JP2016133403A

JP2016133403A - Motion sensor

Info

Publication number: JP2016133403A
Application number: JP2015008422A
Authority: JP
Inventors: 徹雄波多; Tetsuo Hata; 朋大森木; Tomohiro Moriki
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2015-01-20
Publication date: 2016-07-25

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a motion sensor capable of measuring all of acceleration, angular velocity, and geomagnetism by using only a sensor element of one type and without needing calibration by an externally installed device.SOLUTION: The motion sensor includes a frame; a magnet which is supported by a spiral elastic body one end of which is fixed to the frame, and is capable of freely moving with respect to the frame; and a plurality of magnetic sensors which are fixed to the frame. The motion sensor measures the acceleration by detecting the position of the magnet with the plurality of magnetic sensors, and measures the orientation by detecting the geomagnetism. A plurality of the acceleration and orientation measurement units of such the configuration are arranged so as to calculate the angular velocity by using the measurement values of the acceleration of the plurality of acceleration and orientation measurement units.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、加速度、角速度、方位を測定するモーションセンサに関するものである。 The present invention relates to a motion sensor that measures acceleration, angular velocity, and direction.

例えば、特許文献１には、加速度センサ、角速度センサ、磁気センサを備え、これらのセンサの測定値を基に姿勢・方位を算出する小型姿勢センサが開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a small posture sensor that includes an acceleration sensor, an angular velocity sensor, and a magnetic sensor, and calculates posture / orientation based on measurement values of these sensors.

また、特許文献２には、加速度センサ、角速度センサに加え、絶対位置が既知の指標手段と前記指標手段の情報を取得する手段を備え、前記指標手段により前記加速度センサ、前記角速度センサを較正する測位システムが開示されている。 In addition to the acceleration sensor and the angular velocity sensor, Patent Document 2 includes an index unit whose absolute position is known and a unit that acquires information on the index unit, and the acceleration unit and the angular velocity sensor are calibrated by the index unit. A positioning system is disclosed.

特開２０１３−２００１６２号公報JP 2013-2000162 A 特開２０１３−１８５８４５号公報JP 2013-185845 A

加速度・角速度・方位を測定する従来のモーションセンサは、それぞれの物理量を得るために異なった種類のセンサ素子を組み合わせる必要があり、コストや小型化の点で限界があった。 Conventional motion sensors that measure acceleration, angular velocity, and azimuth need to combine different types of sensor elements in order to obtain their physical quantities, and have limitations in terms of cost and miniaturization.

また、角速度の測定値を積分して方位を得る方式のモーションセンサは、長い距離を移動すると誤差が累積されて大きくなるという欠点があり、これを回避するには外部に設置された装置による較正を必要とする欠点があった。 In addition, the motion sensor that integrates the angular velocity measurement value to obtain the azimuth has the disadvantage that the error accumulates and becomes large when moving over a long distance. To avoid this, calibration by an externally installed device is required. There was a drawback that required.

本発明はこのような事情の下になされたものであり、単一の種類のセンサ素子を用いて加速度・角速度・方位のそれぞれの物理量を得ることができ、かつ外部に設置された装置による較正を必要としないモーションセンサを提供することを目的とする。 The present invention has been made under such circumstances, and each physical quantity of acceleration, angular velocity, and direction can be obtained using a single type of sensor element, and calibration by an apparatus installed outside. An object of the present invention is to provide a motion sensor that does not require a sensor.

フレームと、前記フレームに一端を固定された渦巻状の弾性体で支えられ、前記フレームに対して自由に運動することのできる磁石と、前記フレーム上に固定された複数の磁気センサを備え、前記複数の磁気センサによって前記磁石の位置を検出することで加速度を測定し、地磁気を検出することで方位を測定する。また、前記構成の加速度・方位測定部を複数配置し、前記複数の加速度・方位測定部のそれぞれの加速度の測定値を利用して角速度を算出する。 A frame, a magnet supported by a spiral elastic body having one end fixed to the frame, and capable of moving freely with respect to the frame; and a plurality of magnetic sensors fixed on the frame, The acceleration is measured by detecting the position of the magnet with a plurality of magnetic sensors, and the azimuth is measured by detecting geomagnetism. In addition, a plurality of acceleration / orientation measuring units having the above-described configuration are arranged, and the angular velocity is calculated using the measured acceleration values of the plurality of acceleration / orientation measuring units.

本発明によれば、物理量を検出する素子として磁気センサのみを用いるモーションセンサで加速度・角速度・地磁気の全てを高い精度で測定でき、従来のモーションセンサと比較して低コスト化や小型化が容易となる。 According to the present invention, a motion sensor that uses only a magnetic sensor as an element for detecting a physical quantity can measure all of acceleration, angular velocity, and geomagnetism with high accuracy, and can be easily reduced in cost and size as compared with a conventional motion sensor. It becomes.

