JP7056575B2 - 情報処理装置 - Google Patents

Description

本技術は、例えばユーザの身体動作の軌跡を計測する情報処理装置に関する。

近年、スポーツ科学、人間科学等の分野において、人や物体の運動を解析する装置の開発が進められている。この種の装置としては、検出対象に取り付けられた加速度センサやジャイロセンサ等の出力から運動を計測する慣性センサ式、検出対象に取り付けられた複数のマーカをカメラで撮影し、そのカメラ画像を処理して運動を計測する光学式等が知られている。

慣性センサを用いた処理において、慣性センサの出力から移動距離や方向を算出するには、加速度センサの場合で２回、角速度センサの場合で１回の積分を行う必要がある（例えば特許文献１参照）。具体的には、ジャイロセンサから得られる３軸方向の角速度を積分して姿勢角度を得、この姿勢角度から重力成分を推定し求める。そして加速度センサから得られる３軸方向の加速度から、先に算出しておいた姿勢角度から求めた重力成分を差し引いてグローバル座標系に対する加速度を算出し、この加速度を二重積分してグローバル座標系位置を得る。

特開２００４－２６４０６０号公報

しかしながら、検出対象が運動中の場合、ジャイロセンサによって求められる姿勢角度に誤差が生じ、この誤差は時間経過とともに蓄積される。このため、加速度センサから求められる加速度からのジャイロセンサによって求められる重力加速度成分のキャンセルが不十分となる。したがって、このような重力加速度成分のキャンセルが十分に行われていない加速度を積分して算出する位置情報は正確ではなく、得られる位置情報にセンサ出力値の誤差が蓄積して位置情報が発散してしまい、検出対象の運動の軌跡等を正確に得ることができなかった。

以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、検出対象の運動学的物理量の変化をより精度よく得ることができる情報処理装置を提供することにある。

本技術の一形態に係る情報処理装置は制御部を具備する。
上記制御部は、空間内で運動する検出対象の動的加速度成分と静的加速度成分とを含む加速度から、上記検出対象の上記動的加速度成分を抽出し、上記動的加速度成分から上記検出対象の運動学的物理量の変化を制御信号として生成する。

上記情報処理装置において、制御部は、動的加速度成分を抽出し、静的加速度成分がほぼ除かれた加速度を基に検出対象の運動学的物理量の変化を制御信号として生成するように構成されているため、検出対象の加速度、速度、位置、距離等といった運動学的物理量をより正確に把握することができる。すなわち、静的加速度成分（重力加速度成分）がほぼ除かれた加速度を基に制御信号を生成するため、静的加速度成分が残ることによる誤差の蓄積を減少させることができ、算出される検出対象の運動学的物理量がより正確に得られる。

上記制御部は、上記動的加速度成分から上記検出対象の前記空間内における位置の時間変化を算出し、上記位置の時間変化を基に上記制御信号を生成してもよい。
これにより、検出対象の位置の時間変化、すなわち検出対象の運動の軌跡を把握することができる。

上記制御部は、例えば、上記加速度に応じた交流波形を有する第１の検出信号と、上記加速度に応じた交流成分が直流成分に重畳した出力波形を有する第２の検出信号とに基づいて、上記３軸方向各々について動的加速度成分および静的加速度成分を抽出する加速度演算部を有する。

上記加速度演算部は、上記第１の検出信号と上記第２の検出信号との差分信号に基づいて、上記加速度から上記静的加速度成分を抽出する演算回路を有してもよい。
これにより、加速度情報から静的加速度成分を抽出することができる。

上記加速度演算部は、上記第１の検出信号と上記第２の検出信号とが同一レベルとなるように各信号のゲインを調整するゲイン調整回路をさらに有してもよい。

上記加速度演算部は、上記差分信号に基づいて補正係数を算出し、上記補正係数を用いて上記第１の検出信号および上記第２の検出信号のいずれか一方を補正する補正回路をさらに有してもよい。

上記制御部は、上記３軸まわりの角速度に関連する情報を含む第３の検出信号に基づいて、上記３軸まわりの角速度をそれぞれ算出する角速度演算部をさらに有してもよい。

上記情報処理装置は、上記加速度を取得する検出部を更に具備してもよい。

上記検出部は、センサ素子を含んでもよい。上記センサ素子は、加速度を受けて運動可能な可動部を有する素子本体と、上記可動部に作用する３軸方向の加速度に関連する情報を含む第１の検出信号を出力する圧電型の第１の加速度検出部と、前記可動部に作用する前記３軸方向の加速度に関連する情報を含む第２の検出信号を出力する非圧電型の第２の加速度検出部とを有する。

このようなセンサ素子は、圧電型の第１の加速度検出部と非圧電型の第２の加速度検出部とはいずれも運動加速度等の動的加速度成分（ＡＣ成分）を検出するが、非圧電型の第２の加速度検出部は、ＡＣ成分だけでなく、重力加速度のような静的加速度成分（ＤＣ成分）をも検出可能である。そこで本技術では、これら第１および第２の加速度検出部の検出方式の違いを利用することで、これらの出力（第１の検出信号、第２の検出信号）から動的加速度成分と静的加速度成分とを分離して抽出するように構成される。このようなセンサ素子を用いることにより、検出対象に作用する動的加速度を精度よく測定することができ、検出対象の位置を正確に把握することができる。

上記第２の加速度検出部は、上記可動部に設けられたピエゾ抵抗式の加速度検出素子を含んでもよい。

あるいは、上記第２の加速度検出部は、上記可動部に設けられた静電容量式の加速度検出素子を含んでもよい。

以上のように、本技術によれば、検出対象の加速度、速度、位置、距離といった運動学的物理量の変化をより正確に取得することができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

本技術の一実施形態に係る運動計測装置の概略構成を示すブロック図である。 上記運動計測装置の適用例を説明する模式図である。 上記運動計測装置のシステム構成図である。 上記運動計測装置の主要部分の基本構成を示すブロック図である。 上記運動計測装置に備えられる慣性センサにおける加速度演算部の一構成例を示す回路図である。 上記慣性センサにおける加速度センサ素子の表面側の概略斜視図である。 上記加速度センサ素子の裏面側の概略斜視図である。 上記加速度センサ素子の平面図である。 上記センサ素子の要部の運動の様子を説明する概略側断面図であり、加速度無印加時を示している。 上記センサ素子の要部の運動の様子を説明する概略側断面図であり、ｘ軸方向に沿った加速度発生時を示している。 上記センサ素子の要部の運動の様子を説明する概略側断面図であり、ｚ軸方向に沿った加速度発生時を示している。 上記慣性センサにおける加速度演算部の一構成例を示す回路図である。 上記加速度演算部における一軸方向についての処理ブロックを示す図である。 検出方式の異なる複数の加速度センサの出力特性を説明する図である。 上記加速度演算部の一作用を説明する図である。 上記加速度演算部の一作用を説明する図である。 上記加速度演算部の一作用を説明する図である。 上記加速度演算部の一作用を説明する図である。 上記加速度演算部の一作用を説明する図である。 上記加速度演算部の一作用を説明する図である。 上記加速度演算部の処理手順の一例を示すフローチャートである。 上記運動計測システムの動作例を説明するフローチャートである。 運動計測システムの他の適用例を説明する模式図である。

以下、本技術に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。本技術は、いわゆるモーションキャプチャシステム等に適用可能なものであり、検出対象である人やその他の動く物体に取り付けたセンサからの情報に基づいて、検出対象の運動学的物理量の変化を計測するものである。

［装置概要］
図１は、本技術の一実施形態に係る運動計測装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、運動計測装置の適用例を説明する模式図である。

本実施形態の運動計測装置１は、図１に示すように、検出部４０と制御部５０とを有するセンサデバイス１Ａと、表示部４０７を有する端末装置１Ｂとにより構成される。運動計測装置１は、空間内で運動する検出対象の運動学的物理量の変化を、例えば画像表示するように構成される。

センサデバイス１Ａは、ユーザＵの検出対象部位に装着可能に構成される。端末装置１Ｂは、センサデバイス１Ａと無線や有線で通信可能に構成され、典型的には、スマートホンや携帯電話、ノート型ＰＣ（パーソナルコンピュータ）等の携帯情報端末で構成される。

本実施形態では例えば図２に示すように、ゴルフのスイング練習をするユーザＵが使用する運動器具であるゴルフクラブ３のヘッド４のすぐ上のネック部分にセンサデバイス１Ａが装着される。センサデバイス１Ａは、ユーザＵの運動開始（例えばダウンスイング開始）から運動終了（インパクト後のフォロースルー終了）までの運動学的物理量を所定時刻ごとに又は連続的に抽出して端末装置１Ｂへ送信するように構成される。

センサデバイス１Ａは、直交する３軸（図６におけるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）方向の加速度および当該３軸まわりの角速度を検出する。センサデバイス１Ａは、３つの検出軸のうち１軸、例えばｚ軸をゴルフクラブ３のシャフトの長軸方向に合わせて、取り付けられる。ゴルフクラブ３のソールを水平面に接地させた際、水平面に対して垂直方向に所定角度傾斜する。また、センサデバイス１Ａは、他の検出軸（例えばｘ軸）が、例えばゴルフクラブ３のソールを水平面に接地させたときのフェース面に対して垂直な方向を水平面に投影させた方向となるように取り付けられる。

