WO2007099599A1

WO2007099599A1 - 磁気式ジャイロ

Info

Publication number: WO2007099599A1
Application number: PCT/JP2006/303745
Authority: WO
Inventors: Yoshinobu Honkura; Katsuhiko Tsuchida; Eiji Kako
Original assignee: Aichi Micro Intelligent Corporation
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2007-09-07
Also published as: JPWO2007099599A1

Abstract

　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２と、３軸直交座標系の原点を通る任意の回転軸を中心に上記被測定体が運動したとき、３軸磁気センサ２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蓄積するメモリ３と、メモリ３に蓄積された異なる３時点以上の磁気ベクトルのデータを基に、回転軸を算出する回転軸算出手段４と、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回転角度算出手段５とを有する磁気式ジャイロ１。

Description

明細書

磁気式ジャイロ

技術分野

[0001] 本発明は、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したり、回転角速度を測定する磁気式ジャイロに関する。

背景技術

[0002] 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、ョー、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!、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。

[0003] 上記ジャイロとしては、例えば、各種機器、車両、航空機等の姿勢や方位角（即ち回転角度）を計測するディレクショナルジャイロと、この回転角度の変化率である回転角速度を計測するレートジャイロとがある。なお、レートジャイロの出力信号を積分演算して、回転角度を求める手段もある。

[0004] 上記ディレクショナルジャイロとしては、軸を中心に回転する機械的なロータをジンバルで支持し、ロータの慣性力を利用して、被測定体の回転角度 (姿勢や方位角）を測定するものが開示されている (特許文献 1)。

また、上記レートジャイロとしては、振動子に働くコリオリカに対応する信号を検出する方式の振動ジャイロが多く用いられて、る（特許文献 2)。

[0005] し力し、これら従来のジャイロは、いずれも運動力学的な原理を利用したものである。そのため、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る。これにより、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。

[0006] また、特許文献 1に記載のディレクショナルジャイロは、複雑な機構を必要とするため、低コストィ匕ゃ小型化が困難である。また、ロータを回転させるための電力を多く必要とする。そのため、航空機等の特殊な用途に限定されてしまう。

また、特許文献 2に記載のレートジャイロ (振動ジャイロ)も、振動機構を必要とするために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。

[0007] 特許文献 1：米国特許第 3143892号明細書

特許文献 2 :特開平 7— 139951号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] 本発明は、力かる従来の問題点に鑑みてなされたもので、計測精度に優れた小型化容易な磁気式ジャイロを提供しょうとするものである。

課題を解決するための手段

[0009] 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軸直交座標系の原点を通る任意の回転軸を中心に上記被測定体が運動したとき、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蓄積するメモリと、

該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、上記回転軸を算出する回転軸算出手段と、

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回転角度算出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。

[0010] 次に、本発明の作用効果につき説明する。

上記磁気式ジャイロは、上記 3軸磁気センサと上記メモリと上記回転軸算出手段と上記回転角度算出手段とを有する。そして、 3軸磁気センサによって検出する地磁気を基に、被測定体の姿勢変化を検知する。通常の環境においては、地磁気は地上に対して基本的に一定の方向、大きさを有している。それ故、被測定体の姿勢すなわち 3軸直交座標系の姿勢が変化したとき、その姿勢変化に対応して、相対的に 3軸直交座標系における磁気ベクトルが変化することとなる。この変化する磁気ベクトルを検出することによって、被測定体の姿勢の変化を精確に計測することが可能となる。

[0011] そして、被測定体の姿勢の変化は、任意の回転軸の周りの任意の回転角度によつて特定することができる。

そこで、上記のごとぐ上記磁気式ジャイロにおいては、上記回転軸算出手段によつて、上記回転軸を算出する。また、上記メモリによって、上記回転軸を算出するために必要な、異なる 3時点以上における磁気ベクトルのデータを蓄積しておく。更に、上記回転角度算出手段によって、上記回転軸を中心とした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。

以上により、回転軸とその周りの回転角度を求めることができるため、被測定体の姿勢の変化を計測することができる。

[0012] また、上記磁気式ジャイロは、従来の運動力学的原理を利用した機械式のジャイロとは異なり、地磁気を基に被測定体の姿勢の変化を計測することができる。それ故、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てもこれらに反応することなぐ精確な計測を確保することができる。

[0013] また、上記磁気式ジャイロは、 3軸磁気センサを利用するものであるため、機械式のように複雑な機構を必要としたり、電力を多く必要としたりすることもない。それ故、小型化、低コストィ匕を容易に図ることができる。その結果、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も容易となる。

