(57)【要約】  装置40は、磁場を発生する磁場発生器42、素子51-58の面内の磁場の成分を検出する磁場依存素子51-58を有する磁場検出器43、及び前記面に平行な可動物体の加速度に応答して前記磁場の前記成分を変化させる前記可動物体44を有するセンサ装置41を備える。前記磁場依存素子51-58の長手軸は、検出される前記成分に対して-80°から+80°の間の角度を成す。静止位置に可動物体44を押し戻す手段は弾性体59又は静止物体46を有し、物体44,46の一方は磁場発生器42を有し、他方は磁性体又は更なる磁場発生器50を有する。
2008537139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場の少なくとも一部を発生させる磁場発生器、
磁場依存素子の面内の前記磁場の成分を検出する前記磁場依存素子を有する磁場検出器、
可動物体の加速度に応答して前記磁場の前記成分を変化させる前記可動物体、
前記磁場の特定の成分を検出する特定の磁場依存素子の、この特定の成分に対して-80°から+80°の間の角度を成す長手軸、
を有するセンサ装置を備える装置。
【請求項２】
前記特定の磁場依存素子の長手軸が、前記可動物体が静止位置にあるとき、前記特定の成分に対して実質的に0°の角度を成し、前記特定の磁場依存素子がバーバーポール細片を有する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記特定の磁場依存素子の長手軸が、前記可動物体が静止位置にあるとき、所与の強度の前記磁場に対して、当該特定の磁場依存素子の磁化の方向に対して実質的に45°の角度を成す請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記センサ装置がさらに前記可動物体を静止位置に押し戻す手段を有する請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記手段が、少なくとも前記可動物体が静止位置にない場合に、前記面に平行な少なくとも１つの方向において、前記可動物体に少なくとも１つの力を与える弾性体を有する請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記可動物体が前記磁場発生器を有する請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記手段が静止物体を有し、前記可動物体と前記静止物体の一方が前記磁場発生器を有し、他方の物体が磁性体を有する請求項４に記載の装置。
【請求項８】
前記可動物体がキャビティ内に位置する球形状である請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記キャビティが液体を含む請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記キャビティが入口及び出口を有する請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記可動物体がジョイスティックに結合している請求項７に記載の装置。
【請求項１２】
前記センサ装置がさらに、外力に応答して前記可動物体を動かす更なる可動物体を有する請求項７に記載の装置。
【請求項１３】
前記センサ装置が外力検出器である請求項７に記載の装置。
【請求項１４】
磁性体を有する前記他方の物体が、前記磁場の少なくとも更なる部分を発生させる更なる磁場発生器である請求項７に記載の装置。
【請求項１５】
磁場の少なくとも一部を発生させる磁場発生器、
磁場依存素子の面内の前記磁場の成分を検出する前記磁場依存素子を有する磁場検出器、
可動物体の加速度に応答して前記磁場の前記成分を変化させる前記可動物体、
前記磁場の特定の成分を検出する特定の磁場依存素子の、この特定の成分に対して-80°から+80°の間の角度を成す長手軸、
を有するセンサ装置。
【請求項１６】
磁場の少なくとも一部を発生させるステップ、
磁場依存素子を介して当該磁場依存素子の面内の前記磁場の成分を検出するステップ、及び
可動物体の加速度に応答して、前記磁場の前記成分を変化させるステップ、
を有し、
前記磁場の特定の成分を検出する特定の磁場依存素子の長手軸が、この特定の成分に対して-80°から+80°の間の角度を成す、
センシング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセンサ装置を備える装置、センサ装置及びセンシング方法に関する。
【０００２】
そのような装置の例は、携帯PC、小型携帯電子デバイス（例えば携帯電話、パーソナル携帯情報機器、デジタルカメラ）及びＧＰＳデバイスである。
