方位検知装置
【課題】 地磁気などの検知する３軸の磁気センサと角速度検知部を用い、方位を精度良く求めることができる方位検知装置を提供する。
【解決手段】 初期姿勢のときのＸ０−Ｙ０−Ｚ０軸の三次元座標上で地磁気ベクトルを検知する。その後、角速度検知部で角速度を検知し、角速度を積分して積算し、Ｘ軸回りの角度変化量θｐとＹ軸回りの角度変化量θｒを求める。最新の座標点データが得られたときに、三次元座標をＸ軸回りに角度変化量θｐだけ戻し、Ｙ軸回りに角度変化量θｒだけ戻すと、Ｚ軸回りの回転角度、すなわち方位の変化角度αを算出できる。
【解決手段】 初期姿勢のときのＸ０−Ｙ０−Ｚ０軸の三次元座標上で地磁気ベクトルを検知する。その後、角速度検知部で角速度を検知し、角速度を積分して積算し、Ｘ軸回りの角度変化量θｐとＹ軸回りの角度変化量θｒを求める。最新の座標点データが得られたときに、三次元座標をＸ軸回りに角度変化量θｐだけ戻し、Ｙ軸回りに角度変化量θｒだけ戻すと、Ｚ軸回りの回転角度、すなわち方位の変化角度αを算出できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直交する３方向のそれぞれに向けられた磁気センサで磁気ベクトルを検知する磁気検知部と、直交する２方向の角速度を検知する角速度検知部を用いて、磁気ベクトルとの相対的な方位を精度良く求めることができる方位検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間上で移動する物体の姿勢を検知するための検知装置として、地磁気ベクトルの向きを検知する方位センサと、移動体の角速度を検知するジャイロが使用されている。地磁気ベクトルを検知する方位センサは、３軸方向に向けられた磁気センサを有するものが一般的である。ジャイロは圧電素子などを使用して振動体を振動させ、コリオリ力による振動体の変位を検知する振動型のものが一般的に使用されている。
【０００３】
しかし、方位センサは、地磁気ベクトルが微弱な磁気あり、また外部からの磁界がノイズとして重畳しやすいため、方位角の検知精度に限界がある。また、コリオリ力は振動体の振動速度に比例するものであるが、温度変化などによる振動体の振動速度の変化であるドリフトがそのまま角速度の誤差につながることになり、移動する物体の移動を精度良く検知することに限界がある。
【０００４】
以下の特許文献１と特許文献２には、方位センサとジャイロとを併用した方位検出装置ならびに姿勢検出装置が開示されている。
【０００５】
特許文献１に記載された方位検出装置は、磁気方位センサで検出される絶対的方位と、ジャイロで検出される相対的方位とを比較し、誤差の多い絶対的方位の検出値を相対的方位の検知出力で補正するというものである。
【０００６】
特許文献２に記載された姿勢検出装置は、ジャイロセンサからの出力をハイパスフィルターに通過させ、地磁気センサの出力を微分してローパスフィルターに通過させ、両出力を合成して使用することで、応答速度の速いジャイロセンサとドリフトのない地磁気センサの双方の利点を利用するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１２６５７９号公報
【特許文献２】特開平９−２０３６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１と特許文献２に記載された発明は、方位センサとジャイロの検知出力を補正し合い、または補完し合っているが、方位センサによる地磁気の検知方式と、ジャイロによる角速度の検知方式そのものに変更がない。そのため、方位センサでのノイズの重畳や、ジャイロの検知出力のドリフトの影響を効果的に除去することは難しい。
【０００９】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、磁気を検知する磁気検知部と角速度検知部とを使用し、磁気ベクトルとの相対的な方位を精度よく検知できる方位検知装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、互いに直交するＸ軸とＹ軸およびＺ軸が基準軸として決められた磁気検知部と、Ｘ軸回りの角速度とＹ軸回りの角速度を検知する角速度検知部と、演算部とを有し、
前記磁気検知部に、Ｘ軸が磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるＸ軸センサと、Ｙ軸が磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるＹ軸センサ、およびＺ軸が磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるＺ軸センサが搭載され、
前記演算部で、
（ａ）前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの検知出力に基づいて、磁気ベクトルの向きを三次元座標上の座標点データとして求め、
（ｂ）前記角速度検知部で検知されたＸ軸回りの角速度とＹ軸回りの角速度をそれぞれ積分して、初期姿勢を起点とするＸ軸回りの角度変化量θｐおよびＹ軸回りの角度変化量θｒを求め、
前記角度変化量θｐとθｒを用いて、前記（ａ）の検知出力を補正することを特徴とするものである。
【００１１】
例えば、前記（ｂ）の次に、
（ｃ）測定時の座標点データを得たときに、それまでの前記角度変化量θｐおよび前記角度変化量θｒだけ三次元座標を戻し、戻した三次元座標上での座標点データと初期姿勢のときに得られた初期座標点データとから、Ｚ軸回りの磁気ベクトルの相対的な角度変化量αを求めることができる。
【００１２】
本発明の方位検知装置は、角速度検知部の検知出力を、Ｘ軸回りとＹ軸回りの角度変化量を求めるための補正値として使用する。例えば、角度変位量を、座標点データの基準となる三次元座標を初期姿勢に戻すために使用している。そのため、角速度検知部のドリフトが方位の検知に影響を与えにくい。方位が磁気ベクトルの検知出力に基づいて検知されるため、高精度な方位検知が可能になる。
【００１３】
なお、本明細書でのＸ軸とＹ軸およびＺ軸は、互に直交する相対的な軸を意味しているのであり、空間内での軸の絶対的な向きを種別しているものではない。
【００１４】
本発明は、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサで地磁気を検知することで、地磁気の方位に対する角度変化量αが求められる。
【００１５】
または、Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサで、地磁気以外に外部から与えられる磁気ベクトルを検知し、この磁気ベクトルを基準とした姿勢の変化を検知するために使用することも可能である。
【００１６】
本発明は、初期姿勢のときの初期座標点データをメモリに記憶し、前記（ｃ）で戻した三次元座標上での座標点データと、メモリに記憶されていた初期座標点データとから、角度変位量αが求められる。
【００１７】
