JP2004301662A

JP2004301662A - ジャイロセンサ

Info

Publication number: JP2004301662A
Application number: JP2003094845A
Authority: JP
Inventors: Teruo Mori; 輝夫森; Toshio Chamura; 俊夫茶村
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28
Also published as: KR20050113668A; CN1768247A; TW200503298A; US20060150732A1; WO2004088246A1

Abstract

【課題】小型、且つ、簡易な構造でありながら、同時に、角速度変化の検出感度の向上を図ることができるジャイロセンサを提供する。
【解決手段】ジャイロセンサ１０は、超磁歪素子からなる超磁歪部材１２と、これに印加する磁界の大きさを制御することによって超磁歪部材１２を振動させる駆動コイル１８と、超磁歪部材１２の透磁率又は残留磁化量の変化を検出するＧＭＲ素子（検出手段）２０とを有している。そして、超磁歪部材１２の振動方向に対し垂直な方向を回転軸とする角速度変化を、コリオリ力にもとづく超磁歪部材１２の変形による前記透磁率又は残留磁化量の変化として検出するようにした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオカメラの手振れ補正や自動車のナビゲーションシステム等に適用されるジャイロセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、振動する物体に角速度が加わると、その振動方向に対し垂直な方向にコリオリの力が生ずるという力学現象を利用したジャイロセンサが広く知られている（例えば、特許文献１参照。）。なお、コリオリの力Ｆは、Ｆ＝２・ｍ・ｖ・ω（ｍ：振動体の質量、ｖ：振動速度、ω：角速度）の式で与えられ、従来のジャイロセンサは、このコリオリの力Ｆに基づいて角速度ωの変化を検出するようにしたものである。
【０００３】
近年、このようなジャイロセンサの分野においては、小型で高感度なものが要求されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１３６９３３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に、角速度変化の検出感度を向上させるためには（コリオリの力Ｆを大きくするには）、振動体の振幅を増大したり、質量を大きくしたりする必要があるため、従来公知のジャイロセンサでは装置の小型化に限界があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、小型、且つ、簡易な構造でありながら、同時に、角速度変化の検出感度の向上を図ることができるジャイロセンサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者は、研究の結果、角速度変化をコリオリ力にもとづく磁歪部材の変形による透磁率又は残留磁化量の変化として検出することで、小型、且つ、簡易な構造でありながら、同時に、角速度変化の検出感度の向上を図ることができるジャイロセンサを見出した。
【０００８】
即ち、次のような本発明により、上記目的を達成することができる。
【０００９】
（１）磁歪素子からなる磁歪部材と、これに印加する磁界の大きさを制御することによって前記磁歪部材を振動させる駆動コイルと、前記磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を検出する検出手段とを有してなり、前記磁歪部材の振動方向に対し垂直な方向を回転軸とする角速度変化を、コリオリ力にもとづく前記磁歪部材の変形による前記透磁率又は残留磁化量の変化として検出することを特徴とするジャイロセンサ。
【００１０】
（２）前記駆動コイルは、前記磁歪部材を共振周波数で振動させるようにされたことを特徴とする前記（１）記載のジャイロセンサ。
【００１１】
（３）前記検出手段は、磁気抵抗効果素子を含み、前記透磁率又は残留磁化量の変化を前記磁気抵抗効果素子の起電力変化として検出するようにされたことを特徴とする前記（１）又は（２）記載のジャイロセンサ。
【００１２】
（４）前記検出手段は、前記磁歪部材を囲む検出コイルを含み、前記透磁率又は残留磁化量の変化を前記検出コイルのインダクタンス変化として検出するようにされたことを特徴とする前記（１）又は（２）記載のジャイロセンサ。
【００１３】
（５）前記磁歪部材の一端側に、磁性を有するバイアス磁石を密着固定すると共に、前記一端側と反対の他端側に、前記駆動コイルを周囲に配置した軟磁性部材を密着固定したことを特徴とする前記（１）乃至（４）のいずれかに記載のジャイロセンサ。
【００１４】
（６）前記磁歪部材を、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成したことを特徴とする前記（１）乃至（５）のいずれかに記載のジャイロセンサ。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の例を図面を参照して説明する。
【００１６】
図１に示されるように、本発明の実施形態の例に係るジャイロセンサ１０は、図において中央に配置された、略直方体形状の部材からなる超磁歪部材１２と、この超磁歪部材１２の左側に配置されたバイアス磁石１４と、超磁歪部材１２の右側に配置された軟磁性部材１６と、この軟磁性部材１６の周囲を囲むように配置された駆動コイル１８と、超磁歪部材１２の上面１２Ａ及び軟磁性部材１６の側面１６Ａにそれぞれ設けられたＧＭＲ素子（検出手段）２０Ａ、２０Ｂによって主に構成されている。
【００１７】
