JP4360947B2 - 傾斜センサ - Google Patents

Description

本発明は、傾斜センサに関し、特に、携帯電話やデジタルカメラなどの縦または横のいずれに傾けても使用可能な電子機器の傾斜状態を検出するための傾斜センサ（スイッチ）に関する。また、様々な電子機器の傾斜角度を検出するための傾斜センサに関する。

従来、傾斜センサとして、例えば、特許文献１に開示のものがある。この傾斜センサでは、ハウジング内に永久磁石、ハウジング下部に２個の磁気検出素子がそれぞれ配設されている。また、ハウジングは永久磁石が転動する転動面を異なる２方向に延びるよう形成してある。

前記傾斜センサによれば、傾斜センサを装着する被検出体の、ある特定の２方向の傾斜（例えば、縦と横）を検知することが可能である。縦か横かを判別するので、傾斜スイッチとして用いられる。

特開２００１−３２４３２４号公報 国際公開第０２／０８６６９４号公報

しかしながら、前記傾斜センサでは、被検出体がある特定の２方向に傾いているか否かしか判別することができない。例えば、前記２方向の中間付近の傾斜の場合は、出力が以前の状態に依存し、正確な傾斜を検知することは不可能である。

さらに、磁気センサ２個を別々に配置しており、ハウジングと磁気センサとの相対的な位置ずれ、および、２個の磁気センサの相対的な位置ずれが生じやすい。また、２個の磁気センサの特性ずれが原因で精度良く傾斜を検知できないことがある。

また、磁石を内包するハウジング部が大きく、傾斜センサ全体の大きさ（特に厚さ）を小さくすることが非常に困難であった。これは、磁気センサに磁性体を有したもの（例えばフェライトチップを用いた磁気増幅タイプのホールセンサ）を用いると、磁石がその磁性体に吸引され、被検出体が傾斜しても、磁石が鉛直方向に転動しないことが原因である。そのため、磁気センサと磁石との距離をある程度（磁石の強度、大きさにもよるが、例えば１ｍｍ以上）離す必要が生じた。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、特定の方向のみならず、様々な方向に傾斜していることを精度良く検知でき、複数の磁気センサと磁石の相対的な位置ずれが生じにくく、小型化（特に薄型化）が可能で、多様なアプリケーションに対応できる傾斜センサを提供することにある。

本発明の傾斜センサは、このような目的を達成するためになされたものであって、請求項１に記載の発明は、非磁性材料からなる複数の磁気検出素子を収納する磁気センサと、該磁気センサ上に設けられ、前記磁気センサとの間に内部空間を形成する非磁性材料からなるハウジングと、該ハウジングの前記内部空間内において円弧状に移動可能で、かつ前記ハウジングと前記磁気センサとで挟みこむように収納保持された磁石とを有し、
該磁石は、前記磁気センサ上で、かつ前記内部空間内において、前記磁石の表面から前記磁気検出素子の感磁部までの距離が０．２〜０．８ｍｍとなるように配置され、
前記ハウジングの傾きに応じて、前記磁石が前記ハウジングの前記内部空間内を重力に従って移動し、前記複数の磁気検出素子により前記磁石の内部空間内の位置が感知されることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ハウジングの内部空間は、略円盤状、略リング状、または略Ｃ字状に形成されていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記磁石は、略円盤状または略リング状に形成されており、その中心軸方向に着磁されていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の本発明において、前記磁気検出素子が、前記ハウジングの周囲に沿って円弧状に配置されていることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の発明において、前記磁気検出素子がシリコンからなることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の発明において、前記複数の磁気検出素子は、１つのパッケージに収められていることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記ハウジングの内部空間は、前記ハウジングと、前記パッケージとの間に形成されていることを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれかに記載の発明において、前記磁気検出素子の出力信号を信号処理し、被検出体の傾斜角度もしくは被検出体が所定の方向に傾斜しているか否かを出力する処理回路を有することを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記磁気検出素子と前記処理回路が間欠駆動動作することを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、傾斜を検出すべき被検出体と、前記被検出体に設けられる請求項１から９のいずれかに記載の傾斜センサと、を有し、前記ハウジングの内部空間は、その中心軸が略水平となるよう配置され、装着される被検出体の傾きに応じて、前記ハウジングの内部空間中を重力に従って移動する前記磁石を、前記磁気検出素子で感知することを特徴とする。

