(57)【要約】【課題】物理量センサのセンサ信号から、物理量を精度良く検出することができる物理量検出方法、検出装置、および電子機器を提供すること。【解決手段】電子機器の検出部５６０は、位相比較器５６１と、位相変化検出部５６２と、周波数算出部５６３と、角速度検出部５６４とを備える。位相比較器５６１には、コリオリ力の大きさに対応する周波数の信号成分と、所定周波数の基準信号の信号成分を含むセンサ信号Ｓが、ジャイロセンサより入力される。位相比較器５６１は、ジャイロセンサからのセンサ信号と基準信号との位相差を検出し、位相変化検出部５６２は、２つの時刻に検出された位相差より位相変化量Δψを検出する。そして、周波数算出部５６３は、２つの時刻間の時間差および位相変化量Δψに基づき、コリオリ力の大きさに対応する信号成分の周波数を算出し、角速度検出部５６４は、この周波数より角速度ωを検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量に対応する周波数の信号成分、および所定周波数の基準信号の信号成分を含むセンサ信号から物理量を検出する物理量検出方法であって、
第１の時刻において前記センサ信号と前記所定周波数との位相差を検出するステップと、
前記第１の時刻と異なる第２の時刻において前記センサ信号と前記基準信号との位相差を検出するステップと、
前記第１の時刻において検出された位相差、および前記第２の時刻において検出された位相差に基づいて、前記物理量に対応する信号成分の位相変化を検出するステップと、
前記検出された位相変化、および前記第１の時刻と前記第２の時刻との時間差に基づいて、前記物理量に対応する信号成分の周波数を算出するステップと、
前記算出した周波数に対応する物理量を検出するステップとを含むことを特徴とする物理量検出方法。
【請求項２】
物理量に対応する周波数の信号成分、および所定周波数の基準信号の信号成分を含むセンサ信号から物理量を検出するための検出装置であって、
前記センサ信号と前記基準信号との位相差を検出する位相差検出手段と、
第１の時刻において検出された位相差、および前記第１の時刻と異なる第２の時刻において検出された位相差に基づいて、前記物理量に対応する信号成分の位相変化を検出する位相変化検出手段と、
前記検出された位相変化、および前記第１の時刻と前記第２の時刻との時間差に基づいて、前記物理量に対応する信号成分の周波数を算出する周波数算出手段と、
前記算出した周波数に対応する物理量を検出する物理量検出手段とを備えることを特徴とする検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の検出装置において、
前記センサ信号をデジタル信号に変換する変換手段をさらに備え、
前記位相差検出手段は、前記デジタル信号に変換されたセンサ信号から位相差を検出するデジタル処理を行うことを特徴とする検出装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の検出装置と、
前記センサ信号を前記検出装置に出力する物理量センサと、
前記検出装置により検出された物理量に応じた処理を行う処理部とを備えることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジャイロセンサや加速度センサなどの物理量センサが出力するセンサ信号から物理量を検出する物理量検出方法、検出装置、および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、デジタルカメラ、携帯電話機、カーナビゲーションシステムなどの電子機器には、ジャイロセンサや加速度センサなどの物理量センサが広く用いられている。物理量センサの検出信号から角速度や加速度などの物理量を検出することにより、物理量に応じた電子機器の様々な制御が実現される。
【０００３】
ここで、特許文献１，２には、ジャイロセンサの検出信号から物理量である角速度を求める技術が開示されている。特許文献１，２に記載のジャイロセンサは、コリオリ力に対応する周波数成分および不要成分を含む検出信号を振動子から検出し、検出信号に同期検波およびローパスフィルタの処理を順に施す電圧変換を行うことによって、不要信号を除去するとともに、コリオリ力の大きさに応じた電圧レベルの信号を得るようにしている。このジャイロセンサから出力される信号の電圧レベルを測定することによって振動子の周波数を取得し、その周波数に応じて物理量である角速度を得ることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−７０２２９号公報
