JP5475873B2 - Geomagnetic detector - Google Patents

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Description

本発明は、地磁気センサで検出された地磁気ベクトルが、球面座標上の座標点データとして求められる地磁気検知装置に係り、特に、球面座標の中心の座標点を求めるキャリブレーション処理を行った後に、検知精度や演算精度を計算値から評価することができる地磁気検知装置に関する。   The present invention relates to a geomagnetism detection device in which a geomagnetic vector detected by a geomagnetic sensor is obtained as coordinate point data on a spherical coordinate, and in particular, after performing a calibration process for obtaining a coordinate point at the center of a spherical coordinate. The present invention relates to a geomagnetic detection device that can evaluate accuracy and calculation accuracy from a calculated value.

3軸に配置された地磁気センサを使用した地磁気検知装置は、方位センサや角速度センサなどとして使用される。この地磁気検知装置は、互いに直交するX軸とY軸およびZ軸に向けて配置された地磁気センサによって地磁気が検知されると、その検知出力に基づいて、地磁気ベクトルが三次元座標上の座標点として認識される。   A geomagnetism detection device using geomagnetic sensors arranged on three axes is used as an orientation sensor, an angular velocity sensor, or the like. In this geomagnetism detection device, when geomagnetism is detected by geomagnetic sensors arranged toward the X axis, the Y axis, and the Z axis orthogonal to each other, the geomagnetism vector is a coordinate point on a three-dimensional coordinate based on the detection output. Recognized as

この種の地磁気検知装置は、電源を投入した時点で、オフセット磁界の存在や外部からの地磁気以外の磁気ノイズの影響で、地磁気ベクトルが三次元座標上のどの位置に現れるか不明である。そのため、キャリブレーション処理を行って、検知された座標点データを、予め決められている原点を中心とする三次元座標上のデータに変換することが必要である。   In this type of geomagnetism detecting device, at the time when the power is turned on, it is unclear at which position on the three-dimensional coordinates the geomagnetic vector appears due to the presence of the offset magnetic field and the influence of magnetic noise other than geomagnetism from the outside. Therefore, it is necessary to perform calibration processing to convert detected coordinate point data into data on three-dimensional coordinates centered on a predetermined origin.

以下の特許文献1には、地磁気検知装置で検知された方位データが楕円に近似する座標系上に現れることが指摘されており、演算により、測定値の座標系を数学的に理想的な円形リングに変換して補償することが記載されている。   In the following Patent Document 1, it is pointed out that the azimuth data detected by the geomagnetic detection device appears on a coordinate system approximating an ellipse. It is described to compensate by converting to a ring.

以下の特許文献2には、少ないデータ量で三次元座標上の基準原点を求める方法として、複数の地磁気ベクトルを検知して3つの座標点データが得られたときに、3つの座標点データから等距離の点を求め、この点を基準原点とする発明が開示されている。   In Patent Document 2 below, as a method for obtaining a reference origin on a three-dimensional coordinate with a small amount of data, when three coordinate point data are obtained by detecting a plurality of geomagnetic vectors, three coordinate point data are obtained. An invention has been disclosed in which equidistant points are obtained and this point is used as a reference origin.

特表平7−507874号公報Japanese translation of PCT publication No. 7-507874 特開2007−163389号公報JP 2007-163389 A

キャリブレーション処理は、地磁気検知装置を回転させるなどして複数の座標点データを検出し、この座標点データを用いて球面座標の基準原点を算出することが必要である。   In the calibration process, it is necessary to detect a plurality of coordinate point data by rotating the geomagnetism detection device, and to calculate a reference origin of spherical coordinates using the coordinate point data.

そのため、方位などの演算結果には、磁気センサの感度のばらつきや検知回路の特性のばらつきに加えて、キャリブレーション処理による演算の誤差が加算されることになり、方位の演算結果に加算される誤差の累積が大きくなる。したがって、キャリブレーション後に得られる方位などの演算結果に、どの程度の誤差が含まれているかを常に評価することが必要になる。   Therefore, in addition to variations in the sensitivity of the magnetic sensor and variations in the characteristics of the detection circuit, the calculation error due to the calibration process is added to the calculation result of the azimuth and the like, and is added to the calculation result of the azimuth. Accumulation of errors increases. Therefore, it is necessary to always evaluate how much error is included in the calculation result such as the orientation obtained after calibration.

また、赤道付近以外では、地磁気ベクトルを地平と水平な座標面に投影した投影ベクトルから方位を算出することが必要になるが、緯度が高く、地磁気ベクトルの伏角が大きい地域では、投影ベクトルが短くなるため、演算された投影ベクトルに対して誤差が占める割合が大きくなる。この場合に、方位などの演算結果にどの程度の誤差が含まれているかを常に評価することがさらに必要になる。   In addition, near the equator, it is necessary to calculate the azimuth from the projection vector obtained by projecting the geomagnetic vector onto the horizontal and horizontal coordinate planes, but the projection vector is short in regions where the latitude is high and the dip angle of the geomagnetic vector is large. Therefore, the ratio of the error to the calculated projection vector increases. In this case, it is further necessary to constantly evaluate how much error is included in the calculation result such as the direction.

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、キャリブレーション後の座標点データの演算結果にどの程度の誤差が含まれているかを算出できるようにし、方位などの演算結果の信頼性を正確に評価できる地磁気検知装置を提供することを目的としている。   The present invention solves the above-described conventional problems, and enables calculation of how much error is included in the calculation result of coordinate point data after calibration, thereby accurately determining the reliability of the calculation result such as azimuth. The purpose is to provide a geomagnetism detection device that can be evaluated easily.

本発明の地磁気検知装置は、三次元検知座標が予め決められた地磁気検知部と、前記地磁気検知部の姿勢を検知する加速度センサ、および演算部を有し、
前記地磁気検知部に、三次元検知座標のX方向が地磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるX軸センサと、Y方向が地磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるY軸センサ、およびZ方向が地磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるZ軸センサが搭載されて、
前記演算部は、前記検知出力に基づいて、地磁気ベクトルの向きを、三次元検知座標上の座標点データとして求め、
複数の座標点データを得たときに、複数の座標点データとの誤差が最小となる補正球面座標と、三次元検知座標上での前記補正球面座標の中心の座標点を求めるとともに、それぞれの座標点データを、三次元検知座標の原点に中心を有する前記補正球面座標上の補正座標点データに換算し、
前記原点から複数の補正座標点データまでの距離(ri)と、前記補正球面座標の半径(R)との偏差(δR)を求めるとともに、前記加速度センサの検知出力から得られた重力ベクトルに垂直なX0−Y0平面から地磁気ベクトルまでの伏角(I)を求め、R・cosIと前記偏差(δR)とを、検知精度または演算精度の評価基準として使用することを特徴とするものである。
The geomagnetism detection device of the present invention has a geomagnetism detection unit in which three-dimensional detection coordinates are determined in advance, an acceleration sensor that detects the attitude of the geomagnetism detection unit, and a calculation unit,
When the X-axis sensor in which the absolute value of the detection output becomes a maximum value when the X direction of the three-dimensional detection coordinates is directed to the geomagnetism direction and the Y direction is directed to the geomagnetism direction A Y-axis sensor in which the absolute value of the detection output is a maximum value and a Z-axis sensor in which the absolute value of the detection output is a maximum value when the Z direction is directed to the geomagnetism direction are mounted,
The calculation unit obtains the direction of a geomagnetic vector based on the detection output as coordinate point data on a three-dimensional detection coordinate,
When obtaining a plurality of coordinate point data, a corrected spherical coordinate that minimizes an error from the plurality of coordinate point data and a coordinate point of the center of the corrected spherical coordinate on the three-dimensional detection coordinate are obtained, and The coordinate point data is converted into corrected coordinate point data on the corrected spherical coordinate having the center at the origin of the three-dimensional detection coordinates,
A deviation (δR) between a distance (ri) from the origin to a plurality of correction coordinate point data and a radius (R) of the correction spherical coordinate is obtained, and is perpendicular to the gravity vector obtained from the detection output of the acceleration sensor. The dip angle (I) from the X0-Y0 plane to the geomagnetic vector is obtained, and R · cosI and the deviation (δR) are used as evaluation criteria for detection accuracy or calculation accuracy.

