JPH0868636A - 加速度と角速度との双方を検出する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加速度と角速度との双方を十分な応答性をも
って検出する。 【構成】 質量ｍをもった振動子１３０を各軸方向に振
動させるための励振手段１４１〜１４３と、振動子に作
用する各軸方向の力を検出するための力検出手段１５１
〜１５３とを設ける。検出した各軸方向の力は、それぞ
れ信号分離手段１６１〜１６３によって、加速度に起因
した力ｆと、角速度に起因したコリオリ力Ｆと、に分離
される。加速度演算手段１７１〜１７３は、分離された
各力ｆに基づいて、ｆ＝ｍ・αなる演算式を用いて、加
速度の各軸方向成分αｘ，αｙ，αｚを出力する。角速
度演算手段１８１〜１８３は、分離された各コリオリ力
Ｆに基づいて、Ｆ＝２ｍ・ｖ・ωなる演算式（ｖは振動
子の振動方向に関する瞬間速度）を用いて、各軸まわり
の角速度ωｘ，ωｙ，ωｚを出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加速度と角速度との双
方を検出する装置、特に、振動子に作用する力に基づい
て加速度および角速度の検出を行う装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】加速度や角速度といった物理量を検出す
る場合、従来は、加速度を検出するためには加速度検出
装置を用い、角速度を検出するためには角速度検出装置
を用いるのが一般的であり、加速度と角速度との双方を
検出することができる装置は、本願出願人の知る限りに
おいては、現段階では実用化されていない。また、従来
は、特定の一軸方向の加速度を検出する一次元加速度検
出装置や、特定の一軸まわりの角速度を検出する一次元
角速度検出装置が一般的であり、二次元あるいは三次元
の各座標軸の成分ごとにこれらの物理量を検出する場合
には、それぞれ各座標軸ごとに独立した検出装置を配置
するのが一般的であった。

【０００３】ところが、近年、自動車産業や機械産業な
どにおいて、加速度や角速度といった物理量を正確に検
出できる検出装置の需要が高まってきている。特に、二
次元あるいは三次元の各座標軸の成分ごとにこれらの物
理量を検出しうる小型の検出装置が望まれている。この
ような需要に応えるために、本願と同一の発明者によっ
て、単一の検出装置を用いて、三次元座標系における各
座標軸方向の加速度と、角座標軸まわりの角速度とを、
それぞれ独立して検出する技術が提案されている。すな
わち、特許協力条約に基づく国際出願ＰＣＴ／ＪＰ９３
／００３９０号明細書や、平成６年７月２１日付の本願
と同一出願人による特許出願（整理番号：Ａ０６０６
２）の明細書には、振動子に作用する力に基づいて加速
度および角速度を各座標軸成分ごとに検出することがで
きる新規な検出装置が開示されている。この装置におけ
る角速度の検出原理は、コリオリ力を利用したものであ
る。すなわち、振動子にＸ軸まわりの角速度ωｘが作用
している状態において、この振動子をＹ軸方向に振動さ
せると、Ｚ軸方向にコリオリ力が作用するという原理を
利用し、振動子を励振手段によってＹ軸方向に振動させ
た状態において、Ｚ軸方向に作用したコリオリ力を検出
し、このコリオリ力に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ω
ｘを間接的に求めるのである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した新規な検出装
置は、比較的小形の装置でありながら、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ
軸方向の加速度と、これら各軸まわりの各速度と、いう
６つの物理量を検出することができる有用な装置であ
る。しかしながら、この装置では、加速度の検出にも、
角速度の検出にも、振動子に作用する力を検出する必要
がある。すなわち、一方では、振動子を静止状態に保っ
た状態において、振動子に作用する力を検出することに
より、外部から与えられた加速度を検出し、他方では、
振動子を所定方向に振動させた状態において、振動子に
作用するコリオリ力を検出することにより、外部から与
えられた角速度を検出するのである。したがって、加速
度検出を行う場合には、振動子を静止状態に保ち、角速
度検出を行う場合には、振動子を振動状態に保たねばな
らない。

【０００５】このような検出装置を、自動車や産業機械
などに搭載して用いる場合には、通常は、時々刻々と変
化してゆく加速度と角速度とをリアルタイムで検出する
ことが要求される。上述の検出装置を用いて、このよう
に加速度と角速度とをリアルタイムで検出するために
は、振動子を静止状態に保ちつつ加速度検出を行う動作
と、振動子を振動状態に保ちつつ角速度検出を行う動作
と、を交互に繰り返し実行する必要がある。ところが、
振動子の機械的な応答性には限度があり、静止状態の振
動子を振動させたり、振動状態の振動子を静止させたり
するには、どうしてもある程度の時間が必要になる。こ
のため、加速度と角速度とをリアルタイムで検出する動
作を行わせると、十分な応答性が得られないという問題
が生じる。

【０００６】そこで本発明は、加速度と角速度との双方
を十分な応答性をもって検出することのできる検出装置
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

(1) 本発明の第１の態様は、三次元座標系における第
１の軸方向の加速度および第２の軸まわりの角速度を検
出する装置において、質量をもった振動子と、この振動
子を、三次元座標系における第３の軸方向に、検出対象
となる加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可
能な十分に高い周波数で振動させる励振手段と、振動子
に加わる第１の軸方向への力を検出する力検出手段と、
力検出手段によって得られる検出信号について、バイア
ス成分と振幅成分とを分離する信号分離手段と、バイア
ス成分に基づいて、第１の軸方向の加速度を求める加速
度演算手段と、振幅成分に基づいて、第２の軸まわりの
角速度を求める角速度演算手段と、を設けたものであ
る。

【０００８】(2) 本発明の第２の態様は、三次元座標
系における第１の軸、第２の軸、第３の軸の各軸方向の
加速度および各軸まわりの角速度を検出する装置におい
て、質量をもった振動子と、振動子を、第１の軸方向
に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に
対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第１の
励振手段と、振動子を、第２の軸方向に、検出対象とな
る加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な
十分に高い周波数で振動させる第２の励振手段と、振動
子を、第３の軸方向に、検出対象となる加速度および角
速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周波数
で振動させる第３の励振手段と、振動子に加わる第１の
軸方向への力を検出する第１の力検出手段と、振動子に
加わる第２の軸方向への力を検出する第２の力検出手段
と、振動子に加わる第３の軸方向への力を検出する第３
の力検出手段と、第１の力検出手段によって得られる第
１の検出信号について、バイアス成分と振幅成分とを分
離する第１の信号分離手段と、第２の力検出手段によっ
て得られる第２の検出信号について、バイアス成分と振
幅成分とを分離する第２の信号分離手段と、第３の力検
出手段によって得られる第３の検出信号について、バイ
アス成分と振幅成分とを分離する第３の信号分離手段
と、第１の検出信号についてのバイアス成分に基づい
て、第１の軸方向の加速度を求める第１の加速度演算手
段と、第２の検出信号についてのバイアス成分に基づい
て、第２の軸方向の加速度を求める第２の加速度演算手
段と、第３の検出信号についてのバイアス成分に基づい
て、第３の軸方向の加速度を求める第３の加速度演算手
段と、第２の励振手段を駆動して振動子を第２の軸方向
に振動させ、この状態において得られる第１の検出信号
についての振幅成分に基づいて、第３の軸まわりの角速
度を求める第１の角速度演算手段と、第３の励振手段を
駆動して振動子を第３の軸方向に振動させ、この状態に
おいて得られる第２の検出信号についての振幅成分に基
づいて、第１の軸まわりの角速度を求める第２の角速度
演算手段と、第１の励振手段を駆動して振動子を第１の
軸方向に振動させ、この状態において得られる第３の検
出信号についての振幅成分に基づいて、第２の軸まわり
の角速度を求める第３の角速度演算手段と、を設けたも
のである。

【０００９】(3) 本発明の第３の態様は、三次元座標
系における第１の軸、第２の軸、第３の軸の各軸方向の
加速度および各軸まわりの角速度を検出する装置におい
て、質量をもった振動子と、振動子を、第１の軸方向
に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に
対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる第１の
励振手段と、振動子を、第３の軸方向に、検出対象とな
る加速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な
十分に高い周波数で振動させる第２の励振手段と、振動
子に加わる第１の軸方向への力を検出する第１の力検出
手段と、振動子に加わる第２の軸方向への力を検出する
第２の力検出手段と、振動子に加わる第３の軸方向への
力を検出する第３の力検出手段と、第１の力検出手段に
よって得られる第１の検出信号について、バイアス成分
と振幅成分とを分離する第１の信号分離手段と、第２の
力検出手段によって得られる第２の検出信号について、
バイアス成分と振幅成分とを分離する第２の信号分離手
段と、第３の力検出手段によって得られる第３の検出信
号について、バイアス成分と振幅成分とを分離する第３
の信号分離手段と、第１の検出信号についてのバイアス
成分に基づいて、第１の軸方向の加速度を求める第１の
加速度演算手段と、第２の検出信号についてのバイアス
成分に基づいて、第２の軸方向の加速度を求める第２の
加速度演算手段と、第３の検出信号についてのバイアス
成分に基づいて、第３の軸方向の加速度を求める第３の
加速度演算手段と、第３の励振手段を駆動して振動子を
第３の軸方向に振動させ、この状態において得られる第
１の検出信号についての振幅成分に基づいて、第２の軸
まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、第１
の励振手段を駆動して振動子を第１の軸方向に振動さ
せ、この状態において得られる第２の検出信号について
の振幅成分に基づいて、第３の軸まわりの角速度を求め
るとともに、第３の励振手段を駆動して、振動子を第３
の軸方向に振動させた状態において得られる第２の検出
信号についての振幅成分に基づいて、第１の軸まわりの
角速度を求める第２の角速度演算手段と、を設けたもの
である。

【００１０】(4) 本発明の第４の態様は、三次元座標
系における第１の軸方向の加速度および第１の軸まわり
の角速度と、第２の軸方向の加速度および第２の軸まわ
りの角速度と、を検出する装置において、質量をもった
振動子と、この振動子を、三次元座標系における第３の
軸方向に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周
波数に対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる
励振手段と、振動子に加わる第１の軸方向への力を検出
する第１の力検出手段と、振動子に加わる第２の軸方向
への力を検出する第２の力検出手段と、第１の力検出手
段によって得られる第１の検出信号について、バイアス
成分と振幅成分とを分離する第１の信号分離手段と、第
２の力検出手段によって得られる第２の検出信号につい
て、バイアス成分と振幅成分とを分離する第２の信号分
離手段と、第１の検出信号についてのバイアス成分に基
づいて、第１の軸方向の加速度を求める第１の加速度演
算手段と、第２の検出信号についてのバイアス成分に基
づいて、第２の軸方向の加速度を求める第２の加速度演
算手段と、第１の検出信号についての振幅成分に基づい
て、第２の軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算
手段と、第２の検出信号についての振幅成分に基づい
て、第１の軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算
手段と、を設けたものである。

【００１１】(5) 本発明の第５の態様は、上述の第１
〜４の態様に係る装置において、信号分離手段が、検出
信号の各変極点を抽出し、隣接する２つの変極点の時間
軸上での中間位置に、この２つの変極点の信号値を平均
して得られる信号値をもつ参照点を求め、求めた参照点
を結ぶことによって得られる信号をバイアス成分とし、
検出信号とバイアス成分との差に相当する信号を振幅成
分とするようにしたものである。

【００１２】(6) 本発明の第６の態様は、上述の第１
〜４の態様に係る装置において、加速度演算手段が、検
出された力のバイアス成分ｆと、振動子の質量ｍと、に
基づいて、ｆ＝ｍ・αなる演算式を適用して加速度αを
求めるようにしたものである。

【００１３】(7) 本発明の第７の態様は、上述の第１
〜４の態様に係る装置において、角速度演算手段が、検
出された力の振幅成分Ｆと、振動子の質量ｍと、励振手
段の動作状態から推定される振動子の瞬間速度ｖと、に
基づいて、Ｆ＝２ｍ・ｖ・ωなる演算式を適用して角速
度ωを求めるようにしたものである。

【００１４】

【作 用】本発明に係る検出装置では、加速度の検出に
も、角速度の検出にも、振動子に作用する力が用いられ
る。この検出装置における検出動作の基本原理によれ
ば、加速度を検出するには、振動子を静止状態に保ち、
そのときに振動子に作用した力を検出すればよいし、角
速度を検出するには、振動子を振動状態に保ち、そのと
きに振動子に作用した力を検出すればよい。本願発明者
は、このような基本原理に基いて、当初は、振動子を静
止状態にした加速度検出と、振動子を振動状態にした角
速度検出と、をそれぞれ別個独立して行うことを想定し
ていた。

【００１５】ところが、本願発明者は、加速度検出と角
速度検出とを同時に行うことが可能であることに気付い
たのである。いま、たとえば、ある軸方向の加速度と、
ある軸まわりの角速度とが、同時に作用しており、この
加速度と角速度とは、所定方向に振動している振動子に
対して同じ方向に力を作用させる性質のものであったと
する。この場合、振動子に作用する力は、加速度に起因
した成分と、角速度に起因した成分との合成力というこ
とになる。もし、この合成力を、加速度に起因した成分
と角速度に起因した成分とに分離することができれば、
加速度と角速度との同時検出が可能になる。

【００１６】このような分離は、検出対象となる加速度
および角速度のもつ周波数に対して、振動子の振動周波
数が十分に高い場合には可能である。すなわち、このよ
うな条件では、加速度に起因した成分はバイアス成分と
して、角速度に起因した成分は振幅成分として、それぞ
れ合成されるのである。したがって、得られた合成力を
バイアス成分と振幅成分とに分離すれば、加速度に起因
した成分と角速度に起因した成分とを独立して得ること
が可能になる。

