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【発明の名称】 加速度記録装置
【発明者】 【氏名】野々村 裕

【氏名】塚田 厚志

【氏名】水野 健太朗

【氏名】山寺 秀哉
【要約】 【課題】小型で保守を必要としない加速度記録装置を提供する。

【解決手段】ＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）を利用した加速度記録装置である。記録基板３０上に、固定部２０、バネ１５、１６及びビーム１４、マス部１０と針１２で、ＸＹ方向に変位可能加速度センサを作製する。このセンサに加速度が作用すれば、マス部１０と針１２はその加速度に応じて逆方向に変位する。又、針１２直下にはトンネル電流が流れる離間距離で記録媒体を配置する。Ｙ掃引部２２で針１２をＹ方向に掃引ししつつ、記録回路部４０からパルス電流を印加すれば、針１２の直下の記録媒体の特性が変化する。これにより、針１２の軌跡、即ち加速度が記録される。記録媒体を原子層又は分子層３２とすれば、原子オーダーで記録できる。又、読み出し回路部５０がトンネル電流の有無を検出すれば、加速度記録が読み出される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】加速度を記録する加速度記録装置であって、Ｘ、Ｙ方向に変位可能なバネと、前記バネ中央部に設けられたマス部と、前記マス部にＺ方向に伸張して形成された針からなる加速度センサと、原子層又は分子層を表面に吸着させた記録基板と、前記加速度センサをＸ方向及びＹ方向に掃引するセンサ掃引部と、前記加速度センサの針と前記記録基板間にパルス電流を印加し、該パルス電流で一部の前記原子層又は分子層の特性を変化させることにより加速度情報を記録する記録回路部と、前記加速度センサの針と前記記録基板間のトンネル電流の変化により前記加速度情報を読む読み出し回路部とを備えたことを特徴とする加速度記録装置。
【請求項２】前記一部の原子層又は分子層の特性変化は、前記記録基板に吸着された前記原子層又は分子層の原子又は分子の有無であり、前記トンネル電流の変化はトンネル電流の有無であることを特徴とする請求項１に記載の加速度記録装置。
【請求項３】前記記録基板は、導電性結晶基板であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加速度記録装置。
【請求項４】加速度を記録する加速度記録装置であって、Ｘ、Ｙ方向に変位可能なバネと、前記バネ中央部に設けられたマス部と、前記マス部にＺ方向に伸張して形成された針からなる加速度センサと、不揮発性メモリを形成した半導体基板と、前記加速度センサをＹ方向に掃引するセンサ掃引部と、前記加速度センサの針と前記不揮発性メモリ間にパルス電流を印加し、前記加速度センサの針から前記不揮発性メモリに電荷を注入して、加速度情報を記録する記録回路部とを備えたことを特徴とする加速度記録装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、移動体の加速度情報を記録する記録装置に関する。特に、加速度センサに形成された針先端からパルス電流を流し、記録面上に形成された原子層又は分子層を部分的に変化させて加速度を記録する加速度記録装置に関する。本発明は、車両の走行状態を記録する走行記録装置に適用できる。
【０００２】
【従来の技術】従来技術の加速度記録装置を図７に示す。従来の加速度記録装置は、半導体歪みゲージ式の加速度センサ１００とその加速度センサ１００の出力を増幅する信号増幅回路１１０とその増幅信号に対して変位する電動式ペン１２０とその電動式ペンの動きを記録する記録紙１３０とその記録紙１３０を供給する記録紙駆動装置１４０から構成される。これは、加速度センサ１００で検出された加速度（出力電圧）を信号増幅回路１１０で増幅して記録紙１３０に時間記録するものである。この加速度記録装置には、加速度を検知して記録するばかりでなく、装置全体が小型であること、長時間にわたり点検保守を必要としないこと、記録したデーターが容易にコンピューター等に取り込めること等が求められている。
【０００３】
