JP2005065789A - Magnetic balance type triaxial acceleration sensor and body movement detector using the sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気平衡型加速度センサを組合わせて構成した磁気平衡型3軸加速度センサにより、被測定物特に人体における前後左右及び上下の動き即ち体動を検出することができる、磁気平衡型3軸加速度センサ及び該センサを使用した体動検出装置に関するものである。
In the present invention, a
従来、人体の体動検出や歩数計の歩数検出等を行う方法として、体動センサが使用されている。該体動センサの種類としては、特開2000−041971号公報の「カロリ測定器」に記載されているように、光電式体動センサや接点式体動センサ又は振り子式体動センサがある。また、特開2002−191580号公報の「体動検出装置」に記載されているように、圧電素子を使用した加速度センサによるものがある。 Conventionally, a body motion sensor has been used as a method for detecting body motion of a human body, detecting the number of steps of a pedometer, and the like. As the type of the body motion sensor, there is a photoelectric body motion sensor, a contact-type body motion sensor, or a pendulum body motion sensor, as described in “calorie measuring device” of JP-A-2000-041971. Further, as described in “Body Motion Detection Device” of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-191580, there is an acceleration sensor using a piezoelectric element.
上記光電式体動センサは略方形をした容器内の相対する角部に発光素子と受光素子を配置すると共にボールを収容する。そして、体動によりボールが容器内を動き回ることにより発光素子と受光素子間の遮光と受光が繰り返されてパルスを出力するものである。また、接点式体動センサは方形の頂点位置に4個の導電性ピンを配置すると共に大きな導電性ボールを当該導電性ピンの内部に収容する。そして、体動により導電性ボールが導電性ピン間に接触して導通しパルスを出力するものである。他の方式として球状の容器内の相対する面に導電性電極を配置すると共に小さな導電性ボールを複数個収容する。そして、体動により複数の導電性ボールが導電性電極の片側に集められると当該導電性ボール同士が接触して導電性電極間が導通しパルスを出力するものである。また、振り子式体動センサは筒状の容器内にマグネットを収容すると共に外部近傍にリードスイッチを配置する。そして、体動によりマグネットが容器内を移動する度にリードスイッチの接点がON/OFFしてパルスを出力するものである。更に、上記加速度センサによるものは板状の支持体の表面に圧電素子を配設すると共に当該支持体の片端部に重りを配設する。そして、体動により重りが振動すると加速度に応じた電圧信号が圧電素子より出力されるものである。
しかしながら、上記光電式体動センサや接点式体動センサ及び振り子式体動センサは体動をパルス信号として出力するため一定方向の周期的な動きによる体動検出を行うには好適であるが、体動の方向や加速度は検出することができないといった問題点があった。また、圧電素子を使用した加速度センサによるものは体動を電圧の変化による電気信号として出力するため体動の方向のみならず加速度も検出することができるが、圧電素子によるセンサ回路を駆動するために電源が必要であるという問題点があった。更には支持体の片端部に重りを配設する構造のため小型化ができないといった問題点もあった。 However, the photoelectric body motion sensor, the contact body motion sensor, and the pendulum body motion sensor are suitable for performing body motion detection by periodic motion in a certain direction because the body motion is output as a pulse signal. There is a problem that the direction and acceleration of body movement cannot be detected. An acceleration sensor using a piezoelectric element outputs body movement as an electrical signal due to a change in voltage, so that not only the direction of body movement but also acceleration can be detected. However, in order to drive a sensor circuit using a piezoelectric element. However, there was a problem that a power source was necessary. Further, there is a problem that the size cannot be reduced due to the structure in which a weight is disposed at one end of the support.
本発明は、以上のような問題点を解決するために成されたものであり、体動の方向や加速度の検出が可能なセンサ回路を駆動するための電源を不要とすると共に機構的に小型化が可能な、磁気平衡型3軸加速度センサ及び該センサを使用した体動検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and does not require a power source for driving a sensor circuit capable of detecting the direction of body movement or acceleration, and is mechanically small. It is an object of the present invention to provide a magnetically balanced three-axis acceleration sensor that can be realized and a body motion detection device using the sensor.
