JP2010210460A - 物理量センサー - Google Patents

Abstract

【課題】周波数−電圧特性をリニアにする。
【解決手段】発振信号Ｏ１を出力する発振回路３０と、発振信号Ｏ２を出力する発振回路４０と、Ｏ１とＯ２との位相を比較した位相差信号ａを出力する位相比較器５０と、位相差信号ａからフィルター信号ｂを出力するループフィルター６０と、フィルター信号ｂから微分信号ｃを出力する微分回路７０と、Ｏ１に対しＯ２の位相が進んでいるか否かの判定信号ｄを出力する位相遅延判定部８０と、微分信号ｃの電圧が所定の電圧Ｖｒｅｆより大きいか否かを判定した比較信号ｅを出力する比較器１００と、判定信号ｄと比較信号ｅとを排他的論理和した制御信号ｆを出力する排他的論理和回路１１０と、微分信号ｃと電源電位Ｖｃｃとを差動増幅した差動増幅信号ｇを出力する差動増幅回路１２０と、制御信号ｆに基づき微分信号ｃまたは差動増幅信号ｇのいずれかを出力する選択回路１３０と、を含む物理量センサー１。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度センサー、圧力センサー、温度センサー、力覚センサーなどの物理量センサーに関する。

物理量センサーの一種である加速度センサーには、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ーは、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ーが提案されている。この特許文献１に記載の加速度センサーは、シリコン基板を用いてマイクロマシーニング技術を利用して製造することができる。

しかし、特許文献１に記載の加速度センサーは、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し、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ーは、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、高感度のセンサーとすることが困難である。

この問題を解決するために、例えば特許文献２には、屈曲振動する第１圧電振動片を備えた発振部と、発振部の出力信号の位相を９０°変化させて出力する９０°移相部と、９０°移相部の出力側に設けられ、第１圧電振動片と同じ共振周波数を有して屈曲振動する第２圧電振動片を備え、第２圧電振動片の共振周波数を中心に点対称の移相特性を有する移相回路部と、移相回路部の出力信号と発振部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とを有する加速度センサーの構成方法が記載されている。

特開平９−２５７８３０号公報（図１） 特開２００８−１０７３１６号公報（図１）

しかしながら、従来の方法では、周波数−電圧特性が圧電振動片の非線形の移相特性に影響されＳ字カーブであるため、物理量変化と検出結果とが直線性を持った関係となる直線領域が限られてしまい、物理量センサーが検出可能な物理量の範囲が限られてしまうなどの課題がある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
第１の圧電振動子と、第２の圧電振動子と、前記第１の圧電振動子を発振させ第１の発振信号を出力する第１の発振回路と、前記第２の圧電振動子を発振させ第２の発振信号を出力する第２の発振回路と、前記第１の発振信号と前記第２の発振信号との位相を比較した位相差信号を出力する位相比較器と、前記位相差信号から交流成分を取り除いたフィルター信号を出力するループフィルターと、前記フィルター信号を微分した微分信号を出力する微分回路と、前記第１の発振信号に対し前記第２の発振信号の位相が進んでいるか否かを判定した判定信号を出力する位相遅延判定部と、前記微分信号の電圧が電源電位を抵抗分割した所定の電圧より大きいか否かを判定した比較信号を出力する比較器と、前記判定信号と前記比較信号とを排他的論理和した制御信号を出力する排他的論理和回路と、前記微分信号と前記電源電位とを差動増幅した差動増幅信号を出力する差動増幅回路と、前記制御信号に基づき前記微分信号または前記差動増幅信号のいずれかを選択して出力する選択回路と、を含む、ことを特徴とする物理量センサー。

この構成によれば、第１の発振信号に対して第２の発振信号の位相が進んでいる時は、所定の電圧より大きい電圧の出力信号が出力され、第１の発振信号に対して第２の発振信号の位相が遅れている時は、所定の電圧より小さい電圧の出力信号が出力されるので、周波数−電圧特性がきれいな直線となり、周波数検波範囲を広げることができる。

