CN113646642A - 信号处理装置、惯性传感器、信号处理方法和程序 - Google Patents
信号处理装置、惯性传感器、信号处理方法和程序 Download PDFInfo
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Abstract
本文公开了一种用于在抑制灵敏度降低的同时减小他轴灵敏度的影响的技术。一种信号处理装置(1)包括检测电路(11)和校正电路(12)。检测电路(11)包括第一检测单元(112)和第二检测单元(113)。第一检测单元(112)基于对应于至少两个方向中每一个方向的相关输出信号(Sig1)产生至少一个检测信号(Sig2)。第二检测单元(113)具有比第一检测单元(112)更宽的检测范围，并且基于对应于至少两个方向中每一个方向的相关输出信号(Sig1)产生至少一个校正信号(Sig3)。校正电路(12)利用对应于至少两个方向中进行校正的一个方向之外的至少一个方向的相关校正信号，校正对应于至少两个方向中每一个方向的相关检测信号(Sig2)。
Description
技术领域
本公开总体上涉及信号处理装置、惯性传感器、信号处理方法和程序。更具体地，本公开涉及对从用于检测惯性力的检测元件提供的信号进行处理的信号处理装置、惯性传感器、信号处理方法和程序。
背景技术
专利文献1描述了在例如车辆、导航装置和移动电信设备中使用的加速度传感器(惯性传感器)。专利文献1的加速度传感器包括传感器单元(检测元件)和检测电路(信号处理装置)。检测电路包括CV转换器电路、信号调节器电路和A/D转换器电路(第一检测单元和第二检测单元)。CV转换器电路将传感器单元引起的电容变化转换为电压。信号调节器电路对CV转换器电路的输出电压进行采样，并且在向所采样的输出电压添加偏移电压之后将输出电压放大到预定灵敏度。A/D转换器电路将信号调节器电路的输出电压转换为数字值，并且提供数字化后的输出电压。
如果专利文献1的加速度传感器是三轴加速度传感器，则例如X轴方向上的加速度可能受到Y轴方向上的加速度和Z轴方向上的加速度中至少一个的影响。在这种情况下，需要减小上述加速度的影响，但是有时不能充分减小幅度超过AD转换器电路的动态范围的加速度。
为了克服这个问题，可以采用增大A/D转换器电路的动态范围的方法。然而，这会导致最小分辨率随着动态范围的增大而降低的问题，因为动态范围和最小分辨率之间存在权衡关系。
引用列表
专利文献
专利文献1：WO 2015/052926 A1
发明内容
因此，本公开的目的是提供一种信号处理装置、惯性传感器、信号处理方法和程序，均被配置或设计为在抑制灵敏度降低的同时减小他轴灵敏度的影响。
根据本公开的一方面的信号处理装置包括检测电路和校正电路。检测电路基于至少一个检测元件的输出信号产生检测信号，该至少一个检测元件检测相互垂直的三个方向中至少两个方向上的惯性力。校正电路校正检测信号。检测电路包括第一检测单元和第二检测单元。第一检测单元基于对应于至少两个方向中每一个方向的相关输出信号，产生至少一个检测信号。第二检测单元具有比第一检测单元更宽的检测范围，并且被配置为基于对应于至少两个方向中每一个方向的相关输出信号，产生至少一个校正信号。校正电路利用对应于至少两个方向中进行校正的一个方向之外的至少一个方向的相关校正信号，校正对应于至少两个方向中每一个方向的相关检测信号。
根据本公开另一方面的惯性传感器包括上述信号处理装置和至少一个检测元件。
根据本公开又一方面的信号处理方法是用于处理至少一个检测元件的输出信号的信号处理方法，该至少一个检测元件检测相互垂直的三个方向中至少两个方向上的惯性力。该信号处理方法包括第一检测步骤、第二检测步骤以及校正步骤。第一检测步骤包括基于对应于至少两个方向的输出信号产生检测信号。第二检测步骤包括在比第一检测步骤更宽的检测范围内基于对应于至少两个方向的输出信号产生校正信号。校正步骤包括校正检测信号。校正步骤包括利用对应于至少两个方向中进行校正的一个方向之外的至少一个方向的相关校正信号，校正对应于至少两个方向中每一个方向的相关检测信号。
根据本公开又一方面的程序被设计为使一个或多个处理器执行上述信号处理方法。
附图说明
图1是示出了根据本公开示例实施例的信号处理装置和惯性传感器的配置的示意图；
图2A示出了惯性传感器的他轴灵敏度的概念；
图2B示出了惯性传感器的他轴灵敏度的概念；
图3是作为惯性传感器的构成元件的检测元件的分解透视图；
图4是沿图3所示的X1-X2平面截取的截面图；
图5是示出了信号处理装置如何操作的序列图；以及
图6是示出了根据本公开的变型例的信号处理装置的局部配置的示意图。
具体实施方式
(实施例)
在实施例及其变型的以下描述中所参照的图3和图4均为示意性表示。因此，图中所示的各个构成元件的尺寸(包括厚度)的比率并不总是反映它们的实际尺寸比率。
(1)概要
将参照图1和图2描述根据该实施例的惯性传感器10的概要。
根据本实施例的惯性传感器10是用于检测惯性力的传感器，并且可以是例如检测相互垂直的三个轴向上的加速度的三轴加速度传感器。具体地，根据本实施例的惯性传感器10可以检测X轴方向的加速度、Y轴方向的加速度和Z轴方向的加速度。如图2A和图2B所示，惯性传感器10可以是例如安装在印刷线路板100的一个表面(参考面)101上的表面安装加速度传感器。惯性传感器10可以被实现为例如电容加速度传感器(见图4)。
