勾配の影響を補償し方位角を演算する地磁気センサー、およびその演算方法
【課題】斜め状態であっても正確な方位角が演算できる地磁気センサーを提供する。
【解決手段】本発明に係る地磁気センサーは、地磁気に応じる所定の電圧値を出力する地磁気測定部と、水平状態を基準にして斜め程度を示すピッチ角およびロール角を測定する加速度センサーと、加速度センサーで測定されたピッチ角およびロール角を用いて地磁気測定部から出力される電圧値を補償したあと所定範囲の値で正規化し、方位角の演算を行なう制御部と、を含む。
【解決手段】本発明に係る地磁気センサーは、地磁気に応じる所定の電圧値を出力する地磁気測定部と、水平状態を基準にして斜め程度を示すピッチ角およびロール角を測定する加速度センサーと、加速度センサーで測定されたピッチ角およびロール角を用いて地磁気測定部から出力される電圧値を補償したあと所定範囲の値で正規化し、方位角の演算を行なう制御部と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地磁気センサーに関し、詳細には加速度センサーを含んで現在の斜め程度を測定した後、その斜め程度を方位角測定に反映することでより正確な方位角が抽出できる地磁気センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
地磁気センサーとは、人が感じられない地球磁気の強さおよび方向を測定する装置のことを意味する。特に、フラックスゲートを用いた地磁気センサーのことをフラックスゲートセンサーと呼ぶ。
フラックスゲート型地磁気センサーとは、パーマロイのような材料を磁心として使用し駆動コイルにより励起磁場を加え、その磁心の磁気飽和および非線形磁気特性を用いて外部磁場に比例する２次高調波成分を測定することにより、外部磁場のサイズおよび方向が測定する装置のことを指す。
【０００３】
係るフラックスゲート型地磁気センサーは１９３０年代の末に開発されたもので、他の形態の地磁気センサーと比較すると、感度がよく、経済的であり、相対的に小型で製造できる長所を持つ。また、電力消耗が少なく、出力信号の安定度も優れているため、微弱磁界の検出、地球の絶対方向計測と共に鉱脈探査、標的探知、そして人工衛星の姿勢制御および宇宙探査用に至る民需用および軍事用まで幅広く使用されており、現在も性能効能のための研究がなされている。
【０００４】
最近になって、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術が発展するにつれ、これを用いて低消費電力型の超小型フラックスゲートセンサーの開発も試みている。
図１は、従来のフラックスゲート型地磁気センサー１０の一般的な構成を示したブロック図である。同図を参照すると、従来の地磁気センサーは、駆動信号生成部１１、地磁気測定部１２、信号処理部１３、および制御部１４を含む。
【０００５】
駆動信号生成部１１は、地磁気測定部１２を駆動させることのできる電気的な信号を印加する。係る電気的な信号は一般的にパルス波およびその状態が反転されたパルス波を用いる。
地磁気測定部１２は、３軸フラックスゲートを使用することはできるが、携帯電話のような小型装置に装着されるためには地磁気センサー１０そのものが小型でなければならないので、２軸フラックスゲートを用いることが好ましい。２軸フラックスゲートを使用する場合、地磁気測定部１２は相互直交している２つのフラックスゲートを含む。さらに、各フラックスゲートは四角リング、またはバー状の磁性体コア、磁性体コアに捲線された駆動コイルおよび検出コイルを含む。駆動コイルは駆動信号生成部１１から出力された電気的な信号を受信し磁性体コアを励磁させる役割を果す一方、検出コイルは駆動コイルの駆動により生じた磁気から誘導された起電力を検出する役割を果す。
【０００６】
一方、信号処理部１３は、検出コイルで外部磁界の強さに比例する電圧成分が誘導されれば、これを増幅、チョッピングする一連の処理を行なった後、Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲートそれぞれの電圧値を出力する。
加速度センサー１５は地磁気測定部１２の如き相互直交している２つのＸ軸（ロール軸）およびＹ軸（ピッチ軸）フラックスゲートで具現され、ピッチ角およびロール角を演算する。ピッチ角とは、地磁気センサー１０が置かれた平面上で相互直交するＸ軸およびＹ軸の中でＹ軸を中心に回転させた場合、Ｘ−Ｙ平面との差異角を意味する。ピッチ角とは、Ｘ軸を中心に回転させた場合、Ｘ−Ｙ平面との差異角を意味する。
【０００７】
制御部１４は、このようなＸ軸およびＹ軸フラックスゲート電圧値を所定の正規化因子を使用し所定の範囲値で正規化した後、所定の数式に代入して方位角を演算する。正規化因子とは、センサーの出力値を＋１と-１との間の値でマッピングする正規化過程において必要な因子であって、バイアス因子およびスケール因子などがこれに該当する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
係る正規化因子は、地磁気センサを一回転させるたびに測定される地磁気センサー値を記録した後その最大値および最小値を決め、所定の数式で代入し演算する。地磁気センサーを回転させながら最大値および最小値を求めることで正規化因子が決定される過程のことを補正作業という。
しかし、補正作業を行なっている間に地磁気センサーが斜めになると、その斜め程度によって地磁気センサーの出力値が異なってくるため、誤った最大値および最小値が測定される恐れがある。即ち、方位角演算に必要な正規化因子は補正作業中に生じる斜め程度にその影響を受ける。
【０００９】
従って、正規化因子を算出し正しい方位角を演算するためには、水平状態で地磁気センサーを回転させながら最大値、最小値、および平均値を測定しなければならない。しかし、回転する間に揺れる恐れもあり、また携帯電話などに内蔵されている場合に装着位置が斜めになる恐れもあることで、誤った最大値および最小値が測定されてしまう。これにより、誤った正規化因子が演算され、方位角に誤差が発生してしまう。
【００１０】
このように、補正時に斜め角度で測定されることにより補正後に生じる方位角の測定誤差は、表１の通りである。
【００１１】
【表１】
【００１２】
表１のように斜め角度が大きければ、補正後に発生する測定誤差も大きくなる。よって、一定の角度以上に傾斜していると、地磁気センサーは正しい方位を表示できなくなる問題点を抱えている。
本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、現の斜め程度を測定・反映して正規化因子への補正を行なうことにより、勾配が考慮された正規化が行なわれる。これによって正確な方位角が演算できる地磁気センサー、正規化方法、および方位角測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前述した目的を達成するために、本発明に係る地磁気センサーは、前記地磁気センサーがなしている平面上で相互直交しているＸ軸及びＹ軸方向に形成された２軸フラックスゲートを備え、地磁気に対応する前記２軸フラックスゲートそれぞれの電圧値を出力する地磁気測定部と、
水平状態を基準にして斜め程度を示すピッチ角及びロール角を測定する加速度センサーと、
前記地磁気センサーが所定の回数で回転しながら測定された前記Ｘ軸及びＹ軸フラックスゲートの測定値にそれぞれ前記ピッチ角及びロール角を反映して補償し、補償された値の中で最大値及び最小値を用いて正規化因子を演算した状態で、方位角のセンシングが試みられると、前記地磁気測定部で出力される電圧値を前記演算された正規化因子を用いて所定範囲の値に正規化し、正規化された値を用いて方位角を演算する制御部とを含む。
【００１４】
ユーザが地磁気センサーの正規化のために回転する間に水平状態を保てず揺れる場合、または携帯電話に内蔵した際その装着位置の限界にぶつかった場合に、その揺れによる影響を補償することで正確な正規化因子を抽出することができる。また、これを用いて実際に測定された地磁気電圧値を正規化すると、その斜めによる影響が補償されるため正確な方位角が演算できる。制御部は、地磁気センサーが所定回数で回転しながら測定したＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの測定値にそれぞれ前記ピッチ角およびロール角を反映して補償したあと、補償された値の中で最大値および最小値を用いて正規化に使用される正規化因子（ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ）の演算を行なうことにより、斜めによる影響が補償された正規化因子を得ることができる。
【００１５】
好ましくは、前記制御部は次式に基づいてＸ軸およびＹ軸の電圧値をそれぞれ補償する。
Xc = Xs / cos (θ+λ)
Yc = Ys / cos (φ+λ)
ここで、XcおよびYcはそれぞれ補償されたＸ軸およびＹ軸の電圧値、
XsおよびYsはそれぞれＸ軸およびＹ軸の実際電圧値、
θは前記ピッチ角、
φは前記ロール角、
λは伏角。
【００１６】
好ましくは、前記正規化因子は次式で表されるバイアス因子およびスケール因子である。
【００１７】
【数１】
