WO1996038711A2 - Speed sensor - Google Patents

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WO1996038711A2
WO1996038711A2 PCT/JP1995/001081 JP9501081W WO9638711A2 WO 1996038711 A2 WO1996038711 A2 WO 1996038711A2 JP 9501081 W JP9501081 W JP 9501081W WO 9638711 A2 WO9638711 A2 WO 9638711A2
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WO
WIPO (PCT)
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axis
speed sensor
fco
weight
force
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Application number
PCT/JP1995/001081
Other languages
French (fr)
Japanese (ja)
Inventor
Kazuhiro Okada
Original Assignee
Wacoh Corporation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/18—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces

Definitions

  • the present invention relates to a speed sensor, and more particularly to a speed sensor using a Corioliser acting on a rotating object.
  • a speed sensor is indispensable for grasping the running state of a vehicle and the flight state of an aircraft.
  • speed sensors generally used in vehicles such as automobiles adopt a method in which the rotational speed of wheels is detected by a tachometer and the running speed of the vehicle is indirectly determined based on this rotational speed.
  • speed sensors generally used in aircraft use a method in which the speed of a fluid is measured using a pitot tube or the like, and the flight speed is indirectly determined based on the flow speed.
  • the measurement results are easily affected by the external environment, and it is difficult to perform accurate measurement.
  • a speed sensor that calculates the running speed of a car based on the rotational speed of the wheels, if the tire diameter changes due to tire wear, this change will appear as a measurement error in speed as it is. Also, if the tire slips or slips, you will still get inaccurate measurements.
  • a speed sensor that calculates the flight speed based on the flow velocity measured by a single pipe, It is difficult to get accurate measurements because of the strong wind.
  • the present invention measures accurate speed without being affected by outside
  • a first aspect of the present invention provides a speed sensor
  • a weight body with mass m A weight body with mass m
  • a second aspect of the present invention provides the speed sensor according to the first aspect described above.
  • the first pongee is defined on a straight line that passes through the center of gravity G of the weight body.
  • a third aspect of the present invention relates to the speed sensor according to the second aspect described above.
  • An XYZ three-dimensional coordinate system having an origin 0 at the position of the center of gravity G of the weight body having the mass m is defined.
  • the detecting means detects a Coriolis Fco (x) acting on the weight body in the X-direction and a Coriolis Fco (y) acting on the weight in the Y-direction,
  • the determined velocities Vx and Vy are output as the X cold direction component VX and the Y axis direction component Vy of the casing speed in the XYZ three-dimensional coordinate system.
  • An XYZ three-dimensional coordinate system having an origin 0 at the position of the center of gravity G of the weight body having the mass m is defined, and the driving means rotates the weight body about the Z axis at an angular velocity ⁇ z.
  • the driving operation and the second driving operation of rotating at an angular velocity ⁇ X about the X axis are alternately performed,
  • the detection means detects a Corioliska Fco (X) acting on the weight body in the X-axis direction and a Corioliska Fco (y) acting on the Y-axis direction,
  • the speed VX in the X-axis direction is calculated using the following equation.
  • the driving means causes the weight body to revolve so that the center of gravity G of the weight body moves on a predetermined orbit, and has an angular velocity ⁇ about the first axis moving on the orbit. Make a spinning motion
  • the driving means defines the orbit on the ⁇ ⁇ plane of the ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ three-dimensional coordinate system, and the weight body with mass m revolves along this orbit and rotates in parallel with the Z axis.
  • the robot makes a rotation with an angular velocity ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ about the axis, and the detecting means detects the X ⁇ component FX and the ⁇ axis component F y of the force acting on the weight body, and the housing moves at a predetermined speed.
  • Moving with V The difference between these detected values when the body is stationary and these detected values when the housing is stationary is determined by the Corioliser F co (x) acting in the X-direction and the Y-axis direction acting on the weight.
  • the X-axis direction component VX and the Y-axis direction component Vy of the speed of the housing in the three-dimensional coordinate system are output.
  • the driving means defines the orbit on the XY plane of the XYZ three-dimensional coordinate system, and the weight body having mass m is revolved along this orbit, and the angular velocity about the rotation axis parallel to the Z axis ⁇ ⁇ , the first driving operation to make a rotational motion, and the X ⁇ ⁇ orbit defined on the ⁇ ⁇ plane of the three-dimensional coordinate system.
  • the orbital motion along the axis of rotation and the second drive operation to make the t
  • the X-direction component FX and the Y-axis component Fy of the force ffl acting on the weight are detected by the detection means, and these components are detected when the housing is moving at the predetermined speed V.
  • the velocity component VX in the X $ free direction of the housing is obtained using the relationship
  • the velocity component Vy in the direction is determined, and the driving means is detected during the second driving operation.
  • the velocity component V z in the Z-axis direction of the housing is obtained using the relationship z
  • the directional component V y and the directional component z are output.
  • An eighth aspect of the present invention is directed to the speed sensor according to the first aspect.
  • the center of gravity G of the weight rest moves on the predetermined reciprocating orbit.
  • Component is detected, and the housing moves with the velocity component V in the direction along the third axis.
  • the speed V of the housing in the direction along the axis is obtained.
  • a ninth aspect of the present invention is directed to the speed sensor according to the eighth aspect.
  • Drive means define a reciprocating trajectory on the X ⁇ ⁇ X plane of the three-dimensional coordinate system
  • the detecting means detects the X ⁇ direction component FX and the Z axis direction component Fz of the force acting on the weight body, and detects these when the housing is moving at a predetermined speed V.
  • the velocity component Vz in the Z-axis direction of the housing is obtained using the relationship
  • an X-axis component VX and a Z-fortunate component Vz of the speed of the housing are output.
  • the drive means defines a reciprocating trajectory on the XZ plane of the XYZ three-dimensional coordinate system, and the weight having mass m is reciprocated along this reciprocating trajectory, and the angular velocity about the rotation axis parallel to the Y axis
  • the first driving motion that makes a rolling motion with ⁇ y and the reciprocating trajectory on the YZ plane of the XYZ three-dimensional coordinate system are defined, and the weight having mass m is moved along this reciprocating trajectory.
  • the reciprocating motion and the second driving operation of rotating the rotating axis parallel to the X axis with the angular velocity ⁇ X are alternately performed.
  • the detection means detects the X-axis direction component FX and Zeta KenYukari direction component F Zeta forces acting on the weight body, housing of these the state is moving at a predetermined velocity V
  • the difference between the detected value and these detected values when the housing is stationary is calculated by applying the corioliser F co (x) that acts on the weight rest in the X-axis direction and the Coriolis force acting in the Z-axis direction.
  • the speed component V x in the X-axis direction of the housing is obtained
  • the velocity component Vz in the Z-axis direction of the housing is obtained by using the checker Vz ⁇ ⁇ y, and the driving means detects the Coriolis Fco (z )
  • the detection means detects the variation of the amplitude of the reciprocating motion of the weight body in the X-axis direction, and uses this variation as the Coriolis force Fco (x) acting on the weight rest in the X ⁇ direction. It was done.
  • a twelfth aspect of the present invention is the speed sensor according to the ninth or first aspect described above,
  • the detection means detects the deviation of the reciprocating trajectory of the weight body in the ⁇ -axis direction, and uses this deviation as Coriolis Fco (z) acting in the ⁇ ⁇ direction on the weight body. is there.
  • the obtained velocities Vx, Vy, Vz are converted to The velocity is output as the X-direction component Vx, the Y-direction component Vy, and the Z-direction component Vz.
  • a thirteenth aspect of the present invention is the speed sensor according to the first aspect
  • the vibrator is arranged so that the longitudinal direction is along the X axis, and a predetermined position of the vibrator is supported and fixed to the housing by the base, and the free end of the vibrator is a weight Function, the pedestal is configured to function as a support means,
  • the driving means is constituted by a force generator that generates a force for displacing the free end of the vibrator in the XZ plane,
  • the detection means is composed of a displacement detector that detects the actual displacement of the free end in the XZ plane, and the difference between the displacement based on the force generated by the force generator and the actual displacement detected by the displacement detector is calculated. Based on this, the Coriolis force F co in the Z-axis direction acting on the free end is obtained,
  • the calculating means calculates the velocity V w of the vibrator in the direction along the X-axis direction based on the obtained Coriolis Fco.
  • a fourteenth aspect of the present invention provides the speed sensor according to the above-described thirteenth aspect
  • the vibrator is supported and fixed by a pair of pedestals arranged at a predetermined distance in the X-axis direction, and both end portions located outside the pair of pedestals function as a first free end and a second free end, respectively.
  • a force generator is constituted by a piezoelectric element fixed to a central portion of the vibrator sandwiched between a pair of pedestals, and an AC power supply for supplying an AC voltage to the piezoelectric element.
  • the first piezoelectric element and the second S A second piezo element, a first voltmeter that detects a voltage generated in the first piezo element, and a second voltmeter that detects a voltage generated in the second piezo element.
  • a displacement detector is configured to obtain Coriolisa Fco based on the difference between the output of the first voltmeter and the output of the second voltmeter.
  • a pair of pedestals is arranged at a pair of node positions where displacement is the least in the unique vibration mode of the vibrator.
  • a sixteenth aspect of the present invention is the speed sensor according to the first aspect
  • the peripheral part is fixed to the housing, the weight rest is fixed to the center part, and the supporting means is constituted by a flexible substrate having flexibility.
  • the driving unit has a force generator that applies a force in a predetermined direction to a predetermined portion of the flexible substrate, and the force generator is disposed at a plurality of positions on the flexible substrate. It has a displacement detector for detecting a displacement of a predetermined portion of the flexible substrate in a predetermined direction, and the displacement detector is arranged at a plurality of positions on the flexible substrate.
  • the central portion is fixed to the housing, the weight is fixed to the peripheral portion, and the supporting means is constituted by a flexible substrate having flexibility.
  • the driving unit has a force generator that applies a force in a predetermined direction to a predetermined portion of the flexible substrate.
  • the force generator is disposed at a plurality of positions on the flexible substrate.
  • the eighteenth aspect of the present invention is the speed sensor according to the above-mentioned sixth or seventeenth aspect
  • An XYZ three-dimensional coordinate system is defined such that the surface of the flexible substrate is parallel to the XY plane and Z ⁇ passes through the center of gravity of the weight rest.
  • the weight body is made to reciprocate along an arc-shaped orbit on the XZ plane, and is made to rotate with an angular velocity wy about an axis parallel to the Y axis.
  • a force generator that applies a force in the direction along the Z axis is arranged in the area near the origin of the flexible substrate, and the weight bodies are moved in the XZ plane by periodically operating each force generator.
  • the robot In addition to the reciprocating motion along the above arc-shaped orbit, the robot also rotates in an axis parallel to the Y axis with an angular velocity ⁇ y.
  • a speed sensor according to a twenty-first aspect of the present invention is the speed sensor according to the eighteenth or nineteenth aspect
  • a force generator for applying a force in a direction along the direction of ⁇ ⁇ is disposed on each of the positive and negative regions of the flexible substrate, and these force generators are operated periodically.
  • An XYZ three-dimensional coordinate system is defined such that the surface of the flexible substrate is parallel to the XY plane, and the Z axis passes through the center of gravity of the weight body.
  • a force generator for applying a force in a direction along Y ⁇ is disposed in each of the positive and negative areas of Y ltl of the flexible substrate, and these force generators are operated periodically.
  • the weight body is reciprocated along an arc-shaped trajectory on the YZ plane, and is rotated about an axis parallel to the X axis with an angular velocity ⁇ X.
  • a twenty-third aspect of the present invention provides the speed sensor according to the sixteenth or seventeenth aspect
  • Displacement detectors that detect displacement in the direction along the ⁇ axis are respectively arranged in the positive and negative regions of the X-axis of the flexible substrate, and based on the difference between the displacements detected by these displacement detectors. To work in the X ⁇ direction of the weight rest co (x) is detected.
  • a displacement detector for detecting a displacement in a direction along the Z-axis is disposed in a region near the origin of the flexible substrate, and based on the displacement detected by the displacement detector, the Z-axis of the weight rest is set. It detects the Coriolis F co (z) acting in the direction.
  • displacement detectors for detecting displacements in the direction along the Z axis are arranged in the positive region and the negative region of the Y-axis of the flexible substrate, respectively, and a difference between the displacements detected by these displacement detectors is determined. Based on this, Coriolica Fco (y), which ffls in the Ylb direction of the weight rest, is detected.
  • the Coriolis force Fco (z) acting on the weight body in the Z-axis direction is detected based on the sum of the displacements detected. It was made.
  • An XYZ three-dimensional coordinate system is defined such that the surface of the flexible substrate is parallel to the XY plane, and the Z axis passes through the center of gravity of the weight body.
  • Displacement detectors for detecting displacement in the direction along X are arranged in the positive and negative regions of the X-axis of the flexible substrate, and these displacement detectors detect the displacement. Based on the displacement, the Coriolis force F co (x) acting on the weight rest in the X ⁇ direction is detected.
  • the 28th aspect of the present invention is the speed sensor according to the 27th aspect described above,
  • displacement detectors for detecting displacements in the direction along the Y axis are respectively arranged in the positive and negative regions of the flexible substrate on the Y axis, and based on the displacements detected by these displacement detectors. It detects the Coriolisa F co (y) acting in the Y ⁇ direction of the weight body.
  • a twentieth aspect of the present invention is the speed sensor according to the above-mentioned twenty-seventh or twenty-eighth aspect
  • Corioliser F co (z) acting in the Z-axis direction of the weight is detected based on the displacements detected by the displacement detectors located in the positive and negative areas of X-ill, respectively. Things.
  • a thirty-first aspect of the tree invention is the velocity sensor according to the above-mentioned sixteenth or seventeenth aspect
  • a force generator and a displacement detector are constituted by the second electrode formed at a position facing the electrode.
  • the element and the element constitute a force generator and a displacement detector.
  • a third aspect of the present invention is the speed sensor according to the sixteenth or seventh aspect described above,
  • a part of the driving means and a part of the detecting means are constituted by physically the same element.
  • a thirty-fourth aspect of the present invention is the speed sensor according to the sixteenth or seventeenth aspect
  • a thin flexible portion is formed by digging an annular groove between the peripheral portion and the central portion of the plate-like substrate, and the central portion displaces with respect to the peripheral portion by bending of the flexible portion.
  • a flexible substrate is formed by a plate-like substrate.
  • an XYZ three-dimensional coordinate system is defined
  • the force is equal to the resonance frequency F r (X) of the weight body in the X-axis direction and the resonance frequency F r (z) in the Z-axis direction.
  • a thirty-sixth aspect of the present invention is the speed sensor according to the thirty-fifth aspect
  • the resonance frequency F r (y) in the Y-axis direction of the weight rest is substantially equal to the resonance frequency F r (X) in the X-axis direction.
  • a 37th aspect of the present invention is the speed sensor according to the above 1st aspect
  • a supporting means is constituted by a fixed substrate fixed to the housing and a piezoelectric element fixed below the fixed substrate.
  • a weight rest is fixed below the piezoelectric element, and electric charges are stored at a predetermined position of the piezoelectric element.
  • the driving means is constituted by the supplying means, and the detecting means is constituted by the means for measuring the electric charge generated at a predetermined position of the piezoelectric element.
  • Fig. 1 shows the principle that when an object ⁇ 0 rotates at an angular velocity ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ around the Z axis while moving at a velocity V wx in the X axis direction, Coriolis F co (y) acts in the ⁇ axis direction.
  • FIG. 1 shows the principle that when an object ⁇ 0 rotates at an angular velocity ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ around the Z axis while moving at a velocity V wx in the X axis direction, Coriolis F co (y) acts in the ⁇ axis direction.
  • Fig. 2 shows that when the object 10 is rotating at the velocity V wy in the Y axis direction and rotating at the angular velocity ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ around the Z axis, the Coriolis F co ( ⁇ ) acts in the X axis direction. It is a figure explaining a principle.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of performing the operation.
  • FIG. 4 is a block diagram showing basic components of the speed sensor according to the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the basic principle of applying the present invention to a platform where the weight body performs a revolving motion in addition to the rotating motion.
  • FIG. 6 is a diagram showing a state in which the weight body performs only a revolving motion.
  • FIG. 7 is a diagram showing a state in which the weight body is rotating along with the revolving motion.
  • FIG. 8 is a diagram showing a force acting on the weight rest rotating around the stationary point 0 and rotating.
  • FIG. 9 is a diagram showing a force acting on a revolving weight rest rotating around a point 0 moving at a speed Vt. '
  • FIG. 10 is a diagram showing the force ffl acting on the revolving and rotating weight body around point 0 moving at the speed Vr.
  • FIG. 11 is a diagram showing a force acting on a weight body revolving and rotating around a point 0 moving at a speed V.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining the principle of detecting a two-dimensional velocity component in the X axis and Y axis directions on a stage where the weight body performs only a rotation motion.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining the principle of detecting a velocity component in the ⁇ ⁇ direction when the weight body is performing only rolling motion.
  • FIG. 14 is a diagram showing the force acting on the weight body when the weight rest performs a revolving motion in addition to the rotation motion around the rest point 0.
  • Fig. 15 shows the structure of the “simple support system” in which the weight is supported by the arm.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining the principle of detecting the two-dimensional velocity components of X-Yuyoshi and ⁇ -Yu when the weight rest performs a revolving motion in addition to the rotation motion.
  • FIG. 17 is a diagram for explaining the principle of detecting a velocity component in the Z direction in a stage where the weight body is revolving in addition to the rotation.
  • FIG. 18 is a diagram for explaining the principle of detecting a two-dimensional velocity component when the weight performs a reciprocating pendulum motion in addition to the rotation motion.
  • FIG. 19 is a perspective view showing the reciprocating pendulum motion shown in FIG. 18 in a three-dimensional coordinate system.
  • FIG. 20 is a top view for explaining the principle of detecting a three-dimensional velocity component by gradually rotating the motion surface of the reciprocating pendulum motion shown in FIG.
  • FIGS. 21 (a) and (b) are diagrams showing the polarization characteristics of a type I piezoelectric element used in the speed sensor according to the present invention.
  • FIGS. 22 (a) and (b) are diagrams showing the polarization characteristics of a type ⁇ ⁇ piezoelectric element referred to as ffl in the speed sensor according to the present invention.
  • FIG. 23 is a perspective view showing a basic configuration of a one-dimensional speed sensor according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 24 is a front sectional view and a wiring diagram of the speed sensor shown in FIG. 23 c
  • FIG. 25 is a front view showing one state of vibration in the speed sensor shown in FIG.
  • FIG. 26 is a front view showing another state of the vibration in the speed sensor shown in FIG.
  • FIG. 27 is a graph showing voltage waveforms at various points in the speed sensor shown in FIG.
  • FIG. 28 shows a first modification of the one-dimensional speed sensor shown in FIG. It is a perspective view.
  • FIG. 29 is a perspective view showing a second modification of the one-dimensional speed sensor shown in FIG.
  • FIG. 30 is a perspective view showing a third modification of the one-dimensional speed sensor shown in FIG.
  • FIG. 31 is a perspective view showing a fourth modification of the one-dimensional speed sensor shown in FIG.
  • FIG. 32 is a front view when the motion system shown in FIG. 19 is moving at the speed Vz.
  • FIG. 33 is a front view when the motion system shown in FIG. 9 is moving at the speed Vx.
  • FIG. 34 is a waveform diagram for explaining the principle of detecting the moving speed Vz of the motion system shown in FIG. 32.
  • FIG. 35 is another waveform diagram for explaining the principle of detecting the moving speed Vz of the motion system shown in FIG. 32.
  • FIG. 36 is a waveform chart for explaining the principle of detecting the moving speed VX of the motion system shown in FIG. 33.
  • FIG. 37 is another waveform chart for explaining the principle of detecting the moving speed Vz of the motion system shown in FIG. 32.
  • FIG. 38 is a side sectional view showing one embodiment of a multidimensional velocity sensor in which a force generator and a displacement detector are constituted by capacitive elements.
  • FIG. 39 is a top view of the flexible substrate 110 in the multidimensional speed sensor shown in FIG.
  • FIG. 38 shows a cross section of the flexible substrate shown in FIG.
  • FIG. 40 is a side sectional view for explaining the operation of the multidimensional speed sensor shown in FIG.
  • FIG. 41 is a top view of a flexible substrate 110 in a modified example of the multidimensional speed sensor shown in FIG.
  • Fig. 42 is a cross-sectional side view showing one embodiment of a multidimensional velocity sensor comprising a force generator and a displacement detector using the type I piezoelectric element shown in Figs. 21 (a) and (b).
  • FIG. 42 is a cross-sectional side view showing one embodiment of a multidimensional velocity sensor comprising a force generator and a displacement detector using the type I piezoelectric element shown in Figs. 21 (a) and (b).
  • FIG. 43 is a top view of the flexible substrate 210 in the multidimensional speed sensor shown in FIG. A cross section of the flexible substrate 210 shown in FIG. 43 taken along X is shown in FIG.
  • FIG. 44 is a cross-sectional side view showing one embodiment of a multidimensional velocity sensor comprising a force generator and a displacement detector using the type II piezoelectric element shown in FIGS. 22 (a) and (b).
  • FIG. 44 is a cross-sectional side view showing one embodiment of a multidimensional velocity sensor comprising a force generator and a displacement detector using the type II piezoelectric element shown in FIGS. 22 (a) and (b).
  • FIG. 45 is a top view of the piezoelectric element 330 in the multidimensional speed sensor shown in FIG.
  • FIG. 46 is a bottom view of the piezoelectric element 330 in the multidimensional speed sensor shown in FIG.
  • FIG. 47 is a top view of a piezoelectric element 33 () in a modified example of the multidimensional speed sensor shown in FIG. 44.
  • FIG. 48 is a side sectional view showing an embodiment in which the structure is simplified by applying a ffl device to a multidimensional speed sensor using the capacitive element shown in FIG. 38.
  • FIG. 49 is a top view of a flexible substrate 110 in the multidimensional speed sensor shown in FIG. 48.
  • the flexible substrate 110 shown in FIG. 49 is placed on the X axis.
  • the cross section taken along is shown in FIG.
  • FIG. 50 is a circuit diagram showing an example of a signal processing circuit used to operate the multidimensional speed sensor shown in FIG.
  • Fig. 51 is a cross-sectional side view showing an embodiment in which the structure is reduced by applying a dual-purpose device to the multidimensional velocity sensor using the type I piezoelectric element shown in Figs. 21 (a) and (b).
  • FIG. 51 is a cross-sectional side view showing an embodiment in which the structure is reduced by applying a dual-purpose device to the multidimensional velocity sensor using the type I piezoelectric element shown in Figs. 21 (a) and (b).
  • FIG. 52 is a top view of the flexible substrate 210 in the multidimensional velocity sensor shown in FIG. A cross section of the flexible substrate 210 shown in FIG. 52 cut along the X axis is shown in FIG.
  • Fig. 53 shows another embodiment in which the structure is simplified by applying a dual-purpose device to the multidimensional velocity sensor using the type I piezoelectric element shown in Figs. 21 (a) and (b). It is a side sectional view.
  • FIG. 54 is a top view of the flexible substrate 210 in the multidimensional speed sensor shown in FIG.
  • FIG. 53 shows a cross section of the flexible substrate 210 shown in FIG. 54 taken along the line X ⁇ .
  • FIG. 55 is a side sectional view showing a stress distribution generated when the flexible substrate 21 # constituting the multidimensional speed sensor according to the present invention is bent.
  • FIG. 56 is a plan view showing an inner region A 1 and an outer region A 2 determined based on the stress distribution shown in FIG.
  • FIG. 57 is a circuit diagram showing an example of a signal processing circuit used to operate the multidimensional speed sensor shown in FIG. 51.
  • FIG. 58 is a circuit diagram showing an example of a signal processing circuit used to operate the multidimensional speed sensor shown in FIG.
  • FIG. 4 is a side sectional view showing an embodiment in which the structure is refined by applying a dual-purpose device to a multidimensional speed sensor.
  • FIG. 60 is a top view of the piezoelectric element 330 in the multidimensional speed sensor shown in FIG. A cross section of the piezoelectric element 330 shown in FIG. 6 along the X axis is shown in FIG.
  • FIG. 61 is a circuit diagram showing an example of a signal processing circuit used to operate the multidimensional speed sensor shown in FIG.
  • FIG. 62 is a sectional side view of a modification of the multidimensional speed sensor shown in FIG.
  • FIG. 63 is a side sectional view of a multidimensional speed sensor having a weight rest provided around a flexible substrate.
  • this object 10 is rotated at the angular velocity ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ with the Z axis as the center of gravity.
  • a Coriolis Fco (y) 2 * m * Vw z «o> x
  • a Coriolis Fco (y) represented by (3) is formed in the Y direction.
  • three examples of assembling have been described.However, depending on which coordinate axis corresponds to the rotation axis of the object 10, the movement direction axis, and the action of Coriolis force ⁇ , a total of 6 Crossover will occur. In short, this mechanical phenomenon can be said to be a phenomenon in which if an object moving along the first coordinate axis is rotated around the second coordinate axis, Coriolis will occur along the third coordinate axis. Wear.
  • the velocity component V wy in the Y $ ltl direction of the object 10 is determined, and this can be obtained as ffl as the Y axis component V y of the flight speed of the aircraft, as shown in FIG.
  • the object 1 can be obtained based on the above equation (3).
  • the Z $ ili direction velocity component V wz of 0 is obtained, and this can be used as the Z axis direction component V Z of the flight speed of the aircraft.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a basic configuration of a speed sensor according to the present invention utilizing such a basic principle of speed detection.
  • the weight rest 20 having the mass m is supported in the housing 22 by the support means 21.
  • the housing 22 functions as a body of a sensor that houses the weight body 20.
  • the support means 21 supports the weight body 20 so as to be rotatable about a predetermined rotation axis. Therefore, the weight body 20 can freely rotate around the rotation inside the housing 22.
  • this rotation axis is called the [] axis.
  • the driving means 23 has a function of rotating the weight body 2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ at an angular velocity ⁇ about the axis of [], and the detection means 24 It has a function of detecting a Coriolis force Fco acting in a direction along a second axis orthogonal to the axis. Then, the calculating means 25
  • the mass m (known amount) of the weight body 20, the rotational angular velocity ⁇ of the weight rest 20 (determined based on the driving energy supplied from the driving means 23 to the weight body 20), the weight A calculation is performed to calculate the velocity Vw of the weight body 20 by applying the Coriolis Fco acting on the weight body 20 (detected by the detection means 24).
  • the obtained velocity V w is the velocity of the weight body 20 in the third axial direction. According to the present invention, it is possible to realize a one-dimensional speed sensor, a two-dimensional speed sensor, and a three-dimensional speed sensor based on such a principle.
  • the configuration of the dimensional velocity sensor is very simple. That is, in the basic configuration shown in FIG. 4, it is sufficient that the support means 21 can support the weight rest 20 so as to be rotatable only about the first shaft, and the driving means 23 is a weight body. It suffices to have a function of rotating the 20 with respect to the first axis, and the detecting means 24 should have a function of detecting a corerica Fco acting on the weight rest 20 in the second direction. Is enough.
  • the calculation means 25 can determine the speed Vw in the third free direction based on the equation (4).
  • the first $ ltl, the second reason, and the third axis can be any axes that are orthogonal to each other.
  • the configuration of a multidimensional speed sensor is a little complicated.
  • the driving means 23 has the weight rest 20 and these two fiti (X ⁇ , Y ⁇ )
  • the detection means 24 has a function of detecting coriolis in the two ill (eg, Y-axis and Z-axis) directions acting on the weight body 20.
  • the two-dimensional speed sensor that obtains the speed in two directions (for example, the direction of the axis X and the direction of the axis X) can be realized by the arithmetic unit 25.
  • the support means 21 has a function of supporting the weight rest 20 so that the weight rest 20 is rotatable with respect to the three axes of 'and ⁇ . If it has a function of selectively rotating and driving these three axes, and if the detecting means 24 has a function of detecting the three-axis direction coriolis acting on the weight rest 20, the calculating means 25 will provide It is possible to realize a three-dimensional speed sensor that obtains the speed of (3).
  • a more efficient multidimensional velocity sensor can be constructed.
  • the basic principle of Fig. 1 and the basic principle of Fig. 2 are combined, simply rotating the object 10 around the Z axis will produce a velocity V wx in the X $ direction and a velocity V w in the Y axis direction.
  • a two-dimensional speed sensor capable of detecting both y and y can be configured. That is, in the configuration of FIG. 4, in order to realize a two-dimensional velocity sensor, the support means 21 must be capable of supporting the weight 20 so that the weight body 20 can rotate only in the first direction (Z axis).
  • the driving means 23 has a function of driving the weight rest 20 to rotate about the first axis (Z-axis), and the detecting means 24 is provided with the second function acting on the weight rest 20. It suffices to have a function that can detect the stiffness Fco (y) in the direction of the axis (YfA) and a function that can detect the colica Fco (x) in the direction of the third axis (from Xf) acting on the weight rest 20. It is.
  • the calculation means 25 can calculate the velocity Vw x in the ⁇ $ ⁇ direction based on the principle shown in FIG. 1, and can calculate the velocity Vwy in the Y lti direction based on the principle shown in FIG. You can also ask.
  • the supporting means 21 and the driving means 23 having a structure capable of driving the weight body 20 to rotate about the first axis (Z axis) are described. It is only necessary to provide a detection means 24 having a function of detecting Coriolisa acting in the second fifi (Y-axis) and third cold (X-axis) directions.
  • XYZ A three-dimensional speed sensor that can detect the speeds V wx, V wy, and V wz can be configured. That is, in the configuration of FIG. 4, in order to realize a three-dimensional velocity sensor, the supporting means 21 is provided with a weight for both the first f (Z Yukiyoshi) and the third (X Yukiyoshi). It is sufficient if the body 20 can be supported so as to be rotatable, and the driving means 23 selectively moves the weight rest 20 with respect to the first axis (Z axis) and the third axis (X axis).
  • the detecting means 24 has a function of driving the rotating body to rotate.
  • the detecting means 24 has a function of detecting the Corioliska F co (y) acting on the weight body 20 in the second axis (Y-axis) direction. It is sufficient to have a function capable of detecting the Coriolisa F co (x) acting on the weight 20 in the third ⁇ (X-axis) direction.
  • the arithmetic means 25 can determine the speed V w X in the X direction due to the principle shown in FIG. 1, or can calculate the speed V w in the Y direction due to the principle shown in FIG. wy can be determined, and the velocity Vwz in the Z ⁇ direction can be determined based on the principle shown in FIG.
  • the weight rest 20 can be selectively driven to rotate with respect to the first good reason (Z axis) and the third ⁇ (X axis).
  • the arithmetic means 25 in the present invention does not necessarily have to faithfully perform a theoretical operation based on a physical phenomenon. In practice, it is very difficult to obtain the absolute ⁇ of the speed by such a theoretical operation. For example, let us consider a platform that determines the speed Vw by theoretical calculation based on the above equation (4). In this case, it is necessary to measure an accurate value of the mass m of the weight body 20. However, the weight rest 20 is supported in the housing 22 by some kind of support means 21, and in reality, where is the weight rest 20 and where is the support means 21 It is difficult to distinguish between the two.
  • the acting force or a physical quantity equivalent thereto must be measured by some kind of measuring means, but the measuring means capable of accurately measuring the absolute value of the Coriolisa Fco Is very difficult to construct.
  • the calculating means 25 is not a means for actually performing the calculation based on the above formula, but a means for performing the calibration calculation. become.
  • equation (4) it is theoretically shown that if the mass of the weight body, its angular velocity ⁇ , and the Corioliser F co acting thereon are known, the velocity V w can be obtained. ing.
  • a speed sensor having a weight rest 20, a support means 21, a housing 22, a driving means 23, and a detection means 24 is prototyped.
  • the detection means 24 should output some value indicating the Coriolis Fco.
  • some voltage value is output, but in this case, the output voltage value is a value corresponding to the Coriolisa Fco acting on the weight 2 ⁇ in a one-to-one correspondence. It is enough if it is guaranteed.
  • the voltage value output from such a prototype is calibrated using an existing speed sensor.
  • this prototype is mounted on a test vehicle together with an existing speed sensor, and the output voltage from the prototype is recorded while the test vehicle is running at a predetermined speed.
  • the speed value indicated by the existing speed sensor is also recorded at the same time.
  • a table can be created in which the output voltage value of the prototype and the absolute value of the speed measured by the existing speed sensor correspond to].
  • the calibration of the output voltage of the prototype was performed. If the output voltage of the prototype corresponds linearly to the absolute value of the speed, a circuit having a function of performing a predetermined linear scaling operation on the output voltage may be used as the calculating means 25. .
  • the calculating means 25 a circuit or a microprocessor that performs such a functional calculation may be used. If a very complicated correspondence is obtained, the correspondence is recorded in a memory in the form of a so-called look-up table, and the calculation means 25 is used. A device that converts the output voltage value into the absolute value of the speed and outputs the converted value may be used.
  • the operation performed by the arithmetic means 25 does not indicate only a so-called arithmetic operation, but broadly includes a process of converting the output of the detecting means 24 into a value indicating the speed.
  • the reason why the speed can be detected based on the theoretical basis is theoretically analyzed by using mathematical expressions.
  • This is for explaining the basic principle of speed detection according to the present invention, and the arithmetic performed by the arithmetic means 25 is an arithmetic based on such a basic principle. Note that, as described above, even if processing for outputting data indicating speed using a method such as a calculation means 25, a lookup table or the like is performed, speed detection is performed based on the same basic principle. As long as this is the case, such a process is completely equivalent to an arithmetic process based on a mathematical expression, and is included in the technical scope of the present invention.
  • the speed V wx, V wy, and V wz obtained are all the speeds of the self-resting zero. Therefore, in the speed sensor having the basic configuration as shown in FIG. 4, the speed V w obtained by the calculating means 25 is the speed of the weight body 20 itself. Now, in FIG. 4, assuming that the weight rest 20 is rotatably supported with respect to a rotation passing through the center of gravity, the relative velocity component of the weight rest 20 to the housing 22 becomes zero.
  • the speed V w of the weight rest 20 obtained by the calculating means 25 is equal to the housing 2 2 Speed V. Therefore, for example, the speed Vw of the weight rest 20 obtained by the computing stand 25, which is obtained when the speed sensor is mounted on the vehicle, is equal to the speed V of the vehicle.
  • the description so far is based on the premise that the weight body 20 rotates about the rotation axis passing through the center of gravity G as described above. However, when actually constructing a speed sensor, it is not always possible to rotationally drive the weight rest 20 for a rotation ill passing through its center of gravity G.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a state in which the weight rest 3 ⁇ revolves on a predetermined orbit 31.
  • the orbit 3] force ⁇ is a circumferential orbit with a center point
  • the center of gravity of the weight rest 30 is the G force. It is assumed that they are moving as follows.
  • the weight body 20 when the weight body 20 is supported by the support means 21 with a rotation axis deviating from the center of gravity G, the weight body 20 is equivalent to the model shown in FIG. Become.
  • the rotation of the weight rest means “the rotation of the weight rest itself about the rotation axis passing through the center of gravity G of the weight rest”
  • the revolution of the weight rest means “ The movement of the weight on a defined orbit around the revolution ⁇ ⁇ ⁇ that does not pass through the center of gravity G of the weight.
  • the model shown in Fig. 5 can be easily understood by imagining the celestial motion of the earth (weight 30) revolving around the sun located at the center point 0.
  • the weight rest 30 (indicated by a triangle for the sake of explanation here) is a P] motion that moves along a circumferential trajectory 31 about a center point 0.
  • the state of the weight rest 30 is shown superimposed every 1 to 12 cycles.
  • This circumferential orbit 31 is a revolving orbit, and the weight rest 3 ⁇ is rotating around the center point 0 at the angular velocity ⁇ on both the platforms shown in FIGS. 6 and 7.
  • the motion shown in FIG. 6 consists only of the orbital motion, and the weight body 30 does not rotate.
  • the movement shown in Fig. 7 includes rotation movement in addition to orbital movement.
  • the orientation of the weight rest 30 indicated by a triangle at each position is gradually changing. That is, while the weight body 30 moves on the orbit of revolution 31 at the revolution angular velocity ⁇ , the weight itself 30 is rotating at the rotation angular velocity ⁇ with the center of gravity G as the center. In this example, it is ⁇ - ⁇ , and the weight body 30 makes one revolution as it moves on the orbit 31.
  • the phenomena shown in Figs. 1 to 3 are phenomena that occur on the platform where the weight rest 30 rotates at an angular velocity ⁇ , and are not directly related to the orbital motion due to the angular velocity ⁇ . Therefore, when the speed sensor according to the present invention is realized by a system in which the weight rest 30 performs a revolving motion, the revolving motion as shown in FIG. A system that only performs movement is inappropriate, and a system with rotation as shown in Fig. 7 must be prepared.
  • the angular velocity involved in the speed detection is the rotation angular velocity ⁇ , not the revolution angular velocity ⁇ .
  • the handling is different from that when only the spinning motion described in ⁇ 2 is performed. Need to do.
  • the second reason is that an additional force such as a centrifugal force due to the orbital motion acts on the weight rest 30, and the second reason is that the motion of the weight body 30 This is because the speed and the movement speed of the housing do not match.
  • the weight body 20 rotates about the rotation axis passing through the center of gravity G, and the centrifugal force acting in each direction is canceled. .
  • the speed V of the weight body 20 is V w can be handled as it is as the vehicle speed V.
  • centrifugal force always acts in the radial direction on the weight rest 30 moving along the orbit 31.
  • the speed V w of the weight 3 ⁇ is equal to the speed V of the housing (in other words, this sensor is It does not correspond to the motion speed V) of the vehicle on board.
  • the speed V of the sensor housing housing the system as shown in FIG. 5, that is, the movement speed V of the vehicle equipped with this sensor is detected by the following measures. I have. First, let us consider the force instantaneously acting on the weight rest 30 moving while rotating on the circumferential orbit 31 shown in FIG. Now, at a specific point P shown in Fig. 8, Assuming that the radial direction of the orbit 31 is D r, the tangential direction is D t, and the direction perpendicular to these directions is Du, the weight body 30 revolves with the velocity V w toward the tangential direction D t. And the rotation is at the angular velocity ⁇ with the direction Du as the rotation fill.
  • the force F r (0) in the radial direction is equal to the centrifugal force F ce generated based on the circular motion (orbital motion) of the weight 30, and the centrifugal force F ee is If the mass of the rest 30 is m, the radius of the orbit 31 is 1 ", and the angular velocity of the orbital motion is
  • a tangential force F t (0)-0 is applied to the stage where the weight body 30 performs a constant velocity circular motion.
  • the speed Vt of the vehicle can be measured if the sensor having such a system is mounted on the vehicle. That is, first, in a state where the vehicle is stationary, in other words, as shown in FIG. 8, with the center point 0 stationary, the weight rest 3 ⁇ is caused to revolve and rotate. The radial force F r (0) acting at the moment when the weight body 30 passes through a specific point is measured and obtained in advance. Subsequently, while the vehicle is traveling at the speed Vt, the weight 30 is made to perform similar revolution and rotation, and the radial force F r (V t) acting at that time is measured.
  • the Corioliser Fco (V t) based on the velocity V t can be obtained from the equation (6) using the difference. Further, the velocity Vt can be obtained from equation (7).
  • the system with the stationary state shown in Fig. 8 and the speed Vt shown in Fig. 9 In the whole moving state, whether or not the Coriolis force Fco (V t) in the radial direction Dr acts on the weight rest 30 is different, and the change in the radial force Fr is the Coriolis force Fco. (V t), and Coriolis Fco (V t) is a value corresponding to the speed V t.
  • the speed Vr of the vehicle can be measured if the sensor having such a system is mounted on the vehicle. That is, first, in a state where the vehicle is stationary, in other words, as shown in FIG. 8, when the center point 0 is stationary, the weight rest 30 is caused to revolve and rotate. The tangential force F t (0) acting at the moment when the weight body 30 passes through a specific point is measured and obtained in advance. Then, while the vehicle is running at the speed Vr, the weight 30 performs the same revolution and rotation, and the tangential force Ft (Vr) acting at that time is measured.
  • the Corioliser Fco (V r) based on the velocity V r can be obtained by the equation (9). Further, the velocity Vr can be obtained from the equation (10).
  • the coriolica Fco (V r) in the tangential direction D t to the weight 3 [] The difference in the tangential force F t corresponds to the Coriolis force F co (V r), and the Coriolis force F co (V r) has a value corresponding to the velocity V r . Therefore, if the tangential force F t (V r) is always measured and the difference from the reference value F t (0) in the stationary state is appropriately calibrated and output, the output value will be the speed V r Can be used as the detection value of
  • V r V r 8 (V r) is the same as the case of the stationary state shown in FIG.
  • F r (0) and F t (0) are forces acting in the radial and tangential directions, respectively, in the stationary state as shown in FIG. 8, and Fco (V si ⁇ ⁇ ) and Fco ( V cos 0) is the Coriolis force generated in the radial and tangential directions due to the velocity V, respectively.
  • an arbitrary two-dimensional velocity V of the vehicle can be measured if the sensor having such a system is mounted on the vehicle. That is, first, in a state where the vehicle is stationary, in other words. As shown in FIG. 8, when the center point 0 is stationary, the weight 30 The tangential force F t ( ⁇ ) and the radial force F r (0) acting at the moment when the weight 3 ⁇ passes a specific point are measured in advance. Ask for it. Subsequently, while this vehicle is traveling at the speed V, the weight rest 3 ⁇ performs the same revolution and rotation, and the tangential force acting at the moment when the weight rest 30 passes the same specific point. Measure F t (V) and radial force F r (V).
  • a circumferential orbit is used as the orbit 31.
  • the orbit need not necessarily be a circular orbit.
  • it may be an elliptical orbit, or any other orbit.
  • the important point of the above-mentioned detection principle is that it is only necessary to detect a change in the force acting on the weight rest 30 in a predetermined direction at a predetermined point, so that the same trajectory can always be ensured.
  • the orbit 31 may be any orbit.
  • the orbital motion does not necessarily have to be a orbital motion.
  • the orbital motion may be a reciprocating motion with a circular arc as the orbit. This will be described later in S5.
  • the orbital motion does not necessarily need to be a constant angular velocity motion, and the angular velocity ⁇ may be changed every moment in the above-described model.
  • the angular speed ⁇ of the orbit changes periodically.
  • the speed sensor according to the present invention is particularly suitable for being used as a two-dimensional or three-dimensional speed sensor.
  • the basic principle of a field base applied to a two-dimensional velocity sensor that can detect the velocity component VX in the X axis direction and the velocity component Vy in the Y axis direction in the XYZ three-dimensional coordinate system, and the Zl direction
  • the basic principle of ffl suitable for a three-dimensional speed sensor that can detect the velocity component V z of and will be described below.
  • an XYZ three-dimensional coordinate system having an origin 0 at the position of the center of gravity G of the weight body 20 is defined.
  • a platform is considered in which the weight rest 20 is rotated at a predetermined angular velocity ⁇ z with Z as a rotation axis.
  • the reason for rotation (Z tsumugi) passes through the center of gravity G of the weight rest 20, so that the weight 2 ⁇ makes a zero-rotational motion with respect to the Z axis ⁇ , the center of gravity for this coordinate system
  • the relative position of G is unchanged, and the weight rest 20 does not revolve.
  • the velocity component V wx of the weight rest 20 in the X-direction is represented by the coordinates
  • the moving speed Vxy of the system becomes equal to the X-axis component VX of the weight
  • the weight component 20 in the Y-axis direction Vwy is equal to the moving speed VXy of the coordinate system in the Y-axis direction Vy.
  • the Z axis which is the axis of rotation of the weight 20
  • the Z axis is an axis perpendicular to both the X axis and the Y axis, when the weight 20 moves at the velocity V x in the X axis direction, the weight 2 For 0, as already mentioned,
  • Coriolis Fco (x) in the direction of X $ expressed by the following formula acts.
  • the force FX acting on the weight body 20 in the X-axis direction can be regarded as Coriolis Fco (x) in the X fist direction, and acts on the weight rest 20 in the Y direction.
  • the force F y can be regarded as it is as Coriolis Fco (y) in the Y fill direction.
  • the following two-dimensional velocity sensor can be configured. That is, the weight body 20 having the mass m is supported by the supporting means 21 so as to be rotatable about the Z axis passing through the center of gravity G, and the weight body 20 is accommodated in the housing 22. To Then, the weight body 20 is rotationally driven at an angular velocity ⁇ z with respect to Z screw by the driving means 23, and in this state, a force Fx in the X-axis direction acting on the weight rest 20 by the detection means 24, The force F y in the free direction is detected.
  • the velocity component VX in the X-axis direction of the weight body 20 can be obtained by calculation according to the above equation (18), and the velocity component V y in the Y-axis direction of the weight rest 2 ⁇ can be obtained according to the above equation (19).
  • the relative position of the weight rest 20 with respect to the three-dimensional coordinate system does not change. If the center of gravity G is stationary at a predetermined position in the housing 22, the weight rest 20 performs only rotation, so that the moving speeds VX and Vy of the weight body 20 in the respective axial directions are: It becomes the moving speed of the housing 22 as it is. Therefore, it becomes possible to measure the moving speed of the vehicle equipped with the housing 22.
  • the principle of operation of the two-dimensional velocity sensor capable of detecting the velocity component VX in the X-direction and the velocity component Vy in the Y-axis direction has been described with reference to FIG. 12 above. It is also possible to realize a three-dimensional speed sensor capable of detecting the speed component Vz in the Z-axis direction.
  • the two-dimensional speed sensor shown in FIG. 12 is a speed sensor that can use both the detection principle shown in FIG. 1 and the detection principle shown in FIG. It was enough to be able to rotate only for.
  • a three-dimensional velocity sensor needs to use all three detection principles shown in Figs.
  • a function of rotating and driving the weight body 20 about the X axis may be added.
  • the three-dimensional speed sensor has two measurement modes.
  • the first measurement mode is a mode that detects the velocity component VX in the X $ direction and the velocity component Vy in the Y-axis direction.
  • a force FX acting in the X ⁇ direction and a force F y acting in the Y direction acting on the weight rest 20 are detected, and based on the equations (18) and (19) described above.
  • the velocity components VX and Vy are determined.
  • the second measurement mode is a mode for detecting the velocity component Vz in the Zlfl direction. As shown in FIG. 13, the weight rest 20 is set to the angular velocity ⁇ X The force F acting in the fili direction on the weight body 20 y
  • Equation (18) is an equation that holds when the weight rest 20 is driven to rotate around the Z axis (in the first measurement mode) based on the basic principle of FIG. This is an equation for obtaining the velocity component V x in the ⁇ direction.
  • equation (20) is an equation that holds when the weight body 20 is driven to rotate around the X axis (in the second measurement mode) based on the basic principle of FIG. This is an equation for obtaining the velocity component Vz in the direction of the bulge.
  • a ⁇ three-dimensional coordinate system is defined, and a circumferential orbit 31 is defined in the X ⁇ plane.
  • Weight body 3 0 force
  • a platform that is revolving at an angular speed ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ around ⁇ parallel rotation with ⁇ fist ⁇ ⁇ ⁇ while revolving at an angular speed ⁇ ⁇ ⁇ along this orbit 3 1.
  • the rotation lh becomes f parallel to Z iti through the center of gravity G of the weight rest 30. Since the center of gravity G moves on the orbit 31 due to the orbital motion, the rotation cause also moves on the orbit 31.
  • the rotation motion (angular speed ⁇ ⁇ ) and the orbital motion (angular speed ⁇ ⁇ ) of the weight rest 30 are clearly defined. It is important to distinguish. That is, it is the rotation of the weight body 30 that is involved in the generation of Corioliska.
  • the top rotates on the rail while rotating at the rotation angle speed ⁇ .
  • the revolution angular velocity ⁇ ⁇ be involved in the development of the Coriolis force is merely a rotation angular velocity ⁇ of the top, if the angular velocity ⁇ ⁇ is doubled, Corio Guatemala also acts doubled.
  • the simplest mechanism for making a revolving motion while rotating around a certain weight rest 30 is the simplest one mechanism.
  • This mechanism connects the center point O and the weight body 30 by a robot. That is, if an arm having one end rotatably pivoted at the position of the center point 0 is prepared and the weight body 30 is fixed to the other end of the arm, such a movement mechanism can be easily configured. it can.
  • Fig. 15 shows the basic configuration of such a movement mechanism.
  • One arm 32 is rotatably pivoted at one end at a position of a center point 0, and a weight body 30 is fixed to the other end.
  • the center point 0 (the origin of the coordinate system) of the orbit 3] and the weight body 30 are connected by a simple arm 3 2 having no movable part, and the arm 3 2 is centered.
  • the system in which the weight rest 30 is fixed so as not to rotate with respect to the arm 32 at the point 0 so as to freely rotate is referred to as a “simple support system”.
  • This ⁇ simple support system '' has the advantage that the structure is very simple, and also has the advantage that it can use both the power for revolving motion and the power for rotating motion. Have. For example, a mechanism that moves the top along a circumferential rail would require a power to rotate the top itself and a power to move the top along the rail.
  • the force acting at the moment when the weight body 30 passes through the point ⁇ ] is measured, and the X-axis direction velocity component VX and the ⁇ -axis direction velocity component Vy of the entire system are detected.
  • the sensor housing containing the motion system shown in FIG. Let's explain the principle of mounting on a vehicle and detecting the traveling speed of this vehicle separately in Xih direction component VX and Y axis direction component Vy.
  • the weight rest 3 [] is caused to perform a revolving motion and a rotating motion having a predetermined angular velocity ⁇ .
  • the weight rest 30 is moved along the orbit 31 while the entire three-dimensional coordinate system shown in FIG. 14 is stationary.
  • the motion of the weight body when the coordinate system is in a stationary state as described above will be referred to as “reference motion”.
  • the force F x (0) in the X-axis direction and the force F y (0) in the Y-axis direction generated at the weight rest 3 ⁇ are generated. Measure in advance.
  • FIG. 16 shows this state.
  • the weight body 30 is also moved along the orbit 31 and, at the moment of passing the point P1, the force in the X-axis direction acting on the weight rest 30 FX (VX y) and the Y direction The force F y (V xy) is measured.
  • the differences X and mu F y from the measured values at the time of the reference movement are
  • the force FX in the X-pong direction and the force Fy in the Y-huge direction acting on the weight rest 30 are measured and obtained during the reference movement. If the differences ⁇ FX, AFy from these obtained values are obtained, the axial components VX, Vy of the moving speed VXy of the vehicle can be obtained.
  • This detection principle is equivalent to the detection principle already described in S3, considering that at point P1, the force FX is a force acting in the tangential direction and the force Fy force is a force acting in the radial direction. I understand that it is.
  • the operating principle of the two-dimensional speed sensor capable of detecting the velocity component VX in the X-direction and the velocity component Vy in the Y-axis direction has been described above with reference to FIG. 16. it is also possible to realize a three-dimensional velocity sensor that can detect a velocity component V Z of the Z-axis direction.
  • the two-dimensional speed sensor shown in FIG. 6 is a speed sensor that can use both the detection principle shown in FIG. 1 and the detection principle shown in FIG. It was sufficient to be able to drive only the parallel rotation axes.
  • three-dimensional velocity sensors need to use all three detection principles shown in Figs.
  • a function of rotating and driving the weight body 30 about a rotation axis parallel to the X axis may be added.
  • the three-dimensional speed sensor has two measurement modes.
  • the first measurement mode is a mode for detecting the velocity component VX in the X-axis direction and the velocity component Vy in the Y-axis direction.
  • the weight body 30 is moved along the Z-axis.
  • the force FX in the X-axis direction and the force F y in the Y flll direction acting on the weight body 3 ⁇ ⁇ are detected, and the speed is determined by the method described above.
  • the components VX and Vy are determined. This is the operation itself of the two-dimensional speed sensor described above.
  • the second measurement mode detects the velocity component Vz in the free direction.
  • a revolving orbit 33 is defined in the YZ plane, and the weight rest 30 is rotated at an angular velocity ⁇ X with respect to ⁇ parallel to the X axis, while rotating in the YZ ⁇ plane.
  • Orbital orbit 3 Orbital motion at angular velocity ⁇ X on 3. Then, for example, at the point P 1, the difference ⁇ F y of the ⁇ -axis direction force F y acting on the weight rest 30 may be detected. That is, the force F y (0) when the three-dimensional coordinate system is kept stationary and the force F y (V when the three-dimensional coordinate system is moving at the speed V z in the Z direction.
  • the weight 30 In the first measurement mode, the weight 30 needs to be driven to rotate around the Z axis. In the second measurement mode, the weight 30 needs to be driven to rotate around Xil. Therefore, both measurement modes cannot be executed at the same time.However, if these measurement modes are switched in a time-division manner, the velocity components V x, V y, and V z for each axis are periodically changed. It is possible to detect.
  • the weight rest 30 performs a revolving motion along the circumferential orbit 31.
  • the orbit 31 is not necessarily a circular orbit. For example, even if the weight reciprocates on an arc-shaped orbit, the revolving orbit does not matter.
  • the force acting in the X-axis direction FX and the force acting in the Y-axis direction F at the moment of passing through the point P1 while the weight body 30 is reciprocating near the point P1 It just needs to be able to measure y in some way.
  • FIG. 18 is a diagram showing a basic principle of a speed sensor using a weight body that performs such a reciprocating motion.
  • the weight rest 40 is fixed to the lower end of the arm 41, and the upper end of the arm 41 is rotatably pivoted at the position of the origin 0 of the coordinate system. Therefore, assuming that the effective length of the arm 41 is r, the weight rest 40 can move along an arc trajectory 42 having a radius r around the origin 0.
  • Such a supporting structure of the weight rest becomes the “simple supporting system” described above.
  • an XYZ three-dimensional coordinate system is defined so that the paper surface is an XZ plane as shown in FIG. Along the circular orbit 4 2 from
  • the weight body 40 performs a reciprocating pendulum motion.
  • the mass of the arm 41 is ignored, it can be treated as a model in which the center of gravity G of the weight body 40 moves on the circular arc orbit 42 at an angular velocity ⁇ y.
  • the weight body 40 revolves around the Y-axis at an angular velocity o> y.
  • the weight body 40 revolves around the origin 0 at an angular velocity ⁇ y
  • the term “rotation” or “revolution” is not necessarily a word meaning one rotation of 360 °, but has a meaning including a partial rotation that does not reach one rotation. Will be used.
  • the angular velocity ⁇ y is not constant but an amount that changes periodically. That is, at both end points P 1 and P 2 of the arc trajectory 42, the angular velocity co y becomes zero, and at the center point P 0, the angular velocity ⁇ y becomes the maximum value.
  • the observation point P3 which is separated from the point P0 to the point P1 by an angle 0 as shown in the figure.
  • some measuring means for measuring the force FX acting on the weight body 40 in the X-axis direction and the force F z in the Z-axis direction is provided. .
  • the force FX acting in the X $ direction acting on the weight body 40 and the force Fz acting in the Ziifi direction are measured, and the reference is measured. If the differences ⁇ FX and AFz from these values obtained during exercise are obtained, the axial components VX and Vz of the sensor housing moving speed VXz can be obtained. In practice, instead of calculating the speeds VX and Vz by performing the calculations based on the above-mentioned equations (28) and (29), the values of the measured differences ⁇ Fx and AFz are converted to different speeds. What is necessary is just to calibrate and output by a sensor.
  • a two-dimensional velocity sensor capable of detecting the velocity component V x in the X-axis direction and the velocity component V z in the Z-axis direction by a reciprocating pendulum motion system as shown in Fig. 18 is constructed.
  • the calculating means 25 calculates the difference X, AFz from the detected value at the time of the reference motion when the housing 22 is stationary.
  • the velocity component VX in the X-axis direction and the velocity component Vz in the Z-axis direction of the casing 22 can be obtained by calculation or by a calibration equivalent to this calculation.
  • FIG. 19 is a perspective view showing a movement system substantially the same as the movement system shown in FIG.
  • the motor system shown in Fig. 19 the weight “5” is fixed to the lower end of the arm 51, and the upper end of the arm 51 is rotatably supported at a support point Q over Z. Now, let's consider a platform that reciprocates this motion system in the XZ plane.
  • the weight body 50 reciprocates along an arc trajectory 52 having a radius equal to the effective length r of the arm 51.
  • the circular arc orbit 52 is a path formed between the end points P 1 and P 2, and this movement is equivalent to the movement shown in FIG. Therefore, during this reciprocating pendulum motion, if the force FX in the X-axis direction acting on the weight body 50 and the force Fz in the Z-fist direction can be detected by some method, the Xll direction in the entire motion system can be detected. The velocity component VX and the velocity component Vz in the Z-axis direction can be obtained.
  • FIG. 20 is a top view for explaining this rotation function.
  • the arc trajectory 52 shown in FIG. 19 is a trajectory overlapping the X axis in FIG.
  • the reciprocating pendulum motion in the XZ plane is a left and right reciprocating motion along the X axis in FIG.
  • the support point Q shown in FIG. 19 is gradually rotated about the Z axis as the rotation axis.
  • the plane of reciprocating pendulum motion gradually changes from the XZ plane to the W1 plane, the W2 plane,... as shown in Fig. 20.
  • the YZ plane becomes the motion plane.
  • the circular locus 53 indicates the locus of the end points PI and P2.
  • the circular arc trajectory 54 passing through the weight body 50 becomes a trajectory along the Y axis in FIG. 20 and the movement of the weight body 50 is viewed from above. And the reciprocating movement up and down along the Y axis.
  • this circular orbit 54 The reciprocating pendulum along the axis is a motion having an angular velocity ⁇ X about the X axis. Therefore, during such a reciprocating pendulum motion, if the ⁇ force in the fortunate direction F ⁇ acting on the weight rest 50 can be detected in some way, the measured value of this force F ⁇ ⁇ during the reference motion , And this difference corresponds to the Coriolisa F co (z) in the ⁇ -axis direction.
  • a three-dimensional speed sensor can be realized by causing the weight body 50 to reciprocate in a predetermined motion plane and to gradually rotate the motion plane. That is, when the motion plane overlaps the XZ plane (when the weight body 50 is moving at an angular velocity ⁇ y around Y f.), The X If the force FX is detected, the movement velocity V z in the Z-axis direction of the entire motion system can be obtained. If the force F z in the Z-axis direction acting on the weight body 50 is detected, the motion system can be obtained. The moving speed VX in the entire X-axis direction can be obtained.
  • the force acting on the weight rest 50 is ⁇ the force in the free direction. If F ⁇ is detected, the moving speed V y in the ⁇ -axis direction of the entire driving system can be obtained.
  • the reciprocating path of the weight 5 ° does not necessarily have to be a circular arc.
  • it may be a parabolic track, a hyperbolic road, an elliptical road, or any other route.
  • the calculating means 25 uses the change of the force acting on the weight body 5 ⁇ in the predetermined direction as a parameter to obtain the velocity components VX, V y, V z of the casing 22 in the respective pong directions. Calculation or calibration In order to simplify the calculation or calibration, it is preferable to reciprocate on a simple path such as an arc orbit as much as possible.
  • a simple path such as an arc orbit
  • Each of the specific embodiments described below is of a type in which the weight body is reciprocally pendulum-moved substantially along a circular orbit.
  • the revolving speed of the weight body is considerably high, and it can be said that it is not a reciprocating pendulum motion but a vibration. Therefore, continuous speed detection in almost real time becomes possible.
  • a piezoelectric element is a very suitable material for such a driving means 23 and a detecting means 24.
  • a piezoelectric element has a property of generating a charge of a predetermined polarity when a force is applied in a predetermined direction, and has a property of generating a force in a predetermined direction when a charge of a predetermined polarity is supplied.
  • the former property can be used as the detecting means 24, and the latter property can be used as the driving means 23.
  • the piezoelectric element PE 1 shown in Fig. 21 (a) and (b).
  • the piezoelectric element PE 1 when a force in the laterally extending direction is externally applied, the piezoelectric element PE 1 has a positive charge on the upper electrode layer A side and a lower electrode. Negative charges are generated on the layer B side, and conversely, as shown by the arrow in Fig. 21 (b), the upper electrode is applied to the field base to which a laterally contracting force is applied from the outside. A negative charge is generated on the layer A side, and a positive charge is generated on the lower electrode layer B side.
  • the above description shows the property that a charge of a predetermined polarity is generated when a force is applied in a predetermined direction. Conversely, when a charge of a predetermined polarity is supplied, a predetermined direction is generated. It also has the property of generating force. That is, when a positive charge is supplied to the upper electrode layer A side and a negative charge is supplied to the lower electrode layer B side of the piezoelectric element PE1, as shown by an arrow in FIG. When a negative charge is supplied to the upper electrode layer A side and a positive charge is supplied to the lower electrode layer B side, as shown by the arrow in Fig. 21 (b) Then, a force in the direction of contracting laterally is generated.
  • the piezoelectric element PE 1 having such polarization characteristics is referred to as a type I piezoelectric element.
  • the piezoelectric element PE2 shown in FIGS. 22 (a) and (b) has a slightly different property from the above-described piezoelectric element PE1. That is, as shown by the arrow in FIG. 22 (a), this piezoelectric element PE2 has a positive charge on the upper electrode layer A side when a force in the direction of being vertically applied from the outside is applied. A negative charge is generated on the lower electrode layer B side, and conversely, as shown by an arrow in FIG. A negative charge is generated on the electrode layer A side, and a positive charge is generated on the lower electrode layer B side.
  • the above description shows the property that a charge of a predetermined polarity is generated when a force is applied in a predetermined direction.
  • the charge has a property of generating a force in a predetermined direction when a charge of a predetermined polarity is supplied. That is, when a positive charge is supplied to the upper electrode layer A side and a negative charge is supplied to the lower electrode layer B side of the piezoelectric element PE 2, as shown by an arrow in FIG. When a negative electric charge is supplied to the upper electrode layer A side and a positive electric charge is supplied to the lower electrode layer B side, an arrow is shown in Fig. 22 (b). As described above, a force in the direction of contracting vertically is generated.
  • the piezoelectric element PE 2 having such polarization characteristics is referred to as a type II piezoelectric element.
  • piezoelectric elements for example, piezoelectric ceramics are widely used.
  • the piezoelectric element has a function of performing “force-charge” conversion and a function of performing “charge-force” conversion.
  • the former function was used as the Corioliska detecting means 24, and the latter function was used as the driving means 23 for rotating the weight rest. Things.
  • FIG. 23 is a perspective view of a main part of the one-dimensional speed sensor according to one embodiment of the present invention.
  • the speed sensor includes an elongated prism-shaped vibrator 60, a pair of pedestals 61, 62 supporting the vibrator 60, and a piezoelectric element 6 fixed to the center of the upper surface of the vibrator 60. 3 and piezoelectric elements 64 and 65 fixed to both ends of the upper surface of the vibrator 60.
  • an XYZ three-dimensional coordinate system is defined as shown in the figure, and the following description will be made.
  • the vibrator 60 is arranged so that its longitudinal direction is along the X-axis, and its lower surface is formed by a pair of pedestals 61 and 62 arranged at a predetermined distance in the X-axis direction. Are supported.
  • the pair of pedestals 6 1 and 6 2 is a triangular prism-shaped block, and the top sides are bonded to the lower surface of the vibrator 6 #.
  • FIG. 24 is a front sectional view and a wiring diagram of the speed sensor shown in FIG. As shown in FIG. 24, the pedestals 61, The lower surface of 62 is fixed to the bottom of housing 22. Although not shown in the figure, the entire main part illustrated in FIG.
  • the vibrator 60 is only supported by the pair of pedestals 61 and 62. It is supported and fixed in 22.
  • the vibrator 60 needs to vibrate as efficiently as possible.
  • the structure in which the vibrator 60 is supported by the vertexes of the pair of pedestals 61 and 62 in this manner is to achieve vibration as efficient as possible.
  • the vibrator 60 be made of a material suitable for such vibration. In this embodiment, a vibrator made of a metal material is used.
  • piezoelectric elements 63, 64, and 65 are fixed to the upper surface of the vibrator 60.
  • the piezoelectric element 63 functions as a force generator for applying a force to the vibrator 60
  • the piezoelectric elements 64 and 65 function as displacement detectors for detecting displacement of both ends of the vibrator 60.
  • these piezoelectric elements are composed of piezoelectric element bodies 63 P, 64 P, 65 P and upper electrode layers 63 A, 64 A, 65 A, as shown in the sectional view of FIG. Have been.
  • the thicknesses of the piezoelectric element bodies 63 P, 64 P, 65 P and the thicknesses of the upper electrode layers 63 A, 64 A, 65 A are shown in an enlarged manner. Actually, these thicknesses are very small compared to the dimensions of the vibrator 60, and the appearance is as shown in the perspective view of FIG. The important point here is that the piezoelectric element 63 is located at the center between the pair of pedestals 61 and 62, whereas the piezoelectric element 64 is on the left side of the pedestal 61 and the piezoelectric element 65 is on the pedestal 62. It is located on the right side.
  • the vibrators [] and the piezoelectric element For 6 3, 6 4, 6 5, an AC power supply 6 6 and voltmeters 6 7, 6 8 are connected, and the outputs of the voltmeters 6 7, 6 8 Has been given.
  • the piezoelectric element bodies 63P, 64P, and 65P the type I piezoelectric elements shown in FIGS. 21 (a) and (b) are used.
  • the prism 60 made of metal is used as the vibrator 60, the vibrator 60 itself forms the lower electrode layer B shown in FIGS. 21 (a) and (b).
  • the piezoelectric element 63 becomes The state shown in FIG. 1 (a) and the state shown in FIG. 21 (b) are alternately taken.
  • the voltmeter 67 detects electric charges generated above and below the piezoelectric element 64, and the voltmeter 68 functions to detect electric charges generated above and below the piezoelectric element 65.
  • the vibrator 60 vibrates so as to alternately repeat the state shown in FIG. 25 and the state shown in FIG. As described above, the vibrator 6 [) vibrates in a unique vibration mode.
  • a unique vibration mode has a node position where displacement is least. Therefore, in realizing this speed sensor, the unique vibration mode of the vibrator 60 is analyzed, the node position with the least displacement is confirmed, and this node position is determined by the pair of pedestals 6 1 and 6 2. Preferably, it is supported.
  • FIG. 25 and FIG. 26 show the vibration state of the pedestal where the pedestals 61 and 62 are arranged at such node positions.
  • the vibrator 60 changes its shape from a state in which the upper part is bent to a convex shape to a state in which the lower part is bent to a convex shape, but at the node position supported by the pedestals 61, 62, Almost no position change has occurred.
  • the vibrator 60 is supported by the node position in this manner, efficient vibration can be realized, and there is no problem that the vibration is transmitted to the housing 22 and leaks to the outside.
  • the voltmeters 67 and 68 are supposed to detect what voltage will be detected.
  • the upper surface of the vibrator 60 is in a state of extending in the horizontal direction in all portions, so that a force in the direction of extending in the horizontal direction is applied to the piezoelectric element 64. Therefore, as shown in FIG. 2A, a positive charge is generated on the upper electrode layer 64A side, and a positive voltage is detected by the voltmeter 67.
  • the voltmeter 67 detects an AC voltage having the same cycle and the same phase as the AC voltage generated by the AC power supply 66.
  • the piezoelectric element 65 and the voltmeter 68 detects an AC voltage having the same period and the same phase as the AC voltage generated by the AC power supply 66.
  • the piezoelectric elements 64, 65 are piezoelectric elements having exactly the same size and the same performance, and are arranged at completely symmetric positions.
  • the support positions of the pedestals 61 and 62 are symmetrical, and the arrangement of the piezoelectric elements 63 is symmetrical.
  • the vibration phenomena of the vibrator 60 are completely symmetrical on the left and right, and naturally the AC voltages detected by the voltmeters 67 and 68 are also exactly the same.
  • such a discussion is based on the premise that the entire speed sensor is stationary. If the entire speed sensor is moving in a predetermined direction, it is necessary to further consider the action of Coriolis.
  • the left and right free ends of the vibrator 60 are treated as separate and independent weights. That is, in FIG. 25, the left free end located on the left side of the pedestal 61 of the vibrator 60 and the right free end located on the right side of the pedestal 62 are considered as independent weight rests. .
  • Vibrator 6 ⁇ ⁇ ⁇ is not vibrating (dashed line in Fig.
  • the left end of ⁇ can be treated as a mass located at the center of gravity GL 0, and the free end of the right can be treated as a mass located at the center of gravity GR 0.
  • the center of gravity GLO and the center of gravity GRO are symmetrically located, and both are mass points with the same mass m.
  • the vibrator 6 ⁇ is in a vibrating state, the center of gravity of these free ends moves.
  • the center of gravity of the left free end moves to GL1, and the center of gravity of the right free end moves to GR1.
  • the vibration state shown in Fig. 25 the vibration state shown in Fig.
  • the center of gravity of the left free end moves to GL2, and the center of gravity of the right free end moves to GR2.
  • Such a shift in the center of gravity is nothing less than the reciprocating pendulum motion described in FIG.
  • the left and right free ends are supported by a “simple support system” so that reciprocating pendulum movement can be performed with the support point of the pedestal as the center point.
  • the support point of the pedestal may move slightly due to vibration, and the vibrator 60 itself may be slightly distorted, so that the path of movement of the center of gravity may not be a perfect circular orbit.
  • the reciprocating motion in which the center of gravity changes from GL 1 to GL 0 to GL 2 and the reciprocating motion in which the center of gravity changes from GR 1 to GR 0 to GR 2 are both angular velocities around the Y axis (perpendicular to the paper). It is nothing but an S rolling motion with y.
  • the action of Coriolisa is exactly opposite on the left and right.
  • the unbalanced phenomenon on the left and right appears as a difference between the detection voltages of the left and right voltmeters 67 and 68.
  • the downward Coriolis Fz (L 1) acting on the left free end acts in a direction to further increase the extension of the piezoelectric element 64 fixed to the upper surface, while the right free end Coriolis force F Z direction on acting (R 1) to act in the direction to reduce the elongation of the piezoelectric element 65 which is fixed to the upper surface.
  • the outputs of the left and right voltmeters 67 and 68 are the same, but when the entire motion system moves at the speed VX, the left voltmeter 67 detected voltage 7 increases, the detection voltage V 6 8 right voltmeter 68 is reduced.
  • the upward Coriolis F F (L 2) acting on the left free end acts in a direction to further increase the shrinkage of the piezoelectric element 64 fixed on the upper surface
  • the right The downward Coriolis Fz (R2) acting on the end acts in a direction to reduce the contraction of the piezoelectric element 65 fixed to the upper surface.
  • FIG. 27 is a graph showing a change in the detection voltage of such voltmeters 67 and 68.
  • both detection voltages V67 and V68 are equal.
  • the detection voltage V67 increases and V68 decreases. Therefore, by calculating the difference between the two detection voltages in the signal processing means 69, it is possible to obtain the speed component VX in the X direction of the housing 22 accommodating the speed sensor.
  • an AC voltage is supplied from the AC power supply 66 to the piezoelectric element 63 functioning as a force generator, and the vibrator 60 is vibrated.
  • the voltmeters 67 and 68 detect the displacements of the electrodes via the piezoelectric elements 64 and 65 functioning as displacement detectors.
  • the Corioliser does not act, and displacements corresponding to the supplied AC voltage are detected by the voltmeters 67 and 68 (see Fig. 27 when V 6 7 , V 6 o).
  • a differential amplifier is used as the signal processing means 69, and the difference between the output voltages of the two voltmeters 67, 68 is output as a voltage value, and the speed component VX actually measured by another speed sensor is used.
  • the output of the differential amplifier may be calibrated based on the value.
  • FIG. 28 shows an example using a prismatic vibrator 70 (the pedestal and the wiring are not shown) as in the above-described embodiment, but the arrangement of the piezoelectric elements is slightly different. That is, the piezoelectric element 71 functioning as a force generator is disposed at the center of the upper surface of the vibrator 7 ⁇ as in the above-described embodiment, but the piezoelectric elements 72 and 7 functioning as displacement detectors 3 are arranged on the lower surface of both ends.
  • a triangular prism-shaped vibrator 80 is provided with three piezoelectric elements 81, 82, 83 on one surface, and the same operation is also possible. .
  • a vibrator is formed by a so-called tuning fork-like structure 90.
  • the first vibrator 91 and the second vibrator 92 are connected by a bottom portion 93, forming a U-shaped structure as a whole.
  • the bottom portion 93 is fixed to the housing 95 by a pedestal 94.
  • three piezoelectric elements 96, 97, 98 are arranged on the side surface of the first vibrator 91.
  • three piezoelectric elements Elements (not shown) are located on the side surface of the second vibrator 92.
  • a driving means for rotating the weight body on its own axis and a detecting means for detecting Coriolisa acting on the weight body are essential components.
  • a driving means for rotating the weight body on its own axis and a detecting means for detecting Coriolisa acting on the weight body are essential components.
  • FIG. 19 the mechanism by which the weight rest 50 reciprocates in the XZ plane has been described.
  • the weight body 50 rotates at an angular velocity ⁇ y about the Y axis.
  • the Coriolisa F co (x) in the X-axis direction acting on the weight rest 50 becomes an amount related to the velocity component V z in the Z-axis direction of the entire motion system rest, and the weight body 50
  • the Coriolis force F co (z) acting in the Z-axis direction is an amount related to the velocity component VX in the X-pong direction of the entire motion system, so that Coriolisers F co (x) and F co (z) are As described above, if the velocity components can be measured by any method, the velocity components V z and VX can be obtained.
  • a means for moving the weight body 50 in a reciprocating pendulum in the XZ plane is necessary as a driving means.
  • a means for detecting the Corioliska F co (x) in the X-axis direction and the Coriolis Fco (z) in the Z-axis direction acting on the body 50 is required.
  • the inventor of the present application has considered using a plurality of force generators as driving means.
  • a first force generator that applies a force to the weight body 50 in the positive direction of the X axis
  • a second force generator that applies a force to the weight body 50 in the negative direction of the X axis
  • the weight rest 50 can be reciprocally pendulum-moved along the circular orbit 52.
  • a capacitance element ⁇ piezoelectric element is suitable, and a specific example in which the force generator is configured using the capacitance element ⁇ piezoelectric element will be described later.
  • the inventor of the present application has considered using a plurality of displacement detectors as the detecting means.
  • the first displacement detector that can detect the displacement of the weight body 50 in the X-axis direction (ie, the X coordinate value) and the displacement in the Z-axis direction (ie, the Z coordinate value) are shown in FIG.
  • a second displacement detector that can be detected is installed.
  • the displacement detector itself has only the function of directly detecting the displacement of the weight body 50, but can indirectly detect the Coriolisa Fco. The principle can be understood from the following explanation.
  • the rest of the motion system shown in Fig. 19 has no velocity component and is in a stationary state.
  • the Coriolis force due to the movement of the motor system at all times does not act on the platform and the weight body 50 at this time.
  • the force generator is operated to cause the weight rest 50 to reciprocate along a circular orbit 52. If the force generator is programmed to perform a predetermined periodic motion, the reciprocating pendulum motion of the weight 50 will be a repetition of the periodic motion.
  • reference motion the motion of the weight rest 50 in an environment where Coriolisa does not act is referred to as “reference motion” as described above.
  • the displacement of the weight 50 detected by the first displacement detector in the X-axis direction is also determined by the weight displacement detected by the second displacement detector.
  • the displacement in the 50 direction of service also becomes a known periodic one.
  • the displacement in the X-direction detected by the first displacement detector is, for example, "5, 4, 3, 2, 1, 0, -1, 1, 2, 3, 4, , One 5,-4,-3,-2, — 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 4, 3, 2, 1, 0, one], « ”
  • the displacement in the Z-axis direction detected by the second displacement detector is, for example, “3, 2, 1, 0, — 1,, -2, -3, -2, 1], 0, 1, 2 3, 2, 1, 0, — 1, « ”. Therefore, a known displacement detection value in a state where the “reference movement” is being performed is stored as a reference detection value.
  • FIG. 32 is a front view of the motion system shown in FIG. 19, and shows a state in which the weight body 50 reciprocates along a circular orbit 52 in the XZ plane. .
  • + ⁇ y is obtained in the half cycle from the end point P 2 to the end point P 1 through the center point P 0 to the end point P 1, and Conversely, in the half cycle going from the end point P 1 to the end point ⁇ 2 through the center point P ⁇ to the end point ⁇ 2, it becomes ⁇ y.
  • the sign of the angular velocity o> y is reversed every half cycle.
  • the absolute value of the angular velocity cu y becomes maximum at the moment when the vehicle passes the center point P 0, and becomes zero at the end points P 1 and P 2.
  • the entire motion system shown in Fig. 32 moves in the positive direction of the Z axis at a speed + Vz, And how it changes.
  • the weight body 50 is positive
  • a Coriolis force Fco (x) acts in the positive direction of the X axis
  • the weight 5 ⁇ is moving at a negative angular velocity of 1 wy
  • the Coriolis force is in the negative direction of the X axis. It turns out that Fco (x) works.
  • the displacement in the X-fortunate direction detected by the first displacement detector is, as described above, “5, 4, 3, 2, 1, 0, one 1, -2,- 3, one 4,-5, one 4,-3, one 2, one 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 4,... ”
  • the displacement in the Xflll direction detected by the first displacement detector is “6, 5, 4, 3, 2, 1”. , 0,-1,-2,-3, one 4,-5, one 6,-5, one 4,-3,-2, one 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 5, 4,... ”.
  • the first displacement detection A detector always detects the amplitude of displacement in the X-axis direction. By comparing this detected value with a reference detected value in “reference movement”, the moving speed V z can be known. That is, the moving speed Vz is obtained as the difference between the actual amplitude detection value obtained by the displacement detector [1] and the reference amplitude detection value in the “reference motion” state.
  • Coriolis Fco (z) are denoted as + AF z and one AF z with a sign
  • the weight rest 50 moves from the end point P 2 to the end point P 1 through the center point P 0 to the right of the figure.
  • a Coriolis force of + ⁇ Fz directed in the Z $ direction acts additionally, and conversely, the weight rest 50 moves from the end point P 1 to the center point P 0.
  • a corioliser of ⁇ F z directed in the negative direction of the Z axis acts additionally.
  • the arm 51 is made of a material with some flexibility; In fact, the embodiments of the multidimensional velocity sensor described in ⁇ 12 and thereafter adopt a structure in which the weight is supported by a flexible substrate, as described later. It is equivalent to a flexible base.
  • the arm 51 is flexible, if a Corioliser + AF z directed in the positive direction of the Z axis acts, the circle becomes The arc trajectory 52 moves in the positive direction of the Z axis (upward in Fig. 33).
  • a Corioliser ⁇ Fz oriented in the negative direction of the Z axis acts, the arc trajectory 52 moves in the negative direction of the Z axis (Fig. 33). Below).
  • the circular arc orbit 52 is slightly upward as compared with the "reference movement".
  • the arc orbit 52 moves slightly downward compared to the "reference operation" in the half cycle. Will be displaced. Since the absolute value of the angular velocity wy of the weight 50 becomes maximum at the center point P 0 and becomes zero at both end points P 1 and P 2, the displacement amount of the circular arc orbit 52 is calculated at the center point P ⁇ . It becomes maximum and becomes zero at both end points P 1 and P 2. Therefore, the displacement of the center point P 0 appears most remarkably. In FIG. 33, the position of the center point ⁇ 0 after this displacement is shown as points ⁇ 0 and ⁇ () —.
  • Corioliser + AF z is added in the half cycle (angular velocity + wy) to the right of the figure in the reciprocating pendulum motion.
  • the corioliser-AF z is added, so the vehicle passes through the lower trajectory passing through point P 0 _.
  • the corioliser AF z is added in the right half cycle (angular velocity + wy) of the forward and backward pendulum motion.
  • the corioliser + AF z is added, so that it follows the upper trajectory passing the point P0 +. Become.
  • the displacement of the weight rest 50 in the Z-axis direction is always detected by the second displacement detector, and if this detected value is compared with the reference detected value in the “reference motion”, the moving speed VX You can know.
  • the absolute value of the moving speed VX for example, the average displacement value in the Z axis direction (the average of the Z coordinate values of the weight body 50 for the period of the pendulum motion) is obtained.
  • the difference between the average displacement value and the reference average displacement value in the “reference motion” may be calculated, or the Z coordinate value at the moment when the weight 5 ° passes the Z axis (for example, The Z coordinate value of the point P 0 + in FIG. 33 and the Z coordinate value at the moment when the weight body 50 passes through ⁇ in the “reference motion” (for example, the point P ⁇ in FIG. 33) (Z coordinate value).
  • the sign of the moving speed VX is calculated by comparing the magnitude relation of the displacement detection values in the Z-direction detected by the second displacement detector for the right half cycle and the left half cycle. You can ask.
  • the moving speed VX is determined based on the deviation of the orbit in the Z-axis direction in the reciprocating pendulum motion.
  • the detection principle of the moving speeds Vz and VX described above will be described more specifically with reference to waveform diagrams.
  • the waveform G (+ X) shown in FIG. 34 is a drive signal for driving the first force generator that generates a force ffl on the weight rest 50 in the positive direction of the X axis,
  • a positive drive signal is given, the weight body 50 is pulled in the X-axis positive direction
  • a negative drive signal is given, the weight body 50 is pulled in the X-axis negative direction.
  • the waveform G (—X) is a drive signal for driving a second force generator that generates a force ffl on the weight body 50 in the negative direction from X, and the positive drive signal was given At this time, the weight body 50 is pulled in the negative direction of the X axis, and when a negative drive signal is given, the weight rest 50 is pulled in the positive direction of the X axis.
  • the phases of the waveform G (+ x) and the waveform G (-X) are inverted, and when the drive shown in both waveforms moves, the amplitude increases as described above.
  • the detected value X has a large amplitude as shown in the middle part of FIG.
  • the waveform G (+ X) and the waveform G (—X) shown in FIG. 36 are the same as those shown in FIG. 34, and the first and second waveforms which apply a force in the positive and negative directions of ⁇ are shown.
  • This is a driving signal for driving the force generator of FIG.
  • the weight body 50 performs the forward and backward pendulum motion as described above.
  • the waveform D ( ⁇ ) shown in FIG. 36 is a detection signal obtained from the second displacement detector that detects the displacement ( ⁇ coordinate value) of the weight rest 50 in the vertical direction, 3 shows a waveform in the case of performing a reference motion. Obtaining such a waveform can be easily understood by following the ⁇ coordinate value of the weight body 50 moving along the circular arc orbit 52 in FIG.
  • a waveform ⁇ y shown in FIG. 36 is a waveform indicating the angular velocity ⁇ y of the weight rest 50 performing the reciprocating pendulum motion.
  • a half cycle L from time t1 to t2 to t3 is a period during which the weight 50 moves to the left in FIG. 33, and the angular velocity ⁇ y becomes a negative value.
  • the half cycle R from time t3 to t4 (t0) to tl is This is the period during which the weight 50 moves to the right in FIG. 33, and the angular velocity co y becomes a positive value.
  • the waveform G (+ X) and the waveform G (-X) shown in FIG. 36 are the same waveforms as those shown in FIG. 34, and the first and second waveforms that exert a force in the positive and negative directions of the X axis are shown.
  • This is a drive signal for driving the second force generator.
  • the weight body 50 performs the forward and backward pendulum motion as described above.
  • the waveform D (z) shown in FIG. 36 is a detection signal obtained from the second displacement detector that detects the displacement (Z coordinate value) of the weight body 50 in the Z-axis direction.
  • the waveform of the stage where 50 is performing the reference movement is shown. Obtaining such a waveform can be easily understood by following the Z coordinate value of the weight body 50 moving along the circular arc orbit 52 in FIG.
  • a waveform ⁇ y shown in FIG. 36 is a waveform indicating the angular velocity ⁇ y of the weight body 50 performing the reciprocating pendulum motion.
  • a half cycle L from time t1 to t2 to t3 is a period during which the weight 50 moves to the left in FIG. 33, and the angular velocity ⁇ y becomes a negative value.
  • the half cycle R from time t3 to t4 (t0) to tl is- This is a period during which the weight body 50 moves rightward in FIG. 33, and the angular velocity ⁇ y becomes a positive value.
  • FIG. 37 is a waveform diagram of the difference AD obtained in this manner.
  • the difference waveform ⁇ shown in the upper part of FIG. 37 indicates the difference when the weight rest 5 () is performing the reference motion, and the difference is always zero.
  • the difference waveform AD ⁇ shown in the middle part of Fig. 37 is, as shown by the white arrow in Fig. 33, ⁇ ⁇ when the whole motion system moves at + VX speed in the positive direction. Shows the difference.
  • the orbit is displaced in the half-period R due to the action of Corioliser + ⁇ Fz, and the orbit is displaced in the Z direction.
  • the orbit is displaced in the negative Z ⁇ direction due to the action of ⁇ Fz. Therefore, in the waveform diagram in the middle part of FIG. 37, the difference ⁇ ⁇ has a positive value in the half cycle R, and the difference D ⁇ ⁇ has a negative value in the half cycle L. Conversely, when the entire motion system moves in the direction of ⁇ $ at a speed of 1 VX, the difference D ⁇ ⁇ ⁇ becomes as shown in the lower part of FIG. 37.
  • the direction (sign) and magnitude of the velocity Vx in the X-axis direction can be detected.
  • a force acts on the weight body 5 mm in the positive direction of the X axis.
  • a second force generator for exerting a force in the negative direction of the X-axis.
  • a second displacement detector capable of detecting the displacement of the weight body 50 in the X ⁇ direction and a second displacement detector capable of detecting the displacement in the positive Z direction are provided, and actual detected values of these displacement detectors are provided.
  • a third force generator that applies a force to the weight body 50 in the positive Y-axis direction is used as driving means.
  • a fourth force generator that applies a force in the negative direction from Y may be added.
  • the second displacement detector can detect the orbital displacement in the Z-axis direction during the movement along the arc-shaped orbit 54, this displacement is based on the Coriolis soil z acting in the Z $ direction, Since the Coriolis soil ⁇ Fz is an amount related to the velocity Vy, a three-dimensional velocity sensor capable of measuring all velocity components including the velocity Vy can be realized.
  • the three-dimensional velocity sensor 100 whose side section is shown in FIG. 38 is an embodiment in which a force generator and a displacement detector are constituted by capacitive elements.
  • the substrate that functions as the center of the speed sensor 100 is the flexible substrate 110.
  • FIG. 39 shows a top view of the flexible substrate 110.
  • FIG. 38 shows a cross section of the flexible substrate 1] 0 shown in FIG. 39 cut along the X direction. As shown by a broken line in FIG. 39, an annular groove is formed on the lower surface of the flexible substrate 1] 0, and a portion where the groove is formed is formed. Is flexible due to its small thickness (shown as flexures 1 1 and 2 in FIG. 38).
  • the inner portion surrounded by the annular flexible portion 112 is referred to as an action portion 111
  • the outer portion of the flexible portion 112 is referred to as a fixed portion 113.
  • a block-shaped weight body 120 is fixed to the lower surface of the working portion 111, and the fixed portion 113 is supported by a pedestal 13 [] (in FIG. 39, The positions of the weight rest 12 2 and the pedestal 130 are indicated by broken lines).
  • the pedestal 130 is fixed to the base substrate 14 ⁇ .