【００１７】

【実施例】§１． 角速度および加速度検出の基本原理 まず、本発明に係る検出装置における角速度検出の基本
原理を説明する。本発明に係る装置では、二軸あるいは
三軸まわりの角速度を検出することが可能であるが、こ
こでは、はじめに、一軸の角速度検出原理を簡単に説明
しておく。図１は、雑誌「発明（THE INVENTION)」、vo
l.90，No.3（１９９３年）の６０頁に開示されている角
速度検出装置の基本原理を示す図である。いま、角柱状
の振動子１１０を用意し、図示するような方向にＸ，
Ｙ，Ｚ軸を定義したＸＹＺ三次元座標系を考える。この
ような系において、振動子１１０がＺ軸を回転軸として
角速度ωで回転運動を行っている場合、次のような現象
が生じることが知られている。すなわち、この振動子１
１０をＸ軸方向に往復運動させるような振動Ｕを与える
と、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆが発生する。別言すれば、
振動子１１０を図のＸ軸に沿って振動させた状態で、こ
の振動子１１０をＺ軸を中心軸として回転させると、Ｙ
軸方向にコリオリ力Ｆが生じることになる。この現象
は、フーコーの振り子として古くから知られている力学
現象であり、発生するコリオリ力Ｆは、 Ｆ＝２ｍ・ｖ・ω で表される。ここで、ｍは振動子１１０の質量、ｖは振
動子１１０の振動についての瞬時の速度、ωは振動子１
１０の瞬時の角速度である。

【００１８】前述の雑誌に開示された一軸の角速度検出
装置は、この現象を利用して角速度ωを検出するもので
ある。すなわち、図１に示すように、角柱状の振動子１
１０の第１の面には第１の圧電素子１１１が、この第１
の面と直交する第２の面には第２の圧電素子１１２が、
それぞれ取り付けられる。圧電素子１１１，１１２とし
ては、ピエゾエレクトリックセラミックからなる板状の
素子が用いられている。そして、振動子１１０に対して
振動Ｕを与えるために圧電素子１１１が利用され、発生
したコリオリ力Ｆを検出するために圧電素子１１２が利
用される。すなわち、圧電素子１１１に交流電圧を与え
ると、この圧電素子１１１は伸縮運動を繰り返しＸ軸方
向に振動する。この振動Ｕが振動子１１０に伝達され、
振動子１１０がＸ軸方向に振動することになる。このよ
うに、振動子１１０に振動Ｕを与えた状態で、振動子１
１０自身がＺ軸を中心軸として角速度ωで回転すると、
上述した現象により、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆが発生す
る。このコリオリ力Ｆは、圧電素子１１２の厚み方向に
作用するため、圧電素子１１２の両面にはコリオリ力Ｆ
に比例した電圧Ｖが発生する。そこで、この電圧Ｖを測
定することにより、角速度ωを検出することが可能にな
る。

【００１９】上述した従来の角速度検出装置は、Ｚ軸ま
わりの角速度を検出するためのものであり、Ｘ軸あるい
はＹ軸まわりの角速度の検出を行うことはできない。本
発明に係る検出装置では、図２に示すように、所定の物
体１２０について、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸ま
わりの角速度ωｘ、Ｙ軸まわりの角速度ωｙ、Ｚ軸まわ
りの角速度ωｚ、のそれぞれを別個独立して検出するこ
とができる。その基本原理を、図３〜図５を参照して説
明する。いま、ＸＹＺ三次元座標系の原点位置に振動子
１３０が置かれているものとする。この振動子１３０の
Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出するには、図３に示すよ
うに、この振動子１３０にＺ軸方向の振動Ｕｚを与えた
ときに、Ｙ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｙを測定すれ
ばよい。コリオリ力Ｆｙは角速度ωｘに比例した値とな
る。また、この振動子１３０のＹ軸まわりの角速度ωｙ
を検出するには、図４に示すように、この振動子１３０
にＸ軸方向の振動Ｕｘを与えたときに、Ｚ軸方向に発生
するコリオリ力Ｆｚを測定すればよい。コリオリ力Ｆｚ
は角速度ωｙに比例した値となる。更に、この振動子１
３０のＺ軸まわりの角速度ωｚを検出するには、図５に
示すように、この振動子１３０にＹ軸方向の振動Ｕｙを
与えたときに、Ｘ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｘを測
定すればよい。コリオリ力Ｆｘは角速度ωｚに比例した
値となる。

【００２０】結局、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸ま
わりの角速度ωｘ、Ｙ軸まわりの角速度ωｙ、Ｚ軸まわ
りの角速度ωｚ、をそれぞれ検出するには、図６に示す
ように、振動子１３０にＸ軸方向の振動Ｕｘを与えるＸ
軸方向励振手段１４１、Ｙ軸方向の振動Ｕｙを与えるＹ
軸方向励振手段１４２、Ｚ軸方向の振動Ｕｚを与えるＺ
軸方向励振手段１４３、のそれぞれと、振動子１３０に
作用するＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを検出するＸ軸方向
力検出手段１５１、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙを検出す
るＹ軸方向力検出手段１５２、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆ
ｚを検出するＺ軸方向力検出手段１５３のそれぞれと、
を用意すればよいことになる。

【００２１】一方、加速度の検出原理はより単純であ
る。すなわち、静止状態の振動子（単なる質量ｍをもっ
た錘りとして機能する）に、所定方向の加速度αが作用
すると、この加速度αと同じ方向に、ｆ＝ｍ・αなる力
ｆが作用することになる。したがって、静止状態の振動
子１３０に作用する各軸方向の力ｆｘ，ｆｙ，ｆｚを検
出すれば、質量ｍを用いた演算により、各軸方向の加速
度αｘ，αｙ，αｚを検出することができる。

【００２２】結局、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方
向の加速度αｘ、Ｙ軸方向の加速度αｙ、Ｚ軸方向の加
速度αｚ、をそれぞれ検出するには、図７に示すよう
に、振動子１３０に作用するＸ軸方向の力ｆｘを検出す
るＸ軸方向力検出手段１５１、Ｙ軸方向の力ｆｙを検出
するＹ軸方向力検出手段１５２、Ｚ軸方向の力ｆｚを検
出するＺ軸方向力検出手段１５３のそれぞれを用意すれ
ばよいことになる。

【００２３】さて、図６には三次元角速度検出装置の構
成要素をブロック図として示し、図７には三次元加速度
検出装置の構成要素をブロック図として示したが、両者
を比べてみると、前者の構成は後者の構成を含んでいる
ことがわかる。すなわち、図７に示す加速度検出装置
に、更に、各軸方向についての励振手段１４１，１４
２，１４３を付加すれば、図６に示す角速度検出装置が
得られることになり、図６に示す角速度検出装置は、図
７に示す加速度検出装置としても機能するのである。

【００２４】ただ、角速度も加速度も、いずれも各軸方
向に作用する力という形で検出されるため、単一の検出
装置により角速度と加速度との双方を検出しようとする
と、検出された力に角速度成分と加速度成分との双方が
含まれてしまうことになる。角速度に起因する力は、既
に述べたように、振動子を所定方向に振動させた状態に
おいてのみ生じるコリオリ力（Ｆ＝２ｍ・ｖ・ωの大き
さをもつ）であり、本明細書では、これを大文字の
「Ｆ」で示すことにする。図６において各力検出手段１
５１，１５２，１５３の検出対象となっているＦｘ，Ｆ
ｙ，Ｆｚは、いずれも角速度に起因して生じるコリオリ
力である。一方、加速度に起因する力は、振動子の振動
とは無関係に生じる力（ｆ＝ｍ・α）であり、本明細書
では、これを小文字の「ｆ」で示すことにする。図７に
おいて各力検出手段１５１，１５２，１５３の検出対象
となっているｆｘ，ｆｙ，ｆｚは、いずれも加速度に起
因して生じる力である。振動子１３０に角速度と加速度
との双方が作用している状態においては、各力検出手段
１５１，１５２，１５３には、角速度に起因したコリオ
リ力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、加速度に起因した力ｆｘ，ｆ
ｙ，ｆｚとの合成力が検出されることになる。本発明が
解決すべき課題は、このような状況において、いかにし
て角速度に起因するコリオリ力Ｆと加速度に起因する力
ｆとを分離して検出するかという点にある。

【００２５】§２． 本発明の実施に適した具体的な検
出装置の構造 本発明に係る検出装置の基本構成は、図６のブロック図
に示したとおりであり、本発明は、このような構成をも
つ検出装置であれば、どのような検出装置に対しても適
用可能である。この図６のブロック図に示す構成をもっ
た検出装置の具体的な構造については、前掲の特許協力
条約に基づく国際出願ＰＣＴ／ＪＰ９３／００３９０号
明細書や、平成６年７月２１日付の本願と同一出願人に
よる特許出願（整理番号：Ａ０６０６２）の明細書に、
種々の実施例が開示されている。本発明は、このような
検出装置の具体的な構造についてのものではなく、この
ような検出装置から得られた検出信号の信号処理に関す
るものである。したがって、ここでは、このような検出
装置の具体的な構造の一例だけを参考として述べておく
ことにする。もちろん、本発明の技術範囲は、ここに述
べる具体的な構造に何ら制約を受けるものではない。

【００２６】図８は、この具体的な検出装置を斜め上方
から見た斜視図、図９は、この検出装置を斜め下方から
見た斜視図である。この検出装置は、円盤状の圧電素子
１０の上面に１２枚の上部電極Ａ１〜Ａ８，Ｅ１〜Ｅ４
を形成するとともに、下面に１枚の下部電極Ｂを形成し
たものである。ここでは説明の便宜上、ＸＹＺ三次元座
標系の原点Ｏを、円盤状の圧電素子１０の上面の中心位
置に定義し、Ｘ軸およびＹ軸をこの圧電素子１０の上面
に沿った方向に定義し、Ｚ軸をこの上面に対して垂直上
方に向かう方向に定義することにする。したがって、こ
の圧電素子１０の上面は、ＸＹ平面に含まれることにな
る。

【００２７】圧電素子１０の構造的な特徴は、図９に示
されているように、下面に環状溝１５が形成されている
点である。この実施例では、環状溝１５は原点Ｏを取り
囲むような円形をしている。下部電極Ｂは、１枚の単一
の電極層であり、この環状溝１５の内部をも含めた圧電
素子１０の下面全面に形成されている。一方、１２枚の
上部電極Ａ１〜Ａ８，Ｅ１〜Ｅ４は、図９の上面図に明
瞭に示されているように、いずれも原点Ｏを中心とした
円弧に沿った帯状をしており、Ｘ軸あるいはＹ軸に関し
て線対称な形状をしている。

【００２８】この検出装置の構造は、図１１を参照する
と、より明らかになる。図１１は、この検出装置をＸＺ
平面で切った側断面図である。圧電素子１０の環状溝１
５が形成された部分は、他の部分に比べて肉厚が薄くな
っており、可撓性を有する。ここでは、圧電素子１０の
中の環状溝１５の上方に位置する部分を可撓部１２と呼
び、この可撓部１２によって囲まれた中心の部分を中心
部１１と呼び、可撓部１２の外周に位置する部分を周囲
部１３と呼ぶことにする。これら３つの部分の相対的な
位置関係は、図１２の下面図に明瞭に示されている。す
なわち、中心部１１の周囲の環状溝１５が形成された部
分に可撓部１２が形成され、この可撓部１２の周囲に周
囲部１３が形成されていることになる。

【００２９】ここで、たとえば、周囲部１３だけを検出
装置筐体に固定し、検出装置筐体全体を揺らすと、中心
部１１にはその質量により加速度に基づく力が作用し、
この力により可撓部１２に撓みが生じることになる。す
なわち、中心部１１は、可撓性をもった可撓部１２によ
って周囲から支持された状態になっており、Ｘ軸、Ｙ
軸、Ｚ軸方向にある程度の変位を生じることが可能であ
る。結局、この検出装置における中心部１１は、図６に
示す検出装置における質量を有する振動子１３０として
機能するのである。図６に示す検出装置では、振動子１
３０の他に、各軸方向の励振手段１４１，１４２，１４
３と、各軸方向の力検出手段１５１，１５２，１５３が
必要である。この具体的な検出装置では、励振手段１４
１，１４２，１４３は、上部電極Ｅ１〜Ｅ４と、下部電
極Ｂと、これらの間に挟まれている圧電素子１０と、に
よって構成され、力検出手段１５１，１５２，１５３
は、上部電極Ａ１〜Ａ８と、下部電極Ｂと、これらの間
に挟まれている圧電素子１０と、によって構成される。

