JPH09318357A - ３次元方位センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 より高精度で、且つ小型化や低価格化を図る
ことができる３次元方位センサを提供する。 【解決手段】 ３次元方位センサに、互いに直交する２
つの磁気センサと、上記２つの磁気センサを直交させた
まま、互いに直交する３つの軸をそれぞれ中心として回
転可能な回転機構とを設ける。そして、回転機構で磁気
センサを回転させながら磁気センサで地磁気を測定し、
磁気センサからの出力がピークとなるときの方位を検出
する。これにより、３次元空間における方位情報の基準
となる地磁気の方位が検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、３次元空間におけ
る方位を検出する３次元方位センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】３次元空間における方位を検出する３次
元方位センサとして利用されるセンサとしては、例え
ば、３次元空間における水準を検出する水準器がある。
水準器は、ガラス管に気泡を封入して気泡の移動状態を
検出することにより、傾き情報を得るものである。

【０００３】ところで、センサによって検出された情報
は、他の機器への取り込んだり、コンピュータ等によっ
て演算処理を施したりできるように、電気信号として出
力されることが好ましい。しかし、水準器からの情報を
電気信号として取り出すには、気泡の動きを光学的な手
法等を用いて検出する必要がある。そのため、水準器か
らの情報を電気信号として取り出そうとすると構成が複
雑になり、小型化や低価格化を図ることが難しくなって
しまう。また、水準器は、ガラス管を使用するために衝
撃に弱く、耐久性及び信頼性の点でも問題がある。

【０００４】また、３次元空間における水準を検出する
方法としては、物体に加わる重力を利用し、物体の重心
を求めることによって、３次元空間における水準を検出
する方法もある。しかし、この方法で十分な検出精度を
確保しようとすると、構成が非常に大がかりなものとな
ってしまい、小型化や低価格化を図ることは難しい。

【０００５】また、移動体の方位情報を検出する方法と
して、移動体の加速度を加速度センサによって検出し、
検出された加速度情報から方位情報を求める方法があ
る。しかし、この方法では、相対的な方位情報が検出さ
れることとなるため、一旦誤差が生じると、その誤差は
累積されてしまう。すなわち、この方法では、大きな累
積誤差が生じやすいという欠点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来、
３次元空間における方位の検出に使用されている機器
は、精度が不十分であったり、また、小型化や低価格化
を図ることが難しいという問題があった。

【０００７】そこで本発明は、このような従来の実情に
鑑みて提案されたものであり、より高精度で、且つ小型
化や低価格化を図ることができる３次元方位センサを提
供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに完成された本発明に係る３次元方位センサは、互い
に直交する２つの磁気センサと、上記２つの磁気センサ
を直交させたまま、互いに直交する３つの軸をそれぞれ
中心として回転可能な回転機構とを備えている。

【０００９】本発明に係る３次元方位センサにおいて、
互いに直交する２つの磁気センサは、各磁気センサに印
加している地磁気を検出する。また、回転機構は、地磁
気を検出している磁気センサを直交させたまま回転させ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した具体的な
実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明す
る。なお、本発明は以下の例に限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成を任意に変
更することが可能であることは言うまでもない。なお、
以下の説明では、互いに直交する３軸をそれぞれＸ軸、
Ｙ軸及びＺ軸と称し、鉛直方向をＺ軸、水平面内におい
て互いに直交する２軸をＸ軸及びＹ軸とする。

【００１１】本実施の形態に係る３次元方位センサは、
図１に示すように、第１の磁気センサ１と、第１の磁気
センサ１と直交するように配された第２の磁気センサ２
と、第１の磁気センサ１及び第２の磁気センサ２が取り
付けられた回転機構３とを備えている。また、図示して
いないが、この３次元方位センサは、第１の磁気センサ
１によって検出された磁界の大きさを表示する第１の表
示装置と、第２の磁気センサ２によって検出された磁界
の大きさを表示する第２の表示装置とを備えている。

