(57)【要約】２軸磁気センサの２つの測定軸線に直交する方向の地球の磁界成分Ｚを測定するのではなく、計算することにより、チルト補償電子コンパスを実現することができる。直交成分Ｚは、地球の磁界強度に関してストアされた値を使用して計算され、広い地理学的範囲にわたって適用可能である。計算はまた、２軸センサから測定された磁界値を使用することを要求する。いったんＺが分かり、２軸チルトセンサからの入力を使用したならば、補償された直交成分Ｘ及びＹは、測定された磁界強度値を傾いた２軸センサから戻るように局所的水平面に回転させて数学的に計算することが出来る。従って、非常にフラットでコンパクトなチルト補償電子コンパスが可能である。
2007500350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの磁気センサと、
チルトセンサと、
メモリと、
プロセッサと、
前記メモリ内にストアされた地球の磁界に関する少なくとも１つの値と、
２軸磁気センサからの入力と、地球の磁界の強さに関する少なくとも１つのストアされた値とを使用し、２軸磁気センサ測定軸線に対して直交する磁界成分Ｚを計算するためにプロセッサによって実行可能であり、前記メモリ内にストアされた情報のセットと、
を有することを特徴とするコンパスシステム。
【請求項２】
少なくとも一つの磁気センサが、２軸磁気センサであることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
直交する磁界成分Ｚが、Ｚ＝（Ｈ2−Ｘ2−Ｙ2）0.5として計算され、ここで、Ｈは少なくとも１つのストアされた値であり、Ｘは前記２軸磁気センサからの第１の測定値であり、Ｙは、前記Ｘと直交する２軸磁気センサからの第２の測定値である、ことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
Ｚの計算値と、チルトセンサからの入力とを使用して、地球の磁界の局所的水平成分を計算することを更に有することを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記チルトセンサが、ピッチ（φ）及びロール（θ）角を測定する２軸チルトセンサであり、局所的水平成分Ｘcomp及びＹcompが、相互に直交し、以下の式
Ｘcomp＝Ｘcosφ＋Ｙsin2φ−Ｚcosθsinφ    及び
Ｙcomp＝Ｙcosφ＋Ｚsinθ
を使用して計算されることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
補償されたヘッディング（Heading）が、以下の式
Heading＝arcTan(Ｙcomp／Ｘcomp)
を使用して計算されることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
２軸磁気センサ及びチルトセンサを備えた電子コンパスにおけるチルトに関する補償をする方法であって、
地球の磁界強度に関する少なくとも１つの値をストアし、
２軸磁気センサで地球の磁界強度を測定し、
２軸磁気センサから測定された磁界強度と、地球の磁界強度に関して少なくとも１つのストアされた値とを使用して、２軸磁気センサ測定軸線と直交する磁界成分Ｚを計算する、
ステップを有することを特徴とする方法。
【請求項８】
式Ｚ＝（Ｈ2−Ｘ2−Ｙ2）0.5を使用して直交する磁界成分を計算するステップを更に有し、
ここで、Ｈが少なくとも１つのストアされた値であり、Ｘが２軸磁気センサからの第１の測定値であり、ＹがＸに直交する２軸センサからの第２の測定値であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記チルトセンサからの入力と、Ｘの計算値とを使用して地球の磁界の局所的水平成分Ｘcomp及びＹcompを計算するステップを更に有し、
ここで、チルトセンサは、ピッチ（φ）及びロール（θ）角を測定する２軸チルトセンサであり、局所的水平成分Ｘcomp及びＹcompが相互に直交し、以下の式
Ｘcomp＝Ｘcosφ＋Ｙsin2φ−Ｚcosθsinφ    及び
Ｙcomp＝Ｙcosφ＋Ｚsinθ
を使用して計算されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
