JP2010230442A

JP2010230442A - 外力方向検出システム

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Publication number: JP2010230442A
Application number: JP2009077491A
Authority: JP
Inventors: Narihiro Takeda; 成広武田
Original assignee: Japan Research Institute Ltd
Current assignee: Japan Research Institute Ltd
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: JP5620065B2

Abstract

【課題】物体の進行方向を適確に特定すること。
【解決手段】外力方向検出システムは、基板と、第１厚み滑り振動圧電素子と、第２厚み滑り振動圧電素子とを備える。第１厚み滑り振動圧電素子は、基板に加えられた外力による基板に略平行な第１方向の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換して出力する。第２厚み滑り振動圧電素子は、基板に加えられた外力による基板に略平行であって第１方向と略垂直な第２方向の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換して出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、外力方向検出システムに関する。

特許文献１には、２つの測定地点のそれぞれで無線発信装置から受信した電波の電波強度値の時間的変化履歴に基づいて、無線発信装置の移動方向を判定する移動方向判定方法が記載されている。
特開２００６−７１４６６号公報

しかしながら、上記技術では、移動前の測定地点で無線発信装置を検出することができたとしても、移動先の測定地点で無線発信装置を検出することができるまで、無線発信装置の進行方向を特定することができない。すなわち、無線発信装置が移動前の測定地点に存在する時点では、無線発信装置の進行方向に応じた処理をおこなうことできない。このように、従来技術では、移動体の移動方向を複数の地点で相対的に求めているので、移動体の移動方向の進行方向を適確に特定することができない。

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態においては、外力方向検出システムであって、基板と、基板に加えられた外力による基板に略平行な第１方向の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換して出力する第１厚み滑り振動圧電素子と、基板に加えられた外力による基板に略平行であって第１方向と略垂直な第２方向の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換して出力する第２厚み滑り振動圧電素子とを備える。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、実施形態に係る外力方向検出システム１０の構成の一例を示す。外力方向検出システム１０は、外力方向検出デバイス１００、携帯端末１１０、およびサーバ１２０を備える。

外力方向検出デバイス１００は、特定の方向の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換して出力する厚み滑り振動圧電素子を備える。本実施形態の外力方向検出デバイス１００は、上記方向が異なる複数の厚み滑り振動圧電素子を備える。たとえば、外力方向検出デバイス１００は、移動体１３０に踏まれることによって外力が加えられる。これにより、複数の厚み滑り振動圧電素子のそれぞれは、移動体１３０の進行方向に応じた電気的エネルギーを生成する。外力方向検出デバイス１００は、複数の厚み滑り振動圧電素子のそれぞれが生成した電気的エネルギーに基づいて、移動体１３０の進行方向を特定する。そして、外力方向検出デバイス１００は、特定した移動体１３０の進行方向に応じた処理をおこなう。

たとえば、外力方向検出デバイス１００は、特定した移動体１３０の進行方向に応じた、経路案内、注意喚起などの情報を、サーバ１２０、携帯端末１１０などの外部装置に送信する。外部装置は、表示、音声出力などの方法により、外力方向検出デバイス１００から受信した情報を出力する。他の例として、外力方向検出デバイス１００は、複数の厚み滑り振動圧電素子のそれぞれが生成した電気的エネルギーに関する情報、または特定した移動体１３０の進行方向を示す情報を外部装置に送信してもよい。この場合、外部装置は、外力方向検出デバイス１００から受信した情報に基づいて、移動体１３０の進行方向を特定し、特定した移動体１３０の進行方向に応じた処理をおこなってもよい。この場合、外部装置は、複数の外力方向検出デバイス１００のそれぞれから情報を受信することにより、受信した複数の情報に基づいて、移動体１３０の進行方向を総合的に判断してもよい。

外力方向検出デバイス１００は、移動体１３０の進行方向の方位を特定してもよい。たとえば、外力方向検出デバイス１００は、表面に所定の方位を示すマークが印されていてもよい。この場合、外力方向検出デバイス１００の設置者は、マークが所定の方位を向くように、外力方向検出デバイス１００を設置する。たとえば、北を示すマークが印されている場合、外力方向検出デバイス１００の設置者は、マークが北を向くように、外力方向検出デバイス１００を設置する。これにより、外力方向検出デバイス１００は、外力方向検出デバイス１００におけるマークの位置を基準として、移動体１３０の進行方向の方位を特定することができる。

他の例として、外力方向検出デバイス１００は、地磁気センサを備えてもよい。この場合、外力方向検出デバイス１００は、地磁気センサが検出した方位を基準として、移動体１３０の進行方向の方位を特定することができる。この場合、地磁気センサ初動時は、内蔵電池の電気的エネルギーを用いてもよい。

