JP2008151630A - Acceleration detector - Google Patents
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Abstract
【課題】加速度以外の衝撃を受けた場合でも安定して動作する加速度検出装置を提供する。
【解決手段】音叉型水晶振動素子20を共振子として備えたVCXO2と、VCO3と、VCXO2の出力信号とVCO3の出力信号の位相を比較する位相比較回路4と、位相比較回路4の出力信号を直流化するLPF5と、LPF5の出力を増幅する高利得増幅回路6と、高利得増幅回路6から出力される出力信号の直流成分に応じた制御電圧を出力するDCサーボ回路8とを備え、高利得増幅回路6から出力される出力信号の一部を制御電圧としてVCXO2の発振周波数を制御すると共に、DCサーボ回路8から出力される信号を制御電圧としてVCO3の発振周波数を制御するようにした。
【選択図】 図1An acceleration detection device that operates stably even when subjected to an impact other than acceleration is provided.
A VCXO2 having a tuning fork type crystal resonator element 20 as a resonator, a VCO3, a phase comparison circuit 4 for comparing the phases of an output signal of the VCXO2 and an output signal of the VCO3, and an output signal of the phase comparison circuit 4 A DCF LP5, a high gain amplifier circuit 6 that amplifies the output of the LPF5, and a DC servo circuit 8 that outputs a control voltage corresponding to the DC component of the output signal output from the high gain amplifier circuit 6. The oscillation frequency of the VCXO 2 is controlled using a part of the output signal output from the gain amplifier circuit 6 as a control voltage, and the oscillation frequency of the VCO 3 is controlled using the signal output from the DC servo circuit 8 as a control voltage.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は圧電振動素子を用いて加速度を検出する加速度検出装置に関するものである。 The present invention relates to an acceleration detection device that detects acceleration using a piezoelectric vibration element.
近年、加速度を検出する加速度センサは、次世代の自動車、ロボット、宇宙産業など幅広い応用を目指して研究、開発が行われている。民生機器向けに開発されている加速度センサは、加速度検知機構を半導体プロセスにより作製したMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)センサが良く知られている。
一方、例えば気体や液体などの圧力の測定を行う圧力センサ等においてはMEMSセンサ以外にも音叉型振動子を利用したものが開発されている。
In recent years, acceleration sensors that detect acceleration have been researched and developed for a wide range of applications such as next-generation automobiles, robots, and the space industry. As an acceleration sensor developed for consumer equipment, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensor in which an acceleration detection mechanism is manufactured by a semiconductor process is well known.
On the other hand, for example, pressure sensors for measuring pressures of gases and liquids have been developed using tuning fork vibrators in addition to MEMS sensors.
図8は、特許文献1に開示されている従来の振動式センサ回路の構成を示した図である。図8に示す従来のセンサ回路100は、センサ部101とドライブ回路102により構成される。センサ部101はセンサ素子である振動子101a、アンプ101b、整流回路101cを有して構成される。振動子101aは、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT:lead zirconium titanate)が組付けられた振動子である。
ドライブ回路102は、電圧制御発振器102a、アンプ102b、位相比較器102cを有して構成される。このように構成されるセンサ回路100では、センサ部101の振動子101aがドライブ回路部102の電圧制御発振器102aにより駆動される。
ここで、振動子101aが物理的な応力(圧力)を受けると、振動子101aの共振周波数が変化する。振動子101aの共振周波数が変化すると、ドライブ回路102の位相比較器102cから出力される出力信号の位相が変動する。これにより、電圧制御発振器102aの出力信号は振動子101aの共振周波数と一致するように制御され、振動子101aは応力に応じた共振周波数で振動することになる。よって、ライン104または103の出力を検知信号として取り出すことで振動子101aが受けた応力値を検知することができる。
The
Here, when the
ところで、上記したような振動式センサ回路100を加速度センサとして移動物体等に搭載した場合、移動物体の移動時に受ける加速以外の衝撃により振動子101aの共振周波数が急激に変動すると、位相比較器102cの出力信号も急激に変動することになる。 しかしながら、図8に示す振動式センサ回路100は、振動子101aの出力に基づく位相比較結果を電圧制御発振器102aにフィードバックするPLL制御構成であるため、位相比較器102cの出力信号が急激に変動した場合は電圧制御発振器102aがPLL制御に追従することができなくなる結果、電圧制御発振器102aの発振が停止する不具合が発生するおそれがあった。このため、従来の振動式センサ回路100を用いて加速検出装置を構成することはできなかった。
本発明は上記したような点を鑑みてなされたものであり、加速度以外の衝撃を受けた場合でも安定して動作する加速度検出装置を提供することを目的とする。
By the way, when the
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide an acceleration detection device that operates stably even when subjected to an impact other than acceleration.
