慣性センサ装置及び慣性センサ装置を備えた電子機器
【課題】慣性センサが角速度又は加速度が変化する運動を行っているときであっても、慣性センサの出力値に及ぼすバイアス成分の影響をより確実に軽減することができる慣性センサ装置を提供することを目的とする。
【解決手段】慣性センサと、前記慣性センサの非反転姿勢における出力値をｙ１と、前記慣性センサの反転姿勢における出力値をｙ２としたとき、次式（１）によって算出される前記慣性センサの出力値に含まれるバイアス成分ｂ０を予め記憶する記憶手段７と、前記慣性センサの出力値を、前記記憶手段７が記憶するバイアス成分ｂ０に基づいて補正する補正手段８とを備えたことを特徴とする慣性センサ装置１を提供する。
ｂ０＝（ｙ１+ｙ２）/２…（１）
【解決手段】慣性センサと、前記慣性センサの非反転姿勢における出力値をｙ１と、前記慣性センサの反転姿勢における出力値をｙ２としたとき、次式（１）によって算出される前記慣性センサの出力値に含まれるバイアス成分ｂ０を予め記憶する記憶手段７と、前記慣性センサの出力値を、前記記憶手段７が記憶するバイアス成分ｂ０に基づいて補正する補正手段８とを備えたことを特徴とする慣性センサ装置１を提供する。
ｂ０＝（ｙ１+ｙ２）/２…（１）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、慣性センサ装置、及び、該慣性センサ装置を備えた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
慣性センサとしては、角速度センサや加速度センサ等が挙げられる。角速度センサや加速度センサの出力値には、バイアス成分が含まれている。バイアス成分は、零点出力、又は、オフセット等と呼ばれ、センサの非対称性、回路の特性、温度影響等の様々な要因により生じるものである。このようなバイアス成分が含まれる出力値Ｙと、真の値Ｘ（慣性センサが角速度センサである場合は、角速度の検出対象となる運動そのものの角速度、慣性センサが加速度センサである場合は、加速度の検出対象となる運動そのものの加速度）とは、次式（１）’で示される関係を有する。
Ｙ＝ＡＸ＋Ｂ（Ａ：係数、Ｂ：バイアス成分）…（１）’
Ｂ＝Ｂ1＋Ｂ２＋Ｂ３＋・・＋Ｂｎ（Ｂ1〜Ｂｎ：各種要因のバイアス成分）
【０００３】
慣性センサの出力値から真の値を算出する方法の一例として、角速度センサの出力値から真の値（角速度）を算出する次のような方法を挙げることができる。具体的には、角速度センサ１０１が非反転姿勢（図３（ａ）参照）のときに検出された出力値Ｙ１と、角速度センサ１０１が反転姿勢（図３（ｂ）参照）であり、且つ、角速度センサ１０１の真の角速度が出力値Ｙ１の検出時と同一であるときに検出された出力値Ｙ２とを用いて真の角速度を算出する方法である。
【０００４】
前述の出力値Ｙ１と真の角速度Ｘとの関係は、次式（２）’及び図３（ｃ）で表される。
Ｙ１＝ＡＸ＋ＢＰ…（２）’（ＢＰ：非反転姿勢のバイアス成分）
一方、前述の出力値Ｙ２と真の角速度Ｘとの関係は、次式（３）’及び図３（ｄ）で表される。
Ｙ２＝−ＡＸ＋ＢＮ…（３）’（ＢＮ：反転姿勢のバイアス成分）
【０００５】
バイアス成分は、角速度センサ１０１の物理的反転によって変化しないとみなすことができるため、式（２）’のＢＰと式（３）’のＢＮとは等しくなり、式（２）’から（３）’を引き、Ｘについて解くと、次式（４）’が算出される。
Ｘ＝（Ｙ１−Ｙ２）／２Ａ…（４）’
【０００６】
以上に説明した方法によって、真の角速度を算出するためには、非反転姿勢と反転姿勢とのときの出力値が必要である。非反転姿勢と反転姿勢とのときの出力値を検出することができる角速度センサとして、特許文献１の角速度センサを挙げることができる。特許文献１の角速度センサは、反転機構によって姿勢が反転される。よって、特許文献１の角速度センサは、姿勢が非反転状態のときは非反転姿勢の出力値を検出し、姿勢が反転状態のときは反転姿勢の出力値を検出することができる。
【０００７】
前述のように、式（４）’によって真の角速度を求めるためには、角速度Ｙ１及びＹ２の検出時における角速度センサの真の角速度Ｘは等しくなければならない。従って、特許文献１の角速度センサを用いて角速度Ｙ１及びＹ２を検出する場合、角速度Ｙ１及びＹ２を検出するときの特許文献１の角速度センサの真の角速度が同一でなければならない。このように、角速度Ｙ１及びＹ２の検出時の真の角速度が同一となるのは、特許文献１の角速度センサが停止状態であるか、又は、等速運動状態の場合である。よって、特許文献１の角速度センサが真の角速度が変化する運動を行っているときは、検出時の真の角速度が同一である角速度Ｙ１及びＹ２を検出できず、特許文献１の角速度センサを用いて、真の角速度を算出することができない。
【特許文献１】特開２００６−１７７９０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、慣性センサが真の角速度又は加速度が変化する運動を行っているときであっても、慣性センサの出力値に及ぼすバイアス成分の影響を軽減することができる慣性センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、慣性センサと、前記慣性センサの非反転姿勢における出力値をｙ１と、前記慣性センサの反転姿勢における出力値をｙ２とした時に、次式（１）によって算出される前記慣性センサの出力値に含まれるバイアス成分ｂ０を予め記憶する記憶手段と、前記慣性センサの出力値を、前記記憶手段が記憶するバイアス成分ｂ０に基づいて補正する補正手段とを備えたことを特徴とする慣性センサ装置を提供する。
ｂ０＝（ｙ１+ｙ２）/２…（１）
【００１０】
