JP6106849B2 - 慣性力センサ - Google Patents

Description

本発明は、デジタルカメラ、携帯端末、ロボット、その他各種電子機器に用いられる慣性力センサに関する。

従来の慣性力センサについて、図１８を参照しながら説明する。図１８は従来の慣性力センサ１のブロック図である。慣性力センサ１は、振動子２と、自励振動回路３と、検出回路４と、電源制御装置５と、トリガー信号入力部６とを有する。自励振動回路３は振動子２を駆動振動させる。検出回路４は振動子２に接続されて慣性力値を出力する。電源制御装置５は自励振動回路３及び検出回路４へ供給する電力を制御する。トリガー信号入力部６は電源制御装置５に接続されている。

電源制御装置５は、検出回路４が慣性量の検出を行わないときに自励振動回路３又は検出回路４の一部へ供給する電力を低下させる。また、トリガー信号入力部６からのトリガー入力に基づいて、供給電力が低下している部分へ供給する電力を定格電力へと復元させる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２００２−３５０１３９号公報

本発明は、ユーザーや外部回路による復元操作を要することなく、自律して省電力モードへの移行と通常電力モードへの復元を行うことのできる慣性力センサである。本発明の慣性力センサは第１センサ素子と、第２センサ素子と、第１信号処理部と、第２信号処理部と、電力制御部とを有する。第１センサ素子は第１慣性力を電気信号に変換し、第２センサ素子は第１慣性力とは異なる第２慣性力を電気信号に変換する。第１信号処理部は第１センサ素子に接続されて第１慣性力値を出力する。第２信号処理部は第２センサ素子に接続されて第２慣性力値を出力する。電力制御部は第１信号処理部および第２信号処理部に接続され、第１慣性力値に基づいて第２信号処理部へ供給する電力を変化させる。

上記構成により、ユーザーや外部回路による復元操作を要することなく、慣性力センサが自律して省電力モードへの移行と通常電力モードへの復元を行うことができる。

図１は本発明の実施の形態１における慣性力センサのブロック図である。 図２は図１に示す慣性力センサの一例のブロック図である。 図３は図１、図２に示す慣性力センサの電力制御部の構成例を示すブロック図である。 図４は図３に示す電力制御部の制御例を示す図である。 図５は本発明の実施の形態１における慣性力センサの他の電力制御部の構成を示すブロック図である。 図６Ａは図５に示す慣性力センサの第１カウンター、第２カウンターによるカウント方法を示す図である。 図６Ｂは図５に示す慣性力センサの第１カウンター、第２カウンターによる他のカウント方法を示す図である。 図６Ｃは図５に示す慣性力センサの第１カウンター、第２カウンターによるさらに他のカウント方法を示す図である。 図７は本発明の実施の形態１における慣性力センサのさらに他の電力制御部の構成を示すブロック図である。 図８は図７に示す電力制御部の制御例を示す図である。 図９は本発明の実施の形態１における慣性力センサのさらに他の電力制御部の構成を示すブロック図である。 図１０Ａは本発明の実施の形態１における慣性力センサにおける電力制御部の制御例を示す図である。 図１０Ｂは本発明の実施の形態１における慣性力センサにおける電力制御部の制御例を示す図である。 図１１は本発明の実施の形態２における電子機器のブロック図である。 図１２は図１１に示す電子機器の一例である携帯端末のブロック図である。 図１３は図１２に示す携帯端末における発電デバイスの回路図である。 図１４は図１１に示す電子機器の一例であるセンサ装置のブロック図である。 図１５は図１４に示すセンサ装置の断面模式図である。 図１６は図１４に示すセンサ装置に適用可能な複合素子の平面図である。 図１７は図１１に示す電子機器の一例である他の携帯端末のブロック図である。 図１８は従来の慣性力センサのブロック図である。

実施の形態の説明に先立ち、図１８に示す従来の慣性力センサ１における課題を説明する。慣性力センサ１は、検出する慣性量が減少すると省電力モードへ移行する。しかしながら、省電力モードから通常の電力状態へ復元させるためにはトリガー入力を必要とする。このため、例えば、電子機器を使用するユーザーがボタンを押すなどの操作により、慣性力センサ１にトリガー入力を与えて通常の電力状態に復元させる必要がある。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における慣性力センサ１０のブロック図である。慣性力センサ１０は、第１センサ素子１１と、第２センサ素子１２と、第１信号処理部１３と、第２信号処理部１４と、電力制御部１５と、を有する。第１センサ素子１１は第１慣性力を電気信号に変換する。第２センサ素子１２は第１慣性力とは異なる第２慣性力を電気信号に変換する。第１信号処理部１３は第１センサ素子１１に接続されて第１慣性力値を出力する。第２信号処理部１４は第２センサ素子１２に接続されて第２慣性力値を出力する。電力制御部１５は第１信号処理部１３と第２信号処理部１４とに接続され、第１慣性力値に基づいて第２信号処理部１４へ供給する電力を変化させる。

この構成により、慣性力センサ１０は、ユーザーや外部回路（図示せず）による復元操作を要することなく、自律して第２信号処理部１４を省電力モードへ移行させ、さらに通常電力モードへ復元させることができる。

すなわち、省電力モードにおいて、使用者が慣性力センサ１０の組み込まれた機器、例えば携帯端末を持ち上げた際に、内部に実装された第１センサ素子１１が第１慣性力を検出して電気信号に変換する。第１信号処理部１３はこの電気信号に基づき第１慣性力値を電力制御部１５へ出力する。電力制御部１５はこの第１慣性力値に基づいて第２信号処理部１４へ供給する電力を増加させる。そのため、第２信号処理部１４が通常電力モードとなる。