また、本発明は、前記（ｃ）で戻した三次元座標上での座標点データのＸ座標およびＹ座標と、初期座標点データのＸ座標およびＹ座標とから、前記角度変化量αが求められるものである。
【００１８】
本発明は、前記角速度検知部として、コリオリ力を検知してＸ軸回りの角速度を検知する振動型のＸ軸ジャイロと、コリオリ力を検知してＹ軸回りの角速度を検知する振動型のＹ軸ジャイロとが設けられているものを使用できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、磁気検知部が磁気ベクトルを検知する機能と、角速度検知部が運動時の角速度を検知する機能のそれぞれの本質的な機能を生かすことができ、また双方の検知部の欠点を補完して、方位の検知を高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態の方位検知装置の回路ブロック図、
【図２】磁気検知部に設けられたＸ軸センサとＹ軸センサおよびＺ軸センサの配置を示す説明図、
【図３】角速度検知部のＸ軸ジャイロとＹ軸ジャイロの配置を示す説明図、
【図４】地磁気ベクトルの検知動作を示す三次元座標の説明図、
【図５】Ｘ軸とＹ軸回りの角度変化量を示す説明図、
【図６】Ｘ軸の角度変化量とＹ軸の角度変化量を戻した三次元座標で方位の変化量を検知する演算を示す説明図、
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１に示す本発明の実施の形態の方位検知装置１は、地磁気の方位を検知するものであり、方位の検知出力に基づいて姿勢の検知も行うことができる。
【００２２】
方位検知装置１には、地磁気を検知する磁気検知部２と、角速度を検知する角速度検知部１１が設けられている。
【００２３】
方位検知装置１は、磁気検知部２と角速度検知部１１において、Ｘ軸とＹ軸およびＺ軸が共通の向きで決められている。方位検知装置１は携帯用機器などに搭載され、Ｘ軸とＹ軸およびＺ軸の直交関係を維持したまま、空間内で自由に移動できる。
【００２４】
図２に示すように、磁気検知部２には、Ｘ軸センサ３がＸ軸に沿って固定され、Ｙ軸センサ４がＹ軸に沿って固定され、Ｚ軸センサ５がＺ軸に沿って固定されている。Ｘ軸センサ３とＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５は、いずれもＧＭＲ素子で構成されている。ＧＭＲ素子は、Ｎｉ−Ｃｏ合金やＮｉ−Ｆｅ合金などの軟磁性材料で形成された固定磁性層および自由磁性層と、固定磁性層と自由磁性層との間に挟まれた銅などの非磁性導電層とを有している。固定磁性層の下に反強磁性層が積層され、反強磁性層と固定磁性層との反強結合により、固定磁性層の磁化が固定されている。
【００２５】
Ｘ軸センサ３は、地磁気のＸ方向に向く成分を検知するものであり、固定磁性層の磁化の向きがＸ軸に沿うＰＸ方向に固定されている。自由磁性層の磁化の向きは地磁気の向きに反応する。自由磁性層の磁化の向きがＰＸ方向と平行になるとＸ軸センサ３の抵抗値が極小になり、自由磁性層の磁化の向きがＰＸ方向と逆向きになるとＸ軸センサ３の抵抗値が極大になる。また、自由磁性層の磁化の向きがＰＸ方向と直交すると、抵抗値が前記極大値と極小値との平均値となる。
【００２６】
図１に示す磁場データ検知部６では、Ｘ軸センサ３と固定抵抗とが直列に接続され、Ｘ軸センサ３と固定抵抗との直列回路に電圧が与えられており、Ｘ軸センサ３と固定抵抗との間の電圧がＸ軸の検知出力として取り出される。Ｘ軸センサ３にＸ方向に向く磁界が与えられていないとき、またはＰＸに対して直交する磁界が与えられているときに、Ｘ軸の検知出力が中点電圧となる。
【００２７】
磁気検知部２の全体を傾け、Ｘ軸センサ３の固定磁性層の磁化の固定方向ＰＸを地磁気ベクトルＶと同じ向きにするとＸ軸センサ３に与えられる磁界成分が極大値となる。このときのＸ軸の検知出力は、前記中点電位に対してプラス側の極大値となる。逆に、Ｘ軸センサ３の固定磁性層の磁化の固定方向ＰＸを地磁気ベクトルＶと反対に向けると、Ｘ軸センサ３に与えられる逆向きの磁界成分が極大値となる。このときのＸ軸の検知出力は、前記中点電圧に対してマイナス側の極大値となる。
【００２８】
Ｙ軸センサ４とＺ軸センサ５も、それぞれ固定抵抗とが直列に接続され、Ｙ軸センサ４またはＺ軸センサ５と固定抵抗との直列回路に電圧が与えられており、各センサと固定抵抗との間の電圧がＹ軸またはＺ軸の検知出力として取り出される。
【００２９】
Ｙ軸センサ４の固定磁性層の磁化の固定方向ＰＹを地磁気ベクトルＶと同じ向きにすると、Ｙ軸の検知出力は、中点電圧に対してプラス側の極大値になる。Ｙ軸センサ４の固定磁性層の磁化の固定方向ＰＹを地磁気ベクトルＶと反対に向けると、Ｙ軸の検知出力は、中点電圧に対してマイナス側の極大値となる。同様に、Ｚ軸センサ５の固定磁性層の磁化の固定方向ＰＺを地磁気ベクトルＶと同じ向きにすると、Ｚ軸の検知出力は、中点電圧に対してプラス側の極大値になる。Ｚ軸センサ５の固定磁性層の磁化の固定方向ＰＺを地磁気ベクトルＶと反対に向けると、Ｚ軸の検知出力は、中点電圧に対してマイナス側の極大値となる。
【００３０】
地磁気ベクトルＶの大きさが一定であれば、Ｘ軸センサ３とＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５からの検知出力は、いずれもプラス側の極大値の絶対値と、マイナス側の極大値の絶対値とが同じである。
【００３１】
Ｘ軸センサ３としては、地磁気ベクトルの向きによってプラス側の検知出力とマイナス側の検知出力が得られ、プラス側の検知出力の極大値とマイナス側の検知出力の極大値とで絶対値が同じになれば、ＧＭＲ素子以外の磁気センサで構成することもできる。例えば、Ｘ軸に沿ってプラス側の磁界強度のみを検知できるホール素子またはＭＲ素子と、マイナス側の磁界強度のみを検知できるホール素子またはＭＲ素子を組み合わせて、Ｘ軸センサ３として使用してもよい。これは、Ｙ軸センサ４とＺ軸センサ５においても同じである。
【００３２】
図１に示すように、磁場データ検知部６で検知されたＸ軸とＹ軸およびＺ軸の検知出力は、演算部８に与えられる。演算部８は、Ａ／Ｄ変換部とＣＰＵおよびクロック回路などから構成されている。演算部８のクロック回路の計測時間に応じて、磁場データ検知部６で検知されたＸ軸とＹ軸およびＺ軸の検知出力が、短いサイクルで間欠的にサンプリングされて演算部８に読み出される。それぞれの検知出力は、演算部内に設けられた前記Ａ／Ｄ変換部によってディジタル値に変換される。
【００３３】
演算部８を構成するＣＰＵにはメモリ７が接続されている。メモリ７には、演算処理のためのソフトウエアがプログラミングされて格納されている。演算部８の演算処理は前記ソフトウエアによって実行される。
【００３４】
ディジタルデータに変換されたＸ軸の検知出力とＹ軸の検知出力およびＺ軸の検知出力は、演算部８で演算処理され、図４または図６に示すＸ−Ｙ−Ｚの三次元座標上の座標点データＤに変換されて、演算部８内に設けられたデータバッファ（バッファメモリ）に格納される。クロック回路と同期して短いサイクルでサンプリングされて演算された前記座標点データＤが、データバッファに順に格納されて保持される。
