記目的を達成するため本発明の運動セン
サは次の特徴のいずれかを備えることがある。（１０）平板状の圧電材料を主体とし、共通基部の１側
面に３脚の片持ち平行脚より成りコリオリ力を検出する
振動型角速度センサ部を備えた運動センサにおいて、前
記平行脚の中脚は縦振動駆動部と捩れ振動検出部と横棒
状先端部を備えていること。

【００１４】（１１）平板状の圧電材料を主体とし、共
通基部の１側面に３脚の片持ち平行脚より成りコリオリ
力を検出する振動型角速度センサ部を備えた運動センサ
において、前記各平行脚は１次の縦振動と２次の屈曲振
動を同時に励振され、それぞれの振動に対して作用する
異なる方向のコリオリ力を検出する検出手段を備えたこ
と。

【００１５】本発明の運動センサは更に以下の特徴の少
なくとも一つを備えることがある。（１２）複数の前記棒状振動部の相互の方向、前記棒状
振動部の１つと前記振動型角速度センサ部の片持ち平行
脚との相互の方向、あるいは複数の前記振動型角速度セ
ンサ部の片持ち平行脚の相互の方向は、９０°あるいは
６０°、またはそれらの整数倍だけ異なっていること。

【００１６】（１３）前記振動脚、前記負荷質量、ある
いは前記平行脚に表面電極を設けると共に、該表面電極
に接近させて固定電極を設け、前記表面電極と前記固定
電極との間の電気的インピーダンスの変化を検出するこ
とによって、前記振動脚、前記負荷質量、あるいは前記
平行脚に作用するコリオリ力または慣性力を検出するセ
ンサ部を備えていること。

【００１７】（１４）前記基部の一部に片持ちの加速度
センサを備えていること。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施の形態
の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図であ
る。また図２は本例の作用の説明図である。本例におい
て主要な各部は平板状の圧電性の材料（単結晶または磁
器材料）から形成されている。運動要素の方向を示すた
め、図示のようなＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸より成る直交座標軸
を設定する。なお以上の事項は、改めて繰り返すことは
しないが、本例に続いて説明する本発明の他の実施の形
態についても共通する前提となるものである。

【００１９】１は各センサ部を支える基部であり、基台
側の固定台２上に載置し接着されている。３は角速度検
出部で、基部１の１つの側面からＹ軸に平行に延びた３
本の平行な振動脚１３ａ、１３ｂ、１３ｃより成ってい
る。各脚は片持ち振動体としてほぼ等しい固有振動数を
与えられ、そのための負荷質量１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ
を持っている。負荷質量はその部分の圧電性材料自身の
質量に当該部分に厚メッキされるか接着された金属の質
量を加えたものである。両外側の付加質量１３ｄ、１３
ｅの重心は各脚の長軸に関して偏心している。振動体１
３ａ、１３ｂは図示しない励振用電極と外部の発振回路
によって駆動される。振動姿態は両脚が同時に内外に開
閉する１次の屈曲振動である。

【００２０】角速度の検出原理は図２（ａ）に示すよう
に、外脚１３ａが振動中のある瞬間に速度ｖを持ち、Ｚ
軸回りに角速度Ωｚで回転するとき、偏心した負荷質量
の重心Ｇｄ、Ｇｅにはコリオリ力Ｆｄ、Ｆｅが（速度ベ
クトルｖの先端を回転方向に回す向きに、従ってｖと共
に振動的に）発生する。大きさは質量、質量の速度、角
速度に比例する。中脚１３ｃはこの一対のコリオリ力が
基部１に対して作るモーメントを打ち消すように板面内
で振動する。故に中脚に設けた検出電極（図示せず）に
よってこの振動を検出すれば角速度ΩZ に比例する振幅
を持つ出力を得ることができる。（この手法は基本的に
公知である。）

【００２１】また中脚１３ｃを用いない検出方法とし
て、コリオリ力による各外脚１３ａ、１３ｂ自身の内部
に発生する曲げモーメント（励振される主振動とは位相
が異なる）による圧電効果を差動増幅器や同期検波回路
によって検出することもできる。この方法による場合は
中脚１３ｃを省略し、２脚の振動体で角速度Ωｚの検出
部を構成することができる。（この手法も基本的に公知
である。）更に図示しないが、Ｙ軸回りの回転角速度Ωｙが印加さ
れると、外脚１３ａ、１３ｂを板面に垂直な方向（向き
は互いに反対）に撓ませるコリオリ力が発生するので、
この撓みのみを圧電的に抽出すれば角速度Ωｙが検出で
きる。即ち本発明の第１の実施の形態（図１）における
角速度検出部３はΩｚ、および／またはΩｙの検出が可
能である。（この手法も公知である。）

