JP2008157767A - 加速度検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】温度感度安定度に優れた加速度検出装置を提供する。
【解決手段】音叉型水晶振動素子20a〜20cを共振子として備えたVCXO8a〜8cと、基準発振回路2と、VCXO8a〜8cの出力信号と基準発振回路2の出力信号の位相を比較する位相比較回路4a〜4cと、位相比較回路4a〜4cから出力される位相差信号の低域成分を抽出して出力するLPF5a〜5cと、LPF5a〜5cから出力される出力信号を増幅する高利得増幅回路6a〜6cとを備え、高利得増幅回路6a〜6cから出力される出力信号を加速度検出信号Sα1〜Sα3として出力すると共に、高利得増幅回路6a〜6cから出力される出力信号の一部を制御電圧Vcont1〜Vcont3としてVCXO8a〜8cの発振周波数を制御するようにした。
【選択図】図1
【解決手段】音叉型水晶振動素子20a〜20cを共振子として備えたVCXO8a〜8cと、基準発振回路2と、VCXO8a〜8cの出力信号と基準発振回路2の出力信号の位相を比較する位相比較回路4a〜4cと、位相比較回路4a〜4cから出力される位相差信号の低域成分を抽出して出力するLPF5a〜5cと、LPF5a〜5cから出力される出力信号を増幅する高利得増幅回路6a〜6cとを備え、高利得増幅回路6a〜6cから出力される出力信号を加速度検出信号Sα1〜Sα3として出力すると共に、高利得増幅回路6a〜6cから出力される出力信号の一部を制御電圧Vcont1〜Vcont3としてVCXO8a〜8cの発振周波数を制御するようにした。
【選択図】図1
Description
本発明は圧電振動素子を用いて加速度を検出する加速度検出装置に関するものである。
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。
図7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7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。
実開昭62−155336号公報
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。
図7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7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。
ところで、上記したような半導体プロセスにより作製したMEMSセンサ、或いは図7に示した振動式センサ回路100は、周波数−温度特性が悪いため、周囲温度によって加速度感度に誤差が生じるという欠点があった。
またMEMSセンサは、規定以上の強い加速度が加わった場合、センサが破壊されてしまうという欠点があった。
さらに、上記した振動式センサ回路100は、1つの回路で一軸方向の感度しか検出することができないため、多軸化を図る場合には、検出軸方向の数だけ振動式センサ回路100が必要になりコストが高くなるという欠点があった。
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、温度感度安定度に優れ、且つ、大幅なコストアップ無しに多軸化が可能な加速度検出装置を提供することを目的とする。また強い加速度が加わった場合でも破壊されることがない加速度検出装置を提供することを目的とする。
またMEMSセンサは、規定以上の強い加速度が加わった場合、センサが破壊されてしまうという欠点があった。
さらに、上記した振動式センサ回路100は、1つの回路で一軸方向の感度しか検出することができないため、多軸化を図る場合には、検出軸方向の数だけ振動式センサ回路100が必要になりコストが高くなるという欠点があった。
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、温度感度安定度に優れ、且つ、大幅なコストアップ無しに多軸化が可能な加速度検出装置を提供することを目的とする。また強い加速度が加わった場合でも破壊されることがない加速度検出装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の加速度検出装置は、基準信号を出力する基準発振回路と複数の加速度検出回路とからなり、各加速度検出回路は、応力感応素子を共振子として備えた電圧制御型圧電発振回路と、電圧制御型圧電発振回路から出力される出力信号の位相と基準発振回路から出力される基準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の低域成分を抽出するローパスフィルタと、ローパスフィルタの出力信号を増幅する増幅回路と、を備え、増幅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と共に、増幅回路から出力される出力信号の一部を制御電圧として電圧制御型圧電発振回路の発振周波数を制御するようにした。
このような本発明によれば、応力感応素子に加速度が加わることにより、各加速度検出回路に備えられる電圧制御型圧電発振回路の出力信号の周波数が変動するので、位相比較回路から出力される電圧制御型圧電発振回路の制御電圧を加速度検出信号として利用することが可能になる。従って、各電圧制御型圧電発振回路に備えられる応力感応素子の検出軸を、加速度を検出すべき方向に向けて配置しておくことで加速度検出装置の多軸化を図ることができる。
