(57)【要約】【課題】初期値が不明な場合でも加速度の方向検知を可能とする加速度センサ装置を汎用性の高い構成で提供する。【解決手段】加速度センサ１の出力を増幅回路２により増幅し、Ａ／Ｄ変換器３２によりデジタル化して、その出力を演算処理部３３により演算処理する。演算処理部３３は、加速度センサ１のオフセットを除去された計測値を演算する前処理部と、第１及び第２の静止状態における計測値を記憶する第１及び第２の記憶部と、第１の静止状態から第２の静止状態への移動状態での計測値を記憶する第３の記憶部と、第１及び第２の記憶部に記憶された第１及び第２の静止状態における計測値を直線補間することで前記移動状態と同じタイミングにおける計測予測値を計算する補間計算部と、補間計算部により計算された計測予測値と第３の記憶部に記憶された移動状態での計測値の大小を比較することにより加速度の方向を判定する方向判定部とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度センサと、前記加速度センサの出力を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力を演算処理する演算処理部とを有する加速度センサ装置において、前記演算処理部は、前記Ａ／Ｄ変換器の出力から加速度センサのオフセットを除去された計測値を演算する前処理部と、第１の静止状態における計測値を記憶する第１の記憶部と、第２の静止状態における計測値を記憶する第２の記憶部と、第１の静止状態から第２の静止状態への移動状態での計測値を記憶する第３の記憶部と、第１及び第２の記憶部に記憶された第１及び第２の静止状態における計測値を直線補間することで前記移動状態と同じタイミングにおける計測予測値を計算する補間計算部と、補間計算部により計算された計測予測値と第３の記憶部に記憶された移動状態での計測値の大小を比較することにより加速度の方向を判定する方向判定部とを有することを特徴とする加速度センサ装置。
【請求項２】
前記第３の記憶部では、第１の静止状態から第２の静止状態への移動状態での計測値を複数記憶することを特徴とする請求項１記載の加速度センサ装置。
【請求項３】
前記加速度センサの出力は、コンデンサを介して前記増幅回路に入力されることを特徴とする請求項１又は２記載の加速度センサ装置。
【請求項４】
前記演算処理部は、差動のシリアル出力端子を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の加速度センサ装置。
【請求項５】
前記演算処理部は、電圧レギュレータの出力電圧にて駆動されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の加速度センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加速度の方向を判定する機能を有する加速度センサ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常、加速度センサは特性のばらつきを補正するために、オフセット（零点）および感度を回路で補正している。補正のための回路構成は、汎用性を高めるために、Ａ／Ｄ変換器を内蔵したマイコンを使用する場合がしばしばある。特許第３１１９００１号公報（特許文献１）に開示された従来例においてもＡ／Ｄ変換器を内蔵したマイコンを使用し、周囲温度や経年変化などによるセンサ出力の零点変動、すなわちドリフトの影響を抑制するために、加速度の計測値を積分してオフセットの平均化処理を実施し、オフセット成分を除去した後、しきい値と比較する構成となっている。このため、オフセットの平均化処理演算に加え、加速度センサの感度調整を実施し、絶対値のばらつきを抑制しなければならない。このように従来例は、汎用性は高いものの、しきい値判定を行うために、感度の絶対値の調整が重要で、例えば簡易に加速度の方向を検知する用途には不向きであった。
【特許文献１】特許第３１１９００１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
図４（ａ）は加速度の方向検知の識別遷移図であり、図４（ｂ）に示すようにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を互いに直交する座標軸として設定した場合、図４（ｃ）に示すように方向検知の出力状態は６種類であることを示している。この図４から明らかなように、初期状態を把握していないと変化分だけでは加速度の方向検知はできない。したがって、従来例のような一般的な信号処理では、方向検知を行うためには、初期値（絶対値）を必ず把握している必要があり、方向検知は難しい。
