JP2012112695A - 加速度および角速度検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1検出状態では、検出容量Cd1、Cd3の固定電極が共通接続された上でオペアンプOP1の反転入力端子に接続され、検出容量Cd2、Cd4の固定電極が共通接続された上でオペアンプOP1の非反転入力端子に接続され、積分容量Ci1、Ci3が帰還容量として機能する。第2検出状態では、検出容量Cd1、Cd4の固定電極が共通接続された上でオペアンプOP1の反転入力端子に接続され、検出容量Cd2、Cd3の固定電極が共通接続された上でオペアンプOP1の非反転入力端子に接続され、積分容量Ci2、Ci4が帰還容量として機能する。検出部14は、第1検出状態におけるチャージアンプ13の出力信号に基づいて加速度を検出し、第2検出状態におけるチャージアンプ13の出力信号に基づいて角速度を検出する。
【選択図】図1
Description
以下、本発明の第1の実施形態について図1〜図3を参照しながら説明する。
図1は、加速度および角速度検出装置の構成を概略的に示している。図1に示す加速度および角速度検出装置1は、センサチップ2および回路チップ3を備えている。センサチップ2に設けられた端子P1s〜P9sと、回路チップ3に設けられた端子P1c〜P9cとは、それぞれ接続ラインL1〜L9を介して接続されている。
チャージアンプ13は、図3における時刻t1〜時刻t4の期間に第1検出状態になり、時刻t4〜時刻t7の期間に第2検出状態になるものとする。第1検出状態は、オペアンプOP1の反転入力端子に検出容量Cd1、Cd3の各静電容量を足し合わせたものが与えられるとともに、非反転入力端子に検出容量Cd2、Cd4の各静電容量を足し合わせたものが与えられる状態である。第2検出状態は、オペアンプOP1の反転入力端子に検出容量Cd1、Cd4の各静電容量を足し合わせたものが与えられるとともに、非反転入力端子に検出容量Cd2、Cd3の各静電容量を足し合わせたものが与えられる状態である。
ΔCd1=+ΔC1+ΔC2 …(1)
ΔCd2=−ΔC1−ΔC2 …(2)
ΔCd3=+ΔC1−ΔC2 …(3)
ΔCd4=−ΔC1+ΔC2 …(4)
(C+ΔCd1)+(C+ΔCd3)=2・C+2・ΔC1 …(5)
すなわち、第1検出状態において、オペアンプOP1の反転入力端子には、2つの検出容量(Cd1、Cd3)の初期状態の静電容量の和(初期容量)に、加速度に伴う振動成分である「ΔC1」の2倍の静電容量を加算したものが与えられる。この際、角速度に伴う振動成分(+ΔC2、−ΔC2)は打ち消される。
(C+ΔCd2)+(C+ΔCd4)=2・C−2・ΔC1 …(6)
すなわち、第1検出状態において、オペアンプOP1の非反転入力端子には、2つの検出容量(Cd2、Cd4)の初期状態の静電容量の和(初期容量)に、加速度に伴う振動成分である「ΔC1」の2倍の静電容量を減算したものが与えられる。この際、角速度に伴う振動成分(−ΔC2、+ΔC2)は打ち消される。
(C+ΔCd1)+(C+ΔCd4)=2・C+2・ΔC2 …(7)
すなわち、第2検出状態において、オペアンプOP1の反転入力端子には、2つの検出容量(Cd1、Cd4)の初期状態の静電容量の和(初期容量)に、角速度に伴う振動成分である「ΔC2」の2倍の静電容量を加算したものが与えられる。この際、加速度に伴う振動成分(+ΔC1、−ΔC1)は打ち消される。
(C+ΔCd2)+(C+ΔCd3)=2・C−2・ΔC2 …(8)
すなわち、第2検出状態において、オペアンプOP1の非反転入力端子には、2つの検出容量(Cd2、Cd3)の初期状態の静電容量の和(初期容量)に、角速度に伴う振動成分である「ΔC2」の2倍の静電容量を減算したものが与えられる。この際、加速度に伴う振動成分(−ΔC1、+ΔC1)は打ち消される。
第1検出状態において、角速度に伴う検出容量Cd1〜Cd4の変化分は打ち消され、検出容量Cd1〜Cd4の初期容量と加速度に伴う検出容量Cd1〜Cd4の変化分がチャージアンプ13に入力される。チャージアンプ13では、オペアンプOP1の作用により、初期容量がキャンセルされ、加速度に伴う検出容量Cd1〜Cd4の変化分に応じた電圧信号が出力される。このような構成により、センサ部4に作用するY軸方向の加速度を精度よく検出することができる。