【００１８】
ここで、XbiasおよびYbiasはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のバイアス因子、
XscalおよびYscalはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のスケール因子、
XmaxおよびXminはそれぞれＸ軸電圧値の最大値および最小値、
YmaxおよびYminはそれぞれＹ軸電圧値の最大値および最小値。
好ましくは、前記制御部は、前記正規化因子を次式に代入し、前記Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲート電圧値を正規化する。
【００１９】
【数２】
【００２０】
ここで、ＸおよびＹはＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの電圧値、
XnormおよびYnormはそれぞれＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの正規化された電圧値、
λは伏角。
一方、地磁気センサーの実際出力値を所定範囲でマッピングするための正規化方法は、（ａ）前記地磁気センサーを所定回数で回転させながら地磁気に応じる所定の電圧値を測定するステップと、（ｂ）前記（ａ）ステップを行なっている間に前記地磁気センサーのピッチ角およびロール角を測定するステップと、（ｃ）前記ピッチ角およびロール角を反映して前記電圧値を補償するステップと、（ｄ）前記補償された電圧値の中から最大値および最小値を用いて、所定の正規化因子を演算するステップと、（ｅ）前記正規化因子を用いて前記地磁気電圧値を正規化するステップと、を含む。
【００２１】
好ましくは、前記（ａ）ステップは、前記地磁気センサーがなしている平面上で相互直交しているＸ軸及びＹ軸方向に形成された２軸フラックスゲートを用いて前記地磁気に対応する電圧値を得ることができる。
この場合、前記（ａ）ステップは、前記２軸フラックスゲートに駆動パルス信号を印加するステップと、前記駆動パルス信号により発生された地磁気に対応する前記２軸フラックスゲートそれぞれの電圧値を出力するステップと、を更に含むことができる。
【００２２】
前記（ｃ）ステップは、次式を用いて前記Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲート電圧値を補償することが好ましい。
Xc = Xs / cos (θ+λ)
Yc = Ys / cos (φ+λ)
ここで、XSおよびYSはそれぞれＸ軸およびＹ軸の実際電圧値、
XcおよびYcはそれぞれ補償されたＸ軸およびＹ軸の電圧値、
θは前記ピッチ角、
φは前記ロール角、
λは伏角。
【００２３】
好ましくは、前記（ｄ）ステップで演算される前記正規化因子は、次式で表されるバイアス因子およびスケール因子である。
【００２４】
【数３】
【００２５】
ここで、XbiasおよびYbiasはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のバイアス因子、
XscalおよびYscalはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のスケール因子、
XmaxおよびXminはそれぞれＸ軸電圧値の最大値および最小値、
YmaxおよびYminはそれぞれＹ軸電圧値の最大値および最小値。
好ましくは、前記（ｅ）ステップは、前記正規化因子を次式に代入して前記Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲート電圧値を正規化する。
【００２６】
【数４】
【００２７】
ここで、ＸおよびＹはＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの電圧値、
XnormおよびYnormはそれぞれＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの正規化された電圧値、
λは伏角。
斜めによる影響が補償された正規化因子を用いて正規化を行なうことにより、方位角を演算する際斜めによる誤差を抑えることができる。 本発明は、地磁気センサーを用いて方位角を測定する方法を提供する。この方法は以下のステップを含む。
【００２８】
（ａ）前記地磁気センサーを所定の回数で回転させながら地磁気に応じる所定の電圧値を測定するステップ、
（ｂ）前記（ａ）ステップを行なっている間に前記地磁気センサーのピッチ角およびロール角を測定するステップ、
（ｃ）前記ピッチ角およびロール角を反映して前記電圧値を補償するステップ、
（ｄ）前記補償された電圧値の中で最大値および最小値を用いて、所定の正規化因子を演算するステップ、
（ｅ）前記正規化因子を用いて前記地磁気電圧値を正規化するステップ、
（ｆ）正規化された前記地磁気電圧値を用いて方位角を演算するステップ。
【００２９】
このようにして正規化因子を算出すれば斜めによる影響が補償されるので、斜め環境においても正確な方位角が演算できるようになる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によると、ユーザが地磁気センサーの正規化のために回転する間に水平状態を保てず揺れる場合、または携帯電話に内蔵した際その装着位置の限界にぶつかった場合に、その揺れによる影響を補償することで正確な正規化因子を抽出することができる。また、これを用いて実際に測定された地磁気電圧値を正規化すると、その斜めによる影響が補償されるため正確な方位角が演算できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施例を詳述する。
図２は本発明の一実施の形態に係る地磁気センサー１００の構成を示したブロック図である。同図によると、本地磁気センサー１００は、駆動信号生成部１１０、地磁気測定部１２０、信号処理部１３０、制御部１４０、加速度センサー１５０、およびメモリ１６０を含む。
【００３２】
駆動信号生成部１１０は、地磁気測定部１２０を駆動させる駆動信号を生成して出力する。駆動信号として、一般にパルス波型および反転パルス波型が使用される。即ち、駆動信号生成部１１０はパルス発生部１１１およびパルス増幅部１１２を含むことによって、パルス発生部１１１で生成され出力されたパルスをパルス増幅部１１２が増幅および反転増幅して出力する。
【００３３】
パルス増幅部１１２は数個の増幅器および反転器を使用することによりパルス発生部１１１を介して出力されたパルスを増幅および反転増幅することで、反対の位相を有する２つのパルス信号を出力する。
地磁気測定部１２０は、相互直交しているＸ軸およびＹ軸上に形成される２つのＸ軸およびＹ軸フラックスゲートを含んでいる。地磁気測定部１２０は、Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲートにそれぞれ伝達されたパルス信号および反転パルス信号により駆動され、その駆動によって生じた起電力に対応される検出信号を出力する。図２において、Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲートは四角リング状の２つの磁性体コアがそれぞれＸ軸およびＹ軸方向について長手方向に設けられており、磁性体コアそれぞれには駆動コイルおよび検出コイルが捲線されている。駆動コイルに駆動パルスが印加されれば、Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲートに磁気が発生し、これによる誘導気電力を、検出コイルを介して検出できるようになる。
【００３４】
一方、信号処理部１３０は、係る誘導起電力を一定の処理過程を経てＸ軸およびＹ軸フラックスゲートそれぞれの電圧値に変化し出力を行なう。詳細に、信号処理部１３０はチョッピング回路部１３１、第１増幅部１３２、フィルタ１３３、第２増幅部１３４、およびＡ／Ｄコンバーター１３５を含む。
地磁気測定部１２０から出力されたＸ軸およびＹ軸フラックスゲートに誘導された電気的信号は、チョッピング回路部１３１が内蔵された数個のスイッチを制御しチョッピングされる。
【００３５】
チョッピングされた電気的な信号は、第１増幅部１３２で差動増幅された後、フィルタ１３３を介して一定範囲の信号のみをフィルタリングし、第２増幅部１３４で最終的に増幅される。増幅された信号はＡ／Ｄコンバーター１３５でデジタル電圧値に変換して出力される。
一方、加速度センサー１５０は、相互直交しているＸ軸およびＹ軸方向に設けられたＸ軸加速度センサーおよびＹ軸加速度センサーを含み、各軸の加速度センサーで測定された電圧値からピッチ角およびロール角を演算する。
【００３６】
図３において、係る地磁気測定部１２０および加速度センサー１６０が内蔵された地磁気センサー１００上で相互直交するＸ軸およびＹ軸を示している。Ｘ軸を基準として回転させた場合、Ｘ−Ｙ平面との角度が次第に大きくなるが、係る角度をロール角（φ）とし、Ｘ軸はロール軸と言い換える。一方、Ｙ軸を基準として回転させた場合、Ｘ−Ｙ平面との角度が次第に大きくなるが、係る角度をピッチ角（θ）とし、Ｙ軸はピッチ軸と言い換える。
【００３７】
