JP5800759B2 - 角加速度検出装置及び検出方法 - Google Patents
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Description
演算処理回路では、一般的に、加算処理及び減算処理に比べて2乗演算等の乗算処理は、回路規模が大きくなる。例えば、nビットの数値同士の加算及び減算回路の規模を1とすれば、その数値同士の乗算回路の規模は、概ねnの2乗の規模となる。したがって、上述のサーボ型加速度センサを2つ用いて角加速度検出装置を構成する場合、乗算回路がそれぞれの加速度センサに1つずつを要し、計2つ必要となる。よって、総じて回路規模が大きくなるという問題があった。
即ち、本発明の一態様における角加速度検出装置は、回転可能な構造物の一平面に距離を隔てて配置され、かつ、加速度検出方向が互いに平行でかつ互いの配置位置を結ぶ線分に対して直交して配置される一対のセンサと、これらのセンサと電気的に接続される演算処理回路とを備えた角加速度検出装置であって、それぞれの上記センサは、加速度の作用によって変位する可動電極と、可動電極に対向して配置され、電圧の印加によって可動電極との間に発生する静電力によって可動電極を駆動する駆動電極と、加速度の作用によって生じる可動電極の変位を検出する検出部と、検出部が検出した可動電極の変位に応じて、可動電極を所定位置へ駆動するサーボ電圧を駆動電極へ印加するサーボ制御部と、を有し、上記演算処理回路は、それぞれの上記サーボ制御部が駆動電極へ印加する各サーボ電圧の和及び差を算出し、得られた和値と差値とを乗算して角加速度として出力する、ことを特徴とする。
以下に本発明の実施の形態1における角加速度検出装置について説明する。
図1は、実施の形態1における角加速度検出装置301の構成を示す図である。この角速度検出装置301は、2つのサーボ型加速度センサ101、102と、演算処理回路201とを備える。2つのサーボ型加速度センサ101,102は、回転中心を中心として回転可能な、つまり加速度の作用が可能な構造物103に、距離Rを隔てて配置されており、さらに、それぞれのセンサ101,102の加速度検出方向は、互いに平行であり、かつ互いの位置、例えば各中心位置、を結ぶ線分104に対して直交して配置されている。ここで、加速度検出方向を検出軸DAとして示す。また、図1では、演算処理回路201も構造物103に配置した形態を示すが、演算処理回路201は、構造物103とは別に設置してもよい。
駆動電極11a,11bは、基板1の厚み方向である垂直方向において間隔dを隔てて検出フレーム7と対向するように設けられ、駆動電極11a,11bに電圧が印加されることによって検出フレーム7との間に発生する静電力によって検出フレーム7を駆動する。
検出電極8a,8bは、上記間隔dを隔てて検出フレーム7と対向するように設けられ、検出フレーム7の変位を検出フレーム7との間の静電容量変化として検出する。また、実施の形態1では、検出フレーム7が「可動電極」の機能を果たす一例に相当する。
なお、サーボ型加速度センサ101,102の使用においては、静電容量の電圧への変換や、各電極11a,11b、8a,8bへの電圧印加のために、センサ素子構造体15と、容量−電圧変換回路20及びサーボ制御回路30とが電気的に接続される。この電気的な接続は、図示していないが、基板1上の配線パターンやボンディングワイヤ等を用いて可能となる。
容量−電圧変換回路20は、接続した検出電極8a,8bと、検出フレーム7との間の静電容量Cda、Cdbに差が生じた場合に、その差分に応じた電圧を出力する。ここで図8に示すように、静電容量Cda、Cdbは、直列に接続されている。そして、静電容量Cdaの一端には一定電位Vdが印加され、静電容量Cdbの一端は接地されている。また、静電容量Cdaと静電容量Cdbとの接続部には、端子が設けられている。この端子の出力電位Voutは、次の(1)式で表される。
図3において、サーボ制御回路30は、容量−電圧変換回路20の出力の大きさに応じて、スイッチ32により駆動電極11a、11bのどちらに電圧を印加するかを選択し、センサ素子構造体15の駆動電極11aあるいは駆動電極11bに電圧を印加する。即ち、サーボ制御回路30は、容量−電圧変換回路20の出力電位Voutが(Vd/2)よりも大きい場合には駆動電極11bに、出力電位Voutが(Vd/2)よりも小さい場合には駆動電極11aに電圧を印加し、検出フレーム7の変位を変位0の位置、つまり加速度が作用していないときの検出フレーム7の状態に戻すように作用する。
サーボ型加速度センサ101,102に正方向401の加速度Gが印加されると、図9に示すように、慣性質量体3は慣性力Fiを受けた基板1から離れる方向(負方向402)に変位する。このときリンク梁4は、慣性質量体3とともに負方向402に変位する。検出フレーム7は、リンク梁4の変位により負方向402の力を受け、リンク梁4及びねじれ梁6の変形による復元力とつりあうようにねじれ軸6aを軸として回転変位する。この回転変位により、検出フレーム7と検出電極8a,8bとの間隔がそれぞれ変化し、静電容量Cdaは減少し、静電容量Cdbは増加する。容量−電圧変換回路20は、静電容量Cda、Cdbの変化に基づいて、検出フレーム7の変位を検出する。
