CN101517373A - 物理量测量装置及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不增大电路规模、成本而降低噪声成分且提高可靠性的物理量测量装置及其信号处理方法。物理量检测部(11)具有检测基于所期望物理量的多个信号的信号检测单元，检测所期望的物理量。信号处理部(12)进行用于以随时间而不同的组合将由物理量检测部(11)对各检测轴检测出的信号进行线性结合的信号处理。运算处理部(13)根据从信号处理部(12)输出的信号数据对基于附随物理量检测部(11)的物理量的多个信号进行组合运算。以随时间而不同的组合将来自多个检测轴的信号进行线性结合来输出，对该输出进行运算，由此获得降低了噪声成分的所期望的信号成分。

Description

物理量测量装置及其信号处理方法

技术领域

本发明涉及一种物理量测量装置及其信号处理方法，更详细地说，涉及一种具有多个传感器元件的、与物理量测量中的噪声降低有关的物理量测量装置及其信号处理方法。

背景技术

近年来，盛行着将3轴加速度传感器、3轴磁传感器等多轴物理量测量装置嵌入到便携设备中。

图1是表示用于说明作为以往的物理量测量装置的3轴加速度传感器的例子的概要结构的框图，是与专利文献1所示的图5相当的框图。由三个加速度传感器元件101、102、103检测3维加速度矢量，输出与加速度的X轴成分、Y轴成分、Z轴成分相对应的信号Hx、Hy、Hz。

由信号选择部104选择这些输出信号Hx、Hy、Hz中的一个，由运算放大器105依次放大所选择的信号。在此时的输出信号中加入了噪声成分N。此外，附图标记108示意性地示出了加入到信号中的噪声成分。

因而，依次获得输出信号Hx+N、Hy+N、Hz+N。由A/D变换部106将由运算放大器105放大的信号变换为数字数据，从而获得与X轴、Y轴、Z轴相对应的加速度数据。

图2是表示在由图1所示的信号选择部进行了选择的情况下的A/D变换部的输出信号的图，是表示在由3轴加速度传感器连续获取3维加速度数据的情况下所获取的数据的时序的图。上段表示由信号选择部选择的选择信号，下段表示混入了噪声成分的A/D变换部的输出信号。

在图1所示的结构中，一次只能获得一个轴的加速度数据。因此，为了连续获取3维加速度数据，需要随着时间改变信号选择部所选择的信号。

如图2所示，在依次取入信号的方式中，能够共用运算放大器105和A/D变换部106等的比传感器元件更靠后级的电路，因此具有能够减小电路规模的优点。并且，如果需要则利用运算处理部107对由A/D变换部106变换后的信号进行运算，从而能够获得与加速度相关的任意信息。

作为运算处理的具体例子，可列举出计算3轴加速度传感器相对于水平面的倾斜度的情况等。考虑如下情况：在3轴加速度传感器的内部，如图3所示那样配置X轴传感器元件101、Y轴传感器元件102和Z轴传感器元件103。

由配置在各轴上的传感器元件101、102、103检测重力加速度，由运算处理部107进行以下的运算，由此能够求出作为水平面与X轴所形成的角的倾侧(ロ一ル)角ψ以及作为水平面与Y轴所形成的角的俯仰(ピツチ)角θ。

[式1]

$\mathrm{\ψ}{=\tan }^{-1}\frac{H_X}{H_Z}$

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\frac{H_Y}{H_Z}$

另外，作为2轴、3轴磁传感器的例子，例如有专利文献2所述的传感器。在该专利文献2中公开有如下的3轴磁传感器：在聚磁板(磁気収束板)的端面配置多个霍尔元件，检测与聚磁板平行的方向的磁场，并且还同时检测垂直方向的磁场。

图4是表示专利文献2中的磁传感器的概要结构的框图。当将磁场的X轴成分设为Hx、将Y轴成分设为Hy、将Z轴成分设为Hz时，传感器元件(A)201至传感器元件(D)204分别输出以下信号。

[式2]

201：H_X+H_Z+n＝A

202：-H_X+H_Z+n＝B

203：H_Y+H_Z+n＝C

204：-H_Y+H_Z+n＝D

其中，n表示由传感器元件所引起的噪声成分。

这些信号中混入有基于X轴成分的信号和基于Z轴成分的信号、或者基于Y轴成分的信号和基于Z轴成分的信号，因此通过信号选择部205以如下组合进行选择使得各成分分离而输出(在图4所示的信号选择部205中依次选择以相同的线种类描绘的布线对)。

A-B

C-D

A+B

这些信号依次被输入到运算放大器206中并被放大，但是此时的输出信号中加入由运算放大器206所引起的噪声成分N。该运算放大器206的输出如下。

[式3]

$\left(\mathrm{\α}\right)=2(H_X+n/\sqrt{2}+N/2)$

$\left(\mathrm{\β}\right)=2(H_Y+n/\sqrt{2}+N/2)$

$\left(\mathrm{\γ}\right)=2(H_Z+n/\sqrt{2}+N/2)$

由运算放大器206输出的信号通过A/D变换部207变换为数字数据，从而获得与X轴、Y轴、Z轴相对应的磁场数据。

图5是在由图4所示的信号选择部进行了选择的情况下的A/D变换部的输出信号的示意图，是表示由磁传感器连续获取3维磁场数据的情况下所获取的数据的时序的图。上段表示由信号选择部选择的选择信号，下段表示混入有噪声成分的A/D变换部的输出信号。

如果需要则利用运算处理部208对由A/D变换部207变换的信号进行运算，从而能够获得与磁场相关的任意信息。

这样，伴随着便携设备的多功能化、小型化的要求，也更高地要求对上述加速度传感器和磁传感器等的嵌入到便携设备中的传感器进一步小型化。但是，在小型化要求变高的同时，通常存在若使传感器小型化则相对于信号的噪声成分变大的问题，并且由于便携设备的内部集成度非常高，因此还处于从其它元件容易受到噪声的环境，从而传感器的噪声降低成为问题。

关于传感器的噪声降低，上述的专利文献2公开有使用聚磁板的、提高了S/N比(信号/噪声比)的方法。关于与聚磁板平行的方向的磁场，聚磁板放大磁通密度，因此磁灵敏度提高从而提高了S/N比。特别是，为了检测如地磁那样非常微小的磁场(30μT)，提高其S/N比是重要的要素。然而，在聚磁板的长度相对于厚度足够大的情况下，对于垂直方向的磁场几乎没有放大磁通密度的效果，因此存在如下问题：垂直方向的磁检测灵敏度得不到提高，与平行于聚磁板的方向相比，S/N比难免变差。因此，采用如下方法：某种程度地抑制通过使用聚磁板而得到的磁灵敏度的提高，从而使得在与聚磁板平行的方向以及垂直的方向上不产生S/N比的偏差。

另外，将传感器配置在IC内使其能够检测3轴方向的成分并不简单。通常，在IC内配置霍尔元件的情况下，与IC平行地配置霍尔元件，但是由于霍尔元件检测垂直于磁感应面(感磁面)的方向的磁场，因此较为容易地检测垂直于IC的方向的磁场，与此相对地，为了检测平行于IC的磁场而需要将元件垂直地配置在IC内，这并不容易。另外，还会出现垂直于IC配置元件而IC高度与此相应地变高的问题。

因此，有时也采用将传感器元件倾斜配置的方法。在这样配置的情况下，几个轴方向的检测灵敏度也变低。因此，虽然采用通过增加传感器元件数量来提高垂直方向的磁检测灵敏度的方法等，但是产生如磁传感器的尺寸变大之类的新问题。

另外，在专利文献3中公开有如下磁传感器，其具备：第一和第二磁检测部，其能够输出相位相差90度的第一和第二检测信号；信号处理电路，其将该第一和第二检测信号数字化并且放大；以及电力供给电路，其通过间歇通电来向第一和第二磁检测部以及信号处理电路供给电力。并且，记载有如下内容：具有噪声处理电路，该噪声处理电路用于降低从信号处理电路输出的被数字化后的第一检测信号中所包含的噪声成分，该噪声处理电路根据被数字化后的第一和第二检测信号的逻辑电平，降低第一检测信号中的逻辑电平切换前后所包含的噪声成分。

