JP4161985B2 - 方位検出機能付き携帯電子機器及びそのキャリブレーション方法 - Google Patents

Description

本発明は、方位検出機能付き携帯電子機器に関し、特には、折畳み式の携帯電子機器に搭載された磁気センサの出力のキャリブレーションを容易にするための技術に関する。

地磁気を検出する磁気センサを備え、この磁気センサによって検出された地磁気に基づいて方位測定を行う携帯電話等の携帯端末が知られている。測定された方位は、例えば地図の表示に利用される。一例として挙げると、位置検出を行うＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）センサを備え、現在位置に基づいた地図を、携帯端末の向き（方位）に合わせて表示する機能を有する携帯端末が登場している。

ところが、携帯端末は、これに搭載されるスピーカおよびマイクロホンや、着磁した電子部品の金属パッケージ等から漏れる磁気が存在するため、この携帯端末に搭載された磁気センサは、携帯端末内部の電子部品等から発生する磁界と地磁気とが合成された磁界を検出することになる。したがって、携帯端末内部の電子部品等から発生する磁界による誤差（オフセット）分を補正するためのキャリブレーションが必要となる。従来、キャリブレーションを行うために、ユーザが携帯端末を例えば１８０度回転させる動作を行っていた。この動作の間に携帯端末は磁気センサから測定データを収集し、測定データに基づいてオフセットを推定していた。

このような、携帯端末に搭載された磁気センサのキャリブレーションに関しては、例えば特許文献１に開示された技術がある。この技術では、携帯端末を所定の角度ずつ回転させ、各角度において磁気センサによって測定されたデータに基づいてオフセットを推定することにより、回転速度に依存せずにキャリブレーションを行えるようになっている。
特開２００４−１２４１６号公報

しかし、特許文献１に記載の方法でも、ユーザが意識的に磁気センサを搭載した携帯機器を回転させ、そのキャリブレーションを行わなければならず、従来よりは改善されるものの、ユーザにキャリブレーションのための操作を強いるので、ユーザにとっては面倒なものであることに変わりはない。また、ユーザがキャリブレーションを怠ったり忘れていると、地磁気センサを最適な状態で動作させることができなかった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、折畳み式の携帯電子機器に搭載された磁気センサからなる方位検出手段のキャリブレーションを、ユーザに負担をかけずに容易に行える方位検出機能付き携帯電子機器及びそのキャリブレーション方法を提供するものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明の方位検出機能付き携帯電子機器は、磁気センサを有する方位検出手段を搭載した折畳み式の携帯電子機器において、該携帯電子機器の開閉を検出する開閉検出手段と、前記磁気センサの出力データを複数格納するデータ格納手段と、前記開閉検出手段により検出される当該携帯電子機器を開くタイミングあるいは閉じるタイミングで前記磁気センサの出力データの前記データ格納手段への格納を開始し、前記データ格納手段に格納された複数の出力データに基づき前記磁気センサの出力の誤差であるオフセットを推定して、前記磁気センサの出力を補正するために用いるオフセット値を更新する制御手段とを、具備することを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の方位検出機能付き携帯電子機器において、前記磁気センサを、当該折畳み式の携帯電子機器を当該携帯電子機器の一つのユニットを固定して開く際移動させる他のユニット側に設けたことを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の方位検出機能付き携帯電子機器において、前記磁気センサを、磁気発生源より離れた位置に設けたことを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の方位検出機能付き携帯電子機器において、前記制御手段により前記オフセットの推定が無効であると判定された場合、前記制御手段は、当該折畳み式の携帯電子機器をさらに開くあるいは閉じるようにユーザに指示するための制御を行うことを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の方位検出機能付き携帯電子機器において、前記制御手段により、前記オフセットの推定が無効であると判定された場合、前記制御手段は、当該折畳み式の携帯電子機器を複数の方向で開くあるいは閉じるようにユーザに指示するための制御を行うことを特徴としている。

また、請求項６に記載の発明の方位検出機能付き携帯電子機器のキャリブレーション方法は、磁気センサからなる方位検出手段と前記磁気センサの出力データを複数格納するデータ格納手段を搭載した折畳み式の携帯電子機器における方位検出手段のキャリブレーション方法であって、前記携帯電子機器の開閉を検出し、前記携帯電子機器を開くタイミングあるいは閉じるタイミングで前記磁気センサの出力データの前記データ格納手段への格納を開始し、前記データ格納手段に格納された複数の出力データに基づき前記磁気センサの出力の誤差であるオフセットを推定し、前記磁気センサの出力を補正するために用いるオフセット値を更新することを特徴としている。

請求項７に記載の方位検出機能付き携帯電子機器は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の方位検出機能付き携帯電子機器において、前記複数の出力データと前記推定されたオフセットとの座標上における距離の標準偏差を算出する標準偏差算出手段と、算出された前記標準偏差に基づいて、推定された前記オフセットの有効性を判定する有効性判定手段と、を備えることを特徴としている。

請求項８に記載の方位検出機能付き携帯電子機器は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の方位検出機能付き携帯電子機器において、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸の３軸に感磁方向を有する前記磁気センサの検出データ（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ、ｚ_ｉ）（ｉ＝１、２、…、Ｎ）を読み出す手段と、最小二乗誤差を［数６］で定義し、