また周波数−温度特性に優れた基準発振回路を備えたことで、この基準発振回路の周波数に追従する電圧制御型圧電発振回路の周波数−温度特性を高めることができる。これにより、周囲温度の変化による感度誤差が小さく、温度感度安定度に優れた加速度検出装置を実現することができる。
また応力感応素子の形状自体は殆ど変位しないので、規定以上の強い加速度が加わった場合でも素子自体が破損するといったこともない。
また周波数−温度特性に優れた基準発振回路を備えたことで、この基準発振回路の周波数に追従する電圧制御型圧電発振回路の周波数−温度特性を高めることができる。これにより、周囲温度の変化による感度誤差が小さく、温度感度安定度に優れた加速度検出装置を実現することができる。
また応力感応素子の形状自体は殆ど変位しないので、規定以上の強い加速度が加わった場合でも素子自体が破損するといったこともない。
本発明の加速度検出装置は、基準発振回路と位相比較回路との間に、基準発振回路から出力される基準信号を分周する分周回路を備えるようにした。
このような本発明によれば、例えば基準発振回路に使用する振動子の発振周波数と、電圧制御型圧電発振回路において共振子として利用する応力感応素子の発振周波数との周波数差が大きく異なる場合でも加速度検出装置を実現することができる。
このような本発明によれば、例えば基準発振回路に使用する振動子の発振周波数と、電圧制御型圧電発振回路において共振子として利用する応力感応素子の発振周波数との周波数差が大きく異なる場合でも加速度検出装置を実現することができる。
本発明の加速度検出装置は、応力感応素子が、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、を有する音叉型振動素子であり、結合部を固定し、2本の振動腕の延長方向を加速度検出軸方向と一致させるよう配置したものであり、複数の応力感応素子の加速度検出軸方向が互いに異なるようにした。
このような本発明によれば、多軸方向の加速度を検知する応力感応素子として音叉型振動素子を利用することが可能になる。
このような本発明によれば、多軸方向の加速度を検知する応力感応素子として音叉型振動素子を利用することが可能になる。
本発明の加速度検出装置は、応力感応素子が、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の両端を夫々結合した結合部と、を有する双音叉型振動素子であり、結合部の何れか一方を固定端、他方を自由端とし、2本の振動腕の延長方向を加速度検出軸方向と一致させるよう配置したものであり、複数の応力感応素子の加速度検出軸方向が互いに異なるようにした。
このような本発明によれば、多軸方向の加速度を検知する応力感応素子として、双音叉型振動素子を用いることが可能になるので、音叉型振動素子を用いた場合より応力感度を高めることができる。
このような本発明によれば、多軸方向の加速度を検知する応力感応素子として、双音叉型振動素子を用いることが可能になるので、音叉型振動素子を用いた場合より応力感度を高めることができる。
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、基準発振回路2、分周回路3、及び複数の加速度検出回路10a、10b、10cから構成される。
加速度検出回路10aは、位相比較回路4a、ローパスフィルタ(以下、LPFと称する)5a、高利得増幅回路6a、緩衝増幅回路(以下、バッファアンプと称する)7a、及び電圧制御型水晶発振回路(以下、VCXO(Voltage Controlled crystal Oscillator)と称する)8aにより構成される。また、加速度検出回路10bは、位相比較回路4b、LPF5b、高利得増幅回路6b、バッファアンプ7b、及びVCXO8bにより構成され、加速度検出回路10cは、位相比較回路4c、LPF5c、高利得増幅回路6c、バッファアンプ7c、及びVCXO8cにより構成される。
図1は、本発明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、基準発振回路2、分周回路3、及び複数の加速度検出回路10a、10b、10cから構成される。
加速度検出回路10aは、位相比較回路4a、ローパスフィルタ(以下、LPFと称する)5a、高利得増幅回路6a、緩衝増幅回路(以下、バッファアンプと称する)7a、及び電圧制御型水晶発振回路(以下、VCXO(Voltage Controlled crystal Oscillator)と称する)8aにより構成される。また、加速度検出回路10bは、位相比較回路4b、LPF5b、高利得増幅回路6b、バッファアンプ7b、及びVCXO8bにより構成され、加速度検出回路10cは、位相比較回路4c、LPF5c、高利得増幅回路6c、バッファアンプ7c、及びVCXO8cにより構成される。
基準発振回路2は、例えばATカットの水晶振動子等を用いて構成され、所定の周波数で発振する基準発振器である。分周回路3は、基準発振回路2からの基準信号が所定の周波数となるように分周して出力する。
加速度検出回路10aの位相比較回路4aは、分周回路3から出力される出力信号の位相とVCXO8aから出力される出力信号の位相を比較し、その比較結果を出力する。LPF5aは、位相比較回路4aから出力される位相差信号の低周波数成分だけを抽出して出力する。このとき、LPF5aの出力は常に一定に制御される。
