JP6318564B2 - センサー用ｉｃ、センサーデバイス、電子機器及びセンサーデバイスの出力補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、センサー用ＩＣ、センサーデバイス及び電子機器等に関する。

例えば音叉振動型の角速度センサーでは、出力信号にオフセットバイアスが重畳し、それにより検出角度に誤差が生ずる（図１８（Ａ）（Ｂ）参照）。オフセットバイアスとは、角速度が零である初期状態のときのゼロバイアスと、電源変動、温度変動、衝撃印加、経年変化等などの外部要因に起因するランダムなドリフトとを含む誤差の総称である。このため、オフセットバイアスをキャンセルしてゼロ点調整（キャリブレーション）することが行われている。

特許文献１では、１）第１の角速度データ（ゼロ点未補正）を平均化部にて平均化し、あるいは、２）第１角速度データと既算出済みゼロ点との差である第２角速度データを平均化して、１）または２）の何れかによりゼロ点を求めている。検出対象の撮像装置が静止状態のときであって、算出されたゼロ点と既算出済みゼロ点との差が所定値以下である時にゼロ点を更新し、角速度信号のゼロ点補正を実施している（図１９（Ａ）（Ｂ）参照）。

特開２００８−２８３４４３号公報（００３４−００３９）

本発明の幾つかの態様は、角速度信号がＡＤ変換されたデジタル信号に含まれる成分に基づいてオフセットバイアスを推定するセンサー用ＩＣ、センサーデバイス及び電子機器等を提供することを目的とする。

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、以下の形態または態様として実現することが可能である。

（１）本発明の一態様は、
センサー素子からの信号に基づいて角速度信号を検出する検出部と、
前記検出部からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部と、
所定期間に前記ＡＤ変換器が出力する前記デジタル信号からＤＣ成分を検出するＤＣ成分検出部と、
を有するセンサー用ＩＣに関する。

本発明の一態様は、静止状態などの所定期間に入力される角速度信号がＡＤ変換され、ＡＤ変換後のデジタル信号に含まれるＤＣ成分に基づいて、オフセットバイアスを推定するセンサー用ＩＣを定義している。ＤＣ成分は、角速度が零である初期状態のときのゼロバイアスと、電源変動、温度変動、衝撃印加、経年変化等などの外部要因に起因するランダムなドリフトとを反映する低周波成分であるので、オフセットバイアスを反映している。

（２）本発明の一態様では、前記ＤＣ成分に基づいて前記デジタル信号を補正する補正部を有することができる。これにより、角速度信号からオフセットバイアスをキャンセルして、ゼロ点補正することができる。ＤＣ成分の検出開始及びゼロ点補正の実施は、シーケンス制御で実施しても良いし、コマンド制御で実施しても良い。

（３）本発明の一態様では、前記ＤＣ成分検出部は、低域通過のカットオフ周波数を第１周波数から前記第１周波数よりも低い第２周波数に切り換えるローパスフィルタ回路を含むことができる。低域通過のカットオフ周波数は、低い周波数ほどフィルタ出力が安定する応答時間を長く要する。そこで、低域通過のカットオフ周波数を高い周波数から低い周波数に切り換えることで、当初から低いカットオフ周波数に設定した時と比較してトータルの応答時間を短縮することができる。

（４）本発明の一態様では、前記ＤＣ成分検出部は、前記カットオフ周波数が切り換えられる毎にゲインが補正される増幅器を含むことができる。カットオフ周波数を切り換えると、出力信号の連続性が得られない。カットオフ周波数に応じてゲインが変わるからである。カットオフ周波数が切り換えられる毎にゲインを補正することで、出力信号の連続性を担保することができる。

（５）本発明の一態様では、前記ＡＤ変換器と前記ＤＣ成分検出部との間に、設定値に基づいて前記デジタル信号のオフセットを補正する前置デジタル補正部をさらに有することができる。例えば出荷時に測定される設定値に基づいてデジタル信号のオフセットが前置補正された後に、ＤＣ成分検出部がＤＣ成分を検出し、そのＤＣ成分に基づいて補正部がオフセットキャンセルする。オフセットを前置補正することで、ＤＣ成分検出部にてデジタルフィルタ処理する際の応答時間を短縮できる。

