WO2010103966A1 - 地磁気検知装置 - Google Patents

Abstract

地磁気を検知する３軸のセンサを有し、傾いた姿勢であっても、地磁気ベクトルを検知して正確な方位を知ることができ、さらに角速度を計算できる地磁気検知装置を提供する。 地磁気ベクトルを検知するＸ軸センサとＹ軸センサおよびＺ軸センサが設けられ、各センサの検知出力から地磁気ベクトルの向きが球面座標Ｂｂ上で求められる。装置の基準軸ｚ０が重力方向に対してγｚだけ傾いて回転したときに、球面座標Ｂｂ上の地磁気ベクトルの座標位置を３点Ｄ１，Ｄｘ，Ｄｎで検出することで、緯度線Ｈｂを含む回転平面と軸Ｏａを特定できる。さらに緯度線Ｈｂ上を移動するデータの距離を時間で微分することで、角速度を知ることができる。

Description

地磁気検知装置

　直交する３方向のそれぞれに向けられたセンサで地磁気を検知する地磁気検知装置に係り、特にセンサを搭載した磁気検知部が三次元空間内で回動したときにその姿勢を判別して、方位や角速度を正確に知ることができる地磁気検知装置に関する。

　互いに直交する３方向の磁界強度を検知する３軸の磁気センサを使用して地磁気を検知する地磁気検知装置は、方位検出装置、回転検出装置、姿勢検知装置などとして使用されている。

　特許文献１に記載された磁気式ジャイロは、３軸直交座標上に配置された地磁気を検知する３軸磁気センサを有している。この磁気式ジャイロは、三次元空間内で回転させたときに、３軸の出力データを用いて異なる２時点間の差分ベクトルを求め、その差分ベクトルが予め決められたしきい値よりも小さくなるか否かを判定して、３軸のうちのどの軸を中心として回転しているのかを特定するというものである。

　特許文献１に記載された磁気式ジャイロは、磁気センサの向きで決められた３軸のいずれの軸を中心として回転したときに、回転状態を検知することができるが、前記３軸以外の軸を中心として回転させたときには回転軸を認識できなくなり、どの回転平面内で回転しているのかを特定できなくなる。つまり、特許文献１に記載された１個の磁気式ジャイロだけで、三次元空間内の任意の軸を中心として回転させたときの角速度を検知できない。

　特許文献２には、飛行機などに搭載される姿勢センサが開示されている。この姿勢センサは、地磁気検出装置を有しているとともに、負荷おもりとこの負荷おもりに作用する重力を検知する力検出装置が設けられている。飛行機などとともに姿勢センサが傾いたときに、力検出装置の検知出力により重力の方向に対する傾きを検出し、地磁気検出装置で得られる方位出力を、力検出装置で得られた傾き姿勢に関する情報を用いて修正するというものである。

　特許文献２に記載された姿勢センサは、地磁気検出装置のみならず負荷おもりとこの負荷おもりに作用する重力を検知する力検出装置が設けられているために、装置が大きくまた重くなり、例えば携帯用の小型機器などに搭載することが難しい。

　特許文献３に記載された３軸姿勢検出装置は、目的物体の姿勢を検出するものであるが、３方向の検出が可能な磁気センサと、３方向の検出が可能なジャイロセンサの双方が搭載されている。そのため、携帯用の小型機器などに搭載するのに適しておらず、また、磁気センサとジャイロセンサの双方を搭載しているため、消費電力が多くなる欠点を有している。

特開２００８－２２４６４２号公報 特開平２－２３８３３６号公報 特開平１１－２４８４５６号公報

　本発明は上記従来の課題を解決するものであり、直交する３軸の方向に向くセンサで地磁気を検知するものであり、センサを有する磁気検知部が傾いた姿勢となっても、方位や角速度を高精度に検知することが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。

　本発明は、互いに直交する基準Ｘ方向と基準Ｙ方向および基準Ｚ方向が決められた磁気検知部と、演算部とを有し、
　前記磁気検知部に、基準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最大となるＸ軸センサと、基準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最大となるＹ軸センサ、および基準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最大となるＺ軸センサが搭載され、前記磁気検知部は、Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの直交関係を維持しながら三次元方向へ回動自在であり、
　前記演算部では、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサのそれの検知出力に基づいて、Ｘ－Ｙ－Ｚの三次元座標上で地磁気ベクトルの座標位置を特定し、前記磁気検知部が回転したときに、少なくとも３箇所の前記地磁気ベクトルの座標位置のデータを使用して、前記磁気検知部の回転軸と、前記座標位置を含む回転平面の少なくとも一方が演算されることを特徴とするものである。

　本発明は、Ｘ軸センサとＹ軸センサおよびＺ軸センサの検知出力によって特定される地磁気ベクトルの情報を常に複数個取得して、絶対空間内での磁気検知部の回転軸を算出し、または回転平面を算出している。よって、磁気検知部の基準Ｘ方向と基準Ｙ方向および基準Ｚ方向が、空間内で傾いていても、絶対的な方位の検出が可能である。

　また本発明は、２つの地磁気ベクトルの座標位置のデータを抽出して、２つの地磁気ベクトルの座標位置の前記回転軸からの開き角度と、２つの前記地磁気ベクトルを得た時間を求め、前記開き角度を前記時間で微分して、前記磁気検知部の角速度を求めるものである。

