JP2008180673A - 方位センサおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】可動磁性体の近傍では磁気センサ出力軌跡が円ではなくなるため、磁気センサのオフセットを求めることができず、正確な方位を算出することもできないという課題があった。
【解決手段】２軸以上の地磁気を検出して磁気センサ出力を出力する磁気センサ１と、磁束発生源を移動可能とした可動磁性体２と、可動磁性体を駆動すると共に可動磁性体の姿勢情報を出力する制御手段３と、可動磁性体の姿勢により変化する磁気センサの出力の変化量を予め記憶するメモリ４と、姿勢情報と磁気センサの出力の変化量とに基づき磁気センサ出力を補正して補正後の磁気センサ出力を出力する補正手段５と、補正後の磁気センサからオフセットを算出するオフセット算出手段６と、オフセットに基づき方位を算出する方位算出手段７とを有する構成を採用した。これにより、オフセット求めることができ、その結果、方位を算出することができる様になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、地磁気を検出し方位を算出する方位センサおよびそれを備えた電子機器に関するものである。

近年、自動車の走行ナビゲーションシステムや、携帯電話を用いた歩行者用ナビゲーションシステムの実用化が急速化している。このようなシステムでは、地磁気を検出し方位を求める方位センサの搭載が必須である。進行方向を検出する方位センサの誤差が直接ナビゲーションシステムの性能にかかわってくるので、磁気センサを方位センサとして使用したシステムでは磁気センサに高い精度が要求される。

一般にナビゲーションシステム等の機器には金属の部品が搭載されるが、これらの部品は強い磁界の中を通過するなどの影響により、それ自体が磁気を帯びることがある。この様な状態を着磁と呼ぶ。

磁気センサが地磁気を検出するときの出力電圧は、着磁が全く無い場合は、基準電圧を中心とした出力電圧が得られる。ところが、機器内に着磁した部品が存在すると、磁気センサの出力は、基準電圧にオフセットが加わった電圧を中心とした出力となってしまう。このようなオフセットを含んだ出力から方位を算出すると実際の方位とは一致しなくなる。

この方位誤差を補正するため、磁気センサを搭載している機器では機器全体を１回転させ、磁気センサの出力電圧の最大値と最小値の平均を算出して新たな基準電圧（補正値）とする方法を取ることがある。

しかし、着磁の状況が変化するたびに機器を回転させ補正する手段は、ユーザにとって非常に煩わしいという問題があるため、機器を回転させずとも磁気センサの複数回の出力値よりオフセットを演算により求める方法が提案された（例えば、特許文献１参照。）。

この特許文献１に記載の方法は、周辺の部品の着磁に応じたオフセットを演算にて取得し、そのオフセットを使って方位を補正する方法である。具体的には、着磁後であっても、その後着磁状態が変化しない間にサンプリングされた複数の測定点から、適切なオフセットを算出し、このオフセットを使用して正しい方位を得ようとするものである。

この方法について、更に詳細に図面を用いて説明を行う。図６は、方位センサを含む機器を水平状態下で一周回させたときのＸ軸、Ｙ軸磁気センサのそれぞれの出力の関係を示したものである。本図に示す横軸ＶｘがＸ軸の磁気センサ出力であり、縦軸ＶｙがＹ軸の磁気センサ出力である。これらＸ軸、Ｙ軸磁気センサを備えた機器を一周回させたとき、これら磁気センサ出力は円形状の軌跡をとる。

図６において、実線で示した円は着磁が全く無い場合の磁気センサ出力の軌跡であり、円の中心値は座標原点Ｏに一致する。

図６において、点線で示した円は着磁が発生した場合の磁気センサ出力の軌跡であり、円の中心値は座標原点からＯ’に移動する。

従来の方位センサは磁気センサ出力軌跡の円の中心値であるオフセットＯ’を以下のよ
うな方法で算出する。

計測し取得した磁気センサの出力値を（ｘn、ｙｎ）とし（ｎ＝１，２，・・・）、
オフセットＯ’を（ｘｏ，ｙｏ）とすると、次の式が成り立つ。
（ｘｎ−ｘｏ）^２+（ｙｎ−ｙｏ）^２＝Ｒ^２ ・・・（１）
ただし、Ｒは円の半径。