（６）本発明の一態様では、外部から入力される信号に基づいて、前記ＤＣ成分検出部での検出動作を開始することができる。本発明では例えば電源ＯＮやスリープ解除後にＤＣ成分検出部での検出動作をシーケンス制御で開始しても良いが、外部から入力される信号に基づいてＤＣ成分検出部での検出動作を開始させることで、ユーザーにより任意に起動タイミングを設定することができる。

（７）本発明の一態様では、前記ＤＣ成分検出部にて前記ＤＣ成分の検出動作の完了を示すフラグがセットされ、前記フラグのセット後に前記補正部での補正を可能とすることができる。ＤＣ成分の検出動作が完了時期は、カットオフ周波数毎の応答時間が予め分かっていれば、ＤＣ成分検出部での検出動作時からの計時により検出できる。ＤＣ成分の検出動作の完了が例えばフラグなど外部に出力されれば、その後ユーザーにより任意にＤＣ成分除去の補正タイミングを設定することができる。あるいは、フラグセット後の所定時間経過後にシーケンス制御により補正部での補正動作を実施させても良い。換言すれば、フラグがセットされない限り、補正部でのゼロ点補正は禁止される。

（８）本発明の他の態様は、センサー素子と、（１）〜（７）のいずれか記載のセンサー用ＩＣと、を有するセンサーデバイスまたは電子機器を定義している。

本発明の一実施形態に係るセンサーデバイスの概略ブロック図である。 図１に示すジャイロセンサーＩＣの要部を示すブロック図である。 図２に示す前置デジタル補正部の回路図である。 図２に示す２つのデジタル補正部でのゲイン調整およびオフセットキャンセルのための回路図である。 デジタルフィルタでの低域通過によりＤＣデータを検出する動作を説明するための図である。 図２のＤＣ成分パスフィルタ（ＤＣＰＦ）を伝達関数のシグナルフローとして示す図である。 ＤＣ成分パスフィルタ（ＤＣＰＦ）でのカットオフ周波数とゲインの切り換えを説明するための図である。 最終のカットオフ周波数ｆｃ＝０．１Ｈｚとした時の出力応答を示す特性図である。 最終のカットオフ周波数ｆｃ＝０．１ｍＨｚとした時の出力応答を示す特性図である。 カットオフ周波数ｆｃを切り換えずに０．１Ｈｚに固定すると応答時間が長くなることを示す特性図である。 図１０の時間軸を拡大して示し、カットオフ周波数ｆｃを切り換えると応答時間が短くなることを示す特性図である。 ゲイン補正せずにカットオフ周波数ｆｃを切り換えると出力が不連続となり、応答時間も長くなることを示す特性図である。 図１２の時間軸を拡大して示し、カットオフ周波数ｆｃを切り換える毎にゲインを補正すると出力が連続し、応答時間も短くなることを示す特性図である。 図６に示す伝達関数のシグナルフローを複数段にて直列接続したシグナルフローを示す図である。 本実施形態のセンサー用ＩＣでのシーケンスモードとコマンドモードとの各動作手順を模式的に示す図である。 図１６（Ａ）〜図１６（Ｃ）はセンサーデバイスが静止状態の時のコマンドモードで得られる波形を示す波形図である。 図１７（Ａ）〜図１７（Ｃ）はセンサーデバイスが動作状態の時のコマンドモードで得られる波形を示す波形図である。 図１８（Ａ）及び図１８（Ｂ）は、出力信号にオフセットバイアスが重畳した波形と、それに伴う角度誤差を示す図である。 図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）は、出力信号からオフセットバイアスが除去された波形と、それにより角度誤差が補正されたことを示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態の一例について説明する。但し、本発明を適用可能な実施形態が以下説明する実施形態に限定されるわけでないことは勿論である。