端末装置１Ｂは、検出部４０から取得されるゴルフクラブ３の運動学的物理量の変化をユーザＵへ報知するように構成される。例えば本実施形態においては、ゴルフクラブの空間内における位置の時間変化が、クラブスイングの軌跡として端末装置１Ｂの表示部４０７にユーザＵに報知可能に表示される。

センサデバイス１Ａは、ゴルフクラブ３に取り付け可能なバンドやクリップ等の装着具を有する筐体（図示略）と、当該筐体の内部に収容された検出部４０と制御部５０を備える。

検出部４０は、ローカル座標系の直交３軸（図６におけるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）方向における速度の時間変化に関連する速度関連情報Ｖｏを検出する。制御部５０は、検出された速度関連情報ＶｏからユーザＵ（センサデバイス１Ａ）の運動学的物理量を算出し、この運動学的物理量の変化を制御信号Ｓ０として生成し、出力する。具体的には、本実施形態では、制御部５０は、検出部４０の出力に基づき、実空間（グローバル座標系）における直交３軸（図２におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）での検出対象（センサデバイス１Ａ）の位置及び姿勢角を算出し、この位置及び姿勢角を基に軌跡画像信号（制御信号）Ｓ０を生成し、出力する。

検出対象としてのユーザＵには、ユーザ自身だけでなく、ユーザが使用する運動器具が含まれる。検出対象がユーザ自身である場合、より具体的には、センサデバイス１Ａが取り付けられる身体の一部（例えば、腕や足、頭部、腰部等）が検出対象に相当する。センサデバイス１Ａはユーザの身体に直接取り付けられる場合に限られず、衣服や帽子、靴、グラブ（手袋）、リストバンド、ベルト等、ユーザと一体となって運動する部位に取り付けられてもよい。

一方、運動器具としては、例えば、ユーザが手に持って使用するクラブやバット、ラケット、バトン等の競技用器具等が挙げられる。

図２に示すように、端末装置１Ｂは表示部４０７を有し、軌跡画像信号Ｓ０に基づき、ユーザＵの位置の変化を軌跡として表示部４０７に表示する。

以下、本実施形態に係る運動計測装置１の詳細について説明する。

［基本構成］
図３は、運動計測装置１のシステム構成図であり、図４はその主要部分の基本構成を示すブロック図である。運動計測装置１は、センサデバイス１Ａと端末装置１Ｂとを含む計測システムを構成する。

（センサデバイス）
センサデバイス１Ａは、検出部４０と、制御部５０と、送受信部１０１と、内部電源１０２と、メモリ１０３と、電源スイッチ（図示略）を有する。

検出部４０は、慣性センサユニット２と、コントローラ２０とを有する慣性センサである。

慣性センサユニット２は、加速度センサ素子１０と角速度センサ素子３０を有する。加速度センサ素子１０は、ローカル座標系における直交３軸方向（図６におけるｘ、ｙ及びｚ軸）の加速度を検出する。角速度センサ素子３０は、上記３軸まわりの角速度を検出する。コントローラ２０は、慣性センサユニット２からの出力を処理する。

本実施形態の慣性センサユニット２では、各軸の加速度センサ及び角速度センサを個別に構成したが、これに限らず、加速度センサ及び角速度センサは、３軸方向の加速度及び角速度を同時に検出できる単一のセンサでそれぞれ構成されてもよい。

検出部４０では、慣性センサユニット２の検出結果を基に、速度関連情報Ｖｏとして、所定のサンプリング周期で取得したローカル座標系における動的加速度成分（Acc-x、Acc-y、Acc-z）、静的加速度成分（Gr-x、Gr-y、Gr-z）及び角速度信号（ω-x、ω-y、ω-z）をコントローラ２０にて算出し、制御部５０へ逐次出力する。

検出部４０では、加速度センサ素子１０から検出されたユーザＵ（センサデバイス１Ａ）の３軸まわりの、動的加速度成分と静的加速度成分とを含む加速度検出信号を、コントローラ２０にて動的加速度成分（Acc-x、Acc-y、Acc-z）と静的加速度成分（Gr-x、Gr-y、Gr-z）とに分離する。加速度センサ素子１０の構成及びコントローラ２０で行われる動的速度成分と静的加速度成分の分離の詳細については後述する。

また、検出部４０では、角速度センサ素子３０から検出されたユーザＵ（センサデバイス１Ａ）の３軸まわりの角速度検出信号（Gyro-x、Gyro-y、Gyro-z）に基づいて、コントローラ２０にて３軸まわりの角速度信号（ω-x、ω-y、ω-z）をそれぞれ算出する。角速度センサ素子３０は、ｘ、ｙ及びｚ軸まわりの角速度（以下、ローカル座標系における角速度成分ともいう）をそれぞれ検出する。角速度センサ素子３０には、典型的には振動型ジャイロセンサが用いられるが、これ以外にも、回転コマジャイロセンサ、レーザリングジャイロセンサ、ガスレートジャイロセンサ等が用いられてもよい。

制御部５０は、抽出部５１と慣性航法計算部５７と時刻情報取得部５４と出力信号生成部５８を有している。
なお、制御部５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等のコンピュータに用いられるハードウェア要素および必要なソフトウェアにより実現され得る。ＣＰＵに代えて、またはこれに加えて、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のＰＬＤ(Programmable Logic Device)、あるいは、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等が用いられてもよい。

制御部５０は、検出部４０から出力される速度関連情報Ｖｏ及び角速度信号から、ユーザＵ（センサデバイス１Ａ）の運動の変化を軌跡として表示部４０７に画像表示するための軌跡画像信号（制御信号）Ｓ０を生成する情報処理装置として構成される。制御部５０において生成された軌跡画像信号（制御信号）Ｓ０は端末装置１Ｂへ送信される。

抽出部５１は、検出部４０から出力される検出対象の速度関連情報Ｖｏ及び角速度信号から３軸まわりの動的加速度成分信号（（Acc-x、Acc-y、Acc-z）と３軸まわりの角速度信号（ω-x、ω-y、ω-z）を抽出する。抽出部５１で抽出された動的加速度成分信号（Acc-x、Acc-y、Acc-z）は慣性航法計算部５７の座標回転部５２へ出力され、角速度信号（ω-x、ω-y、ω-z）は慣性航法計算部５７の姿勢角計算部５３へ出力される。

慣性航法計算部５７は、検出部４０から入力された信号及び時刻情報取得部５４から供給される時刻情報を基にユーザＵ（センサデバイス１Ａ）のグローバル座標系における加速度、速度、位置、姿勢角等を算出し、これらの情報を出力信号生成部５８に出力する。

時刻情報取得部５４は、時刻情報を慣性航法計算部５７に付与する。時刻情報は、例えば、制御部５０の内蔵クロックから取得される

出力情報生成部５８は、慣性航法計算部５７から入力された情報を基に、例えばユーザＵ（センサデバイス１Ａ）の位置の変化、すなわち運動の軌跡を表示部４０７に画像表示するための軌跡画像信号（制御信号）Ｓ０を生成し、送受信部１０１へ出力する。本実施形態においては、出力情報生成部５８は軌跡情報生成部として機能する。

出力情報生成部５８には、時刻情報取得部５４からの検出時刻（時刻情報）、加速度、速度、位置及び姿勢角が対応づけられ時系列に並べられた情報が入力される。本実施形態においては、ユーザＵの運動学的物理量としての位置の変化をユーザＵの運動の軌跡として表示部４０７に表示するように制御信号を生成したが、これに限定されない。例えば、ユーザＵの運動の変化を、時刻毎に加速度、速度を対応づけさせたログにして表示するように制御信号を生成してもよい。

慣性航法計算部５７は、座標回転部５２と、姿勢角計算部５３と、第１の積分器５５と、第２の積分器５６とを有する。

姿勢角計算部５３は、角速度センサ素子３０から出力されるローカル座標系における角速度成分（ω-x、ω-y、ω-z）から回転角成分（θx、θy、θz）を算出し、これを座標回転部５２及び出力信号生成部５８に出力する。姿勢角計算部５３においては、慣性航法の分野において一般的に用いられる姿勢計算手法が採用される。

座標回転部５２は、姿勢角計算部５３から入力された回転各成分（θx、θy、θz）とローカル座標系における動的加速度成分信号（Acc-x、Acc-y、Acc-z）から、グローバル座標系における加速度成分（ａX、ａY、ａZ）を算出する。

第１の積分器５５は、グローバル座標系における加速度成分（ａX、ａY、ａZ）を各軸について、時刻情報取得部５４から付与された時刻情報を基に時間積分して速度成分（ｖX、ｖY、ｖZ）を抽出する。第２の積分器５６は、速度成分（ｖX、ｖY、ｖZ）を各軸について、時刻情報取得部５４で取得され付与された時刻情報を基に時間積分して、運動学的物理量としての位置成分（ｐX、ｐY、ｐZ）を抽出する。

送受信部１０１は、例えば通信回路及びアンテナを含み、端末装置１Ｂ（送受信部４０４）との通信のためのインタフェースを構成する。送受信部１０１は、制御部５０において生成された軌跡画像信号（制御信号）Ｓ０を含む出力信号を端末装置１Ｂへ送信することが可能に構成される。また送受信部１０１は、端末装置１Ｂから送信される制御部５０の設定情報等を受信することが可能に構成される。

