JPWO2005012920A1

JPWO2005012920A1 - 力学量センサ

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Abstract

２つの圧電振動子（Ｓａ，Ｓｂ）は、加速度等の力学量によって加わる応力が互いに逆となるように設ける。電流電圧変換−信号加算回路（１１）は、２つの圧電振動子（Ｓａ，Ｓｂ）に流れる電流信号を電圧信号に変換する。電圧増幅−振幅制限回路（１２）は、その２つの電圧信号の加算信号を増幅し、振幅を制限する。位相差電圧変換回路（１５）は加算信号と加速度検出素子（１０）へ与える帰還電圧信号（Ｖｏｓｃ）との位相差を検出する。位相シフト回路（１６）は、帰還電圧信号が所定の位相となるように位相制御する。フィルタ回路（１７）は発振周波数より高域の不要周波数帯の周波数成分を抑圧する。抵抗（ＲＬａ，ＲＬｂ）の抵抗値を大きくしてダンピング比を大きくすることによって温度安定性を高め、フィルタ回路（１７）により異常発振を防止し、位相制御回路（２０）により特性のばらつきを抑える。

Description

この発明は、加速度、角加速度、角速度、荷重等の力学量を検出する力学量センサに関するものである。

圧電振動子を備えた加速度センサとして、本願出願人は特許文献１を出願している。

この加速度センサは、加速度によって加わる応力が互いに逆である２つの圧電振動子と、２つのコンデンサを含む負荷インピーダンスでブリッジ回路を構成し、その平均出力間に分圧インピーダンス回路を設け、その分圧インピーダンス回路の分圧点の信号を帰還信号処理回路によって２つの圧電振動子の接続点に帰還させて発振回路を構成し、ブリッジ回路の平均出力間の発振出力位相差を検出して、これを加速度検出信号として出力するものである。

しかし、上記特許文献１に記載の加速度センサにおいては、２つの圧電振動子と２つのコンデンサを含む負荷インピーダンスとでブリッジ回路を構成しているので、ブリッジが平衡状態にならないと発振出力位相差が０にならない。すなわち２つの圧電振動子に加わる応力が共に０であっても、加速度センサの出力が０にならない。また、位相シフト回路によって、加速度に対する感度を最良点に合わせるための制御が困難であるという課題があった。

さらに、圧電振動子と回路との間隔は１０ｃｍ以上になる用途が想定されるため、原理的に、圧電振動子と回路間の距離をその程度に離しても問題が生じにくい検出方式が望まれていた。

そこで、本願出願人は、特許文献２にて上記課題を解決した力学量センサを出願している。その力学量センサは、力学量によって加わる応力が互いに逆である２つの圧電振動子と、該２つの圧電振動子に対して共通に電圧信号を印加する電圧信号印加回路と、前記２つの圧電振動子に流れる電流信号をそれぞれ電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、該電流電圧変換回路の出力信号同士の位相差を検出して力学量検出信号を出力する位相差信号処理回路とを備えている。

ここで特許文献２で示した力学量センサの構成例を図９を基に説明する。

図９において、加速度検出素子１０は、加速度によって加わる応力の方向が互いに逆である２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂからなる。この圧電振動子Ｓａ，Ｓｂには直列に抵抗ＲＬａ，ＲＬｂを接続している。電流電圧変換−信号加算回路１１は、加速度検出素子１０の２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂに流れる電流信号を電圧信号に変換して、Ｓａ信号およびＳｂ信号を出力する。また、両信号の加算信号を出力する。

電圧増幅−振幅制限回路１２は、上記加算信号を電圧増幅するとともに、その振幅制限を行い、加速度検出素子１０に対して電圧信号Ｖｏｓｃを出力する。この電圧信号Ｖｏｓｃは、２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂの共通接続点に印加する。

位相差電圧変換回路１３は、電圧信号として変換されたＳａ信号とＳｂ信号との位相差に比例した電圧信号を生成する。

増幅−フィルタ回路１４は、位相差電圧変換回路１３により変換された電圧信号を所定のゲインで増幅し、不要な周波数帯域の成分を除去して、加速度検出信号として出力する。

図９の回路で、圧電振動子ＳａとＳｂの共振周波数を揃え、Ｖｏｓｃの周波数をＳａとＳｂの共振周波数ｆｒ（０）とし、圧電振動子Ｓａ、圧電振動子Ｓｂには、それぞれ圧縮（引っ張り）、引っ張り（圧縮）という具合に、逆相の応力が印加されると、増幅−フィルタ回路１４から出力信号を取り出すことができる。

