JPWO2005052601A1 - 加速度検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】1つの取付平面上に2個の加速度センサを取り付けることで、取付平面に平行な方向の加速度と垂直な方向の加速度とを独立して検出できる加速度検出装置を提供する。【解決手段】センサ取付平面10に対する最大感度軸方向が取付平面10に対して角度θをもつ同一の2個の加速度センサA,Bを、取付平面10内で180°反転して取り付け、2個の加速度センサの出力SA,SBの和(SA+SB)から取付平面に垂直な方向の加速度を求め、出力SA,SBの差(SA−SB)から取付平面に平行な方向の加速度を独立に検出可能とした。
Description
本発明は加速度検出装置、特に2つの加速度センサを用いて直角な2方向の加速度を独立して検出できる加速度検出装置に関するものである。
従来、磁気ハードディスク装置に加わる衝撃や加速度を検出するために、加速度センサが用いられている。磁気ハードディスク装置の場合、構造的に衝撃に弱い部分は、図1に示すピボット状に回転駆動するヘッドアーム1の機構である。この機構は、磁気ディスク2の面に垂直な方向と半径方向には弱いが、ヘッドアーム1の長手方向には比較的強い。したがって、このような機構の保護のために、加速度又は衝撃を検出する場合は、3軸方向全てである必要はなく、より弱い2軸方向の加速度を検出することが効果的である。この方向は、センサ取付面3に対して、水平方向と垂直方向に相当する。
図2に示すように、加速度センサの取付平面3をXY平面とし、これに垂直な方向をZ方向とした場合、X軸(又はY軸)とZ軸との2方向に加わる加速度を独立して検出するには、少なくともXY平面3に平行な方向に最大感度軸を持つ水平タイプの加速度センサ4と、Z軸方向に最大感度軸を持つ垂直タイプの加速度センサ5との2種類のセンサを用いる必要がある。
しかし、水平タイプのセンサ4と垂直タイプのセンサ5は、取付面との関係でその構造が全く異なる場合が多く、2種類のセンサを別々に用意する必要があるため、コスト高になる不都合があった。
しかし、水平タイプのセンサ4と垂直タイプのセンサ5は、取付面との関係でその構造が全く異なる場合が多く、2種類のセンサを別々に用意する必要があるため、コスト高になる不都合があった。
一方、図3に示すように、水平な取付面6と垂直な取付面7とからなる直交する2面を設け、これら取付面6,7に同一タイプ(例えば水平タイプ)のセンサ8,9をそれぞれ取り付けることで、X軸とZ軸との2方向の加速度を独立して測定することも可能である。この場合には、センサにかかるコストは低減できるが、直交する2つの取付面6,7を必要とするため、電子機器などの製品の厚みが大きくなるという欠点があった。
特許文献1には、センサ取付平面に対する最大感度軸方向が取付平面に対して平行でも垂直でもない2個の加速度センサを、取付平面上に直交方向に取り付けることで、X,Y,Zの3軸の加速度を検出できる加速度検出装置が提案されている。
この装置は、少ない個数の加速度センサで広い範囲の加速度を検出できる利点はあるが、3軸の加速度成分の相対的な比を検出するだけで、各軸の加速度を独立して検出できる訳ではない。
特開平8−201419号公報
この装置は、少ない個数の加速度センサで広い範囲の加速度を検出できる利点はあるが、3軸の加速度成分の相対的な比を検出するだけで、各軸の加速度を独立して検出できる訳ではない。
そこで、本発明の目的は、1つの取付平面上に2個の加速度センサを取り付けることで、取付平面に平行な方向の加速度と垂直な方向の加速度とを独立して検出できる加速度検出装置を提供することにある。
前記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、センサ取付平面に対する最大感度軸方向が前記取付平面に対して平行でも垂直でもない同一の感度軸を持つ2個の加速度センサを、前記取付平面内で180°反転して取り付けるとともに、前記2個の加速度センサの出力SA,SBの和(SA+SB)を求める手段と、前記出力SA,SBの差(SA−SB)を求める手段とを設け、前記出力の和(SA+SB)から前記取付平面に垂直な方向の加速度を、前記出力の差(SA−SB)から前記取付平面に平行な方向の加速度を独立に検出可能としたことを特徴とする加速度検出装置を提供する。
