JP2003042768A

JP2003042768A - 運動センサ

Info

Publication number: JP2003042768A
Application number: JP2001258763A
Authority: JP
Inventors: Yoshiya Okada; 恵也岡田; Hideki Tamura; 英樹田村; Yoshiro Tomikawa; 義朗富川; Seiichi Kudo; 誠一工藤; Tatsuo Koitabashi; 竜雄小板橋; Masayoshi Misawa; 雅芳三澤; Takashi Yonekubo; 荘米久保; Yasuko Kurokochi; 靖子黒河内
Original assignee: Nagano Prefecture; Microstone Corp
Current assignee: Nagano Prefecture; Microstone Corp
Priority date: 2001-07-26
Filing date: 2001-07-26
Publication date: 2003-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】少なくとも１軸の加速度と１軸の角速度を検
出することが可能で小型のサイズおよび実用的な感度と
安定性を有する複合運動センサを提供すること。【解決手段】１枚の板状の圧電材から成形されてお
り、両側にほぼ平行に配置された１本あるいは１組の棒
状振動体を備え、該棒状振動体はそれぞれ一端は基台に
固定される基部に連結しており、他端は共通の負荷質量
に連結している形状を有し、前記両側の棒状振動体と前
記基部と前記負荷質量とに囲まれた空間の内部に前記基
部と連続する音叉基部を有し各脚の方向が前記棒状振動
体とほぼ平行な音叉を配置し、前記負荷質量に作用する
慣性力に基づく前記棒状振動体の固有振動数の変化ある
いは撓みを検出することによって所定の方向の加速度を
検出し、前記音叉に作用するコリオリ力を検出すること
によって所定の方向の軸の回りの回転の角速度を検出す
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】本発明は振動体に作用する力
を検出して回転角速度および加速度を検出する、複合機
能を有する運動センサに関し、殊にセンサ用振動体の形
状・構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】二脚あるいは三脚音叉にあらわれるコリ
オリ力を検出して、所定の軸の回りの回転角速度を検出
する所謂振動ジャイロスコープが公知であり、各種の構
成が既に多数提案されている。また一対の平行に配置し
た棒状振動体の両端を連結し、一端を固定し他端を負荷
質量に結合した構造を有し、棒状振動体の方向に作用す
る加速度の大きさに応じて棒状振動体の固有振動数が変
化することを利用して所定の方向の加速度センサを得る
提案もされている。更にこれらを一体的に結合して一個
のパッケージされたセンサによって１方向の角速度と１
方向の加速度を検出しようとする複合運動センサが例え
ば特開２０００−７４６７３号によって提案されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】我々は最後に例示した
ような少なくとも１軸の加速度と１軸の角速度を検出す
ることが可能な複合機能を持つ運動センサを実用化すべ
く種々検討を重ねてきた。しかし我々の努力の範囲内で
は従来技術の範囲内にあるセンサ振動体の形態の中に
は、加速度および角速度に関して実用上十分な感度と安
定性が得られる構成を見出すことが困難であったので、
結局新規な構成を新たに提案せざるを得ないことが結論
された。

【０００４】本発明の目的は、少なくとも１軸の加速度
と１軸の角速度を検出することが可能であって、小型の
サイズおよび実用的な感度と安定性を有する複合機能を
持つ運動センサを提供することである。

【０００５】

【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を備える。（１）１枚の板状の圧電材から成形されており、両側に
ほぼ平行に配置された複数の棒状振動体を備え、該棒状
振動体はそれぞれ一端は台座に固定される基部に連結し
ており、他端は共通の負荷質量に連結している形状を有
し、前記両側の棒状振動体と前記基部と前記負荷質量と
に囲まれた空間の内部に前記基部と連続する音叉基部を
有し各脚の方向が前記棒状振動体とほぼ平行な音叉を配
置し、前記負荷質量に作用する慣性力に基づく前記棒状
振動体の固有振動数の変化あるいは撓みを検出すること
によって所定の方向の加速度を検出し、前記音叉に作用
するコリオリ力を検出することによって所定の方向の軸
の回りの回転の角速度を検出すること。

【０００６】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。（２）前記音叉は３脚音叉であり、前記圧電材の板面に
垂直な軸の回りの回転の角速度を検出すること。

