JP2013122380A - 加速度信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動が加わっていない時に、加速度信号処理装置内のセンサ本体を完全に停止させることで、電池寿命を延ばす。
【解決手段】加速度スイッチ００２の一方の貫通電極２０８は正電源または負電源に接続し、加速度スイッチ００２の他方の貫通電極２０７はマイコン３０１の割り込み入力端子３０２に接続する。加速度が加わるとマイコン３０１の割り込み入力端子３０２に信号が入力され、マイコン３０１がセンサ本体３０４を起動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度信号処理装置に関する。

従来から、使用者の腰等に装着して使用し、あるいは携帯バッグに収納し所持した状態で使用し、使用者の歩行をセンサによって検出して歩数を測定するようにした歩数計が利用されている。この種の歩数計は、表示部に歩数が表示されるように構成されている。ここで、従来の歩数計は、加速度センサからの歩行信号を検出する度に表示部の表示データ（歩数値）を更新していた（例えば、特許文献１参照）。

また、従来から、歩数計には、腕や腰に装着して使用する方式の歩数計がある。例えば、腕に装着して使用する腕歩数計においては、歩数計測精度を向上するために、腕振りを検出して２歩ずつ計測する方法や、上下の体動を検出し１歩ずつ計測する方法等が考えられている（特許文献２参照）。

また通常、歩行時には歩数計の表示をあまり見ないことから、歩数計筐体の蓋を閉めた状態を検出して、あるいは、衣服に歩数計を装着した状態を検出して表示動作を消灯し、省電力化を行う提案がなされていた。しかしながら、歩数計筐体の蓋の開閉を検出するためのスイッチや、衣服に装着したことを検出するスイッチ等が必要なため、専用のハードウェアの増加によってコストアップとなったり、小型化が困難になっていた。また、スイッチの状態検出のための制御などが必要になるため、構成が複雑になる。

以上の対策は、全て電池で駆動される歩数計の電池寿命を延ばすために考えられた。これは、歩数計で使用される加速度信号処理装置の消費電流が大きいためである。なぜなら、加速度スイッチに加わる振動を常時検出できるように、マイコンを常時動作させる必要がある。更に、マイコンは、センサを常時駆動させるとともに、センサの出力信号の検出準備も行う必要がある。このような状況では歩数計の電池寿命を延ばすことは不可能である。

特開昭５７‐４８１７６号公報 特開２００７‐３０７２１８号公報

しかしながら、従来技術において、加速度センサとマイコンを組み合わせた歩数計の加速度信号処理装置の場合、振動または加速度を検出するセンサを常時駆動させるとともに、マイコンを動作させるための電源を供給する必要があった。特に、小容量のバッテリしか搭載できない機器に組み込む場合、振動を検知しない時には、加速度信号処理装置を含むシステムを待機状態にし、振動を検知した時点で、システムを動作させることにより、バッテリの電力を無駄に使用しないように構成する必要があった。このように構成されたシステムでも待機時の消費電流のために、電池寿命が１〜２年程度であった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、歩数計の電池寿命を５年程度に延ばすことができる技術を提供するものである。具体的には、図２の加速度スイッチを用いて、歩数計が全く振動していないか、あるいは所定値より小さい振動しか加わっていない時には、歩数計の加速度信号処理装置内のマイコン及びセンサを、完全に停止させる。

一方、加速度スイッチに所定値以上の振動が加わった時には、前記マイコン及びセンサを起動させた加速度信号処理装置を提供することである。上記において、所定値以上の振動が加わった時とは具体的に、起床後に歩数計を体に装着する時の振動をさす。

以下、上記した課題を解決するため、本発明の態様では、電源電圧を有する電源部と、電源部の一方から電源電圧が一方の電極に供給される加速度スイッチと、加速度スイッチの他方の電極に接続されるマイコンと、マイコンと双方向に信号を交換することが可能であるとともに、マイコンからの信号を受けて起動または停止し、起動時には加速度情報をマイコンに出力するセンサ本体と、を有する加速度信号処理装置を提供する。

さらに、本発明の態様では、加速度スイッチとマイコンの間に一端が接続される負荷素子と、をさらに有し、負荷素子の他端は電源部の他方に接続されていることを特徴とする。
さらに、本発明の態様では、負荷素子は、抵抗、コンデンサまたはトランジスタの少なくとも１つ含むことを特徴とする。
さらに、本発明の態様では、加速度スイッチは、内側に空間を持つ質量体と、質量体を支持する梁と、空間に位置する対向電極と、を有することを特徴とする。

