方位センサ
【課題】地磁気を検出して方位を特定する方位センサは、較正の際に、この方位センサを回転させる必要があり、精度良く安定した較正ができないという課題があった。
【解決手段】地磁気を検出する磁気センサ１と、磁気センサを振動させる振動手段２と、磁気センサの出力を増幅する増幅器３と、増幅器の出力を微分する第１の微分器４と、第１の微分器の出力を微分する第２の微分器５と、演算により較正と方位の算出とを行う演算手段６とを有する。これにより、構成のために磁気センサを回転する必要がなく、精度良く安定した較正ができる。
【解決手段】地磁気を検出する磁気センサ１と、磁気センサを振動させる振動手段２と、磁気センサの出力を増幅する増幅器３と、増幅器の出力を微分する第１の微分器４と、第１の微分器の出力を微分する第２の微分器５と、演算により較正と方位の算出とを行う演算手段６とを有する。これにより、構成のために磁気センサを回転する必要がなく、精度良く安定した較正ができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地磁気を検出して方位を特定する方位センサであり、特に、検出精度を高めるため較正を実行する方位センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より自動車や携帯機器等のナビゲーション機能を有する装置において、進行方向や装置の向きなどを検出する方位センサが広く使用されている。このような方位センサは、磁気センサによって地磁気を検出し方位を特定する。ところで、検出される地磁気は常に一定ではなく、周囲の金属の存在や、温度変化や、経時変化などによって強度や方向が変化するため、一般に較正作業が必要である。較正は、装置を１回転させるなどして、全方向の磁気センサの出力値から行うのが一般的である。
【０００３】
ところが、携帯機器によく見られるように、人間が装置を回転させるような場合は、回転が速すぎる、水平が保てない、などの理由で正しく較正できなかったり、操作が煩雑であるいという問題があった。この問題を解決するため、演算を用いることで、装置を１回転させずとも、装置をいくつかの向きにして、そのときの出力値だけから較正を行う方位センサが考えられており、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
特許文献１に示した従来技術の方位センサを図面を用いて説明する。図７は、特許文献１に示した従来技術の方位センサを示す構成図である。
図７において、８０は３軸磁気センサ、８１はｘ軸ホール素子、８２はｙ軸ホール素子、８３はｚ軸ホール素子、８４はチョッパ部、８５は磁気センサ駆動電源部、８６は差動入力アンプ、８７はＡ／Ｄ変換部、８８は補正値更新部、８９は補正値記憶部、９０は補正計算部、９１は方位角計算部である。
【０００５】
以下に方位検出の原理を説明する。３軸磁気センサ８０は、ｘ軸ホール素子８１とｙ軸ホール素子８２とｚ軸ホール素子８３とを有している。ｘ軸ホール素子８１とｙ軸ホール素子８２とは、水平面内の回転角を検出するように配置され、ｚ軸ホール素子８３は鉛直方向の磁気を検出するように配置されている。
チョッパ部８４は、ｘ軸ホール素子８１、ｙ軸ホール素子８２およびｚ軸ホール素子８３を駆動する端子を切り換えるためのもので、磁気センサ駆動電源部８５から出力された駆動電圧をｘ軸ホール素子８１、ｙ軸ホール素子８２およびｚ軸ホール素子８３にそれぞれ印加する。
ｘ軸ホール素子８１、ｙ軸ホール素子８２およびｚ軸ホール素子８３から出力された信号は、差動入力アンプ８６でそれぞれ増幅され、ここで増幅された出力増幅値がＡ／Ｄ変換部８７でデジタル信号に変換された後、補正計算部９０に入力される。
補正値記憶部８９には、ｘ軸ホール素子８１、ｙ軸ホール素子８２およびｚ軸ホール素子８３の出力のばらつきを示すオフセット値と増幅度とがそれぞれ記憶されており、補正計算部９０は、これらのオフセット値および増幅度を用いることにより、ｘ軸ホール素子８１、ｙ軸ホール素子８２およびｚ軸ホール素子８３の出力値をそれぞれ補正し、地磁気の各軸成分に比例した値に変換して出力する。方位角計算部９１は、補正計算部９０の出力を用いて方位を算出する。
【０００６】
以下に較正について説明する。較正とは、補正値記憶部８９に記憶されている、ｘ軸ホール素子８１、ｙ軸ホール素子８２およびｚ軸ホール素子８３のそれぞれのオフセット値および増幅度を正しい値に更新することである。
較正の手順は、まず、同一面内で９０度ずつ回転した際のボタン入力等の人間の動作を
機に、ホール素子からの信号を取得する。例えば、ｘ軸ホール素子８１のある向きにおける信号をＸａとして取得し、その向きに対して９０度、１８０度の向きにおける信号を、それぞれＸｂ、Ｘｃとして取得する。次に、以下の計算により求めたオフセット値および増幅度を補正値記憶部８９に記憶する。
ｘ軸のオフセット値Ｏｘは、以下の式で表すことができる。
Ｏｘ＝（Ｘａ＋Ｘｃ）／２
ｘ軸の増幅度Ａｘは、以下の式で表すことができる。
Ａｘ＝｛（Ｘａ−Ｏｘ）＾２+（Ｘｂ−Ｏｘ）＾２｝＾２
ｙ軸、ｚ軸についても同様に、オフセット値Ｏｙ、Ｏｚと増幅度Ａｙ、Ａzとを求める。
【０００７】
以下に補正計算部９０における補正計算について説明する。ｘ軸ホール素子８１、ｙ軸ホール素子８２およびｚ軸ホール素子８３の出力値をそれぞれＸ、Ｙ、Ｚとした時、補正後のｘ軸信号αは、以下の式で表すことができる。
α＝（Ｘ−Ｏｘ）／Ａｘ
補正後のｙ軸信号βは、以下の式で表すことができる。
β＝（Ｙ−Ｏｙ）／Ａｙ
補正後のｚ軸信号γは、以下の式で表すことができる。
γ＝（Ｚ−Ｏｚ）／Ａｚ
【０００８】
以下に方位角計算部９１における方位角計算について説明する。方位角計算部９１は、補正計算部９０によって補正された信号α、β、γを用いて方位を算出する。例えば、Ｘ軸とＹ軸とが水平面内にある時は、方位角計算部９１は、地磁気の各軸成分に比例した値であるα、βを用いて、方位角θを以下の式に基づいて算出する。
