JP4599502B1 - Magnetic gyro - Google Patents

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    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects

Abstract

【課題】高速回転の際にも低速回転の際にも回転角度を精確に計測することができる磁気式ジャイロを提供すること。
【解決手段】3軸磁気センサ21と、3軸加速度センサ22と、メモリ3と、第1回転軸決定手段41と、第2回転軸決定手段42と、被測定体の回転角度を磁気ベクトルのデータを基に算出する第1回転角度算出手段51と、被測定体の回転角度を磁気ベクトルのデータ及び加速度ベクトルのデータを基に算出する第2回転角度算出手段52と、回転速度判別手段6と、高速モードのとき第1回転角度算出手段による算出結果を出力し、低速モードのとき第2回転角度算出手段による算出結果を出力する出力手段8とを有する磁気式ジャイロ1。
【選択図】図1
To provide a magnetic gyro capable of accurately measuring a rotation angle during both high-speed rotation and low-speed rotation.
A three-axis magnetic sensor 21, a three-axis acceleration sensor 22, a memory 3, a first rotation axis determination unit 41, a second rotation axis determination unit 42, and a rotation angle of an object to be measured are represented by magnetic vectors. First rotation angle calculation means 51 that calculates based on the data, second rotation angle calculation means 52 that calculates the rotation angle of the measured object based on the magnetic vector data and the acceleration vector data, and the rotational speed determination means 6 And an output means 8 for outputting a calculation result by the first rotation angle calculation means in the high speed mode and outputting a calculation result by the second rotation angle calculation means in the low speed mode.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、被測定体がコマ等のように回転軸及び回転速度を時間とともに変えながら、回転運動している場合であっても地磁気ベクトルを磁気センサに微小時間毎に連続的に測定することにより、刻々と変化する瞬間的な回転軸、回転角度を測定することが可能な磁気式ジャイロに関する。   The present invention continuously measures the geomagnetic vector with a magnetic sensor every minute time even when the object to be measured is rotating while changing the rotation axis and the rotation speed with time like a coma or the like. Thus, the present invention relates to a magnetic gyro capable of measuring an instantaneous rotation axis and rotation angle that change every moment.

近年、例えば携帯電話機やPDA等の携帯電子機器を傾けたり振り回したりしたときのピッチ、ヨー、ロール方向の回転角度(機器の姿勢)や、回転角速度を検出し、これらを上記携帯電子機器へのインプット信号とする技術が開発されている。
また、カメラの回転角度や回転角速度を検出して、写真(撮影画像)の手振れ防止用の補正信号とする技術も開発されている。
これらの技術において、機器の回転角度や回転角速度を検出する手段として、ジャイロが利用されている。
In recent years, for example, when a portable electronic device such as a mobile phone or a PDA is tilted or swung, the rotation angle in the pitch, yaw and roll directions (device posture) and the rotation angular velocity are detected, and these are detected. A technology for input signals has been developed.
In addition, a technique has been developed in which a camera rotation angle and rotation angular velocity are detected and used as a correction signal for preventing camera shake of a photograph (photographed image).
In these techniques, a gyro is used as means for detecting the rotation angle and rotation angular velocity of the device.

上記ジャイロとしては、例えば、ディレクショナルジャイロ(特許文献1)や、レートジャイロ(特許文献2)など、運動力学的な原理を利用したものが一般的である。
しかし、これらのジャイロは、測定対象とする回転運動以外の力学的な振動や衝撃等が印加されたときにもこれらに反応してしまうおそれがあり、ノイズが出力信号に重畳され、精確な計測が困難となるおそれがあるという問題がある。
As the above-mentioned gyro, for example, one using a kinematic principle such as a directional gyro (Patent Document 1) or a rate gyro (Patent Document 2) is generally used.
However, these gyros may react to mechanical vibrations or impacts other than the rotational motion that is the object of measurement, and noise may be superimposed on the output signal for accurate measurement. There is a problem that it may become difficult.

また、上記従来のジャイロは、複雑な機構を必要とするため、低コスト化や小型化が困難である。
それ故、これらのジャイロは、例えば、小型化、高密度化が進んでいる携帯電子機器等に組み込むことは困難であるという問題もある。
Moreover, since the conventional gyro described above requires a complicated mechanism, it is difficult to reduce cost and size.
Therefore, these gyros have a problem that it is difficult to incorporate them in, for example, portable electronic devices whose size and density are increasing.

そこで、地磁気を利用して、任意の姿勢を基準とした回転角度を測定する磁気式ジャイロが提案されている(特許文献3)。
特許文献3に開示された磁気式ジャイロは、3軸磁気センサによって検出した地磁気ベクトルの時間変化を基に、被測定体の回転角度を計測することができる。
Therefore, a magnetic gyro that measures the rotation angle based on an arbitrary posture using geomagnetism has been proposed (Patent Document 3).
The magnetic gyro disclosed in Patent Document 3 can measure the rotation angle of the measured object based on the temporal change of the geomagnetic vector detected by the three-axis magnetic sensor.

米国特許第3143892号明細書US Pat. No. 3,143,892 特開平7−139951号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-139951 国際公開第2007/099599号International Publication No. 2007/099599

しかしながら、上記特許文献3に記載の磁気式ジャイロを用いて回転角度を計測する際、被測定体に対する地磁気ベクトルの変化に基づいて回転軸を算出する必要があるが、被測定体の回転運動が低速回転である場合、地磁気ベクトルの変化が小さく(遅く)なるため、回転軸の算出に時間がかかる。そのため、低速回転時において、被測定体の回転角度を迅速に精確に測定することが困難となるという問題がある。   However, when measuring the rotation angle using the magnetic gyro described in Patent Document 3, it is necessary to calculate the rotation axis based on the change of the geomagnetic vector with respect to the measured object. In the case of low-speed rotation, since the change in the geomagnetic vector is small (slow), it takes time to calculate the rotation axis. For this reason, there is a problem that it is difficult to quickly and accurately measure the rotation angle of the object to be measured during low-speed rotation.

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、高速回転の際にも低速回転の際にも回転角度を精確に計測することができる磁気式ジャイロを提供しようとするものである。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a magnetic gyro capable of accurately measuring a rotation angle even at high speed rotation and low speed rotation.

本発明は、被測定体に固定された3軸直交座標系における磁気ベクトルとして地磁気を検出する3軸磁気センサと、
上記3軸直交座標系における加速度ベクトルとして重力加速度を検出する3軸加速度センサと、
上記3軸磁気センサによって時系列的に検出される上記磁気ベクトルのデータ、及び上記3軸加速度センサによって時系列的に検出される上記加速度ベクトルのデータを蓄積するメモリと、
該メモリに蓄積された異なる2時点以上の上記磁気ベクトルのデータを基に、上記被測定体の回転運動の基準とする回転軸を決定する第1回転軸決定手段と、
上記メモリに蓄積された異なる2時点以上の上記磁気ベクトルのデータ及び上記加速度ベクトルのデータを基に、上記被測定体の回転運動の基準とする回転軸を決定する第2回転軸決定手段と、
上記第1回転軸決定手段によって決定された上記回転軸を中心とした上記被測定体の回転角度を、上記磁気ベクトルのデータを基に算出する第1回転角度算出手段と、
上記第2回転軸決定手段によって決定された上記回転軸を中心とした上記被測定体の回転角度を、上記磁気ベクトルのデータ及び上記加速度ベクトルのデータを基に算出する第2回転角度算出手段と、
上記3軸磁気センサによって時系列的に検出される上記磁気ベクトルのデータを基に、上記被測定体が、基準となる回転速度以上の高速回転を行っているか、あるいは、基準となる回転速度未満の低速回転を行っているかを判別する回転速度判別手段と、
該回転速度判別手段によって、上記被測定体が上記高速回転を行っていると判断された高速モードのとき、上記第1回転角度算出手段による上記被測定体の回転角度の算出結果を出力し、上記回転速度判別手段によって、上記被測定体が上記低速回転を行っていると判断された低速モードのとき、上記第2回転角度算出手段による上記被測定体の回転角度の算出結果を出力する出力手段とを有することを特徴とする磁気式ジャイロにある(請求項1)。
The present invention includes a three-axis magnetic sensor that detects geomagnetism as a magnetic vector in a three-axis orthogonal coordinate system fixed to a measurement object;
A triaxial acceleration sensor for detecting gravitational acceleration as an acceleration vector in the triaxial orthogonal coordinate system;
A memory for storing data of the magnetic vector detected in time series by the triaxial magnetic sensor and data of the acceleration vector detected in time series by the triaxial acceleration sensor;
First rotation axis determination means for determining a rotation axis as a reference for the rotational motion of the object to be measured, based on data of the magnetic vector at two or more different time points stored in the memory;
Second rotation axis determination means for determining a rotation axis as a reference for the rotational movement of the measured object based on the magnetic vector data and the acceleration vector data at two or more different points in time stored in the memory;
First rotation angle calculation means for calculating a rotation angle of the measurement object around the rotation axis determined by the first rotation axis determination means based on the magnetic vector data;
Second rotation angle calculation means for calculating the rotation angle of the measured object around the rotation axis determined by the second rotation axis determination means based on the magnetic vector data and the acceleration vector data; ,
Based on the magnetic vector data detected in time series by the three-axis magnetic sensor, the measured object is rotating at a speed higher than the reference rotation speed or less than the reference rotation speed. A rotational speed discriminating means for discriminating whether the low-speed rotation is performed,
When the rotational speed discriminating means determines that the object to be measured is rotating at the high speed mode, the rotation angle calculation means outputs the calculation result of the rotation angle of the object to be measured by the first rotation angle calculating means, An output for outputting the calculation result of the rotation angle of the measurement object by the second rotation angle calculation means when the rotation speed determination means determines that the measurement object is rotating at the low speed mode. And a magnetic gyroscope.

上記磁気式ジャイロは、上記回転速度判別手段を有する。そして、上記出力手段は、回転速度判別手段によって上記高速モードと判定されたとき、上記第1回転角度算出手段による上記被測定体の回転角度(姿勢変化量)の算出結果を出力し、上記低速モードと判定されたとき、上記第2回転角度算出手段による上記被測定体の回転角度の算出結果を出力する。   The magnetic gyro has the rotational speed determining means. The output means outputs the calculation result of the rotation angle (posture change amount) of the measured object by the first rotation angle calculation means when the rotation speed determination means determines that the high speed mode is selected, and the low speed When the mode is determined, the calculation result of the rotation angle of the object to be measured by the second rotation angle calculation means is output.

ここで、上記第1回転角度算出手段は、上記回転軸を中心とした上記被測定体の回転角度を、上記磁気ベクトルのデータを基に算出するよう構成されている。すなわち、回転角度の算出に当たって、加速度ベクトルのデータを用いないため、被測定体が高速回転していても、これに伴う加速度は、回転角度の算出時にノイズとなることはなく、精確な回転角度の算出を行うことができる。また、この第1回転角度算出手段は、上記高速モードにて用いられるため、上記第1回転軸決定手段によって上記磁気ベクトルのデータのみから回転軸を迅速に決定することができ、その回転軸を中心とする回転角度を、第1回転角度算出手段によって迅速に算出することができる。   Here, the first rotation angle calculation means is configured to calculate the rotation angle of the measurement object around the rotation axis based on the magnetic vector data. In other words, since the acceleration vector data is not used in calculating the rotation angle, even if the measured object rotates at high speed, the accompanying acceleration does not become a noise when calculating the rotation angle, and the accurate rotation angle. Can be calculated. Further, since the first rotation angle calculation means is used in the high speed mode, the first rotation axis determination means can quickly determine the rotation axis only from the magnetic vector data, and the rotation axis can be determined. The center rotation angle can be quickly calculated by the first rotation angle calculation means.

一方、上記第2回転角度算出手段は、上記被測定体の回転角度を、上記磁気ベクトルのデータ及び上記加速度ベクトルのデータを基に算出するよう構成されている。すなわち、回転角度の算出に当たって、磁気ベクトルのデータに加えて加速度ベクトルのデータをも用いるため、上記低速モードにおいても、上記第2回転軸決定手段によって、磁気ベクトルのデータと加速度ベクトルのデータとを用いて回転軸を迅速に決定することができる。そして、これによって決定された回転軸を基準に、上記第2回転角度算出手段が被測定体の回転角度を迅速に算出することができる。
被測定体が低速回転している低速モードにおいては、回転運動に伴う加速度、すなわち重力加速度以外の加速度は充分に小さく、無視できるため、この加速度が回転角度の算出時にノイズとなることもない。
On the other hand, the second rotation angle calculation means is configured to calculate the rotation angle of the measurement object based on the magnetic vector data and the acceleration vector data. That is, since the acceleration vector data is used in addition to the magnetic vector data in calculating the rotation angle, the magnetic vector data and the acceleration vector data are also obtained by the second rotation axis determination means in the low speed mode. Can be used to quickly determine the axis of rotation. Then, the second rotation angle calculation means can quickly calculate the rotation angle of the object to be measured based on the rotation axis determined thereby.
In the low speed mode in which the object to be measured is rotating at a low speed, the acceleration accompanying the rotational motion, that is, the acceleration other than the gravitational acceleration is sufficiently small and can be ignored. Therefore, this acceleration does not cause noise when calculating the rotation angle.

このように、高速モードと低速モードとで、回転角度算出手段を使い分けることにより、上記磁気式ジャイロは、従来のジャイロでは実現することのできなかった被測定体の低速回転から高速回転までのあらゆる運動状況における精確な回転角度の検出を行うことができる。   As described above, by properly using the rotation angle calculation means in the high-speed mode and the low-speed mode, the magnetic gyro described above can be applied to everything from low-speed rotation to high-speed rotation of the measured object that could not be realized by the conventional gyro. Accurate rotation angle detection in an exercise situation can be performed.

以上のごとく、本発明によれば、高速回転の際にも低速回転の際にも回転角度を精確に計測することができる磁気式ジャイロを提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a magnetic gyro capable of accurately measuring a rotation angle even at high speed and at low speed.

実施例1における、磁気式ジャイロの概念図。1 is a conceptual diagram of a magnetic gyroscope in Embodiment 1. FIG. 実施例1における、磁気式ジャイロによる回転角度及び回転角速度の計測のフロー図。FIG. 3 is a flowchart of measurement of the rotation angle and the rotation angular velocity by the magnetic gyroscope in the first embodiment. 実施例1における、3軸直交座標系、回転軸、磁気ベクトル等の説明図。3 is an explanatory diagram of a three-axis orthogonal coordinate system, a rotation axis, a magnetic vector, and the like in Embodiment 1. FIG. 実施例1における、回転中心座標の算出方法の補助説明図。FIG. 3 is an auxiliary explanatory diagram of a calculation method of rotation center coordinates in the first embodiment. 実施例1における、回転角度の算出方法の補助説明図。FIG. 3 is an auxiliary explanatory diagram of a rotation angle calculation method in the first embodiment. 実施例1における、3軸磁気センサの斜視図。1 is a perspective view of a triaxial magnetic sensor in Embodiment 1. FIG. マグネト・インピーダンス・センサ素子と他の磁気センサとの性能比較図。The performance comparison figure of a magneto impedance sensor element and other magnetic sensors. 実施例2における、オフセット誤差がある場合の回転中心座標の算出方法の補助説明図。FIG. 10 is an auxiliary explanatory diagram of a method for calculating a rotation center coordinate when there is an offset error in the second embodiment. 実施例2における、回転角度の算出方法の補助説明図。9 is an auxiliary explanatory diagram of a calculation method of a rotation angle in Embodiment 2. FIG.

本発明において、上記磁気式ジャイロは、例えば、携帯電話機やPDA等の携帯電子機器、カメラ、車両、ロボット、航空機、船舶等、種々の被測定体に搭載することができる。
また、上記磁気ベクトルは、上記3軸直交座標系における原点を始点とした地磁気に平行なベクトルであり、場所によっては大きさが異なることもあるが、同じ位置であればその大きさは一定である。また、上記加速度ベクトルは、上記3軸直交座標系における原点を始点とした鉛直下方(重力方向)のベクトルであり、その大きさは一定である。
In the present invention, the magnetic gyro can be mounted on various measured objects such as portable electronic devices such as mobile phones and PDAs, cameras, vehicles, robots, aircrafts, ships, and the like.
The magnetic vector is a vector parallel to the geomagnetism starting from the origin in the three-axis orthogonal coordinate system. The magnitude may vary depending on the location, but the magnitude is constant at the same position. is there. The acceleration vector is a vertically downward vector (gravity direction) starting from the origin in the three-axis orthogonal coordinate system, and the magnitude thereof is constant.