[0014] 以上のごとぐ本発明によれば、計測精度に優れた小型化容易な磁気式ジャイロを提供することができる。

図面の簡単な説明

[0015] [図 1]実施例における、磁気式ジャイロの概念図。

[図 2]実施例における、 3軸直交座標系、回転軸、磁気ベクトル等の説明図。

[図 3]実施例における、中心座標の算出方法の補助説明図。

[図 4]実施例における、回転角度の算出方法の補助説明図。

[図 5]実施例における、 3軸磁気センサの斜視図。

[図 6]実施例における、マグネト 'インピーダンス 'センサ素子の平面図。 [図 7]図 6の A— A線矢視断面概念図。

発明を実施するための最良の形態

[0016] 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、その大きさは一定である。

[0017] また、上記磁気式ジャイロは、上記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。

この場合には、被測定体の回転角速度を容易に検出することができる磁気式ジャィ口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ぐ姿勢変化速度も検出することができる。

[0018] また、上記磁気ベクトルのデータの採取時刻の間隔は一定であることが好ましい。

この場合には、上記回転軸算出手段や上記回転角度算出手段における演算を容易かつ精確に行うことができ、精確な姿勢変化の計測を行うことができる。

[0019] また、上記回転軸算出手段は、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。

[0020] また、上記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座標点によって定まるデータ平面と、上記回転軸算出手段によって算出された上記回転軸との交点を算出することにより、異なる 3時点以上の上記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、上記磁気べ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、上記回転角度を算出するよう構成してあることが好ましい。

この場合には、容易かつ精確に上記回転角度を算出することができる。

[0021] また、上記回転中心座標算出手段は、上記回転軸算出手段によって算出した回転軸ベクトルと、上記磁気ベクトルとの内積をとることにより、上記軌跡円の上記中心座標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中心座標を算出することができる。

[0022] また、上記半径算出手段は、上記原点を始点とすると共に上記中心座標を終点とする中心座標ベクトルと、上記磁気ベクトルとの差を算出することにより、上記軌跡円の半径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軌跡円の半径を算出することができる。

[0023] 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。

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さる。

即ち、マグネト 'インピーダンス ·センサ素子 (Ml素子）は、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。

[0024] なお、 3軸磁気センサは、マグネト 'インピーダンス ·センサ素子に限らず、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を用いて構成することちできる。

実施例

[0025] 本発明の実施例に力かる磁気式ジャイロにっき、図 1〜図 7を用いて説明する。本例の磁気式ジャイロ 1は、図 1に示すごとぐ 3軸磁気センサ 2とメモリ 3と回転軸算出手段 4と回転角度算出手段 5と角速度算出手段 6とを有する。

[0026] 3軸磁気センサ 2は、図 2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 m、 m、 mとして、地磁気を検出する。

1 2 3

上記メモリ 3は、 3軸直交座標系 10の原点 Oを通る任意の回転軸 Kを中心に上記被測定体が図 1の矢印 Vに示すごとく運動したとき、 3軸磁気センサ 2によって時系列的に検出される磁気ベクトル m、 m、 mのデータを蓄積する。

1 2 3

[0027] 回転軸算出手段 4は、メモリ 3に蓄積された異なる 3時点以上の磁気ベクトル m、 m

1 2

、 mのデータを基に、回転軸 Kを算出する。

3

上記回転角度算出手段 5は、回転軸 Kを中心とした被測定体の回転角度を磁気べタトル m、 m、 mのデータを基に算出する。

1 2 3

[0028] 角速度算出手段 6は、回転角度算出手段 5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 Kを中心とする被測定体の回転角速度を算出する。

[0029] 3軸磁気センサ 2は、図 5に示すごとぐマグネト 'インピーダンス.センサ素子 20によつて構成してある。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。なお、図 5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。

[0030] 図 6、図 7に示すごとぐマグネト 'インピーダンス ·センサ素子 20は、感磁体 21と該感磁体 21に卷回した検出コイル 22とを有する。感磁体 21は、エポキシ榭脂等力もなる絶縁体 23の中を貫通しており、検出コイル 22は、絶縁体 23の外周面に配設されている。感磁体 21としては、例えば、長さ 1. Omm、線径 20 μ mの Co Fe Si B

68.1 4.4 12.5 1 合金カゝらなるアモルファスワイヤを利用する。

5.0

[0031] マグネト 'インピーダンス ·センサ素子 20は、感磁体 21に通電する電流の変化に伴い、素子に作用する磁界の大きさに応じた誘起電圧が検出コイル 22に生じる、いわゆる MI (Magneto - impedance)現象を利用して磁気センシングを行うものである。この Ml現象は、供給する電流方向に対して周回方向に電子スピン配列を有する磁性材料力なる感磁体 21について生じるものである。この感磁体 21の通電電流を急激に変化させると、周回方向の磁界が急激に変化し、その磁界変化の作用によって周辺磁界に応じて電子のスピン方向の変化が生じる。そして、その際の感磁体 21の内部磁ィ匕及びインピーダンス等の変化が生じる現象が上記の Ml現象である。

