JP4611178B2 - 磁気方位検出装置及びその方位演算方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサから得られた地磁気情報を傾斜センサからの情報によって磁気センサの姿勢誤差を補正し、誤差の少ない方位角情報を算出する磁気方位検出装置及びその方位演算方法に関する。

従来、地磁気を測定して方位を検出する磁気方位検出装置は、車載用のナビゲーションシステム等で方位情報取得手段として多用されている。これらの磁気方位検出装置は、トロイダルコアを用いたフラックスゲート型磁気センサや磁気インピーダンス効果素子を用いて、Ｘ軸とＹ軸の２軸の地磁気成分によって方位角を検出する磁気方位検出装置が開示されている。（例えば特許文献１参照）

以下、従来の磁気インピーダンス効果素子を用いた磁気方位検出装置を図面に基づいて説明する。図５（ａ）は特許文献１で開示されている電子コンパスと言われる磁気方位検出装置の平面図である。図５（ａ）に於いて、磁気方位検出装置３０は外部磁界のＸ軸方向の成分の検出手段である第１の磁気インピーダンス効果素子（以下、ＭＩ素子と略す）３１と、Ｘ軸方向に垂直なＹ軸方向の外部磁界の成分の検出手段である第２のＭＩ素子３２とが備えられている。第１、２のＭＩ素子３１、３２は、Ｆｅを主成分とするＦｅ基金属ガラス合金からなり、その形状は平面視略矩形で所定の厚みを有している。この第１、２のＭＩ素子３１、３２は、それぞれに印加される交流電流の電流路の方向が互いに直交するように基板３３に配置されている。即ち、第１、２のＭＩ素子３１、３２は、それぞれの長手方向の向きが互いに直交するように基板３３に固定される。

第１、２のＭＩ素子３１、３２には、第１、２のＭＩ素子３１、３２に印加される交流電流の電流路の方向に沿って、即ち、第１、２のＭＩ素子３１、３２の長手方向に沿ってバイアス磁化を印加するための巻線３４、３５が巻回されている。巻線３４、３５の両端は、巻線端子３４ａ、３５ａを介して、外部巻線用導線３４ｂ、３５ｂに接続されている。第１、２のＭＩ素子３１、３２の長手方向の両端３１ａ、３２ａには、出力電流を取り出すための導線３６、３７、３８が接続されている。導線３６、３８は、出力端子３６ａ、３８ａを介して、出力用外部導線３６ｂ、３８ｂに接続されている。また、導線３７の両端は、第１のＭＩ素子３１の端部３１ａと第２のＭＩ素子３２の端部３２ａとに接続されている。また、導線３７は出力端子３７ａを介して、出力用外部導線３７ｂに接続されている。更に、第１、２のＭＩ素子３１、３２のそれぞれの長手方向の両端３１ａ、３２ａには、図示しない交流電流を印加するための導線が接続されている。

上述の磁気方位検出装置３０の動作は次の通りである。第１、２のＭＩ素子３１、３２には、図示しない導線からＭＨｚ帯域の交流電流が印加されている。このとき、第１、２のＭＩ素子３１、３２のそれぞれの両端３１ａ、３２ａには、それぞれの素子に固有のインピーダンスによる電圧が発生する。ここで、図５（ｂ）に示すように、外部磁界による磁力線の方向を任意とし、この磁力線が第１のＭＩ素子３１に印加されると、第１のＭＩ素子３１の両端３１ａに発生するインピーダンスは、この磁力線の第１のＭＩ素子３１の長手方向に対して平行な成分（Ｘ軸方向の成分）の大きさに対応したものとなる。同様に、この磁力線が第２のＭＩ素子３２に印加されると、第２のＭＩ素子３２の両端３２ａに発生するインピーダンスは、この磁力線の第２のＭＩ素子３２の長手方向に対して平行な成分（Ｙ軸方向の成分）の大きさに対応したものとなる。

即ち、第１、２のＭＩ素子３１、３２に対して、外部磁界による磁力線の方向が変化すると、これに対応して第１、２のＭＩ素子３１、３２のインピーダンスが変化し、第１、２のＭＩ素子３１、３２から出力される電圧値が変化することになる。また、巻線３４、３５には第１、２のＭＩ素子３１、３２にバイアス磁化を印加するための電圧が供給される。このようにして、磁気方位検出装置３０に於いては、出力端子３６ａ、３７ａから、地磁気のＸ軸方向の成分の大きさに対応した電圧値を示す出力電流が取り出され、出力端子３７ａ、３８ａから、地磁気のＹ軸方向の成分の大きさに対応した電圧値を示す出力電流が取り出される。これらの出力電流は、出力用外部導線３６ｂ、３７ｂ、３８ｂを介して図示しない処理部に送られる。処理部では、得られた出力電流に基づいて地磁気による磁力線の方位が測定される。以上のように、従来の磁気方位検出装置は互いに直交するように配置された二つの磁気センサによって地磁気を検出し方位角を得ることが出来る。