另外，在物理量测量装置中与噪声一样作为S/N比降低的原因，可列举出在传感器元件、传感器元件后续电路中产生的偏移，在专利文献4中记载有使用斩波器(chopper)来除去与霍尔元件及其输出放大器相关的偏移的方法。

在专利文献5中记载有如下的3轴磁传感器，其设为在一个霍尔元件中配置多个电极并与前述专利文献2同样地从该各电极混合输出水平方向和垂直方向的磁场成分的结构，利用运算放大器对来自各电极的输出进行加减运算，由此同时检测3维方向的磁场成分。

然而，在上述专利文献中存在如下问题：由于针对各成分检测成为测量对象的物理量的测量，因此各成分中测量定时不同。另外，与大多数的噪声降低方法同样地，上述专利文献3的噪声降低方法与作为其测量对象的物理量、测量装置相配合而应用，因此在变更了作为测量对象的物理量、装置结构的情况下，该噪声降低方法大多未充分有效地发挥作用。

另一方面，在专利文献5的结构中设为同时检测3维磁场成分的结构，因此测量的定时没有偏差，但是存在电路规模变大、并且消耗电流也增大的问题。

另外，在广泛应用的噪声成分的降低中，通过使用较难产生噪声成分的元件、半导体部件，也具有效果，但是这些元件、部件大多昂贵且大，难以削减成本、微小化。

本发明是鉴于这种状况而完成的，其目的在于提供一种改善对与各轴对应的每个成分进行测量的定时不同的问题点的物理量测量装置及其信号处理方法。并且，其它目的在于提供一种在不增大电路规模、成本而降低噪声成分且提高可靠性的物理量测量装置及其信号处理方法。

专利文献1：日本特开2005-65789号公报

专利文献2：日本特开2002-71381号公报

专利文献3：日本特开2001-4408号公报

专利文献4：日本特开2005-283503号公报

专利文献5：美国专利第6,278,271号说明书

发明内容

本发明是为了达到这种目的而完成的，在通过检测基于所期望物理量的信号并进行信号处理来运算所述物理量的物理量测量装置中，其特征在于，具备：信号检测单元，其检测基于所述物理量的多个信号；信号处理单元，其用于将由该信号检测单元检测出的信号以随时间而不同、且基于所述所期望物理量的信号成分全部被包含的系数，进行线性结合；运算处理单元，其根据从该信号处理单元输出的信号数据运算所述物理量。(相当于图6)。

另外，本发明的特征在于，所述信号检测单元是检测3维矢量物理量的3维矢量物理量检测单元，所述信号检测单元至少具有相互线性独立的3轴的检测轴。

另外，本发明的特征在于，所述信号检测单元具有相互垂直的3轴的检测轴。

另外，本发明的特征在于，所述3维矢量物理量检测单元的相互线性独立的3轴的检测轴中，至少两个检测轴不相互垂直。

另外，本发明的特征在于，所述信号处理单元具备：符号控制单元，其将来自所述3维矢量物理量检测单元的各信号的符号关于必要成分进行反转；信号切换单元，其对来自该符号控制单元的反转信号和来自所述3维矢量物理量检测单元的非反转信号进行切换；以及加法运算单元，其将来自该信号切换单元的所述反转信号和所述非反转信号相加。

另外，本发明的特征在于，所述信号检测单元还具备：第二符号控制单元，其将各信号的符号关于必要成分进行反转；以及第二信号切换单元，其对来自该第二符号控制单元的反转信号和非反转信号进行切换。

另外，本发明的特征在于，所述第二符号控制单元能够关于由所述信号检测单元检测出的信号中所包含的偏移成分和由所述信号检测单元检测出的信号中所述偏移成分以外的信号，反转相互的符号关系。

另外，本发明的特征在于，所述系数是+1、-1或者0，所述线性结合是这些系数的组合。

另外，本发明的特征在于，所述所期望物理量是3维矢量物理量的3维成分X、Y、Z，所述信号检测单元是对基于所述X的信号Hx、基于所述Y的信号Hy和基于所述Z的信号Hz进行检测的所述3维矢量物理量检测单元，所述信号处理单元所输出的线性结合的组合是Hx+Hy+Hz、Hx+Hy-Hz、Hx-Hy+Hz以及-Hx+Hy+Hz。(相当于图7)。

另外，本发明的特征在于，所述所期望物理量是3维矢量物理量的3维成分X、Y、Z，所述信号检测单元是对基于所述X的信号Hx与基于所述Z的信号Hz之和即Hx+Hz＝A、所述信号Hx与Hz之差即-Hx+Hz＝B、基于所述Y的信号Hy与所述Hz之和即Hy+Hz＝C、以及所述Hy与Hz之差即-Hy+Hz＝D进行检测的所述3维矢量物理量检测单元，所述信号处理单元所输出的线性结合的组合是A+C、A+D、B+D以及B+C。(相当于图9)。

另外，本发明的特征在于，所述信号处理单元所输出的线性结合的组合是A+C、-A-D、B+D以及-B-C。(相当于图19)。

另外，本发明的特征在于，所述信号处理单元所输出的线性结合的组合是-A-C、A+D、-B-D以及B+C。

另外，本发明的特征在于，所述信号处理单元所输出的线性结合的组合是A+C、A+D、B+D、B+C、-A-C、-A-D、-B-D以及-B-C。(相当于图20)。

另外，本发明的特征在于，所述信号检测单元对所期望的3维矢量物理量的3维成分X、Y、Z具有不同的检测灵敏度，通过由所述信号处理单元对信号进行线性结合，能够对检测灵敏度的差异进行校正。

另外，本发明的特征在于，所述3维矢量物理量检测单元是磁传感器。

另外，本发明的特征在于，所述磁传感器具备聚磁板。

另外，本发明的特征在于，所述3维矢量物理量检测单元是加速度传感器。

另外，本发明的特征在于，所述所期望物理量是3维正交坐标系中的磁场的3成分X、Y以及Z，所述信号检测单元具有形成在硅底座上的多个霍尔传感器元件和圆盘状的聚磁板，所述霍尔传感器元件配置在所述聚磁板的圆周部，所述运算处理单元使用由所述信号处理单元获得的所述数字信号求出基于所述所期望物理量的信号。

另外，本发明的特征在于，所述霍尔传感器元件被分成以所述聚磁板的中心为基准相互空出90度间隔的四个组而配置在所述聚磁板的圆周部。

另外，本发明的特征在于，所述信号处理单元依次选择相邻的所述组的霍尔传感器元件的信号来进行线性结合。

另外，本发明的特征在于，所述所期望物理量是3维正交坐标系中的磁场的3成分X、Y以及Z，所述信号检测单元具有形成在硅底座上的多个霍尔传感器元件和圆盘状的聚磁板，所述霍尔传感器元件被分成以所述聚磁板的中心为基准相互空出90度间隔的四个组而配置在所述聚磁板的圆周部，所述霍尔传感器元件的各组对由基于所述磁场的X成分的信号Hx、基于Y成分的Hy和基于Z成分的Hz构成的信号Hx+Hz＝A、或者-Hx+Hz＝B、或者Hy+Hz＝C、或者-Hy+Hz＝D进行检测，所述信号处理单元具有A/D变换单元，根据来自所述信号检测单元的信号A至D，利用A/D变换单元将与所述信号A至D有关的线性结合A+C、A+D、B+D、B+C、-A-C、-A-D、-B-D以及-B-C变换为数字信号，所述运算处理单元使用由所述信号处理单元获得的所述数字信号，求出基于所述所期望物理量的信号Hx、Hy以及Hz。

另外，本发明的特征在于，所述信号检测单元中的所述磁场的3成分X、Y和Z的检测灵敏度之比是2∶2∶1，通过由所述信号处理单元对所述信号检测单元的输出进行线性结合，使所求出的信号Hx、Hy以及Hz的检测灵敏度为1∶1∶1。

