(57)【要約】【課題】温度感度安定度に優れ、強い加速度が加わっても破壊されることなく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。【解決手段】基準信号を出力する基準発振回路２と、第１の音叉型水晶振動素子２０ａにより決定される共振周波数に基づいて基準発振回路２から出力される出力信号を移相する第１の共振回路４と、第２の音叉型水晶振動素子２０ｂにより決定される共振周波数に基づいて基準発振回路２から出力される出力信号を移相する第２の共振回路８と、第１の共振回路４から出力される出力信号と第２の共振回路８から出力される出力信号の位相を位相比較回路６で比較し、その位相差信号の低域成分を抽出するＬＰＦ７と、ＬＰＦ７から出力される出力信号を増幅する高利得増幅回路１１と、を備え、高利得増幅回路１１の出力信号を加速度検出信号として出力すると共に制御電圧として第２の共振回路８にフィードバックするようにした。【選択図】図１
2008256580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準信号を出力する基準発振回路と、
第１の応力感応素子を備え、前記第１の応力感応素子により決定される共振周波数に基づいて、前記基準発振回路から出力される出力信号を移相する第１の共振回路と、
第２の応力感応素子を備え、前記第２の応力感応素子により決定される共振周波数に基づいて、前記基準発振回路から出力される出力信号を移相する第２の共振回路と、
前記第１の共振回路から出力される出力信号と前記第２の共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増幅する増幅回路と、を備え、
前記第１及び第２の応力感応素子を、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たうえで、前記増幅回路の出力信号を加速度検出信号として出力すると共に、制御電圧として前記第２の共振回路にフィードバックすることを特徴とする加速度検出装置。
【請求項２】
基準信号を出力する基準発振回路と複数の加速度検出回路とからなり、
前記各加速度検出回路は、
第１の応力感応素子を備え、前記第１の応力感応素子により決定される共振周波数に基づいて、前記基準発振回路から出力される出力信号を移相する第１の共振回路と、
第２の応力感応素子を備え、前記第２の応力感応素子により決定される共振周波数に基づいて、前記基準発振回路から出力される出力信号を移相する第２の共振回路と、
前記第１の共振回路から出力される出力信号と前記第２の共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増幅する増幅回路と、を備え、
前記第１及び第２の応力感応素子を、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たうえで、前記増幅回路の出力信号を加速度検出信号として出力すると共に、制御電圧として前記第２の共振回路にフィードバックすることを特徴とする加速度検出装置。
【請求項３】
前記基準発振回路から出力される基準信号を分周する分周回路を備えたこと特徴とする請求項１又は２に記載の加速度検出装置。
【請求項４】
前記位相比較回路に入力される入力信号の一方又は両方を矩形化する矩形化回路を備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の加速度検出装置。
【請求項５】
前記基準発振回路又は前記分周回路の出力信号を移相する移相回路を備えたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の加速度検出装置。
【請求項６】
前記移相回路は、９０°移相回路であることを特徴とする請求項５に記載の加速度検出装置。
【請求項７】
前記応力感応素子は、音叉型振動素子、又は双音叉型振動素子であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の加速度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【特許文献１】実開昭６２−１５５３３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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８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。
さらに、図８に示した振動式センサ回路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。しかし、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制御に追従できなくなる。この結果、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、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く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。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するため、本発明の加速度検出装置は、基準信号を出力する基準発振回路と、第１の応力感応素子を備え、第１の応力感応素子により決定される共振周波数に基づいて、基準発振回路から出力される出力信号を移相する第１の共振回路と、第２の応力感応素子を備え、第２の応力感応素子により決定される共振周波数に基づいて、基準発振回路から出力される出力信号を移相する第２の共振回路と、第１の共振回路から出力される出力信号と第２の共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増幅する増幅回路と、を備え、第１及び第２の応力感応素子を、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たうえで、増幅回路の出力信号を加速度検出信号として出力すると共に、制御電圧として第２の共振回路にフィードバックするようにした。
