方位角計測装置
【課題】ホール素子を用いて検出された地磁気に基づいて、方位を計測する。
【解決手段】補正値記憶部７には、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの基準値Ｌｘ、Ｌｙが記憶され、補正計算部６は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙから回路的にキャンセル可能なオフセットを減じ、さらに基準値Ｌｘ、Ｌｙを減算することにより、地磁気の各軸成分に比例した値α、βだけを取り出す。
【解決手段】補正値記憶部７には、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの基準値Ｌｘ、Ｌｙが記憶され、補正計算部６は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙから回路的にキャンセル可能なオフセットを減じ、さらに基準値Ｌｘ、Ｌｙを減算することにより、地磁気の各軸成分に比例した値α、βだけを取り出す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は方位角計測装置に関し、特に、地磁気を検出して方位を求める場合に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やＰＤＡなどの普及により、歩行者用ナビゲーションシステムのニーズが高まっており、歩行者の現在位置と共に進行方向を計測するための方位センサシステムの需要が高まっている。
歩行者の進行方向を計測するために、従来から行われている方法として、感度の高いフラックスゲートセンサにより地磁気を検出して方位を求める方法があった。なお、このような従来技術としては、例えば、特許文献１が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−７００４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、フラックスゲートセンサでは、コア材や巻線が使われるため、装置が大型化するとともに、価格も高価になり、さらに、携帯電話内で近くにスピーカ等磁気を発生する物があった場合には、その磁気によってコア材が飽和してしまい、地磁気の測定ができなくなるため、歩行者用ナビゲーションシステムなどに用いるには不向きであった。
そこで、本発明の目的は、感度の低い磁気センサを用いたか、近くに地磁気より大きな磁気を発生する物がある移動機器内に搭載された場合においても、地磁気から方位を計測することが可能な方位角計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の方位角計測装置によれば、移動機器内に搭載される方位角計測装置であって、地磁気を検出する２軸以上の磁気センサと、前記磁気センサの各軸出力に対する基準値を記憶する第１の補正値記憶部と、前記磁気センサの出力増幅値から前記基準値を減算する第１の補正計算部を備えると共に、前記第１の補正計算部による出力補正値に基づいて、前記移動機器が向かっている方位を計算する方位角計算部と、を備え、前記方位角計測装置は、前記磁気センサの出力から回路的にキャンセル可能なオフセットを減じた出力値に対し、前記基準値を減算することを特徴とする。
【０００６】
また、請求項２記載の方位角計測装置によれば、前記磁気センサの内少なくとも１つは、ホール素子であることを特徴とする。
また、請求項３記載の方位角計測装置によれば、前記ホール素子は、当該ホール素子を駆動する電源の入力端子と、前記ホール素子の電圧出力端子の接続を切り替えるチョッパ部を含み、前記ホール素子は、互いに対向する位置に設けられた２つの端子でなる第１端子対及び第２端子対を有し、前記チョッパ部は、前記第１端子対が入力端子として使用されるときには前記第２端子対が出力端子として使用され、前記第２端子対が入力端子として使用されるときには前記第１端子対が出力端子として使用されるように入力端子と出力端子とを切り替えながら出力端子から出力電圧を外部に出力し、前記入力端子と前記出力端子とを切り替えて出力された前記出力電圧を加減算することにより、前記ホール素子の出力に含まれる回路的にキャンセル可能なオフセットの大部分を相殺した後に、前記基準値を減算することを特徴とする。
【０００７】
また、請求項４記載の方位角計測装置によれば、前記磁気センサは、地磁気を検出する３軸以上の磁気センサであり、２軸以上の傾斜センサと、前記傾斜センサの各軸出力値に基づいて、前記移動機器が水平面に対して傾いている傾斜角を計算する傾斜角計算部と、前記第１の補正計算部による磁気センサ出力補正値および前記２軸以上の傾斜角計算値に基づいて、前記移動機器が向かっている水平面の方位を計算する方位角計算部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項５記載の方位角計測装置によれば、前記磁気センサは、地磁気を検出する３軸以上の磁気センサであり、傾斜角を設定する傾斜角設定手段と、前記第１の補正計算部による磁気センサ出力補正値および前記傾斜角設定手段により設定された傾斜角に基づいて、前記移動機器が向かっている水平面の方位を計算する方位角計算部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項６記載の方位角計測装置によれば、前記第１の補正値記憶部は、前記移動機器の使用状態に対応した複数の基準値を記憶し、前記第１の補正計算部は、前記移動機器の使用状態に対応した基準値を選択して減算を行うことを特徴とする。
また、請求項７記載の方位角計測装置によれば、移動機器内に搭載される方位角計測装置であって、前記２軸以上の磁気センサの感度比を記憶する第２の補正値記憶部をさらに備えると共に、前記磁気センサの出力値に前記感度比を乗算する第２の補正計算部を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項８記載の方位角計測装置によれば、移動機器内に搭載される方位角計測装置であって、前記２軸以上の磁気センサの出力増幅値から前記基準値を減算した出力補正値を積算平均する積算平均部を備えることを特徴とする。
また、請求項９記載の方位角計測装置によれば、前記ホール素子を駆動する電源の入力端子と、前記ホール素子の電圧出力端子の接続を切り替えるチョッパ部を備えると共に、前記チョッパ部を利用して前記ホール素子の出力に含まれるオフセットの大部分を相殺した後に、前記基準値を減算する第３の補正計算部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、感度の低い磁気センサを用いた場合においても、また、移動機器内の近くに地磁気より大きい磁気を発生する物がある場合においても、地磁気に基づいて移動機器の方位を計測することが可能となり、方位角計測装置の小型・低価格化、並びに搭載可能移動機器の条件緩和を図ることできる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る方位角計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るチョッパ部の駆動方法および出力信号を示す図である。
【図３】図１の補正計算部６および方位角算出部８の動作例を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態に係る方位角計測装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る方位角計測装置の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る補正値の一例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る地磁気ベクトルと回転軸の関係を示す図である。
【図８】図５の補正計算部１６、傾斜角計算部２０および方位角算出部１８の動作例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態に係る方位角計測装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る方位角計測装置の構成を示すブロック図である。
図１において、２軸磁気センサ１、チョッパ部２、磁気センサ駆動電源部３、差動入力アンプ４、Ａ／Ｄ変換部５、補正計算部６、補正値記憶部７および方位角計算部８が設けられ、２軸磁気センサ１には、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙが設けられている。
【００１４】
ここで、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙは地磁気を検出するためのもので、例えば、ＩｎＳｂやＩｎＡｓ、ＧａＡｓなどの化合物半導体系であることが好ましい。
チョッパ部２はｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙ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３から出力された駆動電圧をｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙに印加する。
