JPH09292290A

JPH09292290A - センサ回路

Info

Publication number: JPH09292290A
Application number: JP8065943A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Iwazawa; 利幸岩澤; Masayoshi Miura; 眞芳三浦; Noritomo Shimizu; 紀智清水; Ushio Sagawa; 潮寒川; Shiyuuko Maeda; 修子前田; Takeo Sato; 健夫佐藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-02-27
Filing date: 1996-03-22
Publication date: 1997-11-11

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、物理的印加量が安定的にかつ正確
に検出でき、小型化が可能で、簡便な構成のセンサ回路
を提供することを目的とする。【解決手段】物理的印加量を前記振動体の共振周波数
の変化量として検出するセンサ１２に対して、発振器１
１によりその共振周波数と略一致した電圧信号を入力
し、センサ１２からの出力と発振器１１からの出力とが
入力される位相比較器１３で互いの位相差を検出し、平
滑器１４で位相比較器からの出力を平滑化した後、発振
器１２にフィードバックするセンサ回路である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、センサ回路に関
し、圧力、加速度、温度等の物理量を検出するセンサに
好適に使用可能なセンサ回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の加速度を検知するセンサを例とし
て、従来のセンサ回路について説明する。

【０００３】一般に、加速度センサには、圧電型、静電
容量型、抵抗歪型等種々の方式があるが、比較的感度が
良く簡単な構造のものに圧電型がある。

【０００４】そして、図１２は、特開昭６２ー２４１５
４号公報に記載された従来の圧電型加速度センサを示す
ものである。

【０００５】図１２は、中心固定型のディスク状の加速
度センサを示し、基板１０１の中央突起部１０２上に、
振動板１０４を設け、この振動板１０４上に、１対の電
極１０５、１０７によって挟まれた圧電セラミック１０
６が設けられている。振動板１０４は基板１０１に溶接
用環状突起を用いて溶着されている。

【０００６】このような構成において、発生した加速度
は、基板１０１を経由して振動板１０４に伝達されて振
動板１０４を歪ませ、この歪んだ振動板１０４は圧電セ
ラミック１０６を歪ませ、圧電セラミック１０６からの
起電力が加速度に対応した出力として取り出されること
になる。

【０００７】このように、圧電素子の歪に対応して加速
度を測定する圧電型加速度センサの構成は、構造が簡単
であり、感度や加速度測定範囲等においても優れた利点
を有する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
圧電型加速度センサでは、圧電素子に発生する電荷を長
時間保持できないため、一定加速度を印加し続け場合に
生ずる直流成分の加速度を測定することが困難であっ
た。

【０００９】また、センサ自体の小型化に向け、圧電素
子を小型化すると、静電容量が小さくなるため、低周波
域でのインピーダンスが大きくなり、自動車等の加速度
センサに要求される０．２〜２００Ｈｚ付近の低周波の
加速度の検出が困難となってしまう。

【００１０】本発明は、上記従来技術の課題を解決する
もので、直流成分の加速度等であっても安定的にかつ正
確に検出でき、小型化が可能で、簡便な構成のセンサ回
路を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、物理的印加量を前記振動体の共振周波数
の変化量として検出するセンサに対して、発振器により
その共振周波数と略一致した電圧信号を入力し、センサ
からの出力と発振器からの出力とが入力される位相比較
器で互いの位相差を検出し、平滑器で位相比較器からの
出力を平滑化した後、発振器にフィードバックするセン
サ回路である。

【００１２】このような構成により、直流成分の加速度
等の物理的印加量が安定的にかつ正確に検出でき、小型
化が可能で、簡便な構成のセンサ回路を提供する。

【００１３】

【発明の実施の形態】請求項１記載の本発明は、振動体
を有し、物理的印加量を前記振動体の共振周波数の変化
量として検出するセンサと、前記センサに前記共振周波
数と略一致した電圧信号を入力可能な発振器と、前記セ
ンサからの出力と発振器からの出力とが入力され互いの
位相差を検出する位相比較器と、前記位相比較器からの
出力を平滑化する平滑器とを有し、前記平滑器の出力
は、一方で前記発振器に入力されて前記センサに対する
フィードバックループ系を形成し、他方は前記センサの
出力となるセンサ回路である。

【００１４】この構成では、まず定常状態ではセンサの
振動体は共振周波数で振動しており、励振部の信号と、
受信部の信号との間の位相差は一定値である。

【００１５】ここで、加速度等の物理量をセンサに印加
し振動体の応力を変化させたり、熱を加え温度変化を誘
起し振動体の長さを変化させると、共振周波数が変化す
るため、励振部と受信部の信号の位相差が変わる。

【００１６】ついで、位相比較器でこの位相差を検出
し、平滑器で平滑化した後、出力信号を発振器に入力す
る。

【００１７】この発振器からの出力信号の周波数は、変
化後の共振周波数に近い値となり、センサにフィードバ
ックされる。

【００１８】そして、このフィードバックループを何度
か瞬時に繰り返すと、発振器の出力信号は変化後の共振
周波数に収束する。

【００１９】この共振周波数の変化量がセンサ回路の出
力の変化量に対応し、この値を測定することにより、加
速度等の外因の印加物理量の大きさを検出する。

【００２０】より好適には、請求項２記載のように、更
に、平滑器からの出力を一方の入力とし、前記一方の入
力と所定の他方の入力とを加算する加算器を有し、前記
加算器の出力が発振器に入力される構成でもよい。