特開平１１−６３９９７号公報（特許請求の範囲、第１図）

しかしながら、特許文献１の磁気方位検出装置３０のＭＩ素子３１、３２を固定する基板３３が地面に対して水平であれば、その方位角は正しい値を示すが、もし、基板３３が地面に対して傾斜していると、ＭＩ素子３１、３２の出力に歪みが生じて正しい方位角を得ることが出来ない。図６は磁気方位検出装置３０の傾きを示す説明図であり、磁気方位検出装置３０の基板３３がＸ軸に対して角度θ１だけ傾いた状態を示している。このとき、Ｙ軸方向を検出するＭＩ素子３２は、Ｙ軸に対して平行なのでその出力に歪みは生じないが、Ｘ軸方向を検出するＭＩ素子３１は、前述した如く、Ｘ軸に対して傾斜しているのでその出力は変化し歪みが生じる。

また、地磁気の磁力線が地面に入射する入射角は、赤道上では水平に近いが緯度が高くなるに従って入射角は大きくなる。すなわち、磁気方位検出装置を使用する使用者が地球上の何処にいるかにより、地磁気の入射角は異なることになる。ここで仮に、地磁気の大きさを１として、図７（ａ）で示すように地磁気の地面（Ｘ方向）に対する入射角をφ、また、図７（ｂ）で示すように、磁気方位検出装置３０のＸ軸に対する地磁気の方向を回転角θ２とすると、Ｘ軸方向とＹ軸方向の地磁気を検出する磁気センサの出力は、
Ｘ＝ｃｏｓφｃｏｓθ２、Ｙ＝ｃｏｓφｓｉｎθ２となる。すなわち、磁気方位検出装置３０を図６で示すようにＺ軸を中心に回転させ、回転角θ２を０度から３６０度まで変化させながらＸ、Ｙをプロットすることで得られる円グラフは、図７（ｃ）で示すように、地磁気の入射角φが大きくなるほど小さくなり、入射角φ＝９０度でＸ、Ｙは零になる。このように、磁気方位検出装置３０が検出する地磁気は、測定地点によって地磁気の検出値が大きく影響され、また、磁気方位検出装置３０の地面に対する傾きによって検出値が変化し歪みが生じる結果となる。

図８は、地磁気が地面に対して水平で入射角φ＝０度の場合、磁気方位検出装置３０を地面（Ｘ軸）に対して０度、２０度、３０度、４５度、６０度、７０度、８０度、９０度の傾斜角を持たせながらＺ軸に対して０〜３６０度回転させ（図６参照）、ＭＩ素子３１、３２の出力をＸ、Ｙでプロットしたグラフの一例である。ここで、磁気方位検出装置３０が地面に対して水平で傾斜角が０度の場合は、図示するように、Ｘ、Ｙのプロットによるグラフは歪むこと無く円となる。しかし、磁気方位検出装置３０が傾斜して、その傾斜角が大きくなると、図示するようにＸ、Ｙのプロットによるグラフは歪みが増加して楕円となり、傾斜角が９０度ではＸ軸の成分が零となって、Ｙ軸に重なる直線となる。すなわち、地面に対する傾斜角が０度で、Ｘ、Ｙのプロットによるグラフが円であれば、Ｘ，Ｙの値から方位角θは、θ＝ＡＴＡＮ（Ｙ／Ｘ）：数式１で求めることが出来るが、磁気方位検出装置３０がＸ軸に対して傾斜角を持つと、Ｘ軸の値が大きく歪むので、数式１で方位角θを求めると大きな誤差が生じる結果となり問題である。

次に図９は、地磁気が地面に対して水平ではなく例えば入射角φ＝４８．５度の場合、磁気方位検出装置３０を地面（Ｘ軸）に対して０度、２０度、３０度、４５度、６０度、７０度、８０度、９０度の傾斜角を持たせながらＺ軸に対して０〜３６０度回転させ（図６参照）、ＭＩ素子３１、３２の出力をＸ、Ｙでプロットしたグラフの一例である。ここで、磁気方位検出装置３０が地面に対して水平で傾斜角が０度の場合は、図示するように、Ｘ、Ｙのプロットによるグラフは、図８のグラフより半径は小さくなるが歪むこと無く円である。しかし、磁気方位検出装置３０が傾斜して、その傾斜角が大きくなると、図示するようにＸ、Ｙのプロットによるグラフは歪みが増加して楕円になると共に、地磁気が地面に対して斜めに入射しているので、その楕円の中心点が徐々にシフトし、傾斜角が９０度ではＸ軸成分が特定のオフセットを持った一定値となり、Ｙ軸成分のみ３６０度の回転に対して変化するので、そのグラフはＸ軸と一定の値で直交する直線となる。

すなわち、地磁気が地面に対して入射角を有する場合は、磁気方位検出装置が傾斜すると、図９で示すように、その出力は歪むと共に中心点もずれるので、前述の数式１で求める方位角θは更に大きな誤差が生じる結果となる。特に磁気方位検出装置をＧＰＳ機能付き携帯電話等の携帯型電子機器に搭載してヘディングアップ表示機能等を実現する場合は、使用者は携帯型電子機器を手で携帯して使用するので、携帯型電子機器を地面に対して常に水平に保持することが困難であり、この結果、磁気方位検出装置によって得られる方位角に誤差が生じやすく、使用上大きな問題となる。