如图1所示，根据本实施例的惯性传感器10包括信号处理装置1和多个(在图1所示的示例中为三个)检测元件2。信号处理装置1可以是例如ASIC(专用集成电路)。另外，在本实施例中，检测元件2包括X轴检测元件2A、Y轴检测元件2B以及Z轴检测元件2C。X轴检测元件2A检测X轴方向的惯性力(加速度)。Y轴检测元件2B检测Y轴方向的惯性力(加速度)。Z轴检测元件2C检测Z轴方向的惯性力(加速度)。在以下说明中，当没有特别需要区分X轴检测元件2A、Y轴检测元件2B和Z轴检测元件2C时，以下将X轴检测元件2A、Y轴检测元件2B和Z轴检测元件2C统称为或单独称为“检测元件2”。
图2A和图2B是示出了根据本实施例的惯性传感器10安装在印刷线路板100上的状态的示意图。在图2A和图2B中，印刷线路板100的一个表面(上表面)101用作参考面(以下称为“参考面101”)。图2A示出了惯性传感器10相对于参考面101的倾斜角度为0度的情况下的他轴灵敏度。图2B示出了惯性传感器10相对于参考面101的倾斜角度为θ(θ＞0)度的情况下的他轴灵敏度。如本文所用，“他轴灵敏度”是指在与测量轴对齐的方向上的传感器输出受到在与测量轴对齐的方向之外的方向上施加的加速度(即，在垂直于测量轴的轴向上施加的加速度)的影响的程度。例如，如图2A和图2B所示，在竖直方向(Z轴方向)上施加重力加速度1G的情况下，他轴灵敏度是指在Z轴方向以外的轴向(例如，图2A和图2B中的X轴方向)上检测到在竖直方向(Z轴方向)上施加的重力加速度1G的分量的情况。
在图2A中，在竖直方向上施加的重力加速度1G仅作用在Z轴方向上，而不作用在X轴方向上。也就是说，在图2A中，X轴方向上的传感器输出为零，并且Z轴方向上的传感器输出为1G。在这种情况下，由竖直方向上施加的重力加速度1G引起的X轴方向上的他轴灵敏度为零。另一方面，在图2B中，惯性传感器10相对于印刷线路板100的参考面101倾斜。因此，竖直方向上施加的重力加速度1G被分解为重力加速度1G在Z轴方向上施加的分量和重力加速度1G在X轴方向上施加的分量。在图2B所示的示例中，惯性传感器10相对于参考面101的倾斜角度为θ度。因此，重力加速度1G的Z轴分量由(1G×cosθ)给出，重力加速度1G的X轴分量由(1G×sinθ)给出。在这种情况下，由竖直方向上施加的重力加速度1G引起的X轴方向上的他轴灵敏度为(1G×sinθ)。这种他轴灵敏度需要通过校正来降低，因为它是X轴方向上的误差分量。
在相关领域中已经提供了用于校正由他轴灵敏度引起的这种误差分量的各种方法。尽管如此，例如，上述专利文献1的加速度传感器在引起他轴灵敏度的加速度的大小大于A/D转换器电路的动态范围(满量程电压)的情况下可能无法校正由他轴灵敏度引起的误差。在这种情况下，可以增加A/D转换器电路的动态范围以克服上述问题。然而，这导致最小分辨率(信号精度)随着动态范围的增大而降低的问题，因为在A/D转换器电路的动态范围和最小分辨率之间存在权衡关系。根据本实施例的信号处理装置1采用以下配置以在抑制灵敏度(最小分辨率)降低的同时减小他轴灵敏度的影响。
如图1所示，根据本实施例的信号处理装置1包括检测电路11和校正电路12。检测电路11基于检测相互垂直的三个方向中至少两个方向上的惯性力的至少一个检测元件2的输出信号Sig1产生检测信号Sig2。校正电路12校正检测信号Sig2。检测电路11包括第一检测单元112和第二检测单元113。第一检测单元112基于对应于至少两个方向中每一个方向的相关输出信号Sig1来产生至少一个检测信号Sig2。第二检测单元113具有比第一检测单元112更宽的检测范围，并且基于对应于至少两个方向中每一个方向的相关输出信号Sig1产生至少一个校正信号Sig3。校正电路12利用对应于至少两个方向中进行校正的一个方向之外的至少一个方向的相关校正信号Sig3，校正对应于至少两个方向中每一个方向的相关检测信号Sig2。
如上所述，在根据本实施例的信号处理装置1中，产生校正信号Sig3的第二检测单元113的检测范围(满量程范围)比产生检测信号Sig2的第一检测单元112的检测范围(满量程范围)更宽。因此，对于加速度，可以通过具有比第二检测单元113更窄的检测范围的第一检测单元112检测加速度来抑制灵敏度的降低。同时，对于他轴灵敏度，即使引起他轴灵敏度的加速度的大小显著，也可以通过具有比第一检测单元112更宽的检测范围的第二检测单元113检测他轴灵敏度来减少他轴灵敏度的影响。简而言之，根据本实施例的信号处理装置1可以在抑制灵敏度(最小分辨率)降低的同时减小他轴灵敏度的影响。
(2)配置
接下来，将参照图1、图3和图4描述根据本实施例的惯性传感器10的配置。
如图1所示，根据本实施例的惯性传感器10包括信号处理装置1和多个(例如，在图1所示的示例中为三个)检测元件2。
(2.1)信号处理装置
信号处理装置1包括多个(例如，在图1所示的示例中为三个)检测电路11和多个(例如，在图1所示的示例中为三个)校正电路12。
多个检测电路11中的每一个是从X轴检测电路11A、Y轴检测电路11B和Z轴检测电路11C中选择的检测电路。X轴检测电路11A基于稍后要描述的X轴检测元件2A的输出信号Sig1产生检测信号Sig2。Y轴检测电路11B基于稍后要描述的Y轴检测元件2B的输出信号Sig1产生检测信号Sig2。Z轴检测电路11C基于稍后要描述的Z轴检测元件2C的输出信号Sig1产生检测信号Sig2。