θ＝ｔａｎ−１（β／α）
また、Ｘ軸とＹ軸とが水平面から傾いている時には、地磁気の各軸成分に比例した値であるα、β、γを用いて傾斜角を補正した上で、方位角θを算出することもできる。
【０００９】
上記のような原理に基づき地磁気を検出することによって方位を特定することができる。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１２４１６号公報（第８−１１頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に示した従来技術の方位センサは、いくつかの向きにおける出力信号だけから演算を用いて較正を行うことができるため、方位センサを搭載した装置を１回転させる必要はない。しかしながら、いくつかの向きに装置を向ける必要があるため、例えば、正確に９０度向きを変えるなどの操作が難しく、また、向きを変えている最中に装置を水平を保つことも難しいといったことから、精度良く安定した較正ができないという欠点があった。さらに、いくつかの向きといえども、装置を動かす必要があるから、動かせる装置の大きさを制限してしまう。つまり、従来技術の方位センサは、大きな装置には搭載できないという欠点もあった。
【００１２】
本発明の目的は、上記課題を解決しようとするもので、精度良く安定した較正を行うとともに、搭載する装置の大きさを制限しない方位センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の方位センサは下記に示す構造を採用する。
【００１４】
地磁気を検出して方位を特定する方位センサであって、
地磁気を検出する磁気センサと、磁気センサを振動させる振動手段と、磁気センサの出力を増幅する増幅器と、増幅器の出力を微分する第１の微分器と、第１の微分器の出力を微分する第２の微分器と、演算により較正と方位の算出とを行う演算手段とを有することを特徴とする。
【００１５】
振動手段は、一定角速度で磁気センサを振動させることを特徴とする。
【００１６】
振動手段は、形状記憶合金を有し、形状記憶合金の相変態を利用して振動を発生させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の方位センサは、磁気センサを振動させる振動手段を設け、磁気センサの出力を増幅する増幅器と、この増幅器の出力を微分する微分器とを設けている。この微分器は、第1の微分器と第２の微分器とからなり、第1の微分器の出力を第２の微分器が微分する。
本発明の方位センサは、磁気センサを一定角速度で振動させることにより、増幅度とオフセットとを演算により求めることができるため、較正と方位の算出とを行うことができる。
さらに、較正のために人間が一切手を触れる必要はないから、精度良く、安定した較正を行うことができるという効果がある。また、本発明の方位センサを搭載する装置を動かす必要がないから、装置の大きさを制限しない。したがって、あらゆる装置に本発明の方位センサを搭載することができるという効果もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下図面により本発明の実施の形態を詳述する。図１は、本発明の方位センサを示す構成図である。図２は、本発明の方位センサの磁気センサと振動手段とを示す構成図である。図３は、本発明の方位センサの形状記憶合金の形状図であって、図３（ａ）は第１の形状を示す図であり、図３（ｂ）は第２の形状を示す図である。図４は、本発明の方位センサの磁気センサの理想的な出力波形を説明する図である。図５は、本発明の方位センサの磁気センサの実際の出力波形を説明する図である。図６は、本発明の方位センサの微分器の回路図である。
【００１９】
[構造説明：図１、図２、図４、図６]
まず、本発明の方位センサの構成を図１、図２、図４、図６を用いて説明する。
図１において、１は磁気センサ、２は振動手段、３は増幅器、４は第１の微分器、５は第２の微分器、６は演算手段である。
本発明の実施の形態では、磁気センサ１として磁気によって抵抗値が変化する磁気抵抗素子を用いた場合を例にして説明するが、これに限られるものではなく、磁気インピーダンス素子、フラックスゲートなどの磁気センサであってもよい。また、本発明の実施の形態では、振動手段として形状記憶金属を用いた場合を例にして説明する。
演算手段６はメモリとＡ／Ｄ変換器とを有するマイクロコントローラを使用することができる。
【００２０】
図２において、７は磁気抵抗素子、９ａ〜９ｄは形状記憶合金、１０は電極である。
形状記憶合金９ａ〜９ｄは、Ｔｉ（チタン）とＮｉ（ニッケル）との化合物からなるＴｉ−Ｎｉ合金を使用することができる。図２においては、形状記憶合金９ａ〜９ｄは４つ、電極１０は８つある場合を示している。
図２の形状記憶合金９ｂに示す点線の矢印は、電極１０を通して形状記憶合金９bに流す電流を模式的に示したものである。
図１と図２とに示す円弧状の矢印は、振動手段２による磁気センサ１の振動を模式的に
示したものである。
【００２１】
図３において、図３（ａ）と図３（ｂ）とに示すものは、図２に示す形状記憶合金９ａ〜９ｄが記憶している形状である。形状記憶合金９ａ〜９ｄは、図３（ａ）に示す第１の形状か図３（ｂ）に示す第２の形状のどちらかの形状を記憶している。図３に示す円弧状の矢印は、形状記憶合金９ａ〜９ｄへの通電により発生する熱で、その形状が変形する様子を模式的に示したものである。
【００２２】
図４においては、１１はｘ軸出力、１２はｙ軸出力である。ＸａとＹａとは、ある向きにおけるそれぞれの軸出力である。
【００２３】
図５においては、ＡｘとＡｙは増幅度、ＯｘとＯｙとはオフセット値である。
