WO2023234167A1 - 信号処理装置、加速度センサ、及び携帯機器 - Google Patents

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Abstract

信号処理回路は、アナログ回路と、アナログ/デジタルコンバータと、複数の検知回路と、を有する。前記アナログ回路は、加速度に応じて特性が変化するように構成されたセンサ素子に接続可能に構成され、前記特性の変化を示すアナログ信号を出力するように構成される。前記アナログ/デジタルコンバータは、 前記アナログ信号をデジタル信号に変換するように構成される。前記複数の検知回路は、前記デジタル信号に基づき前記加速度の変化を検知するように構成される。前記複数の検知回路の各サンプリング周期は異なる値である。

Description

信号処理装置、加速度センサ、及び携帯機器
 本明細書中に開示されている発明は、信号処理装置、並びにこれを用いた加速度センサ及び携帯機器に関する。
 加速度センサは、加速度に応じて特性が変化するように構成されたセンサ素子と、当該センサ素子の特性の変化に基づいて加速度を求めるように構成された信号処理装置と、を有する。
 加速度センサには、加速度の検知結果を出力する機能だけでなく、特定の加速度変化を検知して外部のホスト装置に知らせる機能も有するものがある。前者の機能だけでなく後者の機能も有する加速度センサは、人などの物体の動きを検知するモーションセンサとして用いられる(例えば特許文献1参照)。
特表2021―519936号公報(段落0091)
 しかしながら、従来の加速度センサは、加速度変化の検知漏れについて改善の余地があった。
 本明細書中に開示されている信号処理装置は、信号処理回路は、アナログ回路と、アナログ/デジタルコンバータと、複数の検知回路と、を有する。前記アナログ回路は、加速度に応じて特性が変化するように構成されたセンサ素子に接続可能に構成され、前記特性の変化を示すアナログ信号を出力するように構成される。前記アナログ/デジタルコンバータは、前記アナログ信号をデジタル信号に変換するように構成される。前記複数の検知回路は、前記デジタル信号に基づき前記加速度の変化を検知するように構成される。前記複数の検知回路の各サンプリング周期は異なる値である。
 本明細書中に開示されている加速度センサは、上記構成の信号処理装置と、前記センサ素子と、を有する。
 本明細書中に開示されている携帯機器は、上記構成の加速度センサを有する。
 本明細書中に開示されている発明によれば、加速度センサでの加速度変化の検知漏れを抑制することができる。
図1は、加速度センサの比較例を示す図である。 図2は、検知回路でのサンプリングの一例を示す図である。 図3は、検知回路でのサンプリングの他の例を示す図である。 図4は、検知回路でのサンプリングの更に他の例を示す図である。 図5は、加速度センサの実施形態を示す図である。 図6は、スマートフォンの構成例を示すブロック図である。
<加速度センサ(比較例)>
 図1は、加速度センサの比較例(=後出の実施形態と対比される一般的な構成)を示す図である。本比較例の加速度センサ101は、センサ素子1と、信号処理装置2Aと、を有する。加速度センサ101は、互いに直交する3軸方向の加速度を同時に計測可能な静電容量型3軸加速度センサである。なお、加速度センサ101によって同時に計測可能な加速度は、互いに直交する3軸方向の加速度に限らず、互いに直交する2軸方向の加速度であってもよく、1軸方向の加速度であってもよい。
 センサ素子1は、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いた静電容量型加速度センサ素子である。センサ素子1は、例えばシリコンで作られた固定電極、可動電極、及びスプリングを有する。センサ素子1に加速度が加わっていない状態では、固定電極と可動電極の間の距離は変化しない。一方、センサ素子1に加速度が加わると、固定電極に対して可動電極が変位し、固定電極と可動電極との間の静電容量が変化する。つまり、センサ素子1に加わる加速度に応じて、センサ素子1の静電容量が変化する。
