加速度検出システム
【課題】 センサ本体が静止状態か運動状態かを認識する。
【解決手段】 ＸＹＺ三次元直交座標系において、作用した加速度の各座標軸成分αｘ，αｙ，αｚをそれぞれ電気信号として出力する三次元加速度センサ１０を用意する。演算手段２０は、この電気信号に基づいて、Ａ＝（αｘ２＋αｙ２＋αｚ２）１／２なる演算を行い、演算結果Ａを出力する。予め、三次元加速度センサ１０に重力加速度のみが作用したときの演算手段による演算結果を基準値Ａ０として記憶手段３０に記憶させておき、判定手段４０により、演算手段２０による演算結果Ａと記憶手段３０に記憶されている基準値Ａ０とが一致するか否かを示す判定信号Ｊを出力する。判定信号Ｊが一致を示せば、センサ本体には重力加速度のみが作用しているので静止状態と判断でき、不一致を示せば、重力加速度以外の加速度も作用しているの運動状態と判断できる。
【解決手段】 ＸＹＺ三次元直交座標系において、作用した加速度の各座標軸成分αｘ，αｙ，αｚをそれぞれ電気信号として出力する三次元加速度センサ１０を用意する。演算手段２０は、この電気信号に基づいて、Ａ＝（αｘ２＋αｙ２＋αｚ２）１／２なる演算を行い、演算結果Ａを出力する。予め、三次元加速度センサ１０に重力加速度のみが作用したときの演算手段による演算結果を基準値Ａ０として記憶手段３０に記憶させておき、判定手段４０により、演算手段２０による演算結果Ａと記憶手段３０に記憶されている基準値Ａ０とが一致するか否かを示す判定信号Ｊを出力する。判定信号Ｊが一致を示せば、センサ本体には重力加速度のみが作用しているので静止状態と判断でき、不一致を示せば、重力加速度以外の加速度も作用しているの運動状態と判断できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加速度検出システムに関し、特に、地中に埋設して用いる地震計や人体に埋め込んで用いるペースメーカなどへの利用に適した加速度検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
物理量としての加速度を検出する用途に、様々な加速度センサが利用されている。たとえば、車両、船舶、航空機といった乗り物の運動状態を制御したり、ロボットなどの産業機器を制御したりする分野では、加速度センサを用いたフィードバック制御を行うのが一般的である。また、衝突による衝撃や、地震による振動を検出する場合にも加速度センサが用いられている。現在利用されている加速度センサは、金属球の物理的な運動を検出するという原始的なものから、半導体を利用した高精度のものまで様々である。また、ある特定の一軸方向に作用した加速度成分のみを検出することができる一次元加速度センサや、互いに直交する二軸方向に作用した各加速度成分を検出することができる二次元加速度センサや、ＸＹＺ三次元直交座標系において、作用した加速度の各座標軸成分αｘ，αｙ，αｚをそれぞれ独立して検出することが三次元加速度センサなどが、用途に応じて使い分けられている。たとえば、下記の特許文献１には、圧電素子を用いた三次元加速度センサが開示されており、下記の特許文献２には、容量素子を用いた三次元加速度センサが開示されている。
【特許文献１】特開平５−２６７４４号公報
【特許文献２】特開平５−６０７８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
加速度は方向性をもったベクトル量であるため、加速度センサから出力される検出値（スカラー量）には、必ず方向に関する情報が付加されていなければ意味をなさない。たとえば、一次元加速度センサを地中に埋設して、地面の上下方向の振動の大きさを測定するのであれば、通常、このセンサの検出軸が鉛直方向に向くようにして地中に埋設することになる。この場合、このセンサから出力される検出値は、単なるスカラー量であったとしても、「埋設方向は鉛直方向である」という方向に関する情報が得られているので、「地面の上下方向の振動の大きさ」というベクトル量としての加速度検出値を得ることができる。
【０００４】
このように、加速度センサから出力される検出値（スカラー量）に基づいて、ベクトル量としての加速度を正しく認識するためには、加速度センサの設置姿勢（検出軸の向き）が既知であることが前提となる。ところが、用途によっては、この設置姿勢を容易に確認することができないような場合がある。たとえば、地中に埋設した地震計に用いられている加速度センサの場合、設置後の地殻変動により、設置姿勢に変化が生じていたとしても、これを確認することは困難である。このため、所定の検出軸方向の検出値を示す電圧レベルに異常が生じたとしても、その異常がセンサの故障によるものなのか、あるいは地殻変動による設置姿勢の変化（センサ本体の傾斜）によるものなのか、を外部から認識することはできない。
【０００５】
また、センサ本体が加速度を検出したとしても、当該加速度が重力に起因した加速度であるのか、運動に起因した加速度であるのかを判断することができないため、センサ本体が静止状態にあるのか、運動状態にあるのかを判断することもできない。
【０００６】
そこで本発明は、センサ本体の状態変化を認識することが可能な加速度検出システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
(1) 本発明の第１の態様は、加速度検出システムを、
ＸＹＺ三次元直交座標系において、作用した加速度の各座標軸成分αｘ，αｙ，αｚをそれぞれ電気信号として出力する三次元加速度センサと、
この出力された電気信号に基づいて、三次元加速度センサが検出した三次元加速度ベクトルの大きさを示す値を求める演算を行い、演算結果Ａを出力する演算手段と、
三次元加速度センサに重力加速度のみが作用したときの演算手段による演算結果として得られる重力加速度ベクトルの大きさを示す値を基準値Ａ０として予め記憶している記憶手段と、
演算手段による演算結果Ａと記憶手段に記憶されている基準値Ａ０とを比較し、両者が一致している場合は、三次元加速度センサが静止状態にある旨の判定結果を出力し、両者が不一致の場合は、三次元加速度センサが運動状態にある旨の判定結果を出力する判定手段と、
によって構成するようにしたものである。
【０００８】
(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る加速度検出システムにおいて、
演算手段が、Ａ＝（αｘ２＋αｙ２＋αｚ２）１／２なる演算もしくはＡ＝αｘ２＋αｙ２＋αｚ２なる演算を行い、演算結果Ａを得るようにしたものである。
【０００９】
(3) 本発明の第３の態様は、
上述の第１または第２の態様に係る加速度検出システムと、
心筋に対する収縮／拡張動作のタイミングを指示する電気パルスを発生させるパルス発生部と、
加速度検出システムの判定結果に基づいて、パルス発生部が発生する電気パルスの周期を制御する制御部と、