【００２４】
図６においては、１３はオペアンプ、１４は第１の抵抗、１５はコンデンサ、１６は第２の抵抗である。
【００２５】
なお、図１から図６において同一の構成には同一の番号を付与している。
【００２６】
[方位検出原理説明：図１、図２、図４、図５]
まずはじめに、本発明の方位センサの方位検出原理を図１、図２、図４、図５を用いて説明する。
図１示す磁気センサ１はｘ軸とｙ軸との２方向の地磁気を検出するため、図２に示すごとく２つの磁気抵抗素子７を直角に配置した構造を持つ。それぞれの磁気抵抗素子７は、地磁気に応じた信号を出力する。この信号は増幅器３によって増幅された後、演算手段６に入力される。演算手段６は演算を用いて方位を算出する。
磁気抵抗素子７は、磁気の強さに比例して抵抗値が増加するものであるので、磁気抵抗素子７は南北に向いた時、最大の抵抗値を示し、出力が最大となり、東西に向いた時出力０となる。つまり、磁気センサ１を一定角速度で振動させたとすると、理想的には図４に示すようなサイン波形を示す。ｘ軸出力１１とｙ軸出力１２とは、磁気抵抗素子７が直角に配置されているため、９０度位相がずれた波形となる。今、ある向きにおけるｘ軸出力をＸａ、ｙ軸出力をＹａとしたならば、演算手段６では方位角θを次式に基づいて算出することができる。
θ＝ｔａｎ−１（Ｙａ／Ｘａ）
ところが、検出される地磁気は常に一定ではなく、周囲の金属の存在や、温度変化や、経時変化などによって変化するため、図４に示すような理想的な波形からずれた図５のような波形となる。つまり、ｘ軸出力１１とｙ軸出力１２との振幅が異なってしまう増幅度のばらつきの現象や、サイン波形の中心が出力０の点からずれてオフセット値が加わってしまうといった現象を含んだ波形となる。そのため、正しい計測を行うためには、この増幅度やオフセット値を正しく検出するという較正作業が必要となる。
【００２７】
[較正手順説明：図１、図２、図３、図５]
次に、本発明の方位センサの較正手順を図１、図２、図３、図５を用いて説明する。
較正時、図１に示す振動手段２は、磁気センサ１を回転角４５度程度、一定角速度ωで振動させる。この時、磁気センサ１の出力は、図５のようなサイン波形を示す。
今、ｘ軸について考えてみると、ｘ軸出力１１は、以下の式で表すことができる。
Ｘ１＝Ａｘ＊ｓｉｎ（ωｔ+φ）+Ｏｘ ・・・・（式１）
ここで、Ｘ１はｘ軸出力１１、Ａｘは増幅度、ωは一定角速度、ｔは時間、φは初期位相、Ｏｘはオフセット値である。
第１の微分器４は、ｘ軸出力１１を微分する。すなわち、式１を微分するので第１の微分器４の出力Ｘ２は、以下の式で表すことができる。
Ｘ２＝Ａｘ＊ω＊ｃｏｓ（ωｔ＋φ） ・・・・（式２）
第２の微分器５は、第１の微分器４の出力をさらに微分するので、その出力Ｘ３は、以下の式で表すことができる。
Ｘ３＝−Ａｘ＊ω＾２＊ｓｉｎ（ωｔ+φ） ・・・・（式３）
【００２８】
演算手段６は、式１、式２、式３で表される信号を受取り、以下の式により増幅度Ａｘ、オフセット値Ｏｘを算出する。オフセット値Ｏｘは、式１と式３とにより算出し、増幅度Ａｘは、式２と式３とにより算出する。
Ｏｘ＝Ｘ１+Ｘ３／（ω＾２）
Ａｘ＝｛（Ｘ２／ω）＾２ ＋ （Ｘ３／ω＾２）＾２ ｝＾（１／２）
【００２９】
以上のことは、磁気センサ１を一定角速度ωで振動させたことにより、増幅度Ａｘとオフセット値Ｏｘとが、３つの出力Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３のみから演算により求められることを示している。
同様にｙ軸についても増幅度Ａｙ、オフセット値Ｏｙを求める。このように求められた、ＡｘとＡｙ、ＯｘとＯｙは演算手段６内のメモリに記憶され、方位計測時の補正演算に使用される。
【００３０】
[方位計測時の補正演算説明]
次に、本発明の方位センサの方位計測時の補正演算を説明する。方位計測時のｘ軸出力をＸとし、ｙ軸出力をＹとする。補正後のｘ軸出力αと補正後のｙ軸出力βと、これを利用して正しく補正された方位角θとは以下の式で表すことができる。
α＝（Ｘ−Ｏｘ）／Ａｘ
β＝（Ｙ−Ｏｙ）／Ａｙ
θ＝ｔａｎ−１（β／α）
【００３１】
[振動手段説明：図２、図３]
次に、本発明の方位センサの振動手段２を図２、図３を用いて説明する。
図２に示すように、振動手段２は、形状記憶合金９ａ〜９ｄと電極１０とを有している。形状記憶合金９ａ〜９ｄは、一般に知られるように、温度によってオーステナイト相とマルテンサイト相との間で相変態を起すものであって、低温のマルテンサイト相では非常に柔らかく変形しやすく、加熱しオーステナイト相になると記憶していた形状を復元するというものである。
【００３２】
本発明の方位センサは、形状記憶合金９ａ〜９ｄを磁気センサ１の周囲に配置する。図２に示す例では、形状記憶合金９ａ〜９ｄは、磁気センサ１を挟み、形状記憶合金９ａと９ｃとが対向し、形状記憶合金９ｂと９ｄとが対向するように磁気センサ１の周囲に設けている。
磁気センサ１を挟み、対向配置する形状記憶合金は、同一の形状を記憶しておく。例えば、形状記憶合金９ａと９ｃとは、図３（ａ）に示すような第１の形状を記憶しておき、形状記憶合金９ｂと９ｄとは、図３（ｂ）に示すような第２の形状を記憶しておく。したがって、形状記憶合金の数が４つの場合は、隣り合う形状記憶合金は、互いに異なる形状を記憶していることになる。
【００３３】
形状記憶合金９ａ〜９ｄへの加熱は、電極１０を通して電流を印加した時のジュール熱によって行うが、図２に示す例では、磁気センサ１を挟み、対向して配置する形状記憶合金（例えば、形状記憶合金９ａと９ｃ）と、それとは異なって対向して配置する形状記憶合金（例えば、形状記憶合金９ｂと９ｄ）とに、交互に電流を印加することにより、磁気センサ１を図中の円弧状の矢印に示すごとく振動させることができる。また、ジュール熱は電流の２乗に比例するので一定電流を印加することで、一定角速度で振動させることが
