JP2009186285A - 加速度センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】感度を向上できるようにする。
【解決手段】加速度センサ10は、第1圧電振動片16を備えた発振部12と、前記発振部の出力信号の位相を90°変化させて出力する90°移相部20と、前記90°移相部20の出力側に設けられた第2圧電振動片24と抵抗とから成る直列回路を有する移相回路部22と、前記移相回路部22の出力信号と前記発振部12の出力信号とに基づいて、両者の位相差に応じた信号を出力する移相変化出力部45とを有する。第2圧電振動片24に直列回路を成す抵抗を有する構成。
【選択図】図1
【解決手段】加速度センサ10は、第1圧電振動片16を備えた発振部12と、前記発振部の出力信号の位相を90°変化させて出力する90°移相部20と、前記90°移相部20の出力側に設けられた第2圧電振動片24と抵抗とから成る直列回路を有する移相回路部22と、前記移相回路部22の出力信号と前記発振部12の出力信号とに基づいて、両者の位相差に応じた信号を出力する移相変化出力部45とを有する。第2圧電振動片24に直列回路を成す抵抗を有する構成。
【選択図】図1
Description
本発明は、加速度センサに係り、特に加速度による振動数の変化を利用して加速度の大きさを検出する振動式加速度センサに関する。
加速度センサには、振動体の共振現象を利用した振動式のものがある。この振動式の加速度センサは、振動体の共振周波数を検出することで加速度が得られるため、検出回路のデジタル化、小型化を容易に図ることができる。そして、特許文献1には、支持体とマス部との間に細い接続部を介して振動体を配置した振動式の加速度センサが提案されている。この特許文献1に記載の加速度センサは、シリコン基板を用いてマイクロマシニング技術を利用して製造することができる。
特開平9−257830号公報
しかし、特許文献1に記載の加速度センサは、半導体を用いているので、振動体を励振するために特別な外力を必要とする。また、特許文献1に記載の加速度センサは、半導体で形成しているために周波数温度特性が悪く、別途温度補償をする回路等が必要になる。さらに、特許文献1に記載の加速度センサは、ある程度強い加速度に基づいた応力が作用しないと、加速度を検出することができず、高感度のセンサとすることが困難である。
本発明は、従来技術の欠点を解消するためになされたもので、感度を向上できるようにすることを目的としている。
また、本発明は、温度特性を改善することを目的としている。
また、本発明は加速度の入力に対して線形性の高い出力が得られるセンサの実現も目的とする。
また、本発明は、温度特性を改善することを目的としている。
また、本発明は加速度の入力に対して線形性の高い出力が得られるセンサの実現も目的とする。
発明者らは、感度の優れた加速度センサを得るために鋭意研究し、実験を行なった。そして、水晶からなる音叉型振動片の長手方向(振動腕の軸方向)に加速度を印加すると、図6に示したように、音叉型振動片の共振周波数が印加された加速度に比例して変化することを見出した。図6は、横軸が重力加速度G(=9.80665m/s2)を単位とした加速度であり、縦軸が音叉振動片の軸方向に加速度が印加されたときの共振周波数の、加速度が印加されていないときの共振周波数に対する周波数偏差をppmで示している。なお、加速度が印加されていないときの音叉型振動片の共振周波数は、40kHzである。そして、プラス(+)の加速度とは、音叉型振動片の振動腕の基端側から先端側に向けて加速度が作用している状態であり、マイナス(−)の加速度とは振動腕の先端側から基端側に向けて加速度が作用している状態を示す。
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものである。すなわち、本発明に係る加速度センサは、第1圧電振動片と、前記第1圧電振動片を発振させる発振回路とを備え、前記発振回路の発振信号を出力する発振部と、前記発振部の出力信号の位相を所与の角度変化させて出力する移相部と、前記移相部の出力側に設けられ、第2圧電振動片と第1の抵抗とからなる直列回路と、該直列回路の出力端と定電位回路との間に接続した第2の抵抗とを備えた移相回路部と、前記移相回路部の出力信号と前記発振部の出力信号とを乗算する乗算器と、前記乗算器の出力が入力され、前記移相回路の入出力信号の移相角度の変化に対応した値を出力する移相変化出力部と、を有し、前記第1圧電振動片と前記第2圧電振動片の少なくともいずれか一方が加速度センサ素子であることを特徴とする。