ａ_i＝ｘ_ｉ ^２＋ｙ_ｉ ^２＋ｚ_ｉ ^２、ｂ_i＝−２ｘ_ｉ、ｃ_i＝−２ｙ_ｉ、ｄ_i＝−２ｚ_ｉとおいて［数６］を変形した［数７］に対して、

最小二乗誤差εを最小にする条件［数８］を、

［数９］の表記を用いて［数１０］に示した方程式を解くことにより

前記磁気センサのオフセット（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）を求める手段と、を有することを特徴としている。

本発明によれば、折畳み式携帯電子機器の開閉動作時に方位検出手段のキャリブレーションを自動的に行うので、ユーザにキャリブレーションのための操作を強いることがなく、キャリブレーションが容易となる。
また、従来では、ユーザがキャリブレーションの操作を怠ったり忘れたりした場合、地磁気センサを最適な状態で動作させることができなかったが、本発明では、当該携帯電子機器が通常使用される際の開閉動作時に自動的にキャリブレーションがなされることになるので、このような問題がない。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の方位検出機能付き携帯電子機器の一実施の形態である、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ：符号分割多元接続）通信方式による携帯通信端末（以下、携帯端末と称す）の電気的構成を示すブロック図である。
なお、以下において、参照する各図に共通する部分には、同一の符号を附している。

本実施の形態の携帯端末１は、２つの筐体（端末ユニット−１および端末ユニット−２）を備えた、いわゆる折畳み式の構造をもつ。すなわち、この２つの筐体は、図示しない連結部を介して連結され、この連結部の回転軸を中心に端末ユニット−１と端末ユニット−２が開閉自在に構成されている。折畳み式の携帯端末には、２つのユニットが重なった状態から、この携帯端末の主面（閉じた状態で端末ユニット−１と端末ユニット−２が重なる面）に垂直に開き始めそのまま回転軸を中心に回転させる一般的な折畳み式と、携帯端末の主面に平行に端末ユニット−１と端末ユニット−２を回転させ開閉自在としたリボルバー式と呼ばれるものがある。本実施の形態では、特に区別する場合に、一般的な折畳み式と、リボルバー式とを区別するが、リボルバー式の携帯端末も折畳み式の携帯端末に含まれるものとする。

次に、本実施の形態の携帯端末１の電気的構成について説明する。
図１に示すアンテナ１０１は図示せぬ無線基地局と電波の送受信を行う。ＲＦ部１０２は信号の送受信に係る処理を行う。このＲＦ部１０２は局部発振器等を備え、受信時にアンテナ１０１から出力された受信信号に対して所定周波数の局部発信信号を混合することにより、受信信号を中間周波数（ＩＦ）の受信ＩＦ信号に変換し、変復調部１０３へ出力する。また、ＲＦ部１０２は送信時に中間周波数の送信ＩＦ信号に対して所定周波数の局部発信信号を混合することにより、送信ＩＦ信号を送信周波数の送信信号に変換し、アンテナ１０１へ出力する。

変復調部１０３は、受信された信号の復調処理、および送信される信号の変調処理を行う。この変復調部１０３は局部発振器等を備え、ＲＦ部１０２から出力された受信ＩＦ信号を所定周波数のベースバンド信号に変換すると共に、このベースバンド信号をデジタル信号に変換し、ＣＤＭＡ部１０４へ出力する。また、この変復調部１０３は、ＣＤＭＡ部１０４から出力された送信用のデジタルのベースバンド信号をアナログ信号に変換すると共に、所定周波数の送信ＩＦ信号に変換してＲＦ部１０２へ出力する。
ＣＤＭＡ部１０４は、送信される信号の符号化処理、および受信された信号の複号化処理を行う。このＣＤＭＡ部１０４は、変復調部１０３から出力されたベースバンド信号を復号化する。また、ＣＤＭＡ部１０４は、送信用の信号を符号化し、符号化したベースバンド信号を変復調部１０３へ出力する。

音声処理部１０５は、通話時の音声に係る処理を行う。この音声処理部１０５は、通話時にマイクロホン（ＭＩＣ）から出力されたアナログの音声信号をデジタル信号に変換し、送信用の信号としてＣＤＭＡ部１０４へ出力する。また、この音声処理部１０５は、通話時にＣＤＭＡ部１０４によって復号化された音声データを示す信号に基づいて、スピーカ（ＳＰ）を駆動するためのアナログの駆動信号を生成し、スピーカ（ＳＰ）へ出力する。マイクロホン（ＭＩＣ）は、ユーザによって入力された音声に基づいた音声信号を生成し、音声処理部１０５へ出力する。スピーカ（ＳＰ）は、音声処理部１０５から出力された信号に基づいて、通話相手の音声を放音する。

ＧＰＳアンテナ１０６は、図示せぬＧＰＳ衛星から送信された電波を受信し、この電波に基づいた受信信号をＧＰＳ受信部１０７へ出力する。ＧＰＳ受信部１０７はこの受信信号を復調し、受信信号に基づいて、ＧＰＳ衛星の正確な時刻情報や電波の伝播時間等の情報を取得する。ＧＰＳ受信部１０７は取得した情報に基づいて、３以上のＧＰＳ衛星までの距離を算出し、三角測量の原理により、３次元空間上の位置（緯度・経度・高度等）を算出する。