 なお、センサ素子1は、静電容量型加速度センサ素子に限らず、例えば、ピエゾ抵抗型加速度センサ素子、熱検知型加速度センサ素子等であってもよい。つまり、センサ素子1は、センサ素子1に加わる加速度に応じて特性が変化するセンサ素子であればよい。
 信号処理装置2Aは、センサ素子1の静電容量の変化に基づいて加速度を求める。信号処理装置2Aは、AFE(Analog Front End)21と、ADC(Analog to Digital Converter)22と、データ補正回路23と、検知回路24と、インタラプト生成回路25と、レジスタ26と、通信回路27と、を有する。
 AFE21は、センサ素子1に接続され、センサ素子1の静電容量の変化を示すアナログ信号を出力する。AFE21は、センサ素子1を駆動するための駆動信号をセンサ素子1に供給し、センサ素子1の静電容量の変化を示すアナログ信号をセンサ素子1から受け取りADC22に出力する。
 ADC22は、センサ素子1の静電容量の変化を示すアナログ信号をデジタル信号に変換するように構成される。ADC22は、AD変換によって生成したデジタル信号をデータ補正回路23に出力する。
 データ補正回路23は、ADC22から受け取ったデジタル信号に対して、ゲイン調整、オフセット調整等のデータ調整を行う。データ補正回路23は、データ調整後のデジタル信号を検知回路24に出力する。
 検知回路24は、データ補正回路23から受け取ったデジタル信号に基づき加速度の変化を検知する。
 インタラプト生成回路25は、検知回路24の最新の検知結果が検知回路24の1つ前の検知結果から変化した場合にインタラプト信号を外部のホスト装置(不図示)に送信する。検知回路24の最新の検知結果が検知回路24の1つ前の検知結果から変化するパターンは、第1パターン及び第2パターンの2つである。第1パターンは、検知回路24の最新の検知結果が検知ありであって、検知回路24の1つ前の検知結果が検知なしである。第2パターンと、検知回路24の最新の検知結果が検知なしであって、検知回路24の1つ前の検知結果が検知ありである。
 外部のホスト装置は、加速度センサ101と周期的に通信を行わなくても、インタラプト信号を受信したときに加速度センサ101との通信を行えば、検知回路24の検知結果の変化を漏れなく捉えることができる。外部のホスト装置と加速度センサ101とが周期的な通信を行わないことで、外部のホスト装置及び加速度センサ101の双方で通信のために必要な電力を低減することができる。なお、加速度センサ101からインタラプト生成回路25を取り除き、外部のホスト装置と加速度センサ101が周期的な通信を行うようにしてもよい。
 レジスタ26は、検知回路24の最新の検知結果を記憶する。
 通信回路27は、外部のホスト装置と通信する。通信回路27は、外部のホスト装置から検知回路24の最新の検知結果を要求された場合、レジスタ26から検知回路24の最新の検知結果を読み出し、その読み出した検知回路24の最新の検知結果を外部のホスト装置に送信する。
 上述した検知回路24は、データ補正回路23から受け取ったデジタル信号すなわち加速度に応じたデータに基づき加速度の変化を検知する。具体的には、検知回路24は、前回サンプリングした加速度に応じたデータと今回サンプリングした加速度に応じたデータとの差が閾値以上であれば、加速度の変化を検知する。そのため、検知回路24は、サンプリング周期によって加速度の変化の検知を取りこぼすおそれがある。具体的には、検知回路24のサンプリング周期が短い場合、検知回路24は、加速度の遅い変化の検知を取りこぼすおそれがある。また、検知回路24のサンプリング周期が長い場合、検知回路24は、加速度の速い変化の検知を取りこぼすおそれがある。
