JP2004354358A

JP2004354358A - 角加速度センサ

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Publication number: JP2004354358A
Application number: JP2003183515A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Tomikawa; 義朗富川
Original assignee: Microstone Corp
Current assignee: Microstone Corp
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2023-05-26
Also published as: JP4370432B2

Abstract

【課題】角加速度センサ、振動を持続させずに回転運動の情報が得られるセンサ、簡素化された電極構成を有する回転運動用センサ、多軸の回転運動用センサ、回転用運動センサと並進運動用センサとを実質的に一体化しうる運動センサ等の構成を提供すること。
【解決手段】ある仮想の平面を挟んで設けられ、該平面に平行でかつ互いに平行な方向に発生した慣性力を歪みによる圧電効果によって検出し得る少なくとも２個のセンサ部材を有し、前記平面のそれぞれ反対側にある前記センサ部材の各々が有する検出電極から得られる出力電圧を、前記平面内に含まれるある回転軸の回りの回転により角加速度が発生したとき前記各出力電圧が加算され、前記平面に沿った並進加速度が発生したとき前記各出力電圧が相殺されるように接続したことによって、前記角加速度にほぼ比例した合成出力電圧を得ること。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転運動の角加速度を計測することができる角加速度センサに関する。なお、センサという語は、それに作用する慣性力によって変形することができる機械的な構造体（振動体あるいはそれに類似する形態をとることが多い）はもとより、それに更に必要な検出回路あるいはその一部を付加したもの（機械−電気系）をも指すことがあるものとする。機械的な構造体のみを特に言う場合、単にセンサという他に、センサ構造体、センサ振動体、あるいはセンサ体等と呼ぶこともある。
【０００２】
【従来の技術】
物体の運動を完全に調べるには、その物体の直交する３方向の並進運動について、変位、速度、加速度、および直交する３個の回転軸に関する回転運動の、角変位、角速度、角加速度等のうちの少なくとも一部の情報を必要とする。従来、ビデオ撮影等外部機器を用いて外部から運動の変位を直接的に検出するのでなく、物体側に取りつけたセンサを用いて簡便に運動状況を知ろうとする試みがあった。またセンサとしては、変形可能な機械的構造体に作用する慣性力を検出するタイプのものが多かった。
【０００３】
その場合、並進運動の検出に関しては、センサの質量に作用する加速度（並進加速度または直線加速度と称する）に基づくセンサ自体の変形（伸縮や屈曲）を圧電的に検出する原理・構造を持ったいわゆる加速度センサが多く、種々の形態のものが既に提案されている。そして、速度や変位が知りたい場合は、加速度センサの出力を１回、あるいは２回時間的に積分して必要な情報を得ている。
【０００４】
一方、回転運動の検出に関しては、音叉や棒状などの振動体を定常的に振動させておき、特定の方向の回転軸の回りにある角速度の回転運動が加わったときに見かけ上発生する慣性力であるコリオリ力によって、振動体が通常と異なる方向にも振動するので、その振動成分の振幅を圧電作用等で検出する。これらは振動ジャイロスコープ、ジャイロセンサ、あるいは角速度センサ等と称される。これは角速度のセンサである。角速度自体の情報はかなり重要であり、そのままでもよく利用される。角変位を知りたい場合はジャイロセンサの出力を時間的に積分する。角加速度を知るニーズは比較的小さいが、必要ならばセンサ出力を時間で微分すればよい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
最近、いわゆるウェアラブル情報機器が盛んに研究されており、その内部に運動センサが搭載される場合も多いが、医学上とか健康管理上など長時間の使用が想定されている目的には、着用者の負担軽減や充電・電池交換の頻度を減らすため、センサ消費電力は少ないほどよい。上述のような圧電作用による並進加速度のセンサは、全く受動的に慣性力を検出するだけなので、振動体（検出回路を除くセンサの機械的構造体の部分）は全く電力を消費しないというメリットがある。−方、ジャイロセンサは振動体を持続的に振動させておかないとコリオリ力が生じないので、センサの振動を維持するための電力が定常的に消費される。
【０００６】