【００３５】
図４または図６に示すように、磁気検知部２が地球上のいずれかの場所に置かれると、磁気検知部２のＸ軸センサ３から地磁気の検知出力ｘが得られ、Ｙ軸センサ４から地磁気の検知出力ｙが得られ、Ｚ軸センサ５から地磁気の検知出力ｚが得られる。演算部８では、前記各検知出力ｘ，ｙ，ｚに基づいて、地磁気ベクトルＶの向きが、三次元座標上の座標点データＤ（ｘ，ｙ，ｚ）として求められる。座標点データＤ（ｘ，ｙ，ｚ）はサンプリング周期毎に次々と得られ、データバッファに順に格納されていく。
【００３６】
図４または図６に示すように、座標点データＤ（ｘ，ｙ，ｚ）は、三次元座標の基準原点Ｏを中心とする球面座標Ｇ上の点として現れる。球面座標Ｇの半径は、Ｘ軸方向とＹ軸方向およびＺ軸方向での地磁気の検出強度の極大値の絶対値に比例する。したがって、球面座標Ｇの半径は、地磁気ベクトルＶの絶対値に応じて変化する。
【００３７】
図３に示すように、角速度検知部１１には、Ｘ軸ジャイロ１２とＹ軸ジャイロ１３が設けられている。Ｘ軸ジャイロ１２とＹ軸ジャイロ１３は振動型ジャイロであり、微細な寸法のＭＥＭＳで構成されている。角速度検知部１１で設定されているＸ軸とＹ軸は、図２に示す磁気検知部２で設定されているＸ軸およびＹ軸と同じ向きである。
【００３８】
Ｘ軸ジャイロ１２に設けられた振動子１２ａは、圧電素子などでＶｘ方向へ振動させられる。方位検知装置１が、Ｘ軸回りの角速度ωｘを持つと、振動子１２ａにコリオリ力による振動Ｆｘが発生する。この振動Ｆｘの成分は、振動子１２ａに設けられた電極とこれに対向する固定電極との静電容量の変化などから検知される。振動Ｆｘは図１に示す検知回路１４によって検知され、検知回路１４において、Ｘ軸回りの角速度ωｘが算出される。
【００３９】
Ｙ軸ジャイロ１３は、振動子１３ａがＶｙ方向へ振動させられ、Ｙ軸回りの回転運動によるコリオリ力が、振動子１３ａの振動Ｆｙとして検知される。検知回路１４では、振動Ｆｙの検知出力から、Ｙ軸回りの角速度ωｙが算出される。
【００４０】
検知回路１４で算出されたＸ軸回りの角速度ωｘは、図１に示す積分計算部１５に与えられ、時間によって積分されて、Ｘ軸回りの回転角に変換される。同様に、検知回路１４で算出されたＹ軸回りの角速度ωｙも積分計算部１５において時間で積分されてＹ軸回りの回転角に変換される。積分計算部１５で積分されたＸ軸回りの回転角とＹ軸回りの回転角は、それぞれ演算部８に与えられＡ／Ｄ変換部でディジタルデータに変換され、演算部８内のメモリに蓄積されていく。
【００４１】
方位検知装置１が空間内で自由に運動すると、Ｘ軸回りの回転角が正方向と負方向に刻々と変化し、Ｙ軸回りの回転角が正方向と負方向に刻々と変化する。演算部８では、メモリに蓄積されたＸ軸回りの回転角が積算され、図５に示すように、Ｘ軸回りの合計の角度変化量θｐが算出される。同様に、メモリに蓄積されたＹ軸回りの回転角が積算されて、Ｙ軸回りの合計の角度変化量θｒが算出される。
【００４２】
次に、方位検知装置１による方位の検知動作を説明する。
この方位検知装置１は、電源が投入された直後または使用を開始するときに、キャリブレーションが行なわれる。キャリブレーションは、方位検知装置１を搭載した携帯機器のディスプレイに表示される指示などに基づいて行われる。キャリブレーションは、使用者が方位検知装置１を任意の方向へ数回だけ回転させることで行われる。
【００４３】
演算部８では、キャリブレーションにおいて次々に得られてデータバッファに格納される座標点データＤの中からいくつかをサンプリングする。少なくとも３個の座標点データＤを得ることで、座標点データＤの回転軌跡に一致する円を特定できる。この円が複数個求められ、それぞれの円の中心を通り且つ円を含む平面に垂直な中心線が求められる。複数の中心線の交点を求めると、この交点が、演算部８で設定されるＸ−Ｙ−Ｚの三次元座標の基準原点Ｏとなるように補正される。
【００４４】
前記キャリブレーションの直後に、初期姿勢の設定および記憶が行われる。初期姿勢の設定と記憶は、前記ディスプレイに表示される指示などにしたがって行われる。使用者は、キャリブレーションの直後に、図４に示すように、方位検知装置１で決められているＺ軸を重力の方向に向ける初期姿勢を設定する。例えば、携帯機器のディスプレイを地面と水平な姿勢にすることで、Ｚ軸が重力の方向に向けられる。
【００４５】
図４には、方位検知装置１が初期姿勢に設定されたときの三次元座標が、Ｘ０軸とＹ０軸およびＺ０軸で示されている。このとき、Ｘ軸センサ３とＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５で検知された地磁気ベクトルＶの向きが、Ｘ０−Ｙ０−Ｚ０軸の三次元座標上で初期座標点データＤａ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）として得られる。初期姿勢が設定された後に、使用者がいずれかの操作釦を押すと、演算部８において、初期姿勢での地磁気ベクトルＶの向きを検知した初期座標点データＤａ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）がメモリに記憶される。
【００４６】
なお、方位検知装置１と共に加速度センサが搭載されている携帯機器では、キャリブレーションが完了し、三次元座標の基準原点Ｏが補正されたときに、加速度センサによって重力の向きが解るため、方位検知装置１を搭載した携帯機器などを所定の姿勢に設定しなくても、初期姿勢の設定と記憶を行うことができる。すなわち、キャリブレーションが完了して三次元座標の基準原点Ｏが補正されたときに、演算部８で設定される三次元座標のＺ０軸の向きを重力方向に向く補正を自動的に行なうことができる。さらに、補正後のＸ０−Ｙ０−Ｚ０座標で得られた初期座標点データＤａ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）を、自動的にメモリに記憶させることも可能である。
【００４７】
初期姿勢の設定と記憶が完了した後に、方位検知装置１を搭載した携帯機器などを空間内で自由に動かすと、方位検知装置１に設定されているＸ−Ｙ−Ｚ軸の三次元座標が、図４に示す初期姿勢のときのＸ０−Ｙ０−Ｚ０軸の三次元座標に対して各方向へ傾くことになる。ただし、積分計算部１５では、Ｘ軸ジャイロ１２とＹ軸ジャイロ１３で検出されて刻々と変化するＸ軸回りの角速度とＹ軸回りの角速度がそれぞれ積分されて回転角に変換され、さらに、演算部８で、前記回転角が積算されて、Ｘ軸回りの角度変化量θｐとＹ軸回りの角度変化量θｒが算出されている。この角度変化量θｐとθｒは、図４に示す初期姿勢が設定された後の、初期姿勢を起点とするＸ軸回りとＹ軸回りの回転角の合計を意味している。
【００４８】
