JPH08145683A

JPH08145683A - 加速度・角速度検出装置

Info

Publication number: JPH08145683A
Application number: JP6281032A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Okazaki; 光宏岡崎; Jun Iwasaki; 純岩崎
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-11-16
Filing date: 1994-11-16
Publication date: 1996-06-07
Also published as: US5691471A

Abstract

(57)【要約】【目的】一つの装置で３軸の角速度と３軸の角速度を
検出する【構成】質量体６と、質量体６に接合され、質量体６
の変位に応じて変形可能な可撓部２と、可撓部２を支持
する周辺支持体１と、可撓部２の変形を検出する変形検
出部材１２〜２３と、質量体６を２次元的に加振する加
振部材２４〜３１とから構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の軸方向に対応す
る加速度及び角速度を検出する加速度・角速度検出装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、手振れ防止カメラ、自動車のアク
ティブサスペンション、自動車、航空機及び船舶等で利
用されるナビゲーションシステムなどで、慣性センサを
用いて運動体の移動量や姿勢を検出することが行われて
いる。このような慣性センサとしては、加速度検出装置
や角速度検出装置がある。そして、航空機で行われてい
る方法では、３軸の加速度と３軸の角速度を検出して、
航空機の姿勢、位置、速度等を計算している。そのた
め、航空機で行われている方法では３個の加速度検出装
置と３個の角速度検出装置が必要である。また、手振れ
補正カメラでは、２個の振動ジャイロ（角速度検出装
置）で２軸の角速度を検出し、手振れ補正を行ってい
る。

【０００３】しかしながら、１個の加速度検出装置で１
軸の加速度あるいは１個の角速度検出装置で１軸の角速
度を検出する従来の方法では、検出する加速度および角
速度の種類（検出しようとする加速度及び角速度の軸の
数）と同じ個数の加速度検出装置および角速度検出装置
を必要とするため、多くの検出装置が必要となる。従っ
て、複数の軸に対応する加速度及び角速度を検出しよう
とすると、装置全体の価格が高くなり、また、複数の検
出装置を取り付けるために広いスペースを要する等の問
題点を有していた。

【０００４】そのような問題点を解決するために、特開
平５−２４８８７２号公報では１軸の角速度と３軸の加
速度を検出することが可能な加速度・角速度検出装置が
提案されている。この装置を上から見た概略平面図を図
２２に示す。この装置は、シリコンからなる基板１０１
上に、正方形の４つの頂点に位置するように導電性パタ
ーンにより脚部１０２が固着形成されている。この４つ
の脚部１０１間にアーム部１０２（１０２ａ、１０２
ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ）が形成されている。これらア
ーム部１０２は基板１００上には固定されずに浮いた状
態とされている。尚、アーム部１０２は、脚部１０１の
近傍に透孔１０３が形成されているため、アーム部１０
２の透孔１０３が形成されている領域は可撓性となる。
また、４つのアーム部１０２の中心から支持アーム部１
０４（１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ）が延
びていてその他端には質量部１０５が設けられている。
尚、支持アーム部１０４及び質量部１０５もアーム部１
０２と同様に基板１００上には固定されずに、浮いた状
態とされている。さらに、アーム部１０２の中央部には
外側に向かって第１櫛形電極１０６（１０６ａ、１０６
ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ）が形成されている。上記した
アーム部１０２、支持アーム部１０４、質量部１０５及
び第１櫛形電極１０６から慣性機構部が構成される。そ
して、第１櫛形電極１０６の対面には第２櫛形電極１０
７（１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄ）が配置
されている。

【０００５】次に、この装置の動作を説明する。第２櫛
形電極１０７ａ、１０７ｃにそれぞれＶ_P＋Ｖ_dｓｉｎω
ｔ，Ｖ_P−Ｖ_dｓｉｎωｔの電圧を印加する。ここでＶ_P
は直流バイアス電圧であり、Ｖ_dｓｉｎωｔは駆動用交
流電圧である。この結果、第２櫛形電極１０７ａ、１０
７ｃに対向する第１櫛形電極１０６ａ、１０６ｃに静電
気力が生じ、駆動周波数をｘ軸方向の共振周波数と等し
くすると慣性機構部はｘ方向に共振する。この状態でｚ
軸（図のｘ軸、ｙ軸に垂直な軸）回りに回転角速度Ω₀
が加わると質量部１０５は振動方向と垂直な方向である
ｙ軸方向にコリオリの力が働き、このコリオリの力によ
り慣性機構部はｙ軸方向にも共振する。このとき、２組
の対向する櫛形電極１０６ｂ、１０７ｂ及び、１０６
ｄ、１０７ｄの間の容量変化により振動の大きさを知る
ことができ、この振動の大きさは回転角速度Ω₀に比例
するので容量変化を検出することにより回転角速度Ω₀
を知ることができる。

【０００６】尚、この装置は加速度を検出することもで
きるため、以下に加速度の検出動作について説明する。
今、ｘ軸及びｙ軸方向に加速度ａ_x、ａ_yが加わったとす
る。この時、中央の質量部１０５には慣性力ｆ_x＝−ｍ
ａ_xとｆ_y＝−ｍａ_yがｘ軸及びｙ軸方向に働く。ここで
ｍは質量部１０５の質量である。この結果、ｘ軸方向に
生じる変位δ_xは対向する２組の櫛形電極１０６ａ、１
０７ａ及び、１０６ｃ、１０７ｃの間の容量変化により
検出することができ、ｘ方向の変位はｘ方向の加速度ａ
_xに比例するので容量変化を検出することによりｘ方向
の加速度ａ_xを検出することができる。また、ｙ軸方向
についても同様に検出することができる。尚、質量部１
０５の下面に電極を設け、その電極とある距離を離して
固定電極を設けることによってｚ軸方向の加速度を検出
することもできる。また、この一対の電極を設けること
によって、上記した角速度を検出する際にｙ軸回りの角
速度も検出することが可能である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
装置では最大３軸の加速度または２軸の角速度しか検出
することができなかった。しかしながら、航空機等で用
いられる際には３軸の加速度と３軸の角速度を検出する
必要があるため、従来の装置を用いても１つの装置で３
軸の加速度と３軸の角速度を同時に検出することができ
なかった。