図において中央に配置された超磁歪部材１２の両側には、磁性を有するバイアス磁石１４と、軟磁性部材１６がそれぞれ密着固定されている。又、この軟磁性部材１６の周囲を囲むように配置された駆動コイル１８には、コンデンサ２２を介して、超磁歪部材１２の駆動電力供給源となるパルス発振器２４が接続されている。このように、超磁歪部材１２には、バイアス磁石１４による図中Ｚ方向の磁石磁界に加え、駆動コイル１８による交流磁界を印加することができる構造となっている。
【００１８】
超磁歪部材１２は、材料として超磁歪素子を用いている。なお、「超磁歪素子」とは、希土類元素および／または特定の遷移金属などを主成分（例えば、テルビウム、ジスプロシウム、鉄など）とする粉末焼結合金あるいは単結晶合金から作られた磁歪素子をいい、この超磁歪素子は、外部応力を受けて変形すると大きな磁化率の変化を生じる特性を有している。超磁歪部材１２の上面１２Ａ及び軟磁性部材１６の側面１６Ａにそれぞれ設けられたＧＭＲ素子２０Ａ、２０Ｂは、このような超磁歪部材１２の変形（伸縮）によって生じる透磁率又は残留磁化量の変化を、起電力の変化として検出することができる。
【００１９】
次に、図２を併せて参照しながら、ジャイロセンサ１０の作用について説明する。
【００２０】
駆動コイル１８にパルス発振器２４からのパルス信号Ｐが供給されると、このパルス信号Ｐの周波数に応じて超磁歪部材１２に印加される交流磁界の大きさが変化する。その結果、超磁歪部材１２は磁歪効果によってパルス信号Ｐと同じ周波数で振動（伸縮）することになる。より具体的には、超磁歪部材１２がＺ方向に伸長した場合には、Ｘ、Ｙ方向に収縮し、超磁歪部材１２がＺ方向に収縮した場合には、Ｘ、Ｙ方向に伸長する。このように、超磁歪部材１２はＸ、Ｙ、Ｚ方向についてそれぞれ伸縮動作を繰り返す。なお、この例では、パルス信号Ｐとして超磁歪部材１２の共振周波数の信号を供給しており、超磁歪部材１２は共振周波数で振動する。
【００２１】
次に、振動している超磁歪部材１２にＺ方向を回転軸とする角速度ωが加えられた場合について考える。超磁歪部材１２に角速度ωが加わると、超磁歪部材１２の振動方向Ｘ及び角速度ωの回転軸Ｚの双方と直交する関係にあるＹ方向にコリオリの力Ｆが発生する。そして、このコリオリの力Ｆによって、超磁歪部材１２のＹ方向の振動態様が変化する結果、超磁歪部材１２の透磁率または残留磁化率が変化する。従って、この透磁率または残留磁化率の変化を、ＧＭＲ素子２０Ａ、２０Ｂの起電力変化として検出することで、Ｚ方向を回転軸とする角速度ωの変化を検出することができる。なお、Ｘ、Ｙ方向を回転軸とする角速度の変化についても同様の原理によって検出することができる。
【００２２】
本発明の実施形態の例に係るジャイロセンサ１０によれば、振動体として、振動量（変位量）が大きく、応力に対する磁化率の変化が大きい超磁歪素子からなる超磁歪部材１２を適用し、角速度変化をコリオリ力にもとづく超磁歪部材１２の変形による透磁率又は残留磁化量の変化として検出しているため、小型、且つ、簡易な構造でありながら、同時に、角速度変化の検出感度の向上を図ることができる。又、超磁歪素子は応力に対する応答が速いため、短時間で角速度変化を検出でき、応答性の向上を図ることもできる。
【００２３】
更に、超磁歪部材１２を共振周波数で振動させているため、超磁歪部材１２の振幅の増大により検出感度の向上を図ることができる。しかも、従来のジャイロセンサに広く適用されている圧電材料やシリコン等の音速が６０００ｍ／ｓ程度であるのに対して、本発明に適用される超磁歪素子の音速は約１／３に相当する２０００ｍ／ｓ程度であるため、従来のジャイロセンサに比べ共振周波数を低くすることができ、検出感度の更なる向上を図ることができる上に、装置の小型化も実現できる。
【００２４】
なお、本発明に係るジャイロセンサは、上記実施形態の例に係るジャイロセンサ１０における構造や形状等に限定されるものではなく、超磁歪素子からなる超磁歪部材と、これに印加する磁界の大きさを制御することによって前記超磁歪部材を振動させる駆動コイルと、前記超磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を検出する検出手段とを有したものであればよい。
【００２５】
上記実施形態の例においては、超磁歪部材１２の透磁率又は残留磁化量の変化を、ＧＭＲ素子２０Ａ、２０Ｂの起電力変化として検出したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ＭＲ、ＴＭＲ素子等の他の磁気抵抗効果素子を適用してもよい。又、図３に示されるジャイロセンサ３０のように、超磁歪部材１２の周囲を囲むように検出コイル３２を配置し、超磁歪部材１２の透磁率又は残留磁化量の変化を検出コイル３２のインダクタンス変化として検出してもよい。もちろん、その他の検出手段によって超磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を検出してもよい。
【００２６】
上記実施形態の例においては、ジャイロセンサ１０を超磁歪部材１２によって構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、磁歪素子からなる磁歪部材を用いてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
本発明のジャイロセンサは、小型、且つ、簡易な構造でありながら、同時に、角速度変化の検出感度の向上を図ることができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の例に係るジャイロセンサを模式的に示した斜視図
【図２】図１におけるジャイロセンサの動作原理を示した図
【図３】本発明の実施形態の他の例に係るジャイロセンサを模式的に示した斜視図
【符号の説明】
１０、３０…ジャイロセンサ
１２…超磁歪素子
１４…バイアス磁石
１６…軟磁性部材
１８…駆動コイル
２０…ＧＭＲ素子
２２…コンデンサ
２４…パルス発信器
３２…検出コイル

