JP4618424B2 - 傾斜センサ - Google Patents

Description

本発明は、物体の傾斜状態を検知して電気信号を出力する傾斜センサに関する。特に、例えば、ビデオカメラレコーダ、デジタルカメラ、ＰＤＡ、携帯電話等のように、傾けて使用される場合もある機器の傾斜の状態、姿勢の状態を検出するために用いられる。

前記傾けて使用される場合もある機器、例えば、近年の携帯機器は、文字情報や画像（以下「画像」という。）を表示するディスプレイ部を有し、その画像を縦にして見たり横にして見たりする等、都合の良い見やすい角度で見られることが要求される。これらを自動的に行うために、傾斜センサが用いられる。傾斜センサの公知文献としては、下記特許文献１〜３がある。

特開２００１−３０４８５８号公報 特開２００１−３２４３２４号公報 特開２００１−２２１６３４号公報

特許文献１に記載されている姿勢センサは、基準の位置から異なる２方向に伸びた正面略斜方形の内部空間を有するハウジングと、厚さ方向に磁束を生じるように着磁された永久磁石で形成されかつ前記ハウジングの内部空間内に転動自在に収納された転動体と、前記ハウジングの背面側に配置され、前記転動体の磁気を検出する磁気センサと、で構成されている。磁気センサは、ホール素子、ホールＩＣ等の、磁石との接離に伴う磁気変化を検出するものを使用している。

特許文献２に記載されている傾斜センサは、非磁性材料からなるハウジングの内部空間は基準の位置から異なる２方向に伸び、その中で軸方向に着磁された円柱状の磁石が傾斜方向に応じて動き、磁気センサで検知するものである。この場合も、磁気センサは、ホール素子、ホールＩＣ等の、磁石との接離に伴う磁気変化を検出するものと認められる。

特許文献３に記載されている設置方向検出装置は、屈曲形状の内部空間を持つ非磁性体ハウジングの中に、スライド移動する永久磁石を持ち、ハウジングの少なくとも一端面に対向する部分に配置した磁気センサで前記磁石の磁気を検出するものである。磁気センサは、特許文献１と同様のものを使用している。

ところで、磁気センサとしてホール素子、ホールＩＣ等を使用する場合、磁気センサに垂直な方向の磁束強度を検知するため、ハウジングの裏面に磁気センサを設ける必要がある。よって、全体の高さ（厚さ）を小さくすることが出来ない。

特許文献１及び２の構成の場合は、右に傾いているか、左に傾いているか、又は傾いていないか、の３値検出しかできない。その場合も、磁気センサは２個必要とする。

特許文献３の構成の場合、ハウジングの一端面に対向する部分に一体化して磁気センサを設けるので、磁石のハウジング端部へのぶつかりが、センサ耐衝撃性を減じる。また、１個の磁気センサでは、傾いているか、傾いていないかの２値検出しかできない。

上記の点に鑑み、本発明の第１の目的は、小型化（特に、薄型化）が可能な傾斜センサを提供することにある。

本発明の第２の目的は、傾斜角度のアナログ的検知が可能な傾斜センサを提供することにある。

本発明の第３の目的は、センサ耐衝撃性を劣化させない構造の傾斜センサを提供することにある。

本発明の第４の目的は、シンプルな構成及び組立容易性により、コストパフォーマンスの高い傾斜センサを提供することにある。

本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。

上記目的を達成するために、本発明に係る傾斜センサは、
支持体と、
前記支持体に固定されていて前記支持体と一体となって機能する磁場方向感応素子と、
前記支持体に回転自在に軸支されていて前記支持体の傾斜に伴い前記支持体との相対的位置関係が変化する磁場発生手段と、を備え、
前記磁場発生手段は、少なくとも２個の磁場発生体を前記支持体に対する相対回転の中心が間に位置するように異極対向させたものであり、
前記磁場方向感応素子は、磁化方向が一方向に固定されたピン層と、磁化方向が外部磁場方向に一致するフリー層とを有し、ピン層磁化方向とフリー層磁化方向とがなす角度により抵抗値が変化するものであって、前記少なくとも２個の磁場発生体の間の中間位置に配置され、
前記支持体に傾きが無いとき、前記磁場方向感応素子のピン層磁化方向が、前記少なくとも２個の磁場発生体による前記磁場方向感応素子への印加磁場方向と、前記相対回転の軸方向との双方に対して垂直であり、
前記支持体の傾斜に伴い前記磁場方向感応素子の抵抗値が変化することを特徴としている。

