JP3928775B2 - 集積化方位センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気センサと加速度センサとを混載した複合センサに関し、特に、携帯機器に内蔵されるべく小型で、その携帯機器の姿勢および方位、すなわち重力および地磁気に対する角度を検出することができる集積化方位センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、姿勢を検出する姿勢検出装置として、特開平１０−１８５６０８号公報に記載のものが知られている。この姿勢検出装置は、２軸の磁束を検出できる磁気センサと、２軸の加速度センサを用いた傾斜センサと、演算回路とで構成されている。
磁気センサ、傾斜センサ、および演算回路は、それぞれ独立した基板上に形成されており、これらの独立の各基板が別の基板上に配置されている。上記の磁気センサは、センサ表面に平行な（直交する２）方向の地磁気成分を検知することが可能である。
【０００３】
しかし、赤道上に近い一部地域を除いて、地磁気ベクトルの方向は地表面に対して水平でなく俯角が存在するため、装置を傾いた状態で使用すると、正確な方位を検出することが不可能である。この不都合を解消するには、傾斜センサにより装置の傾きを検知し、磁気センサの出力信号を補正することにより、正確な地磁気方位の検知を行うことが可能となる。
一方、方位測定の機能を備えた小型の加速度センサとして、特開平１１−１６０３４９号公報に記載のものが知られている。これは、加速度センサを構成する基板と同一の基板上に、その基板面に対して垂直な磁場を検出するホール素子を設けたものである。すなわち、ガラスからなる台座の上に、シリコンチップからなる重り部を可動自在に配置して加速度センサとし、その重り部の上にホール素子を配置したものである。
【０００４】
特開平１０−１８５６０８号公報に記載の姿勢検出装置では、磁気センサとしてフラックスゲートセンサを使用している。また、特開平１１−１６０３４９号公報に記載のものでは、磁気センサとしてインジウムアンチモン、ガリウム砒素などからなるホール素子を使用している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平１０−１８５６０８号公報に記載の姿勢検出装置では、磁気センサと傾斜角センサとを独立の基板にそれぞれ形成し、その独立の各基板を組立てるようにしている。このため、その姿勢検出装置を携帯機器のような小型の機器に搭載する場合には、大きすぎるという不都合がある。
ところで、特開平１０−１８５６０８号公報に記載のフラックスゲートセンサは、センサ表面に平行な方向の磁気成分を検出する（１軸あるいは）２軸の磁気センサであり、センサ表面に垂直な方向の磁気成分を検出することができない。
【０００６】
前記公報には、傾斜センサの出力を使って、フラックスゲートセンサの２軸の地磁気成分をもとに補正計算を行い、地磁気方位すなわち地磁気の水平成分を求める方法として、大きく分けて２通りの補正計算方法が記載されている。
前半では、地磁気の鉛直方向成分を０と見なして補正計算をしている。しかしながら、赤道上に近い極限られた地域を除いて、地磁気には鉛直方向成分が存在し、通常日本国内では地磁気の俯角が３５度〜６０度の範囲にわたることが知られている。したがって、地磁気の鉛直方向成分を０と仮定する前半の補正法を適用すると、本来求めるべき地磁気の水平成分の方向、すなわち地磁気方位とは異なる結果しか得られない。
【０００７】
一方、後半では、地磁気の鉛直方向成分を一定値と見なして補正計算をしている。地磁気の鉛直方向成分は場所によって異なるため、この方法では、測定する場所が変化するたびに、毎回最初に姿勢検出装置を鉛直に立てて、地磁気の鉛直成分を測定するという複雑な操作を必要としている。また、この方法は姿勢検出装置が大きく傾き、フラックスゲートセンサの表面が鉛直に近い状態では、測定結果に大きな測定誤差を生じるという問題がある。
【０００８】
傾斜角の検出では、特開平１０−１８５６０８号公報に記載のように、２軸の加速度センサにより検出可能である。しかし、この場合には、各軸の加速度センサは、重力加速度の余弦成分を検知することになるため、傾斜角が大きくなると誤差が生じやすい。このため、地磁気の場合と同様に検出方向の加速度成分を正確に検知する必要があり、感度などの温度特性の補償が必要となる。
地磁気方位とは水平方向の地磁気ベクトルの向きであるから、使用する条件、例えば傾きなどを水平に限定したとしても、少なくとも２軸の磁気センサが必要であることはいうまでもない。
【０００９】
特開平１１−１６０３４９号公報に記載のものでは、インジウムアンチモン、ガリウム砒素などからなるホール素子を加速度センサを構成する重り部の上に設けている。一般に、ホール素子は感受面に対して垂直方向すなわち１軸の磁束密度しか検知することができないため、そのような構成では、正確な方位を知ることは不可能である。
また、前記公報には、ホール素子を用いて２軸以上の磁束密度を検知する方法について、全く記載がなく、たとえ傾斜センサの出力を利用したとしても地磁気の水平成分の方向を補正計算することができない。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記の点に鑑み、方位検出および姿勢検出が可能であって、携帯機器に搭載できるようにした小型の集積化方位センサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して本発明の目的を達成するために、請求項１〜請求項１２に記載の発明は、以下のように構成した。
すなわち、請求項１に記載の発明は、地磁気を検出する少なくとも３軸の磁気センサと、重力加速度を検出する２軸以上の加速度センサと、前記磁気センサからの出力信号および前記加速度センサからの出力信号を処理する信号処理部とを備え、前記加速度センサは、シリコン基板からなり固定された支持体と、シリコン基板からなる重り部と、この重り部を可動自在に前記支持体に支持させる梁と、を少なくとも備え、前記磁気センサおよび前記信号処理部を、前記支持体上および前記重り部上のいずれか一方に配置し、または前記支持体上と前記重り部上に分散配置するようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の集積化方位センサにおいて、前記磁気センサは、前記支持体上または前記重り部上の所定位置に配置され、前記支持体または前記重り部の表面に沿う方向の磁束を収束する磁気収束板と、前記支持体または前記重り部の表面側であって、前記磁気収束板の所定の端部の近傍に配置され、その各端部の近傍に広がる磁束をそれぞれ検出する少なくとも３つのホール素子と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の集積化方位センサにおいて、前記磁気センサは、前記支持体上または前記重り部上であって、その所定位置に配置される第１の磁気収束板と、前記支持体上または前記重り部上であって、前記第１の磁気収束板の周囲の外周方向に所定間隔をおいて配置される複数の第２の磁気収束板と、前記支持体または前記重り部の表面側であって、前記第１の磁気収束板と前記各第２の磁気収束板とが隣接し合う各近傍に、その近傍に広がる磁束をそれぞれ検出する複数のホール素子と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の集積化方位センサにおいて、前記磁気センサは、前記支持体上または前記重り部上であって、その所定の中心部を挟んで第１の方向に対向して配置され、その第１の方向に磁束を収束する第１の磁気収束板と、前記支持体上または前記重り部上であって、前記中心部を挟んで第１の方向と直交する第２の方向に対向して配置され、その第２の方向に磁束を収束する第２の磁気収束板と、前記支持体または前記重り部の表面側であって、前記第１および第２の磁気収束板の前記中心部側の各端部の近傍に、その近傍に広がる磁束をそれぞれ検出するホール素子と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の集積化方位センサにおいて、前記磁気センサは、前記支持体上または前記重り部上であって、その所定位置に配置される十字形状の磁気収束板と、前記支持体または前記重り部の表面側であって、前記磁気収束板の各端部の近傍に、その近傍に広がる磁束をそれぞれ検出するホール素子と、を備えたことを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の集積化方位センサにおいて、前記磁気収束板は、軟磁性材料からなる薄板により構成されることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の集積化方位センサにおいて、前記加速度センサ部は、中央に中空部を有して固定された支持体と、この支持体の中空部内に配置される重り部と、この重り部を可動自在に前記支持体に支持させる肉厚の薄い複数の梁と、を備え、前記重り部の上に前記磁気センサを配置するようにしたことを特徴とするものである。
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の集積化方位センサにおいて、前記加速度センサ部は、固定された支持体と、この支持体を囲うように配置される重り部と、この重り部を可動自在に前記支持体に支持させる肉厚の薄い複数の梁と、を備え、前記重り部の上に前記磁気センサを配置するようにしたことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、請求項７または請求項８に記載の集積化方位センサにおいて、前記各梁は、その両端の応力集中部に応力検知素子としてピエゾ抵抗素子を備えていることを特徴とするものである。
請求項１０に記載の発明は、請求項７または請求項８に記載の集積化方位センサにおいて、前記各梁は、その両端の応力集中部に応力検知素子としてＭＯＳトランジスタを備えていることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の集積化方位センサにおいて、前記加速度センサ部は、
前記支持体、前記重り部、および前記複数の梁の他に、前記重り部の上側に前記支持体と固定され、重り部が可動できる空間を有するケースをさらに備え、
前記重り部の表面の所定位置に可動電極を設けるとともに、前記ケースの裏面側であって前記可動電極に対向する位置に固定電極を設け、静電容量型の加速度センサを形成するようにしたことを特徴とするものである。
【００１９】
請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の集積化方位センサにおいて、前記磁気収束板と前記可動電極は、同一の軟磁性材料からなることを特徴とするものである。
このような構成からなる本発明によれば、地磁気と重力加速度に基づいた方位を検出することが可能であって、携帯機器などに搭載できる小型の集積化方位センサを実現できる。
【００２０】
また、請求項３に記載の発明などでは、磁気収束板の配置個数を増やすことができるので、その磁気収束板による磁束の収束効果を高めることができ、磁気センサの感度を上げることができる。また、この場合には、ホール素子の配置個数が増加できるので、各ホール素子からの出力電圧を演算後の出力を大きくすることができるという利点がある。
さらに、請求項４や請求項５に記載の発明では、磁気収束板を細長い形状にすることができる。このため、磁気収束板の反磁界係数が小さくなり、磁気収束板が配置される基板に対して水平方向の磁束の収束効果を高め、磁気センサの感度を上げることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の外観構造を示し、その一部を破断した斜視図である。
この第１実施形態に係る集積化方位センサは、図１に示すように、重力加速度を検出する３軸の加速度センサ３と、地磁気を検出する少なくとも３軸の磁気センサ４と、加速度センサ３からの加速度情報および磁気センサ４からの磁気情報を後述のように演算処理して方位角を求める信号処理部である演算処理部６と、を備えたものである。
【００２２】
加速度センサ３は、ガラス台５に固定される支持体８と、重り部７と、この重り部７を可動自在に支持体８に支持させる梁３１〜３８などから構成される。この構成については、後述する。
さらに、加速度センサ３を構成する重り部７上の所定位置には、図１に示すように、加速度センサ３に対してその規模が小さな磁気センサ４および演算処理部６がそれぞれ配置されている。
【００２３】
このように、この第１実施形態に係る方位角センサは、加速度センサ３を構成する重り部７の一部に、加速度センサ３よりもその規模が小さな磁気センサ４および演算処理部６を組み込むようにし、全体として小型化を図るようにしたものである。
次に、加速度センサ３の構成について説明する。
ここで、加速度センサ３は、本発明の出願人により国際出願され、すでに国際公開された国際公開公報（国際公開番号：ＷＯ００／７９２８８ Ａ１）に記載の加速度センサとその構成が同様である。このため、以下では、第１実施形態の説明に必要な範囲で、その構成等を説明する。
【００２４】
すなわち、この加速度センサ３は、図１に示すように、ガラス基板５上に形成され、そのガラス基板５上の中央に、四角錐台からなりその上下を逆にした重り部７が可動自在に配置されている。
この重り部７の周囲には、所定の間隔をおいて四角形の枠からなる支持体８がその重り部７を囲うように配置されるとともに、その支持体８はガラス基板５に固定されている。重り部７は、肉厚の薄い梁３１〜３８により支持体８に可動自在に支持されるとともに、その各梁３１〜３８は、その長さ方向が重り部７の各辺に沿うように配置されている。
【００２５】
支持体８、重り部７、および梁３１〜３８は、シリコン基板を素材にして形成されている。
梁３１、３２は、図示のように、その長さ方向が重り部７の上辺に沿うように配置され、その各一端は重り部７の上辺の中央部に共通に接続され、その各他端が支持体８の内周部の角部の近傍にそれぞれ接続されている。
同様に、梁３３、３４、梁３５、３６、および梁３７、３８は、図示のように、その長さ方向が重り部７の左辺、下辺、および右辺にそれぞれ沿うように配置され、その各梁の一端は重り部７の対応する辺の中央部に共通に接続され、その各他端は支持体８の内周部の対応する角部の近傍にそれぞれ接続されている。