によって心臓用ペースメーカを構成するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る加速度検出システムによれば、判定信号Ｊが一致を示していれば、センサには重力加速度のみが作用していることが認識でき、センサが静止状態であることが認識でき、判定信号Ｊが不一致を示していれば、センサには重力加速度以外の加速度が作用していることが認識でき、センサが運動状態であることが認識できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。図１は、一般的な三次元加速度センサ１０を地中５に埋設して地震計として用いるようにした構成例を示す概念図である。この三次元加速度センサ１０は、ＸＹＺ三次元直交座標系において、作用した加速度の各座標軸成分αｘ，αｙ，αｚをそれぞれ電気信号として出力する機能を有している。各座標軸成分を示す電気信号は、図示されていない配線を通じて地上の観測所へ伝達される。ここに示す例では、水平面（地表面）がＸＹ平面に一致するような姿勢で三次元加速度センサ１０が埋設されており、Ｚ軸方向が鉛直方向になる。したがって、地震による振動が全くない状態においては、Ｘ軸方向の加速度成分αｘ＝０、Ｙ軸方向の加速度成分αｙ＝０となるが、Ｚ軸方向の加速度成分αｚ＝−ｇ（ただし、ｇは重力加速度の値）となる。
【００１２】
このように地中に埋設するタイプの地震計は、埋設時にその姿勢を所定の状態（図示の例では、Ｚ軸と定義された検出軸が鉛直方向に向くような状態）に設定することになるが、その後の設置姿勢の点検は、通常は行われない。ところが、長年の使用により、埋設地点周辺に地殻変動が生じると、三次元加速度センサ１０全体が傾斜し、たとえば、図２に示すように設置姿勢が変化する場合がある。このように設置姿勢が傾くと、各検出軸の加速度成分としては、αｘ＝ｋ１，αｙ＝ｋ２，αｚ＝ｋ３というように、重力加速度に基づく各成分値が出力されることになる。
【００１３】
しかしながら、地殻変動によってセンサ本体が傾斜したという地中での現象は、観測所においては認識することができない。観測所に伝達される情報は、３種類の加速度成分αｘ，αｙ，αｚの値を示す電気信号だけであり、たとえば、αｘ＝ｋ１，αｙ＝ｋ２，αｚ＝ｋ３という値を示す電気信号が与えられた場合には、Ｘ軸方向成分（第１の水平方向成分）がｋ１，Ｙ軸方向成分（第２の水平方向成分）がｋ２，Ｚ軸方向成分（鉛直方向成分）がｋ３という加速度が作用したものとして取り扱われることになる。もちろん、このような取り扱い方によって得られる情報は、正しい情報ではない。
【００１４】
いま、特定の地震計から伝達されてきた信号だけが異常を示した場合を考えてみる。たとえば、ある地区に埋設された１０個の地震計のうち９個までは、αｚ＝−ｇなる値を示しているのに、特定の１個だけがαｚ＝ｋ３なる別な値を示していた場合を考えよう。この場合、この特定の１個の地震計だけが異常値を示した理由として、次の２つの理由が考えられる。第１の理由は、上述したように、地殻変動によってセンサ全体が地中で傾斜したために、設置姿勢に変化が生じたという理由である。そして第２の理由は、そのセンサに何らかの故障が生じたという理由である。地中に埋設された地震計は、過酷な温度条件、湿度条件にさらされているため、経年変化による故障の発生も十分に予想される。しかしながら、従来の加速度検出システムでは、特定の地震計が異常値を示した理由が、この２つの理由のいずれに基づくものであるかを認識することができなかったため、異常値を示した加速度センサについては、一義的に故障したものとして取り扱わざるを得なかったのである。
【００１５】
本願発明者は、三次元加速度センサの３種類の加速度成分αｘ，αｙ，αｚの値を利用すれば、センサ自体の設置姿勢に変化が生じたことを認識することが可能であることを見出だし、次のような構成の加速度検出システムを創作するに至ったのである。
【００１６】
図３は、本発明に係る加速度検出システムの基本構成を示すブロック図である。ここで、三次元加速度センサ１０は、図１あるいは図２に示したセンサと同様に、従来から一般的に用いられている三次元加速度センサである。すなわち、この三次元加速度センサ１０は、ＸＹＺ三次元直交座標系において、作用した加速度の各座標軸成分αｘ，αｙ，αｚをそれぞれ電気信号として出力する機能を有する。また、演算手段２０は、この電気信号に基づいて、Ａ＝（αｘ２＋αｙ２＋αｚ２）１／２なる演算を行い、演算結果Ａを出力する機能を有する。この演算結果Ａは、結局、三次元加速度センサ１０が検出した加速度ベクトルの大きさを示す値となる。一方、記憶手段３０内には、三次元加速度センサ１０に重力加速度のみが作用したときの演算手段２０による演算結果が基準値Ａ０として記憶されている。別言すれば、この基準値Ａ０は、重力加速度ベクトルの大きさを示す値となる。そして、判定手段４０において、演算手段２０による演算結果Ａと記憶手段３０に記憶されている基準値Ａ０とが一致するか否かが判定され、その結果を示す判定信号Ｊが出力される。
【００１７】
なお、演算手段２０で行う実際の演算は、必ずしもＡ＝（αｘ２＋αｙ２＋αｚ２）１／２なる演算でなくてもよく、実質的にこれと等価の演算を行ってもよい。たとえば、平方根を求める演算を省略して、Ａ＝αｘ２＋αｙ２＋αｚ２なる演算で演算結果Ａを定義してもよい。演算結果Ａに対して、物理的な意味（作用した加速度ベクトルの大きさ）を与える上では、平方根演算を含む前者の演算式を用いるのが適当である。しかしながら、本発明では、判定手段４０における判定が支障なく行われれば足りるので、平方根演算を省略した後者の演算式を用いてもかまわない。予め記憶手段３０内に記憶しておく基準値Ａ０を後者の演算式で求めた値にしておき、演算手段２０において後者の演算式を採用するようにすれば、前者の演算式を用いた場合と全く等価な結果が得られることになる。むしろ実用上は、平方根演算を含まない後者の演算式を用いた方が、演算が単純化されることになり好ましい。
【００１８】
このように、本発明に係る加速度検出システムでは、三次元加速度センサ１０の直接の出力値であるαｘ，αｙ，αｚの他に、判定信号Ｊが出力されることになり、この判定信号Ｊに基づいて、三次元加速度センサ１０に姿勢変化が生じたか否かを認識することが可能になる。すなわち、三次元加速度センサ１０に対して重力加速度のみが作用している状態においては、三次元加速度センサ１０の設置姿勢がどのように変化していようが、演算手段２０の演算結果Ａは常に記憶手段３０内の基準値Ａ０に一致するため、判定手段４０から一致を示す判定信号Ｊが出力されることになる。地震計の場合、通常（地震が発生していない平常時）は、ほぼ重力加速度のみが作用した環境下で利用されることになるが、このような環境下では、判定信号Ｊが一致を示していれば、その地震計は正常に動作しているものと判断することができる。したがって、たとえ検出値αｘ，αｙ，αｚが異常な値を示している地震計が存在した場合であっても、その異常値は、センサ自体の設置姿勢が地殻変動によって変化したためにもたらされたものであると認識することができる。逆に、地震が発生していない平常時であるにもかかわらず、判定信号Ｊが不一致を示す地震計があれば、その地震計の三次元加速度センサ１０は故障状態にあり、正しい検出値を出力していないと認識することができる。
【００１９】
