JP2008256581A - 加速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】基準信号を出力する基準発振回路２と、複数の加速度検出回路１２ａ〜１２ｃとからなり、各加速度検出回路１２ａ〜１２ｃは、音叉型水晶振動素子２０ａ〜２０ｃにより決定される共振周波数に基づいて基準発振回路２から出力される出力信号を移相する共振回路６ａ〜６ｃと、基準発振回路２から出力される出力信号と共振回路６ａ〜６ｃ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８ａ〜８ｃと、位相比較回路８ａ〜８ｃから出力される位相差信号を直流化して出力するＬＰＦ９ａ〜９ｃと、ＬＰＦ９ａ〜９ｃから出力される出力信号を微分する微分回路１０ａ〜１０ｃと、を備え、音叉型水晶振動素子２０ａ〜２０ｃの応力検知方向を加速度検出方向と一致させ、微分回路１０ａ〜１０ｃ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。
【選択図】図１

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。

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９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９に示す従来の振動式センサ回路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

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９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。
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、加速度以外の衝撃を受けた場合でも安定して動作し、且つ、大幅なコストアップ無しに多軸化を図ることが可能な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、応力感応素子を備え、該応力感応素子により決定される共振周波数に基づいて基準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、基準発振回路から出力される出力信号と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、を備え、応力感応素子の応力検知方向を加速度検出方向と一致させ、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、基準発振回路からの基準信号と、各加速度検出回路において、応力感応素子を共振子として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直流化した後、微分することにより、各加速度検出回路において加速度検出信号を得ることができる。従って、各加速度検出回路の共振回路に備えられる応力感応素子の加速度検出軸を、加速度を検出すべき方向に向けて配置すれば、少ない素子数で加速度検出装置の多軸化を図ることができる。
また本発明では、電圧制御型発振回路を設ける必要がないので、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ことがない。

また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、複数の加速度検出回路の内、少なくとも一つの加速度検出回路は、第１の応力感応素子を備え、該第１の応力感応素子により決定される共振周波数に基づいて基準発振回路から出力される出力信号を移相する第１の共振回路と、第２の応力感応素子を備え、該第２の応力感応素子により決定される共振周波数に基づいて基準発振回路から出力される出力信号を移相する第２の共振回路と、第１の共振回路から出力される出力信号と第２の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、を備え、第１及び第２の応力感応素子の応力検知方向を加速度検出方向と一致させ、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たうえで、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、複数の加速度検出回路の内、少なくとも一つの加速度検出回路は、第１の応力感応素子を共振子として備えた第１の共振回路の出力信号と、第２の応力感応素子を共振子として備えた第２の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直流化した後、微分することにより、各加速度検出回路において加速度検出信号を得ることができる。従って、各加速度検出回路の共振回路に備えられる応力感応素子の加速度検出軸を、加速度を検出すべき方向に向けて配置すれば加速度検出装置の多軸化を図ることができる。また特定の検出軸方向の検出感度だけを高めるといったことが可能になる。
また本発明では、電圧制御型発振回路を設ける必要がないので、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ことがない。
さらに第１及び第２の応力感応素子を加速度検出方向に対して対向配置しているので、応力感応素子が１つの場合に比べて位相比較回路から出力される位相差信号のレベルが約２倍になり、加速度の検出感度を約２倍に高めることができる。

また本発明の加速度検出装置は、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、共振回路において共振子として利用する応力感応素子の共振周波数との周波数差が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。

また本発明の加速度検出装置は、位相比較回路に入力される入力信号の一方又は両方を矩形化する矩形化回路を備えるようにした。このような本発明によれば、位相比較回路の前段に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。

また本発明の加速度検出装置は、基準発振回路又は分周回路の出力信号を移相する移相回路を備えるようにした。このような本発明によれば、基準発振回路又は分周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。

