JP6492790B2 - 物理量センサー、電子機器、及び移動体 - Google Patents
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Description
これにより、後段に設けられた増幅器から正確な信号が出力されず、センサーが誤った角速度を出力するおそれがあるという課題があった。
V2/A2>V1/A1
の関係を満たすことを特徴とする。
実施形態1では、物理量センサーの一例としての角速度センサー1について説明する。角速度センサー1は、外部から印加された回転に対して、角速度の値を出力するセンサーである。
図1は、物理量センサーの一例としての角速度センサー1の概略図である。
角速度センサー1は、角速度検出素子10、角速度検出回路20、駆動回路50、などによって構成されている。
角速度検出素子10は、本発明に係る物理量検出素子の一例であり、角速度センサー1に印加された角速度に応じた振動を行う。角速度検出回路20は、本発明に係る物理量検出回路の一例であり、角速度検出素子10から出力された角速度信号を処理する。駆動回路50は、角速度検出素子10に駆動振動を行わせるための駆動信号を生成する。
図2は、物理量検出素子の一例としての角速度検出素子10の概略図である。角速度検出素子10は、基部101、第1駆動腕111、第2駆動腕112、第3駆動腕113、第4駆動腕114、第1検出腕121、第2検出腕122、第1連結腕131、第2連結腕132、第1駆動電極141、第2駆動電極142、第1検出電極151、第2検出電極152、第3検出電極153、第1駆動錘部161、第2駆動錘部162、第3駆動錘部163、第4駆動錘部164、第1検出錘部171、第2検出錘部172、などによって構成されている。角速度検出素子10は、好適例ではZカットの水晶基板から形成されている。また、第1駆動電極141、第2駆動電極142、及び第1検出電極151〜第3検出電極153は、好適例では金(Au)及びクロム(Cr)によって形成されている。
図2では、連結腕に沿った方向をX方向、駆動腕に沿った方向をY方向、紙面に垂直な方向をZ方向と定義する。
基部101のYZ平面に沿った−X側の側面から、第1連結腕131が−X方向に向かって延出している。第1連結腕131の先端付近から、+Y方向に向かって第1駆動腕111が延出しており、−Y方向に向かって第2駆動腕112が延出している。第1駆動腕111の先端部には、X方向に沿った幅が第1駆動腕111より広い第1駆動錘部161が設けられている。また、第2駆動腕112の先端部には、X方向に沿った幅が第2駆動腕112より広い第2駆動錘部162が設けられている。
図3は、物理量検出素子の一例としての角速度検出素子10の動作を表す概略図である。図3(a)は、静止状態(角速度検出素子10にZ軸周りの角速度が印加されていない状態)における角速度検出素子10の振動動作を表す概略図であり、図3(b)は、回転状態(角速度検出素子10にZ軸周りの角速度が印加されている状態)における角速度検出素子10の振動動作を表す概略図である。
図4は、物理量検出回路の一例としての角速度検出回路20の概略図である。角速度検出回路20は、第1チャージアンプ201、第2チャージアンプ202、差動増幅回路203、第1増幅回路204、移相回路205、同期検波回路206、第1ローパスフィルター207、第2増幅回路208、第2ローパスフィルター209、などによって構成されている。
角速度検出回路20には、第1入力端子Vin1を介して、第1検出電極151からの信号が入力される。また、第2入力端子Vin2を介して、第2検出電極152からの信号が入力される。また、第3入力端子Vin3を介して、第1駆動電極141からの信号が入力される。角速度検出回路20の出力信号は、出力端子Voutを介して出力される。
また、より望ましくは、第2増幅回路208のダイナミックレンジは、第1増幅回路204のダイナミックレンジの略2倍に設定されている。これにより、製造ばらつきによって第1増幅回路204及び第2増幅回路208の増幅率がばらついた場合であっても、第2増幅回路208のダイナミックレンジを、第1増幅回路204のダイナミックレンジより大きくすることができる。