【０００４】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、初期値が不明な場合でも加速度の方向検知を可能とする加速度センサ装置を汎用性の高い構成で提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の加速度センサ装置によれば、上記の課題を解決するために、図１に示すように、加速度センサ１と、前記加速度センサ１の出力を増幅する増幅回路２と、前記増幅回路２の出力をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器３２と、前記Ａ／Ｄ変換器３２の出力を演算処理する演算処理部３３とを有する加速度センサ装置において、前記演算処理部３３は、図２に示すように、前記Ａ／Ｄ変換器３２の出力から加速度センサ１のオフセットを除去された計測値を演算する前処理部３ａと、第１の静止状態における計測値を記憶する第１の記憶部３ｂと、第２の静止状態における計測値を記憶する第２の記憶部３ｃと、第１の静止状態から第２の静止状態への移動状態での計測値を記憶する第３の記憶部３ｄと、第１及び第２の記憶部３ｂ，３ｃに記憶された第１及び第２の静止状態における計測値を直線補間することで前記移動状態と同じタイミングにおける計測予測値を計算する補間計算部３ｅと、補間計算部３ｅにより計算された計測予測値と第３の記憶部３ｄに記憶された移動状態での計測値の大小を比較することにより加速度の方向を判定する方向判定部３ｆとを有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１の発明によれば、オフセットの初期調整が不要でかつ初期状態が不明な状態においても、加速度の方向検知が可能となり、汎用性が高く、調整コストを低減した加速度センサ装置を提供することが可能となる。
請求項２の発明によれば、請求項１記載の加速度センサ装置に比べて、さらに、移動状態での計測回数を増やすことにより、加速度の方向検知の信頼性、応答性が向上する。
請求項３の発明によれば、請求項１または２記載の加速度センサ装置に比べて、オフセットの平均化処理が不要となり、安価な加速度センサ装置が実現可能である。
請求項４の発明によれば、請求項１〜３記載の加速度センサ装置に比べて、差動のシリアル出力とすることで、耐ノイズ性が向上する。
請求項５の発明によれば、請求項１〜４記載の加速度センサ装置に比べて、安定に加速度センサ出力を増幅することが可能となり、耐ノイズ性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１の回路構成を示す。本実施形態では、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向の加速度を検知する加速度センサ１と、加速度センサ１からの出力信号を増幅する増幅回路２と、増幅回路２からの信号を処理するマイクロプロセッサ３とを備えている。
【０００８】
加速度センサ１は、Ｘ軸方向の加速度成分を検出するブリッジ回路Ｂｘ、Ｙ軸方向の加速度成分を検出するブリッジ回路Ｂｙ、Ｚ軸方向の加速度成分を検出するブリッジ回路Ｂｚを備えている。各ブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚは、電源端子ＶＤＤとグランド端子ＧＮＤの各ラインに接続されており、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の各加速度成分に応じた電圧をそれぞれ出力する。各ブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚから出力される電圧は、増幅回路２によりそれぞれ増幅されて、マイクロプロセッサ３にアナログ電圧信号Ｘｉｎ、Ｙｉｎ、Ｚｉｎとして入力される。
【０００９】