  • the weight body 120 is suspended in the space surrounded by the pedestal 130.
  • the thin flexible portion 112 has flexibility, the weight rest 122 can be displaced in this space with a certain degree of freedom.
  • the weight is increased via the flexible portion 112 functioning as a support means and the action portion 111.
  • Weight rest 120 force ⁇ which means that it is supported so that it can move with a certain degree of freedom.
  • a cover substrate 150 is mounted on the flexible substrate 110 so as to cover it while securing a predetermined space.
  • Electrode layers D11 to D15 are formed on the upper surface of the flexible substrate 110.
  • these electrode layers are indicated by hatching, but this is for the purpose of facilitating pattern recognition of each electrode layer, and the cross section is shown. Not for hatching. Also, different hatching patterns were applied to the electrode layer functioning as a force generator and the electrode layer functioning as a displacement detector. This is similar to the other figures showing the planar pattern of the electrodes.
  • one large disc-shaped common electrode layer ⁇ is formed on the lower surface of the lid substrate 15 ⁇ ⁇ so as to face all of these electrode layers G 11 ⁇ 14 and 01 1 1 015. 10 are formed, and these upper and lower electrode layers constitute a total of 9 sets of capacitive elements.
  • a three-dimensional coordinate system is defined in which the X-axis is located to the right of the figure and the rules are located to the top of the figure, and the following description will be given.
  • the electrode layers G11 to G14 and the electrode layers D11 to D14 are all located on the X axis or the Y axis in this coordinate system. It has a shape that is line-symmetric with respect to the bush.
  • nine individual electrode layers G 11 to G 14 and D 11 to D 15 are formed on the flexible substrate 110 side, and a single common layer is formed on the lid substrate 150 side.
  • the electrode layer E10 was formed, conversely, a single common electrode layer E10 was formed on the flexible substrate 110 side, and nine individual electrode layers G11 to 9 were formed on the lid substrate 150 side. G14, D11 to D15 may be formed.
  • nine individual electrode layers are formed on each of the flexible substrate 110 and the lid substrate 15 Offlij, and each of the opposing electrode layers is physically independent. It is also possible to configure a capacitance element described above.
  • the capacitive element composed of the electrode layer G 11 and the common electrode layer E 10 functions as a force generator that applies a force in the positive direction of the X axis to the weight body 120. .
  • a capacitive element composed of the electrode layer G12 and the common electrode layer E10, a capacitive element composed of the electrode layer G13 and the common electrode layer E10, an electrode layer G14 and the common electrode layer E] 0
  • the capacitive element consisting of consists of a force generator that applies a force in the positive direction of the Y axis, a force in the negative direction, a force in the negative direction of Y, and.
  • the reciprocating pendulum motion along the circular orbit 52 (X) shown in Fig. 2 or a reciprocating pendulum motion along a circular orbit 54 (Y-axis) shown in FIG. 20 can be performed.
  • the common electrode layer E 10 is grounded and the operation of applying a positive voltage to the electrode layer G 11 and the operation of applying a positive voltage to the electrode layer G 13 are alternately performed,
  • the weight body 120 performs a reciprocating pendulum motion in the XZ plane along the circular orbit 52.
  • FIG. 40 is a side sectional view for explaining such a movement.
  • Such a reciprocating pendulum motion is a rotation motion having an angular velocity ⁇ y around the Y axis, and the weight body 120 has a fixed part 1 13 and a pedestal 1 It is supported by the “simple support system” in the device housing consisting of 30 and the base substrate 140.
  • the weight body 120 performs a reciprocating pendulum motion in the YZ plane along the circular orbit 54 (Y axis) shown in FIG.
  • the force that causes Coulomb attraction between each of the electrode layers G11 to G14 and the common electrode layer E10 to cause the weight body 120 to reciprocate pendulum movement On the contrary, it is also possible to reciprocate the pendulum by applying Coulomb repulsion. If both Coulomb attraction and Coulomb repulsion are used, more efficient reciprocating pendulum motion is possible. For example, when displacing in the positive direction of X, a Coulomb attractive force may be applied between the electrode layers G 11 / E 10 and a Coulomb repulsive force may be applied between the electrode layers G 13 / E 10.
  • the capacitance element composed of the electrode layer D 11 and the common electrode ⁇ 10 and the electrode layer D 13 and the common electrode ⁇
  • the capacitance element composed of 10 serves as a displacement detector in the X-axis direction.
  • the weight rest 120 is displaced in the positive direction of the X axis, and the flexible portion 1 1 2 is bent, the distance between the electrode layers D l 1 / E 10 is reduced, and the electrode layer D 13 / E The distance between 10 will increase, and the capacitance value of the capacitance element formed by these two electrode layers will change.
  • the weight body 120 is displaced in the negative direction of X ⁇ ⁇ , a change opposite to that of the aforementioned platform occurs.
  • the capacitance value of the capacitance element composed of the electrode layer D11 / E10 changes as shown by the waveform D (+ X) in FIG. 34, and the capacitance of the capacitance element composed of the electrode layer D13ZE10 ⁇ changes like waveform D (— X). Therefore, by measuring the difference ADx between the capacitance value between the electrode layers D 11 and ZE 10 and the capacitance value between the electrode layers D 13 ZE 10, the X-axis direction of the weight body 120 is measured. The amplitude can be determined. As shown in FIG. 35, since the difference ADX is a periodic function, if the amplitude value is appropriately calibrated, the moving speed Vz in the Z-axis direction can be obtained.
  • the Coriolis F co (F co ( If z) can be measured, this Coriolis Fco (z) will be an amount corresponding to the moving speed VX in the X direction of the entire speed sensor.
  • the Coriolis Fco (z) in the Z-axis direction can be measured by a displacement detector that detects the displacement of the weight body 120 in the Z-axis direction.
  • the quantity element serves as a displacement detector in the Z-axis direction.
  • a voltage is alternately applied to the electrode layers G 11 and G 13 to bring the weight body 120 into a state of reciprocating pendulum movement in the XZ plane.
  • the weight body 120 performs "reference movement".
  • a temporal change in the capacitance value of the capacitance element including the electrode layer D 15 and the common electrode E 10 is previously determined as a reference waveform.
  • This reference waveform shows the displacement of the weight body 120 in the Z-pong direction during the “reference movement”.
  • the weight rest 120 is displaced in the Z ib positive direction, the distance between the electrode layers D 15 E 10 is reduced, the capacitance value is increased, and conversely, the weight body 120 is Z $ If it is displaced in the negative direction, the distance between the electrode layers D15 / E10 increases and the capacitance value decreases.
  • this three-dimensional velocity sensor 100 force ', the velocity in the direction of the X-fist —
  • V X the velocity in the direction of the X-fist
  • this relationship is reversed. That is, in the half cycle R going to the right, the distance between the electrode layers D 15 ⁇ ⁇ 10 increases and the capacitance value decreases compared to the state of the “reference motion”, and in the half cycle L going to the left, The distance between the electrode layers D15 / E10 is reduced and the capacitance value is increased as compared with the state of the "reference movement”.
  • the temporal change of the capacitance value of the capacitive element composed of the electrode layer D 15 / E 10 in the “reference motion” state is actually obtained because it is measured in advance as a reference waveform.
  • the absolute value of the moving speed VX in the X-axis direction can be obtained from the amplitude of the difference waveform ⁇ .
  • the direction (sign) can be determined by the phase of the waveform ⁇ D ⁇ . For example, if a differential waveform ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ as shown in the middle part of Fig.
  • the weight body 120 acts on the weight body 120 in a state where the weight body 120 reciprocates in the YZ plane with the angular velocity ⁇ X around the X axis. If (z) can be measured, this Coriolis Fco (z) will be an amount corresponding to the moving speed V y of the entire speed sensor in the Y-axis direction. Therefore, the voltage is applied alternately to the electrode layers G 12 and G 14, and the weight 120 is caused to reciprocate in the YZ plane, and the electrostatic capacitance between the electrode layers D 15 / E ⁇ 0 is obtained.
  • the three-dimensional velocity sensor 100 has a function of detecting all of the three-dimensional velocity components VX, Vy, Vz.
  • the weight body 120 is reciprocally pendulum-moved in the XZ plane, and the platform for detecting the velocity component V y includes: It is necessary to reciprocate the weight body 20 in the YZ plane.
  • the weight 120 in motion has an inertial force, so it is not possible to suddenly switch the reciprocating pendulum motion in the XZ plane to the reciprocating pendulum motion in the YZ plane. Have difficulty. Therefore, in practice, as described in FIG.
  • the reciprocating pendulum movement surface is gradually rotated from the XZ plane to the W1 plane, the W2 plane, and so on, so as to be brought to the YZ plane. Is preferred.
  • the reciprocating pendulum motion surface is continuously rotated counterclockwise in FIG. 20 and the reciprocating pendulum motion surface overlaps the XZ plane.
  • each speed component can be detected periodically and continuously. Can be.
  • the three-dimensional velocity sensor 100 is also provided with a displacement detector for detecting the Coriolis Fco (y) in the Y-axis direction. That is, a capacitance element composed of the electrode layer D 12ZE10 and a capacitance element composed of the electrode layer D14 / E10 are the same.
  • the detection operation of the Coriolis force Fco (y) in the ⁇ direction using these capacitors consists of a capacitor consisting of the electrode layer D 11 / E 10 and an electrode layer D 13 3 E 10
  • the operation is completely the same as the operation of detecting the Coriolis Fco (x) in the X $ direction using the capacitive element, and therefore the description is omitted here.
  • the displacement detector for detecting the Coriolis Fco (y) in the Y-axis direction is provided in order to provide the detection operation with redundancy.
  • the velocity component Vz can also be obtained by the Coriolis Fco (y) in the Y-axis direction measured when the weight body 120 is reciprocally pendulum-moved in the YZ plane.
  • each of the displacement detectors constituted by the capacitance elements directly displaces the predetermined position on the upper surface of the flexible substrate 110 in the Z direction (that is, constitutes the capacitance element).
  • the XYZ axes of the weight 120 depend on the position of the weight 120 on the flexible substrate 110. This means that displacement in the direction is indirectly detected.
  • FIG. 39 since each of the electrode layers D11 to D14 constituting the displacement detector is a line object with respect to the X axis or the Y axis, displacement detection in each axis direction is performed. In doing It is not affected by other ingredients.
  • the electrode layer D11 used for detecting displacement in the X-axis direction is line-symmetric with respect to the X-axis, so when a displacement in the cold direction occurs, half of the area is the common electrode layer E.
  • the force approaching 10; ', the other half is away from the common electrode layer E10, so that the displacement is totally offset.
  • displacement detectors for detecting displacements in the direction along the Z axis are provided in the positive and negative regions of the X axis and the positive and negative regions of the Y axis.
  • Capacitors are arranged, and the difference between the outputs of the displacement detectors arranged in both the positive and negative areas of X is used to detect the corerica acting on the weight body in the X-axis direction.
  • a configuration is adopted in which the difference in the outputs of the displacement detectors arranged in the sensor is used to detect Coriolis acting on the weight body in the Y-axis direction.
  • the electrode layer shown in FIG. 41 is used instead of the electrode layer shown in FIG. Although there is no difference in physical structure between the two, in the speed sensor shown in Fig. 39, the center electrode layer D15 functioned as a displacement detector, whereas in the speed sensor shown in Fig. 41 Then, the central electrode layer G 15 functions as a force generator.
  • the electrode layer G 15 functions to make the reciprocating pendulum motion of the weight body 120 smoother.
  • a predetermined voltage is applied between the electrode layers G 11 and ZE 10
  • Coulomb attraction acts between the two electrodes, the flexible substrate 110 bends, and the weight 1 2 0 Will be displaced in the X direction.
  • a predetermined voltage is applied between the electrode layers G13 / E10
  • a Coulomb attractive force acts between the two electrodes, and the weight body 120 is displaced in the negative direction of the X-axis.
  • the weight rest 120 can be reciprocated in the XZ plane by alternately applying such a voltage.
  • the weight body 120 can more smoothly perform a pendulum motion.
  • a Coulomb repulsion is applied between the electrode layers G15 / E10 at the neutral point where the center of gravity G crosses the Z axis, the distance between the electrode layers G15 / E10 becomes wider than usual, and the reciprocating pendulum motion The trajectory becomes closer to an arc.
  • the electrode layer G 15 formed at the center is made to function as a force generator, so that the detection operation of the Coriolis Fco (z) in the Z-axis direction is performed by the electrode layer D 1 2 and D14.
  • the electrode layers D12 and D14 are for providing redundancy in the detection operation, but in this modified example, these electrode layers are used. This means that the Coriolis force Fco (z) in the Z-pong direction is detected. That is, if the sum of the capacitance value between the electrode layers D12 / E10 and the capacitance value between the electrode layers D14 and ZE10 is obtained, this sum is the corerica Fco ( z).
  • the distance between the electrode layers D12 / E10 and the distance between the electrode layers D14 / E10 both increase.
  • the capacitance value becomes larger
  • the electrode layer becomes The distance between D12 / E10 and the distance between electrode layers D14 / E10 are equally large. Therefore, the capacitance value becomes smaller. So the sum of both is
  • the reason for using the sum in this way is that if only one of the values is used, the Coriolis Fco (y) in the Y-axis direction is erroneously detected.
  • the weight body 120 when Coriolis Fco (y) in the positive Y-axis direction acts on the weight body 120, the weight body 120 is displaced in the Y-direction, so that the distance between the electrode layers D 12 and E 20 in FIG. Shrink, electrode layer! The distance between 14 / E 20 will increase. Therefore, for example, when trying to detect Coriolis Fco (z) in the Z-direction using only the capacitance value between the electrode layers D 12ZE 20, such a Coriolis Fco (y) in the Y-axis direction worked. False detection is also performed on the platform.
  • the change in the two will be offset on the platform where the free-directional Coriolis Fco (y) acts.
  • the difference is a value that indicates the Coriolis Fco (y) in the Y-axis direction.
  • Example of multidimensional speed sensor using type I piezoelectric element The speed sensor 200 whose side section is shown in Fig. 42 is the type shown in Figs. 21 (a) and (b). This is an embodiment in which a force generator and a displacement detector are configured by a piezoelectric element having the polarization characteristic of I.
  • the basic configuration of this speed sensor 200 [] is almost the same as that of the speed sensor 100 shown in FIG. That is, an annular groove is formed on the lower surface of the flexible substrate 210, and the portion where the groove is formed is thin, so that the flexible portion 2 having flexibility is formed.
  • a block-shaped weight body 220 is fixed to the lower surface of the action portion 211, and the fixed portion 212 is supported by a pedestal 230.
  • the pedestal 230 is fixed to the base substrate 240.
  • the components formed on the upper surface of the flexible substrate 210 are different from those of the speed sensor 1 • 0 described above. That is, a pusher-like common electrode layer E20 is fixed on the upper surface of the flexible substrate 210, and a pusher-like piezoelectric element 250 is also fixed thereon.
  • the piezoelectric element 250 is made of a piezoelectric ceramic having a type I polarization characteristic shown in FIGS. 21 (a) and (b).
  • FIG. 43 shows a top view of the flexible substrate 210.
  • a cross section of the flexible substrate 210 shown in FIG. 43 taken along the line XI is shown in FIG.
  • a pattern of 12 electrode layers is clearly shown on the pusher-like piezoelectric element 250.
  • the center of the piezoelectric element 250 has a circular opening, and the center of the flexible substrate 210 is It is shining.
  • On the lower surface of the piezoelectric element 250 a force in which a pusher-like common electrode layer E20 is arranged; ', not shown in FIG.
  • each electrode layer is indicated by hatching, but this is for the purpose of facilitating pattern recognition of each electrode layer, and a cross-sectional portion is shown. Not for hatching.
  • electrode layers G21 to G24 are for use as force generators, and electrode layers D21 to D28 are for use as displacement detectors. It is for. That is, the piezoelectric element 250 and the common electrode layer E 20 are both a single force ⁇ , since the twelve electrode layers formed on the upper surface of the piezoelectric element 250 are each independently ⁇ , In terms of operation, they can be treated as 12 independent piezoelectric elements.
  • FIG. 42 an XYZ three-dimensional coordinate system in which the X axis is arranged in the right direction of the figure and the Z axis is arranged in the upward direction is defined, and the following description will be made.
  • each of the electrode layers G 21 to G 24 and the electrode layers 0 21 to D 28 is located on the X axis or the Y axis in this coordinate system. The shape is symmetrical with respect to Ningyu.
  • the piezoelectric element 250 is a type I piezoelectric element having polarization characteristics as shown in FIGS. 21 (a) and 21 (b). Therefore, for example, if voltage is supplied so that a negative charge is generated in the electrode layer G21 and a positive charge is generated in the common electrode layer E2, respectively, the electrode layer G21 of the piezoelectric element 25 is formed. As shown in Fig. 21 (b), a part that is located below become.
  • the electrode layer G 23 of the piezoelectric element 250 is formed.
  • a part extending below is subject to a laterally extending force.
  • the weight 2 is attached to the flexible substrate 210. Bending occurs to displace 20 in the positive direction of the X axis.
  • a radius can be generated that displaces the weight body 220 in the negative direction from X $.
  • force generators (each part of the piezoelectric element) for applying a force in the direction along the X axis are arranged in the positive and negative areas of the X axis, respectively.
  • the Coriolis in the X ⁇ direction acting on the weight body 220 If Fco (X) can be measured, this Coriolis Fco (x) will be an amount corresponding to the Z-axis moving speed Vz of the entire speed sensor. Also, as described in ⁇ 11, the Coriolis F co (x) in the X-axis direction can be measured as an amplitude increase / decrease phenomenon by a displacement detector that detects the displacement of the weight body 220 in the X-axis direction. . In the three-dimensional speed sensor 200, the electrode layers D 21 and 23 are used for detecting displacement in the X ⁇ direction.
  • the flexure of the flexible substrate 210 is transmitted to the piezoelectric element 250, and the electrode layer of the piezoelectric element 250 is A portion located below D 21 is deformed to shrink in the lateral direction, and a portion located below electrode layer D 23 is deformed to extend in the lateral direction. Therefore, from the polarization characteristics shown in FIGS. 21 (a) and (b), a negative charge is generated in the electrode layer D21 and a positive charge is generated in the electrode layer D23. Become. By measuring these generated charges, the displacement of the weight body 220 in the positive X-axis direction can be obtained.
  • the polarity of the generated charges is reversed in the case where the weight body 220 is displaced in the negative direction of the X-axis as compared with the above-described case. Therefore, by measuring the difference ADX between the charge generated in the electrode layer D 21 and the charge generated in the electrode layer D 23, it is possible to detect the amplitude of the weight rest 220 in the X ⁇ direction. Become. As shown in Fig. 35, since this difference ⁇ DX is a periodic function, the amplitude In this case, the moving speed V z in the Z direction can be obtained.
  • the Coriolis Fco (z) in the Z-axis direction can be measured by a displacement detector that detects the displacement of the weight body 220 in the Z $ (li direction.
  • the four electrode layers D22, D24, D25, and D27 are used to detect the Coriolis Fco (z) in the Z-axis direction, as shown in FIG. D22 and D24 are electrode layers arranged on the outside, while electrode layers D25 and D27 are electrode layers arranged on the inside.
  • a negative charge is generated in the electrode layers D 25 and D 27, and a positive charge is generated in the outer electrode layers D 22 and D 24.
  • a negative charge is generated in the electrode layers D 22 and D 27.
  • a predetermined electric charge is supplied to the electrode layers G21 and G23, and the weight rest 220 is reciprocated in the XZ plane.
  • the weight rest 220 performs a “reference movement”.
  • the sum of the generated charges of the inner electrode layers D 25 and D 27 and the sum of the generated charges of the outer electrode layers D 22 and D 24 are expressed by:
  • the change over time of the difference is measured in advance as a reference waveform. This reference waveform shows the displacement in the free direction of the weight body 220 during the “reference operation”.
  • the waveform showing the temporal change of the difference between the total of the generated charges for the inner electrode layers D 25 and D 27 and the sum of the generated charges for the outer electrode layers D 22 and D 24 is given by
  • the absolute value of the X-axis moving speed VX can be known from the amplitude of this difference waveform ADz.
  • the direction (sign) can be determined by the phase of the difference waveform D D. This is as described in FIG. Therefore, if the amplitude of the difference waveform ⁇ ⁇ ⁇ is appropriately calibrated, the moving speed V X in the X-axis direction can be obtained.
  • the weight 220 acts on the weight 120 while the weight 220 is reciprocating in the plane with the angular velocity ⁇ X about the X axis. If the force Fco (z) can be measured, the Coriolis Fco (z) will be an amount corresponding to the moving velocity V y of the entire speed sensor in the Y-axis direction. Accordingly, a predetermined charge is supplied to the electrode layers G22 and G24, and the weight body 220 is reciprocally pendulum-moved in the YZ plane. Performs a predetermined operation on the resulting voltage value to calculate the Coriolis force in the Z-axis direction. By calculating F co (z) and appropriately calibrating this value, the moving speed V y in the Y-axis direction can be obtained.
  • the three-dimensional speed sensor 200 has a function of detecting all of the three-dimensional speed components VX, Vy, Vz. In order to detect all three-dimensional velocity components, it is preferable to gradually rotate the reciprocating pendulum motion surface as described in FIG. 2Q.
  • the three-dimensional speed sensor 200 also has a displacement detector for detecting the Coriolis Fco (y) in the Y-axis direction. That is, the electrode layers D26 and D28 are those.
  • the operation of detecting the Coriolis force Fco (y) in the YiMl direction using these electrode layers is the same as the operation of detecting the Coriolis force Fco (x) in the Xl direction using the electrode layers D21 and D23. The description is omitted here because it is completely the same.
  • the displacement detector for detecting the Coriolis Fco (y) in the Y-axis direction is provided for providing redundancy in the detection operation.
  • the velocity component V z can also be obtained from the ⁇ $ ⁇ 3 ⁇ 4 direction Coriolis F co (y) measured in a state where the weight body 220 is reciprocally pendulum-moved in the YZ plane.
  • each of the electrode layers D 21 to D 28 constituting the displacement detector is a line object with respect to the X axis or the Y axis, c for example there is no influence of other pongee components in performing detection of displacement
  • the electrode layer D 2 1 used in the displacement detection in the X-axis direction, D 2 3 because that is the line-symmetrical with respect to the X-axis .
  • the generated charges are offset as a whole.
  • displacement detectors piezoelectric sensors that detect displacement in the direction along each axis are provided in the positive and negative regions of the X axis and the positive and negative regions of the Y axis. Each part of the element) is located, and the corioliser acting on the weight body in the X-axis direction is detected using the displacement detectors located in both the positive and negative areas of Xiti, and the positive and negative areas of Y. This means that a configuration is adopted in which the placed displacement detector is used to detect coriolis acting on the weight body in the Y-axis direction.
  • 12 individual electrode layers 0 2 1 to 0 2 4 and D 2 1 to D 2 8 are formed on the upper surface of the piezoelectric element 250, and a single common electrode layer is formed on the lower surface.
  • the electrode layer E 20 was formed, conversely, a single common electrode layer E 20 was formed on the upper surface, and 12 individual electrode layers G 21 to G 24, D 21 to D 28 may be formed.
  • 12 individual electrode layers may be formed on the upper surface and the lower surface of the piezoelectric element 250 without using the common electrode layer.
  • Example of multi-dimensional speed sensor using type D piezoelectric element A two-dimensional speed sensor 300 whose side section is shown in Fig. 44 is shown in Figs. 22 (a) and (b). This is an example in which a force generator and a displacement detector are constituted by a piezoelectric element having a type III polarization characteristic.
  • the two-dimensional velocity sensor 300 has a disk-shaped piezoelectric element 330 having polarization characteristics of type ⁇ ⁇ ⁇ between a disk-shaped flexible substrate 310 and a disk-shaped fixed substrate 320. It has an interposed structure. On the lower surface of the flexible substrate 310, a cylindrical weight rest 340 is fixed. Is being worn.
  • the outer peripheral portion of the flexible substrate 310 and the outer peripheral portion of the fixed substrate 320 are both supported by the housing 350.
  • five upper electrode layers E3 :! ⁇ E 35 (only part of which is shown in Figure 44) is formed on the lower surface, as well as five lower electrode layers ⁇ 36 - ⁇ 40 (again, The upper surface of the upper electrode layers ⁇ 31 to ⁇ 35 is fixed to the lower surface of the fixed substrate 320, and the lower electrode layers ⁇ 36 to ⁇ The lower surface of 40 is fixed to the upper surface of flexible substrate 310.
  • the fixed substrate 320 has sufficient rigidity and a force that does not cause bending; the flexible substrate 310 has flexibility and functions as a so-called diaphragm.
  • FIG. 44 is a side sectional view of the speed sensor taken along the ⁇ ⁇ plane.
  • FIG. 45 is a top view showing the upper surface of the piezoelectric element 330 and the upper electrode layers ⁇ 31 to ⁇ 35
  • FIG. 46 is a lower view and the lower electrode layer ⁇ ⁇ of the piezoelectric element 330. It is a bottom view which shows 36- 640.
  • each of the upper electrode layers ⁇ 31 to ⁇ 34 has a fan shape, and is located on the X f or Y axis in this coordinate system. It has a shape that is line-symmetric with respect to the axis.
  • the upper electrode layer E35 has a circular shape, and is arranged at the position of the origin.
  • the lower electrode layers E36 to E40 have the same shape as the upper electrode layers E31 to E35, respectively, as shown in FIG. Have been.
  • the lower electrode layers E36 to E40 may be a single common electrode layer.
  • the flexible substrate 31 ° is made of a conductive material, The substrate 310 itself can be used as a single common electrode layer, and there is no need to physically configure the lower electrode layer.
  • the electrode layers E 31 to E 34 and the electrode layers E 36 to E 39 are electrode layers that function as force generators, and the electrode layers E 35 and E 40 Is an electrode layer functioning as a displacement detector.
  • the electrode layers having different functions are indicated by different hatching. Therefore, this hatching does not indicate a cross section.
  • the piezoelectric element 330 is a type III piezoelectric element having polarization characteristics as shown in FIGS. 22 (a) and 22 (b). Therefore, for example, if a negative voltage is applied to the electrode layer E31 and a positive voltage is applied to the electrode layer E36,
  • this speed sensor 300 After all, in this speed sensor 300, the positive area and the negative area of the X axis, in addition, force generators (each part of the piezoelectric element) for applying a force in the direction along Z fi!] are arranged in the positive and negative regions of the Y axis, and these force generators are periodically arranged. By moving the weight rest 340 in the XZ plane or the YZ plane, the reciprocating pendulum motion can be performed. Next, the principle of detecting the velocity V x in the X direction by the two-dimensional velocity sensor 300 will be described.
  • the Zib direction acting on the weight rest 340 is If the Coriolis Fco (z) can be measured, this Coriolis Fco (z) will be an amount corresponding to the moving speed VX in the X-fault direction of the entire speed sensor. Also, it has already been described in ⁇ 11 that the Z-axis Coriolis F co (z) can be measured by a displacement detector that detects the displacement of the weight body 34 in the Z-axis direction.
  • the two-dimensional velocity sensor 300 detects the Coriolis Fco (z) in the Z-axis direction based on the charges generated by the pair of electrode layers E35 and E40. For example, if the Coriolisa F co (z) in the positive Z direction acts on the weight body 340, the weight rest 340 will move in the positive Z axis direction (upward in FIG. 44). , And the central portion of the piezoelectric element 330 contracts in the vertical direction. Therefore, as shown in FIG. 22 (1)), a negative charge is generated in the electrode layer E35 and a positive charge is generated in the electrode layer E40.
  • the weight rest, 34 ⁇ on which the Coriolis Fco (z) in the positive direction of the ⁇ axis acts, is displaced in the positive direction of the ⁇ axis as a whole.
  • the weight body 340 is displaced in the negative direction of the Z axis as a whole.
  • Such a displacement of the weight body 340 in the Z-pong direction can be measured in the form of charges generated in the electrode layers E35 and E40, as described above. Therefore, a predetermined operation is performed on the voltage values of these electrode layers to obtain the Coriolis Fco (z) in the Z axis direction, and by appropriately calibrating this value, the moving speed VX in the X axis direction is obtained.
  • the weight body 340 acts on the weight rest 340 when the weight body 340 reciprocates in the YZ plane with the angular velocity ⁇ X around X, and X the axial coriolis Fco (z). If this can be measured, this Coriolis Fco (z) will be an amount corresponding to the moving speed V y of the speed sensor in the Y direction.
  • the reciprocating pendulum in the YZ plane with respect to the weight body 340 is obtained.
  • the Corioliser Fco (z) in the Zi i direction is calculated in the form of the charges generated for the electrode layers E 35 and E40, and this value is appropriately calibrated.
  • the moving speed Vy can be obtained.
  • the two-dimensional velocity sensor 300 has a function of detecting the two-dimensional velocity components VX, Vy.
  • five individual electrode layers E 31 to E 35 are formed on the upper surface of the piezoelectric element 330 as shown in FIG. 45, and the lower surface is shown in FIG. 46.
  • five individual electrode layers E 36 to E 40 are formed as described above, any one of them may be a single common electrode layer.
  • the peripheral portion of the flexible substrate 10 is fixed to the housing 350, but the peripheral portion may be a free end. Such a structure is the same as the embodiment shown in FIG. 62 described later.
  • an electrode layer serving as a force generator and a displacement detector as a displacement detector are used. What is necessary is just to make it the structure which divided the electrode layer which plays a role.
  • the electrode layer E 31 in FIG. 45 is divided into E 31 G and E 31 D, and the electrode layer E 33 is £ 33.
  • 3D and the shape of the electrode layers E32, E34 is changed to E32G, E34G.
  • the electrode layers E 31 G, E 32 G, E 33 G, and E 34 G function as force generators, and function to reciprocate the weight rest 340 in the XZ plane or the YZ plane. Fulfill.
  • the electrode layers E 3 ID, E 33 D, and E 35 D serve as displacement detectors, and displace the weight rest 34 mm in the X- and Z-axis directions (that is, the Coriolis Fco (x)). , Fco (z)).
  • the electrode layers having different roles are indicated by different hatching. I Therefore, this hatching does not indicate a cross section.
  • Opposite electrodes corresponding to each of these electrodes are also provided on the lower surface side of 330 o
  • the detection operation of the three-dimensional velocity components VX, Vy, Vz using the three-dimensional velocity sensor is briefly described as follows. First, a predetermined AC voltage is supplied to the electrode layers E 31 G and E 33 G, and the weight 340 is reciprocated in the XZ plane. Calculate the Coriolis Fco (z) in the Z-axis direction, calibrate this, and output it as the velocity component VX in the X-axis direction. Similarly, when the weight body 340 is reciprocally pendulum-moved in the XZ plane, the X-axis direction is calculated based on the difference between the charge generated in the electrode layer E 31D and the charge generated in the electrode layer E 33D.
  • the Coriolis Fco (x) is obtained, calibrated, and output as the velocity component Vz in the Z-axis direction. Further, a predetermined AC voltage is supplied to the electrode layers E32G and E34G, and the weight 340 is reciprocated in the YZ plane in a reciprocating pendulum. The Coriolis Fco (z) in the Z-axis direction is obtained, calibrated, and output as the velocity component Vy in the Y-axis direction. Thus, the three-dimensional velocity components VX, Vy, Vz can be detected. ⁇ 17. Dual use of drive means and detection means
  • the speed sensor according to the present invention requires driving means for rotating the weight body in rotation and detection means for detecting the Coriolis force acting on the weight rest during the rolling movement.
  • the driving means is realized by a force generator
  • the detecting means is realized by a displacement detector.
  • the force generator and the displacement detector can be constituted by elements having exactly the same physical structure.
  • a capacitive element has the property of generating a Coulomb attraction between a pair of electrodes when a voltage is applied, and thus can be used as a force generator. Since it can be extracted as a signal, it can be used as a displacement detector.
  • a piezoelectric element has the property of generating a stress by applying a voltage, so that it can be used as a force generator, and the stress applied by displacement can be taken out as an electric signal. It can also be used as a detector.
  • the component as the force generator and the component as the displacement detector have been treated as separate components, but in reality, there is no physical There is no difference in structure, and they are simply treated as separate elements for the purpose of operating as a speed sensor. Therefore, both are interchangeable components, and the same component can be used as a force generator or can be used as a displacement detector depending on the operation mode. In fact, if the detection circuit is slightly devised, it is possible to simultaneously perform the role of the force generator and the role of the displacement detector for the same component.
  • ⁇ 18 describes an example in which a dual-purpose device is applied to a speed sensor using a capacitive element described in ⁇ 12,13
  • ⁇ 19 describes a type I piezoelectric element described in ⁇ 14.
  • An example in which a dual-purpose device is applied to a speed sensor using a device is described in ⁇ 2.
  • Section 0 describes an embodiment in which a dual-purpose device is applied to a speed sensor using a type III piezoelectric element described in ⁇ 15, 16.
  • the speed sensor 190 reduces the required number of electrode layers by applying a ffl device to the "speed sensor using a capacitive element" shown in Fig. 38, and the overall structure This is an example in which is simplified. 38 is different from the sensor shown in FIG. 38 only in the configuration of the electrode layer arranged on the upper surface of the flexible substrate 110 and the electrode layer arranged on the lower surface of the lid substrate 15 °. Therefore, hereinafter, only the configuration of this electrode layer will be described, and description of other components will be omitted.
  • the lower electrode layer L 1 1 is on the positive area of the X axis
  • L 12 is on the positive area of the Y axis
  • L 13 is on the negative area of the X axis
  • L 14 is on the negative area of Y lh. All are symmetrical with respect to each coordinate axis.
  • the upper electrode layers U11 to U14 are arranged at positions facing the respective lower electrode layers L11 to L14.
  • the upper electrode layers U11 to U14 have exactly the same shape as the lower electrode layers L11 to L14.
  • one set of capacitive elements is formed by each of the electrode layers L 1 1 ZU 11, the electrode layer L 12 ZU 12, the electrode layer L 13 / U 13, and the electrode layer L 14 / U 14. become.
  • Each of the capacitive elements is a capacitive element composed of an upper electrode layer formed on the lower surface of the lid substrate 150 and a lower electrode layer formed on the upper surface of the flexible substrate 110.
  • UU14 and LI1 ⁇ L: 14 indicate the respective upper and lower electrode layers.
  • L11 to L14 are connected to a common ground level and are conductive with each other.
  • B 11 to B 18 are buffer circuits, and R 11 to R 18 are resistors.
  • C] to C4 are capacitance-voltage conversion circuits having a function of converting the capacitance value of each capacitance element into a voltage value and outputting the voltage value.
  • T 7 is a terminal for inputting a drive voltage VII, VI 3, VI 5, V 17 to be applied to the upper electrode layers U 11, U 12, U 13, U 14, respectively, and a detection signal output terminal T 12, T14, T16, and T18 are terminals that output the detection voltages V12, VI4, VI6, and V18 output from the capacitance-voltage conversion circuits CI, C2, C3, and C4, respectively.
  • an AC signal of the inversion ⁇ E1 may be given to the drive signal input terminals T 11 and T 15. .
  • Coulomb force acts on the two sets of capacitive elements at opposite timings, and the weight rest 120 performs a reciprocating pendulum motion in the XZ plane.
  • an alternating-phase AC signal may be applied to the drive signal input terminals T 13 and T 17. .
  • Coulomb forces act on the two sets of capacitive elements at opposite timings, and the weight body 120 performs a reciprocating pendulum motion in the YZ plane.
  • weight rest 1 20 is Xfih positive
  • the distance between the electrode layers U 1 1 and ZL 11 is short, and the distance between the electrode layers U 13 and L 13 is long, so that the capacitance value in the former increases, and the capacitance in the latter increases. The value decreases. Therefore, in the circuit of FIG. 50, the detection voltage V12 rises and the detection voltage V16 falls. Therefore, displacement of the weight: I 2 — in the X-direction can be detected by the difference between the two detection voltages (V 12-V 16).
  • the weight rest 120 when the weight rest 120 is displaced in the positive direction, the distance between the electrodes becomes shorter and the capacitance value of all four capacitive elements increases. In each of the pairs of capacitance elements, the distance between the electrodes becomes longer and the capacitance value decreases. Therefore, the increase or decrease of the sum of the voltages (V12 + V14 + V16 + V18) obtained at the four output terminals ⁇ 12, ⁇ 14, ⁇ 16, ⁇ 18 causes both positive and negative displacement of Zfrfi. (The displacement of the Z $ direction can be detected by the sum of the two voltages (V12 + V16) or (V14 + V18). To do this, it is preferable to use the sum of the four voltages as described above).
  • each of the electrode layers L 11 to L 14 and U 11 to U 14 has a shape that is line-symmetric with respect to the X axis or the Y reason, the above detection results include The axial components do not interfere.
  • the distance between the electrode layers U 11 / L 11 and the electrode layer U 13 / L 13 is shorter because one is shorter and the other is longer.
  • the displacement in the X-direction can be determined as the difference between the detection voltages (V12-V16).
  • weight body 1 20 force ⁇ ⁇ The displacement of the base in the axial direction depends on the distance between the electrode layers U 11 / L 11 and the distance between the electrode layers U 13 / L 13 Forces that become shorter or longer as a whole are completely canceled out and no voltage difference occurs.
  • the weight rest 120 is displaced in the ⁇ -axis direction, the distance between the electrode layers U 11 and ZL 11 and the distance between the electrode layers U 13 and L 13 are both shorter. If the difference of the detection voltage (V12-V16) is taken, it will be cancelled.
  • this speed sensor 190 uses only four electrode pairs U 11 / L 11, U 12 / L 12, U 13ZL 13, U 14 It has the function of reciprocating pendulum movement of 120 along the X ⁇ plane or ⁇ plane, and the function of separately detecting the displacement of the weight body 120 in both the positive and negative directions of the X axis, ⁇ axis, and ⁇ . You can see that. Therefore, if these electrode pairs are used as the dual-purpose device described in ⁇ 17, it is possible to detect the velocity components V ⁇ , Vy, and Vz in each direction. The specific method is described below.
  • the weight 120 is caused to perform the “reference motion”. For example, if a reciprocating pendulum motion is to be performed in the XZ plane, as described above, AC signals having opposite phases are applied to the input terminals T11 and T15, respectively. Then, at this time, the voltages VI2 and V16 output to the output terminals T12, ⁇ ] 6 are measured in advance. Of course, these Is a periodic signal that changes in the same cycle as the AC signal applied to the input terminals T11 and T15.
  • the speed is actually detected using the speed sensor 190.
  • the speed sensor 190 For example, to detect the velocity component Vz in the Z-direction, apply AC signals of opposite phases to the input terminals T11 and T15, and apply the weight 1 2 ⁇ to the ⁇ plane. A reciprocating pendulum motion is performed, and at this time, the Coriolisa Fco (x) in the X-axis direction ffl formed on the weight body 12 mm may be measured. It has already been mentioned that the Coriolis force Fco (x) in the X ⁇ ⁇ ⁇ direction can be detected based on the detection voltages V12 and VI6 appearing at the output terminals T12 and T16.
  • the detection voltages V 12 and V 16 appearing at the output terminals T 12 and T 16 are components of the AC signal. And the component of Coriolis Fco (x) is superimposed.
  • the detection voltages V12 and VI6 appearing at the output terminals T12 and T16 are measured in the "reference motion" state in which Corioliser does not act at all. If the detection voltage V12, V] 6 obtained in the "reference motion” state is subtracted from the actual measurement value of the detection voltage V12, VI6 obtained during the speed detection work, the difference is It is a component. For example, if the detected voltage difference (V12-V) 6, which indicates displacement in the X direction, is increased by ⁇ from the previously measured value, it corresponds to ⁇ in the positive direction of the X axis.
  • the detection process is slightly complicated, but on the other hand, the structure of the sensor itself is greatly simplified.
  • a voltage is applied between the upper electrode layer and the lower electrode layer facing each other, electric charges having different polarities are supplied to the two electrode layers, and Coulomb attraction is applied, and the weight rest 120
  • the weight rest 120 It is also possible to drive.
  • the weight 1 it becomes possible to displace more efficiently in the forward direction of the X chain. In this way, when the weight body 120 is reciprocally pendulum-moved so as to exert an attractive force on the one hand and a repulsive force on the other hand, a more efficient driving operation becomes possible.
  • the weight body 120 If Coulomb attraction is applied to all four electrode pairs or to two electrode pairs arranged on the same coordinate ⁇ , the weight body 120 is displaced in the positive direction of the ⁇ axis. If a Coulomb repulsive force is applied to all four electrode pairs or to two electrode pairs arranged on the same coordinate axis, the weight rest 120 will move in the negative direction. Therefore, if the drive operation in both the positive and negative directions of this Yukiyoshi is combined with the drive operation in both the positive and negative directions of the X-axis as described above, the weight body 120 can be displaced. ⁇ It is possible to move smoothly on a trajectory closer to an arc trajectory along the plane.
  • the displacement of the weight body 120 in the X-axis direction is determined by the detection voltage.
  • both the upper electrode layers U 11 to U 14 and the lower electrode layers L 11 to L 14 are physically independent individual electrode layers. Either one may be physically a single common electrode layer (the base in this example is a disk-shaped common electrode layer that faces all four fan-shaped electrode layers). In order to simplify the wiring between the electrode layers, it is preferable to form such a common electrode layer.
  • L11 to L14 are commonly grounded, and are electrically common electrodes.
  • the speed sensor 190 having the structure shown in Fig. 48 is inexpensive and has high performance by being made of a material to which a general semiconductor device manufacturing process technology and micromachining technology can be applied. It becomes possible to mass-produce such products.
  • the members such as the flexible substrate 110, the weight body 120, the pedestal 130, and the lid substrate 150 are formed using a silicon substrate or a glass substrate, the glass substrate and the silicon substrate can be used.
  • An abutment with the substrate can be made by using an anode attachment technology, and a silicon / direct bonding technology can be made by using the attachment between silicon substrates.
  • Example of a speed sensor using a type I piezoelectric element 290 The speed sensor 290 whose side section is shown in Fig. 51 is a speed sensor using a type I piezoelectric element shown in Fig. 42. In this embodiment, the required number of electrode layers is reduced, and the overall structure is simplified. 42 is different from the sensor shown in FIG. 42 only in the configuration of the electrode layers arranged on the upper and lower surfaces of the piezoelectric element 250. Therefore, hereinafter, only the configuration of this electrode layer will be described, and description of other components will be omitted.
  • each coordinate is located on the lower surface of the piezoelectric element 250.
  • a common lower electrode layer L20 having a pusher shape facing all of the upper electrode layers U21 to U24 is arranged. In this manner, four sets of partial piezoelectric elements sandwiched by the electrode layer U 2 ⁇ / L 20, the electrode layer U 22 L 2 CU, the electrode layer U 23ZL 20, and the electrode layer U 24 ZL 20 are formed.
  • a speed sensor 295 whose side section is shown in FIG. 53 is an embodiment in which the arrangement of the electrode layers of the speed sensor 290 shown in FIG. 51 is slightly changed. That is, as shown in FIG. 54, four fan-shaped upper electrode layers U26 to U29 are arranged on the upper surface of the piezoelectric element 250 in the speed sensor 295.
  • the upper electrode layer U 26 is on the positive region of X
  • U 27 is on the positive region of Y axis
  • U 28 is on the negative region of X axis
  • U 29 is on the negative region of Y axis. All are symmetrical with respect to each coordinate axis.
  • a common lower electrode layer L25 having a pusher shape is arranged so as to face all of the upper electrode layers U26 to U29.
  • four sets of partial piezoelectric elements sandwiched between the electrode layer U 26 ZL 25, the electrode layer U 27 ZL 25, and the electrode layer 8 28 / L 2. Is formed.
  • each electrode layer is arranged in the inner region. Or located in the outer region.
  • the meaning of this arrangement region will be described with reference to the side sectional view of FIG.
  • the flexible portion 212 is bent as shown in the figure. Occurs.
  • the stress generated inside the flexible part 211 differs depending on each part. Assuming that the stress in the direction extending laterally in the figure is positive and the stress in the direction contracting laterally is negative, as shown in the lower stress distribution diagram in Fig.
  • FIG. 56 is a top view of a flexible substrate 21 # for showing the distribution of the inner region A1 and the outer region A2.
  • the electrode layer arranged in the inner region A1 It can be understood that the opposite phenomena occurs between the electrode layer disposed in the outer region A2 and the action portion 211 even though the action portion 211 is displaced in the same direction. For example, while a positive charge is generated in the electrode layer arranged in the inner region A1, a negative charge is generated in the electrode layer arranged in the outer region A2. Therefore, it is not preferable to dispose a single electrode layer that straddles the inner area A1 and the outer area A2 in order to detect the displacement of the action section 21]. In the electrode layer straddling in this way, the phenomenon that occurs in the inner area A1 and the phenomenon that occurs in the outer area A2 work so as to cancel each other out.
  • the speed sensor 200 (the speed sensor described in ⁇ 14) shown in FIGS. 42 and 43 includes the electrode layers G 22, G 24, and D 25 arranged in the inner area A 1. ⁇ D28 and the electrode layers G21, G23, D21 ⁇ D24 located in the outer region A2, considering that the opposite phenomena occur, and skillfully combining both This means that the sensor enables more efficient detection.
  • the speed sensor 290 shown in FIG. 51 and FIG. 52 is an embodiment in which all the electrodes are arranged in the inner area A1. 20 is driven, and the displacement of the weight body 220 is detected based on the stress generated in the inner area A1. In this sensor 290, the stress in the outer region A2 is not used.
  • the speed sensor 2995 shown in FIGS. 53 and 54 is an embodiment in which all the electrodes are arranged in the outer region A2, and the weight is generated by generating a stress in the outer region A2. Drive the rest of the weight based on the stress generated in the outer region A2. The displacement will be detected. In this sensor 295, the stress in the inner area A1 is not used.
  • a signal processing circuit as shown in FIG. 57 is prepared.
  • U 21 to U 24 and 2 ⁇ shown at the left end are an upper electrode layer formed on the upper surface of the piezoelectric element 250 and a lower electrode layer formed on the lower surface, respectively.
  • a type 1 piezoelectric element is sandwiched between the pair of electrode layers.
  • ⁇ 21 to ⁇ 28 are buffer circuits, and R21 to R28 are resistors.
  • Drive signal input terminals ⁇ 21, T 23, T 25, T 27 are drive voltages V 21, V 23, V 25, V 27 for applying to upper electrode layers U 21, U 22, U 23, U 24, respectively.
  • the detection signal output terminals T22, T24, T26, and T28 are the detection voltages V22 that indicate the actual potentials of the upper electrode layers U21, U22, U23, and U24, respectively. , V 24, V 26, and V 28.
  • predetermined drive signals may be given to the drive signal input terminals T 21 and T 25, respectively.
  • predetermined drive signals may be applied to the drive signal human power terminals T23 and T27, respectively.
  • the displacement of the weight body 220 in each pong direction can be detected.
  • a stress in the direction extending along the X axis acts on the formation region of the upper electrode layer U21, and the formation region of the upper electrode layer U23 is Since a stress acts in the direction of shrinking along the X axis, taking into account the polarization characteristics of the type I piezoelectric element shown in FIGS. 21 (a) and (b), a positive voltage is detected as the detection voltage V22. It can be seen that a negative voltage is obtained as the detection voltage V26. Therefore, the displacement of the weight rest 220 in the positive X direction can be detected by the difference between the two detection voltages (V22-V26).
  • each of the upper electrode layers U21 to U24 has a line-symmetrical shape with respect to the ⁇ $ or Y axis, the above detection result does not interfere with the other f-axis components.
  • the stress in the direction of extension or contraction along the X-axis is applied to the formation region of the upper electrode layers U21 and U23 arranged on the X-axis. This stress can be obtained as the difference between the detected voltages (V22-V26).
  • the formation area of the upper electrode layers U21 and U23 arranged on the X-axis is a force that partially expands and contracts, respectively.
  • the generated charges are canceled for each electrode layer, and do not affect the detection voltages V22 and V26.
  • the weight body 220 is displaced in the Z-axis direction, a positive charge is generated in each of the upper electrode layers on the inner region A1, and the detection voltages V22 and V26 are all the same positive values. Therefore, if the difference of the detection voltage (V22-V26) is taken, it will be canceled.
  • this speed sensor 290 has only four electrode pairs U 21 / L 20, U 22 / L 20, U 23 / L 20, U 24 / L 20 (L 2
  • the function of moving the weight rest 220 back and forth along the XZ plane or the YZ plane using the electrode layer) and the displacement of the weight body 220 in both the positive and negative directions of the X, Y, and Z axes are separate. It can be seen that it has the function of detecting Therefore, if these electrode pairs are used as the dual-purpose device described in ⁇ 17, the velocity components Vx, Vy, V z can be detected. The specific method will be described below.
  • the weight body 220 is caused to perform “reference movement” in a state where the entire speed sensor is stationary. For example, if a reciprocating pendulum motion is performed in the XZ plane, as described above, an AC signal having an opposite phase is given to each of the input terminals T21 and T25. At this time, the voltages V22 and V26 output to the output terminals T22 and T26 are measured in advance. Of course, these voltage values are periodic signals that change at the same cycle as the AC signal applied to the input terminals T21 and T25.
  • speed detection is actually performed using the speed sensor 290.
  • an AC signal of opposite phase is given to each of the input terminals T 21 and T 25, and the weight 220 is subjected to the reciprocating pendulum motion in the XZ plane.
  • the Coriolisa Fco (x) acting on the weight rest 220 in the X-axis direction may be measured.
  • the Coriolis force Fco (x) in the X $ ll direction can be detected based on the detection voltages V22 and V26 appearing at the output terminals T22 and T26.
  • the detection voltages V22 and V26 appearing at the output terminals T22 and T26 correspond to the components of this AC signal.
  • the component of Coriolis Fco (x) is superimposed.
  • the detection voltages V22 and V26 appearing at the output terminals T22 and T26 were measured in a "standard motion" state in which Corioliser did not act at all. If the detected voltages V22, V26 obtained in the "reference motion" state are subtracted from the actually measured values of the detected voltages V22, V26, the difference is the Coriolisa component.
  • the four electrode layers U 21 to U 24 It is preferable to supply a charge to all of the above.) If the drive operation in both the positive and negative directions of the Z axis and the drive operation in the positive and negative directions of the X axis described above are linked, for example, the weight rest 220 is moved along the XZ plane. It is also possible to smoothly reciprocate the pendulum on an orbit close to the [F] arc trajectory
  • the displacement of the weight rest 22 [] in the X-axis direction is obtained from the difference between the detected voltages (V 22-V 26), and the displacement of the weight rest 220 in the Y-axis direction is obtained. Is obtained from the difference between the detection voltages (V24-V28). The reason for taking such a difference is that the detection accuracy is improved and the displacement component in the Z-axis direction is included in the detection result. This is to prevent interference.
  • the upper electrode layers U 21 to U 24 are individually physically independent electrode layers, and the lower electrode layer L 20 is opposed to all of these four upper electrode layers.
  • the lower electrode layer is composed of four physically independent electrode layers, and the upper electrode layer is physically a single common electrode layer. It does not matter.
  • the upper electrode layer and the lower electrode layer may be formed as physically independent individual electrode layers without using the common electrode layer. However, in order to simplify the wiring between the electrode layers, it is preferable that one of them is a common electrode layer.
  • Embodiment of Speed Sensor Using Type II Piezoelectric Element The configuration and operation of the speed sensor 300 using the type III piezoelectric element as shown in FIG. 44 have already been described in ⁇ 15. However, the velocity sensor shown in Fig. 44 can only detect the two-dimensional velocity components of the velocities Vx and Vz. To implement a three-dimensional velocity sensor, as shown in Fig. 47, The electrode layers E 31 G, E 32 G, E 33 G, E 34 G serving as force generators, and the electrode layers E 31 D, E 33 D, E 35 D serving as displacement detectors, He explained that it should be provided separately and independently.
  • FIG. 1 a signal processing circuit as shown in FIG.
  • the components shown on the left side are the piezoelectric sensor 330 and the electrode layers E 31, E 33, E 35, E 36 formed on both surfaces of the speed sensor 300 shown in FIG. 44. , E 38, E 4 [] are extracted and drawn.
  • B31 to B38 are buffer circuits
  • R31 to R38 are resistors.
  • the drive signal input terminals T 31, T 32, T 33, and T 34 respectively provide drive voltages V 31, V 32, V 33, and V 34 for applying to the electrode layers E 33, E 31, E 36, and E 38.
  • the detection signal output terminals T 35, T 36, T 37, and T 38 are used to detect the voltages actually generated in the electrode layers E 33, E 31, E 36, and E 38, respectively. These terminals are output as V36, V37, and V38.
  • a positive voltage is applied as the driving voltages V31 and V33 and a negative voltage is applied as the driving voltages V32 and V34
  • a positive charge is supplied to the electrode layers E33 and E36.
  • a negative charge will be supplied to E31 and E38.
  • the weight body 340 (see FIG. 44) not shown in FIG. 58 is displaced in the positive X-axis direction.
  • the weight body 340 will be displaced in the negative X direction. In this way, if the weight 340 is alternately displaced in both the positive and negative directions of the X axis, the weight 340 can be reciprocally pendulum moved in the X ⁇ plane.
  • the weight body 340 is reciprocated in a ⁇ ⁇ plane, and at that time, the output terminals ⁇ 35 to ⁇
  • the detection voltages V 35 to V 38 output to 38 are measured in advance.
  • the speed sensor 300 is placed in an environment where the speed actually acts, and a drive voltage having a predetermined polarity is also applied to the input terminals T31 to T34, and the weight body 340 is moved in the ⁇ plane.
  • the reciprocating pendulum is moved, and the voltage output to the output terminals ⁇ 35 to ⁇ 38 is measured. If these voltage values differ from the values measured in advance, the difference is the Coriolisa component based on the applied speed.
  • each electrode layer can simultaneously serve as a force generator and a displacement detector. Will be possible.
  • ⁇ 21 ⁇ _ Type Another embodiment of speed sensor using piezoelectric element Speed sensor 390 whose side section is shown in Fig. 59 is also used as "speed sensor 300 using piezoelectric element" shown in Fig. 44 This is an example in which the number of required electrode layers is reduced by applying a heater, and the overall structure is simplified.
  • the only difference from the sensor shown in FIG. 44 is the configuration of the electrode layers disposed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric element 330. Therefore, hereinafter, only the configuration of this electrode layer will be described, and description of other components will be omitted.
  • the upper electrode layer U41 is located on the positive region of the X axis
  • U42 is located on the positive region of the Y axis
  • U43 is located on the negative region of the X axis
  • U44 is located on the negative region of Yflll. Both are symmetrical about each coordinate ⁇ .
  • the lower electrode layers L41 to L44 having exactly the same shape as L44 to L44 are arranged at positions facing the upper electrode layers U41 to U44, respectively.
  • one set of each of the partial piezoelectric elements is formed by the electrode layer U41 ZL41, the electrode layer U42ZL42, the electrode layer U43ZL43, and the electrode layer U44ZL44.
  • a signal processing circuit as shown in FIG. 61 is prepared.
  • the electrode layers U4 1 to U44, L4] to L44 shown on the left end are respectively described above.
  • B41 to B48 are buffer circuits
  • R4 :! R48 is a resistor.
  • Drive signal input terminals T41, T43, T45, and T47 are terminals for inputting drive voltages V41, V43, V45, and V47 to be applied to the upper electrode layers U41, U42, U43, and U44, respectively.
  • the detection signal output terminals T42, T44, T46, and T48 are terminals for outputting the actual voltages of the upper electrode layers U41, U42, U43, and U44, respectively, as detection voltages V42, V44, V46, and V48. .
  • an AC drive signal having an opposite phase may be applied to the drive signal input terminals T41 and T45, respectively.
  • the two sets of partial piezoelectric elements are subjected to stresses in opposite directions, and the weight body 34 ⁇ reciprocates along the XZ plane.
  • AC drive signals having opposite phases are given to the drive signal input terminals ⁇ 43 and ⁇ 47, respectively. I just need.
  • the two sets of partial piezoelectric elements are respectively subjected to stresses in opposite directions, and the weight body 340 reciprocates along a plane.
  • the piezoelectric element 330 when the weight body 340 is displaced in the positive direction of the Z axis, a stress is applied to the piezoelectric element 330 in any direction in the direction of contraction in the vertical direction, so that the detection voltages V42, V44, V46, and V48 are obtained. Output a negative voltage. Conversely, when the weight body 340 is displaced in the negative direction of the Z-axis, the piezoelectric element 330 is subjected to a longitudinally extending stress at any point, so that the detection voltages V42, V44, V46, V For 48, a positive voltage is output in each case.
  • each of the electrode layers U 41 to U 44 and L 41 to L 44 has a shape that is line-symmetric with respect to the X axis and the Y axis, the above detection results may not interfere with other axis components. Absent. For example, when the weight rest 340 is displaced in the Xi i direction, the space between the electrode layers U41 and L41 shrinks, and the space between the electrode layers U43 and U43 is reduced. The displacement in the X-axis direction can be obtained as the difference between the detected voltages (V46-V42).
  • the generated charges are offset because the portions between the electrode layers U41 / L41 and between the electrode layers U43ZL43 are partially contracted or elongated. No change occurs in the detection voltages V42 and V46.
  • both the electrode layers U41 / L41 and the electrode layers U43 / L43 both contract or expand, so that the difference between the detection voltages ( V46—V42) will be offset.
  • the weight body 340 is placed on the XZ plane or the YZ plane. It can be seen that it has a function of reciprocating pendulum movement along the axis and a function of separately detecting displacements of the weight body 340 in both the positive and negative directions of the X axis, the Y axis, and the Z axis. Therefore, if these electrode pairs are used as the dual-purpose device described in ⁇ 17, it is possible to detect the velocity components Vx, Vy, and Vz in each axial direction. The specific method is described below.
  • the weight rest 340 is caused to perform “reference movement”. For example, if the reciprocating pendulum motion is performed in the XZ plane, as described above, an AC signal having an opposite phase is applied to the input terminals T41 and T45. At this time, the voltages V42 and V46 output to the output terminals T42 and T46 are measured in advance. Of course, these voltage values are periodic signals that change in the same cycle as the AC signal applied to the human terminals T41 and T45.
  • the input terminals T 43 and T 47 are supplied with AC signals of opposite phases, respectively.
  • the voltages V44 and V48 output to the output terminals T44 and # 48 are measured in advance.
  • these voltage values are periodic signals that change in the same period as the AC signal applied to input terminals # 43 and # 47.
  • speed detection is actually performed using the speed sensor 390.
  • the velocity component V in the free direction apply AC signals of opposite phases to the input terminals T41 and T45, and let the weight rest 340 perform a reciprocating pendulum motion in the plane.
  • the Coriolis Fco (x) acting on the weight body 340 in the X-axis direction may be measured.
  • the Coriolis force Fco (x) in the X-axis direction can be detected based on the detection voltages V42 and V46 appearing at the output terminals T42 and T46.
  • the detection voltages V42 and V46 appearing at the output terminals T42 and T46 are added to the components of the AC signal by the Coriolis Fco (x). The components are superimposed.
  • the detection voltages V42 and V46 appearing at the output terminals T42 and T46 were measured in the “reference motion” state in which Coriolis did not act at all. If the detection voltages V42 and V46 obtained in the state of “reference motion” are subtracted from the actually measured values of the detection voltages V42 and V46 obtained during the calculation, the difference is the component of Corioliska.
  • the detected voltage difference (V42-V46), which indicates displacement in the X-axis direction is increased by ⁇ from the value measured in advance, the magnitude corresponding to ⁇ in the positive direction of the X-axis Coriolis are working. Therefore, this ⁇ ⁇ becomes a value corresponding to the speed component V in the ⁇ direction. Also, by simultaneously supplying the same value of positive voltage as the voltages V41, V43, V45, and V47, it is possible to simultaneously supply positive charges to the four sets of upper electrode layers U41 to U44. Since the piezoelectric element 330 extends in the vertical direction over the entire area, the weight body 340 can be displaced in the negative direction of the Z axis.
  • the weight body 340 can be more circularly moved along the XZ plane. It is also possible to smoothly reciprocate on a track close to the track.
  • the displacement of the weight rest 340 in the X-axis direction is obtained from the difference between the detected voltages (V46-V42), and the displacement of the weight rest 340 in the ⁇ direction is calculated as the difference between the detected voltages (V48-V44). )
  • the reason for taking such a difference is to improve the detection accuracy and to prevent the displacement component in the ⁇ -axis direction from interfering with the detection result.
  • both the upper electrode layers U41 to U44 and the lower electrode layers L41 to L44 are physically independent individual electrode layers.
  • a single common electrode layer in this case, a disc-shaped common electrode layer that faces all four fan-shaped electrode layers
  • it is preferable to form such a common electrode layer.
  • FIG. 62 shows a side sectional view of a more pure speed sensor 395 using a type I piezoelectric element.
  • the difference from the speed sensor 390 shown in FIG. 59 is that a conductive weight body 345 is used instead of the flexible substrate 310 and the weight body 340. That is, the lower electrode layers L 41 to L 44 are omitted.
  • the conductive weight body 345 is a disk-shaped lump of metal or the like, and its outer peripheral portion is free without contacting the housing 350. In other words, the weight rest 345 is supported by the housing 350 by the piezoelectric element 330, the upper electrode layers U41 to U44, and the fixed substrate 320. It is in a suspended state as shown in the figure.
  • the weight body 345 can move within the housing 350 with a certain degree of freedom.
  • the weight rest 340 of the speed sensor 390 shown in FIG. 59 can be made too large in diameter because the periphery of the flexible substrate 310 is fixed to the housing 350.
  • the weight body 345 of the speed sensor 395 shown in Fig. 62 had a diameter within a range that could secure enough space not to touch the housing 345 due to displacement.
  • the structure of the speed sensor 395 is excellent in increasing the mass and increasing the sensitivity.
  • the weight rest 345 itself is a conductive material, it functions as a common electrode layer, and the lower electrode layers L 41 to L 44 are not required, and the overall configuration is greatly simplified. Have been.
  • the speed sensor 395 shown in FIG. 62 is structurally different from the speed sensor 39 ⁇ shown in FIG. It is. ⁇ 2 2. Drive and detection by resonance frequency
  • Embodiments of the one-dimensional speed sensor according to the present invention have been described in Section 9. At this time, it was explained that efficient vibration can be realized by vibrating in the unique vibration mode of the vibrator.
  • the direction of vibration of the vibrator and the direction of action of Coriolis are matched.
  • the vibration direction of the left and right free ends of the vibrator 60 is the Z direction (the vertical direction in the figure), and the action direction of the Corioliser is also Z direction.
  • the natural resonance frequency depends on the base, the material, dimensions, and shape of the vibrator 60, and the mechanical conditions such as the positions and supports of the pedestals 61, 62, which cause the left and right free ends to vibrate in this Z fih direction. fr will be determined. Therefore, if the left and right free ends are vibrated at this resonance frequency fr, that is, if a reciprocating pendulum motion is performed, very efficient detection becomes possible.
  • fr the left and right free ends are vibrated at this resonance frequency fr, that is, if a reciprocating pendulum motion is performed, very efficient detection becomes possible.
  • multi-dimensional speed sensors For example, consider the speed sensor 100 shown in FIG. In order to detect the velocity V z in the ⁇ $ ⁇ 3 ⁇ 4 direction by the velocity sensor 100 0, the weight body 120 is driven in the direction along the X axis to have an angular velocity ⁇ y about the Y axis.
  • Corioliser F co (X) it is necessary to detect the Corioliser F co (X) in the X-axis direction generated at the time of rotation movement.
  • the weight body 120 is caused to make a forward and backward pendulum motion along the X axis, and Coriolisa Fco (x) is detected as a variation in the amplitude.
  • a predetermined AC drive signal is applied to the electrode layers G 11 and G 13 in order to cause the weight rest 12 ⁇ to perform such a reciprocating pendulum motion.
  • the frequency f 1 of the AC drive signal is set to be equal to the resonance frequency fr (x) of vibration of the weight body 120 in the X flll direction, the weight body 120 Reciprocating pendulum at frequency fr (x) Exercise will be performed and efficient detection will be possible.
  • the resonance frequency fr (x) of the weight body 120 in the X-axis direction is a unique value determined by the material, dimensions, shape, structure, and the like of each part constituting the speed sensor 100. It is a value that can be determined based on simulations or experiments. Therefore, when such a speed sensor 100 is actually designed, such a resonance frequency fr (x) is obtained in advance, and the frequency f 1 of the drive signal for the reciprocating pendulum motion f 1 force resonance frequency fr It is preferable to take care to match (x).
  • the weight rest 120 is driven in the direction along the X axis so that it rotates in the direction of the angular velocity ⁇ y around the ⁇ axis, and the Coriolis F in the Z co (z) needs to be detected. That is, the weight body 120 is reciprocally pendulum-moved along the X-axis, and the Coriolis force Fco (z) is detected as a deviation of the motion trajectory in the free direction. In such a detection operation, it should be noted that the driving direction of the weight body 120 (X-axis direction) is different from the action direction of the Coriolis Fco (z) (Z-axis direction).
  • the weight body 120 vibrates in two different directions.
  • the second vibration direction is the X axis direction
  • the second vibration direction is the Z axis direction.
  • the vibration in the X-axis direction is a vibration driven by a drive signal having a frequency f 1, that is, a reciprocating pendulum motion
  • the vibration in the cold direction is caused by the reciprocating pendulum motion.
  • vibration due to vibration is a vibration caused by Coriolisca generated by “vibration for driving”.
  • the direction of “vibration for driving” and the direction of “vibration for detection” do not match in the case of multi-dimensional velocity sensor. That's what it means.
  • the speed sensor 100 detects the speed VX in the X-axis direction, as described above, the direction of the “vibration for driving” is set to the X-axis direction, and the “vibration for detection” is set as described above. Must be the Z-axis direction.
  • a second measurement mode in which the weight body 120 is reciprocated in the Y direction (with an angular velocity ⁇ X) and a second measurement mode are required. Therefore, in the second measurement mode, it is preferable that the frequency f 1 of the drive signal; ′ and the resonance frequency f r (y) of the weight rest 120 in the Y $ free direction be matched.
  • Each of the embodiments has such a structure. ⁇ 2 3.
  • the structure in which the periphery of the flexible substrate is fixed to the housing and the weight rest is joined to the center is used. I was taking it. However, on the contrary, it is also possible to adopt a structure in which the central portion of the flexible substrate is fixed to the housing and the weight is attached to the peripheral portion. is there.
  • a speed sensor 400 whose side cross section is shown in FIG. 63 is an embodiment in which such a structure is employed in a multidimensional speed sensor using a capacitive element.
  • the flexible substrate 410 has substantially the same structure as the flexible substrate 110 shown in FIG. That is, an annular groove is formed on the lower surface of the flexible substrate 41 [], and the portion where the groove is formed is thin, so that the flexible portion 41 having flexibility is formed. Make up 2.
  • the inside of the flexible portion 4 12 is the fixed portion 4 11, and the outside is the working portion 4 13.
  • a ring-shaped weight body 420 is fixed to the lower surface of the working portion 4113, and the fixing portion 4111 is fixed to the base substrate 4440 by a pedestal 4330.
  • the base substrate 440 forms a part of the housing of the speed sensor 400.
  • a lid substrate 450 is fixed above the fixing portion 411.
  • the lid substrate 450 is bonded to the fixed portion 4111 only at the center thereof, and the upper surface of the flexible substrate 410 and the lower surface of the lid substrate 450 face the peripheral portion thereof.
  • a void is formed.
  • the electrode layer L is formed on the upper surface side of the flexible substrate 410
  • the electrode layer U is formed on the lower surface side of the lid substrate 450.
  • each electrode layer constitutes a plurality of independent electrodes, and a capacitive element is formed by a pair of opposed electrodes.
  • the operation of the speed sensor 400 [] is almost the same as the operation of the sensor 100 described in S 12. That is, by periodically applying a Coulomb force to the capacitive element formed by the two electrode layers U and L, the ring-shaped weight body 420 is reciprocally pendulum-moved in a predetermined axial direction. By detecting the coriolisor in the predetermined axial direction based on the change in the capacitance value of the capacitive element, the speed of the entire speed sensor 400 in the predetermined direction is obtained.
  • the advantage obtained by providing the weight body 420 on the periphery of the flexible substrate 410 is that the weight m of the weight body 42 [) can be increased. It is. Comparing the volume of the weight body 120 in the speed sensor 100 shown in FIG. 38 with the rest of the weight body 420 in the speed sensor 400 shown in FIG. If the outer dimensions are the same, it can be understood that the latter structure can secure a larger volume of the weight body and a larger mass.
  • the coriolis that acts is proportional to the mass m of the weight, so that the larger the mass m, the higher the detection sensitivity of the sensor.
  • the embodiment in which the weight body is provided on the periphery of the flexible substrate has been described for the multidimensional speed sensor using the capacitive element. Is similarly applicable. Industrial use fields
  • the speed sensor according to the present invention can accurately measure one-dimensional, two-dimensional, and three-dimensional speed components without being affected by external influences. It can be widely used as a sensor for detecting.

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Description

明 細 書 速 度 セ ン サ  Write speed sensor
本発明は速度センサ、 特に、 回転する物体に作用するコリオリカを利 用した速度センサに関する。 技 背 景 分技 術 The present invention relates to a speed sensor, and more particularly to a speed sensor using a Corioliser acting on a rotating object. Technology Background Technology
車両の走行状態や、 航空機の飛行状態を把野握するためには、 速度セン ザが不可欠である。 現在、 自動車などの車両で一般に利用されている速 度センサは、 車輪の回転速度を回転計などで検出し、 この回転速度に基 づいて車両の走行速度を間接的に求める方式を採っている。 また、 航空 機で一般に利用されている速度センサは、 ピトー管などを用いて流体の 速度を測定し、 この流速に基づいて飛行速度を間接的に求める方式を採 つている。  A speed sensor is indispensable for grasping the running state of a vehicle and the flight state of an aircraft. At present, speed sensors generally used in vehicles such as automobiles adopt a method in which the rotational speed of wheels is detected by a tachometer and the running speed of the vehicle is indirectly determined based on this rotational speed. . In addition, speed sensors generally used in aircraft use a method in which the speed of a fluid is measured using a pitot tube or the like, and the flight speed is indirectly determined based on the flow speed.
しかしながら、 このように、 回転速度や流速といった物理量から間接 的に速度を求める方式では、 測定結果が外部環境によって影響を受けや すく、 正確な測定を行うことは困難である。 たとえば、 車輪の回転速度 に基づいて自動車の走行速度を求める速度センサでは、 タイヤの摩耗に よってタイヤ径に変動が生じると、 この変動がそのまま速度に関する測 定誤差として出てきてしまう。 また、 タイヤが空転したり、 スリップし たりすると、 やはり不正確な測定値が得られることになる。 一方、 ピト 一管などで測定した流速に基づいて飛行速度を求める速度センサでは、 風の影響を大きく受け、 正確な測定値を得ることは困難である。 However, in the method of indirectly obtaining the speed from the physical quantities such as the rotation speed and the flow velocity, the measurement results are easily affected by the external environment, and it is difficult to perform accurate measurement. For example, with a speed sensor that calculates the running speed of a car based on the rotational speed of the wheels, if the tire diameter changes due to tire wear, this change will appear as a measurement error in speed as it is. Also, if the tire slips or slips, you will still get inaccurate measurements. On the other hand, a speed sensor that calculates the flight speed based on the flow velocity measured by a single pipe, It is difficult to get accurate measurements because of the strong wind.
そこで本発明は、 外部の影響を受けることなしに、 正確な速度を測定  Therefore, the present invention measures accurate speed without being affected by outside
することができる速度センサを提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a speed sensor that can perform the speed measurement.
4. 発 明 の 開 示  4. Disclosure of the invention
(1) 本発明の第 1の態様は、 速度センサにおいて、  (1) A first aspect of the present invention provides a speed sensor,
質量 mをもった重錘体と、  A weight body with mass m,
この重錘体を収容する筐体と、  A housing for accommodating the weight body;
筐体に対して重錘体を、 第 1の軸に関して回転自在となるように支持  Supports the weight body so that it can rotate about the first axis with respect to the housing
する支持手段と、 Support means for
重錘休を第 1の軸に関して所定の角速度 ωをもって回転させる駆動手  A driver for rotating the weight rest at a predetermined angular velocity ω about the first axis
段と、 Steps and
重錘体に対して、 第 1の軸に直交する第 2の軸に沿った方向に作用す  Acts on the weight in a direction along a second axis orthogonal to the first axis
るコリオリカ F coを検出する検出手段と、 Detecting means for detecting Coriolisa Fco,
F co= 2 · m♦ V♦ ωなる関係を利用して、 検出されたコリオリカ F  Using the relationship F co = 2 · m ♦ V ♦ ω, the detected Coriolis F
coに基いて、 第 1の軸および第 2の軸の双方に直交する第 3の軸に沿つ along a third axis orthogonal to both the first and second axes based on co
た方向についての筐体の速度 Vを求める演算手段と、 Computing means for determining the speed V of the housing in the direction
を設けたものである。  Is provided.
(2) 本発明の第 2の態様は、 上述の第 1の態様に係る速度センサに  (2) A second aspect of the present invention provides the speed sensor according to the first aspect described above.
おいて、 And
重錘体の重心 Gを通る直線上に第 1の紬を定義し、 この第]の幸由が筐  The first pongee is defined on a straight line that passes through the center of gravity G of the weight body.
体に対して固定されるようにしたものである。 It is intended to be fixed to the body.
(3) 本発明の第 3の態様は、 上述の第 2の態様に係る速度センサに  (3) A third aspect of the present invention relates to the speed sensor according to the second aspect described above.
おいて、 質量 mをもった重錘体の重心 Gの位置に原点 0をもつ X Y Z三次元座 標系を定義し、 駆動手段により、 この重錘体を Z軸まわりに角速度 ω z で回転させるようにし、 And An XYZ three-dimensional coordinate system having an origin 0 at the position of the center of gravity G of the weight body having the mass m is defined.
検出手段により、 重錘体に対して X 由方向に作用するコリオリカ F co (x) と、 Y摩由方向に作用するコリオリカ F co(y) とを検出し、  The detecting means detects a Coriolis Fco (x) acting on the weight body in the X-direction and a Coriolis Fco (y) acting on the weight in the Y-direction,
演算手段により、 F co(y) = 2 · m · V X · ω ζなる関係を利用して X軸方向の速度 V を求め、 F co(x) = 2 ♦ m · V y · ω zなる関係を 利用して Υ軸方向の速度 V yを求め、  The calculation means calculates the velocity V in the X-axis direction using the relationship of F co (y) = 2mVXω, and the relationship of Fco (x) = 2 ♦ mVy速度 Calculate the axial velocity V y using
求めた速度 V x， V yを、 X Y Z三次元座標系における筐体の速度の X寒由方向成分 V Xおよび Y軸方向成分 V yとして出力するようにしたも のである。  The determined velocities Vx and Vy are output as the X cold direction component VX and the Y axis direction component Vy of the casing speed in the XYZ three-dimensional coordinate system.
(4) 本発明の第 4の態様は、 上述の第 2の態様に係る速度センサに おいて、  (4) According to a fourth aspect of the present invention, in the speed sensor according to the second aspect described above,
質量 mをもつた重錘体の重心 Gの位置に原点 0をもつ X Y Z三次元座 標系を定義し、 駆動手段により、 この重錘体を Z軸まわりに角速度 ω z で回転させる第 1の駆動動作と、 X軸まわりに角速度 ω Xで回転させる 第 2の駆動動作とを交互に行い、  An XYZ three-dimensional coordinate system having an origin 0 at the position of the center of gravity G of the weight body having the mass m is defined, and the driving means rotates the weight body about the Z axis at an angular velocity ω z. The driving operation and the second driving operation of rotating at an angular velocity ωX about the X axis are alternately performed,
検出手段により、 重錘体に対して X軸方向に作用するコリオリカ F co (X ) と、 Y軸方向に作用するコリオリカ F co(y) とを検出し、  The detection means detects a Corioliska Fco (X) acting on the weight body in the X-axis direction and a Corioliska Fco (y) acting on the Y-axis direction,
演算手段により、 駆動手段が第 1の駆動動作中に検出された Y铀方向 に作用するコリォリカ F co(y) を用い、 F co(y) = 2 · m · V χ · ω z なる関係を利用して X軸方向の速度 V Xを求め、 駆動手段が第 1の駆動 動作中に検出された X幸由方向に作用するコリオリカ F co(x) を用い、 F co(x) = 2 · m♦ V y · ω zなる関係を利用して Υ軸方向の速度 V yを 求め、 駆動手段が第 2の駆動動作中に検出された Y軸方向に作用するコ リオリカ F co(y) を用い、 F co(y) = 2 · m · V ζ · ω xなる関係を利 用して Z軸方向の速度 V zを求め、 The arithmetic means uses the corioliser F co (y) acting in the Y 铀 direction detected during the first driving operation by the driving means, and the relationship of F co (y) = 2mV χωz The speed VX in the X-axis direction is calculated using the following equation.The driving means uses the Corioliser F co (x) that acts in the X direction that was detected during the first driving operation, and F co (x) = 2 ♦ Using the relationship V y · ω z The driving means uses the corioliser F co (y) that acts in the Y-axis direction detected during the second driving operation, and uses the relationship of F co (y) = 2mV ζ To determine the velocity V z in the Z-axis direction,
求めた速度 V x , V y , V zを、 X Y Z三次元座標系における筐体の 速度の X軸方向成分 V x、 Y軸方向成分 V y、 Ζ $ίΐ方向成分 V zとして 出力するようにしたものである。  Output the obtained velocities V x, V y, and V z as the X-axis direction component V x, the Y-axis direction component V y, and the Ζ $ ίΐ direction component V z of the casing speed in the XYZ three-dimensional coordinate system. It was done.
(5) 本発明の第 5の態様は、 上述の第 1の態様に係る速度センサに おいて、  (5) According to a fifth aspect of the present invention, in the speed sensor according to the first aspect,
駆動手段により、 重錘体の重心 Gが所定の公転軌道上を移動するよう に、 重錘体に対して公転運動をさせるとともに、 この公転軌道上を移動 する第 1の軸について角速度 ωをもった自転運動をさせ、  The driving means causes the weight body to revolve so that the center of gravity G of the weight body moves on a predetermined orbit, and has an angular velocity ω about the first axis moving on the orbit. Make a spinning motion
検出手段により、 重錘体に対して作用する力の第 2の蚰に沿った方向 成分を検出し、 筐体が第 3の軸に沿つた方向の速度成分 Vをもつて移動 している状態のときのこの検出値と、 筐体が静止状態のときのこの検出 値と、 の差を、 第 2の軸方向に作用するコリオリカ F coとして求め、 演算手段により、 F co= 2 · m · V · ωなる関係を利用して、 第 3の 幸由に沿った方向についての筐体の速度 Vを求めるようにしたものである。  A state in which the detecting means detects a direction component along the second axis of the force acting on the weight body, and the housing is moving with a velocity component V in a direction along the third axis. The difference between this detected value at the time of and the detected value at the time when the housing is at rest is obtained as Coriolis Fco acting in the second axial direction, and by the arithmetic means, Fco = 2m Using the relationship V · ω, the speed V of the housing in the direction along the third fortune is obtained.
(6) 本発明の第 6の態様は、 上述の第 5の態様に係る速度センサに おいて、  (6) According to a sixth aspect of the present invention, in the speed sensor according to the fifth aspect described above,
駆動手段により、 Χ Υ Ζ三次元座標系の Χ Υ平面上に公転軌道を定義 し、 質量 mをもった重錘体を、 この公転軌道に沿って公転運動させると ともに Z軸に平行な自転軸について角速度 ω ζをもった自転運動をさせ、 検出手段により、 重錘体に対して作用する力の X铀方向成分 F Xおよ び Υ軸方向成分 F yを検出し、 筐体が所定速度 Vをもって移動している 状態のときのこれらの検出値と、 筐体が静止状態のときのこれらの検出 値と、 の差を、 重錘体に対して X 由方向に作用するコリオリカ F co(x) および Y軸方向に作用するコリォリ力 F co(y) としてそれぞれ求め、 演算手段により、 F co(y) = 2 ♦ m · V x ♦ ω ζなる関係を利用して 筐体の X軸方向の速度成分 V Xを求め、 F co(x) = 2 · m ♦ V y · ω z なる関係を利 fflして筐体の Υ ΐ由方向の速度成分 V yを求め、 The driving means defines the orbit on the Υ の plane of the 次 元 Υ 次 元 three-dimensional coordinate system, and the weight body with mass m revolves along this orbit and rotates in parallel with the Z axis. The robot makes a rotation with an angular velocity ω に つ い て about the axis, and the detecting means detects the X 铀 component FX and the Υ axis component F y of the force acting on the weight body, and the housing moves at a predetermined speed. Moving with V The difference between these detected values when the body is stationary and these detected values when the housing is stationary is determined by the Corioliser F co (x) acting in the X-direction and the Y-axis direction acting on the weight. And calculate the velocity component VX of the housing in the X-axis direction using the relation F co (y) = 2 ♦ mV x ♦ ω に よ り. Fco (x) = 2m VVy · ωz to obtain the velocity component Vy in the Υ
X Y Z三次元座標系における筐体の速度の X軸方向成分 V Xおよび Y 軸方向成分 V yを出力するようにしたものである。  XYZ The X-axis direction component VX and the Y-axis direction component Vy of the speed of the housing in the three-dimensional coordinate system are output.
(7) 本発明の第 7の態様は、 上述の第 5の態様に係る速度センサに おいて、  (7) According to a seventh aspect of the present invention, in the speed sensor according to the fifth aspect described above,
駆動手段により、 X Y Z三次元座標系の X Y平面上に公転軌道を定義 し、 質量 mをもった重錘体を、 この公転軌道に沿って公転運動させると ともに Z軸に平行な自転軸について角速度 ω ζをもった自転運動をさせ る第 1の駆動動作と、 X Υ Ζ三次元座標系の Υ Ζ平面上に公転軌道を定 義し、 質量 mをもった重錘体を、 この公転軌道に沿って公転運動させる とともに X軸に平行な自転铀について角速度 o) Xをもった t|転運動をさ せる第 2の駆動動作とを交 ΪΪ.に行い、  The driving means defines the orbit on the XY plane of the XYZ three-dimensional coordinate system, and the weight body having mass m is revolved along this orbit, and the angular velocity about the rotation axis parallel to the Z axis ω 自, the first driving operation to make a rotational motion, and the X Ζ 公 orbit defined on the Ζ の plane of the three-dimensional coordinate system. At the same time as the orbital motion along the axis of rotation, and the second drive operation to make the t |
検出手段により、 重錘体に対して作 fflする力の X 由方向成分 F Xおよ び Y軸方向成分 F yを検出し、 筐体が所定速度 Vをもって移動している 状態のときのこれらの検出値と、 筐体が静止状態のときのこれらの検出 値と、 の差を、 重錘体に対して X軸方向に作用するコリオリカ F co(x) および Y軸方向に作用するコリォリカ F co(y) としてそれぞれ求め、 演算手段により、 駆動手段が第〗の駆動動作中に検出された Y軸方向 に作用するコリォリ力 F co(y) を用い、 F co(y) = 2 ♦ m · V χ · ω z なる関係を利用して筐体の X $由方向の速度成分 V Xを求め、 駆動手段が The X-direction component FX and the Y-axis component Fy of the force ffl acting on the weight are detected by the detection means, and these components are detected when the housing is moving at the predetermined speed V. The difference between the detected value and these detected values when the housing is stationary is determined by the Corioliser F co (x) acting on the weight in the X-axis direction and the Corioliser F co acting on the weight in the Y-axis direction. (y), and the calculating means uses the Coriolis force F co (y) acting in the Y-axis direction detected during the first driving operation by the driving means, and F co (y) = 2 V χ · ω z The velocity component VX in the X $ free direction of the housing is obtained using the relationship
第 1の駆動動作中に検出された X 由方向に作用するコリォリカ F co(x) Coriolis F co (x) acting in the X-direction detected during the first drive operation
を用い、 F co(x) = 2 · m · V y ♦ ω zなる関係を利用して筐体の Y軸 Using the relationship F co (x) = 2mVy ♦ ωz
方向の速度成分 V yを求め、 駆動手段が第 2の駆動動作中に検出された The velocity component Vy in the direction is determined, and the driving means is detected during the second driving operation.
Y幸由方向に作用するコリオリカ F co(y) を用い、 F co(y) = 2 · m · V Using the Coriolis Fco (y) acting in the Y direction, Fco (y) = 2mV
z · ω χなる関係を利用して筐体の Z軸方向の速度成分 V zを求め、  The velocity component V z in the Z-axis direction of the housing is obtained using the relationship z
X Y Z三次元座標系における筐体の速度の Χ $ώ方向成分 V χ、 Υ軸方  X Y Z 筐 体 $ ώ direction component V χ, Υ axis direction of housing velocity in three-dimensional coordinate system
向成分 V y、 蚰方向成分 zを出力するようにしたものである。 The directional component V y and the directional component z are output.
(8) 本発明の第 8の態様は、 上述の第 1の態様に係る速度センサに  (8) An eighth aspect of the present invention is directed to the speed sensor according to the first aspect.
おいて、 And
駆動手段により、 重錘休の重心 Gが所定の往復軌道上を移動するよう  By the driving means, the center of gravity G of the weight rest moves on the predetermined reciprocating orbit.
に、 重錘休に対して往復運動をさせるとともに、 この往復軌道上を移動 And reciprocate against the weight rest, and move on this reciprocating orbit.
する第 1の軸について角速度 ωをもった自転運動をさせ、 About the first axis to rotate with an angular velocity ω,
検出手段により、 重錘体に対して作 fflする力の第 2の軸に沿った方向  The direction along the second axis of the force ffl acting on the weight by the detection means
成分を検出し、 筐体が第 3の蚰に沿った方向の速度成分 Vをもって移動 Component is detected, and the housing moves with the velocity component V in the direction along the third axis.
している状態のときのこの検出値と、 筐体が静止状態のときのこの検出  This value when the housing is stationary and this detection when the housing is stationary
値と、 の差を、 第 2の铀方向に作用するコリオリカ F coとして求め、 The difference between the value and is determined as the Coriolisa F co acting in the second 铀 direction,
演算手段により、 F co= 2 ♦ m♦ V · ωなる関係を利用して、 第 3の  By using the relation F co = 2 ♦ m ♦ V
軸に沿った方向についての筐体の速度 Vを求めるようにしたものである。 The speed V of the housing in the direction along the axis is obtained.
(9) 本発明の第 9の態様は、 上述の第 8の態様に係る速度センサに  (9) A ninth aspect of the present invention is directed to the speed sensor according to the eighth aspect.
