CN102510997B - 地磁力检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有用于检测地磁力的3轴的传感器、且即使在进行复杂的运动时也能够在各个时刻正确地运算角速度等的地磁力检测装置，其设置了用于检测地磁力矢量的X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器，根据各个传感器的检测输出而在球面坐标(Bb)上求得地磁力矢量的方向。在球面坐标(Bb)中决定基准轴(zO)，根据2个坐标检测点的数据(Sa、Sc)而在基准轴(zO)上求得虚拟中心点(Of)，根据从虚拟中心点(Of)到各个数据(Sa、Sb)的矢量(Va)与(Vc)的矢积而求得包含矢量(Va、Vc)的面的垂线(Vg)，将与垂线(Vg)平行且通过原点(Og)的轴设为计算转动轴(Ia)，确定将该计算转动轴(Ia)设为中心的运动。

Description

地磁力检测装置

技术领域

本发明涉及一种用朝向正交的3个方向的每一个方向的传感器来检测地磁力的地磁力检测装置，特别地，涉及一种能够对安装了传感器的磁力检测部在三维空间内进行转动时的角速度等正确地运算的地磁力检测装置。

背景技术

使用用于对相互正交的3个方向的磁场强度进行检测的3轴磁力传感器来检测地磁力的地磁力检测装置，被使用作为转动检测装置和姿势检测装置等。

专利文献1记载的磁力式陀螺仪，具有3轴正交坐标上所配置的用于检测地磁力的3轴磁力传感器。该磁力式陀螺仪，当在三维空间内转动时，使用3轴的输出数据，求得不同的2个时刻之间的差分矢量，判定该差分矢量是否变成比预先决定的阈值小，从而确定将3轴当中的哪个轴作为中心而进行转动。

专利文献1记载的磁力式陀螺仪，在将由磁力传感器的朝向所决定的3轴的任何一个轴作为中心而进行转动时，能够检测转动状态，但是在将所述3轴以外的轴作为中心而进行转动时，不能够识别转动轴，不能够确定正在哪个转动平面内进行转动。就是说，仅以专利文献1记载的1个磁力式陀螺仪，难以检测将三维空间内的任意的轴作为中心而进行转动时的角速度。

专利文献2记载的磁力式陀螺仪，设置了用于存储通过3轴磁力传感器以时间序列所检测出的磁力矢量的数据的存储器，以存储器中所存储的不同的3个时刻以上的磁力矢量之间的数据为基础，计算转动轴，并且计算将所计算出的转动轴设为中心的转动速度。

但是，专利文献2记载的磁力式陀螺仪，由于是在空间上的基准不存在的状态下得到3个时刻以上的磁力矢量的数据，因此当在数据上叠加有偏移分量或者叠加有噪声时，就会不能够补正各个数据的偏差，从而难以确定正确的转动轴。

专利文献1：日本特开2008-224642号公报

专利文献2：再公表专利WO2007/099599。

发明内容

本发明用于解决上述现有技术的问题，其目的在于，提供一种地磁力检测装置，其用朝向正交的3轴方向的传感器来检测地磁力，通过设置运算的基准，能够正确地确定转动轴，能够更高精度地确定将所述转动轴设为中心的转动运动。

第1个本发明的一种地磁力检测装置，具有地磁力检测部和运算部，在所述磁力检测部中设置了朝向相互正交的X轴、Y轴和Z轴的X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器，所述磁力检测部一边维持所述X轴传感器、所述Y轴传感器和所述Z轴传感器的正交关系，一边向三维方向自由地转动，

所述地磁力检测装置的特征在于，在所述运算部中，决定位于X-Y-Z三维坐标内的基准轴，并且基于所述X轴传感器、所述Y轴传感器和所述Z轴传感器的检测输出，在所述三维坐标上运算地磁力矢量的坐标检测点，

当所述磁力检测部转动时，将把至少2个所述坐标检测点投影到所述基准轴上的2个点中的一者或者2个点之间的任意点设为基准轴上的虚拟中心点，根据与包含2个所述坐标检测点和所述虚拟中心点的面正交的轴以及所述坐标检测点，求得计算转动轴，以确定围绕所述计算转动轴的圆运动。

本发明的地磁力检测装置，由于通过预先决定基准轴，且根据该基准轴和至少2个坐标检测点来确定面、并求得计算转动轴，因此即使是在例如实际的转动轴的方向缓缓变化那样的情况下，也能够比较正确地确定各个时刻的转动轴，能够防止诸如计算与实际极端不同的转动轴等的问题。

