(57)【要約】【課題】１０Ｇ以下の低加速度でも十分な検出感度を有し、構造が簡単で故障しにくく、小型化・薄型化が可能で、かつ落下衝撃に対しても破損の懸念がない位置及び加速度のセンサを提供する。【解決手段】可動磁石と巻線磁気インピーダンス式の磁気センサとを有し、磁気センサ感度軸方向の磁石位置の変化に相応する検出電圧を得るように構成された磁気センサユニット。また、磁石を中空パイプ内に封入し、該パイプ内で同極反発して浮上状態を維持するように構成し、かつ磁石が前記中空パイプと一体に二次元平面内で回転し得るようにして、磁石の二次元方向の運動の上下加速度及び回転方向の動きを検出する複数の磁気センサを配置した上記の磁気センサユニット。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動磁石と磁気インピーダンス式の磁気センサとを有し、前記磁石が前記磁気センサの感度軸方向に動く位置変化に相応する検出電圧を得るように構成されていることを特徴とする磁気センサユニット。
【請求項２】
前記磁石が中空パイプ内に封入され、該パイプ内で同極反発して浮上状態を維持するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気センサユニット。
【請求項３】
前記磁石が前記中空パイプと一体に二次元平面内で回転し得るように構成され、かつ前記磁石の二次元方向の運動の上下加速度及び回転方向の動きを検出する複数の磁気センサが配置されていること特徴とする請求項２記載の磁気センサユニット。
【請求項４】
内部に支軸を有するケースと、
前記支軸に直交する平面内で回転可能に、該支軸に取り付けられた非磁性体の中空パイプと、
該パイプ内にその軸方向に移動可能に封入された棒状磁石と、
前記中空パイプの一端又は両端に配された同極反発用の固定磁石と、
前記ケースの所定の位置に配された複数の磁気インピーダンス式の磁気センサとを有することを特徴とする請求項３記載の磁気センサユニット。
【請求項５】
前記磁気センサが、強磁性体から成る磁気コアに巻回された励磁巻線から成る磁気検知部と、
この磁気検知部のインダクタンス値と直列に、電流を磁気センサ側に流す極性方向のダイオードを介して接続された積分回路と、
前記積分回路に蓄積された電荷を、前記のダイオード及び磁気検知部を介してパルス駆動放電させる放電回路と、
外部磁界の変化により変動する磁気検知部の磁気インピーダンス変化に対応して変化する積分回路の平均電圧を、磁気検出出力として出力する検出回路とを含んでいることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気センサユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歩数計等において位置や加速度の検出に用いる、巻線磁気インピーダンス方式の磁気センサユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来例として、腰に装着する歩数計の一次元歩数センサは、図１０に示すように、歩行時の上下方向の加速度変化を、バネ２２で付勢された錘２１により、加速度変化に同期させてリードスイッチ等の接点２３をＯＮ／ＯＦＦさせて歩数信号にしていた。また、腕に装着する歩数計は二次元歩数センサの構造、すなわち重心が偏心する回転体と一体に一次元の歩数センサを組み込み、腕の前後方向では歩数センサが反応せず、身体の上下加速度変化のみで歩数カウントする動作原理になっていた。
【０００３】
市販されている他の圧電素子タイプの加速度センサは、１０Ｇ以下の低加速度検出の仕様になると小型化が難しく、カスタム仕様のセンサとして特別に設計されていた。その設計内容は、落下衝撃での破損を防ぐため、片持ち支持の圧電素子板にダンパー材となる防振材を貼っていた。また、そのような圧電素子原理のセンサは、防湿対策などの対策が取られていた。
近年半導体技術でマイクロ精密加工が可能となって、半導体パッケージに収納されたシリコン基板による三次元センサが市販されているが、未だコスト高で使用できる用途が限定されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