另外，多个校正电路12中的每一个是从X轴校正电路11A、Y轴校正电路12B和Z轴校正电路11C中选择的校正电路。X轴校正电路12A校正X轴方向上的他轴灵敏度引起的误差。Y轴校正电路12B校正Y轴方向上的他轴灵敏度引起的误差。Z轴校正电路12C校正Z轴方向上的他轴灵敏度引起的误差。
在以下描述中，当没有特别需要区分X轴检测电路11A、Y轴检测电路11B和Z轴检测电路11C时，以下将X轴检测电路11A、Y轴检测电路11B和Z轴检测电路11C统称为或单独称为“检测电路11”。另外，在以下描述中，当没有特别需要区分X轴校正电路12A、Y轴校正电路12B和Z轴校正电路12C时，以下将X轴校正电路12A、Y轴校正电路12B和Z轴校正电路12C统称为或单独称为“校正电路12”。
(2.1.1)X轴检测电路
如图1所示，X轴检测电路11A包括CV转换器电路111、X轴第一检测单元112A和X轴第二检测单元113A。换言之，X轴检测电路11A包括作为第一检测单元112的X轴第一检测单元112A和作为第二检测单元113的X轴第二检测单元113A。
CV转换器电路111将由X轴检测元件2A引起的电容变化转换为电压。CV转换器电路111包括放大器114、电容器115和开关116。放大器114的反相输入端电连接到两个电容器C1、C2之间的连接节点，这两个电容器C1、C2形成X轴检测元件2A的一部分。电容器115和开关116并联连接在放大器114的反相输入端和输出端之间。另外，参考电压被输入到放大器114的非反相输入端。
X轴第一检测单元112A可以被实现为例如A/D转换器。换言之，第一检测单元112包括A/D转换器。X轴第一检测单元112A基于经由CV转换器电路111从X轴检测元件2A提供的模拟输出信号Sig1产生数字检测信号Sig2。从X轴第一检测单元112A向稍后描述的X轴校正电路12A的减法器123提供检测信号Sig2。
X轴第二检测单元113A可以被实现为例如A/D转换器。换言之，第二检测单元113包括A/D转换器。X轴第二检测单元113A基于经由CV转换器电路111从X轴检测元件2A提供的模拟输出信号Sig1产生数字校正信号Sig3。从X轴第二检测单元113A向稍后描述的Y轴校正电路12B的第一乘法器121和稍后描述的Z轴校正电路12C的第一乘法器121提供校正信号Sig3。
(2.1.2)Y轴检测电路
如图1所示，Y轴检测电路11B包括CV转换器电路111、Y轴第一检测单元112B和Y轴第二检测单元113B。换言之，Y轴检测电路11B包括作为第一检测单元112的Y轴第一检测单元112B和作为第二检测单元113的Y轴第二检测单元113B。该Y轴检测电路11B的CV转换器电路111具有与上述X轴检测电路11A的CV转换器电路111相同的配置，因此本文省略其描述。
Y轴第一检测单元112B可以被实现为例如A/D转换器。换言之，第一检测单元112包括A/D转换器。Y轴第一检测单元112B基于经由CV转换器电路111从Y轴检测元件2B提供的模拟输出信号Sig1产生数字检测信号Sig2。从Y轴第一检测单元112B向Y轴校正电路12B的减法器123提供检测信号Sig2。
Y轴第二检测单元113B可以被实现为例如A/D转换器。换言之，第二检测单元113包括A/D转换器。Y轴第二检测单元113B基于经由CV转换器电路111从Y轴检测元件2B提供的模拟输出信号Sig1产生数字校正信号Sig3。从Y轴第二检测单元113B向Z轴校正电路12C的第二乘法器122和X轴校正电路12A的第一乘法器121提供校正信号Sig3。
(2.1.3)Z轴检测电路
如图1所示，Z轴检测电路11C包括CV转换器电路111、Z轴第一检测单元112C和Z轴第二检测单元113C。换言之，Z轴检测电路11C包括作为第一检测单元112的Z轴第一检测单元112C和作为第二检测单元113的Z轴第二检测单元113C。该Z轴检测电路11C的CV转换器电路111具有与上述X轴检测电路11A的CV转换器电路111相同的配置，因此本文省略其描述。
Z轴第一检测单元112C可以被实现为例如A/D转换器。换言之，第一检测单元112包括A/D转换器。Z轴第一检测单元112C基于经由CV转换器电路111从Z轴检测元件2C提供的模拟输出信号Sig1产生数字检测信号Sig2。从Z轴第一检测单元112C向Z轴校正电路12C的减法器123提供检测信号Sig2。
Z轴第二检测单元113C可以被实现为例如A/D转换器。换言之，第二检测单元113包括A/D转换器。Z轴第二检测单元113C基于经由CV转换器电路111从Z轴检测元件2C提供的模拟输出信号Sig1产生数字校正信号Sig3。从Z轴第二检测单元113C向X轴校正电路12A的第二乘法器122和Y轴校正电路12B的第二乘法器122提供校正信号Sig3。
在本实施例中，例如，如果第一检测单元112的加速度检测范围为±6G，则第二检测单元113的加速度检测范围优选为±30G。这允许在较宽的范围内校正由他轴灵敏度引起的误差。
(2.1.4)X轴校正电路
如图1所示，X轴校正电路12A包括第一乘法器121、第二乘法器122和减法器123。
第一乘法器121将从Y轴第二检测单元113B提供的校正信号Sig3乘以校正系数A1，并将计算结果输出到减法器123。第二乘法器122将从Z轴第二检测单元113C提供的校正信号Sig3乘以校正系数B1，并将计算结果输出到减法器123。减法器123从X轴第一检测单元112A提供的检测信号Sig2中减去各自均乘以相关校正系数的两个校正信号Sig3。这允许校正由Y轴方向上的加速度引起的X轴方向上的他轴灵敏度以及由Z轴方向上的加速度引起的X轴方向上的他轴灵敏度。