図１は、ジャイロセンサー１０とジャイロセンサーＩＣ２０とを有するセンサーデバイス２００を示している。このセンサーデバイス２００は、撮像装置等の各種電子機器に搭載することができる。図１は検出軸が一軸分のみ示しているが、センサーデバイス２００はＸＹＺ等の複数の検出軸を含むことができる。

ジャイロセンサーＩＣ２０は、検出部３０、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４０、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）５０、前置デジタル補正部６０、角速度データ処理部７０、ＤＣ成分検出部８０、オフセット補正部９０、シリアルペリフェラルインターフェース（ＳＰＩ）１００及びＭＰＵ（制御部）１１０等を有することができる。ＭＰＵ１１０は、コマンドデコーダ１１１とレジスタ１１２とを含むことができる。ＭＰＵ１１０は、オフセットバイアスの推定動作やオフセットキャンセル動作をシーケンス制御することができる。ＭＰＵ１１０は、ＳＰＩ１００を介して入力されるコマンドをコマンドデコーダ１１１にてデコードし、引き続き入力されるアドレスで指定されるレジスタ１１２内の領域に制御データを格納することができる。ＭＰＵ１１０は、レジスタ１１２に格納された制御データに基づいて、オフセットバイアスの推定動作やオフセットキャンセル動作をシーケンス制御することができる。

検出部３０は、ジャイロセンサー１０からのアナログ出力をＱ−Ｖ変換し、増幅して角速度信号を検出する。検出部３０からの角速度信号はローパスフィルタ（ＬＰＦ）４０にて高域カットされてアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）５０に入力される。ＡＤＣ５０は、サンプリング周波数１６ｆｓ（例えば１６ｆｓ＝２５０ｋHz）でサンプリングしてＡ／Ｄ変換する。

ＡＤＣ５０より下流の構成を、図２〜図１４をも参照して説明する。図２では、ＡＤＣ５０の下流に第１ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）５１を配置している。第１ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）５１は、例えばくし形フィルタ（comb filter）にて構成され、１６ｆｓからｆｓにダウンサンプリングする。

第１ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）５１を入力とする前置デジタル補正部６０は、例えば図３の構成を有する。図３において、前置デジタル補正部６０は、設定値（ＩＣＯＣＸ、ＯＣＸ、ゼロ点温度特性補正値、ＵＳＥＲＯＣＸ）に基づいてデジタル信号のオフセットを補正する。ここで、ＩＣＯＣＸ：ＩＣ２０毎のオフセット調整値、ＯＣＸ：モジュール（センサー１０＋ＩＣ２０）毎のオフセット調整値であり、ゼロ点温度特性補正値：例えば４次近似関数による温度特性補正値であり、これらは工場出荷時に測定される値である。ＵＳＥＲＯＣＸはユーザーが設定することができるオフセット調整値である。これらの調整値（補正値）はフィルタゲイン調整信号に基づいて、ＡＤＣ５０の出力であるデジタル信号に加算される。

角速度データ処理部７０は、図２に示すように、第２ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）７１、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）７２、第３ローパスフィルタ（ＬＰＦ３）７３及びデジタル補正部７４を有することができる。第２ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）７１は帯域制限用フィルタであり、第３ローパスフィルタ（ＬＰＦ３）７３はｆｓ〜ｆｓ／１２８の範囲にダウンサンプリングする。デジタル補正部７４については図４を用いて後述する。

ＤＣ成分検出部８０は、ローパスフィルタ回路であるＤＣ成分パスフィルタ（ＤＣＰＦ）８１、第３ローパスフィルタ（ＬＰＦ３）８２及びデジタル補正部８３を有することができる。図５は、角速度データ処理部７０の出力（図５の上段）とＤＣ成分検出部８０の出力（図５の下段）とを模式的に示している。ＤＣ成分検出部８０では、例えば低域通過のカットオフ周波数ｆｃ＝０．１Ｈｚとすることで、デジタル信号からＤＣ成分を検出している。