故に、並進加速度センサの原理を応用した角加速度センサが構成できれば、振動を持続するエネルギー、あるいは複雑なセンサ振動体の励振電極も不要になるばかりか、振動を温度その他の変化する環境内で安定に維持する回路技術の不要な回転センシング用の運動センサが得られ、実用上の効果が大きいと考えられる。角加速度が計測できれば、その出力を時間で１回あるいは２回積分することにより、角速度や角変位の情報が得られる。しかるに、まだ角加速度センサの実用例に関する情報にはまだ接していない。
【０００７】
本発明の第１の目的は、回転運動の角加速度を直接検出できる角加速度センサの構成を提供することである。また本発明の第２の目的は、回転運動に関する情報が振動を持続させる必要なく得られる回転運動用センサを提供することである。また本発明の第３の目的は、簡素化された電極構成を有する回転運動用センサを提供することである。また更に本発明の第４の目的は、多軸の回転運動用センサに適する構成例をも提供することである。また更に本発明の第５の目的は、回転用運動センサと並進運動用センサとを実質的に一体化しうる運動センサの構成例をも提供することである。
【０００８】
【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角加速度センサは次の特徴を備える。
（１）共通の基台あるいは支持部材に支持され、少なくとも１つの仮想の平面を挟んで設けられ、該仮想平面に平行でかつ互いに平行な方向に発生した慣性力を歪みによる圧電効果によって検出し得る複数のセンサ部材を有し、前記仮想平面のそれぞれ反対側にある前記センサ部材の各々が有する検出電極から得られる出力電圧を、前記仮想平面内に含まれるある回転軸の回りの回転により角加速度が発生したとき前記各出力電圧が加算され、前記仮想平面に沿った並進加速度が発生したとき前記各出力電圧が相殺されるように接続したことによって、前記角加速度にほぼ比例した合成出力電圧を得ること。
【０００９】
本発明の角加速度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）それぞれが異なる方向の回転軸の回りの角加速度に比例した合成出力電圧を得る、少なくとも１対のセンサ部材を備えたこと。
【００１０】
（３）前記各センサ部材の検出電極の出力電圧を、前記仮想平面内に含まれるある回転軸の回りの回転により角加速度が発生したとき前記各出力電圧が相殺され、前記仮想平面に沿った並進加速度が発生したとき前記各出力電圧が加算されるように接続したことによって、前記並進加速度にほぼ比例した合成出力電圧をも得られるようにしたこと。
【００１１】
（４）それぞれが少なくとも１つの方向の回転軸の回りの角加速度と、少なくとも１つの方向の並進加速度を検出する、少なくとも２対のセンサ部材を有すること。
【００１２】
（５）一対のセンサ部材の検出電極の出力電圧を減算（または加算）回路に接続して角加速度にほぼ比例した合成出力電圧を得、前記検出電極の出力電圧を加算（または減算）回路に接続して並進加速度にほぼ比例した合成出力電圧を得ること。
【００１３】
（６）前記各センサ部材は、前記仮想平面に関してほぼ対称な形状および配置を有すること。
【００１４】
（７）前記各センサ部材の形状、配置、あるいは電極構成が前記平面に関して対称的ではない場合、少なくとも一個のセンサ部材の前記検出電極に補正回路を接続して該センサ部材の検出電極の出力電圧とし、該出力電圧と、他のセンサ部材の検出電極の出力電圧とを、前記仮想平面内に含まれるある回転軸の回りの回転により角加速度が発生したとき前記各出力電圧が加算され、前記仮想平面に沿った並進加速度が発生したとき前記各出力電圧が相殺されるように接続したことによって、前記角加速度にほぼ比例した合成出力電圧を得ること。
【００１５】
（８）前記各センサ部材の形状、配置、あるいは電極構成が前記平面に関して対称的ではない場合、少なくとも一個のセンサ部材の前記検出電極に補正回路を接続して該センサ部材の検出電極の出力電圧とし、該出力電圧と、他のセンサ部材の検出電極の出力電圧とを、前記仮想平面内に含まれるある回転軸の回りの回転により角加速度が発生したとき前記各出力電圧が相殺され、前記仮想平面に沿った並進加速度が発生したとき前記各出力電圧が加算されるように接続したことによって、前記並進加速度にほぼ比例した合成出力電圧をも得ること。
【００１６】
（９）前記各センサ部材は前記仮想平面の両側に突出したそれぞれ棒状あるいは板状部分、あるいは更に付加質量部分を有し、前記検出電極は前記棒状あるいは板状部分の屈曲変形にほぼ比例した出力電圧を発生すること。
【００１７】
（１０）前記各センサ部材は共通の基部に一端を固定され、かつ前記平面の両側に平行に設けたそれぞれ棒状あるいは板状部分、あるいは更に付加質量部分を有し、前記検出電極は前記棒状あるいは板状部分の前記仮想平面に平行な屈曲変形にほぼ比例した出力電圧を発生すること。
【００１８】
（１１）前記各センサ部材は前記慣性力による剪断変形を検出する電極を有する検出電極を備えていること。
【００１９】