このような本発明では、電圧制御型発振回路を設ける必要がないので、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に発振が停止するといったことがない。
また、第１及び第２の共振回路を、同一部品を用いて構成しているので温度特性の差分がキャンセルされ、温度特性の影響を受けないといった利点がある。
さらに、第１及び第２の応力感応素子を加速度検出方向に対して対向配置しているので、応力感応素子が１つの場合に比べて位相比較回路から出力される位相差信号のレベルが約２倍になり、加速度の検出感度を約２倍に高めることができる。
【０００５】
本発明の加速度検出装置は、基準信号を出力する基準発振回路と複数の加速度検出回路とからなり、各加速度検出回路は、第１の応力感応素子を備え、第１の応力感応素子により決定される共振周波数に基づいて基準発振回路から出力される出力信号を移相する第１の共振回路と、第２の応力感応素子を備え、第２の応力感応素子により決定される共振周波数に基づいて基準発振回路から出力される出力信号を移相する第２の共振回路と、第１の共振回路から出力される出力信号と第２の共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増幅する増幅回路と、を備え、第１及び第２の応力感応素子を、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たうえで、増幅回路の出力信号を加速度検出信号として出力すると共に、制御電圧として第２の共振回路にフィードバックするようにした。
【０００６】
このような本発明によれば、各加速度検出回路の第１及び第２の共振回路に備えられる第１及び第２の応力感応素子の検出軸を、加速度を検出すべき方向に向けて配置することで加速度検出装置の多軸化を図ることができる。
また電圧制御型発振回路を設ける必要がないので、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に発振が停止するといったことがない。
また第１及び第２の共振回路を、同一部品を用いて構成しているので温度特性の差分がキャンセルされ、温度特性の影響を受けないといった利点がある。
さらに第１及び第２の応力感応素子を加速度検出方向に対して対向配置しているので、応力感応素子が１つの場合に比べて位相比較回路から出力される位相差信号のレベルが約２倍になり、加速度の検出感度を約２倍に高めることができる。
【０００７】
また本発明の加速度検出装置は、基準発振回路から出力される基準信号を分周する分周回路を備えるようにした。
このような本発明によれば、例えば、基準発振回路に使用する振動子の発振周波数と、第１及び第２の共振回路において共振子として利用する第１及び第２の応力感応素子の共振周波数との周波数が異なる場合でも加速度検出装置を実現することができる。
【０００８】
また本発明の加速度検出装置は、位相比較回路に入力される入力信号の一方又は両方を矩形化する矩形化回路を備えるようにした。
このような本発明によれば、位相比較回路の前段に矩形化回路を設けたことで位相比較回路において精度の高い位相比較を行うことが可能になる。
【０００９】
また本発明の加速度検出装置は、基準発振回路又は分周回路の出力信号を移相する移相回路を備えるようにした。
このような本発明によれば、基準発振回路又は分周回路から分岐して出力される出力信号の一方を位相比較回路の位相特性に併せて移相回路により移相することで、位相比較回路において精度の高い位相比較を行うことが可能になる。
【００１０】
本発明の加速度検出装置は、移相回路が９０°移相回路であることを特徴とする。このような本発明によれば、電圧制御型圧電発振回路から分岐して出力される出力信号の一方を、位相比較回路の位相特性に併せて９０°移相することで、位相比較回路から出力される位相差信号により加速度の向き検出することが可能になる。
【００１１】
本発明の加速度検出装置は、応力感応素子が音叉型振動素子又は双音叉型振動素子であることを特徴とする。このような本発明によれば、加速度を検知する応力感応素子として音叉型振動素子、又は双音叉型振動素子を利用することが可能になり、応力感度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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、基準発振回路２、分周回路３、第１の共振回路４、第１の矩形化回路５、位相比較回路６、９０°移相回路７、第２の共振回路８、第２の矩形化回路９、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと称する）１０、高利得増幅回路１１、及び緩衝増幅回路（以下、バッファアンプと称する）１２により構成される。
