(57)【要約】【課題】小型化、高密度化が進んでいる携帯電子機器等に組み込みが容易な磁気式ジャイロを提供する。【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、被測定体が３軸直交座標系のいずれかの直交軸を回転軸として回転運動したとき、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、回転軸を判定する回転軸判定手段４と、被測定体の回転軸として判定された回転軸周り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を有する磁気式ジャイロ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、
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を基に、上記３軸直交座標系の３つの上記直交軸のうちの１つを回転軸として判定する回転軸判定手段と、
上記被測定体の上記回転軸として判定された上記回転軸周り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し、
上記回転軸判定手段は、上記２時点の磁気ベクトルの差である差分ベクトルにおける、上記３軸直交座標系の３つの上記直交軸にそれぞれ平行な成分のうち１成分が予め定めたしきい値より小さい値を示すとき、この成分と平行な上記直交軸を上記回転軸と判定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、上記回転軸判定手段は、上記２時点の磁気ベクトルの差である差分ベクトルにおける、上記３軸直交座標系の３つの上記直交軸にそれぞれ平行な成分のうち２成分が予め定めた上記しきい値より小さい値を示すとき、上記２成分とそれぞれ平行な上記直交軸のうち、上記２時点の前の異なる２時点における上記回転軸判定手段によって上記回転軸と判定された上記直交軸と一致した場合に、その一致した上記直交軸を上記回転軸と判定す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、上記回転角度算出手段によって算出された上記２時点間における上記被測定体の回転角度と、上記２時点間における上記磁気ベクトルのデータの採取時刻の差を基に、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。
【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、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】
従来、被測定体の回転角度を計測するディレクショナルジャイロが知られている（特許文献１）。このジャイロは複雑な機構を必要とするために小型化が困難であり、機構上多くの電力を必要とし、特殊な用途に限られていた。また、振動ジャイロと称する回転角速度を計測するレートジャイロが知られているが（特許文献２）、振動機構を必要とするために小型化、低消費電力化が困難であった。
それ故、これらの機械式ジャイロは小型化、高密度化の進んでいる携帯電子機器に組み込むことは困難であるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第３１４３８９２号明細
【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】
【０００４】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、小型で、かつ低消費電力の磁気式ジャイロを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の回転角度を検出する磁気式ジャイロは、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、
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を基に、上記３軸直交座標系の３つの上記直交軸のうちの１つを回転軸として判定する回転軸判定手段と、
上記被測定体の上記回転軸として判定された上記回転軸周り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し、
上記回転軸判定手段は、上記２時点の磁気ベクトルの差である差分ベクトルにおける、上記３軸直交座標系の３つの上記直交軸にそれぞれ平行な成分のうち１成分が予め定めたしきい値より小さい値を示すとき、この成分と平行な上記直交軸を上記回転軸と判定することを特徴としている（請求項１）。
【０００６】
本発明の磁気式ジャイロは、３軸磁気センサを利用するものであるため、機械式のような複雑な機構を必要としたり、電力を多く必要とすることもない。その結果、小型化を容易に図ることができる。
【０００７】
また、本発明の回転角速度を検出する磁気式ジャイロは、上記回転角度算出手段によって算出された上記２時点間における上記被測定体の回転角度と、上記２時点間における上記磁気ベクトルのデータの採取時刻の差を基に、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（請求項３）。
【０００８】
本発明の磁気式ジャイロは、３軸磁気センサを利用するものであるため、振動機構を必要としたり、電力を多く必要とすることもない。その結果、小型化を容易に図ることができる。
【０００９】
さらに、本発明の回転角度または回転角速度を検出する磁気式ジャイロにおいて、回転軸判定手段は、上記２時点の磁気ベクトルの３軸直交座標系における成分の差分ベクトルのうち１成分が予め定めた値より小さい値を示す軸を回転軸と判定することを特徴としている。
【００１０】
本発明の磁気式ジャイロは、３軸の出力データを用いて異なる２時点間の差分ベクトルを求め、予め定めた値と比較し、３軸のうちのいずれか１つの軸が基準軸となる回転軸として容易に判定することができる。
【００１１】
さらに、上記回転軸判定手段は、上記２時点の磁気ベクトルの差である差分ベクトルにおける、上記３軸直交座標系の３つの上記直交軸にそれぞれ平行な成分のうち２成分が予め定めた上記しきい値より小さい値を示すとき、上記２成分とそれぞれ平行な上記直交軸のうち、上記２時点の前の異なる２時点における上記回転軸判定手段によって上記回転軸と判定された上記直交軸と一致した場合に、その一致した上記直交軸を上記回転軸と判定することが好ましい（請求項２）。
【００１２】
この場合には、予め定めた値より小さい差分ベクトルを示す成分が３軸のうちのいずれか２軸となった場合にも、前に回転軸として判定した結果を用いて簡易に回転軸を判定することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の磁気式ジャイロは、小型化、低消費電力化を容易に図ることができる。その結果、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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の磁気式ジャイロのブロック図である。
【図２】回転軸判定手段のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図１及び図２を参照して、本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
図１は、本発明の磁気式ジャイロのブロック図であり、図２は、その回転軸判定手段のフロー図である。
