JP2010237072A - 動き検出ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物の動きを、加速度センサモジュール等により簡単に検出することができ、高い精度の測定が可能な動き検出ユニットを提供する。
【解決手段】被測定物１２に加わる加速度又は角速度を検出する第一のセンサモジュール１４，３４と、第一のセンサ電圧を積分する積分回路Ｓｘ１を有する。第二のセンサ電圧を出力する第二のセンサモジュール１４，３４を有する。第二のセンサ電圧を受け、被測定物１２が動作中または静止中かを判定する所定の演算処理を行い、判定信号を継続的に出力する動作検出手段３２を備える。記積分回路Ｓｘ１が出力した一階積分電圧と判定信号とに基づいて所定の演算処理を行い、連続的なアナログ信号である補正信号を積分用オペアンプＯＰ１の反転入力端子に向けて出力するオフセット調整手段ＦＢｘを備える。オフセット調整手段ＦＢｘは、被測定物１２が静止している旨の判定信号を動作検出手段３２より受けると、一階積分電圧をゼロに近づけるように補正信号を変化させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、被測定物に取り付けられた加速度センサモジュールや角速度センサモジュールを用いて被測定物の動きを検出する動き検出ユニットに関し、特にオペアンプを用いた積分回路を備えた動き検出ユニットに関する。

リモートコントローラ（遠隔操作機器）の動きを検出し、その動きに基づいてコンピュータで種々の処理を行う技術は、例えば、ペン型のリモートコントローラを用いて非接触でパソコンの画面に文字や絵を描く装置、リモートコントローラを手に持って運動を行う家庭用ゲーム機、携帯電話機等の用途で実用化されつつある。

被測定物の３次元的な動きを検出する装置として、例えば、図６に示す動き検出ユニット１０のような構成がある。動き検出ユニット１０は、リモートコントローラ等の被測定物１２に取り付けられ、被測定物１２のＸＹＺ軸の各軸方向の加速度を検出し、移動距離を示す電気信号に変換して出力するものである。以下、動き検出ユニット１０について、図面に基づいて説明する。

動き検出ユニット１０は、ピエゾ抵抗型や静電容量型等のセンサ素子と、センサ素子のインピーダンスの変化を電圧信号に変換する変換回路とが設けられた加速度センサモジュール１４を備えている。加速度センサモジュール１４は、内蔵するセンサ素子が検知した加速度を、ＸＹＺ軸の各加速度成分ａｘ，ａｙ，ａｚに分解し、その加速度成分に比例した電圧である加速度電圧Ｖ（ａｘ），Ｖ（ａｙ），Ｖ（ａｚ）を出力するものである。

加速度センサモジュール１４の加速度電圧Ｖ（ａｘ）の出力端には、利得１倍の電圧フォロワＢＡｘが接続され、電圧フォロワＢＡｘは加速度電圧Ｖ（ａｘ）を低インピーダンスに出力する。

電圧フォロワＢＡｘの出力には、積分回路Ｓｘ１が接続されている。積分回路Ｓｘ１は、図７に示すように、非反転入力端子がグランド電位に接続されたオペアンプＯＰ１と、一端に被積分電圧が入力され、他の一端がオペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続された入力抵抗Ｒｉと、オペアンプＯＰ１の反転入力端子と出力端子間に接続された帰還コンデンサＣｏとで構成されている。従って、積分回路Ｓｘ１は、入力された加速度電圧Ｖ（ａｘ）を積分して極性を反転させた電圧、すなわち、速度に比例した電圧である速度電圧Ｖ（ｖｘ）を出力する。

積分回路Ｓｘ１の出力には、図６に示すように、積分回路Ｓｘ２が接続されている。積分回路Ｓｘ２は、図７で説明した積分回路Ｓｘ１と同様の構成を備えており、入力された速度電圧Ｖ（ｖｘ）を積分して極性を反転させた電圧、すなわち、距離に比例した電圧である移動距離電圧Ｖ(ｘ）を出力する。そして、積分回路Ｓｘ２が出力する移動距離電圧Ｖ（ｘ）は、図示しないコンピュータ等へ入力され、動き検出ユニット１０が利用される装置の制御信号として使用される。

図６に示す他の加速度成分ａｙ，ａｚに対応した加速度電圧Ｖ（ａｙ），Ｖ（ａｚ）の処理も、上述した加速度電圧Ｖ（ａｘ）と同様の構成により行われる。

以上説明したように、動き検出ユニット１０は、被測定物１２に加わる加速度を、ＸＹＺ軸の各軸方向の加速度成分に分解し、各電圧信号に二階積分を施して各軸方向の移動距離成分に変換して出力する動作を行うものである。

しかしながら、上記の動き検出ユニット１０は、加速度センサ素子に起因するドリフト分やオペアンプＯＰ１内部のオフセット電圧等の影響で、被測定物が静止している状態でも、移動距離電圧Ｖ（ｘ），Ｖ（ｙ），Ｖ（ｚ）が変動するという問題が生じる。

例えば図８に示すように、被測定物１２が点Ｐ０から点Ｐ１に移動するモデルを想定した場合、図７に示す積分回路Ｓｘ１から出力される速度電圧Ｖ（ｖｘ）は、次式のように表される。

ここで、ａｘ：Ｘ方向の加速度成分、ΔＶｄx：加速度センサ素子に起因するＸ軸のドリフト分である直流電圧、ｔ：任意各点Ｐ０から点Ｐ１の移動に要した時間、である。式（１）から分かるように、被測定物１２が静止していても、右辺の第二項の影響で、速度電圧Ｖ（ｖｘ）が時間と共に一定の傾きで変化する。また、オペアンプＯＰ１内部のオフセット電圧が速度電圧Ｖ（ｖｘ）に与える影響も式（１）と同様に表され、被測定物１２が静止していても、速度電圧Ｖ（ｖｘ）が時間と共に一定の傾きで変化する。