【００２２】図１において４は２軸の加速度検出部であ
り、一端が基部１の他の側面から延びた枠状の振動体１
４ａおよび１４ｂ、それらの先端に設けられた共通の負
荷質量１４ｃ（やはり圧電材自身と付着金属より成る）
とで構成されている。加速度（本来は直線加速度または
並進加速度と言うべきであるが簡略に表現する）の検出
原理を図２（ｂ）に示す。枠状の振動体の各々は更に平
行な２本の等しい棒状の振動体から成り、それらの中心
軸（振動体を分けるスリットの中央線）に対称的な振動
（両端固定の梁の一次の振動姿態）を行っている（励振
電極および外部の発振回路は図示せず）。

【００２３】負荷質量１４ｃにある方向の加速度が作用
すると、その重心Ｇに慣性力Ｗが発生する。枠状の振動
体１４ａ（２つの枠状の振動体の一方のみ示した）が長
軸方向の分力Ｗｃを受けると、それに比例して各棒状振
動体の発振周波数が若干変化する。故にこの周波数変化
量およびその符号を測定すれば、加速度の枠状振動体の
長軸方向の成分が検出できる。図２（ｂ）に示さない他
方の枠状振動体１４ｂについても同様である。２つの枠
状振動体の加速度が印加されない状態での発振周波数
は、等しくしておく場合と、所謂周波数の引込み現象を
避けるために共振しないよう適度に異ならせておく場合
とがある。

【００２４】図１のように共通の負荷質量１４ｃに任意
の方向に加速度Ａが作用したとき、上記の原理によりＡ
方向の慣性力の分力Ｗａ、Ｗｂ、従ってそれを負荷質量
１４ｃの質量で割った結果である加速度Ａａ、Ａｂがそ
れぞれ枠型の振動体１４ａ、１４ｂの周波数変化に比例
する量として測定される。これにより板面内の加速度成
分Ａｘ、Ａｙを次式により回路的に演算すれば、加速度
検出部４は２軸の加速度センサ機能を実現する。なお２
つの枠型振動体がＹ軸に関して対称に配置され、それら
がなす角をθとする。Ａｘ＝Ａａｃｏｓ（θ／２）＋Ａｂｃｏｓ（θ／２）Ａｙ＝Ａａｓｉｎ（θ／２）−Ａｂｓｉｎ（θ／２）

【００２５】ここでθを９０°とすれば演算は簡単化さ
れる。また水晶のようにＺ軸に関して３回対称性のある
圧電性結晶材料を用いる場合、３つの等価なＹ軸が１２
０°づつの等角度間隔で現れる。そこで角速度検出部の
振動体の長手方向を１つのＹ軸、加速度検出部の枠型振
動体の各棒状振動体の長手方向を他の２つのＹ軸に向け
ると（この場合、図１（ａ）に準じる形状ならばθ＝１
２０°となる。各振動体の配置によってはθが６０°の
整数倍となる場合もある）、いずれの振動体を圧電的に
励振するのも容易となり、また水晶材の場合は屈曲振動
の発振周波数の温度特性も比較的良好となる長所が得ら
れる。

【００２６】また図１（ｂ）において基台側に設けた固
定電極板５を図示している。これは負荷質量１４ｃの下
面に付着させた金属面に接近して固定台２ａ上に設置さ
れる。両者間の静電容量が外部回路（図示せず）によっ
てチェックされる。負荷質量１４ｃにＺ軸方向の加速度
Ａｚが作用すると、その慣性力に比例して枠型振動体１
４ａ、１４ｂが撓み、電極板との距離が変化するので静
電容量の変化を測定すればＡｚを検出することができ
る。この機構は、図示しないが角速度検出部を構成する
振動体にＺ軸方向のコリオリ力が作用した場合のその検
出手段としても応用できるし、他の実施の形態に対して
も用い得ることは無論である。

【００２７】次に図３の平面図を用いて、本発明の第２
の実施の形態の一例について説明する。本例は基部１の
一方の側に角速度検出部３、他方の側に１個の枠型振動
体と負荷質量より成る加速度検出部４を設けてある。本
例は少なくとも１軸の角速度（Ωｚ、および／またはΩ
ｙ）と１軸の加速度（Ａｙ）とが測定できる運動センサ
として機能する。

【００２８】次に図４、５、６（ａ）の平面図を用い
て、本発明の第３の実施の形態に属する３つの変形例に
ついて説明する。各例は１軸角速度（Ωｚ）と１軸加速
度（Ａｙ）が検出可能な運動センサである。角速度検出
部３は第１の実施の形態（図１）における角速度検出部
から中脚を省略した構造であり、その作用については既
に述べた。また加速度検出部４は１対の棒状振動体より
成る枠状振動体であり、その左端が固定台２上に固定さ
れ、右端は基部１と一体である。これら基部は固定され
ておらず移動可能であって、基部と角速度検出部の前記
振動体の合計質量が加速度による慣性力を発生するため
の負荷質量の役割を担っている。