（１２）（１）の角加速度センサに、任意の圧電型加速度センサにおける付加質量を兼用させたこと。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施の形態である１軸型角加速度センサを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。センサ１は矩形平板状の圧電性の磁器を主体としてその表裏に電極膜４を設け、基台３上に棒状の支持部材５で中心部を支持したものである。その短辺に平行で中心軸を含む仮想平面Ｐの両側（図の左右）がそれぞれ慣性力を検知する別個のセンサ部材２を構成している。圧電磁器板は板面内の伸縮歪みによって表裏電極に所定の極性の電荷を発生するように分極処理されている。平面図（ａ）に示すように、左右のセンサ部材２が撓み線Ｔの如く上下反対方向に屈曲するときの発生電圧の極性を基準として、表裏を１組とする４対の電極膜４は斜めに交差するように結線され（裏面の同極性電極とも接続されるが図示を省略する）、その一方の端子は参照電極Ｒｅｆ（電位の基準を与え、使用時例えば接地される）、他方の端子は検出電極Ｄｔとなっている。
【００２１】
本センサが仮想平面Ｐに含まれる回転軸Ｒ（支持部材５の軸と一致）の回りに図（ｂ）のように反時計方向の角加速度θ：（角度変位θの時間による２度の微分を、本明細書では便宜上、以下この形で書くことにする）を伴った回転運動をするとき、左のセンサ部材２には上向き、右のセンサ部材２には下向きに、自身の有する質量による慣性力Ｆが作用するので、各センサ部材２は撓み線Ｔの如く屈曲変形し、検出電極Ｄｔには参照電極Ｒｅｆに対し正電圧が発生する。この電圧を検出回路手段（図示せず）によって測定すれば、角加速度θ：を計測することができる。このセンサ１は原理的に電力を消費しない。
【００２２】
なお仮想平面Ｐに平行な並進加速度（直線加速度）のみが作用した場合には、左右のセンサ部材２は慣性力Ｆが同じ向きになり図（ａ）において上または下の同じ方向に屈曲するので、各電極膜４に発生する電圧は部分毎に打消し合い、センサ部２の形状の対称性により、検出電極Ｄｔの検出電圧はゼロとなる。また並進加速度が仮想平面Ｐに平行でない任意の方向に作用しても、その仮想平面Ｐ方向の成分以外は電極膜４に電圧が発生する撓みを生じないのでやはり検出されない。
【００２３】
また回転運動の軸が図示回転軸Ｒと平行にずれている場合、各センサ部２に作用する慣性力は、回転軸Ｒの回りの角加速度によるものと並進加速度加速度によるものとの和となる。前者による検出電圧は両センサ部の発生した電圧が差動的に加算されるから回転軸が平行にずれるなら変わらず、後者の検出電圧は相殺されるから、結局実際の回転軸が特定の回転軸Ｒと平行にずれていても計測される角加速度は変わらないことになる。すなわち回転軸の方向と角加速度の大きさのみが重要となる。これは角加速度センサとして好都合な性質である。検出に関するこれらの基本的な性質や検出電力が不要であり電極が簡素である利点は、他の実施例においても踏襲される。
【００２４】
図２は本発明の第２の実施の形態である１軸型角加速度センサを示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は付加質量を取り除いたセンサ部材の平面図である。各記号の性格は第１の実施の形態と共通にしてある（以下の各実施例も同様）。センサ１は、基台３上にリング状の圧電素子であるセンサ部材２が積層固着され、更に上端に円板型の慣性能率の大きい付加質量６が固着された構造である。また仮想平面Ｐはセンサ１の中心軸（回転軸Ｒと一致）を含み紙面に垂直な平面である。２枚の圧電磁器のセンサ部材２はリング平板内で仮想平面Ｐに平行にかつ他の側に対して反対方向に、すなわち矢印Ａの方向（下のリングは逆）に分極処理される。
【００２５】
２層のリングの接触面には参照電極Ｒｅｆを設ける。その歪みにより発生する電圧はリングの上下面に設けた扇形の電極膜４によって検出され、検出電極Ｄｔによって取り出される。センサ１が回転軸Ｒの回りに角加速度θ：の回転運動によって、センサ部材２は付加質量６からトルクを受けて仮想平面Ｐの左右で異なる方向の剪断歪みを発生し、電極膜４に例えば（ｂ）に図示した極性の電荷が発生する。これらの電極を適宜接続すれば、鉛直軸に平行な回転軸Ｒ回りの角加速度θ：を第１実施例のように計測でき、かつ平面Ｐに沿う、あるいは沿わない方向の並進加速度については不感となる。
【００２６】
図３は本発明の第３の実施の形態である１軸型角加速度センサを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は結線の説明を兼ねた２つの断面図である。センサ１の主体は平板状の圧電材料を成形したもので、中心軸の左右に突出した一対のセンサ部２を、共通の２個の基部７で一体化してある。基部７はその膨大部で図示しない基台に固着される。センサ部材２は水晶のような圧電性単結晶より成る。水晶材を用いる場合、図示したＸ、Ｙ、Ｚ軸はその同名の結晶軸（電気軸、機械軸、光軸としてもよく表示される）の方向とほぼ一致させる。
【００２７】
