JP2003084051A

JP2003084051A - 磁界ベクトルセンサ及びセンサシステム

Info

Publication number: JP2003084051A
Application number: JP2001281140A
Authority: JP
Inventors: Mutsuo Ogawa; 睦夫小川; Jiro Ouchi; 二郎大内
Original assignee: Tohoku Ricoh Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Current assignee: Tohoku Ricoh Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2003-03-19
Anticipated expiration: 2021-09-17
Also published as: JP4480305B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の３次元の磁界ベクトルセンサにおける
欠点をなくした低コストで超小型、高精度な磁界ベクト
ルセンサ及びこれを用いた小型なセンサシステムを提供
する。【解決手段】球状半導体２上に複数個の薄膜磁気イン
ピーダンス素子３，４，５を備えた磁界ベクトルセンサ
１として構成することで、球状半導体２上に半導体プロ
セスにより薄膜磁気インピーダンス素子３，４，５を一
括して複数個搭載させることができ、従来の個別のコイ
ル等による各センサ素子を立方体状に配置させる場合に
比べ、各軸方向の配置を半導体プロセスの精度と同等の
精度で直交配置させることが可能となり、このため、従
来方式のような製造過程における、各軸の特性の調整が
不要となり、低コストで精度の良い３次元センサを実現
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁界ベクトルセン
サ及びセンサシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータ技術の急速な進歩に
より、コンピュータ中に仮想的な空間を構築させる仮想
現実（ＶＲ＝バーチャルリアリティ）装置が、福祉機器
分野やアミューズメント分野、コンピュータグラフィッ
クス分野等のための必須技術として盛んに開発が行われ
ている。

【０００３】このようなＶＲ装置においては、仮想空間
と操作者のためのインタラクティブ装置としてモーショ
ンキャプチャシステムなどに代表されるような３次元位
置推定装置が必要となる。このような装置には、人体の
動作をコンピュータに認識させるため小型の３次元位置
検出センサが使用される。この場合、センサは人体に装
着するため、超小型のセンサである必要がある。

【０００４】従来、このような３次元位置検出センサと
しては磁界ベクトルセンサが使われるが、その代表的な
ものに、ポヒーマス（Polhemus）社の３次元センサ（製
品名ファーストラック：ＦＡＳＴＲＡＫ）があり、ＨＭ
Ｄ（ヘッドマウントディスプレイ）などに使用されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この製品の場合、３次
元位置検出センサは、コイルを３軸に直交させるように
巻線した、発信コイルと受信コイルによるものである。
このセンサの場合、発信コイルに電流を流しこれによる
磁界を受信コイルによって検出し、３軸の各々の方向の
磁界を解析することにより、３次元空間での位置を算出
するようになっている。

【０００６】また、同様の磁界ベクトルセンサとして例
えば特開平９−１２７２１８号公報等に示されるＭＩ
（磁気インピーダンス）素子によるものもあるものの、
このＭＩ素子の場合、センサ部は、長さ数ｍｍ程度のＭ
Ｉ素子１００，１０１，１０２を図１２に示すように、
直交するように３軸上に立体方向に配置させる。この場
合、センサ部は巻線によるものではないが、ＭＩ素子の
場合は周知のように、表皮効果を利用したものあるた
め、高周波バイアスをＭＩ素子１００，１０１，１０２
に与える必要がある。

【０００７】従って、ＭＩ素子を利用した３次元センサ
の場合においても、図１２のように３軸にＭＩ素子１０
０，１０１，１０２を配置させる他に、各々のＭＩ素子
１００，１０１，１０２にバイアスコイルを施す必要が
ある。

【０００８】この他、従来の磁気センサとしてＭＲ素子
（磁気抵抗効果素子）やＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果
素子）などのものがあるが、これらの素子においても温
度特性が悪い等のため、バイアスコイルが必要とされ
る。また、例えばバイアスコイルが不要な場合でもセン
サとして適当なインピーダンスを得るため、そのサイズ
はどうしても大きなサイズのものになってしまう。

【０００９】また、磁界ベクトルを精度良く検知するに
は各方向のセンサの配置が重要であるが、このような数
ｍｍサイズのものを精度良く立方体的に配置させること
は、従来のような方式においては大変難しく作業も困難
である。