第１実施形態に係る物理量センサーの構成を示す回路図。 物理量センサーの一種である加速度センサーの構成を示す概略図。 位相遅延判定部の具体的な構成を示す回路図。 第１実施形態に係る物理量センサーの動作を示すタイミング図。 変形例１に係る物理量センサーの構成を示す回路図。

以下、物理量センサーの実施形態について図面に従って説明する。

（第１実施形態）
＜物理量センサーの構成＞
先ず、第１実施形態に係る物理量センサーの構成について、図１を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る物理量センサーの構成を示す回路図である。

図１に示すように、物理量センサー１は、第１の圧電振動子である圧電振動子１０と、第２の圧電振動子である圧電振動子２０と、第１の発振回路である発振回路３０と、第２の発振回路である発振回路４０と、位相比較器５０と、ループフィルターであるローパスフィルター（ＬＰＦ：Low-pass filter）６０と、微分回路７０と、位相遅延判定部８０と、電圧発生部９５と、比較器１００と、排他的論理和回路（ＥＸＯＲ：Exclusive OR）１１０と、差動増幅回路１２０と、選択回路１３０と、から構成されている。

圧電振動子１０及び圧電振動子２０は、例えば図２に示すように物理量センサーの一種である加速度センサー２を構成している。加速度センサー２において、圧電振動子１０及び圧電振動子２０は、加速度に対する感度特性が逆になるよう各々の振動腕１１，２１の延出方向が正反対の方向となるように配置されている。

発振回路３０は、圧電振動子１０を発振させ第１の発振信号である発振信号Ｏ１を出力する。発振回路４０は、圧電振動子２０を発振させ第２の発振信号である発振信号Ｏ２を出力する。位相比較器５０は、発振信号Ｏ１と発振信号Ｏ２との位相を比較した位相差信号ａを出力する。ＬＰＦ６０は、位相差信号ａから交流成分を取り除いたフィルター信号ｂを出力する。微分回路７０は、フィルター信号ｂを微分した微分信号ｃを出力する。

位相遅延判定部８０は、発振信号Ｏ１に対し発振信号Ｏ２の位相が進んでいるか否かを判定した判定信号ｄを出力する。発振信号Ｏ１に対し発振信号Ｏ２の位相が進んでいる場合は判定信号ｄをＨレベル、発振信号Ｏ１に対し発振信号Ｏ２の位相が遅れている場合、は判定信号ｄをＬレベル、とする。図３は、位相遅延判定部８０の具体的な構成を示す回路図である。図３に示すように、位相遅延判定部８０は、ＮＡＮＤ回路８１〜９１と、インバーター９２，９３と、から構成されている。

ＮＡＮＤ回路８１は、一方の入力端子に発振信号Ｏ１が入力され、他方の入力端子にＮＡＮＤ回路８２の出力信号が入力されている。ＮＡＮＤ回路８２は、第１入力端子にＮＡＮＤ回路８１の出力信号が入力され、第２入力端子にＮＡＮＤ回路８５の出力信号が入力され、第３入力端子にＮＡＮＤ回路８９の出力信号が入力されている。

ＮＡＮＤ回路８３は、一方の入力端子に発振信号Ｏ２が入力され、他方の入力端子にＮＡＮＤ回路８４の出力信号が入力されている。ＮＡＮＤ回路８４は、第１入力端子にＮＡＮＤ回路８３の出力信号が入力され、第２入力端子にＮＡＮＤ回路８７の出力信号が入力され、第３入力端子にＮＡＮＤ回路８９の出力信号が入力されている。

ＮＡＮＤ回路８５は、一方の入力端子にＮＡＮＤ回路８１の出力信号が入力され、他方の入力端子にＮＡＮＤ回路８６の出力信号が入力されている。ＮＡＮＤ回路８６は、一方の入力端子にＮＡＮＤ回路８５の出力信号が入力され、他方の入力端子にＮＡＮＤ回路８９の出力信号が入力されている。