【発明が解決しようする課題】しかしながら、上記方式では各構成要素がそれぞれ大型であるため、装置全体が小型化されないという問題がある。又、インクを用いているのでインクの消耗、乾燥による目詰まり、記録のかすれ、欠落、インク粘度調整不足によるインク漏れ等のインクに起因するトラブルがある。このため、定期的な保守および記録紙の補充が不可欠であり、維持コストがかかるという問題がある。又、記録紙に記録されたデーターを解析するにはコンピュータに取り込む必要があり、その取り込みも容易ではない。更に、装置全体が大型であるために大きな電力を必要とし、バッテリー駆動を必要とする自動車等の移動体に組み込むことも容易ではない。
【０００４】本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、その目的は自動車等の移動体や荷物などの搬送物、エレベーターのような設置装置において、それらの物体が受ける衝突、落下、地震等の加速度を長時間に渡り検出し、確実に記録することである。それにより、迅速な事故調査、障害の履歴調査、障害復帰時の対応決定等を促すことである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するために請求項１の加速度記録装置は、Ｘ、Ｙ方向に変位可能なバネとそのバネ中央部に設けられたマス部とそのマス部にＺ方向に伸張して形成された針からなる加速度センサと、原子層又は分子層を表面に吸着させた記録基板と、加速度センサをＸ方向及びＹ方向に掃引するセンサ掃引部と、加速度センサの針と記録基板間にパルス電流を印加し、そのパルス電流で一部の原子層又は分子層の特性を変化させることにより加速度情報を記録する記録回路部と、加速度センサの針と記録基板間のトンネル電流の変化によりその加速度情報を読み出す読み出し回路部からなることを特徴とする。
【０００６】又、請求項２の加速度記録装置によれば、一部の原子層又は分子層の特性変化は、記録基板に吸着された原子層又は分子層の原子又は分子の有無であり、トンネル電流の変化はトンネル電流の有無であることを特徴とする。
【０００７】又、請求項４の加速度記録装置によれば、Ｘ、Ｙ方向に変位可能なバネとバネ中央部に設けられたマス部とそのマス部にＺ方向に伸張して形成された針からなる加速度センサと、不揮発性メモリを形成した半導体基板と、加速度センサをＹ方向に掃引するセンサ掃引部と、加速度センサの針と不揮発性メモリ間にパルス電流を印加し、加速度センサの針から不揮発性メモリに電荷を注入して、加速度情報を記録する記録回路部とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
【作用及び効果】請求項１の加速度記録装置によれば、この装置に外部より加速度が作用すると、記録基板が、例えば加速度に応じてＸ方向に移動する。一方、バネに支持されたマス部とマス部に形成された針は慣性の法則により最初の位置に留まろうとする。座標系を記録基板に設定すれば、逆方向に加速度センサのマス部と針が移動することになる。この時、記録回路部は加速度センサの針と記録基板間にパルス電流を印加しており、そのパルス電流は記録基板上の一部の原子層又は分子層の特性を変化させる。又この時、同時にセンサ掃引部はこの加速度センサをＹ方向に掃引する。これにより、加速度が記録基板上の原子層又は分子層にその特性変化で記録される。そして、記録読み出し時には、読み出し回路部がセンサ掃引部を位置制御し、加速度センサの針と記録基板間のトンネル電流の変化によりその特性変化を検知し、その加速度情報を読む。
【０００９】上記のような構成にすれば、加速度信号が原子又は分子のスケールで時間記録することができる。これにより、膨大な加速度データが微小な領域に記録されることになる。よって、従来の記録紙等の保守点検が不必要となる。又、全体が小型であるので、簡単に封止することができる。よって、その信頼性が保持できる。又、小型であるので容易に移動体内部に取り付けることができる。尚、上記原子層又は分子層の特性は、帯電率、誘電率、屈折率等の物理的特性と酸化、還元等の化学的特性を意味する。又、上記原子としては、例えば、He，Ne，Kr，Ar，Xe，Rnの不活性ガス原子、又はH ，Li，Be，B ，C ，N ，0 ，F などの原子番号の若い原子、Na，K ，Rb，Cs，Fd等の1 族原子、Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Ra等の2 族原子、及びF ，Cl，Br，I，At等のハロゲン系原子である。