JP3456445B2 - センサ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】この発明はセンサ装置に関
し、特にたとえば、自動車の車体制御やビデオカメラの
手振れ補正などに利用されるセンサ装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】図８は、自動車の車体制御などに用いら
れるセンサ装置の回路を示すブロック図である。センサ
装置１０は、振動子１２を含む。振動子１２は、図９に
示すように、直方体状の振動体１４を含む。振動体１４
は、たとえば２枚の圧電体基板１６，１８を接合するこ
とによって形成される。これらの圧電体基板１６，１８
は、図９の矢印に示すように、互いに逆向きとなるよう
に分極される。一方の圧電体基板１６上には、その幅方
向の中央部において、振動体１２の長手方向に延びる溝
２０が形成される。さらに、振動体１４が屈曲振動する
ときの２つのノード点に対応する部分を挟むようにし
て、圧電体基板１６の幅方向に延びる２つの溝２２およ
び２つの溝２４が形成される。 【０００３】これらの溝２０，２２，２４で分割された
圧電体基板１６の表面に、電極が形成される。これらの
電極の中で、内側の溝２２，２４の間に形成された電極
２６，２８が、振動体１４の振動に対応した信号を出力
するための検出部として用いられる。さらに、他方の圧
電体基板１８上には、全面電極３０が形成される。 【０００４】振動子１２は、金属線などで形成された支
持部材３２，３４，３６，３８で支持される。支持部材
３２は、２つの溝２２で挟まれた部分の電極４０に、溶
接や半田付けなどによって接続される。この支持部材３
２は、検出部として用いられる電極２６に延びるように
形成され、電極２６に電気的に接続される。同様に、支
持部材３４は、２つの溝２４で挟まれた部分の電極４２
に接続される。この支持部材３４は、検出部として用い
られる電極２８に延びるように形成され、電極２８に電
気的に接続される。さらに、支持部材３６，３８は、振
動体１４のノード点に対応する部分において、全面電極
３０に接続される。これらの支持部材３２，３４，３
６，３８は、折り曲げられた形状に形成され、ケース４
４内に収納される。 【０００５】振動子１２の電極２６，２８は、それぞれ
バッファ５０，５２に接続される。これらのバッファ５
０，５２は合成回路５４に接続され、合成回路５４にお
いて、バッファ５０，５２の出力信号の和が得られる。
合成回路５４の出力信号は、発振回路５６に帰還され、
発振回路５６で増幅および位相調整される。このように
して、励振信号が形成され、得られた励振信号が全面電
極３０に入力される。さらに、バッファ５０，５２は差
動回路５８に接続され、バッファ５０，５２の出力信号
の差が得られる。差動回路５８の出力信号は同期検波回
路６０に入力され、合成回路５４の信号に同期して検波
される。同期検波回路６０で検波された信号は、積分回
路６２で積分され、さらに直流増幅回路６４で増幅され
る。 【０００６】このセンサ装置１０では、発振回路５６で
得られる励振信号によって、振動体１４が全面電極３０
形成面に直交する向きに屈曲振動する。このとき、支持
部材３２，３４，３６，３８は、振動体１４のノード点
に対応した部分を支持しているため、支持部材３２〜３
８の振動漏れは少ない。しかしながら、支持部材３２〜
３８からの振動漏れが全くないわけではなく、支持部材
３２〜３８も若干は振動する。このとき、支持部材３２
〜３８が折れ曲がった形状に形成されていることによ
り、支持部材３２〜３８の振動が吸収され、ケース４４
に振動が漏れることを防いでいる。 【０００７】さらに、差動回路５８からは、電極２６，
２８から出力された信号の差が出力される。そして、差
動回路５８の出力信号が、同期検波回路６０において、
合成回路５４の信号に同期して検波される。無回転時に
おいては、電極２６，２８形成部分の振動体１４の屈曲
状態は同じであるため、図１０に示すように、電極２
６，２８から同じ信号が出力される。そのため、差動回
路５８からは信号が出力されない。 【０００８】この状態で、振動体１４の軸を中心として
