JPS63154915A - 振動子の駆動・検出回路装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は振動型の物理量センサに係り、特に振動子を加
振してその振動位相特性から物理量を検出するのに好適
な回路装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の装置は、特開昭６０−４７９１３に記載のように
角速度等の物理量センサである振動体の振幅をアナログ
的に直接出力する方式となっていた。

第５図は従来の音叉型振動子を用いた角速度・加速度検
出器（特開昭６０−４７９１３号）の一部を示す斜視図
である。図において、６１は基部、６２゜６３は基部６
１に固定された振動片、６４．６５は振動片６２．６３
の上部に取付けられた固定材、６６．６７は下部が固定
材６４．６５に取付けられた振動片で、振動片６２．６
３は主振動方向すなわちＸ方向に振動可能であり、また
振動片６６゜６７は主振動方向と直角な検出方向すなわ
ちｙ方向に振動可能であり、さらに振動片６２．６３の
共振周波数と振動片６６．６７の共振周波数とは等しい
。

この角速度・加速度検出器においては、電歪材から成る
振動片６２．６３を共振振動数ωでＸ方向に互いに逆向
きに振動させておいた状態で、ｘｙ平面に直角なＺ軸間
りに角速度Ωが生ずると、振動片６６．６７に角速度Ω
に比例したコリオリカＦがｙ方向に作用する。この場合
、Ｘ方向の振動の振幅をａ、時間をｔとすると、振動片
６６゜６７の位置Ｘは次式で表わされる。

ｘ　＝　ａ　ｓｉｎωｔ　　　　　　　　　−（１）し
たがって、振動片６６．６７の基部６１に対するＸ方向
の相対速度又は次式で表わされる。

ｘ＝ａωＳｉｎωｔ　　　　　　　・・・（２）。

このため、振動片６６．６７の質量をｍとすると、コリ
オリカＦは次式で表わされる。

Ｆ＝２ｍΩＸ＝Ω０２　ｍ　ａ　Ｃ＋）ＣＯ８ωｔ　　
　＝・（３）この（３）式から明らかなように、コリオ
リカＦが作用した場合には、振動片６６．６７がｙ方向
に振動し、その振幅は角速度Ωに比例するから。

振動片６６．６７の振幅を検知することにより。

角速度Ωを求めることができる。また、ｙ方向の加速度
ｙが生じたときには、振動片６６．６７が加速度ｙに比
例して変形するから、振動片６６゜６７の変形量を検出
することにより、加速度ｙを検出することができる。振
動片６６．６７は電歪材で作られているため、加速度ｙ
に対応した変位をアナログ量として出力する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は物理量センサの加振周波数を精度良く安
定に保持する点、および微小な検出信号のＳ／Ｎ比を向
上する点について配慮がされておらず、従来よりさらに
一層の精度向上を必要とする振動型の物理量センサを小
型化する上で精度上の技術的問題があった。本発明の目
的は、高周波数のクロックを基準とすることにより、安
定性の良い加振周波数を得、検出精度の向上を可能とし
、振動型の物理量センサの小型化さらには駆動・検出回
路と振動子とを一体化したー素子型の振動型の物理量セ
ンサの提供を可能とすることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、高周波のクロックジェネレータを基準とし
て、デジタルパルスを分周して、振動型物理量センサの
加振電圧を発生させ、一方振動型の物理量センサからの
振動波形の出力信号を二値化処理し、上記のクロックを
基準に加振電圧との位相差をデジタル的にカウントする
回路の導入によって達成される。

〔作用〕

クロックジェネレータの出力を分周し特定のパルス数を
一周期とする加振電圧波形を発生するので高精度で安定
した加振周波数が得られる。また物理量センサからの検
出信号を二値化処理して、トリガ信号の役に供するため
、上記の分周された加振周波数との位相差の検出がデジ
タル的に行なえる。また分周の割合を増加させることに
より、分解能の向上が容易となる。さらにデジタル処理
で位相差をカウントする回路構成であるため小型化に適
しており、振動型物理量センサと駆動および検出処理回
路を一つにまとめたー素子型の物理量センサの製作が可
能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。振動
子５０１．加振電極５０２．検出電極５０３、アース電
極５０４．クロック５０５．処理回路５０６．ＤＡ変換
器５０７．二値化回路５２０、表示器５２１から構成さ
れている。