他の例として、外力方向検出デバイス１００は、当該外力方向検出デバイス１００が設置された後に、設置者に当該外力方向検出デバイス１００を踏みつけさせ、踏みつけられた位置を、所定の方位の方向と対応付けてメモリに記憶しておいてもよい。これにより、外力方向検出デバイス１００は、メモリに記憶されている位置を基準として、移動体１３０の進行方向の方位を特定することができる。なお、外力方向検出デバイス１００は、設置者に当該外力方向検出デバイス１００を１回踏みつけさせ、踏みつけられた位置を、所定の方位の方向と対応付けてメモリに記憶しておいてもよい。また、外力方向検出デバイス１００は、設置者に当該外力方向検出デバイス１００を複数回踏み付けさせ、複数回踏みつけられた位置の平均の位置を、所定の方位の方向と対応付けてメモリに記憶しておいてもよい。

外力方向検出デバイス１００は、各種情報の更新に用いられる更新制御命令を外部から取得し、取得した更新制御命令に従って、当該外力方向検出デバイス１００のメモリに格納されている各種情報を更新してもよい。たとえば、外力方向検出デバイス１００は、取得した更新制御命令に従って、当該外力方向検出デバイス１００のメモリに格納されている、当該外力方向検出デバイス１００の設置場所、向き、傾斜などの情報を更新してもよい。

外力方向検出デバイス１００は、更新制御命令を、厚み滑り振動圧電素子から取得してもよい。たとえば、外力方向検出デバイス１００は、厚み滑り振動圧電素子に対する機械的エネルギーの印加パターンを監視する。そして、外力方向検出デバイス１００は、予め定められた印加パターンの機械的エネルギーが厚み滑り振動圧電素子に印加されたことを検出した場合、検出した印加パターンに対応付けられている更新制御命令を特定し、特定した更新制御命令に従って、当該外力方向検出デバイス１００のメモリに格納されている各種情報を更新してもよい。

本実施形態の外力方向検出システム１０によれば、方向が異なる複数の圧電素子を外力方向検出デバイス１００が備え、当該複数の圧電素子が生成した電気的エネルギーに基づいて、移動体１３０の進行方向を特定する。これにより、移動体１３０に踏まれた外力方向検出デバイス１００が一つだけであっても、移動体１３０に踏まれた外力方向検出デバイス１００が備える複数の厚み滑り振動圧電素子のそれぞれが生成した電気的エネルギーに基づいて、移動体１３０の進行方向を高い精度で特定できる。また、複数の外力方向検出デバイス１００が移動体１３０に踏まれた場合には、移動体１３０の進行方向をより高い精度で特定できる。

図２は、外力方向検出デバイス１００の構成の一例を示す上面図および正面図である。図２に示す外力方向検出デバイス１００は、基板２００、基板２０２、複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘ、複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙ、および制御ユニット２２０を備える。

複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘ、複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙ、および制御ユニット２２０は、基板２００および基板２０２に略水平な方向に並べて配置され、それぞれ基板２００に固着されている。具体的には、複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘ、複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙ、および制御ユニット２２０のそれぞれの、基板２００と対向する面（以下、「下面」と示す。）が、基板２００に固着されている。

基板２０２は、複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘおよび複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙのそれぞれの、当該基板２０２と対向する面（以下、「上面」と示す。）によって支持される。複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘおよび複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙのそれぞれの、上面は、基板２０２に固着されている。

基板２００と基板２０２との隙間には、弾性材２３０が充填されている。弾性材２３０は、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘおよび第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙよりも低い弾性係数を有することが好ましい。なお、図２−図７の各正面図では、他の物品の構成を判りやすくすることを目的として、弾性材２３０の一部および各構成部品を電気的に接続する配線の記載を省略している。

第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘは、基板２０２に加えられた外力による基板２００および基板２０２に略平行な第１方向（以下、「ｘ方向」と示す。）の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換して出力する。第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙは、基板２０２に加えられた外力による基板２００および基板２０２に略平行であって第１方向に略垂直な第２方向（以下、「ｙ方向」と示す。）の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換して出力する。第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘおよび第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙは、それぞれ円形状を有しているが、他の形状を有してもよい。

制御ユニット２２０は、外力方向検出デバイス１００を制御する。たとえば、制御ユニット２２０は、複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘおよび複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙがそれぞれ出力した電気的エネルギーを用いて、基板２０２に対して加えられた外力の方向を検出する。また、制御ユニット２２０は、検出した外力の方向を示す情報を、外部装置へ無線発信する。

図３は、外力方向検出デバイス１００の構成の他の一例を示す上面図および正面図である。図３に示す外力方向検出デバイス１００は、複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚをさらに備える点で、図２に示した外力方向検出デバイス１００と相違する。