[0032] そして、本例では、感磁体 21にパルス状の電流 (パルス電流）を通電したときに検出コイル 22の両端の電極 221と電極 222との間に生じる誘起電圧を計測することで磁界の強度を検出する。この磁気検出方法においては、感磁体 21に通電したパルス電流の立ち下がり時に、検出コイル 22に発生する誘起電圧を計測する。

[0033] また、マグネト 'インピーダンス.センサ素子 20は、図 7に示すごとぐ深さ 50〜150

/z mの断面略矩形状を呈する溝状の凹部 24を設けた素子基板 240上に形成してある。凹部 24の内部には絶縁体 23が充填され、該絶縁体 23の中に感磁体 21が埋設してある。

凹部 24の内周面と、凹部 24の開口部の位置に配される絶縁体 23の側面とには、導電パターンが連続的に螺旋状に形成され、この導電パターンが、感磁体 21の周りを卷回する検出コイル 22を構成して、る。

[0034] なお、検出コイル 22の導電パターンを形成する方法としては、例えば以下のような方法がある。即ち、凹部 24の内周面に、導電性の金属薄膜を蒸着したのち、エッチング処理を施して導電パターンを形成する。その後、凹部 24に絶縁体 23及び感磁体 21を配設する。そして、絶縁体 23の側面に導電性の金属薄膜を蒸着した後、エツチング処理を施して導電パターンを形成する。このとき、凹部 24の内周面に形成した導電パターンと絶縁体 23の側面に形成した導電パターンとが螺旋状に連続するようにする。

[0035] 本例の検出コイル 22の捲線内径は、凹部 24の断面積と同一断面積を呈する円の直径である円相当内径として 66 μ mを有する。そして、検出コイル 22の線幅及び線間幅は共に 25 mとしてある。なお、図 6においては、線幅及び線間幅についての考慮を省略した。

[0036] 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に示すごとぐ上記 3軸磁気センサ 2と、該 3軸磁気センサ 2 によって検出した磁気ベクトルのデータを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とを有する。即ち、該コンピュータ 11には、上記メモリ 3と上記回転軸算出手段 4と上記回転角度算出手段 5と上記角速度算出手段 6とが設けてある。なお、回転角度算出手段 5には、後述する回転中心座標算出手段 51及び半径算出手段 52とが含まれる。

上記メモリ 3は、ハードウェアからなるものであり、上記回転軸算出手段 4、上記回転角度算出手段 5、及び上記角速度算出手段 6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。

[0037] 3軸磁気センサ 2は、被測定体の一部に固定されており、一定の時間間隔 A tごとに地磁気を磁気ベクトル m、 m、 mとして検出する。磁気ベクトル m、 m、 mは、被

1 2 3 1 2 3 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 m、 m、 mは、互いに異なる。

1 2 3

この時系列的に検出される磁気ベクトル m、 m、 mのデータを、コンピュータ 11内

1 2 3

のメモリ 3に送り、時系列的なデータとして記憶させる。

[0038] 次いで、回転軸算出手段 4によって、メモリ 3に蓄積された異なる 3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。

即ち、例えば、異なる 3時点（t、 t+ A t, t+ 2 A t)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 tにおける磁気ベクトルを m = (m 、 m 、 m )とし、時

1 lx ly lz 刻 t+ A tにおける磁気ベクトルを m二（m 、m 、m )とし、時刻 t + 2 Δ tにおける磁

2 2x 2y 2z

気べクトノレを m = (m 、 m 、 m )とする。

3 3x 3y 3z

[0039] これらの磁気ベクトルの終点 M、 M、 Mは、 3磁気直交座標系 10において、一つ

1 2 3

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の中心を通る軸力回転軸 Kとなる。

なお、磁気ベクトルのデータは、ここでは 3個とした力 4個以上とつて、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。 [0040] そこで、まず、図 4に示すごとぐ磁気ベクトル mと mとの差である差分ベクトル nと

1 2 1

、磁気ベクトル mと mとの差である差分ベクトル nとを算出する。そして、以下の式（1

3 2 2

)、 (2)のように、差分ベクトル n、 nの X、 Y、 Ζ成分を整理することができる。

1 2

[0041] n =m— m = (m — m 、 m — m 、 m — m ) = (n 、 n 、 n )