【背景技術】
【０００３】
従来技術の装置は特許文献１から知られ、同文献は三次元の自由度を備える振動子に取り付けられた磁性ボディ及び4つの磁気抵抗素子を有する加速度センサを開示する。これらの4つの磁気抵抗素子は、磁性ボディから生じる磁場の成分を検出する。Ｘ軸に沿って配置される2つの磁気抵抗素子の間の出力電圧の差はＸ方向の加速度を示し、Ｙ軸に沿って配置される2つの磁気抵抗素子の間の出力電圧の差はＹ方向の加速度を示す。全ての磁気抵抗素子の出力電圧の総和はＺ方向の加速度を示す。
【特許文献１】米国特許第6,131,457号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
既知の加速度センサは、とりわけ、それが適切に機能するために磁性ボディから生じる磁場に加えてバイアス磁場を必要とするために不利である。この追加のバイアス磁場は加速度センサの感度及び線形性を改善する。
【０００５】
本発明の目的は、とりわけ、適切に機能するために追加のバイアス磁場を必要とすることなく、素子の面内の加速度を検出することができるセンサ装置を備える装置を提供することである。
【０００６】
とりわけ、本発明の更なる目的は、適切に機能するために追加のバイアス磁場を必要とすることなく、素子の面内の加速度を検出することができるセンサ装置、及び、適切に機能するために追加のバイアス磁場を必要とすることなく、素子の面内の加速度を検出することができるセンシング方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の装置は、
- 少なくとも磁場の一部を発生させる磁場発生器、
- 磁場依存素子の面内の前記磁場の成分を検出する前記磁場依存素子を有する磁場検出器、及び
- 可動物体の加速度に応答して前記磁場の前記成分を変化させる前記可動物体、
- 前記磁場の特定の成分を検出する特定の磁場依存素子の、この特定の成分に対して-80°から+80°の間の角度を成す長手軸、
を有するセンサ装置を備える。
【０００８】
少なくとも2つの磁場依存素子（例えば、当該素子が位置する場所の磁場の強度及び方向に抵抗値が依存する磁気抵抗素子）を有する磁場検出器を導入することによって、及び前記磁気抵抗素子の面内の前記磁場の特定の成分を検出するための特定の磁気抵抗素子の長手軸とこの特定の成分との間の角度に-80°から+80°の間の値を与えることによって、前記加速度センサは追加のバイアス磁場を用いる必要なく良い性能を備えている。特許文献１では、前記磁場の前記特定の成分を検出するための前記特定の磁場依存素子の前記長手軸は、この特定の成分に対して垂直である。本発明によれば、この垂直（垂直は一見したところでは合理的な解決案のように見える）は回避される。
【０００９】
本発明による装置は、とりわけ、加速度センサが追加のバイアス磁場を用いる必要なく良い感度及び良い線形性を備えているという点で、さらに有利である。加速度は、直線加速度、センサ装置の回転を検出するための角加速度及び／又はセンサ装置の傾斜を検出するための重力加速度であることができる。加速度は、１次元、又は例えば磁場依存素子の面に平行な２次元加速度であることができる。
【００１０】
本発明による装置において、磁場発生器は、磁場依存素子の面に対して非平行である磁軸を有する。特許文献１から既知の装置以外の、磁場依存素子の面に平行な磁軸を備える磁場発生器を有する他の従来技術の装置は、したがって、本発明による装置と完全に異なる。好ましくは、本発明の装置において、磁場発生器は磁場依存素子の面に対して+20°から+160°の間の角度を成す磁軸を有し、さらに好ましくは、この角度は、+45°から+135°の間であり、またさらに好ましくは、この角度は前記面に対して実質的に垂直、すなわち70°から110°の間である。
【００１１】
本発明の装置の実施の形態は、前記可動物体が静止位置にある場合に前記特定の成分に対して実質的に0°の角度を成す前記特定の磁場依存素子の長手軸によって規定され、前記特定の磁場依存素子がバーバーポール細片を有する。この加速度センサは、バーバーポール細片により提供される場合、低下した抵抗値を持つ特定の磁場依存素子から生じるより大きな消費電力を犠牲にして、改善された感度及び改善された線形性を備えている。実質的に0°の角度とは、-20°から+20°の間の角度であり、好ましくは0°である。バーバーポール細片は、通常、前記特定の磁場依存素子の長手軸に対して±45°を向くが、他の向きは除外しない。
【００１２】