另外，在通过检测基于所期望物理量的信号并进行信号处理来运算所述物理量的物理量测量装置中的信号处理方法中，其特征在于，具有以下步骤：信号检测步骤，由信号检测单元对基于所述物理量的多个信号进行检测；信号处理步骤，其以随时间而不同的系数对通过该信号检测步骤检测出的信号进行线性结合，使得基于所述所期望物理量的信号成分全部被包含；以及运算处理步骤，其根据通过该信号处理步骤输出的信号数据运算所述物理量，其中，降低混入在所述信号处理中的噪声成分。(相当于图15)。

另外，本发明的特征在于，所述信号检测步骤是检测3维矢量物理量的3维矢量物理量检测步骤，在所述信号检测步骤中由至少具有相互线性独立的3轴的检测轴的所述信号检测单元检测信号。

另外，本发明的特征在于，在所述信号检测步骤中，由具有相互垂直的3轴的检测轴的所述信号检测单元检测信号。

另外，本发明的特征在于，在所述3维矢量物理量检测步骤中，由所述相互线性独立的3轴的检测轴中至少两个检测轴不相互垂直的3维矢量物理量检测单元检测信号。

另外，本发明的特征在于，所述信号处理步骤具有：符号控制步骤，将来自所述3维矢量物理量检测步骤的各信号的符号关于必要成分进行反转；信号切换步骤，对来自该符号控制步骤的反转信号和来自所述3维矢量物理量检测步骤的非反转信号进行切换；以及加法运算步骤，将来自该信号切换步骤的所述反转信号和所述非反转信号相加。

另外，本发明的特征在于，所述信号检测步骤还具有：第二符号控制步骤，将各信号的符号关于必要成分进行反转；以及第二信号切换步骤，对来自该第二符号控制步骤的反转信号和非反转信号进行切换。

另外，本发明的特征在于，在所述第二符号控制步骤中，能够关于通过所述信号检测步骤检测出的信号中所包含的偏移成分和通过所述信号检测步骤检测出的信号中除去所述偏移成分后的信号，反转相互的符号关系。

另外，本发明的特征在于，所述所期望物理量是3维矢量物理量的3维成分X、Y、Z，所述信号检测步骤是对基于所述X的信号Hx、基于所述Y的信号Hy和基于所述Z的信号Hz进行检测的所述3维矢量物理量检测步骤，通过所述信号处理步骤所输出的线性结合的组合是Hx+Hy+Hz、Hx+Hy-Hz、Hx-Hy+Hz以及-Hx+Hy+Hz。(相当于图16)。

另外，本发明的特征在于，所述所期望物理量是3维矢量物理量的3维成分X、Y、Z，所述信号检测步骤是对基于所述X的信号Hx与基于所述Z的信号Hz之和即Hx+Hz＝A、所述信号Hx与Hz之差即-Hx+Hz＝B、基于所述Y的信号Hy与所述Hz之和即Hy+Hz＝C、以及所述Hy与Hz之差即-Hy+Hz＝D进行检测的所述3维矢量物理量检测步骤，通过所述信号处理步骤所输出的线性结合的组合是A+C、A+D、B+D以及B+C。(相当于图17)。

另外，本发明的特征在于，通过所述处理步骤所输出的线性结合的组合是A+C、-A-D、B+D和-B-C。

另外，本发明的特征在于，通过所述处理步骤所输出的线性结合的组合是-A-C、A+D、-B-D以及B+C。

另外，本发明的特征在于，通过所述处理步骤所输出的线性结合的组合是A+C、A+D、B+D、B+C、-A-C、-A-D、-B-D以及-B-C。

根据本发明，在通过检测基于所期望物理量的信号并进行信号处理来运算所述物理量的物理量测量装置中，具备信号检测单元、信号处理单元以及运算处理单元，因此不增大电路规模、成本就能够降低在物理量检测部、信号处理部中混入的噪声成分，能够提高可靠性，其中，所述信号检测单元检测基于物理量的多个信号，所述信号处理单元用于将由该信号检测单元所检测的信号以随时间而不同的组合进行线性结合，所述运算处理单元根据由该信号处理单元输出的信号数据运算物理量。

附图说明

图1是表示用于说明作为以往的物理量测量装置的3轴加速度传感器的例子的概要结构的框图。

图2是以往的3轴加速度传感器中的A/D变换部的输出信号的示意图。

图3是基于以往的3轴加速度传感器的倾斜角测量的示意图。

图4是表示以往的磁传感器的概要结构的框图。

图5是在由图4所示的信号选择部进行选择的情况下的A/D变换部的输出信号的示意图。

图6是用于说明本发明所涉及的物理量测量装置的整体结构图。

图7是表示作为本发明所涉及的物理量测量装置的实施例1的3轴加速度传感器的概要结构的框图。

图8是在由图7所示的信号处理部进行选择的情况下的A/D变换部的输出信号的示意图。

图9是表示作为本发明所涉及的物理量测量装置的实施例2的磁传感器的概要结构的框图。

图10是在由图9所示的信号处理部进行选择的情况下的A/D变换部的输出信号的示意图。

图11是将以往的磁传感器中的测量时间与本发明的实施例2中的测量时间进行比较的示意图。

图12是将以往的磁传感器中的测量时间与校正了测量时间的情况下的本发明实施例2中的测量时间进行比较的示意图。

图13A是本发明的实施例2所涉及的检测部的结构例中的向X-Y平面的投影图。

图13B是本发明的实施例2所涉及的检测部的结构例中的向X-Z平面的投影图。

图14A是用于说明本发明所涉及的物理量测量装置的实施例3的图，是检测部的结构例的概略图。

图14B是用于说明本发明所涉及的物理量测量装置的实施例3的图，是检测部的结构例中的向X-Y平面的投影图。

图14C是用于说明本发明所涉及的物理量测量装置的实施例3的图，是检测部的结构例中的向X-Z平面的投影图。

图15是表示用于说明本发明所涉及的物理量测量装置中的信号处理方法的流程图的图。

图16是表示用于说明本发明所涉及的物理量测量装置中的实施例1的信号处理方法的流程图的图。

图17是表示用于说明本发明所涉及的物理量测量装置中的实施例2至5的信号处理方法的流程图的图。

图18A是用于说明针对本发明实施例2的结构例而优选的磁传感器元件所检测的磁场成分的方向的示意图。

图18B是用于说明针对本发明实施例3的结构例而优选的磁传感器元件所检测的磁场成分的方向的示意图。

图19是表示作为本发明所涉及的物理量测量装置的实施例4的磁传感器的概要结构的框图。

图20是表示作为本发明所涉及的物理量测量装置的实施例5的磁传感器的概要结构的框图。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的实施例。

图6是用于说明本发明所涉及的物理量测量装置的整体结构图，附图标记11表示物理量检测部(相当于信号检测单元)，12表示信号处理部，13表示运算处理部。

本发明是进行如下信号处理的物理量测量装置，即、该信号处理用于降低当对例如来自加速度传感器、磁传感器等的所期望物理量进行检测时混入到输出信号中的噪声成分。物理量检测部11用于检测基于所期望物理量的多个信号。信号处理部12进行如下信号处理，即、该信号处理用于以随时间而不同的组合对由物理量检测部11关于各检测轴检测到的信号进行线性结合。运算处理部13根据从信号处理部12输出的信号数据，对基于附随物理量检测部11的物理量的多个信号进行组合运算。

另外，优选为在物理量检测部11和信号处理部12中主要使用模拟信号，在运算处理部13中利用数字信号进行处理。

通过这种结构，通过信号处理部12以随时间而不同的组合对由物理量检测部11关于各检测轴检测出的信号进行线性结合，并且利用运算处理部13，根据信号处理部12所输出的信号数据，对基于附随物理量检测部11的物理量的多个信号进行组合运算，从而能够降低在物理量检测部11、信号处理部12中混入的噪声成分。

即，以随时间而不同的组合对来自多个检测轴的信号进行线性结合并输出，通过运算其输出，能够得到降低了噪声成分的所期望的信号成分。

实施例1

图7是表示作为本发明所涉及的物理量测量装置的实施例1的3轴加速度传感器的概要结构的框图。此外，X轴传感器元件111、Y轴传感器元件112和Z轴传感器元件113相当于图6中的物理量检测部11，信号选择部114、运算放大器115和A/D变换部116相当于图6中的信号处理部12，运算处理部117相当于图6中的运算处理部13。另外，附图标记118示意性地示出了加入到信号中的噪声成分。