基準発振回路２は、例えばＡＴカットの水晶振動子等を用いて構成され、所定の周波数で発振する。分周回路３は、基準発振回路２からの基準信号が所定の周波数となるように分周して出力する。分周回路３の出力信号は、分岐されて第１の共振回路４、及び９０°移相回路７に入力される。
【００１３】
第１の共振回路４は、第１の音叉型水晶振動素子２０ａ、及びバリキャップダイオード（可変容量素子）等の容量素子を備え、第１の音叉型水晶振動素子２０ａと容量素子とにより決定される共振周波数に基づいて分周回路３の出力信号を移相して出力する。なお、容量素子は、例えば基準状態である定速度の状態における第１の共振回路４の共振周波数と第２の共振回路８の共振周波数とを一致させるために設けられたものであり、本実施の形態では、第２の共振回路８に備えられているバリキャップダイオードと同等のバリキャップダイオードのカソードとアノード間に所定の電圧を印加することにより構成される。
そして、第１の音叉型水晶振動素子２０ａと第２の音叉型水晶振動素子２０ｂとに同種類のものを適用した構成とすれば、第１の共振回路４と第２の共振回路８の電気的特性や温度特性をほぼ同じにできる。従って、周囲温度の影響による周波数変動や位相変動が共振回路４、８に発生したとしても位相比較回路６の出力はこれら電気的特性の変動をキャンセルしたものとなる。なお、バリキャップダイオードの代わりに第２の共振回路８に備えられているバリキャップダイオードと同等容量のコンデンサを用いるようにしても良い。
第１の矩形化回路５は、例えばコンパレータなどにより構成され、第１の共振回路４から出力信号を矩形波信号に変換すると共に、出力レベルの調整を行って位相比較回路６に出力する。
一方、９０°移相回路７は、分周回路３から出力される出力信号の位相を９０°移相する。なお、９０°移相回路７の構成にもよるが、通常、９０°移相回路７において移相可能な信号波形は正弦波とされるので、分周回路３は、その出力信号波形が正弦波形となるように回路を構成することが望ましい。
【００１４】
第２の共振回路８は、第２の音叉型水晶振動素子２０ｂ及びバリキャップダイオード等の可変容量素子を備え、第２の音叉型水晶振動素子２０ｂと可変容量素子により決定される共振周波数に基づいて分周回路３の出力信号を移相して出力する。
第２の矩形化回路９は、例えばコンパレータなどにより構成され、第２の共振回路８から出力信号を矩形波信号に変換すると共に、出力レベルの調整を行って位相比較回路６に出力する。
位相比較回路（乗算回路）６は、第１の矩形化回路５からの出力信号と第２の矩形化回路９からの出力信号との位相を比較し、その比較結果を出力する。このとき、位相比較回路６は、９０°の位相差を基準に位相比較を行って、その位相差を位相差信号として出力する。なお、位相比較回路６において位相比較を行う場合には、入力信号の少なくとも一方の波形が矩形である必要があるため、本実施形態では、位相比較回路６の前段に夫々第１及び第２の矩形化回路５、９を設けるようにしたが、矩形化回路は、少なくとも何れか一方だけを設けるようにすれば良い。
【００１５】
また、分周回路３の出力波形が矩形波であれば、第１及び第２の矩形化回路５、９は必ずしも設ける必要はない。但し、通常、第１及び第２の共振回路４、８や９０°移相回路７等に入力する信号波形を正弦波形にする必要があるため、本実施形態のように分周回路３の出力波形を正弦波形とし、位相比較回路６に入力する際に第１、第２の矩形化回路５、９により矩形化することが望ましい。
さらに、位相比較回路６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い正確な加速度検知結果を得ることができない可能性がある。従って、このような不具合の発生を防止するためにも第１、第２の矩形化回路５、９により矩形化（波形整形）することが望ましい。
ＬＰＦ１０は、位相比較回路６から出力される位相差信号の低周波数成分だけを抽出して出力する。このとき、ＬＰＦ１０の出力は常に一定に制御される。
高利得増幅回路１１は、ＬＰＦ１０からの出力信号を高利得で増幅して出力する。高利得増幅回路１１で増幅された信号は、バッファアンプ１２を介して加速度検出信号Ｓαとして出力すると共に、その一部は制御電圧Ｖcontとして第２の共振回路８にフィードバックするようにしている。
【００１６】
図２は本実施の形態の加速度検出装置に備られる音叉型水晶振動素子の構成を模式的に示した図である。
図２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、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、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対向配置した。
【００１７】
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２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、第２の実施形態では、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。
【００１８】
