WO2008032741A1

WO2008032741A1 - Appareil de mesure de quantité physique et procédé de traitement de signaux de celui-ci

Info

Publication number: WO2008032741A1
Application number: PCT/JP2007/067743
Authority: WO
Inventors: Masaya Yamashita; Toru Kitamura; Munehiro Kitaura
Original assignee: Asahi Kasei Emd Corporation
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2008-03-20
Also published as: KR101065871B1; US8150657B2; CN101517373A; EP2060875A4; EP2060875A1; JP4939540B2; KR20090045330A; EP2060875B1; US20090271142A1; CN101517373B; JPWO2008032741A1

Description

明細書

物理量計測装置及びその信号処理方法

技術分野

[0001] 本発明は、物理量計測装置及びその信号処理方法に関し、より詳細には、複数のセンサ素子を有する物理量の計測におけるノイズ低減に係る物理量計測装置及びその信号処理方法に関する。

背景技術

[0002] 近年、 3軸加速度センサや 3軸磁気センサなどの多軸の物理量計測装置を携帯機器へ組み込むことが盛んに行なわれるようになつている。

[0003] 図 1は、従来の物理量計測装置としての 3軸加速度センサの例を説明するための概略構成を示すブロック図で、特許文献 1に示されている図 5に相当するブロック図である。 3つの加速度センサ素子 101 , 102, 103によって 3次元加速度ベクトルが検知され、加速度の X軸成分， Y軸成分， Z軸成分に対応した信号 Hx, Hy, Hzが出力される。

[0004] それらの出力信号 Hx, Hy, Hzのうち 1つが信号選択部 104により選択され、選択された信号は、演算増幅器 105で順次増幅される。その際の出力信号にはノイズ成分 Nが加わる。なお、符号 108は、信号に加わるノイズ成分を模式的に示したものである。

[0005] したがって、出力信号 Hx + N, Hy+N, Hz + Nが順次得られる。演算増幅器 105 により増幅された信号を A/D変換部 106によりデジタルデータに変換し、 X軸， Y軸 , Z軸に対応した加速度データを得る。

[0006] 図 2は、図 1に示した信号選択部により選択された場合の A/D変換部の出力信号を示す図で、 3軸加速度センサで連続して 3次元加速度データを取得する場合の、取得されるデータのタイミングを表した図である。上段は信号選択部による選択信号、下段はノイズ成分が混入された A/D変換部の出力信号を示している。

[0007] 図 1に示した構成では、一度に 1つの軸の加速度データしか得られない。このため、連続して 3次元加速度データを取得するためには、時間とともに信号選択部が選択する信号を変化させる必要がある。

[0008] 図 2に示したように、信号を順次取り込む方式では、演算増幅器 105及び A/D変換部 106などセンサ素子より後段の回路を共通化することが可能となるため、回路規模を小さくできるというメリットがある。さらに、必要であれば A/D変換部 106により変換された信号を演算処理部 107により演算し、加速度に関する任意の情報を得ること力 Sできる。

[0009] 演算処理の具体的な例としては、水平面に対する 3軸加速度センサの傾きを算出する場合などがあげられる。 3軸加速度センサの内部において、 X軸センサ素子 101 と Y軸センサ素子 102と Z軸センサ素子 103とが、図 3に示すように配置されている場合を考える。

[0010] 重力加速度を各軸に配置されたセンサ素子 101 , 102, 103により検出し、演算処理部 107により以下の演算を行うことで水平面と X軸のなす角であるロール角 φ及び水平面と Y軸のなす角であるピッチ角 Θを求めることができる。

[0011] 國

！

ψ = tan ^―

^ _{= tan}- ι ^ϋ また、 2軸や 3軸の磁気センサの例としては、例えば、特許文献 2のものがある。この特許文献 2には、磁気収束板の端面に複数のホール素子を配置し、磁気収束板と平行な方向の磁場を検出するとともに、さらに垂直方向の磁場を同時に検出する 3軸の磁気センサが開示されて!/、る。

[0012] 図 4は、特許文献 2における磁気センサの概略構成を示すブロック図である。磁場の X軸成分を Ηχ, Υ軸成分を Hy, Z軸成分を Hzとすると、センサ素子（A) 201乃至センサ素子（D) 204は、各々以下の信号を出力する。

[数 2]

201 H _x + Η _ζ + η = A

202 H χ + ^Η ₇ + η ■=- Β

203 H _γ + Η _ζ + η = C

204 Η + Η ₇ + η = D ただし、 nはセンサ素子に起因するノイズ成分を表わしている。

[0014] これらの信号は、 X軸成分に基づく信号と Z軸成分に基づく信号又は Y軸成分に基づく信号と Z軸成分に基づく信号が混ざったものとなっているため、信号選択部 205 により各成分が分離して出力されるよう以下の組み合わせで選択される（図 4に示した信号選択部 205にお!/、て同じ線種で描かれて!/、る配線のペアが順次選ばれる）。

[0015] A-B

C-D

A + B

これらの信号は、順次、演算増幅器 206に入力され増幅されるが、その際の出力信号には演算増幅器 206に起因するノイズ成分 Nが加わる。この演算増幅器 206の出力は以下のようになる。

[0016] [数 3]

演算増幅器 206により出力された信号を A/D変換部 207によりデジタルデータに変換し、 X軸， Y軸， Z軸に対応した磁場データを得る。

[0017] 図 5は、図 4に示した信号選択部により選択された場合の A/D変換部の出力信号の模式図で、磁気センサで連続して 3次元磁気データを取得する場合の、取得されるデータのタイミングを表した図である。上段は信号選択部による選択信号、下段はノイズ成分が混入された A/D変換部の出力信号を示している。

必要であれば A/D変換部 207により変換された信号を演算処理部 208により演算し、磁場に関する任意の情報を得ることができる。

[0018] このように、上述した加速度センサ及び磁気センサなど、携帯機器に組み込まれるセンサは、携帯機器の多機能化や小型化の要求に伴ってさらなる小型化の要求が高まっている。しかし、小型化の要求が高まる一方で、一般にセンサを小型化すると信号に対するノイズ成分が大きくなるという問題があり、さらに携帯機器の内部は非常に高集積であるため他の素子からノイズを受けやすい環境にあるということも重なり、センサのノイズ低減が問題となっている。

[0019] センサのノイズ低減に関しては、上述した特許文献 2によれば、磁気収束板を用いた S/N比（信号/ノイズ)比の向上の方法が開示されている。磁気収束板と平行な方向の磁場に関して、磁気収束板が磁束密度を増幅するため、磁気感度が向上して S/N比が向上する。特に、地磁気のように非常に微小な磁場（30 丁)を検出するには、この S/N比の向上は重要な要素となる。し力、しながら、磁気収束板の厚みに対して、十分に長さが大きい場合、垂直方向の磁場に対してはほとんど磁束密度を増幅する効果がないので、垂直方向の磁気検出感度は向上せず、 S/N比は磁気収束板と平行な方向と比較して悪くなることは避けられない問題であった。そのため、磁気収束板を用いることによって得られる磁気感度の向上をある程度抑制し、磁気収束板と平行な方向と垂直な方向で S/N比の偏りが生じないようにするなどの方法が取られていた。

[0020] また、 3軸方向の成分を検出できるようにセンサを IC内に配置することは簡単ではない。一般に、 IC内にホール素子を配置する場合ホール素子は ICと平行に配置されるカ s、ホール素子は感磁面に垂直な方向の磁気を検出するので、 ICに垂直な方向の磁気を検出するのは容易であるのに対し、 ICに平行な磁気を検出するためには素子を IC内に垂直に配置する必要があり容易ではない。また、素子を ICに対し垂直に配置した分 ICの高さが高くなつてしまうという問題もでてくる。

[0021] このため、センサ素子を斜めに配置する方法がとられることもある。このように配置した場合も幾つかの軸方向の検出感度が低くなつてしまう。そのため、センサ素子数を増やすことで垂直方向の磁気検出感度を向上させる方法などが取られている力 S、磁気センサのサイズが大きくなつてしまうという新たな問題が生じてしまう。

[0022] また、特許文献 3には、 90度位相のずれた第 1及び第 2の検出信号を出力可能な第 1及び第 2の磁気検出部と、この第 1及び第 2の検出信号をデジタル化すると共に増幅する信号処理回路と、第 1及び第 2の磁気検出部及び信号処理回路への電力供給を間欠通電により行う電力供給回路とを有す磁気センサが示されて!/、る。そして、信号処理回路から出力されるデジタル化された第 1の検出信号に含まれているノィズ成分を低減するためのノイズ処理回路を有し、このノイズ処理回路は、デジタル化された第 1及び第 2の検出信号の論理レベルに基づき、第 1の検出信号における論理レベルの切り換わりの前後に含まれているノイズ成分を低減するものが記載されている。

