JP5560413B2

JP5560413B2 - 磁気式ジャイロ

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Publication number: JP5560413B2
Application number: JP2010239237A
Authority: JP
Inventors: 義信本蔵; 克彦土田; 和宏笹山
Original assignee: Aichi Micro Intelligent Corp
Current assignee: Aichi Micro Intelligent Corp
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2030-10-26
Also published as: JP2012093152A

Description

本発明は、３軸磁気センサと３軸加速度センサとを備えた磁気式ジャイロに関する。

被測定体の回転運動を検出するための機器として、図９に示すごとく、互いに直交する３軸方向の磁気を検出することができる３軸磁気センサ９３を備えた磁気式ジャイロ９１が従来から知られている（下記特許文献１参照）。

この磁気式ジャイロ９１は、被測定体９２に設けた３軸磁気センサ９３を使って、地磁気を磁気ベクトル（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）として時系列的に測定する。被測定体９２が回転運動をすると、磁気ベクトル（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）の測定値が時間的に変化する。磁気式ジャイロ９１は、測定した磁気ベクトル（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）の時間的変化から被測定体９２の回転角度や角速度を算出し、出力する。

被測定体９２の周囲に磁石が存在しない場合など、３軸磁気センサ９３が一様な地磁気のみを測定できる場合には、磁気式ジャイロ９１は被測定体９２の回転運動を精確に検出することができる。しかしながら、図９に示すごとく、被測定体９２の周囲に磁石９９等の地磁気以外の磁気発生源が存在し、この磁石９９により生じた磁界の影響を受ける場合等、一様な地磁気以外の磁界の影響を３軸磁気センサ９３が受けた時は、被測定体９２の回転運動を精確に検出することができなくなる。

そのため従来の磁気式ジャイロ９１は、３軸磁気センサ９３が磁石９９の影響等を受けている場合には、回転運動の検出結果を出力しないようにしている。３軸磁気センサ９３が地磁気以外の磁界の影響を受けているか否かを判断する手段（影響判断手段）としては、例えば特許文献２の請求項１０、請求項１１に記載の通り、測定した地磁気の絶対値に予め設定した閾値以上の変化がないかによって判断する手法が知られている。以下、その内容について説明する。

まず下記数式を用いて、測定した磁気ベクトル（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）の大きさ｜Ｍ｜を算出する。

地磁気の大きさは測定場所によっては変動するが、通常は大きく移動しない範囲で、継続して測定するのが普通であることから、その値は一定であるとみなすことができるため、３軸磁気センサ９３が磁石９９等の影響を受けていない場合は、被測定体９２（磁気式ジャイロ）がその向きを変えても、磁気ベクトルの方向は変わるが、大きさ｜Ｍ｜は一定とみなすことができる。一方、３軸磁気センサ９３が磁石９９等の地磁気以外の磁場の影響を受けている場合は、被測定体９２と磁石９９の位置関係が変化したり、被測定体９２の向きが時間変化すると、｜Ｍ｜は時間的に変動することとなる。そのため、異なる２時点ｔ１，ｔ２における｜Ｍ｜の測定値｜Ｍ１｜，｜Ｍ２｜の差Δ｜Ｍ｜を算出し、この差Δ｜Ｍ｜が予め定められた閾値を超えた場合には、３軸磁気センサ９３が地磁気の乱れの影響を受けていると判断することができる。これにより、３軸磁気センサ９３が地磁気以外の磁界の影響を受けて回転角度等の測定結果が不精確になった場合には、その測定結果を出力しないようにすることができる。

一方、被測定体９２は低速で回転することも高速で回転することもある。低速で回転する場合は、測定時間の間隔Δｔの間における被測定体９２の回転速度の変化は小さく、かつ回転軸に変化があったとしても無視しても計算上大きな影響を生じないこと、また時間Δｔ内の回転角度も小さくなることから、磁気ベクトルを測定する時間間隔Δｔ（＝ｔ２−ｔ１）を比較的長めに設定したとしても、ほぼ問題なく現実の回転運動状況を精確に把握することができる。ところが、被測定体９２が高速で回転する場合は、時間間隔Δｔを長めに設定してしまうと、そのΔｔの時間内における被測定体９２の回転速度の変化と回転軸の変化が無視できなくなるとともに、そのΔｔ内の回転角度も大きくなってしまうため、被測定体９２の回転運動状況を精確に把握することが困難になる。

すなわち、本発明で対象としている磁気式ジャイロはユーザが、携帯電話等の携帯機器を意図的に振り回したような、１０００度／秒を超える回転角速度となる場合でも精確に測定可能とすることを目的としている。この場合、１回の振り回しの途中においても回転軸、回転速度は変化し、かつ回転軸を求めないと回転角度を求めることができないことから、数ｍ秒以下の極めて微少時間毎に連続して地磁気ベクトルを測定していく必要があった。

国際公開公報ＷＯ２００７／０９９５９９特開２００３−１６７０３９号公報

しかしながら、時間間隔Δｔを短くすると、被測定体９２が低速で回転する場合には上記Δ｜Ｍ｜が小さくなるため、上記閾値の設定が難しくなるという問題が生じる。

すなわち、低速回転をすることによりΔ｜Ｍ｜が小さくなった場合でも、磁石９９等の有無を確認できるようにするためには、Δ｜Ｍ｜の閾値を低く設定する必要がある。しかしながら、３軸磁気センサ９３は、オフセット誤差などセンサ自身に内在するノイズを有する場合があるため、閾値を低く設定すると、そのノイズによってΔ｜Ｍ｜が閾値を超えやすくなる。その結果、地磁気以外の磁界の影響を受けていないにも関わらず、受けていると誤って判断する場合が起きやすくなる。