 図2~図4は、検知回路24でのサンプリングの各例を示す図である。検知回路24の入力信号すなわちデータ補正回路23の出力信号はデジタル信号であるため離散値であるが、ここでは便宜上連続値として図示している。また、図2~図4中のサンプリングタイミングS1を最新のサンプリングタイミングとし、図2~図4中のサンプリングタイミングS0を一つ前のサンプリングタイミングとして説明する。図2~図4中の検知回路24の入力信号の変化幅W1は、加速度の変化に対応する「サンプリングタイミングS0での検知回路24の入力信号値とサンプリングタイミングS1での検知回路24の入力信号値との差」である。
 加速度の変化に対して検知回路24のサンプリング周期が適切であれば、加速度の変化に対応する「サンプリングタイミングS0での検知回路24の入力信号値とサンプリングタイミングS1での検知回路24の入力信号値との差」すなわち検知回路24の入力信号の変化幅W1が図2に示すように比較的大きくなる。これにより、検知回路24の入力信号の変化幅W1が閾値以上になって検知回路24によって加速度の変化が検知される。
 加速度の変化に対して検知回路24のサンプリング周期が短すぎれば、検知回路24の入力信号の変化幅W1が図3に示すように比較的小さくなる。これにより、検知回路24の入力信号の変化幅W1が閾値未満になって検知回路24によって加速度の変化が検知されない。
 加速度の変化に対して検知回路24のサンプリング周期が長すぎれば、検知回路24の入力信号の変化幅W1が、サンプリングタイミングS0からサンプリングタイミングS1までの間で検知回路24の入力信号値が大きく変化しているにもかかわらず、図4に示すように小さくなるおそれがある。これにより、検知回路24の入力信号の変化幅W1が閾値未満になって検知回路24によって加速度の変化が検知されない。
 上記の考察に鑑み、以下では、加速度センサでの加速度変化の検知漏れを抑制することができる新規な実施形態を提案する。
<加速度センサ(実施形態)>
 図5は、加速度センサの実施形態を示す図である。なお、図5において図1と同一の部分には同一の符号を付し、詳細な説明を適宜省略する。
 本実施形態の加速度センサ102は、センサ素子1と、信号処理装置2Bと、を有する。信号処理装置2Bは、ASIC(application-specific integrated circuit)である。センサ素子1及び信号処理装置2Bは、単一の半導体装置に搭載されてもよく、別々の半導体装置に搭載されてもよい。
 信号処理装置2Bは、センサ素子1の静電容量の変化に基づいて加速度を求める。信号処理装置2Bは、AFE21と、ADC22と、データ補正回路23と、第1検知回路24Aと、第2検知回路24Bと、同期回路24Cと、インタラプト生成回路25と、レジスタ26と、通信回路27と、を有する。
 信号処理装置2Bは、信号処理装置2Aから検知回路24が取り除かれ、第1検知回路24A、第2検知回路24B、及び同期回路24Cが追加された構成である。
 データ補正回路23は、データ調整後のデジタル信号を第1検知回路24A及び第2検知回路24Bそれぞれに出力する。
 第1検知回路24A及び第2検知回路24Bはそれぞれ、データ補正回路23から受け取ったデジタル信号に基づき加速度の変化を検知する。第1検知回路24A及び第2検知回路24Bはそれぞれ、前回サンプリングした加速度に応じたデータと今回サンプリングした加速度に応じたデータとの差が閾値以上であれば、加速度の変化を検知する。
 第1検知回路24A及び第2検知回路24Bの各サンプリング周期は異なる値である。第1検知回路24Aのサンプリング周期が第2検知回路24Bのサンプリング周期より短い場合、第1検知回路24Aは第2検知回路24Bが検知できない加速度の速い変化を検出することができ、第2検知回路24Bは第1検知回路24Aが検知できない加速度の遅い変化を検出することができる。
 第1検知回路24A及び第2検知回路24Bの各サンプリング周期が異なる値であるので、信号処理装置2Bは、加速度センサ102での加速度変化の検知漏れを抑制することができる。
 なお、ADC22のサンプリング周期は、第1検知回路24A及び第2検知回路24Bの各サンプリング周期以下であることが望ましい。これにより、ADC22のサンプリングに起因する加速度センサ102での加速度変化の検知漏れを抑制することができる。