送受信部１０１と端末装置１Ｂの送受信部４０４との間で行われる通信は、無線でもよく有線であってもよい。無線の通信は、電磁波（赤外線を含む）を利用した通信や、電界を利用した通信でもよい。具体的な方式としては、「Wi-Fi（登録商標）」、「Zigbee（登録商標）」、「Bluetooth（登録商標）」、「Bluetooth Low Energy」、「ANT（登録商標）」、「ANT＋（登録商標）」、「EnOcean(登録商標)」などの数百ＭＨｚ（メガヘルツ）から数ＧＨｚ（ギガヘルツ）帯を利用する通信方式を例示することができる。NFC（Near Field Communication）等の近接無線通信でもよい。

内部電源１０２は、センサデバイス１Ａの駆動に必要な電力を供給する。内部電源１０２には、一次電池や二次電池等の蓄電素子が用いられてもよいし、振動発電や太陽発電等の発電素子、無給電手段をも含むエネルギーハーベスティング技術が用いられてもよい。特に本実施形態では、動きのある検出対象を測定対象とするものであるから、内部電源１０２として振動発電デバイス等の環境発電デバイスが好適である。

メモリ１０３は、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等を有し、速度関連情報Ｖｏから軌跡画像信号（制御信号）Ｓ０を生成するためのプログラム等の制御部５０によるセンサデバイス１Ａの制御を実行するためのプログラム、各種パラメータあるいはデータを記憶する。

（端末装置）
端末装置１Ｂは、典型的には携帯情報端末で構成され、ＣＰＵ４０１と、メモリ４０２と、内部電源４０３と、送受信部４０４と、カメラ４０５と、位置情報取得部（ＧＰＳ（Global Positioning System）装置）４０６と、表示部４０７とを有する。

ＣＰＵ４０１は、端末装置１Ｂの全体の動作を制御する。メモリ４０２は、ＲＯＭ及びＲＡＭ等を有し、ＣＰＵ４０１による端末装置１Ｂの制御を実行するためのプログラムや各種パラメータあるいはデータを記憶する。内部電源４０３は、端末装置１Ｂの駆動に必要な電力を供給するためのもので、典型的には、充放電可能な二次電池で構成される。

送受信部４０４は、送受信部１０１と通信可能な通信回路及びアンテナを含む。送受信部４０４はさらに、無線ＬＡＮや移動通信用の３Ｇや４ＧのネットワークＮを用いて、他の携帯情報端末やサーバ等と通信可能に構成される。

表示部４０７は、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）で構成され、各種メニューやアプリケーションのＧＵＩ（Graphic User Interface）等を表示する。典型的には、表示部４０７は、タッチセンサを有し、ユーザのタッチ操作により、ＣＰＵ４０１及び送受信部４０４を介してセンサデバイス１Ａへ所定の設定情報を入力することが可能に構成される。

表示部４０７には、送受信部４０４を介して受信したセンサデバイス１Ａからの軌跡画像信号（制御信号）Ｓ０に基づいてユーザＵの運動の軌跡の画像が表示される。

［検出部の構成］
次に、本実施形態に係る検出部（慣性センサ）４０の詳細について説明する。図５は、本技術の一実施形態に係る検出部（慣性センサ）４０の構成を示すブロック図である。

図４に示すように、検出部（慣性センサ）４０は、加速度センサ素子１０と角速度センサ素子３０とコントローラ２０を有する。ここでは、加速度センサ素子１０とコントローラ２０について主に説明する。

本実施形態の加速度センサ素子１０は、ローカル座標系における（ｘ、ｙ及びｚ軸）における３軸方向の加速度を検出する加速度センサとして構成される。

特に本実施形態の加速度センサ素子１０は、上記３軸方向の加速度から動的加速度成分と静的加速度成分とをそれぞれ抽出することが可能に構成される。
ここで、動的加速度成分とは、典型的には、上記加速度のＡＣ成分を意味し、典型的には、上記物体の運動加速度（並進加速度、遠心加速度、接線加速度など）に相当する。一方、静的加速度成分とは、上記加速度のＤＣ成分を意味し、典型的には、重力加速度あるいは重力加速度と推定される加速度に相当する。

図５に示すように、加速度センサ素子１０は、３軸方向の加速度に関連する情報をそれぞれ検出する２種類の加速度検出部（第１の加速度検出部１１、第２の加速度検出部１２）を有する。角速度センサ素子３０は、角速度検出部３１を有する。

第１の加速度検出部１１は圧電型の加速度センサであって、ｘ軸方向に平行な加速度に関連する情報を含む信号（Acc-AC-x）、ｙ軸方向に平行な加速度に関連する情報を含む信号（Acc-AC-y）およびｚ軸方向に平行な加速度に関連する情報を含む信号（Acc-AC-z）をそれぞれ出力する。これらの信号（第１の検出信号）は、各軸の加速度に応じた交流波形を有する。

一方、第２の加速度検出部１２は非圧電型の加速度センサであって、ｘ軸方向に平行な加速度に関連する情報を含む信号（Acc-DC-x）、ｙ軸方向に平行な加速度に関連する情報を含む信号（Acc-DC-y）およびｚ軸方向に平行な加速度に関連する情報を含む信号（Acc-DC-z）をそれぞれ出力する。これらの信号（第２の検出信号）は、各軸の加速度に応じた交流成分が直流成分に重畳した出力波形を有する。

コントローラ２０は、第１の加速度検出部１１の出力（第１の検出信号）と第２の加速度検出部１２の出力（第２の検出信号）とに基づいて、上記３軸方向の加速度から動的加速度成分と静的加速度成分とをそれぞれ抽出する加速度演算部２００と、３軸まわりの角速度検出信号（Gyro-x、Gyro-y、Gyro-z）に基づいて、３軸まわりの角速度信号（ω-x、ω-y、ω-z）（第３の検出信号）をそれぞれ算出する角速度演算部３００を有する。

なお、コントローラ２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等のコンピュータに用いられるハードウェア要素および必要なソフトウェアにより実現され得る。ＣＰＵに代えて、またはこれに加えて、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のＰＬＤ(Programmable Logic Device)、あるいは、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等が用いられてもよい。

（加速度センサ素子）
続いて、検出部（慣性センサ）４０を構成する加速度センサ素子１０の詳細について説明する。

図６～図８はそれぞれ、加速度センサ素子１０の構成を概略的に示す表面側の斜視図、裏面側の斜視図、および表面側の平面図である。

加速度センサ素子１０は、素子本体１１０と、第１の加速度検出部１１（第１の検出素子１１ｘ１，１１ｘ２，１１ｙ１，１１ｙ２）と、第２の加速度検出部１２（第２の検出素子１２ｘ１，１２ｘ２，１２ｙ１，１２ｙ２）とを有する。

素子本体１１０は、ｘｙ平面に平行な主面部１１１と、その反対側の支持部１１４とを有する。素子本体１１０は、典型的には、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板で構成され、主面部１１１を形成する活性層（シリコン基板）と支持部１１４を形成する枠状の支持層（シリコン基板）との積層構造を有する。主面部１１１と支持部１１４とは厚みが相互に異なり、支持部１１４が主面部１１１よりも厚く形成される。

素子本体１１０は、加速度を受けて運動することが可能な可動板１２０（可動部）を有する。可動板１２０は、主面部１１１の中央部に設けられ、主面部１１１を形成する上記活性層を所定形状に加工することで形成される。より具体的に、主面部１１１に形成された複数の溝部１１２により、主面部１１１の中心部に関して対称な形状の複数（本例では４つ）のブレード部１２１～１２４を有する可動板１２０が構成される。主面部１１１の周縁部は、支持部１１４とｚ軸方向に対向するベース部１１５を構成する。

支持部１１４は、図７に示すように、可動板１２０の裏面を開放する矩形の凹部１１３を有する枠状に形成される。支持部１１４は、図示しない支持基板に接合される接合面として構成される。上記支持基板は、センサ素子１０とコントローラ２０とを電気的に接続する回路基板で構成されてもよいし、当該回路基板と電気的に接続される中継基板あるいはパッケージ基板で構成されてもよい。あるいは、支持部１１４には当該回路基板や中継基板等と電気的に接続される複数の外部接続端子が設けられてもよい。

可動板１２０の各ブレード部１２１～１２４は、それぞれ所定形状（本例では概略六角形状）の板片で構成され、ｚ軸に平行な中心軸のまわりに９０°間隔で配置される。各ブレード部１２１～１２４の厚みは、主面部１１１を構成する上記活性層の厚みに相当する。各ブレード部１２１～１２４は、可動板１２０の中央部１２０Ｃにおいて相互に一体的に接続され、それぞれが一体となって、ベース部１１５に対して相対移動可能に支持される。

可動板１２０は、図７に示すように、重錘部１２５をさらに有する。重錘部１２５は、可動板１２０の中央部裏面および各ブレード部１２１～１２４の裏面に一体的に設けられる。重錘部１２５の大きさ、厚さ等は特に限定されず、可動板１２０の所望とする振動特性が得られる適宜の大きさに設定される。重錘部１２５は、例えば、支持部１１４を形成する上記支持層を所定形状に加工することで形成される。

