JPH11237403A - 外力検知センサ及びそのオフセット電圧調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 可変抵抗器で作動出力電圧の振幅を最小にし
て、温度ドリフトを低減した外力検知センサおよびその
オフセット電圧調整方法を提供する。 【解決手段】振動体１の２つの検出用圧電素子５、６の
検出電圧を差動増幅回路９に入力して、その差動出力電
圧を同期検波回路１１で同期検波し、その検波出力電圧
を平滑回路１２で平滑し、直流増幅回路１３で増幅する
外力検知センサ１０において、差動増幅回路９の入力端
子間（２つの検出用圧電素子５、６間）に３端子型可変
抵抗器８が接続され、振動体１に外力が作用していない
ときに、３端子型可変抵抗器８の可変端子８ａを摺動し
て、差動増幅回路９の差動出力電圧（誤差電圧）の振幅
を最小にする。また、オフセット電圧調整回路１５によ
り、直流増幅回路１３のオフセット電圧を所定のオフセ
ット電圧に設定して、最小化した誤差電圧に基づく電圧
のゼロ調整を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加速度センサ、角
速度センサなどの外力検知センサ及びそのオフセット電
圧調整方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の外力検知センサとして、特開平８
−３０４４４６号公報に開示されている発明がある。図
８に、この従来の外力検知センサ３０のブロック回路を
示す。同図において、３１は振動体で、金属体３１ａの
両面に圧電素子３２ａ、３２ｂが導電性接着剤で接着さ
れている。この圧電素子３２ａ、３２ｂは、圧電セラミ
ック板３２ｃ、３２ｄの両面にそれぞれ電極を設けた構
造をしている。そして、圧電素子３２ａ、３２ｂの圧電
セラミック板３２ｃ、３２ｄは、矢印で示すように、そ
れぞれ外側電極から内側電極の方向に対向して分極され
ている。この振動体３１は、圧電素子３２ａ、３２ｂの
分極方向が対抗していることにより、同相電圧を印加す
ると長さ方向に振動し、この振動により慣性が付与され
て、角速度、加速度などの外力を検知するセンサの機能
を果たす。

【０００３】３３は発振増幅回路で、その一方の端子が
振動体３１の振動体３１ａに接続され、他方の端子が抵
抗Ｒ８、Ｒ９を介して圧電素子３２ａ、３２ｂの外側電
極にそれぞれ接続されている。また、圧電素子３２ａ、
３２ｂの外側電極は、差動増幅回路３４の非反転入力端
子（＋）と反転入力端子（−）にそれぞれ接続されてい
る。

【０００４】また、差動増幅回路３４の出力端子は、同
期検波回路３５の入力端子に接続される。この同期検波
回路３５は、差動増幅回路３４の差動出力電圧に重畳す
る加速度、角速度などの外力に基づく信号を同期検波す
るものである。この同期検波は、参照同期信号として、
発振増幅回路３３の駆動信号の位相を９０゜推移させた
ものを用いて行われる。

【０００５】さらに、同期検波回路３５の出力端子は平
滑回路３６の入力端子に接続される。この平滑回路３６
は、同期検波回路３５の検波出力を平滑するものであ
る。

【０００６】そして、平滑回路３６の出力端子は直流増
幅回路３７の入力端子に接続される。

【０００７】また、従来の外力検知センサとして、特開
平２−２９３６２０号公報に開示されている発明があ
る。図９に、この従来の振動ジャイロよりなる外力検知
センサ４０のブロック回路を示す。

【０００８】４１はエリンバーなどからなる３角柱状の
金属体で、この金属体４１の３つの側面には圧電素子４
２ａ、４２ｂ、４２ｃが導電性接着剤でそれぞれ接着さ
れている。そして、圧電素子４２ａ、４２ｂは共に駆動
用と検出用とを兼ねている。また、圧電素子４２ｃは自
励振駆動の帰還用となる。４３は発振増幅回路で、その
出力端子が３端子型可変抵抗器４４の可変端子４４ａに
接続され、入力端子が帰還用の圧電素子４２ｃに接続さ
れる。そして、この３端子型可変抵抗器４４の抵抗の一
方の固定端子ａは、圧電素子４２ａと差動増幅回路４５
の、例えば非反転入力端子に接続される。また、３端子
型可変抵抗器４４の抵抗の他方の固定端子ｂは、圧電素
子４２ｂと差動増幅回路４５の、例えば反転入力端子に
接続される。

