JPH0943271A

JPH0943271A - ３次元加速度センサ

Info

Publication number: JPH0943271A
Application number: JP7192041A
Authority: JP
Inventors: Akio Kono; 明夫河野; Shun Kobayashi; 駿小林; Fumio Kishimoto; 二三男岸本; Toru Yoshioka; 徹吉岡
Original assignee: Kansai Gas Meter Co Ltd
Current assignee: Kansai Gas Meter Co Ltd
Priority date: 1995-07-27
Filing date: 1995-07-27
Publication date: 1997-02-14

Abstract

(57)【要約】【課題】接合部分に起因するノイズの発生がなく、経時
変化や厳しい使用環境に耐えることができ、また、各圧
電素子に対する重力の影響を均等にし、定常圧力の設定
を容易になしうる３次元加速度センサを提供することを
目的としている。【解決手段】硬質の箱体１と、該箱体１内に収容された
球形状の主剛体２と、該主剛体２の上部に円周上均等に
配置されるとともに、前記主剛体２表面及び箱体１内の
少なくとも異なる２面に圧接して、主剛体２を拘束する
３個の球形状の補助剛体３と、前記各補助剛体３と箱体
１内天井面との圧接部にそれぞれ介在配置された３個の
圧電素子４からなり、各補助剛体３から各圧電素子４に
付与される加速度非存在時の圧力を可変調節する定常圧
力調節手段として、箱体１の底面を貫通して進退自在に
ねじ込まれるとともに、その先端を主剛体２に当接させ
て主剛体２を補助剛体３方向に押圧するねじ部材５が備
えられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は加速度センサ、特
に加速度を３次元に分解し検出することのできる３次元
加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近来、例えば自動車の発進や停止、方向
変換等で発生する加速度を検知して車体の姿勢制御を行
ったり、ナビゲーションシステムの情報として取り入れ
たりするための加速度センサ、特に加速度を３次元的に
検出することのできる３次元加速度センサの需要が高ま
りつつある。

【０００３】従来から知られている３次元加速度センサ
は、１次元の加速度センサを３個組み合わせて３次元加
速度センサを構成しているものが多いが、このようなセ
ンサでは加速度の作用する質量体が３か所に分かれてお
り、各質量体の変位をそれぞれのセンサで検出するた
め、一つ一つの感度が不均一になり物体に作用する力を
３次元的に正確に求めるのは困難であった。

【０００４】そこで最近では、一つの質量体に作用する
加速度を３次元的に検出する方法が提案されている。例
えば、特開平６−２７１３３号公報に掲載されている３
次元加速度センサは、図８に示すように、互いに直交す
るＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向を作動軸方向とする３個の圧
電素子（２４）と、圧電素子が貼着固定される枠（２
１）と、該圧電素子（２４）の各面にそれぞれ外接され
る剛体球（２２）で構成されている。この３次元加速度
センサは、該センサが加速度を受けたとき、該剛体球
（２２）と圧電素子（２４）の間に作用する圧力を、Ｘ
軸、Ｙ軸、Ｚ軸に配置されたそれぞれの圧電素子（２
４）で検出することにより、加速度を３次元的に検出す
るようになされたものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
３次元加速度センサでは、三つの軸に配置された圧電素
子全てに一つの剛体球が接合されているため、例えば、
該センサがある加速度を受けてＸ軸方向に剛体球が変位
した場合、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に作動軸を持つ各圧電
素子と剛体球との接合部分がＸ軸方向に歪み、これらの
歪みによって圧電素子に圧力が付加され、Ｘ軸方向以外
の圧電素子にノイズとして信号が発生することになる。
そればかりでなくＸ軸方向の剛体球の運動が他の軸の接
合部分によって阻害されるため、Ｘ軸方向の圧電素子に
も加速度に対応した正確な圧力が作用しない。このよう
な理由で、従前のセンサで測定した結果には接合部分に
起因する誤差が常に存在していた。

