JP2009139211A - 傾斜角センサ - Google Patents

Abstract

【課題】外部からの磁気の影響を受け難く、高精度に水平度を検出することができるとともに、分解能の高い小型の傾斜角センサを提供することを目的とする。
【解決手段】磁性を有する重り４と、この重り４を支える複数の梁３と、前記重り４の変位による磁界の変化に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗部２とを備え、前記梁３は複数の折り曲げ部３ａを有した構成とすることにより、水平および水平に対する２軸方向の傾きを高分解能に検出することができる傾斜角センサを実現することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気抵抗体による被検知物の位置関係を検知する方法を用いて、水平度と傾斜角を検出することができる傾斜角センサに関するものである。

一般に、このような磁気検出器を用いて電子機器等の水平面に対して傾いた角度を検知するセンサは傾斜角センサと呼ばれており、この傾斜角センサは、磁性体球が自重により移動したとき、磁性体球の位置により磁界が変化し、この変化した磁気特性を磁気検出器で検出することによって磁性体球の磁気センサの内部における位置を検出し、これにより電子機器等の傾斜角を検知する方式が知られている。その具体的な構成としては、湾曲面を有する支持部材の湾曲面上に磁性体球を配置し、この磁性体球が湾曲面上を移動することによる磁界の変動をホール素子で検出することによって傾きを測定する傾斜角センサの技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、三次元の自由度を持つ振動子に磁性体を取り付け、四個以上の検出素子を配置し、磁性体からの磁界強度の変化を前記四個以上の検出器を用いて、三軸の加速度を検出する加速度センサが知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−２８７４２１号公報 特開平１１−３５２１４３号公報

しかしながら、前記従来の磁性体球を用いた傾斜角センサは、磁気検出器から遠くに離れた位置にある被検知物を検知する必要があるため、外部からの磁気の影響を受け易く、また、被検知物の有無を検出する程度の分解能であり、測定精度の向上が困難であった。前記加速度センサにおいては、水平度を検出することはできなかった。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、外部からの磁気の影響を受け難く、水平度を検出することができるとともに、分解能の高い小型の傾斜角センサを提供することを目的とするものである。

前記課題を解決するために、本発明は、磁性を有する重りと、この重りを支える複数の梁と、重りの変位による磁界の変化に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗部とを備え、前記梁は複数の折り曲げ部を有した構成とするものである。

本発明の傾斜角センサは、複数の折り曲げ部を有した複数の梁で重りを支持する構成とすることによって、複数の梁に連接した三次元方向への磁性を有する重りの三次元的な動きがスムーズになり、この三次元的にスムーズな動きを有した重りの位置と磁気抵抗部の位置の直線性が高まり、その結果として重りと磁気抵抗部の位置関係とから、入力された加速度に応じて、磁気抵抗部に入射する磁気の強さが高精度に変化することによって、磁気抵抗部の抵抗値が高精度に変化するセンサ構造を実現できることから、傾斜角センサの内部を移動する被検知物（重り）の位置の、水平および水平に対する２軸方向の傾きを高分解能に検出することができる傾斜角センサを実現することができるという優れた効果を奏するものである。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における傾斜角センサについて図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施の形態１における傾斜角センサの断面図、図２は平面図であり、図１は図２のＡＡ部における断面構造を示している。また、図３は傾斜角センサの動作原理を説明するための特性概念図であり、図４は傾斜角を測定するときの出力特性図を示している。そして、図５は磁気抵抗部である感磁パターンの一例を示す平面図であり、図６は別の例の感磁パターンの平面図である。

図１および図２において、１は基板であり、この基板１としては平板状のセラミック基板、あるいはシリコン基板等を用いることが可能であり、特に薄膜パターンを形成することが可能な基板を用いることが好ましい。そして、前記基板１の上には感磁パターン２を形成している。この感磁パターン２は、ＭＲ、ＳＭＲあるいはＧＭＲ等からなる磁気抵抗素子として形成しており、磁界の強さや方向によって、それ自体の抵抗値が変化する磁気抵抗材料を用いて所定のパターンとなるように形成している。

そして、このような磁気抵抗効果を有する感磁パターン２を形成することによって、小型で高感度な傾斜角センサを実現することができる。

そして、基板１の上に形成した感磁パターン２の中心部には所定の重さを有した磁石４を懸垂状態にして配置する。この磁石４は重りとしての機能も有している。そして、この磁石４を感磁パターン２の上部で柔軟に三次元的に移動することができるように梁３によって懸垂状態で支持する構成としている。