なお、磁気検出素子としては、ホール素子や磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）など様々な磁気検出素子が適用可能である。被検出体が、ある所定方向に傾斜しているか否かを判断するには、０と１のデジタル出力を有する磁気検出素子（例えばホールＩＣやＭＲＩＣなど）を用いるのが好ましい。被検出体が、どの方向に傾斜しているかを判断するためには、デジタル出力ではなくアナログ出力の磁気検出素子（例えばホール素子やＭＲ素子）を用いるのが好ましい。

また、複数の磁気検出素子を１つのパッケージに収納することにより、磁気検出素子間の位置ずれを非常に小さくすることができる。また、製造工程上、１つのパッケージに収納された複数の磁気検出素子の特性は非常に似通ったものであり、傾斜を精度良く検知できるようになることは言うまでもない。

また、磁気検出素子は非磁性体からなることが好ましい。磁性体からなる磁気検出素子を用いた場合、磁石が磁気検出素子に吸引され、被検出体が傾斜しても、磁石が転動しないおそれがあり、また、磁気検出素子による吸引力の影響を小さくするために、磁石と磁気検出素子との距離を大きくする必要があり、傾斜センサの小型化を阻害することになるのは言うまでもない。

また、非磁性体の磁気検出素子（例えば、シリコンや磁気増幅しないホール素子、半導体ＭＲなど）を用いることにより、磁石の吸引力の影響を無視できるので、磁石と磁気検出素子との距離を短くする（１ｍｍ以下にする）ことが可能になる。磁石表面から、磁気検出素子の感磁部までの距離を０．２〜０．８ｍｍにすることにより、傾斜センサの小型化（低背化）に著しく効果があり、全体で１．５ｍｍ程度以下の厚さの傾斜センサも構成可能になる。

磁石については、特に種類の限定はないが、通常量産されているフェライト系、サマリウム−コバルト系、ネオジ系など様々な磁石が適用可能である。携帯機器などで使われる場合は、部品の小型化が必須であるので、小さくても強磁場を発生するサマリウム−コバルト系やネオジ系の磁石を用いるのが好ましい。また、磁石の小型化が容易で、成形性が優れているプラスチック磁石を用いることが好ましい。

磁石形状については、転動しやすい略円柱形状か略リング形状にすると良い。さらに、転動しやすいよう、磁石を面取りしたり、表面の摩擦係数を低減する処理（例えば、研磨、摩擦係数の低いシートの接着、メッキなどの表面処理）を行うことも可能である。また、磁石の着磁方向は軸方向（高さ方向）にすると良い。

ハウジングは、非磁性体材料で構成する必要がある。磁性材料で構成すると、磁石が固着され、被検出体を傾斜させても、磁石が転動しないためである。よって、ハウジングは、磁性体を含まない樹脂で成形したり、非磁性の金属（例えば銅や一部のステンレス鋼など）を用いて構成するのが良い。

また、ホール素子などの磁気センサのパッケージ（モールド樹脂）との間にハウジングの内部空間を形成することも可能であり、この構成をとることにより、磁気センサと磁石の相対位置のずれを非常に小さくすることができる。

また、内部空間は、磁石がどの方向の傾斜でも転動しやすいように、略円柱状、略リング状、または略Ｃ字状の形状を有していることが好ましい。さらに磁石が移動しやすいように、内部空間の摩擦係数を低減する処理（例えば、研磨、摩擦係数の低いシートの接着、表面処理）を行うのが好ましい。

被検出体がある所定の方向に傾斜しているか否かを検出する場合、信号処理回路は、例えば、磁気検出素子の検出信号を所定の閾値で比較し、前記閾値より大きければローレベル、小さければハイレベルを出力するシュミットトリガ回路で構成することが可能である。また、信号処理回路の出力がチャタリングをおこさないように、閾値を、ハイレベルからローレベルに変化する時の第１の閾値と、ローレベルからハイレベルに変化する時の第２の閾値、というように別々の値に設定することがより好ましい。

被検出体がどの方向に傾斜しているかを検出する場合、信号処理回路は、例えば、複数の磁気検出素子の出力信号を差動増幅し、ルックアップテーブルを参照することにより、傾斜角度を算出することが可能になる。本例以外にも様々な信号処理を行うことにより、被検出体の傾斜角度を検出できることは言うまでもない。