【０００９】可変端子４４ａをして可変抵抗器４４の抵
抗上を摺動して、固定端子ａから可変端子４４ａの摺動
定点ｃまでの抵抗値をＲ１とし、固定端子ｂから可変端
子４４ａの摺動定点ｃまでの抵抗値をＲ２とする。ま
た、圧電素子４２ａ、４２ｂの容量、即ち、それらの圧
電セラミック板により形成される容量をそれぞれＣ１、
Ｃ２とする。そして、Ｒ１・Ｃ１＝Ｒ２・Ｃ２とするこ
とにより、差動増幅回路４５に入力される検出電圧の位
相と振幅を同相かつ同振幅とすることにより、静止時
（無回転時）における差動増幅回路４５の出力をゼロボ
ルトにするものである。

【００１０】従来の外力検知センサ４０は、以上のよう
な構成よりなり、検出用の圧電素子４２ａ、４２ｂから
の検出電圧の差を検出するため、検出用の圧電素子４２
ａ、４２ｂに静電容量のばらつきがあったり、検出用の
圧電素子に共振周波数の違いがあったりして、それらの
検出用の圧電素子４２ａ、４２ｂ間に電気的インピ−ダ
ンスの差が生じ、その結果、それらの検出用の圧電素子
４２ａ、４２ｂからの検出電圧に位相差が生じ、そのた
め回転角速度を正確に測定することができない場合の課
題を解決するために提案されたものである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示す従来の外力検知センサ３０は、圧電素子３２ａ、３
２ｂを含む振動体３１の機械振動の態様について考察を
していない。即ち、圧電素子３２ａ、３２ｂは、それら
の材料特性ばらつき、即ち圧電係数、誘電率のばらつ
き、また振動体３１の製造時ばらつき、即ち圧電セラミ
ック板の厚み又は面積などの形状ばらつき、導電性接着
剤の厚みのばらつき、接着位置のばらつき、機械的共振
周波数のばらつきなどによって、圧電素子３２ａを含む
機械共振系と圧電素子３２ｂを含む機械共振系の振動条
件が相違することになる。したがって、検出作用を行う
ときの圧電素子３２ａ、３２ｂは、同位相かつ同振幅の
駆動信号を印加されても、それらの検出電圧は、位相と
振幅の異なったものとなる。この異なった位相と振幅の
検出電圧が差動増幅回路３４に入力されるので、差動増
幅回路３４の出力は、静止時（加速度ゼロ時、または無
回転時）においてゼロボルトとはならず、誤差電圧（オ
フセット電圧）が生じることになる。したがって、動作
時に正確な加速度、角速度などの外力を検知することが
できない。

【００１２】また、図９に示す従来の外力検知センサ４
０は、可変端子４４ａを有する３端子型可変抵抗器４４
を駆動兼検出用の圧電素子４２ａと圧電素子４２ｂとの
間に接続して、差動増幅回路４５の非反転入力端子と反
転入力端子の入力信号の位相および振幅を同位相および
同振幅に調整する。

【００１３】しかしながら、この外力検知センサ４０
は、それ相当の効果を上げることができるが、圧電素子
４２ａ、４２ｂは、圧電素子４２ａ、４２ｂそれ自体の
容量ばらつき、共振周波数ばらつき以外に、製造時ばら
つき、即ち圧電素子４２ａ、４２ｂの厚み又は面積など
の形状ばらつきがあり、また、圧電素子４２ａ、４２ｂ
と振動体４１との間には、導電性接着剤の厚みのばらつ
き、接着位置のばらつきななどがあり、これらによって
も上述同様に、圧電素子４２ａを含む機械共振系と圧電
素子４２ｂを含む機械共振系の振動条件が相違する場合
が生じる。したがって、差動増幅回路４５の出力は、静
止時（加速度ゼロ時、または無回転時）においてゼロと
はならず、誤差電圧（オフセット電圧）が生じることに
なる。したがって、動作時に正確な加速度または角速度
を検出することができない。

【００１４】また、上記従来の外力検知センサ３０、４
０において、外力に基づかないオフセット電圧は、経時
的に温度ドリフトによっても変動する。この温度ドリフ
トは、接着剤、電極、振動体などの熱膨張係数が異なる
ために、機械共振系の機械的等価回路のインピーダンス
が変わって生じるものである。

【００１５】そこで、本発明は、可変抵抗器で差動出力
電圧の振幅を最小にして、温度ドリフトを低減した外力
検知センサ及びそのオフセット電圧調整方法を提供する
ことを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の外力検
知センサの発明は、金属体に少なくとも２つの圧電素子
が設けられている振動体を備え、前記２つの圧電素子を
駆動兼検出用圧電素子として該圧電素子間に可変端子を
有する可変抵抗器が接続され、前記振動体、前記可変抵
抗器および発振増幅回路を含む自励発振回路が構成さ
れ、前記圧電素子から得られる検出電圧が差動増幅回路
から差動出力電圧として出力され、この差動出力電圧が
同期検波回路で同期検波され、この検波出力電圧が平滑
回路で平滑され、この平滑出力電圧が直流増幅回路で増
幅されてなる外力検知センサにおいて、前記可変抵抗器
の可変端子が、前記差動出力電圧の振幅を最小とする抵
抗値に設定され、前記直流増幅回路のオフセット電圧を
所定電圧に設定するオフセット電圧調整回路が設けられ
てなるものである。