また、上記第1回転角度算出手段又は上記第2回転角度算出手段によって算出された異なる2時点間における上記被測定体の回転角度と、その2時点における上記磁気ベクトルのデータの採取時刻の差とを基に、上記回転軸を中心とする上記被測定体の回転角速度を算出する角速度算出手段を有することが好ましい。
本発明では、微小時間(概ね数m秒以下)間隔で連続的に磁気ベクトルを測定し、そのデータから各時間における瞬間的な回転軸と回転角度を求めている。従って、求めた回転角度を、メモリ内に保存された磁気ベクトルの測定時刻データを用いることにより、被測定体の各時刻における瞬間的な回転角速度(姿勢変化速度)を容易に検出することができる磁気式ジャイロを得ることができる。それ故、被測定体の姿勢変化量だけでなく、姿勢変化速度も検出することができる。
Further, the rotation angle of the measured object between two different time points calculated by the first rotation angle calculating means or the second rotation angle calculating means, and the difference between the sampling times of the magnetic vector data at the two time points It is preferable to have an angular velocity calculating means for calculating the rotational angular velocity of the object to be measured around the rotation axis.
In the present invention, magnetic vectors are continuously measured at minute time intervals (approximately several milliseconds or less), and the instantaneous rotation axis and rotation angle at each time are obtained from the data. Therefore, the instantaneous rotation angular velocity (attitude change rate) of the measured object at each time can be easily detected by using the measurement time data of the magnetic vector stored in the memory for the calculated rotation angle. A magnetic gyro can be obtained. Therefore, not only the posture change amount of the measured object but also the posture change speed can be detected.

また、上記第1回転軸決定手段は、上記メモリに蓄積された異なる3時点以上の上記磁気ベクトルのデータを基に、上記3軸直交座標系の3軸に限定されない任意の回転軸を上記回転軸として決定するよう構成してあることが好ましい。
この場合には、上記回転軸を、上記被測定体の実際の回転軸と略一致させることができ、より精確な回転角度を計測することができる。
Further, the first rotation axis determination means rotates an arbitrary rotation axis that is not limited to the three axes of the three-axis orthogonal coordinate system based on the magnetic vector data stored in the memory at three different time points or more. It is preferable to be configured to determine the axis.
In this case, the rotation axis can be made substantially coincident with the actual rotation axis of the measured object, and a more accurate rotation angle can be measured.

また、上記第1回転軸決定手段は、異なる3時点以上の上記磁気ベクトルのうちの2つの磁気ベクトルの差である差分ベクトルを2つ算出し、これら2つの差分ベクトルの外積をとることにより、上記回転軸と同方向の回転軸ベクトルを算出することが好ましい。
この場合には、容易かつ精確に上記回転軸を算出することができる。
In addition, the first rotation axis determination means calculates two difference vectors that are differences between two magnetic vectors among the magnetic vectors at three or more different time points, and calculates the outer product of these two difference vectors, It is preferable to calculate a rotation axis vector in the same direction as the rotation axis.
In this case, the rotation axis can be calculated easily and accurately.

また、上記第1回転角度算出手段は、上記3軸直交座標系における異なる3時点以上の上記磁気ベクトルのデータを基に、該3つ以上の磁気ベクトルの座標点を通る軌跡円の中心座標を算出する回転中心座標算出手段と、該回転中心座標算出手段によって算出された上記中心座標と、上記磁気ベクトルの座標点との距離を算出することにより、上記軌跡円の半径を算出する半径算出手段とを有し、該半径算出手段によって算出した上記軌跡円の半径と、異なる2時点の上記磁気ベクトルの座標点とを基に、上記計算に用いた磁気ベクトルデータの測定時刻間における回転角度を算出するよう構成してあることが好ましい(請求項2)。   Further, the first rotation angle calculation means calculates the center coordinates of a trajectory circle passing through the coordinate points of the three or more magnetic vectors based on the magnetic vector data at three or more different points in the three-axis orthogonal coordinate system. Rotation center coordinate calculation means for calculating, and radius calculation means for calculating a radius of the trajectory circle by calculating a distance between the center coordinate calculated by the rotation center coordinate calculation means and a coordinate point of the magnetic vector. The rotation angle between the measurement times of the magnetic vector data used in the calculation is calculated based on the radius of the locus circle calculated by the radius calculation means and the coordinate points of the magnetic vector at two different time points. It is preferable to be configured to calculate (claim 2).

この場合には、上記3軸磁気センサにオフセット誤差が存在しても、被測定体の回転角度を、容易かつ精確に計測することができる。
すなわち、被測定体の磁気センサの近傍に磁化された部品が存在する場合、その部品により生じる磁気ベクトルが、地磁気ベクトルに加算された値を測定させることになる。しかし、本発明ではこの加算分(オフセット)が存在した環境で測定しても被測定体の回転角度の算出過程における適切な処理により、オフセット誤差の有無にかかわらず、直接精確な回転角度を計測することができる。しかも、オフセットされた原点を算出することなく、磁気ベクトルの回転中心座標を直接求めることで、被測定体の回転角度を算出するため、特別な補正計算も不要となる。
それゆえ、簡易な構成にて、3軸磁気センサにオフセット誤差が生じていても、被測定体の回転角度を精確に計測することができる。すなわち、従来の振動式ジャイロのように使用時間に伴って計測原点がドリフトすることによる計測誤差が発生するという現象を招くことを、簡易な構成にて防ぐことができる。
In this case, even if there is an offset error in the three-axis magnetic sensor, the rotation angle of the measurement object can be measured easily and accurately.
That is, when there is a magnetized part in the vicinity of the magnetic sensor of the object to be measured, a value obtained by adding the magnetic vector generated by the part to the geomagnetic vector is measured. However, in the present invention, an accurate rotation angle can be directly measured regardless of the presence or absence of an offset error by appropriate processing in the calculation process of the rotation angle of the object to be measured even if measurement is performed in an environment where this addition (offset) exists. can do. In addition, since the rotation angle of the measured object is calculated by directly obtaining the rotation center coordinates of the magnetic vector without calculating the offset origin, no special correction calculation is required.
Therefore, with a simple configuration, even if an offset error occurs in the three-axis magnetic sensor, the rotation angle of the measured object can be accurately measured. That is, it is possible to prevent a phenomenon in which a measurement error occurs due to a drift of the measurement origin with use time as in a conventional vibration gyroscope with a simple configuration.

また、上記第1回転軸決定手段は、上記3軸直交座標系の3軸のうち、上記磁気ベクトルの成分の変化が最も小さい方向の軸を上記回転軸として決定するよう構成してあることが好ましい。
この場合には、上記第1回転軸決定手段において行われる演算を簡素化することができ、上記回転軸を容易に決定することができる。本例の磁気式ジャイロでは、基本的にはユーザーが被測定体に対し、いかなる操作を行っても精確に回転軸を求める必要があることから、求める回転軸は時間とともに変化する任意軸となる。しかし、回転軸が3軸直交座標系のいずれかの回転軸と略一致する場合や非常に近いと判断できる場合には、任意軸を求める演算を行なわなくても、それほど精度を低下させることはなく、その場合には、上記3軸方向のいずれかを上記回転軸として設定することができる。
これにより、演算を簡略化することができる。
すなわち、携帯電話機等に与える回転方向は、その筐体を基準に、ヨー、ロール、ピッチの方向とすることが多いため、これらのいずれの回転であるかが識別できれば、回転運動による入力が可能となるため、携帯電話機等を被測定体とする場合等に効果的である。
The first rotation axis determination means may be configured to determine, as the rotation axis, an axis in a direction in which the change in the magnetic vector component is smallest among the three axes of the three-axis orthogonal coordinate system. preferable.
In this case, the calculation performed in the first rotation axis determination means can be simplified, and the rotation axis can be easily determined. In the magnetic gyro of this example, basically, the user needs to accurately determine the rotation axis regardless of what the user performs on the object to be measured. Therefore, the rotation axis to be obtained is an arbitrary axis that changes with time. . However, when the rotation axis substantially coincides with any rotation axis of the three-axis orthogonal coordinate system or when it can be determined that the rotation axis is very close, the accuracy can be lowered so much without performing an operation for obtaining an arbitrary axis. In this case, any one of the three axis directions can be set as the rotation axis.
Thereby, calculation can be simplified.
In other words, the direction of rotation given to a mobile phone or the like is often the direction of yaw, roll, or pitch, based on the case, so if you can identify which of these rotations, you can input by rotational movement. Therefore, it is effective when a mobile phone or the like is used as a measurement object.

また、上記高速モードと上記低速モードとが切り替わった直後に算出される上記被測定体の回転角度の算出結果は、少なくとも上記高速モードと上記低速モードとが切り替わる直前の1又は複数のデータを用いて修正し、上記高速モードと上記低速モードとが切り替わる直前に算出された上記被測定体の回転角度の算出結果との間の平滑的な連続性を確保するよう構成してあることが好ましい(請求項3)。
この場合には、上記高速モードと上記低速モードとの間の切り替わりに伴う計測誤差を小さくすることができる。すなわち、上記高速モードと上記低速モードとが切り替わると、用いられる回転角度算出手段が、上記第1回転角度算出手段と上記第2回転角度算出手段との間で切り替わり、これに伴い、用いられる回転軸決定手段が、上記第1回転軸決定手段と上記第2回転軸決定手段との間で切り替わる。それゆえ、この切り替わりの前後で、演算に用いられる上記回転軸が変わることとなるため、その算出結果も変わることとなる。この変化を平滑化、連続化することにより、回転角度の算出誤差を小さくすることができる。
The calculation result of the rotation angle of the measured object calculated immediately after the high speed mode and the low speed mode are switched uses at least one or a plurality of data immediately before the high speed mode and the low speed mode are switched. It is preferable that the smooth continuity is ensured between the calculation result of the rotation angle of the measured object calculated immediately before the high speed mode and the low speed mode are switched ( Claim 3).
In this case, a measurement error associated with switching between the high speed mode and the low speed mode can be reduced. That is, when the high-speed mode and the low-speed mode are switched, the rotation angle calculation means to be used is switched between the first rotation angle calculation means and the second rotation angle calculation means. The axis determination means switches between the first rotation axis determination means and the second rotation axis determination means. Therefore, before and after the switching, the rotation axis used for the calculation changes, and the calculation result also changes. By smoothing and continuing this change, the calculation error of the rotation angle can be reduced.

また、上記被測定体の実際の回転軸の方向が上記磁気ベクトルの方向と一致したとき、上記第1回転角度算出手段又は第2回転角度算出手段に代わって上記回転軸を中心とした上記被測定体の回転角度を上記加速度ベクトルのデータを基に算出する第3回転角度算出手段を有することが好ましい(請求項4)。
この場合には、被測定体の回転に伴って上記磁気ベクトルが変化しないため、磁気ベクトルのデータを用いて被測定体の回転角度を算出することができない。すなわち、上記第1回転角度算出手段も上記第2回転角度算出手段も用いることができない。そこで、上記第3回転角度算出手段によって、上記加速度ベクトルのデータのみを用いて回転角度を算出する。これにより、上記被測定体の実際の回転軸の方向が上記磁気ベクトルの方向と一致したときでも、被測定体の回転角度を算出することが可能となる。
ここで、「上記被測定体の実際の回転軸の方向が上記磁気ベクトルの方向と一致」とは、これらの方向が完全一致の場合のみならず、上記第1回転軸決定手段や上記第2回転軸決定手段によって回転軸を決定することが困難な程度に略一致する場合も含まれる。
Further, when the direction of the actual rotation axis of the object to be measured coincides with the direction of the magnetic vector, the measured object around the rotation axis instead of the first rotation angle calculation means or the second rotation angle calculation means. It is preferable to have a third rotation angle calculation means for calculating the rotation angle of the measuring body based on the acceleration vector data.
In this case, since the magnetic vector does not change with the rotation of the measured object, the rotation angle of the measured object cannot be calculated using the magnetic vector data. That is, neither the first rotation angle calculation means nor the second rotation angle calculation means can be used. Therefore, the third rotation angle calculation means calculates the rotation angle using only the acceleration vector data. Thereby, even when the direction of the actual rotation axis of the measured object coincides with the direction of the magnetic vector, the rotation angle of the measured object can be calculated.
Here, “the direction of the actual rotation axis of the object to be measured coincides with the direction of the magnetic vector” is not only the case where these directions are completely coincident, but also the first rotation axis determination means and the second rotation axis. The case where the rotation axis is substantially coincident to the extent that it is difficult to determine the rotation axis is also included.

また、上記3軸磁気センサは、マグネト・インピーダンス・センサ素子によって構成してあることが好ましい(請求項5)。
この場合には、より高精度、高感度、高応答性、かつ小型の磁気式ジャイロを得ることができる。すなわち、目まぐるしく回転軸、回転角、回転角速度が変化している被測定体の回転運動状況を精確に測定可能とするためには、極めて短時間の時間間隔毎(概ね数m秒以下)毎に磁気ベクトルを連続して測定しなければならない。すなわち、このような回転状況が変化している物体の回転角速度を精確に求めるためには、角速度の定義、すなわち回転角を時間で微分した値(Δtを限りなく無限小とした場合の回転角を時間で除した値)と略一致する値を求める必要がある。そのためには、極めて短時間に精度良く測定可能な磁気センサが求められる。
マグネト・インピーダンス・センサ素子(MI素子)は、前記した測定条件に対応可能な優れた素子であり、高感度であるため、微弱な地磁気を高精度にて検出することができる。更には、マグネト・インピーダンス・センサ素子は小型であるため、小型の3軸磁気センサを得ることができる。また、これにより、磁気式ジャイロをICチップ内に納めることも可能となる。
なお、上記3軸磁気センサは、3個の上記マグネト・インピーダンス・センサ素子を、それぞれの感磁方向が互いに直交する3軸方向となるように配設することにより、形成することができる。
The three-axis magnetic sensor is preferably constituted by a magneto-impedance sensor element.
In this case, a magnetic gyro with higher accuracy, higher sensitivity, higher response, and smaller size can be obtained. In other words, in order to be able to accurately measure the rotational motion of the measured object whose rotational axis, rotational angle, and rotational angular velocity are changing rapidly, every very short time interval (approximately several milliseconds or less). The magnetic vector must be measured continuously. That is, in order to accurately determine the rotational angular velocity of an object whose rotational state changes, the definition of the angular velocity, that is, the value obtained by differentiating the rotational angle with time (the rotational angle when Δt is infinitely small) It is necessary to obtain a value that substantially matches the value obtained by dividing the above by time. For this purpose, a magnetic sensor that can be measured accurately in a very short time is required.
The magneto-impedance sensor element (MI element) is an excellent element that can cope with the above-described measurement conditions and has high sensitivity, and therefore can detect weak geomagnetism with high accuracy. Furthermore, since the magneto-impedance sensor element is small, a small three-axis magnetic sensor can be obtained. This also makes it possible to fit the magnetic gyro in the IC chip.
The three-axis magnetic sensor can be formed by disposing the three magneto-impedance sensor elements so that their magnetic sensitive directions are in the three-axis directions orthogonal to each other.

なお、上記3軸磁気センサは、上記した通り、極めて短時間で測定可能とする必要があり、現在のセンサの性能であれば、マグネト・インピーダンス・センサ素子が最適であるが、高精度、高感度、高応答が実現できるセンサであれば他のセンサを用いても何ら問題はない。例えば、ホール素子、磁気抵抗素子、フラックスゲート等、種々の磁気検出用の素子であっても、短時間に高精度で測定可能な素子を選択できれば同様の精度の良い磁気式ジャイロを構成することもできる。
また、3軸加速度センサは、例えば、静電容量型加速度センサによって構成することができる。
As described above, the triaxial magnetic sensor needs to be able to measure in a very short time, and if it is the performance of the current sensor, a magneto-impedance sensor element is optimal, There is no problem even if other sensors are used as long as they can realize sensitivity and high response. For example, even if various elements for magnetic detection such as Hall elements, magnetoresistive elements, flux gates, etc. can be selected, elements that can be measured with high accuracy in a short time can be used to construct a magnetic gyro with the same accuracy. You can also.
In addition, the triaxial acceleration sensor can be configured by, for example, a capacitive acceleration sensor.