上記目的を達成するため、本発明の加速度検出装置は、圧電材料から成る応力感応素子を共振子として備えた電圧制御型圧電発振回路と、電圧制御発振回路と、電圧制御型圧電発振回路の出力信号と電圧制御型発振回路の出力信号の位相を比較する位相比較回路と、位相比較回路から出力される位相差信号を直流化して出力するローパスフィルタと、ローパスフィルタから出力される出力信号を増幅する増幅回路と、時定数回路を備え増幅回路の出力信号に応じた制御電圧を出力する直流サーボ回路と、を備え、増幅回路から出力される出力信号を加速度検出信号として出力すると共に、増幅回路から出力される出力信号の一部を制御電圧としてフィードバックして電圧制御型圧電発振回路の発振周波数を制御し、さらに直流サーボ回路から出力される出力信号を制御電圧としてフィードバックして電圧制御型発振回路の発振周波数を制御することを特徴とする。
このような本発明によれば、電圧制御型発振回路の発振周波数は直流サーボ回路の時定数により、電圧制御型圧電発振回路の発振周波数より遅れて周波数制御が行われることから、位相比較回路からは電圧制御型圧電発振回路の応力感応素子で検出された加速度による位相差出力を得ることが可能になる。
また加速度以外の強い衝撃が瞬間的に加わり応力感応素子の周波数が大きく変動した場合でも、電圧制御型発振回路は直流サーボ回路の時定数により、瞬間的な周波数変動に伴う電圧変化を追従しないので、電圧制御型発振回路において周波数制御が不能になり発振が停止してしまうという不具合を防止することができる。
In order to achieve the above object, an acceleration detection device of the present invention includes a voltage-controlled piezoelectric oscillation circuit including a stress-sensitive element made of a piezoelectric material as a resonator, a voltage-controlled oscillation circuit, and an output of the voltage-controlled piezoelectric oscillation circuit. A phase comparison circuit that compares the phase of the signal and the output signal of the voltage controlled oscillation circuit, a low-pass filter that converts the phase difference signal output from the phase comparison circuit into a direct current, and an output signal that is output from the low-pass filter And a DC servo circuit that includes a time constant circuit and outputs a control voltage according to the output signal of the amplifier circuit, and outputs the output signal output from the amplifier circuit as an acceleration detection signal, and the amplifier circuit Part of the output signal output from the control circuit is fed back as a control voltage to control the oscillation frequency of the voltage-controlled piezoelectric oscillation circuit. By feeding back the output signal to be force as a control voltage and controls the oscillation frequency of the voltage controlled oscillator circuit.
According to the present invention, the oscillation frequency of the voltage control type oscillation circuit is controlled by the time constant of the DC servo circuit with a delay from the oscillation frequency of the voltage control type piezoelectric oscillation circuit. It is possible to obtain a phase difference output by acceleration detected by the stress sensitive element of the voltage control type piezoelectric oscillation circuit.
Even when a strong impact other than acceleration is applied momentarily and the frequency of the stress sensitive element fluctuates greatly, the voltage controlled oscillator circuit does not follow the voltage change caused by the instantaneous frequency fluctuation due to the time constant of the DC servo circuit. Thus, it is possible to prevent a problem that the frequency control is disabled in the voltage controlled oscillation circuit and the oscillation is stopped.
本発明の加速度検出装置は、増幅回路から出力される出力信号を緩衝する緩衝増幅回路を備え、緩衝増幅回路の出力を制御電圧として電圧制御型圧電発振回路、又は/及び直流サーボ回路に出力することを特徴とする。
このような本発明によれば、緩衝増幅回路のドリフトを加味して補正が可能になる。
The acceleration detecting device of the present invention includes a buffer amplifier circuit that buffers an output signal output from the amplifier circuit, and outputs the output of the buffer amplifier circuit as a control voltage to a voltage-controlled piezoelectric oscillation circuit or / and a DC servo circuit. It is characterized by that.
According to the present invention, correction can be made in consideration of drift of the buffer amplifier circuit.