【００３０】このように、上下の電極と、その間に挟ま
れた圧電素子１０とによって、励振手段や力検出手段を
構成できることを説明するために、まず、圧電素子１０
の基本的な性質について確認しておく。一般に、圧電素
子は、機械的な応力の作用により分極現象を生じる。す
なわち、ある特定の方向に応力が加わると、一方には正
の電荷が発生し、他方には負の電荷が発生する性質を有
する。この実施例の検出装置では、圧電素子１０とし
て、図１３に示すような分極特性をもった圧電セラミッ
クスを用いている。すなわち、図１３(a) に示すよう
に、ＸＹ平面に沿って伸びる方向の力が作用した場合に
は、上部電極Ａ側に正の電荷が、下部電極Ｂ側に負の電
荷が、それぞれ発生し、逆に、図１３(b) に示すよう
に、ＸＹ平面に沿って縮む方向の力が作用した場合に
は、上部電極Ａ側に負の電荷が、下部電極Ｂ側に正の電
荷が、それぞれ発生するような分極特性をもっている。
逆に、上下の電極に所定の電圧を印加すると、圧電素子
１０の内部には機械的な応力が作用することになる。す
なわち、図１３(a) に示すように、上部電極Ａ側に正の
電荷を、下部電極Ｂ側に負の電荷を、それぞれ与えるよ
うに電圧を印加すると、ＸＹ平面に沿って伸びる方向の
力が発生し、図１３(b) に示すように、上部電極Ａ側に
負の電荷を、下部電極Ｂ側に正の電荷を、それぞれ与え
るように電圧を印加すると、ＸＹ平面に沿って縮む方向
の力が発生するのである。

【００３１】ここで述べる具体的な検出装置は、このよ
うな圧電素子の性質を利用して、各励振手段および各力
検出手段を構成しているのである。すなわち、上下の電
極に電圧を印加することにより圧電素子内部に応力を発
生させることができる性質を利用して各励振手段を構成
し、圧電素子内部に応力が作用した場合に上下の電極に
電荷が発生する性質を利用して各力検出手段を構成して
いる。以下、これらの各手段について、その構成と動作
を説明する。

【００３２】＜Ｘ軸方向励振手段＞図６に示す構成要素
のうち、Ｘ軸方向励振手段１４１は、上部電極Ｅ１，Ｅ
２と、これに対向する下部電極Ｂの一部分と、これらに
挟まれた圧電素子１０の一部分と、後述する交流供給手
段と、によって構成されている。いま、下部電極Ｂを基
準電位に保ちながら、上部電極Ｅ１に正の電圧を与え、
上部電極Ｅ２に負の電圧を与えた場合を考える。する
と、図１４の側断面図に示すように、電極Ｅ１の下の圧
電素子には図の左右に伸びる方向の応力が生じ、電極Ｅ
２の下の圧電素子には図の左右に縮む方向の応力が生じ
る（図１３の分極特性を参照）。このため、圧電素子１
０全体としては、図１４に示すように変形することにな
り、中心部１１の重心Ｐは、Ｘ軸方向にＤｘだけ変位す
ることになる。ここで、上部電極Ｅ１，Ｅ２に与える電
圧の極性を逆転させ、上部電極Ｅ１に負の電圧を与え、
上部電極Ｅ２に正の電圧を与えると、図１４とは逆に、
電極Ｅ１の下の圧電素子には図の左右に縮む方向の応力
が生じ、電極Ｅ２の下の圧電素子には図の左右に伸びる
方向の応力が生じ、結果的に、中心部１１の重心Ｐは、
Ｘ軸の方向に−Ｄｘだけ変位することになる。

【００３３】そこで、下部電極Ｂと上部電極Ｅ１との間
に第１の交流電圧を印加するとともに、下部電極Ｂと上
部電極Ｅ２との間には、第１の交流電圧とは逆位相にな
るような第２の交流電圧を印加するようにすれば、重心
Ｐは、Ｘ軸方向に沿って、Ｄｘなる変位と−Ｄｘなる変
位とを交互に生じるようになり、中心部１１はＸ軸に沿
って振動することになる。既に述べたように、中心部１
１は図６に示す構成要素における振動子１３０に対応す
るものである。したがって、上述した交流電圧の印加に
より、振動子１３０に対してＸ軸方向の振動Ｕｘを与え
ることが可能になる。この振動Ｕｘの周波数は、与える
交流電圧の周波数によって制御可能であり、この振動Ｕ
ｘの振幅は、与える交流電圧の振幅値によって制御可能
である。結局、上部電極Ｅ１，Ｅ２、下部電極Ｂ、圧電
素子１０、および図示されていない交流電圧を供給する
手段、によって、図６に示すＸ軸方向励振手段１４１が
構成されていることになる。

【００３４】＜Ｙ軸方向励振手段＞図６に示す構成要素
のうち、Ｙ軸方向励振手段１４２は、上部電極Ｅ３，Ｅ
４と、これに対向する下部電極Ｂの一部分と、これらに
挟まれた圧電素子１０の一部分と、図示されていない交
流供給手段と、によって構成されている。その動作原理
は、上述したＸ軸方向励振手段１４１の動作原理と全く
同様である。すなわち、図１０の上面図に示されている
ように、上部電極Ｅ１，Ｅ２がＸ軸上に配されていたの
に対し、上部電極Ｅ３，Ｅ４はＹ軸上に配されている。
したがって、上部電極Ｅ１，Ｅ２に互いに位相が逆転し
た交流電圧を供給することにより、中心部１１（振動
子）をＸ軸方向に振動させることができたのと同じ原理
により、上部電極Ｅ３，Ｅ４に互いに位相が逆転した交
流電圧を供給することにより、中心部１１（振動子）を
Ｙ軸方向に振動させることができる。

【００３５】すなわち、上述した交流電圧の印加によ
り、振動子１３０に対してＹ軸方向の振動Ｕｙを与える
ことが可能になる。この振動Ｕｙの周波数は、与える交
流電圧の周波数によって制御可能であり、この振動Ｕｙ
の振幅は、与える交流電圧の振幅値によって制御可能で
ある。結局、上部電極Ｅ３，Ｅ４、下部電極Ｂ、圧電素
子１０、および図示されていない交流電圧を供給する手
段、によって、図６に示すＹ軸方向励振手段１４２が構
成されていることになる。

【００３６】＜Ｚ軸方向励振手段＞図６に示す構成要素
のうち、Ｚ軸方向励振手段１４３は、上部電極Ｅ１〜Ｅ
４と、これに対向する下部電極Ｂの一部分と、これらに
挟まれた圧電素子１０の一部分と、後述する交流供給手
段と、によって構成されている。いま、下部電極Ｂを基
準電位に保ちながら、上部電極Ｅ１，Ｅ２に負の電圧を
与え、上部電極Ｅ３，Ｅ４に正の電圧を与えた場合を考
える。すると、図１５の側断面図に示すように、電極Ｅ
１，Ｅ２の下の圧電素子には図の左右方向（および紙面
に垂直な方向）に縮む方向の応力が生じ、電極Ｅ３，Ｅ
４の下の圧電素子には図の紙面に垂直な方向（および図
の左右方向）に伸びる方向の応力が生じる（図１３の分
極特性を参照）。ここで、図１０の上面図から明らかな
ように、上部電極Ｅ１，Ｅ２は可撓部１２の外側に位置
し、上部電極Ｅ３，Ｅ４は可撓部１２の内側に位置す
る。このため、上述のような各応力が発生すると、圧電
素子１０全体としては、図１５に示すように変形するこ
とになり、中心部１１の重心Ｐは、Ｚ軸方向にＤｚだけ
変位することになる。ここで、上部電極Ｅ１〜Ｅ４に与
える電圧の極性を逆転させ、上部電極Ｅ１，Ｅ２に正の
電圧を与え、上部電極Ｅ３，Ｅ４に負の電圧を与える
と、図１５とは逆に、電極Ｅ１，Ｅ２の下の圧電素子に
は伸びる方向の応力が生じ、電極Ｅ３，Ｅ４の下の圧電
素子には縮む方向の応力が生じ、結果的に、中心部１１
の重心Ｐは、Ｚ軸の方向に−Ｄｚだけ変位することにな
る。

【００３７】そこで、下部電極Ｂと上部電極Ｅ１，Ｅ２
との間に第１の交流電圧を印加するとともに、下部電極
Ｂと上部電極Ｅ３，Ｅ４との間には、第１の交流電圧と
は逆位相になるような第２の交流電圧を印加するように
すれば、重心Ｐは、Ｚ軸方向に沿って、Ｄｚなる変位と
−Ｄｚなる変位とを交互に生じるようになり、中心部１
１はＺ軸に沿って振動することになる。既に述べたよう
に、中心部１１は図６に示す構成要素における振動子１
３０に対応するものである。したがって、上述した交流
電圧の印加により、振動子１３０に対してＺ軸方向の振
動Ｕｚを与えることが可能になる。この振動Ｕｚの周波
数は、与える交流電圧の周波数によって制御可能であ
り、この振動Ｕｚの振幅は、与える交流電圧の振幅値に
よって制御可能である。結局、上部電極Ｅ１〜Ｅ４、下
部電極Ｂ、圧電素子１０、および図示されていない交流
電圧を供給する手段、によって、図６に示すＺ軸方向励
振手段１４３が構成されていることになる。

【００３８】＜Ｘ軸方向力検出手段＞図６に示す構成要
素のうち、Ｘ軸方向力検出手段１５１は、上部電極Ａ
１，Ａ２と、これに対向する下部電極Ｂの一部分と、こ
れらに挟まれた圧電素子１０の一部分と、後述する検出
回路と、によって構成されている。いま、この検出装置
の周囲部１３を筐体に固定した状態において、中心部１
１（振動子１３０）の重心Ｐに加速度に基く力ｆｘが作
用した場合に、どのような現象が起こるかを説明する。
まず、重心ＰにＸ軸方向の加速度αｘが加えられた結
果、図１６に示すように、重心Ｐに対してＸ軸方向の力
ｆｘが作用した場合を考える。このような力ｆｘの作用
により、可撓部１２に撓みが生じ、図１６に示すような
変形が起こる。この結果、Ｘ軸に沿って配置された上部
電極Ａ１，Ａ６はＸ軸方向に伸び、同じくＸ軸に沿って
配置された上部電極Ａ５，Ａ２はＸ軸方向に縮むことに
なる。これらの上部電極の下方に位置する圧電素子は、
図１３に示すような分極特性を有するので、各上部電極
には、図１６に示すような極性の電荷が発生する。この
とき、下部電極Ｂは単一の共通電極となっているので、
部分的に「＋」または「−」の極性の電荷が発生しても
相殺され、トータルでの電荷の発生はない。

【００３９】そこで、上部電極Ａ１に発生した電荷と上
部電極Ａ２に発生した電荷との差を求めれば、Ｘ軸方向
に作用した力ｆｘが得られることになる。もちろん、上
部電極Ａ５に発生した電荷と上部電極Ａ６に発生した電
荷との差によっても、Ｘ軸方向に作用した力ｆｘを求め
ることはできるが、後述するように、上部電極Ａ５，Ａ
６はＺ軸方向に作用した力ｆｚの検出に利用されるた
め、Ｘ軸方向の力ｆｘの検出には用いていない。なお、
上述の説明では、加速度に起因して作用した力ｆｘを検
出する場合を例にとったが、角速度に起因して作用する
コリオリ力Ｆｘも、全く同様にして検出可能である。実
際には、重心Ｐに作用したＸ軸方向の力としては、加速
度に起因する力ｆｘも角速度に起因するコリオリ力Ｆｘ
も同等であり、瞬時瞬時に検出される力としては区別で
きない。

【００４０】＜Ｙ軸方向力検出手段＞図６に示す構成要
素のうち、Ｙ軸方向力検出手段１５２は、上部電極Ａ
３，Ａ４と、これに対向する下部電極Ｂの一部分と、こ
れらに挟まれた圧電素子１０の一部分と、後述する検出
回路と、によって構成されている。その検出原理は、上
述したＸ軸方向力検出手段１５１の検出原理と同様であ
る。すなわち、この検出装置の周囲部１３を筐体に固定
した状態において、中心部１１（振動子１３０）の重心
Ｐに加速度に基く力ｆｙが作用した場合に、どのような
現象が起こるかを考えればよい。重心ＰにＹ軸方向の加
速度αｙが加えられた結果、Ｙ軸方向の力ｆｙが作用す
ると、上部電極Ａ３には負の電荷が生じ、上部電極Ａ４
には正の電荷が生じることになる。そこで、上部電極Ａ
３に発生した電荷と上部電極Ａ４に発生した電荷との差
を求めれば、Ｙ軸方向に作用した力ｆｙが得られること
になる。角速度に起因して作用するコリオリ力Ｆｙの検
出も全く同様である。

【００４１】＜Ｚ軸方向力検出手段＞図６に示す構成要
素のうち、Ｚ軸方向力検出手段１５３は、上部電極Ａ５
〜Ａ８と、これに対向する下部電極Ｂの一部分と、これ
らに挟まれた圧電素子１０の一部分と、後述する検出回
路と、によって構成されている。いま、この検出装置の
周囲部１３を筐体に固定した状態において、中心部１１
（振動子１３０）の重心Ｐに加速度に基く力ｆｚが作用
した場合に、どのような現象が起こるかを説明する。ま
ず、重心ＰにＺ軸方向の加速度αｚが加えられた結果、
図１７に示すように、重心Ｐに対してＺ軸方向の力ｆｚ
が作用した場合を考える。このような力ｆｚの作用によ
り、可撓部１２に撓みが生じ、図１７に示すような変形
が起こる。この結果、外側環状領域に配置された上部電
極Ａ１，Ａ８，Ａ２，Ａ７は縮むために上部電極側に
「−」の電荷が発生し、内側環状領域に配置された上部
電極Ａ５，Ａ４，Ａ６，Ａ３は伸びるために上部電極側
に「＋」の電荷が発生することになる。このとき、下部
電極Ｂは単一の共通電極となっているので、部分的に
「＋」または「−」の極性の電荷が発生しても相殺さ
れ、トータルでの電荷の発生はない。