また、閾値を高く設定すると、低速回転の時にΔ｜Ｍ｜が閾値を超えにくくなるため、実際には地磁気以外の磁界の影響を受けているにも関わらず、影響を受けていないと誤って判断する場合が生じやすくなる。

また、従来の磁気式ジャイロ９１は、図１０に示すごとく、被測定体９２が回転していない場合であっても、磁石９９が被測定体９２に近づいた場合等、周辺磁界に時間変化があった場合には、磁気センサにより検出した測定値が当然のごとく変化してしまうことから、あたかも被測定体９２が回転しているかのように誤って判断することがあった。ここで、上記閾値が低ければ、上記影響判断手段によって、周辺磁界の存在の影響を判断することができる。しかし、上記閾値を高く設定した場合は、Δ｜Ｍ｜が閾値を超えにくくなるため、３軸磁気センサ９３が地磁気以外の磁界の影響を受けていることを認識しにくくなる。そのため、被測定体９２が回転していないのに回転していると誤判断し、不精確な回転角度等を出力しやすくなる問題があった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、地磁気以外の周辺の磁界の影響を受けているか否かを精確に判断でき、不精確な回転角度を誤って出力することを防止できる磁気式ジャイロを提供しようとするものである。

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及び上記加速度ベクトルのデータのうち、少なくとも上記磁気ベクトルのデータに基づいて、上記被測定体の回転角度を算出する回転角度算出手段と、
上記メモリに蓄積された異なる２時点以上の上記加速度ベクトルのデータに基づいて、上記被測定体が、所定の閾値よりも遅い回転速度にて回転している、もしくは回転していない低速状態か、上記閾値よりも遅くない回転速度にて回転している非低速状態かを判断する回転判断手段と、
該回転判断手段により上記被測定体が上記非低速状態にあると判断された場合に、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に基づいて、上記３軸磁気センサが上記地磁気以外の磁界の影響を受けているか否かを判断する影響判断手段と、
該影響判断手段により、上記３軸磁気センサが上記地磁気以外の磁界の影響を受けていないと判断された場合に、上記回転角度を出力する出力手段とを備え、
上記回転判断手段によって上記被測定体が上記低速状態にあると判断された場合、及び上記影響判断手段により上記３軸磁気センサが上記地磁気以外の磁界の影響を受けていると判断された場合には、上記回転角度を上記出力手段に出力しないよう構成されていることを特徴とする磁気式ジャイロにある（請求項１）。

上記磁気式ジャイロは、重力加速度を加速度ベクトルとして検出する３軸加速度センサを備える。そして、３軸加速度センサによって測定した加速度ベクトルのデータを使って、被測定体が上記低速状態か上記非低速状態かを判断する回転判断手段を備える。このようにすると、３軸加速度センサは磁気の影響を受けないため、被測定体の周囲に磁石等が存在していても、その影響を受けることなく、被測定体が低速状態か非低速状態かを精確に判断することができる。例えば、低速状態にある被測定体に磁石が接近した場合等、周辺磁界が時間変化したときでも、被測定体が回転せず、静止している場合も含め、低速状態であることを精確に判断できる。そのため、周辺磁界の時間変化によって、被測定体が回転せず静止しているにもかかわらず、回転していると誤って、不精確な回転角度の値を出力することを防止できる。

また、上記磁気式ジャイロは、上記回転判断手段により、被測定体が非低速状態であると判断された場合に、磁気ベクトルのデータを使って、３軸磁気センサが地磁気以外の磁界の影響を受けているか否かを判断する影響判断手段を備える。
このようにすると、被測定体がある程度の速度で回転している（非低速状態）場合のみ、地磁気以外の磁界の影響を受けているか否かを判断することになる。被測定体が非低速状態である時に周囲に磁石等が存在すると、被測定体の回転によって、地磁気以外の磁場により、磁気センサの検出値が変化することから、後述する、磁気の高周波数成分｜Ｍ｜_Ｈの時間変動が大きくなりやすく、逆に、低速状態である時に周囲に磁石等が存在すると、前記した磁気センサの検出値の変動が非低速状態の場合に比べ小さくなることから、｜Ｍ｜_Ｈの時間変動が小さくなりやすい。本発明では、被測定体が非低速状態である場合（周囲に磁石等が存在すると｜Ｍ｜_Ｈの時間変動が大きくなりやすい場合）にのみ、３軸磁気センサが地磁気以外の磁界の影響を受けているか否かの判断、すなわち｜Ｍ｜_Ｈが閾値を超えるか否かの判断をするため、低速状態も含め、地磁気以外の磁界の影響の有無を判断する場合と比較すると、該閾値を大きく設定しても、地磁気以外の磁界の影響を受けているにもかかわらず、影響を受けていないと間違って判断する可能性を大幅に低く抑えることができる。そのため、３軸磁気センサにオフセット誤差等のノイズが発生した場合でも、そのノイズによって｜Ｍ｜_Ｈが閾値を超える不具合が生じにくくなる。その結果、被測定体が地磁気以外の磁界の影響を受けていないのに受けていると誤判断する不具合を防止できる。

