(57)【要約】      （修正有）【課題】複雑な手段を要することなく、温度特性を学習していない使用初期や使用する周囲温度がそれまでとは異なる場合などであっても、温度変化により発生する出力変化による演算誤差を比較的簡単に、しかも精度良く小さくすることのできる、慣性センサおよびその演算誤差軽減方法を提供する。【解決手段】慣性センサは、慣性を感知するセンサ素子５１と、信号処理回路と、およびメモリ５８とを少なくとも備え、メモリ５８には本慣性センサの特性を推測するためのメモリデータが格納されている構成とする。慣性センサの範囲には、角速度センサも加速度センサも含む。【選択図】図５
2014106206.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性を感知するセンサ素子と、信号処理回路と、およびメモリとを少なくとも備えて構成された慣性センサであって、該メモリには本慣性センサの特性を推測するためのメモリデータが格納されている、慣性センサ。
【請求項２】
慣性を感知するセンサ素子と、少なくとも信号処理回路とメモリを備えて構成されたＬＳＩにより構成された慣性センサであって、該メモリには本慣性センサの特性を推測するためのメモリデータが格納されている、慣性センサ。
【請求項３】
センサ使用環境変化が原因で発生するセンサ出力変化による演算誤差が、前記メモリデータに基づいて軽減されることを特徴とする、請求項１または２に記載の慣性センサ。
【請求項４】
前記慣性センサの構成には温度センサを含み、前記メモリデータは前記温度センサの出力を基準に得られた本慣性センサの温度特性に関するデータであることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の慣性センサ。
【請求項５】
前記メモリデータは、（定義域データ，値域データたるセンサ出力データ）による直線または二次以上の曲線の係数を表していることを特徴とする、請求項４に記載の慣性センサ。
【請求項６】
前記メモリデータは、複数の（温度データ，センサ出力データ）を表していることを特徴とする、請求項５に記載の慣性センサ。
【請求項７】
前記メモリデータは本慣性センサ製造時に取得されたデータであることを特徴とする、請求項４ないし６のいずれかに記載の慣性センサ。
【請求項８】
前記メモリデータは、温度補正されていることを特徴とする、請求項４ないし７のいずれかに記載の慣性センサ。
【請求項９】
前記温度補正は直線または二次以上の曲線として表されることを特徴とする、請求項８に記載の慣性センサ。
【請求項１０】
前記メモリデータは温度補正されていないことを特徴とする、請求項４ないし７のいずれかに記載の慣性センサ。
【請求項１１】
角速度センサであることを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれかに記載の慣性センサ。
【請求項１２】
加速度センサであることを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれかに記載の慣性センサ。
【請求項１３】
請求項４ないし１２のいずれかに記載の慣性センサを使用したシステムにおいて、前記メモリデータを前記慣性センサから読み取ることで本慣性センサ特性を推測し、推測値を元に使用環境変化が原因で発生するセンサ出力変化による演算誤差を軽減する、慣性センサの演算誤差軽減方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は慣性センサおよびその演算誤差軽減方法に係り、カーナビゲーションや自動車、ロボットの姿勢制御、カメラ等の手ぶれ補正等に使用されている慣性センサ(角速度センサ、加速度センサ)を使用するシステムにおいて、特に温度変化により発生する出力変化による演算誤差を比較的簡単に、しかも精度良く小さくすることを可能とする、慣性センサおよびその演算誤差軽減方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