本発明に係る慣性センサ装置は、慣性センサの出力値を、式（１）によって算出されたバイアス成分ｂ０に基づいて補正する。慣性センサの出力値に含まれるバイアス成分を式（１）によって算出できるのは、以下に説明する通りである。慣性センサが非反転姿勢のときの慣性センサの出力値ｙ１と真の値（慣性センサが角速度センサである場合は、角速度の検出対象となる運動そのものの角速度、慣性センサが加速度センサである場合は、加速度の検出対象となる運動そのものの加速度）ｘとの関係は、次式（２）で表される。一方、慣性センサが反転姿勢のときの慣性センサの出力値ｙ２と真の値ｘとの関係は、次式（３）で表される。
ｙ１＝ａｘ＋ｂＰ…（２）（ｂＰ：非反転姿勢のバイアス成分）
ｙ２＝−ａｘ＋ｂＮ…（３）（ｂＮ：反転姿勢のバイアス成分）
バイアス成分は、慣性センサの物理的反転によって変化しないとみなせるため、式（４）が成り立つ。
ｂＰ＝ｂＮ…（４）
出力値ｙ１及びｙ２の検出時における慣性センサの真の値ｘが等しい場合、式（２）、（３）及び（４）に基づいて、式（５）が算出される。
ｂＰ＝ｂＮ＝（ｙ１＋ｙ２）／２…（５）
式（５）より、慣性センサの出力値に含まれるバイアス成分は、（ｙ１＋ｙ２）／２であることが導かれる。よって、慣性センサの出力値に含まれるバイアス成分は、式（１）によって算出することができる。
【００１１】
尚、式（１）は、出力値ｙ１及びｙ２の検出時における慣性センサの真の値ｘが同一であることを前提として導出された式であるので、出力値ｙ１及びｙ２の検出時における慣性センサの真の値ｘが異なると、式（１）によって算出されるバイアス成分ｂ０は、真のバイアス成分と異なる。よって、バイアス成分を高精度に算出する観点から、出力値ｙ１及びｙ２の検出時における慣性センサの真の値は、差が小さいことが好ましく、同一であることが最も好ましい。
【００１２】
本発明に係る慣性センサ装置は、式（１）によって算出されたバイアス成分ｂ０を記憶手段に記憶できる。よって、検出時における慣性センサの真の値が同一である非反転姿勢における出力値ｙ１と反転姿勢における出力値ｙ２とを用いて算出されたバイアス成分ｂ０を予め記憶手段に記憶させることで、その後、当該バイアス成分ｂ０を用いて、出力値を補正することができる。従って、本発明に係る慣性センサ装置は、真の値が変化する運動をしていても、検出時における角速度センサの真の角速度が同一である非反転姿勢及び反転姿勢のときの角速度ｙ１及びｙ２によって算出されたバイアス成分ｂ０を予め記憶しておけば、この記憶したバイアス成分ｂ０に基づいて、角速度を補正することができる。
【００１３】
よって、本発明の慣性センサ装置は、慣性センサが角速度センサである場合は、慣性センサが真の角速度が変化する運動をしているときでも、慣性センサの出力する角速度に及ぼすバイアス成分の影響を軽減することができる。また、本発明の慣性センサ装置は、慣性センサが加速度センサである場合は、慣性センサが真の加速度が変化する運動をしているときでも、慣性センサの出力する加速度に及ぼすバイアス成分の影響を軽減することができる。
【００１４】
好ましくは、本発明に係る慣性センサ装置は、前記記憶手段が記憶するバイアス成分ｂ０を、前記（１）式によって算出するバイアス成分算出手段を備えた構成とされる。
【００１５】
好ましくは、前記補正手段は、前記慣性センサの出力値を、前記記憶手段が記憶するバイアス成分ｂ０に基づいて補正すると共に、補正した出力値に基づいて角速度演算値又は加速度演算値を算出する構成とされる。
【００１６】
かかる好ましい構成においては、慣性センサが角速度センサの場合は、補正した出力値に基づいて角速度演算値が算出され、慣性センサが加速度センサの場合は、補正した出力値に基づいて加速度演算値が算出される。
【００１７】
このように、バイアス成分によって補正した出力値に基づいて角速度演算値又は加速度演算値が算出されるので、角速度演算値及び加速度演算値は共に真の値に近い値を有する。よって、かかる好ましい構成の慣性センサ装置は、真の値を高精度に算出することができる。
【００１８】
また、本発明は、前述の慣性センサ装置を備えたことを特徴とする電子機器を提供することもできる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、慣性センサが角速度又は加速度が変化する運動を行っているときであっても、慣性センサの出力値に及ぼすバイアス成分の影響を軽減する慣性センサ装置及び該慣性センサ装置を備えた電子機器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本実施形態では、慣性センサ装置が備える慣性センサが角速度センサである場合について説明する。図１は、本実施形態に係る慣性センサ装置１の概略ブロック図である。図１に示すように、慣性センサ装置１は、角速度センサ２、バイアス成分算出手段６、記憶手段７及び補正手段８を備える。
【００２１】
角速度センサ２は、ジャイロ素子３、駆動検出回路４及びＡＤコンバータ５を備える。
【００２２】
本実施形態においては、ジャイロ素子３には、ＭＥＭＳ技術で作成された振動子を有した面状のジャイロ素子が用いられている。面状のジャイロ素子の具体な構造の一例として、リング状の振動子と、リング状の振動子に沿って配置された複数の電極とを有した構造を挙げることができる。本具体例のジャイロ素子は、振動子が一次振動しているときに、振動子が回転運動を行うと、該回転運動の角速度に応じた大きさコリオリ力が振動子に生じ、該コリオリ力によって振動子に二次振動が生じる。駆動検出回路４は、前述の振動子を一次振動させるための電圧をジャイロ素子３の電極に印加すると共に、二次振動によるジャイロ素子３の振動子と電極との間の静電容量の変化に基づいて、ジャイロ素子３が行う回転運動の角速度を検出する。尚、駆動検出回路４が検出する角速度をｙと、ジャイロ素子３が行う回転運動の真の角速度をｘとしたとき、この角速度ｙと真の角速度ｘとは次式（６）の関係を有する。
