JP2002243757A - 加速度センサ - Google Patents

加速度センサ

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JP2002243757A
JP2002243757A JP2001042130A JP2001042130A JP2002243757A JP 2002243757 A JP2002243757 A JP 2002243757A JP 2001042130 A JP2001042130 A JP 2001042130A JP 2001042130 A JP2001042130 A JP 2001042130A JP 2002243757 A JP2002243757 A JP 2002243757A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低周波加速度や重力加速度の検出ができる、
小型で安価な加速度センサを構成する。 【解決手段】 加速度によって加わる応力の方向が互い
に逆である2つの圧電振動子s1,s2とコンデンサC
l、C2を含むブリッジ回路を構成し、接続点p2とp
3との間に分圧インピーダンス回路を設け、該分圧イン
ピーダンス回路の分圧点p5の信号を帰還信号処理回路
によって接続点p1に帰還させて発振回路を構成する。
そして、接続点p2とp3との発振出力位相差を位相差
信号処理回路で検出して、これを加速度検出信号として
出力する。

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、加速度によって
応力が加わる圧電振動子を備えた加速度センサに関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】圧電振動子を備えた従来の加速度センサ
として、 特許第2780594号(振動子型加速度計) 特開2000−266776(圧電式加速度センサ用
増幅回路) 特開2000−206139(圧電型加速度センサを
備えた加速度検出装置) 特許第3072354号(振動子型加速度計) 特開平8−105912(加速度センサ) 特開平8−297138(圧電加速度センサ) が開示されている。以下、これらの公報番号を〜の
番号で示す。
【0003】一般に、圧電振動子を備えた加速度センサ
は、小型に構成できるため、種々の用途への適用性に優
れ、利用価値が高い。
【0004】の振動子型加速度計は、小型で表面実装
可能な加速度センサとして実用化されており、HDD用
衝撃センサ、エアバッグ用加速度センサに利用されてい
る。このように、加速度センサが電子機器に数多く利用
され、その有用性が認識されるに伴い、地震計、傾斜セ
ンサ、ローテーション検出用加速度センサ等の新たな用
途へも適用されようとしている。これに伴い、数Hz以
下の低周波加速度や重力加速度の検出ができる、安価な
加速度センサが望まれている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、やは、
に開示されているセンサに利用できる低周波加速度検
出回路であるが、高抵抗の抵抗器や特殊なオペアンプが
必要であるため、IC化し難く、高コスト化するという
問題があった。また、圧電効果により加速度信号を検出
するので、重力加速度は原理的に検出できないという欠
点があった。
【0006】やは、圧電効果を利用せず、加速度に
よる圧電振動子の共振特性変化を検出するものであるた
め、重力加速度の検出が可能であるが、は水晶振動子
を応用したものであるため高コストであり、はバイモ
ルフ形圧電振動子を応用したものであるので、形状が大
きいという問題があった。
【0007】そこで、低周波加速度や重力加速度の検出
を可能とするために、加速度によって加わる応力の方向
が互いに逆である2つの圧電振動子を備え、共振型の回
路を構成することが考えられる。この発明の加速度セン
サは、このような構造の圧電振動子を備えることを要件
としているが、このような構造の圧電振動子にやに
開示されている回路を単に適用すると、次のような問題
が生じる。
【0008】・外付け抵抗のインピーダンスと圧電振動
子のインピーダンスの比を信号としているため、共振周
波数が高い場合、圧電振動子がもつ容量(加速度により
変化しない成分)が作用し、インピーダンスが低くな
る。このため、加速度により変化するインピーダンス成
分の検出感度が低下する。
【0009】・振幅信号を増幅する方式であるが、数M
Hz〜数十MHzの高周波電圧を正確に増幅するには、