したがって、磁場データ検知部６で検知されて球面座標Ｇ上の座標点データＤとして認識される地磁気ベクトルＶの方位の検出や、地磁気ベクトルＶと方位検知装置１との相対的な移動量などを、積分された角度変化量θｐとθｒを使用して補正することが可能である。
【００４９】
方位検出における補正方法の一例を以下に説明する。
演算部８では、積分された角度変化量θｐとθｒの値が得られているときに、三次元座標の向きを、Ｘ軸回りに角度変化量θｐだけ戻し、Ｙ軸回りに角度変化量θｒだけ戻す演算が行われる。この演算は、一定時間を空けて定期的に行われ、または、新たな座標点データＤが取得される度に行われる。図５に示すように、この演算により、三次元座標のＸ−Ｙの平面座標を、図４に示す初期姿勢のときのＸ０−Ｙ０の平面座標と同じ面に戻すことができる。
【００５０】
ただし、Ｚ軸回りの角度変化量は積算しておらずＺ軸回りの角度変化量を加味していないので、三次元座標の向きを、Ｘ軸回りに角度変化量θｐだけ戻し、Ｙ軸回りに角度変化量θｒだけ戻した時点で、Ｚ軸周りの角度変化量だけが残る。図５には、角度変化量θｐ，θｒだけ三次元座標を戻した後のＸ−Ｙ座標の座標軸をＸ１軸とＹ１軸で示している。Ｘ１軸とＹ１軸は、初期姿勢のときのＸ０軸とＹ０軸から角度αだけ回動している。この角度αが、初期姿勢を起点とした方位検知装置１と地磁気ベクトルＶとの方位角の変化量である。
【００５１】
図６には、Ｘ軸回りに角度変化量θｐだけ戻し、Ｙ軸回りに角度変化量θｒだけ戻した後の三次元座標がＸ１−Ｙ１−Ｚ０軸で示されている。この三次元座標Ｘ１−Ｙ１−Ｚ０で得られた最新の座標点データをＤｂ（ｘｂ，ｙｂ，ｚａ）とする。この座標点データＤｂと、図４に示す初期姿勢のときに得られた初期座標点データＤａ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）とでは、Ｚ軸座標（ｚａ）が同じである。最新の座標点データＤｂのＸ−Ｙ座標成分（ｘｂ，ｙｂ）と初期座標点データＤａのＸ−Ｙ座標成分（ｘａ，ｙａ）とから、地磁気ベクトルＶの方位の変化角αを求めることができる。
【００５２】
演算部８では、以下の数１に示す行列式で演算を行うことで、Ｘ軸回りに角度変化量θｐだけ戻し、Ｙ軸回りに角度変化量θｒだけ戻したあとの三次元座標上での座標点データＤｂ（ｘｂ，ｙｂ，ｚａ）を演算することができる。
【００５３】
数１のｘθ，ｙθ，ｚθは、測定時点すなわち、三次元座標が任意に傾いたときに得られる最新の座標点データＤθ（ｘθ，ｙθ，ｚθ）であり、この値を行列式に代入することで、座標点データＤｂ（ｘｂ，ｙｂ，ｚａ）を得ることができる。この座標点データＤｂ（ｘｂ，ｙｂ，ｚａ）と、初期座標点データＤａ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）とから方位の変化角αを求めることができる。
【００５４】
【数１】
【００５５】
上記の方位の演算では、方位検知装置１を地磁気ベクトルＶの向きを検知するためだけに機能させ、角速度検知部１１を角速度を検知するためだけに機能させているため、磁気検知部２のノイズや、角速度検知装置の温度特性のドラフトを互いに補完し合って、精度の良い方位の変化を求めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の方位検知装置は、３軸の磁気センサからの座標点データと角速度検知部で得られた角速度を使用して、方位の変化や姿勢の変化を算出することができる。よって、地磁気の方位計として使用できる。さらに地磁気以外の外部磁界の磁気ベクトルの動きを検知する装置として使用可能である。例えば磁気検知装置を固定し、外部の磁気ベクトルがどの方向でどのような運動をしているかの検知も可能である。また、携帯用のゲーム装置の姿勢検知や、ゲーム装置用の入力装置の姿勢検知や、ロボットの腕や関節などの姿勢の変化を検知する検知部として使用することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１ 方位検知装置
２ 磁気検知部
３ Ｘ軸センサ
４ Ｙ軸センサ
５ Ｚ軸センサ
６ 磁場データ検知部
７ メモリ
８ 演算部
１１ 角速度検知部
１２ Ｘ軸ジャイロ
１３ Ｙ軸ジャイロ
１４ 検知回路
１５ 積分計算部
Ｄａ 初期姿勢の座標点データ
Ｄｂ Ｘ軸回りの角度変化量とＹ軸回りの角度変化量を復元したときの座標点データ
Ｘ０−Ｙ０−Ｚ０ 初期姿勢の三次元座標
Ｘ１−Ｙ１−Ｚ０ 軸回りの角度変化量とＹ軸回りの角度変化量を復元したときの三次元座標
Ｖ 地磁気ベクトル
θｐ，θｒ 角度変化量
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直交する３方向のそれぞれに向けられた磁気センサで磁気ベクトルを検知する磁気検知部と、直交する２方向の角速度を検知する角速度検知部を用いて、磁気ベクトルとの相対的な方位を精度良く求めることができる方位検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間上で移動する物体の姿勢を検知するための検知装置として、地磁気ベクトルの向きを検知する方位センサと、移動体の角速度を検知するジャイロが使用されている。地磁気ベクトルを検知する方位センサは、３軸方向に向けられた磁気センサを有するものが一般的である。ジャイロは圧電素子などを使用して振動体を振動させ、コリオリ力による振動体の変位を検知する振動型のものが一般的に使用されている。
【０００３】
しかし、方位センサは、地磁気ベクトルが微弱な磁気あり、また外部からの磁界がノイズとして重畳しやすいため、方位角の検知精度に限界がある。また、コリオリ力は振動体の振動速度に比例するものであるが、温度変化などによる振動体の振動速度の変化であるドリフトがそのまま角速度の誤差につながることになり、移動する物体の移動を精度良く検知することに限界がある。
【０００４】
以下の特許文献１と特許文献２には、方位センサとジャイロとを併用した方位検出装置ならびに姿勢検出装置が開示されている。
【０００５】
特許文献１に記載された方位検出装置は、磁気方位センサで検出される絶対的方位と、ジャイロで検出される相対的方位とを比較し、誤差の多い絶対的方位の検出値を相対的方位の検知出力で補正するというものである。
【０００６】
特許文献２に記載された姿勢検出装置は、ジャイロセンサからの出力をハイパスフィルターに通過させ、地磁気センサの出力を微分してローパスフィルターに通過させ、両出力を合成して使用することで、応答速度の速いジャイロセンサとドリフトのない地磁気センサの双方の利点を利用するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１２６５７９号公報
【特許文献２】特開平９−２０３６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１と特許文献２に記載された発明は、方位センサとジャイロの検知出力を補正し合い、または補完し合っているが、方位センサによる地磁気の検知方式と、ジャイロによる角速度の検知方式そのものに変更がない。そのため、方位センサでのノイズの重畳や、ジャイロの検知出力のドリフトの影響を効果的に除去することは難しい。