【０００８】本発明は、上記問題点を鑑みて成されたも
のであり、一つの装置で３軸の角速度と３軸の角速度を
検出することが可能な加速度・角速度検出装置を提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【問題点を解決するための手段】そのため、本発明の加
速度・角速度検出装置は、質量体と、質量体に接合さ
れ、質量体の変位に応じて変形可能な可撓部と、可撓部
を支持する周辺支持体と、可撓部の変形を検出する変形
検出部材と、質量体を２次元的に加振する加振部材とか
ら構成する（請求項１）。

【００１０】この場合（請求項１）に、加振部材は可撓
部に形成された圧電体とすることは好ましい（請求項
２）。これらの場合（請求項１、２）に、変形検出部材
の出力に基づいて３軸の加速度および３軸の角速度を演
算する演算部を設けることは好ましい（請求項３）。

【００１１】

【作用】本発明では１個の検出装置で、最大、３軸の加
速度および３軸の角速度を検出することができる。その
ため、３軸の加速度及び３軸の角速度を検出したい場合
に、従来は複数の検出装置が必要であったのに対して、
本発明では１個の検出装置で十分となる。

【００１２】

【実施例】以下、実施例により本発明をより具体的に説
明するが、本発明はこれに限るものではない。以下、本
発明の第１実施例について、具体的に述べる。図１は、
本発明の第１実施例による加速度・角速度検出装置を示
す概略図であり、図１（ａ）は、第１実施例による加速
度・角速度検出装置の概略上面図であり、図１（ｂ）は
図１（ａ）の加速度・角速度検出装置をＡＡ線に沿って
切った概略断面図である。

【００１３】この加速度、角速度検出装置は、厚肉状の
周辺厚肉部１と、厚肉状の中央厚肉部３と、周辺厚肉部
１と中央厚肉部３とを接続し、上面に抵抗素子12〜23及
び圧電体24〜27が形成されている薄肉状の可撓部２と、
周辺厚肉部１にガラス層（接合層）４を介して接合さ
れ、周辺厚肉部１を支持する支持体５と、中央厚肉部３
にガラス層（接合層）１１を介して接合され、加速度・
角速度検出装置に加わる加速度及び角速度によって可撓
部２に加わる応力を増加させる働きを持つ質量体６と、
支持体５にガラス層７を介して接合される台座８とを有
する。尚、第１実施例の加速度・角速度検出装置は、シ
リコンからなる第１、２、３基板の３枚のシリコン基板
で構成されており、第１基板は周辺厚肉部１と可撓部２
と中央厚肉部３とから構成され、第２基板は支持体５と
質量部６とから構成されており、第３基板は台座８で構
成される。尚、図１には示していないが、圧電体24〜31
の下部には下部電極が設けられており、また、上部には
上部電極が設けられている。尚、第１実施例では質量体
６は厚肉部３を介して可撓部２に接合されているが、厚
肉部３を設けずに、質量体６を直接、可撓部２に接合し
ても良い。

【００１４】第１実施例の加速度・角速度検出装置は通
常の半導体製造技術を用いることにより、簡単に製造す
ることができるため、その製造方法の詳細な説明は省略
するが、以下に簡単に説明する。第１実施例で用いた第
１、第２及び第３基板は（１００）面を有するシリコン
基板を用いており、第１基板はｐ型基板を用いている。
また、第１、第３基板の厚さは約２５０μｍであり、第
２基板の厚さは約１．４ｍｍである。

【００１５】まず、第１基板の上面及び下面にＬＰ−Ｃ
ＶＤ法等によって窒化膜を形成し、その後、第１基板の
上面の窒化膜を除去する。次に、窒化膜が除去された第
１基板の上面にｎ型エピタキシャル成長層を１０μｍ形
成する。更に、ｎ型エピタキシャル成長層の上にシリコ
ン酸化膜を０．６μｍ形成する。次に、薄肉状の可撓部
２を形成する領域の上面（ｎ型エピタキシャル成長層
上）に、周知のＩＣプレーナプロセスによって可撓部２
の撓みを検出する抵抗素子（歪ゲージ素子）１２〜２３
（詳しくは、不純物を拡散させることによって形成され
る拡散抵抗である）を形成し、その後、抵抗素子１２〜
２３を接続するための金属配線（Ａｌ）を形成する。こ
のとき、金属配線はシリコン酸化膜によってｎ型エピタ
キシャル成長層とは絶縁されている。尚、抵抗素子１２
〜２３は、金属配線によって図２（ａ）〜（ｃ）のよう
に、抵抗素子１２〜１５、抵抗素子１６〜１９、抵抗素
子２０〜２３をそれぞれ１組の群としてホイートストン
ブリッジ回路が組まれている。次に、圧電素子２４〜３
１に電圧を印加するための下部電極（不図示）を前記抵
抗素子が形成されている面に形成する。尚、下部電極と
前記金属配線は電気的に絶縁されるようにする。次に、
下部電極の上にＰＺＴ（圧電体）をスパッタリング法ま
たは水熱法等を用いて形成する。その後、ＰＺＴの上に
上部電極（不図示）を形成する。ところで、このような
ＰＺＴを下部及び上部電極で挟むような構造にした場
合、ＰＺＴは下部電極と上部電極の間の電圧が印加され
ている領域のみが印加された電圧の大きさに応じてその
面積が変化する。また、第１実施例では圧電体２４〜３
１のそれぞれに独立に電圧を印加するため、下部電極、
上部電極及びＰＺＴの形状は図１（ａ）に示した圧電体
２４〜３１と同じ形状にした。しかし、圧電体２４〜３
１の面積を独立に変化させるためには、下部電極、上部
電極及びＰＺＴのうち少なくとも１つの形状が図１
（ａ）に示される圧電体２４〜３１と同じ形状をしてお
り、かつ、上部電極または下部電極のいずれか一方の電
極が圧電体２４〜３１の領域に対応して独立した領域に
分かれていれば（絶縁されていれば）良い（例えば、下
部電極を１つの膜からなる共通電極とし、上部電極を圧
電体２４〜３１とほぼ同じ形状の８つの電極で構成して
も良い）。この場合、下部電極、上部電極及び前記した
抵抗素子を接続するための金属配線はそれぞれが電気的
に絶縁されるようにする。次に、第１基板の下面を水酸
化カリウム溶液等の強アルカリエッチッグ液を用いてエ
ッチングし、可撓部２を形成する。このとき、シリコン
の（１１１）面はほとんどエッチングされないため、一
定の角度を保ってシリコンはエッチングされる。また、
エッチングは電気化学エッチングを用いることによっ
て、ｎ型エピタキシャル成長層の面で停止させることが
できる。

