(57)【要約】【課題】安価に角加速度を検出することができる角加速度センサーを提供する。【解決手段】角加速度センサー１において、ピエゾ式の加速度センサーからなる第１および第２センサー部１１，１２を、それぞれのｚ軸が、ともにセンサー基板１３の表面に垂直であり、かつ互いに逆の方向を向くように配置する。また、角加速度センサー１は、第１および第２センサー部１１，１２のそれぞれのｘ軸方向の出力およびｙ軸方向の出力に加減算部１５によって加算および減算の処理を施す。これにより、ピエゾ式の加速度センサーを用いることで、角加速度を検出することができる。【選択図】図１
2007304022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｚ軸が互いに逆方向に向き、かつｘ軸およびｙ軸が互いに平行であるように配置された２個のピエゾ式加速度センサーと、
両ピエゾ式加速度センサーのｘ軸方向の出力またはｙ軸方向の出力に加算および減算する処理を施す演算処理手段とを備えていることを特徴とする角加速度センサー。
【請求項２】
前記両ピエゾ式加速度センサーが基板を介して向かい合うように当該基板上に実装されていることを特徴とする請求項１に記載の角加速度センサー。
【請求項３】
前記ピエゾ式加速度センサーは、可動部および当該可動部を保持するフレームを有するセンサー構造体と、当該センサー構造体を封入する筐体とを含み、前記フレームが柔軟材料からなる固定部を介して前記筐体の底部に固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の角加速度センサー。
【請求項４】
手操作による電子機器本体の回転方向の角加速度を検出する角加速度検出手段と、該角加速度検出手段の検出値に基づいて制御対象の向きまたは向きおよび移動量を制御する制御手段とを有する電子機器において、
前記角加速度検出手段が請求項１ないし３のいずれか１項に記載の角加速度センサーであることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピエゾ式の２軸または３軸加速度センサーを用いて回転による角加速度を検出する角加速度センサーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１４は、従来のピエゾ式加速度センサーの例（縦断面）を示す。
【０００３】
このような加速度センサーの構造は、特許文献１にも開示されているように、加速度を検出するのに適している。一般に、この加速度センサーは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechａnicａl Sｙstem）の一種と位置付けられ、通常はシリコンを用いて集積回路と同様なプロセスで作製される。
【０００４】
このセンサーは、重錘体４０１が４本のビーム４０２を介してフレーム４０４に支持される構造をなしている。また、各ビーム４０２上には、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸のそれぞれに４つずつのピエゾ抵抗Ｒｐが配置されている。このセンサーにおいて、重錘体４０１にかかる加速度によってビーム４０２が変形すると、この変形を検出するためにピエゾ抵抗Ｒｐの値の変化が電気的に検出される。ピエゾ抵抗Ｒｐの抵抗値変化の検出感度を上げるため、通常、４つのピエゾ抵抗Ｒｐによってホイートストンブリッジ回路が構成される。
【０００５】
図１５（ａ）は、ｘ軸方向およびｙ軸方向の加速度を検出する原理を示す。なお、図１５（ａ）は、わかりやすいように、１つの重錘体４０１が２本のビーム４０２，４０３の２組（４本のビーム）を介してフレーム４０４に支持されている構造について示している。
【０００６】
フレーム４０４と重錘体４０１とは、非常に薄いビーム４０２および４０２ｂで接続されている。加速度センサーが集積回路プロセスで作製された場合、ビームの厚さは通常数マイクロメータ程度である。フレーム４０４はペースト材などを用いてパッケージなどに固定されるが、重錘体４０１はパッケージなどには固定されず、その上部でビーム４０２および４０２ｂのみによって支えられている。
【０００７】
このような構造により、センサーに右方向の加速度が加わると、重錘体４０１は図示するように左へ回転するように偏倚する。このとき、重錘体４０１を支えているビーム４０２，４０２ｂも変形する。ビーム４０２，４０２ｂに発生する応力は、フレーム４０４とビーム４０２，４０２ｂとの接点付近、および重錘体４０１とビーム４０２，４０２ｂとの接点付近が最大となる。従って、これらの接点でビーム４０２，４０２ｂの変形量も最大となる。図１５（ｂ）に示すように、これらの変形量が最大となる箇所のビーム４０２，４０２ｂ上にピエゾ抵抗Ｒｐａ，Ｒｐｂ，Ｒｐｃ，Ｒｐｄが配置されている。これにより、重錘体４０１に加わった加速度の大きさをピエゾ抵抗Ｒｐａ，Ｒｐｂ，Ｒｐｃ，Ｒｐｄの抵抗値の変化として検出することができる。
【０００８】