【０００７】（３）前記音叉は２脚音叉であり、該音叉
の脚に平行な軸の回りの回転の角速度を検出すること。

【０００８】（４）前記棒状振動体の固有振動数の変化
により、棒状振動体の方向の加速度を検出すること。

【０００９】（５）前記棒状振動体の前記圧電材の板面
に平行な撓みを検出することにより、前記圧電材の板面
に平行な方向の加速度を検出すること。

【００１０】（６）前記棒状振動体の前記圧電材の板面
に垂直な撓みを検出することにより、前記圧電材の板面
に垂直な方向の加速度を検出すること。

【００１１】（７）前記音叉の脚の分岐部は前記音叉基
部によって前記基部が固定される前記台座から隔てられ
ていること。

【００１２】（８）前記負荷質量は前記台座に対して弾
性的に支持されていること。

【００１３】（９）前記棒状振動体はそれぞれ近接した
一対の枠型をなす棒状振動体から成っていること。

【００１４】（１０）前記板状の圧電材は水晶のＺ板で
あること。

【００１５】上記目的達成のため本発明の運動センサは
また次の特徴を備えることがある。（１１）１枚の板状の圧電材から成形されており、両側
にほぼ平行に配置された複数の棒状振動体を備え、該棒
状振動体はそれぞれ一端は台座に固定される基部に連結
しており、他端は共通の負荷質量に連結している形状を
有し、前記両側の棒状振動体と前記基部と前記負荷質量
とに囲まれた空間の内部に前記基部と連続する音叉基部
を有し各脚の方向が前記棒状振動体とほぼ平行な音叉を
配置した少なくとも１個のセンサ振動体と、他の１枚の
板状の圧電材から成形された他のセンサ振動体とを、同
一容器内で所定の間隔および方向を保って平行に積層す
るように配置して台座に固定し、かつ前記センサ振動体
が検出する加速度あるいは角速度の検出軸の方向と、前
記他のセンサ振動体が検出する加速度あるいは角速度の
検出軸の方向とのうちの少なくとも１つの検出軸の方向
を互いに異ならせたこと。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１（ａ）、（ｂ）は本発明の第
１の実施の形態における運動センサの内部構造を示す平
面図および中央断面図である。１０は薄い箱型で気密
（好ましくは真空）の容器で、内部構造を示すため平面
図（ａ）では蓋１４を取り除いて示してある。１１は容
器の底部を貫通する多数のハーメチック端子ピンであ
る。各ピンは運動センサ振動体２０上の電極膜群の個々
と例えばワイヤボンディングの手法で接続されるが、電
極膜やボンディングワイヤは図示を省略してある。

【００１７】センサ振動体２０は１枚の圧電性材料の平
板例えばＰＺＴ等の圧電性磁器の板や水晶のＺ板（正確
なＺ板を数度傾けた板を含む）から成形されており、加
速度センサ部（棒状振動体）と角速度センサ部（音叉）
が一体化されている。圧電性磁器材料は圧電効果が強く
励振が容易であるが、単結晶である水晶材の方が製品の
特性が安定である。センサ振動体２０は基部２１の裏面
の固定部Ａ２２（斜線部）と、小面積の固定部Ｂ３４
（斜線部）の裏面とが容器１０に固着した台座１２およ
び１３上に接着され支持されている。

【００１８】水晶板より成るセンサ振動体２０の方向を
定義しておく。直交軸Ｘ、Ｙ、Ｚをとり、Ｚを板の厚さ
方向、Ｙを音叉脚や棒状振動体の方向、Ｘを振動体の幅
方向とする。また検出する各方向の加速度をＧｘ、Ｇ
ｙ、Ｇｚ、角速度は検出する回転軸の方向を添字として
Ωｘ、Ωｙ、Ωｚとする。センサ振動体のサイズの一例
を示すと、図１のＺ方向の寸法（板厚）は約０．３ｍ
ｍ、Ｙ方向（全長）は約１６ｍｍ、Ｘ方向（幅）は約６
ｍｍである。