【００１２】上記３次元方位センサにおいて、第１の磁
気センサ１は、地磁気の水平方向の成分を検出するため
のものである。そして、この第１の磁気センサ１は、第
１の磁気センサ１のセンシング面１ａに平行で、互いに
直交する一対のセンサ部を備えており、第１の磁気セン
サ１からの出力は、一方のセンサ部からの出力と、他方
のセンサ部からの出力との差動として出力される。一
方、第２の磁気センサ２は、地磁気の鉛直方向の成分を
検出するためのものであり、第１の磁気センサ１と同様
に、第２の磁気センサ２のセンシング面２ａに平行で、
互いに直交する一対のセンサ部を備えており、第２の磁
気センサ２からの出力は、一方のセンサ部からの出力
と、他方のセンサ部からの出力との差動として出力され
る。

【００１３】上記３次元方位センサにおいて、回転機構
３は、第１の磁気センサ１のセンシング面１ａと、第２
の磁気センサ２のセンシング面２ａとを互いに直交させ
たまま、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を中心とし
て、第１の磁気センサ１及び第２の磁気センサ２を回転
させることが可能となっている。すなわち、この回転機
構３は、２つの磁気センサ１，２を直交させたまま、互
いに直交する３つの軸をそれぞれ中心として回転可能と
なっている。そして、この回転機構３は、例えば、第１
の磁気センサ１を水平面に対して平行に回転させ、第２
の磁気センサ２を水平面に対して垂直に回転させる。

【００１４】上記３次元方位センサにおいて、第１の磁
気センサ１及び第２の磁気センサ２には、地磁気のよう
な微弱な磁界を検出することができる磁気センサを使用
する。具体的には、後述するような、磁気抵抗効果素子
を用いた磁気センサ、フラックスゲートを用いた磁気セ
ンサ、又はマグネトロ・インダクタンス素子（以下、Ｍ
Ｉ素子と称する。）を用いた磁気センサ等が好適であ
る。そして、これらの磁気センサは、通常、小型化や低
価格化が容易であり、しかも、高精度に磁界を検出する
ことができるので、このような磁気センサを用いた本実
施の形態に係る３次元方位センサは、高精度に方位を検
出することが可能であり、しかも、小型化や低価格化を
容易に図ることができる。

【００１５】ここで、磁気抵抗効果素子を用いた磁気セ
ンサの一構成例を図２を参照して説明する。

【００１６】この磁気センサは、９０°間隔でギャップ
Ｇ１０，Ｇ２０，Ｇ３０，Ｇ４０が形成されるように、
４つの円弧状の強磁性体コアＫ１０，Ｋ２０，Ｋ３０，
Ｋ４０が円環状に組み合わされるとともに、４つのギャ
ップＧ１０，Ｇ２０，Ｇ３０，Ｇ４０に対応するように
地磁気検出用の４つの磁気抵抗効果素子Ｍ１０，Ｍ２
０，Ｍ３０，Ｍ４０が配されて構成される。ここで、磁
気抵抗効果素子Ｍ１０，Ｍ２０，Ｍ３０，Ｍ４０は、Ｎ
ｉ合金等からなる強磁性薄膜の磁気抵抗効果を応用した
磁電変換素子であり、印加された磁界の大きさに応じ
て、抵抗値が変化する特性を持っている。

【００１７】上記強磁性体コアＫ１０，Ｋ２０，Ｋ３
０，Ｋ４０には、それぞれ励磁用コイルＣ１０，Ｃ２
０，Ｃ３０，Ｃ４０が巻回されており、この励磁用コイ
ルＣ１０，Ｃ２０，Ｃ３０，Ｃ４０に交流バイアス電流
Ｉｂを流すことにより、ギャップＧ１０，Ｇ２０，Ｇ３
０，Ｇ４０に対応するように配された各磁気抵抗効果素
子Ｍ１０，Ｍ２０，Ｍ３０，Ｍ４０に交流バイアス磁界
が印加される。

【００１８】一方、磁気抵抗効果素子Ｍ１０，Ｍ２０，
Ｍ３０，Ｍ４０は、定電位電源Ｖｃに接続されており、
この定電位電源Ｖｃから、各磁気抵抗効果素子Ｍ１０，
Ｍ２０，Ｍ３０，Ｍ４０にセンス電流が供給される。そ
して、このセンス電流の電圧変化を検出することによ
り、磁気抵抗効果素子Ｍ１０，Ｍ２０，Ｍ３０，Ｍ４０
の抵抗変化が検出され、これにより、各磁気抵抗効果素
子Ｍ１０，Ｍ２０，Ｍ３０，Ｍ４０に印加している磁界
の大きさが検出されることとなる。