仮想平面Ｐの左右に延びたセンサ部材２は角柱状で、それらの周囲４面に電極膜４を設けてある。故に回転軸Ｒ回りの角加速度θ：によってセンサ部材２が撓み曲線Ｔ（中心軸の撓みのみを図示）のように撓むと、よく知られているように伸縮歪みによって、各センサ部材２の表裏面電極と側面電極との間に圧電気が発生する。その極性は平面Ｐの左右で逆であるから、図（ｂ）の示すように結線すれば、角加速度θ：を検出し、並進加速度には不感である電極端子Ｒｅｆ、Ｄｔが得られる。
【００２８】
図４は本発明の第４の実施の形態である１軸角加速度・１軸加速度複合センサを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は結線図を兼ねた断面図である。本実施の形態では、第３の実施の形態と同様な基部７（図示しない基台に固着された状態を接地記号を用いて簡略表示した）に、角加速度計測用の１対のセンサ部材２と平行に、並進加速度検出用の１対のセンサ部材２ａを設けてある。両センサ部材の形状構造は第３の実施の形態にほぼ等しいが、電極膜４の接続のみが図（ｂ）の上段と下段のように相違する。上段のＤｔ１は撓み曲線Ｔ（慣性力Ｆは偶力をなす）による角加速度検出用の電極端子、Ｄｔ２は撓み曲線Ｔａ（慣性力Ｆａは平行である）を生じるＸ方向の並進加速度を検出する電極端子である。
【００２９】
図５は本発明の第５の実施の形態である角加速度・加速度複合センサの平面図である。これはセンサ部材２、２ａの構成が第１の実施の形態に準じているもので、第４の実施の形態と同じ作用を得るため、表裏に設けた角速度検出用の電極膜４は交差接続、加速度検出用の電極膜４ａは平行接続としたものである。
【００３０】
図６は本発明の第６の実施の形態である、角加速度・加速度複合センサの電気的構成を示し、（ａ）は結線図を兼ねた断面図、（ｂ）は検出回路のブロック図である。本実施の形態において使用するセンサ１は第３の実施の形態と同一構造のものであるが、ただ左右のセンサ部材２の相互結線をセンサ部材の表面上では行わず、各部材の出力を別々に電極端子Ｄｔ１、ＤＴ２として取り出してあるものを用いる。これら出力から、回路図（ｂ）のように、差動回路８によって減算を行えば角加速度検出ができ、加算回路９によって加算すれば並進加速度（Ｘ方向）を検出することができる。この構成は複合センサの構造体部分の形状を小型化するのに適している。
【００３１】
図７は本発明の第７の実施の形態である剪断型センサ部材を応用したセンサの例を示し、（ａ）は１軸角加速度・３軸加速度複合センサの平面図、（ｂ）は本実施の形態の変形例である１軸加速度センサの平面図、（ｃ）はセンサの側面図である。図（ａ）のセンサはＺ軸回りの角加速度に加えて、Ｘ、Ｙ、Ｚ３軸方向の並進加速度も検出する。各センサ部材は図（ｃ）に示すように、適宜分極処理（矢印Ａ）した圧電磁器板を感度増強のため積層し、上端に付加質量６を固着してあり、下端を基台３の上面に固着する。矢印Ａは分極処理方向を示す。左側のセンサ部材２（または２ａ）は付加質量６に作用する平面方向の剪断力Ｆ（またはＦａｘ，Ｆａｙ）を検出し、右側のセンサ部材２ａは鉛直方向の力Ｆａｚを検出する。Ｙ軸方向の両端（仮想平面Ｐの上下）に配置した２個のセンサ部材２はペアになって回転軸Ｒ（Ｚ軸）回りの回転角加速度を検出し、他の３個のセンサ部材２ａはそれぞれ単独で並進加速度の３軸方向の各成分を検出する。
【００３２】
図７（ｂ）はセンサ１として本例と同じセンサ部材２を４個（２対）用いた変形例で、Ｚ軸回りの角加速度を検出する。慣性力Ｆの検出方向（極性を考慮）は各センサ部材で９０°づつ異なっている。全センサ部材の出力を足し合わせることでＺ軸回りの角加速度が検出できる。しかし仮想平面Ｐ（複数あるいは無限個考えられる）の両側にあるセンサ部材２はいずれの方向の並進加速度に対しても出力を相殺し合うので、並進加速度に対するセンサの感受性はない。
【００３３】
図８は本発明の第８の実施の形態である１軸の角加速度センサの平面図である。本センサも第３の実施の形態（図３）のような圧電材料より形成される。仮想平面Ｐ（対称面の１つに一致）の両側にある各センサ部材２は共通の基部７と共通の付加質量６を有し、回転軸Ｒ回りの回転の角加速度により付加質量６に作用する慣性力Ｆの偶力によって撓みＴの如く変形し、電極４により圧電出力を検出する。センサ内の接続は特に図示しないが図３（ｂ）に準ずる。
【００３４】
図９は本発明の第９の実施の形態である１軸角加速度・３軸加速度複合センサを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は中央断面図、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）はそれぞれ模式的に示した作動図である。従来よく知られた３軸の直線加速度センサを変形改造した。従来と本実施の形態とに共通するセンサの構成は、周縁部を基台（図示せず）に固着した金属円板１０（参照電極端子を兼ねる）の片面に４個の扇形電極膜４ａ（検出電極端子となる）を有する圧電磁器円板２ａ（板面の伸縮を検出するように分極処理）を貼り、更に中心部の板面からやや離れた位置に付加質量６を固着支持してあることである。