特殊な回路(能動素子)が必要であり、コストが嵩む。
また、回路のIC化が困難となる。
【0010】・数MHz〜数十MHzの高周波電圧を増
幅するには、回路基板の寄生容量をコントロールしなく
てはならない。このため、回路と素子を一体にして(モ
ジュール構造)感度を調整しなくてはならない。素子単
体のみでは、特性が保証できない。
【0011】・回路基板の寄生容量は、基板の汚れ、湿
度、基板の変質に伴って変化する。このため、信頼性を
確保するために、コーティングや気密封止パッケージ等
が必要になる。
【0012】・加速度信号はAM変調波形となって出力
される。高周波でのAM復調は高精度化するのが難し
く、回路が複雑となる。
【0013】この発明の目的は、上述の種々の問題を解
消し、低周波加速度や重力加速度の検出ができる、小型
で安価な加速度センサを提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】この発明の加速度センサ
は、加速度によって加わる応力の方向が互いに逆である
2つの圧電振動子(s1,s2)を用いる。この圧電振
動子(sl)を含むインピーダンス回路(Z1)、圧電
振動子(s2)を含むインピーダンス回路(Z2)、コ
ンデンサ(Cl)を含む負荷インピーダンス回路(Z
3)、およびコンデンサ(C2)を含む負荷インピーダ
ンス回路(Z4)を備え、(Z1)・(Z2)を接続点
(p1)に、(Z1)・(Z3)を接続点(p2)に、
(Z2)・(Z4)を接続点(p3)に、(Z3)・
(Z4)を接続点(p4)に、それぞれ接続し、接続点
(p4)を基準電位としたブリッジ回路を構成し、接続
点(p2)と(p3)との間に分圧インピーダンス回路
を設け、該分圧インピーダンス回路の分圧点(p5)の
信号を帰還信号処理回路によって接続点(p1)に帰還
させて発振回路を構成する。そして、接続点(p2)と
(p3)との発振出力位相差を位相差信号処理回路で検
出して、これを加速度検出信号として出力するように構
成する。
【0015】上記発振回路は、圧電振動子の共振周波数
と反共振周波数間のインダクタンス特性とコンデンサと
によるLC共振系発振回路となる。この発振回路は静電
容量の比較的大きなコンデンサが負荷となるので、回路
基板の寄生容量の影響を受けにくい。そのため、コーテ
ィングや気密封止パッケージ等を使用しなくても高い信
頼性が確保できる。また、素子単体のみでの特性も保証
できる。
【0016】上記の構成によれば、感度が共振のQに比
例して高くなるので、高周波による感度低下がない。そ
のため、小型の圧電振動子を用いても所定の検出感度が
得られ、全体に小型化できる。
【0017】また、上記位相差信号処理回路は、位相変
化を検出するので、2値論理回路で構成でき、高周波対
応が容易となる。そのため低コストで回路のIC化が容
易となる。
【0018】また、加速度を検出する発振回路のブリッ
ジ回路および位相差信号処理回路がすべて差動型となる
ので、同相ノイズ成分や回路変動分がキャンセルでき
る。(IC化するとIC内部の各素子特性の相対バラツ
キが小さいので、より大きな効果が得られる。非常にI
C化に適した回路構成である。)また、この発明の加速
度センサは、上記の構成において、圧電振動子を含むイ
ンピーダンス回路と、コンデンサを含むインピーダンス
回路とを交換したものとする。この場合にも、上述した
効果が得られる。
【0019】前記帰還信号処理回路は、前記分圧点の信
号を増幅する増幅器と、帰還信号の位相をシフトさせる
位相シフト回路とから構成する。
【0020】また、前記分圧インピーダンス回路は、複
数の抵抗を直列接続して構成する。
【0021】前記位相差信号処理回路は、前記分圧点
(p5)の信号を基準信号とし、該基準信号と前記接続
点(p2)の信号との位相差を検出する第1の位相差検
出回路と、前記基準信号と前記接続点(p3)の信号と
の位相差を検出する第2の位相差検出回路と、第1・第
2の位相差検出回路の出力を差動増幅する差動増幅回路
とから構成する。
【0022】また、前記位相差信号処理回路は、前記接
続点(p1)の信号を基準信号とし、該基準信号と前記
接続点(p2)の信号との位相差を検出する第1の位相
差検出回路と、前記基準信号と前記接続点(p3)の信
号との位相差を検出する第2の位相差検出回路と、第1
・第2の位相差検出回路の出力を差動増幅する差動増幅
回路とから構成する。
【0023】また、前記位相差信号処理回路は、前記帰
還信号処理回路内の位相シフト回路と増幅回路との接続
点(p6)の信号を基準信号とし、該基準信号と前記接