【００１６】次に、第２基板からなる支持体５の上面に
ガラス層４、１１を形成し、陽極接合法を用いて第２基
板と第１基板を接合する。その後、第２基板から質量体
６と支持体５が構成されるように第２基板を切断する。
その後、第３基板（台座）の上面にガラス層７を形成
し、第３基板と第２基板を陽極接合法を用いて接合す
る。

【００１７】尚、第１実施例では検出装置の質量部は、
中央厚肉部３、ガラス層１１と質量体６等から構成され
る。また、可撓部２は内周、外周が八角形である薄肉構
造として図示してあるが、円形または八角形以外の多角
形の薄肉構造でもよい。また、質量体６のｘ、ｙ、ｚ軸
方向の振動が可能ならば可撓部２は梁部材を組み合わせ
た構造でもよい。

【００１８】第１実施例における質量体６の加振手段
は、可撓部２に設けられた８つの圧電体２４〜３１およ
び加振信号発生装置で構成されている。尚、第１実施例
では圧電体としてＰＺＴを用いたが、ＺｎＯ等でもよ
い。また、圧電体の代わりに磁歪素子等を用いてもよ
い。次に、加速度・角速度検出装置における質量体６の
加振状態を図３を用いて説明する。ここで、圧電体２４
と２８、２５と２９、２６と３０、２７と３１はそれぞ
れに同様な電圧が印加されそれぞれが同様な働きをする
ため、以下で同様に扱う場合は、それぞれを組として圧
電体（１）、圧電体（２）、圧電体（３）及び圧電体
（４）と呼ぶ。圧電体（１）、（２）、（３）及び
（４）の上部電極に印加する電圧の状態を図４に示す。
図４の縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示す。また、Ｖ
_d1、Ｖ_d2、Ｖ_d3、Ｖ_d4は、それぞれ圧電体（１）
（２）、（３）及び（４）の上部電極に印加する電圧の
波形である。尚、各圧電体（１）〜（４）の下に配置さ
れている下部電極の電位はグランドとしておく。圧電体
（１）および（４）が可撓部２の面内方向に伸びるよう
に、また圧電体（２）および（３）が可撓部２の面内方
向に縮むように圧電体（１）〜（４）の上下に存在する
上部及び下部電極に電圧を印加し、圧電体に電界を印加
すると、図３（ａ）のように可撓部２が変形する。具体
的には図４の時間ｔ₁のタイミングであり、圧電体
（１）、（４）の上部電極には＋Ｖの電圧を、圧電体
（２）、（３）の上部電極には−Ｖの電圧を印加する。
次に、圧電体（１）、（３）が伸びるように、圧電体
（２）、（４）が縮むように、それぞれの圧電体の上部
電極にに電圧を印加すると、図３（ｂ）のように可撓部
２が変形する。このときのそれぞれの圧電体の上部に配
置される上部電極に印加する電圧のタイミングは図４の
時間ｔ₂である。同様に圧電体（２）、（３）が伸びる
ように、圧電体（１）、（４）が縮むようにすると図３
（ｃ）の様に可撓部２が変形する。このときのそれぞれ
の圧電体の上部に配置される上部電極に印加する電圧の
タイミングは図４の時間ｔ₃である。また、圧電体
（２）、（４）が伸びるように、圧電体（１）、（３）
が縮むようにすると図３（ｄ）のように可撓部２が変形
する。このときのそれぞれの圧電体の上部に配置される
上部電極に印加する電圧のタイミングは図４の時間ｔ₄
である。したがって、上記のように加振信号発生装置で
圧電体（１）〜（４）に印加する電界を図４のように変
化させると質量体６が円状に（２次元的に）振動する。
ここで、質量体６の振動周波数を質量体６の固有振動数
に略一致させると、質量体６の振幅は増大する。