【００３５】
並進加速度の検出原理は、ＸまたはＹ方向の並進加速度（板面に平行）によって図（ｃ）のように金属円板１０が波形に撓むので、ＸまたはＹ方向に並んだ扇形の電極膜４の出力の差をとることにより慣性力Ｆａｘ（またはＦａｙ）を検出する。またＺ方向の並進加速度（板面に垂直）によって図（ｄ）のように金属円板１０が凹または凸状に撓むので、全ての扇形電極膜４の出力を加算しＦａｚを求めることができる。本発明においてはこの従来例の付加質量６とそれを支える圧電素子構造体とを、本発明の第２の実施の形態と同様な構造のセンサで置換し、図（ｅ）のようにＺ軸回りの回転の角加速度θ：をも検出可能とした。
【００３６】
図１０は本発明の第１０の実施の形態である１軸角加速度・２軸並進加速度複合センサの平面図である。本センサも１枚の圧電性磁器等の板材から切り出し成形される。本センサの特色は、４つの端部が基台側に固着され十字型をなすセンサ部材２がＺ軸回りの角加速度を検出するが（撓み線Ｔ）、そのための慣性力を生み出す付加質量６自身も細長い形状としたので、ＸあるいはＹ方向の並進加速度で撓み変形する（撓み線Ｔａ）。なおそれぞれの検出用電極膜は他の実施の形態を参考にして、それぞれの部材の表面に容易に形成できるから図示を省略した。
【００３７】
図１１は本発明の第１１の実施の形態である３軸角加速度センサを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は下面図である。本センサは水晶材（Ｚカット板）から形成される。またセンサ部材２の表面あるいは裏面に設けた分割電極により、センサ部材２の板面に垂直な方向の屈曲撓みも検出が可能となっている。（なお図示しないが、側面に分割電極を設けても同じ方向の屈曲変形が検出できる。）
【００３８】
Ｚ軸回りの角加速度による慣性力Ｆｚは撓み線Ｔｚを惹起し、図（ａ）、（ｃ）で左側に位置するセンサ部材２ｚｙの表面と側面の上半分に位置する電極膜４の一部（即ち図（ｃ）の点線で囲まれた４ｚ部分）によって第３の実施の形態（図３）と同様に検出される。Ｘ軸回りの角加速度による慣性力Ｆｘは図（ｂ）の撓み線Ｔｘを惹起し、図（ａ）、（ｃ）で右側に位置するセンサ部材２ｘの表面の電極膜（点線枠４ｘ内）によって検出される。Ｙ軸回りの角加速度は図（ｃ）の慣性力Ｆｙを生じさせ、左右のセンサ部材２に面に垂直な方向の逆向きの撓みを起こす。これは点線枠４ｙ内に示した電極膜で検出される。なおそれぞれの軸回りの角加速度の検出作用に対応する、仮想平面Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚ、回転軸Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚも図示した。
【００３９】
図１２は本発明の第１２の実施の形態である３軸角加速度センサを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ模式的に示した作動図である。本センサは第１０の実施の形態（図１０）に似て、十字型のＺ軸回りの角加速度検出用のセンサ部材２ｚ（周囲電極４ｚ）の付加質量６もまた他のＸ、Ｙ方向の回転角加速度により変形し、それらの検出を行う。本例センサは水晶材で構成され、付加質量６は板面に垂直な方向の屈曲を検出するための表裏の分割電極膜４ｘｙを備える。本例では分割電極膜４ｘｙを表裏同形で備えたので、表面または裏面の一方の電極膜のみを用いる第１１の実施の形態（図１１（ｃ））よりは検出上の無理が少なく感度が高い。
【００４０】
図１２（ｂ）はＺ軸回りの角加速度に基づく慣性力Ｆｚによる変形、（ｃ）はＸ軸回りの角加速度に基づく慣性力Ｆｘによる変形、（ｄ）はＹ軸回りの角加速度に基づく慣性力Ｆｙによる変形が起る状態を示す。付加質量６上の電極膜は共用されているので、改めては図示しないが、検出回路側で図６（ｂ）に類似した電極膜のグループ毎の出力の和・差接続を適宜行って検出結果を弁別しなければならない。
【００４１】
図１３は本発明の第１３の実施の形態である１軸角加速度・３軸加速度複合センサの側面図である。本センサは第２の実施の形態（図２）や第７の実施の形態（図７（ｃ））にやや似て、基台３上に適宜分極処理し上下面に電極膜を設けたた圧電磁器板を積層してセンサ部材２、２ａとし、最上部に慣性能率の大きな付加質量６を固着した比較的簡素な構造である。センサ部材２ａの圧電磁器板は上から２枚が直線加速度αｘによる剪断力検出用、中の２枚が直線加速度αｙによる剪断力検出用、下の２枚が直線加速度αｚによる鉛直力検出用、下方のセンサ部材２の２枚は第２の実施の形態と同様にＺ軸回りの回転の角加速度θ：ｚ検出用である。それぞれの圧電素子板の分極処理方向は矢印Ａで示す。なお詳細を図示しないが圧電磁器板の各対の上下外側の電極膜をＲｅｆ電極端子、接合面の電極膜を検出用電極端子とする。
