JP2008190884A - Acceleration sensing device - Google Patents

Acceleration sensing device Download PDF

Info

Publication number
JP2008190884A
JP2008190884A JP2007022658A JP2007022658A JP2008190884A JP 2008190884 A JP2008190884 A JP 2008190884A JP 2007022658 A JP2007022658 A JP 2007022658A JP 2007022658 A JP2007022658 A JP 2007022658A JP 2008190884 A JP2008190884 A JP 2008190884A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fork type
acceleration
circuit
tuning
tuning fork
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2007022658A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Jun Watanabe
潤 渡辺
Takahiro Kameda
高弘 亀田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Miyazaki Epson Corp
Original Assignee
Miyazaki Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Miyazaki Epson Corp filed Critical Miyazaki Epson Corp
Priority to JP2007022658A priority Critical patent/JP2008190884A/en
Publication of JP2008190884A publication Critical patent/JP2008190884A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an acceleration sensing device excellent in stability in temperature sensitivity. <P>SOLUTION: The acceleration sensing device comprises: an OSC 2 provided with the first tuning fork type quarts oscillator element 20a as a resonator; a VCXO 4 provided with the second tuning fork type quartz vibration element 20b as a resonator; a phase comparison circuit 3 for comparing the phase of the output signal output from the VCXO 4 and the phase of the reference signal output from the OSC 2; an LPF 5 for extracting the low-pass component of phase difference signal output from the phase comparison circuit 3; a differential circuit 6 for differentiating output signal from the LPF 5; and the DC servo circuit 8 for feeding back the control voltage to the VCXO 4 corresponding to the output signal of the LPF 5 provided with the time constant circuit. The output signal from the differential circuit 6 is output as the acceleration signal by arranging such that the first and the second tuning fork type quarts oscillator elements 20a, 20b are coincident with their acceleration detection axes but the acceleration detection directions of the first and the second tuning fork type quarts oscillator elements 20a, 20b are arranged in the reverse directions. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

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。   The present invention relates to an acceleration detection device that detects acceleration using a piezoelectric vibration element.

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6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6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。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a conventional vibration sensor circuit disclosed in Patent Document 1. In FIG. A conventional sensor circuit 100 shown in FIG. 6 includes a sensor unit 101 and a drive circuit 102. The sensor unit 101 includes a vibrator 101a which is a sensor element, an amplifier 101b, and a rectifier circuit 101c. The vibrator 101a is, for example, a vibrator assembled with lead zirconium titanate (PZT). The drive circuit 102 includes a voltage controlled oscillator 102a, an amplifier 102b, and a phase comparator 102c.
In the sensor circuit 100 configured as described above, the vibrator 101 a of the sensor unit 101 is driven by the voltage controlled oscillator 102 a of the drive circuit unit 102.

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
Here, when the vibrator 101a receives physical stress (pressure), the resonance frequency of the vibrator 101a changes. When the resonance frequency of the vibrator 101a changes, the phase of the output signal output from the phase comparator 102c of the drive circuit 102 changes. Thus, the output signal of the voltage controlled oscillator 102a is controlled to coincide with the resonance frequency of the vibrator 101a, and the vibrator 101a vibrates at the resonance frequency corresponding to the stress. Therefore, the stress value received by the vibrator 101a can be detected by taking the output of the line 104 or 103 as a detection signal.
Japanese Utility Model Publication No. 62-155336

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6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た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。
Incidentally, the MEMS sensor manufactured by the semiconductor process as described above or the vibration type sensor circuit 100 shown in FIG. 6 has a drawback that an error occurs in the acceleration sensitivity due to the ambient temperature because the frequency-temperature characteristic is poor.
In addition, the MEMS sensor has a drawback in that the sensor is destroyed when a strong acceleration exceeding a specified value is applied.
The present invention has been made in view of the above-described points, and an object of the present invention is to provide an acceleration detection device having excellent temperature sensitivity stability. It is another object of the present invention to provide an acceleration detection device that is not destroyed even when strong acceleration is applied.

