JP3982611B2 - 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。
【０００４】
この加速度センサは、図１１に示すように、ガラス製の台座１１上に、支持部１２および梁部１３により重り部１４が可動自在に支持された梁構造を有するシリコンチップ１５が設けられている。重り部１４の下面には可動電極１６が設けられ、台座１１の上面には固定電極１７が設けられている。さらに、重り部１４の上面にはホール素子１８が設けられている。
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。
また、特開平１１−１６０３４９号公報に記載のものでは、シリコンチップ１５、台座１１、ホール素子１８はそれぞれ別の基板から加工する必要がある。さらに、シリコンチップ１５においては、基板の両面を加工する必要があって製造工程が複雑になるという不都合がある。
【０００６】
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。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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
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、ガリウム砒素などを用いた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。
【００１０】
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。
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９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、前記磁気センサ、前記加速度センサ、および前記信号処理部を同一のシリコン基板上に配置し、かつ、前記加速度センサは、前記シリコン基板に固定された櫛歯状の固定電極と、この固定電極と対向する櫛歯状の可動電極を有する重り部と、この重り部を前記シリコン基板上に可動自在に支持する梁とを備え、さらに、前記磁気センサは、前記シリコン基板上に配置され、前記シリコン基板の表面に沿う方向の磁束を収束する磁気収束板と、前記シリコン基板上の表面側であって、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２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、前記磁気センサ、前記加速度センサ、および前記信号処理部を同一のシリコン基板上に配置し、かつ、前記加速度センサは、前記シリコン基板に固定された櫛歯状の固定電極と、この固定電極と対向する櫛歯状の可動電極を有する重り部と、この重り部を前記シリコン基板上に可動自在に支持する梁とを備え、さらに、前記磁気センサは、前記シリコン基板上の所定位置に配置される第１の磁気収束板と、前記シリコン基板上であって、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、前記シリコン基板の表面側であって、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３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、前記磁気センサ、前記加速度センサ、および前記信号処理部を同一のシリコン基板上に配置し、かつ、前記加速度センサは、前記シリコン基板に固定された櫛歯状の固定電極と、この固定電極と対向する櫛歯状の可動電極を有する重り部と、この重り部を前記シリコン基板上に可動自在に支持する梁とを備え、さらに、前記磁気センサは、前記シリコン基板上であって、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、前記シリコン基板上であって、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、前記シリコン基板の表面側であって、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４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、前記磁気センサ、前記加速度センサ、および前記信号処理部を同一のシリコン基板上に配置し、かつ、前記加速度センサは、前記シリコン基板に固定された櫛歯状の固定電極と、この固定電極と対向する櫛歯状の可動電極を有する重り部と、この重り部を前記シリコン基板上に可動自在に支持する梁とを備え、さらに、前記磁気センサは、前記シリコン基板の所定位置に配置される十字形状の磁気収束板と、前記シリコン基板の表面側であって、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５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４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６に記載の発明は、請求項１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、前記加速度センサを形成する可動電極、重り部、および梁は、同一の多結晶シリコンの薄膜により構成するようにしたことを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、請求項１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、前記加速度センサを形成する可動電極、重り部、および梁と、前記磁気センサを形成する磁気収束板とは、同一の軟磁性の薄膜により構成するようにしたことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項８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、前記磁気センサ、前記加速度センサ、および前記信号処理部を同一のシリコン基板上に配置し、かつ、前記加速度センサは、前記シリコン基板の一部にセンサ配置空間を設け、このセンサ配置空間内の中央部に加熱源を配置し、この加熱源を挟んで対向する位置に、対となる温度センサを配置するようにし、さらに、前記磁気センサは、前記シリコン基板上に配置され、前記シリコン基板の表面に沿う方向の磁束を収束する磁気収束板と、前記シリコン基板上の表面側であって、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。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の集積化方位センサにおいて、前記加熱源および前記温度センサは、多結晶シリコンの薄膜により構成するようにした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。
【００１９】
また、請求項２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３や請求項４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。
【００２０】
【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実施形態の外観を示す概略の斜視図である。
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２軸以上の加速度センサ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演算処理部６とを、集積化センサチップである同一のシリコン基板７上に配置するようにし、小型化を図るようにしたものである。
【００２１】
なお、この例では、加速度センサ３は２軸の加速度センサとして説明し、磁気センサ４は３軸の磁気センサとして説明する。
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７の表面に形成されている。すなわち、シリコン基板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。
【００２２】
ホール素子４１とホール素子４２とは、図２（Ａ）に示すように、シリコン基板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、シリコン基板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。
シリコン基板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（薄膜）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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、加速度センサ３の詳細な構成について、図３を参照して説明する。