[0023] また、物理量計測装置においてノイズ同様 S/N比減少の原因としてセンサ素子やセンサ素子に続く回路において生じるオフセットが挙げられ、特許文献 4ではチヨツバ一を用いてホール素子及びその出力増幅器に関するオフセットを除去する方法が記載されている。

[0024] 特許文献 5では、ひとつのホール素子に複数の電極を配置し、その各電極から、前記特許文献 2と同様に水平方向と垂直方向の磁気成分が混在して出力されるような構成とし、演算増幅器により各電極からの出力が加減演算されることにより、同時に 3 次元方向の磁気成分を検出するような 3軸磁気センサが記載されている。

[0025] しかしながら、上述した特許文献では、測定対象となる物理量の測定を各成分ごとに検出していたために、各成分で測定のタイミングが異なるという問題があった。また、多くのノイズ低減方法と同様、上述した特許文献 3のノイズ低減方法は、その測定対象とする物理量や測定装置に合わせて適用されるため、測定対象とする物理量や装置の構成を変更した場合には、そのノイズ低減方法が十分有効に作用しないことが多かった。

[0026] 一方、特許文献 5の構成では、同時に 3次元の磁気成分を検出する構成としているので、測定のタイミングがずれることはないが、回路規模が大きくなり、また消費電流も増えてしまうという問題があった。

[0027] また、汎用的なノイズ成分の低減は、ノイズ成分を発生しにくい素子や半導体部品を用いることでも効果がある力 S、それらの素子や部品は高価で大きなものが多ぐコスト削減や微小化させることが困難であった。

[0028] 本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、各軸に対応した成分ごとに測定のタイミングが異なるという点を改善するようにした物理量計測装置及びその信号処理方法を提供することにある。さらに、他の目的は、回路規模やコストを大きくすることなくノイズ成分を低減し、信頼度を向上するようにした物理量計測装置及びその信号処理方法を提供することにある。 [0029] 特許文献 1 :特開 2005— 65789号公報

特許文献 2：特開 2002— 71381号公報

特許文献 3：特開 2001— 4408号公幸

特許文献 4 :特開 2005— 283503号公報

特許文献 5 :米国特許第 6, 278, 271号明細書

発明の開示

[0030] 本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、所望の物理量に基づいた信号を検出して信号処理を行うことにより前記物理量を演算する物理量計測装置において、前記物理量に基づいた複数の信号を検出する信号検出手段と、該信号検出手段により検出された信号を、時間とともに異なる係数で、かつ前記所望の物理量に基づいた信号成分がすべて含まれるような係数で線型結合するための信号処理手段と、該信号処理手段により出力された信号データから前記物理量を演算する演算処理手段とを備えたことを特徴とする。（図 6に相当）

また、前記信号検出手段が、 3次元ベクトル物理量を検出する 3次元ベクトル物理量検出手段であり、少なくとも互いに線形独立な 3軸の検出軸を有することを特徴とする。

[0031] また、前記信号検出手段が、互いに直交する 3軸の検出軸を有していることを特徴とする。

[0032] また、前記 3次元ベクトル物理量検出手段の互いに線型独立な 3軸の検出軸のうち少なくとも 2つの検出軸が、互いに直交しないことを特徴とする。

[0033] また、前記信号処理手段が、前記 3次元ベクトル物理量検出手段からの各信号の符号を必要な成分に関して反転する符号制御手段と、該符号制御手段からの反転信号と前記 3次元ベクトル物理量検出手段からの非反転信号とを切り替える信号切換手段と、該信号切り替え手段からの前記反転信号及び前記非反転信号を加算する加算手段とを備えたことを特徴とする。

[0034] また、前記信号検出手段が、さらに、各信号の符号を必要な成分に関して反転する第二の符号制御手段と、該第二の符号制御手段からの反転信号と非反転信号とを切り替える第二の信号切換手段とを備えたことを特徴とする。 [0035] また、前記第二の符号制御手段は、前記信号検出手段が検出した信号に含まれるオフセット成分と前記信号検出手段が検出した信号から前記オフセット成分以外の信号に関し、互いの符号関係を反転することができることを特徴とする。

[0036] また、前記係数が + 1 1、または 0であり、前記線形結合は、それらの係数の組み合わせであることを特徴とする。

[0037] また、前記所望の物理量が、 3次元ベクトル物理量の 3次元成分 X, Υ, Zであり、前記信号検出手段が、前記 Xに基づく信号 Hxと、前記 Yに基づく信号 Hyと、前記 Zに基づく信号 Hzを検出する前記 3次元ベクトル物理量検出手段であり、前記信号処理手段の出力する泉形結合の,袓み合わせが、 Hx + Hy+Hz Hx + Hy— Hz Hx— Hy + Hz及び一 Hx + Hy + Hzであることを特徴とする。（図 7に相当 )

また、前記所望の物理量が、 3次元ベクトル物理量の 3次元成分 X, Υ, Zであり、前記信号検出手段が、 Xに基づく信号 Hxと前記 Zに基づく信号 Hzの和である Hx+H z=Aと、前記信号 Hxと Hzの差である Hx + Hz = Bと、前記 Yに基づく信号 Hyと前記 Hzの和である Hy+ Hz = Cと、前記 Hyと Hzの差である Hy + Hz = Dを検出する前記 3次元ベクトル物理量検出手段であり、前記信号処理手段の出力する線形結合の組み合わせが、 A+ C A+D B + D及び B + Cであることを特徴とする。（図 9に相当）

また、前記信号処理手段の出力する線形結合の組み合わせが A+ C A— D B + D及び一 B - Cであることを特徴とする。（図 19に相当 )

また、前記信号処理手段の出力する線形結合の組み合わせがー A— C A + D B— D及び B + Cであることを特徴とする。

[0038] また、前記信号処理手段の出力する線形結合の組み合わせが A+ C A + D B + D B + C A— C A— D B— D、及び一 B— Cであることを特徴とする。（図 20に相当）

また、前記信号検出手段が、前記所望の 3次元ベクトル物理量の 3次元成分 X, Y , Zに対して異なる検出感度を持ち、前記信号処理手段により信号を線形結合することで検出感度の違レ、を補正できることを特徴とする。

[0039] また、前記 3次元ベクトル物理量検出手段が、磁気センサであることを特徴とする。 [0040] また、前記磁気センサが、磁気収束板を備えてレ、ることを特徴とする。

[0041] また、前記 3次元ベクトル物理量検出手段が、加速度センサであることを特徴とする

[0042] また、前記所望の物理量が、 3次元直交座標系における磁場の 3成分、 X, Y及び Z であり、前記信号検出手段が、シリコン基盤上に形成された複数のホールセンサ素子と、円盤状の磁気収束板を有し、前記ホールセンサ素子が、前記磁気収束板の円周部に配置されており、前記演算処理手段が、前記信号処理手段より得た前記デジタル信号を用いて前記所望の物理量に基づく信号を求めることを特徴とする。

[0043] また、前記ホールセンサ素子が、前記磁気収束板の中心を基準として互いに 90度の間隔をあけた 4つのグループに分かれて前記磁気収束板の円周部に配置されていることを特徴とする。

[0044] また、前記信号処理手段は、隣接する前記グループのホールセンサ素子の信号を順次選択して線形結合することを特徴とする。

[0045] また、前記所望の物理量が、 3次元直交座標系における磁場の 3成分、 X, Y及び Z であり、前記信号検出手段が、シリコン基盤上に形成された複数のホールセンサ素子と、円盤状の磁気収束板を有し、前記ホールセンサ素子が、前記磁気収束板の中心を基準として互いに 90度の間隔をあけた 4つのグループに分かれて前記磁気収束板の円周部に配置されており、前記ホールセンサ素子の各グループが、前記磁場の X成分に基づく信号 Hx、 Y成分に基づく Hy, Z成分に基づく Hzからなる信号 Hx + Hz=A又は— Hx + Hz = B又は Hy+Hz = C又は— Hy+Hz = Dを検出し、前記信号処理手段が、 A/D変換手段を有し、前記信号検出手段からの信号 A乃至 D より前記信号 A乃至 Dに関する線形結合 A+ C、 A+D、 B + D、 B + C、— A— C、 - A— D、—B— D及び— B— Cを A/D変換手段によりデジタル信号へ変換し、前記演算処理手段が、前記信号処理手段より得た前記デジタル信号を用いて前記所望の物理量に基づく信号 Hx, Hy及び Hzを求めることを特徴とする。