複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚは、基板２００の上面において、基板２００および基板２０２に略水平な方向に並べて配置されている。複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚのそれぞれの下面は、基板２００の上面に固着されている。厚み縦振動圧電素子２１６ｚは、基板２０２に加えられた外力による基板２００および基板２０２に略垂直な第３方向（以下、「ｚ方向」と示す。）の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換して出力する。厚み縦振動圧電素子２１６ｚは、円形状を有しているが、他の形状を有してもよい。

複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚのそれぞれの、上面には、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘまたは第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙの下面が固着されている。すなわち、複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚのそれぞれには、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘまたは第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙが上部に重ねられている。複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘおよび複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙのそれぞれの上面は、基板２０２の下面に固着されている。厚み縦振動圧電素子２１６ｚは、基板２００上に並べて配置されている複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘおよび複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙのそれぞれの上部に重ねて設けられてもよい。

図４は、外力方向検出デバイス１００の構成の他の一例を示す上面図および正面図である。図４に示す外力方向検出デバイス１００は、複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚをさらに備える点で、図２に示した外力方向検出デバイス１００と相違する。

複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚは、基板２００の上面において、複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘおよび複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙに対して、基板２００および基板２０２に略水平な方向に並べて配置されている。すなわち、基板２００の上面には、複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘ、複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙ、および複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚが並べて配置されている。

複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘ、複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙ、および複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚのそれぞれの下面は、基板２００の上面に固着されている。複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘ、複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙ、および複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚのそれぞれの上面は、基板２０２の下面に固着されている。

図５は、外力方向検出デバイス１００の構成の他の一例を示す上面図および正面図である。図５に示す外力方向検出デバイス１００は、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘと第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙとが、基板２００および基板２０２に略垂直な方向に重ね合わされている点で、図２に示した外力方向検出デバイス１００と相違する。

基板２００の上面においては、複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘが、基板２００および基板２０２に略水平な方向に並べて配置されている。複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘのそれぞれの上面には、第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙが重ね合わせられ、第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙの下面が固着されている。複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙのそれぞれの上面は、基板２０２の下面に固着されている。なお、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘと、第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙとの上下関係は、上記構成と異なっていてもよい。

図６は、外力方向検出デバイス１００の構成の他の一例を示す上面図および正面図である。図６に示す外力方向検出デバイス１００は、複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚをさらに備え、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘと第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙと厚み縦振動圧電素子２１６ｚとが、基板２００および基板２０２に略垂直な方向に重ね合わされている点で、図５に示した外力方向検出デバイス１００と相違する。

基板２００の上面においては、複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚが、基板２００および基板２０２に略水平な方向に並べて配置されている。複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚのそれぞれの下面は、基板２００の上面に固着されている。複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚのそれぞれの上面には、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘが重ね合わせられ、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘの下面が固着されている。複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘのそれぞれの上面には、第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙが重ね合わせられ、第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙの下面が固着されている。複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙのそれぞれの上面は、基板２０２の下面に固着されている。なお、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘと、第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙと、厚み縦振動圧電素子２１６ｚとの上下関係は、上記構成と異なっていてもよい。

図７は、外力方向検出デバイス１００の構成の他の一例を示す上面図および正面図である。図７に示す外力方向検出デバイス１００は、複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚをさらに備え、複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚが、重ね合わされた複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘおよび複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙに対して、基板２００および基板２０２に略水平な方向に並べて配置されている点で、図５に示した外力方向検出デバイス１００と相違する。

基板２００の上面においては、複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘおよび複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚが、基板２００および基板２０２に略水平な方向に並べて配置されている。複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘおよび複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚのそれぞれの下面は、基板２００の上面に固着されている。複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘのそれぞれの上面には、第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙが重ね合わせられ、第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙの下面が固着されている。複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘおよび複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚのそれぞれの上面は、基板２０２の下面に固着されている。

外力方向検出デバイス１００が複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚをさらに備える構成を有する場合、制御ユニット２２０は、複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘ、複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙ、および複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚがそれぞれ出力した電気的エネルギーを用いて、基板２０２に対して加えられた外力の方向を検出してもよい。

図８は、制御ユニット２２０の構成の一例を示す。制御ユニット２２０は、整流回路８１０、蓄電回路８２０、マイクロコンピュータ８３０、および無線発信部８４０を備える。

整流回路８１０は、ダイオード８１１、ダイオード８１２、ダイオード８１３、およびダイオード８１４を有する。蓄電回路８２０は、コンデンサ８２１およびコンデンサ８２２を有する。また、蓄電回路８２０は、スイッチ８２３およびスイッチ８２４を有する。

ダイオード８１１のアノード端子は、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘの＋極に接続される。ダイオード８１１のカソード端子は、コンデンサ８２１の＋極に接続される。ダイオード８１２のアノード端子は、コンデンサ８２１の−極に接続される。ダイオード８１２のカソード端子は、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘの−極に接続される。