本発明の目的は上記課題を解決し、Ｘ軸とＹ軸による２軸磁気センサが地面に対して傾斜しても、その傾斜角から２軸磁気センサの検出値を補正し、誤差の少ない方位角を算出する磁気方位検出装置及びその方位演算方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の磁気方位検出装置及びその方位演算方法は、下記記載の構成と方法を採用する。

本発明の磁気方位検出装置は、略板状の基台にＸ軸方向の地磁気成分を検出するＸ軸磁気センサと、前記Ｘ軸方向に対して９０度の角度を有するＹ軸方向の地磁気成分を検出するＹ軸磁気センサと、前記基台の傾斜を検出する傾斜センサとを固着し、一体化した磁気方位検出装置であって、前記基台を地面に対して水平に置いた状態と垂直に置いた状態の二つの状態で前記Ｘ軸磁気センサと前記Ｙ軸磁気センサによって地磁気成分を検出する初期化動作を行い、前記初期化動作によって取得した地磁気データに基づいて、実際の方位角を取得するように構成することを特徴とする。

これにより、Ｘ軸磁気センサとＹ軸磁気センサを固着する基台が地面に対して傾斜しても、基台に固着され一体化された傾斜センサからの情報に基づいてＸ軸磁気センサとＹ軸磁気センサからの地磁気情報を補正し、方位角の検出精度に優れた磁気方位検出装置を提供出来る。

また、前記Ｘ軸磁気センサと前記Ｙ軸磁気センサからの検出信号に基づいてＸ軸方向の地磁気成分であるＸ軸情報とＹ軸方向の地磁気成分であるＹ軸情報を取得する地磁気取得手段と、前記傾斜センサからの検出信号に基づいて前記基台の傾斜角情報を取得する傾斜角取得手段と、前記取得した傾斜角情報に基づいて前記Ｘ軸情報と前記Ｙ軸情報を補正する傾斜角補正手段と、前記傾斜角補正手段によって補正された補正Ｘ軸情報と補正Ｙ軸情報に基づいて方位角を算出する方位角演算手段と、前記算出された方位角を０〜３６０度の方位角に修正する方位角修正手段とを備えたことを特徴とする。

これにより、傾斜角取得手段からの情報に基づいてＸ軸情報とＹ軸情報を傾斜角補正手段によって補正し、更に、補正された補正Ｘ軸情報と補正Ｙ軸情報に基づいて方位角演算手段によって方位角を算出するので、特に磁気方位検出装置を携帯電話等の携帯型電子機器に搭載する場合、携帯型電子機器が地面に対してどのように傾斜しても、常に補正された誤差の少ない方位角を得ることが出来る。また、方位角修正手段によって０〜３６０度の方位角に修正するので、例えば北を基準とした方位を直接得ることが出来、どのような機器のアプリケーションに対しても簡単に搭載が可能であり、利便性の高い磁気方位検出装置を提供出来る。

本発明の方位演算方法は、略板状の基台に固着されたＸ軸方向の地磁気成分を検出するＸ軸磁気センサと前記Ｘ軸方向に対して９０度の角度を有するＹ軸方向の地磁気成分を検出するＹ軸磁気センサからの検出信号に基づいて、Ｘ軸方向の地磁気成分であるＸ軸情報とＹ軸方向の地磁気成分であるＹ軸情報を取得する地磁気取得工程と、前記基台の傾きを検出する傾斜センサから検出信号に基づいて傾斜角情報を取得する傾斜角取得工程と、前記取得した傾斜角情報に基づいて前記Ｘ軸情報と前記Ｙ軸情報を補正する傾斜角補正工程と、前記傾斜角補正工程によって補正された補正Ｘ軸情報と補正Ｙ軸情報に基づいて方位角を算出する方位演算工程と、前記算出された方位角を０〜３６０度の方位角に修正する方位角修正工程とを有することを特徴とする。

これにより、傾斜角取得工程からの情報に基づいてＸ軸情報とＹ軸情報を傾斜角補正工程によって補正し、更に、補正された補正Ｘ軸情報と補正Ｙ軸情報に基づいて方位演算工程によって方位角を算出し、更に方位角修正工程によって０〜３６０度の方位角に修正するので、基台が傾斜していても常に補正された誤差の少ない方位角を得ることが出来ると共に、０〜３６０度に修正された方位角によって、例えば北を基準とした方位を直接得ることが出来るので、どのような機器のアプリケーションに対しても簡単に対応出来、利便性の高い磁気方位検出装置の方位演算方法を提供出来る。

上記の如く本発明によれば、Ｘ軸磁気センサとＹ軸磁気センサを固着する基台が地面に対して傾斜していても、基台に固着され一体化された傾斜センサからの情報に基づいてＸ軸磁気センサとＹ軸磁気センサからの地磁気情報を補正し、誤差の少ない方位角を算出する磁気方位検出装置を提供することが出来る。