本発明の加速度検出装置は、応力感応素子が、並列に配置された2本の振動腕と、2本の振動腕の延長方向一端を結合する結合部とを有する音叉型振動素子であり、結合部を固定し、2本の振動腕の延長方向を加速検出方向と一致させるよう配置した。
このような本発明によれば、加速度を検知する応力感応素子として音叉型振動素子を利用することが可能になる。
In the acceleration detecting device of the present invention, the stress sensitive element is a tuning fork type vibration element having two vibration arms arranged in parallel and a coupling portion coupling one end in the extension direction of the two vibration arms. The part was fixed and arranged so that the extending direction of the two vibrating arms coincided with the acceleration detection direction.
According to the present invention, a tuning fork type vibration element can be used as a stress sensitive element for detecting acceleration.
本発明の加速度検出装置は、応力感応素子が、並列に配置された2本の振動腕と、2本の振動腕の延長方向の両端を夫々結合した結合部とを有する双音叉型振動素子であり、結合部の何れか一方を固定端、他方を自由端とし、2本の振動腕の延長方向を加速検出方向と一致させるよう配置した。
このような本発明によれば、加速度を検知する応力感応素子として、双音叉型振動素子を用いることが可能になるので、音叉型振動素子を用いた場合より応力感度を高めることができる。
In the acceleration detecting device of the present invention, the stress sensitive element is a double tuning fork type vibrating element having two vibrating arms arranged in parallel and a coupling portion in which both ends in the extending direction of the two vibrating arms are coupled. Yes, either one of the coupling portions is a fixed end and the other is a free end, and the extending direction of the two vibrating arms is arranged to coincide with the acceleration detection direction.
According to the present invention as described above, a double tuning fork type vibration element can be used as a stress sensitive element for detecting acceleration, so that the stress sensitivity can be increased as compared with the case where a tuning fork type vibration element is used.
本発明の加速度検出装置は、少なくとも、電圧制御型圧電発振回路、又は電圧制御発振回路から出力される出力信号波形の何れか一方を矩形化する矩形化回路と備えることを特徴とする。このように構成すれば、電圧制御型圧電発振回路及び電圧制御発振回路から出力される出力信号波形が正弦状の波形の場合でも、少なくとも電圧制御型圧電発振回路又は電圧制御発振回路の何れか一方から位相比較回路に出力される出力信号の波形を矩形状にできるので、位相比較回路において確実に位相比較を行うことが可能になる。 The acceleration detection device of the present invention includes at least a voltage control type piezoelectric oscillation circuit or a rectangular circuit that rectangularizes an output signal waveform output from the voltage control oscillation circuit. With this configuration, even when the output signal waveform output from the voltage-controlled piezoelectric oscillation circuit and the voltage-controlled oscillation circuit is a sinusoidal waveform, at least one of the voltage-controlled piezoelectric oscillation circuit and the voltage-controlled oscillation circuit is used. Since the waveform of the output signal output to the phase comparison circuit can be made rectangular, the phase comparison circuit can reliably perform the phase comparison.
以下図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る加速度検出装置の構成を示したブロック図である。
この図1に示す加速度検出装置1は、電圧制御型水晶発振回路(以下、VCXO(voltage controlled crystal oscillator)と称する)2、電圧制御型発振回路(以下、VCO(voltage controlled oscillator)と称する)3、位相比較回路4、ローパスフィルタ(以下、LPFと称する)5、高利得増幅回路6、緩衝増幅回路(以下、バッファアンプと称する)7、及び直流サーボ回路(以下、DCサーボ回路)8により構成される。
VCXO2は、音叉型振動素子として音叉型水晶振動素子20を備える。音叉型水晶振動素子20は、発振回路の共振子として機能すると共に、加速度を検出する加速度検出素子として機能する。VCXO2では、高利得増幅回路6の出力信号を制御電圧Vcont1として、VCXO2のこの図には示していない可変容量ダイオードに印加することにより発振ループの負荷容量を変化させて出力信号の発振周波数が一定となるように制御している。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the acceleration detection device according to the first embodiment of the present invention.
1 includes a voltage controlled crystal oscillation circuit (hereinafter referred to as a VCXO (voltage controlled crystal oscillator)) 2, a voltage controlled oscillation circuit (hereinafter referred to as a VCO (voltage controlled oscillator)) 3. , A phase comparison circuit 4, a low-pass filter (hereinafter referred to as LPF) 5, a high gain amplifier circuit 6, a buffer amplifier circuit (hereinafter referred to as buffer amplifier) 7, and a DC servo circuit (hereinafter referred to as DC servo circuit) 8. Is done.
