(57)【要約】【課題】電源ノイズの影響を受けることなく、加速度検出信号の直線性を高めることができる加速度検出装置を提供する。【解決手段】クロック信号を発生するクロック発生回路１と、圧電共振子１１を有し、クロック信号とは位相が９０°異なるクリップ電圧信号Ｓ３を発生するクリップ電圧発生回路４と、クロック信号Ｓ１がＨレベルのときに電位信号Ｖａを選択しＬレベルのときにクリップ電圧信号Ｓ３を選択するスイッチ回路１５ａ、１５ｂと、クロック信号Ｓ１がＬレベルのときに電位信号Ｖａを選択しＨレベルのときにクリップ電圧信号Ｓ３を選択するスイッチ回路１５ｃ、１５ｄとを有する信号選択回路５と、スイッチ回路１５ｃ、１５ｄにより選択された選択信号Ｓ５からスイッチ回路１５ａ、１５ｂにより選択された選択信号Ｓ４を減算する減算回路６と、を備え、圧電共振子１１が音叉型圧電振動素子２０ｂからなる。【選択図】図１
2009121827.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロック信号を発生するクロック発生回路と、
加速度検出素子の加速検知結果に基づく周波数特性を有し且つ前記クロック信号とは位相が異なるクリップ電圧信号を発生するクリップ電圧発生回路と、
前記クロック信号の電圧レベルがハイレベルのときに基準電位信号を選択し、ローレベルのときにクリップ電圧信号を選択する第１の選択回路と、前記クロック信号の電圧レベルがローレベルのときに基準電位信号を選択し、ハイレベルのときに前記クリップ電圧信号を選択する第２の選択回路と、
前記第２の選択回路により選択された信号と前記第１の選択回路により選択された信号とを減算する減算回路と、を備えたことを特徴とする加速度検出装置。
【請求項２】
前記クリップ電圧発生回路は、正弦波状の信号を発生する発振回路と、該発振回路の信号をクリップ電圧信号にするクリップ回路とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の加速度検出装置。
【請求項３】
前記クロック発生回路は正弦波状の信号を発生する発振回路と、前記発振回路の信号を矩形波形の前記クロック信号に変換する矩形化回路とを備え、前記加速度検出素子は加速度に応じて信号を移相して出力するものであり、前記クリップ電圧発生回路は、クリップ回路を有すると共に前記発振回路の出力端子と前記クリップ回路との間に前記加速度検出素子を接続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。
【請求項４】
前記加速度検出素子が第１の音叉型圧電振動素子からなり、該第１の音叉型圧電振動素子の振動腕の延長方向を加速度検出方向と一致させるように構成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の加速度検出装置。
【請求項５】
前記クロック発生回路は、第２の音叉型圧電振動素子を備え、前記第１及び第２の音叉型圧電振動素子は、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の音叉型圧電振動素子の各振動腕の延長方向を加速度検出方向と一致させ、且つ、各振動腕の延長方向が逆向きになるよう前記第１及び第２の音叉型圧電振動素子を配置したことを特徴とする請求項４に記載の加速度検出装置。
【請求項６】
前記減算回路は反転入力端子と非反転入力端子とを有する増幅回路であり、前記第１選択回路は第１のスイッチ回路と、第２のスイッチ回路とを備え、前記第２選択回路は第３のスイッチ回路と、第４のスイッチ回路とを備え、前記第１のスイッチ回路と前記第３のスイッチ回路はハイレベルの前記クロック信号によりオン動作するものであり、前記第２のスイッチ回路と前記第４のスイッチ回路はローレベルの前記クロック信号によりオン動作するものであり、