ダイオード８１３のカソード端子は、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘの＋極に接続される。ダイオード８１３のアノード端子は、コンデンサ８２２の−極に接続される。ダイオード８１４のカソード端子は、コンデンサ８２２の＋極に接続される。ダイオード８１４のアノード端子は、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘの−極に接続される。

スイッチ８２３の入力端子は、コンデンサ８２１の＋極に接続される。スイッチ８２３の出力端子は、マイクロコンピュータ８３０に接続される。スイッチ８２４の入力端子は、コンデンサ８２２の＋極に接続される。スイッチ８２４の出力端子は、マイクロコンピュータ８３０に接続される。

上記した構成により、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘに対して、ｘ方向のうちの一の方向の外力が加えられた場合、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘが生成した電気的エネルギーは、コンデンサ８２１に蓄電される。一方、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘに対して、ｘ方向のうちの一の方向と反対の方向の外力が加えられた場合、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘが生成した電気的エネルギーは、コンデンサ８２２に蓄電される。

コンデンサ８２１の電圧が、予め定められた電圧を超えた場合、スイッチ８２３がＯＮの状態となる。これにより、コンデンサ８２１に蓄電された電気的エネルギーは、マイクロコンピュータ８３０に供給される。同様に、コンデンサ８２２の電圧が、予め定められた電圧を超えた場合、スイッチ８２４がＯＮの状態となる。これにより、コンデンサ８２２に蓄電された電気的エネルギーは、マイクロコンピュータ８３０に供給される。マイクロコンピュータ８３０は、コンデンサ８２１およびコンデンサ８２２から放電された電気的エネルギーを受け取る。

制御ユニット２２０は、外力方向検出デバイス１００が備える複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘ、複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙ、および複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚのそれぞれに対して、整流回路８１０および蓄電回路８２０を有する。マイクロコンピュータ８３０は、複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘ、複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙ、および複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚのそれぞれから、整流回路８１０および蓄電回路８２０を介して受け取った、複数の電気的エネルギーを用いて、基板２０２に対して加えられた外力の方向を検出する。

無線発信部８４０は、マイクロコンピュータ８３０の制御によって、マイクロコンピュータ８３０が特定した外力の方向を示す電波を生成し、生成した電波を当該無線発信部８４０が備えるアンテナから無線発信する。なお、マイクロコンピュータ８３０および無線発信部８４０は、内蔵電池で動作してもよく、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘ、第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙ、および複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚが生成した電気的エネルギーで駆動してもよい。

図９は、マイクロコンピュータ８３０の機能構成の一例を示す。マイクロコンピュータ８３０は、第１電気的エネルギー取得部９０２、第２電気的エネルギー取得部９０４、第３電気的エネルギー取得部９０６、方向検出部９０８、および無線発信制御部９１０を備える。

第１電気的エネルギー取得部９０２は、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘが出力した電気的エネルギー（以下、「第１電気的エネルギー」と示す。）を取得する。外力方向検出デバイス１００が複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘを備える場合、第１電気的エネルギー取得部９０２は、複数の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘが出力した第１電気的エネルギーをそれぞれ取得する。

第２電気的エネルギー取得部９０４は、第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙが出力した電気的エネルギー（以下、「第２電気的エネルギー」と示す。）を取得する。外力方向検出デバイス１００が複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙを備える場合、第２電気的エネルギー取得部９０４は、複数の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙが出力した第２電気的エネルギーをそれぞれ取得する。

第３電気的エネルギー取得部９０６は、厚み縦振動圧電素子２１６ｚが出力した電気的エネルギー（以下、「第３電気的エネルギー」と示す。）を取得する。外力方向検出デバイス１００が複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚを備える場合、第３電気的エネルギー取得部９０６は、複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚが出力した第３電気的エネルギーをそれぞれ取得する。

方向検出部９０８は、第１電気的エネルギー取得部９０２が取得した第１電気的エネルギー、および第２電気的エネルギー取得部９０４が取得した第２電気的エネルギーに基づいて、基板２０２に対して加えられた外力の方向を検出する。たとえば、方向検出部９０８は、第１電気的エネルギー量と、第２電気的エネルギー量との比に基づいて、外力の２次元方向を検出してもよい。

方向検出部９０８は、第１電気的エネルギー取得部９０２が取得した複数の第１電気的エネルギー、および第２電気的エネルギー取得部９０４が取得した複数の第２電気的エネルギーに基づいて、基板２０２に対して加えられた外力の方向を検出してもよい。たとえば、方向検出部９０８は、複数の第１電気的エネルギー量の平均または合計と、複数の第２電気的エネルギー量の平均または合計との比に基づいて、外力の２次元方向を検出してもよい。

