JP4775576B2 - 速度センサおよびその調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、速度センサおよびその調整方法に関するものである。

速度センサには、移動体からパルスを地面に向けて照射し、その反射を移動体へ戻し、この時のドップラー効果により速度を求めるものがある。具体的には、速度センサは、１個の送波器と２個の受波器を備えており、信号反射面に向いている移動体の主面に送波器と受波器を設けている。この速度センサは、送波器から信号反射面に向けてパルス変調された送波信号を出射し、信号反射面で散乱された送波信号を各受波器で受信している。そして速度センサは、各受波器で受けた信号の周波数を読み取って周波数差または周波数の和と差を求め、これからドップラー効果により移動体の走行速度を求めている（特許文献１）。
特開昭５９−８１５７２号公報

前述した速度センサでは、送波信号を信号反射面で反射させなければならないので、移動体は常に地面等の信号反射面に隣接している必要がある。このため前述した速度センサは、信号反射面に隣接できない移動体、例えば航空機や宇宙船等に搭載することができず、搭載できる移動体の種類が限定されてしまう。また前述した速度センサは、送波器と受波器を移動体の外部に出さなければならないので、送波器と受波器を移動体の外面に配設する工事が必要になるとともに、設置する場所が限定されてしまう。このため前述した速度センサは、移動体に容易に搭載することができない。

本発明は、慣性系で速度の検出ができる速度センサを提供することを目的とする。また本発明は、この速度センサの調整方法を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明に係る速度センサは、２つの周波数信号発生源と、少なくとも１つの前記周波数信号発生源に設けられ、加速度を周波数信号として検知する加速度検出片と、前記２つの周波数信号発生源の後段にそれぞれ設けられ、前記周波数信号分周器から出力される周波数信号の周波数を分周する２つの分周器と、一方の前記分周器が出力する周波数信号と他方の前記分周器が出力する周波数信号とを入力して位相差を求める位相比較器と、前記位相比較器の後段に設けられ、位相差に応じた速度値を出力する低域通過フィルタとを備え、前記２つの周波数信号発生源の運動状態が停止の状態であるときに、前記２つの周波数信号発生源それぞれから出力される周波数信号の周波数が等しく前記２つの分周器それぞれの分周比が同じであり、前記位相比較器に入力する２つの周波数信号の周波数が一致したものである、ことを特徴とする。
本発明に係る速度センサの調整方法は、少なくとも１つが加速度を周波数信号として検知する加速度検出片を有し、一定速度の状態にて周波数が略一致した周波数信号を出力する２つの周波数信号発生源が、周波数信号を出力する工程と、２つの分周器それぞれが、前記２つの周波数信号発生源から出力される周波数信号それぞれを同一の分周比で分周する工程と、位相比較器が、一方の前記分周器が出力する周波数信号と他方の前記分周器が出力する周波数信号とを入力して位相差を求める工程と、低域通過フィルタが、前記位相差に応じた速度値を出力する工程と、前記加速度検出片の運動状態が停止の状態のとき、前記低域通過フィルタの後段といずれか１つの前記周波数信号発生源が備えた圧電制御型の周波数制御回路とを接続する帰還ループを短絡するよう前記スイッチ部を制御し、前記２つの周波数信号発生源の位相差を調整する工程と、前記２つの周波数信号発生源の位相差を調整した後、前記帰還ループを開放するよう前記スイッチ部を制御する工程と、を有する。
本発明に係る速度センサは２つの周波数信号発生源を有し、少なくとも１つの周波数信号発生源が加速度検出片を有し、一方の周波数信号発生源が出力する周波数信号の位相と、他方の周波数信号発生源が出力する周波数信号の位相とを例えばずらしておき、各周波数信号を入力して位相差を求める位相比較器を設け、位相比較器の後段に低域通過フィルタを設けたことを特徴としている。

速度センサに加速度が加わると周波数信号発生源から出力する周波数信号の周波数が変化し、位相比較器で検波される位相差も変化する。この位相差を低域通過フィルタで直流化すると、速度（速度値出力）を得ることができる。また位相をずらしておけば、速度センサを搭載した移動体が停止、定速または加速しているときでも、位相比較器で位相差を得ることができ、速度値出力を得ることができる。これにより速度センサは、完全に慣性系だけで速度を検出できるので、搭載できる移動体に制限が加わることがない。また速度センサは、移動体に設置する場所が限定されることはなく、移動体の空いている場所に配設できるので、取り付け場所に苦労しなくて済み、容易に取り付けできる。

前述した２つの周波数信号発生源はいずれも加速度検出片を有し、一方の加速度検出片の感度方向と他方の加速度検出片の感度方向とを逆にして配設したことを特徴としている。速度センサに加速度が加わると一方の加速度検出片から出力される周波数信号の周波数が高く（低く）なり、他方の加速度検出片から出力される周波数信号の周波数が低く（高く）なるので、周波数信号の互いの位相差が変化する。これにより速度センサは、位相差の変化に基づいて速度を得ることができる。

前述した加速度検出片は音叉振動片であり、一方の周波数信号発生源を構成する音叉振動片の振動腕の延長方向と、他方の周波数信号発生源を構成する音叉振動片の振動腕の延長方向とを互いに対向する方向に向けて配設したことを特徴としている。振動腕の先端部の向きが互いに反対方向になっているので、速度センサに加速度が加わると、一方の音叉振動片の発振周波数を高く（低く）でき、他方の音叉振動片の発振周波数を低く（高く）できる。これにより周波数信号発生源から出力される周波数信号の周波数を、加速度に応じて変えることができる。

