(57)【要約】【課題】加速度検出装置において、出力信号に含まれる雑音成分を低減することを目的とする。【解決手段】加速度検出装置は、自らに作用する加速度に応じて静電容量が変化する加速度検出用キャパシタＣ+およびＣ-と、スイッチングされた電圧を加速度検出用キャパシタＣ+およびＣ-のそれぞれに印加するスイッチング電圧印加手段とを備える。直流電圧源１２、充電切り換えスイッチＳＡ+、ＳＡ-、ＳＢ+、ＳＢ-、およびコントローラ１４は、スイッチング電圧印加手段として機能する。また、加速度検出用オペアンプ１６は、帰還スイッチＳｆおよび帰還キャパシタＣｆと共に帰還アンプ回路を構成し、加速度検出用キャパシタＣ+およびＣ-の充電状態に応じた信号を出力する。加速度検出装置は、さらに、帰還アンプ回路から出力される信号に対しフィルタ処理を施す低域通過フィルタ２０を備える。【選択図】図１
2011169617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自らに作用する加速度に応じて静電容量が変化する加速度検出用キャパシタと、
スイッチングされた電圧を前記加速度検出用キャパシタに印加するスイッチング電圧印加手段と、
前記加速度検出用キャパシタに印加される電圧のスイッチングタイミングと同一のタイミングで帰還経路が切り換えられ、前記加速度検出用キャパシタの充電状態に応じたレベルの信号を出力する帰還アンプ回路と、
前記帰還アンプ回路から出力される信号に対しフィルタ処理を施す低域通過フィルタと、
を備えることを特徴とする、加速度検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の加速度検出装置において、
自らに作用する加速度に応じて静電容量が変化する２個の単位キャパシタを前記加速度検出用キャパシタとして含み、前記帰還アンプ回路の入力端子に至る経路に当該２つの単位キャパシタのそれぞれの一端が接続され、
前記スイッチング電圧印加手段は、
スイッチングされた電圧を前記２つの単位キャパシタのそれぞれに印加し、
前記帰還アンプ回路は、
加速度検出用オペアンプと、
前記加速度検出用オペアンプの帰還経路に設けられた帰還キャパシタと、
前記加速度検出用キャパシタに印加される電圧のスイッチングタイミングと同一のタイミングでスイッチングされ、オン時に前記帰還キャパシタのバイパス経路を形成する帰還スイッチと、
を備えることを特徴とする、加速度検出装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の加速度検出装置において、
前記低域通過フィルタは、
フィルタ用オペアンプと、
前記フィルタ用オペアンプの帰還経路に設けられ、前記低域通過フィルタのカットオフ周波数を規定する電気回路素子と、
前記フィルタ用オペアンプの信号入力経路に設けられ、前記低域通過フィルタのカットオフ周波数を規定する電気回路素子と、
を備えることを特徴とする、加速度検出装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の加速度検出装置において、
前記低域通過フィルタのカットオフ周波数は、
前記スイッチング電圧印加手段が前記加速度検出用キャパシタに印加する電圧のスイッチング周波数の１０分の１以下であることを特徴とする、加速度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の速度、加速度等が所定の目標値となるよう、エンジン、モータ、ブレーキ等の制御を行う走行制御システムについて広く研究開発が行われている。このようなシステムは、自動車の加速度を検出する加速度検出装置を備え、検出された加速度に基づいて、エンジン、モータ、ブレーキ等を制御する。
【０００３】
走行制御システム用の加速度検出装置には、自らに作用する加速度に応じて静電容量が変化する加速度検出用キャパシタを用いるものがある。このような加速度検出装置は、スイッチングされた電圧を加速度検出用キャパシタに印加して加速度検出用キャパシタを充電する。そして、加速度検出用キャパシタの充電状態に基づいて、加速度を示す信号を生成し出力する。なお、特許文献１には、このような加速度検出装置（検出回路）について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１８７５９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】トランジスタ技術編集部編トランジスタ技術ＳＰＥＣＩＡＬ Ｎｏ．４４，特集「フィルタの設計と使い方」，ＣＱ出版，１９９４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