本发明的地磁力检测装置，根据2个所述坐标检测点的相对于所述计算转动轴的张角和得到2个所述坐标检测点的时间来运算角速度。

本发明的地磁力检测装置根据至少2个坐标检测点来确定转动轴，能够检测磁力检测部的转动状态。使用该数据而能够计算角速度。当然，也可以计算转动角，还可以计算角加速度。

优选地，本发明的地磁力检测装置，将投影到所述基准轴的2个点的中点设为所述虚拟中心点。

虚拟中心点基于2个坐标检测点而被设定在基准轴上，但是通过如前述那样将基准轴上的2个投影点的中点设为虚拟中心点，能够确定与实际的转动面近似的面。

优选地，本发明的地磁力检测装置，通过运算从所述虚拟中心点延伸到至少2个所述坐标检测点的矢量的矢积来求得所述面的法线，将与所述法线平行且通过所述三维坐标的原点的轴设为所述计算转动轴。

其中，也可以通过最小二乘法和其他的几何学的计算来求得面和法线。

第2个本发明的一种地磁力检测装置，具有磁力检测部和运算部，在所述磁力检测部中设置了朝向相互正交的X轴、Y轴和Z轴的X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器，所述磁力检测部一边维持所述X轴传感器、所述Y轴传感器和所述Z轴传感器的正交关系，一边向三维方向自由地转动，

所述地磁力检测装置的特征在于，在所述运算部中，决定位于X-Y-Z三维坐标内的基准轴，并且基于所述X轴传感器、所述Y轴传感器和所述Z轴传感器的检测输出，在所述三维坐标上运算地磁力矢量的坐标检测点，

当所述磁力检测部转动时，求得包含至少3个所述坐标检测点的虚拟平面，将所述虚拟平面与所述基准轴的交点设为虚拟中心点，根据至少2个所述坐标检测点和所述虚拟中心点来运算所述虚拟平面的法线，根据所述法线和所述坐标检测点来求得计算转动轴，以确定围绕所述计算转动轴的圆运动。

本发明的地磁力检测装置，根据多个坐标检测点来求得虚拟平面，将该虚拟平面与基准轴的交点设为虚拟中心点，以使用该假想中心点的运算来求得计算转动轴。尽管在几何学上仅以至少3个坐标检测点就能够确定平面和转动中心，但是对于检测地磁力矢量的坐标检测点，容易叠加噪声，在转动轨迹的半径短时运算所使用的矢量的绝对值变小，难以正确地运算与实际的转动平面相近的面。

与此相对，本发明由于使用从基准轴上的虚拟中心点到坐标检测点的矢量来运算面和法线，因此能够使噪声的比率小，即使转动轨迹的半径短，由于能够以长的矢量来进行矢积等的运算，因此也能够正确地确定面和法线。

优选地，本发明的地磁力检测装置，通过运算从所述虚拟中心点延伸到至少2个所述坐标检测点的矢量的矢积来求得所述虚拟平面的法线。

优选地，在该情况下，也将与所述法线平行且通过所述三维坐标的原点的轴设为所述计算转动轴。

在第2个本发明中，还根据2个所述坐标检测点的相对于所述计算转动轴的张角和得到2个所述坐标位置的时间来运算角速度。

此外，第2个本发明的地磁力检测装置，优选地，其特征在于，设置了用于顺序地保存多个所述坐标检测点的数据的存储部，从最新保存的数据中将追溯了预定时间的时刻的数据设为基准数据，根据在比所述基准数据更靠后的时刻所得到的数据来求得所述计算转动轴，根据所述基准数据和其前的数据或其后的数据或者前后的数据来运算角速度。

通过如上述那样使用比成为用于计算角速度的基准的数据在时间序列上变得更加靠后的数据，能够根据足够数量的数据来运算面和法线，能够提高面和法线的确定精度。

优选地，本发明的地磁力检测装置，设置用于检测三维方向的加速度的加速度传感器，在所述磁力检测部停止了一定时间时，用所述加速度传感器检测重力的加速度的方向，将该方向设为基准，来决定所述基准轴。

其中，在装置是将预先决定的轴设为中心而转动的装置的情况下，不使用加速度传感器，可以预先固定和设定基准轴。

发明效果

本发明使用向着正交的3轴方向的X轴传感器、Y轴传感器和Z传感器，在进行转动轴随时变化那样的复杂的运动时，能够将地磁力矢量设为基准而在各个时刻比较高精度地确定转动中心轴。其结果是，能够正确地求得角速度等。