以下、慣性力センサ１０の具体構成例及び動作例について、図２〜図１０Ｂを用いて説明する。図２は、第１センサ素子１１として加速度センサ素子１１ａを用い、第２センサ素子１２として角速度センサ素子１２ａを用いた例である。

加速度センサ素子１１ａは加速度センサ信号処理部１３ａと接続されている。加速度センサ素子１１ａは可撓部（図示せず）を有する。加速度センサ信号処理部１３ａは加速度による可撓部の変位を検出し、加速度値として出力する。

角速度センサ素子１２ａは角速度センサ信号処理部１４ａと接続されている。角速度センサ信号処理部１４ａは駆動部１４ｂと検出部１４ｃとを有する。駆動部１４ｂは駆動信号を出力して角速度センサ素子１２ａを駆動振動させるとともに、角速度センサ素子１２ａからモニタ信号を受け、駆動振動が一定振幅となるようにフィードバック制御を行っている。角速度センサ素子１２ａは可撓部（図示せず）を有し、駆動振動軸および角速度の印加軸と直交する軸方向に発生するコリオリ力により可撓部が変位する。検出部１４ｃは、この可撓部の変位により出力された検出信号に対し、駆動部１４ｂから入力されたモニタ信号を用いて検波し、ローパスフィルタを用いて積分して算出した角速度値を出力する。

電力制御部１５は、加速度センサ信号処理部１３ａから出力された加速度値に基づいて角速度センサ信号処理部１４ａへの電力供給を低減させることにより省電力モードに移行させる。また、加速度センサ信号処理部１３ａから出力された加速度値に基づいて角速度センサ信号処理部１４ａへ供給電力を増加させることにより通常電力モードに復元させる。

角速度センサ信号処理部１４ａは角速度センサ素子１２ａを駆動振動させることにより角速度を検出する。一方、加速度センサ信号処理部１３ａは加速度センサ素子１１ａを駆動振動させない。したがって、角速度センサ信号処理部１４ａの消費電力は加速度センサ信号処理部１３ａの消費電力よりも大きい。電力制御部１５は、消費電力の小さい加速度センサ信号処理部１３ａから出力される加速度値を用いて、消費電力の大きい角速度センサ信号処理部１４ａへ供給する電力を増減させる。この動作により、消費電力を大きく低減することができる。

図３は、電力制御部１５の構成例を示すブロック図である。電力制御部１５は、Ｗｉｎｄｏｗ部１５ａと電力制御信号出力部１５ｂとを有する。Ｗｉｎｄｏｗ部１５ａには加速度センサ信号処理部１３ａから出力された加速度値１５ｃが入力される。Ｗｉｎｄｏｗ部１５ａは加速度値１５ｃが基準値を中心とした所定範囲内である場合には静止状態を表す状態信号１５ｄを出力し、それ以外の場合には動作状態を表す状態信号１５ｄを出力する。電力制御信号出力部１５ｂは、角速度センサ信号処理部１４ａが通常電力モードであり、かつ、状態信号１５ｄが静止状態を示す場合に、省電力モードに移行するための制御信号１５ｅを出力する。また、角速度センサ信号処理部１４ａが省電力モードであり、かつ、状態信号１５ｄが動作状態を示す場合に、通常電力モードに移行するための制御信号１５ｅを出力する。

図４は、電力制御部１５による制御例を示している。横軸が時間を示す。縦軸は、上半分が加速度値を表し、下半分は状態信号１５ｄ、制御信号１５ｅのＨｉｇｈ、Ｌｏｗを示している。加速度値１５ｃは加速度センサ信号処理部１３ａから出力された値である。基準値１６、上限閾値１７、下限閾値１８はＷｉｎｄｏｗ部１５ａに設定された値である。Ｗｉｎｄｏｗ部１５ａは加速度値１５ｃが上限閾値１７と下限閾値１８との間の範囲Ｒ内である場合には静止状態を表すＬｏｗの値の状態信号１５ｄを出力し、それ以外の場合には動作状態を表すＨｉｇｈの値の状態信号１５ｄを出力する。なお、基準値１６の上側はある方向の正方向の加速度を示し、下側は同じ方向の負の方向の加速度を示す。

図４の例では、加速度値１５ｃはｔ＝０〜ｔ３は上限閾値１７より大きく、ｔ＝ｔ４〜ｔ１５は基準値１６を中心とした上限閾値１７と下限閾値１８との範囲Ｒに含まれ、ｔ＝ｔ１６〜ｔ２０は上限閾値１７より大きい。そのため、加速度値１５ｃが範囲Ｒに含まれるｔ＝ｔ４〜ｔ１５に静止状態を表すＬｏｗ状態となり、範囲Ｒに含まれないｔ＝０〜ｔ３、ｔ＝ｔ１６〜ｔ２０には動作状態を表すＨｉｇｈ状態となっている。

なお、本実施の形態においては、電力制御部１５は、所定周期Δｔで、加速度値１５ｃの読み取りや範囲Ｒとの比較、状態信号１５ｄおよび制御信号１５ｅの生成を行っている。

図４に示す制御信号１５ｅは、図３の電力制御信号出力部１５ｂから出力される信号であり、図４の例ではｔ＝ｔ６において、省電力モードに移行するために、Ｈｉｇｈ状態からＬｏｗ状態に変化している。なお、ここではノイズにより誤って省電力モードへ移行することを防ぐために、第１期間Ｔ１の間だけ継続して状態信号１５ｄがＬｏｗ状態であった場合に、制御信号１５ｅをＬｏｗ状態としている。また、ｔ＝ｔ１７において、通常電力モードに移行するため、制御信号１５ｅをＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に変化させている。Ｈｉｇｈ状態からＬｏｗ状態へ変化させる場合と同様に、第２期間Ｔ２の間だけ継続して状態信号１５ｄがＨｉｇｈ状態であった場合に制御信号１５ｅをＨｉｇｈ状態としているが、第２期間Ｔ２は第１期間Ｔ１より短く設定されている。この構成により、省電力モードから通常電力モードへの復元時間を短縮化することができる。なお、第２期間Ｔ２は０としてもよい。

