JP4480305B2 - Magnetic field vector sensor and sensor system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁界ベクトルセンサ及びセンサシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、コンピュータ技術の急速な進歩により、コンピュータ中に仮想的な空間を構築させる仮想現実(VR=バーチャルリアリティ)装置が、福祉機器分野やアミューズメント分野、コンピュータグラフィックス分野等のための必須技術として盛んに開発が行われている。
【0003】
このようなVR装置においては、仮想空間と操作者のためのインタラクティブ装置としてモーションキャプチャシステムなどに代表されるような3次元位置推定装置が必要となる。このような装置には、人体の動作をコンピュータに認識させるため小型の3次元位置検出センサが使用される。この場合、センサは人体に装着するため、超小型のセンサである必要がある。
【0004】
従来、このような3次元位置検出センサとしては磁界ベクトルセンサが使われるが、その代表的なものに、ポヒーマス(Polhemus)社の3次元センサ(製品名ファーストラック:FASTRAK)があり、HMD(ヘッドマウントディスプレイ)などに使用されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
この製品の場合、3次元位置検出センサは、コイルを3軸に直交させるように巻線した、発信コイルと受信コイルによるものである。このセンサの場合、発信コイルに電流を流しこれによる磁界を受信コイルによって検出し、3軸の各々の方向の磁界を解析することにより、3次元空間での位置を算出するようになっている。
【0006】
また、同様の磁界ベクトルセンサとして例えば特開平9−127218号公報等に示されるMI(磁気インピーダンス)素子によるものもあるものの、このMI素子の場合、センサ部は、長さ数mm程度のMI素子100,101,102を図12に示すように、直交するように3軸上に立体方向に配置させる。この場合、センサ部は巻線によるものではないが、MI素子の場合は周知のように、表皮効果を利用したものあるため、高周波バイアスをMI素子100,101,102に与える必要がある。
【0007】
従って、MI素子を利用した3次元センサの場合においても、図12のように3軸にMI素子100,101,102を配置させる他に、各々のMI素子100,101,102にバイアスコイルを施す必要がある。
【0008】
この他、従来の磁気センサとしてMR素子(磁気抵抗効果素子)やGMR素子(巨大磁気抵抗効果素子)などのものがあるが、これらの素子においても温度特性が悪い等のため、バイアスコイルが必要とされる。また、例えばバイアスコイルが不要な場合でもセンサとして適当なインピーダンスを得るため、そのサイズはどうしても大きなサイズのものになってしまう。
【0009】
また、磁界ベクトルを精度良く検知するには各方向のセンサの配置が重要であるが、このような数mmサイズのものを精度良く立方体的に配置させることは、従来のような方式においては大変難しく作業も困難である。
【0010】
即ち、3軸方向の各々のセンサ部の配置を決めるには、まず、各々の軸方向の特性を測定し、その後、各軸方向が直交するよう調整をする必要があり、そのため3次元の磁界ベクトルセンサは製造も困難で高価なものである。
【0011】
特に、図12に示すようなMI素子の場合は各素子を立方体状に配置するのに加えて、各素子のバイアスコイルも必要となり、さらに組立が困難なものになる。
【0012】
また、従来における通常の2次元センサは方位のみを検知するものであるため、例えば、人体に装着して使用するような場合、人体の動作が停止している場合には動いているのか、停止しているのか(人間が単に休息状態なのか、不慮の事故の状態で動けないのか)を検知することが困難である。例えば、鉄工所におけるような広い場所で作業者が不慮の事故に遭遇した場合、動作が停止していることしか検知できず、単に休息している状態との違いは検知できない。
【0013】
また、一般的に、3次元ベクトルセンサの場合、外部磁界は2次元に近いため、3軸の内の1軸はこの平面とは異なる方向となり、この軸方向の出力信号が低下する。このため、3軸の場合は、外部磁界と3軸ベクトルセンサとの配置関係により、その内の1軸は出力が低下し、S/Nが問題となってしまう。
【0014】
そこで、本発明は、このような従来の3次元の磁界ベクトルセンサにおける欠点をなくした低コストで超小型、高精度な磁界ベクトルセンサ及びこれを用いた小型なセンサシステムを提供することを目的とする。
【0015】
また、本発明は、3軸磁界ベクトルセンサに関して、方向に依存することなくS/Nの劣化のない信号出力を常に得ることができるセンサシステムを提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明の磁界ベクトルセンサは、球状半導体上に複数個の薄膜磁気インピーダンス素子を備え、前記薄膜磁気インピーダンス素子が、トンネル磁気抵抗効果素子であり、前記薄膜磁気インピーダンス素子が互いに直交するように前記球状半導体上で3軸上に各々設けられている。
【0017】