また、上記磁気式ジャイロは、上記被測定体が回転運動状態にある場合において、地磁気ベクトルを連続的に測定し、測定した地磁気ベクトルから測定した時間における瞬間的な回転軸及び該回転軸を中心とする瞬間的な回転角度を求めるものであって、上記メモリは、測定した瞬間の時刻情報と共に上記磁気ベクトルのデータ及び上記加速度ベクトルのデータを蓄積するよう構成してあり、上記第1回転軸決定手段及び上記第2回転軸決定手段は、上記2時点以上の磁気ベクトルの測定時間内における上記被測定体の瞬間的な回転運動の基準とする回転軸を決定するよう構成してあり、上記第1回転角度算出手段及び上記第2回転角度算出手段は、上記回転軸を中心とした上記被測定体の瞬間的な回転角度を算出するよう構成してあることが好ましい(請求項6)。
この場合には、被測定体がコマ等のように回転軸及び回転速度を時間とともに変えながら、回転運動している場合であっても地磁気ベクトルを磁気センサに微小時間毎に連続的に測定することにより、刻々と変化する瞬間的な回転軸、回転角度を測定することができる。
In addition, the magnetic gyro measures the geomagnetic vector continuously when the measured object is in a rotational motion state, and the instantaneous rotational axis at the time measured from the measured geomagnetic vector and the rotational axis as a center. The memory is configured to store the magnetic vector data and the acceleration vector data together with the time information of the measured moment, and the first rotation axis. The determination means and the second rotation axis determination means are configured to determine a rotation axis used as a reference for the instantaneous rotation motion of the measured object within the measurement time of the magnetic vector at the two or more time points. The first rotation angle calculation means and the second rotation angle calculation means are configured to calculate an instantaneous rotation angle of the measured object around the rotation axis. Preferred (claim 6).
In this case, the geomagnetic vector is continuously measured by the magnetic sensor every minute time even when the object to be measured is rotating, changing the rotation axis and the rotation speed with time like a top. Thus, the instantaneous rotation axis and rotation angle that change every moment can be measured.

(実施例1)
本発明の実施例にかかる磁気式ジャイロにつき、図1〜図6を用いて説明する。
本例の磁気式ジャイロ1は、図1に示すごとく、3軸磁気センサ21と、3軸加速度センサ22と、メモリ3と、第1回転軸決定手段41と、第2回転軸決定手段42と、第1回転角度算出手段51と、第2回転角度算出手段52と、回転速度判別手段6と、角速度算出手段7と、出力手段8とを有する。
Example 1
A magnetic gyro according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the magnetic gyro 1 of this example includes a three-axis magnetic sensor 21, a three-axis acceleration sensor 22, a memory 3, a first rotation axis determination unit 41, and a second rotation axis determination unit 42. , First rotation angle calculation means 51, second rotation angle calculation means 52, rotation speed determination means 6, angular speed calculation means 7, and output means 8.

3軸磁気センサ21は、図3に示す、被測定体に固定された3軸直交座標系10における磁気ベクトルとして地磁気を検出する。
3軸加速度センサ22は、3軸直交座標系10における加速度ベクトルとして重力加速度を検出する。
The triaxial magnetic sensor 21 detects geomagnetism as a magnetic vector in the triaxial orthogonal coordinate system 10 fixed to the measurement object shown in FIG.
The triaxial acceleration sensor 22 detects gravitational acceleration as an acceleration vector in the triaxial orthogonal coordinate system 10.

メモリ3は、3軸磁気センサ21によって時系列的に検出される磁気ベクトルのデータ、及び3軸加速度センサ22によって時系列的に検出される加速度ベクトルのデータを測定した瞬間の時刻情報とともに、蓄積する。   The memory 3 stores the magnetic vector data detected in time series by the triaxial magnetic sensor 21 and the time information of the moment when the acceleration vector data detected in time series by the triaxial acceleration sensor 22 is measured. To do.

第1回転軸決定手段41は、メモリ3に蓄積された異なる2時点以上の磁気ベクトルのデータを基に、3軸直交座標系10の原点を通ると共に被測定体の回転運動の基準とする回転軸を決定する(図3の符号K参照)。
第2回転軸決定手段42は、メモリ3に蓄積された異なる2時点以上の磁気ベクトルのデータ及び加速度ベクトルのデータを基に、3軸直交座標系10の原点を通ると共に被測定体の回転運動の基準とする回転軸を決定する。
The first rotation axis determining means 41 rotates based on the magnetic vector data stored in the memory 3 at two or more different points in time and passes through the origin of the three-axis orthogonal coordinate system 10 and is used as a reference for the rotational movement of the measured object. The axis is determined (see symbol K in FIG. 3).
The second rotation axis determination means 42 passes through the origin of the three-axis orthogonal coordinate system 10 and rotates the measured object based on the magnetic vector data and acceleration vector data stored at two or more different points in time stored in the memory 3. Determine the axis of rotation.

第1回転角度算出手段51は、第1回転軸決定手段41によって決定された回転軸を中心とした被測定体の回転角度を、磁気ベクトルのデータを基に算出する。
第2回転角度算出手段52は、第2回転軸決定手段42によって決定された回転軸を中心とした被測定体の回転角度を、磁気ベクトルのデータ及び加速度ベクトルのデータを基に算出する。
The first rotation angle calculation means 51 calculates the rotation angle of the measured object around the rotation axis determined by the first rotation axis determination means 41 based on the magnetic vector data.
The second rotation angle calculation unit 52 calculates the rotation angle of the measured object around the rotation axis determined by the second rotation axis determination unit 42 based on the magnetic vector data and the acceleration vector data.

回転速度判別手段6は、3軸磁気センサ21によって時系列的に検出される磁気ベクトルのデータを基に、被測定体が、基準となる回転速度以上の高速回転を行っているか、あるいは、基準となる回転速度未満の低速回転を行っているかを判別する。   Based on the magnetic vector data detected by the three-axis magnetic sensor 21 in time series, the rotational speed discriminating means 6 is rotating at a speed higher than the reference rotational speed or the reference It is determined whether or not a low-speed rotation that is less than the rotation speed is performed.

角速度算出手段7は、第1回転角度算出手段51又は第2回転角度算出手段52によって算出された異なる2時点間における被測定体の回転角度と、その2時点における磁気ベクトルのデータの採取時刻の差とを基に、回転軸を中心とする被測定体の回転角速度を算出する。   The angular velocity calculation means 7 includes the rotation angle of the measured object between two different time points calculated by the first rotation angle calculation means 51 or the second rotation angle calculation means 52, and the sampling time of the magnetic vector data at the two time points. Based on the difference, the rotational angular velocity of the measured object around the rotational axis is calculated.

出力手段8は、回転速度判別手段6によって、被測定体が高速回転を行っていると判断された高速モードのとき、第1回転角度算出手段51による被測定体の回転角度の算出結果を出力し、回転速度判別手段6によって、被測定体が低速回転を行っていると判断された低速モードのとき、第2回転角度算出手段52による被測定体の回転角度の算出結果を出力する。   The output means 8 outputs the calculation result of the rotation angle of the measurement object by the first rotation angle calculation means 51 when the rotation speed determination means 6 determines that the measurement object is rotating at high speed. When the rotation speed discriminating means 6 determines that the measured object is rotating at a low speed, the second rotation angle calculating means 52 outputs the calculation result of the rotation angle of the measured object.

3軸磁気センサ2は、図6に示すごとく、マグネト・インピーダンス・センサ素子20によって構成してある。即ち、3軸磁気センサ2は、3個のマグネト・インピーダンス・センサ素子20を、それぞれの感磁方向が互いに直交する3軸方向(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向)となるように配設することにより、形成してある。また、3軸加速度センサは、シリコンを櫛歯状に微細加工した部品を2つ組合せ、加速度の印加によって生じる部品同士の間隙の変化を静電容量の変化として検出する、いわゆるMEMS加速度センサを3軸方向に組み合せてある。なお、図6においては、マグネト・インピーダンス・センサ素子20以外の電子部品や配線は省略してある。   The triaxial magnetic sensor 2 is constituted by a magneto-impedance sensor element 20 as shown in FIG. That is, the three-axis magnetic sensor 2 causes the three magneto-impedance sensor elements 20 to be in three-axis directions (X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction) in which the respective magnetic sensing directions are orthogonal to each other. It is formed by arranging. The three-axis acceleration sensor is a so-called MEMS acceleration sensor that combines two parts obtained by finely processing silicon in a comb shape and detects a change in the gap between parts caused by the application of acceleration as a change in capacitance. Combined in the axial direction. In FIG. 6, electronic components and wiring other than the magneto-impedance sensor element 20 are omitted.

本例の磁気式ジャイロ1による被測定体の回転角度(姿勢変化量)と回転速度(姿勢変化速度)の検出のための一連の処理の流れにつき、図2を用いて説明する。
まず、検出開始(ステップS1)の後、3軸磁気センサ21及び3軸加速度センサ22によってそれぞれ計測した磁気ベクトルのデータ及び加速度ベクトルのデータを測定した瞬間の時刻情報とともに、逐次、メモリ3に入力する。
A flow of a series of processes for detecting the rotation angle (posture change amount) and the rotation speed (posture change speed) of the measurement object by the magnetic gyro 1 of this example will be described with reference to FIG.
First, after the start of detection (step S1), the magnetic vector data measured by the triaxial magnetic sensor 21 and the triaxial acceleration sensor 22 and the acceleration vector data are sequentially input to the memory 3 together with the instantaneous time information of the measurement. To do.

これらのデータを用いて、第1回転軸決定手段41、第2回転軸決定手段42、第1回転角度算出手段51、及び第2回転角度算出手段52において、それぞれ回転軸を決定し、その回転軸を中心とする被測定体の回転角度を算出する(ステップS3〜S6)。
これにより、被測定体の実際の回転軸の方向が地磁気ベクトルの方向と一致ないし略一致しない限り、第1回転角度算出手段51と第2回転角度算出手段52との少なくともいずれか一方において精確な回転角度が算出される。なお、被測定体の実際の回転軸の方向が地磁気ベクトルの方向と一致ないし略一致している場合についての回転軸決定手段については、実施例4において第3回転軸決定手段として後述する。
Using these data, the first rotation axis determination means 41, the second rotation axis determination means 42, the first rotation angle calculation means 51, and the second rotation angle calculation means 52 respectively determine the rotation axis and rotate the rotation. The rotation angle of the measured object about the axis is calculated (steps S3 to S6).
As a result, as long as the direction of the actual rotation axis of the measured object does not coincide with or substantially coincides with the direction of the geomagnetic vector, at least one of the first rotation angle calculation means 51 and the second rotation angle calculation means 52 is accurate. A rotation angle is calculated. Note that the rotation axis determination means in the case where the direction of the actual rotation axis of the object to be measured matches or substantially matches the direction of the geomagnetic vector will be described later as a third rotation axis determination means in the fourth embodiment.

次いで、回転速度判別手段6によって、被測定体の運動状況が、高速回転の高速モードか、あるいは低速回転の低速モードかを判別する(ステップS7)。
すなわち、3軸磁気センサ21によって時系列的に検出される磁気ベクトルのデータを基に、所定の回転速度を基準として、被測定体が基準以上の高速回転をしている(高速モード)か、基準未満の低速回転をしている(低速モード)かを判別する。その具体的手段については後述する。
Next, the rotational speed discriminating means 6 discriminates whether the movement state of the object to be measured is the high speed mode of high speed rotation or the low speed mode of low speed rotation (step S7).
That is, based on the magnetic vector data detected in time series by the three-axis magnetic sensor 21, whether the measured object rotates at a higher speed than the reference (high speed mode) with a predetermined rotation speed as a reference, It is determined whether the motor is rotating at a speed lower than the standard (low speed mode). Specific means will be described later.

ここで、高速モードと判断された場合には、上記の第1回転角度算出手段51による算出結果と第2回転角度算出手段52による算出結果のうち、前者がより精確であると判断できるため、これを採用する(ステップS8)。
一方、低速モードと判断された場合には、上記の第1回転角度算出手段51による算出結果と第2回転角度算出手段52による算出結果のうち、後者がより精確であると判断できるため、これを採用する(ステップS9)。
Here, when the high-speed mode is determined, it can be determined that the former is more accurate among the calculation results by the first rotation angle calculation unit 51 and the calculation results by the second rotation angle calculation unit 52. This is adopted (step S8).
On the other hand, when the low-speed mode is determined, it can be determined that the latter is more accurate among the calculation results by the first rotation angle calculation means 51 and the calculation results by the second rotation angle calculation means 52. Is adopted (step S9).

次いで、得られた回転角度の算出結果を、ローパスフィルタによって平滑化、連続化する(ステップS10)。すなわち、得られた回転角度のデータを、その直前に得られた回転角度のデータを用いて平滑化、連続化することにより、途中で低速モードと高速モードの切替がされている場合であったとしても第1回転角度算出手段で算出された角度と第2回転角度算出手段で算出された角度をまたがって出力する際の不連続を平滑化、連続化することができ、モードの切替が生じていないとしても、データを平滑化し、また、ノイズを除去することができる。   Next, the obtained calculation result of the rotation angle is smoothed and made continuous by the low-pass filter (step S10). That is, when the obtained rotation angle data is smoothed and continuous using the rotation angle data obtained immediately before, the low speed mode and the high speed mode are switched on the way. However, it is possible to smooth and continuous discontinuities when outputting across the angle calculated by the first rotation angle calculation means and the angle calculated by the second rotation angle calculation means, resulting in mode switching. If not, the data can be smoothed and noise can be removed.

そして、修正された回転角度の算出結果を、出力手段8によって出力する(ステップS11)。
また、回転角度の算出結果を用いて、角速度算出手段7によって回転角速度を算出し(ステップS12)、その結果を出力手段8によって出力する(ステップS13)。
And the calculation result of the corrected rotation angle is output by the output means 8 (step S11).
Further, using the rotation angle calculation result, the angular velocity calculation means 7 calculates the rotation angular velocity (step S12), and the result is output by the output means 8 (step S13).

次に、本例の磁気式ジャイロ1を用いた被測定体の姿勢変化量及び姿勢変化速度の検出方法につき、具体的に説明する。
磁気式ジャイロ1は、図1に示すごとく、3軸磁気センサ21及び3軸加速度センサ222と、3軸磁気センサ21及び3軸加速度センサ22によってそれぞれ検出した磁気ベクトルのデータ及び加速度ベクトルのデータを測定した瞬間の時刻情報とともに蓄積すると共にこれらを基に被測定体の姿勢変化量及び姿勢変化速度を算出する演算を行うコンピュータ11と、コンピュータ11によって算出した算出結果を出力するモニタ等の出力手段8とを有する。すなわち、該コンピュータ11には、上記メモリ3と、上記第1回転軸決定手段41及び上記第2回転軸決定手段42と、上記第1回転角度算出手段51及び上記第2回転角度算出手段52と、上記回転速度判別手段6と、上記角速度算出手段7とが設けてある。
Next, a method of detecting the posture change amount and posture change speed of the measurement object using the magnetic gyro 1 of this example will be specifically described.
As shown in FIG. 1, the magnetic gyro 1 includes magnetic vector data and acceleration vector data detected by the three-axis magnetic sensor 21 and the three-axis acceleration sensor 222, and the three-axis magnetic sensor 21 and the three-axis acceleration sensor 22, respectively. A computer 11 that performs calculation to calculate the posture change amount and the posture change speed of the measurement object based on the time information of the measured moment, and output means such as a monitor that outputs the calculation result calculated by the computer 11 8. That is, the computer 11 includes the memory 3, the first rotation axis determination unit 41 and the second rotation axis determination unit 42, the first rotation angle calculation unit 51 and the second rotation angle calculation unit 52. The rotational speed discriminating means 6 and the angular speed calculating means 7 are provided.

上記メモリ3は、ハードウェアからなるものであり、上記第1回転軸決定手段41及び上記第2回転軸決定手段42と、上記第1回転角度算出手段51及び上記第2回転角度算出手段52と、上記回転速度判別手段6と、上記角速度算出手段7とは、ソフトウェア内に演算プログラムとして構築されている。
第1回転軸決定手段41と第1回転角度算出手段51、あるいは第2回転軸決定手段42と第2回転角度算出手段52は、互いに明確に区別される必要は必ずしもなく、これらによる一連の演算によって回転軸と回転角度とを算出するものであってもよい。
The memory 3 is composed of hardware, and includes the first rotation axis determination means 41 and the second rotation axis determination means 42, the first rotation angle calculation means 51, and the second rotation angle calculation means 52, The rotational speed discriminating means 6 and the angular velocity calculating means 7 are constructed as calculation programs in software.
The first rotation axis determination means 41 and the first rotation angle calculation means 51, or the second rotation axis determination means 42 and the second rotation angle calculation means 52 do not necessarily need to be clearly distinguished from each other, and a series of operations by them is not necessarily required. The rotation axis and the rotation angle may be calculated by the above.