作为加速度传感器元件优选压电电阻式传感器，但是也可以是静电电容式传感器、压电传感器、热分布检测式传感器等，只要是能够检测加速度的元件即可。

另外，在下面的说明中作为例子列举出使用3轴(或者3个)传感器的情况，但是在2个或者4个以上传感器的情况下也能够容易地展开相同的理论，这是显然的。

信号选择部114具备：符号反转部114x、114y、114z，其将来自3维矢量物理量检测部111、112、113的各信号的符号关于必要成分进行反转；以及开关(信号切换单元)Sx、Sy、Sz，其对来自该符号反转部114x、114y、114z的反转信号和来自3维矢量物理量检测部111、112、113的非反转信号进行切换。运算放大器115用于将来自开关Sx、Sy、Sz的反转信号和非反转信号相加。

通过这种结构，从X轴传感器元件111、Y轴传感器元件112和Z轴传感器元件113输出想要测量的物理量的基于X轴成分的信号Hx、基于Y轴成分的信号Hy以及基于Z轴成分的信号Hz，由信号处理部114的符号反转部114x、114y、114z调整这些输出的极性，并输入到运算放大器115中。由运算放大器115对信号Hx、Hy、Hz进行放大，此时的输出信号中加入了噪声成分N。

信号选择部114所输出的线性结合的组合是基于附随3维矢量物理量检测部111、112、113的、三个坐标轴相互垂直的3轴坐标系中的3维矢量物理量成分X、Y、Z的信号Hx+Hy+Hz、Hx+Hy-Hz、Hx-Hy+Hz、-Hx+Hy+Hz。

即，当开关Sx、Sy、Sz连接在a侧时，来自运算放大器115的输出成为Hx+Hy+Hz+N，当开关Sx、Sy连接在a侧、且Sz连接在b侧时，来自运算放大器115的输出成为Hx+Hy-Hz+N，当开关Sx、Sz连接在a侧、且Sy连接在b侧时，来自运算放大器115的输出成为Hx-Hy+Hz+N，当开关Sy、Sz连接在a侧、且Sx连接在b侧时，来自运算放大器115的输出成为-Hx+Hy+Hz+N。

运算放大器115的输出信号通过A/D变换部116被变换为数字信号。由此所获得的信号由运算处理部117进行运算，从而能够获得与想要测量的物理量有关的任意信息。

图8是由图7所示的信号处理部进行了选择的情况下的A/D变换部的输出信号的示意图，是表示由3轴加速度传感器连续获取3维加速度数据的情况下所获取的数据的时序的图。上段表示由信号处理部选择的选择信号，下段表示混入了噪声成分的A/D变换部的输出信号。

作为信号选择部114的具体设定例，考虑对来自X轴传感器元件111的信号Hx、来自Y轴传感器元件112的信号Hy、以及来自Z轴传感器元件113的信号Hz分别以如下方式进行线性结合而依次输出的情况。另外，在运算放大器115中对各个信号加上噪声成分N。在此，考虑1周期的测量时间与图2和图3的例子相同的情况，使得明确理解与图2和图3的例子之间的效果的差异。在图2和图3中，1周期的测量时间期间信号选择部成为三个状态，测量3种信号，但是在本实施例(图7、图8)中，一个周期期间测量4种信号，因此1种信号的测量时间成为3/4倍。通常当将测量时间设为N倍时，S/N比成为

倍，因此当考虑测量时间的差异时，需要将S/N比设为倍来考虑。

[式4]

$\left(\mathrm{\α}\right)=H_X+H_Y+H_Z+\frac{2}{\sqrt{3}}{N}_a$

$\left(\mathrm{\β}\right)=H_X+H_Y-H_Z+\frac{2}{\sqrt{3}}{N}_b$

$\left(\mathrm{\γ}\right)=H_X-H_Y+H_Z+\frac{2}{\sqrt{3}}{N}_c$

$\left(\mathrm{\δ}\right)={-H}_X+H_Y+H_Z+\frac{2}{\sqrt{3}}{N}_d$

在此，各噪声成分中的噪声主要是白噪声，为了强调(α)、(β)、(γ)、(δ)的各信号的噪声之间不相关，附加下标而记载为Na、Nb、Nc、Nd。

根据这些输出信号求出X成分、Y成分、Z成分。为此使用A/D变换部116的输出信号，由运算处理部117求出(α)+(β)+(γ)-(δ)、(α)+(β)-(γ)+(δ)、(α)-(β)+(γ)+(δ)。

[式5]

$\left(\mathrm{\α}\right)+\left(\mathrm{\β}\right)+\left(\mathrm{\γ}\right)-\left(\mathrm{\δ}\right)=4H_X+\frac{2}{\sqrt{3}}(N_a+N_b+N_c+N_d)$

$\left(\mathrm{\α}\right)+\left(\mathrm{\β}\right)-\left(\mathrm{\γ}\right)+\left(\mathrm{\δ}\right)=4H_Y+\frac{2}{\sqrt{3}}(N_a+N_b+N_c+N_d)$

$\left(\mathrm{\α}\right)-\left(\mathrm{\β}\right)+\left(\mathrm{\γ}\right)+\left(\mathrm{\δ}\right)=4H_Z+\frac{2}{\sqrt{3}}(N_a+N_b+N_c+N_d)$

对由此获得的各成分计算噪声。

[式6]

$<{|4H_X+\frac{2}{\sqrt{3}}(N_a+N_b+N_c+N_d)|}^2>=4<{|H_X+\frac{N}{\sqrt{3}}|}^2>$

$<{|4H_Y+\frac{2}{\sqrt{3}}(N_a+N_b+N_c+N_d)|}^2>=4<{|H_Y+\frac{N}{\sqrt{3}}|}^2>$

$<{|4H_Z+\frac{2}{\sqrt{3}}(N_a+N_b+N_c+N_d)|}^2>=4<{|H_Z+\frac{N}{\sqrt{3}}|}^2>$

在此，<A>的表述表示A的期待值。通过以上所述可知，与以往方法相比，S/N比提高倍。

但是，在本实施例1中，由传感器元件所引起的噪声不产生影响，因此忽略由传感器元件所引起的噪声。另外，在求出与各轴对应的成分时，在以往的普通的多轴测量装置中依次选择性地取入来自与各轴对应的传感器元件的信号，因此虽然与各轴对应的成分少，但是以不同的定时进行测量，因此有时成为引起信号失真的原因。

与此相对地，在本实施例1中，计算获得(α)～(δ)的输出所需的1周期的信号的平均，因此能够改善如以往方法那样针对与各轴对应的每个成分而测量的定时不同的问题。

(α)～(δ)的组合是一个实施例，组合数量既可以是三个以上，也可以是4以外。另外，当将组合设为(α)～(δ)时，从中选择任意三个(例如(α)、(β)、(γ))，

[式7]

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}\\ \mathrm{\&beta;}\\ \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{a}_{00}& a_{01}& a_{02}\\ a_{10}& a_{11}& a_{12}\\ a_{20}& a_{21}& a_{22}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{H}_X\\ H_Y\\ H_Z\end{array}\right)\&equiv;\mathrm{MH}$

当表示为式7时，如果系数矩阵M是正则矩阵，则哪种组合都可以。

实施例2

图9是表示作为本发明所涉及的物理量测量装置的实施例2的磁传感器的概要结构的框图。在图13A、图13B中表示与上述专利文献2结构相同的、本发明的实施例2所涉及的检测部的结构例。通过聚磁板的效果，传感器元件211、212除了能够检测基于磁场的Z轴成分的信号之外还能够检测基于X轴成分的信号，传感器元件213、214除了能够检测基于磁场的Z轴成分的信号之外还能够同时检测基于Y轴成分的信号。