上記のようになっている本発明は、加速度が作用すると、圧電振動片の共振周波数が変化し、発振部の出力信号の発振周波数が第2圧電振動片の共振周波数と異なってくる。このため、発振部の出力信号と移相回路部の出力信号との位相差が位相部の位相量からずれる。したがって、この位相部の位相量からのずれを検出することにより作用する加速度の大きさを知ることができる。また、振動体として圧電振動片を用いているため、励振が容易であり、わずかな加速度による応力の変化によって圧電振動片の共振周波数が変化するため、感度を向上することができる。さらに、圧電振動片を構成する圧電体は、一般に半導体に比較して周波数温度特性が優れており、温度特性を改善することができる。しかも、発振部の出力信号と移相回路部の出力信号との位相差を検出するようにしているため、検出回路の簡素化、小型化を図ることができる。
また、第1圧電振動片と、前記第1圧電振動片を発振させる発振回路とを備え、前記発振回路の発振信号を出力する発振部と、前記発振部の出力信号の位相を所与の角度変化させて出力する移相部と、前記発振部の出力側に設けられ、第2圧電振動片と第1の抵抗とからなる直列回路と、該直列回路の出力端と定電位回路との間に接続した第2の抵抗とを備えた移相回路部と、前記移相部の出力信号と前記位相回路部の出力信号とを乗算する乗算器と、前記乗算器の出力が入力され、前記移相回路の入出力信号の移相角度の変化に対応した値を出力する移相変化出力部と、を有し、前記第1圧電振動片と前記第2圧電振動片の少なくともいずれか一方が加速度センサ素子とする構成をとっても良い。
このような構成でも、加速度に応じて移相部の出力と、移相回路部の出力との位相が加速度に応じて変化するから、同様に加速度を検出することができる。
このような構成でも、加速度に応じて移相部の出力と、移相回路部の出力との位相が加速度に応じて変化するから、同様に加速度を検出することができる。
第1圧電振動片と前記第2圧電振動片とが屈曲振動する振動腕を有するものであり、第1圧電振動片の振動腕の軸線方向と、第2圧電振動片の振動腕の軸線方向とが互いに逆になるように、第1圧電振動片と第2圧電振動片とが配置されていてもよい。これにより、移相回路部における位相変化を、発振部の出力信号のみによる位相の変化の約2倍にすることができる。
加速度センサ素子とは、圧電体からなる音叉型振動片であってよい。音叉型振動片は、時計用などに広く用いられており、安価に製造することができる。また、加速度センサ素子とは、圧電体からなる双音叉振動片を用いることができる。圧電振動片を双音叉振動片にすると、より高感度、高性能な加速度センサを得ることができる。
本発明に係る加速度センサの好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
(センサ素子)
図4に示すように、第2圧電振動片24は、第1圧電振動片16とともに、加速度センサ素子30を構成している。この加速度センサ素子30は、第1圧電振動片16と第2圧電振動片24とが同一のパッケージ32内に並列に実装してある。パッケージ32は、パッケージ本体がセラミックなどから箱型に形成され、上面に図示しない蓋体が接合してあって、パッケージ本体に収容した第1圧電振動片16と第2圧電振動片24とを気密に封止している。
(センサ素子)
図4に示すように、第2圧電振動片24は、第1圧電振動片16とともに、加速度センサ素子30を構成している。この加速度センサ素子30は、第1圧電振動片16と第2圧電振動片24とが同一のパッケージ32内に並列に実装してある。パッケージ32は、パッケージ本体がセラミックなどから箱型に形成され、上面に図示しない蓋体が接合してあって、パッケージ本体に収容した第1圧電振動片16と第2圧電振動片24とを気密に封止している。
第1圧電振動片16は、屈曲振動する振動腕36aおよび36bを備えている。振動腕36aおよび36bは、基端部34から互いに平行に延出されている。振動腕36aおよび36bは、発振回路14と電気的に接続された図示しない励振電極を備える。そして、第2圧電振動片24は、屈曲振動する振動腕40aおよび40bを備えている。振動腕40aおよび40bは、基端部38から互いに平行に延出されている。振動腕40aおよび40bは、移相回路部(フィルタ回路部)22の入力端子または出力端子と電気的に接続された図示しない励振電極を備える。第1圧電振動片16と第2圧電振動片24とは、例えばパッケージ32の底面などの同一平面に実装してある。そして、第1圧電振動片16と第2圧電振動片24とは、実施形態の場合、逆向きに実装してある。すなわち、第1圧電振動片16は、固着部となる基端部34が図4において振動腕36aおよび振動腕36bの左側に配置されている。これに対して、第2圧電振動片24は、固着部となる基端部38が振動腕40aおよび振動腕40bの右側となっている。振動腕36aおよび36bの軸線方向37aおよび37bが、振動腕40aおよび振動腕40bの軸線方向41a、41bと逆向きになっている。なお、振動腕の軸線方向とは、基端部から振動腕が延出する方向である。また、第1圧電振動片16と第2圧電振動片24とは、基端部34、38に形成した一対の接続端子部(図示せず)が導電性接着剤42を介して、パッケージ32に設けた図示しない実装端子に固着してある。
