JP2008170168A

JP2008170168A - 傾斜角センサ

Info

Publication number: JP2008170168A
Application number: JP2007001160A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Shoji; 茂庄司
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2007-01-09
Filing date: 2007-01-09
Publication date: 2008-07-24

Abstract

【課題】演算処理が簡単であり応答性の優れた傾斜角センサを提供する。
【解決手段】傾斜角センサは、互いに直交する少なくとも第１及び第２の感度軸を有する加速度センサを備えており、傾斜角がいずれの範囲にあるかに応じて、第１の感度軸に関する第１の出力信号又は第２の感度軸に関する第２の出力信号を選択して傾斜角を求める。
【選択図】図６

Description

本発明は、加速度センサを用いることによって重力に対する傾きを精度良く測定することのできる傾斜角センサに関し、例えば、カメラ、ビデオカメラ及び携帯電話機等の携帯機器において水平基準に対してのあらかじめ定めた１軸方向の傾きを知り、この傾きを補正する場合等に用いられる傾斜角センサに関する。

気泡入りの曲がった管を用い、この曲管中の気泡の位置から、水平に対して傾斜しているか否かを知る方法は、古くから知られている。

この方法を用いれば傾斜の有無を知ることはできるが、傾いている面がどの程度傾いているかその傾斜角を実際に検知することはできない。この方法は、あくまでも水平の基準出しを可能とするのみである。従って、カメラ、ビデオカメラ及び携帯機器等の水平位置出しや、載置された位置の傾斜度合等を知るには、水平基準出しを行った上に、その水平基準からの角度変位を測定する必要がある。

また、この水平基準出しを行う場合に、そのセンサ自体を小型化すること及び電子信号として容易に取り出せること等も要求されるが、曲管気泡入りセンサでこれを達成することは不可能である。さらに、携帯機器等の場合、傾き変化速度が大きく、瞬時の傾きに対して素早い基準出しを行う必要があるが、気泡の動きは、緩慢であり、早い応答を期待することは全くできない。

水平基準に対しての正確な角度を検知し、電気的信号を瞬時に出力できる傾斜角センサとして、加速度センサを用いた傾斜角センサは公知である（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載された傾斜計では、検出軸を互いに９０°ずらせて配置した２つの加速度計の出力ｓｉｎθ及びｃｏｓθにｃｏｓφ及びｓｉｎφ（φ：デジタル傾斜角）をそれぞれ乗算し、両者を減算処理することによって、傾斜角θに対するデジタル傾斜角φを求めている。

特開平０８−１２８８２５号公報

しかしながら、この特許文献１に記載されている傾斜角センサでは、三角関数の２回の乗算と減算とが必要となることから、演算処理が複雑となり応答性が良好ではない。

従って本発明の目的は、演算処理が簡単であり応答性の優れた傾斜角センサを提供することにある。

本発明によれば、互いに直交する少なくとも第１及び第２の感度軸を有する加速度センサを備えており、傾斜角がいずれの範囲にあるかに応じて、第１の感度軸に関する第１の出力信号又は第２の感度軸に関する第２の出力信号を選択して傾斜角を求める傾斜角センサが提供される。

傾斜角がいずれの範囲にあるかに応じて、第１の感度軸に関する第１の出力信号か又は第２の感度軸に関する第２の出力信号のいずれかを選択することにより、傾斜角を求めているため、複雑な演算処理が不要であり、素早く結果を出力できるので、応答性が良好であり、しかも回路構成が簡易となることからコストの低減化を図ることができる。

第１の出力信号及び第２の出力信号から、傾斜角がいずれの範囲にあるかを求める傾斜角範囲判別手段を備えていることが好ましい。

この傾斜角範囲判別手段が、第１の出力信号及び第２の出力信号の和及び差から傾斜角の範囲を求める手段であることがより好ましい。

傾斜角範囲判別手段が、第１の出力信号及び第２の出力信号の和が正でありかつ第１の出力信号及び第２の出力信号の差が正である場合は、傾斜角αが４５度＜α＜１３５度の角度範囲にあり、第１の出力信号及び第２の出力信号の和が正でありかつ第１の出力信号及び第２の出力信号の差が負である場合は、傾斜角αが−４５度＜α＜４５度の角度範囲にあり、第１の出力信号及び第２の出力信号の和が負でありかつ第１の出力信号及び第２の出力信号の差が正である場合は、傾斜角αが−１８０度＜α＜−１３５度又は１３５度＜α＜１８０度の角度範囲にあり、第１の出力信号及び第２の出力信号の和が負でありかつ第１の出力信号及び第２の出力信号の差が負である場合は、傾斜角αが−１３５度＜α＜−４５度の角度範囲にあると判別する手段であることも好ましい。