ここで未知数はｘｏ、ｙｏ、Ｒの３つなので、最低３つの連立方程式があれば、ｘｏ、ｙｏを求めることができる。つまり３回以上の計測を行うことにより、ｘｏ、ｙｏを求めることができる。具体的には、
（ｘ1−ｘｏ）^２+（ｙ1−ｙｏ）^２＝Ｒ^２
（ｘ2−ｘｏ）^２+（ｙ2−ｙｏ）^２＝Ｒ^２
（ｘ3−ｘｏ）^２+（ｙ3−ｙｏ）^２＝Ｒ^２ ・・・（２）
の連立方程式が得られ、上記式（２）を展開して、
ｘｏ＝｛−（ｙ３−ｙ２）（ｙ２−ｙ１）（ｙ１−ｙ３）+ｘ１^２（ｙ３−ｙ２）+ｘ２^２（ｙ１−ｙ３）+ｘ３^２（ｙ２−ｙ１）｝／｛２（ｘ１（ｙ３−ｙ２）+ｘ２（ｙ１−ｙ３）+ｘ３（ｙ２−ｙ１））｝ ・・・（３）
ｙｏ＝｛−（ｘ３−ｘ２）（ｘ２−ｘ１）（ｘ１−ｘ３）+ｙ１^２（ｘ３−ｘ２）+ｙ２^２（ｘ１−ｘ３）+ｙ３^２（ｘ２−ｘ１）｝／｛２（ｙ１（ｘ３−ｘ２）+ｙ２（ｘ１−ｘ３）+ｙ３（ｘ２−ｘ１））｝ ・・・（４）
を得て、式（３）、式（４）を用いて目的のオフセット（ｘｏ，ｙｏ）を得ることが出来る。

このようにして得たオフセット（ｘｏ、ｙｏ）を基に、磁気センサ出力（ｘｎ、ｙｎ）から下記のように方位を求めることで正しい方位θを算出することができる。
θ＝ａｒｃｔａｎ｛（ｙｎ−ｙｏ）／（ｘｎ−ｘｏ）｝ ・・・（５）

特開昭５６−６１６９号公報（第２頁、図２）

しかしながら、特許文献１に示した従来の方位センサは、モータなどの可動磁性体が近接している場合には、可動磁性体が刻々と磁場が変動させてしまうため磁気センサの出力軌跡が円を描かず、その結果、オフセットを算出することが不可能となり、方位を算出することも不可能となってしまうという欠点あった。

特にアナログ腕時計の場合、可動磁性体である指針を駆動するステップモータが必要であり、かつ機器自体が極めて小さいため、磁気センサをステップモータの極めて近傍に配置しなければならず、従来からアナログ腕時計へ磁気センサを搭載することは不可能とされてきた。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決しようとするもので、可動磁性体が近接している場合でも、正しいオフセットを算出し、方位を得ることができる方位センサおよび電子機器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の方位センサおよびそれを備えた電子機器は、基本的に下記に示す構造を採用するものである。

本発明の方位センサは、地磁気を検出し方位を算出する方位センサであって、２軸以上
の地磁気を検出して磁気センサ出力を出力する磁気センサと、磁束発生源を移動可能とした可動磁性体と、当該可動磁性体を駆動すると共に可動磁性体の姿勢情報を出力する制御手段と、可動磁性体の姿勢により変化する磁気センサ出力の変化量を予め記憶するメモリと、制御手段が出力する姿勢情報と、メモリに予め記憶されている磁気センサ出力の変化量とに基づき、磁気センサ出力を補正して補正後の磁気センサ出力を出力する補正手段と、補正後の磁気センサ出力の中心値であるオフセットを算出して出力するオフセット算出手段と、当該オフセット算出手段が出力したオフセットに基づき方位を算出して出力する方位算出手段とを備えたことを特徴とするものである。

また、本発明の方位センサは、前述した可動磁性体が、高透磁率の材料で形成された磁芯と、当該磁芯に巻回した導線と、磁芯に磁気的に接続されたステータと、当該ステータのほぼ中央に回転可能に配設されたロータ磁石とを有することを特徴とするものである。

本発明の電子機器は、前述した方位センサを有し、方位算出手段にて出力する方位を表示する方位表示手段をさらに備えることを特徴とするものである。

本発明の方位センサおよびそれを備えた電子機器は、可動磁性体を駆動すると共に可動磁性体の姿勢情報を出力する制御手段と、姿勢情報に基づき磁気センサ出力を補正する補正手段とを設けたため、常に安定した正しいオフセットを求めることができ、それによって正しい方位を得ることができる。