なお、メモリ１６０には加速度センサー１５０で測定されたピッチ角およびロール角、現位置での伏角、地磁気測定部１２０が所定の回数回転しながら測定する電圧値などに対する情報が保存されている。
制御部１４０はメモリ１６０に保存された情報を所定数式に代入し方位角を演算する。一方、地磁気測定部１２０で測定された地磁気電圧値はそれぞれｓｉｎ関数およびｃｏｓ関数で表れるが、制御部１４０は方位角を演算するために測定された実際の地磁気電圧値を所定範囲の値でマッピングさせる正規化過程を行なう必要がある。この際、正規化するためには、所定の正規化因子が用いられる。正規化因子としは一般にバイアス因子およびスケール因子が用いられる。係る正規化因子は一般に次式に基づいて演算される。
【００３８】
【数５】
【００３９】
なお、XbiasおよびYbiasはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のバイアス因子、 XscalおよびYscalはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のスケール因子、XmaxおよびXminはそれぞれＸ軸電圧値の最大値および最小値、そして、YmaxおよびYminはそれぞれＹ軸電圧値の最大値および最小値である
一方、前記数５の式で用いられる各軸の電圧値の最大値および最小値は、地磁気センサー１００を水平状態で所定の回数回転させながら測定された電圧値をメモリ１６０に記録した後、そのうちから最大電圧値および最小電圧値を決める。
【００４０】
図４には本発明に係る地磁気センサー１００が内蔵された携帯電話上で方位角を測定するために携帯電話を回転させた場合、基準となる回転軸が示されている。即ち、同図においてＸ−Ｙ平面に垂直しているＺ軸を基準に携帯電話を回転させながら、測定されたＸ軸およびＹ軸の電圧値のなかでそれぞれに対する最大値および最小値が決められる。この際、ピッチ角およびロール角はそれぞれ０°である状態、即ち、水平状態でなければならない。しかし、前述のように回転過程で揺れることにより水平状態を保つことは難しい。
【００４１】
図５では、回転過程において水平状態を保つ場合の最大地磁気電圧値、および斜め誤差が生じた場合の最大地磁気電圧値の差異が示されている。即ち、図４にては、Ｚ軸を基準にして所定角度ずつ回転させた場合、水平状態が保たれた状態での実際測定値がYmであれは、伏角（λ）の影響を考慮してＹ軸の最大地磁気電圧はYmax＝Ym／cosλのように表れる。しかし、所定のピッチ角（θ）分の斜め誤差が生じた場合、実際のＹ軸地磁気電圧値はYmで測定される。これに応じて最大の地磁気電圧値は Ymax＝Ya／cosλのように演算される。従って、斜めによってほぼ（Ym - Ya）／ cosλ程度の誤差が発生されるようになる。同様、最小値についても実際の測定電圧値と水平状態にける測定電圧値との差異により所定範囲の誤差が生じてしまう。結果的には、誤った最大値および最小値を使用しオフセット因子およびスケール因子のような正規化因子が演算され、正規化結果にもその影響を及ぼす。
【００４２】
従って、制御部１４０は加速度センサー１５０においてピッチ角およびロール角が０°でない状態、即ち斜め状態であると感知すれば、斜めによる影響を補償すべきである。このため、図５で示したよう、 YaをYm にマッピングすることによって最大の地磁気値が Ymaxに近づけるよう補償できる。
即ち、地磁気センサー１００をＺ軸を基準にして所定角度ずつ回転させながら、測定される各Ya値を斜め影響を反映して補償した後、メモリ１６０に記録する。制御部１４０は地磁気センサー１００の回転が完了されれば記録されたＹ軸の電圧値の中で最大値および最小値を決めて正規化因子を演算する。
【００４３】
一方、図５はピッチ角が変化する方向に向って斜めになっている状態が示されているが、これはロール軸が変化する方向へ傾斜された場合にも同じく適用され、Ｘ軸フラックス
ゲート電圧値の最大値および最小値が決められる。
以上のように、勾配、即ちピッチ角およびロール角を反映して地磁気測定部１２０の出力値を補償する方法は次の通りである。
【００４４】
【数６】
【００４５】
なお、XcおよびYc はそれぞれ補償されたＸ軸およびＹ軸の電圧値、XsおよびYsはそれぞれＸ軸およびＹ軸の実際電圧値、θはピッチ角、φはロール角、そしてλは伏角を示す。
前記数６の式に基づいて補償されたＸ軸およびＹ軸の電圧値が演算されれば、その値をメモリ１６０にすべて記録した後、地磁気センサー１００の回転が終了されれば記録された値の中で最大値および最小値を決める。
【００４６】
決められた最大値および最小値を数５の式に代入することで、Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲート電圧値の正規化因子を演算する。
前述のように、正規化因子とは、Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲートの実際出力値を所定範囲の値でマッピングさせる正規化を行なうため求められる因子のことを意味する。数１５の式によって求められた正規化因子であるバイアス因子とスケール因子とを用いて正規化が行なわれる。その数式は次の通りである。
【００４７】
【数７】
【００４８】
なお、ＸおよびＹはＸ軸およびＹ軸はフラックスゲートの電圧値、XnormおよびYnormはそれぞれＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの正規化された電圧値、そしてλは伏角を示す。
前記数７の式に基づいて正規化が行なわれると、地磁気測定部１２０の出力値は所定範囲の値でマッピングされる。
【００４９】
一方、係る正規化方式は、加速度センサー１５０においても活用できる。即ち、ピッチ角およびロール角を測定するために、加速度センサー１５０はまずＸ軸およびＹ軸加速度センサーの出力値を所定範囲の出力値でマッピングさせる正規化処理を行なう。このため、Ｘ軸およびＹ軸加速度センサー出力値に対する最大値および最小値を決めて正規化因子を求め、これに基づいて正規化処理を行なう。
【００５０】
結果的に求められるピッチ角およびロール角を数式で表すと次の通りである。
【００５１】
【数８】
【００５２】
なお、Xtnormは正規化されたＸ軸加速度センサーの出力値、Ytnormは正規化されたＹ軸加速度センサーの出力値、θはピッチ角、そしてφはロール角を示す。係る演算過程を介してピッチ角およびロール角が測定されれば、制御部１４０はこれを方位角演算過程で利用する。一方、斜め程度を測定する時にこのような演算過程を行なわず、手動で最大９０°、最小０°のように設定することもできる。
【００５３】
このように、補償された正規化因子を用いて正規化がなされることで方位角が演算できる。２軸フラックスゲートを用いる場合、制御部１４０はＸ軸およびＹ軸がなしている平面に垂直な仮想のＺ軸の出力の演算を行なって方位角を演算する。
即ち、方位角は３つの軸で表れる３次元空間値であって、制御部１４０が測定された結果に基づいて方位角を求める際には３軸の出力値が必要である。係る仮想の正規化されたＺ軸の出力値は次式に基づいて演算できる。
【００５４】
【数９】
【００５５】
なお、Ｚは仮想のＺ軸電圧値、ＺnormはＺ軸電圧値を正規化した値を示す。
係る方法で仮想のＺ軸電圧値の正規化値を演算すると、制御部１４０では最終的に次式に基づいて方位角（ａ）を演算する。
【００５６】
【数１０】
【００５７】
最終に演算された方位角（ａ）は、地磁気センサー１００が斜め状態に置かれているとしても、その斜め程度が反映され正規化された出力値を演算するため、斜めによる誤差を抑えることができる。
図６は本発明に係る地磁気センサー１００で方位角を測定する方法を説明するための流れ図である。同図によると、本地磁気センサー１００を用いて方位角を測定するためにはまず、地磁気センサー１００を水平状態で所定の回数回転させる（Ｓ６１０）。
【００５８】
一方、地磁気センサー１００が回転する間に駆動信号生成部１１０は地磁気測定部１２０を駆動させるための駆動パルス信号を生成して地磁気測定部１２０に印加する。地磁気測定部１２０は地磁気センサー１００が所定の角度回転するたびに駆動パルス信号に応じるＸ軸およびＹ軸フラックスゲート電圧値を出力し、制御部１４０はこのような電圧値をメモリ１６０に格納する（Ｓ６２０）。
【００５９】
次に、加速度センサー１５０において勾配、即ち、ピッチ角およびロール角を測定する（Ｓ６３０）。ユーザが水平状態に合わせて回転させようとしても、回転過程で斜め誤差が生じる場合があり得るため、ピッチ角およびロール角を測定し水平状態が保たれているのかを判断することができる（Ｓ６４０）。
斜め誤差が発生すれば、制御部１４０は測定されたピッチ角およびロール角を用いて地磁気センサー値を補償する（Ｓ６５０）。この場合、前述した数６によって補償される。
【００６０】
方位角を測定するための回転が終了されるときまで、地磁気電圧値の測定および補償過程を行なってメモリ１６０に格納し、１回転が完了されたと判断されれば（Ｓ６６０）、メモリ１６０に記録された電圧値の中で最大値および最小値を決める（Ｓ６７０）。図６では、１回転させる場合につき図示したが、より精密な測定のために２回転以上回転させながら補償過程を行なうことも可能である。
