JP6211463B2 - 慣性センサ - Google Patents

Description

本発明は、加速度を検出する慣性センサに関し、特に、加速度の印加を、真空に封止された振動系の共振周波数の変化によって検知する原理を用いる慣性センサに関する。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）と呼ばれる、半導体の微細加工技術を用いて作製するデバイスの応用例の一つにセンサがある。ＭＥＭＳ型のセンサでは、製造ばらつきや製造コストを考慮しつつ、高精度かつ高安定な微小物理量検知を実現することが重要である。

本技術分野の背景技術として、例えば特許文献１がある。特許文献１には、ＭＥＭＳ振動子の変位から加速度を検出する原理を用いる加速度センサにおいて、振動系の共振周波数近傍における振動を防ぐため、振動子を大気圧で封止し、ダンピングすることで、この振動を抑制する技術が記載されている。

また、本技術分野の背景技術として、特許文献２がある。特許文献２には、加速度の印加によって静電容量が変化する構造を有する検出エレメントと、合成インピーダンスがインダクタと等価となるインピーダンス変換回路からなる電気的な発振回路を構成し、発振回路の共振周波数を一定に保つように回路素子の定数を制御する制御量から、間接的に加速度を検出する技術が記載されている。これによれば、集積化が困難なインダクタを作製することなく共振回路を実現できるため、発振回路を容易に集積回路化できる。このことは、加速度の印加による静電容量変化を検知する検出回路を小型に作ることを可能にし、また、発振回路の高い品質係数（Ｑ値）により高感度化を実現する。

また、本技術分野の背景技術として、特許文献３がある。特許文献３には、加速度の印加によって静電容量が変化する構造を有する検出エレメントにおける静電ばね効果をエアバッグ動作の閾値にする技術が記載されている。

特開２０１１−２４２３７１号公報 国際公開第２００９／０５０８１３号 米国特許第５，９１４，５５３号明細書

前記特許文献１に示されるような、加速度センサと角速度センサを同一チップに有する構造において、製造プロセスの観点からは、簡易な構成で作製するために、この加速度を検知する振動子を真空で封止する構造とすることが望ましい。しかしながら、この構造のように、加速度を検知する振動子を真空で封止すると、ダンピングが効かずに耐振性が劣化するので、これを防止するための対策が必要となる。

また、加速度センサの発振回路のクロックは、その周波数の高さとＱ値の大きさから、水晶振動子の機械的な共振を用いた回路構成とすることが望ましい。たとえば、前記特許文献２に示されるような、発振回路そのものの共振を用いて高いＱ値を得ようとする方式では、水晶振動子レベルの共振周波数や、高いＱ値を得ることは困難である。このため、前記特許文献２に示される構成の、電気的な共振を用いた加速度センサでは、出力のゼロ点安定性が不十分なものになる。

また、前記特許文献３では、加速度センサの製造プロセスの観点において、加速度を検知する振動子を真空で封止する構造については記載していない。

本発明の代表的な目的は、加速度を検知する振動子を真空で封止し、かつ、ＭＥＭＳデバイスの高いＱ値を生かした共振振動によって、高安定な慣性センサを簡易な構成で作製する技術を提供するものである。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。

代表的な慣性センサは、加速度を検知する第１振動子と、前記第１振動子を振動させる静電容量型の第１電極と、前記第１振動子の共振周波数を変化させる静電容量型の第２電極と、前記第１振動子への電圧印加で前記第１振動子が振動する間において前記第１振動子へ加速度が印加された際に、前記第１振動子の共振周波数の変化を打ち消す方向に前記共振周波数を変化させる電圧を前記第２電極に印加し、前記第２電極に印加する電圧の値に基づいて前記加速度を出力する検出回路と、を有する。

より好ましくは、前記慣性センサにおいて、前記第２電極には、前記第１振動子へ加速度が印加されていない定常状態において、前記共振周波数を変化させるバイアス電圧が予め印加されており、前記第１振動子の共振周波数は、前記定常状態において、前記バイアス電圧が印加されていない状態よりも低い共振周波数である。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下の通りである。

代表的な効果は、加速度を検知する振動子を真空で封止し、かつ、ＭＥＭＳデバイスの高いＱ値を生かした共振振動によって、高安定な慣性センサを簡易な構成で作製することができる。