【００１５】
ここで、チョッパ部２は、例えば、９０°チョッパ駆動や３６０°チョッパ駆動などを用いることができる。なお、９０°チョッパ駆動では、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙを駆動する際に、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力に含まれるホール素子自身のオフセット項を大部分キャンセルすることができる。
また、３６０°チョッパ駆動では、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力に含まれるホール素子自身のオフセット項だけでなく、後段のアンプ自身による電気的なオフセット項もキャンセルすることができる。
【００１６】
図２は、本発明の一実施形態に係るチョッパ部２の３６０°チョッパ駆動方法および出力信号を示す図である。
図２において、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙには４つの端子Ｔ１〜Ｔ４が設けられている。そして、３６０°チョッパ駆動方法では、４つの位相ごとに、入力端子および出力端子を切り換えながら、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙを駆動する。
【００１７】
ここで、位相が０°の場合は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの各端子Ｔ１、Ｔ３を入力端子として使い、端子Ｔ３をＬＯＷレベルに設定するとともに、端子Ｔ１をＨｉｇｈレベルに設定する。そして、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの各端子Ｔ２、Ｔ４を出力端子として使い、端子Ｔ２から電圧Ｖ１を取り出すとともに、端子Ｔ４から電圧Ｖ２を取り出すことにより、差動増幅後の出力Ｄ０＝（Ｖ１−Ｖ２）として、Ｄ０＝（Ｈ１＋Ｈ２＋Ｆ１＋Ｆ２）＋Ｆ３という値を得ることができる。
【００１８】
ただし、Ｈ１は、地磁気等移動機器外部に起因する磁界のホール素子感磁軸成分に比例するホール電圧、Ｈ２は、スピーカの磁石等移動機器内部に起因する磁気のホール素子感磁軸成分に比例するホール電圧、Ｆ１は、入力端子・出力端子の位相を９０度回転させた時に、ホール電圧に対して符号が反転するｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙのオフセット電圧、Ｆ２は、入力端子・出力端子の位相を９０度回転させた時に、ホール電圧に対して符号が変わらないｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙのオフセット電圧であり、通常は、Ｆ１≫Ｆ２であって、Ｆ１がホール素子自身のオフセット電圧の大部分を占めている。また、Ｆ３は、差動入力アンプ４のオフセット電圧である。
【００１９】
位相が９０°の場合は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの各端子Ｔ２、Ｔ４を入力端子として使い、端子Ｔ４をＬＯＷレベルに設定するとともに、端子Ｔ２をＨｉｇｈレベルに設定する。そして、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの各端子Ｔ１、Ｔ３を出力端子として使い、端子Ｔ１から電圧Ｖ１を取り出すとともに、端子Ｔ３から電圧Ｖ２を取り出すことにより、差動増幅後の出力Ｄ９０＝（Ｖ１−Ｖ２）として、Ｄ９０＝（Ｈ１＋Ｈ２−Ｆ１＋Ｆ２）＋Ｆ３という値を得ることができる。
【００２０】
位相が１８０°の場合は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの各端子Ｔ３、Ｔ１を入力端子として使い、端子Ｔ１をＬＯＷレベルに設定するとともに、端子Ｔ３をＨｉｇｈレベルに設定する。そして、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの各端子Ｔ２、Ｔ４を出力端子として使い、端子Ｔ２から電圧Ｖ１を取り出すとともに、端子Ｔ４から電圧Ｖ２を取り出すことにより、差動増幅後の出力Ｄ１８０＝（Ｖ１−Ｖ２）として、Ｄ１８０＝−（Ｈ１＋Ｈ２＋Ｆ１＋Ｆ２）＋Ｆ３という値を得ることができる。
【００２１】
位相が２７０°の場合は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの各端子Ｔ４、Ｔ２を入力端子として使い、端子Ｔ２をＬＯＷレベルに設定するとともに、端子Ｔ４をＨｉｇｈレベルに設定する。そして、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの各端子Ｔ１、Ｔ３を出力端子として使い、端子Ｔ１から電圧Ｖ１を取り出すとともに、端子Ｔ３から電圧Ｖ２を取り出すことにより、差動増幅後の出力Ｄ３６０＝（Ｖ１−Ｖ２）として、Ｄ３６０＝−（Ｈ１＋Ｈ２−Ｆ１＋Ｆ２）＋Ｆ３という値を得ることができる。
【００２２】
そして、これらの出力を以下の式で計算することにより、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙのオフセット項の大部分およびアンプの電気的オフセット項をキャンセルして、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力から、回路的にキャンセル可能なオフセット項を減じて、温度変化等による出力の変化を少なくすることができる。
（Ｄ０＋Ｄ９０−Ｄ１８０−Ｄ３６０）＝Ｈ１＋Ｈ２＋Ｆ２
【００２３】
次に、図１において、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙから出力された信号は、差動入力アンプ４で増幅され、ここで増幅された出力増幅値Ｄｘ、ＤｙがＡ／Ｄ変換部５でデジタル信号に変換された後、補正計算部６に入力される。
ここで、補正値記憶部７には、上記Ｈ２＋Ｆ２に相当するｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの基準値Ｌｘ、Ｌｙが記憶され、補正計算部６は、この基準値Ｌｘ、Ｌｙを用いることにより、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙを補正し、上記Ｈ１に相当する地磁気の各軸成分に比例した値α、βだけを取り出す。
【００２４】
なお、補正値記憶部７に記憶される基準値Ｌｘ、Ｌｙとして、方位角計測装置を携帯機器に入れた状態で、チョッパ駆動して測定したｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの基準値Ｌｘ、Ｌｙを記憶させることができる。
そして、補正計算部６は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙから、この基準値Ｌｘ、Ｌｙを減算することにより、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力から、地磁気の各軸成分に比例した値α、βだけを取り出すことができる。
【００２５】
補正計算部６において地磁気の各軸成分に比例した値α、βが取り出されると、この値α、βは方位角計算部７に出力される。そして、方位角計算部７は、地磁気の各軸成分に比例した値α、βの符号と、θ＝ａｒｃＴＡＮ（β／α）の式に基づいて、方位角θを算出する。
これにより、たとえ地磁気から得られる信号が微弱なため、チョッパ部２でオフセットをキャンセルした後の残留オフセット値が、信号成分と同等レベル以上残っている場合においても、また、携帯機器の近くに、スピーカ等地磁気より大きい磁気を発生するものがある場合においても、方位角の算出を行うことが可能となる。
【００２６】
図３は、図１の補正計算部６および方位角算出部８の動作例を示すフローチャートである。
図３において、補正計算部６は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙを取得すると（ステップＳ１）、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの基準値Ｌｘ、Ｌｙを補正値記憶部７から取得する（ステップＳ２）。
【００２７】
次に、補正計算部６は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙから基準値Ｌｘ、Ｌｙを減算することにより、地磁気の各軸成分に比例した値α、βだけを取り出し（ステップＳ３）、方位角算出部８に出力する。
次に、方位角算出部８は、地磁気の各軸成分に比例した値α、βを用いることにより、方位角θを算出し（ステップＳ４）、算出した方位角θを出力する（ステップＳ５）。
【００２８】
図４は、本発明の第２実施形態に係る方位角計測装置の構成を示すブロック図である。
図４において、図１の補正計算部６の後段には、補正計算部６から出力された信号を積算平均するための積算平均部９が設けられている。そして、方位角計算部８は、この積算平均値に基づいて方位角θを算出する。
通常、携帯機器、特に、携帯電話等電源容量に限りがある機器の場合には、消費電力を抑えたり、計算速度を速めたりするために、固定小数点演算を行うことが多い。
【００２９】
