JPS6067816A - 位置測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は携帯用の位置測定装置に関する。

人が、散歩、ハイキング、山歩き、地図による場所探し
、あるいは自動車でのドライブ中などにおいて現在地を
確認したいとか、動いた距離や現在向かっている方向を
知りたいとかいう当然の要求があるが、従来このような
希望を満たすための適当な測定機は存在しなかった。

本発明はこのような、任意に行動した結果としての位置
方向等の情報を知りたいという要求に応えることのでき
る位置測定装置を提供することを目的とする。以下に図
面をもって本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例の斜視図である。１は装置の
ケースであり、小型電卓のように服の胸ポケットに納ま
り歩行者と共に移動する。２は液晶表示装置であり１画
面に測定結果を表示する。

３は測定開始時に押すスタートスイッチであり。

測定中に押せば画面の切り換えが行われる。４は測定終
了時に押され１次の再スタートを可能にするスイッチで
あり、誤操作防止のため沈みボタンになっている。５は
方位を確認するため設けた磁針、６は参照用の地図を差
し込むスリットで、差し込まれた地図は液晶表示装置２
をとおして透視可能となる。７は装置の姿勢を検知する
ための水銀スイッチのような素子で、装置が甚だしく傾
いて正確な加速度成分が測定できなくなったとき。

ブザーから警告音を出して使用者に知らせるために設け
たものである。ｘ、ｙ、ｚは装置のケースに固定した座
標軸で、以下の動作説明のためのものである。ＸＩ、Ｘ
２およびＹはそれぞれ加速度センサーであって、センサ
ーＸＩ、Ｘ２ばともにＸ方向の加速度を感じるような方
向に、またセンサーＹはＸ方向の加速度を感じるような
方向にケース１内に固定されでいる。またセンサーＸ１
とＸ２は、装置の２軸まわりの回転を検出するため所定
の距離だけ離して置かれている。

第２図は液晶表示装置２の画面を例示したもので、同図
（ａ）はスタートか−らの経過時間、移動の平均速度、
移動した距離、出発点を原点として大地に固定した座標
に対し移動によって変位した距離の成分等を数字表示し
ている状態を示し、同図（ｂ）は出発点から現在地に至
る航跡の水平成分を一定の縮尺で図示したもので、同じ
縮尺の地図と重ねて透視することにより直ちに到達地点
を知ることができる。表示（ａ）と表示（ｂ）とは切り
換えスイッチ３により転換する。画表示は１層のドソト
マＩ−リクス液晶表示装置によるか、数字・文字セグメ
ント表示層とドントマトリクス眉より成る複層の液晶表
示装置を用いて表示される。

第３図は本発明に用いる加速度センサー用容量素子の構
造を示す分解斜？Ｍ図である。２０はガラス、セラミッ
ク、プリント板、シリコン、金属等より成る基板、２１
はその表面に設けられた導電性の薄膜より成る固定電極
（基板が導電性であるときは不要）、２２はその引出し
線のパターン。

１９はスペーサー膜、１４は金属の薄膜であり。

窓１５．１６がエツチング加工により打ち抜かれており
、その結果としてバネ部１７で支えられた可動極板１８
が形成される。１１は絶縁性の材質より成る素子の蓋で
あり、可動極板１８の運動を妨げないような凹部を有す
る。１３は導電性パターンで、金属板１４に接触しその
引出し線となる。

上記の各部品は図示の方向のまま重ねあわせ接合される
ことによって（好ましくは内部を真空にすることによっ
て、可動極板の運動の空気抵抗がなくなるが、極板の好
ましくない振動を防止するためのダンピング要素として
適量の気体を封′入することがある　。）１個の容量素
子２３が構成される。可動極板１８はハネ部１７で片持
ち支持され、スペーサ１９の厚さに等しい間隔で固定極
板と対向している。本素子は金属薄Ｈ＠１４の面に垂直
な方向に加速度の感度方向がある。即ち素子２３がその
担体（図示しない回路基板など）と共に上向きの加速度
運動をするときは両極板の中心が近寄って素子の容量は
増し、逆に下むきの加速度を持つときは両極板の中心が
離れて素子の容量は減する。尚加速度測定時、可動極板
１８が振動すると好ましくないので、その固有振動数は
極力高く設定する。（少なくとも３００Ｈｚ以上が好ま
しい。）この容量素子の製作には、集積面￥ＩｐＦ製造
技術の応用である。薄膜形成技術と写真腐食技術を主と
するいわゆるマイクロテクニックを用いることが、素子
の小型化と固有振動数の上昇に有効である。