本発明の装置の実施の形態は、前記可動物体が静止位置にある場合に、前記磁場の所与の強度に対して、前記特定の磁場依存素子の磁化の方向に対して実質的に45°の角度を成す前記特定の磁場依存素子の長手軸によって規定される。この加速度センサは、バーバーポール細片を使用することなく、改善された感度及び改善された線形性を備えている。実質的に45°の角度とは、25°から65°の間の角度であり、好ましくは45°である。45°において、センサ装置は、最高の線形性及び最大の感度を有する。
【００１３】
本発明による装置の実施の形態は、前記可動物体を静止位置に押し戻す手段をさらに有する前記センサ装置によって規定される。
【００１４】
そのような手段は、所与の加速度において前記可動物体の位置を安定させることを可能にし、それぞれの検出の後にセンサ装置をリセットすることを必要とせずに２度以上の加速度を検出することを可能にする。
【００１５】
本発明による装置の実施の形態は、少なくとも可動物体が静止位置にない場合に、前記面に平行な少なくとも１つの方向において、可動物体に少なくとも１つの力を与える弾性体を有する手段によって規定される。そのような弾性体は、ゆるく動く部品を使用する必要性を防ぐ。
【００１６】
本発明の装置の実施の形態は、磁場発生器を有する可動物体によって規定される。小型になることができるという点で、この実施の形態は有利である。
【００１７】
本発明による装置の実施の形態は静止物体を有する手段によって規定され、前記可動物体と前記静止物体のうちの一方は磁場発生器を有し、他方の物体は磁性体を有する。可動物体が磁石のような磁場発生器から成る場合には、静止物体は磁性体から成る。可動物体が磁性体から成る場合には、静止物体は磁石のような磁場発生器から成る。いずれの場合においても、磁石と磁性体は互いを引きつける。好ましくは、磁性体は磁性ヒステリシス効果を防ぐために軟磁性体から成る。さらに好ましくは、センサ装置を外部の磁場に対して低感度にし、センサ装置の外側に放射する磁石の漂遊磁界を低減するために、１つ以上の前記物体を部分的に囲む１つ以上の磁束閉鎖部を導入することができる。
【００１８】
本発明による装置の実施の形態は、キャビティ中に位置する球状の可動物体によって規定される。そのようなキャビティは、極端な加速度及び過激な衝撃の後でさえも、球状物体がその静止位置に戻ること可能にする。キャビティの最大の大きさは、両物体間の引力の強さに依存する。通常、Ｚ方向のキャビティの高さは、例えば球状物体の直径の101%又は102%とすることができる。Ｘ方向の幅及びＹ方向の奥行きは、更なる大きさを除外せずに、例えばこの直径の110%又は120%とすることができる。
【００１９】
本発明による装置の実施の形態は、液体を含むキャビティによって規定される。そのような液体は、減衰効果を増加し、球状物体を酸化から保護する。
【００２０】
本発明の装置の実施の形態は、入口及び出口を有するキャビティによって規定される。そのようなセンサ装置は、風センサ又は気体フローセンサとして用いることができる。
【００２１】
本発明の装置の実施の形態は、ジョイスティックに結合している可動物体によって規定される。そのようなセンサ装置は、加速度の検出だけでなく、ジョイスティックの動き（位置変化）の検出にも用いられることができる。
【００２２】
本発明の装置の実施の形態は、外部の力に応答して前記可動物体を動かす更なる可動物体を更に有するセンサ装置によって規定される。この更なる可動物体はジョイスティックに代わって、加速度の検出だけでなく、当該更なる可動物体の動き（位置変化）の検出にもセンサ装置を用いることを可能にする。
【００２３】
本発明による装置の実施の形態は、外力検出器であるセンサ装置によって規定される。そのようなセンサ装置は、外力の強度を検出する力センサとして用いられることができる。
【００２４】
本発明による装置の実施の形態は、前記磁場の少なくとも更なる部分を発生させる更なる磁場発生器である、磁性体を有する前記他の物体によって規定される。磁場発生器及び更なる磁場発生器は例えばそれぞれ磁石を有し、両磁石は、好ましくは、最適の効率のために向きが揃った磁軸を有する。
【００２５】
本発明によるセンサ装置及び本発明による方法の実施の形態は、本発明による装置の実施の形態と一致する。
【００２６】
本発明は、とりわけ、従来技術の装置が加速度センサの感度及び線形性を改善するために追加のバイアス磁場を必要とすることにより不利であるという洞察に基づき、そして、とりわけ、従来技術の磁場依存素子はそれらの長手軸が検出される磁場の成分に対してマイナス80°からプラス80°の間の角度を成すように向きを変える必要があるという基本的なアイデアに基づく。
【００２７】
本発明は、適切に機能するための追加のバイアス磁場を必要とすることなく素子の面内の加速度を検出することができるセンサ装置を有する装置を提供するという課題を解決し、加速度センサが追加のバイアス磁場を用いることを必要とせずに良い感度及び良い線形性を有する点でさらに有利である。
