JP2008151631A - Acceleration detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は音叉型振動素子を検出センサとして用いた加速度検出装置に関するものである。 The present invention relates to an acceleration detection device using a tuning fork type vibration element as a detection sensor.
近年、加速度を検出する加速度センサは、次世代の自動車、ロボット、宇宙産業など幅広い応用を目指して研究、開発が行われている。民生機器向けに開発されている加速度センサは、加速度検知機構を半導体プロセスにより作製したMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)センサが良く知られている。
一方、例えば気体や液体などの圧力の測定を行う圧力センサ等においてはMEMSセンサ以外にも音叉型振動子を利用したものが開発されている。
In recent years, acceleration sensors that detect acceleration have been researched and developed for a wide range of applications such as next-generation automobiles, robots, and the space industry. As an acceleration sensor developed for consumer equipment, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensor in which an acceleration detection mechanism is manufactured by a semiconductor process is well known.
On the other hand, for example, pressure sensors for measuring pressures of gases and liquids have been developed using tuning fork vibrators in addition to MEMS sensors.
図8は、特許文献1に開示されている従来の振動式センサ回路の構成を示した図である。図8に示す従来のセンサ回路100は、センサ部101とドライブ回路102により構成される。センサ部101はセンサ素子である振動子101a、アンプ101b、整流回路101cを有して構成される。振動子101aは、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT:lead zirconium titanate)が組付けられた振動子である。
ドライブ回路102は、電圧制御発振器102a、アンプ102b、位相比較器102cを有して構成される。このように構成されるセンサ回路100では、センサ部101の振動子101aがドライブ回路部102の電圧制御発振器102aにより駆動される。
ここで、振動子101aが物理的な応力(圧力)を受けると、振動子101aの共振周波数が変化する。振動子101aの共振周波数が変化すると、ドライブ回路102の位相比較器102cから出力される出力信号の位相が変動する。これにより、電圧制御発振器102aの出力信号は振動子101aの共振周波数と一致するように制御され、振動子101aは応力に応じた共振周波数で振動することになる。よって、ライン104または103の出力を検知信号として取り出すことで振動子101aが受けた応力値を検知することができる。
The
Here, when the
ところで、上記したような振動式センサ回路100を加速度センサとして移動物体等に搭載した場合、移動物体の移動時に受ける加速以外の衝撃により振動子101aの共振周波数が急激に変動すると、位相比較器102cの出力信号も急激に変動することになる。 しかしながら、図8に示す振動式センサ回路100は、振動子101aの出力に基づく位相比較結果を電圧制御発振器102aにフィードバックするPLL制御構成であるため、位相比較器102cの出力信号が急激に変動した場合は電圧制御発振器102aがPLL制御に追従することができなくなる結果、電圧制御発振器102aの発振が停止する不具合が発生するおそれがあった。このため、従来の振動式センサ回路100を用いて加速検出装置を構成することはできなかった。
本発明は上記したような点を鑑みてなされたものであり、加速度以外の衝撃を受けた場合でも安定して動作する加速度検出装置を提供することを目的とする。
By the way, when the
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide an acceleration detection device that operates stably even when subjected to an impact other than acceleration.
上記目的を達成するため、本発明の加速度検出装置は、第1の音叉型振動素子を共振素子として備えた発振回路と、第2の音叉型振動素子と電圧制御型可変容量回路とを備え、第2の音叉型振動素子及び前記電圧制御型可変容量回路により決定される共振周波数に基づいて発振回路から出力される出力信号を移相する共振回路と、発振回路から出力される出力信号と前記共振回路から出力される出力信号の位相を比較する位相比較回路と、位相比較回路から出力される位相差信号を直流化して出力するローパスフィルタと、ローパスフィルタから出力される出力信号を微分する微分回路と、時定数回路を備えローパスフィルタ以降の出力信号に応じた制御電圧を電圧制御型可変容量回路にフィードバックする直流サーボ回路と、を備え、第1及び第2の音叉型振動素子は、それぞれ並列に配置された2本の振動腕と、2本の振動腕の延長方向一端を結合する結合部とを有し、第1及び第2の音叉型振動素子の各振動腕の延長方向を加速度検出方向と一致させ、且つ、前記第1及び第2の音叉型振動素子を対向配置したうえで、微分回路から出力される出力信号を加速度検出信号として出力することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an acceleration detection apparatus of the present invention includes an oscillation circuit including a first tuning fork type vibration element as a resonance element, a second tuning fork type vibration element, and a voltage-controlled variable capacitance circuit. A resonance circuit that shifts an output signal output from the oscillation circuit based on a resonance frequency determined by the second tuning-fork type vibration element and the voltage-controlled variable capacitance circuit; an output signal output from the oscillation circuit; A phase comparison circuit that compares the phase of the output signal output from the resonance circuit, a low-pass filter that converts the phase difference signal output from the phase comparison circuit into a direct current, and a differentiation that differentiates the output signal output from the low-pass filter A DC servo circuit that includes a circuit and a time constant circuit that feeds back a control voltage corresponding to an output signal after the low-pass filter to a voltage-controlled variable capacitance circuit; And the second tuning-fork type vibrating element has two vibrating arms arranged in parallel with each other, and a coupling portion for coupling one end in the extension direction of the two vibrating arms, and the first and second tuning-fork type The extension direction of each vibration arm of the vibration element is made to coincide with the acceleration detection direction, and the first and second tuning fork type vibration elements are arranged opposite to each other, and the output signal output from the differentiation circuit is used as the acceleration detection signal. It is characterized by outputting.