方向検出部９０８は、第３電気的エネルギー取得部９０６が取得した第３電気的エネルギーにさらに基づいて、基板２０２に対して加えられた外力の方向を検出してもよい。たとえば、方向検出部９０８は、第１電気的エネルギー量と、第２電気的エネルギー量と、第３電気的エネルギー量との比に基づいて、外力の３次元方向をさらに検出してもよい。

方向検出部９０８は、第３電気的エネルギー取得部９０６が取得した複数の第３電気的エネルギーにさらに基づいて、基板２０２に対して加えられた外力の方向を検出してもよい。たとえば、方向検出部９０８は、複数の第１電気的エネルギー量の平均または合計と、複数の第２電気的エネルギー量の平均または合計と、複数の第３電気的エネルギー量の平均または合計との比に基づいて、外力の３次元方向をさらに検出してもよい。

無線発信制御部９１０は、無線発信部８４０を制御する。無線発信部８４０は、無線発信制御部９１０の制御により、方向検出部９０８が検出した外力の方向を示す情報を、携帯端末１１０、サーバ１２０などの外部装置へ無線発信する。

マイクロコンピュータ８３０は、位置検出部９１２をさらに備える。位置検出部９１２は、複数の厚み縦振動圧電素子２１６ｚがそれぞれ出力した電気的エネルギーに基づいて、基板２０２に対して外力が加えられた位置を検出する。方向検出部９０８は、位置検出部９１２が検出した位置に最も近い第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘおよび第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙのそれぞれが出力する電気的エネルギーに基づいて、基板２０２に対して加えられた外力の方向を検出してもよい。

マイクロコンピュータ８３０は、複数の方向のそれぞれに対応付けて、当該外力方向検出デバイス１００に関する情報を格納する格納部をさらに備えてもよい。この場合、無線発信部８４０は、無線発信制御部９１０の制御により、方向検出部９０８が検出した外力の方向に対応付けられている当該外力方向検出デバイス１００に関する情報を、外部装置へ無線発信してもよい。

方向検出部９０８は、外力方向検出デバイス１００における進行方向を特定してもよく、当該外力方向検出デバイス１００の設置向きが決まっている場合、当該外力方向検出デバイス１００の設置場所における進行方向を特定してもよい。

図１０および図１１は、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘの発電特性の一例を示す。図１０および図１１に示すグラフにおいて、縦軸は、電圧を示す。また、横軸は、時間を示す。なお、第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙおよび厚み縦振動圧電素子２１６ｚの発電特性は、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘと同様であってもよい。

たとえば、図１０に示すように、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘに対して方向Ａの外力が加えられた場合、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘには、方向Ａのひずみが生じる。このとき、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘは、＋方向の電気的エネルギー１００２を出力する。その後、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘに対する方向Ａの外力が開放された場合、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘは、方向Ａのひずみが解消する。このとき、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘは、−方向の電気的エネルギー１００４を出力する。

一方、図１１に示すように、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘに対して、方向Ａと反対の方向Ｂの外力が加えられた場合、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘには、方向Ｂのひずみが生じる。このとき、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘは、−方向の電気的エネルギー１１０２を出力する。その後、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘに対する方向Ｂの外力が開放された場合、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘは、方向Ｂのひずみが解消する。このとき、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘは、＋方向の電気的エネルギー１１０４を出力する。

第１電気的エネルギー取得部９０２は、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘが出力した＋方向および−方向双方の電気的エネルギーを取得してもよい。方向検出部９０８は、＋方向および−方向いずれの電気的エネルギーが先に生じたかによって、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘに対して、方向Ａおよび方向Ｂのいずれの方向に外力が印加されたかを判断してもよい。

厚み滑り振動圧電素子に対して連続して異なる方向の外力が加えられた場合、方向検出部９０８は、一方の外力の方向を特定し、特定した一方の外力の方向に基づいて、物体の進行方向を検出してもよい。たとえば、方向検出部９０８は、２番目に加えられた外力の方向を特定し、特定した方向に基づいて、物体の進行方向を特定してもよい。または、方向検出部９０８は、双方の外力の方向を特定し、特定した双方の外力の方向に基づいて、物体の進行方向を検出してもよい。これにより、外力方向検出デバイス１００は、人物によって踏まれたときに加えられた外力の方向と、人物が離れたときに加えられた外力の方向とが異なる場合であっても、人物の進行方向を正確に検出できる。

物体の進行方向を特定するための条件が悪く、物体の進行方向を特定したとしても精度が低くなると判断した場合、方向検出部９０８は、物体の進行方向を特定しなくてもよい。たとえば、外力方向検出デバイス１００が所定の傾き以上傾いて設置されている場合、方向検出部９０８は、物体の進行方向を特定しなくてもよい。これにより、無線発信部８４０から精度が低い情報が発信されることを防止することができる。なお、物体の進行方向を特定し、かつ、精度が低くなると判断した場合であっても、方向検出部９０８は、物体の進行方向を特定してもよく、この場合、無線発信部８４０は、方向検出部９０８が検出した物体の進行方向を示す情報とともに、当該情報の精度が低いことを示す情報を発信してもよい。