【０００６】また、接合に接着剤等が使用された場合、
過度の衝撃がセンサに加えられると接合部分が剥がれて
剛体球が脱落する恐れや、使用環境や経時変化等によっ
て接合部分が劣化し剥がれる恐れがあるため、加速度セ
ンサとして耐久性に欠け、使用環境も限定されるもので
あった。

【０００７】また、Ｚ軸方向に作動軸をもつ圧電素子は
常に重力の影響によって剛体球から圧力を受けるため、
該圧電素子は他の二つの圧電素子と異なり、加速度を測
定する際には加速度を受けて発生する圧力に加えて重力
の影響による圧力が重畳される。よって、重力の影響を
打ち消すには、異なる感度を持つ圧電素子をＺ軸に配置
するとか、検出回路に補正回路を組み込む等の補正手段
をとる必要があった。

【０００８】また、上記公報（特開平６−２７１３３号
公報）中に、内部が立方体形状をなした枠体の６内面全
てに圧電素子を貼着し、全ての圧電素子に外接する剛体
球を配置する態様のセンサが実施例として記載されてい
る。実際にこの態様のセンサを実施するには、相対する
３対の圧電素子によって剛体球が一定の圧力で挟着さ
れ、６面全ての圧電素子に外接されることになる。この
３方向の圧力は同じ値にする必要があるが、この圧力の
設定を枠体の加工精度及び組み立て精度のみで実現した
場合、枠体の製造に高い加工精度が要求されるため製造
コストも高くなり、センサの置かれる環境によっては枠
体が歪んで測定値に誤差が生じる恐れがある。また、弾
性体やねじ等を利用して３方向の圧力を設定する場合、
Ｘ軸Ｙ軸Ｚ軸のそれぞれの圧力を別々に調整する必要が
あり、３軸の圧力を同じ値に調整するのに手間がかかり
困難であった。更に、前述した少なくとも１軸には及ぶ
重力の影響が、３軸の圧力の調整をより困難にする要因
ともなっていた。

【０００９】この発明は上記問題に鑑みてなされたもの
であり、接合部分に起因するノイズの発生がなく、経時
変化や厳しい使用環境に耐えることができ、また、各圧
電素子に対する重力の影響を均等にし、定常圧力の設定
を容易になしうる３次元加速度センサを提供することを
目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる３次元
加速度センサは、硬質の箱体と、該箱体内に収容された
主剛体と、前記箱体内の長さ方向または幅方向の一端側
に収容配置されるとともに、前記主剛体表面及び箱体内
の少なくとも異なる２面に圧接して、主剛体を拘束する
少なくとも３個の補助剛体と、前記各補助剛体と箱体内
面との少なくとも一つの圧接部にそれぞれ介在配置され
た少なくとも３個の圧電素子とを備えたことを要旨とし
ている。

【００１１】上記のように構成された３次元加速度セン
サの機械的な構造によって、主剛体は箱体内に拘束さ
れ、補助剛体は少なくとも３点で圧接され拘束下に保持
される。つまり、各剛体は接着剤等を用いて接合する必
要がなく、補助剛体と箱体内面の圧接部分に介在配置さ
れる圧電素子も補助剛体と接合される必要がない。

【００１２】従って、接合部分が歪んだり、剛体の動き
を阻害することがないため、ノイズが発生せず正確に加
速度を検出することができる。また、衝撃や経時変化や
設置環境による接合部分の剥がれがないため、強固で長
寿命のセンサを提供することができる。

【００１３】また、圧電素子は各補助剛体と箱体内面の
圧接部のいずれかに介在配置させれば良く、その組み合
わせによって各圧電素子に対する重力の影響を均等また
はなくすことができる。よってこの組み合わせの場合、
重力に対する電気的あるいは機械的な補正を施す必要が
ない。