　上記のように、磁気検知部の基準Ｘ方向と基準Ｙ方向および基準Ｚ方向が、空間内で傾いていても、空間内での地磁気検知装置の運動の角速度を正確に知ることができる。

　さらに、本発明は、算出された角速度を前記時間で微分して角加速度を求めることも可能である。

　また、本発明は、前記演算部は、クロック信号に基づいて、前記Ｘ軸センサとＹ軸センサおよびＺ軸センサの検知出力を間欠的に抽出して地磁気ベクトルの座標位置を求めるとともに、検知出力の抽出時間よりも長い一定の時間を空けて少なくとも３箇所の地磁気ベクトルの座標位置を特定して、前記回転軸または回転平面を算出するものである。

　また本発明では、前記演算部は、クロック信号に基づいて、前記Ｘ軸センサとＹ軸センサおよびＺ軸センサの検知出力を間欠的に抽出して地磁気ベクトルの座標位置を求めるものであり、
　間欠的に得られた複数の座標位置のデータを順番にバッファメモリに格納し、前記バッファメモリに格納された複数の座標位置のデータから、地磁気ベクトルの開き角度が予め決められたしきい値よりも大きくなる２つの座標位置のデータを２つ選択し、選択した２つの座標位置の開き角度を、選択した２つの座標位置のデータの時間で微分して、前記磁気検知部の角速度を求めることが好ましい。

　例えば、座標位置の最新のデータから過去にさかのぼり、前記最新のデータからの開き角度が前記しきい値を超える位置にある過去のデータを選択し、最新のデータと選択した過去のデータとから角速度を求める。

　上記のように開き角度がしきい値を超える２つの座標位置のデータから角速度を演算することにより、地磁気検知装置が低速で回転しているときの角速度を求めることが可能になる。

　さらに本発明は、前記演算部では、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサのそれぞれの検知出力の絶対値が最大となった値を地磁気ベクトルの絶対値（Ｒ）とし、基本Ｚ方向と地磁気ベクトルとの成す角度を伏角（θ）、Ｘ－Ｙ平面に投影した地磁気ベクトルと基本Ｘ方向との成す角度を方位角（φ）として、前記地磁気ベクトルの座標位置を、前記絶対値（Ｒ）と伏角（θ）および方位角（φ）とで表される三次元の極座標上の検知点として特定し、
　２つの検知点を結ぶ線の垂直二等分線と、他の２つの検知点を結ぶ線の垂直二等分線との交点から前記回転軸を求めるものである。

　また、本発明は、前記演算部では、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサのそれぞれの検知出力の絶対値が最大となった値を地磁気ベクトルの絶対値（Ｒ）とし、基本Ｚ方向と地磁気ベクトルとの成す角度を伏角（θ）、Ｘ－Ｙ平面に投影した地磁気ベクトルと基本Ｘ方向との成す角度を方位角（φ）として、前記地磁気ベクトルの座標位置を、前記絶対値（Ｒ）と伏角（θ）および方位角（φ）とで表される三次元の極座標上の検知点として特定し、
　２つの検知点を結ぶ線の垂直二等分線と、他の２つの検知点を結ぶ線の垂直二等分線との交点のうちの２つの前記垂直二等分線が最短となる前記交点を前記回転平面の中心として特定するものである。

　上記のように三次元の極座標を特定し、地磁気ベクトルを極座標上の点のデータとして処理することで、地磁気ベクトルの向きを簡単な演算で知ることができるようになる。なお、前記伏角の代わりに、前記地磁気ベクトルとＸ－Ｙ平面とが成す仰角を使用してもよい。

　また、本発明は、演算部は、装置が始動したときに、前記回転軸を２つ以上演算し、２つ以上の回転軸の交点を、三次元の基準Ｘ方向と基準Ｙ軸方向および基準Ｚ軸方向の原点として認識するものである。

　前記のように、複数の地磁気ベクトルから複数の回転軸を特定することで、基準Ｘ方向と基準Ｙ方向および基準Ｚ方向の原点を求めることができる。すなわち本発明の演算処理を行うことで、電源が投入されるなどして装置が始動したときに、自動的にキャリブレーションを行うことができる。

　本発明は、直交する３軸方向に向けられたＸ軸センサとＹ軸センサおよびＺセンサを設けるだけの簡単な構成で、空間内で全体が傾いたときでも、絶対的な方位や角速度を高精度に検知できる。

　また３軸方向に向けられた磁気のセンサのみで構成されるため、小型化と薄型化ができ、消費電力も少ない地磁気検知装置を提供することができる。

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、 図１に示す地磁気検知装置に設けられたメモリのデータの格納領域を説明する説明図、 図１に示す地磁気検知装置に設けられた角速度演算部の機能を説明するブロック図、 データバッファの処理動作を示す説明図、 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、 基準軸ｚ０が重力方向に向けられた状態での地磁気ベクトルの演算動作を説明する三次元極座標の説明図、 基準軸ｚ０以外の軸Ｏａが重力方向に向けられた状態での地磁気ベクトルの演算動作を説明する三次元極座標の説明図、 回転平面の求め方と角速度の算出方法を説明する説明図、 角速度の算出方法をさらに詳しく説明する説明図、