【００１０】即ち、３軸方向の各々のセンサ部の配置を
決めるには、まず、各々の軸方向の特性を測定し、その
後、各軸方向が直交するよう調整をする必要があり、そ
のため３次元の磁界ベクトルセンサは製造も困難で高価
なものである。

【００１１】特に、図１２に示すようなＭＩ素子の場合
は各素子を立方体状に配置するのに加えて、各素子のバ
イアスコイルも必要となり、さらに組立が困難なものに
なる。

【００１２】また、従来における通常の２次元センサは
方位のみを検知するものであるため、例えば、人体に装
着して使用するような場合、人体の動作が停止している
場合には動いているのか、停止しているのか（人間が単
に休息状態なのか、不慮の事故の状態で動けないのか）
を検知することが困難である。例えば、鉄工所における
ような広い場所で作業者が不慮の事故に遭遇した場合、
動作が停止していることしか検知できず、単に休息して
いる状態との違いは検知できない。

【００１３】また、一般的に、３次元ベクトルセンサの
場合、外部磁界は２次元に近いため、３軸の内の１軸は
この平面とは異なる方向となり、この軸方向の出力信号
が低下する。このため、３軸の場合は、外部磁界と３軸
ベクトルセンサとの配置関係により、その内の１軸は出
力が低下し、Ｓ／Ｎが問題となってしまう。

【００１４】そこで、本発明は、このような従来の３次
元の磁界ベクトルセンサにおける欠点をなくした低コス
トで超小型、高精度な磁界ベクトルセンサ及びこれを用
いた小型なセンサシステムを提供することを目的とす
る。

【００１５】また、本発明は、３軸磁界ベクトルセンサ
に関して、方向に依存することなくＳ／Ｎの劣化のない
信号出力を常に得ることができるセンサシステムを提供
することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明の磁
界ベクトルセンサは、球状半導体上に複数個の薄膜磁気
インピーダンス素子を備える。

【００１７】球状半導体は、例えば、「球面ＩＣタグ開
発へ」日経産業新聞記事、’99.6.11に記載されている
ように、微小（通常、直径１ｍｍ以下）の球状シリコン
上に電子回路を形成したＩＣである。このＩＣの特徴と
しては、従来のＩＣ製造工程におけるようなクリーンル
ームが不要であり、通常の半導体プロセスで低コストの
設備でＩＣを製造できる他、球体表面にＩＣ回路を形成
するため従来の平面状ＩＣよりも面積を大きくとること
ができ、小型のＩＣを実現できることである。本発明に
おいては、このような球状半導体（球状シリコン）を応
用し、球状半導体上に半導体プロセスにより薄膜磁気イ
ンピーダンス素子を一括して複数個搭載させる構成とし
たので、従来の個別のコイル等による各センサ素子を立
方体状に配置させる場合に比べ、各軸方向の配置を半導
体プロセスの精度と同等の精度で直交配置させることが
可能となる。このため、従来方式のような製造過程にお
ける、各軸の特性の調整が不要となり、低コストで精度
の良い３次元センサを実現できる。

【００１８】請求項２記載の発明は、請求項１記載の磁
界ベクトルセンサにおいて、前記薄膜磁気インピーダン
ス素子が、トンネル磁気抵抗効果素子である。

【００１９】従って、薄膜磁気インピーダンス素子とし
てトンネル磁気抵抗効果素子を用いることにより、ポヒ
ーマス（Polhemus）社の３次元センサの場合のような巻
線コイルに依らないため、超小型の磁界ベクトルセンサ
を提供することができる。また、ＭＩ素子におけるよう
なバイアスコイルが必要ないため、コイルがなくなるば
かりでなく、バイアスコイル用の周辺回路も不要とな
り、超小型の３次元磁界ベクトルセンサを提供すること
ができる。特に、ボールセミコンダクタ社の球状半導体
によれば、直径１ｍｍ以下のものも実現可能とされてお
り、ＴＭＲ素子によればこの程度のサイズでもセンサ特
性を得ることが可能とされているので、この面からも超
小型の３次元磁界ベクトルセンサを実現できる。