傾斜角範囲判別手段の算出した範囲に応じて選択した、第１の出力信号の逆余弦関数又はその近似式、及び第２の出力信号の逆正弦関数又はその近似式の一方から傾斜角を求める傾斜角算出手段をさらに備えていることも好ましい。

本発明によれば、複雑な演算処理が不要であり、素早く結果を出力できるので、応答性が良好であり、しかも回路構成が簡易となることからコストの低減化を図ることができる。

図１は本発明の傾斜角センサの一実施形態における加速度センサを概略的に示す斜視図であり、図２はこの加速度センサの配置及び傾きを説明する側面図であり、図３はこの加速度センサの出力信号を説明する図である。本実施形態は、単一の３軸加速度センサを用いて、１軸を回転軸とした傾きを検出可能とする傾斜角センサの場合である。単一の３軸加速度センサに代えて、単一の２軸加速度センサ、２つの１軸加速度センサを用いても良い。

図１に示すように、基板１０上には、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を検出可能な加速度センサ１１が固着されている。なお、ここでは、図に示す矢印方向が各加速度センサにおける各軸の正方向であり、以下、これらＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の正方向を単にＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向とそれぞれ表すものとする。

図２に示すように、水平状態にある傾斜角センサ、従って加速度センサ１１が、Ｙ軸を回転中心軸として角度αだけ傾斜したとする。この場合、加速度センサ１１からは、図３に示すように、Ｘ軸に関する信号ＸＡ＝Ｇ・ｓｉｎαと、Ｚ軸に関する信号ＺＡ＝Ｇ・ｃｏｓαとが出力される。Ｙ軸に関する信号ＹＡは０である。ただし、Ｇは重力加速度である。

図４は加速度センサ１１から得られるこれら信号ＸＡ及びＺＡと傾斜角αとの関係を説明するための図である。

傾斜角αについては、ｓｉｎ^−１（ＸＡ／Ｇ）又はｃｏｓ^−１（ＺＡ／Ｇ）から求めることができるが、どちらの式を用いた方が精度良く傾斜角αを求めることができるかは、求める傾斜角αの角度範囲によって定まる。即ち、図４に示すように、（１）４５度＜α＜１３５度の範囲、及び（４）−１３５度＜α＜−４５度の範囲では、余弦波（ｃｏｓ）関数が直線的に変化するので、ｃｏｓ^−１（ＺＡ／Ｇ）を用いることが望ましい。また、（２）−４５度＜α＜４５度の範囲、並びに（３）−１８０度＜α＜−１３５度、及び１３５度＜α＜１８０度の範囲では、正弦波（ｓｉｎ）関数が直線的に変化するので、ｓｉｎ^−１（ＸＡ／Ｇ）を用いることが望ましい。

図５は傾斜角αを加速度センサの出力信号ＸＡ及びＺＡに関する近似式で求める場合の各範囲毎の近似式を説明する図である。

同図に示すように、（１）の角度範囲（４５度＜α＜１３５度）では、ＺＡ＝Ｇ・ｃｏｓαにおけるＺＡとαとがほぼ直線的に変化するため、線形近似式ＺＡ＝√２−√２／９０・αが成立し、従って、傾斜角αはα＝−９０／（√２）・ＺＡ＋９０から求めることができる。

また、同図に示すように、（２）の角度範囲（−４５度＜α＜４５度）では、ＸＡ＝Ｇ・ｓｉｎαにおけるＸＡとαとがほぼ直線的に変化するため、線形近似式ＸＡ＝√２／９０・αが成立し、従って、傾斜角αはα＝９０／（√２）・ＸＡから求めることができる。

さらに、同図に示すように、（３）の角度範囲（−１８０度＜α＜−１３５度、又は１３５度＜α＜１８０度）では、ＸＡ＝Ｇ・ｓｉｎαにおけるＸＡとαとがほぼ直線的に変化するため、線形近似式ＸＡ＝−２√２−√２・９０／α（−１８０度＜α＜−１３５度）又は線形近似式ＸＡ＝２√２−√２・α（１３５度＜α＜１８０度）が成立し、従って、傾斜角αはα＝−９０／（√２）・ＸＡ−１８０（−１８０度＜α＜−１３５度）又はα＝−９０／（√２）・ＸＡ＋１８０（１３５度＜α＜１８０度）から求めることができる。

さらにまた、同図に示すように、（４）の角度範囲（−１３５度＜α＜−４５度）では、ＺＡ＝Ｇ・ｃｏｓαにおけるＺＡとαとがほぼ直線的に変化するため、線形近似式ＺＡ＝√２＋√２／９０・αが成立し、従って、傾斜角αはα＝９０／（√２）・ＺＡ−９０から求めることができる。