例えば、本発明の地磁気検知装置は、R・cosIと前記偏差(δR)との比に基づいて、方位角(θ)の偏差(δθ)を求めて、前記偏差(δθ)を検知精度または演算精度の評価基準として使用するものである。   For example, the geomagnetic detection device of the present invention obtains a deviation (δθ) of the azimuth angle (θ) based on the ratio of R · cosI and the deviation (δR), and detects the deviation (δθ) with detection accuracy or calculation. It is used as an accuracy evaluation standard.

本発明は、地磁気検知部が配置されている位置の地図情報を表示する表示装置が設けられており、前記表示装置が回転したときに、方位角(θ)の変化に伴って、前記地図情報の向きを所定の角度ずつ切換え可能とされており、方位角(θ)の偏差(δθ)に応じて前記角度が切換えられるものとすることが可能である。   The present invention is provided with a display device that displays map information at a position where a geomagnetism detection unit is arranged. When the display device rotates, the map information is changed with a change in azimuth angle (θ). Can be switched by a predetermined angle, and the angle can be switched according to the deviation (δθ) of the azimuth angle (θ).

本発明は、数1で、Fiを演算し、Jが最小となるxc,yc,zcおよびa,b,cを求めて、補正球面座標およびその中心位置を算出する(xc,yc,zcは、三次元検知座標での補正球面座標の中心の座標点であり、a,b,cは、X軸センサ、Y軸センサ、Z軸センサの感度に基づく係数である)。   In the present invention, Fi is calculated by Equation 1, xc, yc, zc and a, b, c that minimize J are obtained, and the corrected spherical coordinate and its center position are calculated (xc, yc, zc are , The coordinate point of the center of the corrected spherical coordinate in the three-dimensional detection coordinates, and a, b, and c are coefficients based on the sensitivity of the X-axis sensor, Y-axis sensor, and Z-axis sensor).

あるいは、前記数2で、Fiを演算し、Jが最小となるxc,yc,zcとRを求めて、補正球面座標およびその中心位置を算出する(xc,yc,zcは、三次元検知座標での補正球面座標の中心の座標点であり、Rは補正球面座標の半径である)。 Alternatively, the previous number system 2 calculates the Fi, xc where J is minimized, yc, seeking zc and R, to calculate a correction spherical coordinates and the center position (xc, yc, zc is the three-dimensional detection The coordinate point of the center of the corrected spherical coordinate in coordinates, and R is the radius of the corrected spherical coordinate).

本発明の地磁気検知装置は、補正球面座標と補正座標点データを求めるキャリブレーション処理を行った後に、補正球面座標を基準とした補正座標点データの偏差を求めることで、演算後の補正球面座標と補正座標点データの評価を行えるようにしている。   The geomagnetism detecting device of the present invention performs a correction process for obtaining corrected spherical coordinate and corrected coordinate point data, and then calculates a corrected spherical coordinate after calculation by calculating a deviation of the corrected coordinate point data with reference to the corrected spherical coordinate. The correction coordinate point data can be evaluated.

そのため、偏差が大きい場合に、そのときに得られたデータを削除したまたは無視したり、あるいは、誤差の大きいデータであることを使用者に知らせることができる。または、直ちにキャリブレーション処理をやり直すことができる。さらに、表示装置に地図情報を表示して地磁気検知装置の動きに応じて地図情報の向きを切換える場合に、演算結果における誤差の程度に応じて、地図情報の向きを切換えるときの角度を変化させることなどが可能になる。   Therefore, when the deviation is large, the data obtained at that time can be deleted or ignored, or the user can be informed that the data has a large error. Alternatively, the calibration process can be restarted immediately. Further, when the map information is displayed on the display device and the direction of the map information is switched according to the movement of the geomagnetism detection device, the angle at which the direction of the map information is switched is changed according to the degree of error in the calculation result. It becomes possible.

本発明の実施の形態の地磁気検知装置の回路ブロック図、The circuit block diagram of the geomagnetism detection device of the embodiment of the present invention, データバッファの処理動作を示す説明図、Explanatory drawing showing the processing operation of the data buffer, 地磁気検知部に設けられたX軸センサとY軸センサおよびZ軸センサの説明図、Explanatory drawing of the X-axis sensor, the Y-axis sensor and the Z-axis sensor provided in the geomagnetism detection unit, 三次元検知座標上での補正前の球面座標および座標点データを示す説明図、Explanatory drawing showing spherical coordinate and coordinate point data before correction on the three-dimensional detection coordinate, 伏角の演算を示す説明図、Explanatory drawing showing the calculation of the dip angle, 三次元検知座標の原点に中心を有する補正球面座標と補正座標点データを示す説明図、Explanatory drawing which shows the correction spherical coordinate and correction coordinate point data which have a center in the origin of a three-dimensional detection coordinate, 方位角の偏差の求め方を示す説明図、Explanatory drawing showing how to find the deviation of azimuth 地図情報の表示画面の切り換え動作を示す説明図、Explanatory diagram showing the switching operation of the map information display screen,

図1に示す本発明の実施の形態の地磁気検知装置1は、主に方位センサとして使用されるものであり、地磁気検知部2と3軸加速度センサ8とを有している。   A geomagnetism detecting device 1 according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is mainly used as an orientation sensor, and includes a geomagnetism detecting unit 2 and a three-axis acceleration sensor 8.

図3に示すように、地磁気検知装置1は、互いに直交する基準軸であるX1軸とY1軸およびZ1軸が固定軸として決められている。X1軸とY1軸およびZ1軸で三次元検知座標が決められている。地磁気検知装置1は携帯用機器などに搭載されており、三次元検知座標のX1軸とY1軸およびZ1軸の直交関係を維持したまま、空間内で自由に移動できる。   As shown in FIG. 3, in the geomagnetic detection device 1, the X1, Y1, and Z1 axes, which are reference axes orthogonal to each other, are determined as fixed axes. Three-dimensional detection coordinates are determined by the X1 axis, the Y1 axis, and the Z1 axis. The geomagnetism detection device 1 is mounted on a portable device or the like, and can move freely in space while maintaining the orthogonal relationship between the X1 axis, the Y1 axis, and the Z1 axis of the three-dimensional detection coordinates.

図3に示すように、地磁気検知部2には、X軸センサ3がX1軸に沿って固定され、Y軸センサ4がY1軸に沿って固定され、Z軸センサがZ1軸に沿って固定されている。X軸センサ3とY軸センサ4およびZ軸センサ5は、いずれもGMR素子(巨大磁気抵抗効果素子)で構成されている。GMR素子は、Ni−Co合金やNi−Fe合金などの軟磁性材料で形成された固定磁性層および自由磁性層と、固定磁性層と自由磁性層との間に挟まれた銅などの非磁性導電層とを有している。固定磁性層の下に反強磁性層が積層され、反強磁性層と固定磁性層との交換結合により、固定磁性層の磁化が固定されている。   As shown in FIG. 3, the X-axis sensor 3 is fixed along the X1 axis, the Y-axis sensor 4 is fixed along the Y1 axis, and the Z-axis sensor is fixed along the Z1 axis. Has been. The X-axis sensor 3, the Y-axis sensor 4, and the Z-axis sensor 5 are all configured by GMR elements (giant magnetoresistance effect elements). The GMR element is composed of a pinned magnetic layer and a free magnetic layer made of a soft magnetic material such as a Ni—Co alloy or a Ni—Fe alloy, and a nonmagnetic material such as copper sandwiched between the pinned magnetic layer and the free magnetic layer. And a conductive layer. An antiferromagnetic layer is laminated below the pinned magnetic layer, and the magnetization of the pinned magnetic layer is pinned by exchange coupling between the antiferromagnetic layer and the pinned magnetic layer.

X軸センサ3は、地磁気ベクトルのX1方向に向く成分を検知するものであり、固定磁性層の磁化の向きがX1軸に沿うPX方向に固定されている。自由磁性層の磁化の向きは地磁気の向きに反応する。自由磁性層の磁化の向きがPX方向と平行になるとX軸センサ3の抵抗値が極小になり、自由磁性層の磁化の向きがPX方向と逆向きになるとX軸センサ3の抵抗値が極大になる。また、自由磁性層の磁化の向きがPX方向と直交すると、抵抗値が前記極大値と極小値との平均値となる。   The X-axis sensor 3 detects a component of the geomagnetic vector facing the X1 direction, and the magnetization direction of the pinned magnetic layer is fixed in the PX direction along the X1 axis. The direction of magnetization of the free magnetic layer responds to the direction of geomagnetism. When the magnetization direction of the free magnetic layer is parallel to the PX direction, the resistance value of the X-axis sensor 3 is minimized, and when the magnetization direction of the free magnetic layer is opposite to the PX direction, the resistance value of the X-axis sensor 3 is maximized. become. Further, when the magnetization direction of the free magnetic layer is orthogonal to the PX direction, the resistance value is an average value of the maximum value and the minimum value.