高利得増幅回路6aは、LPF5aからの出力信号を高利得で増幅して出力する。高利得増幅回路6aで増幅された信号は、バッファアンプ7aを介して加速度検出信号Sα1として出力する。また高利得増幅回路6aの出力信号の一部は制御電圧Vcont1としてVCXO8aにフィードバックされる。
VCXO8aは、音叉型振動素子として音叉型水晶振動素子20aを備える。音叉型水晶振動素子20aは発振回路の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も機能する。VCXO8aでは、高利得増幅回路6aの出力信号を制御電圧Vcont1として、VCXO8aの図示していない可変容量ダイオードに印加することにより発振ループの負荷容量を変化させて出力信号の発振周波数が一定となるよう制御している。
加速度検出回路10aの位相比較回路4aは、分周回路3から出力される出力信号の位相とVCXO8aから出力される出力信号の位相を比較し、その比較結果を出力する。LPF5aは、位相比較回路4aから出力される位相差信号の低周波数成分だけを抽出して出力する。このとき、LPF5aの出力は常に一定に制御される。
高利得増幅回路6aは、LPF5aからの出力信号を高利得で増幅して出力する。高利得増幅回路6aで増幅された信号は、バッファアンプ7aを介して加速度検出信号Sα1として出力する。また高利得増幅回路6aの出力信号の一部は制御電圧Vcont1としてVCXO8aにフィードバックされる。
VCXO8aは、音叉型振動素子として音叉型水晶振動素子20aを備える。音叉型水晶振動素子20aは発振回路の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も機能する。VCXO8aでは、高利得増幅回路6aの出力信号を制御電圧Vcont1として、VCXO8aの図示していない可変容量ダイオードに印加することにより発振ループの負荷容量を変化させて出力信号の発振周波数が一定となるよう制御している。
また加速度検出回路10bの位相比較回路4bは、分周回路3から出力される出力信号の位相とVCXO8bから出力される出力信号の位相を比較し、その比較結果を出力する。
LPF5bは、位相比較回路4bから出力される位相差信号の低周波数成分だけを抽出して出力する。このとき、LPF5bの出力は常に一定に制御される。
高利得増幅回路6bは、LPF5bからの出力信号を高利得で増幅して出力する。高利得増幅回路6bで増幅された信号はバッファアンプ7bを介して加速度検出信号Sα2として出力する。また高利得増幅回路6bの出力信号の一部は制御電圧Vcont2としてVCXO8bにフィードバックされる。
VCXO8bは、音叉型振動素子として音叉型水晶振動素子20bを備える。音叉型水晶振動素子20bは、発振回路の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も機能する。VCXO8bでは、高利得増幅回路6bの出力信号を制御電圧Vcont2として、VCXO8bの図示していない可変容量ダイオードに印加することにより発振ループの負荷容量を変化させて出力信号の発振周波数が一定となるよう制御している。
LPF5bは、位相比較回路4bから出力される位相差信号の低周波数成分だけを抽出して出力する。このとき、LPF5bの出力は常に一定に制御される。
高利得増幅回路6bは、LPF5bからの出力信号を高利得で増幅して出力する。高利得増幅回路6bで増幅された信号はバッファアンプ7bを介して加速度検出信号Sα2として出力する。また高利得増幅回路6bの出力信号の一部は制御電圧Vcont2としてVCXO8bにフィードバックされる。
VCXO8bは、音叉型振動素子として音叉型水晶振動素子20bを備える。音叉型水晶振動素子20bは、発振回路の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も機能する。VCXO8bでは、高利得増幅回路6bの出力信号を制御電圧Vcont2として、VCXO8bの図示していない可変容量ダイオードに印加することにより発振ループの負荷容量を変化させて出力信号の発振周波数が一定となるよう制御している。
また加速度検出回路10cの位相比較回路4cは、分周回路3から出力される出力信号の位相とVCXO8bから出力される出力信号の位相を比較し、その比較結果を出力する。
LPF5cは、位相比較回路4bから出力される位相差信号の低周波数成分だけを抽出して出力する。このとき、LPF5cの出力は常に一定に制御される。
高利得増幅回路6cは、LPF5cからの出力信号を高利得で増幅して出力する。高利得増幅回路6cの出力信号はバッファアンプ7cを介して加速度検出信号Sα3として出力する。また高利得増幅回路6cの出力信号の一部は制御電圧Vcont3としてVCXO8cにフィードバックされる。VCXO8cは、音叉型振動素子として音叉型水晶振動素子20cを備える。音叉型水晶振動素子20cは、発振回路の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も機能する。VCXO8cでは、高利得増幅回路6cの出力信号を制御電圧Vcont3として、VCXO8cの図示していない可変容量ダイオードに印加することにより発振ループの負荷容量を変化させて出力信号の発振周波数が一定となるよう制御している。
LPF5cは、位相比較回路4bから出力される位相差信号の低周波数成分だけを抽出して出力する。このとき、LPF5cの出力は常に一定に制御される。
