JP2008190884A - 加速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度感度安定度に優れた加速度検出装置を提供する。
【解決手段】第１の音叉型水晶振動素子２０ａを共振子として備えたＯＳＣ２と、第２の音叉型水晶振動素子２０ｂを共振子として備えたＶＣＸＯ４と、ＶＣＸＯ４から出力される出力信号の位相とＯＳＣ２から出力される基準信号の位相を比較する位相比較回路３と、位相比較回路３から出力される位相差信号の低域成分を抽出するＬＰＦ４と、ＬＰＦ４から出力される出力信号を微分する微分回路６と、時定数回路を備えＬＰＦ４の出力信号に応じた制御電圧をＶＣＸＯ４にフィードバックするＤＣサーボ回路８とを備え、第１及び第２の音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂは、加速度検出軸方向を一致させ、且つ、第１及び第２の音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂにおいて検出する加速度検出方向が逆向きとなるように配置し、微分回路６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。
【選択図】図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。

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。

図６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６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。
実開昭６２−１５５３３６号公報

ところで、上記したような半導体プロセスにより作製したＭＥＭＳセンサ、或いは図６に示した振動式センサ回路１００は、周波数−温度特性が悪いため、周囲温度によって加速度感度に誤差が生じるという欠点があった。
またＭＥＭＳセンサは、規定以上の強い加速度が加わった場合、センサが破壊されてしまうという欠点がった。
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、温度感度安定度に優れた加速度検出装置を提供することを目的とする。また強い加速度が加わった場合でも破壊されることがない加速度検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１の応力感応素子を共振子として備えた発振回路と、第２の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、発振回路から出力される出力信号と電圧制御型圧電発振回路から出力される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の低域成分を抽出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微分する微分回路とローパスフィルタの出力信号に応じた制御電圧を電圧制御型圧電発振回路にフィードバックする直流サーボ回路と、を備え、第１及び第２の応力感応素子は、加速度を検出する加速度検出軸方向を一致させ、且つ、第１及び第２の応力感応素子において検出する加速度検出方向が逆向きとなるように配置して、微分回路の出力信号を加速度検出信号として出力するようにした。
このような本発明によれば、発振回路の出力信号と電圧制御型圧電発振回路の出力信号との位相を位相比較回路で比較し、その位相比較結果をローパスフィルタにより直流化し、さらに微分回路で微分することにより、発振回路に備えた第１の応力感応素子と、電圧制御型圧電発振回路に備えた第２の応力感応素子とを利用して加速度を検出ことが可能になる。
また従来のように電圧制御型発振回路を設けることなく構成することができるので、従来の振動式センサ回路のように加速度以外の強い衝撃が加わった場合でも発振が停止するといったことがない。

本発明の加速度検出装置は、第１及び第２の応力感応素子が第１及び第２の音叉型振動素子により構成され、第１及び第２の音叉型振動素子は、それぞれ並列に配置された２本の振動腕と、該２本の振動腕の延長方向一端を結合する結合部とを有し、第１及び第２の音叉型振動素子の各振動腕の延長方向を加速度検出軸方向と一致させることを特徴とする。このような本発明によれば、加速度を検知する第１及び第２の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。

本発明の加速度検出装置は、第１及び第２の応力感応素子は、第１及び第２の双音叉型振動素子により構成され、第１及び第２の双音叉型振動素子は、それぞれ並列に配置された２本の振動腕と、該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とを特徴とする。このような本発明によれば、加速度を検知する第１及び第２の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。

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、発振回路（以下、ＯＳＣ（Oscillator）と称する）２、位相比較回路３、電圧制御型水晶発振回路（以下、ＶＣＸＯ（Voltage Controlled crystal Oscillator）と称する）４、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと称する）５、微分回路６、緩衝増幅回路（以下、バッファアンプと称する）７、及びＤＣサーボ回路８により構成される。
ＯＳＣ２は、例えば第１の応力感応素子として第１の音叉型水晶振動素子２０ａを備え、所定の周波数で発振する。
位相比較回路３は、ＯＳＣ２から出力される出力信号の位相とＶＣＸＯ４から出力される出力信号の位相を比較し、その比較結果を出力する。