前述した周波数信号発生源は、双音叉振動片を備えた双音叉型振動子を備え、一方の周波数信号発生源を構成する双音叉振動片と、他方の周波数信号発生源を構成する双音叉振動片とを互いに対面する方向に向けて配設したことを特徴としている。双音叉振動片の平面部分（基部と振動腕で形成される面）と交差する方向に加速度が加わると、双音叉振動片はそれぞれ同じ方向に曲がる。これにより一方の双音叉振動片には圧縮力（引張力）が生じ、他方の双音叉振動片に引張力（圧縮力）が生じて、各双音叉振動片の発振周波数が変化する。よって周波数信号発生源から出力される周波数信号の周波数を、加速度に応じて変えることができる。

前述した周波数信号発生源は、双音叉振動片とカンチレバーとを備えた双音叉型振動子を備え、カンチレバーは、自由端部と、双音叉振動片に接合した固定端部とを備えるとともに、自由端部と固定端部とを接続した連結部を備え、固定端部に双音叉振動片の一方の基部を固着するとともに、自由端部に双音叉振動片の他方の基部を固着した構成を備え、一方の周波数信号発生源を構成する双音叉振動片と、他方の周波数信号発生源を構成する双音叉振動片とを互いに対面する方向に向けて配設したことを特徴としている。双音叉振動片は、加速度が加わるとカンチレバーとともに曲がり、発振周波数が変化する。これにより周波数信号発生源から出力される周波数信号の周波数を、加速度に応じて変えることができる。

前述した２つの周波数信号発生源は双音叉型振動子を備え、双音叉型振動子は、２つの双音叉振動片とカンチレバーを有し、カンチレバーは、自由端部と、双音叉振動片に接合した固定端部とを備えるとともに、自由端部と固定端部とを接続した連結部を備え、カンチレバーの対向するそれぞれの面における固定端部に双音叉振動片の一方の基部を固着するとともに、自由端部に双音叉振動片の他方の基部を固着したことを特徴としている。双音叉振動片は、加速度が加わるとカンチレバーとともに曲がり、発振周波数が変化する。これにより周波数信号発生源から出力される周波数信号の周波数を、加速度に応じて変えることができる。

また本発明に係る速度センサは、周波数信号発生源の後段に分周器を接続したことを特徴としている。各周波数信号発生源から出力する周波数信号の位相差が予め設定したときからずれた場合であっても、位相比較器は、分周器を介して各周波数信号を入力すれば、位相ずれ幅を小さくできる。

また本発明に係る速度センサは、いずれか１つの周波数信号発生源が電圧制御型の周波数制御回路を備え、低域通過フィルタの後段と、いずれか１つの周波数信号発生源の周波数制御回路とを接続する帰還ループを設け、リセット信号によって帰還ループの開放と短絡とを制御するスイッチ部を帰還ループに設けたことを特徴としている。スイッチ部を接続して位相同期回路を構成し、ロックされた状態にすれば、各周波数信号発生源から出力する周波数信号の位相差を９０°にできる。これにより速度センサが示す速度値に狂いが生じても、この狂いを無くすことができる。

また本発明に係る速度センサは、音叉振動片および双音叉振動片を水晶体で形成したことを特徴としている。これにより発振周波数の安定性を始めとする各振動片の様々な特性を良くすることができる。

以下に本発明に係る速度センサおよびその調整方法の実施形態について説明する。まず第１の実施形態について説明する。図１は第１の実施形態に係る速度センサのブロック図である。速度センサ１０は２つの周波数信号発生源１２を有しており、少なくとも１つが加速度検出回路になっている。そして第１の実施形態に係る速度センサ１０の周波数信号発生源１２は、加速度検出素子として音叉型振動子１４と、これに接続した発振回路１６を備えている。音叉型振動子１４は、パッケージ（図示せず）の内部に加速度検出片としての音叉振動片を搭載して、気密封止している。また発振回路１６は、発振用の増幅回路を備えており、音叉型振動子１４（音叉振動片）の共振信号を増幅・発振させ、この発振周波数に応じた周波数を有する周波数信号を周波数信号発生源１２の出力信号として出力している。なお加速度検出片の移動速度が定速度（速度が零も含む）であるときは、各周波数信号発生源１２から出力される周波数信号の周波数は同程度（周波数差が約１０ｐｐｍ以内）になっている。

そして加速度検出片の移動速度が零の状態において、各周波数信号発生源１２から出力される周波数信号間の位相をずらしている。すなわち２つの周波数信号発生源１２の運動速度が零の状態において、速度センサは、一方の周波数信号発生源１２に設けられた第１発振回路（ＯＳＣ１）１６ａから出力する周波数信号と、他方の周波数信号発生源１２に設けられた第２発振回路（ＯＳＣ２）１６ｂから出力する周波数信号との間に位相差が生じるように設定したものである。この位相差は、例えば９０°であればよい。

このような周波数信号発生源１２の出力端と位相比較器１８の入力端とが接続している。すなわち位相比較器１８は、各発振回路１６ａ，１６ｂの後段に接続している。そして位相比較器１８は、第１発振回路１６ａから出力される周波数信号と、第２発振回路１６ｂから出力される周波数信号との位相差を求め、検波信号を出力している。

