JP2007327781A - 振動センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出感度の温度特性を安定して補償することが可能な振動センサを提供すること。
【解決手段】本発明は、振動体（１０）と、振動体を機械振動させる駆動回路（２０）と、駆動回路（２０）の駆動信号（Ｓ１）に関する参照信号（Ｓ３）を参照し、振動体（１０）の機械振動に関する検出信号（Ｓ４）に基づき振動体（１０）の物理状態を検出する検出回路（３０）と、を有しており、参照信号（Ｓ３）と検出信号（Ｓ４）との位相差の温度特性は、機械振動に対する検出信号（Ｓ４）の検出感度の温度特性の少なくとも一部を補償するように設定されていることを特徴とする振動センサである。
【選択図】図３

Description

本発明は振動センサに関し、特に温度特性を補償する機能を有する振動センサに関する。

加速度センサや角速度センサ等の振動センサは振動体を有し、振動体の振動を検知することにより、加速度や角速度を検知するセンサである。例えば、角速度センサは、カーナビゲーションシステムやデジタルカメラの手振れ防止等に用いられている。振動センサにおいては、振動体は圧電体からなり、振動体の振動を電気信号に変換し振動体の振動を検知する。しかしながら、雰囲気温度が変化すると振動体の機械振動を電気信号に変換する検出感度が変化してしまう。例えば、図１は温度に対する角速度センサの検出感度を示した図である。この例では検出感度は負の温度特性を有する。特許文献１には、検出感度の温度特性を補償するため、図２に示す差動増幅回路６０を振動センサの出力に接続する技術が開示されている。特許文献１の技術によれば、図２の抵抗Ｒ１やＲ２の抵抗値の温度特性を用い検出感度の温度特性を補償するものである。
特開平１１−１４８８２９号公報

しかしながら、特許文献１においては、温度特性を有する抵抗として拡散抵抗を用いているが、拡散抵抗は、量産時に安定した抵抗値の温度特性を得ることが難しい。また、拡散抵抗に温度特性を持たせると、差動増幅回路自体も温度特性を有することになってしまう。このように、従来、検出感度の温度特性の安定した温度補償は困難であった。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、検出感度の温度特性を安定して補償することが可能な振動センサを提供することを目的とする。

本発明は、振動体と、前記振動体を機械振動させる駆動回路と、前記駆動回路の駆動信号に関する参照信号を参照し、前記振動体の機械振動に関する検出信号に基づき前記振動体の物理状態を検出する検出回路と、前記駆動回路とグランドとの間に接続されるキャパシタを具備し、前記キャパシタの容量値の温度特性は、前記機械振動に対する前記検出信号の検出感度の温度特性の少なくとも一部を補償するように設定されていることを特徴とする振動センサである。本発明によれば、キャパシタの容量値の温度特性を用いることで、検出感度の温度特性を安定して補償することが可能な振動センサを提供することができる。

本発明は、振動体と、前記振動体を機械振動させる駆動回路と、前記駆動回路の駆動信号に関する参照信号を参照し、前記振動体の機械振動に関する検出信号に基づき前記振動体の物理状態を検出する検出回路と、を具備し、前記参照信号と前記検出信号との位相差の温度特性は、前記機械振動に対する前記検出信号の検出感度の温度特性の少なくとも一部を補償するように設定されていることを特徴とする振動センサである。本発明によれば、参照信号と検出信号との位相差の温度特性を用い、検出感度の温度特性を安定して補償することができる。

上記構成において、前記駆動回路とグランドとの間に接続されるキャパシタを具備し、前記位相差の温度特性は、前記キャパシタの容量値の温度特性により規定されている構成とすることができる。上記構成によれば、容量値の温度特性の異なるキャパシタは簡単に入手できるため、簡単に、検出感度の温度特性を補償することができる。

上記構成において、前記駆動信号の位相を変換する移相器を具備し、前記位相差の温度特性は、前記移相器の位相の温度特性により規定されている構成とすることができる。

上記構成において、前記駆動信号の位相を変換する移相器を具備し、前記位相差の温度特性は、前記キャパシタの容量値の温度特性および前記移相器の位相の温度特性により規定されている構成とすることができる。この構成によれば、検出感度の大きい温度特性を補償することができる。