上記目的を達成するため、第1の応力感応素子を共振子として備えた発振回路と、第2の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、発振回路から出力される出力信号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、ローパスフィルタから出力される出力信号を微分する微分回路とローパスフィルタの出力信号に応じた制御電圧を電圧制御型圧電発振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の応力感応素子は、加速度を検出する加速度検出軸方向を一致させ、且つ、第1及び第2の応力感応素子において検出する加速度検出方向が逆向きとなるように配置して、微分回路の出力信号を加速度検出信号として出力するようにした。
このような本発明によれば、発振回路の出力信号と電圧制御型圧電発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ことにより、発振回路に備えた第1の応力感応素子と、電圧制御型圧電発振回路に備えた第2の応力感応素子とを利用して加速度を検出ことが可能になる。
また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。
To achieve the above object, an oscillation circuit including a first stress sensitive element as a resonator, a voltage control type piezoelectric oscillation circuit including a second stress sensitive element as a resonator, and an output output from the oscillation circuit Output from the phase comparison circuit that compares the phase of the signal and the output signal output from the voltage-controlled piezoelectric oscillation circuit, the low-pass filter that extracts the low-frequency component of the phase difference signal output from the phase comparison circuit, and the low-pass filter And a DC servo circuit that feeds back a control voltage corresponding to the output signal of the low-pass filter to the voltage-controlled piezoelectric oscillation circuit. The first and second stress-sensitive elements have accelerations. A differential circuit in which the acceleration detection axis directions to be detected are made coincident and the acceleration detection directions to be detected in the first and second stress sensitive elements are opposite to each other. An output signal to output as an acceleration detection signal.
According to the present invention, the phase of the output signal of the oscillation circuit and the output signal of the voltage control type piezoelectric oscillation circuit are compared by the phase comparison circuit, the phase comparison result is converted into a direct current by the low-pass filter, and further, the differentiation circuit is used. By differentiating, acceleration can be detected using the first stress sensitive element provided in the oscillation circuit and the second stress sensitive element provided in the voltage control type piezoelectric oscillation circuit.
Further, since it can be configured without providing a voltage-controlled oscillation circuit as in the prior art, oscillation does not stop even when a strong impact other than acceleration is applied unlike the conventional vibration sensor circuit.

本発明の加速度検出装置は、第1及び第2の応力感応素子が第1及び第2の音叉型振動素子により構成され、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、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軸方向と一致させることを特徴とする。このような本発明によれば、加速度を検知する第1及び第2の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。   In the acceleration detecting device of the present invention, the first and second stress sensitive elements are constituted by the first and second tuning fork type vibration elements, and the first and second tuning fork type vibration elements are respectively arranged in parallel. Two vibrating arms and a coupling portion for coupling one ends of the extending directions of the two vibrating arms, and the extending directions of the vibrating arms of the first and second tuning-fork type vibrating elements are defined as acceleration detection axis directions It is characterized by matching. According to the present invention, the tuning fork type vibration element can be used as the first and second stress sensitive elements for detecting acceleration.

本発明の加速度検出装置は、第1及び第2の応力感応素子は、第1及び第2の双音叉型振動素子により構成され、第1及び第2の双音叉型振動素子は、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検出方向と一致させるよう配置したことを特徴とする。このような本発明によれば、加速度を検知する第1及び第2の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。   In the acceleration detecting device of the present invention, the first and second stress sensitive elements are constituted by first and second double tuning fork type vibration elements, and the first and second double tuning fork type vibration elements are respectively connected in parallel. It is a double tuning fork type vibration element having two arranged vibrating arms and a coupling part that couples both ends in the extending direction of the two vibrating arms, and either one of the coupling parts is a fixed end, and the other , And the extension direction of the two vibrating arms is arranged so as to coincide with the acceleration detection direction. According to the present invention as described above, since it is possible to use a double tuning fork type vibration element as the first and second stress sensitive elements for detecting acceleration, stress sensitivity can be improved as compared with the case where a tuning fork type vibration element is used. Can be increased.