このようになっている加速度センサ素子30は、例えば図4の矢印44のように加速度が図4の右方向から左方向に向けて作用した場合、すなわち印加される加速度の方向が第1圧電振動片16の振動腕の軸線方向37aおよび37bと逆方向であって第2圧電振動片24の振動腕の軸線方向41aおよび41bと同じ方向である場合、第1圧電振動片16は、加速度が振動腕36の基端側から先端側に向けて作用し、振動腕36に引っ張り応力が作用する。このため、第1圧電振動片16の共振周波数は、加速度が作用していないときの共振周波数f0に対して高周波数側に偏倚し、共振周波数がf0+Δfになる。これに対して、第2圧電振動片24は、振動腕40の先端側から基端側に向けて加速度が作用し、振動腕40に圧縮の応力が作用して、共振周波数が加速度の作用していないときの共振周波数f0に対して低周波数側に偏倚し、共振周波数がf0−Δfになる。すなわち、Δfは加速度に対応した値となる。
なお、引っ張り応力および圧縮応力によって、見かけ上の弾性定数cが変化し、数式1のとおり、共振周波数fが変化することが知られている。
ここに、Wは圧電振動片の腕幅、lは振動片の腕長さ、ρは密度、cは見かけ上の弾性定数、K0は定数である。
図1は、本発明の実施の形態に係る加速度センサの説明図である。図1において、加速度センサ10は、発振部12を備えている。発振部12は、発振回路14と第1圧電振動片16とから構成してある。発振回路14は、第1圧電振動片16を駆動し、第1圧電振動片16の共振周波数の周波数を有する発振信号を出力する。そして、第1圧電振動片16は、実施形態の場合、圧電材料である水晶板によって音叉型に形成してある。もちろん、圧電材料は、水晶以外のタンタル酸リチウム(LiTaO3)やニオブ酸リチウム(LiNbO3)、四ケイ酸リチウム(Li2B4O7)などであってもよい。
発振部12の出力信号は、波形整形部18と90°移相部20とに入力する。波形整形部18は、発振部12の出力信号を矩形波に波形整形して出力する。一方、90°移相部20は、発振部12の出力した信号の一部が入力し、この信号の位相を90°変えて(回転させて)出力する。
90°移相部20の出力側には、移相回路部22が設けてある。この移相回路部22は、実施形態の場合、抵抗R1(第1の抵抗)とR2(第2の抵抗)及び第2圧電振動片24とによって構成してある。すなわち、第2圧電振動片24の入力側の端子は、抵抗R1を介して90°移相部20の出力端子に接続してある。また、第2圧電振動片24の出力端子は、抵抗R2を介して定電位回路であるグランドに接地してあるとともに、移相回路部22の出力側に設けた波形整形部28に接続してある。
そして、波形整形部28の出力端子と波形整形部18の入力端子とを乗算器46の入力端子に接続し、乗算器48の出力を位相変化出力部45の入力に接続する。
位相変化出力部45は、乗算器46の出力信号を受けるローパスフィルタ48の出力端子を微分回路49の入力端子に接続した構成であり、微分回路49の出力端子を加速度センサ10の出力端子としたものである。
そして、波形整形部28の出力端子と波形整形部18の入力端子とを乗算器46の入力端子に接続し、乗算器48の出力を位相変化出力部45の入力に接続する。
位相変化出力部45は、乗算器46の出力信号を受けるローパスフィルタ48の出力端子を微分回路49の入力端子に接続した構成であり、微分回路49の出力端子を加速度センサ10の出力端子としたものである。
尚、抵抗R1は第2圧電振動片24の波形整形部28部入力側に接続したものでも構わなく、更には、第2圧電振動片24の両端にそれぞれ抵抗R1が存在しても良い。
即ち、移相回路部22は、第2圧電振動片24の入力側端子を移相部20の出力端子に接続すると共に、第2の圧電振動片24の出力端子が抵抗R1を介して波形整形部28の入力端子に接続されると共に、抵抗R1と波形整形部28の入力端子との接続点が抵抗R2を介して接地された構成であってもよい。
または、移相回路部22は、第2圧電振動片24の入力側端子が抵抗R3を介して移相部20の出力端子に接続されると共に、第2の圧電振動片24の出力端子が第1の抵抗R3を介して波形整形部28の入力端子に接続されると共に、第1の抵抗R1と波形整形部28の入力端子との接続点が抵抗R2を介して接地された構成であってもよい。
即ち、移相回路部22は、第2圧電振動片24の入力側端子を移相部20の出力端子に接続すると共に、第2の圧電振動片24の出力端子が抵抗R1を介して波形整形部28の入力端子に接続されると共に、抵抗R1と波形整形部28の入力端子との接続点が抵抗R2を介して接地された構成であってもよい。