以下図面により本発明の実施の形態を詳述する。図１は本発明の磁気方位検出装置のブロック図である。図２は本発明の磁気方位検出装置の傾斜を補正するための補正方法を説明するＸＹ座標のグラフである。図３は本発明の磁気方位検出装置の動作を説明するフローチャートである。図４は本発明の磁気方位検出装置が算出する方位角を０〜３６０度の方位角に修正する動作を説明する説明図である。

図１に基づいて本発明の磁気方位検出装置の構成を説明する。１は本発明の磁気方位検出装置であり、基台としての回路基板２に各構成部品が実装されている。３はＸ軸方向の地磁気成分を検出するＸ軸磁気センサであり、４はＸ軸方向に対して９０度の角度を有するＹ軸方向の地磁気成分を検出するＹ軸磁気センサであって回路基板２に固着されている。このＸ軸磁気センサ３とＹ軸磁気センサ４は、フラックスゲート方式の磁気センサであり、それぞれ軟磁性体のコア３ａ、４ａに検出コイル３ｂ、４ｂが巻回されている。尚、Ｘ軸磁気センサ３とＹ軸磁気センサ４は、フラックスゲート方式に限定されず、ＭＩ素子やホール素子等の他の方式の磁気センサでも良い。５は駆動波生成部であり、Ｘ軸磁気センサ３とＹ軸磁気センサ４のコア３ａ、４ａに交流の励磁駆動信号Ｐ１を供給する。励磁駆動信号Ｐ１は、コア３ａの一方の端部に接続されてコア３ａの他方の端部からコア４ａの一方の端部に接続され、更にコア４ａの他方の端部から駆動波生成部５に戻り、コア３ａ、４ａに励磁電流Ｉ１を流す。

６は地磁気取得手段としての地磁気取得部であり、Ｘ軸磁気センサ３とＹ軸磁気センサ４のそれぞれの検出コイル３ｂ、４ｂから検出信号Ｐ２、Ｐ３を入力し、Ｘ軸方向の地磁気成分であるＸ軸情報としてのＸ軸信号Ｐ４と、Ｙ軸方向の地磁気成分であるＹ軸情報としてのＹ軸信号Ｐ５を取得し出力する。７は傾斜センサであり、回路基板２の地面に対する傾斜に応じた傾斜検出信号Ｐ６を出力する。この傾斜センサ７は回路基板２に固着され、傾斜センサ７とＸ軸磁気センサ３とＹ軸磁気センサ４は、回路基板２によって一体化される。尚、傾斜センサ７は、半導体による加速度センサを用いることが小型化し易く好ましいが、ピエゾ抵抗素子等、どのような傾斜センサであっても良い。８は傾斜角取得手段としての傾斜角取得部であり、傾斜センサ７からの傾斜検出信号Ｐ６を入力して傾斜角情報としての傾斜角信号Ｐ７を取得し出力する。

９はＡＤ変換部であり、アナログ量のＸ軸信号Ｐ４とＹ軸信号Ｐ５と傾斜角信号Ｐ７を入力してデジタルデータに変換し、Ｘ軸データＰ８、Ｙ軸データＰ９、傾斜角データＰ１０を出力する。１０は傾斜角補正手段としての傾斜角補正部であり、Ｘ軸データＰ８、Ｙ軸データＰ９、傾斜角データＰ１０を入力して補正Ｘ軸情報としての補正Ｘ軸データＸ３と補正Ｙ軸情報としての補正Ｙ軸データＹ３を出力する。１１は方位角演算手段としての方位角演算部であり、補正Ｘ軸データＸ３と補正Ｙ軸データＹ３を入力して方位角を算出し、方位角データθ０を得る。また、方位角演算部１１は、補正Ｘ軸データＸ３と補正Ｙ軸データＹ３によって相対Ｘ軸データＸと相対Ｙ軸データＹを算出し出力する。１２は方位角修正手段としての方位角修正部であり、方位角データθ０と相対Ｘ軸データＸと相対Ｙ軸データＹを入力して０〜３６０度の方位角を表す方位角修正データθＯＵＴを回路基板２に設けられる出力端子１３より外部に出力する。

次に、本発明の磁気方位検出装置の動作を図１に基づいて説明する。まず、駆動波生成部５が動作を開始して励磁駆動信号Ｐ１を出力すると、Ｘ軸磁気センサ３とＹ軸磁気センサ４のコア３ａ、４ａに励磁電流Ｉ１が流れてコア３ａ、４ａが磁気飽和し、これにより検出コイル３ｂ、４ｂに外部磁界の強さに応じた誘起電圧が発生する。ここで、Ｘ軸磁気センサ３は、コア３ａの長手方向からの外部磁界を検出するので、図示するようにＸ方向の地磁気を検出することが出来る。また、同様にＹ軸磁気センサ４は、コア４ａの長手方向からの外部磁界を検出するので、図示するように、Ｘ方向に対して９０度の角度を有するＹ方向の地磁気を検出することが出来る。これにより、Ｘ軸磁気センサ３からの検出信号Ｐ２はＸ方向の地磁気の強さを示し、Ｙ軸磁気センサ４からの検出信号Ｐ３はＹ方向の地磁気の強さを示して、地磁気取得部６に入力される。