【００６１】
次に、決定された最大値および最小値を用いて正規化過程が行なわれる（Ｓ６８０）。まず、正規化因子であるバイアス因子およびスケール因子を算出する（Ｓ６８１）。正規化因子は前述の数５の式で示した通りである。
正規化因子が得られると、制御部１４０はこれを数７の式に代入して実際の地磁気センサー値を正規化する（Ｓ６８３）。これによって、斜めの影響を補償し正規化がなされる。係る正規化方法は加速度センサー１５０を用いてピッチ角およびロール角を測定する過程にも使用され得る。
【００６２】
最終的に、正規化された電圧値を用いて方位角を演算する過程が行なわれる（Ｓ６９０）。制御部１４０はメモリ１６０に記録されたピッチ角、ロール角、および伏角に対する情報を用いて前述した数９の式に基づいて仮想のＺ軸の正規化された出力値を演算する。それから、制御部１４０は仮想のＺ軸の正規化された出力値および他の情報を用いて数１０の式に基づいて方位角を演算する。
【００６３】
係る方法で、正規化因子を算出すれば斜めによる影響が補償されるので、斜め環境においても正確な方位角が演算できるようになる。
以上、図面を参照して本発明の好適な実施形態を図示および説明してきたが本発明の保護範囲は、前述の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明に係る地磁気センサーは斜め状態に置かれても正確な方位角が測定できるため、車、携帯装備などで用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】地磁気センサーの一般的な構成を示したブロック図である。
【図２】本発明に係る地磁気センサーの構成を示したブロック図である。
【図３】本発明に係る地磁気センサー上でピッチ角およびロール角測定の基準となる２つの軸を示した模式図である。
【図４】本発明に係る地磁気センサーが内蔵された携帯電話状のピッチ角およびヨー角測定の基準となる２つの軸を示した模式図である。
【図５】地磁気センサーを用いて方位角を測定する間に生じる斜め誤差を説明するための模式図である。
【図６】本発明に係る地磁気センサーで斜め誤差を反映し正確な方位角を演算する方法を説明するための流れ図である。
【符号の説明】
【００６６】
１１，１１０ 駆動信号生成部
１２，１２０ 地磁気測定部
１３，１３０ 信号処理部
１４，１４０ 制御部
１５０ 加速度センサー
１６０ メモリ
１１１ パルス発生部
１１２ パルス増幅器
１３１ チョッピング回路部
１３２ 第１増幅部
１３３ フィルタ
１３４ 第２増幅部
１３５ Ａ／Ｄコンバーター
１００ 地磁気センサー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地磁気センサーに関し、詳細には加速度センサーを含んで現在の斜め程度を測定した後、その斜め程度を方位角測定に反映することでより正確な方位角が抽出できる地磁気センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
地磁気センサーとは、人が感じられない地球磁気の強さおよび方向を測定する装置のことを意味する。特に、フラックスゲートを用いた地磁気センサーのことをフラックスゲートセンサーと呼ぶ。
フラックスゲート型地磁気センサーとは、パーマロイのような材料を磁心として使用し駆動コイルにより励起磁場を加え、その磁心の磁気飽和および非線形磁気特性を用いて外部磁場に比例する２次高調波成分を測定することにより、外部磁場のサイズおよび方向が測定する装置のことを指す。
【０００３】
係るフラックスゲート型地磁気センサーは１９３０年代の末に開発されたもので、他の形態の地磁気センサーと比較すると、感度がよく、経済的であり、相対的に小型で製造できる長所を持つ。また、電力消耗が少なく、出力信号の安定度も優れているため、微弱磁界の検出、地球の絶対方向計測と共に鉱脈探査、標的探知、そして人工衛星の姿勢制御および宇宙探査用に至る民需用および軍事用まで幅広く使用されており、現在も性能効能のための研究がなされている。
【０００４】
最近になって、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術が発展するにつれ、これを用いて低消費電力型の超小型フラックスゲートセンサーの開発も試みている。
図１は、従来のフラックスゲート型地磁気センサー１０の一般的な構成を示したブロック図である。同図を参照すると、従来の地磁気センサーは、駆動信号生成部１１、地磁気測定部１２、信号処理部１３、および制御部１４を含む。
【０００５】
駆動信号生成部１１は、地磁気測定部１２を駆動させることのできる電気的な信号を印加する。係る電気的な信号は一般的にパルス波およびその状態が反転されたパルス波を用いる。
地磁気測定部１２は、３軸フラックスゲートを使用することはできるが、携帯電話のような小型装置に装着されるためには地磁気センサー１０そのものが小型でなければならないので、２軸フラックスゲートを用いることが好ましい。２軸フラックスゲートを使用する場合、地磁気測定部１２は相互直交している２つのフラックスゲートを含む。さらに、各フラックスゲートは四角リング、またはバー状の磁性体コア、磁性体コアに捲線された駆動コイルおよび検出コイルを含む。駆動コイルは駆動信号生成部１１から出力された電気的な信号を受信し磁性体コアを励磁させる役割を果す一方、検出コイルは駆動コイルの駆動により生じた磁気から誘導された起電力を検出する役割を果す。
【０００６】
一方、信号処理部１３は、検出コイルで外部磁界の強さに比例する電圧成分が誘導されれば、これを増幅、チョッピングする一連の処理を行なった後、Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲートそれぞれの電圧値を出力する。
加速度センサー１５は地磁気測定部１２の如き相互直交している２つのＸ軸（ロール軸）およびＹ軸（ピッチ軸）フラックスゲートで具現され、ピッチ角およびロール角を演算する。ピッチ角とは、地磁気センサー１０が置かれた平面上で相互直交するＸ軸およびＹ軸の中でＹ軸を中心に回転させた場合、Ｘ−Ｙ平面との差異角を意味する。ピッチ角とは、Ｘ軸を中心に回転させた場合、Ｘ−Ｙ平面との差異角を意味する。
【０００７】
制御部１４は、このようなＸ軸およびＹ軸フラックスゲート電圧値を所定の正規化因子を使用し所定の範囲値で正規化した後、所定の数式に代入して方位角を演算する。正規化因子とは、センサーの出力値を＋１と-１との間の値でマッピングする正規化過程において必要な因子であって、バイアス因子およびスケール因子などがこれに該当する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
係る正規化因子は、地磁気センサを一回転させるたびに測定される地磁気センサー値を記録した後その最大値および最小値を決め、所定の数式で代入し演算する。地磁気センサーを回転させながら最大値および最小値を求めることで正規化因子が決定される過程のことを補正作業という。
しかし、補正作業を行なっている間に地磁気センサーが斜めになると、その斜め程度によって地磁気センサーの出力値が異なってくるため、誤った最大値および最小値が測定される恐れがある。即ち、方位角演算に必要な正規化因子は補正作業中に生じる斜め程度にその影響を受ける。
【０００９】
従って、正規化因子を算出し正しい方位角を演算するためには、水平状態で地磁気センサーを回転させながら最大値、最小値、および平均値を測定しなければならない。しかし、回転する間に揺れる恐れもあり、また携帯電話などに内蔵されている場合に装着位置が斜めになる恐れもあることで、誤った最大値および最小値が測定されてしまう。これにより、誤った正規化因子が演算され、方位角に誤差が発生してしまう。
【００１０】
このように、補正時に斜め角度で測定されることにより補正後に生じる方位角の測定誤差は、表１の通りである。
【００１１】
【表１】
【００１２】
表１のように斜め角度が大きければ、補正後に発生する測定誤差も大きくなる。よって、一定の角度以上に傾斜していると、地磁気センサーは正しい方位を表示できなくなる問題点を抱えている。
本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、現の斜め程度を測定・反映して正規化因子への補正を行なうことにより、勾配が考慮された正規化が行なわれる。これによって正確な方位角が演算できる地磁気センサー、正規化方法、および方位角測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前述した目的を達成するために、本発明に係る地磁気センサーは、前記地磁気センサーがなしている平面上で相互直交しているＸ軸及びＹ軸方向に形成された２軸フラックスゲートを備え、地磁気に対応する前記２軸フラックスゲートそれぞれの電圧値を出力する地磁気測定部と、
水平状態を基準にして斜め程度を示すピッチ角及びロール角を測定する加速度センサーと、