このとき、左側のビーム４０２については、フレーム４０４との接点付近で上に凸の形に変形し、重錘体４０１との接点付近で下に凸の形に変形する。これにより、ビーム４０２上でフレーム４０４との接点付近に配置されたピエゾ抵抗Ｒａは、引っ張り応力を受けて抵抗値が上昇する。その一方、同じビーム４０２上で重錘体４０１との接点付近に配置されたピエゾ抵抗Ｒｂは圧縮応力を受けて抵抗値が下降する。また、右側のビーム４０３については、フレーム４０４との接点付近で下に凸の形に変形し、重錘体４０１との接点付近で上に凸の形に変形する。これにより、ビーム４０３上でフレーム４０４との接点付近に配置されたピエゾ抵抗Ｒｄは圧縮応力を受けて抵抗値が下降する。その一方、同じビーム４０３上で重錘体４０１との接点付近に配置されたピエゾ抵抗Ｒｃは引っ張り応力を受けて抵抗値が上昇する。
【０００９】
これら４個のピエゾ抵抗Ｒｐａ，Ｒｐｂ，Ｒｐｃ，Ｒｐｄの値の変化を高感度に検出するために、通常、図１５（ｂ）に示すように、ピエゾ抵抗Ｒｐａ，Ｒｐｂ，Ｒｐｃ，Ｒｐｄによってホイートストンブリッジ回路が構成される。重錘体４０１に右方向の加速度が加わった場合は、前述の通り、ピエゾ抵抗Ｒｐａ，Ｒｐｃの値が上昇し、ピエゾ抵抗Ｒｐｂ，Ｒｐｄの値が低下するので、ホイートストンブリッジ回路の検出出力電圧Ｖｏは正方向に偏倚する。
【００１０】
ここで、ｘ軸方向加速度検出用ビームとｙ軸方向加速度検出用ビームとが垂直に交わるように配置されており、図１５（ａ）において、ビーム４０２，４０２ｂがｘ軸方向加速度検出用ビームであるとする。ｙ軸方向加速度検出用ビームは紙面に対して垂直方向に配置される。それにより、ｘ軸方向加速度とｙ軸方向加速度とを互いの干渉なしに独立して偏倚を検出することができる。
【００１１】
図１６（ａ）は、ｚ方向の加速度を検出する原理を示す。なお、図１６（ａ）も、わかりやすいように、１つの重錘体４０１がフレーム４０４に２本のビーム４０２，４０２ｂの２組を介して支持されている構造について示している。
【００１２】
重錘体４０１は上方向の加速度が加わると、平行移動するように偏倚する。このとき、重錘体４０１を支えているビーム４０２，４０２ｂが変形するが、ｘ方向およびｙ方向の加速度に対する変形とは異なる。
【００１３】
具体的には、左側のビーム４０２についてはフレーム４０４との接点付近で下に凸の形に変形し、重錘体４０１との接点付近で上に凸の形に変形する。これにより、ビーム４０２上でフレーム４０４との接点付近に配置されたピエゾ抵抗Ｒｅは圧縮応力を受けて抵抗値が下降し、同じビーム４０２上で重錘体４０１との接点付近に配置されたピエゾ抵抗Ｒｆは引っ張り応力を受けて抵抗値が上昇する。また、右側のビーム４０３についてはフレーム４０４との接点付近で下に凸の形に変形し、重錘体４０１との接点付近で上に凸の形に変形する。これにより、ビーム４０３上でフレーム４０４との接点付近に配置されたピエゾ抵抗Ｒｈは圧縮応力を受けて抵抗値が下降し、同じビーム４０３上で重錘体４０１との接点付近に配置されたピエゾ抵抗Ｒｇは引っ張りの応力を受けて抵抗値が上昇する。
【００１４】
これら４個のピエゾ抵抗Ｒｐｅ，Ｒｐｆ，Ｒｐｇ，Ｒｐｈについても、ｘ方向およびｙ方向の加速度の検出と同様、図１６（ｂ）に示すように、ホイートストンブリッジ回路が構成される。しかしながら、ピエゾ抵抗Ｒｐｅ，Ｒｐｆ，Ｒｐｇ，Ｒｐｈについてのホイートストンブリッジ回路は、ｘ方向およびｙ方向加速度を検出するホイートストンブリッジ回路と接続が異なる。重錘体４０１に上方向の加速度が加わった場合は、前述の通り、ピエゾ抵抗Ｒｐｅ，Ｒｐｈは値が低下し、ピエゾ抵抗Ｒｐｆ，Ｒｐｇは値が上昇するので、ホイートストンブリッジ回路の検出出力電圧Ｖｏは正方向に偏倚する。
【００１５】
ここで、ｚ軸方向の加速度を検出するためのビームとｘ軸またはｙ軸方向の加速度を検出するためのビームを同じビームで兼用することができる。前述の通り、ｘ軸またはｙ軸方向の加速度を検出するためのピエゾ抵抗Ｒｐａ，Ｒｐｂ，Ｒｐｃ，Ｒｐｄによるホイートストンブリッジ回路と、ｚ軸方向の加速度を検出するためのピエゾ抵抗Ｒｐｅ，Ｒｐｆ，Ｒｐｇ，Ｒｐｈによるホイートストンブリッジ回路とは成り立ちが異なっている。このため、例えばｘ軸方向の加速度を検出するためのビームにｘ軸方向の加速度を検出するピエゾ抵抗およびｚ軸方向の加速度を検出するピエゾ抵抗の双方を配置する。これにより、同一のビームでｘ軸方向加速度とｚ軸方向加速度とを互いの干渉なしに独立に検出することができる。
【特許文献１】特開２００３−１７２７４５公報（２００３年６月２０日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、図１５（ａ）に示すような偏倚はｘ軸方向またはｙ軸方向の加速度以外の要因でも発生する。それは、重錘体４０１が回転するように偏倚することを利用している。このために、ｘ軸またはｙ軸に対して回転するような回転方向の加速度（角加速度成分）が生じた場合に、ｘ軸方向やｙ軸方向の加速度を受けたときと同様に重錘体４０１が偏倚してしまうからである。このセンサーのピエゾ抵抗によるホイートストンブリッジ回路の検出出力電圧Ｖｏを計測する限りでは、検出出力電圧Ｖｏが、ｘ軸方向またはｙ軸方向の直線的な加速度を表しているのか、あるいはｘ軸またはｙ軸回りの回転による角加速度を表しているのかという区別がつかない。