附图说明

图1是本发明实施方式的地磁力检测装置的电路方框图。

图2是对图1所示的地磁力检测装置中所设置的角速度运算部的功能进行说明的方框图。

图3是表示数据缓冲存储器的处理动作的说明图。

图4是地磁力检测部中所设置的X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器的说明图。

图5是用于对地磁力矢量的运算动作进行说明的三维极坐标的说明图。

图6是对第1实施方式的转动轴的运算步骤进行说明的说明图。

图7是对第1实施方式的转动轴的运算步骤进行更详细说明的说明图。

图8是对第1实施方式的转动轴的运算步骤的优点进行说明的说明图。

图9是对第1实施方式的转动轴的运算步骤的问题进行说明的说明图。

图10是对克服了所述问题的第2实施方式的转动轴的运算步骤进行说明的说明图。

附图符号说明：

1…地磁力检测装置

2…磁力检测部

3…X轴传感器

4…Y轴传感器

5…Z轴传感器

6…磁场数据检测部

7…存储器

10…运算部

10a…方位运算部

10b…角速度运算部

10c…角加速度运算部

11…数据缓冲存储器

12…转动平面计算处理

13…转动轴计算处理

14…角速度计算处理

15…数据选择处理

Bb…球面坐标

Bg…地磁力矢量

Ca，Cb，C1～C5…转动轨迹

Sa，Sb，Sc，S1～S5…坐标检测点的数据

Va，Vc…矢量

Vg，Vg1，Vg2…垂线

Ia，Ic…计算转动轴

Of，Pc…虚拟中心点

zO…基准轴

具体实施方式

图1所示的本发明实施方式的地磁力检测装置1具有磁力检测部2。如图4所示，磁力检测部2，决定了相互正交的xO轴、yO轴和zO轴。xO轴、yO轴和zO轴的交点是原点Og。

在磁力检测部2中，安装了X轴传感器3、Y轴传感器4和Z轴传感器5。如图4所示，X轴传感器3沿着xO轴固定，Y轴传感器4沿着yO轴固定，Z轴传感器沿着zO轴固定。

X轴传感器3、Y轴传感器4和Z轴传感器5都由GMR元件构成。GMR元件具有由通过Ni-Co合金或者Ni-Fe合金形成的软磁性材料形成的固定磁性层和自由磁性层、以及在固定磁性层和自由磁性层之间夹持的铜等的非磁性导电层。在固定磁性层之下层叠了反强磁性层，通过反强磁性层与固定磁性层之间的反强耦合，固定磁性层的磁化被固定。

如图4所示，X轴传感器3是用于检测地磁力的朝向X方向的磁场分量Bx的传感器，能够检测在X方向上的正方向的磁场分量B+x和在X方向上的负方向的磁场分量B-x。

X轴传感器3被固定在固定磁性层的磁化方向呈沿着X轴的方向即Px方向上。自由磁性层的磁化随着磁力的方向和大小而变化。当自由磁性层的磁化方向变成与固定磁性层的固定磁化方向即Px方向平行时，X轴传感器3的电阻值变为极小，当自由磁性层的磁化方向变成与Px方向相反方向时，X轴传感器3的电阻值变为极大。此外，当自由磁性层的方向与Px方向正交时，电阻值变成在所述极大值与极小值之间的平均值。

在图1所示的磁场数据检测部6中，X轴传感器3和固定电阻被串联连接，并且在X轴传感器3与固定电阻之间的串联电路上施加了电压，X轴传感器3与固定电阻之间的中点电压被取出作为X轴的检测输出。当对X轴传感器3未施加朝向X方向的磁场分量时，或者当施加了相对于Px正交的磁场时，X轴的检测输出变成原点。

当使磁力检测部2的整体倾斜、使图4所示的xO轴与地磁力矢量一致、并且使X轴传感器3的固定磁性层的磁化的固定方向Px成为与地磁力矢量相同的方向时，X轴传感器3上所施加的磁场分量B+x变成最大。此时的X轴的检测输出变成相对于所述原点的正侧的最大值。相反，在使图4所示的xO轴与地磁力矢量一致并且将X轴传感器3的固定磁性层的磁化的固定方向Px朝向与地磁力矢量相反的方向时，X轴传感器3上所施加的磁场分量B-x变成最大。此时的X轴的检测输出变成相对于所述原点的负侧的最大值。