【００１９】この検出装置の検出原理を図５〜７に示
す。まず、加速度と質量体６の変位の関係について図５
を用いて説明する。図５は図１（ａ）の加速度・角速度
検出装置をＡＡ線に沿って切ったときの概略断面図であ
る。検出装置にｘ軸の負方向の加速度−ａ_xが生じる
と、ｘ軸方向に慣性力ｆ_x＝ｍａ_xが発生するので、質量
体６はｘ軸の正方向に変位する〔図５（ａ）〕。但し、
ｍは質量部の重さ、ａは加速度の大きさである。同様に
ｘ軸方向の加速度ａ_xが生じると、ｘ軸方向に慣性力ｆ_x
＝−ｍａ_xが発生するので、質量体６はｘ軸の負方向に
変位する〔図５（ｂ）〕。ｘ軸方向と同様に、ｙ軸方向
の加速度が加わると、その加速度の方向及び大きさに応
じて質量体６はｙ軸方向に変位する〔図６（ａ）、
（ｂ）〕。検出装置にｚ軸方向の加速度ａ_zが生じる
と、ｚ軸の正方向に慣性力ｆ_z＝ｍａ_zが発生するので、
質量体６はｚ軸の負方向に変位する〔図７（ａ）〕。ま
た、加速度・角速度検出装置にｚ軸の負方向の加速度−
ａ _zが生じると、ｚ軸方向に慣性力ｆ_z＝−ｍａ_zが発生
するので、質量体６はｚ軸の正方向に変位する〔図７
（ｂ）〕。

【００２０】ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸方向における質量体６
の変位量を検出する抵抗素子群はそれぞれ図２（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）のようにブリッジが組まれているため、
ｘ軸、ｙ軸方向に質量体６が変位してもｚ軸方向の質量
体６の変位を検出する図２（ｃ）のブリッジ回路の電圧
計３４の出力は変化しない。また、ｘ軸方向に質量体６
が変位してもｘ軸方向とｙ軸方向は直交しているため可
撓部２はｙ軸方向において均一に変形するためｙ軸方向
の質量体６の変位を検出する図２（ｂ）のブリッジ回路
の電圧計３３の出力は変化しない。また、逆に質量体６
がｙ軸方向に変位している場合もｘ軸方向の質量体６の
変位を検出する図２（ａ）のブリッジ回路の電圧計３２
の出力は変化しない。従って、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の質量
体６の変位は分離して検出することができる。

【００２１】次に、角速度と質量体６の変位の関係につ
いて図８〜１０を用いて説明する。前記したように、質
量体６は加振手段によってｘ軸及びｚ軸方向に加振され
ている（ｘ−ｚ面で円状に加振されている）。従って、
この検出装置にｙ軸回りの角速度ω_yが生じると、質量
体６はｚ軸方向に振動しているため、ｘ軸方向にコリオ
リ力Ｒ_x＝−２ｍω_yｖ_zが発生し、質量体６は図８のよ
うにｘ軸方向に変位する。尚、質量部の質量をｍとし、
質量部のｚ軸方向の速度をｖ_zとする。このとき、質量
体６は角速度の方向によって、変位する方向が図８
（ａ）、（ｂ）のように変化する。ここで質量体６は振
動しているため、ｚ軸方向速度ｖ_zは変化する。従っ
て、ｘ軸方向に発生するコリオリ力Ｒ_xもｖ_zに応じて変
化し、質量体６はｘ軸方向に振動する。この振動振幅の
大きさは角速度ω_yに比例する。このとき、質量体６は
ｘ軸方向にも振動しているため、ｙ軸回りの角速度ω_y
によって質量体６はｚ軸方向にもコリオリの力Ｒ_z＝−
２ｍω_yｖ_xが働き、質量体６は図９（ａ）、（ｂ）のよ
うに変化する。尚、ｚ軸方向に発生するコリオリの力Ｒ
_zもｘ軸方向に発生するコリオリの力Ｒ_xと同様にｖ_xに
応じて変化し、質量体６はｚ軸方向に振動する。この振
動振幅の大きさは角速度ω_yに比例する。

【００２２】同様に、ｘ軸回りの角速度ω_xが生じる
と、質量体６はｚ軸方向に振動しているため、質量体６
はｙ軸方向にコリオリ力Ｒ_y＝２ｍω_xｖ_zを受けて、図
１０（ａ）、（ｂ）のようにｙ軸方向に振動する。ｚ軸
回りの角速度ω_zが生じると、質量体６のｘ軸方向速度
ｖ_xのとき、ｙ軸方向にコリオリ力Ｒ_y＝−２ｍω_zｖ_xが
発生し、質量体６は図１０のようにｙ軸方向に変位す
る。角速度の方向によって、変位する方向が図１０
（ａ）、（ｂ）のように変わる。質量体６は振動してい
るため、ｘ軸方向速度ｖ_xは変化しているのでコリオリ
力Ｒ_yもｖ_xに応じて変化し、従って、質量体６はｙ軸方
向に振動する。この振動振幅の大きさは角速度ω_zに比
例する。

【００２３】次に、質量体６の変位と抵抗変化の関係に
ついて説明する。抵抗素子１２〜２３の変化は可撓部２
の変形の程度に応じて変化する。また、可撓部２は質量
体６の変位の量に応じて変形する。例えば、図７のよう
に質量体６がｚ軸方向に変位をしている場合であって、
質量体６が図７（ａ）の状態であるとき、抵抗素子１
２、１５は抵抗値が増大し、抵抗素子１３、１４は抵抗
値が減少する。これは、可撓部２の抵抗素子１２、１５
が伸び、抵抗素子１３、１４が縮むからである。逆に、
質量体６が図７（ｂ）の状態にあるとき、抵抗素子１
２、１５は抵抗値が減少し、抵抗素子１３、１４は抵抗
値が増大する。尚、質量体６の変位がｚ軸方向の場合、
可撓部２は図７のように変形するため、抵抗素子１２、
１５、１６、１９、２０、２３の各抵抗値はほぼ同じに
なり、また、抵抗素子１３、１４、１７、１８、２１、
２２の各抵抗値はほぼ同じになる。このとき、抵抗素子
１２〜２３は図２のようなブリッジ回路が組まれている
ため、各ブリッジに設けられている電圧計の出力に変化
が生じるのは図２（ｃ）の電圧計３４だけである。