このような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。さらに、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２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。
また、本実施形態の加速度検出装置１では、音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂの形状自体は殆ど変位しないので、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。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。
【００１９】
以下、本実施の形態の加速度検出装置１の動作を説明する。
図３は、本実施の形態の共振回路の位相特性を示した図であり、（ａ）は第１の共振回路４の位相特性、（ｂ）は第２の共振回路８の位相特性を示した図である。
本実施形態の加速度検出装置１においては、第１及び第２の共振４、８に備えられている第１及び第２の音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂ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では、第１及び第２の共振回路４、８から出力される出力信号の周波数はＡで一致させるようにする。つまり、定速運動状態における第１の共振回路４及び第２の共振回路８の位相特性を図３に実線で示すような特性に設定しておく。この場合、第１及び第２の共振回路４、８に周波数Ａの信号が入力されたときは、入力信号とそれぞれの共振回路４、８から出力される出力信号との位相差は「０」となる。
ここで、第１及び第２の共振回路４、８の第１及び第２の音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂの各振動腕２１ａ、２１ｂの延長方向へ加速運動が生じ、第１の音叉型水晶振動素子２０ａの振動腕２１ａ、２１ｂに引っ張り方向の慣性力、第２の音叉型水晶振動素子２０ｂの振動腕２１ａ、２１ｂに圧縮方向の慣性力が加わったとする。すると、第１の音叉型水晶振動素子２０ａは慣性力の影響を受けて周波数が高くなる。また、第２の音叉型水晶振動素子２０ｂは慣性力の影響を受けて周波数が低くなる。
【００２０】
第１の音叉型水晶振動素子２０ａの周波数が高くなった場合、第１の共振回路４の位相特性は図３（ａ）に実線で示した特性から破線で示した特性へと推移することになる。即ち、特性が全体的に高周波側へシフトしたようになる。従って、第１の共振回路４から出力される信号の位相は、入力した信号に対して＋ΔＡの位相差を有するものとなる。
また、第２の音叉型水晶振動素子２０ｂの周波数が低くなった場合、第２の共振回路８の位相特性は図３（ｂ）に実線で示した特性から破線で示した特性へと推移することになる。即ち、特性が全体的に低周波側へシフトしたようになる。従って、第２の共振回路８から出力される信号の位相は、入力信号に対して−ΔＡの位相差を有するものとなる。
従って、加速度検出装置１の位相比較回路６において検波される位相差は、第１又は第２の共振回路４、８において検波される位相差ΔＡの約２倍となる。
このとき位相比較回路６から出力される位相差信号は、加速度αの影響により位相差は広がるように変動するので、加速度αの方向を正方向の加速度とすれば周波数の変化と加速度の変化とは比例関係にある。そこで、本実施形態の加速度検出装置１では、ＬＰＦ１０の出力を高利得増幅回路１１に増幅し、その増幅した信号を第２の共振回路８にフィードバックして第１の共振回路４と第２の共振回路８の位相のズレを補正すると共に、バッファアンプ１２を介して加速度検出信号Ｓαとして出力することで加速度検出装置を実現するようにした。
【００２１】
また本実施の形態の加速度検出装置１は、安定した基準発振回路２を備えているので、後段にデジタル回路などを用いる場合に、基準発振回路２をそのクロックとして用いることが可能になる。その場合、基準クロックの共通化を図ることができるため、ノイズを低減することができる。
また、このような加速度検出装置１では、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。
さらに本発明では、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６から出力される位相差信号のレベルが約２倍になり、加速度の検出感度を約２倍に高めることができる。即ち、加速度の検出感度を約２倍に高めることができる。
さらに、本実施の形態の加速度検出装置では、第１の共振回路４と第２の共振回路８とは同一部品を用いて構成しているので温度特性の差分がキャンセルされ、温度特性の影響を受けないといった利点がある。
【００２２】
次に、図４を用いて本実施形態の加速度検出装置１の動作遷移について説明する。
図４は、本実施形態の加速度検出装置１における速度と時間の関係、加速度と時間の関係、出力電圧と時間の関係をそれぞれ示した図である。尚、定速度状態に於いてＶＣＸＯ２の出力信号とＶＣＸＯ７の出力信号との位相差は９０°となるよう設定されている。
この図４に示すように、加速が開始される時点ｔ１までの期間Ａでは、加速度が「０」であるため、第２の共振回路８には制御電圧Ｖｃｏｎｔとして初期定電圧Ｖｏが印加される。
次に、加速（図２に示す加速度αの逆方向の加速）が加わる時点ｔ１から時点ｔ２までの期間Ｂにおいては、加速度に伴う音叉型水晶振動素子２０ｂの周波数の低下をＰＬＬ制御にて補正するよう第２の共振回路８には制御電圧Ｖｃｏｎｔとして初期定電圧Ｖｏより高い電圧Ｖ１が印加される。