ｙ＝ａｘ＋ｂ（ａ：係数、ｂ：バイアス成分）…（６）
ＡＤコンバータ５は、駆動検出回路４が検出した角速度を量子化し、量子化した角速度（出力値）を出力する。
【００２３】
バイアス成分算出手段６は、ＡＤコンバータ５によって出力される角速度に含まれるバイアス成分ｂを算出する。記憶手段７は、バイアス成分算出手段６によって算出されたバイアス成分ｂを予め記憶する。補正手段８は、ＡＤコンバータ５によって出力される角速度を、記憶手段７が記憶するバイアス成分ｂに基づいて補正する。
【００２４】
次に、バイアス成分算出手段６が行うバイアス成分ｂの算出と、補正手段８が行う角速度の補正とについて説明する。慣性センサ装置１の動作モードには、バイアス成分算出手段６がバイアス成分ｂを算出する動作モードと、補正手段８が角速度を補正する動作モードとがある。この２つの動作モードの切り替えは、例えば、慣性センサ装置１に動作モードの切替ボタンを設け、慣性センサ装置１のユーザ等が当該ボタンを操作することによって実現することができる。
【００２５】
バイアス成分算出手段６が行うバイアス成分ｂを算出する動作モードについて説明する。この動作モードでは、バイアス成分算出手段６によって、次式（１）を用いてバイアス成分ｂ０が算出されると共に、算出されたバイアス成分ｂ０がバイアス成分ｂとして記憶手段７に記憶させられる。
ｂ０＝（ｙ１+ｙ２）／２…（１）（ｙ１：角速度センサ２が非反転姿勢のときにＡＤコンバータ５から出力される角速度、ｙ２：角速度センサ２が反転姿勢のときにＡＤコンバータ５から出力される角速度）
【００２６】
角速度ｙ１は、角速度センサ２が非反転姿勢であると判断できる際に、ＡＤコンバータ５から出力される角速度を取得し、当該取得した角速度に基づいて算出される。角速度センサ２が非反転姿勢であるか否かの判断は、慣性センサ装置１に角速度センサ２が非反転姿勢のときにユーザによって操作されるボタンを設け、このボタンが操作されたか否かによって行うことができる。従って、角速度ｙ１の算出は、例えば、ユーザが角速度センサ２を非反転姿勢として、前述のボタンを操作し、バイアス成分算出手段６がこのボタンの操作を検出すると、ＡＤコンバータ５から出力される角速度を取得して、当該取得した角速度に基づいて角速度ｙ１を算出することで行われる。ＡＤコンバータ５から出力される角速度から角速度ｙ１を算出する方法は、例えば、ＡＤコンバータ５から出力される角速度を１回取得して、取得した角速度を角速度ｙ１として算出する方法、ＡＤコンバータ５から出力される角速度を複数回取得して、その平均値を角速度ｙ１として算出する方法などを挙げることができる。
【００２７】
角速度ｙ２は、角速度センサ２が反転姿勢であると判断できる際に、ＡＤコンバータ５から出力される角速度を取得することを除いては、角速度ｙ１と同様の方法で算出される。ここで、反転姿勢とは、非反転姿勢に対して面状のジャイロ素子３の法線方向が１８０°変更するように、ジャイロ素子３の向きを変更した姿勢である。
【００２８】
このように算出される角速度ｙ１及びｙ２を上式（１）に代入することで、角速度センサ（ＡＤコンバータ５）２が出力する角速度に含まれるバイアス成分ｂ０を算出することができるのは、以下に説明する通りである。角速度ｙ１と真の角速度ｘとの関係は、次式（２）で表される。一方、角速度ｙ２と真の値ｘとの関係は、次式（３）で表される。
ｙ１＝ａｘ＋ｂＰ…（２）（ｂＰ：非反転姿勢のバイアス成分）
ｙ２＝−ａｘ＋ｂＮ…（３）（ｂＮ：反転姿勢のバイアス成分）
バイアス成分は、角速度センサ２の物理的反転によって変化しないとみなせるため、式（４）が成り立つ。
ｂＰ＝ｂＮ…（４）
角速度ｙ１及びｙ２の検出時における角速度センサの真の角速度ｘが等しい場合、式（２）、（３）及び（４）に基づいて、式（５）が算出される。
ｂＰ＝ｂＮ＝（ｙ１＋ｙ２）／２…（５）
式（５）より、角速度ｙ１及びｙ２の検出時における角速度センサの真の角速度ｘが等しい場合、角速度センサ２が出力する角速度に含まれるバイアス成分は、（ｙ１＋ｙ２）／２であることが導かれる。よって、角速度ｙ１及びｙ２の検出時における角速度センサの真の角速度ｘが等しい場合、角速度センサ２が出力する角速度に含まれるバイアス成分は、上式（１）によって算出することができる。
【００２９】
バイアス成分算出手段６は、上式（１）を用いて算出したバイアス成分ｂ０をバイアス成分ｂとして記憶手段７に記憶させる。
【００３０】
次に、補正手段８が角速度を補正する動作モードについて説明する。この動作モードでは、補正手段８は、ＡＤコンバータ５によって出力された角速度を取得し、取得した角速度を記憶手段７が記憶するバイアス成分ｂ０に基づいて補正すると共に、補正された角速度に基づいて角速度演算値を算出する。
【００３１】
ＡＤコンバータ５から取得した角速度ｙ０を記憶手段７が記憶するバイアス成分ｂ０に基づいて行われる補正は、角速度ｙ０からバイアス成分ｂ０を引くことで行われる。
【００３２】
また、このようにバイアス成分ｂ０によって補正された角速度ｙ０に基づいて行われる角速度演算値ｘ０の算出は次式（７）を用いて行われる。
ｘ０＝（ｙ０−ｂ０）／ａ…（７）
【００３３】
以上に説明したように、慣性センサ装置１は、上式（１）によって算出されるバイアス成分ｂ０を記憶できる。従って、慣性センサ装置１は、角速度センサ２が真の角速度が変化する運動をしていても、検出時における角速度センサ２の真の角速度が同一である非反転姿勢及び反転姿勢のときの角速度ｙ１及びｙ２によって算出されたバイアス成分ｂ０を予め記憶しておけば、この記憶したバイアス成分ｂ０に基づいて、角速度を補正することができる。よって、慣性センサ装置１は、角速度センサ２が真の角速度が変化する運動をしていても、角速度センサ２が出力する角速度に及ぼすバイアス成分の影響をより確実に軽減することができる。
【００３４】
