JP2011163813A - センサ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で多種類の運動パラメータを検出することが可能なセンサを提供する。
【解決手段】一対のポリマーセンサ素子１１，１２の一端をそれぞれ、固定用部材１３によって互いに電気的に絶縁しつつ固定する。算出部１６は、ポリマーセンサ素子１１において得られる電圧Ｖ１と、ポリマーセンサ素子１２において得られる電圧Ｖ２とに基づいて、加速度ａおよび角加速度αを検出する。具体的には、加速度ａが生じている場合と角加速度αが生じている場合とで、発生する電圧Ｖ１，Ｖ２の極性の組み合わせが異なることを利用して検出を行う。従来のような複雑な構造を用いることなく、加速度ａおよび角加速度αをそれぞれ区別して検出することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、ポリマーセンサ素子を用いて加速度等の運動パラメータの検出を行うセンサに関する。

従来より、例えば携帯電話やゲーム機器などの様々な電子機器において、加速度センサや角加速度センサ等のセンサ（運動センサ）が用いられている。また、このような運動センサとしても、種々の方式のものが提案されている。具体的には、例えば、錘に加えられた加速度によって力を発生させてその力を圧電体等の電圧素子で検出する方式や、発生した力によって弾性体を変形させ、その弾性体の変形を静電容量の変化として、あるいは歪みゲージを用いて検出する方式のもの等が挙げられる。

また、例えば特許文献１には、圧電体を用いたセンサ素子を十字構造とすることにより、２軸方向の加速度および３軸方向の角加速度をそれぞれ検出できるようにした運動センサが提案されている。他方、例えば特許文献２，３には、ポリマーセンサ素子を用いた曲げセンサ（変位センサ）を、加速度センサ等に適用するようにしたものが提案されている。

特許第４００４１２９号公報 特開２００５−３９９９５号公報 特開２００８−３０４３９０号公報

ところが、上記特許文献１の運動センサでは、複数の材料を用いて微細なパターンを形成する必要があるため、複雑な構造となっており製造するのが難しいという問題があった。これは、加工しにくい圧電体（セラミック）を用いていることから、そのような構造を形成するのを一層困難としている。なお、セラミックは、衝撃が加わったときに脆いという難点もある。また、検出可能な軸数を増やした場合には構造が更に複雑化してしまい、特に回転運動による角加速度については、検出の際にセンサ素子の振動動作を停止させる必要があることから、より一層構成（回路構成）が複雑となってしまう。

また、上記特許文献２，３における構造のポリマーセンサ素子からなる変位センサでは、原理上、直線運動と回転運動とを判別することができないため、加速度および角加速度の双方を区別して検出することができないという問題があった。

これらのことから、簡易な構成で多種類の運動パラメータ（例えば、加速度および角加速度の双方）を検出することが可能なセンサ（運動センサ）の提案が望まれていた。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡易な構成で多種類の運動パラメータを検出することが可能なセンサを提供することにある。

本発明のセンサは、変形に応じた電圧を発生する第１および第２のポリマーセンサ素子と、これらの第１および第２のポリマーセンサ素子の一端をそれぞれ、互いに電気的に絶縁しつつ固定する固定用部材と、第１のポリマーセンサ素子において得られる第１電圧と、第２のポリマーセンサ素子において得られる第２電圧とに基づいて、加速度および角加速度を検出する検出部とを備えたものである。

本発明のセンサでは、第１および第２のポリマーセンサ素子の一端がそれぞれ、互いに電気的に絶縁しつつ固定されている。これにより、センサ自身のある軸方向に沿った直線運動による加速度が生じている場合には、第１および第２のポリマーセンサ素子がそれぞれ同方向に変形するため、各々から互いに同極性の電圧が発生する。一方、センサ自身のある軸方向を中心とする回転運動による角加速度が生じている場合には、第１および第２のポリマーセンサ素子が互いに反対方向に変形するため、各々から互いに異なる極性の電圧が発生する。したがって、加速度が生じている場合と角加速度が生じている場合とで発生する電圧の極性の組み合わせが異なることを利用して、第１のポリマーセンサ素子において得られる第１電圧と、第２のポリマーセンサ素子において得られる第２電圧とに基づいて、加速度および角加速度の双方を区別して検出することが可能となる。

