JP2006030171A - 方位検出機能付き携帯電子機器、磁気センサ装置、及びそのキャリブレーション方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 折畳み式の携帯電子機器に搭載された磁気センサからなる方位検出手段のキャリブレーションを、ユーザに負担をかけずに容易に行えるようにする。
【解決手段】 磁気センサを有する方位検出手段を搭載した折り畳み式の携帯電子機器において、当該携帯電子機器の開閉を検出する開閉検出手段と、開閉検出手段により該携帯電子機器の閉じ終わりが検出されると、磁気センサから出力データの取得を開始し、取得したデータに基づき磁気センサの出力の誤差であるオフセットを推定するオフセット推定手段と、開閉検出手段により当該携帯電子機器の開き始めが検出されると、磁気センサから当該携帯電子機器内で生じる漏洩磁界を求めるためのデータ取得を開始し、取得したデータに基づき前記オフセットから漏洩磁界による影響分を除去する漏洩磁界補正手段とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、方位検出機能付き携帯電子機器に関し、特には、折畳み式の携帯電子機器に搭載された磁気センサの出力のキャリブレーションを容易にするための技術に関する。

地磁気を検出する磁気センサを備え、この磁気センサによって検出された地磁気に基づいて方位測定を行う携帯電話等の携帯端末が知られている。測定された方位は、例えば地図の表示に利用される。一例として挙げると、位置検出を行うＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）センサを備え、現在位置に基づいた地図を、携帯端末の向き（方位）に合わせて表示する機能を有する携帯端末が登場している。

ところが、携帯端末は、これに搭載されるスピーカおよびマイクロホンや、着磁した電子部品の金属パッケージ等から漏れる磁気が存在するため、この携帯端末に搭載された磁気センサは、携帯端末内部の電子部品等から発生する磁界と地磁気とが合成された磁界を検出することになる。したがって、携帯端末内部の電子部品等から発生する磁界による誤差（オフセット）分を補正するためのキャリブレーションが必要となる。従来、キャリブレーションを行うために、ユーザが携帯端末を例えば１８０度回転させる動作を行っていた。この動作の間に携帯端末は磁気センサから測定データを収集し、測定データに基づいてオフセットを推定していた。

このような、携帯端末に搭載された磁気センサのキャリブレーションに関しては、例えば特許文献１に開示された技術がある。この技術では、携帯端末を所定の角度ずつ回転させ、各角度において磁気センサによって測定されたデータに基づいてオフセットを推定することにより、回転速度に依存せずにキャリブレーションを行えるようになっている。
特開２００４−１２４１６号公報

しかし、特許文献１に記載の方法でも、ユーザが意識的に磁気センサを搭載した携帯機器を回転させ、そのキャリブレーションを行わなければならず、従来よりは改善されるものの、ユーザにキャリブレーションのための操作を強いるので、ユーザにとっては面倒なものであることに変わりはない。また、ユーザがキャリブレーションを怠ったり忘れていると、地磁気センサを最適な状態で動作させることができなかった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、折畳み式の携帯電子機器に搭載された磁気センサからなる方位検出手段のキャリブレーションを、ユーザに負担をかけずに容易に行える方位検出機能付き携帯電子機器、磁気センサ装置、及びそのキャリブレーション方法を提供するものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明の方位検出機能付き携帯電子機器は、磁気センサを有する方位検出手段を搭載した折り畳み式の携帯電子機器において、当該携帯電子機器の開閉を検出する開閉検出手段と、前記磁気センサから出力データを取得し、取得したデータに基づき前記磁気センサの出力の誤差であるオフセットを推定するオフセット推定手段と、前記開閉検出手段により当該携帯電子機器の開き始めが検出されると、前記磁気センサから出力データの取得を開始し、取得したデータに基づき前記オフセットから前記漏洩磁界による影響分を除去する漏洩磁界補正手段と、を具備することを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、複数方向の磁気を検出可能な磁気センサ群を含んで構成される磁気センサ装置において、折畳み式の携帯電子機器の閉じ終わりを示す閉信号を受け、これに応じて、該磁気センサの出力データの取得を開始し、取得したデータに基づき該磁気センサの出力の誤差であるオフセットを推定するオフセット推定手段と、折畳み式の携帯電子機器の開き始めを示す開信号を受け、これに応じて、該磁気センサから出力データの取得を開始し、取得したデータに基づき前記オフセットから前記漏洩磁界による影響分を除去する漏洩磁界補正手段と、を備えたことを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、磁気センサを有する方位検出手段を搭載した折り畳み式の携帯電子機器における前記方位検出手段のキャリブレーション方法であって、前記磁気センサから出力データを取得し、取得したデータに基づき前記磁気センサの出力の誤差であるオフセットを推定し、前記携帯電子機器の開き始めが検出された場合、前記磁気センサから出力データの取得を開始し、取得したデータに基づき前記オフセットから前記漏洩磁界による影響分を除去することを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明は、複数方向の磁気を検出可能な磁気センサ群を含んで構成される磁気センサ装置であって、該磁気センサの出力データを取得し、取得したデータに基づき該磁気センサの出力の誤差であるオフセットを推定するオフセット推定手段と、
折畳み式の携帯電子機器の開き始めを示す開信号を受け、これに応じて、該磁気センサから出力データの取得を開始し、取得したデータに基づき前記オフセットから前記漏洩磁界による影響分を除去する漏洩磁界補正手段と、を備えたことを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の方位検出機能付き携帯電子機器において、前記オフセット推定手段は、前記開閉検出手段により前記携帯電子機器の閉じ終わりが検出された時に、前記磁気センサから出力データを取得開始し、取得されたデータに基づき、前記磁気センサの出力誤差であるオフセット値を推定することを特徴としている。