尚、検出時における角速度センサ２の真の角速度が同一である非反転姿勢及び反転姿勢の角速度ｙ１及びｙ２の検出は、例えば、次のように行うことができる。即ち、角速度センサ２が非反転姿勢であり、且つ、静止状態であるときの角速度ｙ１を検出し、角速度センサ２が反転姿勢であり、且つ、静止状態であるときの角速度ｙ２を検出することで行うことができる。また、例えば、角速度センサ２を非反転姿勢にして等速運動を行う物体（例えば、一定の角速度で回転する物）に固定し、角速度センサ２が等速運動を行っている時に角速度ｙ１を検出すると共に、角速度センサ２を反転姿勢にして当該物体に固定し、角速度センサ２が等速運動を行っている時に角速度ｙ２を検出することで行うことができる。
【００３５】
また、式（７）に示すように、バイアス成分ｂ０に基づいて補正された角速度に基づいて角速度演算値ｘ０が算出されるので、真の角速度に近い値を有する角速度演算値を算出することができる。よって、慣性センサ装置１は、真の角速度を高精度に算出することができる。
【００３６】
尚、前述のように算出されたバイアス成分ｂ０に基づいて補正された角速度、及び、角速度演算値ｘ０は、補正手段８によって、モニタや他の装置等に出力されるようにしてもよい。
【００３７】
また、本実施形態では、角速度ｙ１及びｙ２に基づくバイアス成分ｂ０の算出及び算出したバイアス成分ｂ０の記憶手段７への入力は、慣性センサ装置１が行っているが、バイアス成分の算出は、慣性センサ装置１以外の装置や慣性センサ装置１のユーザが行ってもよい。
【００３８】
また、角速度ｙ１及びｙ２を検出するために、角速度センサ２の姿勢を非反転及び反転の状態とすることをユーザが行えば、慣性センサ装置１に角速度センサ２の反転機構を設ける必要が無い。反転機構を設けない構成とすれば、慣性センサ装置１のコストを抑え、慣性センサ装置１を簡素な構成とすることができる、
【００３９】
また、本実施形態におけるジャイロ素子３には、ＭＥＭＳ技術で作成された振動子を有した面状のジャイロ素子が用いられているが、ジャイロ素子３に用いられるジャイロ素子は、本実施形態において用いられたジャイロ素子に限定されるものでない。さらに、本実施形態においては、慣性センサを角速度センサとしたが、慣性センサは加速度センサであってもよい。また、慣性センサに加速度センサを用いる場合は、慣性センサの出力値は加速度となる。また、慣性センサに加速度センサを用いる場合は、角速度演算値に代えて加速度演算値が補正手段８によって算出される。
【００４０】
以上に説明した慣性センサ装置１は、方位計測用のジャイロコンパスなどの電子機器の角速度や加速度を算出するために、当該電子機器に実装することができる。
【実施例】
【００４１】
上記の実施形態に係る慣性センサ装置１の補正手段８が式（７）によってバイアス成分ｂ０で補正した角速度（ｙ０−ｂ０）と、当該補正前の角速度ｙ０（即ち、ＡＤコンバータ５が出力した角速度そのもの）との誤差を測定した。図２に、その測定結果を表したグラフを示す。図２のグラフの横軸は、真の角速度ｘ、縦軸は、次式（８）によって算出された値である。
（Ｄ−ａｘ）×１００／出力範囲…（８）
【００４２】
角速度（ｙ０−ｂ０）の誤差を測定する場合は、式（８）のＤは（ｙ０−ｂ０）である。角速度ｙ０誤差を測定する場合は、式（８）のＤはｙ０である。又、出力範囲とは、慣性センサ装置１のＡＤコンバータ５から出力される最大の角速度と最小の角速度との差である。ここでは、出力範囲が４Ｖである。また、図２における、角速度（ｙ０−ｂ０）及び角速度Ｙ０の誤差を示す曲線は最小二乗法を用いて作成したものである。
【００４３】
図２に示すように、角速度（ｙ０−ｂ０）は、真の角速度ｘが０のときは略０である。即ち、バイアス成分ｂ０で補正することで、慣性センサ装置１から出力される角速度の原点通過性が向上する。また、角速度（ｙ０−ｂ０）は、真の角速度ｘの０を基準にして、真の角速度が正の値のときと負の値のときの誤差の大きさ（絶対値）がほぼ同一であるという対象性を有する。即ち、バイアス成分ｂ０で補正することで、慣性センサ装置１から出力される角速度は、回転方向によって誤差の大きさのばらつきが小さいという特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、本実施形態に係る慣性センサ装置の概略ブロック図である。
【図２】図２は、バイアス成分に基づいて補正された角速度と、補正されていない角速度との誤差を示す。
【図３】図３は、角速度センサが非反転姿勢のときと、反転姿勢のときとにおける角速度センサの出力値と、真の角速度との関係を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 慣性センサ装置
２ 角速度センサ
６ バイアス成分算出手段
７ 記憶手段
８ 補正手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、慣性センサ装置、及び、該慣性センサ装置を備えた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
慣性センサとしては、角速度センサや加速度センサ等が挙げられる。角速度センサや加速度センサの出力値には、バイアス成分が含まれている。バイアス成分は、零点出力、又は、オフセット等と呼ばれ、センサの非対称性、回路の特性、温度影響等の様々な要因により生じるものである。このようなバイアス成分が含まれる出力値Ｙと、真の値Ｘ（慣性センサが角速度センサである場合は、角速度の検出対象となる運動そのものの角速度、慣性センサが加速度センサである場合は、加速度の検出対象となる運動そのものの加速度）とは、次式（１）’で示される関係を有する。
Ｙ＝ＡＸ＋Ｂ（Ａ：係数、Ｂ：バイアス成分）…（１）’
Ｂ＝Ｂ1＋Ｂ２＋Ｂ３＋・・＋Ｂｎ（Ｂ1〜Ｂｎ：各種要因のバイアス成分）
