JP2008051587A - センサーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】性能を維持しつつも、少ないエネルギーで駆動することができるセンサーモジュールを提供する。
【解決手段】演算処理装置１３は、加速度センサー１２による検出加速度の変化を求め、判定装置１４は、この加速度の変化の大きさをメモリ１５に記憶されているデータと比較する。この結果、加速度の変化が大きいと判断したときは、電源供給装置１５を制御して磁気センサー１１のサンプリング周期を小さくする。また、加速度の変化が小さいと判断したときは、電源供給装置１５を制御して磁気センサー１１のサンプリング周期を大きくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサーやモーションセンサーなどの複数のセンサーを有するセンサーモジュールに関する。

磁気センサーを用いて磁気を検知する場合に、電源供給の手段に特徴をもたせて少ないエネルギーにより磁気の検知を行う技術、あるいは、磁気センサーと加速度センサーの出力信号を活用して相互の信号処理を行なうことができる技術を提案している従来技術としては、以下のものが知られている。

特許文献１は、磁気センサーと、所定周期で検出電圧をサンプリングするサンプリング手段からなり、サンプリングする時のみ磁気センサーに電源電圧を供給する電源電圧供給手段を有することを特徴とするものである。

特許文献２は、磁気抵抗素子と、磁気抵抗素子の出力を増幅する増幅回路を備えた磁気センサーの駆動回路において、磁気抵抗素子へは電力供給が間欠通電により行なわれ、増幅回路への電力供給が連続通電で行なわれることを特徴とする磁気センサーの駆動回路を提案するものである。

特許文献３は、磁気センサーと、信号処理回路と、信号処理回路に対して間欠的に通電を行なう電力供給回路、およびノイズ低減回路を有する磁気センサーに関する技術である。
また、特許文献４は、磁気センサーそのものに、原理上低消費電力であるＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子を用いたことを特徴としたものである。すなわち、磁気センサーの高感度化、省エネルギー化を目的としたものであり、磁気センサーをＴＭＲ素子又はＧＭＲ素子を用いて形成するものであり、素子の一面に配されて抗磁力が磁性層の抗磁力よりも低く、かつ、その異方性軸が磁性層の異方性軸とは独立して設定された磁界感知補用軟磁性膜を備えることを特徴とするものである。

実開平６−２１１５号公報 特開２０００−５６５３０号公報 特開２００１−４４０８号公報 特開２００２−２０７０７１号公報

近年、携帯端末の高機能化、高性能化が進展し、地図情報に基づいて所望の位置に誘導するいわゆるナビゲーション機能を搭載した携帯電話も急速に普及しつつある。これらの携帯電話の多くは、弱磁界である地磁気を検知する地磁気センサーと、加速度センサーやジャイロセンサーといったモーションセンサーの２種類のセンサーを搭載している場合が多い。

このような携帯端末では、電源供給源であるバッテリー容量に限度があるために、搭載されている各部品の省エネルギー化が強く望まれている。この要望は、携帯端末の高機能化、高性能化の進展に伴い、ますます強いものとなってきている。
この場合に、携帯端末各部の性能を低下させながらの省エネルギー化では本末転倒であるために、各部の機能を維持しながら如何に省エネルギーを進めるか、というのが大きな課題になってきている。

これに対して、特許文献１では、磁気センサーと、所定周期で検出電圧をサンプリングするサンプリング手段からなり、サンプリングする時のみ磁気センサーに電源電圧を供給する電源電圧供給手段を有することを特徴とする技術が提案されている。

しかしながら、電源電圧を供給するタイミングが予め設定された所定周期であるために、本来必要なタイミングであるにもかかわらず電源供給がなされず、十分な検知情報が得られない、または、必要なタイミングでない場合でも電源供給がなされる場合も当然あるので、エネルギーの無駄遣いになるといった問題がある。

また、特許文献２においては、磁気抵抗素子と、磁気抵抗素子の出力を増幅する増幅回路を備えた磁気センサーの駆動回路において、磁気抵抗素子へは電力供給が間欠通電により行なわれ、増幅回路への電力供給が連続通電で行なわれることを特徴とする磁気センサーの駆動回路が提案されているが、この技術も前述の技術と同様に、必ずしも効率的に、且つ無駄のないように電力供給がなされないといった問題がある。

さらに、特許文献３においては、磁気センサーと、信号処理回路と、信号処理回路に対して間欠的に通電を行なう電力供給回路、およびノイズ低減回路を有する磁気センサーに関する技術が提案されているが、特許文献１，２と同様の問題を抱えているものである。