また、本発明のモーションセンサでは、角速度と方位を別の物理量として得られるため、角速度を積分して方位を求める必要がなく、長い距離を移動しても誤差が累積されることがない。 In the motion sensor of the present invention, the angular velocity and the azimuth can be obtained as different physical quantities, so there is no need to integrate the angular velocity to obtain the azimuth, and no error is accumulated even when moving a long distance.

また、前記弾性体を渦巻ばね状のものにすることによって、各軸の変位に対する剛性を均一かつ線形性の良いものとすることができる。 Further, by making the elastic body into a spiral spring shape, the rigidity with respect to the displacement of each axis can be made uniform and good in linearity.

下記実施形態における加速度・方位測定部の構成を示した上面図である。It is the top view which showed the structure of the acceleration and the direction measurement part in the following embodiment. 図１のＡ−Ａ断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 下記実施形態における３軸角速度を測定するモーションセンサの加速度・方位測定部の配列を示した上面図である。It is the top view which showed the arrangement | sequence of the acceleration and direction measurement part of the motion sensor which measures the triaxial angular velocity in the following embodiment. 下記実施形態における１軸角速度を測定するモーションセンサの加速度・方位測定部の配列を示した上面図である。It is the top view which showed the arrangement | sequence of the acceleration and azimuth | direction measurement part of the motion sensor which measures the uniaxial angular velocity in the following embodiment. 実施例における印加した加速度に対する信号強度の測定値のグラフである。It is a graph of the measured value of the signal strength with respect to the applied acceleration in an Example.

（実施の形態）
図１および図２は実施の形態における加速度・方位測定部の構成を示した図である。加速度・方位測定部は、フレーム１と、フレーム１に一端を固定された渦巻状の弾性体２に支えられ自由に運動できる磁石３、フレーム１上に固定されたＧＭＲセンサ４から９を備える。 (Embodiment)
FIG. 1 and FIG. 2 are diagrams showing the configuration of the acceleration / orientation measuring unit in the embodiment. The acceleration / azimuth measuring unit includes a frame 1, a magnet 3 supported by a spiral elastic body 2 having one end fixed to the frame 1, and a GMR sensor 4 to 9 fixed on the frame 1.

ＧＭＲセンサ４から９は、加速度・方位測定部の周囲６面に配置され、それぞれの位置における磁束密度を測定する。磁石の変位が微小であれば、それぞれのＧＭＲセンサで測定される磁束密度の変化は磁石の変位に対し線形であるため、それぞれのＧＭＲセンサの測定値から磁石の変位を求めることができる。それぞれの測定値を以下に詳述するような手順で処理することによって加速度・方位を算出する。 The GMR sensors 4 to 9 are arranged on six surfaces around the acceleration / orientation measuring unit, and measure the magnetic flux density at each position. If the displacement of the magnet is very small, the change in magnetic flux density measured by each GMR sensor is linear with respect to the displacement of the magnet, so that the displacement of the magnet can be obtained from the measurement value of each GMR sensor. The acceleration / orientation is calculated by processing each measurement value in the procedure as described in detail below.

Ｘ方向加速度が加速度・方位測定部にかけられた場合、磁石３が−Ｘ方向に変位するため、ＧＭＲ５と磁石３間の距離が増大し、ＧＭＲ７と磁石３間の距離が減少する。これによって求めた磁石３の−Ｘ方向変位に弾性体２のＸ方向に関する剛性を乗じて磁石３の質量で除すことによってＸ軸方向加速度を求めることができる。以上を数式で表すと次式のようになる。Ｙ方向加速度およびＺ方向加速度も同様に求めることができる。

When the acceleration in the X direction is applied to the acceleration / azimuth measuring unit, the magnet 3 is displaced in the −X direction, so that the distance between the GMR 5 and the magnet 3 increases and the distance between the GMR 7 and the magnet 3 decreases. The X-axis direction acceleration can be obtained by multiplying the displacement in the −X direction of the magnet 3 thus obtained by the rigidity in the X direction of the elastic body 2 and dividing the result by the mass of the magnet 3. The above is expressed by the following equation. The Y-direction acceleration and the Z-direction acceleration can be obtained similarly.

加速度・方位測定部に対する地磁気ベクトルが変化した場合、加速度・方位測定部内部で磁石が変位した場合と異なり、向かい合う位置にあるＧＭＲセンサ（ＧＭＲ４と６、ＧＭＲ５と７、ＧＭＲ８と９）で測定される磁束密度に等しい変化が生じる。そのため、向かい合う位置にあるＧＭＲセンサ同士の測定値の平均を取ることで、磁石３の変位による磁場の影響を排除し地磁気の各方向成分のみを抽出することができる。 When the geomagnetic vector for the acceleration / orientation measurement unit changes, it is measured by the GMR sensors (GMR4 and 6, GMR5 and 7, GMR8 and 9) at opposite positions, unlike when the magnet is displaced inside the acceleration / orientation measurement unit. A change equal to the magnetic flux density occurs. Therefore, by taking the average of the measured values of the GMR sensors at the opposite positions, the influence of the magnetic field due to the displacement of the magnet 3 can be eliminated, and only the direction component of geomagnetism can be extracted.