図６は、ＤＣ成分パスフィルタ（ＤＣＰＦ）８１を伝達関数のシグナルフローとして示している。図６において、ＤＣ成分パスフィルタ（ＤＣＰＦ）８１は、今回入力されたデータにレジスタ１２５のデータＺ^−１を加算する加算器１２０を有する。加算器１２０の出力はｓｈｉｆｔ−ａｄｄ部１２１に入力される。ｓｈｉｆｔ−ａｄｄ部１２１は、ビットシフト部１２２と加算器１２３とを含み、乗算器を有せずに乗算機能を果たすものである。例えば１０進法の４を１．５倍して６にする際、１．５倍＝１倍＋０．５倍と分解できる。２進法では、２^０倍＋２^−１倍となり、ビットシフトと加算に分解できる。つまり、４を２進法で表した（０１００）と、（０１００）を右に１ビットシフトさせた（００１０）とを加算して、６を２進法で表した（０１１０）の乗算結果が得られる。ビットシフト部１２２はα＝２^−ｎ倍をビットシフトにより達成し、加算器１２３は（１−２^−ｎ）×入力値の演算を加算により達成する。

加算器１２４は、前回入力されたデータとｓｈｉｆｔ−ａｄｄ部１２１の出力データとを加算し、前回データＺ^−１としてレジスタ１２５に格納する。ゲイン補正部であるビットシフト部１２６は加算器１２０の出力データをゲインｇ＝２^−ｋ倍のゲイン補正をビットシフトにより実現し、ＤＣ成分パスフィルタ（ＤＣＰＦ）８１の出力データを得る。

以上のシグナルフローから、ＤＣ成分パスフィルタ（ＤＣＰＦ）８１の伝達関数は次式で示すことができる。

本実施形態では、ビットシフト部１２２はα＝２^−ｎ倍を切り換えることで、ＤＣ成分パスフィルタ（ＤＣＰＦ）８１は低域通過のカットオフ周波数ｆｃを、周波数が低くなるように切り換えることができる。図７は、αの設定値とカットオフ周波数ｆｃとの相関を示している。αを２^−４，２^−５，…と切り換えることで、カットオフ周波数ｆｃを１００Ｈｚ，５０Ｈｚ，…と順次周波数が低くなるように切り換えることができる。最終に設定されるカットオフ周波数ｆｃは、図７の例だと０．１Ｈｚまたは０．１ｍＨｚである。最終のカットオフ周波数ｆｃ＝０．１Ｈｚ及びｆｃ＝０．１ｍＨｚとした時の出力応答を図８及び図９にそれぞれ示す。図８及び図９の横軸は時間を示し、縦軸はＤＣＰＦ８１の出力を収束残差＝［（出力−入力）／入力］×１００（％）で示している。図８及び図９では共に、応答時間４１ｍｓでの収束残差＜０．７％が達成される。

このようにカットオフ周波数を切り換える理由は、図７に示すように、カットオフ周波数ｆｃが高いほど出力波形が安定するまでの応答時間は短いが、カットオフ周波数ｆｃが低いほど応答時間は長くなるからである。図１０と、図１０の時間軸を拡大した図１１に示すように本実施形態のＤＣＰＦ８１ではｆｃ＝０．１Ｈｚとしたとき５０ｍｓで収束するが、カットオフ周波数ｆｃを切り換えずに０．１Ｈｚに固定すると応答時間は１０ｓ必要であることが分かる。

次に、本実施形態では図７に示すように、図６に示す増幅器１２６のゲインｇ（図７ではｓｃａｌｅと表示）を、カットオフ周波数ｆｃが切り換えられる毎に変更している。変更において例えば図７中の３２sampleの時間で行なわれる切り換えでは、ｇ（補正）＝α比＝２^−４／２^−５＝２倍となり、連続性を保つため図７のレジスタ１２５のレジスタ値Ｚ^−１を２倍だけゲイン補正した値を出力する。図１２と、図１２の時間軸を拡大した図１３に示すように本実施形態のＤＣＰＦ８１ではｆｃ＝０．１Ｈｚとしたとき５０ｍｓで収束するが、ゲイン補正せずにカットオフ周波数ｆｃを切り換えると出力が不連続となり、応答時間も１０ｓ必要であることが分かる。