同样地，在对Y轴传感器4未施加Py方向的磁场分量By时，或者在施加了与Py方向正交的磁场时，从磁场数据检测部6输出的Y轴的检测输出变成原点。当使yO轴与地磁力矢量一致、并且使地磁力矢量的方向与固定磁性层的磁化的固定方向Py一致时，Y轴传感器4上所施加的磁场分量B+y变成最大。Y轴的检测输出变成相对于原点的正侧的最大值。在使地磁力矢量的方向与固定方向Py成为相反方向时，Y轴传感器4上所施加的磁场分量B-y变成最大。Y轴的检测输出变成相对于原点的负侧的最大值。

此外，在对Z轴传感器5未施加Pz方向的磁场分量Bz时，或者在施加了与Pz方向正交的磁场时，从磁场数据检测部6输出的Z轴的检测输出变成原点。当使zO轴与地磁力矢量一致、并且使地磁力矢量的方向与固定磁性层的磁化的固定方向Pz一致时，Z轴传感器5上所施加的磁场分量B+z变成最大，Z轴的检测输出变成相对于原点的正侧的最大值。在使地磁力矢量的方向与固定方向Pz成为相反方向时，Z轴传感器5上所施加的磁场分量B-z变成最大，Z轴的检测输出变成相对于原点的负侧的最大值。

对于X轴传感器3、Y轴传感器4和Z轴传感器5，其正侧的检测输出的最大值的绝对值和负侧的检测输出的绝对值是相同的。

而且，作为X轴传感器3，如果通过磁场分量B+x得到正侧的检测输出，通过磁场分量B-x得到负侧的检测输出，并且在正侧的检测输出的最大值和负侧的检测输出的最大值下绝对值变为相同，则能够由GMR元件以外的磁力传感器而构成。例如，可以通过将沿着xO轴而能够仅检测正侧的磁场强度的霍尔元件或者MR元件与能够仅检测负侧的磁场强度的霍尔元件或者MR元件进行组合，而使用作为X轴传感器3。这在Y轴传感器4和Z轴传感器5中也是相同的。

如图1所示，由磁场数据检测部6检测出的X轴、Y轴和Z轴的检测输出被施加到运算部10。运算部10由A/D变换部和CPU以及时钟电路等构成。根据运算部10的时钟电路的计测时间，由磁场数据检测部6检测出的X轴、Y轴和Z轴的检测输出以短周期被间歇地读出到运算部10，并且各自的检测输出通过运算部内设置的所述A/D变换部被变换成数字值。

运算部10起到作为基准轴设定运算部10a和角速度运算部10b的作用。这些运算部都通过被编程的软件来执行。

在构成运算部10的CPU上连接了存储器7。将用于进行基准轴设定运算部10a和角速度运算部10b的各自处理的软件进行编程而存储在存储器7中。

如图2所示，在角速度运算部10b中，用软件来进行多个阶段的处理。当从磁场数据检测部6中通过与时钟电路同步且以短周期间歇地读出X轴的检测输出和Y轴的检测输出以及Z轴的检测输出时，这些检测输出通过A/D变换部被变换成数字数据。而且，通过运算部10内的运算处理，使被间歇地读出的X轴的检测输出和Y轴的检测输出以及Z轴的检测输出，在图5所示的极坐标上被变换成地磁力矢量Bg的坐标检测点的数据，从而被存储在图3(A)所示的数据缓冲存储器(缓冲存储器)11上。

与时钟电路同步且以短周期读出而运算得到的所述坐标检测点的数据，被赋予到图3(A)所示的数据缓冲存储器11的存储部11a。每当将数据赋予到存储部11a时，数据从存储部11a到11n被按顺序送出，并且最后级的存储部11n的数据被舍弃。在地磁力检测装置1正在动作的期间，最新的数据从磁场数据检测部6被读出，且顺序地被存储到数据缓冲存储器11。

图2所示的角速度运算部10b的数据选择处理15，读出数据缓冲存储器11的存储部11a到11n中所存储的对地磁力矢量Bg的坐标检测点进行表示的多个数据当中的运算所需的数据。读出的数据被赋予到转动平面计算处理12和转动轴计算处理13。转动平面计算处理12和转动轴计算处理13中的运算结果，被送到角速度计算处理14，继续地运算其瞬间的角速度。

如图1所示，在地磁力检测装置1中设置了加速度传感器8。加速度传感器8具有用于检测xO轴方向的加速度的X传感器、用于检测yO轴方向的加速度的Y传感器、以及用于检测zO轴方向的加速度的Z传感器。来自每一个传感器的检测输出，被赋予到运算部10内的基准轴设定运算部10a。