マイクロコンピュータ８３０は、外力方向検出デバイス１００の傾きを示す傾き情報をメモリに記憶しておいてもよい。この場合、方向検出部９０８は、メモリに格納されている傾き情報に基づいて、外力方向検出デバイス１００の傾き分を補正して、基板２０２に加えられた外力の方向を検出してもよい。これにより、外力方向検出デバイス１００は、当該外力方向検出デバイス１００が傾いて設置されている場合であっても、基板２０２に加えられた外力の方向を正確に検出できる。

マイクロコンピュータ８３０は、厚み縦振動圧電素子２１６ｚが出力した電気的エネルギーに基づいて、基板２０２に対して外力を加えた物体の停止状態を検出する停止状態検出部をさらに備えてもよい。たとえば、停止状態検出部は、厚み縦振動圧電素子２１６ｚに対する外力が加えられてから、当該外力が開放される前に予め定められている時間が経過した場合、基板２０２に対して外力を加えた物体が停止していると判断してもよい。

マイクロコンピュータ８３０は、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘおよび第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙがそれぞれ出力する電気的エネルギーに基づいて、基板２０２に対して外力を加えた物体の回転状態を検出する回転状態検出部をさらに備えてもよい。回転状態検出部は、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘおよび第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙがそれぞれ出力する電気的エネルギーの正負の方向に基づいて、基板２０２に対して外力を加えた物体の回転状態を検出してもよい。

たとえば、回転状態検出部は、基板２０２の中心に対して点対称に配置されている少なくとも１組の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘについて、一方の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘに外力が印加された方向と、他方の第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘに外力が印加された方向とが、略１８０°異なり、基板２０２の中心に対して点対称に配置されている少なくとも１組の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙについて、一方の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙに外力が印加された方向と、他方の第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙに外力が印加された方向とが略１８０°異なる場合、基板２０２に対して外力を加えた物体が回転状態にあると判断してもよい。

マイクロコンピュータ８３０は、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘ、第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙ、および厚み縦振動圧電素子２１６ｚがそれぞれ出力する複数の電気的エネルギーの少なくともいずれか一つに基づいて、基板２０２に対して外力を加えた物体の移動速度を検出する移動速度検出部をさらに備えてもよい。たとえば、移動速度検出部は、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘ、第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙ、または厚み縦振動圧電素子２１６ｚが出力した電気的エネルギーの、数式（発電量／周期）によって算出された値がより大きいほど、基板２０２に対して外力を加えた物体の移動速度がより速いと判断してもよい。たとえば、移動速度検出部は、第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘ、第２厚み滑り振動圧電素子２１４ｙ、または厚み縦振動圧電素子２１６ｚが出力した電気的エネルギーの、発電時間間隔がより短いほど、基板２０２に対して外力を加えた物体の移動速度がより速いと判断してもよい。

外力方向検出デバイス１００においては、一組の圧電素子に対して規定の方向以外の方向に外力が加えられたときに、一方の圧電素子は正方向の電気的エネルギーを発電し、他方の圧電素子は負方向の電気的エネルギーを発電するように、上記一組の圧電素子を、向きを異ならせて並べて配置してもよい。そして、制御ユニット２２０は、上記一組の圧電素子に対して規定の方向以外の方向に外力が加えられたときに、上記一組の圧電素子が出力した電気的エネルギーを消去する電気回路をさらに備えてもよい。

上記電気回路は、一方の圧電素子が出力した電気的エネルギーと、他方の圧電素子が出力した電気的エネルギーとを合算して出力しても良い。これにより、上記電気回路は、規定の方向以外の方向に外力が加えられたときに、一方の圧電素子が出力した正方向の電気的エネルギーと、他方の圧電素子が出力した負方向の電気的エネルギーとを合算することにより、双方の電気的エネルギーを互いに打ち消しあわせて消去することができる。

他の例として、上記電気回路は、一方の圧電素子が出力した電気的エネルギーと、他方の圧電素子が出力した電気的エネルギーとの電位差を出力してもよい。これにより、上記電気回路は、規定の方向以外の方向に外力が加えられたときに、一方の圧電素子が出力した正方向の電気的エネルギーと、他方の圧電素子が出力した負方向の電気的エネルギーとの電位差を０にして出力することができる。