【００２０】請求項３記載の発明のセンサシステムは、
請求項１又は２記載の磁界ベクトルセンサと、無線チッ
プとが同一の基板上に実装されている。

【００２１】従って、例えばブルートゥースチップ等の
無線チップと組合せることにより、超小型でワイヤレス
の磁界ベクトルセンサを提供できる。

【００２２】請求項４記載の発明のセンサシステムは、
前記薄膜磁気インピーダンス素子が互いに直交するよう
に前記球状半導体上で３軸上に各々設けられ、３次元位
置センサ又は磁気方位センサとして検知対象部位に配設
される請求項１又は２記載の磁界ベクトルセンサと、前
記磁界ベクトルセンサにおける３軸各方向の前記薄膜磁
気インピーダンス素子の検知出力に基づき前記検知対象
部位の傾きを算出する傾き算出手段と、を備える。

【００２３】従って、地磁気を検出することによる方位
のみでなく、傾斜方向も検知するようにしているので、
例えば、人体を検知対象部位として当該磁界ベクトルセ
ンサを装着した場合、進行方向だけでなく傾斜方向も検
知できることから、人体の傾きをも検知することによ
り、人体が動作しているか否かをも検知するようにする
ことができる。この結果、例えば、鉄工所におけるよう
な広い場所で作業者が不慮の事故に遭遇した場合でも、
単に休息している状態との違いを判別することが可能と
なる。

【００２４】請求項５記載の発明のセンサシステムは、
前記薄膜磁気インピーダンス素子が互いに直交するよう
に前記球状半導体上で３軸上に各々設けられて地磁気又
は発信磁界を検知対象とする請求項１又は２記載の磁界
ベクトルセンサと、前記磁界ベクトルセンサにおける３
軸各方向の前記薄膜磁気インピーダンス素子の検知出力
に基づき３軸方向のベクトルを検知する検知手段と、を
備える。

【００２５】従って、地磁気又は発信磁界を検知対象と
する請求項１又は２記載の磁界ベクトルセンサを例えば
アクチュエータと組合せることにより、小型で精度のよ
い位置計測システムを構築することができる。

【００２６】請求項６記載の発明のセンサシステムは、
互いに直交する３軸方向に複数組の磁気インピーダンス
素子を有して検知対象に配設された３軸磁界ベクトルセ
ンサと、これらの複数組の磁気インピーダンス素子の出
力信号を随時監視するセンサ出力監視手段と、このセン
サ出力監視手段により随時監視される出力信号のうちで
最大出力信号を正規信号として出力する信号処理手段
と、を備える。

【００２７】従って、複数組の磁気インピーダンス素子
の出力を常に検知させるようにしたので、３軸磁界ベク
トルセンサで問題となる１平面の出力信号が弱くなるこ
とによる信号の劣化を防ぎ、常に信頼性の高い３軸磁界
ベクトルセンサを実現できる。

【００２８】

【発明の実施の形態】本発明の第一の実施の形態を図１
に基づいて説明する。本実施の形態の磁界ベクトルセン
サ１は、球状半導体２を利用したものであり、球状半導
体２上に複数の薄膜磁気インピーダンス素子としての薄
膜磁気抵抗素子３，４，５を半導体プロセスより互いに
直交するように形成することにより構成されている。

【００２９】ここに、球状半導体１は、前述したように
例えば、「球面ＩＣタグ開発へ」日経産業新聞記事、’
99.6.11に記載されているように、微小（通常、直径１
ｍｍ以下）の球状シリコン上に電子回路を形成したＩＣ
である。このＩＣの特徴としては、従来のＩＣ製造工程
におけるようなクリーンルームが不要であり、通常の半
導体プロセスで低コストの設備でＩＣを製造できる他、
球体表面にＩＣ回路を形成するため従来の平面状ＩＣよ
りも面積を大きくとることができ、小型のＩＣを実現で
きることである。具体的には、直径１ｍｍ以下のものも
実現可能とされているボールセミコンダクタ社の球状半
導体が好適である。

【００３０】磁界ベクトルセンサ１は、本実施の形態の
ように３次元磁界ベクトルセンサして構成する場合であ
れば、図示の如く、３個の薄膜磁気抵抗素子３，４，５
をＸ，Ｙ，Ｚ軸の３軸方向に直交するように形成すれば
よいが、薄膜磁気抵抗素子は必要に応じて必要な数だけ
設ければよい。