上記構成において、前記キャパシタは脱着可能である構成とすることができる。この構成によれば、検出感度の温度特性を一層厳密に補償することができる。

上記構成において、前記検出回路の出力信号は、前記参照信号と前記検出信号との位相差が基準位相差の場合、最大となり、前記検出感度は負の温度特性を有し、前記位相差は、温度上昇に伴い前記基準位相差に近づくように設定されている構成とすることができる。この構成によれば、参照信号と検出信号との位相差の温度特性を用い、検出感度の温度特性を補償することができる。

上記構成において、前記検出回路の出力信号は、前記参照信号と前記検出信号との位相差が基準位相差の場合、最大となり、前記検出感度は正の温度特性を有し、前記位相差は、温度上昇に伴い前記基準位相差から遠のくように設定されている構成とすることができる。この構成によれば、参照信号と検出信号との位相差の温度特性を用い、検出感度の温度特性を補償することができる。

上記構成において、前記振動体の前記物理状態は、前記振動体の振動である構成とすることができる

本発明によれば、検出感度の温度特性を安定して補償することが可能な振動センサを提供することができる。

以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。

実施例１は振動体として音叉型振動子を用いた角速度センサの例である。図３は実施例１に係る角速度センサの振動体１０（音叉型振動子）、駆動回路２０および検出回路３０のブロック図である。音叉型振動子である振動体１０の駆動電極１５ａはキャパシタ５０を介し接地されている。駆動電極１５ａとキャパシタ５０との間のノードＮ１には駆動回路２０が接続されている。つまり、駆動回路２０とグランドとの間にキャパシタ５０が接続される。駆動回路２０は、位相を９０°遅らせる移相器２２（つまり駆動信号の位相を変換する移相器）と、移相器２２の出力信号Ｓ２の位相を反転し増幅する反転増幅器２４から構成される。駆動回路２０の出力は振動体１０の駆動電極１４ａに入力する。振動体１０の検出電極１２ａ、１２ｂおよび１１ｃはノードＮ３で共通に接続され、検出電極１１ａ、１１ｂおよび１２ｃはノードＮ４で共通に接続され、それぞれ検出回路３０内の差動増幅回路４０に入力する。差動増幅回路４０の出力である検出信号Ｓ４は検波器３２に入力する。駆動回路２０の反転増幅器２４の出力信号は検出回路３０の比較器２３により矩形波に変換され、参照信号Ｓ３として検波器３２に入力する。検出回路３０は、差動増幅回路４０、比較器２３、検波器３２および増幅器３４を有し、参照信号Ｓ３と振動体１０からの２つの出力信号の差動信号である検出信号Ｓ４より出力信号Ｓ５を出力する。

図４（ａ）および図４（ｂ）は音叉型振動子である振動体１０の電極パターンを示す図である。振動体１０は例えばＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム）またはＬｉＴａＯ_３（タンタル酸リチウム）等の圧電性材料より形成されている。例えばＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム）またはＬｉＴａＯ_３（タンタル酸リチウム）を用いる場合は、１３０°から１４０°Ｙ板を用いることにより、高ｋ２３電気機械結合係数を得ることができる。振動体１０の表面にはＡｕ、ＡｌまたはＣｕ等の金属膜を用いた電極が形成されている。

図４（ａ）は振動体１０の表側を示し、図４（ｂ）は裏側を示す。アーム部１１には検出電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃが設けられている。検出電極１１ａと１１ｂは電極１１ｄで接続されている。検出電極１１ａには引出し電極１１ｆが設けられている。電極１１ｃは、引出し電極１１ｅに接続されている。同様に、アーム部１２には、検出電極１２ａ、１２ｂ、１２ｃが設けられている。検出電極１２ａと１２ｂは電極１２ｄで接続されている。電極１２ａには引出し電極１２ｆが設けられている。電極１２ｃは、引出し電極１２ｅに接続されている。振動体１０の表面には駆動電極１４ａが設けられ、引出し電極１４ｂに接続されている。同様に、裏面には駆動電極１５ａが設けられ、引出し電極１５ｂに接続されている。