【００２１】また、請求項３記載のように、更に、平滑
器の出力を増幅する増幅器を有し、前記増幅器の出力
は、一方で発振器に向け入力されてフィードバックルー
プ系を形成し、他方は前記センサの出力となる構成でも
よい。

【００２２】また、請求項４記載のように、更に、物理
的印加量が印加されていない場合のセンサ回路の出力値
と一致した大きさを有する出力をする初期値発生器と、
前記初期値発生器からの出力とセンサからの平滑器を介
した出力とを減算する減算器とを有する構成であっても
よい。

【００２３】そして、請求項５記載のように、更に、セ
ンサの雰囲気温度の変化を補償する温度補償手段を有し
ていてもよい。

【００２４】この温度補償手段は、請求項６記載のよう
に、センサの雰囲気温度の変化量に対応したセンサ回路
の出力値と、物理的印加量が印加されていない場合のセ
ンサ回路の出力値とを加算した出力をする温度補償器を
有するものでもよい。

【００２５】または、温度補償手段は、請求項７記載の
ように、振動体を有し、温度変化量を前記振動体の共振
周波数の変化量として検出する第２のセンサを備えたも
のであってもよい。

【００２６】具体的には、請求項８記載のように、第２
のセンサは、振動体を有して温度変化量を前記振動体の
共振周波数の変化量として検出し、更に、前記第２のセ
ンサに前記共振周波数と略一致した電圧信号を入力可能
な発振器と、前記第２のセンサからの出力と発振器から
の出力とが入力され互いの位相差を検出する位相比較器
と、前記位相比較器からの出力を平滑化する平滑器とか
ら前記第２のセンサに対するフィードバックループ系を
形成していることが好適である。

【００２７】または、請求項９記載のように、第２のセ
ンサは、振動体を有して温度変化量を前記振動体の共振
周波数の変化量として検出し、請求項１記載のセンサの
発振器の出力が入力される構成であってもよい。

【００２８】以下、本発明の各実施の形態につき、図面
を参照しながら説明をする。（実施の形態１）以下、本発明の第１の実施の形態につ
いて図面を参照しながら説明する。

【００２９】図１は、本実施の形態における加速度セン
サ（以後、Ｇセンサと称する。）の構成図であり、図１
（ａ）は平面図、図１（ｂ）はそのＸ−Ｙ断面図であ
る。

【００３０】図１において、１は支持梁であり、支持梁
１の先端部には慣性体２が設けられ、この支持梁１と慣
性体２で片持ち梁を形成している。

【００３１】そして、支持梁１上には振動体３があり、
この振動体３は励振部４、伝搬部５、受信部６から構成
される。

【００３２】この励振部４は、圧電素子を有し、電気信
号を機械振動に変換する。この機械振動は伝搬部５によ
り、受信部６に伝達される。

【００３３】そして、受信部６は、励振部４と同様に圧
電素子を含み、機械振動を電気信号に変換する。

【００３４】ここで、外部から強制的に加速度を加えな
いときの加速度をＧ₀とし、加速度Ｇ₀での振動体３の共
振周波数をｆ₀とするとき、このＧセンサの入力部であ
る励振部４に、周波数ｆの信号を印加した時、センサ出
力部である受信部６の信号の振幅特性Ａ及び、励振部４
と受信部６との位相差特性φは、各々図２の実線で示す
特性となる。

【００３５】図２の実線の特性から判るように、位相差
φは、共振点の周囲では、周波数に比例して変化し、共
振点ｆ₀では、共振点の前後の位相差の最大値と最小値
の差の１／２の値となる。

【００３６】次に、図１（ｂ）の垂直方向に加速度Ｇ₁
を強制的に加えた時、支持梁１には張力が発生し、振動
体３の伝搬部５にも対応して張力が発生する。

【００３７】一方、張力をＳ、伝搬部５の線密度をσと
するとき、共振周波数ｆとの間には、（数１）の関係が
ある。

【００３８】

【数１】この式によれば、共振周波数ｆは、伝搬部５の張力Ｓの
平方根に比例し変位する。

【００３９】そして、本実施形態のＧセンサの構造で
は、張力Ｓは、加速度による力に比例するので、共振周
波数ｆは、印加加速度Ｇ₁の平方根に比例して変化する
ことになる。

【００４０】しかし、実用上は、（数１）において定数
Ｃが相対的に大きいと考え、Ｇ₀を中心とした所定の印
加加速度範囲では、共振周波数ｆは印加加速度Ｇ₁、正
確には（Ｇ₁−Ｇ₀）に比例して変化する。

【００４１】図３は、本実施の形態のＧセンサに加速度
を印加したときの共振周波数の特性の一例を示し、共振
周波数は、印加加速度に比例して変化することを示して
いる。

【００４２】また、共振点前後の位相差の変化量をΦと
するとき、位相差φは共振点では常に一定値φ₀（＝Φ
／２）であり、加速度を印加した場合でも、振幅特性と
位相差特性は、加速度を加えていない場合と同様な特性
を呈する。