【特許文献２】特開２００８−１２２１２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１，２の技術では、振動子からの検出信号に電圧変換を行うことにより、物理量の検出精度が低下することがあるという課題があった。例えば、電圧変換の変換特性に非線形な歪みが生じた場合、電圧変換の精度低下に伴って、物理量の検出精度が低下することとなってしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］物理量に対応する周波数の信号成分、および所定周波数の基準信号の信号成分を含むセンサ信号から物理量を検出する物理量検出方法であって、第１の時刻において前記センサ信号と前記所定周波数との位相差を検出するステップと、前記第１の時刻と異なる第２の時刻において前記センサ信号と前記基準信号との位相差を検出するステップと、前記第１の時刻において検出された位相差、および前記第２の時刻において検出された位相差に基づいて、前記物理量に対応する信号成分の位相変化を検出するステップと、前記検出された位相変化、および前記第１の時刻と前記第２の時刻との時間差に基づいて、前記物理量に対応する信号成分の周波数を算出するステップと、前記算出した周波数に対応する物理量を検出するステップとを含むことを特徴とする物理量検出方法。
【０００８】
［適用例２］物理量に対応する周波数の信号成分、および所定周波数の基準信号の信号成分を含むセンサ信号から物理量を検出するための検出装置であって、前記センサ信号と前記基準信号との位相差を検出する位相差検出手段と、第１の時刻において検出された位相差、および前記第１の時刻と異なる第２の時刻において検出された位相差に基づいて、前記物理量に対応する信号成分の位相変化を検出する位相変化検出手段と、前記検出された位相変化、および前記第１の時刻と前記第２の時刻との時間差に基づいて、前記物理量に対応する信号成分の周波数を算出する周波数算出手段と、前記算出した周波数に対応する物理量を検出する物理量検出手段とを備えることを特徴とする検出装置。
【０００９】
これらの構成によれば、２つの時刻間における、物理量に対応する信号成分の位相変化および時間差に基づいて、物理量に対応する信号成分の周波数を得ることができ、その周波数より物理量を検出することができる。特許文献１，２に記載の技術と異なり、センサ信号の周波数を得るために、物理量に応じた電圧レベルの信号にセンサ信号を電圧変換することがなく、電圧変換に伴う検出精度の低下がないため、物理量を精度良く検出することが可能である。
【００１０】
［適用例３］上記検出装置において、前記センサ信号をデジタル信号に変換する変換手段をさらに備え、前記位相差検出手段は、前記デジタル信号に変換されたセンサ信号から位相差を検出するデジタル処理を行うことを特徴とする検出装置。
【００１１】
この構成によれば、センサ信号の位相差をデジタル処理で検出することによって、物理量を求めることができる。
【００１２】
［適用例４］上記検出装置と、前記センサ信号を前記検出装置に出力する物理量センサと、前記検出装置により検出された物理量に応じた処理を行う処理部とを備えることを特徴とする電子機器。
【００１３】
この構成によれば、電子機器の物理量を精度良く検出し、物理量に応じた適切な処理を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づいて説明する。
【００１５】
（第１実施例）
図１に、第１実施例に係る電子機器の構成例を示す。図１に示すように、検出装置の一例である電子機器５００は、ジャイロセンサ（物理量センサ）５１０と、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の処理部５２０と、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリ５３０と、操作部５４０と、表示部５５０と、検出部（検出装置）５６０とを備えている。
【００１６】
なお、電子機器５００としては、図１の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の形態とすることが可能である。この電子機器５００の具体例としては、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話機、カーナビゲーションシステム、ロボット、ゲーム機、携帯型情報端末等の種々のものを挙げることができる。また、本実施例では、物理量センサがジャイロセンサである場合を例に説明するが、物理量センサとしてはこれに限られることなく、物理量として加速度を検出する加速度センサなどの様々なセンサであってもよい。