球状半導体は、例えば、「球面ICタグ開発へ」日経産業新聞記事、’99.6.11に記載されているように、微小(通常、直径1mm以下)の球状シリコン上に電子回路を形成したICである。このICの特徴としては、従来のIC製造工程におけるようなクリーンルームが不要であり、通常の半導体プロセスで低コストの設備でICを製造できる他、球体表面にIC回路を形成するため従来の平面状ICよりも面積を大きくとることができ、小型のICを実現できることである。本発明においては、このような球状半導体(球状シリコン)を応用し、球状半導体上に半導体プロセスにより薄膜磁気インピーダンス素子を一括して複数個搭載させる構成としたので、従来の個別のコイル等による各センサ素子を立方体状に配置させる場合に比べ、各軸方向の配置を半導体プロセスの精度と同等の精度で直交配置させることが可能となる。このため、従来方式のような製造過程における、各軸の特性の調整が不要となり、低コストで精度の良い3次元センサを実現できる。
【0019】
従って、薄膜磁気インピーダンス素子としてトンネル磁気抵抗効果素子を用いることにより、ポヒーマス(Polhemus)社の3次元センサの場合のような巻線コイルに依らないため、超小型の磁界ベクトルセンサを提供することができる。また、MI素子におけるようなバイアスコイルが必要ないため、コイルがなくなるばかりでなく、バイアスコイル用の周辺回路も不要となり、超小型の3次元磁界ベクトルセンサを提供することができる。特に、ボールセミコンダクタ社の球状半導体によれば、直径1mm以下のものも実現可能とされており、TMR素子によればこの程度のサイズでもセンサ特性を得ることが可能とされているので、この面からも超小型の3次元磁界ベクトルセンサを実現できる。
【0020】
請求項2記載の発明のセンサシステムは、請求項1記載の磁界ベクトルセンサと、無線チップとが同一の基板上に実装されている。
【0021】
従って、例えばブルートゥースチップ等の無線チップと組合せることにより、超小型でワイヤレスの磁界ベクトルセンサを提供できる。
【0022】
請求項3記載の発明のセンサシステムは、請求項1記載の磁界ベクトルセンサと、前記磁界ベクトルセンサにおける3軸各方向の前記薄膜磁気インピーダンス素子の検知出力に基づき前記検知対象部位の傾きを算出する傾き算出手段と、を備える。
【0023】
従って、地磁気を検出することによる方位のみでなく、傾斜方向も検知するようにしているので、例えば、人体を検知対象部位として当該磁界ベクトルセンサを装着した場合、進行方向だけでなく傾斜方向も検知できることから、人体の傾きをも検知することにより、人体が動作しているか否かをも検知するようにすることができる。この結果、例えば、鉄工所におけるような広い場所で作業者が不慮の事故に遭遇した場合でも、単に休息している状態との違いを判別することが可能となる。
【0024】
請求項4記載の発明のセンサシステムは、請求項1記載の磁界ベクトルセンサと、前記磁界ベクトルセンサにおける3軸各方向の前記薄膜磁気インピーダンス素子の検知出力に基づき3軸方向のベクトルを検知する検知手段と、を備える。
【0025】
従って、地磁気又は発信磁界を検知対象とする請求項1記載の磁界ベクトルセンサを例えばアクチュエータと組合せることにより、小型で精度のよい位置計測システムを構築することができる。
【0026】
請求項5記載の発明のセンサシステムは、請求項1記載の磁界ベクトルセンサと、これらの複数組の磁気インピーダンス素子の出力信号を随時監視するセンサ出力監視手段と、このセンサ出力監視手段により随時監視される出力信号のうちで最大出力信号を正規信号として出力する信号処理手段と、を備える。
【0027】
従って、複数組の磁気インピーダンス素子の出力を常に検知させるようにしたので、3軸磁界ベクトルセンサで問題となる1平面の出力信号が弱くなることによる信号の劣化を防ぎ、常に信頼性の高い3軸磁界ベクトルセンサを実現できる。
【0028】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図1に基づいて説明する。本実施の形態の磁界ベクトルセンサ1は、球状半導体2を利用したものであり、球状半導体2上に複数の薄膜磁気インピーダンス素子としての薄膜磁気抵抗素子3,4,5を半導体プロセスより互いに直交するように形成することにより構成されている。
【0029】
ここに、球状半導体1は、前述したように例えば、「球面ICタグ開発へ」日経産業新聞記事、’99.6.11に記載されているように、微小(通常、直径1mm以下)の球状シリコン上に電子回路を形成したICである。このICの特徴としては、従来のIC製造工程におけるようなクリーンルームが不要であり、通常の半導体プロセスで低コストの設備でICを製造できる他、球体表面にIC回路を形成するため従来の平面状ICよりも面積を大きくとることができ、小型のICを実現できることである。具体的には、直径1mm以下のものも実現可能とされているボールセミコンダクタ社の球状半導体が好適である。
【0030】
磁界ベクトルセンサ1は、本実施の形態のように3次元磁界ベクトルセンサして構成する場合であれば、図示の如く、3個の薄膜磁気抵抗素子3,4,5をX,Y,Z軸の3軸方向に直交するように形成すればよいが、薄膜磁気抵抗素子は必要に応じて必要な数だけ設ければよい。
【0031】
図1において、薄膜磁気抵抗素子3,4,5は2端子構造のものとされている。6は引出しパターン、7はバンプである。
【0032】