Ｖｏｓｃは、圧電振動子Ｓａ，Ｓｂ、電流電圧変換−信号加算回路１１、および電圧増幅−振幅制限回路１２の回路をループとする自励発振回路の帰還電圧信号である。
特開２００２−２４３７５７公報特開２００３−２５４９９１公報

図９に示したように、圧電振動子Ｓａ，Ｓｂに対して直列に抵抗ＲＬａ，ＲＬｂを接続しているので、ダンピング比が大きくなり、広い温度範囲に亘って加速度検出感度の変化率を小さくでき、環境温度に対して安定化できる。

ここで上記圧電振動子に対して接続する抵抗の大きさと加速度検出感度（Ｇ感度）の温度特性変化率の関係を図１０の（Ａ）に示す。ここで横軸のダンピング比は、上記ＲＬａ＝ＲＬｂ＝ＲＬとし、圧電振動子の共振周波数での抵抗値を共振抵抗としたときに、「ダンピング比＝ＲＬ／共振時の抵抗値」で求められる値である。縦軸は使用全温度範囲（−４０℃から＋８５℃）での加速度検出感度の変化率レンジ（最大値−最小値）である。このようにダンピング比を大きくするに従い、加速度検出感度変化率レンジが小さくなり、温度変化に対して安定になることが分かる。

ところが発明者の実験によれば、ダンピング比を２とした時には正常動作したが、ダンピング比を６にまで高めると異常発振して力学量センサとして正常に動作しないことが分かった。またその異常発振の原因は、ダンピング比を大きくすることによって所望発振周波数でのレスポンスが低下し、不要発振周波数でのレスポンスとの差が小さくなることであることも分かった。

ここで、図９に示した加速度検出素子１０、電流電圧変換−信号加算回路１１および電圧増幅−振幅制限回路１２とによる自励発振回路のオープンループゲインの周波数特性を、ダンピング比を２とした場合について図１０の（Ｂ）に、ダンピング比を６とした場合について図１０の（Ｃ）にそれぞれ示す。ここでＳは所望発振周波数でのレスポンス、Ｎはそれより高い周波数で現れるゲインの高い不要発振周波数帯域でのレスポンスである。一般に、異常発振を防ぐには、所望発振周波数でのレスポンスＳのゲインＧｓと不要周波数帯域でのレスポンスＮの最大ゲインＧｎとの差が１０ｄＢ以上であることが必要とされている。この従来例で、ダンピング比を２とした場合には、その差が１１．５ｄＢになり異常発振しないが、ダンピング比を６とした場合には、その差が６．３ｄＢとなって異常発振してしまう。

なお、上述の課題は、加速度を検出するセンサに限らず、角加速度、角速度、荷重等の力学量に応じて圧電振動子に流れる電流が変化するようにしたセンサに生じる共通の課題である。

前述の不要周波数帯での信号強度を抑制するために前記自励発振回路の発振ループ内に周波数フィルタを設けることが考えられる。しかし周波数フィルタは位相特性を備えているので、帰還信号の周波数変化に対する位相の変化率（位相傾斜）が急峻になる。しかも周波数フィルタの位相特性にはばらつきがあるので、単に周波数フィルタを挿入しただけでは、その周波数フィルタの位相特性のばらつきの影響を大きく受けて、検出感度のばらつきや検出感度の温度変化率が増大するといった新たな問題が生じる。

