(57)【要約】【課題】  不要ノイズを発生させる同期検波を行うことなく、音叉型振動子の振動エネルギの漏れによって所謂漏れ信号が生じ、この漏れ信号はコリオリの力とは関係なく検出素子に発生する電荷（不要電荷成分）による信号を除去する。【解決手段】  夫々一対の駆動側振動子を有する一対の駆動用アームが対象軸を挟んで配置された一対の検出側振動子を有する検出用アームを挟んで対向配置された振動ジャイロ１１ａ，１１ｂと、前記一対の検出側振動子から出力されるアナログ信号を差動増幅する差動増幅部２１と、該差動増幅部３１から出力される差動増幅信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部３２と、該Ａ／Ｄ変換部から出力されるデジタル検出信号をカルマンフィルタ処理して雑音を除去する雑音除去部３３とを備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動側振動子及び検出側振動子を備えた振動ジャイロと、前記検出側振動子から出力されるアナログ検出信号をデジタル検出信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、該Ａ／Ｄ変換部から出力されるデジタル検出信号をカルマンフィルタ処理して雑音を除去する雑音除去部とを備えていることを特徴とするジャイロ信号検出装置。
【請求項２】
夫々一対の駆動側振動子を有する一対の駆動用アームが対象軸を挟んで配置された一対の検出側振動子を有する検出用アームを挟んで対向配置された振動ジャイロと、前記一対の検出側振動子から出力されるアナログ信号を差動増幅する差動増幅部と、該差動増幅部から出力される差動増幅信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、該Ａ／Ｄ変換部から出力されるデジタル検出信号をカルマンフィルタ処理して雑音を除去する雑音除去部とを備えていることを特徴とするジャイロ信号検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶で構成される音叉型水晶振動子を角速度センサとして用いる振動ジャイロに好適なジャイロ信号検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のジャイロ信号検出装置としては、例えばセンシングエレメントから出力されるセンス信号を、モニタ信号に同期した基準信号にて同期検波する同期検波部を備えた振動ジャイロにおいて、同期検波後の検出信号から高周波ノイズ成分を除去するために、時定数の大きなＣＲフィルタを用いるのではなく、検出信号を基準信号に同期した周期毎に移動平均処理するアナログ移動平均フィルタを用い、同期検波によって生じる基準信号及びその高調波と同じ周波数の不要ノイズ成分を、アナログ移動平均フィルタの無限減衰域にて効率良く減衰させるようにした同期検波方法及び装置並びにセンサ信号検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−６５７６８号公報（第１頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、ジャイロから出力されるセンス信号をモニタ信号に同期した基準信号にて同期検波した後の検出信号から高周波ノイズ成分を除去するためにアナログ移動平均フィルタによって移動平均処理するようにしているので、同期検波によって生じる基準信号及びその高調波と同じ周波数の不要ノイズ成分を効率良く減衰させることができるものであるが、より良く不要ノイズ成分を減衰させるにはアナログ移動平均フィルタでフィルタ処理後の信号をさらにローパスフィルタ処理する必要があり、このローパスフィルタによって、小型化、低コスト化できないという未解決の課題がある。
【０００４】