(2.1.5)Y轴校正电路
如图1所示，Y轴校正电路12B包括第一乘法器121、第二乘法器122和减法器123。
第一乘法器121将从X轴第二检测单元113A提供的校正信号Sig3乘以校正系数A2，并将计算结果输出到减法器123。第二乘法器122将从Z轴第二检测单元113C提供的校正信号Sig3乘以校正系数B2，并将计算结果输出到减法器123。减法器123从Y轴第一检测单元112B提供的检测信号Sig2中减去各自均乘以相关校正系数的两个校正信号Sig3。这允许校正由Z轴方向上的加速度引起的Y轴方向上的他轴灵敏度以及由X轴方向上的加速度引起的Y轴方向上的他轴灵敏度。
(2.1.6)Z轴校正电路
如图1所示，Z轴校正电路12C包括第一乘法器121、第二乘法器122和减法器123。
第一乘法器121将从X轴第二检测单元113A提供的校正信号Sig3乘以校正系数A3，并将计算结果输出到减法器123。第二乘法器122将从Y轴第二检测单元113B提供的校正信号Sig3乘以校正系数B3，并将计算结果输出到减法器123。减法器123从Z轴第一检测单元112C提供的检测信号Sig2中减去各自均乘以相关校正系数的两个校正信号Sig3。这允许校正由X轴方向上的加速度引起的Z轴方向上的他轴灵敏度以及由Y轴方向上的加速度引起的Z轴方向上的他轴灵敏度。这些校正系数A1-A3、B1-B3存储在ASIC的寄存器中。
(2.2)检测元件
多个检测元件2中的每一个是从X轴检测元件2A、Y轴检测元件2B和Z轴检测元件2C中选择的检测元件。X轴检测元件2A检测X轴方向的惯性力(加速度)。Y轴检测元件2B检测Y轴方向的惯性力(加速度)。Z轴检测元件2C检测Z轴方向的惯性力(加速度)。
如图3所示，根据本实施例的惯性传感器10还包括壳体21、上盖22和下盖23。壳体21、上盖22和下盖23中的每一个都形成为在Y轴方向上拉长的长方体形状，并且当在Z轴方向上观察时它们的外形尺寸(X轴方向上的尺寸和Y轴上的尺寸方向)大体相同。
X轴检测元件2A包括重物24A、一对固定电极25A、25A和一对移动电极26A、26A。当在Z轴方向上观察时，重物24A形成为矩形形状。重物24A在Y轴方向上的两端经由一对梁27A、27A固定到壳体21。一对移动电极26A、26A以该对移动电极26A、26A在X轴方向上并排的状态安装在重物24A的上表面(面对上盖22的表面)上。一对固定电极25A、25A以该对固定电极25A、25A在X轴方向上并排的状态安装在上盖22的下表面(面对壳体21的表面)上。一对固定电极25A、25A和一对移动电极26A、26A在壳体21和上盖22彼此叠置的状态下彼此面对，彼此之间留有预定间隙。X轴检测元件2A被配置为当在X轴方向上施加加速度时以一对梁27A、27A为支点在ZX平面内摆动。
Y轴检测元件2B包括重物24B、一对固定电极25B、25B和一对移动电极26B、26B。当在Z轴方向上观察时，重物24B形成为矩形形状。重物24B在X轴方向上的两端经由一对梁27B、27B固定到壳体21。一对移动电极26B、26B以该对移动电极26B、26B在Y轴方向上并排的状态安装在重物24B的上表面(面对上盖22的表面)上。一对固定电极25B、25B以该对固定电极25B、25B在Y轴方向上并排的状态安装在上盖22的下表面(面对壳体21的表面)上。一对固定电极25B、25B和一对移动电极26B、26B在壳体21和上盖22彼此叠置的状态下彼此面对，彼此之间留有预定间隙。Y轴检测元件2B被配置为当在Y轴方向上施加加速度时以一对梁27B、27B为支点在YZ平面内摆动。
Z轴检测元件2C包括重物24C、一对固定电极25C、25C和一对移动电极26C、26C(图3中仅示出了上部移动电极26C)。当在Z轴方向上观察时，重物24C形成为矩形形状。重物24C经由四个梁27C固定到壳体21，其中每个梁形成为L形。一对移动电极26C、26C安装在重物24C在Z轴方向上的两个表面上。一对固定电极25C、25C中的一个固定电极25C安装在上盖22的下表面上。同时，一对固定电极25C、25C中的另一个固定电极25C安装在下盖23的上表面上。在壳体21、上盖22和下盖23彼此叠置的状态下，一对固定电极25C、25C中的一个固定电极25C和一对移动电极26C、26C中的一个移动电极26C彼此面对，彼此之间留有预定间隙。同时，在壳体21、上盖22和下盖23彼此叠置的状态下，一对固定电极25C、25C中的另一个固定电极25C和一对移动电极26C、26C中的另一个移动电极26C彼此面对，彼此之间留有预定间隙。Z轴检测元件2C被配置为当在Z轴方向上施加加速度时以四个梁27C为支点在Z轴方向上能够移动。