以下、本発明の第2の実施形態について図4および図5を参照しながら説明する。
図4は、第1の実施形態における図1相当図であり、第1の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図4に示す加速度および角速度検出装置31は、図1に示した加速度および角速度検出装置1に対し、可動部7、振動部8および出力部9に代えて可動部32、振動部33および出力部34を備えている点と、振動信号生成部12に代えて振動信号生成部35を備えている点と、チャージアンプ13に代えてチャージアンプ36を備えている点とが異なる。
チャージアンプ36は、図5における時刻t7〜時刻t10の期間に第3検出状態になるものとする。第3検出状態は、オペアンプOP1の反転入力端子に検出容量Cd5の静電容量が与えられるとともに、非反転入力端子に検出容量Cd6の静電容量が与えられる状態である。第3検出状態において、オペアンプOP1の反転入力端子には、検出容量Cd5の初期状態の静電容量(初期容量)に、Y軸を中心とした回転の角速度に伴う静電容量の変化を加算したものが与えられる。また、オペアンプOP1の非反転入力端子には、検出容量Cd6の初期状態の静電容量(初期容量)に、上記角速度に伴う静電容量の変化を加算したものが与えられる。
第3検出状態において、検出容量Cd5、Cd6の初期容量とY軸を中心とした回転の角速度に伴う検出容量Cd5、Cd6の変化分がチャージアンプ36に入力される。チャージアンプ36では、オペアンプOP1の作用により、初期容量がキャンセルされ、上記角速度に伴う検出容量Cd5、Cd6の変化分に応じた電圧信号が出力される。このような構成により、センサ部4に作用するY軸を中心とした回転の角速度を精度よく検出することができる。
以下、本発明の第3の実施形態について図6および図7を参照しながら説明する。
図6は、第1の実施形態における図1相当図であり、第1の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図6に示す加速度および角速度検出装置41は、図1に示した加速度および角速度検出装置1に対し、チャージアンプ13に代えてチャージアンプ42を備えている点が異なる。
C11<C12 …(9)
C21<C22 …(10)
なお、図示は省略するが、第2検出状態についても、第1検出状態と同様に、1回目と2回目とにおいて、帰還容量として機能する積分容量が異なるように、積分容量スイッチ手段43が制御される。
1回目の第1検出状態(時刻t1〜時刻t3の期間)には、積分容量Ci1、Ci3が帰還容量として機能するように積分容量スイッチ手段43が制御される。これにより、チャージアンプ42のC/V変換動作におけるゲインは比較的低くなる。従って、チャージアンプ42から出力される電圧信号は、オペアンプOP1の出力可能な電圧範囲(レンジ)の下限に近いような値となる。続いて、2回目の第1検出状態(時刻t3〜時刻t5の期間)には、積分容量Ci41、Ci43が帰還容量として機能するように積分容量スイッチ手段が制御される。これにより、チャージアンプ42のC/V変換動作におけるゲインは、比較的高くなる。従って、チャージアンプ42から出力される電圧信号は、オペアンプOP1のレンジの上限(レンジmax)に近い値となる。
以下、本発明の第4の実施形態について図8および図9を参照しながら説明する。
図8は、第1の実施形態における図1相当図であり、第1の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図8に示す加速度および角速度検出装置51は、図1に示した加速度および角速度検出装置1に対し、チャージアンプ13に代えてチャージアンプ52を備えている点が異なる。
なお、本発明は上記し且つ図面に記載した各実施形態に限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
チャージアンプが備えるオペアンプを用いて、検出部14としての機能(増幅、A/D変換など)をも実現する構成としてもよい。図10は、巡回型の信号処理回路の構成を概略的に示している。図10に示す信号処理回路61は、チャージアンプが備える単一のオペアンプに対し、複数のキャパシタおよびスイッチを追加することで実現することができる。このような構成の信号処理回路61によれば、C/V変換〜A/D変換までの一連の信号処理を単一のオペアンプを用いて実行することが可能になるため、さらなる回路面積の低減効果が得られる。