傾斜角αがどの角度範囲にあるかは、加速度センサ出力ＸＡ及びＺＡから以下のように求めることができる。
（１）の角度範囲（４５度＜α＜１３５度）では、ＸＡ＋ＺＡ＞０かつＸＡ−ＺＡ＞０が成立する。この場合、α＝ｃｏｓ^−１（ＺＡ／Ｇ）から求める。ただし、前述のように、線形近似式α＝−９０／（√２）・ＺＡ＋９０で求めても良い。
（２）の角度範囲（−４５度＜α＜４５度）では、ＸＡ＋ＺＡ＞０かつＸＡ−ＺＡ＜０が成立する。この場合、α＝ｓｉｎ^−１（ＸＡ／Ｇ）から求める。ただし、前述のように、線形近似式α＝９０／（√２）・ＸＡで求めても良い。
（３）の角度範囲（−１８０度＜α＜−１３５度、又は１３５度＜α＜１８０度）では、ＸＡ＋ＺＡ＜０かつＸＡ−ＺＡ＞０が成立する。この場合、α＝ｓｉｎ^−１（ＸＡ／Ｇ）から求める。ただし、前述のように、線形近似式α＝−９０／（√２）・ＸＡ−１８０（−１８０度＜α＜−１３５度）又はα＝−９０／（√２）・ＸＡ＋１８０（１３５度＜α＜１８０度）で求めても良い。
（４）の角度範囲（−１３５度＜α＜−４５度）では、ＸＡ＋ＺＡ＜０かつＸＡ−ＺＡ＜０が成立する。この場合、α＝ｃｏｓ^−１（ＺＡ／Ｇ）から求める。ただし、前述のように、線形近似式α＝９０／（√２）・ＺＡ−９０で求めても良い。

図６は本実施形態の傾斜角センサにおいて、角度範囲に応じた線形近似式によって傾斜角αを算出する回路構成を詳細に示す回路図である。

同図において、比例増幅回路１２は、（１）の角度範囲の場合に用いる線形近似式−９０／（√２）・ＺＡ＋９０を演算する回路であり、比例増幅回路１３は、（２）の角度範囲の場合に用いる線形近似式α＝９０／（√２）・ＸＡを演算する回路であり、比例増幅回路１４は、（３）の角度範囲の場合に用いる線形近似式α＝−９０／（√２）・ＸＡ＋１８０を演算する回路であり、比例増幅回路１５は、（４）の角度範囲の場合に用いる線形近似式α＝９０／（√２）・ＺＡ−９０を演算する回路である。これら比例増幅回路１２〜１５の出力端子はスイッチ回路１６〜１９を介して出力端子２０に接続されている。

傾斜角範囲算出回路２２は、ＸＡ＋ＺＡの演算を行う回路であり、傾斜角範囲算出回路２３は、ＸＡ−ＺＡの演算を行う回路である。これら傾斜角範囲算出回路２２及び２３の出力端子は、ゲート２４〜２７に接続されている。ゲート２４〜２７は、ＸＡ＋ＺＡが０より大きいか小さいか、ＸＡ−ＺＡが０より大きいか小さいかの判別を行ってその結果を組み合わせた論理出力によりスイッチ回路１９〜１６の開閉を制御する。

この図６に示した電気回路によって、傾斜角の角度範囲に応じた最適の近似式を用いて傾斜角αが求められることは明らかである。

以上述べたように、本実施形態によれば、傾斜角αがいずれの範囲にあるかを判別し最も線形性の良好な範囲となるように加速度センサのＸ軸に関する出力信号ＸＡか又はＺ軸に関する出力信号ＺＡのいずれかを選択することにより、ＸＡの逆正弦関数又はＺＡの逆余弦関数から傾斜角αを求めているため、複雑な演算処理が不要であり、素早く結果を出力できる。しかも、本実施形態では、これを線形近似式で算出しているため、演算処理がより簡易となり、より早く結果を出力できるので、応答性が非常に良好となり、しかも回路構成が簡易となることからコストの低減化を図ることができる。

図７は本発明の傾斜角センサの他の実施形態における角度範囲に応じた近似式によって傾斜角αを算出する回路構成を詳細に示す回路図であり、図８は図７の傾斜角αの算出回路におけるコンピュータのプログラムを概略的に示すフロー図である。

本実施形態における加速度センサ自体の構成及び配置は、図１の実施形態の場合と同じである。異なっているのは、角度範囲に応じた近似式によって傾斜角αを算出する回路の構成である。従って、図７において、図６と同じ構成要素については同じ参照番号を使用する。

図７に示すように、角度範囲に応じた近似式によって傾斜角αを算出する回路として、本実施形態では、デジタルコンピュータ２９を使用している。即ち、加速度センサの出力信号ＸＡ及びＺＡは、インタフェース回路２８内のＡ／Ｄ変換器２８ａによってデジタル信号に変換され、コンピュータ２９に取り込まれる。