マイクロプロセッサ３は、増幅回路２から出力されたアナログ電圧信号Ｘｉｎ，Ｙｉｎ，Ｚｉｎを択一的に選択するセレクタ３１を備えている。セレクタ３１のスイッチＳｘ，Ｓｙ，Ｓｚはいずれか１つが時分割的にＯＮされて、Ａ／Ｄ変換器３２のアナログ電圧入力端子にアナログ電圧信号Ｘｉｎ，Ｙｉｎ，Ｚｉｎの１つが入力される。Ａ／Ｄ変換器３２は、入力されたアナログ電圧信号をデジタル値に変換する。Ａ／Ｄ変換器３２から出力されたデジタル値は、演算処理部３３に入力されて、演算処理される。演算処理部３３により演算処理された結果は、シリアルインターフェース回路３４を介して出力される。シリアルインターフェース回路３４は、シリアル出力端子Ｓｏｕｔとクロック出力端子Ｓｃｌｋを備え、クロック出力端子Ｓｃｌｋのクロック信号に同期してシリアル出力端子Ｓｏｕｔからシリアル信号が出力される。
【００１０】
マイクロプロセッサ３には、発振子３７が外付けされており、内蔵の発振回路３６によりクロック信号が生成されて、セレクタ３１、Ａ／Ｄ変換器３２、演算処理部３３などに供給される。感度設定部３５は、外付けのスイッチＳ１，Ｓ２により設定されたゲインを演算補正係数として演算処理部３３に入力している。
【００１１】
リセット回路３８は電源投入時にリセット信号ＲＥＳＥＴを発生する。リセット信号ＲＥＳＥＴは電源投入直後はＬｏｗレベルとなり、その後、Ｈｉｇｈレベルとなる。
【００１２】
次に、回路動作について説明する。電源を投入してからの全体動作のフローチャートは図３のようになる。電源投入後、ＲＥＳＥＴ入力がＬｏｗレベルとなることで演算処理部３３内のレジスタがすべて初期化され、ＲＥＳＥＴ入力がＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化することで発振回路３６が発振動作を開始し、演算処理部３３ヘクロック信号が供給され、セレクタ３１のタイミング信号等を生成し、また、Ａ／Ｄ変換器３２の動作に必要なクロック信号が供給される。発振回路３６が安定するまで、最大で１秒程度は加速度計測を実行せず、待機状態となる。
【００１３】
次に、Ｘ軸の加速度成分から計測を開始する。加速度センサ１の信号は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とも所定のゲインでアナログ増幅され、セレクタ３１へ入力される。なお、増幅回路２のゲインは可変抵抗ＶＲ１，ＶＲ２，ＶＲ２により設定可能となっている。このとき、加速度センサ１のオフセットのばらつきは、増幅回路２の出力が飽和しない程度のばらつきであると仮定している。
【００１４】
セレクタ３１は、まず、スイッチＳｘのみをＯＮとし、Ｘ軸のアナログ電圧信号Ｘｉｎを選択して、Ａ／Ｄ変換器３２に入力する。このとき、精度向上のために、Ａ／Ｄ変換を複数回実施して平均値を採用しても良い。その後、Ｘ軸の補正演算を実施する。Ｘ軸が補正演算へ移行したと同時に、セレクタ３１はＹ軸のアナログ電圧信号Ｙｉｎを選択し、Ｙ軸の加速度計測を開始する。同様にＹ軸の計測後、Ｚ軸の計測へと移行する。ここでは、時分割処理について説明したが、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸をすべて加速度計測した後に、一括して補正演算を行う場合もある。
【００１５】
補正演算について、詳細に説明する。補正演算は、下記の基本式で実施する。
Ｄｏｕｔ＝Ｇａｉｎ×（Ｄｓｅｎｓ±Ｏｆｆｓｅｔ）  …（１）
【００１６】
ここで、Ｄｏｕｔは補正演算後のデジタル出力、Ｄｓｅｎｓは補正演算前のデジタル値、Ｇａｉｎは感度設定部３５により決定される演算補正係数、Ｏｆｆｓｅｔは平均化処理されたオフセットである。オフセット（零点）は平均化処理により、演算初期値として変化分のみを取り出す。
【００１７】
（１）式のＧａｉｎ×Ｏｆｆｓｅｔのデジタル値は平均化された初期状態であるので、最終的にシリアル出力に変換される信号分は、
△Ｄｏｕｔ＝Ｇａｉｎ×Ｄｓｅｎｓ  …（２）
となる。補正演算によるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各出力から図４（ｃ）に示す方向検知を実施するためには、図４（ａ）に示す変化分のうち、同量の変化パターンを区別しなければならない。その識別方法を図５に示す。例えば、加速度センサをＹ軸回転させながら、Ｘ軸、Ｚ軸の出力は図５に示す曲線を描く場合について説明する。なお、この例ではＹ軸出力は原理的に０であるので、図５では図示を省略した。
【００１８】
図５は加速度検出のサンプリング例を示している。同量の変化パターンとなる例として、図５の０ｄｅｇから９０ｄｅｇへの変化パターンと２７０ｄｅｇから１８０ｄｅｇへの変化パターンを区別する方法について説明する。各軸の変化量は同じであるが、図５に示すように、Ｘ軸に着目した場合、０ｄｅｇの静止地点と９０ｄｅｇの静止地点の値から移動中の１点について計測予測値を算出し、実際の計測値と比較すると、直線補間された計測予測値と実際の計測値の大小関係から、上記２つのパターンは区別が可能となる。