このように、加速度センサ素子のドリフト分ΔＶｄ等が積分回路Ｓｘ１，Ｓｙ１，Ｓｚ１，Ｓｘ２，Ｓｙ２，Ｓｚ２に入力され、さらに積分用オペアンプＯＰ１内部のオフセット電圧も加わり、それらが増幅され時間とともに積分されて増大し、大きな誤差要因として出力に現れる。従って、本来測定したい被測定物１２の速度電圧や移動距離電圧を精度よく測定することができないという問題がある。

また、動き検出ユニット１０には、被測定物１２及び加速度センサ素子に加わっている重力加速度ｇが誤差要因として測定されるという問題もある。重力加速度ｇは、上記の加速度センサ素子に起因するドリフト分ΔＶｄと同様の作用によって、積分回路Ｓｘ１，Ｓｙ１，Ｓｚ１，Ｓｘ２，Ｓｙ２，Ｓｚ２の出力に誤差成分として現れる。重力加速度ｇは一定値だが、図９（ａ）（ｂ）に示すように、被測定物１２が垂直方向成分を有して回転移動すると、加速度センサ素子によってＸＹＺ軸成分に分解して検出される重力加速度成分ｇｘ，ｇｙ，ｇｚが変化してしまう。従って、速度電圧や移動距離電圧の測定値に対して補正演算を行って、重力加速度ｇの影響をキャンセルするということは容易ではない。

そこで、発明者は鋭意研究を重ね、上記の問題を解決した発明について特許出願した（特願２００８−２００４１２号）。この発明は、速度電圧Ｖ（ｖｘ）に現れる誤差要因分をキャンセルするため、図１０に示すように、積分回路Ｓｘ１の出力端の速度電圧Ｖ（ｖｘ）を検知し積分回路Ｓｘ１の動作を補正するオフセット調整回路１６を設け、さらに積分回路Ｓｘ１の入力端の加速度電圧Ｖ（ａｘ）を検知しオフセット調整回路１６の動作を制御するオフセット制御手段１８を設けたものである。以下、オフセット調整回路１６とオフセット制御手段１８について説明する。

オフセット調整回路１６は、増幅回路ＡＭＰ１、サンプルホールド回路（以下、Ｓ／Ｈ回路と表す。）２０、フィードバック抵抗Ｒｆで構成されている。増幅回路ＡＭＰ１は、利得Ａｆに設定されており、積分回路Ｓｘ１の出力端に接続され、速度電圧Ｖ（ｖｘ）を非反転増幅して出力する。

Ｓ／Ｈ回路２０は、一端が増幅回路ＡＭＰ１の出力端に接続されたスイッチ素子ＡＳＷと、スイッチ素子ＡＳＷのオン時の抵抗値を表す導通抵抗Ｒｓとの直列回路を備えている。その直列回路の導通抵抗Ｒｓ側の開放端とグランド電位の間にホールド用コンデンサＣｈが接続され、さらにホールド用オペアンプＯＰ２の非反転入力端子が導通抵抗Ｒｓとホールド用コンデンサＣｈの接続点に接続され、反転入力端子は出力端子に接続されている。

スイッチ素子ＡＳＷは、例えば半導体素子で構成されたアナログスイッチであって、オフセット制御手段１８によってオン・オフが制御される。Ｓ／Ｈ回路２０は、スイッチ素子ＡＳＷがオンされると、ホールド用コンデンサＣｈの両端が、増幅回路ＡＭＰ１が出力する増幅電圧とほぼ等しい電圧に充電され、その充電電圧は、ホールド用オペアンプＯＰ２で構成された利得１の非反転増幅回路を介してそのまま増幅電圧Ｖｆとして出力される。また、Ｓ／Ｈ回路２０は、その後スイッチ素子ＡＳＷがオフされてもホールド用コンデンサＣｈの電圧は保持されるので、増幅電圧Ｖｆもそのまま継続して出力される。

そして、フィードバック抵抗Ｒｆは、一端がＳ／Ｈ回路２０の出力であるホールド用オペアンプＯＰ２の出力に接続され、他の一端が積分回路Ｓｘ１のオペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続されている。従って、フィードバック抵抗Ｒｆには増幅電圧Ｖｆに応じた電流が流れ、積分回路Ｓｘ１のオフセット調整を行うためのフィードバック信号を送る動作を行う。

オフセット制御手段１８は、マイクロコンピュータ内に構成され、積分回路Ｓｘ１の入力端の加速度電圧Ｖ（ａｘ）を検知して所定の演算処理を行い、所定の基準値以下の低い電圧値が一定時間継続すると、各スイッチ素子ＡＳＷをオンし、それ以外の時は各スイッチ素子ＡＳＷをオフさせる制御を行う。

次に、動作を説明する。被測定物１２が動作すると被測定物１２に取り付けられた加速度センサモジュール１４に加速度が作用し、加速度センサモジュール１４の出力に電圧が発生し、その後、被測定物が静止すると理想的には電圧が発生しなくなる。

被測定物１２が静止しているとき、オフセット制御手段１８は、加速度電圧Ｖ（ａｘ）が所定の基準値以下であることを検出し、その状態が一定時間を越えると、スイッチ素子ＡＳＷをオンさせる。スイッチ素子ＡＳＷがオンすると、オフセット調整回路１６は、速度電圧Ｖ（ｖｘ）がゼロに近づくように動作し、積分回路Ｓｘ１の速度電圧Ｖ（ｖｘ）は、次式のように表される。