本実施の形態によれば、球状半導体(球状シリコン)2を応用し、球状半導体2上に半導体プロセスにより薄膜磁気抵抗素子3,4,5,…を一括して複数個搭載させる構成としたので、従来の個別のコイル等による各センサ素子を立方体状に配置させる場合に比べ、X,Y,Z各軸方向の配置を半導体プロセスの精度と同等の精度で直交配置させることが可能となる。このため、従来方式のような製造過程における、各軸の特性の調整が不要となり、低コストで精度の良い3次元の磁気ベクトルセンサ1を実現できる。
【0033】
本発明の第二の実施の形態を図2に基づいて説明する。本実施の形態は、前述したような3次元の磁気ベクトルセンサ1を実現する上で球状半導体2上に形成される薄膜磁気抵抗素子3,4,5,…として4端子構造のTMR素子を用いた構成例を示すものである。
【0034】
本実施の形態のTMR素子(トンネル磁気抵抗効果素子)11は、基本的には、図2に示すように、絶縁性の基板(球状半導体2の表面に相当する)12上に積層させた磁界感知補助用軟磁性層13と第1のスピン偏極層14とトンネル層15と第2のスピン偏極層16との所定のパターンの接合構造により形成されて、磁界感知補助用軟磁性層13,第1のスピン偏極層14からトンネル層15を介して第2のスピン偏極層16にトンネル電流が流れる構造とされ、これらの各層13〜16の積層部分が磁気検知部17とされている。
【0035】
このような構成のTMR素子11は第1のスピン偏極層14と第2のスピン偏極層16とを電極として磁気検知部17に対して膜面に垂直方向に電流を流した場合の電流の変化を微小電流計(図示せず)より検出する検知方式を採る。この検知動作において、当該磁気検知部17に対しては検知対象となる外部磁界が印加される。
【0036】
このようなTMR素子11によれば、交流バイアスを必要とせず、サイズも1mm以下に形成することができ、特に、ボールセミコンダクタ社の球状半導体2によれば、直径1mm以下のものも実現可能とされており、本実施の形態のTMR素子11によればこの程度のサイズでもセンサ特性を得ることが可能とされているので、この面からも超小型の3次元の磁界ベクトルセンサ1を実現できる。
【0037】
本発明の第三の実施の形態を図3ないし図6に基づいて説明する。本実施の形態は、例えば図1に示した3次元の磁界ベクトルセンサ1を3次元位置センサ又は磁気方位センサとして用いたセンサシステムSの構成例を示す。
【0038】
3次元の磁界ベクトルセンサ1におけるX,Y,Z軸の3軸方向に各々配設された3個の薄膜磁気抵抗素子3,4,5は各々X,Y,Z軸センス回路21,22,23に接続され、これらの各々X,Y,Z軸センス回路21,22,23を通じて出力される薄膜磁気抵抗素子3,4,5の検知出力に基づき3次元の磁界ベクトルセンサ1の方位及び傾きをも演算処理する傾き算出手段として機能するCPU24が設けられており、このCPU24を通じて3次元の磁界ベクトルセンサ1の方位及び傾きに関する情報を出力するセンサシステムSが構成されている。
【0039】
このようなセンサシステムSを利用することにより、例えば、図4に示すような人体の動作状況を感知する動作遠隔モニタ装置等の計測システムを構築することができる。図4に示す例では、例えば、4個のセンサシステムS1〜S4を人体上の適宜検知対象部位、例えば、胴体、脚、腕等の部位に装着させるとともに、全体の制御を受け持つウェアラブルコンピュータ25に無線接続することにより構成されている。即ち、前述したような3次元の磁界ベクトルセンサ1を含む任意個数のセンサシステムSを人体に装着し、方位とともに人体の傾きも同時に検知できる構成とすることで、人体が動作状態にあることを検知できるようにした計測システムである。
【0040】
ウェアラブルコンピュータ25は図5に示すように各々のセンサシステムS1〜S4から出力される信号を受付ける動作状態演算部26と、この動作状態演算部26に接続された状態モニタ装置(動作再現)27と、状態モニタ装置27から得られる基本動作状態に関するデータを保存する記憶装置28と、この記憶装置28に記憶された基本動作状態に関するデータと動作状態演算部26により得られる緊急状態信号とを管理システム(図示せず)側に対して送信出力する通信制御部29とにより構成されている。
【0041】
ここに、動作状態演算部26の構成の一例を図6に示す。この動作状態演算部26は、各々のセンサシステムS1〜S4から出力される各軸毎の出力S1X,S1Y,S1Z、S2X,S2Y,S2Z,S3X,S3Y,S3Z、S4X,S4Y,S4Zがアンプ30を介して入力されるA/D変換器31と、A/D変換器31により変換されたデジタル信号を選択出力するマルチプレクサ32と、選択信号SEL1,2,4,8に応じてマルチプレクサ32により選択された各軸X,Y,Z毎のデジタル信号を受付けるCPU33とにより構成されている。
【0042】
従って、本実施の形態によれば、3次元の磁界ベクトルセンサ1により、地磁気を検出することによる方位のみでなく、傾斜方向も検知するようにしているので、このようなセンサシステムS1〜S4を人体に装着した場合、進行方向だけでなく傾斜方向も検知でき、人体の傾きをも検知することにより、人体が動作しているか否かをも検知するようにすることができる。この結果、例えば、従来の位置センサでは鉄工所におけるような広い場所で作業者が不慮の事故に遭遇した場合、動作が停止していることしか検知できず、単に休息している状態との違いは検知できなかったが、本実施の形態の計測システムによれば、このような状態の判別も可能となる。
【0043】