上記課題を解決するため、本発明の磁気平衡型3軸加速度センサ及び該センサを使用した体動検出装置は、シリンダ内部を軸方向に振動可能に平衡させた可動マグネットと当該シリンダ外面に巻いたコイルにより構成した磁気平衡型加速度センサをX軸,Y軸及びZ軸方向に互いに直交するように配設して構成した磁気平衡型3軸加速度センサと、該磁気平衡型3軸加速度センサのコイルから出力される誘導起電力をデジタル値に変換するためのA/D変換装置により構成する。また、複数の磁気平衡型3軸加速度センサからのデータを識別するためのID情報の付加及び通信機器とのインターフェースを行うためのデータ出力装置を前記A/D変換装置に接続して構成する。 In order to solve the above-described problems, a magnetically balanced three-axis acceleration sensor and a body motion detection device using the sensor of the present invention are wound around a movable magnet and an outer surface of the cylinder that are balanced in an axially vibrated manner. A magnetic balance type triaxial acceleration sensor constituted by arranging magnetic balance type acceleration sensors constituted by coils so as to be orthogonal to each other in the X-axis, Y-axis and Z-axis directions, and a coil of the magnetic balance type three-axis acceleration sensor The A / D conversion device for converting the induced electromotive force output from the digital value into a digital value. A data output device for adding ID information for identifying data from a plurality of magnetic balance type triaxial acceleration sensors and for interfacing with a communication device is connected to the A / D conversion device.
本発明の磁気平衡型3軸加速度センサ及び該センサを使用した体動検出装置により被測定物特に人体における体動を検出するようにすれば、該磁気平衡型3軸加速度センサのコイル内を振動するマグネットによりその振動数や加速度に比例した誘導起電力が得られるため、センサ回路及び電源が不要となるという効果を奏する。更にはコイルの巻数やマグネットの磁力強度による出力電圧の調整及びA/D変換装置内でのスケーリングにより高感度となるという効果も奏する。更にはマグネットの振動方向がシリンダ内部の軸方向であるため機構的に小型化が可能になるという効果を奏する。 If the body movement in the measurement object, particularly the human body, is detected by the magnetic balance type triaxial acceleration sensor of the present invention and the body movement detection device using the sensor, the inside of the coil of the magnetic balance type triaxial acceleration sensor vibrates. Since the induced electromotive force proportional to the frequency and acceleration is obtained by the magnet that performs, the sensor circuit and the power source are unnecessary. Furthermore, there is an effect that the sensitivity is increased by adjusting the output voltage by the number of turns of the coil and the magnetic strength of the magnet and by scaling in the A / D converter. Furthermore, since the vibration direction of the magnet is the axial direction inside the cylinder, there is an effect that it is possible to reduce the size mechanically.
本発明の磁気平衡型3軸加速度センサ及び該センサを使用した体動検出装置を実施するための最良の形態を図を用いて説明する。図1は本発明の磁気平衡型加速度センサの正面断面図であり、図2は本発明の磁気平衡型加速度センサを組合わせて構成した磁気平衡型3軸加速度センサの構成配置図である。 A best mode for carrying out a magnetic balance type triaxial acceleration sensor of the present invention and a body motion detection apparatus using the sensor will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a front sectional view of a magnetic balance type acceleration sensor of the present invention, and FIG. 2 is a configuration layout diagram of a magnetic balance type three-axis acceleration sensor configured by combining the magnetic balance type acceleration sensors of the present invention.