前記演算回路の一方の入力端子と前記基準電位信号の出力端子との間に第１のスイッチ回路と、前記一方の入力端子と前記クリップ電圧発生回路の出力端子との間に第２のスイッチ回路と、前記演算回路の他方の入力端子と前記クリップ電圧発生回路の出力端子との間に第３のスイッチ回路と、前記他方の入力端子と前記基準電位信号との間に第４のスイッチ回路とを備えたことを特徴とする請求項１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、音叉型圧電振動素子を用いた加速度検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加速度を検出する加速度センサや角速度を検出するジャイロセンサ（角速度センサ）等の物理量センサは、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。この種の物理量センサとしては、例えば、特許文献１の振動型角速度検出装置や特許文献２の振動ジャイロなどがある。
図９は、特許文献１に開示されている従来の振動型角速度検出装置の構成を示した図、図１０は、図９に示した振動型角速度検出装置の出力波形を示したタイムチャートである。
この図９に示す従来の振動型角速度検出装置は、検出装置本体Ｓと信号処理回路Ｅとによって構成され、例えば、角速度が生じているとき、検出装置本体Ｓの検出用圧電素子１３０ａ、１３０ｂが、振動片１２０ａ、１２０ｂの振動に伴い角速度振動電圧を発生する。信号処理回路Ｅの増幅器１５１は、検出装置本体Ｓにおいて発生した角速度振動電圧を増幅振動電圧に増幅し、この増幅振動電圧が接地レベルよりも高いときにのみコンパレータ１５２がＨレベル（ハイレベル）の比較電圧を発生する。
また、信号処理回路Ｅは、検出装置本体Ｓに設けられた振動参照用圧電素子１１５ａ、１１５ｂに接続した自励発振回路１４０を備えている。この自励発振回路１４０は増幅器１４１を有しており、この増幅器１４１は、振動参照用圧電素子１１５ａ、１１５ｂの共通端子からの振動参照電圧を増幅し、増幅参照電圧として発生する。移相器１４２は増幅器１４１からの増幅参照電圧を、その位相をほぼ９０°だけ移相するように制御し、移相制御電圧として発生する。そして、この移相器１４２の移相制御電圧が接地レベルよりも高いときにのみコンパレータ１５３がＨレベルの比較電圧を発生する。
排他的論理和回路１５４は、図１０に示すコンパレータ１５２の比較電圧Ｖ１０と、コンパレータ１５３の比較電圧Ｖ１１の排他的論理和をとり、ゲート電圧Ｖ１２を発生する。ＬＰＦ１６０は、排他的論理和回路１５４からのゲート電圧の低周波数成分をフィルタ電圧Ｖ１３として発生する。増幅器１７０はＬＰＦ１６０のフィルタ電圧を角速度電圧に増幅して出力する。
【特許文献１】特開平５−２４０６４９号公報
【特許文献２】特開昭６１−１９３０１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記図９に示した従来の振動型角速度検出装置は、装置の小型化を図るために信号処理回路Ｅをロジック回路で構成してＩＣ化した場合、排他的論理和回路１５４から出力されるゲート電圧Ｖ１２の振幅レベルは、Ｒａｉｌ  ｔｏ  Ｒａｉｌで変動する。つまり、排他的論理和回路１５４のゲート電圧Ｖ１２は電源電圧に依存することになる。このため、電源電圧にノイズが含まれている場合は、図１１（ａ）に示すように排他的論理和回路１５４のゲート電圧Ｖ１２にノイズ成分が含まれてしまい、ＬＰＦ１６０を介して増幅器１７０から出力される角速度電圧がノイズの影響を受けてしまうという問題点があった。
特に、電源電圧レベルが急激に変動した場合は、排他的論理和回路１５４から出力されるゲート電圧Ｖ１２は、図１１（ａ）に示すような波形Ｘから波形Ｙに急激に変動するため、ＬＰＦ１６０から出力されるフィルタ電圧Ｖ１３は、図１１（ｂ）に示すように、ゲート電圧Ｖ１２の電圧変動に応じたオフセット電圧Ｖｏｆｆが生じるという問題点があった。
【０００４】
また、上記したような物理量センサは本出願人からも各種提案されている。
図１２は、本出願人が先行技術（特願２００６−１９８７５０）として提案している加速度センサの構成を示した図である。
図１２に示す加速度センサ２００は、発振回路（ＯＳＣ）２１０と、フィルタ回路２２０と、ＯＳＣ２１０から出力される信号の位相（位相角度）を９０度シフトさせてフィルタ回路２２０に出力する９０度移相回路２３０と、フィルタ回路２２０から出力される信号とＯＳＣ２１０から出力される信号とを乗算する乗算回路２４０と、乗算回路２４０から出力される信号を積分する積分回路２５０とを有している。