図1に示す磁場データ検知部6では、X軸センサ3と固定抵抗とが直列に接続され、X軸センサ3と固定抵抗との直列回路に電圧が与えられており、X軸センサ3と固定抵抗との間の電圧がX1軸の検知出力として取り出される。X軸センサ3にX1方向に向く磁界が与えられていないとき、またはPXに対して直交する磁界が与えられているときに、X1軸の検知出力が中点電位となる。   In the magnetic field data detection unit 6 shown in FIG. 1, the X-axis sensor 3 and the fixed resistance are connected in series, and a voltage is applied to the series circuit of the X-axis sensor 3 and the fixed resistance. The voltage between the resistors is taken out as the detection output of the X1 axis. When a magnetic field directed in the X1 direction is not applied to the X-axis sensor 3, or when a magnetic field orthogonal to PX is applied, the detection output of the X1-axis becomes a midpoint potential.

地磁気検知部2の全体を傾け、X軸センサ3の固定磁性層の磁化の固定方向PXを地磁気ベクトルVと同じ向きにするとX軸センサ3に与えられる磁界成分が極大値となる。このときのX1軸の検知出力は、前記中点電位に対してプラス側の極大値となる。逆に、X軸センサ3の固定磁性層の磁化の固定方向PXを地磁気ベクトルVと反対に向けると、X軸センサ3に与えられる逆向きの磁界成分が極大値となる。このときのX1軸の検知出力は、前記中点電位に対してマイナス側の極大値となる。   When the entire geomagnetism detector 2 is tilted and the fixed direction PX of the magnetization of the pinned magnetic layer of the X-axis sensor 3 is set to the same direction as the geomagnetic vector V, the magnetic field component applied to the X-axis sensor 3 becomes a maximum value. The detected output of the X1 axis at this time becomes a maximum value on the plus side with respect to the midpoint potential. Conversely, when the fixed direction PX of the magnetization of the fixed magnetic layer of the X-axis sensor 3 is directed opposite to the geomagnetic vector V, the reverse magnetic field component applied to the X-axis sensor 3 has a maximum value. At this time, the detection output of the X1 axis has a maximum value on the minus side with respect to the midpoint potential.

Y軸センサ4とZ軸センサ5も、それぞれ固定抵抗とが直列に接続され、Y軸センサ4またはZ軸センサ5と固定抵抗との直列回路に電圧が与えられており、各センサと固定抵抗との間の電圧がY1軸またはZ1軸の検知出力として取り出される。   Each of the Y-axis sensor 4 and the Z-axis sensor 5 is also connected to a fixed resistor in series, and a voltage is applied to the Y-axis sensor 4 or a series circuit of the Z-axis sensor 5 and the fixed resistor. Is taken out as a detection output of the Y1 axis or the Z1 axis.

Y軸センサ4の固定磁性層の磁化の固定方向PYを地磁気ベクトルVと同じ向きにすると、Y1軸の検知出力は、中点電位に対してプラス側の極大値になる。Y軸センサ4の固定磁性層の磁化の固定方向PYを地磁気ベクトルVと反対に向けると、Y1軸の検知出力は、中点電位に対してマイナス側の極大値となる。同様に、Z軸センサ5の固定磁性層の磁化の固定方向PZを地磁気ベクトルVと同じ向きにすると、Z1軸の検知出力が、中点電位に対してプラス側の極大値になる。Z軸センサ5の固定磁性層の磁化の固定方向PZを地磁気ベクトルVと反対に向けると、Z1軸の検知出力は、中点電位に対してマイナス側の極大値となる。   When the fixed direction PY of the magnetization of the fixed magnetic layer of the Y-axis sensor 4 is set in the same direction as the geomagnetic vector V, the Y1-axis detection output has a maximum value on the plus side with respect to the midpoint potential. If the fixed direction PY of the magnetization of the fixed magnetic layer of the Y-axis sensor 4 is directed opposite to the geomagnetic vector V, the Y1-axis detection output becomes a maximum value on the minus side with respect to the midpoint potential. Similarly, when the fixed direction PZ of the magnetization of the fixed magnetic layer of the Z-axis sensor 5 is set to the same direction as the geomagnetic vector V, the detection output of the Z1-axis becomes a maximum value on the plus side with respect to the midpoint potential. When the fixed direction PZ of the magnetization of the fixed magnetic layer of the Z-axis sensor 5 is directed opposite to the geomagnetic vector V, the detection output of the Z1-axis becomes a maximum value on the minus side with respect to the midpoint potential.

地磁気ベクトルVの大きさが一定であれば、X軸センサ3とY軸センサ4およびZ軸センサ5からの検知出力は、いずれもプラス側の極大値の絶対値と、マイナス側の極大値の絶対値とが同じである。   If the magnitude of the geomagnetic vector V is constant, the detection outputs from the X-axis sensor 3, the Y-axis sensor 4, and the Z-axis sensor 5 are all of the absolute value of the plus side maximum value and the minus side maximum value. The absolute value is the same.

X軸センサ3としては、地磁気ベクトルの向きによってプラス側の検知出力とマイナス側の検知出力が得られ、プラス側の検知出力の極大値とマイナス側の検知出力の極大値とで絶対値が同じになれば、GMR素子以外の地磁気センサで構成することもできる。例えば、X1軸に沿ってプラス側の磁界強度のみを検知できるホール素子またはMR素子と、マイナス側の磁界強度のみを検知できるホール素子またはMR素子を組み合わせて、X軸センサ3として使用してもよい。これは、Y軸センサ4とZ軸センサ5においても同じである。   As the X-axis sensor 3, a positive detection output and a negative detection output are obtained depending on the direction of the geomagnetic vector, and the absolute value is the same between the maximum value of the positive detection output and the maximum value of the negative detection output. If it becomes, it can also be comprised with geomagnetic sensors other than a GMR element. For example, a Hall element or MR element that can detect only the positive magnetic field intensity along the X1 axis and a Hall element or MR element that can detect only the negative magnetic field intensity may be combined and used as the X-axis sensor 3. Good. The same applies to the Y-axis sensor 4 and the Z-axis sensor 5.

図1に示すように、磁場データ検知部6で検知されたX軸とY軸およびZ軸の検知出力は、演算部10に与えられる。演算部10は、A/D変換部とCPUおよびクロック回路などから構成されている。演算部10のクロック回路の計測時間に応じて、磁場データ検知部6で検知されたX軸とY軸およびZ軸の検知出力が、短いサイクルで間欠的にサンプリングされて演算部10に読み出される。それぞれの検知出力は、演算部内に設けられた前記A/D変換部によってディジタル値に変換される。   As shown in FIG. 1, the detection outputs of the X axis, the Y axis, and the Z axis detected by the magnetic field data detection unit 6 are given to the calculation unit 10. The arithmetic unit 10 includes an A / D converter, a CPU, a clock circuit, and the like. According to the measurement time of the clock circuit of the calculation unit 10, the detection outputs of the X axis, the Y axis, and the Z axis detected by the magnetic field data detection unit 6 are intermittently sampled in a short cycle and read out to the calculation unit 10. . Each detection output is converted into a digital value by the A / D conversion unit provided in the calculation unit.

演算部10を構成するCPUにはメモリ7が接続されている。メモリ7には、演算処理のためのソフトウエアがプログラミングされて格納されている。演算部10の演算処理は前記ソフトウエアによって実行される。   A memory 7 is connected to the CPU constituting the arithmetic unit 10. In the memory 7, software for arithmetic processing is programmed and stored. The arithmetic processing of the arithmetic unit 10 is executed by the software.

