JP3585959B2

JP3585959B2 - 加速度と角速度との双方を検出する装置

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Publication number: JP3585959B2
Application number: JP22589494A
Authority: JP
Inventors: 和廣岡田
Original assignee: 和廣岡田
Priority date: 1994-08-26
Filing date: 1994-08-26
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2019-11-10
Also published as: JPH0868636A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、加速度と角速度との双方を検出する装置、特に、振動子に作用する力に基づいて加速度および角速度の検出を行う装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
加速度や角速度といった物理量を検出する場合、従来は、加速度を検出するためには加速度検出装置を用い、角速度を検出するためには角速度検出装置を用いるのが一般的であり、加速度と角速度との双方を検出することができる装置は、本願出願人の知る限りにおいては、現段階では実用化されていない。また、従来は、特定の一軸方向の加速度を検出する一次元加速度検出装置や、特定の一軸まわりの角速度を検出する一次元角速度検出装置が一般的であり、二次元あるいは三次元の各座標軸の成分ごとにこれらの物理量を検出する場合には、それぞれ各座標軸ごとに独立した検出装置を配置するのが一般的であった。
【０００３】
ところが、近年、自動車産業や機械産業などにおいて、加速度や角速度といった物理量を正確に検出できる検出装置の需要が高まってきている。特に、二次元あるいは三次元の各座標軸の成分ごとにこれらの物理量を検出しうる小型の検出装置が望まれている。このような需要に応えるために、本願と同一の発明者によって、単一の検出装置を用いて、三次元座標系における各座標軸方向の加速度と、角座標軸まわりの角速度とを、それぞれ独立して検出する技術が提案されている。すなわち、特許協力条約に基づく国際公開ＷＯ９４／２３２７２号公報や、特開平８−３５９８１号公報には、振動子に作用する力に基づいて加速度および角速度を各座標軸成分ごとに検出することができる新規な検出装置が開示されている。この装置における角速度の検出原理は、コリオリ力を利用したものである。すなわち、振動子にＸ軸まわりの角速度ωｘが作用している状態において、この振動子をＹ軸方向に振動させると、Ｚ軸方向にコリオリ力が作用するという原理を利用し、振動子を励振手段によってＹ軸方向に振動させた状態において、Ｚ軸方向に作用したコリオリ力を検出し、このコリオリ力に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを間接的に求めるのである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した新規な検出装置は、比較的小形の装置でありながら、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向の加速度と、これら各軸まわりの各速度と、いう６つの物理量を検出することができる有用な装置である。しかしながら、この装置では、加速度の検出にも、角速度の検出にも、振動子に作用する力を検出する必要がある。すなわち、一方では、振動子を静止状態に保った状態において、振動子に作用する力を検出することにより、外部から与えられた加速度を検出し、他方では、振動子を所定方向に振動させた状態において、振動子に作用するコリオリ力を検出することにより、外部から与えられた角速度を検出するのである。したがって、加速度検出を行う場合には、振動子を静止状態に保ち、角速度検出を行う場合には、振動子を振動状態に保たねばならない。
【０００５】
このような検出装置を、自動車や産業機械などに搭載して用いる場合には、通常は、時々刻々と変化してゆく加速度と角速度とをリアルタイムで検出することが要求される。上述の検出装置を用いて、このように加速度と角速度とをリアルタイムで検出するためには、振動子を静止状態に保ちつつ加速度検出を行う動作と、振動子を振動状態に保ちつつ角速度検出を行う動作と、を交互に繰り返し実行する必要がある。ところが、振動子の機械的な応答性には限度があり、静止状態の振動子を振動させたり、振動状態の振動子を静止させたりするには、どうしてもある程度の時間が必要になる。このため、加速度と角速度とをリアルタイムで検出する動作を行わせると、十分な応答性が得られないという問題が生じる。
【０００６】
そこで本発明は、加速度と角速度との双方を十分な応答性をもって検出することのできる検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
(1) 本発明の第１の態様は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の加速度および各軸まわりの角速度を検出する装置において、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、この溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
周囲部を固定する装置筐体と、
中心部自身もしくは中心部に接続された質量体からなり、装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分をＸ軸に沿って伸縮運動させることにより、振動子をＸ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第１の励振手段と、
可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分をＹ軸に沿って伸縮運動させることにより、振動子をＹ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第２の励振手段と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分をＸ軸に沿って伸縮運動させるとともに、可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分をＹ軸に沿って伸縮運動させることにより、振動子をＺ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第３の励振手段と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＸ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＹ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、振動子に加わるＹ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＸ軸方向に関する伸縮状態、ならびに可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＹ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、振動子に加わるＺ軸方向への力を検出する第３の力検出手段と、
第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
第３の力検出手段によって得られる第３の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第３の信号分離手段と、
第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｙ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
第３の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｚ軸方向の加速度を求める第３の加速度演算手段と、
第２の励振手段を駆動して振動子をＹ軸方向に振動させ、この状態において得られる第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
第３の励振手段を駆動して振動子をＺ軸方向に振動させ、この状態において得られる第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
第１の励振手段を駆動して振動子をＸ軸方向に振動させ、この状態において得られる第３の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を求める第３の角速度演算手段と、
を設け、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出することができるようにしたものである。
【０００８】
(2) 本発明の第２の態様は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の加速度および各軸まわりの角速度を検出する装置において、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、この溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
周囲部を固定する装置筐体と、
中心部自身もしくは中心部に接続された質量体からなり、装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分をＸ軸に沿って伸縮運動させることにより、振動子をＸ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第１の励振手段と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分をＸ軸に沿って伸縮運動させるとともに、可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分をＹ軸に沿って伸縮運動させることにより、振動子をＺ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第２の励振手段と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＸ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＹ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、振動子に加わるＹ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＸ軸方向に関する伸縮状態、ならびに可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＹ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、振動子に加わるＺ軸方向への力を検出する第３の力検出手段と、
第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
第３の力検出手段によって得られる第３の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第３の信号分離手段と、
第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｙ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
第３の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｚ軸方向の加速度を求める第３の加速度演算手段と、
第２の励振手段を駆動して振動子をＺ軸方向に振動させ、この状態において得られる第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
第１の励振手段を駆動して振動子をＸ軸方向に振動させ、この状態において得られる第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度を求めるとともに、第２の励振手段を駆動して振動子をＺ軸方向に振動させ、この状態において得られる第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
を設け、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出することができるようにしたものである。
(3) 本発明の第３の態様は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の加速度および各軸まわりの角速度を検出する装置であって、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、この溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
周囲部を固定する装置筐体と、
中心部自身もしくは中心部に接続された質量体からなり、装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分をＸ軸に沿って伸縮運動させることにより、振動子をＸ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第１の励振手段と、
可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分をＹ軸に沿って伸縮運動させることにより、振動子をＹ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第２の励振手段と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＸ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＹ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、振動子に加わるＹ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＸ軸方向に関する伸縮状態、ならびに可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＹ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、振動子に加わるＺ軸方向への力を検出する第３の力検出手段と、
第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
第３の力検出手段によって得られる第３の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第３の信号分離手段と、
第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｙ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
第３の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｚ軸方向の加速度を求める第３の加速度演算手段と、
第２の励振手段を駆動して振動子をＹ軸方向に振動させ、この状態において得られる第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
第１の励振手段を駆動して振動子をＸ軸方向に振動させ、この状態において得られる第３の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を求めるとともに、第２の励振手段を駆動して振動子をＹ軸方向に振動させ、この状態において得られる第３の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
を設け、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出することができるようにしたものである。
【０００９】
(4) 本発明の第４の態様は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向の加速度およびＸ軸まわりの角速度と、Ｙ軸方向の加速度およびＹ軸まわりの角速度と、を検出する装置において、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、この溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
周囲部を固定する装置筐体と、
中心部自身もしくは中心部に接続された質量体からなり、装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分をＸ軸に沿って伸縮運動させるとともに、可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分をＹ軸に沿って伸縮運動させることにより、振動子をＺ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる励振手段と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＸ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＹ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、振動子に加わるＹ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｙ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
を設け、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出することができるようにしたものである。
(5) 本発明の第５の態様は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向の加速度およびＸ軸まわりの角速度と、Ｚ軸方向の加速度およびＺ軸まわりの角速度と、を検出する装置において、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、この溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
周囲部を固定する装置筐体と、