図１に示すように、磁気式ジャイロ１には、３軸磁気センサ２とメモリ３と回転軸判定手段４と回転角度算出手段５と回転角速度算出手段６とを有する。
【００１７】
３軸磁気センサ２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ｍ1、ｍ2として、地磁気を検出する。
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を使用するマグネトインピーダンスセンサから構成している。なお、３軸磁気センサとして、マグネトインピーダンセンサに限らず、ホール素子、磁気抵抗素子などを使用する磁気センサでもよい。
【００１８】
上記メモリ３は、上記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のデータを蓄積する。
【００１９】
回転軸判定手段４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ｍ1、ｍ2のデータを基に、回転軸を判定する。
【００２０】
回転角度算出手段５は、被測定体の回転軸として判定された回転軸周りの磁気ベクトルｍ1、ｍ2、ｍ3のデータを基に、回転角度を算出する。
上記回転角速度算出手段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時点間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、上記回転軸を中心とする被測定体の回転角速度を算出する。
【００２１】
次に、本例の磁気式ジャイロ１を用いた被測定体の回転角度及び回転角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に示すように、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回転角度及び回転角速度を算出する演算を行うコンピュータ１１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と上記回転軸判定手段４と上記回転角度算出手段５と上記回転角速度算出手段６とが設けてある。
【００２２】
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として検出する。磁気ベクトルｍ1、ｍ2は、被測定体に固定された３軸直交座標系のいずれかの直交軸を軸芯とするベクトルである。このとき、被測定体が動いて、回転している場合には、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のデータを、コンピュータ１１のメモリ３に送り、時系列的なデータとして記憶させる。
【００２３】
次いで、回転軸判定手段４によって、メモリ３に蓄積された異なる２時点間以上の磁気ベクトルのデータを基に、被測定体の回転軸を判定する。
例えば、異なる２時点（ｔ、ｔ＋Δｔ）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）とする。
【００２４】
そこで、以下の式（１）のように、磁気ベクトルｍ1とｍ2との差である差分ベクトルΔｍを算出する。
Δｍ＝ｍ1−ｍ2＝（ｍ1x−ｍ2x、ｍ1y−ｍ2y、ｍ1z−ｍ2z）
＝（Δｍx、Δｍy、Δｍz）                                ・・・  （１）
【００２５】
ここで、差分ベクトルが変化したか否か判断基準としてしきい値Ｍを設ける。例えば、しきい値Ｍとして磁気センサの特性などより２０ｍＧａｕｓｓとすることができる。
まず、差分ベクトルの成分であるΔｍx、Δｍy、Δｍzの全てがしきい値Ｍより大きい場合は、「判定不可」として中止する。次に、被測定体が静止している場合には、Δｍx、Δｍy、Δｍzの全てがしきい値Ｍより小さくなるため、３軸直交座標系の全ての回転軸が「静止と判定」され、中止のうえメモリ３に記録する。
よって、Δｍx、Δｍy、Δｍzのいずれか１成分又は２成分がしきい値より小さいときには、以下のように回転軸を判定することができる。
【００２６】
３軸直交座標系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、図２より差分ベクトルの成分であるΔｍi、Δｍj、Δｍkのいずれか１成分がしきい値Ｍより小さい場合について説明する。
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Δｍの回転軸ｉの成分は変化しないためΔｍiはしきい値Ｍより小さくなる。他の２つのｊ軸、ｋ軸の成分は変化するためΔｍj、Δｍkはしきい値Ｍより大きくなる。よって、しきい値Ｍより小さい成分のｉ軸を回転軸と判定する。
【００２７】
次に、差分ベクトルの成分であるΔｍi、Δｍj、Δｍkのいずれか２成分がしきい値Ｍより小さい場合について説明する。
磁気センサが地磁気とのなす位置関係により上記の回転軸ｉの成分Δｍiと他の回転軸ｊの成分Δｍjからなる２成分がしきい値Ｍより小さくなり、回転軸ｋの１成分Δｍkのみがしきい値Ｍより大きくなる場合がある。このときの仮の回転軸は、ｉ軸及びｊ軸とする。
【００２８】
回転軸がｉ軸及びｊ軸の場合において、メモリ３に記録されている異なる２時点（ｔ−Δｔ、ｔ）における回転軸としての任意の軸である前の回転軸がｉ軸であるときは、ｉ軸と判定する。次に、前の回転軸が静止、判定不可又はｋ軸であるときは、前の回転軸はｉ軸でないためにｊ軸を回転軸と判定する。
【００２９】
上記のようにして得られた回転軸を基に、回転角度算出手段５は、以下のようにして求められる。
例えば、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、回転軸をｉとして、ｉ軸周りの回転角度Δθは以下の式（２）によって求められる。
Δθ＝θ１−θ２＝tan-1（mik/ｍ1j）−tan-1（m2k/ｍ2j）      ・・・  （２）
【００３０】
ここで、回転軸ｉがｚ軸のとき、
Δθ＝tan-1（miy/ｍ1x）−tan-1（m2y/ｍ2x）
となり、ｚ軸を回転軸とする回転角度Δθを得ることができる。この回転角度Δθの信号を出力端子Ｐ１から出力する（図１）。
【００３１】
また、この結果を利用して、上記回転角速度算出手段６においては、回転角度ΔθをΔｔで除算することにより、回転角速度ωを得ることができる。即ち、ω＝Δθ／Δｔとなる。この回転角速度ωの信号を出力端子Ｐ２から出力する（図１）。
以上により、回転軸を判定することができるためその回転軸の周りの回転角度を求めることができ、また回転角速度ωを得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の磁気式ジャイロは、例えば、携帯電話機やＰＤＡ等の携帯電子機器や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回転角度や回転角速度を、上記機器に対する種々の入力信号とすることができる。
【符号の説明】
【００３３】
１    磁気式ジャイロ
２    ３軸磁気センサ
３    メモリ
４    回転軸判定手段
５    回転角度算出手段
６    回転角速度算出手段
１１  コンピュータ
【図１】
2010271336.tif 000003
【図２】
2010271336.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成22年9月14日(2010.9.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2010271336.tif 000005