【０００３】
慣性センサの出力値から真の値を算出する方法の一例として、角速度センサの出力値から真の値（角速度）を算出する次のような方法を挙げることができる。具体的には、角速度センサ１０１が非反転姿勢（図３（ａ）参照）のときに検出された出力値Ｙ１と、角速度センサ１０１が反転姿勢（図３（ｂ）参照）であり、且つ、角速度センサ１０１の真の角速度が出力値Ｙ１の検出時と同一であるときに検出された出力値Ｙ２とを用いて真の角速度を算出する方法である。
【０００４】
前述の出力値Ｙ１と真の角速度Ｘとの関係は、次式（２）’及び図３（ｃ）で表される。
Ｙ１＝ＡＸ＋ＢＰ…（２）’（ＢＰ：非反転姿勢のバイアス成分）
一方、前述の出力値Ｙ２と真の角速度Ｘとの関係は、次式（３）’及び図３（ｄ）で表される。
Ｙ２＝−ＡＸ＋ＢＮ…（３）’（ＢＮ：反転姿勢のバイアス成分）
【０００５】
バイアス成分は、角速度センサ１０１の物理的反転によって変化しないとみなすことができるため、式（２）’のＢＰと式（３）’のＢＮとは等しくなり、式（２）’から（３）’を引き、Ｘについて解くと、次式（４）’が算出される。
Ｘ＝（Ｙ１−Ｙ２）／２Ａ…（４）’
【０００６】
以上に説明した方法によって、真の角速度を算出するためには、非反転姿勢と反転姿勢とのときの出力値が必要である。非反転姿勢と反転姿勢とのときの出力値を検出することができる角速度センサとして、特許文献１の角速度センサを挙げることができる。特許文献１の角速度センサは、反転機構によって姿勢が反転される。よって、特許文献１の角速度センサは、姿勢が非反転状態のときは非反転姿勢の出力値を検出し、姿勢が反転状態のときは反転姿勢の出力値を検出することができる。
【０００７】
前述のように、式（４）’によって真の角速度を求めるためには、角速度Ｙ１及びＹ２の検出時における角速度センサの真の角速度Ｘは等しくなければならない。従って、特許文献１の角速度センサを用いて角速度Ｙ１及びＹ２を検出する場合、角速度Ｙ１及びＹ２を検出するときの特許文献１の角速度センサの真の角速度が同一でなければならない。このように、角速度Ｙ１及びＹ２の検出時の真の角速度が同一となるのは、特許文献１の角速度センサが停止状態であるか、又は、等速運動状態の場合である。よって、特許文献１の角速度センサが真の角速度が変化する運動を行っているときは、検出時の真の角速度が同一である角速度Ｙ１及びＹ２を検出できず、特許文献１の角速度センサを用いて、真の角速度を算出することができない。
【特許文献１】特開２００６−１７７９０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、慣性センサが真の角速度又は加速度が変化する運動を行っているときであっても、慣性センサの出力値に及ぼすバイアス成分の影響を軽減することができる慣性センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、慣性センサと、前記慣性センサの非反転姿勢における出力値をｙ１と、前記慣性センサの反転姿勢における出力値をｙ２とした時に、次式（１）によって算出される前記慣性センサの出力値に含まれるバイアス成分ｂ０を予め記憶する記憶手段と、前記慣性センサの出力値を、前記記憶手段が記憶するバイアス成分ｂ０に基づいて補正する補正手段とを備えたことを特徴とする慣性センサ装置を提供する。
ｂ０＝（ｙ１+ｙ２）/２…（１）
【００１０】
本発明に係る慣性センサ装置は、慣性センサの出力値を、式（１）によって算出されたバイアス成分ｂ０に基づいて補正する。慣性センサの出力値に含まれるバイアス成分を式（１）によって算出できるのは、以下に説明する通りである。慣性センサが非反転姿勢のときの慣性センサの出力値ｙ１と真の値（慣性センサが角速度センサである場合は、角速度の検出対象となる運動そのものの角速度、慣性センサが加速度センサである場合は、加速度の検出対象となる運動そのものの加速度）ｘとの関係は、次式（２）で表される。一方、慣性センサが反転姿勢のときの慣性センサの出力値ｙ２と真の値ｘとの関係は、次式（３）で表される。
ｙ１＝ａｘ＋ｂＰ…（２）（ｂＰ：非反転姿勢のバイアス成分）
ｙ２＝−ａｘ＋ｂＮ…（３）（ｂＮ：反転姿勢のバイアス成分）
バイアス成分は、慣性センサの物理的反転によって変化しないとみなせるため、式（４）が成り立つ。
ｂＰ＝ｂＮ…（４）
出力値ｙ１及びｙ２の検出時における慣性センサの真の値ｘが等しい場合、式（２）、（３）及び（４）に基づいて、式（５）が算出される。
ｂＰ＝ｂＮ＝（ｙ１＋ｙ２）／２…（５）
式（５）より、慣性センサの出力値に含まれるバイアス成分は、（ｙ１＋ｙ２）／２であることが導かれる。よって、慣性センサの出力値に含まれるバイアス成分は、式（１）によって算出することができる。
【００１１】
尚、式（１）は、出力値ｙ１及びｙ２の検出時における慣性センサの真の値ｘが同一であることを前提として導出された式であるので、出力値ｙ１及びｙ２の検出時における慣性センサの真の値ｘが異なると、式（１）によって算出されるバイアス成分ｂ０は、真のバイアス成分と異なる。よって、バイアス成分を高精度に算出する観点から、出力値ｙ１及びｙ２の検出時における慣性センサの真の値は、差が小さいことが好ましく、同一であることが最も好ましい。
【００１２】
本発明に係る慣性センサ装置は、式（１）によって算出されたバイアス成分ｂ０を記憶手段に記憶できる。よって、検出時における慣性センサの真の値が同一である非反転姿勢における出力値ｙ１と反転姿勢における出力値ｙ２とを用いて算出されたバイアス成分ｂ０を予め記憶手段に記憶させることで、その後、当該バイアス成分ｂ０を用いて、出力値を補正することができる。従って、本発明に係る慣性センサ装置は、真の値が変化する運動をしていても、検出時における角速度センサの真の角速度が同一である非反転姿勢及び反転姿勢のときの角速度ｙ１及びｙ２によって算出されたバイアス成分ｂ０を予め記憶しておけば、この記憶したバイアス成分ｂ０に基づいて、角速度を補正することができる。