図11に示すように、静電力F11aによって、ねじれ軸6aを軸とした検出フレーム7の回転変位を、もとに戻す方向に検出フレーム7は回転する。その結果、検出フレーム7は、静電力F11aとリンク梁4、ねじれ梁6の復元力と、慣性力Fiとがつりあう位置に変位し、変位は0に戻る。
また、作用した加速度の方向(正、負)は、前述のように、容量−電圧変換回路20の出力Voutが(Vd/2)よりも大きければ正、小さければ負として知ることができる。
図14は、実施の形態1の角加速度検出装置301が回転中心Oを中心に回転するときに、サーボ型加速度センサ101,102が受ける力、すなわち加速度を示した図である。
図1及び図2に示す角加速度検出装置301が図14のように、紙面に対して垂直方向を回転軸RAとして、回転中心Oを中心に、角速度変化を伴って回転するとき、2つのサーボ型加速度センサ101、102は、それぞれ、図14に示すように、角速度Ωの回転による遠心力と角加速度∂Ω/∂tに伴う力Fcとを受ける。遠心力は、回転の半径方向(501、502)に、角速度に伴う力は、回転の円周方向(601、602)に生ずる。サーボ型加速度センサ101が受ける、回転による遠心力Fr1と角加速度に伴う力Fc1は次の(5)式、(6)式で表される。ここで、図14に示すように、R1は、回転中心Oからサーボ型加速度センサ101までの距離、θ1は、センサ検出軸と、回転中心O−センサ間を結ぶ線分とが成す角度である。
次に、本発明の実施の形態2における角加速度検出装置302について、図15から図18を参照して以下に説明する。
本実施の形態2の角加速度検出装置302は、上述したサーボ型加速度センサ101、102におけるセンサ素子構造体15の構造を異ならせた構成であり、その他の、容量−電圧変換回路20及びサーボ制御回路30、さらに、アナログデジタル変換回路40、演算処理回路201の構成については角加速度検出装置301の場合に同じである。よって、以下では、相違部分である、センサ素子構造体部分についてのみ説明を行う。
本実施の形態2の角加速度検出装置302のセンサ素子構造体15−2は、図15に示すように、基板1と、基板1に絶縁体9を介して固定されたアンカー5と、アンカー5に支持される変位部材2とを備えている。変位部材2は、支持梁56と慣性質量体3とを備えている。
慣性質量体3は、複数の可動電極部12を有している。実施の形態2では、この可動電極部12が「可動電極」として機能する。
基板1には、駆動電極11a,11b及び検出電極8a,8bが可動電極部12と対向するようにそれぞれ櫛歯状に設けられている。
尚、図15及び図16では、作図の都合上、各電極をそれぞれ分離して示しているが、同じハッチングで示している電極は、基板1上に設けた配線パターン等(図示せず)により、電気的に等電位になるように接続している。
15、15−2 センサ素子構造体、
20 容量−電圧変換回路、30 サーボ制御回路、
101,102 サーボ型加速度センサ、201 演算処理回路、
301,302 角加速度検出装置。
Claims (2)
- 回転可能な構造物の一平面に距離を隔てて配置され、かつ、加速度検出方向が互いに平行でかつ互いの配置位置を結ぶ線分に対して直交して配置される一対のセンサと、これらのセンサと電気的に接続される演算処理回路とを備えた角加速度検出装置であって、
それぞれの上記センサは、
加速度の作用によって変位する可動電極と、
可動電極に対向して配置され、電圧の印加によって可動電極との間に発生する静電力によって可動電極を駆動する駆動電極と、
加速度の作用によって生じる可動電極の変位を検出する検出部と、
検出部が検出した可動電極の変位に応じて、可動電極を所定位置へ駆動するサーボ電圧を駆動電極へ印加するサーボ制御部と、を有し、
上記演算処理回路は、
それぞれの上記サーボ制御部が駆動電極へ印加する各サーボ電圧の和及び差を算出し、得られた和値と差値とを乗算して角加速度として出力する、
ことを特徴とする角加速度検出装置。 - 回転可能な構造物の一平面に距離を隔てて配置され、かつ、加速度検出方向が互いに平行でかつ互いの配置位置を結ぶ線分に対して直交して配置される一対のセンサと、これらのセンサと電気的に接続される演算処理回路とを備えた角加速度検出装置にて実行される角加速度検出方法であって、
それぞれの上記センサでは、
加速度の作用による可動電極の変位を検出部で検出し、検出部が検出した可動電極の変位に応じて可動電極を所定位置へ駆動するサーボ電圧をサーボ制御部から駆動電極へ印加し、
上記演算処理回路では、
それぞれの上記サーボ制御部が駆動電極へ印加する各サーボ電圧の和及び差を算出し、得られた和値と差値とを乗算して角加速度として出力する、
ことを特徴とする角加速度検出方法。
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