図４は、このような故障認識方法を利用した冗長度をもった加速度検出システムの構成例を示すブロック図である。このシステムでは、２組の三次元加速度センサ１０Ａ，１０Ｂが設けられている。第１の三次元加速度センサ１０Ａは、検出値αｘａ，αｙａ，αｚａを出力し、第２の三次元加速度センサ１０Ｂは、検出値αｘｂ，αｙｂ，αｚｂを出力する。選択器５０は、いずれか一方の検出値を最終的な検出値αｘ，αｙ，αｚとして出力する機能を有する。各三次元加速度センサ１０Ａ，１０Ｂから出力された検出値は、演算手段２０にも与えられ、各センサについてそれぞれ別個に上述した演算が実行される。そして、判定手段４０において、それぞれの演算結果Ａが記憶手段３０内の基準値Ａ０と比較され、各センサごとに一致／不一致を示す判定信号Ｊが出力される。選択器５０は、所定の規則に従って２組の三次元加速度センサ１０Ａ，１０Ｂのいずれか一方を選択する処理を行う（たとえば、故障が生じない限りは第１の三次元加速度センサ１０Ａを選択し続けるようにしてもよいし、あるいは、第１の三次元加速度センサ１０Ａと第２の三次元加速度センサ１０Ｂとを１日おきに交互に選択するようにしてもよい）。ただし、判定手段４０から与えられる判定信号Ｊが所定時間にわたって継続して不一致を示したセンサについては、何らかの故障が生じたものとみなして、以後一切選択を行わないようにする。
【００２０】
このような冗長構成を採れば、万一、一方の三次元加速度センサが故障した場合であっても、自動的に他方の三次元加速度センサへの切り替えが行われることになる。通常、地中に埋設する地震計の場合、故障した場合にいちいち掘り起こして新品に交換したり修理したりする作業を行うことが困難であり、このような冗長度をもったシステム構成は非常に実用的である。なお、故障と判定するための不一致の継続時間として、あまり短い時間設定を行うと、実際に地震が発生したときに、正常な検出値（演算結果Ａは基準値Ａ０に一致しない）を出力しているにもかかわらず故障と誤認される可能性がある。したがって、地震が発生した場合に振動が継続すると予想される時間よりも十分に長い時間を設定しておくようにする。また、図４に示す例では、２組の三次元加速度センサを用いているが、より多数の三次元加速度センサを用いることももちろん可能である。
【００２１】
以上のように、通常は重力加速度のみが作用している環境下で用いられる地震計に本発明を適用した場合には、判定手段４０から得られる判定信号Ｊを、センサが正常か否かの判断（故障判断）に利用することができる。しかしながら、判定信号Ｊは、そもそもセンサに対して重力加速度以外の加速度が作用しているか否かを示す信号であり、必ずしもセンサの故障判断のみに利用されるものではない。以下に、本発明の別な実施形態として、心臓用ペースメーカに適用した例を示す。
【００２２】
心臓疾患者用の治療用具のひとつとして、ペースメーカは広く利用されている。このペースメーカは、心筋に対する収縮／拡張動作のタイミングを指示する電気パルスを人為的に発生させる装置であり、近年では、非常に小型化されたものが手術によって疾患者の体内に埋め込まれる。ただ、従来用いられている一般的なペースメーカは、患者の状態にかかわらず、常に一定周期の電気パルスを送出するため、必ずしも患者の状態に適した鼓動動作は行われていない。本来であれば、患者が立っている場合、歩いている場合、走っている場合、といった患者の運動状態に応じて、心臓の鼓動周期を変える必要がある。このように患者の運動状態に応じた周期の電気パルスを発生させるために、ペースメーカ内に加速度センサを埋設するという試みが提案されている。本発明は、このようなペースメーカ内蔵型の加速度センサに適用した場合に有益である。
【００２３】
たとえば、図１に示した三次元加速度センサ１０が、患者の体内に埋め込まれているものとしよう。ここでは、患者の頭上方向がＺ軸に一致するような姿勢で、三次元加速度センサ１０が埋め込まれているものとする。この場合、患者が直立静止状態にあれば、αｘ＝０，αｙ＝０，αｚ＝−ｇという検出値が得られる。ところが、この患者が、たとえばソファなどに着座した場合は、三次元加速度センサ１０は図２に示すように傾斜することになり、検出値は、αｘ＝ｋ１，αｙ＝ｋ２，αｚ＝ｋ３と変化する。また、この患者がベッドに横たわった場合は、このセンサの検出値は、たとえば、αｘ＝０，αｙ＝ｇ，αｚ＝０になる。このように、患者の姿勢が変化するだけで、センサの検出値はそれぞれ変化する。一方、この患者が歩行などの運動を行った場合にも、この運動による加速度が作用するために、センサの検出値はそれぞれ変化する。
【００２４】
本発明に係る加速度検出システムを適用すれば、センサの検出値に基づいて、患者が静止状態にあるのか運動状態にあるのかを認識することが可能である。すなわち、判定手段４０から得られる判定信号Ｊが一致を示していれば、このセンサには重力加速度のみが作用していることになるから、患者は静止状態にあると認識できる。患者が直立した状態であろうが、着座した状態であろうが、ベッドに横たわっている状態であろうが、患者が静止状態にある以上、作用している加速度は重力加速度のみであるから、判定信号Ｊは一致を示すものになる。この場合には、ペースメーカの発生する電気パルスの周期は安静を保つのに適した比較的長い周期に制御すればよい。これに対して、判定信号Ｊが不一致を示していれば、このセンサには重力加速度だけでなく、他の加速度、すなわち、患者の運動によって生じる加速度も作用していることになるから、患者は運動状態にあると認識できる。この場合には、ペースメーカの発生する電気パルスの周期を運動に適した比較的短い周期に制御すればよい。
【００２５】
このように、ペースメーカは、三次元加速度センサ１０からの検出値αｘ，αｙ，αｚとともに、判定信号Ｊを参考にして、患者が静止状態にあるのか、運動状態にあるのかを判断することができ、発生する電気パルスの周期を制御することが可能になる。
【実施例】
【００２６】
本発明に係る加速度検出システムに用いる三次元加速度センサとしては、既に種々のものが実用化されているが、ここでは代表的な２つのタイプの三次元加速度センサの具体的な構造について簡単に説明しておく。
【００２７】
第１のタイプは、ピエゾ抵抗素子を利用した加速度センサである。図５は、このタイプに属する三次元加速度センサ１００の上面図であり、図６は、このセンサをＸ軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。図６の側断面図に示されているように、このセンサ１００は、半導体基板１１０、台座１２０、重錘体１３０、ベース基板１４０から構成されている。半導体基板１１０の中央部（図５の内側の破線円で囲まれた領域）は変位部１１１を形成し、その周囲（図５の内側の破線円と外側の破線円との中間の領域）は可撓部１１２を形成し、その周囲（図５の外側の破線円の外側の領域）は固定部１１３を形成している。半導体基板１１０の下面には、図６の側断面図に示されているように、溝部１１４が形成されており、この溝部１１４は図５に破線円で示したように円環状をしている。別言すれば、この溝部１１４の形成によって肉厚が薄くなった部分が可撓部１１２を構成していることになる。
【００２８】
図６の側断面図に示されているように、変位部１１１の下面には円柱状の重錘体１３０が固着されており、固定部１１３の下面には、この重錘体１３０を取り囲むように台座１２０が固着されている。台座１２０の下面はベース基板１４０に固着されているが、重錘体１３０の底面とベース基板１４０の上面との間、および重錘体１３０の側面と台座１２０の側面との間、にはそれぞれ所定の間隙が確保されており、重錘体１３０はこの間隙の範囲内で変位可能である。可撓部１１２は肉厚が薄いために可撓性を有している。したがって、このセンサ１００全体に加速度が作用すると、この加速度に起因して可撓部１１２に撓みが生じ、重錘体１３０が変位する。