前記傾斜センサにおいて、
前記磁場方向感応素子の感磁面は、前記相対回転の軸方向と垂直であり、
前記少なくとも２個の磁場発生体は、前記相対回転の中心について対称な配置であるとよい。

前記傾斜センサにおいて、前記少なくとも２個の磁場発生体の前記異極対向された面の反対側の面にヨークを配置するとよい。

前記傾斜センサにおいて、前記支持体の傾斜に伴う磁束方向の変化により、前記磁場方向感応素子の特性値が直線的に変化する向きに前記磁場方向感応素子を配置するとよい。

前記傾斜センサにおいて、前記磁場発生手段が備える磁場発生体は、永久磁石、磁化された塗布型磁性体又は磁化された薄膜磁性体であるとよい。

本発明に係る傾斜センサによれば、次の効果を奏することができる。

(1) 製品高さについて
特許文献１〜３のようなセンサ素子が磁束密度検出型の場合、素子面を磁束が貫くように構成する必要があり、センサ素子、磁石と積み上げる構造となり、薄型化困難である。これに対し、本発明の場合、磁場方向感応素子をセンサ素子としているため、素子面に平行な磁場方向変化を得るように構成可能であり、略平行面上での組立が可能で、薄型化が容易である。

(2) 傾斜検知機能について
特許文献１〜３の場合、いわゆるデジタル的検知であり、傾斜と非傾斜の判別、あるいは右傾斜、左傾斜、非傾斜の判別しかできない。これに対し、本発明の場合、デジタル的検知及びアナログ的検知（傾斜角度の検知）の両方が可能である。デジタル的検知でよければ、組立精度はラフでよい。

(3) センサ素子への衝撃負荷について
特許文献３のように端部にセンサ素子を設けた場合には、磁石による衝撃負荷は大きい（素子面に垂直負荷）。これに対し、本発明の場合、衝撃負荷を受ける構成は必要ない（素子面に平行負荷）。

(4) 構成について
特許文献１〜３の場合、アナログ検知不可であり、３値デジタル検知（右傾斜、左傾斜、非傾斜の検知）はセンサ素子が２個必要である。これに対し、本発明の場合、１個の磁場方向感応素子でアナログ的あるいは３値デジタル検知が可能である。

(5) 経時変化について
特許文献１〜３のようなセンサ素子が磁束密度検出型の場合、磁石劣化による磁束密度変化に起因してセンサ出力に経時変化が発生する。これに対し、本発明の場合、経時変化により磁束密度が変化しても、特性に影響はない。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、傾斜センサの実施の形態を図面に従って説明する。

図１乃至図３は本発明に係る傾斜センサの実施の形態１を示し、図１は支持体としての筐体１に傾きが無い場合の斜視図、図２は分解斜視図、図３は図１の状態から筐体１が左に傾斜したときの筐体１と磁場発生手段等との相対的位置関係を示す斜視図である。

図１乃至図３に示されるように、傾斜センサは、本体２と蓋３とを有しかつ内部に収納空間４を有する筐体１と、筐体１内に固定されていて筐体１と一体となって機能する磁場方向感応素子としてのスピンバルブ型磁気抵抗効果素子３０（以下、「ＳＶ−ＧＭＲ素子３０」という。）と、収納空間４内で動くように筐体１に可動支持されていて筐体１の傾斜に伴い筐体１との相対的位置関係が変化する磁場発生手段としての永久磁石２２，２３と、を備えている。

筐体１は非磁性材で構成されるか、又は磁気シールドが必要な場合には磁性材で構成され、その本体２は四側面及び底面を有し、両側面にピン取付穴２ａを有し、該ピン取付穴２ａに、非磁性の可動体２０に一体的に設けられたピン２１が回転自在に嵌合している。すなわち、可動体２０はピン２１を介して筐体１に回転自在（揺動自在）に取り付けられている。可動体２０はピン２１の下側に重心が位置し、筐体１の収納空間４内で動く振り子として機能する。

異極対向された永久磁石２２，２３は、磁場発生手段を構成する磁場発生体であり、可動体２０の回転中心（すなわち、ピン２１の回転中心）について対称となるように可動体２０に設けられた取付凹部２０ａに接着剤等で固定されている。

