JP2008058210A - センサーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】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おいて、各センサーから得られる出力を相互に活用して信号処理することにより、地磁気等のように非常に弱い強度の信号であっても、高精度、高効率に検知する。
【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、磁気センサー１１の積算回数を多くする。また、加速度の変化が小さいと判断したときは、磁気センサー１１の積算回数を少なくする。
【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。

特許文献１には、地磁気センサーを用いて地磁気を測定する際に、地磁気の水平成分を互いに直交する磁気検出コイルにより二成分の電圧出力信号に分けて検出して演算を行ない、その際に補正値を考慮した補正処理を行なう技術について開示されている。

特許文献２には、磁気センサーと傾斜センサーを具備する携帯端末において、傾斜センサーから得られる第一の傾斜角度に対して、磁気センサーの出力を元に算出される仰角に関する情報をもとに再度計算を行なうことによって第２の傾斜確度を求めることを特徴とする携帯端末に関する技術が開示されている。

特許文献３には、地磁気を検知する地磁気検出モジュールと傾斜角度を検知するモジュールを具備する地磁気センサーにおいて、得られたチルト角と予め定数が設定されたデータベースからのデータに基づいて、方位角を算出する技術について開示されている。

特許文献４は、磁気センサーの高感度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素子を用いて形成し、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ようにした技術に関するものである。

特開平１０−１３２５６８号公報 特開２００６−３８４６４号公報 特開２００６−１７０９９７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。

しかしながら、地磁気の強度は、一般に０．３〜０．５Ｏｅと非常に弱いものである。このように非常に弱い強度の地磁気を高精度に検知するためには、検出素子そのものの特性向上もさることながら、検出素子から得られた信号を如何に処理するかということが重要な技術となる。
一般に、地磁気センサーは、地磁気のベクトルのうち水平方向のみを検知するものであるので、上記のようなナビゲーション機能を有する携帯電話の場合は、傾斜角度を検知するために加速度センサーも併用して、両方の出力信号を活用して必要な機能を満たしている。

しかしながら、このようなセンサーの併用の場合は、加速度センサーが出力する信号は、傾斜角度のみではなく、利用者が歩行している場合には、方向による加速度も一緒に検知するので、正確さに欠けるという不具合がある。

そこで、地磁気等のように非常に弱い強度の信号であっても、傾斜角度情報と相補的に信号処理することによって、高感度、高精度に検知することができるようにしたい。すなわち、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おいて、素子そのものの高精度に頼ることなく、それぞれのセンサーから得られる出力に所定野信号処理を施すことで高精度な検知ができるようにしたい。

これに対して、特許文献１においては、地磁気の水平成分を、互いに直交する磁気検出コイルにより２成分の電圧出力信号に分けて検出し、その電圧出力信号を校正する信号校正演算手段を備えたマイクロコンピューターに入力して補正値を演算し、方位角データに補正を加えようとするものである。
しかし、この手段では、地磁気センサーのみの情報を元に補正演算を行なっているに過ぎないので、高精度検出の面においては不十分な技術であるといえる。

また、特許文献３においては、地磁気検出モジュールとチルト角検出モジュールとの両方を備え、伏角による地磁気の影響を反映するための定数を予め設定してデータベースに記録してあるデータを用いて方位角を再演算する技術が提案されている。
しかし、この手段では、上記の演算作業を予め設定された所定の回数行なうことを特徴としているが、利用状況がさまざまな使われ方をすることを前提に考えると、演算回数を予め設定しておくということは演算回数の過不足が発生することは否めず、効率的な信号処理方法とはいえないという不具合がある。

さらに、特許文献２においては、地磁気測定手段と傾斜角測定手段を具備する携帯端末において、傾斜角測定手段から得られる第一の傾斜角度に対して、地磁気測定手段の出力をもとに算出される仰角に関する情報に基づいて再度計算を行なうことによって第２の傾斜確度を求めることを特徴とする携帯端末に関する技術が開示されている。
この特許文献２は、地磁気測定手段により得られる出力に基づいて傾斜角測定手段により得られる傾斜角度を再計算するというように、一方の測定手段の情報を利用して他方の測定手段の値に反映する技術ではある。
しかし、特許文献２は、それぞれの検出手段の出力の違いによって、磁気センサーの情報をもとにモーションセンサーの演算内容を決定する、またはモーションセンサーの情報をもとに磁気センサーの演算内容を決定するという技術内容はなんら開示されてはおらず、双方向に情報を活用する点も何ら開示されていないといえる。さらに、この技術は、予め設定された再演算を行なうものであり、リアルタイムにその場合、場合に最適な再演算を行なう点については開示されていないといえる。