または、移相回路部22は、第2圧電振動片24の入力側端子が抵抗R3を介して移相部20の出力端子に接続されると共に、第2の圧電振動片24の出力端子が第1の抵抗R3を介して波形整形部28の入力端子に接続されると共に、第1の抵抗R1と波形整形部28の入力端子との接続点が抵抗R2を介して接地された構成であってもよい。
(一定の加速度状態における移相回路部の移相角度)
第2圧電振動片24は、水晶板からなる音叉型振動片であって、加速度が印加されない状態での共振周波数f0が発振部12の加速度が印加されない状態での発振周波数と同じにしてある。なお、実施形態の場合、第2圧電振動片24の加速度が印加されない状態での共振周波数f0は、第1圧電振動片16の共振周波数と同じにしてある。そして、共振周波数および入力信号の周波数が安定した状態における移相回路部22の入力信号の周波数に対する移相特性、すなわち周波数対移相特性を、図2に示す。図2の横軸は移相回路部22に入力する信号の周波数fであり、縦軸が入力した信号に対する出力信号の移相角度(位相変化)を度(°)で表している。
第2圧電振動片24は、水晶板からなる音叉型振動片であって、加速度が印加されない状態での共振周波数f0が発振部12の加速度が印加されない状態での発振周波数と同じにしてある。なお、実施形態の場合、第2圧電振動片24の加速度が印加されない状態での共振周波数f0は、第1圧電振動片16の共振周波数と同じにしてある。そして、共振周波数および入力信号の周波数が安定した状態における移相回路部22の入力信号の周波数に対する移相特性、すなわち周波数対移相特性を、図2に示す。図2の横軸は移相回路部22に入力する信号の周波数fであり、縦軸が入力した信号に対する出力信号の移相角度(位相変化)を度(°)で表している。
上記第2圧電振動片24は、実施形態の場合、第1圧電振動片16と同様に圧電材料である水晶板によって音叉型に形成してあるが、圧電材料は、水晶以外のタンタル酸リチウム(LiTaO3)やニオブ酸リチウム(LiNbO3)、四ケイ酸リチウム(Li2B4O7)などであってもよい。この場合、望ましくは第1圧電振動片16と第2圧電振動片24とは同質材料で作製することが望ましい。温度特性を合わせるためである。
加速度が印加されていない場合、移相回路部22は(イ)の特性を示す。すなわち、移相回路部22の周波数対移相特性は、加速度が印加されていない状態の第2圧電振動片24の共振周波数f0を中心に点対称になっている。ここで、周波数がf0の信号が移相回路部22に入力された場合、移相角度は0°となり、出力信号と入力信号の位相が一致する。
加速度が図4の矢印47の方向に作用した場合、移相回路部22は(ハ)の特性を示す。すなわち、(イ)の特性を+Δfシフトさせた特性になっている。ここで、加速度が図4の矢印47の方向に作用することによって、発振部12の第1圧電振動片16の共振周波数は低周波数側に偏倚し、発振部12の出力信号の周波数はf0−Δfになる。よって、移相回路部22にf0−Δfの信号が入力され、移相角度はαとなり、出力信号が入力信号より位相が進む。なお、加速度が印加されても移相回路部22の周波数対移相特性が変化しない場合に比べて、約2倍の移相角度となる。
加速度が図4の矢印44の方向に作用した場合、移相回路部22は、(ロ)の特性を示す。すなわち、(イ)の特性を−Δfシフトさせた特性になっている。ここで、加速度が図4の矢印44の方向に作用することによって、発振部12の第1圧電振動片16の共振周波数は高周波数側に偏倚し、発振部12の出力信号の周波数はf0+Δfになる。よって、移相回路部22にf0+Δfの信号が入力され、移相角度は−αとなり、出力信号が入力信号より位相が遅れる。なお、加速度が印加されても移相回路部22の周波数対移相特性が変化しない場合に比べて、約2倍の移相角度となる。
安定状態においては、移相角度αに対応する共振周波数の変化Δfを求め、共振周波数の変化Δfに対応する加速度を求めることができる。しかし、加速度が変化してから移相角度がαに達して安定状態になるまでは、加速度が求まらず、応答性が悪い。また、移相角度が安定するまで加速度が変化した場合は、加速度が求められない。
(加速度が変化した場合の圧電振動片の移相角度)
初期状態において、第2圧電振動片24の共振周波数および移相回路部22の入力周波数がともにf0であった状態から、第2圧電振動片24の共振周波数がf0−Δfに変化し、入力信号の周波数がf0+Δfに変化した場合、移相角度は、図3の(ニ)のように推移する。すなわち、移相角度は、0°から減少し、−αで飽和する。