位相比較器１８には、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）２０が接続している。低域通過フィルタ２０は、検波信号を入力すると高調波成分や雑音を取り除いており、所謂積分回路として機能する。そして低域通過フィルタ２０から出力する信号は、この速度センサ１０で計測した速度情報を有する直流電圧信号であるので、予め知り得ていた速度変化と電圧変化との関係から検知した速度情報（直流電圧信号）を数値的な速度値に置換えられる。

図２は音叉振動片を配設する向きの説明図である。前述したように音叉型振動子１４は、前記パッケージに加速度検出片として図２に示す音叉振動片２４を収容している。この音叉振動片２４は基部２６を備えるとともに、この基部２６に接続しつつ平行に配置された２本の振動腕２８を備えている。この音叉振動片２４、すなわち基部２６や振動腕２８は圧電体で形成されていればよい。なお前記圧電体が水晶体であれば、発振周波数の温度特性に関する安定性を始めとする音叉振動片２４の様々な特性が良好になるので、例えば、音叉振動片２４の周波数温度特性を補正する為の周波数温度補償回路を周波数信号発生源１２に付加する場合、半導体等の他の材質からなる振動片と比較して周波数温度特性に優れる音叉振動片２４を用いた周波数信号発生源１２であれば周波数補償回路に対し高い補償能力を必要としない。

したがって、このような場合、周波数補償回路として簡易な構成のものを使用することが可能であるから、速度センサ１０の回路規模および質量を小さくすることが可能である。なお質量の小さい速度センサ１０は、衝撃に対して受ける破壊エネルギが小さくなるので、移動体に搭載された後であっても耐久性に優れるという利点がある。
そして振動腕２８に励振電極（図示せず）を設けており、この励振電極は、基部２６に設けた接続電極（図示せず）を介して発振回路１６と導通している。

このような音叉型振動子１４は周波数信号発生源１２毎に設けられており、いずれの音叉型振動子１４も加速度検出素子として用いる場合は、第１発振回路１６ａに接続した音叉型振動子１４の感度方向と、第２発振回路１６ｂに接続した音叉型振動子１４の感度方向とを逆にして配設すればよい。すなわち第１発振回路１６ａに接続している音叉振動片２４の振動腕２８の延長方向と、第２発振回路１６ｂに接続している音叉振動片２４の振動腕２８の延長方向とを、互いに対向する方向に向けて配設すればよい。

具体的な例としては、音叉型振動子１４は、図２（Ａ）に示すように、各音叉振動片２４が直列になるように配設するとともに、音叉振動片２４の振動腕２８の先端部が互いに向かい合う方向になるよう配設すればよい。また他の例として、音叉型振動子１４は、図２（Ｂ）に示すように、各音叉振動片２４が並列になるように配設するとともに、振動腕２８の先端部を互いに反対へ向けて配設すればよい。

このように２つの音叉振動片２４を配設すると、一方向の加速方向に対して２つの音叉振動片２４の共振周波数の変化が逆になるので、速度センサ１０として速度検知感度能力が高いものとなる。

すなわち、例えば、図２（Ａ）において加速方向が右方向に発生した場合、加速に伴い加速方向と逆の慣性力がそれぞれの音叉振動片２４に働く。そしてこれにより左側に配設した音叉振動片２４には振動腕２８を基部２６側へ圧縮するような力が加わることで音叉振動片２４の共振周波数を低くさせる働きが発生するのに対して、右側に配設した音叉振動片２４には振動腕２８を基部２６とは逆方向（左側方向）へ引張るような力が加わることで音叉振動片２４の共振周波数を高くさせる働きが発生する。

したがって、このような構成の２つの音叉振動片２４を用いた速度センサ１０によれば、例えば、発振回路１６ａを有する周波数信号発生源１２が加速検知能力をもたないものであり、且つ、発振回路１６ａにだけ加速度検出素子を接続した構成の速度センサと比較して、加速度の発生に伴う周波数変化量が２倍得られるので、高い速度検知感度能力を得ることができる。

なお、それほど高い速度検知感度能力を必要としない場合であれば、発振回路１６ａを有する周波数信号発生源１２が加速度検知能力をもたないものであり、且つ、発振回路１６ｂにだけ加速度検出素子を接続した構成の速度センサ１０であっても足りる。

そしてこのような速度センサ１０の動作は次のようになっている。図３は速度センサ１０の動作を説明するチャートである。この速度センサ１０は少なくとも加速度検出片が移動体に搭載してあり、この移動体の速度を求めている。周波数信号発生源１２のいずれも加速度検出回路とした場合、移動体が移動すると、第１発振回路１６ａおよび第２発振回路１６ｂから出力する周波数信号の周波数がいずれも変化する。しかし図３を用いた説明では速度センサ１０の動作を理解し易くするために、第１発振回路１６ａから出力する周波数信号の周波数を一定とし、第２発振回路１６ｂから出力する周波数信号の周波数のみを変化させている。すなわち、例えば図２（Ａ）に示す左側に配設した共振子のみを加速度検出片として図１に示す第２発振回路１６ｂに接続して周波数信号発生源１２を構成した形態となっている。