演算部10は、ソフトウエアに基づいて演算処理を行う。ディジタルデータに変換されたX1軸の検知出力とY1軸の検知出力およびZ1軸の検知出力は、演算部10で演算処理され、図4に示すX1−Y1−Z1の三次元検知座標上の座標点データDi(xi,yi,zi)に変換されて、図2に示すデータバッファ(バッファメモリ)11に格納される。クロック回路と同期して短いサイクルでサンプリングされて演算された前記座標点データDiは、データバッファ11の格納部11aに与えられる。座標点データDiが格納部11aに与えられる毎に、その前に得られた座標点データDiが格納部11aから11mまで順に送り出され、最終段の格納部11mの座標点データDiが捨てられる。地磁気検知装置1が動作している間は、磁場データ検知部6から最新のデータが一定時間毎に読み出され続け、演算後の座標点データDiがデータバッファ11に順番に格納されていく。   The arithmetic unit 10 performs arithmetic processing based on software. The X1 axis detection output, the Y1 axis detection output, and the Z1 axis detection output converted into digital data are subjected to calculation processing by the calculation unit 10, and the coordinates on the three-dimensional detection coordinates of X1-Y1-Z1 shown in FIG. It is converted into point data Di (xi, yi, zi) and stored in the data buffer (buffer memory) 11 shown in FIG. The coordinate point data Di sampled and calculated in a short cycle in synchronization with the clock circuit is given to the storage unit 11a of the data buffer 11. Each time the coordinate point data Di is given to the storage unit 11a, the coordinate point data Di obtained before that is sequentially sent from the storage unit 11a to 11m, and the coordinate point data Di of the storage unit 11m at the final stage is discarded. While the geomagnetism detection device 1 is operating, the latest data is continuously read from the magnetic field data detection unit 6 at regular intervals, and the calculated coordinate point data Di is sequentially stored in the data buffer 11.

図1に示すように、地磁気検知装置1には、3軸加速度センサ8が設けられている。この3軸加速度センサ8は、X1軸とY1軸およびZ1軸のそれぞれに沿う向きの加速度を検知するものであり、その検知出力が姿勢検知部9に与えられる。姿勢検知部9では、X1軸とY1軸およびZ1軸のそれぞれに沿う向きの加速度から、図5に示す重力加速度ベクトルAが算出され、その情報が演算部10に与えられる。   As shown in FIG. 1, the geomagnetic detection device 1 is provided with a triaxial acceleration sensor 8. The triaxial acceleration sensor 8 detects accelerations in directions along the X1 axis, the Y1 axis, and the Z1 axis, and the detection output is given to the posture detection unit 9. In the posture detection unit 9, the gravitational acceleration vector A shown in FIG. 5 is calculated from the accelerations in the directions along the X1 axis, the Y1 axis, and the Z1 axis, and the information is given to the calculation unit 10.

図4に示すように、地磁気検知部2が地球上のいずれかの場所に置かれると、地磁気検知部2のX軸センサ3から検知出力xiが得られ、Y軸センサ4から検知出力yiが得られ、Z軸センサ5から検知出力ziが得られる。図2に示す演算部10において、各軸の検知出力xi,yi,ziから、X1−Y1−Z1軸の三次元検知座標上で、地磁気ベクトルVの向きを示す座標点データDi(xi,yi,zi)が演算される。   As shown in FIG. 4, when the geomagnetism detection unit 2 is placed anywhere on the earth, the detection output xi is obtained from the X-axis sensor 3 of the geomagnetism detection unit 2, and the detection output yi is obtained from the Y-axis sensor 4. Thus, a detection output zi is obtained from the Z-axis sensor 5. In the calculation unit 10 shown in FIG. 2, coordinate point data Di (xi, yi) indicating the direction of the geomagnetic vector V on the three-dimensional detection coordinates of the X1-Y1-Z1 axes from the detection outputs xi, yi, zi of the respective axes. , Zi) is calculated.

測定場所が北半球の場合、地磁気ベクトルVは地平線に向かって所定の伏角で入射する。よって、図4に示すように、X1−Y1−Z1軸を有する三次元検知座標では、地磁気ベクトルVがキャリブレーション前の球面座標G1の中心Ocに向かい、地磁気ベクトルVの向きは、地磁気ベクトルVの絶対値を半径とする球面座標G1上の座標点データDi(xi,yi,zi)として表わされる。   When the measurement location is the northern hemisphere, the geomagnetic vector V is incident at a predetermined dip angle toward the horizon. Therefore, as shown in FIG. 4, in the three-dimensional detection coordinates having the X1-Y1-Z1 axes, the geomagnetic vector V faces the center Oc of the spherical coordinate G1 before calibration, and the direction of the geomagnetic vector V is the geomagnetic vector V Is expressed as coordinate point data Di (xi, yi, zi) on the spherical coordinate G1 with the absolute value of.

座標点データDi(xi,yi,zi)はサンプリング周期毎に次々と得られ(i=1,2,3,4,・・・)、データバッファ11に順に格納されていく。これら複数の座標点データDi(xi,yi,zi)は、前記球面座標G1の表面に分布する。   The coordinate point data Di (xi, yi, zi) are obtained one after another for each sampling period (i = 1, 2, 3, 4,...) And stored in the data buffer 11 in order. The plurality of coordinate point data Di (xi, yi, zi) is distributed on the surface of the spherical coordinate G1.

電源が投入されて、検知動作が開示された時点では、球面座標G1の中心Ocの座標(xc,yc,zc)が不明であり、球面座標G1の形状や半径も不明である。X1−Y1−Z1軸を有する三次元検知座標の原点Oと、球面座標G1の中心Ocとの位置ずれは、地磁気以外の外部磁界の影響やX軸センサ3とY軸センサ4およびZ軸センサ5の感度のばらつきや回路からのノイズなどに起因するオフセット量である。   At the time when the power is turned on and the detection operation is disclosed, the coordinates (xc, yc, zc) of the center Oc of the spherical coordinate G1 are unknown, and the shape and radius of the spherical coordinate G1 are also unknown. The positional deviation between the origin O of the three-dimensional detection coordinate having the X1-Y1-Z1 axis and the center Oc of the spherical coordinate G1 is caused by the influence of an external magnetic field other than geomagnetism, the X-axis sensor 3, the Y-axis sensor 4, and the Z-axis sensor. 5 is an offset amount due to sensitivity variation and noise from the circuit.

そこで、演算部10では、複数の座標点データDi(xi,yi,zi)が得られたら、以下のキャリブレーション処理を行う。   Therefore, the calculation unit 10 performs the following calibration process when a plurality of coordinate point data Di (xi, yi, zi) is obtained.

演算部10は、図4に示すキャリブレーション前の球面座標G1を、以下の数3の方程式で認識する。   The calculation unit 10 recognizes the spherical coordinate G1 before calibration shown in FIG.

Figure 0005475873
Figure 0005475873

xc,yc,zcは、X1−Y1−Z1軸の三次元検知座標における、球面座標G1の中心Ocの座標である。aはX軸センサ3の感度に関する係数、bはY軸センサ4の感度に関する係数、cはZ軸センサ5の感度に関する係数である。X軸センサ3とY軸センサ4およびZ軸センサ5の感度が高精度に一致しているときは、数3は球の方程式である。実際には、X軸センサ3とY軸センサ4およびZ軸センサ5に感度の差があり、それぞれのセンサが接続される回路にもばらつきがあるため、数3は球の方程式ではなく、楕円球などの方程式となる。   xc, yc, zc are the coordinates of the center Oc of the spherical coordinate G1 in the three-dimensional detection coordinates of the X1-Y1-Z1 axes. a is a coefficient related to the sensitivity of the X-axis sensor 3, b is a coefficient related to the sensitivity of the Y-axis sensor 4, and c is a coefficient related to the sensitivity of the Z-axis sensor 5. When the sensitivities of the X-axis sensor 3, the Y-axis sensor 4, and the Z-axis sensor 5 coincide with each other with high accuracy, Equation 3 is a sphere equation. Actually, there is a difference in sensitivity between the X-axis sensor 3, the Y-axis sensor 4, and the Z-axis sensor 5, and the circuit to which each sensor is connected also varies. It becomes an equation such as a sphere.

キャリブレーション処理は、数3のxc,yc,zcおよびa,b,cの値を求めるために行われる。複数得られる座標点データDi(xi,yi,zi)にばらつきが無く、それぞれの座標点データDiが同じ球面座標(球面や楕円球などの座標)G1に現れるのであれば、複数得られるxi,yi,zi(i=1,2,3,4,・・・)のそれぞれの値を数3のx,y,zに代入して、連立方程式を解くと、xc,yc,zcおよびa,b,cの値を求めることができる。   The calibration process is performed in order to obtain the values of xc, yc, zc and a, b, c in Equation 3. If there is no variation in the plurality of obtained coordinate point data Di (xi, yi, zi) and each coordinate point data Di appears in the same spherical coordinate (coordinates such as a spherical surface or an elliptical sphere) G1, a plurality of obtained xi, Substituting the respective values of yi, zi (i = 1, 2, 3, 4,...) into x, y, z in Equation 3, and solving the simultaneous equations, xc, yc, zc and a, The values of b and c can be obtained.