本発明によれば、折畳み式携帯電子機器の開閉動作時に方位検出手段のキャリブレーションを自動的に行うので、ユーザにキャリブレーションのための操作を強いることがなく、キャリブレーションが容易となる。
また、従来では、ユーザがキャリブレーションの操作を怠ったり忘れたりした場合、地磁気センサを最適な状態で動作させることができなかったが、本発明では、当該携帯電子機器が通常使用される際の開閉動作時に自動的にキャリブレーションがなされることになるので、このような問題がない。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の方位検出機能付き携帯電子機器の一実施の形態である、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ：符号分割多元接続）通信方式による携帯通信端末（以下、携帯端末と称す）の電気的構成を示すブロック図である。
なお、以下において、参照する各図に共通する部分には、同一の符号を附している。

本実施の形態の携帯端末１は、２つの筐体（端末ユニット−１および端末ユニット−２）を備えた、いわゆる折畳み式の構造をもつ。すなわち、この２つの筐体は、図示しない連結部を介して連結され、この連結部の回転軸を中心に端末ユニット−１と端末ユニット−２が開閉自在に構成されている。折畳み式の携帯端末には、２つのユニットが重なった状態から、この携帯端末の主面（閉じた状態で端末ユニット−１と端末ユニット−２が重なる面）に垂直に開き始めそのまま回転軸を中心に回転させる一般的な折畳み式と、携帯端末の主面に平行に端末ユニット−１と端末ユニット−２を回転させ開閉自在としたリボルバー式と呼ばれるものがある。本実施の形態では、いずれも折畳み式の携帯端末に含まれるものとする。

次に、本実施の形態の携帯端末１の電気的構成について説明する。
図１に示すアンテナ１０１は図示せぬ無線基地局と電波の送受信を行う。ＲＦ部１０２は信号の送受信に係る処理を行う。このＲＦ部１０２は局部発振器等を備え、受信時にアンテナ１０１から出力された受信信号に対して所定周波数の局部発信信号を混合することにより、受信信号を中間周波数（ＩＦ）の受信ＩＦ信号に変換し、変復調部１０３へ出力する。また、ＲＦ部１０２は送信時に中間周波数の送信ＩＦ信号に対して所定周波数の局部発信信号を混合することにより、送信ＩＦ信号を送信周波数の送信信号に変換し、アンテナ１０１へ出力する。

変復調部１０３は、受信された信号の復調処理、および送信される信号の変調処理を行う。この変復調部１０３は局部発振器等を備え、ＲＦ部１０２から出力された受信ＩＦ信号を所定周波数のベースバンド信号に変換すると共に、このベースバンド信号をデジタル信号に変換し、ＣＤＭＡ部１０４へ出力する。また、この変復調部１０３は、ＣＤＭＡ部１０４から出力された送信用のデジタルのベースバンド信号をアナログ信号に変換すると共に、所定周波数の送信ＩＦ信号に変換してＲＦ部１０２へ出力する。
ＣＤＭＡ部１０４は、送信される信号の符号化処理、および受信された信号の複号化処理を行う。このＣＤＭＡ部１０４は、変復調部１０３から出力されたベースバンド信号を復号化する。また、ＣＤＭＡ部１０４は、送信用の信号を符号化し、符号化したベースバンド信号を変復調部１０３へ出力する。

音声処理部１０５は、通話時の音声に係る処理を行う。この音声処理部１０５は、通話時にマイクロホン（ＭＩＣ）から出力されたアナログの音声信号をデジタル信号に変換し、送信用の信号としてＣＤＭＡ部１０４へ出力する。また、この音声処理部１０５は、通話時にＣＤＭＡ部１０４によって復号化された音声データを示す信号に基づいて、スピーカ（ＳＰ）を駆動するためのアナログの駆動信号を生成し、スピーカ（ＳＰ）へ出力する。マイクロホン（ＭＩＣ）は、ユーザによって入力された音声に基づいた音声信号を生成し、音声処理部１０５へ出力する。スピーカ（ＳＰ）は、音声処理部１０５から出力された信号に基づいて、通話相手の音声を放音する。