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、電圧制御型圧電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、応力感応素子が音叉型振動素子又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、加速度を検知する応力感応素子として音叉型振動素子、又は双音叉型振動素子を利用することが可能になり、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、基準発振回路２、分周回路３、９０°移相回路４、第１の矩形化回路５、及び複数の加速度検出回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃから構成される。加速度検出回路１２ａは、共振回路６ａ、第２の矩形化回路７ａ、位相比較回路８ａ、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと称する）９ａ、微分回路１０ａ、及び緩衝増幅回路（以下、バッファアンプと称する）１１ａにより構成される。また加速度検出回路１２ｂは、共振回路６ｂ、第２の矩形化回路７ｂ、位相比較回路８ｂ、ＬＰＦ９ｂ、微分回路１０ｂ、及びバッファアンプ１１ｂにより構成される。また加速度検出回路１２ｃは、共振回路６ｃ、第２の矩形化回路７ｃ、位相比較回路８ｃ、ＬＰＦ９ｃ、微分回路１０ｃ、及びバッファアンプ１１ｃ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。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。分周回路３の出力信号は分岐されて９０°移相回路４及び各加速度検出回路１２ａ〜１２ｃの共振回路６ａ〜６ｃに入力される。
９０°移相回路４は、分周回路３から出力される出力信号の位相を９０°移相する。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、分周回路３は、その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。
第１の矩形化回路５は、例えばコンパレータなどにより構成され、９０°移相回路４の出力信号を矩形波信号に変換して各加速度検出回路１２ａ〜１２ｃの各位相比較器８ａ〜ｃに出力する。

加速度検出回路１２ａの共振回路６ａは、音叉型水晶振動素子２０ａを備え、音叉型水晶振動素子２０ａにより決定される共振周波数に基づいて分周回路３の出力信号を移相して出力する。第２の矩形化回路７ａ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６ａからの出力信号を矩形波信号に変換して位相比較回路８ａに出力する。
位相比較回路８ａは、第１の矩形化回路５からの出力信号と、第２の矩形化回路７ａ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、各位相比較回路８ａ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。ＬＰＦ９ａは、位相比較回路８ａ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１０ａは、ＬＰＦ９ａからの位相差信号を微分して出力する。そして、微分回路１０ａで微分された信号を、バッファアンプ１１ａを介して加速度検出信号Ｓα１として出力する。

加速度検出回路１２ｂの共振回路６ｂは、音叉型水晶振動素子２０ｂを備え、音叉型水晶振動素子２０ｂにより決定される共振周波数に基づいて分周回路３の出力信号を移相して出力する。第２の矩形化回路７ｂは、上記同様、例えばコンパレータなどにより構成され、共振回路６ｂからの出力信号を矩形波信号に変換して位相比較回路８ｂに出力する。
位相比較回路８ｂは、第１の矩形化回路５からの出力信号と、第２の矩形化回路７ｂ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。ＬＰＦ９ｂは、位相比較回路８ｂ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１０ｂは、ＬＰＦ９ｂからの位相差信号を微分して出力する。そして、微分回路１０ｂで微分された信号を、バッファアンプ１１ｂを介して加速度検出信号Ｓα２として出力する。
同様に加速度検出回路１２ｃの共振回路６ｃは、音叉型水晶振動素子２０ｃを備え、音叉型水晶振動素子２０ｃにより決定される共振周波数に基づいて分周回路３の出力信号を移相して出力する。第２の矩形化回路７ｃは、上記同様、例えばコンパレータなどにより構成され、共振回路６ｃからの出力信号を矩形波信号に変換して位相比較回路８ｃに出力する。
位相比較回路８ｃは、第１の矩形化回路５からの出力信号と、第２の矩形化回路７ｃ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。ＬＰＦ９ｃは、位相比較回路８ｃ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１０ｃは、ＬＰＦ９ｃからの位相差信号を微分して出力する。そして、微分回路１０ｃで微分された信号を、バッファアンプ１１ｃを介して加速度検出信号Ｓα３として出力する。