センサ取付平面に対する最大感度軸方向が取付平面に対して斜め方向の2個の加速度センサを、取付平面内で180°反転して取り付ける。例えば取付平面をXY平面とし、2個のセンサの感度軸方向をX軸方向に沿って並べると、これら加速度センサの出力SA,SBにはX軸方向とZ軸方向の成分が含まれる。2つの加速度センサの感度軸方向が180°反転しているから、出力SA,SBのZ軸方向の成分は同じで、X軸方向の成分が正負逆転している。したがって、これら出力の和(SA+SB)からZ軸方向の加速度を検出でき、これら出力の差(SA−SB)からX軸方向の加速度を検出できる。これら加速度は、互いに影響を受けない独立したデータであるから、各軸の加速度を個別に検出できる。
このように本発明では、同一の最大感度軸を持った同じ加速度センサを2個用い、かつ1つのセンサ取付平面上に反転させて取り付けるだけでよいので、加速度センサのコストを低くできるとともに、製品の厚みが増大することがない。
このように本発明では、同一の最大感度軸を持った同じ加速度センサを2個用い、かつ1つのセンサ取付平面上に反転させて取り付けるだけでよいので、加速度センサのコストを低くできるとともに、製品の厚みが増大することがない。
請求項2のように、加速度センサの最大感度軸方向が、取付平面から垂直方向に20〜70°の範囲内にあるのがよい。
本発明で使用する加速度センサのセンサ取付平面に対する最大感度軸方向は、取付平面に対して平行でも垂直でもない。つまり、最大感度軸方向の取付平面に対する角度θは0°<θ<90°である。
θ=0°および90°においては、X,Zの一方の軸方向に感度を持たないが、それ以外であれば、θは任意の角度でよい。但し、より高感度で検出するには、X軸方向の感度とX軸方向の感度との差ができるだけ小さい方がよく、そのため20°≦θ≦70°とするのがよい。
前記範囲の中でも、最も望ましいθは45°である。なぜなら、XZ両軸の感度をほぼ等しくできるからである。
本発明で使用する加速度センサのセンサ取付平面に対する最大感度軸方向は、取付平面に対して平行でも垂直でもない。つまり、最大感度軸方向の取付平面に対する角度θは0°<θ<90°である。
θ=0°および90°においては、X,Zの一方の軸方向に感度を持たないが、それ以外であれば、θは任意の角度でよい。但し、より高感度で検出するには、X軸方向の感度とX軸方向の感度との差ができるだけ小さい方がよく、そのため20°≦θ≦70°とするのがよい。
前記範囲の中でも、最も望ましいθは45°である。なぜなら、XZ両軸の感度をほぼ等しくできるからである。
請求項3のように、加速度センサは、圧電セラミックスよりなる検出素子と、この検出素子を収納する絶縁ケースよりなり、前記検出素子は、センサ取付平面を構成する絶縁ケースの底面に対して斜め方向に収納保持されているものがよい。
このような加速度センサとしては、例えば特開平7−20144号公報に示されたものがある。
このセンサは、小型で安価であり、かつ最大感度軸方向がほぼ一定しているので、加速度を精度よく検出できる。
このような加速度センサとしては、例えば特開平7−20144号公報に示されたものがある。
このセンサは、小型で安価であり、かつ最大感度軸方向がほぼ一定しているので、加速度を精度よく検出できる。
請求項4のように、2個の加速度センサの出力の和(SA+SB)を求める手段と、差(SA−SB)を求める手段は、それぞれ独立して増幅率を調整できる機能を有するのがよい。
出力の和(SA+SB)と差(SA−SB)から2軸の加速度を独立して検出できるが、最大感度軸方向の取付平面に対する角度θが45°以外であれば、和差の感度が異なることになる。そこで、和を求める手段と差を求める手段に独立して増幅率を調整できる機能を付加することで、和差の感度を同一にでき、2軸の加速度を同一の感度で検出できる。