ＧＰＳアンテナ１０６は、図示せぬＧＰＳ衛星から送信された電波を受信し、この電波に基づいた受信信号をＧＰＳ受信部１０７へ出力する。ＧＰＳ受信部１０７はこの受信信号を復調し、受信信号に基づいて、ＧＰＳ衛星の正確な時刻情報や電波の伝播時間等の情報を取得する。ＧＰＳ受信部１０７は取得した情報に基づいて、３以上のＧＰＳ衛星までの距離を算出し、三角測量の原理により、３次元空間上の位置（緯度・経度・高度等）を算出する。

主制御部１０８は、ＣＰＵ（中央処理装置）等から構成され、携帯端末１内部の各部を制御する。この主制御部１０８は、ＲＦ部１０２、変復調部１０３、ＣＤＭＡ部１０４、音声処理部１０５、ＧＰＳ受信部１０７、下記のセンサデータ取得部１１５、ＲＯＭ１０９、およびＲＡＭ１１０とバスを介して制御信号あるいはデータの入出力を行う。ＲＯＭ１０９は、主制御部１０８が実行する各種のプログラムや、出荷検査時に測定された温度センサおよび傾きセンサの初期特性値等を記憶する。ＲＡＭ１１０は、主制御部１０８によって処理されるデータ等を一時的に記憶する。

報知手段１１１は、例えばスピーカ、バイブレータ、または発光ダイオード等を備え、着信やメール受信等を、音、振動、または光等によってユーザに報知する。時計部１１２は計時機能を有し、年、月、日、曜日、時刻等の計時情報を生成する。主操作部１１３は、ユーザによって操作される文字入力用の入力キー、漢字・数字等の変換用の変換キー、カーソル操作用のカーソルキー、電源のオン／オフキー、通話キー、およびリダイアルキー等を備え、ユーザによる操作結果を示す信号を主制御部１０８へ出力する。また、開閉スイッチ（ＳＷ）１１４は、折畳み式携帯端末の開け始めと閉じ終わりを検出するためのスイッチである。

センサデータ取得部１１５は、互いに直交するＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の各々の軸方向の磁気（磁界）を検出する磁気センサ（１）〜（３）、温度を検出する温度センサ、携帯端末１の傾きを検出する物理量センサ、および上記の各センサによる検出結果を処理（Ａ／Ｄ変換等）するセンサ制御部を備えている。

電子撮像部２０１は、光学レンズおよびＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）等の撮像素子を備え、光学レンズにより撮像素子の撮像面上に結像した被写体の像を撮像素子によりアナログ信号に変換し、このアナログ信号をデジタル信号に変換して主制御部１０８へ出力する。表示部２０２は液晶ディスプレイ等を備え、主制御部１０８から出力された表示用の信号に基づいて画像や文字等を表示する。タッチパネル２０３は、表示部２０２が備える液晶ディスプレイの表面に組み込まれ、ユーザによる操作内容に応じた信号を主制御部１０８へ出力する。副操作部２０４は、表示切替に用いられるプッシュスイッチ等を備えている。

ここで、図２に示す機能ブロック図について説明する。
なお、同図に示す方位データ演算部３０７は、図１に示す主制御部１０８が対応し、表示手段３１６は、図１に示す表示部２０２が対応する。

磁気センサ部３０１は、磁気センサ（１）〜（３）と、電源投入後、各磁気センサを初期化するためのセンサ初期化手段（１）〜（３）とを備えている。センサ初期化手段（１）〜（３）は、強磁界が印加された場合、磁気センサ（１）〜（３）の磁性体の磁化の向きが狂ってしまうことから、磁気センサ（１）〜（３）を初期状態にリセットするために設けられるものである。

傾きセンサ部３０２は、物理量センサ（傾きセンサ）と、物理量センサの出力値のオフセット、感度などの値を示す初期値を予め製造時に記憶する傾きセンサ初期値記憶手段と、測定時に、傾きセンサ初期値記憶手段によって記憶されている初期値に基づいて物理量センサの出力を補正する傾きセンサ補正手段とを備えている。
温度センサ部３０３は、温度センサと、温度センサの出力値のオフセット、感度などの値を示す初期値を予め製造時に記憶する温度センサ初期値記憶手段と、測定時に、温度センサ初期値記憶手段によって記憶されている初期値に基づいて温度センサの出力を補正する温度センサ補正手段とを備えている。

切り替え手段３０４は、磁気センサ部３０１、傾きセンサ部３０２、および温度センサ部３０３からの出力を切り替え、いずれかのセンサ部から出力されたアナログ信号をＡ／Ｄ変換回路３０５に入力する。Ａ／Ｄ変換回路３０５はこのアナログ信号をデジタル信号に変換する。スキャン範囲設定手段３０６は、各センサの出力電圧を量子化してデジタル変換する際の変換単位となる電圧レンジ、量子化単位（例えば０．１ｍＶきざみで量子化する等）をセンサごとに設定する。