ここで、ｉｏ：帰還コンデンサＣｏに流れる電流、ΔＶｄｘ：重力加速度ｇやその他ドリフト分のＸ軸成分である直流電圧、Ｖｆ：Ｓ／Ｈ回路１８の出力電圧である。

式（３）（４）を式（２）に代入して展開し、時間が充分経過した定常状態（ｔ＝∞）の速度電圧Ｖ（ｖｘ）を求めると、

と表される。従って、式（５）から分かるように、例えばＲｉ＝Ｒｆとすれば、ドリフト分ΔＶｄｘの影響は、増幅回路ＡＭＰ１の利得Ａｆによって決定され、利得Ａｆを充分大きく設定すれば、重力加速度ｇやドリフト分のＸ軸成分であるΔＶｄｘの影響を無視できる程度に低減することができる。

次に、被測定物１２が静止状態から動き始めると、オフセット調整回路１６は、加速度電圧Ｖ（ａｘ）が所定の基準電圧を超えたことを検出し、スイッチ素子ＡＳＷをオフするとともに、積分回路Ｓｘ１は加速度電圧Ｖ（ａｘ）を積分する動作を開始する。スイッチ素子ＡＳＷがオフすると、オフセット調整回路１６によるフードバックループは切り離されるので、速度電圧Ｖ（ｖｘ）の積分結果を入力に帰還する動作は停止する。しかし、Ｓ／Ｈ回路２０の出力電圧Ｖｆは直前にホールド用コンデンサＣｈに蓄えられた充電電圧によって保持されており、フィードバック抵抗Ｒｆを経由してオペアンプＯＰ１の反転入力端子に所定の信号を送り続ける。

このように、被測定物１２が一定時間静止する毎にオフセット調整を自動的に行い、そして被測定物１２が動き始めて測定をしているときも、そのオフセット調整された状態を維持する動作が行われ、積分回路Ｓｘ１が出力する速度電圧Ｖ（ｖｘ）から誤差成分を排除することができる。

また、特許文献１には、抵抗値変化型の加速度センサ素子と、３つのオペアンプを用いて構成された差動増幅回路と、ローパスフィルタの負帰還回路に積分回路を用いたバンドパスフィルタとを備え、加速度センサ素子の出力を電気信号に変換増幅して加速度信号を得ることができる加速時計およびこれを用いた能動制振装置が開示されている。前記差動増幅回路には、オフセット調整を行うため、所定の基準電圧、オペアンプ、可変抵抗などから構成されたオフセット補正回路が付加されている。

特開２０００−３３８１２７号公報

しかし、オフセット調整回路１６及びオフセット制御手段１８を備えた上記の動き検出ユニット１０の場合、被測定物１２が静止状態から動き始めると、可及的に短時間のうちにスイッチ素子ＡＳＷをオフさせる必要があるため、オフセット制御手段１８を構成するときは、高速動作可能なＣＰＵを用いたマイクロコンピュータで必要であった。

被測定物１２が動き始め、オフセット制御手段１８によって加速度電圧Ｖ（ａｘ）が所定の基準電圧を超えたことが検出され、スイッチ素子ＡＳＷがオフするまでの期間をＴ１とすると、期間Ｔ１の間は、積分回路Ｓｘ１が出力する速度電圧Ｖ（ｖｘ）の変化に伴って、オフセット調整回路１６のホールド用コンデンサＣｈの電圧も変化してしまう。そして、期間Ｔ１が経過してスイッチ素子ＡＳＷがオフすると、ホールド用コンデンサＣｈの電圧は変化後の電圧に保持され、フィードバック抵抗Ｒｆを経由してオペアンプＯＰ１の反転入力端子に所定の信号を送り続ける。従って、期間Ｔ１が長いと、その期間におけるホールド用コンデンサＣｈの電圧変動が大きくなり、被測定物１２の静止状態で設定した理想的なオフセット調整状態から大きくずれてしまう。そして、この期間Ｔ１を極力短くするため、オフセット制御手段１８を構成するときは、高速動作可能で高価なＣＰＵが搭載されたマイクロコンピュータを用いなければならず、コストや汎用性の面で問題が生じていた。

また、期間Ｔ１を短くする方法以外にも、積分回路Ｓｘ１の応答特性を調整することによって期間Ｔ１におけるホールド用コンデンサＣｈの電圧の変化幅を小さくする方法が考えられる。しかし、本来測定したい被測定物１２の動き自体を精度よく得ることができなくなるので、積分回路Ｓｘ１の応答特性を調整する方法にも限界があった。

一方、特許文献１の加速度計は、オフセット調整が可変抵抗を調整したり、又は固定抵抗をスイッチで切り換える等の方法で行われるものであって、加速度計が稼働中に自動的にオフセット調整したり、又は厳密なオフセット調整が行われるものではなかった。

この発明は、上記背景技術に鑑みて成されたもので、被測定物の動きを、加速度センサモジュール等により簡単に検出することができ、ドリフト分などの誤差要因をキャンセルするためのオフセット調整が自動的に行われ、高い精度の測定が可能な動き検出ユニットを提供することを目的とする。

この発明は、被測定物に取り付けられ、前記被測定物に加わる加速度又は角速度を電圧信号に変換し、第一のセンサ電圧を出力する第一のセンサモジュールと、入力抵抗と帰還コンデンサとオペアンプとを有し、前記入力抵抗の一端から入力された前記第一のセンサ電圧を積分し、一階積分電圧を出力する反転出力型の積分回路とを備えた動き検出ユニットにおいて、前記被測定物が動作することによって変化する所定の特性値を検出して電圧信号に変換し、第二のセンサ電圧を出力する第二のセンサモジュールと、前記第二のセンサ電圧を受け、前記被測定物が動作中または静止中かを判定する所定の演算処理を所定の周期毎に行い、その判定結果である判定信号を継続的に出力する動作検出手段と、前記積分回路が出力した前記一階積分電圧と前記判定信号とに基づいて所定の演算処理を行い、連続的なアナログ信号である補正信号を前記積分用オペアンプの反転入力端子に向けて出力するオフセット調整手段とを備え、前記オフセット調整手段は、前記被測定物が静止している旨の前記判定信号を前記動作検出手段より受けると、前記一階積分電圧をゼロに近づけるように前記補正信号を変化させる動き検出ユニットである。