ＯＳＣ２１０は、第１の音叉型圧電振動素子２１１を備え、フィルタ回路２２０は、第１の音叉型圧電振動素子２１１とは逆向きに配置された第２の音叉型圧電振動素子２２１を備えており、加速度センサ２００に加速度が作用した場合は、ＯＳＣ２１０が備える第１の音叉型圧電振動素子２１１の周波数が増加または減少する一方、フィルタ回路２２０が備える第２の音叉型圧電振動素子２２１の周波数が減少または増加する。
よって、加速度センサ２００において、加速度を作用させ、ＯＳＣ２１０が備える第１の音叉型圧電振動素子２１１の周波数とフィルタ回路２２１が備える第２の音叉型圧電振動素子２２１の周波数との差をとった場合、その絶対値は、ＯＳＣ２１０の第１の音叉型圧電振動素子２１１の周波数変化分よりも大きくなる。
【０００５】
図１３は、図１２に示した加速度センサの動作を説明するためのタイムチャートである。図１２に示したＯＳＣ２１０から積分回路２４０に出力される基準信号Ａは、図１３（ａ）に示すように、矩形波状であるのに対して、ＯＳＣ２１０から９０度移相回路２３０に出力される出力信号はサイン波状とされる。よって、９０度移相回路２３０の出力信号Ｂは、図１３（ｂ）に示すように、サイン波形でかつ基準信号Ａに対して位相が９０度ずれたものとなる。従って、加速度が加わっていない状態であれば、乗算回路２４０から出力される出力信号Ｃの波形は、図１３（ｃ）に示すように、＋側と−側の波形が等しくなり、積分回路２５０で積分した結果は「０」になる。
一方、加速度が加わった状態では、９０度移相回路２３０の出力信号Ｂは、図１３（ｄ）に示すように、加速度に応じてφだけ位相がずれたものとなる。従って、乗算回路２４０の出力信号Ｃの波形は、図１３（ｅ）に示すようになる。従って、図１３（ｅ）に示す乗算回路２４０の出力信号Ｃを積分すると、積分回路２５０からは電圧ｈに相当する電圧が出力され、この電圧ｈが加速度として検出するようにしている。
このように図１２に示した加速度センサは、ＯＳＣ２１０からの基準信号を基に９０度移相回路２３０から出力される正弦波状の出力信号Ｂをチョッピング整形して加速度を検出するようにしている。このように構成した場合は、乗算回路２３０の出力信号Ｃが電源ノイズの影響を受けにくくなるという利点がある。
【０００６】
しかしながら、図１２に示した加速度センサは、図１４に示すように加速度αが「０」のときは、＋側と−側の波形が等しくなるが、加速度αが加わるに従って＋側と−側の波形の大きく異なったものとなる。これは、加速度αが加わるに従って、正弦波である９０度移相回路２３０の出力信号Ｂがチョッピングされる移動が変化するため、１波長におけるデューディ比が５０％にならなくなる。この結果、積分回路２５０から出力される加速度検出信号Ｓαと加速度αとの関係は、図１４に示すように、加速度αの増加と共に変動幅が小さくなり、加速度αの変化に対する加速度検出信号Ｓαの直線性が損なわれるという問題点があった。
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、電源ノイズの影響を受けることなく、加速度検出信号の直線性を高めることができ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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の加速度検出装置は、クロック信号を発生するクロック発生回路と、加速度検出素子の加速検知結果に基づく周波数特性を有し且つクロック信号とは位相が異なるクリップ電圧信号を発生するクリップ電圧発生回路と、クロック信号の電圧レベルがハイレベルのときに基準電位信号を選択し、ローレベルのときにクリップ電圧信号を選択する第１の選択回路と、クロック信号の電圧レベルがローレベルのときに基準電位信号を選択し、ハイレベルのときにクリップ電圧信号を選択する第２の選択回路と、第２の選択回路により選択された信号と第１の選択回路により選択された信号とを減算する減算回路と、を備えたことを特徴とする。
このような本発明によれば、クリップ電圧発生回路から出力されるクリップ電圧信号が電源ノイズや電源電圧変動の影響を殆ど受けないので、出力する加速度検出信号も電源電圧変動の影響を受けないものとすることができる。またクリップ電圧発生回路から出力されるクリップ電圧信号を利用することで加速度の変化に対する加速度検出信号の変化をほぼ直線的に保つことができる。