さらに、本発明の態様では、加速度スイッチは、質量体と対向電極が接触することによってＯＮに切替えられるスイッチであって、質量体と対向電極の隙間は、加速度スイッチに所定値以上の振動エネルギーが付加された場合に、質量体と対向電極が接触する隙間であることを特徴とする。
さらに、本発明の態様では、所定値は、人間が動作を開始した時の加速度値であることを特徴とする。

このような構成を採用したことによって、加速度スイッチの加速度信号処理装置において、加速度スイッチのオン状態によりマイコンまたは加速度センサの少なくともひとつに起動をかけることによって、それまで機能を停止していたマイコンまたは加速度センサを起動させる。これにより、機能を停止していたときのマイコンまたは加速度センサの消費電流を押さえることであり、かつ前記加速度スイッチの加速度信号処理装置も電流を消費しない装置を実現している。

具体的には加速度スイッチの加速度信号処理装置において、正電源と負電源の間に加速度スイッチと抵抗またはコンデンサ、または両者で構成された素子、またはトランジスタ等で構成されたアクティブ素子を配置することによって加速度スイッチを有効に機能させる手段を有することである。

本発明に係る加速度信号処理装置によれば、加速度スイッチに加わる振動が所定値より小さい時に、加速度信号処理装置の駆動電流を大幅に低減させたシステムを構築することができる。

本発明の加速度信号処理装置の実施例を示す模式図である。 従来から公知の加速度スイッチの模式的な横断面図である。 従来から公知の加速度スイッチの模式的な縦断面図である。 従来から公知の加速度スイッチの動作の説明図である。 従来から公知の加速度スイッチの実施例を示す模式的な横断面図である。

〔実施例１〕
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。
まず、意匠文献にある第一の加速度スイッチの構成と動作について説明する。
図５は意匠登録１３１００５３号に見られる質量体内部の空間に対向電極を持つ、無指向性加速度スイッチ００１の構成を説明する、上面側から見た図である。００１は加速度スイッチ１０１の周辺部（外枠）、１０２から１０５は重り１０６を支える梁。１０７は対向電極である。しかし、梁が4本と多く複雑なため、詳細の説明は図５に代わって梁が１本の場合について、図２を用いて行う。なお、以下の記述は、図５に示す４本梁の形状を本発明の範囲から除外するものではなく、本発明の実施例をより簡単に述べるために記載するものである。

図２は上述したように梁１本の場合の第二の加速度スイッチ００２の上面側から見た図である。ただし、実際にはこの上にキャップとなる層(図３において示す第１基板２０５)、およびこの下には支持層(図３において示す第３基板２０６)が存在する。図３は図２で示すＡ−Ａ´面で切った断面図であり、図２で省略されている層も含む。また図２は図３のＢ−Ｂ´面で切った図に相当する。

図２〜図３に示すように、加速度スイッチ００２は、上から、ガラスなどの絶縁材料を用いる第１基板(キャップ層)２０５、単結晶シリコンなどを用いる第２基板２０１(２０２、２０３、２０４も含む)、およびガラスなどの絶縁材料を用いる第３基板(支持層)２０６が積層されて構成される。第２基板の単結晶シリコンは電気的な導通を取るためたとえば低抵抗シリコンが使用される。また、貫通電極２０７および２０８は金などの金属を埋め込むことにより形成され、加速度スイッチを外部と結びつけるための接点となる。また第１基板と第３基板は陽極接合などの方法により第２基板と接合される。

以下、本発明の加速度スイッチ００２の実施例１の具体的な形状について、図２および３を参照して説明する。
まず、加速度スイッチ００２の第２基板は、図２の外側から内側に向かって、基板周辺部２０１、梁２０２、質量体２０３、および対向電極２０４の順に構成されている。

基板周辺部２０１は、後述する梁２０２との接合部を除いて、図２におけるその略中心を円柱状にくりぬいた内周形状（基板内面２０１ａ）を有している。そして、基板周辺部２０１は、図３における第１基板２０５と第３基板２０６によって図３における上側と下側から挟まれている。基板周辺部２０１が挟まれる形態は特に限定されないが、本実施例では、図２に示す基板周辺部２０１の斜線部全幅にわたって、第１基板２０５と第３基板２０６によって挟まれる形態を示している。

質量体２０３は、図２における質量体内面２０３ａと質量体外面２０３ｂを有する環状（円筒形状）に形成されており、基板周辺部２０１の円柱状にくりぬかれた基板内面２０１ａの内側に位置している。さらに、質量体２０３は、図３における第１基板２０５と第３基板２０６に接することなく、第１基板２０５と第３基板２０６との間にそれぞれ空隙を介して位置している。