続点(p2)の信号との位相差を検出する第1の位相差
検出回路と、前記基準信号と前記接続点(p3)の信号
との位相差を検出する第2の位相差検出回路と、第1・
第2の位相差検出回路の出力を差動増幅する差動増幅回
路とから構成する。
【0024】また、この発明の加速度センサは、前記第
1・第2の位相差検出回路に入力する箇所に位相調整回
路を設けて、前記基準信号の位相を調整する。
【0025】
【発明の実施の形態】第1の実施形態に係る加速度セン
サの全体の構成を、図1を参照して説明する。図1は加
速度センサ全体のブロック図である。この加速度センサ
は、ブリッジ回路110、分圧インピーダンス回路12
0、帰還信号処理回路130および位相差信号処理回路
140で構成している。
【0026】ブリッジ回路110は、圧電振動子slを
含むインピーダンス回路Z1、圧電振動子s2を含むイ
ンピーダンス回路Z2、コンデンサClを含む負荷イン
ピーダンス回路Z3、およびコンデンサC2を含む負荷
インピーダンス回路Z4を備え、Z1・Z2を接続点p
1に、Z1・Z3を接続点p2に、Z2・Z4を接続点
p3に、Z3・Z4を接続点p4に、それぞれ接続し、
接続点p4を基準電位としている。
【0027】分圧インピーダンス回路120は、インピ
ーダンスz5とz6の直列回路で構成している。この分
圧インピーダンス回路120の両端は、接続点p2とp
3に接続している。
【0028】帰還信号処理回路130は増幅回路と位相
シフト回路を備えている。この帰還信号処理回路130
は、分圧インピーダンス回路の分圧点p5の信号を接続
点p1へ帰還する。
【0029】上記ブリッジ回路110、分圧インピーダ
ンス回路120、および帰還信号処理回路130によっ
て発振回路を構成している。すなわち、ブリッジ回路1
10が発振回路の共振回路系を成し、帰還信号処理回路
130が共振信号を共振回路系へ正帰還して発振状態を
維持する。換言すると、帰還信号処理回路130の増幅
回路の増幅率および位相シフト回路の位相シフト量を、
発振条件を満足するように定める。
【0030】圧電振動子slとs2は、加速度によっ
て、その一方に圧縮応力が加わると他方に引張応力が加
わるように構成している。また、加速度が印加されない
場合には、slとs2の共振特性がほぼ同じとなるよう
に特性を揃えている。この圧電振動子の構造については
後述する。
【0031】位相差信号処理回路140は、位相調整回
路、第1・第2の位相差検出回路、および差動増幅回路
から構成している。位相調整回路は、分圧インピーダン
ス回路120の分圧点の信号を位相調整する。第1の位
相差検出回路は、位相調整回路の出力信号を基準信号と
して、この基準信号とブリッジ回路110の接続点p2
の信号との位相差を電圧信号に変換する。また、第2の
位相差検出回路は、上記基準信号とブリッジ回路110
の接続点p3の信号との位相差を電圧信号に変換する。
差動増幅回路は、第1・第2の位相差検出回路の出力電
圧を差動増幅する。
【0032】次に、前記圧電振動子の構成を図2〜図4
を参照して説明する。図2は、前記圧電振動子の全体の
斜視図、図3はその分解斜視図、図4は図3における要
部の更なる分解斜視図である。この圧電振動子sは、前
記s1,s2を一体化したものである。この圧電振動子
sは、2個の加速度検出素子2,3を絶縁性セラミック
等からなる絶縁ケース5,6内に両持ち梁構造で収納支
持している。この例では、加速度検出素子2,3はユニ
モルフ型検出素子である。短冊形状の圧電セラミック板
の表裏両主面にそれぞれ電極21,22および31,3
2を形成した共振子20,30を、それぞれベース板2
3,33の一面に接着や半田付け等により接合すること
により一体化している。この共振子20,30は、共に
エネルギー閉じ込め型厚みすべり振動モードの共振子で
あり、共振子20,30の長さ方向に分極している。表
裏面の電極21,22および31,32は、一端部を共
振子20,30の中央部で対向させ、他端部を共振子2
0,30の異なる端部へ引き出している。
【0033】ベース板23,33は共振子20,30と
同一長さ、同一幅に形成された絶縁板であり、ユニモル
フ型加速度検出素子2,3の加速度の作用に伴う曲げ中
性面が、共振子20,30とベース板23,33との接
合面よりベース板23,33側になるように設定してい
る。ベース板23,33は、共振子20,30より曲げ
剛性の高い材料で構成している。また、このベース板2
3,33は、質量体(重り)として機能させるため質量
をなるべく大きなものとしている。ベース板23,33