[0046] また、前記信号検出手段における前記磁場の 3成分、 X, Y及び Zの検出感度の比力 : 2： 1であり、前記信号処理手段により前記信号検出手段の出力が線形結合されることによって、前記求められた信号 Hx, Hy及び Hzの検出感度を 1： 1： 1にすることを特徴とする。

[0047] また、所望の物理量に基づいた信号を検出して信号処理を行うことにより前記物理量を演算する物理量計測装置における信号処理方法において、前記物理量に基づいた複数の信号を信号検出手段により検出する信号検出ステップと、該信号検出ステツプにより検出された信号を、前記所望の物理量に基づ!/、た信号成分がすべて含まれるように、時間とともに異なる係数で線型結合するための信号処理ステップと、該信号処理ステップにより出力された信号データから前記物理量を演算する演算処理ステップとを有し、前記信号処理中に混入されるノイズ成分を低減させるようにしたことを特徴とする。（図 15に相当）

また、前記信号検出ステップが、 3次元ベクトル物理量を検出する 3次元ベクトル物理量検出ステップであり、少なくとも互いに線形独立な 3軸の検出軸を有する前記信号検出手段により信号を検出することを特徴とする。

[0048] また、前記信号検出ステップは、互いに直交する 3軸の検出軸を有する前記信号検出手段により信号を検出することを特徴とする。

[0049] また、前記 3次元ベクトル物理量検出ステップは、前記互いに線型独立な 3軸の検出軸のうち少なくとも 2つの検出軸が互いに直交しない 3次元ベクトル物理量検出手段により信号を検出することを特徴とする。

[0050] また、前記信号処理ステップが、前記 3次元ベクトル物理量検出ステップからの各信号の符号を必要な成分に関して反転する符号制御ステップと、該符号制御ステツプからの反転信号と前記 3次元ベクトル物理量検出ステップからの非反転信号とを切り替える信号切換ステップと、該信号切り替えステップからの前記反転信号及び前記非反転信号を加算する加算ステップとを有することを特徴とする。

[0051] また、前記信号検出ステップが、さらに、各信号の符号を必要な成分に関して反転する第二の符号制御ステップと、該第二の符号制御ステップからの反転信号と非反転信号とを切り替える第二の信号切換ステップとを有することを特徴とする。

[0052] また、前記第二の符号制御ステップは、前記信号検出ステップが検出した信号に含まれるオフセット成分と前記信号検出ステップが検出した信号から前記オフセット成分を除いた信号に関し、互いの符号関係を反転することができることを特徴とする [0053] また、前記所望の物理量が、 3次元ベクトル物理量の 3次元成分 X, Υ, Zであり、前記信号検出ステップが、前記 Xに基づく信号 Hxと、前記 Yに基づく信号 Hyと、前記 Z に基づく信号 Hzを検出する前記 3次元ベクトル物理量検出ステップであり、前記信号処理ステップの出力する線型結合の組み合わせ力 Hx + Hy+Hz, Hx + Hy- Hz Hx— Hy+Hz及び一 Hx + Hy+Hzであることを特徴とする。（図 16に相当）また、前記所望の物理量が、 3次元ベクトル物理量の 3次元成分 X, Υ, Zであり、前記信号検出ステップが、前記 Xに基づく信号 Hxと前記 Zに基づく信号 Hzの和である Hx + Hz=Aと、前記信号 Hxと Hzの差である Hx + Hz = Bと、前記 Yに基づく信号 Hyと前記 Hzの和である Hy + Hz = Cと、前記 Hyと Hzの差である Hy + Hz = D を検出する前記 3次元ベクトル物理量検出ステップであり、前記信号処理ステップの出力する線型結合の組み合わせが、 A+ C A+D B + D及び B + Cであることを特徴とする。（図 17に相当）

また、前記処理ステップの出力する線形結合の組み合わせが A+ C A— D B + D及び B— Cであることを特徴とする。

また、前記処理ステップの出力する線形結合の組み合わせがー A—C A + D B— D及び B + Cであることを特徴とする。

[0054] また、前記処理ステップの出力する線形結合の組み合わせが A+ C A + D B + D B + C A— C A— D B— D、及び一 B— Cであることを特徴とする。

[0055] 本発明によれば、所望の物理量に基づいた信号を検出して信号処理を行うことにより前記物理量を演算する物理量計測装置にお!/、て、物理量に基づ!/、た複数の信号を検出する信号検出手段と、この信号検出手段により検出された信号を時間とともに異なる組み合わせで線型結合するための信号処理手段と、この信号処理手段により出力された信号データから物理量を演算する演算処理手段とを備えたので、回路規模やコストを大きくすることなぐ物理量検出部や信号処理部において混入したノィズ成分を低減し、信頼度を向上させることができる。

図面の簡単な説明

[0056] [図 1]図 1は、従来の物理量計測装置としての 3軸加速度センサの例を説明するための概略構成を示すブロック図である。

園 2]図 2は、従来の 3軸加速度センサにおける A/D変換部の出力信号の模式図である。

園 3]図 3は、従来の 3軸加速度センサによる傾斜角測定の模式図である。

[図 4]図 4は、従来の磁気センサの概略構成を示すブロック図である。

[図 5]図 5は、図 4に示した信号選択部により選択された場合の A/D変換部の出力信号の模式図である。

[図 6]図 6は、本発明に係る物理量計測装置を説明するための全体構成図である。

[図 7]図 7は、本発明に係る物理量計測装置の実施例 1である 3軸加速度センサの概略構成を示すブロック図である。

[図 8]図 8は、図 7に示した信号処理部により選択された場合の A/D変換部の出力信号の模式図である。

[図 9]図 9は、本発明に係る物理量計測装置の実施例 2である磁気センサの概略構成を示すブロック図である。

[図 10]図 10は、図 9に示した信号処理部により選択された場合の A/D変換部の出力信号の模式図である。

園 11]図 11は、従来の磁気センサにおける計測時間と、本発明の実施例 2における計測時間とを比較した模式図である。

[図 12]図 12は、従来の磁気センサにおける計測時間と、計測時間を補正した場合の本発明の実施例 2における計測時間とを比較した模式図である。

[図 13A]図 13Aは、本発明の実施例 2に係る検出部の構成例における X—Y平面への射影図である。

[図 13B]図 13Bは、本発明の実施例 2に係る検出部の構成例における X— Z平面への射影図である。

[図 14A]図 14Aは、本発明に係る物理量計測装置の実施例 3を説明するための図で、検出部の構成例の概略図である。

[図 14B]図 14Bは、本発明に係る物理量計測装置の実施例 3を説明するための図で、検出部の構成例における X— Y平面への射影図である。 [図 14C]図 14Cは、本発明に係る物理量計測装置の実施例 3を説明するための図で、検出部の構成例における X— Z平面への射影図である。

[図 15]図 15は、本発明に係る物理計測装置における信号処理方法を説明するためのフローチャートを示す図である。

[図 16]図 16は、本発明に係る物理計測装置における実施例 1の信号処理方法を説明するためのフローチャートを示す図である。

[図 17]図 17は、本発明に係る物理計測装置における実施例 2乃至 5の信号処理方法を説明するためのフローチャートを示す図である。

[図 18A]図 18Aは、本発明の実施例 2の構成例に対し好適な磁気センサ素子が検出する磁場成分の向きを説明するための模式図である。

[図 18B]図 18Bは、本発明の実施例 3の構成例に対し好適な磁気センサ素子が検出する磁場成分の向きを説明するための模式図である。

[図 19]図 19は、本発明に係る物理量計測装置の実施例 4である磁気センサの概略構成を示すブロック図である。

[図 20]図 20は、本発明に係る物理量計測装置の実施例 5である磁気センサの概略構成を示すブロック図である。

発明を実施するための最良の形態

[0057] 以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図 6は、本発明に係る物理量計測装置を説明するための全体構成図で、図中符号 11は物理量検出部（信号検出手段に相当）、 12は信号処理部、 13は演算処理部を示している。

[0058] 本発明は、例えば、加速度センサや磁気センサなどからの所望の物理量を検出した場合の出力信号に混入されるノイズ成分を低減させるための信号処理を行う物理量計測装置である。物理量検出部 11は、所望の物理量に基づいた複数の信号を検出するためのものである。信号処理部 12は、物理量検出部 11により各検出軸に関して検出した信号を時間とともに異なる組み合わせで線型結合するための信号処理を行うものである。演算処理部 13は、信号処理部 12により出力された信号データから物理量検出部 11に付随する物理量に基づく複数の信号を組み合わせ演算するものである。

