JP4842559B2 - 閉ループ内の誤り検出を備えた加速度計 - Google Patents

Description

本発明は、加速度測定の領域に関する。
この種の測定は、加速度をアナログもしくはディジタルの電気信号へ変換するのに使用される。
本発明は、自動車や航空電子工学のような様々な領域に応答可能である。

非特許文献１には、信号対雑音比を飛躍的に増加させることのできるディジタル補正器を用いた加速度計が記載される。

ディジタル反作用を備えた加速度測定機器は、負の静電的なスティフネスを加えることで、加速度計のスティフネスの変動を生じさせる。このスティフネスは、読み出しと反動のために加速度計のくしに加えられた電圧によって作られる。

図１は、加速度Γの測定に使用されるディジタルの帰還を持った加速度計２のアーキテクチャを示しており、ここで、シグマデルタ変調器４は加速度計２の可変容量を読み出し、電圧を加えることもする。これらの電圧は、加速度計２によって補正器１０からの帰還値によって決まる静電的力へ変換される。

この補正器１０は加速度計２をその中心位置に保つことができる。システムの出力Ｓは、この補正器１０からの出力Ｓに相当する。

出力Ｓの平均値は加速度を表している：静電的な引力が非常に高い周波数ｆ１で加速器２の側面の１つに加えられ、中央位置に戻す。

加速度計２の遮断周波数ｆ２はｆ１より低く、加速度計は、この連続パルスにフィルターをかけ、その端子に加えられた値は平均となるだろう。

Haluk Kular 他著、"A CMOS switched-capacitor interface circuit for an integrated accelerometer", Proceedings of the 43rd-IEEE Midwest Symposium on Circuits and Systems, 244-7, Vol.1

この閉ループ測定の問題は、測定範囲外の加速あるいは衝撃による、システムの飽和である。この範囲は、加速度計２の物理特性（スティフネス、質量、減衰等）と復調器４の電圧の技術的制約によって決まる。

この飽和は、くしの枝の固着と、分離するまでの機能の一時的損失あるいは機能の永久的な損失（永久的な固着、破損、飽和等）を招くことがある。

もし、このようなことが起こると、本システムは、完全に停止し、それ以降加速度を測定しないため、測定機能および関連する測定の完全なる損失となる。

従って、この種の飽和を解決して、特にシステムエラーの後あるいは飽和した場合に、本システムが動作させることが可能であるような加速度を測定するための加速度計と方法とを探すという問題が起こる。

他に起こる問題は、加速度信号の測定、あるいは例えば飽和による加速度計の故障に続く加速のための機能を実行することである。

特に、本発明は、閉ループディジタル加速度計に関し、その動作は、例えば閉ループ内で動作誤りが加速度計上で発生した時に低下し得る。

本発明は、第１に帰還ループを備えた加速度測定機器に関し、
−加速度計と、
−加速度計の位置の補正のために信号を生成する、ディジタル補正器と、
−この補正信号を加速度計に与える閉帰還ループと、
−加速度計の動作時に誤りを検出して、その初期状態から変更された動作状態へと、補正器の動作に第１の変更をする、誤り検出器と
を備える。

本発明による加速度測定装置は、低下した状態でも、もし加速度計の動作に誤りがあれば加速度測定を実行することができる。
誤りは、飽和である場合もある。
変更された動作状態は、開ループ動作状態である場合もある。

そして、本発明は、閉ループの利点と、開ループにおける動作の耐性を利用することができる。
一実施形態によると、補正器の動作を変更する手段は、加速度計の帰還ループを開くことができる。
これらの手段は、前記補正器の１つ或いはいくつかの動作パラメータを変更することができる。

加速度計動作誤り検出器と、補正器の動作を変更する手段は、補正器からの出力の位置にあるだろう。
本装置は、変更された動作状態から初期状態へと、補正器の動作に第２の変更を加える手段も備えるだろう。

補正器の第２の変更は、単一の段階で行うことができる。
変種として、この補正器の動作への第２の変更は、幾つかの段階で行うことができる。
補正器の動作への第２の変更は、帰還ループの利得を変更することによっても行うことができる。
加速度計動作誤り検出器は、加速度計の飽和状態を検出するのに使用することもできる。

本発明によるディジタル帰還を備えた加速度計システムを、図２を参照して説明する。
そのシステムは、加速度計２０と、加速度計の可変容量を読み出すためのΣ−Δ復調器のような手段と、例えば定量化器２４とディジタルアナログ変換器２６と加速度計からの出力の位置にある積分器２３とを含んだ電圧の応用回路とを備える。

ディジタル補正手段３０あるいは補正器は、加速度計もしくはこの測定済み信号を表す信号によって測定された信号を用いて、加速度計位置補正信号を生成し、また帰還ループ３８を通して中央位置に加速度計２０を保つのに使用することができる。