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、発振回路(以下、OSC(Oscillator)と称する)2、位相比較回路3、電圧制御型水晶発振回路(以下、VCXO(Voltage Controlled crystal Oscillator)と称する)4、ローパスフィルタ(以下、LPFと称する)5、微分回路6、緩衝増幅回路(以下、バッファアンプと称する)7、及びDCサーボ回路8により構成される。
OSC2は、例えば第1の応力感応素子として第1の音叉型水晶振動素子20aを備え、所定の周波数で発振する。
位相比較回路3は、OSC2から出力される出力信号の位相とVCXO4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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an acceleration detection device according to an embodiment of the present invention.
1 includes an oscillation circuit (hereinafter referred to as OSC (Oscillator)) 2, a phase comparison circuit 3, and a voltage controlled crystal oscillation circuit (hereinafter referred to as VCXO (Voltage Controlled Crystal Oscillator)) 4. , A low-pass filter (hereinafter referred to as LPF) 5, a differentiation circuit 6, a buffer amplifier circuit (hereinafter referred to as buffer amplifier) 7, and a DC servo circuit 8.
The OSC 2 includes, for example, a first tuning-fork type crystal vibrating element 20a as a first stress sensitive element, and oscillates at a predetermined frequency.
The phase comparison circuit 3 compares the phase of the output signal output from the OSC 2 with the phase of the output signal output from the VCXO 4 and outputs the comparison result.

VCXO4は、第2の応力感応素子として上記第1の音叉型水晶振動素子20aと同一特性を有する第2の音叉型水晶振動素子20bを備える。第2の音叉型水晶振動素子20bは、VCXO4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。またVCXO4では、DCサーボ回路8の出力信号を制御電圧VcontとしてVCXO4の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。但し、後述するようにDCサーボ回路8は時定数回路を備え、VCXO4の周波数追従速度が遅くなるように構成されている。
LPF5は、位相比較回路3から出力される位相差信号を直流化して出力する。LPF5の出力信号は、微分回路6に出力されると共に、その一部がDCサーボ回路8にも入力される。
The VCXO 4 includes a second tuning-fork type crystal vibrating element 20b having the same characteristics as the first tuning-fork type crystal vibrating element 20a as a second stress sensitive element. The second tuning-fork type crystal vibrating element 20b functions as a resonator of the VCXO 4 and also functions as an acceleration detecting element that detects acceleration. In the VCXO4, the output signal of the DC servo circuit 8 is applied as a control voltage Vcont to the variable capacitance diode of the VCXO4, thereby changing the load capacity of the oscillation loop so that the oscillation frequency of the output signal becomes constant. However, as will be described later, the DC servo circuit 8 includes a time constant circuit so that the frequency tracking speed of the VCXO 4 is slow.
The LPF 5 converts the phase difference signal output from the phase comparison circuit 3 into a direct current and outputs it. The output signal of the LPF 5 is output to the differentiation circuit 6 and a part thereof is also input to the DC servo circuit 8.