カーナビゲーションや自動車、ロボットの姿勢制御、カメラ等の手ぶれ補正等に使用されている慣性センサ(角速度センサ、加速度センサ)を使用するシステムにおいては、特に温度変化により発生する出力変化による演算誤差をできる限り小さくすることが求められる。従来は、温度特性がある一定範囲に収まっているセンサ使用することで演算誤差をある程度抑えていた。ただしセンサごとに温度特性が存在し、かつセンサごとに温度特性が異なるため、演算誤差を完全に抑えることは難しい。そこで、システム側には学習機能を持たせ、使用時に得られた温度データとセンサデータからセンサの温度特性を学習させて、演算誤差を軽減していく方法が採られている例が多い。
【０００３】
なお、慣性センサにおけるデータ補正技術については従来、複数の提案がなされている。このうち後掲特許文献１には、補正値の精度を高める補正値記憶装置として、温度センサおよびジャイロセンサとバッテリとの間にバッテリに対してイグニションスイッチを介さずに接続される端子が設けられていて、温度センサおよびジャイロセンサとバッテリとは端子を通る回路およびイグニションスイッチに接続された別の端子を通る回路の２系統で接続可能とし、温度センサおよびジャイロセンサと端子および別の端子との間には温度センサおよびジャイロセンサを端子および別の端子のいずれに接続するかを切り換える切り換えスイッチが設けられ、出力ＩＦにはＣＰＵからの命令に応じて切り換えスイッチに接続を切り換えさせるスイッチ制御回路が接続された構成が開示されている。
【０００４】
また特許文献２には、補正信号生成手段に比較的精度の要らない回路を用いても幅広い範囲の感度およびドリフト補正が可能とな物理量センサとして、検波手段の出力信号に対する増幅率を調整することで物理量センサの感度補正を行う可変ゲイン増幅手段と、補正信号生成手段の出力を可変ゲイン増幅手段の増幅率に応じてレベル調整する補正信号調整手段とを備え、検波手段の出力信号に補正信号調整手段の出力信号を加算した信号を可変ゲイン増幅手段で増幅する構成が開示されており、これにより、出力零点ドリフト補正の分解能は、可変ゲイン増幅手段の増幅率によらず一定にできるとしている。
【０００５】
また特許文献３には、デジタルカメラのレンズ駆動時に発生する機械的ガタによるレンズの芯ズレの影響を解消することを目的として、フォーカスレンズの駆動に伴うレンズ内の機械的ガタによる芯ズレ量を記憶しておくズレ量記録メモリを設け、フォーカスレンズの駆動時に発生する画像ズレを、該ズレ量記録メモリに記憶された芯ズレ量に基づいて補正する技術が開示されている。もっともこれは、機械的なガタの補正に関するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３０８４４８号「補正値記憶装置および補正装置」
【特許文献２】特開２００６−０９０７０６号「物理量センサ」（特許第４５５９８０５号）
【特許文献３】特開２０１０−２２４１６６号「デジタルカメラ及び交換レンズ」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
さて上述したように、慣性センサを使用するシステムにおける温度変化がもたらす出力変化による演算誤差の軽減については、システム側には学習機能を持たせてシステム側が学習することにより、反復使用されるにつれてその都度演算誤差は小さくなる。しかしながら、温度特性を学習していない使用初期や、使用する周囲温度がそれまでとは異なる場合などにおいては、演算誤差が発生するため、演算誤差が小さくなるまでにかなりの時間が必要となる。
【０００８】
そこで本発明が解決しようとする課題は、上記各特許文献開示技術のような複雑な手段を要することなく、温度特性を学習していない使用初期や使用する周囲温度がそれまでとは異なる場合などであっても、温度変化により発生する出力変化による演算誤差を比較的簡単に、しかも精度良く小さくすることのできる、慣性センサおよびその演算誤差軽減方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明者は上記課題について検討した結果、センサの温度特性の情報をセンサ内のメモリに格納しておき、システム側では事前にこの情報をデジタル通信によって読み込み、この情報を元に補正することによって課題解決できることに想到し、これに基づいて本発明を完成するに至った。すなわち、上記課題を解決するための手段として本願で特許請求される発明、もしくは少なくとも開示される発明は、以下の通りである。
【００１０】