【００２６】
従って、支持体８の内周部の４つの各角部には、図１に示すような４つの空間３９が形成されることになる。
梁３１、３２の応力集中部である両端には、応力検出素子２１、２２、２３、２４が配置されている。同様に、梁３３、３４、梁３５、３６、および梁３７、３８の各両端には、応力検出素子２１〜２４がそれぞれ配置されている。応力検出素子２１〜２４としては、ピエゾ抵抗素子、ＭＯＳトランジスタなどが使用される。
【００２７】
このような構成からなる加速度センサ３では、加速度が作用すると、重り部７には、その加速度の方向とは反対方向に慣性力が働き、応力検出素子２１〜２４の部分に応力が生じる。１６箇所に配置された応力検出素子２１〜２４の出力信号を使用して所定の演算をすることにより、３次元空間における加速度ベクトルを得ることができる。なお、この動作の詳細は、上記の国際公開公報に記載されているので、ここではその説明は省略する。
【００２８】
加速度センサ３には、常に重力加速度が作用しているため、その求めた加速度ベクトルに基づき、後述のように、地表水平面に対する基板面（重り部７）の傾きを得ることできる。
また、応力検出素子２１〜２４は、同一基板上に同時に形成されるため、特性のばらつきが小さく、応力検出素子２１〜２４の感度の温度係数は同様に変化する。従って、加速度ベクトルの３成分の相対値は温度が変化しても一定であり、地表水平面に対する基板面の傾きを精度良く得ることができる。
【００２９】
次に、磁気センサ４の構成の詳細について、図２を参照して説明する。図２（Ａ）は磁気センサ４の平面図であり、図２（Ｂ）は同図（Ａ）のＡ−Ａ線の断面図である。
磁気センサ４は、図２に示すように、シリコン基板からなる重り部７の表面に形成されている。すなわち、重り部７の表面の所定の４カ所の位置に、ホール素子４１〜４４が形成されている。このホール素子４１〜４４の形成は、ＣＭＯＳ回路を形成する従来の方法により、演算処理部６と同時に行う。
【００３０】
ホール素子４１とホール素子４２とは、図２（Ａ）に示すように、重り部７の表面のＸ軸方向に対向して配置されている。また、ホール素子４３とホール素子４４とは、重り部７の表面のＹ軸方向に対向して配置されている。このため、ホール素子４１、４２の配置方向と、ホール素子４３、４４の配置方向とは直交するようになっている。
重り部７およびホール素子４１〜４４の表面には、絶縁層５１が形成され、この絶縁層５１の表面に磁気収束板４５が配置されている。磁気収束板４５は、例えば軟磁性材料からなる円板状の薄板で構成される。磁気収束板４５は、その中心がホール素子４１、４２とホール素子４３、４４との配置が直交する位置になるように配置されている。そして、磁気収束板４５は、配置されたときに、磁気収束板４５の外周端部の近傍が、ホール素子４１〜４４と対向するようになっている。
【００３１】
このような構成により、磁気収束板４５は、その磁気収束板４５に平行な磁束を収束するようになっている。
次に、このような構成からなる磁気センサ４の動作について、図２を参照して説明する。
まず、Ｘ軸方向の磁束について説明する。図２（Ｂ）に示すように、Ｘ軸方向の磁束Ｂｘは、磁気収束板４５によりＸ軸方向に収束されるが、磁気収束板４５の端部ではその磁束がＺ軸方向に拡がり、ホール素子４１、４２では磁束のＺ軸方向の成分が現われる。
【００３２】
このとき、ホール素子４１とホール素子４２での磁束のＺ軸方向の成分は逆向きであるので、ホール素子４１の出力とホール素子４２の出力の差分をとれば、Ｘ軸方向の磁束密度を検出することができる。
なお、このとき、外部からＺ軸方向の磁束が加わっても、ホール素子４１の出力とホール素子４２の出力の差分をとるので、キャンセルされる。Ｙ軸方向の磁束については、磁気収束板４５で収束されても、ホール素子４１、４２の位置ではＺ軸方向の成分としては現われない。
【００３３】
Ｙ軸方向の磁束密度は、Ｘ軸方向の磁束密度と同様の原理により、ホール素子４３、４４により検出できる。
Ｚ軸方向の磁束密度は、ホール素子４１〜４４の各出力の和をとることにより検出できる。このとき、外部から加わるＸ軸方向の磁束については、ホール素子４１の出力とホール素子４２の出力の和をとることによりキャンセルされる。同様に、外部から加わるＹ軸方向の磁束については、ホール素子４３の出力とホール素子４４の出力の和をとることによりキャンセルされる。
【００３４】
以上の説明を数式を用いて表すと、以下のようになる。
すなわち、ホール素子４１、４２、４３、４４の出力電圧をＶｈ４１、Ｖｈ４２、Ｖｈ４３、Ｖｈ４４とすると、演算後のＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の出力はＤｘ、Ｄｙ、Ｄｚは、次のようになる。
Ｄｘ＝Ｖｈ４１−Ｖｈ４２
Ｄｙ＝Ｖｈ４３−Ｖｈ４４
Ｄｚ＝Ｖｈ４１＋Ｖｈ４２＋Ｖｈ４３＋Ｖｈ４４
以上のように，磁気センサ４は、３次元空間における磁束ベクトルを検知することができる。
【００３５】
また、磁気センサ４は、同一シリコン基板上に同時に形成される複数のホール素子４１〜４４で構成されている。そのため、ホール素子４１〜４４は、特性のばらつきが小さく、感度の温度特性は同様に変化する。従って、地磁気ベクトルの３成分の相対値は温度が変化しても一定であり、地磁気の方向を精度良く検知することができる。
次に、上記のように構成される加速度センサ３の出力信号と、磁気センサ４の出力信号とを演算処理する演算処理部６の構成について、図３のブロック図を参照して説明する。
【００３６】
この演算処理部６は、図３に示すように、Ａ／Ｄ変換部１１５と、補正計算部１１６と、補正値記憶部１１７と、方位角計算部１１８とを備え、これらがシリコン基板からなる重り部７上に集積回路化されている。
Ａ／Ｄ変換部１１５は、加速度センサ３の出力信号Ｋａ、Ｋｂ、Ｋｃと、磁気センサ４の出力信号Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚとがアナログ信号であるので、これらのアナログ信号をデジタル信号（デジタル値）に変換するものである。
【００３７】
補正値記憶部１１７は、磁気センサ４のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の出力信号Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚのオフセット値Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚと感度比Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚを記憶するとともに、加速度センサ３のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の出力信号Ｋａ、Ｋｂ、Ｋｃのオフセット値Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚと感度比Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを記憶するメモリである。
このように、補正値記憶部１１７に補正用の各データを記憶するのは、磁気センサ４の出力信号Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚ、および加速度センサ３の出力信号Ｋａ、Ｋｂ、Ｋｃに、オフセットなどがあり、これを補正するためである。
【００３８】
補正計算部１１６は、補正値記憶部１１７に記憶されるオフセット値Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚと感度比Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚを用いることにより、磁気センサ４の出力信号Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚを補正し、地磁気の各軸成分に比例した値α、β、γだけを求め、これらを方位角計算部１１８に出力するようになっている。
また、補正計算部１１６は、補正値記憶部１１７に記憶されるオフセット値Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚと感度比Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを用いることにより、加速度センサ３の出力信号Ｋａ、Ｋｂ、Ｋｃを補正し、重力に対する２軸の傾きφ、ηを求め、これらを方位角計算部１１８に出力するようになっている。
【００３９】
方位角計算部１１８は、補正計算部１１６で補正後の地磁気の３軸データα、β、γと、重力に対する２軸の傾きφ、ηとを用いることにより、後述のように、方位角θを算出するものである。
次に、このような構成からなる演算処理部６において、方位角計算部１１８が方位角θを算出するアルゴリズムの一例について、以下に説明する。
ここで、方位角計算部１１８には、感度とオフセットが補正された３軸の地磁気データα、β、γ、および重力に対する２軸の傾きφ、ηが、補正計算部１１６から入力されるものとする。
【００４０】
図４は、方位角θを算出する場合の地磁気ベクトルと回転軸の関係を示す図である。
図４において、地磁気ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ）に対応してＴＭｘ軸を設定し、このＴＭｘ軸に直交する２軸をＴＭｙ軸、ＴＭｚ軸とする。
また、この第１実施形態を携帯端末１１０に搭載して用いる場合において、地磁気ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ）に対する携帯端末１１０の方位をθ、俯角をδとする。さらに、携帯端末１１０は、水平面から長手方向に角度φ、短手方向に角度ηだけ傾いているものとする。
【００４１】
そして、俯角δを補正するために、ＴＭｙ軸の周りに、−δだけ回転させ、この回転後の軸をＨＸ、ＨＹ、ＨＺとする。
次に、ＨＺ軸の周りに、角度θだけ回転させ、この回転後の軸をＭ１ｘ、Ｍ１ｙ、Ｍ１ｚとする。
次に、Ｍ１ｙ軸の周りに、−φだけ回転させ、この回転後の軸をＭ２ｘ、Ｍ２ｙ、Ｍ２ｚとし、さらに、Ｍ２ｘ軸の周りに、−ηだけ回転させる。
【００４２】
これらの回転により、地磁気ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ）と磁気センサ４からの 出力（α、β、γ）との間には、以下の（１）式が成り立つ。
【００４３】
【数１】
【００４４】
そして、磁気ベクトル（ｘ，ｙ，ｚ）＝（１、０、０）の関係により、磁気センサからの出力（α、β、γ）を求めると、以下の（２）式が得られる。
【００４５】
【数２】
【００４６】
次に、（２）式のαの式を変形すると、以下の（３）式が得られる。
【００４７】
【数３】
【００４８】
次に、（３）式を（２）式のβ、γの式に代入すると、以下の（４）、（５）式が得られる。
【００４９】
【数４】
【００５０】
次に、（４）、（５）式からｃｏｓ（δ）を求めると、以下の（６）式が得られる。
【００５１】
【数５】
【００５２】
次に、（６）式を変形して方位角θを求めると、以下に示す（７）式が得られる。
【００５３】
【数６】
【００５４】
このように、３軸の地磁気データα、β、γ、および重力に対する２軸の傾きデータφ、ηを用いることにより、俯角δを用いることなく、方位角θを算出することができる。
以上説明したように、この第１実施形態では、加速度センサ３を構成する重り部７の一部に、磁気センサ４および演算処理部６を組み込むようにした。このため、全体として小型化を図ることができる。
【００５５】
また、この第１実施形態では、応力検出素子２１〜２４が、同一基板上に同時に形成されるため、特性のばらつきが小さく、応力検出素子２１〜２４の感度の温度係数は同様に変化する。従って、加速度ベクトルの３成分の相対値は温度が変化しても一定であり、地表水平面に対する基板面の傾きを精度良く得ることができる。
さらに、この第１実施形態では、磁気センサ４が、同一シリコン基板上に同時に形成される複数のホール素子４１〜４４で構成されている。そのため、ホール素子４１〜４４は、特性のばらつきが小さく、感度の温度特性は同様に変化する。従って、地磁気ベクトルの３成分の相対値は温度が変化しても一定であり、地磁気の方向を精度良く検知することができる。
【００５６】
さらにまた、この第１実施形態では、静止しているときには、加速度ベクトルおよび磁束ベクトルは変化しない。一方、動いているときには、加速度ベクトルおよび磁束ベクトルは変化する。従って、この第１実施形態を携帯機器に内蔵する場合には、加速度ベクトルおよび磁束ベクトルの変化を検知することにより、携帯機器を使用していない状態、すなわち、静止状態を検知でき、静止状態において不必要な電気回路を止めることにより消費電流を低減できる。
【００５７】
なお、この第１実施形態では、加速度センサ３を構成する重り部７の一部に、磁気センサ４および演算処理部６を組み込むようにした。しかし、磁気センサ４と演算処理部６は、加速度センサ３を構成する支持体８に配置するようにしても良いし、または加速度センサ３を構成する重り部７と支持体８とに分散して配置するようにしても良い。このような考え方は、後述の各実施形態においても同様に適用できる。
【００５８】
なおまた、この第１実施形態では、重り部７上などにおいて、応力検出素子２１〜２４からの出力信号と、磁気センサ４の出力信号とが、演算処理部６に供給されるように適宜手段で電気的に接続され、かつ、その演算処理部６の演算処理結果が外部に出力できるようになっている。
（第２実施形態）
この第２実施形態は、その基本的な構成を第１実施形態と同様とし、その磁気センサ４（図２参照）を、図５に示すような磁気センサ４Ａに置き換えたものである。従って、以下では、磁気センサ４Ａの構成についてのみ説明する。
【００５９】
図５は、磁気センサ４Ａの構成を示す図であり、図５（Ａ）はその磁気センサ４Ａの平面図であり、図５（Ｂ）は同図（Ａ）のＢ−Ｂ線の断面図である。