【００３１】図１において、薄膜磁気抵抗素子３，４，
５は２端子構造のものとされている。６は引出しパター
ン、７はバンプである。

【００３２】本実施の形態によれば、球状半導体（球状
シリコン）２を応用し、球状半導体２上に半導体プロセ
スにより薄膜磁気抵抗素子３，４，５，…を一括して複
数個搭載させる構成としたので、従来の個別のコイル等
による各センサ素子を立方体状に配置させる場合に比
べ、Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸方向の配置を半導体プロセスの精度
と同等の精度で直交配置させることが可能となる。この
ため、従来方式のような製造過程における、各軸の特性
の調整が不要となり、低コストで精度の良い３次元の磁
気ベクトルセンサ１を実現できる。

【００３３】本発明の第二の実施の形態を図２に基づい
て説明する。本実施の形態は、前述したような３次元の
磁気ベクトルセンサ１を実現する上で球状半導体２上に
形成される薄膜磁気抵抗素子３，４，５，…として４端
子構造のＴＭＲ素子を用いた構成例を示すものである。

【００３４】本実施の形態のＴＭＲ素子（トンネル磁気
抵抗効果素子）１１は、基本的には、図２に示すよう
に、絶縁性の基板（球状半導体２の表面に相当する）１
２上に積層させた磁界感知補助用軟磁性層１３と第１の
スピン偏極層１４とトンネル層１５と第２のスピン偏極
層１６との所定のパターンの接合構造により形成され
て、磁界感知補助用軟磁性層１３，第１のスピン偏極層
１４からトンネル層１５を介して第２のスピン偏極層１
６にトンネル電流が流れる構造とされ、これらの各層１
３〜１６の積層部分が磁気検知部１７とされている。

【００３５】このような構成のＴＭＲ素子１１は第１の
スピン偏極層１４と第２のスピン偏極層１６とを電極と
して磁気検知部１７に対して膜面に垂直方向に電流を流
した場合の電流の変化を微小電流計（図示せず）より検
出する検知方式を採る。この検知動作において、当該磁
気検知部１７に対しては検知対象となる外部磁界が印加
される。

【００３６】このようなＴＭＲ素子１１によれば、交流
バイアスを必要とせず、サイズも１ｍｍ以下に形成する
ことができ、特に、ボールセミコンダクタ社の球状半導
体２によれば、直径１ｍｍ以下のものも実現可能とされ
ており、本実施の形態のＴＭＲ素子１１によればこの程
度のサイズでもセンサ特性を得ることが可能とされてい
るので、この面からも超小型の３次元の磁界ベクトルセ
ンサ１を実現できる。

【００３７】本発明の第三の実施の形態を図３ないし図
６に基づいて説明する。本実施の形態は、例えば図１に
示した３次元の磁界ベクトルセンサ１を３次元位置セン
サ又は磁気方位センサとして用いたセンサシステムＳの
構成例を示す。

【００３８】３次元の磁界ベクトルセンサ１における
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の３軸方向に各々配設された３個の薄膜磁
気抵抗素子３，４，５は各々Ｘ，Ｙ，Ｚ軸センス回路２
１，２２，２３に接続され、これらの各々Ｘ，Ｙ，Ｚ軸
センス回路２１，２２，２３を通じて出力される薄膜磁
気抵抗素子３，４，５の検知出力に基づき３次元の磁界
ベクトルセンサ１の方位及び傾きをも演算処理する傾き
算出手段として機能するＣＰＵ２４が設けられており、
このＣＰＵ２４を通じて３次元の磁界ベクトルセンサ１
の方位及び傾きに関する情報を出力するセンサシステム
Ｓが構成されている。

【００３９】このようなセンサシステムＳを利用するこ
とにより、例えば、図４に示すような人体の動作状況を
感知する動作遠隔モニタ装置等の計測システムを構築す
ることができる。図４に示す例では、例えば、４個のセ
ンサシステムＳ１〜Ｓ４を人体上の適宜検知対象部位、
例えば、胴体、脚、腕等の部位に装着させるとともに、
全体の制御を受け持つウェアラブルコンピュータ２５に
無線接続することにより構成されている。即ち、前述し
たような３次元の磁界ベクトルセンサ１を含む任意個数
のセンサシステムＳを人体に装着し、方位とともに人体
の傾きも同時に検知できる構成とすることで、人体が動
作状態にあることを検知できるようにした計測システム
である。

