JP2016017792A - センサーモジュールおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のドリフトキャンセル方法では、微小角度の傾斜計測等においてドリフト現象に起因する誤差成分をキャンセルができないという課題があった。【解決手段】センサーモジュールは、立方体の形状の台座１１４と、台座１１４の第１面１１４ａに搭載され、且つ、第１の検出軸１２１を備えた第１センサー１１１と、台座１１４の第２面１１４ｃに搭載され、且つ、第２の検出軸１２３を備えた第２センサー１１３と、第２センサー１１３の検出信号に基づき、第１センサー１１１の検出信号を補正する制御部２５１と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、センサーモジュールおよびそれを用いた電子機器に関する。

加速度センサーや角速度センサー等の慣性センサーを搭載したセンサーモジュールにおいて、温度変化や経年変化のために実際の計測値とずれて計測されてしまう、いわゆるドリフト現象があることが知られている。正しい計測値を得るためには、何らかの方法でドリフト現象に起因する誤差成分をキャンセルすることが必要となる。例えば、特許文献１に示される角速度センサーでは、角速度センサーの検出信号から基準の信号を抽出し、この基準の信号を角速度センサーの出力から減算した出力を制御信号とすることにより、制御系全体に対するドリフトの影響を軽減するドリフトキャンセル方式が開示されている。

特開平６−２４２１３１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたドリフトキャンセル方式では、センサーに慣性量の変化が入力され、入力された値から基準信号を抽出し、ドリフトキャンセルを行うことが前提となる。そのため、例えば、構造物のフロアなど水平な環境の傾斜計測等を行う場合においては、慣性量の大きな変化が無いために、基準信号の抽出をすることができず、ドリフト現象をキャンセルしきれない。言い換えると、微小な慣性量の変化を計測するシステムにおいては、特許文献１に記載のドリフトキャンセル方式が適用できないという課題があった。
また、構造物のフロアの傾斜計測を行う場合、例えば、互いに検出軸の方向が異なる２つの加速度センサーを用いて、重力方向に対する傾斜量を計測し、それに基づきフロアが傾斜しているかどうかを計測する。加速度センサーを搭載したセンサーユニットをフロアに設置するにあたり、検出軸を精度良く設定する必要があり、例えば、一方の加速度センサーの検出軸を重力方向に沿うように設定し、他方の加速度センサーの検出軸をフロアの水平面に沿うように設定される。しかしながら、センサーユニットの設置において検出軸が所望の方向からずれてしまうと、傾斜計測の精度が劣化してしまう問題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係るセンサーモジュールは、立方体の形状の台座と、前記台座の第１面に搭載され、且つ、第１の検出軸を備えた第１センサーと、前記台座の前記第１面に交わる第２面に搭載され、且つ、重力方向の加速度成分を検出可能な第２の検出軸を備えた第２センサーと、前記第２センサーの検出信号に基づき、前記第１センサーの検出信号を補正する制御部と、を備えていることを特徴とする。

本適用例のセンサーモジュールによれば、慣性量の変化が少ない計測であっても、重力方向の加速度成分を含む第２センサーの検出信号に基づき、第１センサーの検出信号の補正を行うことでドリフト現象に起因する誤差成分のキャンセルが可能となる。これにより、高精度なセンサーモジュールを得ることができる。また立方形状の台座に複数のセンサーを搭載した構造とすることで、例えば建物のフロアの傾斜測定等の微小の慣性量の変化を計測する場合においても、フロアの水平面および重力方向に対してセンサーの検出軸を精度良く設定することができる。

［適用例２］上記適用例に記載のセンサーモジュールにおいて、前記制御部は、前記第２センサーの検出信号から前記重力方向の加速度成分を減算して誤差成分を算出し、前記誤差成分を前記第１センサーの検出信号から減算することを特徴とする。

本適用例のセンサーモジュールによれば、第２センサーは、第２の検出軸が重力方向に沿って設定されるため、重力以外の加速度に対する感度が低くなり、第２センサーの検出信号に現れる成分はドリフトのみとなる。このため、第２センサーの検出信号に基づき第１センサーの検出信号の補正を行い、ドリフトキャンセルをすることができる。これにより高精度なセンサーモジュールを得ることができる。

［適用例３］上記適用例に記載のセンサーモジュールにおいて、前記第２センサーは、前記第２の検出軸に作用する慣性量を計測する機能を備えていることを特徴とする。

本適用例のセンサーモジュールによれば、第２センサーの検出信号を第１の検出信号の補正目的で用いる以外にも、第２センサーの検出信号を用いて第２の検出軸に加わる慣性量を計測しても良い。このように第２のセンサーに補正と計測の機能を兼用させることで、補正用と計測用とで分けてセンサーを配置する必要がなくなり、部品点数を減らすことができる。