 また、第1検知回路24A及び第2検知回路24Bの各サンプリング周期は変更可能であることが望ましい。第1検知回路24Aのサンプリング周期の設定値及び第2検知回路24Bのサンプリング周期の設定値は、レジスタ26に記憶される。通信回路27は、外部のホスト装置から第1検知回路24Aのサンプリング周期の設定値の書き込みを要求された場合、レジスタ26に第1検知回路24Aのサンプリング周期の設定値を書き込む。これにより、第1検知回路24Aのサンプリング周期が変更可能になる。また、通信回路27は、外部のホスト装置から第2検知回路24Bのサンプリング周期の設定値の書き込みを要求された場合、レジスタ26に第2検知回路24Bのサンプリング周期の設定値を書き込む。これにより、第2検知回路24Bのサンプリング周期が変更可能になる。第1検知回路24A及び第2検知回路24Bの各サンプリング周期は変更可能であるので、信号処理装置2Bでは、所望の加速度変化の検知に適したサンプリング周期の設定が可能になる。
 同期回路24Cは、第1検知回路24A及び第2検知回路24Bの各検知結果を同期させる。具体的には、同期回路24Cは、第1検知回路24A及び第2検知回路24Bの一方の検知結果が検知ありであって、第1検知回路24A及び第2検知回路24Bの他方の検知結果が検知なしであるときに、第1検知回路24A及び第2検知回路24Bの他方の検知結果を検知なしから検知ありに変更する。したがって、信号処理装置2Bは、第1検知回路24A及び第2検知回路24Bの各検知結果を一致させることができる。これにより、外部のホスト装置は、第1検知回路24A及び第2検知回路24Bの他方での検知漏れの影響を受けずにデータ処理を行うことができる。
 同期回路24Cは、上述した同期処理を行った後の第1検知回路24A及び第2検知回路24Bの各検知結果をインタラプト生成回路25及びレジスタ26に出力する。なお、同期回路24Cは、第1検知回路24Aから受け取った第1検知回路24Aの検知結果と第2検知回路24Bから受け取った第2検知回路24Bの検知結果とが一致している場合には、第1検知回路24Aから受け取った第1検知回路24Aの検知結果及び第2検知回路24Bから受け取った第2検知回路24Bの検知結果をそのままインタラプト生成回路25及びレジスタ26に出力する。
 なお、同期回路24Cの有効、無効が切り替え可能であることが望ましい。同期回路24Cが無効である場合、同期回路24Cは必ず、第1検知回路24Aから受け取った第1検知回路24Aの検知結果及び第2検知回路24Bから受け取った第2検知回路24Bの検知結果をそのままインタラプト生成回路25及びレジスタ26に出力する。同期回路24Cが無効になることで、信号処理装置2Bは、第1検知回路24Aから出力される第1検知回路24Aの検知結果及び第2検知回路24Bから出力される第2検知回路24Bの検知結果をそのまま外部のホスト装置に出力することが可能となる。外部のホスト装置は、第1検知回路24Aから出力される第1検知回路24Aの検知結果及び第2検知回路24Bから出力される第2検知回路24Bの検知結果を解析することで、第1検知回路24A及び第2検知回路24Bの少なくとも一方で検知された加速度の変化が速い変化であるのか遅い変化であるのかを把握することができる。
 インタラプト生成回路25は、第1検知回路24Aの最新の検知結果が第1検知回路24Aの1つ前の検知結果から変化する事象、第2検知回路24Bの最新の検知結果が第2検知回路24Bの1つ前の検知結果から変化する事象の少なくとも一方が発生した場合にインタラプト信号を外部のホスト装置(不図示)に送信する。
 レジスタ26は、第1検知回路24Aの最新の検知結果及び第2検知回路24Bの最新の検知結果を記憶する。
 通信回路27は、外部のホスト装置と通信する。外部のホスト装置から第1検知回路24Aの最新の検知結果及び第2検知回路24Bの最新の検知結果を要求された場合、通信回路27は、レジスタ26から第1検知回路24Aの最新の検知結果及び第2検知回路24Bの最新の検知結果を読み出し、その読み出した第1検知回路24Aの最新の検知結果及び第2検知回路24Bの最新の検知結果を外部のホスト装置に送信する。