筐体１の蓋３の内側中央部には、棒状突起により素子取付部３ａが一体的に形成されている。素子取付部３ａの先端には磁場方向感応素子としてのＳＶ−ＧＭＲ素子３０が固定されている。素子取付部３ａは、その先端に取り付けられたＳＶ−ＧＭＲ素子３０が蓋３を閉じたときに永久磁石２２，２３の間の中間位置にくるように構成されている。すなわち、ＳＶ−ＧＭＲ素子３０は、永久磁石２２，２３の間の略中間位置において筐体１に固定されている。

ＳＶ−ＧＭＲ素子３０の感磁面は可動体２０の回転面に平行（ピン２１に垂直）であり、そのピン層磁化方向は、本実施の形態では、筐体１に傾きが無い図１の場合の永久磁石２２と２３とを結ぶ直線と、可動体２０の回転軸とから特定される平面に対して垂直な方向で上向きとする（図１に矢印で示す）。もっとも、ＳＶ−ＧＭＲ素子３０のピン層磁化方向はこれに限定されるものではないが、筐体１の傾斜に伴うＳＶ−ＧＭＲ素子３０の感磁面における磁場方向の変化によりＳＶ−ＧＭＲ素子３０の特性値が直線的に変化する向きであるとよい。

ＳＶ−ＧＭＲ素子３０の動作原理について説明する。ＳＶ−ＧＭＲ素子３０は、図６（Ａ）に示されるように、磁化方向が一方向に固定されたピン層３１と、電流が主として流れる非磁性層３２と、磁化方向が外部磁場方向（外部磁束方向）に一致するフリー層３３とで構成されている。ＳＶ−ＧＭＲ素子３０の抵抗値は、図６（Ｂ）のようにピン層磁化方向と外部磁場のベクトル方向（すなわち、フリー層３３の磁化方向）とが一致するときは低抵抗値となる。ＳＶ−ＧＭＲ素子３０の感磁面内において外部磁場のベクトル方向を回転させると、ピン層磁化方向と外部磁場のベクトル方向とがなす角度により抵抗値が変化し、図６（Ｃ）のようにピン層磁化方向と外部磁場のベクトル方向とが反対方向のとき高抵抗値となる。図７はこのＳＶ−ＧＭＲ素子３０の面内磁気特性を示すものであり、ＳＶ−ＧＭＲ素子３０の感磁面に平行な外部磁場が存在する条件下で、外部磁場を感磁面に垂直な回転中心軸にて回転させ、ピン層磁化方向に対する回転角度と抵抗値との関係を示したものである。この場合、抵抗値は正弦波に近い波形でなだらかに変化する。

本実施の形態では、図７で示したＳＶ−ＧＭＲ素子３０の面内磁気特性を利用するものである。すなわち、図３のように筐体１の傾斜に起因する可動体２０の回転（揺動）に伴い永久磁石２２，２３が回転し、それによりＳＶ−ＧＭＲ素子３０の位置における磁場が変化すると、ＳＶ−ＧＭＲ素子３０の抵抗値が図７のように角度９０度の近傍（範囲Ｔ１）において直線的に変化する。本実施の形態では、前記直線的に変化するＳＶ−ＧＭＲ素子３０の面内磁気特性を利用して得られるセンサの出力から筐体１の傾斜を高精度で検出する。

次に、本実施の形態の動作説明を行う。

図１の状態では、筐体１に傾斜がなく、ＳＶ−ＧＭＲ素子３０のピン層磁化方向と外部磁場のベクトル方向とのなす角は９０度である。

図１の状態から筐体１が左に傾斜すると、収納空間４内で振り子として機能する可動体２０が筐体１に対して相対移動し、筐体１と磁場発生手段を有する可動体２０との相対的位置関係は図３のようになる。図３の状態では、ＳＶ−ＧＭＲ素子３０のピン層磁化方向と外部磁場のベクトル方向とのなす角は９０度を超え、ＳＶ−ＧＭＲ素子３０の抵抗値は大きくなる。すなわち、図１の状態から筐体１が左に傾斜し図３の状態に至る間、ＳＶ−ＧＭＲ素子３０の抵抗値は直線的に大きくなる。左に傾斜した図３の状態から傾斜のない図１の状態に至る間、ＳＶ−ＧＭＲ素子３０の抵抗値は直線的に小さくなる。