【００４０】ウェアラブルコンピュータ２５は図５に示
すように各々のセンサシステムＳ１〜Ｓ４から出力され
る信号を受付ける動作状態演算部２６と、この動作状態
演算部２６に接続された状態モニタ装置（動作再現）２
７と、状態モニタ装置２７から得られる基本動作状態に
関するデータを保存する記憶装置２８と、この記憶装置
２８に記憶された基本動作状態に関するデータと動作状
態演算部２６により得られる緊急状態信号とを管理シス
テム（図示せず）側に対して送信出力する通信制御部２
９とにより構成されている。

【００４１】ここに、動作状態演算部２６の構成の一例
を図６に示す。この動作状態演算部２６は、各々のセン
サシステムＳ１〜Ｓ４から出力される各軸毎の出力Ｓ１
Ｘ，Ｓ１Ｙ，Ｓ１Ｚ、Ｓ２Ｘ，Ｓ２Ｙ，Ｓ２Ｚ，Ｓ３
Ｘ，Ｓ３Ｙ，Ｓ３Ｚ、Ｓ４Ｘ，Ｓ４Ｙ，Ｓ４Ｚがアンプ
３０を介して入力されるＡ／Ｄ変換器３１と、Ａ／Ｄ変
換器３１により変換されたデジタル信号を選択出力する
マルチプレクサ３２と、選択信号ＳＥＬ１，２，４，８
に応じてマルチプレクサ３２により選択された各軸Ｘ，
Ｙ，Ｚ毎のデジタル信号を受付けるＣＰＵ３３とにより
構成されている。

【００４２】従って、本実施の形態によれば、３次元の
磁界ベクトルセンサ１により、地磁気を検出することに
よる方位のみでなく、傾斜方向も検知するようにしてい
るので、このようなセンサシステムＳ１〜Ｓ４を人体に
装着した場合、進行方向だけでなく傾斜方向も検知で
き、人体の傾きをも検知することにより、人体が動作し
ているか否かをも検知するようにすることができる。こ
の結果、例えば、従来の位置センサでは鉄工所における
ような広い場所で作業者が不慮の事故に遭遇した場合、
動作が停止していることしか検知できず、単に休息して
いる状態との違いは検知できなかったが、本実施の形態
の計測システムによれば、このような状態の判別も可能
となる。

【００４３】なお、特に図示しないが、本実施の形態の
３次元の磁界ベクトルセンサ１或いはセンサシステムＳ
１〜Ｓ４を、外部磁界或いはＧＰＳ（Global Positioni
ng System）衛星から送信されるＧＰＳ信号を受信する
ＧＰＳ受信機と組合せれば、位置計測システムを構築す
ることもできる。これにより、超小型で低コストな位置
計測システムを構築でき、モーションキャプチャへの応
用ばかりでなく、人体に装着が容易なシステムとして、
徘徊老人用や、緊急時の位置センサシステムを構築する
ことができる。

【００４４】本発明の第四の実施の形態を図７に基づい
て説明する。本実施の形態は、例えば前述したような３
次元の磁界ベクトルセンサ１（図１、図２の何れの構成
でもよい）を球状半導体４１を利用して構成されたアン
プ４２を介してセンサ基板４３上に実装し、このセンサ
基板４３上にＡ／Ｄ変換器４４等を実装するとともに、
無線チップ、例えばブルートゥースユニット４５のチッ
プを実装することによりワイヤレスのセンサシステム４
６を構成したものである。球状半導体２，４１同士の結
合等に関しては、例えば特開２０００−３４９２２７公
報等に示される技術を利用すればよい。

【００４５】このようなセンサシステム４６は例えばウ
ェアラブルコンピュータ２５等に相当し適宜箇所に配
設、設置される主センサユニット４７と組合せて利用さ
れる。この主センサユニット４７はスレーブ側となるブ
ルートゥースユニット４５に対してマスタ側となるブル
ートゥースユニット４８のチップを有しており、ＣＰＵ
４９側からの指令に応じてブルートゥースユニット４
５，４８間で信号の授受を無線により行わせる。