このような本発明によれば、第1の音叉型振動素子を共振子として備えた発振回路の出力信号と、第1の音叉型振動素子とは加速度方向において対向配置された第2の音叉型振動素子を備えた共振回路の出力信号との位相を位相比較回路で比較し、その位相比較結果をローパスフィルタにより直流化し、さらに微分回路で微分するようにした。これにより、発振回路に共振子として備えた第1の音叉型振動素子と、共振回路に共振子として備えた第2の音叉型振動素子とを利用して加速度を検出することが可能になる。
また本発明によれば、電圧制御型発振回路を備えていないので、従来の振動式センサ回路のように、加速度以外の強い衝撃が加わった場合でも発振が停止するといったことがない。
According to the present invention as described above, the output signal of the oscillation circuit including the first tuning fork type vibration element as a resonator and the first tuning fork type vibration element are arranged so as to face each other in the acceleration direction. The phase of the output signal of the resonance circuit provided with the vibration element is compared with a phase comparison circuit, and the phase comparison result is converted into a direct current by a low-pass filter and further differentiated by a differentiation circuit. This makes it possible to detect acceleration using the first tuning fork type vibration element provided as the resonator in the oscillation circuit and the second tuning fork type vibration element provided as the resonator in the resonance circuit.
Further, according to the present invention, since the voltage controlled oscillation circuit is not provided, the oscillation does not stop even when a strong impact other than acceleration is applied unlike the conventional vibration sensor circuit.
また本発明の加速度検出装置は、発振回路と位相比較回路との間に設けられ、発振回路の出力信号を矩形化して出力する第1の矩形化回路と、共振回路と位相比較回路との間に設けられ、共振回路の出力信号を矩形化して出力する第2の矩形化回路と、を備えたことを特徴とする。
このような本発明によれば、位相比較回路の前段に第1及び第2の矩形化回路を設けたことで位相比較回路において精度の高い位相比較を行うことが可能になる。
In addition, the acceleration detection device of the present invention is provided between the oscillation circuit and the phase comparison circuit, and between the resonance circuit and the phase comparison circuit, the first rectangularization circuit that outputs the rectangular output signal of the oscillation circuit. And a second rectangular circuit that outputs a rectangular output signal of the resonance circuit.
According to the present invention as described above, the first and second rectangularization circuits are provided in the previous stage of the phase comparison circuit, so that the phase comparison circuit can perform highly accurate phase comparison.
また本発明の加速度検出装置は、発振回路と共振回路との間に設けられ、発振回路の出力信号を移相する移相回路を備えたことを特徴とする。
このような本発明によれば、発振回路から分岐して出力される出力信号の一方を位相比較回路の位相特性に併せて移相回路により移相することで、位相比較回路において精度の高い位相比較を行うことが可能になる。
According to another aspect of the present invention, there is provided an acceleration detecting apparatus including a phase shift circuit that is provided between the oscillation circuit and the resonance circuit and shifts an output signal of the oscillation circuit.
According to the present invention as described above, one of the output signals branched and output from the oscillation circuit is phase-shifted by the phase-shift circuit in accordance with the phase characteristics of the phase-comparison circuit, so that the phase comparison circuit has a highly accurate phase. A comparison can be made.
本発明の加速度検出装置は、移相回路が90°移相回路であることを特徴とする。
このような本発明によれば、発振回路から分岐して出力される出力信号の一方を、位相比較回路の位相特性に併せて90°移相することで、位相比較回路から出力される位相差信号により加速度の向き検出することが可能になる。
本発明の加速度検出装置は、第1及び第2の音叉型振動素子は双音叉型振動素子であることを特徴とする。このような本発明によれば、音叉型振動素子の応力感度を高めることができる。
In the acceleration detecting device of the present invention, the phase shift circuit is a 90 ° phase shift circuit.
According to the present invention, the phase difference output from the phase comparison circuit is shifted by 90 ° in accordance with the phase characteristic of the phase comparison circuit. The direction of acceleration can be detected by the signal.
The acceleration detecting apparatus of the present invention is characterized in that the first and second tuning fork type vibration elements are double tuning fork type vibration elements. According to the present invention, the stress sensitivity of the tuning fork type vibration element can be increased.
また本発明の加速度検出装置は、直流サーボ回路が微分回路の出力信号に応じた制御電圧を電圧制御型可変容量回路にフィードバックすることを特徴とする。
このような本発明によれば、微分回路のドリフトを加味した補正が可能になる。
In the acceleration detecting device of the present invention, the DC servo circuit feeds back a control voltage corresponding to the output signal of the differentiating circuit to the voltage-controlled variable capacitance circuit.
According to the present invention as described above, it is possible to perform correction in consideration of the drift of the differentiation circuit.