そこで、本発明の目的は、性能を維持しつつも、少ないエネルギーで駆動することができるセンサーモジュールを提供することである。

請求項１に記載の発明は、外部磁界の大きさに応じて電気的信号を出力する磁気センサーと、動きに応じた電気的信号を出力するモーションセンサーと、前記両センサーのうちの一方の出力信号の変化の大きさを判定する判定手段と、 この判定結果に応じて他方の前記センサーについてサンプリング周期を可変するサンプリング周期可変手段と、を備えているセンサーモジュールである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のセンサーモジュールにおいて、前記サンプリング周期可変手段は、前記判定手段で前記モーションセンサーにより検出した動きの変化が予め設定された基準値より大きいと判定したときは、前記磁気センサーのサンプリング周期を短くするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のセンサーモジュールにおいて、前記サンプリング周期可変手段は、前記判定手段で前記モーションセンサーにより検出した動きの変化が予め設定された基準値より小さいと判定したときは、前記磁気センサーのサンプリング周期を長くするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のセンサーモジュールにおいて、前記サンプリング周期可変手段は、前記判定手段で前記磁気センサーにより検出した磁気の変化が予め設定された基準値より大きいと判定したときは、前記モーションセンサーのサンプリング周期を短くするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載のセンサーモジュールにおいて、前記サンプリング周期可変手段は、前記判定手段で前記磁気センサーにより検出した磁気の変化が予め設定された基準値より小さいと判定したときは、前記モーションセンサーのサンプリング周期を長くするものである。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかの１項に記載のセンサーモジュールにおいて、前記磁気センサーは、磁気抵抗素子である。
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のセンサーモジュールにおいて、前記磁気抵抗素子は、ＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）素子である。
請求項８に記載の発明は、請求項６又は７に記載のセンサーモジュールにおいて、前記磁気抵抗素子は、２軸以上の方向の磁気を検知するように３次元配置されている。
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載のセンサーモジュールにおいて、前記磁気抵抗素子は、傾斜面に形成されている。
請求項１０に記載の発明は、請求項１〜９のいずれかの１項に記載のセンサーモジュールにおいて、前記モーションセンサーは、加速度センサー及び、又はジャイロセンサーである。

請求項１記載の発明によれば、それぞれの利用状況に最適な信号処理を行なうことが可能となり、省エネルギーを図って、非常に効率的に的確な情報を得ることが可能となる。
請求項２記載の発明によれば、必要十分なサンプリングタイムをリアルタイムで設定することができ、省エネルギーを図りつつも、無駄の無いプロセスで高精度な磁気情報を容易に得ることが可能となる。
請求項３記載の発明によれば、外乱に左右されること無く必要にして十分な信号処理により高精度な磁気情報を得ることが可能となる。
請求項４記載の発明によれば、必要十分なサンプリングタイムをリアルタイムで設定することができ、省エネルギーを図りつつ、無駄の無いプロセスで高精度な磁気情報を容易に得ることが可能となる。

請求項５記載の発明によれば、外乱に左右されること無く必要にして十分な信号処理により高精度な磁気情報を得ることが可能となる。
請求項６記載の発明によれば、本質的に少ないエネルギーで駆動することができるセンサーモジュールでありながら、高精度の磁気情報を確実に得ることが可能となる。
請求項７記載の発明によれば、本質的に高感度、高精度の磁気情報をさらに少ない消費電力で確実に得ることが可能となる。
請求項８記載の発明によれば、電力供給回路配線を短くすることができ、エネルギー損失が小さく、小型、軽量で必要な方向すべての磁気情報を得ることができるセンサーモジュールを実現することができる。
請求項９記載の発明によれば、比較的単純な製造プロセスにより実現することが可能となり、低コストで信頼性の高いセンサーモジュールを実現することができる。
請求項１０記載の発明によれば、少ない消費エネルギーで確実に動きに関わる情報を得ることができる。

以下、本発明の一実施の形態について説明する。
本発明の構成、及び動作について図を用いて以下に説明する。第１図は本発明における電気信号の処理機能を示すブロック図である。

図１は、本発明の一実施形態であるセンサーモジュール装置の電気的な接続のブロック図である。このセンサーモジュール１は、例えば携帯端末などに搭載される。センサーモジュール１は、検出部として外部磁界の大きさに従って電気的信号を出力する磁気センサー部１１と、モーションセンサー、この例では、移動速度、移動方向を検知して電気的信号を出力する加速度センサー部１２（ジャイロセンサーを用いても良いし、加速度センサーとジャイロセンサーを併用しても良い）と、各センサー部１１，１２から出力される電気的信号に基づいて所定の演算を行う演算処理装置１３と、その演算結果をメモリ１５に記録されているデータと比較して、次ステップとしてどのような演算処理を行なうべきか判定する判定装置１４と、その判定結果を受けて設定されたサンプリングタイムで電源電圧を供給する電源供給装置１５と、さらに演算処理装置１３において判定装置１４の判定結果に従った再演算を行なって最終的な出力情報を表示する表示部１６とを備えている。