たとえば、外力方向検出デバイス１００においては、一組の厚み縦振動圧電素子２１６ｚに対してｘ方向またはｙ方向に外力が加えられたときに、一方の厚み縦振動圧電素子２１６ｚは正方向の電気的エネルギーを発電し、他方の厚み縦振動圧電素子２１６ｚは負方向の電気的エネルギーを発電するように、上記一組の厚み縦振動圧電素子２１６ｚを、向きを異ならせて並べて配置してもよい。そして、制御ユニット２２０は、上記一組の厚み縦振動圧電素子２１６ｚに対してｘ方向またはｙ方向に外力が加えられたときに、上記一組の厚み縦振動圧電素子２１６ｚが出力した電気的エネルギーを消去する電気回路をさらに備えてもよい。

上記電気回路は、一方の厚み縦振動圧電素子２１６ｚが出力した電気的エネルギーと、他方の厚み縦振動圧電素子２１６ｚが出力した電気的エネルギーとを合算して出力してもよい。これにより、上記電気回路は、ｘ方向またはｙ方向に外力が加えられたときに、一方の厚み縦振動圧電素子２１６ｚが出力した正方向の電気的エネルギーと、他方の厚み縦振動圧電素子２１６ｚが出力した負方向の電気的エネルギーとを合算することにより、双方の電気的エネルギーを互いに打ち消しあわせて消去することができる。

他の例として、上記電気回路は、一方の厚み縦振動圧電素子２１６ｚが出力した電気的エネルギーと、他方の厚み縦振動圧電素子２１６ｚが出力した電気的エネルギーとの電位差を出力してもよい。これにより、上記電気回路は、ｘ方向またはｙ方向に外力が加えられたときに、一方の厚み縦振動圧電素子２１６ｚが出力した正方向の電気的エネルギーと、他方の厚み縦振動圧電素子２１６ｚが出力した負方向の電気的エネルギーとの電位差を０にして出力することができる。

なお、外力方向検出デバイス１００は、これまでに説明した各種情報の送受信に電波を用いるだけでなく、可視光、赤外線、音波を用いてもよい。たとえば、外力方向検出デバイス１００は、外部サーバから情報を受信する場合、外力方向検出デバイス１００の設置場所の近傍に設けられている街灯などの設置物との可視光通信を介して、情報を受信してもよい。また、外部サーバへ情報を送信する場合を、上記設置物との電波通信、赤外線通信、または音波通信を介して、情報を送信してもよい。

外力方向検出デバイス１００は、これまでに説明した形状に限らず、球体、多面体などの形状であってもよい。たとえば、球体または多面体の部材を切断することによって複数の部品を生成し、生成された複数の部品の少なくとも一つの部品の切断面に、機械的エネルギーの検出方向が異なる複数の圧電素子を設けたうえで、複数の部品を元の球体または多面体の形状となるように組み合わせることにより、球体または多面体の形状の外力方向検出デバイス１００を構築してよい。

この場合、外力方向検出デバイス１００においては、複数の圧電素子を、一の基板上に設けなくてもよい。たとえば、複数の圧電素子を、平行関係にない複数の切断面のそれぞれに設けられた、複数の基板上に設けてもよい。この場合、外力方向検出デバイス１００においては、圧電素子によって検出される第１方向（ｘ方向）および第２方向（ｙ方向）は、基板に対して略並行または略平行な方向でなくてもよく、たとえば、仮想的に設けられた基準面に対して、略平行な方向であればよい。同様に、外力方向検出デバイス１００においては、圧電素子によって検出される第３方向（ｚ方向）は、基板に対して略垂直な方向でなくてもよく、たとえば、仮想的に設けられた基準面に対して、略垂直な方向であればよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

実施形態に係る外力方向検出システム１０の構成の一例を示す。外力方向検出デバイス１００の構成の一例を示す上面図および正面図である。外力方向検出デバイス１００の構成の他の一例を示す上面図および正面図である。外力方向検出デバイス１００の構成の他の一例を示す上面図および正面図である。外力方向検出デバイス１００の構成の他の一例を示す上面図および正面図である。外力方向検出デバイス１００の構成の他の一例を示す上面図および正面図である。外力方向検出デバイス１００の構成の他の一例を示す上面図および正面図である。制御ユニット２２０の構成の一例を示す。マイクロコンピュータ８３０の機能構成の一例を示す。第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘの発電特性の一例を示す。第１厚み滑り振動圧電素子２１２ｘの発電特性の一例を示す。

１０外力方向検出システム、１００外力方向検出デバイス、１１０携帯端末、１２０サーバ、１３０移動体、２００基板、２０２基板、２１２ｘ第１厚み滑り振動圧電素子、２１４ｙ第２厚み滑り振動圧電素子、２１６ｚ縦振動圧電素子、２２０制御ユニット、２３０弾性材、８１０整流回路、８１１ダイオード、８１２ダイオード、８１３ダイオード、８１４ダイオード、８２１コンデンサ、８２２コンデンサ、８２３スイッチ、８２４スイッチ、８２０蓄電回路、８３０マイクロコンピュータ、８４０無線発信部、９０２第１電気的エネルギー取得部、９０４第２電気的エネルギー取得部、９０６第３電気的エネルギー取得部、９０８方向検出部、９１０無線発信制御部、９１２位置検出部、１００２電気的エネルギー、１００４電気的エネルギー、１１０２電気的エネルギー、１１０４電気的エネルギー