1 1 2 lx 2x ly 2y lz 2z lx ly lz

•••(1)

n =m— m = (m — m 、 m — m 、 m — m ) = (n 、 n 、 n )

2 3 2 3x 2x 3y 2y 3z 2z 2x 2y 2z

•••(2)

[0042] そして、差分ベクトル nと差分ベクトル nとの外積 n X nをとることにより、差分べタト

1 2 1 2

ル n， n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、回転軸べ

1 2

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=n X n = (,η n — n n n n — n n n n — n n )

1 2 ly 2z lz 2y lz 2x lx 2z lx 2y ly 2x

= (k , k , k ) · · · (3)

1 2 3

[0043] こ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 を通る直線が回転軸 Kである。この回転軸 Kとデータ平面 Sとが交わる点力上記軌跡円 Qの中心座標 Cとなる。そこで、回転角度算出手段 5に含まれる回転中心座標算出手段 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。

[0044] 図 3に示すごとぐ中心座標ベクトル OCの大きさは、回転軸ベクトル kと軌跡円 Q上に終点 M (或いは M又は M )を有する磁気ベクトル m (或いは m又は m )との内積

1 2 3 1 2 3 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-m · · · (4)

1

[0045] 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= (m k +m k +m k ) / (k ²+k ²+k ²) …（5)

x x y y z z x y z

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（ak , ak , ak )〖こより得られる。

[0046] このようにして中心座標算出手段 51によって得られた中心座標 Cを、半径算出手段 52に出力する。そして、軌跡円 Qの中心である中心座標 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 M (或いは M又は M )を終点とする磁気べク

1 2 3

トル m (或いは m又は m )との差から、下記の式（6)により、軌跡円 Qの半径 Rを求め

1 2 3

る。

R² = (m - OC) ²= (m— OC) ² = (m - OC) ² · · · (6)

1 2 3

[0047] 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 m、 m

1

、 m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

2 3

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。

[0048] 上記のようにして得られる半径 Rを基に、回転角度算出手段 5は、以下のようにして、回転角度を算出する。

例えば、図 4に示すごとぐ時刻 tから時刻 t+ A tまでの間に磁気ベクトルが mから

1 mに変化したとき、軌跡円 Qにおける回転角 Θは、以下の式（7)によって算出される

2

[0049] [数 1]

[0050] 上記式（7)は、図 4に示すごとぐ軌跡円 Qに内接すると共に磁気ベクトル m、 mの

1 2 終点 M、 Mを 2つの頂点とする直角三角形 M M Gに、正弦定理を適用することに

1 2 1 2

より得ることができる。即ち、三角形 M M Gにおいて、以下の式（8)が成り立つ。ここ

1 2

で、線分 M Gは、軌跡円 Qの直径 2Rに該当する。そして、角 M GMと角 M CMと

1 1 2 1 2 は円周角と中心角との関係を有するため、角 M GMは、角 M CM (即ち回転角 Θ )

1 2 1 2

の半分である。

[0051] [数 2] … （8 )

[0052] それ故、この式（8)から上記式（7)が導かれ、回転角 Θを求めることができる。この回転角 Θの信号を出力端子 P1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 Θを得ることができるため、時刻 tから時刻 t+ Δほでの間における被測定体の姿勢変化量が分力ることとなる。

[0053] また、この結果を利用して、上記角速度算出手段 6においては、回転角度 Θを時間

A tで除算することにより、角速度 ωを得ることができる。即ち、 Θ ' = 0 Z A tとなる。この角速度 ωの信号を出力端子 P2から出力する。

以上により、回転軸 Κとその周りの回転角速度 ωを得ることができるため、被測定体の姿勢変化速度が分力ることとなる。

[0054] 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、上記 3軸磁気センサ 2と上記メモリ 3と上記回転軸算出手段 4と上記回転角度算出手段 5とを有する。そして、 3軸磁気センサ 2によって検出する地磁気を基に、被測定体の姿勢変化を検知する。通常の環境においては、地磁気は地上に対して基本的に一定の方向、大きさを有している。それ故、被測定体の姿勢すなわち 3軸直交座標系 10の姿勢が変化したとき、その姿勢変化に対応して、相対的に 3軸直交座標系 10における磁気ベクトルが変化することとなる。この変化する磁気ベクトルを検出することによって、被測定体の姿勢の変化を精確に計測することが可能となる。