そこで、この発明の目的は、上記異常発振の問題を回避して、より広い温度範囲に亘って安定した力学量検出感度を得られるようにした力学量センサを提供することにある。

そこで、この発明は、力学量によって加わる応力が互いに逆である２つの圧電振動子と、該２つの圧電振動子に対して共通に電圧信号を印加する電圧信号印加回路と、２つの圧電振動子に流れる電流信号をそれぞれ電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、該電流電圧変換回路の出力信号同士の位相差を検出して力学量検出信号を出力する位相差信号処理回路とを設けてなる力学量センサにおいて、２つの圧電振動子の電流経路に抵抗を接続し、電圧信号印加回路を、２つの圧電振動子に流れる電流の加算値に相当する加算信号を電圧増幅する電圧増幅回路と、該電圧増幅回路から出力される電圧信号の振幅を所定値に制限する振幅制限回路と、２つの圧電振動子に対して共通に印加する帰還電圧信号と前記加算信号との位相差を検出し、該位相差が所定値となるように帰還電圧信号の位相を制御する位相制御回路と、帰還電圧信号の不要な周波数成分を抑圧するフィルタ回路とから構成して、圧電振動子と、電圧増幅回路と、振幅制限回路と、位相制御回路と、フィルタ回路とで発振動作させるようにしたことを特徴としている。

この構成により、２つの圧電振動子に対する帰還電圧信号の不要な周波数成分をフィルタ回路によって抑圧し、且つ位相制御回路によって、圧電振動子に対する帰還電圧信号と、２つの圧電振動子に流れる電流の加算値に相当する加算信号との位相差が所定値となるように帰還電圧信号の位相を制御するので、フィルタ回路の挿入によって位相傾斜が急峻になるのを防止して、検出感度のばらつきや温度変化率を小さく抑える。

また、この発明は、前記フィルタ回路を、発振周波数を通過帯域に含むローパスフィルタとし、位相制御回路を、加算信号と帰還電圧信号との位相差を電圧信号に変換する位相差電圧変換回路と、該位相差電圧変換回路の出力信号と基準信号とを比較する比較回路と、該比較回路の出力電圧によってインピーダンスが変化する電圧制御抵抗回路と、該電圧制御抵抗回路のインピーダンスによって位相が変化するオールパスフィルタとから構成したことを特徴としている。

このように位相制御回路にオールパスフィルタを設け、加算信号と帰還電圧信号との位相差を電圧信号に変換し、この電圧信号と基準信号との比較結果によってオールパスフィルタの位相を制御することによって、ゲインを一定としたまま位相制御を行って安定した発振を維持できるようにする。

また、この発明は、前記位相制御回路を、前記帰還電圧信号と前記加算信号との位相差を力学量の検出感度が最大となるように位相制御するものとする。

これにより、力学量の検出感度を最大とする。

また、この発明は、前記力学量を、たとえば加速度、角加速度、角速度、荷重とする。

この発明によれば、力学量によって加わる応力が互いに逆である２つの圧電振動子のそれぞれに抵抗を接続してダンピング比を大きくすることにより、加速度検出感度変化率レンジが小さくなって、温度変化に対して安定になる。しかも、２つの圧電振動子に対して共通に印加する帰還電圧信号と２つの圧電振動子に流れる電流の加算信号との位相差が所定値に保たれ、且つ帰還電圧信号の不要な周波数成分が抑圧されるので、フィルタ回路を挿入したことによる位相傾斜の急峻化が防止されて、検出感度のばらつきや温度変化率が小さく抑えられる。さらに、位相制御によって加速度検出素子に対する帰還電圧信号の位相が安定し、発振動作が安定するので、力学量検出信号に含まれるノイズ成分が抑えられ、例えばそのノイズ成分を抑圧するためのローパスフィルタの時定数を小さく設定でき、その分応答性を高めることができる。

また、この発明によれば、前記帰還電圧信号の不要な周波数成分を抑圧するフィルタ回路を、発振周波数を通過帯域に含むローパスフィルタとし、２つの圧電振動子に対して共通に印加する帰還電圧信号と２つの圧電振動子に流れる電流の加算信号との位相差を所定値に保つ位相制御回路にオールパスフィルタを設けたことにより、ゲインを一定としたまま位相制御を行うことができ、安定した発振を維持できるようになる。

また、この発明によれば、前記位相制御回路を、帰還電圧信号と加算信号との位相差を力学量の検出感度が最大となるように位相制御するようにしたので、常に最大感度の状態で力学量を検出できるようになる。