[0059] また、物理量検出部 11及び信号処理部 12では主としてアナログ信号を用い、演算処理部 13ではデジタル信号により処理を行うことが好ましい。

[0060] このような構成により、所望の物理量を検出した場合の出力信号に混入されるノィズ成分を、信号処理部 12によって、物理量検出部 11により各検出軸に関して検出した信号を時間とともに異なる組み合わせで線型結合するとともに、演算処理部 13によって、信号処理部 12により出力された信号データから物理量検出部 11に付随する物理量に基づく複数の信号を組み合わせ演算することにより、物理量検出部 11や信号処理部 12において混入されたノイズ成分を低減することができる。

[0061] つまり、複数の検出軸からの信号を時間とともに異なる組み合わせで線型結合して出力し、その出力を演算することによりノイズ成分を低減した所望の信号成分を得ること力 Sでさる。

実施例 1

[0062] 図 7は、本発明に係る物理量計測装置の実施例 1である 3軸加速度センサの概略構成を示すブロック図である。なお、 X軸センサ素子 111と Y軸センサ素子 112と Z軸センサ素子 113は、図 6における物理量検出部 11に相当し、信号選択部 114と演算増幅器 115と A/D変換部 116は、図 6における信号処理部 12に相当し、演算処理部 117は、図 6における演算処理部 13に相当している。また、符号 118は、信号に加わるノイズ成分を模式的に示したものである。

[0063] 加速度センサ素子としてはピエゾ抵抗式が好適であるが、静電容量式センサや圧電センサ、熱分布検知式センサなど加速度を検出できる素子ならば何でもよい。

[0064] また、以下の説明では、 3軸（あるいは 3個）のセンサを用いる場合を例に挙げている力 2個あるいは 4個以上のセンサの場合でも、同様な理論を容易に展開することが出来ることは明らかである。

[0065] 信号選択部 114は、 3次元ベクトル物理量検出部 111 , 112, 113からの各信号の符号を必要な成分に関して反転する符号反転部 114x, 114y, 114zと、この符号反転部 114x, 114y, 114zからの反転信号と 3次元ベクトル物理量検出部 111 , 112, 113からの非反転信号とを切り替えるスィッチ（信号切換手段） Sx, Sy, Szを備えている。演算増幅器 115は、スィッチ Sx, Sy, Szからの反転信号及び非反転信号を加算するためのものである。

[0066] このような構成により、 X軸センサ素子 111と Y軸センサ素子 112と Z軸センサ素子 1 13とから測定したい物理量の X軸成分に基づく信号 Hxと Y軸成分に基づく信号 Hy と Z軸成分に基づく信号 Hzとが出力され、それらの出力の極性を信号処理部 114の符号反転部 114x, 114y, 114zにより調整して演算増幅器 115に入力する。信号 H X, Hy, Hzは演算増幅器 115で増幅され、その際の出力信号にノイズ成分 Nが加わ

[0067] 信号選択部 114の出力する線型結合の組み合わせが、 3次元ベクトル物理量検出部 111 , 112, 113に付随する 3つの座標軸が互いに直交する 3軸座標系における 3 次元べクトノレ物理量成分 X, Υ, Zに基づく信号、 Hx+Hy+Hz, Hx + Hy-Hz, H x-Hy+Hz, —Hx + Hy+Hzである。

[0068] つまり、スィッチ Sx, Sy, Szを a側に接続すると、演算増幅器 115からの出力は、 H x + Hy+Hz + Nとなり、スィッチ Sx, Syを a側に接続し、 Szを b側に接続すると、演算増幅器 115からの出力は、 Hx + Hy— Hz + Nとなり、スィッチ Sx, Szを a側に接続し、 Syを b側に接続すると、演算増幅器 115からの出力は、 Hx— Hy+Hz + Nとなり、スィッチ Sy, Szを a側に接続し、 Sxを b側に接続すると、演算増幅器 115からの出力は、 Hx + Hy+Hz + Nとなる。

[0069] 演算増幅器 115の出力信号は、 A/D変換部 116によりデジタル信号に変換される。これにより得られた信号を演算処理部 117により演算し、測定したい物理量に関する任意の情報を得ることができる。

[0070] 図 8は、図 7に示した信号処理部により選択された場合の A/D変換部の出力信号の模式図で、 3軸加速度センサで連続して 3次元加速度データを取得する場合の、取得されるデータのタイミングを表した図である。上段は信号処理部による選択信号、下段はノイズ成分が混入された A/D変換部の出力信号を示している。

[0071] 信号選択部 114の具体的な設定例として、 X軸センサ素子 111からの信号 Hxと、 Y軸センサ素子 112からの信号 Hyと、 Z軸センサ素子 113からの信号 Hzとがそれぞれ以下のように線型結合されて順次出力される場合を考える。また、演算増幅器 115 において各々の信号にはノイズ成分 Nが加わる。ここでは、図 2及び図 3の例との効果の違いが明確にわかるように、 1サイクルの測定時間が図 2及び図 3の例と同じ場合を考える。図 2及び図 3は、 1サイクルの測定時間の間に信号選択部が三つの状態となり、 3種類の信号が測定されるが、本実施例（図 7、図 8)では 1サイクルの間に 4 種類の信号が測定されるため、 1種類の信号の測定時間は 3/4倍となる。一般に測定時間を N倍にすると S/N比は倍となるので、測定時間の違!/、を考慮すると S /N比を 3/2倍して考える必要がある。

[0072] [数 4]

= -H_x+H_Y+H_z + ^ =N_d ここで、各ノイズ成分はノイズが主に白色ノイズであり、 ), (γ), (δ)の各信号のノイズ間には相関がないと言うことを強調するために添え字をつけて Na, Nb, Nc, Ndと記載してある。

[0073] これらの出力信号より X成分， Y成分， Z成分を求める。そのために A/D変換部 11 6の出力信号を用いて、演算処理部 117により（α) + (/3) + (γ)— (δ), (α) + ( /3)-(γ) + (δ), (α)—（/3) + (γ) + (δ)を求める。

[0074] [数 5]

1

(a) + (β) + (χ)-(δ) = 4Η_χ +— (Ν_α + Ν_{ί +} Ν_α + Ν_ά)

'

(a) + (β)-(γ) + (δ) = 4Η_ϊ + ^=(Ν_α + Ν, + Ν_α + Ν_ί!) (a)-(fi) + (Y) + (S) = 4H_z + ^=(N_a + N_h + N_c + N_d) これにより得られた各成分に対してノイズを計算する。

[0075] [数 6]

4H_Y + ^、N_a+N_b+N_c + N_d、

：で <Α〉の表記は、 Αの期待値を示している。以上より従来の方法と比較して S 倍向上されることがわかる。

[0076] ただし、この実施例 1では、センサ素子に起因するノイズに関しては影響を与えないため、センサ素子に起因するノイズを省略した。また、各軸に対応した成分を求めるにあたり、従来の一般的な多軸の計測装置においては各軸に対応したセンサの素子力の信号を順次選択的に取り込むため、各軸に対応した成分はわずかながら異なるタイミングで測定されることとなり、信号の歪みの原因となる場合があった。

[0077] それに対して、この実施例 1では、（ α )〜（ δ )の出力を得るためにかかる 1周期分の信号の平均を算出しているため、従来の方法のように各軸に対応した成分ごとに測定のタイミングが異なるという問題が改善される。

[0078] ( α )〜（ δ )の組み合わせは一実施例であり、組み合わせの数は 3つ以上であれば

4以外でも構わない。また、組み合わせを (α)〜（ δ )としたとき、この中から任意の 3つを選び (例えば（α), ( β ), (γ))、

[0079] [数 7]

と表す時、係数行列 Mが正則であればどんな組み合わせでも構わな!/、。実施例 2

[0080] 図 9は、本発明に係る物理量計測装置の実施例 2である磁気センサの概略構成を示すブロック図である。図 13A,図 13Bには、上述した特許文献 2と同様な構成である本発明の実施例 2に係る検出部の構成例を示している。磁気収束板の効果により、センサ素子 211, 212は磁場の Z軸成分に基づく信号に加え X軸成分に基づく信号を検出し、センサ素子 213, 214は磁場の Z軸成分に基づく信号に加え Y軸成分に基づく信号を同時に検出することが可能となっている。

[0081] 磁気収束板は、比透磁率が高!/、材料である強磁性体で構成される。また、センサ素子 211〜214は、垂直方向の磁気成分に感度を持ち、円盤状の磁気収束板の端面に、収束板中心に対して 90度の回転対称になるように配置される。水平方向の磁束は磁気収束板に吸収される過程で経路を曲げられ、垂直方向の成分を持つようになるので、センサ素子 212〜214は、磁気収束板により水平方向から経路を曲げられた垂直方向の磁束を検出するので、水平方向の磁界強度に比例した信号を出力すること力 Sでさる。