【００１７】
ピエゾ式加速度センサーは、近年、モーションセンサーとして、ディジタルスチルカメラやディジタルビデオカメラの手ぶれ検出やゲームコントローラ等への応用が期待されている。しかしながら、現在、ピエゾ式加速度センサーによる角加速度の検出が行われていることは確認されていない。このため、上記の機器は、加速度の回転成分を検出するモーションセンサーとして高価な振動ジャイロセンサーを搭載しており、それだけコストが上昇してしまう。
【００１８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、安価に角加速度を検出することができる角加速度センサーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係る角加速度センサーは、上記課題を解決するために、ｚ軸が互いに逆方向に向き、かつｘ軸およびｙ軸が互いに平行であるように配置された２個のピエゾ式加速度センサーと、両ピエゾ式加速度センサーのｘ軸方向の出力またはｙ軸方向の出力に加算および減算する処理を施す演算処理手段とを備えていることを特徴としている。
【００２０】
上記の構成において、例えば、ｘ軸方向の加速度に対して、２個のピエゾ式加速度センサーにおける可動部は、対向する端部がｘ軸方向に向くように傾く（図８参照）。これにより、両ピエゾ式加速度センサーは同じ方向（正）の検出出力電圧を出力する。そこで、これらに検出出力電圧に演算処理手段によって加算処理を施すと、ｘ軸方向の直線的加速度が得られる。
【００２１】
また、回転による角加速度に対して、２個のピエゾ式加速度センサーにおける可動部は、同じ向きに傾く（図１０参照）。これにより、両ピエゾ式加速度センサーは逆向き（正と負）の検出出力電圧を出力する。そこで、これらの検出出力電圧に演算処理手段によって減算処理を施すと、ｘ軸に垂直なｙ軸を中心とした回転による角加速度が得られる。
【００２２】
前記角加速度センサーは、前記ピエゾ式加速度センサーが、可動部および当該可動部を保持するフレームを有するセンサー構造体と、当該センサー構造体を封入する筐体とを含み、前記フレームが柔軟材料からなる固定部を介して前記筐体の底部に固定されていることが好ましい。これにより、センサー構造体が温度変化による筐体の熱膨張や収縮による応力を受けない。
【００２３】
本発明に係る電子機器は、手操作による電子機器本体の回転方向の角加速度を検出する角加速度検出手段と、該角加速度検出手段の検出値に基づいて制御対象の向きまたは向きおよび移動量を制御する制御手段とを有する電子機器において、前記角加速度検出手段が前記のいずれかの構成の角加速度センサーであることを特徴としている。
【００２４】
これにより、安価なピエゾ式加速度センサーで構成される角加速度センサーを搭載することにより、電子機器の価格を低減することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る角加速度センサーは、以上のように、ｚ軸が互いに逆方向に向き、かつｘ軸およびｙ軸が互いに平行であるように配置された２個のピエゾ式加速度センサーと、両ピエゾ式加速度センサーのｘ軸方向の出力またはｙ軸方向の出力に加算および減算する処理を施す演算処理手段とを備えている。このように、両ピエゾ式加速度センサーの重錘体の動きが、直線的加速度と回転による角加速度とに対して異なることを利用して、両ピエゾ式加速度センサーの検出出力電圧に加算および減算の演算処理を行うことにより、直線的な加速度と、回転による角加速度に対する出力とを分離して得ることができる。
【００２６】
これにより、安価なピエゾ式加速度センサーで積極的に角加速度を検出して利用することが可能となる。ピエゾ型加速度センサーを利用する本発明の角加速度センサーは、３軸加速度および２軸角加速度を検出する５軸センサーとして動作させることができる。したがって、ピエゾ式加速度センサーの利用面での大きな進展を期待することができる。例えば、ディジタルカメラ等のカメラ装置の手ぶれ検出やゲームコントローラ等の電子機器への応用が期待されている。安価なピエゾ式加速度センサーを用いることで、角加速度センサーの価格を低下することができるので、角加速度センサーを搭載する電子機器の価格を低減することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の一実施形態について図１ないし図１３に基づいて説明すると、以下の通りである。
【００２８】
図１は、本実施形態の角加速度センサー１の構成を示している。
【００２９】
図１に示すように、角加速度センサー１は、第１センサー部１１と、第２センサー部１２と、センサー基板１３と、計装アンプ部１４と、加減算部１５とを備えている。
【００３０】
第１センサー部１１および第２センサー部１２は、ピエゾ式の３軸加速度センサーである。第１センサー部１１は、センサー基板１３の一方の表面に実装されており、第２センサー部１２は、センサー基板１３の一方の表面に実装されている。
【００３１】