ＶＣＸＯ４は、第２の応力感応素子として上記第１の音叉型水晶振動素子２０ａと同一特性を有する第２の音叉型水晶振動素子２０ｂを備える。第２の音叉型水晶振動素子２０ｂは、ＶＣＸＯ４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も機能する。またＶＣＸＯ４では、ＤＣサーボ回路８の出力信号を制御電圧ＶcontとしてＶＣＸＯ４の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制御している。但し、後述するようにＤＣサーボ回路８は時定数回路を備え、ＶＣＸＯ４の周波数追従速度が遅くなるように構成されている。
ＬＰＦ５は、位相比較回路３から出力される位相差信号を直流化して出力する。ＬＰＦ５の出力信号は、微分回路６に出力されると共に、その一部がＤＣサーボ回路８にも入力される。

微分回路６はＬＰＦ５からの位相差信号を微分して出力する。
ここで、微分回路６の機能について説明する。
例えば、本実施形態のように音叉型水晶振動素子等を加速度センサとして加速度検出を行う場合は、加速度値とセンサ周波数の周波数変位とが比例関係になる。即ち、加速度∝Δセンサ周波数（ＦＭ検波出力）の関係を満たすことになる。
しかし、本実施形態では、位相比較回路３において、ＯＳＣ２から得られる周波数と、ＶＣＸＯ４から得られる周波数の位相比較をしているので、位相比較回路３からは位相検波出力Φが得られることになる。この位相検波出力Φは、Δセンサ周波数を積分値と等しくなる。即ち、位相検波出力Φ＝∫センサ周波数（ＦＭ検波出力）の関係を満たすことになる。そこで、本実施形態の加速度検出装置では、ＬＰＦ５の後段に微分回路６を設け、微分回路６において、ＬＰＦ５から出力される位相検波出力Φを微分することにより加速度値を得るようにしている。即ち、ＦＭ検波＝ｄΦ／ｄｔ∝加速度の関係を満たすようにしている。

ＤＣサーボ回路８は、例えば抵抗Ｒ、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、ＬＰＦ５からの出力信号を遅延させて制御電圧ＶcontとしてＶＣＸＯ４にフィードバックするようにしている。
このように構成される本実施形態の加速度検出装置１においては、ＯＳＣ２の出力信号とＶＣＸＯ４の出力信号との位相を位相比較回路３で比較し、その位相比較結果をＬＰＦ５により直流化し、さらに微分回路６で微分することにより、ＯＳＣ２に備えた第１の音叉型水晶振動素子２０ａと、ＶＣＸＯ４に備えた第２の音叉型水晶振動素子２０ｂとを利用して加速度を検出することが可能になる。

さらに本実施形態の加速度検出装置１では、ＬＰＦ５の出力に応じた制御電圧を、ＤＣサーボ回路８を介してＶＣＸＯ４にフィードバックしている。このようなＤＣサーボ回路８によるフィードバック制御がない場合、例えばＯＳＣ２の発振周波数やＶＣＸＯ４の共振周波数が温度ドリフトにより変化した場合、加速度が「０」であるにも関わらず位相差が発生してしまう。因みに、第１及び第２の音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂの周波数が同じように温度ドリフトした場合でもＯＳＣ２及びＶＣＸＯ４の回路構成の違いや、第１及び第２の音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂの経時変化（エージング）の違いなどにより位相差が発生する。そこで、本実施形態では、ＬＰＦ５の出力に応じた制御電圧を、ＤＣサーボ回路８を介してＶＣＸＯ４にフィードバックすることで、例えばＶＣＸＯ４やＯＳＣ２の共振周波数の温度ドリフトを補正するようにした。これにより、ＯＳＣ２に温度補償回路など付加することなく低コストで、温度ドリフト等の影響がない高精度の加速度検出が可能になる。

図２は上記したＶＣＸＯ４の回路構成の一例を示した図である。
この図２に示すＶＣＸＯ４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２０ｂ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２０ｂ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２０ｂ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２０ｂにそれぞれ接続されている。

このように構成されるＶＣＸＯ４においては、音叉型水晶振動素子２０ｂ、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Ｖcont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ＶＣＸＯ４は、その出力信号波形が矩形となる。

図３は音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂの構成を模式的に示した図である。
この図３に示すように第１及び第２の音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂは、加速度を検出する加速度検出軸方向を一致させ、且つ、第１及び第２の音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂにおいて検出する加速度検出方向が逆向きとなるように配置している。即ち、それぞれ並列に配置された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、第１及び第２の音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂの各結合部２２を、当該音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂがそれぞれ搭載される基板（図示しない）に固定するようにしている。なお、結合部２２は基板と接続する固定部である。このとき、図３に示すように第１の音叉型水晶振動素子２０ａの各振動腕２１ａ、２１ｂと第２の音叉型水晶振動素子２０ｂ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、且つ、第１の音叉型水晶振動素子２０ａの振動腕２１ａ、２１ｂの自由端部と第２の音叉型水晶振動素子２０ｂの振動腕２１ａ、２１ｂの自由端部を対向配置する、或いは第１の音叉型水晶振動素子２０ａの結合部２２と第２の音叉型水晶振動素子２０ｂの結合部２２を対向配置するようにした。即ち、振動腕２１ａ、振動腕２１ｂの延長方向が各音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂとの間で互いに逆向きとなるようにした。