高利得増幅回路6cは、LPF5cからの出力信号を高利得で増幅して出力する。高利得増幅回路6cの出力信号はバッファアンプ7cを介して加速度検出信号Sα3として出力する。また高利得増幅回路6cの出力信号の一部は制御電圧Vcont3としてVCXO8cにフィードバックされる。VCXO8cは、音叉型振動素子として音叉型水晶振動素子20cを備える。音叉型水晶振動素子20cは、発振回路の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も機能する。VCXO8cでは、高利得増幅回路6cの出力信号を制御電圧Vcont3として、VCXO8cの図示していない可変容量ダイオードに印加することにより発振ループの負荷容量を変化させて出力信号の発振周波数が一定となるよう制御している。
図2は上記したVCXO8の回路構成の一例を示した図である。
この図2に示すVCXO8は、発振回路として位相反転増幅器(以下、MOSインバータと称する)IC1を備える。MOSインバータIC1の入出力間には自己バイアス用の帰還抵抗R1及びコンデンサC1と音叉型水晶振動素子20とを直列に接続した直列回路が夫々並列に接続されている。さらにMOSインバータIC1の出力端と音叉型水晶振動素子20との接続点とグランド(GND)間にはコンデンサC2が接続され、コンデンサC1と音叉型水晶振動素子20との接続点とグランド(GND)間に可変容量ダイオードD1が接続されている。可変容量ダイオードD1は、そのアノードが接地側に、カソードが音叉型水晶振動素子20にそれぞれ接続されている。
このように構成されるVCXO8においては、音叉型水晶振動素子20、コンデンサC1、C2、可変容量ダイオードD1により発振ループが構成されることになる。従って、この発振ループを構成する可変容量ダイオードD1のカソードに抵抗R2を介して制御電圧Vcont1を印加して可変容量ダイオードD1の容量を可変することで、発振ループの負荷容量を変化させて発振周波数が所定の発振周波数となるよう制御可能に構成されている。また、このようなMOSインバータIC1を用いたVCXO8は、その出力信号波形が矩形波形となる。
この図2に示すVCXO8は、発振回路として位相反転増幅器(以下、MOSインバータと称する)IC1を備える。MOSインバータIC1の入出力間には自己バイアス用の帰還抵抗R1及びコンデンサC1と音叉型水晶振動素子20とを直列に接続した直列回路が夫々並列に接続されている。さらにMOSインバータIC1の出力端と音叉型水晶振動素子20との接続点とグランド(GND)間にはコンデンサC2が接続され、コンデンサC1と音叉型水晶振動素子20との接続点とグランド(GND)間に可変容量ダイオードD1が接続されている。可変容量ダイオードD1は、そのアノードが接地側に、カソードが音叉型水晶振動素子20にそれぞれ接続されている。
このように構成されるVCXO8においては、音叉型水晶振動素子20、コンデンサC1、C2、可変容量ダイオードD1により発振ループが構成されることになる。従って、この発振ループを構成する可変容量ダイオードD1のカソードに抵抗R2を介して制御電圧Vcont1を印加して可変容量ダイオードD1の容量を可変することで、発振ループの負荷容量を変化させて発振周波数が所定の発振周波数となるよう制御可能に構成されている。また、このようなMOSインバータIC1を用いたVCXO8は、その出力信号波形が矩形波形となる。
図3(a)はVCXOに備えられる音叉型水晶振動素子20の構成を模式的に示した図である。この図3(a)に示す音叉型水晶振動素子20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の延長方向一端を結合する結合部22とから成る。そして、音叉型水晶振動素子20の結合部22を、当該音叉型水晶振動素子20が搭載される基板(図示しない)に固定するようにしている。このとき、図3(a)に示すように音叉型水晶振動素子20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るようにしている。このように構成される音叉型水晶振動素子20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、このような屈曲振動している状態で、例えば、図3(a)に示す矢印方向の加速度αが加わると、音叉型水晶振動素子20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20の振動腕21a、21bは加速度αとは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、音叉型水晶振動素子20の周波数は引張応力の影響を受けて高くなる。一方、図3(a)に示す矢印方向とは逆方向の加速度が加わると、音叉型水晶振動素子20には見かけ上では加速度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20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、音叉型水晶振動素子20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、このような音叉型水晶振動素子20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。