の共振子20,30との対向面には、共振子20,30
の閉じ込め振動の範囲より広くかつ加速度によって撓む
範囲より小さな空隙を形成するための凹部23a,33
aを形成している。これにより、共振子20,30の閉
じ込め振動が拘束されず、且つ加速度によって共振子2
0,30とベース板23,33とが一体に撓むようにし
ている。
【0034】上記2個のユニモルフ型加速度検出素子
2,3は、共振子20、30が互いに相反方向を向き、
且つ加速度Gの印加方向にそれぞれ独立して撓み得るよ
うに、長手方向両端部を、スペーサ層である接着層4を
介して対面接合している。加速度検出素子2,3の加速
度Gの印加方向の外側面は、左右一対のケース部材5,
5によって覆っている。ケース部材5はコ字形断面形状
に形成しており、その両端突出部5aを加速度検出素子
2,3の両端部外側面(共振子20,30の露出面)に
接着固定している。そのため、ケース部材5と加速度検
出素子2,3との問には、ケース部材5の凹部5bによ
って、加速度Gに伴い加速度検出素子2,3が撓み得る
空間を形成している。
【0035】また、加速度検出素子2,3とケース部材
5とで形成される上下の開放面を上下一対のカバー部材
6,6によって覆っている。カバー部材6の内面には、
加速度検出素子2,3との接触を防止するための凹部を
形成していて、その外周部を開放面に接着固定してい
る。そのため、加速度検出素子2,3の加速度Gによる
変位部分は、ケース部材5およびカバー部材6によって
完全に密閉している。
【0036】次に、具体的な加速度センサの回路と、そ
の動作について、図5〜図8を参照して説明する。図5
は加速度センサの回路図である。この例では、分圧イン
ピーダンス回路120を、抵抗R1,R2の直列回路で
構成し、帰還信号処理回路130は、インバータIC
l、抵抗R3,R4、およびコンデンサC3で構成して
いる。ここで、抵抗R4はインバータの動作点を決める
フィードバック抵抗である。このインバータIC1とフ
ィードバック抵抗R4とによって増幅回路を構成してい
る。コンデンサC3と抵抗R3は位相シフト回路を構成
している。この位相シフト回路で、ブリッジ回路110
による共振回路への帰還信号の位相を調整している。す
なわち、この位相シフト量によって発振ポイントを微調
整している。
【0037】この例では、位相シフト回路をインバータ
IC1の出力側に設けたが、その入力側に設けてもよ
い。また、位相を微調整しなくても安定した発振が維持
できるなら、この位相シフト回路を省略してもよい。
【0038】上記帰還信号処理回路での位相シフト量は
−200[deg]、発振周波数は8[MHz]に設定
している。
【0039】圧電振動子s1,s2に加速度が印加され
ると、圧電振動子slとs2への応力は互いに逆相に加
わるので、振動子特性もそれぞれ逆相に変化する。ブリ
ッジ回路110は、圧電振動子に対向する辺にコンデン
サCl,C2を設けて構成しているので、加速度が印加
されるとバランスが崩れ、圧電振動子slとコンデンサ
C1の接続点の電圧(1) と、圧電振動子s2とコンデン
サC2の接続点の電圧(3) とに差異が生じる。
【0040】電圧(1) と電圧(3) との位相関係差は、加
速度にほぼ比例することを実験により確かめている。す
なわち、電圧(1) と電圧(3) の位相差は加速度の大きさ
を表すことになる。
【0041】第1の位相差検出回路141は、エクスク
ルーシブORゲートIC5、インバータIC4、抵抗R
6、およびコンデンサC5から構成している。後述する
ように、エクスクルーシブORゲートIC5とインバー
タIC4とによって、入力信号の位相差に応じてデュー
ティの変化する信号を生成し、R6,C5がその信号を
平滑する。これにより、入力信号の位相差に対応した電
圧信号を出力する。
【0042】第2の位相差検出回路142についても、
その構成は第1の位相差検出回路141と同様であり、
エクスクルーシブORゲートIC7、インバータIC
6、抵抗R7、およびコンデンサC6から構成してい
て、入出力信号の位相差に対応した電圧信号を出力す
る。
【0043】位相調整回路143は、インバータIC
2,IC3、抵抗R5、およびコンデンサC4から構成
している。このR5,C4の時定数によって位相シフト
量を定めている。この位相シフト量は、第1・第2の位
相差検出回路141,142が安定に動作するように、
基準信号の位相をずらす。加速度が印加されていない状
態では、電圧(4) と電圧(5) の位相差、および、電圧
(6) と電圧(5) の位相差は等しく90[deg]になる