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、不要ノイズを発生させる同期検波を行うことなく、音叉型振動子の振動エネルギの漏れによって所謂漏れ信号が生じ、この漏れ信号はコリオリの力とは関係なく検出素子に発生する電荷（不要電荷成分）による信号を除去することができるジャイロ信号検出装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、第１の技術手段に係るジャイロ信号検出装置は、動側振動子及び検出側振動子を備えた振動ジャイロと、前記検出側振動子から出力されるアナログ検出信号をデジタル検出信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、該Ａ／Ｄ変換部から出力されるデジタル検出信号をカルマンフィルタ処理して雑音を除去する雑音除去部とを備えていることを特徴としている。
【０００６】
この第１の技術手段では、振動ジャイロの検出側振動子から出力されるアナログ検出信号をＡ／Ｄ変換部でデジタル検出信号に変換し、このデジタル信号検出信号に対してカルマンフィルタ処理することによりジャイロ信号から各周波数成分の複素振幅を推定することが可能となり、雑音に影響されないジャイロ信号を検出することができる。
また、第２の技術手段に係るジャイロ信号検出装置は、夫々一対の駆動側振動子を有する一対の駆動用アームが対象軸を挟んで配置され、前記対象軸一に一対の検出側振動子を有する検出用アームを配置された振動ジャイロと、前記一対の検出側振動子から出力されるアナログ信号を差動増幅する差動増幅部と、該差動増幅部から出力される差動増幅信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、該Ａ／Ｄ変換部から出力されるデジタル検出信号をカルマンフィルタ処理して雑音を除去する雑音除去部とを備えていることを特徴としている。
【０００７】
この第２の技術手段では、振動ジャイロが検出用アームを挟んで駆動用アームが対象配置されているので、対象軸位置で駆動用アームから伝達される漏れ振動を打ち消すことができると共に、各検出側振動子から出力される検出信号が逆位相となり、これを作動増幅器で作動増幅することにより、駆動振動の影響を相殺し、真正の検出信号を得ることができ、この検出信号をデジタル検出信号に変換してからカルマンフィルタ処理することによりジャイロ信号から各周波数成分の複素振幅を推定することが可能となり、雑音に影響されないジャイロ信号を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す斜視図であって、図中、ＣＴは携帯電話機であり、長方形板状のベース部材１とこのベース部材１の上面を覆う蓋部材２とがヒンジ３を介して連結された構成を有する。
ベース部材１には、図１（ａ）に示すように、その上面に操作ボタンを有する操作部４が配置されていると共に、ヒンジ３とは反対側にマイク５が配置され、さらに図１（ｂ）に示すようにヒンジ３側の端面に外部に突出して無線通信基地局と通信する無線通信用アンテナ６が取付けられている。
【０００９】
蓋部材２には、図１（ａ）に示すようにベース部材１との対向面に画像表示部８が設けられていると共に、画像表示部８のヒンジ３とは反対側にスピーカ９が設けられている。ここで、画像表示部８としては、例えば液晶パネル、有機ＥＬパネル又はプラズマディスプレイパネルなどを適用することができる。
また、蓋部材２の裏面には図１（ｂ）に示すように、撮像装置１０が取付けられていると共に、この撮像装置１０の近傍における蓋部材２の内部に水平方向及び垂直方向の角速度を検出するジャイロセンサ１１ａ，１１ｂが設けられている。
【００１０】
このジャイロセンサ１１ａ，１１ｂの夫々は、図２に示すように、センサ本体１１１が圧電材料等を使用したパッケージ１１２内に収容されており、このパッケージ１１２内は、センサ本体１１１を収容できる形態の箱状に形成されている。