可動板１２０は、図６および図８に示すように、複数（本例では４つ）の橋梁部１３１～１３４を介してベース部１１５に接続される。複数の橋梁部１３１～１３４は、ブレード部１２１～１２４の間にそれぞれ設けられ、主面部１１１を形成する上記活性層を所定形状に加工することで形成される。橋梁部１３１および橋梁部１３３は、ｘ軸方向に相互に対向して配置され、橋梁部１３２および橋梁部１３４は、ｙ軸方向に相互に対向して配置される。

橋梁部１３１～１３４は、ベース部１１５に対して相対運動可能な可動部の一部を構成し、可動板１２０の中央部１２０Ｃを弾性的に支持する。橋梁部１３１～１３４は、それぞれ同一の構成を有し、図８に示すように、第１の梁部１３０ａと、第２の梁部１３０ｂと、第３の梁部１３０ｃとをそれぞれ有する。

第１の梁部１３０ａは、可動板１２０の中央部１２０Ｃの周縁部からｘ軸方向およびｙ軸方向にそれぞれ直線的に延び、相互に隣接するブレード部１２１～１２４の間にそれぞれ配置される。第２の梁部１３０ｂは、ｘ軸方向およびｙ軸方向にそれぞれ直線的に延び、第１の梁部１３０ａとベース部１１５との間をそれぞれ連結する。

第３の梁部１３０ｃは、ｘ軸方向およびｙ軸方向にそれぞれ交差する方向にそれぞれ直線的に延び、第１の梁部１３０ａと第２の梁部１３０ｂとの中間部と、ベース部１１５との間をそれぞれ連結する。各橋梁部１３１～１３４は、第３の梁部１３０ｃを２つずつ有しており、ｘｙ平面内において２つの第３の梁部１３０ｃが１つの第２の梁部１３０ｂを挟み込むように構成される。

橋絡部１３１～１３４の剛性は、運動する可動板１２０を安定に支持することができる適度な値に設定される。特に、橋絡部１３１～１３４は、可動板１２０の自重で変形することができる適宜の剛性に設定され、その変形の大きさは、後述する第２の加速度検出部１２によって検出することが可能であれば、特に限定されない。

以上のように可動板１２０は、素子本体１１０のベース部１１５に対して４つの橋梁部１３１～１３４を介して支持されており、加速度に応じた慣性力によって橋梁部１３１～１３４を支点としてベース部１１５に対して相対的に運動（移動）可能に構成される。

図９Ａ～Ｃは、可動板１２０の運動の様子を説明する概略側断面図であり、Ａは加速度無印加時を、Ｂはｘ軸方向に沿った加速度発生時を、そしてＣはｚ軸方向に沿った加速度発生時を、それぞれ示している。なお、図９Ｂにおいて実線は、紙面左方向に加速度が発生したときの様子を示し、図９Ｃにおいて実線は、紙面上方向に加速度が発生したときの様子を示している。

加速度が発生していないとき、可動板１２０は、図６および図９Ａに示すようにベース部１１５の表面と平行な状態に維持される。この状態で、例えばｘ軸方向に沿った加速度が発生すると、可動板１２０は、図９Ｂに示すようにｙ軸方向に延びる橋梁部１３２，１３４を中心として反時計まわりに傾斜する。これにより、ｘ軸方向に相互に対向する橋梁部１３１，１３３は、それぞれｚ軸方向に沿って互いに反対方向への曲げ応力を受ける。

同様に、ｙ軸方向に沿った加速度が発生すると、図示せずとも、可動板１２０は、ｘ軸方向に延びる橋梁部１３１，１３３を中心として反時計まわり（又は時計まわり）に傾斜し、ｙ軸方向に相互に対向する橋梁部１３２，１３４は、それぞれｚ軸方向に沿って互いに反対方向への曲げ応力を受ける。

一方、ｚ軸方向に沿った加速度が発生すると、可動板１２０は、図９Ｃに示すようにベース部１１５に対して昇降し、各橋梁部１３１～１３４は、それぞれｚ軸方向に沿って同一方向への曲げ応力を受ける。

第１の加速度検出部１１および第２の加速度検出部１２は、橋梁部１３１～１３４にそれぞれ設けられる。検出部（慣性センサ）４０は、橋梁部１３１～１３４の曲げ応力に起因する変形を加速度検出部１１，１２で検出することで、センサ素子１０に作用する加速度の向きと大きさを測定する。

以下、加速度検出部１１，１２の詳細について説明する。

第１の加速度検出部１１は、図８に示すように、複数（本例では４つ）の第１の検出素子１１ｘ１，１１ｘ２、１１ｙ１、１１ｙ２を有する。

検出素子１１ｘ１，１１ｘ２は、ｘ軸方向に相互に対向する２つの橋梁部１３１，１３３の表面の軸心上に設けられ、一方の検出素子１１ｘ１は橋梁部１３１における第１の梁部１３０ａに、他方の検出素子１１ｘ２は橋梁部１３３における第１の梁部１３０ａにそれぞれ配置される。これに対して、検出素子１１ｙ１，１１ｙ２は、ｙ軸方向に相互に対向する２つの橋梁部１３２，１３４の表面の軸心上に設けられ、一方の検出素子１１ｙ１は橋梁部１３２における第１の梁部１３０ａに、他方の検出素子１１ｙ２は橋梁部１３４における第１の梁部１３０ａにそれぞれ配置される。

第１の検出素子１１ｘ１～１１ｙ２は、それぞれ同一の構成を有しており、本実施形態では、第１の梁部１３０ａの軸心方向に長辺を有する矩形の圧電型検出素子で構成される。第１の検出素子１１ｘ１～１１ｙ２は、下部電極層と、圧電膜と、上部電極層との積層体で構成される。

圧電膜は、典型的には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で構成されるが、勿論これに限られない。圧電膜は、第１の梁部１３０ａのｚ軸方向への曲げ変形量（応力）に応じた電位差を上部電極層と下部電極層との間に生じさせる（圧電効果）。上部電極層は、橋梁部１３１～１３４上に形成された図示しない配線層を介して、ベース部１１５の表面に設けられた中継端子１４０にそれぞれ電気的に接続される。中継端子１４０は、上記支持基板に電気的に接続される外部接続端子として構成されてもよく、例えば、上記支持基板に一端が接続されるボンディングワイヤの他端が接続される。下部電極層は、典型的には、グランド電位等の基準電位に接続される。

以上のように構成される第１の加速度検出部１１は、圧電膜の特性上応力変化が有った時のみ出力し、応力が掛かっていても、応力値が変化していない状態では出力しない為、主として、可動板１２０に作用する運動加速度の大きさを検出する。したがって、第１の加速度検出部１１の出力（第１の検出信号）は、運動加速度に応じた動的成分（ＡＣ成分）である交流波形を有する出力信号を主として含む。

一方、第２の加速度検出部１２は、図８に示すように、複数（本例では４つ）の第２の検出素子１２ｘ１，１２ｘ２，１２ｙ１，１２ｙ２を有する。

検出素子１２ｘ１，１２ｘ２は、ｘ軸方向に相互に対向する２つの橋梁部１３１，１３３の表面の軸心上に設けられ、一方の検出素子１２ｘ１は橋梁部１３１における第２の梁部１３０ｂに、他方の検出素子１２ｘ２は橋梁部１３３における第２の梁部１３０ｂにそれぞれ配置される。これに対して、検出素子１２ｙ１，１２ｙ２は、ｙ軸方向に相互に対向する２つの橋梁部１３２，１３４の表面の軸心上に設けられ、一方の検出素子１２ｙ１は橋梁部１３２における第２の梁部１３０ｂに、他方の検出素子１２ｙ２は橋梁部１３４における第２の梁部１３０ｂにそれぞれ配置される。

第２の検出素子１２ｘ１～１２ｙ２は、それぞれ同一の構成を有しており、本実施形態では、第２の梁部１３０ｂの軸心方向に長辺を有するピエゾ抵抗型検出素子で構成される。第２の検出素子１２ｘ１～１２ｙ２は、抵抗層と、その軸方向の両端に接続された一対の端子部とを有する。

抵抗層は、例えば、第２の梁部１３０ｂの表面（シリコン層）に不純物元素をドーピングすることで形成された導体層であり、第２の梁部１３０ｂのｚ軸方向への曲げ変形量（応力）に応じた抵抗変化を上記一対の端子部間に生じさせる（ピエゾ抵抗効果）。一対の端子部は、橋梁部１３１～１３４上に形成された図示しない配線層を介して、ベース部１１５の表面に設けられた中継端子１４０にそれぞれ電気的に接続される。

以上のように構成される第２の加速度検出部１２は、ピエゾ抵抗の特性上、絶対的応力値で抵抗値が決定する為、可動板１２０に作用する運動加速度だけでなく、可動板１２０に作用する重力加速度をも検出する。したがって、第２の加速度検出部１１の出力（第２の検出信号）は、運動加速度に応じた動的成分（ＡＣ成分）が、重力加速度あるいはそれに相当する静的成分（ＤＣ成分）に重畳した出力波形を有する。