微分回路6はLPF5からの位相差信号を微分して出力する。
ここで、微分回路6の機能について説明する。
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3において、OSC2から得られる周波数と、VCXO4から得られる周波数の位相比較をしているので、位相比較回路3からは位相検波出力Φが得られることになる。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、LPF5の後段に微分回路6を設け、微分回路6において、LPF5から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ようにしている。
The differentiation circuit 6 differentiates and outputs the phase difference signal from the LPF 5.
Here, the function of the differentiating circuit 6 will be described.
For example, when performing acceleration detection 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, the relationship of acceleration ∝Δ sensor frequency (FM detection output) is satisfied.
However, in this embodiment, since the phase comparison circuit 3 compares the frequency obtained from the OSC 2 and the frequency obtained from the VCXO 4, the phase detection output Φ is obtained from the phase comparison circuit 3. . This phase detection output Φ is equal to the integral value of the Δ sensor frequency. That is, the relationship of phase detection output Φ = ∫ sensor frequency (FM detection output) is satisfied. Therefore, in the acceleration detection device of the present embodiment, the differentiation circuit 6 is provided after the LPF 5, and the differentiation value is obtained by differentiating the phase detection output Φ output from the LPF 5 in the differentiation circuit 6. That is, the relationship of FM detection = dΦ / dt∝acceleration is satisfied.

DCサーボ回路8は、例えば抵抗R、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、LPF5からの出力信号を遅延させて制御電圧VcontとしてVCXO4にフィードバックするようにしている。
このように構成される本実施形態の加速度検出装置1においては、OSC2の出力信号とVCXO4の出力信号との位相を位相比較回路3で比較し、その位相比較結果をLPF5により直流化し、さらに微分回路6で微分することにより、OSC2に備えた第1の音叉型水晶振動素子20aと、VCXO4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になる。
The DC servo circuit 8 is constituted by a time constant circuit including, for example, a resistor R and a capacitor C, an operational amplifier OP, and the like, and delays an output signal from the LPF 5 and feeds it back to the VCXO 4 as a control voltage Vcont.
In the acceleration detection device 1 of the present embodiment configured as described above, the phase comparison circuit 3 compares the phases of the output signal of the OSC 2 and the output signal of the VCXO 4, and the phase comparison result is converted into a direct current by the LPF 5 and further differentiated Differentiation by the circuit 6 makes it possible to detect acceleration using the first tuning-fork type crystal vibrating element 20a provided in the OSC2 and the second tuning-fork type crystal vibrating element 20b provided in the VCXO4. .

さらに本実施形態の加速度検出装置1では、LPF5の出力に応じた制御電圧を、DCサーボ回路8を介してVCXO4にフィードバックしている。このようなDCサーボ回路8によるフィードバック制御がない場合、例えばOSC2の発振周波数やVCXO4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OSC2及びVCXO4の回路構成の違いや、第1及び第2の音叉型水晶振動素子20a、20bの経時変化(エージング)の違いなどにより位相差が発生する。そこで、本実施形態では、LPF5の出力に応じた制御電圧を、DCサーボ回路8を介してVCXO4にフィードバックすることで、例えばVCXO4やOSC2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、OSC2に温度補償回路など付加することなく低コストで、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。   Further, in the acceleration detection device 1 of the present embodiment, a control voltage corresponding to the output of the LPF 5 is fed back to the VCXO 4 via the DC servo circuit 8. When there is no feedback control by the DC servo circuit 8 as described above, for example, when the oscillation frequency of the OSC 2 or the resonance frequency of the VCXO 4 changes due to temperature drift, a phase difference occurs even though the acceleration is “0”. . Incidentally, even when the frequency of the first and second tuning-fork type crystal vibrating elements 20a and 20b drifts in the same manner, the difference between the circuit configurations of the OSC2 and the VCXO4, the first and second tuning-fork type crystal vibrating elements 20a, A phase difference occurs due to a difference in aging (aging) of 20b. Therefore, in the present embodiment, a control voltage corresponding to the output of the LPF 5 is fed back to the VCXO 4 via the DC servo circuit 8 so that, for example, the temperature drift of the resonance frequency of the VCXO 4 or OSC 2 is corrected. As a result, it is possible to detect the acceleration with high accuracy without the influence of the temperature drift or the like at a low cost without adding a temperature compensation circuit or the like to the OSC 2.