【００４２】そこで、上部電極Ａ５，Ａ６に発生した電
荷の和と、上部電極Ａ７，Ａ８に発生した電荷の和と、
の差を求めれば、Ｚ軸方向に作用した力ｆｚが得られる
ことになる。もちろん、角速度に起因して作用するコリ
オリ力Ｆｚも、全く同様にして検出可能である。

【００４３】ここで、力ｆｘ，ｆｙ，ｆｚのそれぞれが
作用した場合に、各上部電極に発生する電荷の極性をま
とめると、図１８に示す表が得られる。表中「０」と記
されているのは、圧電素子が部分的には伸びるが部分的
には縮むため、正負が相殺されてトータルとして電荷は
発生しないことを示す。前述したように、各上部電極
は、Ｘ軸またはＹ軸に関して線対称な形状をしているた
め、力ｆｘの作用により電荷を発生する上部電極には、
力ｆｙが作用しても電荷は発生せず、逆に、力ｆｙの作
用により電荷を発生する上部電極には、力ｆｘが作用し
ても電荷は発生しないのである。このように、他軸干渉
を避ける上では、電極形状を線対称にしておくことが重
要である。なお、図１８の表は、いずれも各軸の正方向
の力＋ｆｘ，＋ｆｙ，＋ｆｚが作用した場合の極性を示
すものであるが、各軸の負方向の力−ｆｘ，−ｆｙ，−
ｆｚが作用したときは、それぞれこの表とは逆の極性の
電荷が現われることになる。このような表が得られるこ
とは、図１６および図１７に示す変形状態と、図１０に
示す各上部電極の配置とを参照すれば、容易に理解でき
よう。また、作用した力の大きさは、発生した電荷量と
して検出することが可能である。

【００４４】このような原理に基いて、力ｆｘ，ｆｙ，
ｆｚ（あるいはコリオリ力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）の検出を
行うためには、たとえば図１９に示すような検出回路を
用意すればよい。この検出回路において、Ｑ／Ｖ変換回
路３１〜３８は、各上部電極Ａ１〜Ａ８に発生する電荷
量を、下部電極Ｂの電位を基準電位としたときの電圧値
に変換する回路である。この回路からは、たとえば、上
部電極に「＋」の電荷が発生した場合には、発生した電
荷量に応じた正の電圧（基準電位に対して）が出力さ
れ、逆に、上部電極に「−」の電荷が発生した場合に
は、発生した電荷量に応じた負の電圧（基準電位に対し
て）が出力される。こうして出力された電圧Ｖ１〜Ｖ８
は、演算器４１〜４３に与えられ、これら演算器４１〜
４３の出力が端子Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚに得られる。ここ
で、端子Ｔｘの基準電位に対する電圧値が力ｆｘ（また
はコリオリ力Ｆｘ）の検出値となり、端子Ｔｙの基準電
位に対する電圧値が力ｆｙ（またはコリオリ力Ｆｙ）の
検出値となり、端子Ｔｚの基準電位に対する電圧値が力
ｆｚ（またはコリオリ力Ｆｚ）の検出値となる。

【００４５】各出力端子Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚに得られる電
圧値が、力ｆｘ，ｆｙ，ｆｚの検出値になることは、図
１８の表を参照すればわかる。たとえば、力ｆｘが作用
した場合、上部電極Ａ１には「＋」の電荷が発生し、上
部電極Ａ２には「−」の電荷が発生する。したがって、
Ｖ１は正、Ｖ２は負の電圧となる。そこで、演算器４１
によって、Ｖ１−Ｖ２なる演算を行うことにより、電圧
Ｖ１，Ｖ２の絶対値の和が求まり、これが力ｆｘの検出
値として端子Ｔｘに出力されることになる。同様に、力
ｆｙが作用した場合は、上部電極Ａ３には「−」の電荷
が発生し、上部電極Ａ４には「＋」の電荷が発生する。
したがって、Ｖ３は負、Ｖ４は正の電圧となる。そこ
で、演算器４２によって、Ｖ４−Ｖ３なる演算を行うこ
とにより、電圧Ｖ３，Ｖ４の絶対値の和が求まり、これ
が力ｆｙの検出値として端子Ｔｙに出力されることにな
る。また、力ｆｚが作用した場合は、上部電極Ａ５，Ａ
６には「＋」の電荷が発生し、上部電極Ａ７，Ａ８には
「−」の電荷が発生する。したがって、Ｖ５，Ｖ６は
正、Ｖ７，Ｖ８は負の電圧となる。そこで、演算器４３
によって、Ｖ５＋Ｖ６−Ｖ７−Ｖ８なる演算を行うこと
により、電圧Ｖ５〜Ｖ８の絶対値の和が求まり、これが
力ｆｚの検出値として端子Ｔｚに出力されることにな
る。

【００４６】ここで注目すべき点は、各出力端子Ｔｘ，
Ｔｙ，Ｔｚに得られる検出値は、他軸成分を含まないと
いうことである。たとえば、図１８の表に示されている
ように、力ｆｘだけが作用した場合、力ｆｙ検出用の上
部電極Ａ３，Ａ４には電荷の発生はなく、端子Ｔｙには
検出電圧は得られない。このとき、力ｆｚ検出用の上部
電極Ａ５，Ａ６にはそれぞれ電荷（互いに逆極性）が発
生するが、演算器４３において電圧Ｖ５およびＶ６は互
いに加算されるため相殺されてしまい、やはり端子Ｔｚ
には検出電圧は得られない。力ｆｙだけが作用した場合
も同様に、端子Ｔｙ以外には検出電圧は得られない。ま
た、力ｆｚだけが作用した場合も同様に、端子Ｔｚ以外
には検出電圧は得られない。こうして、ＸＹＺの３軸方
向成分が独立して検出できる。

【００４７】以上、図６に示す検出装置の具体的な一構
成例を説明したが、この他にも種々の構成例が可能であ
る。要するに、振動子１３０を所定軸方向に機械的に振
動させる励振手段と、この振動子１３０に作用する各軸
方向の力を検出することができる検出手段と、が実現で
きれば、どのような構成を採ってもかまわない。

【００４８】§３． 従来提案されている検出動作 図６に示すような検出装置により、各軸方向の加速度α
ｘ，αｙ，αｚと、角軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ω
ｚと、を検出するための従来の検出動作を、「基本的な
検出動作」として、図２０の流れ図に示す。この検出動
作は、前掲の特許協力条約に基づく国際出願ＰＣＴ／Ｊ
Ｐ９３／００３９０号明細書に開示されている方法であ
る。

【００４９】まず、ステップＳ１１において、振動子１
３０に振動を与えない状態（すなわち、各励振手段１４
１，１４２，１４３を駆動しない状態）で、各力検出手
段１５１，１５２，１５３の検出値を得る。これは、図
６に示す検出装置を、図７に示す加速度検出装置として
動作させたものであり、各力検出手段１５１，１５２，
１５３の検出値は、加速度に起因した力ｆｘ，ｆｙ，ｆ
ｚとなる。振動子１３０は振動していないので、角速度
に起因したコリオリ力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚは検出されない
ことになる。加速度に起因した力ｆと加速度αとの間に
は、振動子１３０の質量ｍに基づいて、ｆ＝ｍ・αの関
係があるので、得られた力ｆｘ，ｆｙ，ｆｚに基づき、
各軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚを検出することがで
きる。

【００５０】続いて、ステップＳ１２において、振動子
１３０に振動Ｕｚを与えた状態（すなわち、Ｚ軸方向励
振手段１４３を駆動した状態）で、Ｙ軸方向力検出手段
１５２の検出値Ｆｙを得る。そして、Ｆｙ＝２ｍ・ｖｚ
・ωｘなる式に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検
出する。ここで、ｍは振動子１３０の質量であり、ｖｚ
は振動子１３０のＺ軸方向の瞬間速度である。この検出
方法は、図３に示す原理に基づいたものである。なお、
瞬間速度ｖｚは、Ｚ軸方向励振手段１４３の動作状態か
ら推定することができる。たとえば、前述した§２に示
す具体的な構成例では、Ｚ軸方向励振手段１４３は、上
部電極Ｅ１〜Ｅ４に所定の交流電圧を供給することによ
って駆動することになるので、この交流電圧の振幅、周
波数、そして瞬時瞬時における位相から、瞬間速度ｖｚ
を推定することが可能である。

【００５１】次の、ステップＳ１３では、振動子１３０
に振動Ｕｘを与えた状態（すなわち、Ｘ軸方向励振手段
１４１を駆動した状態）で、Ｚ軸方向力検出手段１５３
の検出値Ｆｚを得る。そして、Ｆｚ＝２ｍ・ｖｘ・ωｙ
なる式に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出す
る。ここで、ｖｘは振動子１３０のＸ軸方向の瞬間速度
であり、Ｘ軸方向励振手段１４１の動作状態から推定す
ることができる。この検出方法は、図４に示す原理に基
づいたものである。

【００５２】続く、ステップＳ１４では、振動子１３０
に振動Ｕｙを与えた状態（すなわち、Ｙ軸方向励振手段
１４２を駆動した状態）で、Ｘ軸方向力検出手段１５１
の検出値Ｆｘを得る。そして、Ｆｘ＝２ｍ・ｖｙ・ωｚ
なる式に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出す
る。ここで、ｖｙは振動子１３０のＹ軸方向の瞬間速度
であり、Ｙ軸方向励振手段１４２の動作状態から推定す
ることができる。この検出方法は、図５に示す原理に基
づいたものである。

【００５３】最後に、ステップＳ１５を経て、検出動作
を継続する限り、ステップＳ１１からの処理が繰り返し
実行される。このように、振動子１３０を振動させない
状態で各軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚを検出する段
階（ステップＳ１１）と、振動子１３０を所定方向に振
動させた状態で各軸まわりの各速度ωｘ，ωｙ，ωｚを
検出する段階（ステップＳ１２〜Ｓ１４）と、を別個に
実施することにより、加速度と角速度との双方を得るこ
とになる。なお、加速度と角速度とが常時作用している
環境下では、ステップＳ１２〜Ｓ１４の角速度検出過程
において、加速度に起因する力ｆｘ，ｆｙ，ｆｚが、コ
リオリ力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚに混入して検出されることに
なるので、ステップＳ１１において検出したｆｘ，ｆ
ｙ，ｆｚの値を用いた減算を行い、コリオリ力Ｆｘ，Ｆ
ｙ，Ｆｚの成分のみを取り出す必要がある。

【００５４】さて、この「基本的な検出動作」の問題点
は、加速度や角速度の値を継続的に測定するような用途
に用いたときに、応答性が悪くなるという点である。自
動車や産業機械などでは、時々刻々と変化してゆく加速
度や角速度の値を、一定時間周期で継続的に得ることが
要求される場合が多い。ところが、図２０に示す流れ図
に基づく検出動作を行う場合、ステップＳ１１において
静止していた振動子を、ステップＳ１２ではＺ軸方向に
振動させ、ステップＳ１３ではＸ軸方向に振動させ、ス
テップＳ１４ではＹ軸方向に振動させ、再びステップＳ
１１において静止させる必要がある。振動子に対してこ
のような機械的な振動条件を高速に変化させることは非
常に困難であり、現実的には、図２０の検出動作におい
て次のステップに進むためには、安定した振動状態を得
るまでに、ある程度の時間が必要になる。このため、ど
うしても応答性が悪くならざるを得ない。

【００５５】§４． 加速度に起因する力と角速度に起
因する力との分離 本発明に係る検出動作の特徴は、加速度の検出と角速度
の検出とを同時に行うことにある。そのためには、各力
検出手段１５１，１５２，１５３によって検出された力
を、加速度に起因する力と、角速度に起因するコリオリ
力と、に分離する必要がある。ここでは、この分離の方
法を具体例に即して説明する。

【００５６】ここでは、図３に示すモデルを例にとった
具体例を説明することにする。図３は、Ｘ軸まわりの角
速度ωｘの検出原理を説明する図である。すなわち、振
動子１３０に対してＺ軸方向の振動Ｕｚを与えた状態に
おいて、Ｙ軸方向に生じるコリオリ力Ｆｙを検出すれ
ば、Ｆｙ＝２ｍ・ｖｚ・ωｘなる関係式から、Ｘ軸まわ
りの角速度ωｘが求まることになる。そこで、いま、振
動子１３０に図２１(a)に示すようなＺ軸方向の振動Ｕ
ｚを与えた状態において、同図(b) に示すようなＸ軸ま
わりの角速度ωｘが作用した場合を考える。いずれも横
軸は時間ｔである。振動Ｕｚは、振動子１３０の物理的
な位置の変動を示しており、この例では、上下に正弦運
動を行っていることになる。また、この場合に作用した
角速度ωｘは、Ｘ軸の正の方向まわり（たとえば、時計
まわり）の角速度であり、時間とともに緩やかに増加し
緩やかに減少している。このときにＹ軸方向に生じるコ
リオリ力Ｆｙは、Ｆｙ＝２ｍ・ｖｚ・ωｘなる関係式で
求まるが、ここで、振動子１３０のＺ軸方向の瞬間速度
ｖｚは、振動Ｕｚの位相を（π／２）だけずらしたもの
になる。なぜなら、上下に正弦運動している物体の瞬間
速度は、中心位置を通過する瞬間に最大になり、最上点
および最下点では０になるからである（なお、ここで
は、図２１(a) に示す振動において、下に向かう方向の
速度を正とし、上へ向かう方向の速度を負とする）。振
動子１３０の質量ｍは一定であるから、コリオリ力Ｆｙ
は、瞬間速度ｖｚと角速度ωｘとの積によって定まり、
図２１(c)のようなものになる。結局、図３のモデルに
おいて、振動子１３０に、図２１(a) に示すような振動
Ｕｚを与えた状態で、図２１(b) に示すような角速度ω
ｘが作用した場合には、図２１(c) に示すようなコリオ
リ力Ｆｙが生じることになる。