【００２９】運動センサの本体自身の大部分を用いて負
荷質量を構成する利点は、慣性力を増すために他の構成
においては更に付加せねばならぬ質量を軽くできること
である。即ち金の極端な厚メッキや金属片の接着は運動
センサの製造上のコストアップ要因となるがその不利を
避け得る。基部表面には必要に応じて質量を増すために
金属を付着させるが、これも薄い金属メッキで済ませる
ことが可能となる。しかし基部を完全に浮かせた構造は
極めて脆弱で、僅かの衝撃で枠状振動体を破損し易い。
そこで基部を枠状振動体の軸方向に運動可能とする弾性
支持部材を設けて振動体を保護する。その支持構造の相
違が３つの変形例を分けている。

【００３０】以下順次説明する。図４は圧電材料自身の
形状で弾性支持部４５を形成した例で、基部１に穴をあ
けて細い支持バネ部を形成し、その中央部のやや面積の
大きい部分４６を固定台２ｂに接着する。その位置は負
荷質量の重心に近い位置が一応好ましいが、厳密な位置
が要求されるわけではなく、基台の一部分が支持されれ
ばよいであろう。なお４８は更に付加された金属膜質量
である。

【００３１】図５は日の字型の薄い金属板を弾性支持部
材５５とした例で、その周囲を基部１に接着し、中央の
バネ部を基台面から僅かに浮かせ、その一部５６を基部
１の穴を介して操作し固定台２ｂに接着する。この金属
板５５のバネ部は片側だけとしてもよい。

【００３２】図６は弾性支持部材６５としてコイルバネ
を用いた例である。コイルバネは上端を基部１に固着
し、下端を固定台２ｃに固着する。この様子を示すため
に図６（ｂ）の断面図を示した。この弾性支持部材６５
には運動方向の制限効果は既述の例に比べて少ないが、
振動体の保護効果は高い。

【００３３】図７は本発明の第４の実施の形態を示す平
面図である。本例もまた少なくとも１軸の角速度（Ω
ｚ、および／またはΩｙ）と１軸の加速度（Ａｙ）とが
測定できる運動センサとして機能する。基部１、固定部
２、および角速度検出部３は第１の実施の形態（図１）
と同様な構成である。加速度検出部４は基部１の他の側
に形成された音叉型振動子７４である。その動作原理は
以下の通りである。自由振動している音叉がその長軸を
鉛直にして重力場にあるとき、音叉が水平に置かれて重
力の影響がない基準的な場合に対して、発振周波数が僅
かに変化する。これは音叉の各部が微小な円弧を描いて
振動するため、重力エネルギが振動に影響するからであ
る。音叉の先端が下向きの場合は僅かに周波数が増え、
上向きの場合は周波数が僅かに低くなる。同じ現象が加
速度の場でも起こるので、周波数変化を精密に測定すれ
ば加速度の音叉軸方向の成分（本図ではＡｙ）を検出す
ることができる。音叉の先端部の質量が大きい方が検出
感度は高いと考えられる。

【００３４】図８は本発明の第５の実施の形態を示す平
面図である。本例は少なくとも１軸の角速度（Ωｚ、お
よび／またはΩｙ）と３軸の加速度（Ａｘ、Ａｙ、Ａ
ｚ）とが測定できる運動センサとして機能する。角速度
検出部３は第１の実施の形態（図１）と同様な構成であ
る。加速度検出部４は３つの要素８４、８５、８６から
成る。要素８４は加速度Ａｙを検出するための図７の７
４と同じ趣旨の音叉であり、要素８５は加速度Ａｘを検
出するためにＸ軸の方向に延びた音叉である。加速度Ａ
ｚを検出する要素８６は（板面に垂直な音叉は構成でき
ないので）単純な片持ち振動体である。ただしこれは励
振せず受動的にのみ作用し、板面に垂直な方向の撓みを
圧電的に検出する。（あるいは第１の実施の形態と同様
に固定電極との間の容量変化を検出に用いてもよい。）

【００３５】図９は本発明の第６の実施の形態を示す部
分平面図で、本例は３軸の角速度を検出できる運動セン
サの角速度検出部のみを示した図である。また図１０
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各図は本例の角速度検出動作
の原理図である。本例の特徴は中脚９３の形状にある。
即ち横棒状の先端付加質量９３ａ、長軸方向の縦振動励
振部９３ｂ、捩れ変形検出要用の基部１側の枠状部９３
ｃから成る。中脚９３はＸＹ面内の屈曲、Ｘ軸方向の縦
（横棒部分の屈曲を伴う）、Ｙ軸回りの捩れの３種の変
形に対して互いに近いかほぼ等しい固有振動数を持つよ
うに設計されている。中脚９３の縦振動励振部９３ｂに
設けた電極ａ、ｂによって外脚９４、９５の開閉振動
（駆動電極ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈで励振）と同期した
周波数で縦振動を励振されている。