地磁気取得部６は、検出信号Ｐ２、Ｐ３を入力して内部で地磁気の検出成分だけを取り出して増幅し、アナログ量のＸ軸信号Ｐ４とＹ軸信号Ｐ５を出力する。ＡＤ変換部９は、Ｘ軸信号Ｐ４とＹ軸信号Ｐ５を入力してアナログ／デジタル変換を実行し、デジタル量のＸ軸データＰ８とＹ軸データＰ９を出力する。傾斜センサ７は、固着されている回路基板２の地面に対する傾斜を検出して傾斜検出信号Ｐ６を出力する。ここで、Ｘ軸磁気センサ３とＹ軸磁気センサ４も、９０度の角度を持った状態で回路基板２に固着されているので、傾斜センサ７はＸ軸磁気センサ３とＹ軸磁気センサ４の地面に対する傾きを検出することになる。

傾斜角取得部８は、傾斜検出信号Ｐ６を入力して内部でインピーダンス変換と増幅を行い、アナログ量の傾斜角信号Ｐ７を出力する。ＡＤ変換部９は、傾斜角信号Ｐ７を入力してアナログ／デジタル変換を実行し、デジタル量の傾斜角データＰ１０を出力する。傾斜角補正部１０はデジタル演算機能を有し、デジタルデータであるＸ軸データＰ８、Ｙ軸データＰ９、傾斜角データＰ１０をそれぞれ入力して内部で補正演算を実行し、Ｘ軸データＰ８とＹ軸データＰ９を傾斜角データＰ１０に基づいて補正を行い、補正された補正Ｘ軸データＸ３と補正Ｙ軸データＹ３を出力する。

次に、磁気方位検出装置１の傾斜角補正部１０を中心とした初期化動作を図２に基づいて詳細に説明する。説明の条件として、本発明の磁気方位検出装置１が、例えば携帯電話（図示せず）に搭載されているものとする。また、この携帯電話を使用する使用者（図示せず）が居る場所の地磁気は、図７（ａ）で示したように地面に対して特定の入射角φを有しているとする。ここで、この携帯電話を用いて、一例としてＧＰＳによる地図表示を行い、ヘディングアップ表示を行うために本発明の磁気方位検出装置１を用いる場合、初期化動作として二つの作業を行う。第一の作業は、携帯電話を地面に対して水平に置いた状態（すなわち、磁気方位検出装置の傾斜角＝０度）で方位検出動作を開始し、方位検出動作を継続しながら携帯電話を垂直方向に対して３６０度回転させる。

これにより、磁気方位検出装置１のＸ軸磁気センサ３とＹ軸磁気センサ４は、３６０度の回転によって得られた地磁気を検出し、傾斜角補正部１０は、ＡＤ変換部９からのＸ軸データＰ８とＹ軸データＰ９を順次記憶する。ここで記憶されたＸ軸データＰ８とＹ軸データＰ９は、傾斜角が零であるのでＸＹ座標でプロットすると前述した如く円のグラフとなる。このプロットされた円グラフの中心点をＸＹ座標の原点（０、０）としてキャリブレーションを実行すると、図２で示す地磁気データＤ０を得ることが出来る。すなわち、地磁気データＤ０は、図２で示すようにＸＹ座標上に於いて円となり、その円の中心点Ａ０はＸＹ座標の原点となる。

次に初期化の第二の作業は、携帯電話を地面に対して垂直に置いた状態（すなわち、磁気方位検出装置の傾斜角＝９０度）で方位検出動作を実行し、磁気方位検出装置１のＸ軸磁気センサ３とＹ軸磁気センサ４によって地磁気を検出する。これにより、傾斜角補正部１０は、ＡＤ変換部９からのＸ軸データＰ８とＹ軸データＰ９を傾斜角９０度での地磁気データとして取得する。尚、第二の作業の前提条件として、携帯電話を地面に対して垂直に置いた場合、内蔵する磁気方位検出装置１のＸ軸磁気センサ３が地面に対して垂直になるものとする。ここで、前述した如く、地磁気は入射角φを有しているので、垂直に置かれた携帯電話の向きがどのような方向であってもＸ軸データＰ８は原点に対して一定のシフト量となり、Ｙ軸データＰ９は携帯電話の向きによって変化する。すなわち、第二の作業によって得られるＸ軸データＰ８とＹ軸データＰ９は、図２で示すＸ軸とシフト量Ｘ１で直交する直線の地磁気データＤ１となる。尚、地磁気の入射角φ＝０度であるならば、Ｘ軸データＰ８のシフト量Ｘ１は零となるので、地磁気データＤ１は、Ｙ軸と重なる直線となる。よって、地磁気データＤ１のシフト量Ｘ１が入射角φを示す値となる。以上のように、磁気方位検出装置１は、初期化動作として第一、及び第二の作業によって地磁気データＤ０、Ｄ１を取得後、実際の方位角を取得する動作に移行する。