また本発明の加速度検出装置は、微分回路から出力される出力信号を緩衝する緩衝増幅回路を備え、直流サーボ回路は、緩衝増幅回路の出力信号に応じた制御電圧を前記電圧制御型可変容量回路にフィードバックすることを特徴とする。
このような本発明によれば、緩衝増幅回路と微分回路のドリフトを加味して補正が可能になる。
The acceleration detecting device according to the present invention further includes a buffer amplifier circuit that buffers an output signal output from the differentiating circuit, and the DC servo circuit supplies a control voltage corresponding to the output signal of the buffer amplifier circuit to the voltage-controlled variable capacitance circuit. It is characterized by feeding back.
According to the present invention as described above, correction can be performed by taking into account the drift of the buffer amplifier circuit and the differential circuit.
以下図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る加速度検出装置の構成を示したブロック図である。
この図1に示す加速度検出装置1は、発振回路2、第1の矩形化回路(波形整形回路)3、90°移相回路4、共振回路5、可変容量回路5a、第2の矩形化回路(波形整形回路)6、位相比較回路7、ローパスフィルタ(以下、LPFと称する)8、微分回路9、緩衝増幅回路(以下、バッファアンプと称する)10、及び直流サーボ回路(以下、DCサーボ回路)11により構成される。
発振回路2は第1の音叉型水晶振動素子(第1の音叉型振動素子)20aを備える。第1の音叉型水晶振動素子20aは、共振子として機能すると共に、加速度を検出する加速度検出素子として機能する。発振回路2の出力信号は、分岐されて第1の矩形化回路3及び90°移相回路4に入力される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the acceleration detection device according to the first embodiment of the present invention.
The
The oscillation circuit 2 includes a first tuning-fork type crystal vibrating element (first tuning-fork type vibrating element) 20a. The first tuning-fork type
第1の矩形化回路3は、例えばコンパレータなどにより構成され、発振回路2から出力信号を矩形波信号に変換して出力する。
90°移相回路4は、発振回路2から出力される出力信号の位相を90°移相した後、共振回路5に出力する。なお、90°移相回路4の構成にもよるが、通常、90°移相回路4において移相可能な信号波形は正弦波とされるので発振回路2は出力信号波形が正弦波形となるように回路を構成することが望ましい。
共振回路5は、第2の音叉型水晶振動素子(第2の音叉型振動素子)20bと、電圧制御型の可変容量回路5aとを備え、第2の音叉型水晶振動素子20bと可変容量回路5aとにより決定される共振周波数に基づいて、90°移相回路4の出力信号を移相して出力する。可変容量回路5aは、例えば電圧制御型可変容量素子であるバリキャップダイオードにより構成される。
The first rectangularizing circuit 3 is constituted by a comparator, for example, and converts the output signal from the oscillation circuit 2 into a rectangular wave signal and outputs it.
The 90 ° phase shift circuit 4 shifts the phase of the output signal output from the oscillation circuit 2 by 90 °, and then outputs it to the
The
第2の矩形化回路6もまた、例えばコンパレータなどにより構成され、共振回路5から出力信号を矩形波信号に変換して出力する。
位相比較回路7は、例えば第1の矩形化回路3からの出力信号と、第2の矩形化回路6からの出力信号との位相を比較し、その比較結果を出力する。このとき、位相比較回路7は、90°の位相差を基準に位相比較を行って、その位相差を位相差信号として出力する。なお、位相比較回路7において位相比較を行う場合には、入力信号の少なくとも一方の波形が矩形である必要があるため、本実施形態では位相比較回路7の前段に夫々第1及び第2の矩形化回路3、6を設けるようにしているが少なくとも何れか一方だけでも良い。
また発振回路2の出力波形が矩形波であれば、第1及び第2の矩形化回路3、6は必ずしも設ける必要はない。但し、通常、90°移相回路4等に入力する信号波形を正弦波形にする必要があるため、90°移相回路4が設けられている場合にはVCXO2の出力波形を正弦波形とし、位相比較回路7に入力する際に第1、第2の矩形化回路3、6により矩形化することが望ましい。
更に、位相比較回路7に入力される2つの信号のレベルが一致していないと検波結果に2つの入力信号の位相差以外に信号レベルの差に基づく値も含まれてしまい正確な加速度検知結果を得ることができない可能性がある。
従って、このような不具合の発生を防止する為にも第1、第2の矩形化回路3、6により矩形化(波形整形)することが望ましい。
LPF8は、位相比較回路7から出力される位相差信号を直流化して出力する。
微分回路9は、LPF8からの出力信号を微分して出力する。
The second rectangularization circuit 6 is also constituted by a comparator, for example, and converts the output signal from the
For example, the phase comparison circuit 7 compares the phases of the output signal from the first rectangularization circuit 3 and the output signal from the second rectangularization circuit 6 and outputs the comparison result. At this time, the phase comparison circuit 7 performs phase comparison based on the phase difference of 90 ° and outputs the phase difference as a phase difference signal. Note that when phase comparison is performed in the phase comparison circuit 7, at least one of the waveforms of the input signals needs to be rectangular, and in this embodiment, the first and second rectangles are respectively provided in the preceding stage of the phase comparison circuit 7. However, at least one of them may be provided.