【００１９】なお、図２に示した磁気センサにおいてセ
ンス部となるのは、磁気抵抗効果素子Ｍ１０，Ｍ２０，
Ｍ３０，Ｍ４０である。そして、同じ方向を向くように
配置された一対の磁気抵抗効果素子Ｍ１０，Ｍ３０が、
これらの磁気抵抗効果素子Ｍ１０，Ｍ３０の長手方向に
直交する方向の磁界を検出する第１のセンサ部となる。
また、磁気抵抗効果素子Ｍ１０，Ｍ３０と直交するよう
に配置された一対の磁気抵抗効果素子Ｍ２０，Ｍ４０
が、これらの磁気抵抗効果素子Ｍ２０，Ｍ４０の長手方
向に直交する方向の磁界を検出する第２のセンサ部とな
る。

【００２０】つぎに、フラックスゲートを用いた磁気セ
ンサの一構成例を図３を参照して説明する。

【００２１】この磁気センサは、外部磁界によってヒス
テリシス曲線がシフトする高透磁率材料からなる環状の
磁気コア１１０に、励磁用コイル１１１を巻回するとと
もに、互いに直交するように一対の検出用コイル１１
２，１１３を巻回してなるものである。

【００２２】ここで、一方の検出用コイル１１２は、磁
気コア１１０の左側の部分に巻回されたコイル１１２ａ
と、磁気コア１１０の右側の部分に巻回されたコイル１
１２ｂとからなり、他方の検出用コイル１１３は、磁気
コア１１０の上側の部分に巻回されたコイル１１３ａ
と、磁気コア１１０の下側の部分に巻回されたコイル１
１３ｂとからなる。

【００２３】この磁気センサで外部磁界を検出する際に
は、磁気コア１１０が過飽和状態にまで励磁されるよう
な高周波電流を励磁用コイル１１１に流しておく。この
とき、外部からの磁界が磁気コア１１０に作用していな
ければ、検出用コイル１１２の左右のコイル１１２ａ，
１１２ｂからの出力は同じ出力波形となる。そして、検
出用コイル１１２の左右のコイル１１２ａ，１１２ｂは
逆相に接続されているので、検出用コイル１１２の左側
のコイル１１２ａからの出力と、検出用コイル１１２の
右側のコイル１１２ｂからの出力とが互いに打ち消し合
って、検出用コイル１１２全体からは何も出力されない
こととなる。同様に、検出用コイル１１３の左右のコイ
ル１１３ａ，１１３ｂも逆相に接続されているので、検
出用コイル１１３の左側のコイル１１３ａからの出力
と、検出用コイル１１３の右側のコイル１１３ｂからの
出力とが互いに打ち消し合って、検出用コイル１１３全
体からは何も出力されないこととなる。

【００２４】一方、励磁用コイル１１１によって磁束Ｂ
が磁気コア１１０内に発生しているときに、検出用コイ
ル１１２の左右のコイル１１２ａ，１１２ｂを結ぶ線に
対して直交する方向の磁界が磁気コア１１０に加わる
と、この磁界がバイアス磁界として作用して、磁気コア
１１０の一方の側が早く飽和し、磁気コア１１０の他方
の側が遅れて飽和する。したがって、検出用コイル１１
２の左側のコイル１１２ａからの出力と、検出用コイル
１１２の右側のコイル１１２ｂからの出力との差分が、
磁気センサに印加している磁界の大きさに対応して出力
されることとなる。

【００２５】同様に、励磁用コイル１１１によって磁束
Ｂが磁気コア１１０内に発生しているときに、検出用コ
イル１１３の上下のコイル１１３ａ，１１３ｂを結ぶ線
に対して直交する方向の磁界が磁気コア１１０に加わる
と、この磁界がバイアス磁界として作用して、磁気コア
１１０の一方の側が早く飽和し、磁気コア１１０の他方
の側が遅れて飽和する。したがって、検出用コイル１１
３の上側のコイル１１３ａからの出力と、検出用コイル
１１３の下側のコイル１１３ｂからの出力との差分が、
磁気センサに印加している磁界の大きさに対応して出力
されることとなる。