以下図面により本発明の実施の形態を詳述する。
図１は、本発明の方位センサを示す構成図である。図２は、本発明の方位センサの可動磁性体を示す構成図である。図３は、本発明の方位センサの磁気センサ出力を示す図である。図４は、本発明の方位センサのメモリに記憶される差分のテーブルを示す図である。図５は、本発明の方位センサの動作のフローチャートである。

[構造説明：図１、図２]
まず、本発明の方位センサ１００の構成について図１を用いて説明する。
図１に示す様に、本発明の方位センサ１００は、２軸以上の地磁気を検出する検出し、現在の磁気センサ出力１ａを出力する、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）や、フラックスゲート型の磁気センサからなる磁気センサ１と、ステップモータのように特定の磁気を帯び、磁束発生源を移動可能とした、例えば、所定の周期で２つ以上の姿勢を取って繰り返し移動する磁束発生源を備えた可動磁性体２とを有して構成される。この可動磁性体２の構成については、後段で詳述する。

また、方位センサ１００は、所定の周期で２つ以上の姿勢を取って、磁束発生源を繰り返し移動する様に可動磁性体２を駆動すると共に、可動磁性体２の姿勢情報３ｂを出力するマイクロコントローラからなる制御手段３と、可動磁性体２における磁束発生源の各姿勢により変化する磁気センサ出力の変化量を予め記憶するEPROMやフラッシュメモリからなるメモリ４と、制御手段３が出力する姿勢情報３ｂとメモリ４の情報（差分４ａ）とに基づき磁気センサ１から出力される、現在の磁気センサ出力１ａを補正して補正後の磁気センサ出力５ａを出力する補正手段５とを有する。

さらに、方位センサ１００は、補正後の磁気センサ出力５ａの中心値であるオフセット６ａを算出して方位算出手段７に出力するオフセット算出手段６と、オフセット算出手段６が出力したオフセット６ａに基づき方位θを算出して出力する方位算出手段７とを有して構成される。

次に、上述した可動磁性体２の構成について図２を用いて説明する。
図２に示す様に、可動磁性体２は、高透磁率の材料で形成された磁芯１０と、電流を流し磁場を発生するための磁芯に巻回した導線１１と、磁芯に磁気的に接続されたステータ１２と、ステータ１２のほぼ中央に回転可能に配設されたロータ磁石１３とを有して構成される。このロータ磁石１３は、上述した磁束発生源に相当するものである。

[動作説明：図１、図２、図３、図４]
次に、本発明の方位センサ１００における可動磁性体２の動作について図２を用いて説明する。
まず、制御手段３は、可動磁性体２における導線１１に、１秒ごとに逆方向の電流を流すことで、磁芯１０、ステータ１２に１秒ごとに反転磁場を発生させる。

本図に示すロータ磁石１３は２極の円柱形をした永久磁石（磁束発生源）であり、前記の１秒ごとの反転磁場に応じて、１８０度ごと回転する。図示しないが、アナログ腕時計は、このロータ磁石１３の回転を輪列歯車によって力を伝達して秒針、分針、時針等からなる指針を駆動し、所定の時刻を表示する。そして、このアナログ式電子時計に上述した方位センサ１００を搭載することで、時刻表示と共に、方位表示手段によって方位を表示できる様になっている。なお、この方位表示手段とは、アナログ式電子時計に搭載される液晶パネル等により機器が向いている方位を表示したり、秒針、分針、時針とは異なる指針によって、機器の方位を表示することを意味する。

次に、可動磁性体２の近傍に配置した磁気センサ１の出力について、図３を用いて説明する。図３は、方位センサ１００を含む電子機器を水平状態下で一周回させたときのＸ軸、Ｙ軸磁気センサのそれぞれの磁気センサ出力の関係を示したものである。図３に示す横軸ＶｘがＸ軸の磁気センサ出力であり、縦軸ＶｙがＹ軸の磁気センサ出力である。

これらＸ軸、Ｙ軸磁気センサを備えた電子機器を一周回させたとき、これら磁気センサ出力は円形状の軌跡をとる。ただし、前記のようにロータ磁石１３は１秒ごとに１８０度回転する。すなわちロータ磁石１３の姿勢が２つ存在し、この影響によって磁気センサ出力は、一方の姿勢の場合は、図３に示すＰ０点を中心とする円Ｃ０上に、他方の姿勢の場合は、Ｐ１点を中心とする円Ｃ１上に現れる。

