JP2008026331A

JP2008026331A - 運動センサ

Info

Publication number: JP2008026331A
Application number: JP2007217905A
Authority: JP
Inventors: Kazutoyo Ichikawa; 和豊市川; Norihiko Shiratori; 典彦白鳥; Tetsuji Moriizumi; 哲次森泉
Original assignee: Microstone Corp
Current assignee: Microstone Corp
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2007-08-24
Publication date: 2008-02-07

Abstract

【課題】音叉板面に垂直な軸の回りの回転運動の角速度を検出する、薄型でかつ平面形状も小型の運動センサを得ること。
【解決手段】音叉基部より同じ方向に真直かつ平行に形成された２本の外脚および１本の中脚を備えた三脚音叉型の形状を有し、前記２本の外脚は前記三脚音叉の対称軸に関して対称な振動を行うように一定の振幅で励振され、前記中脚は励振されないが三脚音叉の板面内におけるそれ自身の振動を検出する表面電極を備えており、前記三脚音叉がその板面に垂直な軸の回りに回転する際に発生し、前記両外脚の軸方向にそれぞれ逆向きに作用するコリオリ力と前記両外脚の軸間距離によって発生する偶力が伝達されることによる前記中脚のコリオリ力に比例した振幅の振動を前記表面電極によって検出し、前記板面に垂直な軸の回りの回転運動の角速度に比例する検出出力を得る運動センサ。
【選択図】図１

Description

本発明は、三脚音叉型の振動体を利用し、振動体の板面内の回転運動における角速度をコリオリの力を用いて検出する運動センサに関する。

音叉型その他様々な形態の振動体が回転する際、その回転の角速度に比例して振動体の振動質量に作用するコリオリ力により付加される新たな振動を検出することによって、その回転の角速度を計測する、いわゆる振動ジャイロスコープは、乗り物のナビゲーション装置、ロボット等の制御システム、あるいは身体運動の計測、その他の分野に、ますます応用範囲が拡大している。

振動ジャイロスコープに用いられるセンサ振動体は、角速度が検出可能な回転軸について、振動の形態によって決まる、それぞれ特有の方向性を有する。
以下、本願発明にある程度近い発明が記載されている特許文献を挙げ、従来技術について説明する。

特開平０８−２９２０３２号公報特開平０８−３２７３６２号公報

特許文献１（特開平０８−２９２０３２号公報）に記載された発明（以下従来例１とする）におけるセンサ振動体は、概形を本発明の振動体と共通にするが、振動体の駆動および角速度の検出の態様を異にする。この従来例１のセンサ振動体は、図３にその平面形状の略図を示すように（本図は、特許文献１図３の斜視図の要部を平面図に描き直したものである）、水晶ジャイロ素子１０は、矩形の板材に２本の平行なスリットを設けることにより、共通の基部１４より同じ方向（Ｙ´方向）に延びる、真直かつ平行に形成された片持ち状の３本の振動脚１１、１２、１３を有し、三脚音叉の形状をなす。

この従来例１の振動体の両外脚１１、１３は音叉板面に垂直な同じ向き（例えばある瞬間Ｘ方向）に同位相で、中脚１２は音叉板面に垂直な方向でかつ両外脚と反対の向き（−Ｘ方向）に、即ち両外脚とは逆の位相で励振される。この振動体が検出する回転軸の方向（Ｙ´方向）は音叉の対称軸（中脚１２の中心軸とも同じ）に平行である。音叉がＹ´軸に平行な、図示Ωｙ´軸の回りに回転すると、コリオリ力Ｆｃは回転軸と各脚の運動方向の両者に垂直に、即ち音叉板面内で各脚の中心軸に垂直な方向（Ｚ´方向）に生ずるから、各脚には音叉板面内でかつ各脚の中心軸に垂直な方向にコリオリ力による振動が生起される。この振動の方向は周知のように、駆動により生起される振動と方向および位相が９０度ずれていることを利用し、そのために設けた検出電極と位相検波回路を用いて、角速度に比例した検出出力を得ることができる。

特許文献２（特開平０８−３２７３６２号公報）に記載された発明（以下従来例２とする）におけるセンサ振動体は、角速度を検出する回転軸の方向は本発明と同じであるが、平面的な外形が異なる。この従来例２のセンサ振動体は、図４（特許文献２の図７に対応している）にその平面形状を示すように、圧電材料より形成された平板状の弾性体５０（後述する本願発明の音叉基部５６に相当する）より、平行な三本（３枚）の振動体５１、５２、５３が一体に設けられた、三脚音叉の形態ではあるが、両外脚５１、５２の先端部には、それぞれ中脚５３と反対側に向かう屈曲部より成る偏倚質量ｍ０を備えている。そのため、振動体５１の先端部では振動体の中心軸に対して＋Ｘ方向へ重心が偏り、振動体５２の先端部では振動体の中心軸に対して−Ｘ方向へ重心が偏っている。