【０００８】
また本発明の加速度検出装置は、クリップ電圧発生回路は、正弦波状の信号を発生する発振回路と、該発振回路の信号をクリップ電圧信号にするクリップ回路とを備えたことを特徴とする。
このような本発明によれば、クリップ電圧発生回路から出力されるクリップ電圧信号が電源ノイズや電源電圧変動の影響を殆ど受けないので、出力する加速度検出信号も電源電圧変動の影響を受けないものとすることができる。またクリップ電圧発生回路から出力されるクリップ電圧信号を利用することで加速度の変化に対する加速度検出信号の変化をほぼ直線的に保つことができる。
【０００９】
また本発明の加速度検出装置は、クロック発生回路は正弦波状の信号を発生する発振回路と、発振回路の信号を矩形波形のクロック信号に変換する矩形化回路とを備え、加速度検出素子は加速度に応じて信号を移相して出力するものであり、クリップ電圧発生回路は、クリップ回路を有すると共に発振回路の出力端子とクリップ回路との間に加速度検出素子を接続したことを特徴とする。
このような本発明によれば、クリップ電圧発生回路から出力されるクリップ電圧信号が電源ノイズや電源電圧変動の影響を殆ど受けないので、出力する加速度検出信号も電源電圧変動の影響を受けないものとすることができる。またクリップ電圧発生回路から出力されるクリップ電圧信号を利用することで加速度の変化に対する加速度検出信号の変化をほぼ直線的に保つことができる。
【００１０】
また本発明の加速度検出装置は、加速度検出素子が第１の音叉型圧電振動素子からなり、第１の音叉型圧電振動素子の振動腕の延長方向を加速度検出方向と一致させるように構成したことを特徴とする。このような本発明によれば、加速度を精度良く検出することができる。
【００１１】
また本発明の加速度検出装置は、クロック発生回路が、第２の音叉型圧電振動素子を備え、第１及び第２の音叉型圧電振動素子は、それぞれ並列に配置された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し、第１及び第２の音叉型圧電振動素子の各振動腕の延長方向を加速度検出方向と一致させ、且つ、各振動腕の延長方向が逆向きになるよう第１及び第２の音叉型圧電振動素子を配置したことを特徴とする。このような本発明によれば、加速度検出装置の加速度感度を高めることができる。
【００１２】
また本発明の加速度検出装置は、減算回路が反転入力端子と非反転入力端子とを有する増幅回路であり、第１選択回路は第１のスイッチ回路と、第２のスイッチ回路とを備え、第２選択回路は第３のスイッチ回路と、第４のスイッチ回路とを備え、第１のスイッチ回路と第３のスイッチ回路はハイレベルのクロック信号によりオン動作するものであり、第２のスイッチ回路と第４のスイッチ回路はローレベルのクロック信号によりオン動作するものであり、演算回路の一方の入力端子と基準電位信号の出力端子との間に第１のスイッチ回路と、一方の入力端子とクリップ電圧発生回路の出力端子との間に第２のスイッチ回路と、演算回路の他方の入力端子とクリップ電圧発生回路の出力端子との間に第３のスイッチ回路と、他方の入力端子と基準電位信号との間に第４のスイッチ回路とを備えたことを特徴とする。
このような本発明によれば、クリップ電圧発生回路から出力されるクリップ電圧信号が電源ノイズや電源電圧変動の影響を殆ど受けないので、出力する加速度検出信号も電源電圧変動の影響を受けないものとすることができる。またクリップ電圧発生回路から出力されるクリップ電圧信号を利用することで加速度の変化に対する加速度検出信号の変化をほぼ直線的に保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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は、クロック発生回路１、クリップ電圧発生回路４、信号選択回路５、減算回路６、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと称する）７により構成される。
