(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コントロール基板と、
該コントロール基板上に支柱を介して配設され、励磁コイルとして機能する環状コイルパターンを有する第１シート状コイル部材と、磁界の飽和状態を検出するための直線状コイルパターンを有し該直線状コイルパターンが該第１シート状コイル部材の該環状コイルパターンを横切るように該第１シート状コイル部材の両面側に配置される第２シート状コイル部材と、磁界の飽和状態を検出するための直線状コイルパターンを有し該直線状コイルパターンが該第２シート状コイル部材の該直線状コイルパターンと交差するように該第２シート状コイル部材の一方の面側に配置される第３シート状コイル部材とをそなえて構成された基板型フラックスゲートセンサと、
該コントロール基板上に配設され、被検出対象物の地表水平面に対する傾斜を検出するＩＣ化された傾斜センサと、
該コントロール基板上に配設され、上記の基板型フラックスゲートセンサ及び傾斜センサで検出された該被検出対象物の姿勢情報に基づいて、該被検出対象物の姿勢に応じた角度情報を演算により算出する演算処理部、および、該演算処理部にそなえられ、上記の基板型フラックスゲートセンサ及び傾斜センサで得られた該姿勢情報に対して地磁気を考慮した補正を施すことにより、上記の角度情報を補正しうる補正部を有するＣＰＵとをそなえて構成されたことを特徴とする、姿勢検出装置。
【請求項２】
該傾斜センサが、該基板型フラックスゲートセンサの下部の該コントロール基板上に設けられていることを特徴とする、請求項１記載の姿勢検出装置。
【請求項３】
該ＣＰＵが、該傾斜センサの設けられた該コントロール基板の反対面に設けられていることを特徴とする、請求項２記載の姿勢検出装置。
【請求項４】
地磁気による磁界強度を検出すべく、励磁コイルとして機能する環状コイルパターンを有する第１シート状コイル部材と、磁界の飽和状態を検出するための直線状コイルパターンを有し該直線状コイルパターンが該第１シート状コイル部材の該環状コイルパターンを横切るように該第１シート状コイル部材の両面側に配置される第２シート状コイル部材と、磁界の飽和状態を検出するための直線状コイルパターンを有し該直線状コイルパターンが該第２シート状コイル部材の該直線状コイルパターンと交差するように該第２シート状コイル部材の一方の面側に配置される第３シート状コイル部材とをそなえて構成された磁気検出部と、被検出対象物の地表水平面に対する傾斜を検出する傾斜検出部とをそなえ、該被検出対象物の姿勢情報を検出する姿勢情報検出部と、
該姿勢情報検出部で検出された該姿勢情報に基づいて、該被検出対象物の姿勢に応じた角度情報を演算により算出するとともに、該姿勢情報に対して地磁気を考慮した補正を施すことにより、上記の角度情報を補正しうる演算処理部とをそなえるとともに、
コントロール基板をそなえ、
該コントロール基板に支柱を介して該磁気検出部が配置されるとともに、該コントロール基板上に該傾斜検出部及び該演算処理部が配置されていることを特徴とする、姿勢検出装置。
【請求項５】
該演算処理部が、
該磁気検出部での検出結果に基づき該被検出対象物の地表水平面上での回転角情報を演算により算出する回転角演算部と、
該傾斜検出部での検出結果に基づき該被検出対象物の地表水平面に対する傾斜角情報を演算により算出する傾斜角演算部と、
該傾斜角演算部により得られた該傾斜角情報に基づいて該磁気検出部で検出された上記の磁界強度情報を地表水平面上での磁界強度情報に変換することにより、該回転角演算部において得られる該回転角情報を補正する補正部とをそなえて構成されたことを特徴とする、請求項４記載の姿勢検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体や人の姿勢（傾斜角度，回転角度など）を検出する姿勢検出装置に関し、例えば、人の操作（姿勢）に応じて画面（ディスプレイ）上の表示物の位置や傾斜角，回転角などを制御するヘッドマウントディスプレイ体感ゲームや、ロボットの姿勢制御，全自動走行システム，ナビゲーションシステムなどに用いて好適な、姿勢検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２５は従来の姿勢検出装置としての３軸モーションセンサの一例を示す模式的斜視図であるが、この図２５に示す３軸モーションセンサ１００は、傾斜角センサ１０３，磁気センサ１０４及びＣＰＵ１０５を有して構成されている。なお、ここでは、傾斜角センサ１０３が基板１０１上に配置され、磁気センサ１０４及びＣＰＵ１０５が基板１０２に配置されている。また、全体の寸法は、長さ５０ｍｍ，幅４０ｍｍ，高さ５０ｍｍ程度となっている。
【０００３】
ここで、傾斜角センサ１０３は、シリコン液などの液体や振り子を内蔵し、取り付けられている物体や人などの検出対象物が地表水平面に対して傾むいたときに、液体の抵抗値に変化が生じたり振り子の位置に変化が生じるような機構を有するものであり、磁気センサ１０４は、地磁気（地磁気ベクトル）を検出するものである。
【０００４】
また、ＣＰＵ１０５は、傾斜角センサ１０３で得られる液体の抵抗値変化や振り子の位置変化を基に、検出対象物の傾斜角を算出するとともに、地磁気センサ１０４で検出された地磁気に基づいて、検出対処物の回転角を算出するものである。
これにより、上述の３軸モーションセンサは、例えば図２６（ａ）に示すように地表水平面をＸ−Ｙ平面（ただし、ここではＸ軸方向が左右、Ｙ軸方向が前後とする）、地表水平面に対して垂直方向（上下）をＺ軸と座標系を仮定すると、傾斜角センサ１０３によって、検出対象物のＸ軸回りの回転（傾斜）角度〔ピッチ：図２６（ｂ），図２７（ｂ）参照〕，Ｙ軸回りの回転（傾斜）角度〔ロール：図２６（ｂ），図２７（ｃ）参照〕を検出し、磁気センサ１０４によって、Ｚ軸回りの回転角度〔ヨウ角：図２６（ｂ），図２７（ａ）参照〕を検出することが可能になり、ピッチ，ロール，ヨウ角の３軸情報（検出対象物の姿勢情報）を得ることができる。ただし、この場合は、磁北を絶対０度としてヨウ角を検出するように定義している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の３軸モーションセンサ１００では、以下のような課題が生じる。