【００２６】なお、図３に示した磁気センサにおいてセ
ンス部となるのは、検出用コイル１１２，１１３の部分
である。そして、検出用コイル１１２が、左右のコイル
１１２ａ，１１２ｂを結ぶ線に対して直交する方向の磁
界を検出する第１のセンサ部となり、検出用コイル１１
３が、上下のコイル１１３ａ，１１３ｂを結ぶ線に対し
て直交する方向の磁界を検出する第２のセンサ部とな
る。

【００２７】つぎに、ＭＩ素子を利用した磁気センサの
一構成例を図４を参照して説明する。

【００２８】この磁気センサは、一対のＭＩ素子２１
０，２２０が互いに直交するように配されて構成され
る。ここで、ＭＩ素子２１０は、数ガウス程度の微弱な
磁界で急峻な透磁率変化を示す角形特性の優れた磁性材
料からなる細長い磁性体２１１と、この磁性体２１１の
長手方向に巻回されたコイル２１２とから構成される。
同様に、ＭＩ素子２２０は、数ガウス程度の微弱な磁界
で急峻な透磁率変化を示す角形特性の優れた磁性材料か
らなる細長い磁性体２２１と、この磁性体２２１の長手
方向に巻回されたコイル２２２とから構成される。

【００２９】このような構成を有するＭＩ素子２１０，
２２０は、外部磁界の変化に応じて、磁性体２１１，２
２１の透磁率が変化し、その結果、コイル２１２，２２
２のインダクタンスが大きく変化する。したがって、コ
イル２１２のインダクタンスの変化を検出することによ
り、磁性体２１１の長手方向に平行な磁界を検出するこ
とができ、同様に、コイル２２２のインダクタンスの変
化を検出することにより、磁性体２２１の長手方向に平
行な磁界を検出することができる。

【００３０】この磁気センサにおいてセンス部となるの
は、各ＭＩ素子２１０，２２０である。すなわち、一方
のＭＩ素子２１０が、そのＭＩ素子２１０の磁性体２１
１の長手方向に平行な磁界を検出する第１のセンサ部と
なり、他方のＭＩ素子２２０が、そのＭＩ素子２２０の
磁性体２２１の長手方向に平行な磁界を検出する第２の
センサ部となる。

【００３１】つぎに、上記３次元方位センサによる方位
の検出について説明する。

【００３２】図５に示すように、地球Ｅの北極近辺には
Ｎ磁極が存在し、南極近辺にはＳ磁極が存在しており、
これにより、地磁気Ｈが生じている。そして、この地磁
気Ｈは、水平方向における方位情報を含むとともに、伏
角を有しており鉛直方向における角度情報も含んでい
る。すなわち、地磁気Ｈは、３次元情報を有しているの
で、３次元情報の基準として活用することが可能であ
る。そこで、上記３次元方位センサでは、この地磁気Ｈ
を基準とすることによって、３次元空間における方位を
検出する。

【００３３】具体的には、先ず、第１のステップとし
て、第１の磁気センサ１のセンシング面１ａを水平面に
対してほぼ平行にした状態で、第１の磁気センサ１を回
転機構３によってＺ軸を中心として回転させながら地磁
気Ｈを検出する。このとき、第１の磁気センサ１からの
出力は、地磁気Ｈの方向と、第１の磁気センサ１の向い
ている方向に依存している。したがって、第１の磁気セ
ンサ１によって検出された地磁気Ｈの大きさを表示する
第１の表示装置を参照して、第１の磁気センサ１からの
出力がピークとなる方位を検出することにより、地磁気
Ｈの水平面内における方位が分かることとなる。

【００３４】ここで、実際に第１の磁気センサ１を用い
て、Ｙ軸を中心とした第１の磁気センサ１の回転角度を
パラメータとして、第１の磁気センサ１をＺ軸を中心と
して回転させながら地磁気Ｈを測定した実測値を図６に
示す。なお、図６において、縦軸は、第１の磁気センサ
１の一方のセンサ部からの出力と、他方のセンサ部から
の出力との差動を取り増幅した出力を示しており、横軸
は、Ｚ軸を中心とした第１の磁気センサ１の回転角度を
示している。