【００１７】
処理部５２０は、ジャイロセンサ５１０等の制御や電子機器５００全体の制御を行う。また、処理部５２０は、ジャイロセンサ５１０および検出部５６０によって検出される角速度（物理量）に基づいて、例えば、手ぶれ補正、姿勢制御、ＧＰＳ自律航法などのための処理を行う。メモリ５３０は、制御プログラムや各種データを記憶したり、ワーク領域やデータ格納領域として機能する。操作部５４０はユーザが電子機器５００を操作するためのものである。表示部５５０は種々の情報をユーザに表示するためのものである。
【００１８】
ジャイロセンサ５１０は、振動子１０と、駆動回路２０と、出力回路３０とを含む。振動子１０は、水晶などの圧電材料の薄板から形成される音叉型の圧電振動子であり、駆動用振動子１１，１２および検出用振動子１６，１７を有する。振動子１０の駆動用振動子１１には駆動端子２、駆動用振動子１２には駆動端子４が設けられている。また、振動子１０の検出用振動子１６には検出端子６、検出用振動子１７には検出端子８が設けられている。
【００１９】
なお、図１では、振動子１０が音叉型である場合の例を示しているが、本実施例の振動子１０はこのような構造に限定されない。例えばＴ字型やダブルＴ字型等であってもよいし、振動子１０の圧電材料としては水晶以外であってもよい。
【００２０】
駆動回路２０は、駆動信号を振動子１０に出力することにより物理量トランスデューサである振動子１０を駆動させ、振動子１０からフィードバック信号を受ける。これにより振動子１０を励振させる。
【００２１】
具体的には、駆動回路２０は、交流の駆動信号を駆動用振動子１１の駆動端子２に印加する。すると、逆電圧効果によって駆動用振動子１１が振動を開始し、音叉振動によって駆動用振動子１２も振動を開始する。このとき、駆動用振動子１２の圧電効果によって発生する電流（電荷）が、フィードバック信号として駆動端子４から駆動回路２０にフィードバックされる。これにより、振動子１０を含む発振ループが形成される。
【００２２】
また、駆動用振動子１１，１２が振動すると、検出用振動子１６，１７が図１に示す方向で振動速度ｖで振動する。すると、検出用振動子１６の圧電効果によって発生する電流が、検出信号として検出端子６から出力されるとともに、検出用振動子１７の圧電効果によって発生する電流は、検出信号として検出端子８から出力回路３０に入力される。出力回路３０は、ＱＶ変換回路３００を含み、振動子１０からの検出信号を、ＱＶ変換回路３００により電圧の信号（以下、「センサ信号Ｓ」という。）に変換して検出部５６０に出力する。
【００２３】
ここで、検出軸１９を中心に振動子１０（ジャイロセンサ）が回転すると、振動速度ｖの振動方向と直交する方向にコリオリ力Ｆｃが発生する。このため、ジャイロセンサ５１０が出力するセンサ信号Ｓには、駆動用振動子１１，１２の固有振動に対応する信号成分（基準周波数ｆｋ）に加えて、さらに検出用振動子１６，１７間に発生するコリオリ力の大きさに応じた信号成分（周波数ｆｃ）が含まれる。すなわち、センサ信号Ｓは、基準周波数ｆｋの信号成分と周波数ｆｃの信号成分を含む周波数ｆｓの信号となる。
【００２４】
例えば、検出軸１９を中心に回転したときの角速度をωとし、振動子の質量をｍとし、振動子の振動速度をｖとすると、コリオリ力はＦｃ＝２ｍ・ｖ・ωで表される。したがって、センサ信号Ｓから、コリオリ力の大きさに応じた信号成分を検出すれば、ジャイロセンサの角速度ωを求めることができる。そして求められた角速度ωを用いることで、処理部５２０は、手ぶれ補正、姿勢制御、或いはＧＰＳ自律航法等のための種々の処理を行うことができる。
【００２５】
次に、検出部５６０の構成について説明する。図２は、検出部５６０の構成を示す図である。図２に示すように、検出部５６０は、位相比較器（位相差検出手段）５６１と、位相変化検出部（位相変化検出手段）５６２と、周波数算出部（周波数算出手段）５６３と、角速度検出部（物理量検出手段）５６４とを含む。
【００２６】
位相比較器５６１は、ジャイロセンサから入力されたセンサ信号Ｓと所定の基準信号との位相差を検出する回路である。具体的には、図３に示すように、位相比較器５６１は、基準信号発振回路４０と、位相比較器であるミキサ４１，４２と、π／２遅延回路４３とを有する。
【００２７】
基準信号発振回路４０は、ジャイロセンサ５１０の基準周波数ｆｋと同一の周波数の基準信号を発振し、ミキサ４１、およびπ／２遅延回路４３のそれぞれに基準周波数ｆｋの基準信号を入力する。
【００２８】