【００１７】この発明は、振動体を駆動して慣性状態に
おき、外力検知センサに外力が作用していないときに、
可変抵抗器の可変端子をして抵抗体上を摺動して、該可
変端子と各圧電素子間の抵抗値が、差動増幅回路の差動
出力電圧である誤差電圧の振幅を最小にするように、即
ち可及的にゼロボルトに近付けるように設定されてい
る。

【００１８】なお、前述の差動出力電圧の振幅を最小に
すると言うことはつぎのことを意味する。即ち、２つの
圧電素子の検出電圧は、通常、振幅および位相とも同じ
ではない。それで、２つの圧電素子の検出電圧のレベル
を３端子型可変抵抗器の可変端子の摺動により同じにす
ることはできず、差動増幅回路の差動出力電圧もゼロボ
ルトにすることはできないので、差動出力電圧の振幅を
可及的に最小化する、即ち可及的にゼロボルトに近付け
ると言うことである。

【００１９】このように、差動増幅回路の差動出力電圧
である誤差電圧の振幅が最小の値に調整されていること
により、温度ドリフトが低減する。即ち、この温度ドリ
フトは、２つの圧電素子を含む機械共振系の温度特性の
差に起因しており、２つの圧電素子からは温度変化によ
り振幅および位相が変動した検出電圧が出力される。こ
れらの検出電圧は、３端子型可変抵抗器の可変端子を摺
動しても等価にすることはできず、差動増幅回路からは
差動出力電圧である誤差電圧が同期検波回路に出力され
る。そこで、可変端子の摺動設定により差動出力電圧の
振幅が可及的に最小化されているので、温度ドリフトが
低減している。

【００２０】また、この最小化された差動出力電圧（誤
差電圧）に基づく電圧、即ち、同期検波後の平滑出力電
圧は、オフセット電圧調整回路による直流増幅回路の直
流出力電圧のオフセット電圧調整において、シャーシア
ース電位に調整される。

【００２１】請求項２に記載の外力検知センサの発明
は、金属体に少なくとも２つの圧電素子が設けられてい
る振動体を備え、前記２つの圧電素子を駆動兼検出用圧
電素子として該圧電素子間に可変端子を有する可変抵抗
器が接続され、前記金属体と前記可変端子とに接続され
た他励発振回路から前記圧電素子に印加された駆動信号
により前記振動体が励振され、前記圧電素子から得られ
る検出電圧が差動増幅回路から差動出力電圧として出力
され、この差動出力電圧が同期検波回路で同期検波さ
れ、この検波出力電圧が平滑回路で平滑され、この平滑
出力電圧が直流増幅回路で増幅されてなる外力検知セン
サにおいて、前記可変抵抗器の可変端子が、前記差動出
力電圧の振幅が最小となる抵抗値に設定され、前記直流
増幅回路のオフセット電圧を所定電圧に設定するオフセ
ット電圧調整回路が設けられてなるものである。

【００２２】この発明は、振動体の固有振動周波数また
はその近傍の周波数で発振する他励発振回路から、駆動
兼検出用圧電素子に駆動信号を印加して、振動体を励振
して慣性状態におき、この圧電素子から加速度、角速度
などの外力を検知できるようにする。その他の作用は請
求項１に記載の発明の作用と同様である。

【００２３】請求項３に記載の外力検知センサの発明
は、請求項１または請求項２に記載の外力検知センサに
おいて、前記オフセット電圧調整回路が、前記直流増幅
回路の基準電圧を設定して、前記直流増幅回路のオフセ
ット電圧を所定値に設定することを特徴とするものであ
る。

【００２４】この発明において、前記オフセット電圧調
整回路は、前記直流増幅回路に入力される平滑回路の平
滑出力電圧と比較される基準電圧を作り、前記直流増幅
回路のオフセット電圧を所定電圧、例えば２．５Ｖに設
定する。その他の作用は請求項１または請求項２に記載
の発明の作用と同様である。

【００２５】請求項４に記載の外力検知センサの発明
は、請求項１または請求項２に記載の外力検知センサに
おいて、前記オフセット電圧調整回路が、前記平滑回路
と前記直流増幅回路との間に接続されて、前記直流増幅
回路のオフセット電圧を所定値に設定することを特徴と
するものである。