〔１〕  慣性を感知するセンサ素子と、信号処理回路と、およびメモリとを少なくとも備えて構成された慣性センサであって、該メモリには本慣性センサの特性を推測するためのメモリデータが格納されている、慣性センサ。
〔２〕  慣性を感知するセンサ素子と、少なくとも信号処理回路とメモリを備えて構成されたＬＳＩにより構成された慣性センサであって、該メモリには本慣性センサの特性を推測するためのメモリデータが格納されている、慣性センサ。
〔３〕  センサ使用環境変化が原因で発生するセンサ出力変化による演算誤差が、前記メモリデータに基づいて軽減されることを特徴とする、〔１〕または〔２〕に記載の慣性センサ。
〔４〕  前記慣性センサの構成には温度センサを含み、前記メモリデータは前記温度センサの出力を基準に得られた本慣性センサの温度特性に関するデータであることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の慣性センサ。
〔５〕  前記メモリデータは、（定義域データ，値域データたるセンサ出力データ）による直線または二次以上の曲線の係数を表していることを特徴とする、〔４〕に記載の慣性センサ。
〔６〕前記メモリデータは、複数の（温度データ，センサ出力データ）を表していることを特徴とする、〔５〕に記載の慣性センサ。
【００１１】
〔７〕  前記メモリデータは本慣性センサ製造時に取得されたデータであることを特徴とする、〔４〕ないし〔６〕のいずれかに記載の慣性センサ。
〔８〕  前記メモリデータは、温度補正されていることを特徴とする、〔４〕ないし〔７〕のいずれかに記載の慣性センサ。
〔９〕  前記温度補正は直線または二次以上の曲線として表されることを特徴とする、〔８〕に記載の慣性センサ。
〔１０〕  前記メモリデータは温度補正されていないことを特徴とする、〔４〕ないし〔７〕のいずれかに記載の慣性センサ。
〔１１〕  角速度センサであることを特徴とする、〔１〕ないし〔１０〕のいずれかに記載の慣性センサ。
〔１２〕  加速度センサであることを特徴とする、〔１〕ないし〔１０〕のいずれかに記載の慣性センサ。
〔１３〕  〔４〕ないし〔１２〕のいずれかに記載の慣性センサを使用したシステムにおいて、前記メモリデータを前記慣性センサから読み取ることで本慣性センサ特性を推測し、推測値を元に使用環境変化が原因で発生するセンサ出力変化による演算誤差を軽減する、慣性センサの演算誤差軽減方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の慣性センサおよびその演算誤差軽減方法は上述のように構成されるため、これによれば、従来技術のような複雑な手段を要することなく、温度特性を学習していない使用初期や使用する周囲温度がそれまでとは異なる場合などであっても、温度変化により発生する出力変化による演算誤差を比較的簡単に、かつ精度良く小さくすることができる。
【００１３】
つまり本発明によれば、メモリデータからセンサの温度特性を容易に、かつ高精度で推測できるため、システム側における学習機能による学習を要することなく、使用開始当初から温度変化による演算誤差の少ない高精度な演算が可能となる。したがって、カーナビゲーションや自動車、ロボットの姿勢制御、カメラ等の手ぶれ補正等に使用される慣性センサ(角速度センサ、加速度センサ)として、高性能の慣性センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の慣性センサの基本的構成を示す概念図である。
【図２】本発明の慣性センサの別の基本的構成を示す概念図である。
【図３】本発明の慣性センサの演算誤差軽減方法の構成を示すフロー図である。
【図４】本発明の例として、角速度センサの構成例を示す説明図である。
【図５】本発明の慣性センサに係るＬＳＩの回路構成例を示す説明図である。
【図６】実施例において、角速度センサの静止時出力の温度特性（角速度換算値）を示すグラフである。
【図７】実施例において、ＬＳＩ内のメモリに格納するデータの例を示すグラフである。
【図８（ａ）】実施例において、センサ特性の推測がない場合におけるセンサ温度変化と誤差の例を示すグラフである。