さらに、ダミースイッチ部73を構成するMOSトランジスタのチャンネル幅を、メインスイッチ部72を構成するMOSトランジスタのチャンネル幅の1/2に設定するとよい。このようにすれば、上記電荷注入効果をほぼ完全に相殺することが可能になる。
Claims (7)
- 互いに直交する第1軸および第2軸の各方向に変位可能な第1振動子および第2振動子と、
前記第1振動子および前記第2振動子を前記第1軸方向であり且つ互いに反対の方向に振動させる振動手段と、
前記第1振動子の前記第2軸方向の変位に応じて静電容量が相補的に変化する第1検出容量および第2検出容量と、
前記第2振動子の前記第2軸方向の変位に応じて静電容量が相補的に変化する第3検出容量および第4検出容量と、
前記検出容量の変化を電圧信号に変換して出力する全差動構成のチャージアンプと、
前記チャージアンプの出力信号に基づいて、前記第2軸方向の加速度と、前記第1軸および前記第2軸のそれぞれに直交する第3軸を中心とした回転の角速度とを検出する検出手段とを備え、
前記チャージアンプは、一つのオペアンプと、前記オペアンプへの入力を切り替える入力スイッチ手段と、第1積分容量と、第2積分容量と、前記第1積分容量および前記第2積分容量のいずれか一方が前記オペアンプの帰還容量として機能するように前記積分容量の接続状態を切り替える積分容量スイッチ手段と、前記積分容量の両端を短絡可能なリセットスイッチ手段とを備え、
前記検出手段は、前記入力スイッチ手段、前記積分容量スイッチ手段および前記リセットスイッチ手段の動作を制御するスイッチ制御手段を備え、
前記スイッチ制御手段は、
第1検出状態にあっては、前記第1検出容量および前記第3検出容量の変化が加算された上で前記オペアンプの一方の入力端子に入力されるとともに前記第2検出容量および前記第4検出容量の変化が加算された上で前記オペアンプの他方の入力端子に入力されるように前記入力スイッチ手段を制御し、前記第1積分容量が前記帰還容量として機能するように前記積分容量スイッチ手段を制御し、
第2検出状態にあっては、前記第1検出容量および前記第4検出容量の変化が加算された上で前記オペアンプの一方の入力端子に入力されるとともに前記第2検出容量および前記第3検出容量の変化が加算された上で前記オペアンプの他方の入力端子に入力されるように前記入力スイッチ手段を制御し、前記第2積分容量が前記帰還容量として機能するように前記積分容量スイッチ手段を制御し、
前記検出状態の切り替えが行われた後、前記積分容量の端子間を短絡するように前記リセットスイッチ手段を制御し、
前記検出手段は、前記第1検出状態における前記チャージアンプの出力信号に基づいて前記第2軸方向の加速度を検出し、前記第2検出状態における前記出力信号に基づいて前記第3軸を中心とした回転の角速度を検出することを特徴とする加速度および角速度検出装置。 - 前記入力スイッチ手段は、前記検出容量および前記オペアンプ間の信号経路に介在するスイッチ素子により構成され、
前記積分容量スイッチ手段は、前記積分容量および前記オペアンプ間の信号経路に介在するスイッチ素子により構成され、
前記スイッチ素子は、メインスイッチ部と、前記メインスイッチ部に直列接続されるとともに両端子間が短絡されたダミースイッチ部とから構成され、
前記メインスイッチ部および前記ダミースイッチ部は、CMOSのアナログスイッチにより構成されていることを特徴とする請求項1に記載の加速度および角速度検出装置。 - 前記第1軸および前記第3軸の各方向に変位可能な第3振動子と、前記第3振動子の前記第3軸方向の変位に応じて静電容量が相補的に変化する第5検出容量および第6検出容量とを備え、
前記振動手段は、前記第3振動子を前記第1軸方向に振動させ、
前記チャージアンプは、第3積分容量を備え、
前記スイッチ制御手段は、第3検出状態にあっては、前記第5検出容量の変化が前記オペアンプの一方の入力端子に入力されるとともに前記第6検出容量の変化が前記オペアンプの他方の入力端子に入力されるように前記入力スイッチ手段を制御し、前記第3積分容量が前記帰還容量として機能するように前記積分容量スイッチ手段を制御し、