【００３６】角速度の検出作用を図１０の各図により説
明する。Ωｚについては（ａ）のように第１の実施の形
態と同様にコリオリ力のモーメントを相殺するように中
脚９３が板面内で撓むので、その振幅をＡ−Ａ断面図に
示した電極ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎにより検出する。Ω
ｙについては（ｂ）のように両外脚９４、９５に作用す
る板面外方向のコリオリ力によるモーメントを横棒９３
ａの慣性能率にて相殺するように中脚９３が捩れるの
で、その変形をＢ−Ｂ断面図に示した電極ｐ、ｑ、ｒ、
ｓ、あるいは両外脚９４、９５の電極ｔ、ｕ、ｖ、ｗに
よって検出する。Ωｘについては（ｃ）のように、中脚
９３の板面内で屈曲振動する横棒状付加質量９３ａと両
外脚９４、９５には逆向きの板面外コリオリ力が作用す
るので、それによる撓みを電極ｐ、ｑ、ｒ、ｓ、ｔ、
ｕ、ｖ、ｗにて検出する。

【００３７】図１１は本発明の第７の実施の形態の角速
度検出部３を示す部分平面図である。右側の加速度検出
部は図示を省略した。本例は２軸の角速度検出が可能な
運動センサとして機能する。本図において３本の脚は両
外脚１１３、１１４と中脚１１５とが互に逆位相の縦振
動と板面内の２次の片持ち屈曲振動を同じ周波数で励振
されている。１次の縦振動（Ｌ１モード）と２次の屈曲
振動（Ｆ２モード）とは位相が９０°異なる駆動信号を
与えられている。（従って各脚の先端は微小な楕円を描
くように振動する。）もちろんいずれのモードでも十分
な振幅が得られるよう、ほぼ等しい固有振動数を持ち縮
退可能なように脚の寸法が定められている。各脚の中心
軸に関して駆動電極を分け、片側にｃｏｓωｔ、他側に
ｓｉｎωｔに比例する駆動信号を与えればこの重複モー
ドが励振できる。

【００３８】複合振動を行う脚の先端部に着目する。先
端部はＬ１モードでＹ方向、およびＦ２モードでＸ方向
に、互いに位相の異なる運動をしている。先端部（感度
を上げるためには負荷質量を設ける）がＹ方向の速度を
持つときΩｘにより面外方向の、Ωｚにより面内方向の
コリオリ力が発生し、先端部がＸ方向の速度を持つとき
Ωｙにより面外方向の、Ωｚにより面内方向のコリオリ
力が発生する。これらは脚の撓みの種類や方向を電極配
置で、また振動的であるコリオリ力の位相差を利用して
回路的に、それぞれ区別して検出できる。また駆動信号
の重畳を避けるには、脚の１本（例えば中脚）に検出用
の電極のみを配し、そこから検出してもよい。このよう
にして単純な振動体を用いながら駆動の工夫により、２
あるいは３軸のジャイロセンサが構成できる。

【００３９】図１２は本発明の第８の実施の形態の平面
図である。本例は第７の実施の形態における角速度検出
部３（ΩｘとΩｚを検出）に加えて、基部１の反対側に
もう１つの角速度検出部３ａを設け、全体として３軸の
加速度が検出可能な運動センサとした。角速度検出部３
ａは３脚で各脚は１次の屈曲振動で励振されている。そ
のためΩｙによって板面に垂直な撓み振動をなすので、
それを公知の電極で検出すればよい。このように３軸の
角速度のうち２軸を複合振動部で、１軸を単純振動部で
分担して検出することができる。

【００４０】図１３は本発明の第９の実施の形態の平面
図である。本例は２軸の加速度センサとして機能する。
共通の付加質量１３４に対して４個の枠状振動体１３
５、１３６、１３７、１３８が付着した形状である。基
本的な検出原理は第１の実施の形態（図１）の加速度検
出部４と同じであるが、付加質量１３４にある慣性力が
作用したとき、同一直線上に対向している枠状振動体１
３５と１３７、および１３６と１３８のペアの発振周波
数は互いに増減方向を逆にするので、周波数変化を精密
計測するための別個の周波数基準を用意せずとも、ペア
振動体の周波数の差を直接検出すれば加速度の２つの成
分が求められる利点がある。

【００４１】図１４は本発明の第１０の実施の形態の部
分平面図である。本例は１軸の加速度センサとして機能
する加速度検出部を示した。既述の実施の形態では慣性
力を周波数変化で検出するための振動体として一対の棒
状振動体より成る枠型の振動体を用いてきたが、本例で
は付加質量１４５と基台１の間に１本のみの棒状振動体
１４６を設ける構造として簡略化してある。このように
すると、棒状振動体の屈曲振動の反作用を他の棒状振動
体の対称的な振動によって相殺する作用がなくなるので
理想的ではないが、小振幅の場合には特性上許容でき
る。

【００４２】本例の更なる特徴は、加速度により付加質
量１４５に発生する慣性力が直接棒状振動体１４６にか
かるのではなく、支点となる形状を有する支点部材１４
７とテコ部材１４７を介して与えられることである。こ
の構造によって慣性力が一定の方向で安定して棒状振動
体１４６に加えられ、加速度測定の精度を向上すること
ができる。なおＧは重心、Ａは加速度である。また支
点、重心、棒状振動体への付着位置の相互関係を調節す
れば、慣性力を拡大して棒状振動体に伝達し、加速度検
出の感度を上げることもできる。