ＮＡＮＤ回路８７は、一方の入力端子にＮＡＮＤ回路８３の出力信号が入力され、他方の入力端子にＮＡＮＤ回路８８の出力信号が入力されている。ＮＡＮＤ回路８８は、一方の入力端子にＮＡＮＤ回路８７の出力信号が入力され、他方の入力端子にＮＡＮＤ回路８９の出力信号が入力されている。

ＮＡＮＤ回路８９は、第１入力端子にＮＡＮＤ回路８５の出力信号が入力され、第２入力端子にＮＡＮＤ回路８１の出力信号が入力され、第３入力端子にＮＡＮＤ回路８３の出力信号が入力され、第４入力端子にＮＡＮＤ回路８７の出力信号が入力されている。

ＮＡＮＤ回路９０は、一方の入力端子にインバーター９２を介してＮＡＮＤ回路８２の出力信号が入力され、他方の入力端子にＮＡＮＤ回路９１の出力信号が入力され、出力端子から判定信号ｄが出力される。ＮＡＮＤ回路９１は、一方の入力端子にインバーター９３を介してＮＡＮＤ回路８４の出力信号が入力され、他方の入力端子にＮＡＮＤ回路９０の出力信号が入力されている。

電圧発生部９５は、電源電位Ｖｃｃと接地電位との間に直列に接続された抵抗Ｒ１，Ｒ２で構成され、電源電位Ｖｃｃを抵抗Ｒ１，Ｒ２で抵抗分割した所定の電位である基準電位Ｖｒｅｆを出力する。

比較器１００は、微分信号ｃと基準電位Ｖｒｅｆとの電圧を比較し、微分信号ｃの電圧が基準電位Ｖｒｅｆの電圧よりも大きい場合はＨレベルの比較信号ｅを出力し、微分信号ｃの電圧が基準電位Ｖｒｅｆの電圧よりも小さい場合はＬレベルの比較信号ｅを出力する。

ＥＸＯＲ１１０は、判定信号ｄと比較信号ｅとを排他的論理和した制御信号ｆを出力する。

差動増幅回路１２０は、比較器１２２と、抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６と、から構成されている。差動増幅回路１２０は、−端子に抵抗Ｒ３を介して微分信号ｃが入力され、＋端子に抵抗Ｒ５を介して電源電位Ｖｃｃが入力され、出力端子が抵抗Ｒ４を介して−端子に接続され、＋端子が抵抗Ｒ６を介して接地電位に接続されている。差動増幅回路１２０は、微分信号ｃと電源電位Ｖｃｃとを差動増幅した差動増幅信号ｇを出力端子から出力する。

選択回路１３０は、ａ端子に微分信号ｃが入力され、ｂ端子に差動増幅信号ｇが入力され、制御信号ｆがＬレベルの時にａ端子とｃ端子とを導通状態にし、制御信号ｆがＨレベルの時にｂ端子とｃ端子とを導通状態にする。

＜物理量センサーの動作＞
次に、第１実施形態に係る物理量センサーの動作について、図４を参照して説明する。図４は、第１実施形態に係る物理量センサーの動作を示すタイミング図である。

図４では、時点ｔ０の時は、物理量センサー１を搭載した移動体が例えば停止状態である。また、期間Ｔ１，Ｔ２では物理量センサー１を搭載した移動体が定加速（進行方向に対して０よりも大きく加速）している状態である。更に、期間Ｔ３と期間Ｔ４では物理量センサー１を搭載した移動体が定減速（進行方向に対して０よりも小さく加速）している状態である。そして更に、図４では、一例として圧電振動子２０のみが加速度センサー素子である場合について説明したものであり、期間Ｔ１と期間Ｔ２では正の加速度によって圧電振動子２０は発振信号Ｏ２の周波数が発振信号Ｏ１の周波数よりも例えば低くなるような影響を受け、期間Ｔ３，Ｔ４では負の加速度（減速）のによって圧電振動子２０は発振信号Ｏ２の周波数が発振信号Ｏ１の周波数よりも高くなるような影響を受ける物理量センサーについて説明している。従って、期間Ｔ１，Ｔ２では発振信号Ｏ１に対して発振信号Ｏ２の位相が進むので判定信号ｄはＨレベルであり、期間Ｔ３，Ｔ４では発振信号Ｏ１に対して発振信号Ｏ２の位相が遅れるので判定信号ｄはＬレベルになる。