２軸磁気センサ及びチルトセンサを備えた電子コンパスにおけるチルトを補償する方法であって、
地球の磁界強度の少なくとも１つの値をストアし、
２軸磁気センサで地球の磁界強度を測定し、
地球の磁界強度に関する少なくとも１つのストアされた値と、２軸磁気センサからの測定された磁界強度とを使用して２軸磁気センサ測定軸線と直交する磁界成分Ｚを測定する、ステップを有し、ここで、直交する磁界成分は、式Ｚ＝（Ｈ2−Ｘ2−Ｙ2）0.5を使用して計算され、ここで、Ｈは少なくとも１つのストアされた値であり、Ｘは２軸磁気センサからの第１の測定値であり、Ｙは、前記Ｘに対して直交する２軸磁気センサからの第２の測定値であり、
更に、前記チルトセンサからの入力と、Ｚの計算された値とを使用し地球の磁界の局所的水平成分Ｘcomp及びＹcompを計算するステップとを有し、ここで、チルトセンサは、ピッチ（φ）及びロール（θ）角を測定する２軸チルトセンサであり、局所的水平成分Ｘcomp及びＹcompは、相互に直交し、以下の式
Ｘcomp＝Ｘcosφ＋Ｙsin2φ−Ｚcosθsinφ    及び
Ｙcomp＝Ｙcosφ＋Ｚsinθ
（ここで、式Heading＝arcTan(Ｙcomp／Ｘcomp)を使用して補償されたヘッディング（Heading）が計算される）
を使用して計算されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にコンパスに関し、特に電子コンパスに関する。
【背景技術】
【０００２】
数百年の間、航行者などは、方位を判断するために地球の磁界を間接的に使用してきた。これは、磁界が地球の表面に対して平行な成分を持っており、通常は、磁北を指し示し、この北を指し示す成分は、コンパスで検知できるからである。磁場は、ほぼ双極子モデルであり、北半球では磁場は北を下向きに指し示し、赤道では水平に北を指し示し、南半球では北を上向きに指し示す。
【０００３】
地球の磁界の大きさは、かなり大きな領域にわたってやや一定に保たれており、北半球の殆どの領域で約０．４乃至０．６ガウスの範囲である。固体エレクトロニクスデバイスは、地球の磁界を容易に測定できるのに十分に敏感である。電子コンパスの精度は、コンパス自身の傾きに幾分依存し、コンパスが、完全に水平であるならば（即ち、局所的な水辺線に対して水平であり、地球の重力ベクトルに対して単に垂直である面であるならば）、コンパス方位（heading）は以下のように定義される；
方位(Heading)＝arcTan(Ｙ/Ｘ)                  （１）
ここで、Ｘ及びＹは、それぞれ前方及び左右方向における地球の水平磁界成分を示す。方位は、正しい北から時計回りに測定された水平面における角度である。
【０００４】
しかしながら、コンパスは通常、携帯したり、傾いた乗り物に固定されたりしているので、完全に水平方向に拘束されているわけではなく、いくらか傾いている。使用航空協定では、傾きは、局所的な水平面に対して、ピッチまたはロールのいずれかで定義され、ピッチは、航空機の長手方向軸線と局所的水平面との間の角度であり（ノーズアップピッチが正）、ロールは、長手方向軸線を中心とした回転の角度である（右翼下方が正）。
【０００５】
傾きに対して修正がなされないならば、ピッチに関して＋／−１０°の方位エラーが生じ、例えば、約９０°と２７０°の方位で９°の最大方位エラーが生じ、小さなエラーが他の方位で生じる。
【０００６】
電子磁気センサによって作られた信号をデジタル処理することができる電子コンパスは、傾き及び他の要因に関して数値的に補償することが出来る。正確な方位測定をさせるために傾いたコンパスに関して、式（１）はもはや正確ではないので、傾きは考慮されるべきである。典型的には、傾きによって生じる不正確さを克服するために、２軸チルトセンサと一緒に３軸電子磁気センサを使用すべきである。３軸磁気センサは、相互に直交する方位において地球の磁界を測定する。
【０００７】
ピッチ（φ）及びロール（θ）角の両者が、チルトセンサによって測定されるならば、傾いたコンパスを水平面に戻すのに数学的に回転させるのに以下の回転の式を用いることが出来、ここで方位は式（１）を使用して再度計算される：
Ｘcomp＝Ｘcosφ＋Ｙsin2φ−Ｚcosθsinφ              （２）