　図１に示す本発明の実施の形態の地磁気検知装置１は、磁気検知部２を有している。磁気検知部２には、Ｘ軸センサ３とＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５が搭載されている。磁気検知部２は、互いに直交する基準Ｘ方向と基準Ｙ方向および基準Ｚ軸が予め固定軸として決められている。図５は、基準Ｘ方向を基準軸ｘで示し、基準Ｙ方向を基準軸ｙで示し、基準Ｚ方向を基準軸ｚで示している。基準軸ｘと基準軸ｙおよび基準軸ｚの交点が、基準原点Ｏである。

　図５に示すように、Ｘ軸センサ３は基準軸ｘに沿って固定され、Ｙ軸センサ４は基準軸ｙに沿って固定され、Ｚ軸センサは基準軸ｚに沿って固定されている。

　図５の実施の形態では、Ｘ軸センサ３、Ｙ軸センサ４およびＺ軸センサ５が、いずれもＧＭＲ素子で構成されている。ＧＭＲ素子は、Ｎｉ－Ｃｏ合金やＮｉ－Ｆｅ合金で形成された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反強結合により、固定磁性層の磁化が固定されている。

　Ｘ軸センサ３は、地磁気の基準Ｘ方向に向く成分Ｂｘを検知するものであり、基準Ｘ方向でのプラス方向の磁界成分Ｂ＋ｘと、基準Ｘ方向でのマイナス方向の磁界成分Ｂ－ｘを検知できる。

　図５に示すように、Ｘ軸センサ３は、固定磁性層の磁化の向きがＸ軸に沿う方向である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よって決められる。自由磁性層の磁化の向きが固定磁性層の固定磁化の向きである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Ｏｘ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。

　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中点電圧がＸ軸の検知出力として取り出される。Ｘ軸センサ３に対して、基準Ｘ方向に向く磁場成分が与えられていないとき、またはＰｘに対して直交する磁場が与えられているときに、Ｘ軸の検知出力が原点となる。

　磁気検知部２の全体を傾け、図５に示す基準軸ｘを地磁気ベクトルに一致させ、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Ｂ＋ｘが最大となる。このときのＸ軸の検知出力が、前記原点に対してプラス側の最大値となる。逆に、図５に示す基準軸ｘを地磁気ベクトルに一致させ、Ｘ軸センサ３の固定磁性層の磁化の固定方向Ｐｘを地磁気ベクトルと反対に向けると、Ｘ軸センサ３に与えられる磁界成分Ｂ－ｘが最大となる。このときのＸ軸の検知出力が、前記原点に対してマイナス側の最大値となる。

　同様に、Ｙ軸センサ４に対してＹ軸方向の磁界成分Ｂｙが与えられていないとき、またはＰｙ方向と直交する磁場が与えられているときに、磁場データ検知部６から出力されるＹ軸の検知出力が原点となる。基準軸ｙを地磁気ベクトルに一致させ、地磁気ベクトルの向きを固定磁性層の磁化の固定方向Ｐｙに一致させると、Ｙ軸センサ４に与えられる磁界成分Ｂ＋ｙが最大になり、Ｙ軸の検知出力が原点に対してプラス側の最大値となる。地磁気ベクトルの向きを固定方向Ｐｙと逆向きにすると、Ｙ軸センサ４に与えられる磁界成分Ｂ－ｙが最大になり、Ｙ軸の検知出力が、原点に対してマイナス側の最大値となる。

　また、Ｚ軸センサ５に対してＺ軸方向の磁界成分Ｂｚが与えられていないとき、またはＰｚと直交する磁場が与えられているとき、磁場データ検知部６から出力されるＺ軸の検知出力が原点となる。基準軸ｚを地磁気ベクトルに一致させ、地磁気ベクトルの向きを固定磁性層の磁化の固定方向Ｐｚに一致させると、Ｚ軸センサ５に与えられる磁界成分Ｂ＋ｚが最大になり、Ｚ軸の検知出力が原点に対してプラス側の最大値となる。地磁気ベクトルの向きを固定方向Ｐｚと逆向きにすると、Ｚ軸センサ５に与えられる磁界成分Ｂ－ｙが最大になり、Ｚ軸の検知出力が、原点に対してマイナス側の最大値となる。

　Ｘ軸センサ３とＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５は、いずれもプラス側の検知出力の最大値の絶対値と、マイナス側の検知出力の絶対値とが同じである。

　なお、Ｘ軸センサ３としては、磁界成分Ｂ＋ｘによってプラス側の検知出力が得られ、磁界成分Ｂ－ｘによってマイナス側の検知出力が得られ、プラス側の検知出力の最大値とマイナス側の検知出力の最大値とで絶対値が同じになれば、ＧＭＲ素子以外の磁気センサで構成することができる。例えば、基準軸ｘ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。

　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軸の検知出力は、短いサイクルで間欠的に演算部１０に読み出され、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。

　演算部１０は、方位演算部１０ａと角速度演算部１０ｂと角加速度演算部１０ｃとして機能する。これら演算部は、いずれもプログラミングされたソフトウエアによって実行される。ただし、方位演算部１０ａと角速度演算部１０ｂと角加速度演算部１０ｃでは、一部のデータ処理が共通に行われる。

　演算部１０を構成するＣＰＵにはメモリ７が接続されている。図２に示すメモリ７には、方位演算部１０ａと角速度演算部１０ｂと角加速度演算部１０ｃのそれぞれの処理を行うソフトウエアがプログラミングされて格納されている。メモリ７には、方位演算用のソフトウエアおよび計算結果であるデータが格納される格納領域８ａと、角速度演算用のソフトウエアおよび計算結果であるデータが格納される格納領域８ｂを有しており、さらに方位演算用のデータおよび角速度演算用のデータとして共通に使用される共通データの格納領域８ｃを有している。