おいて、  And
駆動手段により、 X Υ Ζ三次元座標系の Χ Ζ平面上に往復軌道を定義  Drive means define a reciprocating trajectory on the X Ζ Ζ X plane of the three-dimensional coordinate system
し、 質量 mをもった重錘体を、 この往復軌道に沿って往復運動させると  Then, when the weight body having mass m is reciprocated along this reciprocating orbit,
ともに Y軸に平行な自転蚰について角速度 ω yをもった自転運動をさせ、 ^ 検出手段により、 重錘体に対して作用する力の X铀方向成分 F Xおよ び Z軸方向成分 F zを検出し、 筐体が所定速度 Vをもって移動している 状態のときのこれらの検出値と、 筐休が静止状態のときのこれらの検出 値と、 の差を、 重錘体に対して X軸方向に作用するコリオリカ F co(x) および Z 由方向に作用するコリオリカ F co(z) としてそれぞれ求め、 演算手段により、 F co(z) = 2 · m · V X · co yなる関係を利用して 筐休の X軸方向の速度成分 V Xを求め、 F co(x) = 2 · m · V z · ω y なる関係を利用して筐体の Z軸方向の速度成分 V zを求め、 Both make a rotation with an angular velocity ω y about a rotation parallel to the Y axis, ^ The detecting means detects the X 铀 direction component FX and the Z axis direction component Fz of the force acting on the weight body, and detects these when the housing is moving at a predetermined speed V. The difference between these values and the detected values when the case is stationary is defined as the Corioliser F co (x) acting on the weight in the X-axis direction and the Corioliser F co ( z), and the calculation means obtains the velocity component VX in the X-axis direction of the housing using the relationship F co (z) = 2mVXcoy, and Fco (x) = 2 The velocity component Vz in the Z-axis direction of the housing is obtained using the relationship
X Y Z三次元座標系における筐体の速度の X軸方向成分 V Xおよび Z 幸由方向成分 V zを出力するようにしたものである。  In the XYZ three-dimensional coordinate system, an X-axis component VX and a Z-fortunate component Vz of the speed of the housing are output.
(10) 本発明の第 1 0の態様は、 上述の第 8の態様に係る速度センサ において、  (10) According to a tenth aspect of the present invention, in the speed sensor according to the eighth aspect described above,
駆動手段により、 X Y Z三次元座標系の X Z平面上に往復軌道を定義 し、 質量 mをもった重錘体を、 この往復軌道に沿って往復運動させると ともに Y軸に平行な自転軸について角速度 ω yをもつた 転運動をさせ る第 1の駆動動作と、 X Y Z三次元座標系の Y Z平面上に往復軌道を定 義し、 質量 mをもった重錘体を、 この往復軌道に沿って往復運動させる とともに X軸に平行な自転軸について角速度 ω Xをもった 転運動をさ せる第 2の駆動動作とを交互に行い、  The drive means defines a reciprocating trajectory on the XZ plane of the XYZ three-dimensional coordinate system, and the weight having mass m is reciprocated along this reciprocating trajectory, and the angular velocity about the rotation axis parallel to the Y axis The first driving motion that makes a rolling motion with ω y and the reciprocating trajectory on the YZ plane of the XYZ three-dimensional coordinate system are defined, and the weight having mass m is moved along this reciprocating trajectory. The reciprocating motion and the second driving operation of rotating the rotating axis parallel to the X axis with the angular velocity ωX are alternately performed.
検出手段により、 重錘体に対して作用する力の X軸方向成分 F Xおよ び Ζ拳由方向成分 F Ζを検出し、 筐体が所定速度 Vをもって移動している 状態のときのこれらの検出値と、 筐体が静止状態のときのこれらの検出 値と、 の差を、 重錘休に対して X軸方向に作 fflするコリオリカ F co(x) および Z軸方向に作用するコリォリ力 F co(z) としてそれぞれ求め、 演算手段により、 駆動手段が第 1の駆動動作中に検出された Z軸方向 に作用するコリォリカ Fco(z) を用い、 Fco(z) = 2 · m · V X ♦ ω y なる関係を利用して筐体の X蚰方向の速度成分 V xを求め、 駆動手段が 第 1の駆動動作中に検出された X铀方向に作用するコリオリカ Fco(x) を用い、 Fco(x) = 2 ♦ m♦ V z · ω yなる閲係を利用して筐体の Z軸 方向の速度成分 V zを求め、 駆動手段が第 2の駆動動作中に検出された Z幸由方向に作用するコリオリカ Fco(z) を用い、 Fco(z) = 2 ♦ m · V y ♦ ω χなる関係を利用して筐体の Υΐ由方向の速度成分 V yを求め、 X Y Z三次元座標系における筐体の速度の X軸方向成分 V x、 Y軸方 向成分 V y、 Zfltl方向成分 V zを出力するようにしたものである。 The detection means detects the X-axis direction component FX and Zeta KenYukari direction component F Zeta forces acting on the weight body, housing of these the state is moving at a predetermined velocity V The difference between the detected value and these detected values when the housing is stationary is calculated by applying the corioliser F co (x) that acts on the weight rest in the X-axis direction and the Coriolis force acting in the Z-axis direction. F co (z) The calculating means uses the Coriolis Fco (z) acting in the Z-axis direction detected during the first driving operation by the driving means, and utilizing the relationship of Fco (z) = 2mVX ♦ ωy The speed component V x in the X-axis direction of the housing is obtained, and the driving means uses the Corioliser Fco (x) acting in the X 铀 direction detected during the first driving operation, and Fco (x) = 2 ♦ m ♦ The velocity component Vz in the Z-axis direction of the housing is obtained by using the checker Vz · ωy, and the driving means detects the Coriolis Fco (z ), And the velocity component Vy in the free direction of the housing is obtained using the relationship Fco (z) = 2 ♦ mVy ♦ ω, and the X of the speed of the housing in the XYZ three-dimensional coordinate system is obtained. An axial component Vx, a Y-axis component Vy, and a Zfltl-directional component Vz are output.
(11) 本発明の第 1 1の態様は、 上述の第 9または第 1 0の態様に係 る速度センサにおいて、  (11) According to a eleventh aspect of the present invention, in the speed sensor according to the ninth or tenth aspect,
検出手段により、 重錘体の往復運動の X軸方向に関する振幅の変動分 を検出し、 この変動分を、 重錘休に対して X铀方向に作用するコリオリ 力 Fco(x) として用いるようにしたものである。  The detection means detects the variation of the amplitude of the reciprocating motion of the weight body in the X-axis direction, and uses this variation as the Coriolis force Fco (x) acting on the weight rest in the X 铀 direction. It was done.
(12) 本発明の第 12の態様は、 上述の第 9または第 1 ϋの態様に係 る速度センサにおいて、  (12) A twelfth aspect of the present invention is the speed sensor according to the ninth or first aspect described above,
検出手段により、 重錘体の往復軌道の Ζ軸方向に関する偏りを検出し、 この偏りを、 重錘体に対して Ζ铀方向に作用するコリオリカ Fco(z) と して用いるようにしたものである。  The detection means detects the deviation of the reciprocating trajectory of the weight body in the Ζ-axis direction, and uses this deviation as Coriolis Fco (z) acting in the Ζ 铀 direction on the weight body. is there.
求め、 駆動手段が第 2の駆動動作中に検出された Yi l方向に作用するコ リオリカ Fco(y) を用い、 Fco(y) = 2 ♦ m♦ V z ♦ ω xなる関係を利 用して Z铀方向の速度 V zを求め、 The driving means uses a corerica Fco (y) that acts in the Yil direction detected during the second driving operation, and uses the relationship of Fco (y) = 2 ♦ m ♦ Vz ♦ ωx. To find the velocity V z in the Z 铀 direction,
求めた速度 Vx, V y， V zを、 X Y Z三次元座標系における筐体の 速度の X 由方向成分 V x、 Y紬方向成分 V y、 Z蚰方向成分 V zとして 出力するようにしたものである。 The obtained velocities Vx, Vy, Vz are converted to The velocity is output as the X-direction component Vx, the Y-direction component Vy, and the Z-direction component Vz.
(13) 本発明の第 1 3の態様は、 上述の第 1の態様に係る速度センサ において、  (13) A thirteenth aspect of the present invention is the speed sensor according to the first aspect,
X Y Z三次元座標系において、 長手方向が X蚰に沿うように振動子を 配置し、 この振動子の所定位置を台座によって筐体に対して支持固定し、 振動子の自由端が重錘休として機能し、 台座が支持手段として機能する ように構成し、  In the XYZ three-dimensional coordinate system, the vibrator is arranged so that the longitudinal direction is along the X axis, and a predetermined position of the vibrator is supported and fixed to the housing by the base, and the free end of the vibrator is a weight Function, the pedestal is configured to function as a support means,
振動子の自由端を X Z平面内で変位させるための力を発生させる力発 生器によって駆動手段を構成し、  The driving means is constituted by a force generator that generates a force for displacing the free end of the vibrator in the XZ plane,
自由端の X Z平面内での実際の変位を検出する変位検出器により検出 手段を構成し、 力発生器によって発生した力に基づく変位と、 変位検出 器が検出した実際の変位と、 の差分に基づいて、 自由端に作用した Z軸 方向のコリオリ力 F coを求め、  The detection means is composed of a displacement detector that detects the actual displacement of the free end in the XZ plane, and the difference between the displacement based on the force generated by the force generator and the actual displacement detected by the displacement detector is calculated. Based on this, the Coriolis force F co in the Z-axis direction acting on the free end is obtained,
演算手段が、 求めたコリオリカ F coに基いて、 X軸方向に沿った方向 についての振動子の速度 V wを求めるようにしたものである。  The calculating means calculates the velocity V w of the vibrator in the direction along the X-axis direction based on the obtained Coriolis Fco.
(14) 本発明の第 1 4の態様は、 上述の第 1 3の態様に係る速度セン サにおいて、  (14) A fourteenth aspect of the present invention provides the speed sensor according to the above-described thirteenth aspect,
X軸方向に所定距離おいて配置された一対の台座によって振動子を支 持固定し、 この一対の台座より外側に位置する両端部分がそれぞれ第 1 の自由端および第 2の自由端として機能するように構成し、  The vibrator is supported and fixed by a pair of pedestals arranged at a predetermined distance in the X-axis direction, and both end portions located outside the pair of pedestals function as a first free end and a second free end, respectively. Configured as
振動子の一対の台座に挟まれた中央部に固着された圧電素子と、 この 圧電素子に交流電圧を供給する交流電源と、 によつて力発生器を構成し . 第 1の自由端に固着された第 1の圧電素子と、 第 2の S由端に固着さ れた第 2の圧電素子と、 第 1の圧電素子に発生する電圧を検出する第 1 の電圧計と、 第 2の圧電素子に発生する電圧を検出する第 2の電圧計と、 によつて変位検出器を構成し、 第 1の電圧計の出力と第 2の電圧計の出 力との差に基づいて、 コリオリカ F coを求めるようにしたものである。 A force generator is constituted by a piezoelectric element fixed to a central portion of the vibrator sandwiched between a pair of pedestals, and an AC power supply for supplying an AC voltage to the piezoelectric element. The first piezoelectric element and the second S A second piezo element, a first voltmeter that detects a voltage generated in the first piezo element, and a second voltmeter that detects a voltage generated in the second piezo element. A displacement detector is configured to obtain Coriolisa Fco based on the difference between the output of the first voltmeter and the output of the second voltmeter.
(15) 本発明の第 1 5の態様は、 上述の第 1 4の態様に係る速度セン ザにおいて、  (15) According to a fifteenth aspect of the present invention, in the speed sensor according to the above-described fourteenth aspect,
振動子がもつ固有の振動モードで最も変位が少ない一対のノード位置 に、 一対の台座を配置するようにしたものである。  A pair of pedestals is arranged at a pair of node positions where displacement is the least in the unique vibration mode of the vibrator.
(16) 本発明の第 1 6の態様は、 上述の第 1の態様に係る速度センサ において、  (16) A sixteenth aspect of the present invention is the speed sensor according to the first aspect,
周囲部が筐体に固定され、 中心部に重錘休が固着され、 可撓性を有す る可撓性基板によつて支持手段を構成し、  The peripheral part is fixed to the housing, the weight rest is fixed to the center part, and the supporting means is constituted by a flexible substrate having flexibility.
駆動手段は、 可撓性基板の所定箇所に対して所定方向の力を作用させ る力発生器を有し、 この力発生器は可撓性基板上の複数箇所に配置され、 検出手段は、 可撓性基板の所定箇所の所定方向への変位を検出する変 位検出器を有し、 この変位検出器は可撓性基板上の複数箇所に配置され ているようにしたものである。  The driving unit has a force generator that applies a force in a predetermined direction to a predetermined portion of the flexible substrate, and the force generator is disposed at a plurality of positions on the flexible substrate. It has a displacement detector for detecting a displacement of a predetermined portion of the flexible substrate in a predetermined direction, and the displacement detector is arranged at a plurality of positions on the flexible substrate.
(17) 本発明の第 1 7の態様は、 上述の第 1の態様に係る速度センサ において、  (17) According to a seventeenth aspect of the present invention, in the speed sensor according to the first aspect,
中心部が筐体に固定され、 周囲部に重錘体が固着され、 可撓性を有す る可撓性基板によつて支持手段を構成し、  The central portion is fixed to the housing, the weight is fixed to the peripheral portion, and the supporting means is constituted by a flexible substrate having flexibility.
駆動手段は、 可撓性基板の所定箇所に対して所定方向の力を作用させ る力発生器を有し、 この力発生器は可撓性基板上の複数箇所に配置され、 検出手段は、 可撓性基板の所定箇所の所定方向への変位を検出する変 位検出器を有し、 この変位検出器は可撓性基板上の複数箇所に配置され ているようにしたものである。 The driving unit has a force generator that applies a force in a predetermined direction to a predetermined portion of the flexible substrate. The force generator is disposed at a plurality of positions on the flexible substrate. A change detecting a displacement of a predetermined portion of the flexible substrate in a predetermined direction. It has a position detector, and the displacement detectors are arranged at a plurality of positions on the flexible substrate.
(18) 本発明の第 1 8の態様は、 上述の第】 6または第 1 7の態様に 係る速度センサにおいて、  (18) The eighteenth aspect of the present invention is the speed sensor according to the above-mentioned sixth or seventeenth aspect,
可撓性基板の表面が X Y平面に平行になり、 重錘休の重心位置に Z铀 が通るような X Y Z三次元座標系を定義し、  An XYZ three-dimensional coordinate system is defined such that the surface of the flexible substrate is parallel to the XY plane and Z 铀 passes through the center of gravity of the weight rest.
可撓性基板の X軸の正の領域および負の領域に、 Z軸に沿った方向に 力を作用させる力発生器をそれぞれ配置し、 これらの力発生器を周期的 に動作させることにより、 重錘体を X Z平面上の円弧状軌道に沿って往 復運動させるとともに、 Y蚰に平行な軸について角速度 w yをもった自 転運動をさせるようにしたものである。  By disposing force generators for applying a force in the direction along the Z axis in the positive and negative regions of the X-axis of the flexible substrate, and by operating these force generators periodically, The weight body is made to reciprocate along an arc-shaped orbit on the XZ plane, and is made to rotate with an angular velocity wy about an axis parallel to the Y axis.
(19) 本発明の第 1 9の態様は、 上述の第 1 8の態様に係る速度セン サにおいて、  (19) According to a nineteenth aspect of the present invention, in the speed sensor according to the eighteenth aspect,
更に、 可撓性基板の原点近傍領域に、 Z軸に沿った方向に力を作用さ せる力発生器を配置し、 各力発生器を周期的に動作させることにより、 重錘体を X Z平面上の円弧状軌道に沿って往復運動させるとともに、 Y 軸に平行な軸について角速度 ω yをもった自転運動をさせるようにした ものである。  In addition, a force generator that applies a force in the direction along the Z axis is arranged in the area near the origin of the flexible substrate, and the weight bodies are moved in the XZ plane by periodically operating each force generator. In addition to the reciprocating motion along the above arc-shaped orbit, the robot also rotates in an axis parallel to the Y axis with an angular velocity ωy.
(20) 本発明の第 2 0の態様は、 上述の第 1 8または第 1 9の態様に 係る速度センサにおいて、  (20) A speed sensor according to a twenty-first aspect of the present invention is the speed sensor according to the eighteenth or nineteenth aspect,
更に、 可撓性基板の Y紬の正の領域および負の領域に、 Ζ ΐιΙιに沿った 方向に力を作用させる力発生器をそれぞれ配置し、 これらの力発生器を 周期的に動作させることにより、 重錘体を Y Z平面上の P】弧状軌道に沿 つて往復運動させるとともに、 X軸に苹行な軸について角速度 ω Xをも つた自転運動をさせるようにしたものである。 Further, a force generator for applying a force in a direction along the direction of に ΐιΙι is disposed on each of the positive and negative regions of the flexible substrate, and these force generators are operated periodically. Causes the weight to reciprocate along the P] arc trajectory on the YZ plane, and the angular velocity ω X about the axis that is circular to the X axis. In this way, a spinning motion is performed.
(21 ) 本発明の第 2 1の態様は、 上述の第 1 6または第 1 7の態様に 係る速度センサにおいて、  (21) According to a twenty-first aspect of the present invention, in the speed sensor according to the sixteenth or seventeenth aspect,
可撓性基板の表面が X Y平面に平行になり、 重錘体の重心位置に Z軸 が通るような X Y Z三次元座標系を定義し、  An XYZ three-dimensional coordinate system is defined such that the surface of the flexible substrate is parallel to the XY plane, and the Z axis passes through the center of gravity of the weight body.
可撓性基板の X軸の正の領域および負の領域に、 X軸に沿った方向に 力を作用させる力発生器をそれぞれ配置し、 これらの力発生器を周期的 に動作させることにより、 重錘休を X Z平面上の円弧状軌道に沿って往 復運動させるとともに、 Y軸に平行な 由について角速度 ω yをもった自 転運動をさせるようにしたものである。  By placing force generators for applying a force in the direction along the X-axis in the positive and negative regions of the X-axis of the flexible substrate, and by operating these force generators periodically, The weight rest is moved back and forth along an arc-shaped orbit on the XZ plane, and is rotated with an angular velocity ωy parallel to the Y axis.
(22) 本発明の第 2 2の態様は、 上述の第 2 1の態様に係る速度セン サにおいて、  (22) According to a second aspect of the present invention, in the speed sensor according to the above-described second aspect,
更に、 可撓性基板の Y ltlの正の領域および負の領域に、 Y铀に沿つた 方向に力を作用させる力発生器をそれぞれ配置し、 これらの力発生器を 周期的に動作させることにより、 重錘体を Y Z平面上のト 弧状軌道に沿 つて往復運動させるとともに、 X軸に平行な軸について角速度 ω Xをも つた自転運動をさせるようにしたものである。  Further, a force generator for applying a force in a direction along Y 铀 is disposed in each of the positive and negative areas of Y ltl of the flexible substrate, and these force generators are operated periodically. As a result, the weight body is reciprocated along an arc-shaped trajectory on the YZ plane, and is rotated about an axis parallel to the X axis with an angular velocity ωX.
(23) 本発明の第 2 3の態様は、 上述の第 1 6または第 1 7の態様に 係る速度センサにおいて、  (23) A twenty-third aspect of the present invention provides the speed sensor according to the sixteenth or seventeenth aspect,
可撓性基板の表面が Χ Υ平面に平行になり、 重錘休の重心位置に Ζ $|!] が通るような X Υ Ζ三次元座標系を定義し、  Define the X Υ Ζ three-dimensional coordinate system such that the surface of the flexible substrate is parallel to the Χ Υ plane, and Ζ $ |!] Passes through the center of gravity of the weight rest,
可撓性基板の X軸の正の領域および負の領域に、 Ζ軸に沿った方向へ の変位を検出する変位検出器をそれぞれ配置し、 これら変位検出器が検 出した変位の差に基づいて、 重錘休の X铀方向に作 fflするコリオリカ F co(x) を検出するようにしたものである。 Displacement detectors that detect displacement in the direction along the Ζ axis are respectively arranged in the positive and negative regions of the X-axis of the flexible substrate, and based on the difference between the displacements detected by these displacement detectors. To work in the X 作 direction of the weight rest co (x) is detected.
(24) 木発明の第 2 4の態様は、 上述の第 2 3の態様に係る速度セン サにおいて、  (24) According to a twenty-fourth aspect of the invention, in the speed sensor according to the above-described twenty-third aspect,
更に、 可撓性基板の原点近傍領域に、 Z軸に沿った方向への変位を検 出する変位検出器を配置し、 この変位検出器が検出した変位に基づいて、 重錘休の Z軸方向に作用するコリオリカ F co(z) を検出するようにした ものである。  Further, a displacement detector for detecting a displacement in a direction along the Z-axis is disposed in a region near the origin of the flexible substrate, and based on the displacement detected by the displacement detector, the Z-axis of the weight rest is set. It detects the Coriolis F co (z) acting in the direction.
(25) 本発明の第 2 5の態様は、 上述の第 2 3または第 2 4の態様に 係る速度センサにおいて、  (25) According to a twenty-fifth aspect of the present invention, in the speed sensor according to the above-described twenty-third or twenty-fourth aspect,
更に、 可撓性基板の Y軸の正の領域および負の領域に、 Z蚰に沿った 方向への変位を検出する変位検出器をそれぞれ配置し、 これら変位検出 器が検出した変位の差に基づいて、 重錘休の Y lb方向に作 fflするコリォ リカ F co(y) を検出するようにしたものである。  Further, displacement detectors for detecting displacements in the direction along the Z axis are arranged in the positive region and the negative region of the Y-axis of the flexible substrate, respectively, and a difference between the displacements detected by these displacement detectors is determined. Based on this, Coriolica Fco (y), which ffls in the Ylb direction of the weight rest, is detected.
(26) 木発明の第 2 6の態様は、 上述の第 2 3の態様に係る速度セン サにおいて、  (26) According to a twenty-sixth aspect of the present invention, in the speed sensor according to the above-described twenty-third aspect,
X軸の正の領域および負の領域にそれぞれ配置された変位検出器が検 出した変位の和に基づいて、 重錘体の Z軸方向に作用するコリオリ力 F co(z) を検出するようにしたものである。  Based on the sum of the displacements detected by the displacement detectors located in the positive and negative areas of the X-axis, the Coriolis force Fco (z) acting on the weight body in the Z-axis direction is detected based on the sum of the displacements detected. It was made.
(27) 本発明の第 2 7の態様は、 上述の第 1 6または第 1 7の態様に 係る速度センサにおいて、  (27) According to a twenty-seventh aspect of the present invention, in the speed sensor according to the sixteenth or seventeenth aspect,
可撓性基板の表面が X Y平面に平行になり、 重錘体の重心位置に Z軸 が通るような X Y Z三次元座標系を定義し、  An XYZ three-dimensional coordinate system is defined such that the surface of the flexible substrate is parallel to the XY plane, and the Z axis passes through the center of gravity of the weight body.
可撓性基板の X軸の正の領域および負の領域に、 X に沿った方向へ の変位を検出する変位検出器をそれぞれ配置し、 これら変位検出器が検 出した変位に基づいて、 重錘休の X铀方向に作用するコリォリ力 F co (x) を検出するようにしたものである。 Displacement detectors for detecting displacement in the direction along X are arranged in the positive and negative regions of the X-axis of the flexible substrate, and these displacement detectors detect the displacement. Based on the displacement, the Coriolis force F co (x) acting on the weight rest in the X 休 direction is detected.
(28) 本発明の第 2 8の態様は、 上述の第 2 7の態様に係る速度セン サにおいて、  (28) The 28th aspect of the present invention is the speed sensor according to the 27th aspect described above,
更に、 可撓性基板の Y軸の正の領域および負の領域に、 Y軸に沿った 方向への変位を検出する変位検出器をそれぞれ配置し、 これら変位検出 器が検出した変位に基づいて、 重錘体の Y铀方向に作用するコリオリカ F co(y) を検出するようにしたものである。  Further, displacement detectors for detecting displacements in the direction along the Y axis are respectively arranged in the positive and negative regions of the flexible substrate on the Y axis, and based on the displacements detected by these displacement detectors. It detects the Coriolisa F co (y) acting in the Y 铀 direction of the weight body.
(29) 本発明の第 2 9の態様は、 上述の第 2 7または第 2 8の態様に 係る速度センサにおいて、  (29) A twentieth aspect of the present invention is the speed sensor according to the above-mentioned twenty-seventh or twenty-eighth aspect,
X奉 illの正の領域および負の領域にそれぞれ配置された変位検出器が検 出した変位に基づいて、 重錘体の Z軸方向に作用するコリオリカ F co (z) を検出するようにしたものである。  Corioliser F co (z) acting in the Z-axis direction of the weight is detected based on the displacements detected by the displacement detectors located in the positive and negative areas of X-ill, respectively. Things.
(30) 本発明の第 3 0の態様は、 上述の第 1 6または第 1 7の態様に 係る速度センサにおいて、  (30) In a thirtieth aspect of the present invention, in the speed sensor according to the sixteenth or seventeenth aspect,
可撓性基板上に形成された第 1の電極と、 この可撓性基板に対向して 設けられた固定基板上に形成された第 2の電極と、 の一対の電極からな る容量素子によって、 力発生器および変位検出器を構成したものである。  A first electrode formed on a flexible substrate, and a second electrode formed on a fixed substrate provided opposite to the flexible substrate; , A force generator and a displacement detector.
(31 ) 木発明の第 3 1の態様は、 上述の第 1 6または第 1 7の態様に 係る速度センサにおいて、  (31) A thirty-first aspect of the tree invention is the velocity sensor according to the above-mentioned sixteenth or seventeenth aspect,
可撓性基板上に形成された第 1の電極と、 この第 1の電極上に可撓性 基板の撓みが伝達されるように固着された圧電素子と、 この压電素子の 上の第 1の電極に対向する位置に形成された第 2の電極と、 によって、 力発生器および変位検出器を構成したものである。 (32) 本発明の第 3 2の態様は、 上述の第 1 6または第 1 7の態様に 係る速度センサにおいて、 A first electrode formed on the flexible substrate, a piezoelectric element fixed on the first electrode so that bending of the flexible substrate is transmitted, and a first electrode on the piezoelectric element. A force generator and a displacement detector are constituted by the second electrode formed at a position facing the electrode. (32) According to a thirty-second aspect of the present invention, in the speed sensor according to the sixteenth or seventeenth aspect,
可撓性基板上に形成された第 1の電極と、 この可撓性基板に対向して 設けられた固定基板上に形成された第 2の電極と、 これら一対の電極間 に設けられた圧電素子と、 によって、 力発生器および変位検出器を構成 したものである。  A first electrode formed on a flexible substrate, a second electrode formed on a fixed substrate provided opposite to the flexible substrate, and a piezoelectric member provided between the pair of electrodes. The element and the element constitute a force generator and a displacement detector.
(33) 本発明の第 3 3の態様は、 上述の第 1 6または第 ] 7の態様に 係る速度センサにおいて、  (33) A third aspect of the present invention is the speed sensor according to the sixteenth or seventh aspect described above,
力発生器としての機能と変位検出器としての機能とを併せもった兼用 器を用いることにより、 駆動手段の一部分と検出手段の一部分とを物理 的に同一の要素によって構成したものである。  By using a dual-purpose device having both a function as a force generator and a function as a displacement detector, a part of the driving means and a part of the detecting means are constituted by physically the same element.
(34) 本発明の第 3 4の態様は、 上述の第 1 6または第 1 7の態様に 係る速度センサにおいて、  (34) A thirty-fourth aspect of the present invention is the speed sensor according to the sixteenth or seventeenth aspect,
板状の基板の周囲部と中心部との間に環状の溝を掘ることにより肉厚 の薄い可撓部を形成し、 この可撓部の撓みによって、 中心部が周囲部に 対して変位を生じるような構造にし、 板状の基板によつて可撓性基板を 構成するようにしたものである。  A thin flexible portion is formed by digging an annular groove between the peripheral portion and the central portion of the plate-like substrate, and the central portion displaces with respect to the peripheral portion by bending of the flexible portion. In this structure, a flexible substrate is formed by a plate-like substrate.
(35) 本発明の第 3 5の態様は、 上述の第 1 6または第 1 7の態様に 係る速度センサにおいて、  (35) According to a third aspect of the present invention, in the speed sensor according to the above-mentioned sixteenth or seventeenth aspect,
可撓性基板の基板面に X Y平面を、 この基板面に垂直な方向に Z軸を, それぞれ配置してなる X Y Z三次元座標系を定義したときに、  When defining the XY plane on the substrate surface of the flexible substrate and the Z axis in the direction perpendicular to the substrate surface, an XYZ three-dimensional coordinate system is defined,
重錘体の X軸方向に関する共振周波数 F r (X ) と、 Z軸方向に関する 共振周波数 F r (z) と力；'ほぼ等しくなる構造をとるようにしたものであ The force is equal to the resonance frequency F r (X) of the weight body in the X-axis direction and the resonance frequency F r (z) in the Z-axis direction.
Ό ο (36) 木発明の第 3 6の態様は、 上述の第 3 5の態様に係る速度セン サにおいて、 Ό ο (36) A thirty-sixth aspect of the present invention is the speed sensor according to the thirty-fifth aspect,
更に、 重錘休の Y軸方向に関する共振周波数 F r (y) と、 X軸方向に 関する共振周波数 F r (X) とがほぼ等しくなる構造をとるようにしたも のである。  Further, the resonance frequency F r (y) in the Y-axis direction of the weight rest is substantially equal to the resonance frequency F r (X) in the X-axis direction.
(37) 本発明の第 3 7の態様は、 上述の第 1の態様に係る速度センサ において、  (37) A 37th aspect of the present invention is the speed sensor according to the above 1st aspect,
筐体に固着された固定基板と、 この固定基板の下方に固定された圧電 素子と、 により支持手段を構成し、 圧電素子の下方に重錘休を固着し、 圧電素子の所定位置に電荷を供給する手段によって駆動手段を構成し、 圧電素子の所定位置に発生する電荷を測定する手段によって検出手段 を構成したものである。 図 面 の 簡 単 な 説 明  A supporting means is constituted by a fixed substrate fixed to the housing and a piezoelectric element fixed below the fixed substrate. A weight rest is fixed below the piezoelectric element, and electric charges are stored at a predetermined position of the piezoelectric element. The driving means is constituted by the supplying means, and the detecting means is constituted by the means for measuring the electric charge generated at a predetermined position of the piezoelectric element. Brief explanation of drawings
第 1図は、 物体〗 0が X軸方向に速度 V w xで運動しているときに、 Z軸まわりの角速度 ω ζで回転させると、 Υ軸方向にコリォリカ F co (y) が作用する原理を説明する図である。  Fig. 1 shows the principle that when an object〗 0 rotates at an angular velocity ω ま わ り around the Z axis while moving at a velocity V wx in the X axis direction, Coriolis F co (y) acts in the Υ axis direction. FIG.
第 2図は、 物体 1 0が Y蚰方向に速度 V w yで運動しているときに、 Z奉由まわりの角速度 ω ζで回転させると、 X軸方向にコリォリカ F co (χ) が作用する原理を説明する図である。  Fig. 2 shows that when the object 10 is rotating at the velocity V wy in the Y axis direction and rotating at the angular velocity ω ま わ り around the Z axis, the Coriolis F co (χ) acts in the X axis direction. It is a figure explaining a principle.
第 3図は、 物体 1 0が Ζま由方向に速度 V w zで運動しているときに、 X軸まわりの角速度 ω Xで回転させると、 Y 由方向にコリオリ力 F co (y) が作用する原理を説明する図である。  Fig. 3 shows that when the object 10 is rotating at an angular velocity ω X around the X axis while the object 10 is moving at a speed V wz in the direction of 由, Coriolis force F co (y) acts in the direction of Y FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of performing the operation.
第 4図は、 本発明に係る速度センサの基本構成要素を示すプロック図  FIG. 4 is a block diagram showing basic components of the speed sensor according to the present invention.
6 である。 6 It is.
第 5図は、 重錘体が自転運動の他に公転運動を行っている場台に本発 明を適用する基本原理を説明する図である。  FIG. 5 is a diagram for explaining the basic principle of applying the present invention to a platform where the weight body performs a revolving motion in addition to the rotating motion.
第 6図は、 重錘体が公転運動のみを行っている状態を示す図である。 第 7図は、 重錘体が公転運動とともに自転運動を行っている状態を示 す図である。  FIG. 6 is a diagram showing a state in which the weight body performs only a revolving motion. FIG. 7 is a diagram showing a state in which the weight body is rotating along with the revolving motion.
第 8図は、 静止点 0のまわりを公転および自転している重錘休に作用 する力を示す図である。  FIG. 8 is a diagram showing a force acting on the weight rest rotating around the stationary point 0 and rotating.
第 9図は、 速度 V tで移動する点 0のまわりを公転および 転してい る重錘休に作用する力を示す図である。 '  FIG. 9 is a diagram showing a force acting on a revolving weight rest rotating around a point 0 moving at a speed Vt. '
第 1 0図は、 速度 V rで移動する点 0のまわりを公転および自転して いる重錘体に作 fflする力を示す図である。  FIG. 10 is a diagram showing the force ffl acting on the revolving and rotating weight body around point 0 moving at the speed Vr.
第 1 1図は、 速度 Vで移動する点 0のまわりを公転および自転してい る重錘体に作用する力を示す図である。  FIG. 11 is a diagram showing a force acting on a weight body revolving and rotating around a point 0 moving at a speed V. FIG.
第 1 2図は、 重錘体が自転運動のみを行っている場台に、 X蚰および Y軸方向の二次元の速度成分を検出する原理を説明する図である。  FIG. 12 is a diagram for explaining the principle of detecting a two-dimensional velocity component in the X axis and Y axis directions on a stage where the weight body performs only a rotation motion.
第 1 3図は、 重錘体が 転運動のみを行っている場合に、 Ζ ΐιΙι方向の 速度成分を検出する原理を説明する図である。  FIG. 13 is a diagram for explaining the principle of detecting a velocity component in the 方向 ΐιΙι direction when the weight body is performing only rolling motion.
第 1 4図は、 重錘休が静止点 0のまわりを自転運動の他に公転運動を 行っている場合に、 重錘体に作用する力を示す図である。  FIG. 14 is a diagram showing the force acting on the weight body when the weight rest performs a revolving motion in addition to the rotation motion around the rest point 0.
第 1 5図は、 重錘体をアームで支持した 「単純支持系」 の構造図であ る ο  Fig. 15 shows the structure of the “simple support system” in which the weight is supported by the arm.
第 1 6図は、 重錘休が自転運動の他に公転運動を行っている場合に、 X幸由および Υ ΐ由の二次元の速度成分を検出する原理を説明する図である, 第 1 7図は、 重錘体が自転運動の他に公転運動を行っている場台に、 Z奉由方向の速度成分を検出する原理を説明する図である。 Fig. 16 is a diagram for explaining the principle of detecting the two-dimensional velocity components of X-Yuyoshi and ΐ-Yu when the weight rest performs a revolving motion in addition to the rotation motion. FIG. 17 is a diagram for explaining the principle of detecting a velocity component in the Z direction in a stage where the weight body is revolving in addition to the rotation.
第 1 8図は、 重錘体が自転運動の他に往復振り子運動を行っている場 合に、 二次元の速度成分を検出する原理を説明する図である。  FIG. 18 is a diagram for explaining the principle of detecting a two-dimensional velocity component when the weight performs a reciprocating pendulum motion in addition to the rotation motion.
第 1 9図は、 第 1 8図に示す往復振り子運動を三次元座標系で示した 斜視図である。  FIG. 19 is a perspective view showing the reciprocating pendulum motion shown in FIG. 18 in a three-dimensional coordinate system.
第 2 0図は、 第 1 8図に示す往復振り子運動の運動面を徐々に回転さ せることにより、 三次元の速度成分を検出する原理を説明する上面図で ある 0  FIG. 20 is a top view for explaining the principle of detecting a three-dimensional velocity component by gradually rotating the motion surface of the reciprocating pendulum motion shown in FIG.
第 2 1図（a) および（b) は、 本発明に係る速度センサにおいて用いら れるタイプ Iの圧電素子の分極特性を示す図である。  FIGS. 21 (a) and (b) are diagrams showing the polarization characteristics of a type I piezoelectric element used in the speed sensor according to the present invention.
第 2 2図（a) および（b) は、 本発明に係る速度センサにおいて fflいら れるタイプ Πの圧電素子の分極特性を示す図である。  FIGS. 22 (a) and (b) are diagrams showing the polarization characteristics of a type 圧 電 piezoelectric element referred to as ffl in the speed sensor according to the present invention.
第 2 3図は、 本発明の一実施例に係る一次元速度センサの基本構成を 示す斜視図である。  FIG. 23 is a perspective view showing a basic configuration of a one-dimensional speed sensor according to one embodiment of the present invention.
第 2 4図は、 第 2 3図に示す速度センサの正断面図および配線図であ る c  FIG. 24 is a front sectional view and a wiring diagram of the speed sensor shown in FIG. 23 c
第 2 5図は、 第 2 3図に示す速度センサにおける振動の一状態を示す 正面図である。  FIG. 25 is a front view showing one state of vibration in the speed sensor shown in FIG.
第 2 6図は、 第 2 3図に示す速度センサにおける振動の別な一状態を 示す正面図である。  FIG. 26 is a front view showing another state of the vibration in the speed sensor shown in FIG.
第 2 7図は、 第 2 3図に示す速度センサにおける各部の電圧波形を示 すグラフである。  FIG. 27 is a graph showing voltage waveforms at various points in the speed sensor shown in FIG.
第 2 8図は、 第 2 3図に示す一次元速度センサの第 1.の変形例を示す 斜視図である。 FIG. 28 shows a first modification of the one-dimensional speed sensor shown in FIG. It is a perspective view.
第 2 9図は、 第 2 3図に示す一次元速度センサの第 2の変形例を示す 斜視図である。  FIG. 29 is a perspective view showing a second modification of the one-dimensional speed sensor shown in FIG.
第 3 0図は、 第 2 3図に示す一次元速度センサの第 3の変形例を示す 斜視図である。  FIG. 30 is a perspective view showing a third modification of the one-dimensional speed sensor shown in FIG.
第 3 1図は、 第 2 3図に示す一次元速度センサの第 4の変形例を示す 斜視図である。  FIG. 31 is a perspective view showing a fourth modification of the one-dimensional speed sensor shown in FIG.
第 3 2図は、 第 1 9図に示す運動系が速度 V zで移動しているときの 正面図である。  FIG. 32 is a front view when the motion system shown in FIG. 19 is moving at the speed Vz.
第 3 3図は、 第 ] 9図に示す運動系が速度 V xで移動しているときの 正面図である。  FIG. 33 is a front view when the motion system shown in FIG. 9 is moving at the speed Vx.
第 3 4図は、 第 3 2図に示す運動系の移動速度 V zの検出原理を説明 するための波形図である。  FIG. 34 is a waveform diagram for explaining the principle of detecting the moving speed Vz of the motion system shown in FIG. 32.
第 3 5図は、 第 3 2図に示す運動系の移動速度 V zの検出原理を説明 するための別な波形図である。  FIG. 35 is another waveform diagram for explaining the principle of detecting the moving speed Vz of the motion system shown in FIG. 32.
第 3 6図は、 第 3 3図に示す運動系の移動速度 V Xの検出原理を説明 するための波形図である。  FIG. 36 is a waveform chart for explaining the principle of detecting the moving speed VX of the motion system shown in FIG. 33.
第 3 7図は、 第 3 2図に示す運動系の移動速度 V zの検出原理を説明 するための別な波形図である。  FIG. 37 is another waveform chart for explaining the principle of detecting the moving speed Vz of the motion system shown in FIG. 32.
第 3 8図は、 容量素子によって、 力発生器および変位検出器を構成し た多次元速度センサの一実施例を示す側断面図である。  FIG. 38 is a side sectional view showing one embodiment of a multidimensional velocity sensor in which a force generator and a displacement detector are constituted by capacitive elements.
第 3 9図は、 第 3 8図に示す多次元速度センサにおける可撓性基板 1 1 0の上面図である。 この第 3 9図に示す可撓性基板： 1 1 ϋを、 X幸由に 沿って切った断面が、 第 3 8図に示されている。 第 4 0図は、 第 3 8図に示す多次元速度センサの動作を説明する側断 面図である。 FIG. 39 is a top view of the flexible substrate 110 in the multidimensional speed sensor shown in FIG. FIG. 38 shows a cross section of the flexible substrate shown in FIG. FIG. 40 is a side sectional view for explaining the operation of the multidimensional speed sensor shown in FIG.
第 4 1図は、 第 3 8図に示す多次元速度センサの変形例における可撓 性基板 1 1 0の上面図である。  FIG. 41 is a top view of a flexible substrate 110 in a modified example of the multidimensional speed sensor shown in FIG.
第 4 2図は、 第 2 1図（a) および（b) に示すタイプ Iの圧電素子によ つて、 力発生器および変位検出器を構成した多次元速度センサの一実施 例を示す側断面図である。  Fig. 42 is a cross-sectional side view showing one embodiment of a multidimensional velocity sensor comprising a force generator and a displacement detector using the type I piezoelectric element shown in Figs. 21 (a) and (b). FIG.
第 4 3図は、 第 4 2図に示す多次元速度センサにおける可撓性基板 2 1 0の上面図である。 この第 4 3図に示す可撓性基板 2 1 0を、 X に 沿って切った断面が、 第 4 2図に示されている。  FIG. 43 is a top view of the flexible substrate 210 in the multidimensional speed sensor shown in FIG. A cross section of the flexible substrate 210 shown in FIG. 43 taken along X is shown in FIG.
第 4 4図は、 第 2 2図（a) および（b) に示すタイプ Πの圧電素子によ つて、 力発生器および変位検出器を構成した多次元速度センサの一実施 例を示す側断面図である。  FIG. 44 is a cross-sectional side view showing one embodiment of a multidimensional velocity sensor comprising a force generator and a displacement detector using the type II piezoelectric element shown in FIGS. 22 (a) and (b). FIG.
第 4 5図は、 第 4 4図に示す多次元速度センサにおける圧電素子 3 3 0の上面図である。  FIG. 45 is a top view of the piezoelectric element 330 in the multidimensional speed sensor shown in FIG.
第 4 6図は、 第 4 4図に示す多次元速度センサにおける圧電素子 3 3 0の下面図である。  FIG. 46 is a bottom view of the piezoelectric element 330 in the multidimensional speed sensor shown in FIG.
第 4 7図は、 第 4 4図に示す多次元速度センサの変形例における圧電 素子 3 3 (〕の上面図である。  FIG. 47 is a top view of a piezoelectric element 33 () in a modified example of the multidimensional speed sensor shown in FIG. 44.
第 4 8図は、 第 3 8図に示す容量素子を用いた多次元速度センサに兼 ffl器を適用することにより構造を単純化した実施例を示す側断面図であ 第 4 9図は、 第 4 8図に示す多次元速度センサにおける可撓性基板 1 1 0の上面図である。 この第 4 9図に示す可撓性基板 1 1 0を、 X軸に 沿って切った断面が、 第 4 8図に示されている。 FIG. 48 is a side sectional view showing an embodiment in which the structure is simplified by applying a ffl device to a multidimensional speed sensor using the capacitive element shown in FIG. 38. FIG. 49 is a top view of a flexible substrate 110 in the multidimensional speed sensor shown in FIG. 48. The flexible substrate 110 shown in FIG. 49 is placed on the X axis. The cross section taken along is shown in FIG.
第 5 0図は、 第 4 8図に示す多次元速度センサを動作させるために用 いる信号処理回路の一例を示す回路図である。  FIG. 50 is a circuit diagram showing an example of a signal processing circuit used to operate the multidimensional speed sensor shown in FIG.
第 5 1図は、 第 2 1図（a) , (b) に示すタイプ Iの圧電素子を用いた 多次元速度センサに兼用器を適用することにより構造を卑純化した実施 例を示す側断面図である。  Fig. 51 is a cross-sectional side view showing an embodiment in which the structure is reduced by applying a dual-purpose device to the multidimensional velocity sensor using the type I piezoelectric element shown in Figs. 21 (a) and (b). FIG.
第 5 2図は、 第 5 1図に示す多次元速度センサにおける可撓性基板 2 1 0の上面図である。 この第 5 2図に示す可撓性基板 2 1 0を、 X軸に 沿って切った断面が、 第 5 1図に示されている。  FIG. 52 is a top view of the flexible substrate 210 in the multidimensional velocity sensor shown in FIG. A cross section of the flexible substrate 210 shown in FIG. 52 cut along the X axis is shown in FIG.
第 5 3図は、 第 2 1図（a) , (b) に示すタイプ Iの圧電素子を用いた 多次元速度センサに兼用器を適用することにより構造を単純化した別な 実施例を示す側断面図である。  Fig. 53 shows another embodiment in which the structure is simplified by applying a dual-purpose device to the multidimensional velocity sensor using the type I piezoelectric element shown in Figs. 21 (a) and (b). It is a side sectional view.
第 5 4図は、 第 5 3図に示す多次元速度センサにおける可撓性基板 2 1 0の上面図である。 この第 5 4図に示す可撓性基板 2 1 0を、 X蛐に 沿って切った断面が、 第 5 3図に示されている。  FIG. 54 is a top view of the flexible substrate 210 in the multidimensional speed sensor shown in FIG. FIG. 53 shows a cross section of the flexible substrate 210 shown in FIG. 54 taken along the line X 蛐.
第 5 5図は、 本発明に係る多次元速度センサを構成する可撓性基板 2 1 〇に撓みを与えたときに生じる応力分布を示す側断面図である。  FIG. 55 is a side sectional view showing a stress distribution generated when the flexible substrate 21 # constituting the multidimensional speed sensor according to the present invention is bent.
第 5 6図は、 第 5 5図に示す応力分布に基づいて定まる内側領域 A 1 と外側領域 A 2とを示す平面図である。  FIG. 56 is a plan view showing an inner region A 1 and an outer region A 2 determined based on the stress distribution shown in FIG.
第 5 7図は、 第 5 1図に示す多次元速度センサを動作させるために用 いる信号処理回路の一例を示す回路図である。  FIG. 57 is a circuit diagram showing an example of a signal processing circuit used to operate the multidimensional speed sensor shown in FIG. 51.
第 5 8図は、 第 4 4図に示す多次元速度センサを動作させるために用 いる信号処理回路の一例を示す回路図である。  FIG. 58 is a circuit diagram showing an example of a signal processing circuit used to operate the multidimensional speed sensor shown in FIG.
第 5 9図は、 第 2 2図（a) , (b) に示すタイプ Πの圧電素子を用いた 多次元速度センサに兼用器を適用することにより構造を埤純化した実施 例を示す側断面図である。 Fig. 59 shows the case where the type II piezoelectric element shown in Figs. 22 (a) and (b) was used. FIG. 4 is a side sectional view showing an embodiment in which the structure is refined by applying a dual-purpose device to a multidimensional speed sensor.
第 6 0図は、 第 5 9図に示す多次元速度センサにおける圧電素子 3 3 0の上面図である。 この第 6◦図に示す圧電素子 3 3 0を、 X軸に沿つ て切った断面が、 第 5 9図に示されている。  FIG. 60 is a top view of the piezoelectric element 330 in the multidimensional speed sensor shown in FIG. A cross section of the piezoelectric element 330 shown in FIG. 6 along the X axis is shown in FIG.
第 6 1図は、 第 5 9図に示す多次元速度センサを動作させるために用 いる信号処理回路の一例を示す回路図である。  FIG. 61 is a circuit diagram showing an example of a signal processing circuit used to operate the multidimensional speed sensor shown in FIG.
第 6 2図は、 第 5 9図に示す多次元速度センサの変形例の側断面図で i> Ό o  FIG. 62 is a sectional side view of a modification of the multidimensional speed sensor shown in FIG.
第 6 3図は、 可撓性基板の周囲部に重錘休を設けた多次元速度センサ の側断面図である。 発明を実施するための最良の形態  FIG. 63 is a side sectional view of a multidimensional speed sensor having a weight rest provided around a flexible substrate. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
§ 1 . 速度検出の基本原理  § 1. Basic principle of speed detection
はじめに、 本発明に係る速度センサにおける速度検出の基本原理を説 明する。 いま、 第 1図に示すように、 物休 1 0カ^ X Y Z三次元座標系 内に置かれており、 図示するような方向に X , Y , Z軸が定義されてい るものとする。 このような系において、 物体 1 0が Z軸を回転軸として 角速度 ω ζで回転運動を行っている場台、 次のような現象が生じること が知られている。 すなわち、 この物体 1 0を X紬方向に速度 V w xで運 動させると、 Y 由方向にコリオリカ F co(y) が発生するのである。 别言 すれば、 物体 1 0が図の Χ ί由に沿って運動している状態において、 この 物体 1 0を Ζ拳由を中心幸由として回転させると、 Υ蚰方向にコリオリカ F co(y) 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、 発生するコリオリカ Fco(y) は、 F co(y) = 2 * m « Vwx » o z (1) で表される。 ここで、 mは物体 1 0の質量、 V w Xは物休: 1 ϋの X軸方 向の速度、 ω ζは物休 1 0の Zf由まわりの角速度である。 First, the basic principle of speed detection in the speed sensor according to the present invention will be described. Now, as shown in FIG. 1, it is assumed that the object is placed in a 10-dimensional XYZ three-dimensional coordinate system, and the X, Y, and Z axes are defined in the directions shown in the figure. In such a system, it is known that the following phenomena occur when the object 10 is rotating with the angular velocity ω と し て about the Z axis as the rotation axis. That is, when the object 10 is moved in the X direction at the speed V wx, Coriolis Fco (y) is generated in the Y direction. In other words, in a state where the object 10 is moving along the Χ path in the figure, if this object 10 is rotated around the Ζ 由 由, the Coriolis F co (y ) Will occur. This phenomenon is old as a Foucault pendulum Is a dynamic phenomenon known from, and the generated Coriolis Fco (y) is expressed as F co (y) = 2 * m «Vwx» oz (1). Here, m is the mass of the object 10, V w X is the rest: 1 速度 velocity in the X-axis direction, and ω ζ is the rest 10 angular velocity around the Zf.
同様に、 第 2図に示すように、 物休 10が図の Y軸に沿って速度 Vw yで運動している状態において、 この物体 1 0を Z軸を屮心 として角 速度 ω ζで回転させると、  Similarly, as shown in FIG. 2, in a state where the object rest 10 is moving at the speed Vw y along the Y axis in the figure, this object 10 is rotated at the angular velocity ω と し て with the Z axis as the center of gravity. When you do
F co(x) = 2 · πι · νΛνγ · ω ζ (2) で示されるコリオリカ Fco(x) が Χ 由方向に作用し、 また、 第 3図に示 すように、 物体 1 0が図の Z 由に沿って速度 Vw ζで運動している状態 において、 この物体 1 0を X軸を中心軸として角速度 ω Xで回転させる と、  F co (x) = 2 ππ νΛνγ ω ζ (2) Coriolis Fco (x) acts in the free direction, and as shown in Fig. 3, object 10 When this object 10 is rotated at an angular velocity ω X about the X axis in a state where the object 10 is moving at a velocity Vw Z along the Z axis,
F co(y) = 2 * m * Vw z « o>x (3) で示されるコリオリカ Fco(y) が Y 方向に作 する。 ここでは、 3つ の組み台わせ例を述べたが、 物体 10の回転紬、 運動方向軸、 コリオリ 力の作用铀、 をいずれの座標軸に対応づけるかによつて、 台計で 6とお りの組み台わせが生じることになる。 要するに、 この力学現象は、 第 1 の座標軸に沿って運動している物体を、 第 2の座標軸まわりに回転させ れば、 第 3の座標 由に沿ってコリオリカが発生する現象と言うことがで きる。  F co (y) = 2 * m * Vw z «o> x A Coriolis Fco (y) represented by (3) is formed in the Y direction. Here, three examples of assembling have been described.However, depending on which coordinate axis corresponds to the rotation axis of the object 10, the movement direction axis, and the action of Coriolis force 铀, a total of 6 Crossover will occur. In short, this mechanical phenomenon can be said to be a phenomenon in which if an object moving along the first coordinate axis is rotated around the second coordinate axis, Coriolis will occur along the third coordinate axis. Wear.
このような力学現象を利用すれば、 たとえば、 飛行中の航空機の速度 についての各座標申由方向成分を独立して検出することが可能になる。 す なわち、 既知の質量 mをもった物体 1 0を、 この航空機に搭載した状態 で、 第 1図に示すように、 Z iliを屮心铀として所定の角速度 ω zで回転 させ、 そのときに Y軸方向に作用するコリオリカ F co(y) を測定すれば、 上述の式（1 ) に基づいて物体 1 ϋの X蚰方向速度成分 V w xが求まり、 これを航空機の飛行速度の X $由方向成分 V Xとして用いることができる。 同様に、 第 2図に示すように、 Z軸を中心 f由として所定の角速度 ω zで 回転させ、 そのときに Χ ΐ由方向に作用するコリオリカ F co()i) を測定す れば、 上述の式（2) に基づいて物体 1 0の Y $ltl方向速度成分 V w yが求 まり、 これを航空機の飛行速度の Y軸方向成分 V yとして fflいることが でき、 第 3図に示すように、 X軸を中心蚰として所定の角速度 ω Xで回 転させ、 そのときに Y lll方向に作用するコリオリカ F co(y) を測定すれ ば、 上述の式（3) に基づいて物体 1 0の Z $ili方向速度成分 V w zが求ま り、 これを航空機の飛行速度の Z軸方向成分 V Zとして用いることがで きる。 By utilizing such dynamic phenomena, for example, it is possible to independently detect each coordinate direction component of the speed of an aircraft in flight. That is, an object 10 having a known mass m is mounted on the aircraft and rotated at a predetermined angular velocity ωz with Zili as a core 屮, as shown in Fig. 1. By measuring Coriolis F co (y) acting in the Y-axis direction at that time, the velocity component V wx in the X axis direction of the object 1 物体 is obtained based on the above equation (1). It can be used as the X $ way component VX of velocity. Similarly, as shown in Fig. 2, when the sample is rotated at a predetermined angular velocity ωz about the Z axis as a center f and the Coriolis Fco () i) acting in the ΐ free direction at that time is measured, Based on the above equation (2), the velocity component V wy in the Y $ ltl direction of the object 10 is determined, and this can be obtained as ffl as the Y axis component V y of the flight speed of the aircraft, as shown in FIG. As described above, when the object is rotated at a predetermined angular velocity ωX with the X axis as the center and the Corioliser F co (y) acting in the Yll direction at that time is measured, the object 1 can be obtained based on the above equation (3). The Z $ ili direction velocity component V wz of 0 is obtained, and this can be used as the Z axis direction component V Z of the flight speed of the aircraft.
§ 2 . 本発明に係る速度センサの基本構成 § 2. Basic configuration of speed sensor according to the present invention
第 4図は、 このような速度検出の基本原理を利用した木発明に係る速 度センサの基本構成を示すプロック図である。 質量 mをもった重錘休 2 0は、 支持手段 2 1によって筐体 2 2内に対して支持されている。 筐体 2 2は、 重錘体 2 0を収容するセンサのボディとして機能する。 支持手 段 2 1は、 重錘体 2 0を所定の回転軸に関して回転自在となるように支 持している。 したがって、 重錘体 2 0は、 筐体 2 2内において、 この回 転铀まわりに自由に回転することが可能である。 ここでは、 この回転軸 を第 ]の軸と呼ぶことにする。  FIG. 4 is a block diagram showing a basic configuration of a speed sensor according to the present invention utilizing such a basic principle of speed detection. The weight rest 20 having the mass m is supported in the housing 22 by the support means 21. The housing 22 functions as a body of a sensor that houses the weight body 20. The support means 21 supports the weight body 20 so as to be rotatable about a predetermined rotation axis. Therefore, the weight body 20 can freely rotate around the rotation inside the housing 22. Here, this rotation axis is called the [] axis.
駆動手段 2 3は、 この重錘体 2 ϋを第 ] の軸に関して角速度 ωで回転 させる機能を有し、 検出手段 2 4は、 この重錘休 2 0に対して、 第 1の 軸に直交する第 2の軸に沿った方向に作用するコリォリ力 F coを検出す る機能を有する。 そして、 演算手段 2 5は、 The driving means 23 has a function of rotating the weight body 2 に 関 し て at an angular velocity ω about the axis of [], and the detection means 24 It has a function of detecting a Coriolis force Fco acting in a direction along a second axis orthogonal to the axis. Then, the calculating means 25
, F co= 2 · m · V w · ω (4)  , F co = 2mVwω (4)
なる式に、 重錘体 2 0の質量 m (既知量） 、 重錘休 2 0の回転角速度 ω (駆動手段 2 3から重錘体 2 0に供給される駆動エネルギーに基づいて 定まる） 、 重錘体 2 0に作用するコリオリカ F co (検出手段 2 4によつ て検出される） を適用し、 重錘体 2 0の速度 V wを求める演算を行う。 ここで、 求まった速度 V wは、 § 1において述べた原理によれば、 重錘 体 2 0の第 3の軸方向の速度ということになる。 本発明によれば、 この ような原理に基いて、 一次元速度センサ、 二次元速度センサ、 三次元速 度センサを実現することが可能になる。 The mass m (known amount) of the weight body 20, the rotational angular velocity ω of the weight rest 20 (determined based on the driving energy supplied from the driving means 23 to the weight body 20), the weight A calculation is performed to calculate the velocity Vw of the weight body 20 by applying the Coriolis Fco acting on the weight body 20 (detected by the detection means 24). Here, according to the principle described in §1, the obtained velocity V w is the velocity of the weight body 20 in the third axial direction. According to the present invention, it is possible to realize a one-dimensional speed sensor, a two-dimensional speed sensor, and a three-dimensional speed sensor based on such a principle.
—次元速度センサの構成は、 非常に単純である。 すなわち、 第 4図に 示す基本構成において、 支持手段 2 1は、 第 1の軸についてのみ重錘休 2 0が回転自在となるように支持できれば十分であり、 駆動手段 2 3は、 重錘体 2 0をこの第 1の軸に関して回転駆動させる機能をもっていれば 十分であり、 検出手段 2 4は、 重錘休 2 0に作用する第 2の蚰方向のコ リオリカ F coを検出できる機能をもっていれば十分である。 演算手段 2 5は、 式（4) に基いて、 第 3の 由方向の速度 V wを求めることができる。 第 1の $ltl、 第 2の 由、 第 3の軸としては、 互いに直交していればどのよ うな軸をとつてもかまわない。  —The configuration of the dimensional velocity sensor is very simple. That is, in the basic configuration shown in FIG. 4, it is sufficient that the support means 21 can support the weight rest 20 so as to be rotatable only about the first shaft, and the driving means 23 is a weight body. It suffices to have a function of rotating the 20 with respect to the first axis, and the detecting means 24 should have a function of detecting a corerica Fco acting on the weight rest 20 in the second direction. Is enough. The calculation means 25 can determine the speed Vw in the third free direction based on the equation (4). The first $ ltl, the second reason, and the third axis can be any axes that are orthogonal to each other.
—方、 多次元速度センサの構成は、 少し複雑になる。 たとえば、 第 4 図に示す基本構成において、 支持手段 2 1力;'、 2つの fill (たとえば、 X 軸， Y軸） の双方について重錘体 2 0が回転自在となるように支持する 機能を有し、 駆動手段 2 3が、 重錘休 2 0をこの 2つの fiti ( X铀， Y铀） の双方に関して選択的に回転駆動させる機能を有レ、 検出手段 24が、 重錘体 20に作用する 2つの ill (たとえば、 Y軸， Z軸） 方向のコリオ リカを検出できる機能を有していれば、 演算手段 25によって、 2つの ί由 （たとえば、 Ζ蚰， X聿由） 方向の速度を得る二次元速度センサを実現 することができる。 同様に、 支持手段 21力；'、 ΧΥΖの 3軸についてそ れぞれ重錘休 20が回転自在となるように支持する機能を有し、 駆動手 段 23力；'、 重綞体 20をこの 3軸に関して選択的に回転駆動させる機能 を有し、 検出手段 24が重錘休 20に作用する 3軸方向のコリォリカを 検出できる機能を有していれば、 演算手段 25によって、 3 ih方向の速 度を得る三次元速度センサを実現することができる。 —On the other hand, the configuration of a multidimensional speed sensor is a little complicated. For example, in the basic configuration shown in FIG. 4, a function of supporting the weight body 20 so that the weight body 20 can rotate freely with respect to both the support means 21 1; The driving means 23 has the weight rest 20 and these two fiti (X 铀, Y 铀) The detection means 24 has a function of detecting coriolis in the two ill (eg, Y-axis and Z-axis) directions acting on the weight body 20. Then, the two-dimensional speed sensor that obtains the speed in two directions (for example, the direction of the axis X and the direction of the axis X) can be realized by the arithmetic unit 25. Similarly, the support means 21 has a function of supporting the weight rest 20 so that the weight rest 20 is rotatable with respect to the three axes of 'and 、. If it has a function of selectively rotating and driving these three axes, and if the detecting means 24 has a function of detecting the three-axis direction coriolis acting on the weight rest 20, the calculating means 25 will provide It is possible to realize a three-dimensional speed sensor that obtains the speed of (3).
しかしながら、 軸の選び方を工夫すれば、 より効率的な多次元速度セ ンサを構成することが可能になる。 たとえば、 第 1図の基本原理と第 2 図の基本原理とを組み台わせれば、 物体 10を Z軸まわりに回転させる だけで、 X$由方向の速度 V wxと Y軸方向の速度 Vw yとの双方を検出 できる二次元速度センサを構成することができる。 すなわち、 第 4図の 構成において、 二次元速度センサを実現するには、 支持手段 21は、 第 1の奉由 （Z軸） についてのみ重錘体 20が回転自在となるように支持で きれば十分であり、 駆動手段 23は、 重錘休 20をこの第 1の軸 （Z軸） に関して回転駆動させる機能をもっていれば十分であり、 検出手段 24 は、 重錘休 20に作用する第 2の軸 (YfA) 方向のコリ才リカ Fco(y) を検出できる機能と、 重錘休 20に作用する第 3の軸 （Xf由） 方向のコ リオリカ Fco(x) を検出できる機能をもっていれば十分である。 演算手 段 25は、 第 1図に示す原理に基いて、 Χ$Λ方向の速度 Vw xを求める こともできるし、 第 2図に示す原理に基いて、 Y lti方向の速度 Vwyを 求めることもできる。 結局、 本発明に係る二次元速度センサを構成する には、 第 1の軸 （Z軸） に関して重錘体 2 0を回転駆動できるような構 造をもった支持手段 2 1および駆動手段 2 3と、 第 2の fifi ( Y軸） およ び第 3の寒由 （X軸） 方向に作用するコリオリカを検出する機能をもった 検出手段 2 4と、 が用意できれば足りる。 However, if the way of selecting the axis is devised, a more efficient multidimensional velocity sensor can be constructed. For example, if the basic principle of Fig. 1 and the basic principle of Fig. 2 are combined, simply rotating the object 10 around the Z axis will produce a velocity V wx in the X $ direction and a velocity V w in the Y axis direction. A two-dimensional speed sensor capable of detecting both y and y can be configured. That is, in the configuration of FIG. 4, in order to realize a two-dimensional velocity sensor, the support means 21 must be capable of supporting the weight 20 so that the weight body 20 can rotate only in the first direction (Z axis). It is sufficient if the driving means 23 has a function of driving the weight rest 20 to rotate about the first axis (Z-axis), and the detecting means 24 is provided with the second function acting on the weight rest 20. It suffices to have a function that can detect the stiffness Fco (y) in the direction of the axis (YfA) and a function that can detect the colica Fco (x) in the direction of the third axis (from Xf) acting on the weight rest 20. It is. The calculation means 25 can calculate the velocity Vw x in the Χ $ Λ direction based on the principle shown in FIG. 1, and can calculate the velocity Vwy in the Y lti direction based on the principle shown in FIG. You can also ask. After all, in order to configure the two-dimensional velocity sensor according to the present invention, the supporting means 21 and the driving means 23 having a structure capable of driving the weight body 20 to rotate about the first axis (Z axis) are described. It is only necessary to provide a detection means 24 having a function of detecting Coriolisa acting in the second fifi (Y-axis) and third cold (X-axis) directions.
同様に、 第 1図〜第 3図に示された 3つの基本原理を組み合わせれば、 物休 1 0を Z軸まわりおよび X軸まわりに選択的に回転させるだけで、 X Y Zすべての紬方向の速度 V w x , V w y， V w zを検出できる三次 元速度センサを構成することができる。 すなわち、 第 4図の構成におい て、 三次元速度センサを実現するには、 支持手段 2 1は、 第 1の f ( Z 幸由） と第 3の （X幸由） との双方について重錘体 2 0が回転自在となる ように支持できれば十分であり、 駆動手段 2 3は、 重錘休 2 0をこの第 1の軸 （Z軸） および第 3の聿由 （X軸） に関して選択的に回転駆動させ る機能をもっていれば十分であり、 検出手段 2 4は、 重錘体 2 0に作用 する第 2の軸 （Y軸） 方向のコリオリカ F co(y) を検出できる機能と、 重錘体 2 0に作用する第 3の铀 （X軸） 方向のコリオリカ F co(x) を検 出できる機能をもっていれば十分である。 演算手段 2 5は、 第 1図に示 す原理に基いて、 X幸由方向の速度 V w Xを求めることもできるし、 第 2 図に示す原理に基いて、 Y幸由方向の速度 V w yを求めることもできるし、 第 3図に示す原理に基いて、 Z铀方向の速度 V w zを求めることもでき る。 結局、 本発明に係る三次元速度センサを構成するには、 第 1の幸由 ( Z軸） および第 3の铀 （X軸） に関して選択的に重錘休 2 0を回転駆 動できるような構造をもった支持手段 2 1および駆動手段 2 3と、 第 2 の 由 （Y軸） および第 3の軸 （X軸） 方向に作用するコリオリカを検出 する機能をもった検出手段 2 4と、 が用意できれば足りる。 Similarly, if the three basic principles shown in Figs. 1 to 3 are combined, by simply rotating the holiday 10 selectively about the Z axis and X axis, XYZ A three-dimensional speed sensor that can detect the speeds V wx, V wy, and V wz can be configured. That is, in the configuration of FIG. 4, in order to realize a three-dimensional velocity sensor, the supporting means 21 is provided with a weight for both the first f (Z Yukiyoshi) and the third (X Yukiyoshi). It is sufficient if the body 20 can be supported so as to be rotatable, and the driving means 23 selectively moves the weight rest 20 with respect to the first axis (Z axis) and the third axis (X axis). It is sufficient if the detecting means 24 has a function of driving the rotating body to rotate. The detecting means 24 has a function of detecting the Corioliska F co (y) acting on the weight body 20 in the second axis (Y-axis) direction. It is sufficient to have a function capable of detecting the Coriolisa F co (x) acting on the weight 20 in the third 铀 (X-axis) direction. The arithmetic means 25 can determine the speed V w X in the X direction due to the principle shown in FIG. 1, or can calculate the speed V w in the Y direction due to the principle shown in FIG. wy can be determined, and the velocity Vwz in the Z 铀 direction can be determined based on the principle shown in FIG. After all, in order to configure the three-dimensional speed sensor according to the present invention, the weight rest 20 can be selectively driven to rotate with respect to the first good reason (Z axis) and the third 铀 (X axis). Structured support means 21 and drive means 23, and detects Coriolisa acting in the second (Y-axis) and third (X-axis) directions It is sufficient if the detection means 24 with the function of
なお、 本発明における演算手段 2 5としては、 必ずしも物理現象に基 く理論的な演算を忠実に行うものである必要はない。 むしろ実用上は、 このような理論的演算によつて速度の絶対碴を求めることは非常に困難 である。 たとえば、 上述の式（4) に基いて、 速度 V wを理論的な演算に よって求める場台を考えよう。 この場台、 重錘体 2 0の質量 mの正確な 値を測定する必要がある。 ところが、 重錘休 2 0は、 何らかの支持手段 2 1によって筐体 2 2内に支持されており、 現実的には、 どこまでが重 錘休 2 0であり、 どこからが支持手段 2 1であるかをはっきり区別する ことは困難である。 また、 コリオリカ F coを検出手段 2 4によって得る 場合、 作用する力あるいはそれと等価な物理量を何らかの測定手段によ つて測定する必要があるが、 コリオリカ F coの絶対値を正確に測定でき る測定手段を構成することは非常に困難である。  It should be noted that the arithmetic means 25 in the present invention does not necessarily have to faithfully perform a theoretical operation based on a physical phenomenon. In practice, it is very difficult to obtain the absolute の of the speed by such a theoretical operation. For example, let us consider a platform that determines the speed Vw by theoretical calculation based on the above equation (4). In this case, it is necessary to measure an accurate value of the mass m of the weight body 20. However, the weight rest 20 is supported in the housing 22 by some kind of support means 21, and in reality, where is the weight rest 20 and where is the support means 21 It is difficult to distinguish between the two. In addition, when the Coriolisa Fco is obtained by the detecting means 24, the acting force or a physical quantity equivalent thereto must be measured by some kind of measuring means, but the measuring means capable of accurately measuring the absolute value of the Coriolisa Fco Is very difficult to construct.
このような事情から、 本発明に係る速度センサを実用化する上では、 演算手段 2 5は、 実際に上述のような式に基いて演算を行う手段ではな く、 キャリブレーショ ン演算を行う手段になる。 たとえば、 式（4) によ れば、 重錘体の質量 と、 その角速度 ωと、 そこに作用するコリオリカ F coが既知であれば、 速度 V wが得られるという関係が理論的に示され ている。 したがって、 一定の質量 mをもった重錘休を一定の角速度 ωで 回転させた状態において、 この重錘体に所定のコリオリカ F coが作用す る現象が実際に起こり、 このコリオリカ F coに対応した何らかの量を何 らかの方法で測定することができれば、 質量 mや角速度 ωの絶対値が不 明であったとしても、 実際に測定できた何らかの量 （コリオ.リカ F coに 1対 1に対応した量） と速度 V wとの間には、 1対：！ の対応関係がある ことだけは確かである。 もちろん、 この測定した何らかの量から直接的 には、 速度 V wの絶対値を得ることはできない。 しかし、 現在、 この世 の中には、 種々の速度センサが既に存在しているので、 この既存の速度 センサを用いてキヤ リブレーショ ンを行うことは可能である。 Under such circumstances, in putting the speed sensor according to the present invention into practical use, the calculating means 25 is not a means for actually performing the calculation based on the above formula, but a means for performing the calibration calculation. become. For example, according to equation (4), it is theoretically shown that if the mass of the weight body, its angular velocity ω, and the Corioliser F co acting thereon are known, the velocity V w can be obtained. ing. Therefore, when a weight rest having a constant mass m is rotated at a constant angular velocity ω, a phenomenon in which a predetermined Coriolis Fco acts on this weight body actually occurs, and If any of the measured quantities can be measured by any method, even if the absolute values of the mass m and the angular velocity ω are unknown, it is possible to measure the actual measured quantities (corio. And the velocity V w are one pair:! Has a corresponding relationship That's for sure. Of course, the absolute value of the velocity V w cannot be obtained directly from this measured amount. However, at present, various speed sensors already exist in this world, so it is possible to perform calibration using these existing speed sensors.
すなわち、 本発明に係る速度センサを製造する現実的なプロセスでは、 次のような手順が行われることになろう。 まず、 第 4図に示す構成要素 のうち、 重錘休 2 0、 支持手段 2 1、 筐体 2 2、 駆動手段 2 3、 検出手 段 2 4を備えた速度センサを試作する。 このとき、 重錘休 2 0の質量 m の絶対値を知る必要はない。 また、 駆動手段 2 3によって重錘休 2 0を 回転駆動させたときの角速度 ωを知る必要もない。 ただ、 駆動手段 2 3 によって、 重錘休 2 0を常に同じ条件で回転させることができるように しておく。 このような速度センサを試作し、 動作させると、 検出手段 2 4によって、 コリオリカ F coを示す何らかの値が出力されるはずである。 普通、 何らかの電圧値が出力されるのが一般的であるが、 この場台、 こ の出力された電圧値は、 重錘体 2 ϋに作用したコリオリカ F coに 1対 1 に対応した値であることが保証されていれば足りる。  That is, in a practical process for manufacturing the speed sensor according to the present invention, the following procedure will be performed. First, of the components shown in FIG. 4, a speed sensor having a weight rest 20, a support means 21, a housing 22, a driving means 23, and a detection means 24 is prototyped. At this time, it is not necessary to know the absolute value of the mass m of the weight rest 20. Further, there is no need to know the angular velocity ω when the weight rest 20 is rotationally driven by the driving means 23. However, the weight rest 20 should always be able to be rotated under the same conditions by the driving means 23. When such a speed sensor is prototyped and operated, the detection means 24 should output some value indicating the Coriolis Fco. Usually, some voltage value is output, but in this case, the output voltage value is a value corresponding to the Coriolisa Fco acting on the weight 2 ϋ in a one-to-one correspondence. It is enough if it is guaranteed.
さて、 次に、 このような試作器から出力された電圧値を、 既存の速度 センサを用いてキャ リブレーションする。 たとえば、 この試作器を既存 の速度センサとともに試験車両に搭載し、 この試験車両を所定速度で運 動させた状態で、 この試作器からの出力電圧を記録する。 このとき、 既 存の速度センサの示す速度値も同時に記録しておく。 このような作業を 行えば、 試作器の出力電圧値と既存の速度センサで測定した速度の絶対 値とを ].対 ] に対応させた表を作成することができる。 すなわち、 試作 器の出力電圧に対するキヤ リブレ一ショ ンが行われたことになる。 もし、 試作器の出力電圧が速度の絶対値に線形対応していれば、 演算 手段 2 5としては、 出力電圧に対して所定の線形スケーリ ング演算を行 う機能をもった回路を用いればよい。 線形対応ではない力《、 比較的単純 な関数関係が得られたのであれば、 演算手段 2 5としては、 このような 関数演算を行う回路あるいはマイクロプロセッサを fflいればよい。 また、 非常に複雑な対応関係が得られたのであれば、 演算手段 2 5としては、 いわゆるルックアツプテーブルの形式で、 この対応関係をメモリに記録 しておき、 このルックアップテーブルを用いて、 出力電圧値を速度の絶 対値に変換して出力する処理を行う装置を用いればよい。 Next, the voltage value output from such a prototype is calibrated using an existing speed sensor. For example, this prototype is mounted on a test vehicle together with an existing speed sensor, and the output voltage from the prototype is recorded while the test vehicle is running at a predetermined speed. At this time, the speed value indicated by the existing speed sensor is also recorded at the same time. By performing such operations, a table can be created in which the output voltage value of the prototype and the absolute value of the speed measured by the existing speed sensor correspond to]. In other words, the calibration of the output voltage of the prototype was performed. If the output voltage of the prototype corresponds linearly to the absolute value of the speed, a circuit having a function of performing a predetermined linear scaling operation on the output voltage may be used as the calculating means 25. . If a force that is not a linear correspondence is obtained, and a relatively simple functional relationship is obtained, as the calculating means 25, a circuit or a microprocessor that performs such a functional calculation may be used. If a very complicated correspondence is obtained, the correspondence is recorded in a memory in the form of a so-called look-up table, and the calculation means 25 is used. A device that converts the output voltage value into the absolute value of the speed and outputs the converted value may be used.
このように、 本願において、 演算手段 2 5の行う演算とは、 いわゆる 算術演算のみを指すものではなく、 検出手段 2 4の出力を速度を示す値 に変換する処理を広く含むものである。  As described above, in the present application, the operation performed by the arithmetic means 25 does not indicate only a so-called arithmetic operation, but broadly includes a process of converting the output of the detecting means 24 into a value indicating the speed.
なお、 以下に述べる § 3〜 § 8において、 本発明に係る速度センサで は、 どのような理論的根拠により速度が検出できるのかという理由を、 数式を用いて理論的に解析する。 これは、 本発明に係る速度検出の基本 原理を説明するためのものであり、 演算手段 2 5の行う演算は、 このよ うな基本原理に基いた演算ということになる。 なお、 上述したように、 演算手段 2 5力《、 ルツクアツプテーブルなどの手法を用いて速度を示す データを出力する処理を行っていたとしても、 同じ基本原理に基いて速 度検出が行われるのである限り、 そのような処理は、 数式に基く演算処 理と全く等価であり、 本発明の技術的範囲の範疇に含まれるものである。  In addition, in §3 to §8 described below, in the speed sensor according to the present invention, the reason why the speed can be detected based on the theoretical basis is theoretically analyzed by using mathematical expressions. This is for explaining the basic principle of speed detection according to the present invention, and the arithmetic performed by the arithmetic means 25 is an arithmetic based on such a basic principle. Note that, as described above, even if processing for outputting data indicating speed using a method such as a calculation means 25, a lookup table or the like is performed, speed detection is performed based on the same basic principle. As long as this is the case, such a process is completely equivalent to an arithmetic process based on a mathematical expression, and is included in the technical scope of the present invention.
§ 3 . 重錘休が公転運動をしている場台の検出原理 § 3. Principle of detecting the stage where the weight rest is revolving
ここで注意しておくべき点は、 第 1図〜第 3図に示した検出原理にお いて得られる速度 V w x , V w y , V w zは、 いずれも物休 ΐ 0自身の 速度である。 したがって、 第 4図に示すような基本構成をもった速度セ ンサにおいて、 演算手段 2 5によって求められる速度 V wは、 重錘体 2 0自身の速度になる。 いま、 第 4図において、 重錘休 2 0がその重心を 通る回転蚰に関して回転自在に支持されていたとすると、 重錘休 2 0の 筐体 2 2に対する相対速度成分は零になる。 すなわち、 重錘休 2 0をそ の重心 Gの位置に存在する質点として力学的な運動を考えれば、 駆動手 段 2 3によって重錘体 2 0を回転駆動したとしても、 この質点の位置に 変化はないので、 筐体 2 2に対して重錘休 2 0は速度成分をもたないこ とになる。 別言すれば、 重錘体 2 0の回申云運動によって遠心力が生じる が、 回転铀が重心 Gを通っている限り、 この遠心力はすべての方向に対 して均一となり、 重錘休 2 0は筐体 2 2内の所定位置で静止状態を維持 しながら回転運動だけを行うことになる。 It should be noted that the principle of detection shown in Figs. 1 to 3 is important. The speeds V wx, V wy, and V wz obtained are all the speeds of the self-resting zero. Therefore, in the speed sensor having the basic configuration as shown in FIG. 4, the speed V w obtained by the calculating means 25 is the speed of the weight body 20 itself. Now, in FIG. 4, assuming that the weight rest 20 is rotatably supported with respect to a rotation passing through the center of gravity, the relative velocity component of the weight rest 20 to the housing 22 becomes zero. That is, considering the dynamic motion using the weight rest 20 as a mass point located at the position of the center of gravity G, even if the weight body 20 is rotationally driven by the driving means 23, the position of the mass point is Since there is no change, the weight rest 20 has no velocity component with respect to the housing 22. In other words, centrifugal force is generated by the reciprocating motion of the weight body 20, but as long as the rotation 铀 passes through the center of gravity G, this centrifugal force is uniform in all directions, and the weight rests. Reference numeral 20 denotes that only a rotational movement is performed while maintaining a stationary state at a predetermined position in the housing 22.
このように、 重錘体 2 0が筐体 2 2に対して相対速度をもたない場合 には、 演算手段 2 5によって求められた重錘休 2 0の速度 V wは、 筐体 2 2の速度 Vに等しくなる。 したがって、 たとえば、 この速度センサを 車両に搭載した場台、 演算手段 2 5によって求められた重錘休 2 0の速 度 V wは、 この車両の速度 Vに等しくなる。 これまでの説明は、 いずれ も、 このように重錘体 2 0がその重心 Gを通る回転軸について回転を行 うという前提のものである。 ところ力；、 実際に速度センサを構成する上 では、 必ずしも、 重錘休 2 0をその重心 Gを通る回転 illについて回転駆 動させることが可能とは限らない。 むしろ、 回転紬が重錘休 2 0の重心 Gの位置を外れる構造をもった速度センサの方が、 実用上、 設計が容易 である。 このように、 回転 ΐ由が重心 Gを外れている場台には、 重錘体 2 0が筐体 2 2内において公転運動を行っているものとしてとらえる必要 がある。 以下、 このような場台における本発明の検出原理を説明する。 第 5図は、 重錘休 3 ϋが所定の公転軌道 3 1上を公転運動している様 子を示す斜視図である。 ここでは、 説明の便宜上、 公転軌道 3 ]力 <、 中 心点 0をもった円周状の軌道であるとし、 重錘休 3 0の重心 G力 この 公転軌道 3 1上を図の矢印のように移動しているものとする。 第 4図の 速度センサにおいて、 重錘体 2 0が、 その重心 Gを外れた回転軸をもつ て支持手段 2 1により支持されている場合には、 この第 5図に示すモデ ルと等価になる。 この第 5図のモデルにおいて、 重錘休 3 0の運動を、 「公転運動」 と 「自転運動」 とに分けて理解することが重要である。 本 明細書において、 「重錘休の自転」 とは、 「重錘休の重心 Gを通る自転 軸に関しての重錘休自身の回転」 を意味し、 「重錘休の公転」 とは、 「重錘体の重心 Gを通らない公転铀の周囲に定義された軌道上の重錘体 の移動」 を意味する。 この第 5図のモデルは、 中心点 0の位置に存在す る太陽のまわりを、 地球 （重錘体 3 0 ) が公転する天体運動を想像する と理解しやすい。 As described above, when the weight body 20 does not have a relative speed with respect to the housing 22, the speed V w of the weight rest 20 obtained by the calculating means 25 is equal to the housing 2 2 Speed V. Therefore, for example, the speed Vw of the weight rest 20 obtained by the computing stand 25, which is obtained when the speed sensor is mounted on the vehicle, is equal to the speed V of the vehicle. The description so far is based on the premise that the weight body 20 rotates about the rotation axis passing through the center of gravity G as described above. However, when actually constructing a speed sensor, it is not always possible to rotationally drive the weight rest 20 for a rotation ill passing through its center of gravity G. Rather, a speed sensor having a structure in which the rotating pong is out of the position of the center of gravity G of the weight rest 20 is practically easier to design. In this way, on the platform where the rotation is out of the center of gravity G, the weight 2 It is necessary to consider that 0 is performing a revolving motion in the housing 22. Hereinafter, the detection principle of the present invention in such a platform will be described. FIG. 5 is a perspective view showing a state in which the weight rest 3 公 revolves on a predetermined orbit 31. Here, for convenience of explanation, it is assumed that the orbit 3] force <is a circumferential orbit with a center point 0, and the center of gravity of the weight rest 30 is the G force. It is assumed that they are moving as follows. In the speed sensor shown in FIG. 4, when the weight body 20 is supported by the support means 21 with a rotation axis deviating from the center of gravity G, the weight body 20 is equivalent to the model shown in FIG. Become. In the model of Fig. 5, it is important to understand the motion of the weight rest 30 separately into "revolving motion" and "rotating motion". In the present specification, “the rotation of the weight rest” means “the rotation of the weight rest itself about the rotation axis passing through the center of gravity G of the weight rest”, and “the revolution of the weight rest” means “ The movement of the weight on a defined orbit around the revolution ら な い that does not pass through the center of gravity G of the weight. The model shown in Fig. 5 can be easily understood by imagining the celestial motion of the earth (weight 30) revolving around the sun located at the center point 0.
本発明において重要な点は、 第 1図〜第 3図に示した基本原理に基い て作用するコリオリカは、 物休 1 ◦の 「自転運動」 に起因して発生する ものであって、 決して、 物休 1 0の 「公転運動」 に起因して発生するも のではないという点である。 別言すれば、 第 1図〜第 3図の原理におけ る角速度 ω ζあるいは ω Xという値は、 物休 1 0の自転の角速度である c したがって、 第 5図に示すモデルによって本発明に係る速度センサを実 現するためには、 重錘休 3◦は公転軌道 3 1に沿って公転しているだけ では不十分であり、 重錘体 3 0は公転運動とともに自転運動をしていな ければならない。 天体運動の場台、 地球 （重錘休 3 0 ) の公転角速度 Ω は、 約 3 6 0 ° Z 1年であり、 自転の角速度 ωは、 約 3 6 0 ° Ζ 1 日で あ " ) ο An important point in the present invention is that the Coriolisa acting based on the basic principle shown in FIGS. 1 to 3 is generated due to the `` rotational movement '' of However, it does not occur due to the “orbital motion” of the holidays. In other words, the value of the angular velocity ω ζ or ω X in the principle of FIGS. 1 to 3 is the angular velocity of the rotation of the object 10 c. Therefore, the model shown in FIG. In order to realize such a speed sensor, it is not sufficient that the weight rest 3◦ revolves only along the orbit 31 and the weight 30 does not rotate along with the revolving motion. I have to. The orbit of the celestial body, the revolving angular velocity Ω of the earth (weight rest 30) is about 360 ° Z 1 year, and the angular velocity of rotation ω is about 360 ° ° 1 day.
自転運動と公転運動との相違は、 第 6図に示す運動と第 7図に示す運 動とを比較すると明瞭になる。 いずれの運動も、 重錘休 3 0 (ここでは 説明の便宜上、 三角形で示してある） が中心点 0についての円周軌道 3 1に沿って移動する P】運動であり、 図では、 運動中の重錘休 3 0の様子 を 1ノ1 2周期ごとに重ねて示してある。 この円周軌道 3 1は公転軌道 であり、 重錘休 3 ϋは第 6図および第 7図のいずれの場台にも、 中心点 0のまわりを公転角速度 Ωで回っている。 ただ、 第 6図に示す運動は公 転運動のみから成り、 重錘体 3 0は自転はしていない。 これは、 各位置 に三角形で示す重錘体 3 0の向きが常に一定であることから理解できょ う。 すなわち、 この第 6図に示す運動では、 重錘休 3 0の自転角速度 ω = 0である。 これに対し、 第 7図に示す運動は、 公転運動に加えて自転 運動を含んでいる。 これは、 各位置に三角形で示す重錘休 3 0の向きが 徐々に変化していることから理解できょう。 すなわち、 重錘体 3 0は公 転軌道 3 1上を公転角速度 Ωで移動しながら、 Θ分自身でも重心 Gを中 心として自転角速度 ωで回転していることになる。 この例では、 ω - Ω であり、 重錘体 3 0は、 公転軌道 3 1を一周すると自分 身もちようど 1回転することになる。  The difference between the rotational movement and the orbital movement becomes clear when the movement shown in FIG. 6 is compared with the movement shown in FIG. In each case, the weight rest 30 (indicated by a triangle for the sake of explanation here) is a P] motion that moves along a circumferential trajectory 31 about a center point 0. The state of the weight rest 30 is shown superimposed every 1 to 12 cycles. This circumferential orbit 31 is a revolving orbit, and the weight rest 3 回 is rotating around the center point 0 at the angular velocity Ω on both the platforms shown in FIGS. 6 and 7. However, the motion shown in FIG. 6 consists only of the orbital motion, and the weight body 30 does not rotate. This can be understood from the fact that the orientation of the weight body 30 indicated by a triangle at each position is always constant. That is, in the motion shown in FIG. 6, the rotation angular velocity ω = 0 of the weight rest 30 is obtained. On the other hand, the movement shown in Fig. 7 includes rotation movement in addition to orbital movement. This can be understood from the fact that the orientation of the weight rest 30 indicated by a triangle at each position is gradually changing. That is, while the weight body 30 moves on the orbit of revolution 31 at the revolution angular velocity Ω, the weight itself 30 is rotating at the rotation angular velocity ω with the center of gravity G as the center. In this example, it is ω-Ω, and the weight body 30 makes one revolution as it moves on the orbit 31.