【００１９】
以上の動作を実現するために、演算処理部３３は、図２に示すように、Ａ／Ｄ変換器３２の出力から加速度センサ１のオフセットを除去された計測値を演算する前処理部３ａと、第１の静止状態における計測値を記憶する第１の記憶部３ｂと、第２の静止状態における計測値を記憶する第２の記憶部３ｃと、第１の静止状態から第２の静止状態への移動状態での計測値を記憶する第３の記憶部３ｄと、第１及び第２の記憶部３ｂ，３ｃに記憶された第１及び第２の静止状態における計測値を直線補間することで前記移動状態と同じタイミングにおける計測予測値を計算する補間計算部３ｅと、補間計算部３ｅにより計算された計測予測値と第３の記憶部３ｄに記憶された移動状態での計測値の大小を比較することにより加速度の方向を判定する方向判定部３ｆとを有している。
【００２０】
（実施形態２）
図６は本発明の実施形態２の動作説明図である。図６は加速度検出のサンプリング例を示している。回路構成は図１に示した実施形態１と同様であるが、回路動作が異なり、図６に示すように、第１の静止状態から第２の静止状態の間の測定回数を少なくとも２回以上とする。図５に示した実施形態１の動作では、第１の静止状態から第２の静止状態への移動状態における１つの計測値と、第１及び第２の静止状態における計測値から直線補間された計測予測値との大小関係を比較していたが、本実施形態の場合は、第１の静止状態から第２の静止状態への移動状態における複数の計測値について、第１及び第２の静止状態における計測値から直線補間された複数の計測予測値との大小関係を逐次比較する。これにより、加速度の方向検知の信頼性、応答性が向上する。
【００２１】
（実施形態３）
図７は本発明の実施形態３の回路構成を示す。本実施形態では、図１に示す基本構成において、直流カット用コンデンサＣ３〜Ｃ８を加速度センサ１と増幅回路２の間に挿入している。実施形態１，２では、オフセットの平均化処理を実施していたが、本実施形態の場合は、オフセットの変化分のみがマイコンに取り込まれることになるので、オフセットの平均化処理が不要となるか、または簡略化できる。その他の回路動作は実施形態１または２と同様である。
【００２２】
（実施形態４）
図８は本発明の実施形態４の回路構成を示す。基本的な構成は図１と同様である。ただし、シリアルインターフェース回路３４は、図１の例ではシリアルクロック端子Ｓｃｌｋとシリアル出力端子Ｓｏｕｔを有していたのに対し、本実施形態では、シリアル出力端子（Ｄ＋）とシリアル出力端子（Ｄ−）とした点が異なる。この２つの出力はそれぞれ正負の極性が異なるが、出力データの振幅レベルは同一である。これにより、電源からの回り込み等により重畳される、ノイズ成分を差動出力で除去することが可能となる。
【００２３】
また、この実施形態では、電源の安定化のために、電圧レギュレータ４を挿入している。外部から供給された電源から定電圧を生成し、加速度センサ１の励起、Ａ／Ｄ変換器３２の基準電圧ＶＲＥＦとして入力することにより、Ａ／Ｄ変換器３２の入力となるセンサ出力のノイズの低減、また、Ａ／Ｄ変換器３２のノイズの低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態１の回路図である。
【図２】本発明の実施形態１の演算処理部の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態１の電源投入後の動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態１における方向検知の説明図である。
【図５】本発明の実施形態１の動作説明図である。
【図６】本発明の実施形態２の動作説明図である。
【図７】本発明の実施形態３の回路図である。
【図８】本発明の実施形態４の回路図である。
【符号の説明】
【００２５】
１    加速度センサ
２    増幅回路
３    マイクロプロセッサ
３１  セレクタ
３２  Ａ／Ｄ変換器
３３  演算処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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