なお、第２の検出素子１２ｘ１～１２ｙ２は、ピエゾ抵抗型の検出素子で構成される例に限られず、例えば静電型のようにＤＣ成分の加速度を検出可能な他の非圧電式の検出素子で構成されてもよい。静電型の場合、電極対を構成する可動電極部および固定電極部は、第２の梁部１３０ｂの軸方向に対向して配置され、第２の梁部１３０ｂの上記曲げ変形量に応じて両電極部間の対向距離が変化するように構成される。

第１の加速度検出部１１は、第１の検出素子１１ｘ１～１１ｙ２の出力に基づいて、ｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向各々の加速度検出信号（Acc-AC-x、Acc-AC-y、Acc-AC-z）をコントローラ２０へそれぞれ出力する（図５参照）。
ｘ軸方向の加速度検出信号（Acc-AC-x）は、検出素子１１ｘ１の出力（ax1）と検出素子１１ｘ２の出力（ax2）との差分信号（ax1－ax2）に相当する。ｙ軸方向の加速度検出信号（Acc-AC-y）は、検出素子１１ｙ１の出力（ay1）と検出素子１１ｙ２の出力（ay2）との差分信号（ay1－ay2）に相当する。そして、ｚ軸方向の加速度検出信号（Acc-AC-z）は、検出素子１１ｘ１～１１ｙ２の出力の総和（ax1＋ax2＋ay1＋ay2）に相当する。

同様に、第２の加速度検出部１２は、第２の検出素子１２ｘ１～１２ｙ２の出力に基づいて、ｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向各々の加速度検出信号（Acc-DC-x、Acc-DC-y、Acc-DC-z）をコントローラ２０へそれぞれ出力する（図５参照）。
ｘ軸方向の加速度検出信号（Acc-DC-x）は、検出素子１２ｘ１の出力（bx1）と検出素子１２ｘ２の出力（bx2）との差分信号（bx1－bx2）に相当する。ｙ軸方向の加速度検出信号（Acc-DC-y）は、検出素子１２ｙ１の出力（by1）と検出素子１２ｙ２の出力（by2）との差分信号（by1－by2）に相当する。そして、ｚ軸方向の加速度検出信号（Acc-DC-z）は、検出素子１２ｘ１～１２ｙ２の出力の総和（bx1＋bx2＋by1＋by2）に相当する。

上記各軸方向の加速度検出信号の演算処理は、制御部５０の前段で実行されてもよいし、制御部５０において実行されてもよい。

（コントローラ）
続いて、コントローラ（信号処理回路）２０について説明する。

コントローラ２０は、加速度センサ素子１０と電気的に接続されている。コントローラ２０は、加速度センサ素子１０と共通に機器の内部に搭載されてもよいし、上記機器とは異なる外部機器に搭載されてもよい。前者の場合、コントローラ２０は、例えば、加速度センサ素子１０が実装される回路基板上に実装されてもよいし、配線ケーブル等を介して上記回路基板とは異なる基板上に実装される。後者の場合、コントローラ２０は、例えば、加速度センサ素子１０と無線または有線で通信可能に構成される。

コントローラ２０は、加速度演算部２００と、角速度演算部３００と、シリアルインタフェース２０１と、パラレルインタフェース２０２と、アナログインタフェース２０３とを有する。コントローラ２０は、検出部（慣性センサ）４０の出力を受信する各種機器の制御ユニットに電気的に接続される。

加速度演算部２００は、第１の加速度検出部１１および第２の加速度検出部１２から出力される各軸方向の加速度検出信号に基づいて、動的加速度成分（Acc-x、Acc-y、Acc-z）および静的加速度成分（Gr-x、Gr-y、Gr-z）をそれぞれ抽出する。

なお、加速度演算部２００は、非一過性のコンピュータ読み取り可能な記録媒体の一例であるＲＯＭに記録されたプログラムをＲＡＭ等にロードしてＣＰＵが実行することにより実現される。

角速度演算部３００は、３軸まわりの角速度検出信号（Gyro-x、Gyro-y、Gyro-z）に基づいて、３軸まわりの角速度信号（ω-x、ω-y、ω-z）をそれぞれ算出し、シリアルインタフェース２０１、パラレルインタフェース２０２あるいはアナログインタフェース２０３を介して外部へ出力する。角速度演算部３００は、加速度演算部２００と別個に構成されてもよいし、加速度演算部２００と共通の演算部２３０で構成されてもよい。

シリアルインタフェース２０１は、加速度演算部２００において生成された各軸の動的および静的加速度成分、角速度演算部３００において生成された各軸の角速度信号を上記制御ユニットへ逐次的に出力可能に構成される。パラレルインタフェース２０２は、加速度演算部２００において生成された各軸の動的および静的加速度成分を上記制御ユニットへ並列的に出力可能に構成される。コントローラ２０は、シリアルインタフェース２０１およびパラレルインタフェース２０２のうち、少なくとも一方だけ備えていてもよいし、上記制御ユニットからの指令によって選択的に切り替えてもよい。アナログインタフェース２０３は、第１および第２の加速度検出部１１，１２の出力をそのまま上記制御ユニットへ出力可能に構成されるが、必要に応じて省略されてもよい。なお、図５において符号２０４は、上記各軸の加速度検出信号をＡＤ（Analog-Digital）変換するコンバータである。

図１０は、加速度演算部２００の一構成例を示す回路図である。

加速度演算部２００は、ゲイン調整回路２１と、符号反転回路２２と、加算回路２３と、補正回路２４とを有する。これらの回路２１～２４は、ｘ、ｙおよびｚの各軸について共通の構成を有しており、各軸において共通の演算処理を行うことで、各軸の動的加速度成分（運動加速度）および静的加速度成分（重力加速度）が抽出される。

以下、代表的に、ｘ軸方向の加速度検出信号の処理回路を例に挙げて説明する。図１１に、ｘ軸方向の加速度検出信号から静的加速度成分を抽出する処理ブロックを示す。

ゲイン調整回路２１は、第１の加速度検出部１１（１１ｘ１，１１ｘ２）から出力されるｘ軸方向に関する第１の加速度検出信号（Acc-AC-x）と、第２の加速度検出部１２（１２ｘ１，１２ｘ２）から出力されるｘ軸方向に関する第２の加速度検出信号（Acc-DC-x）とが相互に同一レベルとなるように各信号のゲインを調整する。ゲイン調整回路２１は、第１の加速検出部１１の出力（Acc-AC-x）および第２の加速度検出部１２の出力（Acc-DC-x）を増幅する増幅器を有する。

一般に、加速度センサの出力感度およびダイナミックレンジは検出方式によって相違し、例えば図１２に示すように、圧電方式の加速度センサにおいては、非圧電方式（ピエゾ抵抗方式、静電方式）の加速度センサよりも、出力感度が高く、ダイナミックレンジが広い（大きい）。本実施形態において、第１の加速度検出部１１は圧電方式の加速度センサに相当し、第２の加速度検出部１２はピエゾ抵抗方式の加速度センサに相当する。

そこでゲイン調整回路２１は、これら加速度検出部１１，１２各々の出力が同一レベルとなるように各加速度検出部１１，１２の出力（第１および第２の加速度検出信号）をそれぞれＮ倍およびＭ倍に増幅する。増幅率Ｎ，Ｍは正数であり、Ｎ＜Ｍの関係を満たす。増幅率Ｎ，Ｍの値は特に限定されず、検出部（慣性センサ）４０の使用環境（使用温度）によっては、各加速度検出部１１，１２の温度補償をも兼ねる係数として設定されてもよい。

図１３は、第１の加速度検出信号および第２の加速度検出信号の出力特性の一例であって、ゲイン調整前の出力特性とゲイン調整後の出力特性とを比較して示している。図において横軸は、検出部（慣性センサ）４０に作用する加速度の周波数を、縦軸は出力（感度）をそれぞれ示す（図１４～図１８についても同様）。

同図に示すように、圧電方式の第１の加速度検出信号（Acc-AC-x）では、０．５Ｈｚ以下の低周波数領域の加速度成分の出力感度は、それよりも高い周波数領域の加速度成分の出力感度よりも低く、特に静止状態（運動加速度０）のときの出力感度はほぼ０である。これに対して、ピエゾ抵抗方式の第２の加速度検出信号（Acc-DC-x）は、全周波数領域において一定の出力感度を有するため、静止状態における加速度成分（つまり静的加速度成分）も一定の出力感度で検出することができる。したがって、ゲイン調整回路２１において第１の加速度検出信号および第２の加速度検出信号をそれぞれ同一の出力レベルとなるように各々所定の倍率で増幅することで、後述する差分演算回路において静的加速度成分を抽出することが可能となる。

符号反転回路２２および加算回路２３は、第１の加速度検出信号（Acc-AC-x）と第２の加速度検出信号（Acc-DC-x）との差分信号に基づいて、各軸方向の加速度から静的加速度成分（ＤＣ成分）を抽出する差分演算回路を構成する。

符号反転回路２２は、ゲイン調整後の第１の加速度検出信号（Acc-AC-x）の符号を反転する反転増幅器（増幅率：－１）を有する。図１４に、符号反転後の第１の加速度検出信号（Acc-AC-x）の出力特性の一例を示す。ここでは、センサ素子１０がｘ軸方向に１Ｇの加速度を検出する場合を例に挙げて示す。
なお、第２の加速度検出信号（Acc-DC-x）は、その符号が反転されることなく、後段の加算回路２３へ出力される。符号反転回路２２は、その前段のゲイン調整回路２１と共通に構成されてもよい。