图4是沿图3所示的平面X1-X2截取的截面图，并示出了X轴检测元件2A。一对固定电极25A、25A中的一个固定电极25A(图4左侧所示)和一对移动电极26A、26A中的一个移动电极26A(图4左侧所示)形成电容器C1。另外，一对固定电极25A、25A中的另一个固定电极25A(图4右侧所示)和一对移动电极26A、26A中的另一个移动电极26A(图4右侧所示)形成电容器C2。假设加速度沿图4中箭头X3所示方向(以下称为“X3方向”)作用于该结构。在这种情况下，X轴检测元件2A的重物24A由于如此施加的加速度而以一对梁27A、27A为支点在ZX平面内摆动。在图4所示的示例中，在X3方向施加加速度时，一个固定电极25A和一个移动电极26A之间的间隙变宽，而另一个固定电极25A和另一个移动电极26A之间的间隙变窄。这导致与在X3方向上没有施加加速度的情况相比电容器C1的电容减小而电容器C2的电容增加。因此，根据本实施例的惯性传感器10可以基于这两个电容器C1和C2的电容值来检测在X3方向上施加的加速度。
(3)操作
接下来，参照图5所示的序列图，描述根据本实施例的信号处理装置1的操作。在下面的描述中，将描述在加速度作用于X轴方向和Y轴方向的情况下如何校正由Y轴方向上的加速度引起的X轴方向上的他轴灵敏度所表示的误差。注意，在下面的描述中，将仅描述X轴方向上的他轴灵敏度，而省略Y轴和Z轴方向上的他轴灵敏度的描述，因为几乎相同的陈述适用于Y轴和Z轴方向上的他轴灵敏度。
在检测X轴方向上的加速度时，X轴检测元件2A向信号处理装置1的X轴检测电路11A提供输出信号Sig1(在第一步骤S1中)。同时，在检测Y轴方向上的加速度时，Y轴检测元件2B向Y轴检测电路11B提供输出信号Sig1(在第一步骤S1中)。提供给X轴检测电路11A的输出信号Sig1被CV转换器电路111转换为模拟电压信号，并被提供给X轴第一检测单元112A和X轴第二检测单元113A。另一方面，提供给Y轴检测电路11B的输出信号Sig1被CV转换器电路111转换为模拟电压信号，并被提供给Y轴第一检测单元112B和Y轴第二检测单元113B。
X轴第一检测单元112A基于CV转换器电路111的输出信号产生检测信号Sig2(在第二步骤S2中)。同时，Y轴第二检测单元113B基于CV转换器电路111的输出信号产生校正信号Sig3(在第三步骤S3中)。X轴第一检测单元112A将如此产生的检测信号Sig2输出到X轴校正电路12A(在第四步骤S4中)。另一方面，Y轴第二检测单元113B将如此产生的校正信号Sig3输出到X轴校正电路12A(在第五步骤S5中)。
X轴校正电路12A基于从X轴第一检测单元112A提供的检测信号Sig2和从Y轴第二检测单元113B提供的校正信号Sig3，产生由他轴灵敏度引起的误差已被校正的检测信号Sig4(在第六步骤S6中)。具体地，X轴校正电路12A从检测信号Sig2中减去校正信号Sig3和校正系数A1的乘积。这允许校正由Y轴方向上的加速度引起的X轴方向上的他轴灵敏度所表示的误差。然后，X轴校正电路12A向安装在印刷线路板100上的控制电路输出检测信号Sig4(在第七步骤S7中)。
(4)优点
在根据本实施例的信号处理装置1中，产生校正信号Sig3的第二检测单元113的检测范围比产生检测信号Sig2的第一检测单元112的检测范围更宽。因此，对于加速度，可以通过具有比第二检测单元113更窄的检测范围(即，更高的最小分辨率)的第一检测单元112检测加速度来抑制最小分辨率(信号精度)的降低。同时，对于他轴灵敏度，即使引起他轴灵敏度的加速度的大小显著，也可以通过具有比第一检测单元112更宽的检测范围的第二检测单元113检测他轴灵敏度来减少他轴灵敏度的影响。简而言之，根据本实施例的信号处理装置1可以在抑制最小分辨率(信号精度)降低的同时减小他轴灵敏度的影响。
另外，在根据本实施例的信号处理装置1中，第一检测单元112和第二检测单元113均包括A/D转换器。因此，从检测元件2提供的模拟输出信号Sig1可以被转换为数字检测信号Sig2。
另外，在根据本实施例的信号处理装置1中，检测元件2包括检测X轴方向上的惯性力的X轴检测元件2A、检测Y轴方向上的惯性力的Y轴检测元件2B以及检测Z轴方向上的惯性力的Z轴检测元件2C。因此，信号处理装置1可以检测X轴方向上的惯性力、Y轴方向上的惯性力和Z轴方向上的惯性力。
另外，在根据本实施例的信号处理装置1中，X轴检测电路11A包括X轴第一检测单元112A和X轴第二检测单元113A，Y轴检测电路11B包括Y轴第一检测单元112B和Y轴第二检测单元113B，并且Z轴检测电路11C包括Z轴第一检测单元112C和Z轴第二检测单元113C。这允许在抑制最小分辨率(信号精度)降低的同时，在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向中的每一个方向上减小他轴灵敏度的影响。
(5)变型
注意，上述实施例仅是本公开的各种实施例中的一个示例实施例，并且不应被解释为限制。相反，在不脱离本公开的范围的情况下，可以根据设计选择或任何其他因素以各种方式容易地修改实施例。例如，根据上述实施例的信号处理装置1的功能还可以实现为信号处理方法、计算机程序或存储计算机程序的非暂时性存储介质。
根据一方面的信号处理方法是用于处理至少一个检测元件2的输出信号Sig1的信号处理方法，该至少一个检测元件2检测相互垂直的三个方向中至少两个方向上的惯性力。如图5所示，该信号处理方法包括第一检测步骤(对应于第二步骤S2)、第二检测步骤(对应于第三步骤S3)以及校正步骤(对应于第六步骤S6)。第一检测步骤包括基于对应于至少两个方向的输出信号Sig1产生检测信号Sig2。第二检测步骤包括在比第一检测步骤更宽的检测范围内基于对应于至少两个方向的输出信号Sig1产生校正信号Sig3。校正步骤包括校正检测信号Sig2。校正步骤包括利用对应于至少两个方向中进行校正的一个方向之外的至少一个方向的相关校正信号Sig3，校正对应于至少两个方向中每一个方向的相关检测信号Sig2。