なお、特に図示しないが、本実施の形態の3次元の磁界ベクトルセンサ1或いはセンサシステムS1〜S4を、外部磁界或いはGPS(Global Positioning System)衛星から送信されるGPS信号を受信するGPS受信機と組合せれば、位置計測システムを構築することもできる。これにより、超小型で低コストな位置計測システムを構築でき、モーションキャプチャへの応用ばかりでなく、人体に装着が容易なシステムとして、徘徊老人用や、緊急時の位置センサシステムを構築することができる。
【0044】
本発明の第四の実施の形態を図7に基づいて説明する。本実施の形態は、例えば前述したような3次元の磁界ベクトルセンサ1(図1、図2の何れの構成でもよい)を球状半導体41を利用して構成されたアンプ42を介してセンサ基板43上に実装し、このセンサ基板43上にA/D変換器44等を実装するとともに、無線チップ、例えばブルートゥースユニット45のチップを実装することによりワイヤレスのセンサシステム46を構成したものである。球状半導体2,41同士の結合等に関しては、例えば特開2000−349227公報等に示される技術を利用すればよい。
【0045】
このようなセンサシステム46は例えばウェアラブルコンピュータ25等に相当し適宜箇所に配設、設置される主センサユニット47と組合せて利用される。この主センサユニット47はスレーブ側となるブルートゥースユニット45に対してマスタ側となるブルートゥースユニット48のチップを有しており、CPU49側からの指令に応じてブルートゥースユニット45,48間で信号の授受を無線により行わせる。
【0046】
従って、本実施の形態によれば、例えばブルートゥースチップ等の無線チップと組合せることにより、超小型でワイヤレスの磁界ベクトルセンサを提供することができる。
【0047】
本発明の第五の実施の形態を図8ないし図10に基づいて説明する。本実施の形態は、地磁気を検知対象とする前述の3次元の磁界ベクトルセンサ1(図1、図2の何れの構成でもよい)を例えばX,Y,Zの3軸アクチュエータ51,52,53と組合せることにより3次元位置計測システムを構築したものである。この場合、地磁気のみによる位置計測でもよいが、必要に応じて発信磁界(図示せず)を設け、この発信磁界との距離を検知するようにしてもよい。
【0048】
図示例では、磁界ベクトルセンサ1はX軸アクチュエータ51上を対象部位として搭載されており、磁界ベクトルセンサ1における3軸各方向の薄膜磁気抵抗素子3,4,5の検知出力に基づき3軸方向のベクトルを検知するCPU等による検知手段(図示せず)と組合せたセンサシステムS1として構成されている。
【0049】
この場合の磁界ベクトルセンサ1が設置されている箇所のXYZ座標軸上の3次元位置を図9に示すようにf(x,y,z)とし、要求される指定の位置をR1とする。
【0050】
このような構成において、CPUにより実行される磁界ベクトルセンサ1設置箇所の位置制御を伴なうアクチュエータ動作制御例を図10に示すフローチャートを参照して説明する。まず、一定時間内に処理するため、タイマをONさせることにより制御を開始する(ステップS1)。そして、その時点で磁界ベクトルセンサ1から得られるX,Y,Z軸の3軸方向の情報を持つ信号S1を読込む(S2)。引き続き、要求されるX,Y,Z軸の3軸方向の位置情報R1を読込む(S3)。そして、各々の軸方向成分毎に比較対比し(S4,S5,S6)、全ての軸方向についてほぼ等しければ、タイマをOFFして(S7)、位置制御処理を終了する。一方、各々の軸方向成分毎の比較対比において(S4,S5,S6)、一つの軸成分でもほぼ等しくないものがあれば、その大小関係を比較し(S8)、その比較結果に応じて対応する軸成分用のアクチュエータ51,52又は53を+1方向に駆動させ(S9)、或いは、−1方向に駆動させ(S10)、ステップS2の処理に戻り、ステップS2以降の処理を繰返す。タイマがタイムアップしてOFFしていれば(S11のY)、エラー処理を行う(S12)。
【0051】
このように、本実施の形態によれば、地磁気又は発信磁界を検知対象とする3次元の磁界ベクトルセンサ1を例えばアクチュエータ51,52,53と組合せることにより、小型で精度のよい位置計測システムを構築することができる。
【0052】
本発明の第六の実施の形態を図11に基づいて説明する。本実施の形態では、例えば球状半導体2上に互いに直交する3軸方向に薄膜磁気抵抗素子、例えば、TMR素子11x1,11x2,11y1,11y2,11z1,11z2の2組分が配設された3軸磁界ベクトルセンサ61と、これらのTMR素子11x1,11x2,11y1,11y2,11z1,11z2の出力を常時監視するセンサ出力監視手段としてのマルチプレクサ62と、このマルチプレクサ62により選択出力される信号をX,Y,Z軸の各軸成分毎に検知動作するX,Y,Z軸センス回路63,64,65と、これらのX,Y,Z軸センス回路63,64,65から得られる各軸成分毎の信号のうちでS/Nの最も大きな信号、即ち、最大信号出力を正規信号として出力するように演算処理を行う信号処理手段としてのCPU66とによりセンサシステム67が構成されている。
【0053】
このように、本実施の形態によれば、複数組、例えば2組のTMR素子11x1,11x2,11y1,11y2,11z1,11z2の出力を常に検知させるようにしたので、3軸磁界ベクトルセンサで問題となる1平面の出力信号が弱くなることによる信号の劣化を防ぎ、常に信頼性の高い3軸磁界ベクトルセンサを実現することができる。