【００４６】従って、本実施の形態によれば、例えばブ
ルートゥースチップ等の無線チップと組合せることによ
り、超小型でワイヤレスの磁界ベクトルセンサを提供す
ることができる。

【００４７】本発明の第五の実施の形態を図８ないし図
１０に基づいて説明する。本実施の形態は、地磁気を検
知対象とする前述の３次元の磁界ベクトルセンサ１（図
１、図２の何れの構成でもよい）を例えばＸ，Ｙ，Ｚの
３軸アクチュエータ５１，５２，５３と組合せることに
より３次元位置計測システムを構築したものである。こ
の場合、地磁気のみによる位置計測でもよいが、必要に
応じて発信磁界（図示せず）を設け、この発信磁界との
距離を検知するようにしてもよい。

【００４８】図示例では、磁界ベクトルセンサ１はＸ軸
アクチュエータ５１上を対象部位として搭載されてお
り、磁界ベクトルセンサ１における３軸各方向の薄膜磁
気抵抗素子３，４，５の検知出力に基づき３軸方向のベ
クトルを検知するＣＰＵ等による検知手段（図示せず）
と組合せたセンサシステムＳ１として構成されている。

【００４９】この場合の磁界ベクトルセンサ１が設置さ
れている箇所のＸＹＺ座標軸上の３次元位置を図９に示
すようにｆ（ｘ，ｙ，ｚ）とし、要求される指定の位置
をＲ１とする。

【００５０】このような構成において、ＣＰＵにより実
行される磁界ベクトルセンサ１設置箇所の位置制御を伴
なうアクチュエータ動作制御例を図１０に示すフローチ
ャートを参照して説明する。まず、一定時間内に処理す
るため、タイマをＯＮさせることにより制御を開始する
（ステップＳ１）。そして、その時点で磁界ベクトルセ
ンサ１から得られるＸ，Ｙ，Ｚ軸の３軸方向の情報を持
つ信号Ｓ１を読込む（Ｓ２）。引き続き、要求される
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の３軸方向の位置情報Ｒ１を読込む（Ｓ
３）。そして、各々の軸方向成分毎に比較対比し（Ｓ
４，Ｓ５，Ｓ６）、全ての軸方向についてほぼ等しけれ
ば、タイマをＯＦＦして（Ｓ７）、位置制御処理を終了
する。一方、各々の軸方向成分毎の比較対比において
（Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６）、一つの軸成分でもほぼ等しくな
いものがあれば、その大小関係を比較し（Ｓ８）、その
比較結果に応じて対応する軸成分用のアクチュエータ５
１，５２又は５３を＋１方向に駆動させ（Ｓ９）、或い
は、−１方向に駆動させ（Ｓ１０）、ステップＳ２の処
理に戻り、ステップＳ２以降の処理を繰返す。タイマが
タイムアップしてＯＦＦしていれば（Ｓ１１のＹ）、エ
ラー処理を行う（Ｓ１２）。

【００５１】このように、本実施の形態によれば、地磁
気又は発信磁界を検知対象とする３次元の磁界ベクトル
センサ１を例えばアクチュエータ５１，５２，５３と組
合せることにより、小型で精度のよい位置計測システム
を構築することができる。

【００５２】本発明の第六の実施の形態を図１１に基づ
いて説明する。本実施の形態では、例えば球状半導体２
上に互いに直交する３軸方向に薄膜磁気抵抗素子、例え
ば、ＴＭＲ素子１１ｘ１，１１ｘ２，１１ｙ１，１１ｙ
２，１１ｚ１，１１ｚ２の２組分が配設された３軸磁界
ベクトルセンサ６１と、これらのＴＭＲ素子１１ｘ１，
１１ｘ２，１１ｙ１，１１ｙ２，１１ｚ１，１１ｚ２の
出力を常時監視するセンサ出力監視手段としてのマルチ
プレクサ６２と、このマルチプレクサ６２により選択出
力される信号をＸ，Ｙ，Ｚ軸の各軸成分毎に検知動作す
るＸ，Ｙ，Ｚ軸センス回路６３，６４，６５と、これら
のＸ，Ｙ，Ｚ軸センス回路６３，６４，６５から得られ
る各軸成分毎の信号のうちでＳ／Ｎの最も大きな信号、
即ち、最大信号出力を正規信号として出力するように演
算処理を行う信号処理手段としてのＣＰＵ６６とにより
センサシステム６７が構成されている。