If the output waveform of the oscillation circuit 2 is a rectangular wave, the first and second rectangularization circuits 3 and 6 are not necessarily provided. However, since the signal waveform input to the 90 ° phase shift circuit 4 or the like normally needs to be a sine waveform, when the 90 ° phase shift circuit 4 is provided, the output waveform of the VCXO 2 is a sine waveform and the phase When input to the comparison circuit 7, it is desirable that the first and second rectangularization circuits 3 and 6 make it rectangular.
Furthermore, if the levels of the two signals input to the phase comparison circuit 7 do not match, the detection result includes a value based on the difference in signal level in addition to the phase difference between the two input signals, and an accurate acceleration detection result You may not be able to get
Therefore, in order to prevent the occurrence of such a problem, it is desirable that the first and second rectangularization circuits 3 and 6 make a rectangle (waveform shaping).
The LPF 8 converts the phase difference signal output from the phase comparison circuit 7 into a direct current and outputs it.
The differentiation circuit 9 differentiates and outputs the output signal from the LPF 8.
ここで、微分回路9の機能について説明しておく。
例えば、本実施形態のように音叉型水晶振動素子等を加速度センサとして加速度検出を行う場合は、加速度値と、センサ周波数の周波数変位とが比例関係になる。即ち、
加速度∝Δセンサ周波数(FM検波出力)
の関係を満たすことになる。
しかし、本実施形態では、位相比較回路7において加速度センサから得られる2つの周波数の位相比較しているので、位相比較回路7からは位相検波出力Φが得られることになる。そして、この位相検波出力ΦはΔセンサ周波数を積分値と等しくなる。即ち、
位相検波出力Φ=∫センサ周波数(FM検波出力)
の関係を満たすことになる。
そこで、本実施形態の加速度検出装置では微分回路9を設け、微分回路9において、LPF8から出力信号として出力される位相検波出力Φを微分することにより加速度値を得るようにしている。即ち、
FM検波=dΦ/dt∝加速度
の関係を満たすことになる。
Here, the function of the differentiating circuit 9 will be described.
For example, when acceleration detection is performed using a tuning fork type crystal vibrating element or the like as an acceleration sensor as in the present embodiment, the acceleration value and the frequency displacement of the sensor frequency are in a proportional relationship. That is,
Acceleration ∝Δ sensor frequency (FM detection output)
Will satisfy the relationship.
However, in the present embodiment, since the phase comparison circuit 7 compares the phases of two frequencies obtained from the acceleration sensor, the phase detection circuit 7 can obtain the phase detection output Φ. The phase detection output Φ is equal to the integral value of the Δ sensor frequency. That is,
Phase detection output Φ = ∫ sensor frequency (FM detection output)
Will satisfy the relationship.
Therefore, the acceleration detection device of the present embodiment is provided with a differentiating circuit 9, and in the differentiating circuit 9, an acceleration value is obtained by differentiating the phase detection output Φ output as an output signal from the LPF 8. That is,
The relationship of FM detection = dΦ / dt 関係 acceleration is satisfied.
微分回路9で微分された信号は、バッファアンプ10を介して加速度検出信号Sαとして出力される。また微分回路9から出力される信号の一部はDCサーボ回路11に入力される。
DCサーボ回路11は、例えば、抵抗R及びコンデンサCからなる時定数回路とオペアンプOP等により構成され、LPF8の出力信号を遅延させて制御電圧Vcontとして共振回路5の可変容量回路5aにフィードバックするようにしている。
The signal differentiated by the differentiating circuit 9 is output as an acceleration detection signal Sα via the
The
図2は本実施形態の加速度検出装置に備られる第1及び第2の音叉型水晶振動素子の構成を模式的に示した図である。
この図2に示すように第1及び第2の音叉型水晶振動素子20a、20bは、それぞれ並列に配置された2本の振動腕21a、21bと、この2本の振動腕21a、21bの延長方向一端を結合する結合部22とから成る。そして、第1及び第2の音叉型水晶振動素子20a、20bの各結合部22を、当該音叉型水晶振動素子20a、20bがそれぞれ搭載される基板(図示しない)に固定するようにしている。なお、各結合部22は基板と接続する固定部である。このとき、図2に示すように第1の音叉型水晶振動素子20aの各振動腕21a、21bと第2の音叉型水晶振動素子20bの各振動腕21a、21bの延長方向を加速度検出軸方向に一致させ、且つ、第1の音叉型水晶振動素子20aの振動腕21a、21bの自由端部と第2の音叉型水晶振動素子20bの振動腕21a、21bの自由端部を対向配置する、或いは第1の音叉型水晶振動素子20aの結合部22と第2の音叉型水晶振動素子20bの結合部22を対向配置するようにした。即ち、振動腕21a、振動腕21bの延長方向が各音叉型水晶振動素子20a、20b間で互いに逆向きとなるようにした。
FIG. 2 is a diagram schematically showing a configuration of first and second tuning-fork type crystal vibrating elements provided in the acceleration detection device of the present embodiment.