【００５７】一方、振動子１３０にＹ軸方向の加速度が
作用した場合には、Ｙ軸方向にどのような力が生じるで
あろうか。Ｙ軸方向の加速度αｙによって生じるＹ軸方
向の力ｆｙは、ｆｙ＝ｍ・αｙなる関係式で与えられる
ので、与えられた加速度αｙに比例した力ｆｙが生じる
ことになる。そこで、いま、振動子１３０に線形増加す
る加速度αｙが与えられたとすると、図２１(d) に示す
ようなＹ軸方向の力ｆｙが生じることになる。

【００５８】それでは、図３のモデルにおいて、振動子
１３０に、図２１(a) に示すようなＺ軸方向の振動Ｕｚ
を与えた状態で、図２１(b) に示すようなＸ軸まわりの
角速度ωｘが作用し、かつ、線形に増加するＹ軸方向の
加速度αｙが作用した場合には、Ｙ軸方向にはどのよう
な力が観測されるであろうか。この場合は、当然なが
ら、図２１(c) に示すようなコリオリ力Ｆｙと、図２１
(d) に示すような加速度に基づく力ｆｙの和に相当する
合成力が観測されることになる。図２２に、このような
合成力ｆｙ＋Ｆｙを示す。

【００５９】さて、このような合成力ｆｙ＋Ｆｙを、力
ｆｙとコリオリ力Ｆｙとに分離することができれば、前
者からはＹ軸方向の加速度αｙを求めることができ、後
者からはＸ軸まわりの角速度ωｘを求めることができ
る。すなわち、加速度と角速度との同時検出が可能にな
る。本願発明者は、次のような点に着目することによ
り、この分離を行うことができることを見出だした。す
なわち、図２２に示す合成力ｆｙ＋Ｆｙのうち、バイア
ス成分のみを抽出すれば、図２１(d) に示す力ｆｙだけ
を取り出すことができ、振幅成分のみを抽出すれば、図
２１(c) に示すコリオリ力Ｆｙだけを取り出すことがで
きるのである。そもそも図２１(c) に示すコリオリ力Ｆ
ｙは、図２１(a) に示す振動Ｕｚを搬送波として、図２
１(b) に示す角速度ωｘを振幅変調したものである。し
たがって、角速度ωｘの情報は、合成力の中において
も、振幅成分としてのみ含まれていることになる。一
方、図２１(d) に示す力ｆｙは、振動Ｕｚの周波数成分
を含まないため、その情報は、合成力の中においても、
単なるバイアス成分としてのみ含まれていることにな
る。このような点に着目すれば、合成力ｆｙ＋Ｆｙのう
ち、バイアス成分のみを抽出すれば力ｆｙを取り出すこ
とができ、振幅成分のみを抽出すればコリオリ力Ｆｙを
取り出すことができることが理解できよう。

【００６０】なお、このような原理に基づいて、加速度
に基づく力ｆと角速度に基づくコリオリ力Ｆとを分離す
るためには、振動Ｕの周波数が、検出対象となる加速度
や角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分に高い周
波数でなければならない。別言すれば、本発明に係る検
出装置では、検出対象となる加速度や角速度のうち、振
動Ｕの周波数に比べて十分に低い周波数成分しか検出で
きないことになる。もっとも、このような制約は、自動
車や産業機械に搭載する検出装置としては、実用上、全
く問題にならない。具体的には、§２で述べたような圧
電素子を利用した振動子を振動させる場合、２０ｋＨｚ
程度の共振周波数で振動させるのが最も効率的である。
この場合、数百Ｈｚ以下の周波数成分をもった加速度や
角速度を検出することは十分に可能であり、このような
性能は、一般的な自動車や産業機械に搭載する検出装置
に要求される性能を十分に満足させるものである。

【００６１】さて、前述のような原理に基づき、合成力
をバイアス成分と振幅成分とに分離する方法としては、
たとえば、周波数フィルタを用いる方法を利用すること
ができる。ただ、近年はコンピュータの普及により、得
られた電気信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル処理を行うの
が一般的になってきている。本願発明者は、このような
デジタル処理を利用した次のような分離方法を見出だし
た。

【００６２】まず、図２２のような合成力ｆｙ＋Ｆｙの
検出信号について、図２３に示すように、変極点Ｐ１〜
Ｐ９を抽出する。そして、図２４に示すように、各変極
点Ｐ１〜Ｐ９の時間軸ｔ上の位置を示す区画線Ｑ１〜Ｑ
９を定義し、隣接する各区画線の中間位置を通る参照線
Ｑ１２〜Ｑ８９（図２４では破線で示す）を定義する。
そして、各参照線上に、その両側にある変極点の信号値
の平均値をもった参照点ｍをプロットするのである。図
２５は、こうしてプロットされた参照点ｍ１〜ｍ８を示
している。たとえば、参照点ｍ１は、変極点Ｐ１の信号
値と変極点Ｐ２の信号値との平均値をもった参照線Ｑ１
２上の点ということになる。このように、参照点ｍ１〜
ｍ８が得られたら、図２６に示すように、これらを順に
結んだ信号波形を求める。こうして得られた信号波形
は、もとの合成力ｆｙ＋Ｆｙのうちのバイアス成分に対
応するものになり、結局、加速度αｙに基づく力ｆｙに
対応するものになる。バイアス成分が求まれば、これを
もとの合成力から差し引くことにより、振幅成分に対応
する信号波形を得ることができ、結局、コリオリ力Ｆｙ
に対応した信号波形を得ることができる。なお、角速度
ωｘの大きさは、図２７に示すように、コリオリ力Ｆｙ
に対応した信号波形の包絡線Ｅを抽出することにより得
られる。また、角速度ωｘの向きは、得られたコリオリ
力Ｆｙと図２１(a) に示す振動Ｕｚとの位相差により得
ることができる。たとえば、図２１(b)に示すような正
の向きの角速度ωｘが加わった場合には、図２１(a) に
示す振動Ｕｚの波形に対して、得られるコリオリ力Ｆｙ
の波形は、図２１(c) に示すように、（π／２）だけ位
相を右方へシフトさせたものになるが、負の向きの角速
度−ωｘが加わった場合には、同じ図２１(a) に示す振
動Ｕｚの波形に対して、図２１(c) の正負を反転させた
コリオリ力波形が得られ、このコリオリ力波形は、振動
Ｕｚの波形の位相を（π／２）だけ左方へシフトさせた
ものになる。

【００６３】§５． 本発明に係る検出装置の第１の実
施例 本発明に係る検出装置は、上述の§４で述べた基本原理
に基いて、合成力を加速度に基く力ｆ（バイアス成分）
と角速度に基くコリオリ力Ｆ（振幅成分）とに分離する
信号分離手段を用い、加速度と角速度とを同時に検出で
きるようにしたものである。図２８は、本発明の第１の
実施例に係る検出装置の基本構成を示すブロック図であ
る。この検出装置は、図６に示した検出装置の各構成要
素に、Ｘ軸方向信号分離手段１６１、Ｙ軸方向信号分離
手段１６２、Ｚ軸方向信号分離手段１６３を付加し、更
に、加速度演算手段１７１〜１７３と、角速度演算手段
１８１〜１８３と、を付加したものである。

【００６４】各信号分離手段１６１〜１６３は、いずれ
も§４で述べた基本原理に基いて、各力検出手段１５１
〜１５３から得られた合成力ｆｘ＋Ｆｘ，ｆｙ＋Ｆｙ，
ｆｚ＋Ｆｚを、それぞれｆｘとＦｘ，ｆｙとＦｙ，ｆｚ
とＦｚに分離する装置である。また、各加速度演算手段
１７１〜１７３は、振動子１３０の質量ｍを用いて、ｆ
＝ｍ・αなる関係式に基いて、各軸方向の加速度αｘ，
αｙ，αｚを演算して出力する装置である。振動子１３
０に作用する加速度は、振動子１３０の振動とは無関係
に力ｆとして検出されるので、各加速度演算手段１７１
〜１７３は、各励振手段１４１〜１４３の動作とは無関
係に、各軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚを出力するこ
とになる。

【００６５】一方、各角速度演算手段１８１〜１８３
は、図３〜図５に示す原理に基いて、各軸まわりの角速
度ωｘ，ωｙ，ωｚを演算して出力する装置である。た
だ、角速度ωｘ，ωｙ，ωｚの検出は、図３〜図５の原
理図にも示されているように、振動子１３０の振動と密
接に関係がある。別言すれば、各角速度演算手段１８１
〜１８３は、各励振手段１４１〜１４３の動作状態を考
慮した上でなければ、角速度を演算することはできない
のである。これを個々の場合ごとに説明しておく。

【００６６】まず、図３に示す原理に基いて、Ｘ軸まわ
りの角速度ωｘを検出するには、Ｚ軸方向励振手段１４
３を駆動して振動子１３０にＺ軸方向の振動Ｕｚを与え
た状態において、Ｙ軸方向信号分離手段１６２によって
分離されたＹ軸方向のコリオリ力Ｆｙを角速度演算手段
１８２に与える。角速度演算手段１８２は、Ｆｙ＝２ｍ
・ｖｚ・ωｘなる演算式に基いて、Ｘ軸まわりの角速度
ωｘを演算し、これを出力する。このとき、振動子１３
０のＺ軸方向についての瞬間速度ｖｚは、Ｚ軸方向励振
手段１４３の動作態様に基いて推定する。たとえば、§
２で述べた具体的な構造をもった検出装置では、上部電
極Ｅ１〜Ｅ４に所定の交流電圧を供給して振動Ｕｚを与
えることになるが、振動子１３０の瞬間速度は、その時
点に供給する交流電圧の振幅、周波数、位相に基いて決
定することができる（理論的な演算式によって、供給す
る交流電圧と振動子の瞬間速度との関係を求めることも
できるし、供給する交流電圧の一周期分について振動子
の瞬間速度を実測したテーブルを用意しておくこともで
きる）。なお、図２８の角速度演算手段１８２の出力
に、「図３：ωｘ（Ｕｚ）」と記したのは、「図３に示
す原理に基いて、振動子１３０に振動Ｕｚを与えるとい
う条件において、角速度ωｘが出力される」ことを示し
たものである。

【００６７】次に、図４に示す原理に基いて、Ｙ軸まわ
りの角速度ωｙを検出するには、Ｘ軸方向励振手段１４
１を駆動して振動子１３０にＸ軸方向の振動Ｕｘを与え
た状態において、Ｚ軸方向信号分離手段１６３によって
分離されたＺ軸方向のコリオリ力Ｆｚを角速度演算手段
１８３に与える。角速度演算手段１８３は、Ｆｚ＝２ｍ
・ｖｘ・ωｙなる演算式に基いて、Ｙ軸まわりの角速度
ωｙを演算し、これを出力する。このとき、振動子１３
０のＸ軸方向についての瞬間速度ｖｘは、Ｘ軸方向励振
手段１４１の動作態様に基いて推定する。なお、図２８
の角速度演算手段１８３の出力に、「図４：ωｙ（Ｕ
ｘ）」と記したのは、「図４に示す原理に基いて、振動
子１３０に振動Ｕｘを与えるという条件において、角速
度ωｙが出力される」ことを示したものである。

【００６８】更に、図５に示す原理に基いて、Ｚ軸まわ
りの角速度ωｚを検出するには、Ｙ軸方向励振手段１４
２を駆動して振動子１３０にＹ軸方向の振動Ｕｙを与え
た状態において、Ｘ軸方向信号分離手段１６１によって
分離されたＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを角速度演算手段
１８１に与える。角速度演算手段１８１は、Ｆｘ＝２ｍ
・ｖｙ・ωｚなる演算式に基いて、Ｚ軸まわりの角速度
ωｚを演算し、これを出力する。このとき、振動子１３
０のＹ軸方向についての瞬間速度ｖｙは、Ｙ軸方向励振
手段１４２の動作態様に基いて推定する。なお、図２８
の角速度演算手段１８１の出力に、「図５：ωｚ（Ｕ
ｙ）」と記したのは、「図５に示す原理に基いて、振動
子１３０に振動Ｕｙを与えるという条件において、角速
度ωｚが出力される」ことを示したものである。

【００６９】こうして、図２８に示す検出装置によれ
ば、最終的に、加速度演算手段１７１からＸ軸方向の加
速度αｘが、加速度演算手段１７２からＹ軸方向の加速
度αｙが、加速度演算手段１７３からＺ軸方向の加速度
αｚが、それぞれ出力されることになり、更に、角速度
演算手段１８２からＸ軸まわりの角速度ωｘが、角速度
演算手段１８３からＹ軸まわりの角速度ωｙが、角速度
演算手段１８１からＺ軸まわりの角速度ωｚが、それぞ
れ出力されることになる。なお、図２８に示す各角速度
演算手段１８１〜１８３からは、「図３１：ωｙ（Ｕ
ｚ）」、「図３２：ωｚ（Ｕｘ）」、「図３０：ωｘ
（Ｕｙ）」なる出力も得られる旨が示されているが、こ
れについては、§６において説明する。