クロック発生回路１は、発振回路（ＯＳＣ）２と矩形化回路３とにより構成される。また、クリップ電圧発生回路４は、移相器１０、加速度検出素子としての圧電共振子１１、増幅器１２及びクリップ回路１３により構成される。また、信号選択回路５は、インバータ１４と４つのスイッチ回路１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄにより構成される。
【００１４】
ＯＳＣ２は、音叉型圧電振動素子（第２の音叉型圧電振動素子）２０ａを備える。音叉型圧電振動素子２０ａは、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。
このため、ＯＳＣ２は、音叉型圧電振動素子２０ａの加速度検出軸方向に加速度が加わっていない場合は、或る周波数の正弦波状の基準信号を出力する一方、音叉型圧電振動素子２０ａの加速度検出軸方向に加速度が加わった場合は、周波数が或る周波数より増加又は減少した基準信号を出力する。この基準信号は、矩形化回路３及びクリップ電圧発生回路４の９０°移相器１０に入力される。
【００１５】
矩形化回路３は、例えばコンパレータなどにより構成され、ＯＳＣ２から入力される基準信号を矩形波状のクロック信号Ｓ１に変換して出力する。
クリップ電圧発生回路４を構成する移相器１０は、ＯＳＣ２から入力される正弦波状の基準信号の位相を９０°移相して圧電共振子１１に出力する９０°移相器である。なお、本実施形態では移相器１０として９０°移相器を設けるようにしているが、移相器は必ずしも９０°移相器である必要はない。
圧電共振子１１は、音叉型圧電振動素子（第１の音叉型圧電振動素子）２０ｂにより構成され、加速度検出軸方向に加速度が印加された場合に９０°移相器１０の出力信号を移相した周波数特性を有する信号を出力する。
増幅器１２は、圧電共振子１１の出力信号Ｓ２を増幅してクリップ回路１３に出力する。
クリップ回路１３は、例えば、ツェナーダイオードＤ１、Ｄ２により構成され、増幅器１２により増幅された圧電共振子１１の出力信号Ｓ２をクリップしてクリップ電圧信号Ｓ３として出力する。この場合、ツェナーダイオードＤ１、Ｄ２は、アノード同士を接続したうえで、ツェナーダイオードＤ１のカソードを増幅器１２の出力ラインに接続する一方、ツェナーダイオードＤ２のカソードに、クリップ電圧信号Ｓ３の中点電位Ｖａ（例えば中点電位Ｖａは０Ｖ）を印加するようにしている。
【００１６】
信号選択回路５のスイッチ回路１５ａ〜１５ｄは、例えば制御信号がＨ（ハイ）レベルのときにオン、制御信号がＬ（ロー）レベルのときにオフとなるようにトランジスタ回路などで構成されたスイッチであり、スイッチ回路１５ａ、１５ｃの制御端子には矩形化回路３からのクロック信号Ｓ１が、スイッチ回路１５ｂ、１５ｄの制御端子にはクロック信号Ｓ１をインバータ１４で反転した反転クロック信号Ｓ１’がそれぞれ入力される。つまり、スイッチ回路１５ａ、１５ｃがオンのときはスイッチ回路１５ｂ、１５ｄがオフ、逆にスイッチ回路１５ａ、１５ｃがオフのときはスイッチ回路１５ｂ、１５ｄがオンとなるように開閉が制御される。
スイッチ回路１５ａ、１５ｄの一端には、中点電位Ｖａを基準電位信号として印加し、スイッチ回路１５ｂ、１５ｃの一端にはクリップ電圧発生回路４のクリップ電圧信号Ｓ３を印加する。
一方、スイッチ回路１５ａの他端はスイッチ回路１５ｂの他端と接続し、スイッチ回路１５ｃの他端はスイッチ回路１５ｄの他端と接続する。これにより、スイッチ回路１５ａとスイッチ回路１５ｂとからなる第１の選択回路と、スイッチ回路１５ｃとスイッチ回路１５ｄとからなる第２の選択回路を構成するようにしている。
【００１７】
減算回路６は、例えばコンパレータ１６と抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４により構成され、コンパレータ１６の＋側入力端子（非反転入力端子）に抵抗Ｒ１、−側入力端子（反転入力端子）に抵抗Ｒ２をそれぞれ接続する。またコンパレータ１６の出力端子と−側入力端子との間に抵抗Ｒ３を接続すると共に、コンパレータ１６の＋側入力端子と接地（ＧＮＤ）との間に抵抗Ｒ４を接続する。これにより、コンパレータ１６は＋側入力端子の入力信号から−側入力端子の入力信号を減算した信号を出力端子から出力することが可能になる。そして、本実施形態では、コンパレータ１６の−側入力端子には、抵抗Ｒ１を介して信号選択回路５の第１の選択回路（スイッチ回路１５ａ、１５ｂ）を接続し、＋側入力端子には、抵抗Ｒ２を介して信号選択回路５の第２の選択回路（スイッチ回路１５ｃ、１５ｄ）を接続するようにした。