このような場合、ホール素子の出力から基準値を減算して、絶対値を小さくした後に積算平均を行うことにより、計算のオーバーフローを防ぎ、計算精度を高く保つことが容易になる。
これにより、地磁気の各軸成分に比例した値α、βのみを積算平均して、Ｓ／Ｎ比を向上させることができ、感度の低いｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙを用いた場合においても、歩行者の進行方向を計測するために必要な角度分解能を確保することができる。
【００３０】
図５は、本発明の第３実施形態に係る方位角計測装置の構成を示すブロック図である。
図５において、３軸磁気センサ１１、チョッパ部１２、磁気センサ駆動電源部１３、差動入力アンプ１４、Ａ／Ｄ変換部１５、補正計算部１６、補正値記憶部１７、方位角計算部１８、積算平均部１９、傾斜角計算部２Ｆ２軸傾斜センサ２１および傾斜センサ駆動電源部２２が設けられ、３軸磁気センサ１１には、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚが設けられている。
【００３１】
なお、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚは地磁気を検出するためのもので、例えば、ＩｎＳｂやＩｎＡｓ、ＧａＡｓなどの化合物半導体系であることが好ましい。
ここで、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚはチョッパ部１２により駆動端子が入れ換えられる。そして、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚから出力された信号は、差動入力アンプ１４で増幅され、ここで増幅された出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙ、ＤｚがＡ／Ｄ変換部１５でデジタル信号に変換された後、補正計算部１６に入力される。
また、２軸傾斜センサ２１は、方位角計測装置が搭載される携帯端末の傾きを計測し、その計測結果Ｋａ、Ｋｂを補正計算部１６に出力する。
【００３２】
ここで、補正値記憶部１７には、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚの基準値Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚに加え、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚの感度比Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚが記憶される。
そして、補正計算部１６は、これらの基準値Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚおよび感度比Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚを用いることにより、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚの出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚを補正し、地磁気の各軸成分に比例した値α、β、γだけを取り出す。
【００３３】
図６は、本発明の一実施形態に係る基準値Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚおよび感度比Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚの一例を示す図である。
図６において、各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚの地磁気感度値（地磁気水平成分の最大値に対応する各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚの出力値）は、１７．３、１５．９、１８．０である。
【００３４】
また、方位角計測装置を携帯機器に入れる前の状態で、チョッパ駆動なしで測定した各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚのオフセット値（ｍＶ）は、−１６４．５、３０１．０、１０６４．０、方位角計測装置を携帯機器に入れる前の状態で、チョッパ駆動ありで測定した各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚのオフセット値（ｍＶ）は、２５．３、２２．８、１６．８、方位角計測装置を携帯機器に入れた後の状態で、チョッパ駆動なしで測定した各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚのオフセット値（ｍＶ）は、−５８．１、２５３．８、７７４．７、方位角計測装置を携帯機器に入れる前の状態で、チョッパ駆動ありで測定した各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚのオフセット値（ｍＶ）は、１３１．７、−２４．４、−２７２．５である。
【００３５】
なお、ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚは、旭化成電子（株）製：ＨＷ１０５Ｃを用い、駆動電圧：１．０Ｖ、差動入力アンプゲイン：５００倍とした。
また、地磁気感度値として、ホール素子感磁軸が水平になるように配置し、水平面で１周等速回転させて、この時の最大出力と最小出力との差を２で割った値を用いた。
また、オフセット値として、ホール素子感磁軸が水平になるように配置し、水平面で１周等速回転させて、この時の出力を１周積分平均した値を用いた。
【００３６】
このように、ホール素子の地磁気感度値は、同一製品を用いた場合においても、各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚごとにばらつきがあり、地磁気などのように微弱な信号を計測する場合には無視できない。
また、携帯機器のスピーカなどに使用される磁石からの磁気の影響のため、方位角計測装置を携帯機器に入れる前後で、各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚのオフセット値は大きく異なり、その差はチョッパを用いた場合においても、地磁気を測定した場合の各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚの信号成分と同等レベルかそれ以上ある。
【００３７】
このため、方位角計測装置を携帯機器に搭載して使用する場合、各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚの感度補正値（比率の逆数）および位角計測装置を携帯機器に入れた後の状態で測定した基準値を補正値記憶部１７に記憶する。
そして、図５の補正計算部１６は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚの出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙを、補正値記憶部１７に記憶されている感度補正値および方位角計測装置を携帯機器に入れた後の状態で測定した基準値を用いて補正する。
【００３８】
そして、方位角計算部１８は、その補正後の地磁気の３軸データα、β、γと、傾斜角計算部２０で算出された２軸の傾斜角φ、ηとを用いることにより、方位角θを算出する。
これにより、方位角計測装置が搭載された携帯端末が傾いている場合においても、微弱な地磁気を用いて方位を算出することができる。
【００３９】
なお、図６の実施形態では、方位角計測装置を携帯機器に入れる前後で、各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚのオフセット値が大きく異なる例について示したが、各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚのオフセット値は、方位角計測装置を携帯機器に入れる前後ばかりでなく、携帯機器の使用状態によっても異なる。
例えば、折り畳み式の携帯電話では、携帯電話を折り畳んだ状態と、携帯電話を閉じた状態とでは、各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚのオフセット値が異なる。
【００４０】
このため、各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚについて、携帯機器の使用状態ごとの複数のオフセット値を補正値記憶部１７に記憶し、方位計算部１６が現在の携帯機器の使用状態に対応したオフセット値を選択して、方位を算出するようにしてもよい。
ここで、感度とオフセットが補正された３軸の地磁気データα、β、γおよび２軸の傾斜角データφ、ηを用いて方位角θを算出する場合、以下の計算アルゴリズムを用いることができる。
【００４１】
図７は、方位角θを算出する場合の地磁気ベクトルと回転軸の関係を示す図である。
図７において、地磁気ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ）に対応してＴＭｘ軸を設定し、このＴＭｘ軸に直交する２軸をＴＭｙ軸、ＴＭｚ軸とする。