【００２８】
これらの及び他の本発明の態様は、以下に記載する実施の形態から明らかであり、以下に記載する実施の形態を参照して説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明によるセンサ装置の機能は、図1a-gに示される。本発明によるセンサ装置は、磁気伝導性材料からなる球又は球状物体の可動物体44、永久磁石の形の磁場発生器42、及び中間に位置する磁場検出器43を有する。永久磁石は磁場を発生させる。例えば磁気抵抗素子のような2つ以上の磁場依存素子を有する磁場検出器43は、保護層60の下で基板61上に位置する。図1aでは、センサ装置は静止位置にあり、すなわち、素子の面が水平であり、センサ装置が加速してない。永久磁石によって引き起こされ、矢印71によって示される磁力は、球状物体を保護層60に確実に付ける。この（水平な）静止位置（加速していない状態）において、球状物体の中心は、永久磁石の中心に自動的に合わせられる。矢印70によって示される重力と矢印71によって示され球状物体に働く磁力とは、垂直の方向に沿って一直線に並ぶ。
【００３０】
図1cにおいて、磁場検出器43がより詳細に示される。この磁場検出器43は、8つの磁場依存素子51-58を有する。4つの素子51-54は第１のブリッジ（Y）の部分を形成して第１の水平方向(X)の加速度を検出し、4つの素子55-58は第２のブリッジ(X)の部分を形成して第２の水平方向（Y）の加速度を検出する。（水平な）静止位置において、図1cに示すように、磁場の放射状成分の中心は、磁場検出器43の素子51-58の中心に位置する。当該放射状成分は、磁場検出器43の面内（換言すれば8つの素子51-58の面内）に位置している。その結果、信号は2つの（例えばホイートストン）ブリッジの出力において観察されない。図2aは、この場合のシミュレートされた磁力線を示す。
【００３１】
図1bにおいて、矢印85によって示される加速度が発生したために、センサ装置はもはや（水平な）静止位置にない。矢印81によって示される架空の力が加速度方向と反対の方向に球状物体に働き、球状物体を中心から引き出す（球状物体は転がることによって動く）。この位置において、矢印83によって示される磁力が、球状物体に作用している。矢印83によって示されるこの磁力はもう垂直ではなく、永久磁石の（おおよそ）中心の方へ僅かに傾いている。矢印83によって示されるこの磁力は、矢印82によって示される重力と共に球状物体を保護層60に接触させ続ける矢印84によって示される垂直成分と、センサ装置の中心へ球状物体を引き戻そうとする矢印80によって示される放射状成分との2つの成分に分解されることができる。
【００３２】
変位が特定の許容変位範囲内で増加するにつれて、矢印80によって示される放射状成分は増加する。したがって、矢印81で示される架空の力はこの放射状成分と最終的に釣り合い、球状物体は新たな安定位置に落ち着く。中心からの球状物体の変位は、矢印81によって示される架空の力の強さ、ひいては加速度に関係がある。新たな位置において、系の磁気の対称性は破られ、図1dに示すように磁場の放射状成分の中心が変位する。この変位(X)は、ブリッジ（Y）のセンサで測定することができる。図2bにおいて、球状物体がブリッジの中心から300μm変位したときの、この場合におけるシミュレートされた磁力線が示される。放射状成分の中心は、球状物体の変位方向と反対の方向に、センサ装置の中心から185μm変位している。より一般的な場合において、センサの面内の任意の方向の加速度（すなわち加速の大きさ及び方向）は、両方のブリッジ（X,Y）の信号から測定することができる。さらに以下で、図1e-gも考慮して、磁場検出器43がさらに議論される。
【００３３】
図3は、可動物体44に作用する磁場検出器43の面内の磁力の成分を可動物体44位置に対して示す(ニュートン(N)対メートル(m))。中心（すなわちX=0）では力は0である。球状物体がいずれかの方向(+X又は-X)に動く場合、球状物体を中心に引き戻そうとする力が存在する。球状物体の位置がグラフに示されるように許容範囲101内である場合、矢印80によって示される放射状成分の大きさは変位の増加と共に増加する。したがって、球状物体の変位が許容範囲101内となるような範囲内でセンサが加速される場合、矢印80によって示される放射状成分と矢印81によって示される架空の力との間に常に安定した釣り合いを見いだすことができる。球状物体が許容範囲101外で動くことを強いられた場合、力はもはや安定状態で釣り合うことはできない。その結果、永久磁石は球状物体に対するその制御力を緩め、それを阻止する固定部分がない場合には球状物体は飛び出す。曲線が実質的に線形であるより小さい範囲102が存在する。理想的には、センサ装置はその動作範囲がこの線形範囲内になるように設計されなければならない。