在基准轴设定运算部10a中，根据从加速度传感器8的各个传感器得到的加速度的信息，来决定地磁力检测装置1的基准轴。基准轴的设定方法根据地磁力检测装置1的用途由程序来决定。

例如，当执行用于对在人持有安装了地磁力检测装置1的便携设备来进行棒球球棒或者高尔夫球球棒或者网球球拍等的挥动时的身体的转动进行诊断的程序时，由加速度传感器8检测出的重力的加速度的方向被设定为基准轴。此外，在取得用于对安装了地磁力检测装置1的相机的手抖动进行补正的数据时，在与由加速度传感器8检测出的重力的加速度的方向正交的方向上设定基准轴。

当在用于诊断身体的转动的程序中进行基准轴的设定时，当判断以随机方向持有安装了地磁力检测装置1的便携设备的人停止了预定时间时，即当判断为在程序起动之后经预定时间，磁力检测部2的检测输出的变化未超过阈值且加速度传感器8的检测输出的变换未超过阈值时，将由加速度传感器8检测出的重力的加速度的方向设定为基准轴。

由于便携设备以随机方向被持有，因此基准轴可以与在地磁力检测装置1内所设定的xO轴、yO轴、zO轴的任何一个一致，也可以被决定成与这些各个轴完全不同的方向。

在地磁力检测装置1被安装在相机上的情况下，当判断为相机已停止时，从加速度传感器8中检测重力的加速度的方向，将基准轴决定在与重力的加速度的方向正交的方向上。

而且，在几乎被决定为如以静止姿势使用的相机等那样使用时的姿势的设备的情况下，可以不设置加速度传感器8，而在相机的内部将透镜的光轴方向预先设定为基准轴的固定值。

图5以下，以使用安装了地磁力检测装置1的便携设备、且进行诸如球棒挥动的诊断等身体的转动检测的情况为例进行说明。此外，在图5以下，为了容易说明，假定使用加速度传感器8而决定的基准轴与地磁力检测装置1内的zO轴一致。其中，即使是基准轴与zO轴不一致的情况，以下说明的运算处理基本上也是相同的。

图5所示的地磁力矢量Bg，根据由X轴传感器3进行的检测输出Xg、由Y轴传感器4进行的检测输出Yg和由Z轴传感器5进行的检测输出Zg而求得。在运算部10中，基于X轴传感器3、Y轴传感器4和Z轴传感器5的检测输出Xg、Yg、Zg，变换成在三维的极坐标上对地磁力矢量Bg的位置进行表示的坐标检测点S(R，θ，φ)的数据。该变换处理通过运算部10内所存储的变换程序来进行。

图5的三维极坐标所表示的参数θ，是磁力检测部2的地磁力矢量Bg相对于zO轴(基准轴)的磁倾角，φ是地磁力矢量Bg相对于xO轴的方位角。

虽然图4所示的X轴传感器3，在固定磁化的方向Px朝向地磁力时，正侧的检测输出变成最大，但将其绝对值设为(R)，将把Px设为与地磁力相反方向时的负侧的检测输出的最大值的绝对值设为(R)。同样在将Y轴传感器4及Z轴传感器5的正侧的检测输出的最大值的绝对值和负侧的检测输出的最大值的绝对值都设为(R)时，如图5所示，在三维的极坐标上，能够用R来表示地磁力矢量Bg的绝对值。然后，在三维的极坐标上，能够将表示地磁力矢量Bg的坐标检测点S(R，θ，φ)表示为半径R的球面坐标Bb上的点。

当将作为基准轴的zO轴设为中心来转动地磁力检测装置1时，坐标检测点S围绕着将zO轴设为中心而与赤道线Hg平行的圆弧轨迹Ha。其中，当执行用于对人持有地磁力检测装置1来进行棒球球棒或者高尔夫球球棒或者网球球拍等的挥动时的身体的转动进行诊断的程序时，坐标检测点S不一定会沿着将作为基准轴的zO轴设为中心的圆弧轨迹。

因此，在下面，说明根据多个坐标检测点S的数据来计算时时刻刻变化的转动平面和转动轴的运算处理。该运算处理被作为图2所示的角速度运算部10b中的转动平面计算处理12和转动轴计算处理13以及角度素计算处理14而进行。