【００１４】また、主剛体が補助剛体によって拘束され
ているため、逆に主剛体から補助剛体に向かって１方向
の圧力を付加するだけで、各補助剛体に圧力が均等に付
加され、それにともない圧電素子にも均等に圧力が付加
される。したがって、容易に各圧電素子に定常圧力を付
加することができる。

【００１５】また、上記３次元加速度センサの主剛体ま
たは補助剛体の一方または両方の形状が球である場合、
該センサを組み立てるに際して、各剛体の方向を気にす
る必要が無く、組み立てが容易になり、コスト低減につ
ながる。また、球同士や平面と接触させれば点接触とな
るため、多少のずれを許容し安定した構造となる。

【００１６】また、各補助剛体から各圧電素子に付与さ
れる加速度非存在時の圧力を可変調節する定常圧力調節
手段が設けられた場合、箱体の寸法に多少の誤差が生じ
ている場合や、設置環境や経時変化により箱体等が歪ん
だ場合でも、定常圧力を調整し構造的ずれを補完するこ
とができる。更に具体的には、定常圧力調節手段が、箱
体の長さ方向または幅方向の他端側において箱体を貫通
して進退自在にねじ込まれるとともに、その先端を主剛
体に当接させて主剛体を補助剛体方向に押圧するねじ部
材からなるものの場合、簡便に定常圧力を調節すること
ができ構造的にも簡単であるため望ましい。

【００１７】上記構成の３次元加速度センサの測定原理
は以下の通りである。即ち、被測定物に固定された該セ
ンサは、被測定物から圧力を受けて同様の加速度運動を
する。このとき、主剛体が補助剛体により保持されてい
るため、主剛体が加速度運動をするための圧力は分解さ
れて各補助剛体に一定方向で作用する。各補助剛体では
補助剛体自身が加速度運動をするための圧力と主剛体か
ら受ける圧力が足し合わされることとなり、この足し合
わされた力が箱体内面に圧力として作用する。これら箱
体内面と補助剛体の間に生じる圧力は、加速度のＸ軸Ｙ
軸Ｚ軸成分によって発生する圧力をセンサの構造に起因
する重みを持って包含している。従って、これらの圧力
を各圧電素子により検出し、解析することによって加速
度を３次元に分解し測定することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいてこの発
明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明で使用し
ているＸ軸Ｙ軸Ｚ軸の用語は、図３に示した実施の形態
との関係において、Ｘ軸は紙面に対して左右方向、Ｚ軸
は上下方向、Ｙ軸は垂直方向をそれぞれ示している。

【００１９】（実施の形態１）図１、図２及び図３はこ
の発明にかかる実施の形態を示すものである。この実施
の形態は箱体（１）と主剛体（２）と三つの補助剛体
（３）と三つの圧電素子（４）で構成されており、前記
箱体（１）は製作及び組み立てを容易にするために、蓋
材（６）と筒材（７）と底材（８）の三つの部材に分か
れている。

【００２０】前記蓋材（６）は縦断面凸形状をした円板
であり、該円板は筒材（７）の外径と同じ径を有し、該
円板の平面の中心に位置する円板形状の突出部（６ａ）
の径は筒材（７）の内径とほぼ同じに設定されている。
また、該突出部（６ａ）の周囲には３箇所均等に取付孔
（１１）が設けられており、該取付孔（１１）を挿通し
て筒材（７）の対応する位置に設けられたねじ穴（１
２）に取付ねじ（１０）を螺着することにより、蓋材
（６）が筒材（７）に固着せしめられている。

【００２１】また、該突出部（６ａ）には圧電素子
（４）を収納し、補助剛体（３）の円周方向の移動を規
制するための溝（６ｂ）が放射状均等に３箇所設けられ
ている。該溝（６ｂ）は断面コ字形状をなしており、溝
（６ｂ）の底面（６ｃ）に配置された圧電素子（４）に
補助剛体（３）が押し付けられる際の補助剛体（３）の
微小な動きを妨げることなく、かつ、補助剛体（３）の
円周方向の移動を規制することのできる深さと幅を有し
ている。