【００１９】角速度センサ部はいわゆる３脚音叉型の形
状をした部分であり、各々Ｌ字型の外脚Ａ２３と外脚Ｂ
２５、真直な中脚Ｃ２４、および音叉基部２６、支点２
７より成る。外脚Ａ２３と外脚Ｂ２５とは通常の２脚音
叉と同様にそれぞれが片持ち梁的で形状の対称軸（図示
せず）に関して対称な振動を行うように、角速度測定回
路に含まれる励振回路（圧電発振回路）によって一定振
幅で励振させられている。

【００２０】中脚Ｃ２４は励振されないが、その撓みを
検出するための表面電極（上下面および両側面に配置さ
れる。図示せず）を持っている。固定部とは異なるハッ
チングを付して示した２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃはそれぞ
れ付加質量で、固有振動数を下げかつ互いに等しくする
ために脚先端部に施した金属の厚メッキ層等より成る
（中脚Ｃ２４の固有振動数は、感度と安定性との兼ね合
いで、両外脚の固有振動数と適宜に差をつけることがあ
る）。

【００２１】今センサ振動体２０が図示の方向、即ち紙
面に垂直なＺ軸に平行な回転軸の回りに角速度Ωｚで回
転すると、両外側の振動脚には角速度に比例するコリオ
リ力が作用する。その方向は脚の長手方向であって、あ
る瞬間外脚Ａ２３に脚先端向きの力が作用すれば、外脚
Ｂ２５には逆に脚の基部に向かう力が作用する。力の方
向は脚の振動と同期して正弦的に変化し周期的に反転す
る。

【００２２】２つの力は両外脚が平行に離れておりかつ
付加質量の偏心方向も外脚軸に対して逆であるため偶力
を構成し、音叉基部２６を揺さぶり、支点２７（他の実
施の形態に示す如く、くびれた形状は必須ではない）の
回りに微小な回転振動を惹起する。このコリオリ力によ
るモーメントにより中脚Ｃ２４はコリオリ力に比例した
振幅で振動する。中脚Ｃ２４に設けた検出電極で抽出さ
れた振動電圧が角速度の検出信号である。

【００２３】センサ振動体２０の加速度センサ部は１対
の平行な振動する２本の棒状振動体と付加質量より成
る。バネ部である棒状振動体Ａ３１、棒状振動体Ｂ３
２、負荷質量３０（広い面積の素材板の一部の質量とそ
の表面に施した厚メッキ材の質量とよりなる）。各々両
端固定である棒状振動体Ａ３１、棒状振動体Ｂ３２はセ
ンサ振動体２０の対称軸に関して対称な（即ち同時に開
閉する）弓形をなす振動姿態３５のように発振回路によ
って励振させられる。

【００２４】２本の支持バネ３３（負荷質量３０を弾性
的に支持しながら図示Ｘ方向の僅かな変位を許すための
部材）、固定部Ｂ３４（支持バネ３３と協働して負荷質
量３０が過大に変位して他部材に激突しセンサ振動体が
破損しないように運動を制限し緩衝するための部分）よ
り成る。支持バネ３３は他部材例えば金属のコイルバネ
や板バネを負荷質量３０の上下から当接または固着させ
る等の構成もあり得るが、本例のように支持バネをセン
サ振動体の材質と一体的にした場合には、バネ性の不安
定要因を除いて検出作用を安定化することができる。

【００２５】棒状振動体３１、３２の発振周波数は通常
一定であるが、負荷質量３０に図示Ｙ方向の加速度Ｇｙ
が作用すると、その大きさに比例する力で負荷質量３０
は棒状振動体Ａ３１、棒状振動体Ｂ３２をその長手方向
に圧縮あるいは引張ることになり、その力の方向と大き
さにより固有周波数が増減し変化する。そこで別途設け
た基準周波数と発振周波数とを比較し、発振周波数の変
化の方向と量を知ればＹ軸方向の加速度を求めることが
できる。