【００２９】
可撓部１１２の上面には、図５に示すように、抵抗素子Ｒx1〜Ｒx4，Ｒy1〜Ｒy4，Ｒz1〜Ｒz4が配置されている。これらの抵抗素子は、生じた撓みによって抵抗値が変化する性質をもったピエゾ抵抗素子である。重錘体１３０に作用した加速度の向きに応じて各抵抗素子に生じる撓み方はそれぞれ相違する。したがって、Ｘ軸に沿って配置された抵抗素子Ｒx1〜Ｒx4の抵抗値の変化に基づいてＸ軸方向の加速度成分αｘを検出することができ、Ｙ軸に沿って配置された抵抗素子Ｒy1〜Ｒy4の抵抗値の変化に基づいてＹ軸方向の加速度成分αｙを検出することができ、もう１つの軸に沿って配置された抵抗素子Ｒz1〜Ｒz4の抵抗値の変化に基づいてＺ軸方向の加速度成分αｚを検出することができる。
【００３０】
なお、具体的な検出原理や検出方法については、たとえば、特開平３−２５３５公報、特開平３−２０２７７８号公報、特開平４−８４７２５号公報、特開平４−８１６３０号公報などに詳述されているので、ここでは詳しい説明は省略する。
【００３１】
このように、ピエゾ抵抗素子を利用した加速度センサを、本発明における三次元加速度センサ１０として用いるようにすれば、各抵抗素子の抵抗値の変化を電圧信号として取り出すことができる。よって、演算増幅器などのアナログ回路で演算手段２０を構成し、演算結果Ａに相当する電圧値と基準値Ａ０に相当する電圧値とを比較するコンパレータで判定手段４０を構成すれば、図３に示す構成を実現することができる。もちろん、演算手段２０，記憶手段３０，判定手段４０として論理素子やマイクロプロセッサなどのデジタル回路を用いても構わない。
【００３２】
第２のタイプは、静電容量素子を利用した加速度センサである。図７は、このタイプに属する三次元加速度センサ２００をＸ軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。このセンサ２００は、半導体基板２１０、台座２２０、重錘体２３０、ベース基板２４０、蓋基板２５０から構成されている。ここで、半導体基板２１０、台座２２０、重錘体２３０、ベース基板２４０の構成は、上述したセンサ１００における半導体基板１１０、台座１２０、重錘体１３０、ベース基板１４０の構成と全く同じである。このセンサ２００の特徴は、半導体基板２１０の上方に蓋基板２５０を設け、両基板にそれぞれ電極を設けて容量素子を形成した点にある。図８は、半導体基板２１０の構成を示す上面図である。この上面図に示されているように、半導体基板２１０の上面には、５枚の電極Ｅ１〜Ｅ５が図のように配置されている。一方、蓋基板２５０の下面には、この５枚の電極Ｅ１〜Ｅ５のすべてに対向するような円盤状の共通電極Ｅ０が形成されている。
【００３３】
このような構成により、電極Ｅ１／Ｅ０からなる容量素子Ｃ１、電極Ｅ２／Ｅ０からなる容量素子Ｃ２、電極Ｅ３／Ｅ０からなる容量素子Ｃ３、電極Ｅ４／Ｅ０からなる容量素子Ｃ４、電極Ｅ５／Ｅ０からなる容量素子Ｃ５、という５組の容量素子が形成されることになる。重錘体２３０に加速度が作用すると、作用した加速度の向きに応じた態様で半導体基板２１０に撓みが生じ、各容量素子を構成する一対の電極の電極間隔に変化が生じ、各容量素子の容量値に変化が生じる。したがって、Ｘ軸に沿って配置された容量素子Ｃ１，Ｃ３の容量値の変化に基づいてＸ軸方向の加速度成分αｘを検出することができ、Ｙ軸に沿って配置された容量素子Ｃ２，Ｃ４の容量値の変化に基づいてＹ軸方向の加速度成分αｙを検出することができ、中央に配置された容量素子Ｃ５の容量値の変化に基づいてＺ軸方向の加速度成分αｚを検出することができる。
【００３４】
なお、具体的な検出原理や検出方法については、たとえば、特開平４−１４８８３３号公報、特開平４−２４９７２６号公報、特開平４−２９９２２７号公報、特開平４−３３７４３１号公報などに詳述されているので、ここでは詳しい説明は省略する。
【００３５】
このように、容量素子を利用した加速度センサを、本発明における三次元加速度センサ１０として用いるようにすれば、各容量素子の容量値の変化を電圧信号として取り出すことができ、上述したセンサ１００の場合と同様に、各種回路によって演算手段２０，記憶手段３０，判定手段４０を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】一般的な三次元加速度センサ１０を地中５に埋設して地震計として用いるようにした構成例を示す概念図である。
【図２】図１に示す三次元加速度センサ１０の設置姿勢の変化を示す概念図である。
【図３】本発明に係る加速度検出システムの基本構成を示すブロック図である。
【図４】本発明に係る故障認識方法を利用した冗長度をもった加速度検出システムの構成例を示すブロック図である。
【図５】ピエゾ抵抗素子を用いた三次元加速度センサ１００の上面図である。
【図６】図５に示すセンサをＸ軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。
【図７】容量素子を用いた三次元加速度センサ２００をＸ軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。
【図８】図７に示すセンサの半導体基板２１０の構成を示す上面図である。
【符号の説明】
【００３７】
５：地中
１０，１０Ａ，１０Ｂ：三次元加速度センサ
２０：演算手段
３０：記憶手段
４０：判定手段
５０：選択器
１００：ピエゾ抵抗素子を用いた三次元加速度センサ
１１０：半導体基板
１１１：変位部
１１２：可撓部
１１３：固定部
１１４：溝部
１２０：台座
１３０：重錘体
１４０：ベース基板
２００：容量素子を用いた三次元加速度センサ
２１０：半導体基板
２２０：台座
２３０：重錘体
２４０：ベース基板
２５０：蓋基板
Ａ：演算手段による演算結果
Ａ０：記憶手段に記憶された基準値
Ｅ０〜Ｅ５：電極
Ｊ：判定信号
Ｒx1〜Ｒx4，Ｒy1〜Ｒy4，Ｒz1〜Ｒz4：ピエゾ抵抗素子
αｘ，αｙ，αｚ：加速度検出値
【技術分野】
【０００１】
本発明は加速度検出システムに関し、特に、地中に埋設して用いる地震計や人体に埋め込んで用いるペースメーカなどへの利用に適した加速度検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
物理量としての加速度を検出する用途に、様々な加速度センサが利用されている。たとえば、車両、船舶、航空機といった乗り物の運動状態を制御したり、ロボットなどの産業機器を制御したりする分野では、加速度センサを用いたフィードバック制御を行うのが一般的である。また、衝突による衝撃や、地震による振動を検出する場合にも加速度センサが用いられている。現在利用されている加速度センサは、金属球の物理的な運動を検出するという原始的なものから、半導体を利用した高精度のものまで様々である。また、ある特定の一軸方向に作用した加速度成分のみを検出することができる一次元加速度センサや、互いに直交する二軸方向に作用した各加速度成分を検出することができる二次元加速度センサや、ＸＹＺ三次元直交座標系において、作用した加速度の各座標軸成分αｘ，αｙ，αｚをそれぞれ独立して検出することが三次元加速度センサなどが、用途に応じて使い分けられている。たとえば、下記の特許文献１には、圧電素子を用いた三次元加速度センサが開示されており、下記の特許文献２には、容量素子を用いた三次元加速度センサが開示されている。