出力の和(SA+SB)と差(SA−SB)から2軸の加速度を独立して検出できるが、最大感度軸方向の取付平面に対する角度θが45°以外であれば、和差の感度が異なることになる。そこで、和を求める手段と差を求める手段に独立して増幅率を調整できる機能を付加することで、和差の感度を同一にでき、2軸の加速度を同一の感度で検出できる。
請求項1に記載の発明によれば、センサ取付平面に対する最大感度軸方向が取付平面に対して斜め方向の2個の加速度センサを、取付平面内で180°反転して取り付けたので、2個の加速度センサの出力の和(SA+SB)から取付平面に対して垂直方向の加速度を検出でき、出力の差(SA−SB)から取付平面に対して平行な加速度を検出できる。しかも、これら加速度は独立したデータであるから、各軸の加速度を個別に検出できる。
また、本発明では、全く同じ加速度センサを2個用いればよいので、加速度センサのコストを低くできるとともに、これらセンサを1つのセンサ取付平面上に反転させて取り付けるだけでよいので、薄型に構成でき、製品の厚みが増大する問題を解消できる。
また、本発明では、全く同じ加速度センサを2個用いればよいので、加速度センサのコストを低くできるとともに、これらセンサを1つのセンサ取付平面上に反転させて取り付けるだけでよいので、薄型に構成でき、製品の厚みが増大する問題を解消できる。
以下に、本発明の実施の形態を、実施例を参照して説明する。
図4は本発明にかかる加速度検出装置の第1実施例を示す。
この加速度検出装置は、センサ取付平面10上に、加速度センサAと加速度センサBとを取付平面10内で180°反転して取り付けたものである。センサA,Bのセンサ取付平面10に対する最大感度軸方向PA,PBは、取付平面10に対して角度θだけ傾いている。
図4において、取付平面10をXY平面とすると、この実施例では加速度センサAの最大感度軸方向PAは、X軸のプラス方向に対して角度θだけZ軸方向に傾いており、加速度センサBの最大感度軸方向PBは、X軸のマイナス方向に対して角度θだけZ軸方向に傾いている。
ここでは、2個のセンサA,BをX軸方向に沿って配置したが、向きが取付平面10内で180°反転しておれば、位置は任意である。
この加速度検出装置は、センサ取付平面10上に、加速度センサAと加速度センサBとを取付平面10内で180°反転して取り付けたものである。センサA,Bのセンサ取付平面10に対する最大感度軸方向PA,PBは、取付平面10に対して角度θだけ傾いている。
図4において、取付平面10をXY平面とすると、この実施例では加速度センサAの最大感度軸方向PAは、X軸のプラス方向に対して角度θだけZ軸方向に傾いており、加速度センサBの最大感度軸方向PBは、X軸のマイナス方向に対して角度θだけZ軸方向に傾いている。
ここでは、2個のセンサA,BをX軸方向に沿って配置したが、向きが取付平面10内で180°反転しておれば、位置は任意である。
センサAおよびBは、同一の加速度センサであり、その構造は特開平7−20144号公報に示すものと同様である。すなわち、図5に示すように、バイモルフ型の加速度検出素子20を、絶縁セラミック等からなる絶縁性のケース30内に両端固定構造で収納支持したものである。ケース30の底面が前記取付平面10に取り付けられる。
加速度検出素子20は、矩形平板状とされ、表裏面上に信号電極21および中間電極22が形成された一対の圧電セラミック板23を対面接合した上、これを最大感度軸P方向に見合う傾斜角度で切り落としたものである。なお、中間電極22を介して接合された圧電セラミック板23の各々が、自らの厚み方向に沿いつつ他方側とは逆向きに分極処理(図5に矢印で示す)されている。また、信号電極21のそれぞれが各圧電セラミック板23の長手方向に沿って互いに異なる端部まで引き出されている。なお、図示していないが、ケース30の外面には、加速度検出素子20の信号電極21のそれぞれが引き出された外部電極が形成され、表面実装型のチップ部品として構成されている。