また、前記動作検出手段は、前記第二のセンサ電圧又はその微分電圧と予め設定され当該基準値とを一定の周期毎に繰り返し比較演算し、前記基準値の方が小さいときに前記被測定物が動作している旨の前記判定信号を出力する動作を行うものであってもよい。

また、前記オフセット調整手段は、アナログ値である前記一階積分電圧を積分電圧デジタル値に変換するアナログ／デジタル変換器と、前記動作検出手段から前記被測定物が停止している旨の前記判定信号を受けると、前記積分電圧デジタル値に基づく所定の演算処理を行って当該一階積分電圧をゼロに近づけるための補正量デジタル値を算出して出力し、前記被測定物が動作している旨の前記判定信号を受けたときは、前回の演算処理によって算出された補正量デジタル値を継続して出力する演算部と、前記補正量デジタル値をアナログ値である補正電圧に変換するデジタル／アナログ変換器と、前記デジタル／アナログ変換器から前記補正電圧を受け、当該補正電圧に基づいて連続的なアナログ信号である補正電流を生成し、次の周期で新たな前記補正電圧を受けるまでの間、前記補正電流を前記積分用オペアンプの反転入力端子に向けて連続して出力する補正信号出力部とを備えたものであってもよい。

また、前記第ニのセンサモジュールは、互いに直交する複数次元座標系の各軸毎に加速度電圧を出力可能に設けられた加速度センサモジュール、又は、水平方向の回転軸を有した回転の角速度と垂直方向の回転軸を有した回転の角速度とを前記各回転軸毎に角速度電圧に変換して出力する角速度センサモジュールであり、前記動作検出手段は、前記第二のセンサモジュールの各出力である前記第ニのセンサ電圧又はその微分電圧が、全て基準値以下のときだけ前記被測定物が静止していると判定し、前記被測定物が静止している旨の判定信号を、前記加速度センサモジュール個々に設けられた全ての前記オフセット調整手段に向けて出力することを特徴とする動作を行う動き検出ユニットである。

また、前記第一のセンサモジュールは、互いに直交する複数次元座標系の各軸毎に加速度電圧を出力可能に設けられた加速度センサモジュール、又は、水平方向の回転軸を有した回転の角速度と垂直方向の回転軸を有した回転の角速度とを前記各回転軸毎に角速度電圧に変換して出力する角速度センサモジュールであり、前記積分回路及び前記オフセット調整手段は、前記各軸及び各回転軸毎に設けられた動き検出ユニットである。

さらに、前記第二のセンサモジュールは、前記第一のセンサモジュールを兼用したものであってもよい。

この発明の動き検出ユニットは、被測定物の動きを示す第二のセンサ電圧又はその微分電圧を一定のサンプリング周期で基準値と比較し、被測定物の動きが静止していると判定したときだけ積分回路への補正信号を変更するため、被測定物が静止状態から動き始めても、静止状態で決定した適正なオフセット調整状態を保持することができる。従って、積分回路の一階積分電圧の誤差要因を適切なタイミングで確実に自動的に排除することができ、さらに、比較的安価な汎用ＣＰＵを備えたマイクロコンピュータであっても高精度な測定を行うことができる。

また、互いに直交した３軸に対応した加速度センサモジュールや水平・垂直の回転２軸に対応した角速度センサモジュールが第一のセンサモジュールであり、各出力に複数の積分回路を備えた動き検出ユニットにも容易に適用することができる。そして、第一のセンサモジュールは第二のセンサモジュールと兼用すれば、第二のセンサモジュールを別個に設ける必要がない。また、各積分回路に設けた複数のオフセット調整手段を１つの動作検出手段を用いて制御すれば、被測定物の静止状態を立体的に正確に認識することができ、且つ構成も簡単化することができる。

この発明の動き検出ユニットの第一の実施形態を示すブロック図である。 第一の実施形態の動作検出手段及びオフセット調整手段の構成を示すブロック図である。 第一の実施形態の動作検出手段及びオフセット調整手段の動作を説明するフローチャートである。 この発明の動き検出ユニットの第二の実施形態を示すブロック図である。 この発明の一実施例の動作波形を示すグラフである。 従来の動き検出ユニットを示すブロック図である。 積分回路の構成を示す回路図である。 被測定物の移動の動きを定義するＸＹＺ座標系を示す模式図である。 被測定物が、垂直方向の回転軸を有し水平方向の回転の動きを定義する模式図（ａ）と、水平方向の回転軸を有し垂直方向の回転の動きを定義する模式図（ｂ）である。 オフセット調整回路を備えた従来の動き検出ユニットの構成を示すブロック図である。

以下、この発明の第一の実施形態の動き検出ユニット３０について、図１〜図３に基づいて説明する。なお、上述の動き検出ユニット１０と同様の構成は、同一の符号を付して説明する。

図１に示す動き検出ユニット３０は、図８、図９に示すリモートコントローラ等の被測定物１２に取り付けられ、被測定物１２がＸＹＺ軸の各軸方向に移動する移動距離と、さらに被測定物１２が垂直及び水平方向に回転する移動角とを検出し、電気信号に変換して出力する装置である。