【００４３】図１５は本発明の第１１の実施の形態の平
面図である。本例は１軸（または２軸）の角速度および
１軸の加速度検出機能を有する運動センサである。本例
も加速度Ａｙにより付加質量１５５が発生するＹ軸方向
の慣性力が支点部材１５７を介して棒状振動体１５６に
印加される。付加質量１５５自体がテコの役割も兼ねて
いる。角速度検出部は３脚の平行脚振動体で、Ωｚ（お
よびΩｙ）が既述の他の実施例と同様に検出できる。本
例ではΩｚを中脚の撓みで検出するに際して、各外脚の
間隔を広めにし、各々の長軸方向に生じるコリオリ力の
作るモーメントを大きくし、感度を向上させる配慮をし
ている。

【００４４】図１６は本発明の第１２の実施の形態の部
分平面図である。本例は運動センサの１軸加速度検出部
のみを示している。本例では支点とテコ機構に代わり、
２本のバネ部１６６による平行運動機構を用いて、加速
度Ａｘによる慣性力が正しく棒状振動体１６５の軸方向
に印加されるようにした。

【００４５】図１７は本発明の第１３の実施の形態の部
分平面図である。本例も運動センサの１軸加速度検出部
のみを示している。本例では棒状振動体１７７、１７８
を２本用いているが、一対の棒状振動体に等しい慣性力
がかかる既述の枠型構成とは異なる。中間に支点部材１
７６があり、付加質量１７５に加速度が側方から作用す
ると、各棒状振動体１７７、１７８には逆向きの力が作
用する。従って各棒状振動体の振動周波数の差の変化を
演算すれば、加速度Ａｙが計測される。

【００４６】図１８は本発明の第１４の実施の形態の平
面図である。本例は第１の実施の形態（図１）の加速度
検出部と同じ機能を実現したが、振動体を２個の枠型に
代えて２本の棒状振動体１８６、１８７とし簡略化たも
のである。

【００４７】図１９は本発明の第１５の実施の形態の平
面図である。本例は第９の実施の形態（図１３）の２軸
加速度検出機能の運動センサをしたが、振動体を４本の
棒状振動体１９６〜１９９に置換して簡略化したもので
ある。

【００４８】図２０は本発明の第１６の実施の形態の平
面図である。本例は負荷質量２０５と２本の棒状振動体
２０６、２０７を用いた加速度検出部と、３脚型の角速
度検出部を用いた角速度検出部を備えた運動センサであ
る。ただし後者の角速度検出部については既述の説明に
譲り、改めて述べない。さて２本の棒状振動体２０６、
２０７に対して負荷質量２０５は非対称的に固着されて
おり、一方の棒状振動体は他方の棒状振動体に対して支
点に近い作用をなすので、加速度Ａｙが作用したとき、
各棒状振動体にかかる慣性力は方向も逆になり、大きさ
も異なる。従って各棒状振動体の振動周波数の差の変化
を測定することにより、加速度Ａｙが計測される。

【００４９】なお他の励振方法もある。２本の棒状振動
体を独立に励振するのではなく、一方例えば２０６を自
由振動させ、その周波数信号で他方２０７を（従属的
に）強制振動させる。両振動体を全く同形に製作してお
けば、振動体２０７は平常時でも、また慣性力で僅かに
固有振動数が変化したとしても、容易に振動体２０６の
振動（およびその変化）に同調する。この駆動方法によ
り、枠型振動体と同様に２つの棒状振動体の慣性力（振
動の反作用）のバランスをとり、振幅がかなり大きい場
合などでも動作を安定化（例えば運動センサの固定また
は支持条件によって周波数が変動するなどの不都合を避
ける）することができる。

【００５０】図２１は本発明の第１７の実施の形態の平
面図である。本例は負荷質量２１５として本発明の第３
の実施の形態のように、基部１と角速度検出部３との質
量の合計を加速度検出部４の負荷質量として用いる構成
である。この合計質量が発生する慣性力Ｗｙは、短くて
細い支点部材２１６を介して、テコの作用を伴って拡大
されて棒状振動体２１７に印加され、その周波数変化に
よって加速度Ａｙが測定される。もう１本の棒状振動体
２１８は支点の外側で基部１の内部にあり、加速度の影
響を受けない。従ってこれを自励発振させておけば、棒
状振動体２０７の周波数変化を知る基準となる。あるい
は第１６の実施の形態の作用説明の後半（直前の段落）
で述べたように、棒状振動体２１７の自励発振周波数で
強制駆動し、棒状振動体２１７の振動慣性力を相殺する
ためのダミー用の振動体として用いることもできる。