本発明のセンサによれば、第１および第２のポリマーセンサ素子の一端をそれぞれ互いに電気的に絶縁しつつ固定すると共に、第１のポリマーセンサ素子において得られる第１電圧と第２のポリマーセンサ素子において得られる第２電圧とに基づいて、加速度および角加速度を検出するようにしたので、従来のような複雑な構造を用いることなく、加速度および角加速度をそれぞれ区別して検出することができる。よって、簡易な構成で多種類の運動パラメータを検出することが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る運動センサの概略構成を表す模式図である。 図１に示した運動センサの一部を拡大して表した斜視図である。 図１および図２に示したポリマーセンサ素子の詳細構成を表す断面図である。 図１および図２に示した固定用部材付近の詳細構成を表す断面図である。 ポリマーセンサ素子の基本動作について説明するための断面模式図である。 図１に示した運動センサの動作について説明するための模式図である。 加速度および角加速度とポリマーセンサ素子において発生する電圧との関係を説明するための特性図である。 本発明の変形例１に係る運動センサにおける主要部の概略構成を表す斜視図および平面図である。 本発明の変形例２に係る運動センサにおける主要部の概略構成を表す斜視図および平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。

１．実施の形態（１対のポリマーセンサ素子で１軸の加速度・角加速度を検出する例）
２．変形例
変形例１（４対のポリマーセンサ素子で３軸の加速度・角加速度を検出する例）
変形例２（２対のポリマーセンサ素子で３軸の加速度・角加速度を検出する例）

＜実施の形態＞
［運動センサ１の構成］
図１は、本発明の一実施の形態に係るセンサ（運動センサ１）の概略構成を模式的に表したものであり、図２は、この運動センサ１の一部を拡大して斜視図で表したものである。運動センサ１は、後述するように、１軸（Ｙ軸）方向に沿った直線運動による加速度ａと、１軸（Ｚ軸）を中心とする回転運動（Ｘ−Ｙ平面内の回転運動）による角加速度αとの双方を検出することが可能なセンサである。この運動センサ１は、１対のポリマーセンサ素子１１，１２と、固定用部材１３と、１対の錘（重り）１４１，１４２と、１対の電圧検出部１５１，１５２と、算出部１６とを備えている。これらのうち、電圧検出部１５１，１５２および算出部１６が、本発明における「検出部」の一具体例に対応している。

ポリマーセンサ素子１１，１２はそれぞれ、運動センサ１自身の運動（直線運動または回転運動）による加速度ａまたは角加速度αに起因した変形（湾曲；変形量および変形方向）に応じて、電圧（起電力）Ｖ１，Ｖ２を発生するものである。ポリマーセンサ素子１１，１２はそれぞれ、例えば図２に示したように帯状（矩形状）の薄膜構造となっている。なお、これらのポリマーセンサ素子１１，１２の詳細構成については後述する（図３，図４）。

固定用部材１３は、ポリマーセンサ素子１１，１２の一端をそれぞれ、互いに電気的に絶縁しつつ固定するための部材であり、ここでは、この固定用部材１３を中心としてＸ軸上の双方向にポリマーセンサ素子１１，１２がそれぞれ突出するように固定されている。この固定用部材１３は、絶縁部１３０Ａ，１３０Ｂと、固定電極１３１Ａ，１３１Ｂと、固定電極１３２Ａ，１３２Ｂとから構成されている。固定電極１３１Ａは、ポリマーセンサ素子１１の裏面（Ｙ軸上の負方向側の面）に接続された電極であり、固定電極１３１Ｂは、ポリマーセンサ素子１１の表面（Ｙ軸上の正方向側の面）に接続された電極である。一方、固定電極１３２Ａは、ポリマーセンサ素子１２の裏面（Ｙ軸上の負方向側の面）に接続された電極であり、固定電極１３２Ｂは、ポリマーセンサ素子１２の表面（Ｙ軸上の正方向側の面）に接続された電極である。また、絶縁部１３０Ａは、固定電極１３１Ａ，１３２Ａの間に設けられており、これらの間を電気的に絶縁するためのものである。同様に、絶縁部１３０Ｂは、固定電極１３１Ｂ，１３２Ｂの間に設けられており、これらの間を電気的に絶縁するためのものである。なお、固定電極１３１Ａ，１３１Ｂ，１３２Ａ，１３２Ｂはそれぞれ、例えば金メッキされたＳＵＳ（ステンレス鋼）等の金属材料により構成されている。また、絶縁部１３０Ａ，１３０Ｂはそれぞれ、例えば、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、アクリル、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ナイロン、ＰＢＴ（プリブチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の絶縁材料により構成されている。

錘１４１は、ポリマーセンサ素子１１の他端に取り付けられている一方、錘１４２は、ポリマーセンサ素子１２の他端に取り付けられている。これらの錘１４１，１４２はそれぞれ、例えば、鉄（Ｆｅ）、鉛（Ｐｂ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等の重金属もしくはそれらを含有した樹脂材料からなり、前述した運動センサ１自身の直線運動または回転運動によりポリマーセンサ素子１１，１２に加わる力（慣性モーメント）を増加させるためのものである。