前記地磁気センサーが所定の回数で回転しながら測定された前記Ｘ軸及びＹ軸フラックスゲートの測定値にそれぞれ前記ピッチ角及びロール角を反映して補償し、補償された値の中で最大値及び最小値を用いて正規化因子を演算した状態で、方位角のセンシングが試みられると、前記地磁気測定部で出力される電圧値を前記演算された正規化因子を用いて所定範囲の値に正規化し、正規化された値を用いて方位角を演算する制御部とを含む。
【００１４】
ユーザが地磁気センサーの正規化のために回転する間に水平状態を保てず揺れる場合、または携帯電話に内蔵した際その装着位置の限界にぶつかった場合に、その揺れによる影響を補償することで正確な正規化因子を抽出することができる。また、これを用いて実際に測定された地磁気電圧値を正規化すると、その斜めによる影響が補償されるため正確な方位角が演算できる。制御部は、地磁気センサーが所定回数で回転しながら測定したＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの測定値にそれぞれ前記ピッチ角およびロール角を反映して補償したあと、補償された値の中で最大値および最小値を用いて正規化に使用される正規化因子（ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ）の演算を行なうことにより、斜めによる影響が補償された正規化因子を得ることができる。
【００１５】
好ましくは、前記制御部は次式に基づいてＸ軸およびＹ軸の電圧値をそれぞれ補償する。
Xc = Xs / cos (θ+λ)
Yc = Ys / cos (φ+λ)
ここで、XcおよびYcはそれぞれ補償されたＸ軸およびＹ軸の電圧値、
XsおよびYsはそれぞれＸ軸およびＹ軸の実際電圧値、
θは前記ピッチ角、
φは前記ロール角、
λは伏角。
【００１６】
好ましくは、前記正規化因子は次式で表されるバイアス因子およびスケール因子である。
【００１７】
【数１】
【００１８】
ここで、XbiasおよびYbiasはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のバイアス因子、
XscalおよびYscalはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のスケール因子、
XmaxおよびXminはそれぞれＸ軸電圧値の最大値および最小値、
YmaxおよびYminはそれぞれＹ軸電圧値の最大値および最小値。
好ましくは、前記制御部は、前記正規化因子を次式に代入し、前記Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲート電圧値を正規化する。
【００１９】
【数２】
【００２０】
ここで、ＸおよびＹはＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの電圧値、
XnormおよびYnormはそれぞれＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの正規化された電圧値、
λは伏角。
一方、地磁気センサーの実際出力値を所定範囲でマッピングするための正規化方法は、（ａ）前記地磁気センサーを所定回数で回転させながら地磁気に応じる所定の電圧値を測定するステップと、（ｂ）前記（ａ）ステップを行なっている間に前記地磁気センサーのピッチ角およびロール角を測定するステップと、（ｃ）前記ピッチ角およびロール角を反映して前記電圧値を補償するステップと、（ｄ）前記補償された電圧値の中から最大値および最小値を用いて、所定の正規化因子を演算するステップと、（ｅ）前記正規化因子を用いて前記地磁気電圧値を正規化するステップと、を含む。
【００２１】
好ましくは、前記（ａ）ステップは、前記地磁気センサーがなしている平面上で相互直交しているＸ軸及びＹ軸方向に形成された２軸フラックスゲートを用いて前記地磁気に対応する電圧値を得ることができる。
この場合、前記（ａ）ステップは、前記２軸フラックスゲートに駆動パルス信号を印加するステップと、前記駆動パルス信号により発生された地磁気に対応する前記２軸フラックスゲートそれぞれの電圧値を出力するステップと、を更に含むことができる。
【００２２】
前記（ｃ）ステップは、次式を用いて前記Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲート電圧値を補償することが好ましい。
Xc = Xs / cos (θ+λ)
Yc = Ys / cos (φ+λ)
ここで、XSおよびYSはそれぞれＸ軸およびＹ軸の実際電圧値、
XcおよびYcはそれぞれ補償されたＸ軸およびＹ軸の電圧値、
θは前記ピッチ角、
φは前記ロール角、
λは伏角。
【００２３】
好ましくは、前記（ｄ）ステップで演算される前記正規化因子は、次式で表されるバイアス因子およびスケール因子である。
【００２４】
【数３】
【００２５】
ここで、XbiasおよびYbiasはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のバイアス因子、
XscalおよびYscalはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のスケール因子、
XmaxおよびXminはそれぞれＸ軸電圧値の最大値および最小値、
YmaxおよびYminはそれぞれＹ軸電圧値の最大値および最小値。
好ましくは、前記（ｅ）ステップは、前記正規化因子を次式に代入して前記Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲート電圧値を正規化する。
【００２６】
【数４】
【００２７】
ここで、ＸおよびＹはＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの電圧値、
XnormおよびYnormはそれぞれＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの正規化された電圧値、
λは伏角。
斜めによる影響が補償された正規化因子を用いて正規化を行なうことにより、方位角を演算する際斜めによる誤差を抑えることができる。 本発明は、地磁気センサーを用いて方位角を測定する方法を提供する。この方法は以下のステップを含む。
【００２８】
（ａ）前記地磁気センサーを所定の回数で回転させながら地磁気に応じる所定の電圧値を測定するステップ、
（ｂ）前記（ａ）ステップを行なっている間に前記地磁気センサーのピッチ角およびロール角を測定するステップ、
（ｃ）前記ピッチ角およびロール角を反映して前記電圧値を補償するステップ、
（ｄ）前記補償された電圧値の中で最大値および最小値を用いて、所定の正規化因子を演算するステップ、
（ｅ）前記正規化因子を用いて前記地磁気電圧値を正規化するステップ、
（ｆ）正規化された前記地磁気電圧値を用いて方位角を演算するステップ。
【００２９】
このようにして正規化因子を算出すれば斜めによる影響が補償されるので、斜め環境においても正確な方位角が演算できるようになる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によると、ユーザが地磁気センサーの正規化のために回転する間に水平状態を保てず揺れる場合、または携帯電話に内蔵した際その装着位置の限界にぶつかった場合に、その揺れによる影響を補償することで正確な正規化因子を抽出することができる。また、これを用いて実際に測定された地磁気電圧値を正規化すると、その斜めによる影響が補償されるため正確な方位角が演算できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施例を詳述する。
図２は本発明の一実施の形態に係る地磁気センサー１００の構成を示したブロック図である。同図によると、本地磁気センサー１００は、駆動信号生成部１１０、地磁気測定部１２０、信号処理部１３０、制御部１４０、加速度センサー１５０、およびメモリ１６０を含む。
【００３２】
駆動信号生成部１１０は、地磁気測定部１２０を駆動させる駆動信号を生成して出力する。駆動信号として、一般にパルス波型および反転パルス波型が使用される。即ち、駆動信号生成部１１０はパルス発生部１１１およびパルス増幅部１１２を含むことによって、パルス発生部１１１で生成され出力されたパルスをパルス増幅部１１２が増幅および反転増幅して出力する。
【００３３】
パルス増幅部１１２は数個の増幅器および反転器を使用することによりパルス発生部１１１を介して出力されたパルスを増幅および反転増幅することで、反対の位相を有する２つのパルス信号を出力する。
地磁気測定部１２０は、相互直交しているＸ軸およびＹ軸上に形成される２つのＸ軸およびＹ軸フラックスゲートを含んでいる。地磁気測定部１２０は、Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲートにそれぞれ伝達されたパルス信号および反転パルス信号により駆動され、その駆動によって生じた起電力に対応される検出信号を出力する。図２において、Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲートは四角リング状の２つの磁性体コアがそれぞれＸ軸およびＹ軸方向について長手方向に設けられており、磁性体コアそれぞれには駆動コイルおよび検出コイルが捲線されている。駆動コイルに駆動パルスが印加されれば、Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲートに磁気が発生し、これによる誘導気電力を、検出コイルを介して検出できるようになる。