【００２２】筒材（７）は断面円形の中空のパイプ形状
をしており、その一端には圧電素子（４）の信号伝達用
のリード線を箱体（１）の外部に導出するための導出溝
（７ａ）が、円周上均等に３か所設けられている。ま
た、筒材（７）の長さ方向の両端面には蓋材（６）及び
底材（８）を固着せしめるためのねじ穴（１２）が、蓋
材（６）側の端部には３箇所、底材（８）側の端部には
４箇所設けられている。

【００２３】底材（８）は、その一辺が筒材（７）の外
径と同等である正方形の板であり、該底材（８）の平面
中央部には筒材（７）の内側と嵌合し得る径を有する円
板形状の突出部（８ａ）が設けられている。また、該突
出部（８ａ）の回りに円周上均等に４箇所取付孔（１
１）が設けられており、前記蓋材（６）と同様に該取付
孔（１１）を挿通して筒材（７）の対応する位置に設け
られたねじ穴（１２）に取付ねじ（１０）を螺着するこ
とにより、底材（８）が筒材（７）に固着せしめられて
いる。また、底材（８）の中心には圧電素子（４）に定
常圧力を可変的に付加するねじ部材（５）がねじ通され
るための貫通ねじ孔（５ａ）が突出部（８ａ）を貫通し
て設けられている。なお、該底材（８）の四隅には、こ
のセンサを測定対象物に取り付けるための固定孔（１
３）が設けられている。

【００２４】上述のように、蓋材（６）と底材（８）の
突出部（６ａ）（８ａ）と筒材（７）を嵌め合わせて、
それぞれを取付ねじ（１０）によって接合させること
で、内部に円筒空間（１ａ）を有する箱体（１）が形成
される。該円筒空間（１ａ）は、蓋材（６）と筒材
（７）の内側面（７ｂ）とに圧接される三つの補助剛体
（３）が互いに接触することがなく、該三つの補助剛体
（３）に圧接される主剛体（２）が蓋材（６）に接触す
ることがなく、かつ、筒材（７）の内周面（７ｂ）にも
接触することのない径を有している。また、円筒空間
（１ａ）の高さは、ねじ部材（５）のねじ込み量によっ
て箱体（１）内の各剛体を拘束状態に保持できるため、
任意に設定可能であるが、センサの大きさや剛性を勘案
すると、主剛体（２）と底材（８）とが接触することな
く僅かに離間することとなるような高さとするのが望ま
しい。

【００２５】前記主剛体（２）は球形状をなしており、
底材（８）の中心にねじ通されたねじ部材（５）及び主
剛体（２）上部に円周上均等に配置された三つの補助剛
体（３）とによって点接触状態に支持されて、箱体
（１）内に拘束下に収納されている。

【００２６】前記補助剛体（３）はそれぞれ同径、同質
量の球形状をなしており、主剛体（２）の上部と、蓋材
（６）の突出部（６ａ）に設けられた溝（６ｂ）の底面
（６ｃ）及び筒材（７）の内側面（７ｂ）の３箇所で点
接触により圧接され円周上均等に固定されている。

【００２７】ここで、補助剛体（３）は上記３箇所から
の圧力を受けて固定されているが、該三つの圧力の方向
は補助剛体（３）の重心に向かい同一平面上にのってい
るため、この面に対し垂直の方向には補助剛体（３）が
移動しうる。そこで、これを防止するため蓋材（６）に
設けられた放射状の溝（６ｂ）の側壁に係止して補助剛
体（３）の円周方向の移動が規制されるものとなされて
いる。この補助剛体（３）の円周上の移動を規制する圧
力は、補助剛体（３）が主剛体（２）と溝（６ｂ）の底
面（６ｃ）及び筒材（７）の内壁の３箇所から受ける圧
力とは全て垂直に交わっているため、これら三つの圧力
には影響を及ぼさない。即ち、この実施の形態にかかる
３次元加速度センサを用いて加速度を測定する場合、溝
（６ｂ）の側壁から受ける圧力を無視しても、加速度の
測定結果に影響を及ぼすことはない。