主制御部１０８は、ＣＰＵ（中央処理装置）等から構成され、携帯端末１内部の各部を制御する。この主制御部１０８は、ＲＦ部１０２、変復調部１０３、ＣＤＭＡ部１０４、音声処理部１０５、ＧＰＳ受信部１０７、下記のセンサデータ取得部２０１、ＲＯＭ１０９、およびＲＡＭ１１０とバスを介して制御信号あるいはデータの入出力を行う。ＲＯＭ１０９は、主制御部１０８が実行する各種のプログラムや、出荷検査時に測定された温度センサおよび傾きセンサの初期特性値等を記憶する。ＲＡＭ１１０は、主制御部１０８によって処理されるデータ等を一時的に記憶する。

報知手段１１１は、例えばスピーカ、バイブレータ、または発光ダイオード等を備え、着信やメール受信等を、音、振動、または光等によってユーザに報知する。時計部１１２は計時機能を有し、年、月、日、曜日、時刻等の計時情報を生成する。主操作部１１３は、ユーザによって操作される文字入力用の入力キー、漢字・数字等の変換用の変換キー、カーソル操作用のカーソルキー、電源のオン／オフキー、通話キー、およびリダイアルキー等を備え、ユーザによる操作結果を示す信号を主制御部１０８へ出力する。また、開閉スイッチ（ＳＷ）１１４は、折畳み式携帯端末の開け始めと閉め終わりを検出するためのスイッチである。

センサデータ取得部２０１は、互いに直交するＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の各々の軸方向の磁気（磁界）を検出する磁気センサ（１）〜（３）、温度を検出する温度センサ、携帯端末１の傾きを検出する物理量センサ、および上記の各センサによる検出結果を処理（Ａ／Ｄ変換等）するセンサ制御部を備えている。

電子撮像部２０２は、光学レンズおよびＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）等の撮像素子を備え、光学レンズにより撮像素子の撮像面上に結像した被写体の像を撮像素子によりアナログ信号に変換し、このアナログ信号をデジタル信号に変換して主制御部１０８へ出力する。表示部２０３は液晶ディスプレイ等を備え、主制御部１０８から出力された表示用の信号に基づいて画像や文字等を表示する。タッチパネル２０４は、表示部２０３が備える液晶ディスプレイの表面に組み込まれ、ユーザによる操作内容に応じた信号を主制御部１０８へ出力する。副操作部２０５は、表示切替に用いられるプッシュスイッチ等を備えている。

ここで、図２に示す機能ブロック図について説明する。
なお、同図に示す方位データ演算部３０７は、図１に示す主制御部１０８が対応し、表示手段３１６は、図１に示す表示部２０３が対応する。

磁気センサ部３０１は、磁気センサ（１）〜（３）と、電源投入後、各磁気センサを初期化するためのセンサ初期化手段（１）〜（３）とを備えている。センサ初期化手段（１）〜（３）は、強磁界が印加された場合、磁気センサ（１）〜（３）の磁性体の磁化の向きが狂ってしまうことから、磁気センサ（１）〜（３）を初期状態にリセットするために設けられるものである。

傾きセンサ部３０２は、物理量センサ（傾きセンサ）と、物理量センサの出力値のオフセット、感度などの値を示す初期値を予め製造時に記憶する傾きセンサ初期値記憶手段と、測定時に、傾きセンサ初期値記憶手段によって記憶されている初期値に基づいて物理量センサの出力を補正する傾きセンサ補正手段とを備えている。
温度センサ部３０３は、温度センサと、温度センサの出力値のオフセット、感度などの値を示す初期値を予め製造時に記憶する温度センサ初期値記憶手段と、測定時に、温度センサ初期値記憶手段によって記憶されている初期値に基づいて温度センサの出力を補正する温度センサ補正手段とを備えている。

切り替え手段３０４は、磁気センサ部３０１、傾きセンサ部３０２、および温度センサ部３０３からの出力を切り替え、いずれかのセンサ部から出力されたアナログ信号をＡ／Ｄ変換回路３０５に入力する。Ａ／Ｄ変換回路３０５はこのアナログ信号をデジタル信号に変換する。スキャン範囲設定手段３０６は、各センサの出力電圧を量子化してデジタル変換する際の変換単位となる電圧レンジ、量子化単位（例えば０．１ｍＶきざみで量子化する等）をセンサごとに設定する。

方位データ演算部３０７において、データ格納判定手段３０８は、キャリブレーション時に、磁気センサの出力に対応したデジタル信号によって示される測定データを記憶手段に格納すべきかどうかの判定等の、データ格納に関する処理を行う。オフセット推定手段３１０は、キャリブレーション時に取得した測定データに基づいてオフセットを推定する（詳細は後述）。有効性判定手段３１１は、オフセット推定手段３１０によって推定されたオフセットの有効性を判定する（詳細は後述）。記憶手段３０９は、測定データ等を記憶する。