【0054】
なお、本実施の形態で器は、前述の実施の形態の場合と同様、球状半導体2を利用した磁界ベクトルセンサへの適用例として説明したが、球状半導体2を用いたものに限らず、例えば、図12の場合のように立方体を利用した磁界ベクトルセンサの場合にも適用することができる。
【0055】
【発明の効果】
請求項1記載の発明の磁界ベクトルセンサによれば、球状半導体上に複数個の薄膜磁気インピーダンス素子を備えることで、球状半導体上に半導体プロセスにより薄膜磁気インピーダンス素子を一括して複数個搭載させる構成としたので、従来の個別のコイル等による各センサ素子を立方体状に配置させる場合に比べ、各軸方向の配置を半導体プロセスの精度と同等の精度で直交配置させることが可能となり、このため、従来方式のような製造過程における、各軸の特性の調整が不要となり、低コストで精度の良い3次元センサを実現することができる。
【0056】
また、請求項1記載の発明によれば、薄膜磁気インピーダンス素子としてトンネル磁気抵抗効果素子を用いることにより、ポヒーマス(Polhemus)社の3次元センサの場合のような巻線コイルに依らないため、超小型の磁界ベクトルセンサを提供することができ、また、MI素子におけるようなバイアスコイルが必要ないため、コイルがなくなるばかりでなく、バイアスコイル用の周辺回路も不要となり、超小型の3次元磁界ベクトルセンサを提供することができる。
【0057】
請求項2記載の発明のセンサシステムによれば、請求項1記載の磁界ベクトルセンサと、例えばブルートゥースチップ等の無線チップとを組合せることにより、超小型でワイヤレスの磁界ベクトルセンサを提供することができる。
【0058】
請求項3記載の発明のセンサシステムよれば、請求項1記載の磁界ベクトルセンサと、磁界ベクトルセンサにおける3軸各方向の薄膜磁気インピーダンス素子の検知出力に基づき検知対象部位の傾きを算出する傾き算出手段と、を備えることで、地磁気を検出することによる方位のみでなく、傾斜方向も検知するようにしているので、例えば、人体を検知対象部位として当該磁界ベクトルセンサを装着した場合、進行方向だけでなく傾斜方向も検知できることから、人体の傾きをも検知することにより、人体が動作しているか否かをも検知するようにすることができ、この結果、例えば、鉄工所におけるような広い場所で作業者が不慮の事故に遭遇した場合でも、単に休息している状態との違いを判別することが可能となる。
【0059】
請求項4記載の発明のセンサシステムによれば、請求項1記載の磁界ベクトルセンサを例えばアクチュエータと組合せることにより、小型で精度のよい位置計測システムを構築することができる。
【0060】
請求項5記載の発明のセンサシステムによれは、請求項1記載の磁界ベクトルセンサと、これらの複数組の磁気インピーダンス素子の出力信号を随時監視するセンサ出力監視手段と、このセンサ出力監視手段により随時監視される出力信号のうちで最大出力信号を正規信号として出力する信号処理手段と、を備えることで、複数組の磁気インピーダンス素子の出力を常に検知させるようにしたので、3軸磁界ベクトルセンサで問題となる1平面の出力信号が弱くなることによる信号の劣化を防ぎ、常に信頼性の高い3軸磁界ベクトルセンサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施の形態の磁界ベクトルセンサを示す概略斜視図である。
【図2】本発明の第二の実施の形態のTMR素子部分を示し、(a)は概略平面図、(b)はその断面構造図である。
【図3】本発明の第三の実施の形態のセンサシステムを示すブロック図である。
【図4】センサシステムを人体に実装した例を示す概略図である。
【図5】その検知系を示すブロック図である。
【図6】その動作状況演算部の構成例を示すブロック図である。
【図7】本発明の第四の実施の形態を示す概略構成図である。
【図8】本発明の第五の実施の形態を示す概略斜視図である。
【図9】その座標例を示す説明図である。
【図10】動作制御例を示すフローチャートである。
【図11】本発明の第六の実施の形態を示す概略ブロック図である。
【図12】従来例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
1 磁界ベクトルセンサ
2 球状半導体
3,4,5 薄膜磁気インピーダンス素子
11 トンネル磁気抵抗効果素子
24 傾き算出手段
45 無線チップ
62 センサ出力監視手段
66 信号処理手段
S センサシステム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic field vector sensor and a sensor system.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the rapid advancement of computer technology, virtual reality (VR = virtual reality) devices that build a virtual space in a computer have flourished as essential technologies for the welfare equipment field, amusement field, computer graphics field, etc. Development is underway.
