JP6867214B2 - 角速度検出装置 - Google Patents
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Description
角速度センサ(角速度検出装置)の一種である容量検出型角速度センサにおいて、初期容量値(C0)は角速度センサ要素の製造ばらつきにより変化する。同様に、角速度センサ要素および制御回路チップの実装状況により寄生容量成分の大きさは変化する。このため、前述した特許文献1に示されているように、例えば回路チップ内に作られた固定容量を用いてC0成分および寄生成分を除去する方法では、大きな製造ばらつきには対応できない。よって増幅回路の増幅率を大きくできないため、信号雑音比(S/N)が劣化するという課題があった。
図2〜図6を用いて、実施の形態1の角速度センサ(角速度検出装置)について説明する。図2は、実施の形態1において、電荷相殺機能を搭載した角速度センサの静電容量変化出力を検出する回路構成例を示す図である。図3は、実施の形態1において、電荷相殺動作の一例を示す図である。図4は、実施の形態1において、センサ要素の等価回路、および駆動制御回路の構成を示す図である。図5は、実施の形態1において、センサ要素の実装構造例を示す図である。図6は、実施の形態1において、角速度電荷相殺の実装構成例を示す図である。
図2には、センサ要素に含まれる一組の差動容量を検出する際に、適切に初期容量C0を除去して最適な増幅率を実現するための回路、すなわち電荷相殺機能を搭載した角速度センサの静電容量変化出力を検出する回路の構成例を示している。電荷相殺機能を搭載した角速度センサの静電容量変化出力を検出する回路は、容量検出回路207と、アナログデジタル変換回路(ADC)214と、出力回路(OUTPUT)217と、平均化回路(AVE)215と、論理回路(LOGIC)216と、フィードスルー除去回路201および218と、反転回路206および223から構成される。
図4で、角速度センサ全体の構成例を説明する。前述した図2はアナログフロントエンド回路412および422を詳細に記述したものである。センサ要素(SNS)401は、駆動制御回路(XCTRL)420と、駆動制御回路(YCTRL)410により制御される。センサ要素401は、静電容量素子Cxsp、Cxsn、Cxfp、Cxfn、Cysp、Cysn、CyfpおよびCyfnを有し、各静電容量素子に対応する電極Exsp、Exsn、Exfp、Exfn、Eysp、Eysn、EyfpおよびEyfnを備えている。また、センサ要素401は、搬送波信号CRRの電極E0も備えている。
図5は、センサ要素401の機械的、物理的な実装構造例を示す。センサ要素401は、慣性体として、駆動マス501、検出マス502を有する。駆動マス501および検出マス502は、ベース部材に対して弾性部材を介して接続されており、慣性に応じた変位が可能な構造を有する。駆動マス501は、X方向に変位し、その変位をΔXとする。検出マス502は、Y方向に変位し、その変位をΔYとする。図5では、説明上の方向および座標系として(X、Y、Z)を示す。X方向は、第1軸に対応する第1方向であり、駆動マス501の駆動に係わる方向である。Y方向は、X方向に直交する第2軸に対応する第2方向であり、検出マス502のコリオリ検出に係わる方向である。Z方向は、X方向およびY方向に垂直な第3軸に対応する第3方向である。検出対象の角速度Ωは、Z方向の軸周りの角速度である。出力信号OUTのうちの角度は、その角速度Ωの角度である。
図6は、図4の角速度センサモジュールの実装構成例を示す。図6(A)は、角速度センサモジュールの実装基板を鉛直方向(Z方向)の上から見た平面図を示す。端子と入出力信号との対応関係も併せて示している。図6(B)は、実装基板を水平方向(Y方向)から見た側面図を示す。
図7を用いて、実施の形態2の角速度センサ(角速度検出装置)について説明する。図7は、実施の形態2において、電荷相殺機能を搭載した角速度センサの静電容量変化出力を検出する回路構成例を示す図である。実施の形態2の基本的な構成は前述した実施の形態1と同様であり、以下では、実施の形態2における実施の形態1とは異なる構成部分について説明する。
図8を用いて、実施の形態3の角速度センサ(角速度検出装置)について説明する。図8は、実施の形態3において、電荷相殺機能を搭載した角速度センサの静電容量変化出力を検出する回路構成例を示す図である。実施の形態3の基本的な構成は前述した実施の形態1と同様であり、以下では、実施の形態3における実施の形態1とは異なる構成部分について説明する。