ここで重要なのは、電子機器の着磁等によって、円の中心座標Ｐ０、Ｐ１は移動するが、Ｐ０とＰ１の相対的な差分（Δｘ１、Δｙ１）は変化しない。これは、（Δｘ１、Δｙ１）がロータ磁石１３の磁力にのみ依存した値であるためである。

次に、本発明の方位センサ１００の動作について図１〜図４を用いて説明する。
図１に示す様に、磁気センサ１は地磁気を検出して、現在の磁気センサ出力１ａを出力する。

また、制御手段３は、導線１１（図２参照）に電流を流すなどの方法で制御信号３ａを導線１１に入力して、可動磁性体２内のロータ磁石１３を所定の周期（１秒毎の１８０度の周期）で回転駆動させる。また、制御手段３は、可動磁性体２の駆動状態（導線１１に流す電流の方向）によって現在の可動磁性体２におけるロータ磁石１３の姿勢を判別できるので、これを姿勢情報３ｂとして補正手段５に出力する。

メモリ４には、予め可動磁性体２の姿勢に応じた磁気センサ出力の差分を記憶しておく。例えば、図３で示したように、ロータ磁石１３の姿勢が２つ存在する場合は、一方の姿勢（例えば、出力円がＣ０上に現れる姿勢）を基準姿勢とし、他方の姿勢（出力円がＣ１
上に現れる姿勢）の時の出力の差分（Δｘ１、Δｙ１）を、図４（ａ）のようなルックアップテーブルとして記憶しておく。なお、ロータ磁石１３の姿勢が２つ以上の場合は、その姿勢の数だけ、あるいはロータ磁石１３自体が複数ある場合は、それぞれのロータ磁石１３の姿勢の組み合わせの数だけ、図４（ｂ）のようにしてルックアップテーブルを作成して、差分を記憶しておけばよい。

補正手段５は、制御手段３が出力する現在の姿勢情報３ｂを基に、メモリ４に記憶されている、図４（ａ）に示したルックアップテーブルを参照し、現在の姿勢に対応する差分４ａを得て、磁気センサ１の出力である現在の磁気センサ出力１ａから、この差分４ａを差し引き、現在の磁気センサ出力１ａの補正を行い、オフセット算出手段６および方位算出手段７に、補正後の磁気センサ出力５ａを出力する。この様に現在の磁気センサ出力１ａを補正することで、補正後の磁気センサの出力５ａは、基準姿勢の出力円上に現れる。つまり、図３の場合、円Ｃ１上の現在の磁気センサ出力１ａは補正されることで、すべて基準姿勢の出力円であるＣ０上に現れる。

オフセット算出手段６は、一般に良く知られた数学的手法、例えば従来技術で示した式（１）から（４）を用いることで、補正後の磁気センサ出力５ａの内から任意の円上の点を選択して、円の中心座標であるオフセット６ａを算出し、方位算出手段７に出力する。なお、ここで示した任意の円状の点とは、磁気センサ出力の内の異常出力値を除いた点であり、かつできるだけ離れた３点以上の点を選択して、オフセット６ａを算出することが望ましい。
なお、上記式（１）〜式（４）を用いた従来技術の手法のみならず、ニュートンラプソン法などの数値計算手法を用いてオフセット６ａを求めても構わない。

また、方位算出手段７は、オフセット算出手段６が算出したオフセット６ａと、補正手段５が出力した補正後の磁気センサ出力５ａから、方位θを下記の式により算出して出力する。
θ＝ａｒｃｔａｎ｛（ｙｎ−ｙｏ）／（ｘｎ−ｘｏ）｝ ・・・（６）
ただし、（ｘｏ，ｙｏ）はオフセット６ａを、（ｘｎ，ｙｎ）は補正後の磁気センサ出力５ａを示している。

次に、本発明の方位センサ１００の動作フローについて図１、図２、図５を用いて説明する。
まず、制御手段３で可動磁性体２を駆動する（ステップＳ１）。

次に、ステップＳ１で可動磁性体２を駆動した後に、ロータ磁石１３の姿勢が安定化するのを待つ（ステップＳ２）。具体的には、制御信号３ａを可動磁性体２に入力してからロータ磁石１３が１８０度回転駆動して一旦静止するのを待つ。これは、ロータ磁石１３の姿勢が安定していない内に磁気センサ１からの磁気センサ出力を得てしまい、その出力値を使って次の演算を行うのを避けるためである。

ステップＳ２でロータ磁石１３の姿勢が安定化した後、制御手段３からロータ磁石１３の姿勢情報３ｂを取得し（ステップＳ３）、さらにこの姿勢情報３ｂに基づく差分４ａをメモリ４から取得する（ステップＳ４）。