このような音叉型水晶振動素子20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.)であるといった利点がある。
なお、図3(a)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20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のである。
このような音叉型水晶振動素子20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.)であるといった利点がある。
なお、図3(a)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20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のである。
図1に示す加速度検出装置1では、VCXO8a〜8cに備えられている音叉型水晶振動素子20a〜20cの加速度検出軸方向に加速度が加わっていない定速運動状態では、VCXO8a〜8cの発振周波数が基準発振回路2の発振周波数と一致するよう制御されている。
ここで、例えば、加速度αが加わり音叉型水晶振動素子a〜20cの周波数が変化してVCXO8a〜8cの出力信号の周波数が高くなるように変動した場合、このVCXO8a〜8cと基準発振回路2との周波数差は位相比較回路4a〜4cにおいて検波されて位相差信号として出力される。このとき、加速度αの影響により位相差は広がるように変動するので、加速度αの方向を正方向の加速度とすれば周波数の変化と加速度の変化とは比例関係にある。またVCXO8a〜8cの制御電圧Vcont1〜Vcont3は、VCXO8a〜8cの出力周波数と比例関係にある。
そこで、本実施形態の加速度検出装置1では、各VCXO8a〜8cの制御電圧Vcont1〜Vcont3をバッファアンプ7でバッファした信号を加速度検出信号Sαとして出力するようにしている。
ここで、例えば、加速度αが加わり音叉型水晶振動素子a〜20cの周波数が変化してVCXO8a〜8cの出力信号の周波数が高くなるように変動した場合、このVCXO8a〜8cと基準発振回路2との周波数差は位相比較回路4a〜4cにおいて検波されて位相差信号として出力される。このとき、加速度αの影響により位相差は広がるように変動するので、加速度αの方向を正方向の加速度とすれば周波数の変化と加速度の変化とは比例関係にある。またVCXO8a〜8cの制御電圧Vcont1〜Vcont3は、VCXO8a〜8cの出力周波数と比例関係にある。
そこで、本実施形態の加速度検出装置1では、各VCXO8a〜8cの制御電圧Vcont1〜Vcont3をバッファアンプ7でバッファした信号を加速度検出信号Sαとして出力するようにしている。
以下、図4を用いて本実施形態の加速度検出装置1の動作遷移について、加速度検出回路10aの部分の動作を例に挙げて説明する。
図4は、本実施形態の加速度検出装置1における速度と時間の関係、加速度と時間の関係、出力電圧と時間の関係をそれぞれ示した図である。
尚、定速度状態に於いて分周回路3の出力信号とVCXO8a〜8cの出力信号との位相差は90°になるよう設定されている。
この図4に示すように、加速が開始される時点t1までの期間Aでは、加速度が「0」であるため、VCXO8aには制御電圧Vcont1として初期定電圧Voが印加される。
次に、加速(図3(a)に示す加速度αの逆方向の加速)が加わる時点t1から時点t2までの期間Bにおいては、加速度に伴う音叉型水晶振動素子20aの周波数の低下をPLL制御にて補正するようVCXO8aには制御電圧Vcont1として初期定電圧Voより高い電圧V1が印加される。
次に、定速度運動による加速度が「0」となる時点t2から時点t3までの期間Cにおいては、音叉型水晶振動素子20aへの慣性力が「0」になり、音叉型水晶振動素子20aが初期状態に戻るため、音叉型水晶振動素子20aは期間Bの状態から周波数が高くなるよう変化しようとする。従って、この場合はVCXO8の周波数上昇をPLL制御にて補正するようVCXO8aには制御電圧Vcont1として初期定電圧Voが印加される。
次に、減速がかかる時点t3から時点t4までの期間Dにおいては、減速に伴う音叉型水晶振動素子20aの周波数の上昇をPLL制御にて補正するようVCXO8aには制御電圧Vcont1として初期定電圧Voより低い電圧V2が印加される。
次に、定速度運動による減速が「0」となる時点t4以降の期間Eにおいては、音叉型水晶振動素子20aへの慣性力が「0」になり、音叉型水晶振動素子20aが初期状態に戻るため、音叉型水晶振動素子20aは期間Dの状態から周波数が低くなるよう変化しようとする。従って、この場合はVCXO8aの周波数下降をPLL制御にて補正するようVCXO8aには制御電圧Vcont1として初期定電圧Voが印加される。
尚、定速度状態に於いて分周回路3の出力信号とVCXO8aの出力信号との位相差を90°に設定したことにより、上述の通り、加速・減速の違いに対して位相差の増減を発生させて加速度方向を検知することを可能にしている。
図4は、本実施形態の加速度検出装置1における速度と時間の関係、加速度と時間の関係、出力電圧と時間の関係をそれぞれ示した図である。
尚、定速度状態に於いて分周回路3の出力信号とVCXO8a〜8cの出力信号との位相差は90°になるよう設定されている。