【００５１】図２２は本発明の第１８の実施の形態の平
面図である。本例は３脚振動体の加速度検出部３と２脚
振動体の加速度検出部４とを基部１の同じ側に平行させ
かつ互いに入り組ませて配置し、それらの占有面積の利
用を効率化し、小型化を図った１軸角速度（Ωｚ）と１
軸加速度（Ａｚ）用の運動センサの構成例である。

【００５２】図２３は本発明の第１９の実施の形態の平
面図である。本例は１軸の角速度Ωｚと１軸の加速度Ａ
ｙを検出する。３脚振動体の角速度検出部３と２脚振動
体の加速度検出部４とを「コ」字型の基部１の内方の異
なる側面にそれぞれ設け、互いに平行かつ逆向きとする
と共に、それらの脚を入り組ませて配置した。逆向きと
した理由は、加速度Ａｙによって角速度検出部３の外脚
２３１、２３２の固有振動数と、加速度検出部４の各脚
２３４、２３５の固有振動数とに増減が逆の周波数変化
が生ずるので、その周波数の差を測定することにより、
高度に精密な周波数基準を別途準備しなくても比較的容
易に加速度の計測ができるからである。（例えば２つの
周波数のビートをとってビート周波数の変化を検出する
か、または両周波数を適宜分周してその周期の差の変化
を比較的粗い精度のクロック信号を用いて計数する。２
つの固有振動数は適度に異ならせて共振を避ける。）

【００５３】加速度検出部と角速度検出部の振動体の振
動数の差の変化を利用して加速度検出を行うためには両
部の振動体（脚または棒状）の周波数温度特性が揃って
いることが望ましい。そのためには同じ材料から実質的
に同じ方位に形成されていることが望ましい。この長所
は本例の他、既述の実施の形態１（θにも依存し、水晶
の場合θ＝６０°の倍数）、２、３、４、５、９、１
０、１１、１２、１５、１６、１７、また後述の２０に
も存在し得る。また本例のように両検出部の振動体が平
行であれば、更に素材の方位を吟味して（例えば水晶材
のＺ板を更にＸ軸回りに回転する）本来の周波数温度特
性を更に良くしておくことができる。

【００５４】また各脚を入り組ませた利点を述べる。中
脚２３３は励振せずΩｚによるコリオリ力モーメントの
検出に用いる。コリオリ力のモーメントは両外脚２３
１、２３２の間隔が離れているほど大きくなる。（中脚
を駆動するコリオリ力Ｆは偶力でそのモーメントはＦＬ
〔Ｌは外脚の間隔〕である。負荷質量は自身の脚の長軸
に対して偏心していてもよいが、図のように偏心なしで
も全体のモーメントは発生する。）そこで、両外脚の間
隙に他の脚２３３、２３４、２３５等を挿入すると、複
数の脚の効率的な配置（占有面積の高利用率）を保った
まま、コリオリ力モーメントの腕長Ｌを増して角速度の
検出感度を向上することができる。入り組ませ方は図示
のように交互とは限らず、例えば中脚と一方の外脚との
間に加速度検出用の２脚を並べて挿入してもよい。なお
基部１と共に全体を一体化したのは、無論運動センサ特
性の安定性・再現性を良くするためである。

【００５５】なお本例あるいは他の実施の形態における
角速度検出部はΩｚ即ち板面内の回転運動が検出できる
が、これは身体運動の検出に都合がよい。即ち上肢また
は下肢に腕時計のように装着する運動検出器を薄型化す
るためには、運動センサの板面が四肢の表面に平行であ
ることが好ましいからである。更に加速度検出部が一体
化されていれば複数項目の運動要素を計測する運動検出
器を小型化できる。

【００５６】図２４は本発明の第２０の実施の形態の平
面図である。本例は水晶材のＺ板を素材としてフォトリ
ソグラフィ技術で形成されたもので、基部１の周囲に３
脚振動体より成る角速度検出部３、音叉より成る２軸の
加速度検出部４が設けてある。各振動体の長軸方向は１
２０°づつ異なる方向を向き、３つのＹ軸に平行とす
る。この向きは比較的周波数温度特性が平坦となる長所
がある。なお改めて図示しないが、加速度検出部に属す
る２つの音叉の対称軸の延長上の基部１の側面にに他の
２つの音叉を設け、同じ対称軸を共有する音叉は互いに
逆向きになることを利用してそれらの発振周波数の差に
よる加速度検出を行うこともできる。本例により圧電結
晶材の優秀な特性を生かした高精度の運動センサが実現
できる。

【００５７】以上各種の本発明の実施の形態を説明した
が、本発明はこれらに限定されるものではない。各実施
の形態の特徴同志、あるいはある実施の形態に他の技術
を組み合わせて本発明を広く実施することができる。

【００５８】

【発明の効果】本発明による基本的かつ共通の効果は、
比較的簡素な構造で、かつ複数の運動要素を検出するこ
とができる、振動体を応用した運動センサの構成が提供
できたことである。また周波数変化により加速度を検出
する過程では、高精度の検出のためデジタル回路技術を
有効に活用することもできる。