そこで、本発明の目的は、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おいて、各センサーから得られる出力を相互に活用して信号処理することにより、地磁気等のように非常に弱い強度の信号であっても、高精度、高効率に検知することができる技術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、前記各センサー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手段と、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の度合い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前記演算処理手段による演算内容を決定する演算内容決定手段と、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、前記演算処理手段は、前記各センサーから出力される電気的信号を積算する演算を行うものであり、前記演算内容決定手段は、前記判定結果に応じて他方の前記センサーについて前記演算処理手段による出力信号を積算する演算の積算回数を決定するものである。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のセンサーモジュールにおいて、前記演算内容決定手段は、前記判定手段による前記出力信号の変化の大きさの度合いの判定から判断される運動速度又は運動方向の変化の度合いにより前記積算回数を決定するものである。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のセンサーモジュールにおいて、前記演算内容決定手段は、前記判定結果が前記磁気センサーの出力信号が磁気の変化が相対的に大きいことを示しているときは、前記モーションセンサーについて前記演算処理手段による積算回数を相対的に増加するものである。

請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載のセンサーモジュールにおいて、前記演算内容決定手段は、前記判定結果が前記磁気センサーの出力信号が磁気の変化が相対的に大きいことを示しているときは、前記モーションセンサーについて前記演算処理手段による積算回数を相対的に減少するものである。

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１，２記載の発明によれば、そのとき、そのときの利用状況に最適なセンサーの出力信号の信号処理を行なうことが可能となり、非常に効率的に高精度な情報を得ることが可能となる。

請求項３〜５記載の発明によれば、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と、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との両立が可能となる。

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、本発明を実施するための最良の一形態について図面を参照して説明する。
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、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、センサーモジュール１の具体的な動作について図２に基づいて説明する。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からの信号変化の度合いが予め設定された値よりも大きいと判定された場合には、磁気センサー１１からの電気信号処理のステップで、その積算回数を増加させて再演算処理を行なう。このとき、磁気センサー１１は、通常どおりの演算処理を継続して行なってかまわない。
これによって、加速度センサー１２からの信号変化の度合いが大きい場合、つまり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、積算回数を減少させて再演算を行なう。
これにより、必要最低限の積算回数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の積算回数を増加、例えば通常の２倍とする条件で、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の積算回数を多くすることで、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、つまり積算回数を増加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の積算回数を減少、例えば、通常の１／２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、つまり積算回数を減少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 積算内容決定手段

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、
   前記各センサー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手段と、
   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の度合い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前記演算処理手段による演算内容を決定する演算内容決定手段と、
   を備えているセンサーモジュール。
2. 前記演算処理手段は、前記各センサーから出力される電気的信号を積算する演算を行うものであり、
   前記演算内容決定手段は、前記判定結果に応じて他方の前記センサーについて前記演算処理手段による出力信号を積算する演算の積算回数を決定する、請求項１に記載のセンサーモジュール。
3. 前記演算内容決定手段は、前記判定手段による前記出力信号の変化の大きさの度合いの判定から判断される運動速度又は運動方向の変化の度合いにより前記積算回数を決定する、請求項２に記載のセンサーモジュール。
4. 前記演算内容決定手段は、前記判定結果が前記磁気センサーの出力信号が磁気の変化が相対的に大きいことを示しているときは、前記モーションセンサーについて前記演算処理手段による積算回数を相対的に増加する、請求項３に記載のセンサーモジュール。
5. 前記演算内容決定手段は、前記判定結果が前記磁気センサーの出力信号が磁気の変化が相対的に大きいことを示しているときは、前記モーションセンサーについて前記演算処理手段による積算回数を相対的に減少する、請求項３又は４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、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、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、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、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、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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