まず速度センサ１０は、第１発振回路１６ａおよび第２発振回路１６ｂを発振させる。すなわち速度センサ１０は、第１発振回路１６ａに接続している音叉振動片２４を発振させて、この音叉振動片２４の発振周波数に応じた周波数を有する信号（周波数信号）を第１発振回路１６ａから出力する。また速度センサ１０は、第２発振回路１６ｂに接続している音叉振動片２４を発振させて、この音叉振動片２４の発振周波数に応じた周波数を有する信号（周波数信号）を第２発振回路１６ｂから出力する。この第１発振回路１６ａから出力する周波数信号と、第２発振回路１６ｂから出力する周波数信号の位相差は、予め所定値ずれている。なお、この所定値を９０°としておけば、例えば移動体が前進しても後進しても位相差を得ることができるのみならず、前進方向の速度検知感度と後進方向の速度検知感度の大きさを等しくすることができるので、例えば速度センサ１０を部品化した際に部品の搭載方向を気にする必要はない。

そして図３に示す定速１の状態の移動体が停止している場合（移動速度が零の状態）は、第１発振回路１６ａから出力する周波数信号と、第２発振回路１６ｂから出力する周波数信号の位相差は初期状態を維持しており、前記所定値のままになっている。

すなわち移動体が停止している場合は、音叉振動片２４（加速度検出片）に慣性力が加わっていないので２つの振動片の発振周波数が同じであり、第１発振回路１６ａから出力する周波数信号と、第２発振回路１６ｂから出力する周波数信号の位相差が９０°のまま一定になっている。なお図３では、速度センサ１０の動作を理解し易くするために、初期の時間に近い定速状態のとき（定速１）の第１発振回路１６ａから出力する周波数信号と、第２発振回路１６ｂから出力する周波数信号の位相差を９０°にしている。

そして位相比較器１８は、各発振回路１６ａ，１６ｂが出力した周波数信号を入力してこれらの位相差（９０°）を求め、この位相差に応じた差信号電圧（検波信号）を検出するので、位相比較器１８からはデューティー比が５０％の矩形波信号が低域通過フィルタ２０に出力される。低域通過フィルタ２０は、検波信号から高調波成分等を取り除いて、各周波数信号の位相差に応じた電圧（積分値）を得ている。

したがって低域通過フィルタ２０が出力する電圧値（速度値出力）も一定となっている。よってユーザは、予め知り得ていた速度変化と電圧変化との関係と、検知した速度値出力とから移動体の移動速度が零のまま停止状態であることを検知することができる。

この後、図３に示すように移動体が加速すると、音叉振動片２４に慣性力が加わる。移動体が加速する方向は、第２発振回路１６ｂに接続した音叉振動片２４における基部２６から振動腕２８の先端に向かう方向（図２（Ａ）において右側方向への加速）である。そして加速度センサ１０（音叉振動片２４）の感度方向は、基部２６と振動腕２８の先端とを結ぶ長手方向である。このため第２発振回路１６ｂに接続した音叉振動片２４には、振動腕２８の先端から基部２６に向かう方向に慣性力が加わって、この音叉振動片２４の発振周波数が低くなる。そして第２発振回路１６ｂから出力される周波数信号の周波数は低くなる。

位相比較器１８は、各発振回路１６ａ，１６ｂが出力した周波数信号の位相差を求めるが、この位相差は、定加速度運動の状態では第２発振回路１６ｂの周波数信号の周波数変化に応じて時間の経過と共に大きくなるので、その位相比較器１８の出力信号は図３に示すように時間の経過とともにＨｉｇｈレベル（電圧Ｖ）の状態の時間が長いものとなる。そして低域通過フィルタ２０は、検波信号から高調波成分等を取り除いて速度値出力を出力する。この速度値出力は位相差が大きくなるにしたがって大きくなるから、加速運動の状態では、図３に示すように時間の経過と共に電圧値が大きくなる。よってユーザは、予め知り得ていた速度変化と電圧変化との関係と、検知した速度値出力とから移動体の加速状態とその速度の変化を検知することができる。

この後、移動体が定速になると（定速２）、音叉振動片２４に慣性力が加わらなくなり音叉振動片２４の共振周波数が定速１のときと同じになる。したがって、第１発振回路１６ａの周波数信号と第２発振回路１６ｂの周波数信号とは、周波数が同じである。このため定速２の状態の間は、第１発振回路１６ａから出力する周波数信号と、第２発振回路１６ｂから出力する周波数信号の位相差が一定になるが、位相差は加速を終えたときの状態を維持している。すなわち移動体が加速状態から定速状態になった瞬間に、２つの周波数信号は、加速運動を終えた時点の位相状態を基準にして波長（周波数）が変化する。したがって、２つの周波数信号間には定速運動の状態においても加速状態にて得られる位相差が残る。すなわち位相比較器１８で求める周波数信号の位相差は、加速を終えたときの位相差を保存する。そして検波信号から高調波成分等を取り除くと、速度値出力は、加速を終えたときの値のまま一定となる。よってユーザは、予め知り得ていた速度変化と電圧変化との関係と、検知した速度値出力とを照らし合わせることで、移動体が定速運動の状態で移動し続けている状態であることを検知することができる。

この後、移動体が減速すると、第２発振回路１６ｂに接続した音叉振動片２４には、基部２６から振動腕２８の先端に向かう方向に慣性力が加わって、この音叉振動片２４の発振周波数が高くなる。そして第２発振回路１６ｂから出力される周波数信号の周波数は高くなる。位相比較器１８は、各発振回路１６ａ，１６ｂが出力した周波数信号の位相差を求めるが、この位相差は小さくなっていく。そして低域通過フィルタ２０は、検波信号から高調波成分等を取り除いて出力するが、この速度値出力は位相差が小さくなるにしたがって小さくなる。よってユーザは、予め知り得ていた速度変化と電圧変化との関係と、検知した速度値出力とから移動体の減速状態とその速度の変化を検知することができる。