As shown in FIG. 2, the first and second tuning-fork type
このように構成される第1及び第2の音叉型水晶振動素子20a、20bは、図示しない駆動電極に交流電圧を印加すると、並列する2本の振動腕21a、21bが破線で示すように対称的に屈曲振動する。そして、屈曲振動している状態で、例えば、図2に示す矢印方向の加速度αが加わると、第1の音叉型水晶振動素子20aには見かけ上では加速度αの方向とは逆方向の慣性力が発生するので、この影響により音叉型水晶振動素子20aの振動腕21a、21bは加速度αに対して逆の方向へ引っ張られる引張応力を受けることになる。この場合、第1の音叉型水晶振動素子20aの周波数は引張応力の影響を受けて高くなる。一方、第2の音叉型水晶振動素子20bにも見かけ上では加速度αの方向とは逆方向の慣性力が発生するので、この影響により音叉型水晶振素子20bの振動腕21a、21bは、結合部22の方向へ圧縮する圧縮応力を受けることになる。この場合、第2の音叉型水晶振動素子20bの周波数は圧縮応力の影響を受けて低くなる。
そこで、本実施形態では、このような第1及び第2の音叉型水晶振動素子20a、20bに加速度が加わったとき発生する周波数変化に基づき加速度検出信号Sαを得るようにしている。
In the first and second tuning-fork type
Therefore, in the present embodiment, the acceleration detection signal Sα is obtained based on the frequency change that occurs when acceleration is applied to the first and second tuning-fork type
このような音叉型水晶振動素子20a、20bは、従来のMEMS加速度センサに比べて、ダイナミックレンジが広く(例えば±3g〜±400g)、しかも高リニアリティ(例えば、0.05%F.S.)で温度感度安定度が良いといった利点がある。
そして、加速度検出軸方向と振動腕21a、21bとの延長方向とを一致させることができるので、加速度検出軸方向と垂直方向(基板面に垂直な方向)に対する低背化にも有利である。
なお、図2においては説明を分かり易くするために音叉型水晶振動素子20a、20bの屈曲振動の概念を破線により示したが、実際には音叉型水晶振動素子20の形状自体は殆ど変位しないものである。
Such tuning-fork type
Since the acceleration detection axis direction and the extending direction of the vibrating
In FIG. 2, the concept of the bending vibration of the tuning fork type
以下、上記した音叉型水晶振動素子の特性を踏まえて本実施形態の加速度検出装置1の動作を説明する。
図3は共振回路5の移相特性を示した図である。
ここでは、動作説明を分かり易くするために、第1の音叉型水晶振動素子20aと第2の音叉型水晶振動素子20bの加速度検出に伴う動作を分けて説明する。
先ず、第1の音叉型水晶振動素子20aでの加速度検出に伴う動作ついて説明する。
定速運動状態における共振回路5の移相特性を、図3に実線で示すような特性に設定しておく。この場合、共振回路5では、周波数Aの信号が入力されたときは、入力信号と共振回路5から出力される出力信号との位相差は「0」となる。
ここで、第1の音叉型水晶振動素子20aの振動腕21a、21b延長方向へ加速運動が生じ、第1の音叉型水晶振動素子20aの振動腕21a、21bに圧縮方向の慣性力が加わったとする。すると、第1の音叉型水晶振動素子20aは慣性力の影響を受けて周波数が低下する。第1の音叉型水晶振動素子20aの周波数が周波数Aから周波数Bに低下した場合、共振回路5に入力される信号の周波数はAからBに低下するので、入力信号と共振回路5から出力される信号との位相差としてΔABが得られることになる。
Hereinafter, the operation of the
FIG. 3 is a diagram showing the phase shift characteristics of the
Here, in order to make the explanation of the operation easy to understand, the operations accompanying the acceleration detection of the first tuning-fork type
First, the operation accompanying the acceleration detection in the first tuning-fork type
The phase shift characteristic of the
Here, acceleration motion is generated in the extending direction of the vibrating
一方、上記した第1の音叉型水晶振動素子20aの振動腕21a、21bに圧縮方向の慣性力が加わった場合、共振回路5に備えられている第2の音叉型水晶振動素子20bでは、振動腕21a、21bに引っ張り方向の慣性力が加わるので、第2の音叉型水晶振動素子20bは、慣性力の影響を受けて周波数が高くなる。この場合、共振回路5の移相特性は、図3に実線で示した特性から破線で示した特性へと推移することになる。即ち、特性が全体的に高周波側へシフトしたようになる。
従って、第1の音叉型水晶振動素子20aの周波数が周波数Aから周波数Bに低下した場合、同時に共振回路5の移相特性も変化することで共振回路5から出力される信号の位相は、ΔABの約2倍のΔAB’の位相差を有するものとなる。
従って、このような本実施形態の加速度検出装置1においては、共振回路5の出力信号と発振回路2の出力信号との位相を位相比較回路7で比較し、その位相比較結果をLPF8により直流化し、さらに微分回路9で微分することにより、発振回路2に備えた第1の音叉型水晶振動素子20aと、共振回路5に備えた第2の音叉型水晶振動素子20bとを利用して加速度を検出することが可能であり、更に、2つの加速度検出素子(第1の音叉型水晶振動素子20aと第2の音叉型水晶振動素子20b)を互いの振動腕が逆向きになるよう配置したことで加速度の検出感度を高くすることが可能である。
On the other hand, when an inertial force in the compression direction is applied to the vibrating
Therefore, when the frequency of the first tuning-fork type
Therefore, in the
また本実施形態では、従来のように電圧制御型発振回路を設けることなく構成することができるので、従来の振動式センサ回路のように、加速度以外の強い衝撃が加わった場合でも発振が停止するといったことがない。
さらに本実施形態では、第1及び第2の音叉型水晶振動素子20a、20bを加速度検出方向に対して対向配置しているので、音叉型水晶振動素子が1つの場合に比べて位相比較回路7から出力される位相差信号のレベルを約2倍に高めることができる。これにより加速度の検出感度を約2倍に高めることができる。
また、本実施形態のように、音叉型水晶振動素子20a、20bを用いて加速度センサを構成した場合は、従来のMEMS加速度センサに比べて、ダイナミックレンジが広く、しかも高リニアリティで、感度の温度安定度が良いといった利点もある。
Further, in the present embodiment, since it can be configured without providing a voltage-controlled oscillation circuit as in the prior art, oscillation stops even when a strong impact other than acceleration is applied, as in a conventional vibration sensor circuit. There is no such thing.