図9を用いて、実施の形態4の角速度センサ(角速度検出装置)について説明する。図9は、実施の形態4において、電荷相殺機能を搭載した角速度センサの静電容量変化出力を検出する回路構成例を示す図である。実施の形態4の基本的な構成は前述した実施の形態1と同様であり、以下では、実施の形態4における実施の形態1とは異なる構成部分について説明する。
図10と図11を用いて、実施の形態5の角速度センサ(角速度検出装置)および物理量検出システムについて説明する。まず、図10を用いて、角速度センサについて説明する。図10は、実施の形態5において、電荷相殺機能を搭載した角速度センサの静電容量変化出力を検出する回路構成例を示す図である。実施の形態5の基本的な構成は前述した実施の形態1と同様であり、以下では、実施の形態5における実施の形態1とは異なる構成部分について説明する。
図12を用いて、実施の形態6の角速度センサ(角速度検出装置)について説明する。図12は、実施の形態6において、電荷相殺機能を搭載した角速度センサの静電容量変化出力を検出する回路構成例を示す図である。実施の形態6の基本的な構成は前述した実施の形態3と同様であり、以下では、実施の形態6における実施の形態3とは異なる構成部分について説明する。
101、106、208、213、702、706 スイッチ
102、105、209、212、703、705 帰還容量
103、104、210、211、704 オペアンプ
107 アナログデジタル変換回路
108、227 搬送波生成回路
109、224 センサ要素
110、111、225、226 差動可変容量
201、218、801、805、901、907、1201、1207 フィードスルー除去回路
202、219 アナログ乗算器
203、220 アンプ
204、221 デジタルアナログ変換回路
205、222 フィードスルー除去容量
206、223 反転回路
214 アナログデジタル変換回路
215 平均化回路
216 論理回路
217 出力回路
401 センサ要素
410、420 駆動制御回路
411、421 デジタルアナログ変換回路
412、422 アナログフロントエンド回路
430 搬送波生成回路
501 駆動マス
502 検出マス
601 第1基板
602 第2基板
603、604 電極パッド
605 ワイヤボンディング
802、806、1202、1208 容量アレー回路
803、807、1203、1209 スイッチアレー回路
804、808 デコード回路
902、908 アナログ乗算器
903、909 アンプ
904、910 フィードスルー除去容量
905、906 平均化回路
1001 信号選択回路
1002〜1005 スイッチ
1006 動作モード設定回路
1007、1008 データラッチ回路
1101、1104 角速度センサモジュール
1102 加速度センサモジュール
1103 制御装置
1105 上位システム
1204、1210 データラッチ回路
1205 デコード回路
1206 マルチプレクサ回路
Claims (14)
- 第1の容量検出回路および第2の容量検出回路を含む複数の容量検出回路と、
前記第1の容量検出回路からの第1の交流信号出力と前記第2の容量検出回路からの第2の交流信号出力との直流成分に基づいて、前記第1の容量検出回路の入力ノードにおいて第1のフィードスルー成分を除去する第1のフィードスルー除去回路、および前記第2の容量検出回路の入力ノードにおいて第2のフィードスルー成分を除去する第2のフィードスルー除去回路と、
を備え、
前記第1のフィードスルー除去回路および前記第2のフィードスルー除去回路は、
デジタルアナログ変換回路と、
前記デジタルアナログ変換回路の出力を増幅する増幅回路と、
前記容量検出回路の動作クロックと前記増幅回路の出力とを乗算するミキサ回路と、
フィードスルー除去容量と、
を含み、
前記第1のフィードスルー除去回路および前記第2のフィードスルー除去回路は、前記容量検出回路の入力ノードと前記ミキサ回路との間に挿入される、角速度検出装置。 - 請求項1記載の角速度検出装置において、
前記第1の交流信号出力と前記第2の交流信号出力との差分交流信号を取得する差動回路をさらに備える、角速度検出装置。 - 請求項2記載の角速度検出装置において、
前記差分交流信号を平均化して前記差分交流信号に含まれる直流成分を抽出する平均化回路をさらに備える、角速度検出装置。 - 請求項3記載の角速度検出装置において、
前記直流成分に基づき前記第1のフィードスルー成分および前記第2のフィードスルー成分を推定する回路をさらに備える、角速度検出装置。 - 請求項1記載の角速度検出装置において、