▲１▼磁気センサ１０４で検出する地磁気には、地域（地球の緯度，経度）毎に偏差，傾差が有り水平力も異なるため、地域毎に異なる俯角（地表水平面と地磁気ベクトルのなす角度）が生じる。従って、地磁気を利用して検出するヨウ角に対しては各地域において地磁気の偏差，傾差，水平力を考慮した補正を行なわなければ、ヨウ角の逆転現象が生じてしまう。
【０００６】
▲２▼傾斜センサ１０３には液体方式，機械（振り子）方式が用いられているので、液体や振り子の変化が安定するまでに時間がかかりデータが安定しないため、ＣＰＵ１０５で補正処理を行なっても信頼性のないデータが一定時間出力されるてしまう可能性がある。従って、この３軸モーションセンサ１００を画面指示装置に使用した場合には表示画面上で船酔い現象などが生じ、位置決め装置に使用した場合には方向指示間違いなどが生じてしまうことになる。
【０００７】
▲３▼傾斜センサ１０３に液体方式，機械（振り子）方式を用いているので、センサ１００全体の大きさが増大してしまっている。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、小型で、検出対象物の姿勢情報を地球上のどの地域においても常に高精度に検出することができる、姿勢検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の本発明の姿勢検出装置は、コントロール基板と、該コントロール基板上に支柱を介して配設され、励磁コイルとして機能する環状コイルパターンを有する第１シート状コイル部材と、磁界の飽和状態を検出するための直線状コイルパターンを有し該直線状コイルパターンが該第１シート状コイル部材の該環状コイルパターンを横切るように該第１シート状コイル部材の両面側に配置される第２シート状コイル部材と、磁界の飽和状態を検出するための直線状コイルパターンを有し該直線状コイルパターンが該第２シート状コイル部材の該直線状コイルパターンと交差するように該第２シート状コイル部材の一方の面側に配置される第３シート状コイル部材とをそなえて構成された基板型フラックスゲートセンサと、該コントロール基板上に配設され、被検出対象物の地表水平面に対する傾斜を検出するＩＣ化された傾斜センサと、該コントロール基板上に配設され、上記の基板型フラックスゲートセンサ及び傾斜センサで検出された該被検出対象物の姿勢情報に基づいて、該被検出対象物の姿勢に応じた角度情報を演算により算出する演算処理部、および、該演算処理部にそなえられ、上記の基板型フラックスゲートセンサ及び傾斜センサで得られた該姿勢情報に対して地磁気を考慮した補正を施すことにより、上記の角度情報を補正しうる補正部を有するＣＰＵとをそなえて構成されていることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項２記載の本発明の姿勢検出装置は、上記請求項１記載の構成において、該傾斜センサが、該基板型フラックスゲートセンサの下部の該コントロール基板上に設けられていることを特徴としている。
さらに、請求項３記載の本発明の姿勢検出装置は、上記請求項２記載の構成において、該ＣＰＵが、該傾斜センサの設けられた該コントロール基板の反対面に設けられていることを特徴としている。
【００１０】
さらに、請求項４記載の本発明の姿勢検出装置は、地磁気による磁界強度を検出すべく、励磁コイルとして機能する環状コイルパターンを有する第１シート状コイル部材と、磁界の飽和状態を検出するための直線状コイルパターンを有しこの直線状コイルパターンが第１シート状コイル部材の環状コイルパターンを横切るように第１シート状コイル部材の一方の面側に配置される第２シート状コイル部材と、磁界の飽和状態を検出するための直線状コイルパターンを有しこの直線状コイルパターンが第２シート状コイル部材の直線状コイルパターンと交差するように該第２シート状コイル部材の一方の面側に配置される第３シート状コイル部材とをそなえて構成された磁気検出部と、被検出対象物の地表水平面に対する傾斜を検出する傾斜検出部とをそなえ、該被検出対象物の姿勢情報を検出する姿勢情報検出部と、該姿勢情報検出部で検出された該姿勢情報に基づいて、該被検出対象物の姿勢に応じた角度情報を演算により算出するとともに、該姿勢情報に対して地磁気を考慮した補正を施すことにより、上記の角度情報を補正しうる演算処理部とをそなえるとともに、コントロール基板をそなえ、該コントロール基板に支柱を介して該磁気検出部が配置されるとともに、該コントロール基板上に該傾斜検出部及び該演算処理部が配置されていることを特徴としている。
また、請求項５記載の本発明の姿勢検出装置は、上記の請求項４記載の構成において、該演算処理部が、該磁気検出部での検出結果に基づき該被検出対象物の地表水平面上での回転角情報を演算により算出する回転角演算部と、該傾斜検出部での検出結果に基づき該被検出対象物の地表水平面に対する傾斜角情報を演算により算出する傾斜角演算部と、該傾斜角演算部により得られた該傾斜角情報に基づいて該磁気検出部で検出された上記の磁界強度情報を地表水平面上での磁界強度情報に変換することにより、該回転角演算部において得られる該回転角情報を補正する補正部とをそなえて構成されたことを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる姿勢検出装置としての３軸モーションセンサの外観を模式的に示す図、図２はこの図１におけるＡ矢視図、図３は図１におけるＢ矢視図であるが、これらの図１〜図３において、１は３軸モーションセンサ、２Ａは基板型のフラックスゲートセンサ、２Ｂは傾斜センサ、３はＣＰＵ、４は上記の傾斜センサ２Ｂ，ＣＰＵ３などが配置されるコントロール基板、５は外部接続端子部、６はフラックスゲートセンサ２Ａとコントロール基板４とを平行に保つように接続するための支柱である。