動き検出ユニット３０は、ピエゾ抵抗型や静電容量型等のセンサ素子と、センサ素子のインピーダンスの変化を電圧信号に変換する変換回路とが設けられた第一のセンサモジュールである加速度センサモジュール１４を備えている。加速度センサモジュール１４は、内蔵するセンサ素子が検知した加速度を、ＸＹＺ軸の各加速度成分ａｘ，ａｙ，ａｚに分解し、その加速度成分に比例した電圧の加速度電圧Ｖ（ａｘ），Ｖ（ａｙ），Ｖ（ａｚ）を出力する。すなわち、加速度電圧Ｖ（ａｘ），Ｖ（ａｙ），Ｖ（ａｚ）が第一のセンサ電圧となる。なお、加速度センサモジュール１４は、同様の機能を有するものであれば、センサ素子の種類や内部構造は特に限定しない。

加速度センサモジュール１４の加速度電圧Ｖ（ａｘ）が出力される端子には、利得１倍の電圧フォロワＢＡｘが接続され、加速度電圧Ｖ（ａｘ）を低インピーダンスに出力する。なお、加速度センサモジュール１４の出力インピーダンスが後述する積分回路Ｓｘ１の入力インピーダンスよりも十分低い場合には、電圧フォロワＢＡｘを削除してもよい。

電圧フォロワＢＡｘの出力には、積分回路Ｓｘ１が接続されている。積分回路Ｓｘ１は、図２に示すように、非反転入力端子がグランド電位に接続されたオペアンプＯＰ１と、加速度電圧Ｖ（ａｘ）が一端に入力され、他の一端がオペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続された入力抵抗Ｒｉと、オペアンプＯＰ１の反転入力端子と出力端子間に接続された帰還コンデンサＣｏとで構成されている。従って、積分回路Ｓｘ１は、入力された加速度電圧Ｖ（ａｘ）を積分して極性を反転させた電圧、すなわち、速度に比例した電圧である速度電圧Ｖ（ｖｘ）を出力する。

積分回路Ｓｘ１には、その出力端の速度電圧Ｖ（ｖｘ）を検知し積分回路Ｓｘ１に補正信号を送るオフセット調整手段ＦＢｘが接続され、さらに、第二のセンサモジュールとして兼用される加速度センサモジュール１４から出力された第二のセンサ電圧である加速度電圧Ｖ（ａｘ），Ｖ（ａｙ），Ｖ（ａｚ）を検知しオフセット調整手段ＦＢｘの動作を制御する動作検出手段３２が設けられている。

動作検出手段３２は、ＣＰＵ、メモリ等を備えたマイクロコンピュータ内に構成され、Ａ／Ｄ変換器３２ａと、Ａ／Ｄ変換器３２ａの出力信号と予め設定された基準値との比較演算を行い、被測定物１２が動作しているか静止しているかを判定した判定信号Ｖｓを出力する判定部３２ｂで構成されている。動作検出手段３２の機能については、後の動作説明の中で詳しく述べる。

オフセット調整手段ＦＢｘは、アナログ値の一階積分電圧である速度電圧Ｖ（ｖｘ）を積分電圧デジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器３５と、積分電圧デジタル値と判定信号Ｖｓに基づいて所定の演算処理を行って補正量デジタル値を出力する演算部３６とを備える。さらに、補正量デジタル値をアナログ値である補正電圧Ｖｆに変換するＤ／Ａ変換器３８と、補正電圧Ｖｆを連続的なアナログの補正信号である補正電流ｉｆに変換し、オペアンプＯＰ１の反転入力端子に向けて流し込む機能を備えた出力抵抗Ｒｆとで構成されている。この出力抵抗Ｒｆは、補正信号出力部に該当する。

Ａ／Ｄ変換器３５、演算部３６、Ｄ／Ａ変換器３８は、ＣＰＵ、メモリ等を備えたマイクロコンピュータ内に構成されている。また、演算部３６は、動作検出手段３２から被測定物１２が停止している旨の判定信号Ｖｓを受けたときは、所定の演算処理を行って当該積分電圧デジタル値をゼロに近づけるための補正量デジタル値を出力し、前記被測定物が動作している旨の判定信号Ｖｓを受けたときは、前回の演算処理によって算出された補正量デジタル値を継続して出力するという機能を備えている。オフセット調整手段ＦＢｘの機能については、後の動作説明の中で詳しく述べる。

さらに、積分回路Ｓｘ１の出力には、積分手段Ｓｘ３が接続されている。積分手段Ｓｘ３は、ＣＰＵ、メモリ等を備えたマイクロコンピュータ内に構成された機能で、デジタル値に変換された速度電圧Ｖ（ｖｘ）を積分演算の処理を行い、移動距離に比例したデジタル値である移動距離電圧Ｖ（ｘ）を算出し、その算出結果をメモリに格納する。

一般に、電圧フォロワＢＡｘが出力する加速度電圧Ｖ（ａｘ）の電圧レベルは比較的小さな値であるため、加速度電圧Ｖ（ａｘ）を上記のようなデジタル演算処理を行う積分手段Ｓｘ３に直接入力すると、デジタル化するためのサンプリング及び量子化等による演算誤差が大きくなるので好ましくない。そこで、本実施形態の動き検出ユニット３０では、一階目の積分をアナログ式の積分回路Ｓｘ１によって比較的大きな電圧レベルに精度よく増幅し、その後でデジタル式の積分手段Ｓｘ３で二階目の積分演算の処理を行うよう構成されている。

他の加速度成分ａｙ，ａｚに対応した加速度電圧Ｖ（ａｙ），Ｖ（ａｚ）の信号処理も、上述した加速度電圧Ｖ（ａｘ）と同様の構成により行われる。すなわち、電圧フォロワＢＡｙ，ＢＡｚは、電圧フォロワＢＡｘと同一の回路構成であり、積分回路Ｓｙ１，Ｓｚ１は、積分回路Ｓｘ１と同一の回路構成であり、オフセット調整回路ＦＢｙ，ＦＢｚは、オフセット調整手段ＦＢｘと同一のものである。そして、積分手段Ｓｙ３，Ｓｚ３は、積分手段Ｓｘ３と同一の積分処理を行う機能を備えたものである。