なお、位相比較回路８ａ〜８ｃ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８ａ〜８ｃの前段に第１の矩形化回路５とそれぞれ第２の矩形化回路７ａ〜７ｃを設けるようにしたが、矩形化回路は、少なくとも何れか一方だけを設けるようにすれば良い。
また、分周回路３の出力波形が矩形波であれば、第１の矩形化回路５及び第２の矩形化回路７ａ〜７ｃは必ずしも設ける必要はない。但し、通常、共振回路６ａ〜６ｃや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、本実施形態では分周回路３の出力波形を正弦波形とし、位相比較回路８ａ〜８ｃに入力する際に第１の矩形化回路５及び第２の矩形化回路７ａ〜７ｃにより矩形化することが望ましい。
さらに、位相比較回路８ａ〜８ｃ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の矩形化回路５及び第２の矩形化回路７ａ〜７ｃにより矩形化（波形整形）することが望ましい。

ここで、微分回路１０ａ〜１０ｃの機能について説明する。なお、ここでは微分回路１０ａの機能を例に挙げて説明する。
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用い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８ａ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を行っているので、位相比較回路８ａ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微分回路１０ａを設け、微分回路１０ａにおいて、ＬＰＦ９ａ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。これにより、ＦＭ検波＝ｄΦ／ｄｔ∝加速度の関係を満たすことになる。

図２（ａ）は共振回路に備えられる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（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２（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２（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２（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２（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。

以下、第１の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６の位相特性を示した図である。なお、本実施の形態では共振回路６ａを例に挙げて説明する。
ここで、定速運動状態における共振回路６ａの位相特性を図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６ａ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６ａから出力される出力信号との位相差は「０」となる。
共振回路６ａの音叉型水晶振動素子２０ａの振動腕２１ａ、２１ｂの延長方向へ加速運動が生じ、音叉型水晶振動素子２０ａの振動腕２１ａ、２１ｂに引っ張り方向の慣性力が加わったとする。すると、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高くなる。音叉型水晶振動素子２０ａの周波数が高くなった場合、共振回路６の位相特性は図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、共振回路６ａから出力される信号の位相は、共振回路６ａに入力される信号に対してΔＡの位相差を有するものとなる。

そこで、本実施の形態の加速度検出装置１においては、共振回路６ａ〜６ｃの出力信号と９０°移相回路４の出力信号との位相を位相比較回路８ａ〜８ｃでそれぞれ比較し、その位相比較結果をＬＰＦ９ａ〜９ｃにより直流化し、さらに微分回路１０ａ〜１０ｃで微分することにより、共振回路６ａ〜６ｃに備えた音叉型水晶振動素子２０ａ〜２０ｃを利用して加速度検出を行うことが可能になる。
また、本実施の形態の加速度検出装置１においては、図２（ｂ）に示すように、加速度検出回路１２ａの共振回路６ａに備えられる音叉型水晶振動素子２０ａの検出軸をＸ軸、加速度検出回路１２ｂの共振回路６ｂに備えられる音叉型水晶振動素子２０ａの検出軸をＹ軸、加速度検出回路１２ｃの共振回路６ｃに備えられる音叉型水晶振動素子２０ｃの検出軸をＺ軸に合わせて配置すれば、少ない素子数で加速度検出装置の多軸化を図ることができる。

また本実施の形態の加速度検出装置１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。
また、本実施形態のように音叉型水晶振動素子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。

次に、本発明の加速度検出装置の第２の実施形態について説明する。
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。図４に示す加速度検出装置３０では、加速度検出回路３１ａが、９０°移相回路４ａ、音叉型水晶振動素子２０ｄを備える共振回路１３ａ、第１の矩形化回路５ａ、共振回路６ａ、第２の矩形化回路７ａ、位相比較回路８ａ、ＬＰＦ９ａ、微分回路１０ａ、及びバッファアンプ１１ａにより構成される。そして、加速度検出回路１２ｂ、１２ｃの位相比較回路８ｂ、８ｃには、加速度検出回路３１ａの９０°移相回路４ａの出力を供給するようにした。
このように構成された加速度検出装置３０の加速度検出回路３１ａでは、音叉型水晶振動素子２０ａを備える共振回路６ａが音叉型水晶振動素子２０ａにより決定される共振周波数に基づいて分周回路３の出力信号を移相して出力し、音叉型水晶振動素子２０ｄを備える共振回路１３ａが音叉型水晶振動素子２０ｄにより決定される共振周波数に基づいて９０°移相回路４ａの出力信号を移相して出力するようにしている。