【図８（ｂ）】実施例において、ＬＳＩ内メモリデータからセンサ特性の推測を行った場合におけるセンサ温度変化と誤差の例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面により本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の慣性センサの基本的構成を示す概念図である。図示するように本慣性センサ１０は、慣性を感知するセンサ素子１と、信号処理回路２と、およびメモリ３とを少なくとも備え、メモリ３には本慣性センサ１０の特性を推測するためのメモリデータ８が格納されていることを、主たる構成とする。なお慣性センサ１０の範囲には、角速度センサも加速度センサも含む。
【００１６】
図２は、本発明の慣性センサの別の基本的構成を示す概念図である。図示するように慣性センサ２１０は、慣性を感知するセンサ素子２１と、少なくとも信号処理回路２２とメモリ２３を備えて構成されたＬＳＩ２５とを備え、メモリ２３には本慣性センサ２１０の特性を推測するためのメモリデータ２８が格納されている、という構成にすることもできる。つまり、信号処理回路とメモリがＬＳＩに内蔵された形態であるか否かに関わらず、本発明の慣性センサを構成する。なお、図２で示したセンサ素子２１とＬＳＩ２５とが別体として構成された複合デバイスの他、これらが１チップに内蔵されたシステムＬＳＩの構成もまた本発明からは除外されず、それは図１で説明した本発明に包含される。なお、以下の説明は主に、図２の構成に則して行う。
【００１７】
かかる構成の本慣性センサ２１０においては、メモリデータ２８に基づいて、センサ使用環境変化が原因で発生するセンサ出力変化による演算誤差が軽減される、という作用が得られる。具体的には、メモリデータ２８の元となる元データに基づいてメモリデータ２８が生成されており、このメモリデータ２８を基準としてセンサ出力の演算処理がなされ、本慣性センサ２１０のセンサ特性の推測値が得られ、それによってセンサ出力変化による演算誤差が軽減される。
【００１８】
図３は、本発明の慣性センサの演算誤差軽減方法の構成を示すフロー図である。図示するように本慣性センサにおいては、上述の慣性センサを使用したシステムにおいて、前記メモリデータ２８を慣性センサから読み取ることで本慣性センサ特性を推測し（推測値生成過程Ｐ１）、生成した推測値２９を元に使用環境変化が原因で発生するセンサ出力変化による演算誤差を軽減する。なおメモリデータ２８は、たとえば、データ組（定義域データ，値域データたるセンサ出力データ）による直線、または二次以上の曲線の係数を表すものとすることができる。
【００１９】
図４は、本発明の例として、角速度センサの構成例を示す説明図である。また、
図５は、本発明の慣性センサに係るＬＳＩの回路構成例を示す説明図である。ここに示すように本慣性センサの構成には温度センサ５４を含み、本慣性センサの温度特性に関するデータを、上記メモリデータ２８とすることができる。
【００２０】
図２に示す本発明慣性センサ２１０においてメモリデータ２８は、温度データに関するデータ組（温度データ，センサ出力データ）か、または複数のデータ組（温度データ，センサ出力データ）に基づく傾斜量データのうち、少なくともいずれか一方を備えて構成されるものとすることができる。実施例に後述するように、最低でも温度データに関するデータ組は０個以上、傾斜量データは１個以上あれば、本発明の実施は可能である。
【００２１】
なお、メモリデータとしては、本慣性センサ製造時に取得されたデータをそのまま用いることができる。そしてメモリデータは、温度補正されたものであっても、温度補正されていないものであってもよく、前者の場合はＬＳＩ２５または周辺部品で温度補正されるものとすることができる。また、温度補正が直線または二次以上の曲線として表されたものを、好適に用いることができる。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明がかかる実施例に限定されるものではない。
前出図４に示したような慣性センサ（角速度センサ）を作製した。本例の角速度センサ４１０は、角速度を検出するセンサ素子４１と、センサ素子４１を発振させ、センサ素子４１から出力される角速度信号を処理するＬＳＩ４５、センサ素子４１とＬＳＩ４５を実装するパッケージ４１９等から構成される。
【００２３】