The VCXO 2 includes a tuning fork type
VCO3は、例えばコンデンサや抵抗により共振回路を備え、DCサーボ回路8からの制御電圧Vcont2を、図示していない可変容量ダイオードに印加することにより、発振ループの負荷容量を変化させて出力信号の発振周波数が一定となるように制御している。
位相比較回路4は、VCXO2から出力される出力信号の位相とVCO3から出力される出力信号の位相とを比較し、その比較結果を出力する。
ローパスフィルタ5は、位相比較回路4から出力される位相差信号を直流化して出力する。高利得増幅器6は、LPF5からの出力信号を増幅して出力する。高利得増幅器6で増幅された信号はバッファアンプ7を介して加速度検出信号Sαとして出力される。また高利得増幅器6で増幅された信号の一部は制御電圧Vcont1としてVCXO2にフィードバックされると共にDCサーボ回路8に出力される。
DCサーボ回路8は、例えば抵抗R及びコンデンサCからなる時定数回路とオペアンプOP等により構成され、高利得増幅器6で増幅された信号を遅延させて制御電圧Vcont2としてVCO3にフィードバックするようにしている。
The VCO 3 includes a resonance circuit such as a capacitor and a resistor, for example. By applying the control voltage Vcont2 from the DC servo circuit 8 to a variable capacitance diode (not shown), the load capacitance of the oscillation loop is changed to oscillate the output signal. The frequency is controlled to be constant.
The phase comparison circuit 4 compares the phase of the output signal output from the VCXO 2 with the phase of the output signal output from the VCO 3 and outputs the comparison result.
The low-pass filter 5 converts the phase difference signal output from the phase comparison circuit 4 into a direct current and outputs it. The high gain amplifier 6 amplifies and outputs the output signal from the LPF 5. The signal amplified by the high gain amplifier 6 is output as the acceleration detection signal Sα via the buffer amplifier 7. A part of the signal amplified by the high gain amplifier 6 is fed back to the VCXO 2 as a control voltage Vcont 1 and output to the DC servo circuit 8.
The DC servo circuit 8 is composed of, for example, a time constant circuit including a resistor R and a capacitor C and an operational amplifier OP, and delays the signal amplified by the high gain amplifier 6 and feeds it back to the VCO 3 as a control voltage Vcont2. .
図2は上記したVCXO2の回路構成の一例を示した図である。
この図2に示すVCXO2は、発振回路として位相反転増幅器(以下、MOSインバータと称する)IC1を備える。MOSインバータIC1の入出力間には自己バイアス用の帰還抵抗R1及びコンデンサC1と音叉型水晶振動素子20とを直列に接続した直列回路が夫々並列に接続されている。さらにMOSインバータIC1の出力端と音叉型水晶振動素子20との接続点とグランド(GND)間にはコンデンサC2が接続され、コンデンサC1と音叉型水晶振動素子20との接続点とグランド(GND)間に可変容量ダイオードD1が接続されている。可変容量ダイオードD1は、そのアノードが接地側に、カソードが音叉型水晶振動素子20にそれぞれ接続されている。
このように構成されるVCXO2においては、音叉型水晶振動素子20、コンデンサC1、C2、可変容量ダイオードD1により発振ループが構成されることになる。従って、この発振ループを構成する可変容量ダイオードD1のカソードに抵抗R2を介して制御電圧Vcont1を印加して可変容量ダイオードD1の容量を可変することで、発振ループの負荷容量を変化させて発振周波数が所定の発振周波数となるよう制御可能に構成されている。また、このようなMOSインバータIC1を用いたVCXO2は、その出力信号波形が矩形となる。
FIG. 2 is a diagram showing an example of the circuit configuration of the VCXO 2 described above.