この図4に示すように、加速が開始される時点t1までの期間Aでは、加速度が「0」であるため、VCXO8aには制御電圧Vcont1として初期定電圧Voが印加される。
次に、加速(図3(a)に示す加速度αの逆方向の加速)が加わる時点t1から時点t2までの期間Bにおいては、加速度に伴う音叉型水晶振動素子20aの周波数の低下をPLL制御にて補正するようVCXO8aには制御電圧Vcont1として初期定電圧Voより高い電圧V1が印加される。
次に、定速度運動による加速度が「0」となる時点t2から時点t3までの期間Cにおいては、音叉型水晶振動素子20aへの慣性力が「0」になり、音叉型水晶振動素子20aが初期状態に戻るため、音叉型水晶振動素子20aは期間Bの状態から周波数が高くなるよう変化しようとする。従って、この場合はVCXO8の周波数上昇をPLL制御にて補正するようVCXO8aには制御電圧Vcont1として初期定電圧Voが印加される。
次に、減速がかかる時点t3から時点t4までの期間Dにおいては、減速に伴う音叉型水晶振動素子20aの周波数の上昇をPLL制御にて補正するようVCXO8aには制御電圧Vcont1として初期定電圧Voより低い電圧V2が印加される。
次に、定速度運動による減速が「0」となる時点t4以降の期間Eにおいては、音叉型水晶振動素子20aへの慣性力が「0」になり、音叉型水晶振動素子20aが初期状態に戻るため、音叉型水晶振動素子20aは期間Dの状態から周波数が低くなるよう変化しようとする。従って、この場合はVCXO8aの周波数下降をPLL制御にて補正するようVCXO8aには制御電圧Vcont1として初期定電圧Voが印加される。
尚、定速度状態に於いて分周回路3の出力信号とVCXO8aの出力信号との位相差を90°に設定したことにより、上述の通り、加速・減速の違いに対して位相差の増減を発生させて加速度方向を検知することを可能にしている。
そこで、本実施形態の加速度検出装置1においては、上記したように各VCXO8a〜8cの制御電圧Vcont1〜Vcont3である高利得増幅回路6a〜6cの出力電圧を、バッファアンプ7a〜7cを介して加速度検出信号Sα1〜Sα3として出力することで、期間B、期間Dにおいて加わる定加速度を検出することができる。また、期間A、期間C、期間Eの定速度運動状態においては、静的加速度(重力加速度)を検出することができる。
そして、このとき、例えば、図3(b)に示すように、VCXO8aの音叉型水晶振動素子20aの加速度検出軸をX軸、VCXO8bの音叉型水晶振動素子20bの加速度検出軸をY軸、VCXO8cの音叉型水晶振動素子20cの加速度検出軸をZ軸に合わせて配置することで、加速度検出信号の多軸化を図ることができる。
そして、このとき、例えば、図3(b)に示すように、VCXO8aの音叉型水晶振動素子20aの加速度検出軸をX軸、VCXO8bの音叉型水晶振動素子20bの加速度検出軸をY軸、VCXO8cの音叉型水晶振動素子20cの加速度検出軸をZ軸に合わせて配置することで、加速度検出信号の多軸化を図ることができる。
また本実施形態の加速度検出装置1では、高価な基準発振回路2を共有しているので抵コストで加速度検出装置の多軸化が可能になる。
また、PLL制御によりVCXO8a〜8cの周波数が基準発振回路2の周波数に追従するので、基準発振回路2を温度特性の優れた水晶発振器(温度補償型水晶発振器、オーブンコントロール型水晶発振器)により構成することで、周囲の温度変化による感度に誤差が少ない温度感度安定度に優れた加速度検出装置とすることができる。
さらに、音叉型水晶振動素子20a〜20cの形状自体は殆ど変位しないので、規定以上の強い加速度が加わった場合でも素子自体が破損することがない。
また、PLL制御によりVCXO8a〜8cの周波数が基準発振回路2の周波数に追従するので、基準発振回路2を温度特性の優れた水晶発振器(温度補償型水晶発振器、オーブンコントロール型水晶発振器)により構成することで、周囲の温度変化による感度に誤差が少ない温度感度安定度に優れた加速度検出装置とすることができる。
さらに、音叉型水晶振動素子20a〜20cの形状自体は殆ど変位しないので、規定以上の強い加速度が加わった場合でも素子自体が破損することがない。
さらに、基準発振回路2と加速度検出回路10a〜10cとの間に基準発振回路2の出力信号を分周する分周回路3を設けたことで、例えば、基準発振回路2の基準発振周波数が、VCXO8a〜8cの発振周波数より十分高い場合でも加速度検出装置1を実現することができる。即ち、音叉型水晶振動素子20a〜20cを備えたVCXO8a〜8cより発振周波数が高いATカット水晶振動子を備えた基準発振回路2を用いた場合でも加速度検出装置1を実現することができる。
また、分周回路3により位相比較回路4a〜4cにはデューティーサイクル比が整った信号を供給することができる。
従って、例えば加速度の影響により基準発振回路2への出力信号のデューティーサイクル比に変動が生じても位相比較回路4a〜4cへ供給される信号への影響は無いので、正確な加速度検出結果を得ることができる。
なお、基準発振回路2の振動子としてVCXO8a〜8cに備えた音叉型水晶振動素子20a〜20cと同じ振動素子を用いた場合は、分周回路3は必ずしも設ける必要は無い。
また、分周回路3により位相比較回路4a〜4cにはデューティーサイクル比が整った信号を供給することができる。
従って、例えば加速度の影響により基準発振回路2への出力信号のデューティーサイクル比に変動が生じても位相比較回路4a〜4cへ供給される信号への影響は無いので、正確な加速度検出結果を得ることができる。