腕に装着するタイプの歩数計、荷物を運送する際の落下衝撃のデータ収集ロガ、患者がベッドから落ちる落下検出センサ、また自動車の衝突を検出する衝撃センサ等は、１０Ｇ以下の加速度変化を検出している。
１０Ｇ以下の加速度を検出する方法は、地震計の原理の如く錘の位置変化量を検出する方式が一般的で、その原理は片持ち支持された板の先端に錘を付け、加速度変化で錘が動いて支持板となる圧電素子が変形すると、変形量に相当する検出電圧が発生する。
【０００５】
しかし、そのような構造の加速度変化検出のセンサは、１０Ｇ以下の仕様となると、支持板が２０〜３０ｍｍと長く大きくなり、また落下衝撃時の加速度では、圧電素子の支持板が割れるという問題があった。
その解消策として、微細加工技術で全体を小さくしたセンサも製品化されているが、動作原理的には落下衝撃には細心の注意が必要であった。また、冒頭で述べた歩数センサや運送時のデータ・ロガのセンサ等の用途では、落下衝撃の最高Ｇに耐える外装構造などの工夫が必要であった。
【０００６】
さらに、前述の腕時計タイプの歩数計に使用されている歩数センサ（例えば特開２００２−０５６３７２号公報）は、二次元歩数センサの構造、すなわち回転体の内部に上下方向の加速度変化（約０．２Ｇ以上）でＯＮ／ＯＦＦするバネで付勢された歩数センサがあり、腕の前後移動では回転体のみ回転して歩数センサはカンウトをせず、歩く時の上下方向の加速度変化のみで歩数カウントするという構造のものである。
【０００７】
しかし、この構造では、軸で支持された回転体からの歩数センサの電気信号を回転軸から取らざるを得ず、その回転接触の電極部分の構造が複雑で、この部分の故障が問題となっていた。また、上記のような構造のため、歩数センサも大きくなり、全体の厚みが１５ｍｍ以上と厚く、薄型化する際の問題点になっていた。
【０００８】
本発明は上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、１０Ｇ以下の低加速度でも十分な検出感度を有し、構造が簡単で故障しにくく、小型化・薄型化が可能で、かつ落下衝撃に対しても破損の懸念がない位置及び加速度のセンサを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、
可動磁石と磁気インピーダンス式の磁気センサとを有し、前記磁石が前記磁気センサの感度軸方向に動く距離変化に相応する検出電圧を得るように構成されていることを特徴とする磁気センサユニットである。
【００１０】
この磁気センサユニットにおいては、前記磁石が中空パイプ内に封入され、該パイプ内で同極反発して浮上状態を維持するように構成されていることが好ましい。
【００１１】
さらに、前記磁石が前記中空パイプと一体に二次元平面内で回転し得るように構成され、かつ前記磁石の二次元方向の運動の上下加速度及び回転方向の動きを検出する複数の磁気センサが配置されていることが好ましい。
【００１２】
また、上記の磁気センサユニットは、
内部に支軸を有するケースと、
前記支軸に直交する平面内で回転可能に、該支軸に取り付けられた非磁性体の中空パイプと、
該パイプ内にその軸方向に移動可能に封入された棒状磁石と、
前記中空パイプの一端又は両端に配された同極反発用の固定磁石と、
前記ケースの所定の位置に配された複数の磁気インピーダンス式の磁気センサとを有するものであってもよい。
【００１３】
さらに、上記のいずれの磁気センサユニットにおいても、
前記磁気センサが、強磁性体から成る磁気コアに巻回された励磁巻線から成る磁気検知部と、
この磁気検知部のインダクタンス値と直列に、電流を磁気センサ側に流す極性方向のダイオードを介して接続された積分回路と、
前記積分回路に蓄積された電荷を、前記のダイオード及び磁気検知部を介してパルス駆動放電させる放電回路と、
外部磁界の変化により変動する磁気検知部の磁気インピーダンス変化に対応して変化する積分回路の平均電圧を、磁気検出出力として出力する検出回路とを含んでいるものであることが好ましい。
【００１４】
本発明は上記のように構成されているため、以下のような効果が得られる。
１）故障の原因となる電極構造を必要としない非接触の磁気変化検出のセンサ構造である。そのため、前述の腕時計タイプの歩数計のように歩数センサの信号を回転軸から取る必要はなく、構造が簡単になって、故障しにくいものにすることができる。また、磁気センサユニットの厚みを３ｍｍ程度と薄くすることができる。