第１センサー部１１および第２センサー部１２のｘ軸は、ともにセンサー基板１３の表面に並行であり、かつ同じ方向に向いている。第１センサー部１１および第２センサー部１２のｙ軸は、ともにセンサー基板１３の表面に並行であり、かつ互いに逆の方向に向いている。第１センサー部１１および第２センサー部１２のｚ軸は、ともにセンサー基板１３の表面に垂直であり、かつ互いに逆の方向に向いている。それぞれのｚ軸の向きは、図１に示すように互いに離反する方向であってもよいし、互いに向かい合う方向であってもよい。
【００３２】
上記のように、それぞれのｚ軸が逆方向を向いているため、それぞれのｙ軸も逆方向を向いている。しかしながら、それぞれのｙ軸が逆方向を向くことは、本実施形態においては、特に本質的なことではない。第１および第２センサー部１１，１２は、それぞれのｙ軸方向を同じにする一方、それぞれのｘ軸を逆方向にするように配置され、その配置に応じて、計装アンプ部１４および加減算部１５の結線が変更されてもよい。このような構成でも、それぞれのｙ軸が反対方向を向く構成による効果と同等の効果を得ることができる。
【００３３】
計装アンプ部１４は、第１および第２センサー部１１，１２の出力を所定のレベルにまで増幅するために計装アンプ１４ａ〜１４ｆを有している。
【００３４】
計装アンプ１４ａは、第１センサー部１１のｘ出力（ｘ軸方向出力）を増幅し、計装アンプ１４ｂは、第２センサー部１２のｘ出力（ｘ軸方向出力）を増幅する。また、計装アンプ１４ｃは、第１センサー部１１のｙ出力（ｙ軸方向出力）を増幅し、計装アンプ１４ｄは、第２センサー部１２のｙ出力（ｙ軸方向出力）を増幅する。また、計装アンプ１４ｅは、第１センサー部１１のｚ出力（ｚ軸方向出力）を増幅して、ｚ軸方向直線的加速度αｚ１を出力する。計装アンプ１４ｅは、第２センサー部１２のｚ出力（ｚ軸方向出力）を増幅して、ｚ軸方向直線的加速度αｚ２を出力する。
【００３５】
加減算部１５は、加算器１５ａ、減算器１５ｂ、加算器１５ｃおよび減算器１５ｄを有している。
【００３６】
加算器１５ａは、計装アンプ１４ａ，１４ｂの出力（ｘ出力）を加算してｘ軸方向直線的加速度αｘを出力する。加算器１５ｃは、計装アンプ１４ａ，１４ｂの出力（ｙ出力）を加算してｘ軸中心回転角加速度βｘを出力する。減算器１５ｂは、計装アンプ１４ａの出力（ｘ出力）から計装アンプ１４ｂの出力（ｘ出力）を減算してｙ軸中心回転角加速度βｙを出力する。減算器１５ｄは、計装アンプ１４ａの出力（ｘ出力）から計装アンプ１４ｂの出力（ｘ出力）を減算してｙ軸方向直線的加速度αｙを出力する。
【００３７】
第１センサー部１１および第２センサー部１２が、同一の直線的加速度と同一の角加速度とを検出するために、下記の条件を満たす必要がある。
【００３８】
（１）第１センサー部１１のｘ軸と第２センサー部１２のｘ軸とが平行である。
（２）第１センサー部１１のｙ軸と第２センサー部１２のｙ軸とが平行である。
（３）第１センサー部１１の中心（後述する重錘体１０３（中央支持体１０３ａ）の中心）を通るｚ軸と第２センサー部１２の中心を通るｚ軸とがほぼ同一直線上にあり、かつ方向が逆向きである。
（４）第１センサー部１１と第２センサー部１２とができるだけ接近している。
【００３９】
従って、センサー基板１３は、次の条件で形成される必要がある。
（１）センサー基板１３における第１センサー部１１の取付面と第２センサー部１２の取付面とが平行である。
（２）センサー基板１３における第１センサー部１１の取付面と第２センサー部１２の取付面とができるだけ接近している。第１センサー部１１および第２センサー部２が離間していると、後述する加減算部１５による演算処理に誤差が生じ易くなる。
【００４０】
上記の条件（２）は、センサー基板１３ができるだけ薄い厚みを有することを意味している。しかしながら、センサー基板１３は、第１および第２センサー部１１，１２を支持するとともに、角加速度センサー１を搭載する装置へ取り付けるための強度を保有しなければならないので、そのための最低限の厚さが確保される必要がある。
【００４１】
また、センサー基板１３は、例えば、ガラスエポキシなどで作製されたプリント基板からなる。第１および第２センサー部１１，１２は、リフローによる半田付けでセンサー基板１３に固定されている。
【００４２】
第１センサー部１１および第２センサー部１２の構成について説明する。図２は、第１センサー部１１の断面構造（図１のＡ−Ａ線矢視断面の構造）を示している。図３および図４は、センサー構造体１０１を示している。なお、第２センサー部１２は、第１センサー部１１と同じ構造を有するので、ここでは第２センサー部１２の構造の説明を省略する。
【００４３】
第１センサー部１１は、センサー構造体１０１と、パッケージ１１１（筐体）とを有している。センサー構造体１０１は、中空のパッケージ１１１内に封入されており、パッケージ１１１の底部に固定部１２１によって固定されている。センサー構造体１０１が温度変化によるパッケージ１１１の熱膨張や収縮による応力を受けないように、固定部１２１は、シリコーン樹脂のような柔らかい材質（柔軟材料）であることが好ましい。
【００４４】
図３および図４に示すセンサー構造体１０１は、フレーム１０２、重錘体１０３、ビーム１０４〜１０７およびピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４を含んでいる。フレーム１０２、可動部としての重錘体１０３およびビーム１０４〜１０７は、シリコンによって一体的に形成されている。