【００２６】基準周波数源を別個に設けず、代わりに角
速度センサ用の振動体である外脚Ａ２３、Ｂ２５の発振
周波数を適宜逓倍等の変換をして基準周波数として利用
してもよい。また棒状振動体３１、３２を自励発振させ
ずにその固有振動数とややずれた基準周波数で強制振動
させ、その応答振幅を監視する方法もある。即ち棒状振
動体の周波数−振幅特性曲線の傾斜部分に基準周波数を
設定しておくと、応答振幅の変化から固有振動数のずれ
の方向と量を知ることができる。本実施の形態の運動セ
ンサの利点は薄型であり、例えば小型薄型であることを
要求される腕時計型装置の最大の面（表示面）に平行に
配置して、腕の運動計測において重要な方向の加速度お
よび角速度が検出可能であることである。

【００２７】図２は本発明の第２の実施の形態における
センサ振動体の平面図である。説明の簡略化のために容
器および断面図の表示を省略した。また既述の第１の実
施の形態（図１）と同一あるいは対応する要素や方向に
は共通の記号を付しあるいは記号を省略して説明の反復
を避けた。後続の他の実施の形態についても同じ方針で
説明する。本例は第１の実施の形態とほとんど同一であ
るが、３脚音叉の外脚２３、２４の先端部が屈曲してお
らず真直であり、負荷質量２８Ａ、２８Ｂの重心は外脚
２３、２４の中心軸上にある点のみが異なっている。本
例の構造でも板面内の回転の場合、各外脚に作用するコ
リオリ力の偶力が中脚２４を振動させるのでΩｚの検出
ができる。

【００２８】図３は本発明の第３の実施の形態における
センサ振動体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は中心断
面図である。本例についても第１の実施の実施の形態
（図１）と異なる部分のみ説明を加えれば十分であろ
う。本例における相違点は、まず各側の棒状振動体が１
本ではなく、それぞれ３１Ａと３１Ｂ、３２Ａと３２Ｂ
の２本１組の枠型としたことである。各１組の棒状振動
体は第１の実施の形態における棒状振動体３１、３２と
同様に対称的な弓形の振動姿態で振動する。負荷質量３
０との相互作用で加速度Ｇｙを検出する原理は変わらな
い。しかし対称的に振動する要素が近接しているので力
学的結合が強いためであろうが、電極配置が多少複雑化
はするものの、例えば支持条件による振動数の変化が少
なく、高い安定性が得られる長所がある。

【００２９】また第１の実施の形態とのもう一つの相違
点は、本例では基部２１と音叉基部２６を剛体的に連続
させ、支点（図１の２７）を設けていない点である。こ
の点についてはセンサの特性上特に問題はなく、各脚上
の電極膜からの引出し線を基部２１に導くための通路が
広く取れるので製造上極めて有利となる。また音叉の脚
の分岐部は音叉基部２６の存在によって、台座１２の縁
から適宜の距離離してある。この構成は音叉の振動特性
を支持条件の変化等に対して安定化させるために有効で
ある。

【００３０】図４は本発明の第４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お
よび加速度の検出軸の方向が第１の実施の形態とは異な
っている。形状的な相違点は、まず両サイドの棒状振動
体３１、３２の中間に２脚音叉が配置されている。２脚
音叉による振動ジャイロスコープは良く知られており、
音叉の対称軸（脚の方向）と平行な軸の回りの回転の角
速度Ωｙを、脚軸方向のコリオリ力による各脚の画面に
垂直な方向の撓みの発生を表面電極（脚の上下面あるい
は側面に近接平行して設けた電極が用いられる）によっ
て検出する。

【００３１】次に本例の加速度検出機構であるが、棒状
振動体３１、３２の振動を用いないで、振動センサにＸ
方向の加速度Ｇｘが作用したことによる負荷質量３０の
−Ｘ方向の変位を棒状振動体３１、３２（一種の平行バ
ネとして作用する）の撓み（静的な）によって検出す
る。負荷質量３０がＸ方向に変位し易いように、支持バ
ネ３３はＹ方向に長くする。なお棒状振動体３１、３２
を積極的には振動させないが、振動は可能な形態である
ので、本例でも棒状振動体の要素名を用いた。

【００３２】図５は本発明の第５の実施の形態における
センサ振動体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図
である。本例は２脚音叉を用いてΩｙを検出する点は第
４の実施の形態と同じであるが、加速度Ｇｚを、負荷質
量３０のＺ方向の変位を棒状振動体３１、３２の静的な
撓みによって検出する。撓み検出用の電極は、各棒状振
動体の上下面（あるいは側面）に近接平行して設ければ
よい。