初期状態において、第2圧電振動片24の共振周波数および移相回路部22の入力周波数がともにf0であった状態から、第2圧電振動片24の共振周波数がf0−Δfに変化し、入力信号の周波数がf0+Δfに変化した場合、移相角度は、図3の(ニ)のように推移する。すなわち、移相角度は、0°から減少し、−αで飽和する。
初期状態において、第2圧電振動片24の共振周波数および移相回路部22の入力周波数がともにf0であった状態から、第2圧電振動片24の共振周波数がf0+Δfに変化し、入力信号の周波数がf0−Δfに変化した場合、移相角度は、図3の(ホ)のように推移する。すなわち、移相角度は、0°から増加し、αで飽和する。
加速度が加わり移相角度が変化しはじめにおいては、移相角度は時間に比例して変化する。したがって、移相角度が変化しはじめにおいて、移相角度を時間で微分した値dθ/dtは、共振周波数の変化および入力信号の周波数の変化Δfに対応した値となる。また、上述のとおり、周波数の変化Δfは加速度に対応した値であるから、移相角度を時間で微分した値dθ/dtは、加速度に対応した値となる。したがって、移相角度Δθは、加速度を時間で積分した値に対応する。
移相角度を時間で微分した値dθ/dtにより加速度を求めることで、移相角度が飽和する前の加速度を求めることができる。
移相角度を時間で微分した値dθ/dtにより加速度を求めることで、移相角度が飽和する前の加速度を求めることができる。
移相回路部22の出力側に設けた波形整形部28は、移相回路部22の出力信号を波形整形し、矩形波を出力する。波形整形部28の出力した矩形波は、波形整形部18の出力した矩形波とともに乗算器46に入力する。乗算器46は、実施形態の場合、排他的論理和回路すなわちEx.OR(エクスクルーシブ・オア)ゲートから構成してある。したがって、乗算器46は、波形整形部18、28の出力信号がいずれか一方が「1」であって、いずれか他方が「0」のときに「1」を出力する。この乗算器46の出力側に設けた移相変化出力部45は、ローパスフィルタ(積分回路)48と微分回路49とを有する。ローパスフィルタ48は、乗算器46の出力信号の平均値を出力する。微分回路49は、ローパスフィルタ48の出力が入力され微分値を出力することで、ローパスフィルタ48が出力する値の変化を出力する。なお、ローパスフィルタ48と微分回路49との接続順を入れ替え、乗算器46の出力を微分回路に入力し、微分回路の出力をローパスフィルタに入力する構成としてもよい。
上記のごとくなっている実施形態に係る加速度センサ10の作用は、次のとおりである。加速度センサ素子30に加速度が作用していない(印加されていない)状態で安定している場合、発振部12の第1圧電振動片16は、発振回路14によって共振周波数f0で励振されている。したがって、発振部12は、図5(A)に示した周波数f0の信号を出力する。この発振部12の出力信号は、波形整形部18に入力し、波形整形部18によって図5の(B)に示した矩形波にされ、乗算器46に入力される。
発振部12の出力信号の一部は、分割されて90°移相部20に入力する。90°移相部20は、図5(C)に示したように、例えば発振部12の出力信号の位相を90°遅らせて移相回路部22に出力する。
加速度センサ素子30に加速度が作用していない状態で安定しているため、移相回路部22の第2圧電振動片24の共振周波数は、発振部12の第1圧電振動片16の共振周波数f0と同じである。このため、移相回路部22の周波数対移相特性は図2の(イ)で示したようになっている。したがって、移相回路部22は、90°移相部20の出力信号の周波数がf0であるため、図5(D)に示したように、入力した信号の位相を変えることなくそのまま出力する。移相回路部22の出力信号は、波形整形部28に入力する。波形整形部28は、移相回路部22の出力信号を波形整形して図5(E)の実線に示した矩形波を乗算器46に入力する。
乗算器46は、前記したようにEx.ORによって構成してあり、波形整形部18の出力した矩形波と、波形整形部28の出力した矩形波との排他的論理和を求めて出力する。
すなわち、乗算器46は、図5(B)の矩形波と、図5(E)の実線の矩形波との排他的論理和である図5(F)の実線の信号を出力する。この図5(F)の実線の矩形波信号は、ローパスフィルタ48に入力する。ローパスフィルタ48は、入力した矩形波信号の時間についての積分値を求めて出力する。加速度センサ素子30に加速度が作用していない場合、乗算器46が出力する矩形波信号(矩形波パルス)のデューティ比が50%であるので、ローパスフィルタ48は、図5(F)の実線の矩形波信号についての平均値を出力する。例えば、図5(F)に示した乗算器46の出力パルスにおいて、「0」のときの電圧が0Vであり、「1」のときの電圧が5Vであるとすると、ローパスフィルタ48は、加速度が作用していない場合に、平均電圧v0=2.5Vを出力する。
