JP5382358B2 - 物理量センサー - Google Patents
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Description
図1は、本実施形態に係る物理量センサーのブロック図の一例である。
物理量センサー1は、第1系統の周波数信号発生部10を含む。第1系統の周波数信号発生部10は、第1系統の共振器11を有し、第1系統の共振器11の共振周波数と対応づけられた周波数の第1系統の周波数信号12を発生する。第1系統の共振器11は、加速度が加わっているか否かによらず共振周波数が一定の共振器であってもよいし、加速度の変化に応じて共振周波数が変化する加速度センサーであってもよい。
物理量センサー1は、第1系統の分周回路70を含んでいてもよい。第1系統の分周回路70は、第1系統の周波数信号12を分周した信号である基準値生成信号25を出力してもよい。また、第1系統の分周回路70の分周数は整数であってもよい。第1系統の分周回路70によって第1系統の共振器11の選択肢が広がるが、第1系統の周波数信号12が第1系統の分周回路70を経由することなく基準値生成信号25として出力されてもよい。
物理量センサー1は、第2系統のPLL(Phase Locked Loop)回路90を含む。第2系統のPLL回路90は、基準信号として第2系統の周波数信号22を入力し、第2系統の周波数信号22を逓倍した信号である第2系統のPLL出力信号27を出力する。第2系統のPLL回路90は分数分周方式であり、細かく分周数を設定することが可能である。例えば、物理量センサー1の量産時などにおいて、第2系統の共振器の製造ばらつきにより第2系統の周波数信号22の周波数が誤差を有する可能性がある。このとき、第2系統のPLL回路90における分周数を適切に設定することにより誤差の調整を行い、正確に物理量を測定する物理量センサー1を提供することができる。
物理量センサー1は制御部80を含む。制御部80は、第1系統の周波数信号12をクロックとして受け取り、制御信号26によって第2系統のPLL回路90における分周数を設定する。具体的には、物理量センサー1に加速度が加わっていない状態における基準値生成信号25の周波数と第2系統のPLL出力信号27の周波数とが一致するように分周数を設定する。ここで、加速度が加わっていない状態とは、物理量センサー1が静止している状態か一定の速度で移動している状態のいずれであってもよい。
物理量センサー1は、第1系統のカウント部30を含む。第1系統のカウント部30は、基準値生成信号25のクロック数をカウントする。
物理量センサー1は、デジタル演算部50を含む。デジタル演算部50は、第1系統のカウント部30のカウント値32と第2系統のカウント部40のカウント値42に基づいて、基準値生成信号25のクロック数と第2系統のPLL出力信号27のクロック数の差に応じたクロック差分値52を計算する。
ここで、第2系統のPLL回路90が用いる分数分周方式について説明する。物理量センサー1は、正確な物理量測定を行うために、加速度が加わっていない状態における基準値生成信号25の周波数と第2系統のPLL出力信号27の周波数とを一致させる必要がある。例えば、第2系統の周波数信号22の周波数についての期待値が40kHzであるとする。しかし、製造ばらつきによって5%程度の誤差が生じる恐れがあるとすると、例えば第2系統の周波数信号22の周波数が38kHz(−5%)であっても調整できる必要がある。しかも、製造された物理量センサー1はそれぞれ個別の誤差を有する。
以下では、物理量センサーの具体例の一つである速度センサーについて説明する。図4は、第1実施形態の速度センサーの構成を示す図である。速度センサー1Aは、第1系統の共振器11(図1参照)において、加速度が加わっているか否かによらず共振周波数が一定の水晶振動子100を用いる。また、第1系統の分周回路70(図1参照)を含まない構成をとる。よって、基準値生成信号25はクロック信号120そのものである。
第1実施形態の速度センサー1Aは、水晶発振器14を含んで構成されている。水晶発振器14は、水晶振動子100及び発振回路110を含んで構成されている。前記の通り、本実施形態では水晶振動子100は共振周波数が一定の水晶発振子として構成されている。図5に、水晶発振器14のより具体的な構成例を示す。図5に示すように、発振回路110に含まれるキャパシター111、112、抵抗113、114、インバーター115により水晶振動子100を発振させる発振ループが形成され、水晶振動子100は共振周波数に等しい周波数で発振する。そして、水晶振動子100の駆動信号すなわちインバーター115の出力信号がクロック信号120として出力される。
第1実施形態の速度センサー1Aは、第2系統のPLL回路90Aおよび制御部80を含んで構成される。制御部80は、水晶発振器24に対する発振制御電圧33だけでなく、第2系統のPLL回路90Aに対する制御信号26(具体例として、図7の26A、26B)を供給する。図7に第2系統のPLL回路90Aのより具体的な構成例を示す。
再び、図4を用いて説明する。第1実施形態の速度センサー1Aは、同期式カウンター300及び400を含んで構成されている。同期式カウンター300は、クロック信号120のクロック数をカウントするnビットカウンターとして構成され、nビットのカウント値302を出力する。同様に、同期式カウンター400は、第2系統のPLL出力信号27のクロック数をカウントするnビットカウンターとして構成され、nビットのカウント値402を出力する。