方位演算手段３１２は、方位演算時に、このとき取得された測定データに基づいて方位を算出する。オフセット除去手段３１３は、方位演算時に取得された測定データからオフセットを除去する。温度補正手段３１４は、測定データの温度補正が必要な場合に、この測定データに対する温度補正を行う。傾き補正手段３１５は、傾き補正が必要な場合に、測定データに対する傾き補正を行う。表示手段３１６は、方位演算手段３１２によって算出された方位を画像として表示する。

ここで、方位データ演算部３０７の動作の詳細を説明する。
キャリブレーション時には、センサデータ取得部２０１から出力される測定データがデータ格納判定手段３０８に入力される。データ格納判定手段３０８は、データ格納判定アルゴリズムに基づいて、測定データを記憶手段３０９に格納すべきかどうか判定する。判定の結果、測定データを記憶手段３０９に格納すべきと判定した場合には、データ格納判定手段３０８は測定データを記憶手段３０９に格納する。また、データ格納判定手段３０８は、記憶手段３０９に格納された測定データの数をカウントし、測定データの数が所定の数に達した場合に、記憶手段３０９への測定データの格納を中止し、オフセット推定手段３１０に対してオフセットの推定を指示する。

オフセット推定手段３１０は、データ格納判定手段３０８によってオフセットの推定を指示された場合に、記憶手段３０９から測定データを読み出し、オフセット推定アルゴリズムに基づいてオフセットを推定する。また、オフセット推定手段３１０は、オフセットの推定結果を有効性判定手段３１１に通知する。有効性判定手段３１１は、オフセット推定手段３１０によってオフセットの推定結果が通知された場合に、記憶手段３０９から測定データを読み出し、有効性判定アルゴリズムに基づいて、推定されたオフセットが有効であるかどうか判定する。推定されたオフセットが有効であった場合、有効性判定手段３１１はこのオフセットを記憶手段３０９に格納する。

方位演算時には、センサデータ取得部２０１から出力される測定データが方位演算手段３１２に入力される。この測定データは、磁気データ、温度データ、および傾きデータである。方位演算手段３１２はオフセット除去手段３１３へ磁気データおよび温度データを出力する。オフセット除去手段３１３は、これらの測定データが入力された場合に、記憶手段３０９からオフセットを読み出し、磁気データからオフセット分を除去することにより補正を行い、補正後の磁気データを方位演算手段３１２へ出力する。

また、方位演算手段３１２は、必要に応じてオフセット除去手段３１３に対して、磁気データの温度補正を指示する。この指示を受けたオフセット除去手段３１３は、温度補正手段３１４に対して温度データを出力する。温度補正手段３１４は、キャリブレーション時の温度データを記憶手段３０９から読み出し、現在の温度とキャリブレーション時の温度とに基づいて、現在の磁気データを補正し、オフセット除去手段３１３へ補正結果を通知する。オフセット除去手段３１３は、この補正結果に基づいて、温度補正をしたオフセット除去後の磁気データを方位演算手段３１２へ出力する。

具体的には、キャリブレーション時の温度をＴＯ、推定されているオフセットをＯＦ、温度係数Ａ（これは出荷検査時に測定してＲＯＭ１０９に記録されている）、測定時の温度をＴ、磁気センサの測定値をＳ０とすると、温度補正したオフセット除去後の磁気データＳ１は、
Ｓ１＝Ｓ０−｛ＯＦ＋Ａ（Ｔ−ＴＯ）｝となる。

また、方位演算手段３１２は、必要に応じて傾き補正を行う。
ここで、この傾き補正についてその詳細を説明する。
ここでは、図３（ａ）に示すように携帯端末１の座標系を定義する。すなわち、携帯端末１のアンテナ１０１の方位角をα、仰角をβ、ひねり角（アンテナ軸のまわりの回転角）をγとする。符号は、同図に示す矢印方向を正とする。また、アンテナ方向の単位ベクトルをＶｙ、端末ユニット−２（アンテナ１０１および磁気センサ部３０１が配置された側）がなす面（例えば、図３では符号９９部分の面）に垂直な方向の単位ベクトルをＶｚとし、Ｖｙ，Ｖｚのいずれにも直交する単位ベクトルをＶｘとする。なお、同図に示す矢印方向を正の向きとする。地面座標系は、図３（ｂ）に示すように、Ｘ、Ｙ、Ｚで表し、北方向をＹ軸にとる。

ここで、地面座標系での重力をＧ＝（０，０，Ｇｚ）とする。また、携帯座標系での重力をｇ＝（ｇｘ、ｇｙ、ｇｚ）とする。この携帯座標系での重力は傾きセンサにより検出できるものとする。もちろん、地面座標系での重力は既知である。
すると、携帯座標系の重力ｇと地面座標系での重力Ｇは、下式で表される。
（Ｇｘ，Ｇｙ，Ｇｚ）ＢＣ＝（ｇｘ，ｇｙ，ｇｚ）ただし、

これから、ＢＣは、下式で表せる。

したがって、携帯座標系での重力ｇは下式で表される。

この式から、仰角β、ひねり角γが求まる。

以上のようにして求められた仰角β、ひねり角γから方位角α、地磁気の仰角θを求めることができる。ここで携帯座標系での地磁気をｈ＝（ｈｘ，ｈｙ，ｈｚ）、地面座標系での地磁気をＨ＝（０，Ｈｙ，Ｈｚ）とすると、
（０，Ｈｙ，Ｈｚ）ＡＢＣ＝（ｈｘ，ｈｙ，ｈｚ）が成り立つ。ただし、