第 1図〜第 3図に示した現象は、 重錘休 3 0が角速度 ωで自転してい る場台に生じる現象であり、 角速度 Ωによる公転運動には直接関連のな い現象である。 したがって、 重錘休 3 0が公転運動を行う系によって本 発明に係る速度センサを実現する場合には、 第 6図に示すような公転運 動のみを行う系は不適当であり、 第 7図に示すような自転運動を伴う系 を用意しなければならない。 そして、 速度検出に関与する角速度は、 あ くまでも自転角速度 ωであって、 公転角速度 Ωではない。 The phenomena shown in Figs. 1 to 3 are phenomena that occur on the platform where the weight rest 30 rotates at an angular velocity ω, and are not directly related to the orbital motion due to the angular velocity Ω. Therefore, when the speed sensor according to the present invention is realized by a system in which the weight rest 30 performs a revolving motion, the revolving motion as shown in FIG. A system that only performs movement is inappropriate, and a system with rotation as shown in Fig. 7 must be prepared. The angular velocity involved in the speed detection is the rotation angular velocity ω, not the revolution angular velocity Ω.
このように、 センサ筐体内の重錘体 3 0力 <、 自転運動とともに公転運 動を行っている場合には、 § 2で述べた自転運動のみを行っている場合 とは若千異なった取り扱いを行う必要がある。 その第 ] の理由は、 重錘 休 3 0に対しては、 公転運動に起因する遠心力などの付加的な力が作用 するためであり、 第 2の理由は、 重錘体 3 0の運動速度と筐体の運動速 度とがー致しなくなるためである。 すなわち、 第 4図に示した自転運動 のみからなる系では、 重錘体 2 0はその重心 Gを通る回転軸について回 転運動をしているため、 各方向に作用する遠心力は相殺される。 また、 重錘休 2 0の重心 Gは、 筐体 2 2に対して相対的な速度成分をもたない ので、 この筐体 2 2を車両に搭載した場合、 重錘体 2 0の速度 V wをそ のまま車両の速度 Vとして取り扱うことができる。 ところ力、 第 5図に 示した公転運動をともなう系では、 公転軌道 3 1 に沿って運動中の重錘 休 3 0には、 常に半径方向に遠心力が作用した状態になる。 しかも、 重 錘体 3 ϋは常に筐休に対して相対的な運動速度を有しているため、 重錘 体 3 ϋの速度 V wは筐体の速度 V (別言すれば、 このセンサを搭載した 車両の運動速度 V ) に一致しないことになる。  As described above, when the weight body 30 in the sensor housing <revolves along with the spinning motion, the handling is different from that when only the spinning motion described in §2 is performed. Need to do. The second reason is that an additional force such as a centrifugal force due to the orbital motion acts on the weight rest 30, and the second reason is that the motion of the weight body 30 This is because the speed and the movement speed of the housing do not match. In other words, in the system consisting only of the rotation shown in FIG. 4, the weight body 20 rotates about the rotation axis passing through the center of gravity G, and the centrifugal force acting in each direction is canceled. . Also, since the center of gravity G of the weight rest 20 does not have a speed component relative to the housing 22, when the housing 22 is mounted on a vehicle, the speed V of the weight body 20 is V w can be handled as it is as the vehicle speed V. On the other hand, in the system with orbital motion shown in Fig. 5, centrifugal force always acts in the radial direction on the weight rest 30 moving along the orbit 31. In addition, since the weight 3 常 に always has a relative movement speed with respect to the housing, the speed V w of the weight 3ϋ is equal to the speed V of the housing (in other words, this sensor is It does not correspond to the motion speed V) of the vehicle on board.
そこで、 本発明では次のような工夫により、 この第 5図に示すような 系を収容したセンサ筐体の速度 V、 すなわち、 このセンサを搭載した車 両の運動速度 Vを検出するようにしている。 まず、 第 8図に示すような 円周状の公転軌道 3 1上を自転しながら運動している重錘休 3 0に瞬時 に作用する力を考える。 いま、 第 8図に示す特定のボイン ト Pにおいて, 公転軌道 3 1の半径方向を D r、 接線方向を D t、 これらの方向に垂直 な方向を D uとすると、 重錘体 3 0は、 接線方向 D tに向かって速度 V wをもって公転運動をするとともに、 方向 D uを回転 fillとして、 角速度 ωで自転運動をしていることになる。 そこで、 このとき、 重錘休 3 0に 対して半径方向 D rに作用している力を F r、 接線方向 D tに作用して いる力を F t と表すことにしよう。 特に、 ここでは、 中心点 0が静止し ている場台、 別言すれば、 このような系を収容したセンサを搭載した車 両の速度 Vが零の場台を考え、 この車両速度 （筐体速度） V = 0のとき に、 半径方向に作用している力を F r ( 0 ) 、 接線方向 D tに作用して いる力を F t ( 0 ) と表すことにしよう。 この場台、 华径方向の力 F r ( 0 ) は、 重錘体 3 0の円運動 （公転運動） に基いて発生する遠心力 F ceに等しくなり、 この遠心力 F eeは、 重錘休 3 0の質量を m、 公転軌道 3 1の半径を 1"、 公転運動の角速度を とすれば、 Therefore, in the present invention, the speed V of the sensor housing housing the system as shown in FIG. 5, that is, the movement speed V of the vehicle equipped with this sensor is detected by the following measures. I have. First, let us consider the force instantaneously acting on the weight rest 30 moving while rotating on the circumferential orbit 31 shown in FIG. Now, at a specific point P shown in Fig. 8, Assuming that the radial direction of the orbit 31 is D r, the tangential direction is D t, and the direction perpendicular to these directions is Du, the weight body 30 revolves with the velocity V w toward the tangential direction D t. And the rotation is at the angular velocity ω with the direction Du as the rotation fill. Therefore, at this time, let the force acting on the weight rest 30 in the radial direction D r be Fr, and let the force acting on the tangential direction D t be F t. In particular, here, consider a platform where the center point 0 is stationary, in other words, a platform where the speed V of a vehicle equipped with such a sensor is zero and the vehicle is equipped with a sensor. Let us express the force acting in the radial direction as F r (0) and the force acting in the tangential direction D t as F t (0) when V = 0. The force F r (0) in the radial direction is equal to the centrifugal force F ce generated based on the circular motion (orbital motion) of the weight 30, and the centrifugal force F ee is If the mass of the rest 30 is m, the radius of the orbit 31 is 1 ", and the angular velocity of the orbital motion is
F ce = m ♦ r ♦ Ω 2 (5) F ce = m ♦ r ♦ Ω 2 (5)
で表されることは広く知られている。 また、 重錘体 3 0が等速円運動を 行っている場台には、 接線方向の力 F t ( 0 ) - 0となる。 Is widely known. In addition, a tangential force F t (0)-0 is applied to the stage where the weight body 30 performs a constant velocity circular motion.
このように、 第 8図に示す系全体が静止している場合には、 その運動 は初等力学のテキス卜に記述されている典型的な円運動として把握する ことができる。 ところ力 この系全休が移動している場台、 別言すれば、 このような系を収容したセンサを搭載した車両が所定の速度 Vをもって 移動している場合はどうであろう力、。 ここでは、 第 9図に示すように、 中心点 0が接線方向 D tに沿って所定の速度 V tで移動していた場台に 生じる現象を考えてみる。 この場合、 重錘休 3 ϋは方向 D uを回転軸と して角速度 ωで自転しており、 しかも、 この系全体が接線方向 D tに沿 つて速度 V tで移動しているのであるから、 第 3の方向である半径方向 D rに沿って、 速度 V tに起因したコリオリカ Fco (V t ) が発生する ことになる。 したがって、 このとき、 重錘体 30に対して半径方向 D r に作用する力 F r (V t ) は、 第 8図に示す静止状態のときに作用する 力 F r (0) に、 速度 V tに起因したコリオリカ F co (V t ) を加えた ものになる。 すなわち、 中心点 0の速度 V = 0のときの半径方向の力を F r (0) とし、 中心点 0の速度 V = V tのときの半径方向の力を F r (V t ) とすれば、 Thus, when the entire system shown in Fig. 8 is stationary, the motion can be grasped as a typical circular motion described in the text of elementary mechanics. However, the force on the platform where this system is moving, in other words, the force, if a vehicle equipped with a sensor containing such a system is moving at a given speed V. Here, as shown in FIG. 9, let us consider a phenomenon that occurs on a platform where the center point 0 is moving at a predetermined speed Vt along the tangential direction Dt. In this case, the weight rest 3ϋ is rotating at an angular velocity ω about the direction Du as the rotation axis, and the entire system is along the tangential direction Dt. Therefore, Coriolis Fco (Vt) due to the speed Vt is generated along the radial direction Dr which is the third direction. Therefore, at this time, the force F r (V t) acting on the weight body 30 in the radial direction D r becomes the force F r (0) acting in the stationary state shown in FIG. It is the sum of Coriolis Fco (Vt) due to t. That is, let F r (0) be the force in the radial direction when velocity V = 0 at center point 0, and let F r (V t) be the radial force when velocity V = V t at center point 0. If
F r (V t ) = F r (0) + F co ( V t ) (6) となる。 ここで、 コリオリカ Fco (V t ) は、 既に述べたように、  F r (V t) = F r (0) + F co (V t) (6) Here, Coriolica Fco (V t) is, as already mentioned,
Fco (V t ) = 2 · m · V t · ω (7) なる式で与えられる。  Fco (V t) = 2 · m · V t · ω (7)
以上の説明から、 このような系からなるセンサを車両に搭載しておけ ば、 この車両の速度 V tを測定できることが理解できょう。 すなわち、 まず、 この車両を静止させた状態において、 別言すれば、 第 8図に示す ように、 中心点 0を静止させた状態において、 重錘休 3 ϋに公転および 自転運動を行わせ、 重錘体 30が特定のボイントを通過する瞬間に作用 する半径方向の力 F r (0) を予め測定して求めておく。 続いて、 この 車両が速度 V tで走行中に、 重錘体 30に同様の公転および自転運動を 行わせ、 そのときに作用する半径方向の力 F r (V t ) を測定する。 こ うして、 半径方向の力 F r (0) および F r (V t ) が得られれば、 式 (6) により、 その差分として、 速度 V tに基く コリオリカ Fco (V t ) が求められる。 更に、 式（7) により、 速度 V tを求めることができる。 要するに、 第 8図に示す静止状態と、 第 9図に示す速度 V tによる系 全体の移動状態とでは、 重錘休 30に対する半径方向 D rへのコリォリ 力 Fco (V t ) が作用するか否かが異なることになり、 半径方向の力 F rの変化分がコリォリ力 Fco (V t ) に相当し、 コリオリカ Fco (V t ) は速度 V tに対応した値になる。 したがって、 半径方向の力 F r (V t ) を常に測定し、 静止状態における基準値 F r (0) との差分を適当にキ ャリプレーションして出力すれば、 この出力値は、 速度 V tの検出値と して用いることができる。 From the above description, it can be understood that the speed Vt of the vehicle can be measured if the sensor having such a system is mounted on the vehicle. That is, first, in a state where the vehicle is stationary, in other words, as shown in FIG. 8, with the center point 0 stationary, the weight rest 3 ϋ is caused to revolve and rotate. The radial force F r (0) acting at the moment when the weight body 30 passes through a specific point is measured and obtained in advance. Subsequently, while the vehicle is traveling at the speed Vt, the weight 30 is made to perform similar revolution and rotation, and the radial force F r (V t) acting at that time is measured. If the radial forces F r (0) and F r (V t) are obtained in this way, the Corioliser Fco (V t) based on the velocity V t can be obtained from the equation (6) using the difference. Further, the velocity Vt can be obtained from equation (7). In short, the system with the stationary state shown in Fig. 8 and the speed Vt shown in Fig. 9 In the whole moving state, whether or not the Coriolis force Fco (V t) in the radial direction Dr acts on the weight rest 30 is different, and the change in the radial force Fr is the Coriolis force Fco. (V t), and Coriolis Fco (V t) is a value corresponding to the speed V t. Therefore, if the force F r (V t) in the radial direction is always measured, and the difference from the reference value F r (0) in the stationary state is appropriately calibrated and output, this output value will be equal to the speed V t It can be used as a detection value.
なお、 第 9図に示すように、 中心点 0が接線方向 D tに速度 V tで移 動している場台に、 重錘休 3 ϋに対して作用する接線方向の力 F t (V t ) は、 第 8図に示す静止状態の場台と変わりはなく、  As shown in Fig. 9, the tangential force F t (V) acting on the weight rest 3 mm is applied to the platform where the center point 0 moves in the tangential direction D t at the speed V t. t) is the same as the stationary platform shown in Fig. 8,
F t (V t ) = F t (0) (8) となる。  F t (V t) = F t (0) (8).
続いて、 第 1 0図に示すように、 中心点 0が半径方向 D rに沿って所 定の速度 V rで移動していた場台に生じる現象を考えてみる。 この場合、 重錘体 3◦は方向 D uを回転幸由として角速度 ωで自転しており、 しかも、 この系全体が半径方向 D rに沿って速度 V rで移動しているのであるか ら、 第 3の方向である接線方向 D tに沿って、 速度 V rに起因したコリ オリ力 Fco (V r ) が発生することになる。 したがって、 このとき、 重 錘体 30に対して接線方向 D tに作用する力 F t (V r ) は、 第 8図に 示す静止状態のときに作用する力 F t (0) に、 速度 V rに起因したコ リオリカ Fco (V r ) を加えたものになる。 すなわち、 中心点 0の速度 V = 0のときの接線方向の力を F t (0) とし、 中心点 0の速度 V = V rのときの接線方向の力を F t (V r ) とすれば、  Next, as shown in FIG. 10, consider a phenomenon that occurs at a platform where the center point 0 is moving at a predetermined speed Vr along the radial direction Dr. In this case, the weight body 3◦ is rotating at an angular velocity ω due to the rotation of the direction Du, and the entire system is moving at the velocity Vr along the radial direction Dr. Along the tangential direction Dt, which is the third direction, a Coriolis force Fco (Vr) due to the velocity Vr is generated. Therefore, at this time, the force F t (V r) acting on the weight body 30 in the tangential direction D t becomes the force F t (0) acting in the stationary state shown in FIG. This is the result of adding the coriolis Fco (V r) due to r. That is, the tangential force at the speed V = 0 at the center point 0 is F t (0), and the tangential force at the speed V = V r at the center point 0 is F t (V r). If
F t (V r ) = F t (0) + Fco (V r ) (9) となる。 ここで、 コリオリカ Fco (V r ) は、 既に述べたように、F t (V r) = F t (0) + Fco (V r) (9) Becomes Here, Coriolica Fco (V r) is, as already mentioned,
Fco (V r ) = 2 · m ♦ V r ♦ ω (10) なる式で与えられる。 Fco (V r) = 2 · m ♦ V r ♦ ω (10)
以上の説明から、 このような系からなるセンサを車両に搭載しておけ ば、 この車両の速度 V rを測定できることが理解できょう。 すなわち、 まず、 この車両を静止させた状態において、 別言すれば、 第 8図に示す ように、 中心点 0を静止させた状態において、 重錘休 3 0に公転および 自転運動を行わせ、 重錘体 3 0が特定のポィントを通過する瞬間に作用 する接線方向の力 F t (0) を予め測定して求めておく。 铳いて、 この 車両が速度 V rで走行中に、 重錘体 3 0に同様の公転および自転運動を 行わせ、 そのときに作用する接線方向の力 F t (V r ) を測定する。 こ うして、 接線方向の力 F t (◦) および F t (V r ) が得られれば、 式 (9) により、 その差分として、 速度 V rに基く コリオリカ Fco (V r ) が求められる。 更に、 式（10)により、 速度 V rを求めることができる。 要するに、 第 8図に示す静止状態と、 第 1 0図に示す速度 V rによる 系全体の移動状態とでは、 重錘体 3〔）に対する接線方向 D tへのコリオ リカ Fco (V r ) が作用するか否かが異なることになり、 接線方向の力 F tの変化分がコリオリカ F co (V r ) に相当し、 コリオリ力 F co ( V r ) は速度 V rに対応した値になる。 したがって、 接線方向の力 F t (V r ) を常に測定し、 静止状態における基準値 F t (0) との差分を 適当にキヤリブレーションして出力すれば、 この出力値は、 速度 V rの 検出値として用いることができる。  From the above description, it can be understood that the speed Vr of the vehicle can be measured if the sensor having such a system is mounted on the vehicle. That is, first, in a state where the vehicle is stationary, in other words, as shown in FIG. 8, when the center point 0 is stationary, the weight rest 30 is caused to revolve and rotate. The tangential force F t (0) acting at the moment when the weight body 30 passes through a specific point is measured and obtained in advance. Then, while the vehicle is running at the speed Vr, the weight 30 performs the same revolution and rotation, and the tangential force Ft (Vr) acting at that time is measured. If the tangential forces F t (◦) and F t (V r) are obtained in this manner, the Corioliser Fco (V r) based on the velocity V r can be obtained by the equation (9). Further, the velocity Vr can be obtained from the equation (10). In short, in the stationary state shown in FIG. 8 and the moving state of the entire system at the velocity V r shown in FIG. 10, the coriolica Fco (V r) in the tangential direction D t to the weight 3 [] The difference in the tangential force F t corresponds to the Coriolis force F co (V r), and the Coriolis force F co (V r) has a value corresponding to the velocity V r . Therefore, if the tangential force F t (V r) is always measured and the difference from the reference value F t (0) in the stationary state is appropriately calibrated and output, the output value will be the speed V r Can be used as the detection value of
なお、 第 1 0図に示すように、 中心点 0が半径方向 D rに速度 V rで 移動している場合に、 重錘体 3 0に対して作用する半径方向の力 F r  As shown in FIG. 10, when the center point 0 moves in the radial direction D r at the speed V r, the radial force F r acting on the weight body 30
8 (V r ) は、 第 8図に示す静止状態の場合と変わりはなく、 8 (V r) is the same as the case of the stationary state shown in FIG.
F r (V r ) = F r (0) (11) となる。  F r (V r) = F r (0) (11)
以上、 第 8図において、 重錘体 3 ϋに作用する半径方向の力 F rと接 線方向の力 F t とを測定することにより、 センサ筐体の接線方向の移動 速度 V tおよび半径方向の移動速度 V rを求める原理を説明した。 この 原理を更に拡張すれば、 公転軌道 3 1を含む面内における任意の方向に ついてのセンサ筐体の移動速度 Vを求めることが可能である。 たとえば、 第 1 1図に示すように、 中心点 0が公転軌道 3 1を含む面内における任 意の方向に速度 Vで移動していた場合を考える。 この場合、 速度 Vを接 線方向成分 V s i n ^と半径方向成分 V c o s eとに分解することがで き、 速度 Vで系全休が移動している状態において、 重錘休 3 0に作用す る半径方向 D rの力 F r (V) と接線方向 D tの力 F t (V) とは、 F r (V) = F r (0) + Fco (V s i n (12)  As described above, in FIG. 8, by measuring the radial force F r and the tangential force F t acting on the weight body 3 mm, the tangential movement speed V t and the radial direction of the sensor housing are measured. The principle of obtaining the moving speed Vr of the robot has been described. If this principle is further extended, it is possible to determine the moving speed V of the sensor housing in any direction in the plane including the orbit 31. For example, suppose that the center point 0 is moving at a speed V in any direction in the plane including the orbit 31 as shown in FIG. In this case, the velocity V can be decomposed into a tangential component V sin ^ and a radial component V cose, which acts on the weight rest 30 while the system rest is moving at the speed V. The force F r (V) in the radial direction D r and the force F t (V) in the tangential direction D t are F r (V) = F r (0) + Fco (V sin (12)
F t (V) - F t (0) + Fco (V c o s 0 ) (13)  F t (V)-F t (0) + Fco (V cos 0) (13)
で表されることになる。 ここで、 F r (0) および F t (0) は、 第 8 図に示すような静止状態において、 それぞれ半径方向および接線方向に 作用する力であり、 Fco (V s i η Θ ) および Fco (V c o s 0 ) は、 それぞれ速度 Vに起因して半径方向および接線方向に発生するコリォリ 力である。 Will be represented by Here, F r (0) and F t (0) are forces acting in the radial and tangential directions, respectively, in the stationary state as shown in FIG. 8, and Fco (V si η Θ) and Fco ( V cos 0) is the Coriolis force generated in the radial and tangential directions due to the velocity V, respectively.
以上の説明から、 このような系からなるセンサを車両に搭載しておけ ば、 この車両の任意の二次元方向速度 Vを測定できることが理解できょ う。 すなわち、 まず、 この車両を静止させた状態において、 別言すれば. 第 8図に示すように、 中心点 0を静止させた状態において、 重錘体 30 に公転および自転運動を行わせ、 重錘体 3◦が特定のボイントを通過す る瞬間に作用する接線方向の力 F t (◦) および半径方向の力 F r (0) を予め測定して求めておく。 続いて、 この車両が速度 Vで走行中に、 重 錘休 3◦に同様の公転および自転運動を行わせ、 重錘休 30が同じ特定 のポイン トを通過する瞬間に作用する接線方向の力 F t (V) および半 径方向の力 F r (V) を測定する。 そして、 式（12)および式（13)により、 コリオリカ Fco ( V s i η θ ) および F co ( V c o s 0 ) を求めれば、 F co ( V s i n = 2 ♦ m · V · s i n 0 · ω (14) From the above description, it can be understood that an arbitrary two-dimensional velocity V of the vehicle can be measured if the sensor having such a system is mounted on the vehicle. That is, first, in a state where the vehicle is stationary, in other words. As shown in FIG. 8, when the center point 0 is stationary, the weight 30 The tangential force F t (◦) and the radial force F r (0) acting at the moment when the weight 3 ◦ passes a specific point are measured in advance. Ask for it. Subsequently, while this vehicle is traveling at the speed V, the weight rest 3◦ performs the same revolution and rotation, and the tangential force acting at the moment when the weight rest 30 passes the same specific point. Measure F t (V) and radial force F r (V). Then, if the Coriolisers Fco (V si η θ) and F co (V cos 0) are obtained from Expressions (12) and (13), F co (V sin = 2 ♦ m · V · sin 0 · ω ( 14)
Fco (V c o s 6 = 2 « m , V » c o s <9 « o (15) なる 2本の式を用いて、 未知数 Vおよび を求めることができる。 すな わち、 速度の大きさと方向とが得られることになる。  Fco (V cos 6 = 2 «m, V» cos <9 «o (15) The unknowns V and can be obtained by using two equations, that is, the magnitude and direction of the velocity are Will be obtained.
なお、 上述の例では、 公転軌道 31として円周軌道を用いているが、 公転軌道は必ずしも円軌道にする必要はない。 たとえば、 楕円軌道にし てもよいし、 その他、 任意の軌道にしてもよい。 要するに、 上述した検 出原理で重要な点は、 所定のボイン トにおいて重錘休 30に対して所定 方向に作用する力の変化が検出できればよいので、 常に同一の軌道を確 保することができれば、 公転軌道 31としてはどのような軌道でもかま わない。 また、 公転運動は必ずしも周回運動にする必要はなく、 たとえ ば、 円弧を公転軌道とした往復運動としてもかまわない。 これについて は、 後の S 5において述べることにする。  In the above example, a circumferential orbit is used as the orbit 31. However, the orbit need not necessarily be a circular orbit. For example, it may be an elliptical orbit, or any other orbit. In short, the important point of the above-mentioned detection principle is that it is only necessary to detect a change in the force acting on the weight rest 30 in a predetermined direction at a predetermined point, so that the same trajectory can always be ensured. However, the orbit 31 may be any orbit. In addition, the orbital motion does not necessarily have to be a orbital motion. For example, the orbital motion may be a reciprocating motion with a circular arc as the orbit. This will be described later in S5.
また、 公転運動は必ずしも等角速度運動にする必要はなく、 上述のモ デルにおいて、 角速度 Ωを時事刻々と変化させてもかまわない。 円弧を 公転軌道とした往復運動を行わせるような場台には、 当然、 公転の角速 度 Ωは周期的に変化するものになる。 § 4 . 多次元速度センサの基本原理 In addition, the orbital motion does not necessarily need to be a constant angular velocity motion, and the angular velocity Ω may be changed every moment in the above-described model. Naturally, on a platform that reciprocates with a circular arc as the orbit, the angular speed Ω of the orbit changes periodically. § 4. Basic principle of multi-dimensional speed sensor
本発明に係る速度センサは、 特に、 二次元あるいは三次元の速度セン サとして利用するのに適している。 ここでは、 X Y Z三次元座標系にお ける X蚰方向の速度成分 V Xおよび Y軸方向の速度成分 V yを検出でき る二次元速度センサに適用する場台の基本原理と、 更に、 Z l方向の速 度成分 V zを検出できる三次元速度センサに適 fflする場合の基本原理と、 を以下に述べることにする。  The speed sensor according to the present invention is particularly suitable for being used as a two-dimensional or three-dimensional speed sensor. Here, the basic principle of a field base applied to a two-dimensional velocity sensor that can detect the velocity component VX in the X axis direction and the velocity component Vy in the Y axis direction in the XYZ three-dimensional coordinate system, and the Zl direction The basic principle of ffl suitable for a three-dimensional speed sensor that can detect the velocity component V z of and will be described below.
いま、 第 1 2図に示すように、 重錘体 2 0の重心 Gの位置に原点 0を もつ X Y Z三次元座標系を定義する。 そして、 この重錘休 2 0を、 Z を回転軸として、 所定の角速度 ω zで回転させた場台を考える。 この場 合、 回転 由 （Z紬） は、 重錘休 2 0の重心 Gを通ることになるので、 重 錘体 2 ϋは Z華由に関して 0転運動を行う力 <、 この座標系に対する重心 G の相対位置は不変であり、 重錘休 2 0は公転運動は行わない。 そこで、 このような Χ Υ Ζ三次元座標系全体が、 Χ Υ平面上において、 速度 V x yをもって移動しているとすれば、 重錘休 2 0の X 由方向の速度成分 V w xは、 座標系の移動速度 V x yの X軸方向成分 V Xに等しくなり、 重 錘体 2 0の Y軸方向の速度成分 V w yは、 座標系の移動速度 V X yの Y 軸方向成分 V yに等しくなる。 重錘体 2 0の回転軸である Z紬は、 X軸 および Y 由の双方に直角な軸であるから、 重錘体 2 0が X軸方向に速度 V xで移動すると、 重錘体 2 0に対しては、 既に述べたように、  Now, as shown in FIG. 12, an XYZ three-dimensional coordinate system having an origin 0 at the position of the center of gravity G of the weight body 20 is defined. Then, a platform is considered in which the weight rest 20 is rotated at a predetermined angular velocity ωz with Z as a rotation axis. In this case, the reason for rotation (Z tsumugi) passes through the center of gravity G of the weight rest 20, so that the weight 2 力 makes a zero-rotational motion with respect to the Z axis <, the center of gravity for this coordinate system The relative position of G is unchanged, and the weight rest 20 does not revolve. Therefore, assuming that the entire Χ Υ Ζ three-dimensional coordinate system is moving at the speed V xy on the V Υ plane, the velocity component V wx of the weight rest 20 in the X-direction is represented by the coordinates The moving speed Vxy of the system becomes equal to the X-axis component VX of the weight, and the weight component 20 in the Y-axis direction Vwy is equal to the moving speed VXy of the coordinate system in the Y-axis direction Vy. Since the Z axis, which is the axis of rotation of the weight 20, is an axis perpendicular to both the X axis and the Y axis, when the weight 20 moves at the velocity V x in the X axis direction, the weight 2 For 0, as already mentioned,
F co(y) = 2 ♦ m · V X · ω z (16) なる式で表される Υ 方向のコリオリカ F co(y) が作用し、 また、 重錘 体 2 0が Y軸方向に速度 V yで移動すると、 重錘体 2 0に対しては、 既 に述べたように、 一 4 F co(x) = 2 · m ♦ V y ♦ ω z (17) F co (y) = 2 ♦ mVXωz (16) Coriolis Fco (y) in the 方向 direction acts, and the weight body 20 moves in the Y-axis direction V Moving at y, for the weight body 20, as already mentioned, F co (x) = 2m ♦ Vy ♦ ωz (17)
なる式で表される X$由方向のコリオリカ Fco(x) が作用する。 このとき、 重錘体 20は公転を行っていないので、 X軸あるいは Y 由に関する遠心 力は考慮する必要はない。 なぜなら、 重錘体 2 ϋの自転によって生じる 遠心力は、 ΧΥ苹面上の各方向で均一になり相殺されるためである。 し たがって、 重錘体 20に対して X軸方向に作用する力 F Xは、 そのまま X拳由方向のコリオリカ Fco(x) とみなすことができ、 重錘休 20に対し て Y 由方向に作用する力 F yは、 そのまま Y fill方向のコリォリカ Fco (y) とみなすことができ、 Coriolis Fco (x) in the direction of X $ expressed by the following formula acts. At this time, since the weight body 20 does not revolve, there is no need to consider the centrifugal force related to the X axis or the Y axis. This is because the centrifugal force generated by the rotation of the weight 2 に is uniform and offset in each direction on the apple surface. Therefore, the force FX acting on the weight body 20 in the X-axis direction can be regarded as Coriolis Fco (x) in the X fist direction, and acts on the weight rest 20 in the Y direction. The force F y can be regarded as it is as Coriolis Fco (y) in the Y fill direction.
F y = 2 ' m » V x « o) z (18)  F y = 2 'm »V x« o) z (18)
F x = 2 » m » V y » o> z (19)  F x = 2 »m» V y »o> z (19)
が成り立つ。 Holds.
以上のことから、 次のような二次元速度センサを構成することが可能 になる。 すなわち、 質量 mをもった重錘体 20を、 その重心 Gを通る Z 軸に関して回転自在となるように支持手段 21によって支持し、 かつ、 この重錘体 20を筐体 22内に収容するようにする。 そして、 駆動手段 23によって、 重錘体 20を Z蚰に関して角速度 ω zで回転駆動し、 そ の状態において、 検出手段 24によって、 重錘休 20に作用する X軸方 向の力 F xと、 由方向の力 F yとを検出する。 すると、 上述の式（18) によって重錘体 20の X軸方向の速度成分 V Xを演算により求めること ができ、 上述の式（19)によって重錘休 2 ϋの Y軸方向の速度成分 V yを 演算により求めることができる （前述したように、 実用上はこのような 演算を行う代わりにキャ リブレーショ ンを行えばよい） 。 ここで、 この 三次元座標系に対する重錘休 20の相対位置は変化がないので、 別言す れば、 重心 Gが筐休 2 2内の所定位置に静止した状態で、 重錘休 2 0は 自転のみを行うので、 重錘体 2 0の各軸方向の移動速度 V X , V yは、 そのまま筐体 2 2の移動速度になる。 したがって、 この筐休 2 2を搭載 した車両の移動速度を測定することができるようになる。 From the above, the following two-dimensional velocity sensor can be configured. That is, the weight body 20 having the mass m is supported by the supporting means 21 so as to be rotatable about the Z axis passing through the center of gravity G, and the weight body 20 is accommodated in the housing 22. To Then, the weight body 20 is rotationally driven at an angular velocity ω z with respect to Z screw by the driving means 23, and in this state, a force Fx in the X-axis direction acting on the weight rest 20 by the detection means 24, The force F y in the free direction is detected. Then, the velocity component VX in the X-axis direction of the weight body 20 can be obtained by calculation according to the above equation (18), and the velocity component V y in the Y-axis direction of the weight rest 2ϋ can be obtained according to the above equation (19). Can be obtained by an arithmetic operation (as described above, in practice, calibration may be performed instead of performing such an arithmetic operation). Here, the relative position of the weight rest 20 with respect to the three-dimensional coordinate system does not change. If the center of gravity G is stationary at a predetermined position in the housing 22, the weight rest 20 performs only rotation, so that the moving speeds VX and Vy of the weight body 20 in the respective axial directions are: It becomes the moving speed of the housing 22 as it is. Therefore, it becomes possible to measure the moving speed of the vehicle equipped with the housing 22.
以上、 第 1 2図を参照しながら、 X 由方向の速度成分 V Xおよび Y蚰 方向の速度成分 V yを検出できる二次元速度センサの動作原理を示した が、 この原理を拡張すれば、 更に、 Z軸方向の速度成分 V zを検出でき る三次元速度センサを実現することも可能である。 第 1 2図に示す二次 元速度センサは、 第 1図に示す検出原理と、 第 2図に示す検出原理と、 の双方を利 fflできる速度センサであり、 重錘休 2 0を Z軸に関してのみ 回転駆動できれば十分であった。 これに対して、 三次元速度センサでは、 第 1図〜第 3図に示す 3とおりの検出原理をすベて利用する必要がある。 そのためには、 上述した二次元速度センサの機能に加えて、 更に、 重錘 体 2 0を X軸に関して回転駆動する機能を付加すればよい。  The principle of operation of the two-dimensional velocity sensor capable of detecting the velocity component VX in the X-direction and the velocity component Vy in the Y-axis direction has been described with reference to FIG. 12 above. It is also possible to realize a three-dimensional speed sensor capable of detecting the speed component Vz in the Z-axis direction. The two-dimensional speed sensor shown in FIG. 12 is a speed sensor that can use both the detection principle shown in FIG. 1 and the detection principle shown in FIG. It was enough to be able to rotate only for. On the other hand, a three-dimensional velocity sensor needs to use all three detection principles shown in Figs. For this purpose, in addition to the function of the two-dimensional velocity sensor described above, a function of rotating and driving the weight body 20 about the X axis may be added.
この場台、 この三次元速度センサは、 2とおりの測定モードを有する ことになる。 第 1の測定モードは、 X $由方向の速度成分 V Xおよび Y軸 方向の速度成分 V yを検出するモードであり、 第 1 2図に示すように、 重錘休 2 0を Z 由に関して角速度 ω ζで自転させた状態において、 重錘 休 2 0に作用する X铀方向の力 F Xと Y 由方向の力 F yとを検出し、 上 述した式（18) , (19)に基いて、 速度成分 V Xおよび V yを求めるモード である。 これは、 上述した二次元速度センサの動作そのものである。 こ れに対し、 第 2の測定モードは、 Z lfl方向の速度成分 V zを検出するモ 一ドであり、 第 1 3図に示すように、 重錘休 2 0を X蚰に関して角速度 ω Xで自転させた状態において、 重錘体 2 0に作用する Y fili方向の力 F yを検出し、 In this case, the three-dimensional speed sensor has two measurement modes. The first measurement mode is a mode that detects the velocity component VX in the X $ direction and the velocity component Vy in the Y-axis direction. In the state of rotation at ω ζ, a force FX acting in the X 铀 direction and a force F y acting in the Y direction acting on the weight rest 20 are detected, and based on the equations (18) and (19) described above. In this mode, the velocity components VX and Vy are determined. This is the operation of the two-dimensional speed sensor described above. On the other hand, the second measurement mode is a mode for detecting the velocity component Vz in the Zlfl direction. As shown in FIG. 13, the weight rest 20 is set to the angular velocity ω X The force F acting in the fili direction on the weight body 20 y
F y = 2 * m * V z * w x (20)  F y = 2 * m * V z * w x (20)
なる式に基いて、 速度成分 V zを求めるモ一ドである。 第 1の測定モー ドでは、 重錘休 2 0を Z 由まわりに回転駆動する必要があり、 第 2の測 定モー ドでは、 重錘休 2 0を X铀まわりに回転駆動する必要があるため、 両測定モードを同時に実行することができない。 式（18)と式（20)とは、 いずれも同じ検出値 F yについての式である。 し力、し、 式（18)は、 第 1 図の基本原理に基いて、 重錘休 2 0を Z軸まわりに回転駆動したとき (第 1の測定モード時） に成り立つ式であり、 X铀方向の速度成分 V x を得るための式である。 これに対し、 式（20)は、 第 3図の基本原理に基 いて、 重錘体 2 0を X軸まわりに回転駆動したとき （第 2の測定モー ド 時） に成り立つ式であり、 Z蚰方向の速度成分 V zを得るための式であ る。 This is a mode for obtaining the velocity component Vz based on the following equation. In the first measurement mode, the weight rest 20 needs to be driven to rotate around Z, and in the second measurement mode, the weight rest 20 needs to be driven to rotate around X 铀. Therefore, both measurement modes cannot be executed simultaneously. Equations (18) and (20) are both equations for the same detection value Fy. Equation (18) is an equation that holds when the weight rest 20 is driven to rotate around the Z axis (in the first measurement mode) based on the basic principle of FIG. This is an equation for obtaining the velocity component V x in the 铀 direction. On the other hand, equation (20) is an equation that holds when the weight body 20 is driven to rotate around the X axis (in the second measurement mode) based on the basic principle of FIG. This is an equation for obtaining the velocity component Vz in the direction of the bulge.
このように、 本発明に係る三次元速度センサでは、 第 ]の測定モー ド と第 2の測定モードという、 重錘休の回転 lflを異にする 2とおりの測定 モードを設ける必要があるものの、 これらの測定モードを時分割して切 り替えるようにすれば、 各铀についての速度成分 V X , V y , V zを周 期的に検出することが可能である。 § 5 . 重錘体が公転運動をする多次元速度センサの基本原理  As described above, in the three-dimensional speed sensor according to the present invention, although it is necessary to provide two types of measurement modes, which are different in the rotation lfl of the weight rest, the second measurement mode and the second measurement mode, If these measurement modes are switched in a time-division manner, the velocity components VX, Vy, Vz for each V can be detected periodically. § 5. Basic principle of multi-dimensional velocity sensor with revolving weight body
上述した § 4では、 重錘体が自転運動のみを行う構成をもった本発明 の速度センサを、 二次元あるいは三次元の速度センサとして利用する場 台の基本原理を説明した。 ここでは、 重錘休が自転運動とともに公転運 動を行う構成をもった本発明の速度センサを、 二次元あるいは三次元の 速度センサとして利用する場台の基本原理を説明する。 具体的には、 X Y Z三次元座標系における X $由方向の速度成分 V Xおよび Y ifi方向の速 度成分 V yを検出できる二次元速度センサに適用する場合の基本原理と、 更に、 Ζ ίή方向の速度成分 V ζを検出できる三次元速度センサに適用す る場合の基本原理と、 を以下に述べることにする。 In the above-mentioned §4, the basic principle of a platform using the speed sensor of the present invention having a configuration in which the weight body performs only the rotation motion as a two-dimensional or three-dimensional speed sensor has been described. Here, a two-dimensional or three-dimensional velocity sensor according to the present invention, in which the weight rest performs a revolving motion together with the rotation motion, is used. The basic principle of a platform used as a speed sensor will be described. Specifically, the basic principle applied to a two-dimensional velocity sensor that can detect the velocity component VX in the X $ direction in the XYZ three-dimensional coordinate system and the velocity component Vy in the Y ifi direction, and the 原理 ίή direction The basic principle when applied to a three-dimensional speed sensor that can detect the velocity component V of, and, will be described below.
いま、 第】 4図に示すように、 Χ Υ Ζ三次元座標系を定義し、 その X Υ平面内に円周状の公転軌道 3 1を定義する。 そして、 重錘体 3 0力 この公転軌道 3 1に沿って角速度 Ω ζで公転運動を行いながら、 Ζ拳由に 平行な自転铀のまわりを角速度 ω ζで自転運動している場台を考える。 自転 lhは、 重錘休 3 0の重心 Gを通り Z itiに平行な f になる。 公転運動 により、 重心 Gは公転軌道 3 1上を移動しているので、 自転 ΐ由もこの公 転軌道 3 1上を移動することになる。 § 3で述べたように、 本発明に係 る速度センサの基本原理を考慮する上では、 重錘休 3 0の自転運動 （角 速度 ω ζ ) と公転運動 （角速度 Ω ζ ) とを明確に区別することが重要で ある。 すなわち、 コリオリカの発生に関与するのは、 あくまでも重錘体 3 0の自転運動である。  Now, as shown in Fig. 4, a {Χ} three-dimensional coordinate system is defined, and a circumferential orbit 31 is defined in the XΥ plane. Weight body 3 0 force Consider a platform that is revolving at an angular speed ω ま わ り around {parallel rotation with Ζ fist な が ら} while revolving at an angular speed Ω こ の along this orbit 3 1. . The rotation lh becomes f parallel to Z iti through the center of gravity G of the weight rest 30. Since the center of gravity G moves on the orbit 31 due to the orbital motion, the rotation cause also moves on the orbit 31. As described in §3, in consideration of the basic principle of the speed sensor according to the present invention, the rotation motion (angular speed ω ζ) and the orbital motion (angular speed Ω ζ) of the weight rest 30 are clearly defined. It is important to distinguish. That is, it is the rotation of the weight body 30 that is involved in the generation of Corioliska.
たとえば、 重錘体 3 0として独楽を用い、 公転軌道 3 1として、 この 独楽を導く ことができる円周状のレールを用いた場台、 独楽は自転角速 度 ζで回転しながら、 レールに沿って公転角速度 Ω ζで移動すること になる。 この場合、 コリオリカの発生に関与するのは、 あくまでも独楽 の自転角速度 ζであり、 角速度 ω Ζが 2倍になれば、 作用するコリオ リカも 2倍になる。 For example, using a top as the weight body 30 and using a circumferential rail that can guide the top as the orbit 31, the top rotates on the rail while rotating at the rotation angle speed ζ. Along with the revolution angular velocity Ω ζ. In this case, be involved in the development of the Coriolis force is merely a rotation angular velocity ζ of the top, if the angular velocity ω Ζ is doubled, Corio Rica also acts doubled.
しかしながら、 何らかの重錘休 3 0に対して、 自転運動をさせながら 公転運動をさせるような運動機構として、 最も単純な機構は、 1本のァ ームによって中心点 Oと重錘体 3 0とを接続した機構である。 すなわち、 中心点 0の位置で一端が回転自在に枢着されたアームを用意し、 このァ 一ムの他端に重錘体 3 0を固着すれば、 このような運動機構が簡単に構 成できる。 第 1 5図に、 このような運動機構の基本構成を示す。 1本の アーム 3 2は、 一端が中心点 0の位置で回転自在に枢着されており、 他 端には重錘体 3 0が固着されている。 このようなアーム 3 2を、 中心点 0に関して回転させれば、 重錘体 3 0の重心 Gは、 円周状の公転軌道 3 1に沿って公転運動を行うとともに、 重錘休 3 0は自分自身で向きを変 えながら自転運動を行うことになる。 すなわち、 第 7図に示した運動が 可能になる。 However, the simplest mechanism for making a revolving motion while rotating around a certain weight rest 30 is the simplest one mechanism. This mechanism connects the center point O and the weight body 30 by a robot. That is, if an arm having one end rotatably pivoted at the position of the center point 0 is prepared and the weight body 30 is fixed to the other end of the arm, such a movement mechanism can be easily configured. it can. Fig. 15 shows the basic configuration of such a movement mechanism. One arm 32 is rotatably pivoted at one end at a position of a center point 0, and a weight body 30 is fixed to the other end. When such an arm 32 is rotated about the center point 0, the center of gravity G of the weight body 30 performs a revolving motion along the circumferential orbit 31 and the weight rest 30 You will change your own direction and rotate. In other words, the exercise shown in FIG. 7 becomes possible.
ここでは、 このように、 公転軌道 3 ] の中心点 0 (座標系の原点） と 重錘体 3 0とを、 可動部分を有さない単純なアーム 3 2によって結合し、 アーム 3 2を中心点 0において回転自在に抠着し、 重錘休 3 0をアーム 3 2に対して回転しないように固着した系を 「単純支持系」 と呼ぶこと にする。 この 「単純支持系」 は、 構造が非常に単純になるというメ リ ツ トを有するとともに、 公転運動のための動力と自転運動のための動力と を兼用することができるというメ リ ッ トも有する。 たとえば、 円周状の レール上に沿って独楽を移動させるような機構では、 独楽自身を自転さ せるための動力と、 独楽をレールに沿って移動させるための動力とが必 要になる力《、 アームを用いた単純支持系では、 アームを中心点 0のまわ りで回転させる動力だけを用意すればよい。 このような理由から、 実 ffl 上は、 単純支持系の機構を採るのが好ましく、 以下に述べる具体的な実 施例は、 いずれも単純支持系の支持手段 2 1を用いたものである。  Here, as described above, the center point 0 (the origin of the coordinate system) of the orbit 3] and the weight body 30 are connected by a simple arm 3 2 having no movable part, and the arm 3 2 is centered. The system in which the weight rest 30 is fixed so as not to rotate with respect to the arm 32 at the point 0 so as to freely rotate is referred to as a “simple support system”. This `` simple support system '' has the advantage that the structure is very simple, and also has the advantage that it can use both the power for revolving motion and the power for rotating motion. Have. For example, a mechanism that moves the top along a circumferential rail would require a power to rotate the top itself and a power to move the top along the rail. In a simple support system using an arm, only the power for rotating the arm around the center point 0 needs to be provided. For this reason, it is preferable that the ffl actually employs a mechanism of a simple support system, and the specific examples described below all use the support means 21 of the simple support system.
なお、 単純支持系の支持手段 2 ] を用いた場^、 必ず、 自転角速度 ω =公転角速度 Ωとなる。 このことは、 1木のアーム 3 2で支持された重 錘体 3 0を、 公転軌道 3 1に沿って公転させた状態において、 中心点 0 の位置から、 公転中の重錘休 3 0を観測することを考えれば、 容易に理 解できょう。 中心点 0の位置からは、 常に、 重錘休 3 0の同じ面 （ァー ムが接続されている面） しか見えず、 決して、 重錘休 3 0の裏側の面が 見えることはない。 別言すれば、 公転運動中、 重錘休 3 0のアームが接 続されている面は、 常に、 公転軌道 3 1の内側 （中心点 0側） を向いた 状態を保ち、 裏側の面は、 常に外側を向いた状態を保つ。 したがって、 重錘体 3 0が公転軌道 3 1上を 1回転すると、 重錘体 3 0 Π身も自転軸 について 1回転したことになり、 自転角速度 ω =公転角速度 Ωとなるの である。 したがって、 単純支持系の支持手段 2 1を用いた速度センサで は、 特に、 自転角速度 ωと公転角速度 Ωとを区別する必要はない。 以下 の説明において、 単に、 「重錘体の角速度」 と言った場合、 この単純支 持系における角速度 （自転角速度 ω =公転角速度 Ω ) を意味するもので ある。 In addition, when the support means 2] of the simple support system is used, the rotation angular velocity ω = Revolution angular velocity Ω. This means that in a state where the weight body 30 supported by the arm 3 2 of the tree is revolved along the orbit 31, the weight rest 30 revolving from the position of the center point 0 is removed. Considering the observations, it is easy to understand. From the position of the center point 0, you can always see only the same surface of the weight rest 30 (the surface to which the arm is connected), and never see the back surface of the weight rest 30. In other words, during the orbital motion, the surface to which the arm of the weight rest 30 is connected always keeps facing the inside of the orbit 31 (center point 0 side), and the back surface is , Always keep facing outwards. Therefore, when the weight body 30 makes one revolution on the orbit 31, the weight body 30 also makes one revolution about the rotation axis, and the rotation angular velocity ω = revolution angular velocity Ω. Therefore, in the speed sensor using the support means 21 of the simple support system, it is not particularly necessary to distinguish the rotation angular velocity ω and the revolution angular velocity Ω. In the following description, simply referring to the "angular velocity of the weight body" means the angular velocity (rotational angular velocity ω = revolving angular velocity Ω) in this simple support system.
さて、 第 1 4図においても、 重錘体 3 0が単純支持系によって支持さ れており、 重錘休 3 0力 <、 Z rfiまわりに角速度 Ω ζで公転軌道 3 1上を 公転しているとともに、 Z幸由に平行な S転 まわりに同じ角速度 ω zで 自転しているものとする （Ω ζ = ω ζ ) 。 そして、 公転軌道 3 1と X幸由 および Υ軸との交点を、 図示のように、 それぞれ点 Ρ 1 , Ρ 2 , Ρ 3 , Ρ 4と呼ぶことにする。 ここでは、 まず、 重錘体 3 0が点 Ρ ] を通過す る瞬間に作用する力を測定することにより、 この系全休の X申由方向速度 成分 V Xおよび Υ軸方向速度成分 V yを検出する原理を説明しょう。 具 体的には、 この第 1 4図に示されている運動系を収容したセンサ筐体を 車両に搭載し、 この車両の走行速度を X ih方向成分 V Xと Y軸方向成分 V yとに別けて検出する原理を説明しょう。 In Fig. 14 as well, the weight body 30 is supported by the simple support system, and the weight rest 30 force <, Z rfi and the angular velocity Ω ζ revolve around the orbit 3 1 It is also assumed that it is rotating at the same angular velocity ω z around the S rotation parallel to Z Yukiyoshi (Ω ζ = ω ζ). Then, the intersections of the orbit 31 and the X-Yuyuki and Υ axes will be referred to as points Ρ 1, Ρ 2, Ρ 3, and Ρ 4, respectively, as shown in the figure. Here, first, the force acting at the moment when the weight body 30 passes through the point Ρ] is measured, and the X-axis direction velocity component VX and the Υ-axis direction velocity component Vy of the entire system are detected. Let me explain the principle. Specifically, the sensor housing containing the motion system shown in FIG. Let's explain the principle of mounting on a vehicle and detecting the traveling speed of this vehicle separately in Xih direction component VX and Y axis direction component Vy.
まず、 この車両が静止している状態において、 重錘休 3〔〕に所定の角 速度 ω ζをもった公転運動および自転運動をさせる。 別言すれば、 第 1 4図に示す三次元座標系全体を静止させた状態で、 重錘休 30を公転軌 道 31に沿って運動させる。 本明細書では、 このように座標系が静止状 態におかれたときの重錘体の運動を 「基準運動」 と呼ぶことにする。 そ して、 重錘体 30が点 Ρ 1を通過する瞬間に、 重錘休 3 ϋに作川する X 軸方向の力 F x (0) と Y蚰方向のカ F y (0) とを予め測定しておく。 次に、 この車両 （すなわち、 この XY Z三次元座標系全休） が、 X Y 平面上において、 速度 V X yをもって移動しているとしょう。 第 16図 はこの状態を示すものである。 この状態において、 やはり重錘体 30を 公転軌道 31に沿って運動させ、 点 P 1を通過する瞬間に、 重錘休 30 に作用する X軸方向の力 F X (V X y ) と Y幸由方向の力 F y (V x y) とを測定する。 そして、 基準運動のときの測定値との差 Xおよび厶 F yを、  First, in a state where the vehicle is stationary, the weight rest 3 [] is caused to perform a revolving motion and a rotating motion having a predetermined angular velocity ωζ. In other words, the weight rest 30 is moved along the orbit 31 while the entire three-dimensional coordinate system shown in FIG. 14 is stationary. In this specification, the motion of the weight body when the coordinate system is in a stationary state as described above will be referred to as “reference motion”. Then, at the moment when the weight body 30 passes through the point Ρ1, the force F x (0) in the X-axis direction and the force F y (0) in the Y-axis direction generated at the weight rest 3ϋ are generated. Measure in advance. Next, suppose this vehicle (that is, this XYZ three-dimensional coordinate system is completely closed) is moving on the XY plane at a speed VXY. FIG. 16 shows this state. In this state, the weight body 30 is also moved along the orbit 31 and, at the moment of passing the point P1, the force in the X-axis direction acting on the weight rest 30 FX (VX y) and the Y direction The force F y (V xy) is measured. Then, the differences X and mu F y from the measured values at the time of the reference movement are
Δ F = F (V y) - F x (0) (21) 厶 F y = F y (V x y) - F y (0) (22) として求める。 このような差が生じたのは、 この三次元座標系全体が速 度 V X yをもって移動したために、 この速度 V x yに応じたコリオリカ が発生したからである。 すなわち、 X軸方向の力の差分 Δ F Xは、 X軸 方向のコリオリカ Fco(x) に相当し、 Yii由方向の力の差分厶 F yは、 Y 軸方向のコリオリカ Fco(y) に相当するものであり、 これらの力は、 速 度 V X yの X铀方向成分を V χ、 ΥίΛ方向成分を V yとすれば、 Δ F x = F co(x) = 2 ♦ m♦ V y ♦ ω z (23) ΔF = F (Vy)-Fx (0) (21) Calculate as Fy = Fy (Vxy)-Fy (0) (22). Such a difference occurred because the entire three-dimensional coordinate system moved at the speed VXy, and Coriolisers corresponding to the speed Vxy occurred. That is, the force difference ΔFX in the X-axis direction is equivalent to the Coriolis Fco (x) in the X-axis direction, and the force difference Fy in the Yii-direction is equivalent to the Corioliska Fco (y) in the Y-axis direction. These forces are expressed as follows: If the X 铀 component of the velocity VX y is V χ and the ΥίΛ component is V y, Δ F x = F co (x) = 2 ♦ m ♦ Vy ♦ ωz (23)
Δ F y = F co(y) = 2 ♦ m · V x · ω z (24) で表される。 ここで、 重錘体 3 0の質量 mおよび角速度 ω zは既知であ るから、 差分 Δ F χ， Δ F yを測定することができれば、 車両の移動速 度 V x yの X ili方向成分 V xおよび Y $由方向成分 V yを求めることがで きる。  Δ F y = F co (y) = 2 ♦ m · V x · ω z (24) Here, since the mass m and the angular velocity ω z of the weight body 30 are known, if the differences Δ F χ and Δ F y can be measured, the moving velocity V xy of the vehicle in the Xili direction component V The x and Y $ directional components V y can be determined.
結局、 重錘休 3 0が点 P 1を通過する瞬間に、 この重錘休 3 0に作用 する X紬方向の力 F Xと Y幸由方向の力 F yとを測定し、 基準運動時に得 られたこれらの値との差分 Δ F X , A F yを求めれば、 車両の移動速度 V X yの各軸方向成分 V X , V yが得られることになる。 この検出原理 は、 点 P 1において、 力 F Xが接線方向に作用する力であり、 力 F y力 半径方向に作用する力であることを考慮すれば、 既に S 3において述べ た検出原理と等価であることが理解できょう。  After all, at the moment when the weight rest 30 passes the point P1, the force FX in the X-pong direction and the force Fy in the Y-huge direction acting on the weight rest 30 are measured and obtained during the reference movement. If the differences ΔFX, AFy from these obtained values are obtained, the axial components VX, Vy of the moving speed VXy of the vehicle can be obtained. This detection principle is equivalent to the detection principle already described in S3, considering that at point P1, the force FX is a force acting in the tangential direction and the force Fy force is a force acting in the radial direction. I understand that it is.
なお、 実用上は、 上述した式（23)や式（24)に基く演算を行って速度 V X , V yを求める代わりに、 測定された差分 Δ F X , Δ F yの値を、 別 な速度センサによってキヤリブレーションして出力すればよい。  In practice, instead of calculating the velocities VX and Vy by performing calculations based on the above-described equations (23) and (24), the values of the measured differences ΔFX and ΔFy are converted to different speeds. What is necessary is just to calibrate and output by a sensor.
以上、 重錘休 3 0が点 P 1を通過する瞬間に作用する力を測定するこ とにより速度検出を行う原理を説明したが、 他の点 P 2， P 3 , P 4を 通過する瞬間に重錘体 3 0に作用する X軸方向の力 F Xおよび Y軸方向 の力 F yを用いても、 全く同様の速度検出が可能である。 これら 4点に ついての速度検出結果を平均するようにすれば、 より正確な速度検出が 期待できる。 また、 これら 4点に限らず、 公転軌道 3 1上の任意の点に おいて重錘体 3 0に作用する X軸方向の力 F Xおよび Y铀方向の力 F y を用いても、 全く同じ原理に基く速度検出が可能である。 要するに、 三 次元座標系全体が静止している場台と、 所定速度 Vで移動している場台 とについて、 所定の同一観測点において重錘体 3 0に作用した X軸方向 の力 F Xと Y軸方向の力 F yとを測定し、 2つの場合の差分 A F x， Δ F yを求めることができれば、 上述の原理に基いて、 速度 Vの X 由方向 成分 V Xと Υ軸方向成分 V yとが求まることになる。 The principle of speed detection by measuring the force acting at the moment when the weight rest 30 passes the point P1 has been described above. However, the principle at which the weight rest 30 passes the other points P2, P3, and P4 has been described. By using the force FX in the X-axis direction and the force Fy in the Y-axis direction acting on the weight body 30, the same speed detection is possible. By averaging the speed detection results for these four points, more accurate speed detection can be expected. In addition to these four points, the same applies when using the force FX in the X-axis direction and the force Fy in the Y 铀 direction acting on the weight body 30 at any point on the orbit 31. Speed detection based on the principle is possible. In short, three The force FX in the X-axis direction and the Y-axis direction acting on the weight body 30 at the same specified observation point at the same fixed stand at the fixed stage and the moving stage at the predetermined speed V If the difference AFx and ΔFy in the two cases can be determined by measuring the force Fy of the two cases, the X-direction component VX and the Υ-axis direction component Vy of the velocity V can be calculated based on the above principle. Will be asked.
以上、 第 1 6図を参照しながら、 X 由方向の速度成分 V Xおよび Y軸 方向の速度成分 V yを検出できる二次元速度センサの動作原理を示した が、 この原理を拡張すれば、 更に、 Z軸方向の速度成分 V Zを検出でき る三次元速度センサを実現することも可能である。 第] 6図に示す二次 元速度センサは、 第 1図に示す検出原理と、 第 2図に示す検出原理と、 の双方を利用できる速度センサであり、 重錘体 3 0を Z 由に平行な自転 軸に関してのみ回転駆動できれば十分であった。 これに対して、 三次元 速度センサでは、 第 1図〜第 3図に示す 3とおりの検出原理をすベて利 用する必要がある。 そのためには、 上述した二次元速度センサの機能に 加えて、 更に、 重錘体 3 0を X軸に平行な自転軸に関して回転駆動する 機能を付加すればよい。 The operating principle of the two-dimensional speed sensor capable of detecting the velocity component VX in the X-direction and the velocity component Vy in the Y-axis direction has been described above with reference to FIG. 16. it is also possible to realize a three-dimensional velocity sensor that can detect a velocity component V Z of the Z-axis direction. The two-dimensional speed sensor shown in FIG. 6 is a speed sensor that can use both the detection principle shown in FIG. 1 and the detection principle shown in FIG. It was sufficient to be able to drive only the parallel rotation axes. On the other hand, three-dimensional velocity sensors need to use all three detection principles shown in Figs. For that purpose, in addition to the function of the two-dimensional speed sensor described above, a function of rotating and driving the weight body 30 about a rotation axis parallel to the X axis may be added.
この場台、 この三次元速度センサは、 2とおりの測定モードを有する ことになる。 第 1の測定モー ドは、 X軸方向の速度成分 V Xおよび Y軸 方向の速度成分 V yを検出するモ—ドであり、 第 1 6図に示すように、 重錘体 3 0を Z軸に平行な軸に関して角速度 ω ζで自転させた状態にお いて、 重錘体 3 ϋに作用する X軸方向の力 F Xと Y flll方向の力 F yとを 検出し、 上述した方法によって、 速度成分 V Xおよび V yを求めるモー ドである。 これは、 上述した二次元速度センサの動作そのものである。 これに対し、 第 2の測定モードは、 由方向の速度成分 V zを検出す  On this stage, the three-dimensional speed sensor has two measurement modes. The first measurement mode is a mode for detecting the velocity component VX in the X-axis direction and the velocity component Vy in the Y-axis direction. As shown in FIG. 16, the weight body 30 is moved along the Z-axis. In the state of rotation at an angular velocity ω に 関 し て about an axis parallel to, the force FX in the X-axis direction and the force F y in the Y flll direction acting on the weight body 3 検 出 are detected, and the speed is determined by the method described above. In this mode, the components VX and Vy are determined. This is the operation itself of the two-dimensional speed sensor described above. On the other hand, the second measurement mode detects the velocity component Vz in the free direction.
0 一 るモードである。 すなわち、 第 1 7図に示すように、 Y Z平面内に公転 軌道 3 3を定義し、 重錘休 3 0を X軸に平行な铀に関して角速度 ω Xで 自転させながら、 この Υ Ζ平面内の公転軌道 3 3上を角速度 Ω Xで公転 運動させる。 そして、 たとえば、 点 P 1において、 重錘休 3 0に作用す る Υ軸方向の力 F yの差分 Δ F yを検出すればよい。 すなわち、 この三 次元座標系が静止状態を保っているときの力 F y ( 0 ) と、 この三次元 座標系が Z寧由方向に速度 V zで移動しているときの力 F y ( V z ) と、 の差分 yを求める。 このような差分 yが生じたのは、 速度 V z に応じたコリオリカ F co(y) が発生したからである。 すなわち、 得られ た差分 A F yは、 Y軸方向のコリオリカ F co(y) に相当するものであり、 0 one Mode. In other words, as shown in FIG. 17, a revolving orbit 33 is defined in the YZ plane, and the weight rest 30 is rotated at an angular velocity ω X with respect to 铀 parallel to the X axis, while rotating in the YZ Ζ plane. Orbital orbit 3 Orbital motion at angular velocity Ω X on 3. Then, for example, at the point P 1, the difference ΔF y of the 力 -axis direction force F y acting on the weight rest 30 may be detected. That is, the force F y (0) when the three-dimensional coordinate system is kept stationary and the force F y (V when the three-dimensional coordinate system is moving at the speed V z in the Z direction. z) and the difference y between. Such a difference y occurs because the Coriolis Fco (y) corresponding to the velocity V z occurs. That is, the obtained difference AF y is equivalent to Coriolisa F co (y) in the Y-axis direction,
Δ F y = F co(y) = 2 · m♦ V z · ω x (25) で表される。 ここで、 重錘体 3 0の質量 mおよび角速度 ω Xは既知であ るから、 差分 Δ F yを測定することができれば、 速度 V zを求めること ができる。  Δ F y = F co (y) = 2 · m ♦ V z · ω x (25) Here, since the mass m and the angular velocity ω X of the weight 30 are known, if the difference ΔF y can be measured, the velocity V z can be obtained.
第 1の測定モー ドでは、 重錘体 3 0を Z軸まわりに回転駆動する必要 があり、 第 2の測定モー ドでは、 重錘体 3 0を X i lまわりに回転駆動す る必要があるため、 両则定モー ドを同時に実行することはできないが、 これらの測定モードを時分割して切り替えるようにすれば、 各軸につい ての速度成分 V x , V y , V zを周期的に検出することが可能である。  In the first measurement mode, the weight 30 needs to be driven to rotate around the Z axis. In the second measurement mode, the weight 30 needs to be driven to rotate around Xil. Therefore, both measurement modes cannot be executed at the same time.However, if these measurement modes are switched in a time-division manner, the velocity components V x, V y, and V z for each axis are periodically changed. It is possible to detect.
§ 6 . 重錘体が往復運動をする速度センサの基本原理 § 6. Basic principle of speed sensor with reciprocating weight
前述した § 3および § 5では、 重錘休が公転運動をする速度センサに ついての基本原理を述べた。 たとえば、 第 1 6図に示すモデルでは、 重 錘休 3 0が円周状の公転軌道 3 1に沿って、 周回運動を行うことになる, しかしながら、 公転軌道 3 1 は必ずしも一巡する周回軌道である必要は なく、 たとえば、 円弧状の軌道上を重錘体が往復運動するようにしても 力、まわない。 In §3 and §5 described above, the basic principle of the speed sensor in which the weight rest makes a revolving motion was described. For example, in the model shown in Fig. 16, the weight rest 30 performs a revolving motion along the circumferential orbit 31. However, the orbit 31 is not necessarily a circular orbit. For example, even if the weight reciprocates on an arc-shaped orbit, the revolving orbit does not matter.
その概念を、 第 1 6図のモデルを用いて簡単に説明してみょう。 いま、 第 1 6図における点 P 1を重錘体 3 0が通過する瞬間において、 重錘体 3 0に対して X 由方向に作用する力 F Xと Y l方向に作用する力 F yと を何らかの方法で検出できたとする。 すると、 既に述べた原理により、 この座標系全休の X 由方向の移動速度 V Xと Y紬方向の移動速度 V yと を求めることができる。 したがって、 点 P 1を重錘休 3 0が通過する現 象だけが観測できれば、 これらの速度検出が可能なことがわかるであろ う。 すなわち、 重錘休 3 0は、 必ずしも周回運動を行っている必要はな い。 少なく とも、 重錘体 3 0が点 P 1の近傍を往復運動している状態に おいて、 点 P 1を通過する瞬間に X軸方向に作用する力 F Xおよび Y軸 方向に作用する力 F yを何らかの方法で測定することができればよいの である。  Briefly explain the concept using the model in Fig. 16. At the moment when the weight body 30 passes through the point P1 in FIG. 16, the force FX acting on the weight body 30 in the X-direction and the force Fy acting on the Yl direction are calculated. Suppose that it could be detected by some method. Then, the moving speed VX in the X-free direction and the moving speed Vy in the Y-pong direction of this coordinate system can be obtained according to the principle already described. Therefore, if only the phenomenon where the weight rest 30 passes through the point P1 can be observed, it will be understood that these speeds can be detected. That is, the weight rest 30 does not necessarily have to perform the orbital movement. At least, the force acting in the X-axis direction FX and the force acting in the Y-axis direction F at the moment of passing through the point P1 while the weight body 30 is reciprocating near the point P1 It just needs to be able to measure y in some way.
第 1 8図は、 このような往復運動を行う重錘体を用いた速度センサの 基本原理を示す図である。 重錘休 4 0は、 アーム 4 1の下端に固着され ており、 アーム 4 1の上端は、 座標系の原点 0の位置において回転自在 に枢着されている。 したがって、 アーム 4 1の実効長を rとすれば、 重 錘休 4 0は、 原点 0を中心とした半径 rの円弧軌道 4 2に沿って移動す ることができる。 このような重錘休の支持構造は、 前述した 「単純支持 系」 になる。 ここでは、 後述する § 1 2以下の実施例における座標系と 整台性をとるために、 図示のように、 紙面が X Z平面となるように、 X Y Z三次元座標系を定義し、 点 P 1から点 P 2に至る円弧軌道 4 2に沿  FIG. 18 is a diagram showing a basic principle of a speed sensor using a weight body that performs such a reciprocating motion. The weight rest 40 is fixed to the lower end of the arm 41, and the upper end of the arm 41 is rotatably pivoted at the position of the origin 0 of the coordinate system. Therefore, assuming that the effective length of the arm 41 is r, the weight rest 40 can move along an arc trajectory 42 having a radius r around the origin 0. Such a supporting structure of the weight rest becomes the “simple supporting system” described above. Here, in order to obtain a coordinate system with the coordinate system in the embodiments described below in §12 below, an XYZ three-dimensional coordinate system is defined so that the paper surface is an XZ plane as shown in FIG. Along the circular orbit 4 2 from
2 一 つて、 重錘体 4 0が往復振り子運動を行う場合を考える。 ここで、 ァ一 ム 4 1 の質量を無視すれば、 重錘体 4 0の重心 Gが、 円弧軌道 4 2上を 角速度 ω yで運動しているモデルとして取り扱うことができる。 重錘体 4 0は Y軸のまわりを角速度 o> yで回転運動することになる力《、 単純支 持系であるため、 重錘体 4 0は原点 0のまわりを角速度 ω yで公転する とともに、 重心 Gを軸として角速度 ω yで自転することになる。 なお、 本願においては、 「自転」 あるいは 「公転」 という文言を、 必ずしも 3 6 0 ° の 1回転を意味する文言としてではなく、 1回転に至らない部分 的な回転をも含めた意味をもつ文言として用いることにする。 2 one Let us consider a case where the weight body 40 performs a reciprocating pendulum motion. Here, if the mass of the arm 41 is ignored, it can be treated as a model in which the center of gravity G of the weight body 40 moves on the circular arc orbit 42 at an angular velocity ωy. The weight body 40 revolves around the Y-axis at an angular velocity o> y. <Because it is a simple support system, the weight body 40 revolves around the origin 0 at an angular velocity ω y At the same time, it rotates at the angular velocity ω y around the center of gravity G. In the present application, the term “rotation” or “revolution” is not necessarily a word meaning one rotation of 360 °, but has a meaning including a partial rotation that does not reach one rotation. Will be used.
この往復振り子運動では、 角速度 ω yは一定ではなく、 周期的に変化 する量になる。 すなわち、 円弧軌道 4 2の両端点 P 1 , P 2では、 角速 度 co yは零になり、 中央点 P 0では、 角速度 ω yは最大値になる。 ここ では、 図示のように、 重錘体 4 0が点 P 0から点 P 1に向かって角度 0 だけ隔たった観測点 P 3にきた瞬間の現象を考えてみる。 いま、 この観 測点 P 3において、 重錘体 4 0に作用する X軸方向の力 F Xと、 Z軸方 向の力 F zと、 をそれぞれ測定する何らかの測定手段が設けられていた とする。 すると、 この測定手段を用いて、 この座標系全体の X軸方向の 移動速度 V Xと Z軸方向の移動速度 V zとを測定することが可能になる。 以下にその測定手順を説明する。 具体的には、 この第 1 8図に示されて いる運動系を収容したセンサ筐休全体を所定速度で移動させたときに、 この移動速度の X铀方向成分 V Xと Z * i方向成分 V zとを検出する原理 を説明しょう。  In this reciprocating pendulum motion, the angular velocity ω y is not constant but an amount that changes periodically. That is, at both end points P 1 and P 2 of the arc trajectory 42, the angular velocity co y becomes zero, and at the center point P 0, the angular velocity ω y becomes the maximum value. Here, consider the phenomenon at the moment when the weight body 40 comes to the observation point P3 which is separated from the point P0 to the point P1 by an angle 0 as shown in the figure. Now, at this observation point P 3, it is assumed that some measuring means for measuring the force FX acting on the weight body 40 in the X-axis direction and the force F z in the Z-axis direction is provided. . Then, using this measuring means, it is possible to measure the moving speed V X in the X-axis direction and the moving speed V z in the Z-axis direction of the entire coordinate system. Hereinafter, the measurement procedure will be described. Specifically, when the entire sensor housing accommodating the motion system shown in FIG. 18 is moved at a predetermined speed, the X 铀 direction component VX and the Z * i direction component V Let me explain the principle of detecting z.
まず、 このセンサ筐体を静止させた状態において、 重錘休 4 0に所定 の角速度 ω yをもった往復振り子運動をさせる。 この運動は静止座標系 での運動なので、 「基準運動」 である。 そして、 重錘体 40が観測点 P 3を通過する瞬間において、 前述の測定手段を用いて、 重錘体 40に作 用する X$由方向の力 F x (0) と Z軸方向の力 F z (0) とを予め測定 しておく。 First, in a state where the sensor housing is stationary, a reciprocating pendulum motion having a predetermined angular velocity ωy is performed on the weight rest 40. This motion is a stationary coordinate system It is a "standard exercise" because it is an exercise in. Then, at the moment when the weight body 40 passes the observation point P3, the force F x (0) acting in the X $ direction and the force acting in the Z axis direction acting on the weight body 40 using the above-described measuring means. F z (0) is measured in advance.
次に、 このセンサ筐体 （すなわち、 この座標系全休） 力;'、 XZ平面上 において、 速度 V X zをもって移動している場台を考える。 この場台に おいて、 やはり重錘体 4◦を公転軌道 42に沿って往復振り子運動させ、 同じ観測点 P 3を通過する瞬間に、 重錘体 40に作用する X紬方向の力 F x (V X z ) と Z$由方向の力 F z (V X z ) とを測定する。 そして、 基準運動のときの測定値との差 Δ F Xおよび Δ F zを、  Next, consider a platform that is moving at a speed V X z on the XZ plane with this sensor housing (that is, the rest of this coordinate system). At this stage, the weight body 4◦ is also reciprocally pendulum moved along the orbit 42, and at the moment of passing through the same observation point P3, the force F x acting on the weight body 40 in the X direction. (VX z) and the force F z (VX z) in Z $ direction. Then, the differences ΔF X and ΔF z from the measured values during the reference motion are
Δ F X = F X ( V X z ) - F x (0) (26) Δ F z = F z (V X z ) 一 F z (0) (27) として求める。 このような差が生じたのは、 この座標系全休が速度 V x zをもって移動したために、 この速度 V X zに応じたコリオリカが発生 したからである。 すなわち、 X軸方向の力の差分 Δ F Xは、 X軸方向の コリオリカ Fco(x) に相当し、 Z軸方向の力の差分 Δ F zは、 Z ili方向 のコリオリカ Fco(z) に相当するものであり、 これらの力は、 速度 V x zの X軸方向成分を V x、 Z軸方向成分を V zとすれば、  Δ F X = F X (V X z)-F x (0) (26) Δ F z = F z (V X z) One F z (0) (27). Such a difference occurs because the entire rest of the coordinate system moves at the speed Vxz, and a Corioliser corresponding to the speed VXz is generated. That is, the force difference ΔFX in the X-axis direction is equivalent to Corioliser Fco (x) in the X-axis direction, and the force difference ΔFz in the Z-axis direction is equivalent to Corioliser Fco (z) in the Zili direction. These forces are expressed as follows: If the X-axis component of the velocity V xz is V x and the Z-axis component is V z,
厶 F X = F co(x) = 2 · m · V z · ω y (28) Δ F z = F co(z) = 2 ♦ m · V x · ω y (29) で表される。 ここで、 重錘体 40の質量 mおよび観測点 P 3通過時にお ける角速度 ω yは既知であるから、 差分 Δ F x, Δ F zを測定すること ができれば、 センサ筐体の移動速度 V X zの Xfrti方向成分 V Xおよび Z 幸由方向成分 V Zを求めることができる。 結局、 重錘休 4 0が任意の観測点 P 3を通過する瞬間に、 この重錘体 4 0に作用する X $由方向の力 F Xと Z iifi方向の力 F zとを測定し、 基準 運動時に得られたこれらの値との差分 Δ F X， A F zを求めれば、 セン サ筐体の移動速度 V X zの各軸方向成分 V X , V zが得られることにな る。 なお、 実用上は、 上述した式（28)や式（29)に基く演算を行って速度 V X , V zを求める代わりに、 測定された差分 Δ F x， A F zの値を、 別な速度センサによってキヤリブレーションして出力すればよい。 FX = F co (x) = 2 · m · V z · ω y (28) Δ F z = F co (z) = 2 ♦ m · V x · ω y (29) Here, since the mass m of the weight body 40 and the angular velocity ω y when passing through the observation point P 3 are known, if the differences ΔF x and ΔF z can be measured, the moving speed VX of the sensor housing is obtained. it can be obtained Xfrti direction component VX and Z SaiwaiYukari direction component V Z of z. After all, at the moment when the weight rest 40 passes the arbitrary observation point P3, the force FX acting in the X $ direction acting on the weight body 40 and the force Fz acting in the Ziifi direction are measured, and the reference is measured. If the differences ΔFX and AFz from these values obtained during exercise are obtained, the axial components VX and Vz of the sensor housing moving speed VXz can be obtained. In practice, instead of calculating the speeds VX and Vz by performing the calculations based on the above-mentioned equations (28) and (29), the values of the measured differences ΔFx and AFz are converted to different speeds. What is necessary is just to calibrate and output by a sensor.
結局、 第 1 8図に示すような往復振り子運動系によって、 X軸方向の 速度成分 V xと Z軸方向の速度成分 V zとを検出することが可能な二次 元速度センサを構成することができる。 すなわち、 筐体 2 2内に、 第 1 8図に示す運動系全体を収容し、 重錘体 4 0が Y軸まわりに回転自在に なるように支持する。 そして、 駆動手段 2 3によって、 重錘休 4 0を円 弧軌道 4 2に沿って往復振り子運動させ、 検出手段 2 4によって、 重錘 体 4 0に作用する X 由方向の力 F Xと Z铀方向のカ F zとを任意の観測 点で検出すれば、 演算手段 2 5は、 筐体 2 2が静止しているときの基準 運動のときの検出値との差分 X , A F zに基いて、 筐体 2 2の X軸 方向の速度成分 V Xと Z紬方向の速度成分 V zとを演算もしくはこの演 算と等価なキヤリブレ一ションにより求めることができる。  Eventually, a two-dimensional velocity sensor capable of detecting the velocity component V x in the X-axis direction and the velocity component V z in the Z-axis direction by a reciprocating pendulum motion system as shown in Fig. 18 is constructed. Can be. That is, the entire motion system shown in FIG. 18 is accommodated in the housing 22, and the weight body 40 is supported so as to be rotatable around the Y axis. Then, the weight rest 40 is reciprocally pendulum-moved along the circular orbit 42 by the driving means 23, and the force FX and Z 铀 acting on the weight body 40 by the detecting means 24 are applied. If the force Fz in the direction is detected at an arbitrary observation point, the calculating means 25 calculates the difference X, AFz from the detected value at the time of the reference motion when the housing 22 is stationary. The velocity component VX in the X-axis direction and the velocity component Vz in the Z-axis direction of the casing 22 can be obtained by calculation or by a calibration equivalent to this calculation.
以上、 第 1 8図を参照しながら、 X铀方向の速度成分 V Xおよび Z蚰 方向の速度成分 V zを検出できる二次元速度センサの動作原理を示した が、 この原理を拡張すれば、 更に、 Y軸方向の速度成分 V yを検出でき る三次元速度センサを実現することも可能である。 これを第】 9図およ び第 2 0図を参照しながら説明しょう。 第 1 9図は、 第 ] 8図に示す運 動系とほぼ同じ運動系を示す斜視図である。 この第 1 9図に示す運動系 では、 重錘 ί本 5 ϋはアーム 5 1の下端に固着されており、 アーム 5 1の 上端は、 Z 由上の支持点 Qにおいて回転自在に支持されている。 いま、 この運動系を、 X Z平面内で往復振り子運動させた場台を考える。 する と、 重錘体 5 0は、 アーム 5 1の実効長 rを半径とする円弧軌道 5 2に 沿って往復運動することになる。 円弧軌道 5 2は両端点 P 1， P 2の間 に形成される経路であり、 この運動は、 第 1 8図に示す運動と等価にな る。 したがって、 この往復振り子運動中に、 重錘体 5 0に作用する X軸 方向の力 F Xおよび Z拳由方向の力 F zを何らかの方法で検出することが できれば、 この運動系全体の X lll方向の速度成分 V Xおよび Z軸方向の 速度成分 V zを求めることができる。 The operating principle of the two-dimensional speed sensor capable of detecting the speed component VX in the X 铀 direction and the speed component Vz in the Z 蚰 direction has been described above with reference to FIG. 18. It is also possible to realize a three-dimensional speed sensor capable of detecting the speed component Vy in the Y-axis direction. This will be explained with reference to FIGS. 9 and 20. FIG. 19 is a perspective view showing a movement system substantially the same as the movement system shown in FIG. The motor system shown in Fig. 19 In this example, the weight “5” is fixed to the lower end of the arm 51, and the upper end of the arm 51 is rotatably supported at a support point Q over Z. Now, let's consider a platform that reciprocates this motion system in the XZ plane. Then, the weight body 50 reciprocates along an arc trajectory 52 having a radius equal to the effective length r of the arm 51. The circular arc orbit 52 is a path formed between the end points P 1 and P 2, and this movement is equivalent to the movement shown in FIG. Therefore, during this reciprocating pendulum motion, if the force FX in the X-axis direction acting on the weight body 50 and the force Fz in the Z-fist direction can be detected by some method, the Xll direction in the entire motion system can be detected. The velocity component VX and the velocity component Vz in the Z-axis direction can be obtained.
この速度センサを三次元速度センサとして利用できるようにするには、 この往復振り子運動の運動面を Z軸に関して回転させる機能を付加して おけばよい。 第 2 0図は、 この回転機能を説明するための上面図である。 第 1 9図に示す円弧軌道 5 2は、 第 2 0図においては、 X軸に重なった 軌道になる。 すなわち、 X Z平面内での往復振り子運動は、 この第 2 0 図の上では、 X軸に沿った左右の往復運動になる。 ここで、 第 1 9図に 示す支持点 Qを Z軸を回転軸として少しずつ回転させた場合を考える。 たとえば、 上方からみて反時計まわりに回転させたとすると、 往復振り 子運動の運動面は、 第 2 0図に示すように、 X Z平面から、 W 1平面、 W 2平面、 …と徐々に変化してゆき、 やがて Y Z平面が運動面になる。 ここで、 円軌跡 5 3は、 端点 P I , P 2の軌跡を示すものである。 運動 面が Y Z平面に移ると、 重錘体 5 0の通る円弧軌道 5 4は、 第 2 0図の 上では、 Y軸に沿った軌道になり、 重錘体 5 0の運動を上方から見ると、 Y軸に沿った上下の往復運動になる。 别言すれば、 この円弧軌道 5 4に 沿つた往復振り子運動は、 X軸まわりの角速度 ω Xをもった運動という ことになる。 したがって、 このような往復振り子運動中に、 重錘休 5 0 に作用する Ζ幸由方向の力 F ζを何らかの方法で検出することができれば、 この力 F ζについて、 基準運動のときの測定値との差分 Δ F ζを求め、 この差分を Ζ軸方向のコリオリカ F co(z) に相当するものとし、 In order to use this speed sensor as a three-dimensional speed sensor, a function of rotating the motion surface of the reciprocating pendulum motion about the Z axis may be added. FIG. 20 is a top view for explaining this rotation function. The arc trajectory 52 shown in FIG. 19 is a trajectory overlapping the X axis in FIG. In other words, the reciprocating pendulum motion in the XZ plane is a left and right reciprocating motion along the X axis in FIG. Here, consider the case where the support point Q shown in FIG. 19 is gradually rotated about the Z axis as the rotation axis. For example, if it is rotated counterclockwise as viewed from above, the plane of reciprocating pendulum motion gradually changes from the XZ plane to the W1 plane, the W2 plane,… as shown in Fig. 20. Eventually, the YZ plane becomes the motion plane. Here, the circular locus 53 indicates the locus of the end points PI and P2. When the motion plane moves to the YZ plane, the circular arc trajectory 54 passing through the weight body 50 becomes a trajectory along the Y axis in FIG. 20 and the movement of the weight body 50 is viewed from above. And the reciprocating movement up and down along the Y axis. In other words, this circular orbit 54 The reciprocating pendulum along the axis is a motion having an angular velocity ω X about the X axis. Therefore, during such a reciprocating pendulum motion, if the {force in the fortunate direction F} acting on the weight rest 50 can be detected in some way, the measured value of this force F と き during the reference motion , And this difference corresponds to the Coriolisa F co (z) in the Ζ-axis direction.
Δ F z = F co(z) = 2 · m · V y · ω X (30) なる式を用いて、 この運動系全体の Υ軸方向の速度成分 V yを求めるこ とができる。  The velocity component Vy in the Υ-axis direction of the entire motion system can be obtained by using the following equation: ΔFz = Fco (z) = 2 · m · Vy · ωX (30)
このように、 重錘体 5 0を所定の運動面内において往復振り子運動さ せ、 この運動面を徐々に回転させてゆくようにすれば、 三次元速度セン サを実現することができる。 すなわち、 運動面が X Z平面に重なったと きに （重錘体 5 0が Y f.由まわりの角速度 ω yをもって運動しているとき に） 、 重錘休 5 0に作用する X $由方向の力 F Xを検出すれば、 この運動 系全体の Z軸方向の移動速度 V zを求めることができ、 重錘体 5 0に作 用する Z軸方向の力 F zを検出すれば、 この運動系全体の X軸方向の移 動速度 V Xを求めることができる。 また、 運動面が Y Z平面に重なった ときに （重錘体 5 0が X軸まわりの角速度 ω Xをもって運動していると きに） 、 重錘休 5 0に作用する Ζ ΐ由方向の力 F ζを検出すれば、 この運 動系全体の Υ軸方向の移動速度 V yを求めることができる。  As described above, a three-dimensional speed sensor can be realized by causing the weight body 50 to reciprocate in a predetermined motion plane and to gradually rotate the motion plane. That is, when the motion plane overlaps the XZ plane (when the weight body 50 is moving at an angular velocity ω y around Y f.), The X If the force FX is detected, the movement velocity V z in the Z-axis direction of the entire motion system can be obtained.If the force F z in the Z-axis direction acting on the weight body 50 is detected, the motion system can be obtained. The moving speed VX in the entire X-axis direction can be obtained. Also, when the motion plane overlaps the YZ plane (when the weight body 50 is moving with the angular velocity ωX around the X axis), the force acting on the weight rest 50 is Ζ the force in the free direction. If F ζ is detected, the moving speed V y in the Υ-axis direction of the entire driving system can be obtained.
なお、 重錘体 5◦の往復運動経路は、 必ずしも円弧である必要はない。 たとえば、 放物線路、 双曲線路、 楕円路であってもよいし、 その他の任 意経路であってもよい。 ただし、 演算手段 2 5は、 重錘体 5 ϋに作用す る所定方向の力の変化をパラメ一夕として用いることにより、 筐体 2 2 の各紬方向の速度成分 V X， V y , V zを演算もしくはキヤリブレーシ ョンで求める必要があるので、 演算あるいはキヤ リブレーショ ンを単純 化するためには、 できるだけ円弧軌道などの単純な経路上を往復運動さ せるようにするのが好ましい。 以下に述べる具体的な実施例は、 いずれ も重錘体をほぼ円弧軌道に沿って往復振り子運動させるタイプのもので ある。 これらの具体的な実施例に係る速度センサでは、 重錘体の公転速 度はかなり大きく、 往復振り子運動と言うよりは、 むしろ振動と言うべ きものになる。 したがって、 ほぼリアルタイムでの連铳的な速度検出が 可能になる。 § 7 . 加速度成分の影響 The reciprocating path of the weight 5 ° does not necessarily have to be a circular arc. For example, it may be a parabolic track, a hyperbolic road, an elliptical road, or any other route. However, the calculating means 25 uses the change of the force acting on the weight body 5 の in the predetermined direction as a parameter to obtain the velocity components VX, V y, V z of the casing 22 in the respective pong directions. Calculation or calibration In order to simplify the calculation or calibration, it is preferable to reciprocate on a simple path such as an arc orbit as much as possible. Each of the specific embodiments described below is of a type in which the weight body is reciprocally pendulum-moved substantially along a circular orbit. In the speed sensors according to these specific embodiments, the revolving speed of the weight body is considerably high, and it can be said that it is not a reciprocating pendulum motion but a vibration. Therefore, continuous speed detection in almost real time becomes possible. § 7. Influence of acceleration component
実は、 これまで述べた動作原理は、 速度の測定対象となる車両などが、 等速直線運動している場台についてのもの、 別言すれば、 車両に対して 加速度が全く作用していない環境下でのものである。 たとえば、 第 1 2 図に示すモデルでは、 重錘体 2 0に対して、 X $由方向に作用する力 F X はコリオリカ F co(x) に等しく、 Y铀方向に作用する力 F yはコリオリ 力 F co(y) に等しい、 という前提で議論を進めてきた。 式（16) , (17)か ら、 式（18) , (19)が導かれたのは、 このような前提によるものである。 ところ力;'、 たとえば X铀方向の加速度 α Xおよび Υ軸方向の加速度 a y が作用している環境下では、  Actually, the operating principle described so far is based on a platform where the vehicle whose speed is to be measured, etc., is moving at a constant speed linearly, in other words, in an environment where no acceleration acts on the vehicle. Below. For example, in the model shown in Fig. 12, the force FX acting on the weight body 20 in the X $ free direction is equal to Coriolis Fco (x), and the force Fy acting in the Y 铀 direction is Coriolis The discussion has been advanced on the premise that it is equal to the force F co (y). Equations (18) and (19) are derived from Equations (16) and (17) based on this assumption. However, in an environment where a force; ', for example, an acceleration α X in the X 铀 direction and an acceleration a y in the Υ axis direction are acting,
F x = F co(x) + m · α (31 )  F x = F co (x) + mα (31)
F y = F co(y) + m · a y (32)  F y = F co (y) + m
となるため、 コリオリカ F co(x) , F co(y) を求めるためには、 測定で 得られた F X , F yから、 それぞれ加速度に基く力成分 （m♦ a X ) ， ( m♦ a y ) を差し引く必要がある。 もちろん、 ほぼ等速直線運動に近似できる運動を行っている航空機な どの速度検出では、 このような加速度の影響は少ないため、 加速度に基 く力成分 （m ♦ α X ) ， ( m · a y ) を無視して、 式（18) , ( 19)をその まま適用してもかまわない。 しかしながら、 速度の増減が激しい車両や、 進行方向の変化が激しい車両において、 正確な速度検出を行うには、 こ のような加速度に基く力成分を差し引く補正を行う必要がある。 Therefore, in order to obtain Coriolisers F co (x) and F co (y), force components (m ♦ a X) and (m ♦ ay) based on acceleration are obtained from FX and F y obtained by measurement. ) Must be subtracted. Of course, in the speed detection of an aircraft that is performing a motion that can be approximated to a substantially constant-velocity linear motion, such an influence of the acceleration is small, so the force components (m ♦ αX), (m · ay) based on the acceleration Equations (18) and (19) may be applied as is, ignoring. However, it is necessary to perform such a correction to subtract the force component based on the acceleration in order to accurately detect the speed of a vehicle whose speed greatly changes or a vehicle whose direction of travel changes drastically.