すなわち、乗算器46は、図5(B)の矩形波と、図5(E)の実線の矩形波との排他的論理和である図5(F)の実線の信号を出力する。この図5(F)の実線の矩形波信号は、ローパスフィルタ48に入力する。ローパスフィルタ48は、入力した矩形波信号の時間についての積分値を求めて出力する。加速度センサ素子30に加速度が作用していない場合、乗算器46が出力する矩形波信号(矩形波パルス)のデューティ比が50%であるので、ローパスフィルタ48は、図5(F)の実線の矩形波信号についての平均値を出力する。例えば、図5(F)に示した乗算器46の出力パルスにおいて、「0」のときの電圧が0Vであり、「1」のときの電圧が5Vであるとすると、ローパスフィルタ48は、加速度が作用していない場合に、平均電圧v0=2.5Vを出力する。
次に、加速度センサ素子30に図4の矢印44の方向に加速度が作用したとする。このため、発振部12の第1圧電振動片16の振動腕36aおよび36bには、引張応力が作用し、共振周波数がf0からf0+Δfに変化する。一方、移相回路部22の第2圧電振動片24の振動腕40には、加速度による圧縮応力が作用し、共振周波数がf0からf0−Δfに変化する。このため、移相回路部22の周波数対移相特性が図2の(ロ)に示したようになる。したがって、移相回路部22は、90°移相部20からf0+Δfの信号が入力した場合、出力信号が入力信号に比べて位相が遅れ、移相角度が図3の−αに達したところで安定する。したがって、移相回路部22の出力信号を波形整形する波形整形部28は、図5(E)の破線βに示した矩形波を出力する。このため、波形整形部18、28の出力する矩形波が入力する乗算器46は、図5(F)の破線に示したデューティ比が50%より大きな矩形信号(矩形パルス)γをローパスフィルタ48に入力する。ローパスフィルタ48は、入力する矩形波信号γの平均値を求め、v0より大きな電圧信号を出力する。すなわち、ローパスフィルタ48は、発振部12が出力した信号と、移相回路部22が出力した信号との位相差の90°からのずれ量に応じた信号を出力する。なお、加速度センサ素子30に作用する加速度が図4の矢印44と反対方向の矢印47の方向である場合、乗算器46は、デューティ比が50%より小さな矩形パルスを出力する。したがって、ローパスフィルタ48は、v0より小さな電圧信号を出力する。
微分回路49は、ローパスフィルタ48が出力する電圧が入力され、時間で微分した値が出力される。すなわち、移相回路部22が出力した信号との位相差の90°からのずれ量に応じた値の変化を出力する。また、ずれ量の変化は、移相角度が変化しはじめにおいて、加速度に対応するため、微分回路49の出力によって加速度を求めることができる。
なお、図7は抵抗R1による移相回路部22の周波数対移相特性の調整を説明するためのものである。同図に描かれた点線で示す周波数対移相特性(へ)は、位相回路部に抵抗R1が無い(R1=0Ω)の場合、実線で示す周波数対移相特性(ト)は、本発明で使用した移相回路部(R1≠0Ω)の場合の特性を示す。
本発明に於いて抵抗R1は、移相回路部22のQ値を調整する機能をもつ。
即ち、この抵抗R1の値を調整することで、この抵抗R1が存在しない構成の移相回路部のQ値と比較して移相回路部22のQ値を小さい範囲にて設定することができるので、例えば抵抗R1の抵抗値を大きく設定することで移相回路部22のQ値を所望の値に下げて図7に示す周波数対移相特性(へ)から周波数対移相特性(ト)の状態へと設定することができる。
そして、このように周波数対移相特性を調整すると周波数対移相特性の感度量(周波数変化量に対する移相角度の変化量の比率)は小さくなるが、感度量が直線的に変化する周波数範囲が広がる。
従って、加速度センサ10は、広い範囲の加速度の変化範囲を検出することができるので、加速度センサ素子として加速度の変化に対して検知能力が高い双音叉振動子を使用した場合の加速度センサにおいて特に有効である。
なお、図7は抵抗R1による移相回路部22の周波数対移相特性の調整を説明するためのものである。同図に描かれた点線で示す周波数対移相特性(へ)は、位相回路部に抵抗R1が無い(R1=0Ω)の場合、実線で示す周波数対移相特性(ト)は、本発明で使用した移相回路部(R1≠0Ω)の場合の特性を示す。
本発明に於いて抵抗R1は、移相回路部22のQ値を調整する機能をもつ。
即ち、この抵抗R1の値を調整することで、この抵抗R1が存在しない構成の移相回路部のQ値と比較して移相回路部22のQ値を小さい範囲にて設定することができるので、例えば抵抗R1の抵抗値を大きく設定することで移相回路部22のQ値を所望の値に下げて図7に示す周波数対移相特性(へ)から周波数対移相特性(ト)の状態へと設定することができる。