図2は上記したVCXO4の回路構成の一例を示した図である。
この図2に示すVCXO4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20b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20b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20b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20bにそれぞれ接続されている。
FIG. 2 is a diagram showing an example of the circuit configuration of the VCXO 4 described above.
The VCXO 4 shown in FIG. 2 includes a phase inverting amplifier (hereinafter referred to as a MOS inverter) IC1 as an oscillation circuit. Between the input and output of the MOS inverter IC1, a series circuit in which a feedback resistor R1 and a capacitor C1 for self-bias and a tuning fork type crystal resonator element 20b are connected in series is connected in parallel. Further, a capacitor C2 is connected between the connection point between the output terminal of the MOS inverter IC1 and the tuning fork type crystal vibrating element 20b and the ground (GND), and the connection point between the capacitor C1 and the tuning fork type crystal vibrating element 20b and the ground (GND). A variable capacitance diode D1 is connected between them. The variable capacitance diode D1 has an anode connected to the ground side and a cathode connected to the tuning fork type crystal vibrating element 20b.

このように構成されるVCXO4においては、音叉型水晶振動素子20b、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Vcont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VCXO4は、その出力信号波形が矩形となる。   In the VCXO 4 configured as described above, an oscillation loop is configured by the tuning fork type crystal vibrating element 20b, the capacitors C1 and C2, and the variable capacitance diode D1. Therefore, by applying the control voltage Vcont to the cathode of the variable capacitance diode D1 constituting the oscillation loop via the resistor R2 to vary the capacitance of the variable capacitance diode D1, the load capacitance of the oscillation loop is changed to change the oscillation frequency. Is configured to be controllable so as to have a predetermined oscillation frequency. Further, the VCXO4 using such a MOS inverter IC1 has a rectangular output signal waveform.

図3は音叉型水晶振動素子20a、20bの構成を模式的に示した図である。
この図3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、加速度を検出する加速度検出軸方向を一致させ、且つ、第1及び第2の音叉型水晶振動素子20a、20bにおいて検出する加速度検出方向が逆向きとなるように配置している。即ち、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、結合部22は基板と接続する固定部である。このとき、図3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との間で互いに逆向きとなるようにした。
FIG. 3 is a diagram schematically showing the configuration of the tuning fork type crystal vibrating elements 20a and 20b.
As shown in FIG. 3, the first and second tuning-fork type crystal vibrating elements 20a, 20b have the same acceleration detection axis direction for detecting acceleration, and the first and second tuning-fork type crystal vibrating elements 20a, It arrange | positions so that the acceleration detection direction detected in 20b may become reverse direction. That is, it includes two vibrating arms 21a and 21b arranged in parallel, and a coupling portion 22 that couples one end in the extending direction of the two vibrating arms 21a and 21b. The coupling portions 22 of the first and second tuning-fork type crystal vibrating elements 20a and 20b are fixed to substrates (not shown) on which the tuning-fork type crystal vibrating elements 20a and 20b are respectively mounted. The coupling portion 22 is a fixed portion that is connected to the substrate. At this time, as shown in FIG. 3, the extension directions of the vibrating arms 21a and 21b of the first tuning-fork type crystal vibrating element 20a and the vibrating arms 21a and 21b of the second tuning-fork type crystal vibrating element 20b are defined as the acceleration detection axis direction. And the free ends of the vibrating arms 21a and 21b of the first tuning-fork type quartz vibrating element 20a and the free ends of the vibrating arms 21a and 21b of the second tuning-fork type quartz vibrating element 20b are arranged to face each other. Alternatively, the coupling portion 22 of the first tuning-fork type crystal resonator element 20a and the coupling portion 22 of the second tuning-fork type crystal resonator element 20b are arranged to face each other. That is, the extending directions of the vibrating arm 21a and the vibrating arm 21b are opposite to each other between the tuning fork type crystal vibrating elements 20a and 20b.