聚磁板由相对磁导率较高的材料、即强磁性体构成。另外，传感器元件211～214对垂直方向的磁性成分具有灵敏度，以相对于聚磁板中心90度旋转对称的方式配置在圆盘状的聚磁板的端面。水平方向的磁通在被聚磁板吸收的过程中路径被弯曲而具有垂直方向的成分，因此传感器元件212～214检测通过聚磁板而路径从水平方向被弯曲的垂直方向的磁通，因此能够输出与水平方向的磁场强度成比例的信号。

聚磁板的形状最好是圆盘状，但是不限于此，也可以是例如环状、方形状。另外，垂直方向的厚度是任意的，可以是面内的厚度均一，也可以是端部和中心部的厚度不同。

另外，传感器元件的配置也可以是小于90度的旋转对称、即45度的旋转对称、22.5度的旋转对称等。另外，传感器元件也可以是多个传感器元件串联或者并联地结合而成的结构。

此外，传感器元件(A)211、传感器元件(B)212、传感器元件(C)213以及传感器元件(D)214相当于图6中的物理量检测部11，信号选择部215、运算放大器216以及A/D变换部217相当于图6中的信号处理部12，运算处理部218相当于图6中的运算处理部13。另外，附图标记211a、212b、213c、214d、219示意性地示出了加入到信号中的噪声成分。

当将磁场的基于X轴成分的信号设为Hx、将基于Y轴成分的信号设为Hy、将基于Z轴成分的信号设为Hz时，传感器元件211至214分别输出以下信号。

[式8]

211：H_X+H_Z+n＝A

212：-H_X+H_Z+n＝B

213：H_Y+H_Z+n＝C

214：-H_Y+H_Z+n＝D

其中，n表示由传感器元件所引起的噪声成分。

考虑根据信号选择部215的设定而依次输出如下那样的模式(pattern)的情况。

[式9]

$\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=A+C=H_X+H_Y+2H_Z+\sqrt{2}n$

$\left(\mathrm{\&beta;}\right)=A+D=H_X-H_Y+2H_Z+\sqrt{2}n$

$\left(\mathrm{\&gamma;}\right)=B+D=-H_X-H_Y+2H_Z+\sqrt{2}n$

$\left(\mathrm{\&delta;}\right)=B+C={-H}_X+H_Y+2H_Z+\sqrt{2}n$

这些信号输入到运算放大器216并被放大，但是此时的输出信号中加入了由运算放大器216所引起的噪声成分N。运算放大器216的输出信号通过A/D变换部217被变换为数字信号。

即，3维物理量检测部具备：第一传感器元件(A)211，其检测来自三个坐标轴相互垂直的3轴坐标系中的第一轴和第三轴的信号；第二传感器元件(B)212，其检测第一轴的反转信号和来自第三轴的信号；第三传感器元件(C)213，其检测来自第二轴和第三轴的信号；以及第四传感器元件(D)214，其检测第二轴的反转信号和来自第三轴的信号。

另外，信号处理部12具备：信号选择部215，其选择来自传感器元件211～214的信号；以及运算放大器216，其对来自该信号选择部215的信号相加并放大。

在此，3维矢量物理量检测部211至214的多个检测轴对Hx+Hz＝A、-Hx+Hz＝B、Hy+Hz＝C、-Hy+Hz＝D进行检测，所述Hx+Hz＝A、-Hx+Hz＝B、Hy+Hz＝C、-Hy+Hz＝D由附随该3维矢量物理量检测部211至214的三个坐标轴相互垂直的3轴坐标系中的3维矢量物理量成分X、Y、Z构成。并且，信号选择部215所输出的线性结合的组合是A+C、A+D、B+C、B+D。

利用这种结构，当开关Sx和Sy连接在a侧时，基于传感器元件A+C的来自运算放大器216的输出(α)成为 $\mathrm{Hx}+\mathrm{Hy}+2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n+N,$ 当开关Sx连接在a侧、Sy连接在b侧时，基于传感器元件A+D的来自运算放大器216的输出(β)成为 $\mathrm{Hx}-\mathrm{Hy}+2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n+N,$ 当开关Sx和Sy连接在b侧时，基于传感器元件B+D的来自运算放大器216的输出(γ)成为 $-\mathrm{Hx}-\mathrm{Hy}+2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n+N,$ 当开关Sx连接在b侧、Sy连接在a侧时，基于传感器元件B+C的来自运算放大器216的输出(δ)成为 $-\mathrm{Hx}+\mathrm{Hy}+2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n+N.$

在运算处理部218中，将这些输出作为(α)+(β)-(γ)-(δ)而求出X轴成分，作为(α)-(β)-(γ)+(δ)而求出Y轴成分，作为(α)+(β)+(γ)+(δ)而求出Z轴成分。

图10是表示在由图9所示的信号处理部进行了选择的情况下的A/D变换部的输出信号的图，是表示由磁传感器连续获取3维磁场数据的情况下所获取的数据的时序的图。上段表示由信号处理部选择的选择信号，下段表示混入有噪声成分的A/D变换部的输出信号。

如上所述，来自运算放大器216的输出成为

[式10]

$\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=H_X+H_Y+2H_Z+\sqrt{2}n+N$

$\left(\mathrm{\&beta;}\right)=H_X-H_Y+2H_Z+\sqrt{2}n+N$

$\left(\mathrm{\&gamma;}\right)={-H}_X-H_Y+2H_Z+\sqrt{2}n+N$

$\left(\mathrm{\&delta;}\right)=-H_X+H_Y+2H_Z+\sqrt{2}n+N$

利用运算处理部218，如果根据这些输出信号，作为(α)+(β)-(γ)-(δ)而求出X轴成分，作为(α)-(β)-(γ)+(δ)而求出Y轴成分，作为(α)+(β)+(γ)+(δ)而求出Z轴成分，则如下。

[式11]

在此，关于为了获得基于X轴、Y轴、Z轴各成分的各信号而所需的步骤数，在如图11所示那样将上述以往的磁传感器的例子与本实施例进行比较时，在上段所示的以往例子中，为了获得基于X轴、Y轴、Z轴各成分的各信号而所需的步骤数是(α)～(γ)这3个步骤，与此相对地，在下段所示的本发明的实施例2中需要(α)～(δ)这4个步骤的测量。

为了在以往例子和实施例2中不改变用于测量一组基于X轴、Y轴、Z轴各成分的各信号所需的时间的条件下将以往例子与实施例2中的S/N比进行比较，如图12所示，需要将实施例2中的一个步骤的测量时间设为以往例子中的一个步骤的测量时间的3/4。

一般，当将测量时间设为N倍时，S/N比成为

倍，因此当考虑每一步骤的测量时间的差异时，将实施例2中的各成分的信号与噪声之间的关系修正为如下。

[式12]

如果将通过以上所获得的实施例2与以往例子进行比较，则关于X轴成分和Y轴成分的由传感器元件所引起的噪声以及由放大器所引起的噪声，成为以往例子的S/N比的

倍。然而，关于Z轴成分，由传感器元件所引起的噪声以及由放大器所引起的噪声都成为以往例子的S/N比的

倍，能够降低噪声成分。

此外，针对Z轴成分的S/N比相对于针对X轴和Y轴成分的S/N比成为2倍，能够使每个成分都具有噪声偏差。通过使它们具有噪声偏差，解决了在专利文献2中成为问题的、Z轴成分的S/N比相对于X轴和Y轴成分的S/N比恶化的问题，能够对难以抑制噪声成分的成分更有效地降低噪声。由此，能够更有效地使用聚磁板等的灵敏度提高单元，作为整体能够期待进一步的噪声降低效果。

其中，虽然在实施例2中设定运算处理部218使得作为(α)+(β)-(γ)-(δ)而求出X轴成分、作为(α)-(β)-(γ)+(δ)而求出Y轴成分、作为(α)+(β)+(γ)+(δ)而求出Z轴成分，但是在其它不同的线性结合的组合中也能够具有相同的效果。

(α)～(δ)的组合是一个实施例，从(α)～(δ)中取出线性独立的三个信号并分别表述为L、M、N，将基于所检测的物理量的信号Hx、Hy、Hz之间的关系表示为式13时，

[式13]