このような事情は、 第 1 6図に示した公転運動を行うモデルや第 1 8 図に示した往復振.り子運動を行うモデルでも全く同様である。 各蚰方向 の力 F x , F y , F zを測定する以上、 各紬方向の加速度の影響は避け られない。  Such a situation is completely the same in the model performing the orbital motion shown in FIG. 16 and the model performing the reciprocating pendulum motion shown in FIG. Since the forces F x, F y, and F z in each direction are measured, the influence of the acceleration in each direction is inevitable.
もっとも、 現在では、 非常に精度の高い種々の多次元加速度センサが 市販されているので、 このような多次元加速度センサを用いて、 加速度 X , a y , α ζを検出し、 補正を行うようにすれば、 本発明に係る速 度センサを実用化する上では何ら支障は生じない。 具体的には、 別途に 設けた加速度センサの加速度実測値を、 演算手段 2 5に与え、 作用した 加速度に基く力成分を取り除くような捕正演算を行わせるようにすれば よい。  However, at present, various highly accurate multi-dimensional acceleration sensors are commercially available, and such multi-dimensional acceleration sensors are used to detect and correct the accelerations X, ay, αζ. Then, there is no problem in putting the speed sensor according to the present invention into practical use. Specifically, the actual measurement value of the acceleration sensor provided separately may be given to the calculation means 25 so as to perform a correction calculation for removing a force component based on the applied acceleration.
このように、 たとえ筐体 2 2に対する加速度成分の影響があつたとし ても、 これに対する補正は容易に行うことができるので、 以下の実施例 においても、 加速度の影響がないことを前提とした動作説明を行うこと にする。 なお、 重力加速度については、 地球上ではほぼ一定の値をとる ので、 差分 Δ Fを検出する上では大きな影響はない。 § 8. 圧電素子の一般的な性質 As described above, even if the acceleration component has an influence on the housing 22, it can be easily corrected, and therefore, in the following embodiments, it is assumed that there is no influence of the acceleration. The operation will be explained. Note that the gravitational acceleration has a substantially constant value on the earth, so there is no significant effect in detecting the difference ΔF. § 8. General properties of piezoelectric elements
本発明に係る速度センサでは、 第 4図にその基本構成を示したように、 重錘体 2 0に対して自転運動を行わせるための駆動手段 2 3と、 重錘体 2 0に対して所定方向に作用するコリオリカを検出する検出手段 2 4と、 が必要になる。 本願発明者は、 このような駆動手段 2 3および検出手段 2 4として、 圧電素子が非常に適した材料であると認識している。 一般 に、 圧電素子は、 所定方向に力を加えると所定極性の電荷が発生する性 質を有し、 逆に、 所定極性の電荷を供給すると所定方向に力が発生する 性質を有する。 前者の性質は、 検出手段 2 4として利用することができ、 後者の性質は、 駆動手段 2 3として利用することができる。  In the velocity sensor according to the present invention, as shown in FIG. 4, the driving means 23 for causing the weight body 20 to perform a rotational motion, and the weight body 20 Detecting means 24 for detecting Coriolisa acting in a predetermined direction is required. The present inventor has recognized that a piezoelectric element is a very suitable material for such a driving means 23 and a detecting means 24. In general, a piezoelectric element has a property of generating a charge of a predetermined polarity when a force is applied in a predetermined direction, and has a property of generating a force in a predetermined direction when a charge of a predetermined polarity is supplied. The former property can be used as the detecting means 24, and the latter property can be used as the driving means 23.
ただ、 圧電素子のこのような性質に関与する力の方向や電荷の極性は、 個々の圧電素子のもつ分極特性によってそれぞれ異なる。 ここでは、 第 2 1図（a) , (b) および第 2 2図（a) , (b) を参照して、 代表的な圧電 素子の固有の性質を説明する。 これらの図には、 圧電素子 P E 1もしく は P E 2の側断面図が示されており、 各圧電素子の上面には上部電極層 Aが形成され、 下面には下部電極層 Bが形成されている。  However, the direction of the force and the polarity of the charge that contribute to such properties of the piezoelectric element differ depending on the polarization characteristics of the individual piezoelectric elements. Here, the inherent properties of typical piezoelectric elements will be described with reference to FIGS. 21 (a) and (b) and FIGS. 22 (a) and (b). These figures show side sectional views of the piezoelectric element PE1 or PE2, in which an upper electrode layer A is formed on the upper surface of each piezoelectric element and a lower electrode layer B is formed on the lower surface. ing.
まず、 第 2 1図（a) , (b) に示す圧電素子 P E 1の性質を説明しょう。 この圧電素子 P E 1は、 第 2 1図（a) に矢印で示すように、 横に伸びる 方向の力を外部から加えた場合には、 上部電極層 A側に正の電荷が、 下 部電極層 B側に負の電荷が、 それぞれ発生し、 逆に、 第 2 1図（b) に矢 印で示すように、 横に縮む方向の力を外部から加えた場台には、 上部電 極層 A側に負の電荷が、 下部電極層 B側に正の電荷が、 それぞれ発生す る。 以上は、 所定方向に力を加えたときに所定極性の電荷が発生する性 質を示したものであるが、 逆に.、 所定極性の電荷を供給すると所定方向 に力が発生する性質も有する。 すなわち、 この圧電素子 P E 1について、 上部電極層 A側に正の電荷を供給し、 下部電極層 B側に負の電荷を供給 すると、 第 2 1図（a) に矢印で示すように、 横に伸びる方向の力が発生 し、 逆に、 上部電極層 A側に負の電荷を供給し、 下部電極層 B側に正の 電荷を供給すると、 第 2 1図（b) に矢印で示すように、 横に縮む方向の 力が発生する。 ここでは、 このような分極特性をもった圧電素子 P E 1 をタイプ Iの圧電素子と呼ぶことにする。 First, let's explain the properties of the piezoelectric element PE 1 shown in Fig. 21 (a) and (b). As shown by the arrow in FIG. 21 (a), when a force in the laterally extending direction is externally applied, the piezoelectric element PE 1 has a positive charge on the upper electrode layer A side and a lower electrode. Negative charges are generated on the layer B side, and conversely, as shown by the arrow in Fig. 21 (b), the upper electrode is applied to the field base to which a laterally contracting force is applied from the outside. A negative charge is generated on the layer A side, and a positive charge is generated on the lower electrode layer B side. The above description shows the property that a charge of a predetermined polarity is generated when a force is applied in a predetermined direction. Conversely, when a charge of a predetermined polarity is supplied, a predetermined direction is generated. It also has the property of generating force. That is, when a positive charge is supplied to the upper electrode layer A side and a negative charge is supplied to the lower electrode layer B side of the piezoelectric element PE1, as shown by an arrow in FIG. When a negative charge is supplied to the upper electrode layer A side and a positive charge is supplied to the lower electrode layer B side, as shown by the arrow in Fig. 21 (b) Then, a force in the direction of contracting laterally is generated. Here, the piezoelectric element PE 1 having such polarization characteristics is referred to as a type I piezoelectric element.
一方、 第 2 2図（a) , (b) に示す圧電素子 P E 2は、 上述の圧電素子 P E 1とはやや異なった性質をもっている。 すなわち、 この圧電素子 P E 2は、 第 2 2図（a) に矢印で示すように、 縦に仲びる方向の力を外部 から加えた場台には、 上部電極層 A側に正の電荷が、 下部電極層 B側に 負の電荷が、 それぞれ発生し、 逆に、 第 2 2図（b) に矢印で示すように、 縦に縮む方向の力を外部から加えた場台には、 上部電極層 A側に負の電 荷が、 下部電極層 B側に正の電荷が、 それぞれ発生する。 以上は、 所定 方向に力を加えたときに所定極性の電荷が発生する性質を示したもので あるが、 逆に、 所定極性の電荷を供給すると所定方向に力が発生する性 質も有する。 すなわち、 この圧電素子 P E 2について、 上部電極層 A側 に正の電荷を供給し、 下部電極層 B側に負の電荷を供給すると、 第 2 2 図（a) に矢印で示すように、 縦に伸びる方向の力が発生し、 逆に、 上部 電極層 A側に負の電荷を供給し、 下部電極層 B側に正の電荷を供給する と、 第 2 2図（b) に矢印で示すように、 縦に縮む方向の力が発生する。 ここでは、 このような分極特性をもった圧電素子 P E 2をタイプ I Iの 圧電素子と呼ぶことにする。  On the other hand, the piezoelectric element PE2 shown in FIGS. 22 (a) and (b) has a slightly different property from the above-described piezoelectric element PE1. That is, as shown by the arrow in FIG. 22 (a), this piezoelectric element PE2 has a positive charge on the upper electrode layer A side when a force in the direction of being vertically applied from the outside is applied. A negative charge is generated on the lower electrode layer B side, and conversely, as shown by an arrow in FIG. A negative charge is generated on the electrode layer A side, and a positive charge is generated on the lower electrode layer B side. The above description shows the property that a charge of a predetermined polarity is generated when a force is applied in a predetermined direction. Conversely, the charge has a property of generating a force in a predetermined direction when a charge of a predetermined polarity is supplied. That is, when a positive charge is supplied to the upper electrode layer A side and a negative charge is supplied to the lower electrode layer B side of the piezoelectric element PE 2, as shown by an arrow in FIG. When a negative electric charge is supplied to the upper electrode layer A side and a positive electric charge is supplied to the lower electrode layer B side, an arrow is shown in Fig. 22 (b). As described above, a force in the direction of contracting vertically is generated. Here, the piezoelectric element PE 2 having such polarization characteristics is referred to as a type II piezoelectric element.
このような圧電素子としては、 たとえば圧電セラミ ックスなどが広く  As such piezoelectric elements, for example, piezoelectric ceramics are widely used.
6 利用されており、 最近の技術では、 特定の分極処理を施すことにより、 所望の分極特性をもった圧電セラミ ックスを自由に製造することが可能 である。 また、 物理的に単一の圧電セラミ ックスについて、 部分ごとに 異なる分極処理を施すことにより、 それぞれ部分ごとに分極特性が異な る圧電素子を得ることも可能である。 6 With recent technology, it is possible to freely produce piezoelectric ceramics with desired polarization characteristics by applying a specific polarization process. In addition, it is possible to obtain a piezoelectric element having different polarization characteristics for each part by applying different polarization processing to each part of a physically single piezoelectric ceramic.
このように、 圧電素子には、 「力—電荷」 という変換を行う機能と、 「電荷—力」 という変換を行う機能とが備わっている。 以下に示す圧電 素子を利用したいくつかの実施例では、 前者の機能をコリオリカの検出 手段 2 4として利用し、 後者の機能を重錘休を自転運動させるための駆 動手段 2 3として利用したものである。  As described above, the piezoelectric element has a function of performing “force-charge” conversion and a function of performing “charge-force” conversion. In some examples using the piezoelectric element shown below, the former function was used as the Corioliska detecting means 24, and the latter function was used as the driving means 23 for rotating the weight rest. Things.
§ 9 . 一次元速度センサの具体的な実施例 § 9. Specific example of one-dimensional speed sensor
第 2 3図に、 本発明の一実施例に係る一次元速度センサの主要部分の 斜視図を示す。 この速度センサは、 細長い角柱状の振動子 6 0と、 この 振動子 6 0を支持する一対の台座 6 1 , 6 2と、 振動子 6 0の上面の中 央部に固着された圧電素子 6 3と、 振動子 6 0の上面の両端部に固着さ れた圧電素子 6 4， 6 5を備えている。 ここでは、 便宜上、 図のように X Y Z三次元座標系を定義して以下の説明を行うことにする。  FIG. 23 is a perspective view of a main part of the one-dimensional speed sensor according to one embodiment of the present invention. The speed sensor includes an elongated prism-shaped vibrator 60, a pair of pedestals 61, 62 supporting the vibrator 60, and a piezoelectric element 6 fixed to the center of the upper surface of the vibrator 60. 3 and piezoelectric elements 64 and 65 fixed to both ends of the upper surface of the vibrator 60. Here, for the sake of convenience, an XYZ three-dimensional coordinate system is defined as shown in the figure, and the following description will be made.
さて、 振動子 6 0は、 その長手方向が X軸に沿うように配置されてお り、 X蚰方向に所定距離をおいて配置された一対の台座 6 1 , 6 2によ つて、 その下面の 2か所が支持されている。 一対の台座 6 1 , 6 2は、 この例では、 三角柱状のブロックであり、 その頂辺が振動子 6 ϋの下面 に接着されている。 第 2 4図は、 第 2 3図に示す速度センサの正断面図 および配線図である。 この第 2 4図に示されているように、 台座 6 1， 62の下面は、 筐体 22の底部に固着されている。 図には示されていな いが、 第 23図に描かれた主要部分全体は、 センサの筐体 22内に収容 されており、 振動子 60は、 一対の台座 61, 62によってのみ、 筐体 22内に支持固定されている。 この振動子 60は、 できるだけ効率良く 振動させる必要がある。 このように、 一対の台座 61 , 62の頂辺によ つて振動子 60を支持する構造を採るのは、 できるだけ効率良い振動を 実現するためである。 また、 振動子 60としては、 このような振動に適 した材質からなるものを用いるのが好ましく、 この実施例では、 金属材 料からなるものを用いている。 The vibrator 60 is arranged so that its longitudinal direction is along the X-axis, and its lower surface is formed by a pair of pedestals 61 and 62 arranged at a predetermined distance in the X-axis direction. Are supported. In this example, the pair of pedestals 6 1 and 6 2 is a triangular prism-shaped block, and the top sides are bonded to the lower surface of the vibrator 6 #. FIG. 24 is a front sectional view and a wiring diagram of the speed sensor shown in FIG. As shown in FIG. 24, the pedestals 61, The lower surface of 62 is fixed to the bottom of housing 22. Although not shown in the figure, the entire main part illustrated in FIG. 23 is housed in the sensor housing 22, and the vibrator 60 is only supported by the pair of pedestals 61 and 62. It is supported and fixed in 22. The vibrator 60 needs to vibrate as efficiently as possible. The structure in which the vibrator 60 is supported by the vertexes of the pair of pedestals 61 and 62 in this manner is to achieve vibration as efficient as possible. It is preferable that the vibrator 60 be made of a material suitable for such vibration. In this embodiment, a vibrator made of a metal material is used.
振動子 60の上面には、 第 23図に示すように、 圧電素子 63, 64， 65が固着されている。 ここで、 圧電素子 63は、 振動子 60に対して 力を作用させるための力発生器として機能し、 圧電素子 64, 65は、 振動子 60の両端の変位を検出するための変位検出器として機能する。 実は、 これらの圧電素子は、 第 24図の断面図に示されているように、 圧電素子本体 63 P, 64 P, 65 Pと、 上部電極層 63 A， 64 A, 65 Aと、 によって構成されている。 なお、 この第 24図では、 説明の 便宜上、 圧電素子本体 63 P, 64 P, 65 Pの厚みと、 上部電極層 6 3 A, 64A, 65 Aの厚みを拡大して示してある力《、 実際には、 これ らの厚みは振動子 60の寸法に比べて非常に小さく、 外観は第 23図の 斜視図に示されているようになる。 ここで重要な点は、 圧電素子 63が、 一対の台座 61 , 62によって挟まれた中央部に配置されているのに対 し、 圧電素子 64は台座 61より左側に、 圧電素子 65は台座 62より 右側に配置されている点である。  As shown in FIG. 23, piezoelectric elements 63, 64, and 65 are fixed to the upper surface of the vibrator 60. Here, the piezoelectric element 63 functions as a force generator for applying a force to the vibrator 60, and the piezoelectric elements 64 and 65 function as displacement detectors for detecting displacement of both ends of the vibrator 60. Function. Actually, these piezoelectric elements are composed of piezoelectric element bodies 63 P, 64 P, 65 P and upper electrode layers 63 A, 64 A, 65 A, as shown in the sectional view of FIG. Have been. In FIG. 24, for the sake of convenience, the thicknesses of the piezoelectric element bodies 63 P, 64 P, 65 P and the thicknesses of the upper electrode layers 63 A, 64 A, 65 A are shown in an enlarged manner. Actually, these thicknesses are very small compared to the dimensions of the vibrator 60, and the appearance is as shown in the perspective view of FIG. The important point here is that the piezoelectric element 63 is located at the center between the pair of pedestals 61 and 62, whereas the piezoelectric element 64 is on the left side of the pedestal 61 and the piezoelectric element 65 is on the pedestal 62. It is located on the right side.
第 24図の配線図に示されているように、 振動子ら〔〕および圧電素子 6 3 , 6 4 , 6 5に対しては、 交流電源 6 6と、 電圧計 6 7， 6 8とカ 接続され、 更に、 電圧計 6 7 , 6 8の出力は、 信号処理手段 6 9に与え られている。 また、 圧電素子本体 6 3 P , 6 4 P , 6 5 Pとしては、 い ずれも第 2 1図（a) , (b) に示したタイプ Iの圧電素子が用いられてい る。 前述したように、 この実施例では、 振動子 6 0として金属からなる 角柱を用いているので、 この振動子 6 0自身が、 第 2 1図（a) ， (b) に 示す下部電極層 Bとして機能することになる。 交流電源 6 6は、 上部電 極層 6 3 Aと、 振動子 6 0との間に交流電圧を印加する機能を有してい るので、 交流電圧の印加により、 圧電素子 6 3は、 第 2 1図（a) に示す 状態と第 2 1図（b) に示す状態とを交互にとることになる。 また、 電圧 計 6 7は、 圧電素子 6 4の上下に発生する電荷を検出し、 電圧計 6 8は、 圧電素子 6 5の上下に発生する電荷を検出する機能を果たす。 As shown in the wiring diagram of FIG. 24, the vibrators [] and the piezoelectric element For 6 3, 6 4, 6 5, an AC power supply 6 6 and voltmeters 6 7, 6 8 are connected, and the outputs of the voltmeters 6 7, 6 8 Has been given. As the piezoelectric element bodies 63P, 64P, and 65P, the type I piezoelectric elements shown in FIGS. 21 (a) and (b) are used. As described above, in this embodiment, since the prism 60 made of metal is used as the vibrator 60, the vibrator 60 itself forms the lower electrode layer B shown in FIGS. 21 (a) and (b). Will function as Since the AC power supply 66 has a function of applying an AC voltage between the upper electrode layer 63 A and the vibrator 60, the piezoelectric element 63 becomes The state shown in FIG. 1 (a) and the state shown in FIG. 21 (b) are alternately taken. The voltmeter 67 detects electric charges generated above and below the piezoelectric element 64, and the voltmeter 68 functions to detect electric charges generated above and below the piezoelectric element 65.
続いて、 この速度センサの動作を説明する。 いま、 交流電源 6 6から 圧電素子 6 3に交流電圧を供給したとする。 このとき、 上部電極層 6 3 A側に正の電荷が供給される半サイクルでは、 第 2 1図（a) に示すよう に、 圧電素子本休 6 3 Pには水平方向に伸びる力が作用し、 逆に、 上部 電極層 6 3 A側に負の電荷が供給される半サイクルでは、 第 2 1図（b) に示すように、 圧電素子本体 6 3 Pには水平方向に縮む力が作用する。 したがって、 交流電圧の印加により、 圧電素子 6 3は水- Ψ方向に伸びた り縮んだりする。 ところで、 圧電素子 6 3は、 振動子 6〔）の上面に固着 されているので、 この伸縮運動は、 振動子 6◦の上面にも伝達されるこ とになる。 そして、 振動子 6 0の上面が伸びた時点では、 振動子 6 0全 休は第 2 5図に示すように上方に凸になるように橈み （破線はもとの状 態を示す） 、 振動子 6 0の上面が縮んだ時点では、 振動子 6 0全休は第 2 6図に示すように下方に凸になるように橈む （破線はもとの状態を示 す） 。 Next, the operation of the speed sensor will be described. Now, it is assumed that an AC voltage is supplied from the AC power supply 66 to the piezoelectric element 63. At this time, in the half cycle in which positive charges are supplied to the upper electrode layer 63A side, as shown in Fig. 21 (a), a force extending in the horizontal direction acts on the main piezoelectric element 63P. Conversely, in the half cycle in which negative charges are supplied to the upper electrode layer 63A side, as shown in Fig. 21 (b), the piezoelectric element body 63P has a force to contract in the horizontal direction. Works. Therefore, the piezoelectric element 63 expands and contracts in the horizontal direction due to the application of the AC voltage. By the way, since the piezoelectric element 63 is fixed to the upper surface of the vibrator 6 [), this expansion and contraction motion is also transmitted to the upper surface of the vibrator 6 °. When the upper surface of the vibrator 60 is extended, the vibrator 60 is completely bent upward (as indicated by the broken line in FIG. 25), as shown in FIG. When the upper surface of the oscillator 60 contracts, the oscillator 60 26 Radius so as to protrude downward as shown in Fig. 6 (dashed line indicates the original state).
結局、 交流電源 6 6から交流電圧を印加することにより、 振動子 6 0 は第 2 5図に示す伏態と第 2 6図に示す状態とを交互に繰り返すように 振動することになる。 このように、 振動子 6〔）は固有の振動モードで振 動することになるが、 一般に、 このような固有の振動モードには、 最も 変位が少ないノード位置が存在する。 したがって、 この速度センサを実 用化する上では、 振動子 6 0の固有の振動モードを解析し、 変位の最も 少ないノード位置を確認し、 このノード位置を一対の台座 6 1 , 6 2に よって支持するようにするのが好ましい。 第 2 5図および第 2 6図は、 このようなノード位置に台座 6 1 , 6 2を配置した場台の振動状態を示 している。 振動子 6 0は上方が凸に撓んだ状態から下方が凸に橈んだ状 態へと形状変化しているが、 台座 6 1， 6 2によって支持されているノ ード位置においては、 ほとんど位置変化が生じていない。 このようにノ ード位置によって振動子 6 0を支持するようにすると、 効率的な振動が 実現できるとともに、 振動が筐体 2 2へ伝達されて外部へと漏れ出る弊 害もない。  After all, by applying an AC voltage from the AC power supply 66, the vibrator 60 vibrates so as to alternately repeat the state shown in FIG. 25 and the state shown in FIG. As described above, the vibrator 6 [) vibrates in a unique vibration mode. In general, such a unique vibration mode has a node position where displacement is least. Therefore, in realizing this speed sensor, the unique vibration mode of the vibrator 60 is analyzed, the node position with the least displacement is confirmed, and this node position is determined by the pair of pedestals 6 1 and 6 2. Preferably, it is supported. FIG. 25 and FIG. 26 show the vibration state of the pedestal where the pedestals 61 and 62 are arranged at such node positions. The vibrator 60 changes its shape from a state in which the upper part is bent to a convex shape to a state in which the lower part is bent to a convex shape, but at the node position supported by the pedestals 61, 62, Almost no position change has occurred. When the vibrator 60 is supported by the node position in this manner, efficient vibration can be realized, and there is no problem that the vibration is transmitted to the housing 22 and leaks to the outside.
ところで、 このように振動子 6 0が振動状態にあるとき、 電圧計 6 7 , 6 8にはどのような電圧が検出されるであろう力、。 まず、 電圧計 6 7に よって検出される電圧を考えてみる。 第 2 5図の状態では、 振動子 6 0 の上面はすべての部分において水平方向に伸びた状態となっているので、 圧電素子 6 4には、 水平方向に伸びる方向の力が加わる。 したがって、 第 2〗図（a) に示すように、 上部電極層 6 4 A側に正の電荷が発生し、 電圧計 6 7には正電圧が検出される。 逆に、 第 2 6図の状態では、 振動 子 6 0の上面はすべての部分において水平方向に縮む状態となつている ので、 圧電素子 6 4には、 水平方向に縮む方向の力が加わる。 したがつ て、 第 2 1図（b) に示すように、 上部電極層 6 4 A側に負の電荷が発生 し、 電圧計 6 7には負電圧が検出される。 こうして、 電圧計 6 7には、 交流電源 6 6で発生した交流電圧と同周期、 同位相の交流電圧が検出さ れることになる。 このような現象は、 圧電素子 6 5についても同様であ り、 電圧計 6 8においても、 交流電源 6 6で発生した交流電圧と同周期、 同位相の交流電圧が検出されることになる。 By the way, when the vibrator 60 is in a vibrating state, the voltmeters 67 and 68 are supposed to detect what voltage will be detected. First, consider the voltage detected by the voltmeter 67. In the state shown in FIG. 25, the upper surface of the vibrator 60 is in a state of extending in the horizontal direction in all portions, so that a force in the direction of extending in the horizontal direction is applied to the piezoelectric element 64. Therefore, as shown in FIG. 2A, a positive charge is generated on the upper electrode layer 64A side, and a positive voltage is detected by the voltmeter 67. Conversely, in the state shown in Fig. 26, the vibration Since the upper surface of the child 60 is in a state of contracting in the horizontal direction in all parts, a force in the direction of contracting in the horizontal direction is applied to the piezoelectric element 64. Accordingly, as shown in FIG. 21 (b), a negative charge is generated on the upper electrode layer 64A side, and a negative voltage is detected by the voltmeter 67. Thus, the voltmeter 67 detects an AC voltage having the same cycle and the same phase as the AC voltage generated by the AC power supply 66. The same applies to the piezoelectric element 65, and the voltmeter 68 detects an AC voltage having the same period and the same phase as the AC voltage generated by the AC power supply 66.
ここで、 圧電素子 6 4， 6 5として、 全く同じ大きさ、 同じ性能をも つた圧電素子を用い、 しかも、 これらを全く左右対称の位置に配置した とする。 しかも、 台座 6 1， 6 2による支持位置も左右対称とし、 圧電 素子 6 3の配置も左右対称にしたとする。 すると、 振動子 6 0の振動現 象は、 左右で全く対称となり、 当然ながら、 電圧計 6 7 , 6 8が検出す る交流電圧も全く同じになる。 もっとも、 このような議論は、 この速度 センサ全体が静止状態にあるという前提での話である。 もし、 この速度 センサ全体が、 所定方向に移動していた場合には、 更に、 コリオリカの 作用を考慮する必要がある。  Here, it is assumed that the piezoelectric elements 64, 65 are piezoelectric elements having exactly the same size and the same performance, and are arranged at completely symmetric positions. In addition, it is assumed that the support positions of the pedestals 61 and 62 are symmetrical, and the arrangement of the piezoelectric elements 63 is symmetrical. Then, the vibration phenomena of the vibrator 60 are completely symmetrical on the left and right, and naturally the AC voltages detected by the voltmeters 67 and 68 are also exactly the same. However, such a discussion is based on the premise that the entire speed sensor is stationary. If the entire speed sensor is moving in a predetermined direction, it is necessary to further consider the action of Coriolis.
そこで、 この速度センサ全体が、 X軸方向に速度 V Xで移動していた 場合に、 上述した現象にどのような影響が及ぶかを検討してみる。 ここ では、 理解を容易にするために、 振動子 6 0の左右両方の自由端を、 そ れぞれ別個独立した重錘体として取り扱うことにする。 すなわち、 第 2 5図において、 振動子 6 0の台座 6 1より左側に位置する左側自由端と、 台座 6 2より右側に位置する右側自由端とを、 それぞれ独立した重錘休 と考えるのである。 振動子 6 ϋが振動していない状態 （第 2 5図の破線 で示す状態） では、 左側 β由端は重心 G L 0の位置に存在する質点とし て取り扱うことができ、 右側自由端は重心 G R 0の位置に存在する質点 として取り扱うことができる。 前述のように、 重心 G L Oと重心 G R O とは、 左右対称の位置にあり、 いずれも同じ質量 mをもった質点となる。 ところ力《、 振動子 6 ϋが振動状態にある場台には、 これら自由端の重 心位置が移動することになる。 たとえば、 第 2 5図に示す振動状態では、 左側自由端の重心は G L 1に移動し、 右側自由端の重心は G R 1に移動 する。 同様に、 第 2 6図に示す振動状態では、 左側 ΰ由端の重心は G L 2に移動し、 右側自由端の重心は G R 2に移動する。 このような重心移 動は、 第 1 8図において説明した往復振り子運動に他ならない。 すなわ ち、 左右の自由端は、 台座による支持点を中心点として、 往復振り子運 動を行うことができるように、 「単純支持系」 で支持されていることに なる。 もちろん、 台座による支持点は、 振動によって多少移動する可能 性があり、 振動子 6 0自身も多少歪むため、 重心の移動経路は完全な円 弧軌道にはならないかもしれない。 しかしながら、 重心位置が G L 1→ G L 0→G L 2と変わる往復運動、 および重心位置が G R 1→G R 0→ G R 2と変わる往復運動は、 いずれも Y軸 （紙面に垂直な 由） まわりの 角速度 yをもった S転運動に他ならない。 Therefore, let us examine how the above-mentioned phenomenon is affected when the entire speed sensor is moving at the speed VX in the X-axis direction. Here, in order to facilitate the understanding, the left and right free ends of the vibrator 60 are treated as separate and independent weights. That is, in FIG. 25, the left free end located on the left side of the pedestal 61 of the vibrator 60 and the right free end located on the right side of the pedestal 62 are considered as independent weight rests. . Vibrator 6 い な い is not vibrating (dashed line in Fig. 25) In the state shown by), the left end of β can be treated as a mass located at the center of gravity GL 0, and the free end of the right can be treated as a mass located at the center of gravity GR 0. As mentioned above, the center of gravity GLO and the center of gravity GRO are symmetrically located, and both are mass points with the same mass m. On the other hand, when the force <<, the vibrator 6 ϋ is in a vibrating state, the center of gravity of these free ends moves. For example, in the vibration state shown in Fig. 25, the center of gravity of the left free end moves to GL1, and the center of gravity of the right free end moves to GR1. Similarly, in the vibration state shown in Fig. 26, the center of gravity of the left free end moves to GL2, and the center of gravity of the right free end moves to GR2. Such a shift in the center of gravity is nothing less than the reciprocating pendulum motion described in FIG. In other words, the left and right free ends are supported by a “simple support system” so that reciprocating pendulum movement can be performed with the support point of the pedestal as the center point. Of course, the support point of the pedestal may move slightly due to vibration, and the vibrator 60 itself may be slightly distorted, so that the path of movement of the center of gravity may not be a perfect circular orbit. However, the reciprocating motion in which the center of gravity changes from GL 1 to GL 0 to GL 2 and the reciprocating motion in which the center of gravity changes from GR 1 to GR 0 to GR 2 are both angular velocities around the Y axis (perpendicular to the paper). It is nothing but an S rolling motion with y.
さて、 ここで、 第 2 5図および第 2 6図に、 白抜きの矢印で示すよう に、 この運動系全休が X軸方向に速度 V Xで移動していたとすると、 γ 幸由まわりの角速度 ω yをもって自転している自由端 （重錘体） に対して は、 Z i方向にコリオリカ F co(z) が作用することになる。 しかも重要 な点は、 左側自由端と右側自由端とでは、 角速度 w yの方向が逆になる ため、 作 fflするコリオリカ F co(z) の方向も逆になる点である。 たとえ ば、 第 25図の状態では、 右側自由端には時計まわりの角速度 ω yが作 用しているため、 Z軸正方向のコリオリカ F z (R 1) が作用するのに 対し、 左側自由端には反時計まわりの角速度一 ω yが作 しているため、 Z軸負方向のコリオリカ F z (L 1) が作用することになる。 また、 第 26図の状態では、 右側自由端には反時計まわりの角速度一 ω yが作用 しているため、 Z軸負方向のコリオリカ F z (R 2) が作用するのに対 し、 左側自由端には時計まわりの角速度 が作用しているため、 Z軸 正方向のコリオリカ F Z (L 2) が作用することになる。 Now, as shown by the outline arrows in FIGS. 25 and 26, assuming that this motion system rest is moving at the speed VX in the X-axis direction, the angular velocity ω around Y Coriolisers F co (z) act in the Z i direction on the free end (weight) that rotates with y. The important point is that the direction of the angular velocity wy is reversed between the left free end and the right free end, so that the direction of the corioliser F co (z) to be ffled is also reversed. for example For example, in the state shown in Fig. 25, the clockwise angular velocity ωy acts on the right free end, so that the Coriolis Fz (R1) in the positive direction of the Z axis acts, while the left free end Is generated by a counterclockwise angular velocity of 1 ω y, so Corioliser F z (L 1) in the negative direction of the Z axis acts. In the state shown in Fig. 26, a counterclockwise angular velocity of 1ωy acts on the right free end, so that the Coriolis Fz (R2) acting in the negative direction of the Z axis acts on the left side. Since the clockwise angular velocity acts on the free end, Corioliser F Z (L 2) in the positive direction of the Z axis acts.
このように、 機械的な構造上は、 左右全く対称な速度センサであって も、 コリオリカの作用に関しては、 左右で正反対になるのである。 この ように、 左右についてアンバランスな現象は、 左右の電圧計 67, 68 の検出電圧の差として現れることになる。 たとえば、 第 25図において、 左側自由端に作用する下方向のコリオリカ F z (L 1 ) は、 上面に固着 されている圧電素子 64の伸びをより增加させる方向に働くのに対し、 右側自由端に作用する上方向のコリオリカ F Z (R 1 ) は、 上面に固着 されている圧電素子 65の伸びを減少させる方向に働く。 このため、 こ の運動系全体が静止状態にあるときには、 左右の電圧計 67, 68の出 力が同一であったのに、 この運動系全体が速度 V Xで移動すると、 左の 電圧計 67の検出電圧 7は増加し、 右の電圧計 68の検出電圧 V6 8は減少する。 同様に、 第 26図において、 左側自由端に作用する上方 向のコリオリカ F z (L 2) は、 上面に固着されている圧電素子 64の 縮みをより増加させる方向に働くのに対し、 右側自由端に作用する下方 向のコリオリカ F z (R 2) は、 上面に固着されている圧電素子 65の 縮みを減少させる方向に働く。 このため、 やはり、 左の電圧計 67の検 出電圧 V 6 7は増力 Πし、 右の電圧計 6 8の検出電圧 V 6 8は減少する。 第 2 7図は、 このような電圧計 6 7 , 6 8の検出電圧の変化を示すグ ラフである。 この速度センサを構成する運動系全休が静止状態にある場 台には、 両検出電圧 V 6 7と V 6 8とは等しくなる。 ところ力;'、 この運 動系全体が X軸正方向に速度 V Xで移動すると、 検出電圧 V 6 7は増加 し、 V 6 8は減少する。 したがって、 信号処理手段 6 9において、 両検 出電圧の差を演算すれば、 この速度センサを収容した筐体 2 2の X 由方 向速度成分 V Xを求めることができる。 In this way, in terms of mechanical structure, even though the speed sensor is completely symmetrical, the action of Coriolisa is exactly opposite on the left and right. Thus, the unbalanced phenomenon on the left and right appears as a difference between the detection voltages of the left and right voltmeters 67 and 68. For example, in FIG. 25, the downward Coriolis Fz (L 1) acting on the left free end acts in a direction to further increase the extension of the piezoelectric element 64 fixed to the upper surface, while the right free end Coriolis force F Z direction on acting (R 1) to act in the direction to reduce the elongation of the piezoelectric element 65 which is fixed to the upper surface. Therefore, when the entire motion system is stationary, the outputs of the left and right voltmeters 67 and 68 are the same, but when the entire motion system moves at the speed VX, the left voltmeter 67 detected voltage 7 increases, the detection voltage V 6 8 right voltmeter 68 is reduced. Similarly, in FIG. 26, the upward Coriolis F F (L 2) acting on the left free end acts in a direction to further increase the shrinkage of the piezoelectric element 64 fixed on the upper surface, whereas the right The downward Coriolis Fz (R2) acting on the end acts in a direction to reduce the contraction of the piezoelectric element 65 fixed to the upper surface. Therefore, the voltmeter 67 on the left The voltage V 6 7 out of the Π-energizing, the detected voltage V 6 8 of the right of the voltmeter 6 8 is reduced. FIG. 27 is a graph showing a change in the detection voltage of such voltmeters 67 and 68. On a stage where the rest of the motion system constituting this speed sensor is at rest, both detection voltages V67 and V68 are equal. However, when the entire moving system moves at the speed VX in the positive direction of the X-axis, the detection voltage V67 increases and V68 decreases. Therefore, by calculating the difference between the two detection voltages in the signal processing means 69, it is possible to obtain the speed component VX in the X direction of the housing 22 accommodating the speed sensor.
要するに、 この一次元速度センサでは、 交流電源 6 6から力発生器と して機能する圧電素子 6 3に交流電圧を供給して振動子 6 0を振動させ、 この振動によって生じる両自由端の実際の変位を、 変位検出器として機 能する圧電素子 6 4 , 6 5を介して電圧計 6 7 , 6 8で検出しているこ とになる。 ここで、 速度成分 V Xが零であれば、 コリオリカは作用しな いので、 供給した交流電圧に見合った変位が電圧計 6 7 , 6 8によって 検出される （第 2 7図の静止時の V 6 7 , V 6 o ) 。 ところ力《、 速度成 分 V xが零でないと、 Ζ ΐώ方向にコリオリカが作用するため、 両 Θ由端 の実際の変位は、 供給した交流電圧に見台った変位にはならない （第 2 7図の V x移動時の V 6 7， V 6 8 ) 。 そこで、 供給した交流電圧に見 台った変位と、 実際に生じた変位との差分を求めれば、 この差分がコリ オリ力の大きさに対応したものとなり、 速度成分 V Xに対応したものと なる。 In short, in this one-dimensional velocity sensor, an AC voltage is supplied from the AC power supply 66 to the piezoelectric element 63 functioning as a force generator, and the vibrator 60 is vibrated. This means that the voltmeters 67 and 68 detect the displacements of the electrodes via the piezoelectric elements 64 and 65 functioning as displacement detectors. Here, if the velocity component VX is zero, the Corioliser does not act, and displacements corresponding to the supplied AC voltage are detected by the voltmeters 67 and 68 (see Fig. 27 when V 6 7 , V 6 o). However, if the force 《, the velocity component V x is not zero, the Coriolisa acts in the Ζ 、 direction, and the actual displacement at both ends will not be the displacement close to the supplied AC voltage (2nd V 6 7 when V x movement of FIG. 7, V 6 8). Therefore, if the difference between the displacement seen from the supplied AC voltage and the actual displacement is found, this difference will correspond to the magnitude of the Coriolis force, and will correspond to the velocity component VX. .
Z軸方向のコリオリカ F coと速度成分 V Xとが所定の関数関係をもつ ことは、 既に基本原理で説明したとおりである。 したがって、 自由端 (重錘休） の質量 mや、 台座による支持点と重心との間の距離 rといつ たパラメ一夕を用い、 重心の往復振り子運動を力学的に解析し、 前述し た基本原理に基く演算を行えば、 速度成分 V Xの絶対値を演算すること は、 一応、 理論的には可能である。 しかしながら、 このような理論演算 によって、 速度成分 V xの絶対値を演算することは現実的ではない。 そ こで、 実用上は、 既存の速度センサを用いた実測値に、 本速度センサの 出力を合わせるキヤリブレーシヨ ンを行うようにすれば十分である。 た とえば、 信号処理手段 6 9として、 差動増幅器を用い、 両電圧計 6 7 , 6 8の出力電圧の差を電圧値として出力するようにし、 別な速度センサ で実測した速度成分 V Xの値に基いて、 差動増幅器の出力をキヤリブレ ーシヨンすればよい。 The fact that the Corioliser Fco in the Z-axis direction and the velocity component VX have a predetermined functional relationship has already been described in the basic principle. Therefore, the mass m of the free end (weight rest) and the distance r between the pedestal support point and the center of gravity If the reciprocating pendulum motion of the center of gravity is dynamically analyzed using the parameters described above, and the calculation based on the basic principle described above is performed, it is theoretically possible to calculate the absolute value of the velocity component VX. It is. However, it is not realistic to calculate the absolute value of the velocity component Vx by such a theoretical operation. Therefore, in practice, it is sufficient to carry out calibration to match the output of this speed sensor to the actual measurement value using an existing speed sensor. For example, a differential amplifier is used as the signal processing means 69, and the difference between the output voltages of the two voltmeters 67, 68 is output as a voltage value, and the speed component VX actually measured by another speed sensor is used. The output of the differential amplifier may be calibrated based on the value.
§ 1 0 . —次元速度センサの変形例 §1 0. —Modified example of dimensional velocity sensor
続いて、 上述した一次元速度センサのいくつかの変形例を開示してお く。 第 2 8図は、 上述した実施例と同様に、 角柱状の振動子 7 0を用い た例 （台座および配線は図示省略する） であるが、 圧電素子の配置が若 干異なっている。 すなわち、 力発生器として機能する圧電素子 7 1は、 上述の実施例と同様に、 振動子 7◦の上面の中央部に配置されているが、 変位検出器として機能する圧電素子 7 2および 7 3は、 両端部の下面に 配置されている。 両端部が角速度 co yをもって自転運動する動作は、 上 述の実施例と全く同様であるが、 圧電素子 7 2 , 7 3が下面に配置され ているため、 電圧計 6 7 , 6 8における検出電圧は、 交流電源 6 6の供 給電圧とは逆位相になる。 このように、 圧電素子の配置は、 検出電圧の 極性に影響を与えることはある力;'、 基本的な検出原理には変わりはない t 第 2 9図に示す実施例は、 円柱状の振動子 7 5を用いた例である。 こ のような円柱状の振動子 7 5であっても、 図示のように、 一直線上に 3 つの圧電素子 7 6 , 7 7 , 7 8を配置すれば、 前述の実施例と同様の動 作が可能である。 Subsequently, some modifications of the above-described one-dimensional speed sensor will be disclosed. FIG. 28 shows an example using a prismatic vibrator 70 (the pedestal and the wiring are not shown) as in the above-described embodiment, but the arrangement of the piezoelectric elements is slightly different. That is, the piezoelectric element 71 functioning as a force generator is disposed at the center of the upper surface of the vibrator 7◦ as in the above-described embodiment, but the piezoelectric elements 72 and 7 functioning as displacement detectors 3 are arranged on the lower surface of both ends. The operation in which both ends rotate with the angular velocity co y is exactly the same as in the above-described embodiment, but since the piezoelectric elements 72 and 73 are arranged on the lower surface, detection by the voltmeters 67 and 68 is performed. The voltage has the opposite phase to the supply voltage of the AC power supply 66. Thus, the arrangement of the piezoelectric element is a force affecting the polarity of the detected voltage; embodiment shown in ', t second 9 FIG no change in the basic detection principle, a cylindrical vibration This is an example using child 75. This Even with a cylindrical vibrator 75 such as shown in the figure, if three piezoelectric elements 76, 77, 78 are arranged on a straight line as shown in the figure, the same operation as in the above-described embodiment can be achieved. It is possible.
第 3 0図に示す実施例は、 三角柱状の振動子 8 0の一面に、 3つの圧 電素子 8 1 , 8 2， 8 3を配置したものであるカミ、 やはり同様の動作が 可能である。  In the embodiment shown in FIG. 30, a triangular prism-shaped vibrator 80 is provided with three piezoelectric elements 81, 82, 83 on one surface, and the same operation is also possible. .
第 3 1図の実施例は、 いわゆる音叉状の構造体 9 0によって振動子を 形成したものである。 この例では、 第 1の振動子 9 1と第 2の振動子 9 2 ヒが、 底部 9 3によって結台されており、 全体として一休をなした U 字状の構造体をなしている。 そして、 底部 9 3は、 台座 9 4によって筐 休 9 5に固着されている。 第 1の振動子 9 1の側面には、 3つの圧電素 子 9 6， 9 7， 9 8が配置されており、 同様に、 第 2の振動子 9 2の側 面にも、 3つの圧電素子 （図示されていない） が配置されている。 この 構造体 9 0は、 機械的な構造に関しては全く左右対称となっている力、 コリオリ力が作用すると、 第 1の振動子 9 1の振動態様と、 第 2の振動 子 9 2の振動態様とに差が生じることになる。 この差を、 圧電素子の出 力として検出すれば、 コリオリカの発生原因となった速度成分を求める ことができる。 § 1 1 . 多次元速度センサに適した駆動手段と検出手段  In the embodiment of FIG. 31, a vibrator is formed by a so-called tuning fork-like structure 90. In this example, the first vibrator 91 and the second vibrator 92 are connected by a bottom portion 93, forming a U-shaped structure as a whole. The bottom portion 93 is fixed to the housing 95 by a pedestal 94. On the side surface of the first vibrator 91, three piezoelectric elements 96, 97, 98 are arranged. Similarly, on the side surface of the second vibrator 92, three piezoelectric elements Elements (not shown) are located. When the structure 90 is subjected to a completely symmetrical force and Coriolis force with respect to the mechanical structure, when the Coriolis force acts, the vibration mode of the first vibrator 91 and the vibration mode of the second vibrator 92 Will be different. If this difference is detected as the output of the piezoelectric element, the velocity component that caused the occurrence of Coriolis can be obtained. § 1 1. Driving means and detecting means suitable for multi-dimensional speed sensor
本発明に係る速度センサでは、 重錘体を自転運動させるための駆動手 段と、 重錘体に作用するコリオリカを検出するための検出手段とが必須 の構成要素となる。 一方、 本発明に係る多次元速度センサを、 商業利用 に適した単純な構造で実現するためには、 § 6で開示したように、 重錘  In the speed sensor according to the present invention, a driving means for rotating the weight body on its own axis and a detecting means for detecting Coriolisa acting on the weight body are essential components. On the other hand, in order to realize the multidimensional speed sensor according to the present invention with a simple structure suitable for commercial use, as disclosed in §6,
7 体をほぼ円弧状の軌道に沿って往復振り子運動させるような機構が最適 であると本願発明者は考えている。 そこで、 ここでは、 重錘体が往復振 り子運動を行うような機構に用いるのに適した駆動手段および検出手段 の基本構成を説明する。 7 The inventor of the present application believes that a mechanism that reciprocates the body along a substantially arc-shaped orbit is optimal. Therefore, here, the basic configuration of the driving means and the detecting means suitable for use in a mechanism in which the weight performs a reciprocating pendulum motion will be described.
第 1 9図では、 重錘休 5 0が X Z平面内において往復振り子運動する 機構を説明した。 この往復振り子運動では、 重錘体 5 0は Y軸まわりの 角速度 ω yをもって自転することになる。 このとき、 重錘休 5 0に作用 する X軸方向のコリオリカ F co(x) は、 この運動系全休の Z軸方向の速 度成分 V zに関係した量になり、 重錘体 5 0に作用する Z軸方向のコリ オリ力 F co(z) は、 この運動系全体の X紬方向の速度成分 V Xに関係し た量になるので、 コリオリカ F co(x) および F co(z) を何らかの方法で 測定することができれば、 速度成分 V z , V Xが得られることは既に述 ベたとおりである。 したがって、 この第 1 9図の機構をもった二次元速 度センサでは、 駆動手段として、 重錘体 5 0を X Z平面内で往復振り子 運動させる手段が必要になり、 検出手段としては、 重錘体 5 0に作用す る X軸方向のコリオリカ F co(x) と Z軸方向のコリオリカ F co(z) とを 検出する手段が必要になる。  In FIG. 19, the mechanism by which the weight rest 50 reciprocates in the XZ plane has been described. In this reciprocating pendulum motion, the weight body 50 rotates at an angular velocity ω y about the Y axis. At this time, the Coriolisa F co (x) in the X-axis direction acting on the weight rest 50 becomes an amount related to the velocity component V z in the Z-axis direction of the entire motion system rest, and the weight body 50 The Coriolis force F co (z) acting in the Z-axis direction is an amount related to the velocity component VX in the X-pong direction of the entire motion system, so that Coriolisers F co (x) and F co (z) are As described above, if the velocity components can be measured by any method, the velocity components V z and VX can be obtained. Therefore, in the two-dimensional speed sensor having the mechanism shown in FIG. 19, a means for moving the weight body 50 in a reciprocating pendulum in the XZ plane is necessary as a driving means. A means for detecting the Corioliska F co (x) in the X-axis direction and the Coriolis Fco (z) in the Z-axis direction acting on the body 50 is required.
本願発明者は、 駆動手段として、 複数の力発生器を用いることを考え た。 たとえば、 第 1 9図において、 重錘体 5 0に対して、 X軸の正方向 に力を作用させる第 1の力発生器と、 X軸の負方向に力を作用させる第 2の力発生器と、 を設けておき、 これらを交互に動作させれば、 重錘休 5 0を円弧軌道 5 2に沿って往復振り子運動させることが可能である。 力発生器としては、 容量素子ゃ圧電素子が適しており、 容量素子ゃ圧電 素子を用いて力発生器を構成した具体例については後述する。 また、 本願発明者は、 検出手段として、 複数の変位検出器を用いるこ とを考えた。 たとえば、 第 1 9図において、 重錘体 50の X軸方向の変 位 （すなわち、 X座標値） を検出できる第 1の変位検出器と、 Z軸方向 の変位 （すなわち、 Z座標値） を検出できる第 2の変位検出器と、 を設 けたとする。 もちろん、 変位検出器それ自身は、 直接的には、 重錘体 5 0の変位を検出する機能しかもたないが、 間接的には、 コリオリカ Fco を検出することができる。 その原理は、 次のような説明により理解でき るであろう。 The inventor of the present application has considered using a plurality of force generators as driving means. For example, in FIG. 19, a first force generator that applies a force to the weight body 50 in the positive direction of the X axis, and a second force generator that applies a force to the weight body 50 in the negative direction of the X axis When the weight and the weight are alternately operated, the weight rest 50 can be reciprocally pendulum-moved along the circular orbit 52. As the force generator, a capacitance element ゃ piezoelectric element is suitable, and a specific example in which the force generator is configured using the capacitance element ゃ piezoelectric element will be described later. Further, the inventor of the present application has considered using a plurality of displacement detectors as the detecting means. For example, in FIG. 19, the first displacement detector that can detect the displacement of the weight body 50 in the X-axis direction (ie, the X coordinate value) and the displacement in the Z-axis direction (ie, the Z coordinate value) are shown in FIG. Suppose that a second displacement detector that can be detected is installed. Of course, the displacement detector itself has only the function of directly detecting the displacement of the weight body 50, but can indirectly detect the Coriolisa Fco. The principle can be understood from the following explanation.
いま、 第 1 9図に示す運動系全休が速度成分をもたず静止状態にあつ たとする。 この場台、 重錘体 50には運動系全休の移動によるコリオリ 力は一切作用しないことになる。 この状態で、 力発生器を動作させて、 重錘休 50を円弧軌道 52に沿って往復振り子運動させる。 力発生器が、 予め定められた周期的な動作を行うようにプログラムされているとすれ ば、 重錘体 50の往復振り子運動は、 周期的な動作の繰り返しとなる。 このように、 コリオリカが作用しない環境下での重錘休 50の運動を 「基準運動」 と呼ぶことは既に述べたとおりである。 重錘休 50がこの 「基準運動」 を行っている状態では、 第 1の変位検出器が検出する重錘 体 50の X軸方向の変位も、 第 2の変位検出器が検出する重錘体 50の Ζ奉由方向の変位も、 既知の周期的なものになる。 具体的に数値で示せば, 第 1の変位検出器が検出する X 由方向の変位は、 たとえば、 「5， 4， 3, 2, 1 , 0 , - 1 , 一 2, - 3, - 4, 一 5, - 4, - 3, - 2, — 1 , 0, 1 , 2, 3, 4, 5, 4, 3, 2, 1 , 0, 一 ]， ……」 と 周期的に変化し、 第 2の変位検出器が検出する Z軸方向の変位も、 たと えば、 「3, 2, 1 , 0, — 1 , - 2， - 3, - 2, 一 ] , 0, 1 , 2 3 , 2 , 1 , 0 , — 1， ……」 と周期的に変化する。 そこで、 この 「基 準運動」 をしている状態における既知の変位検出値を基準となる検出値 として記憶しておく ことにする。 Now, suppose that the rest of the motion system shown in Fig. 19 has no velocity component and is in a stationary state. The Coriolis force due to the movement of the motor system at all times does not act on the platform and the weight body 50 at this time. In this state, the force generator is operated to cause the weight rest 50 to reciprocate along a circular orbit 52. If the force generator is programmed to perform a predetermined periodic motion, the reciprocating pendulum motion of the weight 50 will be a repetition of the periodic motion. As described above, the motion of the weight rest 50 in an environment where Coriolisa does not act is referred to as “reference motion” as described above. In a state where the weight rest 50 is performing this “reference movement”, the displacement of the weight 50 detected by the first displacement detector in the X-axis direction is also determined by the weight displacement detected by the second displacement detector. The displacement in the 50 direction of service also becomes a known periodic one. Specifically, numerically, the displacement in the X-direction detected by the first displacement detector is, for example, "5, 4, 3, 2, 1, 0, -1, 1, 2, 3, 4, , One 5,-4,-3,-2, — 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 4, 3, 2, 1, 0, one], …… ” , The displacement in the Z-axis direction detected by the second displacement detector is, for example, “3, 2, 1, 0, — 1,, -2, -3, -2, 1], 0, 1, 2 3, 2, 1, 0, — 1, …… ”. Therefore, a known displacement detection value in a state where the “reference movement” is being performed is stored as a reference detection value.
ここで、 第 1 9図に示す運動系全体が速度成分 V Xもしくは V zをも つて移動した場台を考える。 重錘休 5 0は、 Y軸まわりの角速度 を もって運動しているので、 系全体が X lh方向に速度成分 V Xで移動して いる場合には、 重錘体 5 0には Z i¾方向のコリオリカ F co ） が作用す る。 また、 系全休が Z 由方向に速度成分 V zで移動している場台には、 重錘体 5 0には X軸方向のコリォリ力 F co(x) が作用することになる。 このようなコリオリカの作用により、 重錘体 5 0の運動は、 「基準運動」 から外れることになる。 速度成分の作用により、 「基準運動」 がどのよ うに変化するかを、 以下、 個々の場合について検討する。  Here, consider a platform where the entire motion system shown in FIG. 19 has moved with a velocity component VX or Vz. Since the weight rest 50 moves with an angular velocity around the Y axis, when the entire system moves with the velocity component VX in the Xlh direction, the weight body 50 has a Zi¾ direction. Coriolis Fco) acts. On the other hand, when the whole system is moving in the Z-direction with the velocity component Vz, the weight 50 is subjected to the X-axis direction Coriolis force Fco (x). Due to such an action of Coriolis, the motion of the weight body 50 deviates from the “reference motion”. How the “reference motion” changes due to the action of the velocity component will be examined below for each case.
第 3 2図は、 第 1 9図に示す運動系の正面図であり、 重錘体 5 0が X Z平面内において、 円弧軌道 5 2に沿って往復振り子運動している状態 が示されている。 ここで、 重錘休 5 0の Y 由まわりの角速度 ω yの符号 に注目すると、 端点 P 2から中央点 P 0を経て端点 P 1に至る図の右へ 向かう半周期では + ω yとなり、 逆に、 端点 P 1から中央点 P ϋを経て 端点 Ρ 2に至る図の左へ向かう半周期では— ω yとなる。 このように、 半周期ごとに角速度 o> yの符号は逆転する。 また、 角速度 cu yの絶対値 は、 中央点 P 0を通過する瞬間に最大となり、 端点 P 1， P 2では零に なる。 FIG. 32 is a front view of the motion system shown in FIG. 19, and shows a state in which the weight body 50 reciprocates along a circular orbit 52 in the XZ plane. . Here, paying attention to the sign of the angular velocity ω y around the Y around the weight rest 50, + ω y is obtained in the half cycle from the end point P 2 to the end point P 1 through the center point P 0 to the end point P 1, and Conversely, in the half cycle going from the end point P 1 to the end point Ρ 2 through the center point P へ to the end point Ρ 2, it becomes −ω y. Thus, the sign of the angular velocity o> y is reversed every half cycle. The absolute value of the angular velocity cu y becomes maximum at the moment when the vehicle passes the center point P 0, and becomes zero at the end points P 1 and P 2.
いま、 この第 3 2図に示す運動系全体が白抜きの矢印で示すように、 Z軸の正方向に速度 + V zをもって移動した場台に、 重錘休の 「基準運 動」 がどのように変化するかを考えてみる。 この場台、 重錘体 5 0が正 の角速度 + yで運動しているときには、 X軸正方向にコリオリ力 Fco (x) が作用し、 重錘体 5◦が負の角速度一 w yで運動しているときには、 X軸負方向にコリオリカ Fco(x) が作用することがわかる。 これらのコ リオリカ Fco(x) を符号を付して +A F x, —A F xと表すことにする と、 重錘休 50が端点 P 2から中央点 P 0を経て端点 P 1に至る図の右 へ向かう半周期では、 X铀正方向を向いた + Δ F Xなるコリオリ力が付 加的に作用することになり、 逆に、 重錘体 5 ϋが端点 Ρ 1から中央点 Ρ 0を経て端点 Ρ 2に至る図の左へ向かう半周期では、 X铀負方向を向い た一 Δ F Xなるコリオリカが付加的に作用することになる。 このような コリオリカの作用は、 振幅を增大する機能を果たす。 Now, as shown by the white arrow, the entire motion system shown in Fig. 32 moves in the positive direction of the Z axis at a speed + Vz, And how it changes. In this case, the weight body 50 is positive When the body is moving at an angular velocity of + y, a Coriolis force Fco (x) acts in the positive direction of the X axis, and when the weight 5◦ is moving at a negative angular velocity of 1 wy, the Coriolis force is in the negative direction of the X axis. It turns out that Fco (x) works. If these corerica Fco (x) are denoted by + AF x, —AF x with a sign, the weight rest 50 moves from the end point P 2 to the end point P 1 through the center point P 0. In the half cycle to the right, a Coriolis force of + ΔFX directed in the positive direction of X 铀 acts additionally, and conversely, the weight 5 ϋ passes from the end point Ρ 1 through the center point Ρ 0 In the half cycle to the left of the diagram up to the end point Ρ2, a Corioliser of 1 ΔFX in the negative direction of X 铀 acts additionally. Such action of Coriolis acts to increase the amplitude.
したがって、 「基準運動」 において、 第 1の変位検出器が検出する X 幸由方向の変位が、 前述したように、 「5, 4, 3, 2, 1， 0, 一 1， - 2, - 3, 一 4, - 5, 一 4, - 3, 一 2， 一 1， 0, 1 , 2, 3, 4, 5, 4, ……」 と周期的に変化していたとすると、 この運動系全体 が、 Z|i由の正方向に速度 + V ζをもって移動した場台には、 第 1の変位 検出器が検出する Xflll方向の変位は、 「6， 5, 4, 3, 2, 1 , 0, - 1, - 2, - 3, 一 4， - 5, 一 6, - 5, 一 4, - 3, - 2, 一 1, 0, 1， 2， 3, 4, 5, 6, 5, 4， ……」 と振幅が増大することに なる。  Therefore, in the “reference motion”, the displacement in the X-fortunate direction detected by the first displacement detector is, as described above, “5, 4, 3, 2, 1, 0, one 1, -2,- 3, one 4,-5, one 4,-3, one 2, one 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 4,… ” When the whole moves in the positive direction of Z | i at a speed + Vζ, the displacement in the Xflll direction detected by the first displacement detector is “6, 5, 4, 3, 2, 1”. , 0,-1,-2,-3, one 4,-5, one 6,-5, one 4,-3,-2, one 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 5, 4,… ”.
逆に、 この運動系全体が、 Z軸の負方向に速度一 V zをもって移動す ると、 作用するコリオリカ Fco(x) の符号が前述の場合と逆になるため、 重錘体 50の振幅は減少することになる。 このように、 第 1の変位検出 器が検出する X軸方向の変位の振幅値の増減変化分は、 この運動系全休 の Z 由方向の移動速度 V zを示すものになる。 そこで、 第 1の変位検出 器によって、 常に X軸方向の変位の振幅を検出するようにし、 この検出 値と、 「基準運動」 における基準検出値とを比較すれば、 移動速度 V z を知ることができる。 すなわち、 移動速度 V zは、 第 ] の変位検出器に よる実際の振幅検出値と、 「基準運動」 状態における基準となる振幅検 出値と、 の差分として求められることになる。 Conversely, when the entire motion system moves in the negative direction of the Z axis at a speed of 1 Vz, the sign of the acting Coriolis Fco (x) becomes opposite to that described above, and the amplitude of the weight 50 Will decrease. As described above, the increase / decrease change in the amplitude value of the displacement in the X-axis direction detected by the first displacement detector indicates the moving speed Vz in the Z-dependent direction of the entire motion system rest. Therefore, the first displacement detection A detector always detects the amplitude of displacement in the X-axis direction. By comparing this detected value with a reference detected value in “reference movement”, the moving speed V z can be known. That is, the moving speed Vz is obtained as the difference between the actual amplitude detection value obtained by the displacement detector [1] and the reference amplitude detection value in the “reference motion” state.
次に、 この運動系全体の X軸方向の移動速度 V Xを検出する原理を説 明しょう。 いま、 第 33図に白抜きの矢印で示すように、 この運動系全 体が、 X軸の正方向に速度 +V Xをもって移動した場台に、 重錘体の 「基準運動」 がどのように変化するかを考えてみる。 この場台、 重錘体 50が正の角速度 +ω yで運動しているときには、 Zi l正方向にコリオ リカ Fco(z) が作用し、 重錘体 5◦が負の角速度一 ω yで運動している ときには、 Z軸負方向にコリオリカ Fco(z) が作用することがわかる。 これらのコリオリカ Fco(z) を符号を付して +AF z， 一 A F zと表す ことにすると、 重錘休 50が端点 P 2から中央点 P 0を経て端点 P 1に 至る図の右へ向かう半周期では、 Z$由正方向を向いた + Δ F zなるコリ オリ力が付加的に作用することになり、 逆に、 重錘休 50が端点 P 1か ら中央点 P 0を経て端点 P 2に至る図の左へ向かう半周期では、 Z軸負 方向を向いた一 Δ F zなるコリオリカが付加的に作用することになる。  Next, let us explain the principle of detecting the moving speed V X in the X-axis direction of the entire motion system. Now, as shown by the white arrow in Fig. 33, this motion system as a whole moves on the platform with the velocity + VX in the positive direction of the X-axis. Think about what will change. At this stage, when the weight 50 is moving at a positive angular velocity + ω y, Corio Rica Fco (z) acts in the positive direction Zil, and the weight 5 ° has a negative angular velocity of 1 ω y It can be seen that the Coriolis Fco (z) acts in the negative Z-axis direction when moving. If these Coriolis Fco (z) are denoted as + AF z and one AF z with a sign, the weight rest 50 moves from the end point P 2 to the end point P 1 through the center point P 0 to the right of the figure. In the half-period, a Coriolis force of + ΔFz directed in the Z $ direction acts additionally, and conversely, the weight rest 50 moves from the end point P 1 to the center point P 0. In the half cycle to the left of the diagram up to the end point P 2, a corioliser of ΔF z directed in the negative direction of the Z axis acts additionally.
ここで、 アーム 51力；'、 ある程度の可撓性をもった材料で構成されて いたと仮定しょう。 実は、 § 1 2以降で述べる多次元速度センサの実施 例は、 後述するように、 可撓性基板によって重錘体を支持する構造を採 つており、 この第 33図のモデルにおいてアーム 51に可撓性をもたせ た場台に等価になる。 このように、 アーム 51が可撓性をもっていると 仮定すれば、 Z軸正方向を向いたコリオリカ +A F zが作用すると、 円 弧軌道 52は Z紬正方向 （第 33図における上方） へ移動し、 逆に、 Z 軸負方向を向いたコリオリカ— Δ F zが作用すると、 円弧軌道 52は Z 軸負方向 （第 33図における下方） へ移動することになる。 Here, let's assume that the arm 51 is made of a material with some flexibility; In fact, the embodiments of the multidimensional velocity sensor described in §12 and thereafter adopt a structure in which the weight is supported by a flexible substrate, as described later. It is equivalent to a flexible base. Thus, assuming that the arm 51 is flexible, if a Corioliser + AF z directed in the positive direction of the Z axis acts, the circle becomes The arc trajectory 52 moves in the positive direction of the Z axis (upward in Fig. 33). Conversely, when a Corioliser ΔFz oriented in the negative direction of the Z axis acts, the arc trajectory 52 moves in the negative direction of the Z axis (Fig. 33). Below).
したがって、 重錘体 5〔〕が端点 P 2から中央点 P 0を経て端点 P 1に 至る図の右へ向かう半周期では、 円弧軌道 52は 「基準運動」 のときに 比べてやや上方へと変位し、 重錘休 50が端点 P 1から中央点 P 0を経 て端点 P 2に至る図の左へ向かう半周期では、 円弧軌道 52は 「基準運 動」 のときに比べてやや下方へと変位することになる。 重錘体 50の角 速度 w yの絶対値は、 中央点 P 0において最大となり、 両端点 P 1 , P 2において零になるので、 この円弧軌道 52の変位量は、 中央点 P〇に おいて最大となり、 両端点 P 1 , P 2において零となる。 したがって、 そこで、 中央点 P 0の変位が最も顕著に現れることになる。 第 33図で は、 この変位後の中央点 Ρ 0の位置を点 Ρ 0 および点 Ρ (〕—として示 してある。  Therefore, in the half cycle from the end point P2 to the end point P1 through the center point P0 from the end point P2 to the right side in the drawing, the circular arc orbit 52 is slightly upward as compared with the "reference movement". In the half cycle from the end point P1 to the end point P2 via the center point P0 and the end of the weight rest 50, the arc orbit 52 moves slightly downward compared to the "reference operation" in the half cycle. Will be displaced. Since the absolute value of the angular velocity wy of the weight 50 becomes maximum at the center point P 0 and becomes zero at both end points P 1 and P 2, the displacement amount of the circular arc orbit 52 is calculated at the center point P〇. It becomes maximum and becomes zero at both end points P 1 and P 2. Therefore, the displacement of the center point P 0 appears most remarkably. In FIG. 33, the position of the center point Ρ0 after this displacement is shown as points Ρ0 and Ρ () —.
この運動系全体が X軸正方向に速度 +V Xで移動している場台には、 往復振り子運動における図の右へ向かう半周期 （角速度 +w y) では、 コリオリカ +A F zが加わるため、 点 P 0 +を通過する上方軌道を通り、 図の左へ向かう半周期 （角速度一 w y) では、 コリオリカ— A F zが加 わるため、 点 P 0 _を通過する下方軌道を通ることになる。 これに対し、 この運動系全体が Χ¾負方向に速度- V Xで移動している場合には、 往 復振り子運動における図の右へ向かう半周期 （角速度 +w y) では、 コ リオリカー A F zが加わるため、 点 P 0一を通過する下方軌道を通り、 図の左へ向かう半周期 （角速度— w y) では、 コリオリカ +A F zが加 わるため、 点 P 0 +を通過する上方軌道を通ることになる。 結局、 第 2の変位検出器によって、 重錘休 5 0の Z蚰方向の変位を常 に検出し、 この検出値と、 「基準運動」 における基準検出値とを比較す れば、 移動速度 V Xを知ることができる。 移動速度 V Xの絶対値を求め るには、 たとえば、 Z蚰方向の平均変位値 （振り子運動の ]周期分につ いて、 重錘体 5 0の Z座標値を平均したもの） を求め、 この平均変位値 と、 「基準運動」 における基準となる平均変位値との差分をとるように してもよいし、 重錘体 5◦が Z軸を通過する瞬間における Z座標値 （た とえば、 第 3 3図における点 P 0 +の Z座標値） と、 「基準運動」 にお いて重錘体 5 0が Ζ ιを通過する瞬間における Z座標値 （たとえば、 第 3 3図における点 P◦の Z座標値） との差分をとるようにしてもよい。 また、 移動速度 V Xの符号については、 右へ向かう半周期と左へ向かう 半周期とについて、 第 2の変位検出器によって検出された Z 由方向の変 位検出値の大小関係を比較することによって求めることができる。 要す るに、 往復振り子運動における軌道の Z軸方向に関する偏りに基いて、 移動速度 V Xが求められることになる。 In the case where the whole motion system moves in the positive X-axis direction at the velocity + VX, Corioliser + AF z is added in the half cycle (angular velocity + wy) to the right of the figure in the reciprocating pendulum motion. In the half cycle to the left of the figure (angular velocity-1 wy), passing through the upper trajectory passing through P 0 +, the corioliser-AF z is added, so the vehicle passes through the lower trajectory passing through point P 0 _. On the other hand, if the whole motion system is moving in the negative direction at the velocity-VX, the corioliser AF z is added in the right half cycle (angular velocity + wy) of the forward and backward pendulum motion. Therefore, in the half-period (angular velocity-wy) going to the left of the figure through the lower trajectory passing through the point P0, the corioliser + AF z is added, so that it follows the upper trajectory passing the point P0 +. Become. Eventually, the displacement of the weight rest 50 in the Z-axis direction is always detected by the second displacement detector, and if this detected value is compared with the reference detected value in the “reference motion”, the moving speed VX You can know. In order to obtain the absolute value of the moving speed VX, for example, the average displacement value in the Z axis direction (the average of the Z coordinate values of the weight body 50 for the period of the pendulum motion) is obtained. The difference between the average displacement value and the reference average displacement value in the “reference motion” may be calculated, or the Z coordinate value at the moment when the weight 5 ° passes the Z axis (for example, The Z coordinate value of the point P 0 + in FIG. 33 and the Z coordinate value at the moment when the weight body 50 passes through Ζι in the “reference motion” (for example, the point P◦ in FIG. 33) (Z coordinate value). Also, the sign of the moving speed VX is calculated by comparing the magnitude relation of the displacement detection values in the Z-direction detected by the second displacement detector for the right half cycle and the left half cycle. You can ask. In short, the moving speed VX is determined based on the deviation of the orbit in the Z-axis direction in the reciprocating pendulum motion.
以上説明した移動速度 V zおよび V Xの検出原理を、 波形図を用いて より具体的に説明しょう。 まず、 第 3 4図および第 3 5図の波形図を用 いて、 移動速度 V zの検出原理を説明する。 第 3 4図に示す波形 G ( + X ) は、 重錘休 5 0に対して、 X軸の正方向に力を作 fflさせる第 1の力 発生器を駆動するための駆動信号であり、 正の駆動信号が与えられたと きには重錘体 5 0は X軸正方向に引っ張られ、 負の駆動信号が与えられ たときには重錘体 5 0は X軸負方向に引っ張られる。 また、 波形 G (— X ) は、 重錘体 5 0に対して、 X 由の負方向に力を作 fflさせる第 2の力 発生器を駆動するための駆動信号であり、 正の駆動信号が与えられたと きには重錘体 50は X軸負方向に引っ張られ、 負の駆動信号が与えられ たときには重錘休 5 0は X紬正方向に引っ張られる。 波形 G (+ x ) と 波形 G (- X ) とは位相が反転しており、 これら両波形に示すような駆 が移動している場合には、 前述したように振幅が増大することになり、 検出値 Xは第 3 5図中段に示すように振幅が大きくなる。 逆に、 Z 軸負方向の速度一 V zでこの運動系全体が移動している場合には、 振幅 が減少することになり、 検出値 AD Xは第 3 5図下段に示すように振幅 が小さくなる。 このような振幅変動によって、 Z铀方向の速度 V zの向 き （符号） と大きさとが検出できる。 The detection principle of the moving speeds Vz and VX described above will be described more specifically with reference to waveform diagrams. First, the principle of detecting the moving speed Vz will be described with reference to the waveform diagrams of FIGS. 34 and 35. The waveform G (+ X) shown in FIG. 34 is a drive signal for driving the first force generator that generates a force ffl on the weight rest 50 in the positive direction of the X axis, When a positive drive signal is given, the weight body 50 is pulled in the X-axis positive direction, and when a negative drive signal is given, the weight body 50 is pulled in the X-axis negative direction. The waveform G (—X) is a drive signal for driving a second force generator that generates a force ffl on the weight body 50 in the negative direction from X, and the positive drive signal Was given At this time, the weight body 50 is pulled in the negative direction of the X axis, and when a negative drive signal is given, the weight rest 50 is pulled in the positive direction of the X axis. The phases of the waveform G (+ x) and the waveform G (-X) are inverted, and when the drive shown in both waveforms moves, the amplitude increases as described above. The detected value X has a large amplitude as shown in the middle part of FIG. Conversely, if the whole motion system is moving at a velocity of 1 Vz in the negative direction of the Z-axis, the amplitude will decrease, and the detected value ADX will have the amplitude as shown in the lower part of Fig. 35. Become smaller. The direction (sign) and magnitude of the velocity Vz in the Z 铀 direction can be detected by such amplitude fluctuation.
続いて、 第 36図および第 3 7図の波形図を用いて、 移動速度 V xの 検出原理を説明する。 第 36図に示す波形 G (+ X ) および波形 G (— X ) は、 第 34図に示したものと同じ波形であり、 ΧίΜΐの正および負方 向に力を作用させる第 1および第 2の力発生器を駆動するための駆動信 号である。 このような駆動信号を供給することにより、 重錘体 50が往 復振り子運動することは既に述べたとおりである。  Subsequently, the principle of detecting the moving speed Vx will be described with reference to the waveform diagrams of FIGS. 36 and 37. The waveform G (+ X) and the waveform G (—X) shown in FIG. 36 are the same as those shown in FIG. 34, and the first and second waveforms which apply a force in the positive and negative directions of 、 are shown. This is a driving signal for driving the force generator of FIG. By supplying such a drive signal, the weight body 50 performs the forward and backward pendulum motion as described above.
一方、 第 36図に示す波形 D ( ζ ) は、 重錘休 50の Ζ蚰方向の変位 ( Ζ座標値） を検出する第 2の変位検出器から得られる検出信号であり、 重錘体 50が基準運動をしている場合の波形が示されている。 このよう な波形が得られることは、 第 33図において、 円弧軌道 52に沿って移 動する重錘体 5 0の Ζ座標値を追ってゆけば容易に理解できる。 また、 第 36図に示す波形 ω yは、 往復振り子運動をしている重錘休 5 0の角 速度 ω yを示す波形である。 時刻 t 1 〜 t 2 ~ t 3に至る半周期 Lは、 重錘体 50が第 3 3図の左方向へ向かって移動する期間であり、 角速度 ω yは負の値になる。 時刻 t 3〜 t 4 ( t 0) 〜 t lに至る半周期 Rは, 重錘体 50が第 33図の右方向へ向かって移動する期間であり、 角速度 co yは正の値になる。 On the other hand, the waveform D (ζ) shown in FIG. 36 is a detection signal obtained from the second displacement detector that detects the displacement (Ζ coordinate value) of the weight rest 50 in the vertical direction, 3 shows a waveform in the case of performing a reference motion. Obtaining such a waveform can be easily understood by following the Ζ coordinate value of the weight body 50 moving along the circular arc orbit 52 in FIG. A waveform ωy shown in FIG. 36 is a waveform indicating the angular velocity ωy of the weight rest 50 performing the reciprocating pendulum motion. A half cycle L from time t1 to t2 to t3 is a period during which the weight 50 moves to the left in FIG. 33, and the angular velocity ωy becomes a negative value. The half cycle R from time t3 to t4 (t0) to tl is This is the period during which the weight 50 moves to the right in FIG. 33, and the angular velocity co y becomes a positive value.
ここで、 第 33図に白抜きの矢印で示すように、 X軸正方向に + V x が移動している場合には、 前述したように振幅が増大することになり、 検出値 Δϋ χは第 35図中段に示すように振幅が大きくなる。 逆に、 Ζ 軸負方向の速度一 V ζでこの運動系全休が移動している場合には、 振幅 が減少することになり、 検出値 Δ D Xは第 35図下段に示すように振幅 が小さくなる。 このような振幅変動によって、 Ζ軸方向の速度 V zの向 き （符号） と大きさとが検出できる。  Here, as shown by a white arrow in FIG. 33, when + V x moves in the positive direction of the X-axis, the amplitude increases as described above, and the detection value Δϋ χ becomes The amplitude increases as shown in the middle part of FIG. Conversely, if this motion system is moving at a velocity of 1 V in the negative direction of the 軸 axis, the amplitude will decrease, and the detected value ΔDX will decrease as shown in the lower part of Fig. 35. Become. The direction (sign) and magnitude of the velocity V z in the 速度 -axis direction can be detected by such amplitude fluctuation.
続いて、 第 36図および第 37図の波形図を用いて、 移動速度 V xの 検出原理を説明する。 第 36図に示す波形 G (+ X ) および波形 G (- X ) は、 第 34図に示したものと同じ波形であり、 X軸の正および負方 向に力を作用させる第 1および第 2の力発生器を駆動するための駆動信 号である。 このような駆動信号を供給することにより、 重錘体 50が往 復振り子運動することは既に述べたとおりである。  Next, the principle of detecting the moving speed Vx will be described with reference to the waveform diagrams of FIGS. 36 and 37. The waveform G (+ X) and the waveform G (-X) shown in FIG. 36 are the same waveforms as those shown in FIG. 34, and the first and second waveforms that exert a force in the positive and negative directions of the X axis are shown. This is a drive signal for driving the second force generator. By supplying such a drive signal, the weight body 50 performs the forward and backward pendulum motion as described above.
—方、 第 36図に示す波形 D (z) は、 重錘体 50の Z軸方向の変位 ( Z座標値） を検出する第 2の変位検出器から得られる検出信号であり、 重錘体 50が基準運動をしている場台の波形が示されている。 このよう な波形が得られることは、 第 33図において、 円弧軌道 52に沿って移 動する重錘体 50の Z座標値を追ってゆけば容易に理解できる。 また、 第 36図に示す波形 ω yは、 往復振り子運動をしている重錘体 50の角 速度 ω yを示す波形である。 時刻 t 1〜 t 2〜 t 3に至る半周期 Lは、 重錘体 50が第 33図の左方向へ向かって移動する期間であり、 角速度 ω yは負の値になる。 時刻 t 3~ t 4 ( t 0) 〜 t lに至る半周期 Rは- 重錘体 5 0が第 3 3図の右方向へ向かって移動する期間であり、 角速度 ω yは正の値になる。 On the other hand, the waveform D (z) shown in FIG. 36 is a detection signal obtained from the second displacement detector that detects the displacement (Z coordinate value) of the weight body 50 in the Z-axis direction. The waveform of the stage where 50 is performing the reference movement is shown. Obtaining such a waveform can be easily understood by following the Z coordinate value of the weight body 50 moving along the circular arc orbit 52 in FIG. A waveform ωy shown in FIG. 36 is a waveform indicating the angular velocity ωy of the weight body 50 performing the reciprocating pendulum motion. A half cycle L from time t1 to t2 to t3 is a period during which the weight 50 moves to the left in FIG. 33, and the angular velocity ωy becomes a negative value. The half cycle R from time t3 to t4 (t0) to tl is- This is a period during which the weight body 50 moves rightward in FIG. 33, and the angular velocity ωy becomes a positive value.
ここで、 第 3 3図に白抜きの矢印で示すように、 X f由正方向に + V x の速度でこの運動系全体が移動したとすると、 前述したように、 重錘休 5 0が図の右へ向かう半周期 Rでは、 コリオリカ + Δ F zが作用し、 図 の左へ向かう半周期 Lでは、 コリオリカ— Δ F zが作用する。 このため、 重錘休 5 0の軌道は Z の正または負方向に変位する。  Here, as shown by a white arrow in FIG. 33, assuming that the entire motion system moves at a speed of + Vx in the Xf direction, as described above, the weight rest 50 In the right half-period R, Corioliser + ΔFz acts, and in the left half-period L, Corioliser ΔFz acts. Therefore, the orbit of the weight rest 50 is displaced in the positive or negative direction of Z.
そこで、 この Z軸方向の変位検出器から得られる波形 D ( z ) につい て、 実際に得られた波形と、 基準運動時の波形との差分 Δ ϋ zをとつて みる。 第 3 7図は、 このようにして得られた差分 A D ζの波形図である。 ここで、 第 3 7図上段に示す差分波形 ζは、 重錘休 5 ()が基準運動 をしているときの差分を示し、 当然、 差は常に零である。 これに対し、 第 3 7図中段に示す差分波形 A D ζは、 第 3 3図に白抜きの矢印で示し たように、 Χ 由正方向に + V Xの速度でこの運動系全体が移動したとき の差分を示す。 この場台、 第 3 6図の波形図 ω yに示されているように、 半周期 Rではコリオリカ + Δ F zが作用して軌道は Z 由正方向に変位し、 半周期 Lではコリオリカ- Δ F zが作用して軌道は Z铀負方向に変位す る。 したがって、 第 3 7図中段の波形図では、 半周期 Rでは差分 Δ ϋ ζ は正の値をとり、 半周期 Lでは差分 D ζは負の値をとつている。 逆に、 この運動系全体が Χ $由負方向に一 V Xの速度で移動した場合は、 差分 D ζは第 3 7図下段に示すようになる。  Therefore, for the waveform D (z) obtained from the displacement detector in the Z-axis direction, the difference Δϋz between the actually obtained waveform and the waveform at the time of the reference motion will be described. FIG. 37 is a waveform diagram of the difference AD obtained in this manner. Here, the difference waveform ζ shown in the upper part of FIG. 37 indicates the difference when the weight rest 5 () is performing the reference motion, and the difference is always zero. On the other hand, the difference waveform AD 中 shown in the middle part of Fig. 37 is, as shown by the white arrow in Fig. 33, と き when the whole motion system moves at + VX speed in the positive direction. Shows the difference. As shown in the waveform diagram ω y in Fig. 36, the orbit is displaced in the half-period R due to the action of Corioliser + ΔFz, and the orbit is displaced in the Z direction. The orbit is displaced in the negative Z 铀 direction due to the action of ΔFz. Therefore, in the waveform diagram in the middle part of FIG. 37, the difference Δ ϋ has a positive value in the half cycle R, and the difference D で は has a negative value in the half cycle L. Conversely, when the entire motion system moves in the direction of Χ $ at a speed of 1 VX, the difference D に な る becomes as shown in the lower part of FIG. 37.
このように、 Z f由方向の変位を基準運動時と比較することによって、 X軸方向の速度 V xの向き （符号） と大きさとが検出できる。  Thus, by comparing the displacement in the Zf direction with the reference motion, the direction (sign) and magnitude of the velocity Vx in the X-axis direction can be detected.
以上の説明から、 重錘体 5 ϋに対して、 X軸の正方向に力を作用させ 一 8 ] — る第 1の力発生器と、 X軸の負方向に力を作用させる第 2の力発生器と、 を設け、 重錘体 5 0を円弧軌道 5 2に沿って往復振り子運動をさせ、 重 錘体 5 0の X铀方向の変位を検出できる第〗の変位検出器と、 Z幸由方向 の変位を検出できる第 2の変位検出器と、 を設け、 これら変位検出器の 実際の検出値と基準となる検出値との差分を求めれば、 第 1 9図に示す 運動系を用いて、 速度 V x， V zを測定することのできる二次元速度セ ンサが実現できることが理解できょう。 From the above explanation, it is assumed that a force acts on the weight body 5 mm in the positive direction of the X axis. And a second force generator for exerting a force in the negative direction of the X-axis. A second displacement detector capable of detecting the displacement of the weight body 50 in the X 铀 direction and a second displacement detector capable of detecting the displacement in the positive Z direction are provided, and actual detected values of these displacement detectors are provided. By calculating the difference between the reference value and the reference detection value, it can be understood that a two-dimensional speed sensor that can measure the speeds Vx and Vz can be realized using the motion system shown in Fig. 19.
更に、 速度 V yをも測定できる三次元速度センサを実現するには、 駆 動手段として、 重錘体 5 0に対して、 Y軸の正方向に力を作用させる第 3の力発生器と、 Y 由の負方向に力を作用させる第 4の力発生器と、 を 付加すればよい。 第 1の力発生器と第 2の力発生器とを動作させれば、 上述したように、 重錘体 5◦を X軸上の円弧軌道 5 2に沿って往復振り 子運動させることができ、 第 3の力発生器と第 4の力発生器とを動作さ せれば、 第 2 0図に示すように、 重錘体 5 0を Y ii上の円弧軌道 5 4に 沿って往復振り子運動させることができる。 この円弧軌道 5 4に沿った 運動中に、 第 2の変位検出器によって、 Z軸方向に関する軌道変位を検 出できれば、 この変位は Z $由方向に作用したコリオリカ土 zに基く ものであり、 このコリオリカ土 Δ F zは速度 V yに関連した量になるの で、 結局、 速度 V yをも含めたすべての速度成分を測定可能な三次元速 度センサが実現できることになる。  Furthermore, in order to realize a three-dimensional speed sensor that can also measure the speed Vy, a third force generator that applies a force to the weight body 50 in the positive Y-axis direction is used as driving means. , And a fourth force generator that applies a force in the negative direction from Y, may be added. By operating the first force generator and the second force generator, as described above, the weight body 5◦ can be reciprocally pendulum-moved along the circular arc orbit 52 on the X axis. By operating the third and fourth force generators, as shown in FIG. 20, the weight body 50 reciprocates along a circular orbit 54 on Yii. Can be done. If the second displacement detector can detect the orbital displacement in the Z-axis direction during the movement along the arc-shaped orbit 54, this displacement is based on the Coriolis soil z acting in the Z $ direction, Since the Coriolis soil ΔFz is an amount related to the velocity Vy, a three-dimensional velocity sensor capable of measuring all velocity components including the velocity Vy can be realized.