根据另一方面的程序被设计为使一个或多个处理器执行上述信号处理方法。
接下来，将逐一列举上述示例实施例的变型。可以适当地组合采用下面描述的变型。
根据本公开的信号处理装置1包括计算机系统。所述计算机系统包括作为主要硬件组件的处理器和存储器。可以通过使处理器执行计算机系统的存储器中存储的程序来执行根据本公开的信号处理装置1的功能。所述程序可以预先存储在计算机系统的存储器中。备选地，也可以通过电信线路下载程序，或者将程序记录在诸如存储卡、光盘或硬盘驱动器等计算机系统可读的非暂时性存储介质中后分发。计算机系统的处理器可以实现为包括半导体集成电路(IC)或大规模集成电路(LSI)的单个或多个电子电路。如本文所使用，诸如IC或LSI的“集成电路”根据其集成度被称为不同的名称。集成电路的示例包括系统LSI、超大规模集成电路(VLSI)和特大规模集成电路(ULSI)。可选地，还可以采用在制造LSI之后进行编程的现场可编程门阵列(FPGA)或者允许重新配置LSI内部的连接或电路部分的可重配置逻辑器件作为处理器。这些电子电路可以一起集成在单个芯片上或分布在多个芯片上，以适当者为准。这多个芯片可以一起集成在单个设备中或分布在多个设备中，这并无限制。如本文所用，“计算机系统”包括微控制器(包括一个或多个处理器)和一个或多个存储器。因此，微控制器也可以实现为包括半导体集成电路或大规模集成电路的单个或多个电子电路。
另外，在上述实施例中，信号处理装置1的多个构成元件被集成在单个壳体中。然而，这不是信号处理装置1的必要配置。备选地，信号处理装置1的这些构成元件可以分布在多个不同的壳体中。又备选地，信号处理装置1的至少一些功能(例如，校正电路12的功能)也可以被实现为云计算系统。
(5.1)第一变型例
将参照图6描述根据该实施例的惯性传感器10的第一变型例。
如图6所示，根据第一变型例的惯性传感器10与根据上述实施例的惯性传感器10不同之处在于包括信号比较单元13。除了信号比较单元13之外，根据第一变型例的惯性传感器10具有与根据上述示例实施例的惯性传感器10相同的配置。因此，根据第一变型的惯性传感器10中功能与上述示例实施例的对应物相同的任何构成元件将由与对应物相同的附图标记指示，并且本文省略其描述。图6示出了多个检测电路11中用于检测X轴方向上的加速度的X轴检测电路11A。
根据第一变型例的惯性传感器10包括信号处理装置1和多个检测元件2。另外，根据第一变型例的惯性传感器10还包括信号比较单元13。如图6所示，信号比较单元13接收来自第一检测单元112的检测信号Sig2和来自第二检测单元113的校正信号Sig3，并将检测信号Sig2和校正信号Sig3的值进行比较。向安装在印刷线路板100上的控制电路提供信号比较单元13获得的比较结果。控制电路基于信号比较单元13提供的比较结果，当发现检测信号Sig2和校正信号Sig3的值一致时，判定第一检测单元112和第二检测单元113都应该工作正常。另一方面，控制电路基于信号比较单元13提供的比较结果，当发现检测信号Sig2和校正信号Sig3的值彼此不一致时，判定第一检测单元112和第二检测单元113中的至少一个应该工作异常(故障)。这里所用的术语“一致”不仅指两个值完全一致的情况，也指两个值之间的差值落入预定范围内的情况。因此，如果检测信号Sig2与校正信号Sig3的值之间差值落入预设范围内，则控制电路判定检测信号Sig2与校正信号Sig3的值应该一致。
根据第一变型例的惯性传感器10包括信号比较单元13，因此可以确定第一检测单元112和第二检测单元113工作是否正常。
在该实施例中，在图6中，为多个检测电路11中用于检测X轴方向上的加速度的X轴检测电路11A提供了信号比较单元13。备选地，可以为用于检测Y轴方向上的加速度的Y轴检测电路11B提供信号比较单元，和/或可以为用于检测Z轴方向上的加速度的Z轴检测电路11C提供信号比较单元。换言之，可以为X轴检测电路11A、Y轴检测电路11B或Z轴检测电路11C中的至少一个提供信号比较单元。
(5.2)其他变型例
在上述实施例中，惯性传感器10被实现为电容传感器。然而，惯性传感器10也可以是例如压阻传感器。
在上述实施例中，惯性传感器10被实现为三轴加速度传感器。然而，惯性传感器10也可以是例如双轴加速度传感器。
在上述实施例中，X轴方向的加速度、Y轴方向的加速度和Z轴方向的加速度由三个不同的检测电路11单独检测。然而，例如，X轴方向的加速度、Y轴方向的加速度和Z轴方向的加速度可以由一个检测电路检测。在这种情况下，可以使用多路复用器在时间上顺序检测X轴方向的加速度、Y轴方向的加速度和Z轴方向的加速度。
在上述实施例中，惯性传感器10是表面安装传感器。然而，惯性传感器10也可以是例如通孔安装传感器。
在上述实施例中，惯性传感器10是加速度传感器。然而，惯性传感器10不必是加速度传感器，而可以是例如角速度传感器(陀螺传感器)。
在上述实施例中，信号处理装置1是ASIC。然而，信号处理装置1不限于ASIC，也可以是FPGA(现场可编程门阵列)，或者由一个或多个处理器和一个或多个存储器组成。
