JP2008003002A

JP2008003002A - 角速度計測装置

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Publication number: JP2008003002A
Application number: JP2006174274A
Authority: JP
Inventors: Koichi Hikita; 浩一疋田; Masaya Yamashita; 昌哉山下
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2006-06-23
Publication date: 2008-01-10

Abstract

【課題】携帯機器に搭載して使用するような場合において、使用者が装置を特定の方向に向けるよう強制されることなく、角速度センサ出力のオフセットを推定し補正すること。
【解決手段】加速度データ判定部１３０において、加速度・角速度センサ１２２出力に基づいて得られる３軸の加速度成分Ａｘ，Ａｙ，Ａｚがいずれも一定値を持続していて、しかもその絶対値が重力加速度に等しい時は、角速度＝０になったと推定し、この時のセンサ１２２出力から得られる角速度出力ωｘ，ωｙをオフセットと見なしてオフセット情報記憶部１３１に記憶する。オフセット補正演算部１３２は、この記憶されたオフセットに基づいて加速度・角速度センサ１２２から得られる角速度出力ωｘ，ωｙに対してオフセット補正を実行する。
【選択図】図３

Description

本発明は、角速度センサの出力補正を行うことができる角速度計測装置に関する。

近年、携帯機器に組込み可能な小型の角速度センサとして、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ-Ｅｌｅｃｔｒｏ-ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を用いた半導体デバイスの角速度センサが開発されている。

例えば、非特許文献１に記載の加速度・角速度センサは、図１の（Ａ）および（Ｂ）に示すように、上部ガラス基板１０１、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１０２および下部ガラス基板１０３から成る３層の構造を持つ。より詳細に説明すると、ＳＯＩ基板１０２には、ＭＥＭＳ技術の一つであるバルクマイクロマシニングを用いて、錘部１０４および４本の梁部１０５が形成されている。図１の（Ｂ）はＳＯＩ基板１０２の裏面側を示すが、梁部１０５はＳＯＩ基板１０２の活性層から成り薄くなっており、錘部１０４は４本の梁部１０５で支持されている。そして上部ガラス基板１０１および下部ガラス基板１０２には電極Ｅ１〜Ｅ１０が形成されており、それぞれ錘部１０４との間に静電容量を持っている。

ここで上記の加速度・角速度センサに加速度が作用すると、錘部１０４はニュートン力を受け変位する。すると電極Ｅ１〜Ｅ８の静電容量が変化するので、３軸の加速度Ａｘ，Ａｙ，Ａｚを検出することが可能となる。例えば、電極Ｅ１と電極Ｅ４の静電容量の和をＣ１、電極Ｅ２と電極Ｅ３の静電容量の和をＣ２、電極Ｅ５と電極Ｅ６の静電容量の和をＣ３、電極Ｅ７と電極Ｅ８の静電容量の和をＣ４とすれば、Ｘ軸方向加速度ＡｘはＣ１−Ｃ２、Ｙ軸方向加速度ＡｙはＣ４−Ｃ３、Ｚ軸方向加速度ＡｚはＣ１＋Ｃ２として検出することができる。

また電極Ｅ９と電極Ｅ１０を用いて、錘部１０４を静電駆動によりＺ軸方向に振動させることができる。この状態でＸ軸回りの角速度ωｘ若しくはＹ軸回りの角速度ωｙが作用すると、錘部１０４はＹ軸方向のコリオリ力若しくはＸ軸方向のコリオリ力を受け変位する。したがって電極Ｅ１〜Ｅ８の静電容量の変化から２軸の角速度ωｘ，ωｙを検出することが可能となる。例えば、上述のＣ１−ＣおよびＣ４−Ｃ３を静電駆動の周波数を基準として復調すれば、それぞれＹ軸回りの角加速度ωｙおよびＸ軸回りの角加速度ωｘを検出することができる。

また、上述した図１の構成の加速度・角速度センサを用いて加速度Ａｘ，Ａｙ，Ａｚおよび角速度ωｘ，ωｙの検出を行う回路のブロック図を図２に示す。センサ駆動部１０８は加速度・角速度センサ１０６の錘部１０４を静電駆動によりＺ軸方向に振動させるためのもので、電極Ｅ９および電極Ｅ１０に電源を供給する。また基準信号発生部１０７は振動の基準となる信号を生成するが、その周波数は加速度・角速度センサ１０６の共振周波数に一致させている。