加算回路２３は、符号反転回路２２から出力される第１の加速度検出信号（Acc-AC-x）と第２の加速度検出信号（Acc-DC-x）とを加算して、静的加速度成分を出力する。図１５に、加算回路２３の出力特性の一例を示す。ゲイン調整回路２１において第１および第２の加速度検出信号が同一レベルに調整されているため、これらの差分信号を得ることで、正味の静的加速度成分（Gr-x）が抽出されることになる。この静的加速度成分は、典型的には、重力加速度成分、あるいは重力加速度を含む加速度成分に相当する。

加算回路２３から出力される静的加速度成分が重力加速度のみである場合、理論的には図１６に示すように、０Ｈｚ付近にのみ有意の加速度成分の出力が現れることなる。しかし実際には、圧電検出型の第１の加速度検出部１１の低周波付近での検出感度が低いこと、他軸感度の発生により対象軸以外の軸方向（ここでは、ｙ軸方向およびｚ軸方向）の加速度成分が不可避的に重畳すること等の理由により、図１５においてハッチングで示す周波数領域の動的加速度成分が誤差成分として加算回路２３の出力に漏れ込む。そこで本実施形態では、加算回路２３の出力に基づいて当該誤差分をキャンセルするための補正回路２４を有する。

補正回路２４は、３軸合成値演算部２４１と、低域感度補正部２４２とを有する。補正回路２４は、加算回路２３の出力（第１および第２の加速度検出信号の差分信号）に基づいて補正係数βを算出し、この補正係数βを用いて第１の加速度検出信号（Acc-AC-x）を補正する。

３軸合成値演算部２４１は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸方向すべての静的加速度成分を抽出する処理ブロックについて共通に設けられ、各軸における加算回路２３の出力（第１および第２の加速度検出信号の差分信号）の合計値を用いて補正係数βを算出する。

具体的に、３軸合成値演算部２４１は、３軸方向の静的加速度成分（Gr-x、Gr-y、Gr-z）の合成値（√（（Gr-x）^２＋（Gr-y）^２＋（Gr-z）^２））を算出し、その合成値が１を超える分を、低域感度誤差分（図１５におけるハッチングで示す領域）とみなして、上記合成値の逆数に相当する補正係数βを算出する。
β＝１／（√（（Gr-x）^２＋（Gr-y）^２＋（Gr-z）^２））

なお、３軸方向各々の静的加速度成分（Gr-x、Gr-y、Gr-z）の値は、加速度センサ素子１０の姿勢によって異なり、また、加速度センサ素子１０の姿勢変化に応じて時々刻々と変化する。例えば、加速度センサ素子１０のｚ軸方向が重力方向（鉛直方向）と一致する場合には、ｘ軸方向およびｙ軸方向の静的加速度成分（Gr-x、Gr-y）よりも、ｚ軸方向の静的加速度成分（Gr-z）が最も大きな値を示す。このように３軸方向各々の静的加速度成分（Gr-x、Gr-y、Gr-z）の値から、その時刻における加速度センサ素子１０の重力方向を推定することが可能となる。

低域感度補正部２４２は、補正係数βを符号反転された第１の加速度検出信号（Acc-AC-x）に乗ずる乗算器を有する。これにより第１の加速度検出信号は、低域感度誤差が減殺された状態で加算回路２３へ入力されるため、加算回路２３から図１６に示すような周波数特性の加速度信号が出力される。このように重力加速度に相当する静的加速度成分のみが出力される結果、重力加速度成分の抽出精度が向上する。

本実施形態において補正回路２４は、静的加速度成分の演算に際して、第１の加速度検出信号に補正係数βを乗ずる処理を実行するように構成されているが、これに限られず、第２の加速度検出信号（Acc-DC-x）に補正係数βを乗ずる処理を実行するように構成されてもよいし、加速度変化の大きさに応じて、補正すべき加速度検出信号が第１の加速度検出信号と第２の加速度検出信号との間で切り替えられてもよい。

補正回路２４は、第１の加速度検出信号および第２の加速度検出信号のいずれか一方の加速度変化が所定以上の場合には、補正係数βを用いて第１の加速度検出信号を補正するように構成される。加速度変化が大きい（印加周波数が高い）ほど、第１の加速度検出信号に誤差成分が漏れ込む割合が高まるため、当該誤差成分を効率よく減殺することができる。当該構成は、例えば運動解析用途のように、運動加速度が比較的大きい場合に特に有効である。

一方、補正回路２４は、第１の加速度検出信号および第２の加速度検出信号のいずれか一方の加速度変化が所定以下の場合には、補正係数βを用いて第２の加速度検出信号を補正するように構成される。加速度変化が小さい（印加周波数が低い）ほど、第２の加速度検出信号に誤差成分が漏れ込む割合が高まるため、当該誤差成分を効率よく減殺することができる。当該構成は、例えばデジタルカメラの水平出し動作のように、運動加速度が比較的小さい場合に特に有効である。

各軸方向の静的加速度成分は以上のようにして抽出されるが、各軸方向の動的加速度成分（Acc-x、Acc-y、Acc-z）の抽出には、図１０に示すように、ゲイン調整回路２１においてゲイン調整された第１の加速度検出信号（Acc-AC-x、Acc-AC-y、Acc-AC-z）が参照される。

ここで、動的加速度成分の抽出に第１の加速度検出信号がそのまま用いられてもよいが、上述のように動的加速度成分の一部が静的加速度成分に漏れ込む場合があるため、動的加速度成分が目減りして高精度な検出が困難になる。そこで、補正回路２４において算出される補正係数βを用いて、第１の加速度検出信号を補正することで、動的加速度成分の検出精度を図ることが可能となる。

より具体的に、補正回路２４（低域感度補正部２４２）は、図１０に示すように、３軸合成値演算部２４１で取得した補正係数βの逆数（１／β）を第１の加速度信号（Acc-AC-x、Acc-AC-y、Acc-AC-z）に乗ずる乗算器を有する。これにより、第１の加速度信号の低域感度成分が補償されるため、動的加速度成分（Acc-x、Acc-y、Acc-z）の抽出精度が向上する。図１７に、その動的加速度成分の出力特性を模式的に示す。

本実施形態において補正回路２４は、動的加速度成分の演算に際して、第１の加速度検出信号に補正係数の逆数（１／β）を乗ずる処理を実行するように構成されているが、これに限られず、第２の加速度検出信号（Acc-DC-x、Acc-DC-y、Acc-DC-z）に補正係数の逆数（１／β）を乗ずる処理を実行するように構成されてもよい。あるいは、上述の静的加速度成分の演算手法と同様に、加速度変化の大きさに応じて、補正すべき加速度検出信号が第１の加速度検出信号と第２の加速度検出信号との間で切り替えられてもよい。

低域感度補正部２４２による動的加速度成分および静的加速度成分の補正処理は、典型的には、３軸合成値演算部２４１で算出される合成値が１Ｇ（Ｇ：重力加速度）以外の場合に有効とされる。なお、上記合成値が１Ｇ未満となる場合としては、例えばセンサ素子１０が自由落下しているときなどが挙げられる。

なお、圧電方式で検出された第１の加速度検出信号は、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）的な出力特性を有し、そのカットオフ周波数以下の出力が低域感度の誤差成分として加算回路２３の出力に残存する（図１５参照）。本実施形態では補正回路２４を用いた演算的な手法で上記誤差成分が減殺されるが、当該誤差成分のキャンセリング精度を高める上で上記カットオフ周波数は低いほど好ましい。

そこで、第１の加速度検出部１１を構成する検出素子（１１ｘ１，１１ｘ２，１１ｙ１，１１ｙ２）の圧電膜として、例えば、容量および内部抵抗が比較的大きい圧電体が用いられてもよい。これにより、例えば図１８において一点鎖線で示すように、低域感度のカットオフ周波数を極力０Ｈｚ付近まで低くすることができるため、低域感度の誤差成分を極力小さくすることが可能となる。

次に、以上のように構成される加速度演算部２００における加速度信号の処理方法について説明する。

加速度センサ素子１０に加速度が作用すると、可動板１２０はベース部１１５に対して加速度の方向に応じて図９Ａ～Ｃに示す態様で運動する。第１の加速度検出部１１（検出素子１１ｘ１，１１ｘ２，１１ｙ１，１１ｙ２）および第２の加速度検出部１２（検出素子１２ｘ１，１２ｘ２，１２ｙ１，１２ｙ２）は、橋梁部１３１～１３４の機械的変形量に応じた検出信号をコントローラ２０へ出力する。

図１９は、コントローラ２０（加速度演算部２００）における加速度検出信号の処理手順の一例を示すフローチャートである。

コントローラ２０は、所定のサンプリング間隔で、第１の加速度検出部１１からは各軸の第１の加速度検出信号（Acc-AC-x、Acc-AC-y、Acc-AC-z）を取得し、第２の加速度検出部１２からは各軸の第２の加速度検出信号（Acc-DC-x、Acc-DC-y、Acc-DC-z）を受信（取得）する（ステップ１０１，１０２）。これら検出信号の取得は、同時に（並列的に）行われてもよいし、順次的に（直列的に）行われてもよい。