[0082] 磁気収束板の形状は、円盤状が好ましいが、それに限るものではなぐたとえばリング状、方形状であってもかまわない。また垂直方向の厚みは任意であり、また面内で均一な厚みであっても、端部と中心部とで厚みが異なってもよい。

[0083] また、センサ素子の配置が 90度よりも小さい回転対称、すなわち 45度回転や 22.5度回転などであってもよい。また、センサ素子は、複数のセンサ素子が直列または並列に結合された構成であってもよレ、。

[0084] なお、センサ素子（A) 211とセンサ素子（B) 212とセンサ素子（C) 213とセンサ素子（D) 214は、図 6における物理量検出部 11に相当し、信号選択部 215と演算増幅器 216と A/D変換部 217は、図 6における信号処理部 12に相当し、演算処理部 21 8は、図 6における演算処理部 13に相当している。また、符号 211a, 212b, 213c, 214d, 219は、信号に加わるノイズ成分を模式的に示したものである。

[0085] 磁場の X軸成分に基づく信号を Hx、 Y軸成分に基づく信号を Hy、 Z軸成分に基づく信号を Hzとすると、センサ素子 211乃至 214は各々以下の信号を出力する。

[0086] [数 8]

21 1 : H ,.' + H + n = A

212； ~~H χ + h ₇ + η = B

213 : H_¥ + H_Z + « = C

214 : -H_F + H_Z + n = D ただし、 nはセンサ素子に起因するノイズ成分を表わしている。 [0087] 信号選択部 215の設定により、以下のようなパターンが順次出力されるような場合を考える。

[0088] [数 9コ

(a) = A + C = H ', + H_Y + 2H_Z + ϊη

(β) = Α - Ι.) = Η _χ - Η _Y + 2Η _ζ + sjln

( ;/) - Β + D - ~Η _ν - Π_γ + 2Η _ζ + 2/7

(め = Β + C = -Η_χ + Η_γ + 2Η_Ζ + η これらの信号は、演算増幅器 216に入力され増幅されるが、その際の出力信号には演算増幅器 216に起因するノイズ成分 Νが加わる。演算増幅器 216の出力信号は A/D変換部 217によりデジタル信号に変換される。

[0089] つまり、 3次元物理量検出部は、 3つの座標軸が互いに直交する 3軸座標系における第 1軸と第 3軸からの信号を検出する第 1のセンサ素子 (Α) 211と、第 1軸の反転信号と第 3軸からの信号を検出する第 2のセンサ素子（Β) 212と、第 2軸と第 3軸からの信号を検出する第 3のセンサ素子（C) 213と、第 2軸の反転信号と第 3軸からの信号を検出する第 4のセンサ素子（D) 214とを備えて!/、る。

[0090] また、信号処理部 12は、センサ素子 21；!〜 214からの信号を選択する信号選択部 215と、この信号選択部 215からの信号を加算増幅する演算増幅器 216とを備えている。

[0091] ここで、 3次元ベクトル物理量検出部 211乃至 214の複数の検出軸は、この 3次元ベクトル物理量検出部 211乃至 214に付随する 3つの座標軸が互いに直交する 3軸座標系における 3次元ベクトル物理量成分 X, Υ, Ζからなる、 Ηχ + Ηζ =Α, -Ηχ + Hz = B, Hy+ Hz = C, — Hy + Hz = Dを検出する。そして、信号選択部 215の出力する線型結合の組み合わせは、 A+ C, A+ D, B + C, B + Dである。

[0092] このような構成により、スィッチ Sxと Syを a側に接続すると、センサ素子 A+ Cによる演算増幅器 216からの出力（ α )は、 Hx + Hy+ 2Hz + ^2n + Nとなり、スィッチ Sx を a側に接続して、 Syを b側に接続すると、センサ素子 A+ Dによる演算増幅器 216 からの出力（ /3 )は、 Hx— Hy+ 2Hz + ^2n + Nとなり、スィッチ Sxと Syを b側に接続すると、センサ素子 B + Dによる演算増幅器 216からの出力（ γ )は、 -Hx-Hy + 2Hz + ^2n + Nとなり、スィッチ Sxを b側に接続して、 Syを a側に接続すると、センサ素子 B + Cによる演算増幅器 216からの出力（ δ )は、— Hx+Hy+2Hz + ^2n + Nとなる。

[0093] これらの出力を、演算処理部 218において、（《) + (/3)—（ )—（3)として軸成分を求め、（α)— — (γ) + (δ)として Υ軸成分を求め、 ) + ( /3 ) + ( γ ) + として Ζ軸成分を求める。

[0094] 図 10は、図 9に示した信号処理部により選択された場合の A/D変換部の出力信号を示す図で、磁気センサで連続して 3次元磁気データを取得する場合の、取得されるデータのタイミングを表した図である。上段は信号処理部による選択信号、下段はノイズ成分が混入された A/D変換部の出力信号を示している。

[0095] 上述したように、演算増幅器 216からの出力は、

[0096] [数 10]

(a) = H_X+H_Y+ 2H_Z + 2n + N

となり、演算処理部 218を用いて、これらの出力信号より（《) + (/3)— (γ)— (δ) として X軸成分、（《)—（/3)—（γ) + (δ)として Υ軸成分、（α) + (/3) + (γ) + ( δ )として Ζ軸成分を求めると以下のようになる。

[0097] [数 11]

X成分

】'成分

Z成分 )

ここで、 X軸， Y軸， Z軸各成分に基づく各信号を得るために必要なステップ数に関して、図 11に示すように、上述した従来の磁気センサの例と本実施例とで比較すると、上段に示す従来例では、 X軸， Y軸， Z軸各成分に基づく各信号を得るために必要なステップ数は（ α )〜（ γ )の 3ステップであるのに対し、下段に示す本発明の実施例 2では（ α )〜（ δ )の 4ステップの計測が必要である。 [0098] X軸， Y軸， Ζ軸各成分に基づく各信号を一組計測するのにかかる時間を従来例と実施例 2で変えないという条件のもとで、従来例と実施例 2における S/N比を比較するためには、図 12に示すように、実施例 2における 1ステップの計測時間を従来例における 1ステップの計測時間の 3/4にする必要がある。

[0099] 一般に計測時間を Ν倍にすると S/N比は倍となるので、 1ステップあたりの計測時間の違いを考慮すると実施例 2における各成分の信号とノイズとの関係は次のように修正される。

[0100] [数 12] 诚分

2 1 _ν、

】,成分 Η_γ +

V3 3 ノ

、

Z成分 8| H₇

以上より得られた実施例 2と従来例とを比較すると、 X軸成分及び Y軸成分のセンサ素子に起因するノイズ及びアンプに起因するノイズに関しては、従来例の S/N比の^ 3/2倍となっている。し力、しながら、 Z軸成分に関してはセンサ素子に起因するノイズ及びアンプに起因するノイズともに従来例の S/N比の 3倍となり、ノイズ成分を低減できる。

[0101] さらに、 Z軸成分に対する S/N比は X軸及び Y軸成分に対する S/N比に対し、 2 倍となっており、成分ごとにノイズの偏りを持たせることができる。ノイズの偏りを持たせることにより、特許文献 2において問題となっていた X軸及び Y軸成分に対し Z軸成分の S/N比が悪いという問題を解消し、ノイズ成分を抑制することが困難な成分に対しより効果的にノイズ低減をすることが可能である。これにより、より効果的に磁気収束板などの感度向上手段を用いることが可能となり全体としてさらなるノイズ低減効果が期待できる。

[0102] ただし、実施例 2にお!/、て演算処理部 218の設定を（α) + (/3)— (γ)— (δ)として X軸成分、（α)—（/3)—（γ) + (δ)として Υ軸成分、（α) + (/3) + (γ) + (δ)として Z軸成分を求めるものとした力その他の異なる線形結合の組み合わせにお!/、ても同様の効果を持たせることが可能である。

[0103] ( α )〜（ δ )の組み合わせは一実施例であり、（ α )〜（ δ )のうち線型独立な 3つの信号を取り出し各々 L、 M、 Nと表記して、検出する物理量に基づく信号 Hx, Hy, H zとの関係を

[0104] [数 13]

と表す時、係数行列 Mが正則であればどんな組み合わせでも構わな!/、。実施例 3

[0105] 図 14A,図 14B,図 14Cは、本発明に係る物理量計測装置の実施例 3を説明するための図で、図 14Aは検出部の構成例の概略図、図 14Bは検出部の構成例 Bにおける X— Y平面への射影図、図 14Cは検出部の構成例 Cにおける X— Z平面への射影図である。

[0106] この図 14Bに示す構成例 Bでは、センサ素子 211乃至 214を X—Y平面上に配置し、さらに各センサ素子を X— Y平面に対して角度 Θだけ Z軸方向の傾きを持たせた構成となっている。