[0055] そして、被測定体の姿勢の変化は、任意の回転軸 Κの周りの任意の回転角度 Θによって特定することができる。

そこで、上記のごとぐ上記磁気式ジャイロ 1においては、上記回転軸算出手段 4によって、上記回転軸 Κを算出する。また、上記メモリ 3によって、上記回転軸 Κを算出するために必要な、異なる 3時点以上における磁気ベクトルのデータを蓄積しておく。更に、上記回転角度算出手段 5によって、上記回転軸 Κを中心とした被測定体の回転角度 Θを上記磁気ベクトルのデータを基に算出する。

以上により、回転軸 Κとその周りの回転角度 Θを求めることができるため、被測定体の姿勢の変化を計測することができる。

[0056] また、上記磁気式ジャイロは、従来の運動力学的原理を利用した機械式のジャイロとは異なり、地磁気を基に被測定体の姿勢の変化を計測することができる。それ故、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てもこれらに反応することなぐ精確な計測を確保することができる。

[0057] また、上記磁気式ジャイロ 1は、 3軸磁気センサ 2を利用するものであるため、機械式のように複雑な機構を必要としたり、電力を多く必要としたりすることもない。それ故、小型化、低コストィ匕を容易に図ることができる。その結果、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も容易となる。

[0058] また、上記磁気式ジャイロ 1は、角速度算出手段 6を有するため、被測定体の回転角速度 ωを容易に検出することができる。それ故、被測定体の姿勢変化量だけでなぐ姿勢変化速度も検出することができる。

また、回転角度算出手段 5は、回転中心座標算出手段 51と、半径算出手段 52とを有し、これらを上記のごとく利用して回転角度 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。

[0059] また、 3軸磁気センサ 2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、マグネト 'インピーダンス 'センサ素子 20は、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 20は小型であるため、小型の 3軸磁気センサ 2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。

[0060] 以上のごとぐ本例によれば、計測精度に優れた小型化容易な磁気式ジャイロを提供することができる。

[0061] 本発明の磁気式ジャイロは、上記実施例に限らず、種々の態様が考えられ、また、回転角度や回転角速度の算出方法についても、上記実施例は一例にすぎない。即ち、例えば、上記 3軸磁気センサは、例えば、ホール素子、磁気抵抗素子、フラッタスゲート等、マグネト，インピーダンス ·センサ素子以外によって構成することもできる

[0062] また、 3軸磁気センサによる磁気ベクトルの採取時刻の間隔は、必ずしも一定である必要はない。また、演算に使用する磁気ベクトルのデータの数は、 3個に限らず、 4個以上であってもよい。そして、データ平面 S、軌跡円 Q、半径 R等の算出に当たっては、できるだけ多数の磁気ベクトルのデータを利用して、平均をとるなどの措置を採ることにより、極めて高精度の計測を行うことが可能となる。

[0063] なお、本発明の磁気式ジャイロは、例えば、携帯電話機や PDA等の携帯電子機器に搭載することにより、磁気式ジャイロによって検出された姿勢変化量や姿勢変化速度を、上記機器に対する種々の入力信号とすることなどができる。

また、例えば、上記磁気式ジャイロをカメラに搭載することにより、検出した姿勢変化量や姿勢変化速度を利用して、フレーム内における被写体の姿勢を補正したり、手振れを防止したりすることなどができる。

[0064] また、例えば、上記磁気式ジャイロをロボットに搭載することにより、検出した姿勢変化量や姿勢変化速度を、ロボットの姿勢制御等に利用することなどができる。

その他、上記磁気式ジャイロを、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。

Claims

請求の範囲

[1] 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回転角度算出手段とを有することを特徴とする磁気式ジャイロ。

[2] 請求項 1において、上記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を特徴とする磁気式ジャイロ。

[3] 請求項 2において、上記磁気ベクトルのデータの採取時刻の間隔は一定であることを特徴とする磁気式ジャイロ。

[4] 請求項 1〜3のいずれか一項において、上記回転軸算出手段は、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を特徴とする磁気式ジャイロ。

[5] 請求項 1〜4のいずれか一項において、上記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座標点によって定まるデータ平面と、上記回転軸算出手段によって算出された上記回転軸との交点を算出することにより、異なる 3時点以上の上記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。

[6] 請求項 5において、上記回転中心座標算出手段は、上記回転軸算出手段によって算出した回転軸ベクトルと、上記磁気ベクトルとの内積をとることにより、上記軌跡円の上記中心座標を算出することを特徴とする磁気式ジャイロ。

[7] 請求項 5又は 6において、上記半径算出手段は、上記原点を始点とすると共に上記中心座標を終点とする中心座標ベクトルと、上記磁気ベクトルとの差を算出することにより、上記軌跡円の半径を算出することを特徴とする磁気式ジャイロ。

[8] 請求項 1〜7のいずれか一項において、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。