第４図は加速度センサーとなる発振回路を示す。

Ｃは容量素子２３と同一物である。Ｒは所定の時定数を
与えるための抵抗であり、これらはナンド回路３１．イ
ンバータ３２および３３の帰還ループに組み込まれ発振
回路を構成し、Ｐは発振のＯＮ−〇ＦＦ制御のための端
子、Ｑは出力である。

発振周波数はＣの容量値により変化するが、この変化の
加速度に対してほぼ直線的とみなせる範囲を利用する。

第５図は１個の発振回路で複数の加速度センサーＸｉ、
Ｘ２．Ｙ、Ｚを駆動する回路の一例を示す。Ｒ１，Ｒ２
，Ｒ３，Ｒ４はそれぞれの容量素子に組み合わされた抵
抗素子、３４は切り換え回路でシフト用入力端子３５を
持っており、内部は本例のように４個の加速度センサー
素子に対応して４ビツトシフトレジスタによって制御さ
れるトランスミッションゲート回路群で構成され、一時
に一個の容量素子のみが発振回路に接続され、しかも端
子３５に入力があるつど発振状態にある容量素子が所定
の順番で切り替わる。本実施例では各方向の加速度を順
次サンプリングするようにしたので、常時数個の発振回
路を動作させておく必要はなく２本図のようにすること
によって消費電流の点で経済的であるばかりでなく、温
度や電圧に対する発振周波数の変化或いは出力周波数の
加速度に対する非直線性等の補償もただ一つの発振回路
に対してだけ行えばよい利点を有する。

第６図は本実施例の回路システムのブロックダイヤグラ
ムである。４１は複数の加速度センサー発振回路、４２
は加速度測定回路で、センサーの一つの発振周波数の、
静止状態との差をカウントする例えばブリセソトカウン
クと、カウント結果を蓄えるメモリーから主として成っ
ている。４３はタイミング制御回路であって、測定セン
サーの選択や後述する演算の動作タイミングをコントロ
ールする。４４ば第１図におけるスイッチ３，４に対応
する。装置をマニュアル制御するスイッチである。４５
は加速度測定回路から測定データをもらって積分し、刻
々の速度、変位を計算し、またその結果を表示装置４６
に対して出力する演算表示回路である。

第７図は本装置において行われる加速度の演算方式を説
明する図である。Ｎ−８，Ｅ−Ｗは方位を示す。■は出
発点にある本装置で、出発時には方位磁針５を用いて装
置のｙ軸を正確に例えば北（Ｎ）に向けておくものとす
る。さて装置は点線（矢印）のうな任意の径路をたどり
、またその間角度θだけ傾いて１′の位置に来たものと
する。

（尚装置は２軸を鉛直方向に保ったまま移動されるもの
とする。）この時Ｘ方向に感度を有するセンサーＸ１が
感している加速度をＸＩ、ｙ方向に感度を有するセンサ
ーＹが感じている加速度をＹとすると、装置に作用して
いる絶対加速度ＡＸ（Ｗ−Ｅ方向）、ＡＹ（Ｓ−Ｎ方向
）はそれぞれＡＸ＝Ｘｌｃｏｓθ−Ｙ　ｓｉｎθ　（１
）ＡＹ＝Ｘｌｓｉｎθ＋Ｙｃｏｓｅ　（２）また、角度
θの変化率（角速度）をΩとし、さらにその変化率（角
加速度）をΔΩとすると、比例定数をＢ　（ＸＩ、Ｘ２
の感度および距％！Ｉｔによって定まる。）として。