3軸磁気センサ21は、被測定体の一部に固定されており、時系列的に地磁気を磁気ベクトルm1、m2、m3として検出する。磁気ベクトルm1、m2、m3は、被測定体に固定された3軸直交座標系10の原点Oを始点とするベクトルである。このとき、被測定体が動いて、姿勢を変化させている場合には、時系列的に検出される複数の磁気ベクトルm1、m2、m3は、互いに異なる。 The triaxial magnetic sensor 21 is fixed to a part of the measured object, and detects the geomagnetism as magnetic vectors m 1 , m 2 , m 3 in time series. The magnetic vectors m 1 , m 2 , and m 3 are vectors starting from the origin O of the three-axis orthogonal coordinate system 10 fixed to the measured object. At this time, when the measured object is moving and changing its posture, the plurality of magnetic vectors m 1 , m 2 , and m 3 detected in time series are different from each other.

3軸加速度センサ22も、被測定体の一部に固定されており、時系列的に重力加速度を加速度ベクトルa1、a2、a3として検出する。加速度ベクトルa1、a2、a3も、3軸直交座標系10の原点Oを始点とするベクトルであり、被測定体が動いて、姿勢を変化させている場合には、時系列的に検出される複数の加速度ベクトルa1、a2、a3は、互いに異なる。 The triaxial acceleration sensor 22 is also fixed to a part of the object to be measured, and detects gravitational acceleration as acceleration vectors a 1 , a 2 , and a 3 in time series. The acceleration vectors a 1 , a 2 , and a 3 are also vectors starting from the origin O of the three-axis orthogonal coordinate system 10, and when the object to be measured moves and changes its posture, it is time-sequentially. The detected plurality of acceleration vectors a 1 , a 2 , and a 3 are different from each other.

これらの時系列的に検出される磁気ベクトルm1、m2、m3のデータ及び加速度ベクトルa1、a2、a3のデータを、測定した瞬間の時刻情報とともにコンピュータ11内のメモリ3に送り、時系列的なデータとして記憶させる(図2のS2)。また、このときメモリ3に送る磁気ベクトル及び加速度ベクトルのデータは、デジタルローパスフィルタを作用させたものをm1、m2、m3およびa1、a2、a3とみなしてもよい。これにより、測定値のノイズを減少することができ、より精確な角度及び角速度を算出することが可能となる。
これらのデータを基に、第1回転軸決定手段41と第1回転角度算出手段51とによって、あるいは、第2回転軸決定手段42と第2回転角度算出手段52とによって、被測定体の回転角度(姿勢変化量)を算出する(図2のS3〜S6)。
The data of the magnetic vectors m 1 , m 2 , m 3 detected in time series and the data of the acceleration vectors a 1 , a 2 , a 3 are stored in the memory 3 in the computer 11 together with the time information of the measured moment. The data is sent and stored as time-series data (S2 in FIG. 2). Further, at this time, the magnetic vector and acceleration vector data sent to the memory 3 may be regarded as m 1 , m 2 , m 3 and a 1 , a 2 , a 3 by applying a digital low-pass filter. As a result, noise in the measurement value can be reduced, and more accurate angles and angular velocities can be calculated.
Based on these data, the rotation of the measured object is performed by the first rotation axis determination means 41 and the first rotation angle calculation means 51, or by the second rotation axis determination means 42 and the second rotation angle calculation means 52. An angle (posture change amount) is calculated (S3 to S6 in FIG. 2).

まず、第1回転軸決定手段41と第1回転角度算出手段51とによる、回転角度の算出方法につき説明する。
第1回転軸決定手段41においては、メモリ3に蓄積された異なる2時点以上の磁気ベクトルのデータを基に、被測定体の回転軸Kを算出する。本例では、3軸直交座標系10の3軸に限定されない任意の回転軸を上記回転軸Kとして決定するために、異なる3時点以上の磁気ベクトルm1、m2、m3のデータを用いる。
First, a rotation angle calculation method by the first rotation axis determination unit 41 and the first rotation angle calculation unit 51 will be described.
In the first rotation axis determination means 41, the rotation axis K of the measured object is calculated based on the magnetic vector data at two or more different points accumulated in the memory 3. In this example, in order to determine an arbitrary rotation axis that is not limited to three axes of the three-axis orthogonal coordinate system 10 as the rotation axis K, data of magnetic vectors m 1 , m 2 , and m 3 at three or more different time points are used. .

即ち、例えば、異なる3時点(t1、t2、t3)の磁気ベクトルのデータを、メモリ3から読み出す。そして、時刻t1における磁気ベクトルをm1=(m1x、m1y、m1z)とし、時刻t2における磁気ベクトルをm2=(m2x、m2y、m2z)とし、時刻t3における磁気ベクトルをm3=(m3x、m3y、m3z)とする。ここで、時刻t1、t2、t3の互いの間隔は、数m秒以下である。 That is, for example, magnetic vector data at three different time points (t 1 , t 2 , t 3 ) are read from the memory 3. The magnetic vector at time t 1 is m 1 = (m 1x , m 1y , m 1z ), the magnetic vector at time t 2 is m 2 = (m 2x , m 2y , m 2z ), and at time t 3 . Let the magnetic vector be m 3 = (m 3x , m 3y , m 3z ). Here, the intervals between the times t 1 , t 2 , and t 3 are several milliseconds or less.

これらの磁気ベクトルの終点M1、M2、M3は、図3に示すごとく、3軸直交座標系10において、一つのデータ平面Sの上に存在し、一つの軌跡円Qの周上に存在することとなる。このデータ平面Sに直交すると共に、軌跡円Qの中心を通る軸が、回転軸Kとなる。
なお、磁気ベクトルのデータは、ここでは3個としたが、4個以上とって、これらを通る平均的な軌道円を描くこともでき、磁気ベクトルのデータは多数とるほど、精度のよい演算が可能となる。
The end points M 1 , M 2 and M 3 of these magnetic vectors exist on one data plane S in the three-axis orthogonal coordinate system 10 as shown in FIG. Will exist. An axis orthogonal to the data plane S and passing through the center of the locus circle Q is the rotation axis K.
Although the number of magnetic vector data is three here, it is possible to draw an average orbit circle passing through four or more of them, and the more accurate the magnetic vector data, the more accurate the calculation. It becomes possible.

そこで、まず、図5に示すごとく、磁気ベクトルm1とm2との差である差分ベクトルn1と、磁気ベクトルm3とm2との差である差分ベクトルn2とを算出する。そして、以下の式(1)、(2)のように、差分ベクトルn1、n2のX、Y、Z成分を整理することができる。 Therefore, first, as shown in FIG. 5, a difference vector n 1 that is the difference between the magnetic vectors m 1 and m 2 and a difference vector n 2 that is the difference between the magnetic vectors m 3 and m 2 are calculated. Then, the X, Y, and Z components of the difference vectors n 1 and n 2 can be arranged as in the following formulas (1) and (2).

1=m1−m2=(m1x−m2x、m1y−m2y、m1z−m2z)=(n1x、n1y、n1z
・・・(1)
2=m3−m2=(m3x−m2x、m3y−m2y、m3z−m2z)=(n2x、n2y、n2z
・・・(2)
n 1 = m 1 -m 2 = (m 1x -m 2x, m 1y -m 2y, m 1z -m 2z) = (n 1x, n 1y, n 1z)
... (1)
n 2 = m 3 -m 2 = (m 3x -m 2x, m 3y -m 2y, m 3z -m 2z) = (n 2x, n 2y, n 2z)
... (2)

そして、差分ベクトルn1と差分ベクトルn2との外積n1×n2をとることにより、差分ベクトルn1,n2に垂直なベクトル、即ち上記データ平面Sに垂直なベクトルとして、回転軸ベクトルkを、下記の式(3)に示すように得ることができる。
k=n1×n2=(n1y2z−n1z2y、n1z2x−n1x2z、n1x2y−n1y2x
=(k1,k2,k3) ・・・(3)
Then, by taking the outer product n 1 × n 2 of the difference vector n 1 and the difference vector n 2 , a rotation axis vector is obtained as a vector perpendicular to the difference vectors n 1 and n 2 , that is, a vector perpendicular to the data plane S. k can be obtained as shown in equation (3) below.
k = n 1 × n 2 = (n 1y n 2z -n 1z n 2y, n 1z n 2x -n 1x n 2z, n 1x n 2y -n 1y n 2x)
= (K 1 , k 2 , k 3 ) (3)

ここで算出される回転軸ベクトルkは3軸磁気センサ2のノイズの影響を大きく受ける。また、一般的に被測定体の回転軸の変化は連続的で、急激な変化は考えられない。以上から、回転軸ベクトルkの算出精度が実用に達しない場合には、kに対し、デジタルローパスフィルタを作用させたものを回転軸ベクトルkとみなしてもよい。その際、回転方向が急激に反転する場合や回転速度が低速の場合では、異なる2時点以上のkの向きが反転し、フィルタ等の平滑化処理の際に不具合を生じる可能性がある。これに対しては、前時刻におけるkと現時刻におけるkとのなす角度をベクトルの内積計算等を用いて算出し、90度以上の場合には現時刻のkを反転するという処理を行ってもよい。   The rotation axis vector k calculated here is greatly influenced by the noise of the triaxial magnetic sensor 2. Moreover, generally the change of the rotating shaft of a to-be-measured body is continuous, and a sudden change cannot be considered. From the above, when the calculation accuracy of the rotation axis vector k does not reach practical use, a value obtained by applying a digital low-pass filter to k may be regarded as the rotation axis vector k. At that time, when the rotation direction is rapidly reversed or when the rotation speed is low, the directions of k at two or more different time points are reversed, and there is a possibility that a problem may occur during the smoothing process of the filter or the like. For this, an angle formed by k at the previous time and k at the current time is calculated using a vector inner product calculation or the like, and if it is 90 degrees or more, the current time k is reversed. Also good.

3軸磁気センサ2にオフセット誤差がなく、被測定体の回転軸Kが3軸直交座標系10の原点Oを通る場合においては、上記のようにして得られた回転軸ベクトルkに平行であり、3軸直交座標系10の原点Oを通る直線を回転軸Kとすることができる。この回転軸Kとデータ平面Sとが交わる点が、上記軌跡円Qの中心座標Cとなる。そこで、第1回転角度算出手段51においては、回転軸Kとデータ平面Sとの交点として、以下のように中心座標Cを求める。   When the triaxial magnetic sensor 2 has no offset error and the rotational axis K of the measured object passes through the origin O of the triaxial orthogonal coordinate system 10, it is parallel to the rotational axis vector k obtained as described above. A straight line passing through the origin O of the three-axis orthogonal coordinate system 10 can be set as the rotation axis K. The point where the rotation axis K and the data plane S intersect is the center coordinate C of the locus circle Q. Therefore, the first rotation angle calculation means 51 obtains the center coordinate C as the intersection of the rotation axis K and the data plane S as follows.

図4に示すごとく、中心座標ベクトルOCの大きさは、回転軸ベクトルkと軌跡円Q上に終点M1(或いはM2又はM3)を有する磁気ベクトルm1(或いはm2又はm3)との内積によって求めることができる。また、中心座標ベクトルOCの向きは、回転軸ベクトルkと同じである。そこで、中心座標ベクトルOCをベクトルakとおくと以下の等式(4)が成り立つ。ここで、aは任意の係数である。
k・ak=k・m1 ・・・(4)
As shown in FIG. 4, the magnitude of the center coordinate vector OC is the magnetic vector m 1 (or m 2 or m 3 ) having the end point M 1 (or M 2 or M 3 ) on the rotation axis vector k and the locus circle Q. It can be obtained by the inner product. The direction of the center coordinate vector OC is the same as that of the rotation axis vector k. Therefore, when the center coordinate vector OC is set as a vector ak, the following equation (4) is established. Here, a is an arbitrary coefficient.
k · ak = k · m 1 (4)

この等式(4)から、係数aを下記の式(5)のように求めることができる。
a=(mxx+myy+mzz)/(kx 2+ky 2+kz 2) ・・・(5)
そして、データ平面Sにおける中心座標ベクトルOCがakに等しいことから、中心座標C(中心座標ベクトルOC)は(akx,aky,akz)により得られる。
From this equation (4), the coefficient a can be obtained as in the following equation (5).
a = (m x k x + m y k y + m z k z) / (k x 2 + k y 2 + k z 2) ··· (5)
Since the center coordinate vector OC in the data plane S is equal to ak, the center coordinate C (center coordinate vector OC) is obtained by (ak x , aky y , ak z ).

このようにして得られた中心座標Cは軌跡円Qの中心である。そして、この中心座標Cを終点とする中心座標ベクトルOCと、軌跡円Qの円周上の点M1(或いはM2又はM3)を終点とする磁気ベクトルm1(或いはm2又はm3)との差から、下記の式(6)により、軌跡円Qの半径Rを求める。
2=(m1−OC)2=(m2−OC)2=(m3−OC)2 ・・・(6)
The center coordinate C obtained in this way is the center of the locus circle Q. Then, the center coordinate vector OC with the center coordinate C as the end point and the magnetic vector m 1 (or m 2 or m 3 with the point M 1 (or M 2 or M 3 ) on the circumference of the locus circle Q as the end point. ), The radius R of the locus circle Q is obtained by the following equation (6).
R 2 = (m 1 -OC) 2 = (m 2 -OC) 2 = (m 3 -OC) 2 (6)

ここで、演算に用いる磁気ベクトルは一つだけでもよいが、上記3個のデータm1、m2、m3を用いて平均をとることにより、より精度のよい演算が可能となる。また、4個以上の磁気ベクトルのデータを用いて、それらを基に演算した半径Rの平均を求めることにより、更に精度のよい演算が可能となる。 Here, only one magnetic vector may be used for the calculation, but more accurate calculation can be performed by taking an average using the three data m 1 , m 2 , and m 3 . Further, by using the data of four or more magnetic vectors and obtaining the average of the radii R calculated based on them, more accurate calculation can be performed.

上記のようにして得られる半径Rを基に、以下のようにして、回転角度を算出する。
例えば、図5に示すごとく、時刻t1から時刻t2までの間に磁気ベクトルがm1からm2に変化したとき、軌跡円Qにおける回転角度θは、以下の式(7)によって算出される。
Based on the radius R obtained as described above, the rotation angle is calculated as follows.
For example, as shown in FIG. 5, when the magnetic vector changes from m 1 to m 2 from time t 1 to time t 2 , the rotation angle θ in the locus circle Q is calculated by the following equation (7). The

Figure 0004599502
Figure 0004599502

上記式(7)は、図5に示すごとく、軌跡円Qに内接すると共に磁気ベクトルm1、m2の終点M1、M2を2つの頂点とする直角三角形M12Gに、正弦定理を適用することにより得ることができる。即ち、三角形M12Gにおいて、以下の式(8)が成り立つ。ここで、線分M1Gは、軌跡円Qの直径2Rに該当する。そして、角M1GM2と角M1CM2とは円周角と中心角との関係を有するため、角M1GM2は、角M1CM2(即ち回転角度θ)の半分である。 As shown in FIG. 5, the above equation (7) is expressed as a sine in a right triangle M 1 M 2 G inscribed in the locus circle Q and having two vertices at the end points M 1 and M 2 of the magnetic vectors m 1 and m 2. It can be obtained by applying the theorem. That is, in the triangle M 1 M 2 G, the following formula (8) is established. Here, the line segment M 1 G corresponds to the diameter 2R of the locus circle Q. Since the angle M 1 GM 2 and the angle M 1 CM 2 have a relationship between the circumferential angle and the center angle, the angle M 1 GM 2 is half of the angle M 1 CM 2 (that is, the rotation angle θ). .

Figure 0004599502
Figure 0004599502

それ故、この式(8)から上記式(7)が導かれ、回転角度θを求めることができる。この回転角度θの信号を出力手段8から出力する(図1)。
以上により、回転軸Kとその周りの回転角度θを得ることができるため、時刻t1から時刻t2までの間における被測定体の姿勢変化量が分かることとなる。
Therefore, the equation (7) is derived from the equation (8), and the rotation angle θ can be obtained. A signal of the rotation angle θ is output from the output means 8 (FIG. 1).
As described above, since the rotation axis K and the rotation angle θ around the rotation axis K can be obtained, the amount of change in posture of the measured object from time t 1 to time t 2 can be known.