【００４３】以上より、加速度Ｇ₁が印加されたとき、
振幅及び位相差特性は図２の一点鎖線で示す特性となる
ことがわかる。

【００４４】図４は、以上の特性を有する本実施の形態
のＧセンサを用いて、加速度を検出するセンサ回路のブ
ロック図を示す。

【００４５】図４において、１１はＶＣＯ（電圧制御型
発振器）であって、入力電圧値に対応して発振周波数が
可変にでき、発振周波数の最大値と最小値は、各々対応
して設けられる抵抗（図示せず）の値を変えることによ
って自由に設定できる。

【００４６】また、１２はＧセンサ、１３は位相比較器
であって、位相比較器１３は２つの入力間の位相差を検
出し、位相差に応じた信号を出力するものである。

【００４７】なお、位相比較器には、アナログタイプと
ディジタルタイプがあるが、アナログタイプは出力が入
力信号の振幅値に影響されるため、本実施の形態のよう
に入力値が変化する場合にはディジタルタイプが好適で
あり、ディジタルタイプとしては、一般的に排他的論理
和（ＥＸＯＲ）回路が用いられる。

【００４８】また、ディジタルタイプでは、入力がアナ
ログ信号の場合、その信号を増幅しクリップしてディジ
タル信号にする必要があるが、ここに示す位相比較器１
３にはその機能が含まれている。

【００４９】そして、このＥＸＯＲ回路が用いられた位
相比較器１３からは、位相差がパルス幅の長さで出力さ
れる。

【００５０】次に、１４は平滑器であり、入力信号を積
分して直流信号にする。１５は直流増幅器であり、増幅
率を自由に設定できる機能を有する。

【００５１】また、１６は加算器、１７はＶＣＯ入力電
圧調整器である。ＶＣＯ入力電圧調整器１７は、加算器
１６への入力電圧Ｖ_Cを自由に設定できるものである。

【００５２】また、１８は減算器、１９は初期値発生器
であり、初期値発生器１９は減算器１８への入力電圧Ｖ
₀を自由に設定できるものである。

【００５３】また２０は加算器、２１は基準値調整器で
あり、基準値調整器２１は、所望の基準電圧Ｖ_Dを発生
できるものである。

【００５４】以上のように構成されたセンサ回路につい
て、図１及び図４を参照しながらその動作を説明する。

【００５５】まず、Ｇセンサ１２に外部から強制的に加
速度が印加されてない加速度Ｇ₀の場合について説明す
る。

【００５６】例えば、Ｇセンサ１２が、地面に垂直に設
置されている場合には、Ｇ₀＝０となり、一方で水平に
設置されている場合には、Ｇ₀は重力加速度となる。

【００５７】また、加速度Ｇ₀時のＧセンサ１２におけ
る振動体３の共振周波数をｆ₀とすると、ＶＣＯ１１の
発振周波数の最大値と最小値のほぼ中間値が、共振周波
数ｆ₀となるように設定しておき、そのＶＣＯ１１の出
力信号が周波数ｆ₀であるような電圧を加算器１６から
ＶＣＯ１１に入力し、そのＶＣＯ１１からの出力信号を
Ｇセンサ１２の励振部４に入力する。

【００５８】このようにＧセンサ１２は、励振部４に周
波数ｆ₀の信号が印加されると、受信部６より位相差φ₀
だけ異なった周波数ｆ₀の信号を出力する。

【００５９】ついで、位相比較器１３は、ＶＣＯ１１Ｇ
とセンサ１２の双方の出力信号を比較し、位相差φ₀に
相当するパルス幅の信号を出力する。

【００６０】そして、平滑器１４は、そのパルス幅信号
を平滑にして直流信号にし、直流増幅器１５は、平滑器
１４の出力である直流信号を、予め設定された増幅率に
従って増幅し、出力信号Ｖ₀を出力する。

【００６１】ここで、フィードバック系においては、加
算器１６は、直流増幅器１５の出力信号Ｖ₀を一方の入
力信号としながら、加算器１６の出力値がＶＣＯ１１の
発振周波数がｆ₀となる入力電圧値と等しくなるように
ＶＣＯ入力電圧調整器１７を調整して得られた入力電圧
調整器１７からの出力信号Ｖ_Cを他方の入力信号として
おり、加算器１６からの出力信号はＶＣＯ１１に入力さ
れる。

【００６２】このように加算器１６の出力をＶＣＯ１１
にフィードバックするフィードバック系を採用すること
により、設定電圧値Ｖ_C自体やセンサ１２の状態を変化
させない限り、ＶＣＯ１１は共振周波数ｆ₀で発振を続
け、このフィードバックループの系は安定に動作をす
る。

【００６３】原理的には、ＶＣＯ１１は、直流増幅器１
５の出力信号だけでも制御はできるが、フィードバック
量が多すぎたり少なすぎたりした場合は、系が不安定に
なリ発散したり、安定化するまでに時間を要したりする
ことが考えられる。

【００６４】それ故、高速でかつ安定に系を動作させる
ために、直流増幅器１５からの出力値、つまりフィード
バック量を適当な大きさにし、その過不足分をＶＣＯ入
力電圧調整器１７の出力信号Ｖ_Cで調整した構成とした
ものである。

