JP2006234710A - Device for detecting gyroscope signal - Google Patents

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JP2006234710A JP2005052603A JP2005052603A JP2006234710A JP 2006234710 A JP2006234710 A JP 2006234710A JP 2005052603 A JP2005052603 A JP 2005052603A JP 2005052603 A JP2005052603 A JP 2005052603A JP 2006234710 A JP2006234710 A JP 2006234710A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To eliminate signals generated in a detecting element by electric charges (unnecessary electric charge components) regardless of Coriolis force by leakage signals that is generated the leakage of the vibration energy of a tuning-fork vibrator, without synchronously detecting for generating unnecessary noise. <P>SOLUTION: A device for detecting a gyroscope signal includes vibration gyros 11a, 11b that a pair of activating arms respectively having a pair of vibrators on an actuation side are oppositely arranged sandwiching a detecting arm with a pair of vibrators on a detection side that are arranged sandwiching an objective axis, a differential amplifier 21 for differentially amplifying analog signals outputted from a pair of the vibrators on the detection side, an A/D converter 32 for converting the differential amplification signals outputted from the differential amplifier 31, and a noise eliminating section 33 for processing digital detection signals outputted from the A/D converter with a Kalman filter to eliminate noise. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

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。   The present invention relates to a gyro signal detection device suitable for a vibration gyro using a tuning fork type crystal resonator made of crystal as an angular velocity sensor.

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)。
特開2003−65768号公報(第1頁、図1)
As this type of gyro signal detection device, for example, in a vibration gyro provided with a synchronous detection unit that synchronously detects a sense signal output from a sensing element using a reference signal synchronized with a monitor signal, the detection signal after synchronous detection is used. In order to remove high frequency noise components, instead of using a CR filter having a large time constant, an analog moving average filter that performs a moving average process for each detection signal in a period synchronized with the reference signal is used. A synchronous detection method and apparatus and a sensor signal detection apparatus are known in which unnecessary noise components having the same frequency as the harmonics are efficiently attenuated in an infinite attenuation region of an analog moving average filter (for example, Patent Document 1). reference).
JP 2003-65768 A (first page, FIG. 1)

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。   However, in the conventional example described in Patent Document 1, in order to remove a high frequency noise component from a detection signal after synchronous detection of a sense signal output from a gyro with a reference signal synchronized with a monitor signal. Since the moving average processing is performed by the analog moving average filter, it is possible to efficiently attenuate the unnecessary noise component of the same frequency as the reference signal and its harmonics generated by the synchronous detection. In order to attenuate the signal, it is necessary to further low-pass filter the signal after filtering with an analog moving average filter, and there is an unsolved problem that the low-pass filter cannot reduce the size and cost.

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。   Therefore, the present invention has been made paying attention to the above-mentioned unsolved problems of the conventional example, and a so-called leakage signal is generated by leakage of vibration energy of the tuning fork vibrator without performing synchronous detection that generates unnecessary noise. An object of the present invention is to provide a gyro signal detection device capable of removing a signal due to an electric charge (unnecessary charge component) generated in a detection element regardless of Coriolis force.

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。   In order to achieve the above object, a gyro signal detection device according to a first technical means includes a vibration gyro provided with a moving-side vibrator and a detection-side vibrator, and an analog detection signal output from the detection-side vibrator. An A / D conversion unit that converts the digital detection signal into a digital detection signal and a noise removal unit that removes noise by subjecting the digital detection signal output from the A / D conversion unit to Kalman filtering are provided.

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。
In the first technical means, the analog detection signal output from the vibration-detecting vibrator of the vibration gyro is converted into a digital detection signal by the A / D converter, and the digital signal detection signal is subjected to Kalman filter processing to thereby convert the gyro. The complex amplitude of each frequency component can be estimated from the signal, and a gyro signal that is not affected by noise can be detected.
In the gyro signal detection device according to the second technical means, a pair of drive arms each having a pair of drive-side vibrators are arranged with a target axis interposed therebetween, and the pair of detection-side vibrators are placed on the target axis. A vibrating gyroscope having a detection arm having a differential amplification section that differentially amplifies analog signals output from the pair of detection-side vibrators, and a differential amplification signal output from the differential amplification section. An A / D converter for converting into a digital signal and a noise removing unit for removing noise by subjecting a digital detection signal output from the A / D converter to Kalman filtering are provided.