【００３４】
一方、信号処理部１３０は、係る誘導起電力を一定の処理過程を経てＸ軸およびＹ軸フラックスゲートそれぞれの電圧値に変化し出力を行なう。詳細に、信号処理部１３０はチョッピング回路部１３１、第１増幅部１３２、フィルタ１３３、第２増幅部１３４、およびＡ／Ｄコンバーター１３５を含む。
地磁気測定部１２０から出力されたＸ軸およびＹ軸フラックスゲートに誘導された電気的信号は、チョッピング回路部１３１が内蔵された数個のスイッチを制御しチョッピングされる。
【００３５】
チョッピングされた電気的な信号は、第１増幅部１３２で差動増幅された後、フィルタ１３３を介して一定範囲の信号のみをフィルタリングし、第２増幅部１３４で最終的に増幅される。増幅された信号はＡ／Ｄコンバーター１３５でデジタル電圧値に変換して出力される。
一方、加速度センサー１５０は、相互直交しているＸ軸およびＹ軸方向に設けられたＸ軸加速度センサーおよびＹ軸加速度センサーを含み、各軸の加速度センサーで測定された電圧値からピッチ角およびロール角を演算する。
【００３６】
図３において、係る地磁気測定部１２０および加速度センサー１６０が内蔵された地磁気センサー１００上で相互直交するＸ軸およびＹ軸を示している。Ｘ軸を基準として回転させた場合、Ｘ−Ｙ平面との角度が次第に大きくなるが、係る角度をロール角（φ）とし、Ｘ軸はロール軸と言い換える。一方、Ｙ軸を基準として回転させた場合、Ｘ−Ｙ平面との角度が次第に大きくなるが、係る角度をピッチ角（θ）とし、Ｙ軸はピッチ軸と言い換える。
【００３７】
なお、メモリ１６０には加速度センサー１５０で測定されたピッチ角およびロール角、現位置での伏角、地磁気測定部１２０が所定の回数回転しながら測定する電圧値などに対する情報が保存されている。
制御部１４０はメモリ１６０に保存された情報を所定数式に代入し方位角を演算する。一方、地磁気測定部１２０で測定された地磁気電圧値はそれぞれｓｉｎ関数およびｃｏｓ関数で表れるが、制御部１４０は方位角を演算するために測定された実際の地磁気電圧値を所定範囲の値でマッピングさせる正規化過程を行なう必要がある。この際、正規化するためには、所定の正規化因子が用いられる。正規化因子としは一般にバイアス因子およびスケール因子が用いられる。係る正規化因子は一般に次式に基づいて演算される。
【００３８】
【数５】
【００３９】
なお、XbiasおよびYbiasはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のバイアス因子、 XscalおよびYscalはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のスケール因子、XmaxおよびXminはそれぞれＸ軸電圧値の最大値および最小値、そして、YmaxおよびYminはそれぞれＹ軸電圧値の最大値および最小値である
一方、前記数５の式で用いられる各軸の電圧値の最大値および最小値は、地磁気センサー１００を水平状態で所定の回数回転させながら測定された電圧値をメモリ１６０に記録した後、そのうちから最大電圧値および最小電圧値を決める。
【００４０】
図４には本発明に係る地磁気センサー１００が内蔵された携帯電話上で方位角を測定するために携帯電話を回転させた場合、基準となる回転軸が示されている。即ち、同図においてＸ−Ｙ平面に垂直しているＺ軸を基準に携帯電話を回転させながら、測定されたＸ軸およびＹ軸の電圧値のなかでそれぞれに対する最大値および最小値が決められる。この際、ピッチ角およびロール角はそれぞれ０°である状態、即ち、水平状態でなければならない。しかし、前述のように回転過程で揺れることにより水平状態を保つことは難しい。
【００４１】
図５では、回転過程において水平状態を保つ場合の最大地磁気電圧値、および斜め誤差が生じた場合の最大地磁気電圧値の差異が示されている。即ち、図４にては、Ｚ軸を基準にして所定角度ずつ回転させた場合、水平状態が保たれた状態での実際測定値がYmであれは、伏角（λ）の影響を考慮してＹ軸の最大地磁気電圧はYmax＝Ym／cosλのように表れる。しかし、所定のピッチ角（θ）分の斜め誤差が生じた場合、実際のＹ軸地磁気電圧値はYmで測定される。これに応じて最大の地磁気電圧値は Ymax＝Ya／cosλのように演算される。従って、斜めによってほぼ（Ym - Ya）／ cosλ程度の誤差が発生されるようになる。同様、最小値についても実際の測定電圧値と水平状態にける測定電圧値との差異により所定範囲の誤差が生じてしまう。結果的には、誤った最大値および最小値を使用しオフセット因子およびスケール因子のような正規化因子が演算され、正規化結果にもその影響を及ぼす。
【００４２】
従って、制御部１４０は加速度センサー１５０においてピッチ角およびロール角が０°でない状態、即ち斜め状態であると感知すれば、斜めによる影響を補償すべきである。このため、図５で示したよう、 YaをYm にマッピングすることによって最大の地磁気値が Ymaxに近づけるよう補償できる。
即ち、地磁気センサー１００をＺ軸を基準にして所定角度ずつ回転させながら、測定される各Ya値を斜め影響を反映して補償した後、メモリ１６０に記録する。制御部１４０は地磁気センサー１００の回転が完了されれば記録されたＹ軸の電圧値の中で最大値および最小値を決めて正規化因子を演算する。
【００４３】
一方、図５はピッチ角が変化する方向に向って斜めになっている状態が示されているが、これはロール軸が変化する方向へ傾斜された場合にも同じく適用され、Ｘ軸フラックス
ゲート電圧値の最大値および最小値が決められる。
以上のように、勾配、即ちピッチ角およびロール角を反映して地磁気測定部１２０の出力値を補償する方法は次の通りである。
【００４４】
【数６】
【００４５】
なお、XcおよびYc はそれぞれ補償されたＸ軸およびＹ軸の電圧値、XsおよびYsはそれぞれＸ軸およびＹ軸の実際電圧値、θはピッチ角、φはロール角、そしてλは伏角を示す。
前記数６の式に基づいて補償されたＸ軸およびＹ軸の電圧値が演算されれば、その値をメモリ１６０にすべて記録した後、地磁気センサー１００の回転が終了されれば記録された値の中で最大値および最小値を決める。
【００４６】
決められた最大値および最小値を数５の式に代入することで、Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲート電圧値の正規化因子を演算する。
前述のように、正規化因子とは、Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲートの実際出力値を所定範囲の値でマッピングさせる正規化を行なうため求められる因子のことを意味する。数１５の式によって求められた正規化因子であるバイアス因子とスケール因子とを用いて正規化が行なわれる。その数式は次の通りである。
【００４７】
【数７】
【００４８】
なお、ＸおよびＹはＸ軸およびＹ軸はフラックスゲートの電圧値、XnormおよびYnormはそれぞれＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの正規化された電圧値、そしてλは伏角を示す。
前記数７の式に基づいて正規化が行なわれると、地磁気測定部１２０の出力値は所定範囲の値でマッピングされる。
【００４９】
一方、係る正規化方式は、加速度センサー１５０においても活用できる。即ち、ピッチ角およびロール角を測定するために、加速度センサー１５０はまずＸ軸およびＹ軸加速度センサーの出力値を所定範囲の出力値でマッピングさせる正規化処理を行なう。このため、Ｘ軸およびＹ軸加速度センサー出力値に対する最大値および最小値を決めて正規化因子を求め、これに基づいて正規化処理を行なう。
【００５０】
結果的に求められるピッチ角およびロール角を数式で表すと次の通りである。
【００５１】
【数８】
【００５２】
なお、Xtnormは正規化されたＸ軸加速度センサーの出力値、Ytnormは正規化されたＹ軸加速度センサーの出力値、θはピッチ角、そしてφはロール角を示す。係る演算過程を介してピッチ角およびロール角が測定されれば、制御部１４０はこれを方位角演算過程で利用する。一方、斜め程度を測定する時にこのような演算過程を行なわず、手動で最大９０°、最小０°のように設定することもできる。
【００５３】
このように、補償された正規化因子を用いて正規化がなされることで方位角が演算できる。２軸フラックスゲートを用いる場合、制御部１４０はＸ軸およびＹ軸がなしている平面に垂直な仮想のＺ軸の出力の演算を行なって方位角を演算する。
即ち、方位角は３つの軸で表れる３次元空間値であって、制御部１４０が測定された結果に基づいて方位角を求める際には３軸の出力値が必要である。係る仮想の正規化されたＺ軸の出力値は次式に基づいて演算できる。
【００５４】
【数９】
【００５５】
なお、Ｚは仮想のＺ軸電圧値、ＺnormはＺ軸電圧値を正規化した値を示す。
係る方法で仮想のＺ軸電圧値の正規化値を演算すると、制御部１４０では最終的に次式に基づいて方位角（ａ）を演算する。
【００５６】
【数１０】
【００５７】