以上のように、加速度値１５ｃが範囲Ｒに含まれる状態が第１期間Ｔ１だけ継続した場合に、角速度センサ信号処理部１４ａを省電力モードに移行させる。加速度値１５ｃが範囲Ｒ外となる状態が第２期間Ｔ２だけ継続した場合に、角速度センサ信号処理部１４ａを通常電力モードに移行させる。

すなわち、電力制御部１５は、第２信号処理部である角速度センサ信号処理部１４ａへ供給する電力が第１値であって、第１慣性力値である加速度値１５ｃが基準値１６を中心とした所定範囲Ｒ内となる状態が第１期間Ｔ１継続した場合に角速度センサ信号処理部１４ａへ供給する電力を低減させる。そして、角速度センサ信号処理部１４ａへ供給する電力が上記第１値より小さい第２値であって、加速度値１５ｃが基準値１６を中心とした所定範囲Ｒ外となる状態が第２期間Ｔ２継続した場合に角速度センサ信号処理部１４ａへ供給する電力を増加させる。

そして第１期間Ｔ１を第２期間Ｔ２よりも大きくすることにより、ノイズによる誤作動を低減するとともに、復元時間を短縮化することが可能となる。

また電力制御部１５は、省電力モードから通常電力モードに移行した後は、一定期間だけ第１期間Ｔ１を長くしてもよい。これにより、角速度センサ信号処理部１４ａが通常電力モードへ復元した直後は、省電力モードへの移行を起こりにくくすることができる。

なお、電力制御部１５は、加速度値１５ｃが範囲Ｒから外れた場合、上限閾値１７を上げる、又は下限閾値１８を下げることにより、範囲Ｒを広げてもよい。これにより、実際に加速度が印加された後は、角速度センサ信号処理部１４ａへ供給する電力の低下が起こりにくくすることができる。

この第１期間Ｔ１や第２期間Ｔ２はカウンターを用いて計測することができる。電力制御部１５は所定周期Δｔで加速度値１５ｃを確認するとともに、所定周期Δｔとカウンター値との積により第１期間Ｔ１や第２期間Ｔ２を計測する。加速度値１５ｃが範囲Ｒに含まれる場合に、所定周期Δｔで第１カウンター値をカウントアップし、第１カウンター値が第１期間Ｔ１に対応する第１カウンター閾値を超えた場合に角速度センサ信号処理部１４ａを省電力モードに移行させる。また、加速度値１５ｃが範囲Ｒ外の場合に、所定周期Δｔで第２カウンター値をカウントアップし、第２カウンター値が第２期間に対応する第２カウンター閾値を超えた場合に角速度センサ信号処理部１４ａを通常電力モードに移行させる。このように、カウンターを用いて第１期間Ｔ１や第２期間Ｔ２を計測することにより、簡易な構成で時間を計測することができる。また、第１期間Ｔ１や第２期間Ｔ２を可変値とすることができる。すなわち、第１、第２カウンター閾値は外部から設定可能としてもよい。

すなわち、電力制御部１５は、所定周期Δｔで第１慣性力値である加速度値１５ｃを確認する。そして、第２信号処理部である角速度センサ信号処理部１４ａへ供給する電力が第１値であって、加速度値１５ｃが基準値１６を中心とした所定範囲Ｒとなる回数が第１の所定回数（第１カウンター閾値）に達すると角速度センサ信号処理部１４ａへ供給する電力を低減させる。一方、角速度センサ信号処理部１４ａへ供給する電力が上記第１値より小さい第２値であって、加速度値１５ｃが基準値１６を中心とした所定範囲Ｒ外となる回数が第２の所定回数（第２カウンター閾値）に達すると角速度センサ信号処理部１４ａへ供給する電力を増加させる。

前述のように、意図せずに省電力モードに切り替わらないようにするためには第１期間Ｔ１を長くすればよく、確実に角速度を検出するためには省電力モードから通常電力モードに急峻に移行すればよい。そのため、第１期間Ｔ１が分オーダーであるのに対し第２期間Ｔ２はマイクロ秒オーダーにする必要がある場合もある。このような設定に対応するための構成について、図５〜図６Ｃを参照しながらする。

図５は慣性力センサ１０ａの他の電力制御部１９の構成を示すブロック図である。電力制御部１９では、図３の構成に加えて、第１カウンター３１、第２カウンター３２、カウント制御部３３、スイッチング部３４が設けられている。この構成では第１カウンター３１、第２カウンター３２を用いて第１期間Ｔ１や第２期間Ｔ２を計測することができる。また図６Ａ〜図６Ｃは第１カウンター３１、第２カウンター３２によるカウントアップの種々の方式を説明する図である。

カウント制御部３３は状態信号１５ｄがＨｉｇｈ状態である場合であって、加速度値１５ｃが範囲Ｒに含まれる場合に、第１カウンター３１によって第１カウンター値をカウントアップする。そして第１カウンター値が第１期間Ｔ１に対応する第１カウンター閾値を超えた場合に角速度センサ信号処理部１４ａを省電力モードに移行させる。このとき状態信号１５ｄはＬｏｗ状態になるので、カウント制御部３３はスイッチング部３４を切り替えて第２カウンター３２によって第２カウンター値をカウントアップできるようにする。そして加速度値１５ｃが範囲Ｒ外の場合に、所定周期Δｔで第２カウンター値をカウントアップし、第２カウンター値が第２期間に対応する第２カウンター閾値を超えた場合に角速度センサ信号処理部１４ａを通常電力モードに移行させる。