続いてコントローラ２０は、各軸について第１および第２の加速度検出信号が同一レベルとなるように各検出信号のゲインをゲイン調整回路２１において調整する（図１３、ステップ１０３，１０４）。また必要に応じて、各軸について第１および第２の加速度検出信号の温度補償等を目的とした補正が行われる（ステップ１０５，１０６）。

次に、コントローラ２０は、各軸の第１の加速度検出信号（Acc-AC-x、Acc-AC-y、Acc-AC-z）を動的加速度算出系統（運動加速度系統）と静的加速度算出系統（重力加速度系統）とにそれぞれ分岐する（ステップ１０７，１０８）。静的加速度算出系統に分岐した第１の加速度検出信号は、符号反転回路２２において符号が反転された後、加算回路２３に入力される（図１４、ステップ１０９）。

コントローラ２０は、加算回路２３において、各軸について、符号反転された第１の加速度検出信号（Acc-AC-x、Acc-AC-y、Acc-AC-z）と、第２の加速度検出信号（Acc-DC-x、Acc-DC-y、Acc-DC-z）とを加算して静的加速度成分（Gr-x、Gr-y、Gr-z）を算出する（図１５、ステップ１１０）。さらにコントローラ２０は、３軸合成値演算部２４１においてこれら静的加速度成分の３軸合成値を演算し（ステップ１１１）、その値が１Ｇ以外の場合は、低域感度補正部２４２において上記合成値の逆数である補正係数βを上記符号反転された第１の加速度検出信号（Acc-AC-x、Acc-AC-y、Acc-AC-z）に乗ずる処理を実行する（ステップ１１２，１１３）。コントローラ２０は、上記合成値が１Ｇのとき、算出された重力加速度成分（静的加速度成分）を外部へ出力する（ステップ１１４）。なおこれに限られず、上記合成値を算出する毎に、算出された重力加速度成分（静的加速度成分）が外部へ出力されてもよい。

一方、コントローラ２０は、上記合成値が１Ｇ以外のとき、算出された補正係数βの逆数（１／β）を、運動加速度系統に分岐した第１の加速度検出信号（Acc-AC-x、Acc-AC-y、Acc-AC-z）に乗じる処理を実行する（ステップ１１２、１１５）。コントローラ２０は、上記合成値が１Ｇのとき、算出された運動加速度成分（動的加速度成分）を外部へ出力する（ステップ１１６）。なおこれに限られず、上記合成値を算出する毎に、算出された運動加速度成分（動的加速度成分）が外部へ出力されてもよい。

以上のように本実施形態の検出部（慣性センサ）４０は、第１および第２の加速度検出部１１，１２の検出方式の違いを利用することで、これらの出力から動的加速度成分と静的加速度成分とを抽出するように構成される。これにより、検出対象であるユーザＵに作用する運動加速度を精度よく測定することができる。

また、本実施形態によれば、検出部（慣性センサ）４０の出力から重力加速度成分を精度よく抽出することができるため、重力方向に対する検出対象の姿勢を高精度に検出することができる。これにより、例えば飛行体のような検出対象の水平姿勢を安定に維持することができるようになる。

さらに本実施形態によれば、第１の加速度検出部１１に圧電型の加速度センサが採用され、第２の加速度検出部１２として非圧電型（ピエゾ抵抗型あるいは静電容量型）の加速度センサが採用されているため、ダイナミックレンジが広く、しかも低周波領域での感度が高い慣性センサを得ることができる。

［運動計測システムの動作］
続いて、以上のように構成される運動計測システム１の典型的な動作について図１９及び図２０を用いて説明する。図２０は、運動計測システム１の動作例を説明するフローチャートである。

電源投入等によりシステムが起動すると、センサデバイス１Ａは、検出部（慣性センサ）４０によって、センサデバイス１Ａのローカル座標系における重力加速度成分（静的加速度成分）と運動加速度成分（動的加速度成分）と角速度成分（ω_x、ω_y、ω_z）を検出する（ステップ２０１）。検出された重力加速度成分、運動加速度成分及び角速度成分は制御部５０へ出力される。

ステップ２０１において、重力加速度成分（静的加速度成分）と運動加速度成分（動的加速度成分）の検出は、加速度センサ素子１０で検出される第１及び第２の加速度検出信号を、重力加速度成分（静的加速度成分）と運動加速度成分（動的加速度成分）とに分離して行われ、この分離は、上述で図１９を用いて説明した処理方法により行われる。また、角速度成分は、角速度センサ素子３０で検出される。

抽出部５１は、制御部５０へ出力された速度関連情報Ｖｏ及び角速度成分のうち重力加速度成分（静的加速度成分）を除き、運動加速度成分（動的加速度成分）と角速度信号を抽出する（ステップ２０２）。抽出された運動加速度成分（Acc-x、Acc-y、Acc-z）と角速度信号（ω-x、ω-y、ω-z）は慣性航法計算部５７へ出力される。

慣性航法計算部５７へ供給された角速度信号（ω-x、ω-y、ω-z）は、姿勢角計算部５３によって姿勢角（θx、θy、θz）が算出される（ステップ２０３）。さらに、座標回転部５２によってローカル座標系における加速度成分（ａx、ａy、ａz）がグローバル座標系における加速度成分（ａX、ａY、ａZ）に座標変換される（ステップ２０４）。

続いて慣性航法計算部５７は、時刻情報取得部５４からの時刻情報を用いて時間で加速度成分（ａX、ａY、ａZ）を第１の積分器５５にかけて積分しグローバル座標系における速度成分（ｖX、ｖY、ｖZ）を算出する（ステップ２０５）。次に慣性航法計算部５７は、速度成分（ｖX、ｖY、ｖZ）を第２の積分器５６にかけて時間で積分しグローバル座標系における位置成分（ｐX、ｐY、ｐZ）を算出する（ステップ２０６）。

出力情報生成部５８は、算出された位置成分（ｐX、ｐY、ｐZ）及び姿勢角（θx、θy、θz）を基に、ユーザＵの姿勢変化を軌跡として表示部４０７に表示するための軌跡画像信号（制御信号）Ｓ０を生成する（ステップ２０７）。生成された軌跡画像信号（制御信号）Ｓ０は送受信部１０１へ出力される。ユーザＵの運動開始であるダウンスイング開始時点ではユーザＵは静止状態であるとして、出力情報生成部５８は、加速度センサ素子１０で検出される加速度からユーザＵの初期状態（ダウンスイング開始状態）を検出し、初期姿勢とする。

端末装置１Ｂは、端末装置１Ｂの送受信部４０４を介して端末装置１Ｂに入力された軌跡画像信号（制御信号）Ｓ０に基づいて、表示部４０７に所定の形態で表示させる（Ｓ２０８）。表示形態としては、例えば、ユーザＵの時間経過による姿勢変化、すなわちユーザＵの運動学的物理量としての位置の変化を表す軌跡の表示が挙げられ、メモリ４０２には上記軌跡が取り込まれる。尚、本実施形態においては、軌跡を表示したが、時刻情報と対応づけされた加速度、速度、位置等のログが表示部４０７に表示されてもよく、ログもメモリ４０２に取り込まれる。

このように本実施形態によれば、ユーザＵに取り付けられたセンサデバイス１Ａの動きがユーザＵに運動の軌跡が画像として表示されるため、ユーザＵにとって視覚から運動姿勢や軌跡を把握することができる。

例えば図２に示すスイング練習において、ユーザＵは、センサデバイス１Ａが取り付けられるゴルフクラブ３の動きの軌跡を表示部４０７にて視認することができる。

本実施形態によれば、加速度センサ素子１０の他に角速度センサ素子３０を設けているので、３軸方向の加速度だけでなく、これら３軸まわりの角速度をも検出することができる。これにより、加速度センサ素子１０のみを設ける場合と比較して、加速度情報および角速度情報を同時に参照して検出対象の動きや姿勢、位置等の検出精度の更なる向上を図ることができる。

以上のように本実施形態においては、動的加速度成分と静的加速度成分とがほぼ分離できる検出部（慣性センサ）４０を備え、ほぼ分離された動的加速度成分を基にユーザＵの位置を算出しているので、ユーザＵの位置をより正確に把握することができる。

すなわち、従来においては、ジャイロセンサから重力加速度成分（静的加速度成分）を推定し、加速度センサから検出した検出加速度からこの重力加速度成分（静的加速度成分）をキャンセルした結果を基にユーザＵの位置を算出していた。このような従来の方法では、ユーザＵの運動中のジャイロセンサの検出誤差が起因となって正確なユーザの位置を得ることができなかった。

これに対し、本実施形態においては、動的加速度成分と静的加速度成分の双方を含む慣性センサの検出加速度を、動的加速度成分と静的加速度成分に分離し、分離した動的加速度成分を抽出して、これを基にユーザＵの位置を算出しており、ジャイロセンサを用いた重力加速度成分のキャンセルを行わない。したがって、ジャイロセンサが起因する累積誤差による位置情報の発散がなく、運動するユーザＵの位置をほぼ正確に算出することができる。このように、ユーザＵの加速度、速度、位置といった運動学的物理量の変化を正確に算出することができ、例えばユーザＵの運動姿勢及び運動の軌跡等を把握することができる。