Claims

基板と、
前記基板に加えられた外力による前記基板に略平行な第１方向の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換して出力する第１厚み滑り振動圧電素子と、
前記基板に加えられた外力による前記基板に略平行であって前記第１方向と略垂直な第２方向の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換して出力する第２厚み滑り振動圧電素子と
を備える外力方向検出システム。
前記第１厚み滑り振動圧電素子および前記第２厚み滑り振動圧電素子がそれぞれ出力する電気的エネルギーに基づいて、前記基板に対して加えられた外力の方向を検出する方向検出部
をさらに備える請求項１に記載の外力方向検出システム。
前記第１厚み滑り振動圧電素子および前記第２厚み滑り振動圧電素子は、前記基板に略水平な方向に並べて配置されている
請求項２に記載の外力方向検出システム。
前記第１厚み滑り振動圧電素子と前記基板に略垂直な方向に重ね合わせて固着され、前記基板に加えられた外力による前記基板に略垂直な第３方向の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換して出力する厚み縦振動圧電素子
をさらに備える請求項３に記載の外力方向検出システム。
前記第２厚み滑り振動圧電素子と前記基板に略垂直な方向に重ね合わせて固着され、前記基板に加えられた外力による前記基板に略垂直な第３方向の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換して出力する厚み縦振動圧電素子
をさらに備える請求項４に記載の外力方向検出システム。
複数の前記第１厚み滑り振動圧電素子と、
複数の前記第２厚み滑り振動圧電素子と、
前記複数の第１厚み滑り振動圧電素子および前記複数の第２厚み滑り振動圧電素子のそれぞれに前記基板に略垂直な方向に重ね合わせて固着された複数の前記厚み縦振動圧電素子と
を備える請求項５に記載の外力方向検出システム。
前記第１厚み滑り振動圧電素子および前記第２厚み滑り振動圧電素子に対して、前記基板に略水平な方向に並べて配置されている厚み縦振動圧電素子
をさらに備える請求項３に記載の外力方向検出システム。
前記基板に固着されている複数の前記第１厚み滑り振動圧電素子と、
前記基板に固着されている複数の前記第２厚み滑り振動圧電素子と、
前記基板に固着されている複数の前記厚み縦振動圧電素子と
を備える請求項７に記載の外力方向検出システム。
前記第１厚み滑り振動圧電素子と前記第２厚み滑り振動圧電素子とは、前記基板に略垂直な方向に重ね合わされ、前記第１厚み滑り振動圧電素子または前記第２厚み滑り振動圧電素子が前記基板に固着されている
請求項１または２に記載のシステム外力方向検出システム。
前記第１厚み滑り振動圧電素子または前記第２厚み滑り振動圧電素子と、前記基板に略垂直な方向に重ね合わされ、前記基板に加えられた外力による前記基板に略垂直な第３方向の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換して出力する厚み縦振動圧電素子をさらに備え、
前記第１厚み滑り振動圧電素子、前記第２厚み滑り振動圧電素子、または前記厚み縦振動圧電素子が前記基板に固着されている
請求項９に記載の外力方向検出システム。
複数の前記第１厚み滑り振動圧電素子と、
前記複数の第１厚み滑り振動圧電素子のそれぞれに、前記基板に略垂直な方向に重ね合わせて固着されている複数の前記第２厚み滑り振動圧電素子と、
前記第１厚み滑り振動圧電素子または前記第２厚み滑り振動圧電素子と、前記基板に略垂直な方向に重ね合わせて固着されている複数の前記厚み縦振動圧電素子と
を備える請求項１０に記載の外力方向検出システム。
前記複数の厚み縦振動圧電素子がそれぞれ出力する電気的エネルギーに基づいて、前記基板に対して外力が加えられた位置を検出する位置検出部
をさらに備える請求項６、８、または１１に記載の外力方向検出システム。
前記方向検出部は、前記位置検出部が検出した位置に最も近い前記第１厚み滑り振動圧電素子および前記第２厚み滑り振動圧電素子のそれぞれが出力する電気的エネルギーに基づいて、前記基板に対して加えられた外力の方向を検出する請求項１２に記載の外力方向検出システム。
前記第１厚み滑り振動圧電素子および前記第２厚み滑り振動圧電素子がそれぞれ出力する電気的エネルギーに基づいて、前記基板に対して前記外力を加えた物体の回転状態を検出する停止状態検出部
をさらに備える請求項１から１３のいずれかに記載の外力方向検出システム。