できる。
【００３４】
もちろん、磁気センサ１を振動させる方法は、これに限定されるものではない。図２に示す例では、形状記憶合金を４つ用いる例を示したが、形状記憶合金の数は４つでなくてもよく、振動させる磁気センサ１の大きさや形状に応じて変更が可能である。例えば、磁気センサ１が大きい場合などは、いくつかの隣り合う形状記憶合金同士に同一の形状を記憶しておき、見かけ上１つの形状記憶合金としてグループ化し、そのグループに対して電流を印加してもかまわないのである。
さらに、磁気センサ１を挟み、対向して配置する形状記憶合金と、それとは異なって対向して配置する形状記憶合金とに、交互に電流を印加する例を説明したが、これに限定されるものではない。形状記憶合金の変形形状を鑑みて、例えば、形状記憶合金９ａと９ｄと、形状記憶合金９ｂと９ｃとをそれぞれ同じ方向に変形するように配すれば、形状記憶合金９ａと９ｄと、形状記憶合金９ｂと９ｃとに対して交互に電流を印加すれば、磁気センサ１を振動させることができるのである。
以上の説明では、形状記憶合金９ａ〜９ｄへの加熱は、電流印加により発生するジュール熱を利用した場合であるが、これに限定はされない。ヒーターなどを用いて加熱して相変態を起こさせてもよい。
【００３５】
[微分器説明：図６]
次に、本発明の方位センサの微分器を図６を用いて説明する。
図１に示す第１の微分器４と第２の微分器５とを構成する回路は、同一構成とすることができ、一般に良く知られたオペアンプと抵抗とコンデンサとを有する微分器を使用することができる。このような微分器の一例を図６に示す。
図６に示す微分器は、オペアンプ１３、第１の抵抗１４、コンデンサ１５、第２の抵抗１６とを備える。微分器の入力とオペアンプ１３の負入力との間にコンデンサ１５と第２の抵抗１６とを直列に接続し、微分器の出力とオペアンプ１３の負入力との間に第１の抵抗１４を接続する。オペアンプの正入力は、接地または一定の電位に接続する。
第２の抵抗１６は発振防止のための抵抗であって、第１の抵抗１４の１／１００〜１／１０００程度の抵抗値のものを使用する。
また、演算手段６が高い演算能力を持つ場合は、演算手段６の演算によって微分器を実現してもよい。
【００３６】
本発明の実施の形態における方位センサでは、その説明を簡単にするため、ｘ軸、ｙ軸の２軸の方位センサを例にして説明したが、同様な構成をｚ軸に用意し、３軸の方位センサを構成することもできる。
【００３７】
本発明の方位センサは、振動手段と第１の微分器と第２の微分器とを設けることによって、水平な机の上などに置くだけで較正ができるようになり、一切人間が触る必要がなく、精度良く、安定した較正ができる。
【００３８】
本発明の方位センサは、振動手段に形状記憶合金を使用したため、構造が簡単になり小型化できる。特に、近年実用化されてきたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術、すなわち、機構部品を半導体製造技術を利用して小型化するという技術を用いることにより、磁気センサ、振動手段を含む方位センサ全体を、例えば、５ｍｍ角以下に小型化することができる。
もちろん、振動手段はすべて形状記憶合金で構成する必要もなく、形状記憶合金とバネのように伸縮する部材とを組み合わせてもよい。
また、形状記憶合金を用いなくてもよく、その場合は、電気信号で伸縮する部材などを用いることができる。例えば、電圧変化で形状が変位する高分子アクチュータなどである。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の方位センサは、自動車や携帯機器等のナビゲーション機能を有する装置に適用することができる。特に、人間が一切手を触れることなく較正できるため、精度と安定した較正とを要求される電子機器に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の方位センサを示す構成図である。
【図２】本発明の方位センサの磁気センサと振動手段とを示す構成図である。
【図３】本発明の方位センサの形状記憶合金の形状図である。
【図４】本発明の方位センサの磁気センサの理想的な出力波形を説明する図である。
【図５】本発明の方位センサの磁気センサの実際の出力波形を説明する図である。
【図６】本発明の方位センサの微分器の回路図である。
【図７】従来技術の方位センサを示す構成図である。
【符号の説明】
【００４１】
１ 磁気センサ
２ 振動手段
３ 増幅器
４ 第１の微分器
５ 第２の微分器
６ 演算手段
７ 磁気抵抗素子
９ 形状記憶合金
１０ 電極
１１ ｘ軸出力
１２ ｙ軸出力
１３ オペアンプ
１４ 第１の抵抗
１５ コンデンサ
１６ 第２の抵抗
８０ ３軸磁気センサ
８１ ｘ軸ホール素子
８２ ｙ軸ホール素子
８３ ｚ軸ホール素子
８４ チョッパ部
８５ 磁気センサ駆動電源部
８６ 差動入力アンプ
８７ Ａ／Ｄ変換部
８８ 補正値更新部
８９ 補正値記憶部
９０ 補正計算部
９１ 方位角計算部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地磁気を検出して方位を特定する方位センサであり、特に、検出精度を高めるため較正を実行する方位センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より自動車や携帯機器等のナビゲーション機能を有する装置において、進行方向や装置の向きなどを検出する方位センサが広く使用されている。このような方位センサは、磁気センサによって地磁気を検出し方位を特定する。ところで、検出される地磁気は常に一定ではなく、周囲の金属の存在や、温度変化や、経時変化などによって強度や方向が変化するため、一般に較正作業が必要である。較正は、装置を１回転させるなどして、全方向の磁気センサの出力値から行うのが一般的である。