この磁気センサ４Ａは、図５に示すように、シリコン基板からなる重り部７上の所定位置に、例えば円形の薄板からなる磁気収束板６５を配置している。さらに、この磁気収束板６５から所定間隔をおいた周囲には、その磁気収束板６５の外周方向に所定間隔をおいて、例えば円形の薄板からなる４つの磁気収束板６６〜６９を配置するようにしている。磁気収束板６５〜６９は、例えば軟磁性材料からなる。
【００６０】
さらに、詳述すると、磁気収束板６５の左右に、所定間隔をおいて２つの磁気収束板６６、６７を配置するとともに、磁気収束板６５の前後に、所定間隔をおいて２つの磁気収束板６８、６９を配置するようにした。従って、磁気収束板６７、６５、６６は所定間隔をおいてＸ軸方向に配置され、磁気収束板６８、６５、６９は所定間隔をおいてＹ軸方向に配置されている。
重り部７の表面領域のうち、磁気収束板６５と磁気収束板６６、６７、６８、６９が隣接する領域の近傍であって、磁気収束板６５と磁気収束板６６、６７、６８、６９が対向し合う各端部の下部側には、ホール素子６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂがそれぞれ配置されている。
【００６１】
すなわち、図５に示すように、磁気収束板６５と磁気収束板６６とが対向し合う各端部の位置であって、その位置の下側近傍の重り部７の表面に、ホール素子６１ａ、６１ｂが配置されている。また、磁気収束板６５と磁気収束板６７とが対向し合う各端部の位置であって、その位置の下側近傍の重り部７の表面に、ホール素子６２ａ、６２ｂが配置されている。従って、ホール素子６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの配列方向は、Ｘ軸方向となる。
【００６２】
さらに、磁気収束板６５と磁気収束板６８とが対向し合う各端部の位置であって、その位置の下側近傍の重り部７の表面に、ホール素子６３ａ、６３ｂが配置されている。また、磁気収束板６５と磁気収束板６９とが対向し合う各端部の位置であって、その位置の下側近傍の重り部７の表面に、ホール素子６４ａ、６４ｂが配置されている。従って、ホール素子６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂの配列方向は、Ｙ軸方向となる。
【００６３】
次に、このような構成からなる磁気センサ４Ａの動作について、図５を参照して説明する。
いま、Ｘ軸方向に外部から磁場が加わると、磁束は磁気収束板６７、６５、６６で収束される。この収束された磁束は、磁気収束板６５と磁気収束板６７との間、および磁気収束板６５と磁気収束板６６との間には隙間が存在する。このため、その収束された磁束は、その隙間の領域で、図５（Ｂ）に示すようにＺ軸方向に拡がる。
【００６４】
このとき、磁束のＺ軸方向の成分は、ホール素子６１ａ、６２ｂでは同じであり、これらに対してホール素子６１ｂ、６２ａではホール素子６１ａ、６２ｂとは逆向きで同じである。従って、ホール素子６１ａの出力電圧とホール素子６２ｂの出力電圧との和と、ホール素子６１ｂの出力電圧とホール素子６２ａの出力電圧との和を求め、その両者の差分をとることにより、Ｘ軸方向の磁束密度を求めることができる。
【００６５】
なお、Ｙ軸方向の外部磁場に対しては、ホール素子６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの位置ではＺ軸方向の成分は現れない。Ｚ軸方向の外部磁場に対しては、ホール素子６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの出力電圧は全て同じであり、演算後のＸ軸方向の出力には現れない。
Ｙ軸方向の磁束密度の検出は、ホール素子６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂの出力電圧を、Ｘ軸方向の場合と同様に演算することにより行うことができる。
【００６６】
Ｚ軸方向の磁束密度の検出は、全てのホール素子６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂの出力電圧の和を取ることにより行う。このとき、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の外部磁場に対しては、ホール素子６１ａ、６１ｂなど、一対となるホール素子の出力電圧が逆方向であるので、これらの和を取ることにより出力はゼロとなる。
以上の説明を数式を用いて表すと、以下のようになる。
【００６７】
すなわち、ホール素子６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂの出力電圧をＶｈ６１ａ、Ｖｈ６１ｂ、Ｖｈ６２ａ、Ｖｈ６２ｂ、Ｖｈ６３ａ、Ｖｈ６３ｂ、Ｖｈ６４ａ、Ｖｈ６４ｂとすると、演算後のＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の出力はＤｘ、Ｄｙ、Ｄｚは、次のようになる。
Ｄｘ＝Ｖｈ６１ａ−Ｖｈ６１ｂ−Ｖｈ６２ａ＋Ｖｈ６２ｂ
Ｄｙ＝Ｖｈ６３ａ−Ｖｈ６３ｂ−Ｖｈ６４ａ＋Ｖｈ６４ｂ
Ｄｚ＝Ｖｈ６１ａ＋Ｖｈ６１ｂ＋Ｖｈ６２ａ＋Ｖｈ６２ｂ＋Ｖｈ６３ａ＋Ｖｈ６３ｂ＋Ｖｈ６４ａ＋Ｖｈ６４ｂ
以上のように、この第２実施形態の磁気センサ４Ａは、第１実施形態の磁気センサ４に比べて、図５に示すように磁気収束板の配置個数を増加できる。このため、その磁気収束板による磁束の収束効果を高めることができ、磁気センサの感度を上げることができる。
【００６８】
また、この場合には、磁気センサ４Ａを構成するホール素子の配置個数を増やすことができるので、各ホール素子からの出力電圧を演算後の出力を大きくすることができるという利点がある。
なお、磁気センサ４Ａは、加速度センサ３の一部に組み込んで使用するようにしたが、独立に構成して汎用的に使用するようにしても良い。これは、後述の磁気センサについても同様である。
（第３実施形態）
この第３実施形態は、その基本的な構成を第１実施形態と同様とし、その磁気センサ４（図２参照）を、図６に示すような磁気センサ４Ｂに置き換えたものである。従って、以下では、磁気センサ４Ｂの構成についてのみ説明する。
【００６９】
図６は、磁気センサ４Ｂの構成を示す図であり、図６（Ａ）はその磁気センサ４Ｂの平面図であり、図６（Ｂ）は同図（Ａ）のＣ−Ｃ線の断面図である。
この磁気センサ４Ｂは、図６に示すように、シリコン基板からなる重り部７上の所定位置に所定の大きさの中心部８０を設け、この中心部８０の左右に中心部８０を挟んで磁気収束板７６と磁気収束板７７とを配置するとともに、その中心部８０の前後に中心部８０を挟んで磁気収束板７８と磁気収束板７９とを配置するようにしたものである。
【００７０】
すなわち、磁気収束板７６と磁束収束板７７は、その中心部８０を挟み、Ｘ軸方向に対向して配置されている。また、磁気収束板７８と磁束収束板７９は、その中心部８０を挟み、Ｙ軸方向に対向して配置されている。磁気収束板７６〜７９は、重り部７上に絶縁層５１を介在してそれぞれ配置されている。
図６に示すように、重り部７の表面領域のうち、磁気収束板７６〜７９の中心部８０側の各端部の近傍であって、その各下部側には、ホール素子７１〜７４がそれぞれ配置されている。
【００７１】
次に、このような構成からなる磁気センサ４Ｂの動作について、図６を参照して説明する。
いま、Ｘ軸方向に外部から磁場が加わると、磁束は磁気収束板７６、７７で収束される。この収束された磁束は、磁気収束板７６と磁気収束板７７との間には隙間が存在する。このため、その収束された磁束は、その隙間の領域で、図６（Ｂ）に示すようにＺ軸方向に拡がる。
【００７２】
このとき、磁束のＺ軸方向の成分は、ホール素子７１とホール素子７２では逆向きである。従って、ホール素子７１の出力電圧と、ホール素子７２の出力電圧との差分をとることにより、Ｘ軸方向の磁束密度を求めることができる。
なお、このとき、Ｙ軸方向の外部磁場に対しては、ホール素子７１、７２の位置ではＺ軸成分は現れない。Ｚ軸方向の外部磁場に対しては、ホール素子７１、７２、７３、７４の出力電圧は全て同じであり、演算後のＸ軸方向の出力には現れない。
【００７３】
Ｙ軸方向の磁束密度の検出は、ホール素子７３、７４の出力電圧を、Ｘ軸方向の場合と同様に演算することにより行うことができる。
Ｚ軸方向の磁束密度の検出は、全てのホール素子７１〜７４の出力電圧の和を取ることにより行う。このとき、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の外部磁場に対しては、ホール素子７１とホール素子７２、ホール素子７３とホール素子７４の出力はそれぞれ逆方向であるので、これらの和を取ることにより出力はゼロとなる。
【００７４】
以上の説明を数式を用いて表すと、以下のようになる。
すなわち、ホール素子７１、７２、７３、７４の出力電圧をＶｈ７１、Ｖｈ７２、Ｖｈ７３、Ｖｈ７４とすると、演算後のＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の出力はＤｘ、Ｄｙ、Ｄｚは、次のようになる。
Ｄｘ＝Ｖｈ７１−Ｖｈ７２
Ｄｙ＝Ｖｈ７３−Ｖｈ７４
Ｄｚ＝Ｖｈ７１＋Ｖｈ７２＋Ｖｈ７３＋Ｖｈ７４
以上のように、この第３実施形態の磁気センサ４Ｂでは、磁気収束板７６〜７９を細長い形状にしたので、磁気収束板の反磁界係数が小さくなり、磁気収束板が配置される基板に対して水平方向の磁束の収束効果を高め、磁気センサの感度を上げることができる。
（第４実施形態）
この第４実施形態は、その基本的な構成を第１実施形態と同様とし、その磁気センサ４（図２参照）を、図７に示すような磁気センサ４Ｃに置き換えたものである。従って、以下では、磁気センサ４Ｃの構成についてのみ説明する。
【００７５】
図７は、磁気センサ４Ｃの構成を示す図であり、図７（Ａ）はその磁気センサ４Ｃの平面図であり、図７（Ｂ）は同図（Ａ）のＤ−Ｄ線の断面図である。
この磁気センサ４Ｃは、図７に示すように、シリコン基板からなる重り部７上の所定位置に、十字形状であって軟磁性材料からなる磁気収束板８５を配置したものである。磁気収束板８５は、全体が薄板状からなり、Ｘ軸方向の部分とＹ軸方向の部分とが直交するようになっている。磁気収束板８５は、重り部７上に絶縁層５１を介在してそれぞれ配置されている。
【００７６】
図７に示すように、重り部７の表面領域のうち、磁気収束板８５のＸ軸方向およびＹ軸方向の各部分の各端部の近傍であって、その各下部側には、ホール素子８１〜８４がそれぞれ配置されている。
次に、このような構成からなる磁気センサ４Ｃの動作について、図７を参照して説明する。
いま、Ｘ軸方向に外部から磁場が加わった場合、磁束は磁気収束板８５のうちのＸ軸方向の部分により収束される。この収束された磁束は、図７（Ｂ）に示すように、磁気収束板８５のＸ軸方向の部分の端部ではＺ軸方向に拡がる。
【００７７】
このとき、磁束のＺ軸方向の成分は、ホール素子８１とホール素子８２では逆向きである。従って、ホール素子８１の出力電圧と、ホール素子８２の出力電圧との差分をとることにより、Ｘ軸方向の磁束密度を求めることができる。
なお、このとき、Ｙ軸方向の外部磁場に対しては、ホール素子８１、８２の位置ではＺ軸成分は現れない。Ｚ軸方向の外部磁場に対しては、ホール素子８１、８２、８３、８４の出力電圧は全て同じであり、演算後のＸ軸方向の出力には現れない。
【００７８】
Ｙ軸方向の磁束密度の検出は、ホール素子８３、８４の出力電圧を、Ｘ軸方向の場合と同様に演算することにより行うことができる。
Ｚ軸方向の磁束密度の検出は、全てのホール素子８１〜８４の出力電圧の和を取ることにより行う。このとき、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の外部磁場に対しては、ホール素子８１とホール素子８２、ホール素子８３とホール素子８４の出力はそれぞれ逆方向であるので、これらの和を取ることにより出力はゼロとなる。
【００７９】
以上の説明を数式を用いて表すと、以下のようになる。
すなわち、ホール素子８１、８２、８３、８４の出力電圧をＶｈ８１、Ｖｈ８２、Ｖｈ８３、Ｖｈ８４とすると、演算後のＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の出力はＤｘ、Ｄｙ、Ｄｚは、次のようになる。
Ｄｘ＝Ｖｈ８１−Ｖｈ８２
Ｄｙ＝Ｖｈ８３−Ｖｈ８４
Ｄｚ＝Ｖｈ８１＋Ｖｈ８２＋Ｖｈ８３＋Ｖｈ８４
（第５実施形態）
この第５実施形態は、第１実施形態の加速度センサ３を、図８に示すような加速度センサ３Ａに置き換えたものである。
【００８０】
加速度センサ３Ａは、図８に示すように、支持体１を中央に配置するとともに、その支持体１の周囲に重り部２を配置するようにしたものである。すなわち、図１に示す加速度センサ３の重り部７の位置に支持体１を配置するとともに、その加速度センサ３の支持体８の位置に重り部２を配置し、その配置を入れ替えるようにしたものである。
加速度センサ３Ａは、ガラス台５に固定される支持体１と、重り部２と、この重り部２を可動自在に支持体１に支持させる梁１１〜１８などから構成され、この構成については後述する。
【００８１】
さらに、加速度センサ３Ａを構成する重り部２上の所定位置と支持体１上の所定位置とには、加速度センサ３Ａに対してその規模が小さな磁気センサ４と演算処理部６とが分散して配置されている。
このように、この第５実施形態に係る方位角センサは、加速度センサ３Ａを構成する重り部２の一部と支持体１の一部に、加速度サンサ３Ａよりもその規模が小さな磁気センサ４と演算処理部６とをそれぞれ組み込み、全体として小型化を図るようにしたものである。
【００８２】
次に、加速度センサ３Ａの構成について説明する。
ここで、加速度センサ３Ａは、上述の国際公開公報に記載の加速度センサとその構成が同様である。このため、以下では、第５実施形態の説明に必要な範囲で説明する。
すなわち、この加速度センサ３Ａは、図８に示すように、ガラス基板５上に形成され、そのガラス基板５上の中央に、四角錐台からなりその上下を逆にした支持体１が固定されている。この支持体１の周囲には、所定の間隔をおいて四角形の枠からなる重り部２がその支持体１を囲うように配置されている。
【００８３】