中心部自身もしくは中心部に接続された質量体からなり、装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分をＹ軸に沿って伸縮運動させることにより、振動子をＹ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる励振手段と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＸ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＸ軸方向に関する伸縮状態、ならびに可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＹ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、振動子に加わるＺ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｚ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
を設け、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出することができるようにしたものである。
【００１０】
(6) 本発明の第６の態様は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の加速度および各軸まわりの角速度を検出する装置において、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、この溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
周囲部を固定する装置筐体と、
中心部自身もしくは中心部に接続された質量体からなり、装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分を、Ｚ軸に沿って互いに逆位相となるように往復運動させることにより、振動子をＸ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第１の励振手段と、
可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分を、Ｚ軸に沿って互いに逆位相となるように往復運動させることにより、振動子をＹ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第２の励振手段と、
盤状構造体の原点近傍部分を、Ｚ軸に沿って往復運動させることにより、振動子をＺ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第３の励振手段と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、振動子に加わるＹ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
盤状構造体の原点近傍部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、振動子に加わるＺ軸方向への力を検出する第３の力検出手段と、
第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
第３の力検出手段によって得られる第３の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第３の信号分離手段と、
第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｙ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
第３の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｚ軸方向の加速度を求める第３の加速度演算手段と、
第２の励振手段を駆動して振動子をＹ軸方向に振動させ、この状態において得られる第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
第３の励振手段を駆動して振動子をＺ軸方向に振動させ、この状態において得られる第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
第１の励振手段を駆動して振動子をＸ軸方向に振動させ、この状態において得られる第３の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を求める第３の角速度演算手段と、
を設け、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出することができるようにしたものである。
【００１１】
(7) 本発明の第７の態様は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の加速度および各軸まわりの角速度を検出する装置において、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、この溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
周囲部を固定する装置筐体と、
中心部自身もしくは中心部に接続された質量体からなり、装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分を、Ｚ軸に沿って互いに逆位相となるように往復運動させることにより、振動子をＸ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第１の励振手段と、
盤状構造体の原点近傍部分を、Ｚ軸に沿って往復運動させることにより、振動子をＺ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第２の励振手段と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、振動子に加わるＹ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
盤状構造体の原点近傍部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、振動子に加わるＺ軸方向への力を検出する第３の力検出手段と、
第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
第３の力検出手段によって得られる第３の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第３の信号分離手段と、
第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｙ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
第３の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｚ軸方向の加速度を求める第３の加速度演算手段と、
第２の励振手段を駆動して振動子をＺ軸方向に振動させ、この状態において得られる第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
第１の励振手段を駆動して振動子をＸ軸方向に振動させ、この状態において得られる第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度を求めるとともに、第２の励振手段を駆動して振動子をＺ軸方向に振動させ、この状態において得られる第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
を設け、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出することができるようにしたものである。
(8) 本発明の第８の態様は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の加速度および各軸まわりの角速度を検出する装置であって、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、この溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
周囲部を固定する装置筐体と、
中心部自身もしくは中心部に接続された質量体からなり、装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分を、Ｚ軸に沿って互いに逆位相となるように往復運動させることにより、振動子をＸ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第１の励振手段と、
可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分を、Ｚ軸に沿って互いに逆位相となるように往復運動させることにより、振動子をＹ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第２の励振手段と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、振動子に加わるＹ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
盤状構造体の原点近傍部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、振動子に加わるＺ軸方向への力を検出する第３の力検出手段と、
第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
第３の力検出手段によって得られる第３の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第３の信号分離手段と、
第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｙ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
第３の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｚ軸方向の加速度を求める第３の加速度演算手段と、
第２の励振手段を駆動して振動子をＹ軸方向に振動させ、この状態において得られる第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
第１の励振手段を駆動して振動子をＸ軸方向に振動させ、この状態において得られる第３の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を求めるとともに、第２の励振手段を駆動して振動子をＹ軸方向に振動させ、この状態において得られる第３の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
を設け、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出することができるようにしたものである。
【００１２】
(9) 本発明の第９の態様は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向の加速度およびＸ軸まわりの角速度と、Ｙ軸方向の加速度およびＹ軸まわりの角速度と、を検出する装置において、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、この溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
周囲部を固定する装置筐体と、
中心部自身もしくは中心部に接続された質量体からなり、装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
盤状構造体の原点近傍部分を、Ｚ軸に沿って往復運動させることにより、振動子をＺ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる励振手段と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、振動子に加わるＹ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｙ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
を設け、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出することができるようにしたものである。
(10) 本発明の第１０の態様は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向の加速度およびＸ軸まわりの角速度と、Ｚ軸方向の加速度およびＺ軸まわりの角速度と、を検出する装置において、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、この溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
周囲部を固定する装置筐体と、
中心部自身もしくは中心部に接続された質量体からなり、装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分を、Ｚ軸に沿って互いに逆位相となるように往復運動させることにより、振動子をＹ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる励振手段と、
可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
盤状構造体の原点近傍部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、振動子に加わるＺ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｚ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
を設け、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出することができるようにしたものである。
【００１３】
（７）本発明の第７の態様は、上述の第１〜４の態様に係る装置において、
角速度演算手段が、検出された力の振幅成分Ｆと、振動子の質量ｍと、励振手段の動作状態から推定される振動子の瞬間速度ｖと、に基づいて、Ｆ＝２ｍ・ｖ・ωなる演算式を適用して角速度ωを求めるようにしたものである。
（８）本発明の第８の態様は、加速度と角速度との双方を検出する装置において、
質量をもった振動子と、この振動子を振動させる励振手段と、加速度および角速度に基づいて前記振動子に加わる力を検出する力検出手段と、この力検出手段によって得られる検出信号を、加速度に起因する第１の信号成分と角速度に起因する第２の信号成分とに分離する信号分離手段と、第１の信号成分に基づいて加速度検出値を出力し、第２の信号成分に基づいて角速度検出値を出力する出力手段と、を設けたものである。
（９）本発明の第９の態様は、上述の第８の態様に係る装置において、励振手段が、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で、振動子を振動させるようにしたものである。
（１０）本発明の第１０の態様は、上述の第８または９の態様に係る装置において、
信号分離手段が、第１の信号成分と第２の信号成分とを、周波数の相違を利用して分離するようにしたものである。
【００１４】
【作用】
本発明に係る検出装置では、加速度の検出にも、角速度の検出にも、振動子に作用する力が用いられる。この検出装置における検出動作の基本原理によれば、加速度を検出するには、振動子を静止状態に保ち、そのときに振動子に作用した力を検出すればよいし、角速度を検出するには、振動子を振動状態に保ち、そのときに振動子に作用した力を検出すればよい。本願発明者は、このような基本原理に基いて、当初は、振動子を静止状態にした加速度検出と、振動子を振動状態にした角速度検出と、をそれぞれ別個独立して行うことを想定していた。
【００１５】
ところが、本願発明者は、加速度検出と角速度検出とを同時に行うことが可能であることに気付いたのである。いま、たとえば、ある軸方向の加速度と、ある軸まわりの角速度とが、同時に作用しており、この加速度と角速度とは、所定方向に振動している振動子に対して同じ方向に力を作用させる性質のものであったとする。この場合、振動子に作用する力は、加速度に起因した成分と、角速度に起因した成分との合成力ということになる。もし、この合成力を、加速度に起因した成分と角速度に起因した成分とに分離することができれば、加速度と角速度との同時検出が可能になる。
【００１６】
このような分離は、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して、振動子の振動周波数が十分に高い場合には可能である。すなわち、このような条件では、加速度に起因した成分はバイアス成分として、角速度に起因した成分は振幅成分として、それぞれ合成されるのである。したがって、得られた合成力をバイアス成分と振幅成分とに分離すれば、加速度に起因した成分と角速度に起因した成分とを独立して得ることが可能になる。
【００１７】
【実施例】
§１．角速度および加速度検出の基本原理
まず、本発明に係る検出装置における角速度検出の基本原理を説明する。本発明に係る装置では、二軸あるいは三軸まわりの角速度を検出することが可能であるが、ここでは、はじめに、一軸の角速度検出原理を簡単に説明しておく。図１は、雑誌「発明（ＴＨＥＩＮＶＥＮＴＩＯＮ）」、ｖｏｌ．９０，Ｎｏ．３（１９９３年）の６０頁に開示されている角速度検出装置の基本原理を示す図である。いま、角柱状の振動子１１０を用意し、図示するような方向にＸ，Ｙ，Ｚ軸を定義したＸＹＺ三次元座標系を考える。このような系において、振動子１１０がＺ軸を回転軸として角速度ωで回転運動を行っている場合、次のような現象が生じることが知られている。すなわち、この振動子１１０をＸ軸方向に往復運動させるような振動Ｕを与えると、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆが発生する。別言すれば、振動子１１０を図のＸ軸に沿って振動させた状態で、この振動子１１０をＺ軸を中心軸として回転させると、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆが生じることになる。この現象は、フーコーの振り子として古くから知られている力学現象であり、発生するコリオリ力Ｆは、
Ｆ＝２ｍ・ｖ・ω
で表される。ここで、ｍは振動子１１０の質量、ｖは振動子１１０の振動についての瞬時の速度、ωは振動子１１０の瞬時の角速度である。
【００１８】