［適用例４］上記適用例に記載のセンサーモジュールにおいて、前記第１の検出軸および前記第２の検出軸の両方に交差する第３の検出軸を備えた第３センサーを有し、前記台座の前記第１面および前記第２面に交わる第３面に前記第３センサーが搭載されていることを特徴とする。

本適用例のセンサーモジュールによれば、立方体形状の台座のいずれか３つの面に第１センサー、第２センサー、および第３センサーが各々装着されることにより、３軸方向の検出が可能なセンサーモジュールが構成される。これによれば、例えば、３軸あるうちの１軸を他の２軸の補正用として用いた場合、ドリフトキャンセルをすることができる、これにより、高精度なセンサーモジュールを得ることができる。

［適用例５］上記適用例に記載のセンサーモジュールにおいて、前記第１センサーの検出信号および前記第２センサーの検出信号の少なくとも一方に基づき、構造物の振動、傾斜、および変位の少なくとも一つを計測することを特徴とする。

本適用例のセンサーモジュールによれば、構造物の振動、傾斜、又は変位を高精度に計測することができる。

［適用例６］本適用例に係る電子機器は、上記適用例に記載のセンサーモジュールを備えていることを特徴とする。

本適用例の電子機器によれば、上記適用例に記載のセンサーモジュールを備えていることから、微小な慣性量の変化を計測する時のドリフトキャンセルをすることができる、高精度な電子機器を提供することができる。

実施形態１に係るセンサーモジュールの斜視図。 実施形態１に係るセンサーモジュールのブロック図。 実施形態１に係る第１センサーの内部構造図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図。 実施形態１に係る加速度センサーの動作を模式的に示す断面図であり、（ａ）は、可動部が−Ｚ軸方向に変位した状態を示し、（ｂ）は、可動部が＋Ｚ軸方向に変位した状態を示す。 実施形態１に係るセンサーモジュールの回転による検出信号変化図。 実施形態１に係るセンサーモジュールの補正前後のフィールドデータ。 実施形態２に係るセンサーモジュールの側面図。 センサーモジュールを備えた傾斜計を示す模式斜視図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。

（実施形態１）
＜センサーモジュール＞
本発明の実施形態１に係るセンサーモジュール１１０について説明する。図１は、センサーモジュール１１０の概略構成を示す斜視図である。
本実施形態のセンサーモジュールは、加速度センサーを２個用いて重力加速度の変化を計測することによって、物体の傾斜角を計測することができる。なお、本実施形態において加速度センサーによって計測された加速度の値を検出信号と呼ぶ。
また、図１では互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸が図示されている。以下ではＸ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に平行な方向を「Ｚ軸方向」という。また、文中において「平面視」と記載されている場合は、＋Ｚ軸方向から見ることを指している。

＜構成＞
実施形態１に係るセンサーモジュール１１０は、立方体形状の台座１１４と、基台１１５と、第１センサー１１１と、第２センサー１１３と、制御部２５１と、を含み構成されている。センサーモジュール１１０は、−Ｚ軸方向を重力方向１１６としている。

基台１１５は平板形状に形成されており、センサーモジュールを被測定面へ取り付ける際に、取付け補助用の部材として機能する。そのため、外周部には被測定面への取付け用のネジ穴（図示せず）があることが好ましい。
台座１１４は六面を有する矩形形状であり、第１面１１４ａ、第２面１１４ｃ、第３面１１４ｄなどを備える。
台座１１４の一面は、基台１１５の略中央部分にねじ止めやエポキシ系接着剤などにより固定されている。基台１１５は、台座１１４より外周が大きいため、その外周部が台座１１４から鍔状に突出している。

第１センサー１１１および第２センサー１１３は、同一構造であり、同一プロセスで製造された加速度センサーである。この第１センサー１１１および第２センサー１１３は、センサーモジュール１１０に加わる慣性量を計測する機能および一方のセンサーからの検出信号を用いて他方のセンサーの検出信号を補正する機能の両方を兼ね備えている。第１センサー１１１および第２センサー１１３の外観は、箱型の形状をなしており、厚み方向に一対の面を持つ。
また、制御部２５１は、電子回路が実装されたプリント基板であり、検出信号を補正するためのＣＰＵ等の演算器を備える。

第１センサー１１１は、厚み方向をＸ軸方向に向け、Ｘ軸方向を法線とする第１面１１４ａに搭載されている。第２センサー１１３は、厚み方向をＺ軸方向に向け、Ｚ軸方向を法線とする第２面１１４ｃに搭載されている。制御部２５１は、Ｙ軸方向を法線とする第３面１１４ｄに搭載されている。
第１センサー１１１および第２センサー１１３を台座１１４に搭載する場合は、エポキシ系接着剤を用いて固定するのが望ましい。制御部２５１を台座１１４に固定する場合は、電子回路が実装されている都合上、ねじ止めであっても良い。第１センサー１１１および第２センサー１１３は、配線（図示せず）により制御部２５１に接続されている。