【０００３】
ところが、携帯機器によく見られるように、人間が装置を回転させるような場合は、回転が速すぎる、水平が保てない、などの理由で正しく較正できなかったり、操作が煩雑であるいという問題があった。この問題を解決するため、演算を用いることで、装置を１回転させずとも、装置をいくつかの向きにして、そのときの出力値だけから較正を行う方位センサが考えられており、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
特許文献１に示した従来技術の方位センサを図面を用いて説明する。図７は、特許文献１に示した従来技術の方位センサを示す構成図である。
図７において、８０は３軸磁気センサ、８１はｘ軸ホール素子、８２はｙ軸ホール素子、８３はｚ軸ホール素子、８４はチョッパ部、８５は磁気センサ駆動電源部、８６は差動入力アンプ、８７はＡ／Ｄ変換部、８８は補正値更新部、８９は補正値記憶部、９０は補正計算部、９１は方位角計算部である。
【０００５】
以下に方位検出の原理を説明する。３軸磁気センサ８０は、ｘ軸ホール素子８１とｙ軸ホール素子８２とｚ軸ホール素子８３とを有している。ｘ軸ホール素子８１とｙ軸ホール素子８２とは、水平面内の回転角を検出するように配置され、ｚ軸ホール素子８３は鉛直方向の磁気を検出するように配置されている。
チョッパ部８４は、ｘ軸ホール素子８１、ｙ軸ホール素子８２およびｚ軸ホール素子８３を駆動する端子を切り換えるためのもので、磁気センサ駆動電源部８５から出力された駆動電圧をｘ軸ホール素子８１、ｙ軸ホール素子８２およびｚ軸ホール素子８３にそれぞれ印加する。
ｘ軸ホール素子８１、ｙ軸ホール素子８２およびｚ軸ホール素子８３から出力された信号は、差動入力アンプ８６でそれぞれ増幅され、ここで増幅された出力増幅値がＡ／Ｄ変換部８７でデジタル信号に変換された後、補正計算部９０に入力される。
補正値記憶部８９には、ｘ軸ホール素子８１、ｙ軸ホール素子８２およびｚ軸ホール素子８３の出力のばらつきを示すオフセット値と増幅度とがそれぞれ記憶されており、補正計算部９０は、これらのオフセット値および増幅度を用いることにより、ｘ軸ホール素子８１、ｙ軸ホール素子８２およびｚ軸ホール素子８３の出力値をそれぞれ補正し、地磁気の各軸成分に比例した値に変換して出力する。方位角計算部９１は、補正計算部９０の出力を用いて方位を算出する。
【０００６】
以下に較正について説明する。較正とは、補正値記憶部８９に記憶されている、ｘ軸ホール素子８１、ｙ軸ホール素子８２およびｚ軸ホール素子８３のそれぞれのオフセット値および増幅度を正しい値に更新することである。
較正の手順は、まず、同一面内で９０度ずつ回転した際のボタン入力等の人間の動作を
機に、ホール素子からの信号を取得する。例えば、ｘ軸ホール素子８１のある向きにおける信号をＸａとして取得し、その向きに対して９０度、１８０度の向きにおける信号を、それぞれＸｂ、Ｘｃとして取得する。次に、以下の計算により求めたオフセット値および増幅度を補正値記憶部８９に記憶する。
ｘ軸のオフセット値Ｏｘは、以下の式で表すことができる。
Ｏｘ＝（Ｘａ＋Ｘｃ）／２
ｘ軸の増幅度Ａｘは、以下の式で表すことができる。
Ａｘ＝｛（Ｘａ−Ｏｘ）＾２+（Ｘｂ−Ｏｘ）＾２｝＾２
ｙ軸、ｚ軸についても同様に、オフセット値Ｏｙ、Ｏｚと増幅度Ａｙ、Ａzとを求める。
【０００７】
以下に補正計算部９０における補正計算について説明する。ｘ軸ホール素子８１、ｙ軸ホール素子８２およびｚ軸ホール素子８３の出力値をそれぞれＸ、Ｙ、Ｚとした時、補正後のｘ軸信号αは、以下の式で表すことができる。
α＝（Ｘ−Ｏｘ）／Ａｘ
補正後のｙ軸信号βは、以下の式で表すことができる。
β＝（Ｙ−Ｏｙ）／Ａｙ
補正後のｚ軸信号γは、以下の式で表すことができる。
γ＝（Ｚ−Ｏｚ）／Ａｚ
【０００８】
以下に方位角計算部９１における方位角計算について説明する。方位角計算部９１は、補正計算部９０によって補正された信号α、β、γを用いて方位を算出する。例えば、Ｘ軸とＹ軸とが水平面内にある時は、方位角計算部９１は、地磁気の各軸成分に比例した値であるα、βを用いて、方位角θを以下の式に基づいて算出する。
θ＝ｔａｎ−１（β／α）
また、Ｘ軸とＹ軸とが水平面から傾いている時には、地磁気の各軸成分に比例した値であるα、β、γを用いて傾斜角を補正した上で、方位角θを算出することもできる。
【０００９】
上記のような原理に基づき地磁気を検出することによって方位を特定することができる。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１２４１６号公報（第８−１１頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に示した従来技術の方位センサは、いくつかの向きにおける出力信号だけから演算を用いて較正を行うことができるため、方位センサを搭載した装置を１回転させる必要はない。しかしながら、いくつかの向きに装置を向ける必要があるため、例えば、正確に９０度向きを変えるなどの操作が難しく、また、向きを変えている最中に装置を水平を保つことも難しいといったことから、精度良く安定した較正ができないという欠点があった。さらに、いくつかの向きといえども、装置を動かす必要があるから、動かせる装置の大きさを制限してしまう。つまり、従来技術の方位センサは、大きな装置には搭載できないという欠点もあった。
【００１２】
本発明の目的は、上記課題を解決しようとするもので、精度良く安定した較正を行うとともに、搭載する装置の大きさを制限しない方位センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の方位センサは下記に示す構造を採用する。
【００１４】