前述の雑誌に開示された一軸の角速度検出装置は、この現象を利用して角速度ωを検出するものである。すなわち、図１に示すように、角柱状の振動子１１０の第１の面には第１の圧電素子１１１が、この第１の面と直交する第２の面には第２の圧電素子１１２が、それぞれ取り付けられる。圧電素子１１１，１１２としては、ピエゾエレクトリックセラミックからなる板状の素子が用いられている。そして、振動子１１０に対して振動Ｕを与えるために圧電素子１１１が利用され、発生したコリオリ力Ｆを検出するために圧電素子１１２が利用される。すなわち、圧電素子１１１に交流電圧を与えると、この圧電素子１１１は伸縮運動を繰り返しＸ軸方向に振動する。この振動Ｕが振動子１１０に伝達され、振動子１１０がＸ軸方向に振動することになる。このように、振動子１１０に振動Ｕを与えた状態で、振動子１１０自身がＺ軸を中心軸として角速度ωで回転すると、上述した現象により、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆが発生する。このコリオリ力Ｆは、圧電素子１１２の厚み方向に作用するため、圧電素子１１２の両面にはコリオリ力Ｆに比例した電圧Ｖが発生する。そこで、この電圧Ｖを測定することにより、角速度ωを検出することが可能になる。
【００１９】
上述した従来の角速度検出装置は、Ｚ軸まわりの角速度を検出するためのものであり、Ｘ軸あるいはＹ軸まわりの角速度の検出を行うことはできない。本発明に係る検出装置では、図２に示すように、所定の物体１２０について、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸まわりの角速度ωｘ、Ｙ軸まわりの角速度ωｙ、Ｚ軸まわりの角速度ωｚ、のそれぞれを別個独立して検出することができる。その基本原理を、図３〜図５を参照して説明する。いま、ＸＹＺ三次元座標系の原点位置に振動子１３０が置かれているものとする。この振動子１３０のＸ軸まわりの角速度ωｘを検出するには、図３に示すように、この振動子１３０にＺ軸方向の振動Ｕｚを与えたときに、Ｙ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｙを測定すればよい。コリオリ力Ｆｙは角速度ωｘに比例した値となる。また、この振動子１３０のＹ軸まわりの角速度ωｙを検出するには、図４に示すように、この振動子１３０にＸ軸方向の振動Ｕｘを与えたときに、Ｚ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｚを測定すればよい。コリオリ力Ｆｚは角速度ωｙに比例した値となる。更に、この振動子１３０のＺ軸まわりの角速度ωｚを検出するには、図５に示すように、この振動子１３０にＹ軸方向の振動Ｕｙを与えたときに、Ｘ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｘを測定すればよい。コリオリ力Ｆｘは角速度ωｚに比例した値となる。
【００２０】
結局、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸まわりの角速度ωｘ、Ｙ軸まわりの角速度ωｙ、Ｚ軸まわりの角速度ωｚ、をそれぞれ検出するには、図６に示すように、振動子１３０にＸ軸方向の振動Ｕｘを与えるＸ軸方向励振手段１４１、Ｙ軸方向の振動Ｕｙを与えるＹ軸方向励振手段１４２、Ｚ軸方向の振動Ｕｚを与えるＺ軸方向励振手段１４３、のそれぞれと、振動子１３０に作用するＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを検出するＸ軸方向力検出手段１５１、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙを検出するＹ軸方向力検出手段１５２、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｚを検出するＺ軸方向力検出手段１５３のそれぞれと、を用意すればよいことになる。
【００２１】
一方、加速度の検出原理はより単純である。すなわち、静止状態の振動子（単なる質量ｍをもった錘りとして機能する）に、所定方向の加速度αが作用すると、この加速度αと同じ方向に、ｆ＝ｍ・αなる力ｆが作用することになる。したがって、静止状態の振動子１３０に作用する各軸方向の力ｆｘ，ｆｙ，ｆｚを検出すれば、質量ｍを用いた演算により、各軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚを検出することができる。
【００２２】
結局、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向の加速度αｘ、Ｙ軸方向の加速度αｙ、Ｚ軸方向の加速度αｚ、をそれぞれ検出するには、図７に示すように、振動子１３０に作用するＸ軸方向の力ｆｘを検出するＸ軸方向力検出手段１５１、Ｙ軸方向の力ｆｙを検出するＹ軸方向力検出手段１５２、Ｚ軸方向の力ｆｚを検出するＺ軸方向力検出手段１５３のそれぞれを用意すればよいことになる。
【００２３】
さて、図６には三次元角速度検出装置の構成要素をブロック図として示し、図７には三次元加速度検出装置の構成要素をブロック図として示したが、両者を比べてみると、前者の構成は後者の構成を含んでいることがわかる。すなわち、図７に示す加速度検出装置に、更に、各軸方向についての励振手段１４１，１４２，１４３を付加すれば、図６に示す角速度検出装置が得られることになり、図６に示す角速度検出装置は、図７に示す加速度検出装置としても機能するのである。
【００２４】
ただ、角速度も加速度も、いずれも各軸方向に作用する力という形で検出されるため、単一の検出装置により角速度と加速度との双方を検出しようとすると、検出された力に角速度成分と加速度成分との双方が含まれてしまうことになる。角速度に起因する力は、既に述べたように、振動子を所定方向に振動させた状態においてのみ生じるコリオリ力（Ｆ＝２ｍ・ｖ・ωの大きさをもつ）であり、本明細書では、これを大文字の「Ｆ」で示すことにする。図６において各力検出手段１５１，１５２，１５３の検出対象となっているＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚは、いずれも角速度に起因して生じるコリオリ力である。一方、加速度に起因する力は、振動子の振動とは無関係に生じる力（ｆ＝ｍ・α）であり、本明細書では、これを小文字の「ｆ」で示すことにする。図７において各力検出手段１５１，１５２，１５３の検出対象となっているｆｘ，ｆｙ，ｆｚは、いずれも加速度に起因して生じる力である。振動子１３０に角速度と加速度との双方が作用している状態においては、各力検出手段１５１，１５２，１５３には、角速度に起因したコリオリ力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、加速度に起因した力ｆｘ，ｆｙ，ｆｚとの合成力が検出されることになる。本発明が解決すべき課題は、このような状況において、いかにして角速度に起因するコリオリ力Ｆと加速度に起因する力ｆとを分離して検出するかという点にある。
【００２５】
§２．本発明の実施に適した具体的な検出装置の構造
本発明に係る検出装置の基本構成は、図６のブロック図に示したとおりであり、本発明は、このような構成をもつ検出装置であれば、どのような検出装置に対しても適用可能である。この図６のブロック図に示す構成をもった検出装置の具体的な構造については、前掲の特許協力条約に基づく国際公開ＷＯ９４／２３２７２号公報や、特開平８−３５９８１号公報に、種々の実施例が開示されている。本発明は、このような検出装置の具体的な構造についてのものではなく、このような検出装置から得られた検出信号の信号処理に関するものである。したがって、ここでは、このような検出装置の具体的な構造の一例だけを参考として述べておくことにする。もちろん、本発明の技術範囲は、ここに述べる具体的な構造に何ら制約を受けるものではない。
【００２６】
図８は、この具体的な検出装置を斜め上方から見た斜視図、図９は、この検出装置を斜め下方から見た斜視図である。この検出装置は、円盤状の圧電素子１０の上面に１２枚の上部電極Ａ１〜Ａ８，Ｅ１〜Ｅ４を形成するとともに、下面に１枚の下部電極Ｂを形成したものである。ここでは説明の便宜上、ＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏを、円盤状の圧電素子１０の上面の中心位置に定義し、Ｘ軸およびＹ軸をこの圧電素子１０の上面に沿った方向に定義し、Ｚ軸をこの上面に対して垂直上方に向かう方向に定義することにする。したがって、この圧電素子１０の上面は、ＸＹ平面に含まれることになる。
【００２７】
圧電素子１０の構造的な特徴は、図９に示されているように、下面に環状溝１５が形成されている点である。この実施例では、環状溝１５は原点Ｏを取り囲むような円形をしている。下部電極Ｂは、１枚の単一の電極層であり、この環状溝１５の内部をも含めた圧電素子１０の下面全面に形成されている。一方、１２枚の上部電極Ａ１〜Ａ８，Ｅ１〜Ｅ４は、図１０の上面図に明瞭に示されているように、いずれも原点Ｏを中心とした円弧に沿った帯状をしており、Ｘ軸あるいはＹ軸に関して線対称な形状をしている。
【００２８】
この検出装置の構造は、図１１を参照すると、より明らかになる。図１１は、この検出装置をＸＺ平面で切った側断面図である。圧電素子１０の環状溝１５が形成された部分は、他の部分に比べて肉厚が薄くなっており、可撓性を有する。ここでは、圧電素子１０の中の環状溝１５の上方に位置する部分を可撓部１２と呼び、この可撓部１２によって囲まれた中心の部分を中心部１１と呼び、可撓部１２の外周に位置する部分を周囲部１３と呼ぶことにする。これら３つの部分の相対的な位置関係は、図１２の下面図に明瞭に示されている。すなわち、中心部１１の周囲の環状溝１５が形成された部分に可撓部１２が形成され、この可撓部１２の周囲に周囲部１３が形成されていることになる。
【００２９】
ここで、たとえば、周囲部１３だけを検出装置筐体に固定し、検出装置筐体全体を揺らすと、中心部１１にはその質量により加速度に基づく力が作用し、この力により可撓部１２に撓みが生じることになる。すなわち、中心部１１は、可撓性をもった可撓部１２によって周囲から支持された状態になっており、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向にある程度の変位を生じることが可能である。結局、この検出装置における中心部１１は、図６に示す検出装置における質量を有する振動子１３０として機能するのである。図６に示す検出装置では、振動子１３０の他に、各軸方向の励振手段１４１，１４２，１４３と、各軸方向の力検出手段１５１，１５２，１５３が必要である。この具体的な検出装置では、励振手段１４１，１４２，１４３は、上部電極Ｅ１〜Ｅ４と、下部電極Ｂと、これらの間に挟まれている圧電素子１０と、によって構成され、力検出手段１５１，１５２，１５３は、上部電極Ａ１〜Ａ８と、下部電極Ｂと、これらの間に挟まれている圧電素子１０と、によって構成される。
【００３０】
このように、上下の電極と、その間に挟まれた圧電素子１０とによって、励振手段や力検出手段を構成できることを説明するために、まず、圧電素子１０の基本的な性質について確認しておく。一般に、圧電素子は、機械的な応力の作用により分極現象を生じる。すなわち、ある特定の方向に応力が加わると、一方には正の電荷が発生し、他方には負の電荷が発生する性質を有する。この実施例の検出装置では、圧電素子１０として、図１３に示すような分極特性をもった圧電セラミックスを用いている。すなわち、図１３（ａ）に示すように、ＸＹ平面に沿って伸びる方向の力が作用した場合には、上部電極Ａ側に正の電荷が、下部電極Ｂ側に負の電荷が、それぞれ発生し、逆に、図１３（ｂ）に示すように、ＸＹ平面に沿って縮む方向の力が作用した場合には、上部電極Ａ側に負の電荷が、下部電極Ｂ側に正の電荷が、それぞれ発生するような分極特性をもっている。逆に、上下の電極に所定の電圧を印加すると、圧電素子１０の内部には機械的な応力が作用することになる。すなわち、図１３（ａ）に示すように、上部電極Ａ側に正の電荷を、下部電極Ｂ側に負の電荷を、それぞれ与えるように電圧を印加すると、ＸＹ平面に沿って伸びる方向の力が発生し、図１３（ｂ）に示すように、上部電極Ａ側に負の電荷を、下部電極Ｂ側に正の電荷を、それぞれ与えるように電圧を印加すると、ＸＹ平面に沿って縮む方向の力が発生するのである。
【００３１】
ここで述べる具体的な検出装置は、このような圧電素子の性質を利用して、各励振手段および各力検出手段を構成しているのである。すなわち、上下の電極に電圧を印加することにより圧電素子内部に応力を発生させることができる性質を利用して各励振手段を構成し、圧電素子内部に応力が作用した場合に上下の電極に電荷が発生する性質を利用して各力検出手段を構成している。以下、これらの各手段について、その構成と動作を説明する。
【００３２】
＜Ｘ軸方向励振手段＞
図６に示す構成要素のうち、Ｘ軸方向励振手段１４１は、上部電極Ｅ１，Ｅ２と、これに対向する下部電極Ｂの一部分と、これらに挟まれた圧電素子１０の一部分と、後述する交流供給手段と、によって構成されている。いま、下部電極Ｂを基準電位に保ちながら、上部電極Ｅ１に正の電圧を与え、上部電極Ｅ２に負の電圧を与えた場合を考える。すると、図１４の側断面図に示すように、電極Ｅ１の下の圧電素子には図の左右に伸びる方向の応力が生じ、電極Ｅ２の下の圧電素子には図の左右に縮む方向の応力が生じる（図１３の分極特性を参照）。このため、圧電素子１０全体としては、図１４に示すように変形することになり、中心部１１の重心Ｐは、Ｘ軸方向にＤｘだけ変位することになる。ここで、上部電極Ｅ１，Ｅ２に与える電圧の極性を逆転させ、上部電極Ｅ１に負の電圧を与え、上部電極Ｅ２に正の電圧を与えると、図１４とは逆に、電極Ｅ１の下の圧電素子には図の左右に縮む方向の応力が生じ、電極Ｅ２の下の圧電素子には図の左右に伸びる方向の応力が生じ、結果的に、中心部１１の重心Ｐは、Ｘ軸の方向に−Ｄｘだけ変位することになる。
【００３３】
そこで、下部電極Ｂと上部電極Ｅ１との間に第１の交流電圧を印加するとともに、下部電極Ｂと上部電極Ｅ２との間には、第１の交流電圧とは逆位相になるような第２の交流電圧を印加するようにすれば、重心Ｐは、Ｘ軸方向に沿って、Ｄｘなる変位と−Ｄｘなる変位とを交互に生じるようになり、中心部１１はＸ軸に沿って振動することになる。既に述べたように、中心部１１は図６に示す構成要素における振動子１３０に対応するものである。したがって、上述した交流電圧の印加により、振動子１３０に対してＸ軸方向の振動Ｕｘを与えることが可能になる。この振動Ｕｘの周波数は、与える交流電圧の周波数によって制御可能であり、この振動Ｕｘの振幅は、与える交流電圧の振幅値によって制御可能である。結局、上部電極Ｅ１，Ｅ２、下部電極Ｂ、圧電素子１０、および図示されていない交流電圧を供給する手段、によって、図６に示すＸ軸方向励振手段１４１が構成されていることになる。
【００３４】
＜Ｙ軸方向励振手段＞
図６に示す構成要素のうち、Ｙ軸方向励振手段１４２は、上部電極Ｅ３，Ｅ４と、これに対向する下部電極Ｂの一部分と、これらに挟まれた圧電素子１０の一部分と、図示されていない交流供給手段と、によって構成されている。その動作原理は、上述したＸ軸方向励振手段１４１の動作原理と全く同様である。すなわち、図１０の上面図に示されているように、上部電極Ｅ１，Ｅ２がＸ軸上に配されていたのに対し、上部電極Ｅ３，Ｅ４はＹ軸上に配されている。したがって、上部電極Ｅ１，Ｅ２に互いに位相が逆転した交流電圧を供給することにより、中心部１１（振動子）をＸ軸方向に振動させることができたのと同じ原理により、上部電極Ｅ３，Ｅ４に互いに位相が逆転した交流電圧を供給することにより、中心部１１（振動子）をＹ軸方向に振動させることができる。
【００３５】
すなわち、上述した交流電圧の印加により、振動子１３０に対してＹ軸方向の振動Ｕｙを与えることが可能になる。この振動Ｕｙの周波数は、与える交流電圧の周波数によって制御可能であり、この振動Ｕｙの振幅は、与える交流電圧の振幅値によって制御可能である。結局、上部電極Ｅ３，Ｅ４、下部電極Ｂ、圧電素子１０、および図示されていない交流電圧を供給する手段、によって、図６に示すＹ軸方向励振手段１４２が構成されていることになる。
【００３６】
＜Ｚ軸方向励振手段＞
図６に示す構成要素のうち、Ｚ軸方向励振手段１４３は、上部電極Ｅ１〜Ｅ４と、これに対向する下部電極Ｂの一部分と、これらに挟まれた圧電素子１０の一部分と、後述する交流供給手段と、によって構成されている。いま、下部電極Ｂを基準電位に保ちながら、上部電極Ｅ１，Ｅ２に負の電圧を与え、上部電極Ｅ３，Ｅ４に正の電圧を与えた場合を考える。すると、図１５の側断面図に示すように、電極Ｅ１，Ｅ２の下の圧電素子には図の左右方向（および紙面に垂直な方向）に縮む方向の応力が生じ、電極Ｅ３，Ｅ４の下の圧電素子には図の紙面に垂直な方向（および図の左右方向）に伸びる方向の応力が生じる（図１３の分極特性を参照）。ここで、図１０の上面図から明らかなように、上部電極Ｅ１，Ｅ２は可撓部１２の外側に位置し、上部電極Ｅ３，Ｅ４は可撓部１２の内側に位置する。このため、上述のような各応力が発生すると、圧電素子１０全体としては、図１５に示すように変形することになり、中心部１１の重心Ｐは、Ｚ軸方向にＤｚだけ変位することになる。ここで、上部電極Ｅ１〜Ｅ４に与える電圧の極性を逆転させ、上部電極Ｅ１，Ｅ２に正の電圧を与え、上部電極Ｅ３，Ｅ４に負の電圧を与えると、図１５とは逆に、電極Ｅ１，Ｅ２の下の圧電素子には伸びる方向の応力が生じ、電極Ｅ３，Ｅ４の下の圧電素子には縮む方向の応力が生じ、結果的に、中心部１１の重心Ｐは、Ｚ軸の方向に−Ｄｚだけ変位することになる。
【００３７】
そこで、下部電極Ｂと上部電極Ｅ１，Ｅ２との間に第１の交流電圧を印加するとともに、下部電極Ｂと上部電極Ｅ３，Ｅ４との間には、第１の交流電圧とは逆位相になるような第２の交流電圧を印加するようにすれば、重心Ｐは、Ｚ軸方向に沿って、Ｄｚなる変位と−Ｄｚなる変位とを交互に生じるようになり、中心部１１はＺ軸に沿って振動することになる。既に述べたように、中心部１１は図６に示す構成要素における振動子１３０に対応するものである。したがって、上述した交流電圧の印加により、振動子１３０に対してＺ軸方向の振動Ｕｚを与えることが可能になる。この振動Ｕｚの周波数は、与える交流電圧の周波数によって制御可能であり、この振動Ｕｚの振幅は、与える交流電圧の振幅値によって制御可能である。結局、上部電極Ｅ１〜Ｅ４、下部電極Ｂ、圧電素子１０、および図示されていない交流電圧を供給する手段、によって、図６に示すＺ軸方向励振手段１４３が構成されていることになる。
【００３８】
＜Ｘ軸方向力検出手段＞
図６に示す構成要素のうち、Ｘ軸方向力検出手段１５１は、上部電極Ａ１，Ａ２と、これに対向する下部電極Ｂの一部分と、これらに挟まれた圧電素子１０の一部分と、後述する検出回路と、によって構成されている。いま、この検出装置の周囲部１３を筐体に固定した状態において、中心部１１（振動子１３０）の重心Ｐに加速度に基く力ｆｘが作用した場合に、どのような現象が起こるかを説明する。まず、重心ＰにＸ軸方向の加速度αｘが加えられた結果、図１６に示すように、重心Ｐに対してＸ軸方向の力ｆｘが作用した場合を考える。このような力ｆｘの作用により、可撓部１２に撓みが生じ、図１６に示すような変形が起こる。この結果、Ｘ軸に沿って配置された上部電極Ａ１，Ａ６はＸ軸方向に伸び、同じくＸ軸に沿って配置された上部電極Ａ５，Ａ２はＸ軸方向に縮むことになる。これらの上部電極の下方に位置する圧電素子は、図１３に示すような分極特性を有するので、各上部電極には、図１６に示すような極性の電荷が発生する。このとき、下部電極Ｂは単一の共通電極となっているので、部分的に「＋」または「−」の極性の電荷が発生しても相殺され、トータルでの電荷の発生はない。
【００３９】