　図３に示すように、角速度演算部１０ｂでは、ソフトウエアで複数段階の処理が行われる。磁場データ検知部６から、Ｘ軸の検知出力とＹ軸の検知出力およびＺ軸の検知出力が、クロック回路と同期して短いサイクルで間欠的に読み出されると、これら検知出力はＡ／Ｄ変換部でディジタルデータに変換される。さらに、演算部１０内の演算処理によって、間欠的に読み出されたＸ軸の検知出力とＹ軸の検知出力およびＺ軸の検知出力が、図６に示す極座標上で地磁気ベクトルＢｇの座標位置を示すデータに変換されて、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読み出されて演算された前記座標位置のデータは、図４に示すデータバッファ１１の格納部１１ａに与えられる。データが格納部１１ａに与えられる毎に、データが格納部１１ａから１１ｎまで順に送り出され、最終段の格納部１１ｎのデータが捨てられる。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読み出され続け、データバッファ１１に順番に格納されていく。

　角速度演算部１０ｂのデータ選択処理１５は、データバッファ１１の格納部１１ａないし１１ｎに格納されている地磁気ベクトルＢｇの座標位置を示す複数のデータのうちの、演算に必要なものを読み出す。読み出されたデータは、回転平面計算処理１２と回転軸計算処理１３に与えられる。回転平面計算処理１２および回転軸計算処理１３での演算結果は、角速度計算処理１４に送られて、その瞬間の角速度が継続的に演算される。

　図３に示す角速度演算部１０ｂのデータバッファ１１、データ選択処理１５、回転平面計算処理１２および回転軸計算処理１３は、図１に示す方位演算部１０ａにおいて共通の処理として実行される。回転平面計算処理１２および回転軸計算処理１３で演算された結果は、必要に応じてメモリ７の共通データの格納領域８ｃに格納されて、方位演算用データとしても使用される。さらに、共通データの格納領域８ｃに保持されるデータに基づいて、キャリブレーション処理が行われ、このキャリブレーション処理によって算出された図６と図７に示す三次元の極座標の原点Ｏｇの位置情報も共通データの格納領域８ｃに格納される。

　次に、演算部１０の処理を角速度演算部１０ｂを中心として説明する。図６と図７は、演算部１０での演算処理を図解で説明するためのものである。

　図６と図７には、地磁気検知部１０ｂの演算処理におけるデータ上の基準軸ｘ０と基準軸ｙ０および基準軸ｚ０が直交座標で示されている。基準軸ｘ０と基準軸ｙ０および基準軸ｚ０は、図５に示す磁気検知部２において、Ｘ軸センサ３を配置する基準軸ｘとＹ軸センサ４を配置する基準軸ｙおよびＺ軸センサ５を配置する基準軸ｚのそれぞれに対応している。

　図６は、磁気検知部２の基準軸ｘと基準軸ｙが地球上の地平面と水平に設置され、基準軸ｚが重力方向に向けられた姿勢のときに、Ｘ軸センサ３とＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５で検知される地磁気ベクトルＢｇを示している。

　図６に示す地磁気ベクトルＢｇの大きさは、Ｘ軸センサ３による検知出力ＸｇとＹ軸センサ４による検知出力ＹｇおよびＺ軸センサ５による検知出力Ｚｇとして検出される。演算部１０では、Ｘ軸センサ３とＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５の検知出力Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇが、三次元の極座標上で地磁気ベクトルＢｇの位置を示す座標点Ｓ（Ｒ，θ，φ）のデータに変換される。この変換処理は演算部１０内に格納された変換プログラムによって行われる。

　図６に示す三次元の極座標におけるパラメータθは、磁気検知部２の基準軸ｚ（図６では、基準軸ｚが重力方向に向けられている）に対応するデータ上の基準軸ｚ０に対する地磁気ベクトルＢｇの伏角であり、φは、基準軸ｘに対応するデータ上の基準軸ｘ０に対する地磁気ベクトルＢｇの方位角である。

　また、図５に示すＸ軸センサ３の固定磁化の方向Ｐｘが地磁気に向けられたときのＸ軸センサ３のプラス側の検知出力が最大となるが、その絶対値を（Ｒ）とし、Ｐｘを地磁気と逆向きとしたときのマイナス側の検知出力の最大値の絶対値を（Ｒ）とする。同じくＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５のプラス側の検知出力の最大値の絶対値と、マイナス側の検知出力の最大値の絶対値をともに（Ｒ）とすると、図６に示すように、三次元の極座標上では地磁気ベクトルＢｇの絶対値をＲで表すことができる。そして、三次元の極座標の上で地磁気ベクトルＢｇを表す座標点Ｓ（Ｒ，θ，φ）は、半径Ｒの球面座標Ｂｂ上の点として求めることができる。

　図５に示す磁気検知部２を、地球の赤道上において、基準軸ｘと基準軸ｙを地平面に対して水平に向け、基準軸ｚを重力方向に向けた姿勢にすると、伏角θ＝９０度となり、地磁気ベクトルＢｇの三次元座標上の座標点Ｓ（Ｒ，θ，φ）は、図６に示すデータ上で設定される球面座標Ｂｂの赤道線Ｈｇ上に存在する。