【００１２】
そして、本実施形態の３軸モーションセンサ１は、その機能に着目すると、図４に示すように構成されており、本実施形態では、本センサ１が取り付けられる被検出対象物のピッチ，ロール，ヨウ角〔図２７（ａ）〜図２７（ｃ）参照〕などの姿勢情報を検出するための姿勢情報検出部２として、フラックスゲートセンサ２Ａと傾斜センサ２Ｂとをそなえて構成されている。
【００１３】
ここで、フラックスゲートセンサ（磁気検出部）２Ａは、地磁気による磁界強度を検出するものであり、傾斜センサ（傾斜検出部）２Ｂは、被検出対象物の地表水平面に対する傾斜を検出するものであり、ＣＰＵ（演算処理部）３は、これらの各センサ２Ａ，２Ｂで検出された姿勢情報に基づいて、被検出対象物の姿勢に応じた角度情報（ピッチ，ロール，ヨウ角）を演算により算出するものであるが、ここでは、各センサ２Ａ，２Ｂで得られた情報に対して地磁気を考慮した補正を施すことにより上記のヨウ角を補正しうるようになっている。
【００１４】
このため、ＣＰＵ３は、この図４に示すように、傾斜角演算部３１，回転角演算部３２および補正部３３をそなえて構成されており、回転角演算部３１は、フラックスゲートセンサ２Ａでの検出結果に基づき被検出対象物の地表水平面上でのヨウ角（回転角情報）を演算により算出するものであり、傾斜角演算部３２は、傾斜センサ２Ｂでの検出結果に基づき被検出対象物の地表水平面に対するピッチ，ロール（傾斜角情報）を演算により算出するものである。
【００１５】
また、補正部３３は、上述の傾斜角演算部３２により得られたピッチ，ロールに基づいてフラックスゲートセンサ２Ａで検出された磁界強度情報を、後述する座標変換処理により地表水平面上での磁界強度情報に変換することによって、回転角演算部３１において得られるヨウ角を補正するものである。
次に、図５は上述のフラックスゲートセンサ２Ａの構成を模式的に示す図であるが、この図５に示すように、本実施形態のフラックスゲートセンサ２Ａは、それぞれ２枚ずつのエポキシ基板６′，７，８とリング状に形成され電流を与えられることにより励磁コイルとして機能するアモルファスコア９とが積層されて構成されている。なお、ここでは、エポキシ基板６′，７，８にはガラス製のものを用いているものとする。
【００１６】
そして、この図５に示すように、エポキシ基板（第３シート状コイル部材）６′上には、磁界の飽和状態を検出するための直線状のコイルパターン１０がエッチングにより形成されており、エポキシ基板（第２シート状コイル部材）７上には、上記のコイルパターン１０とは交差（直交）する方向に同様の直線状のコイルパターン１１がエッチングにより形成されている。
【００１７】
また、エポキシ基板８上には、複数の直線状のコイルパターン１２がエッチングにより環状に形成されており、アモルファスコア（第１シート状コイル部材）９には、トロイダルコイルのようなエッチングパターンが形成されて、励磁コイルとして機能するようになっている。なお、ここでは、上記の各エッチング（コイル）パターンはそのエッチング幅が数ミクロンオーダとなるよう形成されている。
【００１８】
つまり、本実施形態のフラックスゲートセンサ２Ａは、アモルファスコア９と、直線状コイルパターン１１を有しこの直線状コイルパターン１１がアモルファスコア９のコイルパターンを横切るようにアモルファスコア９の両面側に配置されるエポキシ基板７と、直線状コイルパターン１０を有しこの直線状コイルパターン１０がエポキシ基板７の直線状コイルパターン１１と交差するようにエポキシ基板７の一方の面側に配置されるエポキシ基板６′とをそなえて構成されている。
【００１９】
これにより、本フラックスゲートセンサ２Ａは、アモルファスコア９が励磁されて生じる磁界強度の情報を互いに交差する直線状コイルパターン１０，１１で測定することにより、地磁気の方向性を得ることができる。このように、本実施形態のフラックスゲートセンサ２Ａは、エッチング技術を用いて磁気センサとして必要なコイルパターンを形成することにより、従来のようなコイル形成ための巻線技術を必要としないので、巻線のムラや巻線圧による感度の変化がなく、その精度をミクロンオーダで管理することができる。この結果、本フラックスゲートセンサ２Ａは、磁気検出性能を維持しながら極めて薄く形成され、３軸モーションセンサ１全体の大きさが大幅に小型化されている。
【００２０】
なお、上述のアモルファスコア９は必ずしも図５に示すようにリング状に形成する必要はなく、例えば平板状など他の形状に形成してもよい。また、上記のエポキシ基板６′，７，８は、いずれもエッチング可能な材料であればガラス製のものではなくプラスチック製のものを用いてもよい。
次に、図６は上述の傾斜センサ２Ｂの要部の構成を示すブロック図であるが、この図６に示すように、本実施形態の傾斜センサ２Ｂは、独立した固定極板２１，２２と印加される加速度に応答して作動するメイン・ビーム２３に取り付けられたセンター極板２４とを有し、固定極板２１，２２，センタ極板２４により２つの容量（ＣＳ１，ＣＳ２）が形成されるように構成されている。
【００２１】
これにより、この傾斜センサ２Ｂでは、例えば図７に示すように、被検出対象物が地表水平面に対して傾斜することにより傾斜センサ２Ｂに加速度が加わるとメイン・ビーム２３が作動する。すると、上記の２つの容量値ＣＳ１，ＣＳ２にミスマッチが生じ、この結果、地表水平面に対する傾斜に応じた電流がセンター極板２４に流れるので、この電流値を傾斜検出情報としてＣＰＵ３に供給すれば、前述の傾斜角演算部３２において必要な傾斜角情報（ピッチ，ロール）が検出されることになる。