【００３３】本例では負荷質量３０に支持バネ３３と固
定部Ｂを設けていないので棒状振動体３１、３２は
（ｂ）に示したように片持ち梁的な変形をするが、もし
支持バネ３３と固定部Ｂを設けることもでき、その場合
支持バネ３３は負荷質量３０のＺ方向の小さな変位を許
すので、負荷質量３０の変位や棒状振動体３１、３２の
撓みは第４の実施の形態にやや似て平行に近づくであろ
う。

【００３４】以上に本発明のセンサ振動体は、１枚の平
板状でありながら、各１方向の角速度、加速度が計測可
能であることを説明した。本発明の既述の運動センサは
コンパクトな形状でかつ十分高機能を持つが、これに更
に異なる機能の板状センサを重ねて共通の容器内にパッ
ケージすることで、容積の増加を僅かな程度に抑え、し
かも検出可能な運動項目を増し、一層有用な（比較的小
型であるにもかかわらず測定項目数が多い、即ち容積効
率の良い）運動センサを得ることができる。そのような
実施の形態の２つの例について以下に述べる。

【００３５】図６は本発明の第６の実施の形態の運動セ
ンサを示し、（ａ）は内部平面図、（ｂ）は容器の断面
図（センサ振動体については側面図）である。本例で
は、第１の実施の形態（図１）に示した型のセンサ振動
体２０Ｄを下側（容器の底側）として台座１２Ｄ、１３
Ｄにて支持し、第４の実施の形態（図４）に示した型の
センサ振動体２０Ｕを上側（容器の蓋側）として台座１
２Ｕ、１３Ｕをスペーサとして支持し、両者の長手方向
を揃えて固着し１つの容器１０（蓋は図示せず）内に納
めた。なお接続は内部高さを２段に異ならせたハーメチ
ック端子ピン１１の列（絶縁ガラス１５で支持）と各セ
ンサ振動体上の接続パッド３６Ｄ、３６Ｕとをボンディ
ングワイヤで結線した。この構成により測定できる４つ
の運動項目は平面図（ａ）の下部に示す通りであること
が既述の説明から明らかである。なお容器内で一方のセ
ンサ振動体を逆向きに配置することも可能であろう。

【００３６】図７は本発明の第７の実施の形態における
運動センサの内部平面図である。本例においては第４の
実施の形態（図４）に示した型のセンサ振動体２０Ｄを
下側とし、第５の実施の形態（図５）に示した型のセン
サ振動体２０Ｕを上側としてそれぞれの長手方向を交差
させ、各々異なる高さを持つ台座の組（側面図を図示せ
ず）の上に固定した複合運動センサである。本例によっ
て測定できる運動項目は図の右部に示すように加速度２
方向と角速度２方向である。なお付加質量には片持ちの
計上の支持バネを用いた。

【００３７】次に本発明の運動センサの電子回路部につ
いて図８、９を用いて説明する。図８（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）はそれぞれ本発明の実施の形態における、棒状振
動体による加速度検出回路を例示するブロック図であ
る。回路構成は要部のみ示し補助的な回路（例えば前置
増幅器、インピーダンス変換器、Ｄ／ＡまたはＡ／Ｄ変
換器等）は任意に補うことができるので必要な場合があ
っても図示していない。また矢印は主たる信号の伝達の
向きを表している。他図（図９）についても同様であ
る。

【００３８】回路例（ａ）は、既述の本発明の実施の形
態の第１〜第３に対して用い得る。圧電発振回路１０１
は棒状振動体１０２上の駆動電極と結線されてこれを励
振する。その振動電圧出力と、別に設けた安定な基準周
波数源１０３の出力とは周波数変化分検出回路１０４に
よって比較され、発振周波数の変化分が検出される。そ
の変化量は加速度の大きさに比例し、正負は加速度の向
きを示し、加速度出力として使用できる。