[0003]
In such a VR device, a three-dimensional position estimation device represented by a motion capture system or the like is required as an interactive device for a virtual space and an operator. In such an apparatus, a small three-dimensional position detection sensor is used in order to make the computer recognize the movement of the human body. In this case, since the sensor is attached to the human body, it is necessary to be an ultra-small sensor.
[0004]
Conventionally, as such a three-dimensional position detection sensor, a magnetic field vector sensor is used, and a representative one is a three-dimensional sensor (product name: First Rack: FASTRAK) manufactured by Polhemus, which is an HMD (head). It is used for (mount display).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the case of this product, the three-dimensional position detection sensor is composed of a transmission coil and a reception coil in which coils are wound so as to be orthogonal to three axes. In the case of this sensor, the position in the three-dimensional space is calculated by passing a current through the transmitting coil, detecting the magnetic field generated by the receiving coil, and analyzing the magnetic field in each of the three axes.
[0006]
Further, although there is a similar magnetic field vector sensor based on an MI (Magnetic Impedance) element disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-127218, in the case of this MI element, the sensor unit has an MI element having a length of about several mm As shown in FIG. 12, 100, 101, and 102 are arranged in three-dimensional directions on three axes so as to be orthogonal to each other. In this case, the sensor unit is not based on a winding, but as is well known in the case of an MI element, it is necessary to apply a high-frequency bias to the
[0007]
Therefore, even in the case of a three-dimensional sensor using MI elements, in addition to arranging the
[0008]
In addition, conventional magnetic sensors include MR elements (magnetoresistive elements) and GMR elements (giant magnetoresistive elements), but these elements also have a poor temperature characteristic and require a bias coil. It is said. In addition, for example, even when a bias coil is unnecessary, in order to obtain an appropriate impedance as a sensor, the size is inevitably large.
[0009]
In addition, in order to detect the magnetic field vector with high accuracy, the arrangement of the sensors in each direction is important. However, it is very difficult to arrange such a sensor with a size of several millimeters in a cubic manner with high accuracy. Difficult to work.
[0010]
In other words, in order to determine the arrangement of each sensor unit in the three axial directions, it is necessary to first measure the characteristics in the respective axial directions and then make adjustments so that the respective axial directions are orthogonal to each other. Vector sensors are difficult and expensive to manufacture.
[0011]
In particular, in the case of an MI element as shown in FIG. 12, in addition to arranging each element in a cubic shape, a bias coil for each element is required, which makes it difficult to assemble.
[0012]
In addition, since a conventional normal two-dimensional sensor detects only a direction, for example, when used on a human body, when a human body motion is stopped, whether it is moving or stopped It is difficult to detect whether the person is resting (whether the person is just resting or cannot move in the event of an accident). For example, when an operator encounters an unexpected accident in a wide place such as in an ironworks, it can only detect that the operation has stopped, and cannot detect a difference from a state of simply resting.
[0013]
In general, in the case of a three-dimensional vector sensor, since the external magnetic field is close to two dimensions, one of the three axes has a direction different from this plane, and the output signal in this axial direction is lowered. For this reason, in the case of three axes, the output of one of the axes decreases due to the arrangement relationship between the external magnetic field and the three-axis vector sensor, and S / N becomes a problem.
[0014]
Therefore, the present invention aims to provide a low-cost, ultra-compact, high-precision magnetic field vector sensor that eliminates the disadvantages of the conventional three-dimensional magnetic field vector sensor and a small sensor system using the same. To do.