図６Ａに示す方式では、第１カウンター３１は所定周期Δｔごとに第１カウンター値１５ｆを１つ増やすのに対し、第２カウンター３２は所定周期Δｔごとに第２カウンター値１５１ｆを２つまたはそれ以上増やす。第１カウンター閾値と第２カウンター閾値は同じである。このため、第１期間Ｔ１に比べて第２期間Ｔ２を短くして通常電力モードにすばやく移行させることができる。

すなわち、電力制御部１９は、所定周期Δｔで加速度値１５ｃを確認し、角速度センサ信号処理部１４ａへ供給する電力が第１値であって、加速度値１５ｃが基準値を中心とした所定範囲Ｒ内となる回数を示す第１カウンター値が第１の所定回数に達すると角速度センサ信号処理部１４ａへ供給する電力を低減させる。一方、角速度センサ信号処理部１４ａへ供給する電力が上記第１値より小さい第２値であって、加速度値１５ｃが基準値を中心とした所定範囲Ｒ外となる回数に２以上の第１自然数を乗じた第２カウンター値が第２の所定値に達すると角速度センサ信号処理部１４ａへ供給する電力を増加させる。

図６Ｂに示す方式では、第１カウンター３１も第２カウンター３２も所定周期Δｔごとに第１カウンター値１５ｆ、第２カウンター値１５２ｆを１つ増やす。この場合、第１カウンター閾値に比べ第２カウンター閾値は小さく設定されている。言い換えると、第１カウンター閾値は第２カウンター閾値より大きい。このため、第１期間Ｔ１に比べて第２期間Ｔ２を短くして通常電力モードにすばやく移行させることができる。

図６Ｃに示す方式では、第１カウンター３１は所定周期Δｔごとに第１カウンター値１５ｆを１つ増やすのに対し、第２カウンター３２は所定周期Δ１／２ｔごとに第２カウンター値１５３ｆを１つ増やす。第１カウンター閾値と第２カウンター閾値は同じである。このため、第１期間Ｔ１に比べて第２期間Ｔ２を短くして通常電力モードにすばやく移行させることができる。ただし、この場合には、第１カウンター３１と第２カウンター３２とで基準クロックを変える必要がある。

すなわち、電力制御部１９は、角速度センサ信号処理部１４ａへ供給する電力が第１値である場合に、第１周期である所定周期Δｔで加速度値１５ｃを確認し、加速度値１５ｃが基準値を中心とした所定範囲Ｒとなる回数が第１の所定回数に達すると角速度センサ信号処理部１４ａへ供給する電力を低減させる。一方、角速度センサ信号処理部１４ａへ供給する電力が上記第１値より小さい第２値である場合に、第１周期より短い第２周期で加速度値１５ｃを確認し、加速度値１５ｃが基準値を中心とした所定範囲Ｒ外となる回数が第２の所定回数に達すると角速度センサ信号処理部１４ａ部へ供給する電力を増加させる。

このように、第１カウンター３１と第２カウンター３２を用いてスイッチング部３４で切り替えることによって第１期間Ｔ１に比べて第２期間Ｔ２を短くして通常電力モードにすばやく移行させることができる。なお、第１カウンター３１と第２カウンター３２によるカウントアップの方式はこの３つに限定されない。例えば、これらのうち２つ以上を組み合わせてもよい。

次に、温度変化等に起因する誤動作を防止するための構成について、図７、図８を参照しながら説明する。図７は、本実施の形態におけるさらに他の電力制御部２０の構成を示す。図８は、電力制御部２０による制御例を示している。電力制御部２０は、図３に示した電力制御部１５に加え、基準値更新部２１を有している。

電力制御部２０は、加速度値１５ｃが基準値１６を中心とした範囲Ｒ外となる状態が第２期間Ｔ２だけ継続した場合に、角速度センサ信号処理部１４ａへ供給する電力を増加させるとともに、加速度値１５ｃの基準値１６を更新する。図７においては、電力制御信号出力部１５ｂが通常電力モードに移行するための制御信号１５ｅを出力するタイミングで、電力制御信号出力部１５ｂは基準値更新部２１に対して更新信号２２を出力する。基準値更新部２１は、電力制御信号出力部１５ｂから更新信号２２を受け取ると、加速度値１５ｃの新たな基準値としてＷｉｎｄｏｗ部１５ａに対して、基準値１６ａを設定する。この構成により、温度変化等に起因するオフセット成分を除去した基準値とすることができる。

図８において、第２期間Ｔ２は０としている。ｔ＝ｔ１６において加速度値１５ｃが上限閾値１７より大きくなる。そのため、電力制御信号出力部１５ｂは制御信号１５ｅをＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に変化させ、角速度センサ信号処理部１４ａへ供給する電力を増加させている。同時に、基準値更新部２１はＷｉｎｄｏｗ部１５ａに対して新たな基準値１６ａを設定している。基準値１６ａはｔ＝ｔ１６における加速度値１５ｃと等しい。また範囲Ｒが維持されるように、新たな上限閾値１７ａおよび下限閾値１８ａが設定されている。

なお、本実施の形態においては、新たな基準値１６ａとして、省電力モードから通常電力モードへ復元させる時点（図８では、ｔ＝ｔ１６）における加速度値１５ｃと等しくしているが、当該時点より所定時間前（例えばｔ＝ｔ１４）における加速度値１５ｃと等しくしてもよい。この場合、省電力モードにおいて常に加速度値１５ｃをメモリに保持しておく必要があるが、慣性力センサ１０に加速度が加わる前の加速度値１５ｃを用いるので、オフセット成分の校正をより精確に行うことができる。