図５は音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｄの構成を模式的に示した図である。
図５に示すように音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｄ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。音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｄの各結合部２２を、当該音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｄ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、音叉型水晶振動素子２０ａの各振動腕２１ａ、２１ｂと音叉型水晶振動素子２０ｄ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、音叉型水晶振動素子２０ａの振動腕２１ａ、２１ｂの自由端部と音叉型水晶振動素子２０ｄの振動腕２１ａ、２１ｂの自由端部を対向配置する、或いは音叉型水晶振動素子２０ａの結合部２２と音叉型水晶振動素子２０ｄ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、２０ｄとの間で互いに逆向きとなるように対向配置した。

このように構成される音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｄ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５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、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、音叉型水晶振動素子２０ｄ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２０ｄ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２０ｄの周波数は圧縮応力の影響を受けて低くなる。そこで、第２の実施形態の加速度検出装置３０の加速度検出回路１２ａにおいては、音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｄ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Ｓα１を得るようにしている。

このような音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｄ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、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５においても説明を分かり易くするために音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｄ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。

上記のように構成される加速度検出装置３０においては、共振回路６ａに設けられている音叉型水晶振動素子２０ａの振動腕２１ａ、２１ｂの延長方向へ加速運動が生じ、例えば音叉型水晶振動素子２０ａの振動腕２１ａ、２１ｂに引っ張り方向の慣性力が加わった場合、共振回路１３ａに設けられている音叉型水晶振動素子２０ｄの振動腕２１ａ、２１ｂには圧縮方向の慣性力が加わることになる。すると、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高くなる。これに対して、音叉型水晶振動素子２０ｄは、慣性力の影響を受けて周波数が低くなる。従って、共振回路６ａの移相特性は、図３に示したように特性が全体的に高周波側へシフトするのに対して、共振回路１３ａの移相特性は、図示しないが全体的に低周波側へシフトすることになる。
従って、図４に示した加速度検出装置３０の加速度検出回路１２ａの位相比較回路８ａにおいて検波される位相差は、図１に示した加速度検出回路１２ａの位相比較回路８ａにおいて検波される位相差ΔＡの約２倍となる。つまり、加速度検出回路１２ａの検出感度だけを高めることができる。換言すれば、図４に示した加速度検出装置３０によれば、特定の軸（この場合はＸ軸）の検出感度だけを高めることができる。

またこの場合も、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。
さらに音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｄ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８ａ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。さらに音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｄ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。

図６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４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６に示す加速度検出装置４０では、上記図４に示した加速度検出回路１２ｂを加速度検出回路３１ｂのように構成したものである。
この場合、加速度検出回路３１ｂは、９０°移相回路４ｂ、音叉型水晶振動素子２０ｅを備える共振回路１３ｂ、第１の矩形化回路５ｂ、共振回路６ｂ、第２の矩形化回路７ｂ、位相比較回路８ｂ、ＬＰＦ９ｂ、微分回路１０ｂ、及びバッファアンプ１１ｂにより構成される。そして、加速度検出回路１２ｃの位相比較回路８ｃには、加速度検出回路３１ｂの９０°移相回路４ａの出力を供給するようにした。
この場合、加速度検出回路１２ａ、１２ｂの位相比較回路８ａ、８ｂにおいて検波される位相差は、図１に示した加速度検出回路１２ａの位相比較回路８ａにおいて検波される位相差ΔＡの約２倍となり、加速度検出回路１２ａ、１２ｂの検出感度を高めることができる。つまり、第３の実施の形態の加速度検出装置４０によれば、２軸（Ｘ軸とＹ軸）の検出感度を高めることができる。