【００２８】
図３（Ａ）は加速度センサ３の平面図、図３（Ｂ）は同図（Ａ）のＥ−Ｅ線の断面図、図３（Ｃ）は同図（Ａ）のＦ−Ｆ線の断面図である。
加速度センサ３は、図３に示すように、シリコン基板７上に所定間隔をおいて配置される重り部８を有し、この重り部８が４つの梁９ａ、９ｂ、９ｃ，９ｄによりシリコン基板７上に可動自在に支持されている。
重り部８は、図３に示すように、ほぼ正方形状の薄板からなり、その各辺に櫛歯状の可動電極２１、２２、２３、２４がそれぞれ設けられている。重り部８の四隅は、梁９ａ、９ｂ、９ｃ，９ｄの各一端とそれぞれ接続されている。その梁９ａ、９ｂ、９ｃ，９ｄの各他端は、シリコン基板７と一体の各梁支持部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ，２５ｄに固定されている。
【００２９】
シリコン基板７上であって、重り部８の固定電極２１と対向する位置には、コンデンサを形成するために、櫛歯状の固定電極３１ａ、３１ｂとが図示のように配置されている。固定電極３１ａ、３１ｂの各一端は固定電極支持部３５に接続され、その固定電極支持部３５はシリコン基板７に固定されている。
同様に、シリコン基板７上であって、重り部８の各固定電極２２、２３、２４と対向する位置には、コンデンサを形成するために、櫛歯状の固定電極３２ｃ、３２ｄ、固定電極３３ａ、３３ｂ、および固定電極３４ｃ、３４ｄがそれぞれ配置されている。
【００３０】
固定電極３２ｃ、３２ｄ、固定電極３３ａ、３３ｂ、および固定電極３４ｃ、３４ｄの各一端は固定電極支持部３６、３７、３８に接続され、その固定電極支持部３６、３７、３８はシリコン基板７に固定されている。
このように構成される加速度センサ３は、その構成要素である重り部８、櫛歯状の可動電極２１〜２４、梁９ａ〜９ｄ、および櫛歯状の固定電極３１ａ、３１ｂ・・・・が、多結晶シリコンの薄膜で形成されている。また、これらの各構成要素を、磁気センサ４の磁気収束板４５を形成する軟磁性の薄膜と同様に、その軟磁性の薄膜で形成するようにしても良い。
【００３１】
次に、このような構成からなる加速度センサ３の動作について説明する。
この加速度センサ３に加速度が加わると、重り部８にはその加速度の方向とは反対方向に慣性力が働き、重り部８と櫛歯状の可動電極２１〜２４移動する。このとき、可動電極２１〜２４と対応する固定電極３１ａ、３１ｂ・・・・との間の間隔が変化するので、これらの電極間の静電容量を測定することにより、以下のように加速度を求めることができる。
【００３２】
まず、Ｘ軸方向に加速度が加わった場合について説明する。ここで、図３において、固定電極３１ａと可動電極２１、および固定電極３３ａと可動電極２３で構成される静電容量をＣａとする。また、固定電極３１ｂと可動電極２１、および固定電極３３ｂと可動電極２３で構成される静電容量をＣｂとする。
Ｘ軸方向に正の加速度が加わると、シリコン基板７からみて、重り部８は慣性力によりＸ軸の負の方向に移動する。このため、静電容量Ｃａは増加し、静電容量Ｃｂは減少する。一方、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度が加わった場合には、静電容量Ｃａと静電容量Ｃｂの変化は同じである。
【００３３】
従って、その静電容量Ｃａと静電容量Ｃｂを容量−電圧変換回路（図示せず）でそれぞれ電圧Ｖａ、Ｖｂに変換し、差分回路（図示せず）その変換電圧Ｖａ、Ｖｂの差分（Ｖａ−Ｖｂ）をとることにより、Ｘ軸方向の加速度を電圧信号Ｋａとして得ることができる。
次に、Ｙ軸方向に加速度が加わった場合について説明する。ここで、図３において、固定電極３２ｃと可動電極２２、および固定電極３４ｃと可動電極２４で構成される静電容量をＣｃとする。また、固定電極３２ｄと可動電極２２、および固定電極３４ｄと可動電極２４で構成される静電容量をＣｄとする。
【００３４】
Ｙ軸方向に正の加速度が加わると、シリコン基板７からみて、重り部８は慣性力によりＹ軸の負の方向に移動する。このため、静電容量Ｃｃは増加し、静電容量Ｃｄは減少する。一方、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度が加わった場合には、静電容量Ｃｃと静電容量Ｃｄの変化は同じである。
従って、その静電容量Ｃｃと静電容量Ｃｄを容量−電圧変換回路（図示せず）でそれぞれ電圧Ｖｃ、Ｖｄに変換し、差分回路（図示せず）その変換電圧Ｖｃ、Ｖｄの差分（Ｖｃ−Ｖｄ）をとることにより、Ｙ軸方向の加速度を電圧信号Ｋｂとして得ることができる。
【００３５】
以上のように、この加速度センサ３は、シリコン基板７の基板面に平行な２軸の加速度を検出できるため、重力加速度の基板面に対する余弦をこの加速度センサ３で測定することにより地表面に対する傾きを求めることができる。
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４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４に示すように、Ａ／Ｄ変換部１１５と、温度センサ１１３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７上に集積回路化されている。
Ａ／Ｄ変換部１１５は、２軸の加速度センサ３の出力信号Ｋａ、Ｋｂと、３軸の磁気センサ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】
温度センサ１１３は、後で述べる加速度センサの温度特性を補正するためのセンサであり、その検出温度（出力信号）はＡ／Ｄ変換部１１５でデジタル信号に変換され、補正計算部１１６へ送られる。
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、その各オフセット値の温度係数Ｔ１ｘ、Ｔ１ｙ、Ｔ１ｚと、感度比Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚとを記憶するメモリである。
【００３８】
さらに、補正値記憶部１１７は、２軸の加速度センサ３のＸ軸およびＹ軸の出力信号Ｋａ、Ｋｂのオフセット値Ｍｘ、Ｍｙと、その各オフセット値の温度係数Ｔｍｘ、Ｔｍｙと、感度比Ｈｘ、Ｈｙと、その各感度比の温度係数Ｔｈｘ、Ｔｈｙを記憶するようになっている。
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、及び加速度センサ３の出力信号Ｋａ、Ｋｂ、にオフセットや温度依存性があり、これらを補正（補償）するためである。
【００３９】
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、感度比Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚ、および温度係数Ｔ１ｘ、Ｔ１ｙ、Ｔ１ｚ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、温度係数Ｔｍｘ、Ｔｍｙ、感度比Ｈｘ、Ｈｙ、および温度係数Ｔｈｘ、Ｔｈｙを用いることにより、加速度センサ３の出力信号Ｋａ、Ｋｂ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。
【００４０】
ここで、３軸の磁気センサ４においては、構成要素であるホール素子４１〜４４の感度（感度比）の温度係数が全て等しいため、地磁気の方位を求めるだけであれば、上記のように感度の温度係数を補正する必要がない。一方、加速度センサ３は２軸のため、重力に対する傾きを求めるためには、その出力信号としては絶対値が必要となり、上記のように感度の温度係数の補正が必要となる。
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。
【００４１】
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、オフセット、および温度係数が補正された、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。
図５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。
【００４２】
図５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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
【数１】
【００４６】
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。
【００４７】
【数２】
【００４８】
次に、（２）式のαの式を変形すると、以下の（３）式が得られる。
【００４９】
【数３】
【００５０】
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。
【００５１】
【数４】
【００５２】