The VCXO 2 shown in FIG. 2 includes a phase inverting amplifier (hereinafter referred to as a MOS inverter) IC1 as an oscillation circuit. Between the input and output of the MOS inverter IC1, a series circuit in which a feedback resistor R1 for self-bias and a capacitor C1 and a tuning fork type
In the VCXO 2 configured as described above, an oscillation loop is configured by the tuning fork type
図3はVCXO2に備えられる音叉型水晶振動素子20の構成を模式的に示した図である。この図3に示す音叉型水晶振動素子20は、並列に配置された2本の振動腕21a、21bと、この2本の振動腕21a、21bの延長方向一端を結合する結合部22とから成る。そして、音叉型水晶振動素子20の結合部22を、当該音叉型水晶振動素子20が搭載される基板(図示しない)に固定するようにしている。このとき、図3に示すように音叉型水晶振動素子20の各振動腕21a、21bの延長方向を加速度検出軸方向に一致させるようにしている。
このように構成される音叉型水晶振動素子20は、図示しない駆動電極に交流電圧を印加すると、並列する2本の振動腕21a、21bが破線で示すように対称的な屈曲振動する。そして、屈曲振動している状態で、例えば、図3に示す矢印方向の加速度αが加わると、音叉型水晶振動素子20には見かけ上では加速度αの方向と逆方向の慣性力が発生するので、この影響により音叉型水晶振動素子20の振動腕21a、21bは加速度αに対して逆の方向へ引っ張られる引張応力を受けることになる。この場合、音叉型水晶振動素子20の周波数は引張応力の影響を受けて高くなる。一方、図3に示す矢印方向とは逆方向の加速度が加わると、音叉型水晶振動素子20には加速度の方向と逆方向に向かう慣性力が見かけ上発生するので音叉型水晶振動素子20の振動腕21a、21bは、結合部22の方向へ圧縮する圧縮応力を受けることになる。この場合、音叉型水晶振動素子20の周波数は圧縮応力の影響を受けて加速度αの場合のときとは逆に低くなる。そこで、本実施形態では、このような音叉型水晶振動素子20に加速度が加わったとき発生する周波数変化に基づき加速度検出信号Sαを得るようにしている。
このような音叉型水晶振動素子20は、従来のMEMS加速度センサに比べて、ダイナミックレンジが広く(例えば±3g〜±400g)、しかも高リニアリティ(例えば、0.05%F.S.)で温度感度安定度が良いといった利点がある。
なお、図3においては説明を分かり易くするために音叉型水晶振動素子20の屈曲振動の概念を破線により示したが、実際には音叉型水晶振動素子20の形状自体は殆ど変位しないのである。
FIG. 3 is a diagram schematically showing the configuration of the tuning fork type
In the tuning fork type
Such a tuning-fork type
In FIG. 3, the concept of bending vibration of the tuning-fork type
以下、上記した音叉型水晶振動素子の特性を踏まえて本実施形態の加速度検出装置1の動作を説明する。
図1に示す加速度検出装置1では、VCXO2に備えられている音叉型水晶振動素子20の加速度検出軸方向に加速度が加わっていない定速運動状態においては、VCXO2及びVCO3の発振周波数は一定になり、位相比較回路4において検波されるVCXO2の出力信号とVCO3の出力信号との位相差はゼロになる。
一方、VCXO2に備えられている音叉型水晶振動素子20の加速度検出軸方向に加速度が加わり、音叉型水晶振動素子20の発振周波数が変化すると、VCXO2の出力信号とVCO3の出力信号との間で位相ズレが生じる。すると、位相比較回路4から位相差に応じた位相差信号が出力され、これによりLPF5の出力電圧が変化する。
そこで、本実施形態では、このLPF5の出力を高利得増幅器6により増幅した後、バッファアンプ7を介して加速度検出信号Sαとして出力するようにしている。
Hereinafter, the operation of the acceleration detection device 1 of the present embodiment will be described based on the characteristics of the tuning fork type crystal resonator element described above.
In the acceleration detection device 1 shown in FIG. 1, the oscillation frequency of the VCXO 2 and the VCO 3 is constant in a constant speed motion state in which no acceleration is applied in the acceleration detection axis direction of the tuning fork type
On the other hand, when acceleration is applied in the acceleration detection axis direction of the tuning fork type
Therefore, in this embodiment, the output of the LPF 5 is amplified by the high gain amplifier 6 and then output as the acceleration detection signal Sα via the buffer amplifier 7.