ＬＰＦ７は、減算回路６の出力信号Ｓ６を積分し、その積分値を加速度検出信号Ｓαとして出力する。
【００１８】
ここで、本実施形態の加速度検出装置に備られる音叉型圧電振動素子について説明しておく。
図２は、音叉型圧電振動素子の構成を模式的に示した図である。
この図２に示すように、音叉型圧電振動素子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、音叉型圧電振動素子２０ａ、２０ｂの各結合部２２を、当該音叉型圧電振動素子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、各結合部２２は基板と接続する固定部である。このとき、図２に示すように音叉型圧電振動素子２０ａの各振動腕２１ａ、２１ｂと音叉型圧電振動素子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、音叉型圧電振動素子２０ａの振動腕２１ａ、２１ｂの自由端部と音叉型圧電振動素子２０ｂの振動腕２１ａ、２１ｂの自由端部を対向配置する、或いは音叉型圧電振動素子２０ａの結合部２２と音叉型圧電振動素子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圧電振動素子２０ａ、２０ｂ間で互いに逆向きとなるようにした。
【００１９】
このように構成される音叉型圧電振動素子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、音叉型圧電振動素子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圧電振動素子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、音叉型圧電振動素子２０ａの周波数は引張応力の影響を受けて高くなる。一方、音叉型圧電振動素子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、音叉型圧電振動素子２０ｂの周波数は圧縮応力の影響を受けて低くなる。
そこで、本実施形態の加速度検出装置では、音叉型圧電振動素子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。
このような音叉型圧電振動素子２０ａ、２０ｂは、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）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圧電振動素子２０ａ、２０ｂの屈曲振動の概念を破線により示したが、実際には音叉型圧電振動素子２０の形状自体は殆ど変位しないものである。
【００２０】
次に、圧電共振子１１の機能について説明する。
図３は圧電共振子１１の位相特性を示した図である。
ここでは、動作説明を分かり易くするために、音叉型圧電振動素子２０ａ、２０ｂの加速度検出に伴う動作を分けて説明する。
先ず、音叉型圧電振動素子２０ａでの加速度検出に伴う動作ついて説明する。
定速運動状態における圧電共振子１１の移相特性を、図３に実線で示すような特性に設定しておく。この場合、圧電共振子１１では、周波数Ａの信号が入力されたときは、圧電共振子１１から出力される出力信号との位相差は「０」となる。
ここで、音叉型圧電振動素子２０ａの振動腕２１ａ、２１ｂ延長方向へ加速運動が生じ、音叉型圧電振動素子２０ａ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、音叉型圧電振動素子２０ａは慣性力の影響を受けて周波数が低下する。音叉型圧電振動素子２０ａの周波数が周波数Ａから周波数Ｂに低下した場合、圧電共振子１１に入力される信号の周波数はＡからＢに低下するので、圧電共振子１１から出力される信号との位相差としてΔＡＢが得られることになる。