【００４５】
ビーム１０４〜１０７は、それぞれ正方形をなすフレーム１０２の４方の内壁面における上端側中央部から内側に向かって延びるように形成された薄板状の部分である。重錘体１０３は、中央支持体１０３ａおよび周辺錘体１０３ｂ〜１０３ｅからなる。中央支持体１０３ａは、ビーム１０４〜１０７の一端と接続されており、ビーム１０４〜１０７を介してフレーム１０２に支持されている。周辺錘体１０３ｂ〜１０３ｅは、直方体をなしており、中央支持体１０３ａの四隅から放射状に突出するように設けられている。また、周辺錘体１０３ｂ〜１０３ｅとフレーム１０２の内壁面およびビーム１０４〜１０７との間には、所定の隙間が設けられている。これは、重錘体１０３が加速度を受けて変位したときに、周辺錘体１０３ｂ〜１０３ｅがフレーム１０２の内壁面およびビーム１０４〜１０７と接触しないようにするためである。
【００４６】
ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｚ１は、ビーム１０４の上端面におけるフレーム１０２の近傍に並ぶようにして設けられている。ピエゾ抵抗Ｒｘ２，Ｒｚ２は、ビーム１０４の上端面における中央支持体１０３ａの近傍に並ぶようにして設けられている。ピエゾ抵抗Ｒｘ３，Ｒｚ３は、ビーム１０５の上端面における中央支持体１０３ａの近傍に並ぶようにして設けられている。ピエゾ抵抗Ｒｘ４，Ｒｚ４は、ビーム１０５の上端面におけるフレーム１０２の近傍に並ぶようにして設けられている。
【００４７】
ピエゾ抵抗Ｒｙ１は、ビーム１０６の上端面におけるフレーム１０２の近傍に設けられている。ピエゾ抵抗Ｒｙ２は、ビーム１０６の上端面における中央支持体１０３ａの近傍に設けられている。ピエゾ抵抗Ｒｙ３は、ビーム１０７の上端面における中央支持体１０３ａの近傍に設けられている。ピエゾ抵抗Ｒｙ４は、ビーム１０７の上端面におけるフレーム１０２の近傍に設けられている。
【００４８】
図４は、角加速度センサー１の回路構成を示している。
【００４９】
図４に示すように、第１および第２センサー部１１，１２において、ピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４、ピエゾ抵抗Ｒｙ１〜Ｒｙ４、およびピエゾ抵抗Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、それぞれホイートストンブリッジ回路を構成している。ホイートストンブリッジ回路から出力される電圧（Ｖｘ１１，Ｖｘ１２，Ｖｙ１１，Ｖｙ１２，Ｖｚ１１，Ｖｚ１２）は、差動電圧信号である。
【００５０】
ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２の接続点は電源Ｅｘの正極端子に接続され、ピエゾ抵抗Ｒｘ３，Ｒｘ４の接続点は電源Ｅｘの負極端子に接続される。また、ピエゾ抵抗Ｒｘ２，Ｒｘ３の接続点（正極）とピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ４の接続点（負極）との間に検出出力電圧Ｖｘ１１（第１センサー部１１），Ｖｘ１２（第２センサー部１２）が現れる。
【００５１】
ピエゾ抵抗Ｒｙ１，Ｒｙ２の接続点は電源Ｅｙの正極端子に接続され、ピエゾ抵抗Ｒｙ３，Ｒｙ４の接続点は電源Ｅｙの負極端子に接続される。また、ピエゾ抵抗Ｒｙ２，Ｒｙ３の接続点（正極）とピエゾ抵抗Ｒｙ１，Ｒｙ４の接続点（負極）との間に検出出力電圧Ｖｙ１１（第１センサー部１１），Ｖｙ１２（第２センサー部１２）が現れる。
【００５２】
ピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｚ２の接続点は電源Ｅｚの正極端子に接続され、ピエゾ抵抗Ｒｚ３，Ｒｚ４の接続点は電源Ｅｚの負極端子に接続される。また、ピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｚ３の接続点（正極）とピエゾ抵抗Ｒｚ２，Ｒｚ４の接続点（負極）との間に検出出力電圧Ｖｚ１１（第１センサー部１１），Ｖｚ１２（第２センサー部１２）が現れる。
【００５３】
計装アンプ１４ａは検出出力電圧Ｖｘ１１を増幅し、計装アンプ１４ｂは検出出力電圧Ｖｘ１２を増幅する。計装アンプ１４ｃは検出出力電圧Ｖｙ１１を増幅し、計装アンプ１４ｄは検出出力電圧Ｖｙ１２を増幅する。計装アンプ１４ｅは検出出力電圧Ｖｚ１１を増幅し、計装アンプ１４ｆは検出出力電圧Ｖｚ１２を増幅する。計装アンプ１４ａ〜１４ｆは、出力電圧として電圧Ｖａ〜Ｖｆを出力する。
【００５４】
上記の計装アンプ１４ａ〜１４ｆは、トランスコンダクタンスアンプによって構成されており、端子Ｇ１，Ｇ２の間に抵抗Ｒが接続されている。また、基準電圧端子Ｖrefには、可変電源Ｅｖが接続されている。計装アンプ１４ａ〜１４ｆによって、差動電圧信号が接地レベルを基準とする電圧信号に変換される。
【００５５】
加算器１５ａ，１５ｃは、例えば、図５に示す非反転型の加算回路２１によって構成されている。この加算回路２１は、差動増幅器Ａ１、入力抵抗Ｒ１，Ｒ２と、帰還抵抗Ｒ３，Ｒ４とを有している。