第１センサー１１１は第１の検出軸１２１を備えており、第１の検出軸１２１は、第１センサー１１１の厚み方向に沿っている。ここで、検出軸とは、その軸の方向に加速度の感度を持っている軸のことである。例えば、角速度センサーの場合は、その軸の回りに発生する角速度の感度を持っている軸のことである。第２センサー１１３の第２の検出軸１２３は、第２センサー１１３の厚み方向に沿っている。よって、台座１１４に配置された第１センサー１１１の第１の検出軸１２１と、第２センサー１１３の第２の検出軸１２３とは互いに交差しており、センサーモジュール１１０は、２軸の検出軸を有する加速度センサーが搭載されていることとなる。

制御部２５１は、第２センサー１１３の重力方向１１６の加速度成分を含む検出信号に基づき、第１センサー１１１の検出信号を補正する機能を有する。
台座１１４および基台１１５の材質は、第１センサー１１１および第２センサー１１３のそれぞれの温度差を小さくするために熱伝導性の良い金属等を用いることが望ましい。具体的にはアルミニウム、銅、真鍮等が適している。

このように立方形状の台座１１４の各面に第１センサー１１１および第２センサー１１３を搭載することにより、台座１１４と基台１１５は互いに水平に実装され、基台１１５は被測定物に対し水平に実装されるので、センサーの検出軸を被測定物又は重力方向１１６に対し精度良く設定することができる。例えば、センサーモジュールを建物のフロアに設置し傾斜計測する場合においては、第１センサー１１１の第１の検出軸１２１をフロアの水平面に沿って設定でき、第２センサー１１３の第２の検出軸１２３を重力方向１１６に沿って設定することができる。

＜回路ブロック＞
次にセンサーモジュール１１０の回路ブロックについて説明する。図２にセンサーモジュールの回路ブロックを示す。
センサーモジュール１１０の回路ブロックは、第１センサー１１１と、第２センサー１１３と、制御部２５１とを含み構成され、配線（図示せず）などにより検出信号が通信可能となるように設けられている。

第１センサー１１１の検出信号としての第１信号２５４と、第２センサー１１３の検出信号としての第２信号２５６と、はそれぞれ制御部２５１に入力されている。制御部２５１に入力される制御選択信号２５３は、データの収集や制御をセンサーモジュール１１０に対して行うためにホストコンピューター（図示せず）から出力される。

制御部２５１からは、制御選択信号２５３の入力により、後述するドリフト補正時に第１センサー１１１又は第２センサー１１３のどちらを基準として補正をするか、決定して出力することができる。また、第１センサー１１１又は第２センサー１１３の検出信号そのものを何の補正もせずに出力することも可能である。

制御選択信号２５３の選択に従った結果が出力信号２５２となる。
制御部２５１に入力されたデジタル量を、ＣＰＵ等の演算器を用いて補正をし、出力信号２５２としてデジタル値の検出信号が得られる。なお、アナログ量が入力されるのであれば、演算器に替えて演算増幅器を用いることでアナログ量の補正をし、出力信号２５２としてアナログ値が得られる。これにより、出力信号２５２は、デジタル値でも、アナログ値でも可能である。
なお、第１センサー１１１および第２センサー１１３が加速度の変化によって内部の振動子の共振周波数が変化するような方式の加速度センサーの場合、制御部２５１には、発振回路が含まれる構成となる。

＜加速度センサー＞
センサーモジュールに使用されている、第１センサー１１１および第２センサー１１３は同一形式の加速度センサーであるため、第１センサー１１１を例として説明する。図３は第１センサー１１１の内部構造図である。図３（ａ）は、第１センサー１１１の平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すＣ−Ｃ線断面図である。
図３（ａ）および図３（ｂ）では互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸が図示されている。以下ではＸ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に平行な方向を「Ｚ軸方向」という。

第１センサー１１１は、平板状のベース部１０と、ベース部１０に継ぎ手部１１を介して接続された略矩形平板状の可動部１２と、ベース部１０と可動部１２とに掛け渡された物理量検出素子としての加速度検出素子１３と、少なくとも上記各構成要素を内部に収容したパッケージ２０と、を備えている。