加速度検出素子20は、矩形平板状とされ、表裏面上に信号電極21および中間電極22が形成された一対の圧電セラミック板23を対面接合した上、これを最大感度軸P方向に見合う傾斜角度で切り落としたものである。なお、中間電極22を介して接合された圧電セラミック板23の各々が、自らの厚み方向に沿いつつ他方側とは逆向きに分極処理(図5に矢印で示す)されている。また、信号電極21のそれぞれが各圧電セラミック板23の長手方向に沿って互いに異なる端部まで引き出されている。なお、図示していないが、ケース30の外面には、加速度検出素子20の信号電極21のそれぞれが引き出された外部電極が形成され、表面実装型のチップ部品として構成されている。
図6は、図4のように取り付けられた加速度センサA,Bの出力を処理する回路ブロックを示す。
図において、センサAの出力は初段アンプ11で増幅され、加算器13と加算器14とに入力される。一方、センサBの出力は、初段アンプ11と同一の増幅度を持つ初段アンプ12で増幅され、加算器13に入力されるとともに、初段アンプ12の出力をインバータ15で正負反転させた上、加算器14に入力される。
加算器13は、初段アンプ11で増幅されたセンサAの出力SAと、初段アンプ12で増幅されたセンサBの出力SBとを加算する。一方、加算器14は、初段アンプ11で増幅されたセンサAの出力SAと、初段アンプ12で増幅されインバータ15で反転されたセンサBの出力−SBとを加算する。つまり、加算器13はSA+SBを出力し、加算器14はSA−SBを出力する。
この例では、出力の差SA−SBを求めるために、インバータ15と加算器14とを用いたが、公知の減算器を用いることもできる。
図において、センサAの出力は初段アンプ11で増幅され、加算器13と加算器14とに入力される。一方、センサBの出力は、初段アンプ11と同一の増幅度を持つ初段アンプ12で増幅され、加算器13に入力されるとともに、初段アンプ12の出力をインバータ15で正負反転させた上、加算器14に入力される。
加算器13は、初段アンプ11で増幅されたセンサAの出力SAと、初段アンプ12で増幅されたセンサBの出力SBとを加算する。一方、加算器14は、初段アンプ11で増幅されたセンサAの出力SAと、初段アンプ12で増幅されインバータ15で反転されたセンサBの出力−SBとを加算する。つまり、加算器13はSA+SBを出力し、加算器14はSA−SBを出力する。
この例では、出力の差SA−SBを求めるために、インバータ15と加算器14とを用いたが、公知の減算器を用いることもできる。
ここで、本発明の測定原理を説明する。
センサA,Bの加速度出力をそれぞれSA,SB(ベクトル)とし、これをX,Y,Zの各軸の成分で表すと、
SA=(KAcosθ,0,KAsinθ)
SB=(−KBcosθ,0,KBsinθ)
となる。ここで、KA、KBは各センサの感度である。
次に、センサA,Bの出力の和(SA+SB)と差(SA−SB)とを考える。
(SA+SB)=((KA−KB)cosθ,0,(KA+KB)sinθ)
(SA−SB)=((KA+KB)cosθ,0,(KA−KB)sinθ)
ここで、各センサの感度をKA=KB=Kとすると、
(SA+SB)=(0,0,2Ksinθ)
(SA−SB)=(2Kcosθ,0,0)
となる。
つまり、和出力(SA+SB)はZ軸方向に主軸感度を持つ垂直タイプのセンサとして働き、差出力(SA−SB)はX軸方向に主軸感度を持つ水平タイプのセンサとして働く。
例えば、θ=25°のセンサA,Bを使用した場合には、
(SA+SB)=(0,0,0.845K)
(SA−SB)=(1.813K,0,0)
となる。つまり、感度0.845Kを持つ垂直タイプのセンサと、感度1.813Kを持つ水平タイプのセンサとを設けたのと等価となる。