そこで、上部電極Ａ１に発生した電荷と上部電極Ａ２に発生した電荷との差を求めれば、Ｘ軸方向に作用した力ｆｘが得られることになる。もちろん、上部電極Ａ５に発生した電荷と上部電極Ａ６に発生した電荷との差によっても、Ｘ軸方向に作用した力ｆｘを求めることはできるが、後述するように、上部電極Ａ５，Ａ６はＺ軸方向に作用した力ｆｚの検出に利用されるため、Ｘ軸方向の力ｆｘの検出には用いていない。なお、上述の説明では、加速度に起因して作用した力ｆｘを検出する場合を例にとったが、角速度に起因して作用するコリオリ力Ｆｘも、全く同様にして検出可能である。実際には、重心Ｐに作用したＸ軸方向の力としては、加速度に起因する力ｆｘも角速度に起因するコリオリ力Ｆｘも同等であり、瞬時瞬時に検出される力としては区別できない。
【００４０】
＜Ｙ軸方向力検出手段＞
図６に示す構成要素のうち、Ｙ軸方向力検出手段１５２は、上部電極Ａ３，Ａ４と、これに対向する下部電極Ｂの一部分と、これらに挟まれた圧電素子１０の一部分と、後述する検出回路と、によって構成されている。その検出原理は、上述したＸ軸方向力検出手段１５１の検出原理と同様である。すなわち、この検出装置の周囲部１３を筐体に固定した状態において、中心部１１（振動子１３０）の重心Ｐに加速度に基く力ｆｙが作用した場合に、どのような現象が起こるかを考えればよい。重心ＰにＹ軸方向の加速度αｙが加えられた結果、Ｙ軸方向の力ｆｙが作用すると、上部電極Ａ３には負の電荷が生じ、上部電極Ａ４には正の電荷が生じることになる。そこで、上部電極Ａ３に発生した電荷と上部電極Ａ４に発生した電荷との差を求めれば、Ｙ軸方向に作用した力ｆｙが得られることになる。角速度に起因して作用するコリオリ力Ｆｙの検出も全く同様である。
【００４１】
＜Ｚ軸方向力検出手段＞
図６に示す構成要素のうち、Ｚ軸方向力検出手段１５３は、上部電極Ａ５〜Ａ８と、これに対向する下部電極Ｂの一部分と、これらに挟まれた圧電素子１０の一部分と、後述する検出回路と、によって構成されている。いま、この検出装置の周囲部１３を筐体に固定した状態において、中心部１１（振動子１３０）の重心Ｐに加速度に基く力ｆｚが作用した場合に、どのような現象が起こるかを説明する。まず、重心ＰにＺ軸方向の加速度αｚが加えられた結果、図１７に示すように、重心Ｐに対してＺ軸方向の力ｆｚが作用した場合を考える。このような力ｆｚの作用により、可撓部１２に撓みが生じ、図１７に示すような変形が起こる。この結果、外側環状領域に配置された上部電極Ａ１，Ａ８，Ａ２，Ａ７は縮むために上部電極側に「−」の電荷が発生し、内側環状領域に配置された上部電極Ａ５，Ａ４，Ａ６，Ａ３は伸びるために上部電極側に「＋」の電荷が発生することになる。このとき、下部電極Ｂは単一の共通電極となっているので、部分的に「＋」または「−」の極性の電荷が発生しても相殺され、トータルでの電荷の発生はない。
【００４２】
そこで、上部電極Ａ５，Ａ６に発生した電荷の和と、上部電極Ａ７，Ａ８に発生した電荷の和と、の差を求めれば、Ｚ軸方向に作用した力ｆｚが得られることになる。もちろん、角速度に起因して作用するコリオリ力Ｆｚも、全く同様にして検出可能である。
【００４３】
ここで、力ｆｘ，ｆｙ，ｆｚのそれぞれが作用した場合に、各上部電極に発生する電荷の極性をまとめると、図１８に示す表が得られる。表中「０」と記されているのは、圧電素子が部分的には伸びるが部分的には縮むため、正負が相殺されてトータルとして電荷は発生しないことを示す。前述したように、各上部電極は、Ｘ軸またはＹ軸に関して線対称な形状をしているため、力ｆｘの作用により電荷を発生する上部電極には、力ｆｙが作用しても電荷は発生せず、逆に、力ｆｙの作用により電荷を発生する上部電極には、力ｆｘが作用しても電荷は発生しないのである。このように、他軸干渉を避ける上では、電極形状を線対称にしておくことが重要である。なお、図１８の表は、いずれも各軸の正方向の力＋ｆｘ，＋ｆｙ，＋ｆｚが作用した場合の極性を示すものであるが、各軸の負方向の力−ｆｘ，−ｆｙ，−ｆｚが作用したときは、それぞれこの表とは逆の極性の電荷が現われることになる。このような表が得られることは、図１６および図１７に示す変形状態と、図１０に示す各上部電極の配置とを参照すれば、容易に理解できよう。また、作用した力の大きさは、発生した電荷量として検出することが可能である。
【００４４】
このような原理に基いて、力ｆｘ，ｆｙ，ｆｚ（あるいはコリオリ力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）の検出を行うためには、たとえば図１９に示すような検出回路を用意すればよい。この検出回路において、Ｑ／Ｖ変換回路３１〜３８は、各上部電極Ａ１〜Ａ８に発生する電荷量を、下部電極Ｂの電位を基準電位としたときの電圧値に変換する回路である。この回路からは、たとえば、上部電極に「＋」の電荷が発生した場合には、発生した電荷量に応じた正の電圧（基準電位に対して）が出力され、逆に、上部電極に「−」の電荷が発生した場合には、発生した電荷量に応じた負の電圧（基準電位に対して）が出力される。こうして出力された電圧Ｖ１〜Ｖ８は、演算器４１〜４３に与えられ、これら演算器４１〜４３の出力が端子Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚに得られる。ここで、端子Ｔｘの基準電位に対する電圧値が力ｆｘ（またはコリオリ力Ｆｘ）の検出値となり、端子Ｔｙの基準電位に対する電圧値が力ｆｙ（またはコリオリ力Ｆｙ）の検出値となり、端子Ｔｚの基準電位に対する電圧値が力ｆｚ（またはコリオリ力Ｆｚ）の検出値となる。
【００４５】
各出力端子Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚに得られる電圧値が、力ｆｘ，ｆｙ，ｆｚの検出値になることは、図１８の表を参照すればわかる。たとえば、力ｆｘが作用した場合、上部電極Ａ１には「＋」の電荷が発生し、上部電極Ａ２には「−」の電荷が発生する。したがって、Ｖ１は正、Ｖ２は負の電圧となる。そこで、演算器４１によって、Ｖ１−Ｖ２なる演算を行うことにより、電圧Ｖ１，Ｖ２の絶対値の和が求まり、これが力ｆｘの検出値として端子Ｔｘに出力されることになる。同様に、力ｆｙが作用した場合は、上部電極Ａ３には「−」の電荷が発生し、上部電極Ａ４には「＋」の電荷が発生する。したがって、Ｖ３は負、Ｖ４は正の電圧となる。そこで、演算器４２によって、Ｖ４−Ｖ３なる演算を行うことにより、電圧Ｖ３，Ｖ４の絶対値の和が求まり、これが力ｆｙの検出値として端子Ｔｙに出力されることになる。また、力ｆｚが作用した場合は、上部電極Ａ５，Ａ６には「＋」の電荷が発生し、上部電極Ａ７，Ａ８には「−」の電荷が発生する。したがって、Ｖ５，Ｖ６は正、Ｖ７，Ｖ８は負の電圧となる。そこで、演算器４３によって、Ｖ５＋Ｖ６−Ｖ７−Ｖ８なる演算を行うことにより、電圧Ｖ５〜Ｖ８の絶対値の和が求まり、これが力ｆｚの検出値として端子Ｔｚに出力されることになる。
【００４６】
ここで注目すべき点は、各出力端子Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚに得られる検出値は、他軸成分を含まないということである。たとえば、図１８の表に示されているように、力ｆｘだけが作用した場合、力ｆｙ検出用の上部電極Ａ３，Ａ４には電荷の発生はなく、端子Ｔｙには検出電圧は得られない。このとき、力ｆｚ検出用の上部電極Ａ５，Ａ６にはそれぞれ電荷（互いに逆極性）が発生するが、演算器４３において電圧Ｖ５およびＶ６は互いに加算されるため相殺されてしまい、やはり端子Ｔｚには検出電圧は得られない。力ｆｙだけが作用した場合も同様に、端子Ｔｙ以外には検出電圧は得られない。また、力ｆｚだけが作用した場合も同様に、端子Ｔｚ以外には検出電圧は得られない。こうして、ＸＹＺの３軸方向成分が独立して検出できる。
【００４７】
以上、図６に示す検出装置の具体的な一構成例を説明したが、この他にも種々の構成例が可能である。要するに、振動子１３０を所定軸方向に機械的に振動させる励振手段と、この振動子１３０に作用する各軸方向の力を検出することができる検出手段と、が実現できれば、どのような構成を採ってもかまわない。
【００４８】
§３．従来提案されている検出動作
図６に示すような検出装置により、各軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚと、角軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚと、を検出するための従来の検出動作を、「基本的な検出動作」として、図２０の流れ図に示す。この検出動作は、前掲の特許協力条約に基づく国際公開ＷＯ９４／２３２７２号公報に開示されている方法である。
【００４９】
まず、ステップＳ１１において、振動子１３０に振動を与えない状態（すなわち、各励振手段１４１，１４２，１４３を駆動しない状態）で、各力検出手段１５１，１５２，１５３の検出値を得る。これは、図６に示す検出装置を、図７に示す加速度検出装置として動作させたものであり、各力検出手段１５１，１５２，１５３の検出値は、加速度に起因した力ｆｘ，ｆｙ，ｆｚとなる。振動子１３０は振動していないので、角速度に起因したコリオリ力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚは検出されないことになる。加速度に起因した力ｆと加速度αとの間には、振動子１３０の質量ｍに基づいて、ｆ＝ｍ・αの関係があるので、得られた力ｆｘ，ｆｙ，ｆｚに基づき、各軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚを検出することができる。
【００５０】
続いて、ステップＳ１２において、振動子１３０に振動Ｕｚを与えた状態（すなわち、Ｚ軸方向励振手段１４３を駆動した状態）で、Ｙ軸方向力検出手段１５２の検出値Ｆｙを得る。そして、Ｆｙ＝２ｍ・ｖｚ・ωｘなる式に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出する。ここで、ｍは振動子１３０の質量であり、ｖｚは振動子１３０のＺ軸方向の瞬間速度である。この検出方法は、図３に示す原理に基づいたものである。なお、瞬間速度ｖｚは、Ｚ軸方向励振手段１４３の動作状態から推定することができる。たとえば、前述した§２に示す具体的な構成例では、Ｚ軸方向励振手段１４３は、上部電極Ｅ１〜Ｅ４に所定の交流電圧を供給することによって駆動することになるので、この交流電圧の振幅、周波数、そして瞬時瞬時における位相から、瞬間速度ｖｚを推定することが可能である。
【００５１】
次の、ステップＳ１３では、振動子１３０に振動Ｕｘを与えた状態（すなわち、Ｘ軸方向励振手段１４１を駆動した状態）で、Ｚ軸方向力検出手段１５３の検出値Ｆｚを得る。そして、Ｆｚ＝２ｍ・ｖｘ・ωｙなる式に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出する。ここで、ｖｘは振動子１３０のＸ軸方向の瞬間速度であり、Ｘ軸方向励振手段１４１の動作状態から推定することができる。この検出方法は、図４に示す原理に基づいたものである。
【００５２】
続く、ステップＳ１４では、振動子１３０に振動Ｕｙを与えた状態（すなわち、Ｙ軸方向励振手段１４２を駆動した状態）で、Ｘ軸方向力検出手段１５１の検出値Ｆｘを得る。そして、Ｆｘ＝２ｍ・ｖｙ・ωｚなる式に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出する。ここで、ｖｙは振動子１３０のＹ軸方向の瞬間速度であり、Ｙ軸方向励振手段１４２の動作状態から推定することができる。この検出方法は、図５に示す原理に基づいたものである。
【００５３】
最後に、ステップＳ１５を経て、検出動作を継続する限り、ステップＳ１１からの処理が繰り返し実行される。このように、振動子１３０を振動させない状態で各軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚを検出する段階（ステップＳ１１）と、振動子１３０を所定方向に振動させた状態で各軸まわりの各速度ωｘ，ωｙ，ωｚを検出する段階（ステップＳ１２〜Ｓ１４）と、を別個に実施することにより、加速度と角速度との双方を得ることになる。なお、加速度と角速度とが常時作用している環境下では、ステップＳ１２〜Ｓ１４の角速度検出過程において、加速度に起因する力ｆｘ，ｆｙ，ｆｚが、コリオリ力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚに混入して検出されることになるので、ステップＳ１１において検出したｆｘ，ｆｙ，ｆｚの値を用いた減算を行い、コリオリ力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの成分のみを取り出す必要がある。
【００５４】
さて、この「基本的な検出動作」の問題点は、加速度や角速度の値を継続的に測定するような用途に用いたときに、応答性が悪くなるという点である。自動車や産業機械などでは、時々刻々と変化してゆく加速度や角速度の値を、一定時間周期で継続的に得ることが要求される場合が多い。ところが、図２０に示す流れ図に基づく検出動作を行う場合、ステップＳ１１において静止していた振動子を、ステップＳ１２ではＺ軸方向に振動させ、ステップＳ１３ではＸ軸方向に振動させ、ステップＳ１４ではＹ軸方向に振動させ、再びステップＳ１１において静止させる必要がある。振動子に対してこのような機械的な振動条件を高速に変化させることは非常に困難であり、現実的には、図２０の検出動作において次のステップに進むためには、安定した振動状態を得るまでに、ある程度の時間が必要になる。このため、どうしても応答性が悪くならざるを得ない。
【００５５】
§４．加速度に起因する力と角速度に起因する力との分離
本発明に係る検出動作の特徴は、加速度の検出と角速度の検出とを同時に行うことにある。そのためには、各力検出手段１５１，１５２，１５３によって検出された力を、加速度に起因する力と、角速度に起因するコリオリ力と、に分離する必要がある。ここでは、この分離の方法を具体例に即して説明する。
【００５６】
ここでは、図３に示すモデルを例にとった具体例を説明することにする。図３は、Ｘ軸まわりの角速度ωｘの検出原理を説明する図である。すなわち、振動子１３０に対してＺ軸方向の振動Ｕｚを与えた状態において、Ｙ軸方向に生じるコリオリ力Ｆｙを検出すれば、Ｆｙ＝２ｍ・ｖｚ・ωｘなる関係式から、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが求まることになる。そこで、いま、振動子１３０に図２１（ａ）に示すようなＺ軸方向の振動Ｕｚを与えた状態において、同図（ｂ）に示すようなＸ軸まわりの角速度ωｘが作用した場合を考える。いずれも横軸は時間ｔである。振動Ｕｚは、振動子１３０の物理的な位置の変動を示しており、この例では、上下に正弦運動を行っていることになる。また、この場合に作用した角速度ωｘは、Ｘ軸の正の方向まわり（たとえば、時計まわり）の角速度であり、時間とともに緩やかに増加し緩やかに減少している。このときにＹ軸方向に生じるコリオリ力Ｆｙは、Ｆｙ＝２ｍ・ｖｚ・ωｘなる関係式で求まるが、ここで、振動子１３０のＺ軸方向の瞬間速度ｖｚは、振動Ｕｚの位相を（π／２）だけずらしたものになる。なぜなら、上下に正弦運動している物体の瞬間速度は、中心位置を通過する瞬間に最大になり、最上点および最下点では０になるからである（なお、ここでは、図２１（ａ）に示す振動において、下に向かう方向の速度を正とし、上へ向かう方向の速度を負とする）。振動子１３０の質量ｍは一定であるから、コリオリ力Ｆｙは、瞬間速度ｖｚと角速度ωｘとの積によって定まり、図２１（ｃ）のようなものになる。結局、図３のモデルにおいて、振動子１３０に、図２１（ａ）に示すような振動Ｕｚを与えた状態で、図２１（ｂ）に示すような角速度ωｘが作用した場合には、図２１（ｃ）に示すようなコリオリ力Ｆｙが生じることになる。
【００５７】
一方、振動子１３０にＹ軸方向の加速度が作用した場合には、Ｙ軸方向にどのような力が生じるであろうか。Ｙ軸方向の加速度αｙによって生じるＹ軸方向の力ｆｙは、ｆｙ＝ｍ・αｙなる関係式で与えられるので、与えられた加速度αｙに比例した力ｆｙが生じることになる。そこで、いま、振動子１３０に線形増加する加速度αｙが与えられたとすると、図２１（ｄ）に示すようなＹ軸方向の力ｆｙが生じることになる。
【００５８】
それでは、図３のモデルにおいて、振動子１３０に、図２１（ａ）に示すようなＺ軸方向の振動Ｕｚを与えた状態で、図２１（ｂ）に示すようなＸ軸まわりの角速度ωｘが作用し、かつ、線形に増加するＹ軸方向の加速度αｙが作用した場合には、Ｙ軸方向にはどのような力が観測されるであろうか。この場合は、当然ながら、図２１（ｃ）に示すようなコリオリ力Ｆｙと、図２１（ｄ）に示すような加速度に基づく力ｆｙの和に相当する合成力が観測されることになる。図２２に、このような合成力ｆｙ＋Ｆｙを示す。
【００５９】
さて、このような合成力ｆｙ＋Ｆｙを、力ｆｙとコリオリ力Ｆｙとに分離することができれば、前者からはＹ軸方向の加速度αｙを求めることができ、後者からはＸ軸まわりの角速度ωｘを求めることができる。すなわち、加速度と角速度との同時検出が可能になる。本願発明者は、次のような点に着目することにより、この分離を行うことができることを見出だした。すなわち、図２２に示す合成力ｆｙ＋Ｆｙのうち、バイアス成分のみを抽出すれば、図２１（ｄ）に示す力ｆｙだけを取り出すことができ、振幅成分のみを抽出すれば、図２１（ｃ）に示すコリオリ力Ｆｙだけを取り出すことができるのである。そもそも図２１（ｃ）に示すコリオリ力Ｆｙは、図２１（ａ）に示す振動Ｕｚを搬送波として、図２１（ｂ）に示す角速度ωｘを振幅変調したものである。したがって、角速度ωｘの情報は、合成力の中においても、振幅成分としてのみ含まれていることになる。一方、図２１（ｄ）に示す力ｆｙは、振動Ｕｚの周波数成分を含まないため、その情報は、合成力の中においても、単なるバイアス成分としてのみ含まれていることになる。このような点に着目すれば、合成力ｆｙ＋Ｆｙのうち、バイアス成分のみを抽出すれば力ｆｙを取り出すことができ、振幅成分のみを抽出すればコリオリ力Ｆｙを取り出すことができることが理解できよう。
【００６０】
なお、このような原理に基づいて、加速度に基づく力ｆと角速度に基づくコリオリ力Ｆとを分離するためには、振動Ｕの周波数が、検出対象となる加速度や角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数でなければならない。別言すれば、本発明に係る検出装置では、検出対象となる加速度や角速度のうち、振動Ｕの周波数に比べて十分に低い周波数成分しか検出できないことになる。もっとも、このような制約は、自動車や産業機械に搭載する検出装置としては、実用上、全く問題にならない。具体的には、§２で述べたような圧電素子を利用した振動子を振動させる場合、２０ｋＨｚ程度の共振周波数で振動させるのが最も効率的である。この場合、数百Ｈｚ以下の周波数成分をもった加速度や角速度を検出することは十分に可能であり、このような性能は、一般的な自動車や産業機械に搭載する検出装置に要求される性能を十分に満足させるものである。
【００６１】