また、前記梁３は複数の折り曲げ部３ａを有している。この折り曲げ部３ａを梁３に二カ所以上設けることによって、重りである磁石４の動きがよりスムーズとなり、上下・左右の三次元的に優れた直線性を示す傾斜角センサを実現することができる。そして、前記折り曲げ部３ａをコの字状に略直角とすることによって、複数の梁３を効率よく配置することができることから、小型化を実現することができる。

そして、折り曲げ部３ａを同一回転方向に配置することによって、傾斜角センサの小型化を実現することができる。

また、梁３は複数とすることによって均等に磁石４を保持することができ、この複数の梁３を磁石４の中心を基点として点対称に配置することによって測定の直線性をより高めることができる。磁石４を支える梁３に用いる材質としてはシリコン、ステンレス、あるいはリン青銅などのバネ性を有した金属材等が好ましく、特にシリコンは加工性に優れることと高精度な加工装置を容易に入手することができることから、生産性の高いセンサを実現することができる。そして、その形状は、上下・左右の三次元的に弾性変形する領域内において、荷重に応じて自由度が高く変形し得る構造としたものである。そして、磁石４はサマリウム・コバルト系、ネオジム・鉄・ボロン系、フェライト系等からなる希土類磁石などで構成することが小型化の観点から好ましい。この磁石４は梁３と接続し、その自重により、梁３から少し懸垂状態とし、かつそれ自身より、磁界を発生する構成としている。また、磁石４の形状は四角形の平板状とし、この四角形の四カ所の角部より四本の梁３で支持している。これによって三次元的に均一な直線を実現している。

また、磁石４の厚みを幅方向よりも薄くした平板状とすることによって、磁石４の三次元的な動きがスムーズになることから好ましい。

なお、磁石４の形状を多角形状または円板状としてもよい。特に多角形状としたとき、梁３で支持するところは多角形の角部で支持することが好ましい。

ここでは、磁石４そのものを重りとして例示したが、自重により懸垂状態となるような重量を持つことと、磁界を発生する磁性を有している構成であれば何でも良く、例えば平板状のシリコンを重りとし、その表面に磁性体を貼り付ける構造、あるいは物理的・化学的に磁性体層を形成する構造であっても良い。従って、その場合は、梁３と、磁石４の中の重量体が一体物となっていても構わない。

すなわち、シリコンなどを用いて梁３を形成したとき、平板状に加工したシリコンを重りとなる磁石４のベースとなるように梁３と一体化形成し、その平板状に加工したシリコンの中心部に薄膜技術を用いて磁性体層を形成することによって磁石４と同等の構成を実現できることから、水平および水平に対する２軸方向の傾きを高分解能に検出することができる傾斜角センサを実現することができる。また、梁３を複数の折り曲げ部３ａを有することによって、小型化と高精度化と高い生産性を有する傾斜角センサを実現することができる。

また、樹脂５は、熱可塑性樹脂、あるいは熱硬化性樹脂等の樹脂材料であって、構造体として、梁３を固定すること、あるいは基板１と一体化することの役割を担っている。そして、梁３の固定、および基板１との一体化を満足するものならば、樹脂以外にはセラミック材料、絶縁処理をした金属材料などで構成しても良く、それぞれの構成部材を接合するための接着材等を用いても構わない。

次に、以上のように構成された傾斜角センサの動作原理について説明をする。図３は磁石４が三次元的に動いたときに発生する磁界の変化に応じて、抵抗値が変化する磁気抵抗体で構成したときの検出動作を説明するための特性概念図、図５は感磁パターン２の一例の平面図、図６は別の例の感磁パターン２の平面図である。

図３において、Ａ〜Ｃは、動作原理を判り易く説明するために、磁石４が所定の位置にいるときの位置に記号を付与したものである。そして、縦軸は所定の感磁パターン２の抵抗値を示し、横軸は感磁パターン２におよぼす磁界の強さを示している。