一方、上記した音叉型圧電振動素子２０ａの振動腕２１ａ、２１ｂに圧縮方向の慣性力が加わった場合、圧電共振子１１である音叉型圧電振動素子２０ｂでは、振動腕２１ａ、２１ｂに引っ張り方向の慣性力が加わるので、音叉型圧電振動素子２０ｂは、慣性力の影響を受けて周波数が上昇する。この場合、圧電共振子１１の位相特性は、図３に実線で示した波形から破線で示した波形へと推移することになる。
従って、音叉型圧電振動素子２０ａの周波数が周波数Ａから周波数Ｂに低下した場合、圧電共振子１１から出力される信号の位相は、ΔＡＢの約２倍のΔＡＢ’の位相差を有するものとなる。
【００２１】
以下、本実施形態の加速度検出装置の動作を図４に示したタイムチャートを用いて説明する。
まず、加速度αが加わっていない場合、ＯＳＣ２の基準信号を矩形化回路３で矩形化したクロック信号Ｓ１は、図４（ａ）に示すような矩形波状となる。一方、クリップ電圧発生回路４の圧電共振子１１から出力される出力信号Ｓ２は、図４（ｂ）に実線で示したような正弦波でクロック信号Ｓ１とは移相が９０°異なった波形となる。従って、クリップ回路１３でクリップされたクリップ電圧信号Ｓ３は、図４（ｃ）に実線で示したよう波形となる。
一方、信号選択回路５のスイッチ回路１５ａ〜１５ｄは、制御信号がＨレベルのときにオン、Ｌレベルのときにオフとなるので、スイッチ回路１５ａ、１５ｃはクロック信号Ｓ１がＨレベルのときにオン、Ｌレベルのときにオフとなる。逆にスイッチ回路１５ｂ、１５ｄはクロック信号Ｓ１がＬレベルのときにオン、Ｈレベルのときにオフとなる。
従って、クロック信号Ｓ１がＨレベルのときに、信号選択回路５の第１の選択回路（スイッチ回路１５ａ、１５ｂ）の出力信号Ｓ４は、図４（ｄ）に示すように中点電位Ｖａとなり、信号選択回路５の第２の選択回路（スイッチ回路１５ｃ、１５ｄ）の出力信号Ｓ５は、図４（ｅ）に示すようにクリップ電圧信号Ｓ３となる。
逆にクロック信号Ｓ１がＬレベルのときは、信号選択回路５の第１の選択回路の出力信号Ｓ４はクリップ電圧信号Ｓ３、第２の選択回路の出力信号Ｓ５は中点電位Ｖａとなる。よって、減算回路６の出力信号Ｓ６は、図４（ｆ）に実線で示したような波形となる。
【００２２】
一方、加速度αが加わった場合、クリップ電圧発生回路４の出力信号Ｓ２は、図４（ｂ）に破線で示すようになり、加速度αに応じてφだけ位相がずれることになる。従って、図４（ｃ）に示すクリップ電圧信号Ｓ３も破線で示したように加速度αに応じて位相がずれた波形となり、信号選択回路５の第１及び第２の選択回路から出力される出力信号Ｓ４、Ｓ５、及び減算回路６の出力信号Ｓ６は、それぞれ図４（ｄ）（ｅ）（ｆ）に破線で示したような波形となる。
【００２３】
このように本実施形態の加速度検出装置では、クリップ電圧発生回路４から出力されるクリップ電圧信号Ｓ３をＯＳＣ２の正弦波状の基準信号をクリップして生成するようにしているため、電源電圧にノイズが含まれている場合でもクリップ電圧信号Ｓ３は電源ノイズの影響を受けることが無い。
また、矩形化回路３から出力されるクロック信号Ｓ１は、信号選択回路５のスイッチ回路１５ａ〜１５ｄの開閉制御を行う制御信号として利用するだけなので、電源電圧変動によりクロック信号Ｓ１の振幅レベルが変動した場合でも、加速度検出信号Ｓαは電源電圧変動の影響を受けることがない。
さらに本実施形態の加速度検出装置では、図５に示すように、加速度無し（α＝０）と、加速度有りの場合では、減算回路６から出力される出力信号Ｓ６のクリップ領域の面積Ｓ１だけが変化し、出力信号Ｓ６の正弦波領域の面積Ｓ２はほとんど変化しないものとなる。従って、ＬＰＦ７から出力される加速度検出信号Ｓαと加速度αとの関係は、図６に示すようになり、加速度αの変化に対する加速度検出信号Ｓαの変化をほぼ直線的に保つことができる。つまり、本実施形態の加速度検出装置によれば、電源ノイズや電源変動の影響を受けることなく、しかも加速度検出信号Ｓαの直線性を高めることができるようになる。但し、加速度αがより増加して、出力信号Ｓ６のクリップ領域の面積Ｓ１のみならず、正弦波領域の面積Ｓ２も変化してしまうと、図６に示すように、加速度検出信号Ｓαの直線性が得られなくなるので、加速度検出信号Ｓαが直線性が得られない領域に到達しないように設計を行う必要がある。
【００２４】