Ｙcomp＝Ｙcosφ＋Ｚsinθ                             （３）
ここで、Ｚは、磁気センサのＸ及びＹ軸と直交する地球の磁界成分を表し、Ｘcomp及びＹcompはそれぞれ、局所的な水平面に対して変換されたＸ及びＹ軸の読取値を表す。式（２）及び（３）は、３軸磁気センサ及び少なくとも２軸チルトセンサからの入力を使用して数学的に解くことが出来る。
【０００８】
しかしながら、携帯電話および時計などのいくつかのコンパス用途では、３軸磁気センサを適用するのに十分な空間はなく、１つの平面に２つのセンサを要求し、別の直交面において第３のセンサを要求する。従って、３軸磁気センサ（及びより大きなサイズ）の使用なしでより正確な方位測定をすることができるソリューションが望まれている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ある態様における、チルト補償コンパスシステムを開示する。かかるシステムは、２軸磁気センサ、チルトセンサ、メモリ、及び、プロセッサを含む。かかるシステムはまた、メモリ内にストアされた地球の磁界に関する少なくとも１つの値を含む。メモリはまた、２軸磁気センサからの入力と、地球の磁界強度に関する少なくとも１つのストアされた値とを使用して、２軸磁気センサ測定軸線と直交する磁界成分Ｚを計算するためにプロセッサによって実行可能な一組の命令をストアする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に好ましい実施形態を、添付の図面と一緒に記載する。ここで、同様な参照番号は種々の図において同様な要素を示す。
【００１１】
例示の実施形態では、電子コンパスは、地球の磁界の方向に対して比例する電子信号を生成することが出来るセンサを使用する。８つ（又はそれ以上）のコンパスポイントの読み出しを提供する超小型レクレーション電子コンパスでは、システムは最も近い１６°の方向を解析することができ、異方性磁気抵抗センサ（ＡＭＲ）、ホール効果、ＧＭＲ、誘導コイル、及びフラックスゲートセンサのような多くの磁気センサの感度の範囲内で容易である。
【００１２】
典型的には、少なくとも１６°の正確さを提供するためにコンパスチルトに関して補償するために、３軸磁気検知システム及びチルトセンサは、式（１）、（２）及び（３）を解くことが要求される。これは、見て分かるように式（２）及び（３）は、Ｘ、Ｙ及びＺ軸における磁界測定と、２軸におけるチルト測定を要求するからである。しかしながら、（Ｚ軸のような）１軸に沿って場の強度を数学的に計算することにより、３軸磁界センサでなく２軸磁界センサが、チルトに関しても補償する電子コンパスに使用され得る。従って、かかるコンパスは、相対的にフラットな２軸センサに対して直交するあるセンサが除外されるので、よりフラットにされ、よりコンパクトにすることが出来る。
【００１３】
図１は、例示的な磁気コンパス１０のブロック図である。当該コンパスは、２軸磁気センサ１４を含む。コンパス１０は、図２に示したような３軸内部座標系に関して地球の磁界を測定する。図２では、コンパスの内部座標系はＸ、Ｙ及びＺ軸で示され、重力ベクトルＧに対して直交する局所的水平面に関して表される。典型的には、内部座標系のＺ軸は、コンパス「水平（level）」方位に関して（又は、コンパスが取り付けられた装置に関して）下向きである。Ｙ軸は、Ｚ軸に対して垂直であり、右に延び、Ｘ軸は、Ｙ及びＺ軸の両方に対して垂直であり、一般的にコンパスの「前方」方向として位置づけられる。
【００１４】
磁北に関するＸ軸の方位は、方位角（azimuth）又は方位（heading）に用いられる。特に、水平面において磁北からコンパスのＸ軸まで時計回りに測定された角度が、ヘッディング（heading）である。コンパスが水平でなく、いくらかのピッチ、ロール、又は、その両者を備えるならば、（チルトに関して補償された）ヘッディングは、局所的な水平面上でのコンパスのＸ軸の投影である。関心のある磁気ヘッディングは、地球の磁界の水平成分からコンパスの内部座標の水平成分までを測定した角度である。図２では、補償されたチルト・ヘッディングは、２０°である。再び、航空協定を使用すると、図２のコンパスは、正（ノーズアップ）ピッチφ及び負（右翼上方）ロールθを有する。