電圧検出部１５１は、ポリマーセンサ素子１１において発生した電圧Ｖ１（第１電圧）を、固定電極１３１Ａ，１３１Ｂおよび配線Ｌ１Ａ，Ｌ１Ｂを介して検出するものである。この電圧検出部１５１は、一端側が配線Ｌ１Ａを介して固定電極１３１Ａに接続され、他端側が配線Ｌ１Ｂを介して固定電極１３１Ｂに接続されている。一方、電圧検出部１５２は、ポリマーセンサ素子１２において発生した電圧Ｖ２（第２電圧）を、固定電極１３２Ａ，１３２Ｂおよび配線Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂを介して検出するものである。この電圧検出部１５２は、一端側が配線Ｌ２Ａを介して固定電極１３２Ａに接続され、他端側が配線Ｌ２Ｂを介して固定電極１３２Ｂに接続されている。

算出部１６は、電圧検出部１５１において検出した電圧Ｖ１と、電圧検出部１５１において検出した電圧Ｖ２とに基づいて、前述した加速度ａおよび角加速度αをそれぞれ求め（算出し）、検出データＤoutとして外部に出力するものである。具体的には、詳細は後述するが、算出部１６は、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との和（Ｖ１＋Ｖ２）に基づいて加速度ａを検出する一方、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差（Ｖ１−Ｖ２）に基づいて角加速度αを検出するようになっている。

（ポリマーセンサ素子１１，１２の詳細構成）
ここで、図３〜図５を参照して、上記したポリマーセンサ素子１１，１２の詳細構成について説明する。図３は、これらのポリマーセンサ素子１１，１２の断面構成を表したものであり、図４は、このポリマーセンサ素子１１，１２の断面構成を、固定用部材１３の断面構成と共に表したものである。

ポリマーセンサ素子１１，１２はそれぞれ、図３に示したように、イオン導電性高分子化合物膜４１（以下、単に高分子化合物膜４１という。）の両面に一対の電極膜４２Ａ，４２Ｂが接着された積層構造を有している。換言すると、ポリマーセンサ素子１１，１２はそれぞれ、一対の電極膜４２Ａ，４２Ｂと、これらの電極膜４２Ａ，４２Ｂの間に挿設された高分子化合物膜４１とを有している。ここで、図４に示したように、ポリマーセンサ素子１１では、電極膜４２Ａが固定用部材１３における固定電極１３１Ａと電気的に接続され、電極膜４２Ｂが固定電極１３１Ｂと電気的に接続されている。一方、ポリマーセンサ素子１２では、電極膜４２Ａが固定電極１３２Ａと電気的に接続され、電極膜４２Ｂが固定電極１３２Ｂと電気的に接続されている。

高分子化合物膜４１は、陽イオンで置換されているか、あるいは陽イオン物質が含浸されたものである。ここでの「陽イオン物質」とは、陽イオンと極性溶媒とを含むもの、あるいは液状の陽イオンを含むものを意味する。陽イオンと極性溶媒とを含むものとしては、例えば、陽イオンに極性溶媒が溶媒和したものが挙げられる。また、液状の陽イオンとしては、例えば、イオン液体を構成する陽イオンが挙げられ、液状の陽イオンを含むものとしては、例えばイオン液体が挙げられる。

高分子化合物膜４１を構成する材料としては、例えばフッ素樹脂あるいは炭化水素系などを骨格としたイオン交換樹脂が挙げられる。このイオン交換樹脂としては、例えば、陰イオン交換樹脂、陽イオン交換樹脂あるいは両イオン交換樹脂が挙げられ、中でも、陽イオン交換樹脂が好ましい。

陽イオン交換樹脂としては、例えば、スルホン酸基あるいはカルボキシル基などの酸性基が導入されたものが挙げられる。具体的には、酸性基を有するポリエチレン、酸性基を有するポリスチレンあるいは酸性基を有するフッ素樹脂などである。中でも、陽イオン交換樹脂としては、スルホン酸基あるいはカルボン酸基を有するフッ素樹脂が好ましく、特にナフィオン（デュポン株式会社製）が好ましい。