【００３４】
計算から、矢印80によって示される放射状成分と矢印84によって示される垂直成分は球状物体のサイズ及び永久磁石の強さの増加と共に増加し、両成分は球状物体の磁化率には有意に依存しないことが分かる。
【００３５】
重力は加速の特別な場合である。したがって、センサ装置は傾斜（傾き）センサ装置としても用いられることができる。傾斜測定における重力の純粋な影響を測定するために、センサ装置が加速されていないときに測定を実行しなければならない。図1eは、傾斜測定中のセンサ装置の側面図の概略を示す。この場合、矢印92によって示される重力は、素子の面に対して垂直な矢印93によって示される垂直成分と、面に平行な矢印91によって示される平行成分との2つの成分に分解されることができる、加速度測定の場合と同様に、平行成分は、中心から球状物体を引き出し、球状物体を中心へ引き戻そうとする矢印90によって示される（磁場の）放射状成分と釣り合う。ブリッジX及びYの信号は、球状物体の変位、ひいては加速度又は重力により生じる力の平行成分に線形に依存するので、信号は傾斜角度の正弦関数であり、信号(X,Y)〜矢印91=矢印92・sin(αX,αY)（αX及びαYはそれぞれX方向及びY方向の傾斜角度）である。このようにして、X及びY方向の傾斜角度（ピッチ及びロール）は、ブリッジ（X,Y）の信号から測定することができる。図4は、本発明のセンサ装置による傾斜測定のデータ（ボルトv.s.角度）を示す。センサ装置の寸法及びパラメータは、以前に示したシミュレーションで使用されたものと同様である。Ｘ方向の信号が記録される間、センサ装置はＹ方向の周囲を回転した。センサ装置がＸ方向の周囲を回転する場合、Ｙ方向における信号の同様の挙動がまた測定されることができる。
【００３６】
本発明の第１のセンサ装置41を有する本発明による第１の装置40が図5に断面図で示される。磁性体でできている球状の可動物体44は、磁場検出器43を覆う保護層60上に載置されるキャビティ47中に位置する。この保護層60は基板61上に位置し、基板61はリードフレーム63上に位置する。ボンディングワイヤ64は磁場検出器43を外界に結合させる。リードフレーム63の下で、磁石の形の磁場発生器42を有する静止物体46がリードフレーム63に固定される。キャビティ47、保護層60、基板61及び静止物体46は、パッケージ62の一部を形成する。
【００３７】
キャビティ47は、球状物体が動作範囲内で転がることを可能にするのに十分な丁度の大きさでなければならない。キャビティの天井は、球状物体の最も高い点に極めて近くてよい（しかし接触はしていない）。このきついキャビティのおかげで、磁石が球状物体に対する制御力を失った場合（例えばオーバレンジの加速度又は厳しい衝撃の後）、球状物体は後で容易に静止位置に戻ることができる。磁石-球状物体系は古典的なばね質量系として動作し、球状物体は、突然の加速の後、釣り合い点の周辺で僅かに振動する。通常、この振動は、球状物体及びキャビティ47及び／又は周囲の空気の間の摩擦によって減衰する。減衰効果を増加するために、キャビティ47は油のような液体で満たされていてもよい。さらに、この液体は、球状物体を酸化から保護することができる。パッケージ62は、図6に示すように磁束閉鎖部65を含むことができる。図6は、本発明の第２のセンサ装置41を有する本発明による第２の装置40を示す断面図である。この磁束閉鎖部65は磁場検出器43に印加される磁場を増加するのを助け、磁場検出器43を外部磁場に対して低感度にし、センサ装置41の外側に放射する磁石の漂遊磁場を低減する。
【００３８】
本発明による第３のセンサ装置41が図7中に断面図で示される。可動物体44は、ここでは永久磁石の形の磁場発生器42を有する。静止物体46は、ここでは磁性体でできている。
【００３９】
本発明の第４のセンサ装置41は、図8中に断面図で示される。可動物体44は、ここでは永久磁石の形の磁場発生器42を有する。静止物体46は、ここでは更なる永久磁石の形の更なる磁場発生器50を有する。静止位置において磁軸は一直線に並んでいる。
【００４０】
本発明の第５のセンサ装置41は、図9中に断面図で示される。キャビティ47は、弾性体59、及び永久磁石の形の磁場発生器42を備える可動物体44を有する。可動物体44は、その対称軸が磁軸である対称的な形状、例えば円筒状、球状又は角錐台形状を有する。弾性体は、静止位置に可動物体を押し戻す手段であり、加速度又は重力によって生じる力の平行成分と釣り合わせる。このセンサ装置41はより小型にすることができる。