【００４２】
図１４は本発明の第１４の実施の形態である１軸角加速度センサの斜視図である。本センサは音叉型をなし水晶材（脚をＹ方向としたＸ板）で形成される。音叉各脚の周囲４面に設けた電極膜（図示せず）によって、各脚の音叉板面に垂直な方向の屈曲撓みを検出する。音叉の対称軸Ｒｙ回りの角加速度により慣性力Ｆｙが発生するので、Ｙ軸回りの角加速度θ：ｚが検出できる。仮想平面は図示しないが音叉の対称面となる。なお変形例として、図示しないが普通の音叉型水晶振動子と同様にＺ板（脚方向Ｙ）を素材に用い、各脚の表裏面（または側面）に分割電極膜を設けて慣性力Ｆｙによる板面に垂直な各脚の撓みを検出してもよい。確立された水晶音叉加工法を活用できる利点がある。
【００４３】
図１５は本発明の第１５の実施の形態である１軸角加速度・１軸加速度複合センサの平面図である。本センサは三脚音叉型をなし水晶材（脚をＹ方向としたＸ板）で形成される。３本の各脚の周囲４面には、表裏・左右がペアになった電極膜を設ける。両外側の脚を用いて、第１４の実施の形態と同じくＹ軸回りの角加速度θ：ｚを検出する。中央脚を用いてＸ軸方向の並進加速度αｘを検出する。図示しないが本例の変形例として、第１４の実施の形態の変形例として述べたように、Ｚ板水晶（脚方向Ｙ）を用いて分割電極により同じ目的（検出方位θ：ｙとαｚ）を果たすことができる。またその際中央脚のみ４面電極を用いるとθ：ｙとαｘが検出できる。
【００４４】
図１６本発明の第１６の実施の形態である３軸角加速度センサの平面図である。本センサは基部７を共通化した三脚音叉による「王」字型をなし、水晶材（脚をＹ方向としたＺ板）で形成される。４本の各外脚の表裏面には分割電極が、２本の中央脚には脚を挟んで対向する電極をペアとして連結した電極群が周囲４面に設けられる。Ｚ軸回りの角加速度θ：ｚは第３の実施の形態と同様な作用で中央脚の撓みによって、Ｙ軸回りの角加速度θ：ｙは第１４または第１５の実施の形態の如く外側脚の板面に垂直な方向の変形によって、そしてＸ軸回りの角加速度θ：ｘは第１２の実施の形態（図１２（ｃ））の付加質量の撓みの如き外側脚の板面に垂直な方向の変形によって検出される。各検出軸に対応した仮想平面Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚ、回転軸Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚ、慣性力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚを図示した。
【００４５】
図１７は本発明の第１７の実施の形態である１軸の角加速度センサを示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその変形例の平面図である。いずれのセンサも水晶のＺ板で形成され、十字型のアームにリングを一体に付加した形状である。図（ａ）のセンサは中央を支持部材５で支持され、Ｙ方向のアームの周囲に電極膜４を施しセンサ部材２とする。外側のリングは付加質量６となる。Ｚ軸回りの回転角加速度θ：ｚを検出する。図（ｂ）のセンサは逆にリング部を基台（図示せず）に固着し、中央部に所定の慣性質量を持つ付加質量６を固着する。その他は前の例と同じである。
【００４６】
図１８は本発明の第１８の実施の形態である１軸の角加速度センサの平面図である。本センサは基台３上に、第７の実施の形態で用いた剪断型センサを３個（奇数個。偶数個の例は図７（ｂ）で既出）、回転対称型に配置したものである。本例でも仮想平面Ｐ（配置の中心軸Ｒを含む任意の平面が該当するが、図示の３個ものが分かりやすい）方向の並進加速度に感度がなく、回転軸Ｒ回りの角加速度のみを検知することがわかる。
【００４７】
図１９は本発明の第１９の実施の形態である１軸角加速度センサを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は座標軸を兼ねたその結晶軸方位、（ｃ）は結線図を兼ねた断面図（センサの中心軸と同軸の円筒面で電極部を切った断面図を展開したもの）である。本センサも第１７の実施の形態と同様、水晶のＺ板を用いる。ただし水晶は非等方性材料であるがその性質はＺ軸に関して３回の回転対称性があること、すなわち図（ｂ）のように３本のＹ軸があることを利用し、６本の放射脚をセンサ部材２として設け、それらの周囲に電極膜４を設けた。１直線上にある１対のセンサ部材が回転軸Ｒ回りの角加速度を検出する原理は第３の実施の形態（図３）と等しいが、図（ｃ）のように３対のセンサ部材２の出力を直列に加算することで３倍の感度が得られる利点がある。各脚の先端部または周囲に付加質量を設けることも可能である。仮想平面Ｐも回転軸Ｒを含む無限の平面が該当するが、各対のセンサ部材２の対称面となっている図示の３個Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３がわかり易い。
【００４８】