ミキサ４１は、ジャイロセンサ５１０からのセンサ信号Ｓと基準信号の入力を受けて、センサ信号Ｓと基準信号を合成することによりＩ信号を生成する。
【００２９】
一方、π／２遅延回路４３に入力された基準信号は、π／２遅延回路４３によって位相がπ／２遅れた状態となって、ミキサ４２に入力される。ミキサ４２は、ジャイロセンサ５１０からのセンサ信号Ｓとπ／２位相が遅れた基準信号の入力を受けて、これらを合成することによりＱ信号を生成する。こうして生成されたＩ信号およびＱ信号は、センサ信号Ｓと基準信号との位相差を複素数で示している。すなわち、位相比較器５６１は、センサ信号Ｓと基準信号との位相差に対応するＩ信号およびＱ信号を出力することによって、位相差の検出を行う。
【００３０】
そして、Ｉ信号およびＱ信号は、位相変化検出部５６２に入力される。位相変化検出部５６２は、少なくとも２つの時刻におけるＩ信号およびＱ信号を検出し、次式（１）に従う信号処理により、センサ信号Ｓと基準信号との位相差ψが変化する量、すなわち位相変化量Δψを算出する。そして、位相変化量Δψに応じた信号を周波数算出部５６３に出力する。ただし、図４に示すように、Ｉt1，Ｑt1，ψt1は順に、第１の時刻である時刻ｔ１におけるＩ信号、Ｑ信号、位相差である。Ｉt2，Ｑt2，ψt2は順に、第２の時刻である時刻ｔ２におけるＩ信号、Ｑ信号、位相差である。
Δψ＝ψt2−ψt1
＝ｔａｎ-1［（Ｉt1Ｑt2−Ｑt1Ｉt2）／（Ｉt1Ｉt2＋Ｑt1Ｑt2）］…（１）
【００３１】
周波数算出部５６３は、位相変化量Δψおよび時間差から、次式（２）に従ってセンサ信号の周波数ｆｃを算出する処理を行う。ただし、Δｔは、時刻ｔ１，ｔ２間の時間差である。
ｆｃ＝Δψ／（２π・Δｔ）  …（２）
【００３２】
そして、角速度検出部５６４は、周波数ｆｃの値に基づき角速度ω（＝２π・ｆｃ）を検出する。こうして検出した角速度ωの情報は処理部５２０に出力される。
【００３３】
なお、位相変化検出部５６２、周波数算出部５６３および角速度検出部５６４が行う処理は、処理の全てまたは一部をアナログ処理によって実現するようにしてもよいし、処理の全てまたは一部をデジタル処理によって実現するようにしてもよい。
【００３４】
次に、上述した電子機器５００の動作について、図５のフローチャートに従って説明する。
【００３５】
まず、図５の処理に先立ち、処理部５２０は、ジャイロセンサ５１０を駆動させる。ジャイロセンサ５１０の駆動回路２０は駆動用振動子１１，１２を発振させ、振動子１０からの検出信号がセンサ信号Ｓとして検出部５６０に入力される。そして、検出部５６０の位相比較器５６１は、センサ信号ＳからＩ信号およびＱ信号を生成し、位相変化検出部５６２に出力する。
【００３６】
Ｉ信号およびＱ信号が入力されると、検出部５６０の位相変化検出部５６２は、ある時刻ｔ１において、Ｉ信号（Ｉt1）およびＱ信号（Ｑt1）を検出し（ステップＳ１）、時刻ｔ１より所定時間遅れる時刻ｔ２において、Ｉ信号（Ｉt2）およびＱ信号（Ｑt2）を検出する（ステップＳ２）。そして、式（１）に従う処理により、時刻ｔ１，ｔ２間における位相変化量Δψを検出する（ステップＳ３）。
【００３７】
もっとも、位相変化量Δψを求める方法としては、ステップＳ１において時刻ｔ１のＩ信号、Ｑ信号から位相差ψt1（＝ｔａｎ-1（Ｑt1／Ｉt1））を求めて、ステップＳ２において時刻ｔ２のＩ信号、Ｑ信号から位相差ψt2（＝ｔａｎ-1（Ｑt2／Ｉt2））を求めるようにしてもよい。この場合、ステップＳ３において、位相差ψt1，ψt2の差を位相変化量Δψとして検出する。
【００３８】
次に、周波数算出部５６３は、位相変化量Δψを用いて式（２）に従う処理を実行することにより、コリオリ力の大きさに対応する振動成分の周波数ｆｃを算出する（ステップＳ４）。
【００３９】
次に、角速度検出部５６４は、周波数ｆｃの値を用いて角速度ω（＝２π・ｆｃ）を検出する（ステップＳ５）。そして、検出した角速度ωの情報を処理部５２０に出力する。
【００４０】
次に、処理部５２０は、角速度ωに応じた処理を行う（ステップＳ６）。ここでは、例えば、例えば、電子機器５００がデジタルカメラやビデオカメラであれば角速度ωに応じた手ぶれ補正の処理などが適宜行われる。なお、上述したステップＳ１〜Ｓ６の処理が所定時間ごとに繰り返し行われることによって、角速度ωに応じた処理は連続的に行われる。これにより、例えば、手ぶれ補正の処理を行う場合であれば、手ぶれが補正された状態が維持される。
【００４１】