Claims

磁歪素子からなる磁歪部材と、これに印加する磁界の大きさを制御することによって前記磁歪部材を振動させる駆動コイルと、前記磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を検出する検出手段とを有してなり、前記磁歪部材の振動方向に対し垂直な方向を回転軸とする角速度変化を、コリオリ力にもとづく前記磁歪部材の変形による前記透磁率又は残留磁化量の変化として検出することを特徴とするジャイロセンサ。
請求項１において、
前記駆動コイルは、前記磁歪部材を共振周波数で振動させるようにされたことを特徴とするジャイロセンサ。
請求項１又は２において、
前記検出手段は、磁気抵抗効果素子を含み、前記透磁率又は残留磁化量の変化を前記磁気抵抗効果素子の起電力変化として検出するようにされたことを特徴とするジャイロセンサ。
請求項１又は２において、
前記検出手段は、前記磁歪部材を囲む検出コイルを含み、前記透磁率又は残留磁化量の変化を前記検出コイルのインダクタンス変化として検出するようにされたことを特徴とするジャイロセンサ。
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記磁歪部材の一端側に、磁性を有するバイアス磁石を密着固定すると共に、前記一端側と反対の他端側に、前記駆動コイルを周囲に配置した軟磁性部材を密着固定したことを特徴とするジャイロセンサ。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記磁歪部材を、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成したことを特徴とするジャイロセンサ。