次に、（４）、（５）式からｃｏｓ（δ）を求めると、以下の（６）式が得られる。
【００５３】
【数５】
【００５４】
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。
【００５５】
【数６】
【００５６】
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、磁気センサ４、および演算処理部６を、同一のシリコン基板７上に配置するようにしたので、全体として小型化を図ることができる。
【００５７】
また、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。
なお、この第１実施形態では、シリコン基板７上において、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６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。
【００５８】
図６は、磁気センサ４Ａの構成を示す図であり、図６（Ａ）はその磁気センサ４Ａの平面図であり、図６（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６に示すように、シリコン基板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。
【００５９】
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。
シリコン基板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。
【００６０】
すなわち、図６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シリコン基板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シリコン基板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。
【００６１】
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シリコン基板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シリコン基板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。
【００６２】
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６（Ｂ）に示すようにＺ軸方向に拡がる。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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６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。
【００６７】
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、シリコン基板７上に加速度センサ３等とともに一体に設けて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こともできる。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７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。
【００６８】
図７は、磁気センサ４Ｂの構成を示す図であり、図７（Ａ）はその磁気センサ４Ｂの平面図であり、図７（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７に示すように、シリコン基板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。
【００６９】
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、シリコン基板７上に絶縁層５１を介在してそれぞれ配置されている。磁気収束板７６〜７９は、図示のように、それぞれ細長い形状からなる。
図７に示すように、シリコン基板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。
【００７０】
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７（Ｂ）に示すようにＺ軸方向に拡がる。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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８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。
【００７４】
図８は、磁気センサ４Ｃの構成を示す図であり、図８（Ａ）はその磁気センサ４Ｃの平面図であり、図８（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８に示すように、シリコン基板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、全体が細長い薄板状からなり、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、シリコン基板７上に絶縁層５１を介在してそれぞれ配置されている。
【００７５】
図８に示すように、シリコン基板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８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８（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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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
以上のように、この第４実施形態の磁気センサ４Ｃでは、磁気収束板８５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５実施形態）
この第５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、その加速度センサ３（図３参照）を、図９に示すような加速度センサ３Ａに置き換えたものである。したがって、以下では、加速度センサ３Ａの構成についてのみ説明する。
【００７９】
図９は加速度センサ３Ａの構成を示す図であり、図９（Ａ）はその加速度センサ３Ａの上蓋を外した状態の平面図であり、図９（Ｂ）は同図（Ａ）の上蓋が付いた状態のＧ−Ｇ線の断面図である。
この加速度センサ３Ａは、図９に示すように、シリコン基板７の所定位置に形成した凹部９０と、この凹部９０を密封する凹状の上蓋１０１とで密封状態のセンサ配置空間１０２を形成し、このセンサ配置空間１０２内に加速度センサ３Ａの各構成要素を配置するようにしたものである。
【００８０】
すなわち、センサ配置空間１０２内の中央部に加熱源であるヒータ９１が配置され、このヒータ９１の周囲に、ヒータ９１を挟んで温度センサ９２と温度センサ９３、および温度センサ９４と温度センサ９５が、それぞれ対向して配置されている。
さらに詳述すると、凹部９０内の上部側の中央に、ヒータ形成部９６と、四角形の枠からなる温度センサ形成部９７とが、ヒータ形成部９６を中心にほぼ同心円状に配置されている。ヒータ形成部９６は、４つの梁９８により温度センサ形成部９７に接続され、温度センサ形成部９７の各隅は、４つの梁９９により四角形の枠からなる支持部１００に接続されている。支持部１００は、シリコン基板７上に固定されている。凹部９０の上部側には、その凹部９０を密封するように上蓋１０１が配置され、その上蓋１０１の下側の端部が支持部１００に固定されている。
【００８１】
この例では、ヒータ形成部９６、４つの梁９８、温度センサ形成部９７、４つの梁９９、および支持部１００は、ＳｉＯ2 やＳｉＮからなる絶縁体により一体に形成されている。
ヒータ形成部９６内には、ヒータ９１が埋め込まれる形で配置されている。このヒータ９１は、例えば多結晶シリコンの薄膜を帯状に形成したものからなる。このヒータ９１には、図示しない電気配線を通じて電流を流すようになっており、これにより、ヒータ９１は多結晶シリコンの有する抵抗成分により発熱するようになっている。
【００８２】
温度センサ形成部９７は、四角形の枠を形成するために前部、後部、左部、および右部からなり、その各部内には温度センサ９２〜９５がそれぞれ埋め込まれる形で配置されている。温度センサ９２〜９５は、図示のように、ヒータ９１の配置位置から等距離の位置に、それぞれ配置されている。