高分子化合物膜４１に置換されている陽イオンは、金属イオンまたは有機陽イオンであることが好ましい。また、高分子化化合物膜４１に含浸されている陽イオン物質は、金属イオンと水とを含むもの、有機陽イオンと水とを含むもの、あるいはイオン液体であることが好ましい。金属イオンとしては、例えば、ナトリウムイオン（Ｎａ⁺）、カリウムイオン（Ｋ⁺）、リチウムイオン（Ｌｉ⁺）あるいはマグネシウムイオン（Ｍｇ²⁺）などの軽金属イオンが挙げられる。また、有機陽イオンとしては、例えば、アルキルアンモニウムイオンなどが挙げられる。陽イオンと水とを含む陽イオン物質が高分子化合物膜４１中に含浸されている場合には、水の揮発を抑制するためにポリマーセンサ素子１１，１２全体が封止されていることが好ましい。

イオン液体とは、常温溶融塩とも言われるものであり、燃性および揮発性が低い陽イオンと陰イオンとを含んでいる。イオン液体では、それを構成する陽イオンにおいて、陰イオンよりもイオン半径が大きくなっている。イオン液体としては、例えば、イミダゾリウム環系化合物、ピリジニウム環系化合物あるいは脂肪族系化合物などが挙げられる。

電極膜４２Ａ，４２Ｂは、それぞれ１種あるいは２種以上の導電性材料を含んでいる。電極膜４２Ａ，４２Ｂは、導電性材料粉末同士が導電性高分子により結着されたものが好ましい。電極膜４２Ａ，４２Ｂの柔軟性が高まるからである。導電性材料粉末としてはカーボン粉末が好ましい。導電性が高く、比表面積が大きいため、より大きい変形量が得られるからである。カーボン粉末としては、ケッチェンブラックが好ましい。導電性高分子としては、上記した高分子化合物膜４１の構成材料と同様のものが好ましい。

電極膜４２Ａ，４２Ｂは、例えば、以下のようにして形成される。分散媒に導電性材料粉末と導電性高分子とを分散させた塗料を高分子化合物膜４１の両面に塗布したのち乾燥させる。また、導電性材料粉末と導電性高分子とを含むフィルム状のものを高分子化合物膜４１の両面に圧着するようにしてもよい。

電極膜４２Ａ，４２Ｂは、多層構造になっていてもよく、その場合、高分子化合物膜４１の側から順に、導電性材料粉末同士が導電性高分子により結着された層と金属層とが積層された構造を有していることが好ましい。これにより、電極膜４２Ａ，４２Ｂの面内方向において電位がより均一な値に近づき、より優れたセンサ特性が得られるからである。金属層を構成する材料としては、金あるいは白金などの貴金属が挙げられる。金属層の厚さは任意であるが、電極膜４２Ａ，４２Ｂに電位が均一になるように連続膜となっていることが好ましい。金属層を形成する方法としては、めっき法、蒸着法あるいはスパッタ法などが挙げられる。

なお、ポリマーセンサ素子１１，１２では、陽イオン物質として陽イオンと極性溶媒を含むものを用いる場合には、高分子化合物膜４１中に陰イオンがほとんど含まれないようになっている。

このような構成により、ポリマーセンサ素子１１，１２では、高分子化合物膜４１が膜面と直交する方向（ここではＹ軸方向）へ変形（湾曲）すると、以下詳述するように、電極膜４２Ａと電極膜４２Ｂとの間に電圧（起電力）が生じるようになっている。なお、これらのポリマーセンサ素子１１，１２は、その両面が、高弾性を有する材料（例えばポリウレタンなど）からなる絶縁性の保護膜（図示せず）によって覆われていてもよい。また、高分子化合物膜４１の大きさ（幅および長さ）は、想定される高分子化合物膜４１の変形量（変位量）に応じて任意に設定可能である。

（ポリマーセンサ素子１１，１２の基本動作）
次に、図５を参照して、このようなポリマーセンサ素子１１，１２の基本動作について説明する。図５は、ポリマーセンサ素子１１，１２の基本動作を、断面図を用いて模式的に表したものである。

最初に、陽イオン物質として、陽イオンと極性溶媒とを含むものを用いた場合について説明する。

この場合、まず、運動センサ１自身が直線運動も回転運動もしておらず、加速度ａおよび角加速度αのいずれもが生じていないときには、ポリマーセンサ素子１１，１２にはこれらに起因した力が加わっていない。したがって、ポリマーセンサ素子１１，１２は、変形（湾曲）することなく平面状となっている（図５（Ａ））。そのため、陽イオン物質が高分子化合物膜４１中にほぼ均一に分散することから、電極膜４２Ａ，４２Ｂ間には電位差（電圧Ｖ１，Ｖ２）が発生せず、電圧検出部１５１，１５２において検出される電圧が０Ｖとなる。

ここで、運動センサ１自身が直線運動または回転運動をすることにより、加速度ａまたは角加速度αが生じると、ポリマーセンサ素子１１，１２にはこれらに起因した力が加わるため、ポリマーセンサ素子１１，１２が変形（湾曲）する（図５（Ｂ），（Ｃ））。