梁２０２は、基板周辺部２０１と質量体２０３とを接続するとともに、弾性を有し基板周辺部２０１と質量体２０３の隙間を略一周するように形成されている。具体的に、梁２０２の一端は、基板内面２０１ａの図面下側で基板周辺部２０１に接続され、梁２０２の他端は、質量体外面２０３ｂの図面下側で質量体２０３に接続されている。さらに、質量体２０３と同様に、梁２０２は、図３における第１基板２０５と第３基板２０６に接することなく、第１基板２０５と第３基板２０６との間にそれぞれ空隙を介して位置している。なお、図３における梁２０２の上面は質量体２０３の上面と面一であるが、梁２０２の上面を基板周辺部２０１と第一基板２０５との接続面と面一にすることも可能である。また、図３における梁２０２の上下幅は質量体２０３の上下幅よりも薄く形成されている。

対向電極２０４は、円柱形状であって、質量体内面２０３ａの内側に位置するとともに、加速度スイッチ００２の略中心に位置している。また、対向電極２０４の中心は、基板周辺部２０１および質量体２０３の中心と略一致している。さらに、対向電極２０４は、図３における第１基板２０５と第３基板２０６によって図３における上側と下側から挟まれている。

貫通電極２０７および２０８は、本実施例では図３における第１基板２０５の上面から深さ方向にむけて、先端が細くなるような形状または円錐形状を有している。そして、貫通電極２０７および２０８は、互いに接することなく、図３における基板周辺部２０１および対向電極２０４にそれぞれ接する深さまで第１基板２０５を貫いて形成されている。また、貫通電極２０７および２０８と、基板周辺部２０１および対向電極２０４とを確実に接続するために、基板周辺部２０１および対向電極２０４にそれぞれ凹部２０１ｂおよび２０４ｂを形成し、貫通電極２０７および２０８の先端が凹部２０１ｂおよび２０４ｂに入り込むようにした。なお、貫通電極の役割は、基板周辺部２０１および対向電極２０４の電気的導通をそれぞれ取るものであるから、基板周辺部２０１および対向電極２０４にそれぞれ接していれば、どのような形状でも構わない。

ここで、基板周辺部２０１と対向電極２０４は、図３における第１基板２０５と第３基板２０６によって挟まれているが、上述のとおり第１基板２０５と第３基板２０６は絶縁材料で形成されているため、基板周辺部２０１と対向電極２０４が電気的に導通することはない。

なお、本実施例では、第１基板２０５と、基板周辺部２０１および対向電極２０４と接している表面は、基板周辺部２０１側および対向電極２０４側に突出するように形成している。これは、上述した梁２０２および質量体２０３と、第１基板２０５との間に容易に空隙を設けることを目的としたものである。そのため、第３基板２０６と、基板周辺部２０１および対向電極２０４と接している表面において、第３基板２０６が基板周辺部２０１側および対向電極２０４側に突出するように形成することも可能である。

ここで、図４に示すように矢印方向に加速度が加わると加速度スイッチ００２全体は矢印方向に運動し、梁２０２で支えられた質量体２０３は運動しないため、質量体内部の空間にある対向電極２０４と質量体２０３が接触する。なお、図４ではわかりやすくするため、質量体２０３周辺の梁２０２や基板周辺部２０１は省略されている。これにより、電気的導通が対向電極２０４から質量体２０３、梁２０２、基板周辺部２０１、貫通電極２０７を通り外部接点とつながる。また対向電極２０４はもう一つの貫通電極２０８を通じて外部接点とつながる。

なお、より具体的な実施例として、対向電極２０４と質量体２０３との隙間を規定する。この隙間は、本実施形態において質量体２０３に所定値以上の振動または重力が加わった際に、対向電極２０４と質量体２０３とが接触し、加速度スイッチ００２が起動するように定める。例えば、０．８Ｇ〜１．２Ｇ以上の負荷が加速度スイッチ００２に付加された場合に、質量体２０３が対向電極２０４と接触するように定める。この所定値は、人間が動作を開始した時の加速度値である。特に、歩数計などの電子機器において加速度スイッチのようなモジュールを採用した場合に、該加速度スイッチが起動されるのには１Ｇ以上の負荷が付加される場合を構想するのが最適である。