である。これから、下式が導かれる。

よって、
（ｈｘ’，ｈｙ’，ｈｚ’）＝（Ｈｙｓｉｎα，Ｈｙｃｏｓα，Ｈｚ）となる。仰角β、ひねり角γは先に求められており、携帯座標系での地磁気ｈは測定されるので、（ｈｘ’，ｈｙ’，ｈｚ’）が定まる。ここで地面座標系での地磁気Ｈが既知であるとすると、方位角αが求まる。また、地磁気の仰角θも下式により求まる。

方位演算手段３１２は、以上のようにして、補正後の磁気データに基づいて方位を算出し、算出した方位を表示手段３１６に通知する。表示手段３１６は、例えば方位を示す情報を地図上に表示する。

次に、データ格納判定アルゴリズムについて説明する。
データ格納判定アルゴリズムは、ユーザが携帯端末１をほとんど動かしていないときにデータの取り込みが行われ方位円または方位球（下記）上の同一点近傍に測定データが集中したり、ユーザの動作スピードが均一でないためにデータ密度にまだらができたりしたような場合に、キャリブレーションに使えない測定データを格納するのを防止するためのものである。このような測定データが得られた場合には、測定データを記憶手段３０９に格納させない。

携帯端末１が水平面内で回転した場合（ここでは、磁気センサ（１）及び磁気センサ（２）の各軸がなすＸＹ平面が水平面に平行であるとする）、磁界値に変換された磁気センサ（１）の出力Ｘは正弦波状に変化し、磁界値に変換された磁気センサ（２）の出力Ｙは、出力Ｘと位相が９０度だけ異なる正弦波状に変化する。オフセットを（Ｘ０，Ｙ０）とすると、以下の関係式が成り立ち、これを方位円と称す。
(Ｘ−Ｘ０)^２＋（Ｙ−Ｙ０）^２＝Ｒ^２３次元の場合も同様の関係式が成り立ち、これを方位球と称す。
(Ｘ−Ｘ０)^２＋（Ｙ−Ｙ０）^２＋（Ｚ−Ｚ０）^２＝Ｒ^２

データ格納判定アルゴリズムは、具体的には、直前にＲＡＭ１１０に格納されたデータを（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）とし、格納判定の対象となるデータを（Ｘ，Ｙ，Ｚ）として、以下の条件式が満たされた場合にのみ、データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）をＲＡＭ１１０に格納する。
なお、ｄの値としては、方位円半径の１／１０程度が好ましい。

次に、オフセット推定アルゴリズムについて説明する。
測定データを（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）（ｉ＝１，・・・，Ｎ）、オフセットを（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）、方位球半径をＲとすると、以下の関係式が成り立つ。
(ｘ_ｉ−Ｘ０)^２＋（ｙ_ｉ−Ｙ０）^２＋（ｚ_ｉ−Ｚ０）^２＝Ｒ^２このとき、最小二乗誤差εを次式のように定義する。

ここで、
ａ_i＝ｘ_ｉ ^２＋ｙ_ｉ ^２＋ｚ_ｉ ^２
ｂ_i＝−２ｘ_ｉ
ｃ_i＝−２ｙ_ｉ
ｄ_i＝−２ｚ_ｉ
Ｄ＝（Ｘ０^２＋Ｙ０^２＋Ｚ０^２）−Ｒ^２ …（１）とすると、εは以下の式となる。

このとき、最小二乗誤差εを最小とする条件は、Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０およびＤをεの独立変数とし、εをＸ０、Ｙ０、Ｚ０およびＤで微分することにより以下の式となる。

したがって、以下の式が成り立つ。

ただし、

である。この連立方程式を解くことにより、最小二乗誤差εを最小とするＸ０，Ｙ０，Ｚ０，Ｄが求まる。また、（１）式により、Ｒも求めることができる。

次に、有効性判定アルゴリズムについて説明する。
このアルゴリズムによる処理では、推定されたオフセットおよび方位球（または方位円）半径と、ＲＡＭ１１０に格納された測定データから以下の値を算出する。

ただし、Ｍａｘ（ｘ_ｉ）は、測定データｘ_１，・・・，ｘ_Ｎの中の最大値を表し、Ｍｉｎ（ｘ_ｉ）は、測定データｘ_１，・・・，ｘ_Ｎの中の最小値を表す。また、σは標準偏差である。上記の値に対して、以下の判定基準が満たされるかどうか判定し、判定基準が満たされた場合に、推定したオフセットが有効であると判定する。
σ＜Ｆ
ｗ_ｘ＞Ｇ
ｗ_ｙ＞Ｇ
ｗ_ｚ＞Ｇ
ここで、Ｆは０．１程度が好ましく、Ｇは１程度が好ましい。