よう設定している。
【0044】差動増幅回路144は、増幅回路IC8,
IC9,IC10,IC11およびそれらの動作点およ
び利得を定める複数の抵抗などから構成している。この
差動増幅回路144は、第1の位相差検出回路141の
出力電圧(9) と第2の位相差検出回路142の出力電圧
(10)を差動増幅して出力電圧(11)を出力する。その際、
IC11は、その出力電圧分だけ、増幅回路IC10の
基準電圧をオフセットする。すなわち、抵抗R16の調
整により上記オフセット量を定め、差動増幅回路の平衡
が正しくとられるように定め、これにより、加速度に比
例した電圧信号を出力させる。
【0045】図6は、電圧信号(1) 〜(3) の波形図であ
る。(A)は加速度が印加されていない状態である。こ
のとき、圧電振動子s1,s2が同じ特性であるので、
電圧信号(1) 〜(3) は同一波形(同一位相)となる。
(B)は加速度が印加されている場合の例である。加速
度が印加されると、基準である電圧信号(2) に対する電
圧信号(1) の位相が進み、電圧信号(2) に対する電圧信
号(3) の位相が遅れるといった具合に、それぞれ位相が
逆方向に変化する。
【0046】電圧信号(1) を関数Ya(t)、電圧信号
(2) を関数R(t)、電圧信号(3)を関数Yb(t)と
すると、次の関係が成り立つ。
【0047】 Ya(t)=A×cos(ωt+θ(t)) …[式1] Yb(t)=A×cos(ωt−θ(t)) …[式2] R(t)={Ya(t)+Yb(t)}/2 =A×cosωt×cosθ(t) …[式3] ここで、Aは振幅、ωは発振角周波数、tは時間、θ
(t)は加速度によって生じる位相変化の時間関数であ
る。
【0048】[式1]、[式2]から、電圧信号(1) 、
(3) は、加速度により位相変調されることが分かる。ま
た、[式3]から、電圧信号(2) は加速度により振幅変
調され、位相の変化は生じないことが分かる。
【0049】図7において、(A)は加速度が印加され
ていない場合、(B)は加速度が印加されている場合に
ついてそれぞれ示している。電圧信号(4) は、図5にお
ける電圧信号(1) を第1の位相差検出回路141の初段
インバータIC4で波形整形したものである。同様に、
電圧信号(6) は電圧信号(3) を第2の位相差検出回路1
42の初段インバータIC6で波形整形したものであ
る。電圧信号(5) は電圧信号(2) を位相調整した波形で
ある。
【0050】エクスクルーシブORゲートを利用した位
相比較回路は、比較波形の位相を予め90度ずらしてお
く必要があるので、位相調整回路143は、加速度が印
加されていない状態の位相差が90度になるように、図
7に示すように電圧信号(2)の位相を調整している。電
圧信号(7) は第1の位相差検出回路141のエクスクル
ーシブORゲートIC5の出力、(8) は第2の位相差検
出回路142のエクスクルーシブORゲートIC7の出
力である。
【0051】加速度が印加された場合には、電圧信号
(5) の位相に対して、電圧信号(4) の位相が進み、電圧
信号(6) の位相が遅れるといった具合に、電圧信号(4)
と電圧信号(6) の位相変化は互いに逆方向になる。電圧
信号(7) と(8) の波形から分かるように、エクスクルー
シブORゲートからの出力は、加速度によって出力波形
のデューティ比が変化するPWM(パルス幅変調)波形
となる。
【0052】このPWM波形は、図5に示した位相差検
出回路141,142内のR6,C5による平滑回路
で、およびR7,C6による平滑回路で、それぞれ平滑
される。
【0053】図8は、上記電圧信号(9) 〜(11)の電圧変
化を示している。ここで横軸は加速度、縦軸は電圧であ
る。
【0054】電圧信号(9) を関数Vp1、電圧信号(10)
を関数Vp2、電圧信号(11)を関数Vdとすれば、次の
式が成り立つ。
【0055】 Vp1=Vcc×(φ/π−θ×α/π) …[式4] Vp2=Vcc×(φ/π+θ×α/π) …[式5] Vd=Vcc×β×(Vp2−Vp1)+γ =β×Vcc×(2×θ×α/π)+γ …[式6] 但し、 0<φ<π …[式7] 0≦Vp1≦Vcc …[式8] 0≦Vp2≦Vcc …[式9] である。ここで、φは位相調整回路の位相シフト量、θ
は加速度lG当りの位相変化係数、αは加速度、Vcc
は電源電圧、βは差動増幅回路の回路ゲイン、γは差動
増幅回路の基準電圧(=IC11の出力電圧)である。
【0056】この[式7]〜[式9]が安定に成り立つ
ように、既に述べたように位相調整回路の位相シフト量