温度センサ９２〜９５は、例えば多結晶シリコンの薄膜を帯状に形成したものからなる。多結晶シリコンの抵抗成分は温度係数を持つので、その抵抗値を測定することで、温度センサ９２〜９５は温度を計測するようになっている。
【００８３】
次に、このような構成からなる加速度センサ３Ａの動作について、図９を参照して説明する。
ヒータ９１に電流を流して加熱すると、ヒータ９１の周囲の気体の温度が上昇する。加速度センサ３Ａに加速度が加わっていない状態では、ヒータ９１の周囲の温度分布は、ヒータ９１を中心にほぼ同心円上に、その中心から周囲に向けて低下するようになる。また、その周囲の気体密度の分布は、その中心部が最も小さく周囲に向けて増加する。従って、４つの温度センサ９２〜９５の位置では温度が全て等しく、温度センサ９２〜９５を構成する多結晶シリコンの各抵抗値も全て等しくなる。
【００８４】
Ｘ軸方向に加速度が加わった場合について考えると、その加速度により気体の密度が低い領域はＸ軸方向に移動する。このとき、気体の密度の移動に伴い温度分布も変化し、すなわち温度の高い領域がＸ軸方向に移動し、温度センサ９２の温度が温度センサ９３の温度よりも高くなる。従って、温度センサ９２と温度センサ９３の多結晶シリコンの抵抗値にも差が生ずる。このときには、温度センサ９４と温度センサ９５における温度は等しく、その多結晶シリコンの各抵抗値も等しい。
【００８５】
Ｙ軸方向に加速度が加わった場合には、Ｘ軸方向に加速度が加わった場合と同様に考えることができる。すなわち、この場合には、温度センサ９４と温度センサ９５の多結晶シリコンの抵抗値に差が生ずる。一方、温度センサ９２と温度センサ９３における温度は等しく、その多結晶シリコンの各抵抗値は等しい。
Ｚ軸方向に加速度が加わった場合には、温度分布は変化するが、４つの温度センサ９２〜９５の各位置では温度が全て等しく、その多結晶シリコンの各抵抗値も等しい。
【００８６】
以上の説明を数式を用いて、以下に説明する。
いま、温度センサ９２〜９５を構成する多結晶シリコンの各抵抗値をＲ９２、Ｒ９３、Ｒ９４、Ｒ９５とし、温度が同じ場合には、その各抵抗値が全て等しいものとする。
また、温度センサ９２と温度センサ９３とは直列に接続され、その両端に電圧Ｖｂが印加されるとともに、その共通接続部の出力電圧Ｖ１を取り出すようになっている。さらに、温度センサ９４と温度センサ９５とは直列に接続され、その両端に電圧Ｖｂが印加されるとともに、その共通接続部の出力電圧Ｖ２を取り出すようになっている。この電気的な等価回路は、図１０に示すようになる。
【００８７】
このような条件の下で、加速度センサ３Ａに加速度が加わらない場合には、出力電圧Ｖ１、Ｖ２は、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖｂ／２となる。
Ｘ軸方向に加速度が加わった場合には、Ｖ１＝（Ｖｂ／２）±ΔＶｘとなり、この変化分ΔＶｘは、加速度に対してほぼ比例した電圧となる。この時、Ｖ２＝Ｖｂ／２である。
Ｙ軸方向に加速度が加わった場合には、Ｖ２＝（Ｖｂ／２）±ΔＶｙとなり、この変化分ΔＶｙは、加速度に対してほぼ比例した電圧となる。この時、Ｖ１＝Ｖｂ／２である。
【００８８】
以上のように、この第５実施形態の加速度センサ３Ａでは、基板面に平行なＸ軸方向およびＹ軸方向の加速度を検知することができるため、重力加速度の基板面に対する余弦をこの加速度センサ３Ａで測定することにより地表面に対する傾きを求めることができる。
なお、上記の加速度センサ３Ａは、上蓋１０１によりセンサの構成素子の部分を局所的に被覆して密封するようにした。しかし、上蓋１０１に代えて、ケースによりシリコン基板７の上側の全体を密封状に被覆するようにしても良い（図１参照）。
【００８９】
また、第５実施形態に係る集積化方位センサは、図９に示す加速度センサ３Ａと、図２に示す磁気センサ４とを組み合わせたものである。しかし、第５実施形態に係る集積化方位センサは、図２に示す磁気センサ４を、図６〜図８に示す磁気センサ４Ａ、４Ｂ、４Ｃのうちのいずれか１つの磁気センサに置き換えるようにしても良い。
【００９０】
【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。
【００９１】
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実施形態に係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実施形態に係る加速度センサの構成を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＥ−Ｅ線の断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＦ−Ｆ線の断面図である。
【図４】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５】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６】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７】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８】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９】第５実施形態の加速度センサの構成を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＧ−Ｇ線の断面図である。
【図１０】図９に示す温度センサの電気的な等価回路を示す図である。
【図１１】従来のセンサの構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
３、３Ａ 加速度センサ
４、４Ａ〜４Ｃ 磁気センサ
６ 演算処理部
７ シリコン基板
８ 重り部
９ａ〜９ｄ 梁
２１〜２４ 櫛歯状の可動電極
３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂ 櫛歯状の固定電極
３２ｃ、３２ｄ、３４ｃ、３４ｄ 櫛歯状の固定電極
４１〜４４ ホール素子
４５ 磁気収束板
６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ ホール素子
６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂ ホール素子
６５〜６９ 磁気収束板
７１〜７４ ホール素子
７６〜７９ 磁気収束板
８１〜８４ ホール素子
８５ 磁気収束板
９０ 凹部
９１ ヒータ
９２〜９５ 温度センサ
１０２ センサ配置空間
１１３ 温度センサ
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。
【０００４】
この加速度センサは、図１１に示すように、ガラス製の台座１１上に、支持部１２および梁部１３により重り部１４が可動自在に支持された梁構造を有するシリコンチップ１５が設けられている。重り部１４の下面には可動電極１６が設けられ、台座１１の上面には固定電極１７が設けられている。さらに、重り部１４の上面にはホール素子１８が設けられている。
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。
また、特開平１１−１６０３４９号公報に記載のものでは、シリコンチップ１５、台座１１、ホール素子１８はそれぞれ別の基板から加工する必要がある。さらに、シリコンチップ１５においては、基板の両面を加工する必要があって製造工程が複雑になるという不都合がある。
【０００６】
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。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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
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、ガリウム砒素などを用いた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。
【００１０】
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。