また、本発明では、被測定体が低速状態である場合（周囲に磁石等が存在していても｜Ｍ｜_Ｈが小さくなりやすい場合）には、３軸磁気センサが地磁気以外の磁界の影響を受けているか否かの判断をしない。仮に、被測定体が低速状態である場合に上記判断をし、かつ上記閾値を大きく設定すると、周囲に磁石等が存在しても｜Ｍ｜_Ｈが小さくなりやすいため、｜Ｍ｜_Ｈが閾値を超えにくくなる。その結果、被測定体が地磁気以外の磁界の影響を受けているのに、誤って受けていないと判断してしまう場合が生じやすくなる。しかしながら、本発明では被測定体が低速状態である場合は、３軸磁気センサが地磁気以外の磁界の影響を受けているか否かの判断をしないため、このような問題は生じにくい。

以上のごとく、本発明によれば、地磁気以外の周辺の磁界の影響を受けているか否かを精確に判断でき、不精確な回転角度を誤って出力することを防止できる磁気式ジャイロを提供することができる。

実施例１における、磁気式ジャイロの概念図。実施例１における、磁気式ジャイロのブロック図。実施例１における、磁気式ジャイロのフローチャート。図３に続くフローチャート。実施例１における、３軸磁気センサの斜視図。実施例１における、加速度ベクトルのＸ成分の変動を表したグラフ。図６のグラフから抽出した、加速度高周波数成分の変動を表したグラフ。実施例１における、加速度高周波数成分の絶対値の変動を表したグラフ。従来例における、磁気式ジャイロの概念図。従来例における、静止した被測定体に磁石が接近した場合の磁気式ジャイロ。

上記低速状態には、当然の如く、被測定体が回転していない状態も含まれる。また、上記閾値は、適宜設定することができる。例えば、上記閾値を０ｍ／ｓ^２に加速度センサの測定上避けられない誤差、すなわち、予想されるノイズの大きさ分を加算した程度の極めて０ｍ／ｓ^２に近い値に設定することにより、被測定体が実質的に回転していない状態のみを上記低速状態とすることができる。そして、このような閾値を採用した場合においては、測定した回転角度を出力しないだけでなく、測定した回転角度の値に関係なく、回転角度を０°として出力したり、静止状態であることを画面に表示する等の手段をとることも可能である。

また、本発明において、上記回転判断手段は、上記加速度ベクトルのデータから、該加速度ベクトルの変動の周波数が所定の値よりも高い加速度高周波数成分を抽出すると共に、該加速度高周波数成分の絶対値を算出し、該絶対値が予め定められた値よりも大きい場合に、上記被測定体が上記非低速状態であると判断することが好ましい（請求項２）。
加速度ベクトルのデータには、変動の周波数が所定の値よりも低い加速度低周波数成分と、変動の周波数が所定の値よりも高い加速度高周波数成分とが含まれる。このうち所定の値よりも高い加速度高周波数成分は、被測定体の回転運動が原因となって発生するものであるが、所定の値よりも低い加速度低周波数成分は回転運動以外、例えば重力加速度等が原因となって発生する。従って、上記構成にすると、加速度ベクトルのデータから変動の周波数が所定の値よりも低い加速度低周波数成分を除去できるため、被測定体が低速状態か非低速状態かの判断を、より精確に行うことが可能になる。

また、上記影響判断手段は、上記磁気ベクトルの絶対値を算出し、該絶対値から、該絶対値の変動の周波数が所定の値よりも高い磁気高周波数成分を抽出すると共に、該磁気高周波数成分が予め定められた範囲を超えた場合に、上記３軸磁気センサが上記地磁気以外の磁界の影響を受けていると判断することが好ましい（請求項３）。
磁気ベクトルの絶対値には、変動の周波数が所定の値よりも低い磁気低周波数成分と、変動の周波数が所定の値よりも高い磁気高周波数成分とが含まれる。このうち磁気高周波数成分は、被測定体の回転運動に伴って、被測定体の固定された磁気センサの各成分の値が変化し、周辺磁界が時間変化することが原因となって発生するものであるが、磁気低周波数成分は周辺磁界の時間変化以外、例えば本来の磁気ベクトルの絶対値、すなわち地磁気ベクトルの絶対値が原因となって発生する。上記構成にすると、磁気ベクトルのデータから地磁気ベクトルの存在により発生する、変動の周波数が所定の値よりも低い磁気低周波数成分を除去できるため、被測定体の周辺磁界の変化を精確に検出できる。そのため、被測定体の回転角度を精確に算出することが可能になる。

（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７を用いて説明する。
図１に示すごとく、本例の磁気式ジャイロ１は、３軸磁気センサ２と、３軸加速度センサ３と、メモリ４と、回転角度算出手段５と、回転判断手段６と、影響判断手段７と、出力手段８とを備える。
３軸磁気センサ２は、図５に示すごとく、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として地磁気を検出する。
また、３軸加速度センサ３は、３軸直交座標系１０における加速度ベクトルＡとして、重力加速度を含む被測定体の加速度を検出する。

図１に示すごとく、メモリ４は、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のデータ、及び３軸加速度センサ３によって時系列的に検出される加速度ベクトルＡのデータを蓄積する。
図３に示すごとく、回転角度算出手段５は、メモリ４に蓄積された異なる２時点以上の磁気ベクトルＭのデータ及び加速度ベクトルＡのデータのうち、少なくとも磁気ベクトルＭのデータに基づいて、被測定体の回転角度θを算出する（ステップＳ３）。
なお、検出した磁気ベクトルＭのデータ又は、磁気ベクトルＭと加速度ベクトルＡの両方のデータから、回転軸を求め、回転角度を求める方法については、前記特許文献１や、既に本発明者等が出願済みの特開２００８−２２４６４２号、特願２０１０−１２８２４１号にて明らかにしているので、ここでは説明を省略する。
回転判断手段６は、メモリ４に蓄積された異なる２時点以上の加速度ベクトルＡのデータに基づいて、被測定体が、所定の閾値よりも遅い回転速度にて回転している、もしくは回転していない低速状態か、上記閾値よりも遅くない回転速度にて回転している非低速状態かを判断する（ステップＳ４）。