そして、調べた結果に応じて、第1増幅回路204の出力が飽和する入力物理量の最小値より、第2増幅回路208の出力が飽和する入力物理量の最小値の方が大きくなるように、第1増幅回路204及び第2増幅回路208の増幅率を決定する。これにより、ダイナミックレンジの大小を設定することができる。
V2/A2及びV1/A1の大小関係は、V2/A2>V1/A1である。好適例では、V1=V2=5V、A1=10、A2=2であり、V2/A2=2.5>V1/A1=0.5である。従って、このとき、第2増幅回路208が飽和する入力電圧の最小値は2.5Vであり、第1増幅回路204が飽和する入力電圧の最小値は0.5Vである。すなわち、第2増幅回路208の方が第1増幅回路204より飽和しにくい構成である。そして、好適例においては、このようにA1及びA2を設定することで、第2増幅回路208のダイナミックレンジが第1増幅回路204のダイナミックレンジより大きい構成とすることができる。
また、このとき、第2増幅回路208のダイナミックレンジは、600°/s以上である。
角速度センサー1が自動車等の移動体に搭載された場合、砂利道や悪路を走行することが想定される。この場合、石はね等によって、通常の検出範囲を超える衝撃が印加される場合がある。また、物理量センサーが実装される基板や車体が共振した場合、入力される物理量が共振のQ値の分だけ増幅される。一般的に、これらの共振のQ値は5程度である。余裕度を2倍とした場合、第1増幅回路204のダイナミックレンジを、300°/s×(5×2)=3000°/s以上に設定することで、石はねや、基板または車体の共振の影響があった場合でも、第1増幅回路204の出力が飽和するおそれを小さくできる。
また、このとき、第2増幅回路208のダイナミックレンジは、6000°/s以上である。
図5は、角速度センサー1が静止状態にあるときの信号波形を表す波形図である。静止状態においては、第1検出電極151及び第2検出電極152からは角速度信号は出力されず、漏れ信号が出力されている。図5には、図4に示すA〜Fの各点における漏れ信号の変化を示している。横軸は時間を、縦軸は電圧を示す。
C点(第1増幅回路204の出力)には、A点及びB点での出力が差動増幅回路203によって差動増幅されたのち、第1増幅回路204によって増幅された信号が出力されている。
D点(移相回路205の出力)には、同期検波のためのクロック信号が出力されている。漏れ信号が駆動信号と略同相であるのに対し、クロック信号の位相は駆動信号と略90°ずれている。このため、クロック信号と漏れ信号の位相は略90°ずれている。
F点(第2増幅回路208の出力)には、第1ローパスフィルター207によってE点の出力を積分し、第2増幅回路208によって増幅した信号が出力されている。E点の出力を積分すると、漏れ信号は相殺されて基準電圧に等しくなるので、F点における出力も基準電圧に等しくなる。
C点(第1増幅回路204の出力)には、A点及びB点での出力が差動増幅回路203によって差動増幅されたのち、第1増幅回路204によって増幅された信号が出力されている。交流増幅回路である第1増幅回路204により、差動増幅回路203から出力された信号の基準電圧を変化させずに、交流成分のみを増幅することができる。
D点(移相回路205の出力)には、同期検波のためのクロック信号が出力されている。角速度信号の位相は駆動信号の位相と略90°ずれており、クロック信号の位相は駆動信号と略90°ずれている。このため、クロック信号と角速度信号は、回転の向きに応じて同相または逆相となる。図6に示した例では、クロック信号と角速度信号が同相の場合を示している。
F点(第2増幅回路208の出力)には、第1ローパスフィルター207によってE点の出力を積分し、第2増幅回路208によって増幅した信号が出力されている。第1ローパスフィルター207からの出力は直流信号なので、直流増幅回路である第2増幅回路208によって、F点に角速度に応じた直流信号を出力することができる。また、第2ローパスフィルター209によって、高周波のノイズを除去することができる。
図7は、角速度センサー1に過大な物理量が印加されたときの信号波形を表す波形図である。横軸は時間であり、縦軸は出力電圧である。図7(a)は従来の角速度センサーの出力波形であり、C点及びF点における信号波形を表している。また、Vac0は第1増幅回路204の飽和電圧であり、Vdc0は第2増幅回路208の飽和電圧である。