この減速によって移動体の速度が定速１のときと同じ（移動速度が零の停止状態）になった時点から定速になると（定速３）、音叉振動片２４に慣性力が加わらなくなり第２音叉振動片２４の発振周波数、すなわち第２発振回路１６ｂから出力する周波数信号の周波数は定速１と同じになる。そして第１発振回路１６ａから出力する周波数信号と、第２発振回路１６ｂから出力する周波数信号の位相差が一定になるが、位相差は加速を終えたときの状態を維持している。すなわち移動体が減速状態から定速状態になると、位相比較器１８で求める周波数信号の位相差は、減速を終えたときの位相差を保存する。この位相差は、定速１のときの位相差と同じ９０°である。そして検波信号から高調波成分等を取り除くと、速度値出力は、減速を終えたときの値のまま一定となる。よってユーザは、予め知り得ていた速度変化と電圧変化との関係と、検知した速度値出力とから移動体の移動速度が零のまま保たれた停止状態であることを検知することができる。

このように速度センサ１０は、加速度検出片に慣性力が加わると周波数信号の周波数が変化する。そして速度センサ１０は、加速度検出片が２つの音叉振動片２４であれば、これらの振動腕２８の延長方向を対向する向きに配設しているので、慣性力が加わると一方の音叉振動片２４の振動腕２８が引張られて発振周波数が高くなり、他方の音叉振動片２４の振動腕２８が圧縮されて発振周波数が低くなる。すなわち各音叉振動片２４は、移動体の加速度に比例して発振周波数を変化できる。そして速度センサ１０は、各音叉振動片２４の発振周波数（各発振回路１６ａ，１６ｂから出力される周波数信号の周波数）を位相検波しているので、この位相検波を時間で微分したものが加速度に比例することになる。速度センサ１０は、これを積分することで速度を求めることができる。すなわち速度センサ１０は、低域通過フィルタ２０で検波信号を直流化することにより、速度値出力を得ることができる。よって速度センサ１０は、完全に慣性系だけで速度を検出できるので、搭載できる移動体に制限が加わることがなく、例えば航空機や宇宙船に搭載されても速度を検出できる。

また速度センサ１０は、移動体に配設される場所に制限が加わることがなく、移動体の空いている場所に配設できるので、取り付け場所に苦労しなくて済み、容易に取り付けできる。また速度センサ１０の音叉振動片２４を水晶で形成すれば、水晶の安定した性質により正確な速度を得ることができ、様々な分野の機器に速度センサ１０を搭載できる。また周波数信号発生源１２に音叉型振動子１４を用いているので、その発振周波数を数十ｋＨｚにすることができる。

さらに、２つの音叉振動片２４の周波数温度特性が等しいものを使用した速度センサ１０は、２つの音叉振動片２４の周波数信号間の温度ドリフトに伴う位相差の変化を抑えることができるので、温度変化に対して安定した速度情報を得ることができる。

さらに、速度センサ１０は、加速度検出片として共振子を使用したので、加速度を周波数信号として検知することができ、例えばジャイロセンサ等の電荷の変化を検知するセンサと比較して、電荷を電圧に変換するためのアナログ回路を必要としないので小型化に有利である他、ディジタル処理回路を構成しやすい利点もある。

次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、第１の実施形態の変形例について説明するので、第１の実施形態と同様の構成部分に同番号を付し、その説明を省略または簡略する。速度センサ３０は、各周波数信号発生源１２から出力される周波数信号の位相を予め前記所定量ずらしている。しかし周波数信号発生源１２から出力される周波数信号の位相がドリフトする場合があり、この位相ドリフトが生じたときは前記所定量がずれてしまう。そして各周波数信号の位相にずれ（位相ドリフト）が生じると、位相比較器１８の出力に誤差が生じ、最終的には速度センサ３０の出力に誤差が生じてしまう。第２の実施形態で説明する速度センサ３０は、このような位相ずれを少なくするものである。

図４は第２の実施形態に係る速度センサのブロック図である。第２の実施形態に係る速度センサ３０は、第１の実施形態で説明した速度センサ１０に分周器３２を設けたものである。すなわち第２の実施形態に係る速度センサ３０は、第１発振回路１６ａと位相比較器１８の間に第１分周器３２ａを設けるとともに、第２発振回路１６ｂと位相比較器１８の間に第２分周器３２ｂを設けている。そして移動体（周波数信号発生源１２）の運動状態が停止の状態であるときの第１発振回路１６ａの周波数信号と第２発振回路１６ｂの周波数信号との周波数が等しい場合、第１分周器３２ａの分周比と第２分周器３２ｂの分周比を同じにして位相比較器１８に入力する２つの周波数信号の周波数を一致させている。

図５は位相ずれ幅が小さくなることを説明するチャートである。図５には、位相ずれが発生していないときのチャートと、位相ずれが発生しているときのチャートを示しており、それぞれのチャートに第１発振回路１６ａ、第２発振回路１６ｂ、第１分周器３２ａおよび第２分周器３２ｂの出力を示している。そして位相ずれが発生する場合は、第１発振回路１６ａから出力される周波数信号の位相が初期状態からずれたり、第２発振回路１６ｂから出力される周波数信号の位相が初期状態からずれたりするが、図５では位相ずれ幅が小さくなることを理解し易くするために、第１発振回路１６ａから出力される周波数信号に位相ずれが発生してなく、第２発振回路１６ｂから出力される周波数信号にのみ位相ずれが発生した状態を示している。なお第１分周器３２ａおよび第２分周器３２ｂは、いずれも周波数信号の周波数を１／２に分周している。