ΔΩ−Ｂ　（ＸＩ−Ｘ２）　（，３） となる。尚、鉛直方向（高さ方向）の絶対加速度は装置
があまり傾かないという前提のもとで、２方向に感度を
有するセンサーＺの感じる加速度に等しい。

あとはこれらの基礎式を用いて数値精分を刻々行い、速
度、変位の各成分をめてゆけばよい。

第８図は演算のためのフローチャートを示す。

同図（ａ）は各センサーの加速度測定のフローで。

まずブロック５０において、センサー素子Ｘ１を含む発
振回路　ｏｓｃｘｉ　を起動する。（第４図における制
御端子３３にゲートを開くための信号を与える。）次に
発振が過渡状態を脱するまで所定時間待つ。発振周波数
を測定し、　（周期測定でも基本的には同じことである
。）加速度に比例する周波数偏差のカウント値を、カウ
ンター回路によって測定しメモリーＸ１にストアする。

っぎのブロック６０においてはセンサーＸ２を含む　０
３ＣＸ２　に発振が切り換えられ同様な手順でデータが
メモリＸ２に蓄えられる。次のブロック７゜においては
　ｏｓｃｙ　とメモリーＹについて。

また更にブロック８０においては　ｏｓｃｚ　とメモリ
ーＺについτ同じ作業が行われる。ブロック９０におい
ては測定の１サイクルが所定時間に一致する様時間待ち
が行われる。更にブロック１゜Ｏにおいて測定終了スイ
ッチが押されたことが検出されない限り上述のサイクル
を繰り返す。

ここで、センサーや測定系に要求される条件を定量的に
考察してみよう。歩行の際の加速度変化を検出して、十
分正確な変位が演算できるために必要な感度はおよそ０
・０ＩＧ（Ｇは重力加速度）あるいはそれ以上であるこ
とが望ましい。またサンプリングの間隔が長すぎると細
かい加速度変化を忠実に追えないから、測定サイクルは
０・１秒程度かそれ以下であることが望ましい。即ち１
個のセンサーに割り当てられる測定時間はやはり０・０
１秒のオーダーである。第３図に示したセンサー素子の
容量変化の感度はおよそＩＧ当たり数パーセントであり
、従って発振周波数の変化率も同じである。いま、セン
サーの加速度の無い状態での発振周波数を仮にＩ　Ｍ　
Ｈｚとすると、そのセンサーに割当てられた測定時間例
えば０・０１秒間における周波数のカウント値は１００
００であり、センサーの感度をＩＧあたり２パーセント
とすると、０・０１Ｇの加速度変化に対するカウントの
変化は １００００＊０・０２＊０・０１−２ となるから１発振周波数はＩ　Ｍ　Ｈ２程度以上あれば
かなり良い精度での測定が期待でき為。もちろん精度の
点をがまんして、あるいはセンサーの感度によっては、
もっと低い周波数（例えば１００ＫＨｚ以下）またはも
っと高い周波数（例えば１０ＭＨｚ以上）を用いること
ができる。またこのセンサーつき発振器の発振周一波数
を測定するかわりにその周期（分周したものも含む）を
別の基準周波数源で測定してもよい。ただしこの場合は
カウントの増減と加速度の大小との関係が前の場合とは
逆になる。また、前述のようなセンサー素子を抵抗と組
合せて充放電回路を構成し、加速度によって変化する充
電又は放電時間を別のクロック周波数で測定するような
センサーを構成してもよい。

第８図（ｂ）は、同図（ａ）のシステムで測定した加速
度データを用いて、速度、距離、及び角度を演算するフ
ローチャートを示す。ここで行う数値積分は、単に微少
要素を逐次加算することで行っている。測定開始のスタ
ートボタンが押されると、まずブロック１１０において
積分された数値の入るメモリーＶＸ、ＶＹ、ＶＺ、ＤＸ
、ＤＹ、ＤＺ、Ω、θ、Ｌがクリヤーされる。　（各メ
モリーの名称はそれに格納される数値をもあられし。