このようにして2軸を独立して測定できる加速度検出装置を実現できるが、和差の感度が異なるので、和出力または差出力の一方または双方を補正して感度を同一にするのが望ましい。その場合には、加算器13,14に独立に増幅率を調整できる機能を付加し、例えばθ=25°の場合には、加算器13,14の増幅率の比を、前述の感度比の逆比である1.813:0.845に設定すればよい。
センサA,Bの加速度出力をそれぞれSA,SB(ベクトル)とし、これをX,Y,Zの各軸の成分で表すと、
SA=(KAcosθ,0,KAsinθ)
SB=(−KBcosθ,0,KBsinθ)
となる。ここで、KA、KBは各センサの感度である。
次に、センサA,Bの出力の和(SA+SB)と差(SA−SB)とを考える。
(SA+SB)=((KA−KB)cosθ,0,(KA+KB)sinθ)
(SA−SB)=((KA+KB)cosθ,0,(KA−KB)sinθ)
ここで、各センサの感度をKA=KB=Kとすると、
(SA+SB)=(0,0,2Ksinθ)
(SA−SB)=(2Kcosθ,0,0)
となる。
つまり、和出力(SA+SB)はZ軸方向に主軸感度を持つ垂直タイプのセンサとして働き、差出力(SA−SB)はX軸方向に主軸感度を持つ水平タイプのセンサとして働く。
例えば、θ=25°のセンサA,Bを使用した場合には、
(SA+SB)=(0,0,0.845K)
(SA−SB)=(1.813K,0,0)
となる。つまり、感度0.845Kを持つ垂直タイプのセンサと、感度1.813Kを持つ水平タイプのセンサとを設けたのと等価となる。
このようにして2軸を独立して測定できる加速度検出装置を実現できるが、和差の感度が異なるので、和出力または差出力の一方または双方を補正して感度を同一にするのが望ましい。その場合には、加算器13,14に独立に増幅率を調整できる機能を付加し、例えばθ=25°の場合には、加算器13,14の増幅率の比を、前述の感度比の逆比である1.813:0.845に設定すればよい。
図7は最大感度軸方向の角度θによる加速度センサA単独のX:Zの感度比、及び加速度センサA,BによるX(SA−SB):Z(SA+SB)の感度比を表したものである。ここで、K=1とする。
図7より、θは0°および90°ではX,Zの一方の軸方向に感度を持たないが、それ以外であれば、任意の角度のものを使用できる。但し、加算器13,14の増幅率でX,Z両軸の感度を同一にできるといっても、S/N等の問題もあり、調整前の両軸の感度はできるだけ等しいことが望ましい。従って、最も望ましい角度θは45°であり、概ね20°〜70°の範囲であれば、問題なく使うことができる。
図7より、θは0°および90°ではX,Zの一方の軸方向に感度を持たないが、それ以外であれば、任意の角度のものを使用できる。但し、加算器13,14の増幅率でX,Z両軸の感度を同一にできるといっても、S/N等の問題もあり、調整前の両軸の感度はできるだけ等しいことが望ましい。従って、最も望ましい角度θは45°であり、概ね20°〜70°の範囲であれば、問題なく使うことができる。
実施例1では、同一の感度軸角度θを持つ2個のセンサA,Bを用いてX,Z軸方向の加速度を独立して検出したが、図8に示すように、同一の感度軸角度θを持つ3個のセンサA,B,Cを用いてX,Y,Z3軸方向の加速度を独立して検出することも可能である。センサA,Bは実施例1と同じであり、センサCはY軸方向に向けて取付平面10に取り付ける。つまり、センサCをセンサA,Bに対して直交方向に取り付ける。
センサCのX,Y,Z軸方向の感度をSC(ベクトル)とし、これを各軸の成分で表すと、
SC=(0,KCcosθ,KCsinθ)
となる。
ここで、センサCの感度KC=KA=KB=Kとすると、
SC=(0,Kcosθ,Ksinθ)
となる。
センサCの出力SCを2倍したものから和出力(SA+SB)を差し引くと、
2SC−(SA+SB)
=(0,2Kcosθ,2Ksinθ)−(0,0,2Ksinθ)
=(0,2Kcosθ,0)
となり、独立にY軸の加速度を検出できることがわかる。この後、実施例1と同様に適当な増幅器を通すことで、X,Y,Zの感度を同一に揃えることができる。