【００７０】この図２８に示す検出装置により、各軸方
向の加速度αｘ，αｙ，αｚと、各軸まわりの角速度ω
ｘ，ωｙ，ωｚと、を検出するための検出動作を、「第
１の実施例による検出動作」として、図２９の流れ図に
示す。

【００７１】まず、ステップＳ２１において、振動子１
３０に振動Ｕｚを与えた状態（すなわち、Ｚ軸方向励振
手段１４３を駆動した状態）で、Ｙ軸方向力検出手段１
５２から合成力ｆｙ＋Ｆｙを取り出し、Ｙ軸方向信号分
離手段１６２により、力ｆｙとコリオリ力Ｆｙとに分離
する。そして、加速度演算手段１７２において、力ｆｙ
に基いて加速度αｙを演算してこれを出力し、角速度演
算手段１８２において、コリオリ力Ｆｙに基いて角速度
ωｘを演算してこれを出力するのである。こうして、ス
テップＳ２１では、加速度αｙと角速度ωｘとが検出で
きる。

【００７２】次に、ステップＳ２２において、振動子１
３０に振動Ｕｘを与えた状態（すなわち、Ｘ軸方向励振
手段１４１を駆動した状態）で、Ｚ軸方向力検出手段１
５３から合成力ｆｚ＋Ｆｚを取り出し、Ｚ軸方向信号分
離手段１６３により、力ｆｚとコリオリ力Ｆｚとに分離
する。そして、加速度演算手段１７３において、力ｆｚ
に基いて加速度αｚを演算してこれを出力し、角速度演
算手段１８３において、コリオリ力Ｆｚに基いて角速度
ωｙを演算してこれを出力するのである。こうして、ス
テップＳ２１では、加速度αｚと角速度ωｙとが検出で
きる。

【００７３】続く、ステップＳ２３において、振動子１
３０に振動Ｕｙを与えた状態（すなわち、Ｙ軸方向励振
手段１４２を駆動した状態）で、Ｘ軸方向力検出手段１
５１から合成力ｆｘ＋Ｆｘを取り出し、Ｘ軸方向信号分
離手段１６１により、力ｆｘとコリオリ力Ｆｘとに分離
する。そして、加速度演算手段１７１において、力ｆｘ
に基いて加速度αｘを演算してこれを出力し、角速度演
算手段１８１において、コリオリ力Ｆｘに基いて角速度
ωｚを演算してこれを出力するのである。こうして、ス
テップＳ２１では、加速度αｘと角速度ωｚとが検出で
きる。

【００７４】最後に、ステップＳ２４を経て、検出動作
を継続する限り、ステップＳ２１からの処理が繰り返し
実行される。この図２９に示す「第１の実施例による検
出動作」は、図２０に示した「基本的な検出動作」に比
べて、１ステップ分が省略されている。すなわち、「基
本的な検出動作」では、加速度検出を行うために、ステ
ップＳ１１において、振動子を静止状態に保った検出を
行っていたのに対し、ここで述べた「第１の実施例によ
る検出動作」では、振動子を振動させた状態でも加速度
検出を行うことができるので、振動子を静止させる必要
はないのである。このため、図２８に示す検出装置で
は、従来提案されている検出装置に比べて応答性が改善
されることになる。

【００７５】§６． 本発明に係る検出装置の第２の実
施例 さて、§５では、図２８に示す基本構成をもった検出装
置とその動作を説明した。その動作によれば、角速度に
関しては、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが図３の原理に基い
て角速度演算手段１８２から出力され、Ｙ軸まわりの角
速度ωｙが図４の原理に基いて角速度演算手段１８３か
ら出力され、Ｚ軸まわりの角速度ωｚが図５の原理に基
いて角速度演算手段１８１から出力されることになる。
ただ、図２８には、各角速度演算手段１８１〜１８３の
出力について、「図３０：ωｙ（Ｕｚ）」、「図３１：
ωｚ（Ｕｘ）」、「図２９：ωｘ（Ｕｙ）」なる別な出
力も得られる旨の記載がある。これは、各角速度の検出
原理として、図３〜図５の組み合わせの他に、図３０〜
図３２の組み合わせも存在することを示すものである。
すなわち、コリオリ力を利用した角速度の検出は、「第
１の座標軸方向に振動を与えたときに、第２の座標軸方
向に発生するコリオリ力を検出すれば、第３の座標軸ま
わりの角速度が得られる」という基本原理に基くもので
あり、この基本原理における第１，第２，第３の各座標
軸を、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の
各座標軸に、どのように対応させてもかまわないのであ
る。

【００７６】同じＸ軸まわりの角速度ωｘを検出する方
法であっても、図３では、Ｚ軸方向の振動Ｕｚを与えた
ときにＹ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｙを検出してい
るのに対し、図３０では、Ｙ軸方向の振動Ｕｙを与えた
ときにＺ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｚを検出してい
るのである。また、同じＹ軸まわりの角速度ωｙを検出
する方法であっても、図４では、Ｘ軸方向の振動Ｕｘを
与えたときにＺ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｚを検出
しているのに対し、図３１では、Ｚ軸方向の振動Ｕｚを
与えたときにＸ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｘを検出
しているのである。同様に、同じＺ軸まわりの角速度ω
ｚを検出する方法であっても、図５では、Ｙ軸方向の振
動Ｕｙを与えたときにＸ軸方向に発生するコリオリ力Ｆ
ｘを検出しているのに対し、図３２では、Ｘ軸方向の振
動Ｕｘを与えたときにＹ軸方向に発生するコリオリ力Ｆ
ｙを検出しているのである。

【００７７】したがって、図２８に示す検出装置を、図
３０〜図３２に示す原理に基いて動作させることも可能
である。これを個々の場合ごとに説明しておく。

【００７８】まず、図３０に示す原理に基いて、Ｘ軸ま
わりの角速度ωｘを検出するには、Ｙ軸方向励振手段１
４２を駆動して振動子１３０にＹ軸方向の振動Ｕｙを与
えた状態において、Ｚ軸方向信号分離手段１６３によっ
て分離されたＺ軸方向のコリオリ力Ｆｚを角速度演算手
段１８３に与える。角速度演算手段１８３は、Ｆｚ＝２
ｍ・ｖｙ・ωｘなる演算式に基いて、Ｘ軸まわりの角速
度ωｘを演算し、これを出力する。このとき、振動子１
３０のＹ軸方向についての瞬間速度ｖｙは、Ｙ軸方向励
振手段１４２の動作態様に基いて推定する。角速度演算
手段１８３の出力に、「図３０：ωｘ（Ｕｙ）」と記し
たのは、「図３０に示す原理に基いて、振動子１３０に
振動Ｕｙを与えるという条件において、角速度ωｘが出
力される」ことを示したものである。

【００７９】次に、図３１に示す原理に基いて、Ｙ軸ま
わりの角速度ωｙを検出するには、Ｚ軸方向励振手段１
４３を駆動して振動子１３０にＺ軸方向の振動Ｕｚを与
えた状態において、Ｘ軸方向信号分離手段１６１によっ
て分離されたＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを角速度演算手
段１８１に与える。角速度演算手段１８１は、Ｆｘ＝２
ｍ・ｖｚ・ωｙなる演算式に基いて、Ｙ軸まわりの角速
度ωｙを演算し、これを出力する。このとき、振動子１
３０のＺ軸方向についての瞬間速度ｖｚは、Ｚ軸方向励
振手段１４３の動作態様に基いて推定する。角速度演算
手段１８１の出力に、「図３１：ωｙ（Ｕｚ）」と記し
たのは、「図３１に示す原理に基いて、振動子１３０に
振動Ｕｚを与えるという条件において、角速度ωｙが出
力される」ことを示したものである。

【００８０】更に、図３２に示す原理に基いて、Ｚ軸ま
わりの角速度ωｚを検出するには、Ｘ軸方向励振手段１
４１を駆動して振動子１３０にＸ軸方向の振動Ｕｘを与
えた状態において、Ｙ軸方向信号分離手段１６２によっ
て分離されたＹ軸方向のコリオリ力Ｆｙを角速度演算手
段１８２に与える。角速度演算手段１８２は、Ｆｙ＝２
ｍ・ｖｘ・ωｚなる演算式に基いて、Ｚ軸まわりの角速
度ωｚを演算し、これを出力する。このとき、振動子１
３０のＸ軸方向についての瞬間速度ｖｘは、Ｘ軸方向励
振手段１４１の動作態様に基いて推定する。角速度演算
手段１８２の出力に、「図３２：ωｚ（Ｕｘ）」と記し
たのは、「図３２に示す原理に基いて、振動子１３０に
振動Ｕｘを与えるという条件において、角速度ωｚが出
力される」ことを示したものである。

【００８１】このように、図２８に示す検出装置には、
図３〜図５の３とおりの原理に基く検出方法と、図３０
〜図３２の３とおりの原理に基く検出方法と、のいずれ
をも適用することができるが、本願発明者は、この合計
６とおりの原理のうちから、３とおりの原理をうまく選
択してやることにより、検出動作および装置構成をより
単純化することができることに気が付いた。ここで述べ
る第２の実施例は、このような基本思想に基き、§５で
述べた第１の実施例を更に単純化したものである。

【００８２】いま、図２８に示す第１の実施例に係る装
置において、角速度の検出原理として、図３によるωｘ
の検出、図３１によるωｙの検出、図３２によるωｚの
検出、の３とおりの原理を選択したとする。すると、図
２８に示す第１の実施例に係る検出装置は、図３３に示
すような第２の実施例に係る検出装置に単純化される。
図３３の検出装置は、図２８の検出装置において、Ｙ軸
方向励振手段１４２と角速度演算手段１８３とを削除し
たものである。選択した図３，図３１，図３２の３とお
りの検出原理を採用する限りは、Ｙ軸方向の振動Ｕｙを
与える必要はなく、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｚを用いた
角速度演算は必要ないのである。

【００８３】この図３３に示す検出装置により、各軸方
向の加速度αｘ，αｙ，αｚと、各軸まわりの角速度ω
ｘ，ωｙ，ωｚと、を検出するための検出動作を、「第
２の実施例による検出動作」として、図３４の流れ図に
示す。

【００８４】まず、ステップＳ３１において、振動子１
３０に振動Ｕｚを与えた状態（すなわち、Ｚ軸方向励振
手段１４３を駆動した状態）で、次の２とおりの検出を
行う。第１の検出としては、Ｙ軸方向力検出手段１５２
から合成力ｆｙ＋Ｆｙを取り出し、Ｙ軸方向信号分離手
段１６２により、力ｆｙとコリオリ力Ｆｙとに分離す
る。そして、加速度演算手段１７２において、力ｆｙに
基いて加速度αｙを演算してこれを出力し、角速度演算
手段１８２において、コリオリ力Ｆｙに基いて角速度ω
ｘを演算してこれを出力するのである。これは図３の原
理に基く検出である。同時に、次のような第２の検出を
行う。すなわち、Ｘ軸方向力検出手段１５１から合成力
ｆｘ＋Ｆｘを取り出し、Ｘ軸方向信号分離手段１６１に
より、力ｆｘとコリオリ力Ｆｘとに分離する。そして、
加速度演算手段１７１において、力ｆｘに基いて加速度
αｘを演算してこれを出力し、角速度演算手段１８１に
おいて、コリオリ力Ｆｘに基いて角速度ωｙを演算して
これを出力するのである。これは図３１の原理に基く検
出である。こうして、ステップＳ３１では、加速度α
ｙ，αｙと角速度ωｘ，ωｙとが検出できる。

【００８５】次に、ステップＳ３２において、振動子１
３０に振動Ｕｘを与えた状態（すなわち、Ｘ軸方向励振
手段１４１を駆動した状態）で、次の２とおりの検出を
行う。第１の検出としては、Ｚ軸方向力検出手段１５３
から合成力ｆｚ＋Ｆｚを取り出し、Ｚ軸方向信号分離手
段１６３により、力ｆｚとコリオリ力Ｆｚとに分離す
る。そして、加速度演算手段１７３において、力ｆｚに
基いて加速度αｚを演算してこれを出力する。この第１
の検出では、加速度の検出だけを行えばよい（図４の原
理を利用すれば、コリオリ力Ｆｚに基いて、角速度ωｙ
を求めることも可能であるが、角速度ωｙは既にステッ
プＳ３１で求められている）。同時に、次のような第２
の検出を行う。すなわち、Ｙ軸方向力検出手段１５２か
ら合成力ｆｙ＋Ｆｙを取り出し、Ｙ軸方向信号分離手段
１６２により、力ｆｙとコリオリ力Ｆｙとに分離する。
そして、角速度演算手段１８２において、コリオリ力Ｆ
ｙに基いて角速度ωｚを演算してこれを出力するのであ
る。これは図３２の原理に基く検出である。こうして、
ステップＳ３２では、加速度αｚと角速度ωｚとが検出
できる。

【００８６】最後に、ステップＳ３３を経て、検出動作
を継続する限り、ステップＳ３１からの処理が繰り返し
実行される。この図３４に示す「第２の実施例による検
出動作」は、図２９に示した「第１の実施例による検出
動作」に比べて、更に１ステップ分が省略されている。
すなわち、「第１の実施例による検出動作」では、振動
子をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方向に振動させた状態での
検出を行っていたのに対し、ここで述べた「第２の実施
例による検出動作」では、Ｘ軸とＺ軸との２軸方向に振
動させた状態だけですべての検出を行うことができる。
このため、図３３に示す検出装置では、応答性が更に改
善されることになる。