　図６に示すように、地球の北半球の所定の緯度の場所において、基準軸ｘと基準軸ｙを地平面に水平に向け基準軸ｚを重力方向に向けて磁気検知部２を設置すると、その場所での地磁気ベクトルＢｇによって伏角θが決まり、地磁気ベクトルＢｇの三次元座標上の座標点Ｓ（Ｒ，θ，φ）は、データ上の基準軸ｚ０を中心とする緯度線Ｈａ上に存在する。

　地球の赤道上において、地磁気検知装置１を、基準軸ｚが重力方向に向く姿勢のままで回動させると、地磁気ベクトルＢｇの三次元座標上の座標点Ｓ（Ｒ，θ，φ）は、図６に示す球面座標Ｂｂの赤道線Ｈｇ上を移動する。また、地球の北半球の所定の緯度の場所で、地磁気検知装置１を、基準軸ｚが重力方向に向く姿勢のままで回転させると、前記座標点Ｓ（Ｒ，θ，φ）は、球面座標Ｂｂの前記緯度線Ｈａ上を移動する。

　ここで、地磁気検知装置１を、重力方向に向く基準軸ｚを中心として回転させれば、座標点Ｓ（Ｒ，θ，φ）が赤道線Ｈｇ上を移動し、または緯度線Ｈａ上を移動する。または、基準軸ｚを重力方向に向けた姿勢で地磁気検知装置１を手で保持して地面上で円を描くように歩いて移動した場合も、緯度方向へ長い距離移動しなければ、空間での地磁気ベクトルＢｇの向きと大きさがほとんど変わらないため、基準軸ｚを中心として回転させたときと同様に、座標点Ｓ（Ｒ，θ，φ）は赤道線Ｈｇ上を移動し、または緯度線Ｈａ上を移動する。

　図７は、図５に示す磁気検知部２を、基準軸ｘ，ｙ，ｚとは別の軸Ｏａを重力方向に向けた姿勢のときの検知状態を示している。図７では、基準軸ｚと重力方向を示している軸Ｏａとの傾き角度がγｚである。

　地球の赤道上において、軸Ｏａを重力方向に向けて、地磁気検知装置１を軸Ｏａを中心として回転させ、または軸Ｏａを重力方向に向けたまま地平面上で円を描くように移動すると、地磁気ベクトルＢｇの三次元座標上の座標点Ｓ（Ｒ，θ，φ）が、球面座標Ｂｂにおいて、前記軸Ｏａと同じだけ傾いた赤道線Ｈｇｂの上を移動する。図６に示す赤道線Ｈｇと図７に示す赤道線Ｈｇｂとの傾き角度はγｚである。

　次に、図６の測定のときに座標点Ｓ（Ｒ，θ，φ）が緯度線Ｈａ上に存在していたのと同じ北半球の場所において、地磁気検知装置１の軸Ｏａを重力方向に向けて、軸Ｏａ中心として回転させ、または軸Ｏａを重力方向に向けたまま地平面上で円を描くように移動すると、地磁気ベクトルＢｇの三次元座標上の座標点Ｓ（Ｒ，θ，φ）は、図７に示す緯度線Ｈｂの上を移動する。図７に示す緯度線Ｈｂと図６に示す緯度線Ｈａは、北半球の同じ場所での測定であるならば、半径が同じであり、球面座標Ｂｂ内での緯度線Ｈａと緯度線Ｈｂとの傾き角度はγｚである。

　図１と図３に示す角速度演算部１０ｂのデータ選択処理１５では、図４に示すデータバッファ１１に格納された複数の地磁気ベクトルＢｇの球面座標Ｂｂ上の座標点Ｓ（Ｒ，θ，φ）を示すデータから計算に必要なデータが選択され、そのデータが回転平面計算処理１２および回転軸計算処理１３に送られる。

　回転平面計算処理１２では、データバッファ１１から選択された複数の座標点Ｓ（Ｒ，θ，φ）のデータから図６に示す緯度線Ｈａを含む回転平面、または図７に示す緯度線Ｈｂを含む回転平面が求められる。同様に、地磁気検知装置１が地球の赤道上で使用されている場合は、図６に示す赤道線Ｈｇを含む回転平面または図７に示す赤道線Ｈｇｂを含む回転平面が求められる。また、回転軸計算処理１３では、磁気検知部２を回転させたときの回転軸（図６の基準軸ｚ０または図７の軸Ｏａ）が求められる。

　以下では、図７に示すように、北半球の所定の緯度の位置において、基準軸ｚから角度γｚだけ傾いている軸Ｏａを重力へ向けて、磁気検知部２を反時計方向（ＣＣＷ）へ回転させまたは円運動させたときの、緯度線Ｈｂを含む回転平面を求める演算処理、および回転軸である軸Ｏａを求める演算処理を説明する。

　軸Ｏａを重力へ向けて、磁気検知部２を反時計方向（ＣＣＷ）へ回転させまたは円運動させたとき、球面座標Ｂｂ上に現れる地磁気ベクトルＢｇの極座標上の座標点Ｓ（Ｒ，θ，φ）は、緯度線Ｈｂ上を移動する。図８は、クロック回路に基づいて間欠的に検出されたＸ，Ｙ，Ｚの検知出力から演算された座標点Ｓ（Ｒ，θ，φ）の極座標データを、順番にＤ１，Ｄ２，・・・Ｄｎで示している。このデータＤ１，Ｄ２，・・・Ｄｎは、図４に示すデータバッファ１１に順番に格納されており、最新のデータＤｎがデータバッファ１１の最新の格納部１１ｎに格納されている。

