特許ウォッチ

公開番号2025118327
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-13
出願番号2024013593
出願日2024-01-31
発明の名称センサー装置、センサーモジュール、集積回路、傾斜角推定方法及び方位検知方法
出願人株式会社東芝
代理人個人,個人,個人
主分類G01P 21/00 20060101AFI20250805BHJP(測定;試験)
要約【課題】スケールファクタに対する依存性のない傾斜角推定を行うことが可能なセンサー装置、方位検知装置、センサーモジュール及び傾斜角推定方法を提供する。
【解決手段】本実施形態に係るセンサー装置は、回転軸を中心として回転可能な回転系に、前記回転軸に垂直な面及び前記回転軸のいずれにも平行でない軸を有する加速度計が設けられ、前記回転系を回転させる機構と、回転させられる前記回転系の3点以上の回転角度に対応して前記加速度計で測定される加速度を取得し、前記加速度を前記回転系の回転に追従する第1成分と追従しない第2成分とに分離し、前記第1成分と前記第2成分とに基づいて、前記回転系の傾斜角を推定する、処理部と、を備える。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
回転軸を中心として回転可能な回転系に、前記回転軸に垂直な面及び前記回転軸のいずれにも平行でない軸を有する加速度計が設けられ、前記回転系を回転させる機構と、
回転させられる前記回転系の３点以上の回転角度に対応して前記加速度計で測定される加速度を取得し、前記加速度を前記回転系の回転に追従する第１成分と追従しない第２成分とに分離し、前記第１成分と前記第２成分とに基づいて、前記回転系の傾斜角を推定する、処理部と、
を備えたセンサー装置。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記第１成分は、前記回転軸に垂直な前記面に平行な成分、前記第２成分は、前記面に垂直な成分である、
請求項１に記載のセンサー装置。
【請求項３】
前記回転系に、前記回転系の前記面に平行な軸を有するジャイロスコープが設けられ、
前記処理部は、回転させられる前記回転系の３点以上の回転角度に対応して前記ジャイロスコープで測定される角速度を取得し、前記角速度と、推定した前記回転系の前記傾斜角とに基づき、特定の方位の方向を推定する、
請求項１に記載のセンサー装置。
【請求項４】
前記特定の方位は、真北又は真南である、
請求項３に記載のセンサー装置。
【請求項５】
TIFF
2025118327000022.tif
56
170
【請求項６】
前記第１の値は６１度、
前記第２の値は７度である、
請求項５に記載のセンサー装置。
【請求項７】
請求項７に記載のセンサー装置に備えられる、前記ジャイロスコープと前記加速度計とが１チップに集積された集積回路。
【請求項８】
請求項３に記載の
前記集積回路を実装したパッケージと、
前記パッケージを前記回転系に取り付けることが可能な機構と、
を備えたセンサーモジュール。
【請求項９】
回転軸を中心として回転可能な回転系に、前記面及び前記回転軸のいずれにも平行でない軸を有する加速度計が設けられた前記回転系を回転させ、
回転させられる前記回転系の３点以上の回転角度に対応して前記加速度計で測定される加速度を取得し、
前記加速度を前記回転系の回転に追従する第１成分と追従しない第２成分とに分離し、前記第１成分と前記第２成分とに基づいて、前記回転系の傾斜角を推定する、
傾斜推定方法。
【請求項１０】
回転軸を中心として回転可能な回転系に設けられた、前記回転軸に垂直な面に平行な軸を有するジャイロスコープと、前記回転系に設けられ、前記面及び前記回転軸のいずれにも平行でない軸を有する加速度計と、を回転させ、
回転させられる前記回転系の３点以上の回転角度に対応して、前記ジャイロスコープおよび前記加速度計で測定される角速度及び速度を取得し、
前記加速度を前記回転系の回転に追従する第１成分と追従しない第２成分とに分離し、
前記第１成分と前記第２成分とに基づいて、前記回転系の傾斜角を推定し、
前記角速度と、推定した前記回転系の前記傾斜角とに基づき、特定の方位の方向を推定する、
方位検知方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、センサー装置、方位検知装置、センサーモジュール及び傾斜角推定方法に関する。