走行制御システム用の加速度検出装置には、直流成分のレベルによって加速度を示す信号を出力するものが用いられることがある。そこで、特許文献１に記載されているように、与えられた信号から直流成分を摘出するサンプルホールド回路を出力段に設ける加速度検出装置が考えられている。しかし、サンプルホールド回路を使用した、このような構成では、フィードスルーや、コンデンサの漏れ電流が雑音を生じるという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような問題に対してなされたものである。すなわち、加速度検出装置において、出力信号に含まれる雑音成分を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、自らに作用する加速度に応じて静電容量が変化する加速度検出用キャパシタと、スイッチングされた電圧を前記加速度検出用キャパシタに印加するスイッチング電圧印加手段と、前記加速度検出用キャパシタに印加される電圧のスイッチングタイミングと同一のタイミングで帰還経路が切り換えられ、前記加速度検出用キャパシタの充電状態に応じたレベルの信号を出力する帰還アンプ回路と、前記帰還アンプ回路から出力される信号に対しフィルタ処理を施す低域通過フィルタと、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る加速度検出装置においては、自らに作用する加速度に応じて静電容量が変化する２個の単位キャパシタを前記加速度検出用キャパシタとして含み、前記帰還アンプ回路の入力端子に至る経路に当該２つの単位キャパシタのそれぞれの一端が接続され、前記スイッチング電圧印加手段は、スイッチングされた電圧を前記２つの単位キャパシタのそれぞれに印加し、前記帰還アンプ回路は、加速度検出用オペアンプと、前記加速度検出用オペアンプの帰還経路に設けられた帰還キャパシタと、前記加速度検出用キャパシタに印加される電圧のスイッチングタイミングと同一のタイミングでスイッチングされ、オン時に前記帰還キャパシタのバイパス経路を形成する帰還スイッチと、を備えることが好適である。
【００１０】
また、本発明に係る加速度検出装置においては、前記低域通過フィルタは、フィルタ用オペアンプと、前記フィルタ用オペアンプの帰還経路に設けられ、前記低域通過フィルタのカットオフ周波数を規定する電気回路素子と、前記フィルタ用オペアンプの信号入力経路に設けられ、前記低域通過フィルタのカットオフ周波数を規定する電気回路素子と、を備えることが好適である。
【００１１】
また、本発明に係る加速度検出装置においては、前記低域通過フィルタのカットオフ周波数は、前記スイッチング電圧印加手段が前記加速度検出用キャパシタに印加する電圧のスイッチング周波数の１０分の１以下であることが好適である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、加速度検出装置において、出力信号に含まれる雑音成分を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る加速度検出装置の構成を示す図である。
【図２】加速度検出回路が出力する加速度検出信号の電圧波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に本発明の実施形態に係る加速度検出装置の構成を示す。加速度検出装置は、検出加速度に応じたレベルの加速度検出信号を出力する加速度検出回路１０、および加速度検出回路１０から出力された加速度検出信号に対しフィルタ処理を施す低域通過フィルタ２０を備える。加速度検出装置は、半導体集積回路の内部に組み込んでもよい。
【００１５】
加速度検出回路１０は、自らに作用する加速度に応じて静電容量が変化する加速度検出用キャパシタＣ+およびＣ-を用いて、加速度検出信号を生成し出力する。加速度検出用キャパシタＣ+およびＣ-は一端が共通に接続される。加速度検出用キャパシタＣ+およびＣ-の接続点は、加速度検出用オペアンプ１６の負極入力端子に接続される。加速度検出用キャパシタＣ+の他端は、充電切り換えスイッチＳＡ+およびＳＢ+の各一端に接続される。加速度検出用キャパシタＣ-の他端は、充電切り換えスイッチＳＡ-およびＳＢ-の各一端に接続される。
【００１６】