また、方位角計測装置を携帯端末１０に搭載して用いる場合において、地磁気ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ）に対する携帯端末１０の方位をθ、俯角をδとする。また、携帯端末１０は水平面から長手方向にφ、短手方向にηだけ傾いているものとする。
【００４２】
そして、俯角δを補正するために、ＴＭｙ軸の周りに、−δだけ回転させ、この回転後の軸をＨＸ、ＨＹ、ＨＺとする。
次に、ＨＺ軸の周りに、θだけ回転させ、この回転後の軸をＭ１ｘ、Ｍ１ｙ、Ｍ１ｚとする。
次に、Ｍ１ｙ軸の周りに、−φだけ回転させ、この回転後の軸をＭ２ｘ、Ｍ２ｙ、Ｍ２ｚとし、さらに、Ｍ２ｘ軸の周りに、−ηだけ回転させる。
これらの回転により、地磁気ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ）と各ホール素子Ｈ１〜Ｈ３からの出力（α、β、γ）との間には、以下の（１）式が成り立つ。
【００４３】
【数１】
【００４４】
そして、地磁気ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ）＝（１、０、０）の関係より、各ホール素子Ｈ１〜Ｈ３からの出力（α、β、γ）を求めると、以下の（２）式が得られる。
【００４５】
【数２】
【００４６】
次に、（２）式のαの式を変形すると、以下の（３）式が得られる。
【００４７】
【数３】
【００４８】
次に、（３）式を（２）式のβ、γの式に代入すると、以下の（４）、（５）式が得られる。
【００４９】
【数４】
【００５０】
次に、（４）、（５）式からｃｏｓ（δ）を求めると、以下の（６）式が得られる。
【００５１】
【数５】
【００５２】
次に、（６）式を変形して方位角θを求めると、以下の（７）式が得られる。
【００５３】
【数６】
【００５４】
このように、３軸の地磁気データα、β、γおよび２軸の傾斜角データφ、ηを用いることにより、俯角δを用いることなく、方位角θを算出することができる。
図８は、図５の補正計算部１６、傾斜角計算部２０および方位角算出部１８の動作例を示すフローチャートである。
図８において、補正計算部１６は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚの出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚを取得すると（ステップＳ１１）、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚの基準値Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚを補正値記憶部１７から取得する（ステップＳ１２）。
【００５５】
次に、補正計算部１６は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚの出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚから基準値Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚを減算する（ステップＳ１３）。そして、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚの感度比Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚを用いて減算結果を補正し、地磁気の各軸成分に比例した値α、β、γだけを取り出した後（ステップＳ１４）、方位角計算部１８に出力する。
【００５６】
次に、傾斜角計算部２０は、２軸傾斜センサ２１の出力値Ｋａ、Ｋｂを取得する（ステップＳ１５）。そして、出力値Ｋａ、Ｋｂを用いて傾斜角φ、ηを計算し（ステップＳ１６）、方位角計算部１８に出力する。
次に、方位角計算部１８は、地磁気の各軸成分に比例した値α、β、γと傾斜角φ、ηとを用いることにより、方位角θを算出し（ステップＳ１７）、算出した方位角θを出力する（ステップＳ１８）。
なお、上述した実施形態では、傾斜角φ、ηを求めるために、２軸傾斜センサ２１の計測値を用いる方法について説明したが、傾斜角を使用者が設定し、この設定値を用いて、方位角θを算出するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上説明した本発明の方位角計測装置は、磁気センサを使って方位を求める構成であればどのようなものにも適用することができるが、感度の低い磁気センサを用いた場合、あるいは方位角計測装置が搭載される機器の近くに地磁気より大きい磁気を発生する物がある場合に特に効果を発揮する。
【符号の説明】
【００５８】
１ ２軸磁気センサ
１１ ３軸磁気センサ
ＨＥｘ ｘ軸ホール素子
ＨＥｙ ｙ軸ホール素子
ＨＥｚ ｚ軸ホール素子
２、１２ チョッパ部
３、１３ 磁気センサ駆動電源部
４、１４ 差動入力アンプ
５、１５ Ａ／Ｄ変換部
６、１６ 補正計算部
７、１７ 補正値記憶部
８、１８ 方位角計算部
９、１９ 積算平均部
２０ 傾斜角計算部
１０ 携帯端末 ２１ ２軸傾斜センサ
２２ 傾斜センサ駆動電源部
【技術分野】
【０００１】
本発明は方位角計測装置に関し、特に、地磁気を検出して方位を求める場合に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やＰＤＡなどの普及により、歩行者用ナビゲーションシステムのニーズが高まっており、歩行者の現在位置と共に進行方向を計測するための方位センサシステムの需要が高まっている。
歩行者の進行方向を計測するために、従来から行われている方法として、感度の高いフラックスゲートセンサにより地磁気を検出して方位を求める方法があった。なお、このような従来技術としては、例えば、特許文献１が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−７００４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、フラックスゲートセンサでは、コア材や巻線が使われるため、装置が大型化するとともに、価格も高価になり、さらに、携帯電話内で近くにスピーカ等磁気を発生する物があった場合には、その磁気によってコア材が飽和してしまい、地磁気の測定ができなくなるため、歩行者用ナビゲーションシステムなどに用いるには不向きであった。
そこで、本発明の目的は、感度の低い磁気センサを用いたか、近くに地磁気より大きな磁気を発生する物がある移動機器内に搭載された場合においても、地磁気から方位を計測することが可能な方位角計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の方位角計測装置によれば、移動機器内に搭載される方位角計測装置であって、地磁気を検出する２軸以上の磁気センサと、前記磁気センサの各軸出力に対する基準値を記憶する第１の補正値記憶部と、前記磁気センサの出力増幅値から前記基準値を減算する第１の補正計算部を備えると共に、前記第１の補正計算部による出力補正値に基づいて、前記移動機器が向かっている方位を計算する方位角計算部と、を備え、前記方位角計測装置は、前記磁気センサの出力から回路的にキャンセル可能なオフセットを減じた出力値に対し、前記基準値を減算することを特徴とする。
【０００６】
また、請求項２記載の方位角計測装置によれば、前記磁気センサの内少なくとも１つは、ホール素子であることを特徴とする。
また、請求項３記載の方位角計測装置によれば、前記ホール素子は、当該ホール素子を駆動する電源の入力端子と、前記ホール素子の電圧出力端子の接続を切り替えるチョッパ部を含み、前記ホール素子は、互いに対向する位置に設けられた２つの端子でなる第１端子対及び第２端子対を有し、前記チョッパ部は、前記第１端子対が入力端子として使用されるときには前記第２端子対が出力端子として使用され、前記第２端子対が入力端子として使用されるときには前記第１端子対が出力端子として使用されるように入力端子と出力端子とを切り替えながら出力端子から出力電圧を外部に出力し、前記入力端子と前記出力端子とを切り替えて出力された前記出力電圧を加減算することにより、前記ホール素子の出力に含まれる回路的にキャンセル可能なオフセットの大部分を相殺した後に、前記基準値を減算することを特徴とする。
【０００７】
また、請求項４記載の方位角計測装置によれば、前記磁気センサは、地磁気を検出する３軸以上の磁気センサであり、２軸以上の傾斜センサと、前記傾斜センサの各軸出力値に基づいて、前記移動機器が水平面に対して傾いている傾斜角を計算する傾斜角計算部と、前記第１の補正計算部による磁気センサ出力補正値および前記２軸以上の傾斜角計算値に基づいて、前記移動機器が向かっている水平面の方位を計算する方位角計算部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項５記載の方位角計測装置によれば、前記磁気センサは、地磁気を検出する３軸以上の磁気センサであり、傾斜角を設定する傾斜角設定手段と、前記第１の補正計算部による磁気センサ出力補正値および前記傾斜角設定手段により設定された傾斜角に基づいて、前記移動機器が向かっている水平面の方位を計算する方位角計算部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項６記載の方位角計測装置によれば、前記第１の補正値記憶部は、前記移動機器の使用状態に対応した複数の基準値を記憶し、前記第１の補正計算部は、前記移動機器の使用状態に対応した基準値を選択して減算を行うことを特徴とする。