しかし、実際にはそれぞれの座標点データDi(xi,yi,zi)にばらつきが存在している。そこで、以下の数4に示すように、数3の方程式を、Fiで表し、Fiの二乗の累積値の1/2であるJが最小となるxc,yc,zcおよびa,b,cの値を求める。すなわち、最小二乗法により、複数の座標点データDiとの誤差が最も小さくなる球面または楕円球の方程式を求める。   However, actually, there is a variation in each coordinate point data Di (xi, yi, zi). Therefore, as shown in Equation 4 below, the equation of Equation 3 is expressed by Fi, and the values of xc, yc, zc and a, b, c that minimize J that is 1/2 of the cumulative value of the square of Fi Find the value. That is, an equation of a spherical surface or an elliptical sphere having the smallest error from a plurality of coordinate point data Di is obtained by the least square method.

Figure 0005475873
Figure 0005475873

上記数4のFiの方程式を簡素化するために、a,b,cを以下の数5とする。数5は、X軸センサ3の検知出力の感度に関する係数aをRとし、Ayは、Y軸センサ4の検知出力の感度に関する係数bをaに対する比で表わし、Azは、Z軸センサ5の検知出力の感度に関する係数cを、aに対する比で表わしている。RとAyおよびAzを用いて、数4のFiとJを表わすと以下の数6のFi´とJ´になる。   In order to simplify the equation of Fi in the above equation 4, a, b, and c are represented by the following equation 5. In Equation 5, the coefficient a related to the sensitivity of the detection output of the X-axis sensor 3 is R, Ay represents the coefficient b related to the sensitivity of the detection output of the Y-axis sensor 4 as a ratio to a, and Az is the ratio of the Z-axis sensor 5 A coefficient c relating to the sensitivity of the detection output is expressed as a ratio to a. Using R, Ay, and Az to represent Fi and J in Equation 4, Fi ′ and J ′ in Equation 6 below.

Figure 0005475873
Figure 0005475873

Figure 0005475873
Figure 0005475873

そして、上記J´が最小となるときのxc,yc,zcおよびR,Ay,Azの値を求める。以下の数7に示すように、J´をxc,yc,zcおよびR,Ay,Azのぞれぞれの未知数で偏微分し、偏微分して得られた連立方程式を解くことで、J´が最小となるときのxc,yc,zcおよびR,Ay,Azの値を求めることができる。   Then, the values of xc, yc, zc and R, Ay, Az when J ′ is minimum are obtained. As shown in Equation 7 below, J ′ is partially differentiated with unknowns of xc, yc, zc and R, Ay, Az, and the simultaneous equations obtained by partial differentiation are solved. The values of xc, yc, zc and R, Ay, Az when ′ becomes minimum can be obtained.

Figure 0005475873
ただし、
Figure 0005475873
である。
Figure 0005475873
However,
Figure 0005475873
It is.

前記数7は非線形連立方程式であるため、一般的な解法で解くことができず、Gauss-Newton法などの数値解法による反復計算により求められる。   Since Equation 7 is a nonlinear simultaneous equation, it cannot be solved by a general solution, but can be obtained by iterative calculation using a numerical solution method such as the Gauss-Newton method.

あるいは、上記反復計算によらずに、数6のFi´を以下の数9に示す線形方程式に変形してから、xc,yc,zcおよびR,Ay,Azの値を求めることも可能である。   Alternatively, it is also possible to obtain the values of xc, yc, zc and R, Ay, Az after transforming Fi ′ in Expression 6 into the linear equation shown in Expression 9 below without performing the above iterative calculation. .

Figure 0005475873
Figure 0005475873

数9における各未知数および未知数の方程式を以下の数10とする。   Each unknown and unknown equation in Equation 9 is expressed as Equation 10 below.

Figure 0005475873
Figure 0005475873

数10を用いて、Fi´とJ´を書き換えると、以下の数11のようになる。   When Fi ′ and J ′ are rewritten using Equation 10, the following Equation 11 is obtained.

Figure 0005475873
Figure 0005475873

数11のJ´を未知数であるa1,a2,a3,a4,a5,a6で偏微分して0と置くと以下の数12の連立方程式となる。   When J ′ in Equation 11 is partially differentiated by unknown numbers a1, a2, a3, a4, a5, and a6 and set to 0, the following simultaneous equations of Equation 12 are obtained.

Figure 0005475873
Figure 0005475873

数12を行列式で表わすと以下の数13となる。   When Expression 12 is expressed by a determinant, the following Expression 13 is obtained.

Figure 0005475873
Figure 0005475873

上記行列式は未知数a1,a2,a3,a4,a5,a6を含む線形連立方程式であるため、ガウスの消去法などの数値解析で解くことができる。この数値解析は、数7に示す非線形方程式を解く場合のような反復計算が不要になるため、CPUなどにおいて比較的短時間で解を得ることができる。   Since the determinant is a linear simultaneous equation including unknown numbers a1, a2, a3, a4, a5, and a6, it can be solved by numerical analysis such as Gaussian elimination. This numerical analysis eliminates the need for iterative calculation as in the case of solving the nonlinear equation shown in Equation 7, so that a solution can be obtained in a relatively short time in a CPU or the like.

未知数a1,a2,a3,a4,a5,a6を解くことで、以下の数14に示すように、xc,yc,zcとR,Ay,Azを求めることができる。   By solving the unknown numbers a1, a2, a3, a4, a5, a6, xc, yc, zc and R, Ay, Az can be obtained as shown in the following formula 14.

Figure 0005475873
Figure 0005475873

また、X軸センサ3とY軸センサ4およびZ軸センサ5の感度にばらつきがない場合、あるいは各センサの感度のばらつきを無視して演算を簡素化したいときは、図4に示す球面座標G1を以下の数15で表わすことができる。数15は、球面の方程式である。   Further, when there is no variation in the sensitivity of the X-axis sensor 3, the Y-axis sensor 4, and the Z-axis sensor 5, or when it is desired to simplify the calculation while ignoring the variation in sensitivity of each sensor, the spherical coordinate G1 shown in FIG. Can be expressed by Equation 15 below. Equation 15 is a spherical equation.

Figure 0005475873
Figure 0005475873

この場合の未知数は、xc,yc,zcとRだけであるため、数3における未知数xc,yc,zcおよびa,b,cを求めるよりも演算を簡素化できる。前記Rは、図4に示す球面座標G1の中心Ocからの半径であり、これは地磁気ベクトルの絶対値に相当している。   Since the unknown numbers in this case are only xc, yc, zc, and R, the calculation can be simplified compared with obtaining the unknown numbers xc, yc, zc and a, b, c in Equation 3. R is a radius from the center Oc of the spherical coordinate G1 shown in FIG. 4 and corresponds to the absolute value of the geomagnetic vector.

数15における未知数xc,yc,zcおよびRを、数3の未知数を求めるのと同様にして演算すると以下の通りである。以下において、数16は数4に相当し、数17と数18は数7と数8に相当している。数19と数20および数21は、数9と数10および数11に相当している。数22と数23は、数12と数13に相当している。   The unknown numbers xc, yc, zc and R in Formula 15 are calculated in the same manner as the calculation of the unknown number of Formula 3 as follows. In the following, Expression 16 corresponds to Expression 4, and Expressions 17 and 18 correspond to Expressions 7 and 8. Expressions 19, 20 and 21 correspond to Expressions 9, 10 and 11. Expressions 22 and 23 correspond to Expressions 12 and 13.

Figure 0005475873
Figure 0005475873

Figure 0005475873
Figure 0005475873

Figure 0005475873
Figure 0005475873

Figure 0005475873
Figure 0005475873

Figure 0005475873
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Figure 0005475873
Figure 0005475873

Figure 0005475873
Figure 0005475873

Figure 0005475873
Figure 0005475873

上記演算により、数24に示すように、未知数xc,yc,zcおよびRを求めることができる。   By the above calculation, unknown numbers xc, yc, zc and R can be obtained as shown in Expression 24.

Figure 0005475873
Figure 0005475873

上記キャリブレーション処理は、電源が投入されて地磁気検知装置1が始動し、その後に所定数の座標点データDi(xi,yi,zi)が得られたときに行われる。あるいは、定期的に行われる。   The calibration process is performed when the geomagnetism detecting device 1 is started after the power is turned on and a predetermined number of coordinate point data Di (xi, yi, zi) is obtained thereafter. Or it is performed regularly.