また、バッテリー駆動の携帯電話機やデジタルカメラなどで使用する場合は、傾斜センサを低消費電流化するため、間欠駆動動作するようにしても良い。一例として、スリープ時間を５０ｍｓｅｃとし、アウェイク時間を２４μｓｅｃとすることなどが可能である。スリープ時間とアウェイク時間の比で低消費電流化が図れるので、この比を所望の値に変更することにより、更なる低消費電流化も可能になる。

なお、前記磁気センサだけを被検出体に設け、後からハウジングをかぶせるようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、非磁性材料からなるハウジング内で、その傾きに応じて移動する磁石を、磁気センサで感知することにより、装着される被検出体の傾きを検出する傾斜センサにおいて、前記ハウジングの内部空間は、例えば、略円弧状に形成されているので、特定の方向のみならず、様々な方向に傾斜していることを精度良く検知でき、複数の磁気センサと磁石の相対的な位置ずれが生じにくく、小型化（特に薄型化）が可能な傾斜センサを提供することができ、多様なアプリケーションに対して好都合に対応することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１と図２は、本発明の傾斜センサの一実施例を示す図である。それぞれの（Ａ）は上面透視図であり、（Ｂ）は（Ａ）図のＡ−Ａ線もしくはＢ−Ｂ線における断面図である。また、同機能を有する部材には同符号を与えてある。この傾斜センサは、大略、ハウジング１１、磁石１２、４個の磁気検出素子１４を１つのパッケージ内に収納した磁気センサ１３で構成される。

図３は、図１に示す本実施例の傾斜センサ５１を被検出体５２に搭載し、被検出体５２の傾斜を検出する例を示す図である。被検出体５２は、例えば、デジタルカメラや携帯電話などである。図３に示すように、傾斜センサ５１内の磁石は、ハウジング内を転動し、鉛直下方向に移動する。磁石の転動を４個の磁気検出素子の出力信号より検出し、どの方向が鉛直下向きになっているか（換言すると、被検出体の傾斜具合）を検出することが可能である。図３に示すように、本発明の傾斜センサ５１は、被検出体５２の回転軸に対して垂直な平面（図３では紙面と平行な平面）上に、複数の磁気検出素子が配置されるよう、配設される。

ハウジング１１は、略リング状や略円柱状（それ以外にも、磁石１２が移動しやすい形状であれば良い）の内部空間１５を有する構造である。本実施例では、磁気センサ１３のパッケージの一部（パッケージ上面）とハウジング１１で挟み込むことで、磁石１２が内部空間１５の中を移動自在に保持されている。ハウジング１１と磁気センサ１３は、嵌合、接着、溶着、ねじ止めなどで一体化することが可能である。

本実施例では、磁石１２を、ハウジング１１と磁気センサ１３のパッケージの一部で挟み込む構造としているが、ハウジング１１だけで内部空間１５を形成するようにしても良い。

磁石１２は、略円柱状（それ以外にも、円柱状、円盤状、リング状の形状を含み、内部空間１５の中を移動自在な形状であればよい）で、高さ方向にＮＳの着磁がなされている。なお、着磁の向き（ＮＳの向き）は、特に限定されるものではない。

本実施例では、磁石１２は直径が１．２ｍｍ、高さが０．６ｍｍ程度のものや、直径２ｍｍ、高さが１ｍｍ程度の、非常に小型で薄型のものを採用した。なお、磁石１２には、焼結磁石、プラスチック磁石、ゴム磁石など種々の磁石が適用可能である。また、被検出体の傾斜に対し磁石１２が移動しやすいように、比重の大きな材料（鉄や銅など）を磁石と組み合わせても良い。例えば、リング状の磁石の中心孔に、比重の大きな材料を圧入しても良い。その他にも、内部空間１５との摩擦が小さくなるよう、磁石１２の形状に面取りを施したり、研磨やメッキなどの表面処理を行うことも可能である。