【００３９】回路例（ｂ）もやはり本発明の実施の形態
の第１〜第３に対して用いられる。定周波数駆動回路１
０５の安定した振幅の出力は、棒状振動体の駆動電極に
印加され、棒状振動体をその固有振動数に近い一定周波
数（山型をなす周波数−振幅特性曲線の傾斜部に設定す
る）にて強制駆動する。運動センサに長軸方向の加速度
が作用すると棒状振動体の固有振動数が変化し、従って
応答振幅が大または小に変化する。検出電極１０７に結
線された振幅変化検出回路１０８によってその変化量を
検出し、加速度出力とする。

【００４０】回路例（ｃ）は、本発明の実施の形態の第
４または第５に対して適用される。本例では棒状振動体
を振動させずに、運動センサに印加される加速度に比例
する棒状振動体の撓み（変形）を、棒状振動体の撓み検
出電極１０９に結線された撓み電圧検出回路１１０によ
り直接アナログ的に検出し、加速度出力とする。

【００４１】また図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各図
は、センサ振動体の音叉部を用いた本発明の運動センサ
の角速度検出回路の例を示すブロック図である。回路例
（ａ）は３脚音叉を用いた場合に適用される。圧電発振
回路１１１は両外脚駆動電極１１２に結線され、両外脚
をいわゆる音叉モードで自励振動させる。板の面内回転
により各外脚に発生したコリオリ力の偶力がその強さに
比例した振幅で中脚を振動させるので、中脚の検出電極
１１３に発生した振動電圧を同期検波回路１１４にて同
期検波し、平滑回路（ＬＰＦ等）により平滑化して角速
度に比例したアナログ出力とする。

【００４２】回路例（ｂ）は３脚音叉の両外脚のみ、あ
るいは２脚音叉の両脚を用いて回路例（ａ）と同様に板
面（音叉のいわゆる主面）に垂直な軸の回りの回転角速
度を検出する場合に適用される。圧電発振回路１１６は
音叉の右（外）脚駆動電極１１７と左（外）脚駆動電極
１１８とに結合して音叉を自励振動させる。各脚の駆動
電圧波形にはコリオリ力による誘起電圧成分を含んでい
るので、これらを差動増幅器増幅器１１９に入力して差
を取れば、等しい駆動電圧成分は相殺されて、コリオリ
力のモーメントによる各脚の振動姿態の相違（振動の位
相および振幅）に基づく電圧成分のみが残る。これを同
期検波回路１２０と平滑回路１２１により処理すればア
ナログの角速度出力が得られる。

【００４３】回路例（ｃ）は、２脚（または３脚）音叉
の各脚（または３脚音叉の両外脚）を用いて、音叉脚に
平行な回転軸の回りの運動センサの回転の角速度を検出
する場合（例えば第４または第５の本発明の実施の形
態）に用いられる構成である。圧電発振回路１２２は音
叉の少なくとも一方の脚に設けた駆動電極１２３に接続
されて音叉を励振する。コリオリ力に比例して発生す
る、音叉主面に垂直な方向の各脚の撓み振動を検出電極
１２４（少なくとも一方の脚に設ける）にて検出し、こ
れを同期検波回路１２５、平滑回路１２６により処理
し、アナログの角速度出力を得る。

【００４４】以上で本発明の主要な実施の形態例に関す
る説明を終えるが、本発明の適用範囲は既述のもののみ
に限定されない。以下に実施の形態の変形例やその可能
性について例示的に述べ、本発明の応用範囲が広いこと
を示す。（１）音叉による角速度検出機構と棒状振動体による加
速度検出機構は実質的に独立しており不可分ではない。
従って各実施の形態における角速度検出機構と加速度検
出機構（回路部の組み替えを含む）の構成を任意に組み
替えて異なる検出方向や異なる特徴の組合わせを得るこ
とができる。

【００４５】（２）複数のセンサ振動体を共通パッケー
ジに封入する場合のセンサ振動体の組み合わせも任意で
ある。また３種のセンサ振動体をうまく選択してワンパ
ッケージすれば、１個の運動センサで３方向の加速度と
３方向の加速度が測定でき、運動の全ての自由度をカバ
ーすることもできる。なお本発明のセンサ振動体と組み
合わされる他のセンサ振動体は、角速度検出機構と加速
度検出機構の一方だけを持つもの（例えば音叉のみ）と
してもよい。これは必要とする運動測定項目に応じて設
計される。