【００１５】
２）従来の市販の三軸加速度センサ（例えば、北陸電気工業（株）の圧電素子型の三軸加速度センサ等）は数センチの立方体で大きく、その使用目的は試験研究用で高価であった。よって、運送時の振動、積み替え時の衝撃加速度をサンプリング計測するデータ・ロガ用途とした場合、そのような構造ではサイズが大きくなり、動作消費電流も大きく問題であった。
これに対して、本発明のセンサユニットを用いれば、振動、運送時の姿勢センサとして、精密機器の荷物などの側面に厚み５ｍｍ位のカード形状のデータ・ロガを貼り付けて使用することができる。
【００１６】
３）コンパクトで、落下衝撃に耐えうるという特徴から、腕時計タイプに実装して、ベッドから落下したときの信号をマイコンが判断して、無線で集中センターに知らせるというような使い方をすることができる。
【００１７】
したがって、本発明の磁気センサユニットの応用分野及び市場としては、腕時計タイプの又は携帯電話に搭載する歩数センサ、運送荷物のデータロガのセンサ、ベッドから落下する患者の落下検出センサ、自動車の前後、左右、上下情報の検出センサ及びロボットの各種動き検出センサなどがあげられる。
【００１８】
【発明の実施の形態および実施例】
以下、実施例に基づいて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。ただし、本発明の実施形態はこの例に限定されるものではない。
図１は、本発明の実施例である磁気センサユニットの構造を示す図で、図１（ａ）は縦断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図、図１（ｃ）は中空パイプの拡大断面図である。この磁気センサユニットは、ケース１、中空パイプ３、棒状磁石４、同極反発用の固定磁石５および磁気センサ６ａ，６ｂ等から構成されている。
【００１９】
ケース１は、平たい円筒状で（厚み３〜５ｍｍ程度）、その中心付近に支軸２が取り付けられている。中空パイプ３は、パイプ内部が磁石に対して滑りが良い非磁性体（例えばプラスチック、ガラス細管等）で、棒状磁石４（以下、単に磁石という）の容器になっている。磁石４の径は、中空パイプ３の内径よりやや小さく、軸方向に自由に移動できるようになっている。
【００２０】
中空パイプ３は、ケース１内の支軸２に直交する面内を３６０度自由に回転し得るように、支軸２に取り付けられている。なお、本磁気センサユニットの使用目的によっては、中空パイプ３は必ずしも３６０度回転可能である必要はなく、例えば９０度程度以上回転可能であればよい。また中空パイプ３は、偏心して（その重心から外れた位置で）支軸２に取り付けられており、加速度が作用しない時には、自重により一定の方向で静止するようになっている。また、中空パイプ３の下端又は両端には、磁石４と同極反発するように、固定磁石５が取り付けられている。
【００２１】
また、ケース１の所定の位置には、複数の磁気センサ６ａ，６ｂが、それぞれ磁気検出方位が異なるように配置されている。これにより、磁石４の二次元の運動（支軸２に直交する面内における中空パイプ３の回転運動及び中空パイプ３内における磁石４の上下方向の運動）の位置および加速度を検出することができる。
【００２２】
本実施例においては、中空パイプ３内の磁石４の上下動を検出する磁気センサ６ａを４個、ケース１の側面に配し、中空パイプ３と一体化して回転する磁石４の回転運動を検出する磁気センサ６ｂを４個、ケース１の内周面に配し、いずれのセンサも設計で決まる座標位置に配置されている。
【００２３】
本実施例の磁石４には、高磁力の希土類マグネットであるネオジウム系の磁石で、１ｍｍφ×５ｍｍ程度の大きさのものを用いた。この磁石の磁力強度は約１．５キロガウスであった。この棒状磁石の等位磁力線を図６に示す。すなわち、図の如く両端が着磁された棒状磁石４の等位磁力線７は三次元の楕円体になり、検知部の感度軸との角度ＣＯＳθの係数で実際の検知出力は小さくなる。従って正確には上下方向に動く磁石と検知部とは一体化されていないため、支軸を中心にして中空パイプが時計の振り子の如く大きく揺動すると検知出力は揺動角ＣＯＳθの係数で小さくなる。ある象現から新しい象現に移る時、中空パイプは振れ角θを小さくしながら自然減衰するため、実際の検知出力は中空パイプの揺動角θの係数で小さくなる。
【００２４】
