JP2005283428A - 力学量センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｘ軸・Ｙ軸・Ｚ軸周りの角速度とＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の加速度を測定可能な力学量センサ装置において、検出精度を向上させる。
【解決手段】 ３つの角速度センサチップ１０、２０、３０と３つの加速度センサチップ４０、５０、６０とが同一の被実装部材１上に実装されている力学量センサ装置であって、３つの角速度センサチップ１０、２０、３０は、互いに直交する３つの軸周りにおける角速度をそれぞれ検出するものであるとともに、３つの加速度センサチップ４０、５０、６０は、角速度センサチップの検出対象である３つの軸に対応する３つの軸における加速度をそれぞれ検出するものであり、３つの角速度センサチップ１０、２０、３０の検出対象となる３つの軸が１点で交わっているとともに、３つの加速度センサチップ４０、５０、６０の検出対象となる３つの軸が１点で交わっているように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、角速度センサチップと加速度センサチップを１つの被実装部材上に実装した力学量センサ装置に関する。

従来より、車両の姿勢制御等に角速度センサや加速度センサが用いられている。このような角速度センサチップと加速度センサチップを１つの被実装部材（例えば回路チップ・基板等）上に実装した力学量センサ装置が知られている（例えば特許文献１、２参照）。
特開平１０−１０１４８号公報 特開２０００−５９５０号公報

ところで、車両の姿勢制御を高精度に行うためには、Ｘ軸・Ｙ軸・Ｚ軸周りの角速度とＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の加速度を測定することが要求される。しかしながら、上記特許文献１のセンサ装置ではＸ軸・Ｙ軸周りの角速度とＺ軸の加速度を検出するのみであり、また上記特許文献２のセンサ装置ではＺ軸周りの角速度とＹ軸の加速度を検出するのみである。

また、１つの角速度センサで複数軸周りにおける角速度を検出し、１つの加速度センサで複数軸における加速度を検出することも考えられるが、この場合には検出精度が犠牲になるという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、Ｘ軸・Ｙ軸・Ｚ軸周りの角速度とＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の加速度を測定可能な力学量センサ装置において、検出精度を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、３つの角速度センサチップ（１０、２０、３０）と３つの加速度センサチップ（４０、５０、６０）とが同一の被実装部材（１）上に実装されている力学量センサ装置であって、３つの角速度センサチップ（１０、２０、３０）は、互いに直交する３つの軸周りにおける角速度をそれぞれ検出するものであるとともに、３つの加速度センサチップ（４０、５０、６０）は、角速度センサチップの検出対象である３つの軸に対応する３つの軸における加速度をそれぞれ検出するものであり、３つの角速度センサチップ（１０、２０、３０）の検出対象となる３つの軸が１点で交わっているとともに、３つの加速度センサチップ（４０、５０、６０）の検出対象となる３つの軸が１点で交わっていることを特徴としている。

このように、同一の被実装部材上に３つの角速度センサチップ（１０、２０、３０）と３つの加速度センサチップ（４０、５０、６０）を実装し、異なる軸周りの角速度をそれぞれ異なる角速度センサチップ（１０、２０、３０）で検出し、異なる軸の加速度をそれぞれ異なる加速度センサチップ（４０、５０、６０）で検出するように構成することで、各軸周りの角速度の検出精度と各軸の加速度の検出精度を向上させることができる。

また、力学量センサ装置を例えば車両の姿勢制御に用いる場合、姿勢制御を高精度で行うためには、車両の重心位置における角速度および加速度を検出することが要求される。このとき、各角速度センサチップ（１０、２０、３０）と各加速度センサチップ（４０、５０、６０）の検出軸が重心位置からずれていると、重心位置からずれた位置の角速度および加速度を検出することとなり、検出精度が悪化してしまう。これに対し、各角速度センサチップ（１０、２０、３０）の検出軸が１点で交わるように構成し、各加速度センサチップ（４０、５０、６０）の検出軸が１点で交わるように構成することで、各軸周りの角速度の検出精度と各軸の加速度の検出精度を向上させることができる。