【００４６】（３）棒状振動体に励振電極と静的撓み検
出電極の双方を設け、一個のセンサ振動体によって前者
でＧｙを、後者でＧｘまたはＧｚ（またはその両者）を
検出できる。電極構造はかなり複雑化するが、それをあ
る程度回避する手法として、各方向の測定を所定の周期
と順序でサンプリング的に行い、一方電極を部分電極に
分割してモザイク的に構成し、サンプリングのタイミン
グに合わせて部分電極の組み合わせを回路的に切替えつ
つ、各項目の測定動作を時分割的に行わせる構成が考え
られる。

【００４７】（４）音叉にも脚の各方向への撓み成分を
分離して検出できる電極を設けて、一個の音叉によって
複数の回転方向の角速度を検出できるようにし、本発明
の運動センサをより多機能化し得る可能性がある。この
場合にも部分電極を設け、時分割的に組み換えてその都
度所定の項目を測定すればよい。（５）支持バネは図示
したように１個でも１組でもよいし、屈曲形状として複
数の方向への負荷質量の運動を許してもよい。（６）本発明はその他にも種々な変更をなし得るもので
ある。

【００４８】

【発明の効果】本発明の運動センサにおいては、以下の
諸効果を発揮することができる。（１）角速度検出部（音叉）をセンサ振動体中央部に配
置し、その周囲に加速度検出部（棒状振動体）を配置し
たので、音叉は近接する各脚の力学的結合を保ち検出作
用を良好にすると共に、加速度検出部を大型にしてその
検出感度と安定度を高め、少なくとも１軸の加速度と１
軸の角速度が検出できる実用的な運動センサが実現でき
た。

【００４９】（２）両検出部の合理的な配置によりスペ
ースが有効活用され、センサ振動体を小面積とし小型の
運動センサを得ることができた。（３）センサ振動体は１枚の圧電材料から主としてフォ
トリソグラフィ手法により形成が可能なので、製造コス
ト的にも有利となる効果が得られた。（４）一つの基本構造を変更することによって異なる運
動成分を測定可能とすることができた。

【００５０】（５）また音叉の脚の分岐部を台座から遠
ざけたことにより、音叉の振動特性を安定化させること
ができる。（６）また負荷質量を弾性的に支持することにより、運
動センサに印加される衝撃を緩和し、破損を防止する構
造が得られた。（７）また棒状振動体を近接させ枠型として用いること
により、加速度検出特性を高度に安定化させることがで
きる。（８）また水晶Ｚ板を材質に用いることにより、特性が
極めて安定したセンサ振動体が比較的低コストで得られ
る効果がある。（９）また複数の種類のセンサ振動体を共通の容器に封
入した場合には、比較的小型であるにもかかわらず測定
項目数の更に多い運動センサを得ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の運動センサを示
し、（ａ）は内部平面図、（ｂ）は中心断面図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態におけるセンサ振動
体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は中心断面図であ
る。

【図３】本発明の第３の実施の形態におけるセンサ振動
体の平面図である。

【図４】本発明の第４の実施の形態におけるセンサ振動
体の平面図である。

【図５】本発明の第５の実施の形態におけるセンサ振動
体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

【図６】本発明の第６の実施の形態の運動センサを示
し、（ａ）は内部平面図、（ｂ）は容器の断面図であ
る。

【図７】本発明の第７の実施の形態における運動センサ
の内部平面図である。

【図８】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ本発明の実
施の形態における加速度検出回路の例を示すブロック図
である。

【図９】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ本発明の実
施の形態における角速度検出回路の例を示すブロック図
である。