また本実施形態の加速度検出装置1では、高利得増幅器6の出力信号の一部をVCXO2に対してPLL制御するよう制御電圧Vcont1としてフィードバックすると共に、DCサーボ回路8にも供給し、DCサーボ回路8を介してVCO3に対して制御電圧Vcont2としてフィードバックするようにしている。このように構成した場合、VCO3に印加される制御電圧Vcont2は、VCXO2に印加される制御電圧Vcont1に比べてDCサーボ回路8が備える時定数回路によりLPF5の出力信号の急なレベル変動に対して追従しない。従って、このように構成すれば、位相比較回路4からはVCXO2の音叉型水晶振動素子20で検出された加速度による位相差を出力することができる。即ち、例えば加速と減速とを繰返すような急な加速度変化に対しては、VCXO2の音叉型水晶振動素子20の周波数変動に伴いVCXO2の出力信号とVCO3の出力信号との間で位相差に変動が生じる。この位相差変動は位相比較回路4にて検波される。この検波結果に基づいてVCXO2は、発振周波数が所望の値(変動前の値)になるよう制御電圧Vcont1が印加されPLL制御される。よって、制御電圧Vcont1をバッファアンプ7等を介して加速度検出信号Sαとして出力することができる。
一方、上述の急な加速度変化に伴うLPF5の出力電圧は高周波的に変動する。そしてDCサーボ回路8はこのような高周波的な出力電圧の供給に対して追従した出力信号を出力しないので、制御電圧Vcont2は加速度の変化に関わらず、ほぼ一定値を保ったものとなりVCO3の発振周波数を変動させることがない。
従って、加速度検出装置1は加速度変化に対しては、音叉型水晶振動子20の検知結果に基づく加速度検出信号Sαを出力することができる。
Further, in the acceleration detection apparatus 1 of the present embodiment, a part of the output signal of the high gain amplifier 6 is fed back as the control voltage Vcont1 so as to perform PLL control on the VCXO2, and also supplied to the DC servo circuit 8, so that the DC servo circuit 8 is fed back to the VCO 3 as a control voltage Vcont2. In such a configuration, the control voltage Vcont2 applied to the VCO 3 is compared with the control voltage Vcont1 applied to the VCXO 2 by a time constant circuit provided in the DC servo circuit 8 against a sudden level fluctuation of the output signal of the LPF 5. Do not follow. Therefore, with this configuration, the phase comparison circuit 4 can output the phase difference due to the acceleration detected by the tuning fork type
On the other hand, the output voltage of the LPF 5 accompanying the sudden acceleration change described above fluctuates in a high frequency manner. Since the DC servo circuit 8 does not output an output signal that follows the supply of such a high frequency output voltage, the control voltage Vcont2 is maintained at a substantially constant value regardless of the change in acceleration, and the oscillation of the VCO3. Does not fluctuate frequency.
Therefore, the acceleration detection apparatus 1 can output the acceleration detection signal Sα based on the detection result of the tuning
また、本実施形態の加速度検出装置1においては、加速度以外の強い衝撃が瞬間的に加わりVCXO2の音叉型水晶振動素子20の発振周波数が大きく変動した場合でも、VCO3はDCサーボ回路8の時定数により瞬間的な周波数変動に伴う電圧変化を追従しないので、VCO3の周波数制御が不能になり発振が停止してしまうといったことがない。よって、例えば自動車等の走行時の衝撃が加速度検出装置1に加わったとしても誤作動することが無い。つまり、従来のセンサ回路を加速度センサとして搭載した場合のような不具合を防止することができる。
一方、定加速度状態に於いて、例えば高利得増幅回路6の電気的特性が有する温度特性の影響により制御電圧Vcont1の値がドリフト(高利得増幅回路6の出力信号がドリフト)した場合、これに基づいて加速度検出信号Sαの値もドリフトしようとする。
しかしこの場合、上述したドリフトは加速度変化に対して比較的緩やかに推移する傾向があるので、DCサーボ回路8はドリフトに追従動作して制御電圧Vcont2を制御し、VCO3の発振周波数を変化させることができる。
従って、ドリフトの影響によりVCXO2の発振周波数が例えば高くなるように変動した場合であっても、これに追従するようにVCO3の発振周波数も高くなるよう変動するので両発振器の発振周波数間の位相差変動を抑えることができ、加速度検出信号Sαの値のドリフトを抑えることができる。
Further, in the acceleration detecting device 1 of the present embodiment, even when a strong impact other than acceleration is momentarily applied and the oscillation frequency of the tuning fork type
On the other hand, in the constant acceleration state, for example, when the value of the control voltage Vcont1 drifts (the output signal of the high gain amplifier circuit 6 drifts) due to the influence of the temperature characteristics of the electrical characteristics of the high gain amplifier circuit 6, Based on this, the value of the acceleration detection signal Sα also tries to drift.
However, in this case, since the above-mentioned drift tends to change relatively slowly with respect to the acceleration change, the DC servo circuit 8 follows the drift to control the control voltage Vcont2 and change the oscillation frequency of the VCO3. Can do.
Therefore, even if the oscillation frequency of VCXO2 fluctuates so as to increase due to the influence of drift, the oscillation frequency of VCO3 fluctuates so as to follow this, so the phase difference between the oscillation frequencies of both oscillators. The fluctuation can be suppressed, and the drift of the value of the acceleration detection signal Sα can be suppressed.