方位データ演算部３０７において、データ格納判定手段３０８は、キャリブレーション時に、磁気センサの出力に対応したデジタル信号によって示される測定データを記憶手段に格納すべきかどうかの判定等の、データ格納に関する処理を行う。オフセット推定手段３１０は、キャリブレーション時に取得した測定データに基づいてオフセットを推定する（詳細は後述）。有効性判定手段３１１は、オフセット推定手段３１０によって推定されたオフセットの有効性を判定する（詳細は後述）。記憶手段３０９は、測定データ等を記憶する。

方位演算手段３１２は、方位演算時に、このとき取得された測定データに基づいて方位を算出する。オフセット除去手段３１３は、方位演算時に取得された測定データからオフセットを除去する。温度補正手段３１４は、測定データの温度補正が必要な場合に、この測定データに対する温度補正を行う。傾き補正手段３１５は、傾き補正が必要な場合に、測定データに対する傾き補正を行う。表示手段３１６は、方位演算手段３１２によって算出された方位を画像として表示する。

ここで、方位データ演算部３０７の動作の詳細を説明する。
キャリブレーション時には、センサデータ取得部１１５から出力される測定データがデータ格納判定手段３０８に入力される。データ格納判定手段３０８は、データ格納判定アルゴリズムに基づいて、測定データを記憶手段３０９に格納すべきかどうか判定する。判定の結果、測定データを記憶手段３０９に格納すべきと判定した場合には、データ格納判定手段３０８は測定データを記憶手段３０９に格納する。また、データ格納判定手段３０８は、記憶手段３０９に格納された測定データの数をカウントし、測定データの数が所定の数に達した場合に、記憶手段３０９への測定データの格納を中止し、オフセット推定手段３１０に対してオフセットの推定を指示する。

オフセット推定手段３１０は、データ格納判定手段３０８によってオフセットの推定を指示された場合に、記憶手段３０９から測定データを読み出し、オフセット推定アルゴリズムに基づいてオフセットを推定する。また、オフセット推定手段３１０は、オフセットの推定結果を有効性判定手段３１１に通知する。有効性判定手段３１１は、オフセット推定手段３１０によってオフセットの推定結果が通知された場合に、記憶手段３０９から測定データを読み出し、有効性判定アルゴリズムに基づいて、推定されたオフセットが有効であるかどうか判定する。推定されたオフセットが有効であった場合、有効性判定手段３１１はこのオフセットを記憶手段３０９に格納する。

方位演算時には、センサデータ取得部１１５から出力される測定データが方位演算手段３１２に入力される。この測定データは、磁気データ、温度データ、および傾きデータである。方位演算手段３１２はオフセット除去手段３１３へ磁気データおよび温度データを出力する。オフセット除去手段３１３は、これらの測定データが入力された場合に、記憶手段３０９からオフセットを読み出し、磁気データからオフセット分を除去することにより補正を行い、補正後の磁気データを方位演算手段３１２へ出力する。

また、方位演算手段３１２は、必要に応じてオフセット除去手段３１３に対して、磁気データの温度補正を指示する。この指示を受けたオフセット除去手段３１３は、温度補正手段３１４に対して温度データを出力する。温度補正手段３１４は、キャリブレーション時の温度データを記憶手段３０９から読み出し、現在の温度とキャリブレーション時の温度とに基づいて、現在の磁気データを補正し、オフセット除去手段３１３へ補正結果を通知する。オフセット除去手段３１３は、この補正結果に基づいて、温度補正したオフセット除去後の磁気データを方位演算手段３１２へ出力する。

具体的には、キャリブレーション時の温度をＴＯ、推定されているオフセットをＯＦ、温度係数Ａ（これは出荷検査時に測定してＲＯＭ１０９に記録されている）、測定時の温度をＴ、磁気センサの測定値をＳ０とすると、温度補正したオフセット除去後の磁気データＳ１は、
Ｓ１＝Ｓ０−｛ＯＦ＋Ａ（Ｔ−ＴＯ）｝となる。

また、方位演算手段３１２は、必要に応じて傾き補正を行う。
ここで、この傾き補正についてその詳細を説明する。
ここでは、図３（ａ）に示すように携帯端末１の座標系を定義する。すなわち、携帯端末１のアンテナ１０１の方位角をα、仰角をβ、ひねり角（アンテナ軸のまわりの回転角）をγとする。符号は、同図に示す矢印方向を正とする。また、アンテナ方向の単位ベクトルをＶｙ、端末ユニット−２（アンテナ１０１および磁気センサ部３０１が配置された側）がなす面（例えば、図３では符号９９部分の面）に垂直な方向の単位ベクトルをＶｚとし、Ｖｙ，Ｖｚのいずれにも直交する単位ベクトルをＶｘとする。なお、同図に示す矢印方向を正の向きとする。地面座標系は、図３（ｂ）に示すように、Ｘ、Ｙ、Ｚで表し、北方向をＹ軸にとる。