【００１３】
よって、本発明の慣性センサ装置は、慣性センサが角速度センサである場合は、慣性センサが真の角速度が変化する運動をしているときでも、慣性センサの出力する角速度に及ぼすバイアス成分の影響を軽減することができる。また、本発明の慣性センサ装置は、慣性センサが加速度センサである場合は、慣性センサが真の加速度が変化する運動をしているときでも、慣性センサの出力する加速度に及ぼすバイアス成分の影響を軽減することができる。
【００１４】
好ましくは、本発明に係る慣性センサ装置は、前記記憶手段が記憶するバイアス成分ｂ０を、前記（１）式によって算出するバイアス成分算出手段を備えた構成とされる。
【００１５】
好ましくは、前記補正手段は、前記慣性センサの出力値を、前記記憶手段が記憶するバイアス成分ｂ０に基づいて補正すると共に、補正した出力値に基づいて角速度演算値又は加速度演算値を算出する構成とされる。
【００１６】
かかる好ましい構成においては、慣性センサが角速度センサの場合は、補正した出力値に基づいて角速度演算値が算出され、慣性センサが加速度センサの場合は、補正した出力値に基づいて加速度演算値が算出される。
【００１７】
このように、バイアス成分によって補正した出力値に基づいて角速度演算値又は加速度演算値が算出されるので、角速度演算値及び加速度演算値は共に真の値に近い値を有する。よって、かかる好ましい構成の慣性センサ装置は、真の値を高精度に算出することができる。
【００１８】
また、本発明は、前述の慣性センサ装置を備えたことを特徴とする電子機器を提供することもできる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、慣性センサが角速度又は加速度が変化する運動を行っているときであっても、慣性センサの出力値に及ぼすバイアス成分の影響を軽減する慣性センサ装置及び該慣性センサ装置を備えた電子機器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本実施形態では、慣性センサ装置が備える慣性センサが角速度センサである場合について説明する。図１は、本実施形態に係る慣性センサ装置１の概略ブロック図である。図１に示すように、慣性センサ装置１は、角速度センサ２、バイアス成分算出手段６、記憶手段７及び補正手段８を備える。
【００２１】
角速度センサ２は、ジャイロ素子３、駆動検出回路４及びＡＤコンバータ５を備える。
【００２２】
本実施形態においては、ジャイロ素子３には、ＭＥＭＳ技術で作成された振動子を有した面状のジャイロ素子が用いられている。面状のジャイロ素子の具体な構造の一例として、リング状の振動子と、リング状の振動子に沿って配置された複数の電極とを有した構造を挙げることができる。本具体例のジャイロ素子は、振動子が一次振動しているときに、振動子が回転運動を行うと、該回転運動の角速度に応じた大きさコリオリ力が振動子に生じ、該コリオリ力によって振動子に二次振動が生じる。駆動検出回路４は、前述の振動子を一次振動させるための電圧をジャイロ素子３の電極に印加すると共に、二次振動によるジャイロ素子３の振動子と電極との間の静電容量の変化に基づいて、ジャイロ素子３が行う回転運動の角速度を検出する。尚、駆動検出回路４が検出する角速度をｙと、ジャイロ素子３が行う回転運動の真の角速度をｘとしたとき、この角速度ｙと真の角速度ｘとは次式（６）の関係を有する。
ｙ＝ａｘ＋ｂ（ａ：係数、ｂ：バイアス成分）…（６）
ＡＤコンバータ５は、駆動検出回路４が検出した角速度を量子化し、量子化した角速度（出力値）を出力する。
【００２３】
バイアス成分算出手段６は、ＡＤコンバータ５によって出力される角速度に含まれるバイアス成分ｂを算出する。記憶手段７は、バイアス成分算出手段６によって算出されたバイアス成分ｂを予め記憶する。補正手段８は、ＡＤコンバータ５によって出力される角速度を、記憶手段７が記憶するバイアス成分ｂに基づいて補正する。
【００２４】
次に、バイアス成分算出手段６が行うバイアス成分ｂの算出と、補正手段８が行う角速度の補正とについて説明する。慣性センサ装置１の動作モードには、バイアス成分算出手段６がバイアス成分ｂを算出する動作モードと、補正手段８が角速度を補正する動作モードとがある。この２つの動作モードの切り替えは、例えば、慣性センサ装置１に動作モードの切替ボタンを設け、慣性センサ装置１のユーザ等が当該ボタンを操作することによって実現することができる。
【００２５】
バイアス成分算出手段６が行うバイアス成分ｂを算出する動作モードについて説明する。この動作モードでは、バイアス成分算出手段６によって、次式（１）を用いてバイアス成分ｂ０が算出されると共に、算出されたバイアス成分ｂ０がバイアス成分ｂとして記憶手段７に記憶させられる。
ｂ０＝（ｙ１+ｙ２）／２…（１）（ｙ１：角速度センサ２が非反転姿勢のときにＡＤコンバータ５から出力される角速度、ｙ２：角速度センサ２が反転姿勢のときにＡＤコンバータ５から出力される角速度）
【００２６】
角速度ｙ１は、角速度センサ２が非反転姿勢であると判断できる際に、ＡＤコンバータ５から出力される角速度を取得し、当該取得した角速度に基づいて算出される。角速度センサ２が非反転姿勢であるか否かの判断は、慣性センサ装置１に角速度センサ２が非反転姿勢のときにユーザによって操作されるボタンを設け、このボタンが操作されたか否かによって行うことができる。従って、角速度ｙ１の算出は、例えば、ユーザが角速度センサ２を非反転姿勢として、前述のボタンを操作し、バイアス成分算出手段６がこのボタンの操作を検出すると、ＡＤコンバータ５から出力される角速度を取得して、当該取得した角速度に基づいて角速度ｙ１を算出することで行われる。ＡＤコンバータ５から出力される角速度から角速度ｙ１を算出する方法は、例えば、ＡＤコンバータ５から出力される角速度を１回取得して、取得した角速度を角速度ｙ１として算出する方法、ＡＤコンバータ５から出力される角速度を複数回取得して、その平均値を角速度ｙ１として算出する方法などを挙げることができる。