図２は、本実施例で用いた各磁気センサのセンサ回路を示す図である。この回路において、磁気検知部１１は、図３に示すように、強磁性体の磁気コア１１ａに巻回された励磁巻線１１ｂから成っている。この磁気検知部のインダクタンス値と直列に、電流を磁気センサ側に流す極性方向のダイオード１２を介して接続された積分回路１３が設けられている。この積分回路に蓄積された電荷は、ダイオード１２及び磁気検知部１１を介してパルス駆動放電される。
【００２５】
このパルス駆動放電は、論理積回路１４の入力条件が揃い、その出力がＬレベルになった時のみ行われる。本実施例では、内蔵されたマイコンからある一定周期の矩形波信号（例えばマイコンクロックとなる３２ＫＨｚなど）を受け、矩形波信号の立ち上がりのタイミング時に、論理積回路１４の入力条件が揃い、その出力が時定数ＣとＲで定まるパルス時間約１００ナノ秒間、論理積回路１４の出力がＨレベルからＬレベルになり、上述のパルス駆動放電が行われる。
【００２６】
磁気検知部１１の巻線１１ｂのＡ側がＬレベルになると励磁電流が流れる。積分回路１３のＲ１とＣ１で、コンデンサＣ１の両端電位はダイオード１２で巻線のＢ側が低い時のみ放電される。巻線のＢ側の電位は、外部磁界すなわち磁石位置の変化により変動する磁気検知部１１の磁気インピーダンス変化（磁石が近くにあると磁気インピーダンス値は低くなる）に対応して変化する。
【００２７】
図４は、磁石位置と出力電圧の関係の説明図で、図４（ａ）に示すように、磁界の強さＨのマイナス側が作動範囲となる。コンデンサＣ１の電位は、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、磁石４と磁気検知部１１間の距離ΔＸが０になると、Ｈがマイナス側の最大値となってＶｍｉｎになり、最大に離れるとＨが０に近づいてＶｍａｘとなる。
【００２８】
検出距離範囲内での磁石位置ΔＸは、その位置に比例した検出電圧となる。コンデンサＣ１の電位は、高インピーダンスで作動するバッファーアンプで受けて低インピーダンスに変換され、変化分の信号のみが交流増幅される。その代表的な波形を図５に示す。
【００２９】
上記のような巻線式磁気インピーダンス原理の磁気センサは、回路電源としてＣ−ＭＯＳ構造半導体の動作が保証される電圧２ボルトから動作し、２Ｖの時は数十μＡで動作するため、消費電力が著しく小さい。また、励磁される磁性体（コア１１ａ）は、高透磁率材例えばアモルファス磁性体から、透磁率数千の低透磁率材例えば軟鉄が選択できるという特徴がある。
【００３０】
前述のように、磁石４に高磁力のネオジウム系小型マグネットを用い、コア１１ａに、磁性材として商用トランス等に使用されている材料、例えば日本非晶質金属（株）製の２６０５材を使用すると、磁石４と磁気センサ６との間の相対位置の０〜２０ｍｍの位置変化が電気信号で検出できる。これは、前述した本発明の使用目的に対して、十分な感度を有するものである。
【００３１】
図７及び図８は、８個の磁気センサを入力としたマイコン搭載の運搬荷物用のデータ収集ロガの実際例を示す。カード形状に磁気センサ６を実装されたデータ収集ロガ１５は、図７に示すように荷物１６の側面に貼られ、運送時の情報として、振動、落下衝撃、積み荷姿勢位置のデータを収集する。落下衝撃と振動はＡ〜Ｄの上下検出センサで検出し、積み荷姿勢位置はＥ〜Ｈの回転位置センサで検出する。
【００３２】
各磁気センサは、定められたサンプリング周期で、マイコンにデータを取り込む。積み荷姿勢位置を検出する磁気センサＥ〜Ｈのサンプリング周期は、１回／数秒と間欠的に、Ａ〜Ｄの磁気センサのサンプリング周期は、数十回／秒として全体の消費電流を低減させる。また、図２の回路ブロック毎に、マイコン制御で電源ＯＮを可能として、必要のない回路ブロックの電源はＯＦＦとする。
【００３３】
図２の回路ブロックは、Ｃ−ＭＯＳ構造の論理ＩＣとオペアンプ構成で、３０μＡ／回路程度の微小電流なため、厚み数ミリのボタン電池で、マイコンの動作電流を入れても、百数十時間は連続動作が可能である。また、図１のセンサユニットは、厚みが３〜５ｍｍとなり、制御回路基板と外装を含めても、１０ｍｍ以内に薄型化することができる。さらに、従来の圧電素子などのように、落下衝撃で割れる心配もないので、実装する際に衝撃緩和の対策をする必要がなくなる。
【００３４】