充電切り換えスイッチＳＡ+およびＳＢ-の他端は直流電圧源１２の正極端子に接続され、直流電圧源１２の負極端子は接地導体に接続される。また、充電切り換えスイッチＳＢ+およびＳＡ-の他端は接地導体に接続される。
【００１７】
加速度検出用オペアンプ１６の正極入力端子は接地導体に接続される。加速度検出用オペアンプ出力端子１８と負極入力端子との間には、帰還キャパシタＣｆが接続される。帰還キャパシタＣｆには、帰還スイッチＳｆが並列に接続される。
【００１８】
加速度検出用キャパシタＣ+およびＣ-は、加速度が作用していないときは一定の静電容量を有し、加速度が作用したときは加速度に応じて各静電容量が変化する。加速度検出用キャパシタＣ+およびＣ-は、加速度測定位置に作用する加速度に応じて一方の静電容量が増加したときに他方の静電容量が減少し、一方の静電容量が減少したときに他方の静電容量が増加する位置関係となるよう、加速度検出装置の加速度検出位置に固定される。
【００１９】
コントローラ１４は、充電切り換えスイッチＳＡ+、ＳＡ-および帰還スイッチＳｆがオンのときに、充電切り換えスイッチＳＢ+およびＳＢ-がオフとなり、充電切り換えスイッチＳＡ+、ＳＡ-および帰還スイッチＳｆがオフのときに、充電切り換えスイッチＳＢ+およびＳＢ-がオンとなるよう、これらのスイッチを所定の周期でオンオフ制御する。
【００２０】
このような構成により、直流電圧源１２、充電切り換えスイッチＳＡ+、ＳＡ-、ＳＢ+、ＳＢ-、およびコントローラ１４は、スイッチングされた電圧を加速度検出用キャパシタＣ+およびＣ-に印加するスイッチング電圧印加手段として機能する。また、加速度検出用オペアンプ１６は、帰還経路をなす帰還スイッチＳｆおよび帰還キャパシタＣｆと共に帰還アンプ回路を構成する。
【００２１】
充電切り換えスイッチＳＡ+、ＳＡ-および帰還スイッチＳｆがオン、かつ、充電切り換えスイッチＳＢ+およびＳＢ-がオフのときの状態について説明する。帰還スイッチＳｆがオンになることにより、帰還キャパシタＣｆに蓄積される電荷はゼロとなる。また、オペアンプ回路の性質により、加速度検出用オペアンプ１６の負極端子の電位は接地電位に近似した値となる。これによって、加速度検出用キャパシタＣ+の両端には直流電圧源１２によって直流電圧Ｖｄが印加され、加速度検出用キャパシタＣ+は静電容量に応じた電荷を蓄積する。さらに、加速度検出用キャパシタＣ-の両端の電位は接地電位となり、加速度検出用キャパシタＣ-に蓄積される電荷はゼロとなる。
【００２２】
上記のように、加速度検出用オペアンプ１６の負極端子の電位は接地電位に近似した値となり、帰還スイッチＳｆはオンであるため、このときの加速度検出用オペアンプ出力端子１８の電圧はゼロとみなしてもよい。
【００２３】
次に、充電切り換えスイッチＳＡ+、ＳＡ-および帰還スイッチＳｆがオフ、かつ、充電切り換えスイッチＳＢ+およびＳＢ-がオンのときの状態について説明する。充電切り換えスイッチＳＢ+およびＳＢ-がオンとなることにより、加速度検出用キャパシタＣ-の両端には直流電圧源１２によって直流電圧Ｖｄが印加され、加速度検出用キャパシタＣ-は静電容量に応じた電荷を蓄積する。そして、加速度検出用キャパシタＣ+の両端の電位が接地電位となり、さらに、帰還スイッチＳｆがオフになることにより、加速度検出用キャパシタＣ+およびＣ-に蓄積された電荷によって加速度検出用オペアンプ１６の負極端子に発生する電位を打ち消すよう帰還キャパシタＣｆに電荷が蓄積される。これによって、帰還キャパシタＣｆは、加速度検出用キャパシタＣ+およびＣ-の静電容量の差に比例した電荷を蓄積する。したがって、帰還キャパシタＣｆの端子間電圧および加速度検出用オペアンプ出力端子１８の電圧は、次の（数１）のＶｏで与えられる値となる。
【００２４】
【数１】
2011169617.tif 000003
【００２５】
ここで、ΔＣ＝（Ｃ+−Ｃ-）である。充電切り換えスイッチＳＡ+、ＳＡ-および帰還スイッチＳｆをオンにする時間と、オフにする時間を同一時間Ｔ／２とした場合における、加速度検出回路１０が出力する加速度検出信号の電圧波形を図２に示す。加速度検出信号は、波高値がＶｏ＝ΔＣ・Ｖｄ／Ｃｆ、平均値がΔＣ・Ｖｄ／Ｃｆ／２、周期がＴの矩形波信号となる。
【００２６】
次に、低域通過フィルタ２０について説明する。低域通過フィルタ２０は、加速度検出回路１０から出力された加速度検出信号から直流成分を抽出する。オペアンプを用いた低域通過フィルタの設計手法については、例えば、非特許文献１に記載されている。
【００２７】