なお、第１の実施形態に係る加速度検出装置では、ＯＳＣ２は正弦波状の基準信号だけを出力するものとしているため、信号選択回路５の前段に矩形化回路３を設けるようにしているが、例えばＯＳＣ２を正弦波状の信号と矩形波状の信号との２出力型水晶発振器であれば、矩形化回路３を設ける必要はない。
【００２５】
図７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に示した加速度検出装置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。
上記図１に示した加速度検出装置では、ＯＳＣ２の基準信号を矩形化回路３で矩形化してクロック信号Ｓ１を得るようにしているのに対して、図７に示した加速度検出装置３０では、クロック発生回路１として矩形波状のクロック信号を出力する発振回路１７を設け、クリップ電圧発生回路４にＯＳＣ２を設けるようにしたものである。このように構成した場合も、図１に示した加速度検出装置と同様の効果が得られる。また、クロック発生回路１から矩形化回路３が不要になるので、クロック発生回路１の構成がシンプルになる。
【００２６】
なお、これまで説明した音叉型圧電振動素子２０ａ、２０ｂの構成はあくまでも一例であり、本発明の音叉型圧電振動素子としては、例えば図８に示すような双音叉型水晶振動子を用いることも可能である。
図８に示す双音叉型圧電振動素子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だけを双音叉型圧電振動素子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良い。なお、結合部２２ａは基板と接続する固定部である。
双音叉型圧電振動素子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大きな慣性力を発生させることができるので、上記した音叉型圧電振動素子２０ａ、２０ｂより加速度感度を高めることができる。
【００２７】
なお、これまで説明した本実施形態の加速度検出装置では、ＯＳＣ２に音叉型圧電振動素子２０ａを設け、クリップ電圧発生回路４の圧電共振子１１に音叉型圧電振動素子２０ｂを設けるようにしているが、少なくとも圧電共振子１１だけを音叉型圧電振動素子２０ｂにより構成すれば、本発明の加速度検出装置は実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【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図。
【図２】音叉型圧電振動素子の構成を模式的に示した図。
【図３】圧電共振子の位相特性を示した図。
【図４】図１に示した加速度検出装置の動作を示したタイムチャート。
【図５】加速度に応じて減算回路から出力される出力信号の波形を示した図。
【図６】ＬＰＦ７から出力される出力電圧と加速度との関係を示した図。
【図７】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図。
【図８】双音叉型圧電振動素子の構成を示した図。
【図９】従来の振動型角速度検出装置の構成を示した図。
【図１０】図９に示した振動型角速度検出装置の出力波形を示したタイムチャート。
【図１１】図９に示した従来の振動型角速度検出装置の問題点を説明した図。
【図１２】本出願人が先行技術として提案した加速度センサの構成を示した図。
【図１３】図１２に示した加速度センサの動作を説明するためのタイムチャート。
【図１４】図１２に示した加速度センサの問題点を説明した図。
【符号の説明】
【００２９】
２  発振回路（ＯＳＣ）、３  矩形化回路、４  クリップ電圧発生回路、５  信号選択回路、６  減算回路、７  ＬＰＦ、１０  ９０°移相器回路、１１  圧電共振子、１２  アンプ、１３  クリップ回路、１４  インバータ、１５  スイッチ回路、１６  コンパレータ、２０ａ、２０ｂ  音叉型圧電振動素子、２１ａ、２１ｂ  振動腕、２２  結合部、２３  双音叉型圧電振動素子
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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