この従来例２の振動体において、両外脚（振動体）５１、５２と中脚（振動体）５３は、三脚音叉の板面内（±Ｘ方向）で一定振幅で対称な位相で屈曲振動をするように駆動される。両外脚５１、５２は三脚音叉の対称軸の一方の側に、即ち同じ向き（例えばある瞬間には−Ｘ方向）に向かう振動をし、中脚５３は対称軸の他方の側（例えば同じ瞬間に＋Ｘ方向）に向かう振動をしている。三脚音叉が板面に垂直な回転軸（Ｚ方向）の回りに回転を行うと（三脚音叉の板面内の回転運動を行うと言ってもよい）、回転に伴うコリオリ力Ｆｙは、両外脚の各偏倚質量ｍ０、ｍ０に対して音叉の対称軸方向と平行に（Ｙ方向）作用し、両外脚に付加的な屈曲振動を生起させる。付加的な屈曲振動を起こすモーメントは、偏倚質量に作用するコリオリ力Ｆｃと、偏倚質量ｍ０の重心と各外脚の中心軸の偏倚距離との積となる。この付加的な屈曲振動の振幅を検出すれば、三脚音叉の板面に平行な回転の角速度に比例する信号が得られる。

なお、上記従来例１、２（図３、４）に用いた符号は、それぞれの従来例に対応する特許文献１、２において記載された符号を極力用いているため、後述する本発明の実施例（図１）において用いた符号とは異なっており、一部重複する符号もあることを断っておく。

従来例１の振動体を用いた角速度センサは、三脚音叉の形状の単純性においては優れているが、下記の問題がある。即ち、角速度を回転できる回転軸の方向が、三脚音叉の長手方向である対称軸の方向であることである。故に、検出回転軸に平行に音叉の長軸を立てるようにセンサ振動体を配置しなければならず、回転面に平行で薄型であることが好ましい用途に適した角速度センサを提供することができないという難点を伴う。

従来例２の振動体を用いた角速度センサは、三脚音叉の板面に平行な回転を検出できるため、回転面に平行な薄型の角速度センサを提供できる利点がある。しかし、両外脚に偏倚質量を形成せねばならないため、三脚音叉の形状が複雑になる上、音叉の横幅が両側に張り出した偏倚質量のため大きくなり、平面形状が小型の角速度センサを提供することができないという難点を伴う。

本発明の目的は、回転面に平行な（回転軸に垂直な）板面を有し、薄型でしかも形状が単純である三脚音叉を用いて、回転の角速度を検出する運動センサを提供することである。

本発明の運動センサは、上記目的を達成するため、下記の特徴を有する。
（１）音叉基部より同じ方向に真直かつ平行に形成された２本の外脚および１本の中脚を備えた三脚音叉型の形状を有し、前記２本の外脚は前記三脚音叉の対称軸に関して対称な振動を行うように一定の振幅で励振され、前記中脚は励振されないが三脚音叉の板面内におけるそれ自身の振動を検出する表面電極を備えており、前記三脚音叉がその板面に垂直な軸の回りに回転する際に発生し、前記両外脚の軸方向にそれぞれ逆向きに作用するコリオリ力と前記両外脚の軸間距離によって発生する偶力が伝達されることによる前記中脚のコリオリ力に比例した振幅の振動を前記表面電極によって検出し、前記板面に垂直な軸の回りの回転運動の角速度に比例する検出出力を得ること。

本発明の運動センサに用いる三脚音叉振動体は、角速度検出可能な回転軸に対して垂直な板面を持つので、角速度センサを回転面に平行な薄型にできる。更にどの脚も真直かつ平行であって偏倚質量を持たないので、三脚音叉の横幅（両外脚の幅の最大値）を狭くし、角速度センサの平面的形状を小型化することができる効果がある。また脚部の形状が単純であることは加工上、精度上有利になる効果もある。

以下最良の形態である実施例につき説明する。

図１は本発明の実施の形態における運動センサの一例の内部構造を示す平面図である。この運動センサの構造は上記のような形状、配置、検出方向に関する要求を全て満たすものである。４０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蓋（容器の天井部分）を取り除いてある。４１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５０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。運動センサ振動体５０は１枚の圧電性材料の平板から成形されており、加速度センサ部と角速度センサ部が一体化されている。運動センサ振動体５０は総基部５１の裏面の固定部Ａ５２（斜線部）と、小面積の固定部Ｂ６４（斜線部）の裏面とが容器４０側の台座（図示せず）上に接着され支持されている。

角速度センサ部はいわゆる三脚音叉型の形状をした部分であり、各々平行な外脚Ａ５３、外脚Ｂ５５、中脚Ｃ５４、および音叉基部５６、支点５７より成る。外脚Ａ５３と外脚Ｂ５５とは通常の２脚音叉と同様にそれぞれが片持ち梁的で対称軸（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（例えば図１の１３）に含まれる励振回路（発振回路）によって一定振幅で励振させられている。中脚Ｃ５４は励振されないが、その撓みを検出するための表面電極を持っている。固定部と異なるハッチングを付して示した５８Ａ、５８Ｂ、５８Ｃ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Ｃ５４の固有振動数は両外脚の固有振動数と適宜に差をつけることがある）。