図７は本発明の第４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６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７に示す加速度検出装置５０では、上記図６に示した加速度検出回路１２ｃを加速度検出回路３１ｃのように構成したものである。
加速度検出回路３１ｃは、９０°移相回路４ｃ、音叉型水晶振動素子２０ｆを備える共振回路１３ｃ、第１の矩形化回路５ｃ、共振回路６ｃ、第２の矩形化回路７ｃ、位相比較回路８ｃ、ＬＰＦ９ｃ、微分回路１０ｃ、及びバッファアンプ１１ｃにより構成される。この場合、加速度検出回路１２ａ〜１２ｃの位相比較回路８ａ〜８ｃにおいて検波される位相差は、図１に示した加速度検出回路１２ａの位相比較回路８ａにおいて検波される位相差ΔＡの約２倍となり、加速度検出回路１２ａ〜１２ｃの３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の検出感度を高めることができる。

また、これまで説明した音叉型水晶振動素子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８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８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。

また、本実施形態では、基準発振回路２を分周回路３で分周して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８ａ〜８ｃ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、移相回路４を設け、分周回路３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８ａ〜８ｃの位相特性に併せて移相することで、位相比較回路８ａ〜８ｃにおいて音叉型水晶振動素子２０ａ〜２０ｆ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８ａ〜８ｃ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８ａ〜８ｃにおいて音叉型水晶振動素子２０ａ〜２０ｆ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５に於いて加速度αの方向であるか、或いは加速度αと逆の方向であるかを検出可能になる。

即ち、位相比較回路８ａ〜８ｃが０°位相比較回路である場合、位相比較回路８ａ〜８ｃ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８ａ〜８ｃ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８ａ〜８ｃ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可能になるという利点がある。

なお、本実施の形態では、一つの基準発振器２に複数の加速度検出回路をすることで、基準発振器２を共通化して加速度検出装置の多軸化を図るようにしたが、これはあくまでも一例であり、例えばジャイロセンサなどの他の周波数変化型センサ回路を接続して基準発振回路２の共通化することも可能である。

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図である。 音叉型水晶振動素子の構成を示した図である。 共振回路の移相特性を示した図である。 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図である。 音叉型水晶振動素子の構成を示した図である。 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図である。 本発明の第４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。 双音叉型水晶振動素子の構成を示した図である。 従来の振動式センサ回路の構成を示した図である。

符号の説明

１、３０、４０、５０…加速度検出装置、２…基準発振回路、３…分周回路、４、４ａ、４ｂ、４ｃ…移相回路、５、５ａ、５ｂ、５ｃ…第１の矩形化回路、６、６ａ、６ｂ、６ｃ…共振回路、７ａ、７ｂ、７ｃ…第２の矩形化回路、８、８ａ、８ｂ、８ｃ…位相比較回路、９ａ、９ｂ、９ｃ…ＬＰＦ、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ…微分回路、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…バッファアンプ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ…加速度検出回路、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ…共振回路、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ…音叉型水晶振動素子、２１ａ、２１ｂ…振動腕、２２、２２ａ、２２ｂ…結合部、２３…双音叉型水晶振動素子

Claims (7)

1. 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、
   応力感応素子を備え、該応力感応素子により決定される共振周波数に基づいて前記基準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、
   前記基準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、を備え、
   前記応力感応素子の応力検知方向を加速度検出方向と一致させ、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。
2. 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、
   前記複数の加速度検出回路の内、少なくとも一つの加速度検出回路は、
   第１の応力感応素子を備え、該第１の応力感応素子により決定される共振周波数に基づいて前記基準発振回路から出力される出力信号を移相する第１の共振回路と、
   第２の応力感応素子を備え、該第２の応力感応素子により決定される共振周波数に基づいて前記基準発振回路から出力される出力信号を移相する第２の共振回路と、
   前記第１の共振回路から出力される出力信号と前記第２の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、を備え、
   前記第１及び第２の応力感応素子の応力検知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たうえで、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。
3. 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又は２記載の加速度検出装置。
4. 前記位相比較回路に入力される入力信号の一方又は両方を矩形化する矩形化回路を備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の加速度検出装置。
5. 前記基準発振回路又は前記分周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請求項１乃至４の何れか１項に記載の加速度検出装置。
6. 前記移相回路は、９０°移相回路であることを特徴とする請求項５に記載の加速度検出装置。
7. 前記応力感応素子は、音叉型振動素子、又は双音叉型振動素子であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の加速度検出装置。

Images