次に、実際の方位角取得動作を図３のフローチャートに基づいて説明する。使用者（図示せず）が携帯電話を手に携帯して方位角取得動作を実行すると、磁気方位検出装置１の地磁気取得部６は、Ｘ軸磁気センサ３とＹ軸磁気センサ４によって地磁気を取得し、ＡＤ変換部９よりＸ軸データＰ８、Ｙ軸データＰ９を出力する（ＳＴ１：地磁気取得工程）。このとき得られたＸ軸データＰ８とＹ軸データＰ９の値をそれぞれＸＳ、ＹＳとし、その測定点をＡＳとする（図２参照）。

次に、磁気方位検出装置１の傾斜角取得部８は、傾斜センサ７によって携帯電話の傾斜角（すなわち、磁気方位検出装置１の傾斜角）を取得し、ＡＤ変換部９より傾斜角データＰ１０を出力する（ＳＴ２：傾斜角取得工程）。

次に、傾斜角補正部１０は、傾斜角データＰ１０の値を参照し、磁気方位検出装置１が地面に対して傾斜しているかどうかを判定する。ここで、肯定判定（傾斜有り）であれば、Ｘ軸データＰ８とＹ軸データＰ９の補正が必要であると判断してステップＳＴ４へ進み、否定判定（傾斜無し）であれば、Ｘ軸データＰ８とＹ軸データＰ９の補正が必要ないと判断してステップＳＴ７へ進む（ＳＴ３）。

次に、ステップＳＴ３で肯定判定がなされたならば、傾斜角補正部１０は、磁気方位検出装置１の傾斜角が９０度の時の地磁気データＤ１からシフト量Ｘ１が零近傍であるかどうかを判定する。ここで、肯定判定であれば、地磁気の入射角は零近傍であり、地磁気は地面に対してほぼ水平であるのでステップＳＴ６へ進み、否定判定であれば地磁気の入射角は零近傍ではなく、地磁気は地面に対して斜めに入射しているのでステップＳＴ５へ進む（ＳＴ４）。

次に、ステップＳＴ４で否定判定がなされたならば、地磁気は地面に対して斜めに入射しているので、測定した地磁気データのＸＹプロットによる楕円の中心点Ａ２はＸＹ座標の原点（すなわちＡ０）よりシフトしていると判断し、ＸＹ座標の原点に対する楕円の中心点Ａ２のシフト量を算出する（ＳＴ５）。ここで傾斜角補正部１０は、傾斜角９０度での地磁気データＤ１から得られるＸ軸データＰ８のシフト量Ｘ１と、ステップＳＴ２で取得された傾斜角データＰ１０から得られる傾斜角φを用いて、測定された測定点ＡＳが重なる楕円（すなわち仮想地磁気データＤ２）の中心点Ａ２のＸＹ座標の原点に対するＸ軸のシフト量Ｘ２を下記の数式２で求める。
シフト量Ｘ２＝９０度傾斜時の地磁気データＤ１のシフト量Ｘ１×ＳＩＮφ：数式２
ここで算出されるシフト量Ｘ２は、測定点ＡＳから携帯電話を垂直に対して３６０度回転させて得られる楕円の仮想地磁気データＤ２（図２参照）の中心点Ａ２を示すＸ軸の座標であり、中心点Ａ２のＹ軸の座標Ｙ２は、零である。

次に、ステップＳＴ５の終了後、又は、ステップＳＴ４で肯定判定がなされたならば、傾斜角補正部１０は、楕円の仮想地磁気データＤ２上の測定点ＡＳの座標データＸＳ、ＹＳを補正し、円の傾斜補正地磁気データＤ３上に重なる補正Ｘ軸データＸ３と補正Ｙ軸データＹ３を算出して出力する（ＳＴ６：傾斜角補正工程）。すなわち、傾斜補正部１０はステップＳＴ２で取得された傾斜角データＰ１０から得られる傾斜角φと、ステップＳＴ５で得られた仮想地磁気データＤ２の中心点Ａ２のＸＹ座標Ｘ２、Ｙ２から、測定点ＡＳのＸＹ座標ＸＳ、ＹＳを下記の数式３、４で補正し、補正Ｘ軸データＸ３と補正Ｙ軸データＹ３を出力する。
補正Ｘ軸データＸ３＝ＸＳ＋（ＸＳ−Ｘ２）／ＣＯＳφ：数式３
補正Ｙ軸データＹ３＝ＹＳ：数式４
ここで、図２のＸＹ座標に於いて、円の傾斜補正地磁気データＤ３上の補正Ｘ軸データＸ３と補正Ｙ軸データＹ３の座標を補正点Ａ３として示している。尚、ステップＳＴ４で肯定判定がなされた場合は地磁気の入射角φは零近傍であって、測定点ＡＳの中心点Ａ２のシフト量Ｘ２は零、すなわち、測定点ＡＳの中心点Ａ２はＸＹ座標の原点（Ａ０）に等しい。