なお、 検出したコリオリカ F co(x) , F co(y) , F co(z) と、 測定対 象となる速度 V x , V y , V zとの物理的関係については、 既に基本原 理として解析したとおりである。 したがって、 重錘休 5 ϋの質量 mや、 アーム 5 の長さ rといったパラメ一夕を用い、 往復振り子運動を力学 的に解析し、 前述した基本原理に基く演算を行えば、 各速度 V x , V y , V zの絶対値を演算することは、 一応、 理論的には可能である。 しかし ながら、 このような理論演算によって、 各速度 V x， V y , V zの絶対 値を演算することは現実的ではない。 そこで、 実用上は、 既存の速度セ ンサを用いた実測値に、 本速度センサの出力を台わせるキヤリブレーシ ヨ ンを行うようにすれば十分である。 たとえば、 重錘休 5 0を X Z平面 内で往復振り子運動させた状態において、 第 3 5図に示すような差分 Δ D Xを電圧値として得るようにし、 別な速度センサで実測した速度 V z の値に基いて、 この電圧値をキャ リブレーションして、 速度 V zの値と して出力するようにすればよい。 もちろん、 変位検出器の出力信号に基 いて得られた X軸方向の速度検出値と、 別な速度センサで実測した速度 検出値 V zとは、 必ずしも線形対応関係にはならないかもしれないが、 少なくとも両者間には 1対 1の対応関係が得られるので、 キヤリブレー ション用のルックアップテーブルなどを用意しておけば、 必ず対応した 速度値を出力することが可能になる。 The physical relationship between the detected Coriolisers F co (x), F co (y), F co (z) and the speeds V x, V y, V z to be measured has already been explained. As analyzed. Therefore, the reciprocating pendulum motion is calculated using parameters such as the mass m of the weight rest 5 mm and the length r of the arm 5. It is theoretically possible to calculate the absolute values of the velocities V x, V y, and V z, if the analysis is carried out based on the basic principle described above. However, it is not realistic to calculate the absolute values of the velocities Vx, Vy, Vz by such a theoretical operation. Therefore, in practice, it is sufficient to carry out a calibration in which the output of this speed sensor is applied to the measured value using an existing speed sensor. For example, in a state where the weight rest 50 is reciprocally pendulum moved in the XZ plane, a difference ΔDX as shown in FIG. 35 is obtained as a voltage value, and the speed V z measured by another speed sensor is obtained. The voltage value may be calibrated based on the value and output as the value of the speed Vz. Of course, the linear velocity relationship between the velocity detection value in the X-axis direction obtained based on the output signal of the displacement detector and the velocity detection value Vz actually measured by another velocity sensor may not always exist. At least a one-to-one correspondence can be obtained between the two, so if a lookup table for calibration is prepared, it is possible to always output the corresponding speed value.
§ 1 2 . 容量素子を利用した多次元速度センサの実施例 § 1 2. Example of multi-dimensional speed sensor using capacitive element
第 3 8図に側断面を示す三次元速度センサ 1 0 0は、 容量素子によつ て、 力発生器および変位検出器を構成した実施例である。 この速度セン サ 1 0 0の中枢として機能する基板は可撓性基板 1 1 0である。 第 3 9 図に、 この可撓性基板 1 1 0の上面図を示す。 第 3 9図に示す可撓性基 板 1 ] 0を、 X 由に沿って切った断面が、 第 3 8図に示されていること になる。 第 3 9図において破線で示されているように、 可撓性基板 1 ] 0の下面には、 円環状の溝が形成されており、 この溝が形成された部分 は肉厚が薄いために可撓性をもっている （第 3 8図には、 撓部 1 1 2 として示されている） 。 ここでは、 この円環状の可撓部 1 1 2に囲まれ た内側の部分を作用部 1 1 1と呼び、 可撓部 1 1 2の外側の部分を固定 部 1 1 3と呼ぶことにする。 作用部 1 1 1の下面には、 プロック状の重 錘体 1 2 0が固着されており、 固定部 1 1 3は、 台座 1 3〔）によって支 持されている （第 3 9図では、 重錘休 1 2 ϋおよび台座 1 3 0の位置を 破線で示してある） 。 また、 台座 1 3 0はベース基板 1 4 ϋに固定され ている。 結局、 重錘体 1 2 0は、 台座 1 3 0によって囲まれた空間内に おいて宙吊りの状態となっている。 ここで、 肉厚の薄い可撓部 1 1 2が 可撓性をもっているため、 重錘休 1 2◦は、 ある程度の自由度をもって この空間内で変位できる。 すなわち、 固定部 1 1 3、 台座 1 3 0、 ベー ス基板 1 4 0からなる装置筐体の中に、 支持手段として機能する可撓部 1 1 2および作用部 1 1 1を介して、 重錘休 1 2 0力《、 所定の自由度を もって移動可能になるように支持されていることになる。 また、 可撓性 基板 1 1 0の上部には、 蓋基板 1 5 0が所定の空間を確保しながら覆う ように取り付けられている。 The three-dimensional velocity sensor 100 whose side section is shown in FIG. 38 is an embodiment in which a force generator and a displacement detector are constituted by capacitive elements. The substrate that functions as the center of the speed sensor 100 is the flexible substrate 110. FIG. 39 shows a top view of the flexible substrate 110. FIG. 38 shows a cross section of the flexible substrate 1] 0 shown in FIG. 39 cut along the X direction. As shown by a broken line in FIG. 39, an annular groove is formed on the lower surface of the flexible substrate 1] 0, and a portion where the groove is formed is formed. Is flexible due to its small thickness (shown as flexures 1 1 and 2 in FIG. 38). Here, the inner portion surrounded by the annular flexible portion 112 is referred to as an action portion 111, and the outer portion of the flexible portion 112 is referred to as a fixed portion 113. . A block-shaped weight body 120 is fixed to the lower surface of the working portion 111, and the fixed portion 113 is supported by a pedestal 13 [] (in FIG. 39, The positions of the weight rest 12 2 and the pedestal 130 are indicated by broken lines). The pedestal 130 is fixed to the base substrate 14 ϋ. As a result, the weight body 120 is suspended in the space surrounded by the pedestal 130. Here, since the thin flexible portion 112 has flexibility, the weight rest 122 can be displaced in this space with a certain degree of freedom. That is, in the device housing composed of the fixed portion 113, the pedestal 130, and the base substrate 140, the weight is increased via the flexible portion 112 functioning as a support means and the action portion 111. Weight rest 120 force <<, which means that it is supported so that it can move with a certain degree of freedom. Further, a cover substrate 150 is mounted on the flexible substrate 110 so as to cover it while securing a predetermined space.
第 3 9図に示すように、 可撓性基板 1 1 0の上面には、 力発生器とし て機能する 4枚の電極層 G 1 1〜G 1 4と、 変位検出器として機能する 5枚の電極層 D 1 1 〜D 1 5が形成されている。 なお、 第 3 9図では、 これらの電極層の部分にハッチングを施して示してあるが、 これは、 各 電極層のパターン認識が容易になるようにするための配慮であり、 断面 部分を示すためのハッチングではない。 また、 力発生器として機能する 電極層と、 変位検出器として機能する電極層とでは、 異なるハッチング パターンを施した。 これは、 電極の平面パターンを示す他の図について も同様である。 一方、 蓋基板 15 ϋの下面には、 これらの各電極層 G 1 1〜〇 14ぉょび01 1〜015のすべてに対向するように、 1枚の大 きな円盤状の共通電極層 Ε 10が形成されており、 これら上下に対向す る電極層によって、 合計 9組の容量素子が構成されることになる。 ここ では、 第 38図に示すように、 図の右方向に X軸、 図の上方向に Ζΐ由が 配置された ΧΥ Ζ三次元座標系を定義し、 以後の説明を行うことにする。 第 39図に示されているように、 電極層 G 1 1 ~G 14および電極層 D 1 1〜D 14は、 いずれもこの座標系における X軸上もしくは Y軸上に 位置し、 しかもこれらの蚰に関して線対称な形状をしている。 As shown in FIG. 39, on the upper surface of the flexible substrate 110, four electrode layers G11 to G14 functioning as force generators and five electrode layers G11 to G14 functioning as displacement detectors Electrode layers D11 to D15 are formed. In FIG. 39, these electrode layers are indicated by hatching, but this is for the purpose of facilitating pattern recognition of each electrode layer, and the cross section is shown. Not for hatching. Also, different hatching patterns were applied to the electrode layer functioning as a force generator and the electrode layer functioning as a displacement detector. This is similar to the other figures showing the planar pattern of the electrodes. The same is true for On the other hand, one large disc-shaped common electrode layer ϋ is formed on the lower surface of the lid substrate 15 対 向 so as to face all of these electrode layers G 11 〇 14 and 01 1 1 015. 10 are formed, and these upper and lower electrode layers constitute a total of 9 sets of capacitive elements. Here, as shown in Fig. 38, a three-dimensional coordinate system is defined in which the X-axis is located to the right of the figure and the rules are located to the top of the figure, and the following description will be given. As shown in FIG. 39, the electrode layers G11 to G14 and the electrode layers D11 to D14 are all located on the X axis or the Y axis in this coordinate system. It has a shape that is line-symmetric with respect to the bush.
なお、 この実施例では、 可撓性基板 1 1 0側に 9枚の個々の電極層 G 1 1〜G 14, D 1 1 ~D 15を形成し、 蓋基板 1 50側に単一の共通 電極層 E 10を形成したが、 逆に、 可撓性基板 1 10側に単一の共通電 極層 E 10を形成し、 蓋基板 1 50側に 9枚の個々の電極層 G 1 1 ~G 14, D 1 1〜D 1 5を形成するようにしてもかまわない。 あるいは、 共通電極層を用いずに、 可撓性基板 1 10側にも、 蓋基板 1 5 Offlijにも、 それぞれ 9枚の個々の電極層を形成し、 対向する電極層ごとに物理的に 独立した容量素子を構成してもかまわない。  In this embodiment, nine individual electrode layers G 11 to G 14 and D 11 to D 15 are formed on the flexible substrate 110 side, and a single common layer is formed on the lid substrate 150 side. Although the electrode layer E10 was formed, conversely, a single common electrode layer E10 was formed on the flexible substrate 110 side, and nine individual electrode layers G11 to 9 were formed on the lid substrate 150 side. G14, D11 to D15 may be formed. Alternatively, without using a common electrode layer, nine individual electrode layers are formed on each of the flexible substrate 110 and the lid substrate 15 Offlij, and each of the opposing electrode layers is physically independent. It is also possible to configure a capacitance element described above.
さて、 はじめに、 電極層 G 1 1と共通電極層 E 1 0との間に、 何らか の電圧を印加した場台に起こる現象を考えると、 電極層 G 1 1 / E 1 0 間には、 クーロン力による引力が作用する。 このとき、 電極層 G 1 1は、 肉厚の薄い可撓部 1 12上に位置するため、 この引力に基いて、 電極層 G 1 1 /E 10の間隔がやや小さくなるように、 可撓性基板 1 1 0は撓 みを生じることになる。 このような撓みは、 重錘休 120について、 X 軸正方向への変位を生じさせる。 要するに、 共通電極層 E 1 0の電位を 基準電位として、 電極層 G 1 1に所定の電圧を印加すると、 重錘体 1 2 0が X 由方向に変位することになる。 したがって、 この電極層 G 1 1お よび共通電極層 E 1 0からなる容量素子は、 重錘体 1 2 0に対して X軸 正方向への力を作用させる力発生器として機能することになる。 同様に、 電極層 G 1 2および共通電極層 E 1 0からなる容量素子、 電極層 G 1 3 および共通電極層 E 1 0からなる容量素子、 電極層 G 1 4および共通電 極層 E ] 0からなる容量素子、 はそれぞれ Y軸正方向への力、 由負方 向への力、 Y铀負方向への力、 を作用させる力発生器として機能するこ とになる。 By the way, first, considering the phenomenon that occurs on the stage where some voltage is applied between the electrode layer G 11 and the common electrode layer E 10, Attraction by Coulomb force acts. At this time, since the electrode layer G 11 is located on the thin flexible portion 112, based on this attractive force, the electrode layer G 11 / E 10 is flexibly formed so that the interval between the electrode layers G 1 / E 10 becomes slightly smaller. The flexible substrate 110 will bend. Such bending causes displacement of the weight rest 120 in the positive X-axis direction. In short, the potential of the common electrode layer E 10 When a predetermined voltage is applied to the electrode layer G11 as a reference potential, the weight body 120 is displaced in the X-dependent direction. Therefore, the capacitive element composed of the electrode layer G 11 and the common electrode layer E 10 functions as a force generator that applies a force in the positive direction of the X axis to the weight body 120. . Similarly, a capacitive element composed of the electrode layer G12 and the common electrode layer E10, a capacitive element composed of the electrode layer G13 and the common electrode layer E10, an electrode layer G14 and the common electrode layer E] 0 The capacitive element consisting of consists of a force generator that applies a force in the positive direction of the Y axis, a force in the negative direction, a force in the negative direction of Y, and.
このような 4組の容量素子に適宜クーロン力を作用させれば、 重錘休 1 2 0に対して、 第 2◦図に示す円弧軌道 5 2 ( X蚰） に沿った往復振 り子運動を行わせることもできるし、 第 2 0図に示す円弧軌道 5 4 ( Y 軸） に沿った往復振り子運動を行わせることもできる。 たとえば、 共通 電極層 E 1 0を接地した状態において、 電極層 G 1 1に正の電圧を印加 する動作と、 電極層 G 1 3に正の電圧を印加する動作と、 を交互に行え ば、 重錘体 1 2 0は、 円弧軌道 5 2に沿って、 X Z平面内で往復振り子 運動を行うことになる。 第 4 0図は、 このような運動を説明するための 側断面図である。 ここに示す例では、 原点 0を中心とした 】周軌道 1 6 ϋに沿って、 重錘休 1 2 ϋの重心 Gが往復振り子運動をすることになる c 円周軌道 1 6 0上の 1点 G Rは、 重心 Gが最も右方に移動したときの位 置を示し、 1点 G Lは、 重心 Gが最も左方に移動したときの位置を示す c 別言すれば、 点 G Rは第 1 9図の点 P 1に対応し、 点 G Lは第 1 9図の 点 P 2に対応する。 このような往復振り子運動は、 Y蚰まわりの角速度 ω yをもった自転運動であり、 重錘体 1 2 0は、 固定部 1 1 3、 台座 1 3 0、 ベース基板 1 4 0からなる装置筐体の中に、 「単純支持系」 によ つて支持されていることになる。 By appropriately applying Coulomb force to these four sets of capacitive elements, the reciprocating pendulum motion along the circular orbit 52 (X) shown in Fig. 2 Or a reciprocating pendulum motion along a circular orbit 54 (Y-axis) shown in FIG. 20 can be performed. For example, when the common electrode layer E 10 is grounded and the operation of applying a positive voltage to the electrode layer G 11 and the operation of applying a positive voltage to the electrode layer G 13 are alternately performed, The weight body 120 performs a reciprocating pendulum motion in the XZ plane along the circular orbit 52. FIG. 40 is a side sectional view for explaining such a movement. In the example shown here, along the central and the] circumferential track 1 6 Y origin 0, 1 on c circular path 1 6 0 Jutsumukyu 1 2 Y of the center of gravity G is to a reciprocating pendulum movement point GR indicates the position at which the center of gravity G is moved to the rightmost one point GL, if c another way shows the position when the center of gravity G is moved most to the left, the point GR first Point GL corresponds to point P 2 in FIG. 19, and point GL corresponds to point P 2 in FIG. Such a reciprocating pendulum motion is a rotation motion having an angular velocity ω y around the Y axis, and the weight body 120 has a fixed part 1 13 and a pedestal 1 It is supported by the “simple support system” in the device housing consisting of 30 and the base substrate 140.
同様に、 共通電極層 E 1 0を接地した状態において、 電極層 G 1 2に 正の電圧を印加する動作と、 電極層 G 1 4に正の電圧を印加する動作と、 を交互に行えば、 重錘体 1 2 0は、 第 2 0図に示す円弧軌道 5 4 ( Y軸） に沿って、 Y Z平面内で往復振り子運動を行うことになる。  Similarly, when the common electrode layer E 10 is grounded, the operation of applying a positive voltage to the electrode layer G 12 and the operation of applying a positive voltage to the electrode layer G 14 are alternately performed. The weight body 120 performs a reciprocating pendulum motion in the YZ plane along the circular orbit 54 (Y axis) shown in FIG.
以上の動作説明では、 各電極層 G 1 1〜G 1 4と共通電極層 E 1 0と の間にクーロン引力を作用させて、 重錘体 1 2 0を往復振り子運動させ ている力；'、 逆に、 クーロン斥力を作用させて往復振り子運動させること も可能である。 また、 クーロン引力とクーロン斥力との両方を利用すれ ば、 更に効率的な往復振り子運動が可能になる。 たとえば X蚰正方向に 変位させるのであれば、 電極層 G 1 1 / E 1 0間にクーロン引力を作用 させるとともに電極層 G 1 3 / E 1 0間にクーロン斥力を作用させれば よい。  In the above description of the operation, the force that causes Coulomb attraction between each of the electrode layers G11 to G14 and the common electrode layer E10 to cause the weight body 120 to reciprocate pendulum movement; On the contrary, it is also possible to reciprocate the pendulum by applying Coulomb repulsion. If both Coulomb attraction and Coulomb repulsion are used, more efficient reciprocating pendulum motion is possible. For example, when displacing in the positive direction of X, a Coulomb attractive force may be applied between the electrode layers G 11 / E 10 and a Coulomb repulsive force may be applied between the electrode layers G 13 / E 10.
続いて、 この三次元速度センサ 1 0 0によって、 Z iiti方向の速度 V z を検出する原理を説明しょう。 既に述べた検出原理によれば、 重錘休 1 2 0が Y軸まわりの角速度 o> yをもって X Z平面内で往復振り子運動し た状態において、 重錘体 1 2 0に作用する X軸方向のコリォリカ F co (x) を測定することができれば、 このコリオリカ F co(x〉 はこの速度セ ンサ全体の Z軸方向の移動速度 V zに対応した量になる。 そして、 X幸由 方向のコリオリカ F co(x) は、 重錘休 1 2 0の X铀方向の変位を検出す る変位検出器によって、 振幅の増減現象として測定できることも既に § 1 1において述べた。 三次元速度センサ 1 0 0では、 電極層 D 1 1およ び共通電極 Ε 1 0からなる容量素子と、 電極層 D 1 3および共通電極 Ε 10からなる容量素子と、 が X軸方向に関する変位検出器としての役割 を果たす。 たとえば、 重錘休 120が X軸の正方向に変位した場台、 可 撓部 1 1 2が撓むことにより、 電極層 D l 1 /E 10間の距離が縮まり、 電極層 D 13/E 10間の距離は広がることになり、 これら 2枚の電極 層によつて構成される容量素子の静電容量値に変化が生じることになる。 また、 重錘体 120が X铀の負方向に変位した場合は、 前述の場台とは 逆の変化が生じることになる。 結局、 電極層 D 1 1 /E 10からなる容 量素子の静電容量値は第 34図の波形 D (+ X ) のように変化し、 電極 層 D 13ZE 10からなる容量素子の静電容量碴は波形 D (— X ) のよ うに変化する。 したがって、 電極層 D 1 1 ZE 10間の静電容量値と電 極層 D 13ZE 10間の静電容量値との差分 AD xを測定することによ り、 重錘体 120の X軸方向に関する振幅を求めることができる。 第 3 5図に示すように、 この差分 AD Xは周期的な関数になるので、 その振 幅値を適当にキヤリブレーションすれば、 Z軸方向の移動速度 V zを得 ることができる。 Next, the principle of detecting the velocity V z in the Z iiti direction by the three-dimensional velocity sensor 100 will be described. According to the detection principle already described, when the weight rest 120 reciprocates in the XZ plane with the angular velocity o> y around the Y axis, the weight 120 acting on the weight body 120 in the X axis direction If Coriolica F co (x) can be measured, this Coriolisa F co (x) will be an amount corresponding to the Z-axis moving speed V z of the entire speed sensor. It has already been described in §11 that F co (x) can be measured as an amplitude increase / decrease phenomenon by a displacement detector that detects the displacement of the weight rest 120 in the X 铀 direction. 0, the capacitance element composed of the electrode layer D 11 and the common electrode Ε 10, and the electrode layer D 13 and the common electrode Ε The capacitance element composed of 10 and serves as a displacement detector in the X-axis direction. For example, when the weight rest 120 is displaced in the positive direction of the X axis, and the flexible portion 1 1 2 is bent, the distance between the electrode layers D l 1 / E 10 is reduced, and the electrode layer D 13 / E The distance between 10 will increase, and the capacitance value of the capacitance element formed by these two electrode layers will change. Also, when the weight body 120 is displaced in the negative direction of X 変 化, a change opposite to that of the aforementioned platform occurs. Eventually, the capacitance value of the capacitance element composed of the electrode layer D11 / E10 changes as shown by the waveform D (+ X) in FIG. 34, and the capacitance of the capacitance element composed of the electrode layer D13ZE10碴 changes like waveform D (— X). Therefore, by measuring the difference ADx between the capacitance value between the electrode layers D 11 and ZE 10 and the capacitance value between the electrode layers D 13 ZE 10, the X-axis direction of the weight body 120 is measured. The amplitude can be determined. As shown in FIG. 35, since the difference ADX is a periodic function, if the amplitude value is appropriately calibrated, the moving speed Vz in the Z-axis direction can be obtained.
次に、 この三次元速度センサ 100によって、 X蚰方向の速度 V xを 検出する原理を説明しょう。 既に述べた検出原理によれば、 重錘体 1 2 0が Y軸まわりの角速度 o yをもって XZ平面内で往復振り子運動した 状態において、 重錘体 1 20に作用する Z帥方向のコリオリカ F co(z) を測定することができれば、 このコリオリカ Fco(z) はこの速度センサ 全体の X蚰方向の移動速度 V Xに対応した量になる。 そして、 Z軸方向 のコリオリカ Fco(z) は、 重錘体 120の Z軸方向の変位を検出する変 位検出器によって測定できることも既に § 1 1において述べた。 三次元 速度センサ 1 0 ϋでは、 電極層 D 1 5および共通電極 Ε 1 ϋからなる容  Next, the principle of detecting the velocity V x in the X axis direction by the three-dimensional velocity sensor 100 will be described. According to the detection principle already described, in a state where the weight body 120 reciprocates in the XZ plane with the angular velocity oy about the Y axis, the Coriolis F co (F co ( If z) can be measured, this Coriolis Fco (z) will be an amount corresponding to the moving speed VX in the X direction of the entire speed sensor. Also, as described in §11, the Coriolis Fco (z) in the Z-axis direction can be measured by a displacement detector that detects the displacement of the weight body 120 in the Z-axis direction. In the three-dimensional velocity sensor 10 mm, the volume consisting of the electrode layer D 15 and the common electrode
― ο 8 ― 量素子が、 Z軸方向に関する変位検出器としての役割を梁たす。 ― Ο 8 ― The quantity element serves as a displacement detector in the Z-axis direction.
いま、 電極層 G 1 1 , G 1 3に交互に電圧を印加して、 重錘体 1 2 0 を X Z平面内で往復振り子運動させた状態にする。 このとき、 この三次 元速度センサ 1 0 0が静止状態におかれていたとすると、 重錘体 1 2 0 は 「基準運動」 を行うことになる。 この 「基準運動」 を行っている状態 において、 電極層 D 1 5および共通電極 E 1 0からなる容量素子の静電 容量値の時間的変化を基準波形として予め则定しておく。 この基準波形 は、 「基準運動」 を行っているときの重錘体 1 2 0の Z紬方向の変位を 示すものである。 すなわち、 重錘休 1 2 0が Z ib正方向に変位すれば、 電極層 D 1 5 E 1 0間の距離は縮まり静電容量値は増加し、 逆に、 重 錘体 1 2 0が Z $由負方向に変位すれば、 電極層 D 1 5 / E 1 0間の距離 は広がり静電容量値は減少する。  Now, a voltage is alternately applied to the electrode layers G 11 and G 13 to bring the weight body 120 into a state of reciprocating pendulum movement in the XZ plane. At this time, assuming that the three-dimensional speed sensor 100 is in a stationary state, the weight body 120 performs "reference movement". In the state where the “reference movement” is being performed, a temporal change in the capacitance value of the capacitance element including the electrode layer D 15 and the common electrode E 10 is previously determined as a reference waveform. This reference waveform shows the displacement of the weight body 120 in the Z-pong direction during the “reference movement”. That is, if the weight rest 120 is displaced in the Z ib positive direction, the distance between the electrode layers D 15 E 10 is reduced, the capacitance value is increased, and conversely, the weight body 120 is Z $ If it is displaced in the negative direction, the distance between the electrode layers D15 / E10 increases and the capacitance value decreases.
続いて、 この三次元速度センサ 1 0 0力；'、 X軸正方向に速度 + V xを もって移動しているときに、 上記 「基準運動」 がどのように変化するか を考える。 すると、 第 4 0図において、 重錘体 1 2 0の重心 Gが点 G L から点 G Rに向けて図の右へ移動する半周期 Rについては、 角速度は + ω yとなるので、 Z軸正方向のコリオリカ + Δ F zが加わり、 重錘体 1 2 0は第 4 0図においてやや上方にずれた軌道を移動することがわかる。 また、 第 4 0図において、 重錘体 1 2 ϋの重心 Gが点 G Rから点 G Lに 向けて図の左へ移動する半周期 Lについては、 角速度は一 o> yとなるの で、 Z铀負方向のコリオリカー Δ F zが加わり、 重錘体 1 2 0は第 4 Γ) 図においてやや下方にずれた軌道を移動することがわかる。 別言すれば、 右へ向かう半周期 Rでは、 「基準運動」 の状態に比べて電極層 D 1 5 / Ε 1 0間の距離は縮まり静電容量値は増加し、 左へ向かう -周期 Lでは- 「基準運動」 の状態に比べて電極層 D 1 5 / E 1◦間の距離は広がり 2 電容量値は減少することになる。 Next, consider how the “reference movement” changes when the three-dimensional speed sensor 100 is moving with a velocity + V x in the positive direction of the X-axis. Then, in FIG. 40, for the half cycle R in which the center of gravity G of the weight body 120 moves from the point GL to the point GR to the right in the figure, the angular velocity becomes + ωy, so the Z axis positive It can be seen that the weight body 120 moves on a trajectory slightly shifted upward in FIG. Also, in FIG. 40, for a half cycle L in which the center of gravity G of the weight body 12 ϋ moves from the point GR to the point GL to the left of the figure, the angular velocity is 1 o> y, so Z铀 The negative direction Coriolis car ΔF z is added, and the weight body 120 moves along the orbit slightly shifted downward in Fig. 4). In other words, in the half cycle R going to the right, the distance between the electrode layers D 15 / Ε 10 is reduced and the capacitance value is increased compared to the state of the “reference motion”, and the-cycle L going to the left Then- The distance between the electrode layers D 15 / E 1◦ is wider and the capacitance value is smaller than in the “normal motion” state.
—方、 この三次元速度センサ 1 0 0力;'、 X拳由負方向に速度— V Xをも つて移動しているときには、 この関係は逆転する。 すなわち、 右へ向か う半周期 Rでは、 「基準運動」 の状態に比べて電極層 D 1 5 Ζ Ε 1 0間 の距離は広がり静電容量値は減少し、 左へ向かう半周期 Lでは、 「基準 運動」 の状態に比べて電極層 D l 5 / E 1 0間の距離は縮まり静電容量 値は増加することになる。  —On the other hand, this three-dimensional velocity sensor 100 force; ', the velocity in the direction of the X-fist — When moving with V X, this relationship is reversed. That is, in the half cycle R going to the right, the distance between the electrode layers D 15 Ζ Ε 10 increases and the capacitance value decreases compared to the state of the “reference motion”, and in the half cycle L going to the left, The distance between the electrode layers D15 / E10 is reduced and the capacitance value is increased as compared with the state of the "reference movement".
上述したように、 「基準運動」 の状態における電極層 D 1 5 / E 1 0 からなる容量素子の静電容量値の時間的変化は、 基準波形として予め測 定してあるので、 実際に得られた静電容量値の変化波形と、 基準波形と の差分波形 Δ ϋ ζを求めれば、 この差分波形 ζの振幅により X軸方 向の移動速度 V Xの絶対値を知ることができ、 この差分波形 Δ D ζの位 相によりその方向 （符号） を決定することができる。 たとえば、 第 3 7 図中段に示すような差分波形 Δ ϋ ζが得られれば、 右へ向かう半周期 R において静電容量値は 「基準運動」 のときに比べて增加し、 左へ向かう 半周期 Lにおいて静電容量値は 「基準運動」 のときに比べて減少してい るので、 X蚰方向の速度は正方向の速度 + V Xであることが確認できる。 逆に、 第 3 7図下段に示すような差分波形 ζが得られれば、 右へ向 かう半周期 Rにおいて静電容量値は 「基準運動」 のときに比べて減少し、 左へ向かう半周期 Lにおいて静電容量値は 「基準運動」 のときに比べて 増加しているので、 Χ $由方向の速度は負方向の速度一 V Xであることが 確認できる。 いずれの場台にも、 これら差分波形 ζの振幅が、 速度 V Xの絶対値に対応するので、 適当にキヤ リブレーションして出力すれ ばよい。 As described above, the temporal change of the capacitance value of the capacitive element composed of the electrode layer D 15 / E 10 in the “reference motion” state is actually obtained because it is measured in advance as a reference waveform. When the difference waveform Δ ϋ の between the obtained capacitance value change waveform and the reference waveform is obtained, the absolute value of the moving speed VX in the X-axis direction can be obtained from the amplitude of the difference waveform 、. The direction (sign) can be determined by the phase of the waveform ΔDζ. For example, if a differential waveform Δ ϋ よ う な as shown in the middle part of Fig. 37 is obtained, the capacitance value increases in the right half cycle R compared to that in the “reference motion”, and the left half cycle R Since the capacitance value at L is smaller than that during the “reference movement”, it can be confirmed that the speed in the X direction is the speed in the positive direction + VX. Conversely, if a differential waveform よ う な as shown in the lower part of Fig. 37 is obtained, the capacitance value in the half cycle R going to the right decreases compared to that in the “reference movement”, and the half cycle going to the left Since the capacitance value at L is larger than that during “reference movement”, it can be confirmed that the velocity in the 由 $ direction is equal to the velocity in the negative direction minus VX. In each case, the amplitude of these differential waveforms に corresponds to the absolute value of velocity VX. I just need.
最後に、 この三次元速度センサ 100によって、 Y軸方向の速度 V y を検出する原理を説明しょう。 既に述べた検出原理によれば、 重錘体 1 20が X紬まわりの角速度 ω Xをもって Y Z平面内で往復振り子運動し た状態において、 重錘体 1 20に作用する Ζ幸由方向のコリォリカ Fco (z) を測定することができれば、 このコリオリカ Fco(z) はこの速度セ ンサ全体の Y軸方向の移動速度 V yに対応した量になる。 したがって、 電極層 G 1 2, G 14に交互に電圧を印加して、 重錘体 120を YZ平 面内で往復振り子運動させた状態で、 電極層 D 15/E〗 0間の静電容 量値の変化波形を測定し、 基準波形との差をとつて差分波形 AD Zを求 め、 この差分波形厶 D zの振幅を適当にキャ リブレーショ ンすれば、 Y 由方向の移動速度 V yを得ることができる。 Finally, let us explain the principle of detecting the velocity V y in the Y-axis direction using the three-dimensional velocity sensor 100. According to the detection principle described above, the weight body 120 acts on the weight body 120 in a state where the weight body 120 reciprocates in the YZ plane with the angular velocity ω X around the X axis. If (z) can be measured, this Coriolis Fco (z) will be an amount corresponding to the moving speed V y of the entire speed sensor in the Y-axis direction. Therefore, the voltage is applied alternately to the electrode layers G 12 and G 14, and the weight 120 is caused to reciprocate in the YZ plane, and the electrostatic capacitance between the electrode layers D 15 / E〗 0 is obtained. measuring the change waveform values, determined Me a differential waveform AD Z a difference between the reference waveform Te convex, if appropriate calibration Riburesho down the amplitude of the differential waveform厶D z, the movement speed V y of the Y derived direction Obtainable.
かく して、 三次元速度センサ 1 00は、 三次元の速度成分 V X , V y , V zのすベてを検出する機能を有する。 なお、 上述した検出動作によれ ば、 速度成分 V x, V zを検出する場合には、 重錘体 120を X Z平面 内で往復振り子運動させ、 速度成分 V yを検出する場台には、 重錘体 1 20を YZ平面内で往復振り子運動させる必要がある。 ところ力;'、 現実 的には、 運動中の重錘体 120は慣性力を有するため、 XZ平面内での 往復振り子運動を、 急激に、 YZ平面内での往復振り子運動に切り替え ることは困難である。 したがって、 実用上は、 第 20図において説明し たように、 往復振り子運動面を、 XZ平面から、 W1平面、 W2平面、 …と徐々に回転させてゆき、 Y Z平面までもってゆくようにするのが好 ましい。 特に、 この往復振り子運動面を第 20図において反時計回りに 連続的に回転させてゆき、 往復振り子運動面が X Z平面に重なったとき に、 速度成分 V x， V zの検出を行い、 YZ平面に重なったときに、 速 度成分 V yの検出を行うようにすれば、 各速度成分を周期的にかつ連続 的に検出することができる。 Thus, the three-dimensional velocity sensor 100 has a function of detecting all of the three-dimensional velocity components VX, Vy, Vz. According to the above-described detection operation, when detecting the velocity components V x and V z, the weight body 120 is reciprocally pendulum-moved in the XZ plane, and the platform for detecting the velocity component V y includes: It is necessary to reciprocate the weight body 20 in the YZ plane. However, in reality, the weight 120 in motion has an inertial force, so it is not possible to suddenly switch the reciprocating pendulum motion in the XZ plane to the reciprocating pendulum motion in the YZ plane. Have difficulty. Therefore, in practice, as described in FIG. 20, the reciprocating pendulum movement surface is gradually rotated from the XZ plane to the W1 plane, the W2 plane, and so on, so as to be brought to the YZ plane. Is preferred. In particular, when the reciprocating pendulum motion surface is continuously rotated counterclockwise in FIG. 20 and the reciprocating pendulum motion surface overlaps the XZ plane. In addition, if the speed components Vx and Vz are detected and the speed component Vy is detected when they overlap with the YZ plane, each speed component can be detected periodically and continuously. Can be.
上述の検出動作を行う限りは、 重錘体 120に作用する Y 由方向のコ リオリカ Fco(y) を検出する必要はない。 しかしながら、 三次元速度セ ンサ 100には、 この Y蚰方向のコリオリカ Fco(y) を検出するための 変位検出器も備わっている。 すなわち、 電極層 D 12ZE 1 0からなる 容量素子と、 電極層 D 14/E 1 0からなる容量素子がそれである。 こ れらの容量素子を用いた γ蚰方向のコリォリ力 Fco(y) の検出動作は、 電極層 D 1 1 /E 1 0からなる容量素子と、 電極層 D 1 3ノ E 1 0から なる容量素子とを用いた X$由方向のコリオリカ Fco(x) の検出動作と全 く同様であるため、 ここでは説明を省略する。 このように、 Y軸方向の コリオリカ Fco(y) を検出するための変位検出器を設けてあるのは、 検 出動作に冗長性をもたせるためである。 たとえば、 速度成分 V zは、 Y Z平面内で重錘体 120を往復振り子運動させた状態において測定した Y軸方向のコリオリカ Fco(y) によっても得ることができる。  As long as the above-described detection operation is performed, it is not necessary to detect the corerica Fco (y) acting on the weight body 120 in the Y-direction. However, the three-dimensional velocity sensor 100 is also provided with a displacement detector for detecting the Coriolis Fco (y) in the Y-axis direction. That is, a capacitance element composed of the electrode layer D 12ZE10 and a capacitance element composed of the electrode layer D14 / E10 are the same. The detection operation of the Coriolis force Fco (y) in the γ direction using these capacitors consists of a capacitor consisting of the electrode layer D 11 / E 10 and an electrode layer D 13 3 E 10 The operation is completely the same as the operation of detecting the Coriolis Fco (x) in the X $ direction using the capacitive element, and therefore the description is omitted here. The displacement detector for detecting the Coriolis Fco (y) in the Y-axis direction is provided in order to provide the detection operation with redundancy. For example, the velocity component Vz can also be obtained by the Coriolis Fco (y) in the Y-axis direction measured when the weight body 120 is reciprocally pendulum-moved in the YZ plane.
このように、 容量素子から構成される各変位検出器は、 いずれも直接 的には、 可撓性基板 1 1 0の上面の所定箇所についての Z蚰方向の変位 (すなわち、 容量素子を構成する上下一対の電極のうちの下方電極の上 下方向に関する変位） を検出しているにすぎないが、 可撓性基板 1 10 上に配置された位置に応じて、 重錘体 120の XYZ各軸方向への変位 を間接的に検出していることになる。 なお、 第 39図に示すように、 変 位検出器を構成する各電極層 D 1 1〜D 14は、 いずれも X軸もしくは Y軸に関して線対象となっているため、 各軸方向の変位検出を行う上で 他拳由成分の影響を受けることがない。 たとえば、 X軸方向の変位検出に 用いられる電極層 D 1 1は、 X軸に関して線対称となっているため、 Y 寒由方向の変位が生じた場合に、 その半分の領域は共通電極層 E 1 0に近 付く力；'、 別な半分の領域は共通電極層 E 1 0から遠ざかるため、 全体的 には変位が相殺されることになる。 As described above, each of the displacement detectors constituted by the capacitance elements directly displaces the predetermined position on the upper surface of the flexible substrate 110 in the Z direction (that is, constitutes the capacitance element). Of the lower electrode of the pair of upper and lower electrodes), but the XYZ axes of the weight 120 depend on the position of the weight 120 on the flexible substrate 110. This means that displacement in the direction is indirectly detected. As shown in FIG. 39, since each of the electrode layers D11 to D14 constituting the displacement detector is a line object with respect to the X axis or the Y axis, displacement detection in each axis direction is performed. In doing It is not affected by other ingredients. For example, the electrode layer D11 used for detecting displacement in the X-axis direction is line-symmetric with respect to the X-axis, so when a displacement in the cold direction occurs, half of the area is the common electrode layer E. The force approaching 10; ', the other half is away from the common electrode layer E10, so that the displacement is totally offset.
結局、 この実施例では、 X軸の正の領域および負の領域、 ならびに、 Y軸の正の領域および負の領域に、 Z軸に沿った方向への変位を検出す る変位検出器 （各容量素子） をそれぞれ配置し、 X の正負両領域に配 置された変位検出器の出力の差を用いて重錘体の X軸方向に作用するコ リオリカを検出し、 Y蚰の正負両領域に配置された変位検出器の出力の 差を用いて重錘体の Y軸方向に作用するコリォリカを検出する構成を採 つていることになる。  After all, in this embodiment, displacement detectors (displacement detectors) for detecting displacements in the direction along the Z axis are provided in the positive and negative regions of the X axis and the positive and negative regions of the Y axis. Capacitors) are arranged, and the difference between the outputs of the displacement detectors arranged in both the positive and negative areas of X is used to detect the corerica acting on the weight body in the X-axis direction. Thus, a configuration is adopted in which the difference in the outputs of the displacement detectors arranged in the sensor is used to detect Coriolis acting on the weight body in the Y-axis direction.
§ 1 3. 容量素子を利用した多次元速度センサの変形例 § 1 3. Modified example of multi-dimensional velocity sensor using capacitive element
続いて、 上述した速度センサ 1 0 0の変形例に tB当する速度センサの 構造および検出動作を説明する。 この変形例では、 第 3 9図に示す電極 層の代わりに、 第 4 1図に示す電極層を用いる。 両者は、 物理的な構造 上の相違はないが、 第 3 9図の速度センサでは、 中央の電極層 D 1 5が 変位検出器として機能していたのに対し、 第 4 1図の速度センサでは、 中央の電極層 G 1 5が力発生器として機能することになる。  Subsequently, a structure and a detection operation of the speed sensor corresponding to tB in the modified example of the above-described speed sensor 100 will be described. In this modification, the electrode layer shown in FIG. 41 is used instead of the electrode layer shown in FIG. Although there is no difference in physical structure between the two, in the speed sensor shown in Fig. 39, the center electrode layer D15 functioned as a displacement detector, whereas in the speed sensor shown in Fig. 41 Then, the central electrode layer G 15 functions as a force generator.
電極層 G 1 5は、 重錘体 1 2 0の往復振り子運動をより円滑にするた めの機能を果たす。 前述したように、 電極層 G 1 1 Z E 1 0間に所定の 電圧を印加すると、 両電極間にクーロン引力が作用し、 可撓性基板 1 1 0が撓みを生じ、 重錘体 1 2 0が X申由正方向に変位することになる。 同 様に、 電極層 G 1 3/E 1 0間に所定の電圧を印加すると、 両電極間に クーロ ン引力が作用し、 重錘体 120は X軸負方向に変位することにな る。 そして、 このような電圧印加を交互に行えば、 重錘休 1 20を XZ 平面内で往復振り子運動させることができることは既に述べた。 このよ うな動作に、 更に、 電極層 G 1 5/E 10間にクーロン斥力を作用させ る動作を付加すると、 重錘体 120はより円滑に振り子運動を行うこと ができる。 すなわち、 重心 Gが Z軸を横切る中立点において、 電極層 G 15/E 10間にクーロ ン斥力を作用させると、 電極層 G 15/E 10 間の距離は通常よりも広がり、 往復振り子運動の軌跡は、 より円弧に近 いものになる。 The electrode layer G 15 functions to make the reciprocating pendulum motion of the weight body 120 smoother. As described above, when a predetermined voltage is applied between the electrode layers G 11 and ZE 10, Coulomb attraction acts between the two electrodes, the flexible substrate 110 bends, and the weight 1 2 0 Will be displaced in the X direction. same Thus, when a predetermined voltage is applied between the electrode layers G13 / E10, a Coulomb attractive force acts between the two electrodes, and the weight body 120 is displaced in the negative direction of the X-axis. As described above, the weight rest 120 can be reciprocated in the XZ plane by alternately applying such a voltage. If an operation for applying a Coulomb repulsion between the electrode layers G15 / E10 is further added to such an operation, the weight body 120 can more smoothly perform a pendulum motion. In other words, when a Coulomb repulsion is applied between the electrode layers G15 / E10 at the neutral point where the center of gravity G crosses the Z axis, the distance between the electrode layers G15 / E10 becomes wider than usual, and the reciprocating pendulum motion The trajectory becomes closer to an arc.
このように、 この変形例では、 中央に形成された電極層 G 1 5を、 力 発生器として機能させているため、 Z軸方向のコリオリカ Fco(z) の検 出動作は、 電極層 D 1 2および D 14を用いて行うようにしている。 前 述した三次元速度センサ 1 00では、 電極層 D 12および D 14は、 検 出動作に冗長性をもたせるためのものであつたが、 この変形例では、 こ れらの電極層を用いて Z紬方向のコリォリ力 Fco(z) を検出することに なる。 すなわち、 電極層 D 12/E 1 0間の静電容量値と、 電極層 D 1 4 ZE 10間の静電容量値と、 の和を求めれば、 この和が Z铀方向のコ リオリカ Fco(z) を示す値となる。 たとえば、 重錘体 120に対して、 Z軸正方向のコリオリカ— Fco(z) が作用すると、 電極層 D 12/E 1 0間の距離も、 電極層 D 14/E 1 0間の距離も、 同じように小さくな るため、 静電容量値はいずれも大きくなるし、 逆に、 重錘休 1 20に対 して、 Z軸負方向のコリオリカ— Fco(z) が作用すると、 電極層 D 12 /E 10間の距離も、 電極層 D 14/E 10間の距離も、 同じように大 きくなるため、 静電容量値はいずれも小さくなる。 そこで両者の和は、Thus, in this modification, the electrode layer G 15 formed at the center is made to function as a force generator, so that the detection operation of the Coriolis Fco (z) in the Z-axis direction is performed by the electrode layer D 1 2 and D14. In the above-described three-dimensional speed sensor 100, the electrode layers D12 and D14 are for providing redundancy in the detection operation, but in this modified example, these electrode layers are used. This means that the Coriolis force Fco (z) in the Z-pong direction is detected. That is, if the sum of the capacitance value between the electrode layers D12 / E10 and the capacitance value between the electrode layers D14 and ZE10 is obtained, this sum is the corerica Fco ( z). For example, when the Corioliser Fco (z) in the positive direction of the Z-axis acts on the weight body 120, the distance between the electrode layers D12 / E10 and the distance between the electrode layers D14 / E10 both increase. In the same way, the capacitance value becomes larger, and conversely, when the Corioliser Fco (z) in the negative direction of the Z axis acts on the weight rest 120, the electrode layer becomes The distance between D12 / E10 and the distance between electrode layers D14 / E10 are equally large. Therefore, the capacitance value becomes smaller. So the sum of both is
Z幸由方向のコリォリ力 Fco(z) を示す値となる。 It is a value indicating the Coriolis force Fco (z) in the Z direction.
このように和を用いるのは、 いずれか一方の値だけを用いると、 Y軸 方向のコリオリカ Fco(y) を誤検出してしまうからである。 たとえば、 Y軸正方向のコリオリカ Fco(y) が重錘体 120に作用すると、 重錘体 120は Y 由正方向に変位するため、 第 41図において、 電極層 D 12 /E 20間の距離は縮み、 電極層！） 14/E 20間の距離は広がること になる。 したがって、 たとえば、 電極層 D 12ZE 20間の静電容量値 のみを用いて Z 由方向のコリオリカ Fco(z) を検出しょうとすると、 こ のような Y軸方向のコリオリカ Fco(y) が作用した場台にも、 誤検出が 行われてしまう。 両者の和をとるようにすれば、 上述のように Υί由方向 のコリオリカ Fco(y) が作用した場台には、 両者の增減変化は相殺され ることになる。 なお、 参考までに述べておくと、 電極層 D 12/E 10 間の静電容量値と、 電極層 D 14/E 1◦間の静電容量値と、 の差を求 めれば、 この差は Y軸方向のコリオリカ Fco(y) を示す値となる。 The reason for using the sum in this way is that if only one of the values is used, the Coriolis Fco (y) in the Y-axis direction is erroneously detected. For example, when Coriolis Fco (y) in the positive Y-axis direction acts on the weight body 120, the weight body 120 is displaced in the Y-direction, so that the distance between the electrode layers D 12 and E 20 in FIG. Shrink, electrode layer! The distance between 14 / E 20 will increase. Therefore, for example, when trying to detect Coriolis Fco (z) in the Z-direction using only the capacitance value between the electrode layers D 12ZE 20, such a Coriolis Fco (y) in the Y-axis direction worked. False detection is also performed on the platform. If the sum of the two is taken, as described above, the change in the two will be offset on the platform where the free-directional Coriolis Fco (y) acts. For reference, if the difference between the capacitance value between the electrode layers D12 / E10 and the capacitance value between the electrode layers D14 / E1◦ is calculated, The difference is a value that indicates the Coriolis Fco (y) in the Y-axis direction.
§ 1 4. タイプ Iの圧電素子を利用した多次元速度センサの実施例 第 4 2図に側断面を示す速度センサ 2 0 0は、 第 2 1図（a) ， （b) に 示したタイプ Iの分極特性をもった圧電素子によって、 力発生器および 変位検出器を構成した実施例である。 この速度センサ 2 0〔〕の基本部分 の構成は、 第 3 8図に示す速度センサ 1 0 0とほぼ同じである。 すなわ ち、 可撓性基板 2 1 0の下面には、 円環状の溝が形成されており、 この 溝が形成された部分は肉厚が薄いために可撓性をもった可撓部 2 1 2を 形成しており、 この可撓部 2 1 2に囲まれた内側の部分が作用部 2 1 1 を形成し、 可撓部 2 1 2の外側の部分が固定部 2 1 3を形成している。 作用部 2 1 1の下面には、 ブロック状の重錘体 2 2 0が固着されており、 固定部 2 1 3は、 台座 2 3 0によって支持されている。 また、 台座 2 3 0はベース基板 2 4 0に固定されている。 ただ、 可撓性基板 2 1 0の上 面に形成された構成要素が、 前述した速度センサ 1◦ 0のものとは異な る。 すなわち、 可撓性基板 2 1 0の上面には、 ヮッシャ状の共通電極層 E 2 0が固着され、 その上に、 同じくヮッシャ状の圧電素子 2 5 0が固 着され、 この圧電素子 2 5 0の上面に、 1 2枚の電極層 G 2 1 ~ G 2 4 , D 2 1〜D 2 8が形成されている。 ここで、 圧電素子 2 5 0は、 第 2 1 図（a) , (b) に示すタイプ Iの分極特性をもった圧電セラミ ックスより なる。 §1 4. Example of multidimensional speed sensor using type I piezoelectric element The speed sensor 200 whose side section is shown in Fig. 42 is the type shown in Figs. 21 (a) and (b). This is an embodiment in which a force generator and a displacement detector are configured by a piezoelectric element having the polarization characteristic of I. The basic configuration of this speed sensor 200 [] is almost the same as that of the speed sensor 100 shown in FIG. That is, an annular groove is formed on the lower surface of the flexible substrate 210, and the portion where the groove is formed is thin, so that the flexible portion 2 having flexibility is formed. 1 2, the inner portion surrounded by the flexible portion 2 1 2 forms the action portion 2 1 1, and the outer portion of the flexible portion 2 1 2 forms the fixed portion 2 1 3 are doing. A block-shaped weight body 220 is fixed to the lower surface of the action portion 211, and the fixed portion 212 is supported by a pedestal 230. The pedestal 230 is fixed to the base substrate 240. However, the components formed on the upper surface of the flexible substrate 210 are different from those of the speed sensor 1 • 0 described above. That is, a pusher-like common electrode layer E20 is fixed on the upper surface of the flexible substrate 210, and a pusher-like piezoelectric element 250 is also fixed thereon. On the upper surface of 0, 12 electrode layers G 21 1 to G 24 and D 21 to D 28 are formed. Here, the piezoelectric element 250 is made of a piezoelectric ceramic having a type I polarization characteristic shown in FIGS. 21 (a) and (b).
第 4 3図に、 この可撓性基板 2 1 0の上面図を示す。 第 4 3図に示す 可撓性基板 2 1 0を、 X I由に沿って切った断面が、 第 4 2図に示されて いることになる。 第 4 3図では、 ヮッシャ状の圧電素子 2 5 0の上に、 1 2枚の電極層のパターンが明瞭に示されている。 圧電素子 2 5 0の中 央部分には、 円形の開口部があり、 可撓性基板 2 1 0の中心部 2 1 1が 靦いている。 この圧電素子 250の下面には、 ヮッシャ状の共通電極層 E 20が配置されている力;'、 第 43図には示されていない。 なお、 第 4 3図においては、 各電極層の部分にハッチングを施して示してあるが、 これは、 各電極層のパターン認識が容易になるようにするための配慮で あり、 断面部分を示すためのハッチングではない。 第 43図に示す 12 枚の電極層のうち、 電極層 G 21 ~G 24は、 力発生器として利用する ためのものであり、 電極層 D 21 ~D 28は、 変位検出器として利用す るためのものである。 すなわち、 圧電素子 250および共通電極層 E 2 0はいずれも単一のものである力《、 圧電素子 250の上面に形成されて いる 12枚の電極層がそれぞれ别個独立したものであるため、 動作を考 える上では、 1 2組の独立した圧電素子として取り扱うことができる。 ここでは、 第 42図に示すように、 図の右方向に X軸、 上方向に Z軸が 配置された XYZ三次元座標系を定義し、 以後の説明を行うことにする。 第 43図に示されているように、 電極層 G 21 ~〇 24ぉょび電極層0 21 ~D 28は、 いずれもこの座標系における X軸上もしくは Y軸上に 位置し、 しかもこれらの寧由に関して線対称な形状をしている。 FIG. 43 shows a top view of the flexible substrate 210. A cross section of the flexible substrate 210 shown in FIG. 43 taken along the line XI is shown in FIG. In FIG. 43, a pattern of 12 electrode layers is clearly shown on the pusher-like piezoelectric element 250. The center of the piezoelectric element 250 has a circular opening, and the center of the flexible substrate 210 is It is shining. On the lower surface of the piezoelectric element 250, a force in which a pusher-like common electrode layer E20 is arranged; ', not shown in FIG. In FIG. 43, each electrode layer is indicated by hatching, but this is for the purpose of facilitating pattern recognition of each electrode layer, and a cross-sectional portion is shown. Not for hatching. Of the twelve electrode layers shown in FIG. 43, electrode layers G21 to G24 are for use as force generators, and electrode layers D21 to D28 are for use as displacement detectors. It is for. That is, the piezoelectric element 250 and the common electrode layer E 20 are both a single force <<, since the twelve electrode layers formed on the upper surface of the piezoelectric element 250 are each independently 别, In terms of operation, they can be treated as 12 independent piezoelectric elements. Here, as shown in FIG. 42, an XYZ three-dimensional coordinate system in which the X axis is arranged in the right direction of the figure and the Z axis is arranged in the upward direction is defined, and the following description will be made. As shown in FIG. 43, each of the electrode layers G 21 to G 24 and the electrode layers 0 21 to D 28 is located on the X axis or the Y axis in this coordinate system. The shape is symmetrical with respect to Ningyu.
さて、 はじめに、 この速度センサ 20 ϋにおいて、 電極層 G 21, G 23に周期的に電荷の供給を行えば、 重錘体 220を X Ζ平面内におい て往復振り子運動させることができることを示そう。 前述したように、 圧電素子 250は、 第 21図（a) , (b) に示すような分極特性をもった タイプ Iの圧電素子である。 そこで、 たとえば、 電極層 G 21に負の電 荷が、 共通電極層 E 2 ϋに正の電荷が、 それぞれ発生するように電圧供 給を行えば、 圧電素子 25 ϋのうちの電極層 G 21の下方に位置する一 部分には、 第 21図（b) に示すように、 横方向に縮む力が発生すること になる。 一方、 電極層 G 2 3に正の電荷が、 共通電極層 E 2 0に負の電 荷が、 それぞれ発生するように電圧供給を行うと、 圧電素子 2 5 0のう ちの電極層 G 2 3の下方に位置する一部分には、 第 2 1図（a) に示すよ うに、 横方向に伸びる力が発生することになる。 このように、 電極層 G 2 1の下方部分においては縮む力が、 電極層 G 2 3の下方部分において は伸びる力が、 それぞれ発生すると、 可撓性基板 2 1 0には、 重錘体 2 2 0を X軸の正方向に変位させるような撓みが生じることになる。 また、 各電極層に対する供給電荷の極性を逆転させれば、 逆に、 重錘体 2 2 0 を X $由の負方向に変位させるような橈みを生じさせることができる。 First, let us show that in this speed sensor 20 mm, if the charge is periodically supplied to the electrode layers G 21 and G 23, the weight 220 can be reciprocally pendulum moved in the X X plane. . As described above, the piezoelectric element 250 is a type I piezoelectric element having polarization characteristics as shown in FIGS. 21 (a) and 21 (b). Therefore, for example, if voltage is supplied so that a negative charge is generated in the electrode layer G21 and a positive charge is generated in the common electrode layer E2, respectively, the electrode layer G21 of the piezoelectric element 25 is formed. As shown in Fig. 21 (b), a part that is located below become. On the other hand, when voltage is supplied such that a positive charge is generated in the electrode layer G 23 and a negative charge is generated in the common electrode layer E 20, the electrode layer G 23 of the piezoelectric element 250 is formed. As shown in Fig. 21 (a), a part extending below is subject to a laterally extending force. As described above, when a contracting force is generated below the electrode layer G 21 and an expanding force is generated below the electrode layer G 23, the weight 2 is attached to the flexible substrate 210. Bending occurs to displace 20 in the positive direction of the X axis. In addition, if the polarity of the charge supplied to each electrode layer is reversed, a radius can be generated that displaces the weight body 220 in the negative direction from X $.
このように、 X軸上に配置された電極層 G 2 1 , G 2 3に対して所定 電荷を供給すれば、 第 1 9図のモデルに示されているように、 重錘体 2 2 0を X Z平面内において往復振り子運動させることができる。 この運 動は、 完全な円弧運動にはならない力 最終的にキャリブレーショ ンを 行って速度の絶対値を得る速度センサとして用いれば、 何ら支障は生じ ない。 同様に、 Υ幸由上に配置された電極層 G 2 2 , G 2 4に対して所定 電荷を供給すれば、 重錘体 2 2 0を Υ Ζ平面内において往復振り子運動 させることができる。 なお、 実際には、 圧電素子 2 5 0の分極特性を部 分ごとに反転させると （上下に発生する電荷の極性が逆転するようにす る） 、 往復振り子運動させるための電圧供袷が簡便になる。  In this way, if a predetermined charge is supplied to the electrode layers G 21 and G 23 arranged on the X-axis, as shown in the model of FIG. Can be reciprocated in the XZ plane. This movement is a force that does not result in a complete circular movement. If it is used as a speed sensor that finally performs calibration and obtains the absolute value of the speed, no problem occurs. Similarly, if a predetermined charge is supplied to the electrode layers G 22 and G 24 arranged on the upper surface, the weight body 220 can be reciprocally pendulum-moved in the plane. In practice, when the polarization characteristics of the piezoelectric element 250 are reversed for each part (the polarity of the electric charges generated up and down is reversed), the voltage supply for the reciprocating pendulum movement is simple. become.
結局、 この実施例では、 X紬の正の領域および負の領域に、 X軸に沿 つた方向に力を作用させる力発生器 （圧電素子の各部分） をそれぞれ配 置し、 Υ軸の正の領域および負の領域に、 Υ帥に沿った方向に力を作用 させる力発生器 （圧電素子の各部分） をそれぞれ配置し、 これらの力発 生器を周期的に動作させることにより、 重錘体 2 2 0を X Ζ平面内もし くは Y z平面内で往復振り子運動させる構成を採っていることになる。 続いて、 この三次元速度センサ 2 0 0によって、 Z $iti方向の速度 V z を検出する原理を説明しょう。 既に述べた検出原理によれば、 重錘体 2 2 0が Y軸まわりの角速度 ω yをもって X Z平面内で往復振り子運動し た状態において、 重錘体 2 2 0に作用する X铀方向のコリオリカ F co (X) を測定することができれば、 このコリオリカ F co(x) はこの速度セ ンサ全体の Z軸方向の移動速度 V zに対応した量になる。 そして、 X軸 方向のコリオリカ F co(x) は、 重錘体 2 2 0の X軸方向の変位を検出す る変位検出器によって、 振幅の増減現象として測定できることも既に § 1 1において述べた。 三次元速度センサ 2 0 0では、 電極層 D 2 1， 2 3を、 X铀方向に関する変位を検出するために用いている。 After all, in this embodiment, force generators (each part of the piezoelectric element) for applying a force in the direction along the X axis are arranged in the positive and negative areas of the X axis, respectively. By placing force generators (each part of the piezoelectric element) that apply a force in the direction along the ruler in the negative and positive regions, and by periodically operating these force generators, If the weight 2 2 0 is in the X Ζ plane, In other words, a reciprocating pendulum motion is adopted in the Y z plane. Next, the principle of detecting the velocity V z in the Z $ iti direction by the three-dimensional velocity sensor 200 will be described. According to the detection principle already described, when the weight body 220 reciprocates in the XZ plane with the angular velocity ω y about the Y axis, the Coriolis in the X の direction acting on the weight body 220 If Fco (X) can be measured, this Coriolis Fco (x) will be an amount corresponding to the Z-axis moving speed Vz of the entire speed sensor. Also, as described in §11, the Coriolis F co (x) in the X-axis direction can be measured as an amplitude increase / decrease phenomenon by a displacement detector that detects the displacement of the weight body 220 in the X-axis direction. . In the three-dimensional speed sensor 200, the electrode layers D 21 and 23 are used for detecting displacement in the X 铀 direction.
たとえば、 重錘体 2 2 0が X 由の正方向に変位した場台、 可撓性基板 2 1 0の撓みが圧電素子 2 5 0へと伝達され、 圧電素子 2 5 0のうち電 極層 D 2 1の下方に位置する一部分は横方向に縮むように変形し、 電極 層 D 2 3の下方に位置する一部分は横方向に伸びるように変形する。 し たがって、 第 2 1図（a) , (b) に示す分極特性から、 電極層 D 2 1には 負の電荷が発生し、 電極層 D 2 3には正の電荷が発生することになる。 これらの発生電荷を測定することにより、 重錘体 2 2 0の X軸正方向へ の変位を求めることができる。 また、 重錘体 2 2 0が X軸の負方向に変 位した場台には、 発生電荷の極性が上述の場台と比べて逆転することに なる。 したがって、 電極層 D 2 1の発生電荷と電極層 D 2 3の発生電荷 との差分 A D Xを測定することにより、 重錘休 2 2 0の X铀方向に関す る振幅を検出することが可能になる。 第 3 5図に示すように、 この差分 △ D Xは周期的な関数になるので、 その振幅値を適当にキヤリブレーシ ョンすれば、 Z幸由方向の移動速度 V zを得ることができる。 For example, when the weight body 220 is displaced in the positive direction from the X direction, the flexure of the flexible substrate 210 is transmitted to the piezoelectric element 250, and the electrode layer of the piezoelectric element 250 is A portion located below D 21 is deformed to shrink in the lateral direction, and a portion located below electrode layer D 23 is deformed to extend in the lateral direction. Therefore, from the polarization characteristics shown in FIGS. 21 (a) and (b), a negative charge is generated in the electrode layer D21 and a positive charge is generated in the electrode layer D23. Become. By measuring these generated charges, the displacement of the weight body 220 in the positive X-axis direction can be obtained. On the other hand, the polarity of the generated charges is reversed in the case where the weight body 220 is displaced in the negative direction of the X-axis as compared with the above-described case. Therefore, by measuring the difference ADX between the charge generated in the electrode layer D 21 and the charge generated in the electrode layer D 23, it is possible to detect the amplitude of the weight rest 220 in the X 铀 direction. Become. As shown in Fig. 35, since this difference ΔDX is a periodic function, the amplitude In this case, the moving speed V z in the Z direction can be obtained.
次に、 この三次元速度センサ 20◦によって、 X軸方向の速度 V xを 検出する原理を説明しょう。 既に述べた検出原理によれば、 重錘体 22 0が Y蚰まわりの角速度 ω yをもって X Z平面内で往復振り子運動した 状態において、 重錘体 220に作用する Z蚰方向のコリオリカ Fco(z) を測定することができれば、 このコリオリカ Fco(z) はこの速度センサ 全体の X蚰方向の移動速度 V Xに対応した量になる。 そして、 Z軸方向 のコリオリカ Fco(z) は、 重錘体 220の Z$(li方向の変位を検出する変 位検出器によって測定できることも既に § 1 1において述べた。 三次元 速度センサ 200では、 4枚の電極層 D 22, D 24, D 25, D 27 を用いて、 Z軸方向のコリオリカ Fco(z) の検出を行っている。 第 43 図に示されているように、 電極層 D 22, D 24は外側に配置された電 極層であるのに対し、 電極層 D 25， D 27は内側に配置された電極層 である。 Z軸方向への変位量の検出には、 このように、 外側に配置され た電極層と内側に配置された電極層とを組み合わせて用いるのが好まし い。 これは、 速度センサ 200においては、 重錘体 220力く、 Z軸正方 向 （第 42図における上方） に変位すると、 圧電素子 25 ()の内側部分 は横方向に伸び、 外側部分は横方向に縮むことになるからである。 した がって、 第 21図（a) ， (b) に示す分極特性から、 内側に配置されてい る電極層 D 25, D 27には正の電荷が発生し、 外側に配置されている 電極層 D 22, D 24には負の電荷が発生する。 逆に、 重錘体 220が, Z 由負方向 （第 42図における下方） に変位すると、 圧電素子 250の 内側部分は横方向に縮み、 外側部分は横方向に伸びることになる。 した がって、 第 21図（a) , (b) に示す分極特性から、 内側に配置されてい る電極層 D 25, D 27には負の電荷が発生し、 外側に配置されている 電極層 D 22， D 24には正の電荷が発生する。 こうして、 電極層 D 2 2, D 24, D 25, D 27についての発生電荷を測定することにより、 重錘休 22 ϋの 由方向への変位量を検出することが可能になる。 Next, let's explain the principle of detecting the velocity V x in the X-axis direction with this three-dimensional velocity sensor 20 °. According to the detection principle already described, in a state where the weight body 220 moves reciprocally in the XZ plane with the angular velocity ω y around the Y axis, the Coriolis Fco (z) acting on the weight body 220 in the Z axis direction If this can be measured, this Coriolis Fco (z) becomes an amount corresponding to the moving speed VX in the X axis direction of the entire speed sensor. Also, it has already been described in §11 that the Coriolis Fco (z) in the Z-axis direction can be measured by a displacement detector that detects the displacement of the weight body 220 in the Z $ (li direction. The four electrode layers D22, D24, D25, and D27 are used to detect the Coriolis Fco (z) in the Z-axis direction, as shown in FIG. D22 and D24 are electrode layers arranged on the outside, while electrode layers D25 and D27 are electrode layers arranged on the inside. As described above, it is preferable to use a combination of the electrode layer arranged on the outside and the electrode layer arranged on the inside. (Upward in Fig. 42), the inner part of the piezoelectric element 25 () expands in the horizontal direction, and the outer part contracts in the horizontal direction. Therefore, from the polarization characteristics shown in FIGS. 21 (a) and (b), a positive charge is generated in the inner electrode layers D 25 and D 27, and the outer electrode layers D 25 and D 27 are disposed outside. Negative charges are generated in the electrode layers D 22 and D 24. Conversely, when the weight body 220 is displaced in the negative Z direction (downward in FIG. 42), the inner portion of the piezoelectric element 250 It contracts in the horizontal direction, and the outer part expands in the horizontal direction.Therefore, based on the polarization characteristics shown in Figs. A negative charge is generated in the electrode layers D 25 and D 27, and a positive charge is generated in the outer electrode layers D 22 and D 24. Thus, by measuring the generated charges on the electrode layers D 22, D 24, D 25, and D 27, it is possible to detect the amount of displacement of the weight rest 22 へ in the free direction.
いま、 電極層 G 21， G 23に所定電荷を供給して、 重錘休 220を XZ平面内で往復振り子運動させた状態にする。 このとき、 この三次元 速度センサ 200が静止状態におかれていたとすると、 重錘休 220は 「基準運動」 を行うことになる。 この 「基準運動」 を行っている状態に おいて、 内側の電極層 D 25， D 27についての発生電荷の合計と、 外 側の電極層 D 22， D 24についての発生電荷の合計と、 の差の時間的 な変化を基準波形として予め測定しておく。 この基準波形は、 「基準運 動」 を行っているときの重錘体 220の 由方向の変位を示すものであ る。 すなわち、 重錘体 220が Ζ軸正方向に変位すれば、 前述したよう に、 内側の電極層 D 25, D 27には正の電荷が発生し、 外側の電極層 D 22, D 24には負の電荷が発生するので、 前者から後者を引き算す れば、 基準波形は正の値をとることになる。 逆に、 重錘休 220が Ζ幸由 負方向に変位すれば、 前述したように、 内側の電極層 D 25， D 27に は負の電荷が発生し、 外側の電極層 D 22, D 24には正の電荷が発生 するので、 前者から後者を引き算すれば、 基準波形は負の値をとること になる。  Now, a predetermined electric charge is supplied to the electrode layers G21 and G23, and the weight rest 220 is reciprocated in the XZ plane. At this time, assuming that the three-dimensional speed sensor 200 is in a stationary state, the weight rest 220 performs a “reference movement”. In the state where the “reference motion” is performed, the sum of the generated charges of the inner electrode layers D 25 and D 27 and the sum of the generated charges of the outer electrode layers D 22 and D 24 are expressed by: The change over time of the difference is measured in advance as a reference waveform. This reference waveform shows the displacement in the free direction of the weight body 220 during the “reference operation”. That is, if the weight body 220 is displaced in the positive direction of the Ζ axis, as described above, a positive charge is generated in the inner electrode layers D 25 and D 27, and the outer electrode layers D 22 and D 24 are generated. Since a negative charge is generated, if the latter is subtracted from the former, the reference waveform will have a positive value. Conversely, if the weight rest 220 is displaced in the negative direction, negative charges are generated in the inner electrode layers D 25 and D 27, and the outer electrode layers D 22 and D 24, as described above. , A positive charge is generated, so if the latter is subtracted from the former, the reference waveform will have a negative value.
続いて、 この三次元速度センサ 20◦力《、 X軸正方向に速度 +V xを もって移動しているときに、 上記 「基準運動」 がどのように変化するか を考える。 まず、 重錘休 22◦が図の右へ移動する半周期 Rについては、 角速度は + yとなるので、 Z軸正方向のコリオリカ + Δ F zが加わり、  Next, let us consider how the “reference movement” changes when the three-dimensional speed sensor 20 ° force << is moving at a speed + V x in the positive direction of the X axis. First, for the half-period R in which the weight rest 22◦ moves to the right in the figure, the angular velocity is + y, so Coriolisa + ΔFz in the positive direction of the Z axis is added,
01 重錘体 220は第 4 2図においてやや上方にずれた軌道を移動する。 逆 に、 重錘体 2 20が図の左へ移動する半周期 Lについては、 角速度は— ω yとなるので、 Z軸負方向のコリオリカ— Δ F zが加わり、 重錘体 2 2 0は第 4 2図においてやや下方にずれた軌道を移動する。 一方、 この 三次元速度センサ 20 0力《、 X軸負方向に速度一 V xをもって移動して いるときには、 この関係は逆転する。 01 The weight body 220 moves on a trajectory slightly shifted upward in FIG. Conversely, for the half-period L in which the weight body 220 moves to the left in the figure, the angular velocity becomes -ωy. In Fig. 42, the trajectory moves slightly downward. On the other hand, when the three-dimensional speed sensor 200 force <<, and the three-dimensional speed sensor is moving at a speed of 1 Vx in the negative direction of the X axis, this relationship is reversed.
したがって、 内側の電極層 D 2 5， D 27についての発生電荷の台計 と、 外側の電極層 D 2 2， D 24についての発生電荷の合計と、 の差の 時間的な変化を示す波形を常に観測し、 この波形と、 「基準運動」 のと きに測定した基準波形との差分をとれば、 この差分波形 A D zの振幅に より X軸方向の移動速度 V Xの絶対値を知ることができ、 この差分波形 厶 D ζの位相によりその方向 （符号） を決定することができる。 これは、 第 37図で説明したとおりである。 よって、 この差分波形 Δϋ ζの振幅 を、 適当にキャ リブレーションすれば、 X軸方向の移動速度 V Xを得る ことができる。  Therefore, the waveform showing the temporal change of the difference between the total of the generated charges for the inner electrode layers D 25 and D 27 and the sum of the generated charges for the outer electrode layers D 22 and D 24 is given by By constantly observing and taking the difference between this waveform and the reference waveform measured at the time of the “reference motion”, the absolute value of the X-axis moving speed VX can be known from the amplitude of this difference waveform ADz. The direction (sign) can be determined by the phase of the difference waveform D D. This is as described in FIG. Therefore, if the amplitude of the difference waveform Δ こ の is appropriately calibrated, the moving speed V X in the X-axis direction can be obtained.
最後に、 この三次元速度センサ 200によって、 Yfitl方向の速度 V y を検出する原理を説明しょう。 既に述べた検出原理によれば、 重錘体 2 20が X軸まわりの角速度 ω Xをもって Υ Ζ平面内で往復振り子運動し た状態において、 重錘体 1 2 0に作用する Ζ軸方向のコリォリ力 Fco (z) を測定することができれば、 このコリオリカ Fco(z) はこの速度セ ンサ全体の Y軸方向の移動速度 V yに対応した量になる。 したがって、 電極層 G 2 2, G 24に所定電荷を供給して、 重錘体 220を Y Z平面 内で往復振り子運動させた状態で、 電極層 D 22， D 24, D 25, D 2 7に生じる電圧値に対して所定の演算を行って Z軸方向のコリォリ力 F co(z) を求め、 この値を適当にキャリブレーションすれば、 Y軸方向 の移動速度 V yを得ることができる。 Finally, let's explain the principle of detecting the velocity V y in the Yfitl direction using the three-dimensional velocity sensor 200. According to the detection principle described above, the weight 220 acts on the weight 120 while the weight 220 is reciprocating in the plane with the angular velocity ωX about the X axis. If the force Fco (z) can be measured, the Coriolis Fco (z) will be an amount corresponding to the moving velocity V y of the entire speed sensor in the Y-axis direction. Accordingly, a predetermined charge is supplied to the electrode layers G22 and G24, and the weight body 220 is reciprocally pendulum-moved in the YZ plane. Performs a predetermined operation on the resulting voltage value to calculate the Coriolis force in the Z-axis direction. By calculating F co (z) and appropriately calibrating this value, the moving speed V y in the Y-axis direction can be obtained.
かく して、 三次元速度センサ 2 0 0は、 三次元の速度成分 V X , V y , V zのすベてを検出する機能を有する。 なお、 三次元の速度成分のすべ てを検出するためには、 第 2 Q図において説明したように、 往復振り子 運動面を徐々に回転させるのが好ましい。  Thus, the three-dimensional speed sensor 200 has a function of detecting all of the three-dimensional speed components VX, Vy, Vz. In order to detect all three-dimensional velocity components, it is preferable to gradually rotate the reciprocating pendulum motion surface as described in FIG. 2Q.
なお、 上述の検出動作を行う限りは、 重錘体 2 2 0に作用する Y軸方 向のコリオリカ F co(y) を検出する必要はない。 しかしながら、 三次元 速度センサ 2 0 0には、 この Y軸方向のコリオリカ F co(y) を検出する ための変位検出器も備わっている。 すなわち、 電極層 D 2 6および D 2 8がそれである。 これらの電極層を用いた Y iMl方向のコリォリ力 F co (y) の検出動作は、 電極層 D 2 1 , D 2 3を用いた X l方向のコリオリ 力 F co(x) の検出動作と全く同様であるため、 ここでは説明を省略する。 このように、 Y軸方向のコリオリカ F co(y) を検出するための変位検出 器を設けてあるのは、 検出動作に冗長性をもたせるためである。 たとえ ば、 速度成分 V zは、 Y Z平面内で重錘体 2 2 0を往復振り子運動させ た状態において測定した Υ $Ι¾方向のコリオリカ F co(y) によっても得る ことができる。  Note that as long as the above-described detection operation is performed, it is not necessary to detect the Coriolis Fco (y) acting on the weight body 220 in the Y-axis direction. However, the three-dimensional speed sensor 200 also has a displacement detector for detecting the Coriolis Fco (y) in the Y-axis direction. That is, the electrode layers D26 and D28 are those. The operation of detecting the Coriolis force Fco (y) in the YiMl direction using these electrode layers is the same as the operation of detecting the Coriolis force Fco (x) in the Xl direction using the electrode layers D21 and D23. The description is omitted here because it is completely the same. As described above, the displacement detector for detecting the Coriolis Fco (y) in the Y-axis direction is provided for providing redundancy in the detection operation. For example, the velocity component V z can also be obtained from the Υ $ Ι¾ direction Coriolis F co (y) measured in a state where the weight body 220 is reciprocally pendulum-moved in the YZ plane.
なお、 第 4 3図に示すように、 変位検出器を構成する各電極層 D 2 1 〜D 2 8は、 いずれも X軸もしくは Y拳由に関して線対象となっているた め、 各軸方向の変位検出を行う上で他紬成分の影響を受けることがない c たとえば、 X軸方向の変位検出に用いられる電極層 D 2 1 , D 2 3は、 X軸に関して線対称となっているため、 Y軸方向の変位が生じた場台に- その半分の領域は横方向に伸びるが、 別な半分の領域は横方向に縮むた め、 全体的には発生電荷が相殺されることになる。 As shown in FIG. 43, since each of the electrode layers D 21 to D 28 constituting the displacement detector is a line object with respect to the X axis or the Y axis, c for example there is no influence of other pongee components in performing detection of displacement, the electrode layer D 2 1 used in the displacement detection in the X-axis direction, D 2 3, because that is the line-symmetrical with respect to the X-axis , On the stage where the displacement in the Y-axis direction occurs-half of the area extends laterally, while the other half contracts laterally Therefore, the generated charges are offset as a whole.
結局、 この実施例では、 X軸の正の領域および負の領域、 ならびに、 Y軸の正の領域および負の領域に、 各軸に沿った方向への変位を検出す る変位検出器 （圧電素子の各部分） をそれぞれ配置し、 X itiの正負両領 域に配置された変位検出器を用いて重錘体の X軸方向に作用するコリォ リカを検出し、 Y蚰の正負両領域に配置された変位検出器を用いて重錘 体の Y軸方向に作用するコリォリカを検出する構成を採っていることに なる。  After all, in this embodiment, displacement detectors (piezoelectric sensors) that detect displacement in the direction along each axis are provided in the positive and negative regions of the X axis and the positive and negative regions of the Y axis. Each part of the element) is located, and the corioliser acting on the weight body in the X-axis direction is detected using the displacement detectors located in both the positive and negative areas of Xiti, and the positive and negative areas of Y This means that a configuration is adopted in which the placed displacement detector is used to detect coriolis acting on the weight body in the Y-axis direction.
なお、 上述の実施例では、 圧電素子 2 5 0の上面に 1 2枚の個々の電 極層0 2 1〜0 2 4 , D 2 1〜D 2 8を形成し、 下面に— 一の共通電極 層 E 2 0を形成したが、 逆に、 上面に単一の共通電極層 E 2 0を形成し、 下面に 1 2枚の個々の電極層 G 2 1〜G 2 4， D 2 1〜D 2 8を形成す るようにしてもかまわない。 あるいは、 共通電極層を用いずに、 圧電素 子 2 5 0の上面にも下面にも、 それぞれ 1 2枚の個々の電極層を形成す るようにしてもかまわない。 ただし、 配線を単純化する上では、 共通電 極層を形成するのが好ましい。  In the embodiment described above, 12 individual electrode layers 0 2 1 to 0 2 4 and D 2 1 to D 2 8 are formed on the upper surface of the piezoelectric element 250, and a single common electrode layer is formed on the lower surface. Although the electrode layer E 20 was formed, conversely, a single common electrode layer E 20 was formed on the upper surface, and 12 individual electrode layers G 21 to G 24, D 21 to D 28 may be formed. Alternatively, 12 individual electrode layers may be formed on the upper surface and the lower surface of the piezoelectric element 250 without using the common electrode layer. However, in order to simplify wiring, it is preferable to form a common electrode layer.
§ 1 5 . タイプ Dの圧電素子を利用した多次元速度センサの実施例 第 4 4図に側断面を示す二次元速度センサ 3 0 0は、 第 2 2図（a) , (b) に示したタイプ Πの分極特性をもった圧電素子によって、 力発生器 および変位検出器を構成した実施例である。 この二次元速度センサ 3 0 0は、 円盤状の可撓性基板 3 1 0と円盤状の固定基板 3 2 0との間に、 タイプ Πの分極特性をもつ円盤状の圧電素子 3 3 0が介挿された構造と なっている。 可撓性基板 3 1 0の下面には、 円柱状の重錘休 3 4 0が固 着されている。 また、 可撓性基板 3 1 0の外周部分および固定基板 3 2 0の外周部分は、 いずれも筐体 3 5 0によって支持されている。 圧電素 子 3 3 0の上面には、 5枚の上部電極層 E 3：！.〜 E 3 5 (第 4 4図には、 その一部だけが示されている） が形成され、 同様に下面には、 5枚の下 部電極層 Ε 3 6〜Ε 4 0 (やはり、 その一部だけが示されている） が形 成されており、 上部電極層 Ε 3 1 ~ Ε 3 5の上面は固定基板 3 2 0の下 面に固着され、 下部電極層 Ε 3 6〜Ε 4 0の下面は可撓性基板 3 1 0の 上面に固着されている。 ここで、 固定基板 3 2 0は十分な剛性をもち、 撓みを生じることはない力;'、 可撓性基板 3 1 0は可撓性をもち、 いわゆ るダイヤフラムとして機能する。 ここでは、 第 4 4図に示すように、 図 の右方向に X軸、 上方向に Ζ铀が配置された X Υ Ζ三次元座標系を定義 し、 以後の説明を行うことにする。 第 4 4図は、 この速度センサを Χ Ζ 平面で切った側断面図に相当する。 §15. Example of multi-dimensional speed sensor using type D piezoelectric element A two-dimensional speed sensor 300 whose side section is shown in Fig. 44 is shown in Figs. 22 (a) and (b). This is an example in which a force generator and a displacement detector are constituted by a piezoelectric element having a type III polarization characteristic. The two-dimensional velocity sensor 300 has a disk-shaped piezoelectric element 330 having polarization characteristics of type の 間 に between a disk-shaped flexible substrate 310 and a disk-shaped fixed substrate 320. It has an interposed structure. On the lower surface of the flexible substrate 310, a cylindrical weight rest 340 is fixed. Is being worn. The outer peripheral portion of the flexible substrate 310 and the outer peripheral portion of the fixed substrate 320 are both supported by the housing 350. On the upper surface of the piezoelectric element 330, five upper electrode layers E3 :! ~ E 35 (only part of which is shown in Figure 44) is formed on the lower surface, as well as five lower electrode layers Ε 36 -Ε 40 (again, The upper surface of the upper electrode layers Ε 31 to Ε 35 is fixed to the lower surface of the fixed substrate 320, and the lower electrode layers Ε 36 to Ε The lower surface of 40 is fixed to the upper surface of flexible substrate 310. Here, the fixed substrate 320 has sufficient rigidity and a force that does not cause bending; the flexible substrate 310 has flexibility and functions as a so-called diaphragm. Here, as shown in FIG. 44, an X Υ Ζ three-dimensional coordinate system in which the X axis is arranged in the right direction of the figure and Ζ 铀 is arranged in the upward direction is defined, and the following description will be made. FIG. 44 is a side sectional view of the speed sensor taken along the Χ Χ plane.
第 4 5図は、 圧電素子 3 3 0の上面および上部電極層 Ε 3 1〜Ε 3 5 を示す上面図であり、 第 4 6図は、 圧電素子 3 3 0の下面および下部電 極層 Ε 3 6〜Ε 4 0を示す下面図である。 第 4 5図に示されているよう に、 上部電極層 Ε 3 1 〜Ε 3 4は、 いずれも扇状をしており、 この座標 系における X f由上もしくは Y軸上に位置し、 しかもこれらの軸に関して 線対称な形状をしている。 また、 上部電極層 E 3 5は、 円形をしており、 ちょうど原点の位置に配置されている。 一方、 下部電極層 E 3 6〜E 4 0は、 第 4 6図に示されているように、 それぞれ上部電極層 E 3 1 ~ E 3 5と同じ形状をしており、 対向する位置に配置されている。 なお、 下 部電極層 E 3 6 ~ E 4 0は、 単一の共通電極層にしてもかまわない。 ま た、 可撓性基板 3 1 ◦を導電性の材料によって構成しておけば、 可撓性 基板 3 1 0自身を単一の共通電極層として用いることができ、 下部電極 層を物理的に構成する必要はなくなる。 FIG. 45 is a top view showing the upper surface of the piezoelectric element 330 and the upper electrode layers Ε 31 to Ε 35, and FIG. 46 is a lower view and the lower electrode layer 圧 電 of the piezoelectric element 330. It is a bottom view which shows 36- 640. As shown in FIG. 45, each of the upper electrode layers Ε 31 to Ε 34 has a fan shape, and is located on the X f or Y axis in this coordinate system. It has a shape that is line-symmetric with respect to the axis. Further, the upper electrode layer E35 has a circular shape, and is arranged at the position of the origin. On the other hand, the lower electrode layers E36 to E40 have the same shape as the upper electrode layers E31 to E35, respectively, as shown in FIG. Have been. The lower electrode layers E36 to E40 may be a single common electrode layer. Also, if the flexible substrate 31 ° is made of a conductive material, The substrate 310 itself can be used as a single common electrode layer, and there is no need to physically configure the lower electrode layer.
これらの各電極層のうち、 電極層 E 3 1〜E 3 4および電極層 E 3 6 〜E 3 9は力発生器として機能する電極層であり、 電極層 E 3 5および 電極層 E 4 0は変位検出器として機能する電極層である。 第 4 5図およ び第 4 6図では、 これら異なる機能をもつ電極層に対して異なるハッチ ングを施して示した。 したがって、 このハッチングは断面を示すもので はない。  Of these electrode layers, the electrode layers E 31 to E 34 and the electrode layers E 36 to E 39 are electrode layers that function as force generators, and the electrode layers E 35 and E 40 Is an electrode layer functioning as a displacement detector. In FIGS. 45 and 46, the electrode layers having different functions are indicated by different hatching. Therefore, this hatching does not indicate a cross section.
前述したように、 圧電素子 3 3 0は、 第 2 2図（a) , (b) に示すよう な分極特性をもったタイプ Πの圧電素子である。 そこで、 たとえば、 電 極層 E 3 1に負の電圧を与え、 電極層 E 3 6に正の電圧を与えれば、 第 As described above, the piezoelectric element 330 is a type III piezoelectric element having polarization characteristics as shown in FIGS. 22 (a) and 22 (b). Therefore, for example, if a negative voltage is applied to the electrode layer E31 and a positive voltage is applied to the electrode layer E36,
2 2図0)) に示すように、 縦方向に縮む力が発生する。 また、 電極層 E22 2) As shown in Fig. 0)), a force to contract in the vertical direction is generated. The electrode layer E
3 3に正の電圧を与え、 電極層 E 3 8に負の電圧を与えれば、 第 2 2図 (a) に示すように、 縦方向に伸びる力が発生する。 したがって、 これら の電圧供給操作のいずれか一方あるいは双方を行うことにより、 重錘体 3 4 0を X軸正方向に変位させることができる。 また、 印加電圧の極性 を逆転させれば、 重錘体 3 4 0を X軸負方向に変位させることができる c 結局、 X铀上に配置された各電極層 E 3 1 , E 3 3 , E 3 6 , E 3 8に 所定の交流電圧を印加することにより、 重錘休 3 4 0に対して、 X Z平 面内における往復振り子運動を行わせることができる。 同様に、 Y軸上 に配置された各電極層 E 3 2 , E 3 4 , E 3 7 , E 3 9に所定の交流電 圧を印加することにより、 重錘体 3 4 0に対して、 Y Z平面内における 往復振り子運動を行わせることもできる。 When a positive voltage is applied to 33 and a negative voltage is applied to the electrode layer E38, a force that extends in the vertical direction is generated as shown in FIG. 22 (a). Therefore, by performing one or both of these voltage supply operations, the weight body 340 can be displaced in the X-axis positive direction. Furthermore, if reverse the polarity of the applied voltage, eventually c of the weight body 3 4 0 can be displaced in the X-axis negative direction, the electrode layers are arranged in X铀上E 3 1, E 3 3, By applying a predetermined AC voltage to E36 and E38, it is possible to cause the weight rest 340 to perform a reciprocating pendulum motion in the XZ plane. Similarly, by applying a predetermined AC voltage to each of the electrode layers E 32, E 34, E 37, and E 39 arranged on the Y-axis, the YZ A reciprocating pendulum motion in a plane can also be performed.