【００４１】
本発明の第６のセンサ装置41は図10中に断面図で示される。可動物体44は磁性体でできており、ジョイスティック49に結合してポインティング装置を構成する。ジョイスティック49は、プラスチックのような非磁性体の軽い材料でできていることが好ましい。静止位置において、ジョイスティックは直立しており、これは永久磁石によって生み出される磁力のおかげである。装置が使用中のとき、ジョイスティック49を横の方向に動かすことができ、それにより、界面に十分な摩擦が存在する場合、球状物体は僅かに転がり、磁場検出器43の出力に信号の変化が生じる。あるいは、球状物体は、半球又は球の一部だけによって置き換えられることができる。
【００４２】
本発明の第７のセンサ装置41が図11中に断面図で示される。可動物体44は磁性体でできており、更なる可動物体48は外部の力に応答して可動物体44を動かすことができ、ポインティングデバイスを構成する。そのような更なる可動物体の例は、横方向に容易にスライドできるようにパッケージ62の内部又は上に配置される非磁性体のスライダである。スライダの底面は、球状物体の上部と接触する凹状のへこみを有することができる。例えばユーザの指によってスライダが動かされるとき、スライダは容易に球状物体を引きずることができ、磁場検出器43の出力に信号変化が生じる。もちろん、更なる可動物体48は部品42、46に結合し、及び／又は部品42,46を有することができる。
【００４３】
本発明の第８のセンサ装置41は、図12中に断面図で示される。キャビティ47は、入口66及び出口67を有する。気体又は液体フローセンサ装置41は、パッケージ62の中に流路を形成することによって構成される。球状物体は、流路の中央に配置される。気体又は液体が流路の中を流れるとき、球状物体の両側の間の圧力差がその静止位置から球状物体を変位させる。したがって、得られる信号は気体又は液体の流れに比例する。流れが１次元であるので、１つのブリッジだけがこの場合必要である。好ましくは、重力の影響を回避するために、センサ装置は動作中、水平に配置される。センサ装置が傾いている場合、その信号は対応して再調整されなければならない。
【００４４】
前の実施例と同様に、２次元の風センサを構成することができる。この場合、流路の代わりに、キャビティ47は全ての方向に開いている。空気の２次元の流れが影響を受けないように、パッケージ62のキャップはいくつかの小さい柱によって支持される。２次元の加速度センサ装置41のように、磁場検出器43はＸ方向及びＹ方向の両方に対してブリッジを有する。水平に流れる風は同じ方向に沿って僅かに球状物体を動かし、出力信号に変化を生じさせる。信号から、風の強さ及び方向を測定することができる。センサをより高感度にするために、キャビティが閉じた状況と比較して球状物体のサイズを大きくすることができ、及び／又は球状物体を中空にすることができる。
【００４５】
本発明による第９のセンサ装置41は、図13中に断面図で示される。この実施の形態において、球形の永久磁石は、その中心を横切る回転軸68を有する。球形の磁石は、回転軸68のまわりを回転することができる。球形の磁石の回転軸68は、その磁軸に対して垂直である。静止位置において、球形の磁石の磁軸は磁気静電結合のために磁石の磁軸に一列に並ぶ。角加速度測定の間、架空のトルクは球形の磁石を静止位置から離れるように回転させる。静磁気結合によって引き起こされるトルクと架空のトルクとの間のバランスは球形の磁石の回転角を決定し、それは磁場検出器43の出力における信号変化を介して測定されることができる。この場合、回転が一方向であるので、１つのブリッジだけが必要である。
【００４６】
本発明の第１０のセンサ装置41は図示しないが、例えば図11に示されるものに多少類似している。この第１０のセンサ装置は、外部の力を検出するための外力検出器である。この外部の力は、素子の面内の加速度の適用と等価であるとみなすことができる。この検出は、外部の力と面との間の角度が既知であり、90°に等しくない状態の下で、外部の力の大きさに変換されることができる。あるいはこの検出は、外部の力の大きさが既知であり、外部の力と面との間の角度が90°に等しくない状況の下で、外部の力の角度に変換されることができる。
【００４７】