【００８７】§７． 本発明に係る検出装置の第３の実
施例 これまで、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各軸方向の加速度αｘ，
αｙ，αｚと、各軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚ
と、の６つの成分を検出する三次元の加速度／角速度検
出装置の例を述べてきた。しかし、用途によっては、Ｘ
軸およびＹ軸の２軸方向の加速度αｘ，αｙと、２軸ま
わりの角速度ωｘ，ωｙのみが得られればよい二次元の
加速度／角速度検出装置の需要も十分に考えられる。こ
のような二次元の検出装置に本発明を適用した第３の実
施例は、更に構成が単純化される。

【００８８】図３５は、この第３の実施例の基本構成を
示すブロック図である。図３３に示す第２の実施例と比
較すると、更に、Ｘ軸方向励振手段１４１、Ｚ軸方向力
検出手段１５３、加速度演算手段１７３が削除されてい
る。このような構成でも、必要な加速度および角速度は
支障なく検出することが可能である。すなわち、加速度
αｘは加速度演算手段１７１により得られ、加速度αｙ
は加速度演算手段１７２により得られる。また、角速度
ωｘは、Ｚ軸方向励振手段１４３によって振動Ｕｚを与
えた状態において、角速度演算手段１８２により得られ
（図３の原理）、角速度ωｙは、Ｚ軸方向励振手段１４
３によって振動Ｕｚを与えた状態において、角速度演算
手段１８１により得られる（図３１の原理）。

【００８９】この図３５に示す検出装置により、二軸方
向の加速度αｘ，αｙと、二軸まわりの角速度ωｘ，ω
ｙと、を検出するための検出動作は、図３４に示した
「第２の実施例による検出動作」の中のステップＳ３１
のみで足りる。別言すれば、「第３の実施例による検出
動作」は、図３４のステップＳ３１のみからなる動作に
なる。これは、振動子１３０を常にＺ軸方向にだけ振動
させておけば、すべての検出値が得られることを意味す
る。このように、振動子の振動態様を変える必要がない
ので、非常に効率的な検出動作が可能になり、応答性は
極めて良好なものになる。

【００９０】§８． 二次元の検出に適した具体的な検
出装置の構造 上述の§７で述べたように、Ｘ軸およびＹ軸の２軸方向
の加速度αｘ，αｙと、２軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ
のみを得ることを目的とした二次元の検出装置では、図
３５のブロック図に示されているように、励振手段とし
ては、Ｚ軸方向励振手段１４３のみを設ければよいし、
力検出手段としては、Ｘ軸方向力検出手段１５１および
Ｙ軸方向力検出手段１５２のみを設ければよい。したが
って、このような二次元の検出装置では、三次元の検出
装置に比べて、圧電素子上に設ける上部電極の数を削減
することができる。たとえば、図１０に示す三次元の検
出装置では、圧電素子１０上に、励振手段として機能す
る４枚の上部電極Ｅ１〜Ｅ４と、力検出手段として機能
する８枚の上部電極Ａ１〜Ａ８と、を設け、３軸すべて
の方向についての励振と力検出とを実現している。しか
し、二次元の検出装置は、より少ない上部電極をもった
構造で実現が可能である。

【００９１】図３６は、二次元の検出に適した具体的な
検出装置の構造例を示す上面図であり、図３７は、この
検出装置をＸＺ平面に沿って切った側断面図である。こ
の検出装置における各上部電極と、図３５に示すブロッ
ク要素との対応関係は次のようになる。まず、上部電極
Ｅ１０は、Ｚ軸方向励振手段１４３として機能し、上部
電極Ｅ１０と下部電極Ｂとの間に所定の交流電圧を印加
することにより、中心部１１をＺ軸方向に振動させるこ
とができる。また、上部電極Ａ１１，Ａ１２は、Ｘ軸方
向力検出手段１５１として機能し、ここに発生する電荷
に基づいて、中心部１１のＸ軸方向に関する変位を検出
することができる。更に、上部電極Ａ１３，Ａ１４は、
Ｙ軸方向力検出手段１５２として機能し、ここに発生す
る電荷に基づいて、中心部１１のＹ軸方向に関する変位
を検出することができる。結局、圧電素子１０上には、
この５枚の上部電極Ｅ１０，Ａ１１〜Ａ１４を設けるだ
けで、図３５に示す二次元の検出装置を実現できること
になる。

【００９２】図３８は、二次元の検出に適した具体的な
検出装置のまた別な構造例を示す上面図であり、図３９
は、この検出装置をＸＺ平面に沿って切った側断面図で
ある。この図３８に示す検出装置と、図３６に示す検出
装置との相違は、励振用の上部電極と力検出用の上部電
極との位置関係を内外逆にした点だけである。この検出
装置における各上部電極と、図３５に示すブロック要素
との対応関係は次のようになる。まず、上部電極Ｅ２０
は、Ｚ軸方向励振手段１４３として機能し、上部電極Ｅ
２０と下部電極Ｂとの間に所定の交流電圧を印加するこ
とにより、中心部１１をＺ軸方向に振動させることがで
きる。また、上部電極Ａ２１，Ａ２２は、Ｘ軸方向力検
出手段１５１として機能し、ここに発生する電荷に基づ
いて、中心部１１のＸ軸方向に関する変位を検出するこ
とができる。更に、上部電極Ａ２３，Ａ２４は、Ｙ軸方
向力検出手段１５２として機能し、ここに発生する電荷
に基づいて、中心部１１のＹ軸方向に関する変位を検出
することができる。

【００９３】このように、二次元の検出だけが必要な検
出装置では、上部電極を最小限の数で構成することによ
って、全体的な製造コストの削減を図ることができる。

【００９４】§９． 本発明の適用対象となる容量式の
検出装置 本発明の適用対象となる検出装置の一例として、§２に
おいては、圧電素子１０を用いた装置を説明した。既に
述べたように、本発明は、図６のブロック図に示すよう
な構成をもつ検出装置であれば、どのような検出装置に
対しても適用可能であるが、ここでは、参考のために、
本発明の適用対象となる容量式の検出装置の一例を簡単
に説明しておく。この検出装置は、特許協力条約に基づ
く国際出願ＰＣＴ／ＪＰ９３／００３９０号明細書に開
示されているものである。

【００９５】図４０は、この容量式の検出装置２００の
側断面図である。この検出装置の主たる構成要素は、起
歪体２１０、振動子２２０、台座２３０、ベース基板２
４０、蓋板２５０である。起歪体２１０の上面図を図４
１に示す。この図４１に示されているように、起歪体２
１０は正方形状の金属板であり、その下面には、図４１
に破線で示すような円環状の溝が形成されている。図４
０の側断面図に明瞭に示されているように、この溝の形
成部分において、起歪体２１０の厚みは小さくなってお
り、この部分が可撓性を有する構造になっている。ここ
では、起歪体２１０を、円環状の溝部よりも内側に存在
する中心部２１１と、円環状の溝部上方に存在する肉厚
の薄い可撓部２１２と、円環状の溝部よりも外側に存在
する周囲部２１３と、の３つの部分に分けて考えること
にする。中心部２１１の底面には、振動子２２０が接合
されている。この振動子２２０は、ある程度の質量をも
った盤状の金属塊であり、この振動子２２０に作用する
加速度に基づく力やコリオリ力によって、加速度や角速
度の検出が行われることになる。一方、周囲部２１３の
底面には、振動子２２０の周囲を囲うように台座２３０
が接合されており、この台座２３０の底面は、ベース基
板２４０に接合されている。結局、振動子２２０は、台
座２３０で囲まれた空間内に宙吊りの状態になってい
る。また、起歪体２１０の上面には、蓋板２５０が接合
されているが、この蓋板２５０は、図のように内部に空
間を確保できる構造をもっている。

【００９６】起歪体２１０の上面と蓋板２５０の下面と
の間に形成された空間内には、上部電極Ｅ０と下部電極
Ｆ１〜Ｆ５とが配置されている。下部電極Ｆ１〜Ｆ５
は、図４１に示すような形状をした電極であり、起歪体
２１０上面の図示のような位置に固着されている。一
方、上部電極Ｅ０は、５枚の下部電極Ｆ１〜Ｆ５のすべ
てに対向する共通電極として機能できる円盤状の電極で
あり、蓋板２５０の下面に固着されている。結局、個々
の下部電極Ｆ１〜Ｆ５と共通の上部電極Ｅ０とによっ
て、５組の容量素子が形成されていることになる。

【００９７】上述したように、振動子２２０は、台座２
３０で囲まれた空間内に宙吊りになっており、可撓部２
１２が可撓性を有するため、この振動子２２０は図に示
すＸＹＺの３軸方向にある程度の自由度をもって移動す
ることができる。そこで、各電極間に所定の交流電圧を
与えれば、振動子２２０を所望の方向に振動させること
ができる。たとえば、下部電極Ｆ１と上部電極Ｅ０との
間に同じ極性の電荷を与えれば、クーロン力による斥力
が作用し、両電極間隔は広がることになる。このとき同
時に、下部電極Ｆ２と上部電極Ｅ０との間に異なる極性
の電荷を与えれば、クーロン力による引力が作用し、両
電極間隔は狭まることになる。その結果、振動子２２０
はＸ軸の正の方向に変位を生じることになる。斥力と引
力との関係を逆転すれば、振動子２２０は今度はＸ軸の
負の方向に変位を生じることになる。こうして、Ｘ軸に
沿った正負の変位が交番して行われるようにすれば、振
動子２２０がＸ軸に沿って振動することになる。また、
下部電極Ｆ３，Ｆ４を用いて同様のことを行えば、振動
子２２０をＹ軸に沿って振動させることも可能になる。
更に、下部電極Ｆ５を用いれば、Ｚ軸方向に沿った振動
も可能である。すなわち、下部電極Ｆ５と上部電極Ｅ０
とに同じ極性の電荷を与えれば斥力の作用により両電極
間隔は広がり、異なる極性の電荷を与えれば引力の作用
により両電極間隔は狭まるので、これを交番して行え
ば、振動子２２０はＺ軸方向に沿って振動することにな
る。このように、この装置は、図６に示す各軸方向の励
振手段１４１〜１４３を備えていることになる。

【００９８】一方、この装置は、図６に示す各軸方向の
力検出手段１５１〜１５３をも備えた装置である。い
ま、振動子２２０に、加速度に基づく力やコリオリ力が
作用した場合を考える。たとえば、Ｘ軸方向の力が作用
した場合、振動子２２０はＸ軸に変位を生じることにな
るので、下部電極Ｆ１と上部電極Ｅ０との距離、および
下部電極Ｆ２と上部電極Ｅ０との距離、にそれぞれ変化
が生じることになる。また、Ｙ軸方向の力が作用した場
合、振動子２２０はＹ軸方向に変位を生じることになる
ので、下部電極Ｆ３と上部電極Ｅ０との距離、および下
部電極Ｆ４と上部電極Ｅ０との距離、にそれぞれ変化が
生じることになる。更に、Ｚ軸方向の力が作用した場
合、振動子２２０はＺ軸方向に変位を生じることになる
ので、下部電極Ｆ５と上部電極Ｅ０との距離に変化が生
じることになる。このような対向する一対の電極間の距
離変化は、この一対の電極によって形成される容量素子
の静電容量値に変化を及ぼす。したがって、各容量素子
の静電容量値の変化を電気的に検出することができれ
ば、振動子２２０の変位を検出することが可能になり、
結果的に、振動子２２０に作用した各軸方向の力を検出
することができるようになる。

【００９９】以上のように、この容量式の検出装置２０
０は、図６に示す各軸方向の励振手段１４１〜１４３
と、各軸方向の力検出手段１５１〜１５３を備えた装置
であり、§２で述べた圧電式の検出装置と同様に、本発
明を適用することが可能である。なお、図示した容量式
の検出装置２００では、各下部電極Ｆ１〜Ｆ５が、励振
手段と力検出手段との双方の機能を担うことになるが、
本発明を適用する場合には、必要に応じて、励振手段と
して機能する部分と力検出手段として機能する部分と
を、物理的に分離した構造にするのが好ましい。

【０１００】以上、本発明を図示するいくつかの実施例
に基いて説明したが、本発明はこれらの実施例に限定さ
れるものではなく、この他にも種々の態様で実施可能で
ある。要するに、本発明の基本思想は、振動子を振動さ
せた状態において、振動子に作用する合成力を、加速度
に起因する力ｆと角速度に起因するコリオリ力Ｆとに分
離し、加速度と角速度とを同時に検出できるようにする
点にあり、このような技術思想の範疇に含まれる限り、
どのような態様で実施してもかまわない。

【０１０１】

【発明の効果】以上のとおり本発明に係る検出装置によ
れば、振動中の振動子に作用した合成力を、加速度に起
因した力と角速度に起因したコリオリ力とに分離し、加
速度と角速度とを同時に検出できるようにしたため、加
速度と角速度との双方を十分な応答性をもって検出する
ことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来提案されているコリオリ力を利用した一次
元角速度検出装置の基本原理を示す斜視図である。