第１の実施形態に係る加速度センサの全体の構成を示すブロック図である。同加速度センサの具体的な回路図である。同加速度センサにおける自励発振回路のオープンループゲインの周波数特性を示す図である。位相制御回路を設けたことによる帰還電圧信号の位相安定性を示す図である。温度変化による加速度検出感度の変化率の特性を示す図である。位相制御回路による出力ノイズ特性の改善効果を示す図である。第２の実施形態に係る加速度センサの構成を示す回路図である。加速度センサに備える圧電振動子の特性を示す図である。従来の加速度センサの全体の構成を示すブロック図である。従来の加速度センサにおけるダンピング比と加速度検出感度の温度変化による変化率レンジおよび自励発振回路のオープンループゲインの周波数特性を示す図である。

まず、この発明の実施形態である加速度センサに備える圧電振動子の特性を図８を参照して説明する。図８において、（Ａ）は、その図中に示した回路で、電圧源の周波数を変化させたときの電流の位相（すなわちアドミタンス位相）の変化を示している。また、実線は応力を印加していない状態、破線は応力を印加した状態である。図８の（Ｂ）は（Ａ）における共振周波数域の拡大図である。

図８において、位相が０［ｄｅｇ］になる周波数は、圧電振動子の共振周波数である。図８から明らかなように、応力印加により、共振周波数がｆｒ（０）からｆｒ（ｘ）に変化することが分る。また、電圧源の周波数をｆｒ（０）に固定しておくと、位相は応力印加によりφ（０）からφ（ｙ）に変化することが分る。

次に、第１の実施形態に係る加速度センサの構成を図１〜図６を参照して説明する。

図１は加速度センサ全体の構成を示すブロック図である。ここで加速度検出素子１０は加速度によって加わる応力の方向が互いに逆である２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂからなる。電流電圧変換−信号加算回路１１は、加速度検出素子１０の２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂに流れる電流信号を電圧信号に変換して、Ｓａ信号およびＳｂ信号を出力する。また、両信号の加算信号を出力する。

電圧増幅−振幅制限回路１２は、上記加算信号を電圧増幅するとともに、その振幅制限を行う。

位相制御回路２０は電圧増幅−振幅制限回路１２の出力信号の位相を制御する。フィルタ回路１７は位相制御回路２０の出力信号に対して所定の遮断周波数より高域の信号を減衰させる。

このフィルタ回路１７の出力信号Ｖｏｓｃが加速度検出素子１０に対して帰還される。すなわち、圧電振動子Ｓａ，Ｓｂ、電流電圧変換−信号加算回路１１、電圧増幅−振幅制限回路１２、位相制御回路２０およびフィルタ回路１７によるループが自励発振回路を構成していて、帰還電圧信号Ｖｏｓｃは、２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂの共通接続点に印加される。

上記位相制御回路２０は位相差電圧変換回路１５と位相シフト回路１６とから構成している。位相差電圧変換回路１５は電流電圧変換−信号加算回路１１からの加算信号とフィルタ回路１７の出力信号である帰還電圧信号Ｖｏｓｃとの位相差に応じた電圧信号を発生する。位相シフト回路１６は位相差電圧変換回路１５から出力された電圧信号に応じた位相シフト量だけ電圧増幅−振幅制限回路１２の出力信号を位相シフトさせてフィルタ回路１７へ出力する。

上記フィルタ回路１７は図１０の（Ｂ）に示した不要周波数帯域の周波数成分を抑圧するように、所望の発振周波数（圧電振動子の共振周波数ｆｒ）付近を遮断周波数としてこの所望発振周波数より高域側を減衰させる。その結果、図１０の（Ｂ）に示した不要周波数帯での最大ゲインＧｎを低下させて、所望発振周波数ｆｒでのゲインＧｓとＧｎとの差を大きくすることができる。

なお、フィルタ回路１７によってその入出力信号の位相が変化するが、位相制御回路２０が２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂに流れる電流の加算値に相当する加算信号とその２つの圧電振動子に対して共通に印加する帰還電圧信号Ｖｏｓｃとの位相差が常に所定値となるように位相制御するので、フィルタ回路１７による位相変化分は打ち消される。その結果、抵抗ＲＬａ，ＲＬｂの値を大きくしてダンピング比を大きくしても上記自励発振回路を安定して発振させることができる。