上記キャリブレーション処理により、図4に示す、座標点データDi(xi,yi,zi)が現れる球面座標G1の中心Ocの、X1−Y1−Z1軸の三次元検知座標上での座標位置(xc,yc,zc)が明らかになる。また、球面あるいは楕円球である球面座標G1の形状を決める各定数が明らかになる。キャリブレーション処理の後は、演算部10内のメモリに、中心Ocの座標位置および球面座標G1の形状を決める各定数を保持する。その後に得られる座標点データDi(xi,yi,zi)は、メモリに保持されている定数を用いて補正される。   As a result of the calibration process, the coordinate position (xc) of the center Oc of the spherical coordinate G1 where the coordinate point data Di (xi, yi, zi) shown in FIG. , Yc, zc). In addition, each constant that determines the shape of the spherical coordinate G1 that is a spherical surface or an elliptical sphere becomes clear. After the calibration process, the constants for determining the coordinate position of the center Oc and the shape of the spherical coordinate G1 are held in the memory in the calculation unit 10. The coordinate point data Di (xi, yi, zi) obtained thereafter is corrected using constants stored in the memory.

球面座標G1の方程式を数3で定義し、数14において、未知数xc,yc,zcおよびR,Ay,Azが求められたときは、キャリブレーション処理後に得られる座標点データDiの座標点xi,yi,ziを以下の数25に代入して補正座標点データDi´(xi´,yi´,zi´)を得る。   The equation of the spherical coordinate G1 is defined by Equation 3, and when the unknowns xc, yc, zc and R, Ay, Az are obtained in Equation 14, the coordinate points xi, The corrected coordinate point data Di ′ (xi ′, yi ′, zi ′) is obtained by substituting yi and zi into the following equation (25).

(数25)
xi´=xi−xc
yi´=Ay・(yi−yc)
zi´=Az・(zi−zc)
(Equation 25)
xi '= xi-xc
yi ′ = Ay · (yi−yc)
zi '= Az. (zi-zc)

球面座標G1の方程式を数15で定義し、数24において、未知数xc,yc,zcおよびRが求められたときは、キャリブレーション処理後に得られる座標点データDiの座標点xi,yi,ziを以下の数26に代入して補正座標点データDi´(xi´,yi´,zi´)を得ることができる。   When the equation of the spherical coordinate G1 is defined by Equation 15 and the unknowns xc, yc, zc and R are obtained in Equation 24, the coordinate points xi, yi, zi of the coordinate point data Di obtained after the calibration processing are obtained. The corrected coordinate point data Di ′ (xi ′, yi ′, zi ′) can be obtained by substituting into the following equation (26).

(数26)
xi´=xi−xc
yi´=yi−yc
zi´=zi−zc
(Equation 26)
xi '= xi-xc
yi '= yi-yc
zi '= zi-zc

キャリブレーション処理によって補正された補正座標点データDi´(xi´,yi´,zi´)は、図5に示すように、X1−Y1−Z1軸の三次元検知座標の原点Oに中心Ocを有し、数学的に正確な球面形状である補正球面座標G0上の座標点として表わされる。補正球面座標G0の半径はRである。このRは数5と数15で使用されているRに相当するものであり、X軸センサ3の感度を基準として決められる値である。   As shown in FIG. 5, the corrected coordinate point data Di ′ (xi ′, yi ′, zi ′) corrected by the calibration process has a center Oc at the origin O of the three-dimensional detection coordinates of the X1-Y1-Z1 axes. It is expressed as a coordinate point on the corrected spherical coordinate G0 that is a mathematically accurate spherical shape. The radius of the corrected spherical coordinate G0 is R. This R corresponds to R used in Equations 5 and 15, and is a value determined based on the sensitivity of the X-axis sensor 3.

補正球面座標G0の中心は、X1−Y1−Z1軸の三次元検知座標の原点Oに一致しているため、この補正球面座標G0に現れる補正座標点データDi´(xi´,yi´,zi´)と、図1に示す3軸加速度センサ8の検知出力とから、地磁気ベクトルの伏角Iを求めることができる。   Since the center of the corrected spherical coordinate G0 coincides with the origin O of the three-dimensional detection coordinates of the X1-Y1-Z1 axes, the corrected coordinate point data Di ′ (xi ′, yi ′, zi) appearing in the corrected spherical coordinate G0. ′) And the detection output of the triaxial acceleration sensor 8 shown in FIG. 1, the dip angle I of the geomagnetic vector can be obtained.

図5には、3軸加速度センサ8で検知された重力加速度ベクトルAが示されている。また、地磁気検知装置1が空間上で同じ姿勢で停止しているときに補正座標点データDi´(xi´,yi´,zi´)から得られる地磁気ベクトルをMで示している。   FIG. 5 shows a gravitational acceleration vector A detected by the triaxial acceleration sensor 8. Further, the geomagnetic vector obtained from the corrected coordinate point data Di ′ (xi ′, yi ′, zi ′) when the geomagnetic detection device 1 is stopped in the same attitude in space is indicated by M.

以下の数27に示すように、重力加速度ベクトルAと静止時の地磁気ベクトルMとの内積から、両ベクトルの相対角度αを求めることができ、αから90度を減算することで地磁気ベクトルMの伏角Iを求めることができる。   As shown in the following Equation 27, the relative angle α of both vectors can be obtained from the inner product of the gravitational acceleration vector A and the geomagnetic vector M at rest, and by subtracting 90 degrees from α, the geomagnetic vector M The dip angle I can be obtained.

Figure 0005475873
Figure 0005475873

図6は、重力加速度ベクトルAがZ軸のマイナスに向くように補正したX0−Y0−Z0軸の三次元補正座標を示している。三次元補正座標は、X0−Y0平面が水平面の向きに一致する。測定場所が北半球のとき、地磁気ベクトルMは、X0−Y0平面からプラス側の角度(伏角)Iを有する向きで示される。   FIG. 6 shows the three-dimensional correction coordinates of the X0-Y0-Z0 axis corrected so that the gravitational acceleration vector A is directed to the negative of the Z axis. In the three-dimensional correction coordinates, the X0-Y0 plane coincides with the direction of the horizontal plane. When the measurement location is the northern hemisphere, the geomagnetic vector M is shown in an orientation having an angle I (positive angle) I on the plus side from the X0-Y0 plane.

次に、前記キャリブレーション処理後の、検知精度または演算精度の評価を以下のようにして行う。   Next, evaluation of detection accuracy or calculation accuracy after the calibration process is performed as follows.

キャリブレーション処理後に、図6に示す三次元補正座標上の補正球面座標G0上に現れる複数の補正座標点データDi´(xi´,yi´,zi´)と、三次元補正座標の原点Oとの距離riを以下の数28により算出する。以下の数29では、複数得られた前記距離riと補正球面座標の半径Rとの偏差δRを求める。   After the calibration process, a plurality of correction coordinate point data Di ′ (xi ′, yi ′, zi ′) appearing on the correction spherical coordinate G0 on the three-dimensional correction coordinate shown in FIG. 6 and the origin O of the three-dimensional correction coordinate The distance ri is calculated by the following equation (28). In the following Expression 29, a deviation δR between the obtained distance ri and the radius R of the corrected spherical coordinate is obtained.

Figure 0005475873
Figure 0005475873

Figure 0005475873
Figure 0005475873

演算部10では、半径Rと前記偏差δRとの比に基づいて検知精度または演算精度を評価することが可能である。ただし、以下の演算により検知精度または演算精度をさらに高精度に評価できるようになる。   The calculation unit 10 can evaluate detection accuracy or calculation accuracy based on a ratio between the radius R and the deviation δR. However, detection accuracy or calculation accuracy can be evaluated with higher accuracy by the following calculation.

三次元補正座標のX0−Y0平面に地磁気ベクトルMを投影し、その投影ベクトルとX0軸などとの角度を求める。この角度が方位角θである。ここで、地磁気ベクトルMの伏角Iが大きければ大きいほど、X0−Y0座標面に投影された投影ベクトルが短くなる。その結果、数29で示した偏差δRが投影ベクトルに占める割合が大きくなり、検知精度または演算精度が低下して、方位角θの測定誤差が大きくなる。   The geomagnetic vector M is projected onto the X0-Y0 plane of the three-dimensional correction coordinates, and the angle between the projected vector and the X0 axis is obtained. This angle is the azimuth angle θ. Here, the larger the dip angle I of the geomagnetic vector M, the shorter the projected vector projected on the X0-Y0 coordinate plane. As a result, the ratio of the deviation δR expressed by Equation 29 to the projection vector increases, the detection accuracy or calculation accuracy decreases, and the measurement error of the azimuth angle θ increases.