図１の状態から筐体１が右に傾斜すると、左に傾斜した場合とは逆にＳＶ−ＧＭＲ素子３０のピン層磁化方向と外部磁場のベクトル方向とのなす角は９０度未満となり、ＳＶ−ＧＭＲ素子３０の抵抗値は小さくなる。すなわち、図１の状態から筐体１が右に傾斜する間、ＳＶ−ＧＭＲ素子３０の抵抗値は直線的に小さくなる。右に傾斜した状態から傾斜のない図１の状態に至る間、ＳＶ−ＧＭＲ素子３０の抵抗値は直線的に大きくなる。

このように筐体１の傾斜により抵抗値が直線的に変化するＳＶ−ＧＭＲ素子３０の特性を利用し、筐体１の傾斜角に対応した電気信号を得る。すなわち、得られた電気信号から筐体１の傾斜角が分かる。

この実施の形態１によれば、次の通りの効果を得ることができる。

(1) 磁場方向感応素子としてのＳＶ−ＧＭＲ素子３０を、対向された永久磁石２２，２３の間に配置して、素子面に平行な磁場方向変化を得るように構成可能であり、略平行面上での組立が可能であるため、小型で薄型構造を取ることが出来る。また、薄型化可能であることから、近年求められいている、表面実装型傾斜センサを実現するのに適した構成である。

(2) 磁場発生手段は、磁場発生体としての永久磁石２２，２３の異極同士を対向配置させているため、対向している磁極面の間（すなわち、ＳＶ−ＧＭＲ素子３０の位置）における磁束の一様性が高く、高いリニアリティを実現することができる。したがって、ＳＶ−ＧＭＲ素子３０のピン層磁化方向と磁場発生手段の磁束の向きとの関係を適切に設定（例えば直線性に優れた図７の範囲Ｔ１を使用可能に設定）することでＳＶ−ＧＭＲ素子３０を動作させることにより、精度の高い傾斜角度のアナログ量検知が可能である。勿論、デジタル的検知、つまり右傾斜、左傾斜、非傾斜の判別も可能である。デジタル的検知でよければ、組立精度はラフでよい。

(3) 磁場方向感応素子としてＳＶ−ＧＭＲ素子３０を用いており、ＳＶ−ＧＭＲ素子３０の抵抗値は素子形成時に固定されたピン層磁化方向に対する外部磁場の方向に依存し外部磁場の大きさには依存しないため、磁化物の保磁力低下（すなわち磁束密度の低下）等による経年変化に影響されない。

(4) １個の磁場方向感応素子としてのＳＶ−ＧＭＲ素子３０でアナログ的あるいは３値デジタル検知が可能であり、部品点数が少ないため、小型化、薄型化、組立容易で、低コストである。
(5) 可動体２０による振り子構造であり、衝撃負荷を受ける構成ではなく、衝撃によるＳＶ−ＧＭＲ素子３０等の劣化は無い。つまり、傾斜センサの耐衝撃性を劣化させない構成である。

図４は本発明に係る傾斜センサの実施の形態２を示す。この場合、図４に示されるように、磁場発生手段が、異極対向された永久磁石４２，４３と、永久磁石４２，４３の前記異極対向された面の反対側の面に固着されたヨーク４５，４６（材質は軟磁性体）とから構成され、それぞれ筐体１の収納空間４内で揺動する可動体２０の回転中心について対称となるように可動体２０に設けられた取付凹部２０ａに接着剤等で固定されている。

なお、その他の構成は前述した実施の形態１と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。

この実施の形態２によれば、次の通りの効果を得ることができる。

(1) 異極対向された永久磁石４２，４３の前記異極対向された面の反対側の面に、ヨーク４５，４６を配置したため、磁束の外漏れがなくなり、永久磁石間の磁束が強くなり一様性が増すため、より高精度なリニアリティを実現することができる。