最終に演算された方位角（ａ）は、地磁気センサー１００が斜め状態に置かれているとしても、その斜め程度が反映され正規化された出力値を演算するため、斜めによる誤差を抑えることができる。
図６は本発明に係る地磁気センサー１００で方位角を測定する方法を説明するための流れ図である。同図によると、本地磁気センサー１００を用いて方位角を測定するためにはまず、地磁気センサー１００を水平状態で所定の回数回転させる（Ｓ６１０）。
【００５８】
一方、地磁気センサー１００が回転する間に駆動信号生成部１１０は地磁気測定部１２０を駆動させるための駆動パルス信号を生成して地磁気測定部１２０に印加する。地磁気測定部１２０は地磁気センサー１００が所定の角度回転するたびに駆動パルス信号に応じるＸ軸およびＹ軸フラックスゲート電圧値を出力し、制御部１４０はこのような電圧値をメモリ１６０に格納する（Ｓ６２０）。
【００５９】
次に、加速度センサー１５０において勾配、即ち、ピッチ角およびロール角を測定する（Ｓ６３０）。ユーザが水平状態に合わせて回転させようとしても、回転過程で斜め誤差が生じる場合があり得るため、ピッチ角およびロール角を測定し水平状態が保たれているのかを判断することができる（Ｓ６４０）。
斜め誤差が発生すれば、制御部１４０は測定されたピッチ角およびロール角を用いて地磁気センサー値を補償する（Ｓ６５０）。この場合、前述した数６によって補償される。
【００６０】
方位角を測定するための回転が終了されるときまで、地磁気電圧値の測定および補償過程を行なってメモリ１６０に格納し、１回転が完了されたと判断されれば（Ｓ６６０）、メモリ１６０に記録された電圧値の中で最大値および最小値を決める（Ｓ６７０）。図６では、１回転させる場合につき図示したが、より精密な測定のために２回転以上回転させながら補償過程を行なうことも可能である。
【００６１】
次に、決定された最大値および最小値を用いて正規化過程が行なわれる（Ｓ６８０）。まず、正規化因子であるバイアス因子およびスケール因子を算出する（Ｓ６８１）。正規化因子は前述の数５の式で示した通りである。
正規化因子が得られると、制御部１４０はこれを数７の式に代入して実際の地磁気センサー値を正規化する（Ｓ６８３）。これによって、斜めの影響を補償し正規化がなされる。係る正規化方法は加速度センサー１５０を用いてピッチ角およびロール角を測定する過程にも使用され得る。
【００６２】
最終的に、正規化された電圧値を用いて方位角を演算する過程が行なわれる（Ｓ６９０）。制御部１４０はメモリ１６０に記録されたピッチ角、ロール角、および伏角に対する情報を用いて前述した数９の式に基づいて仮想のＺ軸の正規化された出力値を演算する。それから、制御部１４０は仮想のＺ軸の正規化された出力値および他の情報を用いて数１０の式に基づいて方位角を演算する。
【００６３】
係る方法で、正規化因子を算出すれば斜めによる影響が補償されるので、斜め環境においても正確な方位角が演算できるようになる。
以上、図面を参照して本発明の好適な実施形態を図示および説明してきたが本発明の保護範囲は、前述の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明に係る地磁気センサーは斜め状態に置かれても正確な方位角が測定できるため、車、携帯装備などで用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】地磁気センサーの一般的な構成を示したブロック図である。
【図２】本発明に係る地磁気センサーの構成を示したブロック図である。
【図３】本発明に係る地磁気センサー上でピッチ角およびロール角測定の基準となる２つの軸を示した模式図である。
【図４】本発明に係る地磁気センサーが内蔵された携帯電話状のピッチ角およびヨー角測定の基準となる２つの軸を示した模式図である。
【図５】地磁気センサーを用いて方位角を測定する間に生じる斜め誤差を説明するための模式図である。
【図６】本発明に係る地磁気センサーで斜め誤差を反映し正確な方位角を演算する方法を説明するための流れ図である。
【符号の説明】
【００６６】
１１，１１０ 駆動信号生成部
１２，１２０ 地磁気測定部
１３，１３０ 信号処理部
１４，１４０ 制御部
１５０ 加速度センサー
１６０ メモリ
１１１ パルス発生部
１１２ パルス増幅器
１３１ チョッピング回路部
１３２ 第１増幅部
１３３ フィルタ
１３４ 第２増幅部
１３５ Ａ／Ｄコンバーター
１００ 地磁気センサー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地磁気センサーであって、
前記地磁気センサーがなしている平面上で相互直交しているＸ軸及びＹ軸方向に形成された２軸フラックスゲートを備え、地磁気に対応する前記２軸フラックスゲートそれぞれの電圧値を出力する地磁気測定部と、
水平状態を基準にして斜め程度を示すピッチ角及びロール角を測定する加速度センサーと、
前記地磁気センサーが所定の回数で回転しながら測定された前記Ｘ軸及びＹ軸フラックスゲートの測定値にそれぞれ前記ピッチ角及びロール角を反映して補償し、補償された値の中で最大値及び最小値を用いて正規化因子を演算した状態で、方位角のセンシングが試みられると、前記地磁気測定部で出力される電圧値を前記演算された正規化因子を用いて所定範囲の値に正規化し、正規化された値を用いて方位角を演算する制御部と、を含むことを特徴とする地磁気センサー。
【請求項２】
前記制御部は次式に基づいてＸ軸およびＹ軸の電圧値をそれぞれ補償することを特徴とする請求項１に記載の地磁気センサー；
Xc = Xs / cos (θ+λ)
Yc = Ys / cos (φ+λ)
ここで、XcおよびYcはそれぞれ補償されたＸ軸およびＹ軸の電圧値、
XsおよびYsはそれぞれＸ軸およびＹ軸の実際電圧値、
θは前記ピッチ角、
φは前記ロール角、
λは伏角。
【請求項３】
前記正規化因子は次式で表されるバイアス因子およびスケール因子であることを特徴とする請求項２に記載の地磁気センサー；
【数１】
ここで、XbiasおよびYbiasはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のバイアス因子、
XscalおよびYscalはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のスケール因子、
XmaxおよびXminはそれぞれＸ軸電圧値の最大値および最小値、
YmaxおよびYminはそれぞれＹ軸電圧値の最大値および最小値。
【請求項４】
前記制御部は、前記正規化因子を次式に代入し、前記Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲート電圧値を正規化することを特徴とする、請求項３に記載の地磁気センサー；
【数２】
ここで、ＸおよびＹはＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの電圧値、
XnormおよびYnormはそれぞれＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの正規化された電圧値、
λは伏角。
【請求項５】
地磁気センサーの出力値を所定範囲でマッピングするための正規化方法であって、
（ａ）前記地磁気センサーを所定回数で回転させながら地磁気に応じる所定の電圧値を測定するステップと、
（ｂ）前記（ａ）ステップを行なっている間に前記地磁気センサーのピッチ角およびロール角を測定するステップと、
（ｃ）前記ピッチ角およびロール角を反映して前記電圧値を補償するステップと、
（ｄ）前記補償された電圧値の中から最大値および最小値を用いて、所定の正規化因子を演算するステップと、
（ｅ）前記正規化因子を用いて前記地磁気電圧値を正規化するステップと、
を含むことを特徴とする地磁気センサーの正規化方法。
【請求項６】
前記（ａ）ステップは、前記地磁気センサーがなしている平面上で相互直交しているＸ軸及びＹ軸方向に形成された２軸フラックスゲートを用いて前記地磁気に対応する電圧値を出力することを特徴とする、請求項５に記載の地磁気センサーの正規化方法。
【請求項７】
前記（ａ）ステップは、
前記２軸フラックスゲートに駆動パルス信号を印加するステップと、
前記駆動パルス信号により発生された地磁気に対応する前記２軸フラックスゲートそれぞれの電圧値を出力するステップと、
を含むことを特徴とする、請求項６に記載の地磁気センサーの正規化方法。
【請求項８】
前記（ｃ）ステップは、次式を用いて前記Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲート電圧値を補償することを特徴とする、請求項６に記載の地磁気センサーの正規化方法。
Xc = Xs / cos (θ+λ)
Yc = Ys / cos (φ+λ)
ここで、XSおよびYSはそれぞれＸ軸およびＹ軸の実際電圧値、
XcおよびYcはそれぞれ補償されたＸ軸およびＹ軸の電圧値、
θは前記ピッチ角、
φは前記ロール角、
λは伏角。
【請求項９】
前記（ｄ）ステップで演算される前記正規化因子は、次式で表されるバイアス因子およびスケール因子であることを特徴とする、請求項８に記載の地磁気センサーの正規化方法。
【数３】