[0015]
It is another object of the present invention to provide a sensor system that can always obtain a signal output with no S / N degradation without depending on the direction of a three-axis magnetic field vector sensor.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The magnetic field vector sensor according to
[0017]
A spherical semiconductor is an IC in which an electronic circuit is formed on a minute (usually 1 mm or less in diameter) spherical silicon as described in, for example, “Toward development of spherical IC tag”, Nikkei Sangyo Shimbun article '99 .6.11. is there. The features of this IC are that it does not require a clean room as in the conventional IC manufacturing process, can be manufactured with low-cost equipment by a normal semiconductor process, and has a conventional planar shape for forming an IC circuit on the sphere surface. The area can be made larger than that of an IC, and a small IC can be realized. In the present invention, such a spherical semiconductor (spherical silicon) is applied, and a plurality of thin film magneto-impedance elements are collectively mounted on the spherical semiconductor by a semiconductor process. Compared to the case where the sensor elements are arranged in a cube shape, the arrangement in each axial direction can be arranged orthogonally with an accuracy equivalent to the accuracy of the semiconductor process. This eliminates the need to adjust the characteristics of each axis in the manufacturing process as in the conventional method, and realizes a low-cost and accurate three-dimensional sensor.
[0019]
Accordingly, by using a tunnel magnetoresistive effect element as a thin film magneto-impedance element, it is possible to provide an ultra-small magnetic field vector sensor because it does not depend on a winding coil as in the case of the three-dimensional sensor of the Polhemus Company. it can. Further, since the bias coil as in the MI element is not required, not only the coil is eliminated, but also a peripheral circuit for the bias coil is not required, and an ultra-small three-dimensional magnetic field vector sensor can be provided. In particular, according to the ball semiconductor manufactured by Ball Semiconductor, those having a diameter of 1 mm or less can be realized, and according to the TMR element, sensor characteristics can be obtained even at this size. Therefore, an ultra-small three-dimensional magnetic field vector sensor can be realized.
[0020]
[0021]
Therefore, an ultra-small and wireless magnetic field vector sensor can be provided by combining with a wireless chip such as a Bluetooth chip.
[0022]
[0023]
Therefore, since not only the direction by detecting geomagnetism but also the inclination direction is detected, for example, when the magnetic field vector sensor is mounted with the human body as the detection target part, not only the traveling direction but also the inclination direction is detected. Therefore, it is possible to detect whether or not the human body is operating by detecting the inclination of the human body. As a result, for example, even when an operator encounters an unexpected accident in a wide place such as in an ironworks, it is possible to determine a difference from a state of simply resting.
[0024]
[0025]
Accordingly, the claim is intended to detect geomagnetism or transmitted magnetic field. 1 By combining the mounted magnetic field vector sensor with an actuator, for example, a small and accurate position measurement system can be constructed.
[0026]
[0027]
Therefore, since the outputs of a plurality of sets of magneto-impedance elements are always detected, signal degradation due to weakening of the output signal on one plane, which is a problem with the three-axis magnetic field vector sensor, is prevented, and the reliability is always high. An axial magnetic field vector sensor can be realized.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The magnetic
[0029]
Here, the
[0030]
If the magnetic
[0031]
In FIG. 1, the thin film
[0032]
According to the present embodiment, since a spherical semiconductor (spherical silicon) 2 is applied and a plurality of thin film
[0033]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, a TMR element having a four-terminal structure is used as the thin film
[0034]
The TMR element (tunnel magnetoresistive element) 11 according to the present embodiment basically has a magnetic field laminated on an insulating substrate (corresponding to the surface of the spherical semiconductor 2) 12 as shown in FIG. The magnetic field assisting soft
[0035]
The
[0036]
According to the
[0037]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The present embodiment shows a configuration example of a sensor system S using, for example, the three-dimensional magnetic
[0038]
Three thin film
[0039]
By using such a sensor system S, for example, it is possible to construct a measurement system such as an operation remote monitor device that senses the operation state of the human body as shown in FIG. In the example shown in FIG. 4, for example, four sensor systems S1 to S4 are attached to appropriate parts to be detected on the human body, for example, parts such as the trunk, legs, and arms, and the wearable computer 25 that is responsible for overall control. It is configured by wireless connection. That is, by mounting an arbitrary number of sensor systems S including the three-dimensional magnetic
[0040]
As shown in FIG. 5, the wearable computer 25 includes an operation
[0041]
An example of the configuration of the operation
[0042]
Therefore, according to the present embodiment, the three-dimensional magnetic
[0043]
Although not particularly illustrated, the three-dimensional magnetic
[0044]
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, for example, the sensor substrate 43 is connected to the three-dimensional magnetic field vector sensor 1 (which may have any of the configurations shown in FIGS. 1 and 2) as described above via an
[0045]
Such a
[0046]
Therefore, according to the present embodiment, an ultra-small and wireless magnetic field vector sensor can be provided by combining with a wireless chip such as a Bluetooth chip.