又、他にAl，Ti，V ，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Mo，Pd，Ag，In，Sn，W ，1r，Pt，Au，Pb等のSiに対して安定な材料が使用できる。又、分子としては、H 2 O ，C O 2 ，CH3 が挙げられる。尚、Ｘ軸、Ｙ軸は基板面上にとられた２軸であり、Ｚ軸は基板面に垂直の方向にとられた軸とする。検出すべき加速度の方向は任意である。例えば、Ｘ軸、Ｙ軸の他、Ｚ軸方向に作用しても良い。これは請求項４の発明でも同様である。Ｚ軸方向の加速度を検出する場合には、加速度の大きさによって、加速度センサの針と記録基板との距離が変化するために、通電電流の大きさが加速度に応じて変化することになる。通電電流の大きさ（２値状態を含む）に応じて、記録状態（２値状態を含む）を変化させれば良い。
【００１０】又、請求項２の加速度記録装置によれば、例えば、記録基板上に形成された原子層又は分子層の原子又は分子は、針から所定の電流が供給されると、励起され除去される。即ち、加速度記録が原子又は分子の除去で記録される。よって、最も記録密度の高い加速度記録装置となる。又、読み出し時には、原子又は分子が存在しないのでトンネル電流が検出されない。よって、例えばトンネル電流の有無を追跡すれば、加速度記録装置に加わった加速度記録を容易に確実に読むことができる。
【００１１】又、請求項３の加速度記録装置によれば、記録基板が導電性結晶基板である。結晶基板であれば、原子又は分子は基板上に例えばＸ，Ｙ方向に規則正しく成長する。例えば、原子又は分子の配列方向と掃引方向を一致させれば、精度良く加速度を記録することができる。又、記録基板が導電性であるので、確実にパルス電流を流することができる。よって、確実に加速度が記録される。又、原子又は分子が規則正しく配置されているので、読み出し時には、逆に例えば針を所定の間隔でＸ，Ｙ方向に移動させれば、容易に精度良く読み出すことができる。
【００１２】又、請求項４の加速度記録装置によれば、記録基板は不揮発性メモリを形成した半導体基板である。この装置に外部より加速度が作用すると、請求項１での説明と同様に、記録基板が、例えば加速度に応じてＸ方向に移動する。一方、バネに支持されたマス部とマス部に形成された針は慣性の法則により最初の位置に留まろうとし、座標系を記録基板に設定すれば、加速度センサのマス部と針は逆方向に移動する。この時、記録回路部は加速度センサの針と記録基板間にパルス電流を印加し、そのパルス電流で記録基板上の不揮発性メモリを帯電させる。又この時、同時に、センサ掃引部がこの加速度センサをＹ方向に掃引する。これにより、加速度が不揮発性メモリに帯電によって記録される。尚、この時、記録読み出し回路は限定しない。例えば、更にＸ掃引部を設けて、不揮発性メモリ上をＸＹに掃引してトンネル電流の有無で読む読み出し回路でも良いし、アドレス線とデータ線からなる通常の不揮発性メモリを読み出す読み出し回路であっても良い。
【００１３】上記のような構成にすれば、加速度信号を不揮発性メモリに時間記録することができる。これによっても、高い信頼性が保持できる共にその保守点検が不必要となる。更に、上記のように、例えば読み出し回路部にアドレス線とデータ線等からなる通常の不揮発性メモリを読み出す読み出し回路を採用すれば、瞬時に加速度を読み出すことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
（第１実施例）本発明の加速度記録装置を図１、図２に示す。図１は、加速度記録装置内部の上面図であり、図２はその装置の構成図である。本発明の加速度記録装置は、加速度を感知するマス部１０、マス部１０の裏面に形成された針１２、マス部１０を支えるビーム１４、ビーム１４と連結しマス部１０をＸ方向に移動可能とするバネ１５、マス部１０をＹ方向に移動可能とするバネ１６、マス部１０をＸ方向に掃引するセンサ掃引部であるＸ掃引部１８、マス部１０をＹ方向に掃引するセンサ掃引部であるＹ掃引部２２、原子層又は分子層３２を表面に有して加速度情報を記録する記録基板３０、マス部１０、ビーム１４、バネ１５、１６をシリコン基板３４から離間させて固定する固定部２０、針１２と記録基板３０にパルス電流を与える記録回路部４０、針１２と記録基板３０間を流れるトンネル電流を読み出す読み出し回路部５０から構成される。