例えば、図５（Ｂ）に示したように、ポリマーセンサ素子１１，１２がＹ軸上の負方向（電極膜４２Ａ側）に変形（湾曲）した場合には、電極膜４２Ａ側が収縮し、電極膜４２Ｂ側が膨潤することになる。すると、陽イオンが極性溶媒と溶媒和した状態で電極膜４２Ｂ側に移動するため、陽イオンは、電極膜４２Ｂ側で密の状態となる一方、電極膜４２Ａ側で疎の状態となる。したがって、この場合、ポリマーセンサ素子１１，１２には、電極膜４２Ａ側よりも電極膜４２Ｂ側において電位が高い電圧Ｖ１，Ｖ２（正極性の電圧：＋Ｖ１，＋Ｖ２）が発生する。

一方、図５（Ｃ）に示したように、ポリマーセンサ素子１１，１２がＹ軸上の正方向（電極膜４２Ｂ側）に変形（湾曲）した場合には、高分子化合物膜４１では、逆に電極膜４２Ｂ側が収縮し、電極膜４２Ａ側が膨潤することになる。すると、陽イオンが極性溶媒と溶媒和した状態で電極膜４２Ａ側に移動するため、陽イオンは、電極膜４２Ａ側で密の状態となる一方、電極膜４２Ｂ側で疎の状態となる。したがって、この場合、ポリマーセンサ素子１１，１２には、電極膜４２Ｂ側よりも電極膜４２Ａ側において電位が高い電圧Ｖ１，Ｖ２（負極性の電圧：−Ｖ１，−Ｖ２）が発生する。

次に、陽イオン物質として、液状の陽イオンを含むものであるイオン液体を用いた場合について説明する。

この場合においても、まず、運動センサ１自身が直線運動も回転運動もしておらず、加速度ａおよび角加速度αのいずれもが生じていないときには、ポリマーセンサ素子１１，１２は、変形（湾曲）することなく平面状となっている（図５（Ａ））。そのため、イオン液体が高分子化合物膜４１中にほぼ均一に分散することから、電極膜４２Ａ，４２Ｂ間には電位差（電圧Ｖ１，Ｖ２）が発生せず、電圧検出部１５１，１５２において検出される電圧が０Ｖとなる。

ここで、運動センサ１自身が直線運動または回転運動をすることにより、加速度ａまたは角加速度αが生じると、上記と同様にポリマーセンサ素子１１，１２が変形（湾曲）する（図５（Ｂ），（Ｃ））。

例えば、図５（Ｂ）に示したように、ポリマーセンサ素子１１，１２がＹ軸上の負方向（電極膜４２Ａ側）に変形（湾曲）した場合には、電極膜４２Ａ側が収縮し、電極膜４２Ｂ側が膨潤することになる。すると、高分子化合物膜４１が陽イオン交換膜である場合、イオン液体を構成する陽イオンは膜中を移動して電極膜４２Ｂ側に移動することできるが、陰イオンは官能基に阻まれて移動することができない。したがって、この場合、ポリマーセンサ素子１１，１２には、電極膜４２Ａ側よりも電極膜４２Ｂ側において電位が高い電圧Ｖ１，Ｖ２（正極性の電圧：＋Ｖ１，＋Ｖ２）が発生する。

一方、図５（Ｃ）に示したように、ポリマーセンサ素子１１，１２がＹ軸上の正方向（電極膜４２Ｂ側）に変形（湾曲）した場合には、高分子化合物膜４１では、逆に電極膜４２Ｂ側が収縮し、電極膜４２Ａ側が膨潤することになる。すると、上記と同様の理由により、イオン液体のうちの陽イオンが電極膜４２Ａ側に移動する。したがって、この場合、ポリマーセンサ素子１１，１２には、電極膜４２Ｂ側よりも電極膜４２Ａ側において電位が高い電圧Ｖ１，Ｖ２（負極性の電圧：−Ｖ１，−Ｖ２）が発生する。

［運動センサ１の作用・効果］
続いて、本実施の形態の運動センサ１全体の作用および効果について説明する。

（１．基本動作）
この運動センサ１では、運動センサ１自身が直線運動または回転運動をすることにより、加速度ａまたは角加速度αが生じると、ポリマーセンサ素子１１，１２にはこれらに起因した力が加わるため、ポリマーセンサ素子１１，１２が変形（湾曲）する（図１，図５）。