【００２６】この発明は、オフセット電圧調整回路にお
いて、平滑回路の平滑出力電圧に対し、前記オフセット
電圧調整回路の、例えばオペアンプの基準電圧を可変す
ることにより、後段の直流増幅回路の入力電圧を調整
し、その出力電圧を所定のオフセット電圧、例えば２．
５Ｖに設定する。その他の作用は請求項１または請求項
２に記載の発明の作用と同様である。

【００２７】請求項５に記載の外力検知センサのオフセ
ット電圧調整方法の発明は、金属体に少なくとも２つの
圧電素子を形成して振動体を構成し、前記圧電素子の間
に可変端子を有する可変抵抗器を接続し、この可変端子
と前記金属体とを介して、自励発振回路または他励発振
回路の駆動信号を圧電素子に加えて前記振動体を励振
し、前記圧電素子から得られる検出電圧を差動増幅回路
から差動出力電圧として出力し、前記振動体に外力が作
用していないときに、前記可変抵抗器の可変端子を摺動
して前記差動出力電圧である誤差電圧の振幅を最小とな
し、この誤差電圧を同期検波回路で同期検波し、この検
波出力電圧を平滑回路で平滑し、この平滑出力電圧を直
流増幅回路で増幅し、オフセット電圧調整回路により前
記直流増幅回路のオフセット電圧を所定値に設定するこ
とを特徴とするものである。

【００２８】この発明は、振動体を自励振駆動または他
励振駆動して加速度、角速度などの外力を検知できる慣
性振動状態におく。そして、外力検知センサに外力が作
用していないときに、可変抵抗器の可変端子を摺動し
て、２つの圧電素子の振幅差および位相差のある検出電
圧を出来る限り等価にして差動増幅回路に入力し、か
つ、差動増幅回路の差動出力電圧（誤差電圧）の振幅を
可及的に最小にする。これにより、外力検知センサのオ
フセット電圧に重畳する温度ドリフトを低減することが
できる。

【００２９】また、オフセット電圧調整回路により直流
増幅回路のオフセット電圧を所定のオフセット電圧に調
整することにより、前記最小化された誤差電圧に基づく
電圧、即ち同期検波後の平滑出力電圧はシャーシアース
電位に対してゼロ調整される。

【００３０】なお、温度ドリフトの低減については、請
求項１に記載の発明において説明したところと同様であ
る。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下に、図１を参照して、本発明
の外力検知センサの第１実施例として加速度センサ１０
について説明する。１は振動体で、エリンバーなどの恒
弾性金属材料からなる片持梁構造の金属体２に、長方形
状の帰還用圧電素子３、４と検出用圧電素子５、６を対
抗してそれぞれ接着したものである。この金属体２の一
端には負荷質量Ｍが形成され、他端はフレームに固定さ
れて、例えば、大地アースに対し２．５Ｖの電位を有す
るシャーシアースに接続されている。

【００３２】これらの帰還用圧電素子３、４または検出
用圧電素子５、６は、図８に示すように、圧電セラミッ
ク板３２ｃ、３２ｄの両面に電極を形成した構造をして
いる。

【００３３】これらの帰還用圧電素子３、４および検出
用圧電素子５、６の圧電セラミック板は、矢印で示すよ
うに、外側電極から内側電極の方向（金属体２の方向）
に向かって対向するように分極されている。

【００３４】７は主としてトランジスタ、インバータ、
オペアンプなどの反転増幅器よりなる発振増幅回路であ
る。この発振増幅回路７の入力端子は、抵抗Ｒ１、Ｒ２
を介して帰還用圧電素子３、４に接続され、その出力端
子は３端子型可変抵抗器８の可変端子８ａ、摺動抵抗Ｒ
３および固定端子ｄ、ｅを介して検出用圧電素子５、６
に接続されている。

【００３５】また、３端子型可変抵抗器８の固定端子
ｄ、ｅは差動増幅回路９の反転入力端子（−）、非反転
入力端子（＋）にそれぞれ接続されている。

【００３６】これらの振動体１、発振増幅回路７および
３端子型可変抵抗器８は、自励発振回路２１を構成す
る。この自励発振回路２１の振動の態様について説明す
る。電源を投入すると、電源投入の際のショックあるい
はノイズにより、発振が立上がり、金属体２の固有の振
動周波数に落ち着いて発振を継続する。発振の定常状態
において、発振増幅回路７から発振電圧（駆動信号）が
可変端子８ａ、摺動抵抗Ｒ３および固定端子ｄ、ｅを介
して圧電素子５、６に印加される。すると、圧電素子
５、６はそれぞれ対抗して厚み方向に分極されているの
で、同時に厚み振動をする。例えば、プラスの電圧によ
り圧電素子５、６の厚みが同時に厚くなったとき、圧電
素子５、６の長さは短くなり、それらが接着されている
金属体２の領域を特に長さ方向に縮小させる。このと
き、帰還用圧電素子３、４の接着されている金属体２の
領域は反対に長さ方向に伸長することになる。また、マ
イナスの電圧により圧電素子５、６の厚みがそれぞれ同
時に薄くなったとき、圧電素子５、６の長さは長くな
り、それらが接着されている金属体２の領域を長さ方向
に伸長させる。このとき、帰還用圧電素子３、４の接着
されている金属体２の領域は反対に長さ方向に縮小する
ことになる。