地磁気を検出して方位を特定する方位センサであって、
地磁気を検出する磁気センサと、磁気センサを振動させる振動手段と、磁気センサの出力を増幅する増幅器と、増幅器の出力を微分する第１の微分器と、第１の微分器の出力を微分する第２の微分器と、演算により較正と方位の算出とを行う演算手段とを有することを特徴とする。
【００１５】
振動手段は、一定角速度で磁気センサを振動させることを特徴とする。
【００１６】
振動手段は、形状記憶合金を有し、形状記憶合金の相変態を利用して振動を発生させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の方位センサは、磁気センサを振動させる振動手段を設け、磁気センサの出力を増幅する増幅器と、この増幅器の出力を微分する微分器とを設けている。この微分器は、第1の微分器と第２の微分器とからなり、第1の微分器の出力を第２の微分器が微分する。
本発明の方位センサは、磁気センサを一定角速度で振動させることにより、増幅度とオフセットとを演算により求めることができるため、較正と方位の算出とを行うことができる。
さらに、較正のために人間が一切手を触れる必要はないから、精度良く、安定した較正を行うことができるという効果がある。また、本発明の方位センサを搭載する装置を動かす必要がないから、装置の大きさを制限しない。したがって、あらゆる装置に本発明の方位センサを搭載することができるという効果もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下図面により本発明の実施の形態を詳述する。図１は、本発明の方位センサを示す構成図である。図２は、本発明の方位センサの磁気センサと振動手段とを示す構成図である。図３は、本発明の方位センサの形状記憶合金の形状図であって、図３（ａ）は第１の形状を示す図であり、図３（ｂ）は第２の形状を示す図である。図４は、本発明の方位センサの磁気センサの理想的な出力波形を説明する図である。図５は、本発明の方位センサの磁気センサの実際の出力波形を説明する図である。図６は、本発明の方位センサの微分器の回路図である。
【００１９】
[構造説明：図１、図２、図４、図６]
まず、本発明の方位センサの構成を図１、図２、図４、図６を用いて説明する。
図１において、１は磁気センサ、２は振動手段、３は増幅器、４は第１の微分器、５は第２の微分器、６は演算手段である。
本発明の実施の形態では、磁気センサ１として磁気によって抵抗値が変化する磁気抵抗素子を用いた場合を例にして説明するが、これに限られるものではなく、磁気インピーダンス素子、フラックスゲートなどの磁気センサであってもよい。また、本発明の実施の形態では、振動手段として形状記憶金属を用いた場合を例にして説明する。
演算手段６はメモリとＡ／Ｄ変換器とを有するマイクロコントローラを使用することができる。
【００２０】
図２において、７は磁気抵抗素子、９ａ〜９ｄは形状記憶合金、１０は電極である。
形状記憶合金９ａ〜９ｄは、Ｔｉ（チタン）とＮｉ（ニッケル）との化合物からなるＴｉ−Ｎｉ合金を使用することができる。図２においては、形状記憶合金９ａ〜９ｄは４つ、電極１０は８つある場合を示している。
図２の形状記憶合金９ｂに示す点線の矢印は、電極１０を通して形状記憶合金９bに流す電流を模式的に示したものである。
図１と図２とに示す円弧状の矢印は、振動手段２による磁気センサ１の振動を模式的に
示したものである。
【００２１】
図３において、図３（ａ）と図３（ｂ）とに示すものは、図２に示す形状記憶合金９ａ〜９ｄが記憶している形状である。形状記憶合金９ａ〜９ｄは、図３（ａ）に示す第１の形状か図３（ｂ）に示す第２の形状のどちらかの形状を記憶している。図３に示す円弧状の矢印は、形状記憶合金９ａ〜９ｄへの通電により発生する熱で、その形状が変形する様子を模式的に示したものである。
【００２２】
図４においては、１１はｘ軸出力、１２はｙ軸出力である。ＸａとＹａとは、ある向きにおけるそれぞれの軸出力である。
【００２３】
図５においては、ＡｘとＡｙは増幅度、ＯｘとＯｙとはオフセット値である。
【００２４】
図６においては、１３はオペアンプ、１４は第１の抵抗、１５はコンデンサ、１６は第２の抵抗である。
【００２５】
なお、図１から図６において同一の構成には同一の番号を付与している。
【００２６】
[方位検出原理説明：図１、図２、図４、図５]
まずはじめに、本発明の方位センサの方位検出原理を図１、図２、図４、図５を用いて説明する。
図１示す磁気センサ１はｘ軸とｙ軸との２方向の地磁気を検出するため、図２に示すごとく２つの磁気抵抗素子７を直角に配置した構造を持つ。それぞれの磁気抵抗素子７は、地磁気に応じた信号を出力する。この信号は増幅器３によって増幅された後、演算手段６に入力される。演算手段６は演算を用いて方位を算出する。
磁気抵抗素子７は、磁気の強さに比例して抵抗値が増加するものであるので、磁気抵抗素子７は南北に向いた時、最大の抵抗値を示し、出力が最大となり、東西に向いた時出力０となる。つまり、磁気センサ１を一定角速度で振動させたとすると、理想的には図４に示すようなサイン波形を示す。ｘ軸出力１１とｙ軸出力１２とは、磁気抵抗素子７が直角に配置されているため、９０度位相がずれた波形となる。今、ある向きにおけるｘ軸出力をＸａ、ｙ軸出力をＹａとしたならば、演算手段６では方位角θを次式に基づいて算出することができる。
θ＝ｔａｎ−１（Ｙａ／Ｘａ）
ところが、検出される地磁気は常に一定ではなく、周囲の金属の存在や、温度変化や、経時変化などによって変化するため、図４に示すような理想的な波形からずれた図５のような波形となる。つまり、ｘ軸出力１１とｙ軸出力１２との振幅が異なってしまう増幅度のばらつきの現象や、サイン波形の中心が出力０の点からずれてオフセット値が加わってしまうといった現象を含んだ波形となる。そのため、正しい計測を行うためには、この増幅度やオフセット値を正しく検出するという較正作業が必要となる。