$\left(\begin{array}{c}L\\ M\\ N\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{a}_{00}& a_{01}& a_{02}\\ a_{10}& a_{11}& a_{12}\\ a_{20}& a_{21}& a_{22}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{H}_X\\ H_Y\\ H_Z\end{array}\right)\&equiv;\mathrm{MH}$

如果系数矩阵M是正则矩阵，则哪种组合都可以。

实施例3

图14A、图14B、图14C是用于说明本发明所涉及的物理量测量装置的实施例3的图，图14A是检测部的结构例的概略图，图14B是检测部的结构例B向X-Y平面的投影图，图14C是检测部的结构例C向X-Z平面的投影图。

在该图14B所示的结构例B中，设为如下结构：将传感器元件211至214配置在X-Y平面上，并且使各传感器元件相对于X-Y平面沿Z轴方向具有倾斜角度θ。

在传感器元件211至214不具有Z轴方向的倾斜度的情况下，以由传感器元件211、212检测基于磁场X轴成分的信号、由传感器元件213、214检测基于磁场Y轴成分的信号的方式，仅检测与配置了各元件的轴对应的成分，但是在使各传感器元件相对于X-Y平面沿Z轴方向倾斜了角度θ的情况下，各传感器元件不仅能够对基于与配置了各传感器元件的轴对应的成分的信号进行检测，而且能够同时对基于磁场的Z轴方向的成分的信号进行检测。

在本实施例中，传感器元件211、212对于磁场的X轴成分的灵敏度Sx、传感器元件213、214对于磁场的Y轴成分的灵敏度Sy、以及各传感器元件对于磁场的Z轴成分的灵敏度Sz之比是Sy/Sx＝1、Sz/Sx＝Sz/Sy＝tanθ。

因而，本实施例中，成为Z轴成分的灵敏度Sz与X轴、Y轴成分的灵敏度Sx、Sy不同的检测部，在以往方法中与专利文献2同样地存在Z轴成分的S/N比相对于X轴以及Y轴成分而恶化的问题。

然而，通过使用本实施例的结构，与本发明所涉及的实施例2同样地能够对难以抑制噪声成分的成分更有效地降低噪声，能够降低实际噪声成分。

作为本发明所涉及的实施例2中的磁传感器元件，如图18A所示，容易检测相对于元件垂直的磁场的霍尔元件是优选例子。另外，作为本发明所涉及的实施例3中的磁传感器元件，如图18B所示，容易检测相对于元件平行的磁场的MI元件、MR元件是优选例子。

实施例4

图19是表示作为本发明所涉及的物理量测量装置的实施例4的磁传感器的概要结构的框图。本实施例4是本发明所涉及的实施例2或者3的应用。在图9所示的结构的信号选择部215的前级安装第一符号控制部220，使用信号的符号反转，由此无损于前述噪声降低效果而能够降低信号的偏移成分。

在本实施例4中，考虑如下情况：通过从包含在信号中的偏移成分中除去从运算放大器216到A/D变换部217之间产生的偏移成分E来获得降低偏移的效果。

如果考虑偏移成分E，则所述输出信号(α)～(δ)表示为

$\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\mathrm{Hx}+\mathrm{Hy}+2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n+N+E$

$\left(\mathrm{\&beta;}\right)=\mathrm{Hx}-\mathrm{Hy}+2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n+N+E$

$\left(\mathrm{\&gamma;}\right)=-\mathrm{Hx}-\mathrm{Hy}+2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n+N+E$

$\left(\mathrm{\&delta;}\right)=-\mathrm{Hx}+\mathrm{Hy}+2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n+N+E.$

在没有使用符号反转的信号的情况下，当作为(α)+(β)-(γ)-(δ)而求出X轴成分、作为(α)-(β)-(γ)+(δ)而求出Y轴成分、作为(α)+(β)+(γ)+(δ)而求出Z轴成分时，能够关于X轴成分和Y轴成分除去偏移成分E，但是关于Z轴成分无法除去偏移成分E。

在此，如果在测量(β)以及(δ)时由第一符号控制部220进行信号的符号反转，则基于传感器元件A+D的来自运算放大器216的输出(β)以及基于传感器元件B+C的来自运算放大器216的输出(δ)分别如下。

$\left({\mathrm{\&beta;}}^{,}\right)=-\mathrm{Hx}+\mathrm{Hy}-2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n+N+E$

$\left({\mathrm{\&delta;}}^{,}\right)=\mathrm{Hx}-\mathrm{Hy}-2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n+N+E$

如果使用符号反转所获得的信号(β’)以及(δ’)来作为(α)-(β’)-(γ)+(δ’)而求出X轴成分、作为(α)+(β’)-(γ)-(δ’)而求出Y轴成分、作为(α)-(β’)+(γ)-(δ’)而求出Z轴成分，则能够关于所有的3轴的成分除去偏移成分E。

其中，利用第一符号控制部220进行符号反转的信号不仅可以是上述组合(β’)以及(δ’)，例如也可以用(α’)和(γ’)的组合进行符号反转。

实施例5

图20是表示作为本发明所涉及的物理量测量装置的实施例5的磁传感器的概要结构的框图。与上述实施例4同样地，是用于无损于前述噪声降低效果而降低偏移成分的结构例。

在图20中，第二符号控制部221能够对由传感器元件211～214检测出的各信号以及在211a～214d中混入的偏移成分e的符号分别独立地进行控制。作为第二符号控制部221的优选例子，能够通过使用专利文献4所述的斩波器的方法、或者对传感器元件211～214的驱动电压的符号进行控制的方法等来实现。

本实施例5中，对于来自传感器元件211～214的各信号，在不进行利用第二符号控制部221的符号反转的状态下获得非反转信号(α)～(δ)后，

$\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\mathrm{Hx}+\mathrm{Hy}+2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n+2e+N$

$\left(\mathrm{\&beta;}\right)=\mathrm{Hx}-\mathrm{Hy}+2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n+2e+N$

$\left(\mathrm{\&gamma;}\right)=-\mathrm{Hx}-\mathrm{Hy}+2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n+2e+N$

$\left(\mathrm{\&delta;}\right)=-\mathrm{Hx}+\mathrm{Hy}+2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n+2e+N$

对于来自传感器元件211～214的各信号，进行利用第二符号控制部221的符号反转，由此获得反转信号(α’)～(δ’)，

$\left({\mathrm{\&alpha;}}^{,}\right)=-\mathrm{Hx}-\mathrm{Hy}-2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n+2e+N$

$\left({\mathrm{\&beta;}}^{,}\right)=-\mathrm{Hx}+\mathrm{Hy}-2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n+2e+N$

$\left({\mathrm{\&gamma;}}^{,}\right)=\mathrm{Hx}+\mathrm{Hy}-2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n+2e+N$

$\left({\mathrm{\&delta;}}^{,}\right)=\mathrm{Hx}-\mathrm{Hy}-2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n+2e+N$

在1组测量中获得合计8种信号。利用运算处理部13，对由信号处理部12获得的前述8种信号分别运算并使用非反转信号和反转信号之差(α)-(α’)、(β)-(β’)、(γ)-(γ’)、(δ)-(δ’)，从而能够除去偏移成分e。

另外，代替通过对来自传感器元件211～214的各信号进行利用第二符号控制部221的符号反转而获得的反转信号(α’)～(δ’)，对在示意性地示出了加入到信号中的噪声成分的211a～214d中混入的偏移成分e进行利用第二符号控制部221的符号反转来获得信号(α”)～(δ”)以替换(α’)～(δ’)，也能够获得同样的效果。

$\left({\mathrm{\&alpha;}}^{,,}\right)=\mathrm{Hx}+\mathrm{Hy}+2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n-2e+N$

$\left({\mathrm{\&beta;}}^{,,}\right)=\mathrm{Hx}-\mathrm{Hy}+2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n-2e+N$

$\left({\mathrm{\&gamma;}}^{,,}\right)=-\mathrm{Hx}-\mathrm{Hy}+2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n-2e+N$

$\left({\mathrm{\&delta;}}^{,,}\right)=-\mathrm{Hx}+\mathrm{Hy}+2\mathrm{Hz}+\sqrt{2}n-2e+N$