【００５３】このように、本実施の形態によれば、複数
組、例えば２組のＴＭＲ素子１１ｘ１，１１ｘ２，１１
ｙ１，１１ｙ２，１１ｚ１，１１ｚ２の出力を常に検知
させるようにしたので、３軸磁界ベクトルセンサで問題
となる１平面の出力信号が弱くなることによる信号の劣
化を防ぎ、常に信頼性の高い３軸磁界ベクトルセンサを
実現することができる。

【００５４】なお、本実施の形態で器は、前述の実施の
形態の場合と同様、球状半導体２を利用した磁界ベクト
ルセンサへの適用例として説明したが、球状半導体２を
用いたものに限らず、例えば、図１２の場合のように立
方体を利用した磁界ベクトルセンサの場合にも適用する
ことができる。

【００５５】

【発明の効果】請求項１記載の発明の磁界ベクトルセン
サによれば、球状半導体上に複数個の薄膜磁気インピー
ダンス素子を備えることで、球状半導体上に半導体プロ
セスにより薄膜磁気インピーダンス素子を一括して複数
個搭載させる構成としたので、従来の個別のコイル等に
よる各センサ素子を立方体状に配置させる場合に比べ、
各軸方向の配置を半導体プロセスの精度と同等の精度で
直交配置させることが可能となり、このため、従来方式
のような製造過程における、各軸の特性の調整が不要と
なり、低コストで精度の良い３次元センサを実現するこ
とができる。

【００５６】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の磁界ベクトルセンサにおいて、薄膜磁気インピーダ
ンス素子としてトンネル磁気抵抗効果素子を用いること
により、ポヒーマス（Polhemus）社の３次元センサの場
合のような巻線コイルに依らないため、超小型の磁界ベ
クトルセンサを提供することができ、また、ＭＩ素子に
おけるようなバイアスコイルが必要ないため、コイルが
なくなるばかりでなく、バイアスコイル用の周辺回路も
不要となり、超小型の３次元磁界ベクトルセンサを提供
することができる。

【００５７】請求項３記載の発明のセンサシステムによ
れば、請求項１又は２記載の磁界ベクトルセンサと、例
えばブルートゥースチップ等の無線チップとを組合せる
ことにより、超小型でワイヤレスの磁界ベクトルセンサ
を提供することができる。

【００５８】請求項４記載の発明のセンサシステムよれ
ば、薄膜磁気インピーダンス素子が互いに直交するよう
に球状半導体上で３軸上に各々設けられ、３次元位置セ
ンサ又は磁気方位センサとして検知対象部位に配設され
る請求項１又は２記載の磁界ベクトルセンサと、磁界ベ
クトルセンサにおける３軸各方向の薄膜磁気インピーダ
ンス素子の検知出力に基づき検知対象部位の傾きを算出
する傾き算出手段と、を備えることで、地磁気を検出す
ることによる方位のみでなく、傾斜方向も検知するよう
にしているので、例えば、人体を検知対象部位として当
該磁界ベクトルセンサを装着した場合、進行方向だけで
なく傾斜方向も検知できることから、人体の傾きをも検
知することにより、人体が動作しているか否かをも検知
するようにすることができ、この結果、例えば、鉄工所
におけるような広い場所で作業者が不慮の事故に遭遇し
た場合でも、単に休息している状態との違いを判別する
ことが可能となる。

【００５９】請求項５記載の発明のセンサシステムによ
れば、地磁気又は発信磁界を検知対象とする請求項１又
は２記載の磁界ベクトルセンサを例えばアクチュエータ
と組合せることにより、小型で精度のよい位置計測シス
テムを構築することができる。