【００２２】
つまり、本傾斜センサ２Ｂは、上述のごとく容量の変化を利用して傾斜情報を検出できるようにすることで、ＩＣ化を図っており、これにより、さらに３軸モーションセンサ１全体の規模を大幅に小型化しているのである。なお、本３軸モーションセンサ１の寸法は、ここでは図１に示すように長さ４５ｍｍ，幅３０ｍｍ，高さ８．５ｍｍ程度となっている。
【００２３】
以下、上述のごとく構成された本実施形態の３軸モーションセンサ１の動作について、図２４に示すフローチャート（ステップＳ１〜Ｓ５）を参照しながら説明する。
まず、フラックスゲートセンサ２Ａは、地磁気による磁界強度を検出している（ステップＳ１）。そして、検出された磁界強度情報はＣＰＵ３へ与えられ、ＣＰＵ３では、この磁界強度情報を基に回転角演算部３１によりヨウ角を算出するが、このとき、前述したように地磁気には地域によって傾差，偏差，水平力などがあり、また、フラックスゲートセンサ２Ａの傾斜角によっては地磁気を検出できない場合あるので、補正部３３によって補正処理を行なう。
【００２４】
この補正処理は、傾斜センサ２Ｂで得られる傾斜検出情報に基づいて行なわれる。傾斜センサ２Ｂでは、３軸モーションセンサ１が取り付けられている被検出対象物が地表水平面に対して傾斜すると、その傾斜に応じた電流値などの傾斜検出情報が得られる（ステップＳ２）。得られた情報はＣＰＵ３へ供給され、ＣＰＵ３では、この傾斜検出情報を基に傾斜演算部３２によりピッチ，ロールを所定の演算により算出して出力する（ステップＳ３）。
【００２５】
そして、補正部３３は、これらのピッチ，ロールを基に下記に示す座標変換処理を行なうことにより、フラックスゲートセンサ２Ａで検出された磁界強度情報を地表水平面上での磁界強度情報に変換（座標変換）して、これらの傾差，偏差，水平力の影響が無い状態にする（ステップＳ４）。この結果、回転角演算部３１では、補正後の磁界強度情報に基づいて演算処理が行なわれ、常に正しい高精度なヨウ角が算出される（ステップＳ５）。
【００２６】
ここで、上述の座標変換処理について詳述する。
（Ａ）座標変換の一般的な演算手法
例えば、図８に示すように、空間中に設定された固定座標系を（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）とし、この座標系をｘｈ軸回りにφ、ｙｈ軸回りにθだけ回転させたときの座標系を（ｘ，ｙ，ｚ）と仮定する。ただし、各回転角の正負はこの図８中に示すように設定する。
【００２７】
まず、この（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）座標系において磁束ベクトルＨ（→）＝（ＨＸＨ，ＨＹＨ，ＨＺＨ）を考える。（ｘ，ｙ，ｚ）座標系において、このベクトルＨ（→）は、Ｈ（→）＝（ＨＸ，ＨＹ，ＨＺ）と表現される。従って、（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）座標系から（ｘ，ｙ，ｚ）座標系への変換は、
【００２８】
【数１】
0003576728.tif 000002
【００２９】
で表される。
また、逆に、（ｘ，ｙ，ｚ）座標系から（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）座標系への変換は、
【００３０】
【数２】
0003576728.tif 000003
【００３１】
で表される。
実際の状態として、（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）座標系を地表面の座標系（重力が「−ｚ」方向）と考えると、（ｘ，ｙ，ｚ）座標系は例えば船と考えられる。このとき、ベクトルＨ（→）を地磁気と考えると、
ＨＺＨ≒０  ・・・（３）
と近似できる。従って、ベクトルＨ（→）の大きさ、即ち、フラックスゲートセンサ２Ａの水平時の振幅，φ，θが分かると、（１）式よりＨＺを計算できる。
【００３２】
ＨＺ＝−ＨＸＨｓｉｎθ＋ＨＹＨ・ｃｏｓθ・ｓｉｎφ  ・・・（４）
マトリックスの式（２）を展開すると、
ＨＸＨ＝ＨＸｃｏｓθ＋ＨＹｓｉｎθ・ｓｉｎφ−ＨＺｓｉｎθ・ｃｏｓφ・・・（５）
ＨＹＨ＝ＨＹ・ｃｏｓφ＋ＨＺ・ｓｉｎφ              ・・・（６）
ＨＺＨ＝ＨＸｓｉｎθ−ＨＹｃｏｓθ・ｓｉｎφ＋ＨＺｃｏｓθ・ｃｏｓφ・・・（７）
となる。
【００３３】
ｃｏｓφ＝Ｃ１，ｃｏｓθ＝Ｃ２，ｓｉｎφ＝Ｓ１，ｓｉｎθ＝Ｓ２として、式（４）を式（５）に代入すると、
0003576728.tif 000004
式（８）をＨＸＨについて整理すると、
【００３４】
【数３】
0003576728.tif 000005
【００３５】
式（９）をＨＸＨについて整理すると、
【００３６】
【数４】
0003576728.tif 000006
【００３７】
式（１０），式（１１）を結合して、ＨＹＨについて整理すると、
【００３８】
【数５】
0003576728.tif 000007
【００３９】
式（８）をＨＹＨについて整理すると、
【００４０】
【数６】
0003576728.tif 000008
【００４１】
式（９）をＨＹＨについて整理すると、
【００４２】
【数７】
0003576728.tif 000009
【００４３】
式（１３），式（１４）を結合して、ＨＸＨについて整理すると、
【００４４】
【数８】
0003576728.tif 000010
【００４５】
式（７）と式（３）より再計算すると、
【００４６】
【数９】
0003576728.tif 000011
【００４７】
式（５）に式（１６）を代入して整理すると、
【００４８】
【数１０】
0003576728.tif 000012
【００４９】
