JPH0450657A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、力や加速度の計測装置として用いられる加速
度センサに関する。

従来の技術 従来、Ｓｉマイクロマシーニング法により作製される加
速度センサとしては種々のものが考えられている。例え
ば、支持部と、重りを有する複数の重り部とを複数本の
梁によ＋）連設し、これにより、それら梁に生じる変形
をその梁の表面に形成された歪検出素子により検出する
ことによって加速度の検出を行うことができるものがあ
る。

また、一般にそのようにして測定された加速度から距離
を求めることもでき、例えば、時間ｔ−Ｏで動き呂す物
体の平面運動の加速度を順次測定していくことによって
、シ＝シにおいて物体の位置を決定す−ることもできる
。この場合、そのような物体の位置を決定するためには
、平面運動における並進加速度のみならず、回転の角加
速度も同時に測定する必要がある。しかし、上述したよ
うなＳｉマイクロマシーニングの方法による微小な加速
度センサでは、並進加速度のみの検出であり、回転の加
速度を同時に検出できるものではない。

発明が解決しようとする課題 そこで、従来において、そのような回転の角加速度を検
出することができる装置として、特願平１−３４３８９
３号に「加速度センサ」として本出願人により出願され
ているものがある。これは、支持部と重りを有する複数
の重り部との間を複数本の梁により連設し、それら梁の
表面に形成された歪検出素子を用いて回転の角加速度を
検出できるようにした、いわゆる、片持ち染型の加速度
センサである。この場合、回転の角加速度は検出するこ
とができるが、重りの重心位置を片持ち梁上に設定して
いるため並進運動に対する感度をなくしてしまい、これ
により通常の物体の運動である並進加速度を検出するこ
とができない。このため、そのような並進加速度をも同
時に検出させるためにはその並進加速度検出用の加速度
センサを別個に設ける必要があり、これにより、２個の
加速度センサが必要となるため安価で小型な装置を提供
することができなくなるという問題が生じる。

課題を解決するための手段 そこで、このような問題点を解決するために、本発明は
、支持部と、重りの形成された複数の重り部と、これら
支持部と重り部との間を連設する複数本の梁と、こ−れ
ら梁の表面にそれぞれ形成された歪検出素子とよりなり
、前記梁に生じる変形により前記歪検出素子を用いて加
速度を検出する加速度センサにおいて、前記それぞれの
梁の表面に形成される前記歪検呂素子をそれら梁の両端
部に位置させて配設した。

作用 これにより、１個の加速度センサのみで、並進加速度の
みならず、回転の角加速度の測定ができるようになり、
これにより、安価で小型な多軸方向の加速度の測定装置
を得ることができると共に、安価なナビゲータ−への応
用が可能となる。

実施例 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本装置である加速度センサの構成の概略を示す
ものである。その中央には固定された支持部１が設けら
れており、この支持部１からは梁としての４本の片持ち
梁２が延在されており、これら片持ち梁２の先端には重
り部３が連設されている。これら重り部３には下方に向
かって負荷質量ｍの重り３ａが形成されている。また、
前記片持ち梁２の表面には、その両端部に位置して歪検
出素子としての歪ゲージ４　（Ｒ１〜Ｒ，）が各軸方向
にそれぞれ形成されている。

なお、ここでは、支持部１の中心点を原点とし、片持ち
梁２の延在した方向をそれぞれＸ、Ｙ軸方向とし、これ
らの方向に直交する方向をＺ軸方向とする。

このような構成において、上述したような片持ち梁２の
両端部に位置して形成された歪ゲージ４を有する加速度
センサを用いることによって、最初に、直線方向の加速
度の測定を行う方法について述べる。

まず、加速度センサが鉛直方向に対する傾きＯ＝Ｏで加
速度αを受ける場合について考える。なお、加速度セン
サの鉛直方向にＩＧ程度の加速度が加わった場合、片持
ち梁４が動く角度は０．１程度であるため、被測定物の
傾きＯ−Ｏの場合の通常の測定条件での片持ち梁２の垂
直方向からのズレは無視するものとする。また、重り３
ａにかかる慣性力ｍαの成分力をｍａｘ、　ｍａｙ、　
ｍαＺとする。

今、Ｘ軸一方向に力（ｍａｘ）が加わったとすると、そ
の方向に沿って形成された片持ち梁２は、重り部３の重
心がその片持ち梁２よりも下方にあるため、第３図（ａ
）に示すような方向に回転力を受け、これにより片持ち
梁２がわずかに歪む。なお、その片持ち梁２の局所的な
延びを＋、何ら変化のない場合をＯ１局所的な縮みを−
で示す。一方、二のＸ軸方向の力を受けた時、Ｙ軸方向
に沿って形成された片持ち梁２にはその梁の端面のせん
断力を受けるため、そのＸ軸方向の力による梁の変形は
無視することができる。

また、Ｙ軸方向に力（ｍαｙ）が加わったとすると、第
３図（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向に沿って形成された
片持ち梁２は変形しこの方向の梁が感度を持ち、逆に、
Ｘ軸方向に沿って形成された片持ち梁２はそのＹ軸方向
の力による梁の変形は無視することができる。

さらに、Ｘ軸方向に力（ｍａＺ）が加わったとすると、
第３図（Ｃ）に示すように、Ｘ、Ｙ軸両方向に沿って形
成された全ての片持ち梁２が変形を受け、これにより両
方向とも感度をもつことになる。

従って、このように４本の片持ち梁２の表面の両端に位
置してそれぞれ歪ゲージ４を形成することによって、各
軸方向の加速度により変化のパターンが異なるため、加
速度の大きさと方向とを決定することができる。