【００１５】
図１に戻ると、２軸又は３軸チルトセンサ１２及び２軸磁気センサ１４からの入力が、Ａ／Ｄコンバータ１６に提供される。次いで、Ａ／Ｄコンバータ１６のデジタル化された出力は、チルトの補償のためのプロセッサ１８と他のエラーソースに提供される。プロセッサ１８は、ヘッディングソリューション計算を実行するためにメモリ２０内にストアされた所望のストアされた補償値及びオペレーティングシステムを使用することができる。
【００１６】
上で注意したように、いかなるチルト補償コンパスシステムにおいても、（式２及び３を解くために）ピッチ及びロール角は測定されるべきであり、かかる角度は、２軸又は３軸チルトセンサを使用して測定することができ、ここで、３軸センサは、座標系の最適選択のためにより良好な結果をもたらす。加速度計、フルイディクス（fluidic）、ＭＥＭＳ、又は、他のタイプのチルトセンサを使用することが出来る。
【００１７】
比較的低い精度が要求されるリクレーションコンパスに関して、内部座標系と直交する地球の磁界のＺ成分Ｚは、以下の式を使用して２軸センサから測定されたＸ及びＹの値を使用して修学的に導かれる；
Ｚ＝（Ｈ2−Ｘ2−Ｙ2）0.5                    （４）
ここでＨは、地球の磁界の大きさである。
【００１８】
いったんＺが式（４）から計算されたならば、Ｚの値は、式（２）及び（３）を解くためにピッチ及びロールデータと一緒に使用される。また、いったん式（２）及び（３）が解かれると、傾いたコンパスが、局所的水平面に戻るように数学的に「回転され」、式（１）を使用して計算されたヘッディングをすることができる。
【００１９】
２軸センサに直交する第３のセンサで直接測定するのではなく、Ｚを計算することにより、第３のセンサを除去することができ、腕時計や携帯電話のような電気製品内に容易に適合させるのに十分に小さくすることができ、チルトに対して相対的に高感度ではない非常にフラットで、コンパクトなセンサパッケージとすることができる。ハネウェルは、ＨＭＣ１００２、ＨＭＣ１０２２及びＨＭＣ１０５２のような種々の適切な２軸磁気抵抗センサを製造している。かかるシステムはまた、必要であれば、２つの別の単一軸センサと一緒に使用することが出来る。
【００２０】
例えば、ＨＭＣ１０５２は、おおよそ３ｍｍ×５ｍｍの表面マウントパッケージに入る現在のシステムにおいて有用な１０ピン２軸センサである。ＨＭＣ１０５２は、磁界を異なる出力電圧に変換する２つの相互に直交する４素子ホイートストンブリッジを備え、各ブリッジは、０．１ミリガウスより下の磁界を検知することができ、コンパス用途に関して適用可能なセンサをなす。より低い精度のコンパスでは、ＨＭＣ１０５２または他のセンサが、８又は１０ビットＡ／Ｄコンバータと一緒に用いることができる。
【００２１】
アメリカ合衆国及び殆どの北半球で使用するために、式（４）における地球の磁界Ｈは、デフォルト値としておおよそ０．５ガウスとして見積もられ、約１０°の精度の歩留まりであり、地球の磁界は０．４から０．６ガウスの範囲である。コンパスの精度は、コンパスが同様に使用されうる場所に対応して、デフォルト磁界強度値を設定することにより、より正確に改善することが出来る。デフォルト値、又は、Ｈに関するより特定の値のいずれかを改善するために、種々の場所において、地球の磁界に関する値を備えたルックアップテーブルをメモリ２０にストアすることができ、ヘッディング計算においてプロセッサ１８によって使用することができる。別の実施形態では、ユーザは、磁気センサ１４によって測定された最大磁界強度を判断するために、コンパスを傾け、コンパスを３６０°回転させることにより特定の領域についてコンパスを手動で較正することができる。次いで、測定された磁界強度をストアすることが出来る。
【００２２】
いったんロール、ピッチ、Ｈ、Ｘ及びＹデータがストアされ又はデジタル化されたならば、それらは、表示又は他の目的のためにチルト補償ヘッディング情報を提供するために上記式（１）乃至（４）を解くためにプロセッサ１８によって使用される。
【００２３】