第１センサー１１１は、図３（ａ）に示すように、ベース部１０とともに可動部１２を囲む略矩形の枠状に形成されている平板状の支持部１４、を更に備えている。
可動部１２は、第１主面１２ａおよび第２主面１２ｂを有し、第１主面１２ａおよび第２主面１２ｂには質量部（錘）１５が配置されている。可動部１２は、ＸＹ平面に沿った第１主面１２ａと交差する、第１方向としてのＺ軸方向に加わる物理量としての加速度に応じて、継ぎ手部１１を支点としてＺ軸方向に変位（回動）可能に構成されている。
なお、本実施形態では、第１主面１２ａおよび第２主面１２ｂに質量部（錘）１５が配置されている形態としたが、これに限らず、少なくともどちらか一方に質量部（錘）１５が配置されていればよい。

ベース部１０、継ぎ手部１１、可動部１２、支持部１４は、例えば、水晶の原石などから所定の角度で切り出された水晶基板を用いて一体で略平板状に形成されている。なお、可動部１２と支持部１４との間には、両者を分離するスリット状の孔が設けられている。ベース部１０、継ぎ手部１１、可動部１２、支持部１４の外形形状は、フォトリソグラフィー、エッチングなどの技術を用いて精度よく形成されている。

継ぎ手部１１は、＋Ｚ軸方向および−Ｚ軸方向からのハーフエッチングによって、ベース部１０と可動部１２とを区切るように、Ｘ軸方向に沿った有底の溝部１１ａ，１１ｂが形成されている。継ぎ手部１１は、図３（ｂ）に示すように、溝部１１ａ，１１ｂにより、略Ｈ字状に形成されている。

質量部１５は、平面視（図３（ａ））において略Ｕ字状に形成され、断面視（図３（ｂ）においては、第１主面１２ａおよび第２主面１２ｂとの接合面に凸部を有している。
質量部１５は、凸部が接合材１６を介して第１主面１２ａおよび第２主面１２ｂに接合されている（取り付けられている）。

質量部１５は、第１センサー１１１の感度向上を図るべく平面サイズを極力大きくするために、平面視（図３（ａ））において、−Ｙ軸方向の一部は支持部１４と平面視で重なるように配置され、＋Ｙ軸方向は加速度検出素子１３を避ける二股形状で継ぎ手部１１近傍まで延びている。
質量部１５には、例えば、銅および銅合金などの金属に代表される比較的比重の大きい材料が用いられている。接合材１６には、例えば、シリコーン樹脂系の接着剤が用いられている。

加速度検出素子１３は、Ｙ軸方向に沿って延び、Ｘ軸方向に屈曲振動をする振動梁１３ａ，１３ｂを有する物理量検出部としての加速度検出部１３ｃと、加速度検出部１３ｃの延在方向の両端に接続された一対の基部１３ｄ，１３ｅと、を備えている。加速度検出素子１３は、２つの振動梁１３ａ，１３ｂと一対の基部１３ｄ，１３ｅとで二組の音叉を構成することから、双音叉素子（双音叉型振動片）とも呼ばれている。

加速度検出素子１３は、例えば、水晶の原石などから所定の角度で切り出された水晶基板を用いて、加速度検出部１３ｃと基部１３ｄ，１３ｅとが一体で略平板状に形成されている。また、加速度検出素子１３の外形形状は、フォトリソグラフィー、エッチングなどの技術を用いて精度よく形成されている。

加速度検出素子１３は、一方の基部１３ｄが可動部１２の第１主面１２ａ側に、例えば、低融点ガラス、共晶接合可能な金／錫合金被膜などの接合部材１７を介して固定され、他方の基部１３ｅがベース部１０の主面１０ａ側（可動部１２の第１主面１２ａと同じ側）に接合部材１７を介して固定されている。

加速度検出素子１３は、振動梁１３ａ，１３ｂの励振電極（駆動電極）（図示せず）から基部１３ｅに引き出された引き出し電極１３ｆ，１３ｇが、例えば、金、アルミニウムなどからなる金属ワイヤー１８によって、ベース部１０の主面１０ａに設けられた接続端子１０ｂ，１０ｃと接続されている。詳述すると、引き出し電極１３ｆは、接続端子１０ｂと接続され、引き出し電極１３ｇは、接続端子１０ｃと接続されている。

ベース部１０の接続端子１０ｂ，１０ｃは、配線（図示せず）によって支持部１４の外部接続端子１４ｅ，１４ｆと接続されている。詳述すると、接続端子１０ｂは、外部接続端子１４ｅと接続され、接続端子１０ｃは、外部接続端子１４ｆと接続されている。
なお、励振電極、引き出し電極１３ｆ，１３ｇ、接続端子１０ｂ，１０ｃ、外部接続端子１４ｅ，１４ｆは、例えば、クロムを下地層とし、その上に金が積層された金属膜となっている。

支持部１４は、パッケージ２０に固定される部分である複数（ここでは４箇所）の固定部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを四隅に有している。なお、固定部１４ｂ，１４ｃは、ベース部１０に形成されていても良い。