【００２４】次に、図５のようにｘ軸方向に質量体６が
変位している場合について説明する。図５（ａ）のよう
に質量体６が変位しているとき、抵抗素子１２、１４の
抵抗値は増大し，抵抗素子１３、１５の抵抗値は減少す
る。また、図５（ｂ）のように質量体６が変位している
ときは抵抗素子１２、１４の抵抗値は減少し、抵抗素子
１３、１５の抵抗値は増大する。抵抗素子の抵抗値が変
化する理由は上記したように抵抗素子に歪みが生じるか
らである。このとき、抵抗素子１２、１３、１４、１５
の抵抗値が変化すると、質量体６のｚ軸方向の変位を検
出するための抵抗素子２０、２１、２２、２３の抵抗値
も変化する。しかし、抵抗素子１２〜２３は図２のよう
にブリッジ回路が組まれているため、図２（ｃ）の電圧
計の出力は変化せず、図２（ａ）の電圧計３２の出力の
みが変化する。このとき、ｘ軸方向と直交する方向であ
るｙ軸方向に関しては抵抗素子１６〜１９の歪みは一定
であるため抵抗素子１６〜１９の抵抗値は一定となり、
電圧計３３の出力は変化しない。また、図６のように質
量体６がｙ軸方向に変位するときは、質量体６がｘ軸方
向に変位するときと同様に考えることができる。質量体
６が図６（ａ）のように変位しているときは、抵抗素子
１７、１９の抵抗値が増大し、抵抗素子１６、１８の抵
抗値が減少する。また、図６（ｂ）のように質量体６が
変位しているときは抵抗素子１７、１９の抵抗値が減少
し、抵抗素子１６、１８の抵抗値が増大する。このよう
に、質量体６のｙ軸方向の変位は、図２（ｂ）のブリッ
ジ回路の電圧計３３の出力の変化によって検出すること
ができる。

【００２５】このようにして、質量体６のｘ、ｙ、ｚ軸
方向の変位は、図２のブリッジ回路の電圧計３２、３
３、３４の各出力によって独立に検出することができ
る。しかし、質量体６の変位はｘ軸方向においては、加
振手段による振動、ｘ軸方向の加速度とｙ軸回りの角速
度で生じる変位が足されたものであり、ｙ軸方向におい
ては、ｘ軸及びｚ軸回りの角速度とｙ軸方向の加速度で
生じる変位が足されたものであり、ｚ軸方向においては
ｚ軸方向の加速度と加振手段によるものとｙ軸回りの角
速度で生じる変位が足されたものとなる。但し、角速度
で生じる変位とは、角速度によって発生するコリオリ力
で生じる変位である。従って、加速度、角速度及び加振
手段による振動の３つの要素のうち何の要素によって質
量体６が変位しているのかを分離して検出する必要があ
る。

【００２６】そのため、以下に電圧計３２、３３、３４
からの出力信号（質量体６の変位を表す信号）の処理方
法について説明する。この検出装置の信号処理方法を図
１１に示す。質量体６のｚ軸方向の変位は、加振手段に
よって生じる振動変位とｚ軸方向の加速度とｙ軸回りの
角速度によって発生するｚ軸方向のコリオリ力で生じる
変位の和である。加振周波数（加振手段によって質量体
６が振動する周波数）を測定する加速度の周波数より十
分高く設定すると、出力信号を信号処理装置Ｃ、すなわ
ち図１４に示すローパスフィルタ（ＬＰＦ）に通し、加
振振動成分を除去することによってｚ軸方向の加速度信
号のみを得ることができる。

【００２７】質量体６のｘ軸方向の変位は、ｙ軸回りの
角速度で発生するｘ軸方向のコリオリ力で生じる変位
と、ｘ軸方向の加速度で生じる変位と加振手段によって
生じる変位の和である。ここでコリオリ力で生じる変位
の周波数は加振周波数と一致することは明らかである。
加振周波数を測定する加速度及び角速度より十分高く設
定すると、図１２のように出力信号をローパスフィルタ
（ＬＰＦ）に通し加振振動成分とコリオリ力による振動
の成分を除去することによってｘ軸の加速度信号を得る
ことができる。また、出力信号をハイパスフィルタ（Ｈ
ＰＦ）に通し加速度信号を除去した後、加振周波数で質
量体６のＺ軸方向変位速度と位相を合わせて同期検波す
るとコリオリ力信号が得られる。上記したように、コリ
オリ力の信号は角速度の信号に比例するものであるた
め、このコリオリ力の信号からｙ軸回りの角速度を求め
ることができる。

【００２８】質量体６のｙ軸方向の変位は、ｘ軸回りの
角速度で発生するｙ軸方向のコリオリ力で生じる変位
と、ｚ軸回りの角速度で発生するｙ軸方向のコリオリ力
で生じる変位と、ｙ軸方向の加速度で生じる変位の和で
ある。ここでコリオリ力で生じる変位の周波数は加振周
波数と一致することは明らかである。また、質量体６は
２次元的な振動をしておりｖ_z、ｖ_xの位相差があるた
め、ｘ軸回りの角速度で発生するコリオリ力とｚ軸回り
の角速度で発生するコリオリ力の信号にも位相差があ
る。そのため、加振信号のタイミングを参照して同期検
波することによって前記２種類のコリオリ力を分離して
検出することができる。加振周波数は測定する加速度、
角速度より十分高く設定すると、図１３のように出力信
号をローパスフィルタ（ＬＰＦ）に通しコリオリ力によ
る振動の成分を除去することによってｘ軸の加速度信号
を得ることができる。また、出力信号をハイパスフィル
タ（ＨＰＦ）に通し加速度信号を除去した後、加振周波
数で同期検波すると２種類のコリオリ力信号が得られ、
この信号からｘ軸回りおよびｚ軸回りの角速度を求める
ことができる。尚、第１実施例では測定する加速度、角
速度の周波数を１〜３０Ｈｚとし、ｘ軸及びｚ軸方向の
質量体の加振周波数を２ＫＨｚとした。