　回転平面を求めるためには、データ選択処理１５によって、最新のデータＤｎを基準とし、過去にさかのぼる複数の極座標データＤ１，Ｄ２，・・・Ｄｎ－１の中から、前記基準の座標点から予め決められた所定の距離だけ離れた座標点を示すデータＤｘが選択され、さらにデータＤｘからさらに過去にさかのぼって、データＤｘが示す座標点から予め決められた距離だけ離れた座標点を示すデータＤ１が選択される。

　選択されたデータＤｎ，Ｄｘ，Ｄ１が与えられた回転平面計算処理１２では、図８に示すように、データＤ１の座標位置とデータＤｘの座標位置を結ぶ直線Ｌａを算出するとともに、直線Ｌａを二分し且つ直線Ｌａに垂直な垂直二等分線Ｖａを求める。同様に、データＤｘの座標位置とデータＤｎの座標位置を結ぶ直線Ｌｂを算出するとともに、直線Ｌｂを二分し且つ直線Ｌｂに垂直な垂直二等分線Ｖｂを求める。

　次に、前記垂直二等分線Ｖａと垂直二等分線Ｖｂの交点を算出する。ここで、垂直二等分線Ｖａと垂直二等分線Ｖｂの交点は無限に存在するため、前記交点のうちの垂直二等分線Ｖａの長さＶａ１が最も短く且つ垂直二等分線Ｖｂの長さＶｂ１が最も短くなる前記交点を求めれば、この交点を緯度線Ｈｂを含む回転平面の回転中心Ｏａ１として特定できる。

　または、データＤ１からデータＤｘまでのベクトルと、データＤｘからデータＤｎまでのベクトルとの外積から緯度線Ｈｂを含む平面を特定できる。したがって、例えば、データＤ１からデータＤｘまでのベクトルに対して垂直なベクトルと、データＤｘからデータＤｎまでのベクトルに対して垂直なベクトルの外積などのベクトル計算を行うことで、データＤ１，Ｄｘ，Ｄｎから一義的に緯度線Ｈｂを含む回転平面の回転中心Ｏａ１を特定できる。

　回転軸計算処理１３では、回転平面計算処理１２で求められた緯度線Ｈｂを含む回転平面に垂直で且つ前記回転中心Ｏａ１を通る線を算出することで、現時点での回転軸となっている軸Ｏａが特定される。なお、回転軸計算処理１３では、回転平面計算処理１２の計算結果を使用しなくても、回転軸となっている軸Ｏａを特定できる。すなわち、図８に示す直線Ｌａを二分し且つ直線Ｌａに垂直な垂直二等分線Ｖａと、直線Ｌｂを二分し且つ直線Ｌｂに垂直な垂直二等分線Ｖｂとの交点は無限に存在しているため、この交点をいずれか２つ求め、この２つの交点を結ぶことで回転軸となっている軸Ｏａを特定することが可能である。

　次に、図３に示す角速度計算処理１４では、データバッファ１１に格納された最新の極座標データＤｎで示される座標点と、その前に得られたデータＤｎ－１（またはＤｎ－２やＤｎ－３などであってもよい）で示される座標点の、回転平面の中心Ｏａ１からの開き角度αが求められ、この角度αを、２つのデータＤｎとＤｎ－１が得られた時間ｔで微分することで、角速度が算出される。

　なお、回転平面を求めなくても、回転軸計算処理１３において回転軸となる軸Ｏａが特定されていれば、この軸Ｏａ上の任意の点を中心として、データＤｎで示される座標点と、データＤｎ－１（またはＤｎ－２やＤｎ－３などであってもよい）で示される座標点との開き角度を算出し、これを時間ｔで微分することで角速度を得ることができる。

　図９は、前記角速度計算処理１４におけるさらに好ましい角速度の計算手法を示している。

　図８に示すデータＤ１，Ｄ２，Ｄ３，・・・を得るサンプリング時間は例えば５０ｍｓや３０ｍｓ以下のきわめて短い時間である。したがって、前述のように最新のデータＤｎが示す座標点と、そのすぐ前のデータＤｎ－１が示す座標点との開き角度、または最新のデータＤｎが示す座標点と、その少し前に得られたデータＤｎ－２やＤｎ－３が示す座標点との開き角度から角速度を求めようとすると、地磁気検知装置１の回転または円運動の角速度が小さい場合に、選択したデータの複数の座標点の位置が検出ノイズ内に埋もれてしまい、角速度を正確に算出することが難しくなる。

　図９では、最新のデータＤｎが得られたときの、地磁気ベクトルＢｇの座標点Ｓ（Ｒ，θ，φ）をＩで示しており、それよりも過去にさかのぼって得られたデータＤｎ－１，Ｄｎ－２，Ｄｎ－３，・・・が示す座標点を、Ｈ，Ｇ，Ｆ，Ｅ，Ｄ，・・・で示している。