次に、キャリブレーションに係る動作について、図４を参照し、さらに詳細に説明する。

［リボルバー式の携帯端末の場合］
図１に示した構成例では、各磁気センサは、当該携帯端末１が開閉される際移動する側である端末ユニット−２側に配置され（一方、端末ユニット−１は、携帯端末１が開閉される際はユーザの手による把持などにより概ね固定されている）、携帯端末１がリボルバー式の場合では、開閉時に回転させる側に搭載されことになる（図５参照）。この磁気センサが配置される位置は、端末ユニット−１と端末ユニット−２を結合する部分に近い方が好適である（もちろん、端末ユニット−１側に配置してもよい）。この位置は通常、磁気を発生するマイクロホンＭＩＣやスピーカＳＰが配置される位置から離れているからである。携帯端末１には開閉スイッチ（ＳＷ）１１４が設けられており、開閉動作を、開け始め、閉め終わりの段階で認識できる。磁気センサ部３０１は、二軸磁気センサからなるものでも三軸磁気センサからなるものでもよい。

（１）キャリブレーション方法１
はじめ、開閉スイッチ（ＳＷ）１１４により端末ユニット−２の開け始めが検出されると、このタイミングでトリガーがかかる（ステップＳ１０１）。このとき磁気センサ部３０１が搭載された端末ユニット−２は、最終的には端末ユニット−１と図５に示すようにθの角度をなすように回転（開く動作）を始めている。
主制御部１０８は、センサ制御部に対して各センサによる計測を指示する（ステップＳ１０２）。各磁気センサからデータが読み出され、データサンプリングが始まる（ステップＳ１０３）。ここでは、各磁気センサの出力を所定時間の間連続的にサンプリングする。

次いで、前述のデータ格納判定アルゴリズムに基づいて、測定データをＲＡＭ１１０に格納するかどうか判断する（ステップＳ１０４）。
ステップＳ１０４でＮｏと判定された場合、０．１秒だけ待機し（ステップＳ１０５）、ステップＳ１０２に戻る。
ステップＳ１０４でＹｅｓと判定した場合には、ＲＡＭ１１０に測定データを格納し（ステップＳ１０６）、ＲＡＭ１１０に格納された測定データの数が所定の数に達したかどうかさらに判断する（ステップＳ１０７）。

このステップＳ１０７でＮｏと判定された場合には、ステップＳ１０５へ移る。一方、ステップＳ１０７でＹｅｓと判定された場合には、測定データのサンプリングを中止するとともに、ＲＡＭ１１０からこれに格納された測定データを読み出し、オフセット推定アルゴリズムに基づいて、オフセットを推定する（ステップＳ１０８）。
続いて、前述の有効性判定アルゴリズムに基づいて、推定したオフセットが有効な値であるかどうか判断する（ステップＳ１０９）。この判断で、Ｙｅｓと判定された場合には、ステップＳ１０８で推定したオフセットをＲＡＭ１１０に格納し、更新処理が終了する（Ｓ１１０）。一方、ステップＳ１０９でＮｏと判定された場合には、オフセットの更新はせず一連の処理を終了する（ステップＳ１１１）。

なお、ステップＳ１０９でＮｏと判定された場合、すなわち、ステップＳ１０８で推定したオフセットが無効であると判定された場合に、携帯端末１をさらに開閉するようにユーザに指示するか、携帯端末１の開閉を複数の向きで行うようにユーザに指示し、各磁気センサから測定データをさらに取得するようにしてもよい。このようにすると、測定されるデータ数が増え、オフセット推定の精度が向上する。ユーザに対する指示は、例えば報知手段１１１により警告音を発し、ユーザに指示する内容を表示部２０３に表示させることにより行う。

磁気センサ部３０１が２軸磁気センサからなる場合では、以上のようにして（キャリブレーション方法１により）キャリブレーションを行う。磁気センサ部３０１が３軸磁気センサからなる場合では、上記キャリブレーション方法１におけるステップＳ１０７でＹｅｓと判定された後、さらに下記のキャリブレーション方法２によるキャリブレーションを行う。

（２）キャリブレーション方法２
主操作部１１３の所定のボタン（キャリブレーションボタン）を押下に応じて、サンプリングを開始する。このキャリブレーション方法２では、ユーザに携帯端末１を図６の矢印方向に振らせる（なお、ユーザによるこれらの操作は、予め取扱説明書等によりユーザに指示されているものとする）。

そして各磁気センサの出力を所定の時間の間連続的にサンプリングする。リボルバー式では、端末ユニット−２を端末ユニット−１対し回転させ開く際、端末ユニット−２は、完全な開状態（図５の（ｂ）に示した状態）において、携帯端末１の主面（前述）に対してθの角度をなすように動作する（すなわち、端末ユニット−２にある磁気センサ部３０１は、３つの軸それぞれに対し変化するように動作するが、θが小さい場合、このθの変化分を補って測定データを得られるようにユーザに携帯端末１を振らせる。
上記のようにしてデータ取得が完了すると、得られたデータからオフセットを推定する。そして、推定されたオフセットで、ＲＡＭ１１０に保存されているオフセットを更新する。

上記キャリブレーション方法１および２におけるオフセットの更新処理は、今回得られたオフセットのデータと更新前のオフセットのデータとの比較により、オフセットの補正が必要であると判断された場合にのみ（この判断基準は別途定められる）、オフセットの更新が行われるようにしてもよい。
あるいは、予め定められた基準に従い、オフセットがその更新が必要なレベル（あるいは基準の範囲）となっているかどうか判断をして、携帯端末１の開閉時にデータ取得を行うかどうか選択されるようにしてもよい。