また、請求項７記載の方位角計測装置によれば、移動機器内に搭載される方位角計測装置であって、前記２軸以上の磁気センサの感度比を記憶する第２の補正値記憶部をさらに備えると共に、前記磁気センサの出力値に前記感度比を乗算する第２の補正計算部を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項８記載の方位角計測装置によれば、移動機器内に搭載される方位角計測装置であって、前記２軸以上の磁気センサの出力増幅値から前記基準値を減算した出力補正値を積算平均する積算平均部を備えることを特徴とする。
また、請求項９記載の方位角計測装置によれば、前記ホール素子を駆動する電源の入力端子と、前記ホール素子の電圧出力端子の接続を切り替えるチョッパ部を備えると共に、前記チョッパ部を利用して前記ホール素子の出力に含まれるオフセットの大部分を相殺した後に、前記基準値を減算する第３の補正計算部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、感度の低い磁気センサを用いた場合においても、また、移動機器内の近くに地磁気より大きい磁気を発生する物がある場合においても、地磁気に基づいて移動機器の方位を計測することが可能となり、方位角計測装置の小型・低価格化、並びに搭載可能移動機器の条件緩和を図ることできる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る方位角計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るチョッパ部の駆動方法および出力信号を示す図である。
【図３】図１の補正計算部６および方位角算出部８の動作例を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態に係る方位角計測装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る方位角計測装置の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る補正値の一例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る地磁気ベクトルと回転軸の関係を示す図である。
【図８】図５の補正計算部１６、傾斜角計算部２０および方位角算出部１８の動作例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態に係る方位角計測装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る方位角計測装置の構成を示すブロック図である。
図１において、２軸磁気センサ１、チョッパ部２、磁気センサ駆動電源部３、差動入力アンプ４、Ａ／Ｄ変換部５、補正計算部６、補正値記憶部７および方位角計算部８が設けられ、２軸磁気センサ１には、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙが設けられている。
【００１４】
ここで、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙは地磁気を検出するためのもので、例えば、ＩｎＳｂやＩｎＡｓ、ＧａＡｓなどの化合物半導体系であることが好ましい。
チョッパ部２はｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙ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３から出力された駆動電圧をｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙに印加する。
【００１５】
ここで、チョッパ部２は、例えば、９０°チョッパ駆動や３６０°チョッパ駆動などを用いることができる。なお、９０°チョッパ駆動では、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙを駆動する際に、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力に含まれるホール素子自身のオフセット項を大部分キャンセルすることができる。
また、３６０°チョッパ駆動では、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力に含まれるホール素子自身のオフセット項だけでなく、後段のアンプ自身による電気的なオフセット項もキャンセルすることができる。
【００１６】
図２は、本発明の一実施形態に係るチョッパ部２の３６０°チョッパ駆動方法および出力信号を示す図である。
図２において、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙには４つの端子Ｔ１〜Ｔ４が設けられている。そして、３６０°チョッパ駆動方法では、４つの位相ごとに、入力端子および出力端子を切り換えながら、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙを駆動する。
【００１７】
ここで、位相が０°の場合は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの各端子Ｔ１、Ｔ３を入力端子として使い、端子Ｔ３をＬＯＷレベルに設定するとともに、端子Ｔ１をＨｉｇｈレベルに設定する。そして、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの各端子Ｔ２、Ｔ４を出力端子として使い、端子Ｔ２から電圧Ｖ１を取り出すとともに、端子Ｔ４から電圧Ｖ２を取り出すことにより、差動増幅後の出力Ｄ０＝（Ｖ１−Ｖ２）として、Ｄ０＝（Ｈ１＋Ｈ２＋Ｆ１＋Ｆ２）＋Ｆ３という値を得ることができる。
【００１８】
ただし、Ｈ１は、地磁気等移動機器外部に起因する磁界のホール素子感磁軸成分に比例するホール電圧、Ｈ２は、スピーカの磁石等移動機器内部に起因する磁気のホール素子感磁軸成分に比例するホール電圧、Ｆ１は、入力端子・出力端子の位相を９０度回転させた時に、ホール電圧に対して符号が反転するｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙのオフセット電圧、Ｆ２は、入力端子・出力端子の位相を９０度回転させた時に、ホール電圧に対して符号が変わらないｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙのオフセット電圧であり、通常は、Ｆ１≫Ｆ２であって、Ｆ１がホール素子自身のオフセット電圧の大部分を占めている。また、Ｆ３は、差動入力アンプ４のオフセット電圧である。
【００１９】
位相が９０°の場合は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの各端子Ｔ２、Ｔ４を入力端子として使い、端子Ｔ４をＬＯＷレベルに設定するとともに、端子Ｔ２をＨｉｇｈレベルに設定する。そして、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの各端子Ｔ１、Ｔ３を出力端子として使い、端子Ｔ１から電圧Ｖ１を取り出すとともに、端子Ｔ３から電圧Ｖ２を取り出すことにより、差動増幅後の出力Ｄ９０＝（Ｖ１−Ｖ２）として、Ｄ９０＝（Ｈ１＋Ｈ２−Ｆ１＋Ｆ２）＋Ｆ３という値を得ることができる。
【００２０】
位相が１８０°の場合は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの各端子Ｔ３、Ｔ１を入力端子として使い、端子Ｔ１をＬＯＷレベルに設定するとともに、端子Ｔ３をＨｉｇｈレベルに設定する。そして、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの各端子Ｔ２、Ｔ４を出力端子として使い、端子Ｔ２から電圧Ｖ１を取り出すとともに、端子Ｔ４から電圧Ｖ２を取り出すことにより、差動増幅後の出力Ｄ１８０＝（Ｖ１−Ｖ２）として、Ｄ１８０＝−（Ｈ１＋Ｈ２＋Ｆ１＋Ｆ２）＋Ｆ３という値を得ることができる。
【００２１】
位相が２７０°の場合は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの各端子Ｔ４、Ｔ２を入力端子として使い、端子Ｔ２をＬＯＷレベルに設定するとともに、端子Ｔ４をＨｉｇｈレベルに設定する。そして、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの各端子Ｔ１、Ｔ３を出力端子として使い、端子Ｔ１から電圧Ｖ１を取り出すとともに、端子Ｔ３から電圧Ｖ２を取り出すことにより、差動増幅後の出力Ｄ３６０＝（Ｖ１−Ｖ２）として、Ｄ３６０＝−（Ｈ１＋Ｈ２−Ｆ１＋Ｆ２）＋Ｆ３という値を得ることができる。
【００２２】