【００２７】
角速度ｙ２は、角速度センサ２が反転姿勢であると判断できる際に、ＡＤコンバータ５から出力される角速度を取得することを除いては、角速度ｙ１と同様の方法で算出される。ここで、反転姿勢とは、非反転姿勢に対して面状のジャイロ素子３の法線方向が１８０°変更するように、ジャイロ素子３の向きを変更した姿勢である。
【００２８】
このように算出される角速度ｙ１及びｙ２を上式（１）に代入することで、角速度センサ（ＡＤコンバータ５）２が出力する角速度に含まれるバイアス成分ｂ０を算出することができるのは、以下に説明する通りである。角速度ｙ１と真の角速度ｘとの関係は、次式（２）で表される。一方、角速度ｙ２と真の値ｘとの関係は、次式（３）で表される。
ｙ１＝ａｘ＋ｂＰ…（２）（ｂＰ：非反転姿勢のバイアス成分）
ｙ２＝−ａｘ＋ｂＮ…（３）（ｂＮ：反転姿勢のバイアス成分）
バイアス成分は、角速度センサ２の物理的反転によって変化しないとみなせるため、式（４）が成り立つ。
ｂＰ＝ｂＮ…（４）
角速度ｙ１及びｙ２の検出時における角速度センサの真の角速度ｘが等しい場合、式（２）、（３）及び（４）に基づいて、式（５）が算出される。
ｂＰ＝ｂＮ＝（ｙ１＋ｙ２）／２…（５）
式（５）より、角速度ｙ１及びｙ２の検出時における角速度センサの真の角速度ｘが等しい場合、角速度センサ２が出力する角速度に含まれるバイアス成分は、（ｙ１＋ｙ２）／２であることが導かれる。よって、角速度ｙ１及びｙ２の検出時における角速度センサの真の角速度ｘが等しい場合、角速度センサ２が出力する角速度に含まれるバイアス成分は、上式（１）によって算出することができる。
【００２９】
バイアス成分算出手段６は、上式（１）を用いて算出したバイアス成分ｂ０をバイアス成分ｂとして記憶手段７に記憶させる。
【００３０】
次に、補正手段８が角速度を補正する動作モードについて説明する。この動作モードでは、補正手段８は、ＡＤコンバータ５によって出力された角速度を取得し、取得した角速度を記憶手段７が記憶するバイアス成分ｂ０に基づいて補正すると共に、補正された角速度に基づいて角速度演算値を算出する。
【００３１】
ＡＤコンバータ５から取得した角速度ｙ０を記憶手段７が記憶するバイアス成分ｂ０に基づいて行われる補正は、角速度ｙ０からバイアス成分ｂ０を引くことで行われる。
【００３２】
また、このようにバイアス成分ｂ０によって補正された角速度ｙ０に基づいて行われる角速度演算値ｘ０の算出は次式（７）を用いて行われる。
ｘ０＝（ｙ０−ｂ０）／ａ…（７）
【００３３】
以上に説明したように、慣性センサ装置１は、上式（１）によって算出されるバイアス成分ｂ０を記憶できる。従って、慣性センサ装置１は、角速度センサ２が真の角速度が変化する運動をしていても、検出時における角速度センサ２の真の角速度が同一である非反転姿勢及び反転姿勢のときの角速度ｙ１及びｙ２によって算出されたバイアス成分ｂ０を予め記憶しておけば、この記憶したバイアス成分ｂ０に基づいて、角速度を補正することができる。よって、慣性センサ装置１は、角速度センサ２が真の角速度が変化する運動をしていても、角速度センサ２が出力する角速度に及ぼすバイアス成分の影響をより確実に軽減することができる。
【００３４】
尚、検出時における角速度センサ２の真の角速度が同一である非反転姿勢及び反転姿勢の角速度ｙ１及びｙ２の検出は、例えば、次のように行うことができる。即ち、角速度センサ２が非反転姿勢であり、且つ、静止状態であるときの角速度ｙ１を検出し、角速度センサ２が反転姿勢であり、且つ、静止状態であるときの角速度ｙ２を検出することで行うことができる。また、例えば、角速度センサ２を非反転姿勢にして等速運動を行う物体（例えば、一定の角速度で回転する物）に固定し、角速度センサ２が等速運動を行っている時に角速度ｙ１を検出すると共に、角速度センサ２を反転姿勢にして当該物体に固定し、角速度センサ２が等速運動を行っている時に角速度ｙ２を検出することで行うことができる。
【００３５】
また、式（７）に示すように、バイアス成分ｂ０に基づいて補正された角速度に基づいて角速度演算値ｘ０が算出されるので、真の角速度に近い値を有する角速度演算値を算出することができる。よって、慣性センサ装置１は、真の角速度を高精度に算出することができる。
【００３６】
尚、前述のように算出されたバイアス成分ｂ０に基づいて補正された角速度、及び、角速度演算値ｘ０は、補正手段８によって、モニタや他の装置等に出力されるようにしてもよい。
【００３７】
また、本実施形態では、角速度ｙ１及びｙ２に基づくバイアス成分ｂ０の算出及び算出したバイアス成分ｂ０の記憶手段７への入力は、慣性センサ装置１が行っているが、バイアス成分の算出は、慣性センサ装置１以外の装置や慣性センサ装置１のユーザが行ってもよい。
【００３８】
また、角速度ｙ１及びｙ２を検出するために、角速度センサ２の姿勢を非反転及び反転の状態とすることをユーザが行えば、慣性センサ装置１に角速度センサ２の反転機構を設ける必要が無い。反転機構を設けない構成とすれば、慣性センサ装置１のコストを抑え、慣性センサ装置１を簡素な構成とすることができる、
【００３９】
また、本実施形態におけるジャイロ素子３には、ＭＥＭＳ技術で作成された振動子を有した面状のジャイロ素子が用いられているが、ジャイロ素子３に用いられるジャイロ素子は、本実施形態において用いられたジャイロ素子に限定されるものでない。さらに、本実施形態においては、慣性センサを角速度センサとしたが、慣性センサは加速度センサであってもよい。また、慣性センサに加速度センサを用いる場合は、慣性センサの出力値は加速度となる。また、慣性センサに加速度センサを用いる場合は、角速度演算値に代えて加速度演算値が補正手段８によって算出される。