图6表示在安装了地磁力检测装置1的便携设备正在转动时、数据缓冲存储器11上所存储的多个坐标检测点S的极坐标数据。尽管在地磁力检测装置1转动期间，在数据Sa和数据Sc之间会存在多个数据，但是在图6中仅将3个数据Sa、Sb、Sc为代表而进行表示。

在转动平面计算处理12中，提取数据缓冲存储器11中所存储的坐标检测点S的数据当中的2个数据Sa和Sc，求得将数据Sa和数据Sc投影到作为基准轴的zO轴上的2个点。这是与根据数据Sa和数据Sc求得垂落在zO轴上的垂线与zO轴之间的2个交点的情况相同。通过使用这2个交点，在zO轴上设定假虚拟中心点Of。虚拟中心点Of能够通过选择zO轴上的2个交点当中的任何一个的点而设定，或者通过选择2个交点之间的任何一个点而设定。其中，优选地，将zO轴上的2个交点的中点设定为虚拟中心点Of。而且，如图5所示，当将作为基准轴的zO轴设为中心来转动地磁力检测装置1时，由于从2个数据Sa、Sc垂落到zO轴的垂线会被汇集于1点，因此该1点变成虚拟中心点Of。

在转动平面计算处理12中，将包含2个数据Sa、Sc和虚拟中心点Of的面假定为是转动轨迹存在的面，求得与该面垂直的垂线Vg。作为垂线Vg的计算方法，求得从虚拟中心点Of朝向数据Sa的矢量Va和从虚拟中心点Of朝向数据Sc的矢量Vc的矢积(Va×Vc)。该矢积成为包含矢量Va、Vc的面的垂线Vg。

在图2所示的角速度运算部10b的转动轴计算处理13中，将以与所述垂线Vg平行的方式通过球面坐标Bb的原点Og的轴作为计算转动轴Ia而求得。该计算转动轴Ia与包含矢量Va、Vc的面之间的交点是计算转动中心Oi，计算转动中心Oi和数据Sa之间的距离Ra与计算转动中心Oi和数据Sc之间的距离Rc变为相等(Ra＝Rc)。

而且，在转动轴计算处理13中，还能够将通过连接数据Sa和数据Sb的线段的垂直二等分线与连接数据Sb和数据Sc的线段的垂直二等分线之间的交点并与所述垂线Vg平行的轴作为计算旋转轴Ia而求得。其中，通过求得所述矢量Va、Vc的矢积，将该计算结果设为垂线Vg，且将以与Vg平行的方式通过球面坐标Bb的原点的轴设为计算转动轴Ia，能够以最少的计算来更高精度地求得计算转动轴Ia。

通过该运算，能够求得数据Sa、Sb、Sc所沿着的转动轨迹Ca，能够把握地磁力检测装置1的姿势和运动状态。

而且，在图2所示的角速度运算部10b的角速度计算处理14中，根据矢量Va和矢量Vc相对于计算转动中心Oi的张角、以及得到数据Sa的时刻和得到数据Sc的时刻的时间差，能够求得磁力检测装置1的运动的角速度。

上述的运算方法，当在下述前提存在的情况下的运算中是有效的，该前提是不会存在地磁力检测装置1运动时的转动轴与预先决定的基准轴的方向相等或者自基准轴有大的倾斜的情况，通过将基准轴作为基准来进行计算，能够高精度地计算运动中的各个时刻的转动轴。其结果是，即使是转动轴以快速的速度倒下去那样的复杂的运动，也能够比较正确地进行运算，从而成为容易防止得到与实际的运动极端偏离的计算结果的情况。

图8表示当地磁力检测装置1连续转动且转动轴以快速的速度倒下去时的检测数据。这在棒球球棒挥动或者高尔夫球球棒挥动或者网球球拍挥动等的验证程序中，在持有棒球等且使身体快速地转动的同时使身体快速地倾斜时发生。

在图8中，转动轴如I1、I2、I3、I4、I5那样急剧地倒下去，从转动轴I1时的转动轨迹C1直至转动轴I5时的转动轨迹C5为止，转动轨迹C1到C5快速地移动。在该情况下，有时在各自的转动轨迹上出现的数据会以S1、S2、S3、S4、S5的排列而出现在球面坐标Bb上。实际上，多个数据集中在各自的数据S1到S5的前后，多个数据按照沿着以图8所示的S1、S2、S3、S4、S5所形成的列而排列的方式出现。