パッケージ２０は、平面形状が略矩形で凹部を有したパッケージベース２１と、パッケージベース２１の凹部を覆う平面形状が略矩形で平板状のリッド（蓋体）２２と、を有し、略直方体形状に形成されている。パッケージベース２１には、セラミックグリーンシートを成形して積層し焼成した酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、ガラスセラミックス焼結体などのセラミックス系の絶縁性材料や、水晶、ガラス、シリコンなどが用いられている。リッド２２には、パッケージベース２１と同材料、又は、コバール、４２アロイ、ステンレス鋼などの金属が用いられている。

パッケージベース２１には、内底面（凹部の内側の底面）２３の外周部分から凹部の内壁に沿って突出した２箇所の段差部２３ａ，２３ｂに、内部端子２４，２５が設けられている。内部端子２４，２５は、支持部１４に設けられた外部接続端子１４ｅ，１４ｆと対向する位置（平面視において重なる位置）に設けられている。なお、外部接続端子１４ｅ，１４ｆは、支持部１４の固定部１４ｂ，１４ｃと平面視において重なる位置に設けられている。

パッケージベース２１の外底面（内底面２３の反対側の面、外側の底面）２６には、一対の外部端子２７，２８が形成されている。外部端子２７，２８は、内部配線（図示せず）によって内部端子２４，２５と接続されている。例えば、外部端子２７は、内部端子２４と接続され、外部端子２８は、内部端子２５と接続されている。内部端子２４，２５および外部端子２７，２８は、タングステンなどのメタライズ層にニッケル、金などの各被膜をメッキなどにより積層した金属膜からなる。

パッケージベース２１には、凹部の底部にパッケージ２０の内部を封止する封止部２９が設けられている。封止部２９は、パッケージベース２１に形成された、外底面２６側の孔径が内底面２３側の孔径より大きい段付きの貫通孔２９ａに、金／ゲルマニウム合金、ハンダなどからなる封止材２９ｂを投入し、加熱溶融後、固化させることでパッケージ２０の内部を気密に封止する構成となっている。

支持部１４の固定部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは、接合剤３０を介して、パッケージベース２１の段差部２３ａ，２３ｂに固定されている。ここで、固定部１４ｂ，１４ｃが外部接続端子１４ｅ，１４ｆと内部端子２４，２５とを接続する部分であることから、接合剤３０には、例えば、金属フィラーなどの導電性物質が混合された導電性接着剤（例えば、シリコーン樹脂系導電性接着剤）が用いられている。なお、固定部１４ａ，１４ｄの固定には、金属フィラーなどの導電性物質を含まない接着剤（例えば、シリコーン樹脂系接着剤）を用いても良い。

第１センサー１１１は、外部接続端子１４ｅ，１４ｆがパッケージベース２１の内部端子２４，２５と接続された状態で、パッケージベース２１の凹部がリッド２２により覆われ、パッケージベース２１とリッド２２とがシームリング、低融点ガラス、接着剤などの接合部材２２ａで接合される。第１センサー１１１は、リッド２２の接合後、パッケージ２０の内部が減圧された状態（真空度の高い状態）で、封止部２９の貫通孔２９ａに封止材２９ｂが投入され、加熱溶融後、固化されることにより、パッケージ２０の内部が気密に封止される。なお、パッケージ２０の内部は、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスが充填されていても良い。また、パッケージ２０は、パッケージベース２１およびリッド２２の両方に凹部を有していても良い。

第１センサー１１１は、外部端子２７，２８、内部端子２４，２５、外部接続端子１４ｅ，１４ｆ、接続端子１０ｂ，１０ｃなどを経由して加速度検出素子１３の励振電極に印加される駆動信号によって、加速度検出素子１３の振動梁１３ａ，１３ｂが所定の周波数で発振（共振）する。そして、第１センサー１１１は、加わる加速度に応じて変化する加速度検出素子１３の共振周波数を検出信号として出力する。

ここで、第１センサー１１１の動作について説明する。図４は、センサー素子の動作について説明する模式断面図である。
図４（ａ）および図４（ｂ）では互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸が図示されている。以下ではＸ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に平行な方向を「Ｚ軸方向」という。
第１センサー１１１は、厚み方向（Ｚ軸方向）が検出軸である。
図４（ａ）は、可動部１２が−Ｚ軸方向に変位した状態を示す模式断面図であり、図４（ｂ）は、可動部が＋Ｚ軸方向に変位した状態を示す模式断面図である。