また、請求項２に記載の発明では、３つの角速度センサチップ（１０、２０、３０）と３つの加速度センサチップ（４０、５０、６０）とが同一の被実装部材（１）上に実装されている力学量センサ装置であって、３つの角速度センサチップ（１０、２０、３０）は、互いに直交する３つの軸周りにおける角速度を検出するものであるとともに、３つの加速度センサチップ（４０、５０、６０）は、角速度センサチップの検出対象である３つの軸に対応する３つの軸における加速度を検出するものであり、３つの角速度センサチップ（１０、２０、３０）は被実装部材（１）上に積層されて実装されているとともに、３つの加速度センサチップ（４０、５０、６０）は被実装部材（１）上に積層されて実装されていることを特徴としている。

このように、各角速度センサチップ（１０、２０、３０）を積層させることで各角速度センサチップを可能な限り近接させることができる。これにより、各軸周りの角速度の検出位置を可能な限り近接させることができ、各軸周りの角速度の検出精度を向上させることができる。同様に、各加速度センサチップ（４０、５０、６０）を積層させることで、各加速度センサチップを可能な限り近接させることができる。これにより、各軸の加速度の検出位置を可能な限り近接させることができ、各軸の加速度の検出精度を向上させることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。図１は本第１実施形態の力学量センサ装置の平面図である。

図１に示すように、本第１実施形態の力学量センサ装置は、角速度センサチップ１０、２０、３０と加速度センサチップ４０、５０、６０とを有し、これらのセンサチップが同一の被実装部材１上に実装されて構成されている。被実装部材１は、回路チップや基板から構成される。本第１実施形態の力学量センサ装置では、異なる軸周りの角速度を検出する３つの角速度センサチップ１０、２０、３０と、異なる軸の加速度を検出する３つの加速度センサチップ４０、５０、６０とが設けられている。図１では図示されていないが、角速度センサチップ１０、２０、３０と加速度センサチップ４０、５０、６０は、それぞれ接着剤により被実装部材１上に固定されている。

３つの角速度センサチップ１０、２０、３０は、互いに直交して１点で交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸上に配置されている。第１の角速度センサチップ１０はＸ軸周りにおける角速度を検出するものであり、第２の角速度センサチップ２０はＹ軸周りにおける角速度を検出するものであり、第３の角速度センサチップ３０はＺ軸周りにおける角速度を検出するものである。

３つの加速度センサチップ４０、５０、６０は、角速度センサチップ１０、２０、３０の検出対象である３軸と同一方向の加速度を検出するものであり、互いに直交して１点で交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸上に配置されている。第１の加速度センサチップ４０はＸ軸における加速度を検出するものであり、第２の加速度センサチップ５０はＹ軸における加速度を検出するものであり、第３の加速度センサチップ６０はＺ軸における加速度を検出するものである。

次に、角速度センサチップ１０、２０、３０および加速度センサチップ４０、５０、６０の具体的構成について説明する。３つの角速度センサチップ１０、２０、３０はそれぞれ同様の構成であるので、Ｚ軸周りの角速度を検出する第３の角速度センサ３０についてのみ説明する。また、３つの加速度センサチップ４０、５０、６０もそれぞれ同様の構成であるので、Ｙ軸の加速度を検出する第２の加速度センサチップ５０についてのみ説明する。

まず、角速度センサチップ３０の具体例について図２に基づいて説明する。図２は、角速度センサチップ３０の構成を示す平面図である。角速度センサチップ３０は、２枚のシリコン基板が酸化膜を介して貼り合わされたＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板３０１を用い、周知の半導体製造技術を用いて作ることができる。

図２には、一方のシリコン基板（半導体基板）３０２の平面形状が示されており、この一方のシリコン基板３０２には、周知のエッチング加工を施して溝を形成することにより、各部が形成されている。振動体（錘部）３０３は、一方のシリコン基板３０２を支持する酸化膜及び他方のシリコン基板を部分的に除去することにより形成された開口部３０６上に配置されている。振動体３０３は、シリコン基板３０２の中央部に位置する第１の可動部３０４と第１の可動部３０４におけるＸ方向の両外側に設けられた第２の可動部３０５とからなる。

振動体３０３は、図中のＸ方向へバネ変形可能な駆動梁３０７及びＹ方向へバネ変形可能な検出梁３１０を介して、振動体３０３の外周の基部３０８に支持されており、振動体３０３は、Ｘ方向及びＸ方向と直交するＹ方向へ振動可能となっている。振動体３０３の外周部と基部３０８とが対向する部位には、次に述べるような櫛歯状の各電極部が形成されている。