φを90[deg](π/2[rad])としている。
また、この例では、β=100、Vcc=5[V]、γ
=Vcc/2としている。
【0057】なお、この第1の実施形態では、ブリッジ
回路に圧電振動子とコンデンサのみを用いたが、これに
限定するものではない。図1に示したインピーダンス回
路Z1、Z2には圧電振動子のほかに、コンデンサ、抵
抗、インダクタ、能動素子等が含まれていてもよい。ま
た、インピーダンス回路Z3、Z4についても同様に、
抵抗、インダクタ、能動素子等が含まれていてもよい。
加速度が印加されていない状態のときに、 zl×z4=z2×z3 …[式10] と見なせるように各定数が設定されていれば、上述した
場合と同様に作用する。
【0058】次に、第2の実施形態に係る加速度センサ
の構成を図9、図10を参照して説明する。この図9に
示す加速度センサは、図1に対比すれば明らかなよう
に、ブリッジ回路110の構成を第1の実施形態とは変
えている。すなわち、ブリッジ回路110は、圧電振動
子slを含むインピーダンス回路Z1、圧電振動子s2
を含むインピーダンス回路Z2、コンデンサClを含む
負荷インピーダンス回路Z3、およびコンデンサC2を
含む負荷インピーダンス回路Z4を備え、Z1・Z2を
接続点p4に、Z1・Z3を接続点p2に、Z2・Z4
を接続点p3に、Z3・Z4を接続点p1に、それぞれ
接続し、接続点p4を基準電位としている。その他の部
分の構成は第1の実施形態の場合と同様である。
【0059】このように、圧電振動子同士の接続点を基
準電位としたブリッジ回路を用いても第1の実施形態の
場合と同様に作用し、同様の効果が得られる。但し、ブ
リッジ回路110、分圧インピーダンス回路120、お
よび帰還信号処理回路130による発振回路が安定に発
振するように、帰還信号処理回路130を図10に示す
ように構成している。
【0060】図10において、IC1,R3,R4,C
3部分の構成は図5に示した帰還信号処理回路130と
同様である。図10において、R17およびC8は位相
シフト回路を構成していて、この帰還信号処理回路全体
で−340[deg](=+20[deg])だけ位相
をシフトさせる。なお、この図10に示した例では、帰
還信号処理回路130の出力部にインバータIC12を
バッファとして設けている。このバッファによって、ブ
リッジ回路110の回路構成によらずに、正確な位相シ
フト量を得ることができる。
【0061】次に、第3の実施形態に係る加速度センサ
の構成を図11を参照して説明する。図11に示す加速
度センサは、帰還信号処理回路130の出力信号を位相
調整回路143の入力に与えている。このような構成で
あっても、第1・第2の位相差検出回路141,142
から、加速度の変化に応じた逆相関係の電圧信号を出力
させることができる。
【0062】次に、第4の実施形態に係る加速度センサ
の構成を図12、図13を参照して説明する。図12に
示す加速度センサは、帰還信号処理回路130内の位相
シフト回路131の出力信号を位相調整回路143の入
力に与えている。このような構成であっても、第1・第
2の位相差検出回路141,142から、加速度の変化
に応じた逆相関係の電圧信号を出力させることができ
る。
【0063】図13は帰還信号処理回路130の回路構
成例を示している。この回路は既に説明した図10の回
路と同様であり、所定の位相シフト信号を、回路の途中
から取り出して、位相調整回路へ与えるようにしたもの
である。したがって、この帰還信号処理回路130にお
ける位相シフト量を適宜定めれば、位相調整回路143
を省略してもよい。例えば、位相調整回路143が−9
0[deg]だけ位相をシフトさせる必要があるとき
に、帰還信号処理回路の途中から−90[deg]また
は−270[deg](=+90[deg])前後ずれ
た信号を取り出せばよい。すなわち、この場合、位相調
整回路143を省略して、帰還信号処理回路130の途
中から取り出した信号を第1・第2の基準信号として直
接与えればよい。
【0064】次に、第5の実施形態に係る加速度センサ
の構成を図14、図15を参照して説明する。図14は
図5に示したものとは異なる位相差検出回路の回路図で
ある。これはR−Sフリップフロップを用いたものであ
る。例えば図11に示した第1・第2の位相差検出回路
に図14に示した回路を適用する場合、加速度が印加さ
れていない状態で、位相差比較対象の信号に対して基準
信号の位相が−180[deg]または−540[de
g](=+180[deg])だけずれているように基