【００５６】
加算回路２１において、入力電圧Ｖ１は入力抵抗Ｒ１を介して差動増幅器Ａ１の非反転入力端子に入力され、入力電圧Ｖ２は入力抵抗Ｒ２を介して非反転入力端子に入力される。帰還抵抗Ｒ３，Ｒ４は、差動増幅器Ａ１の出力端子とグランドとの間に直列に接続されている。帰還抵抗Ｒ３，Ｒ４の接続点は、差動増幅器Ａ１の反転入力端子に接続されている。このような加算回路２１によれば、出力端子には、加算出力としてＶ１＋Ｖ２が現れる。
【００５７】
減算器１５ｂ，１５ｄは、例えば、図６に示す減算回路２２によって構成されている。この減算回路２２は、差動増幅器Ａ１１、入力抵抗Ｒ１１，Ｒ１２と、帰還抵抗Ｒ１３，Ｒ１４とを有している。
【００５８】
減算回路２２において、入力電圧Ｖ１は入力抵抗Ｒ１１を介して差動増幅器Ａ１１の非反転入力端子に入力され、入力電圧Ｖ２は入力抵抗Ｒ２を介して差動増幅器Ａ１１の反転入力端子に入力される。また、非反転入力端子とグランドとの間には入力抵抗Ｒ１３が接続されている。帰還抵抗Ｒ１４は、差動増幅器Ａ１１の出力端子と反転入力端子との間に接続されている。このような加算回路２１によれば、出力端子には、減算出力としてＶ１−Ｖ２が現れる。
【００５９】
ここで、上記のように構成される角加速度センサー１の動作について説明する。
【００６０】
図８は、第１センサー部１１と第２センサー部１２とが直線的加速度を検出した状態を示す。図９は、直線的加速度を検出するときの角加速度センサー１の動作をタイミングチャートである。
【００６１】
図８において、紙面右方向をｘ軸の正方向とすると、第１および第２センサー部１１，１２は、重錘体１０３，１０３の互いに対向する端部（底面）がともにｘ軸方向に向くように傾くことにより、第１センサー部１１はｘ軸の正方向の検出出力電圧Ｖｘ１１を出力し、第２センサー部１２はｘ軸の正方向の検出出力電圧Ｖｘ１２を出力する。すなわち、第１センサー部１１および第２センサー１２は、ともに正の電圧を発生させる。これにより、図９に示すように、計装アンプ１４ａ，１４ｂからそれぞれ出力される電圧Ｖａ，Ｖｂは、時点Ｔで０から正方向に変化する。
【００６２】
そして、加算器１５ａが電圧Ｖａ，Ｖｂの和をとることで、正のｘ軸直線的加速度αｘが得られる。一方、減算器１５ｂが電圧Ｖａから電圧Ｖｂを減じることで、０の出力電圧（ｙ軸中心回転角加速度βｙ）が得られる。
【００６３】
図１０は、第１センサー部１１と第２センサー部１２とが回転による角加速度を検出した状態を示す。図１１は、角加速度を検出するときの角加速度センサー１の動作をタイミングチャートである。
【００６４】
図１０において、図８の場合と同様に紙面右方向をｘ軸の正方向とすると、第１センサー部１１は、重錘体１０３が図８の場合と同様の方向に偏倚することにより、ｘ軸の正方向の検出出力電圧を出力Ｖｘ１１を出力する。しかし、第２センサー部１２は、重錘体１０３が図８の場合と逆の方向に偏倚することにより、ｘ軸の負方向の検出出力電圧Ｖｘ１２を出力する。従って、図１１に示すように、時点Ｔにおいて、計装アンプ１４ａの電圧Ｖａは正方向に変化し、計装アンプ１４ｂの電圧Ｖｂは負方向に変化する。
【００６５】
そして、加算器１５ａが電圧Ｖａ，Ｖｂの和をとることで、０の出力電圧（ｘ軸直線的加速度αｘ）が得られる。一方、減算器１５ｂが電圧Ｖａから電圧Ｖｂを減じることで、ｘ軸に垂直なｙ軸を中心とした正のｙ軸中心回転角加速度βｙが得られる。
【００６６】
このように、ｘ軸方向については、第１および第２センサー部１１，１２が直線的加速度を検出した場合には、正のｘ軸直線的加速度αｘが得られる一方、第１および第２センサー部１１，１２が回転による角加速度を検出した場合には、正のｙ軸中心回転角加速度βｙが得られる。この相違によって、直線的加速度と回転による角加速度とを区別して検出することができる。
【００６７】
また、図示はしないが、ｙ軸方向の加速度は次のようにして検出される。
【００６８】
第１および第２センサー部１１，１２は、重錘体１０３，１０３の互いに対向する端部（底面）がｙ軸の正方向に傾くことにより、第１センサー部１１はｙ軸の正方向の検出出力電圧Ｖｙ１１を出力し、第２センサー部１２はｙ軸の負方向の検出出力電圧Ｖｙ１２を出力する。これにより、計装アンプ１４ｃは正の電圧Ｖｃを出力する一方、計装アンプ１４ｄは負の電圧Ｖｄを出力する。
【００６９】
そして、加算器１５ｃが電圧Ｖｃ，Ｖｄの和をとることで、０の出力電圧（ｘ軸中心回転角加速度βｘ）が得られる。一方、減算器１５ｂが電圧Ｖｃ，Ｖｄの和をとることで、正のｙ軸直線的加速度αｙが得られる。
【００７０】
第１センサー部１１は、重錘体１０３の下端部がｙ軸の正方向に傾くことにより、ｙ軸の正方向の検出出力電圧Ｖｙ１１を出力する。しかし、第２センサー部１２は、重錘体１０３がｙ軸の負方向に傾くことにより、ｙ軸の正方向の検出出力電圧Ｖｙ１２を出力する。従って、計装アンプ１４ｃ，１４ｄはともに正の電圧Ｖｃ，Ｖｄを出力する。
【００７１】
そして、加算器１５ｃが電圧Ｖｃ，Ｖｄの和をとることで、正のｘ軸中心回転角加速度βｘが得られる。一方、減算器１５ｂが電圧Ｖｃから電圧Ｖｄを減じることで、０の出力電圧（ｙ軸直線的加速度αｙ）が得られる。