[0107] センサ素子 211乃至 214に Z軸方向の傾きを持たせない場合、センサ素子 211 , 2 12は磁場の X軸成分に基づく信号を検出し、センサ素子 213, 214は磁場の Y軸成分に基づく信号というように各素子が配置された軸に対応した成分のみを検出する力 S、各センサ素子を X— Y平面に対して角度 Θだけ Z軸方向に傾けた場合、各センサ素子は各センサ素子が配置された軸に対応した成分に基づく信号のみだけでなく磁場の Z軸方向の成分に基づく信号も同時に検出することが可能となる。

[0108] 本実施例において、センサ素子 211 , 212の磁場の X軸成分に対する感度 Sx、センサ素子 213, 214の磁場の Y軸成分に対する感度 Sy、各センサ素子の磁場の Z軸成分に対する感度 Szの匕 (ま、 Sy/Sx= l、 Sz/Sx = Sz/Sy=tan Θである。

[0109] したがって、本実施例は X軸 ·Υ軸成分の感度 Sx、 Syに対し Z軸成分の感度 Szが異なる検出部となっており、従来の方法では特許文献 2と同様に X軸及び Y軸成分に対し Ζ軸成分の S/N比が悪!/、と!/、う問題を有して!/、る。

[0110] しかしながら、本実施例の構成を用いることにより本発明に係る実施例 2と同様に、ノイズ成分を抑制することが困難な成分に対し、より効果的にノイズ低減をすることが可能となり、実効的なノイズ成分を低減できる。

[0111] 本発明に係る実施例 2における磁気センサ素子としては、図 18Aに示すように、素子に対して垂直な磁場の検出が容易であるホール素子が好適な例である。また、本発明に係る実施例 3における磁気センサ素子としては、図 18Bに示すように、素子に対して平行な磁場の検出が容易である Ml素子や MR素子が好適な例である。

実施例 4

[0112] 図 19は、本発明に係る物理量計測装置の実施例 4である磁気センサの概略構成を示すブロック図である。この実施例 4は、本発明に係る実施例 2又は 3の応用である。図 9に示す構成の信号選択部 215の前段に第 1の符号制御部 220を実装し、信号の符号反転を用いることで前記ノイズ低減の効果を損なう事無く信号のオフセット成分に関しても低減させることができるようにしたものである。

[0113] 本実施例 4では、信号に含まれるオフセット成分のうち演算増幅器 216から A/D 変換部 217の間に発生するオフセット成分 Eを除去することによりオフセット低減の効果を得る場合を考える。

[0114] オフセット成分 Eを考慮するならば、前記出力信号（《)〜（ δ )は、

(a) =Hx + Hy+2Hz + ^2n + N + E

( β ) =Hx-Hy+2Hz + ^2n + N + E

(γ ) = -Hx-Hy+2Hz + ^2n + N + E

( δ ) = -Hx + Hy+2Hz + ^2n + N + E

と表される。符号反転した信号を用いなレ、場合、（α) + (/3)— (γ)— (δ)として X 軸成分、（α)—（/3)—（γ) + (δ)として Υ軸成分、（α) + (/3) + (γ) + (δ)として Ζ軸成分を求めると、 X軸成分及び Υ軸成分に関してはオフセット成分 Εが除去できる力 Ζ軸成分に関してオフセット成分 Εが除去できない。

[0115] ここで、（ /3 )及び（ δ )の計測時に第 1の符号制御部 220により信号の符号反転をすると、センサ素子 A+Dによる演算増幅器 216からの出力（/3 )及びセンサ素子 B + Cによる演算増幅器 216からの出力（ δ )はそれぞれ次のようになる。

[0116] ( β ') = -Hx + Hy-2Hz + ^2n + N + E

( δ ') =Hx-Hy-2Hz + ^2n + N + E

符号反転を用いて得た信号（/3 ')及び（δ ')を用いて、 (α) - ( β ') - (γ ) + (δ ，）として X軸成分、（《) + ( /3，）一（γ )— ( δ，）として Υ軸成分、（《)— ( /3，） + (γ )一（ δ ')として Ζ軸成分を求めると、 3軸全ての成分に関してオフセット成分 Εを除去できる。

[0117] ただし、第 1の符号制御部 220により符号反転をする信号は上述の組み合わせ（ /3 ' )及び（ δ ' )だけでなぐ例えば（ α ' )及び（ γ ' )の組み合わせで符号反転するようにしてもよい。

実施例 5

[0118] 図 20は、本発明に係る物理量計測装置の実施例 5である磁気センサの概略構成を示すブロック図である。上述した実施例 4と同様に、前記ノイズ低減の効果を損なう事無くオフセット成分を低減するための構成例である。

[0119] 図 20において、第 2の符号制御部 221は、センサ素子 21；!〜 214により検出される各信号及び 21 la〜214dにおいて混入されるオフセット成分 eの符号を各々独立に制御できるものである。第 2の符号制御部 221の好適な例としては特許文献 4に記載されて!/、るチョッパーを用いた方法や、センサ素子 21；!〜 214の駆動電圧の符号を制御する方法などにより実現することができる。

[0120] 本実施例 5は、センサ素子 21；!〜 214からの各信号に対し、第 2の符号制御部 221 による符号反転を行わな!/、状態で非反転信号（ α )〜（ δ )

(a) =Hx + Hy+2Hz + ^2n + 2e + N

( β ) =Hx-Hy+2Hz + ^2n + 2e + N

(γ ) = -Hx-Hy+2Hz + ^2n + 2e + N

( δ ) = -Hx + Hy+2Hz + ^2n + 2e + N

を得た後、センサ素子 21；!〜 214からの各信号に対し、第 2の符号制御部 221による符号反転を行うことにより反転信号（ α ' )〜（ δ ' ) (α') Hx-Hy-2Hz + ^2n + 2e + N

( β ' ) Hx + Hy-2Hz + ^2n + 2e + N

(γ，) Hx + Hy-2Hz + ^2n + 2e + N

(δ，) Hx-Hy-2Hz + ^2n + 2e + N

を得るようにし、計 8種の信号を 1セットの計測中に得るものである。信号処理部 12 により得られた前記 8種の信号を、演算処理部 13で各々非反転信号と反転信号の差 (α)-(α'), ( β ) - ( β ' ) , ( y ) - ( y ' ) , (δ)— (δ，）を演算し用いることでオフセット成分 eの除去が可能となって!/、る。

[0121] また、センサ素子 21；!〜 214からの各信号に対し、第 2の符号制御部 221による符号反転を行うことにより反転信号（α ')〜（ δ ')を得る代わりに、信号に加わるノイズ成分を模式的に示した 21 la〜214dにおいて混入されるオフセット成分 eに対し、第 2の符号制御部 221による符号反転を行い、信号（α")〜（ δ ")

，，） =Hx + Hy+2Hz + ^2n-2e + N

( β ") =Hx-Hy+2Hz + ^2n-2e + N

(γ ") = -Hx-Hy+2Hz + ^2n-2e + N

( δ ") = -Hx + Hy+2Hz + ^2n-2e + N

を得るようにして（ α ' )〜（ δ ' )と置き換えることでも同様の効果を得ることができる。

[0122] また、実施例 4と実施例 5を同時に用いることにより前記オフセット成分 Ε及び eをどちらも除去するような構成としても構わない。また、実施例 4における第 1の符号制御部及び実施例 5における第 2の符号制御部は、除去対象とするオフセット成分 E及び eが発生する位置よりも前の位置ならば（図 19及び図 20と異なる位置であってもよい

[0123] また、実施例 4又は 5においてオフセット成分 E及び eは、符号反転に際して絶対値を変えないものとして計算した力実際の回路等においては、オフセット成分 E及び e の絶対値が変化する場合がある。そのような場合、オフセット成分 E及び eの完全な除去ではなぐオフセット成分 E及び eの低減としてやはり効果得ることができる。

[0124] 以上の説明では、 3軸加速度センサ（実施例 1)及び磁気センサ（実施例 2乃至 5) について説明してきたが、加速度センサでなくとも角速度センサなど、ベクトル量を検知するセンサなら何でも良い。あるいは、ベクトル量を検知するセンサ以外にも、様々な物理量を検知するセンサを複数同時に用いても良い。例えば、 X軸センサ素子 11 1として温度を検知する温度センサ、 Y軸センサ素子 112として湿度を検知する湿度センサ、 Z軸センサ素子 113として圧力を検知する圧力センサとしても、本発明の物理量計測装置は適用できるものである。