【００２８】なお、箱体（１）の内部形状は円筒に限定
されるわけではなく、３角柱や４角柱など任意の形状を
選択できる。特に３角柱の場合、それぞれの角で補助剛
体（３）の円周方向の移動を規制することができるた
め、蓋材（６）に設けた溝（６ｂ）が必要なくなるた
め、好適である。

【００２９】また、上記主剛体（２）の重量が重いほど
センサが加速度運動をした時に作用する圧電素子（４）
への圧力が大きくなるため、センサ感度が良くなる。し
たがって小型で検出感度の良い３次元加速度センサを得
るためには主剛体（２）の密度はできるだけ大きいもの
を採用するのが好ましい。ただし、センサの重量によっ
て被測定物の運動に影響が出る場合はこの限りではな
い。また、入手の容易性や材質の剛性を勘案すると、主
剛体（２）としては鋼球が好適である。

【００３０】圧電素子（４）の材質にはＰＺＴセラミク
ス（チタン酸鉛とジルコン酸鉛との固溶体）が採用さ
れ、その形状は蓋材（６）の突出部（６ａ）に設けられ
た溝（６ｂ）に治まる態様となされている。また、圧力
の付加によって発生する電圧を伝えるリード線は、筒材
（７）の上端に設けられた導出溝（７ａ）に挿通され箱
体（１）の外部に導出されている。

【００３１】この実施の形態では、三つの圧電素子
（４）は補助剛体（３）と蓋材（６）との接点に介在配
置されるようになされており、その作用軸方向は三つと
もＺ軸方向を向くように配置されている。このような圧
電素子（４）の配置の組み合わせを選択することによっ
て、三つの圧電素子（４）に各剛体からの重力の影響を
与えないようにすることができる。

【００３２】この発明にかかる３次元加速度センサは、
使用環境や目的に応じて、箱体（１）、主剛体（２）及
び補助剛体（３）などの材質を樹脂、金属、合金、ガラ
ス、セラミクス等の材料の中から任意に選択することが
できる。また、圧電素子に関しては、セラミクス系はも
ちろんのこと樹脂系の圧電素子を使用することができ、
更にピエゾ抵抗やコンデンサの容量変化等の変位または
圧力を電気信号に変換できる素子であればいずれも使用
することができる。

【００３３】上述の実施の形態における３次元加速度セ
ンサの組み立て方法は下記に記す通りである。

【００３４】まず最初に、蓋材（６）に設けられた放射
状の三つの溝（６ｂ）の底面（６ｃ）に圧電素子（４）
を載置する。次に、圧電素子（４）のリード線が筒材
（７）の端部に設けられた導出溝（７ａ）に挿通されて
外部に導出できるように，放射状の溝（６ｂ）と導出溝
（７ａ）を合わせて、筒材（７）を蓋材（６）の突出部
（６ａ）に嵌め合わせて、取付ねじ（１０）で固定す
る。次に、蓋材（６）に設けられた放射状の三つの溝
（６ｂ）の底面（６ｃ）に載置された圧電素子（４）の
上にそれぞれ補助剛体（３）を載置し、３個の補助剛体
（３）の上に主剛体（２）を載置する。この状態で補助
剛体（３）は主剛体（２）と蓋材（６）と筒材（７）の
内側面（７ｂ）との３接点で固定される。また円周方向
の移動は溝（６ｂ）によって規制される。最後に底材
（１ｃ）を取付ねじ（１０）によって筒材（７）に固着
し組み立ては完了する。