処理回路５０６はクロック５０５が発生する基準パルス
５２３を所定の割合に分周した後所定パルス数を一周期
とする関数信号５２４を発生させる。この関数信号をＤ
Ａ変換器５０７でアナログ信号に変換して加振電圧５０
８を発生させる。振動子５０１は、加振電極５０２によ
り静電的に吸引されて、Ｘ軸方向に共振する。振動子の
Ｚ軸回わりに角速度Ωが生じると、コリオリの力がｙｉ
Ｐ１１１方向に発生し、振動子５０１はｙ方向に変位す
る。

ｙ方向の変位は検出電極５０３に対する静電容量の変化
として検出され、検出信号５０９を生じる。

この検出信号を二値化回路５２０で二値化し、二値化信
号５２２は処理回路５０６経由で、加振信号５０８と検
出信号５０９どの位相差φを計数パルス５２５として得
て表示器５２１に出力する。

角速度Ωはこの位相差φに依存するため、位相差から角
速度Ωを特定できる。

本発明の具体例を第２図により説明する。

クロックジェネレータ１．ＮＪのカウンタ２゜関数波形
のメモリ３．Ｄ／Ａ変換器４．アナログ５、デコーダ７
、アンプ９．フィルタ１０．ゼロ調回路１８．コンパレ
ータ１．１．エツジ検出器１２、フリップフロップ１３
．ＡＮＤ回路１４゜カウンタ１５．ラッチ１６１表示器
１７および振動子への加振電圧を出力するドライブ端子
６．振動子からの信号を受けるシグナル端子８から構成
されている。

本発明の場合、クロックジェネレータ１は振動子の共振
周波数ｆのＮ倍の周波数ｆ−Ｈのクロックを発生する。

このクロックはＮ進カウンタ２（Ｎ＝３６００）に入力
される。メモリ３は、加振に必要とする波形がＮ進のパ
ルスに応じてあらかじめ記憶させであるので、メモリ３
はＮ進カウンタ２の出力であるアドレスに対応する関数
信号を発生させる。本実施例では一周期分の正弦波関数
がメモリされている。従って３６０’　／３６００＝０
．１°　の分解能で周波数ｆの正弦波状の内容を持った
データがメモリ３からＤ／Ａ変換器４に送られる。Ｄ／
Ａ変換された出力はアンプ５により増幅されドライブ端
子６を経て振動子（図示省略）に印加される。加振され
た振動子からの検出信号はシグナル端子８を経てアンプ
９およびノイズ成分を除去するフィルタ１ｏを経てコン
パレータ１１の一方の入力端子に入る。コンパレータ１
１ではもう一方の入力端子に接続されたオフセット除去
回路１８によって検出信号の直流成分に相当する比較電
圧が与えられ、検出信号がこの比較電圧を越えるか否か
によって信号を二値化する。すなわち比較電圧より大き
い正の半サイクルのみコンパレータ１１の出力レベルは
論理ａ１″レベルとなる。さらに、この二値化された信
号はエツジ検出器１２によって立上り（前轍）部のみを
抽出して、はぼクロック信号とパルス幅の等しいパルス
信号に整形される。

一方、カウンタ２からのＮ進の信号はデコーダ７に分岐
され、０〜Ｎ−１番目のパルスのうち０番目の信号によ
りフリップフロップ１３をセットし、エツジ検出器１２
からのパルスによりフリップフロップ１３をリセットす
る。フリップフロップ１３はセットされている間だけ出
力がＡＮＤ回路１４に送られ、クロックジェネレータ１
のクロックを基準にしてカウンタ１５が計数する。カウ
ンタ１５はデコーダ７のＮ−１番目の信号でクリアされ
て、ＡＮＤ回路１４がオンの間だけ計数できる。すなわ
ち、デコーダ７の０番目の信号は加振電圧の正弦波の零
レベルの立上り時点であり、エツジ検出器により出力さ
れるパルス信号は振動子からの検出信号の零レベルにお
ける立上り時点であるため、カウンタ１５に計数される
値は加振電圧と検出信号との位相差を示すことになる。