ディジタル補正器３０は、記憶され機能を果たす係数によって管理される装置である。これらの係数に与えられる値によって、以下を得ることができる。
−単位関数あるいは
−利得関数２，３，…，あるいは
−ループの開放等々。

最初の係数は、これら補正手段３０の入力３４に加えられるだろう。
これらの最初の係数は、加速度計に加えられる出力電圧が、加速度計あるいは電子回路が耐えられるように決定され、これらの係数は、最初に固定された動作範囲内で質量（mass）を中央位置に保持するように最適化される。

補正器３０からの出力３６は、例えば、１ビットで符号化される（オン／オフ変調に相当する）。
この出力の平均値は、加速を表す：静電的な引力は、帰還ループ３８を通して加速度計の側面の１つに加えられて、それを望ましくは非常に速い速度で中央位置に戻す。
本発明によると、誤り検出器４０は、加速度計の通常動作において誤り、特に手段３０の飽和状態を検出することができる。
この場合、加速度計は、予想範囲外への力を受ける：加速度計の質量が止まるところまで動く。そして電気的な大きさは、範囲外の値に等しく、例えば全ての係数は１に変わる。

検出器４０は、補正器３０からの出力の位置に置くことができる。
誤りが検出されると、手段４２は、補正器３０を通して係数入力を変更するのに使用することができる。例えば、最初の係数がメモリの中にあり、論理機能がそれらを変更する。この論理機能は、ハードワイアードで良く、またプログラム中に書き込むこともできる。

特に、そうして得ることのできる変更は、出力３８を管理する論理機能の結果を変更して、帰還３８を削除することで得られる。論理機能は、例えば、以下の種類であろう。
−もし飽和が検出されると、
−３８の出力における信号＝０

例えば、補正器３０の係数は、帰還の効果を打ち消すべく、出力３６において単位関数を得るように変更される：本システムは開ループを変更する。
従って、補正器の効果は、飽和が検出されると打ち消される（以下で≪補正器のリセット≫を使用する）。
そして、出力３６は、手段２４からの出力に等しく、帰還はゼロになる：それ以上の情報は加速度計２０に戻らない。

加速度計の、結果としてのスティフネス（機械的なものから静電的なものを引いたもの）は、より大きくなる：もはや加速度計のくしに加えられる逆反応の電圧は無い；従って、負の静電的スティフネスが減る。
このスティフネスは、電圧読み出し専用の機能となり、それは実際の電圧よりもかなり小さなものである。

装置或いは加速度計ＭＥＭＳは、より堅固となり、入力の最大限界は大きくなる。
システムは、もはや飽和せず、加速度は開ループで測定される。
そして、測定性能は、質量が動くことで作られる非線形性ゆえに良好なものではないが、より堅固である。例えば、移動質量は、組み込み型のくしの形状で良い。しかし、たとえ性能が閉ループ内におけるほど良好でなくとも、測定機能は維持される。

係数補正手段の一実施形態が図３に示される；この図において、参照番号４０は、また、誤り補正器３０からの出力における飽和検出器を意味している。手段４１は、上述したように、補正を行うのに使用される。例えば、これらの手段４１は、最初に記憶した係数を変更するか、論理関数を実行ことができる。

より広くは、加速度計の動作誤りは、手段４０によって検出することができるが、これは、手段４１にパラメータ或いは動作状態を変更させることができる。
本システムは、ループ３８を閉じて、回路の初期の性能（通過帯域と、最大限界と、信号対雑音比と、全高調波歪み）を読み出して、公称の動作或いは初期動作に戻ろうとする。

ループを閉じる１つの方法は、手段４１と４２を使用して、例えば、係数の初期値で補正手段３０を再プログラムすることによって、補正器の初期状態を読み出すことから成る。これは、変調器のクロック２４の２ストローク分の間に起こり得る。
その後、補正器３０は、単一段階で初期状態に戻る。
しかし、この方法では、機械的なスティフネスが、帰還を最初期化することによって再び変更され、その結果、定常状態に戻る前に発振を起こすために、定常状態に戻る機会が減る。この発振によって、再度、飽和が起こることもある。

従って、続く段階において、他のより良い方法は、初期状態或いは初期係数を徐々に読み出すものであるが、この場合は、加速度計の質量の移動につれて補正器３０の感度を徐々に変更することである。例えば、低額の係数は、最初は漸進的に初期状態あるいは初期係数（例えば、３つの段階あるいはスキップで）へ戻った後に使用されるだろう。