【００１５】以下に、各構成要素の材質、製造方法及びその位置関係について説明する。本実施例の加速度記録装置は、使用時には図２の断面図に示す様に、封印用固定部３５によって、記録基板（シリコン基板）３０とシリコン基板３４間に封印される。例えば、本装置は真空あるいは不活性ガス（He，Ne，Kr，Xe，Rn，N2）を減圧、又は常圧で封止されて、原子面が汚染されないようにして固定される。この封印は、例えばSi−Siの直接接合、又は可動イオン層を有する陽極接合、封止ガラスによるガラス接合、Si−Auによる共晶接合が用いられる。
【００１６】又、上記各構成要素は主にパターンニング技術、エッチング技術等で代表されるマイクロマシニング技術で形成される。例えば、針１２はＳＯＩ基板上の異方性エッチングによって作成される。異方性エッチングは、結晶方位によるエッチング速度差を利用した方法であり、それによりシリコン基板においては四角錘状の針が残存せられる。或いは、ＳＯＩ基板上に選択エッチングにより針１２を成長させてもよい。そして、この針１２とマス部１０にはＡｕ等の導電材料がコーティングされる。
【００１７】このマス部１０、マス部１０の裏面に形成された針１２、マス部１０を支えるビーム１４、ビーム１４と連結したバネ１５、１６が加速度ＸＹ平面において可動自由とする構成となっている。又、ビーム１４、バネ１５、１６及び固定電極１８ｂ、駆動電極１８ａからなるＸ掃引部１８、固定電極２２ｂ、駆動電極２２ａからなるＹ掃引部２２もシリコンのマイクロマシニングで作成され、そのオーダーは厚さ幅とも数ミクロンである。Ｘ掃引部１８とＹ掃引部２２は、固定電極と駆動電極間に電圧を与えることにより、静電力で上記加速度センサを掃引する構成である。尚、固定部２０はＳｉＯ2 で形成されている。
【００１８】又、記録媒体である原子層又は分子層３２は以下に示す原子又は分子の１つから構成される。これは、記録基板３０上（Si単結晶ウェハー表面）をエッチングし清浄Si面を作成して、その面上に気相成長法等で準安定的原子を固定することによって作製する。例えば、準安定状態で吸着する原子としては、He，Ne，Kr，Xe，Rn等の不活性ガス原子、H ，Li，Be，B ，C ，N ，0 ，F などの原子番号の若い原子、1 族原子（H ，Li，Na，K ，Rb，Cs，Fd）、2 族原子（Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Ra）、ハロゲン系原子（Cl，Br，I、 At）である。他に、Siに対して安定なAl，Ti，V ，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu 、Mo，Pd，Ag，In，Sn，W ，Ir，Pt，Au，Pb等の原子を使用する。又この時、上記原子層又は分子層３２と針１２との距離はトンネル電流が流れうる程度に近接して固定する。即ち、封止時には、封印用固定部３５とバネ部１５、１６により、針１２の接触圧が適切になるように設定される。又、記録基板３０は例えばアース電位に設定される。
【００１９】次に、加速度記録時の動作を説明する。この加速度記録装置に外部より加速度が例えばＸ方向に作用すると、記録基板３０は加速度に応じてＸ方向に移動する。逆に言えば、加速度センサのマス部１０と針１２は加速度に対応して、逆方向（−Ｘ方向）に移動してＸ方向のバネ１５の反力とバランスする。即ち、マス部１０及び針１２は、Ｘ方向の加速度に比例して−Ｘ方向の変位を行う。この時、記録回路部４０によって針１２と原子層又は分子層３２間にパルス電流が印加される。針１２は原子層又は分子層３２に対してZ 方向に一定の距離で維持されているので、所定のパルス電流が流れる。そして、この所定のパルス電流で、原子層又は分子層３２の一部、例えば一つの原子が励起され除去される。
【００２０】又この時、同時に加速度センサはセンサ掃引部２２によってＹ方向に掃引されている。この掃引は、センサ掃引部２２の固定電極２２ｂと可動電極２２ａ間に電圧を印加することにより発生する静電力による。これにより、加速度情報はＹ方向を時間軸にして、時間記録される（図３）。そして、記録読み出し時には読み出し回路部５０が、図示しない回路により加速度センサを掃引して、加速度センサの針１２と原子層又は分子層３２間のトンネル電流ｉの有無によりその加速度情報を読む。