なお、基準発振回路2の振動子としてVCXO8a〜8cに備えた音叉型水晶振動素子20a〜20cと同じ振動素子を用いた場合は、分周回路3は必ずしも設ける必要は無い。
また、例えば図7に示す従来のセンサ回路100においては、ドライブ回路部102の位相比較器102cのDC出力(制御電圧)を応力値信号(加速度信号)として利用することも考えられる。しかしながら、通常、電圧制御発振器102aにはLC共振器やCR共振器が用いられ、このような共振器を有する電圧制御発振器102aは、図5に示すように制御電圧Vcontに対する周波数変化量が大きい。即ち、周波数感度特性が高い。このため、従来のセンサ回路100において共振周波数を検知結果とせずに、位相比較器102cの制御電圧Vcontを応力値信号(加速度信号)の検知結果として利用する場合は、周波数変化量に対する制御電圧Vcontの変化量が小さく検知感度が高いセンサを実現することができない。
これに対して、本実施形態の加速度検出装置1では、VCXO8a〜8cの制御電圧をそれぞれ加速度信号として利用するようにしている。VCXOは、制御電圧に対する周波数可変範囲がVCOに比べて狭い(周波数制御感度が低い)ため、加速動作に伴う周波数変化に対してLPFの出力電圧(制御電圧)の変化を大電流化(高電位化)することができる。加速度変化に対して高感度センサを実現することができる。
これに対して、本実施形態の加速度検出装置1では、VCXO8a〜8cの制御電圧をそれぞれ加速度信号として利用するようにしている。VCXOは、制御電圧に対する周波数可変範囲がVCOに比べて狭い(周波数制御感度が低い)ため、加速動作に伴う周波数変化に対してLPFの出力電圧(制御電圧)の変化を大電流化(高電位化)することができる。加速度変化に対して高感度センサを実現することができる。
なお、本実施形態では高利得増幅回路6a〜6cで増幅した信号の一部を制御電圧Vcont1〜Vcont3としてVCXO8a〜8cにフィードバックするようにしているが、バッファアンプ7a〜7cの出力の一部を制御電圧Vcont1〜Vcont3としてVCXO8a〜8cにフィードバックするようにしても良い。
また、本実施形態では応力感応素子として音叉型水晶振動素子20を例に挙げて説明したが、これはあくまでも一例であり、応力感応素子として、例えば図6に示すような双音叉型水晶振動素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、当該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よい。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、上記した音叉型水晶振動素子20より加速度感度を高めることができる。
なお、本実施形態では応力感応素子として音叉型振動素子を例に挙げて説明したが、これはあくまでも一例であり、共振周波数が加速度に応じて変化する素子であれば、所謂ATカットの水晶振動子やレゾネータといった各種圧電振動素子を応力感応素子として適用す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、当該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よい。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、上記した音叉型水晶振動素子20より加速度感度を高めることができる。
なお、本実施形態では応力感応素子として音叉型振動素子を例に挙げて説明したが、これはあくまでも一例であり、共振周波数が加速度に応じて変化する素子であれば、所謂ATカットの水晶振動子やレゾネータといった各種圧電振動素子を応力感応素子として適用することも可能である。
なお、本実施形態の加速度検出装置では、3つの加速度検出回路10a〜10cを設ける場合を例に挙げて説明したが、これはあくまでも一例であり、加速度検出回路の数量は3つに限定されるものでなく、例えば加速度検出回路を2つ、或いは4つ以上設けるようにしても良い。例えば、加速度検出回路10を2つ設けるようにした場合は平面的な加速度を検出することが可能になる。
また、本実施形態では、基準発振回路2の振動子として、ATカット水晶振動素子を用いた場合を例に挙げて説明したが、これはあくまでも一例であり、例えば、VCXO8aに備えられている音叉型振動素子(例えば双音叉型水晶振動素子)などを用いて構成すれば、基準発振回路2とVCXO8a〜8cの発振周波数が同じになるので分周回路3が不要になる。
また、基準発振回路2の振動子として、二次関数的な周波数温度特性を有する音叉型振動素子を用いる場合は、基準発振回路2の音叉型振動素子の周波数温度特性を、VCXO8に備えられている音叉型振動素子と合わせることが可能であるから、温度が変化した場合でも基準発振回路2とVCXO8a〜8cの発振周波数は同様に変化するため、基準発振回路2の周波数−温度特性の補償の必要がない又は、簡易的な補償回路で足りる。よって、基準発振回路2の安価に構成することができる。また基準発振回路2の振動子としては、温度特性が音叉型振動素子と近似しているBTカット水晶振動素子を用いることも考えられる。
また、本実施形態では位相比較回路4a〜4cに90°位相比較回路を用いた場合を例に挙げて説明したが、例えば図3(a)に示す加速度α方向の検知を重視する場合等には位相比較回路4a〜4cの少なくとも1つに90°未満又は0°位相比較回路を用いても良い。