図５（ａ）および図５（ｂ）は振動体１０の駆動モードと検出モードを説明するための図である。図５（ａ）を参照に、振動体１０の駆動電極１４ａおよび１５ｂに駆動信号を印加することによりにアーム部１１および１２が互いに開閉するような振動モードを発生させる。この振動はアーム部１１および１２方向の面に平行な振動である。ここで検知軸に対し角速度が加わると、コリオリ力により図５（ｂ）のようなアーム部１１および１２が前後に振動する振動モードが現れる。この振動はアーム部１１および１２方向の面に垂直なツイスト振動である。図３の差動増幅回路４０が、ノードＮ３とＮ４との電位差を検出信号Ｓ４として検出することにより、振動体１０の機械振動を電気信号として検出することができる。特に、Ｎ３とＮ４の電位差が最大となる時間は図５（ａ）において、アーム部１１、１２の振幅が最大となるタイミングである。したがって、アーム部１１、１２の振幅が最大となる時間と同期させ、Ｎ３とＮ４との位相差を検出する方法が、効率がよい。つまりＳ／Ｎ比がよい。

図６（ａ）から図６（ｃ）は、アーム部１１、１２の振幅最大時間と同期した検出を可能とするための、図３における各信号の波形を示す図である。図６（ａ）は、振動体１０の駆動電極１５ａから出力される駆動信号Ｓ１を示している。アーム部１１、１２の振幅が最大となるタイミングは駆動信号Ｓ１の振幅最大の時間から９０°位相が遅れた時間である。したがって、移相器２２において、駆動信号Ｓ１の位相を９０°遅らせ、図６（ｂ）のような信号Ｓ２を出力する。反転増幅器２４は、入力信号Ｓ２の位相を反転させ、増幅した信号を出力する。さらに、比較器２３で図６（ｃ）のような矩形波を出力する。比較器２３の出力は検波器３２に参照信号Ｓ３として入力する。反転増幅器２４の出力は振動体１０の駆動電極１４ａに入力する。振動体１０の駆動電極１４ａと１５ａとでは位相が９０°遅れる。このように、振動体１０から駆動回路２０を経由し振動体１０に至るループでは位相が３６０°回転している。このため、駆動信号Ｓ１は発振し、振動体１０を図５（ａ）のように振動させる。このように、駆動回路２０は振動体１０を機械振動させる回路である。

図７（ａ）から図７（ｃ）は検出回路３０の動作を説明するための図である。振動体１０がコリオリ力を受け図５（ｂ）のように振動すると、図３の振動体１０のノードＮ３とＮ４との間に電位差が発生する。差動増幅回路４０がノードＮ３とＮ４との電位差を検出信号Ｓ４として検波器３２に出力する。図７（ａ）は検出回路３０の検波器３２に入力する参照信号Ｓ３、図７（ｂ）は検出信号Ｓ４を示している。参照信号Ｓ３と検出信号Ｓ４とはほぼ同期している。検波器３２は参照信号Ｓ３のハイレベルの間の検出信号Ｓ４を積算し出力する。つまり、図７（ｂ）のハッチング部分の面積に相当する出力を行う。増幅器３４がこの出力を増幅し、検出回路３０の出力信号Ｓ５として出力する。図７（ｃ）のように検出信号Ｓ４の振幅が小さくなると、出力信号Ｓ５は小さくなる。反対に、検出信号Ｓ４の振幅が大きくなると、出力信号Ｓ５は大きくなる。このように、検出回路３０は、駆動回路２０の駆動信号Ｓ１に関する参照信号Ｓ３を参照し、振動体１０の機械振動に関する検出信号Ｓ４に基づき振動体１０の振動の振幅（物理状態）を検出する回路である。つまり、検出信号Ｓ４と同期した参照信号Ｓ３を用い、検出信号Ｓ４の振幅に関係した出力信号Ｓ５を出力する回路である。