図１４は、ＤＣ成分パスフィルタ（ＤＣＰＦ）８１を伝達関数のシグナルフローの変形例を示す。図１４は図６に示すシグナルフローを複数段例えば２段で直列接続したものである。この場合でも、各段のシグナルフローにて同期してカットオフ周波数ｆｃとゲインｇとを、図７と同様にして切り換えることができる。

次に、角速度データ処理部７０のデジタル補正部７４と、ＤＣ成分検出部８０のデジタル補正部８３と、加算器９０とについて、図４を参照して説明する。図４に示すように、２つのデジタル補正部７４，８３にてゲイン補正が実施され、ＩＣＧＣＸ：ＩＣ毎のゲイン調整、ＧＣＸ：モジュール（ＩＣ＋センサー素子）毎のゲイン調整、感度温度特性補正：４次近似関数による補正等が実施される。また、図４に示すように、デジタル補正部７４，８３でのゲイン補正後に、加算器９０にて図４に示す減算１または減算２が実施されることにより、ゼロ点調整が行われる。

図１及び図４に示す補正部である加算器９０は、角速度データ処理部７０の出力データに、ＤＣ成分検出部８０の負の出力データを加算して、オフセットバイアス補正（ゼロ点補正、キャリブレーション）を実施する。これにより、図１８（Ａ）に示すオフセットありの出力データからオフセットバイアスが除去されて、図１９（Ａ）に示すようにオフセットなしの出力データが得られる。

図１５は、図１に示すＭＰＵ１１０によるシーケンスモードとコマンドモードとの動作手順を模式的に示している。シーケンスモードは、電源投入、リセット解除またはスリープ解除をトリガとして、ＭＰＵ１１０が図１のＤＣ成分検出部８０の動作を開始させて、ＤＣ推定を開始する。ＭＰＵ１１０は動作開始から計時して、予め設定された応答時間（図８、図９または図１１にて収束残差が所定値未満となる動作時間）に到達したら、ＤＣ推定回路準備完了フラグをレジスタ１１２にセットする。ＭＰＵ１１０は、フラグセットから所定時間経過後に加算器９０でのゼロ点補正を実行制御することができる。

図１５に示すコマンドモードでは、図１に示すＳＰＩ１００を介してユーザーが任意のタイミングでコマンド入力する。コマンドデコーダ１１１がコマンドデコードし、その制御データがレジスタ１１２にセットされる。レジスタ１１２の制御データに基づいて、ＭＰＵ１１０は図１のＤＣ成分検出部８０の動作を開始させて、ＤＣ推定を開始する。ＭＰＵ１１０は動作開始から計時して、予め設定された応答時間（図８、図９または図１１にて収束残差が所定値未満となる動作時間）に到達したら、ＤＣ推定回路準備完了フラグをレジスタ１１２にセットする。その後、ユーザーが任意のタイミングでコマンド入力する。コマンドデコーダ１１１がコマンドをデコードし、その制御データがレジスタ１１２にセットされる。ＭＰＵ１１０は、レジスタ１１２の制御データに基づいて加算器９０でのゼロ点補正を実行制御することができる。なお、レジスタ１１２にＤＣ推定回路準備完了フラグがセットされない限り、加算器９０でのゼロ点補正は禁止される。