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９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、前記磁気センサ、前記加速度センサ、および前記信号処理部を同一のシリコン基板上に配置し、かつ、前記加速度センサは、前記シリコン基板に固定された櫛歯状の固定電極と、この固定電極と対向する櫛歯状の可動電極を有する重り部と、この重り部を前記シリコン基板上に可動自在に支持する梁とを備え、さらに、前記磁気センサは、前記シリコン基板上に配置され、前記シリコン基板の表面に沿う方向の磁束を収束する磁気収束板と、前記シリコン基板上の表面側であって、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２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、前記磁気センサ、前記加速度センサ、および前記信号処理部を同一のシリコン基板上に配置し、かつ、前記加速度センサは、前記シリコン基板に固定された櫛歯状の固定電極と、この固定電極と対向する櫛歯状の可動電極を有する重り部と、この重り部を前記シリコン基板上に可動自在に支持する梁とを備え、さらに、前記磁気センサは、前記シリコン基板上の所定位置に配置される第１の磁気収束板と、前記シリコン基板上であって、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、前記シリコン基板の表面側であって、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３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、前記磁気センサ、前記加速度センサ、および前記信号処理部を同一のシリコン基板上に配置し、かつ、前記加速度センサは、前記シリコン基板に固定された櫛歯状の固定電極と、この固定電極と対向する櫛歯状の可動電極を有する重り部と、この重り部を前記シリコン基板上に可動自在に支持する梁とを備え、さらに、前記磁気センサは、前記シリコン基板上であって、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、前記シリコン基板上であって、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、前記シリコン基板の表面側であって、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４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、前記磁気センサ、前記加速度センサ、および前記信号処理部を同一のシリコン基板上に配置し、かつ、前記加速度センサは、前記シリコン基板に固定された櫛歯状の固定電極と、この固定電極と対向する櫛歯状の可動電極を有する重り部と、この重り部を前記シリコン基板上に可動自在に支持する梁とを備え、さらに、前記磁気センサは、前記シリコン基板の所定位置に配置される十字形状の磁気収束板と、前記シリコン基板の表面側であって、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５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４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６に記載の発明は、請求項１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、前記加速度センサを形成する可動電極、重り部、および梁は、同一の多結晶シリコンの薄膜により構成するようにしたことを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、請求項１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、前記加速度センサを形成する可動電極、重り部、および梁と、前記磁気センサを形成する磁気収束板とは、同一の軟磁性の薄膜により構成するようにしたことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項８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、前記磁気センサ、前記加速度センサ、および前記信号処理部を同一のシリコン基板上に配置し、かつ、前記加速度センサは、前記シリコン基板の一部にセンサ配置空間を設け、このセンサ配置空間内の中央部に加熱源を配置し、この加熱源を挟んで対向する位置に、対となる温度センサを配置するようにし、さらに、前記磁気センサは、前記シリコン基板上に配置され、前記シリコン基板の表面に沿う方向の磁束を収束する磁気収束板と、前記シリコン基板上の表面側であって、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。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の集積化方位センサにおいて、前記加熱源および前記温度センサは、多結晶シリコンの薄膜により構成するようにした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。
【００１９】
また、請求項２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３や請求項４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。
【００２０】
【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実施形態の外観を示す概略の斜視図である。
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２軸以上の加速度センサ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演算処理部６とを、集積化センサチップである同一のシリコン基板７上に配置するようにし、小型化を図るようにしたものである。
【００２１】
なお、この例では、加速度センサ３は２軸の加速度センサとして説明し、磁気センサ４は３軸の磁気センサとして説明する。
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７の表面に形成されている。すなわち、シリコン基板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。
【００２２】
ホール素子４１とホール素子４２とは、図２（Ａ）に示すように、シリコン基板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、シリコン基板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。
シリコン基板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（薄膜）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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、加速度センサ３の詳細な構成について、図３を参照して説明する。
【００２８】
図３（Ａ）は加速度センサ３の平面図、図３（Ｂ）は同図（Ａ）のＥ−Ｅ線の断面図、図３（Ｃ）は同図（Ａ）のＦ−Ｆ線の断面図である。
加速度センサ３は、図３に示すように、シリコン基板７上に所定間隔をおいて配置される重り部８を有し、この重り部８が４つの梁９ａ、９ｂ、９ｃ，９ｄによりシリコン基板７上に可動自在に支持されている。
重り部８は、図３に示すように、ほぼ正方形状の薄板からなり、その各辺に櫛歯状の可動電極２１、２２、２３、２４がそれぞれ設けられている。重り部８の四隅は、梁９ａ、９ｂ、９ｃ，９ｄの各一端とそれぞれ接続されている。その梁９ａ、９ｂ、９ｃ，９ｄの各他端は、シリコン基板７と一体の各梁支持部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ，２５ｄに固定されている。
【００２９】
シリコン基板７上であって、重り部８の固定電極２１と対向する位置には、コンデンサを形成するために、櫛歯状の固定電極３１ａ、３１ｂとが図示のように配置されている。固定電極３１ａ、３１ｂの各一端は固定電極支持部３５に接続され、その固定電極支持部３５はシリコン基板７に固定されている。
同様に、シリコン基板７上であって、重り部８の各固定電極２２、２３、２４と対向する位置には、コンデンサを形成するために、櫛歯状の固定電極３２ｃ、３２ｄ、固定電極３３ａ、３３ｂ、および固定電極３４ｃ、３４ｄがそれぞれ配置されている。
【００３０】
固定電極３２ｃ、３２ｄ、固定電極３３ａ、３３ｂ、および固定電極３４ｃ、３４ｄの各一端は固定電極支持部３６、３７、３８に接続され、その固定電極支持部３６、３７、３８はシリコン基板７に固定されている。
このように構成される加速度センサ３は、その構成要素である重り部８、櫛歯状の可動電極２１〜２４、梁９ａ〜９ｄ、および櫛歯状の固定電極３１ａ、３１ｂ・・・・が、多結晶シリコンの薄膜で形成されている。また、これらの各構成要素を、磁気センサ４の磁気収束板４５を形成する軟磁性の薄膜と同様に、その軟磁性の薄膜で形成するようにしても良い。
【００３１】
次に、このような構成からなる加速度センサ３の動作について説明する。
この加速度センサ３に加速度が加わると、重り部８にはその加速度の方向とは反対方向に慣性力が働き、重り部８と櫛歯状の可動電極２１〜２４移動する。このとき、可動電極２１〜２４と対応する固定電極３１ａ、３１ｂ・・・・との間の間隔が変化するので、これらの電極間の静電容量を測定することにより、以下のように加速度を求めることができる。