磁気センサ１３は、複数個の磁気検出素子１４を１つのパッケージに収納し、その磁気検出素子１４は内部空間１５の下部に位置するよう、それぞれ配設されている。本実施例では、磁気検出素子１４にホール素子を使用した。具体的には、旭化成電子株式会社製の４個入りホール素子ＨＱ８２２０（商品名）を磁気センサ１３として用いた。対角に位置するホール素子間の距離は、それぞれ３．１ｍｍである。磁石１２を小さくすれば、この磁気検出素子１４間の距離を縮めることも可能である。具体的には１ｍｍ程度に縮め、傾斜センサの小型化に貢献することができる。また、磁気センサ１３は、ハウジング１１にインサート成形したり、後加工で一体化するほか、ハウジング１１を装着するプリント基板等にあらかじめ実装しておくようにしても良い。

磁気検出素子１４には、例えば、ホール素子やホールＩＣ、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）や磁気抵抗効果ＩＣ（ＭＲＩＣ）など、磁石１２の転動に伴う磁束密度変化を検出可能で小型かつ薄型のものを用いるのが好ましい。

本実施例の傾斜センサを用いて、磁気検出素子１４が配置される４方向のうちいずれの方向に傾斜しているかを検出する傾斜スイッチを構成する場合、磁気検出素子１４にデジタル出力の磁気検出素子であるホールＩＣやＭＲＩＣを用いるのが好ましい。その他の方法として、磁気検出素子１４にアナログ出力のホール素子やＭＲ素子を用い、その検出信号を増幅器で増幅してレベル判別回路に入力することも可能である。レベル判別回路は、例えばコンパレータを含んでおり、これにより検出信号を所定の検出レベルに応じてデジタル信号に変換するよう構成できる。なお、増幅器以降の処理は、ＩＣなどの処理回路を用いて行うことができる。また、この処理回路と複数の磁気検出素子を１つのパッケージに収納した磁気センサを用いることも当然可能である。

また、バッテリー駆動の機器に本実施例の傾斜センサを使用する場合は、傾斜センサの低消費電流化が必須であるので、磁気センサ１３を間欠駆動動作させるようにしても良い。一例として、スリープ時間を１００ｍｓｅｃとし、アウェイク時間を２４μｓｅｃとすることが可能である。スリープ時間とアウェイク時間の比に相関する形で低消費電流化が図れるので、この比を所望の値に変更することにより、更なる低消費電流化も可能である。間欠駆動動作は処理回路などのＩＣを用いることにより可能である。また、この処理回路と複数の磁気検出素子を１つのパッケージに収納した磁気センサを用いることも当然可能である。

本実施例の傾斜センサを用いて、被検出体がどの方向（角度）に傾斜しているかを検出する傾斜角度センサを構成する場合、磁気検出素子１４にアナログ出力の磁気検出素子であるホール素子やＭＲ素子を用いるのが好ましい。例えば、特許文献２で示すような、磁気検出式ポインティングデバイスにおける磁石位置を算出するアルゴリズムを用いることで、本傾斜センサの磁石１２の位置を検出することが可能である。つまり、本実施例の構成をとることで、被検出体の傾斜角度（何度傾いているか）を検出することが可能になる。

また、この傾斜角度を算出する処理回路と複数の磁気検出素子を１つのパッケージに収納した磁気センサ（例えば、旭化成株式会社製のホールＩＣであるＥＱ８２１１（商品名）など）を用いると、より一層の小型化と薄型化が図れることは言うまでもない。

また、磁気センサ１３は非磁性材料で構成されていることが好ましい。磁気センサ１３の構成要素であるリードフレームはもちろんのこと、磁気検出素子１４も非磁性材料からなるものを用いるのが好ましい。また、リードフレームのメッキについても、ニッケルやパラジウムなどの磁気特性を有するものではなく、銀やすずなどの非磁性材料を用いるのが好ましい。