以上、各種の実施の形態について述べたが、各例の構成の一部を組み換えたり他の技術を導入したりすることにより、本発明は更に広い範囲の実施の形態を発展的に実現できる筈である。またセンサ構造体の性質を検出回路側で補うことも種々可能である。その一例は図６に示した。図示しなかった１例を挙げると、仮想平面に対してセンサ構造体に形状その他の非対称性があると両側のセンサ部材に感度の差が生じ得る。一方のセンサ部材の感度が仮に他方のセンサ部材の感度の半分であった場合、低感度のセンサ部材の出力に２倍の増幅器を接続することによって、最終出力において他方のセンサ部材の感度と整合させることができる。この整合のための接続も本発明の技術的範囲に含まれるものとする。
【００４９】
【発明の効果】
本発明においては、回転運動を計測する一つの手段である角加速度センサの実用的な構成が得られた。また振動持続のエネルギーが不要で消費電力を低減可能であると共に、励振用の電極が不要で検出電極のみを必要とする、簡素化された電極構成および回路を有する回転運動用のセンサの構成が得られた。また多軸の角加速度センサや角加速度と並進加速度加速度の異種類の運動が多数の専用センサを必ずしも設けることなく比較的簡単な構造で検出可能な複合運動センサの諸構成も得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である角加速度センサを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態である角加速度センサを示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は圧電素子の平面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態である角加速度センサを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は結線図を兼ねた断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態である角加速度・加速度複合センサを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は結線図を兼ねた断面図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態である角加速度・加速度複合センサの平面図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態である、角加速度・加速度複合センサの電気的構成を示し、（ａ）は結線図を兼ねた断面図、（ｂ）は検出回路のブロック図である。
【図７】本発明の第７の実施の形態である剪断型センサの応用例を示し、（ａ）は角加速度・加速度複合センサの平面図、（ｂ）は本実施の形態の変形例である加速度センサの平面図、（ｃ）はセンサの側面図である。
【図８】本発明の第８の実施の形態である角加速度センサの平面図である。
【図９】本発明の第９の実施の形態である角加速度・加速度複合センサを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は中央断面図、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）はそれぞれ模式的に示した作動図である。
【図１０】本発明の第１０の実施の形態である角加速度・加速度複合センサの平面図である。
【図１１】本発明の第１１の実施の形態である３軸角加速度センサを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は下面図である。
【図１２】本発明の第１２の実施の形態である３軸角加速度センサを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ模式的に示した作動図である。
【図１３】本発明の第１３の実施の形態である角加速度・加速度複合センサの側面図である。
【図１４】本発明の第１４の実施の形態である角加速度センサの斜視図である。
【図１５】本発明の第１５の実施の形態である角加速度・加速度複合センサの平面図である。
【図１６】本発明の第１６の実施の形態である３軸角加速度センサの平面図である。
【図１７】本発明の第１７の実施の形態である角加速度センサを示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその変形例の平面図である。
【図１８】本発明の第１８の実施の形態である角加速度センサの平面図である。
【図１９】本発明の第１９の実施の形態である角加速度センサを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は座標軸を兼ねたその結晶軸、（ｃ）は結線図を兼ねた断面図である。
【符号の説明】
１センサ
２、２ａセンサ部材
３基台
４、４ａ、４ｘ、４ｙ、４ｚ電極膜
５支持部材
６付加質量
７基部