カウンタ１５の計数値はデコーダ７のＮ　−２番目の信
号によりラッチ１６を作動させて、表示器１７に表示さ
れる。

第３図に本発明の駆動・検出回路をＬＳＩ化しかつ振動
型物理量センサと結合させて一素子化した実施例を示す
。物理量センサとしては、特願昭６０−２３３４０５に
示される角速度センサに適用した一例である。Ｓｉ基板
１０１に２軸を中心軸とする音叉型の振動子１０２，１
０３が形成されている。

Ｘ方向に加振するための加振電極１０４，１０５゜Ｚ軸
まわりの角速度Ωに起因するコリオリカによって生じる
ｙ方向の変位を検出するための検出電極１０６，１，０
７．および第１図で述べた本発明の集積化された駆動・
検出回路１１８がら主に構成されている。一対の振動子
１０２，１０３は導電性を持たすためボロンがドープさ
れ、アルミ配線１１２を経て、アース端子１１７に接続
している。加振電極１０４，１０５はアルミ配線１１０
゜１１１を経てドライブ端子１１５，１１６に接続して
いる。ドライブ端子１１５，１１６は回路１１８内で直
結されている。検出電極１０６゜１０７は、エツチング
加工されたＳｉ基板の溝底に形成されており、図示して
いない差・和・除算回路を経由してシグナル端子に接続
している。

振動子の振動特性の検出方法の一例を次に述べる。

第４図は音叉型振動子の加振・検出信号接続端子周辺を
模式的に示したものである。アース３０１に接続された
振動子３０２，３０３．ドライブ端子３００に接続した
加振電極３０４，３０５、および検出電極３０６，３０
７から構成されている。

振動子３０２，３０３はＸ方向において、互いに逆方向
に振動するため、Ｚ軸回りの角速度Ωに依存したＸ方向
の変位も互いに逆方向となる。従って検出電極３０６，
３０７からの出力Ｃ１、Ｃｚの差を引き算回路３０８で
また和をたし算回路３０９で求め（Ｃ１−Ｃｚ）／　（
Ｃ＋＋（、ｚ）を除算回路３１０で出力することにより
安定した検出信号がシグナル端子３１１より得られる。

また振動子の加振手法、検出手法としては、静電力を用
いる以外に電歪材を用いての入出力、電磁力を用いる方
法、光学的に検出する方法など応用することは容易に考
えられる。

なお、振動子の加振周波数ｆはクロックジェネレータの
基準クロックをｆ−Ｎと変化させることにより変えるこ
とができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、デジタル的に加振周波数を作すまた、
振動特性の検出信号をデジタル処理するため、安定した
加振周波数を供給できる。また分解能の高い位相差検出
ができるので、大幅な精度向上が図れ、さらにはＬＳＩ
化に適した回路構成であるので振動型の物理量センサの
小型−素子化の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図は本発
明の一実施例の詳細ブロック図、第３図は本発明の一実
施例の斜視図、および断面図、第４図は本発明の一実施
例の拡大概略図、第５図は従来の角速度・加速度検出器
の要部斜視図である。 ５０１・・・振動子、５０２・・・加振電極、５０３・
・・検出電極、５２０・・・二値化回路、５０５・・・
クロック、５０６・・・処理カウンタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、外部からの物理量をアナログ的に検出する振動型の
   物理量センサとクロックを具備し、クロックからの基準
   パルスを所定の割合で分周し、所定のパルス数からなる
   周期関数を発生させる処理回路を具備して構成され、該
   処理回路からの周期関数を加振電圧に変換して当該物理
   量センサを加振する機能、および当該物理量センサの振
   動波形の検出信号を二値化する機能、ならびに該処理回
   路を用いて、加振電圧に対する検出信号の位相差を特定
   する機能を有することを特徴とする振動子の駆動・検出
   回路装置。