JP3780086B2

JP3780086B2 - 姿勢角度検出装置

Info

Publication number: JP3780086B2
Application number: JP02660498A
Authority: JP
Inventors: 洋阿部; 直治山本
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1998-01-22
Filing date: 1998-01-22
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2018-01-22
Also published as: JPH11211481A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体やヘッドマウントディスプレイ等の姿勢を検出する姿勢角度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バーチャルリアリティーにおいて、頭の動きを検出する方法として、ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤという）が使われる。従来のＨＭＤの一つの方式は、交流磁場発生源による微弱交流磁場を、センサ部で検出し、制御演算部で頭の動きを演算して検出する方式である。また、超音波を利用するＨＭＤもあり、超音波発生源からの超音波信号をセンサ部で検出し、制御演算部で同様に処理する方式である。
【０００３】
しかしながら、交流磁場を利用した方式では、信号発生源が微弱交流磁場のため、ノイズを除去するために多くのフィルタの使用が必然であった。このため、応答性が低下し、頭の動きに比べて、ＨＭＤの映像の動きが遅くなり、気分を悪くしたり酔いを発生した。
【０００４】
また、超音波を利用した方式では、他の様々な超音波信号の影響を受け、それを原因とする誤動作があった。また、超音波を利用した方式では、信号発生源とセンサとの間の遮蔽物により信号を検出できなくなる可能性があり、センサの前に腕や髪の毛があるだけで受信不能になり誤動作してしまうなどの問題があった。
【０００５】
最近、ジャイロスコープ、磁気センサ、および加速度センサ等を用い、バーチャルリアリティーや、移動体の姿勢角度を検出する方式が検討されている。ジャイロスコープ、磁気センサ、加速度センサ等によって、それぞれ角速度、方位、傾斜を検出し、その情報を演算処理して姿勢角度が検出される。
【０００６】
交流磁場や超音波を利用する前述の方式に比較して、ジャイロスコープ等を用いて姿勢角度を検出する方式は、信頼性、応答性等において長所がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ジャイロスコープ、磁気センサ、加速度センサ等を用いた姿勢角度検出装置の場合、検出対象の姿勢角度が三次元的であれば、一般には、それぞれ３個のセンサを必要とする。これらのセンサを、当然に、３次元的に実装する必要があり、小型の姿勢角度検出装置の製作が困難となる。
【０００８】
とくに、３個のジャイロスコープを用いた姿勢角度検出装置の場合には、小型化を実現するために各振動子を相互に近接して実装すると、各振動子の振動が相互に干渉し、ノイズを発生する原因ともなっていた。
【０００９】
本発明の目的は、３個のジャイロスコープを用いても、構成が単純にして小型、製作が容易で、かつノイズを低減し高精度に検出する姿勢角度検出装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、互いに直交する３軸の回りの角速度を検出する３個のジャイロスコープを有する移動角検出手段と、互いに直交する少なくとも２軸の、加速度および方位をそれぞれ検出する加速度センサおよび磁気センサを有する静止角検出手段、および移動角検出手段と前記静止角検出手段の各出力から姿勢角度を演算する姿勢角度演算装置を備えた姿勢角度検出装置において、３個のジャイロスコープの振動子は、同一のフレキシブル基板に実装され、各振動子が相互に垂直になるように、フレキシブル基板は折り曲げられて回路基板に取り付けられている姿勢角度検出装置である。
【００１１】
本発明の姿勢角度検出装置は、ジャイロスコープの振動子は、圧電セラミック材料、圧電単結晶、およびシリコンのいずれかからなることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、フレキシブル基板に、各振動子の間にスリットを形成することによって、ノイズを低減した姿勢角度検出装置が得られる。
【００１３】
本発明による姿勢角度検出装置は、また、各振動子の相互の固有共振周波数の差分が、各ジャイロスコープによって測定される被測定周波数帯域よりも高く設定されていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明による姿勢角度検出装置は、姿勢角度検出装置は、各ジャイロスコープの出力から、各振動子によって測定される被測定周波数帯域以上の周波数を除去するように、ローパスフィルタを具備していることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、３個のジャイロスコープを用いた姿勢角度検出装置の製作過程の一部を示す図である。図１（ａ）は、３個のジャイロスコープの振動子が平板状のフレキシブル基板に実装された状態を示す図である。図１（ｂ）は、各振動子が相互に垂直になるように、フレキシブル基板は折り曲げられて回路基板に装着される状態を示す図である。
【００１７】
図１（ａ）に示すように、まず、平面の状態のフレキシブル基板１０に、３個の振動子２１、２２、２３が実装される。つぎに、これらの振動子２１、２２、２３は、３次元の角速度を検出できるように、図１（ｂ）に示すように、フレキシブル基板１０を折り曲げて処理回路基板（図示せず）に装着した状態で、互いに垂直になるように配置される。フレキシブル基板１０は、回路が印刷された可撓性がある基板である。