さて、前述のような原理に基づき、合成力をバイアス成分と振幅成分とに分離する方法としては、たとえば、周波数フィルタを用いる方法を利用することができる。ただ、近年はコンピュータの普及により、得られた電気信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル処理を行うのが一般的になってきている。本願発明者は、このようなデジタル処理を利用した次のような分離方法を見出だした。
【００６２】
まず、図２２のような合成力ｆｙ＋Ｆｙの検出信号について、図２３に示すように、変極点Ｐ１〜Ｐ９を抽出する。そして、図２４に示すように、各変極点Ｐ１〜Ｐ９の時間軸ｔ上の位置を示す区画線Ｑ１〜Ｑ９を定義し、隣接する各区画線の中間位置を通る参照線Ｑ１２〜Ｑ８９（図２４では破線で示す）を定義する。そして、各参照線上に、その両側にある変極点の信号値の平均値をもった参照点ｍをプロットするのである。図２５は、こうしてプロットされた参照点ｍ１〜ｍ８を示している。たとえば、参照点ｍ１は、変極点Ｐ１の信号値と変極点Ｐ２の信号値との平均値をもった参照線Ｑ１２上の点ということになる。このように、参照点ｍ１〜ｍ８が得られたら、図２６に示すように、これらを順に結んだ信号波形を求める。こうして得られた信号波形は、もとの合成力ｆｙ＋Ｆｙのうちのバイアス成分に対応するものになり、結局、加速度αｙに基づく力ｆｙに対応するものになる。バイアス成分が求まれば、これをもとの合成力から差し引くことにより、振幅成分に対応する信号波形を得ることができ、結局、コリオリ力Ｆｙに対応した信号波形を得ることができる。なお、角速度ωｘの大きさは、図２７に示すように、コリオリ力Ｆｙに対応した信号波形の包絡線Ｅを抽出することにより得られる。また、角速度ωｘの向きは、得られたコリオリ力Ｆｙと図２１（ａ）に示す振動Ｕｚとの位相差により得ることができる。たとえば、図２１（ｂ）に示すような正の向きの角速度ωｘが加わった場合には、図２１（ａ）に示す振動Ｕｚの波形に対して、得られるコリオリ力Ｆｙの波形は、図２１（ｃ）に示すように、（π／２）だけ位相を右方へシフトさせたものになるが、負の向きの角速度−ωｘが加わった場合には、同じ図２１（ａ）に示す振動Ｕｚの波形に対して、図２１（ｃ）の正負を反転させたコリオリ力波形が得られ、このコリオリ力波形は、振動Ｕｚの波形の位相を（π／２）だけ左方へシフトさせたものになる。
【００６３】
§５．本発明に係る検出装置の第１の実施例
本発明に係る検出装置は、上述の§４で述べた基本原理に基いて、合成力を加速度に基く力ｆ（バイアス成分）と角速度に基くコリオリ力Ｆ（振幅成分）とに分離する信号分離手段を用い、加速度と角速度とを同時に検出できるようにしたものである。図２８は、本発明の第１の実施例に係る検出装置の基本構成を示すブロック図である。この検出装置は、図６に示した検出装置の各構成要素に、Ｘ軸方向信号分離手段１６１、Ｙ軸方向信号分離手段１６２、Ｚ軸方向信号分離手段１６３を付加し、更に、加速度演算手段１７１〜１７３と、角速度演算手段１８１〜１８３と、を付加したものである。
【００６４】
各信号分離手段１６１〜１６３は、いずれも§４で述べた基本原理に基いて、各力検出手段１５１〜１５３から得られた合成力ｆｘ＋Ｆｘ，ｆｙ＋Ｆｙ，ｆｚ＋Ｆｚを、それぞれｆｘとＦｘ，ｆｙとＦｙ，ｆｚとＦｚに分離する装置である。また、各加速度演算手段１７１〜１７３は、振動子１３０の質量ｍを用いて、ｆ＝ｍ・αなる関係式に基いて、各軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚを演算して出力する装置である。振動子１３０に作用する加速度は、振動子１３０の振動とは無関係に力ｆとして検出されるので、各加速度演算手段１７１〜１７３は、各励振手段１４１〜１４３の動作とは無関係に、各軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚを出力することになる。
【００６５】
一方、各角速度演算手段１８１〜１８３は、図３〜図５に示す原理に基いて、各軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚを演算して出力する装置である。ただ、角速度ωｘ，ωｙ，ωｚの検出は、図３〜図５の原理図にも示されているように、振動子１３０の振動と密接に関係がある。別言すれば、各角速度演算手段１８１〜１８３は、各励振手段１４１〜１４３の動作状態を考慮した上でなければ、角速度を演算することはできないのである。これを個々の場合ごとに説明しておく。
【００６６】
まず、図３に示す原理に基いて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出するには、Ｚ軸方向励振手段１４３を駆動して振動子１３０にＺ軸方向の振動Ｕｚを与えた状態において、Ｙ軸方向信号分離手段１６２によって分離されたＹ軸方向のコリオリ力Ｆｙを角速度演算手段１８２に与える。角速度演算手段１８２は、Ｆｙ＝２ｍ・ｖｚ・ωｘなる演算式に基いて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを演算し、これを出力する。このとき、振動子１３０のＺ軸方向についての瞬間速度ｖｚは、Ｚ軸方向励振手段１４３の動作態様に基いて推定する。たとえば、§２で述べた具体的な構造をもった検出装置では、上部電極Ｅ１〜Ｅ４に所定の交流電圧を供給して振動Ｕｚを与えることになるが、振動子１３０の瞬間速度は、その時点に供給する交流電圧の振幅、周波数、位相に基いて決定することができる（理論的な演算式によって、供給する交流電圧と振動子の瞬間速度との関係を求めることもできるし、供給する交流電圧の一周期分について振動子の瞬間速度を実測したテーブルを用意しておくこともできる）。なお、図２８の角速度演算手段１８２の出力に、「図３：ωｘ（Ｕｚ）」と記したのは、「図３に示す原理に基いて、振動子１３０に振動Ｕｚを与えるという条件において、角速度ωｘが出力される」ことを示したものである。
【００６７】
次に、図４に示す原理に基いて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出するには、Ｘ軸方向励振手段１４１を駆動して振動子１３０にＸ軸方向の振動Ｕｘを与えた状態において、Ｚ軸方向信号分離手段１６３によって分離されたＺ軸方向のコリオリ力Ｆｚを角速度演算手段１８３に与える。角速度演算手段１８３は、Ｆｚ＝２ｍ・ｖｘ・ωｙなる演算式に基いて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを演算し、これを出力する。このとき、振動子１３０のＸ軸方向についての瞬間速度ｖｘは、Ｘ軸方向励振手段１４１の動作態様に基いて推定する。なお、図２８の角速度演算手段１８３の出力に、「図４：ωｙ（Ｕｘ）」と記したのは、「図４に示す原理に基いて、振動子１３０に振動Ｕｘを与えるという条件において、角速度ωｙが出力される」ことを示したものである。
【００６８】
更に、図５に示す原理に基いて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出するには、Ｙ軸方向励振手段１４２を駆動して振動子１３０にＹ軸方向の振動Ｕｙを与えた状態において、Ｘ軸方向信号分離手段１６１によって分離されたＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを角速度演算手段１８１に与える。角速度演算手段１８１は、Ｆｘ＝２ｍ・ｖｙ・ωｚなる演算式に基いて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを演算し、これを出力する。このとき、振動子１３０のＹ軸方向についての瞬間速度ｖｙは、Ｙ軸方向励振手段１４２の動作態様に基いて推定する。なお、図２８の角速度演算手段１８１の出力に、「図５：ωｚ（Ｕｙ）」と記したのは、「図５に示す原理に基いて、振動子１３０に振動Ｕｙを与えるという条件において、角速度ωｚが出力される」ことを示したものである。
【００６９】
こうして、図２８に示す検出装置によれば、最終的に、加速度演算手段１７１からＸ軸方向の加速度αｘが、加速度演算手段１７２からＹ軸方向の加速度αｙが、加速度演算手段１７３からＺ軸方向の加速度αｚが、それぞれ出力されることになり、更に、角速度演算手段１８２からＸ軸まわりの角速度ωｘが、角速度演算手段１８３からＹ軸まわりの角速度ωｙが、角速度演算手段１８１からＺ軸まわりの角速度ωｚが、それぞれ出力されることになる。なお、図２８に示す各角速度演算手段１８１〜１８３からは、「図３１：ωｙ（Ｕｚ）」、「図３２：ωｚ（Ｕｘ）」、「図３０：ωｘ（Ｕｙ）」なる出力も得られる旨が示されているが、これについては、§６において説明する。
【００７０】
この図２８に示す検出装置により、各軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚと、各軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚと、を検出するための検出動作を、「第１の実施例による検出動作」として、図２９の流れ図に示す。
【００７１】
まず、ステップＳ２１において、振動子１３０に振動Ｕｚを与えた状態（すなわち、Ｚ軸方向励振手段１４３を駆動した状態）で、Ｙ軸方向力検出手段１５２から合成力ｆｙ＋Ｆｙを取り出し、Ｙ軸方向信号分離手段１６２により、力ｆｙとコリオリ力Ｆｙとに分離する。そして、加速度演算手段１７２において、力ｆｙに基いて加速度αｙを演算してこれを出力し、角速度演算手段１８２において、コリオリ力Ｆｙに基いて角速度ωｘを演算してこれを出力するのである。こうして、ステップＳ２１では、加速度αｙと角速度ωｘとが検出できる。
【００７２】
次に、ステップＳ２２において、振動子１３０に振動Ｕｘを与えた状態（すなわち、Ｘ軸方向励振手段１４１を駆動した状態）で、Ｚ軸方向力検出手段１５３から合成力ｆｚ＋Ｆｚを取り出し、Ｚ軸方向信号分離手段１６３により、力ｆｚとコリオリ力Ｆｚとに分離する。そして、加速度演算手段１７３において、力ｆｚに基いて加速度αｚを演算してこれを出力し、角速度演算手段１８３において、コリオリ力Ｆｚに基いて角速度ωｙを演算してこれを出力するのである。こうして、ステップＳ２１では、加速度αｚと角速度ωｙとが検出できる。
【００７３】
続く、ステップＳ２３において、振動子１３０に振動Ｕｙを与えた状態（すなわち、Ｙ軸方向励振手段１４２を駆動した状態）で、Ｘ軸方向力検出手段１５１から合成力ｆｘ＋Ｆｘを取り出し、Ｘ軸方向信号分離手段１６１により、力ｆｘとコリオリ力Ｆｘとに分離する。そして、加速度演算手段１７１において、力ｆｘに基いて加速度αｘを演算してこれを出力し、角速度演算手段１８１において、コリオリ力Ｆｘに基いて角速度ωｚを演算してこれを出力するのである。こうして、ステップＳ２１では、加速度αｘと角速度ωｚとが検出できる。
【００７４】
最後に、ステップＳ２４を経て、検出動作を継続する限り、ステップＳ２１からの処理が繰り返し実行される。この図２９に示す「第１の実施例による検出動作」は、図２０に示した「基本的な検出動作」に比べて、１ステップ分が省略されている。すなわち、「基本的な検出動作」では、加速度検出を行うために、ステップＳ１１において、振動子を静止状態に保った検出を行っていたのに対し、ここで述べた「第１の実施例による検出動作」では、振動子を振動させた状態でも加速度検出を行うことができるので、振動子を静止させる必要はないのである。このため、図２８に示す検出装置では、従来提案されている検出装置に比べて応答性が改善されることになる。
【００７５】
§６．本発明に係る検出装置の第２の実施例
さて、§５では、図２８に示す基本構成をもった検出装置とその動作を説明した。その動作によれば、角速度に関しては、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが図３の原理に基いて角速度演算手段１８２から出力され、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが図４の原理に基いて角速度演算手段１８３から出力され、Ｚ軸まわりの角速度ωｚが図５の原理に基いて角速度演算手段１８１から出力されることになる。ただ、図２８には、各角速度演算手段１８１〜１８３の出力について、「図３０：ωｙ（Ｕｚ）」、「図３１：ωｚ（Ｕｘ）」、「図２９：ωｘ（Ｕｙ）」なる別な出力も得られる旨の記載がある。これは、各角速度の検出原理として、図３〜図５の組み合わせの他に、図３０〜図３２の組み合わせも存在することを示すものである。すなわち、コリオリ力を利用した角速度の検出は、「第１の座標軸方向に振動を与えたときに、第２の座標軸方向に発生するコリオリ力を検出すれば、第３の座標軸まわりの角速度が得られる」という基本原理に基くものであり、この基本原理における第１，第２，第３の各座標軸を、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各座標軸に、どのように対応させてもかまわないのである。
【００７６】
同じＸ軸まわりの角速度ωｘを検出する方法であっても、図３では、Ｚ軸方向の振動Ｕｚを与えたときにＹ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｙを検出しているのに対し、図３０では、Ｙ軸方向の振動Ｕｙを与えたときにＺ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｚを検出しているのである。また、同じＹ軸まわりの角速度ωｙを検出する方法であっても、図４では、Ｘ軸方向の振動Ｕｘを与えたときにＺ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｚを検出しているのに対し、図３１では、Ｚ軸方向の振動Ｕｚを与えたときにＸ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｘを検出しているのである。同様に、同じＺ軸まわりの角速度ωｚを検出する方法であっても、図５では、Ｙ軸方向の振動Ｕｙを与えたときにＸ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｘを検出しているのに対し、図３２では、Ｘ軸方向の振動Ｕｘを与えたときにＹ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｙを検出しているのである。
【００７７】
したがって、図２８に示す検出装置を、図３０〜図３２に示す原理に基いて動作させることも可能である。これを個々の場合ごとに説明しておく。
【００７８】
まず、図３０に示す原理に基いて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出するには、Ｙ軸方向励振手段１４２を駆動して振動子１３０にＹ軸方向の振動Ｕｙを与えた状態において、Ｚ軸方向信号分離手段１６３によって分離されたＺ軸方向のコリオリ力Ｆｚを角速度演算手段１８３に与える。角速度演算手段１８３は、Ｆｚ＝２ｍ・ｖｙ・ωｘなる演算式に基いて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを演算し、これを出力する。このとき、振動子１３０のＹ軸方向についての瞬間速度ｖｙは、Ｙ軸方向励振手段１４２の動作態様に基いて推定する。角速度演算手段１８３の出力に、「図３０：ωｘ（Ｕｙ）」と記したのは、「図３０に示す原理に基いて、振動子１３０に振動Ｕｙを与えるという条件において、角速度ωｘが出力される」ことを示したものである。
【００７９】
次に、図３１に示す原理に基いて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出するには、Ｚ軸方向励振手段１４３を駆動して振動子１３０にＺ軸方向の振動Ｕｚを与えた状態において、Ｘ軸方向信号分離手段１６１によって分離されたＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを角速度演算手段１８１に与える。角速度演算手段１８１は、Ｆｘ＝２ｍ・ｖｚ・ωｙなる演算式に基いて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを演算し、これを出力する。このとき、振動子１３０のＺ軸方向についての瞬間速度ｖｚは、Ｚ軸方向励振手段１４３の動作態様に基いて推定する。角速度演算手段１８１の出力に、「図３１：ωｙ（Ｕｚ）」と記したのは、「図３１に示す原理に基いて、振動子１３０に振動Ｕｚを与えるという条件において、角速度ωｙが出力される」ことを示したものである。
【００８０】
更に、図３２に示す原理に基いて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出するには、Ｘ軸方向励振手段１４１を駆動して振動子１３０にＸ軸方向の振動Ｕｘを与えた状態において、Ｙ軸方向信号分離手段１６２によって分離されたＹ軸方向のコリオリ力Ｆｙを角速度演算手段１８２に与える。角速度演算手段１８２は、Ｆｙ＝２ｍ・ｖｘ・ωｚなる演算式に基いて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを演算し、これを出力する。このとき、振動子１３０のＸ軸方向についての瞬間速度ｖｘは、Ｘ軸方向励振手段１４１の動作態様に基いて推定する。角速度演算手段１８２の出力に、「図３２：ωｚ（Ｕｘ）」と記したのは、「図３２に示す原理に基いて、振動子１３０に振動Ｕｘを与えるという条件において、角速度ωｚが出力される」ことを示したものである。
【００８１】
このように、図２８に示す検出装置には、図３〜図５の３とおりの原理に基く検出方法と、図３０〜図３２の３とおりの原理に基く検出方法と、のいずれをも適用することができるが、本願発明者は、この合計６とおりの原理のうちから、３とおりの原理をうまく選択してやることにより、検出動作および装置構成をより単純化することができることに気が付いた。ここで述べる第２の実施例は、このような基本思想に基き、§５で述べた第１の実施例を更に単純化したものである。
【００８２】
いま、図２８に示す第１の実施例に係る装置において、角速度の検出原理として、図３によるωｘの検出、図３１によるωｙの検出、図３２によるωｚの検出、の３とおりの原理を選択したとする。すると、図２８に示す第１の実施例に係る検出装置は、図３３に示すような第２の実施例に係る検出装置に単純化される。図３３の検出装置は、図２８の検出装置において、Ｙ軸方向励振手段１４２と角速度演算手段１８３とを削除したものである。選択した図３，図３１，図３２の３とおりの検出原理を採用する限りは、Ｙ軸方向の振動Ｕｙを与える必要はなく、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｚを用いた角速度演算は必要ないのである。
【００８３】
この図３３に示す検出装置により、各軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚと、各軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚと、を検出するための検出動作を、「第２の実施例による検出動作」として、図３４の流れ図に示す。
【００８４】