第1実施形態の速度センサー1Aは、減算処理部500及びレジスター510を含んで構成されている。減算処理部500は、デジタル処理により、nビットのカウント値302とnビットのカウント値402の一方から他方を減算する処理を行い、nビットの減算値502を出力する。減算処理部500は、専用のデジタル回路として実現してもよいし、CPU(Central Processing Unit)が減算プログラムを実行することによりその機能を実現するようにしてもよい。nビットの減算値502は、所与のタイミング、例えば、クロック信号120の立ち下がりエッジでレジスター510に格納される。
図8(A)〜図8(C)は、本実施形態における水晶振動子200の一例について説明するための図である。水晶振動子200は、図8(A)〜図8(C)に示す双音叉振動片201とカンチレバー206がパッケージ(図示せず)の内部に気密封止された双音叉振動子として構成される。水晶振動子200として、優れた安定性と速い応答性を有する双音叉型振動子を使用することで正確な加速度検出を行うことができる。
図9は、本実施形態の速度センサー1Aの動作の一例について説明するためのタイミングチャート図である。
図10は、別の実施形態に係る物理量センサー1Fのブロック図である。本実施形態の物理量センサー1Fは、先の物理量センサー1と比べて第1系統1001の機能ブロックと制御部80Aが異なっている。特に、第1系統の分周回路70に代えて第1系統のPLL回路72が用いられることが異なる。このとき、基準値生成信号25は第1系統のPLL出力信号29である。以下においては相違点のみを説明する。なお、図1と同じ構成要素には同一の符号を付している。
4.1.構成
図11は、第2実施形態の速度センサーの構成を示す図である。
図12(A)及び図12(B)は、本実施形態における水晶振動子100及び水晶振動子200の一例について説明するための図である。
図13は、本実施形態の速度センサー1Bの動作の一例について説明するためのタイミングチャート図である。
図14は、距離センサーの構成例を示す図である。
図15は、加速度センサーの構成例を示す図である。
Claims (9)
- 所与の物理量を検出する物理量センサーであって、
第1の共振器を有し、前記第1の共振器の共振周波数と対応づけられた第1の周波数信号を発生する第1の周波数信号発生部と、前記周波数信号に基づいて生成される基準値生成信号のクロック数をカウントする第1のカウント部とを備えている第1系統と、
加速度の変化に応じて共振周波数が変化する第2の共振器を有し、前記第2の共振器の共振周波数と対応づけられた第2の周波数信号を発生する第2の周波数信号発生部、前記第2の周波数信号を基準信号としてPLL出力信号を出力する分数分周方式のPLL回路、および前記PLL出力信号のクロック数をカウントする第2のカウント部を備えている第2系統と、
前記第1のカウント部が出力したカウント値と前記第2のカウント部が出力したカウント値とに基づいて、前記基準値生成信号のクロック数と前記PLL出力信号のクロック数との差であるクロック差分値を出力するデジタル演算部と、
前記クロック差分値に基づいて、前記物理量に応じたデジタル値の検出信号を出力する検出信号生成部と、
前記第1の周波数信号発生部が出力した周波数信号を受け取り、加速度が加わっていない状態における前記基準値生成信号の周波数と前記PLL出力信号の周波数が一致するように前記PLL回路を制御する制御部と、を含む、物理量センサー。 - 前記PLL回路は、
分周数としてPまたはP+1のいずれかを選択できる分周器であるデュアルモジュールプリスケーラーと、
カウント動作中は前記デュアルモジュールプリスケーラーに前記分周数としてP+1を選択させ、カウント停止中は前記分周数としてPを選択させるスワローカウンターと、を含み、
前記制御部は、
前記スワローカウンターがカウントを停止するタイミングを指定する、請求項1に記載の物理量センサー。 - 前記第1の周波数信号発生部が出力した周波数信号を基準信号としてPLL出力信号を
出力するPLL回路を第1系統に含み、
前記第1の共振器は、加速度の変化に応じて共振周波数が変化し、
前記基準値生成信号は前記第1系統のPLL出力信号であり、
前記制御部は、
前記第1の周波数信号に代えて前記第1系統のPLL出力信号を受け取り、加速度が加わっていない状態における前記基準値生成信号の周波数と前記第2系統のPLL出力信号の周波数が一致するように前記第1系統のPLL回路および前記第2系統のPLL回路を制御する、請求項1または2に記載の物理量センサー。 - 前記第1の共振器及び前記第2の共振器は、加速度の検出方向が互いに逆方向になるように配置されている、請求項3に記載の物理量センサー。
- 前記第1の周波数信号発生部が出力した周波数信号を受け取り、前記第1の周波数信号を分周した分周信号を出力する分周回路を第1系統に含み、
前記基準値生成信号は前記分周信号である、請求項1または2に記載の物理量センサー。 - 前記検出信号生成部は、
前記デジタル演算部が出力した前記クロック差分値に所与の係数を乗算し、速度に応じたデジタル値の前記検出信号である速度信号を生成する、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の物理量センサー。 - 前記検出信号生成部は、
前記速度信号を積分し、移動距離に応じたデジタル値の前記検出信号を生成する、請求項6に記載の物理量センサー。 - 前記検出信号生成部は、
前記速度信号を微分し、加速度に応じたデジタル値の前記検出信号を生成する、請求項6に記載の物理量センサー。 - 前記第2の周波数信号発生部は、前記第2の共振器を発振させるとともに、入力されたアナログ信号に基づいて前記第2の周波数信号を調整でき、
前記制御部は、D/Aコンバーターを含み、前記D/Aコンバーターから出力される前記アナログ信号を制御する、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の物理量センサー。
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