図４（ａ）に示すように、第１センサー１１１は、＋Ｚ軸方向に加わる加速度＋αに応じた慣性力によって、可動部１２が、継ぎ手部１１を支点にして−Ｚ軸方向に変位した場合、加速度検出素子１３には、基部１３ｄと基部１３ｅとがＹ軸方向に互いに離れる方向の引っ張り力が加わり、加速度検出部１３ｃの振動梁１３ａ，１３ｂに引っ張り応力が生じる。これにより、第１センサー１１１は、例えば、巻き上げられた弦楽器の弦のように、加速度検出部１３ｃの振動梁１３ａ，１３ｂの共振周波数が高くなる方に変化する。

一方、図４（ｂ）に示すように、第１センサー１１１は、−Ｚ軸方向に加わる加速度−αに応じた慣性力によって、可動部１２が、継ぎ手部１１を支点にして＋Ｚ軸方向に変位した場合、加速度検出素子１３には、基部１３ｄと基部１３ｅとがＹ軸方向に互いに近づく方向の圧縮力が加わり、加速度検出部１３ｃの振動梁１３ａ，１３ｂに圧縮応力が生じる。これにより、第１センサー１１１は、例えば、巻き戻された弦楽器の弦のように、加速度検出部１３ｃの振動梁１３ａ，１３ｂの共振周波数が低くなる方に変化する。

第１センサー１１１は、この共振周波数の変化を検出している。±Ｚ軸方向に加わる加速度（＋α、−α）は、この検出された共振周波数の変化の割合に応じて、ルックアップテーブルなどによって定められた数値に変換することで導出される。

ここで、図４（ａ）に示すように、第１センサー１１１は、＋Ｚ軸方向に加わる加速度＋αが所定の大きさより大きい場合、可動部１２の第１主面１２ａに固定された質量部１５の、平面視において支持部１４と重なる部分が支持部１４に接触する。これにより、第１センサー１１１は、加速度＋αに応じて−Ｚ軸方向に変位する可動部１２の変位を、所定の範囲内に規制する。

一方、図４（ｂ）に示すように、第１センサー１１１は、−Ｚ軸方向に加わる加速度−αが所定の大きさより大きい場合、可動部１２の第２主面１２ｂに固定された質量部１５の、平面視において支持部１４と重なる部分が支持部１４に接触する。これにより、第１センサー１１１は、加速度−αに応じて＋Ｚ軸方向に変位する可動部１２の変位を、所定の範囲内に規制する。

＜センサーモジュールの特性＞
次に、実施形態１に係るセンサーモジュール１１０の特性について図１、図２、および図５を参照して説明する。図５は、センサーモジュール１１０を回転させたときの重力加速度の影響による加速度値変化を示す。
図２に示す制御選択信号２５３は、第１センサー１１１および第２センサー１１３からの検出信号をそのままにセンサーモジュール１１０から出力信号２５２として出力するモードに設定されている場合で説明する。

図５の横軸は、センサーモジュール１１０をＹ軸を回転軸として左回りに回転させた時の回転角度を示している。縦軸は、第１センサー１１１および第２センサー１１３の検出信号として出力される計測加速度の結果を示している。
図１を用いて説明すると、基台１１５が略水平にあるときに、第１センサー１１１の第１の検出軸１２１は重力方向１１６と交差しており、第１信号２５４の計測加速度は、略０を示している。一方、第２センサー１１３の第２の検出軸１２３は重力方向１１６と一致しているが、重力方向１１６と加速度方向は逆になるため、第２信号２５６の計測加速度α３は、略１Ｇが計測されている。
また、センサーモジュール１１０を、９０°回転させた位置θ２にあるときに、第２センサー１１３の第２の検出軸１２３は、重力方向１１６と交差しており、第２信号２５６の計測加速度は、略０を示している。一方、第１センサー１１１の第１の検出軸１２１は、重力方向１１６と一致しており、第１信号２５４の計測加速度は、略１Ｇが計測される。

以上の結果から、第１信号２５４は、Ｓｉｎ特性、第２信号２５６はＣｏｓ特性を示すことになる。この特性によって、センサーモジュール１１０が微小角θ１回転した場合について以下に説明する。
第１センサー１１１の検出信号である第１信号２５４は、計測加速度α１を示している。また、第２センサー１１３の検出信号である第２信号２５６は、１Ｇから僅かに下がった計測加速度α２を示している。この時、三角関数の曲率の差により｜１Ｇ−α２｜＜＜｜α１｜となることが分かる。従って、微小角回転の場合において第２センサー１１３の検出信号は、第１センサー１１１の検出信号変化に対して、十分に小さい値が示されている。

＜センサー誤差補正方法（ドリフト補正方法）＞
以上の特性を利用したセンサー誤差補正方法（ドリフト補正方法）について、センサーモジュール１１０を使って、長時間かけて建造物等の傾きが発生しないかを計測する場合を例に説明する。なお、傾きとは、センサーモジュール１１０を回転させたことと同等のことである。