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。   In the second technical means, the vibration gyro is arranged with the drive arm sandwiching the detection arm, so that the leakage vibration transmitted from the drive arm at the target axis position can be canceled and each detection can be performed. The detection signal output from the side vibrator is in reverse phase, and this is amplified by the operational amplifier to cancel the influence of the drive vibration and obtain a genuine detection signal. This detection signal is converted into a digital detection signal. Then, the Kalman filter process is performed, so that the complex amplitude of each frequency component can be estimated from the gyro signal, and a gyro signal that is not affected by noise can be detected.

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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of the present invention, in which CT is a mobile phone, and a rectangular plate-like base member 1 and a lid member 2 covering the upper surface of the base member 1 are hinged. 3 connected to each other.
As shown in FIG. 1A, the base member 1 is provided with an operation portion 4 having operation buttons on its upper surface, and a microphone 5 is disposed on the side opposite to the hinge 3. As shown in b), a radio communication antenna 6 that protrudes to the outside and communicates with the radio communication base station is attached to the end face on the hinge 3 side.

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。
As shown in FIG. 1A, the lid member 2 is provided with an image display unit 8 on the surface facing the base member 1, and a speaker 9 is provided on the opposite side of the image display unit 8 from the hinge 3. It has been. Here, as the image display unit 8, for example, a liquid crystal panel, an organic EL panel, a plasma display panel, or the like can be applied.
Further, as shown in FIG. 1B, the imaging device 10 is attached to the back surface of the lid member 2, and the angular velocity in the horizontal direction and the vertical direction is set inside the lid member 2 in the vicinity of the imaging device 10. Gyro sensors 11a and 11b for detection are provided.

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。
As shown in FIG. 2, each of the gyro sensors 11a and 11b has a sensor main body 111 accommodated in a package 112 using a piezoelectric material or the like, and the package 112 has a configuration capable of accommodating the sensor main body 111. It is formed in a box shape.
The sensor main body 111 includes a square fixed substrate 113 formed into a thin plate by etching a crystal, and a pair of excitations arranged in parallel on one opposing side surface of the fixed substrate 113 via support portions 114 and 115. The vibration arms 116 and 117 for detection and the vibration arms 118 and 119 for detection connected to the other opposite side surface of the fixed substrate 113 are configured. Each of the vibrating arms for excitation 116 and 117 is formed with long grooves 120 and 121 arranged in the longitudinal direction, and excitation electrodes 122 and 123 having different polarities are arranged in the grooves 120 and 121, respectively. ing.

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。   In the gyro sensor 11, by applying a driving voltage to the excitation vibrating arms 116 and 117 from an excitation circuit 20 to be described later, as shown by an arrow E in FIG. Vibrate like moving away or away. At this time, as shown in FIG. 2, when the rotational angular velocity ω acts around the center O of the fixed substrate 113 in the plane of the paper, the Coriolis force Fc acts in the direction F of FIG. This vibration is transmitted to the detection vibrating arms 118 and 119 via the support portions 114 and 115 and the fixed substrate 113. In other words, the excitation vibrating arms 116 and 117 receive the Coriolis force Fc acting in the vector product direction of the vibration direction in the X-axis direction and the rotational angular velocity ω, and according to the following formula, It vibrates alternately in the -Y direction (walk vibration). The vibration is transmitted to the detection vibrating arms 118 and 119 via the support portions 114 and 115 and the fixed substrate 113, and the detection vibrating arms 118 and 119 vibrate as indicated by an arrow H in FIG.

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。
Fc = 2mV · ω
Here, m is the mass of the vibrating portion of the excitation vibrating arms 116 and 117, and V is the velocity of the excitation vibrating arms 116 and 117.
For this reason, as shown in FIG. 3 showing a cross section of the detection vibrating arms 118 and 119, one detection electrode 124 of the detection vibrating arms 118 and 119 and the other detection are caused by the vibration in the H direction of FIG. An electric field as indicated by an arrow is generated between the working electrode 125. The angular velocity ω can be detected by taking out an electric field based on the vibration of the vibrating arms for detection 118 and 119 as a signal. By using the gyro sensor 11 having such a configuration, a small package of about 1 mm square can be obtained, and the size can be sufficiently mounted on the mobile phone CT.

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。
The excitation electrodes 122 and 123 of the excitation vibrating arms 116 and 117 are connected to the amplifier 20A in the excitation circuit 23 in which the AGC circuit 22 controlled by the starting circuit 21 is interposed between the amplifiers 20A and 20B as shown in FIG. It is connected and driven between the input side and the output side of the amplifier 20B.
On the other hand, one detection electrode 124 of the detection vibrating arm 118 is connected to one input side of the differential amplifier 31 as a differential amplifier through the amplifier 30a, and the other detection electrode 125 is grounded to detect One detection electrode 124 of the vibrating arm 119 is connected to the other input side of the differential amplifier 31, and the other detection electrode 125 is grounded.

