JPH10185608A

JPH10185608A - 姿勢検出装置

Info

Publication number: JPH10185608A
Application number: JP34024796A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Tamura; 泰弘田村
Original assignee: A PLUS KK
Current assignee: A PLUS KK
Priority date: 1996-12-19
Filing date: 1996-12-19
Publication date: 1998-07-14
Anticipated expiration: 2016-12-19
Also published as: JP3576728B2

Abstract

(57)【要約】【課題】姿勢検出装置において、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ようにする。【解決手段】被検出対象物の姿勢情報を検出する姿勢
情報検出部２と、この姿勢情報検出部２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
報を演算により算出する演算処理部３とをそなえ、この
演算処理部３が、姿勢情報検出部２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３３をそなえるように構
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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ＣＰＵ１０
５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１０
４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５
０ｍｍ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１０
３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１０
４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。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】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】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、被検出対象物の姿勢情報を
検出する姿勢情報検出部と、この姿勢情報検出部で検出
された姿勢情報に基づいて、被検出対象物の姿勢に応じ
た角度情報を演算により算出する演算処理部とをそな
え、演算処理部が、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上記の
角度情報を補正しうる補正部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、姿勢情報検出
部が、地磁気による磁界強度を検出する磁気検出部と、
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
検出部とをそなえるとともに、演算処理部が、磁気検出
部での検出結果に基づき被検出対象物の地表水平面上で
の回転角情報を演算により算出する回転角演算部と、傾
斜検出部での検出結果に基づき被検出対象物の地表水平
面に対する傾斜角情報を演算により算出する傾斜角演算
部とをそなえ、且つ、補正部が、傾斜角演算部により得
られた傾斜角情報に基づいて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、回転角演算部において得られる回転
角情報を補正しうるように構成されていることを特徴と
している。

【００１０】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、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ている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Ｃ
ＰＵ、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、ＣＰ
Ｕ（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，２
Ｂ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２
Ａ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１０，１
１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２
４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３０ｍ
ｍ，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３
３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、ＣＰＵ
３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３
１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，ＨＺ
Ｈ）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】

【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】

【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，ｓｉｎ
φ＝Ｓ１，ｓｉｎθ＝Ｓ２として、式（４）を式（５）
に代入すると、ＨＸＨ＝ＨＸ・Ｃ２＋ＨＹ・Ｓ２・Ｓ１ −（−ＨＸＨ・Ｓ２＋ＨＹＨ・Ｃ２・Ｓ１）・Ｃ１・Ｓ２＝ＨＸ・Ｃ２＋ＨＹ・Ｓ１・Ｓ２＋ＨＸＨ・Ｃ１・Ｓ２² −ＨＹＨ・Ｃ１・Ｃ２・Ｓ１・Ｓ２・・・（８）式（４）を式（６）に代入すると、ＨＹＨ＝ＨＹ・Ｃ１＋（−ＨＹＨ・Ｓ２＋ＨＹＨ・Ｃ２・Ｓ１）・Ｓ１＝ＨＹ・Ｃ１−ＨＸＨ・Ｓ１・Ｓ２＋ＨＹＨ・Ｃ２・Ｓ１² ・・・（９）式（８）をＨＸＨについて整理すると、

【００３４】

【数３】

【００３５】式（９）をＨＸＨについて整理すると、

【００３６】

【数４】

【００３７】式（１０），式（１１）を結合して、ＨＹ
Ｈについて整理すると、

【００３８】

【数５】

【００３９】式（８）をＨＹＨについて整理すると、

【００４０】

【数６】

【００４１】式（９）をＨＹＨについて整理すると、

【００４２】

【数７】

【００４３】式（１３），式（１４）を結合して、ＨＸ
Ｈについて整理すると、

【００４４】

【数８】

【００４５】式（７）と式（３）より再計算すると、

【００４６】

【数９】

【００４７】式（５）に式（１６）を代入して整理する
と、

【００４８】

【数１０】

【００４９】ここで、Ｃ２²＋Ｓ２²＝ｃｏｓ²θ ＋
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】

【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】

【００５３】式（１９）に式（２２）を代入して整理す
ると、

【００５４】

【数１３】

【００５５】式（２０）に式（２２）を代入して整理す
ると、

【００５６】

【数１４】

【００５７】（Ｂ）基本定義図９に示すような基準となる座標系（ｘｈ，ｙｈ，ｚ
ｈ）を基準座標系とする。この基準座標系を例えば図１
０（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】

【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】

【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】

【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】

【００６５】となり、座標系１から基準座標系への逆変
換は、

【００６６】

【数１９】

【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】

【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：ｕｙ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（２
５）より、

【００７２】

【数２１】

【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、ｕ＝−ｔａｎ^-1（ｙ′／ｚ′）＝−ｔａｎ^-1（ｓｉｎφ／ｃｏｓφ）＝−ｔａｎ^-1（ｔａｎφ）＝−φ ・・・（３２）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】