次に、ステップＳＴ６の終了後、又は、ステップＳＴ３で否定判定がなされたならば、方位角演算部１１は、補正Ｘ軸データＸ３と補正Ｙ軸データＹ３に基づいて方位角データθ０を下記の数式５で算出し出力する（ＳＴ７：方位角演算工程）。
方位角データθ０＝ＡＴＡＮ（Ｙ／Ｘ）：数式５
ここで、ＸとＹは相対Ｘ軸データと相対Ｙ軸データであり、前述した仮想地磁気データＤ２の中心点Ａ２から見た補正点Ａ３の相対座標であって、補正Ｘ軸データＸ３と補正Ｙ軸データＹ３、及び中心点Ａ２のＸＹ座標であるＸ２、Ｙ２から、Ｘ＝（Ｘ３−Ｘ２）、Ｙ＝（Ｙ３−Ｙ２）によって与えられる。尚、ステップＳＴ３で否定判定がなされた場合は、磁気方位検出装置１の地面に対する傾斜角は零であるので、補正Ｘ軸データＸ３と補正Ｙ軸データＹ３は、ステップＳＴ１で取得したＸＳとＹＳが代入され、また、仮想地磁気データＤ２の中心点Ａ２のＸＹ座標であるＸ２、Ｙ２は共に零であって中心点Ａ２はＸＹ座標の原点（Ａ０）に等しいので、方位角データθ０は、
方位角データθ０＝ＡＴＡＮ（ＹＳ／ＸＳ）：数式５´となる。

次に、ステップＳＴ７で得られた方位角データθ０は、数学的には−９０度から＋９０度の間になるが、実際の方位は北を基準として０度から３６０度になるので修正が必要である。このため、方位角修正部１２はステップＳＴ７で得られる相対Ｘ軸データＸ、相対Ｙ軸データＹを入力して０〜３６０度の方位角に修正し、方位角修正データθＯＵＴとして出力端子１３より出力する（ＳＴ８：方位角修正工程）。ここで、方位角修正部１２での方位角の修正を図４に基づいて説明する。まず、前提条件として、Ｘ軸の正方向が北向き（０度）、Ｙ軸の負方向が東向き（９０度）、Ｘ軸の負方向が南向き（１８０度）、Ｙ軸の正方向が西向き（２７０度）であるとして、相対Ｘ軸データＸと相対Ｙ軸データＹの値から図示する４つの領域に振り分け、下記に示す数式６〜９で方位角修正データθＯＵＴを算出する。

Ｘ＞０、Ｙ＜０である領域１での方位修正データθＯＵＴは、
方位修正データθＯＵＴ＝−ＡＴＡＮ（Ｙ／Ｘ）：数式６
Ｘ＜０、Ｙ＜０である領域２での方位修正データθＯＵＴは、
方位修正データθＯＵＴ＝１８０−ＡＴＡＮ（Ｙ／Ｘ）：数式７
Ｘ＜０、Ｙ＞０である領域３での方位修正データθＯＵＴは、
方位修正データθＯＵＴ＝１８０−ＡＴＡＮ（Ｙ／Ｘ）：数式８
Ｘ＞０、Ｙ＞０である領域４での方位修正データθＯＵＴは、
方位修正データθＯＵＴ＝３６０−ＡＴＡＮ（Ｙ／Ｘ）：数式９
以上のように、方位角修正部１２は方位角データθ０の値を北を基準にして０〜３６０度の方位修正データθＯＵＴに修正することが出来る。

以上のように、本発明の磁気方位検出装置によれば、磁気方位検出装置を搭載する携帯電話等の情報機器が、地面に対して傾斜していても、初期化動作として二つの作業を実施するだけで、傾斜センサからの情報に基づいてＸ軸磁気センサとＹ軸磁気センサの値を自動的に補正するので、誤差の少ない方位角情報を得ることが出来る。また、方位角修正手段によって０〜３６０度の方位角に修正するので、北を基準とした方位を直接得ることが出来、どのような機器のアプリケーションに対しても簡単に搭載可能であり、利便性の高い磁気方位検出装置を提供することが出来る。

特に本発明の磁気方位検出装置をＧＰＳ機能付き携帯電話等の携帯型電子機器に搭載してヘディングアップ表示機能等を実現する場合、使用者は携帯型電子機器を手で携帯して使用するので、携帯型電子機器を地面に対して常に水平に保持することは困難である。しかし、本発明の磁気方位検出装置は、搭載される携帯型電子機器が地面に対して傾斜した状態であっても、常に精度の高い方位角を算出し出力するので、携帯型電子機器に搭載する磁気方位検出装置としてたいへん有効である。尚、図１で示す本発明の磁気方位検出装置のブロック図は、この構成に限定されず、機能を満たすもので有ればどのような構成でも良い。例えば、各ブロックの大部分をワンチップによって成るマイクロコンピュータで構成しても良く、また、演算機能を備えたカスタムＩＣで構成しても良い。