【図２】角速度検出装置における検出対象となるＸＹＺ
三次元座標系における各軸まわりの角速度を示す図であ
る。

【図３】本発明に係る検出装置を用いてＸ軸まわりの角
速度ωｘを検出する基本原理を説明する図である。

【図４】本発明に係る検出装置を用いてＹ軸まわりの角
速度ωｙを検出する基本原理を説明する図である。

【図５】本発明に係る検出装置を用いてＺ軸まわりの角
速度ωｚを検出する基本原理を説明する図である。

【図６】本発明に係る検出装置における角速度検出を行
う構成要素を示すブロック図である。

【図７】本発明に係る検出装置における加速度検出を行
う構成要素を示すブロック図である。

【図８】本発明の具体的な構造例に係る検出装置を斜め
上方から見た斜視図である。

【図９】図８に示す検出装置を斜め下方から見た斜視図
である。

【図１０】図８に示す検出装置の上面図である。

【図１１】図８に示す検出装置をＸＺ平面で切断した側
断面図である。

【図１２】図８に示す検出装置の下面図である。

【図１３】図８に示す検出装置における圧電素子１０の
分極特性を示す図である。

【図１４】図８に示す検出装置の重心Ｐに対してＸ軸方
向の変位Ｄｘを誘起した状態を示す側断面図である。

【図１５】図８に示す検出装置の重心Ｐに対してＺ軸方
向の変位Ｄｚを誘起した状態を示す側断面図である。

【図１６】図８に示す検出装置の重心Ｐに対してＸ軸方
向の力ｆｘが作用した状態を示す側断面図である。

【図１７】図８に示す検出装置の重心Ｐに対してＺ軸方
向の力ｆｚが作用した状態を示す側断面図である。

【図１８】図８に示す検出装置に、加速度に基づく各軸
方向の力ｆｘ，ｆｙ，ｆｚが作用したときの各上部電極
Ａ１〜Ａ８に発生する電荷の極性を示す表である。

【図１９】図８に示す検出装置に用いる検出回路の一例
を示す回路図である。

【図２０】本発明の適用対象となる検出装置についての
一般的な検出動作の手順を示す流れ図である。

【図２１】本発明の適用対象となる検出装置において、
振動子に与える振動、作用した角速度、発生したコリオ
リ力、作用した加速度、の具体的条件を示すグラフであ
る。

【図２２】図２１に示す条件において、実際に検出され
る合成力を示すグラフである。

【図２３】図２２に示す合成力のグラフについて、変極
点Ｐ１〜Ｐ９を求めた状態を示すグラフである。

【図２４】図２３において求めた変極点Ｐ１〜Ｐ９に基
いて、参照線Ｑ１２〜Ｑ８９を求めた状態を示すグラフ
である。

【図２５】図２４において求めた参照線Ｑ１２〜Ｑ８９
上に、参照点ｍ１〜ｍ８をプロットした状態を示すグラ
フである。

【図２６】図２５において求めた参照点ｍ１〜ｍ８を結
ぶことにより、合成力のバイアス成分である力ｆを抽出
した状態を示すグラフである。

【図２７】コリオリ力Ｆｙの包絡線Ｅとして、角速度を
求める状態を示すグラフである。

【図２８】本発明の第１の実施例に係る検出装置の基本
構成を示すブロック図である。

【図２９】図２８に示す第１の実施例に係る検出装置の
検出動作の手順を示す流れ図である。

【図３０】本発明に係る検出装置を用いてＸ軸まわりの
角速度ωｘを検出する別な基本原理を説明する図であ
る。

【図３１】本発明に係る検出装置を用いてＹ軸まわりの
角速度ωｙを検出する別な基本原理を説明する図であ
る。

【図３２】本発明に係る検出装置を用いてＺ軸まわりの
角速度ωｚを検出する別な基本原理を説明する図であ
る。

【図３３】本発明の第２の実施例に係る検出装置の基本
構成を示すブロック図である。

【図３４】図３３に示す第２の実施例に係る検出装置の
検出動作の手順を示す流れ図である。

【図３５】本発明の第３の実施例に係る検出装置の基本
構成を示すブロック図である。

【図３６】二次元の検出に適した具体的な検出装置の構
造を示す上面図である。

【図３７】図３６に示す検出装置をＸＺ平面で切断した
側断面図である。

【図３８】二次元の検出に適したまた別な具体的な検出
装置の構造を示す上面図である。

【図３９】図３８に示す検出装置をＸＺ平面で切断した
側断面図である。

【図４０】本発明を適用することができる容量式の検出
装置２００の側断面図である。

【図４１】図３６に示す検出装置における起歪体２１０
の上面図である。

【符号の説明】

１０…圧電素子 １１…中心部 １２…可撓部 １３…周囲部 １５…環状溝 ３１〜３８…Ｑ／Ｖ変換回路 ４１〜４３…演算器 １１０…振動子 １１１，１１２…圧電素子 １２０…物体 １３０…振動子 １４１…Ｘ軸方向励振手段 １４２…Ｙ軸方向励振手段 １４３…Ｚ軸方向励振手段 １５１…Ｘ軸方向力検出手段 １５２…Ｙ軸方向力検出手段 １５３…Ｚ軸方向力検出手段 １６１…Ｘ軸方向信号分離手段 １６２…Ｙ軸方向信号分離手段 １６３…Ｚ軸方向信号分離手段 １７１〜１７３…加速度演算手段 １８１〜１８３…角速度演算手段 ２００…容量式の検出装置 ２１０…起歪体 ２１１…中心部 ２１２…可撓部 ２１３…周囲部 ２２０…振動子 ２３０…台座 ２４０…ベース基板 ２５０…蓋板 Ａ，Ａ１〜Ａ８，Ａ１１〜Ａ１４，Ａ２１〜Ａ２４…上
部電極 Ｂ…下部電極 Ｅ…包絡線 Ｅ０，Ｅ１〜Ｅ４，Ｅ１０，Ｅ２０…上部電極 Ｆ１〜Ｆ５…下部電極 ｍ１〜ｍ８…参照点 Ｏ…原点 Ｐ…重心 Ｐ１〜Ｐ９…変極点 Ｑ１〜Ｑ９…区画線 Ｑ１２〜Ｑ８９…参照線 Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ…出力端子

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 三次元座標系における第１の軸方向の加
   速度および第２の軸まわりの角速度を検出する装置であ
   って、 質量をもった振動子と、 この振動子を、前記三次元座標系における第３の軸方向
   に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に
   対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる励振手
   段と、 前記振動子に加わる前記第１の軸方向への力を検出する
   力検出手段と、 前記力検出手段によって得られる検出信号について、バ
   イアス成分と振幅成分とを分離する信号分離手段と、 前記バイアス成分に基づいて、前記第１の軸方向の加速
   度を求める加速度演算手段と、 前記振幅成分に基づいて、前記第２の軸まわりの角速度
   を求める角速度演算手段と、 を備えることを特徴とする加速度と角速度との双方を検
   出する装置。
2. 【請求項２】 三次元座標系における第１の軸、第２の
   軸、第３の軸の各軸方向の加速度および各軸まわりの角
   速度を検出する装置であって、 質量をもった振動子と、 前記振動子を、前記第１の軸方向に、検出対象となる加
   速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分
   に高い周波数で振動させる第１の励振手段と、 前記振動子を、前記第２の軸方向に、検出対象となる加
   速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分
   に高い周波数で振動させる第２の励振手段と、 前記振動子を、前記第３の軸方向に、検出対象となる加
   速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分
   に高い周波数で振動させる第３の励振手段と、 前記振動子に加わる前記第１の軸方向への力を検出する
   第１の力検出手段と、 前記振動子に加わる前記第２の軸方向への力を検出する
   第２の力検出手段と、 前記振動子に加わる前記第３の軸方向への力を検出する
   第３の力検出手段と、 前記第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号
   について、バイアス成分と振幅成分とを分離する第１の
   信号分離手段と、 前記第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号
   について、バイアス成分と振幅成分とを分離する第２の
   信号分離手段と、 前記第３の力検出手段によって得られる第３の検出信号
   について、バイアス成分と振幅成分とを分離する第３の
   信号分離手段と、 前記第１の検出信号についてのバイアス成分に基づい
   て、前記第１の軸方向の加速度を求める第１の加速度演
   算手段と、 前記第２の検出信号についてのバイアス成分に基づい
   て、前記第２の軸方向の加速度を求める第２の加速度演
   算手段と、 前記第３の検出信号についてのバイアス成分に基づい
   て、前記第３の軸方向の加速度を求める第３の加速度演
   算手段と、 前記第２の励振手段を駆動して前記振動子を前記第２の
   軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第１
   の検出信号についての振幅成分に基づいて、前記第３の
   軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、 前記第３の励振手段を駆動して前記振動子を前記第３の
   軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第２
   の検出信号についての振幅成分に基づいて、前記第１の
   軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手段と、 前記第１の励振手段を駆動して前記振動子を前記第１の
   軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第３
   の検出信号についての振幅成分に基づいて、前記第２の
   軸まわりの角速度を求める第３の角速度演算手段と、 を備えることを特徴とする加速度と角速度との双方を検
   出する装置。
3. 【請求項３】 三次元座標系における第１の軸、第２の
   軸、第３の軸の各軸方向の加速度および各軸まわりの角
   速度を検出する装置であって、 質量をもった振動子と、 前記振動子を、前記第１の軸方向に、検出対象となる加
   速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分
   に高い周波数で振動させる第１の励振手段と、 前記振動子を、前記第３の軸方向に、検出対象となる加
   速度および角速度のもつ周波数に対して識別可能な十分
   に高い周波数で振動させる第２の励振手段と、 前記振動子に加わる前記第１の軸方向への力を検出する
   第１の力検出手段と、 前記振動子に加わる前記第２の軸方向への力を検出する
   第２の力検出手段と、 前記振動子に加わる前記第３の軸方向への力を検出する
   第３の力検出手段と、 前記第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号
   について、バイアス成分と振幅成分とを分離する第１の
   信号分離手段と、 前記第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号
   について、バイアス成分と振幅成分とを分離する第２の
   信号分離手段と、 前記第３の力検出手段によって得られる第３の検出信号
   について、バイアス成分と振幅成分とを分離する第３の
   信号分離手段と、 前記第１の検出信号についてのバイアス成分に基づい
   て、前記第１の軸方向の加速度を求める第１の加速度演
   算手段と、 前記第２の検出信号についてのバイアス成分に基づい
   て、前記第２の軸方向の加速度を求める第２の加速度演
   算手段と、 前記第３の検出信号についてのバイアス成分に基づい
   て、前記第３の軸方向の加速度を求める第３の加速度演
   算手段と、 前記第３の励振手段を駆動して前記振動子を前記第３の
   軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第１
   の検出信号についての振幅成分に基づいて、前記第２の
   軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手段と、 前記第１の励振手段を駆動して前記振動子を前記第１の
   軸方向に振動させ、この状態において得られる前記第２
   の検出信号についての振幅成分に基づいて、前記第３の
   軸まわりの角速度を求めるとともに、前記第３の励振手
   段を駆動して前記振動子を前記第３の軸方向に振動さ
   せ、この状態において得られる前記第２の検出信号につ
   いての振幅成分に基づいて、前記第１の軸まわりの角速
   度を求める第２の角速度演算手段と、 を備えることを特徴とする加速度と角速度との双方を検
   出する装置。
4. 【請求項４】 三次元座標系における第１の軸方向の加
   速度および前記第１の軸まわりの角速度と、第２の軸方
   向の加速度および前記第２の軸まわりの角速度と、を検
   出する装置であって、 質量をもった振動子と、 この振動子を、前記三次元座標系における第３の軸方向
   に、検出対象となる加速度および角速度のもつ周波数に
   対して識別可能な十分に高い周波数で振動させる励振手
   段と、 前記振動子に加わる前記第１の軸方向への力を検出する
   第１の力検出手段と、 前記振動子に加わる前記第２の軸方向への力を検出する
   第２の力検出手段と、 前記第１の力検出手段によって得られる第１の検出信号
   について、バイアス成分と振幅成分とを分離する第１の
   信号分離手段と、 前記第２の力検出手段によって得られる第２の検出信号
   について、バイアス成分と振幅成分とを分離する第２の
   信号分離手段と、 前記第１の検出信号についてのバイアス成分に基づい
   て、前記第１の軸方向の加速度を求める第１の加速度演
   算手段と、 前記第２の検出信号についてのバイアス成分に基づい
   て、前記第２の軸方向の加速度を求める第２の加速度演
   算手段と、 前記第１の検出信号についての振幅成分に基づいて、前
   記第２の軸まわりの角速度を求める第１の角速度演算手
   段と、 前記第２の検出信号についての振幅成分に基づいて、前
   記第１の軸まわりの角速度を求める第２の角速度演算手
   段と、 を備えることを特徴とする加速度と角速度との双方を検
   出する装置。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載の装置に
   おいて、 信号分離手段が、検出信号の各変極点を抽出し、隣接す
   る２つの変極点の時間軸上での中間位置に、この２つの
   変極点の信号値を平均して得られる信号値をもつ参照点
   を求め、求めた参照点を結ぶことによって得られる信号
   をバイアス成分とし、前記検出信号と前記バイアス成分
   との差に相当する信号を振幅成分とすることを特徴とす
   る加速度と角速度との双方を検出する装置。
6. 【請求項６】 請求項１〜４のいずれかに記載の装置に
   おいて、 加速度演算手段が、検出された力のバイアス成分ｆと、
   振動子の質量ｍと、に基づいて、ｆ＝ｍ・αなる演算式
   を適用して加速度αを求めることを特徴とする加速度と
   角速度との双方を検出する装置。
7. 【請求項７】 請求項１〜４のいずれかに記載の装置に
   おいて、 角速度演算手段が、検出された力の振幅成分Ｆと、振動
   子の質量ｍと、励振手段の動作状態から推定される振動
   子の瞬間速度ｖと、に基づいて、Ｆ＝２ｍ・ｖ・ωなる
   演算式を適用して角速度ωを求めることを特徴とする加
   速度と角速度との双方を検出する装置。