【００２７】
[較正手順説明：図１、図２、図３、図５]
次に、本発明の方位センサの較正手順を図１、図２、図３、図５を用いて説明する。
較正時、図１に示す振動手段２は、磁気センサ１を回転角４５度程度、一定角速度ωで振動させる。この時、磁気センサ１の出力は、図５のようなサイン波形を示す。
今、ｘ軸について考えてみると、ｘ軸出力１１は、以下の式で表すことができる。
Ｘ１＝Ａｘ＊ｓｉｎ（ωｔ+φ）+Ｏｘ ・・・・（式１）
ここで、Ｘ１はｘ軸出力１１、Ａｘは増幅度、ωは一定角速度、ｔは時間、φは初期位相、Ｏｘはオフセット値である。
第１の微分器４は、ｘ軸出力１１を微分する。すなわち、式１を微分するので第１の微分器４の出力Ｘ２は、以下の式で表すことができる。
Ｘ２＝Ａｘ＊ω＊ｃｏｓ（ωｔ＋φ） ・・・・（式２）
第２の微分器５は、第１の微分器４の出力をさらに微分するので、その出力Ｘ３は、以下の式で表すことができる。
Ｘ３＝−Ａｘ＊ω＾２＊ｓｉｎ（ωｔ+φ） ・・・・（式３）
【００２８】
演算手段６は、式１、式２、式３で表される信号を受取り、以下の式により増幅度Ａｘ、オフセット値Ｏｘを算出する。オフセット値Ｏｘは、式１と式３とにより算出し、増幅度Ａｘは、式２と式３とにより算出する。
Ｏｘ＝Ｘ１+Ｘ３／（ω＾２）
Ａｘ＝｛（Ｘ２／ω）＾２ ＋ （Ｘ３／ω＾２）＾２ ｝＾（１／２）
【００２９】
以上のことは、磁気センサ１を一定角速度ωで振動させたことにより、増幅度Ａｘとオフセット値Ｏｘとが、３つの出力Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３のみから演算により求められることを示している。
同様にｙ軸についても増幅度Ａｙ、オフセット値Ｏｙを求める。このように求められた、ＡｘとＡｙ、ＯｘとＯｙは演算手段６内のメモリに記憶され、方位計測時の補正演算に使用される。
【００３０】
[方位計測時の補正演算説明]
次に、本発明の方位センサの方位計測時の補正演算を説明する。方位計測時のｘ軸出力をＸとし、ｙ軸出力をＹとする。補正後のｘ軸出力αと補正後のｙ軸出力βと、これを利用して正しく補正された方位角θとは以下の式で表すことができる。
α＝（Ｘ−Ｏｘ）／Ａｘ
β＝（Ｙ−Ｏｙ）／Ａｙ
θ＝ｔａｎ−１（β／α）
【００３１】
[振動手段説明：図２、図３]
次に、本発明の方位センサの振動手段２を図２、図３を用いて説明する。
図２に示すように、振動手段２は、形状記憶合金９ａ〜９ｄと電極１０とを有している。形状記憶合金９ａ〜９ｄは、一般に知られるように、温度によってオーステナイト相とマルテンサイト相との間で相変態を起すものであって、低温のマルテンサイト相では非常に柔らかく変形しやすく、加熱しオーステナイト相になると記憶していた形状を復元するというものである。
【００３２】
本発明の方位センサは、形状記憶合金９ａ〜９ｄを磁気センサ１の周囲に配置する。図２に示す例では、形状記憶合金９ａ〜９ｄは、磁気センサ１を挟み、形状記憶合金９ａと９ｃとが対向し、形状記憶合金９ｂと９ｄとが対向するように磁気センサ１の周囲に設けている。
磁気センサ１を挟み、対向配置する形状記憶合金は、同一の形状を記憶しておく。例えば、形状記憶合金９ａと９ｃとは、図３（ａ）に示すような第１の形状を記憶しておき、形状記憶合金９ｂと９ｄとは、図３（ｂ）に示すような第２の形状を記憶しておく。したがって、形状記憶合金の数が４つの場合は、隣り合う形状記憶合金は、互いに異なる形状を記憶していることになる。
【００３３】
形状記憶合金９ａ〜９ｄへの加熱は、電極１０を通して電流を印加した時のジュール熱によって行うが、図２に示す例では、磁気センサ１を挟み、対向して配置する形状記憶合金（例えば、形状記憶合金９ａと９ｃ）と、それとは異なって対向して配置する形状記憶合金（例えば、形状記憶合金９ｂと９ｄ）とに、交互に電流を印加することにより、磁気センサ１を図中の円弧状の矢印に示すごとく振動させることができる。また、ジュール熱は電流の２乗に比例するので一定電流を印加することで、一定角速度で振動させることが
できる。
【００３４】
もちろん、磁気センサ１を振動させる方法は、これに限定されるものではない。図２に示す例では、形状記憶合金を４つ用いる例を示したが、形状記憶合金の数は４つでなくてもよく、振動させる磁気センサ１の大きさや形状に応じて変更が可能である。例えば、磁気センサ１が大きい場合などは、いくつかの隣り合う形状記憶合金同士に同一の形状を記憶しておき、見かけ上１つの形状記憶合金としてグループ化し、そのグループに対して電流を印加してもかまわないのである。
さらに、磁気センサ１を挟み、対向して配置する形状記憶合金と、それとは異なって対向して配置する形状記憶合金とに、交互に電流を印加する例を説明したが、これに限定されるものではない。形状記憶合金の変形形状を鑑みて、例えば、形状記憶合金９ａと９ｄと、形状記憶合金９ｂと９ｃとをそれぞれ同じ方向に変形するように配すれば、形状記憶合金９ａと９ｄと、形状記憶合金９ｂと９ｃとに対して交互に電流を印加すれば、磁気センサ１を振動させることができるのである。
以上の説明では、形状記憶合金９ａ〜９ｄへの加熱は、電流印加により発生するジュール熱を利用した場合であるが、これに限定はされない。ヒーターなどを用いて加熱して相変態を起こさせてもよい。
【００３５】
[微分器説明：図６]
次に、本発明の方位センサの微分器を図６を用いて説明する。
図１に示す第１の微分器４と第２の微分器５とを構成する回路は、同一構成とすることができ、一般に良く知られたオペアンプと抵抗とコンデンサとを有する微分器を使用することができる。このような微分器の一例を図６に示す。