コンピュータ２９内では、図８のフロー図に従って以下のごとき演算が行われる。

まず、デジタル変換されたＸＡ及びＺＡを取り込む（ステップＳ１）。

次いで、ＸＡ＋ＺＡ＞０であるかどうか判別する（ステップＳ２）。

ステップＳ２においてＹＥＳである場合は、ＸＡ−ＺＡ＞０であるかどうか判別する（ステップＳ３）。

ステップＳ３においてＹＥＳである場合は、（１）の角度範囲（４５度＜α＜１３５度）であるものと判別し、線形近似式α＝−９０／（√２）・ＺＡ＋９０から傾斜角αを算出する（ステップＳ４）。

ステップＳ３においてＮＯである場合は、（２）の角度範囲（−４５度＜α＜４５度）であるものと判別し、線形近似式α＝９０／（√２）・ＸＡから傾斜角αを算出する（ステップＳ５）。

一方、ステップＳ２においてＮＯである場合は、ＸＡ−ＺＡ＞０であるかどうか判別する（ステップＳ６）。

ステップＳ６においてＹＥＳである場合は、（３）の角度範囲（１３５度＜α＜１８０度）であるものと判別し、線形近似式α＝−９０／（√２）・ＸＡ＋１８０から傾斜角αを算出する（ステップＳ７）。

ステップＳ６においてＮＯである場合は、（４）の角度範囲（−１３５度＜α＜−４５度）であるものと判別し、線形近似式α＝９０／（√２）・ＺＡ−９０から傾斜角αを算出する（ステップＳ８）。

その後、以上の処理により算出された傾斜角αを出力端子２０′から出力する（ステップＳ９）。

本実施形態におけるその他の構成、さらに本実施形態における動作、作用効果等は、本実施形態の構成によれば回路構成がさらに簡易化でき、低コスト化が図れる点を除いて、図１の実施形態の場合とほぼ同様である。

以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。

本発明の傾斜角センサの一実施形態における加速度センサを概略的に示す斜視図である。図１の加速度センサの配置及び傾きを説明する側面図である。図１の加速度センサの出力信号を説明する図である。加速度センサから得られるこれら信号ＸＡ及びＺＡと傾斜角αとの関係を説明するための図である。傾斜角αを加速度センサの出力信号ＸＡ及びＺＡに関する近似式で求める場合の各範囲毎の近似式を説明する図である。図１の実施形態の傾斜角センサにおいて、角度範囲に応じた近似式によって傾斜角αを算出する回路構成を詳細に示す回路図である。本発明の傾斜角センサの他の実施形態における角度範囲に応じた近似式によって傾斜角αを算出する回路構成を詳細に示す回路図である。図７の傾斜角αの算出回路におけるコンピュータのプログラムを概略的に示すフロー図である。

符号の説明

１０基板
１１加速度センサ
１２、１３、１４、１５比例増幅回路
１６、１７、１８、１９スイッチ回路
２０、２０′ 出力端子
２２、２３傾斜角範囲算出回路
２４、２５、２６、２７ゲート
２８インタフェース回路
２８ａＡ／Ｄ変換器
２９デジタルコンピュータ

Claims

互いに直交する少なくとも第１及び第２の感度軸を有する加速度センサを備えており、傾斜角がいずれの範囲にあるかに応じて、前記第１の感度軸に関する第１の出力信号又は前記第２の感度軸に関する第２の出力信号を選択して傾斜角を求めることを特徴とする傾斜角センサ。
前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号から、傾斜角がいずれの範囲にあるかを求める傾斜角範囲判別手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の傾斜角センサ。
前記傾斜角範囲判別手段が、前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号の和及び差から傾斜角の範囲を求める手段であることを特徴とする請求項２に記載の傾斜角センサ。
前記傾斜角範囲判別手段が、前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号の和が正でありかつ前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号の差が正である場合は、傾斜角αが４５度＜α＜１３５度の角度範囲にあり、前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号の和が正でありかつ前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号の差が負である場合は、傾斜角αが−４５度＜α＜４５度の角度範囲にあり、前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号の和が負でありかつ前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号の差が正である場合は、傾斜角αが−１８０度＜α＜−１３５度又は１３５度＜α＜１８０度の角度範囲にあり、前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号の和が負でありかつ前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号の差が負である場合は、傾斜角αが−１３５度＜α＜−４５度の角度範囲にあると判別する手段であることを特徴とする請求項３に記載の傾斜角センサ。
前記傾斜角範囲判別手段の算出した範囲に応じて選択した、前記第１の出力信号の逆余弦関数又はその近似式、及び前記第２の出力信号の逆正弦関数又はその近似式の一方から傾斜角を求める傾斜角算出手段をさらに備えていることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の傾斜角センサ。