次に、図７の制御構成に加え、カウンターを用いてノイズによる誤動作を防止する方法について、図９〜図１０Ｂを参照しながら説明する。図９は、本実施の形態におけるさらに他の電力制御部３０の構成を示す。図１０Ａ、図１０Ｂは電力制御部３０による制御例を示している。図９の構成は、図５に示す構成にさらに図７に示す基準値更新部２１を加えると共に、カウント制御部３３に代えてカウント制御部３３Ａを用いている。

図１０Ａでは省電力モードへ移行する際の様子を示している。図６Ａと同様に、加速度値１５ｃが範囲Ｒに入ると、第１カウンター３１がカウントアップし始める。そしてカウンター値１５４ｆがカウンター閾値に達するとカウント制御部３３Ａは第１カウンター３１によるカウントを停止し、Ｗｉｎｄｏｗ部１５ａは所定の省電力移行判定時間を亘って加速度値１５ｃが範囲Ｒ内に維持された状態が連続するか、判定する。１回目の省電力移行判定時間内に加速度値１５ｃが範囲Ｒの下限閾値を下回ったため、カウント制御部３３Ａは第１カウンター３１によるカウンター値１５４ｆをリセットし、再度、第１カウンター３１によってカウントアップし始める。前述と同様にカウンター値１５４ｆが第１カウンター閾値に達し、省電力移行判定時間を亘って加速度値１５ｃが範囲Ｒ内に維持されると、電力制御信号出力部１５ｂは省電力モードに移行させるため制御信号１５ｅをＬｏｗ状態にする。

すなわち電力制御部３０は、第１カウンター値１５４ｆが第１の所定回数（第１カウンター閾値）に達する前に加速度値１５ｃが所定範囲Ｒから外れた場合には、加速度値１５ｃが所定範囲Ｒ内となった回数をリセットする。このように１度でも加速度値１５ｃが範囲Ｒから外れたらカウンター値１５４ｆをリセットすることで、例えば、たまたま使用者が機器を使用中に機器に加速度を印加しない期間があっても省電力モードに移行せずに角速度を検出し続けることができる。

なお図１０Ａでは省電力移行判定時間を設けているが、省電力移行判定時間に相当するカウンター数だけ第１カウンター閾値を増やしてもよい。図１０Ａに示す例では第１カウンター閾値は５、省電力移行判定時間に相当するカウンター数は４なので、第１カウンター閾値を９に設定すれば同様の制御は可能である。しかしながら、前述のように省電力モードへ移行する場合の第１期間Ｔ１は分オーダーであるため、第２期間Ｔ２の判断に用いる第２カウンター値と同じクロックを共用する場合、第１カウンター閾値はかなり大きな値になる。そのため、第１カウンター３１が大掛かりになる。これに対し、省電力移行判定時間を設けることで第１カウンター３１を小規模にすることができる。

一方、図１０Ｂは、省電力モードから通常電力モードに移行する場合の制御を示している。省電力モードにおいて、加速度値１５ｃが範囲Ｒから外れた下限閾値を示すとカウント制御部３３Ａは第２カウンター３２によりカウントアップし始める。この場合、図６Ａで説明したように、第２カウンター３２はΔｔ当たり２ずつカウントアップする。そしてカウンター値１５５ｆがカウンター閾値に達する前に、加速度値１５ｃが範囲Ｒに入ると、カウント制御部３３Ａは第２カウンター値をリセットするのではなく、加速度値１５ｃが範囲Ｒに入っている間、Δｔ当たり１ずつカウントダウンする。最終的に、第２カウンター値が８カウントになると電力制御信号出力部１５ｂは通常電力モードに移行させるため制御信号１５ｅをＨｉｇｈ状態にする。

すなわち、電力制御部３０は、第２カウンター値が第２の所定値（第２カウンター閾値）に達する前に加速度値１５ｃが所定範囲Ｒ内となった場合には、加速度値１５ｃが基準値を中心とした所定範囲Ｒ内となった回数に２以上の自然数よりも小さい第２の自然数を乗じた値を第２カウンター値から減じる。すなわち、第２カウンター値のカウントダウンのレートをカウントアップのレートよりも小さくすることが好ましい。

このように加速度値１５ｃが短い間、範囲Ｒから外れても省電力モードを維持する。そのため、誤って機器に触れるなどの意図しない加速度が発生した場合でも省電力モードが維持される。また、カウンター値１５５ｆをリセットせずに徐々にカウントダウンすることで、通常電力モードに速やかに移行することができる。

なお、図１０Ａ、図１０Ｂにおいて、モードが切り替わったときの加速度値１５ｃを新しい基準値として更新している。この動作は図８と同様である。すなわち、電力制御部３０は、加速度値１５ｃが基準値を中心とした所定範囲Ｒ外となる状態が所定期間継続した場合、または、加速度値１５ｃが基準値１６を中心とした所定範囲Ｒ内となる状態が所定期間継続した場合、最終の加速度値１５ｃに基準値を更新して、以降、基準値１６ａを採用する。

なお、本実施の形態においては第１センサ素子１１の具体例として加速度センサ素子１１ａを用い、第２センサ素子１２の具体例として角速度センサ素子１２ａを用いて説明したが、本発明は加速度センサや角速度センサに限定されない。圧力センサ、地磁気センサ等の他の慣性力センサの組み合わせでもよい。第１センサ素子１１に接続された第１信号処理部１３の消費電力が第２センサ素子１２に接続された第２信号処理部１４の消費電力よりも小さければ、慣性力センサ１０として大きな低消費電力効果を得ることができる。

以上のように、本実施の形態によれば、第２の慣性力を検知するために必要な電力を、省電力モードと通常電力モードとに自動的に切り替えることができる。そのため、慣性力センサ１０の外部のホスト側からモードを切り替える信号を受け付ける機能が不要である。したがってホスト側の電力や通信電力も削減できる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態１とは異なる方法で通常電力モードと省電力モードとを自動的に切り替える構成について、図１１〜図１７を参照しながら説明する。