例えば０．８Ｇ〜１．２Ｇ以上の負荷によって起動されると定義した理由は、一般の振動ノイズと称されるような微振動は０．８Ｇより小さい振動がその大半である点が挙げられる。さらに、歩数計が取り付けられる腕や腰において、歩数を計測する場合に歩数計に付加される振動エネルギーは、おおよそ０．８Ｇ以上の数値を示している点が挙げられる。特に、歩き始めた際の腰に付加される重力は１．５Ｇを超える負荷がかかるため、この隙間を規定することにより、歩数計の種類によって、加速度スイッチをＯＮにする所望のタイミングを設定することができる。

これによりこの加速度スイッチは、振動の強さがある一定値以上になれば加速度スイッチはオン（貫通電極２０７と２０８間の導通がとれた状態）し、振動の強さが一定値以下になればオフ（貫通電極２０７と２０８間の導通がとれていない状態）する。この接点オン、オフ状態をマイコンやセンサ素子の割り込み入力端子に入力し、マイコンやセンサ素子に起動をかける。図１を用いて詳細に説明する。

図１は、加速度スイッチとマイコンを接続する回路図である。加速度スイッチ００２は２つの接続線のうち、一方（貫通電極２０８）を正電源ＶＤＤ（電源部の一方、ＶＤＤは電源電圧）へ、他方（貫通電極２０７）をマイコン３０１の割り込み入力端子３０２へ接続している。また、負荷３０３は、加速度スイッチ００２およびマイコン３０１と接続していない方の線を接地（電源部の他方・負電源ＶＳＳに接続）しており、マイコン３０１の割り込み入力端子３０２は負荷３０３を介して接地される。つまり、加速度スイッチ００２と負荷３０３を接続する線は、その途中でマイコン３０１と接続される接続点を有している。また、マイコン３０１にはセンサ本体３０４が接続されている。このセンサ本体３０４は、マイコン３０１からの信号を受けて起動または停止し、起動時には加速度情報をマイコン３０１に出力する。つまり、センサ本体３０４はマイコン３０１と双方向に信号を送受信することができる。ここで、負荷３０３は加速度スイッチ００２がオフの時にマイコン３０１の割り込み入力端子３０２の電位レベルを決める役目をする。したがって、抵抗またはコンデンサで構成される。

なお、負荷３０３を用いずにこの回路を完成することも可能である。その場合、上述と同様に、加速度スイッチをマイコン３０１の割り込み入力端子３０２へ接続するが、上述の構成と異なり、負荷３０３を当該回路の配線上に設けず、かつ当該回路と電源部の一方のみを接続する。

また、負荷３０３は、抵抗またはコンデンサを直列もしくは並列に組み合わせてもよい。さらに、トランジスタ等のアクティブ素子を用いても同様の機能を実現することができる。説明を簡便にするために、以下では負荷３０３は抵抗３０３として説明する。また、図１では加速度スイッチの開閉情報はマイコン３０１を起動するためにマイコン３０１に入力されているが、直接センサ本体３０４に入力して、センサ本体３０４を起動させる構成にしても本発明を達成することができる。

次に動作を説明する。振動または加速度が発生していない状態あるいは所定値より小さい振動しか加わっていない状態では、マイコン３０１は全ての機能がオフ状態もしくは一部の機能のみオン状態になっており、電流はほとんど消費していない。振動または加速度が発生していない状態あるいは所定値より小さい振動しか加わっていない状態なので加速度スイッチ００２の接点はオープンであり、正電源ＶＤＤへ接続されず、割り込み入力端子３０２への入力は抵抗３０３によりプルダウンされているのでＬｏｗ（負電源ＶＳＳ）である。

次に、ある一定値以上の振動または加速度が発生した状態では、加速度スイッチ００２の接点が閉じ、正電源ＶＤＤが割り込み入力端子３０２に入力される。この時、抵抗３０３を介して電流が流れるが抵抗３０３の抵抗値を大きくしておき、その消費電流を抑える。割り込み入力端子３０２に入力されたＨｉｇｈ信号はマイコン３０１を起動させる。すなわち、マイコン３０１の割り込み入力端子３０２はＨｉｇｈレベルで割り込みがかかるタイプのマイコンである。

なお、消費電流を抑える点に着目し、図１に示した加速度スイッチ００２と負荷３０３の配置を入れ替えた構成とすることも可能である。これらの形態は、所望の回路構成を実現するために、選択的に構成することが可能である。

起動したマイコン３０１はセンサ本体３０４を起動させる信号をセンサ本体３０４に送り、センサ本体３０４によりリアルタイムの振動または加速度を計測する。すなわち、加速度スイッチ００２はセンサ本体３０４を起動させるために使用することができる。