【００１８】
平面上では、３個の振動子２１、２２、２３が、互いに近接した状態でも、容易に実装することができる。そして、３個の振動子２１、２２、２３が実装されたフレキシブル基板１０を処理回路基板に装着する際にも、何らの困難は伴わない。本実施の形態は、製作が容易で、かつ構成が単純にして小型の姿勢角度検出装置を可能にした。
【００１９】
また、図１において、フレキシブル基板１０には、各振動子２１、２２、２３の間に、厚さ方向に貫通したスリット１４、１５が形成されている。スリット１４、１５の存在によって、３個の振動子２１、２２、２３を同一のフレキシブル基板１０上に近接して実装しても、振動の伝搬を遮断もしくは低減し、相互の干渉によるノイズ発生が抑制される。
【００２０】
本発明では、図１に示されるように、スリット１４、１５は、振動の伝搬方向に垂直に、フレキシブル基板１０の厚さ方向に貫通して形成されている。しかし、振動の伝搬を遮断もしくは低減する限りは、スリットの数、スリットが形成される方向、スリットがフレキシブル基板を貫通しているか否か等、フレキシブル基板１０に形成されるスリットの形態は問わない。本実施の形態によって、製作が容易で、構成が単純にして小型、なおかつノイズを低減し高精度に検出する姿勢角度検出装置が可能となった。
【００２１】
本発明では、ジャイロスコープの振動子として、圧電セラミック材料ＰＺＴ［たとえば、（株）トーキン製ネペック（商品名）］を用いた。本発明では、その他に、タンタル酸リチウムからなる圧電単結晶、およびシリコンを振動子とするジャイロスコープをそれぞれ用いた姿勢角度検出装置を同様に作製した。これらの材料からなる振動子を、スリットを形成したそれぞれのフレキシブル基板に実装し、相互に垂直になるようにフレキシブル基板は折り曲げて処理回路基板に装着する、姿勢角度検出装置の作製において、何ら不都合な問題は見出されなかった。ＰＺＴ、タンタル酸リチウム、シリコンからなる振動子は、いずれも、磁界中で磁化されない、いわゆる非磁性ゆえ、磁気センサを備える姿勢角度検出装置には好適である。
【００２２】
（実施の形態２）
通常、姿勢角度検出装置による被測定周波数は、約５０Ｈｚ以下である。本実施の形態においては、図１のフレキシブル基板１０に実装された３個のジャイロスコープの振動子２１、２２、２３の固有共振周波数を、それぞれ２０ｋＨｚ、２１ｋＨｚ、２２ｋＨｚに設定した。ここで、それぞれの振動が相互に干渉し、各固有共振周波数の差分（１ｋＨｚ、２ｋＨｚ）の振動が発生したとしても、その周波数の差分は、前述の約５０Ｈｚ以下の被測定周波数よりも著しく高く設定してある。このため、各共振周波数の差分の振動と被測定周波数の振動が、相互に干渉することはなく、高精度な姿勢角度検出が確保される。
【００２３】
（実施の形態３）
図２は、本発明による姿勢角度検出装置の構成を示す図である。図２において、姿勢角度検出装置は、移動角検出手段２０、静止角検出手段４０、および姿勢角度演算手段５０から構成されている。
【００２４】
移動角検出手段２０では、３個のジャイロスコープ２７、２８、２９によって互いに直交する３軸の回りの角速度をそれぞれ検出し、移動角演算装置３０によって演算される。静止角検出手段４０では、３個の加速度センサ４１、４２、４３、および３個の磁気センサ４４、４５、４６によって、互いに直交する３軸方向の加速度および方位を検出し、静止角を演算する。姿勢角度は、移動角検出手段２０、および静止角検出手段４０の出力をもって演算した結果出力される。
【００２５】
本発明は、移動角検出手段２０の中にローパスフィルタ３１、３２、３３を接続したことを特徴とする。すなわち、３個のジャイロスコープ２７、２８、２９の振動子２１、２２、２３の出力は、それぞれ処理回路２４、２５、２６で演算され、ローパスフィルタ３１、３２、３３をとおって移動角演算装置３０に入力される。
【００２６】
本実施の形態では、各ローパスフィルタ３１、３２、３３のカットオフ周波数を、１００Ｈｚに設定し、被測定周波数帯域以上の周波数の出力を除去した。その結果、ノイズ成分となる各振動子の固有共振周波数の差分（１〜２ｋＨｚ）の振動が発生したとしても、ローパスフィルタ３１、３２、３３によって除去され、ノイズの発生を回避し、高精度な姿勢角度検出が確保される。
【００２７】
なお、ノイズの防止をはかった姿勢角度検出装置とするために、上記実施の形態２および実施の形態３を同時に採り入れてもよい。また、本発明は、平面内での姿勢角度検出にも適用でき、ジャイロスコープが３個の場合に限定することなく、２個以上のジャイロスコープを用いた姿勢角度検出装置に有効である。加速度センサ、磁気センサについても、３個の場合に限定されない。
【００２８】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、複数のジャイロスコープを用いても、構成が単純にして小型、製作が容易で、なおかつ、ノイズを低減し高精度に検出する姿勢角度検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】３個のジャイロスコープを用いた姿勢角度検出装置の製作過程の一部を示す図。図１（ａ）は３個の振動子が平板状のフレキシブル基板に実装された状態を示す図。図１（ｂ）はフレキシブル基板が、その後、各振動子が相互に垂直になるように、フレキシブル基板を折り曲げて処理回路基板に装着される状態を示す図。
【図２】本発明による姿勢角度検出装置の構成を示す図。
【符号の説明】
１０フレキシブル基板
１４、１５スリット
１６端子ピン
２０移動角検出手段
２１、２２、２３振動子
２４、２５、２６処理回路
２７、２８、２９ジャイロスコープ
３０移動角演算装置
３１、３２、３３ローパスフィルタ
４０静止角検出手段
４１、４２、４３加速度センサ
４４、４５、４６磁気センサ
４７静止角演算装置
５０姿勢角度演算装置