重り部２は、肉厚の薄い梁１１〜１８により支持体１に可動自在に支持されるとともに、その各梁１１〜１８は、その長さ方向が支持体１の各辺に沿うように配置されている。支持体１、重り部２、および梁１１〜１８は、シリコンの基板を素材にして形成されている。
梁１１、１２は、図示のように、その長さ方向が支持体１の上辺に沿うように配置され、その各一端は支持体１の上辺の中央部に共通に接続され、その各他端は重り部２の内周部の角部（隅の部分）にそれぞれ接続されている。
【００８４】
同様に、梁１３、１４、梁１５、１６、および梁１７、１８は、図示のように、その長さ方向が支持体１の左辺、下辺、および右辺にそれぞれ沿うように配置され、その各梁の一端は支持体１の対応する辺の中央部に共通に接続され、その各他端は重り部２の内周部の対応する角部にそれぞれ接続されている。
梁１１、１２の応力集中部である両端には、応力検出素子２１、２２、２３、２４が配置されている。同様に、梁１３、１４、梁１５、１６、および梁１７、１８の各両端には、応力検出素子２１〜２４がそれぞれ配置されている。応力検出素子２１〜２４としては、ピエゾ抵抗素子、ＭＯＳトランジスタなどが使用される。
【００８５】
このような構成からなる加速度センサ３Ａでは、加速度が作用すると、重り部２には、その加速度の方向とは反対方向に慣性力が働き、応力検出素子２１〜２４の部分に応力が生じる。１６箇所に配置された応力検出素子２１〜２４の出力信号を使用して所定の演算をすることにより、３次元空間における加速度ベクトルを得ることができる。なお、この動作の詳細は、上述の国際公開公報に詳細に記載されているので、ここではその説明は省略する。
【００８６】
なお、この第５実施形態では、加速度センサ３Ａの出力信号が第１実施形態の加速度センサ３の出力信号と同様であり、磁気センサ４が第１実施形態と同様に構成される。このため、加速度センサ３Ａの出力信号と、磁気センサ４の出力信号とを、図３に示す演算処理部６で第１実施形態の場合と同様に演算処理することができる。
また、この第５実施形態では、磁気センサ４を上述の他の磁気センサ４Ａ、４Ｂ、４Ｃに置き換えるようにしても良い。
【００８７】
なお、この第５実施形態では、図８に示すように、磁気センサ４と信号処理部６とが、重り部２と支持体１とに分散した配置されている。しかし、磁気センサ４と信号処理部６を、重り部２または支持体１のいずれか一方に配置するようにしても良い。
（第６実施形態）
図９は、第６実施形態のカバーを外した状態の斜視図であり、図１０は図９のの中央の断面図であって、カバーを付けた状態のものである。
【００８８】
この第６実施形態は、第１実施形態の加速度センサ３（図１を参照）を、図９および図１０に示すような静電容量型の加速度センサ３Ｂに置き換えたものである。
加速度センサ３Ｂは、ガラス台９１上に固定される支持体９３、重り部９２、この重り部９２を可動自在に支持体９３に支持させる梁１０１〜１０８、カバー９４、可動電極９５〜９８、および固定電極１２５、１２６などから後述のように構成される。さらに、加速度センサ３Ｂを構成する重り部９２上の所定位置と支持体９３上の所定位置とには、磁気センサ４と演算処理部６とが分散して配置されている。
【００８９】
このように、この第６実施形態に係る方位角センサは、加速度センサ３Ｂを構成する重り部９２の一部と支持体９３の一部に、磁気センサ４と演算処理部６とをそれぞれ組み込み、全体として小型化を図るようにしたものである。
次に、加速度センサ３Ｂの構成について説明する。
この加速度センサ３Ｂは、図９および図１０に示すように、ガラス基板９１上に形成され、そのガラス基板９１上の中央に、四角錐台からなりその上下を逆にした重り部９２が可動自在に配置されている。
【００９０】
この重り部９２の周囲には、所定の間隔をおいて四角形の枠からなり支持体９３がその重り部９２を囲うように配置されるとともに、その支持体９３はガラス基板９１に固定されている。重り部９２は、肉厚の薄い梁１０１〜１０８により支持体９３に可動自在に支持されるとともに、その各梁１０１〜１０８は、その長さ方向が重り部９２の各辺に沿うように配置されている。
支持体９３、重り部９２、および梁１０１〜１０８は、シリコン基板を素材にして形成されている。
【００９１】
梁１０１、１０２は、図示のように、その長さ方向が重り部９２の上辺に沿うように配置され、その各一端は重り部９２の上辺の中央部に共通に接続され、その各他端が支持体９３の内周部の角部の近傍にそれぞれ接続されている。
同様に、梁１０３、１０４、梁１０５、１０６、および梁１０７、１０８は、図示のように、その長さ方向が重り部９２の左辺、下辺、および右辺にそれぞれ沿うように配置され、その各梁の一端は重り部９２の対応する辺の中央部に共通に接続され、その各他端は支持体９３の内周部の対応する角部の近傍にそれぞれ接続されている。
【００９２】
従って、支持体９３の内周部の４つの各角部には、図９に示すような４つの空間１０９が形成されることになる。
重り部９２上の四隅には、図９に示すように、コンデンサを形成するための可動電極９５、９６、９７、９８がそれぞれ配置されている。また、重り部９２上の中央部には、磁気センサ４を構成する磁気収束板４５が配置されている。可動電極９５〜９８と磁気収束板４５とは、同一の軟磁性材料からなる薄板で構成されている。
【００９３】
支持体９３の上には、図１０に示すように、シリコン基板からなるカバー９４が設けられている。そして、そのカバー９４の裏面側（内側）と、重り部９２の上面側とが対向するようになっている。さらに、カバー９４は、その裏面側に、重り部９２が可動できる空間を有している。
また、カバー９４の裏面側（内側）であって、重り部９２上の可動電極９５、９６と対向する位置には、その可動電極９５、９６との間でコンデンサを形成するための固定電極１２５、１２６がそれぞれ配置されている。同様に、カバー９４の裏面側であって、可動電極９７、９８と対向する位置には、その可動電極９７、９８との間でコンデンサを形成するための２つの固定電極（図示せず）がそれぞれ配置されている。
【００９４】
次に、この加速度センサ３Ｂにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の加速度をそれぞれ求める原理について、図９乃至図１１を参照して説明する。
この加速度センサ３Ｂに加速度が作用すると、重り部９２にはその加速度とは反対方向に慣性力が働き、カバー９４に対して重り部９２の位置が変化する。
いま、可動電極９６と固定電極１２６で構成されるコンデンサの静電容量をＣｘ１、可動電極９７とこれと対応する固定電極（図示せず）とで構成されるコンデンサの静電容量をＣｘ２とする。さらに、可動電極９５と固定電極１２５で構成されるコンデンサの静電容量をＣｙ１、可動電極９８とこれに対応する固定電極（図示せず）とで構成されるコンデンサの静電容量をＣｙ２とする。
【００９５】
これらの静電容量を容量−電圧変換器により電圧に変換し、その変換電圧に基づいてＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の加速度をそれぞれ求めるようになっている。
すなわち、図１１のＸ軸方向に加速度が加わった場合には、重り部７がその加速度に応じて傾き、静電容量Ｃｘ１は増加し、静電容量Ｃｘ２は減少する。従って、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度検出回路（図示せず）は、静電容量Ｃｘ１と静電容量Ｃｘ２との差分をとることによりＸ軸方向の加速度信号を得るようになっている。
【００９６】
このとき、Ｙ軸方向またはＺ軸方向の加速度が加わった場合には、静電容量Ｃｘ１と静電容量Ｃｘ２の変化量は同じであり、これらの差分を取る第１の加速度検出回路からは加速度信号は出力されない。
同様に、Ｙ軸方向の加速度を求める第２の加速度検出回路（図示せず）は、静電容量Ｃｙ１と静電容量Ｃｙ２との差分を取ることにより、Ｙ軸方向の加速度信号を得るようになっている。
【００９７】
また、Ｚ軸方向の加速度を求める第３の加速度検出回路（図示せず）は、静電容量Ｃｘ１，Ｃｘ２、Ｃｙ１、Ｃｙ２の和を取ることにより、Ｚ軸方向の加速度信号を得るようになっている。
なお、この第６実施形態では、加速度センサ３Ｂの出力信号が第１実施形態の加速度センサ３の出力信号と実質的に同様であり、磁気センサ４が第１実施形態と同様に構成される。このため、加速度センサ３Ｂの出力信号と、磁気センサ４の出力信号とを、図３に示す演算処理部６で第１実施形態の場合と同様に演算処理することができる。
【００９８】
また、この第６実施形態では、磁気センサ４を上述の他の磁気センサ４Ａ、４Ｂ、４Ｃに置き換えるようにしても良い。
【００９９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、地磁気と重力加速度に基づいた方位を検出することが可能であって、携帯機器などに搭載できる小型で低価格の集積化方位センサを実現できる。
また、本発明において、磁気収束板の配置個数を増やす場合には、その磁気収束板による磁束の収束効果を高めることができ、磁気センサの感度を上げることができる。この場合には、磁気センサを構成するホール素子の配置個数を増やすことができるので、各ホール素子からの出力電圧を演算後の出力を大きくすることができるという利点がある。
【０１００】
さらにまた、本発明において、磁気収束板を細長い形状にする場合には、磁気収束板の反磁界係数が小さくなり、磁気収束板が配置される基板に対して水平方向の磁束の収束効果を高め、磁気センサの感度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の集積化方位センサの第１実施形態の外観構成を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態に搭載される磁気センサの構成を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線の断面図である。
【図３】第１実施形態における演算処理部の構成を示すブロック図である。
【図４】第１実施形態における地磁気ベクトルと回転軸の関係を示す図である。
【図５】第２実施形態の磁気センサの構成を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線の断面図である。
【図６】第３実施形態の磁気センサの構成を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線の断面図である。
【図７】第４実施形態の磁気センサの構成を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＤ−Ｄ線の断面図である。
【図８】本発明の集積化方位センサの第５実施形態の外観構成を示す斜視図である。
【図９】本発明の集積化方位センサの第６実施形態の外観構成であって、カバーを外した状態の斜視図である。
【図１０】図９の中央の断面図であり、カバーを付けた状態のものである。
【図１１】図９の平面図である。
【符号の説明】
１、８、９３ 支持体
２、７、９２ 重り部
３、３Ａ、３Ｂ 加速度センサ
４、４Ａ〜４Ｃ 磁気センサ
５、９１ ガラス台
６ 演算処理部（信号処理部）
１１〜１８ 梁
２１〜２４ 応力検出素子
３１〜３８ 梁
４１〜４４ ホール素子
４５ 磁気収束板
６５〜６９ 磁気収束板
６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ ホール素子
６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂ ホール素子
７６〜７９ 磁気収束板
７１〜７４ ホール素子
８５ 磁気収束板
８１〜８４ ホール素子
９４ カバー
９５〜９８ 可動電極
１０１〜１０８ 梁
１２５、１２６ 固定電極
１１５ Ａ／Ｄ変換部
１１６ 補正計算部
１１７ 補正値記憶部
１１８ 方位角計算部
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気センサと加速度センサとを混載した複合センサに関し、特に、携帯機器に内蔵されるべく小型で、その携帯機器の姿勢および方位、すなわち重力および地磁気に対する角度を検出することができる集積化方位センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、姿勢を検出する姿勢検出装置として、特開平１０−１８５６０８号公報に記載のものが知られている。この姿勢検出装置は、２軸の磁束を検出できる磁気センサと、２軸の加速度センサを用いた傾斜センサと、演算回路とで構成されている。
磁気センサ、傾斜センサ、および演算回路は、それぞれ独立した基板上に形成されており、これらの独立の各基板が別の基板上に配置されている。上記の磁気センサは、センサ表面に平行な（直交する２）方向の地磁気成分を検知することが可能である。
【０００３】
しかし、赤道上に近い一部地域を除いて、地磁気ベクトルの方向は地表面に対して水平でなく俯角が存在するため、装置を傾いた状態で使用すると、正確な方位を検出することが不可能である。この不都合を解消するには、傾斜センサにより装置の傾きを検知し、磁気センサの出力信号を補正することにより、正確な地磁気方位の検知を行うことが可能となる。
一方、方位測定の機能を備えた小型の加速度センサとして、特開平１１−１６０３４９号公報に記載のものが知られている。これは、加速度センサを構成する基板と同一の基板上に、その基板面に対して垂直な磁場を検出するホール素子を設けたものである。すなわち、ガラスからなる台座の上に、シリコンチップからなる重り部を可動自在に配置して加速度センサとし、その重り部の上にホール素子を配置したものである。
【０００４】
特開平１０−１８５６０８号公報に記載の姿勢検出装置では、磁気センサとしてフラックスゲートセンサを使用している。また、特開平１１−１６０３４９号公報に記載のものでは、磁気センサとしてインジウムアンチモン、ガリウム砒素などからなるホール素子を使用している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平１０−１８５６０８号公報に記載の姿勢検出装置では、磁気センサと傾斜角センサとを独立の基板にそれぞれ形成し、その独立の各基板を組立てるようにしている。このため、その姿勢検出装置を携帯機器のような小型の機器に搭載する場合には、大きすぎるという不都合がある。