上述した構成の加速度・方位測定部を複数個用いることによって、角速度も測定できるようになる。図３では、上記加速度・方位測定部を等間隔に３個配置してある。Ｘ軸周り角速度がかけられた場合、加速度・方位測定部１、２は同じ測定値を示すのに対し、加速度・方位測定部３のＹ方向加速度の測定値が他の２個より増大するため、この差によりＸ軸周り加速度を求めることができる。以上を数式で表すと以下のようになる。Ｙ軸周り角速度およびＺ軸周り角速度も同様に求めることができる。

なお、前式では角速度が絶対値としてしか求められないため回転方向が分からないという問題が存在するが、角加速度の立ち上がりを観測することでこの問題を回避できる。具体的には、Ｘ軸周りにＸ軸方向から見て時計回りの角加速度がかけられた場合、加速度・方位測定部３のみにＺ軸方向加速度が観測されることになるため、この角加速度の絶対値が一定値以上になった場合のみ角速度の測定を開始し、またこの角加速度の符号により回転方向を判断することができる。
また、本実施例では３個の加速度・方位測定部を等間隔に配置してあるが、原理的には必ずしも等間隔である必要はなく、３個とも同一直線状に並んでしまうことさえ避ければ３軸角速度を測定できる。 The angular velocity can be measured by using a plurality of acceleration / orientation measuring units having the above-described configuration. In FIG. 3, three acceleration / azimuth measuring units are arranged at equal intervals. When the angular velocity around the X axis is applied, the acceleration / azimuth measurement units 1 and 2 show the same measurement value, but the measurement value of the acceleration / azimuth measurement unit 3 in the Y direction increases more than the other two. From this difference, the acceleration around the X axis can be obtained. The above is expressed as a mathematical expression as follows. The angular velocity around the Y axis and the angular velocity around the Z axis can be similarly determined.

In the previous equation, since the angular velocity can only be obtained as an absolute value, there is a problem that the rotational direction is unknown, but this problem can be avoided by observing the rising edge of the angular acceleration. Specifically, when a clockwise angular acceleration is applied around the X axis as viewed from the X axis direction, the Z axis direction acceleration is observed only in the acceleration / azimuth measuring unit 3. Measurement of the angular velocity is started only when the absolute value of becomes equal to or greater than a certain value, and the direction of rotation can be determined from the sign of this angular acceleration.
In this embodiment, the three acceleration / azimuth measuring units are arranged at equal intervals. However, in principle, the three acceleration / orientation measuring units do not necessarily have to be equally spaced, and it is possible to avoid that all three are arranged in the same straight line. 3 axis angular velocity can be measured.

また、求めたい角速度が１軸のみである場合は図４のように上記加速度・方位測定部を２個用いることで測定できる。この場合、加速度・方位測定部１と加速度・方位測定部２のＸ方向加速度の差を利用してＺ軸周り角速度を求めることができ、次式のように表される。回転方向の区別については３軸の場合と同様である。

Further, when the desired angular velocity is only one axis, it can be measured by using two acceleration / orientation measuring units as shown in FIG. In this case, the angular velocity around the Z-axis can be obtained using the difference between the accelerations in the X direction of the acceleration / azimuth measuring unit 1 and the acceleration / azimuth measuring unit 2 and is expressed as the following equation. The distinction of the rotation direction is the same as in the case of three axes.

図５は、図１の構造の加速度・方位測定部にＸ方向加速度を±１６Ｇの範囲で印加した場合の信号強度の測定値の例である。本実施例においては、印加した加速度１Ｇあたり６．４８μＶの信号が得られている。 FIG. 5 is an example of signal intensity measurement values when X-direction acceleration is applied in the range of ± 16 G to the acceleration / orientation measurement unit having the structure of FIG. In the present embodiment, a signal of 6.48 μV is obtained per 1 G of applied acceleration.

１フレーム
２弾性体
３磁石
４〜９ＧＭＲセンサ
１０〜１２加速度・方位測定部１〜３ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Frame 2 Elastic body 3 Magnet 4-9 GMR sensor 10-12 Acceleration and direction measurement part 1-3

Claims

A frame, a magnet supported by a spiral spring-like elastic body having one end fixed to the frame, and capable of moving freely with respect to the frame; and a plurality of magnetic sensors fixed to the frame, Acceleration is measured by detecting the position of the magnet by a plurality of magnetic sensors, and a plurality of acceleration / azimuth measuring units that measure azimuth by detecting geomagnetism are arranged, and each of the plurality of acceleration / azimuth measuring units is arranged. A motion sensor characterized by calculating an angular velocity from a measured value of acceleration.