図1に示すように、本発明の磁気平衡型3軸加速度センサ7を構成する磁気平衡型加速度センサ1は、シリンダ2の内部に可動マグネット3を収容すると共に当該シリンダ2の両端部に可動マグネット3の極性と同一極性が対向するように固定マグネット5,5を固設し、シリンダ2内部の軸方向に振動可能に可動マグネット3を平衡配置させる。更に、可動マグネット3の先端部分のシリンダ2外面に誘導起電力を発生させるためのコイルを巻く。図1では可動マグネットの両端部分の2箇所にコイル6,6を巻いているが、上部のコイル6又は下部のコイル6のどちらか1つのコイルとしても良い。なお、可動マグネット3を平衡配置させるための固定マグネット5,5の磁力強度やコイル6,6の巻数は、使用するシステムによりそれぞれ異なったものとして任意に設計するものである。
As shown in FIG. 1, a magnetic balance
図1の(a)は、可動マグネット3の両端部に鋼球4,4を配設してあるが、これはシリンダ2の内部を可動マグネット3が振動する際にシリンダ2の内面と鋼球4,4が点接触することにより滑り摩擦による影響を減少させるためのものである。また、(b)は可動マグネット3’の両端部を予め球状に形成してあるため(a)と同様の効果が得られ、この場合には鋼球4,4は不要となる。
In FIG. 1 (a),
次に図2に示すように、上記磁気平衡型加速度センサ1をX軸,Y軸及びZ軸方向に互いに直交するように配設して磁気平衡型3軸加速度センサ7とする。ここで、X軸方向に配設した磁気平衡型加速度センサ1aのコイル6a,6aからは当該磁気平衡型加速度センサ1aがX軸方向に振動した時に誘導起電力が発生し、Y軸方向に配設した磁気平衡型加速度センサ1bのコイル6b,6bからは当該磁気平衡型加速度センサ1bがY軸方向に振動した時に誘導起電力が発生し、Z軸方向に配設した磁気平衡型加速度センサ1cのコイル6c,6cからは当該磁気平衡型加速度センサ1cがZ軸方向に振動した時に誘導起電力が発生するものである。
Next, as shown in FIG. 2, the magnetic balance
次に、図3は本発明の磁気平衡型3軸加速度センサを使用した体動検出装置の構成図であり、X軸方向の磁気平衡型加速度センサ1aのコイル6a,6aから発生した誘導起電力と、Y軸方向の磁気平衡型加速度センサ1bのコイル6b,6bから発生した誘導起電力と、Z軸方向の磁気平衡型加速度センサ1cのコイル6c,6cから発生した誘導起電力をA/D変換装置8に接続する。該A/D変換装置8は、体動に伴う磁気平衡型3軸加速度センサ7の各磁気平衡型加速度センサ1のコイル6,6から発生した誘導起電力を、アナログ演算処理及びA/D変換処理により各軸方向のデジタル値に変換するものである。また、複数の磁気平衡型3軸加速度センサ7からのデータを識別するためデータにID情報を付加したり、該データを処理するための無線受信機やLAN等の通信機器とのインターフェースを行うためのデータ出力装置14を前記A/D変換装置8に接続する。
Next, FIG. 3 is a configuration diagram of a body motion detection apparatus using the magnetic balance type triaxial acceleration sensor of the present invention, and induced electromotive force generated from the
本発明の実施例を図を用いて説明する。図4は本発明の磁気平衡型加速度センサから出力される電圧波形であり、図1及び図2で説明した磁気平衡型3軸加速度センサ7の各磁気平衡型加速度センサ1の可動マグネット3が振動した時に発生する誘導起電力の波形を示している。ここで、磁気平衡型加速度センサ1が図中矢印A方向に1振動すると可動マグネット3のコイル6,6からはV1で示す1サイクルの交流電圧が発生する。また、図中矢印B方向に1振動すると可動マグネット3のコイル6,6からはV2で示す1サイクルの交流電圧が発生する。該V1とV2の交流電圧は逆極性であるため、極性を判断することにより体動方向の検出が可能となる。また、体動の強さ即ち加速度の強さにより誘導起電力の電圧値が変化するため、電圧値及び変動周期を計測することにより体動加速度の検出が可能となる。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 4 shows voltage waveforms output from the magnetic balance type acceleration sensor of the present invention. The
次に、図5は図3におけるA/D変換装置の概略ブロック回路図である。該図に示すように、A/D変換装置8はX軸方向の磁気平衡型加速度センサ1aとY軸方向の磁気平衡型加速度センサ1bとZ軸方向の磁気平衡型加速度センサ1cから出力される誘導起電力を入力するためのアナログ演算部9と、該アナログ演算部9でスケーリングされたX軸,Y軸及びZ軸の3チャンネルの入力電圧を選択切替して後段のA/Dコンバータ11に出力するためのアナログマルチプレクサ10と、前記アナログマルチプレクサ10から出力された電圧入力をデジタル値に変換するためのA/Dコンバータ11と、前記アナログマルチプレクサ10及びA/Dコンバータ11のクロック生成及びタイミング制御を行うためのクロック制御部12等により構成する。