即ち、振動体３０３をＸ方向へ駆動振動させるために振動体３０３に駆動信号を印加する駆動電極３０９と、Ｘ及びＹ方向と直交するＺ軸回りに角速度Ωが印加されたときに発生する振動体３０３のＹ方向への振動を検出信号として検出するための検出電極３１１が形成されている。また、シリコン基板３０２のうち、第２の可動部３０５におけるＸ方向の両外側には、開口部３０６の縁部に支持された櫛歯状のモニタ電極３１２（図示例では２個ずつ）が形成されている。このモニタ電極３１２は、振動体３０３のＸ方向への駆動振動をモニタし、モニタ信号を検出するためのものである。なお、上記各電極３０９、３１１、３１２には、それぞれ対応したワイヤボンディング用のパッド３０９ａ、３１１ａ、３１２ａが形成されている。

振動体３０３の外周部における各電極３０９、３１１、３１２と対向する位置には、櫛歯部３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃが形成されており、これらの各電極３０９、３１１、３１２は櫛歯部３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃに対し、互いの櫛歯が噛み合うように対向して配置されている。

そして、駆動電極３０９と振動体３０３の駆動用櫛歯部３０３ａとの間に、振動体３０３のＸ方向への共振周波数を持つ交流の電圧差（駆動信号）を印加し、駆動梁３０７によって振動体３０３をＸ方向へ駆動振動させる。この振動体３０３の駆動振動のもと、Ｚ軸周りに角速度Ωが印加されると、振動体３０３にはＹ方向にコリオリ力が発生し、振動体３０３は検出梁３１０によってＹ方向へ振動（検出振動）する。この検出振動によって、検出電極３１１と振動体３０３の検出用櫛歯部３０３ｂとの間の静電容量が変化するため、この容量変化を検出することで、Ｚ軸周りの角速度Ωの大きさを求めることができる。

次に、第２の加速度センサチップ５０の具体例について図３に基づいて説明する。図３は、加速度センサチップ５０の構成を示す平面図である。図３に示すように、加速度センサチップ５０では、半導体基板５０１に対してエッチング等により溝部５０２を形成することにより、可動電極５０３を有する可動体５０２と固定電極５０５とが形成され、可動電極５０３と固定電極５０５はそれぞれ櫛歯状に形成されている。可動電極５０３は加速度の印加に応じて変位するものである。また、各固定電極５０５は可動電極５０３における櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に複数本配列されており、可動電極５０３の検出面と固定電極５０５の検出面とが対向するように配置されている。

可動電極５０３は、バネ部５０６を介して固定部である半導体基板５０１に連結されており、図３中の矢印Ｙ方向に変位可能となっている。そして、当該矢印Ｙ方向への加速度の印加に伴って、可動電極５０３の検出面と固定電極５０５の検出面との間の距離が変化し、この距離変化に伴う可動電極５０３と固定電極５０５との間の静電容量の変化等を検出することによって、印加力学量を検出することができるようになっている。

以上、本第１実施形態のように、同一の被実装部材１上に３つの角速度センサチップ１０、２０、３０と３つの加速度センサチップ４０、５０、６０を実装し、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸周りの角速度をそれぞれ異なる角速度センサチップ１０、２０、３０で検出し、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の加速度をそれぞれ異なる加速度センサチップ４０、５０、６０で検出するように構成することで、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸周りの角速度の検出精度とＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の加速度の検出精度を向上させることができる。

また、力学量センサ装置を例えば車両の姿勢制御に用いる場合、姿勢制御を高精度で行うためには、車両の重心位置における角速度および加速度を検出することが要求される。このとき、各角速度センサチップ１０、２０、３０および各加速度センサチップ４０、５０、６０の検出軸が重心位置からずれていると、重心位置からずれた位置の角速度および加速度を検出することとなり、検出精度が悪化してしまう。

これに対し、本第１実施形態の力学量センサ装置では、各角速度センサチップ１０、２０、３０の検出軸が１点で交わるように構成し、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸周りの角速度の検出精度を向上させることができる。同様に、本第１実施形態の力学量センサ装置では、各加速度センサチップ４０、５０、６０の検出軸が１点で交わるように構成しているので、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の加速度の検出精度を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４、図５に基づいて説明する。図４は本第２実施形態の力学量センサ装置の平面図であり、図５は断面図である。