そして、このように周波数対移相特性を調整すると周波数対移相特性の感度量(周波数変化量に対する移相角度の変化量の比率)は小さくなるが、感度量が直線的に変化する周波数範囲が広がる。
従って、加速度センサ10は、広い範囲の加速度の変化範囲を検出することができるので、加速度センサ素子として加速度の変化に対して検知能力が高い双音叉振動子を使用した場合の加速度センサにおいて特に有効である。
また、抵抗R1を集積回路にて構成した可変抵抗回路としてもよい。
この場合、可変抵抗の値をデータ信号により調整すれば加速度センサ10の個体間の加速度検出能力(検出感度特性)のバラツキを抑えて性能が均一な加速度センサ10を大量に安く提供することができる。
この場合、可変抵抗の値をデータ信号により調整すれば加速度センサ10の個体間の加速度検出能力(検出感度特性)のバラツキを抑えて性能が均一な加速度センサ10を大量に安く提供することができる。
なお、前記の実施形態は、本発明の一態様であって、前記実施形態に限定されない。例えば、前記実施形態においては、第1圧電振動片16と第2圧電振動片24が音叉型圧電振動片である場合について説明したが、これらの圧電振動片は、双音叉圧電振動片であってもよい。双音叉圧電振動片を用いることによって、より高感度、高精度の加速度センサを得ることができる。その為、第1の圧電振動片16と第2の圧電指導片24の何れか一方のみを加速度センサ素子30としても高感度の加速度センサを得ることが可能である。この場合、例えば2つの加速度センサ素子30を使用した上述の構成と比較して、加速度センサの感度特性バラツキ要因となる加速度センサ素子30の使用数が少ない分、加速度センサの個体間の感度特性等の電気的特性のバラツキを抑えることができる点で有利である。また、前記実施形態においては、第1圧電振動片16と第2圧電振動片24とを同一のパッケージ32に収容した場合について説明したが、これらを別々のパッケージに収容してもよい。さらに、前記実施形態においては、第1圧電振動片16と、第2圧電振動片24とをパッケージ32の同一平面内に配置した場合について説明したが、これらを上下に配置してもよい。また、パッケージ32内に検出回路を圧電振動片16、24とともに収容して加速度センサとしてもよい。
図8は、本発明の他の実施形態に係る加速度センサの説明図である。図8において、加速度センサ10は、発振部12を備えている。発振部12は、発振回路14と第1圧電振動片16とから構成してある。発振回路14は、第1圧電振動片16を駆動し、第1圧電振動片16の共振周波数の周波数を有する発振信号を出力する。そして、第1圧電振動片16は、実施形態の場合においても、圧電材料である水晶板によって音叉型に形成してある。もちろん、圧電材料は、水晶以外のタンタル酸リチウム(LiTaO3)やニオブ酸リチウム(LiNbO3)、四ケイ酸リチウム(Li2B4O7)などであってもよい。
本実施形態が図1に示す実施形態と異なる点は、発振部12の出力信号は、90°移相部20と移相回路部22とに入力するよう構成した所と、波形整形部18が移相回路部22の出力信号を矩形波に波形整形して乗算器46へ供給する一方、波形整形部28が90°移相部20の出力信号を矩形波に波形整形して乗算器46へ供給するよう構成した所にある。
本実施形態の場合もこの移相回路部22は、抵抗R1(第1の抵抗)とR2(第2の抵抗)及び第2圧電振動片24とによって構成してある。
すなわち、第2圧電振動片24の入力側の端子は、抵抗R1を介して発振部12の出力端子に接続してある。また、第2圧電振動片24の出力端子は、抵抗R2を介して定電位回路であるグランドに接地してあるとともに、波形整形部18の出力端子に接続してある。
尚、抵抗R1は第2圧電振動片24の波形整形部18部入力側に接続したものでも構わなく、更には、第2圧電振動片24の両端にそれぞれ抵抗R1が存在しても良い。
即ち、移相回路部22は、第2圧電振動片24の入力側端子を発振部12の出力端子に接続すると共に、第2の圧電振動片24の出力端子が抵抗R1を介して波形整形部18の入力端子に接続した構成であってもよい。
または、移相回路部22は、第2圧電振動片24の入力側端子が抵抗R1を介して発振部12の出力端子に接続されると共に、第2の圧電振動片24の出力端子が他の抵抗R1を介して波形整形部18の入力端子に接続した構成であってもよい。
そして、波形整形部28の出力端子と波形整形部18の入力端子とを乗算器46の入力端子に接続し、乗算器48の出力を位相変化出力部45の入力に接続する。
位相変化出力部45は、乗算器46の出力信号を受けるローパスフィルタ48の出力端子を微分回路49の入力端子に接続した構成であり、微分回路49の出力端子を加速度センサ10の出力端子としたものである。
尚、図1、図8に示す実施形態共に、移相回路部22の入力端とグランドとの間に抵抗を接続した回路構成としても構わない。