【００３７】このように、圧電素子５、６の振動により
金属体２は長さ方向の伸縮振動を同時にする。伸縮する
金属体２の表面に接着されている帰還用圧電素子３、４
は金属体２の伸縮に応じて圧電効果により電圧を発生し
て、圧電素子５、６に印加される電圧と逆極性の電圧を
発振増幅回路７に帰還する。これにより、自励発振回路
２１は発振のゲインと位相条件を満足して発振を継続す
ることになる。

【００３８】なお、振動体１の振動姿態は長さ振動であ
るが、面積振動、屈曲振動など振動体１を慣性振動状態
におくものなら振動形態は問わない。

【００３９】また、この自励発振回路２１において、３
端子型可変抵抗器８の可変端子８ａを例えば一方の固定
端子ｄ側に摺動すると、固定端子ｄの電圧が相対的に上
がり、他方の固定端子ｅの電圧が相対的に下がる。この
可変端子８ａを他方の固定端子ｅ側に摺動すると、この
逆となる。このように、可変端子８ａを抵抗Ｒ３が相対
的に２分割されるように摺動することにより、圧電素子
５、６および差動増幅回路９の各入力端子に入力される
駆動信号が均等になるように調整することができる。

【００４０】しかしながら、圧電素子５、６を含む機械
共振条件等にバラツキがあり、また、圧電素子５、６の
逆圧電効果および圧電効果も異なる。したがって、圧電
素子５、６の圧電効果により、圧電素子５、６から出力
される振幅と位相の異なる電圧が前記駆動信号に重畳し
て差動増幅回路９に入力されて差動出力電圧の振幅が変
動する。したがって、本発明においては、外力が作用し
ていないときに、３端子型可変抵抗器８の可変端子８ａ
を摺動して圧電素子５、６の検出電圧の振幅および位相
を出来る限り均等にして差動増幅回路に入力し、その差
動出力電圧の振幅を最小化するものである。この差動出
力電圧の振幅を最小にすることにより、温度ドリフトを
低減することができる。

【００４１】図１において、差動増幅回路９の差動出力
電圧は同期検波回路１１に加えられる。一方、発振増幅
回路７から導出した駆動信号を波形整形回路１１ａで矩
形波状に整形し、駆動信号に対し位相が９０゜推移した
参照同期信号となし、この参照同期信号を同期検波回路
に加える。

【００４２】同期検波回路１１においては、参照同期信
号を用いて加速度、角速度などの外力に基づく出力信号
を同期検波して取り出し、その検波出力電圧を積分回路
からなる平滑回路１２に出力する。平滑回路１２では検
波出力電圧を平滑して、この平滑出力電圧を直流増幅回
路１３に出力する。直流増幅回路１３にはオフセット電
圧調整回路１５が付属している。加速度センサ１０が５
Ｖの単電源方式の場合、例えば大地アースに対し２．５
Ｖをシャーシアース電位にして加速度センサ１０を動作
させる。この２．５Ｖのオフセット電圧を、オフセット
電圧調整回路１５により動作基準電圧として設定する。
このオフセット電圧調整において、最小化した差動出力
電圧の誤差電圧に基づく電圧、即ち同期検波後の平滑出
力電圧はシャーシアース電位を基準にしてゼロ調整が行
なわれる。

【００４３】なお、図１に示す自励発振回路２１は、圧
電素子３、４と圧電素子５、６とが分極方向を逆にし
て、圧電素子３、４と圧電素子５、６に同相の交流電圧
を印加する回路構成としてもよいし、また、図２に示す
ように、他励駆動回路２３として構成してもよい。この
場合、圧電素子３、４は必ずしも必要ではなく、圧電素
子５、６を駆動兼検出用として動作させてもよい。他励
発振回路７ｃの駆動信号は、金属体２と可変端子８ａを
介して圧電素子５、６に加えられ、振動体１ｂを、その
共振周波数、例えば１６０ｋＨｚの周波数またはその近
傍の周波数で強制的に駆動する。