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3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動素子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。   In the first and second tuning-fork type crystal vibrating elements 20a and 20b configured in this way, when an AC voltage is applied to a drive electrode (not shown), the two vibrating arms 21a and 21b arranged in parallel are symmetrical as indicated by broken lines. Bends and vibrates. Then, for example, when an acceleration α in the direction of the arrow shown in FIG. 3 is applied in the state of bending vibration, the inertial force in the direction opposite to the direction of the acceleration α is apparently applied to the first tuning-fork type crystal vibrating element 20a. As a result, the vibrating arms 21a and 21b of the tuning-fork type crystal vibrating element 20a are subjected to tensile stress that is pulled in a direction opposite to the acceleration α. In this case, the frequency of the first tuning-fork type crystal vibrating element 20a becomes high due to the influence of tensile stress. On the other hand, since the inertial force in the direction opposite to the direction of the acceleration α is apparently generated also in the second tuning-fork type crystal vibrating element 20b, the vibration arms 21a and 21b of the tuning-fork type crystal vibrating element 20b are coupled to each other due to this influence. A compressive stress that compresses in the direction of the portion 22 is received. In this case, the frequency of the second tuning-fork type crystal vibrating element 20b is lowered due to the influence of compressive stress.

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に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。
この場合、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。また低消費電力化が可能になる。また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3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。従って、本実施形態の加速度検出装置1では、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。
Therefore, in the present embodiment, the acceleration detection signal Sα is obtained based on a frequency change that occurs when acceleration is applied to the first and second tuning-fork type crystal vibrating elements 20a, 20b.
In this case, the tuning fork type crystal resonator elements 20a and 20b have a wide dynamic range (for example, ± 3 g to ± 400 g) and high linearity (for example, 0.05% FS) compared to the conventional MEMS acceleration sensor. There is an advantage that the temperature sensitivity stability is good. In addition, power consumption can be reduced. In addition, since the acceleration detection axis direction and the extending direction of the vibrating arms 21a and 21b can be matched, it is advantageous in reducing the height in the direction perpendicular to the acceleration detection axis direction (direction perpendicular to the substrate surface). In FIG. 3, the concept of the bending vibration of the tuning fork type crystal vibrating elements 20a and 20b is shown by a broken line for easy understanding. However, in practice, the shape of the tuning fork type crystal vibrating element 20 is hardly displaced. It is. Therefore, in the acceleration detecting device 1 of the present embodiment, the element itself is not damaged even when a strong acceleration exceeding a specified value is applied.

また本実施形態では、同一性能を有する第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3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。
また例えば図6に示す従来の振動センサ回路100においては、ドライブ回路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4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、従来の振動センサ回路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、VCXO4の制御電圧を加速度信号として利用するようにしている。VCXO4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LPF5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。この結果、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。
In the present embodiment, the first and second tuning-fork type crystal vibrating elements 20a and 20b having the same performance are arranged opposite to the acceleration detection direction, so that compared with the case where there is one tuning-fork type crystal vibrating element. The level of the phase difference signal output from the phase comparison circuit 3 can be increased about twice. As a result, the acceleration detection sensitivity can be increased approximately twice.
For example, in the conventional vibration sensor circuit 100 shown in FIG. 6, it is conceivable to use the DC output (control voltage) of the phase comparator 102c of the drive circuit 102 as a stress value signal (acceleration signal). However, normally, an LC resonator or a CR resonator is used as the voltage controlled oscillator 102a, and the voltage controlled oscillator 102a having such a resonator has a large amount of frequency change with respect to the control voltage Vcont as shown in FIG. That is, the frequency sensitivity characteristic is high. For this reason, when the control voltage Vcont of the phase comparator 102c is used as the detection result of the stress value signal (acceleration signal) without using the resonance frequency as the detection result in the conventional vibration sensor circuit 100, the control voltage for the frequency change amount is used. A sensor with a small change amount of Vcont and high detection sensitivity cannot be realized.
On the other hand, in the acceleration detection device 1 of the present embodiment, the control voltage of the VCXO 4 is used as an acceleration signal. Since VCXO4 has a narrow frequency variable range for the control voltage compared to the VCO (frequency control sensitivity is low), the change in the output voltage (control voltage) of the LPF 5 with respect to the frequency change accompanying the acceleration operation is increased (high potential). ). As a result, a highly sensitive sensor can be realized with respect to acceleration changes.