影響判断手段７は、回転判断手段６により被測定体が上記非低速状態であると判断された場合に、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に基づいて、３軸磁気センサが地磁気以外の磁界の影響を受けているか否かを判断する（ステップＳ６）。
出力手段８は、影響判断手段７（ステップＳ６）により、３軸磁気センサ２が地磁気以外の磁界の影響を受けていないと判断された場合に、回転角度θを出力する（ステップＳ９）。
そして、回転判断手段６（ステップＳ４）によって被測定体が上記低速状態にあると判断された場合、及び影響判断手段７（ステップＳ６）により３軸磁気センサ２が地磁気以外の磁界の影響を受けていると判断された場合には、回転角度θを出力手段８に出力しないよう構成されている。
以下、詳説する。

図２に示すごとく、本例の磁気式ジャイロ１はコンピュータ１００を備える。コンピュータ１００は、ＣＰＵ１１と、ＲＯＭ１２と、ＲＡＭ（メモリ）４と、Ｉ／Ｏ１３と、これらを接続するライン１４とを備える。ＲＯＭ１２はプログラム１２ｐを記憶している。ＣＰＵ１１がプログラム１２ｐを読み出して実行することにより、本例の回転角度算出手段５、回転判断手段６、影響判断手段７が実現される。また、コンピュータ１００には、３軸磁気センサ２、３軸加速度センサ３、出力手段８が接続されている。

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。また、３軸加速度センサ３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。

次に、本例の磁気式ジャイロ１が行う一連の処理の流れを、図３、図４のフローチャートを用いて説明する。図３に示すごとく、磁気式ジャイロ１を起動すると、まずステップＳ１を処理する。ここでは、３軸磁気センサ２及び３軸加速度センサ３によって測定したデータを入力する。
ステップＳ１の後、ステップＳ２に移動する。ステップＳ２では、後述するステップＳ５において低速状態と記憶したか、又はステップＳ７においてエラーと記憶したかを確認する。磁気式ジャイロ１を起動して最初にステップＳ２を処理する場合はＮｏと判断し、ステップＳ３に移動する。

ステップＳ３では、上述した回転角度算出手段５における処理を実行する。すなわち、磁気ベクトルＭのデータのみを用いて被測定体の回転角度θを算出するか、又は磁気ベクトルＭのデータと加速度ベクトルＡのデータを併せて回転角度θを算出する。

ステップＳ３の後、ステップＳ４に移動する。ステップＳ４では、上述した回転判断手段６における処理を実行する。すなわち、メモリ４に蓄積された異なる２時点以上の加速度ベクトルＡのデータに基づいて、被測定体が上記低速状態か上記非低速状態かを判断する。
本例では、以下に説明する方法を使用することにより、被測定体が低速状態か非低速状態かを判断する。図６に示すごとく、加速度ベクトル（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ）の成分のうち、例えばＸ成分（Ａｘ）は、変動の周波数が所定の値よりも低い加速度低周波数成分Ａｘ_Ｌ（ゆっくり変動する成分）と、変動の周波数が所定の値よりも高い加速度高周波数成分Ａｘ_Ｈ（早く変動する成分）とを足し合わせた値になる。すなわち、
Ａｘ＝Ａｘ_Ｈ＋Ａｘ_Ｌ・・・（２）
である。他の成分（Ａｙ、Ａｚ）も同様に、
Ａｙ＝Ａｙ_Ｈ＋Ａｙ_Ｌ
Ａｚ＝Ａｚ_Ｈ＋Ａｚ_Ｌ・・・（３）
である。

本例ではステップＳ４において、適当な複数時点の加速度ベクトル（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ）のデータをデジタルローパスフィルタに通し、加速度低周波数成分（Ａｘ_Ｌ，Ａｙ_Ｌ，Ａｚ_Ｌ）を抽出する。その後、下記式に示すごとく、加速度ベクトル（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ）から加速度低周波数成分（Ａｘ_Ｌ，Ａｙ_Ｌ，Ａｚ_Ｌ）を減算することにより、加速度高周波数成分（Ａｘ_Ｈ，Ａｙ_Ｈ，Ａｚ_Ｈ）を抽出する。また、下記式を用いて、加速度高周波数成分（Ａｘ_Ｈ，Ａｙ_Ｈ，Ａｚ_Ｈ）の絶対値｜Ａ｜_Ｈを算出する。絶対値｜Ａ｜_Ｈは、例えば図８に示すごとく、時間的に変動する。算出した絶対値｜Ａ｜_Ｈが予め定められた閾値Ｋ_１よりも大きくなった場合に、被測定体が非低速状態であると判断する。

図３に示すごとく、ステップＳ４では、絶対値｜Ａ｜_Ｈが閾値Ｋ_１よりも小さい場合はＮｏ、すなわち被測定体が低速状態であると判断し、ステップＳ５に移る。ステップＳ５では、被測定体が低速状態であると記憶し、回転角度θを出力しない。また、ステップＳ４において、絶対値｜Ａ｜_Ｈが閾値Ｋ_１よりも大きい場合はＹｅｓ、すなわち被測定体が非低速状態であると判断し、ステップＳ６に移動する。
なお、本例では、閾値Ｋ_１を０ｍ／ｓ^２に極めて近い値に設定することにより、被測定体が実質的に回転していない状態のみを低速状態としている。
このような０ｍ／ｓ^２に極めて近い値を閾値とした場合には、絶対値｜Ａ｜_Ｈが閾値より小さいということは、被測定体が静止状態であることを意味する。従って、算出した回転角度θを用いずに、強制的に回転角度を０に置換したり、画面上に静止状態である旨の表示をすることができる。