図８（ａ）から図８（ｄ）に示すように、参照信号Ｓ３と検出信号Ｓ４との位相差に起因し出力信号Ｓ５は変化する。図８（ａ）は参照信号Ｓ３を示している。図８（ｂ）から図８（ｄ）はそれぞれ位相の異なる検出信号Ｓ４を示している。出力信号Ｓ５は図８（ｃ）のとき最大となる。このときの参照信号Ｓ３と検出信号Ｓ４との位相差を基準位相差とする。参照信号Ｓ３が矩形波、検出信号Ｓ４が三角関数波の場合は基準位相差は位相差が０°の場合である。図８（ｂ）および図８（ｄ）のように、参照信号Ｓ３と検出信号Ｓ４との位相差が基準位相差からずれると、参照信号Ｓ３と同期した検出信号Ｓ４の面積（ハッチング部分）は図８（ｃ）より小さくなる。つまり、出力信号Ｓ５は小さくなる。出力信号Ｓ５の検出信号Ｓ４に対する感度である出力感度を参照信号Ｓ３と検出信号Ｓ４との位相差に対し示すと図９となる。基準位相差のとき出力感度は最大となり、基準位相差から位相差がずれると出力感度は低下する。ここで、位相差は参照信号Ｓ３に対し検出信号Ｓ４が進んでいる場合プラス、遅れている場合マイナスで表す。

図３のキャパシタ５０の容量値を変化させると、図１０のように参照信号Ｓ３に対して検出信号Ｓ４の位相が変化することがわかった。図１０においてはａ、ｂ、ｃに従いキャパシタ５０の容量値を小さくしている。すなわち、キャパシタの容量値を小さくすると検出信号Ｓ４の位相が遅れる。これは、キャパシタ５０の容量値により機械振動の位相が変化するためと考えられる。

図１１はキャパシタの種類による静電容量値の温度特性を示す図である。キャパシタは負の温度特性を有しており、キャパシタの種類としてＡからＦを選択することにより温度係数の異なるキャパシタを選択することができる。

キャパシタの容量値が負の温度特性を有する場合、温度が上昇すると、キャパシタ５０の容量値は小さくなる。したがって、図１０より検出信号Ｓ４の位相は遅れる。よって、図９の位相差はマイナスの方へ動く。そこで、参照信号Ｓ３と検出信号Ｓ４との位相差を、例えばキャパシタ５０の容量値を選択することにより、図９中のＸのように、基準位相差より大きく設定しておく。そうすると、温度が上昇すると図９の矢印ｘのように出力感度は増加する。例えば、出力感度が位相差に対する余弦関数としたとき、位相差が５０°のＸ１とし、図１１のキャパシタＡ（−７５０ｐｐｍ／℃の温度特性を有する）を用いると、出力感度に９４５ｐｐｍ／℃の温度特性を持たせることができる。一方、参照信号Ｓ３と検出信号Ｓ４との位相差を図９中のＹのように、基準位相差より小さく設定しておく。そうすると、温度が上昇すると図９の矢印ｙのように出力感度は低下する。例えば、位相差−４０°のＹ１とし、キャパシタＡを用いると、出力感度に−９０５ｐｐｍ／℃の温度特性を持たせることができる。

以上のように、出力感度の温度特性により機械振動に対する検出信号の検出感度の温度特性を補償することができる。すなわち、検出感度が負の温度特性を有する場合、位相差は雰囲気温度上昇にともない基準位相差に近づくように設定する。一方、検出感度が正の温度特性を有する場合、位相差は雰囲気温度上昇にともない基準位相差から遠のくように設定する。これにより、検出感度の温度変化を出力感度の温度特性で補償することができる。