<適用例>
 ここでは、加速度センサ102をスマートフォンに適用した例について説明する。なお、スマートフォンは、携帯機器の一例である。当然の事ながら、加速度センサ102をスマートフォン以外の携帯機器に適用してもよい。スマートフォン以外の携帯機器としては、例えばウェアラブルウォッチ、ウェアラブルカメラ等を挙げることができる。
 図6は、スマートフォンの構成例を示すブロック図である。スマートフォン200は、通信部201、カメラ部202、表示部203、音声入出力部204、加速度センサ205、操作部206、記憶部207、及び制御部208を備える。
 通信部201は、移動通信網における基地局に対し無線通信を行う。この無線通信を用いて、音声データ、映像データ、電子メールデータ等の送受信や、Webデータやストリーミングデータ等の受信を行う。
 カメラ部202は、CMOSイメージセンサーなどの撮像素子を用いて電子撮像するものであり、撮像された画像を例えばJPEG形式で圧縮し、圧縮データを記憶部207に記憶させることができる。
 表示部203は、例えば液晶表示装置又は有機EL(Electro Luminescence)表示装置である。表示部203は、各種画像を表示する。音声入出力部204は、入力される周囲の音声を集音して電気信号に変換するマイクロフォンや、入力される音声信号を音声に変換して外部に出力するスピーカを含む。
 加速度センサ205は、スマートフォン200を携帯する人の動きを検知するモーションセンサであり、先述した加速度センサ102を用いることができる。
 操作部206は、スマートフォン200の筐体に配される電源操作や音量操作などの各種操作のためのキー、表示部203の表示画面に配されるタッチパネル等を含む。
 記憶部207は、制御部208のための制御プログラム及び制御データ、通信相手の名称及び電話番号などを対応づけたアドレスデータ、送受信した電子メールデータ、WebブラウジングによりダウンロードしたWebデータ、ダウンロードしたコンテンツデータ等を記憶し、またストリーミングデータなどを一時的に記憶するものである。なお、記憶部207は、例えばフラッシュメモリ、RAM、ROMなどにより構成される。
 制御部208は、記憶部207に記憶された制御プログラム及び制御データに従って動作し、スマートフォン200の各部を統括制御するものである。また、制御部208は、上述したホスト装置としても動作する。
 このようなスマートフォン200は、例えば加速度センサ205での検知結果を例えば歩数計として利用することができる。
<その他>
 発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
 例えば加速度センサ102は、2つの検知回路(第1検知回路24A及び第2検知回路24B)を有する構成であったが、加速度センサ102に設けられる検知回路は3つ以上であってもよい。
 また例えば加速度センサ102は、同期回路24Cを有する構成であったが、同期回路24Cが設けられない構成であってもよい。
 また例えば加速度センサ102は、データ補正回路23から出力されるデータ調整後のデジタル信号を外部出力しない構成であったが、データ補正回路23から出力されるデータ調整後のデジタル信号を外部出力する構成であってもよい。
 以上説明した信号処理装置(2B)は、加速度に応じて特性が変化するように構成されたセンサ素子(1)に接続可能に構成され、前記特性の変化を示すアナログ信号を出力するように構成されたアナログ回路(21)と、前記アナログ信号をデジタル信号に変換するように構成されたアナログ/デジタルコンバータ(22)と、前記デジタル信号に基づき前記加速度の変化を検知するように構成された複数の検知回路(24A、24B)と、を有し、前記複数の検知回路の各サンプリング周期は異なる値である構成(第1の構成)である。
 上記第1の構成の信号処理装置は、加速度センサでの加速度変化の検知漏れを抑制することができる。