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。   The differential amplification output from the differential amplifier 31 is supplied to an A / D converter 32 as an A / D converter, and converted into a digital detection signal by the A / D converter 32. The detection signal is input to a microprocessor unit (MPU) 33 as a noise removal unit. Connected to the microprocessor unit 33 are a ROM 34 for storing a program executed by the microprocessor unit 33 and a RAM 35 for storing data and calculation results in the calculation process of the microprocessor unit 33.

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。
In the microprocessor 33, the angular velocity detection process shown in FIG. 5 is executed.
This angular velocity detection process is executed as a timer interrupt process for each predetermined sampling period ΔT. First, the detection signal output from the differential amplifier 31 in step S1 and converted into a digital signal by the A / D converter 32 is used. reading, then the process proceeds to step S2, and sets the detection signal I read as an observed value y k, observed value y k is, as represented by the following formula (1), specifies the number n arbitrarily varying Considering the case where it is represented by the sum of complex amplitudes a i (k), which are time-varying components (n is an arbitrary integer), and observation noise v k , the complex amplitude of each frequency component ω i from observation value y k A Kalman filter process for estimating a i (k) is executed, and then the process proceeds to step S3, where the gyro detection is performed by performing the calculation of the above equation (1) based on the complex amplitude a i (k) of each frequency component ω i. The signal Sj is calculated and this is corrected From the output of the equal terminates the timer interrupt processing returns to the predetermined main program.

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。 In this Kalman filter processing in step S2, the complex amplitude a i (k) of each frequency component ω i is estimated from the observed value y k, thereby removing external vibration (linear acceleration) applied to the gyro sensor 11 and noise due to disturbance. .

Figure 2006234710
Figure 2006234710

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σv 2の定常な複素ガウス白色雑音とする。 However, y k , v k and a i (k) are observation signals, observation noises and time-varying components at time t k = kΔT (ΔT is a sampling interval), and ω i is a time-varying component a i as a complex number, respectively. The angular frequency of (k), j (j 2 = −1) is an imaginary unit, and v k is a stationary complex Gaussian white noise with an average value of zero and a variance σ v 2 .

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。
Here, the Kalman filter processing is intended for a linear stochastic system, and receives an observation signal y i (i = 0,..., K) as an input, and sequentially outputs an optimum estimated value of the system state u k (n × 1 vector). Filter (algorithm).
The basic model of the Kalman filter is expressed by the following equations (2) and (3) and is called a state space model.

k+1=Fkk+wk ………(2)
k=Hkk+vk ………(3)
u k + 1 = F k u k + w k (2)
y k = H k u k + v k (3)

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。
Here, the above equation (2) is referred to as a state equation, and the above equation (3) is referred to as an observation equation. U k is referred to as a system state or a state vector at time t k .
Table In this case, the state u k + 1 of the system at time t k + 1 is multiplied by the state transition matrix F k to the state u k of the system at time t k, by adding white noise w k called system noise Is done. This is generally based on the fact that a signal with arbitrary statistical properties can be expressed as the output of a linear dynamic system with white noise added.

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。
On the other hand, under normal circumstances, is often the system state u k of can not be observed directly, it is common to be observed as a linear function. Therefore, the output of the system, that is, the observed value y k, is expressed as the state u k multiplied by the observation matrix H k plus white noise v k called observation noise.
Here, considering the irregularity of noise, {u k }, {y k }, {w k }, {v k } are treated as stochastic processes, and generally take vector values (u k , w k). ∈R N, y k, v k ∈R M). Further, the system parameters F k and H k may be derived from physical laws governing the phenomenon, or may be derived from correlations measured in advance in experiments, and are generally determined matrices.

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。
In this system model, continuous k + 1 pieces of observations y 0, ..., minimum variance estimate of u k when y k is given U k | k = E {u k | y 0, ..., y k} Alternatively, the problem of obtaining U k | k−1 = E {u k | y 0 ,..., Y k−1 } is called a Kalman filtering problem, and an algorithm that gives the solution is called a Kalman filter.
In order to solve the Kalman filtering problem, it is assumed that the system noise {w k }, the observation noise {v k }, and the initial state u 0 are as follows.