【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、ｕ＝−ｔａｎ^-1（ｙ／ｚ）＝−ｔａｎ^-1〔ｓｉｎφ／（ｃｏｓφ・ｃｏｓθ）〕＝−ｔａｎ^-1（ｔａｎφ／ｃｏｓθ）・・・（３４）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、ｖ＝−ｔａｎ^-1（ｘ／ｚ）＝−ｔａｎ^-1〔−（ｃｏｓφ・ｓｉｎθ）／（ｃｏｓφ・ｃｏｓθ）〕＝−ｔａｎ^-1（−ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）＝−ｔａｎ^-1（−ｔａｎθ）＝θ ・・・（３５）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・ｓｉｎ
θ＋ｙ・ｓｉｎφ＋ｚ・ｃｏｓφ・ｓｉｎθより、

【００７８】

【数２３】

【００７９】式（４１），式（４４）より、

【００８０】

【数２４】

【００８１】これは、式（４０）同一結果となる。ま
た、式（４２），式（４４）より、

【００８２】

【数２５】

【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（ｘ
ｈ，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、ｃｏｓ²α＋ｓｉｎ²α＝ｔａｎ²（−ｖ）／ｔａｎ²β ＋ｔａｎ²（−ｕ）／ｔａｎ²β ∴ １＝〔ｔａｎ²（−ｖ）＋ｔａｎ²（−ｕ）〕／ｔａｎ²β ｔａｎ²β＝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】

【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】

【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】

【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】

【００９５】展開すると、ｘｈ＝ｘ・（ｃｏｓ²α・ｃｏｓβ＋ｓｉｎ²α）＋ｙ・（ｃｏｓα・ｃｏｓβ・ｓｉｎα−ｓｉｎα・ｃｏｓα） −ｚ・ｃｏｓα・ｓｉｎβ ｙｈ＝ｘ・（ｓｉｎα・ｃｏｓβ・ｃｏｓα−ｃｏｓα・ｓｉｎα）＋ｙ・（ｓｉｎ²α・ｃｏｓβ＋ｃｏｓ²α） −ｚ・ｓｉｎα・ｓｉｎβ ｚｈ＝ｘ・ｓｉｎβ・ｃｏｓα＋ｙ・ｓｉｎα・ｓｉｎβ＋ｚ・ｃｏｓβ ・・・（６３）となり、整理すると、ｘｈ＝ｘ・（ｃｏｓ²α・ｃｏｓβ＋ｓｉｎ²α−ｃｏｓ²α −ｓｉｎ²α＋１）＋ｙ・ｃｏｓα・ｓｉｎα（ｃｏｓβ−１） −ｚ・ｃｏｓα・ｓｉｎβ ＝ｘ・〔ｃｏｓ²α・（ｃｏｓβ−１）＋１〕＋・・・（以降省略）＝ｘ＋ｃｏｓα・〔ｘ・ｃｏｓα（ｃｏｓβ−１）＋ｙ・ｓｉｎα（ｃｏｓβ−１）−ｚ・ｓｉｎβ〕・・・（６４） ∴ｙｈ＝ｘ・ｃｏｓα・ｓｉｎα（ｃｏｓβ−１）＋ｙ（ｓｉｎ²α・ｃｏｓβ＋ｃｏｓ²α−ｃｏｓ²α−ｓｉｎ²α＋１）＝ｘ・ｃｏｓα・ｓｉｎα（ｃｏｓβ−１）＋ｙ〔ｓｉｎ²α（ｃｏｓβ−１）＋１〕＋ｚ・ｓｉｎα・ｓｉｎβ ＝ｙ＋ｓｉｎα〔ｘ・ｃｏｓα（ｃｏｓβ−１）＋ｙ・ｓｉｎ（ｃｏｓβ−１）−ｚ・ｓｉｎβ〕・・・（６５）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・ｓｉｎ²β／ｃｏｓβ）＋ｙ（ｓｉｎα・ｓｉｎ²β／ｃｏｓβ）−ｚｈ・ｓｉｎβ／ｃｏｓβ

【００９６】

【数３０】

【００９７】以上より、

【００９８】

【数３１】

【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、請求項１記載の本
発明の姿勢検出装置によれば、演算処理部の補正部にお
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、請求項２記載の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、請求項３記載の本発明の姿勢検出
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。

【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】

１３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）３ＣＰＵ（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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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
出する演算処理部とをそなえ、該演算処理部が、該姿勢情報検出部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
正しうる補正部をそなえて構成されていることを特徴と
する、姿勢検出装置。
【請求項２】該姿勢情報検出部が、地磁気による磁界強度を検出する磁気検出部と、該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るとともに、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
角演算部とをそなえ、且つ、該補正部が、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しうるよ
うに構成さ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
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ていることを特徴
とする、請求項２記載の姿勢検出装置。