すなわち、第2圧電振動片24の入力側の端子は、抵抗R1を介して発振部12の出力端子に接続してある。また、第2圧電振動片24の出力端子は、抵抗R2を介して定電位回路であるグランドに接地してあるとともに、波形整形部18の出力端子に接続してある。
尚、抵抗R1は第2圧電振動片24の波形整形部18部入力側に接続したものでも構わなく、更には、第2圧電振動片24の両端にそれぞれ抵抗R1が存在しても良い。
即ち、移相回路部22は、第2圧電振動片24の入力側端子を発振部12の出力端子に接続すると共に、第2の圧電振動片24の出力端子が抵抗R1を介して波形整形部18の入力端子に接続した構成であってもよい。
または、移相回路部22は、第2圧電振動片24の入力側端子が抵抗R1を介して発振部12の出力端子に接続されると共に、第2の圧電振動片24の出力端子が他の抵抗R1を介して波形整形部18の入力端子に接続した構成であってもよい。
そして、波形整形部28の出力端子と波形整形部18の入力端子とを乗算器46の入力端子に接続し、乗算器48の出力を位相変化出力部45の入力に接続する。
位相変化出力部45は、乗算器46の出力信号を受けるローパスフィルタ48の出力端子を微分回路49の入力端子に接続した構成であり、微分回路49の出力端子を加速度センサ10の出力端子としたものである。
尚、図1、図8に示す実施形態共に、移相回路部22の入力端とグランドとの間に抵抗を接続した回路構成としても構わない。
10………加速度センサ、12………発振部、16………第1圧電振動片、18、28………波形整形部、20………90°移相部、22………移相回路部、24………第2圧電振動片、30………加速度センサ素子、34、38………基端部、36a、36b、40a、40b………振動腕、45………位相変化出力部、46………乗算器、48………ローパスフィルタ。
Claims (5)
- 第1圧電振動片と、前記第1圧電振動片を発振させる発振回路とを備え、前記発振回路の発振信号を出力する発振部と、
前記発振部の出力信号の位相を所与の角度変化させて出力する移相部と、
前記移相部の出力側に設けられ、第2圧電振動片と第1の抵抗とからなる直列回路と、該直列回路の出力端と定電位回路との間に接続した第2の抵抗とを備えた移相回路部と、
前記移相回路部の出力信号と前記発振部の出力信号とを乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力が入力され、前記移相回路の入出力信号の移相角度の変化に対応した値を出力する移相変化出力部と、を有し、
前記第1圧電振動片と前記第2圧電振動片の少なくともいずれか一方が加速度センサ素子であることを特徴とする加速度センサ。 - 第1圧電振動片と、前記第1圧電振動片を発振させる発振回路とを備え、前記発振回路の発振信号を出力する発振部と、
前記発振部の出力信号の位相を所与の角度変化させて出力する移相部と、
前記発振部の出力側に設けられ、第2圧電振動片と第1の抵抗とからなる直列回路と、該直列回路の出力端と定電位回路との間に接続した第2の抵抗とを備えた移相回路部と、
前記移相部の出力信号と前記位相回路部の出力信号とを乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力が入力され、前記移相回路の入出力信号の移相角度の変化に対応した値を出力する移相変化出力部と、を有し、
前記第1圧電振動片と前記第2圧電振動片の少なくともいずれか一方が加速度センサ素子であることを特徴とする加速度センサ。 - 請求項1または2に記載の加速度センサにおいて、
前記第1圧電振動片と前記第2圧電振動片とが屈曲振動する振動腕を有するものであり、
前記第1圧電振動片の前記振動腕の軸線方向と、前記第2圧電振動片の前記振動腕の軸線方向とが互いに逆になるように、前記第1圧電振動片と前記第2圧電振動片とが配置されていることを特徴とする加速度センサ。 - 請求項1に記載の加速度センサにおいて、
前記加速度センサ素子は、圧電体からなる音叉型振動片であることを特徴とする加速度センサ。 - 請求項1ないし4のいずれかに記載の加速度センサにおいて、
前記加速度センサ素子は双音叉振動片であることを特徴とする加速度センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008025658A JP2009186285A (ja) | 2008-02-05 | 2008-02-05 | 加速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2009186285A true JP2009186285A (ja) | 2009-08-20 |
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