図５の上側に示す位相ずれの無い状態から、下側に示す位相ずれが発生した状態になった場合、すなわち第２発振回路１６ｂから出力される周波数信号に位相ドリフトが発生して、この周波数信号の波長λ１に対して１０％のずれが生じた場合でも、第２分周器３２ｂの出力信号は、第２発振回路１６ｂから出力される周波数信号と比較して２倍の波長になっているので、この波長λ２に対して５％のずれになる。したがって、第１分周器３２ａおよび第２分周器３２ｂを設けずに、第１発振回路１６ａおよび第２発振回路１６ｂから出力される周波数信号を位相比較器１８に直接入力する場合に比べて、第１分周器３２ａおよび第２分周器３２ｂを介して第１発振回路１６ａおよび第２発振回路１６ｂから出力される周波数信号をそれぞれ位相比較器１８に入力する場合の方が、位相比較器１８に入力する周波数信号の波長に対して位相ずれ幅を小さくできる。

次に、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態では、前述した実施形態の変形例について説明するので、前述した実施形態と同様の構成部分に同番号を付し、その説明を省略または簡略する。音叉型振動子１４は、発振周波数が経時変化する。このため各発振回路１６ａ，１６ｂから出力される周波数信号の周波数が初期状態から変化し、第１発振回路１６ａから出力される周波数信号と第２発振回路１６ｂから出力される周波数信号の位相差が初期に設定した値（前記所定値）から変化してしまう。このような場合には、速度センサを搭載した移動体が停止しているにも拘わらず、ある速度、例えば１０ｋｍ／ｈを示す電圧値を出力する等の事態が発生してしまう。第３の実施形態で説明する速度センサ４０は、低域通過フィルタ２０の後段といずれか１つの周波数信号発生源１２とを接続して、位相同期回路を形成することにより、各発振回路１６ａ，１６ｂから出力される周波数信号の位相差を初期状態（前記所定値）に戻すことができるものである。

図６は第３の実施形態に係る速度センサのブロック図である。第３の実施形態に係る速度センサ４０は、低域通過フィルタ２０の出力と第２発振回路１６ｂに備えた電圧制御型の周波数制御回路とを帰還ループ４２で接続し、この帰還ループ４２にアンプ４４とスイッチ部４６を設けている。スイッチ部４６には外部零点リセット端子４８が接続しており、外部零点リセット端子４８を介してリセット信号を入力している。そしてスイッチ部４６は、帰還ループ４２を開放にしているが、リセット信号を入力することにより帰還ループ４２を短絡している。

そして各発振回路１６ａ，１６ｂから出力される周波数信号の周波数が経年時変化によりずれたり、位相差が初期状態からずれたりした等の場合、あるいは定期的または電源投入時において、移動体（周波数信号発生源１２）の運動状態が停止の状態のときに速度センサ４０は、外部零点リセット端子４８を介してリセット信号をスイッチ部４６に入力する。スイッチ部４６は、リセット信号を入力するとスイッチを接続して、低域通過フィルタ２０と第２発振回路１６ｂを導通する。これにより位相同期回路が形成される。

そして低域通過フィルタ２０から出力した信号（速度値出力）は、帰還ループ４２に入ってアンプ４４で増幅された後、第２発振回路１６ｂに入力する。第２発振回路１６ｂは、速度値出力の電圧値に応じて周波数を可変し、周波数信号として出力する。この周波数信号は、第２分周器３２ｂを介して位相比較器１８に入力する。位相比較器１８は、第１発振回路１６ａから出力された周波数信号を、第１分周器３２ａを介して入力しており、入力した２つの周波数信号の位相差を求めて検波信号として出力する。低域通過フィルタ２０は、検波信号の高調波成分を取り除いて出力する。

そして速度センサ４０は、ロックされた状態になるまで、すなわち位相比較器１８に入力する２つの周波数信号の周波数が同じになるとともに、位相差が９０°になるまで第２発振回路１６ｂに信号が入力する。このため速度センサ４０は、ロックされた状態になると、第１発振回路１６ａから出力される周波数信号の周波数と第１発振回路１６ａから出力される周波数信号の周波数が同じになるとともに、これらの周波数信号の位相差が初期状態（前記所定量）になっている。これが、速度が零になっている状態であり、各発振回路１６ａ，１６ｂから出力される周波数信号の位相差を初期状態（前記所定値）に戻すことができる。
そして２つの周波数信号の位相差を調整した後、帰還ループ４２を開放するようスイッチ部４６を制御する。

なお図６に示す形態は、第２の実施形態で説明した速度センサ３０に帰還ループ４２やスイッチ部４６、外部零点リセット端子４８、アンプ４４（帰還ループ４２等）を設けた構成であるが、第１の実施形態で説明した速度センサ１０に帰還ループ４２等を設けた構成であってもよい。

次に、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態では、周波数信号発生源１２の変形例について説明する。すなわち周波数信号発生源１２を構成する音叉型振動子１４の代わりに双音叉型振動子を用いることができるので、第４の実施形態では双音叉型振動子について説明する。