【００５９】以下に各請求項の発明に対応し、上記基本
的な効果に更に加えられる個別の効果を、各請求項と共
通の番号を付して記載する。（１）少なくとも１軸の角加速度を圧電的に検出すると
共に、少なくとも１軸の加速度を周波数変化によって検
出できる運動センサの構成が得られた。（２）上記（１）の効果に加え、センサ自体の質量を利
用して、大きな質量を付加することなく加速度検出の感
度を上げることができた。（３）異なる角度の複数の棒状振動体を用いて２軸の加
速度の検出を可能とした。

【００６０】（４）棒状振動体を枠状構造とすることに
よって、力学的バランスの優れた加速度センサを提供し
た。（５）付加質量に平行運動を促す部材を設け、棒状振動
体にかかる慣性力の方向を規制した。（６）付加質量に支点を設け、棒状振動体にかかる慣性
力の方向を規制することができた。またテコの拡大作用
による感度の向上も可能にした。（７）加速度を振動体の周波数変化で検出することによ
り、上記（１）と同様の効果が得られた。

【００６１】（８）角速度検出部と加速度検出部の平行
脚を逆向きとしたので、互いに近似の周波数温度特性を
持たせながら加速度の影響による各々の発振周波数の増
減もまた逆方向になることを利用し、高精度の基準周波
数源を別途設けなくても両発振周波数の差を精密に測定
することもでき、加速度の検出が容易かつ正確に行える
効果がある。（９）各平行脚を入り組ませることによってセンサ振動
体の占有面積を無駄なく利用して運動センサを小型化す
ることができた。また角速度検出を行う平行脚の間隔を
確保し、コリオリ力の作るモーメントを大きくして角速
度検出の感度を高くすることができた。

【００６２】（１０）縦および捩れ振動を用いた１個の
３脚振動体によって、複数軸の角速度の検出ができる運
動センサの構成を提案できた。（１１）振動体において各脚を異なるモードで励振する
ことにより、複数軸の角速度を圧電的に検出できる運動
センサの構成を提供した。（１２）棒状振動部や片持ち平行脚との相互の方向を規
定することによって、２軸の加速度成分を正確に検出で
きる効果が得られた。また更に圧電性単結晶においてそ
の効果を実現することができた。

【００６３】（１３）振動変位の容量検出機能を付加
し、検出可能な運動要素を増すことができた。（１４）片持ちの加速度センサを付加し、検出可能な運
動要素を増すことができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の一例を示し、
（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態の一例の作用説明図
である。

【図３】本発明の第２の実施の形態の一例を示す平面図
である。

【図４】本発明の第３の実施の形態の一例を示す平面図
である。

【図５】本発明の第３の実施の形態の他の例を示す平面
図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態の更に他の例を示
し、（ａ）は平面図、（ｂ）断面図である。

【図７】本発明の第４の実施の形態の一例を示す平面図
である。

【図８】本発明の第５の実施の形態の一例を示す平面図
である。

【図９】本発明の第６の実施の形態の一例を示す部分平
面図である。

【図１０】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の第６の実
施の形態の一例の作用説明図である。