【００６５】また、直流増幅器１５は、平滑器１４から
の出力が充分確保されている場合には必要ない。

【００６６】次に、本実施の形態における出力系につい
て説明をする。初期値発生器１９で、加速度Ｇ₀での直
流増幅器１５の出力信号Ｖ₀と等しい電圧を出力する。

【００６７】そして、この場合には、両者の信号の差を
取る減算器１８の出力は０となる。ここで回路の電源
が、両極電源の場合には、減算器１８の出力を加速度セ
ンサ回路の出力とすればよい。

【００６８】また、回路の電源が、単極電源の場合に
は、基準値調整器２１により、出力０の基準点を所望の
電圧値Ｖ_D（一般に電源電圧の１／２の電圧値）に設定
し、その電圧値Ｖ_Dを加算器１９にて減算器１８の出力
と加算し、その加算器１９の出力信号を加速度センサ回
路の出力とすることが好適である。

【００６９】さて、Ｇセンサ１２において図１（ｂ）の
垂直方向に加速度Ｇ1 が印加されたとすると、Ｇ₀＜Ｇ₁
とすると、Ｇセンサ１２の共振周波数ｆはｆ₀よりも高
いｆ₁となるが、ＶＣＯ１１の発振周波数がｆ₀であるた
め図２に示したように、Ｇセンサ１２の入出力間の位相
差φがφ₀より大きくなる。

【００７０】そして、位相比較器１３の出力信号のパル
ス幅が大きくなり、平滑器１４の出力を増幅した直流増
幅器１５及び加算器１６の出力も対応して大きくなり、
ＶＣＯ１１の発振周波数はｆ₁に近づき、一旦ｆ₁よりも
少し高くなる。

【００７１】すると、今度は、位相比較器１３の入力間
の位相差であるＧセンサ１２の励振部４入力と受信部６
出力との位相差φがφ₀より少し小さくなり、パルス幅
も少し狭くなり、平滑、増幅、加算された信号も、少し
小さくなるのでＶＣＯ１１の発振周波数は加速度Ｇ₁で
のセンサの共振周波数ｆ₁より少し低くなる。

【００７２】このようなフィードバックループを瞬時の
うちに繰り返し、ＶＣＯ１１の発振周波数はｆ₁に収束
していく。

【００７３】そして、以後は、このフィードバックルー
プ系は安定に動作し、ＶＣＯ１１は共振周波数ｆ₁で発
振を続けることになる。

【００７４】なお、この収束の状態は平滑器１４の積分
時定数と直流増幅器１５の増幅率により決まり、積分時
定数が極端に小さ過ぎたり、増幅率が極端に大き過ぎる
場合には、発散することも考えられるため、時定数と増
幅率についてはそれを考慮した最適値に設定する必要が
ある。

【００７５】さて、印加加速度をＧ、ＶＣＯ１１の発振
周波数をｆ、Ｇセンサ１２の励振部４、受信部６の入出
力間の位相差をφ、直流増幅器の出力をＶとすると、こ
のフィードバックループ系のＶ−ｆ特性、φ−Ｖ特性、
ｆ−Ｇ−φ特性は図５のようになる。

【００７６】これらを数式で表すと、各々下記の（数
２）、（数３）、（数４）のようになる。

【００７７】

【数２】

【００７８】

【数３】

【００７９】

【数４】ここで・Ｋ_V，Ｋφ，Ｋ_f，Ｋ_Gは、比例定数であり、図
５から、Ｋ_V＞０，Ｋφ＞０，Ｋ_f＜０，Ｋ_G＞０であ
る。

【００８０】上式からｆ，Ｖ，φをＧで表せば、各々下
記の（数５）、（数６）、（数７）のようになり、Δ
ｆ、ΔＶ、Δφは、Ｇ−Ｇ₀＝ΔＧに比例する。

【００８１】

【数５】

【００８２】

【数６】

【００８３】

【数７】ここで、（数７）においては、Δφ ΔＧとなり、これ
は印加加速度が大きくなるに従い、共振点が大きくなる
ことを意味している。

【００８４】そこで、Δφ−ΔＧ特性式より、Δφを０
に近づけるためには、Ｋ_G／（１−Ｋ_V・Ｋφ・Ｋ_f）を
小さくすればよいが、Ｋ_Gを小さくすると分解能が低下
する。

【００８５】そこで、Ｋ_V、Ｋφ、Ｋ_fの値を大きくすれ
ばよく、つまり、ＶＣＯ１１の可変周波数レンジを広く
したり、直流増幅器１５の増幅率を大きくしたり、Ｇセ
ンサ１２のＱ（尖頭度）を高くすることにより、φをφ
₀に近づかせることができることがわかる。

【００８６】一方、（数５）と（数７）より、以下の
（数８）が求められ、図５（ｃ）中の直線ｔで示され
る。

【００８７】

【数８】それ故、Ｋ_V・Ｋφを大きくすることにより、直線ｔの
傾きは小さくなり、φはφ₀に近づいていく。

【００８８】つまり、フィードバックループ系で得られ
る周波数、つまりＶＣＯ１１の発振周波数は、Ｇセンサ
１２の共振周波数と見做すことができ、直流増幅器１５
の出力変位量は、Ｇセンサ１２に印加された加速度の変
位量に比例する。