Claims

互いに直交する３軸の回りの角速度を検出する３個のジャイロスコープを有する移動角検出手段と、互いに直交する少なくとも２軸の、加速度および方位をそれぞれ検出する加速度センサおよび磁気センサを有する静止角検出手段、および前記移動角検出手段と前記静止角検出手段の各出力から姿勢角度を演算する姿勢角度演算手段を備えた姿勢角度検出装置であって、前記３個のジャイロスコープの振動子は、同一のフレキシブル基板に実装され、前記各振動子が相互に垂直になるように、前記フレキシブル基板は折り曲げて回路基板に取り付けられていることを特徴とする姿勢角度検出装置。
前記ジャイロスコープの振動子は、圧電セラミック材料、圧電単結晶、およびシリコンのいずれかからなることを特徴とする請求項１記載の姿勢角度検出装置。
前記フレキシブル基板は、前記各振動子相互の間に、スリットが形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の姿勢角度検出装置。
前記３個のジャイロスコープの各振動子の固有共振周波数相互の差分は、前記各ジャイロスコープによって測定される被測定周波数帯域よりも高く設定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか記載の姿勢角度検出装置。
前記各ジャイロスコープの出力から、前記各振動子によって測定される被測定周波数帯域以上の周波数を除去するように、ローパスフィルタを具備していることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか記載の姿勢角度検出装置。