在该情况下，存在下述担心：当不是将基准轴设为基准的运算，而是通过选择数据S1至S5当中的至少3点来运算转动轨迹时，有可能会判断为数据正沿着图8所示的转动轨迹Cx进行移动，从而使此时的转动轴与原来的转动轴I1至I5大大偏离而计算为转动轨迹Cx的中心。

与此相对，如图6和图7所示，当预先将朝向重力方向的轴决定为基准轴、并且在该基准轴上设定虚拟中心点Of并计算转动轨迹存在的面以及转动轴时，能够计算数据S1到S5，作为位于围绕转动轴I1、I2、I3、I4、I5的转动轨迹C1到C5上的数据。使用存在于数据S1到S5之前后的多个数据，能够对在各个时刻的围绕转动轴I1、I2、I3、I4、I5的角速度进行运算。

但是，即使在进行图6和图7所示的转动轴的运算的情况下，如图9所示，在坐标检测点的数据Sa、Sb、Sc的转动轨迹Ct的半径小、并且转动轨迹Ct从作为基准轴的zO轴偏离的情况下，有可能无法正确地确定转动轨迹Ct、无法正确地运算角速度。

在图9所示的例子中，提取在半径小的转动轨迹Ct上得到的2个数据Sa和Sc，与图6和图7所示的运算同样地试着进行运算。即，在作为基准轴的zO轴上求得虚拟中心点Of，用矢量Va与Vc的矢积求得垂线Vg1，将以与垂线Vg1平行而通过球面坐标Bb的原点Og的轴设为计算转动轴If。在该运算中，计算转动轴If变成与实际的转动轴Ic远离的轴，运算的转动轨迹Cf会变得比实际的转动轨迹Ct更大。当使用该运算而求得角速度时，该计算值会与实际的角速度有很大不同。

图6和图7所示的运算方法，在将地磁力检测装置1的转动轴不从作为基准轴的zO轴极端倾斜的情形作为前提的情况下设为有效。当实际被使用于棒球球棒挥动或者高尔夫球球棒挥动或者网球球拍挥动等的诊断时，几乎没有转动轴极端倒下或者转动轨迹极端变小的情况，产生图9所示的现象是极其稀少的。因此，在实际使用时几乎没有问题。

但是，当实施图10所示的第2实施方式的运算方法时，虽然与图6和图7所示的运算相比，运算量变多，但是，能够进一步提高运算转动平面和转动轴的精度，即使在图9所示那样的现象中，也能够高精度地求得转动轨迹、转动轴。

图10所示的运算方法，在图2所示的角速度运算部10b的转动平面计算处理12中，从图3(A)所示的数据缓冲存储器11中提取多个数据Sa、Sb、Sc、…，使用这些数据当中的至少3个数据，计算存在该3个数据的虚拟平面P。将该虚拟平面P和作为基准轴的zO轴的交点设为虚拟中心点Pc。

此后，与图6和图7所示的运算同样，根据从虚拟中心点Pc到数据Sa的矢量Va与从虚拟中心点Pc到数据Sc的矢量Vc的矢积，求得通过虚拟中心点Pc的垂线Vg2。与该垂线Vg2平行且通过球面坐标Bb的原点Og的轴是计算转动轴Ic。通过求得正确的计算转动轴Ic，能够根据数据Sa、Sc来正确地运算角速度。

在图10所示的运算方法中，通过根据至少3个数据来求得虚拟平面P，如图9所示，能够防止计算错误的转动轴，能够进行高精度的运算。

而且，如果通过使用图10所示的数据Sa、Sb、Sc、Sd、…当中的至少3个数据来进行诸如最小二乘法等的运算，则应该是能够运算包含该数据的转动轨迹Ct。但是，由于地磁力矢量的大小是微小的，因此噪声容易叠加到数据上，难以通过运算来正确地求得半径小的转动轨迹Ct，进而在产生了图8所示的转动轴快速倾斜的运动的情况下，难以正确地确定围绕所变化的转动轴的小直径的转动轨迹Ct。

与此相对，如图10所示，通过将虚拟平面P和作为基准轴的zO轴的交点设为虚拟中心点Pc，能够加大计算中使用的矢量Va、Vc，能够不受到大的噪声影响而得到矢积的运算结果。因此，能够精度优良地确定垂线Vg2的方向，能够提高计算转动轴Ic的计算精度。