【特許文献１】特開平５−２６７４４号公報
【特許文献２】特開平５−６０７８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
加速度は方向性をもったベクトル量であるため、加速度センサから出力される検出値（スカラー量）には、必ず方向に関する情報が付加されていなければ意味をなさない。たとえば、一次元加速度センサを地中に埋設して、地面の上下方向の振動の大きさを測定するのであれば、通常、このセンサの検出軸が鉛直方向に向くようにして地中に埋設することになる。この場合、このセンサから出力される検出値は、単なるスカラー量であったとしても、「埋設方向は鉛直方向である」という方向に関する情報が得られているので、「地面の上下方向の振動の大きさ」というベクトル量としての加速度検出値を得ることができる。
【０００４】
このように、加速度センサから出力される検出値（スカラー量）に基づいて、ベクトル量としての加速度を正しく認識するためには、加速度センサの設置姿勢（検出軸の向き）が既知であることが前提となる。ところが、用途によっては、この設置姿勢を容易に確認することができないような場合がある。たとえば、地中に埋設した地震計に用いられている加速度センサの場合、設置後の地殻変動により、設置姿勢に変化が生じていたとしても、これを確認することは困難である。このため、所定の検出軸方向の検出値を示す電圧レベルに異常が生じたとしても、その異常がセンサの故障によるものなのか、あるいは地殻変動による設置姿勢の変化（センサ本体の傾斜）によるものなのか、を外部から認識することはできない。
【０００５】
また、センサ本体が加速度を検出したとしても、当該加速度が重力に起因した加速度であるのか、運動に起因した加速度であるのかを判断することができないため、センサ本体が静止状態にあるのか、運動状態にあるのかを判断することもできない。
【０００６】
そこで本発明は、センサ本体の状態変化を認識することが可能な加速度検出システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
(1) 本発明の第１の態様は、加速度検出システムを、
ＸＹＺ三次元直交座標系において、作用した加速度の各座標軸成分αｘ，αｙ，αｚをそれぞれ電気信号として出力する三次元加速度センサと、
この出力された電気信号に基づいて、三次元加速度センサが検出した三次元加速度ベクトルの大きさを示す値を求める演算を行い、演算結果Ａを出力する演算手段と、
三次元加速度センサに重力加速度のみが作用したときの演算手段による演算結果として得られる重力加速度ベクトルの大きさを示す値を基準値Ａ０として予め記憶している記憶手段と、
演算手段による演算結果Ａと記憶手段に記憶されている基準値Ａ０とを比較し、両者が一致している場合は、三次元加速度センサが静止状態にある旨の判定結果を出力し、両者が不一致の場合は、三次元加速度センサが運動状態にある旨の判定結果を出力する判定手段と、
によって構成するようにしたものである。
【０００８】
(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る加速度検出システムにおいて、
演算手段が、Ａ＝（αｘ２＋αｙ２＋αｚ２）１／２なる演算もしくはＡ＝αｘ２＋αｙ２＋αｚ２なる演算を行い、演算結果Ａを得るようにしたものである。
【０００９】
(3) 本発明の第３の態様は、
上述の第１または第２の態様に係る加速度検出システムと、
心筋に対する収縮／拡張動作のタイミングを指示する電気パルスを発生させるパルス発生部と、
加速度検出システムの判定結果に基づいて、パルス発生部が発生する電気パルスの周期を制御する制御部と、
によって心臓用ペースメーカを構成するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る加速度検出システムによれば、判定信号Ｊが一致を示していれば、センサには重力加速度のみが作用していることが認識でき、センサが静止状態であることが認識でき、判定信号Ｊが不一致を示していれば、センサには重力加速度以外の加速度が作用していることが認識でき、センサが運動状態であることが認識できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。図１は、一般的な三次元加速度センサ１０を地中５に埋設して地震計として用いるようにした構成例を示す概念図である。この三次元加速度センサ１０は、ＸＹＺ三次元直交座標系において、作用した加速度の各座標軸成分αｘ，αｙ，αｚをそれぞれ電気信号として出力する機能を有している。各座標軸成分を示す電気信号は、図示されていない配線を通じて地上の観測所へ伝達される。ここに示す例では、水平面（地表面）がＸＹ平面に一致するような姿勢で三次元加速度センサ１０が埋設されており、Ｚ軸方向が鉛直方向になる。したがって、地震による振動が全くない状態においては、Ｘ軸方向の加速度成分αｘ＝０、Ｙ軸方向の加速度成分αｙ＝０となるが、Ｚ軸方向の加速度成分αｚ＝−ｇ（ただし、ｇは重力加速度の値）となる。
【００１２】
このように地中に埋設するタイプの地震計は、埋設時にその姿勢を所定の状態（図示の例では、Ｚ軸と定義された検出軸が鉛直方向に向くような状態）に設定することになるが、その後の設置姿勢の点検は、通常は行われない。ところが、長年の使用により、埋設地点周辺に地殻変動が生じると、三次元加速度センサ１０全体が傾斜し、たとえば、図２に示すように設置姿勢が変化する場合がある。このように設置姿勢が傾くと、各検出軸の加速度成分としては、αｘ＝ｋ１，αｙ＝ｋ２，αｚ＝ｋ３というように、重力加速度に基づく各成分値が出力されることになる。
【００１３】
しかしながら、地殻変動によってセンサ本体が傾斜したという地中での現象は、観測所においては認識することができない。観測所に伝達される情報は、３種類の加速度成分αｘ，αｙ，αｚの値を示す電気信号だけであり、たとえば、αｘ＝ｋ１，αｙ＝ｋ２，αｚ＝ｋ３という値を示す電気信号が与えられた場合には、Ｘ軸方向成分（第１の水平方向成分）がｋ１，Ｙ軸方向成分（第２の水平方向成分）がｋ２，Ｚ軸方向成分（鉛直方向成分）がｋ３という加速度が作用したものとして取り扱われることになる。もちろん、このような取り扱い方によって得られる情報は、正しい情報ではない。
【００１４】
いま、特定の地震計から伝達されてきた信号だけが異常を示した場合を考えてみる。たとえば、ある地区に埋設された１０個の地震計のうち９個までは、αｚ＝−ｇなる値を示しているのに、特定の１個だけがαｚ＝ｋ３なる別な値を示していた場合を考えよう。この場合、この特定の１個の地震計だけが異常値を示した理由として、次の２つの理由が考えられる。第１の理由は、上述したように、地殻変動によってセンサ全体が地中で傾斜したために、設置姿勢に変化が生じたという理由である。そして第２の理由は、そのセンサに何らかの故障が生じたという理由である。地中に埋設された地震計は、過酷な温度条件、湿度条件にさらされているため、経年変化による故障の発生も十分に予想される。しかしながら、従来の加速度検出システムでは、特定の地震計が異常値を示した理由が、この２つの理由のいずれに基づくものであるかを認識することができなかったため、異常値を示した加速度センサについては、一義的に故障したものとして取り扱わざるを得なかったのである。