回転すると、コリオリ力が働き、振動体１４の振動方向
が変わる。そのため、電極２６，２８形成部分の振動体
の屈曲状態に差が生じ、電極２６，２８から出力される
信号に差が生じる。たとえば図１１に示すように、電極
２６からの出力信号のレベルが大きくなると、電極２８
からの出力信号のレベルが小さくなる。したがって、差
動回路５８からは、これらの信号の差が出力される。な
お、振動体１４の振動方向の変化は、コリオリ力の大き
さに対応しているため、電極２６，２８からの出力信号
の変化もコリオリ力に対応したものとなる。さらに、合
成回路５４の出力信号は、電極２６，２８からの信号の
和であるため、差動回路５８の出力信号と合成回路５４
の信号とは同位相である。したがって、合成回路５４の
信号に同期して差動回路５８の出力信号を検波すること
により、差動回路５８の出力信号の正部分のみを検波す
ることができる。そして、同期検波回路６０の出力信号
を積分回路６２で積分し、直流増幅回路６４で増幅する
ことにより、コリオリ力に対応したレベルを有する正の
直流信号を得ることができる。 【０００９】振動子１２が逆向きに回転すると、図１２
に示すように、電極２６からの出力信号のレベルが小さ
くなり、電極２８からの出力信号のレベルが大きくな
る。そのため、差動回路５８の出力信号は、図１１に比
べて逆位相となる。それに対して、合成回路５４の出力
信号は、図１１と同位相であるため、同期検波回路６０
では、差動回路５８の出力信号の負部分のみが検波され
る。したがって、直流増幅回路６４からは、コリオリ力
に対応したレベルを有する負の直流信号が得られる。こ
のように、直流増幅回路６４の出力信号のレベルから回
転角速度の大きさを検出することができ、直流増幅回路
６４の出力信号の極性から回転角速度の向きを検出する
ことができる。 【００１０】このようなセンサ装置１０は、たとえば自
動車のロールオーバーセンサなどとして用いることが考
えられている。ロールオーバーセンサは、自動車が横転
したときなどにその回転角速度を検出し、側面エアバッ
グを膨らませて人身事故を防ぐものである。また、セン
サ装置を用いて回転角速度を検出することにより、ビデ
オカメラの手振れを防止するためにも用いられる。 【００１１】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、自動車
が傾斜した場所に駐車しているときに横転した場合、水
平な場所に駐車しているときに比べて、横転の開始から
終了までの時間が短く、わずかな回転角速度を受けただ
けで側面エアバッグを膨らませる必要がある。すなわ
ち、自動車の初期傾斜を知った上で、側面エアバッグの
膨張のタイミングをコントロールしなければならない。
また、自動車の側面に他の自動車が衝突した場合、自動
車の横転による回転角速度に関する信号が、衝突による
加速度ノイズによって消されてしまう場合があり、信号
の処理が困難である。これらの全てを検出しようとすれ
ば、角速度センサ、傾斜角センサおよび加速度センサの
３種類が必要である。また、回転角速度を検出してビデ
オカメラの手振れ補正をすることは一般的となってきた
が、次の画像安定システムとして、水平検知が考えられ
ている。これは、回転振れに相当するものであるが、や
はり絶対的な水平性を検出する必要がある。 【００１２】それゆえに、この発明の主たる目的は、回
転角速度のみならず、傾斜角や直線的な加速度も検出す
ることができるセンサ装置を提供することである。 【００１３】 【課題を解決するための手段】この発明は、振動体と、
振動体の振動に対応した信号を出力する２つの検出部
と、２つの検出部から出力される信号の差をとるための
差動回路と、２つの検出部から出力される信号の和をと
るための合成回路と、差動回路の出力信号を検波するた
めの第１の同期検波回路および第２の同期検波回路とを
含み、２つの検出部から出力される信号のうち、振動体
の励振信号による振動に依存する成分の位相と振動体の
回転角速度に依存する成分の位相が同相となるよう構成
されたセンサ装置であって、第１の同期検波回路におい
て差動回路の出力信号を合成回路の出力で同期検波して
振動体の回転角速度を検出し、第２の同期検波回路にお