図３において、例えば、ある方向の強い磁界がかかる点Ａにおいて、抵抗値が最小値となる。そこから、磁石４が傾くことによって懸垂状態にある磁石４と感磁パターン２の位置関係が変化することによって感磁パターン２にかかる磁界の強さが弱くなり、感磁パターン２の抵抗値は大きくなっていく。そして、磁界の強さがゼロとなるＢ点で、感磁パターン２の抵抗値は最大値になる。その後、感磁パターン２に対して磁界のかかる向きが逆になるとともに、かかる磁界が強くなると抵抗値は小さくなり、Ｃ点において感磁パターン２の抵抗値は最小となるような特性を有している。このような特性を利用して傾斜角を測定することができる。傾斜角を測定するためには、例えば、図３で示した大きな抵抗値変化を示すＤ点からＥ点の範囲を用いることが好ましい。このＤ点からＥ点の抵抗値変化と傾斜角との関係を検量して初期設定しておくことによって、図４に示したような出力特性を示す。図４において、横軸は傾斜角センサの傾斜状態を示し、０度が水平状態に該当し、縦軸は得られる出力値を示しており、高精度に傾斜角の検知が可能となるものである。このような傾斜角に応じた出力比を検量することによって傾斜角を測定することができる傾斜角センサを実現することができる。

さらに、このような特性を持つ磁気抵抗部を有する感磁パターン２を用いて、水平度および傾斜角度を検出する方法について図５を用いて説明する。図５に示すように、感磁パターン２はミアンダ形状に形成された磁気抵抗体からなるものであり、入力電極１１から出力電極１２間に電気的に接続するものである。そして、非検知パターン１４は中点電位を確保するためのものであり、所定の抵抗値に合わせ込んで出力電極１２とグランド電極１３との間に電気的に接続している。

また、入力電極１１とグランド電極１３間とが中点電位となるように出力電極１２を設定することが好ましい。

なお、非検知パターン１４は感磁パターン２と同じ抵抗値および同じ温度係数を持つことが好ましく、感磁パターン２が検出する磁界変化を検出しないように設計することが好ましい。

このような感磁パターン２に用いる磁気抵抗体としてはＭＲセンサなどに用いられているＣｏＮｉ等を用いることができるとともに、ＧＭＲあるいはＳＭＲセンサなどに用いられるものであっても良い。

次に、磁石４は梁３により懸垂状態としており、傾斜角センサが水平の場合には、四つの梁３はバランス良く変位し、磁石４の下面と、感磁パターン２の形成面とは平行に配置している。

そして、磁石４は、上がＮ極、下がＳ極となるよう上下に着磁されており、発生する磁束は、図示する４つの感磁パターン２へ磁界の影響を同等に与えるように構成している。従って、４つの感磁パターン２の抵抗値は、全て同じ値となるようにし、この状態を水平と規定する。

次に、例えば右方向に下がるように回転する場合には右の感磁パターン２と磁石４との距離は小さくなって、そのときの抵抗値は大きくなる。反対に、対向する左の感磁パターン２と磁石４との距離は大きくなり、抵抗値は小さくなる。残る上下に位置する感磁パターン２と磁石４との距離は中間に位置し、抵抗値も中間値を示す。即ち、これら４つの感磁パターン２の抵抗値変化を比較することによって、右下がりに傾斜角センサが回転していることがわかる。そして、その傾斜角は図４に示したように、変化する出力値との相関から求めることができる。

さらに、例えば右対角線方向が下になるように回転する場合には、右および上に位置する感磁パターン２は、磁石４に近づくように変位することによって、前記二つの感磁パターン２の抵抗値は小さくなり、左および下に位置する感磁パターン２は、磁石４からは遠くなるように変位することによって、その抵抗値は大きくなる。ちなみに、このような対角線上に傾斜した場合は、右および上に位置するそれぞれの感磁パターン２の抵抗値は同値となり、左および下に位置する感磁パターン２の抵抗値は同値となる。このように、磁石４の変位が磁界の変化に置き換わり、感磁パターン２の抵抗値も変化させるように感磁パターン２の特性を適宜設計対応することによって、求められる傾斜角の精度・分解能を変えることができる。

なお、図５に示した感磁パターン２は磁石４の外形の辺と感磁パターン２の長手方向とが９０度となるようなパターン形状・配列としているが、磁石４から発する磁界の状態（水平成分あるいは垂直成分あるいは合成する絶対値を感磁するのか、また磁束の向きを感磁するのか）によっては、感磁パターン２に使用する材料との組合せにおいて、最適となる感磁パターン２の形状は、図５に限定されるものではなく、例えば、図６に示したように前記両者の位置関係が平行となるパターン形状としても同様の効果を発揮することができる。ここで、図６の感磁パターン２をＭＲ素子で形成したとき、図５に示した感磁パターン２と比較して、高感度に傾斜角を検出することができる。