期間Ｔ１では、発振信号Ｏ１の波形の立ち上がりのタイミングと発振信号Ｏ２の波形の立ち上がりのタイミングとのズレ量が時間の経過と共に大きくなる一方、発振信号Ｏ１の波形の立ち上がりのタイミングと発振信号Ｏ２の波形の立ち下がりのタイミングとの差が次第に小さくなり、時点ｔ１に達した時に一致する。そのため期間Ｔ１でのフィルター信号ｂは、時間の経過に伴い正の一次係数をもって高くなる電圧信号になり、接地（ＧＮＤ）電位から電源Ｖｃｃの電位まで上昇する。

期間Ｔ１の微分信号ｃは基準電位Ｖｒｅｆよりも高い電位なので、比較信号ｅはＨレベル、制御信号ｆはＬレベルとなり、選択回路１３０は、ａ端子とｃ端子とが導通状態となり、微分信号ｃを出力信号ＯＵＴとして出力する。また、期間Ｔ２では、位相差信号ａの波形は、期間Ｔ１の位相差信号ａの波形に対して時点ｔ１を境に対称な波形になり、更に、フィルター信号ｂは、時間の変化に対して負の一次係数もって線形に変化する電圧信号になる。このため、微分信号ｃは基準電位Ｖｒｅｆよりも低い電位となる。仮にこの微分信号ｃを出力信号ＯＵＴとしてしまうと、正の加速度運動を行っている移動体に対して、物理量センサーが減速している結果を出力することになる。そこで本実施形態ではこのようなエラー表示を起こさないよう、微分信号ｃに基づき比較器１００がＬレベルの比較信号ｅを出力し、これによりＥＸＯＲ１１０がＨレベルの制御信号ｆを出力することで、選択回路１３０はｂ端子とｃ端子とが導通状態となり、差動増幅信号ｇを出力信号ＯＵＴとして出力するよう制御される。

期間Ｔ３，Ｔ４では移動体が減速するとこれに伴い、発振信号Ｏ１に対して発振信号Ｏ２の位相が時間と共に遅れる。従って、発振信号Ｏ１の波形の立ち上がりのタイミングと発振信号Ｏ２の波形の立ち上がりのタイミングとのズレ量が時間の経過と共に大きくなる一方、発振信号Ｏ１の波形の立ち上がりのタイミングと発振信号Ｏ２の波形の立ち下がりのタイミングとの差が次第に小さくなり、図４に示す状態では時点ｔ３で一致する。そのため、期間Ｔ３の位相差信号ａの波形と期間Ｔ４の位相差信号ａの波形とは時点ｔ３を境に対称な波形となる。そして、フィルター信号ａは、期間Ｔ３では時間の変化に対して正の一次係数もって線形に変化する電圧信号であるが、期間Ｔ４では時間の変化に対して負の一次係数もって線形に変化する電圧信号になる。

従って、微分信号ｃは、期間Ｔ４では減速状態を示す基準電位Ｖｒｅｆよりも低い電位の信号である一方、期間Ｔ３では加速状態を示す基準電位Ｖｒｅｆよりも高い電位の信号となる。そこで、期間Ｔ３では、判定信号ｄがＬレベルであり、微分信号ｃがＨレベルであるので制御信号ｆがＨレベルになり、この結果、回路１３０は、ｂ端子とｃ端子とが導通状態となり、減速状態を示す差動増幅信号ｇを出力信号ＯＵＴとして出力するよう制御される。期間Ｔ４では、判定信号ｄがＬレベルであり、微分信号ｃがＬレベルであるので制御信号ｆがＬレベルになり、この結果、回路１３０は、ａ端子とｃ端子とが導通状態となり、減速状態を示す微分信号ｃを出力信号ＯＵＴとして出力するよう制御される。