次に、磁気センサ１から現在の磁気センサ出力１ａを得て（ステップＳ５）、この現在の磁気センサ出力１ａからステップＳ４で取得した差分４ａを差し引くことで、現在の磁気センサ出力１ａを補正して補正後の磁気センサ出力５ａを得る（ステップＳ６）。

この補正後の磁気センサ出力５ａを用いてオフセット６ａを算出し（ステップＳ７）、
最後に、オフセット６ａと補正後の磁気センサ出力５ａから方位θを算出する（ステップＳ７）。なお、ステップＳ３、Ｓ４、Ｓ５の順序は入れ替わっても良い。

これまでは、説明を簡単にするため、２軸の磁気センサを用いた方位センサ１００の構成、演算手法およびそれを備えた電子機器について説明を行ったが、ＸＹＺの３軸磁気センサを設け、メモリに３軸分の差分を記憶することで、本発明の方位センサ１００の構成を容易に３軸へ拡張できることは明白である。

また、これまでは、本発明の方位センサ１００をアナログ腕時計に搭載した構成例ついて説明を行ったが、本発明はこれに限定するものではなく、例えば、磁束発生源が一定の周期に則って２つ以上の姿勢となり、この２つ以上の姿勢毎に、所定の磁場が発生する電子機器全般に適用することができる。

また、磁束発生源が非周期的に異なる姿勢を取る場合、例えば、非周期的な情報である温度や気圧を指針で指示するため、ロータ磁石を有しているアナログ腕時計などの場合についても、同様の方法を適用するできる。

このように、本発明の方位センサ１００は、可動磁性体２を駆動すると共に可動磁性体２に含まれる磁束発生源の姿勢情報３ｂを出力する制御手段３と、この姿勢情報３ｂに基づき現在の磁気センサ出力１ａを補正する補正手段５とを設けたため、正しいオフセット６ａを求めることができ、それによって正しい方位θを得ることができる。

本発明の方位センサ１００は、高精度な方位θを求められる機器に適用することができる。特に、小型の携帯型機器に本発明の方位センサ１００を搭載するのに好適である。

本発明の方位センサを示す構成図である。 本発明の方位センサの可動磁性体を示す構成図である。 本発明の方位センサの磁気センサ出力を示す図である。 本発明の方位センサのメモリに記憶される差分のテーブルを示す図である。 本発明の方位センサの動作のフローチャートである。 従来の方位センサを示す出力軌跡図である。

符号の説明

１ 磁気センサ
１ａ 現在の磁気センサ出力
２ 可動磁性体
３ 制御手段
３ａ 制御信号
３ｂ 姿勢情報
４ メモリ
４ａ 差分
５ 補正手段
５ａ 補正後の磁気センサ出力
６ オフセット算出手段
６ａ オフセット
７ 方位算出手段
１０ 磁芯
１１ 導線
１２ ステータ
１３ ロータ磁石
１００ 方位センサ

Claims (3)

1. 地磁気を検出し方位を算出する方位センサであって、
   ２軸以上の地磁気を検出して磁気センサ出力を出力する磁気センサと、
   磁束発生源を移動可能とした可動磁性体と、
   前記可動磁性体を駆動すると共に前記磁束発生源の姿勢情報を出力する制御手段と、
   前記磁束発生源の姿勢により変化する磁気センサ出力の変化量を予め記憶するメモリと、
   前記制御手段が出力する前記姿勢情報と、前記メモリに予め記憶されている前記磁気センサ出力の変化量とに基づき、前記磁気センサ出力を補正して補正後の磁気センサ出力を出力する補正手段と、
   前記補正後の磁気センサ出力の中心値であるオフセットを算出して出力するオフセット算出手段と、
   前記オフセット算出手段が出力した前記オフセットに基づき方位を算出して出力する方位算出手段と、
   を備えたことを特徴とする方位センサ。
2. 前記磁束発生源は、ロータ磁石であり、
   前記可動磁性体は、
   高透磁率の材料で形成された磁芯と、
   前記磁芯に巻回した導線と、
   前記磁芯に磁気的に接続されたステータと、
   前記ステータのほぼ中央に回転可能に配設された前記ロータ磁石と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の方位センサ。
3. 請求項１または２の方位センサを有し、前記方位算出手段にて出力する方位を表示する方位表示手段をさらに備える
   ことを特徴とする電子機器。

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