センサ本体１１１は、水晶をエッチングして薄板状に形成された正方形の固定基板１１３と、この固定基板１１３の一方の対向側面に支持部１１４及び１１５を介して平行に配設された一対の励振用振動腕１１６及び１１７と、固定基板１１３の他方の対向側面に連接された検出用振動腕１１８及び１１９とで構成されている。各励振用振動腕１１６及び１１７には、夫々長手方向に並んだ長い溝１２０及び１２１が形成されており、これら溝１２０及び１２１内に互いに異極となる励振用電極１２２及び１２３が配設されている。
【００１１】
そして、このジャイロセンサ１１では、励振用振動腕１１６及び１１７に後述する励振回路２０から、駆動用電圧を印加することにより、図２で矢印Ｅに示すように、それらの先端部同志が接近したり離間したりするようにして振動する。この際に、図２に示すように、紙面の平面内で固定基板１１３の中心Ｏの回りに、回転角速度ωが働くと、コリオリの力Ｆｃは、図２のＦの方向に働く。この振動は支持部１１４及び１１５及び固定基板１１３を介して検出用振動腕１１８及び１１９に伝達される。つまり、励振用振動腕１１６及び１１７はＸ軸方向の振動の方向と回転角速度ωとのベクトル積の方向に働くコリオリの力Ｆｃを受けて、次式にしたがって、Ｙ軸に沿って＋Ｙ方向及び−Ｙ方向に交互に振動するようになっている（ウオーク振動）。この振動は支持部１１４及び１１５と固定基板１１３を介して検出用振動腕１１８及び１１９に伝達されて、これら検出用振動腕１１８及び１１９が図２で矢印Ｈで示すように振動する。
【００１２】
Ｆｃ＝２ｍＶ・ω
ここで、ｍは励振用振動腕１１６及び１１７の振動部分の質量、Ｖは励振用振動腕１１６及び１１７の速度である。
このため、検出用振動腕１１８及び１１９は、その断面を表す図３に示すように、図２のＨ方向の振動によって、検出用振動腕１１８及び１１９の一方の検出用電極１２４と他方の検出用電極１２５との間には、矢印で示すような電界が生じる。この検出用振動腕１１８及び１１９の振動に基づく電界を、信号として取り出することにより、角速度ωを検出することができる。このような構成のジャイロセンサ１１を使用することにより、１ｍｍ角程度の小さなパッケージとすることができ、携帯電話機ＣＴに十分に搭載することが可能な大きさとなる。
【００１３】
そして、励振用振動腕１１６及び１１７の励振用電極１２２及び１２３は図４に示すように増幅器２０Ａ及び２０Ｂ間に起動回路２１によって制御されるＡＧＣ回路２２を介挿した励振回路２３における増幅器２０Ａの入力側及び増幅器２０Ｂの出力側間に接続されて駆動される。
一方、検出用振動腕１１８の一方の検出用電極１２４が増幅器３０ａを介して差動増幅部としての差動増幅器３１の一方の入力側に接続され、他方の検出用電極１２５が接地され、検出用振動腕１１９の一方の検出用電極１２４が差動増幅器３１の他方の入力側に接続され、他方の検出用電極１２５が接地されている。
【００１４】
そして、差動増幅器３１から出力される差動増幅出力がＡ／Ｄ変換部としてのＡ／Ｄ変換器３２に供給されて、このＡ／Ｄ変換器３２でデジタル検出信号に変換され、このデジタル検出信号が雑音除去部としてのマイクロプロセッサユニット（ＭＰＵ）３３に入力されている。このマイクロプロセッサユニット３３には、このマイクロプロセッサユニット３３で実行するプログラムを格納するＲＯＭ３４、マイクロプロセッサユニット３３の演算過程におけるデータや演算結果を格納するＲＡＭ３５が接続されている。
【００１５】
マイクロプロセッサ３３では、図５に示す角速度検出処理が実行される。
この角速度検出処理は、所定のサンプリング周期ΔＴ毎のタイマ割込処理として実行され、先ず、ステップＳ１で差動増幅器３１から出力されてＡ／Ｄ変換器３２でデジタル信号に変換された検出信号を読込み、次いでステップＳ２に移行して、読込んだ検出信号を観測値ｙkとして設定すると共に、観測値ｙkが、下記（１）式で表されるように、任意に変化する指定数ｎ個（ｎは任意の整数）の時変成分である複素振幅ａi（ｋ）と観測雑音ｖkとの和で表される場合を考え、観測値ｙkから各周波数成分ωiの複素振幅ａi（ｋ）を推定するカルマンフィルタ処理を実行し、次いでステップＳ３に移行して、各周波数成分ωiの複素振幅ａi（ｋ）に基づいて前記（１）式の演算を行ってジャイロ検出信号Ｓｊを算出し、これを手振れ補正回路等に出力してからタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。