 上記第1の構成の信号処理装置において、前記アナログ/デジタルコンバータのサンプリング周期は、前記複数の検知回路の各サンプリング周期以下である構成(第2の構成)であってもよい。
 上記第2の構成の信号処理装置は、アナログ/デジタルコンバータのサンプリングに起因する加速度センサでの加速度変化の検知漏れを抑制することができる。
 上記第1又は第2の構成の信号処理装置において、前記複数の検知回路の各サンプリング周期は変更可能である構成(第3の構成)であってもよい。
 上記第3の構成の信号処理装置は、所望の加速度変化の検知に適したサンプリング周期の設定が可能になる。
 上記第1~第3いずれかの構成の信号処理装置において、前記複数の検知回路の一部の検知結果が検知ありであって、前記複数の検知回路の残りの検知結果が検知なしであるときに、前記複数の検知回路の残りの検知結果を検知なしから検知ありに変更するように構成される同期回路(24C)を有する構成(第4の構成)であってもよい。
 上記第4の構成の信号処理装置は、複数の検知回路の各検知結果を一致させることができる。
 上記第4の信号処理装置において、前記同期回路の有効、無効が切り替え可能である構成(第5の構成)であってもよい。
 上記第5の構成の信号処理装置は、同期回路が無効になることで、複数の検知回路の各検知結果をそのまま外部出力することが可能となる。
 以上説明した加速度センサ(102)は、上記第1~第5いずれかの構成の信号処理装置と、前記センサ素子と、を有する構成(第6の構成)である。
 上記第6の構成の加速度センサは、加速度変化の検知漏れを抑制することができる。
 以上説明した携帯機器(200)は、上記第6の構成の加速度センサを有する構成(第7の構成)である。
 上記第7の構成の携帯機器器は、加速度センサでの加速度変化の検知漏れを抑制することができる。
   1 センサ素子
   2A、2B 信号処理装置
   21 AFE
   22 ADC
   23 データ補正回路
   24 検知回路
   24A 第1検知回路
   24B 第2検知回路
   24C 同期回路
   25 インタラプト生成回路
   26 レジスタ
   27 通信回路
   101、102 加速度センサ
   200 スマートフォン
   201 通信部
   202 カメラ部
   203 表示部
   204 音声入出力部
   205 加速度センサ
   206 操作部
   207 記憶部
   208 制御部

Claims (7)

  1.  加速度に応じて特性が変化するように構成されたセンサ素子に接続可能に構成され、前記特性の変化を示すアナログ信号を出力するように構成されたアナログ回路と、
     前記アナログ信号をデジタル信号に変換するように構成されたアナログ/デジタルコンバータと、
     前記デジタル信号に基づき前記加速度の変化を検知するように構成された複数の検知回路と、
     を有し、
     前記複数の検知回路の各サンプリング周期は異なる値である、信号処理装置。
  2.  前記アナログ/デジタルコンバータのサンプリング周期は、前記複数の検知回路の各サンプリング周期以下である、請求項1に記載の信号処理装置。
  3.  前記複数の検知回路の各サンプリング周期は変更可能である、請求項1又は請求項2に記載の信号処理装置。
  4.  前記複数の検知回路の一部の検知結果が検知ありであって、前記複数の検知回路の残りの検知結果が検知なしであるときに、前記複数の検知回路の残りの検知結果を検知なしから検知ありに変更するように構成される同期回路を有する、請求項1~3のいずれか一項に記載の信号処理装置。
  5.  前記同期回路の有効、無効が切り替え可能である、請求項4に記載の信号処理装置。
  6.  請求項1~5のいずれか一項に記載の信号処理装置と、
     前記センサ素子と、
     を有する、加速度センサ。
  7.  請求項6に記載の加速度センサを有する、携帯機器。
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