そして、これらの出力を以下の式で計算することにより、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙのオフセット項の大部分およびアンプの電気的オフセット項をキャンセルして、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力から、回路的にキャンセル可能なオフセット項を減じて、温度変化等による出力の変化を少なくすることができる。
（Ｄ０＋Ｄ９０−Ｄ１８０−Ｄ３６０）＝Ｈ１＋Ｈ２＋Ｆ２
【００２３】
次に、図１において、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙから出力された信号は、差動入力アンプ４で増幅され、ここで増幅された出力増幅値Ｄｘ、ＤｙがＡ／Ｄ変換部５でデジタル信号に変換された後、補正計算部６に入力される。
ここで、補正値記憶部７には、上記Ｈ２＋Ｆ２に相当するｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの基準値Ｌｘ、Ｌｙが記憶され、補正計算部６は、この基準値Ｌｘ、Ｌｙを用いることにより、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙを補正し、上記Ｈ１に相当する地磁気の各軸成分に比例した値α、βだけを取り出す。
【００２４】
なお、補正値記憶部７に記憶される基準値Ｌｘ、Ｌｙとして、方位角計測装置を携帯機器に入れた状態で、チョッパ駆動して測定したｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの基準値Ｌｘ、Ｌｙを記憶させることができる。
そして、補正計算部６は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙから、この基準値Ｌｘ、Ｌｙを減算することにより、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力から、地磁気の各軸成分に比例した値α、βだけを取り出すことができる。
【００２５】
補正計算部６において地磁気の各軸成分に比例した値α、βが取り出されると、この値α、βは方位角計算部７に出力される。そして、方位角計算部７は、地磁気の各軸成分に比例した値α、βの符号と、θ＝ａｒｃＴＡＮ（β／α）の式に基づいて、方位角θを算出する。
これにより、たとえ地磁気から得られる信号が微弱なため、チョッパ部２でオフセットをキャンセルした後の残留オフセット値が、信号成分と同等レベル以上残っている場合においても、また、携帯機器の近くに、スピーカ等地磁気より大きい磁気を発生するものがある場合においても、方位角の算出を行うことが可能となる。
【００２６】
図３は、図１の補正計算部６および方位角算出部８の動作例を示すフローチャートである。
図３において、補正計算部６は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙを取得すると（ステップＳ１）、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの基準値Ｌｘ、Ｌｙを補正値記憶部７から取得する（ステップＳ２）。
【００２７】
次に、補正計算部６は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙから基準値Ｌｘ、Ｌｙを減算することにより、地磁気の各軸成分に比例した値α、βだけを取り出し（ステップＳ３）、方位角算出部８に出力する。
次に、方位角算出部８は、地磁気の各軸成分に比例した値α、βを用いることにより、方位角θを算出し（ステップＳ４）、算出した方位角θを出力する（ステップＳ５）。
【００２８】
図４は、本発明の第２実施形態に係る方位角計測装置の構成を示すブロック図である。
図４において、図１の補正計算部６の後段には、補正計算部６から出力された信号を積算平均するための積算平均部９が設けられている。そして、方位角計算部８は、この積算平均値に基づいて方位角θを算出する。
通常、携帯機器、特に、携帯電話等電源容量に限りがある機器の場合には、消費電力を抑えたり、計算速度を速めたりするために、固定小数点演算を行うことが多い。
【００２９】
このような場合、ホール素子の出力から基準値を減算して、絶対値を小さくした後に積算平均を行うことにより、計算のオーバーフローを防ぎ、計算精度を高く保つことが容易になる。
これにより、地磁気の各軸成分に比例した値α、βのみを積算平均して、Ｓ／Ｎ比を向上させることができ、感度の低いｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙを用いた場合においても、歩行者の進行方向を計測するために必要な角度分解能を確保することができる。
【００３０】
図５は、本発明の第３実施形態に係る方位角計測装置の構成を示すブロック図である。
図５において、３軸磁気センサ１１、チョッパ部１２、磁気センサ駆動電源部１３、差動入力アンプ１４、Ａ／Ｄ変換部１５、補正計算部１６、補正値記憶部１７、方位角計算部１８、積算平均部１９、傾斜角計算部２Ｆ２軸傾斜センサ２１および傾斜センサ駆動電源部２２が設けられ、３軸磁気センサ１１には、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚが設けられている。
【００３１】
なお、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚは地磁気を検出するためのもので、例えば、ＩｎＳｂやＩｎＡｓ、ＧａＡｓなどの化合物半導体系であることが好ましい。
ここで、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚはチョッパ部１２により駆動端子が入れ換えられる。そして、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚから出力された信号は、差動入力アンプ１４で増幅され、ここで増幅された出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙ、ＤｚがＡ／Ｄ変換部１５でデジタル信号に変換された後、補正計算部１６に入力される。
また、２軸傾斜センサ２１は、方位角計測装置が搭載される携帯端末の傾きを計測し、その計測結果Ｋａ、Ｋｂを補正計算部１６に出力する。
【００３２】
ここで、補正値記憶部１７には、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚの基準値Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚに加え、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚの感度比Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚが記憶される。
そして、補正計算部１６は、これらの基準値Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚおよび感度比Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚを用いることにより、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚの出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚを補正し、地磁気の各軸成分に比例した値α、β、γだけを取り出す。
【００３３】
図６は、本発明の一実施形態に係る基準値Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚおよび感度比Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚの一例を示す図である。
図６において、各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚの地磁気感度値（地磁気水平成分の最大値に対応する各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚの出力値）は、１７．３、１５．９、１８．０である。
【００３４】
また、方位角計測装置を携帯機器に入れる前の状態で、チョッパ駆動なしで測定した各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚのオフセット値（ｍＶ）は、−１６４．５、３０１．０、１０６４．０、方位角計測装置を携帯機器に入れる前の状態で、チョッパ駆動ありで測定した各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚのオフセット値（ｍＶ）は、２５．３、２２．８、１６．８、方位角計測装置を携帯機器に入れた後の状態で、チョッパ駆動なしで測定した各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚのオフセット値（ｍＶ）は、−５８．１、２５３．８、７７４．７、方位角計測装置を携帯機器に入れる前の状態で、チョッパ駆動ありで測定した各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚのオフセット値（ｍＶ）は、１３１．７、−２４．４、−２７２．５である。
【００３５】