磁場検出器43について、次の点に注意すべきである。図1c及び1d中に示される磁場検出器43は、磁気抵抗素子51-58を有する。磁気抵抗素子は、抵抗値が素子中を流れる電流と素子の磁化Mとの間の角度θに依存する素子である。異方性の磁気抵抗素子の場合には、抵抗R = R0 + ΔR cos2θであり、Rは素子51-58それぞれの合計抵抗値、R0は基礎抵抗であり、ΔR/R0は磁気抵抗効果を決定する。素子内の磁化Mは、一方では素子の長手方向を向こうとし、他方では素子が位置する場所の磁場の方向を向こうとする。その結果、磁化Mは素子の長手方向と磁場方向との間の位置を取る。低磁場に対してそれは素子の長手方向により近く、より大きな磁場に対してそれは放射状磁場の方向により近い。無限に大きな磁場においては、磁化Mは磁場の方向を向く。したがって素子の抵抗値は磁場の強さ及び方向に依存する。増幅特性曲線を線形にするために、非磁性伝導性材料でできているバーバーポール細片（ショートバー）が、素子上に直接配置される。ショートバーは素子の長手方向に対して例えば(+/-)45°の角度βを成す。ショートバーは素子の長手方向に関して角度βで電流を偏向させる。つまり電流はショートバー方向に垂直に流れ、したがってこの場合の抵抗はR = R0 + ΔR cos2(θ'+β）になる。θ'は、磁化Mと素子の長手方向との間の角度である。図1c及び1d中の素子51-58におけるバーバーポール構造は、ホィートストンブリッジ中の隣り合う素子の角度βが逆の符号を有するように配置される。たとえば、素子51における角度βがプラス45°であり、素子52における角度βがマイナス45°である。
【００４８】
磁場発生器42から放射している磁場が磁場検出器43の面上へ、換言すれば素子51-58の面上へ投影されるとき、放射状磁場が生じる。この面は例えばＸ軸及びＹ軸を有する。図1cにおいて、可動物体44が静止位置にある場合、放射状磁場の中心は素子51-58の中央にある。素子51-58の放射状配置のために、静止位置における放射状磁場ベクトルは素子51-58の長手方向に沿って整列し、したがって磁化ベクトルMを長手方向に平行に向ける。上記の式によれば、素子51-58の抵抗はR = R0 + ΔR cos2(β)と同じ値を有する。その結果、素子51-58から成るホィートストンブリッジの出力電圧は0である。
【００４９】
放射状磁場の中心が、このXY平面において、図1cの中央の位置から図1dのシフトした位置まで動くとき、素子51-58の長手方向に対する放射状磁場の方向が変化する。例えば素子51及び54において、放射状磁場ベクトルは電流の方向へ動き、磁化Mと電流との間の角度が縮小し、したがって素子51及び54の抵抗値が増加する。素子52及び53には反対のことが起こる。放射状磁場ベクトルは電流の方向から離れるように移動し、磁化Mと電流との間の角度θが増加し、したがって抵抗値が減少する。ブリッジ構成（例えばホィートストンブリッジ）に素子51-54を適切に接続することによって、Ｘ方向の放射状磁場中心位置によってほぼ線形に変化する出力信号を生成することができる。構成全体を90°回転させることによって、Ｙ方向に対して同様の構成を成すことができる。典型的に、素子51-54と放射状成分の放射状磁場中心との間の間隔は、その中心の典型的な変位（例えば20μm）よりも非常に大きい（例えば300μm）。したがって、放射状磁場中心が変位するとき、主に放射状磁場の方向が変化し、放射状磁場の強さはより少ない程度で変化するだけである。
【００５０】
そして図1c及び1dによれば、磁場の特定の成分を検出するための特定の磁場依存素子の長手軸は、当該特定の磁場依存素子がバーバーポール細片から成る場合には、可動物体が静止位置にあるとき、当該特定の成分に対して実質的に0°の角度を成さなければならない。実質的に0°の角度とは、-20°から+20°の間の角度であり、好ましくは0°である。他の方向を除外することなく、バーバーポール細片は、通常、特定の磁場依存素子の長手軸に対して±45°を向く。
【００５１】
あるいは、素子51-58は図1f及び1gに示すようにバーバーポール細片を用いずに構成されることができる。この場合、磁化M及び磁気抵抗素子51-54の長手方向が特定の角度（例えば25°〜65°の角度、好ましくは45°の角度）を成すように、ブリッジの磁気抵抗材料の4つの細片（例えば素子510-540）が配置される。角度θがおよそ45°で選択される場合、素子510-540の応答特性はだいたい線形である。最高の線形性は、θ=45°で得られる。素子510-540の長手方向に対して角度をつけて磁場を設定することによって、バーバーポール細片は必要とされず、これは多くの利点（より簡単な加工、より大きな抵抗、より良い抵抗再現性）を与える。
【００５２】