ここで、リボルバー式の携帯端末１におけるオフセット推定方法（他の例）について説明する。
オフセットの推定は、前述のオフセット推定アルゴリズムにより求めることができるが、図６に示す端末ユニット−１と端末ユニット−２がなす角度θを考慮した場合、下記のようにしても求めることができる。

（ａ）磁気センサ部３０１が二軸磁気センサからなる場合
キャリブレーション方法１でサンプリングされた測定データを、横軸をＸセンサ（Ｘ軸方向の地磁気の磁力を検出する磁気センサ）の値、縦軸をＹセンサ（Ｘ軸に直交するＹ軸方向の地磁気の磁力を検出する磁気センサ）の値でプロットすると（すなわち、ＸＹ平面にＸセンサの出力値とＹセンサの出力値の組をプロットすると）、図７のようになる。この軌跡は楕円の一部であり、その扁平率は図６のθ、及び地磁気と回転面（磁気センサが回転移動する際に形成する面）のなす角に依存する。いま、θが既知のため、楕円の扁平率と中心座標を求めることにより、Ｘ，Ｙのオフセットと地磁気と回転面のなす角を得ることができる。

（ｂ）磁気センサ部３０１が三軸磁気センサからなる場合
ＸＹ平面上のオフセットについては、上記（ａ）の二軸の場合と同様にして求めることができる。Ｚ軸方向のオフセットについてもθが比較的大きいとき（θ＞３０度）には、ＸＺ平面上のキャリブレーション時の測定データの軌跡を用いて、二軸の場合と同様にしてＺのオフセット値を求めることができる。しかし、θが小さいときには精度がでない。
これは図８に示すように、軌跡が扁平しすぎてほぼ直線となってしまうためである。

このような場合には、キャリブレーション方法２でサンプリングされたデータからＺのオフセットを求めればよい。なお、キャリブレーション方法２では、ユーザに携帯端末１を振らせるようにしているが、ユーザが方位計測時に端末の傾きを変化させた場合に磁気センサの出力をサンプリングして、その測定データを使用するようにしてもよい。

［一般の折畳み式携帯端末の場合］
前述の図１に示す構成例では、各磁気センサは、当該携帯端末１が開閉される際移動する側である端末ユニット−２側に配置される。（一方、端末ユニット−１は、携帯端末１が開閉される際はユーザの手による把持などにより概ね固定されている。）すなわち、端末ユニット−２を蓋と呼ぶと、開閉させる蓋側に搭載されことになる（図９参照）。この磁気センサが配置される位置は、リボルバー式と同様に、端末ユニット−１と端末ユニット−２を結合する部分に近い方が好適である。携帯端末１には開閉スイッチ（ＳＷ）１１４がついていて、開閉動作を、開け始め（端末ユニット−２を端末ユニット−１に対し所定角度以上開いた段階）、閉め終わりの段階で認識できる。ここでは、磁気センサ部３０１は、三軸磁気センサからなるものとする。

一般の折畳み式携帯端末の場合も、前述のリボルバー式の場合のキャリブレーション方法１およびキャリブレーション方法２による処理手順を利用できる。ただし、ここでのキャリブレーション方法２では、各磁気センサの出力をサンプリングする際、ユーザに携帯端末１を図１０のように振らせる。携帯端末１が図９に示す一般的な折畳み式の場合、磁気センサ部３０１がある端末ユニット−２は、これを端末ユニット−１から開く際、その軌跡がなす面には大きく変化するが、この軌跡と直交する方向（Ｘ方向）の変化が小さいため、この方向への変化分が現れるように、図１０に示す矢印方向に携帯端末１を振らせて測定データを得るようにする。

以上のようにして、携帯端末１が、一般の折畳み式携帯端末の場合、キャリブレーション方法１により得られた測定データからＹ軸・Ｚ軸方向のオフセットを推定することができる。Ｘ軸方向のオフセットは、上記キャリブレーション方法２により得られる測定データから推定することができる。あるいは、方位計測時のユーザが向きを変える際の測定データを使用して推定することも可能である。

なお、上記で説明した各動作フローは一例であり、上記の処理の流れに限定されるものではない。
以上、この発明の実施形態を、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の構成等も含まれることは言うまでもない。

上述の実施形態では、ユーザが携帯端末を開くタイミングでキャリブレーションを行っているが、閉じた後にキャリブレーションを行うこともできる。これは、携帯端末を閉じた直後、ユーザは、当該携帯端末をポケットに入れる、机の上に置くなどの動作をするので、携帯端末は、閉じられた直後からしばらくは向きを変化させることになる。したがって、この間磁気センサの出力をサンプリングしてこの測定データからオフセットを推定することができる。
また、ユーザが携帯端末を開閉するタイミングで必ずキャリブレーションを行うようにしてもよいし、開閉時にユーザにキャリブレーションをするべきかどうかの確認するようにしてもよい。