なお、ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚは、旭化成電子（株）製：ＨＷ１０５Ｃを用い、駆動電圧：１．０Ｖ、差動入力アンプゲイン：５００倍とした。
また、地磁気感度値として、ホール素子感磁軸が水平になるように配置し、水平面で１周等速回転させて、この時の最大出力と最小出力との差を２で割った値を用いた。
また、オフセット値として、ホール素子感磁軸が水平になるように配置し、水平面で１周等速回転させて、この時の出力を１周積分平均した値を用いた。
【００３６】
このように、ホール素子の地磁気感度値は、同一製品を用いた場合においても、各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚごとにばらつきがあり、地磁気などのように微弱な信号を計測する場合には無視できない。
また、携帯機器のスピーカなどに使用される磁石からの磁気の影響のため、方位角計測装置を携帯機器に入れる前後で、各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚのオフセット値は大きく異なり、その差はチョッパを用いた場合においても、地磁気を測定した場合の各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚの信号成分と同等レベルかそれ以上ある。
【００３７】
このため、方位角計測装置を携帯機器に搭載して使用する場合、各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚの感度補正値（比率の逆数）および位角計測装置を携帯機器に入れた後の状態で測定した基準値を補正値記憶部１７に記憶する。
そして、図５の補正計算部１６は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚの出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙを、補正値記憶部１７に記憶されている感度補正値および方位角計測装置を携帯機器に入れた後の状態で測定した基準値を用いて補正する。
【００３８】
そして、方位角計算部１８は、その補正後の地磁気の３軸データα、β、γと、傾斜角計算部２０で算出された２軸の傾斜角φ、ηとを用いることにより、方位角θを算出する。
これにより、方位角計測装置が搭載された携帯端末が傾いている場合においても、微弱な地磁気を用いて方位を算出することができる。
【００３９】
なお、図６の実施形態では、方位角計測装置を携帯機器に入れる前後で、各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚのオフセット値が大きく異なる例について示したが、各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚのオフセット値は、方位角計測装置を携帯機器に入れる前後ばかりでなく、携帯機器の使用状態によっても異なる。
例えば、折り畳み式の携帯電話では、携帯電話を折り畳んだ状態と、携帯電話を閉じた状態とでは、各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚのオフセット値が異なる。
【００４０】
このため、各ホール素子ＨＥｘ、ＨＥｙ、ＨＥｚについて、携帯機器の使用状態ごとの複数のオフセット値を補正値記憶部１７に記憶し、方位計算部１６が現在の携帯機器の使用状態に対応したオフセット値を選択して、方位を算出するようにしてもよい。
ここで、感度とオフセットが補正された３軸の地磁気データα、β、γおよび２軸の傾斜角データφ、ηを用いて方位角θを算出する場合、以下の計算アルゴリズムを用いることができる。
【００４１】
図７は、方位角θを算出する場合の地磁気ベクトルと回転軸の関係を示す図である。
図７において、地磁気ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ）に対応してＴＭｘ軸を設定し、このＴＭｘ軸に直交する２軸をＴＭｙ軸、ＴＭｚ軸とする。
また、方位角計測装置を携帯端末１０に搭載して用いる場合において、地磁気ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ）に対する携帯端末１０の方位をθ、俯角をδとする。また、携帯端末１０は水平面から長手方向にφ、短手方向にηだけ傾いているものとする。
【００４２】
そして、俯角δを補正するために、ＴＭｙ軸の周りに、−δだけ回転させ、この回転後の軸をＨＸ、ＨＹ、ＨＺとする。
次に、ＨＺ軸の周りに、θだけ回転させ、この回転後の軸をＭ１ｘ、Ｍ１ｙ、Ｍ１ｚとする。
次に、Ｍ１ｙ軸の周りに、−φだけ回転させ、この回転後の軸をＭ２ｘ、Ｍ２ｙ、Ｍ２ｚとし、さらに、Ｍ２ｘ軸の周りに、−ηだけ回転させる。
これらの回転により、地磁気ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ）と各ホール素子Ｈ１〜Ｈ３からの出力（α、β、γ）との間には、以下の（１）式が成り立つ。
【００４３】
【数１】
【００４４】
そして、地磁気ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ）＝（１、０、０）の関係より、各ホール素子Ｈ１〜Ｈ３からの出力（α、β、γ）を求めると、以下の（２）式が得られる。
【００４５】
【数２】
【００４６】
次に、（２）式のαの式を変形すると、以下の（３）式が得られる。
【００４７】
【数３】
【００４８】
次に、（３）式を（２）式のβ、γの式に代入すると、以下の（４）、（５）式が得られる。
【００４９】
【数４】
【００５０】
次に、（４）、（５）式からｃｏｓ（δ）を求めると、以下の（６）式が得られる。
【００５１】
【数５】
【００５２】
次に、（６）式を変形して方位角θを求めると、以下の（７）式が得られる。
【００５３】
【数６】
【００５４】
このように、３軸の地磁気データα、β、γおよび２軸の傾斜角データφ、ηを用いることにより、俯角δを用いることなく、方位角θを算出することができる。
図８は、図５の補正計算部１６、傾斜角計算部２０および方位角算出部１８の動作例を示すフローチャートである。
図８において、補正計算部１６は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚの出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚを取得すると（ステップＳ１１）、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚの基準値Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚを補正値記憶部１７から取得する（ステップＳ１２）。
【００５５】
次に、補正計算部１６は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚの出力増幅値Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚから基準値Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚを減算する（ステップＳ１３）。そして、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙおよびｚ軸ホール素子ＨＥｚの感度比Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚを用いて減算結果を補正し、地磁気の各軸成分に比例した値α、β、γだけを取り出した後（ステップＳ１４）、方位角計算部１８に出力する。
【００５６】
次に、傾斜角計算部２０は、２軸傾斜センサ２１の出力値Ｋａ、Ｋｂを取得する（ステップＳ１５）。そして、出力値Ｋａ、Ｋｂを用いて傾斜角φ、ηを計算し（ステップＳ１６）、方位角計算部１８に出力する。
次に、方位角計算部１８は、地磁気の各軸成分に比例した値α、β、γと傾斜角φ、ηとを用いることにより、方位角θを算出し（ステップＳ１７）、算出した方位角θを出力する（ステップＳ１８）。
なお、上述した実施形態では、傾斜角φ、ηを求めるために、２軸傾斜センサ２１の計測値を用いる方法について説明したが、傾斜角を使用者が設定し、この設定値を用いて、方位角θを算出するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上説明した本発明の方位角計測装置は、磁気センサを使って方位を求める構成であればどのようなものにも適用することができるが、感度の低い磁気センサを用いた場合、あるいは方位角計測装置が搭載される機器の近くに地磁気より大きい磁気を発生する物がある場合に特に効果を発揮する。
【符号の説明】
【００５８】
１ ２軸磁気センサ
１１ ３軸磁気センサ
ＨＥｘ ｘ軸ホール素子
ＨＥｙ ｙ軸ホール素子
ＨＥｚ ｚ軸ホール素子
２、１２ チョッパ部
３、１３ 磁気センサ駆動電源部
４、１４ 差動入力アンプ
５、１５ Ａ／Ｄ変換部
６、１６ 補正計算部
７、１７ 補正値記憶部
８、１８ 方位角計算部
９、１９ 積算平均部
２０ 傾斜角計算部
１０ 携帯端末 ２１ ２軸傾斜センサ