いて差動回路の出力とは９０°の位相差を有する信号で
差動回路の出力信号を同期検波して振動体にかかる直線
的な加速度を検出する、センサ装置である。 【００１４】無回転時においては、２つの検出部からの
出力信号は同位相で同レベルである。ここで、振動子に
回転角速度が加わると、コリオリ力によって振動体の振
動方向が変わり、２つの検出部からの出力信号のレベル
が変わるが、位相は変わらない。２つの検出部の出力信
号が同位相の場合には、それらの信号の差は２つの検出
部の出力信号と同位相となる。振動体の振動方向と異な
る向きに重力や直線的な加速度が加わると、２つの検出
部に異なる応力が加わり、それらの部分の共振周波数に
差が生じて、検出部から位相のずれた信号が出力され
る。このような信号の差をとると、重力などが加わって
いないときの検出部の出力信号と約９０°の位相差を有
する信号が得られる。そのため、回転角速度が加わった
ときに差動回路から得られる出力信号と、重力などが加
わったときに差動回路から得られる出力信号とは、約９
０°の位相差を有する。したがって、差動回路の出力信
号を９０°の位相差を有する信号に同期して検波するこ
とにより、回転角速度を検出することができるととも
に、重力または直線的な加速度を検出することができ
る。 【００１５】この発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施
の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。 【００１６】 【発明の実施の形態】図１は、この発明のセンサ装置の
回路の一例を示すブロック図である。このセンサ装置１
０は、図８に示すセンサ装置の構成を含んでいる。ここ
で、図８に示す同期検波回路６０は、図１では第１の同
期検波回路となる。この発明のセンサ装置１０では、差
動回路５８の出力信号が、第１の同期検波回路６０とは
別の第２の同期検波回路６６に入力される。また、合成
回路５４の信号は、位相回路６８に入力され、９０°位
相補正されて第２の同期検波回路６６に与えられる。そ
して、第２の同期検波回路６６において、位相回路６８
の信号に同期して、差動回路５８の出力信号が検波され
る。第２の同期検波回路６６の出力信号は積分回路７０
で積分され、さらに直流増幅回路７２で増幅される。 【００１７】このセンサ装置１０では、振動体１４の軸
を中心とした回転角速度については、図１１および図１
２に示すのと同様にして、第１の同期検波回路６０、積
分回路６２および直流増幅回路６４を用いて検出するこ
とができる。このセンサ装置１０が、たとえば自動車の
ロールオーバーセンサとして用いられており、この自動
車が水平な場所に駐車している場合、図２に示すよう
に、振動体１４の質量ｍによって力ｍｇが働き、電極２
６，２８形成部分の振動体１４は、それぞれ等価な撓み
方向の応力を受けている。ここで、ｇは重力加速度を示
す。この自動車が傾斜した場所に駐車している場合、図
３に示すように、振動体１４の振動方向と異なる向きに
力ｍｇが加わる。そのため、力ｍｇの向きに近い部分に
位置する電極２８形成部分の振動体１４には大きい応力
が加わり、力ｍｇの向きから遠い部分に位置する電極２
６形成部分の振動体１４には小さい応力が加わる。 【００１８】このような応力の差により、電極２６形成
部分の振動体１４と電極２８形成部分の振動体１４との
間に共振周波数の差が生じ、電極２６の出力信号は無回
転時の基本振動のときに比べて、図４に示すような位相
差が生じる。また、電極２８の出力信号については、電
極２６の出力信号とは反対方向に位相がずれる。このよ
うに、電極２６，２８の出力信号に位相差がある場合、
これらの信号の和をとると、傾斜がない場合の出力信号
の和とほぼ同位相となる。それに対して、これらの信号
の差をとると、これらの信号の和に比べて約９０°位相
差のある信号となる。そのため、合成回路５４の信号と
９０°の位相差を有する信号に同期して差動回路５８の
出力信号を検波すると、重力加速度によって生じた信号
の正部分のみが検波される。 【００１９】振動体１４が逆方向に傾斜した場合、電極