特性決定抵抗器Ｒ１の一端は低域通過フィルタ入力端子２２に接続され、他端は特性決定抵抗器Ｒ２の一端に接続される。特性決定抵抗器Ｒ２の他端はフィルタ用オペアンプ２４の負極入力端子に接続される。フィルタ用オペアンプ２４の正極入力端子は接地導体に接続される。特性決定抵抗器Ｒ１およびＲ２の接続点と接地導体との間には特性決定キャパシタＣ１が接続され、特性決定抵抗器Ｒ１およびＲ２の接続点とフィルタ用オペアンプ出力端子２６との間には、特性決定抵抗器Ｒ３が接続される。また、フィルタ用オペアンプ２４の負極入力端子とフィルタ用オペアンプ出力端子２６との間には、特性決定キャパシタＣ２が接続される。
【００２８】
低域通過フィルタ２０のカットオフ周波数ｆｃは、次の（数２）で表される。ここで、カットオフ周波数ｆｃは、低域通過フィルタ特性の減衰量が３ｄＢとなる周波数である。
【００２９】
【数２】
2011169617.tif 000004
【００３０】
本実施形態においては、カットオフ周波数ｆｃは、充電切り換えスイッチＳＡ+、ＳＡ-、ＳＢ+、ＳＢ-および帰還スイッチＳｆのスイッチング周波数１／Ｔの１０分の１以下とすることが好ましい。例えば、スイッチング周波数を１ＭＨｚとした場合には、カットオフ周波数ｆｃを１００ｋＨｚ以下とすることが好ましい。
【００３１】
フィルタ用オペアンプ出力端子２６、すなわち、加速度検出装置の出力端子からは、次の（数３）で表される直流電圧が、加速度信号Ｖａとして出力される。
【００３２】
【数３】
2011169617.tif 000005
【００３３】
このような構成によれば、加速度検出装置からは交流成分が抑圧された加速度信号Ｖａが出力される。これによって、加速度信号Ｖａを走行制御システムに用いる場合には、加速度信号Ｖａに含まれる雑音成分がシステム性能に与える影響を抑制することができる。
【００３４】
従来、加速度検出回路のスイッチング周波数は、１０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ程度とされていた。しかし、スイッチング周波数を２００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度に上昇させることで、加速度信号に含まれるノイズ成分が低減されることが明らかになった。その理由は、スイッチング周波数の上昇により、ノイズ成分の周波数スペクトラムが広がり、低域通過フィルタ２０の通過周波数帯域に含まれるノイズ成分の総電力が低減されるからであると考えられる。
【００３５】
本発明に係る加速度検出装置によれば、加速度検出回路１０のスイッチング周波数を従来より高い２００ｋＨｚ〜１ＭＨｚとすることにより、低域通過フィルタ２０に用いられる特性決定キャパシタＣ１およびＣ２の静電容量を小さくすることができ、回路を小型化することができると共に、加速度信号Ｖａに含まれるノイズ成分を低減することができる。
【００３６】
なお、ここでは、低域通過フィルタとして図１に示すようなオペアンプを用いたものを採り上げた。このような低域通過フィルタの他、受動素子のみから構成される低域通過フィルタを用いてもよい。また、加速度検出装置の用途に応じて、カットオフ周波数より高い周波数での周波数対減衰量特性（ロールオフ特性）を決定してもよい。例えば、図１に示した低域通過フィルタ２０は、周波数の自乗にほぼ反比例するロールオフ特性（１／（周波数の２次式）で表される特性）を有するが、周波数にほぼ反比例するロールオフ特性（例えば、１／（周波数の１次式）で表される特性）や、周波数のｎ乗（ｎは３以上の整数）にほぼ反比例するロールオフ特性（例えば、１／（周波数のｎ次式）で表される特性）を有するものを用いてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１０  加速度検出回路、１２  直流電圧源、１４  コントローラ、１６  加速度検出用オペアンプ、１８  加速度検出用オペアンプ出力端子、２０  低域通過フィルタ、２２  低域通過フィルタ入力端子、２４  フィルタ用オペアンプ、２６  フィルタ用オペアンプ出力端子、ＳＡ+，ＳＡ-，ＳＢ+，ＳＢ-  充電切り換えスイッチ、Ｃ+，Ｃ-  加速度検出用キャパシタ、Ｓｆ  帰還スイッチ、Ｃｆ  帰還キャパシタ、Ｃ１，Ｃ２  特性決定キャパシタ、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３  特性決定抵抗器。
【図１】
2011169617.tif 000006
【図２】
2011169617.tif 000007