次に、第2回転軸決定手段42と第2回転角度算出手段52とによる、回転角度の算出方法につき説明する。
第2回転軸決定手段42においては、メモリ3に蓄積された異なる2時点の磁気ベクトルm1、m2のデータ及び加速度ベクトルa1、a2のデータを基に、3軸直交座標系10の原点を通ると共に被測定体の回転運動の基準とする回転軸Kを決定する。
Next, a calculation method of the rotation angle by the second rotation axis determination means 42 and the second rotation angle calculation means 52 will be described.
In the second rotation axis determination means 42, based on the data of the magnetic vectors m 1 and m 2 and the data of the acceleration vectors a 1 and a 2 at two different time points stored in the memory 3, A rotation axis K that passes through the origin and serves as a reference for the rotational movement of the object to be measured is determined.

即ち、例えば、異なる2時点(t1、t2)の磁気ベクトル及び加速度ベクトルのデータを、メモリ3から読み出す。そして、時刻t1における磁気ベクトル及び加速度ベクトルをそれぞれ、m1=(m1x、m1y、m1z)、a1=(a1x、a1y、a1z)とし、時刻t2における磁気ベクトル及び加速度ベクトルをそれぞれ、m2=(m2x、m2y、m2z)、a2=(a2x、a2y、a2z)とする。また、第2回転軸決定手段42と第2回転角度算出手段52は後述のように使用する領域が低回転領域のため、上記で得られたm1、a1、m2、a2にデジタルローパスフィルタを作用させたものをm1、a1、m2、a2とみなしてもよい。 That is, for example, the magnetic vector and acceleration vector data at two different time points (t 1 , t 2 ) are read from the memory 3. Then, the magnetic vector and the acceleration vector at time t 1 are m 1 = (m 1x , m 1y , m 1z ) and a 1 = (a 1x , a 1y , a 1z ), respectively, and the magnetic vector at time t 2 and The acceleration vectors are m 2 = (m 2x , m 2y , m 2z ) and a 2 = (a 2x , a 2y , a 2z ), respectively. Further, since the second rotation axis determination means 42 and the second rotation angle calculation means 52 are used in a low rotation area as will be described later, the m 1 , a 1 , m 2 , and a 2 obtained above are digitally displayed. the low-pass filter which is reacted with m 1, a 1, m 2 , may be regarded as a 2.

まず、例えば、下記の式(9)によって、時刻t1における磁気ベクトルと加速度ベクトルとの外積を用いて、東方向の単位ベクトルeEを算出する。
また、鉛直方向の単位ベクトルeUは、加速度ベクトルa1と方向が一致するため、下記の式(11)によって算出できる。
また、北方向の単位ベクトルeNは、東方向の単位ベクトルeEと鉛直方向の単位ベクトルeUとの外積から、下記の式(10)によって算出できる。
そして、各単位ベクトルのX、Y、Z方向成分をそれぞれ下記の式(9)〜(11)のように置く。
First, for example, the unit vector e E in the east direction is calculated using the outer product of the magnetic vector and the acceleration vector at time t 1 by the following equation (9).
Further, the unit vector e U in the vertical direction can be calculated by the following equation (11) because the direction coincides with the acceleration vector a 1 .
Further, the unit vector e N in the north direction can be calculated by the following equation (10) from the outer product of the unit vector e E in the east direction and the unit vector e U in the vertical direction.
Then, the X, Y, and Z direction components of each unit vector are respectively set as in the following formulas (9) to (11).

Figure 0004599502
Figure 0004599502

これらの単位ベクトルを組み合わせることにより、時刻t1における被測定体(3軸直交座標系10)の姿勢行列P(t1)が、下記式(12)のように得られる。 By combining these unit vectors, the posture matrix P (t 1 ) of the measured object (three-axis orthogonal coordinate system 10) at time t 1 is obtained as in the following equation (12).

Figure 0004599502
Figure 0004599502

上記と同様に、時刻t2における被測定体(3軸直交座標系10)の姿勢行列P(t2)をも算出する。
そして、これら2つの姿勢行列は、上記2時刻(t1、t2)の間における被測定体の回転を表す回転行列R(t2)によって一致する関係にある。すなわち、下記の式(13)の関係を有する。
Similarly to the above, the posture matrix P (t 2 ) of the measured object (three-axis orthogonal coordinate system 10) at time t 2 is also calculated.
Then, these two orientation matrix are in a relationship that matches the rotation matrix R representing the rotation of the object to be measured (t 2) between the two time (t 1, t 2). That is, it has the relationship of the following formula (13).

P(t1)R(t2)=P(t2) ・・・(13)
この関係から、Rは、下記式(14)によって得られる。
R(t2)=P-1(t1)P(t2) ・・・(14)
P (t 1 ) R (t 2 ) = P (t 2 ) (13)
From this relationship, R is obtained by the following equation (14).
R (t 2 ) = P −1 (t 1 ) P (t 2 ) (14)

この回転(姿勢変化)を、ある任意の回転軸周りの回転と仮定すると、回転行列(相対姿勢行列)R(t2)は、回転軸の方向の単位ベクトルである回転軸ベクトルk=(kx、ky、kz)と、その周りの回転角度θを用いて、下記式(15)のように表わせる。 Assuming that this rotation (posture change) is a rotation around an arbitrary rotation axis, the rotation matrix (relative posture matrix) R (t 2 ) is a rotation axis vector k = (k) which is a unit vector in the direction of the rotation axis. x , k y , k z ) and the rotation angle θ around the x , k y , k z ) can be expressed as the following equation (15).

Figure 0004599502
Figure 0004599502

上記式(15)に基づいて、下記式(16)〜(18)が導かれる。   Based on the above formula (15), the following formulas (16) to (18) are derived.

Figure 0004599502
Figure 0004599502

このように導かれた回転軸ベクトルkを有する回転軸が、求める回転軸Kである。
そして、この回転軸Kの周りの回転角度θは、以下のように算出される。
すなわち上記式(15)から、以下の式(19)、(20)を導くことができ、式(21)のように、被測定体の回転角度θが得られる。
The rotation axis having the rotation axis vector k thus derived is the rotation axis K to be obtained.
Then, the rotation angle θ around the rotation axis K is calculated as follows.
That is, from the above equation (15), the following equations (19) and (20) can be derived, and the rotation angle θ of the measured object can be obtained as in equation (21).

Figure 0004599502
Figure 0004599502

次に、回転速度判別手段6が、被測定体が基準以上の高速回転をしている(高速モード)か、基準未満の低速回転をしている(低速モード)かを判別し、その判定結果に基づき、第1回転角度算出手段51が算出した回転角度θと、第2回転角度算出手段52が算出した回転角度θとのいずれを採用するかを決定する(図2のS7)。   Next, the rotational speed discriminating means 6 discriminates whether the object to be measured is rotating at a speed higher than the reference (high speed mode) or rotating at a speed lower than the reference (low speed mode), and the determination result. Based on the above, it is determined which of the rotation angle θ calculated by the first rotation angle calculation means 51 and the rotation angle θ calculated by the second rotation angle calculation means 52 is to be adopted (S7 in FIG. 2).

ここで、高速モードか低速モードかの判別方法としては、例えば以下の方法がある。
すなわち、上記で算出した差分ベクトルn1及びn2が変化に要する時間Δt1及びΔt2を算出し、それらを用いて差分の時間変化率ベクトルv1及びv2を算出する。
ここで得られた差分の時間変化率ベクトルv1及びv2の外積をLとおく。
Here, as a method for discriminating between the high speed mode and the low speed mode, for example, there are the following methods.
That is, the time Δt 1 and Δt 2 required for the change of the difference vectors n 1 and n 2 calculated above are calculated, and the time change rate vectors v 1 and v 2 of the difference are calculated using them.
Let L be the outer product of the difference time change rate vectors v 1 and v 2 obtained here.

ここでLは回転軸ベクトルkと同じ方向を向き、その大きさは回転軸及び回転角度算出に用いた磁気ベクトルの単位時間あたりの変化の割合の自乗に比例する。被測定体の回転速度が速くなるにつれて磁気ベクトルの単位時間あたりの変化の割合は大きくなるので、Lが所定の大きさ(例えば5000(mG/秒)2〔ミリガウス毎秒の自乗〕)以上か否かによって、判別することができる。
すなわち、例えばL<5000(mG/秒)2の場合には、低速モードであると判定し、L≧5000(mG/秒)2の場合には、高速モードであると判定する。
Here, L points in the same direction as the rotation axis vector k, and its magnitude is proportional to the square of the rate of change per unit time of the magnetic vector used for calculating the rotation axis and the rotation angle. Since the rate of change of the magnetic vector per unit time increases as the rotation speed of the object to be measured increases, L is greater than or equal to a predetermined magnitude (for example, 5000 (mG / sec) 2 [square of milligauss per second]). It can be determined depending on.
That is, for example, when L <5000 (mG / sec) 2 , it is determined that the mode is the low speed mode, and when L ≧ 5000 (mG / sec) 2 , it is determined that the mode is the high speed mode.

あるいは、他の方法として以下の方法もある。
まず、3軸磁気センサ21は、検出された磁気ベクトルm2が、直前に採取した磁気ベクトルm1との差(差分ベクトルn1の大きさ)が、所定の大きさ(例えば100mG)を超えたときに、次のデータとしてメモリ3に蓄積(採取)するようにしている。
そこで、磁気ベクトルのデータの今回の採取時刻t2が、前回の採取時刻t1から、所定時間(例えば500m秒)以上経過したか否かによって判別することができる。すなわち、例えばt2−t1=Δt<500m秒の場合には、高速モードであると判定し、Δt≧500m秒の場合には、低速モードであると判定する。
Alternatively, there is the following method as another method.
First, in the triaxial magnetic sensor 21, the difference between the detected magnetic vector m 2 and the magnetic vector m 1 collected immediately before (the magnitude of the difference vector n 1 ) exceeds a predetermined magnitude (for example, 100 mG). Is stored (collected) in the memory 3 as the next data.
Therefore, it is possible to present sampling time t 2 the data of the magnetic vector is from the previous sampling time t 1, the determination by whether or not a predetermined time has elapsed (e.g., 500m seconds) or more. That is, for example, when t 2 −t 1 = Δt <500 msec, the high speed mode is determined, and when Δt ≧ 500 msec, the low speed mode is determined.

あるいは、新たに採取した磁気ベクトルm2と、前回採取した磁気ベクトルm1との差(差分ベクトルn1の大きさ)が所定の大きさ(例えば250mG〔ミリガウス〕)以上か否かによって、判別することもできる。すなわち、例えば差分ベクトルn1の大きさが250mG以上の場合には、高速モードであると判定し、250mG未満の場合には、低速モードであると判定する。 Alternatively, the determination is made based on whether or not the difference (magnitude of the difference vector n 1 ) between the newly collected magnetic vector m 2 and the previously collected magnetic vector m 1 is greater than or equal to a predetermined magnitude (for example, 250 mG [milli gauss]). You can also That is, for example, when the magnitude of the difference vector n 1 is 250 mG or more, it is determined that the mode is the high speed mode, and when it is less than 250 mG, it is determined that the mode is the low speed mode.

あるいは、上記2つの条件、すなわち、採取時間の間隔Δtが、所定時間(例えば500m秒)未満であり、かつ差分ベクトルn1の大きさが所定の大きさ(例えば250mG)以上である場合にのみ、高速モードであると判定し、その他の場合には低速モードであると判定することもできる。 Alternatively, only when the above two conditions, that is, the sampling time interval Δt is less than a predetermined time (eg, 500 msec) and the magnitude of the difference vector n 1 is a predetermined size (eg, 250 mG) or more. It can also be determined that the mode is the high speed mode, and in other cases, it can be determined that the mode is the low speed mode.

このようにして回転速度判別手段6が、高速モードと判定したとき、上記第1回転角度算出手段51によって算出した回転角度θを採用する(図2のS8)。一方、回転速度判別手段6が、低速モードと判定したとき、上記第2回転角度算出手段52によって算出した回転角度θを採用する(図2のS9)。   When the rotational speed discriminating means 6 determines that the mode is the high speed mode in this way, the rotational angle θ calculated by the first rotational angle calculating means 51 is adopted (S8 in FIG. 2). On the other hand, when the rotation speed determination means 6 determines that the low speed mode is selected, the rotation angle θ calculated by the second rotation angle calculation means 52 is adopted (S9 in FIG. 2).

そして、採用された回転角度θを、ローパスフィルタによって平滑化、連続化する(図2のS10)。
このローパスフィルタは、例えば、サンプリングレート50Hzのときのカットオフが5Hzであるような2次IIRバタワース特性のローパスフィルタとすることができる。
Then, the adopted rotation angle θ is smoothed and made continuous by the low-pass filter (S10 in FIG. 2).
This low-pass filter can be, for example, a low-pass filter having a second-order IIR Butterworth characteristic with a cutoff of 5 Hz when the sampling rate is 50 Hz.

また、修正した回転角度θを、前記した通りメモリ内に保存されている測定時刻情報データを用い、上記2時点間の間隔Δtによって除算することにより、角速度ωを得ることができる(図2のS12)。即ち、ω=θ/Δtとなる。
以上により、回転軸Kとその周りの回転角度θ及び回転角速度ωを得ることができるため、被測定体の姿勢変化量及び姿勢変化速度が分かることとなる。
この回転角度θ及び角速度ωの信号を出力手段8から出力する(図2のS11、S13)。
Also, the angular velocity ω can be obtained by dividing the corrected rotation angle θ by the interval Δt between the two time points using the measurement time information data stored in the memory as described above (see FIG. 2). S12). That is, ω = θ / Δt.
As described above, since the rotation axis K, the rotation angle θ and the rotation angular velocity ω around the rotation axis K can be obtained, the posture change amount and the posture change speed of the measured object can be known.
The signals of the rotation angle θ and the angular velocity ω are output from the output means 8 (S11 and S13 in FIG. 2).

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記磁気式ジャイロ1は、回転速度判別手段6を有する。そして、出力手段8は、回転速度判別手段6によって高速モードと判定されたとき、第1回転角度算出手段51による被測定体の回転角度の算出結果を出力し、低速モードと判定されたとき、第2回転角度算出手段52による被測定体の回転角度の算出結果を出力する。
Next, the function and effect of this example will be described.
The magnetic gyro 1 has a rotational speed discriminating means 6. The output unit 8 outputs the calculation result of the rotation angle of the measurement object by the first rotation angle calculation unit 51 when the rotation speed determination unit 6 determines that the mode is the high speed mode. The calculation result of the rotation angle of the measurement object by the second rotation angle calculation means 52 is output.

ここで、第1回転角度算出手段51は、回転軸を中心とした被測定体の回転角度を、磁気ベクトルのデータを基に算出するよう構成されている。すなわち、回転角度の算出に当たって、加速度ベクトルのデータを用いないため、被測定体が高速回転していても、これに伴う加速度は、回転角度の算出時にノイズとなることはなく、精確な回転角度の算出を行うことができる。また、この第1回転角度算出手段51は、高速モードにて用いられるため、第1回転軸決定手段41によって磁気ベクトルのデータのみから回転軸を迅速に決定することができ、その回転軸を中心とする回転角度を、第1回転角度算出手段51によって迅速に算出することができる。   Here, the first rotation angle calculation means 51 is configured to calculate the rotation angle of the measurement object around the rotation axis based on the magnetic vector data. In other words, since the acceleration vector data is not used in calculating the rotation angle, even if the measured object rotates at high speed, the accompanying acceleration does not become a noise when calculating the rotation angle, and the accurate rotation angle. Can be calculated. Further, since the first rotation angle calculation means 51 is used in the high speed mode, the first rotation axis determination means 41 can quickly determine the rotation axis only from the magnetic vector data, and the rotation axis is centered. The first rotation angle calculation means 51 can quickly calculate the rotation angle.