それぞれＶＸは出発点におけるＸ方向の絶対速度。

ｖｙは出発点におけるＹ方向の絶対速度、Ｚは２方向の
絶対速度、ＤＸは出発点におけるＸ方向の絶対変位、Ｄ
Ｙは出発点におけるＹ方向の絶対変位、ＤＺばＺ方向の
絶対変位、Ｌは移動距離を意味する。

次にブロック１２０において。

ΔΩ−Ｂ　（ＸＩ−Ｘ２）　（３） Ω−Ω＋ΔΩ　（４） θ＝θ＋ＥΩ　〈５） （イＱＬＥは比例定数） を計算し、角変位がめられる。次にブロック１３０にお
いて。

ＡＸ＝Ｘ１ｃｏｓθ−Ｙ　５ｉｎｏ　（６）ＢＸ＝Ｘ］
　ｓｉｎθ＋Ｙ　ｃｏｓθ　（７）により、絶対加速度
を計算する。次にプロ・ツク１４０においては。

ＶＸ＝ＶＸ＋ＡＸ　（８） Ｖ　Ｙ　−Ｖ　Ｙ　＋　Ａ　Ｙ　（９）ｖｚ＝ｖｚ＋ｚ
　（１０） の各式により、絶対速度を計算する。つぎにプロ・２り
１５０においては。

ＤＸ＝ＤＸ＋Ｃ＊ＶＸ　（１１） ＤＹ−ＤＹ＋Ｃ＊ＶＹ　（１，２） Ｄｚ＝Ｉ）ｚ＋Ｃ＊ｖｚ　（１３） Ｌ＝Ｌ＋Ｃ（ＶＸ２＋ＶＹ２）’＋　（１４）ＶＭ＝Ｌ
／Ｔ　（１５） （但しＣは比例定数） の各式により、３方向の絶対変位、移動距離、平均速度
（ＶＭ）を計算する。百Ｔは出発からの経過時間で、Ｔ
やカウンタの基準には水晶発振器を用いる。これでａ・
要な量はすべてめられた。

さてブロック１６０では、ユーザーが数字表示か地図表
示かのいずれを選択する操作をしたかを判断する。その
結果によりプロ・ツク１７０かブロック１８０かのいず
れかが選択され、前者であれば前記計算結果を数字で第
２図（ａ）のように表示し、後者であれば移動の径路を
第２図（ｂ）のように所定の縮尺で図形表示する。プロ
・ツク１９０は演算・表示すイクルを所定の時間または
タイミングに合わせるための待ち時間を作り出すタイマ
ーで必要に応して設けられる。進行ループはブロック２
００で測定が終了したことが検出されなければブロック
１２０の直前に戻ってっぎのサイクルを繰り返す。

以−１−フローチャートで概略を示した動作機能は。

少なくともその主要部を１チツプないし数チップのＩＣ
にまとめられて禾装置内に電源電池、センサー素子２衷
示装置等と共に実装される事が好ましい。

次に本発明の他の実施例として、前述、の第一実施例の
変形例を述べる。例えば装置の外観は懐中時計状でもよ
いし、ヘルドに取りつける物でもよく、或いは携帯用の
ラジオ、テープレコーダー。

カメラ等の機器の一部に組み込んでもよい。また表示装
置と本体とをヒンジでつないで、それらの間に地図を挟
むようにしてもよいし１表示装置の辺の部分に本体を配
置して表示装置を常時素透しとして地図と重ねられるよ
うにしてもよい。或いは小さな表示装置で数字を主とし
た表示を行うようにして装置をコンパクトにしてもよい
。次に。