結局、 この速度センサ 3 0 0では、 X軸の正の領域および負の領域、 ならびに、 Y蚰の正の領域および負の領域に、 Z fi!]に沿った方向に力を 作用させる力発生器 （圧電素子の各部分） をそれぞれ配置し、 これらの 力発生器を周期的に動作させることにより、 重錘休 3 4 0を X Z平面内 もしくは Y Z平面内において往復振り子運動を行わせることができる。 続いて、 この二次元速度センサ 3 0 0によって、 X 方向の速度 V x を検出する原理を説明しょう。 既に述べた検出原理によれば、 重錘体 3 4 0が Υ ί由まわりの角速度 ω yをもって X Z平面内で往復振り子運動し た状態において、 重錘休 3 4 0に作用する Z ib方向のコリオリカ F co (z) を測定することができれば、 このコリオリカ F co(z) はこの速度セ ンサ全体の X拳由方向の移動速度 V Xに対応した量になる。 そして、 Z軸 方向のコリオリカ F co(z) は、 重錘体 3 4 0の Z軸方向の変位を検出す る変位検出器によって測定できることも既に § 1 1において述べた。 二 次元速度センサ 3 0 0では、 一対の電極層 E 3 5 , E 4 0の発生電荷に 基いて、 Z軸方向のコリオリカ F co(z) の検出を行っている。 たとえば、 重錘体 3 4 0に対して、 Z幸由正方向のコリオリカ F co(z) が作用した場 合、 重錘休 3 4 0は、 Z軸正方向 （第 4 4図における上方） に変位し、 圧電素子 3 3 0の中央部分は縱方向に縮むことになる。 したがって、 第 2 2図（1)) に示すように、 電極層 E 3 5には負の電荷が、 電極層 E 4 0 には正の電荷が発生することになる。 逆に、 重錘体 3 4 0に対して、 Z 軸負方向のコリオリカー F co(z) が作用した場合、 重錘体 3 4 0は、 Z 幸由負方向 （第 4 4図における下方） に変位し、 圧電素子 3 3 0の中央部 分は縱方向に伸びることになる。 したがって、 第 2 2図（a) に示すよう に、 電極層 E 3 5には正の電荷が、 電極層 E 4 0には負の電荷が発生す とに る。 いま、 X車由上に配置された各電極層 E 31 , Ε 33, Ε 36, Ε 38 に所定の交流電圧を印加することにより、 重錘体 34 ϋに対して、 Χ Ζ 平面内における往復振り子運動を行わせた状態にする。 このとき、 Ζ軸 正方向のコリオリカ Fco(z) が作用した場台、 重錘休 34 ϋは全体的に Ζ軸の正方向に変位することになる。 逆に、 Ζ軸負方向のコリオリカ - Fco(z) が作用した場合、 重錘体 340は全体的に Z軸の負方向に変 位することになる。 このような重錘体 340の Z紬方向に関する変位は、 上述したように、 電極層 E 35， E40についての発生電荷という形で 測定することができる。 そこで、 これらの電極層の電圧値に対して所定 の演算を行って Z蚰方向のコリオリカ Fco(z) を求め、 この値を適当に キヤリブレーションすれば、 X軸方向の移動速度 V Xを得ることができ る o After all, in this speed sensor 300, the positive area and the negative area of the X axis, In addition, force generators (each part of the piezoelectric element) for applying a force in the direction along Z fi!] Are arranged in the positive and negative regions of the Y axis, and these force generators are periodically arranged. By moving the weight rest 340 in the XZ plane or the YZ plane, the reciprocating pendulum motion can be performed. Next, the principle of detecting the velocity V x in the X direction by the two-dimensional velocity sensor 300 will be described. According to the detection principle already described, in the state where the weight body 340 reciprocates in the XZ plane with the angular velocity ωy around Υ ί, the Zib direction acting on the weight rest 340 is If the Coriolis Fco (z) can be measured, this Coriolis Fco (z) will be an amount corresponding to the moving speed VX in the X-fault direction of the entire speed sensor. Also, it has already been described in §11 that the Z-axis Coriolis F co (z) can be measured by a displacement detector that detects the displacement of the weight body 34 in the Z-axis direction. The two-dimensional velocity sensor 300 detects the Coriolis Fco (z) in the Z-axis direction based on the charges generated by the pair of electrode layers E35 and E40. For example, if the Coriolisa F co (z) in the positive Z direction acts on the weight body 340, the weight rest 340 will move in the positive Z axis direction (upward in FIG. 44). , And the central portion of the piezoelectric element 330 contracts in the vertical direction. Therefore, as shown in FIG. 22 (1)), a negative charge is generated in the electrode layer E35 and a positive charge is generated in the electrode layer E40. Conversely, when the Coriolis car Fco (z) in the negative Z-axis direction acts on the weight body 340, the weight body 340 moves in the negative Z direction (downward in FIG. 44). ), And the central portion of the piezoelectric element 330 extends in the vertical direction. Therefore, as shown in FIG. 22 (a), a positive charge is generated in the electrode layer E35, and a negative charge is generated in the electrode layer E40. Now, by applying a predetermined AC voltage to each of the electrode layers E 31, Ε33, Ε36, and Ε38 disposed on the X wheel, the weight body 34 往復 is reciprocated in the Χ 平面 plane. The pendulum motion is performed. At this time, the weight rest, 34 休, on which the Coriolis Fco (z) in the positive direction of the Ζ axis acts, is displaced in the positive direction of the Ζ axis as a whole. Conversely, when Corioliser -Fco (z) in the negative direction of the Ζ axis acts, the weight body 340 is displaced in the negative direction of the Z axis as a whole. Such a displacement of the weight body 340 in the Z-pong direction can be measured in the form of charges generated in the electrode layers E35 and E40, as described above. Therefore, a predetermined operation is performed on the voltage values of these electrode layers to obtain the Coriolis Fco (z) in the Z axis direction, and by appropriately calibrating this value, the moving speed VX in the X axis direction is obtained. O
次に、 この二次元速度センサ 300によって、 Y軸方向の速度 V yを 検出する原理を説明しょう。 既に述べた検出原理によれば、 重錘体 34 0が X 由まわりの角速度 ω Xをもって Y Z平面内で往復振り子運動した 状態において、 重錘休 340に作用する Ζ軸方向のコリォリカ Fco(z) を測定することができれば、 このコリオリカ Fco(z) はこの速度センサ 全体の Y幸由方向の移動速度 V yに対応した量になる。 したがって、 Y軸 上に配置された各電極層 E 32， E 34, E 37, E 39に所定の交流 電圧を印加することにより、 重錘体 340に対して、 YZ平面内におけ る往復振り子運動を行わせた状態にして、 電極層 E 35, E40につい ての発生電荷という形で Zi i方向のコリオリカ Fco(z) を求め、 この値 を適当にキヤリブレーションすれば、 Y軸方向の移動速度 V yを得るこ とができる。  Next, the principle of detecting the velocity V y in the Y-axis direction by the two-dimensional velocity sensor 300 will be described. According to the detection principle already described, the weight body 340 acts on the weight rest 340 when the weight body 340 reciprocates in the YZ plane with the angular velocity ω X around X, and X the axial coriolis Fco (z). If this can be measured, this Coriolis Fco (z) will be an amount corresponding to the moving speed V y of the speed sensor in the Y direction. Therefore, by applying a predetermined AC voltage to each of the electrode layers E 32, E 34, E 37, and E 39 arranged on the Y axis, the reciprocating pendulum in the YZ plane with respect to the weight body 340 is obtained. With the motion in place, the Corioliser Fco (z) in the Zi i direction is calculated in the form of the charges generated for the electrode layers E 35 and E40, and this value is appropriately calibrated. The moving speed Vy can be obtained.
】 〇 8 かく して、 二次元速度センサ 300は、 二次元の速度成分 V X , V y を検出する機能を有する。 なお、 第 44図に示す速度センサ 300では、 圧電素子 330の上面には第 45図に示すように 5枚の個々の電極層 E 31〜E 35が形成され、 下面には第 46図に示すように 5枚の個々の 電極層 E 36~E 40が形成されているが、 いずれか一方は単一の共通 電極層にしてもかまわない。 また、 第 44図に示す実施例では、 可撓性 基板 10の周辺部が筐体 350に固定されているが、 この周辺部は自由 端にしておいてもよい。 このような構造は、 後述する第 62図に示す実 施例と同様である。 ] 〇 8 Thus, the two-dimensional velocity sensor 300 has a function of detecting the two-dimensional velocity components VX, Vy. In the speed sensor 300 shown in FIG. 44, five individual electrode layers E 31 to E 35 are formed on the upper surface of the piezoelectric element 330 as shown in FIG. 45, and the lower surface is shown in FIG. 46. Although five individual electrode layers E 36 to E 40 are formed as described above, any one of them may be a single common electrode layer. In the embodiment shown in FIG. 44, the peripheral portion of the flexible substrate 10 is fixed to the housing 350, but the peripheral portion may be a free end. Such a structure is the same as the embodiment shown in FIG. 62 described later.
§ 16. タイプ Πの圧電素子を利用した多次元速度センサの変形例§ 16. Modification of multi-dimensional velocity sensor using type 圧 電 piezoelectric element
§ 15で述べた実施例は、 二次元の速度センサであつたが、 同じ構造 で三次元の速度センサを実現するには、 力発生器としての役割を担う電 極層と変位検出器としての役割を担う電極層とを分割した構成にすれば よい。 たとえば、 第 47図に示す例は、 第 45図における電極層 E 31 を、 E 31 Gと E 31 Dとに分割し、 電極層 E 33を、 £ 33。と£ 3 3Dとに分割し、 電極層 E 32, E 34の形状を E 32 G, E 34 Gの ように変更したものである。 ここで、 電極層 E 31 G, E 32 G, E 3 3 G, E 34 Gは、 力発生器としての役割を果たし、 重錘休 340を X Z平面内もしくは Y Z平面内で往復振り子運動させる機能を果たす。 ま た、 電極層 E 3 I D, E 33 D, E 35 Dは、 変位検出器としての役割 を果たし、 重錘休 34 ϋの X 由方向および Z軸方向の変位 （すなわち、 コリオリカ Fco(x) , Fco(z) ) を検出する機能を果たす。 第 47図で は、 役割の異なる電極層には異なるハッチングを施して示してある。 し たがって、 このハッチングは断面を示すものではない。 なお、 圧電素子Although the embodiment described in §15 is a two-dimensional speed sensor, in order to realize a three-dimensional speed sensor with the same structure, an electrode layer serving as a force generator and a displacement detector as a displacement detector are used. What is necessary is just to make it the structure which divided the electrode layer which plays a role. For example, in the example shown in FIG. 47, the electrode layer E 31 in FIG. 45 is divided into E 31 G and E 31 D, and the electrode layer E 33 is £ 33. And 3D, and the shape of the electrode layers E32, E34 is changed to E32G, E34G. Here, the electrode layers E 31 G, E 32 G, E 33 G, and E 34 G function as force generators, and function to reciprocate the weight rest 340 in the XZ plane or the YZ plane. Fulfill. The electrode layers E 3 ID, E 33 D, and E 35 D serve as displacement detectors, and displace the weight rest 34 mm in the X- and Z-axis directions (that is, the Coriolis Fco (x)). , Fco (z)). In FIG. 47, the electrode layers having different roles are indicated by different hatching. I Therefore, this hatching does not indicate a cross section. The piezoelectric element
330の下面側にも、 これら各電極に対応した対向電極が設けられてい o Opposite electrodes corresponding to each of these electrodes are also provided on the lower surface side of 330 o
この三次元速度センサを用いた三次元の速度成分 V X , V y , V zの 検出動作を簡単に述べると次のようになる。 まず、 電極層 E 31 G， E 33 Gに所定の交流電圧を供給して、 重錘体 340を XZ平面内で往復 振り子運動させた状態において、 電極層 E 35 Dに発生する電荷に基い て Z軸方向のコリオリカ Fco(z) を求め、 これをキャリブレーションし て X軸方向の速度成分 V Xとして出力する。 また、 同様に重錘体 340 を X Z平面内で往復振り子運動させた状態において、 電極層 E 31 Dに 発生する電荷と電極層 E 33Dに発生する電荷との差分に基いて X軸方 向のコリオリカ Fco(x) を求め、 これをキャリブレーションして Z軸方 向の速度成分 V zとして出力する。 更に、 電極層 E 32G， E 34 Gに 所定の交流電圧を供給して、 重錘体 340を YZ平面内で往復振り子運 動させた状態において、 電極層 E 35 Dに発生する電荷に基いて Z軸方 向のコリオリカ Fco(z) を求め、 これをキャリブレーションして Y軸方 向の速度成分 V yとして出力する。 かく して、 三次元の速度成分 V X , V y , V zを検出することができる。 § 17. 駆動手段と検出手段との兼用  The detection operation of the three-dimensional velocity components VX, Vy, Vz using the three-dimensional velocity sensor is briefly described as follows. First, a predetermined AC voltage is supplied to the electrode layers E 31 G and E 33 G, and the weight 340 is reciprocated in the XZ plane. Calculate the Coriolis Fco (z) in the Z-axis direction, calibrate this, and output it as the velocity component VX in the X-axis direction. Similarly, when the weight body 340 is reciprocally pendulum-moved in the XZ plane, the X-axis direction is calculated based on the difference between the charge generated in the electrode layer E 31D and the charge generated in the electrode layer E 33D. The Coriolis Fco (x) is obtained, calibrated, and output as the velocity component Vz in the Z-axis direction. Further, a predetermined AC voltage is supplied to the electrode layers E32G and E34G, and the weight 340 is reciprocated in the YZ plane in a reciprocating pendulum. The Coriolis Fco (z) in the Z-axis direction is obtained, calibrated, and output as the velocity component Vy in the Y-axis direction. Thus, the three-dimensional velocity components VX, Vy, Vz can be detected. § 17. Dual use of drive means and detection means
既に述べてきたように、 本発明に係る速度センサでは、 重錘体を自転 運動させるための駆動手段と、 転運動中の重錘休に作用するコリォリ 力を検出する検出手段とが必要である。 これまでの実施例では、 駆動手 段を力発生器で実現し、 検出手段を変位検出器で実現している。 しかし  As described above, the speed sensor according to the present invention requires driving means for rotating the weight body in rotation and detection means for detecting the Coriolis force acting on the weight rest during the rolling movement. . In the embodiments described above, the driving means is realized by a force generator, and the detecting means is realized by a displacement detector. However
0 ながら、 これまでの実施例を見ればわかるように、 力発生器と変位検出 器とは物理的には全く同一の構造をもった要素で構成することができる。 たとえば、 静電容量素子は、 電圧を印加することにより一対の電極間に クーロン引カ 斥力を発生する性質をもっているため、 力発生器として 用いることもできるし、 両電極間の距離の変化を電気信号として取り出 すことができるため、 変位検出器として用いることもできる。 同様に、 圧電素子は、 電圧を印加することにより応力を発生する性質をもってい るため、 力発生器として用いることもできるし、 変位によって加えられ た応力を電気信号として取り出すことができるため、 変位検出器として 用いることもできる。 0 However, as can be seen from the examples so far, the force generator and the displacement detector can be constituted by elements having exactly the same physical structure. For example, a capacitive element has the property of generating a Coulomb attraction between a pair of electrodes when a voltage is applied, and thus can be used as a force generator. Since it can be extracted as a signal, it can be used as a displacement detector. Similarly, a piezoelectric element has the property of generating a stress by applying a voltage, so that it can be used as a force generator, and the stress applied by displacement can be taken out as an electric signal. It can also be used as a detector.
このように、 これまでの実施例では、 力発生器としての構成要素と変 位検出器としての構成要素とを別個のものとして取り扱ってきたが、 実 際には、 両者間には物理的な構造の差はなく、 速度センサとして動作さ せる上で、 便宜的にこれらを別個の要素として取り扱っただけのことで ある。 したがって、 両者は互いに可換性をもった構成要素であり、 動作 態様によって、 同一の構成要素を力発生器として利用することも、 変位 検出器として利 fflすることもできるものである。 実は、 検出回路を少し 工夫すれば、 同一の構成要素に対して、 力発生器の役割と変位検出器の 役割とを同時に兼務させることが可能になる。  As described above, in the embodiments described above, the component as the force generator and the component as the displacement detector have been treated as separate components, but in reality, there is no physical There is no difference in structure, and they are simply treated as separate elements for the purpose of operating as a speed sensor. Therefore, both are interchangeable components, and the same component can be used as a force generator or can be used as a displacement detector depending on the operation mode. In fact, if the detection circuit is slightly devised, it is possible to simultaneously perform the role of the force generator and the role of the displacement detector for the same component.
以下、 このように、 同一の構成要素を駆動手段および検出手段として 同時に兼用する利用態様を述べることにする。 すなわち、 § 1 8では、 § 1 2 , 1 3で述べた容量素子を利用した速度センサに兼用器を適用し た実施例について述べ、 § 1 9では、 § 1 4で述べたタイプ Iの圧電素 子を利用した速度センサに兼用器を適用した実施例について述べ、 § 2 0では、 § 15, 16で述べたタイプ Πの圧電素子を利用した速度セン ザに兼用器を適用した実施例について述べる。 Hereinafter, a usage mode in which the same constituent element is simultaneously used as the drive unit and the detection unit will be described. That is, §18 describes an example in which a dual-purpose device is applied to a speed sensor using a capacitive element described in §12,13, and §19 describes a type I piezoelectric element described in §14. An example in which a dual-purpose device is applied to a speed sensor using a device is described in §2. Section 0 describes an embodiment in which a dual-purpose device is applied to a speed sensor using a type III piezoelectric element described in §15, 16.
§ 18. 兼用容量素子を利用した速度センサの実施例 § 18. Example of speed sensor using dual-purpose capacitive element
第 48図に側断面を示す速度センサ 190は、 第 38図に示す 「容量 素子を利用した速度センサ」 に兼 ffl器を適用することにより、 必要な電 極層の枚数を低減させ、 全体構造を単純化した実施例である。 第 38図 に示すセンサとの相違は、 可撓性基板 1 1 0の上面に配置された電極層 および蓋基板 15◦の下面に配置された電極層の構成だけである。 そこ で、 以下、 この電極層の構成のみを説明し、 その他の構成要素の説明は 省略する。  The speed sensor 190, whose side section is shown in Fig. 48, reduces the required number of electrode layers by applying a ffl device to the "speed sensor using a capacitive element" shown in Fig. 38, and the overall structure This is an example in which is simplified. 38 is different from the sensor shown in FIG. 38 only in the configuration of the electrode layer arranged on the upper surface of the flexible substrate 110 and the electrode layer arranged on the lower surface of the lid substrate 15 °. Therefore, hereinafter, only the configuration of this electrode layer will be described, and description of other components will be omitted.
可撓性基板 1 10の上面には、 第 49図に示されているように、 4枚 の扇形の下部電極層 L 1 1〜L 14が配置されている。 下部電極層 L 1 1は X軸の正の領域上、 L 12は Y軸の正の領域上、 L 13は X軸の負 の領域上、 L 14は Y lhの負の領域上、 にそれぞれ配置されており、 い ずれも各座標軸に関して対称形をしている。 一方、 蓋基板 1 50の下面 にも、 上部電極層 U 1 1 ~U 14力《、 それぞれ各下部電極層 L 1 1 ~L 14に対向する位置に配置されている。 ここで、 上部電極層 U 1 1〜U 14は、 下部電極層 L 1 1〜L 14と全く同一形状をしている。 こうし て、 電極層 L 1 1 ZU 1 1、 電極層 L 12ZU 12、 電極層 L 1 3/U 13、 電極層 L 14/U 14. によってそれぞれ 1組ずつの容量素子が 形成されていることになる。  On the upper surface of the flexible substrate 110, as shown in FIG. 49, four fan-shaped lower electrode layers L11 to L14 are arranged. The lower electrode layer L 1 1 is on the positive area of the X axis, L 12 is on the positive area of the Y axis, L 13 is on the negative area of the X axis, and L 14 is on the negative area of Y lh. All are symmetrical with respect to each coordinate axis. On the other hand, also on the lower surface of the lid substrate 150, the upper electrode layers U11 to U14 are arranged at positions facing the respective lower electrode layers L11 to L14. Here, the upper electrode layers U11 to U14 have exactly the same shape as the lower electrode layers L11 to L14. Thus, one set of capacitive elements is formed by each of the electrode layers L 1 1 ZU 11, the electrode layer L 12 ZU 12, the electrode layer L 13 / U 13, and the electrode layer L 14 / U 14. become.
さて、 このような構成の速度センサを動作させるために、 第 50図に 示すような信号処理回路を用意する。 この回路図において、 左端に示さ れている各容量素子は、 蓋基板 1 50の下面に形成された上部電極層と 可撓性基板 1 10の上面に形成された下部電極層とによって構成される 容量素子であり、 U l 1〜U 14および L I 1〜L :14は、 各上部電極 層および下部電極層を示している。 L 1 1〜L 14は共通の接地レベル に接続され、 互いに導通している。 ここで、 B 1 1 ~B 1 8はバッファ 回路であり、 R 1 1〜R 18は抵抗である。 また、 C ]〜C4は、 容量 電圧変換回路であり、 各容量素子の静電容量値を電圧値に変換して出 力する機能を有する。 駆動信号入力端子 T 1 1 , T 1 3, T 1 5, T 1Now, in order to operate the speed sensor having such a configuration, a signal processing circuit as shown in FIG. 50 is prepared. In this schematic, Each of the capacitive elements is a capacitive element composed of an upper electrode layer formed on the lower surface of the lid substrate 150 and a lower electrode layer formed on the upper surface of the flexible substrate 110. UU14 and LI1〜L: 14 indicate the respective upper and lower electrode layers. L11 to L14 are connected to a common ground level and are conductive with each other. Here, B 11 to B 18 are buffer circuits, and R 11 to R 18 are resistors. C] to C4 are capacitance-voltage conversion circuits having a function of converting the capacitance value of each capacitance element into a voltage value and outputting the voltage value. Drive signal input terminal T 1 1, T 1 3, T 1 5, T 1
7は、 それぞれ上部電極層 U 1 1, U 12, U 13, U 14に印加する ための駆動電圧 V I I, V I 3, V I 5, V 17を入力する端子であり、 検出信号出力端子 T 12, T 14, T 16, T 18は、 それぞれ容量 電圧変換回路 C I, C 2, C 3, C 4から出力された検出電圧 V 12, V I 4, V I 6, V 18を出力する端子である。 7 is a terminal for inputting a drive voltage VII, VI 3, VI 5, V 17 to be applied to the upper electrode layers U 11, U 12, U 13, U 14, respectively, and a detection signal output terminal T 12, T14, T16, and T18 are terminals that output the detection voltages V12, VI4, VI6, and V18 output from the capacitance-voltage conversion circuits CI, C2, C3, and C4, respectively.
このような信号処理回路を用いて、 重錘体 120を XZ平面内で往復 振り子運動させるには、 駆動信号入力端子 T 1 1および T 1 5に、 逆位 †E1の交流信号を与えればよい。 2組の容量素子には、 それぞれ逆位相の タイミ ングでクーロン力が作用することになり、 重錘休 1 20は X Z平 面内で往復振り子運動を行う。 同様に、 このような信号処理回路を用い て、 重錘休 120を Y Z平面内で往復振り子運動させるには、 駆動信号 入力端子 T 1 3および T 17に、 逆位相の交流信号を与えればよい。 2 組の容量素子には、 それぞれ逆位相のタイ ミ ングでクーロン力が作用す ることになり、 重錘体 120は YZ平面内で往復振り子運動を行う。 一方、 このような信号処理回路を用いれば、 重錘体 1 20の各軸方向 への変位を検出することができる。 たとえば、 重錘休 1 20が Xfihの正 方向に変位すると、 電極層 U 1 1 ZL 1 1間の距離は短く、 電極層 U 1 3/L 13間の距離は長くなるため、 前者における静電容量値は増加し、 後者における静電容量値は減少する。 したがって、 第 50図の回路にお いて、 検出電圧 V 12は上昇し、 検出電圧 V 1 6は下降する。 そこで、 両検出電圧の差 （V 12— V 16) によって、 重錘体： I 2 ϋの X 由正方 向の変位検出が可能になる。 逆に、 重錘体 120が Xiitiの負方向に変位 すると、 上述の場合と増減が逆になるため、 両検出電圧の差 （V I 2— V 16) の符号が逆転することになる。 結局、 出力端子 T 1 2， T 16 に得られる検出電圧の差 （V 12— V 16) によって、 X軸の正負両方 向の変位検出が可能になる。 全く同様に、 出力端子 T 14, T 18に得 られる検出電圧の差 （V 14— V 18) によって、 Y蚰の正負両方向の 変位検出が可能になる。 更に、 この信号処理回路では、 Z軸の正負両方 向の変位検出も可能である。 たとえば、 重錘休 120が Ζί由の正方向に 変位すると、 4組の容量素子はいずれも電極間距離が短くなり静電容量 値が増加し、 逆に Ζ軸の負方向に変位すると、 4組の容量素子はいずれ も電極間距離が長くなり静電容量値が減少する。 したがって、 4つの出 力端子 Τ 12, Τ 14 , Τ 16, Τ 18に得られる電圧の総和 （V 12 + V 14 + V 16 + V 18) の増加または減少により、 Zfrfiの正負両方 向の変位検出が可能になる （2つの電圧の和 （V 12 + V 16) あるい は （V 14 +V 18) によっても、 Z$由方向の変位検出は可能であるが、 効率良い安定した検出を行うためには、 上述のように 4つの電圧の総和 を用いるのが好ましい） 。 In order to cause the weight body 120 to reciprocate in the XZ plane using such a signal processing circuit, an AC signal of the inversion † E1 may be given to the drive signal input terminals T 11 and T 15. . Coulomb force acts on the two sets of capacitive elements at opposite timings, and the weight rest 120 performs a reciprocating pendulum motion in the XZ plane. Similarly, in order to cause the weight rest 120 to reciprocate in the YZ plane using such a signal processing circuit, an alternating-phase AC signal may be applied to the drive signal input terminals T 13 and T 17. . Coulomb forces act on the two sets of capacitive elements at opposite timings, and the weight body 120 performs a reciprocating pendulum motion in the YZ plane. On the other hand, by using such a signal processing circuit, displacement of the weight body 120 in each axis direction can be detected. For example, weight rest 1 20 is Xfih positive When the displacement occurs in the direction, the distance between the electrode layers U 1 1 and ZL 11 is short, and the distance between the electrode layers U 13 and L 13 is long, so that the capacitance value in the former increases, and the capacitance in the latter increases. The value decreases. Therefore, in the circuit of FIG. 50, the detection voltage V12 rises and the detection voltage V16 falls. Therefore, displacement of the weight: I 2 — in the X-direction can be detected by the difference between the two detection voltages (V 12-V 16). Conversely, when the weight body 120 is displaced in the negative direction of Xiiti, the increase / decrease is opposite to the case described above, so that the sign of the difference (VI 2 −V 16) between the two detection voltages is reversed. Eventually, the difference between the detection voltages obtained at the output terminals T12 and T16 (V12-V16) enables both positive and negative displacement detection of the X-axis. In exactly the same manner, the difference between the detection voltages obtained at the output terminals T14 and T18 (V14-V18) enables the displacement detection of the Y screw in both the positive and negative directions. Further, this signal processing circuit can detect both positive and negative displacements of the Z axis. For example, when the weight rest 120 is displaced in the positive direction, the distance between the electrodes becomes shorter and the capacitance value of all four capacitive elements increases. In each of the pairs of capacitance elements, the distance between the electrodes becomes longer and the capacitance value decreases. Therefore, the increase or decrease of the sum of the voltages (V12 + V14 + V16 + V18) obtained at the four output terminals Τ12, Τ14, Τ16, Τ18 causes both positive and negative displacement of Zfrfi. (The displacement of the Z $ direction can be detected by the sum of the two voltages (V12 + V16) or (V14 + V18). To do this, it is preferable to use the sum of the four voltages as described above).
なお、 各電極層 L 1 1〜L 14, U 1 1〜U 14はいずれも X軸また は Y申由に関して線対称な形状をしているため、 上述の検出結果には、 他 軸成分が干渉することはない。 たとえば、 重錘休 1 2 ϋが X軸方向に変 位した場台、 電極層 U 1 1 /L 1 1間と電極層 U 13/L 1 3間の距離 は一方が短く他方は長くなるため、 検出電圧の差 （V 12— V 16) と して X申由方向の変位を求めることができる。 ところ力 <、 重錘体 1 20力《 Υ軸方向に変位した場台は、 電極層 U 1 1 /L 1 1間の距離も、 電極層 U 1 3/L 1 3間の距離も、 部分的に短くなったり長くなつたりする力 全休的には相殺されて電圧差は発生しない。 また、 重錘休 1 20が Ζ軸 方向に変位した場台は、 電極層 U 1 1 ZL 1 1間の距離も、 電極層 U 1 3/L 1 3間の距離も、 双方ともに短くなったり長くなったりするので、 検出電圧の差 （V 12— V 16) をとると相殺されることになる。 Since each of the electrode layers L 11 to L 14 and U 11 to U 14 has a shape that is line-symmetric with respect to the X axis or the Y reason, the above detection results include The axial components do not interfere. For example, when the weight rest 1 2 ϋ is displaced in the X-axis direction, the distance between the electrode layers U 11 / L 11 and the electrode layer U 13 / L 13 is shorter because one is shorter and the other is longer. The displacement in the X-direction can be determined as the difference between the detection voltages (V12-V16). Where force <, weight body 1 20 force << 場 The displacement of the base in the axial direction depends on the distance between the electrode layers U 11 / L 11 and the distance between the electrode layers U 13 / L 13 Forces that become shorter or longer as a whole are completely canceled out and no voltage difference occurs. In addition, when the weight rest 120 is displaced in the Ζ-axis direction, the distance between the electrode layers U 11 and ZL 11 and the distance between the electrode layers U 13 and L 13 are both shorter. If the difference of the detection voltage (V12-V16) is taken, it will be cancelled.
以上の説明により、 この速度センサ 1 90では、 たった 4組の電極対 U 1 1 /L 1 1 , U 12/L 12, U 1 3ZL 13, U 14ノ L 14を 利用して、 重錘休 120を X Ζ平面もしくは ΥΖ平面に沿って往復振り 子運動させる機能と、 重錘体 1 20の X軸， Υ軸， ΖίιΙιの正負両方向に 関する変位を別個に検出する機能と、 を備えていることがわかる。 そこ で、 これらの電極対を、 § 17において説明した兼用器として利用すれ ば、 各 方向の速度成分 V χ， V y , V zの検出が可能になる。 以下に その具体的な手法を説明する。  As described above, this speed sensor 190 uses only four electrode pairs U 11 / L 11, U 12 / L 12, U 13ZL 13, U 14 It has the function of reciprocating pendulum movement of 120 along the X Ζ plane or ΥΖ plane, and the function of separately detecting the displacement of the weight body 120 in both the positive and negative directions of the X axis, Υ axis, and ΖίιΙι. You can see that. Therefore, if these electrode pairs are used as the dual-purpose device described in §17, it is possible to detect the velocity components Vχ, Vy, and Vz in each direction. The specific method is described below.
まず、 全くコリオリカが作用しない環境において、 别言すれば、 この 速度センサ全休を静止させた状態において、 重錘体 120に 「基準運動」 を行わせる。 たとえば、 X Z平面内での往復振り子運動を行わせるので あれば、 前述したように、 入力端子 T 1 1， T 1 5に、 それぞれ逆位相 の交流信号を与える。 そして、 このときに、 出力端子 T 1 2， Τ ] 6に 出力される電圧 V I 2, V 1 6を予め測定しておく。 もちろん、 これら の電圧値は、 入力端子 T l 1, T 15に与えた交流信号と同じ周期で変 化する周期信号となる。 また、 Y Z平面内での往復振り子運動を行わせ るのであれば、 前述したように、 入力端子 T 13， T 17に、 それぞれ 逆位相の交流信号を与える。 そして、 このときに、 出力端子 T 14, T 18に出力される電圧 V 14, V 18を予め測定しておく。 もちろん、 これらの電圧値は、 入力端子 T 1 3, T 17に与えた交流信号と同じ周 期で変化する周期信号となる。 以上で、 準備段階は完了である。 First, in an environment in which Coriolisa does not act at all, in other words, in a state where all the speed sensors are at rest, the weight 120 is caused to perform the “reference motion”. For example, if a reciprocating pendulum motion is to be performed in the XZ plane, as described above, AC signals having opposite phases are applied to the input terminals T11 and T15, respectively. Then, at this time, the voltages VI2 and V16 output to the output terminals T12, Τ] 6 are measured in advance. Of course, these Is a periodic signal that changes in the same cycle as the AC signal applied to the input terminals T11 and T15. If the reciprocating pendulum motion is performed in the YZ plane, as described above, an AC signal having an opposite phase is applied to each of the input terminals T13 and T17. At this time, the voltages V14 and V18 output to the output terminals T14 and T18 are measured in advance. Of course, these voltage values are periodic signals that change in the same period as the AC signal applied to the input terminals T 13 and T 17. The preparation stage is now complete.
次に、 この速度センサ 1 90を用いて、 実際に速度検出を行ってみる。 たとえば、 Z 由方向の速度成分 V zを検出するには、 入力端子 T 1 1, T 1 5に、 それぞれ逆位相の交流信号を与え、 重錘体 1 2 ϋに、 ΧΖ平 面内での往復振り子運動を行わせ、 このときに重錘体 12 ϋに作 fflした X軸方向のコリオリカ Fco(x) を測定すればよい。 X铀方向のコリオリ 力 Fco(x) は、 出力端子 T 12, T 16に現れる検出電圧 V 12， V I 6に基いて検出できることは既に述べた。 ただ、 入力端子 T 1 1， T 1 5には、 それぞれ所定の交流信号が与えられているため、 出力端子 T 1 2， T 16に現れる検出電圧 V 12, V 16は、 この交流信号の成分に コリオリカ Fco(x) の成分が重畳されたものになる。 ところ力く、 上述し た準備段階において、 コリオリカが全く作用しない 「基準運動」 の状態 で、 出力端子 T 12, T 16に現れる検出電圧 V 12, V I 6が測定さ れているので、 実際の速度検出作業中に得られた検出電圧 V 12, V I 6の実測値から、 「基準運動」 の状態で得られた検出電圧 V 1 2, V ] 6を差し引けば、 その差分が、 コリオリカの成分ということになる。 た とえば、 X 方向への変位を示す検出電圧差 （V 12— V】 6) が予め 測定した値よりも Δαだけ増えていれば、 X軸の正方向に Δ αに相当す  Next, the speed is actually detected using the speed sensor 190. For example, to detect the velocity component Vz in the Z-direction, apply AC signals of opposite phases to the input terminals T11 and T15, and apply the weight 1 2 ϋ to the 錘 plane. A reciprocating pendulum motion is performed, and at this time, the Coriolisa Fco (x) in the X-axis direction ffl formed on the weight body 12 mm may be measured. It has already been mentioned that the Coriolis force Fco (x) in the X で き る direction can be detected based on the detection voltages V12 and VI6 appearing at the output terminals T12 and T16. However, since predetermined AC signals are given to the input terminals T 11 and T 15, respectively, the detection voltages V 12 and V 16 appearing at the output terminals T 12 and T 16 are components of the AC signal. And the component of Coriolis Fco (x) is superimposed. However, in the preparatory stage described above, the detection voltages V12 and VI6 appearing at the output terminals T12 and T16 are measured in the "reference motion" state in which Corioliser does not act at all. If the detection voltage V12, V] 6 obtained in the "reference motion" state is subtracted from the actual measurement value of the detection voltage V12, VI6 obtained during the speed detection work, the difference is It is a component. For example, if the detected voltage difference (V12-V) 6, which indicates displacement in the X direction, is increased by Δα from the previously measured value, it corresponds to Δα in the positive direction of the X axis.
6 一 る大きさのコリオリカが作用していることになる。 したがって、 この Δ αが Z 由方向の速度成分 V zに対応した値になる。 6 one Coriolis of a certain size are acting. Therefore, this Δα becomes a value corresponding to the velocity component Vz in the Z-direction.
このように、 兼用器を用いた速度センサでは、 検出処理が若干複雑に はなるが、 その反面、 センサの構造自体は非常に単純化される。  As described above, in the speed sensor using the dual-purpose device, the detection process is slightly complicated, but on the other hand, the structure of the sensor itself is greatly simplified.
なお、 上述の説明では、 互いに向かい合う上部電極層と下部電極層と の間に電圧を印加し、 両電極層にそれぞれ極性の異なる電荷を供給して クーロン引力を作用させ、 重錘休 1 2 0を駆動していたが、 互いに向か い台う上部電極層と下部電極層とに、 それぞれ同極性の電荷を供給でき るような構造にしておけば、 クーロン斥力によって重錘休 1 2 0を駆動 することも可能である。 また、 たとえば、 電極対 U 1 】ノ L 1 】 にクー ロ ン引力を作用させると同時に、 電極対 U 1 3 Z L 1 3にクーロン斥力 を作用させるようにすれば、 重錘体 1 2 0を X蚰の正方向により効率的 に変位させることが可能になる。 このように、 一方で引力、 他方で斥力 を作用させるようにして重錘体 1 2 0を往復振り子運動させると、 より 効率的な駆動動作が可能になる。  In the above description, a voltage is applied between the upper electrode layer and the lower electrode layer facing each other, electric charges having different polarities are supplied to the two electrode layers, and Coulomb attraction is applied, and the weight rest 120 However, if the upper electrode layer and the lower electrode layer facing each other are configured to be able to supply charges of the same polarity, the weight rest 120 It is also possible to drive. Also, for example, by applying a Coulomb attraction to the electrode pair U 1 ノ L 1] and simultaneously applying a Coulomb repulsion to the electrode pair U 1 3 ZL 13, the weight 1 It becomes possible to displace more efficiently in the forward direction of the X chain. In this way, when the weight body 120 is reciprocally pendulum-moved so as to exert an attractive force on the one hand and a repulsive force on the other hand, a more efficient driving operation becomes possible.
また、 4組の電極対のすべてに、 あるいは、 同一座標铀上に配置され た 2組の電極対にクーロン引力を作用させれば、 重錘体 1 2 0を Ζ軸の 正方向に変位させることができ、 4組の電極対のすべてに、 あるいは、 同一座標軸上に配置された 2組の電極対にクーロ ン斥力を作用させれば、 重錘休 1 2 0を Ζ ΐ由の負方向に変位させることができるので、 この Ζ幸由 の正負両方向への駆動操作と、 たとえば、 既に述べた X軸の正負両方向 への駆動操作とを組み台わせれば、 重錘体 1 2 0を Χ Ζ平面に沿って、 より円弧軌道に近い軌道上を円滑に運動させることが可能である。  If Coulomb attraction is applied to all four electrode pairs or to two electrode pairs arranged on the same coordinate 铀, the weight body 120 is displaced in the positive direction of the Ζ axis. If a Coulomb repulsive force is applied to all four electrode pairs or to two electrode pairs arranged on the same coordinate axis, the weight rest 120 will move in the negative direction. Therefore, if the drive operation in both the positive and negative directions of this Yukiyoshi is combined with the drive operation in both the positive and negative directions of the X-axis as described above, the weight body 120 can be displaced. Ζ It is possible to move smoothly on a trajectory closer to an arc trajectory along the plane.
なお、 上述の説明では、 重錘体 1 2 0の X軸方向の変位を、 検出電圧  In the above description, the displacement of the weight body 120 in the X-axis direction is determined by the detection voltage.
7 一 の差 （V 1 2— V 1 6 ) により求め、 重錘体 1 2 0の Y軸方向の変位を、 検出電圧の差 （V I 4— V I 8 ) により求めている力く、 このような差分 をとつているのは、 検出精度を向上させる意味と、 Z軸方向の変位成分 が検出結果に干渉しないようにするためである。 7 one (V 12 — V 16), and the displacement of the weight body 120 in the Y-axis direction is determined by the difference (VI 4 — VI 8) of the detected voltage. The reason is adopted to improve the detection accuracy and to prevent the displacement component in the Z-axis direction from interfering with the detection result.
また、 上述の実施例では、 上部電極層 U 1 1 ~ U 1 4も、 下部電極層 L 1 1〜L 1 4も、 いずれも物理的に独立した個別の電極層となってい るが、 いずれか一方は、 物理的には単一の共通電極層 （この例の場台は、 4枚の扇形の電極層のすべてに対向するような円盤状の共通電極層） と してもかまわない。 電極層間の配線を単純化するには、 このような共通 電極層を形成しておくのが好ましい。 第 5 0図に示される回路では L 1 1〜L 1 4が共通接地され、 電気的には共通電極となっている。  Further, in the above-described embodiment, both the upper electrode layers U 11 to U 14 and the lower electrode layers L 11 to L 14 are physically independent individual electrode layers. Either one may be physically a single common electrode layer (the base in this example is a disk-shaped common electrode layer that faces all four fan-shaped electrode layers). In order to simplify the wiring between the electrode layers, it is preferable to form such a common electrode layer. In the circuit shown in FIG. 50, L11 to L14 are commonly grounded, and are electrically common electrodes.
なお、 第 4 8図に示すような構造の速度センサ 1 9 0は、 一般的な半 導体装置の製造プロセスの技術やマイクロマシニング技術を適用できる 材料によつて構成することにより、 安価で高性能なものを大量生産する ことが可能になる。 たとえば、 可撓性基板 1 1 0 , 重錘体 1 2 0 , 台座 1 3 0 , 蓋基板 1 5 0といった部材を、 シリコン基板やガラス基板を用 いて構成するようにすれば、 ガラス基板とシリコン基板との接台には陽 極接台技術などを利用することができ、 シリコン基板同士の接台にはシ リコン ·ダイレク トボンディ ング技術などを利用することができる。 た だ、 シリコン基板上に物理的に異なる個別の電極層を隣接して配置する と、 シリコン基板中の容量による結合により、 互いに干渉が起こるおそ れがあるので、 個別の電極層はできるだけガラス基板上に形成するのが 好ましい。 物理的に単一の共通電極層であれば、 シリコン基板上に形成 しても問題はない。 § 19. タイプ Iの兼用圧電素子を利用した速度センサの実施例 第 51図に側断面を示す速度センサ 290は、 第 42図に示すタイプ Iの圧電素子を利用した速度センサに兼用器を適用することにより、 必 要な電極層の枚数を低減させ、 全体構造を単純化した実施例である。 第 42図に示すセンサとの相違は、 圧電素子 250の上下両面に配置され た電極層の構成だけである。 そこで、 以下、 この電極層の構成のみを説 明し、 その他の構成要素の説明は省略する。 The speed sensor 190 having the structure shown in Fig. 48 is inexpensive and has high performance by being made of a material to which a general semiconductor device manufacturing process technology and micromachining technology can be applied. It becomes possible to mass-produce such products. For example, if the members such as the flexible substrate 110, the weight body 120, the pedestal 130, and the lid substrate 150 are formed using a silicon substrate or a glass substrate, the glass substrate and the silicon substrate can be used. An abutment with the substrate can be made by using an anode attachment technology, and a silicon / direct bonding technology can be made by using the attachment between silicon substrates. However, if individual electrode layers that are physically different from each other are placed adjacent to each other on the silicon substrate, mutual interference may occur due to the coupling due to the capacitance in the silicon substrate. It is preferably formed on the top. There is no problem if it is formed on a silicon substrate as long as it is a physically single common electrode layer. § 19. Example of a speed sensor using a type I piezoelectric element 290 The speed sensor 290 whose side section is shown in Fig. 51 is a speed sensor using a type I piezoelectric element shown in Fig. 42. In this embodiment, the required number of electrode layers is reduced, and the overall structure is simplified. 42 is different from the sensor shown in FIG. 42 only in the configuration of the electrode layers arranged on the upper and lower surfaces of the piezoelectric element 250. Therefore, hereinafter, only the configuration of this electrode layer will be described, and description of other components will be omitted.
圧電素子 250の上面には、 第 52図に示されているように、 4枚の 扇形の上部電極層 U 21〜U 24が配置されている。 上部電極層 U 21 は X の正の領域上、 U 22は Y軸の正の領域上、 U 23は X铀の負の 領域上、 U 24は Y軸の負の領域上、 にそれぞれ配置されており、 いず れも各座標幸由に関して対称形をしている。 また、 圧電素子 250の下面 には、 上部電極層 U 21 ~U 24のすべてに対向するようなヮッシャ状 の共通下部電極層 L 20が配置されている。 こうして、 電極層 U 2 \ / L 20、 電極層 U 22 L 2 CU 電極層 U 23ZL 20、 電極層 U 24 ZL 20、 によってそれぞれ挟まれた 4組の部分圧電素子が形成される ことになる。  As shown in FIG. 52, four fan-shaped upper electrode layers U21 to U24 are arranged on the upper surface of the piezoelectric element 250. The upper electrode layer U 21 is located on the positive region of X, U 22 is located on the positive region of the Y axis, U 23 is located on the negative region of X 铀, and U 24 is located on the negative region of Y axis. All of them are symmetrical with respect to each coordinate. Further, on the lower surface of the piezoelectric element 250, a common lower electrode layer L20 having a pusher shape facing all of the upper electrode layers U21 to U24 is arranged. In this manner, four sets of partial piezoelectric elements sandwiched by the electrode layer U 2 \ / L 20, the electrode layer U 22 L 2 CU, the electrode layer U 23ZL 20, and the electrode layer U 24 ZL 20 are formed.
—方、 第 53図に側断面を示す速度センサ 295は、 第 51図に示す 速度センサ 290の電極層の配置を若干変えた実施例である。 すなわち、 この速度センサ 295における圧電素子 250の上面には、 第 54図に 示されているように、 4枚の扇形の上部電極層 U 26〜U 29が配置さ れている。 上部電極層 U 26は X の正の領域上、 U 27は Y軸の正の 領域上、 U 28は X軸の負の領域上、 U 29は Y軸の負の領域上、 にそ れぞれ配置されており、 いずれも各座標軸に関して対称形をしている。 一 】 19 一 また、 圧電素子 2 5◦の下面には、 上部電極層 U 2 6 ~ U 2 9のすベて に対向するようなヮッシャ状の共通下部電極層 L 2 5が配置されている。 こうして、 電極層 U 2 6 Z L 2 5、 電極層 U 2 7 Z L 2 5、 電極層 ϋ 2 8 / L 2 . 電極層 U 2 9 / L 2 5、 によってそれぞれ挟まれた 4組の 部分圧電素子が形成されることになる。 On the other hand, a speed sensor 295 whose side section is shown in FIG. 53 is an embodiment in which the arrangement of the electrode layers of the speed sensor 290 shown in FIG. 51 is slightly changed. That is, as shown in FIG. 54, four fan-shaped upper electrode layers U26 to U29 are arranged on the upper surface of the piezoelectric element 250 in the speed sensor 295. The upper electrode layer U 26 is on the positive region of X, U 27 is on the positive region of Y axis, U 28 is on the negative region of X axis, and U 29 is on the negative region of Y axis. All are symmetrical with respect to each coordinate axis. One] 19 one On the lower surface of the piezoelectric element 25 °, a common lower electrode layer L25 having a pusher shape is arranged so as to face all of the upper electrode layers U26 to U29. Thus, four sets of partial piezoelectric elements sandwiched between the electrode layer U 26 ZL 25, the electrode layer U 27 ZL 25, and the electrode layer 8 28 / L 2. Is formed.
第 5 1図および第 5 2図に示す速度センサ 2 9 0と、 第 5 3図および 第 5 4図に示す速度センサ 2 9 5との相違は、 各電極層が内側領域に配 置されているか、 外側領域に配置されているか、 という点だけである。 この配置領域の意味するところを第 5 5図の側断面図を用いて説明しよ う。 いま、 可撓性基板 2 1 0の固定部 2 1 3を固定した状態において、 作用部 2 1 1に上方への力 F ζを作用させると、 可撓部 2 1 2に図のよ うな撓みが生じる。 このとき、 可撓部 2 1 2の内部に生じている応力は、 個々の部位によって異なる。 いま、 図の横に伸びる方向の応力を正、 横 に縮む方向の応力を負で表すことにすると、 第 5 5図の下方の応力分布 図に示すように、 内側のエッジ位置 Ρ 1において応力は正の最大値とな り、 外側のエッジ位置 Ρ 2において応力は負の最大値となる。 そして、 位置 Ρ 1〜Ρ 2間で応力は徐々に変化し、 変極点 Ρ 3において応力は零 になる。 ここで、 内側のエッジ位置 Ρ 1から変極点 Ρ 3までの領域を内 側領域 A 1、 変極点 P 3から外側のエツジ位置 P 2までの領域を外側頟 域 A 2、 と定義すると、 内側領域 A 1においては正の応力が発生し、 外 側領域 A 2においては負の応力が発生することになる。 第 5 6図は、 こ の内側領域 A 1と外側領域 A 2との分布を示すための可撓性基板 2 1 〇 の上面図である。  The difference between the speed sensor 290 shown in FIGS. 51 and 52 and the speed sensor 295 shown in FIGS. 53 and 54 is that each electrode layer is arranged in the inner region. Or located in the outer region. The meaning of this arrangement region will be described with reference to the side sectional view of FIG. Now, in a state where the fixed portion 2 13 of the flexible substrate 210 is fixed, when an upward force F ζ is applied to the acting portion 211, the flexible portion 212 is bent as shown in the figure. Occurs. At this time, the stress generated inside the flexible part 211 differs depending on each part. Assuming that the stress in the direction extending laterally in the figure is positive and the stress in the direction contracting laterally is negative, as shown in the lower stress distribution diagram in Fig. 55, the stress at the inner edge position Ρ 1 Has a positive maximum value, and the stress has a negative maximum value at the outer edge position Ρ2. Then, the stress gradually changes between the positions Ρ1 and Ρ2, and the stress becomes zero at the inflection point Ρ3. Here, the area from the inner edge position Ρ1 to the inflection point Ρ3 is defined as the inner area A1, and the area from the inflection point P3 to the outer edge position P2 is defined as the outer area A2. A positive stress is generated in the area A1, and a negative stress is generated in the outer area A2. FIG. 56 is a top view of a flexible substrate 21 # for showing the distribution of the inner region A1 and the outer region A2.
このような応力分布を考慮すれば、 内側領域 A 1に配置された電極層 と、 外側領域 A 2に配置された電極層とでは、 作用部 2 1 1が全く同じ 方向に変位しているにもかかわらず、 全く正反対の現象が生じることが 理解できょう。 たとえば、 内側領域 A 1に配置された電極層には正の電 荷が発生しているのに、 外側領域 A 2に配置された電極層には負の電荷 が発生することになる。 したがって、 内側領域 A 1と外側領域 A 2とに 跨がるような単一の電極層を配置するのは、 作用部 2 1 ] の変位を検出 する上では好ましくない。 このように跨がった電極層では、 内側領域 A 1の部分で起こる現象と外側領域 A 2の部分で起こる現象とが、 互いに 打ち消し合うように働くため、 力発生器として利 fflする場台には駆動効 率が低下し、 変位検出器として利用する場台には検出感度が低下するこ とになる。 第 4 2図および第 4 3図に示した速度センサ 2 0 0 ( § 1 4 で述べた速度センサ） は、 内側領域 A 1内に配置した電極層 G 2 2， G 2 4 , D 2 5〜D 2 8と、 外側領域 A 2内に配置した電極層 G 2 1 , G 2 3 , D 2 1〜D 2 4と、 において正反対の現象が起こることを考慮し、 両方を巧妙に組み合わせることにより効率的な検出を可能にしたセンサ ということになる。 Considering such stress distribution, the electrode layer arranged in the inner region A1 It can be understood that the opposite phenomena occurs between the electrode layer disposed in the outer region A2 and the action portion 211 even though the action portion 211 is displaced in the same direction. For example, while a positive charge is generated in the electrode layer arranged in the inner region A1, a negative charge is generated in the electrode layer arranged in the outer region A2. Therefore, it is not preferable to dispose a single electrode layer that straddles the inner area A1 and the outer area A2 in order to detect the displacement of the action section 21]. In the electrode layer straddling in this way, the phenomenon that occurs in the inner area A1 and the phenomenon that occurs in the outer area A2 work so as to cancel each other out. In this case, the driving efficiency is reduced, and the detection sensitivity is reduced for a platform used as a displacement detector. The speed sensor 200 (the speed sensor described in §14) shown in FIGS. 42 and 43 includes the electrode layers G 22, G 24, and D 25 arranged in the inner area A 1. ~ D28 and the electrode layers G21, G23, D21 ~ D24 located in the outer region A2, considering that the opposite phenomena occur, and skillfully combining both This means that the sensor enables more efficient detection.
第 5 1図および第 5 2図に示す速度センサ 2 9 0は、 すべての電極を 内側領域 A 1内に配置した実施例であり、 内側領域 A 1内に応力を発生 させて重錘体 2 2 0を駆動し、 内側領域 A 1内に発生する応力に基づい て重錘体 2 2 0の変位を検出することになる。 このセンサ 2 9 0では、 外側領域 A 2の応力は利用されないことになる。 一方、 第 5 3図および 第 5 4図に示す速度センサ 2 9 5は、 すべての電極を外側領域 A 2内に 配置した実施例であり、 外側領域 A 2内に応力を発生させて重錘休 2 2 0を駆動し、 外側領域 A 2内に発生する応力に基づいて重錘休 2 2 0の 変位を検出することになる。 このセンサ 295では、 内側領域 A 1の応 力は利用されないことになる。 上述したように、 各電極層が、 内側領域 A 1内にある力、、 外側領域 A 2内にある力、、 によって、 具休的に生じる 現象は異なることになるが、 センサの検出原理は基本的には同じである。 そこで、 以下、 第 51図および第 52図に示す速度センサ 290を代表 として、 その動作を説明することにし、 速度センサ 295の動作説明は 省略する。 The speed sensor 290 shown in FIG. 51 and FIG. 52 is an embodiment in which all the electrodes are arranged in the inner area A1. 20 is driven, and the displacement of the weight body 220 is detected based on the stress generated in the inner area A1. In this sensor 290, the stress in the outer region A2 is not used. On the other hand, the speed sensor 2995 shown in FIGS. 53 and 54 is an embodiment in which all the electrodes are arranged in the outer region A2, and the weight is generated by generating a stress in the outer region A2. Drive the rest of the weight based on the stress generated in the outer region A2. The displacement will be detected. In this sensor 295, the stress in the inner area A1 is not used. As described above, the phenomena that occur in each electrode layer depending on the force in the inner area A1 and the force in the outer area A2 will be different, but the detection principle of the sensor is Basically the same. Therefore, the operation of the speed sensor 290 shown in FIGS. 51 and 52 will be described below as a representative, and the description of the operation of the speed sensor 295 will be omitted.
さて、 第 51図および第 52図に示す速度センサ 290を動作させる ために、 第 57図に示すような信号処理回路を用意する。 この回路図に おいて、 左端に示されている U 21〜U 24ぉょび 2 ϋは、 圧電素子 250の上面に形成された上部電極層および下面に形成された下部電極 層であり、 それぞれ一対の電極層間には、 タイプ 1の圧電素子が挟まれ ていることになる。 また、 Β 21〜Β 28はバッファ回路であり、 R2 1〜R 28は抵抗である。 駆動信号入力端子 Τ 21 , T 23, T 25, T 27は、 それぞれ上部電極層 U 21 , U 22, U 23, U 24に印加 するための駆動電圧 V 21, V 23, V 25, V 27を入力する端子で あり、 検出信号出力端子 T 22, T 24, T 26, T 28は、 それぞれ 上部電極層 U 21 , U 22, U 23, U 24の実際の電位を示す検出電 圧 V 22， V 24, V 26, V 28を出力する端子である。  Now, in order to operate the speed sensor 290 shown in FIGS. 51 and 52, a signal processing circuit as shown in FIG. 57 is prepared. In this circuit diagram, U 21 to U 24 and 2 に shown at the left end are an upper electrode layer formed on the upper surface of the piezoelectric element 250 and a lower electrode layer formed on the lower surface, respectively. A type 1 piezoelectric element is sandwiched between the pair of electrode layers. Β21 to Β28 are buffer circuits, and R21 to R28 are resistors. Drive signal input terminals Τ 21, T 23, T 25, T 27 are drive voltages V 21, V 23, V 25, V 27 for applying to upper electrode layers U 21, U 22, U 23, U 24, respectively. The detection signal output terminals T22, T24, T26, and T28 are the detection voltages V22 that indicate the actual potentials of the upper electrode layers U21, U22, U23, and U24, respectively. , V 24, V 26, and V 28.
このような信号処理回路を用いて、 重錘休 220を X Z平面に沿って 往復振り子運動させるには、 駆動信号入力端子 T 21 , T 25に、 それ ぞれ所定の駆動信号を与えればよいし、 重錘休 220を YZ平面に沿つ て往復振り子運動させるには、 駆動信号人力端子 T 23， T 27に、 そ れぞれ所定の駆動信号を与えればよい。 一方、 このような信号処理回路を用いれば、 重錘体 220の各紬方向 への変位を検出することができる。 たとえば、 重錘体 220が X軸の正 方向に変位すると、 上部電極層 U 21の形成領域には X軸に沿って伸び る方向の応力が作用し、 上部電極層 U 23の形成領域には X軸に沿って 縮む方向の応力が作用するため、 第 21図（a) , (b) に示すタイプ Iの 圧電素子の分極特性を考慮すれば、 検出電圧 V 22としては正の電圧が、 検出電圧 V 26としては負の電圧が、 それぞれ得られることがわかる。 そこで、 両検出電圧の差 （V 22— V 26) によって、 重錘休 220の X奉由正方向の変位検出が可能になる。 逆に、 重錘休 220が X紬の負方 向に変位すると、 上述の場台と電圧極性が逆になるため、 両検出電圧の 差 （V 22— V 26) の符号が逆転することになる。 結局、 出力端子 Τ 22, Τ 26に得られる検出電圧の差 （V 22— V 26) によって、 X 軸の正負両方向の変位検出が可能になる。 全く同様に、 出力端子 Τ 24, Τ 28に得られる検出電圧の差 （V 24— V 28) によって、 Υ軸の正 負両方向の変位検出が可能になる。 更に、 この信号処理回路では、 Ζ軸 の正負両方向の変位検出も可能である。 たとえば、 重錘休 220が Zf由 の正方向に変位すると、 第 55図に示すように、 内側領域 A】には横に 伸びる方向の応力が発生するため、 内側領域 A 1上に形成された上部電 極層 U 21〜U 24のすべてについて正の電荷が発生することになる。 このため、 4組の検出電圧 V 22, V 24, V 26, V 28はいずれも 正の値になる。 逆に、 重錘体 220が Z 由の負方向に変位すると、 4組 の検出電圧 V 22， V 24, V 26, V 28はいずれも負の値になる。 したがって、 4つの出力端子 T 22， T 24, T 26, T 28に得られ る電圧の総和 （V 22 + V 24 + V 26 + V 28) の増加または減少に より、 Z 由の正負両方向の変位検出が可能になる （2つの電圧の和 （V 22 + V 26) あるいは （V 24 + V 28) によっても、 Ζί由方向の変 位検出は可能であるが、 効率良い安定した検出を行うためには、 上述の ように 4つの電圧の総和を用いるのが好ましい） 。 In order to cause the weight rest 220 to reciprocate along the XZ plane using such a signal processing circuit, predetermined drive signals may be given to the drive signal input terminals T 21 and T 25, respectively. In order to cause the weight rest 220 to perform a reciprocating pendulum movement along the YZ plane, predetermined drive signals may be applied to the drive signal human power terminals T23 and T27, respectively. On the other hand, if such a signal processing circuit is used, the displacement of the weight body 220 in each pong direction can be detected. For example, when the weight body 220 is displaced in the positive direction of the X axis, a stress in the direction extending along the X axis acts on the formation region of the upper electrode layer U21, and the formation region of the upper electrode layer U23 is Since a stress acts in the direction of shrinking along the X axis, taking into account the polarization characteristics of the type I piezoelectric element shown in FIGS. 21 (a) and (b), a positive voltage is detected as the detection voltage V22. It can be seen that a negative voltage is obtained as the detection voltage V26. Therefore, the displacement of the weight rest 220 in the positive X direction can be detected by the difference between the two detection voltages (V22-V26). Conversely, when the weight rest 220 is displaced in the negative direction of the X-pong, the voltage polarity is reversed with respect to the above-described base, so that the sign of the difference between the two detected voltages (V22-V26) is reversed. Become. Eventually, the difference between the detected voltages (V22-V26) obtained at the output terminals Τ22 and Τ26 enables detection of both positive and negative displacements of the X-axis. In exactly the same way, the positive and negative displacements of the Υ axis can be detected by the difference between the detection voltages (V 24-V 28) obtained at the output terminals, 24 and Τ 28. Further, the signal processing circuit can detect both positive and negative displacements of the Ζ axis. For example, when the weight rest 220 is displaced in the positive direction due to Zf, as shown in FIG. 55, a stress in a direction extending laterally is generated in the inner region A]. A positive charge will be generated for all of the upper electrode layers U21 to U24. Therefore, the four sets of detection voltages V 22, V 24, V 26, and V 28 all have positive values. Conversely, when the weight body 220 is displaced in the negative direction from Z, all of the four sets of detection voltages V22, V24, V26, and V28 have negative values. Therefore, the increase or decrease of the sum (V22 + V24 + V26 + V28) of the voltages obtained at the four output terminals T22, T24, T26, and T28 Therefore, displacement detection in both positive and negative directions from Z is possible (depending on the sum of the two voltages (V22 + V26) or (V24 + V28), displacement detection in the free direction is also possible. However, for efficient and stable detection, it is preferable to use the sum of the four voltages as described above).
なお、 各上部電極層 U 21〜U 24はいずれも Χ$由または Y 由に関し て線対称な形状をしているため、 上述の検出結果には、 他 f由成分が干渉 することはない。 たとえば、 重錘休 220が X拳由方向に変位した場台、 X軸上に配置された上部電極層 U 21, U 23の形成領域には X軸に沿 つて伸びる方向もしくは縮む方向の応力が作用し、 この応力は、 検出電 圧の差 （V 22— V 26) として求めることができる。 ところ力 <、 重錘 体 220が Y軸方向に変位した場台は、 X軸上に配置された上部電極層 U 21, U 23の形成領域は、 それぞれ部分的に伸びたり縮んだりする 力 、 全体的には発生電荷は各電極層ごとに相殺されてしまい、 検出電圧 V 22, V 26には影響を与えない。 また、 重錘体 220が Z軸方向に 変位した場合は、 内側領域 A 1上の上部電極層にはいずれも正電荷が発 生し、 検出電圧 V 22, V 26はいずれも正の同じ値になるので、 検出 電圧の差 （V 22— V 26) をとると相殺されることになる。  In addition, since each of the upper electrode layers U21 to U24 has a line-symmetrical shape with respect to the Χ $ or Y axis, the above detection result does not interfere with the other f-axis components. For example, when the weight rest 220 is displaced in the X-fist direction, the stress in the direction of extension or contraction along the X-axis is applied to the formation region of the upper electrode layers U21 and U23 arranged on the X-axis. This stress can be obtained as the difference between the detected voltages (V22-V26). However, when the force <, when the weight body 220 is displaced in the Y-axis direction, the formation area of the upper electrode layers U21 and U23 arranged on the X-axis is a force that partially expands and contracts, respectively. As a whole, the generated charges are canceled for each electrode layer, and do not affect the detection voltages V22 and V26. When the weight body 220 is displaced in the Z-axis direction, a positive charge is generated in each of the upper electrode layers on the inner region A1, and the detection voltages V22 and V26 are all the same positive values. Therefore, if the difference of the detection voltage (V22-V26) is taken, it will be canceled.
以上の説明により、 この速度センサ 290では、 たった 4組の電極対 U 21 /L 20, U 22/L 20, U 23/L 20, U 24/L 20 (L 2◦は単一の共適電極層） を利用して、 重錘休 220を XZ平面も しくは YZ平面に沿って往復振り子運動させる機能と、 重錘体 220の X軸， Y軸， Z軸の正負両方向に関する変位を別個に検出する機能と、 を備えていることがわかる。 そこで、 これらの電極対を、 § 1 7におい て説明した兼用器として利用すれば、 各軸方向の速度成分 V x， V y， V zの検出が可能になる。 以下にその具体的な手法を説明する。 As described above, this speed sensor 290 has only four electrode pairs U 21 / L 20, U 22 / L 20, U 23 / L 20, U 24 / L 20 (L 2 The function of moving the weight rest 220 back and forth along the XZ plane or the YZ plane using the electrode layer) and the displacement of the weight body 220 in both the positive and negative directions of the X, Y, and Z axes are separate. It can be seen that it has the function of detecting Therefore, if these electrode pairs are used as the dual-purpose device described in §17, the velocity components Vx, Vy, V z can be detected. The specific method will be described below.
まず、 全く コリオリカが作用しない環境において、 別言すれば、 この 速度センサ全体を静止させた状態において、 重錘体 220に 「基準運動」 を行わせる。 たとえば、 X Z平面内での往復振り子運動を行わせるので あれば、 前述したように、 入力端子 T 21 , T 25に、 それぞれ逆位相 の交流信号を与える。 そして、 このときに、 出力端子 T 22， T 26に 出力される電圧 V 22, V 26を予め測定しておく。 もちろん、 これら の電圧値は、 入力端子 T 21 , T 25に与えた交流信号と同じ周期で変 化する周期信号となる。 また、 YZ平面内での往復振り子運動を行わせ るのであれば、 前述したように、 入力端子 T 23， T 27に、 それぞれ 逆位相の交流信号を与える。 そして、 このときに、 出力端子 T 24, T 28に出力される電圧 V 24 , V 28を予め測定しておく。 もちろん、 これらの電圧値は、 入力端子 T 23, T 27に与えた交流信号と同じ周 期で変化する周期信号となる。 以上で、 準備段階は完了である。  First, in an environment where Coriolisa does not act at all, in other words, the weight body 220 is caused to perform “reference movement” in a state where the entire speed sensor is stationary. For example, if a reciprocating pendulum motion is performed in the XZ plane, as described above, an AC signal having an opposite phase is given to each of the input terminals T21 and T25. At this time, the voltages V22 and V26 output to the output terminals T22 and T26 are measured in advance. Of course, these voltage values are periodic signals that change at the same cycle as the AC signal applied to the input terminals T21 and T25. If the reciprocating pendulum motion is to be performed in the YZ plane, as described above, an AC signal having an opposite phase is applied to each of the input terminals T23 and T27. At this time, the voltages V 24 and V 28 output to the output terminals T 24 and T 28 are measured in advance. Of course, these voltage values are periodic signals that change in the same period as the AC signal applied to the input terminals T23 and T27. The preparation stage is now complete.
次に、 この速度センサ 290を用いて、 実際に速度検出を行ってみる。 たとえば、 Z軸方向の速度成分 V zを検出するには、 入力端子 T 21, T 25に、 それぞれ逆位相の交流信号を与え、 重錘体 220に、 XZ平 面内での往復振り子運動を行わせ、 このときに重錘休 220に作用した X軸方向のコリオリカ Fco(x) を測定すればよい。 X$lll方向のコリオリ 力 Fco(x) は、 出力端子 T 22, T 26に現れる検出電圧 V 22, V 2 6に基いて検出できることは既に述べた。 ただ、 入力端子 T 21, T 2 5には、 それぞれ所定の交流信号が与えられているため、 出力端子 T 2 2, T 26に現れる検出電圧 V 22, V 26は、 この交流信号の成分に コリオリカ Fco(x) の成分が重畳されたものになる。 ところ力;'、 上述し た準備段階において、 コリオリカが全く作用しない 「遝準運動」 の状態 で、 出力端子 T 22, T 26に現れる検出電圧 V 22, V 26が測定さ れているので、 実際の速度検出作業中に得られた検出電圧 V 22, V 2 6の実測値から、 「基準運動」 の状態で得られた検出電圧 V 22, V 2 6を差し引けば、 その差分がコリオリカの成分ということになる。 たと えば、 X軸方向への変位を示す検出電圧差 （V 22— V 26) が予め測 定した値よりも Δ αだけ增ぇていれば、 X軸の正方向に Δ αに相当する 大きさのコリオリカが作用していることになる。 したがって、 この厶 α が 由方向の速度成分 V zに対応した値になる。 Next, speed detection is actually performed using the speed sensor 290. For example, in order to detect the velocity component V z in the Z-axis direction, an AC signal of opposite phase is given to each of the input terminals T 21 and T 25, and the weight 220 is subjected to the reciprocating pendulum motion in the XZ plane. At this time, the Coriolisa Fco (x) acting on the weight rest 220 in the X-axis direction may be measured. As described above, the Coriolis force Fco (x) in the X $ ll direction can be detected based on the detection voltages V22 and V26 appearing at the output terminals T22 and T26. However, since a predetermined AC signal is given to each of the input terminals T21 and T25, the detection voltages V22 and V26 appearing at the output terminals T22 and T26 correspond to the components of this AC signal. The component of Coriolis Fco (x) is superimposed. Where power; ', mentioned above In the preparatory stage, the detection voltages V22 and V26 appearing at the output terminals T22 and T26 were measured in a "standard motion" state in which Corioliser did not act at all. If the detected voltages V22, V26 obtained in the "reference motion" state are subtracted from the actually measured values of the detected voltages V22, V26, the difference is the Coriolisa component. For example, if the detected voltage difference (V22-V26) indicating displacement in the X-axis direction is larger by Δα than the value measured in advance, a magnitude corresponding to Δα in the positive direction of the X-axis is obtained. This means that Corioliska is working. Therefore, this value α becomes a value corresponding to the velocity component V z in the free direction.
また、 電圧 V 21, V 23, V 25, V 27として、 同じ値の正の電 圧を同時に供給すれば、 4組の上部電極層 U 21〜U 24に対して正の 電荷を同時に供給することができ、 各電極層の形成領域は同時に横方向 に伸びるため、 第 55図に示すように、 重錘体 22 ϋを Z軸の正方向に 変位させることができる。 逆に、 同じ値の負の電圧を同時に供給すれば、 4組の上部電極層 U 21〜U 24に対して負の電荷を同時に供給するこ とができ、 各電極層の形成領域は同時に横方向に縮むため、 重錘休 22 0を Z 由の負方向に変位させることができる （上部電極層 U 21, U 2 3だけに、 あるいは、 上部電極層 U 22, U 24だけに上述のような電 荷供給を行っても、 同様に Z ifi方向へ変位させることは可能であるが、 効率良い安定した変位を行わせるためには、 上述のように 4枚の電極層 U 21 ~U 24のすべてに電荷供給を行うのが好ましい） 。 このような Z軸の正負両方向への駆動操作と、 たとえば、 既に述べた X軸の正負両 方向への駆動操作とを紐み台わせれば、 重錘休 220を X Z平面に沿つ て、 より F]弧軌道に近い軌道上を円滑に往復振り子運動させることも可  In addition, if positive voltages of the same value are simultaneously supplied as voltages V 21, V 23, V 25, and V 27, positive charges are simultaneously supplied to four sets of upper electrode layers U21 to U24. Since the formation region of each electrode layer extends in the horizontal direction at the same time, the weight body 22 can be displaced in the positive direction of the Z axis as shown in FIG. Conversely, if negative voltages of the same value are simultaneously supplied, negative charges can be simultaneously supplied to the four sets of upper electrode layers U21 to U24, and the formation regions of the respective electrode layers are simultaneously laterally In this way, the weight rest 220 can be displaced in the negative direction from Z (only the upper electrode layers U21 and U23, or only the upper electrode layers U22 and U24 as described above). Although it is possible to perform displacement in the Z ifi direction in the same way even when a suitable charge is supplied, in order to perform efficient and stable displacement, as described above, the four electrode layers U 21 to U 24 It is preferable to supply a charge to all of the above.) If the drive operation in both the positive and negative directions of the Z axis and the drive operation in the positive and negative directions of the X axis described above are linked, for example, the weight rest 220 is moved along the XZ plane. It is also possible to smoothly reciprocate the pendulum on an orbit close to the [F] arc trajectory
26 能である。 26 Noh.
なお、 上述の説明では、 重錘休 2 2〔〕の X蚰方向の変位を、 検出電圧 の差 （V 2 2 - V 2 6 ) により求め、 重錘休 2 2 0の Y軸方向の変位を、 検出電圧の差 （V 2 4— V 2 8 ) により求めているが、 このような差分 をとつているのは、 検出精度を向上させる意味と、 Z軸方向の変位成分 が検出結果に干渉しないようにするためである。  In the above description, the displacement of the weight rest 22 [] in the X-axis direction is obtained from the difference between the detected voltages (V 22-V 26), and the displacement of the weight rest 220 in the Y-axis direction is obtained. Is obtained from the difference between the detection voltages (V24-V28). The reason for taking such a difference is that the detection accuracy is improved and the displacement component in the Z-axis direction is included in the detection result. This is to prevent interference.
また、 上述の実施例では、 上部電極層 U 2 1 〜U 2 4をそれぞれ物理 的に独立した個別の電極層とし、 下部電極層 L 2 0をこれら 4枚の上部 電極層のすべてに対向するような物理的に単一の共通電極層としている が、 逆に、 下部電極層を物理的に独立した個別の 4枚の電極層とし、 上 部電極層を物理的に単一の共通電極層としてもかまわない。 あるいは、 共通電極層を用いずに、 上部電極層、 下部電極層ともに、 それぞれ物理 的に独立した個別の電極層としてもよい。 ただ、 電極層間の配線を単純 化するには、 いずれか一方を共通電極層にするのが好ましい。 Further, in the above-described embodiment, the upper electrode layers U 21 to U 24 are individually physically independent electrode layers, and the lower electrode layer L 20 is opposed to all of these four upper electrode layers. In contrast, the lower electrode layer is composed of four physically independent electrode layers, and the upper electrode layer is physically a single common electrode layer. It does not matter. Alternatively, the upper electrode layer and the lower electrode layer may be formed as physically independent individual electrode layers without using the common electrode layer. However, in order to simplify the wiring between the electrode layers, it is preferable that one of them is a common electrode layer.
§ 20. タイプ Πの兼用圧電素子を利用した速度センサの実施例 既に § 1 5において、 第 44図に示すようなタイプ Πの圧電素子を利 用した速度センサ 300の構成および動作を説明した。 ただ、 第 44図 に示す速度センサでは、 速度 V x， V zの二次元の速度成分しか検出す ることはできず、 三次元の速度センサを実現するには、 第 47図に示す ように、 力発生器としての役割を担う電極層 E 31 G， E 32G, E 3 3 G, E 34 Gと、 変位検出器としての役割を担う電極層 E 31 D, E 33D, E 35Dと、 を別個独立して設ける必要があるという説明を行 つた。 もちろん、 このような分担を行えば、 信号処理回路は簡単になる が、 逆に、 必要な電極層の枚数は増えるため、 センサ本休の構造は複雑 になる。 ここでは、 まず、 第 44図に示した速度センサ 300について、 § 17で述べた兼用器の概念を適用することによって、 三次元の速度成 分 Vx， V y , V zのすベてを検出する動作方法を説明する。 §20. Embodiment of Speed Sensor Using Type II Piezoelectric Element The configuration and operation of the speed sensor 300 using the type III piezoelectric element as shown in FIG. 44 have already been described in §15. However, the velocity sensor shown in Fig. 44 can only detect the two-dimensional velocity components of the velocities Vx and Vz. To implement a three-dimensional velocity sensor, as shown in Fig. 47, The electrode layers E 31 G, E 32 G, E 33 G, E 34 G serving as force generators, and the electrode layers E 31 D, E 33 D, E 35 D serving as displacement detectors, He explained that it should be provided separately and independently. Of course, such an allotment simplifies the signal processing circuit, but conversely increases the number of required electrode layers and complicates the structure of the sensor. Here, first, all the three-dimensional velocity components Vx, Vy, Vz are detected for the velocity sensor 300 shown in Fig. 44 by applying the concept of a dual-purpose device described in §17. A description will be given of a method of operation.
いま、 図 58に示すような信号処理回路を用意してみる。 この回路図 において、 左側に示されている構成要素は、 第 44図に示す速度センサ 300のうち、 圧電素子 330およびその両面に形成されている電極層 E 31 , E 33, E 35, E 36, E 38, E 4〔）の部分だけを抜き出 して描いたものである。 ここで、 B 31〜B 38はバッファ回路であり、 R 31〜R 38は抵抗である。 駆動信号入力端子 T 31 , T 32, T 3 3, T 34は、 それぞれ電極層 E 33, E 31 , E 36, E 38に印加 するための駆動電圧 V 31， V 32, V 33, V34を入力する端子で あり、 検出信号出力端子 T 35, T 36, T 37, T 38は、 それぞれ 電極層 E 33, E 31, E 36, E 38に実際に発生する電圧を、 検出 電圧 V 35, V 36, V 37, V 38として出力する端子である。 ここで、 駆動電圧 V 31， V 33として正の電圧を、 駆動電圧 V 32， V 34として負の電圧を印加すると、 電極層 E 33, E 36には正の電 荷が供給され、 電極層 E 31, E 38には負の電荷が供給されることに なる。 ここで圧電素子 330力《、 第 22図（a) , (b) に示すタイプ Πの 分極特性を有することを考慮すれば、 第 58図に示す圧電素子 330の 右側部分は縦方向に縮み、 左側部分は縦方向に伸びることが理解できょ う。 これにより、 第 58図には図示されていない重錘体 340 (第 44 図参照） は、 X軸正方向に変位することになる。 また、 各駆動電圧の極 性を逆転させれば、 重錘体 340は、 X 由負方向に変位することになる。 このように、 重錘体 340を X軸の正負両方向に交互に変位させるよう にすれば、 重錘体 340を X Ζ平面内で往復振り子運動させることがで きる。 Now, prepare a signal processing circuit as shown in FIG. In this circuit diagram, the components shown on the left side are the piezoelectric sensor 330 and the electrode layers E 31, E 33, E 35, E 36 formed on both surfaces of the speed sensor 300 shown in FIG. 44. , E 38, E 4 [] are extracted and drawn. Here, B31 to B38 are buffer circuits, and R31 to R38 are resistors. The drive signal input terminals T 31, T 32, T 33, and T 34 respectively provide drive voltages V 31, V 32, V 33, and V 34 for applying to the electrode layers E 33, E 31, E 36, and E 38. The detection signal output terminals T 35, T 36, T 37, and T 38 are used to detect the voltages actually generated in the electrode layers E 33, E 31, E 36, and E 38, respectively. These terminals are output as V36, V37, and V38. Here, when a positive voltage is applied as the driving voltages V31 and V33 and a negative voltage is applied as the driving voltages V32 and V34, a positive charge is supplied to the electrode layers E33 and E36. A negative charge will be supplied to E31 and E38. Considering the piezoelectric element 330 force <<, and having the type III polarization characteristics shown in FIGS. 22 (a) and (b), the right part of the piezoelectric element 330 shown in FIG. You can see that the left part extends vertically. As a result, the weight body 340 (see FIG. 44) not shown in FIG. 58 is displaced in the positive X-axis direction. In addition, if the polarity of each drive voltage is reversed, the weight body 340 will be displaced in the negative X direction. In this way, if the weight 340 is alternately displaced in both the positive and negative directions of the X axis, the weight 340 can be reciprocally pendulum moved in the XΖ plane.
いま、 全くコリオリカが作用しない環境において、 別言すれば、 この 速度センサ 300全体が静止状態において、 重錘体 340を Χ Ζ平面内 で往復振り子運動させ、 そのときに、 出力端子 Τ 35〜Τ 38に出力さ れる検出電圧 V 35~V 38を予め測定しておく。 続いて、 この速度セ ンサ 300を、 実際に速度が作用する環境におき、 やはり入力端子 T 3 1 ~T 34に、 それぞれ所定の極性の駆動電圧を与え、 重錘体 340を ΧΖ平面内で往復振り子運動させ、 そのときに、 出力端子 Τ 35〜Τ 3 8に出力される電圧を測定する。 これらの電圧値が、 予め測定した値と 異なれば、 その差分は作用した速度に基づく コリオリカの成分というこ とになる。  Now, in an environment where Coriolisa does not act at all, in other words, when the speed sensor 300 as a whole is in a stationary state, the weight body 340 is reciprocated in a Ζ Χ plane, and at that time, the output terminals Τ 35 to Τ The detection voltages V 35 to V 38 output to 38 are measured in advance. Subsequently, the speed sensor 300 is placed in an environment where the speed actually acts, and a drive voltage having a predetermined polarity is also applied to the input terminals T31 to T34, and the weight body 340 is moved in the ΧΖ plane. The reciprocating pendulum is moved, and the voltage output to the output terminals 出力 35 to Τ38 is measured. If these voltage values differ from the values measured in advance, the difference is the Coriolisa component based on the applied speed.
以上は、 X Ζ平面内で往復振り子運動をさせ、 そのときに作用する X 軸方向のコリォリ力を検出する動作についてのものであるカミ、 他の検出 を行う場合にも、 第 58図に示した信号処理回路に準じた回路を用意し ておけば、 各電極層に力発生器としての役割と変位検出器としての役割 とを同時に担わせることが可能になる。 § 21^ _タイブ Πの兼用圧電素子を利用した速度センサの別な実施例 第 59図に側断面を示す速度センサ 390は、 第 44図に示す 「圧電 素子を利用した速度センサ 300」 に兼用器を適用することにより、 必 要な電極層の枚数を低減させ、 全体構造を単純化した実施例である。 第 44図に示すセンサとの相違は、 圧電素子 330の上面および下面に配 置された電極層の構成だけである。 そこで、 以下、 この電極層の構成の みを説明し、 その他の構成要素の説明は省略する。 The above is the operation of detecting the Coriolis force in the X-axis direction that is caused by reciprocating pendulum motion in the X X plane, and other detections. If a circuit similar to the signal processing circuit shown in Fig. 58 is prepared, each electrode layer can simultaneously serve as a force generator and a displacement detector. Will be possible. § 21 ^ _ Type Another embodiment of speed sensor using piezoelectric element Speed sensor 390 whose side section is shown in Fig. 59 is also used as "speed sensor 300 using piezoelectric element" shown in Fig. 44 This is an example in which the number of required electrode layers is reduced by applying a heater, and the overall structure is simplified. The only difference from the sensor shown in FIG. 44 is the configuration of the electrode layers disposed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric element 330. Therefore, hereinafter, only the configuration of this electrode layer will be described, and description of other components will be omitted.
圧電素子 330の上面には、 第 60図に示されているように、 4枚の 扇形の上部電極層 U41〜U44が配置されている。 上部電極層 U41 は X軸の正の領域上、 U42は Y軸の正の領域上、 U43は X軸の負の 領域上、 U44は Yflllの負の領域上、 にそれぞれ配置されており、 いず れも各座標粬に関して対称形をしている。 一方、 圧電素子 330の下面 にも、 上部電極層 U 4：！〜 L 44と全く同一形状をした下部電極層 L 4 1〜L44力 それぞれ各上部電極層 U41〜U44に対向する位置に 配置されている。 こうして、 電極層 U41 ZL41、 電極層 U42ZL 42、 電極層 U43ZL43、 電極層 U44ZL44、 によってそれぞ れ 1組ずつの部分圧電素子が形成されていることになる。  On the upper surface of the piezoelectric element 330, four fan-shaped upper electrode layers U41 to U44 are arranged as shown in FIG. The upper electrode layer U41 is located on the positive region of the X axis, U42 is located on the positive region of the Y axis, U43 is located on the negative region of the X axis, and U44 is located on the negative region of Yflll. Both are symmetrical about each coordinate 粬. On the other hand, the upper electrode layer U 4:! The lower electrode layers L41 to L44 having exactly the same shape as L44 to L44 are arranged at positions facing the upper electrode layers U41 to U44, respectively. Thus, one set of each of the partial piezoelectric elements is formed by the electrode layer U41 ZL41, the electrode layer U42ZL42, the electrode layer U43ZL43, and the electrode layer U44ZL44.
さて、 このような構成の速度センサを動作させるために、 第 61図に 示すような信号処理回路を用意する。 この回路図において、 左端に示さ れている各電極層 U4 1 ~U44， L4 ] ~L44は、 それぞれ上述し た上部電極層 U 41〜U44および下部電極層 L4：!〜 L 44であり、 各電極層間には、 圧電素子 330の一部分が挟まれていることになる。 ここで、 B 4 1〜 B 48はバッファ回路であり、 R4 :！〜 R48は抵抗 である。 駆動信号入力端子 T41, T43, T45, T47は、 それぞ れ上部電極層 U41, U42, U 43, U 44に印加するための駆動電 圧 V41, V43, V45, V 47を入力する端子であり、 検出信号出 力端子 T42， T44, T46, T 48は、 それぞれ上部電極層 U 41 , U42, U43, U44の実際の電圧を、 検出電圧 V42， V44, V 46， V48として出力する端子である。 Now, in order to operate the speed sensor having such a configuration, a signal processing circuit as shown in FIG. 61 is prepared. In this circuit diagram, the electrode layers U4 1 to U44, L4] to L44 shown on the left end are respectively described above. The upper electrode layers U41 to U44 and the lower electrode layer L4:! To L44, and a part of the piezoelectric element 330 is sandwiched between the electrode layers. Here, B41 to B48 are buffer circuits, and R4 :! R48 is a resistor. Drive signal input terminals T41, T43, T45, and T47 are terminals for inputting drive voltages V41, V43, V45, and V47 to be applied to the upper electrode layers U41, U42, U43, and U44, respectively. The detection signal output terminals T42, T44, T46, and T48 are terminals for outputting the actual voltages of the upper electrode layers U41, U42, U43, and U44, respectively, as detection voltages V42, V44, V46, and V48. .