在上述实施例中，X轴方向的加速度、Y轴方向的加速度和Z轴方向的加速度由三个不同的检测元件2单独检测。然而，例如，X轴方向的加速度、Y轴方向的加速度和Z轴方向的加速度可以由一个检测元件检测。具体地，检测元件也可以被实现为其中检测X轴方向加速度、Y轴方向加速度和Z轴方向加速度的功能被集成在一个芯片中的MEMS(微机电系统)元件。
在上述实施例中，第一检测单元112和第二检测单元113均是A/D转换器。然而，例如，各第一检测单元112和第二检测单元113也可以是运算放大器。换言之，各第一检测单元112和第二检测单元113可以是模拟电路。即使当运算放大器用作各第一检测单元112和第二检测单元113时，也会出现随着信号检测范围增大而灵敏度降低的同样问题，因为检测范围和灵敏度之间存在权衡关系。为了克服这个问题，可以选择运算放大器使得作为第二检测单元113的运算放大器的信号幅度大于作为第一检测单元112的运算放大器的信号幅度。与根据上述实施例的信号处理装置1一样，这种配置可以在抑制灵敏度降低的同时减少他轴灵敏度的影响。
(概括)
从以上描述可以看出，根据第一方面的信号处理装置(1)包括检测电路(11)和校正电路(12)。检测电路(11)基于检测相互垂直的三个方向中至少两个方向上的惯性力的至少一个检测元件(2)的输出信号(Sig1)，产生检测信号(Sig2)。校正电路(12)校正检测信号(Sig2)。检测电路(11)包括第一检测单元(112)和第二检测单元(113)。第一检测单元(112)基于对应于至少两个方向中每一个方向的相关输出信号(Sig1)，产生至少一个检测信号(Sig2)。第二检测单元(113)具有比第一检测单元(112)更宽的检测范围，并且基于对应于至少两个方向中每一个方向的相关输出信号(Sig1)，产生至少一个校正信号(Sig3)。校正电路(12)利用对应于至少两个方向中进行校正的一个方向之外的至少一个方向的相关校正信号(Sig3)，校正对应于至少两个方向中每一个方向的相关检测信号(Sig2)。
根据该方面，第二检测单元(113)具有比第一检测单元(112)更宽的检测范围。这允许在抑制灵敏度降低的同时减小他轴灵敏度的影响。
在根据第二方面的信号处理装置(1)(可以结合第一方面实现)中，第一检测单元(112)和第二检测单元(113)中的每一个均包括A/D转换器。
根据该方面，从检测元件(2)提供的模拟输出信号(Sig1)可以被转换为数字检测信号(Sig2)。
在根据第三方面的信号处理装置(1)(可以结合第一或第二方面实现)中，至少两个方向是相互垂直的X轴方向、Y轴方向和Z轴方向。至少一个检测元件(2)包括X轴检测元件(2A)、Y轴检测元件(2B)和Z轴检测元件(2C)。X轴检测元件(2A)检测X轴方向上的惯性力。Y轴检测元件(2B)检测Y轴方向上的惯性力。Z轴检测元件(2C)检测Z轴方向上的惯性力。
该方面允许检测X轴方向上的惯性力、Y轴方向上的惯性力和Z轴方向上的惯性力。
在根据第四方面的信号处理装置(1)(可以结合第一至第三方面中的任一方面实现)中，至少两个方向是相互垂直的X轴方向、Y轴方向和Z轴方向。检测电路(11)包括X轴检测电路(11A)、Y轴检测电路(11B)和Z轴检测电路(11C)。X轴检测电路(11A)基于从检测X轴方向上的惯性力、作为至少一个检测元件(2)的X轴检测元件(2A)提供的相关输出信号(Sig1)，产生相关检测信号(Sig2)。Y轴检测电路(11B)基于从检测Y轴方向上的惯性力、作为至少一个检测元件(2)的Y轴检测元件(2B)提供的相关输出信号(Sig1)，产生相关检测信号(Sig2)。Z轴检测电路(11C)基于从检测Z轴方向上的惯性力、作为至少一个检测元件(2)的Z轴检测元件(2C)提供的相关输出信号(Sig1)，产生相关检测信号(Sig2)。X轴检测电路(11A)包括作为第一检测单元(112)的X轴第一检测单元(112A)和作为第二检测单元(113)的X轴第二检测单元(113A)。Y轴检测电路(11B)包括作为第一检测单元(112)的Y轴第一检测单元(112B)和作为第二检测单元(113)的Y轴第二检测单元(113B)。Z轴检测电路(11C)包括作为第一检测单元(112)的Z轴第一检测单元(112C)和作为第二检测单元(113)的Z轴第二检测单元(113C)。
该方面允许在抑制灵敏度降低的同时，在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向中的每一个方向上减小他轴灵敏度的影响。
根据第五方面的信号处理装置(1)(可以结合第一至第四方面中的任一方面实现)还包括用于将从第一检测单元(112)提供的各检测信号(Sig2)与从第二检测单元(113)提供的相关校正信号(Sig3)进行比较的信号比较单元(13)。
该方面允许基于信号比较单元(13)提供的比较结果来检测第一检测单元(112)或第二检测单元(113)中的至少一个工作异常(或故障)。
根据第六方面的惯性传感器(10)包括根据第一至第五方面中任一方面的信号处理装置(1)和至少一个检测元件(2)。
根据该方面，第二检测单元(113)具有比第一检测单元(112)更宽的检测范围。这允许在抑制灵敏度降低的同时减小他轴灵敏度的影响。