加速度センサーの原理・形式はすでに種々なものが有り
２例えばアナログ量で出力するものもあって使用可能で
あるが演算のためＤ／Ａ変換が必要なので装置の簡素化
・消費電力の点で前記実施例のように直接デジタル量が
出力されるものの方が望ましい。更に、サンプリング・
演算の方式であるが、各センサー素子を常時動作させて
おきその出力をサンプリングするか、前記実施例のよう
に時分割動作させるかは消費電力と測定精度との兼ね合
いによる。積分演算も実施例では単純な加算で行ったが
シンプソン法その他誤差を少なくする方式を用いてもよ
い。また前記実施例では装置が傾かないという前提のも
とに４個のセンサーで目的を達したが２重錘を応用した
センサーによって鉛直線に対する装置の（ｌＪｉ斜方向
と傾斜角を知れば補正演算も可能であるし、さらに進ん
で６個のセンサー素子（前記実施例では素子ＸＩ、Ｘ２
によって２軸まわりの角加速度のみを検出したが、更に
Ｘ軸、ｙ軸まわりの角加速度検出のため例えばＺ素子と
平行でｙ方向に離れたＸ２素子、ＸＩ素子と平行で２方
向に離れたＸ３素子を追加する。

）により３軸方向のすべての加速度と角加速度とを検出
し１演算はかなり複雑になるが装置の姿勢にかかわらず
絶対変位をめるようにしてもよい。

また上記例では直線加速度と角加速度をめる素子を一部
兼用したが、これらを分離してもよい。

逆に装置の簡略化のため、たとえばｉｌ’ｌｉさ方向の
センサーを省略する事もありうる。また、スタート時点
で装置が静止していないと大きな債算誤差を生ずるので
、加速度がゼロであることを検出する回路を設け、スタ
ートスイッチが押された直後の所定短時間内の加速度が
ゼロでない場合伏１゛ブザー等で使用者に警告してやり
直さ・Ｕると、ｊ；い。

以」二の説明から明らかな如く１本発明の位置測定装置
は特定方向の加速度成分の作用により出力周波数が変化
する性質を持つ複数の加速度センサーと、該センサーの
周波数または周期をカウンターによって測定して刻々の
加速度データを成分毎にカラン１−値として得る測定手
段と１表示装置と。

前記得られた加速度データを積分して刻々の変位を演算
する演算手段と、少なくとも該変位を数字又は図形によ
って前記表示装置の画面上に表示する表示手段とから構
成されていることを特徴とするものであるので、使用者
が簡便に用いて容易に自己の位置や移動の径路を知ると
いう従来果たせなかったニーズに応える効果がある。

【図面の簡単な説明】

各図はいずれも本発明の一実施例に関するもので、第１
図はその一部透視図を含む斜視図、第２図（ａ）、（ｂ
）の各図はその表示画面の正面図。 第３図は加速度センサー素子の分解斜視図、第４図およ
び第５図は加速度センサー回路図、第６図は回路システ
ムのブロックダイヤグラム、第７図は加速度演算方式の
説明図、第８図（ａ）および（ｂ）は変位演算のフロー
チャートである。 １・・・装置のケース、２・・・表示装置、３，４・・
・スイッチ、　Ｘ］、、Ｘ２．Ｙ、Ｚ、２３・・・加速
度センサー素子、５０〜２００・・・演算の各ステージ
。 第１図 メ 第３図　第４図 第６図 第７図　１ （ａ）　第　８　図　（ｂ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）特定方向の加速度成分の作用により出力周波数が
   変化する性質を持つ複数の加速度センサーと、該センサ
   ーの周波数または周期をカウンターによって測定して刻
   々の加速度データを成分毎にカウント値として得る測定
   手段と１表示装置と、前記得られた加速度データを積分
   して刻々の変位を演算する演算手段と、少なくとも該変
   位を数字又は図形によって前記表示装置の画面上に表示
   する表示手段とから構成されていることを特徴とする位
   置測定装置。
2. （２）前記センサーの主要部は、固定極板と１片錘り性
   で支持バネを有する可動極板とより成る容量素子である
   事を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の位置測定装
   置。
3. （３）前記複数のセンサーのうち少なくとも１組の加速
   度測定方向は位置測定装置が通常の姿勢を取るとき水平
   面内で直交する２方向を向き、又他の１組は回転検出の
   ため同じか又は反対方向を向くように取りつけられてい
   る事を特徴とする特許請求の範囲第１項の位置測定装置
   。