本発明の方位検出機能付き携帯電子機器の一実施の形態である携帯通信端末（携帯端末）の電気的構成を示すブロック図である。 同実施の形態の機能ブロック図である。 （ａ）携帯端末の座標系（定義）と、（ｂ）地面座標系を示す図である。 キャリブレーションに係る動作を説明するためのフローチャートである。 リボルバー式の携帯端末の外観（閉じた状態と開いた状態）を示す図である。 リボルバー式の携帯端末におけるキャリブレーション方法２で携帯端末を振る方向を示す図である。 キャリブレーション方法１でサンプリングされた測定データをＸＹ平面上にプロットした図（一例）である。 キャリブレーション方法１でサンプリングされた測定データをＸＹ平面上にプロットした図（一例：θが小さい場合）である。 一般の折畳み式携帯端末の外観（閉じた状態と開いた状態）を示す図である。 一般の折畳み式携帯端末におけるキャリブレーション方法２で携帯端末を振る方向を示す図である。

符号の説明

１…携帯端末（携帯電子機器）、１０１…アンテナ、１０２…ＲＦ部、１０３…変復調部、１０４…ＣＤＭＡ部、１０５…音声処理部、１０６…ＧＰＳアンテナ、１０７…ＧＰＳ受信部、１０８…主制御部（制御手段）、１０９…ＲＯＭ、１１０…ＲＡＭ、１１１…報知手段、１１２…時計部、１１３…主操作部、１１４…開閉スイッチ（ＳＷ）（開閉検出手段）、２０１…センサデータ取得部（方位検出手段）、２０２…電子撮像部、２０３…表示部、２０４…タッチパネル、２０５…副操作部、３０１…磁気センサ部、３０２…傾きセンサ部、３０３…温度センサ部、３０４…切り替え手段、３０５…Ａ／Ｄ変換回路、３０６…スキャン範囲設定手段、３０７…方位データ演算部、３０８…データ格納判定手段、３０９…記憶手段、３１０…オフセット推定手段、３１１…有効性判定手段、３１２…方位演算手段、３１３…オフセット除去手段、３１４…温度補正手段、３１５…傾き補正手段、３１６…表示手段

Claims (8)

1. 磁気センサを有する方位検出手段を搭載した折畳み式の携帯電子機器において、
   該携帯電子機器の開閉を検出する開閉検出手段と、
   前記磁気センサの出力データを複数格納するデータ格納手段と、
   前記開閉検出手段により検出される当該携帯電子機器を開くタイミングあるいは閉じるタイミングで前記磁気センサの出力データの前記データ格納手段への格納を開始し、前記データ格納手段に格納された複数の出力データに基づき前記磁気センサの出力の誤差であるオフセットを推定して、前記磁気センサの出力を補正するために用いるオフセット値を更新する制御手段とを、具備する
   ことを特徴とする方位検出機能付き携帯電子機器。
2. 前記磁気センサを、当該折畳み式の携帯電子機器を当該携帯電子機器の一つのユニットを固定して開く際移動させる他のユニット側に設けた
   ことを特徴とする請求項１に記載の方位検出機能付き携帯電子機器。
3. 前記磁気センサを、磁気発生源より離れた位置に設けた
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方位検出機能付き携帯電子機器。
4. 前記制御手段により前記オフセットの推定が無効であると判定された場合、前記制御手段は、当該折畳み式の携帯電子機器をさらに開くあるいは閉じるようにユーザに指示するための制御を行う
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の方位検出機能付き携帯電子機器。
5. 前記制御手段により、前記オフセットの推定が無効であると判定された場合、前記制御手段は、当該折畳み式の携帯電子機器を複数の方向で開くあるいは閉じるようにユーザに指示するための制御を行う
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の方位検出機能付き携帯電子機器。
6. 磁気センサからなる方位検出手段と前記磁気センサの出力データを複数格納するデータ格納手段を搭載した折畳み式の携帯電子機器における方位検出手段のキャリブレーション方法であって、
   前記携帯電子機器の開閉を検出し、
   前記携帯電子機器を開くタイミングあるいは閉じるタイミングで前記磁気センサの出力データの前記データ格納手段への格納を開始し、
   前記データ格納手段に格納された複数の出力データに基づき前記磁気センサの出力の誤差であるオフセットを推定し、
   前記磁気センサの出力を補正するために用いるオフセット値を更新する
   ことを特徴とする方位検出機能付き携帯電子機器のキャリブレーション方法。
7. 前記複数の出力データと前記推定されたオフセットとの座標上における距離の標準偏差を算出する標準偏差算出手段と、
   算出された前記標準偏差に基づいて、推定された前記オフセットの有効性を判定する有効性判定手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の方位検出機能付き携帯電子機器。
8. 互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸の３軸に感磁方向を有する前記磁気センサの検出データ（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ、ｚ_ｉ）（ｉ＝１、２、…、Ｎ）を読み出す手段と、
   最小二乗誤差を［数６］で定義し、
   

   

   ａ_ｉ＝ｘ_ｉ ^２＋ｙ_ｉ ^２＋ｚ_ｉ ^２、ｂ_ｉ＝−２ｘ_ｉ、ｃ_ｉ＝−２ｙ_ｉ、ｄ_ｉ＝−２ｚ_ｉとおいて［数６］を変形した［数７］に対して、
   

   

   最小二乗誤差εを最小にする条件［数８］を、
   

   

   ［数９］の表記を用いて［数１０］に示した方程式を解くことにより
   

   

   

   前記磁気センサのオフセット（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）を求める手段と、
   を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の方位検出機能付き携帯電子機器。

Images