図7(b)は本実施形態に係る角速度センサー1の出力波形であり、C点及びF点における信号波形を表している。V1は第1増幅回路204の飽和電圧、V2は第2増幅回路208の飽和電圧であり、好適例では、V1=V2=5Vである。また、出力電圧の下限は0Vであり、横軸の高さで示した基準電圧は2.5Vである。
すなわち、過大な角速度や、過大な衝撃が印加された場合であっても、第2増幅回路208の飽和を防ぐことができる。このため、誤出力を低減したセンサーを提供することができる。また、従来の角速度センサーのように差動増幅回路203や同期検波回路206の増幅率を可変にする構成に比べて、回路構成を複雑にせずに誤出力を低減することができる。
<物理量センサーの概略構成>
次に、実施形態2に係る角速度センサー1aについて説明する。
図8は、角速度センサー1aの概略図である。角速度センサー1aは、角速度検出素子10、角速度検出回路21、駆動回路50、などによって構成されている。
角速度検出素子10は、本発明に係る物理量検出素子の一例であり、角速度センサー1aに印加された角速度に応じた振動を行う。角速度検出回路21は、本発明に係る物理量検出回路の一例であり、角速度検出素子10から出力された角速度信号を処理する。駆動回路50は、角速度検出素子10に駆動振動を行わせるための駆動信号を生成する。
次に、実施形態2に係る角速度センサー1aが備える角速度検出回路21について、図9を参照して説明する。なお、実施形態1と同一の構成部位については、同一の番号を使用し、重複する説明は省略する。
角速度検出回路21は、実施形態1に係る角速度センサー1が備える角速度検出回路20の構成に加えて、第3増幅回路211、レシオメトリックアンプ212、第3ローパスフィルター213、などを備えている。
第3増幅回路211は直流増幅回路であり、最終的な角速度の検出感度を決定する。第3増幅回路211のダイナミックレンジは、第2増幅回路208のダイナミックレンジより大きいことが望ましい。レシオメトリックアンプ212は、電源電圧に応じて増幅率を変化させる増幅回路である。これにより、電源電圧が変動した場合にも、角速度センサーの感度を連動させる構成とすることができる。また、第3ローパスフィルター213は、検出信号中の不要波成分を除去するフィルター回路である。
すなわち、第2増幅回路208に加えて第3増幅回路211を備えていることにより、第2増幅回路の増幅率を小さくすることが可能である。これにより、最終的な感度を落とさずに、第2増幅回路208のダイナミックレンジを確実に大きくすることができる。また、第3ローパスフィルター213を備えていることにより、検出信号に含まれるノイズをより一層低減することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。
本発明に係る物理量センサーが検出する物理量は角速度に限定されず、例えば加速度や、圧力などであってもよい。
また、上述した実施形態では、角速度検出素子10は、4本の駆動腕と2本の検出腕を備えている、いわゆるダブルT型であるとしたが、本発明に係る物理量センサーが備える物理量検出素子はこれに限定されない。例えば、2本の振動腕を有する音叉型の振動子であってもよく、2本の駆動腕と、2本の検出腕と、が互いに逆向きに延びている、いわゆるH型の振動子であってもよい。また、櫛歯型の電極を備えた容量検出型の物理量検出素子であってもよい。また、物理量検出素子の材料は水晶に限定されず、例えばシリコンやセラミックであってもよい。
<電子機器の概略構成>
実施形態3では、電子機器の一例として横転検出装置3について説明する。
横転検出装置3は、自動車等の移動体に搭載され、角速度センサー及び加速度センサーの出力に基づいて横転を検出し、エアバッグ等の保護装置を起動させる装置である。
横転検出装置3は、角速度センサー1(1a)、第1加速度センサー31、第2加速度センサー32、第1横転判定回路33、第2横転判定回路34、AND回路35、横転信号出力端子36、などから構成されている。なお、以下では実施形態1に係る角速度センサー1を備えた例で説明するが、その他の実施形態や変形例に係る角速度センサーを用いてもよい。
第1加速度センサー31は、移動体の進行方向及び重力方向の両方と交差する方向(横方向)の加速度を検出する。