図４、図５に示すように、本第２実施形態の力学量センサ装置では、３つの角速度センサチップ１０、２０、３０が被実装部材１上の同一箇所に積層して実装され、３つの加速度センサチップ４０、５０、６０も被実装部材１上の同一箇所に積層して実装されている。本第２実施形態では、角速度センサチップ１０、２０、３０と加速度センサチップ４０、５０、６０は、被実装部材１上の異なる箇所に実装されている。

本例では、図５において上側から順に第１の角速度センサチップ１０、第２の角速度センサチップ２０、第３の角速度センサチップ３０が積層され、同様に上側から順に第１の加速度センサチップ４０、第２の加速度センサチップ５０、第３の加速度センサチップ６０が積層されている。第３の角速度センサチップ３０と第３の加速度センサチップ６０が接着剤３、４にて被実装部材１上に固定されている。また、各角速度センサチップ１０、２０、３０間と各加速度センサチップ４０、５０、６０間はそれぞれ図示しないバンプで接続されている。

積層された各センサチップ１０、２０、３０、４０、５０、６０は、例えば上側に積層されるセンサチップの大きさを小さくし、上下のセンサチップ間でワイヤボンディングして電気的に接続することができる。あるいはセンサチップ１０、２０、３０、４０、５０、６０内を上下方向に貫通するような配線を設けることで、上下のセンサチップ間を電気的に接続するように構成することもできる。

以上のように、各角速度センサチップ１０、２０、３０を積層させることで各角速度センサチップ１０、２０、３０を可能な限り近接させることができる。これにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸周りの角速度の検出位置を可能な限り近接させることができ、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸周りの角速度の検出精度を向上させることができる。

同様に、各加速度センサチップ４０、５０、６０を積層させることで、各加速度センサチップ４０、５０、６０を可能な限り近接させることができる。これにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の加速度の検出位置を可能な限り近接させることができ、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の加速度の検出精度を向上させることができる。

（他の実施形態）
なお、角速度センサチップ１０、２０、３０は角速度が検出可能なものであればよく、上記図２で示した構成のものに限定されない。同様に、加速度センサチップ４０、５０、６０は加速度を検出可能なものであればよく、上記図３で示した構成のものに限定されない。

また、上記第２実施形態では、角速度センサチップ１０、２０、３０と加速度センサチップ４０、５０、６０とを被実装部材１上の離れた位置に積層したが、角速度センサチップ１０、２０、３０と加速度センサチップ４０、５０、６０とを被実装部材１上の同一箇所に積層してもよい、

第１実施形態の力学量センサ装置の平面図である。 角速度センサチップの構成を示す平面図である。 加速度センサチップの構成を示す平面図である。 第２実施形態の力学量センサ装置の平面図である。 第２実施形態の力学量センサ装置の断面図である。

符号の説明

１…被実装部材、１０、２０、３０…角速度センサチップ、４０、５０、６０…加速度センサチップ。

Claims (2)

1. ３つの角速度センサチップ（１０、２０、３０）と３つの加速度センサチップ（４０、５０、６０）とが同一の被実装部材（１）上に実装されている力学量センサ装置であって、
   前記３つの角速度センサチップ（１０、２０、３０）は、互いに直交する３つの軸周りにおける角速度をそれぞれ検出するものであるとともに、前記３つの加速度センサチップ（４０、５０、６０）は、前記角速度センサチップの検出対象である３つの軸に対応する３つの軸における加速度をそれぞれ検出するものであり、
   前記３つの角速度センサチップ（１０、２０、３０）の検出対象となる３つの軸が１点で交わっているとともに、前記３つの加速度センサチップ（４０、５０、６０）の検出対象となる３つの軸が１点で交わっていることを特徴とする力学量センサ装置。
2. ３つの角速度センサチップ（１０、２０、３０）と３つの加速度センサチップ（４０、５０、６０）とが同一の被実装部材（１）上に実装されている力学量センサ装置であって、
   前記３つの角速度センサチップ（１０、２０、３０）は、互いに直交する３つの軸周りにおける角速度を検出するものであるとともに、前記３つの加速度センサチップ（４０、５０、６０）は、前記角速度センサチップの検出対象である３つの軸に対応する３つの軸における加速度を検出するものであり、
   前記３つの角速度センサチップ（１０、２０、３０）は前記被実装部材（１）上に積層されて実装されているとともに、前記３つの加速度センサチップ（４０、５０、６０）は前記被実装部材（１）上に積層されて実装されていることを特徴とする力学量センサ装置。
   

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