Next, FIG. 5 is a schematic block circuit diagram of the A / D converter in FIG. As shown in the figure, the A /
前述の説明において、各磁気平衡型加速度センサ1にはコイル6がシリンダ2の上下に配設されているため、各コイル6,6から発生した誘導起電力は極性を合わせた上、アナログ演算部10の前段の加算回路にて加算され、後段のOPアンプにてスケーリングされる。各磁気平衡型加速度センサ1において、コイル6が1箇所のみ配設されたものである場合は、加算回路は不要となる。なお、図5のアナログ演算部9は構成要素を示すだけのものであるため、図示する回路に限定するものではない。
In the above description, since the
そして、磁気平衡型3軸加速度センサ7を被測定物例えば人体に装着させ当該人が前後左右及び上下に動くと、磁気平衡型3軸加速度センサ7の各磁気平衡型加速度センサ1から誘導起電力が発生されることになる。人体の体動の速度は速くても数Hz程度であるため、該誘導起電力をアナログマルチプレクサ10にて数十Hz程度の周期でサンプリングし、A/Dコンバータ11でデジタル値に変換する。該デジタル値は極性1ビット及びデータ分解能7ビット即ち−127〜+127程度の分解能で十分であり、データの出力形態はシリアル出力が好適であるが、これに限定するものではない。
When the magnetic balance type
次に、図6は図3におけるデータ出力装置の概略ブロック回路図である。該図に示すように、データ出力装置13は上記A/D変換装置8からのシリアル出力を入力するための入力インターフェース部14と、該データ出力装置13に固有に与えられたIDを記憶しておくためのメモリ部15と、無線出力の場合においては後段のRF出力部18を制御し、有線出力の場合においては後段のシリアルデータ出力部19を制御するためのロジック制御部16と、前記メモリ部15及びロジック制御部16のクロック生成及びタイミング制御を行うためのクロック制御部17等により構成する。
FIG. 6 is a schematic block circuit diagram of the data output device in FIG. As shown in the figure, the
また、図7は本発明の磁気平衡型3軸加速度センサを使用した体動検出装置から出力されるシリアルデータのデータフォーマットの一例であり、データの始まりを示すヘッダーと、X軸データ,Y軸データ,Z軸データと、当該データ出力装置13に固有に与えられたIDにより構成される。データ出力装置13の出力が無線出力の場合には、RF出力部18及びアンテナ20より無線受信機に対して、該フォーマットのデータが出力される。有線出力の場合には、シリアルデータ出力部19よりLAN等に対して、該フォーマットのデータが出力される。
FIG. 7 is an example of a data format of serial data output from the body motion detection device using the magnetically balanced three-axis acceleration sensor of the present invention. A header indicating the start of data, X-axis data, and Y-axis Data, Z-axis data, and an ID uniquely assigned to the
上記X軸データ,Y軸データ,Z軸データには、極性データ及び起電力データが含まれるため、該データをベクトル的に解析処理することにより体動の方向と加速度を検出することが可能となる。 Since the X-axis data, Y-axis data, and Z-axis data include polarity data and electromotive force data, it is possible to detect the direction and acceleration of body movement by analyzing the data in vector. Become.
1 磁気平衡型加速度センサ
2 シリンダ
3 可動マグネット
4 鋼球
5 固定マグネット
6 コイル
7 磁気平衡型3軸加速度センサ
8 A/D変換装置
9 アナログ演算部
10 アナログマルチプレクサ
11 A/Dコンバータ
12 クロック制御部
13 データ出力装置
14 入力インターフェース部
15 メモリ部
16 ロジック制御部
17 クロック制御部
18 RF出力部
19 シリアルデータ出力部
20 アンテナ
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