【００４０】
以上に説明した慣性センサ装置１は、方位計測用のジャイロコンパスなどの電子機器の角速度や加速度を算出するために、当該電子機器に実装することができる。
【実施例】
【００４１】
上記の実施形態に係る慣性センサ装置１の補正手段８が式（７）によってバイアス成分ｂ０で補正した角速度（ｙ０−ｂ０）と、当該補正前の角速度ｙ０（即ち、ＡＤコンバータ５が出力した角速度そのもの）との誤差を測定した。図２に、その測定結果を表したグラフを示す。図２のグラフの横軸は、真の角速度ｘ、縦軸は、次式（８）によって算出された値である。
（Ｄ−ａｘ）×１００／出力範囲…（８）
【００４２】
角速度（ｙ０−ｂ０）の誤差を測定する場合は、式（８）のＤは（ｙ０−ｂ０）である。角速度ｙ０誤差を測定する場合は、式（８）のＤはｙ０である。又、出力範囲とは、慣性センサ装置１のＡＤコンバータ５から出力される最大の角速度と最小の角速度との差である。ここでは、出力範囲が４Ｖである。また、図２における、角速度（ｙ０−ｂ０）及び角速度Ｙ０の誤差を示す曲線は最小二乗法を用いて作成したものである。
【００４３】
図２に示すように、角速度（ｙ０−ｂ０）は、真の角速度ｘが０のときは略０である。即ち、バイアス成分ｂ０で補正することで、慣性センサ装置１から出力される角速度の原点通過性が向上する。また、角速度（ｙ０−ｂ０）は、真の角速度ｘの０を基準にして、真の角速度が正の値のときと負の値のときの誤差の大きさ（絶対値）がほぼ同一であるという対象性を有する。即ち、バイアス成分ｂ０で補正することで、慣性センサ装置１から出力される角速度は、回転方向によって誤差の大きさのばらつきが小さいという特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、本実施形態に係る慣性センサ装置の概略ブロック図である。
【図２】図２は、バイアス成分に基づいて補正された角速度と、補正されていない角速度との誤差を示す。
【図３】図３は、角速度センサが非反転姿勢のときと、反転姿勢のときとにおける角速度センサの出力値と、真の角速度との関係を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 慣性センサ装置
２ 角速度センサ
６ バイアス成分算出手段
７ 記憶手段
８ 補正手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性センサと、
前記慣性センサの非反転姿勢における出力値をｙ１と、前記慣性センサの反転姿勢における出力値をｙ２とした時に、次式（１）によって算出される前記慣性センサの出力値に含まれるバイアス成分ｂ０を予め記憶する記憶手段と、
前記慣性センサの出力値を、前記記憶手段が記憶するバイアス成分ｂ０に基づいて補正する補正手段とを備えたことを特徴とする慣性センサ装置。
ｂ０＝（ｙ１+ｙ２）/２…（１）
【請求項２】
前記記憶手段が記憶するバイアス成分ｂ０を、前記（１）式によって算出するバイアス成分算出手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ装置。
【請求項３】
前記補正手段は、前記慣性センサの出力値を、前記記憶手段が記憶するバイアス成分ｂ０に基づいて補正すると共に、補正した出力値に基づいて角速度演算値又は加速度演算値を算出することを特徴とする請求項１又２に記載の慣性センサ装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の慣性センサ装置を備えたことを特徴とする電子機器。
【請求項１】
慣性センサと、
前記慣性センサの非反転姿勢における出力値をｙ１と、前記慣性センサの反転姿勢における出力値をｙ２とした時に、次式（１）によって算出される前記慣性センサの出力値に含まれるバイアス成分ｂ０を予め記憶する記憶手段と、
前記慣性センサの出力値を、前記記憶手段が記憶するバイアス成分ｂ０に基づいて補正する補正手段とを備えたことを特徴とする慣性センサ装置。
ｂ０＝（ｙ１+ｙ２）/２…（１）
【請求項２】
前記記憶手段が記憶するバイアス成分ｂ０を、前記（１）式によって算出するバイアス成分算出手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ装置。
【請求項３】
前記補正手段は、前記慣性センサの出力値を、前記記憶手段が記憶するバイアス成分ｂ０に基づいて補正すると共に、補正した出力値に基づいて角速度演算値又は加速度演算値を算出することを特徴とする請求項１又２に記載の慣性センサ装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の慣性センサ装置を備えたことを特徴とする電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−１０３５４２（Ｐ２００９−１０３５４２Ａ）
【公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２７４５２９（Ｐ２００７−２７４５２９）
【出願日】平成１９年１０月２３日（２００７．１０．２３）
【出願人】（０００１８３３６９）住友精密工業株式会社 (336)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月２３日（２００７．１０．２３）
【出願人】（０００１８３３６９）住友精密工業株式会社 (336)
【Ｆターム（参考）】
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