図７は双音叉型振動子の説明図である。ここで図７（Ａ）は双音叉振動片の概略平面図であり、図７（Ｂ）はカンチレバーの斜視図であり、図７（Ｃ）はカンチレバーに双音叉振動片を固着したときの概略斜視図である。双音叉型振動子５０は、パッケージ（図示せず）の内部に双音叉振動片５２とカンチレバー６０を搭載して、これらを気密封止している。

図７（Ａ）に示す双音叉振動片５２は、２本の振動腕を平行に配置しており、これらの両端に基部５６を設けている。この双音叉振動片５２、すなわち基部５６や振動腕５４は圧電体で形成されていればよい。なお前記圧電体が水晶体であれば、発振周波数の安定性を始めとする双音叉振動片５２の様々な特性が良好になる。そして各振動腕５４に励振電極（図示せず）を設けており、この励振電極は、基部５６に設けた接続電極（図示せず）を介して前記発振回路１６と導通している。

また図７（Ｂ）に示すカンチレバー６０は、前記パッケージ（双音叉型振動子）に固着される固定端部６２と、前記パッケージに固着されない自由端部６４とを有しており、固定端部６２と自由端部６４を板状の連結部６６で接続したものである。そして連結部６６の両面における中央部には溝部６８を設けている。この溝部６８を設けることにより、自由端部６４が振れやすくなる。

このようなカンチレバー６０には、図７（Ｃ）に示すように、連結部６６の平面部分に対向させて双音叉振動片５２を固着している。具体的には、カンチレバー６０の固定端部６２に双音叉振動片５２の一方の基部５６を固着し、自由端部６４に双音叉振動片５２の他方の基部５６を固着している。なおカンチレバー６０が曲がると、これに固着している双音叉振動片５２も曲がり、振動腕５４が引張られたり圧縮したりする。そして双音叉振動片５２は、振動腕５４が引張または圧縮することで発振周波数が変化する。このためカンチレバー６０に慣性力が加わって曲がると双音叉振動片５２も曲がるので、双音叉振動片５２の発振周波数が変わる。

図８は双音叉振動片を配設する向きの説明図である。図８（Ａ）に示すように双音叉振動片５２は、一方の双音叉振動片５２の平面部分と他方の双音叉振動片５２の平面部分とを互いに対面する方向に向けて配設してある。すなわちカンチレバー６０は、これに固着された双音叉振動片５２の向きを互いに反対に向けるとともに、各双音叉振動片５２の平面部分を同一方向に向けて配設することにより、双音叉振動片５２の感度方向を逆にしている。

このように双音叉振動片５２を配設した速度センサ１０を移動体に搭載して、図８（Ａ）において左から右へ移動体を加速させると、これとは反対方向に慣性力Ｆｉが生じる。この慣性力によって双音叉振動片５２はカンチレバー６０とともに慣性力がかかる方向へ湾曲するので、一方の双音叉振動片５２（図８（Ａ）の右側に示すもの）には圧縮力Ｆｓが加わり、他方の双音叉振動片５２（図８（Ａ）の左側に示すもの）には引張力Ｆｓが加わる。これにより一方の双音叉振動片５２の発振周波数は低くなり、他方の双音叉振動片５２の発振周波数は高くなるので、前述した実施形態と同様に速度を求めることができる。また周波数信号発生源１２に双音叉型振動子５０を用いれば、１Ｇ当たり１０００ｐｐｍ程度の周波数変化を得ることができる。

また図８（Ｂ）に示すように、カンチレバー６０の両面に双音叉振動片５２を固着することにより、１つの双音叉型振動子５０で２つの周波数信号発生源１２を構成することもできる。具体的には、カンチレバー６０や双音叉振動片５２は、前述したものと同じものを用いればよい。そして連結部６６の平面部分に対向しているカンチレバー６０の両面、すなわちカンチレバー６０の対向するそれぞれの面に双音叉振動片５２を固着すればよい。

なお前述では移動体が停止の状態において位相比較器１８に入力する２つの周波数信号の位相差を９０°に設定した速度センサ１０を用いて本発明を説明したが、位相差が９０°以外の値でずれていても構わない。

すなわち、例えば移動体が自動車等の前進方向に対して主に速度検知するような用途の場合は、加速度センサの検知能力の殆どを前進方向に費やすことが望まれる。したがって、このような場合は、必ずしも位相比較器１８に入力する２つの周波数信号の位相差を９０°に設定する必要はなく、前進方向に対して速度検知幅を広くするよう位相差をずらしておくことが望ましく、例えば第１の実施形態においては予め移動体の運動状態が停止の状態のときに位相差＞９０°となるよう設定しておくことが望ましい。

また移動体が飛行機等の場合は、後進方向の速度を検知する必要が無いような用途の場合は、移動体が停止の状態において必ずしも位相比較器１８に入力する２つの周波数信号に位相差を持たせるよう設定する必要は無く、位相差が零であっても構わない。

また加速度検出素子には、音叉振動片２４や双音叉振動片５２ばかりでなく、弾性表面波共振片を用いてもよい。

第１の実施形態に係る速度センサのブロック図である。 音叉振動片を配設する向きの説明図である。 速度センサの動作を説明するチャートである。 第２の実施形態に係る速度センサのブロック図である。 位相ずれ幅が小さくなることを説明するチャートである。 第３の実施形態に係る速度センサのブロック図である。 双音叉型振動子の説明図である。 双音叉振動片を配設する向きの説明図である。

