JP2008064528A - 容量変化検出装置およびその方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】センサ素子1の振動体2の電気信号は,センサ素子1への変調信号の変化タイミング以外の期間に限り,全差動型アンプAmp1を中心とするチャージアンプへ伝達される。チャージアンプの出力Out1を,スイッチS9〜S12で同期検波して,励振変位信号である出力Out2を得る。また,出力Out1から,スイッチS3〜S8,全差動型アンプAmp2により,励振変位信号による大きな変化部分を除去した出力Out3を得る。そして出力Out3を,スイッチS13〜S16,S21〜S24により角速度成分と加速度成分に分離する。それぞれ,スイッチS17〜S20,S25〜S28で同期検波して角速度変位信号である出力Out4,加速度変位信号である出力Out5を得る。
【選択図】図1
Description
fd:センサ素子の駆動周波数,数kHz程度
fm:サンプルホールド回路部のサンプリング周波数,1MHz程度ですべて同じ
fs:センサの検出帯域幅
本形態に係る容量検出装置は,図1に示すように構成されている。図1における検出対象であるセンサ素子1は,少なくとも,駆動変位モニタコンデンサCm1,Cm2,第1錘変位モニタコンデンサCs1,Cs2,第2錘変位モニタコンデンサCs3,Cs4を有している。これらの変位モニタコンデンサの共通電極が振動体2である。駆動変位モニタコンデンサCm1,Cm2は,センサ素子1の振動体2の励起振動の変位をモニタするコンデンサである。第1錘変位モニタコンデンサCs1,Cs2,および,第2錘変位モニタコンデンサCs3,Cs4は,相補的振動(音叉振動)をする2つの錘に設けられた,角速度変位および加速度変位をモニタするコンデンサである。2つの錘は,加速度の場合には同相に変位し,角速度の場合には励起振動に対応して逆相に変位する。
第1錘変位モニタコンデンサCs1の固定電極は,端子Sig1に接続されている。
第1錘変位モニタコンデンサCs2の固定電極は,インバータを介して端子Sig1に接続されている。
第2錘変位モニタコンデンサCs3の固定電極は,端子Sig2に接続されている。
第1錘変位モニタコンデンサCs4の固定電極は,インバータを介して端子Sig2に接続されている。
駆動変位モニタコンデンサCm1の固定電極は,端子Sig3に接続されている。
駆動変位モニタコンデンサCm2の固定電極は,インバータを介して端子Sig3に接続されている。
「52a1,52a2」および「52b1,52b2」が駆動変位モニタコンデンサCm1に相当する。
「52a3,52a4」および「52b3,52b4」が駆動変位モニタコンデンサCm2に相当する。
「53a1」および「53b1」が第1錘変位モニタコンデンサCs1に相当する。
「53a2」および「53b2」が第1錘変位モニタコンデンサCs2に相当する。
「53a3」および「53b3」が第2錘変位モニタコンデンサCs3に相当する。
「53a4」および「53b4」が第2錘変位モニタコンデンサCs4に相当する。
端子Sig1 ← φ1
端子Sig2 ← φ2
端子Sig3 ← φ3
スイッチS1,S2 ← φ7
スイッチS3,S4,S7,S8 ← φ4
スイッチS5,S6 ← φ4-1
スイッチS9,S10 ← φ3-1
スイッチS11,S12 ← φ3
スイッチS13,S14,S23,S24 ← φ5
スイッチS15,S16,S21,S22 ← φ5-1
スイッチS17,S18,S25,S26 ← φ1
スイッチS19,S20,S27,S28 ← φ1-1
制御信号φ7により,全差動型アンプAmp1の入力側の接続状況を切り替えるスイッチである。すなわち,制御信号φ7がハイであるときには,負入力端子とセンサ素子1の振動体2とがつながる。また,正入力端子と基準電圧源とがつながる。一方,制御信号φ7がローであるときには,両入力端子が接続先から切り離される。