【００４４】つぎに、本実施例の加速度センサ１０のオ
フセット電圧調整方法の実施例について図１を参照して
説明する。この加速度センサ１０に電源を投入すると、
片持梁振動体１は略１６０ｋＨｚの周波数で自励振駆動
されて長さ方向に同時に伸縮振動をする。このように片
持梁振動体１を振動させて慣性状態におき、加速度など
の外力がゼロのときに、３端子型可変抵抗器８の可変端
子８ａを摺動して、差動増幅回路９において、２つの検
出用圧電素子５、６の検出電圧の振幅差および位相差に
基づく差動出力電圧（誤差電圧）の振幅を最小にする。
ついで、オフセット電圧調整回路１５により直流増幅回
路１３の、例えば内蔵のオペアンプの基準電圧を変え、
直流増幅回路１３の出力端子１４に現れるオフセット電
圧（動作基準電圧）を所定電圧、例えばシャーシアース
電位の２．５Ｖに調整する。この調整により最小化した
差動出力電圧の誤差電圧に基づく電圧、即ち同期検波後
の平滑出力電圧のゼロ調整が行われる。

【００４５】つぎに、本実施例の加速度センサ１０の加
速度検知の動作について説明する。上記のように、差動
出力電圧の振幅が最小になるように設定され、かつ、直
流増幅回路の出力が所定の電圧、例えば２．５Ｖに設定
されている加速度センサ１０を、例えば、圧電素子５の
形成されている面が自動車の進行方向になるように向け
て搭載する。ついで、電源を投入して、片持梁金属体２
（振動体１）を略１６０ｋＨｚの周波数で振駆動する。
このように振動体１が振動して慣性状態にあるときに、
自動車に前進方向の加速度が加わると、振動体１の先端
部は負荷質量Ｍのために、後方に変位して、検出用圧電
素子５、６には、それぞれ引っ張り応力と圧縮応力が発
生して、加速度に基づく逆極性の検出信号がそれぞれ発
生する。これらの逆極性の検出信号を差動増幅回路９で
差動増幅する。この差動増幅された差動出力信号は、同
期検波回路１１に出力される。同期検波回路１１におい
ては、差動出力信号を参照同期信号を用いて同期検波し
て、検波出力信号を平滑回路１２に出力する。平滑回路
１２においては、検波出力信号を平滑して直流増幅回路
１３に平滑出力信号を出力する。直流増幅回路１３では
この平滑出力信号を所定の増幅率で増幅して、オフセッ
ト電圧（動作基準電圧）例えば、２．５Ｖを基準にして
加速度に相当する電圧が加算して出力される。また、減
速また後進方向の加速度が加わると、減算して出力され
る。

【００４６】つぎに、差動増幅回路９の差動出力電圧の
振幅を最小にすることについて、その作用および効果に
ついて以下に説明する。

【００４７】図３に示すように、加速度センサ１０に外
力が作用していないときに、２つの圧電素子５と６の検
出電圧が、同一振幅かつ同一位相であれば、可変抵抗器
８の可変端子８ａを抵抗Ｒを２分割する位置に定めるこ
とで、差動増幅回路９の非反転入力端子（＋）と反転入
力端子（−）に入力される検出電圧は等しくなり、差動
増幅回路９の差動出力電圧（誤差電圧）はゼロボルトと
なる。

【００４８】しかし、実際には、検出用圧電素子５と６
を含むそれぞれの機械共振系の振動条件が相違するた
め、図４に示すように、２つの検出用圧電素子５と６の
検出電圧は、振幅および位相とも異なり、可変抵抗器８
の可変端子８ａの摺動では、この検出電圧の差異を等価
にすることはできず、差動増幅回路９からは誤差電圧が
出力される。この誤差電圧に基づく電圧は、その振幅の
大小にかかわらず最終的にはオフセット電圧調整回路１
５による直流増幅回路１３の所定のオフセット電圧調整
において動作基準電圧に調整されるので問題はないよう
に思われる。

【００４９】しかしながら、本発明者が実験で確認した
ところによると、差動出力電圧の振幅が大きいと、これ
に重畳する温度ドリフト電圧も高くなるという現象があ
る。図５は差動増幅回路９の差動出力電圧９ａの振幅が
大きい場合を示す。そのうち、同図Ａは差動出力電圧９
ａと参照同期信号１１ｂとが９０゜の位相差を有して同
期検波されている状態を示す。また、同図Ｂは、温度変
化により２つの圧電素子５、６の検出電圧に位相差が生
じて差動出力電圧９ａの位相が変動し、差動出力電圧９
ａと参照同期信号１１ｂとの間に９０゜からずれた偏角
θが生じ、面積ｓ１（平滑回路１２の平滑出力電圧の絶
対値）に相当する温度ドリフトが生じた場合を示す。