そこで、演算部10では、以下数30によってRhorizontalを求めている。Rhorizontal は、図6に示す補正球面座標G0において、地磁気ベクトルMの補正座標点データDi´が現れる緯度線HaのZ0軸からの平面半径に相当している。   Therefore, the calculation unit 10 obtains Rhorizontal by the following equation 30. Rhorizontal corresponds to the plane radius from the Z0 axis of the latitude line Ha where the corrected coordinate point data Di ′ of the geomagnetic vector M appears in the corrected spherical coordinate G0 shown in FIG.

Figure 0005475873
Figure 0005475873

前記数29で得られた偏差δRと、数30で得られたRhorizontalとの比を基準とすることで、検知精度または演算精度の評価を高精度に行うことが可能になる。数30で得られた平面半径Rhorizontalに対する、前記偏差δRの割合が、地磁気ベクトルの検出値に対する誤差の割合に相当すると考えられる。したがって、補正座標点データDiが現れる緯度が高いほど、地磁気ベクトルの検出値に対する誤差成分の割合が大きくなる。   By using the ratio of the deviation δR obtained in Equation 29 and Rhorizontal obtained in Equation 30 as a reference, it is possible to evaluate detection accuracy or calculation accuracy with high accuracy. It can be considered that the ratio of the deviation δR to the plane radius Rhorizontal obtained in Equation 30 corresponds to the ratio of error to the detected value of the geomagnetic vector. Therefore, the higher the latitude at which the corrected coordinate point data Di appears, the greater the ratio of the error component to the detected value of the geomagnetic vector.

次に、測定された地磁気ベクトルの検出値に対する誤差成分の割合が、そのまま方位角θの測定値に対する誤差成分の割合として反映されると考えられるため、以下の数31では、緯度線Haの平面半径Rhorizontalと偏差δRとから方位角θの偏差δθを求めている。   Next, since it is considered that the ratio of the error component to the measured value of the measured geomagnetic vector is directly reflected as the ratio of the error component to the measured value of the azimuth angle θ, in the following Expression 31, the plane of the latitude line Ha The deviation δθ of the azimuth angle θ is obtained from the radius Rhorizontal and the deviation δR.

Figure 0005475873
Figure 0005475873

図7は、図6に示す補正球面座標G0を、赤道線H0を通る平面に投影したものである。前記数31に示すように、緯度線Haの平面半径Rhorizontalと偏差δRとの比が、そのままの割合で、方位角θの偏差δθとして現れると仮定している。この方位角θとその偏差δθとの比からも、検知精度または演算精度を高精度に評価できる。   FIG. 7 is a projection of the corrected spherical coordinate G0 shown in FIG. 6 onto a plane passing through the equator line H0. As shown in Equation 31, it is assumed that the ratio between the plane radius Rhorizontal of the latitude line Ha and the deviation δR appears as the deviation δθ of the azimuth angle θ at the same ratio. From the ratio of this azimuth angle θ and its deviation δθ, the detection accuracy or calculation accuracy can be evaluated with high accuracy.

演算部10では、緯度線Haの平面半径Rhorizontalに対する偏差δRの比が所定の割合を越えたとき、あるいは、方位角θに対する偏差δθの比が所定の割合を越えたときに、検知精度または演算精度が低下していると判断し、例えば、その時点でデータバッファ11に格納されている複数の座標点データDiを使用して前記キャリブレーションをやり直す処理が可能である。   In the calculation unit 10, when the ratio of the deviation δR to the plane radius Rhorizontal of the latitude line Ha exceeds a predetermined ratio, or when the ratio of the deviation δθ to the azimuth angle θ exceeds a predetermined ratio, the detection accuracy or calculation For example, it is possible to perform a process of re-calibrating the calibration using a plurality of coordinate point data Di stored in the data buffer 11 at the time when it is determined that the accuracy is lowered.

あるいは、演算部10で、方位角θに対する偏差δθの比を監視して前記比により、方位角θの信頼度を%で算出し、その信頼度を携帯機器などの表示装置に表示してもよい。あるいは、方位角θに対する偏差δθの割合が大きい場合に、その方位角θのデータを信頼性の低いものとして無視してもよい。   Alternatively, the calculation unit 10 may monitor the ratio of the deviation δθ to the azimuth angle θ, calculate the reliability of the azimuth angle θ in% based on the ratio, and display the reliability on a display device such as a portable device. Good. Alternatively, when the ratio of the deviation δθ to the azimuth angle θ is large, the data of the azimuth angle θ may be ignored as having low reliability.

次に、地磁気検知装置1にGPS装置などの現在位置を検知する手段が設けられているものでは、現在位置に相当する地図データがメモリ7から引き出されて、図6に示すように表示装置15の表示画面15aに地図情報を表示することができる。   Next, when the geomagnetism detecting device 1 is provided with means for detecting the current position such as a GPS device, map data corresponding to the current position is extracted from the memory 7 and displayed on the display device 15 as shown in FIG. The map information can be displayed on the display screen 15a.

この装置では、前記演算で得られた方位角θの情報にしたがって、表示装置15の表示画面に表示されている地図情報の向きが切り換えられる。例えば、地磁気検知装置1が携帯用機器に搭載されている場合に、携帯用機器を保持した人が回転して、表示装置15の向きを変えると、表示画面に表示されている地図情報の向きが段階的に切り換えられる。   In this device, the orientation of the map information displayed on the display screen of the display device 15 is switched according to the information on the azimuth angle θ obtained by the calculation. For example, when the geomagnetism detection device 1 is mounted on a portable device, if the person holding the portable device rotates and changes the orientation of the display device 15, the orientation of the map information displayed on the display screen Are switched in stages.

図6は、表示画面15aの向きと地図情報の表示の向きとの関係を示している。携帯機器を北(N)に向けているときは、表示画面15aの前方に地図情報の北(N)が向けられる。反時計方向へ回転して、携帯機器を北西(NW)に向けると、表示画面15aに表示されている地図情報が時計方向に回転し、表示画面15aの前方に地図情報の北西が向けられる。さらに、携帯機器が西(W)に向けられると、表示画面15aに表示されている地図情報が時計方向に回転し、表示画面15aの前方に地図情報の西が向けられる。   FIG. 6 shows the relationship between the direction of the display screen 15a and the display direction of the map information. When the portable device is facing north (N), north (N) of the map information is directed in front of the display screen 15a. When the mobile device is turned counterclockwise and turned to the northwest (NW), the map information displayed on the display screen 15a is turned clockwise, and the northwest of the map information is directed in front of the display screen 15a. Further, when the portable device is directed to the west (W), the map information displayed on the display screen 15a rotates in the clockwise direction, and the west of the map information is directed in front of the display screen 15a.

このような機能を有する地磁気検知装置1において、緯度線Haの平面半径Rhorizontalに対する偏差δRの比、あるいは、方位角θに対する偏差δθの比の大小に応じて、表示画面15aに表示される地図情報を回転させるときの分割角度を切り換えるようにする。緯度線Haの平面半径Rhorizontalに対する偏差δRの比が大きいとき、あるいは、方位角θに対する偏差δθの比が大きいときは、携帯機器を回転させたときに、地図情報を回転させるときの分割数を少なくし、大きな角度回転しないと地図情報の向きが切り換わらないようにする。逆に前記比が小さいときは、分割数を多くし、小さな角度で回転させたときに地図情報の向きが切り換わるようにする。   In the geomagnetic detection device 1 having such a function, the map information displayed on the display screen 15a according to the ratio of the deviation δR to the plane radius Rhorizontal of the latitude line Ha or the ratio of the deviation δθ to the azimuth angle θ. The division angle when rotating is switched. When the ratio of the deviation δR to the plane radius Rhorizontal of the latitude line Ha is large, or when the ratio of the deviation δθ to the azimuth angle θ is large, the number of divisions when the map information is rotated when the portable device is rotated is calculated. Reduce the direction of the map information so that it does not rotate unless it is rotated by a large angle. Conversely, when the ratio is small, the number of divisions is increased, and the direction of the map information is switched when rotated at a small angle.