Furthermore, in the present embodiment, the first and second tuning-fork type
Further, when the acceleration sensor is configured by using the tuning fork type
さらに本実施形態ではLPF8の出力に応じた制御電圧を、DCサーボ回路11を介して共振回路5に備えられた可変容量回路5aにフィードバックしている。このようなDCサーボ回路11によるフィードバック制御がない場合、例えば発振回路2の発振周波数や共振回路5の共振周波数が温度ドリフトにより変化した場合、加速度が「0」であるにも関わらず位相差が発生してしまう。因みに、第1及び第2の音叉型水晶振動素子20a、20bの周波数が同じように温度ドリフトした場合でもVCXO2及び共振回路5の回路構成の違いにより位相差が発生する。
そこで、本実施の形態では、LPF8の出力に応じた制御電圧を、DCサーボ回路11を介して共振回路5の可変容量回路5aにフィードバックすることで、例えば発信回路2の発振周波数や共振回路5の共振周波数の温度ドリフトを補正するようにした。これにより温度ドリフト等の影響がない高精度の加速度検出が可能になる。
さらに、本実施形態では、基準となる発振回路2の発振周波数を制御していないので、発振条件等が安定するといった利点もある。
Furthermore, in this embodiment, a control voltage corresponding to the output of the LPF 8 is fed back to the
Therefore, in the present embodiment, a control voltage corresponding to the output of the LPF 8 is fed back to the
Further, in the present embodiment, since the oscillation frequency of the reference oscillation circuit 2 is not controlled, there is an advantage that the oscillation conditions and the like are stabilized.
図4は、本発明の第2の実施形態に係る加速度検出装置の構成を示したブロック図である。なお、図1に示す加速度検出装置1と同一ブロックには同一符号を付して詳細な説明は省略する。
上記図1に示した加速度検出装置1ではLPF8の出力に応じた電圧を共振回路5の可変容量回路5aにDCサーボ回路11を介してフィードバックしているのに対して、図4に示す加速度検出装置30では微分回路9の出力電圧を、DCサーボ回路11を介して共振回路5の可変容量回路5aにフィードバックしている点が異なる。
このように構成すると、微分回路9の電気的特性の影響により定加速状態にも関わらず位相比較回路7の出力に基づく電圧にドリフトが生じたとしても補正することが可能になる。
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the acceleration detection device according to the second embodiment of the present invention. The same blocks as those in the
In the
With this configuration, even if a drift occurs in the voltage based on the output of the phase comparison circuit 7 regardless of the constant acceleration state due to the influence of the electrical characteristics of the differentiation circuit 9, it is possible to correct the drift.