制御信号φ4により,全差動型アンプAmp2の動作状況を切り替えるスイッチである。すなわち,制御信号φ4がハイであるときには,スイッチS3,S4,S7,S8がオンし,スイッチS5,S6がオフする。これにより図2に示すように,コンデンサC3,C4と全差動型アンプAmp2とが切り離される。コンデンサC3,C4における全差動型アンプAmp2側の電極はこのとき,基準電圧源と接続される。また,全差動型アンプAmp2においては,負入力端子と正出力端子とが短絡される。正入力端子と負出力端子とも短絡される。
変調信号φ3により,全差動型アンプAmp1の出力Out1と,出力Out2との関係を切り替えるスイッチである。すなわち,変調信号φ3がハイであるときには,スイッチS11,S12がオンし,スイッチS9,S10がオフする。これにより図4に示すように,出力Out1の正負が入れ替わって出力Out2として現れる。一方,変調信号φ3がローであるときには,スイッチS9,S10がオンし,スイッチS11,S12がオフする。これにより図5に示すように,出力Out1がそのまま出力Out2として現れる。
制御信号φ5により,全差動型アンプAmp2の出力Out3を,出力Out4と出力Out5とのいずれへ引き出すかを切り替えるスイッチである。すなわち,制御信号φ5がハイであるときには,スイッチS13,S14,S23,S24がオンし,スイッチS15,S16,S21,S22がオフする。これにより図6に示すように,出力Out3は出力Out4の方へ引き出される。出力Out5はこのとき,基準電圧源と接続される。
変調信号φ1により,全差動型アンプAmp2の出力Out3と出力Out4との関係,および,出力Out3と出力Out5との関係を切り替えるスイッチである。すなわち,変調信号φ1がハイであるときには,スイッチS17,S18,S25,S26がオンし,スイッチS19,S20,S27,S28がオフする。これにより図8に示すように,出力Out3がそのまま出力Out4または出力Out5として現れる。
(1)「Cm1」を「φ3」で変調した信号
(2)「Cs1」を「φ1」で変調した信号
(3)「Cs3」を「φ2」で変調した信号
続いて,第2の形態について説明する。本形態は,前述の第1の形態の容量検出装置とほとんど同じであるが,「第3の特徴点」として述べた事項を次の特徴点で置き換えたものである。それ以外の事項については第1の形態と違いはない。本形態は,角速度変位信号を検出するためのAM変調のキャリア信号の位相を,センサ素子1の励振周期の整数倍の周期にて反転させるようにしたものである。
続いて,第3の形態について説明する。本形態は,従来技術の欄で説明した図35の構造の容量検出装置について,「サーボ駆動回路」と「センサ素子」との間にサンプルホールド回路を挿入したものである。本形態におけるサーボ駆動回路の構成を図29に示す。
スイッチS29,S30 ← φ8
スイッチS31,S32 ← φ8-1
スイッチS33,S34 ← φ9
スイッチS35,S36 ← φ9-1
スイッチS37,S40,S41,S44 ← φ10-1
スイッチS38,S39,S42,S43 ← φ10
制御信号φ8により,全差動型アンプAmp3の出力信号を変調するスイッチである。すなわち,制御信号φ8のハイローにより,全差動型アンプAmp3の正負の出力信号をそのまま出力するか,入れ替えて出力するかを反復的に切り替える。これにより,全差動型アンプAmp3の出力信号の出力値の振幅を持つ出力Out6を生成する。制御信号φ8は,駆動同期信号である。
制御信号φ9により,全差動型アンプAmp4の出力信号を変調するスイッチである。すなわち,制御信号φ9のハイローにより,全差動型アンプAmp4の正負の出力信号をそのまま出力するか,入れ替えて出力するかを反復的に切り替える。これにより,全差動型アンプAmp4の出力信号の出力値の振幅を持つ出力Out7を生成する。制御信号φ9は,変位同期信号である。
制御信号φ10により,出力Out8のサンプリングと出力とを交互に行うスイッチである。すなわち,スイッチS38,S39,S42,S43は制御信号φ10により操作され,スイッチS37,S40,S41,S44は制御信号φ10を反転した制御信号φ10-1により操作される。ここで,制御信号φ10と制御信号φ10-1とは,同時にハイにはならないノンオーバーラップ信号である。すなわち,これらの信号が変位する際には,ハイ→ローの変化が,ロー→ハイの変化に僅かながら先だって起こる。