ところで、特開平１０−１８５６０８号公報に記載のフラックスゲートセンサは、センサ表面に平行な方向の磁気成分を検出する（１軸あるいは）２軸の磁気センサであり、センサ表面に垂直な方向の磁気成分を検出することができない。
【０００６】
前記公報には、傾斜センサの出力を使って、フラックスゲートセンサの２軸の地磁気成分をもとに補正計算を行い、地磁気方位すなわち地磁気の水平成分を求める方法として、大きく分けて２通りの補正計算方法が記載されている。
前半では、地磁気の鉛直方向成分を０と見なして補正計算をしている。しかしながら、赤道上に近い極限られた地域を除いて、地磁気には鉛直方向成分が存在し、通常日本国内では地磁気の俯角が３５度〜６０度の範囲にわたることが知られている。したがって、地磁気の鉛直方向成分を０と仮定する前半の補正法を適用すると、本来求めるべき地磁気の水平成分の方向、すなわち地磁気方位とは異なる結果しか得られない。
【０００７】
一方、後半では、地磁気の鉛直方向成分を一定値と見なして補正計算をしている。地磁気の鉛直方向成分は場所によって異なるため、この方法では、測定する場所が変化するたびに、毎回最初に姿勢検出装置を鉛直に立てて、地磁気の鉛直成分を測定するという複雑な操作を必要としている。また、この方法は姿勢検出装置が大きく傾き、フラックスゲートセンサの表面が鉛直に近い状態では、測定結果に大きな測定誤差を生じるという問題がある。
【０００８】
傾斜角の検出では、特開平１０−１８５６０８号公報に記載のように、２軸の加速度センサにより検出可能である。しかし、この場合には、各軸の加速度センサは、重力加速度の余弦成分を検知することになるため、傾斜角が大きくなると誤差が生じやすい。このため、地磁気の場合と同様に検出方向の加速度成分を正確に検知する必要があり、感度などの温度特性の補償が必要となる。
地磁気方位とは水平方向の地磁気ベクトルの向きであるから、使用する条件、例えば傾きなどを水平に限定したとしても、少なくとも２軸の磁気センサが必要であることはいうまでもない。
【０００９】
特開平１１−１６０３４９号公報に記載のものでは、インジウムアンチモン、ガリウム砒素などからなるホール素子を加速度センサを構成する重り部の上に設けている。一般に、ホール素子は感受面に対して垂直方向すなわち１軸の磁束密度しか検知することができないため、そのような構成では、正確な方位を知ることは不可能である。
また、前記公報には、ホール素子を用いて２軸以上の磁束密度を検知する方法について、全く記載がなく、たとえ傾斜センサの出力を利用したとしても地磁気の水平成分の方向を補正計算することができない。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記の点に鑑み、方位検出および姿勢検出が可能であって、携帯機器に搭載できるようにした小型の集積化方位センサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して本発明の目的を達成するために、請求項１〜請求項１２に記載の発明は、以下のように構成した。
すなわち、請求項１に記載の発明は、地磁気を検出する少なくとも３軸の磁気センサと、重力加速度を検出する２軸以上の加速度センサと、前記磁気センサからの出力信号および前記加速度センサからの出力信号を処理する信号処理部とを備え、前記加速度センサは、シリコン基板からなり固定された支持体と、シリコン基板からなる重り部と、この重り部を可動自在に前記支持体に支持させる梁と、を少なくとも備え、前記磁気センサおよび前記信号処理部を、前記支持体上および前記重り部上のいずれか一方に配置し、または前記支持体上と前記重り部上に分散配置するようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の集積化方位センサにおいて、前記磁気センサは、前記支持体上または前記重り部上の所定位置に配置され、前記支持体または前記重り部の表面に沿う方向の磁束を収束する磁気収束板と、前記支持体または前記重り部の表面側であって、前記磁気収束板の所定の端部の近傍に配置され、その各端部の近傍に広がる磁束をそれぞれ検出する少なくとも３つのホール素子と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の集積化方位センサにおいて、前記磁気センサは、前記支持体上または前記重り部上であって、その所定位置に配置される第１の磁気収束板と、前記支持体上または前記重り部上であって、前記第１の磁気収束板の周囲の外周方向に所定間隔をおいて配置される複数の第２の磁気収束板と、前記支持体または前記重り部の表面側であって、前記第１の磁気収束板と前記各第２の磁気収束板とが隣接し合う各近傍に、その近傍に広がる磁束をそれぞれ検出する複数のホール素子と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の集積化方位センサにおいて、前記磁気センサは、前記支持体上または前記重り部上であって、その所定の中心部を挟んで第１の方向に対向して配置され、その第１の方向に磁束を収束する第１の磁気収束板と、前記支持体上または前記重り部上であって、前記中心部を挟んで第１の方向と直交する第２の方向に対向して配置され、その第２の方向に磁束を収束する第２の磁気収束板と、前記支持体または前記重り部の表面側であって、前記第１および第２の磁気収束板の前記中心部側の各端部の近傍に、その近傍に広がる磁束をそれぞれ検出するホール素子と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の集積化方位センサにおいて、前記磁気センサは、前記支持体上または前記重り部上であって、その所定位置に配置される十字形状の磁気収束板と、前記支持体または前記重り部の表面側であって、前記磁気収束板の各端部の近傍に、その近傍に広がる磁束をそれぞれ検出するホール素子と、を備えたことを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の集積化方位センサにおいて、前記磁気収束板は、軟磁性材料からなる薄板により構成されることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の集積化方位センサにおいて、前記加速度センサ部は、中央に中空部を有して固定された支持体と、この支持体の中空部内に配置される重り部と、この重り部を可動自在に前記支持体に支持させる肉厚の薄い複数の梁と、を備え、前記重り部の上に前記磁気センサを配置するようにしたことを特徴とするものである。
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の集積化方位センサにおいて、前記加速度センサ部は、固定された支持体と、この支持体を囲うように配置される重り部と、この重り部を可動自在に前記支持体に支持させる肉厚の薄い複数の梁と、を備え、前記重り部の上に前記磁気センサを配置するようにしたことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、請求項７または請求項８に記載の集積化方位センサにおいて、前記各梁は、その両端の応力集中部に応力検知素子としてピエゾ抵抗素子を備えていることを特徴とするものである。
請求項１０に記載の発明は、請求項７または請求項８に記載の集積化方位センサにおいて、前記各梁は、その両端の応力集中部に応力検知素子としてＭＯＳトランジスタを備えていることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の集積化方位センサにおいて、前記加速度センサ部は、
前記支持体、前記重り部、および前記複数の梁の他に、前記重り部の上側に前記支持体と固定され、重り部が可動できる空間を有するケースをさらに備え、
前記重り部の表面の所定位置に可動電極を設けるとともに、前記ケースの裏面側であって前記可動電極に対向する位置に固定電極を設け、静電容量型の加速度センサを形成するようにしたことを特徴とするものである。
【００１９】
請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の集積化方位センサにおいて、前記磁気収束板と前記可動電極は、同一の軟磁性材料からなることを特徴とするものである。
このような構成からなる本発明によれば、地磁気と重力加速度に基づいた方位を検出することが可能であって、携帯機器などに搭載できる小型の集積化方位センサを実現できる。
【００２０】
また、請求項３に記載の発明などでは、磁気収束板の配置個数を増やすことができるので、その磁気収束板による磁束の収束効果を高めることができ、磁気センサの感度を上げることができる。また、この場合には、ホール素子の配置個数が増加できるので、各ホール素子からの出力電圧を演算後の出力を大きくすることができるという利点がある。
さらに、請求項４や請求項５に記載の発明では、磁気収束板を細長い形状にすることができる。このため、磁気収束板の反磁界係数が小さくなり、磁気収束板が配置される基板に対して水平方向の磁束の収束効果を高め、磁気センサの感度を上げることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の外観構造を示し、その一部を破断した斜視図である。
この第１実施形態に係る集積化方位センサは、図１に示すように、重力加速度を検出する３軸の加速度センサ３と、地磁気を検出する少なくとも３軸の磁気センサ４と、加速度センサ３からの加速度情報および磁気センサ４からの磁気情報を後述のように演算処理して方位角を求める信号処理部である演算処理部６と、を備えたものである。
【００２２】
加速度センサ３は、ガラス台５に固定される支持体８と、重り部７と、この重り部７を可動自在に支持体８に支持させる梁３１〜３８などから構成される。この構成については、後述する。
さらに、加速度センサ３を構成する重り部７上の所定位置には、図１に示すように、加速度センサ３に対してその規模が小さな磁気センサ４および演算処理部６がそれぞれ配置されている。
【００２３】
このように、この第１実施形態に係る方位角センサは、加速度センサ３を構成する重り部７の一部に、加速度センサ３よりもその規模が小さな磁気センサ４および演算処理部６を組み込むようにし、全体として小型化を図るようにしたものである。
次に、加速度センサ３の構成について説明する。
ここで、加速度センサ３は、本発明の出願人により国際出願され、すでに国際公開された国際公開公報（国際公開番号：ＷＯ００／７９２８８ Ａ１）に記載の加速度センサとその構成が同様である。このため、以下では、第１実施形態の説明に必要な範囲で、その構成等を説明する。
【００２４】
すなわち、この加速度センサ３は、図１に示すように、ガラス基板５上に形成され、そのガラス基板５上の中央に、四角錐台からなりその上下を逆にした重り部７が可動自在に配置されている。
この重り部７の周囲には、所定の間隔をおいて四角形の枠からなる支持体８がその重り部７を囲うように配置されるとともに、その支持体８はガラス基板５に固定されている。重り部７は、肉厚の薄い梁３１〜３８により支持体８に可動自在に支持されるとともに、その各梁３１〜３８は、その長さ方向が重り部７の各辺に沿うように配置されている。
【００２５】
支持体８、重り部７、および梁３１〜３８は、シリコン基板を素材にして形成されている。
梁３１、３２は、図示のように、その長さ方向が重り部７の上辺に沿うように配置され、その各一端は重り部７の上辺の中央部に共通に接続され、その各他端が支持体８の内周部の角部の近傍にそれぞれ接続されている。
同様に、梁３３、３４、梁３５、３６、および梁３７、３８は、図示のように、その長さ方向が重り部７の左辺、下辺、および右辺にそれぞれ沿うように配置され、その各梁の一端は重り部７の対応する辺の中央部に共通に接続され、その各他端は支持体８の内周部の対応する角部の近傍にそれぞれ接続されている。
【００２６】
従って、支持体８の内周部の４つの各角部には、図１に示すような４つの空間３９が形成されることになる。
梁３１、３２の応力集中部である両端には、応力検出素子２１、２２、２３、２４が配置されている。同様に、梁３３、３４、梁３５、３６、および梁３７、３８の各両端には、応力検出素子２１〜２４がそれぞれ配置されている。応力検出素子２１〜２４としては、ピエゾ抵抗素子、ＭＯＳトランジスタなどが使用される。
【００２７】
このような構成からなる加速度センサ３では、加速度が作用すると、重り部７には、その加速度の方向とは反対方向に慣性力が働き、応力検出素子２１〜２４の部分に応力が生じる。１６箇所に配置された応力検出素子２１〜２４の出力信号を使用して所定の演算をすることにより、３次元空間における加速度ベクトルを得ることができる。なお、この動作の詳細は、上記の国際公開公報に記載されているので、ここではその説明は省略する。
【００２８】
加速度センサ３には、常に重力加速度が作用しているため、その求めた加速度ベクトルに基づき、後述のように、地表水平面に対する基板面（重り部７）の傾きを得ることできる。
また、応力検出素子２１〜２４は、同一基板上に同時に形成されるため、特性のばらつきが小さく、応力検出素子２１〜２４の感度の温度係数は同様に変化する。従って、加速度ベクトルの３成分の相対値は温度が変化しても一定であり、地表水平面に対する基板面の傾きを精度良く得ることができる。
【００２９】
次に、磁気センサ４の構成の詳細について、図２を参照して説明する。図２（Ａ）は磁気センサ４の平面図であり、図２（Ｂ）は同図（Ａ）のＡ−Ａ線の断面図である。
磁気センサ４は、図２に示すように、シリコン基板からなる重り部７の表面に形成されている。すなわち、重り部７の表面の所定の４カ所の位置に、ホール素子４１〜４４が形成されている。このホール素子４１〜４４の形成は、ＣＭＯＳ回路を形成する従来の方法により、演算処理部６と同時に行う。
【００３０】
ホール素子４１とホール素子４２とは、図２（Ａ）に示すように、重り部７の表面のＸ軸方向に対向して配置されている。また、ホール素子４３とホール素子４４とは、重り部７の表面のＹ軸方向に対向して配置されている。このため、ホール素子４１、４２の配置方向と、ホール素子４３、４４の配置方向とは直交するようになっている。