以上のように、実施例１によれば、参照信号Ｓ３と検出信号Ｓ４との位相差の温度特性は、検出感度の温度特性を補償するように設定する。これにより、特許文献１のように抵抗を用いることなく、検出感度の温度特性を安定して補償することができる。なお、位相差の温度特性は、検出感度の温度特性の少なくとも一部を補償していればよい。つまり、出力信号Ｓ５の温度特性が検出感度の温度特性より小さくなっていれば、検出感度の温度特性を補償する効果がある。また、キャパシタ５０の容量値の温度特性は、検出感度の温度特性の少なくとも一部を補償するように設定されている。つまり、位相差の温度特性は、キャパシタ５０の容量値の温度特性により規定されている。温度特性の異なるキャパシタは図１１のように、容易に入手することができる。よって、簡単に、検出感度の温度特性を補償することができる。

さらに、キャパシタ５０を脱着可能とすることにより、個々の振動体１０の検出感度に合わせ容量値の温度係数の異なるキャパシタを選択し、キャパシタ５０として用いることができる。これにより、検出感度の温度特性を一層厳密に補償することができる。

実施例２は移相器の位相の温度特性を用いて検出感度の温度補償を行う例である。図１２（ａ）から図１２（ｄ）は、検出信号Ｓ４の位相は変化せず、参照信号Ｓ３の位相が変化した場合を示している。図１２（ａ）は参照信号Ｓ３を示している。参照信号Ｓ３２のとき検出信号Ｓ４との位相は一致しており、図１２（ｃ）のように、出力信号Ｓ５は最大となる。すなわち、このときの位相差が基準位相差である。参照信号Ｓ３１のとき参照信号Ｓ３の位相は検出信号Ｓ４の位相より進んでいる。参照信号Ｓ３３のとき参照信号Ｓ３の位相は検出信号Ｓ４の位相より遅れている。よって、参照信号Ｓ３１およびＳ３３のときはそれぞれ図１２（ｂ）および図１２（ｄ）のように、出力信号Ｓ５は小さくなる。このように、参照信号Ｓ３の位相を変化させることによっても、図８のように出力感度を変化させることができる。

参照信号Ｓ３の位相に温度依存を持たせる方法を図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示す。図１３（ａ）は入力端子ｉｎと出力端子ｏｕｔとに直列に抵抗Ｒ３、Ｒ４、並列にキャパシタＣ１、Ｃ２を接続した移相器の例である。ここで、抵抗Ｒ３およびＲ４の抵抗値を１５ｋΩ、温度係数が１４００ｐｐｍ／℃、キャパシタＣ１およびＣ２の容量値を１ｎＦ、温度係数が０とし、位相特性を計算した。図１３（ｂ）は計算結果であり、周波数に対する位相特性を示す。周波数１０ｋＨｚのとき、温度が−２５℃では移相器２２による位相変化は−９０°、温度が７５℃では−８４°となる。実施例１と同様に、例えば、出力感度が位相差に対する余弦関数としたとき、参照信号Ｓ３と検出信号Ｓ４との位相差が５０°のＸ１とし、図１３（ａ）の移相器を用いると、出力感度に１６１１ｐｐｍ／℃の温度特性を持たせることができる。同様に、位相差を−４０°のＹ１とすると、出力感度に−１７１２ｐｐｍ／℃の温度特性を持たせることができる。

実施例２のように、位相差の温度特性は、移相器２２の位相の温度特性により規定することもできる。これにより、位相差の温度特性を用い、検出感度の温度特性を補償することができる。また、実施例１のように、位相差の温度特性をキャパシタ５０の容量値の温度特性に加え、移相器２２の位相の温度特性により規定することもできる。これにより、検出感度の温度特性が大きい場合も、キャパシタ５０と移相器２２との両方の温度特性を用い、検出感度の温度特性を補償することができる。さらに、参照信号Ｓ３と検出信号Ｓ４との位相差の温度特性は、実施例１および実施例２以外の方法を用いて規定してよい。

実施例１および実施例２は振動体１０の物理状態として、振動の振幅を検出する例であったが、物理状態として、例えば静電容量センサのように容量変化を伴うセンサにおいても、本発明を用いることができる。また、振動センサとして角速度センサの例であったが、例えば加速度センサ等に用いることもできる。さらに、振動体１０として音叉型振動子を例に説明したが、音片型振動子等、他の振動子を用いることもできる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