この実施例では、同一の3個のセンサを取付平面10上に所定の向きで固定することで、X,Y,Z3軸方向の加速度を独立して検出することができる。そのため、感度調整が容易であり、かつ加速度センサのコストを低くできる。
SC=(0,KCcosθ,KCsinθ)
となる。
ここで、センサCの感度KC=KA=KB=Kとすると、
SC=(0,Kcosθ,Ksinθ)
となる。
センサCの出力SCを2倍したものから和出力(SA+SB)を差し引くと、
2SC−(SA+SB)
=(0,2Kcosθ,2Ksinθ)−(0,0,2Ksinθ)
=(0,2Kcosθ,0)
となり、独立にY軸の加速度を検出できることがわかる。この後、実施例1と同様に適当な増幅器を通すことで、X,Y,Zの感度を同一に揃えることができる。
この実施例では、同一の3個のセンサを取付平面10上に所定の向きで固定することで、X,Y,Z3軸方向の加速度を独立して検出することができる。そのため、感度調整が容易であり、かつ加速度センサのコストを低くできる。
本発明にかかる加速度検出装置は、前記実施例に限定されるものではない。
加速度センサとして、図5に示すものを使用したが、これに限るものではなく、一定角度θの感度軸を持ち、取付平面に対する取付角度が一定しているものであれば、使用可能である。
また、図8では、X,Y,Z3軸方向の加速度を独立して検出するために、同一の角度θを持つ3個のセンサA,B,Cを用いた例を示したが、これに限るものではない。例えば、斜め方向の感度軸を持つセンサCに代えて、公知の水平タイプの加速度センサをY軸方向に取り付けることで、X,Y,Z3軸方向の加速度を独立して検出することもできる。この場合は、実施例2のような計算を行う必要がない。
加速度センサとして、図5に示すものを使用したが、これに限るものではなく、一定角度θの感度軸を持ち、取付平面に対する取付角度が一定しているものであれば、使用可能である。
また、図8では、X,Y,Z3軸方向の加速度を独立して検出するために、同一の角度θを持つ3個のセンサA,B,Cを用いた例を示したが、これに限るものではない。例えば、斜め方向の感度軸を持つセンサCに代えて、公知の水平タイプの加速度センサをY軸方向に取り付けることで、X,Y,Z3軸方向の加速度を独立して検出することもできる。この場合は、実施例2のような計算を行う必要がない。
A,B 加速度センサ
10 センサ取付平面
13,14 加算器(出力の和を求める手段)
15 インバータ
20 加速度検出素子
30 ケース
10 センサ取付平面
13,14 加算器(出力の和を求める手段)
15 インバータ
20 加速度検出素子
30 ケース
Claims (4)
- センサ取付平面に対する最大感度軸方向が前記取付平面に対して平行でも垂直でもない同一の感度軸を持つ2個の加速度センサを、前記取付平面内で180°反転して取り付けるとともに、前記2個の加速度センサの出力SA,SBの和(SA+SB)を求める手段と、前記出力SA,SBの差(SA−SB)を求める手段とを設け、
前記出力の和(SA+SB)から前記取付平面に垂直な方向の加速度を、前記出力の差(SA−SB)から前記取付平面に平行な方向の加速度を独立に検出可能としたことを特徴とする加速度検出装置。 - 前記加速度センサの最大感度軸方向が、前記取付平面から垂直方向に20〜70°の範囲内にあることを特徴とする請求項1に記載の加速度検出装置。
- 前記加速度センサは、圧電セラミックスよりなる検出素子と、この検出素子を収納する絶縁ケースよりなり、
前記検出素子は、センサ取付平面を構成する絶縁ケースの底面に対して斜め方向に収納保持されていることを特徴とする請求項1または2に記載の加速度検出装置。 - 前記出力の和(SA+SB)を求める手段と、差(SA−SB)を求める手段は、それぞれ独立して増幅率を調整できる機能を有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の加速度検出装置。
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