また、本例慣性センサのＬＳＩは、前出図５に示したような回路構成例とすることができる。すなわち、センサ素子５１を発振させる発振回路５１２と、センサ素子５１から出力される角速度信号を処理する検出回路５５３、検出回路５５３の出力が所定値になるよう調整する調整回路５５７、調整回路５５７で調整する量などを格納するメモリ５８、温度センサ５４、検出回路５５３の出力（アナログ出力）をデジタルに変換するＡＤＣ回路５５５、ＡＤＣ回路５５５の出力を外部に出力する、またはメモリ５８へのデータ書込み、メモリ５８のデータを読込むためのシリアルＩＦ回路５５６等から構成される。
【００２４】
図６は、本実施例において、角速度センサの静止時出力の温度特性（角速度換算値）を示すグラフである。この特性は製造時に取得する。なお、この特性は、ＬＳＩ内の調整回路や外部回路、たとえばサーミスタなどの温度素子を使用した回路等で、１次または２次以上の曲線で温度補正したものでも、温度補正を行っていない状態でもよい。
【００２５】
図７は、本実施例において、ＬＳＩ内のメモリに格納するデータの例を示すグラフである。データはたとえば、測定したデータから、Ａ、Ｂ、Ｃの温度データと、温度Ａ以下のセンサの傾斜量ａ、温度Ａ−Ｂ間のセンサ傾斜量ｂ、温度Ｂ−Ｃ間のセンサ傾斜量ｃ、温度Ｃ以上のセンサ傾斜量ｄとする。各温度Ａ、Ｂ、Ｃおよび傾斜量データａ、ｂ、ｃ、ｄは、取得した特性データから、誤差が最も小さくなるよう任意に設定する。これらのデータからセンサの温度特性を推測することができる。なお、格納するセンサの温度特性が推測できればよいため、温度データは０個以上、傾斜量は１個以上あればよい。また、２次以上の曲線でもよく、たとえば４次の曲線の場合、ａｘ４＋ｂｘ３＋ｃｘ２＋ｄｘの４次の式のうち、各係数ａ、ｂ、ｃ、ｄの内容を格納することとしてもよい。
【００２６】
図８（ａ）は、本実施例において、センサ特性の推測がない場合におけるセンサ温度変化と誤差の例を示すグラフである。また、
図８（ｂ）は本実施例において、ＬＳＩ内メモリデータからセンサ特性の推測を行った場合におけるセンサ温度変化と誤差の例を示すグラフである。誤差については、たとえば使用時に０度から６０度まで変化した場合、基準値と、０度から６０度までに変化したセンサ特性と時間の面積分Ｘが、積分角度誤差となる。
【００２７】
センサ特性の推測がない図８（ａ）の場合、基準値は０となり、誤差はかなり大きくなっている。一方、本発明によりセンサ特性の推測が行われた例である図８（ｂ）では、メモリデータからセンサ特性を推測し、その推測値を基準値としている。この場合、誤差Ｘ’は図８（ａ）の誤差Ｘと比べるとかなり小さくなっていることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の慣性センサおよびその演算誤差軽減方法によれば、従来技術のような複雑な手段を要することなく、温度特性を学習していない使用初期や使用する周囲温度がそれまでとは異なる場合などであっても、温度変化により発生する出力変化による演算誤差を比較的簡単に、かつ精度良く小さくすることができ、カーナビゲーションや自動車、ロボットの姿勢制御、カメラ等の手ぶれ補正等に高性能の慣性センサを提供することができる。したがって、センサ製造および加速度センサを利用するあらゆる産業分野において、利用性が高い発明である。
【符号の説明】
【００２９】
１、２１、４１、５１…センサ素子
２、２２…信号処理回路
３、２３、５８…メモリ
８、２８…メモリデータ
２９…推測値
１０、２１０…慣性センサ
２５、４５…ＬＳＩ
３０…センサ特性の推測値
４１０…角速度センサ
４１６…上蓋（ＬＩＤ）
４１７…支持台
４１８…保持構造（保持樹脂）
４１９…筐体（セラミックパッケージ）
５１２…発振回路
５４…温度センサ
５５３…検出回路
５５５…ＡＤＣ回路
５５６…シリアルＩＦ
５５７…調整回路
Ｐ１…推測値生成過程
Ｘ、Ｘ’…積分角度誤差
【図１】
2014106206.tif 000003
【図２】
2014106206.tif 000004
【図３】
2014106206.tif 000005
【図５】
2014106206.tif 000006
【図４】
2014106206.tif 000007
【図６】
2014106206.tif 000008
【図７】
2014106206.tif 000009
【図８（ａ）】
2014106206.tif 000010
【図８（ｂ）】
2014106206.tif 000011