(57)【要約】【課題】１種類のセンサ素子のみを用い、かつ外部に設置された装置による較正を必要とせずに加速度・角速度・地磁気のいずれも測定することができるモーションセンサを提供する。【解決手段】  フレームと、前記フレームに一端を固定された渦巻状の弾性体で支えられ、前記フレームに対して自由に運動することのできる磁石と、前記フレーム上に固定された複数の磁気センサを備え、前記複数の磁気センサによって前記磁石の位置を検出することで加速度を測定し、地磁気を検出することで方位を測定する。また、前記構成の加速度・方位測定部を複数配置し、前記複数の加速度・方位測定部のそれぞれの加速度の測定値を利用して角速度を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームと、前記フレームに一端が固定された渦巻ばね状の弾性体で支えられ、前記フレームに対して自由に運動することのできる磁石と、前記フレームに固定された複数の磁気センサを備え、前記複数の磁気センサによって前記磁石の位置を検出することで加速度を測定し、地磁気を検出することで方位を測定する加速度・方位測定部を複数配置し、前記複数の加速度・方位測定部のそれぞれの加速度の測定値から角速度を算出することを特徴とするモーションセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度、角速度、方位を測定するモーションセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、加速度センサ、角速度センサ、磁気センサを備え、これらのセンサの測定値を基に姿勢・方位を算出する小型姿勢センサが開示されている。
【０００３】
また、特許文献２には、加速度センサ、角速度センサに加え、絶対位置が既知の指標手段と前記指標手段の情報を取得する手段を備え、前記指標手段により前記加速度センサ、前記角速度センサを較正する測位システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２００１６２号公報
【特許文献２】特開２０１３−１８５８４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
加速度・角速度・方位を測定する従来のモーションセンサは、それぞれの物理量を得るために異なった種類のセンサ素子を組み合わせる必要があり、コストや小型化の点で限界があった。
【０００６】
また、角速度の測定値を積分して方位を得る方式のモーションセンサは、長い距離を移動すると誤差が累積されて大きくなるという欠点があり、これを回避するには外部に設置された装置による較正を必要とする欠点があった。
【０００７】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、単一の種類のセンサ素子を用いて加速度・角速度・方位のそれぞれの物理量を得ることができ、かつ外部に設置された装置による較正を必要としないモーションセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
フレームと、前記フレームに一端を固定された渦巻状の弾性体で支えられ、前記フレームに対して自由に運動することのできる磁石と、前記フレーム上に固定された複数の磁気センサを備え、前記複数の磁気センサによって前記磁石の位置を検出することで加速度を測定し、地磁気を検出することで方位を測定する。また、前記構成の加速度・方位測定部を複数配置し、前記複数の加速度・方位測定部のそれぞれの加速度の測定値を利用して角速度を算出する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、物理量を検出する素子として磁気センサのみを用いるモーションセンサで加速度・角速度・地磁気の全てを高い精度で測定でき、従来のモーションセンサと比較して低コスト化や小型化が容易となる。
【００１０】
また、本発明のモーションセンサでは、角速度と方位を別の物理量として得られるため、角速度を積分して方位を求める必要がなく、長い距離を移動しても誤差が累積されることがない。
【００１１】
また、前記弾性体を渦巻ばね状のものにすることによって、各軸の変位に対する剛性を均一かつ線形性の良いものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】下記実施形態における加速度・方位測定部の構成を示した上面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】下記実施形態における３軸角速度を測定するモーションセンサの加速度・方位測定部の配列を示した上面図である。
【図４】下記実施形態における１軸角速度を測定するモーションセンサの加速度・方位測定部の配列を示した上面図である。
【図５】実施例における印加した加速度に対する信号強度の測定値のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（実施の形態）
図１および図２は実施の形態における加速度・方位測定部の構成を示した図である。加速度・方位測定部は、フレーム１と、フレーム１に一端を固定された渦巻状の弾性体２に支えられ自由に運動できる磁石３、フレーム１上に固定されたＧＭＲセンサ４から９を備える。
【００１４】
ＧＭＲセンサ４から９は、加速度・方位測定部の周囲６面に配置され、それぞれの位置における磁束密度を測定する。磁石の変位が微小であれば、それぞれのＧＭＲセンサで測定される磁束密度の変化は磁石の変位に対し線形であるため、それぞれのＧＭＲセンサの測定値から磁石の変位を求めることができる。それぞれの測定値を以下に詳述するような手順で処理することによって加速度・方位を算出する。
【００１５】
Ｘ方向加速度が加速度・方位測定部にかけられた場合、磁石３が−Ｘ方向に変位するため、ＧＭＲ５と磁石３間の距離が増大し、ＧＭＲ７と磁石３間の距離が減少する。これによって求めた磁石３の−Ｘ方向変位に弾性体２のＸ方向に関する剛性を乗じて磁石３の質量で除すことによってＸ軸方向加速度を求めることができる。以上を数式で表すと次式のようになる。Ｙ方向加速度およびＺ方向加速度も同様に求めることができる。
【数１】
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【００１６】
加速度・方位測定部に対する地磁気ベクトルが変化した場合、加速度・方位測定部内部で磁石が変位した場合と異なり、向かい合う位置にあるＧＭＲセンサ（ＧＭＲ４と６、ＧＭＲ５と７、ＧＭＲ８と９）で測定される磁束密度に等しい変化が生じる。そのため、向かい合う位置にあるＧＭＲセンサ同士の測定値の平均を取ることで、磁石３の変位による磁場の影響を排除し地磁気の各方向成分のみを抽出することができる。
【００１７】
上述した構成の加速度・方位測定部を複数個用いることによって、角速度も測定できるようになる。図３では、上記加速度・方位測定部を等間隔に３個配置してある。Ｘ軸周り角速度がかけられた場合、加速度・方位測定部１、２は同じ測定値を示すのに対し、加速度・方位測定部３のＹ方向加速度の測定値が他の２個より増大するため、この差によりＸ軸周り加速度を求めることができる。以上を数式で表すと以下のようになる。Ｙ軸周り角速度およびＺ軸周り角速度も同様に求めることができる。
【数２】
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なお、前式では角速度が絶対値としてしか求められないため回転方向が分からないという問題が存在するが、角加速度の立ち上がりを観測することでこの問題を回避できる。具体的には、Ｘ軸周りにＸ軸方向から見て時計回りの角加速度がかけられた場合、加速度・方位測定部３のみにＺ軸方向加速度が観測されることになるため、この角加速度の絶対値が一定値以上になった場合のみ角速度の測定を開始し、またこの角加速度の符号により回転方向を判断することができる。
また、本実施例では３個の加速度・方位測定部を等間隔に配置してあるが、原理的には必ずしも等間隔である必要はなく、３個とも同一直線状に並んでしまうことさえ避ければ３軸角速度を測定できる。
【００１８】
また、求めたい角速度が１軸のみである場合は図４のように上記加速度・方位測定部を２個用いることで測定できる。この場合、加速度・方位測定部１と加速度・方位測定部２のＸ方向加速度の差を利用してＺ軸周り角速度を求めることができ、次式のように表される。回転方向の区別については３軸の場合と同様である。
【数３】
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【実施例１】
【００１９】
図５は、図１の構造の加速度・方位測定部にＸ方向加速度を±１６Ｇの範囲で印加した場合の信号強度の測定値の例である。本実施例においては、印加した加速度１Ｇあたり６．４８μＶの信号が得られている。
【符号の説明】
【００２０】
１    フレーム
２    弾性体
３    磁石
４〜９    ＧＭＲセンサ
１０〜１２  加速度・方位測定部１〜３
【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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