２６形成部分の振動体１４と電極２８形成部分の振動体
１４とに働く応力の関係は反対となり、図５に示すよう
に、電極２６，２８から出力される信号の位相の関係も
反対となる。この場合、これらの信号の和をとると、傾
斜がない場合の出力信号の和とほぼ同位相となる。ま
た、これらの信号の差をとると、これらの信号の和に比
べて約９０°の位相差のある信号となる。このとき、逆
向きに傾斜した場合の信号と比べると、互いに逆位相と
なっている。そのため、合成回路５４の信号と９０°の
位相差を有する信号に同期して差動回路５８の出力信号
を検波すると、重力加速度によって生じた信号の負部分
のみが検波される。 【００２０】このように、差動回路５８で電極２６，２
８からの出力信号の差をとり、合成回路５４の信号と９
０°の位相差を有する信号に同期して検波することによ
り、振動体１４の傾斜を検出することができる。そし
て、第２の同期検波回路６６で検波される信号を積分回
路７０で積分し、さらに直流増幅回路７２で増幅すれ
ば、そのレベルから傾斜の大きさを知ることができ、極
性から傾斜の向きを知ることができる。 【００２１】このような振動体１４の傾斜の検出は、重
力加速度の検出にほかならず、重力加速度以外の直線的
な加速度も同様に検出することができる。つまり、振動
体１４の軸に直交する向きの加速度により、振動体の各
部の共振周波数に差が生じ、電極２６，２８からの出力
信号の位相に差が生じるため、合成回路５４の信号と９
０°の位相差のある信号に同期して差動回路５８の出力
信号を検波することにより、加速度を検出することがで
きる。 【００２２】なお、コリオリ力に対応して電極２６，２
８から出力される信号の差と、直線的な加速度に対応し
て電極２６，２８から出力される信号の差とは、約９０
°の位相差を有することとなる。そのため、第１の同期
検波回路６０では、合成回路５４の信号に同期して差動
回路５８の出力信号が検波されることにより、直線的な
加速度に対応した信号は正部分と負部分の両方を含んで
検波され、積分回路６２で積分することにより相殺され
る。同様に、第２の同期検波回路６６では、合成回路５
４の信号と９０°の位相差を有する信号に同期して差動
回路５４の出力信号が検波されることにより、コリオリ
力に対応した信号は正部分と負部分の両方を含んで検波
され、積分回路７０で積分することにより相殺される。
したがって、直流増幅回路６４の出力信号にはコリオリ
力に対応する情報のみが含まれ、直流増幅回路７２の出
力信号には直線的な加速度に対応する情報のみが含まれ
ている。 【００２３】このように、このセンサ装置１０では、第
１の同期検波回路６０を用いることにより回転角速度を
検出することができ、第２の同期検波回路６６を用いる
ことにより直線的な加速度を検出することができる。そ
のため、このセンサ装置１０を自動車などに搭載すれ
ば、自動車の傾斜を考慮した上で自動車の横転を検出
し、それに対応して側面エアバッグを膨らませることが
できる。しかも、側面衝突などの直線的な加速度を検出
して、側面エアバッグを膨らませることもできる。さら
に、このセンサ装置１０をビデオカメラなどに搭載すれ
ば、水平検知を行うことができ、優れた画像安定システ
ムを得ることができる。 【００２４】このセンサ装置１０において、図６に示す
ように、振動体１４の長手方向中央部において、振動体
１４の下面に重り７４を取り付けてもよい。重り７４
は、たとえば板状体７４ａを含み、この板状体７４ａの
両端にブロック体７４ｂが形成される。そして、板状体
７４ａの中央部を振動体１４に接着することにより、振
動体１４の傾斜による応力の影響を際立たせることがで
きる。また、図７に示すように、振動体１４の両側にお
いて、支持部材３２，３４間に板状の重り７６を取り付
けてもよい。支持部材３２，３４は、振動体１４のノー
ド点に対応した部分に接続されているが、ノード点は振
動体１４の軸上にあり、支持部材３２，３４の接続部分
の振動が全くないわけではない。そのため、支持部材３
２，３４もある程度は振動しており、重り７６を取り付
けることにより、振動系に影響を与え、振動体１４の傾
斜による応力の影響を際立たせることができる。この効