上述した、第１実施例によれば、ジャイロセンサ５１０のセンサ信号Ｓと、基準信号の位相差を用いて、２つの時刻間における位相差の変化量から、電子機器５００の物理量である角速度ωを求め、角速度ωに応じた手ぶれ補正などの処理を適切に行うことができる。ここで、特許文献１，２に記載の技術と異なり、振動子からの検出信号に、コリオリ力の大きさに対応する電圧レベルの信号に変換する電圧変換を施していないため、電圧変換による検出精度の低下を招くことなく、角速度ωを精度良く求めることが可能である。また、電圧変換を実行するための構成を要しないため、回路の小規模化およびコストの低廉化を図ることができる。
【００４２】
（第２実施例）
次に、第２実施例について説明する。第１実施例では、ミキサを用いたアナログ処理によって、センサ信号Ｓと基準信号との位相差ψを検出するようにしたが、第２実施例では、デジタル処理によって位相差ψを検出する。
【００４３】
図６は、第２実施例における検出部５６０の構成を示す図である。図６に示すように、検出部５６０は、ＡＤ変換回路（変換手段）５６５と、位相比較器５６６と、位相変化検出部５６２と、周波数算出部５６３と、角速度検出部５６４とを含む。なお、第１実施例と同様の構成については同じ符号を付与し、詳細な説明を省略する。
【００４４】
ＡＤ変換回路５６５は、ジャイロセンサから入力されるセンサ信号Ｓにサンプリングおよび量子化の処理を施することにより、センサ信号Ｓをデジタル信号として検出する。
【００４５】
位相比較器５６６は、デジタル信号であるセンサ信号Ｓにデジタル処理を施すことにより、基準信号に対するセンサ信号Ｓの位相差を検出する。具体的な例としては、位相比較器５６６を、デジタル信号のセンサ信号Ｓとデジタルの基準信号との排他的論理和を演算するＥｘＯＲ回路を用いた構成とすることにより、位相差ψを検出することができる。
【００４６】
そして、位相変化検出部５６２は、位相比較器５６６によって検出された２つの時刻における位相差ψt1，ψt2を用いて位相変化量Δψ（＝ψt2−ψt1）を求めて、周波数算出部５６３は、コリオリ力の大きさに対応する周波数ｆｃを算出する。こうすることにより、角速度検出部５６４は、周波数ｆｃから角速度ωを検出できる。
【００４７】
上述した第２実施例によれば、電子機器５００の角速度ωをデジタル処理によって求めることができる。この場合、ミキサを用いたアナログ処理において起こり易い誤差の発生を抑制することができ、角速度ωをさらに精度良く検出することが可能となる。また、センサ信号Ｓをデジタル信号として扱うので、アナログ信号を扱う第１実施例と比べると、検出部５６０が行う処理を簡略化することができ、回路のさらなる小規模化およびコストの低廉化を図ることができる。
【００４８】
以上、第１実施例および第２実施例について説明したが、これらに限られることなく、その趣旨に逸脱しない様々な形態としてもよい。以下、変形例について説明する。
【００４９】
（変形例１）上記第１実施例および第２実施例では、検出部は、角速度ωの情報を出力するようにしたが、検出部は周波数ｆｃの情報を出力して、周波数ｆｃから角速度ωを求める処理は処理部が行う構成としてもよい。この場合、検出部および処理部が検出装置に相当する。
【００５０】
（変形例２）上記第１実施例および第２実施例では、ジャイロセンサとは別に、検出装置である検出部が備わる例について説明したが、ジャイロセンサに検出部が含まれる構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１実施例に係る電子機器の構成を示す図。
【図２】検出部の構成を示す図。
【図３】位相比較器の構成を示す図。
【図４】センサ信号の位相変化を説明する図。
【図５】電子機器の動作を示すフローチャート。
【図６】第２実施例に係る検出部の構成を示す図。
【符号の説明】
【００５２】
１０…振動子、２０…駆動回路、３０…出力回路、３００…ＱＶ変換回路、４０…基準信号発振回路、４１，４２…ミキサ、４３…π／２遅延回路、５００…電子機器、５１０…物理量センサとしてのジャイロセンサ、５２０…処理部、５３０…メモリ、５４０…操作部、５５０…表示部、５６０…検出装置としての検出部、５６１…位相差検出手段としての位相比較器、５６２…位相変化検出手段としての位相変化検出部、５６３…周波数算出手段としての周波数算出部、５６４…物理量検出手段としての角速度検出部、５６５…変換手段としてのＡＤ変換回路、５６６…位相差検出手段としての位相比較器、Ｓ…センサ信号、ｆｓ…センサ信号の周波数、ｆｋ…基準周波数、ｆｃ…コリオリ力の大きさに対応する周波数。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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