【００２９】質量体６を加振する場合、質量体６、可撓
部２等からなる系のｚ軸方向の共振点近傍で加振すれ
ば、質量体６のｚ軸方向の振幅が大きくなり質量体６の
速度が大きくなる。すると質量体６に作用するコリオリ
力が大きくなり、したがって大きな出力信号を得ること
ができる。また、質量体６と可撓部２からなる系のｘ軸
および／またはｙ軸方向の共振点近傍で加振すれば、加
振周波数と等しいコリオリ力によって生じる質量体６の
ｘ軸および／またはｙ軸方向の変位が大きくなり、大き
な出力信号を得ることができる。

【００３０】第１実施例では質量体６をｘ−ｚ平面内で
振動させたが、質量体をｙ−ｚ平面内で振動させても同
様に３軸の加速度及び３軸の角速度を検出することがで
きる。また、図１では圧電体をｘ軸状に配置している
が、ｘ軸と同様にｙ軸上にも圧電体を４組配置すること
によって質量体をｘ−ｙ平面内で振動させて３軸の加速
度及び３軸の角速度を検出してもよい。

【００３１】また、第１実施例では質量体６をｘ−ｚ平
面内で振動させたが、このとき質量体６はｘ軸方向とｚ
軸方向に振動成分を持ち、ｘ軸方向の振動周波数とｚ軸
方向の振動周波数の位相が異なればよく、その振幅の大
きさ等は同一ではなくても良い。図１５（ａ）は、本発
明の第２実施例による加速度・角速度検出装置を示す概
略上面図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の装置
をＢＢ線で切ったときの概略断面図である。

【００３２】第２実施例による加速度・角速度検出装置
は、第１実施例による加速度・角速度検出装置と比べて
質量体を２次元に加振させる平面がｘ−ｚ平面ではなく
ｘ−ｙ平面にしたことと質量体の３軸方向の変位を検出
するために抵抗素子を用いるのではなく圧電体を用いた
ことに特徴があり、他の構成は第１実施例と同様であ
り、同じものについては同じ符号を付して説明を省略す
る。

【００３３】第２実施例による加速度・角速度検出装置
は質量体６を加振させるための圧電体２４〜３１、３６
〜４３と、質量体６の変位を検出するための圧電体４４
〜５５を有する。圧電体２４〜３１は第１実施例と同様
に、その上下に上部電極と下部電極を有する。また、圧
電体３６〜４３も圧電体２４〜３１と同様に、その上下
に上部電極と下部電極を有する。また、第１実施例と同
様に圧電体２４〜３１は圧電体２４と２８、２５と２
９、２６と３０、２７と３１のそれぞれを組として電圧
が印加されるためそれぞれの組を第１実施例と同様に圧
電体（１）、（２）、（３）、（４）と呼ぶ。また、圧
電体３６〜４３は、圧電体３６と４０、３７と４１、３
８と４２、３９と４３のそれぞれを組として電圧が印加
されるため、それぞれの組を圧電体（５）、（６）、
（７）、（８）と呼ぶ。この圧電体２４〜３１で質量体
６をｘ軸方向に加振（振動）させ、圧電体３６〜４３で
質量体６をｙ軸方向に加振（振動）させる。このように
することによって、中央厚肉部３のほぼ中央を中心にし
て質量体６をｘ−ｙ平面内で円状に加振させることがで
きる。このとき圧電体（１）〜（８）に印加する電圧の
波形図を図１６に示す。図１６の縦軸は電圧値であり、
横軸は時間である。Ｖ_d5、Ｖ_d6、Ｖ_d7、Ｖ_d8はそれぞれ
印加電圧の波形であり、Ｖ_d5は圧電体（２）と（４）に
印加する電圧の波形であり、Ｖ_d6は圧電体（５）、
（７）に印加する電圧の波形であり、Ｖ_d7は圧電体
（１）、（３）に印加する電圧の波形であり、Ｖ_d8は圧
電体（６）、（８）に印加する電圧の波形である。時間
ｔ₁時に電圧が印加されているのは圧電体（１）〜
（４）であり、ｙ軸方向に配置されている圧電体（５）
〜（８）には電圧が印加されていない。また、このとき
圧電体（２）と（４）の上部電極には電圧Ｖが印加さ
れ、圧電体（１）と（３）の上部電極には電圧−Ｖが印
加されている。従って、時間ｔ₁のときの質量体６は図
１７（ｂ）のように変位する。同様にして、時間ｔ₂時
には質量体６は図１８（ｂ）のように変位し、時間ｔ₃
時には質量体６は図１７（ａ）のように変位し、時間ｔ
₄時には質量体６は図１８（ａ）のように変位する。つ
まり、図１６に示すような電圧を圧電体（１）〜（８）
に印加することによって、質量体６はｘ−ｙ平面内で円
状に加振される。

【００３４】従って、質量体６は、ｘ軸回りの角速度が
加わるとｚ軸方向にコリオリの力を受けて変位し、ｙ軸
回りの角速度が加わるとｚ軸方向にコリオリの力を受け
て変位し、ｚ軸回りの角速度が加わるとｘ軸及びｙ軸方
向にコリオリの力を受けて変位する。次に、質量体６の
変位の検出について説明する。