さらに動き検出ユニット３０は、第一のセンサモジュールとして角速度センサモジュール３４を備えている。角速度センサモジュール３４は、例えば、ＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を応用したシリコンリング型の振動式センサ素子と、センサ素子の振動モードを電圧信号に変換する変換回路とが設けられ、図９に示すように、振動式センサ素子が検知した値である、垂直方向の回転軸を有し水平方向の回転面の角速度ωθと、水平方向の回転軸を有し垂直方向の回転面の角速度ωφとを、各々角速度に比例した電圧である角速度電圧Ｖ（ωθ），Ｖ（ωφ）に変換して出力する。なお、角速度センサモジュール３４は、同様の機能を有するものであれば、センサ素子の種類や構造は特に問わない。

角速度センサモジュール３４の各出力には、利得１倍の電圧フォロワＢＡθ，ＢＡφが接続され、各電圧フォロワは角速度電圧Ｖ（ωθ），Ｖ（ωφ）を低インピーダンスに出力する。なお、角速度センサモジュール１６の出力インピーダンスが後段のインピーダンスよりも十分低い場合には、電圧フォロワＢＡθ，ＢＡφを削除してもよい。

各電圧フォロワＢＡθ，ＢＡφの出力には、積分回路Ｓθ，Ｓφが接続されている。積分回路Ｓθは、図２で説明した積分回路Ｓｘ１と同様の構成を備えているが、角速度センサモジュール３４の出力性能に適した定数に設定するため、入力抵抗Ｒｉ、積分用コンデンサＣｏは、必ずしもＳｘ１と同一ではない。そして、積分回路Ｓθは、入力された角速度電圧Ｖ（ωθ）を積分して極性を反転した電圧、すなわち、移動距離に比例した電圧である水平移動角電圧Ｖ(θ）を出力する。また、積分回路Ｓφも、積分回路Ｓθと同一のものであり、入力された角速度電圧Ｖ（ωφ）を積分して極性を反転した電圧、すなわち、移動距離に比例した電圧である垂直移動角電圧Ｖ(φ）を出力する。

積分回路Ｓφと積分回路Ｓθの各入力端と出力端には、オフセット調整手段ＦＢθ，ＦＢφが各々接続されている。オフセット調整回路ＦＢθ，ＦＢφは、図２に示すようなオフセット調整手段ＦＢｘと同様の回路構成を備え、且つ、動作検出手段３２によって動作が制御される
そして、各積分回路Ｓθ，Ｓφが出力する移動角度電圧Ｖ（θ），Ｖ（φ）は、マイクロコンピュータに読み込まれ、デジタル値に変換されてメモリに格納される。

次に、動き検出ユニット３０の動作を説明する。図８、図９に示すように被測定物１２が移動すると、被測定物１２に取り付けられた加速度センサモジュール１２に加速度が作用する。その加速度は、加速度センサモジュール１４によってＸＹＺ軸の各軸方向の加速度成分に分解され、電圧フォロワＢＡｘ，ＢＡｙ，ＢＡｚから加速度電圧Ｖ（ａｘ），Ｖ（ａｙ），Ｖ（ａｚ）として出力される。また、被測定物１２に加わる角速度は、角速度センサモジュール３４によって水平方向と垂直方向の角速度成分に分解され、電圧フォロワＢＡθ，ＢＡφから角速度電圧Ｖ（ωθ），Ｖ（ωφ）として出力される。

以下、Ｘ軸方向の加速度成分の信号処理を行う回路ブロックの動作について、図２、図３に基づいて説明する。まず、動作検出手段３２のＡ／Ｄ変換器３２ａが、加速度センサモジュール１４から加速度電圧Ｖ（ａｘ），Ｖ（ａｙ），Ｖ（ａｚ）を受け、アナログ値からデジタル値に各々変換する（ステップＳ１１）。

判定部３２ｂは、そのデジタル値を個々に微分演算し（ステップＳ１２）、微分結果を所定の基準値と各々比較演算する（ステップＳ１３）。この基準値は、被測定物１２が動作しているか静止しているかを判定する閾値として予め設定されている数値であり、ここでは、加速度電圧Ｖ（ａｘ），Ｖ（ａｙ），Ｖ（ａｚ）の傾きの絶対値を判定の指標としている。そして、当該３つの傾きが全て基準値よりも小さければ、被測定物１２が静止していると判定し、反対に１つでも当該傾きが基準値よりも大きければ、被測定物１２が動作していると判定し、その旨の判定信号Ｖｓを各オフセット調整手段ＦＢｘ，ＦＢｙ，ＦＢｚ，ＦＢθ，ＦＢφに向けて出力する。

オフセット制御手段ＦＢｘは、被測定物１２が静止している旨の判定信号Ｖｓを受けると、Ａ／Ｄ変換器３５が、速度電圧Ｖ（ｖｘ）をアナログ値からデジタル値に変換する（ステップＳ１４）。そして、そのデジタル値を微分演算して傾きＳを算出し、所定の係数ｋを用いた演算により新たな補正量デジタル値を決定する（ステップＳ１５）。さらに、Ｄ／Ａ変換器３８は、当該新たな補正量デジタル値をアナログ値である補正電圧Ｖｆに変換して出力し、出力抵抗Ｒｆを介して補正電流ｉｆをオペアンプＯＰ１に流し込む（ステップ１６）。

ここで、係数ｋ、補正電圧Ｖｆ、補正電流ｉｆについて説明する。被測定物１２が静止しているときは、速度電圧Ｖ（ｖｘ）がゼロボルトであることが理想である。そこで、係数ｋは、速度電圧Ｖ（ｖｘ）をゼロに近づけるための補正量デジタル値を決定するために用いられる。速度電圧Ｖ（ｖｘ）の傾きＳは、式（６）のように表される。