符号の説明

１０，３０，４０…速度センサ、１２…周波数信号発生源、１４…音叉型振動子、１６…発振回路、１８…位相比較器、２０…低域通過フィルタ、２４…音叉振動片、２８…振動腕、４２…帰還ループ、４６…スイッチ部、５２…双音叉振動片、５４…振動腕、５６…基部、６０…カンチレバー。

Claims (11)

1. ２つの周波数信号発生源と、
   少なくとも１つの前記周波数信号発生源に設けられ、加速度を周波数信号として検知する加速度検出片と、
   前記２つの周波数信号発生源の後段にそれぞれ設けられ、前記周波数信号分周器から出力される周波数信号の周波数を分周する２つの分周器と、
   一方の前記分周器が出力する周波数信号と他方の前記分周器が出力する周波数信号とを入力して位相差を求める位相比較器と、
   前記位相比較器の後段に設けられ、位相差に応じた速度値を出力する低域通過フィルタとを備え、
   前記２つの周波数信号発生源の運動状態が停止の状態であるときに、前記２つの周波数信号発生源それぞれから出力される周波数信号の周波数が等しく前記２つの分周器それぞれの分周比が同じであり、前記位相比較器に入力する２つの周波数信号の周波数が一致したものである、
   ことを特徴とする速度センサ。
2. 前記加速度検出片の移動速度が零の状態にて前記位相比較器に入力する２つの周波数信号の間に位相差があることを特徴とする請求項１に記載の速度センサ。
3. 前記２つの周波数信号発生源の移動速度が零の状態にて前記位相比較器に入力する２つの周波数信号の間に９０°の位相差があることを特徴とする請求項１に記載の速度センサ。
4. 前記２つの周波数信号発生源はいずれも加速度検出片を有し、一方の前記加速度検出片の感度方向と他方の前記加速度検出片の感度方向とを逆にして配設したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の速度センサ。
5. 前記加速度検出片は音叉振動片であり、
   一方の前記周波数信号発生源を構成する前記音叉振動片の振動腕の延長方向と、他方の前記周波数信号発生源を構成する前記音叉振動片の振動腕の延長方向とを互いに対向する方向に向けて配設した、
   ことを特徴とする請求項４に記載の速度センサ。
6. 前記周波数信号発生源は、双音叉振動片を備えた双音叉型振動子を備え、
   一方の前記周波数信号発生源を構成する前記双音叉振動片と、他方の前記周波数信号発生源を構成する前記双音叉振動片とを互いに対面する方向に向けて配設した、
   ことを特徴とする請求項４に記載の速度センサ。
7. 前記周波数信号発生源は、双音叉振動片とカンチレバーとを備えた双音叉型振動子を備え、
   前記カンチレバーは、自由端部と、前記双音叉振動片に接合した固定端部とを備えるとともに、前記自由端部と前記固定端部とを接続した連結部を備え、
   前記固定端部に前記双音叉振動片の一方の基部を固着するとともに、前記自由端部に前記双音叉振動片の前記他方の基部を固着した構成を備え、
   一方の前記周波数信号発生源を構成する前記双音叉振動片と、他方の前記周波数信号発生源を構成する前記双音叉振動片とを互いに対面する方向に向けて配設した、
   ことを特徴とする請求項４に記載の速度センサ。
8. ２つの前記周波数信号発生源は双音叉型振動子を備え、
   前記双音叉型振動子は、２つの双音叉振動片とカンチレバーを有し、
   前記カンチレバーは、自由端部と、前記双音叉振動片に接合した固定端部とを備えるとともに、前記自由端部と前記固定端部とを接続した連結部を備え、
   前記カンチレバーの対向するそれぞれの面における前記固定端部に前記双音叉振動片の一方の基部を固着するとともに、前記自由端部に前記双音叉振動片の他方の基部を固着した、
   ことを特徴とする請求項４に記載の速度センサ。
9. いずれか１つの前記周波数信号発生源が電圧制御型の周波数制御回路を備え、
   前記低域通過フィルタの後段と、いずれか１つの前記周波数信号発生源の前記周波数制御回路とを接続する帰還ループを設け、
   リセット信号によって前記帰還ループの開放と短絡とを制御するスイッチ部を前記帰還ループに設けた、
   ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の速度センサ。
10. 請求項５に記載の音叉振動片または請求項６ないし８のいずれかに記載の双音叉振動片を水晶体で形成したことを特徴とする速度センサ。
11. 少なくとも１つが加速度を周波数信号として検知する加速度検出片を有し、一定速度の状態にて周波数が略一致した周波数信号を出力する２つの周波数信号発生源が、周波数信号を出力する工程と、
    ２つの分周器それぞれが、前記２つの周波数信号発生源から出力されるそれぞれの周波数信号を同じ分周比で分周する工程と、
    位相比較器が、一方の前記分周器が出力する周波数信号と他方の前記分周器が出力する周波数信号とを入力して位相差を求める工程と、
    低域通過フィルタが、前記位相差に応じた速度値を出力する工程と、
    前記加速度検出片の運動状態が停止の状態のとき、前記低域通過フィルタの後段といずれか１つの前記周波数信号発生源が備えた圧電制御型の周波数制御回路とを接続する帰還ループを短絡するよう前記スイッチ部を制御し、前記２つの周波数信号発生源の位相差を調整する工程と、
    前記２つの周波数信号発生源の位相差を調整した後、前記帰還ループを開放するよう前記スイッチ部を制御する工程と、
    を有する速度センサの調整方法。

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