根据第七方面的信号处理方法是用于处理至少一个检测元件(2)的输出信号(Sig1)的信号处理方法，该至少一个检测元件(2)检测相互垂直的三个方向中至少两个方向上的惯性力。该信号处理方法包括第一检测步骤(S2)、第二检测步骤(S3)和校正步骤(S6)。第一检测步骤(S2)包括基于对应于至少两个方向的输出信号(Sig1)产生检测信号(Sig2)。第二检测步骤(S3)包括在比第一检测步骤(S2)更宽的检测范围内基于对应于至少两个方向的输出信号(Sig1)产生校正信号(Sig3)。校正步骤(S6)包括校正检测信号(Sig2)。校正步骤(S6)包括利用对应于至少两个方向中进行校正的一个方向之外的至少一个方向的至少一个相关校正信号(Sig3)，校正对应于至少两个方向中每一个方向的相关检测信号(Sig2)。
根据该方面，第二检测单元(113)具有比第一检测单元(112)更宽的检测范围。这允许在抑制灵敏度降低的同时减小他轴灵敏度的影响。
根据第八方面的程序被设计为使一个或多个处理器执行根据第七方面的信号处理方法。
根据该方面，第二检测单元(113)具有比第一检测单元(112)更宽的检测范围。这允许在抑制灵敏度降低的同时减小他轴灵敏度的影响。
注意，根据第二至第五方面的构成元件不是信号处理装置(1)的必要构成元件，而是可以适当省略。
附图标记列表
1 信号处理装置；
11 检测电路；
11A X轴检测电路；
11B Y轴检测电路；
11C Z轴检测电路；
110 A/D转换器；
112 第一检测单元；
112A X轴第一检测单元；
112B Y轴第一检测单元；
112C Z轴第一检测单元；
113 第二检测单元；
113A X轴第二检测单元；
113B Y轴第二检测单元；
113C Z轴第二检测单元；
12 校正电路；
13 信号比较单元；
2 检测元件；
2A X轴检测元件；
2B Y轴检测元件；
2C Z轴检测元件；
10 惯性传感器；
Sig1 输出信号；
Sig2 检测信号；
Sig3 校正信号；
S2 第二步骤(第一检测步骤)；
S3 第三步骤(第二检测步骤)；
S6 第六步骤(校正步骤)。
Claims (8)
1.一种信号处理装置，包括：
检测电路，被配置为基于至少一个检测元件的输出信号产生检测信号，所述至少一个检测元件被配置为检测相互垂直的三个方向中至少两个方向上的惯性力；以及
校正电路，被配置为校正所述检测信号，
所述检测电路包括：
第一检测单元，被配置为基于所述输出信号中对应于所述至少两个方向中每一个方向的相关输出信号，产生至少一个所述检测信号；以及
第二检测单元，具有比所述第一检测单元更宽的检测范围，并且被配置为基于所述输出信号中对应于所述至少两个方向中每一个方向的相关输出信号，产生至少一个校正信号；
所述校正电路被配置为利用所述校正信号中对应于所述至少两个方向中进行校正的一个方向之外的至少一个方向的相关校正信号，校正所述检测信号中对应于所述至少两个方向中每一个方向的相关检测信号。
2.根据权利要求1所述的信号处理装置，其中
所述第一检测单元和所述第二检测单元中的每一个均包括A/D转换器。
3.根据权利要求1或2所述的信号处理装置，其中
所述至少两个方向是相互垂直的X轴方向、Y轴方向和Z轴方向，并且
所述至少一个检测元件包括：
X轴检测元件，被配置为检测X轴方向上的惯性力；
Y轴检测元件，被配置为检测Y轴方向上的惯性力；
Z轴检测元件，被配置为检测Z轴方向上的惯性力。
4.权利要求1至3中的任一项所述的信号处理装置，其中
所述至少两个方向是相互垂直的X轴方向、Y轴方向和Z轴方向，
所述检测电路包括：
X轴检测电路，被配置为基于从作为所述至少一个检测元件的X轴检测元件提供的相关输出信号，产生相关检测信号，所述X轴检测元件被配置为检测X轴方向上的惯性力；
Y轴检测电路，被配置为基于从作为所述至少一个检测元件的Y轴检测元件提供的相关输出信号，产生相关检测信号，所述Y轴检测元件被配置为检测Y轴方向上的惯性力；以及
Z轴检测电路，被配置为基于从作为所述至少一个检测元件的Z轴检测元件提供的相关输出信号，产生相关检测信号，所述Z轴检测元件被配置为检测Z轴方向上的惯性力，
所述X轴检测电路包括作为所述第一检测单元的X轴第一检测单元和作为所述第二检测单元的X轴第二检测单元，
所述Y轴检测电路包括作为所述第一检测单元的Y轴第一检测单元和作为所述第二检测单元的Y轴第二检测单元，以及
所述Z轴检测电路包括作为所述第一检测单元的Z轴第一检测单元和作为所述第二检测单元的Z轴第二检测单元。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的信号处理装置，还包括信号比较单元，所述信号比较单元被配置为将从所述第一检测单元提供的各检测信号与从所述第二检测单元提供的相关校正信号进行比较。
6.一种惯性传感器，包括：
根据权利要求1至5中任一项所述的信号处理装置；以及
所述至少一个检测元件。
7.一种信号处理方法，用于处理所述至少一个检测元件的输出信号，所述至少一个检测元件被配置为检测相互垂直的三个方向中至少两个方向上的惯性力，所述方法包括：
第一检测步骤，包括基于对应于所述至少两个方向的所述输出信号产生检测信号；
第二检测步骤，包括在比所述第一检测步骤更宽的检测范围内基于对应于所述至少两个方向的所述输出信号产生校正信号；以及
校正步骤包括校正所述检测信号，
所述校正步骤包括利用所述校正信号中对应于所述至少两个方向中进行校正的一个方向之外的至少一个方向的相关校正信号，校正所述检测信号中对应于所述至少两个方向中每一个方向的相关检测信号。
8.一种程序，被设计为使一个或多个处理器执行根据权利要求7所述的信号处理方法。
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