ここで、Ｃ２２  ＋Ｓ２２  ＝ｃｏｓ２  θ  ＋ｓｉｎ２  ＝１より、
ＨＸＨ＝ＨＸ／Ｃ２  ・・・（１７）
式（６）に式（１６）を代入して整理すると、
【００５０】
【数１１】
0003576728.tif 000013
【００５１】
次に、逆変換式の立て直しを行なう。
ＨＸＨ＝ＨＸ・Ｃ２−ＨＺ・Ｓ２・・・（１９）
ＨＹＨ＝ＨＸ・Ｓ１・Ｓ２−ＨＹ・Ｃ１＋ＨＺ・Ｃ１・Ｃ２・・・（２０）
ＨＺＨ＝ＨＸ・Ｃ１・Ｓ２−ＨＹ・Ｓ１＋ＨＺ・Ｃ１・Ｃ２・・・（２１）
式（２１）でＨＺＨ＝０として、ＨＺを求めると、
【００５２】
【数１２】
0003576728.tif 000014
【００５３】
式（１９）に式（２２）を代入して整理すると、
【００５４】
【数１３】
0003576728.tif 000015
【００５５】
式（２０）に式（２２）を代入して整理すると、
【００５６】
【数１４】
0003576728.tif 000016
【００５７】
（Ｂ）基本定義
図９に示すような基準となる座標系（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）を基準座標系とする。この基準座標系を例えば図１０（ａ），図１０（ｂ）に示すようにｘｈ軸を中心にφだけ回転させた座標系を（ｘ′，ｙ′，ｚ′）とし座標系１とする。このとき、ベクトルｐ（→）を基準座標系ではｐ（→）＝（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）、座標系１ではｐ（→）＝（ｘ′，ｙ′，ｚ′）とすると、この間の関係はマトリックス表現で、
【００５８】
【数１５】
0003576728.tif 000017
【００５９】
と表される。
次に、基準座標系を例えば図１１（ａ），図１１（ｂ）に示すようにｙ′軸についてθだけ回転させた座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を座標系２とする。このとき、ベクトルｐ（→）を座標系２ではｐ（→）＝（ｘ，ｙ，ｚ）と表現すると、座標系１と座標系２との関係のマトリックス表現は、
【００６０】
【数１６】
0003576728.tif 000018
【００６１】
と表される。
式（２５），式（２６）より、基準座標系と座標系２との関係は、
【００６２】
【数１７】
0003576728.tif 000019
【００６３】
となる。これは、式（１）とφとθの符号が逆の式である。以後この式（２７）を基準に考える。
次に、ベクトルｐ（→）について、座標系２から座標系１への逆変換を考えると、
【００６４】
【数１８】
0003576728.tif 000020
【００６５】
となり、座標系１から基準座標系への逆変換は、
【００６６】
【数１９】
0003576728.tif 000021
【００６７】
となる。従って、座標系２から基準座標系への変換は、式（２８），式（２９）より、
【００６８】
【数２０】
0003576728.tif 000022
【００６９】
となる。
（Ｃ）傾斜センサの角度表現
次に、以下では、図１２（ｂ）に示すように、上述の傾斜センサ２Ｂが座標系２の原点に取り付けられている場合を考える。なお、図１２（ａ）に示すように基準座標系においてｚ（−）方向が重力方向であると考える。このとき、傾斜センサ２Ｂの出力を、
ｘ軸の回転角度：ｕ
ｙ軸の回転角度：ｖ
と表現すると、これらの角度ｕ，ｖは、下記に示すように、基準座標系の（ｘｈ，ｙｈ）平面が座標系２の（ｘ，ｚ）平面，（ｙ，ｚ）平面を横切るときの交線とｘ，ｙ軸のなす角度と考えられる。
【００７０】
ｕ：（ｘｈ，ｙｈ）平面と（ｙ，ｚ）平面との交線とｙ軸のなす角度
ｖ：（ｘｈ，ｙｈ）平面と（ｘ，ｚ）平面との交線とｘ軸のなす角度
これらのｕ，ｖと前記の座標変換で用いたφ，θとの関係を考える。まず、φ＝０，θ＝０では、座標系２は基準座標系と一致するので、ｕ＝０，ｖ＝０となることは明らかである。
【００７１】
次に、ｘ軸についてφだけ回転させた座標系１の中心に傾斜センサ２Ｂを取り付けた場合を考える。この場合は、直感的に、ｕ＝−φといえる。ここで、（ｘｈ，ｙｈ）平面に垂直な単位ベクトル（長さ１）を考えて、座標変換後にｚ′軸との角度を求めることで、ｕ，ｖを求めることができると思われる。式（２５）より、
【００７２】
【数２１】
0003576728.tif 000023
【００７３】
∴  ｘ′＝０，ｙ′＝ｓｉｎφ，ｚ′＝ｃｏｓθ  ・・・（３１）
このとき、図１３に示すように、ｚ′軸とベクトルのｙ′，ｚ′成分のなす角がｕであるので、
0003576728.tif 000024
続いて、ｙ′軸についてθだけ回転させた座標系２の中心に傾斜センサ２Ｂが取り付けられている場合を考える。この場合は、直感的にｖ＝０といえる。また、上記と同様に、単位ベクトルを考えて、ｕ，ｖを求めると、式（２７）より、
【００７４】
【数２２】
0003576728.tif 000025
【００７５】
∴  ｘ＝−ｃｏｓθ・ｓｉｎθ，ｙ＝ｓｉｎθ，ｚ＝ｃｏｓφ・ｃｏｓθ・・・（３３）
図１４に示すようにｚ軸よりｙ，ｚ成分の傾きを求めると、
0003576728.tif 000026
同じく、図１５に示すように、ｚ軸よりｘ，ｚ成分の傾きを求めると、
0003576728.tif 000027
となる。
【００７６】
（Ｄ）地磁気ベクトルの座標系２から基準座標系への変換
地磁気ベクトルを（ｘｈ，ｙｈ，０）とすると、式（２５）より、
ｘ＝ｘｈ・ｃｏｓθ＋ｙｈ・ｓｉｎφ・ｓｉｎθ  ・・・（３６）
ｙ＝ｙｈ・ｃｏｓφ                            ・・・（３７）
ｚ＝ｘｈ・ｓｉｎθ−ｙｈ・ｓｉｎφ・ｃｏｓθ  ・・・（３８）
式（３４）より、
ｙｈ＝ｙ／ｃｏｓφ                            ・・・（３９）
また、式（３６），式（３９）より、