位相差電圧変換回路１３は、この発明に係る「位相差信号処理回路」に相当する回路であり、電圧信号として変換されたＳａ信号とＳｂ信号との位相差に比例した電圧信号を生成する。

図１の回路で、圧電振動子ＳａとＳｂの共振周波数を揃え、Ｖｏｓｃの周波数をＳａとＳｂの共振周波数ｆｒ（０）とすることによって、圧電振動子Ｓａ、圧電振動子Ｓｂに、それぞれ逆相の応力が印加されたとき、その応力に略比例した電圧信号を増幅−フィルタ回路１４から出力することができる。

Ｖｏｓｃの周波数は、圧電振動子ＳａとＳｂの共振周波数に限らず、図８に示した周波数−位相特性が略直線と見なせる周波数に設定しておけば、加速度信号を検出することができる。最も加速度検出感度が高くなるのは、Ｖｏｓｃの周波数を圧電振動子Ｓａ，Ｓｂの共振周波数に一致させたときであるが、実用的には、アドミタンス位相が±４５［ｄｅｇ］以内となる周波数であれば良い。

また、圧電振動子ＳａとＳｂの共振周波数が揃っていない場合でも、Ｖｏｓｃの周波数が、圧電振動子ＳａとＳｂのアドミタンス位相が、±４５［ｄｅｇ］以内となるようにすれば実用的な感度となる。好ましくは、Ｖｏｓｃの周波数が圧電振動子Ｓａの共振周波数と圧電振動子Ｓｂの共振周波数の中間であれば良い。

圧電振動子Ｓａ、圧電振動子Ｓｂには、それぞれ圧縮（引っ張り）、引っ張り（圧縮）という具合に、逆相の応力が印加されるので、圧電振動子ＳａとＳｂの特性変化が常に逆相となるため、加算すると打ち消し合い、電流電圧変換−信号加算回路１１から出力される加算信号は、加速度印加によらず常に同じ特性となるので、加速度印加によって圧電振動子ＳａとＳｂの特性が変化しても、Ｖｏｓｃの周波数は変動しない。

なお、図８に示したように、圧電振動子の位相特性にはアドミタンス位相が、±４５［ｄｅｇ］以内となる領域が２箇所（共振周波数域と***振周波数域）存在するが、***振周波数域では、圧電振動子のインピーダンスが高いので、電流電圧変換−信号加算回路１１に流入する電流が少なくなることにより、ゲインが小さくなり発振しない。

これに対し、共振周波数域では、圧電振動子のインピーダンスが低いために、電流電圧変換−信号加算回路１１に電流が多く流れ、ゲインが大きくなるので、安定に発振する。

共振周波数域では、圧電振動子のインピーダンスと電流電圧変換−信号加算回路１１の入力インピーダンスが、双方とも低く、また、整合も取りやすいため、Ｃ／Ｎ比を向上させることが容易である。

次に、図１に示した加速度センサの具体的な回路を図２に示す。まず電流電圧変換−信号加算回路１１において、オペアンプＯＰ１と帰還抵抗Ｒ２１とで第１の電流電圧変換回路を構成し、オペアンプＯＰ２と帰還抵抗Ｒ２２とで第２の電流電圧変換回路を構成している。さらに、オペアンプＯＰ３と抵抗Ｒ２３，Ｒ２４，Ｒ２５とによって加算回路を構成している。

図２に示したフィルタ回路１７はオペアンプＯＰ６、抵抗Ｒ５１，Ｒ５２、コンデンサＣ３，Ｃ４からなり、二次ローパスフィルタを構成している。すなわち遮断周波数より高い周波数帯域で、周波数が１０倍高くなるごとに４０ｄＢの割合で利得が減衰する。

図３の（Ａ）はダンピング比を２とした場合、また、図３の（Ｂ）はダンピング比を６とした場合の、このフィルタ回路１７を含む自励発振回路のオープンループゲインの周波数特性を示している。図１０の（Ｂ）と（Ｃ）に示した特性と比べれば明らかなように、不要周波数帯での最大ゲインＧｎが大きく減衰して、所望発振周波数でのゲインＧｓとの差が２５．９ｄＢと１７．６ｄＢになり十分に大きくなる。そのため、図１に示した抵抗ＲＬａ，ＲＬｂの値を大きくすることによってダンピング比を大きくしても異常発振を防止できる。つまり、図３の（Ｂ）に示すように、ダンピング比を６としても、不要周波数帯でのレスポンスＮの最大ゲインＧｎとの差が１７．６ｄＢになり、異常発振の目安とされている１０ｄＢに対して７．６ｄＢだけまだ余裕がある。