図5は、本発明の第3の実施形態に係る加速度検出装置の構成を示したブロック図である。なお、図1に示す加速度検出装置1と同一ブロックには同一符号を付して詳細な説明は省略する。図5に示す加速度検出装置31では、バッファアンプ10の出力電圧を、DCサーボ回路11を介して共振回路5の可変容量回路5aにフィードバックしている点が異なる。このように構成すると、微分回路9とバッファアンプ10の電気的特性の影響により定加速状態にも係わらず位相比較回路7の出力に基づく電圧にドリフトが生じたとしても補正することが可能になるので、より精度高い加速度検出結果を得ることができる。
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of an acceleration detection apparatus according to the third embodiment of the present invention. The same blocks as those in the
またこれまで説明した第1及び第2の音叉型水晶振動素子20a、20bの構成はあくまでも一例であり、本発明の音叉型水晶振動素子としては、例えば図6に示すような双音叉型水晶振動子を用いることも可能である。
図6に示す双音叉型水晶振動素子23は、並列に配置された2本の振動腕21a、21bと、この2本の振動腕21a、21bの延長方向の両端を夫々結合した結合部22a、22bとから成る。そして、この場合は、例えば、結合部22a、22bの内、一方の結合部22aだけを双音叉型水晶振動素子23が搭載される基板(図示しない)に固定し、他方を自由端とすれば良い。なお、結合部22aは基板と接続する固定部である。
双音叉型水晶振動素子23を用いて本実施形態の加速度検出装置を構成した場合は、自由端側の結合部22bが重りとして機能するため大きな慣性力を発生させることができるので、上記した音叉型水晶振動素子20a、20bより加速度感度を高めることができる。
The configurations of the first and second tuning-fork type
A double tuning fork type
When the acceleration detecting device of the present embodiment is configured using the double tuning fork type
また、本実施形態では、発振回路2と共振回路5との間に発振回路2から出力される正弦波信号を移相する移相回路として90°移相回路4を設けるようにしているが、移相回路は必ずしも90°移相回路である必要はない。また、位相比較回路7の特性によっては移相回路を必ずしも設ける必要はない。但し、発振回路2と共振回路5との間に移相回路を設け、発振回路2から分岐して出力される出力信号の一方を、位相比較回路7の位相特性に併せて移相することで、位相比較回路7において第1及び第2の音叉型水晶振動素子から出力される出力信号の位相差を確実に検出することが可能になる。
特に、本実施形態のように位相比較回路7が90°位相比較回路であり、移相回路として90°移相回路を設けると、位相比較回路7において第1及び第2の音叉型水晶振動素子から出力される出力信号の位相差から加速度の向きを検出することが可能になる。つまり、図2に於いて加速度αの方向であるか加速度αと逆の方向であるかを検出可能になる。
In the present embodiment, the 90 ° phase shift circuit 4 is provided between the oscillation circuit 2 and the
In particular, when the phase comparison circuit 7 is a 90 ° phase comparison circuit and a 90 ° phase shift circuit is provided as a phase shift circuit as in the present embodiment, the first and second tuning-fork type crystal vibrating elements in the phase comparison circuit 7 It becomes possible to detect the direction of acceleration from the phase difference of the output signals output from. That is, in FIG. 2, it is possible to detect whether the direction is the direction of the acceleration α or the direction opposite to the acceleration α.
即ち、位相比較回路7が0°位相比較回路である場合、位相比較回路7からは定速度状態から加速度が増減した何れの状況に対しても位相差が大きくなるような出力結果が得られる。従ってこの場合は、加速度の方向を確認することはできない。
一方、本実施形態のように位相比較回路7が90°位相比較回路であり、90°移相回路4を設けた構成では、位相比較回路7の出力結果は、例えば定速度状態から加速した場合であれば位相差が大きくなるような信号が、また定速度状態から減速した場合であれば位相差が小さくなるような信号となる。従って、この場合は、加速度の方向を確認することができる。
また、本実施形態では、発振回路2は出力信号波形を正弦波としているため、位相比較回路7の前段に第1の矩形化回路を設けるようにしているが、例えば発振回路2を正弦波信号と矩形波信号との2出力型水晶発振器であれば、第1の矩形化回路3を設ける必要はない。
That is, when the phase comparison circuit 7 is a 0 ° phase comparison circuit, the phase comparison circuit 7 can obtain an output result in which the phase difference becomes large in any situation where the acceleration increases or decreases from the constant speed state. Therefore, in this case, the direction of acceleration cannot be confirmed.
On the other hand, in the configuration in which the phase comparison circuit 7 is a 90 ° phase comparison circuit and the 90 ° phase shift circuit 4 is provided as in the present embodiment, the output result of the phase comparison circuit 7 is, for example, an acceleration from a constant speed state If so, a signal with a large phase difference is obtained, and if the vehicle is decelerated from a constant speed state, a signal with a small phase difference is obtained. Therefore, in this case, the direction of acceleration can be confirmed.
In the present embodiment, since the output signal waveform of the oscillation circuit 2 is a sine wave, the first rectangular circuit is provided in front of the phase comparison circuit 7. For example, the oscillation circuit 2 is connected to the sine wave signal. The first rectangular circuit 3 does not need to be provided as long as it is a two-output crystal oscillator with a rectangular wave signal.
図7は2出力型水晶発振器の回路構成例を示した図である。
この図7に示す2出力型水晶発振器は、インバータ回路40が3つのCMOSインバータIC11、IC12、IC13の直列接続によって構成されている。
この場合、各CMOSインバータIC11、IC12、IC13の入出力間には、自己バイアス用の第1の帰還抵抗R11、R12、R13がそれぞれ並列に接続されている。またCMOSインバータIC11の入力とCMOSインバータIC12の出力との間には、正帰還回路41として水晶振動素子20、可変コンデンサTC、及びコンデンサC11を直列に接続した直列回路が並列に接続されている。
コンデンサC11と可変コンデンサTCとの接続点は、第2の帰還抵抗R14を介してインバータ回路40の出力であるCMOSインバータIC13の出力に接続されている。またコンデンサC11と可変コンデンサTCとの接続点と接地(GND)との間にはコンデンサC12が設けられている。さらにインバータ回路40の出力には、ノイズ除去用のコンデンサC13が接続されている。
FIG. 7 is a diagram showing a circuit configuration example of a two-output type crystal oscillator.