【００２１】このような構成によれば、加速度情報が原子又は分子のスケールで時間記録される。これにより、微小な領域に膨大な加速度データを記録することができる。よって、従来のような保守点検が不必要となる。又、全体が小型であるので簡単に封止することができ、その高い信頼性が保持できる。又、小型であるので容易に車輌等の移動体内部に取り付けることができる。尚、バネ１５、１６は弾性係数の小さい、即ち微小変位を前提としたバネである。このバネ１５、１６には図４に示すように、より弾性係数の大きいバネ１５Ａ、バネ１６Ａを付加することもできる。このような構成にすれば、針１２をより大きく変位させることができ、加速度をより感受率を高めて記録することができる。
【００２２】（第２実施例）第１実施例では、針からパルス電流を印加して原子又は分子を除去することで加速度を記録していた。この構成によれば、長時間の記録は可能であるが、同一場所への複数回の書き込みは不可能である。第２実施例の特徴は、リサイクルを前提とし、記録媒体を原子又は分子に代えてＥＥＰＲＯＭ等の半導体素子とし、複数回の書き換えを可能としたことである。
【００２３】本実施例の加速度記録装置の構成を図５に示す。本実施例の加速度記録装置は、記録媒体であるＥＥＰＲＯＭ６０、加速度センサのマス部１０、針１２、ＸＹ方向へ任意の移動を可能とするＸＹ掃引部７０、ＸＹ掃引部７０を介して電荷を注入する記録回路部４０、不揮発性メモリであるＥＥＰＲＯＭ６０の記録状態を読み出す読み出し回路部８０及び読み出し回路部８０とＥＥＰＲＯＭ６０を接続するバス８１から構成される（図５）。尚、簡単のため第１実施例で用いたビーム１４、バネ１５、１６、記録基板３０等は同じであるので省略してある。異なる所は、ＥＥＰＲＯＭ６０とその読み出し回路８０を採用したことである。
【００２４】ＥＥＰＲＯＭ６０の断面図を図６に示す。ＥＥＰＲＯＭ６０は、半導体プロセスによって記録基板（シリコン基板）３０上に作製されたＭＯＳＦＥＴである。ＭＯＳＦＥＴはゲート６１の下に浮遊ゲート６２を有している。この浮遊ゲート６２に電荷が注入されていない場合は、この記憶素子は通常のＭＯＳＦＥＴと同じように動作する。即ち、所定の閾値電圧より大きなゲート電圧を印加すると、ドレイン６３−ソース６４間に電流が流れる（記録がない状態）。
【００２５】一方、データを書き込む為に、ＥＥＰＲＯＭのゲート６１に正電圧を印加し、浮遊ゲート６２に負の電荷を注入すると、閾値電圧が正の方向へ大きくシフトする。これにより、ゲート電圧を印加しても上記電流が流れることはない（記録がある状態）。これにより、記録の有無が判断される。そして、読み出し回路部８０はバス８１によって各メモリセルを指定すれば、その記録を読み出すことができる。即ち、加速度記録を瞬時に読み出すことができる。よって、この構成によれば、コンピュータ解析等が容易となる。又、紫外線等の短波長光を照射すれば、記録を消去することができ複数回の記録が可能となる。よって、利便性に優れるとともに低コストな加速度記録装置とすることができる。
【００２６】（変形例）以上、本発明を表わす１実施例を示したが、他に様々な変形例が考えられる。例えば、第１実施例では、記録媒体は離脱可能な原子又は分子としたが、吸着離脱が可能な原子又は分子、あるいは電圧・電流によりその特性が変化する分子でもよい。吸着離脱が可能な分子としてＨ2 Ｏ，ＣＨ4 ，ＣＯ2 などがある。又、原子・分子の特性変化は、例えば１個の原子の酸化、又は１個の原子の還元による化学反応（酸素原子の有無）でもよい。又、特性が変化する分子として液晶分子、有機分子でもよい。
【出願人】 【識別番号】０００００３６０９
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
【出願日】 平成１２年１月１２日（２０００．１．１２）
【代理人】 【識別番号】１０００８７７２３
【弁理士】
【氏名又は名称】藤谷 修
【公開番号】 特開２００１−１９４３８３（Ｐ２００１−１９４３８３Ａ）
【公開日】 平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】 特願２０００−３０９７（Ｐ２０００−３０９７）