(2) 使用する永久磁石の体積が小さくて済むので、コストダウンが可能である。

なお、その他の作用、効果については、実施の形態１と同様である。

前述の実施の形態１では、磁場発生手段を構成する磁場発生体として永久磁石２２，２３を異極対向させたものを用いたが、永久磁石の代わりに磁化された塗布型磁性体又は薄膜磁性体としてもよく、この場合を本発明に係る傾斜センサの実施の形態３として図５に示す。この図５の場合、ピン２１を介して筐体に回転自在（揺動自在）に取り付けられる非磁性の可動体２７（筐体１の収納空間４内で動く振り子として機能）を用い、可動体２７の対向する内面２８、２９（図５の斜線で示した部分）に塗布型磁性体５２，５３を塗布するか薄膜磁性体６２，６３を設ければよい。前記塗布型磁性体５２，５３の場合には可動体２７に設けた後に着磁処理で厚み方向に磁化し、異極同士が対向するよう設定する。また、薄膜磁性体６２，６３の場合、予め着磁処理で厚み方向に磁化したものを貼り付けてもよいし、可動体２７に設けた後に着磁処理で厚み方向に磁化したものでもよく、いずれの場合も、異極同士が対向するよう設定する。なお、その他の構成は前述した実施の形態１と同様である。

実施の形態３のように、磁場発生体として塗布型磁性体や薄膜型磁性体の磁化物を用いれることで、より薄型で軽量の傾斜センサを構成できる。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。

本発明に係る傾斜センサの実施の形態１を示す斜視図である。 同分解斜視図である。 実施の形態１において、筐体が左に傾いた場合の斜視図である。 本発明の実施の形態２を示す斜視図である。 本発明の実施の形態３であって、磁場発生体として永久磁石の代わりに塗布型磁性体又は薄膜磁性体を用いた場合の可動体の構成を示す斜視図である。 ＳＶ−ＧＭＲ素子の及び構成及び動作原理であって、（Ａ）はＳＶ−ＧＭＲ素子の積層構造を示す斜視図、（Ｂ）はピン層磁化方向とフリー層磁化方向が一致している場合の斜視図、（Ｃ）はピン層磁化方向とフリー層磁化方向が逆向きの場合の斜視図である。 ＳＶ−ＧＭＲ素子のピン層磁化方向と外部磁場との成す角度と抵抗値との関係を示す特性図である。

符号の説明

１ 筐体
２ 本体
３ 蓋
４ 収納空間
２０，２７ 可動体
２１ ピン
２２，２３，４２，４３ 永久磁石
３０ ＳＶ−ＧＭＲ素子
３１ ピン層
３２ 非磁性層
３３ フリー層
４５，４６ ヨーク
５２，５３ 塗布型磁性体
６２，６３ 薄膜磁性体

Claims (5)

1. 支持体と、
   前記支持体に固定されていて前記支持体と一体となって機能する磁場方向感応素子と、
   前記支持体に回転自在に軸支されていて前記支持体の傾斜に伴い前記支持体との相対的位置関係が変化する磁場発生手段と、を備え、
   前記磁場発生手段は、少なくとも２個の磁場発生体を前記支持体に対する相対回転の中心が間に位置するように異極対向させたものであり、
   前記磁場方向感応素子は、磁化方向が一方向に固定されたピン層と、磁化方向が外部磁場方向に一致するフリー層とを有し、ピン層磁化方向とフリー層磁化方向とがなす角度により抵抗値が変化するものであって、前記少なくとも２個の磁場発生体の間の中間位置に配置され、
   前記支持体に傾きが無いとき、前記磁場方向感応素子のピン層磁化方向が、前記少なくとも２個の磁場発生体による前記磁場方向感応素子への印加磁場方向と、前記相対回転の軸方向との双方に対して垂直であり、
   前記支持体の傾斜に伴い前記磁場方向感応素子の抵抗値が変化することを特徴とする傾斜センサ。
2. 前記磁場方向感応素子の感磁面は、前記相対回転の軸方向と垂直であり、
   前記少なくとも２個の磁場発生体は、前記相対回転の中心について対称な配置である請求項１記載の傾斜センサ。
3. 前記少なくとも２個の磁場発生体の前記異極対向された面の反対側の面にヨークを配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の傾斜センサ。
4. 前記支持体の傾斜に伴う磁束方向の変化により、前記磁場方向感応素子の特性値が直線的に変化する向きに前記磁場方向感応素子を配置したことを特徴とする請求項１，２又は３記載の傾斜センサ。
5. 前記磁場発生手段が備える磁場発生体は、永久磁石、磁化された塗布型磁性体又は磁化された薄膜磁性体であることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の傾斜センサ。

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