E{vi・vj T}=δiji
E{wi・wj T}=δiji
E{vi・wj T}=0,
E{u0・wk T}=0,
E{u0・vk T}=0,
E{u0}=ua0
E{[u0−ua0][u0−ua0T}=p0 ………(4)
E {v i · v j T } = δ ij R i ,
E {w i · w j T } = δ ij Q i ,
E {v i · w j T } = 0,
E {u 0 · w k T } = 0
E {u 0 · v k T } = 0
E {u 0 } = u a0 ,
E {[u 0 −u a0 ] [u 0 −u a0 ] T } = p 0 (4)

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。 Here, δ ij is 1 when i = j, and is 0 otherwise, una 0 is a known mean vector, R k , Q k and p 0 are known covariance matrices, u 0 , {W k } and {v k } are respectively Gaussian.

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。
k|k=Uk|k-1+Kk(yk−Hkk|k-1) ………(5)
k+1|k=Fkk|k ………(6)
k=Pk|k-1k T(Hkk|k-1k T+Rk-1 ………(7)
k|k=Pk|k-1−Kkkk|k-1 ………(8)
k+1|k=Fkk|kk T+Qk ………(9)
0|-1=ua0, P0|-1=p0 ………(10)
ここで、Kkはフィルタゲインである。
The result of solving the Kalman filtering problem based on the assumption of the above equation (4) is as follows.
U k | k = U k | k−1 + K k (y k −H k U k | k−1 ) (5)
U k + 1 | k = F k U k | k (6)
K k = P k | k- 1 H k T (H k P k | k-1 H k T + R k) -1 ......... (7)
P k | k = P k | k-1 -K k H k P k | k-1 ......... (8)
P k + 1 | k = F k P k | k F k T + Q k ......... (9)
U 0 | -1 = u a0 , P 0 | -1 = p 0 (10)
Here, K k is a filter gain.

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。
Using the above (5) to (10), by observing the signal y k while updating the time k, it is possible to estimate the state u k of the system.
The calculation procedure of the Kalman filter is as shown in FIG. 6. First, K 0 is obtained from p 0 and R 0 , P 0 | 0 is obtained from p 0 and K 0, and U 0 is obtained from u a0 , K 0 and y 0. 0 | 0 can be obtained. Then, P 0 | 0 and Q 0 Tokyo P 1 | seeking 0, further P 1 | | U 1 0 | 0, U 0 seek K 1 from 0 and R 1 Tokyo, P 1 | 0 and K U 1 | 1 can be obtained from 1 and P 1 | 1 and U 1 | 0 , K 1 and y 1 .

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。 Minimum words, the average vector u a0 covariance matrix R 0, ..., R k, Q 0, ..., Q k, and p 0, observed value y 0, ..., given the and y k, the mean square error an optimum estimated value U 0 to | 0, ..., U k | covariance matrix of k and the estimated error P 0 | 0, ..., P k | can be sequentially determines k. In other words, the Kalman filter would be that sequentially obtains a conditional mean vector and covariance matrix of u k, particularly in the case of Gaussian, which is seeking the conditional probability density function of u k that changes every moment Means that.

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。
Next, a method for estimating the complex amplitude a i (k) of each frequency component ω i using this Kalman filter processing will be described.
When the gyro detection signal is expressed by (1) as described above, the detection frequency of the frequency ω i h @ ground color detection system is expressed. In estimating the time-varying spectrum by the Kalman filter processing, the time variation of the time-varying component a i (k) is linearly approximated as follows.

Figure 2006234710
Figure 2006234710

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。
i(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、
That is, the slope of the change of the time-varying component a i (k) at time t k−1 is almost equal to the slope at time t k , and ω i (k) ′ is an approximation error at that time. . At this time, {a i (k)} is expressed by the following second-order AR model.
a i (k + 1) = 2 a i (k) −a i (k−1) + w i (k) w i (k) = ΔTw i (k) ′ (12)
Using this, the above equation (1) is

Figure 2006234710
Figure 2006234710

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σw 2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。
It can be expressed as.
Here, it is assumed that {ω i (k)} is a stationary complex Gaussian white noise having an average of 0, a variance average of 0, and a variance σ w 2 and independent of {v k }.
Next, {ω i (k)} is treated as system noise, and the observation signal {y k } can be expressed by a basic system consisting of the following state equation and observation equation by modifying equation (13). .

k+1=Fxk+Awk …………(14)
k+1=Hkk+vk k=0,1,2,…… …………(15)
ただし、
x k + 1 = Fx k + Aw k (14)
y k + 1 = H k x k + v k k = 0, 1, 2,... (15)
However,

Figure 2006234710
Figure 2006234710

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。
Here, I n × n and 0 n × n represent an n × n unit matrix and a zero matrix, and A * and AT represent a complex conjugate and transpose of A, respectively. Further, diag [*] represents a diagonal matrix having * as a diagonal component, δ ij represents a Kronecker delta, and E [*] represents an expected value of *.
At this time, assuming that x 0 is independent of {w k } and {v k }, the following discrete time-varying spectrum estimation method is finally obtained by the complex Kalman filter processing.