【００１５】
本願発明者は、三次元加速度センサの３種類の加速度成分αｘ，αｙ，αｚの値を利用すれば、センサ自体の設置姿勢に変化が生じたことを認識することが可能であることを見出だし、次のような構成の加速度検出システムを創作するに至ったのである。
【００１６】
図３は、本発明に係る加速度検出システムの基本構成を示すブロック図である。ここで、三次元加速度センサ１０は、図１あるいは図２に示したセンサと同様に、従来から一般的に用いられている三次元加速度センサである。すなわち、この三次元加速度センサ１０は、ＸＹＺ三次元直交座標系において、作用した加速度の各座標軸成分αｘ，αｙ，αｚをそれぞれ電気信号として出力する機能を有する。また、演算手段２０は、この電気信号に基づいて、Ａ＝（αｘ２＋αｙ２＋αｚ２）１／２なる演算を行い、演算結果Ａを出力する機能を有する。この演算結果Ａは、結局、三次元加速度センサ１０が検出した加速度ベクトルの大きさを示す値となる。一方、記憶手段３０内には、三次元加速度センサ１０に重力加速度のみが作用したときの演算手段２０による演算結果が基準値Ａ０として記憶されている。別言すれば、この基準値Ａ０は、重力加速度ベクトルの大きさを示す値となる。そして、判定手段４０において、演算手段２０による演算結果Ａと記憶手段３０に記憶されている基準値Ａ０とが一致するか否かが判定され、その結果を示す判定信号Ｊが出力される。
【００１７】
なお、演算手段２０で行う実際の演算は、必ずしもＡ＝（αｘ２＋αｙ２＋αｚ２）１／２なる演算でなくてもよく、実質的にこれと等価の演算を行ってもよい。たとえば、平方根を求める演算を省略して、Ａ＝αｘ２＋αｙ２＋αｚ２なる演算で演算結果Ａを定義してもよい。演算結果Ａに対して、物理的な意味（作用した加速度ベクトルの大きさ）を与える上では、平方根演算を含む前者の演算式を用いるのが適当である。しかしながら、本発明では、判定手段４０における判定が支障なく行われれば足りるので、平方根演算を省略した後者の演算式を用いてもかまわない。予め記憶手段３０内に記憶しておく基準値Ａ０を後者の演算式で求めた値にしておき、演算手段２０において後者の演算式を採用するようにすれば、前者の演算式を用いた場合と全く等価な結果が得られることになる。むしろ実用上は、平方根演算を含まない後者の演算式を用いた方が、演算が単純化されることになり好ましい。
【００１８】
このように、本発明に係る加速度検出システムでは、三次元加速度センサ１０の直接の出力値であるαｘ，αｙ，αｚの他に、判定信号Ｊが出力されることになり、この判定信号Ｊに基づいて、三次元加速度センサ１０に姿勢変化が生じたか否かを認識することが可能になる。すなわち、三次元加速度センサ１０に対して重力加速度のみが作用している状態においては、三次元加速度センサ１０の設置姿勢がどのように変化していようが、演算手段２０の演算結果Ａは常に記憶手段３０内の基準値Ａ０に一致するため、判定手段４０から一致を示す判定信号Ｊが出力されることになる。地震計の場合、通常（地震が発生していない平常時）は、ほぼ重力加速度のみが作用した環境下で利用されることになるが、このような環境下では、判定信号Ｊが一致を示していれば、その地震計は正常に動作しているものと判断することができる。したがって、たとえ検出値αｘ，αｙ，αｚが異常な値を示している地震計が存在した場合であっても、その異常値は、センサ自体の設置姿勢が地殻変動によって変化したためにもたらされたものであると認識することができる。逆に、地震が発生していない平常時であるにもかかわらず、判定信号Ｊが不一致を示す地震計があれば、その地震計の三次元加速度センサ１０は故障状態にあり、正しい検出値を出力していないと認識することができる。
【００１９】
図４は、このような故障認識方法を利用した冗長度をもった加速度検出システムの構成例を示すブロック図である。このシステムでは、２組の三次元加速度センサ１０Ａ，１０Ｂが設けられている。第１の三次元加速度センサ１０Ａは、検出値αｘａ，αｙａ，αｚａを出力し、第２の三次元加速度センサ１０Ｂは、検出値αｘｂ，αｙｂ，αｚｂを出力する。選択器５０は、いずれか一方の検出値を最終的な検出値αｘ，αｙ，αｚとして出力する機能を有する。各三次元加速度センサ１０Ａ，１０Ｂから出力された検出値は、演算手段２０にも与えられ、各センサについてそれぞれ別個に上述した演算が実行される。そして、判定手段４０において、それぞれの演算結果Ａが記憶手段３０内の基準値Ａ０と比較され、各センサごとに一致／不一致を示す判定信号Ｊが出力される。選択器５０は、所定の規則に従って２組の三次元加速度センサ１０Ａ，１０Ｂのいずれか一方を選択する処理を行う（たとえば、故障が生じない限りは第１の三次元加速度センサ１０Ａを選択し続けるようにしてもよいし、あるいは、第１の三次元加速度センサ１０Ａと第２の三次元加速度センサ１０Ｂとを１日おきに交互に選択するようにしてもよい）。ただし、判定手段４０から与えられる判定信号Ｊが所定時間にわたって継続して不一致を示したセンサについては、何らかの故障が生じたものとみなして、以後一切選択を行わないようにする。
【００２０】
このような冗長構成を採れば、万一、一方の三次元加速度センサが故障した場合であっても、自動的に他方の三次元加速度センサへの切り替えが行われることになる。通常、地中に埋設する地震計の場合、故障した場合にいちいち掘り起こして新品に交換したり修理したりする作業を行うことが困難であり、このような冗長度をもったシステム構成は非常に実用的である。なお、故障と判定するための不一致の継続時間として、あまり短い時間設定を行うと、実際に地震が発生したときに、正常な検出値（演算結果Ａは基準値Ａ０に一致しない）を出力しているにもかかわらず故障と誤認される可能性がある。したがって、地震が発生した場合に振動が継続すると予想される時間よりも十分に長い時間を設定しておくようにする。また、図４に示す例では、２組の三次元加速度センサを用いているが、より多数の三次元加速度センサを用いることももちろん可能である。
【００２１】
以上のように、通常は重力加速度のみが作用している環境下で用いられる地震計に本発明を適用した場合には、判定手段４０から得られる判定信号Ｊを、センサが正常か否かの判断（故障判断）に利用することができる。しかしながら、判定信号Ｊは、そもそもセンサに対して重力加速度以外の加速度が作用しているか否かを示す信号であり、必ずしもセンサの故障判断のみに利用されるものではない。以下に、本発明の別な実施形態として、心臓用ペースメーカに適用した例を示す。
【００２２】
心臓疾患者用の治療用具のひとつとして、ペースメーカは広く利用されている。このペースメーカは、心筋に対する収縮／拡張動作のタイミングを指示する電気パルスを人為的に発生させる装置であり、近年では、非常に小型化されたものが手術によって疾患者の体内に埋め込まれる。ただ、従来用いられている一般的なペースメーカは、患者の状態にかかわらず、常に一定周期の電気パルスを送出するため、必ずしも患者の状態に適した鼓動動作は行われていない。本来であれば、患者が立っている場合、歩いている場合、走っている場合、といった患者の運動状態に応じて、心臓の鼓動周期を変える必要がある。このように患者の運動状態に応じた周期の電気パルスを発生させるために、ペースメーカ内に加速度センサを埋設するという試みが提案されている。本発明は、このようなペースメーカ内蔵型の加速度センサに適用した場合に有益である。