図２において、位相シフト回路１６は比較回路１６１、基準電圧回路１６０およびオールパスフィルタ１６２とで構成している。比較回路１６１はオペアンプＯＰ４、抵抗Ｒ３０およびコンデンサＣ１からなり、基準電圧回路１６０の発生する基準電圧と位相差電圧変換回路１５が出力する電圧との比較を行って、その電圧差を所定倍増幅した電圧信号を出力する。

オールパスフィルタ１６２は、全周波数帯域に亘ってゲインが一定で位相が０度から１８０度まで変化する特性を備えている。

図４は図１に示した位相制御回路２０による効果を示している。加速度検出素子１０の特性が含まれていると全体の位相特性が複雑に現れるので、ここでは加速度検出素子１０を除いた回路でその特性を示している。位相制御回路２０を設けない従来の回路では、Ｂで示すように周波数変化に対する位相変化の傾きが急であるが、位相制御回路２０を設けることによって、フィルタ回路１７を設けていない従来回路に比べても、Ａで示すように所定の位相制御周波数帯域で、周波数変化に対する位相変化の傾きが非常に小さく抑えられる。

発振周波数（圧電振動子の共振周波数ｆｒ）を中心とする所定周波数帯域を位相制御帯域とし、このように位相制御帯域で周波数変化に対する位相変化の傾きが小さいと、圧電振動子Ｓａ，Ｓｂの共振周波数が製造要因などでばらついても、加速度検出感度のばらつきが小さく抑えられる。また、位相制御回路２０を設けることによって、２つの圧電振動子に対する帰還電圧信号Ｖｏｓｃの位相を所定の位相に制御できるようになる。この実施形態では、その位相を６度に設定した。自励発振回路のトータルの位相は０度であるので、加速度検出素子１０の位相は−６度となる。これは加速度検出素子１０に流れる電流の位相がその印加電圧に対して−６度となることを意味する。このポイントは、この実施形態で用いた加速度検出素子１０の電流位相傾斜が最も直線的且つ急勾配になるポイントである。このようなポイントになるように位相を制御することによって、加速度検出感度が最大となり且つリニアリティも良くなるという効果が得られる。もちろん上述の「６度」はこの実施形態で設定した値であり、加速度検出素子１０の特性やセンサの目的に応じて適宜設定すればよい。

図５は温度変化による加速度検出感度の変化率の改善効果を示している。（Ａ）はダンピング比を２としたときの加速度検出感度の温度変化による変化率を、また（Ｂ）はダンピング比を６とした時の加速度検出感度の温度変化による変化率を示している。これらの例は、いずれも３つのサンプルを用いて測定した。従来回路ではダンピング比を６としたとき異常発振して加速度センサとして機能しなくなったが、この実施形態ではダンピング比を６としても安定に動作するようになり、−４０℃から−９０℃の広い温度範囲に亘って加速度検出感度の変化率レンジを±２％以内に抑えることができた。

図６は位相制御回路２０による出力ノイズ特性の改善効果について示している。図６の（Ａ）は従来回路の場合、（Ｂ）は本発明回路の場合である。ここで出力ノイズは図１に示した位相差電圧変換回路１３の出力に表れるノイズ成分である。位相制御回路２０を設けない従来回路では（Ａ）に示すように、ランダムな出力ノイズの振幅が大きいのに対し、位相制御回路２０を備えたこの実施形態に係る加速度センサでは、表れる出力ノイズが約１／２に抑えられた。これは位相制御回路２０によって加速度検出素子１０に対する帰還電圧信号Ｖｏｓｃの位相が安定し、その結果発振が安定化したことに起因しているものと考えられる。このように出力ノイズ成分が小さくなるので、増幅−フィルタ回路１４で出力ノイズ成分を抑圧するためのローパスフィルタの時定数を小さく設定できる。その結果、センサとしての応答性を高めることができる。