ステップＳ６では、上記影響判断手段７における処理を行う。すなわち、メモリ４に蓄積された異なる２時点以上の磁気ベクトルＭのデータに基づいて、３軸磁気センサ２が地磁気以外の磁界の影響を受けているか否かを判断する。
本例では、以下に説明する方法を使用することにより、３軸磁気センサ２が地磁気以外の磁界の影響を受けているか否かを判断する。まず、メモリ内に保存された複数時点の磁気センサによる磁気ベクトルのデータを用いて、下記式を用いて、磁気ベクトル（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）の大きさ｜Ｍ｜の時間変化を算出する。

ここで、｜Ｍ｜の時間変化データは、下記式に示すごとく、変動の周波数が所定の値よりも低い磁気低周波数成分｜Ｍ｜_Ｌ（ゆっくり変動する成分）と、変動の周波数が所定の値よりも高い磁気高周波数成分｜Ｍ｜_Ｈ（早く変動する成分）とを足し合わせた値となる。
｜Ｍ｜＝｜Ｍ｜_Ｈ＋｜Ｍ｜_Ｌ・・・（７）

本例ではステップＳ６において、メモリ内に保存された複数時点の磁気ベクトルＭのデータから｜Ｍ｜を数３により計算し、そのデータをデジタルローパスフィルタに通し、磁気低周波数成分｜Ｍ｜_Ｌを抽出する。その後、下記式に示すごとく、｜Ｍ｜から主に地磁気を原因として発生する磁気低周波数成分｜Ｍ｜_Ｌを減算することにより、被測定体の回転運動に伴って生じる周辺磁界の時間変化に相当する磁気高周波数成分｜Ｍ｜_Ｈのみを抽出する。
｜Ｍ｜_Ｈ＝｜Ｍ｜−｜Ｍ｜_Ｌ・・・（８）
｜Ｍ｜_Ｈは時間とともに変化するが、地磁気以外の磁界の影響を受けている場合、その変動が大きくなる。従って、当然の如く、その場合には、｜Ｍ｜_Ｈの最大値もより大きな値となる。
そこで、抽出した磁気高周波数成分｜Ｍ｜_Ｈが予め定められた閾値Ｋ_２よりも大きい状態が瞬間的に生じた場合に、３軸磁気センサ２が地磁気以外の磁界の影響を受けていると判断する。

図３に示すごとく、ステップＳ６では、磁気高周波数成分｜Ｍ｜_Ｈの最新の値が閾値Ｋ_２よりも大きい場合はＹｅｓ、すなわち３軸磁気センサが地磁気以外の磁界の影響を受けていると判断し、ステップＳ７に移る。ステップＳ７では、地磁気を正常に測定できていない（エラー）と記憶し、回転角度θを出力しない。ステップＳ７を処理した後、ステップＳ８において、時刻ｔ１を記憶する。
また、ステップＳ６において、磁気高周波数成分｜Ｍ｜_Ｈの最新の値が閾値Ｋ_２よりも小さい場合はＮｏ、すなわち３軸磁気センサが地磁気以外の磁界の影響を受けていないと判断し、ステップＳ９に移動する。

ステップＳ９では、ステップＳ３で算出した回転角度θを出力する。このように、ステップＳ４において被測定体が非低速状態であると判断され、かつステップＳ６において３軸磁気センサ２が地磁気以外の磁界の影響を受けていないと判断された場合のみ、被測定体の回転角度θを出力している。

図３に示すごとく、ステップＳ５、Ｓ８、又はＳ９を行った後は、ステップＳ１に戻る。ステップＳ１において、新たな測定データを入力した後、再びステップＳ２を処理する。上記ステップＳ５において低速状態と記憶するか、又は上記ステップＳ７においてエラーと記憶していれば、ステップＳ２においてＹｅｓと判断し、ステップＳ１０に進む。また、低速状態またはエラーと記憶していなければ、ステップＳ２においてＮｏと判断し、ステップＳ３に進む。このように、ステップＳ５またはステップＳ７を実行しない限り、ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ９を繰り返し実行し、回転角度θを出力し続けるようになっている。

一方、ステップＳ２でＹｅｓと判断した場合は、図４に示すステップＳ１０に移り、ステップＳ１０にてエラーなのか低速状態なのかを判断し、エラーの場合はステップＳ１１に、低速状態の場合はステップＳ１４に移る。そして、ステップＳ１１では、３軸磁気センサ２が地磁気以外の磁界の影響を受けなくなったか否かを判断する。ここでは、磁気高周波数成分｜Ｍ｜_Ｈの最新の値が閾値Ｋ_２／２よりも小さい場合はＹｅｓ、すなわち３軸磁気センサ２が地磁気以外の磁界の影響を受けなくなったと判断し、ステップＳ１２に移る。ステップＳ１２では、処理した時刻ｔ２を記憶した後、ステップＳ１３に移る。また、ステップＳ１１で磁気高周波数成分｜Ｍ｜_Ｈの最新の値が閾値Ｋ_２／２よりも大きい場合はＮｏ、すなわち３軸磁気センサ２が地磁気以外の磁界の影響を未だ受けていると判断し、再びステップＳ１に戻る。
なお、ステップＳ１１における閾値Ｋ_２／２は、ステップＳ６における閾値Ｋ_２の半分になっている。これは、ステップＳ１１における閾値がＫ_２と同じだと、磁気高周波数成分｜Ｍ｜_Ｈが少し下がっただけでＹｅｓ、すなわち３軸磁気センサ２が地磁気以外の磁界の影響を受けなくなったと判断してしまい、信頼性が低くなるからである。なお、本実施例では、一例として閾値を１／２とした例を示したが、この値は、勿論１／２に限定されるものではなく、１倍未満の範囲で信頼性を高められるように適切に調整することができる。