準信号の位相を予め定めておく。
【0065】図15は、図14に示した回路を第1の位
相差検出回路として設けた場合の例について示してい
る。ここで、(1) は入力信号、QはR−Sフリップフロ
ップのQ出力である。図15の(A)は加速度が印加さ
れていない状態、(B)は加速度が印加されている状態
である。このように、基準信号に対する入力信号の位相
差に応じてQ出力のデューティー比が変化する。図14
に示したように、Q出力を抵抗とコンデンサにより平滑
することによって、デューティー比に応じた、すなわち
加速度に応じた電圧信号を出力する。
【0066】図11において、帰還信号処理回路130
における位相シフト量が−200[deg]であれば、
これは上記基準信号の理想的な位相差−180[de
g]に近いので、図11における第1・第2の位相差検
出回路に図14に示した回路を設ければ、位相調整回路
143を省略することができる。
【0067】なお、各実施形態で示した加速度センサの
発振回路は、圧電振動子を用い、しかも差動接続してい
るので、その周波数特性・位相特性ともに安定である。
したがって、この発振回路の出力を外部に取り出して、
他のロジック回路へのクロック信号として利用してもよ
い。これにより、専用のクロック信号発生回路を省略す
ることができる。
【0068】
【発明の効果】この発明によれば、加速度によって加わ
る応力の方向が互いに逆である2つの圧電振動子と2つ
のコンデンサを含むブリッジ回路を構成し、その平衡出
力間に分圧インピーダンス回路を設け、該分圧インピー
ダンス回路の分圧点の信号を帰還信号処理回路によって
接続点に帰還させて発振回路を構成し、ブリッジ回路の
平衡出力間の発振出力位相差を検出して、これを加速度
検出信号として出力するようにしたため、次のような効
果を奏する。
【0069】発振回路は比較的静電容量の大きなコンデ
ンサが負荷となるので、回路基板の寄生容量の影響を受
けにくく、そのため、コーティングや気密封止パッケー
ジ等を使用しなくても高い信頼性が確保できる。素子単
体のみでの特性も保証できる。共振のQに比例して感度
が高くなるので、高周波による感度低下がない。そのた
め、小型の圧電振動子を用いても所定の検出感度が得ら
れ、全体に小型化できる。
【0070】位相差信号処理回路は、位相変化を検出す
るので、2値論理回路で構成でき、高周波対応が容易と
なる。そのため、圧電振動子を小型化して、例えば共振
周波数を数MHz〜数十MHzと高くしても、低コスト
で回路のIC化が容易となる。
【0071】また、この発明によれば、加速度を検出す
る発振回路のブリッジ回路および位相差信号処理回路を
すべて差動型とすることにより、同相ノイズ成分や回路
変動分がキャンセルできる。さらに、回路をIC化する
とIC内部の各素子特性の相対バラツキが小さいので、
より大きな効果が得られる。
【0072】また、この発明の加速度センサは、第1・
第2の位相差検出回路に入力する箇所に位相調整回路を
設けて、それらの基準信号の位相を調整することによ
り、位相差信号処理回路での、位相差に対する加速度検
出結果の対応を最適化することができ、加速度検出精度
を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係る加速度センサの全体の構
成を示すブロック図
【図2】圧電振動子の外観斜視図
【図3】圧電振動子の分解斜視図
【図4】圧電振動子の要部の分解斜視図
【図5】第1の実施形態に係る加速度センサの全体の回
路図
【図6】同加速度センサの各部の波形図
【図7】同加速度センサの各部の波形図
【図8】位相差検出回路および差動増幅回路の出力電圧
と加速度との関係を示す図
【図9】第2の実施形態に係る加速度センサの全体の構
成を示すブロック図
【図10】同加速度センサにおける帰還信号処理回路の
回路図
【図11】第3の実施形態に係る加速度センサの全体の
構成を示すブロック図
【図12】第4の実施形態に係る加速度センサの全体の
構成を示すブロック図
【図13】同加速度センサにおける帰還信号処理回路の
回路図
【図14】第5の実施形態に係る加速度センサの位相差
検出回路の構成を示す回路図
【図15】同位相差検出回路の波形図
【符号の説明】
s、s1,s2−圧電振動子 2,3−加速度検出素子 5−ケース部材 6−カバー部材 20,30−共振子 23,33−ベース板

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 加速度によって加わる応力の方向が互い
    に逆である2つの圧電振動子(s1,s2)を備えた加