　角速度計算処理１４では、角速度の計算の基礎とすべき２つの座標点の距離または開き角度を予めしきい値α０として定めておく。このときのしきい値α０は、離れている２つの座標点の開き角度を検出ノイズに埋もれさせることなく識別できる長さに設定される。図９では、ノイズによる検出点のゆらぎを、模式的にＤ，Ｅ，Ｆで示しており、しきい値α０は前記ゆらぎの範囲よりも十分に長く設定される。

　データ選択処理１５では、最新のデータＤｎが示す座標点Ｉを基準にして、過去にさかのぼってしきい値α０を超える距離または開き角度となる座標点Ｃに対応するデータが選択されて角速度計算処理１４に与えられる。角速度計算処理１４では、選択された２つのデータが示す座標点Ｉと座標点Ｃの開き角度を、２つのデータが得られた時間で微分することで角速度を算出する。

　地磁気検知装置１の運動の角速度が大きい場合は、最新のデータＤｎを基準として過去にさかのぼって選択されるデータが比較的近いものとなる。逆に、運動の角速度が小さい場合は、最新のデータＤｎと、しきい値α０を越えたものとして選択された過去のデータが遠いものとなる。この場合に最も離れているデータは、図４に示すデータバッファ１１に格納されているデータのうちの格納部１１ｎに格納されているデータと格納部１１ａに格納されているデータであり、データバッファ１１のバッファ数の最大値である。

　上記処理を行うことで、低速で運動しているときの角速度の算出が可能になる。
　なお、角速度計算処理１４において演算された角速度データは、Ｘ成分とＹ成分およびＺ成分の３つのデータとして出力されて、地磁気検知装置１を搭載した携帯用機器などの主制御部に与えられる。

　図７において、基準軸ｚ０、ｘ０、ｙ０の直交関係を維持したまま、基準軸ｚ０を回転軸となる軸Ｏａに一致させるように傾けたときの、基準軸ｚ０の傾き角度をγｚ、基準軸ｘ０の傾き角度をγｘ、基準軸ｚ０の傾き角度をγｙとし、傾いた直交軸における角速度の分力を（ｄαｘ／ｄｔ）、（ｄαｙ／ｄｔ）、（ｄαｚ／ｄｔ）とすると、加速度データのＸ成分ＧｘとＹ成分ＧｙおよびＺ成分Ｇｙは以下の通りである。

　Ｇｘ＝（ｄαｘ／ｄｔ）・ｃｏｓ（γｘ）
　Ｇｙ＝（ｄαｙ／ｄｔ）・ｃｏｓ（γｙ）
　Ｇｚ＝（ｄαｚ／ｄｔ）・ｃｏｓ（γｚ）
　例えば、図６に示すように、基準軸ｚが重力方向に向けられた姿勢で地磁気検知装置１を回転させたときの加速度の演算結果は、γｘ、γｙ、γｚが全て０度で、ｃｏｓ（γｘ）、ｃｏｓ（γｙ）、ｃｏｓ（γｚ）が全て１である。このときＺ方向の角速度成分（ｄαｚ／ｄｔ）は０であるから、角速度は、Ｘ成分のＧｘ＝（ｄαｘ／ｄｔ）と、Ｙ成分のＧｙ＝（ｄαｙ／ｄｔ）のみで表される。

　なお、図１に示す方位演算部１０ａでは、角速度演算部１０ｂでの演算結果を共通データとして使用することができる。

　まず、地磁気検知装置１の電源を投入して動作を開始したときに、地磁気検知装置１を一定の方向へ少し回転させると、角速度演算部１０ｂの回転軸計算処理１３で回転軸となる軸Ｏａを算出できる。さらに地磁気検知装置１の傾き角度を変えて回転させると、回転軸計算処理１３で、他の回転軸となる軸Ｏａを算出できる。２つの軸Ｏａを算出し、その交点を求めれば、図６と図７に示す原点Ｏｇを求めることができ、この原点Ｏｇと地磁気ベクトルＢｇの絶対値Ｒとから、図６と図７に示す球面座標Ｂｂを特定するいわゆるキャリブレーションを行うことができる。

　また、図３に示す角速度演算部１０ｂの回転平面計算処理１２では、地磁気検知装置１に電源を投入して、いずれかの姿勢で少しだけ回転させると、図７に示す緯度線Ｈｂを含む回転平面を特定できる。よって、地磁気検知装置１をそのままの姿勢で回転を停止させると、そのときの座標点Ｓ（Ｒ，θ，φ）の極座標データから、地磁気ベクトルの方向すなわち地球上での方位を知ることができる。

　すなわち、従来は、図７に示すように、重力の方向に対して基準軸ｚを傾けてしまうと、別に設けた加速度センサなどを使用して、図５に示す磁気検知部２の傾き姿勢を検知し、この傾き姿勢の検知出力で補正して、基準軸ｚを重力方向へ向けたのと同じ検出値に換算する必要があった。しかし、前記回転平面計算処理１２を使用すると、地磁気検知装置１をどのような姿勢で使用しても、少しだけ回転させれば、回転平面を特定できるので、その後は地磁気ベクトルの向き、すなわち方位を正確に知ることができ、加速度センサなどを別に設けて補正することが不要になる。

　また、図１０ａに示す角加速度演算部１０ｃでは、角速度計算処理１４において計算した角速度をさらに時間ｔで微分することで角加速度が算出され、この角加速度の計算結果を、Ｘ成分とＹ成分およびＺ成分として出力できる。