１つの例では、手順の始めは、補正器が加速度計の動きに反応しない（帰還ゼロ）単位関数であり：Ｓ＝１×Ｅである。例えば（簡単な場合では）、次の段階は、Ｓ＝２×ＥそしてＳ＝３×Ｅ等に設定するものであろう。通常の利得へのこの帰還の間の動きの周波数も考慮することができる。

従って、以下は本発明の方法の一例である。
−ディジタル部分の飽和を検出する
−ループ３８を開く：この帰還ループは取り消され、補正器３０の係数は変更される
−補正器３０の個々のリセット（ＲＡＺ）
−開ループにおける測定
−開ループの定期的なテスト、そして閉ループ測定に戻る。

本発明は、常に加速度を測定することができる。加速度計測定機能は、特に、信号／雑音比（ＮＳＲ）（加速度計転送機能は雑音の計算には最早使えない）と、ＴＨＤ（可変空隙容量は特に非線形なので大きな歪みが作られる）の性能が下がっても決して失われることはない。

図４Ａ〜４Ｅは、シミュレーション結果を示している。
図４Ａは、加速度計の入力信号（測定すべき信号）を示している。
図中にあるのは、振幅が閉ループシステムの測定範囲内にあるような、サイン曲線である。
測定範囲外の衝撃が、この信号に加えられる。

図４Ｂは、加速度計の質量の位置を示し、図４Ｃは補正手段３０からの出力信号を示している。
図４Ｄは、飽和検出領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを示している。
本システムは、閉ループシステムにおいて、最初の衝撃まで、非常に良好に動作する（最初の質量の動き、有効な補正器出力、図４Ｂの領域Ｉ）。

閉ループシステムは飽和に至り、質量は加速度計保護停止に至る（図４Ｂの領域II）。
本システムは飽和を検出し、開ループに至る：そして質量の動きは制御できず、測定は質が低下するが機能はする。本システムは、図４Ｃ内のリセット領域によって示されるように、周期的にループを閉じようとする。

ループは、再び閉じて（図４Ｂ内の領域III）、システムは閉ループの初期状態に戻る。
図４Ｂは、開ループ（IV,VI,VIII）と閉ループ（V,VII,IX）内の他の動作領域を識別する。
図４Ｅ内の曲線は、大幅に縮小されフィルターのかけられたシグマ−デルタ出力（シグマ−デルタ符号化のディジタルフィルター）を示している。

図には、大部分閉ループで測定されたサイン曲線と、開ループ（ＢＯ）で測定された範囲外の極点も含まれる。最終結果は、測定範囲外の衝撃に対しても、測定が機能的なままである。
従って、提案した方法は、閉ループの性能と、開ループの耐性を提供する。

誤り検出を持たないディジタル加速度計の図である。 本発明によるディジタル加速度計の図である。 補正手段の一実施形態の図である。 本発明による装置によるシミュレーション結果の図である。 本発明による装置によるシミュレーション結果の図である。 本発明による装置によるシミュレーション結果の図である。 本発明による装置によるシミュレーション結果の図である。 本発明による装置によるシミュレーション結果の図である。

符号の説明

２…加速度計
４…シグマデルタ変調器
１０…補正器
Ｓ…システムの出力
２０…加速度計
２３…積分器
２４…定量化器
２６…ディジタルアナログ変換器
３０…ディジタル補正手段
３４…補正手段３０の入力
３６…補正器３０からの出力
３８…帰還ループ
４０…誤り検出器

Claims (8)

1. −加速度計（２０）と、
   −加速度計の位置の補正のための補正信号を生成する補正器（３０）と、
   −この補正信号を加速度計に与える帰還ループ（３８）と、
   −前記加速度計の動作時の飽和状態を検出する検出器（４０）と、
   −前記加速度計の飽和状態が検出された場合に前記帰還ループ（３８）を開くための手段（４１，４２）と
   を備えることを特徴とする、帰還ループを持った加速度測定装置。
2. 飽和検出による開帰還ループの状態から閉帰還ループの状態へ前記帰還ループを閉じるための手段（４０，４１，４２）を備えた請求項１記載の装置。
3. 前記帰還ループの開閉は、前記補正器（３０）の１つまたは複数の動作パラメータを変更することにより実施される、請求項１または２のいずれか一つに記載の装置。
4. 前記検出器（４０）は、前記補正器の出力の位置にあることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の装置。
5. 前記帰還ループを閉じる動作は、単一の段階で行われることを特徴とする請求項２記載の装置。
6. 前記帰還ループを閉じる動作は、幾つかの段階で行われることを特徴とする請求項２記載の装置。
7. 前記帰還ループを閉じる動作は、前記帰還ループの利得を変更することによって行われることを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 飽和検出後の開帰還ループの状態において、加速度は開ループで測定される、請求項１から７のいずれか１つに記載の装置。

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