另外，也可以是通过同时使用实施例4和实施例5来除去前述偏移成分E以及e这二者的结构。另外，实施例4中的第一符号控制部和实施例5中的第二符号控制部只要处于比作为除去对象的偏移成分E和e所发生的位置更靠前的位置就可以是与图19和图20不同的位置。

另外，在实施例4或5中，偏移成分E和e被设为在符号反转时不改变绝对值而进行计算，但是在实际电路等中有时偏移成分E和e的绝对值发生变化。在这种情况下，偏移成分E和e不是被完全除去，而是降低偏移成分E和e来同样能够获得效果。

在以上的说明中，说明了3轴加速度传感器(实施例1)以及磁传感器(实施例2至5)，但是也可以不是加速度传感器而是角速度传感器等，只要是检测矢量的传感器即可。或者除了使用检测矢量的传感器以外，还可以同时使用多个用于检测各种物理量的传感器。例如，作为X轴传感器元件111而设为检测温度的温度传感器，作为Y轴传感器元件112而设为检测湿度的湿度传感器，作为Z轴传感器元件113而设为检测压力的压力传感器，本发明的物理量测量装置也都能够应用。

另外，下面作为例子列举出使用3轴(或者3个)传感器的情况，但是也能够由2个或者4个以上来展开相同的理论，这是显然的。

图15是表示用于说明本发明所涉及的物理量测量装置中的信号处理方法的流程的图。在本发明的物理量测量装置中的信号处理方法中，进行如下的信号处理：降低在检测出所期望物理量的情况下混入到输出信号中的噪声成分。

首先，利用具有信号检测单元的物理量检测部来检测基于所期望物理量的信号(步骤S1)，所述信号检测单元对基于所期望物理量的多个信号进行检测。接着，进行用于以随时间而不同的组合对通过该物理量检测步骤关于各检测轴检测出的信号进行线性结合的信号处理(步骤S2)。接着，进行用于根据通过该信号处理步骤输出的信号数据获得所期望物理量的运算处理(步骤S3)。

图16是表示用于说明本发明所涉及的物理量测量装置中的实施例1的信号处理方法的流程的图。图15所示的物理量检测步骤(步骤S1)是检测基于3维矢量物理量的信号的步骤(步骤S211)。另外，图15所示的信号处理步骤(步骤S2)具有：符号反转步骤(步骤S212)，将来自3维矢量物理量检测步骤的各信号的符号关于必要成分而进行反转；信号切换步骤(S213)，对来自该符号反转步骤的反转信号和来自3维矢量物理量检测步骤的非反转信号进行切换；以及将来自该信号切换步骤的反转信号和非反转信号进行线性结合的步骤(S214)。

另外，通过信号处理步骤输出的线性结合的组合例如是由基于所期望3维矢量物理量的3维成分X、Y、Z的X的信号Hx、基于Y的信号Hy、以及基于Z的信号Hz构成的Hx+Hy+Hz、Hx+Hy-Hz、Hx-Hy+Hz、-Hx+Hy+Hz。

图17是表示用于说明本发明所涉及的物理量测量装置中的实施例2至5的信号处理方法的流程图的图。图15所示的物理量检测步骤(步骤S1)是如下那样的3维矢量物理量检测步骤(步骤S221)：关于与三个坐标轴相互垂直的3轴坐标系中的第一轴至第三轴相对应的信号，由第一传感器检测来自第一轴和第三轴的信号，由第二传感器检测第一轴的反转信号和来自第三轴的信号，由第三传感器检测来自第二轴和第三轴的信号，由第四传感器检测第二轴的反转信号和来自第三轴的信号。

另外，图15所示的信号处理步骤(步骤S2)具有：根据控制信号对来自前述物理量检测步骤的信号进行切换的信号选择步骤(S222)；以及将来自该信号选择步骤的信号进行线性结合的步骤(S223)。

另外，3维矢量物理量检测步骤的3轴的检测轴例如对由基于所期望的3维矢量物理量的3维成分X、Y、Z的X的Hx、基于Y的信号Hy、以及基于Z的信号Hz构成的Hx+Hz＝A、-Hx+Hz＝B、Hy+Hz＝C、-Hy+Hz＝D进行检测。另外，通过信号处理步骤输出的线性结合的组合例如是A+C、A+D、B+C、B+D。

本发明中的信号线性结合是指在信号处理部中任意改变各个信号的符号以及强度来相加，并不只限定于各个信号的任意符号反转的相加(足し合わせ)。

在本发明中，对由上述传感器元件所引起的噪声成分n的效果不只限定于由传感器元件所引起的噪声成分，只要是信号的加法运算和放大之前的部分的噪声成分就能够获得相同效果。

在本发明中，对由上述运算放大器所引起的噪声成分N的效果不只限定于由运算放大器所引起的噪声成分，只要是信号的加法运算以及运算放大器中的噪声成分、或者从信号的加法运算和运算放大器到A/D变换部为止的部分中的噪声成分就能够获得相同效果。

另外，在本发明中，各传感器的检测灵敏度也可以各自不同。另外，根据上述传感器的尺寸和S/N比的关系，也可以将基于本发明的噪声降低效果替换为与以往技术相比在不使S/N比恶化的情况下使传感器尺寸小型化的效果。

另外，根据上述测量时间与S/N比的关系，也可以将基于本发明的噪声降低的效果替换为与以往技术相比在不使S/N比恶化的情况下缩短测量时间的效果。

另外，根据通常所周知的、当降低传感器的功耗时S/N比变差这一关系，也可以将基于本发明的噪声降低的效果替换为与以往技术相比在不使S/N比恶化的情况下降低传感器的功耗的效果。

另外，本发明的实施例中的所期望的3维矢量物理量的3维成分的表示方法并不限于某特定的坐标系中的成分表示，也可以使用对坐标系进行任意坐标旋转后的坐标系中的成分表示。

工业实用性

本发明涉及一种具有多个传感器元件的、与物理量测量中的噪声降低有关的物理量测量装置及其信号处理方法，在通过检测基于所期望物理量的信号来进行信号处理从而运算物理量的物理量测量装置及其信号处理方法中，不增大电路规模、成本就能够降低在物理量检测部、信号处理部中混入的噪声成分，能够提高可靠性。

Claims (34)

1.一种物理量测量装置，通过检测基于所期望物理量的信号并进行信号处理来运算所述物理量，其特征在于，具备：

信号检测单元，其检测基于所述物理量的多个信号；

信号处理单元，其用于将由该信号检测单元检测出的信号以随时间而不同、且基于所述所期望物理量的信号成分全部被包含的系数，进行线性结合；

运算处理单元，其根据从该信号处理单元输出的信号数据运算所述物理量。

2.根据权利要求1所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述信号检测单元是检测3维矢量物理量的3维矢量物理量检测单元，所述信号检测单元至少具有相互线性独立的3轴的检测轴。

3.根据权利要求2所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述信号检测单元具有相互垂直的3轴的检测轴。

4.根据权利要求2所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述3维矢量物理量检测单元的相互线性独立的3轴的检测轴中，至少两个检测轴不相互垂直。

5.根据权利要求2至4中的任一项所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述信号处理单元具备：

符号控制单元，其将来自所述3维矢量物理量检测单元的各信号的符号关于必要成分进行反转；

信号切换单元，其对来自该符号控制单元的反转信号和来自所述3维矢量物理量检测单元的非反转信号进行切换；以及

加法运算单元，其将来自该信号切换单元的所述反转信号和所述非反转信号相加。

6.根据权利要求5所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述信号检测单元还具备：

第二符号控制单元，其将各信号的符号关于必要成分进行反转；以及

第二信号切换单元，其对来自该第二符号控制单元的反转信号和非反转信号进行切换。

7.根据权利要求6所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述第二符号控制单元能够关于由所述信号检测单元检测出的信号中所包含的偏移成分和由所述信号检测单元检测出的信号中所述偏移成分以外的信号，反转相互的符号关系。

8.根据权利要求1所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述系数是+1、-1或者0，所述线性结合是这些系数的组合。

9.根据权利要求8所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述所期望物理量是3维矢量物理量的3维成分X、Y、Z，