このような信号処理回路を用いて、 重錘休 340を XZ平面に沿って 往復振り子運動させるには、 駆動信号入力端子 T41, T45に、 ぞれ ぞれ逆位相の交流駆動信号を与えればよい。 2組の部分圧電素子には、 それぞれ逆方向の応力が作用することになり、 重錘体 34 ϋは XZ平面 に沿って往復振り子運動する。 同様に、 このような信号処理回路を用い て、 重錘体 340を Υ Ζ平面に沿って往復振り子運動させるには、 駆動 信号入力端子 Τ43， Τ47に、 それぞれ逆位相の交流駆動信号を与え ればよい。 2組の部分圧電素子には、 それぞれ逆方向の応力が作用する ことになり、 重錘体 340は Υ Ζ平面に沿って往復振り子運動する。 一方、 このような信号処理回路を用いれば、 重錘休 340の各軸方向 への変位を検出することができる。 たとえば、 重錘休 340が X铀の正 方向に変位すると、 電極層 U4 1 /L41間は縱方向に縮み、 電極層 U 43/L43間は縦方向に伸びるため、 検出電圧 V42としては負の電 圧が、 検出電圧 V46としては正の電圧が、 それぞれ出力されることに なる。 そこで、 両検出電圧の差 （V46— V42) によって、 重錘体 3 40の X铀正方向の変位検出が可能になる。 逆に、 重錘体 340が X軸 の負方向に変位すると、 上述の場台と極性が逆になるため、 両検出電圧 の差 （V46— V42) の符号が逆転することになる。 結局、 出力端子 T42, T46に得られる検出電圧の差 （V46— V42) によって、 X軸の正負両方向の変位検出が可能になる。 全く同様に、 出力端子 T4 4, T48に得られる検出電圧の差 （V48— V44) によって、 Y軸 の正負両方向の変位検出が可能になる。 更に、 この信号処理回路では、 Z軸の正負両方向の変位検出も可能である。 たとえば、 重錘体 340が Z軸の正方向に変位すると、 圧電素子 330には、 いずれの箇所におい ても縦方向に縮む方向の応力が作用するため、 検出電圧 V42， V44, V46, V48としては、 いずれも負の電圧が出力される。 逆に、 重錘 体 340が Z軸の負方向に変位すると、 圧電素子 330には、 いずれの 箇所においても縦方向に伸びる方向の応力が作用するため、 検出電圧 V 42, V44 , V46, V 48としては、 いずれも正の電圧が出力され る。 したがって、 4つの出力端子 T 42, T44, T46, T48に得 られる電圧の総和 （V42 + V44 +V46 + V48) の増加または減 少により、 Z軸の正負両方向の変位検出が可能になる （2つの電圧の和 (V42 + V46) あるいは （V44 + V48) によっても、 Z幸由方向 の変位検出は可能であるが、 効率良い安定した検出を行うためには、 上 述のように 4つの電圧の総和を用いるのが好ましい） 。 In order to cause the weight rest 340 to reciprocate along the XZ plane using such a signal processing circuit, an AC drive signal having an opposite phase may be applied to the drive signal input terminals T41 and T45, respectively. . The two sets of partial piezoelectric elements are subjected to stresses in opposite directions, and the weight body 34 ϋ reciprocates along the XZ plane. Similarly, in order to cause the weight body 340 to reciprocate along the 沿 っ Ζ plane using such a signal processing circuit, AC drive signals having opposite phases are given to the drive signal input terminals Τ43 and Τ47, respectively. I just need. The two sets of partial piezoelectric elements are respectively subjected to stresses in opposite directions, and the weight body 340 reciprocates along a plane. On the other hand, if such a signal processing circuit is used, displacement of the weight rest 340 in each axis direction can be detected. For example, when the weight rest 340 is displaced in the positive direction of X 铀, the space between the electrode layers U4 1 / L41 contracts vertically and the space between the electrode layers U43 / L43 expands vertically, so that the detection voltage V42 is negative. The voltage is output as a positive voltage as the detection voltage V46. Therefore, the weight 3 It becomes possible to detect displacement of 40 X 铀 positive direction. Conversely, when the weight body 340 is displaced in the negative direction of the X axis, the polarity of the above-mentioned field base is reversed, and the sign of the difference (V46-V42) between the two detection voltages is reversed. As a result, the difference between the detection voltages obtained at the output terminals T42 and T46 (V46-V42) enables the displacement detection in both the positive and negative directions of the X axis. In exactly the same way, the difference between the detection voltages obtained at the output terminals T44 and T48 (V48-V44) enables detection of both positive and negative displacements of the Y-axis. Further, this signal processing circuit can detect both positive and negative displacements of the Z axis. For example, when the weight body 340 is displaced in the positive direction of the Z axis, a stress is applied to the piezoelectric element 330 in any direction in the direction of contraction in the vertical direction, so that the detection voltages V42, V44, V46, and V48 are obtained. Output a negative voltage. Conversely, when the weight body 340 is displaced in the negative direction of the Z-axis, the piezoelectric element 330 is subjected to a longitudinally extending stress at any point, so that the detection voltages V42, V44, V46, V For 48, a positive voltage is output in each case. Therefore, by increasing or decreasing the sum (V42 + V44 + V46 + V48) of the voltages obtained at the four output terminals T42, T44, T46 and T48, it becomes possible to detect both positive and negative displacements of the Z-axis (2 The displacement in the Z direction can be detected by the sum of the two voltages (V42 + V46) or (V44 + V48), but in order to perform efficient and stable detection, the four Is preferably used.)
なお、 各電極層 U 41〜U44, L 41〜 L 44はいずれも X軸まだ は Y軸に関して線対称な形状をしているため、 上述の検出結果には、 他 軸成分が干渉することはない。 たとえば、 重錘休 340が Xi i方向に変 位した場合、 電極層 U41 /L41間は縮み、 電極層 U43/U43間 は伸びるため、 検出電圧の差 （V46— V42) として X軸方向の変位 を求めることができる。 ところ力 、 重錘体 340が Y軸方向に変位した 場合は、 電極層 U41 /L 4 1間も、 電極層 U43ZL43間も、 それ ぞれ部分的に縮んだり伸びたりするため、 発生電荷は相殺されてしまい 検出電圧 V42, V46には変化は生じない。 また、 重錘休 340が Z 軸方向に変位した場合は、 電極層 U41 /L41間も、 電極層 U43/ L 43間も、 双方ともに縮んだりあるいは双方ともに伸びたりするので、 検出電圧の差 （V46— V42) をとると相殺されることになる。 Since each of the electrode layers U 41 to U 44 and L 41 to L 44 has a shape that is line-symmetric with respect to the X axis and the Y axis, the above detection results may not interfere with other axis components. Absent. For example, when the weight rest 340 is displaced in the Xi i direction, the space between the electrode layers U41 and L41 shrinks, and the space between the electrode layers U43 and U43 is reduced. The displacement in the X-axis direction can be obtained as the difference between the detected voltages (V46-V42). However, when the weight body 340 is displaced in the Y-axis direction, the generated charges are offset because the portions between the electrode layers U41 / L41 and between the electrode layers U43ZL43 are partially contracted or elongated. No change occurs in the detection voltages V42 and V46. When the weight rest 340 is displaced in the Z-axis direction, both the electrode layers U41 / L41 and the electrode layers U43 / L43 both contract or expand, so that the difference between the detection voltages ( V46—V42) will be offset.
以上の説明により、 この速度センサ 390では、 たった 4組の電極対 U41 /L41, U42/L42, U43ノ L43, U 44ノ L 44を 利用して、 重錘体 340を X Z平面もしくは YZ平面に沿って往復振り 子運動させる機能と、 重錘体 340の X 由， Y 由， Z軸の正負両方向に 関する変位を別個に検出する機能と、 を備えていることがわかる。 そこ で、 これらの電極対を、 § 17において説明した兼用器として利用すれ ば、 各軸方向の速度成分 V x， V y , V zの検出が可能になる。 以下に その具体的な手法を説明する。  As described above, in the speed sensor 390, using only four pairs of electrodes U41 / L41, U42 / L42, U43 / L43 and U44 / L44, the weight body 340 is placed on the XZ plane or the YZ plane. It can be seen that it has a function of reciprocating pendulum movement along the axis and a function of separately detecting displacements of the weight body 340 in both the positive and negative directions of the X axis, the Y axis, and the Z axis. Therefore, if these electrode pairs are used as the dual-purpose device described in §17, it is possible to detect the velocity components Vx, Vy, and Vz in each axial direction. The specific method is described below.
まず、 全くコリオリカが作用しない環境において、 别言すれば、 この 速度センサ全体を静止させた状態において、 重錘休 340に 「基準運動」 を行わせる。 たとえば、 X Z平面内での往復振り子運動を行わせるので あれば、 前述したように、 入力端子 T4 1 , T45に、 それぞれ逆位相 の交流信号を与える。 そして、 このときに、 出力端子 T 42, T46に 出力される電圧 V42, V46を予め測定しておく。 もちろん、 これら の電圧値は、 人力端子 T41 , T45に与えた交流信号と同じ周期で変 化する周期信号となる。 また、 Y Z平面内での往復振り子運動を行わせ るのであれば、 前述したように、 入力端子 T 43, T47に、 それぞれ 逆位相の交流信号を与える。 そして、 このときに、 出力端子 T44， Τ 48に出力される電圧 V44, V48を予め測定しておく。 もちろん、 これらの電圧値は、 入力端子 Τ43， Τ47に与えた交流信号と同じ周 期で変化する周期信号となる。 以上で、 準備段階は完了である。 First, in an environment where Coriolisa does not act at all, in other words, with the speed sensor as a whole still, the weight rest 340 is caused to perform “reference movement”. For example, if the reciprocating pendulum motion is performed in the XZ plane, as described above, an AC signal having an opposite phase is applied to the input terminals T41 and T45. At this time, the voltages V42 and V46 output to the output terminals T42 and T46 are measured in advance. Of course, these voltage values are periodic signals that change in the same cycle as the AC signal applied to the human terminals T41 and T45. Also, make the reciprocating pendulum motion in the YZ plane If this is the case, as described above, the input terminals T 43 and T 47 are supplied with AC signals of opposite phases, respectively. At this time, the voltages V44 and V48 output to the output terminals T44 and # 48 are measured in advance. Of course, these voltage values are periodic signals that change in the same period as the AC signal applied to input terminals # 43 and # 47. The preparation stage is now complete.
次に、 この速度センサ 390を用いて、 実際に速度検出を行ってみる。 たとえば、 Ζί由方向の速度成分 V ζを検出するには、 入力端子 T41, Τ45に、 それぞれ逆位相の交流信号を与え、 重錘休 340に、 ΧΖ平 面内での往復振り子運動を行わせ、 このときに重錘体 340に作用した X軸方向のコリオリカ Fco(x) を測定すればよい。 X軸方向のコリオリ 力 Fco(x) は、 出力端子 T42, T46に現れる検出電圧 V42, V4 6に基いて検出できることは既に述べた。 ただ、 入力端子 T41, T4 5には、 それぞれ所定の交流信号が与えられているため、 出力端子 T4 2, T46に現れる検出電圧 V42, V46は、 この交流信号の成分に コリオリカ Fco(x) の成分が重畳されたものになる。 ところ力;'、 上述し た準備段階において、 コリオリカが全く作用しない 「基準運動」 の状態 で、 出力端子 T42， T46に現れる検出電圧 V42, V46が測定さ れているので、 実際の速度検出作業中に得られた検出電圧 V42, V4 6の実測値から、 「基準運動」 の状態で得られた検出電圧 V42, V4 6を差し引けば、 その差分が、 コリオリカの成分ということになる。 た とえば、 X軸方向への変位を示す検出電圧差 （V42— V46) が予め 測定した値よりも Δ αだけ増えていれば、 X軸の正方向に Δ αに相当す る大きさのコリオリカが作用していることになる。 したがって、 この△ αが Ζ蚰方向の速度成分 V ζに対応した値になる。 また、 電圧 V41， V43, V45, V 47として、 同じ値の正の電 圧を同時に供給すれば、 4組の上部電極層 U 4 1〜U44に対して正の 電荷を同時に供給することができ、 圧電素子 330は全域にわたって縱 方向に伸びるため、 重錘体 340を Z軸の負方向に変位させることがで きる。 逆に、 同じ値の負の電圧を同時に供給すれば、 4組の上部電極層 U41〜U 44に対して負の電荷を同時に供給することができ、 圧電素 子 330は全域にわたって縱方向に縮むため、 重錘休 340を Z軸の負 方向に変位させることができる （上部電極層 U41, U43だけに、 あ るいは、 上部電極層 U 42, U44だけに上述のような電荷供給を行つ ても、 同様に Ζ$由方向へ変位させることは可能であるが、 効率良い安定 した変位を行わせるためには、 上述のように 4枚の電極層 U 41〜U4 4のすべてに電荷供給を行うのが好ましい） 。 このような Z軸の正負両 方向への駆動操作と、 たとえば、 既に述べた X軸の正負両方向への駆動 操作とを組み台わせれば、 重錘体 340を XZ平面に沿って、 より円弧 軌道に近い軌道上を円滑に往復振り子運動させることも可能である。 なお、 上述の説明では、 重錘休 340の X軸方向の変位を、 検出電圧 の差 （V46— V42) により求め、 重錘休 340の ΥΐΐΙΐ方向の変位を、 検出電圧の差 （V48— V44) により求めているが、 このような差分 をとつているのは、 検出精度を向上させる意味と、 Ζ軸方向の変位成分 が検出結果に干渉しないようにするためである。 Next, speed detection is actually performed using the speed sensor 390. For example, to detect the velocity component V in the free direction, apply AC signals of opposite phases to the input terminals T41 and T45, and let the weight rest 340 perform a reciprocating pendulum motion in the plane. At this time, the Coriolis Fco (x) acting on the weight body 340 in the X-axis direction may be measured. As described above, the Coriolis force Fco (x) in the X-axis direction can be detected based on the detection voltages V42 and V46 appearing at the output terminals T42 and T46. However, since the input terminals T41 and T45 are respectively supplied with a predetermined AC signal, the detection voltages V42 and V46 appearing at the output terminals T42 and T46 are added to the components of the AC signal by the Coriolis Fco (x). The components are superimposed. However, in the preparatory stage described above, the detection voltages V42 and V46 appearing at the output terminals T42 and T46 were measured in the “reference motion” state in which Coriolis did not act at all. If the detection voltages V42 and V46 obtained in the state of “reference motion” are subtracted from the actually measured values of the detection voltages V42 and V46 obtained during the calculation, the difference is the component of Corioliska. For example, if the detected voltage difference (V42-V46), which indicates displacement in the X-axis direction, is increased by Δα from the value measured in advance, the magnitude corresponding to Δα in the positive direction of the X-axis Coriolis are working. Therefore, this △ α becomes a value corresponding to the speed component V in the Ζ direction. Also, by simultaneously supplying the same value of positive voltage as the voltages V41, V43, V45, and V47, it is possible to simultaneously supply positive charges to the four sets of upper electrode layers U41 to U44. Since the piezoelectric element 330 extends in the vertical direction over the entire area, the weight body 340 can be displaced in the negative direction of the Z axis. Conversely, if a negative voltage of the same value is simultaneously supplied, negative charges can be simultaneously supplied to the four sets of upper electrode layers U41 to U44, and the piezoelectric element 330 contracts vertically in the entire region. Therefore, the weight rest 340 can be displaced in the negative direction of the Z axis (the above-described charge is supplied only to the upper electrode layers U41 and U43 or only to the upper electrode layers U42 and U44). Similarly, it is possible to displace in the Ζ $ free direction, but in order to perform efficient and stable displacement, charge is supplied to all four electrode layers U 41 to U 44 as described above. Is preferable). If the drive operation in both the positive and negative directions of the Z axis is combined with the drive operation in the positive and negative directions of the X axis, for example, the weight body 340 can be more circularly moved along the XZ plane. It is also possible to smoothly reciprocate on a track close to the track. In the above description, the displacement of the weight rest 340 in the X-axis direction is obtained from the difference between the detected voltages (V46-V42), and the displacement of the weight rest 340 in the ΥΐΐΙΐ direction is calculated as the difference between the detected voltages (V48-V44). ), The reason for taking such a difference is to improve the detection accuracy and to prevent the displacement component in the Ζ-axis direction from interfering with the detection result.
また、.上述の実施例では、 上部電極層 U 4 1 ~U44も、 下部電極層 L4 1〜L44も、 いずれも物理的に独立した個別の電極層となってい るが、 いずれか一方は、 物理的には単一の共通電極層 （この例の場合は、 4枚の扇形の電極層のすべてに対向するような円盤状の共通電極層） と してもかまわない。 電極層間の配線を単純化するには、 このような共通 電極層を形成しておくのが好ましい。 Further, in the above-described embodiment, both the upper electrode layers U41 to U44 and the lower electrode layers L41 to L44 are physically independent individual electrode layers. Physically, a single common electrode layer (in this case, a disc-shaped common electrode layer that faces all four fan-shaped electrode layers) and It does not matter. In order to simplify the wiring between the electrode layers, it is preferable to form such a common electrode layer.
最後に、 タイプ Πの圧電素子を用いたより^純な速度センサ 3 9 5の 側断面図を第 6 2図に示しておく。 第 5 9図に示す速度センサ 3 9 0と の相違点は、 可撓性基板 3 1 0および重錘体 3 4 0の代わりに、 導電性 の重錘体 3 4 5が用いられている点と、 下部電極層 L 4 1 ~ L 4 4が省 略されている点である。 導電性の重錘体 3 4 5は、 金属などの円盤状の 塊であり、 その外周部分は筐体 3 5 0に接することなく自由になつてい る。 別言すれば、 重錘休 3 4 5は、 圧電素子 3 3 0と、 上部電極層 U 4 1〜U 4 4と、 固定基板 3 2 0とによって、 筐体 3 5 0に支持された状 態になっており、 図のように宙吊りの状態になっている。 したがって、 重錘体 3 4 5は、 筐体 3 5 0内において、 ある程度の自由度をもって移 動可能である。 第 5 9図に示す速度センサ 3 9 0における重錘休 3 4 0 は、 可撓性基板 3 1 0の周囲部分が筐体 3 5 0に固定されていたため、 あまり直径を大きくすることができなかったが、 第 6 2図に示す速度セ ンサ 3 9 5における重錘体 3 4 5は、 変位によって筐体 3 4 5に接しな い程度の空間を十分に確保できる範囲内で、 直径を大きく とることが可 能であり、 質量を大きく して感度を高める上では、 この速度センサ 3 9 5の構造は優れている。 また、 重錘休 3 4 5自身が導電性の材料である ため、 共通電極層としての機能を果たし、 下部電極層 L 4 1 ~ L 4 4は 不要になり、 全体の構成は非常に単純化されている。 このように、 第 6 2図に示す速度センサ 3 9 5は、 第 5 9図に示す速度センサ 3 9 ϋに比 ベて、 構造上、 千の違いはある力；'、 その動作は全く同じである。 § 2 2 . 共振周波数による駆動および検出 Finally, FIG. 62 shows a side sectional view of a more pure speed sensor 395 using a type I piezoelectric element. The difference from the speed sensor 390 shown in FIG. 59 is that a conductive weight body 345 is used instead of the flexible substrate 310 and the weight body 340. That is, the lower electrode layers L 41 to L 44 are omitted. The conductive weight body 345 is a disk-shaped lump of metal or the like, and its outer peripheral portion is free without contacting the housing 350. In other words, the weight rest 345 is supported by the housing 350 by the piezoelectric element 330, the upper electrode layers U41 to U44, and the fixed substrate 320. It is in a suspended state as shown in the figure. Therefore, the weight body 345 can move within the housing 350 with a certain degree of freedom. The weight rest 340 of the speed sensor 390 shown in FIG. 59 can be made too large in diameter because the periphery of the flexible substrate 310 is fixed to the housing 350. However, the weight body 345 of the speed sensor 395 shown in Fig. 62 had a diameter within a range that could secure enough space not to touch the housing 345 due to displacement. The structure of the speed sensor 395 is excellent in increasing the mass and increasing the sensitivity. In addition, since the weight rest 345 itself is a conductive material, it functions as a common electrode layer, and the lower electrode layers L 41 to L 44 are not required, and the overall configuration is greatly simplified. Have been. Thus, the speed sensor 395 shown in FIG. 62 is structurally different from the speed sensor 39 に shown in FIG. It is. § 2 2. Drive and detection by resonance frequency
本発明に係る一次元速度センサの実施例を § 9において述べた。 この とき、 振動子のもつ固有の振動モードで振動させると効率的な振動が実 現できることを説明した。 この一次元速度センサでは、 振動子の振動方 向と、 コリオリカの作用方向とがー致している。 たとえば、 第 2 5図に おいて、 振動子 6 0の左右の自由端の振動方向 （往復振り子運動の運動 方向） は Z蚰方向 （図の上下方向） であり、 コリオリカの作用方向もや はり Z 由方向である。 左右の自由端をこの Z fih方向に関して振動させる 場台、 振動子 6 0の材質， 寸法， 形状、 および台座 6 1 , 6 2の位置や 支持形態などの機械的な条件によって、 固有の共振周波数 f rが定まる ことになる。 そこで、 この共振周波数 f rで左右の自由端を振動、 すな わち、 往復振り子運動させてやれば、 非常に効率的な検出が可能になる。 同様のこと力《、 多次元速度センサについても言える。 たとえば、 第 4 0図に示した速度センサ 1 0 0について考えてみょう。 この速度センサ 1 0 0によって、 Ζ $ι¾方向の速度 V zを検出するためには、 重錘体 1 2 0を X軸に沿った方向に駆動して Y軸まわりの角速度 ω yをもった自転 運動が行われるようにし、 そのとき発生する X軸方向のコリオリカ F co (X ) を検出する必要がある。 すなわち、 重錘体 1 2 0を X軸に沿って往 復振り子運動させ、 その振幅の変動分としてコリオリカ F co(x) が検出 されることになる。 重錘休 1 2 ϋにこのような往復振り子運動をさせる ためには、 電極層 G 1 1 , G 1 3に所定の交流駆動信号を与えることは 既に述べたとおりである。 ここで、 この交流駆動信号の周波数 f 1を、 重錘体 1 2 0の X flll方向に関する振動の共振周波数 f r (x) に一致させ るように設定すれば、 重錘体 1 2 0は共振周波数 f r (x) で往復振り子 運動を行うようになり、 効率的な検出が可能になる。 Embodiments of the one-dimensional speed sensor according to the present invention have been described in Section 9. At this time, it was explained that efficient vibration can be realized by vibrating in the unique vibration mode of the vibrator. In this one-dimensional speed sensor, the direction of vibration of the vibrator and the direction of action of Coriolis are matched. For example, in Fig. 25, the vibration direction of the left and right free ends of the vibrator 60 (the direction of reciprocating pendulum motion) is the Z direction (the vertical direction in the figure), and the action direction of the Corioliser is also Z direction. The natural resonance frequency depends on the base, the material, dimensions, and shape of the vibrator 60, and the mechanical conditions such as the positions and supports of the pedestals 61, 62, which cause the left and right free ends to vibrate in this Z fih direction. fr will be determined. Therefore, if the left and right free ends are vibrated at this resonance frequency fr, that is, if a reciprocating pendulum motion is performed, very efficient detection becomes possible. The same is true for multi-dimensional speed sensors. For example, consider the speed sensor 100 shown in FIG. In order to detect the velocity V z in the Ζ $ ι¾ direction by the velocity sensor 100 0, the weight body 120 is driven in the direction along the X axis to have an angular velocity ω y about the Y axis. It is necessary to detect the Corioliser F co (X) in the X-axis direction generated at the time of rotation movement. In other words, the weight body 120 is caused to make a forward and backward pendulum motion along the X axis, and Coriolisa Fco (x) is detected as a variation in the amplitude. As described above, a predetermined AC drive signal is applied to the electrode layers G 11 and G 13 in order to cause the weight rest 12 を to perform such a reciprocating pendulum motion. Here, if the frequency f 1 of the AC drive signal is set to be equal to the resonance frequency fr (x) of vibration of the weight body 120 in the X flll direction, the weight body 120 Reciprocating pendulum at frequency fr (x) Exercise will be performed and efficient detection will be possible.
重錘体 1 2 0の X軸方向に関する共振周波数 f r (x) は、 この速度セ ンサ 1 0 0を構成する各部の材質， 寸法， 形状， 構造などによって定ま る固有の値であり、 シミ ュレーショ ンあるいは実験に基いて決定できる 値である。 したがって、 このような速度センサ 1 0 0を実際に設計する 際には、 このような共振周波数 f r (x) を予め求めておき、 往復振り子 運動のための駆動信号の周波数 f 1力 共振周波数 f r (x) に一致する ように配慮するのが好ましい。  The resonance frequency fr (x) of the weight body 120 in the X-axis direction is a unique value determined by the material, dimensions, shape, structure, and the like of each part constituting the speed sensor 100. It is a value that can be determined based on simulations or experiments. Therefore, when such a speed sensor 100 is actually designed, such a resonance frequency fr (x) is obtained in advance, and the frequency f 1 of the drive signal for the reciprocating pendulum motion f 1 force resonance frequency fr It is preferable to take care to match (x).
次に、 この速度センサ 1 0 ϋによって、 X軸方向の速度 V Xを検出す るための動作を考えてみょう。 この場合、 重錘休 1 2 0を X蚰に沿った 方向に駆動して Υ軸まわりの角速度 ω yをもつた自転運動が行われるよ うにし、 そのとき発生する Z幸由方向のコリオリカ F co(z) を検出する必 要がある。 すなわち、 重錘体 1 2 0を X軸に沿って往復振り子運動させ、 その運動軌道の Ζ ί由方向についての偏りとしてコリオリ力 F co(z) が検 出されることになる。 このような検出動作では、 重錘体 1 2 0の駆動方 向 （X軸方向） と、 コリオリカ F co(z) の作用方向 （Z軸方向） とが異 なる点に注意すべきである。 すなわち、 重錘体 1 2 0は、 2つの異なる 方向に振動することになる。 第 ] の振動方向は X蚰方向であり、 第 2の 振動方向は Z軸方向である。 ここで、 X軸方向の振動は、 周波数 f 1を もった駆動信号によって駆動される振動、 すなわち、 往復振り子運動で あり、 Z寒由方向の振動は、 この往復振り子運動に起因して生じる Z蚰方 向を向いたコリオリカ F co(z) の作用によって生じる振動である。 した がって、 Z軸方向の振動の周波数を f 2とすれば、 この振動は X i由方向 の振動に起因した振動であるから、 f 2 = f l となる。 いま、 周波数 f 1による X紬方向の振動を 「駆動のための振動」 と呼 び、 周波数 f 2による Z蚰方向の振動を 「検出のための振動」 と呼ぶこ とにすると、 「検出のための振動」 は 「駆動のための振動」 によって生 じるコリオリカに起因した振動であり、 上述したように、 f 2 = f 1と 両振動の周波数は当然ながら一致する。 ここで留意すべき点は、 多次元 速度センサの場台には、 このように 「駆動のための振動」 の方向と、 「検出のための振動」 の方向とがー致しない場台があるということであ る。 この速度センサ 1 0 0によって、 Z軸方向の速度 V zを検出する場 合には、 前述したように、 「駆動のための振動」 の方向も、 「検出のた めの振動」 の方向も、 ともに X 由方向であり一致していた。 したがって、 その振動周波数を、 f 1 - f 2 = f r (X ) として X蚰方向に関する共振 周波数 f r (x) に一致させれば、 効率的な検出が可能になった。 ところ が、 この速度センサ 1 0 0によって、 X軸方向の速度 V Xを検出する場 合は、 上述したように、 「駆動のための振動」 の方向を X軸方向とし、 「検出のための振動」 の方向を Z軸方向としなければならない。 したが つて、 この場台、 効率的な検出を可能にするためには、 f 1 = f r (X) として、 「駆動のための振動」 の周波数 f 1を X軸方向に関する共振周 波数 f r (X ) に一致させるとともに、 f 2 = f r (z) として、 「検出の ための振動」 の周波数 f 2を Z軸方向に関する共振周波数 f r (z) に一 致させる必要がある。 ところが、 f 1 f 2であるから、 上述の条件を 満足させるためには、 f r (X ) = f r (z) とならなければならない。 結局、 多次元速度センサにおいて、 効率的な検出を行うためには、 重 錘休の X軸方向に関する共振周波数 f r (x) と、 Z tti方向に関する共振 周波数 f r (z) とが一致するような設計を行う必要があることになる。 既に述べたように、 重錘体 1 2 0の各 由方向に関する共振周波数は、 こ の速度センサ 1 0 0を構成する各部の材質， 寸法， 形状， 構造などによ つて定まる固有の値となるので、 設計時に寸法や形状を配慮することに より、 f r (X ) = f r (z) となるような構造をもった速度センサを実現 することが可能である。 Next, consider an operation for detecting the speed VX in the X-axis direction by the speed sensor 10 mm. In this case, the weight rest 120 is driven in the direction along the X axis so that it rotates in the direction of the angular velocity ωy around the Υ axis, and the Coriolis F in the Z co (z) needs to be detected. That is, the weight body 120 is reciprocally pendulum-moved along the X-axis, and the Coriolis force Fco (z) is detected as a deviation of the motion trajectory in the free direction. In such a detection operation, it should be noted that the driving direction of the weight body 120 (X-axis direction) is different from the action direction of the Coriolis Fco (z) (Z-axis direction). That is, the weight body 120 vibrates in two different directions. The second vibration direction is the X axis direction, and the second vibration direction is the Z axis direction. Here, the vibration in the X-axis direction is a vibration driven by a drive signal having a frequency f 1, that is, a reciprocating pendulum motion, and the vibration in the cold direction is caused by the reciprocating pendulum motion. This is a vibration caused by the action of a coriolisa F co (z) that faces in the direction of the flail. Therefore, assuming that the frequency of the vibration in the Z-axis direction is f 2, this vibration is the vibration caused by the vibration in the X i direction, so that f 2 = fl. Now, the vibration in the X axis direction at frequency f1 is referred to as "vibration for driving", and the vibration in the Z axis direction at frequency f2 is referred to as "vibration for detection". “Vibration due to vibration” is a vibration caused by Coriolisca generated by “vibration for driving”. As described above, the frequency of both vibrations naturally coincides with f 2 = f 1. It should be noted here that the direction of “vibration for driving” and the direction of “vibration for detection” do not match in the case of multi-dimensional velocity sensor. That's what it means. When the velocity sensor 100 detects the velocity V z in the Z-axis direction, as described above, both the direction of “vibration for driving” and the direction of “vibration for detection” are used. , Both were in the X-direction and matched. Therefore, if the vibration frequency was set to f 1-f 2 = fr (X) and matched with the resonance frequency fr (x) in the X direction, efficient detection became possible. However, when the speed sensor 100 detects the speed VX in the X-axis direction, as described above, the direction of the “vibration for driving” is set to the X-axis direction, and the “vibration for detection” is set as described above. Must be the Z-axis direction. Therefore, in order to enable efficient detection in this case, assuming that f 1 = fr (X), the frequency f 1 of “vibration for driving” is changed to the resonance frequency fr ( X) and f 2 = fr (z), so that the frequency f 2 of “Vibration for detection” must match the resonance frequency fr (z) in the Z-axis direction. However, since f 1 f 2, fr (X) = fr (z) must be satisfied to satisfy the above conditions. After all, in a multidimensional velocity sensor, in order to perform efficient detection, the resonance frequency fr (x) in the X-axis direction of the weight rest must match the resonance frequency fr (z) in the Ztti direction. You will need to design. As described above, the resonance frequency of the weight body 120 in each direction is a unique value determined by the material, dimensions, shape, structure, and the like of each part constituting the speed sensor 100. Therefore, it is possible to realize a speed sensor having a structure such that fr (X) = fr (z) by considering the dimensions and shape during design.
なお、 この速度センサ 1 0 0を三次元速度センサとして用いる場合に は、 重錘体 1 2 0を X dlに沿って （角速度 ω yをもって） 往復振り子運 動させる第 1の測定モー ドと、 重錘体 1 2 0を Y 由に沿って （角速度 ω Xをもって） 往復振り子運動させる第 2の測定モー ドと、 が必要である。 したがって、 第 2の測定モー ドでは、 駆動信号の周波数 f 1力；'、 重錘休 1 2 0の Y $由方向に関する共振周波数 f r (y) に一致するようにしてお くのが好ましい。 結局、 効率的な検出が可能な三次元速度センサを実現 する上では、 X Y Zのすベての軸に関する共振周波数がすべて一致する、 すなわち、 f r (X ) = f r (y) = f r (z) となるような構造設計を行う のが好ましい。 もっとも、 f r (x) = f r (y) となるような構造設計は、 X軸と Y軸とが可換性をもつた構造および形状にすればよく、 これまで 述べてきた多次元速度センサの実施例は、 いずれもこのような構造をも つたものである。 § 2 3 . 周囲部に重錘体を設けた実施例  When the speed sensor 100 is used as a three-dimensional speed sensor, a first measurement mode in which the weight body 120 is reciprocated in a reciprocating pendulum along X dl (with an angular velocity ω y); A second measurement mode in which the weight body 120 is reciprocated in the Y direction (with an angular velocity ωX) and a second measurement mode are required. Therefore, in the second measurement mode, it is preferable that the frequency f 1 of the drive signal; ′ and the resonance frequency f r (y) of the weight rest 120 in the Y $ free direction be matched. After all, in order to realize a three-dimensional speed sensor capable of efficient detection, all resonance frequencies for all axes of XYZ match, that is, fr (X) = fr (y) = fr (z) It is preferable to design the structure so that However, the structural design such that fr (x) = fr (y) should be a structure and shape with commutative X-axis and Y-axis. Each of the embodiments has such a structure. §2 3. Example with weight body around
これまで述べた § 1 2〜 § 2 2までの多次元速度センサの実施例では、 いずれも可撓性基板の周囲部を筐体に固定し、 中心部に重錘休を接合し た構造を採っていた。 しかしながら、 これとは逆に、 可撓性基板の中心 部を筐体に固定し、 周囲部に重錘体を接台した構造を採ることも可能で ある。 In the embodiments of the multidimensional velocity sensors from §12 to §22 described above, the structure in which the periphery of the flexible substrate is fixed to the housing and the weight rest is joined to the center is used. I was taking it. However, on the contrary, it is also possible to adopt a structure in which the central portion of the flexible substrate is fixed to the housing and the weight is attached to the peripheral portion. is there.
第 6 3図にその側断面を示す速度センサ 4 0 0は、 容量素子を利用し た多次元速度センサにおいて、 このような構造を採った実施例である。 可撓性基板 4 1 0は、 第 3 9図に示す可撓性基板 1 1 0とほぼ同じ構造 を有している。 すなわち、 可撓性基板 4 1〔〕の下面には、 円環状の溝が 形成されており、 この溝が形成された部分は肉厚が薄いために可撓性を もった可撓部 4 1 2を構成する。 この可撓部 4 1 2の内側が固定部 4 1 1、 外側が作用部 4 1 3となる。 作用部 4 1 3の下面には、 リング状の 重錘体 4 2 0が固着されており、 固定部 4 1 1は台座 4 3 0によってベ ース基板 4 4 0に固定されている。 このベース基板 4 4 0は、 この速度 センサ 4 0 0の筐体の一部をなす。 固定部 4 1 1の上方には、 蓋基板 4 5 0が固定されている。 蓋基板 4 5 0は、 その中心部においてのみ固定 部 4 1 1に接合されており、 その周囲部には、 可撓性基板 4 1 0の上面 と蓋基板 4 5 0の下面とが対向した空隙部が形成されている。 この空隙 部には、 可撓性基板 4 1 0の上面側に電極層 Lが形成され、 蓋基板 4 5 0の下面側に電極層 Uが形成されている。 ここでは、 電極層 U , Lの細 かな構成の図示は省略するが、 各電極層は複数の独立した電極を構成し、 対向した一対の電極によつて容量素子が形成されることになる。  A speed sensor 400 whose side cross section is shown in FIG. 63 is an embodiment in which such a structure is employed in a multidimensional speed sensor using a capacitive element. The flexible substrate 410 has substantially the same structure as the flexible substrate 110 shown in FIG. That is, an annular groove is formed on the lower surface of the flexible substrate 41 [], and the portion where the groove is formed is thin, so that the flexible portion 41 having flexibility is formed. Make up 2. The inside of the flexible portion 4 12 is the fixed portion 4 11, and the outside is the working portion 4 13. A ring-shaped weight body 420 is fixed to the lower surface of the working portion 4113, and the fixing portion 4111 is fixed to the base substrate 4440 by a pedestal 4330. The base substrate 440 forms a part of the housing of the speed sensor 400. A lid substrate 450 is fixed above the fixing portion 411. The lid substrate 450 is bonded to the fixed portion 4111 only at the center thereof, and the upper surface of the flexible substrate 410 and the lower surface of the lid substrate 450 face the peripheral portion thereof. A void is formed. In this gap, the electrode layer L is formed on the upper surface side of the flexible substrate 410, and the electrode layer U is formed on the lower surface side of the lid substrate 450. Here, although detailed illustrations of the electrode layers U and L are omitted, each electrode layer constitutes a plurality of independent electrodes, and a capacitive element is formed by a pair of opposed electrodes.
この速度センサ 4 0〔〕の動作は、 S 1 2において述べたセンサ 1 0 0 の動作とほぼ同じである。 すなわち、 両電極層 U， Lによって構成され た容量素子に周期的にクーロン力を作用させることにより、 リング状の 重錘体 4 2 0を所定軸方向に往復振り子運動させ、 そのときに作用した 所定軸方向のコリォリカを、 容量素子の容量値の変化に基いて検出 る ことにより、 この速度センサ 4 0 0全体の所定方向についての速度を求 めることができる。 The operation of the speed sensor 400 [] is almost the same as the operation of the sensor 100 described in S 12. That is, by periodically applying a Coulomb force to the capacitive element formed by the two electrode layers U and L, the ring-shaped weight body 420 is reciprocally pendulum-moved in a predetermined axial direction. By detecting the coriolisor in the predetermined axial direction based on the change in the capacitance value of the capacitive element, the speed of the entire speed sensor 400 in the predetermined direction is obtained. Can be
このように、 重錘体 4 2 0を可撓性基板 4 1 0の周囲部に設けること により得られるメリッ 卜は、 重錘体 4 2〔）の質量 mを大きくとること力《 できるという点である。 第 3 8図に示す速度センサ 1 0 0における重錘 体 1 2 0の体積と、 第 6 3図に示す速度センサ 4 0 0における重錘体 4 2 0の休積とを比較すれば、 センサの外寸が同じであれば、 後者の構造 の方が重錘体の体積を大きく確保することができ、 大きな質量を確保す ることができることが理解できょう。 本発明の検出原理において、 作用 するコリオリカは、 この重錘体の質量 mに比例するので、 質量 mを大き く確保すればするほど、 センサの検出感度を高めることが可能になる。 以上、 可撓性基板の周囲部に重錘体を設けた実施例を、 容量素子を利 用した多次元速度センサについて説明したが、 このような構造は、 圧電 素子を利用した多次元速度センサについても同様に適用可能である。 産 業 上 の 利 用 分 野  As described above, the advantage obtained by providing the weight body 420 on the periphery of the flexible substrate 410 is that the weight m of the weight body 42 [) can be increased. It is. Comparing the volume of the weight body 120 in the speed sensor 100 shown in FIG. 38 with the rest of the weight body 420 in the speed sensor 400 shown in FIG. If the outer dimensions are the same, it can be understood that the latter structure can secure a larger volume of the weight body and a larger mass. In the detection principle of the present invention, the coriolis that acts is proportional to the mass m of the weight, so that the larger the mass m, the higher the detection sensitivity of the sensor. As described above, the embodiment in which the weight body is provided on the periphery of the flexible substrate has been described for the multidimensional speed sensor using the capacitive element. Is similarly applicable. Industrial use fields
本発明に係る速度センサは、 1次元、 2次元、 3次元の速度成分を、 外部の影響を受けることなしに、 正確に測定することができるため、 車 両の走行速度や、 航空機の飛行速度を検出するためのセンサとして広く 利用可能である。  The speed sensor according to the present invention can accurately measure one-dimensional, two-dimensional, and three-dimensional speed components without being affected by external influences. It can be widely used as a sensor for detecting.

Claims

請 求 の 範 囲 The scope of the claims
1. 質量 mをもった重錘体 （20) と、 1. A weight body (20) with mass m,
この重錘体を収容する筐体 （22) と、  A housing (22) for accommodating the weight body;
前記筐体に対して前記重錘体を、 第 1の幸由に関して回転 β在となるよ うに支持する支持手段 （21) と、  Support means (21) for supporting the weight body with respect to the housing so that the weight body is in a rotational β position with respect to the first reason;
前記重錘体を前記第 1の铀に関して所定の角速度 ωをもって回転させ る駆動手段 （23) と、  Driving means (23) for rotating the weight body at a predetermined angular velocity ω with respect to the first 铀;
前記重錘休に対して、 前記第 1の紬に直交する第 2の軸に沿った方向 に作用するコリオリカ Fcoを検出する検出手段 （24) と、  Detecting means (24) for detecting Coriolisa Fco acting on the weight rest in a direction along a second axis orthogonal to the first pongee;
Fco= 2 · m · V ♦ ωなる関係を利用して、 検出されたコリオリカ F coに基いて、 前記第 1の軸および前記第 2の軸の双方に直交する第 3の 軸に沿った方向についての前記筐体の速度 Vを求める演算手段 （25) と、  Using the relationship Fco = 2mVVω, based on the detected Coriolisa Fco, a direction along a third axis orthogonal to both the first axis and the second axis Calculating means (25) for determining the speed V of the housing with respect to
を備えることを特徴とする速度センサ。  A speed sensor comprising:
2. 請求項 1に記載の速度センサにおいて、 2. In the speed sensor according to claim 1,
重錘休 （20) の重心 Gを通る直線上に第 1の幸由を定義し、 この第 1 の軸が筐体 （22) に対して固定されるようにしたことを特徴とする速 度センサ。  The first advantage is defined on a straight line passing through the center of gravity G of the weight rest (20), and the first axis is fixed to the housing (22). Sensor.
3. 請求項 2に記載の速度センサにおいて、 3. In the speed sensor according to claim 2,
駆動手段 （23) は、 質量 mをもった重錘休 （20) の重心 Gの位置 に原点 0をもつ XY Z三次元座標系を定義し、 この重錘休を Z軸まわり  The driving means (23) defines an XY Z three-dimensional coordinate system having an origin 0 at the position of the center of gravity G of the weight rest (20) having a mass m, and this weight rest around the Z axis.
43 に角速度 ω ζで回転させ、 43 At an angular velocity of ω 、
検出手段 （24) は、 重錘体に対して X軸方向に作用するコリオリカ Fco(x) と、 Y軸方向に作用するコリオリカ Fco(y) とを検出し、 演算手段 （25) は、 Fco(y) = 2 ♦ m · V X · ω zなる関係を利用 して X軸方向の速度 V Xを求め、 Fco(x) = 2 · πι· νΥ · ω ζなる関 係を利用して Υ軸方向の速度 V yを求め、 The detecting means (24) detects a Coriolis Fco (x) acting on the weight body in the X-axis direction and a Coriolis Fco (y) acting on the Y-axis direction. (y) = 2 ♦ m · VX · ω z, the velocity VX in the X-axis direction is obtained, and Fco (x) = 2 · πι · ν Υ · ω 利用Find the velocity V y in the direction,
求めた速度 V x， V yを、 XYZ三次元座標系における筐体 （22) の速度の X 由方向成分 V Xおよび Y 由方向成分 V yとして出力すること を特徴とする速度センサ。  A speed sensor characterized in that the determined speeds Vx and Vy are output as an X-direction component VX and a Y-direction component Vy of the speed of the housing (22) in an XYZ three-dimensional coordinate system.
4. 請求項 2に記載の速度センサにおいて、 4. In the speed sensor according to claim 2,
駆動手段 （23) は、 質量 mをもった重錘体 （20) の重心 Gの位置 に原点 0をもつ X Y Z三次元座標系を定義し、 この重錘休を Z申由まわり に角速度 ω ζで回転させる第 1の駆動動作と、 X軸まわりに角速度 ω X で回転させる第 2の駆動動作とを交互に行い、  The driving means (23) defines an XYZ three-dimensional coordinate system having an origin 0 at the position of the center of gravity G of the weight body (20) having the mass m, and the weight rest is defined by the angular velocity ω ま わ りThe first drive operation of rotating at X and the second drive operation of rotating at an angular velocity ω X about the X axis are performed alternately.
検出手段 （24) は、 重錘体に対して Xf.由方向に作 fflするコリオリカ Fco(x) と、 Y拳由方向に作用するコリオリカ Fco(y) とを検出し、 演算手段 （25) は、 前記駆動手段が第 1の駆動動作中に検出された Y軸方向に作用するコリオリカ Fco(y) を用い、 Fco(y) = 2 · m · V x ♦ ω ζなる関係を利用して X軸方向の速度 V xを求め、 前記駆動手 段が第 1の駆動動作中に検出された X 由方向に作用するコリオリカ Fco (X) を用い、 Fco(x) = 2 · m · V y ♦ ω zなる関係を利用して Υ軸方 向の速度 V yを求め、 前記駆動手段が第 2の駆動動作中に検出された Y 軸方向に作用するコリオリカ Fco(y) を用い、 Fco(y) = 2 ♦ m · V z • ω xなる関係を利用して Z軸方向の速度 V zを求め、 求めた速度 V x， V y , V zを、 X Y Z三次元座標系における筐体 (22) の速度の X軸方向成分 V x、 Y軸方向成分 V y、 Z ili方向成分 V Zとして出力することを特徴とする速度センサ。 The detecting means (24) detects the Coriolis Fco (x) acting on the weight body in the Xf. Free direction and the Coriolis Fco (y) acting in the Y fist direction, and calculating means (25) Using the Corioliser Fco (y) acting in the Y-axis direction detected by the driving means during the first driving operation, utilizing the relationship Fco (y) = 2mVx ♦ ω The velocity Vx in the X-axis direction is obtained, and the driving means uses a Corioliser Fco (X) acting in the X-direction detected during the first driving operation, and Fco (x) = 2mVy Using the relationship ωz, the velocity Vy in the Υ-axis direction is obtained, and the driving means uses the Corioliser Fco (y) acting in the Y-axis direction detected during the second driving operation to obtain Fco ( y) = 2 ♦ mVz • The velocity V z in the Z-axis direction is determined using the relationship ω x, and the determined velocities V x, V y, and V z are converted into the X-axis component of the velocity of the housing (22) in the XYZ three-dimensional coordinate system V x, Y-axis direction component V y, speed sensor and outputs a Z ili direction component V Z.
5. 請求項 1に記載の速度センサにおいて、 5. In the speed sensor according to claim 1,
駆動手段 （23) は、 重錘休 （30) の重心 Gが所定の公転軌道 （3 1 ) 上を移動するように、 前記重錘体に対して公転運動をさせるととも に、 この公転軌道上を移動する第 1の軸 （D u) について角速度 ωをも つた自転運動をさせ、  The driving means (23) makes a revolving motion with respect to the weight body so that the center of gravity G of the weight rest (30) moves on a predetermined orbital path (31). Make a rotation with an angular velocity ω about the first axis (D u)
検出手段 （24) は、 前記重錘体に対して作用する力の第 2の軸 (D r , D t ) に沿った方向成分を検出し、 筐体 （22) が第 3の軸 （D t , D r ) に沿った方向の速度成分 Vをもって移動している状態のときのこ の検出値と、 筐体が静止状態のときのこの検出値と、 の差を、 前記第 2 の铀方向に作用するコリオリカ Fcoとして求め、  The detection means (24) detects a directional component of the force acting on the weight body along the second axis (Dr, Dt), and the casing (22) detects the third axis (D t, D r), the difference between this detected value when moving with the velocity component V in the direction along the direction along this direction and the detected value when the housing is stationary is the second 铀 direction. Required as Coriolis Fco acting on
演算手段 （25) は、 Fco- 2 · m · V ♦ ωなる関係を利用して、 第 3の軸に沿った方向についての前記筐体の速度 Vを求めることを特徴と する速度センサ。  A speed sensor characterized in that the calculating means (25) obtains the speed V of the housing in a direction along a third axis by using a relationship of Fco-2 · m · V ♦ ω.
6. 請求項 5に記載の速度センサにおいて、 6. The speed sensor according to claim 5,
駆動手段 （23) は、 ΧΥΖ三次元座標系の ΧΥ平面上に公転軌道 (31) を定義し、 質量 mをもった重錘体 （30) を、 この公転軌道に 沿つて公転運動させるとともに Z幸由に平行な自転 $由について角速度 ω ζ をもった自転運動をさせ、 検出手段 （24) は、 前記重錘体に対して作用する力の X 由方向成分 F Xおよび Y軸方向成分 F yを検出し、 筐体 （22) が所定速度 Vをも つて移動している状態のときのこれらの検出値と、 筐休が静止状態のと きのこれらの検出値と、 の差を、 重錘体に対して X軸方向に作用するコ リオリカ Fco(x) および Y軸方向に作用するコリオリカ Fco(y) として それぞれ求め、 The driving means (23) defines the orbit (31) on the ΧΥ plane of the three-dimensional coordinate system, and moves the weight (30) having the mass m along the orbit along the orbit and Z A rotation with an angular velocity ωに つ い て about a rotation $ parallel to Yukiyoshi, The detection means (24) detects an X-direction component FX and a Y-axis direction component Fy of the force acting on the weight body, and the housing (22) is moving at a predetermined speed V. The difference between these detected values when the body is stationary and these detected values when the housing is at rest is calculated by using the Coreica Fco (x) and Y-axis that act on the weight in the X-axis direction. Are determined as Coriolis Fco (y) acting in the direction,
演算手段 （25) は、 Fco(y) = 2 · m · V X · ω zなる関係を利用 して筐体の X蚰方向の速度成分 V Xを求め、 Fco(x) = 2 · m · V y · ω ζなる関係を利用して筐体の Υ紬方向の速度成分 V yを求め、  The calculation means (25) obtains the velocity component VX in the X direction of the housing using the relationship of Fco (y) = 2mVXωz, and Fco (x) = 2mVy · Using the relationship ω を, the velocity component V y of the casing in the
XYZ三次元座標系における筐体の速度の X 方向成分 V Xおよび Y 軸方向成分 V yを出力することを特徴とする速度センサ。  A speed sensor which outputs an X-direction component VX and a Y-axis direction component Vy of a casing speed in an XYZ three-dimensional coordinate system.
7. 請求項 5に記載の速度センサにおいて、 7. The speed sensor according to claim 5,
駆動手段 （23) は、 XYZ三次元座標系の XY平面上に公転軌道 (31 ) を定義し、 質量 mをもった重錘体 （30) を、 この公転軌道に 沿って公転運動させるとともに Zflhに平行な Θ転軸について角速度 ω ζ をもった自転運動をさせる第 1の駆動動作と、 X Υ Ζ三次元座標系の Υ Ζ平面上に公転軌道 （33) を定義し、 質量 mをもった重錘休 （30) を、 この公転軌道に沿って公転運動させるとともに X 由に平行な自転軸 について角速度 ω Xをもつた自転運動をさせる第 2の駆動動作とを交互 に行い、  The driving means (23) defines the orbit (31) on the XY plane of the XYZ three-dimensional coordinate system, and moves the weight (30) having mass m along the orbit along this orbit and Zflh The first driving motion that rotates the axis of rotation parallel to with an angular velocity ω と, and the orbit (33) on the Υ X plane of the X Υ Ζ three-dimensional coordinate system, defines a mass m The weight rest (30) is revolved along this orbit and alternately with a second driving operation that makes a rotation with an angular velocity ω X about a rotation axis parallel to X.
検出手段 （24) は、 前記重錘体に対して作用する力の X軸方向成分 F Xおよび Υ軸方向成分 F yを検出し、 筐体 （22) が所定速度 Vをも つて移動している状態のときのこれらの検出値と、 筐体が静止状態のと きのこれらの検出値と、 の差を、 重錘体に対して X铀方向に作 fflするコ リオリカ F co(x) および Y軸方向に作用するコリオリカ F co(y) として それぞれ求め、 The detecting means (24) detects the X-axis component FX and the Υ-axis component Fy of the force acting on the weight body, and the housing (22) is moving at a predetermined speed V. These detected values when in the state The difference between these detected values and is obtained as the Coriolisa Fco (x) acting on the weight body in the X 铀 direction and the Coriolisa Fco (y) acting on the Y-axis direction, respectively.
演算手段 （2 5 ) は、 前記駆動手段が第〗の駆動動作中に検出された Y軸方向に作用するコリオリカ F co(y) を用い、 F co(y) = 2 · m · V x · ω zなる関係を利用して筐体の X軸方向の速度成分 V Xを求め、 前 記駆動手段が第 1の駆動動作中に検出された X軸方向に作用するコリオ リカ F co(x) を用い、 F co(x) = 2 ♦ m · V y · ω zなる関係を利用し て筐体の Y 方向の速度成分 V yを求め、 前記駆動手段が第 2の駆動動 作中に検出された Y軸方向に作用するコリオリカ F co(y) を用い、 F co (y) = 2 · m · V z - ω xなる関係を利用して筐体の Z軸方向の速度成 分 V zを求め、  The calculating means (25) uses a Corioliser Fco (y) acting in the Y-axis direction detected during the first driving operation by the driving means, and Fco (y) = 2mVx Using the relationship ωz, the velocity component VX in the X-axis direction of the housing is obtained, and the driving means detects the Coriolica F co (x) acting in the X-axis direction detected during the first driving operation. The velocity component Vy in the Y direction of the housing is obtained using the relationship Fco (x) = 2 ♦ mVyωz, and the driving means is detected during the second driving operation. Using the Corioliser Fco (y) acting in the Y-axis direction, the velocity component Vz in the Z-axis direction of the housing is calculated using the relationship Fco (y) = 2mVz-ωx. Asked,
X Y Z三次元座標系における筐体の速度の 方向成分 V x、 Y軸方 向成分 V y、 Z軸方向成分 V zを出力することを特徴とする速度センサ。  A speed sensor that outputs a direction component V x, a direction component V y in a Y-axis direction, and a component V z in a Z-axis direction of a casing speed in an XYZ three-dimensional coordinate system.
8. 請求項 1に記載の速度センサにおいて、 8. The speed sensor according to claim 1,
駆動手段 （2 3 ) は、 重錘体 （4 0 ) の重心 Gが所定の往復軌道 （4 2 ) 上を移動するように、 前記重錘体に対して往復運動をさせるととも に、 この往復軌道上を移動する第 1の軸について角速度 をもった自転 運動をさせ、  The driving means (23) reciprocates the weight body (40) so that the center of gravity G of the weight body (40) moves on a predetermined reciprocating trajectory (42). Make a rotation with an angular velocity about the first axis moving on the reciprocating orbit,
検出手段 （2 4 ) は、 前記重錘体に対して作用する力の第 2の軸に沿 つた方向成分を検出し、 筐体 （2 2 ) が第 3の軸に沿った方向の速度成 分 Vをもって移動している伏態のときのこの検出値と、 筐休が静止状態 のときのこの検出値と、 の差を、 前記第 2の軸方向に作用するコリオリ 力 Fcoとして求め、 The detection means (24) detects a directional component of the force acting on the weight body along the second axis, and the casing (22) detects a velocity component in a direction along the third axis. The difference between this detected value when the body is moving down by V and the detected value when the housing is stationary is determined by the Coriolis acting in the second axial direction. As a force Fco,
演算手段 （2 5) は、 Fco= 2 ♦ m ♦ V · ωなる関係を利 fflして、 第 The arithmetic means (25) calculates the relation fco = 2 ♦ m ♦ V
3の軸に沿った方向についての前記筐体の速度 Vを求めることを特徴と する速度センサ。 A speed sensor for determining a speed V of the housing in a direction along an axis of 3.
9. 請求項 8に記載の速度センサにおいて、 9. In the speed sensor according to claim 8,
駆動手段 （2 3) は、 X Y Z三次元座標系の X Z平面上に往復軌道 (4 2) を定義し、 質量 mをもった重錘休 （4 0) を、 この往復軌道に 沿って往復運動させるとともに Y紬に平行な自転铀について角速度 ω y をもった自転運動をさせ、  The driving means (2 3) defines a reciprocating trajectory (4 2) on the XZ plane of the XYZ three-dimensional coordinate system, and reciprocates a weight rest (40) having a mass m along this reciprocating trajectory. And make a rotation with the angular velocity ω y about the rotation 铀 parallel to the Y
検出手段 （24 ) は、 前記重錘体に対して作用する力の Xflll方向成分 F Xおよび Z軸方向成分 F zを検出し、 筐体 （22) が所定速度 Vをも つて移動している状態のときのこれらの検出値と、 筐体が静止状態のと きのこれらの検出値と、 の差を、 重錘体に対して X軸方向に作用するコ リオリカ Fco() および Z軸方向に作用するコリオリカ Fco(z) として それぞれ求め、  The detecting means (24) detects the Xflll direction component FX and the Z axis direction component Fz of the force acting on the weight body, and the state in which the housing (22) is moving at a predetermined speed V. The difference between these detected values at the time of and the detected values at the time of the case where the housing is in a stationary state is calculated by comparing the weights of the corerica Fco () acting on the weight in the X-axis direction and the Z-axis direction. Working as Coriolis Fco (z),
演算手段 （2 5) は、 Fco(z) = 2 · m ♦ V X · ω yなる関係を利用 して筐体の X軸方向の速度成分 V Xを求め、 Fco(x) = 2 · m · V z · ω yなる関係を利用して筐体の Z軸方向の速度成分 V zを求め、  The calculation means (25) obtains the velocity component VX in the X-axis direction of the housing using the relationship of Fco (z) = 2mVXyωy, and Fco (x) = 2mV The velocity component V z in the Z-axis direction of the housing is obtained using the relationship z
XY Z三次元座標系における筐体の速度の X ΐ由方向成分 V Xおよび Z 軸方向成分 V ζを出力することを特徴とする速度センサ。  A velocity sensor that outputs an X free direction component V X and a Z axis direction component V of the speed of the housing in an XY Z three-dimensional coordinate system.
10. 請求項 8に記載の速度センサにおいて、 10. The speed sensor according to claim 8,
駆動手段 （2 3) は、 ΧΥ Ζ三次元座標系の Χ Ζ平面上に往復軌道 (51) を定義し、 質量 mをもった重錘体 （50) を、 この往復軌道に 沿って往復運動させるとともに Y lに平行な自転蚰について角速度 ω y をもった自転運動をさせる第 1の駆動動作と、 X Y Z三次元座標系の Y Z平面上に往復軌道を定義し、 質量 mをもった重錘体 （50) を、 この 往復軌道に沿って往復運動させるとともに X軸に平行な自転軸について 角速度 ω Xをもった自転運動をさせる第 2の駆動動作とを交互に行い、 検出手段 （24) は、 前記重錘体に対して作用する力の X铀方向成分 F Xおよび Ζ軸方向成分 F ζを検出し、 筐体 （22) が所定速度 Vをも つて移動している状態のときのこれらの検出値と、 筐体が静止状態のと きのこれらの検出値と、 の差を、 重錘体に対して X軸方向に作用するコ リオリカ Fco(x) および Ζΐ由方向に作用するコリオリカ Fco(z) として それぞれ求め、 The driving means (2 3) has a reciprocating trajectory on the Χ Ζ plane of the three-dimensional coordinate system. (51), the weight body (50) having the mass m is reciprocated along this reciprocating trajectory, and the rotating body having the angular velocity ω y is rotated with respect to the rotation parallel to Y l. The reciprocating trajectory is defined on the YZ plane of the XYZ three-dimensional coordinate system, and the weight (50) having the mass m is reciprocated along this reciprocating trajectory, and is rotated parallel to the X axis. The second drive operation for rotating the shaft with the angular velocity ωX is alternately performed with respect to the axis, and the detecting means (24) detects the X 、 direction component FX and the Ζ axis direction of the force acting on the weight body. Component F 検 出 is detected, and the difference between these detected values when the housing (22) is moving at the predetermined speed V and these detected values when the housing is stationary is detected. Is the Coriolis Fco (x) acting on the weight in the X-axis direction and the Coriolis Fco (z)
演算手段 （25) は、 前記駆動手段が第 1の駆動動作中に検出された Z軸方向に作用するコリオリカ Fco(z) を用い、 Fco(z) = 2 · m♦ V x · ω yなる関係を利用して筐体の X軸方向の速度成分 V xを求め、 前 記駆動手段が第 1の駆動動作中に検出された X紬方向に作用するコリオ リカ Fco(x) を用い、 Fco(x) = 2 · m · V z · co yなる関係を利用し て筐体の Z$も方向の速度成分 V zを求め、 前記駆動手段が第 2の駆動動 作中に検出された Z蚰方向に作用するコリオリカ Fco(z) を用い、 Fco (z) - 2 · m · V y · ω χなる関係を利用して筐体の Y軸方向の速度成 分 V yを求め、  The calculating means (25) uses a Corioliser Fco (z) acting in the Z-axis direction detected during the first driving operation by the driving means, and Fco (z) = 2mVxxωy Using the relationship, a velocity component Vx in the X-axis direction of the housing is obtained, and the driving means uses Coriolica Fco (x) acting in the X-pong direction detected during the first driving operation to obtain Fco (x) = 2mVzCoy is used to determine the velocity component Vz in the direction of Z $ of the housing, and the drive means detects Z during the second drive operation. Using the Corioliska Fco (z) acting in the direction of the shaft, the velocity component Vy in the Y-axis direction of the housing is obtained using the relationship Fco (z)-2mVy
X Y Z三次元座標系における筐体の速度の X軸方向成分 V x、 Y蚰方 向成分 V y、 Z軸方向成分 V zを出力することを特徴とする速度センサ。 A velocity sensor that outputs an X-axis direction component Vx, a Y-axis direction component Vy, and a Z-axis direction component Vz of a casing speed in an XYZ three-dimensional coordinate system.
1 1. 請求項 9または 1 0に記載の速度センサにおいて、 1 1. The speed sensor according to claim 9 or 10,
検出手段 （24) が、 重錘休の往復運動の X 由方向に関する振幅の変 動分を検出し、 この変動分を、 重錘体に対して X軸方向に作用するコリ オリ力 Fco(x) とすることを特徴とする速度センサ。  The detecting means (24) detects a change in the amplitude of the reciprocating motion of the weight rest in the X-direction, and detects the change in the Coriolis force Fco (x) acting on the weight in the X-axis direction. A speed sensor characterized by the following.
12. 請求項 9または 1 ◦に記載の速度センサにおいて、 12. In the speed sensor according to claim 9 or 1 ◦,
検出手段 （24) が、 重錘休の往復軌道の Z軸方向に関する偏りを検 出し、 この偏りを、 重錘体に対して Z軸方向に作用するコリオリカ Fco (z) とすることを特徴とする速度センサ。  The detecting means (24) detects a deviation of the reciprocating orbit of the weight rest in the Z-axis direction, and determines this deviation as Coriolis Fco (z) acting on the weight body in the Z-axis direction. Speed sensor.
13. 請求項 1に記載の速度センサにおいて、 13. The speed sensor according to claim 1,
X Y Z三次元座標系において、 長手方向が X軸に沿うように振動子 (60 ; 70 ; 75 ; 80 ; 91, 92) を配置し、 この振動子の所定 位置を台座 （61 , 62) によって筐体に対して支持固定し、 前記振動 子の自由端が重錘体として機能し、 前記台座が支持手段として機能する ように構成し、  In the XYZ three-dimensional coordinate system, the vibrator (60; 70; 75; 80; 91, 92) is arranged so that the longitudinal direction is along the X axis, and the predetermined position of this vibrator is set by the pedestals (61, 62). The oscillator is supported and fixed to a body, the free end of the vibrator functions as a weight body, and the pedestal functions as a support means.
前記振動子の自由端を X Z平面内で変位させるための力を発生させる 力発生器 （63， 66 ; 71 ; 76 : 81 ; 96) によって駆動手段を 構成し、  Driving means is constituted by a force generator (63, 66; 71; 76: 81; 96) for generating a force for displacing the free end of the vibrator in the XZ plane;
前記自由端の X Z平面内での実際の変位を検出する変位検出器 （64， 65, 67, 68 ； 72, 73 ； 77, 78 : 82, 83 ； 97, 98) によつて検出手段を構成し、 前記力発生器によつて発生した力に基づく 変位と、 前記変位検出器が検出した実際の変位と、 の差分に基づいて、 前記自由端に作用した Z軸方向のコリオリカ F coを求め、 演算手段が、 求めたコリオリカ Fcoに基いて、 X铀方向に沿った方向 についての前記振動子の速度 Vwを求めることを特徴とする速度センサ。 Detecting means is constituted by a displacement detector (64, 65, 67, 68; 72, 73; 77, 78: 82, 83; 97, 98) for detecting the actual displacement of the free end in the XZ plane. Then, based on the difference between the displacement based on the force generated by the force generator and the actual displacement detected by the displacement detector, a Corioliser Fco acting on the free end in the Z-axis direction is obtained. , A speed sensor for calculating a speed Vw of the vibrator in a direction along the X 铀 direction based on the obtained Coriolis Fco.
14. 請求項 13に記載の速度センサにおいて、 14. The speed sensor according to claim 13,
X軸方向に所定距離おいて配置された一対の台座 （61， 62) によ つて振動子 （60) を支持固定し、 この一対の台座より外側に位置する 両端部分がそれぞれ第】の自由端および第 2の自由端として機能するよ うに構成し、  The vibrator (60) is supported and fixed by a pair of pedestals (61, 62) arranged at a predetermined distance in the X-axis direction, and both ends located outside the pair of pedestals are the first free ends, respectively. And configured to function as a second free end,
前記振動子の前記一対の台座に挟まれた中央部に固着された圧電素子 (63) と、 この圧電素子に交流電圧を供給する交流電源 （66) と、 によって力発生器を構成し、  A piezoelectric element (63) fixed to a central portion of the vibrator sandwiched between the pair of pedestals, and an AC power supply (66) for supplying an AC voltage to the piezoelectric element, constitute a force generator,
前記第 1の自由端に固着された第 1の圧電素子 （64) と、 前記第 2 の自由端に固着された第 2の圧電素子 （65) と、 前記第 ]の圧電素子 に発生する電圧を検出する第 1の電圧計 （67) と、 前記第 2の圧電素 子に発生する電圧を検出する第 2の電圧計 (68) と、 によって変位検 出器を構成し、 前記第 1の電圧計の出力と前記第 2の電圧計の出力との 差に基づいて、 コリオリカ Fcoを求めることを特徴とする速度センサ。  A first piezoelectric element (64) fixed to the first free end; a second piezoelectric element (65) fixed to the second free end; And a second voltmeter (68) for detecting a voltage generated in the second piezoelectric element, and a first voltmeter (67) for detecting the voltage of the second piezoelectric element. A speed sensor for determining Coriolis Fco based on a difference between an output of a voltmeter and an output of the second voltmeter.
1 5. 請求項 14に記載の速度センサにおいて、 1 5. The speed sensor according to claim 14,
振動子 （60) がもつ固有の振動モードで最も変位が少ない一対のノ -ド位置に、 一対の台座 （61 , 62) を配置したことを特徴とする速 度センサ。 A speed sensor characterized in that a pair of pedestals (61, 62) are arranged at a pair of node positions where displacement is the least in the vibration mode unique to the vibrator (60).
16. 請求項 1に記載の速度センサにおいて、 16. In the speed sensor according to claim 1,
周囲部が筐体 （140 ； 240 ； 350) に固定され、 中心部に重錘 体 （120 : 220 : 340) が固着され、 可撓性を有する可撓性基板 (1 10 ; 21 0 ; 31 0) によって支持手段が構成され、  The periphery is fixed to the housing (140; 240; 350), the weight (120: 220: 340) is fixed to the center, and the flexible substrate (110; 210; 31) having flexibility is provided. 0) constitutes the support means,
駆動手段は、 前記可撓性基板の所定箇所に対して所定方向の力を作 ffl させる力発生器を有し、 この力発生器は前記可撓性基板上の複数箇所に 配置され、  The driving means has a force generator for generating a force in a predetermined direction on the predetermined portion of the flexible substrate, and the force generator is arranged at a plurality of positions on the flexible substrate;
検出手段は、 前記可撓性基板の所定箇所の所定方向への変位を検出す る変位検出器を有し、 この変位検出器は前記可撓性基板上の複数箇所に 配置されていることを特徴とする速度センサ。  The detecting means has a displacement detector for detecting a displacement of a predetermined portion of the flexible substrate in a predetermined direction, wherein the displacement detector is arranged at a plurality of positions on the flexible substrate. Characteristic speed sensor.
17. 請求項 1に記載の速度センサにおいて、 17. In the speed sensor according to claim 1,
中心部が筐体 （440) に固定され、 周囲部に重錘休 （420) が固 着され、 可撓性を有する可撓性基板 （4 1 0) によって支持手段が構成 され、  The central part is fixed to the housing (440), the weight rest (420) is fixed to the peripheral part, and the flexible means (410) having flexibility constitutes support means.
駆動手段は、 前記可撓性基板の所定箇所に対して所定方向の力を作用 させる力発生器を有し、 この力発生器は前記可撓性基板上の複数箇所に 配置され、  The driving means has a force generator for applying a force in a predetermined direction to a predetermined portion of the flexible substrate, and the force generator is disposed at a plurality of positions on the flexible substrate,
検出手段は、 前記可撓性基板の所定箇所の所定方向への変位を検出す る変位検出器を有し、 この変位検出器は前記可撓性基板上の複数箇所に 配置されていることを特徴とする速度センサ。  The detecting means has a displacement detector for detecting a displacement of a predetermined portion of the flexible substrate in a predetermined direction, wherein the displacement detector is arranged at a plurality of positions on the flexible substrate. Characteristic speed sensor.
18. 請求項 16または 1 7に記載の速度センサにおいて、 18. The speed sensor according to claim 16 or 17,
可撓性基板の表面が XY平面に平行になり、 重錘休の重心位置に Z軸 O 96/38711 The surface of the flexible substrate is parallel to the XY plane, and the Z axis is O 96/38711
が通るような ΧΥ ζ三次元座標系を定義し、 通 る ζ Define a three-dimensional coordinate system such that
前記可撓性基板の X軸の正の領域および負の領域に、 ζ$ήに沿った方 向に力を作用させる力発生器 （G 1 1， G 1 3, Ε 1 0 ； Ε 3 1 , Ε 3 3, Ε 36, Ε 38、 330 ； Ε 3 1 G, Ε 33 G ； U 1 1 , U 1 3, L 1 1 , L 1 3 ； U4 1 , U43, L 4 1 , し 43, 330 ； 345) をそれぞれ配置し、 これらの力発生器を周期的に動作させることにより、 重錘体を X Ζ平面上の円弧状軌道 （52 : 160) に沿って往復運動さ せるとともに、 Υ軸に平行な軸について角速度 ω yをもつた自転運動を させることを特徴とする速度センサ。  A force generator (G11, G13, Ε10; Ε31) that applies a force to the positive and negative regions of the X-axis of the flexible substrate in the direction along ζ $ ή. , Ε33, Ε36, Ε38, 330; Ε31G, Ε33G; U11, U13, L11, L13; U41, U43, L41, 4343, 330; 345), and these force generators are operated periodically to make the weight reciprocate along an arc-shaped trajectory (52: 160) on the XΖ plane. A speed sensor characterized in that it rotates in an axis parallel to the axis and has an angular velocity ωy.
1 9. 請求項 18に記載の速度センサにおいて、 1 9. In the speed sensor according to claim 18,
更に、 可撓性基板の原点近傍領域に、 Z蚰に沿つた方向に力を作用さ せる力発生器 （G 1 5, E 1 0 ； E 35, E 40, 330 ； E 35 G ) を配置し、 各力発生器を周期的に動作させることにより、 重錘休を XZ 平面上の円弧状軌道 （52 : 1 60) に沿って往復運動させるとともに、 Y拳由に平行な軸について角速度 ω yをもつた自転運動をさせることを特 徵とする速度センサ。  Furthermore, a force generator (G15, E10; E35, E40, 330; E35G) for applying a force in the direction along the Z axis is arranged in the area near the origin of the flexible substrate. By operating each force generator periodically, the weight rest reciprocates along an arc-shaped trajectory (52: 160) on the XZ plane, and the angular velocity ω A speed sensor that specializes in rotating motion with y.
20. 請求項 18または 1 9に記載の速度センサにおいて、 20. The speed sensor according to claim 18 or 19,
更に、 可撓性基板の Y ibの正の領域および負の領域に、 Z軸に沿った 方向に力を作用させる力発生器 （G 1 2, G 1 3, E 1 0 ； E 32, E 34, E 37, E 39, 330 ； U 1 2 , U 14, L 1 2, L 14 ； U 42， U44, L42, L 44, 33 ϋ ； 345 ) をそれぞれ配置し、 これらの力発生器を周期的に動作させることにより、 重錘体を Υ Ζ平面  Further, a force generator (G12, G13, E10; E32, E) for applying a force to the positive and negative regions of Yib of the flexible substrate in the direction along the Z-axis. 34, E 37, E 39, 330; U12, U14, L12, L14; U42, U44, L42, L44, 33ϋ; 345) and arrange these force generators By operating periodically, the weight body can be
3 上の円弧状軌道 （54) に沿って往復運動させるとともに、 X軸に平行 な軸について角速度 ω Xをもった自転運動をさせることを特徴とする速 度センサ。 Three A speed sensor characterized by reciprocating along an arcuate orbit (54) above and rotating along an axis parallel to the X axis with an angular velocity ωX.
21. 請求項 16または 17に記載の速度センサにおいて、 21. The speed sensor according to claim 16 or 17,
可撓性基板の表面が ΧΥ平面に平行になり、 重錘体の重心位置に Ζ軸 が通るような ΧΥ Ζ三次元座標系を定義し、  Define a three-dimensional coordinate system in which the surface of the flexible substrate is parallel to the plane, and the axis passes through the center of gravity of the weight.
前記可撓性基板の X軸の正の領域および負の領域に、 X铀に沿つた方 向に力を作用させる力発生器 （G 21 , G 23, Ε 20, 250 ； U 2 1, U 23, L 20, 250 ； U 26 , U 28, L 25, 250) をそ れぞれ配置し、 これらの力発生器を周期的に動作させることにより、 重 錘体を ΧΖ平面上の円弧状軌道 （52) に沿って往復運動させるととも に、 Υ軸に平行な軸について角速度 ω yをもった自転運動をさせること を特徴とする速度センサ。  A force generator (G21, G23, Ε20, 250; U21, U) for applying a force in a direction along X 铀 to a positive region and a negative region of the X axis of the flexible substrate. 23, L20, 250; U26, U28, L25, 250), respectively, and by periodically operating these force generators, the weight body is shaped like an arc on a ΧΖ plane. A speed sensor characterized by reciprocating along a trajectory (52) and rotating with an angular speed ωy about an axis parallel to the Υ axis.
22. 請求項 21に記載の速度センサにおいて、 22. The speed sensor according to claim 21,
更に、 可撓性基板の Y軸の正の領域および負の領域に、 Y铀に沿った 方向に力を作用させる力発生器 （G 22, G 24, E 20, 250 ； U 22， U 24, L 20, 250 ； U 27, U 29, L 25, 250) を それぞれ配置し、 これらの力発生器を周期的に動作させることにより、 重錘休を Y Z平面上の円弧状軌道 （54) に沿って往復運動させるとと もに、 X軸に平行な軸について角速度 ω Xをもった自転運動をさせるこ とを特徴とする速度センサ。  Further, a force generator (G22, G24, E20, 250; U22, U24) for applying a force to the positive region and the negative region of the Y-axis of the flexible substrate in the direction along Y 铀. , L20, 250; U27, U29, L25, 250), respectively, and by operating these force generators periodically, the weight rest is reduced to an arc-shaped orbit on the YZ plane (54) A speed sensor characterized by reciprocating along an axis and rotating in an axis parallel to the X axis with an angular velocity ωX.
54 一 54 one
23. 請求項 1 6または 17に記載の速度センサにおいて、 23. The speed sensor according to claim 16 or 17,
可撓性基板の表面が X Y平面に平行になり、 重錘休の重心位置に Z軸 が通るような XY Z三次元座標系を定義し、  The XY Z three-dimensional coordinate system is defined such that the surface of the flexible substrate is parallel to the XY plane, and the Z axis passes through the center of gravity of the weight rest.
前記可撓性基板の X軸の正の領域および負の領域に、 Z軸に沿った方 向への変位を検出する変位検出器 （D 1 1 , D 13, E 1 0 ； E 31, Displacement detectors (D11, D13, E10; E31) for detecting displacement in the direction along the Z-axis are provided in the positive and negative regions of the X-axis of the flexible substrate.
E 33, E 36, E 38, 330 ； E 31 D, E 33 D ； L 1 1 , L 1E33, E36, E38, 330; E31D, E33D; L11, L1
3, U 1 1 , U 1 3 ； U41 , U43, L 41 , L 43, 330 ； 34 5) をそれぞれ配置し、 これら変位検出器が検出した変位の差に基づい て、 重錘体の X軸方向に作用するコリオリカ Fco(x) を検出することを 特徴とする速度センサ。 3, U11, U13; U41, U43, L41, L43, 330; 34 5) are arranged, and based on the difference between the displacements detected by these displacement detectors, the X-axis A velocity sensor that detects Coriolis Fco (x) acting in a direction.
24. 請求項 23に記載の速度センサにおいて、 24. The speed sensor according to claim 23,
更に、 可撓性基板の原点近傍領域に、 Z軸に沿った方向への変位を検 出する変位検出器 （D 1 5, E 10 ； E 35, E40) を配置し、 この 変位検出器が検出した変位に基づいて、 重錘体の Zi i方向に作用するコ リオリカ Fco(z) を検出することを特徴とする速度センサ。  Furthermore, a displacement detector (D15, E10; E35, E40) for detecting displacement in the direction along the Z-axis is arranged in the area near the origin of the flexible substrate, and this displacement detector is A speed sensor characterized by detecting a corerica Fco (z) acting on the weight body in the Zi i direction based on the detected displacement.
25. 請求項 23または 24に記載の速度センサにおいて、 25. The speed sensor according to claim 23 or 24,
更に、 可撓性基板の Y lllの正の領域および負の領域に、 Z蚰に沿った 方向への変位を検出する変位検出器 （D 1 2， D 14, E 1 0 ； E 32 , E 34, E 37, E 39, 330 ； E 32 D , E 34 D ; L 1 2, L 1 Further, displacement detectors (D12, D14, E10; E32, E) for detecting the displacement in the direction along the Z axis are provided in the positive and negative areas of Yll on the flexible substrate. 34, E 37, E 39, 330; E 32 D, E 34 D; L 1 2, L 1
4, U 1 2, U 14 ； U42, U 44 , L 42, レ 44, 330 ; 34 5) をそれぞれ配置し、 これら変位検出器が検出した変位の差に基づい て、 重錘体の Y紬方向に作用するコリオリカ Fco(y) を検出することを 4, U12, U14; U42, U44, L42, L44, 330; 345) are arranged, and based on the difference between the displacements detected by these displacement detectors, To detect Coriolis Fco (y) acting in
1 5 特徴とする速度センサ。 1 5 Characteristic speed sensor.
26. 請求項 23に記載の速度センサにおいて、 26. The speed sensor according to claim 23,
X軸の正の領域および負の領域にそれぞれ配置された変位検出器が検 出した変位の和に基づいて、 重錘体の Z$ili方向に作用するコリオリカ F co(z) を検出することを特徴とする速度センサ。  Detecting Corioliser F co (z) acting in the Z $ ili direction of the weight based on the sum of the displacements detected by the displacement detectors located in the positive and negative areas of the X-axis, respectively. A speed sensor characterized by the above-mentioned.
27. 請求項 16または 17に記載の速度センサにおいて、 27. The speed sensor according to claim 16 or 17,
可撓性基板の表面が XY平面に平行になり、 重錘休の重心位置に Z蚰 が通るような XYZ三次元座標系を定義し、  An XYZ three-dimensional coordinate system is defined in which the surface of the flexible substrate is parallel to the XY plane, and Z passes through the center of gravity of the weight rest.
前記可撓性基板の X軸の正の領域および負の領域に、 X蚰に沿った方 向への変位を検出する変位検出器 （D 21 , D 23, D 25, D 27, E 20, 250 ； U 21 , U 23, L 20, 250 ； U 26, U 28, L 25, 25◦) をそれぞれ配置し、 これら変位検出器が検出した変位 に基づいて、 重錘体の X軸方向に作用するコリオリカ Fco(x) を検出す ることを特徴とする速度センサ。  Displacement detectors (D 21, D 23, D 25, D 27, E 20) for detecting displacement in the direction along the X axis are provided in the positive region and the negative region of the X axis of the flexible substrate. U21, U23, L20, 250; U26, U28, L25, 25◦), respectively, and based on the displacement detected by these displacement detectors, A speed sensor characterized by detecting the acting Coriolis Fco (x).
28. 請求項 27に記載の速度センサにおいて、 28. The speed sensor according to claim 27,
更に、 可撓性基板の Υ$ώの正の領域および負の領域に、 Yiiliに沿った 方向への変位を検出する変位検出器 （D 22, D 24, D 26, D 28, E 20, 250 ； U 22, U 24, L 20, 250 ； U 27, U 29, L 25, 250) をそれぞれ配置し、 これら変位検出器が検出した変位 に基づいて、 重錘体の Y 方向に作用するコリオリカ Fco(y) を検出す ることを特徴とする速度センサ。 In addition, displacement detectors (D22, D24, D26, D28, E20, D20) detect the displacement in the direction along Yiili in the positive and negative regions of Υ $ ώ on the flexible substrate. 250; U22, U24, L20, 250; U27, U29, L25, 250), respectively, and act in the Y direction of the weight body based on the displacement detected by these displacement detectors. A speed sensor that detects Coriolis Fco (y).
29. 請求項 27または 28に記載の速度センサにおいて、 29. The speed sensor according to claim 27 or 28,
X軸の正の領域および負の領域にそれぞれ配置された変位検出器が検 出した変位に基づいて、 重錘体の Z紬方向に作用するコリオリ力 Fco (z) を検出することを特徴とする速度センサ。  It is characterized by detecting the Coriolis force Fco (z) acting on the weight body in the Z-pong direction based on the displacements detected by the displacement detectors arranged in the positive and negative areas of the X-axis, respectively. Speed sensor.
30. 請求項 16または 17に記載の速度センサにおいて、 30. The speed sensor according to claim 16 or 17,
可撓性基板 （1 10) 上に形成された第 1の電極 （G 1 1 - G 1 5， D 1 1— D 15 ; L 1 1— L 14) と、 この可撓性基板に対向して設け られた固定基板 （1 50) 上に形成された第 2の電極 （E 10 ； U 1 1 一 U 14) と、 の一対の電極からなる容量素子によって、 力発生器およ び変位検出器を構成したことを特徴とする速度センサ。  A first electrode (G11-G15, D11-D15; L11-L14) formed on the flexible substrate (1 10); A second electrode (E10; U11-U14) formed on a fixed substrate (150) provided with a capacitor and a capacitive element composed of a pair of electrodes, a force generator and displacement detection A speed sensor characterized by comprising a device.
31. 請求項 16または 1 7に記載の速度センサにおいて、 31. The speed sensor according to claim 16 or 17,
可撓性基板 （210) 上に形成された第 1の電極 （E 2 ϋ ； L 20 ； L 25) と、 この第 1の電極上に前記可撓性基板の撓みが伝達されるよ うに固着された圧電素子 （250) と、 この圧電素子の上の前記第 1の 電極に対向する位置に形成された第 2の電極 （G 21— G 24， D 21 -D 28 ; U 21 -U 24 ； U 26 - U 29) と、 によって、 力発生器 および変位検出器を構成したことを特徴とする速度センサ。  A first electrode (E 2 ；; L 20; L 25) formed on a flexible substrate (210), and a first electrode (E 2 ϋ; L 20; L 25) fixed to the first electrode so that the deflection of the flexible substrate is transmitted; And a second electrode (G21-G24, D21-D28; U21-U24) formed on the piezoelectric element at a position facing the first electrode. U26-U29) and a speed sensor comprising a force generator and a displacement detector.
32. 請求項 16または 17に記載の速度センサにおいて、 32. The speed sensor according to claim 16 or 17,
可撓性基板 （310) 上に形成された第 1の電極 （E 36— E 40 ； L4 1 - L44) と、 この可撓性基板に対向して設けられた固定基板 (320) 上に形成された第 2の電極 （E 31— E 35 ; U4 1 - U4 4) と、 これら一対の電極間に設けられた圧電素子 （330) と、 によ つて、 力発生器および変位検出器を構成したことを特徴とする速度セン サ。 A first electrode (E36-E40; L41-L44) formed on the flexible substrate (310) and a fixed electrode (320) provided opposite to the flexible substrate. Second electrode (E 31— E 35; U4 1-U4 4) and a piezoelectric element (330) provided between the pair of electrodes, thereby constituting a force generator and a displacement detector.
33. 請求項 16または 17に記載の速度センサにおいて、 33. The speed sensor according to claim 16 or 17,
力発生器としての機能と変位検出器としての機能とを併せもった兼用 器を用いることにより、 駆動手段の一部分と検出手段の一部分とを物理 的に同一の要素によって構成したことを特徴とする速度センサ。  By using a dual-purpose device that has both a function as a force generator and a function as a displacement detector, a part of the driving means and a part of the detecting means are physically constituted by the same element. Speed sensor.
34. 請求項 16または 17に記載の速度センサにおいて、 34. The speed sensor according to claim 16 or 17,
板状の基板 （11◦ ； 210) の周囲部 （113 ； 213) と中心部 (111 ; 211) との間に環状の溝を掘ることにより肉厚の薄い可撓 部 （112 ； 212) を形成し、 この可撓部の橈みによって、 前記中心 部が前記周囲部に対して変位を生じるような構造にし、 前記板状の基板 によって可撓性基板を構成したことを特徴とする速度センサ。  A thin flexible portion (112; 212) is formed by digging an annular groove between the periphery (113; 213) and the center (111; 211) of the plate-like substrate (11◦; 210). A speed sensor, wherein the flexible portion is formed by a radius of the flexible portion so that the central portion is displaced with respect to the peripheral portion; .
35. 請求項 16または 17に記載の速度センサにおいて、 35. The speed sensor according to claim 16 or 17,
可撓性基板の基板面に XY平面を、 この基板面に垂直な方向に Z軸を、 それぞれ配置してなる X Y Z三次元座標系を定義したときに、  When defining the XY plane on the substrate surface of the flexible substrate and the Z axis in the direction perpendicular to the substrate surface, an XYZ three-dimensional coordinate system is defined,
重錘休の X軸方向に関する共振周波数 f r (x) と、 Z軸方向に関する 共振周波数 f r (z) とがほぼ等しくなる構造を有することを特徴とする 速度センサ。 A speed sensor having a structure in which a resonance frequency fr (x) in the X-axis direction of the weight rest is substantially equal to a resonance frequency fr (z) in the Z-axis direction.
36. 請求項 35に記載の速度センサにおいて、 36. The speed sensor according to claim 35,
更に、 重錘体の 由方向に関する共振周波数 f r (y) と、 Xf由方向に 関する共振周波数 f r (x) とがほぼ等しくなる構造を有することを特徴 とする速度センサ。  Furthermore, a velocity sensor having a structure in which a resonance frequency fr (y) in the free direction of the weight body and a resonance frequency fr (x) in the free direction of the Xf are substantially equal.
37. 請求項 1に記載の速度センサにおいて、 37. The speed sensor according to claim 1,
筐体 （350) に固着された固定基板 （320) と、 この固定基板の 下方に固定された圧電素子 （330) と、 により支持手段を構成し、 前 記圧電素子の下方に重錘体 （345) を固着し、  A support means is constituted by a fixed substrate (320) fixed to the housing (350) and a piezoelectric element (330) fixed below the fixed substrate, and a weight ( 345)
前記圧電素子の所定位置に電荷を供袷する手段によって駆動手段を構 成し、  A driving means is constituted by means for supplying electric charges to a predetermined position of the piezoelectric element,
前記圧電素子の所定位置に発生する電荷を測定する手段によって検出 手段を構成したことを特徴とする速度センサ。  A speed sensor, wherein the detecting means is constituted by means for measuring a charge generated at a predetermined position of the piezoelectric element.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010511859A (en) * 2006-11-30 2010-04-15 コーニング インコーポレイテッド Method and apparatus for image distortion measurement

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