加速度・角速度センサ１０６の出力は上述の静電容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３およびＣ４であり、それぞれＣ／Ｖ変換部１０９〜１１２によって電圧信号Ｖ１〜Ｖ４に変換され、さらに加減算部１１３〜１１５によってＶ１−Ｖ２，Ｖ４−Ｖ３およびＶ１＋Ｖ２を得る。これらはそれぞれ上述のＣ１−Ｃ２，Ｃ４−Ｃ３およびＣ１＋Ｃ２に相当する電圧信号である。

加減算部１１３，１１４および１１５の出力Ｖ１−Ｖ２，Ｖ４−Ｖ３およびＶ１＋Ｖ２は、それぞれローパスフィルタ部１１７，１１８および１１９を通じて、Ａｘ出力、Ａｙ出力およびＡｚ出力となる。

また、同期検波部１１６は、基準信号発生部１０７で生成された基準信号を用いて、加減算部１１３および１１４の出力Ｖ１−Ｖ２およびＶ４−Ｖ３からωｘおよびωｙの復調を行う。同期検波部１１６の出力は、ローパスフィルタ部１２０および１２１を通じてωｘ出力およびωｙ出力となる。

特開平６−３３１６４７号公報ＷＯ２００６／０１６６７１号公報特開平９−３１８６４８号公報 Y. Watanabe, T. Mitsui, T. Mineta, Y. Matsu and K.. Okada, "SOI Micromachined 5-Axis Motion Sensor using Resonant Electrostatic Drive and Non-Resonant Capacitive Detection Mode", Digest of Papers, Tranceducers '05, pp. 511-514, 2005

一般にＭＥＭＳセンサと呼ばれる、ＭＥＭＳ技術を用いた圧力、加速度、角速度などの半導体デバイスのセンサはオフセットのばらつきが大きく、また温度による変化も大きいことが多い。

このため多くのＭＥＭＳセンサは、例えば特許文献１に記載の加速度センサのように、補正データを記憶しておくためのメモリやセンサチップの出力電圧に対して補正計算を行うための信号処理回路を内蔵している。

しかしＭＥＭＳセンサ製造時に異なる複数の温度雰囲気においてオフセットを測定しそれらを補正データとしてＥＥＰＲＯＭに記憶させる工程が必要となり、製品コストを著しくアップさせるという欠点を有する。

さらにオフセットの温度特性における非線形性が大きいほど、温度条件を増やしてオフセットを測定するので、信号処理回路における補正計算が複雑になる。

一方、加速度センサにおいては、装置の使用中において、使用者が装置を特定の方向に向けるよう強制されることなく、加速度センサの出力データを繰り返し取得することで感度およびオフセットを推定する方法が特許文献２に記載されている。この方法を用いれば使用時に継続して補正データを取得することができるため、ＭＥＭＳセンサ製造時において上述のような補正データをＥＥＰＲＯＭに記憶させる工程を行う必要は無くなり、製品コストのアップを避けることができる。

角速度センサにおいては、例えば特許文献３には角速度センサの出力データの変化量が一定値以内になった時を角速度＝０と見なしてオフセットを推定する方法が記載されている。しかしながらこの方法では装置が一定の速度で回転運動をしているような場合では角速度＝０と誤って判断してしまう欠点がある。この欠点を解決するために舵角センサや衛星追尾装置を併用する方法などが提案されているが、いずれも携帯電話のような小型の機器に角速度センサを搭載するような場合では実用的ではない。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、例えば非特許文献１に記載のような加速度も計測可能な角速度計測装置、若しくは角速度計測装置と加速度計測装置を併せて携帯機器に搭載して使用するような場合において、使用者が装置を特定の方向に向けるよう強制されることなく、加速度情報を逐次取得し演算することによって角速度センサ出力のオフセットを推定し、補正できるようにした角速度計測装置を提供することにある。