[0125] また、以下は 3軸（あるいは 3個）のセンサを用いる場合を例に挙げている力 2個あるいは 4個以上でも、同様な理論を展開することが出来ることは明らかである。

[0126] 図 15は、本発明に係る物理計測装置における信号処理方法を説明するためのフローチャートを示す図である。本発明の物理量計測装置における信号処理方法は、所望の物理量を検出した場合に出力信号に混入されるノイズ成分を低減させるための信号処理を行うものである。

[0127] まず、所望の物理量に基づいた複数の信号を検出する信号検出手段を有する物理量検出部によって所望の物理量に基づいた信号を検出する (ステップ S l)。次に、この物理量検出ステップにより各検出軸に関して検出された信号を時間とともに異なる組み合わせで線型結合するための信号処理を行う（ステップ S2)。次に、この信号処理ステップにより出力された信号データから所望の物理量を得るための演算処理を行う（ステップ S3)。

[0128] 図 16は、本発明に係る物理計測装置における実施例 1の信号処理方法を説明するためのフローチャートを示す図である。図 15に示した物理量検出ステップ (ステップ S 1)が 3次元ベクトル物理量に基づいた信号を検出するステップ (ステップ S211)である。また、図 15に示した信号処理ステップ (ステップ S2)は、 3次元ベクトル物理量検出ステップ力、らの各信号の符号を必要な成分に関して反転する符号反転ステップ (ステップ S212)と、この符号反転ステップからの反転信号と 3次元ベクトル物理量検出ステップからの非反転信号とを切り替える信号切換ステップ（S213)と、この信号切換ステップからの反転信号及び非反転信号を線形結合するステップ（S214)とを有している。

[0129] また、信号処理ステップの出力する線型結合の組み合わせは、例えば、所望の 3次元ベクトル物理量の 3次元成分 X, Υ, Zの Xに基づく信号 Hxと、 Yに基づく信号 Hyと、 Zに基づく信号 Hzとからなる Hx + Hy+ Hz, Hx + Hy- Hz, Ηχ- Hy+ Hz, —H x + Hy+ Hzである。

[0130] 図 17は、本発明に係る物理計測装置における実施例 2乃至 5の信号処理方法を説明するためのフローチャートを示す図である。図 15に示した物理量検出ステップ（ステップ S 1 )力 3つの座標軸が互いに直交する 3軸座標系における第 1軸乃至第 3 軸に対応する信号に関して、第 1のセンサにより第 1軸と第 3軸からの信号と、第 2のセンサにより第 1軸の反転信号と第 3軸からの信号と、第 3のセンサにより第 2軸と第 3 軸からの信号と、第 4のセンサにより第 2軸の反転信号と第 3軸からの信号とを検出する 3次元ベクトル物理量検出ステップである（ステップ S221 )。

[0131] また、図 15に示した信号処理ステップ (ステップ S2)は、前記物理量検出ステップ力、らの信号を制御信号により切り替える信号選択ステップ（S 222)と、この信号選択ステップからの信号を線形結合するステップ（S223)を有している。

[0132] また、 3次元ベクトル物理量検出ステップの 3軸の検出軸は、例えば、所望の 3次元ベクトル物理量の 3次元成分 X, Υ, Zの Xに基づく信号 Hxと、 Yに基づく信号 Hyと、 Zに基づく信号 Hzとからなる、 Hx + Hz =A, - Hx + Hz = B, Hy+ Hz = C, — Hy + Hz = Dを検出する。また、信号処理ステップの出力する線型結合の組み合わせは、例えば、 A+ C, A+ D, B + C, B + Dである。

[0133] 本発明における信号の線型結合とは、信号処理部において各々の信号の符号及び強度を任意に変えて加算すること表し、各々の信号の任意の符号反転の足し合わせのみに限定するものではない。

[0134] 本発明において、上述したセンサ素子に起因するノイズ成分 nに対する効果は、センサ素子に起因するノイズ成分のみに限定するものではなぐ信号の加算及び増幅に先立つ部位におけるノイズ成分であれば同様の効果を得ることができる。

[0135] 本発明において、上述した演算増幅器に起因するノイズ成分 Nに対する効果は、演算増幅器に起因するノイズ成分のみに限定するものではなぐ信号の加算及び演算増幅器におけるノイズ成分や、信号の加算及び演算増幅器力 A/D変換部へ至るまでの部分におけるノイズ成分であれば同様の効果を得ることができる。

[0136] また、本発明にお!/、て、各センサの検出感度は各々異なってレ、てもよ!/、。また、上述したセンサのサイズと S/N比の関係より、本発明によるノイズ低減の効果を、従来と比較して S/N比を悪化させること無くセンササイズを小型化する効果と置き換えてあよい。

[0137] また、上述した計測時間と S/N比の関係より、本発明によるノイズ低減の効果を、従来と比較して S/N比を悪化させること無く計測時間を短縮する効果と置き換えてあよい。

[0138] また、一般に知られているセンサの消費電力を減少させると S/N比が悪くなるという関係より、本発明によるノイズ低減の効果を、従来と比較して S/N比を悪化させること無くセンサの消費電力を減少させる効果と置き換えてもよい。

[0139] また、本発明の実施例における所望の 3次元ベクトル物理量の 3次元成分の表示方法は、ある特定の座標系における成分表示に限らず、座標系に任意の座標回転をした座標系における成分表示を用いてもよい。

産業上の利用可能性

[0140] 本発明は、複数のセンサ素子を有する物理量の計測におけるノイズ低減に係る物理量計測装置及びその信号処理方法に関するもので、所望の物理量に基づ!/、た信号を検出して信号処理を行うことにより物理量を演算する物理量計測装置及びその信号処理方法において、回路規模やコストを大きくすることなぐ物理量検出部や信号処理部において混入したノイズ成分を低減し、信頼度を向上させることができる。

Claims

請求の範囲

[1] 所望の物理量に基づいた信号を検出して信号処理を行うことにより前記物理量を演算する物理量計測装置にぉレ、て、

前記物理量に基づいた複数の信号を検出する信号検出手段と、

該信号検出手段により検出された信号を、時間とともに異なる係数で、かつ前記所望の物理量に基づいた信号成分がすべて含まれるような係数で線型結合するための信号処理手段と、

該信号処理手段により出力された信号データから前記物理量を演算する演算処理手段と

を備えたことを特徴とする物理量計測装置。

[2] 前記信号検出手段が、 3次元ベクトル物理量を検出する 3次元ベクトル物理量検出手段であり、少なくとも互いに線形独立な 3軸の検出軸を有することを特徴とする請求項 1に記載の物理量計測装置。

[3] 前記信号検出手段が、互いに直交する 3軸の検出軸を有することを特徴とする請求項 2に記載の物理量計測装置。

[4] 前記 3次元ベクトル物理量検出手段の互いに線型独立な 3軸の検出軸のうち少なくとも 2つの検出軸力互いに直交しないことを特徴とする請求項 2に記載の物理量計測装置。

[5] 前記信号処理手段が、前記 3次元ベクトル物理量検出手段からの各信号の符号を必要な成分に関して反転する符号制御手段と、該符号制御手段からの反転信号と前記 3次元ベクトル物理量検出手段からの非反転信号とを切り替える信号切換手段と、該信号切り替え手段からの前記反転信号及び前記非反転信号を加算する加算手段とを備えたことを特徴とする請求項 2乃至 4のいずれかに記載の物理量計測装置。

[6] 前記信号検出手段が、さらに、各信号の符号を必要な成分に関して反転する第二の符号制御手段と、該第二の符号制御手段からの反転信号と非反転信号とを切り替える第二の信号切換手段とを備えたことを特徴とする請求項 5に記載の物理量計測装置。

[7] 前記第二の符号制御手段は、前記信号検出手段が検出した信号に含まれるオフセット成分と前記信号検出手段が検出した信号から前記オフセット成分以外の信号に関し、互いの符号関係を反転することができることを特徴とする請求項 6に記載の物理量計測装置。

[8] 前記係数が + 1 1、または 0であり、前記線形結合は、それらの係数の組み合わせであることを特徴とする請求項 1に記載の物理量計測装置。

[9] 前記所望の物理量が、 3次元ベクトル物理量の 3次元成分 X, Υ, Zであり、

前記信号検出手段が、前記 Xに基づく信号 Hxと、前記 Yに基づく信号 Hyと、前記

Zに基づく信号 Hzを検出する前記 3次元ベクトル物理量検出手段であり、

前記信号処理手段の出力する線形結合の組み合わせが、 Hx + Hy+Hz, Hx +

Hy—Hz Hx—Hy+Hz及び Hx + Hy+Hzであることを特徴とする請求項 8に記載の物理量計測装置。

[10] 前記所望の物理量が、 3次元ベクトル物理量の 3次元成分 X, Υ, Zであり、

前記信号検出手段が、前記 Xに基づく信号 Hxと前記 Zに基づく信号 Hzの和である

Hx + Hz=Aと、前記信号 Hxと Hzの差である Hx + Hz = Bと、前記 Yに基づく信号 Hyと前記 Hzの和である Hy + Hz = Cと、前記 Hyと Hzの差である Hy + Hz = D を検出する前記 3次元ベクトル物理量検出手段であり、