また、例えば図8に示す従来のセンサ回路100においては、ドライブ回路部102の位相比較器102cのDC出力(制御電圧)を応力値信号(加速度信号)として利用することも考えられる。しかしながら、通常、電圧制御発振器102aにはLC共振器やCR共振器が用いられ、このような共振器を有する電圧制御発振器102aは、図4に示すように制御電圧Vcontに対する周波数変化量が大きい。即ち、周波数感度特性が高い。このため、従来のセンサ回路100において共振周波数を検知結果とせずに、位相比較器102cの制御電圧Vcontを応力値信号(加速度信号)の検知結果として利用する場合は、周波数変化量に対する制御電圧Vcontの変化量が小さく検知感度が高いセンサを実現することができない。
これに対して、本実施形態の加速度検出装置1では、VCXO2の制御電圧を加速度信号として利用するようにしている。VCXOは、制御電圧に対する周波数可変範囲がVCOに比べて狭い(周波数制御感度が低い)ため、加速動作に伴う周波数変化に対してLPFの出力電圧(制御電圧)の変化を大電流化(高電位化)することができる。加速度変化に対して高感度センサを実現することができる。
For example, in the
On the other hand, in the acceleration detection device 1 of the present embodiment, the control voltage of the VCXO 2 is used as an acceleration signal. Since VCXO has a narrow frequency variable range for the control voltage compared to the VCO (frequency control sensitivity is low), a change in the output voltage (control voltage) of the LPF to a large current (high potential) with respect to the frequency change accompanying the acceleration operation. ). A highly sensitive sensor can be realized with respect to acceleration changes.
次に、本発明の第2の実施形態に係る加速度検出装置について説明する。
図5は、本発明の第2の実施形態に係る加速度検出装置の構成を示したブロック図である。なお、図1に示す加速度検出装置1と同一ブロックには同一符号を付して詳細な説明は省略する。
この図5に示す加速度検出装置30においては、高利得増幅器6で増幅した信号の一部を制御電圧Vcont1としてVCXO2にフィードバックすると共に、バッファアンプ7を介して出力する加速度検出信号Sαの一部をDCサーボ回路8に出力し、DCサーボ回路8ではバッファアンプ7から出力される加速度検出信号Sαを遅延させて制御電圧Vcont2としてVCO3にフィードバックするようにしている。このように構成した場合は上記の機能に加えて高利得増幅回路6とバッファアンプ7の電気的特性の影響による周波数ドリフトが生じたとしても補正することが可能になる。
Next, an acceleration detection apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of an acceleration detection apparatus according to the second embodiment of the present invention. The same blocks as those in the acceleration detection apparatus 1 shown in FIG.
In the
次に、本発明の第3の実施形態に係る加速度検出装置について説明する。
なお、図1に示す加速度検出装置1と同一ブロックには同一符号を付して詳細な説明は省略する。図6に示す加速度検出装置31は、VCXO2とVCO3から出力される出力信号の波形を矩形化する第1及び第2の矩形化回路(波形整形回路)32、33を備えた点に特徴がある。これは、本実施形態の加速度検出装置に備えられる位相比較回路4は、比較する2つの信号波形の少なくとも何れか一方が矩形波でないと正確に位相比較を行うことができない場合があると共に、位相比較回路4に入力される2つの信号のレベルが一致していないと検波結果に2つの入力信号の位相差以外に信号レベルの差に基づく値も含まれてしまうことになるので正確な加速度検知結果を得ることができない。
Next, an acceleration detection apparatus according to the third embodiment of the present invention will be described.
The same blocks as those in the acceleration detection apparatus 1 shown in FIG. The acceleration detection device 31 shown in FIG. 6 is characterized in that it includes first and second rectangularization circuits (waveform shaping circuits) 32 and 33 that rectangularize the waveforms of output signals output from the VCXO 2 and the VCO 3. . This is because the phase comparison circuit 4 provided in the acceleration detection device of the present embodiment may not be able to accurately perform phase comparison unless at least one of the two signal waveforms to be compared is a rectangular wave. If the levels of the two signals input to the comparison circuit 4 do not match, the detection result will include a value based on the difference in signal level in addition to the phase difference between the two input signals, so accurate acceleration detection I can't get results.