ｘ＝ｘｈ・ｃｏｓθ＋ｙ・ｓｉｎφ・ｓｉｎθ／ｃｏｓφ
∴ｘｈ・ｃｏｓθ＝ｘ−ｙ・ｓｉｎφ・ｓｉｎθ／（ｃｏｓφ・ｃｏｓθ）
∴ｘｈ＝（ｘ／ｃｏｓθ）−ｙ・ｔａｎφ・ｔａｎθ  ・・・（４０）
となる。
【００７７】
別のアプローチとして、式（３０）より、
ｘｈ＝ｘ・ｃｏｓθ＋ｚ・ｓｉｎθ                ・・・（４１）
ｙｈ＝ｘ・ｓｉｎφ・ｓｉｎθ＋ｙ・ｃｏｓφ−ｚ・ｓｉｎφ・ｃｏｓθ・・・（４２）
ｚｈ＝−ｘ・ｃｏｓφ・ｓｉｎθ＋ｙ・ｓｉｎφ＋ｚ・ｃｏｓφ・ｓｉｎθ・・・（４３）
今、ｚｈ＝０であるから、
０＝−ｘ・ｃｏｓφ・ｓｉｎθ＋ｙ・ｓｉｎφ＋ｚ・ｃｏｓφ・ｓｉｎθより、
【００７８】
【数２３】
0003576728.tif 000028
【００７９】
式（４１），式（４４）より、
【００８０】
【数２４】
0003576728.tif 000029
【００８１】
これは、式（４０）同一結果となる。また、式（４２），式（４４）より、
【００８２】
【数２５】
0003576728.tif 000030
【００８３】
これも、式（３９）と同一結果となる。
φ，θをｕ，ｖに置き換えると、傾斜角センサ２Ｂの検出値（ｕ，ｖ）で地磁気ベクトル〔フラックスゲートセンサ２Ａの検出値（ｘ，ｙ）〕を基準座標系（地表水平面）へ座標変換できる。式（３４）より、
ｔａｎ（ｕ）＝−ｔａｎφ／ｃｏｓθ
∴ｔａｎφ＝−ｃｏｓθ・ｔａｎ（ｕ）  ・・・（４７）
これを式（４６）に代入し、式（３５）より、
ｘｈ＝ｘ／ｃｏｓ（ｖ）＋ｃｏｓ（ｖ）・ｔａｎ（ｕ）・ｔａｎ（ｖ）・ｙ・・・（４８）
また、式（４７）を簡略化して、
φ＝ｕ・ｃｏｓθ  ・・・（４９）
として、これを式（３９）に代入すると、
ｙｈ＝ｙ／ｃｏｓ（ｕ・ｃｏｓｖ）  ・・・（５０）
ＣＰＵ３の回転角演算部３１は、以上のような座標変換により補正された地磁気の磁界強度情報を基にヨウ角を算出する。
【００８４】
なお、上記の座標変換は以下のような演算により行なってもよい。すなわち、図１６に示すように、傾斜センサ２Ｂが取り付けられている座標系を（ｘ，ｙ，ｚ）とする。この場合、実際の水平面がｙｚ平面を横切るときの交線とｙ軸との角度ｕが傾斜センサの出力データと考えられる。同様に、水平面がｘｚ平面を横切るときの交線とｘ軸との角度ｖが傾斜センサの出力データと考えられる。なお、この場合、ｘ，ｙ軸からｚ軸（＋）方向へ正とし、ｘ，ｙ軸と交線が一致する所を０とする。
【００８５】
ここで、地表に固定された基準座標系（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）を考えると、ｘｈ，ｙｈ平面は水平面に一致する。このとき、ｚ軸とｚｈ軸の関係に注目する。図１７（ａ）に示すように、ｚ軸上空から見下げたときにｚ−ｚｈを結んだ線とｘ軸との角度をαとする。ただし、ｘ軸と一致したときに０、ｘ軸（＋）からｙ軸（＋）へ＋とする。また、図１７（ｂ）に示すように、ｚ軸とｚｈ軸のなす角度をβとする。すると、図１８（ａ），図１８（ｂ）に示すように、αが０のときｖに一致しαが９０度のときｕにそれぞれ一致することになる。
【００８６】
ここで、ｕ，ｖとα，βの関係を求める。ｚｈ軸と一致する長さ１の単位ベクトル（０，０，１）を考える。このベクトルのｘ，ｚ平面に写る影とｚ軸のなす角度がｖで、ｙｚ平面に写る影とｚ軸のなす角度がｕである。
（ｘ，ｙ，ｚ）座標で、このベクトルを表現すると、図１９に示すように、ｚ軸成分とベクトル頂点との間の長さはｓｉｎβ、ｚ軸成分の長さはｃｏｓβとなる。よって、
ｘ＝ｓｉｎβ・ｃｏｓα
ｙ＝ｓｉｎβ・ｓｉｎα        ・・・（５１）
ｚ＝ｃｏｓβ
となる。これより、図２０，図２１（ａ），図２１（ｂ）から分かるように、
ｔａｎ（−ｖ）＝ｓｉｎβ・ｃｏｓα／ｃｏｓβ  ・・・（５２）
ｔａｎ（−ｕ）＝ｓｉｎβ・ｓｉｎα／ｃｏｓβ  ・・・（５３）
式（５２），式（５３）を変形して、
ｃｏｓα＝ｔａｎ（−ｖ）／ｔａｎβ  ・・・（５４）
ｓｉｎα＝ｔａｎ（−ｕ）／ｔａｎβ  ・・・（５５）
式（５５）を式（５４）で割ると、
ｔａｎα＝ｔａｎ（−ｕ）／ｔａｎ（−ｖ）
∴α＝ｔａｎ−１〔ｔａｎ（−ｕ）／ｔａｎ（−ｖ）〕
式（５４），式（５５）を２乗して加算すると、
ｃｏｓ２  α＋ｓｉｎ２  α＝ｔａｎ２  （−ｖ）／ｔａｎ２  β＋ｔａｎ２  （−ｕ）／ｔａｎ２  β
∴  １＝〔ｔａｎ２  （−ｖ）＋ｔａｎ２  （−ｕ）〕／ｔａｎ２  β
ｔａｎ２  β＝ｔａｎ２  （−ｕ）＋ｔａｎ２  （−ｖ）
ｔａｎβ＝（ｔａｎ２  （−ｕ）＋ｔａｎ２  （−ｖ））１／２  
∴  β＝ｔａｎ−１〔（ｔａｎ２  （−ｕ）＋ｔａｎ２  （−ｖ））１／２  〕・・・（５６）
となる。
【００８７】
次に、ｚ軸をｚｈ軸に一致させる。ｚ軸をαだけ回転させた座標系（ｘ′，ｙ′，ｚ′）を考える。このとき、ｚｈ軸はｘ′ｚ′平面上にある。（ｘ，ｙ，ｚ）上の任意のベクトルｎ（→）を考える。ｎ（→）は（ｘ，ｙ，ｚ）座標系で（ｘ，ｙ，ｚ）の値をとるとすると、（ｘ′，ｙ′，ｚ′）座標系では
ｘ′＝ｘ・ｃｏｓα＋ｙ・ｓｉｎα
ｙ′＝−ｘ・ｓｉｎα＋ｙ・ｃｏｓα            ・・・（５７）
ｚ′＝ｚ
マトリックス表現で、
【００８８】
【数２６】
0003576728.tif 000031
【００８９】
となる。
次に、図２２，図２３に示すように、ｙ′軸についてβ回転させた座標を（ｘ″，ｙ″，ｚ″）とすると、
ｘ″＝ｘ′・ｃｏｓβ−ｚ′・ｓｉｎβ
ｙ″＝ｙ′                                    ・・・（５９）
ｚ″＝ｘ′・ｓｉｎβ＋ｚ′・ｃｏｓβ
マトリックス表現では、
【００９０】
【数２７】
0003576728.tif 000032
【００９１】
となる。さらに、ｚ″軸について−αだけ回転させると基準座標系（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）となる。