今運動センサ５０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Ωで回転すると、両外側の振動脚には角速度Ω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Ａ５３に脚先端向きの力が作用すれば、外脚Ｂ５５には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。２つの力は両外脚が平行に離れているため偶力を構成し、音叉基部５６を揺さぶり、支点５７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起因する音叉基部５６の振動を感知して中脚Ｃ５４はコリオリ力に比例した振幅で振動する。中脚Ｃ５４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。

運動センサ５０の加速度センサ部は１対の平行な振動するバネ部である棒Ａ６１、棒Ｂ６２、負荷質量６０（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）、２本の支持バネ６３（負荷質量６０を支持しながら図示Ｚ方向の微小な変位を許すための部材）、固定部Ｂ（負荷質量６０が特にＸ方向に大きく変位しないように支持固定するための部分）より成る。各々両端固定である棒Ａ６１、棒Ｂ６２は運動センサ５０の対称軸に関して対称な弓形をなす振動姿態で発振回路によって励振させられる。

その発振周波数は通常一定であるが、負荷質量６０に図示Ｘ方向の加速度が作用すると、その大きさに比例する力で負荷質量６０は棒Ａ６１、棒Ｂ６２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発振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上記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Ｘ軸方向の加速度を求めることができる。基準周波数源を特に設けず、代わりに角速度センサ用の振動体である外脚Ａ５３、Ｂ５５の発振周波数を利用し得る可能性もある。

次に本発明の運動センサの有利性を示す、本実施例の運動センサの応用例を説明する。
図２は身体に装着する運動計測装置の一例を示し、（ａ）は部分平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。本身体側装置３はほぼ腕時計型をしており、腕巻き用のバンド３６を備えて手首に装着できる。主要な部品として運動センサ３１、表示装置３２、通信回路モジュール３３、電源となる電池３４、操作スイッチ３５を示した。身体側装置３は装着が使用者の負担にならぬように薄型・小型でなくてはならない。表示装置３２は見易さを重視すると腕時計の表示面に相当する身体側装置３の最も広い表面に配置することになる。運動センサ３１も同じ面に、従って表示装置３２と平行に配置する。表示装置３２は液晶表示パネル等薄型のものが利用できるので、運動センサ３１も十分薄いパッケージに納められていなければならない。

運動センサ３１を表示装置３２と平行に配置する理由は次の通りである。最適な運動検出方向は、別途行った実験結果から、加速度については身体の上下（鉛直）方向の直線運動即ち（ａ）図に示すＸ方向、回転角速度については身体の上下方向と前後方向の双方を含む平面内の回転（同図のΩ方向）、即ち身体の左右方向を向きかつ水平な回転軸（図示Ｚ軸に平行）回りの回転運動である。身体側装置３を腕時計のように、表示面が手首の甲側または掌側になるよう装着したとし（これが最も自然で望ましい）、上体を直立させ肘を自然に曲げ伸ばしするとき、その回転面は身体側装置３の表示面すなわち表示装置３２と平行になるので、その最も広い面に平行な回転検出面を持つ薄型の角速度センサを内部に含む運動センサ３１を表示装置３２と平行に配置することが好ましい。

本発明の運動センサの実施例１の内部構造を示す平面図である。本発明の運動センサを組み込んだ身体運動の計測装置の一例を示し、（ａ）は部分平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。従来例１の角速度センサ振動体の概形を示す平面図である。従来例１の角速度センサ振動体の概形を示す平面図である。

符号の説明

３身体運動計測装置
３１運動センサ
３２表示装置
３３通信モジュール
３４電池
３５操作スイッチ
３６腕巻きバンド
４０センサ容器
４１ハーメチック端子ピン
５０運動センサ振動体
５１総基部
５２固定部Ａ
５３外脚Ａ
５４中脚Ｂ
５５外脚Ｃ
５６音叉基部
５７支点
５８Ａ、５８Ｂ、５８Ｃ脚付加質量
６０負荷質量
６１棒Ａ
６２棒Ｂ
６３支持バネ
６４固定部Ｂ
１０３偏倚質量Ａ
１０５偏倚質量Ｂ
Ｇ加速度
Ｚ座標軸
Ω 角速度

Claims

音叉基部より同じ方向に真直かつ平行に形成された２本の外脚および１本の中脚を備えた三脚音叉型の形状を有し、前記２本の外脚は前記三脚音叉の対称軸に関して対称な振動を行うように一定の振幅で励振され、前記中脚は励振されないが三脚音叉の板面内におけるそれ自身の振動を検出する表面電極を備えており、前記三脚音叉がその板面に垂直な軸の回りに回転する際に発生し、前記両外脚の軸方向にそれぞれ逆向きに作用するコリオリ力と前記両外脚の軸間距離によって発生する偶力が伝達されることによる前記中脚のコリオリ力に比例した振幅の振動を前記表面電極によって検出し、前記板面に垂直な軸の回りの回転運動の角速度に比例する検出出力を得ることを特徴とする運動センサ。