本発明は、１軸以上の角速度を検出する角速度計測装置であって、１軸以上の角速度を検出する角速度センサと、前記角速度センサの出力信号を信号処理して１軸以上の角速度データとして出力する角速度信号処理手段と、３軸の加速度を検出する加速度センサと、前記加速度センサの出力信号を信号処理して３軸の加速度データとして出力する加速度信号処理手段と、前記加速度データの時間変化が安定した時を前記角速度計測装置が静止若しくは等速直線運動状態であると検出する静止・等速直線運動状態検出手段と、前記静止・等速直線運動状態検出手段が静止若しくは等速直線運動状態を検出した時に前記角速度信号処理手段から出力された角速度データを角速度データオフセットと推定して、当該角速度データオフセットに基づいて前記角速度信号処理手段から出力される角速度データに対してオフセット補正を実行する角速度データオフセット補正手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、例えば、加速度も計測可能な角速度計測装置、若しくは角速度計測装置と加速度計測装置を併せて携帯機器に搭載して使用するような場合においても、使用者が装置を特定の方向に向けるよう強制されることなく、角速度センサ出力のオフセットを推定し補正することができる。

図３は、本発明にかかる角速度計測装置の一例を説明するための構成図で、加速度センサから得られた加速度情報を元に静止若しくは等速直線運動状態か否かの判定を行い、静止若しくは等速直線運動状態であると判定されたときは、そのときの角速度センサの出力をオフセット情報として記憶し、この記憶情報を用いて、角速度センサの出力に対するオフセットの補正を行うものである。

加速度・角速度センサ１２２は、図１に示すような構造のセンサであり、初段信号処理部１２３は、図２に示すような構成の回路に相当し、両者のコンビネーションによって３軸の加速度Ａｘ，Ａｙ，Ａｚと２軸の角速度ωｘ，ωｙを検出する。ただし、このような構成においては加速度出力と角速度出力はいずれもオフセット補正を行っていない。

加速度・角速度センサ１２２と初段信号処理部１２３のコンビネーションはＡｘ，Ａｙ，Ａｚとωｘ，ωｙを検出し出力するのが目的であり、この目的を実現するための手段は何であってもよい。例えば、加速度センサと角速度センサが別々のデバイスであってもよく、また両者のためにそれぞれ独立した信号処理回路があってもよい。

初段信号処理部１２３から出力されるＡｘ，Ａｙ，Ａｚ出力は、マルチプレクサ部１２４によって時分割で択一的にＡ／Ｄ変換部１２５に供給されＡ／Ｄ変換部１２５によってＡ／Ｄ変換され、３軸加速度データとして出力される。

加速度出力補正部１２６は、Ａ／Ｄ変換部１２５から出力される３軸加速度データに対して感度およびオフセットの補正を行う。補正の方法は上述の特許文献２に記載の方法の他、何であってもよい。即ち、特許文献２によれば、３軸方向の加速度を検出する加速度センサと、この加速度センサの検出信号から３軸出力データを取得するデータ取得部と、データ取得部によって繰り返し取得された３軸出力データが適当であるか否かを判断して選択するデータ選択部と、データ選択部によって選択された３軸出力データを蓄積するデータ蓄積部と、データ蓄積部によって蓄積された所定数の３軸出力データの、各軸成分を座標値としたときの３次元直交座標空間における分布から、３次元直交座標空間上に定める基準点の座標値を推定する基準点推定部と、基準点推定部によって推定された基準点の座標値に基づいて、加速度センサの３軸出力データのオフセットを補正するオフセット補正計算部とを具えた構成によって、３軸加速度データに対して感度およびオフセットの補正を行うことができる。

初段信号処理部１２３から出力されるωｘ，ωｙ出力は、マルチプレクサ部１２７によって時分割で択一的にＡ／Ｄ変換部１２８に供給されＡ／Ｄ変換部１２８によってＡ／Ｄ変換され、２軸角速度データとして出力される。

加速度データ記憶部１２９は、加速度出力補正部１２６から逐次出力される３軸加速度データを所定数記憶するＦＩＦＯ形式のメモリである。

加速度データ判定部１３０は、加速度データ記憶部１２９に記憶された所定数の３軸加速度データから、本角速度計測装置が静止若しくは等速直線運動状態にあるか否かを判定する。

オフセット情報記憶部１３１は、本角速度計測装置が静止若しくは等速直線運動状態にあるとの判定を加速度データ判定部１３０が行った時に、Ａ／Ｄ変換部１２８から出力された２軸角速度データをオフセット情報として記憶する。

オフセット補正計算部１３２は、オフセット情報記憶部１３１に記憶されたオフセット情報を基に、Ａ／Ｄ変換部１２８から出力された２軸角速度データに対してオフセットの補正を行う。