図１６（Ａ）〜図１６（Ｃ）は、本実施形態のセンサーデバイス２００が搭載された撮像装置（電子機器）を手で持った静止状態にて、上述したコマンドモードの動作手順で得られる波形図を示している。図１６（Ａ）は、ＤＣ成分検出部８０のＤＣＰＦ８１が最終カットオフ周波数ｆｃ＝０．１Ｈｚでフィルタリングした出力波形を示し、図１６（Ｂ）はＤＣＰＦ８１にて検出されるＤＣ成分を示し、図１６（Ｃ）はコマンド発行によるキャリブレーション補正後の出力波形を示している。図１７（Ａ）〜図１７（Ｃ）も図１６（Ａ）〜図１６（Ｃ）と同様の波形であるが、本実施形態のセンサーデバイス２００が搭載された撮像装置（電子機器）を構えた状態からＰＡＮ動作した時の動作状態での波形である点が異なる。

本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。

１０ ジャイロセンサー、２０ センサー用ＩＣ（ジャイロセンサーＩＣ）、３０ 検出部、５０ ＡＤＣ、６０ 前置デジタル補正部、８０ ＤＣ成分検出部、８１ ローパスフィルタ回路（ＤＣＰＦ）、９０ 補正部（加算器）、１１０ ＭＰＵ（制御部）、１１１ コマンドデコーダ、１１２ レジスタ、１２６ ゲイン補正部

Claims (10)

1. センサー素子からの信号に基づいて角速度信号を検出する検出部と、
   前記検出部からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部と、
   所定期間に前記ＡＤ変換部が出力する前記デジタル信号からＤＣ成分を検出するＤＣ成分検出部と、
   前記ＤＣ成分に基づいて前記デジタル信号を補正する補正部と、
   を有し、
   前記ＤＣ成分検出部は、低域通過のカットオフ周波数を第１周波数から前記第１周波数よりも低い第２周波数に切り換えるローパスフィルタ回路と、前記カットオフ周波数が切り換えられる毎にゲインが補正されるゲイン補正部とを含むことを特徴とするセンサー用ＩＣ。
2. 請求項１に記載のセンサー用ＩＣにおいて、
   前記ＤＣ成分検出部は、前回の入力値をＺ ^−１ 、設定値α＝２ ^−ｎ 、ゲインをｇとしたとき、伝達関数は次の式で示され、ｎの値を順次大きくしてカットオフ周波数を切り替えることを特徴とするセンサー用ＩＣ。
   

   
3. 請求項１または２に記載のセンサー用ＩＣにおいて、
   前記ＤＣ成分検出部は、加算器、レジスタ及びビットシフト部を含み、乗算器を含まないことを特徴とするセンサー用ＩＣ。
4. 請求項３に記載のセンサー用ＩＣにおいて、
   前記ゲイン補正部は前記ビットシフト部で構成されることを特徴とするセンサー用ＩＣ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサー用ＩＣにおいて、
   前記ＡＤ変換部と前記ＤＣ成分検出部との間に、設定値に基づいて前記デジタル信号のオフセットを補正する前置デジタル補正部をさらに有することを特徴とするセンサー用ＩＣ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサー用ＩＣにおいて、
   外部から入力される信号に基づいて、前記ＤＣ成分検出部での検出動作が開始されることを特徴とするセンサー用ＩＣ。
7. 請求項２に記載のセンサー用ＩＣにおいて、
   前記ＤＣ成分検出部にて前記ＤＣ成分の検出動作の完了を示すフラグがセットされ、前記フラグのセット後に前記補正部での補正が可能となることを特徴とするセンサー用ＩＣ。
8. センサー素子と、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載のセンサー用ＩＣと、
   を有することを特徴とするセンサーデバイス。
9. センサー素子と、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載のセンサー用ＩＣと、
   を有することを特徴とする電子機器。
10. センサー素子からの信号に基づいて角速度信号を検出し、
    検出されたアナログ信号である前記角速度信号をデジタル信号に変換し、
    所定期間に前記デジタル信号からＤＣ成分を検出し、
    前記ＤＣ成分に基づいてデジタル信号である前記角速度信号のゼロ点補正を行い、
    前記ＤＣ成分の検出は、ローパスフィルタのカットオフ周波数が低くなるように切り換え、かつ、前記カットオフ周波数が切り換えられる毎にゲインを補正して行うことを特徴とするセンサーデバイスの出力補正方法。

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