２２ 傾斜センサ駆動電源部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動機器内に搭載される方位角計測装置であって、
地磁気を検出する２軸以上の磁気センサと、
前記磁気センサの各軸出力に対する基準値を記憶する第１の補正値記憶部と、
前記磁気センサの出力増幅値から前記基準値を減算する第１の補正計算部を備えると共に、
前記第１の補正計算部による出力補正値に基づいて、前記移動機器が向かっている方位を計算する方位角計算部と、
を備え、
前記方位角計測装置は、前記磁気センサの出力から回路的にキャンセル可能なオフセットを減じた出力値に対し、前記基準値を減算することを特徴とする方位角計測装置。
【請求項２】
前記磁気センサの内少なくとも１つは、ホール素子であることを特徴とする請求項１記載の方位角計測装置。
【請求項３】
前記ホール素子は、当該ホール素子を駆動する電源の入力端子と、前記ホール素子の電圧出力端子の接続を切り替えるチョッパ部を含み、
前記ホール素子は、互いに対向する位置に設けられた２つの端子でなる第１端子対及び第２端子対を有し、前記チョッパ部は、前記第１端子対が入力端子として使用されるときには前記第２端子対が出力端子として使用され、前記第２端子対が入力端子として使用されるときには前記第１端子対が出力端子として使用されるように入力端子と出力端子とを切り替えながら出力端子から出力電圧を外部に出力し、
前記入力端子と前記出力端子とを切り替えて出力された前記出力電圧を加減算することにより、前記ホール素子の出力に含まれる回路的にキャンセル可能なオフセットの大部分を相殺した後に、前記基準値を減算することを特徴とする請求項２に記載の方位角計測装置。
【請求項４】
前記磁気センサは、地磁気を検出する３軸以上の磁気センサであり、
２軸以上の傾斜センサと、
前記傾斜センサの各軸出力値に基づいて、前記移動機器が水平面に対して傾いている傾斜角を計算する傾斜角計算部と、
前記第１の補正計算部による磁気センサ出力補正値および前記２軸以上の傾斜角計算値に基づいて、前記移動機器が向かっている水平面の方位を計算する方位角計算部と、を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方位角計測装置。
【請求項５】
前記磁気センサは、地磁気を検出する３軸以上の磁気センサであり、
傾斜角を設定する傾斜角設定手段と、
前記第１の補正計算部による磁気センサ出力補正値および前記傾斜角設定手段により設定された傾斜角に基づいて、前記移動機器が向かっている水平面の方位を計算する方位角計算部と、を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方位角計測装置。
【請求項６】
前記第１の補正値記憶部は、前記移動機器の使用状態に対応した複数の基準値を記憶し、
前記第１の補正計算部は、前記移動機器の使用状態に対応した基準値を選択して減算を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方位角計測装置。
【請求項７】
移動機器内に搭載される方位角計測装置であって、
前記２軸以上の磁気センサの感度比を記憶する第２の補正値記憶部をさらに備えると共に、
前記磁気センサの出力値に前記感度比を乗算する第２の補正計算部を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方位角計測装置。
【請求項８】
移動機器内に搭載される方位角計測装置であって、
前記２軸以上の磁気センサの出力増幅値から前記基準値を減算した出力補正値を積算平均する積算平均部を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方位角計測装置。
【請求項９】
前記ホール素子を駆動する電源の入力端子と、前記ホール素子の電圧出力端子の接続を切り替えるチョッパ部を備えると共に、
前記チョッパ部を利用して前記ホール素子の出力に含まれるオフセットの大部分を相殺した後に、前記基準値を減算する第３の補正計算部を備えることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載の方位角計測装置。
【請求項１】
移動機器内に搭載される方位角計測装置であって、
地磁気を検出する２軸以上の磁気センサと、
前記磁気センサの各軸出力に対する基準値を記憶する第１の補正値記憶部と、
前記磁気センサの出力増幅値から前記基準値を減算する第１の補正計算部を備えると共に、
前記第１の補正計算部による出力補正値に基づいて、前記移動機器が向かっている方位を計算する方位角計算部と、
を備え、
前記方位角計測装置は、前記磁気センサの出力から回路的にキャンセル可能なオフセットを減じた出力値に対し、前記基準値を減算することを特徴とする方位角計測装置。
【請求項２】
前記磁気センサの内少なくとも１つは、ホール素子であることを特徴とする請求項１記載の方位角計測装置。
【請求項３】
前記ホール素子は、当該ホール素子を駆動する電源の入力端子と、前記ホール素子の電圧出力端子の接続を切り替えるチョッパ部を含み、
前記ホール素子は、互いに対向する位置に設けられた２つの端子でなる第１端子対及び第２端子対を有し、前記チョッパ部は、前記第１端子対が入力端子として使用されるときには前記第２端子対が出力端子として使用され、前記第２端子対が入力端子として使用されるときには前記第１端子対が出力端子として使用されるように入力端子と出力端子とを切り替えながら出力端子から出力電圧を外部に出力し、
前記入力端子と前記出力端子とを切り替えて出力された前記出力電圧を加減算することにより、前記ホール素子の出力に含まれる回路的にキャンセル可能なオフセットの大部分を相殺した後に、前記基準値を減算することを特徴とする請求項２に記載の方位角計測装置。
【請求項４】
前記磁気センサは、地磁気を検出する３軸以上の磁気センサであり、
２軸以上の傾斜センサと、
前記傾斜センサの各軸出力値に基づいて、前記移動機器が水平面に対して傾いている傾斜角を計算する傾斜角計算部と、
前記第１の補正計算部による磁気センサ出力補正値および前記２軸以上の傾斜角計算値に基づいて、前記移動機器が向かっている水平面の方位を計算する方位角計算部と、を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方位角計測装置。
【請求項５】
前記磁気センサは、地磁気を検出する３軸以上の磁気センサであり、
傾斜角を設定する傾斜角設定手段と、
前記第１の補正計算部による磁気センサ出力補正値および前記傾斜角設定手段により設定された傾斜角に基づいて、前記移動機器が向かっている水平面の方位を計算する方位角計算部と、を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方位角計測装置。
【請求項６】
前記第１の補正値記憶部は、前記移動機器の使用状態に対応した複数の基準値を記憶し、
前記第１の補正計算部は、前記移動機器の使用状態に対応した基準値を選択して減算を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方位角計測装置。
【請求項７】
移動機器内に搭載される方位角計測装置であって、
前記２軸以上の磁気センサの感度比を記憶する第２の補正値記憶部をさらに備えると共に、
前記磁気センサの出力値に前記感度比を乗算する第２の補正計算部を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方位角計測装置。
【請求項８】
移動機器内に搭載される方位角計測装置であって、
前記２軸以上の磁気センサの出力増幅値から前記基準値を減算した出力補正値を積算平均する積算平均部を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方位角計測装置。
【請求項９】
前記ホール素子を駆動する電源の入力端子と、前記ホール素子の電圧出力端子の接続を切り替えるチョッパ部を備えると共に、
前記チョッパ部を利用して前記ホール素子の出力に含まれるオフセットの大部分を相殺した後に、前記基準値を減算する第３の補正計算部を備えることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載の方位角計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−９９８７２（Ｐ２０１１−９９８７２Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４１０４（Ｐ２０１１−２４１０４）
【出願日】平成２３年２月７日（２０１１．２．７）
【分割の表示】特願２００１−２５２９９７（Ｐ２００１−２５２９９７）の分割
【原出願日】平成１３年８月２３日（２００１．８．２３）
【出願人】（３０３０４６２７７）旭化成エレクトロニクス株式会社 (840)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月７日（２０１１．２．７）
【分割の表示】特願２００１−２５２９９７（Ｐ２００１−２５２９９７）の分割
【原出願日】平成１３年８月２３日（２００１．８．２３）
【出願人】（３０３０４６２７７）旭化成エレクトロニクス株式会社 (840)
【Ｆターム（参考）】
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