一方、第2回転角度算出手段52は、被測定体の回転角度を、磁気ベクトルのデータ及び加速度ベクトルのデータを基に算出するよう構成されている。すなわち、回転角度の算出に当たって、磁気ベクトルのデータに加えて加速度ベクトルのデータをも用いるため、低速モードにおいても、第2回転軸決定手段42によって、磁気ベクトルのデータと加速度ベクトルのデータとを用いて回転軸を迅速に決定することができる。そして、これによって決定された回転軸を基準に、第2回転角度算出手段52が被測定体の回転角度を迅速に算出することができる。
被測定体が低速回転している低速モードにおいては、回転運動に伴う加速度、すなわち重力加速度以外の加速度は充分に小さく、無視できるため、この加速度が回転角度の算出時にノイズとなることもない。
On the other hand, the second rotation angle calculation means 52 is configured to calculate the rotation angle of the measured object based on the magnetic vector data and the acceleration vector data. That is, in calculating the rotation angle, the acceleration vector data is used in addition to the magnetic vector data. Therefore, even in the low speed mode, the second rotation axis determination means 42 uses the magnetic vector data and the acceleration vector data. Thus, the rotation axis can be determined quickly. Then, the second rotation angle calculation means 52 can quickly calculate the rotation angle of the measured object on the basis of the rotation axis determined thereby.
In the low speed mode in which the object to be measured is rotating at a low speed, the acceleration accompanying the rotational motion, that is, the acceleration other than the gravitational acceleration is sufficiently small and can be ignored. Therefore, this acceleration does not cause noise when calculating the rotation angle.

このように、高速モードと低速モードとで、回転角度算出手段を使い分けることにより、磁気式ジャイロ1は、後述する回転軸の方向が磁気ベクトルの方向と一致又は略一致したような場合を除けば、被測定体のあらゆる運動状況において、精確な回転角度の検出を行うことができる。   In this way, by properly using the rotation angle calculation means in the high speed mode and the low speed mode, the magnetic gyro 1 can be used except for the case where the direction of the rotation axis, which will be described later, matches or substantially matches the direction of the magnetic vector. Thus, it is possible to accurately detect the rotation angle in any movement state of the measured object.

また、本例の磁気式ジャイロ1は、角速度算出手段7を有するため、被測定体の回転角速度(姿勢変化速度)を容易に検出することができる。
また、本例において高速モードが選択された場合では、第1回転軸決定手段51が、異なる3時点以上の瞬間瞬間に得られた磁気ベクトルのデータを基に任意の回転軸を回転軸Kとして決定するよう構成してある。また、本例において、低速モードが選択された場合には、異なる2時点以上の瞬間瞬間を得られた磁気ベクトル及び加速度ベクトルのデータを基に任意の回転軸を回転軸Kとして決定するよう構成してある。そのため、ユーザーが被測定体をどのような軸でどのような速度で回転操作した場合であっても各瞬間瞬間における被測定体の実際の瞬間的な回転軸を精確に求めることができ、より精確な回転角度θを計測することができる。
In addition, since the magnetic gyro 1 of this example includes the angular velocity calculation means 7, it is possible to easily detect the rotational angular velocity (posture change velocity) of the measured object.
Further, when the high speed mode is selected in this example, the first rotation axis determination means 51 uses the arbitrary rotation axis as the rotation axis K based on the magnetic vector data obtained at the moments of three or more different times. It is configured to be determined. In this example, when the low speed mode is selected, an arbitrary rotation axis is determined as the rotation axis K based on magnetic vector and acceleration vector data obtained at two or more different moments. It is. Therefore, even if the user rotates the object to be measured at any speed and at any speed, the actual instantaneous rotation axis of the object to be measured at each instant can be accurately determined. An accurate rotation angle θ can be measured.

また、第1回転角度算出手段51は、データ平面Sと回転軸Kとの交点を算出することにより中心座標Cを算出し、中心座標Cと磁気ベクトルの座標点M1、M2、M3との距離を算出することにより軌跡円Qの半径を算出して回転角度θを算出するよう構成してある。これにより、容易かつ精確に上記回転角度θを算出することができる。 The first rotation angle calculation means 51 calculates the center coordinate C by calculating the intersection of the data plane S and the rotation axis K, and the center coordinate C and the magnetic vector coordinate points M 1 , M 2 , M 3. By calculating the radius of the locus circle Q and calculating the rotation angle θ. Thereby, the rotation angle θ can be calculated easily and accurately.

また、図6に示すごとく、3軸磁気センサ21は、マグネト・インピーダンス・センサ素子20によって構成してあるため、より高精度、高感度、高応答性、かつ小型の磁気式ジャイロ1を得ることができる。即ち、図7に示すように、マグネト・インピーダンス・センサ素子(MI)は、ホールセンサ(Hall)や磁気抵抗素子(MR)のような他の磁気センサに比較して、高感度かつ極めて短い計測時間(例えば1m秒)で低ノイズかつ高精度の測定が可能であるため、例えば、携帯電話内に保存されたゴルフゲーム等にユーザーが楽しむために、意図的に振り回して使用するような極めて回転速度が速いような場合で、非常に短い時間間隔で複数の磁気ベクトルデータを連続して測定しなければならない場合であっても、地磁気ベクトルを高精度にて検出することができる。従って、このような場合でも被測定体の瞬間的な回転軸、回転角、回転各速度を精確に求めることができる。更には、マグネト・インピーダンス・センサ素子20は小型であるため、小型の3軸磁気センサ21を得ることができる。また、これにより、磁気式ジャイロ1をICチップ内に納めることも可能となる。   Further, as shown in FIG. 6, since the triaxial magnetic sensor 21 is constituted by the magneto-impedance sensor element 20, it is possible to obtain a magnetic gyro 1 with higher accuracy, higher sensitivity, higher response, and a smaller size. Can do. That is, as shown in FIG. 7, the magneto-impedance sensor element (MI) has a high sensitivity and extremely short measurement compared to other magnetic sensors such as a hall sensor (Hall) and a magnetoresistive element (MR). Since it is possible to measure with low noise and high accuracy in time (for example, 1 ms), for example, it is extremely rotated so that it can be intentionally swung and used for a user to enjoy a golf game stored in a mobile phone. Even when the speed is high and a plurality of magnetic vector data must be continuously measured at very short time intervals, the geomagnetic vector can be detected with high accuracy. Therefore, even in such a case, the instantaneous rotation axis, rotation angle, and rotation speed of the measurement object can be accurately obtained. Furthermore, since the magneto-impedance sensor element 20 is small, a small three-axis magnetic sensor 21 can be obtained. This also allows the magnetic gyro 1 to be housed in the IC chip.

また、上記磁気式ジャイロ1は、上記ローパスフィルタを備えている。これにより、仮に測定途中で高速モードと低速モードとが切り替わった場合であっても、算出される被測定体の回転角度の算出結果も、少なくとも高速モードと低速モードとが切り替わる直前の1又は複数のデータを用いて平滑化、連続化することができる。
それゆえ、高速モードと低速モードとの間の切り替わりに伴う計測誤差を小さくすることができる。すなわち、高速モードと低速モードとが切り替わると、用いられる回転角度算出手段が、第1回転角度算出手段51と第2回転角度算出手段52との間で切り替わり、これに伴い、用いられる回転軸決定手段が、第1回転軸決定手段41と第2回転軸決定手段42との間で切り替わる。それゆえ、この切り替わりの前後で、演算に用いられる回転軸Kが変わることとなるため、その算出結果が不連続に変わる可能性がある。しかしながら、この変化を平滑化、連続化することにより、回転角度θの算出誤差を小さくすることができる。
The magnetic gyro 1 includes the low-pass filter. Thereby, even if the high speed mode and the low speed mode are switched during the measurement, the calculation result of the rotation angle of the measured object is also one or more immediately before the high speed mode and the low speed mode are switched. The data can be smoothed and continuous.
Therefore, a measurement error associated with switching between the high speed mode and the low speed mode can be reduced. That is, when the high-speed mode and the low-speed mode are switched, the rotation angle calculation means used is switched between the first rotation angle calculation means 51 and the second rotation angle calculation means 52, and accordingly, the rotation axis to be used is determined. The means is switched between the first rotation axis determination means 41 and the second rotation axis determination means 42. Therefore, before and after the switching, the rotation axis K used for the calculation changes, and the calculation result may change discontinuously. However, by smoothing and continuing this change, the calculation error of the rotation angle θ can be reduced.

以上のごとく、本例によれば、高速回転の際にも低速回転の際にも回転角度を精確に計測することができる磁気式ジャイロを提供することができる。   As described above, according to the present example, it is possible to provide a magnetic gyro capable of accurately measuring the rotation angle during both high-speed rotation and low-speed rotation.

(実施例2)
本例は、図8、図9に示すごとく、3軸磁気センサ2にオフセット誤差があり、被測定体の回転軸Kが3軸直交座標系10の原点Oを通らない場合にも、精確な被測定体の回転角度を計測できるようにした磁気式ジャイロの例である。
すなわち、実施例1においては、3軸磁気センサ2にオフセット誤差がなく、或いはオフセット誤差が無視できる程度であり、被測定体の回転軸Kが3軸直交座標系10の原点Oを通る、或いは通るとみなしても問題ない場合について、容易に被測定体の回転角度を計測できる磁気式ジャイロを紹介した。
(Example 2)
In this example, as shown in FIGS. 8 and 9, even when the triaxial magnetic sensor 2 has an offset error and the rotation axis K of the measured object does not pass through the origin O of the triaxial orthogonal coordinate system 10, it is accurate. It is an example of a magnetic gyro capable of measuring a rotation angle of a measurement object.
That is, in Example 1, there is no offset error in the triaxial magnetic sensor 2 or the offset error is negligible, and the rotation axis K of the measured object passes through the origin O of the triaxial orthogonal coordinate system 10, or We introduced a magnetic gyro that can easily measure the rotation angle of the object to be measured when there is no problem even if it passes.

しかし、実際の使用においては、被測定体に付属する磁性体が磁化することによって生じる磁界の影響や、センサの温度特性の変化等、種々の要因によって、3軸直交座標系10の原点が、センサによる地磁気の測定の原点からずれてしまうこともある。この原点のずれを、各計測結果に対して個別に補正することも考えられるが、その場合には、補正計算という操作が入るため、計測が煩雑となり、構成も複雑となるおそれがある。   However, in actual use, the origin of the three-axis orthogonal coordinate system 10 depends on various factors such as the influence of a magnetic field generated by magnetizing a magnetic body attached to the object to be measured and the change in temperature characteristics of the sensor. It may deviate from the origin of the geomagnetic measurement by the sensor. It is conceivable that the deviation of the origin is individually corrected for each measurement result. However, in this case, since an operation called correction calculation is performed, the measurement may be complicated and the configuration may be complicated.

そこで、本例は、以下に示すごとく、被測定体の回転角度の算出過程における適切な処理により、オフセット誤差の有無にかかわらず、直接精確な回転角度を計測することができるようにしたものである。   Therefore, in this example, as shown below, the accurate rotation angle can be directly measured regardless of the presence or absence of an offset error by appropriate processing in the calculation process of the rotation angle of the object to be measured. is there.

すなわち、本例においては、第1回転角度算出手段51が、下記の回転中心座標算出手段及び半径算出手段を備える。
回転中心座標算出手段は、3軸直交座標系10における異なる3時点以上の磁気ベクトルのデータを基に、該3つ以上の磁気ベクトルの座標点を通る軌跡円Qの中心座標を算出する。
半径算出手段は、回転中心座標算出手段によって算出された中心座標と、磁気ベクトルの座標点との距離を算出することにより、軌跡円の半径を算出する。
そして、半径算出手段によって算出した軌跡円Qの半径と、異なる2時点の磁気ベクトルの座標点とを基に、回転角度θを算出する。
That is, in this example, the first rotation angle calculation means 51 includes the following rotation center coordinate calculation means and radius calculation means.
Based on the magnetic vector data at three or more different points in the three-axis orthogonal coordinate system 10, the rotation center coordinate calculating means calculates the center coordinates of the locus circle Q passing through the coordinate points of the three or more magnetic vectors.
The radius calculation unit calculates the radius of the locus circle by calculating the distance between the center coordinate calculated by the rotation center coordinate calculation unit and the coordinate point of the magnetic vector.
Then, the rotation angle θ is calculated based on the radius of the locus circle Q calculated by the radius calculation means and the coordinate points of the magnetic vectors at two different time points.

以下、具体的に説明する。
まず、3軸磁気センサ2にオフセット誤差が存在する、すなわち、例えば、3軸磁気センサ2によって検出される磁気ベクトル(例えば図8におけるm1)が、地磁気ベクトル(例えば図8におけるm1’)に、ノイズとなる磁気ベクトルが重なった合成ベクトルである場合について、説明する。
This will be specifically described below.
First, there is an offset error in the triaxial magnetic sensor 2, that is, for example, a magnetic vector (for example, m 1 in FIG. 8) detected by the triaxial magnetic sensor 2 is a geomagnetic vector (for example, m 1 ′ in FIG. 8). Next, a case in which a magnetic vector that becomes noise is a combined vector will be described.

この場合、地磁気ベクトル(m1’)は3軸直交座標系10の原点Oを通らず、原点Oからずれた点O’を通る。なお、点O’は、この点O’は、回転軸Kが通る点でもある。そして、実施例1において得たデータ平面Sと回転軸Kとの交点が、図8に示すごとく、軌跡円Qの中心座標C’である。すなわち、中心座標ベクトルはOC’となる。回転中心座標算出手段は、この中心座標ベクトルOC’を求めることにより、精確な中心座標C’を求め、この中心座標C’を中心とした磁気ベクトルの終点の精確な回転角度を求めることができるため、回転軸Kを中心とした被測定体の精確な回転角度を得ることができる。 In this case, the geomagnetic vector (m 1 ′) does not pass through the origin O of the three-axis orthogonal coordinate system 10 but passes through a point O ′ that deviates from the origin O. The point O ′ is also a point through which the rotation axis K passes. The intersection of the data plane S and the rotation axis K obtained in the first embodiment is the center coordinate C ′ of the locus circle Q as shown in FIG. That is, the center coordinate vector is OC ′. The rotation center coordinate calculation means obtains an accurate center coordinate C ′ by obtaining the center coordinate vector OC ′, and can obtain an accurate rotation angle of the end point of the magnetic vector around the center coordinate C ′. Therefore, it is possible to obtain an accurate rotation angle of the measurement object around the rotation axis K.

ここでは、実施例1と同様に得られる磁気ベクトルm1、m2、m3の終点(座標点)M2を原点とする相対座標ベクトルM2C’を算出した後、中心座標ベクトルOC’=OM2+M2C’を算出する。以下に中心座標ベクトルOC’の算出方法を記述する。
まず、M2C’=(a、b、c)とおき、他の座標M1、M2、M3も次のように座標変換を行う。
Here, after calculating the relative coordinate vector M 2 C ′ having the origin (coordinate point) M 2 of the magnetic vectors m 1 , m 2 , m 3 obtained in the same manner as in the first embodiment, the central coordinate vector OC ′. = OM 2 + M 2 C ′ is calculated. A method for calculating the center coordinate vector OC ′ will be described below.
First, M 2 C ′ = (a, b, c) is set, and the other coordinates M 1 , M 2 , M 3 are also subjected to coordinate conversion as follows.