続いて,第4の形態について説明する。本形態は,従来技術の欄で説明した図35の構造の容量検出装置について,「サーボ駆動回路」と「センサ素子」との間に昇圧回路を挿入したものである。または,「励振駆動回路」と「センサ素子」との間に昇圧回路を挿入したものである。本形態における昇圧回路の構成を図33に示す。この昇圧回路は,複数のダイオードを直列に接続したダイオード列Dを有している。ダイオード列Dは,5V電源から電源電圧の印加を受けるようになっている。そして,ダイオード列Dの各ダイオードの出力側にそれぞれコンデンサが接続されている。これらのコンデンサをコンデンサ群Gという。
2 振動体
3 制御部
12 復調器
15 サーボ駆動回路
Amp1,Amp2 全差動型アンプ
Amp3,Amp4 全差動型アンプ(検出サーボアンプ)
C7〜C10 コンデンサ(サンプルホールド回路)
S1,S2 遮断スイッチ
S3〜S8 除去スイッチ群
S9〜S12 復調スイッチ群(励振変位信号)
S17〜S20 復調スイッチ群(角速度変位信号)
S25〜S28 復調スイッチ群(加速度変位信号)
S37〜S44 スイッチ(サンプルホールド回路)
Claims (14)
- 振動体を有する加速度または角速度センサ素子を励振しつつその静電容量の変化を検出する容量変化検出装置において,
前記加速度または角速度センサ素子に印加するAM変調信号を出力する変調信号出力部と,
前記振動体からAM変調された出力信号を取り出すアンプと,
前記アンプの出力信号をそのまま出力する状態と反転して出力する状態とを切り替える復調スイッチ群とを有し,
前記変調信号出力部のAM変調信号で前記復調スイッチ群を反復操作することにより,前記アンプの出力信号から検出信号を復調することを特徴とする容量変化検出装置。 - 請求項1に記載の容量変化検出装置において,
前記復調スイッチ群よりも前段側に,前記復調スイッチ群への信号を伝達する状態と伝達しない状態とを切り替える除去スイッチ群を有し,
前記変調信号出力部は,
大きな変位に対応する第1のAM変調信号と,
小さな変位に対応する第2のAM変調信号と,
前記第1のAM変調信号が変化するタイミングから所定期間にわたって前記除去スイッチ群を伝達しない状態にし,残りの期間には伝達する状態にする除去制御信号とを出力するものであり,
前記復調スイッチ群は,前記第2のAM変調信号を受けて,小さな変位信号に対応する検出信号を復調するものであり,
前記除去スイッチ群は,前記除去制御信号を受けて,前記復調スイッチ群への信号から,大きな変位信号に対応する変化部分を除去するものであることを特徴とする容量変化検出装置。 - 請求項2に記載の容量変化検出装置において,
前記第1のAM変調信号が励振変位に対応し,前記第2のAM変調信号が加速度または角速度の変位に対応することを特徴とする容量変化検出装置。 - 請求項1に記載の容量変化検出装置において,
前記変調信号出力部が出力するAM変調信号に,励振変位のAM変調信号が含まれ,その周波数が前記振動体の励振振動周波数の奇数倍であることを特徴とする容量変化検出装置。 - 請求項1に記載の容量変化検出装置において,
前記振動体と前記アンプとの間に設けられ,信号を伝達する状態と伝達しない状態とを切り替える遮断スイッチを有し,
前記変調信号出力部は,前記AM変調信号が変化する瞬間を含む期間に前記遮断スイッチを伝達しない状態にし,残りの期間には伝達する状態にする遮断制御信号を出力するものであり,
前記遮断スイッチは,前記遮断制御信号を受けて,前記AM変調信号が変化する瞬間を含む期間における前記振動体から前記アンプへの信号伝達を遮断するものであることを特徴とする容量変化検出装置。 - 請求項1に記載の容量変化検出装置において,
前記変調信号出力部が出力するAM変調信号に,角速度変位のAM変調信号が含まれ,その位相が前記振動体の励振振動周波数の整数倍の周期にて反転することを特徴とする容量変化検出装置。 - 振動体を有する加速度または角速度センサ素子を励振しつつその静電容量の変化を検出する容量変化検出装置において,