すると、上記したように、ポリマーセンサ素子１１，１２ではそれぞれ、電極膜４２Ａ，４２Ｂ間に電位差（電圧Ｖ１，Ｖ２）が発生する。電圧Ｖ１は、固定電極１３１Ａ，１３１Ｂおよび配線Ｌ１Ａ，Ｌ１Ｂを介して電圧検出部１５１により検出され、電圧Ｖ２は、固定電極１３２Ａ，１３２Ｂおよび配線Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂを介して電圧検出部１５２により検出される。そして、算出部１６は、これらの電圧Ｖ１，Ｖ２に基づいて、例えば図６および図７に示したようにして、Ｙ軸方向に沿った直線運動による加速度ａと、Ｚ軸を中心とする回転運動（Ｘ−Ｙ平面内の回転運動）による角加速度αとをそれぞれ検出する。以下、このような加速度ａおよび角加速度αの検出動作について詳細に説明する。

（２．加速度ａおよび角加速度αの検出動作）
まず、例えば図６（Ａ）に示したように、運動センサ１自身がＹ軸方向に直線運動を行っていることにより、Ｙ軸上の正方向に加速度ａが生じている場合には、ポリマーセンサ素子１１，１２はそれぞれ、同方向（この場合、Ｙ軸上の負方向）に変形（湾曲）する。具体的には、ポリマーセンサ素子１１，１２ではそれぞれ、図５（Ｂ）に示したように、高分子化合物膜４１において電極膜４２Ａ側が収縮し、電極膜４２Ｂ側が膨潤する。したがって、この場合、ポリマーセンサ素子１１，１２からはそれぞれ、互いに同極性の電圧Ｖ１，Ｖ２（この場合、正極性の電圧（＋Ｖ１），（＋Ｖ２））が発生する。

ここで、例えば図７（Ａ），（Ｂ）に示したように、一般に、ポリマーセンサ素子（ここではポリマーセンサ素子１１，１２）において発生する電圧（起電力）Ｖは、加速度ａおよび角加速度αにそれぞれ比例することが知られている。具体的には、このときの比例定数をそれぞれ、Ｂ，Ｃとすると、以下の（１）式および（２）式で表すことができる。
Ｖ＝Ｂ×ａ ……（１）
Ｖ＝Ｃ×α ……（２）

したがって、このときの電圧Ｖ１，Ｖ２の値をそれぞれ、（＋Ｖ１）＝（＋Ｖ２）＝Ａ（Ｖ）とすると、この場合の加速度ａおよび角加速度αはそれぞれ、以下の（３）式および（４）式で示したようにして求められる。すなわち、算出部１６では、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との和（Ｖ１＋Ｖ２）に基づいて加速度ａを検出する一方、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差（Ｖ１−Ｖ２）に基づいて角加速度αを検出する。
（Ｖ１＋Ｖ２）＝２Ａ＝Ｂ×ａ → ａ＝（２Ａ／Ｂ） ……（３）
（Ｖ１−Ｖ２）＝０＝Ｃ×α → α＝０ ……（４）

このようにして、この場合には実際に、Ｙ軸上の正方向に加速度ａが生じている一方、角加速度αは生じていないことが検出される。

一方、例えば図６（Ｂ）に示したように、運動センサ１自身が、Ｚ軸を中心とする回転運動（Ｘ−Ｙ平面内の回転運動）を行っていることにより、図中に示したような右回りの方向に角加速度αが生じている場合には、ポリマーセンサ素子１１，１２は以下のように変形（湾曲）する。すなわち、ポリマーセンサ素子１１はＹ軸上の負方向に変形（湾曲）する一方、ポリマーセンサ素子１２はＹ軸上の正方向に変形（湾曲）し、互いに反対方向に変形（湾曲）することになる。具体的には、ポリマーセンサ素子１１では、図５（Ｂ）に示したように、高分子化合物膜４１において電極膜４２Ａ側が収縮し、電極膜４２Ｂ側が膨潤する。一方、ポリマーセンサ素子１２では、図５（Ｃ）に示したように、高分子化合物膜４１において電極膜４２Ｂ側が収縮し、電極膜４２Ａ側が膨潤する。したがって、この場合、ポリマーセンサ素子１１，１２からはそれぞれ、互いに異なる極性（逆極性）の電圧Ｖ１，Ｖ２（この場合、正極性の電圧（＋Ｖ１）および負極性の電圧（−Ｖ２））が発生する。

したがって、このときの電圧Ｖ１，Ｖ２の値をそれぞれ、（＋Ｖ１）＝Ａ（Ｖ），（−Ｖ２）＝−Ａ（Ｖ）とすると、この場合の加速度ａおよび角加速度αはそれぞれ、上記（３）式および（４）式と同様に、以下の（５）式および（６）式で示したようにして求められる。
（Ｖ１＋Ｖ２）＝Ａ−Ａ＝０＝Ｂ×ａ → ａ＝０ ……（５）
（Ｖ１−Ｖ２）＝Ａ−（−Ａ）＝２Ａ＝Ｃ×α → α＝（２Ａ／Ｃ） ……（６）