センサーモジュール１１０は、第２の検出軸１２３が重力方向１１６と略同方向に向くように、建造物に取り付けられた場合、第１センサー１１１には、建造物の僅かな傾きによる加速度成分とセンサーのドリフト成分とが、重畳したものが検出信号に現れる。また、第２センサー１１３も同様に、傾きによる加速度成分と、センサーのドリフト成分とが現れる。
しかし前述したとおり、第２センサー１１３による検出加速度は、第１センサー１１１で検出される加速度に比べて検出軸が異なるため、十分に小さい値となっている。そして、第１センサー１１１と、第２センサー１１３とは、同一構造を持ち、同一プロセスで作られた加速度センサーであり、急激な環境温度の変化や経年変化によって検出信号の変化となるドリフト成分が略同様となる。

従って、第２センサー１１３の第２の検出軸１２３は、重力方向１１６としており、重力方向１１６の検出信号に基づいて第１センサー１１１の検出信号を補正することができる。そして、第２センサー１１３の検出信号としての第２信号２５６から重力加速度１Ｇを差し引き、その値から第１センサー１１１の検出信号としての第１信号２５４を減算することで第１センサー１１１のドリフト成分を含まない出力信号２５２を得ることができる。

本形態のセンサーモジュール１１０と同様の構成を持つセンサーモジュールを用い、実際にフィールドデータを取得して補正を行った。補正前後の結果を図６に示す。図６（ａ）は、補正前のデータであり、図６（ｂ）は、補正後のデータである。横軸は、経過日数を表し２０日分のデータを示している。縦軸は、加速度偏差であり単位はｍＧである。
図６（ａ）には、検出信号用加速度センサーのデータ１５１および検出信号補正用加速度センサーのデータ１５２がプロットされている。検出信号補正用加速度センサーのデータ１５２は、重力加速度１Ｇの値を差し引いてある。図６（ｂ）には、データ１５１からデータ１５２を差し引いた結果であるデータ１５３をプロットしている。この結果から、加速度偏差の最大値から最小値の幅で０．５ｍＧ程度あったドリフトを幅で０．１ｍＧ程度に小さく補正できたことが示されている。

上記のセンサーモジュール１１０は、垂直の壁面の傾斜計測にも適用可能である。設置例として第１センサー１１１の第１の検出軸１２１を重力方向１１６に設置し、基台１１５を壁面に向けて設置すれば良い。この場合、検出信号用のセンサーは、第２センサー１１３を用いることになり。第１センサー１１１の検出信号は、検出信号補正用として使用可能となる。すなわち、第１センサー１１１と、第２センサー１１３とは、検出信号用および検出信号補正用の両方の機能を兼ね備えているため、機能を入れ替えることも可能である。

（実施形態２）
次に、実施形態２のセンサーモジュール２１０について、図７を用いて説明する。図７は、センサーモジュール１１０に新たに１つの第３センサー１１２を追加配置した構成である。
台座１１４において、制御部２５１が配置されている第３面１１４ｄの裏側に位置する第４面１１４ｂに新たな第３センサー１１２を追加した。つまり、台座１１４の側面のうち３つの側面に第１センサー１１１、第２センサー１１３、および第３センサー１１２が各々装着されている。第３センサー１１２は第３の検出軸１２２を有し、第３の検出軸１２２は、第３センサー１１２の厚み方向に沿っている。

第１センサー１１１、第２センサー１１３、および第３センサー１１２の第１の検出軸１２１、第２の検出軸１２３、および第３の検出軸１２２は、互いに交差することになる。従って、３軸の加速度センサーが構成される。第１センサー１１１の第１の検出軸１２１と、第３センサー１１２の第３の検出軸１２２とを重力方向１１６と交差する方向に置き、第２センサー１１３の第２の検出軸１２３を重力方向１１６とすることで、第１センサー１１１と第３センサー１１２で水平面２軸の計測が可能となる。第２センサー１１３は重力方向１１６に設置されるため、ドリフトの検出信号のみが出力される。この検出信号を用いて、第１センサー１１１および第３センサー１１２の検出信号から減算することによって、第１センサー１１１および第３センサー１１２のドリフト補正をすることができる。また、第１センサー１１１、第２センサー１１３、および第３センサー１１２は、互いに交差する第１の検出軸１２１、第２の検出軸１２３、および第３の検出軸１２２の各々について計測可能であり、うち２つを検出信号用、残り１つを検出信号補正用として用いることが可能である。従って、計測時に設置方向の自由度が大きく、さらに水平方向に沿った二方向の検出軸のドリフトキャンセルをすることができる、高精度なセンサーモジュールを得ることができる。