そこで、図6に示す加速度検出装置31では、VCXO2と位相比較回路4途の間、及びVCO3と位相比較回路4との間にそれぞれVCXO2及びVCO3の出力信号波形を矩形化するためにコンパレータ等の第1及び第2の矩形化回路32、33を設けるようにしている。
このように構成すれば、位相比較回路4において確実に位相比較を行うことが可能になる。なお、第3の実施形態では、VCXO2と位相比較回路4及びVCO3と位相比較回路4との間にそれぞれ第1及び第2の矩形化回路32、33を設けるようにしているが、位相比較回路4は、VCXO2又はVCO3の何れか一方から出力される出力信号の波形を矩形状であれば確実に位相比較を行うことができるので、少なくともVCXO2又はVCO3から出力される出力信号波形の何れか一方を矩形化するように第1の矩形化回路32または第2の矩形化回路33の何れか一方を設けるだけでよい。
Therefore, in the acceleration detection device 31 shown in FIG. 6, a comparator or the like is used to make the output signal waveforms of VCXO2 and VCO3 rectangular between VCXO2 and the phase comparison circuit 4 and between VCO3 and the phase comparison circuit 4, respectively. First and
With this configuration, the phase comparison circuit 4 can reliably perform phase comparison. In the third embodiment, the first and
また、本実施形態では応力感応素子として音叉型水晶振動素子20を例に挙げて説明したが、これはあくまでも一例であり、応力感応素子として、例えば図7に示すような双音叉型水晶振動素子を用いることも可能である。
図7に示す双音叉型水晶振動素子23は、並列に配置された2本の振動腕21a、21bと、この2本の振動腕21a、21bの延長方向の両端を夫々結合した結合部22a、22bとから成る。そして、この場合は、例えば、結合部22a、22bの内、一方の結合部22aだけを、当該双音叉型水晶振動素子23が搭載される基板(図示しない)に固定し、他方を自由端とすればよい。
双音叉型水晶振動素子23を用いて本実施形態の加速度検出装置を構成した場合は、自由端側の結合部22bが重りとして機能するため、上記した音叉型水晶振動素子20より加速度感度を高めることができる。
なお、本実施形態では応力感応素子として音叉型振動素子を例に挙げて説明したが、これはあくまでも一例であり、共振周波数が加速度に応じて変化する素子であれば、所謂ATカットの水晶振動子やレゾネータといった各種圧電振動素子を応力感応素子として適用することも可能である。
Further, in the present embodiment, the tuning fork type
The double tuning fork type
When the acceleration detecting device of the present embodiment is configured using the double tuning fork type
In the present embodiment, a tuning fork type vibration element has been described as an example of the stress sensitive element. However, this is only an example, and so-called AT-cut crystal vibration is used as long as the resonance frequency changes according to acceleration. Various piezoelectric vibration elements such as a child and a resonator can be applied as a stress sensitive element.
1、30、31…加速度検出装置、2…VCXO、3…VCO、4…位相比較器、5…LPF、6…高利得増幅器、7…バッファアンプ、8…DCサーボ回路、20…音叉型水晶振動素子、21a、21b…振動腕、22、22a、22b…結合部、23…双音叉型水晶振動素子、32、33…矩形化回路
DESCRIPTION OF
Claims (5)
電圧制御発振回路と、
前記電圧制御型圧電発振回路の出力信号と前記電圧制御型発振回路の出力信号の位相を比較する位相比較回路と、
前記位相比較回路から出力される位相差信号を直流化して出力するローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタから出力される出力信号を増幅する増幅回路と、
時定数回路を備え前記増幅回路の出力信号に応じた制御電圧を出力する直流サーボ回路と、を備え、
前記増幅回路から出力される出力信号を加速度検出信号として出力すると共に、前記増幅回路から出力される出力信号の一部を制御電圧としてフィードバックして前記電圧制御型圧電発振回路の発振周波数を制御し、さらに前記直流サーボ回路から出力される出力信号を制御電圧としてフィードバックして前記電圧制御型発振回路の発振周波数を制御することを特徴とする加速度検出装置。 A voltage controlled piezoelectric oscillation circuit including a stress sensitive element made of a piezoelectric material as a resonator;
A voltage controlled oscillator circuit;
A phase comparison circuit for comparing the phase of the output signal of the voltage controlled piezoelectric oscillation circuit and the output signal of the voltage controlled oscillation circuit;
A low-pass filter for converting the phase difference signal output from the phase comparison circuit into a direct current,
An amplifier circuit for amplifying an output signal output from the low-pass filter;
A DC servo circuit that includes a time constant circuit and outputs a control voltage according to the output signal of the amplifier circuit;
The output signal output from the amplifier circuit is output as an acceleration detection signal, and a part of the output signal output from the amplifier circuit is fed back as a control voltage to control the oscillation frequency of the voltage-controlled piezoelectric oscillation circuit. Further, the acceleration detection apparatus is characterized in that an output signal output from the DC servo circuit is fed back as a control voltage to control an oscillation frequency of the voltage controlled oscillation circuit.
Priority Applications (1)
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