従って、補正電流ｉｆを、帰還コンデンサＣｏの電流ｉｏと等しい電流Δｉｆだけ変化させれば、速度電圧Ｖ（ｖｘ）がゼロボルトにすることができる。

そして、補正電流ｉｆを電流Δｉｆだけ変化させるためには、補正電圧Ｖｆを電圧ΔＶｆだけ変化させればよい。

そして、式（８）を式（７）に代入して展開すると、式（９）が得られる。

このように、係数ｋは、出力抵抗Ｒｆに帰還コンデンサＣｏを積算した値に設定されており、係数ｋと傾きＳを積算することによって、前回のサンプリング時に決定した補正電圧Ｖｆから変化させるべき電圧ΔＶｆを算出し、演算部３６によりそれに相当する新たな補正量デジタル値を決定する。

一方、ステップ１３で、被測定物１２が静止している判定され、オフセット制御手段ＦＢｘがその旨の判定信号Ｖｓを受けた場合は、ステップＳ１４，Ｓ１５，Ｓ１６の処理を行わず、前回のサンプリング時に決定した補正電圧Ｖｆを継続することとし、その補正電圧Ｖｆ及び電流ｉｆが保持される。そして、動き検出ユニット３０を使用している間は、ステップＳ１１〜Ｓ１６の処理を繰り返す（ステップＳ１７）。

以上説明したステップＳ１１〜Ｓ１７の処理を一定の周期毎に繰り返し行うことよって、被測定物１２が停止している期間に決定された適切な補正電流ｉｆが決定され、被測定物１２が動いているときは、動き始める直前の補正電流ｉｆが保持される。また、Ｙ，Ｚ軸方向の加速度成分や、水平・垂直方向の回転の角速度成分についても上記と同様である。

積分回路Ｓｘ１，Ｓｙ１，Ｓｚ１が出力した加速度電圧Ｖ（ｖｘ），Ｖ（ｖｙ），Ｖ（ｖｚ）は、図１に示すように、マイクロコンピュータの内部に構成された積分手段Ｓｘ３，Ｓｙ３，Ｓｚ３で積分演算の処理がなされ、移動距離電圧Ｖ（ｘ），Ｖ（ｙ），Ｖ（ｚ）を得ることができ、その演算結果がデジタルデータとしてメモリに格納される。一方、積分回路Ｓθ，Ｓφが出力する移動角電圧Ｖ（θ），Ｖ（φ）は、マイクロコンピュータに読み取られ、デジタルデータとしてメモリに格納される。

以上説明したように、動き検出ユニット３０は、被測定物１２が一定時間静止する毎にオフセット調整を自動的に行い、そして被測定物１２が動き始めて測定をしているときも、そのオフセット調整された状態が維持されるので、誤差成分が排除された移動距離電圧Ｖ（ｘ），Ｖ（ｙ），Ｖ（ｚ）、移動角電圧Ｖ（θ），Ｖ（φ）を精度よく得ることができる。また、オフセット調整回路ＦＢｘ、動作検出手段３２及び積分手段Ｓｘ３，Ｓｙ３，Ｓｚ３の演算処理には、特別な高速性が必要ないため、他の用途にも用いられている汎用的なマイクロコンピュータを利用して簡単に構成することができる。

次に、この発明の第二の実施形態の動き検出ユニット４０について、図４に基づいて説明する。ここで、動き検出ユニット３０と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。動き検出ユニット４０は、動作検出手段３２が角速度センサモジュール３４から出力する角速度電圧Ｖ（ωθ），Ｖ（ωφ）に基づいて被測定物１２が動作しているか静止しているかを判定する構成を備えている。その他の構成は、動き検出ユニット３０と同様である。そして、作用効果も動き検出ユニット３０と同様である。

被測定物１２の使用形態によっては、ＸＹＺ軸方向の動きが比較的小さい場合があり、被測定物１２の動作又は静止状態を判定するときに、ＸＹＺ軸方向の加速度よりも回転方向の角速度を検知した方がより的確に認識することができる場合がある。そのようなときは、動き検出ユニット３０よりも動き検出ユニット４０の構成とすることが好ましい。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、被測定物１２が回転移動しない装置に用いられる動き検出ユニットであって、移動角の測定が必要ない場合は、第一及び第二のセンサモジュールとしての角速度センサモジュール３４およびそれに関連する周辺回路は設けなくてもよい。また、被測定物１２の速度電圧および角速度電圧を用いて装置を制御する場合は、積分手段Ｓｘ３，Ｓｙ３，Ｓｚ３と設けなくてもよい。

同様に、被測定物１２が回転移動のみ行う装置に用いられる動き検出ユニットであって、ＸＹＺ方向の移動の測定が必要ない場合は、第一及び第二のセンサモジュールとしての加速度センサモジュール１４およびそれに関連する周辺回路は設けなくてもよい。

また、出力抵抗Ｒｆで構成した補正信号出力部は変換係数１／Ｒｆを有する電圧・電流変換回路に相当するが、他の構成を備えた電圧・電流変換回路や電流・電流変換回路であってもよい。その場合は、係数ｋは、個々の補正信号出力部が有する変換係数に応じて変更され、Ｄ／Ａ変換回路３８の出力も、所定の電圧又は電流に変更されればよい。

次に、この発明の動き検出ユニットの一実施例について説明する。ここでは、動き検出ユニット３０を実際に動作させる実験を行った。この実験では、被測定物１２を手で持って水平方向に左右に振り、そのときの各部の電圧波形を観測した。なお、実験の便宜上、動作検出手段３２は、Ｘ軸の加速度電圧Ｖ（ａｘ）のみを基づいて判定を行う構成とした。

図５に示すように、動作検出手段３２が出力する判定信号Ｖｓは、加速度電圧Ｖ（ａｘ）の傾きが所定の基準値よりも大きいときは、被測定物１２が動いていることを表すハイレベルを示し、反対に小さいときは、被測定物１２が静止していることを表すローレベルを示している。