図１１は、本実施の形態における電子機器５０のブロック図である。電子機器５０は、電力供給部５１と、電力負荷部５２と、電力供給部５１と電力負荷部５２との間に接続されたスイッチ５３と、スイッチ５３を制御する発電デバイス５４とを有する。発電デバイス５４は電子機器５０に与えられた環境ネルギーを電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーに基づいてスイッチ５３を制御する。この構成により、電子機器５０の省電力モードでの待機電力をゼロ又は従来と比べて非常に小さくできるとともに、省電力モードから通常電力モードへの復元制御を安定して行うことができる。

具体的には例えば、スイッチ５３は短絡状態と切断状態とを有し、スイッチ５３が切断状態の場合において、発電デバイス５４は、電気エネルギーに基づいてスイッチ５３を短絡状態にする。この場合、電子機器５０の省電力モードでの待機電力をゼロにできる。

換言すれば電力負荷部５２は通常電力モードと省電力モードの２つの電力状態を有し、発電デバイス５４は電力負荷部５２を制御する。そして発電デバイス５４は電子機器５０に与えられた環境エネルギーを電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーに基づいて電力状態を制御する。そして、電力状態が省電力モードの場合において、発電デバイス５４は、電気エネルギーに基づいて電力状態を通常電力状態にする。

図１２は、電子機器５０の一例である携帯端末６０のブロック図である。携帯端末６０は、電力供給部５１と、表示部５２ａと、表示部５２ａを制御する表示制御部５２ｂと、スイッチ５３と、振動発電デバイス５４ａとを有している。表示部５２ａおよび表示制御部５２ｂは図１１の電力負荷部５２に対応し、振動発電デバイス５４ａは発電デバイス５４に対応している。

携帯端末６０は、机や棚の上などに置かれて使用されていない状態の場合、表示部５２ａおよび表示制御部５２ｂへの電力供給を切断又は制限することにより省電力モードになる。この状態において、使用者が携帯端末６０を持ち上げた際に、携帯端末６０が振動する。振動発電デバイス５４ａはこの振動による運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。この電気エネルギーにより、スイッチ５３を短絡させ、電力供給部５１からの電力が表示部５２ａおよび表示制御部５２ｂへ供給される。その結果、携帯端末６０は通常電力モードとなる。

図１３は、図１２に示す携帯端末６０における発電デバイスの一例である振動発電デバイス５４ａの回路図である。振動発電デバイス５４ａは、振動発電素子６１と、出力端子６５および基準端子６６と、ダイオード６２、６４と、コンデンサ６３とを有する。ダイオード６２は振動発電素子６１と出力端子６５の間に電気的に接続されている。コンデンサ６３およびダイオード６４は振動発電素子６１と基準端子６６の間に互いに並列に電気的に接続されている。

この構成では、振動発電デバイス５４ａに与えられた振動により振動発電素子６１が起電力を生じる。この起電力によりコンデンサ６３に電荷がチャージされ、出力端子６５と基準端子６６との間に所定電圧が発生する。この所定電圧により振動発電デバイス５４ａは図１２に示すスイッチ５３を短絡させる。

振動発電の原理は、電磁型、静電型、圧電型に大別される。電磁型は、巻線コイルの中に磁石を出し入れし、磁束の変化により誘導起電力を生じさせる方法である。発電効率は高いが、巻線コイルを使用するため、小型化や薄型化には不向きである。静電型は、対向電極の対向面積を変化させることにより静電容量を変化させ、電圧の変化を生じさせる方法である。圧電型は、応力により発生した電荷を利用する方法であり、発生電圧は応力に比例する。振動発電素子６１としては、いずれの方式を用いてもよいが、静電型や圧電型を採用することにより、小型に形成することができる。

なお、以上の説明では、発電デバイス５４で生じた電気エネルギーを用いてスイッチ５３を短絡し、電力負荷部５２に通電する。この制御により電子機器５０は省電力モードから通常電力モードに移行する。これ以外に、電力負荷部５２への通電を切断してもよい。例えば、電子機器５０が目覚まし時計であり、電力負荷部５２がアラームである場合、目覚まし時計が床に置かれた状態でアラームが鳴っており、使用者が目覚まし時計を持ち上げた際の発電量を検出してアラームへの通電を切ることができる。すなわち、図１１の構成において、スイッチ５３が短絡状態の場合において、発電デバイス５４は、電気エネルギーに基づいてスイッチ５３を切断状態にしてもよい。換言すれば、電力状態が通常電力モードの場合において、発電デバイス５４は、電気エネルギーに基づいて電力状態を省電力モードにしてもよい。

次に、図１４〜図１６を参照しながら、図１１の構成をセンサ装置に適用する場合を説明する。図１４は、電子機器５０の一例であるセンサ装置７０のブロック図である。

センサ装置７０は、センサ素子７１と、センサ素子７１に接続されたセンサ回路７２と、スイッチ５３と、スイッチ５３を制御する発電デバイス５４とを有する。スイッチ５３はセンサ回路７２と外部に設けられた電力供給部５１との間に接続されている。センサ素子７１とセンサ回路７２は図１１における電力負荷部５２に相当する。

センサ装置７０は、携帯端末等の内部に搭載される電子部品である。携帯端末等のセット機器のみでなく、個々の電子部品においても通常電力モードと省電力モードを制御することにより低消費電力化することができる。

発電デバイス５４として、図１２の携帯端末６０と同様に、振動により発電する振動発電デバイス５４ａを用いることができる。

センサ装置７０は、例えば、加速度センサや角速度センサ、角加速度センサ等の慣性力センサである。このような慣性力センサは、使用者が携帯端末を動かすことなどにより携帯端末に加えられた慣性力を検出する。そのため、センサ装置７０が内部に実装された携帯端末が机や棚の上などに置かれて使用されていない時には、センサ装置７０は省電力モードとなっている。