このようにして、この場合には実際に、Ｚ軸を中心とする回転運動（Ｘ−Ｙ平面内の回転運動）によって図中に示した向きの角加速度αが生じている一方、加速度ａは生じていないことが検出される。

以上のように本実施の形態では、一対のポリマーセンサ素子１１，１２の一端をそれぞれ互いに電気的に絶縁しつつ固定すると共に、加速度ａが生じている場合と角加速度αが生じている場合とで発生する電圧Ｖ１，Ｖ２の極性の組み合わせが異なることを利用して、ポリマーセンサ素子１１において得られる電圧Ｖ１とポリマーセンサ素子１２において得られる電圧Ｖ２とに基づいて、加速度ａおよび角加速度αを検出するようにしたので、従来のような複雑な構造を用いることなく、加速度ａおよび角加速度αをそれぞれ区別して検出することができる。よって、簡易な構成で多種類の運動パラメータ（ここでは、加速度ａおよび角加速度α）を検出することが可能となる。

すなわち、従来のように微細加工プロセスを使用せずに、簡易かつ小型な構造の運動センサを得ることが可能となる。また、フレキシブル性を有するシート（図３に示した断面構成のシート）をカットして組み合わせるだけでよいので、製造コストを低く抑えることができる。更に、従来のようにセンサ素子を振動させることなく、電圧Ｖ１，Ｖ２を用いた簡単な演算（加算および減算）のみで、加速度ａおよび角加速度αを求めることができる。

＜変形例＞
続いて、上記実施の形態の変形例（変形例１，２）について説明する。なお、上記実施の形態における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

（変形例１）
図８は、変形例１に係るセンサ（運動センサ２）における主要部の概略構成を表したものであり、図８（Ａ）は斜視図を、図８（Ｂ）はＸ−Ｙ平面図を示している。本変形例の運動センサ２では、一対のポリマーセンサ素子（素子対）を複数組（ここでは４組）設けることにより、互いに直交する３軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）方向の加速度ａおよび角加速度αをそれぞれ検出するようにしている。なお、図８（および後述する図９）では、電圧検出部および算出部等の図示は省略している。

運動センサ２は、一対のポリマーセンサ素子１１Ａ，１２Ａと、一対のポリマーセンサ素子１１Ｂ，１２Ｂと、一対のポリマーセンサ素子１１Ｃ，１２Ｃと、一対のポリマーセンサ素子１１Ｄ，１２Ｄとを有している。また、これらのポリマーセンサ素子１１Ａ〜１１Ｄ，１２Ａ〜１２Ｄはそれぞれ、共通の固定用部材２３によって、互いに４５°の傾斜角を有する２組の十字形状をなすように、各々の一端同士が固定されている。そして、ポリマーセンサ素子１１Ａ〜１１Ｄ，１２Ａ〜１２Ｄの他端にはそれぞれ、錘１４１Ａ〜１４１Ｄ，１４２Ａ〜１４２Ｄが設けられている。

このような構成により、運動センサ２では、一対のポリマーセンサ素子１１Ａ，１２Ａを用いて、Ｙ軸方向の加速度ａおよびＺ軸を中心とする角加速度αが検出される。同様に、一対のポリマーセンサ素子１１Ｂ，１２Ｂを用いて、Ｙ軸方向の加速度ａおよびＸ軸を中心とする角加速度αが検出される。また、一対のポリマーセンサ素子１１Ｃ，１２Ｃを用いて、Ｘ軸，Ｚ軸方向の加速度ａおよびＹ軸を中心とする角加速度αが検出される。一対のポリマーセンサ素子１１Ｄ，１２Ｄを用いて、Ｘ軸，Ｚ軸方向の加速度ａおよびＹ軸を中心とする角加速度αが検出される。

このようにして、本変形例の運動センサ２では、従来と比べて少ない個数のセンサ素子（ここでは、４対のポリマーセンサ素子）を用いて、単一のモジュールによって、互いに直交する３軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）方向の加速度ａおよび角加速度αをそれぞれ検出することが可能となる。

（変形例２）
図９は、変形例２に係るセンサ（運動センサ３）における主要部の概略構成を表したものであり、図９（Ａ）は斜視図を、図９（Ｂ）はＸ−Ｙ平面図を示している。本変形例の運動センサ３では、一対のポリマーセンサ素子（素子対）を複数組（ここでは２組）設けることにより、互いに直交する３軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）方向の加速度ａおよび角加速度αをそれぞれ検出するようにしている。