【００１６】
このステップＳ２のカルマンフィルタ処理で、観測値ｙkから各周波数成分ωiの複素振幅ａi（ｋ）を推定することにより、ジャイロセンサ１１に加わる外部振動（直線加速度）や外乱によるノイズを除去する。
【００１７】
【数１】
2006234710.tif 000003
【００１８】
但し、ｙk、ｖk及びａi（ｋ）は時刻ｔk＝ｋΔＴ（ΔＴはサンプリング間隔）における観測信号、観測雑音及び時変成分であり、夫々複素数として、ωiは時変成分ａi（ｋ）の角周波数、ｊ（ｊ2＝−１）は虚数単位とするまた、ｖkを平均値ゼロ、分散σv2の定常な複素ガウス白色雑音とする。
【００１９】
ここで、カルマンフィルタ処理は、線形確率システムを対象とし、観測信号ｙi（ｉ＝０，…，ｋ）を入力として、システムの状態ｕk（ｎ×１ベクトル）の最適推定値を逐次出力するフィルタ（アルゴリズム）である。
カルマンフィルタの基本モデルは下記（２）及び（３）式で表され、状態空間モデルと呼ばれている。
【００２０】
ｕk+1＝Ｆkｕk＋ｗk   ………（２）
ｙk＝Ｈkｕk＋ｖk    ………（３）
【００２１】
ここで、上記（２）式を状態方程式、上記（３）式を観測方程式といい、ｕkは時刻ｔkにおけるシステムの状態、或いは状態ベクトルと呼ばれる。
この場合、時刻ｔk+1におけるシステムの状態ｕk+1は、時刻ｔkにおけるシステムの状態ｕkに状態遷移行列Ｆkを掛けて、システム雑音と呼ばれる白色雑音ｗkを加えることにより表される。これは、一般的に任意の統計的な性質をもつ信号が白色雑音を加えた線形動的システムの出力として表現できることに基づいている。
【００２２】
一方、通常の環境下では、システムの状態ｕkは直接観測できない場合が多く、その線形関数として観測されることが一般的である。そこで、システムの出力即ち観測値ｙkは、状態ｕkに観測行列Ｈkを掛けたものに、観測雑音と呼ばれる白色雑音ｖkを加えたものとして表される。
ここで、雑音の不規則性を考慮して、｛ｕk｝、｛ｙk｝、｛ｗk｝、｛ｖk｝は確率過程として扱われ、一般にベクトル値をとる（ｕk，ｗk∈ＲN、ｙk，ｖk∈ＲM）。また、システムパラメータＦk及びＨkは現象を支配する物理法則から導かれる場合と、予め実験で測定された相関性から導かれる場合があり、一般に確定した行列となる。
【００２３】
このシステムモデルにおいて、連続したｋ＋１個の観測値ｙ0，…，ｙkが与えられたときのｕkの最小分散推定値Ｕk|k＝Ｅ｛ｕk｜ｙ0，…，ｙk｝或いはＵk|k-1＝Ｅ｛ｕk｜ｙ0，…，ｙk-1｝を求める問題をカルマンフィルタリング問題といい、その解を与えるアル
ゴリズムをカルマンフィルタと呼ぶ。
カルマンフィルタリング問題を解くために、システム雑音｛ｗk｝、観測雑音｛ｖk｝、初期状態ｕ0に対して、以下のように仮定する。
【００２４】
Ｅ｛ｖi・ｖjT｝＝δijＲi，
Ｅ｛ｗi・ｗjT｝＝δijＱi，
Ｅ｛ｖi・ｗjT｝＝０，
Ｅ｛ｕ0・ｗkT｝＝０，
Ｅ｛ｕ0・ｖkT｝＝０，
Ｅ｛ｕ0｝＝ｕa0，
Ｅ｛［ｕ0−ｕa0］［ｕ0−ｕa0］T｝＝ｐ0  ………（４）
【００２５】
ここで、δijはｉ＝ｊのとき１、その他で０となるクロネッカデルタ、ｕa0は既知の平均ベクトル、Ｒk、Ｑk及びｐ0は既知の共分散行列であり、ｕ0、｛ｗk｝及び｛ｖk｝は夫々ガウス性である。
【００２６】
上記（４）式の仮定に基づいてカルマンフィルタリング問題を解いた結果は、以下のようになる。
Ｕk|k＝Ｕk|k-1＋Ｋk（ｙk−ＨkＵk|k-1）  ………（５）
Ｕk+1|k＝ＦkＵk|k  ………（６）
Ｋk＝Ｐk|k-1ＨkT（ＨkＰk|k-1ＨkT＋Ｒk）-1  ………（７）