【００３５】この図６に示すように、第１の磁気センサ
１からの出力は、第１の磁気センサ１の向いている方向
に依存しており、Ｚ軸を中心として１８０°回転する毎
にピークとなっている。したがって、第１の磁気センサ
１からの出力がピークとなる方位を検出することによ
り、地磁気の水平面内における方位が分かることとな
る。

【００３６】次に、第２のステップとして、第２の磁気
センサ２の方向を、上述のように検出された地磁気Ｈに
対して平行となるように設定した上で、第２の磁気セン
サ２を回転機構３によって水平面に対して垂直に回転さ
せながら地磁気Ｈを検出する。このとき、第２の磁気セ
ンサ２からの出力は、地磁気Ｈの方向と、第２の磁気セ
ンサ２の向いている方向に依存している。したがって、
第２の磁気センサ２によって検出された地磁気Ｈの大き
さを表示する第２の表示装置を参照して、第２の磁気セ
ンサ２からの出力がピークとなる方位を検出することに
より、地磁気Ｈの伏角が分かることとなる。

【００３７】ここで、実際に第２の磁気センサ２を用い
て、第２の磁気センサ２を地磁気Ｈに対して平行となる
ように設定した上で、第２の磁気センサを回転機構３に
よって水平面に対して垂直に回転させながら、地磁気Ｈ
を測定した実測値を図７に示す。なお、図７において、
縦軸は、第２の磁気センサ２の一方のセンサ部からの出
力と、他方のセンサ部からの出力との差動を取り増幅し
た出力を示しており、横軸は、第２の磁気センサ２の回
転角度を示している。

【００３８】この図７に示すように、第２の磁気センサ
２からの出力は、第２の磁気センサ２が向いている方向
に依存しており、１８０°回転する毎にピークとなって
いる。したがって、第２の磁気センサ２からの出力がピ
ークとなる方位を検出することにより、地磁気の伏角が
分かることとなる。

【００３９】以上の２つのステップにより、地磁気Ｈの
水平方向と垂直方向の両方、すなわち地磁気Ｈの方位及
び伏角が測定でき、これにより、３次元空間における基
準点が得られることとなる。

【００４０】なお、上記３次元方位センサは、３次元情
報を活用した機器に広く応用することができ、具体的に
は、移動体の移動量を測定する装置等に利用することが
できる。そして、移動体の移動量を測定する装置に上記
３次元方位センサを用いたときは、３次元方位センサに
よって得られた３次元空間における基準点に基づいて移
動体の移動量を測定することにより、移動体の移動量を
高精度に測定することができる。また、移動体の移動量
を検出したときには、検出された移動量に対して演算処
理を施すことにより、移動体の速度や加速度を検出する
こともできる。すなわち、移動体の移動量を時間で微分
することにより、移動体の速度を求めることができ、更
には、速度を時間で微分することにより、移動体の加速
度を求めることができる。

【００４１】なお、上記３次元方位センサにおいて、第
１の磁気センサ１及び第２の磁気センサ２からの出力は
電気信号として出力されるので、上記３次元方位センサ
では、３次元空間における方位情報を電気信号として取
り出すことができる。したがって、この３次元方位セン
サでは、検出された地磁気の方位や伏角に関する情報
を、他の機器への取り込んだり、コンピュータ等によっ
て演算処理を施したりすることが容易にできる。

【００４２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係る３次元方位センサは、方位情報を高精度に検出す
ることができ、しかも、小型化や低価格化を容易に図る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した３次元方位センサの一構成例
を示す模式図である。

【図２】磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサの一構成
例を示す模式図である。

【図３】フラックスゲートを用いた磁気センサの一構成
例を示す模式図である。

【図４】ＭＩ素子を用いた磁気センサの一構成例を示す
模式図である。

【図５】地磁気を示す模式図である。

【図６】第１の磁気センサの回転させながら地磁気を検
出した結果を示す図である。

【図７】第２の磁気センサの回転させながら地磁気を検
出した結果を示す図である。

【符号の説明】

１ 第１の磁気センサ、 ２ 第２の磁気センサ、 ３
回転機構

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに直交する２つの磁気センサと、 上記２つの磁気センサを直交させたまま、互いに直交す
   る３つの軸をそれぞれ中心として回転可能な回転機構
   と、 を備えていることを特徴とする３次元方位センサ。