ここで、地面座標系での重力をＧ＝（０，０，Ｇｚ）とする。また、携帯座標系での重力をｇ＝（ｇｘ、ｇｙ、ｇｚ）とする。この携帯座標系での重力は傾きセンサにより検出できるものとする。もちろん、地面座標系での重力は既知である。
すると、携帯座標系の重力ｇと地面座標系での重力Ｇは、下式で表される。
（Ｇｘ，Ｇｙ，Ｇｚ）ＢＣ＝（ｇｘ，ｇｙ，ｇｚ）ただし、

これから、ＢＣは、下式で表せる。

したがって、携帯座標系での重力ｇは下式で表される。

この式から、仰角β、ひねり角γが求まる。

以上のようにして求められた仰角β、ひねり角γから方位角α、地磁気の仰角θを求めることができる。ここで携帯座標系での地磁気をｈ＝（ｈｘ，ｈｙ，ｈｚ）、地面座標系での地磁気をＨ＝（０，Ｈｙ，Ｈｚ）とすると、
（０，Ｈｙ，Ｈｚ）ＡＢＣ＝（ｈｘ，ｈｙ，ｈｚ）が成り立つ。ただし、

である。これから、下式が導かれる。

よって、
（ｈｘ’，ｈｙ’，ｈｚ’）＝（Ｈｙｓｉｎα，Ｈｙｃｏｓα，Ｈｚ）となる。仰角β、ひねり角γは先に求められており、携帯座標系での地磁気ｈは測定されるので、（ｈｘ’，ｈｙ’，ｈｚ’）が定まる。ここで地面座標系での地磁気Ｈが既知であるとすると、方位角αが求まる。また、地磁気の仰角θも下式により求まる。

方位演算手段３１２は、以上のようにして、補正後の磁気データに基づいて方位を算出し、算出した方位を表示手段３１６に通知する。表示手段３１６は、例えば方位を示す情報を地図上に表示する。

次に、データ格納判定アルゴリズムについて説明する。
データ格納判定アルゴリズムは、ユーザが携帯端末１をほとんど動かしていないときにデータの取り込みが行われ方位円または方位球（下記）上の同一点近傍に測定データが集中したり、ユーザの動作スピードが均一でないためにデータ密度にまだらができたりしたような場合に、キャリブレーションに使えない測定データを格納するのを防止するためのものである。このような測定データが得られた場合には、測定データを記憶手段３０９に格納させない。

携帯端末１が水平面内で回転した場合（ここでは、磁気センサ（１）及び磁気センサ（２）の各軸がなすＸＹ平面が水平面に平行であるとする）、磁界値に変換された磁気センサ（１）の出力Ｘは正弦波状に変化し、磁界値に変換された磁気センサ（２）の出力Ｙは、出力Ｘと位相が９０度だけ異なる正弦波状に変化する。オフセットを（Ｘ０，Ｙ０）とすると、以下の関係式が成り立ち、これを方位円と称す。
(Ｘ−Ｘ０)^２＋（Ｙ−Ｙ０）^２＝Ｒ^２３次元の場合も同様の関係式が成り立ち、これを方位球と称す。
(Ｘ−Ｘ０)^２＋（Ｙ−Ｙ０）^２＋（Ｚ−Ｚ０）^２＝Ｒ^２

データ格納判定アルゴリズムは、具体的には、直前にＲＡＭ１１０に格納されたデータを（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）とし、格納判定の対象となるデータを（Ｘ，Ｙ，Ｚ）として、以下の条件式が満たされた場合にのみ、データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）をＲＡＭ１１０に格納する。
なお、ｄの値としては、方位円半径の１／１０程度が好ましい。

次に、オフセット推定アルゴリズムについて説明する。
測定データを（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）（ｉ＝１，・・・，Ｎ）、オフセットを（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）、方位球半径をＲとすると、以下の関係式が成り立つ。
(ｘ_ｉ−Ｘ０)^２＋（ｙ_ｉ−Ｙ０）^２＋（ｚ_ｉ−Ｚ０）^２＝Ｒ^２このとき、最小二乗誤差εを次式のように定義する。

ここで、
ａ_i＝ｘ_ｉ ^２＋ｙ_ｉ ^２＋ｚ_ｉ ^２
ｂ_i＝−２ｘ_ｉ
ｃ_i＝−２ｙ_ｉ
ｄ_i＝−２ｚ_ｉ
Ｄ＝（Ｘ０^２＋Ｙ０^２＋Ｚ０^２）−Ｒ^２ …（１）とすると、εは以下の式となる。

このとき、最小二乗誤差εを最小とする条件は、Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０およびＤをεの独立変数とし、εをＸ０、Ｙ０、Ｚ０およびＤで微分することにより以下の式となる。

したがって、以下の式が成り立つ。

ただし、

である。この連立方程式を解くことにより、最小二乗誤差εを最小とするＸ０，Ｙ０，Ｚ０，Ｄが求まる。また、（１）式により、Ｒも求めることができる。

次に、有効性判定アルゴリズムについて説明する。
このアルゴリズムによる処理では、推定されたオフセットおよび方位球（または方位円）半径と、ＲＡＭ１１０に格納された測定データから以下の値を算出する。