ステップＳ１３では、上記時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間の経過時間（ｔ２−ｔ１）が、所定の値Ｋ_３以上であるか否かを判断する。ステップＳ１３でＮｏ、すなわちｔ２−ｔ１＜Ｋ_３であると判断した場合はステップＳ１に戻り、ステップＳ１０、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３を繰り返す。ステップＳ１２でｔ２を更新し、ステップＳ１３でｔ２−ｔ１≧Ｋ_３を満たした場合（Ｙｅｓ）には、地磁気以外の磁界の影響がなくなったと判断し、ステップＳ１４に移る。これは、｜Ｍ｜_Ｈは時間とともに変動する値であるため、瞬間的に閾値以下になったからといって、地磁気以外の磁界の影響がなくなったとはすぐに判断できないからである。従って、３軸磁気センサ２が地磁気以外の磁界の影響を受けていると判断した時刻ｔ１をステップＳ８において記憶してから、｜Ｍ｜_Ｈが閾値Ｋ_２／２以下となるまでの経過時間（ｔ２−ｔ１）が短すぎる場合には、完全に影響がなくなったとは判断できないため、所定の時間Ｋ_３以上は待機させて、信頼性を高めている。

ステップＳ１４では、被測定体が非低速状態になったか否かを判断する。ここでは、加速度高周波数成分（Ａｘ_Ｈ，Ａｙ_Ｈ，Ａｚ_Ｈ）の絶対値｜Ａ｜_Ｈが閾値２Ｋ_１以上であるか否かを判断する。絶対値｜Ａ｜_Ｈが閾値２Ｋ_１未満である場合はＮｏ、すなわち被測定体が低速状態であると判断し、ステップＳ１に戻る。また、絶対値｜Ａ｜_Ｈが閾値２Ｋ_１以上である場合はＹｅｓ、すなわち被測定体が非低速状態であると判断し、ステップＳ１５に移動する。ステップＳ１５では、ステップＳ５において記憶した低速状態の判断、またはステップＳ７において記憶したエラーの判断を解除する。
なお、ステップＳ１４における閾値２Ｋ_１は、ステップＳ４におけるＫ_１の２倍になっている。これは、ステップＳ１４における閾値がＫ_１と同じだと、絶対値｜Ａ｜_Ｈが少し上がっただけでＹｅｓ、すなわち被測定体が非低速状態であると判断してしまい、信頼性が低くなるからである。なお、本実施例では、一例として閾値を２倍とした例を示したが、この値は勿論２倍に限定されるものではなく、１倍超の範囲で、信頼性を高められるように、適切に調整することができる。

このように、３軸磁気センサ２が地磁気以外の磁気の影響を受けなくってから所定の時間を経過し（ステップＳ１３）、かつ被測定体が非低速状態であると判断した場合（ステップＳ１４）に、低速状態またはエラーを解除し（ステップＳ１５）、ステップＳ１に戻るようになっている。これにより、ステップＳ２〜ステップＳ９の処理を行えるようになり、回転角度θを出力できるようになる。

次に、本発明の効果を具体的数値を含めた実施例により説明する。本発明の磁気式ジャイロ１は、被測定体が回転軸や回転角速度を時間とともに変化しつつ、瞬間的には１０００度／秒を超える高速回転するような場合であっても、瞬間的な回転状況を精確に測定可能とすることを目的としている。勿論常時高速回転するわけではないが、ユーザの使用状況を考えると被測定体がいつから高速回転を開始するかは事前にわからないことから、高速回転中も精確に回転状況を測定可能とするためには、被測定体が高速回転しているか否かに関係なく測定時間の間隔を非常に短時間とする必要がある。一例としてこれを１ｍ秒として実験した。

測定時間間隔が１ｍ秒の場合、前記したとおり外部磁場の影響があったとしても、磁気センサの検出値に大きな変動が生じにくいことから、特に変動が生じにくい静止状態であっても外部磁場の影響を判別しようとすると、閾値は５ｍＧ程度とする必要が生じる。ところが、磁気センサにはその近くにある磁化された電子部品の影響を受けるため、オフセット補正しているものの、オフセット後においても誤差を５ｍＧ以下に押さえることは困難であり、閾値を５ｍＧに設定してしまうと、外部磁場の影響がないにもかかわらず、外部磁場の影響があると間違って判断してしまう可能性が生じる。

一方で、閾値を予想される最大のオフセット誤差より若干大きい値（例えば３４ｍＧ）に設定しておくと、今度は外部磁場の影響が生じているにもかかわらず、それを認識できないという不具合が生じる。

そこで、閾値を３４ｍＧとしたままの状態で、さらに加速度センサを用い、その変動の閾値を０．２ｍ／ｓ^２とし、加速度センサの変動が閾値以下の低速状態では磁気センサから算出した回転角度を出力しない構成と、加速度センサを用いない場合のジャイロ及び、前記した閾値を５ｍＧとしたジャイロの３種類のジャイロを準備し、静止状態において意図的に磁石を近づけ、外部磁界の有無を判断できるかどうかをテストした。なお、磁気ベクトルの検出値に対するローパスフィルターのカットオフ周波数は０．２Ｈｚパタワース特性とし、加速度ベクトルの検出値に対するローパスフィルターのカットオフ周波数は０．５Ｈｚとして実験を行った。