接着，如图10所示，为了将数据Sa设为基准、确定转动轨迹Ct且运算角速度，需要使用比数据Sa在时间上更靠后得到的数据Sb、Sc、Sd，…来求得虚拟平面P。这里，如图3(B)所示，不是仅以数据缓冲存储器11中顺序存储的数据当中的最新的数据来进行运算，而是根据最新的数据将在追溯了预定时间的时刻所存储的数据设为基准数据(图10的数据Sa)，将此后的数据用作运算用数据(图10的Sb、Sc、Sd、…)，来运算图10所示的虚拟平面P。

通过将比基准数据在时间上更靠后得到并存储的多个数据用作运算用数据，如图8所示，即使对转动轴缓缓倒下、轨迹的转动方向大大变化那样的运动，也会容易地进行追随该运动的运算。

Claims (10)

1.一种地磁力检测装置，具有磁力检测部和运算部，在所述磁力检测部中设置了朝向相互正交的X轴、Y轴和Z轴的X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器，所述磁力检测部一边维持所述X轴传感器、所述Y轴传感器和所述Z轴传感器的正交关系，一边向三维方向自由地转动，

所述地磁力检测装置的特征在于，

在所述运算部中，决定位于X-Y-Z三维坐标内的基准轴，并且基于所述X轴传感器、所述Y轴传感器和所述Z轴传感器的检测输出，在所述三维坐标上运算地磁力矢量的坐标检测点，

当所述磁力检测部转动时，将把至少2个坐标检测点投影到所述基准轴上的2个点中的一者或者2个点之间的任意点设为基准轴上的虚拟中心点，根据与包含所述2个坐标检测点和所述虚拟中心点的面正交的轴以及所述坐标检测点，求得计算转动轴，以确定围绕所述计算转动轴的圆运动。

2.根据权利要求1所述的地磁力检测装置，其特征在于，

根据2个所述坐标检测点的相对于所述计算转动轴的张角和得到2个所述坐标检测点的时间来运算角速度。

3.根据权利要求1或者2所述的地磁力检测装置，其特征在于，

将投影到所述基准轴的2个点的中点设为所述虚拟中心点。

4.根据权利要求1所述的地磁力检测装置，其特征在于，

通过运算从所述虚拟中心点延伸到至少2个所述坐标检测点的矢量的矢积来求得所述面的法线，将与所述法线平行且通过所述三维坐标的原点的轴设为所述计算转动轴。

5.一种地磁力检测装置，具有磁力检测部和运算部，在所述磁力检测部中设置了朝向相互正交的X轴、Y轴和Z轴的X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器，所述磁力检测部一边维持所述X轴传感器、所述Y轴传感器和所述Z轴传感器的正交关系，一边向三维方向自由地转动，

所述地磁力检测装置的特征在于，

在所述运算部中，决定位于X-Y-Z三维坐标内的基准轴，并且基于所述X轴传感器、所述Y轴传感器和所述Z轴传感器的检测输出，在所述三维坐标上运算地磁力矢量的坐标检测点，

当所述磁力检测部转动时，求得包含至少3个所述坐标检测点的虚拟平面，将所述虚拟平面与所述基准轴的交点设为虚拟中心点，根据至少2个所述坐标检测点和所述虚拟中心点来运算所述虚拟平面的法线，根据所述法线和所述坐标检测点来求得计算转动轴，以确定围绕所述计算转动轴的圆运动。

6.根据权利要求5所述的地磁力检测装置，其特征在于，

通过运算从所述虚拟中心点延伸到至少2个所述坐标检测点的矢量的矢积来求得所述虚拟平面的法线。

7.根据权利要求5或者6所述的地磁力检测装置，其特征在于，

将与所述法线平行且通过所述三维坐标的原点的轴设为所述计算转动轴。

8.根据权利要求5所述的地磁力检测装置，其特征在于，

根据2个所述坐标检测点的相对于所述计算转动轴的张角和得到2个所述坐标位置的时间来运算角速度。

9.根据权利要求8所述的地磁力检测装置，其特征在于，

设置了用于顺序地保存多个所述坐标检测点的数据的存储部，从最新保存的数据中将追溯了预定时间的时刻的数据设为基准数据，根据在比所述基准数据更靠后的时刻所得到的数据来求得所述计算转动轴，根据所述基准数据和其前的数据或其后的数据或者前后的数据来运算角速度。

10.根据权利要求1所述的地磁力检测装置，其特征在于，

设置用于检测三维方向的加速度的加速度传感器，在所述磁力检测部停止了一定时间时，用所述加速度传感器检测重力的加速度的方向，将该方向设为基准，来决定所述基准轴。