【００６０】請求項６記載の発明のセンサシステムによ
れは、互いに直交する３軸方向に複数組の磁気インピー
ダンス素子を有して検知対象に配設された３軸磁界ベク
トルセンサと、これらの複数組の磁気インピーダンス素
子の出力信号を随時監視するセンサ出力監視手段と、こ
のセンサ出力監視手段により随時監視される出力信号の
うちで最大出力信号を正規信号として出力する信号処理
手段と、を備えることで、複数組の磁気インピーダンス
素子の出力を常に検知させるようにしたので、３軸磁界
ベクトルセンサで問題となる１平面の出力信号が弱くな
ることによる信号の劣化を防ぎ、常に信頼性の高い３軸
磁界ベクトルセンサを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態の磁界ベクトルセン
サを示す概略斜視図である。

【図２】本発明の第二の実施の形態のＴＭＲ素子部分を
示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はその断面構造図で
ある。

【図３】本発明の第三の実施の形態のセンサシステムを
示すブロック図である。

【図４】センサシステムを人体に実装した例を示す概略
図である。

【図５】その検知系を示すブロック図である。

【図６】その動作状況演算部の構成例を示すブロック図
である。

【図７】本発明の第四の実施の形態を示す概略構成図で
ある。

【図８】本発明の第五の実施の形態を示す概略斜視図で
ある。

【図９】その座標例を示す説明図である。

【図１０】動作制御例を示すフローチャートである。

【図１１】本発明の第六の実施の形態を示す概略ブロッ
ク図である。

【図１２】従来例を示す概略斜視図である。

【符号の説明】

１磁界ベクトルセンサ２球状半導体３，４，５薄膜磁気インピーダンス素子１１トンネル磁気抵抗効果素子２４傾き算出手段４５無線チップ６２センサ出力監視手段６６信号処理手段Ｓセンサシステム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｒ 33/09 Ｈ０１Ｌ 43/00 Ｇ０８Ｃ 17/00 Ｇ０１Ｒ 33/06 ＲＨ０１Ｌ 43/00 Ｇ０８Ｃ 17/00 Ａ (72)発明者大内二郎宮城県柴田郡柴田町大字中名生字神明堂３番地の１東北リコー株式会社内Ｆターム(参考） 2F063 AA04 AA37 BA29 DC08 GA52 GA79 KA01 LA19 NA01 2F073 AA01 AA33 AB02 AB11 AB14 BB01 BC02 CC03 FF16 FG01 FG04 GG04 GG05 GG08 2F076 BA01 BB01 BD02 BD15 BE05 BE18 2G017 AA03 AD55 AD60 BA15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】球状半導体上に複数個の薄膜磁気インピ
ーダンス素子を備える磁界ベクトルセンサ。
【請求項２】前記薄膜磁気インピーダンス素子が、ト
ンネル磁気抵抗効果素子である請求項１記載の磁界ベク
トルセンサ。
【請求項３】請求項１又は２記載の磁界ベクトルセン
サと、無線チップとが同一の基板上に実装されているセ
ンサシステム。
【請求項４】前記薄膜磁気インピーダンス素子が互い
に直交するように前記球状半導体上で３軸上に各々設け
られ、３次元位置センサ又は磁気方位センサとして検知
対象部位に配設される請求項１又は２記載の磁界ベクト
ルセンサと、前記磁界ベクトルセンサにおける３軸各方向の前記薄膜
磁気インピーダンス素子の検知出力に基づき前記検知対
象部位の傾きを算出する傾き算出手段と、を備えるセン
サシステム。
【請求項５】前記薄膜磁気インピーダンス素子が互い
に直交するように前記球状半導体上で３軸上に各々設け
られて地磁気又は発信磁界を検知対象とする請求項１又
は２記載の磁界ベクトルセンサと、前記磁界ベクトルセンサにおける３軸各方向の前記薄膜
磁気インピーダンス素子の検知出力に基づき３軸方向の
ベクトルを検知する検知手段と、を備えるセンサシステ
ム。
【請求項６】互いに直交する３軸方向に複数組の磁気
インピーダンス素子を有して検知対象に配設された３軸
磁界ベクトルセンサと、これらの複数組の磁気インピーダンス素子の出力信号を
随時監視するセンサ出力監視手段と、このセンサ出力監視手段により随時監視される出力信号
のうちで最大出力信号を正規信号として出力する信号処
理手段と、を備えるセンサシステム。