　本発明の地磁気検知装置は、携帯電話機などの携帯用機器に搭載して、地球上の方位を知る方位計として使用することができる。また三次元の角速度を算出でき、さらに三次元の角速度を検知できるので、携帯機器を使用してゲーム装置、ゲーム装置の入力装置に使用することができ、またロボットの腕や関節などの姿勢の変化を検知する検知部として使用することができる。

１　地磁気検知装置
２　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
１０ａ　方位演算部
１０ｂ　角速度演算部
１０ｃ　角加速度演算部
１１　データバッファ
１２　回転平面計算処理
１３　回転軸計算処理
１４　角速度計算処理
１５　データ選択処理
Ｂｂ　球面座標
Ｂｇ　地磁気ベクトル
Ｈｇ，Ｈｇｂ　赤道線
Ｈａ，Ｈｂ　緯度線

Claims (9)

1. 　互いに直交する基準Ｘ方向と基準Ｙ方向および基準Ｚ方向が決められた磁気検知部と、演算部とを有し、
   　前記磁気検知部に、基準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最大となるＸ軸センサと、基準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最大となるＹ軸センサ、および基準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最大となるＺ軸センサが搭載され、前記磁気検知部は、Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの直交関係を維持しながら三次元方向へ回動自在であり、
   　前記演算部では、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサのそれの検知出力に基づいて、Ｘ－Ｙ－Ｚの三次元座標上で地磁気ベクトルの座標位置を特定し、前記磁気検知部が回転したときに、少なくとも３箇所の前記地磁気ベクトルの座標位置のデータを使用して、前記磁気検知部の回転軸と、前記座標位置を含む回転平面の少なくとも一方が演算されることを特徴とする地磁気検知装置。
2. 　２つの地磁気ベクトルの座標位置のデータを抽出して、２つの地磁気ベクトルの座標位置の前記回転軸からの開き角度と、２つの前記地磁気ベクトルを得た時間を求め、前記開き角度を前記時間で微分して、前記磁気検知部の角速度を求める請求項１記載の地磁気検知装置。
3. 　算出された角速度を前記時間で微分して角加速度を求める請求項２記載の地磁気検知装置。
4. 　前記演算部は、クロック信号に基づいて、前記Ｘ軸センサとＹ軸センサおよびＺ軸センサの検知出力を間欠的に抽出して地磁気ベクトルの座標位置を求めるとともに、検知出力の抽出時間よりも長い一定の時間を空けて少なくとも３箇所の地磁気ベクトルの座標位置を特定して、前記回転軸または回転平面を算出する請求項１ないし３のいずれかに記載の地磁気検知装置。
5. 　前記演算部は、クロック信号に基づいて、前記Ｘ軸センサとＹ軸センサおよびＺ軸センサの検知出力を間欠的に抽出して地磁気ベクトルの座標位置を求めるものであり、
   　間欠的に得られた複数の座標位置のデータを順番にバッファメモリに格納し、前記バッファメモリに格納された複数の座標位置のデータから、地磁気ベクトルの開き角度が予め決められたしきい値よりも大きくなる２つの座標位置のデータを２つ選択し、選択した２つの座標位置の開き角度を、選択した２つの座標位置のデータの時間で微分して、前記磁気検知部の角速度を求める請求項２または３記載の地磁気検知装置。
6. 　座標位置の最新のデータから過去にさかのぼり、前記最新のデータからの開き角度が前記しきい値を超える位置にある過去のデータを選択し、最新のデータと選択した過去のデータとから角速度を求める請求項５記載の地磁気検知装置。
7. 　前記演算部では、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサのそれぞれの検知出力の絶対値が最大となった値を地磁気ベクトルの絶対値（Ｒ）とし、基本Ｚ方向と地磁気ベクトルとの成す角度を伏角（θ）、Ｘ－Ｙ平面に投影した地磁気ベクトルと基本Ｘ方向との成す角度を方位角（φ）として、前記地磁気ベクトルの座標位置を、前記絶対値（Ｒ）と伏角（θ）および方位角（φ）とで表される三次元の極座標上の検知点として特定し、
   　２つの検知点を結ぶ線の垂直二等分線と、他の２つの検知点を結ぶ線の垂直二等分線との交点から前記回転軸を求める請求項１ないし６のいずれかに記載の地磁気検知装置。
8. 　前記演算部では、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサのそれぞれの検知出力の絶対値が最大となった値を地磁気ベクトルの絶対値（Ｒ）とし、基本Ｚ方向と地磁気ベクトルとの成す角度を伏角（θ）、Ｘ－Ｙ平面に投影した地磁気ベクトルと基本Ｘ方向との成す角度を方位角（φ）として、前記地磁気ベクトルの座標位置を、前記絶対値（Ｒ）と伏角（θ）および方位角（φ）とで表される三次元の極座標上の検知点として特定し、
   　２つの検知点を結ぶ線の垂直二等分線と、他の２つの検知点を結ぶ線の垂直二等分線との交点のうちの２つの前記垂直二等分線が最短となる前記交点を前記回転平面の中心として特定する請求項１ないし６のいずれかに記載の地磁気検知装置。
9. 　演算部は、装置が始動したときに、前記回転軸を２つ以上演算し、２つ以上の回転軸の交点を、三次元の基準Ｘ方向と基準Ｙ軸方向および基準Ｚ軸方向の原点として認識する請求項１ないし８のいずれかに記載の地磁気検知装置。

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