前記第1のフィードスルー除去回路および前記第2のフィードスルー除去回路は、
デコード回路と、
前記デコード回路の出力により制御されるスイッチアレー回路と、
複数の容量により構成される容量アレー回路と、
を含み、
前記容量アレー回路を構成する複数の容量は一方の端子が互いに電気的に接続され、前記容量検出回路の動作クロックに接続され、
前記複数の容量のもう一方の端子は前記スイッチアレー回路により制御されて前記容量検出回路の入力ノードに接続される、角速度検出装置。 - 請求項1記載の角速度検出装置において、
前記第1の交流信号出力を平均化する第1の平均化回路と、
前記第2の交流信号出力を平均化する第2の平均化回路と、
をさらに備える、角速度検出装置。 - 請求項2記載の角速度検出装置において、
前記第1の交流信号出力と前記第2の交流信号出力と基準電位とを、動作モードに応じて前記差動回路の差動入力として繋ぎ換えるモード切り替えスイッチ回路をさらに備える、角速度検出装置。 - 請求項7記載の角速度検出装置において、
前記動作モードの設定を行う動作モード設定回路をさらに備え、
前記動作モード設定回路は、モード変換を行うトリガ信号を外部システムから受け取る、角速度検出装置。 - 請求項7記載の角速度検出装置において、
前記動作モードには、
通常のセンサ出力を得る通常モードと、
前記第1の容量検出回路の入力ノードに対してフィードスルー除去動作を行う第1のフィードスルー除去モードと、
前記第2の容量検出回路の入力ノードに対してフィードスルー除去動作を行う第2のフィードスルー除去モードと、
を含み、
前記通常モード時には前記第1の交流信号出力と前記第2の交流信号出力とを前記差動回路に入力し、
前記第1のフィードスルー除去モードでは前記第1の交流信号出力と前記基準電位とを前記差動回路に入力し、
前記第2のフィードスルー除去モードでは前記第2の交流信号出力と前記基準電位とを前記差動回路に入力する、角速度検出装置。 - 請求項9記載の角速度検出装置において、
前記第1のフィードスルー除去モードで前記第1のフィードスルー除去回路に入力する信号を更新する第1のデータラッチ回路と、
前記第2のフィードスルー除去モードで前記第2のフィードスルー除去回路に入力する信号を更新する第2のデータラッチ回路と、
をさらに備える、角速度検出装置。 - 請求項8記載の角速度検出装置において、
前記外部システムは、他に備えた加速度センサの情報を元に前記トリガ信号を発行する、角速度検出装置。 - 請求項8記載の角速度検出装置において、
前記外部システムは、自動車の自動運転制御システムである、角速度検出装置。 - 請求項1記載の角速度検出装置において、
前記第1のフィードスルー除去回路および前記第2のフィードスルー除去回路は、
フィードスルー除去データラッチ回路と、
前記フィードスルー除去データラッチ回路の出力により制御されるスイッチアレー回路と、
複数の容量により構成される容量アレー回路と、
を含み、
前記容量アレー回路を構成する複数の容量は一方の端子が互いに電気的に接続され、前記容量検出回路の動作クロックに接続され、
前記複数の容量のもう一方の端子は前記スイッチアレー回路により制御されて前記第1の容量検出回路の入力ノードおよび前記第2の容量検出回路の入力ノードに接続され、
前記角速度検出装置は、前記第1のフィードスルー除去回路および前記第2のフィードスルー除去回路のどちらのデータを更新するかを選択する選択回路をさらに備える、角速度検出装置。 - 単一の差動容量検出回路と、
前記差動容量検出回路からの差動交流信号出力の直流成分に基づいて、前記差動容量検出回路の入力ノードにおいてフィードスルー成分を除去するフィードスルー除去回路と、
を備え、
前記フィードスルー除去回路は、前記差動容量検出回路の第1の入力ノードにおいて第1のフィードスルー成分を除去する第1のフィードスルー除去回路、および前記差動容量検出回路の第2の入力ノードにおいて第2のフィードスルー成分を除去する第2のフィードスルー除去回路と、
を備え、
前記第1のフィードスルー除去回路および前記第2のフィードスルー除去回路は、
デジタルアナログ変換回路と、
前記デジタルアナログ変換回路の出力を増幅する増幅回路と、
前記差動容量検出回路の動作クロックと前記増幅回路の出力とを乗算するミキサ回路と、
フィードスルー除去容量と、
を含み、
前記第1のフィードスルー除去回路および前記第2のフィードスルー除去回路は、前記差動容量検出回路の入力ノードと前記ミキサ回路との間に挿入される、角速度検出装置。
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