【０００９】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、磁気を検知する磁気検知部と角速度検知部とを使用し、磁気ベクトルとの相対的な方位を精度よく検知できる方位検知装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、互いに直交するＸ軸とＹ軸およびＺ軸が基準軸として決められた磁気検知部と、Ｘ軸回りの角速度とＹ軸回りの角速度を検知する角速度検知部と、演算部とを有し、
前記磁気検知部に、Ｘ軸が磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるＸ軸センサと、Ｙ軸が磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるＹ軸センサ、およびＺ軸が磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるＺ軸センサが搭載され、
前記演算部で、
（ａ）前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの検知出力に基づいて、磁気ベクトルの向きを三次元座標上の座標点データとして求め、
（ｂ）前記角速度検知部で検知されたＸ軸回りの角速度とＹ軸回りの角速度をそれぞれ積分して、初期姿勢を起点とするＸ軸回りの角度変化量θｐおよびＹ軸回りの角度変化量θｒを求め、
前記角度変化量θｐとθｒを用いて、前記（ａ）の検知出力を補正することを特徴とするものである。
【００１１】
例えば、前記（ｂ）の次に、
（ｃ）測定時の座標点データを得たときに、それまでの前記角度変化量θｐおよび前記角度変化量θｒだけ三次元座標を戻し、戻した三次元座標上での座標点データと初期姿勢のときに得られた初期座標点データとから、Ｚ軸回りの磁気ベクトルの相対的な角度変化量αを求めることができる。
【００１２】
本発明の方位検知装置は、角速度検知部の検知出力を、Ｘ軸回りとＹ軸回りの角度変化量を求めるための補正値として使用する。例えば、角度変位量を、座標点データの基準となる三次元座標を初期姿勢に戻すために使用している。そのため、角速度検知部のドリフトが方位の検知に影響を与えにくい。方位が磁気ベクトルの検知出力に基づいて検知されるため、高精度な方位検知が可能になる。
【００１３】
なお、本明細書でのＸ軸とＹ軸およびＺ軸は、互に直交する相対的な軸を意味しているのであり、空間内での軸の絶対的な向きを種別しているものではない。
【００１４】
本発明は、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサで地磁気を検知することで、地磁気の方位に対する角度変化量αが求められる。
【００１５】
または、Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサで、地磁気以外に外部から与えられる磁気ベクトルを検知し、この磁気ベクトルを基準とした姿勢の変化を検知するために使用することも可能である。
【００１６】
本発明は、初期姿勢のときの初期座標点データをメモリに記憶し、前記（ｃ）で戻した三次元座標上での座標点データと、メモリに記憶されていた初期座標点データとから、角度変位量αが求められる。
【００１７】
また、本発明は、前記（ｃ）で戻した三次元座標上での座標点データのＸ座標およびＹ座標と、初期座標点データのＸ座標およびＹ座標とから、前記角度変化量αが求められるものである。
【００１８】
本発明は、前記角速度検知部として、コリオリ力を検知してＸ軸回りの角速度を検知する振動型のＸ軸ジャイロと、コリオリ力を検知してＹ軸回りの角速度を検知する振動型のＹ軸ジャイロとが設けられているものを使用できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、磁気検知部が磁気ベクトルを検知する機能と、角速度検知部が運動時の角速度を検知する機能のそれぞれの本質的な機能を生かすことができ、また双方の検知部の欠点を補完して、方位の検知を高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態の方位検知装置の回路ブロック図、
【図２】磁気検知部に設けられたＸ軸センサとＹ軸センサおよびＺ軸センサの配置を示す説明図、
【図３】角速度検知部のＸ軸ジャイロとＹ軸ジャイロの配置を示す説明図、
【図４】地磁気ベクトルの検知動作を示す三次元座標の説明図、
【図５】Ｘ軸とＹ軸回りの角度変化量を示す説明図、
【図６】Ｘ軸の角度変化量とＹ軸の角度変化量を戻した三次元座標で方位の変化量を検知する演算を示す説明図、
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１に示す本発明の実施の形態の方位検知装置１は、地磁気の方位を検知するものであり、方位の検知出力に基づいて姿勢の検知も行うことができる。
【００２２】
方位検知装置１には、地磁気を検知する磁気検知部２と、角速度を検知する角速度検知部１１が設けられている。
【００２３】
方位検知装置１は、磁気検知部２と角速度検知部１１において、Ｘ軸とＹ軸およびＺ軸が共通の向きで決められている。方位検知装置１は携帯用機器などに搭載され、Ｘ軸とＹ軸およびＺ軸の直交関係を維持したまま、空間内で自由に移動できる。
【００２４】
図２に示すように、磁気検知部２には、Ｘ軸センサ３がＸ軸に沿って固定され、Ｙ軸センサ４がＹ軸に沿って固定され、Ｚ軸センサ５がＺ軸に沿って固定されている。Ｘ軸センサ３とＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５は、いずれもＧＭＲ素子で構成されている。ＧＭＲ素子は、Ｎｉ−Ｃｏ合金やＮｉ−Ｆｅ合金などの軟磁性材料で形成された固定磁性層および自由磁性層と、固定磁性層と自由磁性層との間に挟まれた銅などの非磁性導電層とを有している。固定磁性層の下に反強磁性層が積層され、反強磁性層と固定磁性層との反強結合により、固定磁性層の磁化が固定されている。
【００２５】
Ｘ軸センサ３は、地磁気のＸ方向に向く成分を検知するものであり、固定磁性層の磁化の向きがＸ軸に沿うＰＸ方向に固定されている。自由磁性層の磁化の向きは地磁気の向きに反応する。自由磁性層の磁化の向きがＰＸ方向と平行になるとＸ軸センサ３の抵抗値が極小になり、自由磁性層の磁化の向きがＰＸ方向と逆向きになるとＸ軸センサ３の抵抗値が極大になる。また、自由磁性層の磁化の向きがＰＸ方向と直交すると、抵抗値が前記極大値と極小値との平均値となる。
【００２６】
図１に示す磁場データ検知部６では、Ｘ軸センサ３と固定抵抗とが直列に接続され、Ｘ軸センサ３と固定抵抗との直列回路に電圧が与えられており、Ｘ軸センサ３と固定抵抗との間の電圧がＸ軸の検知出力として取り出される。Ｘ軸センサ３にＸ方向に向く磁界が与えられていないとき、またはＰＸに対して直交する磁界が与えられているときに、Ｘ軸の検知出力が中点電圧となる。