なお、電圧発生部９５の抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗比と、差動増幅回路１２０の抵抗Ｒ５，Ｒ６の抵抗比とを等しく設計することにより、比較器１２２の＋端子に印加される電圧が基準電圧Ｖｒｅｆと等しくなるので、加速した後に等速度で移動している場合の出力信号ＯＵＴは直線を保ち、減速後に等速度で移動している場合の出力信号ＯＵＴも直線を保つことができる。

以上に述べた本実施形態によれば、以下の効果が得られる。

従来、微分信号ｃのみを物理量センサーの検知信号とした場合では、例えば加速状態では期間Ｔ１の範囲のみ、また減速状態では期間Ｔ４の範囲のみ正確な検知結果が得られたが、本実施形態では、加速状態では期間Ｔ１，Ｔ２、また減速状態では期間Ｔ３，Ｔ４に亘って得られた検波結果を利用することができる。従って、物理量センサーは、物理量の変化に対する検出信号の変化の直線領域が広いものとなる。

以上、物理量センサーの実施形態を説明したが、こうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることができる。以下、変形例を挙げて説明する。

（変形例１）物理量センサーの変形例１について説明する。図５は、変形例１に係る物理量センサーの構成を示す回路図である。図５に示すように、物理量センサー５は、微分回路７０と選択回路１３０のａ端子の間に差動増幅回路２２０を挿入してもよい。

差動増幅回路２２０は、比較器２２２と、抵抗Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９，Ｒ１０と、から構成されている。差動増幅回路２２０は、＋端子に抵抗Ｒ７を介して微分信号ｃが入力され、−端子に抵抗Ｒ９を介して電源電位Ｖｃｃが入力され、出力端子が抵抗Ｒ８を介して＋端子に接続され、−端子が抵抗Ｒ１０を介して接地電位に接続されている。差動増幅回路２２０は、微分信号ｃと電源電位Ｖｃｃとを差動増幅した差動増幅信号ｈを出力端子から出力する。

１…物理量センサー、１０…圧電振動子、１１，２１…振動腕、２０…圧電振動子、３０…発振回路、４０…発振回路、５０…位相比較器、６０…ＬＰＦ、７０…微分回路、８０…位相遅延判定部、８１〜９１…ＮＡＮＤ回路、９２，９３…インバーター、９５…電圧発生部、１００…比較器、１１０…ＥＸＯＲ、１２０…差動増幅回路、１２２…比較器、１３０…選択回路、２２０…差動増幅回路、２２２…比較器。

Claims (1)

1. 第１の圧電振動子と、
   第２の圧電振動子と、
   前記第１の圧電振動子を発振させ第１の発振信号を出力する第１の発振回路と、
   前記第２の圧電振動子を発振させ第２の発振信号を出力する第２の発振回路と、
   前記第１の発振信号と前記第２の発振信号との位相を比較した位相差信号を出力する位相比較器と、
   前記位相差信号から交流成分を取り除いたフィルター信号を出力するループフィルターと、
   前記フィルター信号を微分した微分信号を出力する微分回路と、
   前記第１の発振信号に対し前記第２の発振信号の位相が進んでいるか否かを判定した判定信号を出力する位相遅延判定部と、
   前記微分信号の電圧が電源電位を抵抗分割した所定の電圧より大きいか否かを判定した比較信号を出力する比較器と、
   前記判定信号と前記比較信号とを排他的論理和した制御信号を出力する排他的論理和回路と、
   前記微分信号と前記電源電位とを差動増幅した差動増幅信号を出力する差動増幅回路と、
   前記制御信号に基づき前記微分信号または前記差動増幅信号のいずれかを選択して出力する選択回路と、
   を含む、
   ことを特徴とする物理量センサー。

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