【００８９】次に、出力系において、フィードバック系
が落ちついた直流増幅器１５の出力Ｖ₁とすると、減算
器１８の出力はＶ₁−Ｖ₀となり、これはセンサの共振周
波数の変化量ｆ₁−ｆ₀に比例する。

【００９０】つまり、減算器１８は、電圧値０を基準と
し、印加加速度の変位量Ｇ₁−Ｇ₀に比例した信号Ｖ₁−
Ｖ₀を出力する。

【００９１】ここで、前述したように、回路の電源が、
両極電源の場合には、この減算器１８の出力を加速度セ
ンサ回路の出力とすればよい。

【００９２】また、回路の電源が、単極電源の場合に
は、加算器２０に入力され、電圧値Ｖ _Dを基準にし、印
加加速度の変化量に比例した電圧、（Ｖ₁−Ｖ₀）＋Ｖ_D
を出力することになる。

【００９３】以上のように、本実施の形態によれば、外
部より加速度等の物理的な変化を印加することにより共
振周波数が変化するセンサ１２を用い、センサ１２の共
振周波数で発振するＶＣＯ１１の出力をセンサ１２に入
力し、センサ１２への入力信号と、センサ１２からの出
力信号を、位相比較器１３に入力して位相差を検出し、
位相比較器１３からの位相差検出した出力信号を平滑器
１４に入力し、平滑器１４からの積分平滑した出力信号
が、ＶＣＯ１１にフィードバックされることにより、フ
ィードバックループ系を構成する。

【００９４】そして、出力系は、このようにＧセンサ１
２がフィードバックされながら平滑器１４から積分平滑
して出力される出力信号を用いて、Ｇセンサの出力とす
るため、センサに印加された加速度等の物理量を安定か
つ正確に検出できる。

【００９５】（実施の形態２）以下、本発明の第２の実
施の形態について図面を参照しながら説明する。

【００９６】本実施の形態は、実施の形態１で説明した
Ｇセンサ１２を用い、更に雰囲気温度の変化にも対応で
きるようにしたものである。

【００９７】ここで、本実施の形態におけるＧセンサ１
２は、実施の形態１で説明をしたように圧電素子で構成
される励振部４は、電気信号を機械振動に変換し、伝搬
部５を介して圧電素子で構成される受信部６に伝達さ
れ、機械振動を電気信号に変換する構成であるから、加
速度以外の印加物理量の大きさ、例えば、本実施の形態
では、Ｇセンサ１２の周囲の温度にも影響を受ける。

【００９８】具体的には、Ｇセンサの周囲の温度が変化
すると、振動体３の伝搬部５が以下の（数９）に従い温
度に比例して伸縮する。

【００９９】

【数９】ここで、αは線膨脹率（無機材料では１０〜１００×１
０^-6／℃）、Ｔは温度、Ｌ₀はＴ＝Ｔ₀（０℃）での長さ
である。

【０１００】それ故、伝搬部５の長さを半波長とする共
振周波数は、以下の（数１０）により、高温では伝搬部
５が長くなるため低くなり、低温では逆に短くなるので
高くなる。

【０１０１】

【数１０】ここで、ｆは共振周波数、ｖは伝搬速度である。

【０１０２】（数１０）から判るように、線膨脹率αが
小さいため、温度変化幅が１００℃程度の狭い範囲で
は、共振周波数ｆはほぼ直線的に負の傾きを持ち変化す
る。

【０１０３】このＧセンサに、実際に温度変化を与えた
ときの周波数特性を図７に示す。図７によれば、直流増
幅器１５からは、高温で低電圧、低温で高電圧となり、
近似的には、温度に反比例した電圧信号が、出力される
傾向を有することがわかる。

【０１０４】図６に本実施の形態におけるセンサ回路の
ブロック図を示す。図６の構成は、図１に示す実施の形
態におけるセンサ回路のブロック図において、初期値発
生器９を、温度補償器２２に置き換えたものであり、そ
れ以外の構成は同様である。

【０１０５】この温度補償器２２の具体的構成を図８に
示す。図８（ａ）は、その一例を示し、温度補償器２２
は、温度上昇と共に抵抗値が大きくなる感温素子Ｒ_Tと
抵抗器Ｒ₁ 、Ｒ₂とを組み合わ構成したものであり、３
個の抵抗値を選択することにより、所望の抵抗特性を得
ることができる。

【０１０６】また図８（ｂ）は、他の一例を示し、感温
素子Ｒ_TとＡ／ＤコンバータとＲＯＭ及びＤ／Ａコンバ
ータとを組み合わせたものであり、所望の特性をＲＯＭ
テーブルに書き込むことにより、更に精度のよい温度補
償機能を有する。

【０１０７】以上のような構成において、以下動作を説
明をする。まず、Ｇセンサ１２に外部から強制的に加速
度が印加されていない（Ｇ₀）時、直流増幅器１５から
の出力は、雰囲気温度に起因して共振周波数が変位した
量（Δｆ_T）に相応する電圧変位量ΔＶ_Tだけ変位する。