In the two-output type crystal oscillator shown in FIG. 7, the
In this case, first feedback resistors R11, R12, and R13 for self-bias are connected in parallel between the inputs and outputs of the CMOS inverters IC11, IC12, and IC13. Between the input of the CMOS inverter IC11 and the output of the CMOS inverter IC12, a series circuit in which the
The connection point between the capacitor C11 and the variable capacitor TC is connected to the output of the CMOS inverter IC13, which is the output of the
このように構成される2出力型水晶発振器ではインバータ回路40のCMOSインバータIC13から矩形波信号を得ることができる。
また、インバータ回路40から出力される矩形波信号は、第2の帰還抵抗R14、可変コンデンサTC、水晶振動素子20を介してインバータ回路40の入力側へ正帰還されることになる。このとき水晶振動素子20はフィルタとして機能することから、インバータ回路40の出力側から水晶振動素子20を介してインバータ回路40の入力側に正帰還される矩形波信号は、水晶振動素子20においてスプリアス成分が濾過される。
従って、インバータ回路40の出力側において矩形波であった帰還信号は入力側において正弦波となる。そこで、この場合の2出力型水晶発振器ではインバータ回路40の入力側から正弦波信号を出力するようにした。このようにすれば、1つの回路から矩形波信号と正弦波信号を出力することが可能になる。
In the two-output type crystal oscillator configured as described above, a rectangular wave signal can be obtained from the CMOS inverter IC 13 of the
Further, the rectangular wave signal output from the
Therefore, the feedback signal that was a rectangular wave on the output side of the
1…加速度検出装置、2…発振回路、3…第1の矩形化回路、4…90°移相回路、5…共振回路、5a…可変容量回路、6…第2の矩形化回路、7…位相比較回路、8…LPF、9…微分回路、10…バッファアンプ、11…DCサーボ回路、20a、20b…音叉型水晶振動素子、21a、21b…振動腕、22…結合部、23…双音叉型水晶振動素子、30、31…加速度検出装置
DESCRIPTION OF
Claims (7)
第2の音叉型振動素子と電圧制御型可変容量回路とを備え、当該第2の音叉型振動素子及び前記電圧制御型可変容量回路により決定される共振周波数に基づいて前記発振回路から出力される出力信号を移相する共振回路と、
前記発振回路から出力される出力信号と前記共振回路から出力される出力信号の位相を比較する位相比較回路と、
前記位相比較回路から出力される位相差信号を直流化して出力するローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタから出力される出力信号を微分する微分回路と、
時定数回路を備え前記ローパスフィルタ以降の出力信号に応じた制御電圧を前記電圧制御型可変容量回路にフィードバックする直流サーボ回路と、を備え、
前記第1及び第2の音叉型振動素子は、それぞれ並列に配置された2本の振動腕と、該2本の振動腕の延長方向一端を結合する結合部とを有し、前記第1及び第2の音叉型振動素子の各振動腕の延長方向を加速度検出方向と一致させ、且つ、前記第1及び第2の音叉型振動素子を対向配置したうえで、前記微分回路から出力される出力信号を加速度検出信号として出力することを特徴とする加速度検出装置。 An oscillation circuit including a first tuning-fork type vibration element as a resonance element;
A second tuning fork type vibration element and a voltage control type variable capacitance circuit, and output from the oscillation circuit based on a resonance frequency determined by the second tuning fork type vibration element and the voltage control type variable capacitance circuit; A resonant circuit for phase shifting the output signal;
A phase comparison circuit for comparing the phase of the output signal output from the oscillation circuit and the output signal output from the resonance circuit;
A low-pass filter for converting the phase difference signal output from the phase comparison circuit into a direct current,
A differentiating circuit for differentiating an output signal output from the low-pass filter;
A DC servo circuit that includes a time constant circuit and feeds back a control voltage in accordance with an output signal after the low-pass filter to the voltage-controlled variable capacitance circuit;
The first and second tuning-fork type vibration elements each include two vibrating arms arranged in parallel, and a coupling portion that couples one end in the extension direction of the two vibrating arms. An output output from the differentiating circuit after the extending direction of each vibrating arm of the second tuning-fork type vibration element is made coincident with the acceleration detection direction and the first and second tuning-fork type vibration elements are arranged to face each other. An acceleration detection apparatus characterized by outputting a signal as an acceleration detection signal.
前記共振回路と前記位相比較回路との間に設けられ、前記共振回路の出力信号を矩形化して出力する第2の矩形化回路と、を備えたことを特徴とする請求項1に記載の加速度検出装置。 A first rectangular circuit that is provided between the oscillation circuit and the phase comparison circuit and that outputs the rectangular output signal of the oscillation circuit;
The acceleration according to claim 1, further comprising: a second rectangularization circuit that is provided between the resonance circuit and the phase comparison circuit and that outputs an output signal of the resonance circuit by making it rectangular. Detection device.
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