ただし、Ｍａｘ（ｘ_ｉ）は、測定データｘ_１，・・・，ｘ_Ｎの中の最大値を表し、Ｍｉｎ（ｘ_ｉ）は、測定データｘ_１，・・・，ｘ_Ｎの中の最小値を表す。また、σは標準偏差である。上記の値に対して、以下の判定基準が満たされるかどうか判定し、判定基準が満たされた場合に、推定したオフセットが有効であると判定する。
σ＜Ｆ
ｗ_ｘ＞Ｇ
ｗ_ｙ＞Ｇ
ｗ_ｚ＞Ｇ
ここで、Ｆは０．１程度が好ましく、Ｇは１程度が好ましい。

次に、キャリブレーションに係る動作について、図４を参照し、さらに詳細に説明する。

図１に示した構成例では、各磁気センサは開方向に移動する側である端末ユニット−２側に配置され（一方、端末ユニット−１は、携帯端末１が開閉される際はユーザの手による把持などにより概ね固定される。）、端末ユニット−２を蓋と呼ぶと、開閉させる蓋側に搭載されことになる（図５参照）。この磁気センサが配置される位置は、端末ユニット−１と端末ユニット−２を結合する部分に近い方が好適であるが（もちろん、端末ユニット−１側に配置してもよい）、いずれの場所に配置してもよい。携帯端末１には開閉スイッチ（ＳＷ）１１４が設けられており、開閉動作を、開け始め、閉じ終わりの段階で認識できる。磁気センサ部３０１は、ここでは三軸磁気センサからなるものとする。

（１）キャリブレーション方法
はじめ、開閉スイッチ（ＳＷ）１１４により端末ユニット−２の閉じ終わりが検出されると、このタイミングでトリガーがかかる（ステップＳ１０１）。この後、ユーザは、当該携帯端末１をポケットに入れる、机の上に置くなどの動作をする。このため、携帯端末１は、閉じられた直後からしばらくは向きを変化させる。

主制御部１０８は、センサ制御部に対して各センサによる計測を指示する（ステップＳ１０２）。各磁気センサからデータが読み出され、データサンプリングが始まる（ステップＳ１０３）。ここでは、各磁気センサの出力を所定時間の間連続的にサンプリングする。このようにしてサンプリングされた測定データは、ＸＹＺ空間にプロットすると、ある球面上にデータ点が散らばって載る。

次いで、前述のデータ格納判定アルゴリズムに基づいて、測定データをＲＡＭ１１０に格納するかどうか判断する（ステップＳ１０４）。
ステップＳ１０４でＮｏと判定された場合、０．１秒だけ待機し（ステップＳ１０５）、ステップＳ１０２に戻る。
ステップＳ１０４でＹｅｓと判定した場合には、ＲＡＭ１１０に測定データを格納し（ステップＳ１０６）、ＲＡＭ１１０に格納された測定データの数が所定の数に達したかどうかさらに判断する（ステップＳ１０７）。

このステップＳ１０７でＮｏと判定された場合には、ステップＳ１０５へ移る。一方、ステップＳ１０７でＹｅｓと判定された場合には、測定データのサンプリングを中止するとともに、ＲＡＭ１１０からこれに格納された測定データを読み出し、前述のオフセット推定アルゴリズムに基づいて、オフセットを推定する（ステップＳ１０８）。

続いて、前述の有効性判定アルゴリズムに基づいて、推定したオフセットが有効な値であるかどうか判断する（ステップＳ１０９）。この判断で、Ｙｅｓと判定された場合には、ステップＳ１０８で推定したオフセットをＲＡＭ１１０に格納し、仮の更新処理が終了する（Ｓ１１０）。一方、ステップＳ１０９でＮｏと判定された場合には、オフセットの更新はせず一連の処理を終了する（ステップＳ１１１）。

上記キャリブレーション方法におけるオフセットの（仮の）更新処理は、今回得られたオフセットのデータと更新前のオフセットのデータとの比較により、オフセットの補正が必要であると判断された場合にのみ（この判断基準は別途定められる）、オフセットの更新が行われるようにしてもよい。
あるいは、予め定められた基準に従い、オフセットがその更新が必要なレベル（あるいは基準の範囲）となっているかどうか判断をして、携帯端末１の開閉時にデータ取得を行うかどうか選択されるようにしてもよい。

ここで、キャリブレーション方法の他の例について説明する。
携帯端末１を閉じた後、一般にユーザの動作は決まっていないので、前述のようにステップＳ１０３にてサンプリングされた測定データを、ＸＹＺ空間にプロットすると、データ点が特定の平面上に集中する場合もある。例えば、データがＸＹ平面上に集中した場合、このデータから方位球の中心を求めても、Ｚの値は精度よくもとまらない。