運動センサ３は、一対のポリマーセンサ素子３１Ａ，３２Ａと、一対のポリマーセンサ素子３１Ｂ，３２Ｂとを有している。また、これらのポリマーセンサ素子３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ，３２Ｂはそれぞれ、共通の固定用部材３３によって十字形状をなすように、各々の一端同士が固定されている。そして、ポリマーセンサ素子３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ，３２Ｂの他端にはそれぞれ、錘１４１Ａ，１４１Ｂ，１４２Ａ，１４２Ｂが設けられている。

ここで、本変形例では、これらのポリマーセンサ素子３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ，３２Ｂはそれぞれ矩形状となっており、その矩形状の４つの側面にそれぞれ固定電極が設けられている。すなわち、各ポリマーセンサ素子３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ，３２Ｂは、これらの４つの固定電極を利用することにより、互いに直交する２方向に沿って変形（湾曲）することが可能となっている。具体的には、ポリマーセンサ素子３１Ａ，３２Ａはそれぞれ、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に沿って変形（湾曲）することができる。また、ポリマーセンサ素子３１Ｂ，３２Ｂはそれぞれ、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に沿って変形（湾曲）することができる。これにより、ポリマーセンサ素子３１Ａ，３２Ａはそれぞれ、２軸方向の加速度ａおよび２軸方向を中心とする角加速度αを検出することが可能となっている。

このようにして、本変形例の運動センサ３では、上記変形例１と比べて更に少ない個数のセンサ素子（ここでは、２対のポリマーセンサ素子）を用いて、互いに直交する３軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）方向の加速度ａおよび角加速度αをそれぞれ検出することが可能となる。

（その他の変形例）
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態等では、各ポリマーセンサ素子の他端に錘が設けられている場合について説明したが、場合によっては、そのような錘を設けないようにしてもよい。

また、ポリマーセンサ素子の形状については、上記実施の形態等に示したものに限定されず、更にその積層構造についても、上記実施の形態で説明したものに限定されず、適宜変更可能である。

本発明のセンサ（運動センサ）は、例えば携帯電話やゲーム機器などの様々な電子機器に適用することが可能である。

１，２，３…運動センサ、１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ，３２Ｂ…ポリマーセンサ素子、１３，２３，３３…固定用部材、１３０Ａ，１３０Ｂ…絶縁部、１３１Ａ，１３１Ｂ，１３２Ａ，１３２Ｂ…固定電極、１４１，１４１Ａ，１４１Ｂ，１４１Ｃ，１４１Ｄ，１４２，１４２Ａ，１４２Ｂ，１４２Ｃ，１４２Ｄ…錘、１５１，１５２…電圧検出部、１６…算出部、４１…高分子化合物膜（イオン導電性高分子化合物膜）、４２Ａ，４２Ｂ…電極膜、Ｌ１Ａ，Ｌ１Ｂ，Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂ…配線、Ｖ１，Ｖ２…電圧（起電力）、Ｄout…検出データ、ａ…加速度、α…角加速度。

Claims (6)

1. 変形に応じた電圧を発生する第１および第２のポリマーセンサ素子と、
   前記第１および第２のポリマーセンサ素子の一端をそれぞれ、互いに電気的に絶縁しつつ固定する固定用部材と、
   前記第１のポリマーセンサ素子において得られる第１電圧と、前記第２のポリマーセンサ素子において得られる第２電圧とに基づいて、加速度および角加速度を検出する検出部と
   を備えたセンサ。
2. 前記検出部は、
   前記第１電圧と前記第２電圧との和に基づいて加速度を検出すると共に、
   前記第１電圧と前記第２電圧との差に基づいて角加速度を検出する
   請求項１に記載のセンサ。
3. 前記第１および第２のポリマーセンサ素子からなる素子対が複数組設けられると共に、これらの複数組の素子対が、共通の固定用部材によって十字状となるように固定され、
   前記検出部は、前記複数組の素子対において得られる電圧に基づいて、互いに直交する３軸方向の加速度および角加速度をそれぞれ検出する
   請求項１または請求項２に記載のセンサ。
4. 前記第１および第２のポリマーセンサ素子の他端にそれぞれ、錘が設けられている
   請求項１または請求項２に記載のセンサ。
5. 前記第１および第２のポリマーセンサ素子はそれぞれ、
   一対の電極膜と、
   前記一対の電極膜の間に挿設された高分子膜と
   を有する請求項１または請求項２に記載のセンサ。
6. 前記高分子膜は、陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子化合物膜である
   請求項５に記載のセンサ。

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