まず、ステップＳ３１において、振動子１３０に振動Ｕｚを与えた状態（すなわち、Ｚ軸方向励振手段１４３を駆動した状態）で、次の２とおりの検出を行う。第１の検出としては、Ｙ軸方向力検出手段１５２から合成力ｆｙ＋Ｆｙを取り出し、Ｙ軸方向信号分離手段１６２により、力ｆｙとコリオリ力Ｆｙとに分離する。そして、加速度演算手段１７２において、力ｆｙに基いて加速度αｙを演算してこれを出力し、角速度演算手段１８２において、コリオリ力Ｆｙに基いて角速度ωｘを演算してこれを出力するのである。これは図３の原理に基く検出である。同時に、次のような第２の検出を行う。すなわち、Ｘ軸方向力検出手段１５１から合成力ｆｘ＋Ｆｘを取り出し、Ｘ軸方向信号分離手段１６１により、力ｆｘとコリオリ力Ｆｘとに分離する。そして、加速度演算手段１７１において、力ｆｘに基いて加速度αｘを演算してこれを出力し、角速度演算手段１８１において、コリオリ力Ｆｘに基いて角速度ωｙを演算してこれを出力するのである。これは図３１の原理に基く検出である。こうして、ステップＳ３１では、加速度αｙ，αｙと角速度ωｘ，ωｙとが検出できる。
【００８５】
次に、ステップＳ３２において、振動子１３０に振動Ｕｘを与えた状態（すなわち、Ｘ軸方向励振手段１４１を駆動した状態）で、次の２とおりの検出を行う。第１の検出としては、Ｚ軸方向力検出手段１５３から合成力ｆｚ＋Ｆｚを取り出し、Ｚ軸方向信号分離手段１６３により、力ｆｚとコリオリ力Ｆｚとに分離する。そして、加速度演算手段１７３において、力ｆｚに基いて加速度αｚを演算してこれを出力する。この第１の検出では、加速度の検出だけを行えばよい（図４の原理を利用すれば、コリオリ力Ｆｚに基いて、角速度ωｙを求めることも可能であるが、角速度ωｙは既にステップＳ３１で求められている）。同時に、次のような第２の検出を行う。すなわち、Ｙ軸方向力検出手段１５２から合成力ｆｙ＋Ｆｙを取り出し、Ｙ軸方向信号分離手段１６２により、力ｆｙとコリオリ力Ｆｙとに分離する。そして、角速度演算手段１８２において、コリオリ力Ｆｙに基いて角速度ωｚを演算してこれを出力するのである。これは図３２の原理に基く検出である。こうして、ステップＳ３２では、加速度αｚと角速度ωｚとが検出できる。
【００８６】
最後に、ステップＳ３３を経て、検出動作を継続する限り、ステップＳ３１からの処理が繰り返し実行される。この図３４に示す「第２の実施例による検出動作」は、図２９に示した「第１の実施例による検出動作」に比べて、更に１ステップ分が省略されている。すなわち、「第１の実施例による検出動作」では、振動子をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方向に振動させた状態での検出を行っていたのに対し、ここで述べた「第２の実施例による検出動作」では、Ｘ軸とＺ軸との２軸方向に振動させた状態だけですべての検出を行うことができる。このため、図３３に示す検出装置では、応答性が更に改善されることになる。
【００８７】
§７．本発明に係る検出装置の第３の実施例
これまで、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚと、各軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚと、の６つの成分を検出する三次元の加速度／角速度検出装置の例を述べてきた。しかし、用途によっては、Ｘ軸およびＹ軸の２軸方向の加速度αｘ，αｙと、２軸まわりの角速度ωｘ，ωｙのみが得られればよい二次元の加速度／角速度検出装置の需要も十分に考えられる。このような二次元の検出装置に本発明を適用した第３の実施例は、更に構成が単純化される。
【００８８】
図３５は、この第３の実施例の基本構成を示すブロック図である。図３３に示す第２の実施例と比較すると、更に、Ｘ軸方向励振手段１４１、Ｚ軸方向力検出手段１５３、加速度演算手段１７３が削除されている。このような構成でも、必要な加速度および角速度は支障なく検出することが可能である。すなわち、加速度αｘは加速度演算手段１７１により得られ、加速度αｙは加速度演算手段１７２により得られる。また、角速度ωｘは、Ｚ軸方向励振手段１４３によって振動Ｕｚを与えた状態において、角速度演算手段１８２により得られ（図３の原理）、角速度ωｙは、Ｚ軸方向励振手段１４３によって振動Ｕｚを与えた状態において、角速度演算手段１８１により得られる（図３１の原理）。
【００８９】
この図３５に示す検出装置により、二軸方向の加速度αｘ，αｙと、二軸まわりの角速度ωｘ，ωｙと、を検出するための検出動作は、図３４に示した「第２の実施例による検出動作」の中のステップＳ３１のみで足りる。別言すれば、「第３の実施例による検出動作」は、図３４のステップＳ３１のみからなる動作になる。これは、振動子１３０を常にＺ軸方向にだけ振動させておけば、すべての検出値が得られることを意味する。このように、振動子の振動態様を変える必要がないので、非常に効率的な検出動作が可能になり、応答性は極めて良好なものになる。
【００９０】
§８．二次元の検出に適した具体的な検出装置の構造
上述の§７で述べたように、Ｘ軸およびＹ軸の２軸方向の加速度αｘ，αｙと、２軸まわりの角速度ωｘ，ωｙのみを得ることを目的とした二次元の検出装置では、図３５のブロック図に示されているように、励振手段としては、Ｚ軸方向励振手段１４３のみを設ければよいし、力検出手段としては、Ｘ軸方向力検出手段１５１およびＹ軸方向力検出手段１５２のみを設ければよい。したがって、このような二次元の検出装置では、三次元の検出装置に比べて、圧電素子上に設ける上部電極の数を削減することができる。たとえば、図１０に示す三次元の検出装置では、圧電素子１０上に、励振手段として機能する４枚の上部電極Ｅ１〜Ｅ４と、力検出手段として機能する８枚の上部電極Ａ１〜Ａ８と、を設け、３軸すべての方向についての励振と力検出とを実現している。しかし、二次元の検出装置は、より少ない上部電極をもった構造で実現が可能である。
【００９１】
図３６は、二次元の検出に適した具体的な検出装置の構造例を示す上面図であり、図３７は、この検出装置をＸＺ平面に沿って切った側断面図である。この検出装置における各上部電極と、図３５に示すブロック要素との対応関係は次のようになる。まず、上部電極Ｅ１０は、Ｚ軸方向励振手段１４３として機能し、上部電極Ｅ１０と下部電極Ｂとの間に所定の交流電圧を印加することにより、中心部１１をＺ軸方向に振動させることができる。また、上部電極Ａ１１，Ａ１２は、Ｘ軸方向力検出手段１５１として機能し、ここに発生する電荷に基づいて、中心部１１のＸ軸方向に関する変位を検出することができる。更に、上部電極Ａ１３，Ａ１４は、Ｙ軸方向力検出手段１５２として機能し、ここに発生する電荷に基づいて、中心部１１のＹ軸方向に関する変位を検出することができる。結局、圧電素子１０上には、この５枚の上部電極Ｅ１０，Ａ１１〜Ａ１４を設けるだけで、図３５に示す二次元の検出装置を実現できることになる。
【００９２】
図３８は、二次元の検出に適した具体的な検出装置のまた別な構造例を示す上面図であり、図３９は、この検出装置をＸＺ平面に沿って切った側断面図である。この図３８に示す検出装置と、図３６に示す検出装置との相違は、励振用の上部電極と力検出用の上部電極との位置関係を内外逆にした点だけである。この検出装置における各上部電極と、図３５に示すブロック要素との対応関係は次のようになる。まず、上部電極Ｅ２０は、Ｚ軸方向励振手段１４３として機能し、上部電極Ｅ２０と下部電極Ｂとの間に所定の交流電圧を印加することにより、中心部１１をＺ軸方向に振動させることができる。また、上部電極Ａ２１，Ａ２２は、Ｘ軸方向力検出手段１５１として機能し、ここに発生する電荷に基づいて、中心部１１のＸ軸方向に関する変位を検出することができる。更に、上部電極Ａ２３，Ａ２４は、Ｙ軸方向力検出手段１５２として機能し、ここに発生する電荷に基づいて、中心部１１のＹ軸方向に関する変位を検出することができる。
【００９３】
このように、二次元の検出だけが必要な検出装置では、上部電極を最小限の数で構成することによって、全体的な製造コストの削減を図ることができる。
【００９４】
§９．本発明の適用対象となる容量式の検出装置
本発明の適用対象となる検出装置の一例として、§２においては、圧電素子１０を用いた装置を説明した。既に述べたように、本発明は、図６のブロック図に示すような構成をもつ検出装置であれば、どのような検出装置に対しても適用可能であるが、ここでは、参考のために、本発明の適用対象となる容量式の検出装置の一例を簡単に説明しておく。この検出装置は、特許協力条約に基づく国際公開ＷＯ９４／２３２７２号公報に開示されているものである。
【００９５】
図４０は、この容量式の検出装置２００の側断面図である。この検出装置の主たる構成要素は、起歪体２１０、振動子２２０、台座２３０、ベース基板２４０、蓋板２５０である。起歪体２１０の上面図を図４１に示す。この図４１に示されているように、起歪体２１０は正方形状の金属板であり、その下面には、図４１に破線で示すような円環状の溝が形成されている。図４０の側断面図に明瞭に示されているように、この溝の形成部分において、起歪体２１０の厚みは小さくなっており、この部分が可撓性を有する構造になっている。ここでは、起歪体２１０を、円環状の溝部よりも内側に存在する中心部２１１と、円環状の溝部上方に存在する肉厚の薄い可撓部２１２と、円環状の溝部よりも外側に存在する周囲部２１３と、の３つの部分に分けて考えることにする。中心部２１１の底面には、振動子２２０が接合されている。この振動子２２０は、ある程度の質量をもった盤状の金属塊であり、この振動子２２０に作用する加速度に基づく力やコリオリ力によって、加速度や角速度の検出が行われることになる。一方、周囲部２１３の底面には、振動子２２０の周囲を囲うように台座２３０が接合されており、この台座２３０の底面は、ベース基板２４０に接合されている。結局、振動子２２０は、台座２３０で囲まれた空間内に宙吊りの状態になっている。また、起歪体２１０の上面には、蓋板２５０が接合されているが、この蓋板２５０は、図のように内部に空間を確保できる構造をもっている。
【００９６】
起歪体２１０の上面と蓋板２５０の下面との間に形成された空間内には、上部電極Ｅ０と下部電極Ｆ１〜Ｆ５とが配置されている。下部電極Ｆ１〜Ｆ５は、図４１に示すような形状をした電極であり、起歪体２１０上面の図示のような位置に固着されている。一方、上部電極Ｅ０は、５枚の下部電極Ｆ１〜Ｆ５のすべてに対向する共通電極として機能できる円盤状の電極であり、蓋板２５０の下面に固着されている。結局、個々の下部電極Ｆ１〜Ｆ５と共通の上部電極Ｅ０とによって、５組の容量素子が形成されていることになる。
【００９７】
上述したように、振動子２２０は、台座２３０で囲まれた空間内に宙吊りになっており、可撓部２１２が可撓性を有するため、この振動子２２０は図に示すＸＹＺの３軸方向にある程度の自由度をもって移動することができる。そこで、各電極間に所定の交流電圧を与えれば、振動子２２０を所望の方向に振動させることができる。たとえば、下部電極Ｆ１と上部電極Ｅ０との間に同じ極性の電荷を与えれば、クーロン力による斥力が作用し、両電極間隔は広がることになる。このとき同時に、下部電極Ｆ２と上部電極Ｅ０との間に異なる極性の電荷を与えれば、クーロン力による引力が作用し、両電極間隔は狭まることになる。その結果、振動子２２０はＸ軸の正の方向に変位を生じることになる。斥力と引力との関係を逆転すれば、振動子２２０は今度はＸ軸の負の方向に変位を生じることになる。こうして、Ｘ軸に沿った正負の変位が交番して行われるようにすれば、振動子２２０がＸ軸に沿って振動することになる。また、下部電極Ｆ３，Ｆ４を用いて同様のことを行えば、振動子２２０をＹ軸に沿って振動させることも可能になる。更に、下部電極Ｆ５を用いれば、Ｚ軸方向に沿った振動も可能である。すなわち、下部電極Ｆ５と上部電極Ｅ０とに同じ極性の電荷を与えれば斥力の作用により両電極間隔は広がり、異なる極性の電荷を与えれば引力の作用により両電極間隔は狭まるので、これを交番して行えば、振動子２２０はＺ軸方向に沿って振動することになる。このように、この装置は、図６に示す各軸方向の励振手段１４１〜１４３を備えていることになる。
【００９８】
一方、この装置は、図６に示す各軸方向の力検出手段１５１〜１５３をも備えた装置である。いま、振動子２２０に、加速度に基づく力やコリオリ力が作用した場合を考える。たとえば、Ｘ軸方向の力が作用した場合、振動子２２０はＸ軸に変位を生じることになるので、下部電極Ｆ１と上部電極Ｅ０との距離、および下部電極Ｆ２と上部電極Ｅ０との距離、にそれぞれ変化が生じることになる。また、Ｙ軸方向の力が作用した場合、振動子２２０はＹ軸方向に変位を生じることになるので、下部電極Ｆ３と上部電極Ｅ０との距離、および下部電極Ｆ４と上部電極Ｅ０との距離、にそれぞれ変化が生じることになる。更に、Ｚ軸方向の力が作用した場合、振動子２２０はＺ軸方向に変位を生じることになるので、下部電極Ｆ５と上部電極Ｅ０との距離に変化が生じることになる。このような対向する一対の電極間の距離変化は、この一対の電極によって形成される容量素子の静電容量値に変化を及ぼす。したがって、各容量素子の静電容量値の変化を電気的に検出することができれば、振動子２２０の変位を検出することが可能になり、結果的に、振動子２２０に作用した各軸方向の力を検出することができるようになる。
【００９９】
以上のように、この容量式の検出装置２００は、図６に示す各軸方向の励振手段１４１〜１４３と、各軸方向の力検出手段１５１〜１５３を備えた装置であり、§２で述べた圧電式の検出装置と同様に、本発明を適用することが可能である。なお、図示した容量式の検出装置２００では、各下部電極Ｆ１〜Ｆ５が、励振手段と力検出手段との双方の機能を担うことになるが、本発明を適用する場合には、必要に応じて、励振手段として機能する部分と力検出手段として機能する部分とを、物理的に分離した構造にするのが好ましい。
【０１００】
以上、本発明を図示するいくつかの実施例に基いて説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、この他にも種々の態様で実施可能である。要するに、本発明の基本思想は、振動子を振動させた状態において、振動子に作用する合成力を、加速度に起因する力ｆと角速度に起因するコリオリ力Ｆとに分離し、加速度と角速度とを同時に検出できるようにする点にあり、このような技術思想の範疇に含まれる限り、どのような態様で実施してもかまわない。
【０１０１】
【発明の効果】
以上のとおり本発明に係る検出装置によれば、振動中の振動子に作用した合成力を、加速度に起因した力と角速度に起因したコリオリ力とに分離し、加速度と角速度とを同時に検出できるようにしたため、加速度と角速度との双方を十分な応答性をもって検出することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来提案されているコリオリ力を利用した一次元角速度検出装置の基本原理を示す斜視図である。
【図２】角速度検出装置における検出対象となるＸＹＺ三次元座標系における各軸まわりの角速度を示す図である。
【図３】本発明に係る検出装置を用いてＸ軸まわりの角速度ωｘを検出する基本原理を説明する図である。
【図４】本発明に係る検出装置を用いてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出する基本原理を説明する図である。
【図５】本発明に係る検出装置を用いてＺ軸まわりの角速度ωｚを検出する基本原理を説明する図である。
【図６】本発明に係る検出装置における角速度検出を行う構成要素を示すブロック図である。
【図７】本発明に係る検出装置における加速度検出を行う構成要素を示すブロック図である。
【図８】本発明の具体的な構造例に係る検出装置を斜め上方から見た斜視図である。
【図９】図８に示す検出装置を斜め下方から見た斜視図である。
【図１０】図８に示す検出装置の上面図である。
【図１１】図８に示す検出装置をＸＺ平面で切断した側断面図である。
【図１２】図８に示す検出装置の下面図である。
【図１３】図８に示す検出装置における圧電素子１０の分極特性を示す図である。
【図１４】図８に示す検出装置の重心Ｐに対してＸ軸方向の変位Ｄｘを誘起した状態を示す側断面図である。
【図１５】図８に示す検出装置の重心Ｐに対してＺ軸方向の変位Ｄｚを誘起した状態を示す側断面図である。
【図１６】図８に示す検出装置の重心Ｐに対してＸ軸方向の力ｆｘが作用した状態を示す側断面図である。
【図１７】図８に示す検出装置の重心Ｐに対してＺ軸方向の力ｆｚが作用した状態を示す側断面図である。
【図１８】図８に示す検出装置に、加速度に基づく各軸方向の力ｆｘ，ｆｙ，ｆｚが作用したときの各上部電極Ａ１〜Ａ８に発生する電荷の極性を示す表である。
【図１９】図８に示す検出装置に用いる検出回路の一例を示す回路図である。
【図２０】本発明の適用対象となる検出装置についての一般的な検出動作の手順を示す流れ図である。
【図２１】本発明の適用対象となる検出装置において、振動子に与える振動、作用した角速度、発生したコリオリ力、作用した加速度、の具体的条件を示すグラフである。
【図２２】図２１に示す条件において、実際に検出される合成力を示すグラフである。
【図２３】図２２に示す合成力のグラフについて、変極点Ｐ１〜Ｐ９を求めた状態を示すグラフである。
【図２４】図２３において求めた変極点Ｐ１〜Ｐ９に基いて、参照線Ｑ１２〜Ｑ８９を求めた状態を示すグラフである。
【図２５】図２４において求めた参照線Ｑ１２〜Ｑ８９上に、参照点ｍ１〜ｍ８をプロットした状態を示すグラフである。
【図２６】図２５において求めた参照点ｍ１〜ｍ８を結ぶことにより、合成力のバイアス成分である力ｆを抽出した状態を示すグラフである。
【図２７】コリオリ力Ｆｙの包絡線Ｅとして、角速度を求める状態を示すグラフである。
【図２８】本発明の第１の実施例に係る検出装置の基本構成を示すブロック図である。
【図２９】図２８に示す第１の実施例に係る検出装置の検出動作の手順を示す流れ図である。
【図３０】本発明に係る検出装置を用いてＸ軸まわりの角速度ωｘを検出する別な基本原理を説明する図である。
【図３１】本発明に係る検出装置を用いてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出する別な基本原理を説明する図である。
【図３２】本発明に係る検出装置を用いてＺ軸まわりの角速度ωｚを検出する別な基本原理を説明する図である。
【図３３】本発明の第２の実施例に係る検出装置の基本構成を示すブロック図である。
【図３４】図３３に示す第２の実施例に係る検出装置の検出動作の手順を示す流れ図である。
【図３５】本発明の第３の実施例に係る検出装置の基本構成を示すブロック図である。
【図３６】二次元の検出に適した具体的な検出装置の構造を示す上面図である。
【図３７】図３６に示す検出装置をＸＺ平面で切断した側断面図である。
【図３８】二次元の検出に適したまた別な具体的な検出装置の構造を示す上面図である。
【図３９】図３８に示す検出装置をＸＺ平面で切断した側断面図である。
【図４０】本発明を適用することができる容量式の検出装置２００の側断面図である。
【図４１】図３６に示す検出装置における起歪体２１０の上面図である。
【符号の説明】
１０…圧電素子
１１…中心部
１２…可撓部
１３…周囲部
１５…環状溝
３１〜３８…Ｑ／Ｖ変換回路
４１〜４３…演算器
１１０…振動子
１１１，１１２…圧電素子
１２０…物体
１３０…振動子
１４１…Ｘ軸方向励振手段
１４２…Ｙ軸方向励振手段
１４３…Ｚ軸方向励振手段
１５１…Ｘ軸方向力検出手段
１５２…Ｙ軸方向力検出手段
１５３…Ｚ軸方向力検出手段
１６１…Ｘ軸方向信号分離手段
１６２…Ｙ軸方向信号分離手段
１６３…Ｚ軸方向信号分離手段
１７１〜１７３…加速度演算手段
１８１〜１８３…角速度演算手段