ｘｈ＝ｘ″・ｃｏｓα−ｙ″・ｓｉｎα
ｙｈ＝ｘ″・ｓｉｎα＋ｙ″・ｃｏｓα          ・・・（６１）
ｚｈ＝０
マトリックス表現で
【００９２】
【数２８】
0003576728.tif 000033
【００９３】
となる。
以上より、（ｘ，ｙ，ｚ）座標から（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）を求めると、
【００９４】
【数２９】
0003576728.tif 000034
【００９５】
展開すると、
ｘｈ＝ｘ・（ｃｏｓ２  α・ｃｏｓβ＋ｓｉｎ２  α）＋ｙ・（ｃｏｓα・ｃｏｓβ・ｓｉｎα−ｓｉｎα・ｃｏｓα）−ｚ・ｃｏｓα・ｓｉｎβ
ｙｈ＝ｘ・（ｓｉｎα・ｃｏｓβ・ｃｏｓα−ｃｏｓα・ｓｉｎα）＋ｙ・（ｓｉｎ２  α・ｃｏｓβ＋ｃｏｓ２  α）−ｚ・ｓｉｎα・ｓｉｎβ
ｚｈ＝ｘ・ｓｉｎβ・ｃｏｓα＋ｙ・ｓｉｎα・ｓｉｎβ＋ｚ・ｃｏｓβ・・・（６３）
となり、整理すると、
0003576728.tif 000035
式（６４），式（６５）より、ｘの補正項Δｘ，ｙの補正項Δｙは、それぞれ、
Δｘ＝ｃｏｓα〔ｘ・ｃｏｓα（ｃｏｓβ−１）＋ｙ・ｓｉｎα（ｃｏｓβ−１）−ｚ・ｓｉｎβ〕        ・・・（６６）
Δｙ＝ｓｉｎα〔ｘ・ｃｏｓα（ｃｏｓβ−１）＋ｙ・ｓｉｎ（ｃｏｓβ−１）−ｚ・ｓｉｎβ〕・・・（６７）
と表現される。ここで、ΔＴを
ΔＴ＝ｘ・ｃｏｓα（ｃｏｓβ−１）＋ｙ・ｓｉｎ（ｃｏｓβ−１）−ｚ・ｓｉｎβ      ・・・（６８）
と定義すると、式（６４），式（６５）は、
ｘｈ＝ｘ＋Δｘ＝ｘ＋ｃｏｓα・ΔＴ  ・・・（６９）
ｙｈ＝ｙ＋Δｙ＝ｙ＋ｓｉｎα・ΔＴ  ・・・（７０）
と表現される。ここで、ｚｈ≠０とすると、式（６３）より、
ｚｈ＝ｘ・ｓｉｎβ・ｃｏｓαｙ・ｓｉｎα・ｓｉｎβ＋ｚ・ｃｏｓβ
∴  −ｚ＝ｘ（ｃｏｓα・ｓｉｎβ／ｃｏｓβ）＋ｙ（ｓｉｎα・ｓｉｎβ／ｃｏｓβ）−ｚｈ／ｃｏｓβ
−ｚ・ｓｉｎβ＝ｘ（ｃｏｓα・ｓｉｎ２  β／ｃｏｓβ）                ＋ｙ（ｓｉｎα・ｓｉｎ２  β／ｃｏｓβ）−ｚｈ・ｓｉｎβ／ｃｏｓβ
【００９６】
【数３０】
0003576728.tif 000036
【００９７】
以上より、
【００９８】
【数３１】
0003576728.tif 000037
【００９９】
となる。
以上のように、本実施形態の３軸モーションセンサ１によれば、ＣＰＵ３の補正部３３において、フラックスゲートセンサ２Ａで得られた回転角情報に対して地磁気を考慮した補正を施すことにより被検出対象物の回転角（ヨウ角）情報を補正することができるので、地磁気の偏差，傾差，水平力に関わらず、つまり、地表のどの地域においても、常に被検出対象物の姿勢（角度情報）を正しく高精度に検出することができ、本センサ１装置の信頼性の向上に大いに寄与する。
【０１００】
具体的には、被検出対象物のピッチ，ロール（傾斜センサ２Ｂの検出値）に基づいて、フラックスゲートセンサ２Ａで検出した磁界強度情報を地表水平面上での磁界強度情報に変換することにより、地磁気による磁界強度情報を基に得られる被検出対象物のヨウ角情報を補正するので、地磁気の偏差，傾差，水平力などによるヨウ角の逆転現象を確実に防止して、ピッチ，ロールとともに常に正確な被検出対象物のヨウ角を得ることができ、さらに本センサ１の信頼性の向上に寄与する。
【０１０１】
また、本実施形態の３軸モーションセンサ１は、フラックスゲートセンサ２Ａを上述のごとく極めて薄く形成するとともに、傾斜センサ２ＢをＩＣ化して小型化しているので、全体の大きさが非常に小型化されている。
なお、本実施形態の３軸モーションセンサ１は、図４に示すように姿勢情報検出部２としてフラックスゲートセンサ２Ａと傾斜センサ２Ｂとをそなえているが、傾斜センサ２Ｂのみをそなえて２軸モーションセンサとして構成してもよい。また、フラックスゲートセンサ２Ａ，傾斜センサ２Ｂには、必ずしも上述のような特別なものを用いる必要はなく、通常のものを用いてもよい。
【０１０２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の姿勢検出装置によれば、演算処理部（ＣＰＵ）の補正部において、姿勢情報検出部で得られた姿勢情報に対して地磁気を考慮した補正を施すことにより被検出対象物の姿勢に応じて得られる角度情報を補正することができるので、地磁気の偏差，傾差，水平力に関わらず、つまり、地表のどの地域においても、常に被検出対象物の姿勢（角度情報）を正しく高精度に検出することができ、本装置の信頼性の向上に大いに寄与する。
【０１０３】
また、本発明の姿勢検出装置によれば、被検出対象物の地表水平面に対する傾斜角情報に基づいて、磁気検出部で検出した磁界強度情報を地表水平面上での磁界強度情報に変換することにより、地磁気による磁界強度情報を基に得られる被検出対象物の回転角情報を補正するので、地磁気の偏差，傾差，水平力などによる回転角情報の逆転現象を確実に防止して、傾斜角情報とともに常に正確な被検出対象物の回転角情報を得ることができ、さらに本装置の信頼性の向上に寄与する。
【０１０４】
さらに、本発明の姿勢検出装置によれば、上記の磁気検出部が、励磁コイルとして機能する環状コイルパターンを有するシート状コイル部材と、直線状のコイルパターンを有するシート状コイル部材とをそなえた基板型フラックスゲートセンサとして構成されるので、磁気検出性能を維持しながら極めてその構成が薄くなり、姿勢検出装置全体の小型化に大いに寄与することとなる。
加えて、本発明の姿勢検出装置によれば、上記の傾斜角情報を得る傾斜センサ（傾斜検出部）がＩＣ化されているので、装置全体の大きさを大幅に小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる姿勢検出装置としての３軸モーションセンサの外観を模式的に示す図である。