この結果、磁気ベクトル変動の閾値が５ｍＧのままの磁気式ジャイロは磁石を近づけた場合に外部磁場の影響ありと判断することは勿論であるが、磁石を近づけない状態であっても常にではないが、回転角度を出力しない状態が起きることが判明した。

また、磁気ベクトルの閾値を３４ｍＧとし、加速度センサを用いていない磁気式ジャイロは、磁石を近づけない状態で回転角度を出力しないという状態が起きることはなかったが、意図的に磁石を近づけた場合でも、外部磁場の影響を判断できず、回転角度を出力し続ける場合が生じることが判明した。

これに対し、磁場ベクトル変動の閾値を３４ｍＧとし、さらに加速度センサを用いた磁気式ジャイロでは磁石を近づけない場合では確実に回転角度を出力し続け、かつ磁石を近づけると確実に回転角度の出力が停止し、正常に動作することが確認できた。

次に、本例の作用効果について説明する。本例の磁気式ジャイロ１は、図１に示すごとく、重力加速度を加速度ベクトルＡとして検出する３軸加速度センサ３を備える。また、図１、図３に示すごとく、３軸加速度センサ３によって測定した加速度ベクトルＡのデータを使って、被測定体が低速状態か非低速状態かを判断する回転判断手段６（ステップＳ４）を備える。このようにすると、３軸加速度センサ３は磁気の影響を受けないため、被測定体の周囲に磁石等が存在していても、その影響を受けることなく、被測定体が低速状態か非低速状態かを精確に判断することができる。例えば、低速状態にある被測定体に磁石が接近した場合等、周辺磁界が時間変化したときでも、被測定体が低速状態であることを精確に判断できる。そのため、周辺磁界の時間変化によって、被測定体が回転していると誤って出力することを防止できる。

また、本例の磁気式ジャイロ１は、回転判断手段６（ステップＳ４）において、被測定体の回転運動が非低速状態であると判断された場合に、磁気ベクトルＭのデータを使って、３軸磁気センサ２が地磁気以外の磁界の影響を受けているか否かを判断する影響判断手段７（ステップＳ６）を備える。
このようにすると、被測定体がある程度の速度で回転している（非低速状態）場合のみ、地磁気以外の磁界の影響を受けているか否かを判断することになる。上述したように、被測定体が非低速状態にある時に周囲に磁石等が存在すると、｜Ｍ｜_Ｈが大きくなりやすく、低速状態にある時に周囲に磁石等が存在すると｜Ｍ｜_Ｈが小さくなりやすい。本例では、被測定体が非低速状態にある場合（周囲に磁石等が存在すると｜Ｍ｜_Ｈが大きくなりやすい場合）にのみ、３軸磁気センサ２が磁界の影響を受けているか否かの判断、すなわち｜Ｍ｜_Ｈが閾値Ｋ_２を超えるか否かの判断をするため、低速状態も含めて、地磁気以外の磁界の影響の有無を判断する場合と比較すると、閾値Ｋ_２を大きく設定することができる。そのため、３軸磁気センサ２にノイズが発生した場合でも、そのノイズによって｜Ｍ｜_Ｈが閾値Ｋ_２を超える不具合が生じにくくなる。その結果、被測定体が地磁気以外の磁界の影響を受けていないのに受けていると誤判断する不具合を防止できる。

また、本例では、被測定体が低速状態にある場合（周囲に磁石が存在していても｜Ｍ｜_Ｈが小さくなりやすい場合）には、３軸磁気センサ２が地磁気以外の磁界の影響を受けているか否かの判断をしない。仮に、被測定体が低速状態にある場合に上記判断をし、かつ閾値Ｋ_２を大きく設定すると、周囲に磁石が存在しても｜Ｍ｜_Ｈが小さくなりやすいため、｜Ｍ｜_Ｈが閾値Ｋ_２を超えにくくなる。その結果、被測定体が地磁気以外の磁界の影響を受けているのに、誤って受けていないと判断してしまう場合が生じやすくなる。しかしながら、本例では被測定体が低速状態である場合は、３軸磁気センサ２が地磁気以外の磁界の影響を受けているか否かの判断をしないため、このような問題は生じにくい。

また、本例の回転判断手段６（ステップＳ４）は、加速度ベクトルＡのデータから、該加速度ベクトルＡの変動の周波数が所定の値よりも高い加速度高周波数成分（Ａｘ_Ｈ，Ａｙ_Ｈ，Ａｚ_Ｈ）を抽出する。そして、加速度高周波数成分（Ａｘ_Ｈ，Ａｙ_Ｈ，Ａｚ_Ｈ）の絶対値｜Ａ｜_Ｈを算出し、該絶対値｜Ａ｜_Ｈが予め定められた閾値Ｋ_１よりも大きい場合に、被測定体が非低速状態であると判断する。
加速度ベクトルのデータには、変動の周波数が所定の値よりも低い加速度低周波数成分（Ａｘ_Ｌ，Ａｙ_Ｌ，Ａｚ_Ｌ）と、上記加速度高周波数成分（Ａｘ_Ｈ，Ａｙ_Ｈ，Ａｚ_Ｈ）とが含まれる。このうち加速度高周波数成分は、被測定体の回転運動が原因となって発生するものであるが、加速度低周波数成分は回転運動以外、具体的には重力加速度等が原因となって発生する。上記構成にすると、加速度ベクトルＡのデータから重力加速度を原因として発生する加速度低周波数成分を除去できるため、残りのデータは被測定体の回転運動が原因となって発生する加速度高周波数成分のみとなることから、被測定体が低速状態か非低速状態かの判断を、より精確に行うことが可能になる。