12=m1−m2=(m1x−m2x、m1y−m2y、m1z−m2z
=n1=(n1x、n1y、n1z) ・・・(22)
22=m2−m2=(0、0、0) ・・・(23)
32=m3−m2=(m3x−m2x、m3y−m2y、m3z−m2z
=n2=(n2x、n2y、n2z) ・・・(24)
M 1 M 2 = m 1 −m 2 = (m 1x −m 2x , m 1y −m 2y , m 1z −m 2z )
= N 1 = (n 1x , n 1y , n 1z ) (22)
M 2 M 2 = m 2 −m 2 = (0, 0, 0) (23)
M 3 M 2 = m 3 −m 2 = (m 3x −m 2x , m 3y −m 2y , m 3z −m 2z )
= N 2 = (n 2x , n 2y , n 2z ) (24)

このとき、図9に示すごとく、軌跡円Qの半径をRとおくと、上記3点は円周上の点を(X、Y、Z)としたときの円の方程式(X−a)2+(Y−b)2+(Z−c)2=R2を満たす。つまり、以下の式(25)〜(27)が成り立つ。
(n1x−a)2+(n1y−b)2+(n1z−c)2=R2 ・・・(25)
2+b2+c2=R2 ・・・(26)
(n2x−a)2+(n2y−b)2+(n2z−c)2=R2 ・・・(27)
またベクトルM2C’はデータ平面S内に存在するため、回転軸ベクトルkと直交し、以下の式(28)が成り立つ。
akx+bky+ckz=0 ・・・(28)
At this time, if the radius of the locus circle Q is R, as shown in FIG. 9, the above three points are the circle equations (X-a) 2 when the points on the circumference are (X, Y, Z). + (Y−b) 2 + (Zc) 2 = R 2 is satisfied. That is, the following formulas (25) to (27) are established.
(N 1x −a) 2 + (n 1y −b) 2 + (n 1z −c) 2 = R 2 (25)
a 2 + b 2 + c 2 = R 2 (26)
(N 2x −a) 2 + (n 2y −b) 2 + (n 2z −c) 2 = R 2 (27)
Since the vector M 2 C ′ exists in the data plane S, it is orthogonal to the rotation axis vector k, and the following equation (28) is established.
ak x + bky y + ck z = 0 (28)

以上を整理すると下記の式(29)〜(31)を得る。
an1x+bn1y+cn1z=(n1x 2+n1y 2+n1z 2)/2 ・・・(29)
an2x+bn2y+cn2z=(n2x 2+n2y 2+n2z 2)/2 ・・・(30)
akx+bky+ckz=0 ・・・(31)
この連立方程式を、線形代数を利用して解くことにより、下記の式(32)、(33)のように、ベクトルM2C’=(a、b、c)を得る。
When the above is arranged, the following equations (29) to (31) are obtained.
an 1x + bn 1y + cn 1z = (n 1x 2 + n 1y 2 + n 1z 2 ) / 2 (29)
an 2x + bn 2y + cn 2z = (n 2x 2 + n 2y 2 + n 2z 2 ) / 2 (30)
ak x + bky y + ck z = 0 (31)
By solving the simultaneous equations using linear algebra, a vector M 2 C ′ = (a, b, c) is obtained as in the following equations (32) and (33).

Figure 0004599502
Figure 0004599502

以上により算出したM2C’=(a、b、c)から、中心座標C’(中心座標ベクトルOC’)はOC’=OM2+M2C’=(m2x+a、m2y+b、m2z+c)により、得られる。
半径算出手段は、上記のように算出された中心座標C’と、磁気ベクトルの座標点M1、M2、M3との距離を算出することにより、軌跡円Qの半径Rを算出する。
ここで得られた中心座標ベクトルOC’に基づく中心座標C’は、実施例1に示した式(6)においてCとみなして計算しても問題ないため、式(6)におけるOCにOC’のデータを代入することにより、半径Rが得られる。以後の計算は、中心座標Cを中心座標C’に置き換えて実施例1と同様に行うことで、被測定体の回転角度を精確に算出することができる。
From M 2 C ′ = (a, b, c) calculated as described above, the center coordinate C ′ (center coordinate vector OC ′) becomes OC ′ = OM 2 + M 2 C ′ = (m 2x + a, m 2y + b, m 2z + c).
The radius calculation means calculates the radius R of the locus circle Q by calculating the distance between the center coordinate C ′ calculated as described above and the magnetic vector coordinate points M 1 , M 2 , M 3 .
Since the central coordinate C ′ based on the central coordinate vector OC ′ obtained here can be calculated as C in the equation (6) shown in Embodiment 1, there is no problem. The radius R is obtained by substituting the data. Subsequent calculations are performed in the same manner as in the first embodiment by replacing the center coordinates C with the center coordinates C ′, so that the rotation angle of the measured object can be accurately calculated.

なお、3軸磁気センサ2にオフセット誤差がなく、被測定体の回転軸Kが3軸直交座標系10の原点Oを通る場合には、上述した中心座標C’は、回転軸ベクトルkに平行であると共に3軸直交座標系10の原点Oを通る回転軸Kが、上記データ平面Sと交差する中心座標C(図3〜図5、図9参照)と一致する。それゆえ、この場合にも、上述したオフセット誤差がある場合と同様の一連の演算を行うことで、被測定体の回転角度を精確に算出することができる。
その他は、実施例1と同様である。
When the three-axis magnetic sensor 2 has no offset error and the rotation axis K of the measured object passes through the origin O of the three-axis orthogonal coordinate system 10, the above-described center coordinate C ′ is parallel to the rotation axis vector k. And the rotation axis K passing through the origin O of the three-axis orthogonal coordinate system 10 coincides with the central coordinate C (see FIGS. 3 to 5 and 9) intersecting the data plane S. Therefore, also in this case, the rotation angle of the object to be measured can be accurately calculated by performing a series of calculations similar to the case where there is the offset error described above.
Others are the same as in the first embodiment.

本例の場合には、被測定体の回転角度の算出過程における適切な処理により、オフセット誤差の有無にかかわらず、直接精確な回転角度を計測することができる。しかも、オフセットされた原点O’を算出することなく、磁気ベクトルの回転中心座標C’を直接求めることで、被測定体の回転角度を算出するため、特別な補正計算も不要となる。   In the case of this example, an accurate rotation angle can be directly measured regardless of the presence or absence of an offset error by an appropriate process in the calculation process of the rotation angle of the measured object. In addition, since the rotation angle of the measured object is calculated by directly obtaining the rotation center coordinates C ′ of the magnetic vector without calculating the offset origin O ′, no special correction calculation is required.

それゆえ、簡易な構成にて、3軸磁気センサ2にオフセット誤差が生じていても、被測定体の回転角度を精確に計測することができる。すなわち、従来の振動式ジャイロのように使用時間に伴って計測原点がドリフトすることによる計測誤差が発生するという現象を招くことを、簡易な構成にて防ぐことができる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
Therefore, even if an offset error occurs in the triaxial magnetic sensor 2 with a simple configuration, the rotation angle of the measured object can be accurately measured. That is, it is possible to prevent a phenomenon in which a measurement error occurs due to a drift of the measurement origin with use time as in a conventional vibration gyroscope with a simple configuration.
In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained.

なお、オフセット誤差がある場合に、実施例1と同様の方法で中心座標を算出すると、図8、図9に示されるCが中心座標として得られ、このCを中心とするM1、M2間の中心角ηが、被測定体の回転角度として算出されてしまう。それゆえ、本来の回転角度θとの間にずれが生じてしまう。これに対し、本例によれば、このようなずれがない状態で、回転角度θを直接計測することができる。 When the center coordinates are calculated by the same method as in the first embodiment when there is an offset error, C shown in FIGS. 8 and 9 is obtained as the center coordinates, and M 1 and M 2 centered on this C are obtained. The center angle η is calculated as the rotation angle of the measured object. Therefore, a deviation occurs from the original rotation angle θ. On the other hand, according to this example, it is possible to directly measure the rotation angle θ without such a shift.

(実施例3)
本例は、第1回転軸決定手段41が、3軸直交座標系10の3軸(X軸、Y軸、Z軸)のうち、磁気ベクトルの成分の変化が最も小さい方向の軸を回転軸として決定するよう構成された磁気式ジャイロ1の例である。すなわち、実施例1又は2に記載の回転軸算出手段では、最低でも異なる3時点以上の磁気ベクトルデータが、回転軸算出に必要になるとともに、必要な演算も複雑になる。従って、それほどの高精度の回転軸を必要としない場合や、ある程度の高精度が必要であるが、実際の回転軸が3軸直交座標系のいずれかの直交軸に近い場合には、必ずしも実施例1又は2に記載のような直交座標系の3軸に限定されない回転軸決定方法を採用する必要性が生じない場合がある。本例はそのような場合に演算を簡略化できる回転軸決定方法として有効である。
(Example 3)
In this example, the first rotation axis determination means 41 uses the axis in the direction in which the change of the magnetic vector component is the smallest among the three axes (X axis, Y axis, Z axis) of the three axis orthogonal coordinate system 10 as the rotation axis. Is an example of a magnetic gyro 1 configured to be determined as That is, in the rotation axis calculation means described in the first or second embodiment, magnetic vector data at three or more different points at least are necessary for calculating the rotation axis, and necessary calculations are complicated. Therefore, it is not always necessary when the rotation axis with such high accuracy is not required or when a certain level of high accuracy is required, but the actual rotation axis is close to any one of the three-axis orthogonal coordinate systems. There is a case where it is not necessary to employ a rotation axis determination method that is not limited to the three axes of the orthogonal coordinate system as described in Example 1 or 2. This example is effective as a rotation axis determination method that can simplify the calculation in such a case.

本例の場合、例えば、異なる2時点において採取した地磁気ベクトルm1、m2のデータを用い、両者の差分ベクトルn1を算出する。すなわち、実施例1における式(1)に示す差分ベクトルn1が得られる。
この差分ベクトルn1におけるX、Y、Z成分(n1x、n1y、n1z)のうち最も大きさが小さい成分の方向の軸を回転軸として設定する。
In the case of this example, for example, using the data of the geomagnetic vectors m 1 and m 2 collected at two different time points, the difference vector n 1 between them is calculated. That is, the difference vector n 1 shown in the expression (1) in the first embodiment is obtained.
The axis in the direction of the smallest component among the X, Y, and Z components (n 1x , n 1y , n 1z ) in the difference vector n 1 is set as the rotation axis.

具体的には、例えば、以下のような決定方法が考えられる。
すなわち、差分ベクトルn1の各成分の大きさを、ある閾値N(例えば20mG)と比較する。
まず、差分ベクトルn1の成分であるn1x、n1y、n1zの全てが閾値Nより大きい場合は、「判定不可」として判定する。なお、この場合には、実施例1又は2に記載の回転軸算出方法により、回転軸を求めればよい。次に、被測定体の変化が静止又は非常に遅い速度である場合には、n1x、n1y、n1zの全てが閾値Nより小さくなるため、前記した第2回転軸算出手段により回転軸を求めるか、或いは差分ベクトルがほぼ0と判断できるのであれば、3軸直交座標系10の全ての軸が「静止と判定」され、この時点の瞬間的な回転角度、回転角速度を0と判断する。
これに対し、n1x、n1y、n1zのいずれか1成分又は2成分が閾値Nより小さいときには、以下のように回転軸を決定することができる。
Specifically, for example, the following determination method can be considered.
That is, the magnitude of each component of the difference vector n 1 is compared with a certain threshold value N (for example, 20 mG).
First, when all of the components of the difference vector n 1 , n 1x , n 1y , n 1z , are larger than the threshold value N, it is determined as “determination impossible”. In this case, the rotation axis may be obtained by the rotation axis calculation method described in the first or second embodiment. Next, when the change in the measured object is static or at a very slow speed, all of n 1x , n 1y , and n 1z are smaller than the threshold value N, so that the rotation axis is calculated by the second rotation axis calculation means described above. Or all the axes of the 3-axis Cartesian coordinate system 10 are “determined to be stationary”, and the instantaneous rotation angle and rotation angular velocity at this point are determined to be 0. To do.
On the other hand, when any one or two components of n 1x , n 1y , and n 1z are smaller than the threshold value N, the rotation axis can be determined as follows.

3軸直交座標系10の直交軸を構成するX軸、Y軸、Z軸の任意の軸をi軸、j軸、k軸とする。
まず、差分ベクトルn1の、i軸、j軸、k軸方向の各成分である、n1i、n1j、n1kのいずれか1成分が閾値Nより小さい場合について説明する。
例えば、被測定体がi軸の周りで回転しているときには、差分ベクトルn1のi軸方向の成分は変化しないためn1iは閾値Nより小さくなる。他の2つの軸方向であるj軸方向、k軸方向の成分はそれぞれ大きく変化するため、n1j、n1kは閾値Nより大きくなる。よって、閾値Nより小さい成分の方向であるi軸を回転軸と判定する。
Arbitrary axes of the X axis, the Y axis, and the Z axis constituting the orthogonal axis of the three-axis orthogonal coordinate system 10 are defined as an i axis, a j axis, and a k axis.
First, a case will be described in which any one component of n 1i , n 1j , and n 1k , which is each component of the difference vector n 1 in the i-axis, j-axis, and k-axis directions, is smaller than the threshold value N.
For example, when the measured object rotates around the i-axis, the component in the i-axis direction of the difference vector n 1 does not change, so n 1i is smaller than the threshold value N. The components in the other two axial directions, i.e., the j-axis direction and the k-axis direction, change greatly, so that n 1j and n 1k are larger than the threshold value N. Therefore, the i-axis that is the direction of the component smaller than the threshold value N is determined as the rotation axis.

次に、差分ベクトルn1の各成分であるn1i、n1j、n1kのいずれか2成分が閾値Nより小さい場合について説明する。
3軸磁気センサ21が地磁気とのなす位置関係により、例えば、上記のi軸方向の成分n1iと、j軸方向の成分n1jとの2成分が閾値Nより小さくなり、k軸方向の1成分n1kのみが閾値Nより大きくなる場合がある。このとき、回転軸として、i軸及びj軸を候補に挙げる。
Next, a case where any two components n 1i , n 1j , and n 1k that are components of the difference vector n 1 are smaller than the threshold value N will be described.
Depending on the positional relationship that the triaxial magnetic sensor 21 makes with the geomagnetism, for example, the two components of the component n 1i in the i-axis direction and the component n 1j in the j-axis direction are smaller than the threshold value N, and 1 in the k-axis direction. Only the component n 1k may be larger than the threshold value N. At this time, the i axis and the j axis are listed as candidates for the rotation axis.

そして、この場合、i軸とj軸とのうち、メモリ3に記録されている前回の異なる2時点(t0、t1)の間の回転の回転軸を今回の回転軸として選択する。たとえば、前回の回転軸がi軸であるときは今回の回転軸もi軸と判定し、前回の回転軸がj軸であるときは、今回の回転軸もj軸と判定する。ただし、上記のように候補に挙げた回転軸がi軸及びj軸である場合において、前回の回転軸がk軸あるいは判定不可であったときは、今回の回転軸は判定不可とする。この場合も本回転軸算出方法での判定は不可となるが、前記した実施例1又は2に記載の回転軸決定方法に切替えて、回転軸を算出するようにすればよい。 In this case, the rotation axis of rotation between the two different previous time points (t 0 , t 1 ) recorded in the memory 3 is selected as the current rotation axis from the i-axis and the j-axis. For example, when the previous rotation axis is the i-axis, the current rotation axis is also determined as the i-axis, and when the previous rotation axis is the j-axis, the current rotation axis is also determined as the j-axis. However, in the case where the rotation axes listed as candidates are the i-axis and the j-axis as described above, if the previous rotation axis is the k-axis or cannot be determined, the current rotation axis cannot be determined. In this case as well, the determination by the rotation axis calculation method is impossible, but the rotation axis may be calculated by switching to the rotation axis determination method described in the first or second embodiment.

上記のようにして得られた回転軸を基に、第1回転角度算出手段51は、以下のようにして被測定体の回転角度を求める。
例えば、回転軸がi軸と判定され、時刻t1から時刻t2までの間に磁気ベクトルがm1からm2に変化したとき、i軸周りの回転角度θは以下の式(34)によって求められる。
θ=tan-1(m2k/m2j)−tan-1(m1k/m1j) ・・・(34)
Based on the rotation axis obtained as described above, the first rotation angle calculation means 51 obtains the rotation angle of the measurement object as follows.
For example, when the rotation axis is determined as the i-axis and the magnetic vector changes from m 1 to m 2 from time t 1 to time t 2 , the rotation angle θ around the i-axis is expressed by the following equation (34). Desired.
θ = tan −1 (m 2k / m 2j ) −tan −1 (m 1k / m 1j ) (34)

ここで、回転軸iがZ軸のとき、
θ=tan-1(m2y/m2x)−tan-1(m1y/m1x) ・・・(35)
となり、Z軸を回転軸とする回転角度θを得ることができる。この回転角度θの信号を出力手段8へ出力する(図1)。
Here, when the rotation axis i is the Z axis,
θ = tan −1 (m 2y / m 2x ) −tan −1 (m 1y / m 1x ) (35)
Thus, the rotation angle θ with the Z axis as the rotation axis can be obtained. A signal of the rotation angle θ is output to the output means 8 (FIG. 1).

また、この結果を利用して、回転角速度算出手段7においては、回転角度θをΔtで除算することにより、回転軸の周りの被測定体の回転角速度ωを得ることができる。即ち、ω=θ/Δtとなる。この回転角速度ωの信号を出力手段8へ出力する(図1)。
その他は、実施例1と同様である。
Also, using this result, the rotational angular velocity calculation means 7 can obtain the rotational angular velocity ω of the measured object around the rotational axis by dividing the rotational angle θ by Δt. That is, ω = θ / Δt. A signal of this rotational angular velocity ω is output to the output means 8 (FIG. 1).
Others are the same as in the first embodiment.