図３は、電子コンパスに関する例示的は方法を図示したフローチャートである。最初に、ブロック２２では、Ｘ及びＹが２軸磁気センサ１４によって測定される。次いで、ブロック２４では、ピッチ（φ）及びロール（θ）角が、チルトセンサ１２によって測定される。かかるロール、ピッチ及び磁界は、いかなるオーダーで測定することもでき、各々の読み出しに要求される厳密な時間は、実際の目的に関して実質的には同時であるくらい十分短い時間であることに注意する。この短い測定時間は、測定されたロール及びピッチが、磁気測定と厳密に一致するのが望ましい。
【００２４】
測定されたＸ及びＹ値がプロセッサ１８に対して利用可能であるならばすぐに、ブロック２６に示したように、ストアされたＨの値を使用してＺを決定するために式（４）を解くことが出来る。いったんＺが分かったならば、ブロック２８に示したように、プロセッサは、測定されたピッチ（φ）及びロール（θ）角を用いてＸcomp及びＹcompのチルト補償値を求めるために式（２）及び（３）を解くことが出来る。局所的な水平（即ち、チルト補償された）成分Ｘcomp及びＹcompを使用することにより、チルト補償ヘッディングは、ブロック３０で示されたように計算され、ヘッディング情報を示すことで、ディジタル的に表示し又は転送することが出来る。
【００２５】
実施形態を例示的にのみ示したことを理解すべきであり、本発明の範囲をかかる実施形態に限定すべきでないことを理解すべきである。それ故、全ての実施形態は、添付の特許請求の範囲の範囲及び精神、並びにその均等の範囲の中に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】補償された電子コンパスのブロック図の例示である。
【図２】図１のコンパスに関する座標系の例示である。
【図３】図１のコンパスを実行するのに使用されうるフローチャートの例示である。
【図１】
2007500350.tif 000003
【図２】
2007500350.tif 000004
【図３】
2007500350.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成18年3月31日(2006.3.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの磁気センサと、
チルトセンサと、
メモリと、
プロセッサと、
前記メモリ内にストアされた地球の磁界に関する少なくとも１つの値と、
２軸磁気センサからの入力と、地球の磁界の強さに関する少なくとも１つのストアされた値とを使用し、２軸磁気センサ測定軸線に対して直交する磁界成分Ｚを計算するためにプロセッサによって実行可能であり、前記メモリ内にストアされた情報のセットと、
を有することを特徴とするコンパスシステム。
【請求項２】
少なくとも一つの磁気センサが、２軸磁気センサであることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
直交する磁界成分Ｚが、Ｚ＝（Ｈ2−Ｘ2−Ｙ2）0.5として計算され、ここで、Ｈは少なくとも１つのストアされた値であり、Ｘは前記２軸磁気センサからの第１の測定値であり、Ｙは、前記Ｘと直交する２軸磁気センサからの第２の測定値である、ことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
Ｚの計算値と、チルトセンサからの入力とを使用して、地球の磁界の局所的水平成分を計算することを更に有することを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記チルトセンサが、ピッチ（φ）及びロール（θ）角を測定する２軸チルトセンサであり、局所的水平成分Ｘcomp及びＹcompが、相互に直交し、以下の式
Ｘcomp＝Ｘcosφ＋Ｙsin2φ−Ｚcosθsinφ    及び
Ｙcomp＝Ｙcosφ＋Ｚsinθ
を使用して計算されることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
補償されたヘッディング（Heading）が、以下の式
Heading＝arcTan(Ｙcomp／Ｘcomp)
を使用して計算されることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【国際調査報告】
2007500350.tif 000006
2007500350.tif 000007