[0047]
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, the above-described three-dimensional magnetic field vector sensor 1 (which may have any of the configurations shown in FIGS. 1 and 2) for detecting geomagnetism is used as, for example, three-
[0048]
In the illustrated example, the magnetic
[0049]
In this case, the three-dimensional position on the XYZ coordinate axes where the magnetic
[0050]
In such a configuration, an example of actuator operation control accompanied by position control of the magnetic
[0051]
As described above, according to the present embodiment, the three-dimensional magnetic
[0052]
A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, for example, a triaxial structure in which two sets of thin film magnetoresistive elements, for example, TMR elements 11x1, 11x2, 11y1, 11y2, 11z1, and 11z2, are arranged on the
[0053]
As described above, according to the present embodiment, since the outputs of a plurality of sets, for example, two sets of TMR elements 11x1, 11x2, 11y1, 11y2, 11z1, and 11z2, are always detected, there is a problem with the three-axis magnetic field vector sensor. Therefore, it is possible to prevent a signal deterioration due to weakening of the output signal of one plane and to realize a highly reliable three-axis magnetic field vector sensor.
[0054]
In the present embodiment, the device has been described as an application example to the magnetic field vector sensor using the
[0055]
【The invention's effect】
According to the magnetic field vector sensor of the first aspect of the present invention, a plurality of thin film magneto-impedance elements are collectively mounted on the spherical semiconductor by a semiconductor process by providing a plurality of thin film magneto-impedance elements on the spherical semiconductor. Therefore, compared to the case where each sensor element by a conventional individual coil or the like is arranged in a cube shape, the arrangement in each axial direction can be orthogonally arranged with the accuracy equivalent to the accuracy of the semiconductor process. It is not necessary to adjust the characteristics of each axis in the manufacturing process as in the conventional method, and a low-cost and accurate three-dimensional sensor can be realized.
[0056]
Also,
[0057]
[0058]
[0059]
[0060]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a magnetic field vector sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A and 2B show a TMR element portion according to a second embodiment of the present invention, in which FIG. 2A is a schematic plan view, and FIG.
FIG. 3 is a block diagram showing a sensor system according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view showing an example in which a sensor system is mounted on a human body.
FIG. 5 is a block diagram showing the detection system.
FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration example of the operation status calculation unit.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic perspective view showing a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing an example of the coordinates.
FIG. 10 is a flowchart illustrating an example of operation control.
FIG. 11 is a schematic block diagram showing a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic perspective view showing a conventional example.
[Explanation of symbols]
1 Magnetic field vector sensor
2 Spherical semiconductor
3, 4, 5 Thin film magneto-impedance element
11 Tunnel magnetoresistive effect element
24 Inclination calculation means
45 Wireless chip
62 Sensor output monitoring means
66 Signal processing means
S sensor system
Claims (5)
前記薄膜磁気インピーダンス素子が、トンネル磁気抵抗効果素子であり、
前記薄膜磁気インピーダンス素子が互いに直交するように前記球状半導体上で3軸上に各々設けられていることを特徴とする磁界ベクトルセンサ。Provided with a plurality of thin film magneto-impedance elements on a spherical semiconductor ,
The thin film magnetoimpedance element is a tunnel magnetoresistive element;
Magnetic field vector sensor you wherein are respectively provided on the spherical semiconductor on three axes as the thin film magnetic impedance element are orthogonal to each other.
前記磁界ベクトルセンサにおける3軸各方向の前記薄膜磁気インピーダンス素子の検知出力に基づき前記検知対象部位の傾きを算出する傾き算出手段と、を備えるセンサシステム。And the magnetic field vector sensor of 請 Motomeko 1 Symbol placement,
An inclination calculating means for calculating an inclination of the detection target part based on a detection output of the thin film magneto-impedance element in each of three axis directions in the magnetic field vector sensor.
前記磁界ベクトルセンサにおける3軸各方向の前記薄膜磁気インピーダンス素子の検知出力に基づき3軸方向のベクトルを検知する検知手段と、を備えるセンサシステム。And the magnetic field vector sensor of 請 Motomeko 1 Symbol placement,
A sensor system comprising: a detecting unit configured to detect a vector in the three-axis direction based on a detection output of the thin film magneto-impedance element in each of the three axes in the magnetic field vector sensor.
これらの複数組の磁気インピーダンス素子の出力信号を随時監視するセンサ出力監視手段と、
このセンサ出力監視手段により随時監視される出力信号のうちで最大出力信号を正規信号として出力する信号処理手段と、を備えるセンサシステム。Magnetic field vector sensor according to claim 1 ,
Sensor output monitoring means for monitoring the output signals of these multiple sets of magneto-impedance elements as needed,
A sensor system comprising: signal processing means for outputting a maximum output signal as a normal signal among output signals monitored at any time by the sensor output monitoring means.
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