２００…容量式の検出装置
２１０…起歪体
２１１…中心部
２１２…可撓部
２１３…周囲部
２２０…振動子
２３０…台座
２４０…ベース基板
２５０…蓋板
Ａ，Ａ１〜Ａ８，Ａ１１〜Ａ１４，Ａ２１〜Ａ２４…上部電極
Ｂ…下部電極
Ｅ…包絡線
Ｅ０，Ｅ１〜Ｅ４，Ｅ１０，Ｅ２０…上部電極
Ｆ１〜Ｆ５…下部電極
ｍ１〜ｍ８…参照点
Ｏ…原点
Ｐ…重心
Ｐ１〜Ｐ９…変極点
Ｑ１〜Ｑ９…区画線
Ｑ１２〜Ｑ８９…参照線
Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ…出力端子

Claims

ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の加速度および各軸まわりの角速度を検出する装置であって、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、前記溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、前記可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、前記可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
前記周囲部を固定する装置筐体と、
前記中心部自身もしくは前記中心部に接続された質量体からなり、前記装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分をＸ軸に沿って伸縮運動させることにより、前記振動子をＸ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第１の励振手段と、
前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分をＹ軸に沿って伸縮運動させることにより、前記振動子をＹ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第２の励振手段と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分をＸ軸に沿って伸縮運動させるとともに、前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分をＹ軸に沿って伸縮運動させることにより、前記振動子をＺ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第３の励振手段と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＸ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、前記振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＹ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、前記振動子に加わるＹ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＸ軸方向に関する伸縮状態、ならびに前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＹ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、前記振動子に加わるＺ軸方向への力を検出する第３の力検出手段と、
前記第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
前記第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
前記第３の力検出手段によって得られる第３の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第３の信号分離手段と、
前記第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
前記第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｙ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
前記第３の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｚ軸方向の加速度を求める第３の加速度演算手段と、
前記第２の励振手段を駆動して前記振動子をＹ軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
前記第３の励振手段を駆動して前記振動子をＺ軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
前記第１の励振手段を駆動して前記振動子をＸ軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第３の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を求める第３の角速度演算手段と、
を備え、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出する機能を有することを特徴とする加速度と角速度との双方を検出する装置。
ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の加速度および各軸まわりの角速度を検出する装置であって、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、前記溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、前記可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、前記可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
前記周囲部を固定する装置筐体と、
前記中心部自身もしくは前記中心部に接続された質量体からなり、前記装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分をＸ軸に沿って伸縮運動させることにより、前記振動子をＸ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第１の励振手段と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分をＸ軸に沿って伸縮運動させるとともに、前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分をＹ軸に沿って伸縮運動させることにより、前記振動子をＺ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第２の励振手段と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＸ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、前記振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＹ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、前記振動子に加わるＹ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＸ軸方向に関する伸縮状態、ならびに前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＹ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、前記振動子に加わるＺ軸方向への力を検出する第３の力検出手段と、
前記第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
前記第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
前記第３の力検出手段によって得られる第３の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第３の信号分離手段と、
前記第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
前記第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｙ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
前記第３の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｚ軸方向の加速度を求める第３の加速度演算手段と、
前記第２の励振手段を駆動して前記振動子をＺ軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
前記第１の励振手段を駆動して前記振動子をＸ軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度を求めるとともに、前記第２の励振手段を駆動して前記振動子をＺ軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
を備え、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出する機能を有することを特徴とする加速度と角速度との双方を検出する装置。
ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の加速度および各軸まわりの角速度を検出する装置であって、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、前記溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、前記可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、前記可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
前記周囲部を固定する装置筐体と、
前記中心部自身もしくは前記中心部に接続された質量体からなり、前記装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分をＸ軸に沿って伸縮運動させることにより、前記振動子をＸ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第１の励振手段と、
前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分をＹ軸に沿って伸縮運動させることにより、前記振動子をＹ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第２の励振手段と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＸ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、前記振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＹ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、前記振動子に加わるＹ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＸ軸方向に関する伸縮状態、ならびに前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＹ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、前記振動子に加わるＺ軸方向への力を検出する第３の力検出手段と、
前記第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
前記第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
前記第３の力検出手段によって得られる第３の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第３の信号分離手段と、
前記第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
前記第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｙ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
前記第３の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｚ軸方向の加速度を求める第３の加速度演算手段と、
前記第２の励振手段を駆動して前記振動子をＹ軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
前記第１の励振手段を駆動して前記振動子をＸ軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第３の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を求めるとともに、前記第２の励振手段を駆動して前記振動子をＹ軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第３の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
を備え、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出する機能を有することを特徴とする加速度と角速度との双方を検出する装置。
ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向の加速度およびＸ軸まわりの角速度と、Ｙ軸方向の加速度およびＹ軸まわりの角速度と、を検出する装置であって、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、前記溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、前記可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、前記可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
前記周囲部を固定する装置筐体と、
前記中心部自身もしくは前記中心部に接続された質量体からなり、前記装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分をＸ軸に沿って伸縮運動させるとともに、前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分をＹ軸に沿って伸縮運動させることにより、前記振動子をＺ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる励振手段と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＸ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、前記振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＹ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、前記振動子に加わるＹ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
前記第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
前記第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
前記第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
前記第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｙ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
前記第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
前記第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
を備え、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出する機能を有することを特徴とする加速度と角速度との双方を検出する装置。
ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向の加速度およびＸ軸まわりの角速度と、Ｚ軸方向の加速度およびＺ軸まわりの角速度と、を検出する装置であって、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、前記溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、前記可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、前記可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
前記周囲部を固定する装置筐体と、
前記中心部自身もしくは前記中心部に接続された質量体からなり、前記装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分をＹ軸に沿って伸縮運動させることにより、前記振動子をＹ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる励振手段と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＸ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、前記振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＸ軸方向に関する伸縮状態、ならびに前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＹ軸方向に関する伸縮状態を検出することにより、前記振動子に加わるＺ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
前記第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