    速度センサであって、 前記圧電振動子(sl)を含むインピーダンス回路(Z
    1)、前記圧電振動子(s2)を含むインピーダンス回
    路(Z2)、コンデンサ(Cl)を含む負荷インピーダ
    ンス回路(Z3)、およびコンデンサ(C2)を含む負
    荷インピーダンス回路(Z4)を備え、(Z1)・(Z
    2)を接続点(p1)に、(Z1)・(Z3)を接続点
    (p2)に、(Z2)・(Z4)を接続点(p3)に、
    (Z3)・(Z4)を接続点(p4)に、それぞれ接続
    し、接続点(p4)を基準電位としたブリッジ回路と、 接続点(p2)と(p3)との間に設けた分圧インピー
    ダンス回路と、 該分圧インピーダンス回路の分圧点(p5)の信号を接
    続点(p1)に帰還する帰還信号処理回路とによって発
    振回路を構成し、 接続点(p2)と(p3)との発振出力位相差を検出し
    て加速度検出信号を出力する位相差信号処理回路を設け
    て成る加速度センサ。
  2. 【請求項2】 加速度によって加わる応力の方向が互い
    に逆である2つの圧電振動子(s1,s2)を備えた加
    速度センサであって、 前記圧電振動子(sl)を含むインピーダンス回路(Z
    1)、前記圧電振動子(s2)を含むインピーダンス回
    路(Z2)、コンデンサ(Cl)を含む負荷インピーダ
    ンス回路(Z3)、およびコンデンサ(C2)を含む負
    荷インピーダンス回路(Z4)を備え、(Z1)・(Z
    2)を接続点(p4)に、(Z1)・(Z3)を接続点
    (p2)に、(Z2)・(Z4)を接続点(p3)に、
    (Z3)・(Z4)を接続点(p1)に、それぞれ接続
    し、接続点(p4)を基準電位としたブリッジ回路と、 接続点(p2)と(p3)との間に設けた分圧インピー
    ダンス回路と、 該分圧インピーダンス回路の分圧点(p5)の信号を接
    続点(p1)に帰還する帰還信号処理回路とによって発
    振回路を構成し、 接続点(p2)と(p3)との発振出力位相差を検出し
    て加速度検出信号を出力する位相差信号処理回路を設け
    て成る加速度センサ。
  3. 【請求項3】 前記帰還信号処理回路は、前記分圧点の
    信号を増幅する増幅器と、帰還信号の位相をシフトさせ
    る位相シフト回路とから構成した請求項1または2に記
    載の加速度センサ。
  4. 【請求項4】 前記分圧インピーダンス回路は、複数の
    抵抗を直列接続して成る抵抗分圧回路である請求項1、
    2または3に記載の加速度センサ。
  5. 【請求項5】 前記位相差信号処理回路は、前記分圧点
    (p5)の信号を基準信号とし、該基準信号と前記接続
    点(p2)の信号との位相差を検出する第1の位相差検
    出回路と、前記基準信号と前記接続点(p3)の信号と
    の位相差を検出する第2の位相差検出回路と、第1・第
    2の位相差検出回路の出力を差動増幅する差動増幅回路
    とから構成した請求項1〜4のうちいずれかに記載の加
    速度センサ。
  6. 【請求項6】 前記位相差信号処理回路は、前記接続点
    (p1)の信号を基準信号とし、該基準信号と前記接続
    点(p2)の信号との位相差を検出する第1の位相差検
    出回路と、前記基準信号と前記接続点(p3)の信号と
    の位相差を検出する第2の位相差検出回路と、第1・第
    2の位相差検出回路の出力を差動増幅する差動増幅回路
    とから構成した請求項1〜4のうちいずれかに記載の加
    速度センサ。
  7. 【請求項7】 前記位相差信号処理回路は、前記帰還信
    号処理回路内の位相シフト回路と増幅回路との接続点
    (p6)の信号を基準信号とし、該基準信号と前記接続
    点(p2)の信号との位相差を検出する第1の位相差検
    出回路と、前記基準信号と前記接続点(p3)の信号と
    の位相差を検出する第2の位相差検出回路と、第1・第
    2の位相差検出回路の出力を差動増幅する差動増幅回路
    とから構成した請求項1〜4のうちいずれかに記載の加
    速度センサ。
  8. 【請求項8】 前記第1・第2の位相差検出回路に入力
    する、前記基準信号の位相を調整する位相調整回路を設
    けた請求項5、6または7に記載の加速度センサ。
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