【０１０８】よって、その出力値は以下の（数１１）と
なる。

【０１０９】

【数１１】この電圧値は、温度補償器２２の出力値Ｖ_Tと等しいの
で、両方の差を取る減算器１８の出力は０となる。

【０１１０】ここで、回路の電源が両極電源の場合は、
減算器１８の出力を加速度センサ回路の出力とするが、
単極電源の場合は、基準値調整器２１で出力０の基準点
を所望の電圧値Ｖ_D（一般に電源電圧の１／２の電圧
値）に設定し、その電圧値Ｖ_Dを加算器２０にて減算器
１８の出力と加算し、加算結果である加算器１９の出力
を加速度センサ回路の出力とすることもできる。

【０１１１】次に、Ｇセンサ１２に図１の断面図の垂直
方向に、雰囲気温度の変化を伴いながら加速度Ｇ₁が印
加されたとき、Ｇセンサ１２の共振周波数は、雰囲気温
度の変化に起因して共振周波数がΔｆ_T変位し、ｆ₀＋Δ
ｆ_Tとなる。

【０１１２】更に加え、その変移した周波数を基準に印
加加速度に比例した以下の（数１２）の増加分を生じ
る。

【０１１３】

【数１２】ここで、Ｇセンサの熱膨脹率αが小さいため、ΔｆT ／
ｆ0 １とした。

【０１１４】よって、結果として生じる共振周波数は以
下の（数１３）となり、直流増幅器１５の出力は、以下
の（数１４）となる。

【０１１５】

【数１３】

【０１１６】

【数１４】一方、温度補償器２２には、サーミスタ、セラミスタ等
の温度検出素子が含まれており、Ｇセンサ１２の環境の
温度変化に起因して直流増幅器１５から出力される電圧
成分と同等の電圧値Ｖ_Tを発生する。

【０１１７】よって、減算器１８の出力は、以下の（数
１５）のようになり、雰囲気温度に依存せず、０を基準
にし、印加加速度の変化量に比例した電圧を出力する。

【０１１８】

【数１５】また、加算器１９用いた場合も、以下の（数１６）のよ
うになり、電圧値Ｖ_Dを基準にし、印加加速度の変化量
に比例した電圧を出力する。

【０１１９】

【数１６】以上のように、本実施の形態によれば、センサ１２の雰
囲気温度が変化したときの出力電圧値の変化分と同じ電
圧値Ｖ_Tを発生する温度補償器２２を設け、減算器１８
で互いを減算することにより、減算器出力はセンサの雰
囲気温度に依存せず、センサに印加された加速度を正確
に検出できる。

【０１２０】（実施の形態３）以下、本発明の第３の実
施の形態について図面を参照しながら説明する。

【０１２１】本実施の形態は、実施の形態２における温
度補償器２２の代わりに、加速度には感応しないが、温
度に感応して共振周波数を変位するセンサを別途設けた
ものである。

【０１２２】図９は、本実施の形態における加速度セン
サの平面図及び断面図を示し、図１０は、本実施の計形
態におけるセンサ回路のブロック図である。

【０１２３】図９（ｂ）において、図９（ａ）における
Ａ−Ｂ断面に対応して示されるＧセンサは、図１で示す
Ｇセンサの支持梁１と振動体３の伝搬部５とを一体化し
た構成を有し、図９（ｃ）において、図９（ａ）におけ
るＣ−Ｄ断面に対応して示されるＴセンサは、Ｇセンサ
と同様の振動体構造を有するが、梁構造は持たない構成
である。

【０１２４】より詳細には、図９において、３１は支持
梁、３２は慣性体、３３、４３は振動体、３４、４４は
励振部、３５、４５は伝搬部、３６、４６は受信部であ
り、図１の符号１から６の構造に各々対応している。

【０１２５】また、３７、４７は貫通部であって、振動
体３３、４３の感度を良好にすべくすべくその両側に設
けたものである。

【０１２６】また、３８は貫通部であって、慣性体３２
を変位可能とすべく設けたものである。

【０１２７】ここで、ＧセンサとＴセンサとは、振動体
３３、４３の構造が全く同じであり、共振周波数特性、
温度依存特性等も実質的には同様である。

【０１２８】それ故、梁構造を持たないＴセンサは、加
速度のような外部からの圧力に対しては感応せず、温度
変化を検出するセンサとして用いられ、各基本動作は実
施の形態１と同様である。

【０１２９】この２個のセンサを各々設けた構成の回路
について説明する。図１０において、符号１１から１７
の構成要素は、実施の形態１、２と同様であり、フィー
ドバックループを形成しているが、Ｇセンサとしては、
図９（ａ），（ｂ）で示したＧセンサを用いる。

【０１３０】また、６１はＶＣＯ、６２はＴセンサであ
って、図９（ａ），（ｃ）のＴセンサを用いる。６３は
位相比較器、６４は平滑器、６５は直流増幅器、６６は
加算器、６７はＶＣＯ入力電圧調整器であり、これら
は、Ｇセンサのフィードバックループと同様の構成であ
る。