【００２７】
磁気検知部２の全体を傾け、Ｘ軸センサ３の固定磁性層の磁化の固定方向ＰＸを地磁気ベクトルＶと同じ向きにするとＸ軸センサ３に与えられる磁界成分が極大値となる。このときのＸ軸の検知出力は、前記中点電位に対してプラス側の極大値となる。逆に、Ｘ軸センサ３の固定磁性層の磁化の固定方向ＰＸを地磁気ベクトルＶと反対に向けると、Ｘ軸センサ３に与えられる逆向きの磁界成分が極大値となる。このときのＸ軸の検知出力は、前記中点電圧に対してマイナス側の極大値となる。
【００２８】
Ｙ軸センサ４とＺ軸センサ５も、それぞれ固定抵抗とが直列に接続され、Ｙ軸センサ４またはＺ軸センサ５と固定抵抗との直列回路に電圧が与えられており、各センサと固定抵抗との間の電圧がＹ軸またはＺ軸の検知出力として取り出される。
【００２９】
Ｙ軸センサ４の固定磁性層の磁化の固定方向ＰＹを地磁気ベクトルＶと同じ向きにすると、Ｙ軸の検知出力は、中点電圧に対してプラス側の極大値になる。Ｙ軸センサ４の固定磁性層の磁化の固定方向ＰＹを地磁気ベクトルＶと反対に向けると、Ｙ軸の検知出力は、中点電圧に対してマイナス側の極大値となる。同様に、Ｚ軸センサ５の固定磁性層の磁化の固定方向ＰＺを地磁気ベクトルＶと同じ向きにすると、Ｚ軸の検知出力は、中点電圧に対してプラス側の極大値になる。Ｚ軸センサ５の固定磁性層の磁化の固定方向ＰＺを地磁気ベクトルＶと反対に向けると、Ｚ軸の検知出力は、中点電圧に対してマイナス側の極大値となる。
【００３０】
地磁気ベクトルＶの大きさが一定であれば、Ｘ軸センサ３とＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５からの検知出力は、いずれもプラス側の極大値の絶対値と、マイナス側の極大値の絶対値とが同じである。
【００３１】
Ｘ軸センサ３としては、地磁気ベクトルの向きによってプラス側の検知出力とマイナス側の検知出力が得られ、プラス側の検知出力の極大値とマイナス側の検知出力の極大値とで絶対値が同じになれば、ＧＭＲ素子以外の磁気センサで構成することもできる。例えば、Ｘ軸に沿ってプラス側の磁界強度のみを検知できるホール素子またはＭＲ素子と、マイナス側の磁界強度のみを検知できるホール素子またはＭＲ素子を組み合わせて、Ｘ軸センサ３として使用してもよい。これは、Ｙ軸センサ４とＺ軸センサ５においても同じである。
【００３２】
図１に示すように、磁場データ検知部６で検知されたＸ軸とＹ軸およびＺ軸の検知出力は、演算部８に与えられる。演算部８は、Ａ／Ｄ変換部とＣＰＵおよびクロック回路などから構成されている。演算部８のクロック回路の計測時間に応じて、磁場データ検知部６で検知されたＸ軸とＹ軸およびＺ軸の検知出力が、短いサイクルで間欠的にサンプリングされて演算部８に読み出される。それぞれの検知出力は、演算部内に設けられた前記Ａ／Ｄ変換部によってディジタル値に変換される。
【００３３】
演算部８を構成するＣＰＵにはメモリ７が接続されている。メモリ７には、演算処理のためのソフトウエアがプログラミングされて格納されている。演算部８の演算処理は前記ソフトウエアによって実行される。
【００３４】
ディジタルデータに変換されたＸ軸の検知出力とＹ軸の検知出力およびＺ軸の検知出力は、演算部８で演算処理され、図４または図６に示すＸ−Ｙ−Ｚの三次元座標上の座標点データＤに変換されて、演算部８内に設けられたデータバッファ（バッファメモリ）に格納される。クロック回路と同期して短いサイクルでサンプリングされて演算された前記座標点データＤが、データバッファに順に格納されて保持される。
【００３５】
図４または図６に示すように、磁気検知部２が地球上のいずれかの場所に置かれると、磁気検知部２のＸ軸センサ３から地磁気の検知出力ｘが得られ、Ｙ軸センサ４から地磁気の検知出力ｙが得られ、Ｚ軸センサ５から地磁気の検知出力ｚが得られる。演算部８では、前記各検知出力ｘ，ｙ，ｚに基づいて、地磁気ベクトルＶの向きが、三次元座標上の座標点データＤ（ｘ，ｙ，ｚ）として求められる。座標点データＤ（ｘ，ｙ，ｚ）はサンプリング周期毎に次々と得られ、データバッファに順に格納されていく。
【００３６】
図４または図６に示すように、座標点データＤ（ｘ，ｙ，ｚ）は、三次元座標の基準原点Ｏを中心とする球面座標Ｇ上の点として現れる。球面座標Ｇの半径は、Ｘ軸方向とＹ軸方向およびＺ軸方向での地磁気の検出強度の極大値の絶対値に比例する。したがって、球面座標Ｇの半径は、地磁気ベクトルＶの絶対値に応じて変化する。
【００３７】
図３に示すように、角速度検知部１１には、Ｘ軸ジャイロ１２とＹ軸ジャイロ１３が設けられている。Ｘ軸ジャイロ１２とＹ軸ジャイロ１３は振動型ジャイロであり、微細な寸法のＭＥＭＳで構成されている。角速度検知部１１で設定されているＸ軸とＹ軸は、図２に示す磁気検知部２で設定されているＸ軸およびＹ軸と同じ向きである。
【００３８】
Ｘ軸ジャイロ１２に設けられた振動子１２ａは、圧電素子などでＶｘ方向へ振動させられる。方位検知装置１が、Ｘ軸回りの角速度ωｘを持つと、振動子１２ａにコリオリ力による振動Ｆｘが発生する。この振動Ｆｘの成分は、振動子１２ａに設けられた電極とこれに対向する固定電極との静電容量の変化などから検知される。振動Ｆｘは図１に示す検知回路１４によって検知され、検知回路１４において、Ｘ軸回りの角速度ωｘが算出される。
【００３９】
Ｙ軸ジャイロ１３は、振動子１３ａがＶｙ方向へ振動させられ、Ｙ軸回りの回転運動によるコリオリ力が、振動子１３ａの振動Ｆｙとして検知される。検知回路１４では、振動Ｆｙの検知出力から、Ｙ軸回りの角速度ωｙが算出される。
【００４０】
検知回路１４で算出されたＸ軸回りの角速度ωｘは、図１に示す積分計算部１５に与えられ、時間によって積分されて、Ｘ軸回りの回転角に変換される。同様に、検知回路１４で算出されたＹ軸回りの角速度ωｙも積分計算部１５において時間で積分されてＹ軸回りの回転角に変換される。積分計算部１５で積分されたＸ軸回りの回転角とＹ軸回りの回転角は、それぞれ演算部８に与えられＡ／Ｄ変換部でディジタルデータに変換され、演算部８内のメモリに蓄積されていく。
【００４１】
方位検知装置１が空間内で自由に運動すると、Ｘ軸回りの回転角が正方向と負方向に刻々と変化し、Ｙ軸回りの回転角が正方向と負方向に刻々と変化する。演算部８では、メモリに蓄積されたＸ軸回りの回転角が積算され、図５に示すように、Ｘ軸回りの合計の角度変化量θｐが算出される。同様に、メモリに蓄積されたＹ軸回りの回転角が積算されて、Ｙ軸回りの合計の角度変化量θｒが算出される。
【００４２】
次に、方位検知装置１による方位の検知動作を説明する。
この方位検知装置１は、電源が投入された直後または使用を開始するときに、キャリブレーションが行なわれる。キャリブレーションは、方位検知装置１を搭載した携帯機器のディスプレイに表示される指示などに基づいて行われる。キャリブレーションは、使用者が方位検知装置１を任意の方向へ数回だけ回転させることで行われる。
【００４３】