次に、加速度データ記憶部１２９、加速度データ判定部１３０およびオフセット情報記憶部１３１において行われる、角速度出力に対するオフセットを推定する方法について説明する。

携帯電話機のような、もっぱら使用者が携行して使うような機器に角速度計測装置が搭載される場合、角速度＝０が持続するのは主に機器が静止している状態であると考えられる。また、真っ直ぐに走行している乗り物の中にいる時も同様である。

一方、上述のような機器において加速度情報が得られる場合、３軸の加速度成分がいずれも一定値を持続していて、しかもその絶対値が重力加速度に等しい時は、ほとんどの場合、機器が静止しているか等速直線運動をしている状態であると考えられる。また機器が等速直線運動をしている状態として実使用上考えられるのは、一定速度で真っ直ぐに走行している乗り物の中で機器が静止しているような状態である。

そこで、角速度出力に対するオフセットを推定する方法として、加速度情報を逐次観測し、３軸の加速度成分がいずれも一定値を持続していて、しかもその絶対値が重力加速度に等しくなった時に角速度＝０になったと判定し、この時の角速度出力をオフセットと見なせばよい。

図４は上述の方法を具体的に示す概念図である。曲線１３３，１３４および１３５上の黒点はそれぞれ加速度出力補正部１２６から逐次出力される３軸加速度データを成すＡｘ，Ａｙ，Ａｚデータを示す。これらのデータは加速度データ記憶部１２９においてＦＩＦＯ形式のメモリに順次記憶される。また曲線１３６上の黒点は３軸加速度データの絶対値Ａを示し、Ａｘ，Ａｙ，Ａｚデータより次式で計算される。

加速度データ判定部１３０は、加速度データ記憶部１２９において記憶された直近の所定数の３軸加速度データが区間１３７に示すようにほぼ一定であり、かつ絶対値Ａが重力加速度１ｇに一致しているかどうかを調べ、もしそうなら角速度＝０になったと判定し、角速度＝０になったことを示す信号を出力する。例えば、３軸加速度データを０．１秒間隔で記憶している場合は、概ね変化量が０．１ｇ以内のデータが４回程度以上続いた時に角速度＝０になったと判定するのが適当である。

オフセット情報記憶部１３１は、加速度データ判定部１３０からの信号によって角速度＝０になったと判定した時に、Ａ／Ｄ変換部１２８から出力された２軸角速度データをオフセット情報として記憶する。

（Ａ）は加速度・角速度センサの分解図であり、（Ｂ）はＳＯＩ基板１０２の裏面側を示す図である。加速度Ａｘ，Ａｙ，Ａｚおよび角速度ωｘ，ωｙの検出を行う回路のブロック図である。本発明にかかる角速度計測装置の一例を説明するための構成図である。角速度出力に対するオフセットを推定する方法を具体的に示す概念図である。

符号の説明

１２２加速度・角速度センサ
１２３初段信号処理部１２３
１２４，１２７マルチプレクサ部
１２５，１２８Ａ／Ｄ変換部
１２６加速度出力補正部
１２９加速度データ記憶部
１３０加速度データ判定部
１３１オフセット情報記憶部
１３２オフセット補正計算部

Claims

１軸以上の角速度を検出する角速度計測装置であって、
１軸以上の角速度を検出する角速度センサと、
前記角速度センサの出力信号を信号処理して１軸以上の角速度データとして出力する角速度信号処理手段と、
３軸の加速度を検出する加速度センサと、
前記加速度センサの出力信号を信号処理して３軸の加速度データとして出力する加速度信号処理手段と、
前記加速度データの時間変化が安定した時を前記角速度計測装置が静止若しくは等速直線運動状態であると検出する静止・等速直線運動状態検出手段と、
前記静止・等速直線運動状態検出手段が静止若しくは等速直線運動状態を検出した時に前記角速度信号処理手段から出力された角速度データを角速度データオフセットと推定して、当該角速度データオフセットに基づいて前記角速度信号処理手段から出力される角速度データに対してオフセット補正を実行する角速度データオフセット補正手段と
を備えたことを特徴とする角速度計測装置。
請求項１において、
前記加速度信号処理手段は、前記加速度センサの出力信号を信号処理した３軸の加速度データ出力をオフセット補正する手段を有することを特徴とする角速度計測装置。