前記振動体からAM変調された出力信号を取り出すアンプと,
前記アンプの出力信号を復調する復調部と,
前記加速度または角速度センサ素子に印加する駆動信号を出力する駆動信号出力部と, 前記駆動信号出力部と前記加速度または角速度センサ素子との間に設けられた一対のサンプルホールドコンデンサと,
前記一対のサンプルホールドコンデンサの前後に設けられたサンプルホールドスイッチ群とを有し,
前記サンプルホールドスイッチ群の反復切替動作により,前記駆動信号出力部からの駆動信号を前記一対のサンプルホールドコンデンサで交互にサンプルホールドして前記加速度または角速度センサ素子に印加することを特徴とする容量変化検出装置。 - 振動体を有する加速度または角速度センサ素子を励振しつつその静電容量の変化を検出する容量変化検出方法において,
前記振動体からAM変調された出力信号を取り出すアンプの出力側に,その出力信号をそのまま出力する状態と反転して出力する状態とを切り替える復調スイッチ群を設け,
前記加速度または角速度センサ素子にAM変調信号を印加しつつ,
そのAM変調信号で前記復調スイッチ群を反復操作することにより,前記アンプの出力信号から検出信号を復調することを特徴とする容量変化検出方法。 - 請求項8に記載の容量変化検出方法において,
前記復調スイッチ群よりも前段側に,前記復調スイッチ群への信号を伝達する状態と伝達しない状態とを切り替える除去スイッチ群を設け,
大きな変位に対応する第1のAM変調信号と,
小さな変位に対応する第2のAM変調信号と,
前記第1のAM変調信号が変化するタイミングから所定期間にわたって前記除去スイッチ群を伝達しない状態にし,残りの期間には伝達する状態にする除去制御信号とを用い, 前記除去スイッチ群を前記除去制御信号で操作して,前記復調スイッチ群への信号から,大きな変位信号に対応する変化部分を除去し,
前記復調スイッチ群を前記第2のAM変調信号で操作して,小さな変位信号に対応する検出信号を復調することを特徴とする容量変化検出方法。 - 請求項9に記載の容量変化検出方法において,
前記第1のAM変調信号が励振変位に対応し,前記第2のAM変調信号が加速度または角速度の変位に対応することを特徴とする容量変化検出方法。 - 請求項8に記載の容量変化検出方法において,
前記加速度または角速度センサ素子に印加されるAM変調信号に,励振変位のAM変調信号が含まれ,その周波数が前記振動体の励振振動周波数の奇数倍であることを特徴とする容量変化検出方法。 - 請求項8に記載の容量変化検出方法において,
前記振動体と前記アンプとの間に,信号を伝達する状態と伝達しない状態とを切り替える遮断スイッチを設け,
前記AM変調信号が変化する瞬間を含む期間に前記遮断スイッチを伝達しない状態にし,残りの期間には伝達する状態にする遮断制御信号を用い,
前記遮断スイッチを前記遮断制御信号で操作して,前記変調信号が変化する瞬間を含む期間における前記振動体から前記アンプへの信号伝達を遮断することを特徴とする容量変化検出方法。 - 請求項8に記載の容量変化検出方法において,
前記加速度または角速度センサ素子に印加されるAM変調信号に,角速度変位のAM変調信号が含まれ,その位相が前記振動体の励振振動周波数の整数倍の周期にて反転することを特徴とする容量変化検出方法。 - 振動体を有する加速度または角速度センサ素子を励振しつつその静電容量の変化を検出する容量変化検出方法において,
前記加速度または角速度センサ素子に印加する駆動信号の出力部と前記加速度または角速度センサ素子との間に,
一対のサンプルホールドコンデンサと,
それらの前後のサンプルホールドスイッチ群とを設け,
前記サンプルホールドスイッチ群の反復切替動作により,前記駆動信号を前記一対のサンプルホールドコンデンサで交互にサンプルホールドして前記加速度または角速度センサ素子に印加し,
前記振動体からAM変調された出力信号をアンプで取り出し,
そのアンプの出力信号を復調することを特徴とする容量変化検出方法。
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