図１は検出感度の温度依存性の例を示す図である。 図２は従来の検出感度の温度特性の補償のための回路の例である。 図３は実施例１に係る角速度センサのブロック図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）は振動体の表面の電極パターンを示す図である 図５（ａ）および図５（ｂ）は振動体の振動モードを示す図である。 図６（ａ）から図６（ｃ）は駆動回路内の各信号の波形を示す模式図である。 図７（ａ）から図７（ｃ）は検出回路の動作を説明するための図である。 図８（ａ）から図８（ｄ）は、検出信号Ｓ４の位相が変化した場合の出力信号を示す図である。 図９は参照信号Ｓ３と検出信号Ｓ４との位相差に対する出力感度を示す図である。 図１０はキャパシタ５０の容量値を変化させたときの検出信号Ｓ４の波形の模式図である。 図１１はキャパシタの種類による静電容量の温度特性を示す図である。 図１２（ａ）から図１２（ｄ）は、参照信号Ｓ３の位相が変化した場合の出力信号を示す図である。 図１３（ａ）は移相器の回路図、図１３（ｂ）は各温度における位相変化の計算結果を示す図である。

符号の説明

１０ 振動体
１１、１２ アーム部
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ検出電極
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ検出電極
１４ａ、１５ａ 駆動電極
１３ ベース部
１７、１８ 領域
２０ 駆動回路
２２ 移相器
２３ 比較器
２４ 反転増幅器
３０ 検出回路
３２ 検波器
３４ 増幅器
４０ 差動増幅回路
５０ キャパシタ

Claims (9)

1. 振動体と、
   前記振動体を機械振動させる駆動回路と、
   前記駆動回路の駆動信号に関する参照信号を参照し、前記振動体の機械振動に関する検出信号に基づき前記振動体の物理状態を検出する検出回路と、
   前記駆動回路とグランドとの間に接続されるキャパシタを具備し、
   前記キャパシタの容量値の温度特性は、前記機械振動に対する前記検出信号の検出感度の温度特性の少なくとも一部を補償するように設定されていることを特徴とする振動センサ。
2. 振動体と、
   前記振動体を機械振動させる駆動回路と、
   前記駆動回路の駆動信号に関する参照信号を参照し、前記振動体の機械振動に関する検出信号に基づき前記振動体の物理状態を検出する検出回路と、を具備し、
   前記参照信号と前記検出信号との位相差の温度特性は、前記機械振動に対する前記検出信号の検出感度の温度特性の少なくとも一部を補償するように設定されていることを特徴とする振動センサ。
3. 前記駆動回路とグランドとの間に接続されるキャパシタを具備し、
   前記位相差の温度特性は、前記キャパシタの容量値の温度特性により規定されていることを特徴とする請求項２記載の振動センサ。
4. 前記駆動信号の位相を変換する移相器を具備し、
   前記位相差の温度特性は、前記移相器の位相の温度特性により規定されていることを特徴とする請求項２記載の振動センサ。
5. 前記駆動信号の位相を変換する移相器を具備し、
   前記位相差の温度特性は、前記キャパシタの容量値の温度特性および前記移相器の位相の温度特性により規定されていることを特徴とする請求項３記載の振動センサ。
6. 前記キャパシタは脱着可能であることを特徴とする請求項１または３記載の振動センサ。
7. 前記検出回路の出力信号は、前記参照信号と前記検出信号との位相差が基準位相差の場合、最大となり、
   前記検出感度は負の温度特性を有し、
   前記位相差は、温度上昇に伴い前記基準位相差に近づくように設定されていることを特徴とする請求項２から５のいずれか一項記載の振動センサ。
8. 前記検出回路の出力信号は、前記参照信号と前記検出信号との位相差が基準位相差の場合、最大となり、
   前記検出感度は正の温度特性を有し、
   前記位相差は、温度上昇に伴い前記基準位相差から遠のくように設定されていることを特徴とする請求項２から５のいずれか一項記載の振動センサ。
9. 前記振動体の前記物理状態は、前記振動体の振動であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の振動センサ。
   

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