所述信号检测单元是对基于所述X的信号Hx、基于所述Y的信号Hy和基于所述Z的信号Hz进行检测的所述3维矢量物理量检测单元，

所述信号处理单元所输出的线性结合的组合是Hx+Hy+Hz、Hx+Hy-Hz、Hx-Hy+Hz以及-Hx+Hy+Hz。

10.根据权利要求1所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述所期望物理量是3维矢量物理量的3维成分X、Y、Z，

所述信号检测单元是对基于所述X的信号Hx与基于所述Z的信号Hz之和即Hx+Hz＝A、所述信号Hx与Hz之差即-Hx+Hz＝B、基于所述Y的信号Hy与所述Hz之和即Hy+Hz＝C、以及所述Hy与Hz之差即-Hy+Hz＝D进行检测的所述3维矢量物理量检测单元，

所述信号处理单元所输出的线性结合的组合是A+C、A+D、B+D以及B+C。

11.根据权利要求1所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述信号处理单元所输出的线性结合的组合是A+C、-A-D、B+D以及-B-C。

12.根据权利要求1所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述信号处理单元所输出的线性结合的组合是-A-C、A+D、-B-D以及B+C。

13.根据权利要求1所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述信号处理单元所输出的线性结合的组合是A+C、A+D、B+D、B+C、-A-C、-A-D、-B-D以及-B-C。

14.根据权利要求2至13中的任一项所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述信号检测单元对所期望的3维矢量物理量的3维成分X、Y、Z具有不同的检测灵敏度，通过由所述信号处理单元对信号进行线性结合，能够对检测灵敏度的差异进行校正。

15.根据权利要求2至14中的任一项所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述3维矢量物理量检测单元是磁传感器。

16.根据权利要求15所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述磁传感器具备聚磁板。

17.根据权利要求2至14中的任一项所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述3维矢量物理量检测单元是加速度传感器。

18.根据权利要求1所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述所期望物理量是3维正交坐标系中的磁场的3成分X、Y以及Z，

所述信号检测单元具有形成在硅底座上的多个霍尔传感器元件和圆盘状的聚磁板，

所述霍尔传感器元件配置在所述聚磁板的圆周部，

所述运算处理单元使用由所述信号处理单元获得的所述数字信号求出基于所述所期望物理量的信号。

19.根据权利要求18所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述霍尔传感器元件被分成以所述聚磁板的中心为基准相互空出90度间隔的四个组而配置在所述聚磁板的圆周部。

20.根据权利要求18或19所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述信号处理单元依次选择相邻的所述组的霍尔传感器元件的信号来进行线性结合。

21.根据权利要求1所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述所期望物理量是3维正交坐标系中的磁场的3成分X、Y以及Z，

所述信号检测单元具有形成在硅底座上的多个霍尔传感器元件和圆盘状的聚磁板，

所述霍尔传感器元件被分成以所述聚磁板的中心为基准相互空出90度间隔的四个组而配置在所述聚磁板的圆周部，

所述霍尔传感器元件的各组对由基于所述磁场的X成分的信号Hx、基于Y成分的Hy和基于Z成分的Hz构成的信号Hx+Hz＝A、或者-Hx+Hz＝B、或者Hy+Hz＝C、或者-Hy+Hz＝D进行检测，

所述信号处理单元具有A/D变换单元，根据来自所述信号检测单元的信号A至D，利用A/D变换单元将与所述信号A至D有关的线性结合A+C、A+D、B+D、B+C、-A-C、-A-D、-B-D以及-B-C变换为数字信号，

所述运算处理单元使用由所述信号处理单元获得的所述数字信号，求出基于所述所期望物理量的信号Hx、Hy以及Hz。

22.根据权利要求21所述的物理量测量装置，其特征在于，

所述信号检测单元中的所述磁场的3成分X、Y和Z的检测灵敏度之比是2∶2∶1，通过由所述信号处理单元对所述信号检测单元的输出进行线性结合，使所求出的信号Hx、Hy以及Hz的检测灵敏度为1∶1∶1。

23.一种物理量测量装置中的信号处理方法，通过检测基于所期望物理量的信号并进行信号处理来运算所述物理量，其特征在于，具有以下步骤：

信号检测步骤，由信号检测单元对基于所述物理量的多个信号进行检测；

信号处理步骤，其以随时间而不同的系数对通过该信号检测步骤检测出的信号进行线性结合，使得基于所述所期望物理量的信号成分全部被包含；以及

运算处理步骤，其根据通过该信号处理步骤输出的信号数据运算所述物理量。

24.根据权利要求23所述的物理量测量装置中的信号处理方法，其特征在于，

所述信号检测步骤是检测3维矢量物理量的3维矢量物理量检测步骤，在所述信号检测步骤中由至少具有相互线性独立的3轴的检测轴的所述信号检测单元检测信号。

25.根据权利要求24所述的物理量测量装置中的信号处理方法，其特征在于，

在所述信号检测步骤中，由具有相互垂直的3轴的检测轴的所述信号检测单元检测信号。

26.根据权利要求24所述的物理量测量装置中的信号处理方法，其特征在于，

在所述3维矢量物理量检测步骤中，由所述相互线性独立的3轴的检测轴中至少两个检测轴不相互垂直的3维矢量物理量检测单元检测信号。

27.根据权利要求24至26中的任一项所述的物理量测量装置中的信号处理方法，其特征在于，

所述信号处理步骤具有：

符号控制步骤，将来自所述3维矢量物理量检测步骤的各信号的符号关于必要成分进行反转；

信号切换步骤，对来自该符号控制步骤的反转信号和来自所述3维矢量物理量检测步骤的非反转信号进行切换；以及

加法运算步骤，将来自该信号切换步骤的所述反转信号和所述非反转信号相加。

28.根据权利要求27所述的物理量测量装置中的信号处理方法，其特征在于，

所述信号检测步骤还具有：

第二符号控制步骤，将各信号的符号关于必要成分进行反转；以及

第二信号切换步骤，对来自该第二符号控制步骤的反转信号和非反转信号进行切换。

29.根据权利要求28所述的物理量测量装置中的信号处理方法，其特征在于，

在所述第二符号控制步骤中，能够关于通过所述信号检测步骤检测出的信号中所包含的偏移成分和通过所述信号检测步骤检测出的信号中除去所述偏移成分后的信号，反转相互的符号关系。

30.根据权利要求23所述的物理量测量装置中的信号处理方法，其特征在于，

所述所期望物理量是3维矢量物理量的3维成分X、Y、Z，

所述信号检测步骤是对基于所述X的信号Hx、基于所述Y的信号Hy和基于所述Z的信号Hz进行检测的所述3维矢量物理量检测步骤，

通过所述信号处理步骤所输出的线性结合的组合是Hx+Hy+Hz、Hx+Hy-Hz、Hx-Hy+Hz以及-Hx+Hy+Hz。

31.根据权利要求23所述的物理量测量装置中的信号处理方法，其特征在于，

所述所期望物理量是3维矢量物理量的3维成分X、Y、Z，

所述信号检测步骤是对基于所述X的信号Hx与基于所述Z的信号Hz之和即Hx+Hz＝A、所述信号Hx与Hz之差即-Hx+Hz＝B、基于所述Y的信号Hy与所述Hz之和即Hy+Hz＝C、以及所述Hy与Hz之差即-Hy+Hz＝D进行检测的所述3维矢量物理量检测步骤，

通过所述信号处理步骤所输出的线性结合的组合是A+C、A+D、B+D以及B+C。

32.根据权利要求23所述的物理量测量装置中的信号处理方法，其特征在于，

通过所述处理步骤所输出的线性结合的组合是A+C、-A-D、B+D和-B-C。

33.根据权利要求23所述的物理量测量装置中的信号处理方法，其特征在于，

通过所述处理步骤所输出的线性结合的组合是-A-C、A+D、-B-D以及B+C。

34.根据权利要求23所述的物理量测量装置中的信号处理方法，其特征在于，

通过所述处理步骤所输出的线性结合的组合是A+C、A+D、B+D、B+C、-A-C、-A-D、-B-D以及-B-C。

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