これまで説明し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5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5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。
In the present embodiment described so far, the tuning fork type crystal vibrating element 20 has been described as an example of the stress sensitive element. However, this is merely an example, and as the stress sensitive element, for example, a double tuning fork type crystal as shown in FIG. It is also possible to use a vibration element.
The double tuning fork type crystal vibrating element 23 shown in FIG. 5 includes two vibrating arms 21a and 21b arranged in parallel, and a coupling portion 22a in which both ends in the extending direction of the two vibrating arms 21a and 21b are coupled. 22b. In this case, for example, only one of the coupling portions 22a and 22b is fixed to a substrate (not shown) on which the double tuning fork type crystal vibrating element 23 is mounted, and the other is set as a free end. do it.
When the acceleration detecting device of the present embodiment is configured using the double tuning fork type crystal vibrating element 23, the coupling portion 22b on the free end side functions as a weight, so that the acceleration sensitivity is higher than that of the tuning fork type crystal vibrating element 20 described above. be able to.
In the present embodiment, a tuning fork type vibration element has been described as an example of the stress sensitive element. However, this is only an example, and so-called AT-cut crystal vibration is used as long as the resonance frequency changes according to acceleration. Various piezoelectric vibration elements such as a child and a resonator can be applied as a stress sensitive element.

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図である。It is the figure which showed the structure of the acceleration detection apparatus which concerns on embodiment of this invention. VCXOの回路構成の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the circuit structure of VCXO. 音叉型水晶振動素子の構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of the tuning fork type crystal vibrating element. VCXOとVCOの周波数感度特性を示した図である。It is the figure which showed the frequency sensitivity characteristic of VCXO and VCO. 双音叉型水晶振動素子の構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of the double tuning fork type crystal vibrating element. 従来の振動式センサ回路の構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of the conventional vibration type sensor circuit.

符号の説明Explanation of symbols

1…加速度検出装置、2…発振回路、3…位相比較回路、4…VCXO、5…LPF、6…微分回路、7…バッファアンプ、8…DCサーボ回路、20…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   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Acceleration detection apparatus, 2 ... Oscillation circuit, 3 ... Phase comparison circuit, 4 ... VCXO, 5 ... LPF, 6 ... Differentiation circuit, 7 ... Buffer amplifier, 8 ... DC servo circuit, 20 ... Tuning fork type crystal vibration element, 21a , 21b, each vibrating arm, 22, 22a, 22b, a coupling portion, 23, a double tuning fork type crystal vibrating element

Claims (3)