【０１３１】そして、６８は減算器、６９は加算器、７
０は基準値調整器であり、これらは実施の形態１、２と
同様の構成である。

【０１３２】以上のような構成において、次に動作を説
明する。まず、Ｇセンサ５２及びＴセンサ６２に対し
て、外部から強制的に加速度のような力が印加されてな
い場合、Ｇセンサ５２及びＴセンサ６２は、共振周波数
特性、温度依存特性が同じであるため、同様の回路構成
とすることによって、直流増幅器１５及び６５の出力値
は等しく前述の（数１１）の値となり、減算器６８の出
力値は０となる。

【０１３３】よって、減算器６８の出力値、場合によっ
ては加算器６９の出力値は、センサ５２、６２の置かれ
ている雰囲気温度に依存しない。

【０１３４】次に、Ｇセンサ５２及びＴセンサ６２に対
して、外部から強制的に加速度Ｇ₁が印加された時、Ｔ
センサ６２は梁構造のような可動部を持たず固定されて
いるため、加速度には感応せず、直流増幅器６５の出力
は、温度にのみ起因した変位量を含む電圧値Ｖ_Tを安定
的に示す。

【０１３５】これに対して、Ｇセンサ５２は、印加加速
度と温度の双方に感応するため、共振周波数は、前述の
（数１３）で示す値となり、直流増幅器１５の出力は、
加速度と温度に起因した変位量を含む電圧値を安定的に
示す。

【０１３６】よって、減算器６８の出力値、場合によっ
ては加算器６９の出力は、印加加速度Ｇ₁に比例した値
となり、温度に依存しない加速度を正確に検出すること
ができる。

【０１３７】以上のように、本実施の形態によれば、加
速度等の応力と温度等の伸縮とを双方検出できるセンサ
と、温度等による伸縮をのみ検出できるセンサとを設け
ることにより、温度等の環境変化に依存せず、センサに
印加された加速度を正確に検出することができる。

【０１３８】なお、本実施の形態でのセンサの振動体の
構造は、実施の形態１の構造と同じものでもよい。

【０１３９】（実施の形態４）以下、本発明の第４の実
施の形態について図面を参照しながら説明する。

【０１４０】本実施の形態は、実施の形態３におけるＶ
ＣＯ６１、加算器６６及びＶＣＯ入力電圧調整器６７を
設けていない回路構成に関し、特に説明しない部分は実
施の形態３と同様である。

【０１４１】図１１において、符号１１から１７の構成
要素は、実施の形態３と同様であり、フィードバックル
ープを形成しているが、Ｇセンサとしては、図９
（ａ），（ｂ）で示したＧセンサを用いる。

【０１４２】また、６１はＶＣＯ、６２はＴセンサであ
って、図９（ａ），（ｃ）のＴセンサを用いる。６３は
位相比較器、６４は平滑器、６５は直流増幅器であり、
これらは、実施の形態３と同様であるが、Ｔセンサ６２
独自のフィードバックループは形成していない。

【０１４３】そして、６８は減算器、６９は加算器、７
０は基準値調整器であり、これらは実施の形態３と同様
の構成である。

【０１４４】ここで、Ｔセンサ６２は、Ｇセンサ５２用
のＶＣＯ１１からの出力信号をＴセンサ６２用にも用い
ることにし、Ｔセンサ６２側の位相比較器６３へも入力
をする。

【０１４５】以上のような構成において、次に動作を説
明する。まず、Ｇセンサ５２及びＴセンサ６２に対し
て、外部から強制的に加速度のような力が印加されてな
い場合、Ｇセンサ５２及びＴセンサ６２は、共振周波数
特性、温度依存特性が同じであるため、ＶＣＯ１１をＧ
センサ５２のみならずＴセンサ６２側にも共用すること
ができ、直流増幅器１５及び６５の出力値は等しく前述
の（数１１）の値となり、減算器６８の出力値は０とな
る。

【０１４６】よって、減算器６８の出力値、場合によっ
ては加算器６９の出力値は、センサ５２、６２の置かれ
ている雰囲気温度に依存しない。

【０１４７】次に、Ｇセンサ５２及びＴセンサ６２に対
して、外部から強制的に加速度Ｇ₁が印加された時、Ｔ
センサ６２は梁構造のような可動部を持たず固定されて
いるため、加速度には感応せず、直流増幅器６５の出力
は、温度にのみ起因した変位量を含む電圧値Ｖ_Tとな
る。

【０１４８】これに対して、Ｇセンサ５２は、印加加速
度と温度の双方に感応するため、共振周波数は、前述の
（数１３）で示す値となり、直流増幅器１５の出力は、
加速度と温度に起因した変位量を含む電圧値となる。

【０１４９】よって、実施の形態３と同様に、減算器６
８の出力値、場合によっては加算器６９の出力は、印加
加速度Ｇ₁に比例した値となり、温度に依存しない加速
度を正確に検出することができる。

【０１５０】以上のように、本実施の形態によれば、加
速度等の応力と温度等の伸縮とを双方検出できるセンサ
と、温度等による伸縮をのみ検出できるセンサとを設け
ることにより、温度等の環境変化に依存せず、センサに
印加された加速度を正確に検出することができる。