重り部７およびホール素子４１〜４４の表面には、絶縁層５１が形成され、この絶縁層５１の表面に磁気収束板４５が配置されている。磁気収束板４５は、例えば軟磁性材料からなる円板状の薄板で構成される。磁気収束板４５は、その中心がホール素子４１、４２とホール素子４３、４４との配置が直交する位置になるように配置されている。そして、磁気収束板４５は、配置されたときに、磁気収束板４５の外周端部の近傍が、ホール素子４１〜４４と対向するようになっている。
【００３１】
このような構成により、磁気収束板４５は、その磁気収束板４５に平行な磁束を収束するようになっている。
次に、このような構成からなる磁気センサ４の動作について、図２を参照して説明する。
まず、Ｘ軸方向の磁束について説明する。図２（Ｂ）に示すように、Ｘ軸方向の磁束Ｂｘは、磁気収束板４５によりＸ軸方向に収束されるが、磁気収束板４５の端部ではその磁束がＺ軸方向に拡がり、ホール素子４１、４２では磁束のＺ軸方向の成分が現われる。
【００３２】
このとき、ホール素子４１とホール素子４２での磁束のＺ軸方向の成分は逆向きであるので、ホール素子４１の出力とホール素子４２の出力の差分をとれば、Ｘ軸方向の磁束密度を検出することができる。
なお、このとき、外部からＺ軸方向の磁束が加わっても、ホール素子４１の出力とホール素子４２の出力の差分をとるので、キャンセルされる。Ｙ軸方向の磁束については、磁気収束板４５で収束されても、ホール素子４１、４２の位置ではＺ軸方向の成分としては現われない。
【００３３】
Ｙ軸方向の磁束密度は、Ｘ軸方向の磁束密度と同様の原理により、ホール素子４３、４４により検出できる。
Ｚ軸方向の磁束密度は、ホール素子４１〜４４の各出力の和をとることにより検出できる。このとき、外部から加わるＸ軸方向の磁束については、ホール素子４１の出力とホール素子４２の出力の和をとることによりキャンセルされる。同様に、外部から加わるＹ軸方向の磁束については、ホール素子４３の出力とホール素子４４の出力の和をとることによりキャンセルされる。
【００３４】
以上の説明を数式を用いて表すと、以下のようになる。
すなわち、ホール素子４１、４２、４３、４４の出力電圧をＶｈ４１、Ｖｈ４２、Ｖｈ４３、Ｖｈ４４とすると、演算後のＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の出力はＤｘ、Ｄｙ、Ｄｚは、次のようになる。
Ｄｘ＝Ｖｈ４１−Ｖｈ４２
Ｄｙ＝Ｖｈ４３−Ｖｈ４４
Ｄｚ＝Ｖｈ４１＋Ｖｈ４２＋Ｖｈ４３＋Ｖｈ４４
以上のように，磁気センサ４は、３次元空間における磁束ベクトルを検知することができる。
【００３５】
また、磁気センサ４は、同一シリコン基板上に同時に形成される複数のホール素子４１〜４４で構成されている。そのため、ホール素子４１〜４４は、特性のばらつきが小さく、感度の温度特性は同様に変化する。従って、地磁気ベクトルの３成分の相対値は温度が変化しても一定であり、地磁気の方向を精度良く検知することができる。
次に、上記のように構成される加速度センサ３の出力信号と、磁気センサ４の出力信号とを演算処理する演算処理部６の構成について、図３のブロック図を参照して説明する。
【００３６】
この演算処理部６は、図３に示すように、Ａ／Ｄ変換部１１５と、補正計算部１１６と、補正値記憶部１１７と、方位角計算部１１８とを備え、これらがシリコン基板からなる重り部７上に集積回路化されている。
Ａ／Ｄ変換部１１５は、加速度センサ３の出力信号Ｋａ、Ｋｂ、Ｋｃと、磁気センサ４の出力信号Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚとがアナログ信号であるので、これらのアナログ信号をデジタル信号（デジタル値）に変換するものである。
【００３７】
補正値記憶部１１７は、磁気センサ４のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の出力信号Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚのオフセット値Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚと感度比Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚを記憶するとともに、加速度センサ３のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の出力信号Ｋａ、Ｋｂ、Ｋｃのオフセット値Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚと感度比Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを記憶するメモリである。
このように、補正値記憶部１１７に補正用の各データを記憶するのは、磁気センサ４の出力信号Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚ、および加速度センサ３の出力信号Ｋａ、Ｋｂ、Ｋｃに、オフセットなどがあり、これを補正するためである。
【００３８】
補正計算部１１６は、補正値記憶部１１７に記憶されるオフセット値Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚと感度比Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚを用いることにより、磁気センサ４の出力信号Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚを補正し、地磁気の各軸成分に比例した値α、β、γだけを求め、これらを方位角計算部１１８に出力するようになっている。
また、補正計算部１１６は、補正値記憶部１１７に記憶されるオフセット値Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚと感度比Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを用いることにより、加速度センサ３の出力信号Ｋａ、Ｋｂ、Ｋｃを補正し、重力に対する２軸の傾きφ、ηを求め、これらを方位角計算部１１８に出力するようになっている。
【００３９】
方位角計算部１１８は、補正計算部１１６で補正後の地磁気の３軸データα、β、γと、重力に対する２軸の傾きφ、ηとを用いることにより、後述のように、方位角θを算出するものである。
次に、このような構成からなる演算処理部６において、方位角計算部１１８が方位角θを算出するアルゴリズムの一例について、以下に説明する。
ここで、方位角計算部１１８には、感度とオフセットが補正された３軸の地磁気データα、β、γ、および重力に対する２軸の傾きφ、ηが、補正計算部１１６から入力されるものとする。
【００４０】
図４は、方位角θを算出する場合の地磁気ベクトルと回転軸の関係を示す図である。
図４において、地磁気ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ）に対応してＴＭｘ軸を設定し、このＴＭｘ軸に直交する２軸をＴＭｙ軸、ＴＭｚ軸とする。
また、この第１実施形態を携帯端末１１０に搭載して用いる場合において、地磁気ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ）に対する携帯端末１１０の方位をθ、俯角をδとする。さらに、携帯端末１１０は、水平面から長手方向に角度φ、短手方向に角度ηだけ傾いているものとする。
【００４１】
そして、俯角δを補正するために、ＴＭｙ軸の周りに、−δだけ回転させ、この回転後の軸をＨＸ、ＨＹ、ＨＺとする。
次に、ＨＺ軸の周りに、角度θだけ回転させ、この回転後の軸をＭ１ｘ、Ｍ１ｙ、Ｍ１ｚとする。
次に、Ｍ１ｙ軸の周りに、−φだけ回転させ、この回転後の軸をＭ２ｘ、Ｍ２ｙ、Ｍ２ｚとし、さらに、Ｍ２ｘ軸の周りに、−ηだけ回転させる。
【００４２】
これらの回転により、地磁気ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ）と磁気センサ４からの 出力（α、β、γ）との間には、以下の（１）式が成り立つ。
【００４３】
【数１】
そして、磁気ベクトル（ｘ，ｙ，ｚ）＝（１、０、０）の関係により、磁気センサからの出力（α、β、γ）を求めると、以下の（２）式が得られる。
【００４５】
【数２】
次に、（２）式のαの式を変形すると、以下の（３）式が得られる。
【００４７】
【数３】
次に、（３）式を（２）式のβ、γの式に代入すると、以下の（４）、（５）式が得られる。
【００４９】
【数４】
次に、（４）、（５）式からｃｏｓ（δ）を求めると、以下の（６）式が得られる。
【００５１】
【数５】
次に、（６）式を変形して方位角θを求めると、以下に示す（７）式が得られる。
【００５３】
【数６】
このように、３軸の地磁気データα、β、γ、および重力に対する２軸の傾きデータφ、ηを用いることにより、俯角δを用いることなく、方位角θを算出することができる。
以上説明したように、この第１実施形態では、加速度センサ３を構成する重り部７の一部に、磁気センサ４および演算処理部６を組み込むようにした。このため、全体として小型化を図ることができる。
【００５５】
また、この第１実施形態では、応力検出素子２１〜２４が、同一基板上に同時に形成されるため、特性のばらつきが小さく、応力検出素子２１〜２４の感度の温度係数は同様に変化する。従って、加速度ベクトルの３成分の相対値は温度が変化しても一定であり、地表水平面に対する基板面の傾きを精度良く得ることができる。
さらに、この第１実施形態では、磁気センサ４が、同一シリコン基板上に同時に形成される複数のホール素子４１〜４４で構成されている。そのため、ホール素子４１〜４４は、特性のばらつきが小さく、感度の温度特性は同様に変化する。従って、地磁気ベクトルの３成分の相対値は温度が変化しても一定であり、地磁気の方向を精度良く検知することができる。
【００５６】
さらにまた、この第１実施形態では、静止しているときには、加速度ベクトルおよび磁束ベクトルは変化しない。一方、動いているときには、加速度ベクトルおよび磁束ベクトルは変化する。従って、この第１実施形態を携帯機器に内蔵する場合には、加速度ベクトルおよび磁束ベクトルの変化を検知することにより、携帯機器を使用していない状態、すなわち、静止状態を検知でき、静止状態において不必要な電気回路を止めることにより消費電流を低減できる。
【００５７】
なお、この第１実施形態では、加速度センサ３を構成する重り部７の一部に、磁気センサ４および演算処理部６を組み込むようにした。しかし、磁気センサ４と演算処理部６は、加速度センサ３を構成する支持体８に配置するようにしても良いし、または加速度センサ３を構成する重り部７と支持体８とに分散して配置するようにしても良い。このような考え方は、後述の各実施形態においても同様に適用できる。
【００５８】
なおまた、この第１実施形態では、重り部７上などにおいて、応力検出素子２１〜２４からの出力信号と、磁気センサ４の出力信号とが、演算処理部６に供給されるように適宜手段で電気的に接続され、かつ、その演算処理部６の演算処理結果が外部に出力できるようになっている。
（第２実施形態）
この第２実施形態は、その基本的な構成を第１実施形態と同様とし、その磁気センサ４（図２参照）を、図５に示すような磁気センサ４Ａに置き換えたものである。従って、以下では、磁気センサ４Ａの構成についてのみ説明する。
【００５９】
図５は、磁気センサ４Ａの構成を示す図であり、図５（Ａ）はその磁気センサ４Ａの平面図であり、図５（Ｂ）は同図（Ａ）のＢ−Ｂ線の断面図である。
この磁気センサ４Ａは、図５に示すように、シリコン基板からなる重り部７上の所定位置に、例えば円形の薄板からなる磁気収束板６５を配置している。さらに、この磁気収束板６５から所定間隔をおいた周囲には、その磁気収束板６５の外周方向に所定間隔をおいて、例えば円形の薄板からなる４つの磁気収束板６６〜６９を配置するようにしている。磁気収束板６５〜６９は、例えば軟磁性材料からなる。
【００６０】
さらに、詳述すると、磁気収束板６５の左右に、所定間隔をおいて２つの磁気収束板６６、６７を配置するとともに、磁気収束板６５の前後に、所定間隔をおいて２つの磁気収束板６８、６９を配置するようにした。従って、磁気収束板６７、６５、６６は所定間隔をおいてＸ軸方向に配置され、磁気収束板６８、６５、６９は所定間隔をおいてＹ軸方向に配置されている。
重り部７の表面領域のうち、磁気収束板６５と磁気収束板６６、６７、６８、６９が隣接する領域の近傍であって、磁気収束板６５と磁気収束板６６、６７、６８、６９が対向し合う各端部の下部側には、ホール素子６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂがそれぞれ配置されている。
【００６１】
すなわち、図５に示すように、磁気収束板６５と磁気収束板６６とが対向し合う各端部の位置であって、その位置の下側近傍の重り部７の表面に、ホール素子６１ａ、６１ｂが配置されている。また、磁気収束板６５と磁気収束板６７とが対向し合う各端部の位置であって、その位置の下側近傍の重り部７の表面に、ホール素子６２ａ、６２ｂが配置されている。従って、ホール素子６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの配列方向は、Ｘ軸方向となる。
【００６２】
さらに、磁気収束板６５と磁気収束板６８とが対向し合う各端部の位置であって、その位置の下側近傍の重り部７の表面に、ホール素子６３ａ、６３ｂが配置されている。また、磁気収束板６５と磁気収束板６９とが対向し合う各端部の位置であって、その位置の下側近傍の重り部７の表面に、ホール素子６４ａ、６４ｂが配置されている。従って、ホール素子６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂの配列方向は、Ｙ軸方向となる。
【００６３】
次に、このような構成からなる磁気センサ４Ａの動作について、図５を参照して説明する。
いま、Ｘ軸方向に外部から磁場が加わると、磁束は磁気収束板６７、６５、６６で収束される。この収束された磁束は、磁気収束板６５と磁気収束板６７との間、および磁気収束板６５と磁気収束板６６との間には隙間が存在する。このため、その収束された磁束は、その隙間の領域で、図５（Ｂ）に示すようにＺ軸方向に拡がる。