この目的からすると、加速度スイッチ００２の一端をセンサ本体３０４に直接接続して、マイコン３０１を介さずにセンサ本体３０４を起動させてもよい。この形態によって、振動または加速度に対するセンサ本体３０４の応答性をさらに向上することができる。一般にセンサ本体３０４は低消費電流モードを持っているが、本発明では完全にセンサ本体３０４を停止させ、その消費電流を完全にゼロにすることができる。これにより、システムの一層の低消費電流化を実現することができ、歩数計の電池寿命を５年程度に延ばすことができる。

振動または加速度の発生が停止した状態では、センサ本体３０４からの信号がなくなるので、マイコン３０１はそれを検知することができる。この状態では、センサ本体３０４を動作させておく必要がないので、低消費電流化の為にセンサ本体３０４の動作を停止させる。その後、マイコン３０１は全ての機能がオフ状態もしくは一部の機能のみオン状態に入り、消費電流を低減させる。

本実施例では割り込み入力端子３０２はＨｉｇｈレベルで割り込みがかかる例で説明したが、マイコンによってはＬｏｗレベルで割り込みがかかるものがある。この場合には、全ての接続および状態を実施例と逆にすることで、同様の効果を得ることができる。例えば図１の説明において、正電源（ＶＤＤ）を負電源（ＶＳＳ）に、プルダウンをプルアップに、プルアップをプルダウンに、ＨｉｇｈレベルをＬｏｗレベルに読み替えればよい。

なお、本実施例で説明した図１に示す第二の加速度スイッチにて用いる電気回路は、図５に示す第一の加速度スイッチにて、使用できる汎用性がある。具体的に、第一の加速度スイッチと第二の加速度スイッチの差異は、梁が１本か４本かどうかという点であるため、図１に示す電気回路はもちろんのこと、貫通電極２０７および２０８の構成も変えずに使用することが可能である。

さらに、第一の加速度スイッチの形態で詳述していないが、第一基板２０５および第三基板２０６も図３に示す形態および、実施例にて上述した構成をそのまま使用することができる。

また、本実施例では、加速度スイッチを用いた加速度センサに注目して特記したが、本発明が使用される形態は、加速度センサと称される機械要素に限らず、世間一般に知られた、振動または加速度をセンシングする機械要素全般に利用することが可能である。

００１ 第一の加速度スイッチ
１０１ 第一の加速度スイッチの基板周辺部
１０２ 第一の加速度スイッチの梁
１０３ 第一の加速度スイッチの梁
１０４ 第一の加速度スイッチの梁
１０５ 第一の加速度スイッチの梁
１０６ 第一の加速度スイッチの質量体
１０７ 第一の加速度スイッチの対向電極
００２ 第二の加速度スイッチ
２０１ 第二の加速度スイッチの基板周辺部
２０２ 第二の加速度スイッチの梁
２０３ 第二の加速度スイッチの質量体
２０４ 第二の加速度スイッチの対向電極
２０５ 加速度スイッチの第１基板
２０６ 加速度スイッチの第３基盤
２０７ 加速度スイッチの貫通電極
２０８ 加速度スイッチの貫通電極
３０１ マイコン
３０２ 割り込み端子
３０３ 負荷（抵抗）
３０４ センサ本体

Claims (6)

1. 電源電圧を有する電源部と、
   前記電源部の一方から前記電源電圧が一方の電極に供給される加速度スイッチと、
   前記加速度スイッチの他方の電極に接続されるマイコンと、
   前記マイコンと双方向に信号を交換することが可能であるとともに、前記マイコンからの信号を受けて起動または停止し、起動時には加速度情報を前記マイコンに出力するセンサ本体と、を有する加速度信号処理装置。
2. 前記加速度スイッチと前記マイコンの間に一端が接続される負荷素子と、をさらに有し、前記負荷素子の他端は前記電源部の他方に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度信号処理装置。
3. 前記負荷素子は、抵抗、コンデンサまたはトランジスタの少なくとも１つ含むことを特徴とする請求項２に記載の加速度信号処理装置。
4. 前記加速度スイッチは、内側に空間を持つ質量体と、前記質量体を支持する梁と、前記空間に位置する対向電極と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の加速度信号処理装置。
5. 前記加速度スイッチは、前記質量体と前記対向電極が接触することによってＯＮに切替えられるスイッチであって、前記質量体と前記対向電極の隙間は、前記加速度スイッチに所定値以上の振動エネルギーが付加された場合に、前記質量体と前記対向電極が接触する隙間であることを特徴とする請求項４に記載の加速度信号処理装置。
6. 前記所定値は、人間が動作を開始した時の加速度値であることを特徴とする請求項５に記載の加速度信号処理装置。

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