このようなセンサーモジュール１においては、磁気センサー１１からの出力信号と加速度センサー１２からの出力信号の変化に応じて、磁気センサー１１からの出力信号に基づいて加速度センサー１２の演算内容を決定する処理と、逆に加速度センサー１２からの出力信号に基づいて磁気センサー１１の演算内容を決定する処理とを行う。

次に、具体的な処理内容について図２を参照して説明する。まず、磁気センサー１１、加速度センサー１２のそれぞれの出力電気信号が所定の積算回数に従って演算処理装置１３により演算処理される。その結果を判定装置１４で判定し、加速度センサー１２の検出信号の信号変化の度合いがメモリ１５に格納されている予め設定された値よりも大きいと判定された場合は、磁気センサー１１からの電気信号処理のステップで、そのサンプリング周期を短くして再演算処理を行う。このとき、磁気センサー１１は通常どおりの演算処理が継続して行なってよい。

このような処理によって、加速度センサー１１からの信号変化の度合いが大きい場合、すなわち利用者の環境変化が大きいと想定される場合であっても、その変化に追随した高精度の磁気情報を必要最低限のエネルギー消費で得ることができる。

これとは逆の場合を説明するのが図３である。すなわち、図３の例では、磁気センサー１１、加速度センサー１２のそれぞれの出力電気信号が所定の積算回数に従って演算処理され、その結果を判定装置１４で判定し、加速度センサー１２からの信号変化の度合いが予め設定された値よりも小さいと判定された場合を示している。この場合は、磁気センサー１１からの電気信号処理のステップで、サンプリング周期を長くして再演算を行なう。
これにより、非常に少ない消費電力で効率的に高精度の磁気情報を得ることができる。

これまでは、加速度センサー１１の出力信号に基づいて磁気センサー１２の出力信号の再演算内容を決定する処理方法について説明したが、これとは逆に、磁気センサー１２の出力信号に基づいて加速度センサー１１の出力信号の再演算内容を決定するような処理を行っても良い。

磁気センサー１１としては、従来は磁気抵抗変化素子（ＭＲ素子）、磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）、フラックスゲートセンサーなどが一般的に用いられてきたが、本実施形態においては磁気センサー１１としてＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）素子を利用している。
ＴＭＲ素子は、薄い絶縁層を二つの磁性体層で挟み込んだ構造を有するもので、一方の磁性体層の磁界の向きを固定し、もう一方の磁性体層の磁界を外部の磁界に従って変化する構造としている。このとき、二つの磁性体層の磁界の向きが、互いに平行であるか、反平行であるかによって、膜厚方向に電流を流した場合の抵抗が大きく変化する現象を利用して磁界強度を高感度に検出できるものである。
ＴＭＲ素子は、電子のトンネリング現象により電流が流れる構造であるために、電気抵抗が高く、微小な電流でも大きな電圧が得られるために、基本的に省エネルギーで動作、検知が可能なセンサーとなる。

本実施形態においては、ＴＭＲ素子などに代表される地磁気センサーを２軸以上の地磁気に対応するように３次元配置されているために（図１に示すように、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸用にそれぞれは位置されている）、水平方向のみならず全方位の磁気情報を得ることができる。
またさらに、これらの磁気センサーを傾斜面に形成することにより、モノリシック化が容易である。この点は各素子と演算処理装置１３やその他の回路装置との電気的接続を行なう際の配線長さを短くすることができ、結果的に損失の少ない回路構成を実現できるので、個別の素子を実装技術により３次元化する方法と比べてはるかに省エネルギーで且つ小型化が容易で、信頼性の高いセンサーモジュールを実現することができる。

次に、図２、図３を参照して説明した本実施形態の処理の内容について詳細に説明する。
図４は、本実施例の信号処理について説明するフローチャートである。本実施形態においては、磁気センサー（地磁気センサー）１１と加速度センサー１２とを組み合わせた例で説明する。最初に、地磁気センサー１１及び加速度センサー１２それぞれの出力結果を得る（ステップＳ１、Ｓ２）。そして、得られた出力結果を判定装置１４で、予め記録されているメモリ１５内のデータと比較した結果（ステップＳ３）、通常よりも加速度の変化量が大きいと判断されたときは（ステップＳ４）、これを受けて演算処理装置１３において、地磁気センサー１１のサンプリング周期を通常の１／２とする条件で、地磁気センサー１１の出力の再演算を行ない（ステップＳ５）、平均化処理を行なった（ステップＳ６）後で同様に平均化処理した地磁気の出力信号とともに表示装置１６に表示する（ステップＳ７）。
このように、加速度の変化量が大きい条件でも、地磁気センサー１１のサンプリング周期を短くすることで、大きな使用条件の変化に追随して高精度の検知が少ないエネルギーで実現できる。