第1の応力感応素子を共振子として備えた発振回路と、
第2の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、
前記発振回路から出力される出力信号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から出力される出力信号を微分する微分回路と、
前記ローパスフィルタの出力信号に応じた制御電圧を前記電圧制御型圧電発振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の応力感応素子は、加速度を検出する加速度検出軸方向を一致させ、且つ、前記第1及び第2の応力感応素子において検出する加速度検出方向が逆向きとなるように配置して、前記微分回路の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 stress sensitive element as a resonator;
A voltage-controlled piezoelectric oscillation circuit including a second stress-sensitive element as a resonator;
A phase comparison circuit for comparing the phase of the output signal output from the oscillation circuit and the output signal output from the voltage-controlled piezoelectric oscillation circuit;
A low pass filter for extracting a low frequency component of the phase difference signal output from the phase comparison circuit;
A differentiating circuit for differentiating an output signal output from the low-pass filter;
A DC servo circuit that feeds back a control voltage corresponding to the output signal of the low-pass filter to the voltage-controlled piezoelectric oscillation circuit,
The first and second stress sensitive elements are arranged so that the acceleration detection axis directions for detecting acceleration coincide with each other and the acceleration detection directions detected by the first and second stress sensitive elements are opposite to each other. Then, the acceleration detection device outputs the output signal of the differentiation circuit as an acceleration detection signal.
前記第1及び第2の応力感応素子は、第1及び第2の音叉型振動素子により構成され、
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軸方向と一致させ、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ことを特徴とする請求項1に記載の加速度検出装置。
The first and second stress sensitive elements are constituted by first and second tuning fork type vibration elements,
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. 2. The extending direction of each vibrating arm of the second tuning-fork type vibration element is made to coincide with the acceleration detection axis direction, and the first and second tuning-fork type vibration elements are arranged to face each other. Acceleration detection device.
前記第1及び第2の応力感応素子は、第1及び第2の双音叉型振動素子により構成され、前記第1及び第2の双音叉型振動素子は、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検出方向と一致させ、且つ、前記第1及び第2の双音叉型振動素子を対向配置したことを特徴とする請求項1に記載の加速度検出装置。   The first and second stress sensitive elements are constituted by first and second double tuning fork type vibration elements, and the first and second double tuning fork type vibration elements are respectively arranged in parallel. A double tuning fork type vibration element having a vibrating arm and a coupling portion in which both ends in the extending direction of the two vibrating arms are coupled, one of the coupling portions being a fixed end and the other being a free end, 2. The acceleration detecting apparatus according to claim 1, wherein the extending direction of the two vibrating arms is made coincident with the acceleration detecting direction, and the first and second double tuning fork type vibrating elements are arranged to face each other.
JP2007022658A 2007-02-01 2007-02-01 Acceleration sensing device Withdrawn JP2008190884A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007022658A JP2008190884A (en) 2007-02-01 2007-02-01 Acceleration sensing device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007022658A JP2008190884A (en) 2007-02-01 2007-02-01 Acceleration sensing device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008190884A true JP2008190884A (en) 2008-08-21

Family

ID=39751137

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007022658A Withdrawn JP2008190884A (en) 2007-02-01 2007-02-01 Acceleration sensing device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008190884A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104395695B (en) Improved vibratory gyroscope
US8875578B2 (en) Electronic damper circuit for MEMS sensors and resonators
KR101297654B1 (en) Temperature compensation method and temperature and oscillation control loop system of parallel plate electrode type resonance sensor
US8183944B2 (en) Method and system for using a MEMS structure as a timing source
JP2015525872A5 (en)
EP2783222A1 (en) Mems inertial sensor and method of inertial sensing
US7343802B2 (en) Dynamic-quantity sensor
JP5105345B2 (en) Oscillator
JP2002228453A (en) Oscillatory gyro and temperature drift adjusting method therefor
US9252707B2 (en) MEMS mass bias to track changes in bias conditions and reduce effects of flicker noise
JP5187836B2 (en) Sensor sensitivity adjusting means and sensor manufacturing method
JPWO2007125708A1 (en) Temperature characteristic setting method of angular velocity sensor and angular velocity sensor
JP2008151632A (en) Acceleration detector
JP2008157766A (en) Acceleration detecting device
JP2008190884A (en) Acceleration sensing device
JP5589171B2 (en) Circuit for physical quantity detection device
JP2008157767A (en) Acceleration detecting device
US20070277614A1 (en) Vibration sensor
JP2008170308A (en) Acceleration detecting apparatus
JP2008190924A (en) Acceleration sensing device
JP5208063B2 (en) Vibration type gyro sensor
JP2008151630A (en) Acceleration detector
JP2008170307A (en) Acceleration detection apparatus
EP0777105B1 (en) Vibration gyroscope and method for adjusting vibration-gyroscope characteristics
JP2008256580A (en) Acceleration detector

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20100406