以上述べたように、本実施形態に係る傾斜計測用センサーモジュール１１０，２１０によれば、以下の効果を得ることができる。
重力軸と検出軸が一致している加速度センサーはドリフトの値のみが出力される。すなわちこの加速度センサーを用いて同一構造を持ち、同一プロセスで作られた他の検出軸の加速度センサーのドリフト補正が可能である。従って、高精度なセンサーモジュールを実現することができる。

＜電子機器＞
次に、上述したセンサーモジュール２１０を備えている電子機器について説明する。図８は、センサーモジュールを備えた傾斜計５を示す模式斜視図である。

図８に示すように、センサーモジュール２１０を備えた電子機器としての傾斜計５は、上述したセンサーモジュール２１０を、２軸方向の傾斜測定を行うセンサーモジュールとして備えている。傾斜計５は、例えば、山の斜面、道路の法面、盛土の擁壁面などの被計測場所に設置される。傾斜計５は、外部からケーブル４０を介して、センサーモジュール２１０（傾斜センサーモジュール）に電源が供給される。そして、傾斜計５は、センサーモジュール２１０に加わる重力加速度に応じて変化する第１センサー１１１の共振周波数から、傾斜計５の姿勢の変化（傾斜計５に対する重力加速度が加わる方向の変化）を検出し、それをルックアップテーブルなどによって角度に換算して、例えば、無線又はケーブル４０などで基地局にデータ転送する。このように、傾斜計５は、微小角度計測時のドリフトキャンセルすることができる、高精度なセンサーモジュール２１０を備えていることから、被計測場所の日常の管理（保全）や異常の早期発見に貢献することができる。

本発明のセンサーモジュールは、上述した傾斜計５に限らず、地震計、ナビゲーション装置、姿勢制御装置、ゲームコントローラー、携帯電話などの加速度センサー、角速度センサー、傾斜センサー、圧力センサー、重量センサーなどとして好適に用いることができ、いずれの場合にも微小角度計測時のドリフトキャンセルをすることができる、高精度な電子機器を提供することができる。

５…傾斜計、１０…ベース部、１０ａ…主面、１０ｂ，１０ｃ…接続端子、１１…継ぎ手部、１１ａ…溝部、１２…可動部、１２ａ…第１主面、１２ｂ…第２主面、１３…加速度検出素子、１３ａ…振動梁、１３ｃ…加速度検出部、１３ｄ，１３ｅ…基部、１３ｆ，１３ｇ…引き出し電極、１４…支持部、１４ａ，１４ｂ…固定部、１４ｅ，１４ｆ…外部接続端子、１５…質量部、１６…接合材、１７…接合部材、１８…金属ワイヤー、２０…パッケージ、２１…パッケージベース、２２…蓋体、２２ａ…接合部材、２３…内底面、２３ａ…段差部、２４，２５…内部端子、２６…外底面、２７，２８…外部端子、２９…封止部、２９ａ…貫通孔、２９ｂ…封止材、３０…接合剤、４０…ケーブル、１１０…センサーモジュール、１１１…第１センサー、１１２…第３センサー、１１３…第２センサー、１１４…台座、１１４ａ…第１面、１１４ｂ…第４面、１１４ｃ…第２面、１１４ｄ…第３面、１１５…基台、１１６…重力方向、１２１…第１の検出軸、１２２…第３の検出軸、１２３…第２の検出軸、１５１，１５２，１５３…データ、２１０…センサーモジュール、２５１…制御部、２５２…出力信号、２５３…制御選択信号、２５４…第１信号、２５６…第２信号。

Claims (6)

1. 立方体の形状の台座と、
   前記台座の第１面に搭載され、且つ、第１の検出軸を備えた第１センサーと、
   前記台座の前記第１面に交わる第２面に搭載され、且つ、重力方向の加速度成分を検出可能な第２の検出軸を備えた第２センサーと、
   前記第２センサーの検出信号に基づき、前記第１センサーの検出信号を補正する制御部と、を備えていることを特徴とするセンサーモジュール。
2. 前記制御部は、前記第２センサーの検出信号から前記重力方向の加速度成分を減算して誤差成分を算出し、前記誤差成分を前記第１センサーの検出信号から減算することを特徴とする請求項１に記載のセンサーモジュール。
3. 前記第２センサーは、前記第２の検出軸に作用する慣性量を計測する機能を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサーモジュール。
4. 前記第１の検出軸および前記第２の検出軸の両方に交差する第３の検出軸を備えた第３センサーを有し、
   前記台座の前記第１面および前記第２面に交わる第３面に前記第３センサーが搭載されてい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センサーモジュール。
5. 前記第１センサーの検出信号および前記第２センサーの検出信号の少なくとも一方に基づき、構造物の振動、傾斜、および変位の少なくとも一つを計測することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のセンサーモジュール。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のセンサーモジュールを備えていることを特徴とする電子機器。

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