【００６４】
このとき、磁束のＺ軸方向の成分は、ホール素子６１ａ、６２ｂでは同じであり、これらに対してホール素子６１ｂ、６２ａではホール素子６１ａ、６２ｂとは逆向きで同じである。従って、ホール素子６１ａの出力電圧とホール素子６２ｂの出力電圧との和と、ホール素子６１ｂの出力電圧とホール素子６２ａの出力電圧との和を求め、その両者の差分をとることにより、Ｘ軸方向の磁束密度を求めることができる。
【００６５】
なお、Ｙ軸方向の外部磁場に対しては、ホール素子６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの位置ではＺ軸方向の成分は現れない。Ｚ軸方向の外部磁場に対しては、ホール素子６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの出力電圧は全て同じであり、演算後のＸ軸方向の出力には現れない。
Ｙ軸方向の磁束密度の検出は、ホール素子６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂの出力電圧を、Ｘ軸方向の場合と同様に演算することにより行うことができる。
【００６６】
Ｚ軸方向の磁束密度の検出は、全てのホール素子６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂの出力電圧の和を取ることにより行う。このとき、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の外部磁場に対しては、ホール素子６１ａ、６１ｂなど、一対となるホール素子の出力電圧が逆方向であるので、これらの和を取ることにより出力はゼロとなる。
以上の説明を数式を用いて表すと、以下のようになる。
【００６７】
すなわち、ホール素子６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂの出力電圧をＶｈ６１ａ、Ｖｈ６１ｂ、Ｖｈ６２ａ、Ｖｈ６２ｂ、Ｖｈ６３ａ、Ｖｈ６３ｂ、Ｖｈ６４ａ、Ｖｈ６４ｂとすると、演算後のＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の出力はＤｘ、Ｄｙ、Ｄｚは、次のようになる。
Ｄｘ＝Ｖｈ６１ａ−Ｖｈ６１ｂ−Ｖｈ６２ａ＋Ｖｈ６２ｂ
Ｄｙ＝Ｖｈ６３ａ−Ｖｈ６３ｂ−Ｖｈ６４ａ＋Ｖｈ６４ｂ
Ｄｚ＝Ｖｈ６１ａ＋Ｖｈ６１ｂ＋Ｖｈ６２ａ＋Ｖｈ６２ｂ＋Ｖｈ６３ａ＋Ｖｈ６３ｂ＋Ｖｈ６４ａ＋Ｖｈ６４ｂ
以上のように、この第２実施形態の磁気センサ４Ａは、第１実施形態の磁気センサ４に比べて、図５に示すように磁気収束板の配置個数を増加できる。このため、その磁気収束板による磁束の収束効果を高めることができ、磁気センサの感度を上げることができる。
【００６８】
また、この場合には、磁気センサ４Ａを構成するホール素子の配置個数を増やすことができるので、各ホール素子からの出力電圧を演算後の出力を大きくすることができるという利点がある。
なお、磁気センサ４Ａは、加速度センサ３の一部に組み込んで使用するようにしたが、独立に構成して汎用的に使用するようにしても良い。これは、後述の磁気センサについても同様である。
（第３実施形態）
この第３実施形態は、その基本的な構成を第１実施形態と同様とし、その磁気センサ４（図２参照）を、図６に示すような磁気センサ４Ｂに置き換えたものである。従って、以下では、磁気センサ４Ｂの構成についてのみ説明する。
【００６９】
図６は、磁気センサ４Ｂの構成を示す図であり、図６（Ａ）はその磁気センサ４Ｂの平面図であり、図６（Ｂ）は同図（Ａ）のＣ−Ｃ線の断面図である。
この磁気センサ４Ｂは、図６に示すように、シリコン基板からなる重り部７上の所定位置に所定の大きさの中心部８０を設け、この中心部８０の左右に中心部８０を挟んで磁気収束板７６と磁気収束板７７とを配置するとともに、その中心部８０の前後に中心部８０を挟んで磁気収束板７８と磁気収束板７９とを配置するようにしたものである。
【００７０】
すなわち、磁気収束板７６と磁束収束板７７は、その中心部８０を挟み、Ｘ軸方向に対向して配置されている。また、磁気収束板７８と磁束収束板７９は、その中心部８０を挟み、Ｙ軸方向に対向して配置されている。磁気収束板７６〜７９は、重り部７上に絶縁層５１を介在してそれぞれ配置されている。
図６に示すように、重り部７の表面領域のうち、磁気収束板７６〜７９の中心部８０側の各端部の近傍であって、その各下部側には、ホール素子７１〜７４がそれぞれ配置されている。
【００７１】
次に、このような構成からなる磁気センサ４Ｂの動作について、図６を参照して説明する。
いま、Ｘ軸方向に外部から磁場が加わると、磁束は磁気収束板７６、７７で収束される。この収束された磁束は、磁気収束板７６と磁気収束板７７との間には隙間が存在する。このため、その収束された磁束は、その隙間の領域で、図６（Ｂ）に示すようにＺ軸方向に拡がる。
【００７２】
このとき、磁束のＺ軸方向の成分は、ホール素子７１とホール素子７２では逆向きである。従って、ホール素子７１の出力電圧と、ホール素子７２の出力電圧との差分をとることにより、Ｘ軸方向の磁束密度を求めることができる。
なお、このとき、Ｙ軸方向の外部磁場に対しては、ホール素子７１、７２の位置ではＺ軸成分は現れない。Ｚ軸方向の外部磁場に対しては、ホール素子７１、７２、７３、７４の出力電圧は全て同じであり、演算後のＸ軸方向の出力には現れない。
【００７３】
Ｙ軸方向の磁束密度の検出は、ホール素子７３、７４の出力電圧を、Ｘ軸方向の場合と同様に演算することにより行うことができる。
Ｚ軸方向の磁束密度の検出は、全てのホール素子７１〜７４の出力電圧の和を取ることにより行う。このとき、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の外部磁場に対しては、ホール素子７１とホール素子７２、ホール素子７３とホール素子７４の出力はそれぞれ逆方向であるので、これらの和を取ることにより出力はゼロとなる。
【００７４】
以上の説明を数式を用いて表すと、以下のようになる。
すなわち、ホール素子７１、７２、７３、７４の出力電圧をＶｈ７１、Ｖｈ７２、Ｖｈ７３、Ｖｈ７４とすると、演算後のＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の出力はＤｘ、Ｄｙ、Ｄｚは、次のようになる。
Ｄｘ＝Ｖｈ７１−Ｖｈ７２
Ｄｙ＝Ｖｈ７３−Ｖｈ７４
Ｄｚ＝Ｖｈ７１＋Ｖｈ７２＋Ｖｈ７３＋Ｖｈ７４
以上のように、この第３実施形態の磁気センサ４Ｂでは、磁気収束板７６〜７９を細長い形状にしたので、磁気収束板の反磁界係数が小さくなり、磁気収束板が配置される基板に対して水平方向の磁束の収束効果を高め、磁気センサの感度を上げることができる。
（第４実施形態）
この第４実施形態は、その基本的な構成を第１実施形態と同様とし、その磁気センサ４（図２参照）を、図７に示すような磁気センサ４Ｃに置き換えたものである。従って、以下では、磁気センサ４Ｃの構成についてのみ説明する。
【００７５】
図７は、磁気センサ４Ｃの構成を示す図であり、図７（Ａ）はその磁気センサ４Ｃの平面図であり、図７（Ｂ）は同図（Ａ）のＤ−Ｄ線の断面図である。
この磁気センサ４Ｃは、図７に示すように、シリコン基板からなる重り部７上の所定位置に、十字形状であって軟磁性材料からなる磁気収束板８５を配置したものである。磁気収束板８５は、全体が薄板状からなり、Ｘ軸方向の部分とＹ軸方向の部分とが直交するようになっている。磁気収束板８５は、重り部７上に絶縁層５１を介在してそれぞれ配置されている。
【００７６】
図７に示すように、重り部７の表面領域のうち、磁気収束板８５のＸ軸方向およびＹ軸方向の各部分の各端部の近傍であって、その各下部側には、ホール素子８１〜８４がそれぞれ配置されている。
次に、このような構成からなる磁気センサ４Ｃの動作について、図７を参照して説明する。
いま、Ｘ軸方向に外部から磁場が加わった場合、磁束は磁気収束板８５のうちのＸ軸方向の部分により収束される。この収束された磁束は、図７（Ｂ）に示すように、磁気収束板８５のＸ軸方向の部分の端部ではＺ軸方向に拡がる。
【００７７】
このとき、磁束のＺ軸方向の成分は、ホール素子８１とホール素子８２では逆向きである。従って、ホール素子８１の出力電圧と、ホール素子８２の出力電圧との差分をとることにより、Ｘ軸方向の磁束密度を求めることができる。
なお、このとき、Ｙ軸方向の外部磁場に対しては、ホール素子８１、８２の位置ではＺ軸成分は現れない。Ｚ軸方向の外部磁場に対しては、ホール素子８１、８２、８３、８４の出力電圧は全て同じであり、演算後のＸ軸方向の出力には現れない。
【００７８】
Ｙ軸方向の磁束密度の検出は、ホール素子８３、８４の出力電圧を、Ｘ軸方向の場合と同様に演算することにより行うことができる。
Ｚ軸方向の磁束密度の検出は、全てのホール素子８１〜８４の出力電圧の和を取ることにより行う。このとき、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の外部磁場に対しては、ホール素子８１とホール素子８２、ホール素子８３とホール素子８４の出力はそれぞれ逆方向であるので、これらの和を取ることにより出力はゼロとなる。
【００７９】
以上の説明を数式を用いて表すと、以下のようになる。
すなわち、ホール素子８１、８２、８３、８４の出力電圧をＶｈ８１、Ｖｈ８２、Ｖｈ８３、Ｖｈ８４とすると、演算後のＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の出力はＤｘ、Ｄｙ、Ｄｚは、次のようになる。
Ｄｘ＝Ｖｈ８１−Ｖｈ８２
Ｄｙ＝Ｖｈ８３−Ｖｈ８４
Ｄｚ＝Ｖｈ８１＋Ｖｈ８２＋Ｖｈ８３＋Ｖｈ８４
（第５実施形態）
この第５実施形態は、第１実施形態の加速度センサ３を、図８に示すような加速度センサ３Ａに置き換えたものである。
【００８０】
加速度センサ３Ａは、図８に示すように、支持体１を中央に配置するとともに、その支持体１の周囲に重り部２を配置するようにしたものである。すなわち、図１に示す加速度センサ３の重り部７の位置に支持体１を配置するとともに、その加速度センサ３の支持体８の位置に重り部２を配置し、その配置を入れ替えるようにしたものである。
加速度センサ３Ａは、ガラス台５に固定される支持体１と、重り部２と、この重り部２を可動自在に支持体１に支持させる梁１１〜１８などから構成され、この構成については後述する。
【００８１】
さらに、加速度センサ３Ａを構成する重り部２上の所定位置と支持体１上の所定位置とには、加速度センサ３Ａに対してその規模が小さな磁気センサ４と演算処理部６とが分散して配置されている。
このように、この第５実施形態に係る方位角センサは、加速度センサ３Ａを構成する重り部２の一部と支持体１の一部に、加速度サンサ３Ａよりもその規模が小さな磁気センサ４と演算処理部６とをそれぞれ組み込み、全体として小型化を図るようにしたものである。
【００８２】
次に、加速度センサ３Ａの構成について説明する。
ここで、加速度センサ３Ａは、上述の国際公開公報に記載の加速度センサとその構成が同様である。このため、以下では、第５実施形態の説明に必要な範囲で説明する。
すなわち、この加速度センサ３Ａは、図８に示すように、ガラス基板５上に形成され、そのガラス基板５上の中央に、四角錐台からなりその上下を逆にした支持体１が固定されている。この支持体１の周囲には、所定の間隔をおいて四角形の枠からなる重り部２がその支持体１を囲うように配置されている。
【００８３】
重り部２は、肉厚の薄い梁１１〜１８により支持体１に可動自在に支持されるとともに、その各梁１１〜１８は、その長さ方向が支持体１の各辺に沿うように配置されている。支持体１、重り部２、および梁１１〜１８は、シリコンの基板を素材にして形成されている。
梁１１、１２は、図示のように、その長さ方向が支持体１の上辺に沿うように配置され、その各一端は支持体１の上辺の中央部に共通に接続され、その各他端は重り部２の内周部の角部（隅の部分）にそれぞれ接続されている。
【００８４】
同様に、梁１３、１４、梁１５、１６、および梁１７、１８は、図示のように、その長さ方向が支持体１の左辺、下辺、および右辺にそれぞれ沿うように配置され、その各梁の一端は支持体１の対応する辺の中央部に共通に接続され、その各他端は重り部２の内周部の対応する角部にそれぞれ接続されている。
梁１１、１２の応力集中部である両端には、応力検出素子２１、２２、２３、２４が配置されている。同様に、梁１３、１４、梁１５、１６、および梁１７、１８の各両端には、応力検出素子２１〜２４がそれぞれ配置されている。応力検出素子２１〜２４としては、ピエゾ抵抗素子、ＭＯＳトランジスタなどが使用される。
【００８５】
このような構成からなる加速度センサ３Ａでは、加速度が作用すると、重り部２には、その加速度の方向とは反対方向に慣性力が働き、応力検出素子２１〜２４の部分に応力が生じる。１６箇所に配置された応力検出素子２１〜２４の出力信号を使用して所定の演算をすることにより、３次元空間における加速度ベクトルを得ることができる。なお、この動作の詳細は、上述の国際公開公報に詳細に記載されているので、ここではその説明は省略する。
【００８６】
なお、この第５実施形態では、加速度センサ３Ａの出力信号が第１実施形態の加速度センサ３の出力信号と同様であり、磁気センサ４が第１実施形態と同様に構成される。このため、加速度センサ３Ａの出力信号と、磁気センサ４の出力信号とを、図３に示す演算処理部６で第１実施形態の場合と同様に演算処理することができる。
また、この第５実施形態では、磁気センサ４を上述の他の磁気センサ４Ａ、４Ｂ、４Ｃに置き換えるようにしても良い。
【００８７】
なお、この第５実施形態では、図８に示すように、磁気センサ４と信号処理部６とが、重り部２と支持体１とに分散した配置されている。しかし、磁気センサ４と信号処理部６を、重り部２または支持体１のいずれか一方に配置するようにしても良い。
（第６実施形態）
図９は、第６実施形態のカバーを外した状態の斜視図であり、図１０は図９のの中央の断面図であって、カバーを付けた状態のものである。
【００８８】
この第６実施形態は、第１実施形態の加速度センサ３（図１を参照）を、図９および図１０に示すような静電容量型の加速度センサ３Ｂに置き換えたものである。