前記信号処理手段の出力する線形結合の組み合わせが、 A + C A+D B + D及び B + Cであることを特徴とする請求項 1に記載の物理量計測装置。

[11] 前記信号処理手段の出力する線形結合の組み合わせが A+ C A— D B + D 及び B— Cであることを特徴とする請求項 1に記載の物理量計測装置。

[12] 前記信号処理手段の出力する線形結合の組み合わせがー A— C A+D -B-

D及び B + Cであることを特徴とする請求項 1に記載の物理量計測装置。

[13] 前記信号処理手段の出力する線形結合の組み合わせが A+ C A+D B + D B

+ C A— C A— D B— D、及び一 B— Cであることを特徴とする請求項 1に記載の物理量計測装置。

[14] 前記信号検出手段が、前記所望の 3次元ベクトル物理量の 3次元成分 X, Υ, Zに対して異なる検出感度を持ち、前記信号処理手段により信号を線形結合することで検出感度の違いを補正できることを特徴とする請求項 2乃至 13のいずれかに記載の物理量計測装置。

[15] 前記 3次元ベクトル物理量検出手段が、磁気センサであることを特徴とする請求項

2乃至 14のいずれかに記載の物理量計測装置。

[16] 前記磁気センサが、磁気収束板を備えていることを特徴とする請求項 15に記載の物理量計測装置。

[17] 前記 3次元ベクトル物理量検出手段が、加速度センサであることを特徴とする請求項 2乃至 14のいずれかに記載の物理量計測装置。

[18] 前記所望の物理量が、 3次元直交座標系における磁場の 3成分、 X, Y及び Zであり、

前記信号検出手段が、シリコン基盤上に形成された複数のホールセンサ素子と、円盤状の磁気収束板を有し、

前記ホールセンサ素子が、前記磁気収束板の円周部に配置されており、前記演算処理手段が、前記信号処理手段より得た前記デジタル信号を用いて前記所望の物理量に基づく信号を求めることを特徴とする請求項 1に記載の物理量計測装置。

[19] 前記ホールセンサ素子が、前記磁気収束板の中心を基準として互いに 90度の間隔をあけた 4つのグループに分かれて前記磁気収束板の円周部に配置されていることを特徴とする請求項 18に記載の物理量計測装置。

[20] 前記信号処理手段は、隣接する前記グループのホールセンサ素子の信号を順次選択して線形結合することを特徴とする請求項 18又は 19に記載の物理量計測装置

[21] 前記所望の物理量が、 3次元直交座標系における磁場の 3成分、 X, Y及び Zであり、

前記ホールセンサ素子が、前記磁気収束板の中心を基準として互いに 90度の間隔をあけた 4つのグループに分かれて前記磁気収束板の円周部に配置されており、前記ホールセンサ素子の各グループが、前記磁場の X成分に基づく信号 Hx Y成分に基づく Hy, Z成分に基づく Hzからなる信号 Hx + Hz=A又は Hx + Hz = B又は Hy+Hz = C又は Hy+Hz = Dを検出し、

前記信号処理手段が、 A/D変換手段を有し、前記信号検出手段からの信号 A乃至 Dより前記信号 A乃至 Dに関する線形結合 A+ C A+D B + D B + C A— C — A— D —B— D及び— B— Cを A/D変換手段によりデジタル信号へ変換し、前記演算処理手段が、前記信号処理手段より得た前記デジタル信号を用いて前記所望の物理量に基づく信号 Hx, Hy及び Hzを求めることを特徴とする請求項 1に記載の物理量計測装置。

[22] 前記信号検出手段における前記磁場の 3成分、 X, Y及び Zの検出感度の比が 2： 2 : 1であり、前記信号処理手段により前記信号検出手段の出力が線形結合されることによって、前記求められた信号 Hx, Hy及び Hzの検出感度を 1： 1： 1にすることを特徴とする請求項 21に記載の物理量計測装置。

[23] 所望の物理量に基づいた信号を検出して信号処理を行うことにより前記物理量を演算する物理量計測装置における信号処理方法において、

前記物理量に基づいた複数の信号を信号検出手段により検出する信号検出ステツプと、

該信号検出ステップにより検出された信号を、前記所望の物理量に基づいた信号成分がすべて含まれるように、時間とともに異なる係数で線型結合するための信号処該信号処理ステップにより出力された信号データから前記物理量を演算する演算処理ステップと

を有することを特徴とする物理量計測装置における信号処理方法。

[24] 前記信号検出ステップが、 3次元ベクトル物理量を検出する 3次元ベクトル物理量検出ステップであり、少なくとも互いに線形独立な 3軸の検出軸を有する前記信号検出手段により信号を検出することを特徴とする請求項 23に記載の物理量計測装置における信号処理方法。

[25] 前記信号検出ステップは、互いに直交する 3軸の検出軸を有する前記信号検出手段により信号を検出することを特徴とする請求項 24に記載の物理量計測装置における信号処理方法。

[26] 前記 3次元ベクトル物理量検出ステップは、前記互いに線型独立な 3軸の検出軸のうち少なくとも 2つの検出軸が互いに直交しない 3次元ベクトル物理量検出手段により信号を検出することを特徴とする請求項 24に記載の物理量計測装置における信号処理方法。

[27] 前記信号処理ステップが、前記 3次元ベクトル物理量検出ステップからの各信号の符号を必要な成分に関して反転する符号制御ステップと、該符号制御ステップからの反転信号と前記 3次元ベクトル物理量検出ステップからの非反転信号とを切り替える信号切換ステップと、該信号切り替えステップからの前記反転信号及び前記非反転信号を加算する加算ステップとを有することを特徴とする請求項 24乃至 26のいずれかに記載の物理量計測装置における信号処理方法。

[28] 前記信号検出ステップが、さらに、各信号の符号を必要な成分に関して反転する第二の符号制御ステップと、該第二の符号制御ステップからの反転信号と非反転信号とを切り替える第二の信号切換ステップとを有することを特徴とする請求項 27に記載の物理量計測装置における信号処理方法。

[29] 前記第二の符号制御ステップは、前記信号検出ステップが検出した信号に含まれるオフセット成分と前記信号検出ステップが検出した信号から前記オフセット成分を除いた信号に関し、互いの符号関係を反転することができることを特徴とする請求項 28に記載の物理量計測装置における信号処理方法。

[30] 前記所望の物理量が、 3次元ベクトル物理量の 3次元成分 X, Υ, Zであり、

前記信号検出ステップが、前記 Xに基づく信号 Hxと、前記 Yに基づく信号 Hyと、前記 Zに基づく信号 Hzを検出する前記 3次元ベクトル物理量検出ステップであり、前記信号処理ステップの出力する線型結合の組み合わせが、 Hx + Hy+Hz, Hx + Hy—Hz、 Hx—Hy+Hz及び Hx + Hy+Hzであることを特徴とする請求項 23 に記載の物理量計測装置における信号処理方法。

[31] 前記所望の物理量が、 3次元ベクトル物理量の 3次元成分 X, Υ, Zであり、

前記信号検出ステップが、前記 Xに基づく信号 Hxと前記 Zに基づく信号 Hzの和である Hx + Hz=Aと、前記信号 Hxと Hzの差である Hx + Hz = Bと、前記 Yに基づく信号 Hyと前記 Hzの和である Hy + Hz = Cと、前記 Hyと Hzの差である Hy + Hz = Dを検出する前記 3次元ベクトル物理量検出ステップであり、

前記信号処理ステップの出力する線型結合の組み合わせが、 A + C A+D B + D及び B + Cであることを特徴とする請求項 23に記載の物理量計測装置における信号処理方法。

[32] 前記処理ステップの出力する線形結合の組み合わせが A+ C A—D B + D及び B— Cであることを特徴とする請求項 23に記載の物理量計測装置における信号処理方法。

[33] 前記処理ステップの出力する線形結合の組み合わせがー A—C A+D -B-D 及び B + Cであることを特徴とする請求項 23に記載の物理量計測装置における信号処理方法。

[34] 前記処理ステップの出力する線形結合の組み合わせが A+ C A+D B + D B + C A—C A—D B— D、及び B— Cであることを特徴とする請求項 23 に記載の物理量計測装置における信号処理方法。