【００３２】
まず、Ｘ軸方向に加速度が加わった場合について説明する。ここで、図３において、固定電極３１ａと可動電極２１、および固定電極３３ａと可動電極２３で構成される静電容量をＣａとする。また、固定電極３１ｂと可動電極２１、および固定電極３３ｂと可動電極２３で構成される静電容量をＣｂとする。
Ｘ軸方向に正の加速度が加わると、シリコン基板７からみて、重り部８は慣性力によりＸ軸の負の方向に移動する。このため、静電容量Ｃａは増加し、静電容量Ｃｂは減少する。一方、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度が加わった場合には、静電容量Ｃａと静電容量Ｃｂの変化は同じである。
【００３３】
従って、その静電容量Ｃａと静電容量Ｃｂを容量−電圧変換回路（図示せず）でそれぞれ電圧Ｖａ、Ｖｂに変換し、差分回路（図示せず）その変換電圧Ｖａ、Ｖｂの差分（Ｖａ−Ｖｂ）をとることにより、Ｘ軸方向の加速度を電圧信号Ｋａとして得ることができる。
次に、Ｙ軸方向に加速度が加わった場合について説明する。ここで、図３において、固定電極３２ｃと可動電極２２、および固定電極３４ｃと可動電極２４で構成される静電容量をＣｃとする。また、固定電極３２ｄと可動電極２２、および固定電極３４ｄと可動電極２４で構成される静電容量をＣｄとする。
【００３４】
Ｙ軸方向に正の加速度が加わると、シリコン基板７からみて、重り部８は慣性力によりＹ軸の負の方向に移動する。このため、静電容量Ｃｃは増加し、静電容量Ｃｄは減少する。一方、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度が加わった場合には、静電容量Ｃｃと静電容量Ｃｄの変化は同じである。
従って、その静電容量Ｃｃと静電容量Ｃｄを容量−電圧変換回路（図示せず）でそれぞれ電圧Ｖｃ、Ｖｄに変換し、差分回路（図示せず）その変換電圧Ｖｃ、Ｖｄの差分（Ｖｃ−Ｖｄ）をとることにより、Ｙ軸方向の加速度を電圧信号Ｋｂとして得ることができる。
【００３５】
以上のように、この加速度センサ３は、シリコン基板７の基板面に平行な２軸の加速度を検出できるため、重力加速度の基板面に対する余弦をこの加速度センサ３で測定することにより地表面に対する傾きを求めることができる。
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４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４に示すように、Ａ／Ｄ変換部１１５と、温度センサ１１３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７上に集積回路化されている。
Ａ／Ｄ変換部１１５は、２軸の加速度センサ３の出力信号Ｋａ、Ｋｂと、３軸の磁気センサ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】
温度センサ１１３は、後で述べる加速度センサの温度特性を補正するためのセンサであり、その検出温度（出力信号）はＡ／Ｄ変換部１１５でデジタル信号に変換され、補正計算部１１６へ送られる。
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、その各オフセット値の温度係数Ｔ１ｘ、Ｔ１ｙ、Ｔ１ｚと、感度比Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚとを記憶するメモリである。
【００３８】
さらに、補正値記憶部１１７は、２軸の加速度センサ３のＸ軸およびＹ軸の出力信号Ｋａ、Ｋｂのオフセット値Ｍｘ、Ｍｙと、その各オフセット値の温度係数Ｔｍｘ、Ｔｍｙと、感度比Ｈｘ、Ｈｙと、その各感度比の温度係数Ｔｈｘ、Ｔｈｙを記憶するようになっている。
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、及び加速度センサ３の出力信号Ｋａ、Ｋｂ、にオフセットや温度依存性があり、これらを補正（補償）するためである。
【００３９】
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、感度比Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚ、および温度係数Ｔ１ｘ、Ｔ１ｙ、Ｔ１ｚ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、温度係数Ｔｍｘ、Ｔｍｙ、感度比Ｈｘ、Ｈｙ、および温度係数Ｔｈｘ、Ｔｈｙを用いることにより、加速度センサ３の出力信号Ｋａ、Ｋｂ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。
【００４０】
ここで、３軸の磁気センサ４においては、構成要素であるホール素子４１〜４４の感度（感度比）の温度係数が全て等しいため、地磁気の方位を求めるだけであれば、上記のように感度の温度係数を補正する必要がない。一方、加速度センサ３は２軸のため、重力に対する傾きを求めるためには、その出力信号としては絶対値が必要となり、上記のように感度の温度係数の補正が必要となる。
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。
【００４１】
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、オフセット、および温度係数が補正された、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。
図５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。
【００４２】
図５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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
【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。
【００４７】
【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。
【００４９】
【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。
【００５１】
【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。
【００５３】
【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。
【００５５】
【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、磁気センサ４、および演算処理部６を、同一のシリコン基板７上に配置するようにしたので、全体として小型化を図ることができる。
【００５７】
また、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。
なお、この第１実施形態では、シリコン基板７上において、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６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。
【００５８】
図６は、磁気センサ４Ａの構成を示す図であり、図６（Ａ）はその磁気センサ４Ａの平面図であり、図６（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６に示すように、シリコン基板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。
【００５９】
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。
シリコン基板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。
【００６０】
すなわち、図６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シリコン基板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シリコン基板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。
【００６１】
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シリコン基板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シリコン基板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。
【００６２】