センサ装置７０は、この省電力モードにおいて、使用者が携帯端末を持ち上げた際に、センサ装置７０が振動し発電デバイス５４はこの振動による運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。この電気エネルギーにより、発電デバイス５４はスイッチ５３を短絡させ、電力供給部５１からの電力がセンサ回路７２へ供給されることにより、センサ装置７０は通常電力モードとなる。

なお、省電力モードにおいては、電力供給部５１からセンサ回路７２への電力供給を完全に切断せず、一部を通電状態にしておいてもよい。これにより、省電力モードから通常電力モードへの復元速度を高速化することができる。

図１５は、センサ装置７０の断面模式図である。センサ装置７０において、発電デバイス５４を構成する振動発電素子６１は、パッケージ７３の凹部に弾性部材７６を介して接着されている。センサ素子７１は、パッケージ７３の凹部に弾性部材７７を介して接着されている。上蓋７４はパッケージ７３の凹部を覆って封止している。なお、図１５において、センサ回路７２やスイッチ５３は図示を省略している。また外部に設けられた電力供給部５１は、端子７５を介してセンサ回路７２やスイッチ５３と接続されている。

この構成において、弾性部材７６のヤング率は、弾性部材７７のヤング率よりも大きい。センサ素子７１は、携帯端末に与えられた振動がパッケージ７３を介して伝達されるのを防ぐため、ヤング率が低い方の弾性部材７７で接着されている。一方、振動発電素子６１には、携帯端末に与えられた振動が効率よく伝達することが望ましい。そのため、振動発電素子６１はヤング率が大きい弾性部材７６で接着されている。弾性部材７６として、例えばエポキシ樹脂系の接着剤を用い、弾性部材７７として例えばシリコン系の接着剤を用いることができる。

図１６は、図１４に示すセンサ装置に適用可能な複合素子の平面図である。複合素子８０ではセンサ素子７１と振動発電素子６１を一体に形成されている。複合素子８０は、枠部８１に片持ちで接続されたセンサ素子部８２と、枠部８１に片持ちで接続された発電素子部８３とを有する。なお、この例は図１５の構成には適用できない。この例においては、センサ素子部８２は加速度を検出する。センサ素子部８２の共振周波数と発電素子部８３の共振周波数とは異なっている。発電素子部８３の共振周波数は、センサ装置７０全体又はセンサ装置７０が搭載される携帯端末全体の共振周波数と略同じに設定されている。このように、センサ素子７１と振動発電素子６１を一体に形成することにより、センサ装置７０を小型化することができる。

なお、センサ素子部８２に接続されたセンサ回路７２と、振動発電素子６１に接続された発電回路（図１３参照）とを同一ＩＣ上に形成することにより、センサ装置７０をさらに小型化することができる。

次に、図１２とは異なる携帯端末９０への適用例について、図１７を参照しながら説明する。図１７は図１１に示す電子機器の一例である携帯端末９０のブロック図である。

携帯端末９０は、電力供給部９１と、液晶部９２と、液晶部９２のバックライト量を制御するバックライト制御部９３と、発電デバイス９４とを有する。電力供給部９１は鉛蓄電池やリチウムイオン電池等の二次電池であり、液晶部９２およびバックライト制御部９３に電力を供給している。液晶部９２およびバックライト制御部９３は図１１における電力負荷部５２に相当する。発電デバイス９４は電力供給部９１に電力を補充するとともに、バックライト制御部９３を制御している。

発電デバイス９４は、太陽光発電素子９４ａと、太陽光発電素子９４ａに接続された処理回路９４ｂとを有している。発電デバイス９４は、太陽光発電素子９４ａにより太陽光のエネルギーを電気エネルギーに変換し、電力供給部９１に電力を補充するとともに、この電気エネルギーに基づいてバックライト制御部９３を制御している。すなわち、処理回路９４ｂは図１１におけるスイッチ５３の機能を兼ねている。

バックライト制御部９３は、暗い場所では液晶部９２のバックライト量を増大させて表示を明るくし、明るい場所では液晶部９２のバックライト量を低減して消費電力を低減する。太陽光発電素子９４ａは明るい場所ほど大きな電気エネルギーを発電するため、この電気エネルギーに反比例したバックライト量となるようにバックライト制御部９３を制御する。この構成により、発電デバイス９４により得られる電気エネルギーに基づいて電力を補充するのみでなく、液晶部９２のバックライトの電力状態を制御することができ、携帯端末９０の消費電力を低減することができる。

あるいは逆に、バックライト制御部９３は、暗い場所では液晶部９２のバックライト量を減少させて消費電力を低減し、明るい場所では液晶部９２のバックライト量を増大してもよい。この場合、太陽光発電素子９４ａは明るい場所ほど大きな電気エネルギーを発電するため、この電気エネルギーに比例したバックライト量となるようにバックライト制御部９３を制御する。このようにすれば周囲が明るい場合でも液晶部９２の視認性が向上するとともに、太陽光発電素子９４ａが発電できない暗所で電力供給部９１の放電を抑制することができる。

なお、図１７は、電子機器の一例として携帯端末９０について説明したが、カメラやリモコン等の他の電子機器に適用してもよい。

本発明の慣性力センサは、ユーザーや外部回路による復元操作を要することなく、自律して省電力モードへの移行と通常電力モードへの復元を行うことができる。そのため、デジタルカメラ、携帯端末、ロボット、その他各種電子機器に用いられる慣性力センサとして有用である。