８差動回路
９加算回路
１０金属円板
Ａ矢印
Ｄｔ、Ｄｔ１、Ｄｔ２検出電極
Ｒｅｆ参照電極
Ｆ、Ｆａ、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｆａｘ、Ｆａｙ、Ｆａｚ慣性力
Ｐ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚ仮想平面
Ｒ、Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚ回転軸
Ｔ、Ｔａ撓み線
α、αｘ、αｙ、αｚ並進加速度
θ：、θ：ｘ、θ：ｙ、θ：ｚ角加速度

Claims

共通の基台あるいは支持部材に支持され、少なくとも１つの仮想の平面を挟んで設けられ、該仮想平面に平行でかつ互いに平行な方向に発生した慣性力を歪みによる圧電効果によって検出し得る複数のセンサ部材を有し、前記仮想平面のそれぞれ反対側にある前記センサ部材の各々が有する検出電極から得られる出力電圧を、前記仮想平面内に含まれるある回転軸の回りの回転により角加速度が発生したとき前記各出力電圧が加算され、前記仮想平面に沿った並進加速度が発生したとき前記各出力電圧が相殺されるように接続したことによって、前記角加速度にほぼ比例した合成出力電圧を得ることを特徴とする角加速度センサ。
それぞれが異なる方向の回転軸の回りの角加速度に比例した合成出力電圧を得る、少なくとも１対のセンサ部材を備えたことを特徴とする請求項１の角加速度センサ。
前記各センサ部材の検出電極の出力電圧を、前記仮想平面内に含まれるある回転軸の回りの回転により角加速度が発生したとき前記各出力電圧が相殺され、前記仮想平面に沿った並進加速度が発生したとき前記各出力電圧が加算されるように接続したことによって、前記並進加速度にほぼ比例した合成出力電圧をも得られるようにしたことを特徴とする請求項１あるいは２の角加速度センサ。
それぞれが少なくとも１つの方向の回転軸の回りの角加速度と、少なくとも１つの方向の並進加速度を検出する、少なくとも２対のセンサ部材を有することを特徴とする請求項３の角加速度センサ。
一対のセンサ部材の検出電極の出力電圧を減算（または加算）回路に接続して角加速度にほぼ比例した合成出力電圧を得、前記検出電極の出力電圧を加算（または減算）回路に接続して並進加速度にほぼ比例した合成出力電圧を得ることを特徴とする請求項３の角加速度センサ。
前記各センサ部材は、前記仮想平面に関してほぼ対称な形状および配置を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかの角加速度センサ。
前記各センサ部材の形状、配置、あるいは電極構成が前記平面に関して対称的ではない場合、少なくとも一個のセンサ部材の前記検出電極に補正回路を接続して該センサ部材の検出電極の出力電圧とし、該出力電圧と、他のセンサ部材の検出電極の出力電圧とを、前記仮想平面内に含まれるある回転軸の回りの回転により角加速度が発生したとき前記各出力電圧が加算され、前記仮想平面に沿った並進加速度が発生したとき前記各出力電圧が相殺されるように接続したことによって、前記角加速度にほぼ比例した合成出力電圧を得ることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかの角加速度センサ。
前記各センサ部材の形状、配置、あるいは電極構成が前記平面に関して対称的ではない場合、少なくとも一個のセンサ部材の前記検出電極に補正回路を接続して該センサ部材の検出電極の出力電圧とし、該出力電圧と、他のセンサ部材の検出電極の出力電圧とを、前記仮想平面内に含まれるある回転軸の回りの回転により角加速度が発生したとき前記各出力電圧が相殺され、前記仮想平面に沿った並進加速度が発生したとき前記各出力電圧が加算されるように接続したことによって、前記並進加速度にほぼ比例した合成出力電圧をも得ることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかの角加速度センサ。
前記各センサ部材は前記仮想平面の両側に突出したそれぞれ棒状あるいは板状部分、あるいは更に付加質量部分を有し、前記検出電極は前記棒状あるいは板状部分の屈曲変形にほぼ比例した出力電圧を発生することを特徴とする請求項１ないし８のいずれかの角加速度センサ。
前記各センサ部材は共通の基部に一端を固定され、かつ前記平面の両側に平行に設けたそれぞれ棒状あるいは板状部分、あるいは更に付加質量部分を有し、前記検出電極は前記棒状あるいは板状部分の前記仮想平面に平行な屈曲変形にほぼ比例した出力電圧を発生することを特徴とする請求項１ないし８のいずれかの角加速度センサ。
前記各センサ部材は前記慣性力による剪断変形を検出する電極を有する検出電極を備えていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかの角加速度センサ。
請求項１の角加速度センサに、任意の圧電型加速度センサにおける付加質量を兼用させたことを特徴とする角加速度センサ。