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６（Ｂ）に示すようにＺ軸方向に拡がる。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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６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。
【００６７】
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、シリコン基板７上に加速度センサ３等とともに一体に設けて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こともできる。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７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。
【００６８】
図７は、磁気センサ４Ｂの構成を示す図であり、図７（Ａ）はその磁気センサ４Ｂの平面図であり、図７（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７に示すように、シリコン基板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。
【００６９】
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、シリコン基板７上に絶縁層５１を介在してそれぞれ配置されている。磁気収束板７６〜７９は、図示のように、それぞれ細長い形状からなる。
図７に示すように、シリコン基板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。
【００７０】
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７（Ｂ）に示すようにＺ軸方向に拡がる。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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８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。
【００７４】
図８は、磁気センサ４Ｃの構成を示す図であり、図８（Ａ）はその磁気センサ４Ｃの平面図であり、図８（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８に示すように、シリコン基板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、全体が細長い薄板状からなり、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、シリコン基板７上に絶縁層５１を介在してそれぞれ配置されている。
【００７５】
図８に示すように、シリコン基板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８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８（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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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
以上のように、この第４実施形態の磁気センサ４Ｃでは、磁気収束板８５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５実施形態）
この第５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、その加速度センサ３（図３参照）を、図９に示すような加速度センサ３Ａに置き換えたものである。したがって、以下では、加速度センサ３Ａの構成についてのみ説明する。
【００７９】
図９は加速度センサ３Ａの構成を示す図であり、図９（Ａ）はその加速度センサ３Ａの上蓋を外した状態の平面図であり、図９（Ｂ）は同図（Ａ）の上蓋が付いた状態のＧ−Ｇ線の断面図である。
この加速度センサ３Ａは、図９に示すように、シリコン基板７の所定位置に形成した凹部９０と、この凹部９０を密封する凹状の上蓋１０１とで密封状態のセンサ配置空間１０２を形成し、このセンサ配置空間１０２内に加速度センサ３Ａの各構成要素を配置するようにしたものである。
【００８０】
すなわち、センサ配置空間１０２内の中央部に加熱源であるヒータ９１が配置され、このヒータ９１の周囲に、ヒータ９１を挟んで温度センサ９２と温度センサ９３、および温度センサ９４と温度センサ９５が、それぞれ対向して配置されている。
さらに詳述すると、凹部９０内の上部側の中央に、ヒータ形成部９６と、四角形の枠からなる温度センサ形成部９７とが、ヒータ形成部９６を中心にほぼ同心円状に配置されている。ヒータ形成部９６は、４つの梁９８により温度センサ形成部９７に接続され、温度センサ形成部９７の各隅は、４つの梁９９により四角形の枠からなる支持部１００に接続されている。支持部１００は、シリコン基板７上に固定されている。凹部９０の上部側には、その凹部９０を密封するように上蓋１０１が配置され、その上蓋１０１の下側の端部が支持部１００に固定されている。
【００８１】
この例では、ヒータ形成部９６、４つの梁９８、温度センサ形成部９７、４つの梁９９、および支持部１００は、ＳｉＯ2 やＳｉＮからなる絶縁体により一体に形成されている。
ヒータ形成部９６内には、ヒータ９１が埋め込まれる形で配置されている。このヒータ９１は、例えば多結晶シリコンの薄膜を帯状に形成したものからなる。このヒータ９１には、図示しない電気配線を通じて電流を流すようになっており、これにより、ヒータ９１は多結晶シリコンの有する抵抗成分により発熱するようになっている。
【００８２】
温度センサ形成部９７は、四角形の枠を形成するために前部、後部、左部、および右部からなり、その各部内には温度センサ９２〜９５がそれぞれ埋め込まれる形で配置されている。温度センサ９２〜９５は、図示のように、ヒータ９１の配置位置から等距離の位置に、それぞれ配置されている。
温度センサ９２〜９５は、例えば多結晶シリコンの薄膜を帯状に形成したものからなる。多結晶シリコンの抵抗成分は温度係数を持つので、その抵抗値を測定することで、温度センサ９２〜９５は温度を計測するようになっている。
【００８３】
次に、このような構成からなる加速度センサ３Ａの動作について、図９を参照して説明する。
ヒータ９１に電流を流して加熱すると、ヒータ９１の周囲の気体の温度が上昇する。加速度センサ３Ａに加速度が加わっていない状態では、ヒータ９１の周囲の温度分布は、ヒータ９１を中心にほぼ同心円上に、その中心から周囲に向けて低下するようになる。また、その周囲の気体密度の分布は、その中心部が最も小さく周囲に向けて増加する。従って、４つの温度センサ９２〜９５の位置では温度が全て等しく、温度センサ９２〜９５を構成する多結晶シリコンの各抵抗値も全て等しくなる。
【００８４】
Ｘ軸方向に加速度が加わった場合について考えると、その加速度により気体の密度が低い領域はＸ軸方向に移動する。このとき、気体の密度の移動に伴い温度分布も変化し、すなわち温度の高い領域がＸ軸方向に移動し、温度センサ９２の温度が温度センサ９３の温度よりも高くなる。従って、温度センサ９２と温度センサ９３の多結晶シリコンの抵抗値にも差が生ずる。このときには、温度センサ９４と温度センサ９５における温度は等しく、その多結晶シリコンの各抵抗値も等しい。
【００８５】
Ｙ軸方向に加速度が加わった場合には、Ｘ軸方向に加速度が加わった場合と同様に考えることができる。すなわち、この場合には、温度センサ９４と温度センサ９５の多結晶シリコンの抵抗値に差が生ずる。一方、温度センサ９２と温度センサ９３における温度は等しく、その多結晶シリコンの各抵抗値は等しい。
Ｚ軸方向に加速度が加わった場合には、温度分布は変化するが、４つの温度センサ９２〜９５の各位置では温度が全て等しく、その多結晶シリコンの各抵抗値も等しい。
【００８６】
以上の説明を数式を用いて、以下に説明する。
いま、温度センサ９２〜９５を構成する多結晶シリコンの各抵抗値をＲ９２、Ｒ９３、Ｒ９４、Ｒ９５とし、温度が同じ場合には、その各抵抗値が全て等しいものとする。
また、温度センサ９２と温度センサ９３とは直列に接続され、その両端に電圧Ｖｂが印加されるとともに、その共通接続部の出力電圧Ｖ１を取り出すようになっている。さらに、温度センサ９４と温度センサ９５とは直列に接続され、その両端に電圧Ｖｂが印加されるとともに、その共通接続部の出力電圧Ｖ２を取り出すようになっている。この電気的な等価回路は、図１０に示すようになる。
【００８７】
このような条件の下で、加速度センサ３Ａに加速度が加わらない場合には、出力電圧Ｖ１、Ｖ２は、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖｂ／２となる。