【００３５】質量体６の変位は、圧電体４４〜５５で検
出する。圧電体４４〜４５もその他の圧電体と同様に、
その上下に上部電極と下部電極とを有するが、それぞれ
の圧電体（１２個）の上下に配置される上部及び下部電
極はそれぞれが電気的に絶縁されるように配置されてい
る。また、質量体６のｘ軸方向の変位を検出するための
圧電体は４４〜４７であり、質量体６のｙ軸方向の変位
を検出するための圧電体は５２〜５５であり、質量体６
のｚ軸方向の変位を検出するための圧電体は４８〜５１
である。圧電体はその面積の変化に応じて上部電極と下
部電極との間の電圧が変化する。つまり、第１実施例で
は質量体６の変位に応じて変化する抵抗変化を検出した
のに対して、第２実施例では質量体６の変位に応じて変
化する圧電体の電圧変化を検出する。また、第１実施例
では、抵抗素子を用いたため、ブリッジ回路を組んで質
量体６の変位を検出できたが、第２実施例では圧電体を
用いたためブリッジ回路を組むことはできないので、各
圧電体を図１９（ａ）及び（ｂ）のように接続して質量
体６の変位を検出した。図１９（ａ）は質量体６のｚ軸
方向の変位を検出するための圧電体群の接続を示す図で
あり、図１９（ｂ）は質量体６のｘ方向の変位を検出す
るための圧電体群の接続を示す図である。

【００３６】図１９（ａ）では圧電体４８〜５１の接続
を示している。但し、このときの接続は、圧電体４８の
下部電極をグランドにして、圧電体４８の上部電極と圧
電体４９の上部電極を接続し、圧電体４９の下部電極と
圧電体５０の上部電極を接続し、圧電体５０の下部電極
と圧電体５１の下部電極を接続し、圧電体５１の上部電
極をバッファアンプ５６に接続する。このようにすると
バッファアンプ５６の出力から質量体６のｚ軸方向の変
位のみを検出することができる。また、図１９（ｂ）は
圧電体４４〜４７の接続を示している。但し、圧電体４
４の下部電極はグランドにして、圧電体４４の上部電極
と圧電体４５の上部電極を接続し、圧電体４５の下部電
極と圧電体４６の下部電極を接続し、圧電体４６の上部
電極と圧電体４７の上部電極を接続し、圧電体４７の下
部電極はバッファアンプ５７に接続する。このようにす
るとバッファアンプ５７の出力から質量体６のｘ軸方向
の変位のみを検出することができる。圧電体５２〜５５
も圧電体４４〜４７と同様に接続することによって質量
体６のｙ軸方向の変位のみを検出することができる。

【００３７】このようにして得られた質量体６のｘ、
ｙ、ｚ軸方向の変位の信号成分は、ｘ軸方向に関して
は、ｘ軸方向の加速度と、ｚ軸回りの角速度と、ｘ軸方
向の質量体６の加振で生じる変位である。また、ｙ軸方
向に関してはｙ軸方向の加速度と、ｚ軸回りの角速度
と、ｙ軸方向の質量体６の加振で生じる変位である。ま
た、ｚ軸方向に関してはｚ軸方向の加速度と、ｘ軸回り
の角速度と、ｙ軸回りの角速度で生じる変位である。従
って、質量体６のｘ、ｙ、ｚ軸方向の変位の信号成分か
ら、加速度の信号と角速度の信号を分離する必要がある
が、この方法は第１実施例と同様な信号処理をすること
によって簡単に加速度の信号と角速度の信号を得ること
ができるため説明を省略する。

【００３８】尚、第２実施例では質量体６の変位を検出
するための圧電体を図１９（ａ）、（ｂ）のように接続
したが、図２０のように各圧電体素子で検出した信号を
それぞれ取り出して、アナログの加算回路及び減算回路
を用いても良い。尚、図２０では各圧電体の下部電極は
グランドとして上部電極より出力を取るものとする。図
２０（ａ）は質量体６のｚ軸方向の変位を検出するため
の圧電体４８〜５１の接続を示す図である。圧電体４８
と圧電体５１の上部電極からの出力はそれぞれバッファ
アンプ５８、５９を通過した後、加算回路６２で足され
る。また、圧電体４９と圧電体５０の上部電極からの出
力はそれぞれバッファアンプ６０、６１を通過した後、
加算回路６３で足される。その後、減算回路６４によっ
て、加算回路６２の出力から加算回路６３の出力を引
く。そして、減算回路６４の出力を質量体６のｚ軸方向
の変位の信号として用いる。図２０（ｂ）は質量体６の
ｘ軸方向の変位を検出するための圧電体４４〜４７の接
続を示す図である。圧電体４４と４６の上部電極からの
出力はそれぞれバッファアンプ６５、６６を通過した
後、加算回路６９で足される。また、圧電体４５と４７
の上部電極からの出力はそれぞれバッファアンプ６７、
６８を通過した後、加算回路７０で足される。その後、
減算回路７１によって、加算回路６９の出力から加算回
路７０の出力を引く。そして、減算回路７１の出力を質
量体６のｘ軸方向の変位の信号として用いる。また、質
量体６のｙ軸方向の変位を検出するための圧電体５２〜
５５は圧電体４４〜４７と同様に接続される。