【００３５】なお、組み立ての際、蓋材（６）と圧電素
子（４）及び圧電素子（４）と補助剛体（３）の間を接
着材等で接着してもかまわない。これは、この発明にお
いては補助剛体（３）が圧電素子（４）の作用軸方向し
か微小移動せず、接合部分に歪みが生じないためであ
る。ただし接着材等が弾性体となり、圧電素子（４）の
検出感度に影響を及ぼす恐れもあるため、その使用は微
量に止める必要がある。

【００３６】組み立て完了後、底材（８）に設けられた
貫通ねじ孔（５ａ）に定常圧力調節用のねじ部材（５）
をねじ込み、主剛体（２）を補助剛体（３）方向に押圧
することで、補助剛体（３）に均等に圧力が伝わると共
に圧電素子（４）に定常圧力を均等に付加することがで
きる。この箱体（１）に具備された定常圧力調節用の手
段は、ねじ部材（５）のねじ込み量を調節するだけで、
複数個の圧電素子（４）に均等に定常的な圧力を任意に
付加することができ、また、箱体（１）の加工精度や使
用環境による歪みを補完することができるため設けたほ
うが好適である。

【００３７】この実施の形態における３次元加速度セン
サによって加速度を検出するには、３個の補助剛体
（３）の作る面が水平となるように、被測定物に該セン
サを取り付け、被測定物に加速度が発生したときの各圧
電素子（４）からの信号を圧力に読み替え、下式に代入
すれば加速度の各Ｘ軸Ｙ軸Ｚ軸成分がそれぞれ検出でき
る。但し下式中の定数Ｋは主剛体（２）と定常圧力設定
用ねじ部材（５）等の弾性に関係するセンサ固有の定数
であり、定数Ｋを決定するには既知の加速度をセンサに
与え、検出された信号から逆算すれば良い。

【００３８】

【数１】

【００３９】なお、上式は以下の運動方程式によって導
出される。

【００４０】図４はこの発明の測定原理を説明するため
に、図１を基に運動方程式を立式するのに必要な部分を
簡易的に描いた概念側面図（イ）、及び主剛体（２）と
補助剛体（３）の接点がつくる平面で切断した断面を簡
易的に描いた概念断面図（ロ）である。また、図中に描
かれている矢印は、各接点で作用する圧力の方向を示し
たものである（矢印の長さと圧力の大きさは対応してい
ない）。

【００４１】この実施の形態にかかるセンサが、箱体
（１）に被測定物から圧力が加えられて加速度ａｘ，ａ
ｙ，ａｚで運動した場合、主剛体（２）及び補助剛体
（３）はそれぞれを保持している各接点から受ける圧力
により同様の加速度ａｘ，ａｙ，ａｚで運動する。よっ
て、主剛体（２）の質量をＭ，補助剛体（３）の質量を
ｍとして以下の運動方程式を立てることができる。

【００４２】主剛体（２）及び補助剛体（３）を一つの
剛体とみなし、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各軸に対して運動方
程式を立てると下式になる。

【００４３】

【数２】

【００４４】三つの補助剛体（３）についてそれぞれ、
Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各軸に対して運動方程式を立てると
下式になる。

【００４５】補助剛体（３ａ）に対する運動方程式

【数３】

【００４６】補助剛体（３ｂ）に対する運動方程式

【数４】

【００４７】補助剛体（３ｃ）に対する運動方程式

【数５】

【００４８】ここで、補助剛体（３ａ）についてはＹ軸
方向の運動方程式が立式されていない。これは、補助剛
体（３ａ）にＹ軸方向の運動を与える圧力は、溝（６
ｂ）の側壁から受ける圧力であり、圧電素子（４）に作
用する圧力Ｓａとは垂直に作用しているため、Ｓａには
影響を与えないためである。