本例の場合には、第1回転軸決定手段41において行われる演算を簡素化することができ、回転軸を容易に決定することができる。また、互いに直交する3軸(X軸、Y軸、Z軸)のいずれかを回転軸として設定することができれば、被測定体として例えば携帯電話機等の姿勢変化を効果的に計測することができる。すなわち、携帯電話機等に与える回転方向は、その筐体を基準に、ヨー、ロール、ピッチの方向とすることが多いため、これらのいずれの回転であるかが識別できれば、回転運動による入力が可能となるからである。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
In the case of this example, the calculation performed in the first rotation axis determination means 41 can be simplified, and the rotation axis can be easily determined. Further, if any of the three axes (X axis, Y axis, Z axis) orthogonal to each other can be set as the rotation axis, it is possible to effectively measure the posture change of, for example, a mobile phone as the measured object. . In other words, the direction of rotation given to a mobile phone or the like is often the direction of yaw, roll, or pitch, based on the case, so if you can identify which of these rotations, you can input by rotational movement. Because it becomes.
In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained.

(実施例4)
本例は、被測定体の実際の回転軸の方向が磁気ベクトルの方向と一致したとき、回転軸を中心とした被測定体の回転角度を加速度ベクトルのデータを基に算出する第3回転角度算出手段を有する磁気式ジャイロ1の例である。
すなわち、被測定体の実際の回転軸の方向が磁気ベクトルの方向と一致すると、3軸直交座標系10における磁気ベクトルは時間変化しなくなる。それゆえ、磁気ベクトルのデータを用いる第1回転軸決定手段41や第2回転軸決定手段42では、回転軸を算出することができず、第1回転角度算出手段51や第2回転角度算出手段52を使うことができない。
Example 4
In this example, when the direction of the actual rotation axis of the measured object coincides with the direction of the magnetic vector, the third rotation angle that calculates the rotation angle of the measured object around the rotation axis based on the acceleration vector data It is an example of the magnetic gyroscope 1 which has a calculation means.
That is, when the direction of the actual rotation axis of the measured object coincides with the direction of the magnetic vector, the magnetic vector in the three-axis orthogonal coordinate system 10 does not change with time. Therefore, the first rotation axis determination means 41 and the second rotation axis determination means 42 using the magnetic vector data cannot calculate the rotation axis, and the first rotation angle calculation means 51 and the second rotation angle calculation means. 52 cannot be used.

そこで、この場合には、上記第3回転角度算出手段が、3軸加速度センサ22によって得た加速度ベクトルのデータを用いて、被測定体の回転角度を算出する。なお、上記とは逆に、磁気ベクトルのデータが変化しているにもかかわらず、加速度ベクトルのデータの時間変化が生じない場合は、なんらかの磁気ノイズが加わっているだけで、回転はしていないとみなすことができ、回転角度は算出する必要がないと判断してもよい。   Therefore, in this case, the third rotation angle calculation means calculates the rotation angle of the measured object using the acceleration vector data obtained by the triaxial acceleration sensor 22. Contrary to the above, if the time change of the acceleration vector data does not occur despite the change of the magnetic vector data, only some magnetic noise is added and the rotation is not performed. It may be determined that the rotation angle need not be calculated.

まず、被測定体の実際の回転軸の方向が磁気ベクトルの方向と一致したか否かの判断は、磁気ベクトルの変化が極めて小さく、かつ加速度ベクトルの変化がある程度大きいという条件を満たしたか否かによって行う。すなわち、加速度ベクトルの変化がある程度大きく、かつ磁気ベクトルがほとんど変化しない状況としては、回転軸が磁気ベクトル(地磁気)と一致して被測定体が回転している状況しか、基本的には考えられない。   First, whether or not the direction of the actual rotation axis of the object to be measured matches the direction of the magnetic vector satisfies the condition that the change in the magnetic vector is extremely small and the change in the acceleration vector is large to some extent. Do by. In other words, the only possible situation where the acceleration vector changes to some extent and the magnetic vector hardly changes is the situation where the measured object is rotating with the rotation axis coinciding with the magnetic vector (geomagnetism). Absent.

そこで、例えば、磁気ベクトルの変化の大きさとして、実施例1の式(1)に示した差分ベクトルn1の大きさを利用する。また、加速度ベクトルの変化の大きさとして、時刻t1と時刻t2とにおける加速度ベクトルa1、a2の差分ベクトルb1=a1−a2の大きさを用いる。そして、磁気の差分ベクトルn1が所定値(例えば20mG)未満であり、かつ、加速度の差分ベクトルb1が所定値(例えば0.2g〔gは重力加速度〕)より大きい場合、被測定体の実際の回転軸の方向が磁気ベクトルの方向と一致したと判断する。 Therefore, for example, the magnitude of the difference vector n 1 shown in the expression (1) of the first embodiment is used as the magnitude of the change in the magnetic vector. Further, as the magnitude of the change in the acceleration vector, the magnitude of the difference vector b 1 = a 1 −a 2 between the acceleration vectors a 1 and a 2 at time t 1 and time t 2 is used. When the magnetic difference vector n 1 is less than a predetermined value (for example, 20 mG) and the acceleration difference vector b 1 is larger than a predetermined value (for example, 0.2 g [g is gravitational acceleration]), It is determined that the direction of the actual rotation axis coincides with the direction of the magnetic vector.

そして、このときの回転軸の向きは、地磁気ベクトルm1、m2と略一致しているため、回転軸ベクトル(単位ベクトル)kを、例えば、k=m1/|m1|にて得ることができる。
そして、3軸加速度センサによって検出された加速度ベクトルの時間変化に基づいて、地磁気ベクトルと一致した上記回転軸の周りの回転角度を算出する。
Since the direction of the rotation axis at this time substantially coincides with the geomagnetic vectors m 1 and m 2 , the rotation axis vector (unit vector) k is obtained by, for example, k = m 1 / | m 1 | be able to.
Then, based on the time change of the acceleration vector detected by the triaxial acceleration sensor, the rotation angle around the rotation axis that matches the geomagnetic vector is calculated.

具体的には、例えば、実施例1において説明した第1回転角度算出手段51による回転角度の算出方法において、磁気ベクトルを加速度ベクトルに置き換えることにより、加速度ベクトルのデータに基づく回転角度の算出が可能である。
なお、被測定体の回転速度が速くなると算出精度が低下するが、回転がある程度低速であれば、充分な精度の算出結果を得ることは可能である。
その他は、実施例1と同様である。
Specifically, for example, in the rotation angle calculation method by the first rotation angle calculation means 51 described in the first embodiment, the rotation angle can be calculated based on the acceleration vector data by replacing the magnetic vector with the acceleration vector. It is.
The calculation accuracy decreases as the rotation speed of the object to be measured increases. However, if the rotation is slow to some extent, it is possible to obtain a calculation result with sufficient accuracy.
Others are the same as in the first embodiment.

本例の場合には、被測定体の回転に伴って磁気ベクトルが変化しない状況においても、上記第3回転角度算出手段によって、加速度ベクトルのデータのみを用いて回転角度を算出する。これにより、被測定体の実際の回転軸の方向が磁気ベクトルの方向と一致したときでも、被測定体の回転角度を算出することが可能となる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
In the case of this example, even when the magnetic vector does not change with the rotation of the measured object, the third rotation angle calculation means calculates the rotation angle using only the acceleration vector data. As a result, even when the direction of the actual rotation axis of the measured object coincides with the direction of the magnetic vector, the rotation angle of the measured object can be calculated.
In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained.

1 磁気式ジャイロ
21 3軸磁気センサ
22 3軸加速度センサ
3 メモリ
41 第1回転軸決定手段
42 第2回転軸決定手段
51 第1回転角度算出手段
52 第2回転角度算出手段
6 回転速度判別手段
7 角速度算出手段
8 出力手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetic gyro 21 3-axis magnetic sensor 22 3-axis acceleration sensor 3 Memory 41 1st rotation axis determination means 42 2nd rotation axis determination means 51 1st rotation angle calculation means 52 2nd rotation angle calculation means 6 Rotational speed discrimination means 7 Angular velocity calculation means 8 Output means

Claims (6)

被測定体に固定された3軸直交座標系における磁気ベクトルとして地磁気を検出する3軸磁気センサと、
上記3軸直交座標系における加速度ベクトルとして重力加速度を検出する3軸加速度センサと、
上記3軸磁気センサによって時系列的に検出される上記磁気ベクトルのデータ、及び上記3軸加速度センサによって時系列的に検出される上記加速度ベクトルのデータを蓄積するメモリと、
該メモリに蓄積された異なる2時点以上の上記磁気ベクトルのデータを基に、上記被測定体の回転運動の基準とする回転軸を決定する第1回転軸決定手段と、
上記メモリに蓄積された異なる2時点以上の上記磁気ベクトルのデータ及び上記加速度ベクトルのデータを基に、上記被測定体の回転運動の基準とする回転軸を決定する第2回転軸決定手段と、
上記第1回転軸決定手段によって決定された上記回転軸を中心とした上記被測定体の回転角度を、上記磁気ベクトルのデータを基に算出する第1回転角度算出手段と、
上記第2回転軸決定手段によって決定された上記回転軸を中心とした上記被測定体の回転角度を、上記磁気ベクトルのデータ及び上記加速度ベクトルのデータを基に算出する第2回転角度算出手段と、
上記3軸磁気センサによって時系列的に検出される上記磁気ベクトルのデータを基に、上記被測定体が、基準となる回転速度以上の高速回転を行っているか、あるいは、基準となる回転速度未満の低速回転を行っているかを判別する回転速度判別手段と、
該回転速度判別手段によって、上記被測定体が上記高速回転を行っていると判断された高速モードのとき、上記第1回転角度算出手段による上記被測定体の回転角度の算出結果を出力し、上記回転速度判別手段によって、上記被測定体が上記低速回転を行っていると判断された低速モードのとき、上記第2回転角度算出手段による上記被測定体の回転角度の算出結果を出力する出力手段とを有することを特徴とする磁気式ジャイロ。
A three-axis magnetic sensor for detecting geomagnetism as a magnetic vector in a three-axis orthogonal coordinate system fixed to the measurement object;
A triaxial acceleration sensor for detecting gravitational acceleration as an acceleration vector in the triaxial orthogonal coordinate system;
A memory for storing data of the magnetic vector detected in time series by the triaxial magnetic sensor and data of the acceleration vector detected in time series by the triaxial acceleration sensor;
First rotation axis determination means for determining a rotation axis as a reference for the rotational motion of the object to be measured, based on data of the magnetic vector at two or more different time points stored in the memory;
Second rotation axis determination means for determining a rotation axis as a reference for the rotational movement of the measured object based on the magnetic vector data and the acceleration vector data at two or more different points in time stored in the memory;
First rotation angle calculation means for calculating a rotation angle of the measurement object around the rotation axis determined by the first rotation axis determination means based on the magnetic vector data;
Second rotation angle calculation means for calculating the rotation angle of the measured object around the rotation axis determined by the second rotation axis determination means based on the magnetic vector data and the acceleration vector data; ,
Based on the magnetic vector data detected in time series by the three-axis magnetic sensor, the measured object is rotating at a speed higher than the reference rotation speed or less than the reference rotation speed. A rotational speed discriminating means for discriminating whether the low-speed rotation is performed,
When the rotational speed discriminating means determines that the object to be measured is rotating at the high speed mode, the rotation angle calculation means outputs the calculation result of the rotation angle of the object to be measured by the first rotation angle calculating means, An output for outputting the calculation result of the rotation angle of the measurement object by the second rotation angle calculation means when the rotation speed determination means determines that the measurement object is rotating at the low speed mode. And a magnetic gyro.
請求項1に記載の磁気式ジャイロにおいて、上記第1回転角度算出手段は、上記3軸直交座標系における異なる3時点以上の上記磁気ベクトルのデータを基に、該3つ以上の磁気ベクトルの座標点を通る軌跡円の中心座標を算出する回転中心座標算出手段と、該回転中心座標算出手段によって算出された上記中心座標と、上記磁気ベクトルの座標点との距離を算出することにより、上記軌跡円の半径を算出する半径算出手段とを有し、該半径算出手段によって算出した上記軌跡円の半径と、異なる2時点の上記磁気ベクトルの座標点とを基に、上記計算に用いた磁気ベクトルデータの測定時刻間における回転角度を算出するよう構成してあることを特徴とする磁気式ジャイロ。   2. The magnetic gyro according to claim 1, wherein the first rotation angle calculation means is configured to coordinate the three or more magnetic vectors based on data of the magnetic vectors at three or more different time points in the three-axis orthogonal coordinate system. Rotation center coordinate calculation means for calculating the center coordinates of a trajectory circle passing through the point, and calculating the distance between the center coordinates calculated by the rotation center coordinate calculation means and the coordinate points of the magnetic vector, A radius calculating means for calculating the radius of the circle, and the magnetic vector used in the calculation based on the radius of the trajectory circle calculated by the radius calculating means and the coordinate points of the magnetic vector at two different time points. A magnetic gyro, which is configured to calculate a rotation angle between measurement times of data. 請求項1又は2に記載の磁気式ジャイロにおいて、上記高速モードと上記低速モードとが切り替わった直後に算出される上記被測定体の回転角度の算出結果は、少なくとも上記高速モードと上記低速モードとが切り替わる直前の1又は複数のデータを用いて修正し、上記高速モードと上記低速モードとが切り替わる直前に算出された上記被測定体の回転角度の算出結果との間の平滑的な連続性を確保するよう構成してあることを特徴とする磁気式ジャイロ。   3. The magnetic gyro according to claim 1, wherein the rotation angle of the measured object calculated immediately after the high speed mode and the low speed mode are switched is at least the high speed mode and the low speed mode. Is corrected using one or more data immediately before switching, and smooth continuity between the rotation angle calculation result of the measured object calculated immediately before switching between the high speed mode and the low speed mode is obtained. A magnetic gyro characterized by being configured to ensure. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の磁気式ジャイロにおいて、上記被測定体の実際の回転軸の方向が上記磁気ベクトルの方向と一致したとき、上記第1回転角度算出手段又は第2回転角度算出手段に代わって上記回転軸を中心とした上記被測定体の回転角度を上記加速度ベクトルのデータを基に算出する第3回転角度算出手段を有することを特徴とする磁気式ジャイロ。   4. The magnetic gyro according to claim 1, wherein when the direction of the actual rotation axis of the measured object coincides with the direction of the magnetic vector, the first rotation angle calculation means or the second gyro. A magnetic gyro comprising third rotation angle calculation means for calculating the rotation angle of the measured object around the rotation axis based on the acceleration vector data instead of the rotation angle calculation means. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の磁気式ジャイロにおいて、上記3軸磁気センサは、マグネト・インピーダンス・センサ素子によって構成してあることを特徴とする磁気式ジャイロ。   5. The magnetic gyro according to claim 1, wherein the three-axis magnetic sensor is configured by a magneto-impedance sensor element. 6. 請求項1〜5のいずれか一項に記載の磁気式ジャイロにおいて、該磁気式ジャイロは、上記被測定体が回転運動状態にある場合において、地磁気ベクトルを連続的に測定し、測定した地磁気ベクトルから測定した時間における瞬間的な回転軸及び該回転軸を中心とする瞬間的な回転角度を求めるものであって、上記メモリは、測定した瞬間の時刻情報と共に上記磁気ベクトルのデータ及び上記加速度ベクトルのデータを蓄積するよう構成してあり、上記第1回転軸決定手段及び上記第2回転軸決定手段は、上記2時点以上の磁気ベクトルの測定時間内における上記被測定体の瞬間的な回転運動の基準とする回転軸を決定するよう構成してあり、上記第1回転角度算出手段及び上記第2回転角度算出手段は、上記回転軸を中心とした上記被測定体の瞬間的な回転角度を算出するよう構成してあることを特徴とする磁気式ジャイロ。   The magnetic gyro according to any one of claims 1 to 5, wherein the magnetic gyro measures the geomagnetic vector continuously when the measured object is in a rotational motion state, and the measured geomagnetic vector. The instantaneous rotation axis at the time measured from the moment and the instantaneous rotation angle about the rotation axis are obtained, and the memory stores the magnetic vector data and the acceleration vector together with the measured time information. The first rotation axis determination means and the second rotation axis determination means are configured to instantaneously rotate the measured object within the measurement time of the magnetic vector at the two or more time points. The first rotation angle calculation means and the second rotation angle calculation means are configured to determine the measurement target with the rotation axis as a center. Magnetic gyro, characterized in that are configured to calculate the instantaneous angle of rotation of the.
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