【０１５１】なお、本実施の形態でのセンサの振動体の
構造も、実施の形態１の構造と同じものでもよい。

【０１５２】また、以上の実施の形態において、Ｇセン
サは慣性体に近い側を励振部、遠い側を受信部とした
が、その逆にしてもよい。

【０１５３】

【発明の効果】以上のように本発明は、外部より加速度
等の物理的、環境的変化を印加することにより共振周波
数が変位するセンサを用い、ＶＣＯ、センサ、位相比較
器、平滑器からフィードバック系を形成し、このフィー
ドバック系の出力の変位量を求めることにより、センサ
への印加量を、動的静的を問わず、安定的に精度よく検
出できる。

【０１５４】また、センサの雰囲気温度変化を補償する
構成とし、具体的にはフィードバック系の出力と温度補
償回路の出力との差を求めること、あるいはフィードバ
ック系の出力と温度のみを検出するセンサの出力との差
を求めることにより、雰囲気温度に依存せず、外部から
の加速度等の印加量を正確に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における加速度センサの
平面図及び断面図

【図２】同センサの周波数特性図

【図３】同センサの加速度特性図

【図４】同センサ回路のブロック図

【図５】同センサ回路のループ系各部の特性図

【図６】本発明の実施の形態２におけるセンサ回路のブ
ロック図

【図７】同センサの温度特性図

【図８】同温度補償器の構成図

【図９】本発明の実施の形態３における加速度センサの
平面図及び断面図

【図１０】同センサ回路のブロック図

【図１１】本発明の実施の形態４における加速度センサ
回路のブロック図

【図１２】従来の加速度センサの断面図

【符号の説明】

１支持梁２慣性体３振動体４励振部５伝搬部６受信部１０温度補償器１１電圧制御型発振器（ＶＣＯ）１２Ｇセンサ１３位相比較器１４平滑器１５直流増幅器１６加算器１７ＶＣＯ入力電圧調整器１８減算器１９初期値発生器２０加算器２１基準値調整器２２温度補償器３１支持梁３２慣性体３３振動体３４励振部３５伝搬部３６受信部３７貫通部４３振動体４４励振部４５伝搬部４６受信部４７貫通部５２Ｇセンサ６１電圧制御型発振器（ＶＣＯ）６２Ｔセンサ６３位相比較器６４平滑器６５直流増幅器６６加算器６７ＶＣＯ入力電圧調整器６８減算器６９加算器７０基準値調整器

フロントページの続き (72)発明者寒川潮神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１号松下技研株式会社内 (72)発明者前田修子神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１号松下技研株式会社内 (72)発明者佐藤健夫神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１号松下技研株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動体を有し、物理的印加量を前記振動
体の共振周波数の変化量として検出するセンサと、前記
センサに前記共振周波数と略一致した電圧信号を入力可
能な発振器と、前記センサからの出力と発振器からの出
力とが入力され互いの位相差を検出する位相比較器と、
前記位相比較器からの出力を平滑化する平滑器とを有
し、前記平滑器の出力は、一方で前記発振器に入力され
て前記センサに対するフィードバックループ系を形成
し、他方は前記センサの出力となるセンサ回路。
【請求項２】更に、平滑器からの出力を一方の入力と
し、前記一方の入力と所定の他方の入力とを加算する加
算器を有し、前記加算器の出力が発振器に入力される請
求項１記載のセンサ回路。
【請求項３】更に、平滑器の出力を増幅する増幅器を
有し、前記増幅器の出力は、一方で発振器に向け入力さ
れてフィードバックループ系を形成し、他方は前記セン
サの出力となる請求項１または２記載のセンサ回路。
【請求項４】更に、物理的印加量が印加されていない
場合のセンサ回路の出力値と一致した大きさを有する出
力をする初期値発生器と、前記初期値発生器からの出力
とセンサからの平滑器を介した出力とを減算する減算器
とを有する請求項１から３のいずれか記載のセンサ回
路。
【請求項５】更に、センサの雰囲気温度の変化を補償
する温度補償手段を有する請求項１から４のいずれか記
載のセンサ回路。
【請求項６】温度補償手段は、センサの雰囲気温度の
変化量に対応したセンサ回路の出力値と、物理的印加量
が印加されていない場合のセンサ回路の出力値とを減算
した出力をする温度補償器を有する請求項５記載のセン
サ回路。
【請求項７】温度補償手段は、振動体を有し、温度変
化量を前記振動体の共振周波数の変化量として検出する
第２のセンサを備えた請求項５記載のセンサ回路。
【請求項８】第２のセンサは、振動体を有して温度変
化量を前記振動体の共振周波数の変化量として検出し、
更に、前記第２のセンサに前記共振周波数と略一致した
電圧信号を入力可能な発振器と、前記第２のセンサから
の出力と発振器からの出力とが入力され互いの位相差を
検出する位相比較器と、前記位相比較器からの出力を平
滑化する平滑器とから前記第２のセンサに対するフィー
ドバックループ系を形成する請求項７記載のセンサ回
路。
【請求項９】第２のセンサは、振動体を有して温度変
化量を前記振動体の共振周波数の変化量として検出し、
請求項１記載のセンサの発振器の出力が入力される請求
項７記載のセンサ回路。