前述のデータ格納判定アルゴリズムでは、このような場合、キャリブレーションに使えない測定データを格納を記憶手段３０９に格納しないようにしているが、この場合も、測定データを格納手段３０９に格納させ、前述のオフセット推定アルゴリズムに基づいて、オフセットを推定する。そして、有効性判定アルゴリズムとして、方位球の半径の最小二乗誤差を求め、次に、オフセットをＺ軸方向に一定量移動した場合の最小二乗誤差をさらに求める。このときの二つの最小二乗誤差の差が既定値より小さい場合にはＺ軸についてのオフセットは無効とし、Ｘ軸、Ｙ軸についてのオフセットのみ仮に更新する。

次に、漏洩磁界補正について説明する。
上記のようにして求めたオフセットは携帯端末１を閉じた状態のものである。一般に携帯電話機等の携帯端末にはスピーカやマイクなどが搭載され、これらには永久磁石が用いられている。この永久磁石からの漏洩磁界が磁気センサのオフセットに与える影響は、携帯端末１を閉じた状態と開けた状態で異なる場合がある。このような場合には、先に求めたオフセットにこの相違分を補正する必要がある。

通常、携帯端末１を開ける際の動作は決まっている。また組み込まれた永久磁石と磁気センサの位置関係も既知である。携帯端末１を開ける動作時に、すなわち携帯端末１の開け始めから磁気センサの出力をサンプリングし、測定データをＸＹＺ空間にプロットした場合、測定データがＸＹＺ空間で描く曲線は限定され、永久磁石の磁化の強さと、地磁気と携帯端末１の相対角度、および地磁気強度が決まればひとつに定まる。

ここで磁化の向きをＺ方向とすると、磁化Ｍの永久磁石が地磁気センサまわりに作る磁界は下式で表される。なお、ｘ，ｙ，ｚは、永久磁石の位置を原点とした場合の地磁気センサの座標とする。ここで、Ｈｘは磁界のｘ成分、Ｈｙは磁界のｙ成分、Ｈｚは磁界のｚ成分である。

今、ｘ，ｙ，ｚは、携帯端末１の開閉角θ（図５参照）の関数として既知である。また、端末ユニット−２に搭載された地磁気センサの端末ユニット−１部分に対する相対な向きもθの関数としてもとまる。また、地磁気の端末ユニット−１部分に対する相対的な向きと強度もわかっている。よって、携帯端末１の開閉時の、地磁気に基づく地磁気センサの出力変化もわかる。

図６は、携帯端末１が閉じた状態から完全に開いた状態まで動作するときに、磁気センサ部３０１で検出される磁界のＹ成分とＺ成分の変化をシミュレートしたグラフである。同図において、１番の曲線は、地磁気が磁気センサ部３０１まわりに作る磁界のＹ成分と磁界のＺ成分の変化を示す。２番の曲線は、磁化Ｍの永久磁石が磁気センサ部３０１まわりに作る磁界のＹ成分と磁界のＺ成分の変化を、［数２３］および［数２４］を用いてシミュレータしたものである。３番の曲線は、地磁気と磁化Ｍの永久磁石の双方が磁気センサ部３０１まわりにＹ成分と磁界のＺ成分の変化を示す。なお、図６に示されているのは、シミュレートされたＨｙ、Ｈｚの値であるが、もちろんＨｘも含めてシミュレートすることが可能である。

図６の曲線２、３は磁化Ｍの値に応じて変化する曲線である。ここで、曲線３が、携帯端末１の開動作時に磁気センサ部３０１で測定した磁界データ（Ｈｙ、Ｈｚ）の軌跡と合うように磁化Ｍをパラメータとしてフィッティングを行うことにより、携帯端末１の漏洩磁界の原因である永久磁石の磁化Ｍを求めることができる。
次に、求めた磁化Ｍを［数２３］および［数２４］に代入し、携帯端末１が閉じている状態における磁気センサ部３０１まわりの漏洩磁界Ｈｃと、携帯端末１が完全に開いている状態における磁気センサ部３０１まわりの漏洩磁界Ｈｏとを計算する。先に求めた携帯端末１が閉じている時のオフセットから、漏洩磁界Ｈｃと漏洩磁界Ｈｏとの差を差し引くことにより漏洩磁界の補正が行われ、オフセットが正式に更新される。

以上のようにして、携帯端末１を閉じた状態で磁気センサのキャリブレーションを行い、ユーザが携帯端末１を開くと、オフセットの漏洩磁界補正をさらに行うので、ユーザに特別な操作を強いることなく、より正確なキャリブレーションを実現する。

また、上記では、携帯端末１の主制御部１０８が、オフセットの推定や漏洩磁界補正のための処理を行うが、これらの処理を行う処理部をセンサデータ取得部（磁気センサ装置）１１５に設け、主制御部１０８から携帯端末１が閉じられたことを示す閉信号をセンサデータ取得部１１５に与え、これに応じて、センサデータ取得部１１５が前述のオフセット推定の処理を行い、また、主制御部１０８から携帯端末１が開かれたことを示す開信号をセンサデータ取得部１１５に与え、これに応じて、センサデータ取得部１１５が前述の漏洩磁界補正の処理を行うようにしてもよい。