次に、第２の実施形態に係る加速度センサについて図７を基に説明する。

図２に示した構成と異なるのは、電流電圧変換−信号加算回路１１の構成である。この第２の実施形態では、加速度検出素子１０の圧電振動子Ｓａ，Ｓｂに流れる電流Ｉａ，Ｉｂが抵抗ＲＬａ，ＲＬｂに流れた際に、その抵抗ＲＬａ，ＲＬｂに生じる電圧を加算するものである。オペアンプＯＰ１，ＯＰ２はそれぞれ入力インピーダンスが非常に高く、利得が１の電圧フォロア回路を構成していて、オペアンプＯＰ３と抵抗Ｒ２５，Ｒ２６は非反転増幅回路を構成している。更にこの非反転増幅回路と抵抗Ｒ２３，Ｒ２４とによって加算回路を構成していて、オペアンプＯＰ１，ＯＰ２の出力電圧の加算信号を得る。

また、図２では抵抗ＲＬａ，ＲＬｂを加速度検出素子１０に対して直列に接続したが、図７の例では抵抗ＲＬａ，ＲＬｂをオペアンプＯＰ１，ＯＰ２の入力と接地との間に接続している。

なお、第１・第２の実施形態では、２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂに加速度によって加わる応力差を検出する加速度センサについて示したが、その他の力学量によって圧電振動子Ｓａ，Ｓｂに逆向きの応力が加わるように構成すれば、その力学量を検出するセンサが同様にして構成できる。たとえば、角加速度により２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂに応力差が発生するように構成すれば角加速度センサとして用いることができる。また、角速度により２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂに応力差が発生するように構成すれば角速度センサとして用いることができる。同様に、荷重により２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂに応力差が発生するように構成すれば荷重センサとして用いることができる。

この発明は、運動する物体の加速度、角加速度、角速度、荷重等の力学量を検出して、その物体の状態やその物体に関与する装置の状態を検知するために利用できる。

Claims

力学量によって加わる応力が互いに逆である２つの圧電振動子と、該２つの圧電振動子に対して共通に電圧信号を印加する電圧信号印加回路と、前記２つの圧電振動子に流れる電流信号をそれぞれ電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、該電流電圧変換回路の出力信号同士の位相差を検出して力学量検出信号を出力する位相差信号処理回路とを設けてなる力学量センサにおいて、
前記２つの圧電振動子の電流経路に抵抗を接続し、
前記電圧信号印加回路を、
前記２つの圧電振動子に流れる電流の加算値に相当する加算信号を電圧増幅する電圧増幅回路と、
該電圧増幅回路から出力される電圧信号の振幅を所定値に制限する振幅制限回路と、
前記２つの圧電振動子に対して共通に印加する帰還電圧信号と前記加算信号との位相差を検出し、該位相差が所定値となるように前記帰還電圧信号の位相を制御する位相制御回路と、
前記帰還電圧信号の不要な周波数成分を抑圧するフィルタ回路と、
から構成して、
前記圧電振動子と、前記電圧増幅回路と、前記振幅制限回路と、前記位相制御回路と、前記フィルタ回路とで発振動作させるようにした力学量センサ。
前記フィルタ回路を、前記発振周波数を通過帯域に含むローパスフィルタとし、
前記位相制御回路を、前記加算信号と前記帰還電圧信号との位相差を電圧信号に変換する位相差電圧変換回路と、
該位相差電圧変換回路の出力信号と基準信号とを比較する比較回路と、
該比較回路の出力電圧によってインピーダンスが変化する電圧制御抵抗回路と、
該電圧制御抵抗回路のインピーダンスによって位相が変化するオールパスフィルタと、
から構成した請求項１に記載の力学量センサ。
前記位相制御回路は、前記帰還電圧信号と前記加算信号との位相差を力学量の検出感度が最大となるように位相制御する請求項１または２に記載の力学量センサ。
前記力学量は加速度である請求項１〜３のいずれかに記載の力学量センサ。
前記力学量は角加速度である請求項１〜３のいずれかに記載の力学量センサ。
前記力学量は角速度である請求項１〜３のいずれかに記載の力学量センサ。
前記力学量は荷重である請求項１〜３のいずれかに記載の力学量センサ。