【００７２】
このように、ｙ軸方向については、第１および第２センサー部１１，１２が直線的加速度を検出した場合には、正のｙ軸直線的加速度αｙが得られる一方、第１および第２センサー部１１，１２が回転による角加速度を検出した場合には、正のｘ軸中心回転角加速度βｘが得られる。この相違によって、直線的加速度と回転による角加速度とを区別して検出することができる。
【００７３】
以上のように、本実施の形態の角加速度センサー１において、ピエゾ式の加速度センサーからなる第１および第２センサー部１１，１２は、それぞれのｚ軸が、ともにセンサー基板１３の表面に垂直であり、かつ互いに逆の方向を向くように配置されている。また、角加速度センサー１は、第１および第２センサー部１１，１２のそれぞれのｘ出力およびｙ出力に加減算部１５によって加算および減算の処理を施す。これにより、ピエゾ式の加速度センサーを用いることで、安価に角加速度を検出することができる。
【００７４】
続いて、前述の加速度センサーを実装した電子機器について説明する。
【００７５】
図１２（ａ）は、電子機器としてのディジタルカメラ３１を示している。図１２（ｂ）は、ディジタルカメラ３１の制御系の主要部の構成を示している。
【００７６】
図１２（ａ）に示すように、ディジタルカメラ３１は、内部にモーションセンサー３２を備えている。このモーションセンサー３２としては、前述の角加速度センサー１が用いられる。モーションセンサー３２は、ディジタルカメラ３１の手振れを検出するために角加速度センサー１のセンサー基板１３がレンズ３３の光軸に対して垂直になるように配置される。これにより、モーションセンサー３２のｘ軸およびｙ軸は、いずれもレンズ３３の光軸方向に対して垂直になる。
【００７７】
ディジタルカメラ３１は、図１２（ｂ）に示すように、手振れ制御系として、さらに、演算処理部３４、モータ制御部３５、ステッピングモータ３６およびＣＣＤ（Charge Coupled Device）３７を備えている。
【００７８】
演算処理部３４は、モーションセンサー３２によって検出されたｘ軸方向およびｙ軸方向の角加速度を時間積分することによりｘ軸方向およびｙ軸方向の角速度を算出し、その角速度から手振れを補正するためのＣＣＤ３７の移動量を算出する。モータ制御部３５は、当該移動量に基づいてステッピングモータ３６を駆動するための駆動信号を出力する。ステッピングモータ３６は、撮像素子としてのＣＣＤ３７を上記の駆動信号に基づいてｘ軸方向およびｙ軸方向に駆動する。
【００７９】
上記のように構成されるディジタルカメラ３１においては、シャッターを切る際に問題となる手振れ方向は、ｘ軸を中心とした回転方向（矢印Ｌｘ）と、ｙ軸を中心とした回転方向（矢印Ｌｙ）とである。従って、本実施形態の角加速度センサー１をモーションセンサー３２として用いて、これら２軸の角加速度を検出し、この角加速度から得られた角速度に基づいて制御対象としてのＣＣＤ３７の位置を補正することにより、撮影の際の手振れ補正が可能となる。
【００８０】
なお、上記のディジタルカメラ３１においては、ＣＣＤ３７の位置を補正する代わりに、レンズ３３の駆動系を制御することによって制御対象としてのレンズ３３の位置を補正するようにしてもよい。
【００８１】
図１３（ａ）は、電子機器としてのビデオゲームのコントローラ４１を示している。図１３（ｂ）は、コントローラ４１の制御系の主要部の構成を示している。
【００８２】
図１３（ａ）に示すように、コントローラ３１は、内部にモーションセンサー４２を備えている。このモーションセンサー４２としては、前述の角加速度センサー１が用いられる。モーションセンサー４２は、コントローラ４１の回転する動きを検出するために角加速度センサー１のセンサー基板１３がコントローラ４１の底面に対して垂直になるように配置される。これにより、モーションセンサー４２のｘ軸およびｙ軸は、いずれも底面に対して垂直になる。
【００８３】
コントローラ４１は、制御系として、さらに演算処理部４３を備えている。
【００８４】
演算処理部４３は、モーションセンサー３２によって検出されたｘ軸方向およびｙ軸方向の角加速度を時間積分することによりｘ軸方向およびｙ軸方向の角速度を算出し、その角速度からゲームのキャラクタ（制御対象）の方向を決定するための制御信号を生成して出力する。
【００８５】
上記のように構成されるコントローラ４１においては、コントローラ４１の回転方向は、ｘ軸を中心とした回転方向（矢印Ｌｘ）と、ｙ軸を中心とした回転方向（矢印Ｌｙ）とである。従って、本実施形態の角加速度センサー１をモーションセンサー４２として用いて、これら２軸の角加速度を検出し、この角加速度から得られた角速度に基づいてキャラクタの方向を決定することができる。これにより、ゲームにおいて、例えば自分がコントロールしているキャラクタの向きを、コントローラ４１そのものの回転により制御することが可能となる。それゆえ、コントローラ４１をｙ軸回りに回転させることで、キャラクタを左右方向に制御し、コントローラ４１をｘ軸回りに回転させることで、キャラクタを上下方向に制御することができる。
【００８６】