演算部８では、キャリブレーションにおいて次々に得られてデータバッファに格納される座標点データＤの中からいくつかをサンプリングする。少なくとも３個の座標点データＤを得ることで、座標点データＤの回転軌跡に一致する円を特定できる。この円が複数個求められ、それぞれの円の中心を通り且つ円を含む平面に垂直な中心線が求められる。複数の中心線の交点を求めると、この交点が、演算部８で設定されるＸ−Ｙ−Ｚの三次元座標の基準原点Ｏとなるように補正される。
【００４４】
前記キャリブレーションの直後に、初期姿勢の設定および記憶が行われる。初期姿勢の設定と記憶は、前記ディスプレイに表示される指示などにしたがって行われる。使用者は、キャリブレーションの直後に、図４に示すように、方位検知装置１で決められているＺ軸を重力の方向に向ける初期姿勢を設定する。例えば、携帯機器のディスプレイを地面と水平な姿勢にすることで、Ｚ軸が重力の方向に向けられる。
【００４５】
図４には、方位検知装置１が初期姿勢に設定されたときの三次元座標が、Ｘ０軸とＹ０軸およびＺ０軸で示されている。このとき、Ｘ軸センサ３とＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５で検知された地磁気ベクトルＶの向きが、Ｘ０−Ｙ０−Ｚ０軸の三次元座標上で初期座標点データＤａ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）として得られる。初期姿勢が設定された後に、使用者がいずれかの操作釦を押すと、演算部８において、初期姿勢での地磁気ベクトルＶの向きを検知した初期座標点データＤａ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）がメモリに記憶される。
【００４６】
なお、方位検知装置１と共に加速度センサが搭載されている携帯機器では、キャリブレーションが完了し、三次元座標の基準原点Ｏが補正されたときに、加速度センサによって重力の向きが解るため、方位検知装置１を搭載した携帯機器などを所定の姿勢に設定しなくても、初期姿勢の設定と記憶を行うことができる。すなわち、キャリブレーションが完了して三次元座標の基準原点Ｏが補正されたときに、演算部８で設定される三次元座標のＺ０軸の向きを重力方向に向く補正を自動的に行なうことができる。さらに、補正後のＸ０−Ｙ０−Ｚ０座標で得られた初期座標点データＤａ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）を、自動的にメモリに記憶させることも可能である。
【００４７】
初期姿勢の設定と記憶が完了した後に、方位検知装置１を搭載した携帯機器などを空間内で自由に動かすと、方位検知装置１に設定されているＸ−Ｙ−Ｚ軸の三次元座標が、図４に示す初期姿勢のときのＸ０−Ｙ０−Ｚ０軸の三次元座標に対して各方向へ傾くことになる。ただし、積分計算部１５では、Ｘ軸ジャイロ１２とＹ軸ジャイロ１３で検出されて刻々と変化するＸ軸回りの角速度とＹ軸回りの角速度がそれぞれ積分されて回転角に変換され、さらに、演算部８で、前記回転角が積算されて、Ｘ軸回りの角度変化量θｐとＹ軸回りの角度変化量θｒが算出されている。この角度変化量θｐとθｒは、図４に示す初期姿勢が設定された後の、初期姿勢を起点とするＸ軸回りとＹ軸回りの回転角の合計を意味している。
【００４８】
したがって、磁場データ検知部６で検知されて球面座標Ｇ上の座標点データＤとして認識される地磁気ベクトルＶの方位の検出や、地磁気ベクトルＶと方位検知装置１との相対的な移動量などを、積分された角度変化量θｐとθｒを使用して補正することが可能である。
【００４９】
方位検出における補正方法の一例を以下に説明する。
演算部８では、積分された角度変化量θｐとθｒの値が得られているときに、三次元座標の向きを、Ｘ軸回りに角度変化量θｐだけ戻し、Ｙ軸回りに角度変化量θｒだけ戻す演算が行われる。この演算は、一定時間を空けて定期的に行われ、または、新たな座標点データＤが取得される度に行われる。図５に示すように、この演算により、三次元座標のＸ−Ｙの平面座標を、図４に示す初期姿勢のときのＸ０−Ｙ０の平面座標と同じ面に戻すことができる。
【００５０】
ただし、Ｚ軸回りの角度変化量は積算しておらずＺ軸回りの角度変化量を加味していないので、三次元座標の向きを、Ｘ軸回りに角度変化量θｐだけ戻し、Ｙ軸回りに角度変化量θｒだけ戻した時点で、Ｚ軸周りの角度変化量だけが残る。図５には、角度変化量θｐ，θｒだけ三次元座標を戻した後のＸ−Ｙ座標の座標軸をＸ１軸とＹ１軸で示している。Ｘ１軸とＹ１軸は、初期姿勢のときのＸ０軸とＹ０軸から角度αだけ回動している。この角度αが、初期姿勢を起点とした方位検知装置１と地磁気ベクトルＶとの方位角の変化量である。
【００５１】
図６には、Ｘ軸回りに角度変化量θｐだけ戻し、Ｙ軸回りに角度変化量θｒだけ戻した後の三次元座標がＸ１−Ｙ１−Ｚ０軸で示されている。この三次元座標Ｘ１−Ｙ１−Ｚ０で得られた最新の座標点データをＤｂ（ｘｂ，ｙｂ，ｚａ）とする。この座標点データＤｂと、図４に示す初期姿勢のときに得られた初期座標点データＤａ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）とでは、Ｚ軸座標（ｚａ）が同じである。最新の座標点データＤｂのＸ−Ｙ座標成分（ｘｂ，ｙｂ）と初期座標点データＤａのＸ−Ｙ座標成分（ｘａ，ｙａ）とから、地磁気ベクトルＶの方位の変化角αを求めることができる。
【００５２】
演算部８では、以下の数１に示す行列式で演算を行うことで、Ｘ軸回りに角度変化量θｐだけ戻し、Ｙ軸回りに角度変化量θｒだけ戻したあとの三次元座標上での座標点データＤｂ（ｘｂ，ｙｂ，ｚａ）を演算することができる。
【００５３】
数１のｘθ，ｙθ，ｚθは、測定時点すなわち、三次元座標が任意に傾いたときに得られる最新の座標点データＤθ（ｘθ，ｙθ，ｚθ）であり、この値を行列式に代入することで、座標点データＤｂ（ｘｂ，ｙｂ，ｚａ）を得ることができる。この座標点データＤｂ（ｘｂ，ｙｂ，ｚａ）と、初期座標点データＤａ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）とから方位の変化角αを求めることができる。
【００５４】
【数１】
【００５５】
上記の方位の演算では、方位検知装置１を地磁気ベクトルＶの向きを検知するためだけに機能させ、角速度検知部１１を角速度を検知するためだけに機能させているため、磁気検知部２のノイズや、角速度検知装置の温度特性のドラフトを互いに補完し合って、精度の良い方位の変化を求めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の方位検知装置は、３軸の磁気センサからの座標点データと角速度検知部で得られた角速度を使用して、方位の変化や姿勢の変化を算出することができる。よって、地磁気の方位計として使用できる。さらに地磁気以外の外部磁界の磁気ベクトルの動きを検知する装置として使用可能である。例えば磁気検知装置を固定し、外部の磁気ベクトルがどの方向でどのような運動をしているかの検知も可能である。また、携帯用のゲーム装置の姿勢検知や、ゲーム装置用の入力装置の姿勢検知や、ロボットの腕や関節などの姿勢の変化を検知する検知部として使用することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１ 方位検知装置