果は、実験的に確かめることができた。 【００２５】なお、図６，図７，図９に示す振動子１２
では、振動体１４の圧電体基板１６上に全面電極を形成
し、ダイサーなどによって溝２０，２２，２４を形成す
ることにより、電極２６，２８，４０，４２および外側
の電極を形成しているが、外側の電極は振動子１２の動
作には関係のないものである。したがって、外側の電極
は形成されなくてもよく、スパッタリングなどによって
電極を形成する場合には、電極２６，２８，４０，４２
のみを形成すればよい。また、電極４０，４２は支持部
材３２，３４を溶接または半田付けするためのものであ
り、２つに分割する必要はない。さらに、振動体１４上
に全面電極を形成したのち、エッチングなどによってこ
れらの電極を形成する場合には、外側の電極部分を完全
に除去することができる。 【００２６】 【発明の効果】この発明によれば、回転角速度、傾斜お
よび直線的な加速度の全てを検出することができるセン
サ装置を得ることができる。したがって、このセンサ装
置を用いることにより、自動車のエアバッグの膨張のタ
イミングを効果的にコントロールすることができ、また
ビデオカメラの手振れ防止を効果的に行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】 【図１】この発明のセンサ装置の回路の一例を示すブロ
ック図である。 【図２】図１に示すセンサ装置に用いられる振動子にそ
の振動方向と同じ向きに重力が加わっているときの状態
を示す図解図である。 【図３】図１に示すセンサ装置に用いられる振動子にそ
の振動方向と異なる向きに重力が加わっているときの状
態を示す図解図である。 【図４】振動子が一方向に傾斜したときの各部の信号と
第２の同期検波回路における検波タイミングを示す波形
図である。 【図５】振動子が他方向に傾斜したときの各部の信号と
第２の同期検波回路における検波タイミングを示す波形
図である。 【図６】この発明のセンサ装置に用いられる振動子の他
の例を示す斜視図である。 【図７】この発明のセンサ装置に用いられる振動子のさ
らに他の例を示す斜視図である。 【図８】この発明の背景となるセンサ装置の回路の一例
を示すブロック図である。 【図９】センサ装置に用いられる振動子の一例を示す斜
視図である。 【図１０】基本振動をしているときの各部の信号を示す
波形図である。 【図１１】振動子が一方向に回転したときの各部の信号
と同期検波回路における検波タイミングを示す波形図で
ある。 【図１２】振動子が他方向に回転したときの各部の信号
と同期検波回路における検波タイミングを示す波形図で
ある。 【符号の説明】 １０ センサ装置 １２ 振動子 １４ 振動体 １６，１８ 圧電体基板 ２０，２２，２４ 溝 ２６，２８ 電極 ３０ 全面電極 ３２，３４，３６，３８ 支持部材 ４０，４２ 電極 ５４ 合成回路 ５６ 発振回路 ５８ 差動回路 ６０ 第１の同期検波回路 ６６ 第２の同期検波回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04 G01P 15/14

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 振動体、 前記振動体の振動に対応した信号を出力する２つの検出
   部、 ２つの前記検出部から出力される信号の差をとるための
   差動回路、２つの前記検出部から出力される信号の和をとるための
   合成回路、 および前記差動回路の出力信号を検波するた
   めの第１の同期検波回路および第２の同期検波回路を含
   み、２つの前記検出部から出力される信号のうち、前記振動
   体の励振信号による振動に依存する成分の位相と前記振
   動体の回転角速度に依存する成分の位相が同相となるよ
   う構成されたセンサ装置であって、 前記第１の同期検波回路において前記差動回路の出力信
   号を前記合成回路の出力で同期検波して前記振動体の回
   転角速度を検出し、前記第２の同期検波回路において前
   記差動回路の出力とは９０°の位相差を有する信号で前
   記差動回路の出力信号を同期検波して前記振動体にかか
   る直線的な加速度を検出する、センサ装置。