【００４９】上記１２個の式からｆａ，ｆｂ，ｆｃ，Ｆ
ａ，Ｆｂ，Ｆｃを消去すると下式が得られる。

【００５０】

【数６】

【００５１】ここで、上式にあるｆ₀はｆ₀＝Ｋ（Ｓａ
＋Ｓｂ＋Ｓｃ）の関係式が成り立つ（Ｋ：定常圧力調節
用のねじ（５）と主剛体（２）などの材質によって決ま
る定数である）。上記関係式を式６のｆ₀に代入してｆ
₀を消去すると上式１が得られる。

【００５２】（実施の形態２）上述の数１から判るよう
にこのセンサのＺ軸方向の検出感度は定数Ｋによって左
右される。したがって、主剛体（２）と定常圧力設定用
ねじ部材（５）の間に適宜弾性体を設け、定数Ｋの値を
任意に設定するのが好ましい。この弾性体を設けた実施
の形態を図５及び図６に示す。なお、図１ないし３に示
した実施の形態と同一名称の部材には同一の符号を付
し、説明を省略する。

【００５３】実施の形態２は、底材（８）の厚みが、貫
通ねじ穴（５ａ）にコイルバネ（９）を収納し、ねじ部
材（５）をねじ込むことができるように厚くなっている
以外は、実施の形態１と同じ態様をなしている。

【００５４】前記コイルバネ（９）は、底材（８）の中
心に設けられた貫通ねじ穴（５ａ）に緩く挿通できる径
を有する圧縮コイルバネであり、ねじ部材（５）と主剛
体（２）の間に介在配置され、そのバネ定数によって定
数Ｋの値を決定し得る。

【００５５】また、コイルバネ（９）を主剛体（２）と
定常圧力設定用ねじ部材（５）の間に設けることで、定
常圧力を設定する際、ねじ部材（５）のねじ込みの微妙
な動きを吸収することができるため、定常圧力の調整を
容易にすることができる。

【００５６】なお、前記弾性体としては、前記コイルバ
ネ（９）のようないわゆる弾性体のほかに、信号検出に
用いている圧電素子等を弾性体として介在配置させても
構わない。また、該圧電素子から信号を検出すれば、そ
の値が数６のｆ₀にそのまま代入できるため、定数Ｋが
不要となり好適である。

【００５７】（実施の形態３）次にこの発明にかかる他
の実施の形態を説明する。以下の説明で上述の実施の形
態と同じ名称の部材には同じ符号を付し、説明を省略す
る。

【００５８】この実施の形態は図７に示す通りであり、
補助剛体（３）の数を４個として主剛体（２）の上部に
円周上均等に配置し、それに伴い圧電素子（４）及び蓋
材（６）に設けた溝（６ｂ）及び筒材（７）の上端に設
けた導出溝（７ａ）の数をそれぞれ４個とした以外は図
１ないし３に示す実施の形態とまったく同様の態様をな
している。

【００５９】この実施の形態はＸ軸及びＹ軸の信号の解
析を容易にするためになされたものである。即ち、Ｘ軸
方向にのみ加速度を受けた場合、Ｙ軸方向に配置された
圧電素子には信号は検出されない。逆もまた同様とな
る。つまり、Ｘ軸方向に配置された圧電素子とＹ軸方向
に配置された圧電素子はそれぞれの軸の加速度に対して
独立しており、Ｘ軸方向の加速度とＹ軸方向の加速度を
別個に処理できるため、圧電素子（４）から得られた信
号の解析が単純化される。

【００６０】下式はこの実施の形態の各圧電素子から得
られた信号を加速度に変換するための式であり、上述の
立式方法と同様に、主剛体と補助剛体を一つと考えたと
き及び各補助剛体のそれぞれついて運動方程式をたてる
と得ることができる。この実施の形態の場合、数５のよ
うに、Ｘ軸に配置した補助剛体に対してはＹ軸の運動方
程式は無視し、また、Ｙ軸に配置した補助剛体に対して
は同様にＸ軸の運動方程式は無視する。なお定数Ｋは上
記と同様に定常圧力調節用のねじ（５）と主剛体（２）
などの材質によって決まる定数である