第1横転判定回路33は、角速度センサー1によって検出されるロールレートと、検出されたロールレートを積分して求められるロール方向の傾斜角度と、第1加速度センサー31によって検出される横方向の加速度と、に基づいて移動体が横転に至るか否かを判定する。横転に至ると判定した場合には、第1横転信号をAND回路35に入力する。
第2横転判定回路34は、第1加速度センサー31によって検出される横方向の加速度と、第2加速度センサー32によって検出される重力方向の加速度と、に基づいて移動体が横転に至るか否かを判定し、横転に至ると判定した場合には、第2横転信号をAND回路35に入力する。
AND回路35は、第1横転信号及び第2横転信号の両方が入力された場合に、横転検出信号を横転信号出力端子36から出力する。
なお、本実施形態では電子機器の一例として横転検出装置3について説明したが、本発明に係る電子機器はこれに限定されない。例えば、重力方向周りの回転を検出する、横滑り防止装置であってもよい。
<移動体の概略構成>
実施形態4では、移動体の一例としての自動車4について説明する。
図11は、自動車4の概略図である。自動車4は、車体41や横転検出装置3などから構成されている。横転検出装置3は、角速度センサー1(1a)を備えている。横転検出装置3は、乗員室内に設けられていてもよく、またエンジンルーム内に設けられていてもよい。
車体41は、ルーフサイドから膨らんで垂れ下がり、横転時に乗員の頭部や頚部を保護するカーテンエアバッグや、乗員が座るシートの外側部分から膨らみ、横転時に乗員の胸部や腹部を保護するサイドエアバッグを含んでいる。
また、移動体は車に限定されず、例えば船舶、飛行機やヘリコプター等の航空機、ロケット、または人工衛星等でもよい。
Claims (8)
- 印加された物理量に応じて物理量信号を出力する物理量検出素子と、
前記物理量信号を処理する物理量検出回路と、を備え、
前記物理量検出回路が、
第1増幅回路と、
前記第1増幅回路からの信号が供給される同期検波回路と、
前記同期検波回路からの信号が供給される第2増幅回路と、を備え、
前記第2増幅回路のダイナミックレンジが、前記第1増幅回路のダイナミックレンジより大きいことを特徴とする物理量センサー。 - 印加された物理量に応じて物理量信号を出力する物理量検出素子と、
前記物理量信号を処理する物理量検出回路と、を備え、
前記物理量検出回路が、
第1増幅回路と、
前記第1増幅回路からの信号が供給される同期検波回路と、
前記同期検波回路からの信号が供給される第2増幅回路と、を備え、
前記第1増幅回路の飽和電圧V1と、前記第1増幅回路の増幅率A1と、の比V1/A1と、
前記第2増幅回路の飽和電圧V2と、前記第2増幅回路の増幅率A2と、の比V2/A2とが、
V2/A2>V1/A1
の関係を満たすことを特徴とする物理量センサー。 - 前記物理量が角速度であり、
前記第1増幅回路のダイナミックレンジが300°/s以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の物理量センサー。 - 前記第1増幅回路の前記ダイナミックレンジが3000°/s以上であることを特徴とする請求項3に記載の物理量センサー。
- 前記第1増幅回路が交流増幅回路であり、
前記第2増幅回路が直流増幅回路であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の物理量センサー。 - 前記同期検波回路からの信号が供給され、前記第2増幅回路へ信号を出力する第1ローパスフィルターと、
前記第2増幅回路からの信号が供給される第2ローパスフィルターと、をさらに備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の物理量センサー。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載の物理量センサーを備えていることを特徴とする電子機器。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の物理量センサーを備えていることを特徴とする移動体。
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