この場合に、ステップＳ１〜Ｓ４で演算処理を行なう基準の信号を地磁気センサー１１の出力信号としても良い。すなわち、地磁気センサー１１及び加速度センサー１２それぞれの検出手段を機能させて、それぞれの出力結果を得る。このとき、地磁気センサー１１からの出力信号の変化が通常の状態よりも大きいと判定された場合は、周囲の磁気環境が大きく変化していることを意味しているので、加速度センサー１２の演算処理の内容、つまりサンプリング周期を短くして再演算することで、激しい動きに追随した高精度な加速度情報を得ることができる。

図５は、本実施例の信号処理について説明するフローチャートである。本例においても、地磁気センサー１１と加速度センサー１２とを組み合わせた例を用いて説明する。最初に、地磁気センサー１１及び加速度センサー１２それぞれの出力結果を得る（ステップＳ１１，Ｓ１２）。得られた出力結果を判定装置１４で、予め記録されているメモリ１５内のデータと比較した結果（ステップＳ１３）、通常よりも加速度の変化量が小さいと判断された場合は（ステップＳ１４）、これを受けて演算処理装置１３において、地磁気センサー１１のサンプリング周期を通常の２倍とする条件で、地磁気センサー１１の出力に基づく再演算を行ない（ステップＳ１５）、平均化処理を行なった（ステップＳ１６）後で同様に平均化処理した地磁気の出力信号とともに表示装置１６に表示する（ステップＳ１７）。
このように加速度の変化量が小さい条件の場合は、積算回数を減少させても必要十分な精度で地磁気の検知が実現できる。

この場合に、ステップＳ１１〜Ｓ１４で演算処理を行なう基準の信号を地磁気センサー１１の出力信号としても良い。すなわち、地磁気センサー１１及び加速度センサー１２それぞれの検出手段を機能させて、それぞれの出力結果を得る。このとき、地磁気センサー１１からの出力信号の変化が通常の状態よりも小さいと判定された場合は、周囲の磁気環境がそれほど大きく変化していないことを意味しているので、加速度センサー１２の演算処理、つまりサンプリング周期を長くして再演算させても高精度な加速度情報を得ることができる。

本発明の一実施の形態であるセンサーモジュールの電気的な接続のブロック図である。 センサーモジュールの動作を説明する説明図である。 センサーモジュールの動作を説明する説明図である。 センサーモジュールの動作を説明するフローチャートである。 センサーモジュールの動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ センサーモジュール
１１ 磁気センサー
１２ 加速度センサー
１４ 判定手段
１５ サンプリング周期可変手段

Claims (10)

1. 外部磁界の大きさに応じて電気的信号を出力する磁気センサーと、
   動きに応じた電気的信号を出力するモーションセンサーと、
   前記両センサーのうち、一方の出力信号の変化の大きさを判定する判定手段と、
   この判定結果に応じて他方の前記センサーについてサンプリング周期を可変するサンプリング周期可変手段と、
   を備えていることを特徴とするセンサーモジュール。
2. 前記サンプリング周期可変手段は、前記判定手段で前記モーションセンサーにより検出した動きの変化が予め設定された基準値より大きいと判定したときは、前記磁気センサーのサンプリング周期を短くすることを特徴とする請求項１に記載のセンサーモジュール。
3. 前記サンプリング周期可変手段は、前記判定手段で前記モーションセンサーにより検出した動きの変化が予め設定された基準値より小さいと判定したときは、前記磁気センサーのサンプリング周期を長くすることを特徴とする請求項１に記載のセンサーモジュール。
4. 前記サンプリング周期可変手段は、前記判定手段で前記磁気センサーにより検出した磁気の変化が予め設定された基準値より大きいと判定したときは、前記モーションセンサーのサンプリング周期を短くすることを特徴とする請求項１に記載のセンサーモジュール。
5. 前記サンプリング周期可変手段は、前記判定手段で前記磁気センサーにより検出した磁気の変化が予め設定された基準値より小さいと判定したときは、前記モーションセンサーのサンプリング周期を長くすることを特徴とする請求項１に記載のセンサーモジュール。
6. 前記磁気センサーは、磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの１項に記載のセンサーモジュール。
7. 前記磁気抵抗素子は、ＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）素子であることを特徴とする請求項６に記載のセンサーモジュール。
8. 前記磁気抵抗素子は、２軸以上の方向の磁気を検知するように３次元配置されていることを特徴とする請求項６又は７に記載のセンサーモジュール。
9. 前記磁気抵抗素子は、傾斜面に形成されていることを特徴とする請求項８に記載のセンサーモジュール。
10. 前記モーションセンサーは、加速度センサー及び、又はジャイロセンサーであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかの１項に記載のセンサーモジュール。
    

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