本実施形態においては、検出対象にセンサデバイスを装着して検出対象の姿勢の変化を計測しているので、計測対象から離れたところにセンサを設置しセンサが有効な空間内でしか計測できない遠隔計測方法と比較して、計測範囲が限定されることはなく屋外でも使用が可能であり、計測場所及び計測範囲の制約が少ない。また、光学式計測方法ではスポーツの速い動きに追従するのが困難であったのに対し、本実施形態の計測装置ではスポーツの早い動きにも追従可能である。

以上、本技術の実施形態について説明したが、本技術は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば以上の実施形態では、センサデバイスは運動器具に取り付けられているが、勿論これに限られず、運動器具を使用するユーザ自身に取り付けられてもよい。また、ダンスや舞踊等の稽古、ジェスチャを利用したコミュニケーション、動物の生態調査等にも本技術は適用可能である。

更に、以上の実施形態では、主として、制御信号Ｓ０を画像表示信号として出力する例を説明したが、画像表示に加えて、色、音等の信号を組み合わせて出力したりしてもよい。例えば、音でユーザの動きの速さを表し、画像表示で軌跡を表すなど多彩な表現が適用可能である。ゴルフクラブ３の動きを動画として表示部４０７上で再生し、再生とともにゴルフクラブ３の軌跡が表示されるように構成し、動画再生時にゴルフクラブ３の動きに伴い音を出力してもよい。そして、ゴルフクラブ３の運動のスピードの変化に応じて音の高さや大きさが変化するように音を出力するようにしてもよい。これにより、出力される音の変化からゴルフクラブの動きの変化を直感的にとらえることができ、視覚に加え聴覚からもスイング動作の確認が行えるようになる。

また、上述の実施形態においては、１つのセンサデバイスを検出対象に装着して検出対象の動きの変化を軌跡として求めていたが、複数のセンサデバイスを検出対象に装着することも当然のことながら可能である。

図２１に、検出対象としてのテニスプレーヤ（ユーザＵ）に複数のセンサデバイス１００Ａを取り付けた例を示す。センサデバイス１００Ａの構造は上述のセンサデバイス１Ａとほぼ同じであり、センサデバイスを取り付ける場所によって外見構造が異なっている。図において、黒点はセンサデバイス１００Ａを示し、ここではテニスプレーヤ（ユーザＵ）の人体の部位２０カ所にセンサデバイス１００を取り付けている。センサデバイス１００Ａは基本的に人体の関節部位に取り付けられ、計算の起点が節点となるように構成される。このように、ユーザＵの体の部位に複数個所センサデバイス１００Ａを取り付けることにより、センサデバイス１００Ａにより検出される信号を基にユーザＵの運動姿勢（フォーム）及びその運動姿勢の経時変化を検出することができる。

さらに以上の実施形態では、センサ素子として、図６～８に示した加速度センサ素子１０が用いられたが、３軸方向の加速度を検出できるものであれば、構成は特に限定されない。同様に、センサ素子に作用する加速度から動的加速度成分および静的加速度成分を抽出する演算方法も上述の例に限定されず、適宜の演算手法が採用可能である。

なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１） 空間内で運動する検出対象の動的加速度成分と静的加速度成分とを含む３軸方向の加速度から、前記検出対象の前記動的加速度成分を抽出し、前記動的加速度成分から前記検出対象の運動学的物理量の変化を制御信号として生成する制御部
を具備する情報処理装置。
（２）上記（１）に記載の情報処理装置であって、
前記制御部は、前記動的加速度成分から前記検出対象の前記空間内における位置の時間変化を算出し、前記位置の時間変化を基に前記制御信号を生成する
情報処理装置。
（３）上記（１）又は（２）に記載の情報処理装置であって、
前記制御部は、前記加速度に応じた交流波形を有する第１の検出信号と、前記加速度に応じた交流成分が直流成分に重畳した出力波形を有する第２の検出信号とに基づいて、前記３軸方向各々について動的加速度成分および静的加速度成分を抽出する加速度演算部を有する。
情報処理装置。
（４）上記（３）に記載の情報処理装置であって、
前記加速度演算部は、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号との差分信号に基づいて、前記加速度から前記静的加速度成分を抽出する演算回路を有する
情報処理装置。
（５）上記（４）に記載の情報処理装置であって、
前記加速度演算部は、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とが同一レベルとなるように各信号のゲインを調整するゲイン調整回路をさらに有する
情報処理装置。
（６）上記（４）又は（５）に記載の情報処理装置であって、
前記加速度演算部は、前記差分信号に基づいて補正係数を算出し、前記補正係数を用いて前記第１の検出信号および前記第２の検出信号のいずれか一方を補正する補正回路をさらに有する
情報処理装置。
（７）上記（３）～（６）のいずれか１つに記載の情報処理装置であって、
前記制御部は、前記３軸まわりの角速度に関連する情報を含む第３の検出信号に基づいて、前記３軸まわりの角速度をそれぞれ算出する角速度演算部をさらに有する
情報処理装置。
（８）上記（１）～（７）のいずれか１つに記載の情報処理装置であって、
前記加速度を取得する検出部を更に具備する
情報処理装置。
（９）上記（８）に記載の情報処理装置であって、
前記検出部は、
加速度を受けて運動可能な可動部を有する素子本体と、前記可動部に作用する３軸方向の加速度に関連する情報を含む第１の検出信号を出力する圧電型の第１の加速度検出部と、前記可動部に作用する前記３軸方向の加速度に関連する情報を含む第２の検出信号を出力する非圧電型の第２の加速度検出部と、を有するセンサ素子を含む
情報処理装置。
（１０）上記（９）に記載の情報処理装置であって、
前記第２の加速度検出部は、前記可動部に設けられたピエゾ抵抗式の加速度検出素子を含む
情報処理装置。
（１１）上記（９）に記載の情報処理装置であって、
前記第２の加速度検出部は、前記可動部に設けられた静電容量式の加速度検出素子を含む
情報処理装置。

１…運動計測装置（運動計測システム）
１Ａ、１００Ａ…センサデバイス
１Ｂ…端末装置
３…ゴルフクラブ
１０…加速度センサ素子
１１…第１の加速度検出部
１２…第２の加速度検出部
４０…検出部（慣性センサ）
５０…制御部
２０…コントローラ
１１０…素子本体
１２０…可動板（可動部）
２００…加速度演算部
Ｓ０…軌跡画像信号（制御信号）
Ｖｏ…速度関連情報

Claims (10)

1. 空間内で運動する検出対象の動的加速度成分と静的加速度成分とを含む３軸方向の加速度から、前記検出対象の前記動的加速度成分を抽出し、前記動的加速度成分から前記検出対象の運動学的物理量の変化を制御信号として生成する制御部
   を具備し、
   前記制御部は、前記加速度に応じた交流波形を有する第１の検出信号と、前記加速度に応じた交流成分が直流成分に重畳した出力波形を有する第２の検出信号とに基づいて、前記３軸方向各々について前記動的加速度成分および静的加速度成分を抽出する加速度演算部を有する
   情報処理装置。
2. 請求項１に記載の情報処理装置であって、
   前記制御部は、前記動的加速度成分から前記検出対象の前記空間内における位置の時間変化を算出し、前記位置の時間変化を基に前記制御信号を生成する
   情報処理装置。
3. 請求項１又は２に記載の情報処理装置であって、
   前記加速度演算部は、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号との差分信号に基づいて、前記加速度から前記静的加速度成分を抽出する演算回路を有する
   情報処理装置。
4. 請求項３に記載の情報処理装置であって、
   前記加速度演算部は、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とが同一レベルとなるように各信号のゲインを調整するゲイン調整回路をさらに有する
   情報処理装置。
5. 請求項３又は４に記載の情報処理装置であって、
   前記加速度演算部は、前記差分信号に基づいて補正係数を算出し、前記補正係数を用いて前記第１の検出信号および前記第２の検出信号のいずれか一方を補正する補正回路をさらに有する
   情報処理装置。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の情報処理装置であって、
   前記制御部は、前記３軸まわりの角速度に関連する情報を含む第３の検出信号に基づいて、前記３軸まわりの角速度をそれぞれ算出する角速度演算部をさらに有する
   情報処理装置。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の情報処理装置であって、
   前記加速度を取得する検出部を更に具備する
   情報処理装置。
8. 請求項７に記載の情報処理装置であって、
   前記検出部は、
   加速度を受けて運動可能な可動部を有する素子本体と、前記可動部に作用する３軸方向の加速度に関連する情報を含む第１の検出信号を出力する圧電型の第１の加速度検出部と、前記可動部に作用する前記３軸方向の加速度に関連する情報を含む第２の検出信号を出力する非圧電型の第２の加速度検出部と、を有するセンサ素子を含む
   情報処理装置。
9. 請求項８に記載の情報処理装置であって、
   前記第２の加速度検出部は、前記可動部に設けられたピエゾ抵抗式の加速度検出素子を含む
   情報処理装置。
10. 請求項８に記載の情報処理装置であって、
    前記第２の加速度検出部は、前記可動部に設けられた静電容量式の加速度検出素子を含む
    情報処理装置。

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