【００５０】一方、図６は３端子型可変抵抗器８の可変
端子８ａを摺動して、差動増幅回路９の差動出力電圧９
ｂの振幅を最小化した場合を示す。そのうち、同図Ａは
差動出力電圧９ｂと参照同期信号１１ｂとが９０゜の位
相差を有して同期検波されている状態を示す。また、同
図Ｂは、温度変化により２つの圧電素子５、６の検出電
圧に位相差が生じて差動出力電圧９ｂの位相が変動し
て、差動出力電圧９ｂと参照同期信号１１ｂとの間に９
０゜からずれた偏角θが生じ、面積ｓ２（平滑回路１２
の平滑出力電圧の絶対値）に相当する温度ドリフトが生
じた場合を示す。ここに、面積ｓ２は面積ｓ１よりも小
さい。このことは、差動出力電圧９ｂが差動出力電圧９
ａよりも振幅が小さいことに起因している。したがっ
て、図５に示すように、大きな振幅の差動出力電圧９ａ
のまま検波するよりも、図６に示すように、小さな振幅
の差動出力電圧９ｂにして検波する方が、少くとも位相
成分による温度ドリフトを軽減することができる。

【００５１】上記実施例においては、外力検知センサの
一実施例として加速度センサを示したが、本発明は角速
度センサおよびそのオフセット電圧調整方法にも適用で
きるものである。即ち、コリオリ力を利用して角速度を
求める角速度センサにおいては、２つの検出用圧電素子
を用いて、これらの出力の差動増幅を行って角速度を求
める。この角速度センサにおいても誤差出力電圧の最小
化を行うことによって、温度ドリフトを低減することが
できる。

【００５２】なお、図１においては、オフセット電圧調
整回路１５は、直流増幅回路１３に従属する回路構成と
して示したが、図７に示すように、平滑回路１２と直流
増幅回路１３との間にオフセット電圧調整回路１５ａと
して設けてもよい。この場合、オフセット電圧調整回路
１５ａは、内蔵の基準電圧と平滑回路１２の平滑出力と
を比較し、該基準電圧を可変してオフセット電圧調整回
路１５ａの出力を調整し、後段の直流増幅回路１３のオ
フセット電圧を所定電圧、例えば２．５Ｖに設定する。
また、圧電素子３、４の分極方向を圧電素子５、６の分
極方向と逆にして、圧電素子３、４と圧電素子５、６と
に同極性の交流電圧を印加するようにしてもよい。

【００５３】

【発明の効果】請求項１および請求項２に記載の外力検
知センサに係る発明は、外力が作用していないときに、
２つの圧電素子の検出電圧の振幅差および位相差が可変
抵抗器により調整されて差動増幅器に入力され、かつ、
その差動出力電圧の振幅が最小になるように設定されて
いるので、温度ドリフトに基づく誤差電圧、即ち虚偽の
加速度、角速度などの計測を低減することができる。ま
た、この発明は、最小化された差動出力電圧の誤差電圧
に基づく電圧、即ち同期検波後の平滑出力電圧が、オフ
セット電圧調整回路による直流増幅回路の所定のオフセ
ット電圧調整において、ゼロ調整すなわちシャーシアー
スと同電位に調整されているので、加速度、角速度など
の外力に基づく信号を正確に検出することができる。

【００５４】請求項３および請求項４に記載の外力検知
センサに係る発明は、請求項１または請求項２に記載の
発明の効果に加えるに、オフセット電圧調整回路により
直流増幅回路のオフセット電圧（動作基準電圧）を、単
電源方式におけるシャーシアース電位、例えば２．５Ｖ
に設定して、シャーシアース電位を基準としたゼロ調整
を行うことができる。

【００５５】請求項５に記載の外力検知センサのオフセ
ット電圧調整方法に係る発明は、外力検知センサに外力
が作用していないときに、差動増幅回路の差動出力電圧
の振幅を最小に調整するので、外力検知センサの温度ド
リフトに基づく誤差電圧を低減することができる。ま
た、この発明は、外力検知センサのオフセット電圧を所
定電圧に調整することにより、最小化された差動出力電
圧の誤差電圧に基づく電圧、即ち同期検波後の平滑出力
電圧が、オフセット電圧調整回路による直流増幅回路の
オフセット電圧調整において、動作基準電圧に調整され
るので、加速度、角速度などの外力に基づく信号を正確
に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例の加速度センサおよびその
オフセット電圧調整方法を示すブロック回路図

【図２】 他励駆動回路の電気的等価回路図

【図３】 加速度センサの２つの検出用圧電素子の検出
電圧が同相かつ同振幅である場合に、これらの差動出力
電圧である誤差電圧の波形を示す図

【図４】 同じく、加速度センサの２つの検出用圧電素
子の検出電圧の位相が異なる場合に、これらの差動出力
電圧である誤差電圧の波形を示す図

【図５】 大きな振幅を有する差動出力電圧の参照同期
信号による同期検波の態様を示すもので、同図Ａは差動
出力電圧と参照同期信号とが９０゜の位相差を有して同
期検波されている模式図、同図Ｂは温度ドリフトにより
差動出力電圧と参照同期信号との間に偏角θ（θ≠９０
゜）が生じて同期検波されている模式図