【００３９】また、第２実施例では質量体６を２次元的
に加振させるために、ｘ−ｙ平面内で円状に加振した
が、ｘ軸方向とｙ軸方向に振動の成分をもっていれば良
く必ずしも質量体６を円状に加振させる必要は無い。ま
た、質量体６を加振させる平面もｘ−ｙ平面だけではな
く他の平面内で加振させても良い。また、第１、第２実
施例では質量体のｘ、ｙ、ｚ軸方向の変位を検出するた
めに、質量体の変位に応じて変形する可撓部の変形の度
合いを検出する変形検出部材として抵抗素子または圧電
体素子を用いたが、変形検出部材としては、他の方法で
もよく、直接、質量体の変位を検出しても良く、例え
ば、図２１のように質量体の底面に電極７２を設けて、
質量体の底面と対向する面に電極７３〜７６を設けて、
電極７２と４つの電極７３〜７６との間の電気容量の変
化から質量体の変位を検出しても良い。つまり、図５の
ように、質量体がｘ軸方向に変位した場合を考えると、
図５（ａ）のように質量体６が変位すると電極７２と電
極７４との間の電気容量が増大し、電極７２と７５との
間の電気容量が減少する。逆に、図５（ｂ）のように質
量体６が変位すると電極７２と電極７４との間の電気容
量が減少し、電極７２と７５との間の電気容量が増大す
る。同様にｙ軸方向の質量体６の変位は電極７３と電極
７２との電気容量と、電極７６と電極７２との間の電気
容量の変化から検出することができる。また、質量体の
ｚ軸方向の変位は電極７２と他の４つの電極との間の電
気容量の変化から検出することができる。

【００４０】尚、第１、第２実施例では質量体を２次元
的に加振させるために圧電体を用いて加振させたが、他
の方法で加振しても良く、例えば、装置全体を２次元的
に加振させても良い。また、加速度・角速度検出装置か
ら出力した信号に基づいて３軸の加速度及び３軸の角速
度を検出する方法としては上記実施例以外の方法で検出
しても良い。

【００４１】

【発明の効果】以上の通り、本発明の加速度・角速度検
出装置は、質量体を２次元的に加振するため、１個の検
出装置で３軸の加速度および３軸の角速度を検出するこ
とができるので、従来は複数個必要な検出装置の個数が
１個に減る。そのため、検出装置を取り付けるために必
要な空間が減るので、複数の検出装置の設置が困難な小
型の製品に取り付けることが可能になった。また検出装
置の低価格化が可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による加速度・角速度検出
装置の構造を示す概略図である。

【図２】本発明の第１実施例による加速度・角速度検出
装置における抵抗素子の回路を示す概略構成図である。

【図３】本発明の第１実施例による加速度・角速度検出
装置における質量体の加振状態を説明するための概略断
面図である。

【図４】本発明の第１実施例による加速度・角速度検出
装置における圧電体に印加する電圧の波形を示す図であ
る。

【図５】本発明の第１実施例による加速度・角速度検出
装置におけるｘ軸方向の加速度で生じる変形の概略断面
図である。

【図６】本発明の第１実施例による加速度・角速度検出
装置におけるｙ軸方向の加速度で生じる変形の概略断面
図である。

【図７】本発明の第１実施例による加速度・角速度検出
装置におけるｚ軸方向の加速度で生じる変形の概略断面
図である。

【図８】本発明の第１実施例による加速度・角速度検出
装置におけるｙ軸回りの角速度で生じる変形の概略断面
図である。

【図９】本発明の第１実施例による加速度・角速度検出
装置におけるｙ軸回りの角速度で生じる変形の概略断面
図である。

【図１０】本発明の第１実施例による加速度・角速度検
出装置におけるｘ、ｚ軸回りの角速度で生じる変形の概
略断面図である。

【図１１】本発明の第１実施例による質量体の変位の信
号の信号処理を説明するためのブロック図である。

【図１２】本発明の第１実施例における信号処理装置Ａ
を示す概略構成図である。

【図１３】本発明の第１実施例における信号処理装置Ｂ
を示す概略構成図である。

【図１４】本発明の第１実施例における信号処理装置Ｃ
を示す概略構成図である。

【図１５】本発明の第２実施例による加速度・角速度検
出装置の構造を示す概略図である。

【図１６】本発明の第２実施例による加速度・角速度検
出装置の圧電体に印加する電圧の波形を示す説明図であ
る。

【図１７】本発明の第２実施例による加速度・角速度検
出装置における質量体の加振状態を説明するための概略
断面図である。

【図１８】本発明の第２実施例による加速度・角速度検
出装置における質量体の加振状態を説明するための概略
断面図である。

【図１９】本発明の第２実施例による加速度・角速度検
出装置における検出用の圧電体素子の接続を示す概略構
成図である。

【図２０】本発明の第２実施例による加速度・角速度検
出装置における検出用の圧電体素子の接続を示す概略構
成図である。

【図２１】本発明の実施例による加速度・角速度検出装
置における質量体の変位を検出するための電極構成を示
す概略構成図である。

【図２２】従来の加速度・角速度検出装置を示す上面図
である。

【符号の説明】

１・・・周辺厚肉部２・・・可撓部３・・・中央厚肉部４、７、１１・・・接合層５・・・支持体６・・・質量体１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２
０、２１、２２、２３・・・抵抗素子２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１・・
・圧電体３２、３３、３４・・・電圧計３５・・・ブリッジ電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量体と、前記質量体に接合され、前記
質量体の変位に応じて変形可能な可撓部と、前記可撓部
を支持する周辺支持体と、前記可撓部の変形を検出する
変形検出部材と、前記質量体を２次元的に加振する加振
部材とからなる加速度・角速度検出装置。
【請求項２】前記加振部材は前記可撓部に形成された
圧電体であることを特徴とする請求項１に記載の加速度
・角速度検出装置。
【請求項３】前記変形検出部材の出力に基づいて３軸
の加速度および３軸の角速度を演算する演算部を設けた
ことを特徴とする請求項１または２に記載の加速度・角
速度検出装置。