Ｐk|k＝Ｐk|k-1−ＫkＨkＰk|k-1  ………（８）
Ｐk+1|k＝ＦkＰk|kＦkT＋Ｑk    ………（９）
Ｕ0|-1＝ｕa0，  Ｐ0|-1＝ｐ0  ………（１０）
ここで、Ｋkはフィルタゲインである。
【００２７】
上記（５）〜（１０）式を利用して、時刻ｋを更新しながら信号ｙkを観測することにより、システムの状態ｕkを推定することができる。
カルマンフィルタの計算手順としては図６に示すようになり、先ずｐ0とＲ0とからＫ0を求め、ｐ0とＫ0とからＰ0|0、ｕa0とＫ0とｙ0とからＵ0|0を求めることができる。次に、Ｐ0|0とＱ0とからＰ1|0、Ｕ0|0からＵ1|0を求め、さらにＰ1|0とＲ1とからＫ1を求め、Ｐ1|0とＫ1とからＰ1|1、Ｕ1|0とＫ1とｙ1とからＵ1|1を求めることができる。
【００２８】
つまり、平均ベクトルｕa0と共分散行列Ｒ0，…，Ｒk、Ｑ0，…，Ｑk、ｐ0と、観測値ｙ0，…，ｙkとが与えられれば、平均二乗誤差を最小とする最適推定値Ｕ0|0，…，Ｕk|kと推定誤差の共分散行列Ｐ0|0，…，Ｐk|kを逐次求めることができる。言い換えれば、カルマンフィルタはｕkの条件付き平均ベクトルと共分散行列を逐次求めていることになり、特にガウス性の場合、これは時々刻々と変化するｕkの条件付き確率密度関数を求めていることを意味する。
【００２９】
次に、このカルマンフィルタ処理を用いて、各周波数成分ωiの複素振幅ａi（ｋ）を推定する方法について説明する。
ジャイロ検出信号が前述前述したように前記（１）で表される場合に、周波数ωiｈ＠地色の検出系の検出周波数を表している。カルマンフィルタ処理により上記の時変スペクトルを推定するに当たり、時変成分ａi（ｋ）の時間変化を次のように線形近似する。
【００３０】
【数２】
2006234710.tif 000004
【００３１】
すなわち、時刻ｔk-1のときの時変成分ａi（ｋ）の変化の傾きと、時刻ｔkのときの傾きは殆ど等しいものとし、ωi（ｋ）′をその時の近似誤差とする。このとき、｛ａi（ｋ）｝は以下の２次のＡＲモデルで表される。
ａi(k+1)＝２ａi(k)−ａi(k-1)＋ｗi(k)    ｗi(k)＝ΔＴｗi(k)′……（１２）
これを利用すれば、前記（１）式は、
【００３２】
【数３】
2006234710.tif 000005
【００３３】
と表すことができる。
ここで、｛ωi(k)｝を平均0、分散平均値0、分散σw2の定常な複素ガウス白色雑音とし、｛ｖk｝と独立であると仮定する。
次に、｛ωi(k)｝をシステム雑音として取扱、（１３）式を変形することにより観測信号｛ｙk｝は次のような状態方程式と観測方程式からなる基本システムで表すことができる。
【００３４】
ｘk+1＝Ｆｘk＋Ａｗk                              …………（１４）
ｙk+1＝Ｈkｘk＋ｖk    ｋ＝０，１，２，……       …………（１５）
ただし、
【００３５】
【数４】
2006234710.tif 000006
【００３６】
こで、Ｉn×n、０n×nはｎ×ｎの単位行列と零行列を、Ａ*、ＡTはＡの複素共役と転置を夫々表す。また、ｄｉａｇ〔＊〕は＊を対角成分とする対角行列を、δijはクロネッカのデルタ、Ｅ[＊]は＊の期待値を夫々表す。
このとき、ｘ0が｛ｗk｝，｛ｖk｝と独立であると仮定すれば、複素カルマンフィルタ処理により最終的に以下のような離散時変スペクトル推定法が得られる。
【００３７】
【数５】
2006234710.tif 000007
ただし、
【００３８】
【数６】
2006234710.tif 000008
【００３９】
これにより、ジャイロセンサ１１の検出信号（観測値）ｙkから、各周波数成分ωiの複素振幅ａi（ｋ）を推定することができる。
そして、推定した複素振幅ａi（ｋ）を前記（１）式に代入することにより、ジャイロ検出信号Ｓｊを算出することができ、このジャイロ検出信号Ｓｊが図示しない手振れ補正回路等の処理回路に出力される。