同様の方法により、レーシングゲームや飛行ゲームにおけるキャラクタの進行方向の制御や、射撃ゲームにおける標的を狙う方向の制御にも適用できる。従って、ボタンやレバー操作によってキャラクタ等の方向を決定する従来の方法に比べて、ゲームにおける臨場感を大きく向上させることができる。
【００８７】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明の角加速度センサーは、２つのピエゾ式加速度センサーを組み合わせることによって角加速度を検出することができるので、本体の姿勢検出のために角加速度を検出するモーションセンサーを備える電子機器に角加速度センサーを当該モーションセンサーとして適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の実施の一形態を示す角加速度センサーの構成を示す斜視図である。
【図２】上記角加速度センサーにおける第１センサー部の構造を示す図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図３】上記第１センサー部の構造を示す斜視図である。
【図４】上記第１センサー部の構造を示す平面図である。
【図５】上記角加速度センサーの電気的構成を回路図である。
【図６】上記角加速度センサーにおける加減算部における加算器を構成する加算回路を示す回路図である。
【図７】上記角加速度センサーにおける加減算部における減算器を構成する減算回路を示す回路図である。
【図８】直線的加速度を検出するときの上記角加速度センサーにおける第１および第２センサー部の状態を示す図である。
【図９】直線的加速度を検出するときの上記角加速度センサーの動作をタイミングチャートである。
【図１０】角加速度を検出するときの上記角加速度センサーにおける第１および第２センサー部の状態を示す図である。
【図１１】角加速度を検出するときの上記角加速度センサーの動作をタイミングチャートである。
【図１２】（ａ）は上記角加速度センサーをセンサーとして用いたディジタルカメラの構成を示す斜視図であり、（ｂ）は上記ディジタルカメラの主要部の構成を示すブロック図である。
【図１３】（ａ）は上記角加速度センサーをセンサーとして用いたゲームコントローラの構成を示す斜視図であり、（ｂ）は上記ゲームコントローラの主要部の構成を示すブロック図である。
【図１４】従来のピエゾ式加速度センサーの構造を示す断面図である。
【図１５】（ａ）はｘ軸方向またはｙ軸方向の直線的加速度を検出するときの図１４のピエゾ式加速度センサーの状態を示す図であり、（ｂ）はｘ軸方向またはｙ軸方向の直線的加速度を検出するためのピエゾ抵抗からなるホイートストンブリッジ回路の構成を示す回路図である。
【図１６】（ａ）はｚ軸方向の直線的加速度を検出するときの図１４のピエゾ式加速度センサーの状態を示す図であり、（ｂ）はｚ軸方向の直線的加速度を検出するためのピエゾ抵抗からなるホイートストンブリッジ回路の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００９０】
１            角加速度センサー
１１            第１センサー部（ピエゾ式加速度センサー）
１２            第２センサー部（ピエゾ式加速度センサー）
１４            計装アンプ部
１５            加減算部
２１            加算回路
２２            減算回路
３１            ディジタルカメラ（電子機器）
３２，４２      モーションセンサー（角加速度検出手段）
３４，４３      演算処理部（制御手段）
４１            コントローラ（電子機器）
１０１            センサー構造体
１０２            フレーム
１０３            重錘体（可動部）
１１１            パッケージ（筐体）
１２１            固定部
Ｒｘ１〜Ｒｘ４    ピエゾ抵抗
Ｒｙ１〜Ｒｙ４    ピエゾ抵抗
Ｒｚ１〜Ｒｚ４    ピエゾ抵抗
【図１】
2007304022.tif 000003
【図２】
2007304022.tif 000004
【図３】
2007304022.tif 000005
【図４】
2007304022.tif 000006
【図５】
2007304022.tif 000007
【図６】
2007304022.tif 000008
【図７】
2007304022.tif 000009
【図８】
2007304022.tif 000010
【図９】
2007304022.tif 000011
【図１０】
2007304022.tif 000012
【図１１】
2007304022.tif 000013
【図１２】
2007304022.tif 000014
【図１３】
2007304022.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2007304022.tif 000017
【図１６】
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