【００２３】
たとえば、図１に示した三次元加速度センサ１０が、患者の体内に埋め込まれているものとしよう。ここでは、患者の頭上方向がＺ軸に一致するような姿勢で、三次元加速度センサ１０が埋め込まれているものとする。この場合、患者が直立静止状態にあれば、αｘ＝０，αｙ＝０，αｚ＝−ｇという検出値が得られる。ところが、この患者が、たとえばソファなどに着座した場合は、三次元加速度センサ１０は図２に示すように傾斜することになり、検出値は、αｘ＝ｋ１，αｙ＝ｋ２，αｚ＝ｋ３と変化する。また、この患者がベッドに横たわった場合は、このセンサの検出値は、たとえば、αｘ＝０，αｙ＝ｇ，αｚ＝０になる。このように、患者の姿勢が変化するだけで、センサの検出値はそれぞれ変化する。一方、この患者が歩行などの運動を行った場合にも、この運動による加速度が作用するために、センサの検出値はそれぞれ変化する。
【００２４】
本発明に係る加速度検出システムを適用すれば、センサの検出値に基づいて、患者が静止状態にあるのか運動状態にあるのかを認識することが可能である。すなわち、判定手段４０から得られる判定信号Ｊが一致を示していれば、このセンサには重力加速度のみが作用していることになるから、患者は静止状態にあると認識できる。患者が直立した状態であろうが、着座した状態であろうが、ベッドに横たわっている状態であろうが、患者が静止状態にある以上、作用している加速度は重力加速度のみであるから、判定信号Ｊは一致を示すものになる。この場合には、ペースメーカの発生する電気パルスの周期は安静を保つのに適した比較的長い周期に制御すればよい。これに対して、判定信号Ｊが不一致を示していれば、このセンサには重力加速度だけでなく、他の加速度、すなわち、患者の運動によって生じる加速度も作用していることになるから、患者は運動状態にあると認識できる。この場合には、ペースメーカの発生する電気パルスの周期を運動に適した比較的短い周期に制御すればよい。
【００２５】
このように、ペースメーカは、三次元加速度センサ１０からの検出値αｘ，αｙ，αｚとともに、判定信号Ｊを参考にして、患者が静止状態にあるのか、運動状態にあるのかを判断することができ、発生する電気パルスの周期を制御することが可能になる。
【実施例】
【００２６】
本発明に係る加速度検出システムに用いる三次元加速度センサとしては、既に種々のものが実用化されているが、ここでは代表的な２つのタイプの三次元加速度センサの具体的な構造について簡単に説明しておく。
【００２７】
第１のタイプは、ピエゾ抵抗素子を利用した加速度センサである。図５は、このタイプに属する三次元加速度センサ１００の上面図であり、図６は、このセンサをＸ軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。図６の側断面図に示されているように、このセンサ１００は、半導体基板１１０、台座１２０、重錘体１３０、ベース基板１４０から構成されている。半導体基板１１０の中央部（図５の内側の破線円で囲まれた領域）は変位部１１１を形成し、その周囲（図５の内側の破線円と外側の破線円との中間の領域）は可撓部１１２を形成し、その周囲（図５の外側の破線円の外側の領域）は固定部１１３を形成している。半導体基板１１０の下面には、図６の側断面図に示されているように、溝部１１４が形成されており、この溝部１１４は図５に破線円で示したように円環状をしている。別言すれば、この溝部１１４の形成によって肉厚が薄くなった部分が可撓部１１２を構成していることになる。
【００２８】
図６の側断面図に示されているように、変位部１１１の下面には円柱状の重錘体１３０が固着されており、固定部１１３の下面には、この重錘体１３０を取り囲むように台座１２０が固着されている。台座１２０の下面はベース基板１４０に固着されているが、重錘体１３０の底面とベース基板１４０の上面との間、および重錘体１３０の側面と台座１２０の側面との間、にはそれぞれ所定の間隙が確保されており、重錘体１３０はこの間隙の範囲内で変位可能である。可撓部１１２は肉厚が薄いために可撓性を有している。したがって、このセンサ１００全体に加速度が作用すると、この加速度に起因して可撓部１１２に撓みが生じ、重錘体１３０が変位する。
【００２９】
可撓部１１２の上面には、図５に示すように、抵抗素子Ｒx1〜Ｒx4，Ｒy1〜Ｒy4，Ｒz1〜Ｒz4が配置されている。これらの抵抗素子は、生じた撓みによって抵抗値が変化する性質をもったピエゾ抵抗素子である。重錘体１３０に作用した加速度の向きに応じて各抵抗素子に生じる撓み方はそれぞれ相違する。したがって、Ｘ軸に沿って配置された抵抗素子Ｒx1〜Ｒx4の抵抗値の変化に基づいてＸ軸方向の加速度成分αｘを検出することができ、Ｙ軸に沿って配置された抵抗素子Ｒy1〜Ｒy4の抵抗値の変化に基づいてＹ軸方向の加速度成分αｙを検出することができ、もう１つの軸に沿って配置された抵抗素子Ｒz1〜Ｒz4の抵抗値の変化に基づいてＺ軸方向の加速度成分αｚを検出することができる。
【００３０】
なお、具体的な検出原理や検出方法については、たとえば、特開平３−２５３５公報、特開平３−２０２７７８号公報、特開平４−８４７２５号公報、特開平４−８１６３０号公報などに詳述されているので、ここでは詳しい説明は省略する。
【００３１】
このように、ピエゾ抵抗素子を利用した加速度センサを、本発明における三次元加速度センサ１０として用いるようにすれば、各抵抗素子の抵抗値の変化を電圧信号として取り出すことができる。よって、演算増幅器などのアナログ回路で演算手段２０を構成し、演算結果Ａに相当する電圧値と基準値Ａ０に相当する電圧値とを比較するコンパレータで判定手段４０を構成すれば、図３に示す構成を実現することができる。もちろん、演算手段２０，記憶手段３０，判定手段４０として論理素子やマイクロプロセッサなどのデジタル回路を用いても構わない。
【００３２】
第２のタイプは、静電容量素子を利用した加速度センサである。図７は、このタイプに属する三次元加速度センサ２００をＸ軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。このセンサ２００は、半導体基板２１０、台座２２０、重錘体２３０、ベース基板２４０、蓋基板２５０から構成されている。ここで、半導体基板２１０、台座２２０、重錘体２３０、ベース基板２４０の構成は、上述したセンサ１００における半導体基板１１０、台座１２０、重錘体１３０、ベース基板１４０の構成と全く同じである。このセンサ２００の特徴は、半導体基板２１０の上方に蓋基板２５０を設け、両基板にそれぞれ電極を設けて容量素子を形成した点にある。図８は、半導体基板２１０の構成を示す上面図である。この上面図に示されているように、半導体基板２１０の上面には、５枚の電極Ｅ１〜Ｅ５が図のように配置されている。一方、蓋基板２５０の下面には、この５枚の電極Ｅ１〜Ｅ５のすべてに対向するような円盤状の共通電極Ｅ０が形成されている。
【００３３】