続きを表示（約 2,000 文字）【背景技術】
【０００２】
真北を検知する方法として一般には磁気が用いられる。しかし、地磁気は非常に微弱であり、近傍の磁化した金属に強く影響を受け正しい北を示さないことが多い。GPS（Global Positioning System）のオプションに方位を出す機能があるが、GPS衛星への見通しが確保できない屋内では使用できない。
【０００３】
周囲の建造物の影響を受けずに高精度に真北を推定する方法として、ジャイロスコープを使用して地球の自転を検出する方法がある(非特許文献1)。
【０００４】
図14を用いて説明する。(a)は地球を模した球であり、地球は角速度ω
ie
で自転している。黒い丸の位置Pでの真北を検知する例を考える。Pの位置でNED (North-East-Down)座標を形成する軸を矢印で示した。(b)はこれを水平面の真横から見た図である。地球は図の上向きを軸として回転している。Pの位置は緯度L[rad]である。Pでも角速度ω
ie
は図内上向きの回転として現れる。この回転は、北方向ベクトルNorthの方向の回転軸にcosLの大きさで射影される。すなわち、North方向に軸を持つジャイロをPの位置に置くとω
ie
cosLの大きさで地球の自転が観測できる。(c)はPをNED座標での真上、すなわち、地平を上から見た図である。ジャイロの軸を北ではなく、真北からα
i
(i=1, 2)だけ水平面上で回転させた角度に置く場合を考える。北方向への地球自転の射影ω
ie
cosLはさらに、α
i
の角度でジャイロの軸に射影され、各方向にジャイロ軸を置いた場合に検出される地球自転の角速度はω
ie
cosLcosα
i
となる。ω
ie
cosL=ω
iem
と置くと、ω
iem
cosαとなり、αを0～2πまで1周回転させると、地球自転の角速度は正弦波状に変化する。1周回転させた時に、地球自転の角速度はαが真北にある時に最も大きく観測される。
【０００５】
したがって、地球自転を測定できる程度の高感度ジャイロを回転台に乗せ、水平面上でその軸を一周させて得た角速度の波形からピークを示したジャイロ軸の角度を検出することにより真北を検出できる。地球の自転を検出するものであるため、電波環境や磁気環境によらず検出可能である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
Yongjian Zhang, Bin Zhou , Mingliang Song, Bo Hou, Haifeng Xing and Rong Zhang, “A Novel MEMS Gyro North Finder Design Based on the Rotation Modulation Technique,” Sensors (Switzerland) vol.17 (5), Article number 973, 2017
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
真北を正確に検出しようとする場合、ジャイロの軸を完全に水平面内で回転させる必要がある。もし回転台がNorthを軸として東西に若干傾いていると、回転台の面が、水平面と完全に一致する別の緯度経度の地点に置いてあるのと同じ動作となる。したがって北角度はPの経度ではなく、回転台面が水平面と一致する別の地点の緯度経度での北を示してしまう。
【０００８】
真北の要求精度によるが、1度を下回るような精度が要求される場合、同程度の回転台の水平度が要求され、簡単には実現できない。
【０００９】
この問題については、回転台を完全に水平に置かなくても、回転台上に軸を持つ加速度計を併設して、重力方向を検出し、傾きを測定することにより、完全に水平に置けなかったために生じた誤差を補正できることが示されている(非特許文献1)。
【００１０】
回転台の傾斜は、実際には、ジャイロや加速度計の軸に対してピッチとロールの2つの角度で表されるが、説明を簡単にするために、加速度計の軸がそれに垂直な回転台面上の軸に対してθだけ傾いているとして、1つの傾き角θで説明する。図15(a)のように傾いた回転台に水平に軸を持つように加速度計を設置し、回転台を1周回転させると、重力の加速度計の軸への射影がやはり正弦波状に変化する。検出された加速度正弦波の振幅からθを求めることができる。
（【００１１】以降は省略されています）

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