また、感磁パターン２と非検知パターン１４、あるいは感磁パターン２どうしの接続においても、図５に示すものに限られるものではなく、左右の感磁パターン２の差分を取る、あるいは上下の感磁パターン２の差分を取ることによって傾斜角を算出しても良い。

例えば、左右の感磁パターン２を直列に接続することによって、左右の感磁パターン２の抵抗値の比によって、出力電圧値を変化させることができる。

具体的には、例えば右方向に下がるように回転する場合には右の感磁パターン２と磁石４との距離は小さくなって、磁界は小さくなるので、そのときの抵抗値は大きくなり、反対に、対向する左の感磁パターン２と磁石４との距離は大きくなって、磁界は大きくなることから、抵抗値は小さくなる。

その結果、左右の感磁パターン２間の抵抗値の差は大きくなり、図４とほぼ同様な出力電圧特性を有する傾斜角センサを得ることができる。

以上説明してきたように、本実施の形態１における傾斜角センサは、例えば水平面に対して鉛直方向の軸を中心とし、この軸を基準に時計回りあるいは反時計回りに傾けていくと、感磁パターン２との相対位置関係において、磁石４は複数の折り曲げ部３ａを有した複数の梁３によって懸垂支持されていることから、微少な位置関係の変化から比較的大きな変化が起こったとしても、三次元的にスムーズに動くことができる。

その結果として、磁石４の動きに追随するように、感磁パターン２には磁石４からの磁界が変化し、水平における磁界状態に対応した抵抗値（または出力電圧値）を直線性良く変化させることが可能となる。

以上のように、本実施の形態１における傾斜角センサは、磁性を有する重り（磁石）４と、この重り４に連接する梁３で支持するとともに、前記梁３は複数の折り曲げ部３ａを有する複数の梁３とし、磁性体の発する磁界の変化を感知し、この感知した磁界の強さに応じて抵抗値が変化する磁気抵抗部（感磁パターン）２を重り４の下面に配置し、この磁気抵抗部２の一端に電気的に接続され、かつ前記磁気抵抗部２の抵抗値に応じて出力する機能を備えたものである。

このような構成とすることによって、傾斜角センサの内部を移動する被検知物の検知を可能とする傾斜角センサおよび外部からの磁気の影響を受け難く、高分解能な傾斜角度の検出が可能となる傾斜角センサを実現することができる。

また、本実施の形態１における傾斜角センサは、例えばカメラ、ビデオカメラ等の電子機器に組み込んで例えば風景画を撮影する際、カメラ等が傾いていると撮影した画像も傾くこととなるが、カメラ等の傾きを検出し、その結果をフィードバックさせて画像が水平になるように補正することが可能となる。

本発明に係る傾斜角センサは、小型で高精度な傾斜角センサを実現できることから、各種電子機器の傾斜角センサとして有用である。特に絶対水平を必要とする電子機器に有用である。

本発明の実施の形態１における傾斜角センサの断面図 同平面図 同動作原理を説明するための特性概念図 同出力特性図 同感磁パターンの平面図 同別の例の感磁パターンの平面図

符号の説明

１ 基板
２ 感磁パターン
３ 梁
３ａ 折り曲げ部
４ 磁石
５ 樹脂
１１ 入力電極
１２ 出力電極
１３ ＧＮＤ
１４ 非検知パターン

Claims (7)

1. 磁性を有する重りと、この重りを支える複数の梁と、前記磁性を有する重りの変位による磁界の変化に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗部とを備え、前記梁は複数の折り曲げ部を有した傾斜角センサ。
2. 折り曲げ部の折り曲げ方向を同一回転方向に配置した請求項１に記載の傾斜角センサ。
3. 折り曲げ部を略直角とした請求項１に記載の傾斜角センサ。
4. 複数の梁を、重りの中心を基点として点対称に配置した請求項１に記載の傾斜角センサ。
5. 梁を金属とした請求項１に記載の傾斜角センサ。
6. 金属をシリコンとした請求項５に記載の傾斜角センサ。
7. 重りを平板状とした請求項１に記載の傾斜角センサ。

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