Figure 2006234710
ただし、
Figure 2006234710
However,

Figure 2006234710
Figure 2006234710

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。
Thereby, the complex amplitude a i (k) of each frequency component ω i can be estimated from the detection signal (observed value) y k of the gyro sensor 11.
Then, by substituting the estimated complex amplitude a i (k) into the equation (1), the gyro detection signal Sj can be calculated, and this gyro detection signal Sj is applied to a processing circuit such as a camera shake correction circuit (not shown). Is output.

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。   As described above, according to the above embodiment, the gyro sensor 11 is estimated by reading the detection signal of the gyro sensor 11 and performing the above-described Kalman filter processing on the detection signal, so that the gyro sensor 11 is not subjected to synchronous detection. Noise can be extracted from the detected signal and only the desired signal component can be extracted. As in the case of providing a synchronous detection circuit, processing such as switch switching and signal path selection is performed in synchronization with the reference signal. Therefore, it is possible to reliably prevent high frequency noise from being generated. Therefore, a low-pass filter that removes high-frequency noise can be omitted, and downsizing and cost reduction can be achieved.

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。
In the above embodiment, the case where the Kalman filter process is executed by applying the microprocessor has been described. However, the present invention is not limited to this, and the Kalman filter may be configured by hardware and applied. Good.
In the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to a horizontal vibration gyroscope as the gyro sensor 11 is described. However, the present invention is not limited to this, and a pair of gyro sensors 11 as illustrated in FIG. The drive piece 201 and the pair of detection pieces 202 are arranged with the rotation axis 203 symmetrical, and the pair of drive pieces 202 and the pair of detection pieces 202 are joined by a connecting portion 204. The present invention can also be applied to. Here, the coupling part 204 has a space inside, and has a pair of driving pieces 201, a pair of detection pieces 202, and a support part 205 that supports the joint part 204 at the center part. Is bonded and fixed to the housing 206.

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。   A drive electrode 207 is formed on the pair of drive pieces 201, and a detection electrode 208 is formed on the pair of detection pieces 202 by vapor deposition with a metal such as Au. Then, an electrode pattern is wired from each electrode 207, 208 to the support portion 205, and from a pad provided on the support portion 205, a wire is wired to a lead (not shown) of the housing 206 by an Au wire bonding wire, and a signal is transmitted. Input / output is configured.

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。   Furthermore, although the case where the present invention is applied to a mobile phone has been described in the above embodiment, the present invention is not limited to this, and the present invention is applied to a digital camera, a car navigation device, and other devices that require an angular velocity sensor. Can be applied.

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。It is a perspective view which shows one Embodiment at the time of applying this invention to a mobile telephone. ジャイロセンサを示す構成図である。It is a block diagram which shows a gyro sensor. 図2のD−D線概略断面図である。It is the DD sectional schematic sectional drawing of FIG. ジャイロ信号検出装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows a gyro signal detection apparatus. 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。It is a flowchart which shows an example of the angular velocity detection processing procedure performed with a microprocessor. カルマンフィルタの計算手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the calculation procedure of a Kalman filter. 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。It is a perspective view which shows the other example of the gyro sensor which can apply this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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   CT: mobile phone, 11a, 11b: gyro sensor, 116, 117 ... vibration arm for excitation, 118, 119 ... vibration arm for detection, 20 ... excitation circuit, 31 ... differential amplifier, 32 ... A / D converter, 33 ... Microprocessor

Claims (2)

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。   A vibration gyro provided with a drive-side vibrator and a detection-side vibrator, an A / D converter that converts an analog detection signal output from the detection-side vibrator into a digital detection signal, and an output from the A / D converter A gyro signal detection apparatus comprising: a noise removal unit that removes noise by subjecting the digital detection signal to Kalman filtering. 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。   A pair of drive arms each having a pair of drive-side vibrators are arranged so as to face each other with a pair of drive-side vibrators and a detection arm having a pair of detection-side vibrators. A differential amplifier that differentially amplifies the analog signal output from the vibrator, an A / D converter that converts the differential amplified signal output from the differential amplifier into a digital signal, and the A / D converter A gyro signal detection apparatus comprising: a noise removal unit that removes noise by subjecting a digital detection signal output from the unit to Kalman filtering.
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