ここで、XbiasおよびYbiasはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のバイアス因子、
XscalおよびYscalはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のスケール因子、
XmaxおよびXminはそれぞれＸ軸電圧値の最大値および最小値、
YmaxおよびYminはそれぞれＹ軸電圧値の最大値および最小値。
【請求項１０】
前記（ｅ）ステップは、前記正規化因子を次式に代入して前記Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲート電圧値を正規化することを特徴とする請求項９に記載の地磁気センサーの正規化方法；
【数４】
ここで、ＸおよびＹはＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの電圧値、
XnormおよびYnormはそれぞれＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの正規化された電圧値、
λは伏角。
【請求項１１】
地磁気センサーを用いて方位角を測定する方法であって、
（ａ）前記地磁気センサーを所定の回数で回転させながら地磁気に応じる所定の電圧値を測定するステップと、
（ｂ）前記（ａ）ステップを行なっている間に前記地磁気センサーのピッチ角およびロール角を測定するステップと、
（ｃ）前記ピッチ角およびロール角を反映して前記電圧値を補償するステップと、
（ｄ）前記補償された電圧値の中で最大値および最小値を用いて、所定の正規化因子を演算するステップと、
（ｅ）前記正規化因子を用いて前記地磁気電圧値を正規化するステップと、
（ｆ）正規化された前記地磁気電圧値を用いて方位角を演算するステップと、
を含むことを特徴とする方位角測定方法。
【請求項１】
地磁気センサーであって、
前記地磁気センサーがなしている平面上で相互直交しているＸ軸及びＹ軸方向に形成された２軸フラックスゲートを備え、地磁気に対応する前記２軸フラックスゲートそれぞれの電圧値を出力する地磁気測定部と、
水平状態を基準にして斜め程度を示すピッチ角及びロール角を測定する加速度センサーと、
前記地磁気センサーが所定の回数で回転しながら測定された前記Ｘ軸及びＹ軸フラックスゲートの測定値にそれぞれ前記ピッチ角及びロール角を反映して補償し、補償された値の中で最大値及び最小値を用いて正規化因子を演算した状態で、方位角のセンシングが試みられると、前記地磁気測定部で出力される電圧値を前記演算された正規化因子を用いて所定範囲の値に正規化し、正規化された値を用いて方位角を演算する制御部と、を含むことを特徴とする地磁気センサー。
【請求項２】
前記制御部は次式に基づいてＸ軸およびＹ軸の電圧値をそれぞれ補償することを特徴とする請求項１に記載の地磁気センサー；
Xc = Xs / cos (θ+λ)
Yc = Ys / cos (φ+λ)
ここで、XcおよびYcはそれぞれ補償されたＸ軸およびＹ軸の電圧値、
XsおよびYsはそれぞれＸ軸およびＹ軸の実際電圧値、
θは前記ピッチ角、
φは前記ロール角、
λは伏角。
【請求項３】
前記正規化因子は次式で表されるバイアス因子およびスケール因子であることを特徴とする請求項２に記載の地磁気センサー；
【数１】
ここで、XbiasおよびYbiasはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のバイアス因子、
XscalおよびYscalはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のスケール因子、
XmaxおよびXminはそれぞれＸ軸電圧値の最大値および最小値、
YmaxおよびYminはそれぞれＹ軸電圧値の最大値および最小値。
【請求項４】
前記制御部は、前記正規化因子を次式に代入し、前記Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲート電圧値を正規化することを特徴とする、請求項３に記載の地磁気センサー；
【数２】
ここで、ＸおよびＹはＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの電圧値、
XnormおよびYnormはそれぞれＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの正規化された電圧値、
λは伏角。
【請求項５】
地磁気センサーの出力値を所定範囲でマッピングするための正規化方法であって、
（ａ）前記地磁気センサーを所定回数で回転させながら地磁気に応じる所定の電圧値を測定するステップと、
（ｂ）前記（ａ）ステップを行なっている間に前記地磁気センサーのピッチ角およびロール角を測定するステップと、
（ｃ）前記ピッチ角およびロール角を反映して前記電圧値を補償するステップと、
（ｄ）前記補償された電圧値の中から最大値および最小値を用いて、所定の正規化因子を演算するステップと、
（ｅ）前記正規化因子を用いて前記地磁気電圧値を正規化するステップと、
を含むことを特徴とする地磁気センサーの正規化方法。
【請求項６】
前記（ａ）ステップは、前記地磁気センサーがなしている平面上で相互直交しているＸ軸及びＹ軸方向に形成された２軸フラックスゲートを用いて前記地磁気に対応する電圧値を出力することを特徴とする、請求項５に記載の地磁気センサーの正規化方法。
【請求項７】
前記（ａ）ステップは、
前記２軸フラックスゲートに駆動パルス信号を印加するステップと、
前記駆動パルス信号により発生された地磁気に対応する前記２軸フラックスゲートそれぞれの電圧値を出力するステップと、
を含むことを特徴とする、請求項６に記載の地磁気センサーの正規化方法。
【請求項８】
前記（ｃ）ステップは、次式を用いて前記Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲート電圧値を補償することを特徴とする、請求項６に記載の地磁気センサーの正規化方法。
Xc = Xs / cos (θ+λ)
Yc = Ys / cos (φ+λ)
ここで、XSおよびYSはそれぞれＸ軸およびＹ軸の実際電圧値、
XcおよびYcはそれぞれ補償されたＸ軸およびＹ軸の電圧値、
θは前記ピッチ角、
φは前記ロール角、
λは伏角。
【請求項９】
前記（ｄ）ステップで演算される前記正規化因子は、次式で表されるバイアス因子およびスケール因子であることを特徴とする、請求項８に記載の地磁気センサーの正規化方法。
【数３】
ここで、XbiasおよびYbiasはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のバイアス因子、
XscalおよびYscalはそれぞれＸ軸およびＹ軸電圧値のスケール因子、
XmaxおよびXminはそれぞれＸ軸電圧値の最大値および最小値、
YmaxおよびYminはそれぞれＹ軸電圧値の最大値および最小値。
【請求項１０】
前記（ｅ）ステップは、前記正規化因子を次式に代入して前記Ｘ軸およびＹ軸フラックスゲート電圧値を正規化することを特徴とする請求項９に記載の地磁気センサーの正規化方法；
【数４】
ここで、ＸおよびＹはＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの電圧値、
XnormおよびYnormはそれぞれＸ軸およびＹ軸フラックスゲートの正規化された電圧値、
λは伏角。
【請求項１１】
地磁気センサーを用いて方位角を測定する方法であって、
（ａ）前記地磁気センサーを所定の回数で回転させながら地磁気に応じる所定の電圧値を測定するステップと、
（ｂ）前記（ａ）ステップを行なっている間に前記地磁気センサーのピッチ角およびロール角を測定するステップと、
（ｃ）前記ピッチ角およびロール角を反映して前記電圧値を補償するステップと、
（ｄ）前記補償された電圧値の中で最大値および最小値を用いて、所定の正規化因子を演算するステップと、
（ｅ）前記正規化因子を用いて前記地磁気電圧値を正規化するステップと、
（ｆ）正規化された前記地磁気電圧値を用いて方位角を演算するステップと、
を含むことを特徴とする方位角測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−２４８４７７（Ｐ２００７−２４８４７７Ａ）
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１６３１５４（Ｐ２００７−１６３１５４）
【出願日】平成１９年６月２０日（２００７．６．２０）
【分割の表示】特願２００４−３８０１７２（Ｐ２００４−３８０１７２）の分割
【原出願日】平成１６年１２月２８日（２００４．１２．２８）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月２０日（２００７．６．２０）
【分割の表示】特願２００４−３８０１７２（Ｐ２００４−３８０１７２）の分割
【原出願日】平成１６年１２月２８日（２００４．１２．２８）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【Ｆターム（参考）】
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