【数７】

【００６１】

【発明の効果】以上、説明したとおり、この発明にかか
る３次元加速度センサは、その構造によって主剛体及び
補助剛体及び圧電素子が箱体内に拘束下に保持され、該
補助剛体は圧電素子の作用軸方向にのみ微小に変位する
ので、各剛体を樹脂等で接合させる必要が無い。従っ
て、接合部分に生じる歪みによってノイズが発生するこ
ともなく、衝撃、温度変化、及び経時変化等で接合部分
が剥がれて剛体が脱落することもないので、検出精度が
高く、強固で長寿命な加速度センサを提供することがで
きる。

【００６２】また、圧電素子は、補助剛体と箱体内面と
の圧接部に介在配置され、その配置の組み合わせを自由
に設定できることから、圧電素子が各剛体からうける重
力の影響を均等に、またはなくすことのできる組み合わ
せを選択することができる。よって、この場合は重力の
影響に対する補正回路等が必要なくなる。

【００６３】また、主剛体及び補助剛体のいづれか一方
または両方の形状を球にすれば、各剛体を箱体内に収納
する際に、方向を気にする必要がなく、箱体内に載置さ
えすれば点接触となるため、組み立てが容易であり、構
造的に安定し、センサの信頼度を高めることができる。
また、球形状の剛体は広く市販されており、入手が容易
なことからコスト低減に寄与する。

【００６４】また、加速度非存在時の圧力を圧電素子に
付与する定常圧力調節手段によれば、該センサの構造
上、補助剛体の方向に主剛体を押圧するだけで全ての圧
電素子に対しバランス良く定常圧力を付与することがで
きる。したがって、初期条件として設定する定常圧力の
値が容易に設定することができ、箱体の寸法に存在する
誤差や温度変化に対する箱体の歪みに対しても、容易に
圧力を調整し補完することができる。

【００６５】上記定常圧力調整手段を主剛体に当接し、
補助剛体方向に押圧するねじ部材とすることにより、最
も簡便に定常圧力を圧電素子に付与することができ、安
定性も良く、しかも低コストで３次元加速度センサーに
定常圧力調整手段を具備することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる３次元加速度センサの実施の
形態を示す斜視図である。

【図２】図１の分解斜視図である。

【図３】図１の断面図である。

【図４】図１を基に運動方程式を立式するために必要な
圧力の方向を付記し、不要な部分を省いた概念図であ
る。

【図５】バネを付加した別態様の実施の形態を示す分解
斜視図である。

【図６】上記実施の形態の断面図である。

【図７】実施の形態の別態様を示す分解斜視図である。

【図８】従来品の斜視図である。

【符号の説明】

１…箱体２…主剛体３…補助剛体４…圧電素子５…ねじ部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉岡徹大阪市東成区東小橋２丁目10番16号関西ガスメータ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】硬質の箱体と、該箱体内に収容された主剛体と、前記箱体内の長さ方向または幅方向の一端側に収容配置
されるとともに、前記主剛体表面及び箱体内の少なくと
も異なる２面に圧接して、主剛体を拘束する少なくとも
３個の補助剛体と、前記各補助剛体と箱体内面との少なくとも一つの圧接部
にそれぞれ介在配置された少なくとも３個の圧電素子と
を備えたことを特徴とする３次元加速度センサ。
【請求項２】主剛体または補助剛体の一方または両方の
形状が球である請求項１に記載の３次元加速度センサ。
【請求項３】各補助剛体から各圧電素子に付与される加
速度非存在時の圧力を可変調節する定常圧力調節手段が
設けられている請求項１または２に記載の３次元加速度
センサ。
【請求項４】定常圧力調節手段が、箱体の長さ方向また
は幅方向の他端側において箱体を貫通して進退自在にね
じ込まれるとともに、その先端を主剛体に当接させて主
剛体を補助剛体方向に押圧するねじ部材からなるもので
ある請求項３に記載の３次元加速度センサ。