Ｘ軸方向に加速度が加わった場合には、Ｖ１＝（Ｖｂ／２）±ΔＶｘとなり、この変化分ΔＶｘは、加速度に対してほぼ比例した電圧となる。この時、Ｖ２＝Ｖｂ／２である。
Ｙ軸方向に加速度が加わった場合には、Ｖ２＝（Ｖｂ／２）±ΔＶｙとなり、この変化分ΔＶｙは、加速度に対してほぼ比例した電圧となる。この時、Ｖ１＝Ｖｂ／２である。
【００８８】
以上のように、この第５実施形態の加速度センサ３Ａでは、基板面に平行なＸ軸方向およびＹ軸方向の加速度を検知することができるため、重力加速度の基板面に対する余弦をこの加速度センサ３Ａで測定することにより地表面に対する傾きを求めることができる。
なお、上記の加速度センサ３Ａは、上蓋１０１によりセンサの構成素子の部分を局所的に被覆して密封するようにした。しかし、上蓋１０１に代えて、ケースによりシリコン基板７の上側の全体を密封状に被覆するようにしても良い（図１参照）。
【００８９】
また、第５実施形態に係る集積化方位センサは、図９に示す加速度センサ３Ａと、図２に示す磁気センサ４とを組み合わせたものである。しかし、第５実施形態に係る集積化方位センサは、図２に示す磁気センサ４を、図６〜図８に示す磁気センサ４Ａ、４Ｂ、４Ｃのうちのいずれか１つの磁気センサに置き換えるようにしても良い。
【００９０】
【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。
【００９１】
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実施形態に係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実施形態に係る加速度センサの構成を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＥ−Ｅ線の断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＦ−Ｆ線の断面図である。
【図４】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５】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６】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７】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８】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９】第５実施形態の加速度センサの構成を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＧ−Ｇ線の断面図である。
【図１０】図９に示す温度センサの電気的な等価回路を示す図である。
【図１１】従来のセンサの構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
３、３Ａ 加速度センサ
４、４Ａ〜４Ｃ 磁気センサ
６ 演算処理部
７ シリコン基板
８ 重り部
９ａ〜９ｄ 梁
２１〜２４ 櫛歯状の可動電極
３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂ 櫛歯状の固定電極
３２ｃ、３２ｄ、３４ｃ、３４ｄ 櫛歯状の固定電極
４１〜４４ ホール素子
４５ 磁気収束板
６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ ホール素子
６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂ ホール素子
６５〜６９ 磁気収束板
７１〜７４ ホール素子
７６〜７９ 磁気収束板
８１〜８４ ホール素子
８５ 磁気収束板
９０ 凹部
９１ ヒータ
９２〜９５ 温度センサ
１０２ センサ配置空間
１１３ 温度センサ
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 (9)
- 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、
前記磁気センサ、前記加速度センサ、および前記信号処理部を同一のシリコン基板上に配置し、
かつ、前記加速度センサは、前記シリコン基板に固定された櫛歯状の固定電極と、この固定電極と対向する櫛歯状の可動電極を有する重り部と、この重り部を前記シリコン基板上に可動自在に支持する梁とを備え、
さらに、前記磁気センサは、
前記シリコン基板上に配置され、前記シリコン基板の表面に沿う方向の磁束を収束する磁気収束板と、
前記シリコン基板上の表面側であって、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集積化方位センサ。 - 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、
前記磁気センサ、前記加速度センサ、および前記信号処理部を同一のシリコン基板上に配置し、
かつ、前記加速度センサは、前記シリコン基板に固定された櫛歯状の固定電極と、この固定電極と対向する櫛歯状の可動電極を有する重り部と、この重り部を前記シリコン基板上に可動自在に支持する梁とを備え、
さらに、前記磁気センサは、
前記シリコン基板上の所定位置に配置される第１の磁気収束板と、
前記シリコン基板上であって、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、
前記シリコン基板の表面側であって、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集積化方位センサ。 - 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、
前記磁気センサ、前記加速度センサ、および前記信号処理部を同一のシリコン基板上に配置し、
かつ、前記加速度センサは、前記シリコン基板に固定された櫛歯状の固定電極と、この固定電極と対向する櫛歯状の可動電極を有する重り部と、この重り部を前記シリコン基板上に可動自在に支持する梁とを備え、
さらに、前記磁気センサは、
前記シリコン基板上であって、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、
前記シリコン基板上であって、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、
前記シリコン基板の表面側であって、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集積化方位センサ。 - 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、
前記磁気センサ、前記加速度センサ、および前記信号処理部を同一のシリコン基板上に配置し、
かつ、前記加速度センサは、前記シリコン基板に固定された櫛歯状の固定電極と、この固定電極と対向する櫛歯状の可動電極を有する重り部と、この重り部を前記シリコン基板上に可動自在に支持する梁とを備え、
さらに、前記磁気センサは、
前記シリコン基板の所定位置に配置される十字形状の磁気収束板と、
前記シリコン基板の表面側であって、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１乃至請求項４のいずれかに記載の集積化方位センサ。
- 前記加速度センサを形成する可動電極、重り部、および梁は、同一の多結晶シリコンの薄膜により構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。
- 前記加速度センサを形成する可動電極、重り部、および梁と、前記磁気センサを形成する磁気収束板とは、同一の軟磁性の薄膜により構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５のいずれかに記載の集積化方位センサ。
- 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、
前記磁気センサ、前記加速度センサ、および前記信号処理部を同一のシリコン基板上に配置し、
かつ、前記加速度センサは、前記シリコン基板の一部にセンサ配置空間を設け、このセンサ配置空間内の中央部に加熱源を配置し、この加熱源を挟んで対向する位置に、対となる温度センサを配置するようにし、
さらに、前記磁気センサは、
前記シリコン基板上に配置され、前記シリコン基板の表面に沿う方向の磁束を収束する磁気収束板と、
前記シリコン基板上の表面側であって、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集積化方位センサ。 - 前記加熱源および前記温度センサは、多結晶シリコンの薄膜により構成するようにしたことを特徴とする請求項８に記載の集積化方位センサ。
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