【００４０】
このように、上記実施形態によると、ジャイロセンサ１１の検出信号を読込み、この検出信号に上述したカルマンフィルタ処理を行うことにより、ジャイロ検出信号を推定するので、同期検波を行うことなく、ジャイロセンサ１１の検出信号から雑音を除去して所望の信号成分のみを抽出することができ、同期検波回路を設ける場合のように、基準信号に同期してスイッチの切換えや信号経路の選択等の処理を行うことによって高周波ノイズが発生することを確実に防止することができる。このため、高周波ノイズを除去するローパスフィルタも省略することができ、小型化及び低コスト化を図ることができる。
【００４１】
なお、上記実施形態においては、マイクロプロセッサを適用してカルマンフィルタ処理を実行する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ハードウェアでカルマンフィルタを構成し、これを適用するようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、ジャイロセンサ１１として横置き型の振動型ジャイロスコープに本発明を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図７に示すように、一対の駆動片２０１と一対の検出片２０２とが夫々回転軸２０３を対称にして配置され、これら一対の駆動片２０２と一対の検出片２０２とが結合部２０４で接合された構成を有する圧電ジャイロセンサ２００にも本発明を適用することができる。ここで、結合部２０４は、内部に空間を有しており、その中心部に一対の駆動片２０１、一対の検出片２０２、接合部２０４を支持する支持部２０５を有し、この支持部２０５がハウジング２０６に接着固定された構造となっている。
【００４２】
そして、一対の駆動片２０１には駆動用の電極２０７が、一対の検出片２０２には検出用の電極２０８が、Ａｕ等の金属で蒸着形成されている。そして、各々の電極２０７、２０８から支持部２０５まで、電極パターンが配線され、支持部２０５に設けられたパッドから、Ａｕワイヤーボンディング線によりハウジング２０６のリード（図示せず）に配線され、信号が入出力される構成となっている。
【００４３】
さらに、上記実施形態においては本発明を携帯電話機に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、デジタルカメラ、カーナビゲーション装置、その他の角速度センサを必要とする装置に本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明を携帯電話機に適用した場合の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】ジャイロセンサを示す構成図である。
【図３】図２のＤ−Ｄ線概略断面図である。
【図４】ジャイロ信号検出装置を示すブロック図である。
【図５】マイクロプロセッサで実行する角速度検出処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図６】カルマンフィルタの計算手順を示す説明図である。
【図７】本発明を適用し得るジャイロセンサの他の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４５】
ＣＴ…携帯電話機、１１ａ，１１ｂ…ジャイロセンサ、１１６，１１７…励振用振動腕、１１８，１１９…検出用振動腕、２０…励振回路、３１…差動増幅器、３２…Ａ／Ｄ変換器、３３…マイクロプロセッサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006234710.tif 000011
【図４】
2006234710.tif 000012
【図５】
2006234710.tif 000013
【図６】
2006234710.tif 000014
【図７】
2006234710.tif 000015