１０，１０ａ 慣性力センサ
１１ 第１センサ素子
１１ａ 加速度センサ素子
１２ 第２センサ素子
１２ａ 角速度センサ素子
１３ 第１信号処理部
１３ａ 加速度センサ信号処理部
１４ 第２信号処理部
１４ａ 角速度センサ信号処理部
１４ｂ 駆動部
１４ｃ 検出部
１５，１９，２０，３０ 電力制御部
１５ａ Ｗｉｎｄｏｗ部
１５ｂ 電力制御信号出力部
１５ｃ 加速度値
１５ｄ 状態信号
１５ｅ 制御信号
１６，１６ａ 基準値
１７，１７ａ 上限閾値
１８，１８ａ 下限閾値
２１ 基準値更新部
２２ 更新信号
３１ 第１カウンター
３２ 第２カウンター
３３，３３Ａ カウント制御部
５０ 電子機器
５１，９１ 電力供給部
５２ 電力負荷部
５２ａ 表示部
５２ｂ 表示制御部
５３ スイッチ
５４，９４ 発電デバイス
５４ａ 振動発電デバイス
６０，９０ 携帯端末
６１ 振動発電素子
６２，６４ ダイオード
６３ コンデンサ
６５ 出力端子
６６ 基準端子
７０ センサ装置
７１ センサ素子
７２ センサ回路
７３ パッケージ
７４ 上蓋
７５ 端子
７６，７７ 弾性部材
８０ 複合素子
８１ 枠部
８２ センサ素子部
８３ 発電素子部
９２ 液晶部
９３ バックライト制御部
９４ａ 太陽光発電素子
９４ｂ 処理回路

Claims (10)

1. 第１慣性力を電気信号に変換する第１センサ素子と、
   前記第１慣性力とは異なる第２慣性力を電気信号に変換する第２センサ素子と、
   前記第１センサ素子に接続されて第１慣性力値を出力する第１信号処理部と、
   前記第２センサ素子に接続されて第２慣性力値を出力する第２信号処理部と、
   前記第１信号処理部および前記第２信号処理部に接続された電力制御部と、を備え、
   前記第１センサ素子は加速度センサ素子であり、
   前記第２センサ素子は角速度センサ素子であり、
   前記電力制御部は、
   前記第２信号処理部へ供給する電力が第１値である時において、前記第１慣性力値が基準値を中心とした所定範囲内となる状態が第１期間継続した場合、前記第２信号処理部へ供給する電力を低減させ、
   前記第２信号処理部へ供給する電力が前記第１値より小さい第２値である時において、前記第１慣性力値が基準値を中心とした所定範囲外となる状態が前記第１期間より小さい第２期間継続した場合、前記第２信号処理部へ供給する電力を増加させるよう動作できる慣性力センサ。
2. 前記電力制御部は、所定周期で前記第１慣性力値を確認し、
   前記第２信号処理部へ供給する電力が第１値であって、前記第１慣性力値が基準値を中心とした所定範囲となる回数が第１の所定回数に達すると前記第２信号処理部へ供給する電力を低減させ、
   前記第２信号処理部へ供給する電力が前記第１値より小さい第２値であって、前記第１慣性力値が基準値を中心とした所定範囲外となる回数が第２の所定回数に達すると前記第２信号処理部へ供給する電力を増加させる、
   請求項１記載の慣性力センサ。
3. 前記第１の所定回数は前記第２の所定回数より大きい、
   請求項２記載の慣性力センサ。
4. 前記第１、第２所定回数は外部から設定可能である、
   請求項２記載の慣性力センサ。
5. 前記電力制御部は、所定周期で前記第１慣性力値を確認し、
   前記第２信号処理部へ供給する電力が第１値であって、前記第１慣性力値が基準値を中心とした所定範囲内となる回数を示す第１カウンター値が第１の所定回数に達すると前記第２信号処理部へ供給する電力を低減させ、
   前記第２信号処理部へ供給する電力が前記第１値より小さい第２値であって、前記第１慣性力値が基準値を中心とした所定範囲外となる回数に２以上の第１自然数を乗じた第２カウンター値が第２の所定値に達すると前記第２信号処理部へ供給する電力を増加させる、請求項１記載の慣性力センサ。
6. 前記電力制御部は、前記第１カウンター値が前記第１の所定回数に達する前に前記第１慣性力値が前記所定範囲から外れた場合には、前記第１慣性力値が前記所定範囲内となった回数をリセットする、
   請求項５記載の慣性力センサ。
7. 前記電力制御部は、前記第２カウンター値が前記第２の所定値に達する前に前記第１慣性力値が前記所定範囲内となった場合には、前記第１慣性力値が前記基準値を中心とした前記所定範囲内となった回数に前記第１自然数より小さい第２自然数を乗じた値を前記第２カウンター値から減じる、
   請求項５記載の慣性力センサ。
8. 前記電力制御部は、
   前記第２信号処理部へ供給する電力が第１値である場合に、第１周期で前記第１慣性力値を確認し、前記第１慣性力値が基準値を中心とした所定範囲となる回数が第１の所定回数に達すると前記第２信号処理部へ供給する電力を低減させ、
   前記第２信号処理部へ供給する電力が前記第１値より小さい第２値である場合に、前記第１周期より短い第２周期で前記第１慣性力値を確認し、前記第１慣性力値が基準値を中心とした所定範囲外となる回数が第２の所定回数に達すると前記第２信号処理部へ供給する電力を増加させる、
   請求項１記載の慣性力センサ。
9. 前記電力制御部は、前記第１慣性力値が基準値を中心とした所定範囲外となる状態が所定期間継続した場合、または、前記第１慣性力値が基準値を中心とした所定範囲内となる状態が所定期間継続した場合、最終の前記第１慣性力値に前記基準値を更新する、
   請求項１記載の慣性力センサ。
10. 前記第１信号処理部の消費電力は前記第２信号処理部の消費電力よりも小さい、
    請求項１記載の慣性力センサ。
    

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