加速度センサ３Ｂは、ガラス台９１上に固定される支持体９３、重り部９２、この重り部９２を可動自在に支持体９３に支持させる梁１０１〜１０８、カバー９４、可動電極９５〜９８、および固定電極１２５、１２６などから後述のように構成される。さらに、加速度センサ３Ｂを構成する重り部９２上の所定位置と支持体９３上の所定位置とには、磁気センサ４と演算処理部６とが分散して配置されている。
【００８９】
このように、この第６実施形態に係る方位角センサは、加速度センサ３Ｂを構成する重り部９２の一部と支持体９３の一部に、磁気センサ４と演算処理部６とをそれぞれ組み込み、全体として小型化を図るようにしたものである。
次に、加速度センサ３Ｂの構成について説明する。
この加速度センサ３Ｂは、図９および図１０に示すように、ガラス基板９１上に形成され、そのガラス基板９１上の中央に、四角錐台からなりその上下を逆にした重り部９２が可動自在に配置されている。
【００９０】
この重り部９２の周囲には、所定の間隔をおいて四角形の枠からなり支持体９３がその重り部９２を囲うように配置されるとともに、その支持体９３はガラス基板９１に固定されている。重り部９２は、肉厚の薄い梁１０１〜１０８により支持体９３に可動自在に支持されるとともに、その各梁１０１〜１０８は、その長さ方向が重り部９２の各辺に沿うように配置されている。
支持体９３、重り部９２、および梁１０１〜１０８は、シリコン基板を素材にして形成されている。
【００９１】
梁１０１、１０２は、図示のように、その長さ方向が重り部９２の上辺に沿うように配置され、その各一端は重り部９２の上辺の中央部に共通に接続され、その各他端が支持体９３の内周部の角部の近傍にそれぞれ接続されている。
同様に、梁１０３、１０４、梁１０５、１０６、および梁１０７、１０８は、図示のように、その長さ方向が重り部９２の左辺、下辺、および右辺にそれぞれ沿うように配置され、その各梁の一端は重り部９２の対応する辺の中央部に共通に接続され、その各他端は支持体９３の内周部の対応する角部の近傍にそれぞれ接続されている。
【００９２】
従って、支持体９３の内周部の４つの各角部には、図９に示すような４つの空間１０９が形成されることになる。
重り部９２上の四隅には、図９に示すように、コンデンサを形成するための可動電極９５、９６、９７、９８がそれぞれ配置されている。また、重り部９２上の中央部には、磁気センサ４を構成する磁気収束板４５が配置されている。可動電極９５〜９８と磁気収束板４５とは、同一の軟磁性材料からなる薄板で構成されている。
【００９３】
支持体９３の上には、図１０に示すように、シリコン基板からなるカバー９４が設けられている。そして、そのカバー９４の裏面側（内側）と、重り部９２の上面側とが対向するようになっている。さらに、カバー９４は、その裏面側に、重り部９２が可動できる空間を有している。
また、カバー９４の裏面側（内側）であって、重り部９２上の可動電極９５、９６と対向する位置には、その可動電極９５、９６との間でコンデンサを形成するための固定電極１２５、１２６がそれぞれ配置されている。同様に、カバー９４の裏面側であって、可動電極９７、９８と対向する位置には、その可動電極９７、９８との間でコンデンサを形成するための２つの固定電極（図示せず）がそれぞれ配置されている。
【００９４】
次に、この加速度センサ３Ｂにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の加速度をそれぞれ求める原理について、図９乃至図１１を参照して説明する。
この加速度センサ３Ｂに加速度が作用すると、重り部９２にはその加速度とは反対方向に慣性力が働き、カバー９４に対して重り部９２の位置が変化する。
いま、可動電極９６と固定電極１２６で構成されるコンデンサの静電容量をＣｘ１、可動電極９７とこれと対応する固定電極（図示せず）とで構成されるコンデンサの静電容量をＣｘ２とする。さらに、可動電極９５と固定電極１２５で構成されるコンデンサの静電容量をＣｙ１、可動電極９８とこれに対応する固定電極（図示せず）とで構成されるコンデンサの静電容量をＣｙ２とする。
【００９５】
これらの静電容量を容量−電圧変換器により電圧に変換し、その変換電圧に基づいてＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の加速度をそれぞれ求めるようになっている。
すなわち、図１１のＸ軸方向に加速度が加わった場合には、重り部７がその加速度に応じて傾き、静電容量Ｃｘ１は増加し、静電容量Ｃｘ２は減少する。従って、Ｘ軸方向の加速度を求める第１の加速度検出回路（図示せず）は、静電容量Ｃｘ１と静電容量Ｃｘ２との差分をとることによりＸ軸方向の加速度信号を得るようになっている。
【００９６】
このとき、Ｙ軸方向またはＺ軸方向の加速度が加わった場合には、静電容量Ｃｘ１と静電容量Ｃｘ２の変化量は同じであり、これらの差分を取る第１の加速度検出回路からは加速度信号は出力されない。
同様に、Ｙ軸方向の加速度を求める第２の加速度検出回路（図示せず）は、静電容量Ｃｙ１と静電容量Ｃｙ２との差分を取ることにより、Ｙ軸方向の加速度信号を得るようになっている。
【００９７】
また、Ｚ軸方向の加速度を求める第３の加速度検出回路（図示せず）は、静電容量Ｃｘ１，Ｃｘ２、Ｃｙ１、Ｃｙ２の和を取ることにより、Ｚ軸方向の加速度信号を得るようになっている。
なお、この第６実施形態では、加速度センサ３Ｂの出力信号が第１実施形態の加速度センサ３の出力信号と実質的に同様であり、磁気センサ４が第１実施形態と同様に構成される。このため、加速度センサ３Ｂの出力信号と、磁気センサ４の出力信号とを、図３に示す演算処理部６で第１実施形態の場合と同様に演算処理することができる。
【００９８】
また、この第６実施形態では、磁気センサ４を上述の他の磁気センサ４Ａ、４Ｂ、４Ｃに置き換えるようにしても良い。
【００９９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、地磁気と重力加速度に基づいた方位を検出することが可能であって、携帯機器などに搭載できる小型で低価格の集積化方位センサを実現できる。
また、本発明において、磁気収束板の配置個数を増やす場合には、その磁気収束板による磁束の収束効果を高めることができ、磁気センサの感度を上げることができる。この場合には、磁気センサを構成するホール素子の配置個数を増やすことができるので、各ホール素子からの出力電圧を演算後の出力を大きくすることができるという利点がある。
【０１００】
さらにまた、本発明において、磁気収束板を細長い形状にする場合には、磁気収束板の反磁界係数が小さくなり、磁気収束板が配置される基板に対して水平方向の磁束の収束効果を高め、磁気センサの感度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の集積化方位センサの第１実施形態の外観構成を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態に搭載される磁気センサの構成を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線の断面図である。
【図３】第１実施形態における演算処理部の構成を示すブロック図である。
【図４】第１実施形態における地磁気ベクトルと回転軸の関係を示す図である。
【図５】第２実施形態の磁気センサの構成を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線の断面図である。
【図６】第３実施形態の磁気センサの構成を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線の断面図である。
【図７】第４実施形態の磁気センサの構成を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＤ−Ｄ線の断面図である。
【図８】本発明の集積化方位センサの第５実施形態の外観構成を示す斜視図である。
【図９】本発明の集積化方位センサの第６実施形態の外観構成であって、カバーを外した状態の斜視図である。
【図１０】図９の中央の断面図であり、カバーを付けた状態のものである。
【図１１】図９の平面図である。
【符号の説明】
１、８、９３ 支持体
２、７、９２ 重り部
３、３Ａ、３Ｂ 加速度センサ
４、４Ａ〜４Ｃ 磁気センサ
５、９１ ガラス台
６ 演算処理部（信号処理部）
１１〜１８ 梁
２１〜２４ 応力検出素子
３１〜３８ 梁
４１〜４４ ホール素子
４５ 磁気収束板
６５〜６９ 磁気収束板
６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ ホール素子
６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂ ホール素子
７６〜７９ 磁気収束板
７１〜７４ ホール素子
８５ 磁気収束板
８１〜８４ ホール素子
９４ カバー
９５〜９８ 可動電極
１０１〜１０８ 梁
１２５、１２６ 固定電極
１１５ Ａ／Ｄ変換部
１１６ 補正計算部
１１７ 補正値記憶部
１１８ 方位角計算部
Claims (12)
- 地磁気を検出する少なくとも３軸の磁気センサと、
重力加速度を検出する２軸以上の加速度センサと、
前記磁気センサからの出力信号および前記加速度センサからの出力信号を処理する信号処理部とを備え、
前記加速度センサは、シリコン基板からなり固定された支持体と、シリコン基板からなる重り部と、この重り部を可動自在に前記支持体に支持させる梁と、を少なくとも備え、
前記磁気センサおよび前記信号処理部を、前記支持体上および前記重り部上のいずれか一方に配置し、または前記支持体上と前記重り部上に分散配置するようにしたことを特徴とする集積化方位センサ。 - 前記磁気センサは、
前記支持体上または前記重り部上の所定位置に配置され、前記支持体または前記重り部の表面に沿う方向の磁束を収束する磁気収束板と、
前記支持体または前記重り部の表面側であって、前記磁気収束板の所定の端部の近傍に配置され、その各端部の近傍に広がる磁束をそれぞれ検出する少なくとも３つのホール素子と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の集積化方位センサ。 - 前記磁気センサは、
前記支持体上または前記重り部上であって、その所定位置に配置される第１の磁気収束板と、
前記支持体上または前記重り部上であって、前記第１の磁気収束板の周囲の外周方向に所定間隔をおいて配置される複数の第２の磁気収束板と、
前記支持体または前記重り部の表面側であって、前記第１の磁気収束板と前記各第２の磁気収束板とが隣接し合う各近傍に、その近傍に広がる磁束をそれぞれ検出する複数のホール素子と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の集積化方位センサ。 - 前記磁気センサは、
前記支持体上または前記重り部上であって、その所定の中心部を挟んで第１の方向に対向して配置され、その第１の方向に磁束を収束する第１の磁気収束板と、
前記支持体上または前記重り部上であって、前記中心部を挟んで第１の方向と直交する第２の方向に対向して配置され、その第２の方向に磁束を収束する第２の磁気収束板と、
前記支持体または前記重り部の表面側であって、前記第１および第２の磁気収束板の前記中心部側の各端部の近傍に、その近傍に広がる磁束をそれぞれ検出するホール素子と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の集積化方位センサ。 - 前記磁気センサは、
前記支持体上または前記重り部上であって、その所定位置に配置される十字形状の磁気収束板と、
前記支持体または前記重り部の表面側であって、前記磁気収束板の各端部の近傍に、その近傍に広がる磁束をそれぞれ検出するホール素子と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の集積化方位センサ。 - 前記磁気収束板は、軟磁性材料からなる薄板により構成されることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の集積化方位センサ。
- 前記加速度センサ部は、
中央に中空部を有して固定された支持体と、
この支持体の中空部内に配置される重り部と、
この重り部を可動自在に前記支持体に支持させる肉厚の薄い複数の梁と、を備え、
前記重り部の上に前記磁気センサを配置するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の集積化方位センサ。 - 前記加速度センサ部は、
固定された支持体と、
この支持体を囲うように配置される重り部と、
この重り部を可動自在に前記支持体に支持させる肉厚の薄い複数の梁と、を備え、
前記重り部の上に前記磁気センサを配置するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の集積化方位センサ。 - 前記各梁は、その両端の応力集中部に応力検知素子としてピエゾ抵抗素子を備えていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の集積化方位センサ。
- 前記各梁は、その両端の応力集中部に応力検知素子としてＭＯＳトランジスタを備えていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の集積化方位センサ。
- 前記加速度センサ部は、
前記支持体、前記重り部、および前記複数の梁の他に、前記重り部の上側に前記支持体と固定され、重り部が可動できる空間を有するケースをさらに備え、
前記重り部の表面の所定位置に可動電極を設けるとともに、前記ケースの裏面側であって前記可動電極に対向する位置に固定電極を設け、静電容量型の加速度センサを形成するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の集積化方位センサ。 - 前記磁気収束板と前記可動電極は、同一の軟磁性材料からなることを特徴とする請求項１１に記載の集積化方位センサ。
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