これにより、加速度検出回路10a〜10cのうち上述の構成を備えた回路においては一方向の加速度検出軸方向に対して検知可能な加速度範囲を広く確保することができる。
また、基準発振回路2の振動子として、二次関数的な周波数温度特性を有する音叉型振動素子を用いる場合は、基準発振回路2の音叉型振動素子の周波数温度特性を、VCXO8に備えられている音叉型振動素子と合わせることが可能であるから、温度が変化した場合でも基準発振回路2とVCXO8a〜8cの発振周波数は同様に変化するため、基準発振回路2の周波数−温度特性の補償の必要がない又は、簡易的な補償回路で足りる。よって、基準発振回路2の安価に構成することができる。また基準発振回路2の振動子としては、温度特性が音叉型振動素子と近似しているBTカット水晶振動素子を用いることも考えられる。
また、本実施形態では位相比較回路4a〜4cに90°位相比較回路を用いた場合を例に挙げて説明したが、例えば図3(a)に示す加速度α方向の検知を重視する場合等には位相比較回路4a〜4cの少なくとも1つに90°未満又は0°位相比較回路を用いても良い。
これにより、加速度検出回路10a〜10cのうち上述の構成を備えた回路においては一方向の加速度検出軸方向に対して検知可能な加速度範囲を広く確保することができる。
1…加速度検出装置、2…基準発振回路、3…分周回路、4a〜4c…位相比較回路、5a〜5c…LPF、6a〜6c…高利得増幅回路、7a〜7c…バッファアンプ、8a〜8c…VCXO、20a〜20c…音叉型水晶振動素子、21a、21b…各振動腕、22、22a、22b…結合部、23…双音叉型水晶振動素子
Claims (4)
- 基準信号を出力する基準発振回路と複数の加速度検出回路とからなり、
前記各加速度検出回路は、
応力感応素子を共振子として備えた電圧制御型圧電発振回路と、
前記電圧制御型圧電発振回路から出力される出力信号の位相と前記基準発振回路から出力される基準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の低域成分を抽出するローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタの出力信号を増幅する増幅回路と、を備え、
前記増幅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と共に、前記増幅回路から出力される出力信号の一部を制御電圧として前記電圧制御型圧電発振回路の発振周波数を制御することを特徴とする加速度検出装置。 - 前記基準発振回路と前記各加速度検出回路との間に、前記基準発振回路から出力される基準信号を分周する分周回路を備えたこと特徴とする請求項1に記載の加速度検出装置。
- 前記応力感応素子は、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、を有する音叉型振動素子であり、前記結合部を固定し、前記2本の振動腕の延長方向を加速度検出軸方向と一致させるよう配置したものであり、複数の前記応力感応素子の加速度検出軸方向が互いに異なることを特徴とする請求項1又は2に記載の加速度検出装置。
- 前記応力感応素子は、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の両端を夫々結合した結合部と、を有する双音叉型振動素子であり、前記結合部の何れか一方を固定端、他方を自由端とし、前記2本の振動腕の延長方向を加速度検出軸方向と一致させるよう配置したものであり、複数の前記応力感応素子の加速度検出軸方向が互いに異なることを特徴とする請求項1又は2に記載の加速度検出装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006347202A JP2008157767A (ja) | 2006-12-25 | 2006-12-25 | 加速度検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publication Number | Publication Date |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN110504957A (zh) * | 2019-07-25 | 2019-11-26 | 中国电子科技集团公司第二十九研究所 | 一种小型化锁相频率源电路的动态相位噪声补偿方法和电路 |
-
2006
- 2006-12-25 JP JP2006347202A patent/JP2008157767A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN110504957A (zh) * | 2019-07-25 | 2019-11-26 | 中国电子科技集团公司第二十九研究所 | 一种小型化锁相频率源电路的动态相位噪声补偿方法和电路 |
CN110504957B (zh) * | 2019-07-25 | 2023-02-03 | 中国电子科技集团公司第二十九研究所 | 一种小型化锁相频率源电路的动态相位噪声补偿方法和电路 |
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Legal Events
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