このような構成により、電極Ｅ１／Ｅ０からなる容量素子Ｃ１、電極Ｅ２／Ｅ０からなる容量素子Ｃ２、電極Ｅ３／Ｅ０からなる容量素子Ｃ３、電極Ｅ４／Ｅ０からなる容量素子Ｃ４、電極Ｅ５／Ｅ０からなる容量素子Ｃ５、という５組の容量素子が形成されることになる。重錘体２３０に加速度が作用すると、作用した加速度の向きに応じた態様で半導体基板２１０に撓みが生じ、各容量素子を構成する一対の電極の電極間隔に変化が生じ、各容量素子の容量値に変化が生じる。したがって、Ｘ軸に沿って配置された容量素子Ｃ１，Ｃ３の容量値の変化に基づいてＸ軸方向の加速度成分αｘを検出することができ、Ｙ軸に沿って配置された容量素子Ｃ２，Ｃ４の容量値の変化に基づいてＹ軸方向の加速度成分αｙを検出することができ、中央に配置された容量素子Ｃ５の容量値の変化に基づいてＺ軸方向の加速度成分αｚを検出することができる。
【００３４】
なお、具体的な検出原理や検出方法については、たとえば、特開平４−１４８８３３号公報、特開平４−２４９７２６号公報、特開平４−２９９２２７号公報、特開平４−３３７４３１号公報などに詳述されているので、ここでは詳しい説明は省略する。
【００３５】
このように、容量素子を利用した加速度センサを、本発明における三次元加速度センサ１０として用いるようにすれば、各容量素子の容量値の変化を電圧信号として取り出すことができ、上述したセンサ１００の場合と同様に、各種回路によって演算手段２０，記憶手段３０，判定手段４０を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】一般的な三次元加速度センサ１０を地中５に埋設して地震計として用いるようにした構成例を示す概念図である。
【図２】図１に示す三次元加速度センサ１０の設置姿勢の変化を示す概念図である。
【図３】本発明に係る加速度検出システムの基本構成を示すブロック図である。
【図４】本発明に係る故障認識方法を利用した冗長度をもった加速度検出システムの構成例を示すブロック図である。
【図５】ピエゾ抵抗素子を用いた三次元加速度センサ１００の上面図である。
【図６】図５に示すセンサをＸ軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。
【図７】容量素子を用いた三次元加速度センサ２００をＸ軸に沿って切断した状態を示す側断面図である。
【図８】図７に示すセンサの半導体基板２１０の構成を示す上面図である。
【符号の説明】
【００３７】
５：地中
１０，１０Ａ，１０Ｂ：三次元加速度センサ
２０：演算手段
３０：記憶手段
４０：判定手段
５０：選択器
１００：ピエゾ抵抗素子を用いた三次元加速度センサ
１１０：半導体基板
１１１：変位部
１１２：可撓部
１１３：固定部
１１４：溝部
１２０：台座
１３０：重錘体
１４０：ベース基板
２００：容量素子を用いた三次元加速度センサ
２１０：半導体基板
２２０：台座
２３０：重錘体
２４０：ベース基板
２５０：蓋基板
Ａ：演算手段による演算結果
Ａ０：記憶手段に記憶された基準値
Ｅ０〜Ｅ５：電極
Ｊ：判定信号
Ｒx1〜Ｒx4，Ｒy1〜Ｒy4，Ｒz1〜Ｒz4：ピエゾ抵抗素子
αｘ，αｙ，αｚ：加速度検出値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ三次元直交座標系において、作用した加速度の各座標軸成分αｘ，αｙ，αｚをそれぞれ電気信号として出力する三次元加速度センサと、
前記電気信号に基づいて、前記三次元加速度センサが検出した三次元加速度ベクトルの大きさを示す値を求める演算を行い、演算結果Ａを出力する演算手段と、
前記三次元加速度センサに重力加速度のみが作用したときの前記演算手段による演算結果として得られる重力加速度ベクトルの大きさを示す値を基準値Ａ０として予め記憶している記憶手段と、
前記演算手段による演算結果Ａと前記記憶手段に記憶されている基準値Ａ０とを比較し、両者が一致している場合は、前記三次元加速度センサが静止状態にある旨の判定結果を出力し、両者が不一致の場合は、前記三次元加速度センサが運動状態にある旨の判定結果を出力する判定手段と、
を備えることを特徴とする加速度検出システム。
【請求項２】
請求項１に記載の加速度検出システムにおいて、
演算手段が、Ａ＝（αｘ２＋αｙ２＋αｚ２）１／２なる演算もしくはＡ＝αｘ２＋αｙ２＋αｚ２なる演算を行い、演算結果Ａを得ることを特徴とする加速度検出システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の加速度検出システムと、
心筋に対する収縮／拡張動作のタイミングを指示する電気パルスを発生させるパルス発生部と、
前記加速度検出システムの判定結果に基づいて、前記パルス発生部が発生する電気パルスの周期を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする心臓用ペースメーカ。
【請求項１】
ＸＹＺ三次元直交座標系において、作用した加速度の各座標軸成分αｘ，αｙ，αｚをそれぞれ電気信号として出力する三次元加速度センサと、
前記電気信号に基づいて、前記三次元加速度センサが検出した三次元加速度ベクトルの大きさを示す値を求める演算を行い、演算結果Ａを出力する演算手段と、
前記三次元加速度センサに重力加速度のみが作用したときの前記演算手段による演算結果として得られる重力加速度ベクトルの大きさを示す値を基準値Ａ０として予め記憶している記憶手段と、
前記演算手段による演算結果Ａと前記記憶手段に記憶されている基準値Ａ０とを比較し、両者が一致している場合は、前記三次元加速度センサが静止状態にある旨の判定結果を出力し、両者が不一致の場合は、前記三次元加速度センサが運動状態にある旨の判定結果を出力する判定手段と、
を備えることを特徴とする加速度検出システム。
【請求項２】
請求項１に記載の加速度検出システムにおいて、
演算手段が、Ａ＝（αｘ２＋αｙ２＋αｚ２）１／２なる演算もしくはＡ＝αｘ２＋αｙ２＋αｚ２なる演算を行い、演算結果Ａを得ることを特徴とする加速度検出システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の加速度検出システムと、
心筋に対する収縮／拡張動作のタイミングを指示する電気パルスを発生させるパルス発生部と、
前記加速度検出システムの判定結果に基づいて、前記パルス発生部が発生する電気パルスの周期を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする心臓用ペースメーカ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−２６７１１２（Ｐ２００６−２６７１１２Ａ）
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１０４０９６（Ｐ２００６−１０４０９６）
【出願日】平成１８年４月５日（２００６．４．５）
【分割の表示】特願平８−１８５５４７の分割
【原出願日】平成８年６月２６日（１９９６．６．２６）
【出願人】（３９００１３３４３）株式会社ワコー (34)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月５日（２００６．４．５）
【分割の表示】特願平８−１８５５４７の分割
【原出願日】平成８年６月２６日（１９９６．６．２６）
【出願人】（３９００１３３４３）株式会社ワコー (34)
【Ｆターム（参考）】
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