本発明の磁気方位検出装置のブロック図である。 本発明の磁気方位検出装置の傾斜を補正するための補正方法を説明するＸＹ座標のグラフである。 本発明の磁気方位検出装置の動作を説明するフローチャートである。 本発明の磁気方位検出装置が算出する方位角を０〜３６０度の方位角に修正する動作を説明する説明図である。 従来の磁気方位検出装置の平面図である。 従来の磁気方位検出装置の外部磁界検出動作を説明する説明図である。 従来の磁気方位検出装置の傾きを説明する説明図である。 地磁気の地面に対する入射角を説明する説明図である。 従来の磁気方位検出装置の地磁気に対する回転角を説明する説明図である。 従来の磁気方位検出装置の地磁気の入射角の違いによる地磁気の検出値の変化を説明する説明図である。 地磁気が地面に対して水平である場合の磁気方位検出装置の傾斜角の違いに対する地磁気検出値の変化を説明するＸＹ座標によるグラフである。 地磁気が地面に対して入射角を持つ場合の磁気方位検出装置の傾斜角の違いに対する地磁気検出値の変化を説明するＸＹ座標によるグラフである。

符号の説明

１、３０ 磁気方位検出装置
２ 回路基板
３ Ｘ軸磁気センサ
３ａ、４ａ コア
３ｂ、４ｂ 検出コイル
４ Ｙ軸磁気センサ
５ 駆動波生成部
６ 地磁気取得部
７ 傾斜センサ
８ 傾斜角取得部
９ ＡＤ変換部
１０ 傾斜角補正部
１１ 方位角演算部
１２ 方位角修正部
１３ 出力端子
３１、３２ ＭＩ素子
３３ 基板
３４，３５ 巻線
３６，３７，３８ 導線
Ｉ１ 励磁電流
Ｐ１ 励磁駆動信号
Ｐ２、Ｐ３ 検出信号
Ｐ４ Ｘ軸信号
Ｐ５ Ｙ軸信号
Ｐ６ 傾斜検出信号
Ｐ７ 傾斜角信号
Ｐ８ Ｘ軸データ
Ｐ９ Ｙ軸データ
Ｐ１０ 傾斜角データ
Ｘ 相対Ｘ軸データ
Ｙ 相対Ｙ軸データ
Ｘ３ 補正Ｘ軸データ
Ｙ３ 補正Ｙ軸データ
θ０ 方位角データ
θＯＵＴ 方位角修正データ

Claims (3)

1. 略板状の基台にＸ軸方向の地磁気成分を検出するＸ軸磁気センサと、前記Ｘ軸方向に対して９０度の角度を有するＹ軸方向の地磁気成分を検出するＹ軸磁気センサと、前記基台の傾斜を検出する傾斜センサとを固着し、一体化した磁気方位検出装置であって、
   前記基台を地面に対して水平に置いた状態と垂直に置いた状態の二つの状態で前記Ｘ軸磁気センサと前記Ｙ軸磁気センサによって地磁気成分を検出する初期化動作を行い、前記初期化動作によって取得した地磁気データに基づいて、実際の方位角を取得するように構成することを特徴とする磁気方位検出装置。
2. 前記Ｘ軸磁気センサと前記Ｙ軸磁気センサからの検出信号に基づいてＸ軸方向の地磁気成分であるＸ軸情報とＹ軸方向の地磁気成分であるＹ軸情報を取得する地磁気取得手段と、前記傾斜センサからの検出信号に基づいて前記基台の傾斜角情報を取得する傾斜角取得手段と、前記取得した傾斜角情報に基づいて前記Ｘ軸情報と前記Ｙ軸情報を補正する傾斜角補正手段と、前記傾斜角補正手段によって補正された補正Ｘ軸情報と補正Ｙ軸情報に基づいて方位角を算出する方位角演算手段と、前記算出された方位角を０〜３６０度の方位角に修正する方位角修正手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気方位検出装置。
3. 略板状の基台に固着されたＸ軸方向の地磁気成分を検出するＸ軸磁気センサと前記Ｘ軸方向に対して９０度の角度を有するＹ軸方向の地磁気成分を検出するＹ軸磁気センサからの検出信号に基づいて、Ｘ軸方向の地磁気成分であるＸ軸情報とＹ軸方向の地磁気成分であるＹ軸情報を取得する地磁気取得工程と、前記基台の傾きを検出する傾斜センサから検出信号に基づいて傾斜角情報を取得する傾斜角取得工程と、前記取得した傾斜角情報に基づいて前記Ｘ軸情報と前記Ｙ軸情報を補正する傾斜角補正工程と、前記傾斜角補正工程によって補正された補正Ｘ軸情報と補正Ｙ軸情報に基づいて方位角を算出する方位角演算工程と、前記算出された方位角を０〜３６０度の方位角に修正する方位角修正工程とを有することを特徴とする磁気方位検出装置による方位演算方法。
   

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