前記第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
前記第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
前記第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｚ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
前記第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
前記第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
を備え、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出する機能を有することを特徴とする加速度と角速度との双方を検出する装置。
ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の加速度および各軸まわりの角速度を検出する装置であって、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、前記溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、前記可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、前記可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
前記周囲部を固定する装置筐体と、
前記中心部自身もしくは前記中心部に接続された質量体からなり、前記装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分を、Ｚ軸に沿って互いに逆位相となるように往復運動させることにより、前記振動子をＸ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第１の励振手段と、
前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分を、Ｚ軸に沿って互いに逆位相となるように往復運動させることにより、前記振動子をＹ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第２の励振手段と、
前記盤状構造体の前記原点近傍部分を、Ｚ軸に沿って往復運動させることにより、前記振動子をＺ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第３の励振手段と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、前記振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、前記振動子に加わるＹ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
前記盤状構造体の前記原点近傍部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、前記振動子に加わるＺ軸方向への力を検出する第３の力検出手段と、
前記第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
前記第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
前記第３の力検出手段によって得られる第３の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第３の信号分離手段と、
前記第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
前記第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｙ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
前記第３の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｚ軸方向の加速度を求める第３の加速度演算手段と、
前記第２の励振手段を駆動して前記振動子をＹ軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
前記第３の励振手段を駆動して前記振動子をＺ軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
前記第１の励振手段を駆動して前記振動子をＸ軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第３の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を求める第３の角速度演算手段と、
を備え、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出する機能を有することを特徴とする加速度と角速度との双方を検出する装置。
ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の加速度および各軸まわりの角速度を検出する装置であって、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、前記溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、前記可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、前記可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
前記周囲部を固定する装置筐体と、
前記中心部自身もしくは前記中心部に接続された質量体からなり、前記装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分を、Ｚ軸に沿って互いに逆位相となるように往復運動させることにより、前記振動子をＸ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第１の励振手段と、
前記盤状構造体の前記原点近傍部分を、Ｚ軸に沿って往復運動させることにより、前記振動子をＺ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第２の励振手段と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、前記振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、前記振動子に加わるＹ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
前記盤状構造体の前記原点近傍部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、前記振動子に加わるＺ軸方向への力を検出する第３の力検出手段と、
前記第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
前記第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
前記第３の力検出手段によって得られる第３の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第３の信号分離手段と、
前記第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
前記第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｙ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
前記第３の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｚ軸方向の加速度を求める第３の加速度演算手段と、
前記第２の励振手段を駆動して前記振動子をＺ軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
前記第１の励振手段を駆動して前記振動子をＸ軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度を求めるとともに、前記第２の励振手段を駆動して前記振動子をＺ軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
を備え、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出する機能を有することを特徴とする加速度と角速度との双方を検出する装置。
ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の加速度および各軸まわりの角速度を検出する装置であって、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、前記溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、前記可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、前記可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
前記周囲部を固定する装置筐体と、
前記中心部自身もしくは前記中心部に接続された質量体からなり、前記装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分を、Ｚ軸に沿って互いに逆位相となるように往復運動させることにより、前記振動子をＸ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第１の励振手段と、
前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分を、Ｚ軸に沿って互いに逆位相となるように往復運動させることにより、前記振動子をＹ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第２の励振手段と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、前記振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、前記振動子に加わるＹ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
前記盤状構造体の前記原点近傍部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、前記振動子に加わるＺ軸方向への力を検出する第３の力検出手段と、
前記第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
前記第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
前記第３の力検出手段によって得られる第３の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第３の信号分離手段と、
前記第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
前記第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｙ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
前記第３の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｚ軸方向の加速度を求める第３の加速度演算手段と、
前記第２の励振手段を駆動して前記振動子をＹ軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
前記第１の励振手段を駆動して前記振動子をＸ軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第３の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を求めるとともに、前記第２の励振手段を駆動して前記振動子をＹ軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第３の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
を備え、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出する機能を有することを特徴とする加速度と角速度との双方を検出する装置。
ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向の加速度およびＸ軸まわりの角速度と、Ｙ軸方向の加速度およびＹ軸まわりの角速度と、を検出する装置であって、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、前記溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、前記可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、前記可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
前記周囲部を固定する装置筐体と、
前記中心部自身もしくは前記中心部に接続された質量体からなり、前記装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
前記盤状構造体の前記原点近傍部分を、Ｚ軸に沿って往復運動させることにより、前記振動子をＺ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる励振手段と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、前記振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、前記振動子に加わるＹ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
前記第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
前記第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
前記第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
前記第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｙ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
前記第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
前記第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
を備え、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出する機能を有することを特徴とする加速度と角速度との双方を検出する装置。
ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向の加速度およびＸ軸まわりの角速度と、Ｚ軸方向の加速度およびＺ軸まわりの角速度と、を検出する装置であって、
上面がＸＹ平面に含まれ、上面中央に座標系の原点が位置し、下面に溝が形成され、前記溝が形成された肉厚の薄い部分からなる可撓部と、前記可撓部によって囲まれた中心の部分からなる中心部と、前記可撓部の外周に位置する部分からなる周囲部と、を有する盤状構造体と、
前記周囲部を固定する装置筐体と、
前記中心部自身もしくは前記中心部に接続された質量体からなり、前記装置筐体に対して変位を生じるように構成された振動子と、
前記可撓部のＹ軸正領域に位置する所定部分およびＹ軸負領域に位置する所定部分を、Ｚ軸に沿って互いに逆位相となるように往復運動させることにより、前記振動子をＹ軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる励振手段と、
前記可撓部のＸ軸正領域に位置する所定部分およびＸ軸負領域に位置する所定部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、前記振動子に加わるＸ軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、
前記盤状構造体の前記原点近傍部分のＺ軸方向に関する変位を検出することにより、前記振動子に加わるＺ軸方向への力を検出する第２の力検出手段と、
前記第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第１の信号分離手段と、
前記第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とをその周波数成分の相違に基づいて分離する第２の信号分離手段と、
前記第１の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手段と、
前記第２の検出信号についてのバイアス成分に基づいて、Ｚ軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手段と、
前記第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、
前記第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、
を備え、
同一の軸方向への力の検出信号に基づいて求まる加速度と角速度とを、同時に検出する機能を有することを特徴とする加速度と角速度との双方を検出する装置。
請求項１〜５のいずれかに記載の装置において、
圧電素子からなる盤状構造体を用い、この圧電素子の所定箇所に交流電圧を供給する手段を用いて励振手段を構成し、この圧電素子の所定箇所に発生する電圧を検出する手段を用いて力検出手段を構成したことを特徴とする加速度と角速度との双方を検出する装置。
請求項６〜１０のいずれかに記載の装置において、
盤状構造体の上面に形成された一方の電極と、この一方の電極に対向する位置に固定された他方の電極と、により構成される容量素子を所定箇所に構成し、この容量素子に交流電圧を供給する手段を用いて励振手段を構成し、この容量素子の静電容量値の変化を検出する手段を用いて力検出手段を構成したことを特徴とする加速度と角速度との双方を検出する装置。