次に、θ≠０の状態で直線方向の加速度αか働いたよう
な場合において、ます、第４図に示すように、Ｘ軸がθ
だけ傾いている加速度センサかＸ軸方向に加速度αＸを
受けたような場合について述べる。

今、Ｘ軸方向に沿って形成された片持ち粱２には、ｍ（
αｘｃｏｓＯ＋ｇｓｉｎ＋Ｏ）の力か作用する。この時
、加速度αが加わる直前（１−〇）での歪ゲージ４の出
力はｍｇｓｉｎθのみによるものであり、これから傾斜
角Ｏを決定することかできるのでｍａＺを求めることが
できる。

また、この加速度センサが加速度αｙを受けた場合には
、前述したθ−〇の場合と同様に、Ｘ軸方向の片持ち梁
２の端面の尖断力となるため、加速度αｙによるＸ軸方
向の片持ち梁２の歪は無視することができる。加速度α
ｙはＹ軸方向の梁の歪から上述と同様にして決定するこ
とができる。

さらに、加速度センサが加速度αＺを受けた場合には、
１＝１で片持ち梁２にかかる回転力は、Ｘ軸、Ｙ軸のど
の方向の梁に対しても等しくなり、ｍ（αｚ＋ｇ）ｓｉ
ｎθとなる。

次に、力Ｆにより回転運動を開始した物体の加速度を測
定する方法について述べる。まず、Ｘ軸、Ｙ軸回りの回
転のうち、Ｙ軸回りの回転力について考える。

第５図は、そのＹ軸回りの回転において片持ち梁２が変
形している様子を示すものである。この場合、加速度α
Ｘ、αｙ、αＺ、βＸ、βｙを独立して検出する回路構
成をアナログ回路で示した例を第６図に示す。この場合
、電圧源Ｖには、歪ゲージ４　（Ｒ−Ｒ，）と分割抵抗
ｒとからなる直列回路が各々接続されている。また、各
歪ゲージ４と分割抵抗ｒとの接続点の電位■１〜Ｖ、は
、αＸ。

αｙ、βＸ、βｙについては第７図の構成で示される４
人力１出力のアンプ５に接続されており、それらアンプ
５の出力Ｖ（ＺＸ、Ｖａｙ、Ｖａｙ、　Ｖａｙからは、
各々検出しようとする加速度のみに出力が現われるよう
になっている。さらに、ＶαＺについては、８人力の加
算器６がアンプ７の入力側に接続され、その出力側がα
Ｚにのみ感応することにより求めることができる。

そして、今、第１表のように、歪ゲージ４か変化すると
、第６図のアナログ回路におけるＶ８〜■、の値は、第
２表に示すような極性の電圧変化を示す。各々の変化の
絶対値はほぼ等しく八■とすることができる。従って、
これによりＶａｙ。

■αｙ、　ｖαｚ、　Ｖａｙ、　Ｖａｙは、検出しよう
とする高力のみに感度を示すことがわかる。

ただし、第２表中、 ■αｘ＝Ｖ、−Ｖ、＋Ｖ、−Ｖ４ Ｖ　ａｙ＝Ｖ、、−Ｖ、＋Ｖ、−Ｖ。

Ｖαｚ＝−Ｖ　−Ｖ、−Ｖ、−Ｖ４ −ｖ、−ｖ、−”ｖ’、−ｖ。

■βｘ＝Ｖ、＋Ｖ、−Ｖ、−〜′４ Ｖβｙ＝ｖ、＋ｖ、−ｖ、−ｖ＠ とする。

また、Ｚ軸回りの回転については、片持ち梁２に働く力
は、主に端面部分のせん断応力であるため、その梁上の
歪ゲージ４の出力はほとんど変化しない。

次に、第８図は、前述した実施例における加速度センサ
の変形例を示すものである。この場合、周辺部に支持部
１が配設され、内側に向かって梁としての片持ち梁２が
４本延在されており、その先端部に重り部３が形成され
ている。

発明の効果 本発明は、支持部と、重りの形成された複数の重り部と
、これら支持部と重り部との間を連設する複数本の梁と
、これら梁の表面にそれぞれ形成された歪検出素子とよ
りなり、的記梁に生じる変形により前記歪検出素子を用
いて加速度を検品する加速度センサにおいて、前記それ
ぞれの梁の表面に形成される前記歪検出素子をそれら梁
の両端部に位置させて配設したので、１個の加速度セン
サのみで、並進加速度のみならず、回転の角加速度の測
定ができるようになり、これにより、安価で小型な多軸
方向の加速度の測定装置を得ることができると共に、安
価なナビゲータ−への応用が可能となるものである。

Ｙ軸回りの各軸方向の力の作用原理を示す説明図、第６
図は力の成分力を検畠するアナログ回路の様子を示す回
路図、第７図はそのアンプの内部回路及びその代表例を
示す構成図、第８図は加速度センサの変形例を示す構成
図である。

ｌ・・・支持部、２・・・梁、３・・・重り部、４・・
・歪検出素子 出　願　人　　　　株式会社　リ　コ　−

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す平面図、第２図はその
縦断側面図、第３図は直線方向の力が発生した場合の力
の作用原理を示す説明図、第４図はＸ軸方向に０だけ傾
斜した加速度センサの様子を示す説明図、第５図は回転
力が発生した場合の、％Ｌｌ−図 図 ＋１ｊｐＸ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　支持部と、重りの形成された複数の重り部と、これら
   支持部と重り部との間を連設する複数本の梁と、これら
   梁の表面にそれぞれ形成された歪検出素子とよりなり、
   前記梁に生じる変形により前記歪検出素子を用いて加速
   度を検出する加速度センサにおいて、前記それぞれの梁
   の表面に形成される前記歪検出素子をそれら梁の両端部
   に位置させて配設したことを特徴とする加速度センサ。