図1fにおいて、可動物体44が静止位置にあり放射状磁場の中心が素子510-540の中央にある場合、4つの素子510-540の角度θは大きさが等しく、したがってホィートストンブリッジの出力電圧は0である。放射状磁場の中心がこのXY平面において図1f中の中央の位置から図1g中のシフトした位置へ動く場合、素子510-540の長手方向に対する放射状磁場の方向は変化する。例えば素子520及び540において、放射状磁場ベクトルは電流Iの方向の方へ動き、磁化Mと電流Iとの間の角度が減少して素子520及び540の抵抗値が増加する。素子510及び530に対しては、反対のことが発生する。放射状磁場ベクトルは電流Iの方向から離れるように動き、磁化Mと電流Iとの間の角度θが増加して抵抗値が減少する。ブリッジ構成（例えばホィートストンブリッジ）に、素子510-540を適切に接続することによって、Ｘ方向における放射状磁場中心位置によってほぼ線形に変化する出力信号を生成することができる。構成全体を90°回転させることによって、Ｙ方向に対して同様の素子550-580から成る構成を成すことができる。
【００５３】
加速度センサ装置（41）は、例えば、自動車（車両動力学制御装置、アクティブサスペンション制御装置、ヘッドライトレベリングシステム装置、自動車警報装置など）、ナビゲーション（携帯電話装置、グローバル位置決定システム装置など）、電化製品（バランシング装置を備えている洗濯機装置など）、衝撃/ショック検出（検出器装置など）、ゲーム及びロボット工学（ゲーム装置など、ロボット装置など、）、パーソナル携帯情報機器用のデータエントリ（携帯端末装置など）、地震監視（監視装置など）、人間をモニタする装置（人間モニタ装置など）、アンテナ方位角制御（アンテナ制御装置など）などの、さまざまなアプリケーションにおいて広く使用される。
【００５４】
上述の実施の形態は本発明を説明するものであり限定するものではなく、当業者が特許請求の範囲から逸脱することなく多くの代わりの実施の形態を設計することが可能であることを留意すべきである。特許請求の範囲において、括弧内の参照番号は特許請求の範囲を限定するものとして解釈してはならない。動詞「有する」、「成る」、「備える」、「含む」及びその活用形は、特許請求の範囲に述べられたもの以外の要素又はステップの存在を除外しない。単数形で表現された要素は、その要素が複数存在することを除外しない。いくつかの手段を挙げた物の発明に係る請求項において、これらの手段のいくつかは１つの同一のハードウェア要素によって実現することができる。単に特定の手段が相互に別々の従属請求項中に列挙されているからといって、これらの手段を組み合わせて有利に用いることができないことを示すものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１ａ】可動物体、磁場発生器、及び中間に位置する磁場検出器を有する本発明のセンサ装置の機能の概略図。
【図１ｂ】可動物体、磁場発生器、及び中間に位置する磁場検出器を有する本発明のセンサ装置の機能の概略図。
【図１ｃ】可動物体、磁場発生器、及び中間に位置する磁場検出器を有する本発明のセンサ装置の機能の概略図。
【図１ｄ】可動物体、磁場発生器、及び中間に位置する磁場検出器を有する本発明のセンサ装置の機能の概略図。
【図１ｅ】可動物体、磁場発生器、及び中間に位置する磁場検出器を有する本発明のセンサ装置の機能の概略図。
【図１ｆ】可動物体、磁場発生器、及び中間に位置する磁場検出器を有する本発明のセンサ装置の機能の概略図。
【図１ｇ】可動物体、磁場発生器、及び中間に位置する磁場検出器を有する本発明のセンサ装置の機能の概略図。
【図２ａ】本発明のセンサ装置中の磁力線を示す図。
【図２ｂ】本発明のセンサ装置中の磁力線を示す図。
【図３】可動物体の位置に対する当該可動物体に及ぶ磁場検出器の面中の磁力の成分を示す図。
【図４】本発明のセンサ装置による傾斜測定のデータを示す図。
【図５】本発明の第１のセンサ装置を有する本発明の第１の装置を示す断面図。
【図６】本発明の第２のセンサ装置を有する本発明の第２の装置を示す断面図。
【図７】本発明の第３のセンサ装置を示す断面図。
【図８】本発明の第４のセンサ装置を示す断面図。
【図９】本発明の第5のセンサ装置を示す断面図。
【図１０】本発明の第6のセンサ装置を示す断面図。
【図１１】本発明の第7のセンサ装置を示す断面図。
【図１２】本発明の第8のセンサ装置を示す断面図。
【図１３】本発明の第9のセンサ装置を示す断面図。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図１ｅ】
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【図１ｆ】
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【図１ｇ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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