【符号の説明】

１０容器１１ハーメチック端子ピン１２、１３、１２Ｄ、１２Ｕ台座１４蓋１５絶縁ガラス１６ボンディングワイヤ２０センサ振動体２１基部２２固定部Ａ２３、２５外脚２４中脚２６音叉基部２７支点２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、３０負荷質量３１、３２棒状振動体３３支持バネ３４固定部Ｂ３５振動姿態３６Ｄ、３６Ｕ接続パッド１０１〜１２６運動センサ回路部の主要な機能ブロッ
クＧ加速度Ｘ、Ｙ、Ｚ座標軸 Ω 角速度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｚ (72)発明者岡田恵也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 (72)発明者田村英樹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 (72)発明者富川義朗山形県米沢市林泉寺２丁目２番３−１号 (72)発明者工藤誠一長野県長野市若里１丁目18番１号長野県工業試験場内 (72)発明者小板橋竜雄長野県長野市若里１丁目18番１号長野県工業試験場内 (72)発明者三澤雅芳長野県伊那市大字手良中坪449番地 (72)発明者米久保荘長野県塩尻市大字片丘4691番地 (72)発明者黒河内靖子長野県諏訪郡下諏訪町西鷹野町4747番地− ９Ｆターム(参考） 2F105 BB04 BB13 BB15 CC01 CD02 CD06 CD13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１枚の板状の圧電材から成形されてお
り、両側にほぼ平行に配置された複数の棒状振動体を備
え、該棒状振動体はそれぞれ一端は台座に固定される基
部に連結しており、他端は共通の負荷質量に連結してい
る形状を有し、前記両側の棒状振動体と前記基部と前記
負荷質量とに囲まれた空間の内部に前記基部と連続する
音叉基部を有し各脚の方向が前記棒状振動体とほぼ平行
な音叉を配置し、前記負荷質量に作用する慣性力に基づ
く前記棒状振動体の固有振動数の変化あるいは撓みを検
出することによって所定の方向の加速度を検出し、前記
音叉に作用するコリオリ力を検出することによって所定
の方向の軸の回りの回転の角速度を検出することを特徴
とする運動センサ。
【請求項２】前記音叉は３脚音叉であり、前記圧電材
の板面に垂直な軸の回りの回転の角速度を検出すること
を特徴とする請求項１の運動センサ。
【請求項３】前記音叉は２脚音叉であり、該音叉の脚
に平行な軸の回りの回転の角速度を検出することを特徴
とする請求項１の運動センサ。
【請求項４】前記棒状振動体の固有振動数の変化によ
り、棒状振動体の方向の加速度を検出することを特徴と
する請求項１ないし３のいずれかの運動センサ。
【請求項５】前記棒状振動体の前記圧電材の板面に平
行な撓みを検出することにより、前記圧電材の板面に平
行な方向の加速度を検出することを特徴とする請求項１
ないし３のいずれかの運動センサ。
【請求項６】前記棒状振動体の前記圧電材の板面に垂
直な撓みを検出することにより、前記圧電材の板面に垂
直な方向の加速度を検出することを特徴とする請求項１
ないし３のいずれかの運動センサ。
【請求項７】前記音叉の脚の分岐部は前記音叉基部に
よって前記基部が固定される前記台座から隔てられてい
ることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの運動
センサ。
【請求項８】前記負荷質量は前記台座に対して弾性的
に支持されていることを特徴とする請求項１ないし７の
いずれかの運動センサ。
【請求項９】前記棒状振動体はそれぞれ近接した一対
の枠型をなす棒状振動体から成っていることを特徴とす
る請求項１ないし８のいずれかの複合運動センサ。
【請求項１０】前記板状の圧電材は水晶のＺ板である
ことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかの運動セ
ンサ。
【請求項１１】１枚の板状の圧電材から成形されてお
り、両側にほぼ平行に配置された複数の棒状振動体を備
え、該棒状振動体はそれぞれ一端は台座に固定される基
部に連結しており、他端は共通の負荷質量に連結してい
る形状を有し、前記両側の棒状振動体と前記基部と前記
負荷質量とに囲まれた空間の内部に前記基部と連続する
音叉基部を有し各脚の方向が前記棒状振動体とほぼ平行
な音叉を配置した少なくとも１個のセンサ振動体と、他
の１枚の板状の圧電材から成形された他のセンサ振動体
とを、同一容器内で所定の間隔および方向を保って平行
に積層するように配置して台座に固定し、かつ前記セン
サ振動体が検出する加速度あるいは角速度の検出軸の方
向と、前記他のセンサ振動体が検出する加速度あるいは
角速度の検出軸の方向とのうちの少なくとも１つの検出
軸の方向を互いに異ならせたことを特徴とする運動セン
サ。