このように構成される第１及び第２の音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂ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に屈曲振動する。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、第１の音叉型水晶振動素子２０ａには見かけ上では加速度αの方向とは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２０ａ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、第１の音叉型水晶振動素子２０ａの周波数は引張応力の影響を受けて高くなる。一方、第２の音叉型水晶振動素子２０ｂにも見かけ上では加速度αの方向とは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２０ｂ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、第２の音叉型水晶振動素子２０ｂの周波数は圧縮応力の影響を受けて低くなる。

そこで、本実施形態では、このような第１及び第２の音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂに加速度が加わったときに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。
この場合、音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂ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。また低消費電力化が可能になる。また加速度検出軸方向と振動腕２１ａ、２１ｂとの延長方向とを一致させることができるので加速度検出軸方向と垂直方向（基板面に垂直な方向）に対する低背化にも有利である。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２０ａ、２０ｂ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ものである。従って、本実施形態の加速度検出装置１では、規定以上の強い加速度が加わった場合でも素子自体が破損することがない。

また本実施形態では、同一性能を有する第１及び第２の音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂを加速度検出方向に対して対向配置しているので、音叉型水晶振動素子が１つの場合に比べて位相比較回路３から出力される位相差信号のレベルを約２倍に高めることができる。これにより加速度の検出感度を約２倍に高めることができる。
また例えば図６に示す従来の振動センサ回路１００においては、ドライブ回路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、従来の振動センサ回路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、ＶＣＸＯ４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。ＶＣＸＯ４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ＬＰＦ５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。この結果、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。

これまで説明し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５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５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。

本発明の実施形態に係る加速度検出装置の構成を示した図である。 ＶＣＸＯの回路構成の一例を示した図である。 音叉型水晶振動素子の構成を示した図である。 ＶＣＸＯとＶＣＯの周波数感度特性を示した図である。 双音叉型水晶振動素子の構成を示した図である。 従来の振動式センサ回路の構成を示した図である。

符号の説明

１…加速度検出装置、２…発振回路、３…位相比較回路、４…ＶＣＸＯ、５…ＬＰＦ、６…微分回路、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…各振動腕、２２、２２ａ、２２ｂ…結合部、２３…双音叉型水晶振動素子

Claims (3)

1. 第１の応力感応素子を共振子として備えた発振回路と、
   第２の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、
   前記発振回路から出力される出力信号と前記電圧制御型圧電発振回路から出力される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の低域成分を抽出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微分する微分回路と、
   前記ローパスフィルタの出力信号に応じた制御電圧を前記電圧制御型圧電発振回路にフィードバックする直流サーボ回路と、を備え、
   前記第１及び第２の応力感応素子は、加速度を検出する加速度検出軸方向を一致させ、且つ、前記第１及び第２の応力感応素子において検出する加速度検出方向が逆向きとなるように配置して、前記微分回路の出力信号を加速度検出信号として出力することを特徴とする加速度検出装置。
2. 前記第１及び第２の応力感応素子は、第１及び第２の音叉型振動素子により構成され、
   前記第１及び第２の音叉型振動素子は、それぞれ並列に配置された２本の振動腕と、該２本の振動腕の延長方向一端を結合する結合部とを有し、前記第１及び第２の音叉型振動素子の各振動腕の延長方向を加速度検出軸方向と一致させ、且つ、前記第１及び第２の音叉型振動素子を対向配置したことを特徴とする請求項１に記載の加速度検出装置。
3. 前記第１及び第２の応力感応素子は、第１及び第２の双音叉型振動素子により構成され、前記第１及び第２の双音叉型振動素子は、それぞれ並列に配置された２本の振動腕と、該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、前記結合部の何れか一方を固定端、他方を自由端とし、前記２本の振動腕の延長方向を加速検出方向と一致させ、且つ、前記第１及び第２の双音叉型振動素子を対向配置したことを特徴とする請求項１に記載の加速度検出装置。

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