(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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、回転軸を中心とする被測定体の瞬間的な回転角速度を算出する角速度算出手段６とを有する磁気式ジャイロ１。【選択図】図１
2010281837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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上記回転軸を中心とする瞬間的な回転角速度を求める磁気式ジャイロであって、
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ベクトルを検出する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３時点以上の磁気ベクトルの測定時間内おける上記被測定体の瞬間的な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異なる２時点間における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、
該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瞬間的な回転角速度を算出する角速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。
【請求項２】
請求項１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。
【請求項３】
請求項１又は２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。
【請求項４】
請求項１〜３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り、
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、上記磁気ベクトルのとの差を求めることにより、上記軌跡円の半径を算出するよう構成しているとともに、各時点の磁気ベクトルと中心座標ベクトルの差を平均化する軌跡円半径平均化手段を備えていることを特徴とする磁気式ジャイロ。
【請求項５】
請求項４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。
【請求項６】
請求項１〜５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。
【発明の詳細な説明】
【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、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。
【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力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いる（特許文献２）。
【０００５】
しかし、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、低コスト化や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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、か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よ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上記回転軸を中心とする瞬間的な回転角速度を求める磁気式ジャイロであって、
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ベクトルを検出する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３時点以上の磁気ベクトルの測定時間内おける上記被測定体の瞬間的な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異なる２時点間における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、
該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瞬間的な回転角速度を算出する角速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って特定することができる。
そこで、上記のごとく、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って、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く、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、低コスト化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】
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瞬間的な回転角速度を算出する角速度算出手段を有する。
これにより、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。
【００１５】
以上のごとく、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】
【００１６】
【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形態】
【００１７】
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。
【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り、
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、上記磁気ベクトルのとの差を求めることにより、上記軌跡円の半径を算出するよう構成しているとともに、各時点の磁気ベクトルと中心座標ベクトルの差を平均化する軌跡円半径平均化手段を備えていることが好ましい。
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とともに軌跡円半径平均化手段により演算精度を向上させることができる。
【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きる。
即ち、マグネト・インピーダンス・センサ素子（ＭＩ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もできる。
【実施例】
【００２５】
本発明の実施例にかかる磁気式ジャイロにつき、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に示すごとく、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ｍ1、ｍ2、ｍ3として、地磁気を検出する。
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ｍ1、ｍ2、ｍ3のデータを蓄積する。
【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ｍ1、ｍ2、ｍ3のデータを基に、回転軸Ｋを算出する。
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ベクトルｍ1、ｍ2、ｍ3のデータを基に算出する。
【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。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に示すごとく、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に巻回した検出コイル２２とを有する。感磁体２１は、エポキシ樹脂等からなる絶縁体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１．０ｍｍ、線径２０μｍのＣｏ68.1Ｆｅ4.4Ｓｉ12.5Ｂ15.0合金からなるアモルファスワイヤを利用する。
【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ＭＩ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からなる感磁体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の内部磁化及びインピーダンス等の変化が生じる現象が上記のＭＩ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に示すごとく、深さ５０〜１５０μｍ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の周りを巻回する検出コイル２２を構成している。
【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、エッ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６６μｍを有する。そして、検出コイル２２の線幅及び線間幅は共に２５μｍ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に示すごとく、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Δｔごと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。
この時系列的に検出される磁気ベクトルｍ1、ｍ2、ｍ3のデータを、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。
【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＋Δｔ、ｔ＋２Δｔ）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ｍ1＝（ｍ1x、ｍ1y、ｍ1z）とし、時刻ｔ＋Δｔにおける磁気ベクトルをｍ2＝（ｍ2x、ｍ2y、ｍ2z）とし、時刻ｔ＋２Δｔにおける磁気ベクトルをｍ3＝（ｍ3x、ｍ3y、ｍ3z）とする。
【００３９】
これらの磁気ベクトルの終点Ｍ1、Ｍ2、Ｍ3は、３磁気直交座標系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。
【００４０】
そこで、まず、図４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。
【００４１】
ｎ1＝ｍ1−ｍ2＝（ｍ1x−ｍ2x、ｍ1y−ｍ2y、ｍ1z−ｍ2z）＝（ｎ1x、ｎ1y、ｎ1z）
・・・（１）
ｎ2＝ｍ3−ｍ2＝（ｍ3x−ｍ2x、ｍ3y−ｍ2y、ｍ3z−ｍ2z）＝（ｎ2x、ｎ2y、ｎ2z）
・・・（２）
【００４２】
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＝（ｎ1yｎ2z−ｎ1zｎ2y、ｎ1zｎ2x−ｎ1xｎ2z、ｎ1xｎ2y−ｎ1yｎ2x）
＝（ｋ1，ｋ2，ｋ3）                                            ・・・（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とが交わる点が、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）
【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＝（ｍxｋx＋ｍyｋy＋ｍzｋz）／（ｋx2＋ｋy2＋ｋz2）                ・・・（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。
【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。
Ｒ2＝（ｍ1−ＯＣ）2＝（ｍ2−ＯＣ）2＝（ｍ3−ＯＣ）2                ・・・（６）
【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。
【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に示すごとく、時刻ｔから時刻ｔ＋Δｔ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。
【００４９】
【数１】
2010281837.tif 000003
【００５０】
上記式（７）は、図４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Ｍ1Ｍ2Ｇ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Ｍ1Ｍ2Ｇ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。
【００５１】
【数２】
2010281837.tif 000004
【００５２】
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度θを得ることができるため、時刻ｔから時刻ｔ＋Δｔ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。
【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Δｔ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、ω＝θ／Δｔ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Ｋ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かることとなる。
【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Ｋ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、上記のごとく、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Ｋを算出する。また、上記メモリ３によって、上記回転軸Ｋ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Ｋ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Ｋ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く、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、低コスト化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く、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】
以上のごとく、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、フラックスゲート等、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。
【符号の説明】
【００６５】
１  磁気式ジャイロ
２  ３軸磁気センサ
３  メモリ
４  回転軸算出手段
５  回転角度算出手段
６  角速度算出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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