２ 磁気検知部
３ Ｘ軸センサ
４ Ｙ軸センサ
５ Ｚ軸センサ
６ 磁場データ検知部
７ メモリ
８ 演算部
１１ 角速度検知部
１２ Ｘ軸ジャイロ
１３ Ｙ軸ジャイロ
１４ 検知回路
１５ 積分計算部
Ｄａ 初期姿勢の座標点データ
Ｄｂ Ｘ軸回りの角度変化量とＹ軸回りの角度変化量を復元したときの座標点データ
Ｘ０−Ｙ０−Ｚ０ 初期姿勢の三次元座標
Ｘ１−Ｙ１−Ｚ０ 軸回りの角度変化量とＹ軸回りの角度変化量を復元したときの三次元座標
Ｖ 地磁気ベクトル
θｐ，θｒ 角度変化量
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交するＸ軸とＹ軸およびＺ軸が基準軸として決められた磁気検知部と、Ｘ軸回りの角速度とＹ軸回りの角速度を検知する角速度検知部と、演算部とを有し、
前記磁気検知部に、Ｘ軸が磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるＸ軸センサと、Ｙ軸が磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるＹ軸センサ、およびＺ軸が磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるＺ軸センサが搭載され、
前記演算部で、
（ａ）前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの検知出力に基づいて、磁気ベクトルの向きを三次元座標上の座標点データとして求め、
（ｂ）前記角速度検知部で検知されたＸ軸回りの角速度とＹ軸回りの角速度をそれぞれ積分して、初期姿勢を起点とするＸ軸回りの角度変化量θｐおよびＹ軸回りの角度変化量θｒを求め、
前記角度変化量θｐとθｒを用いて、前記（ａ）の検知出力を補正することを特徴とする方位検知装置。
【請求項２】
前記（ｂ）の次に、
（ｃ）測定時の座標点データを得たときに、それまでの前記角度変化量θｐおよび前記角度変化量θｒだけ三次元座標を戻し、戻した三次元座標上での座標点データと初期姿勢のときに得られた初期座標点データとから、Ｚ軸回りの磁気ベクトルの相対的な角度変化量αを求める請求項１記載の方位検知装置。
【請求項３】
前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサで地磁気を検知することで、地磁気の方位に対する角度変化量αが求められる請求項１または２記載の方位検知装置。
【請求項４】
初期姿勢のときの初期座標点データをメモリに記憶し、前記（ｃ）で戻した三次元座標上での座標点データと、メモリに記憶されていた初期座標点データとから、角度変位量αが求められる請求項１ないし３のいずれかに記載の方位検知装置。
【請求項５】
前記（ｃ）で戻した三次元座標上での座標点データのＸ座標およびＹ座標と、初期座標点データのＸ座標およびＹ座標とから、前記角度変化量αが求められる請求項１ないし４のいずれかに記載の方位検知装置。
【請求項６】
前記角速度検知部に、コリオリ力を検知してＸ軸回りの角速度を検知する振動型のＸ軸ジャイロと、コリオリ力を検知してＹ軸回りの角速度を検知する振動型のＹ軸ジャイロとが設けられている請求項１ないし５のいずれかに記載の方位検知装置。
【請求項１】
互いに直交するＸ軸とＹ軸およびＺ軸が基準軸として決められた磁気検知部と、Ｘ軸回りの角速度とＹ軸回りの角速度を検知する角速度検知部と、演算部とを有し、
前記磁気検知部に、Ｘ軸が磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるＸ軸センサと、Ｙ軸が磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるＹ軸センサ、およびＺ軸が磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるＺ軸センサが搭載され、
前記演算部で、
（ａ）前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの検知出力に基づいて、磁気ベクトルの向きを三次元座標上の座標点データとして求め、
（ｂ）前記角速度検知部で検知されたＸ軸回りの角速度とＹ軸回りの角速度をそれぞれ積分して、初期姿勢を起点とするＸ軸回りの角度変化量θｐおよびＹ軸回りの角度変化量θｒを求め、
前記角度変化量θｐとθｒを用いて、前記（ａ）の検知出力を補正することを特徴とする方位検知装置。
【請求項２】
前記（ｂ）の次に、
（ｃ）測定時の座標点データを得たときに、それまでの前記角度変化量θｐおよび前記角度変化量θｒだけ三次元座標を戻し、戻した三次元座標上での座標点データと初期姿勢のときに得られた初期座標点データとから、Ｚ軸回りの磁気ベクトルの相対的な角度変化量αを求める請求項１記載の方位検知装置。
【請求項３】
前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサで地磁気を検知することで、地磁気の方位に対する角度変化量αが求められる請求項１または２記載の方位検知装置。
【請求項４】
初期姿勢のときの初期座標点データをメモリに記憶し、前記（ｃ）で戻した三次元座標上での座標点データと、メモリに記憶されていた初期座標点データとから、角度変位量αが求められる請求項１ないし３のいずれかに記載の方位検知装置。
【請求項５】
前記（ｃ）で戻した三次元座標上での座標点データのＸ座標およびＹ座標と、初期座標点データのＸ座標およびＹ座標とから、前記角度変化量αが求められる請求項１ないし４のいずれかに記載の方位検知装置。
【請求項６】
前記角速度検知部に、コリオリ力を検知してＸ軸回りの角速度を検知する振動型のＸ軸ジャイロと、コリオリ力を検知してＹ軸回りの角速度を検知する振動型のＹ軸ジャイロとが設けられている請求項１ないし５のいずれかに記載の方位検知装置。
【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２０１１−１８５８６８（Ｐ２０１１−１８５８６８Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５３５３４（Ｐ２０１０−５３５３４）
【出願日】平成２２年３月１０日（２０１０．３．１０）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１０日（２０１０．３．１０）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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