【図６】 小さな振幅を有する差動出力電圧の参照同期
信号による同期検波の態様を示すもので、同図Ａは差動
出力電圧と参照同期信号とが９０゜の位相差を有して同
期検波されている模式図、同図Ｂは温度ドリフトにより
差動出力電圧と参照同期信号との間に偏角θ（θ≠９０
゜）が生じて同期検波されている模式図

【図７】 本発明の他の実施例の加速度センサおよびそ
のオフセット電圧調整方法を示すブロック回路図

【図８】 従来の外力検知センサのブロック回路図

【図９】 他の従来の外力検知センサのブロック回路図

【符号の説明】

１ 振動体 ２ 片持梁金属体 ３、４ 駆動用圧電素子 ５、６ 検出用圧電素子 ７ 発振増幅回路 ７ｃ 他励発振回路 ８、１７、１８ ３端子型可変抵抗器 ８ａ 可変端子 ｄ、ｅ 固定端子 ９ 差動増幅回路 １０、２０ 加速度センサ １１ 同期検波回路 １１ａ 波形整形回路 １２ 平滑回路 １３ 直流増幅回路 １４ 出力端子 １５、１５ａ オフセット電圧調整回路 ２１ 自励発振回路 ２３ 他励駆動回路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属体に少なくとも２つの圧電素子が設
   けられている振動体を備え、前記２つの圧電素子を駆動
   兼検出用圧電素子として該圧電素子間に可変端子を有す
   る可変抵抗器が接続され、前記振動体、前記可変抵抗器
   および発振増幅回路を含む自励発振回路が構成され、前
   記圧電素子から得られる検出電圧が差動増幅回路から差
   動出力電圧として出力され、この差動出力電圧が同期検
   波回路で同期検波され、この検波出力電圧が平滑回路で
   平滑され、この平滑出力電圧が直流増幅回路で増幅され
   てなる外力検知センサにおいて、 前記可変抵抗器の可変端子が、前記差動出力電圧の振幅
   を最小とする抵抗値に設定され、前記直流増幅回路のオ
   フセット電圧を所定電圧に設定するオフセット電圧調整
   回路が設けられてなる外力検知センサ。
2. 【請求項２】 金属体に少なくとも２つの圧電素子が設
   けられている振動体を備え、前記２つの圧電素子を駆動
   兼検出用圧電素子として該圧電素子間に可変端子を有す
   る可変抵抗器が接続され、前記金属体と前記可変端子と
   に接続された他励発振回路から前記圧電素子に印加され
   た駆動信号により前記振動体が励振され、前記圧電素子
   から得られる検出電圧が差動増幅回路から差動出力電圧
   として出力され、この差動出力電圧が同期検波回路で同
   期検波され、この検波出力電圧が平滑回路で平滑され、
   この平滑出力電圧が直流増幅回路で増幅されてなる外力
   検知センサにおいて、 前記可変抵抗器の可変端子が、前記差動出力電圧の振幅
   が最小となる抵抗値に設定され、前記直流増幅回路のオ
   フセット電圧を所定電圧に設定するオフセット電圧調整
   回路が設けられてなる外力検知センサ。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の外力検
   知センサにおいて、前記オフセット電圧調整回路は、前
   記直流増幅回路の基準電圧を設定して、前記直流増幅回
   路のオフセット電圧を所定値に設定することを特徴とす
   る外力検知センサ。
4. 【請求項４】 請求項１または請求項２に記載の外力検
   知センサにおいて、前記オフセット電圧調整回路は、前
   記平滑回路と前記直流増幅回路との間に接続されて、前
   記直流増幅回路のオフセット電圧を所定値に設定するこ
   とを特徴とする外力検知センサ。
5. 【請求項５】 金属体に少なくとも２つの圧電素子を形
   成して振動体を構成し、前記圧電素子の間に可変端子を
   有する可変抵抗器を接続し、この可変端子と前記金属体
   とを介して、自励発振回路または他励発振回路の駆動信
   号を前記圧電素子に加えて前記振動体を励振し、前記圧
   電素子から得られる検出電圧を差動増幅回路から差動出
   力電圧として出力し、前記振動体に外力が作用していな
   いときに、前記可変抵抗器の可変端子を摺動して前記差
   動出力電圧である誤差電圧の振幅を最小となし、この誤
   差電圧を同期検波回路で同期検波し、この検波出力電圧
   を平滑回路で平滑し、この平滑出力電圧を直流増幅回路
   で増幅し、オフセット電圧調整回路により前記直流増幅
   回路のオフセット電圧を所定値に設定することを特徴と
   する外力検知センサのオフセット電圧調整方法。