なお、上記で説明した各動作フローは一例であり、上記の処理の流れに限定されるものではない。
以上、この発明の実施形態を、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の構成等も含まれることは言うまでもない。

本発明の方位検出機能付き携帯電子機器の一実施の形態である携帯通信端末（携帯端末）の電気的構成を示すブロック図である。 同実施の形態の機能ブロック図である。 （ａ）携帯端末の座標系（定義）と、（ｂ）地面座標系を示す図である。 キャリブレーションに係る動作を説明するためのフローチャートである。 同実施の形態の携帯端末の外観（開いた状態）を示す図である。 永久磁石からの磁界のＨｙ１とＨｚ１の関係、地磁気からの磁界のＨｙ２とＨｚ２の関係、永久磁石からの磁界と地磁気からの磁界の和Ｈｙ３（＝Ｈｙ１＋Ｈｙ２）とＨｚ３（＝Ｈｚ１＋Ｈｚ２）の関係をシミュレーションした図である。

符号の説明

１…携帯端末（携帯電子機器）、１０１…アンテナ、１０２…ＲＦ部、１０３…変復調部、１０４…ＣＤＭＡ部、１０５…音声処理部、１０６…ＧＰＳアンテナ、１０７…ＧＰＳ受信部、１０８…主制御部（オフセット推定手段、漏洩磁界補正手段）、１０９…ＲＯＭ、１１０…ＲＡＭ、１１１…報知手段、１１２…時計部、１１３…主操作部、１１４…開閉スイッチ（ＳＷ）（開閉検出手段）、１１５…センサデータ取得部（方位検出手段）、２０１…電子撮像部、２０２…表示部、２０３…タッチパネル、２０４…副操作部、３０１…磁気センサ部、３０２…傾きセンサ部、３０３…温度センサ部、３０４…切り替え手段、３０５…Ａ／Ｄ変換回路、３０６…スキャン範囲設定手段、３０７…方位データ演算部、３０８…データ格納判定手段、３０９…記憶手段、３１０…オフセット推定手段、３１１…有効性判定手段、３１２…方位演算手段、３１３…オフセット除去手段、３１４…温度補正手段、３１５…傾き補正手段、３１６…表示手段

Claims (5)

1. 磁気センサを有する方位検出手段を搭載した折り畳み式の携帯電子機器において、
   当該携帯電子機器の開閉を検出する開閉検出手段と、
   前記磁気センサから出力データを取得し、取得したデータに基づき前記磁気センサの出力の誤差であるオフセットを推定するオフセット推定手段と、
   前記開閉検出手段により当該携帯電子機器の開き始めが検出されると、前記磁気センサから出力データの取得を開始し、取得したデータに基づき前記オフセットから前記漏洩磁界による影響分を除去する漏洩磁界補正手段と、を具備する
   ことを特徴とする方位検出機能付き携帯電子機器。
2. 複数方向の磁気を検出可能な磁気センサ群を含んで構成される磁気センサ装置において、
   折畳み式の携帯電子機器の閉じ終わりを示す閉信号を受け、これに応じて、該磁気センサの出力データの取得を開始し、取得したデータに基づき該磁気センサの出力の誤差であるオフセットを推定するオフセット推定手段と、
   折畳み式の携帯電子機器の開き始めを示す開信号を受け、これに応じて、該磁気センサから出力データの取得を開始し、取得したデータに基づき前記オフセットから前記漏洩磁界による影響分を除去する漏洩磁界補正手段と、を備えた
   ことを特徴とする磁気センサ装置。
3. 磁気センサを有する方位検出手段を搭載した折り畳み式の携帯電子機器における前記方位検出手段のキャリブレーション方法であって、
   前記磁気センサから出力データを取得し、取得したデータに基づき前記磁気センサの出力の誤差であるオフセットを推定し、
   前記携帯電子機器の開き始めが検出された場合、前記磁気センサから出力データの取得を開始し、取得したデータに基づき前記オフセットから前記漏洩磁界による影響分を除去する
   ことを特徴とする方位検出機能付き携帯電子機器のキャリブレーション方法。
4. 複数方向の磁気を検出可能な磁気センサ群を含んで構成される磁気センサ装置において、
   該磁気センサの出力データを取得し、取得したデータに基づき該磁気センサの出力の誤差であるオフセットを推定するオフセット推定手段と、
   折畳み式の携帯電子機器の開き始めを示す開信号を受け、これに応じて、該磁気センサから出力データの取得を開始し、取得したデータに基づき前記オフセットから前記漏洩磁界による影響分を除去する漏洩磁界補正手段と、を備えた
   ことを特徴とする磁気センサ装置。
5. 前記オフセット推定手段は、前記開閉検出手段により前記携帯電子機器の閉じ終わりが検出された時に、前記磁気センサから出力データを取得開始し、取得されたデータに基づき、前記磁気センサの出力誤差であるオフセット値を推定することを特徴とする請求項１に記載の方位検出機能付き携帯電子機器。

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