例えば、地磁気検知装置1が地平に沿って1回転したときに、図8に示す表示画面15aの地図情報が36分割で切り替わる場合、地磁気検知装置1が10度回転する度に、地図情報の向きが切り替えられる。この場合に、偏差δθが10度程度存在していると、地磁気検知装置1が回転していないのにもかかわらず、画面の地図情報がバタバタと切り替わるチャタリングが発生するおそれがある。したがって、偏差δθが10度程度のときは、例えば、地磁気検知装置1が地平に沿って1回転するときに18分割とし、回転角度が20度にならないと地図情報の向きが切り替わらないようにすることで、チャタリングを防止でき、地図情報を安定して表示させることができるようになる。   For example, when the map information on the display screen 15a shown in FIG. 8 is switched in 36 divisions when the geomagnetism detection device 1 rotates once along the horizon, the direction of the map information every time the geomagnetism detection device 1 rotates 10 degrees. Is switched. In this case, if the deviation δθ is about 10 degrees, there is a possibility that chattering in which the map information on the screen is switched to the fluttering may occur although the geomagnetic detection device 1 is not rotating. Therefore, when the deviation δθ is about 10 degrees, for example, when the geomagnetism detecting device 1 rotates once along the horizon, it is divided into 18 parts so that the direction of the map information is not switched unless the rotation angle becomes 20 degrees. Thus, chattering can be prevented and map information can be displayed stably.

したがって、地図情報の向きが切り替わるときの地磁気検知装置1の回転角度θdは、2・δθ≦θdであることが好ましい。   Therefore, the rotation angle θd of the geomagnetism detecting device 1 when the direction of the map information is switched is preferably 2 · δθ ≦ θd.

これにより、方位角θに対する偏差θRの比が大きいときでも、表示画面15aに表示されている地図情報を安定させることができ、例えば表示画面15aに表示されている地図情報が、方位角θの演算値のばらつきに追従して細かく揺れるなどの問題を解消できる
ようになる。
Thereby, even when the ratio of the deviation θR to the azimuth angle θ is large, the map information displayed on the display screen 15a can be stabilized. For example, the map information displayed on the display screen 15a has the azimuth angle θ. It becomes possible to solve problems such as fine fluctuations following the variation of the calculation value.

1 地磁気検知装置
2 地磁気検知部
3 X軸センサ
4 Y軸センサ
5 Z軸センサ
6 磁場データ検知部
7 メモリ
10 演算部
8 3軸加速度センサ
11 データバッファ
G1 球面座標
G0 補正球面座標
X1−Y1−Z1 三次元検知座標
X0−Y0−Z0 三次元補正座標
Di 座標点データ
Di´ 補正座標点データ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Geomagnetism detection apparatus 2 Geomagnetism detection part 3 X-axis sensor 4 Y-axis sensor 5 Z-axis sensor 6 Magnetic field data detection part 7 Memory 10 Calculation part 8 3-axis acceleration sensor 11 Data buffer G1 Spherical coordinate G0 Correction spherical coordinate X1-Y1-Z1 Three-dimensional detection coordinates X0-Y0-Z0 Three-dimensional correction coordinates Di Coordinate point data Di 'Correction coordinate point data

Claims (5)

三次元検知座標が予め決められた地磁気検知部と、前記地磁気検知部の姿勢を検知する加速度センサ、および演算部を有し、
前記地磁気検知部に、三次元検知座標のX方向が地磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるX軸センサと、Y方向が地磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるY軸センサ、およびZ方向が地磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるZ軸センサが搭載されて、
前記演算部は、前記検知出力に基づいて、地磁気ベクトルの向きを、三次元検知座標上の座標点データとして求め、
複数の座標点データを得たときに、複数の座標点データとの誤差が最小となる補正球面座標と、三次元検知座標上での前記補正球面座標の中心の座標点を求めるとともに、それぞれの座標点データを、三次元検知座標の原点に中心を有する前記補正球面座標上の補正座標点データに換算し、
前記原点から複数の補正座標点データまでの距離(ri)と、前記補正球面座標の半径(R)との偏差(δR)を求めるとともに、前記加速度センサの検知出力から得られた重力ベクトルに垂直なX0−Y0平面から地磁気ベクトルまでの伏角(I)を求め、R・cosIと前記偏差(δR)とを、検知精度または演算精度の評価基準として使用することを特徴とする地磁気検知装置。
It has a geomagnetism detection unit whose three-dimensional detection coordinates are determined in advance, an acceleration sensor that detects the attitude of the geomagnetism detection unit, and a calculation unit,
When the X-axis sensor in which the absolute value of the detection output becomes a maximum value when the X direction of the three-dimensional detection coordinates is directed to the geomagnetism direction and the Y direction is directed to the geomagnetism direction A Y-axis sensor in which the absolute value of the detection output is a maximum value and a Z-axis sensor in which the absolute value of the detection output is a maximum value when the Z direction is directed to the geomagnetism direction are mounted,
The calculation unit obtains the direction of a geomagnetic vector based on the detection output as coordinate point data on a three-dimensional detection coordinate,
When obtaining a plurality of coordinate point data, a corrected spherical coordinate that minimizes an error from the plurality of coordinate point data and a coordinate point of the center of the corrected spherical coordinate on the three-dimensional detection coordinate are obtained, and The coordinate point data is converted into corrected coordinate point data on the corrected spherical coordinate having the center at the origin of the three-dimensional detection coordinates,
A deviation (δR) between a distance (ri) from the origin to a plurality of correction coordinate point data and a radius (R) of the correction spherical coordinate is obtained, and is perpendicular to the gravity vector obtained from the detection output of the acceleration sensor. A geomagnetic sensing device characterized in that an dip angle (I) from a plane X0-Y0 to a geomagnetic vector is obtained, and R · cosI and the deviation (δR) are used as evaluation criteria for detection accuracy or calculation accuracy.
R・cosIと前記偏差(δR)との比に基づいて、方位角(θ)の偏差(δθ)を求めて、前記偏差(δθ)を検知精度または演算精度の評価基準として使用する請求項1記載の地磁気検知装置。   The deviation (δθ) of the azimuth angle (θ) is obtained based on the ratio between R · cosI and the deviation (δR), and the deviation (δθ) is used as an evaluation criterion for detection accuracy or calculation accuracy. The geomagnetic detection device described. 地磁気検知部が配置されている位置の地図情報を表示する表示装置が設けられており、前記表示装置が回転したときに、方位角(θ)の変化に伴って、前記地図情報の向きを所定の角度ずつ切換え可能とされており、方位角(θ)の偏差(δθ)に応じて前記角度が切換えられる請求項記載の地磁気検知装置。 A display device that displays map information at a position where the geomagnetism detection unit is arranged is provided, and when the display device rotates, the orientation of the map information is predetermined according to a change in azimuth angle (θ). The geomagnetic detection device according to claim 2, wherein the angle can be switched in accordance with a deviation (δθ) of the azimuth angle (θ). 下の数1で、Fiを演算し、Jが最小となるxc,yc,zcおよびa,b,cを求めて、補正球面座標およびその中心位置を算出する(xc,yc,zcは、三次元検知座標での補正球面座標の中心の座標点であり、a,b,cは、X軸センサ、Y軸センサ、Z軸センサの感度に基づく係数である)請求項1〜3のいずれかに記載の地磁気検知装置。
Figure 0005475873
The number 1 follows, calculates the Fi, xc where J is minimized, seeking yc, zc and a, b, and c, calculates a correction spherical coordinates and the center position (xc, yc, zc is a coordinate point of the center of the correction spherical coordinates in three dimensions detecting coordinates, a, b, c are, X-axis sensor, Y-axis sensor, a coefficient based on the sensitivity of the Z-axis sensor) any of claims 1 to 3 The geomagnetic detection device according to the above.
Figure 0005475873
下の数2で、Fiを演算し、Jが最小となるxc,yc,zcとRを求めて、補正球面座標およびその中心位置を算出する(xc,yc,zcは、三次元検知座標での補正球面座標の中心の座標点であり、Rは補正球面座標の半径である)請求項1〜3のいずれかに記載の地磁気検知装置。
Figure 0005475873
The number 2 follows, calculates the Fi, xc where J is minimized, yc, seeking zc and R, to calculate a correction spherical coordinates and the center position (xc, yc, zc is the three-dimensional position coordinate The geomagnetic detection device according to any one of claims 1 to 3 , wherein R is a radius of the corrected spherical coordinate.
Figure 0005475873
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