次に、定速度運動による加速度が「０」となる時点ｔ２から時点ｔ３までの期間Ｃにおいては、音叉型水晶振動素子２０ｂへの慣性力が「０」になり、音叉型水晶振動素子２０ｂが初期状態に戻るため、音叉型水晶振動素子２０は期間Ｂの状態から周波数が高くなるよう変化しようとする。従って、この場合は第２の共振回路８の共振周波数の上昇をＰＬＬ制御にて補正するよう第２の共振回路８には制御電圧Ｖｃｏｎｔとして初期定電圧Ｖｏが印加される。
【００２３】
次に、減速がかかる時点ｔ３から時点ｔ４までの期間Ｄにおいては、減速に伴う音叉型水晶振動素子２０ｂの周波数の上昇をＰＬＬ制御にて補正するよう第２の共振回路８には制御電圧Ｖｃｏｎｔとして初期定電圧Ｖｏより低い電圧Ｖ２が印加される。
次に、定速度運動による減速が「０」となる時点ｔ４以降の期間Ｅにおいては、音叉型水晶振動素子２０ｂへの慣性力が「０」になり、音叉型水晶振動素子２０ｂが初期状態に戻るため、音叉型水晶振動素子２０ｂは期間Ｄの状態から周波数が低くなるよう変化しようとする。従って、この場合は第２の共振回路８の周波数下降をＰＬＬ制御にて補正するよう第２の共振回路８には制御電圧Ｖｃｏｎｔとして初期定電圧Ｖｏが印加される。
そこで、本実施形態の加速度検出装置１においては、上記したように第２の共振回路８の制御電圧Ｖｃｏｎｔである高利得増幅回路１１の出力電圧を、バッファアンプ１２を介して加速度検出信号Ｓαとして出力することで、期間Ｂ、期間Ｄにおいて加わる定加速度を検出することができる。尚、定速度状態に於いてＶＣＸＯ２の出力信号と第２の共振回路８の出力信号との位相差を９０°に設定したことにより、上述の通り加速・減速の違いに対して位相差に増減を発生させて加速度方向を検知することを可能にしている。
なお、本実施形態の加速度検出装置１では、高利得増幅回路１１の出力信号の一部を制御電圧Ｖｃｏｎｔとして第２の共振回路８にフィードバックするようにしているが、バッファアンプ１２の出力の一部を制御電圧Ｖｃｏｎｔとして第２の共振回路８にフィードバックすることも可能である。
【００２４】
また、本実施形態では第１及び第２の応力感応素子として音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂ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２０ａ、２０ｂより加速度感度を高めることができる。
【００２５】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図６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と同一部位には同一符号を付して説明は省略する。
この図６に示す加速度検出装置３０は、基準発振回路２、分周回路３、及び複数の加速度検出回路３１ａ、３１ｂ、３１ｃから構成される。
各加速度検出回路３１ａ、３１ｂ、３１ｃは、それぞれ第１の共振回路４、第１の矩形化回路５、位相比較回路６、９０°移相回路７、第２の共振回路８、第２の矩形化回路９、ＬＰＦ１０、高利得増幅回路１１、及びバッファアンプ１２を備えて構成される。
このとき、例えば、図７に示すように、加速度検出回路３１ａの第１及び第２の音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂの加速度検出軸をＸ軸、加速度検出回路３１ｂの第１及び第２の音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂの加速度検出軸をＹ軸、加速度検出回路３１ｃの第１及び第２の音叉型水晶振動素子２０ａ、２０ｂの加速度検出軸をＺ軸に夫々合わせて配置するようにしている。これにより、加速度検出装置の多軸化を図ることができる。またこの場合は、高価な基準発振回路２を共有できるので低コストで加速度検出装置の多軸化を図ることが可能になる。
【００２６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】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。
【図２】音叉型水晶振動素子の構成を模式的に示した図である。
【図３】本実施の形態の共振回路の位相特性を示した図である。
【図４】本実施形態の加速度検出装置１における速度と時間の関係、加速度と時間の関係、出力電圧と時間の関係をそれぞれ示した図である
【図５】双音叉型水晶振動素子の構成を示した図である。
【図６】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。
【図７】各加速度検出回路の検出軸方向を示した図である。
【図８】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】
【００２８】
１…加速度検出装置、２、７…ＶＣＸＯ、３…位相比較回路、４…ＬＰＦ、５…高利得増幅回路、６…バッファアンプ、８…ＤＣサーボ回路、２０ａ、２０ｂ…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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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