【図２】図１におけるＡ矢視図である。
【図３】図１におけるＢ矢視図である。
【図４】本実施形態の３軸モーションセンサの機能ブロック図である。
【図５】本実施形態の３軸モーションセンサに用いられるフラックスゲートセンサの構成を模式的に示す図である。
【図６】本実施形態の３軸モーションセンサに用いられる傾斜センサの要部の構成を示すブロック図である。
【図７】本実施形態の傾斜センサの動作を説明するための図である。
【図８】本実施形態の３軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図９】本実施形態の３軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図１０】（ａ），（ｂ）はいずれも本実施形態の３軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図１１】（ａ），（ｂ）はいずれも本実施形態の３軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図１２】（ａ），（ｂ）はいずれも本実施形態の３軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図１３】本実施形態の３軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図１４】本実施形態の３軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図１５】本実施形態の３軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図１６】本実施形態の３軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図１７】（ａ），（ｂ）はいずれも本実施形態の３軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図１８】（ａ），（ｂ）はいずれも本実施形態の３軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図１９】本実施形態の３軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図２０】本実施形態の３軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図２１】（ａ），（ｂ）はいずれも本実施形態の３軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図２２】本実施形態の３軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図２３】本実施形態の３軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図２４】本実施形態の３軸モーションセンサの動作を説明するためのフローチャートである。
【図２５】従来の姿勢検出装置としての３軸モーションセンサの一例を示す模式的斜視図である。
【図２６】（ａ），（ｂ）はいずれもピッチ，ロール，ヨウ角を説明するための図である。
【図２７】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれピッチ，ロール，ヨウ角を説明するための図である。
【符号の説明】
１  ３軸モーションセンサ（姿勢検出装置）
２  姿勢情報検出部
２Ａ  フラックスゲートセンサ（磁気検出部）
２Ｂ  傾斜センサ（傾斜検出部）
３  ＣＰＵ（演算処理部）
４  コントロール基板
５  外部接続端子部
６  支柱
６′，７，８  エポキシ基板
９  アモルファスコア
１０〜１２  直線状コイルパターン
２１，２２  固定極板
２３  メイン・ビーム
２４  センター極板
３１  回転角演算部
３２  傾斜角演算部
３３  補正部
【図１】
0003576728.tif 000038
【図２】
0003576728.tif 000039
【図３】
0003576728.tif 000040
【図４】
0003576728.tif 000041
【図５】
0003576728.tif 000042
【図６】
0003576728.tif 000043
【図７】
0003576728.tif 000044
【図８】
0003576728.tif 000045
【図９】
0003576728.tif 000046
【図１０】
0003576728.tif 000047
【図１１】
0003576728.tif 000048
【図１２】
0003576728.tif 000049
【図１３】
0003576728.tif 000050
【図１４】
0003576728.tif 000051
【図１５】
0003576728.tif 000052
【図１６】
0003576728.tif 000053
【図１７】
0003576728.tif 000054
【図１８】
0003576728.tif 000055
【図１９】
0003576728.tif 000056
【図２０】
0003576728.tif 000057
【図２１】
0003576728.tif 000058
【図２２】
0003576728.tif 000059
【図２３】
0003576728.tif 000060
【図２４】
0003576728.tif 000061
【図２５】
0003576728.tif 000062
【図２６】
0003576728.tif 000063
【図２７】
0003576728.tif 000064