前記検出手段は、前記第3検出状態における前記チャージアンプの出力信号に基づいて前記第2軸を中心とした回転の角速度を検出することを特徴とする請求項1または2に記載の加速度および角速度検出装置。 - 前記積分容量は、それぞれが、互いに静電容量の異なる複数の容量素子からなり、
前記スイッチ制御手段は、切り替え対象とする前記積分容量の前記複数の容量素子のいずれか一つが前記帰還容量として機能するように前記積分容量スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の加速度および角速度検出装置。 - 前記第1検出容量および前記第2検出容量の一方の電極は、互いに共通接続され、
前記第1検出容量および前記第2検出容量の他方の電極は、それぞれ前記オペアンプの一方の入力端子および他方の入力端子に接続され、
前記第3検出容量および前記第4検出容量の一方の電極は、互いに共通接続され、
前記入力スイッチ手段は、前記第4検出容量の他方の電極および前記オペアンプの一方の入力端子間に接続された第1スイッチ素子と、前記第3検出容量の他方の電極および前記オペアンプの他方の入力端子間に接続された第2スイッチ素子と、前記第3検出容量の他方の電極および前記オペアンプの一方の入力端子間に接続された第3スイッチ素子と、前記第4検出容量の他方の電極および前記オペアンプの他方の入力端子間に接続された第4スイッチ素子とを備え、
前記スイッチ制御手段は、
前記第1検出状態にあっては、前記第1スイッチ素子および前記第2スイッチ素子をオフするとともに、前記第3スイッチ素子および前記第4スイッチ素子をオンし、
前記第2検出状態にあっては、前記第1スイッチ素子および前記第2スイッチ素子をオンするとともに、前記第3スイッチ素子および前記第4スイッチ素子をオフすることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の加速度および角速度検出装置。 - 前記第1検出容量および前記第2検出容量の一方の電極は、互いに共通接続され、
前記第3検出容量および前記第4検出容量の一方の電極は、互いに共通接続され、
前記入力スイッチ手段は、前記第4検出容量の他方の電極および前記オペアンプの一方の入力端子間に接続された第1スイッチ素子と、前記第3検出容量の他方の電極および前記オペアンプの他方の入力端子間に接続された第2スイッチ素子と、前記第3検出容量の他方の電極および前記オペアンプの一方の入力端子間に接続された第3スイッチ素子と、前記第4検出容量の他方の電極および前記オペアンプの他方の入力端子間に接続された第4スイッチ素子と、前記第1検出容量の他方の電極および前記オペアンプの一方の入力端子間に接続された第5スイッチ素子と、前記第2検出容量の他方の電極および前記オペアンプの他方の入力端子間に接続された第6スイッチ素子とを備え、
前記スイッチ制御手段は、
前記第1検出状態にあっては、前記第1スイッチ素子および前記第2スイッチ素子をオフするとともに、前記第3スイッチ素子、前記第4スイッチ素子、前記第5スイッチ素子および前記第6スイッチ素子をオンし、
前記第2検出状態にあっては、前記第1スイッチ素子、前記第2スイッチ素子、前記第5スイッチ素子および前記第6スイッチ素子をオンするとともに、前記第3スイッチ素子および前記第4スイッチ素子をオフすることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の加速度および角速度検出装置。 - 前記スイッチ制御手段は、
第1診断状態にあっては、前記第1スイッチ素子、前記第2スイッチ素子、前記第3スイッチ素子および前記第4スイッチ素子をオフするとともに、前記第5スイッチ素子および前記第6スイッチ素子をオンし、
第2診断状態にあっては、前記第1スイッチ素子、前記第2スイッチ素子、前記第5スイッチ素子および前記第6スイッチ素子をオフするとともに、前記第3スイッチ素子および前記第4スイッチ素子をオンし、
前記検出手段は、前記第1診断状態における前記チャージアンプの出力信号に基づいて前記第1振動子の診断を行い、前記第2診断状態における前記出力信号に基づいて前記第2振動子の診断を行うことを特徴とする請求項6に記載の加速度および角速度検出装置。
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