【図１１】本発明の第７の実施の形態の一例を示す部分
平面図である。

【図１２】本発明の第８の実施の形態の一例を示す平面
図である。

【図１３】本発明の第９の実施の形態の一例を示す平面
図である。

【図１４】本発明の第１０の実施の形態の一例を示す部
分平面図である。

【図１５】本発明の第１１の実施の形態の一例を示す平
面図である。

【図１６】本発明の第１２の実施の形態の一例を示す部
分平面図である。

【図１７】本発明の第１３の実施の形態の一例を示す部
分平面図である。

【図１８】本発明の第１４の実施の形態の一例を示す平
面図である。

【図１９】本発明の第１５の実施の形態の一例を示す平
面図である。

【図２０】本発明の第１６の実施の形態の一例を示す平
面図である。

【図２１】本発明の第１７の実施の形態の一例を示す平
面図である。

【図２２】本発明の第１８の実施の形態の一例を示す平
面図である。

【図２３】本発明の第１９の実施の形態の一例を示す平
面図である。

【図２４】本発明の第２０の実施の形態の一例を示す平
面図である。

【符号の説明】

１基部２固定台３角速度検出部４加速度検出部Ｇ重心Ｘ、Ｙ、Ｚ検出軸Ａ加速度Ｗ慣性力 Ω 角速度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者白鳥典彦長野県北佐久郡御代田町大字草越1173番地 1394 マイクロストーン株式会社内Ｆターム(参考） 2F105 AA10 BB12 BB17 CC01 CC04 CC06 CD02 CD06 CD13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平板状の圧電材料を主体とし、基台に固
定あるいは支持される基部の側面に２脚または３脚の片
持ち平行脚より成りコリオリ力を検出する振動型角速度
検出部を備え、また前記基部の同じ側面または他の側面
には、一端に設けた付加質量から印加される慣性力に従
って発振周波数が変化する少なくとも１個の棒状振動体
より成る振動型加速度検出部を備えていることを特徴と
する運動センサ。
【請求項２】平板状の圧電材料を主体とし、基台に固
定されない基部の１側面に２脚の片持ち平行脚より成り
コリオリ力を検出する振動型角速度検出部と、一端が基
台に固定され、印加される加速度により前記基部に発生
する慣性力に従って発振周波数が変化する少なくとも１
個の棒状振動体より成る振動型加速度検出部を備えると
共に、前記棒状振動体に対する付加質量の一部となる前
記基部の重心付近を支える弾性支持部材を備えたことを
特徴とする請求項１に記載の運動センサ。
【請求項３】平板状の圧電材料を主体とし、各一端を
基部に結合した固定端とし他端は共通の負荷質量に異な
る角度で結合した、少なくとも１個の棒状の振動体より
成る複数の振動部を有し、前記負荷質量に作用する慣性
力による、前記複数の振動部の各々の発振周波数の変化
を検出するようにした振動型加速度センサ部を備えてい
ることを特徴とする運動センサ。
【請求項４】前記少なくとも１個の棒状振動体は、互
いに平行でかつそれぞれの両端が連結された２本の棒状
の振動体より成る枠状の振動体であることを特徴とする
請求項１ないし３のいずれかに記載の運動センサ。
【請求項５】前記付加質量の慣性力は、平行運動を促
す部材の作用を伴って前記棒状振動体に印加されるよう
にした振動型加速度センサ部を備えていることを特徴と
する請求項１ないし４のいずれかに記載の運動センサ。
【請求項６】前記付加質量の慣性力は、支点となる部
材の作用を伴って前記棒状振動体に印加されるようにし
た振動型加速度センサ部を備えていることを特徴とする
請求項１ないし４のいずれかに記載の運動センサ。
【請求項７】平板状の圧電材料を主体とし、共通基部
の１側面に２脚または３脚の片持ち平行脚より成りコリ
オリ力を検出する振動型角速度検出部を備え、前記共通
基部の同じ側面または他の側面には印加される加速度に
従って発振周波数が変化する片持ち平行脚より成る振動
型加速度検出部を少なくとも１個備えていることを特徴
とする運動センサ。
【請求項８】平板状の圧電材料を主体とし、共通基部
の１側面に３脚の片持ち平行脚より成り、板面内の回転
により外側の２脚が発生するコリオリ力によるモーメン
トを内側の１脚の変形によって検出する少なくとも１個
の振動型角速度検出部を備え、前記共通基部の他の側面
には印加される加速度に従って発振周波数が変化する片
持ち平行脚より成る振動型加速度検出部を少なくとも１
個備え、そして少なくとも１個の前記角速度検出部の平
行脚と少なくとも１個の前記加速度検出部の平行脚とは
互いに平行でかつ逆向きとしたことを特徴とする運動セ
ンサ。
【請求項９】前記角速度検出部の平行脚の間隔の少な
くとも１つに前記前記加速度検出部の平行脚の少なくと
も１本が挿入されたことを特徴とする請求項８の運動セ
ンサ。
【請求項１０】平板状の圧電材料を主体とし、共通基
部の１側面に３脚の片持ち平行脚より成りコリオリ力を
検出する振動型角速度センサ部を備えた運動センサにお
いて、前記平行脚の中脚は縦振動駆動部と捩れ振動検出
部と横棒状先端部を備えていることを特徴とする運動セ
ンサ。
【請求項１１】平板状の圧電材料を主体とし、共通基
部の１側面に３脚の片持ち平行脚より成りコリオリ力を
検出する振動型角速度センサ部を備えた運動センサにお
いて、前記各平行脚は１次の縦振動と２次の屈曲振動を
同時に励振され、それぞれの振動に対して作用する異な
る方向のコリオリ力を検出する検出手段を備えたことを
特徴とする運動センサ。
【請求項１２】複数の前記棒状振動部の相互の方向、
前記棒状振動部の１つと前記振動型角速度センサ部の片
持ち平行脚との相互の方向、あるいは複数の前記振動型
角速度センサ部の片持ち平行脚の相互の方向は、９０°
あるいは６０°、またはそれらの整数倍だけ異なってい
ることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記
載の運動センサ。
【請求項１３】前記振動脚、前記負荷質量、あるいは
前記平行脚に表面電極を設けると共に、該表面電極に接
近させて固定電極を設け、前記表面電極と前記固定電極
との間の電気的インピーダンスの変化を検出することに
よって、前記振動脚、前記負荷質量、あるいは前記平行
脚に作用するコリオリ力または慣性力を検出するセンサ
部を備えていることを特徴とする請求項１ないし１２の
いずれかに記載の運動センサ。
【請求項１４】前記基部の一部に片持ちの加速度セン
サを備えていることを特徴とする請求項１ないし１３の
いずれかに記載の運動センサ。