磁気センサが磁性材料を有する場合、磁性材料の残留磁束密度や集磁効果が原因となり、傾斜センサに角度検出誤差を生じさせる問題がある。また、磁性材料が磁石１２に磁気的な吸引力を与え、被検出体が傾斜しても、磁石１２が鉛直方向に移動しないという問題が生じることもある。さらに、前記磁気的な吸引力の影響を小さくするため、磁石と磁気センサ間の距離を大きくする必要があり、傾斜センサが大型化・厚型化する傾向になる。その結果、携帯電話などの小型機器に搭載するのが難しくなるという問題が発生する。現在発売されている傾斜センサは、磁石と磁気検出素子の感磁部までの距離が１ｍｍ以上のものしかないが、非磁性材料の磁気センサを用いることにより、その距離を０．２〜０．８ｍｍ程度まで短くすることができ、傾斜センサの薄型化に貢献することが可能である。
また、磁気検出素子１４はシリコンを有するものを用いることも可能である。例えば、シリコンを用いたホール素子や、シリコン基板上にヘテロ成長を行った磁気抵抗効果素子などである。シリコンを有する磁気検出素子は、通常の半導体プロセスを用いて作製可能であるので、磁気検出素子間の相対的な位置ずれをμｍ以下のオーダで制御することも容易である。さらに、磁気検出素子の出力信号を傾斜センサの出力に変換する処理回路（ＩＣ）も、同時に同基板を用いて作製可能であるので、磁気センサ１３の小型化・高機能化に非常に有効である。

また、本実施例では磁気検出素子を４個利用したものを磁気センサとして用いたが、検出したい角度や精度に応じて、磁気検出素子の数を変更できることは言うまでもない。例えば、回転軸に対して±９０度の検出範囲が必要な場合は、図４に示すように磁気検出素子２４の数を３個にしても、傾斜を検出可能である。

本発明は、傾斜センサに関するもので、特に、携帯電話、デジタルカメラ、電子玩具などの縦または横のいずれに傾けても使用可能な電子機器において、傾斜状態を検出するための傾斜センサ（スイッチ）として好適である。また、様々な電子機器の、ある基準角度に対する傾斜角度を検出するための傾斜センサとして好適である。

本発明の傾斜センサの一実施例を示す図である。 本発明の傾斜センサの他の一実施例を示す図である。 本発明の傾斜センサの一実施例における使用例を示す図である。 本発明の傾斜センサのさらに他の一実施例を示す図である。

符号の説明

１１、２１ ハウジング
１２、２２ 磁石
１３、２３ 磁気センサ
１４、２４ 磁気検出素子
１５、２５ 内部空間
５１ 傾斜センサ
５２ 被検出体

Claims (10)

1. 非磁性材料からなる複数の磁気検出素子を収納する磁気センサと、該磁気センサ上に設けられ、前記磁気センサとの間に内部空間を形成する非磁性材料からなるハウジングと、該ハウジングの前記内部空間内において円弧状に移動可能で、かつ前記ハウジングと前記磁気センサとで挟みこむように収納保持された磁石とを有し、
   該磁石は、前記磁気センサ上で、かつ前記内部空間内において、前記磁石の表面から前記磁気検出素子の感磁部までの距離が０．２〜０．８ｍｍとなるように配置され、
   前記ハウジングの傾きに応じて、前記磁石が前記ハウジングの前記内部空間内を重力に従って移動し、前記複数の磁気検出素子により前記磁石の内部空間内の位置が感知されることを特徴とする傾斜センサ。
2. 前記ハウジングの内部空間は、略円盤状、略リング状、または略Ｃ字状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の傾斜センサ。
3. 前記磁石は、略円盤状または略リング状に形成されており、その中心軸方向に着磁されていることを特徴とする請求項１または２に記載の傾斜センサ。
4. 前記磁気検出素子が、前記ハウジングの周囲に沿って円弧状に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の傾斜センサ。
5. 前記磁気検出素子がシリコンからなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の傾斜センサ。
6. 前記複数の磁気検出素子は、１つのパッケージに収められていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の傾斜センサ。
7. 前記ハウジングの内部空間は、前記ハウジングと、前記パッケージとの間に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の傾斜センサ。
8. 前記磁気検出素子の出力信号を信号処理し、被検出体の傾斜角度もしくは被検出体が所定の方向に傾斜しているか否かを出力する処理回路を有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の傾斜センサ。
9. 前記磁気検出素子と前記処理回路が間欠駆動動作することを特徴とする請求項８に記載の傾斜センサ。
10. 傾斜を検出すべき被検出体と、
    前記被検出体に設けられる請求項１から９のいずれかに記載の傾斜センサと、を有し、
    前記ハウジングの内部空間は、その中心軸が略水平となるよう配置され、
    装着される被検出体の傾きに応じて、前記ハウジングの内部空間中を重力に従って移動する前記磁石を、前記磁気検出素子で感知することを特徴とする傾斜感知システム。

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