Ｄ／Ａ変換器３８が出力する補正電圧Ｖｆは、被測定物１２が静止している期間は、常に最適な補正電流ｉｆを生成するように変化している。そして、被測定物１２が動いている期間は、ハイレベルに反転する直前の補正電圧Ｖｆを維持し、図示しない補正電流ｉｆも同様に維持されている。

その結果、被測定物１２の動きを測定した水平方向の角度電圧Ｖ（θ）は、ほぼゼロボルトを中心にプラスマイナスに反転する矩形の電圧波形を示している。すなわち、補正電流ｉｆの変更が好ましいタイミングで自動的に行われ、角速度センサモジュールのドリフト分等に起因した誤差電圧成分が適切に排除され、被測定物１２の動きが精度よく測定されている。

１０，３０，４０ 動き検出ユニット
１２ 被測定物
１４ 加速度センサモジュール
３２ 動作検出手段
３２ａ Ａ／Ｄ変換器
３２ｂ 判定部
３４ 角速度センサモジュール
３５ Ａ／Ｄ変換器
３６ 演算部
３８ Ｄ／Ａ変換器
ＢＡｘ，ＢＡｙ，ＢＡｚ，ＢＡθ，ＢＡφ 電圧フォロア
Ｃｏ 帰還コンデンサ
ＦＢｘ，ＦＢｙ，ＦＢｚ，ＦＢθ，ＦＢφ オフセット調整手段
Ｒｆ 出力抵抗
Ｒｉ 入力抵抗
Ｓｘ１，Ｓｙ１，Ｓｚ１，Ｓθ，Ｓφ 積分回路
Ｓｘ３，Ｓｙ３，Ｓｚ３ 積分手段

Claims (6)

1. 被測定物に取り付けられ、前記被測定物に加わる加速度又は角速度を電圧信号に変換し、第一のセンサ電圧を出力する第一のセンサモジュールと、入力抵抗と帰還コンデンサとオペアンプとを有し、前記入力抵抗の一端から入力された前記第一のセンサ電圧を積分し、一階積分電圧を出力する反転出力型の積分回路とを備えた動き検出ユニットにおいて、
   前記被測定物が動作することによって変化する所定の特性値を検出して電圧信号に変換し、第二のセンサ電圧を出力する第二のセンサモジュールと、
   前記第二のセンサ電圧を受け、前記被測定物が動作中または静止中かを判定する所定の演算処理を所定の周期毎に行い、その判定結果である判定信号を継続的に出力する動作検出手段と、
   前記積分回路が出力した前記一階積分電圧と前記判定信号とに基づいて所定の演算処理を行い、連続的なアナログ信号である補正信号を前記積分用オペアンプの反転入力端子に向けて出力するオフセット調整手段とを備え、
   前記オフセット調整手段は、前記被測定物が静止している旨の前記判定信号を前記動作検出手段より受けると、前記一階積分電圧をゼロに近づけるように前記補正信号を変化させることを特徴とする動き検出ユニット。
2. 前記動作検出手段は、前記第二のセンサ電圧又はその微分電圧と予め設定され基準値とを一定の周期毎に繰り返し比較演算し、前記基準値の方が小さいときに前記被測定物が動作している旨の前記判定信号を出力する請求項１記載の動き検出ユニット。
3. 前記オフセット調整手段は、
   アナログ値である前記一階積分電圧を積分電圧デジタル値に変換するアナログ／デジタル変換器と、
   前記動作検出手段から前記被測定物が静止している旨の前記判定信号を受けたときは、前記積分電圧デジタル値に基づく所定の演算処理を行って当該一階積分電圧をゼロに近づけるための補正量デジタル値を算出して出力し、前記被測定物が動作している旨の前記判定信号を受けたときは、前回の演算処理によって算出された補正量デジタル値を継続して出力する演算部と、
   前記補正量デジタル値をアナログ値である補正電圧に変換するデジタル／アナログ変換器と、
   前記デジタル／アナログ変換器から前記補正電圧を受け、当該補正電圧に基づいて連続的なアナログ信号である補正電流を生成し、次の周期で新たな前記補正電圧を受けるまでの間、前記補正電流を前記積分用オペアンプの反転入力端子に向けて連続して出力する補正信号出力部とを備えた請求項１又は２記載の動き検出ユニット。
4. 前記第ニのセンサモジュールは、互いに直交する複数次元座標系の各軸に加速度電圧を出力可能に設けられた加速度センサモジュール、又は水平方向の回転軸を有した回転の角速度と垂直方向の回転軸を有した回転の角速度とを前記各回転軸毎に角速度電圧に変換して出力する角速度センサモジュールであり、
   前記動作検出手段は、前記第二のセンサモジュールの各出力である前記第ニのセンサ電圧又はその微分電圧が、全て基準値以下のときだけ前記被測定物が静止していると判定し、前記被測定物が静止している旨の判定信号を、前記加速度センサモジュール個々に設けられた全ての前記オフセット調整手段に向けて出力する請求項１乃至３記載の動き検出ユニット。
5. 前記第一のセンサモジュールは、互いに直交する複数次元座標系の各軸に加速度電圧を出力可能に設けられた加速度センサモジュール、又は、水平方向の回転軸を有した回転の角速度と垂直方向の回転軸を有した回転の角速度とを前記各回転軸毎に角速度電圧に変換して出力する角速度センサモジュールであり、
   前記積分回路及び前記オフセット調整手段は、前記各軸及び各回転軸に設けられた請求項１乃至３記載の動き検出ユニット。
6. 前記第二のセンサモジュールは、前記第一のセンサモジュールを兼用したものである請求項１乃至５記載の動き検出ユニット。
   

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