図６に示す微分器は、オペアンプ１３、第１の抵抗１４、コンデンサ１５、第２の抵抗１６とを備える。微分器の入力とオペアンプ１３の負入力との間にコンデンサ１５と第２の抵抗１６とを直列に接続し、微分器の出力とオペアンプ１３の負入力との間に第１の抵抗１４を接続する。オペアンプの正入力は、接地または一定の電位に接続する。
第２の抵抗１６は発振防止のための抵抗であって、第１の抵抗１４の１／１００〜１／１０００程度の抵抗値のものを使用する。
また、演算手段６が高い演算能力を持つ場合は、演算手段６の演算によって微分器を実現してもよい。
【００３６】
本発明の実施の形態における方位センサでは、その説明を簡単にするため、ｘ軸、ｙ軸の２軸の方位センサを例にして説明したが、同様な構成をｚ軸に用意し、３軸の方位センサを構成することもできる。
【００３７】
本発明の方位センサは、振動手段と第１の微分器と第２の微分器とを設けることによって、水平な机の上などに置くだけで較正ができるようになり、一切人間が触る必要がなく、精度良く、安定した較正ができる。
【００３８】
本発明の方位センサは、振動手段に形状記憶合金を使用したため、構造が簡単になり小型化できる。特に、近年実用化されてきたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術、すなわち、機構部品を半導体製造技術を利用して小型化するという技術を用いることにより、磁気センサ、振動手段を含む方位センサ全体を、例えば、５ｍｍ角以下に小型化することができる。
もちろん、振動手段はすべて形状記憶合金で構成する必要もなく、形状記憶合金とバネのように伸縮する部材とを組み合わせてもよい。
また、形状記憶合金を用いなくてもよく、その場合は、電気信号で伸縮する部材などを用いることができる。例えば、電圧変化で形状が変位する高分子アクチュータなどである。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の方位センサは、自動車や携帯機器等のナビゲーション機能を有する装置に適用することができる。特に、人間が一切手を触れることなく較正できるため、精度と安定した較正とを要求される電子機器に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の方位センサを示す構成図である。
【図２】本発明の方位センサの磁気センサと振動手段とを示す構成図である。
【図３】本発明の方位センサの形状記憶合金の形状図である。
【図４】本発明の方位センサの磁気センサの理想的な出力波形を説明する図である。
【図５】本発明の方位センサの磁気センサの実際の出力波形を説明する図である。
【図６】本発明の方位センサの微分器の回路図である。
【図７】従来技術の方位センサを示す構成図である。
【符号の説明】
【００４１】
１ 磁気センサ
２ 振動手段
３ 増幅器
４ 第１の微分器
５ 第２の微分器
６ 演算手段
７ 磁気抵抗素子
９ 形状記憶合金
１０ 電極
１１ ｘ軸出力
１２ ｙ軸出力
１３ オペアンプ
１４ 第１の抵抗
１５ コンデンサ
１６ 第２の抵抗
８０ ３軸磁気センサ
８１ ｘ軸ホール素子
８２ ｙ軸ホール素子
８３ ｚ軸ホール素子
８４ チョッパ部
８５ 磁気センサ駆動電源部
８６ 差動入力アンプ
８７ Ａ／Ｄ変換部
８８ 補正値更新部
８９ 補正値記憶部
９０ 補正計算部
９１ 方位角計算部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地磁気を検出して方位を特定する方位センサであって、
地磁気を検出する磁気センサと、該磁気センサを振動させる振動手段と、該磁気センサの出力を増幅する増幅器と、該増幅器の出力を微分する第１の微分器と、該第１の微分器の出力を微分する第２の微分器と、演算により較正と方位の算出とを行う演算手段とを有することを特徴とする方位センサ。
【請求項２】
前記振動手段は、一定角速度で前記磁気センサを振動させることを特徴とする請求項１に記載の方位センサ。
【請求項３】
前記振動手段は、形状記憶合金を有し、該形状記憶合金の相変態を利用して振動を発生させることを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の方位センサ。
【請求項１】
地磁気を検出して方位を特定する方位センサであって、
地磁気を検出する磁気センサと、該磁気センサを振動させる振動手段と、該磁気センサの出力を増幅する増幅器と、該増幅器の出力を微分する第１の微分器と、該第１の微分器の出力を微分する第２の微分器と、演算により較正と方位の算出とを行う演算手段とを有することを特徴とする方位センサ。
【請求項２】
前記振動手段は、一定角速度で前記磁気センサを振動させることを特徴とする請求項１に記載の方位センサ。
【請求項３】
前記振動手段は、形状記憶合金を有し、該形状記憶合金の相変態を利用して振動を発生させることを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の方位センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−１５３６７４（Ｐ２００６−１５３６７４Ａ）
【公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３４５０５７（Ｐ２００４−３４５０５７）
【出願日】平成１６年１１月３０日（２００４．１１．３０）
【出願人】（０００００１９６０）シチズン時計株式会社 (1,939)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月３０日（２００４．１１．３０）
【出願人】（０００００１９６０）シチズン時計株式会社 (1,939)
【Ｆターム（参考）】
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