近年携帯電話が著しく普及し、これに歩数計を搭載するというアイデアは従来から出されている。しかし、錘方式の一軸歩数センサでは歩数センサ部分の形が大きく、また一軸方向しか歩数センサが動作しないという問題で、携帯電話に搭載可能な具体的な構造での歩数センサの提案はなかった。
【００３５】
本発明の磁気センサユニットは、携帯電話搭載の歩数センサとしても好適に適用し得るので、その実際例を図９に基づいて説明する。図９（ａ）に示すように、携帯電話１７に歩数センサ１８を内蔵させる。歩数センサ１８は、図９（ｃ）に示すように、回路基板１９と、２個の互いに直交して配置された中空パイプ３とから構成され、中空パイプ３の内部には、磁石４が移動可能に封入されている。
【００３６】
携帯電話を身に付ける場合携帯電話の姿勢は、３６０度（４方向に）変化する場合が大半である。また、カバン等に入れている場合も多くは４方向となる。したがって、歩数センサの感度軸の方向も、図９で示すように４方向にする必要がある。そのため可動磁石が入った中空パイプ２個を基板の上に直角に並べ、磁気検知部も２個直交させて、それぞれ中空パイプ位置の近傍に配置する。このような構成にすれば、歩数センサは二軸の感度軸を有することとなって４方向の加速度変化を検出する。したがって、携帯電話の姿勢に応じた磁気検知部を選択し、加速度変化がある磁気検知部の歩数信号を携帯電話の制御マイコンが選択して歩数入力するようにすればよい。
【００３７】
上記の歩数センサは、図９（ｂ）に示すように、厚みは３ミリ以下で大きさも２０ミリ×２０ミリ以内となる。また、消費電流は約３０μＡで、超低電流動作が可能という本発明の磁気センサユニットの回路構成の特徴から、消費電力の面でも携帯電話に搭載が可能である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明により、０〜２０ｍｍの磁石の変位や、１０Ｇ以下の低加速度に対しても十分な検出感度を有し、構造が簡単で故障しにくく、小型化・薄型化が可能で、かつ落下衝撃に対しても破損の懸念がない巻線磁気インピーダンスの磁気センサユニットを提供することが可能になった。この磁気センサユニットは、厚み３〜５ｍｍ程度に薄型化でき、動作電流も数十μＡと少ないため、腕時計タイプ又は携帯電話に搭載する歩数センサ、運送荷物のデータロガのセンサ、ベッドから落下する患者の落下検出センサ、自動車の前後、左右、上下情報の検出センサ及びロボットの各種動き検出センサなどの用途に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である磁気センサユニットの構造を示す図である。
【図２】本実施例で用いた磁気センサの回路構成の概要を示す図である。
【図３】磁気センサの磁気検知部の構成を示す図である。
【図４】磁石位置と出力電圧の関係の説明図である。
【図５】磁気センサの出力電圧の波形の例を示す図である。
【図６】本実施例で用いた棒状磁石の等位磁力線を示す図である。
【図７】運搬荷物用のデータ収集ロガの取付け方法の例を示す図である。
【図８】本発明の磁気センサユニットを用いた運搬荷物用のデータ収集ロガの例を示す説明図である。
【図９】本発明の磁気センサユニットを用いた携帯電話搭載の歩数センサの例を示す説明図である。
【図１０】従来の一次元歩数センサの動作原理の説明図である。
【符号の説明】
１    ケース
２    支軸
３    中空パイプ
４    棒状磁石
５    固定磁石
６，６ａ，６ｂ    磁気センサ
７    等位磁力線
１１    磁気検知部
１１ａ  コア
１１ｂ  巻線
１２    ダイオード
１３    積分回路
１４    論理積回路
１５    データ収集ロガ
１６    荷物
１７    携帯電話
１８    歩数センサ
１９    回路基板
２１    錘
２２    バネ
２３    接点
【図１】
2004156907.tif 000003
【図２】
2004156907.tif 000004
【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】
2004156907.tif 000009
【図８】
2004156907.tif 000010
【図９】
2004156907.tif 000011
【図１０】
2004156907.tif 000012