また、本例の影響判断手段７（ステップＳ６）は、磁気ベクトルＭの絶対値｜Ｍ｜の時間変化を算出し、該絶対値｜Ｍ｜の時間変化データから、該絶対値｜Ｍ｜の変動の周波数が所定の値よりも高い磁気高周波数成分｜Ｍ｜_Ｈを抽出する。そして、該磁気高周波数成分｜Ｍ｜_Ｈが予め定められた閾値Ｋ_２よりも大きい状態が瞬間的に生じた場合に、３軸磁気センサ２が地磁気以外の磁界の影響を受けていると判断する。
磁気ベクトルＭの絶対値｜Ｍ｜には、変動の周波数が所定の値よりも低い磁気低周波数成分｜Ｍ｜_Ｌと、上記磁気高周波数成分｜Ｍ｜_Ｈとが含まれる。このうち磁気高周波数成分｜Ｍ｜_Ｈは、被測定体の回転運動に伴って、周辺磁界が時間変化することが原因となって発生するものであるが、磁気低周波数成分｜Ｍ｜_Ｌは周辺磁界の時間変化以外、すなわち地磁気ベクトルの絶対値が原因となって発生する。上記構成にすると、磁気ベクトルＭのデータから地磁気ベクトルの存在により発生する磁気低周波数成分｜Ｍ｜_Ｌを除去できるため、残りのデータは周辺磁界の変化によって発生する磁気高周波数成分のみとなることから、被測定体の周辺磁界の変化を精確に検出できる。そのため、地磁気以外の磁界の影響がなく、被測定体の回転角度を精確に算出することが可能かどうかの判断を精確に行うことができる。

また、本例の３軸磁気センサ２は、図５に示すごとく、互いに直交する３軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）に配設されたマグネト・インピーダンス・センサ素子２０から構成されている。
マグネト・インピーダンス・センサ素子２０は、感度が高い磁気センサであるため、地磁気を検出しやすいが、低速状態にある被測定体に接近した物体が僅かの磁気しか帯びていないような場合であっても、磁界の変化を検出してしまう。そのため、仮に本発明を適用しなかったとすると、静止状態に近いような低速状態にある被測定体に僅かしか磁気を帯びていない物体が接近した場合であっても、被測定体が実際に回転している速度と比べて大きく回転していると間違って判断する可能性が生じ、不精確な回転角度を出力しやすくなる。
しかしながら本例では、加速度ベクトルのデータを使って、被測定体が低速状態であると判断した場合には、磁気センサにより測定した磁気ベクトルデータより算出した回転角度を出力しないため、このような問題は起きにくい。そのため本例は、マグネト・インピーダンス・センサ素子２０からなる３軸磁気センサ２を使った場合に生じやすい上記問題を防止しつつ、高感度であるマグネト・インピーダンス・センサ素子２０の利点を充分に活かすことができる。

以上のごとく、本例によれば、地磁気以外の周辺の磁界の影響を受けているか否かを精確に判断でき、不精確な回転角度を誤って出力することを防止できる磁気式ジャイロを提供することができる。

１磁気式ジャイロ
２３軸磁気センサ
３３軸加速度センサ
４メモリ
５回転角度算出手段
６回転判断手段
７影響判断手段
８出力手段

Claims

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及び上記加速度ベクトルのデータのうち、少なくとも上記磁気ベクトルのデータに基づいて、上記被測定体の回転角度を算出する回転角度算出手段と、
上記メモリに蓄積された異なる２時点以上の上記加速度ベクトルのデータに基づいて、上記被測定体が、所定の閾値よりも遅い回転速度にて回転している、もしくは回転していない低速状態か、上記閾値よりも遅くない回転速度にて回転している非低速状態かを判断する回転判断手段と、
該回転判断手段により上記被測定体が上記非低速状態にあると判断された場合に、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に基づいて、上記３軸磁気センサが上記地磁気以外の磁界の影響を受けているか否かを判断する影響判断手段と、
該影響判断手段により、上記３軸磁気センサが上記地磁気以外の磁界の影響を受けていないと判断された場合に、上記回転角度を出力する出力手段とを備え、
上記回転判断手段によって上記被測定体が上記低速状態にあると判断された場合、及び上記影響判断手段により上記３軸磁気センサが上記地磁気以外の磁界の影響を受けていると判断された場合には、上記回転角度を上記出力手段に出力しないよう構成されていることを特徴とする磁気式ジャイロ。
請求項１において、上記回転判断手段は、上記加速度ベクトルのデータから、該加速度ベクトルの変動の周波数が所定の値よりも高い加速度高周波数成分を抽出すると共に、該加速度高周波数成分の絶対値を算出し、該絶対値が予め定められた値よりも大きい場合に、上記被測定体が上記非低速状態であると判断することを特徴とする磁気式ジャイロ。
請求項１または請求項２において、上記影響判断手段は、上記磁気ベクトルの絶対値を算出し、該絶対値から、該絶対値の変動の周波数が所定の値よりも高い磁気高周波数成分を抽出すると共に、該磁気高周波数成分が予め定められた範囲を超えた場合に、上記３軸磁気センサが上記地磁気以外の磁界の影響を受けていると判断することを特徴とする磁気式ジャイロ。