本発明の実施の形態１における慣性センサの検出エレメントの構成の一例を示す平面図である。 図１に示す慣性センサの検出エレメントの構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における慣性センサにおいて、角速度検出エレメントの検出回路の構成の一例を示すブロック図である。 図３に示す検出回路のＣＶ変換部において、スイッチトキャパシタ方式のＣＶ変換回路の一例を示す回路図である。 本発明の実施の形態１における慣性センサにおいて、加速度検出エレメントの検出回路の構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１における慣性センサにおいて、加速度検出エレメントの周波数応答と、角速度検出エレメントの周波数応答の一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態１における慣性センサにおいて、共通診断部による診断機能の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２における慣性センサの検出エレメントの構成の一例を示す平面図である。 図８に示す慣性センサの検出エレメントの構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における慣性センサにおいて、加速度検出エレメントの検出回路の構成の一例を示すブロック図である。

以下の実施の形態においては、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

［実施の形態の概要］
まず、実施の形態の概要について説明する。本実施の形態の概要では、一例として、括弧内に実施の形態の対応する構成要素、符号等を付して説明する。

実施の形態の代表的な慣性センサは、加速度を検知する第１振動子（検出マス兼梁１０５）と、前記第１振動子を振動させる静電容量型の第１電極（駆動電極１０６）と、前記第１振動子の共振周波数を変化させる静電容量型の第２電極（共振周波数調整電極１０８）と、前記第１振動子への電圧印加で前記第１振動子が振動する間において前記第１振動子へ加速度が印加された際に、前記第１振動子の共振周波数の変化を打ち消す方向に前記共振周波数を変化させる電圧を前記第２電極に印加し（周波数制御部４３３、ＤＡＣ部４３６）、前記第２電極に印加する電圧の値に基づいて前記加速度を出力する（ＣＶ変換部４３０、ＡＤＣ部４３１、同期検波部４３２、周波数制御部４３３、信号調整部４３５）、検出回路と、を有する。

より好ましくは、前記慣性センサにおいて、前記第２電極には、前記第１振動子へ加速度が印加されていない定常状態において、前記共振周波数を変化させるバイアス電圧が予め印加されており、前記第１振動子の共振周波数は、前記定常状態において、前記バイアス電圧が印加されていない状態よりも低い共振周波数である。

以下、上述した実施の形態の概要に基づいた各実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号または関連する符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。

本実施の形態においては、一例として、加速度検出エレメントと角速度検出エレメントを、１つのチップの１つのキャビティ（チャンバーとも記載する）内に封止する慣性センサを例に挙げて説明する。例えば、実施の形態１では、１つの加速度検出エレメントと、１つの角速度検出エレメントを、１つのチップの１つのキャビティ内に封止する慣性センサの例を説明する。また、実施の形態２では、３つの加速度検出エレメントと、１つの角速度検出エレメントを、１つのチップの１つのキャビティ内に封止する慣性センサの例を説明する。

しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、加速度検出エレメントのみを１つのチップの１つのキャビティ内に封止する慣性センサについても適用できるものである。この場合に、加速度検出エレメントは、１つに限らず、２つ以上有するものについても適用可能である。また、本発明は、２つ以上の複数の加速度検出エレメントと、２つ以上の複数の角速度検出エレメントを、１つのチップの１つのキャビティ内に封止する慣性センサについても適用できるものである。

［実施の形態１］
本実施の形態１における、加速度センサと角速度センサとからなる慣性センサについて、図１〜図７を用いて説明する。慣性センサの加速度センサおよび角速度センサは、それぞれ、検出エレメントの機械部分と、検出回路の回路部分とを有する。

＜慣性センサの検出エレメント＞
まず、図１〜図２を用いて、本実施の形態１における慣性センサの検出エレメントの構成について説明する。図１は、この慣性センサの検出エレメントの構成の一例を示す平面図である。図１では、加速度検出エレメントと角速度検出エレメントとからなる慣性センサの検出エレメント全体の構成を示している。

本実施の形態１では、一例として、１軸の加速度、すなわち加速度検出エレメント１０１と、１軸の角速度、すなわち角速度検出エレメント１１１の２つの検出エレメントを、１つのチップ１３１の、１つのキャビティ（チャンバー）１２１内に真空封止する慣性センサの構成例としている。

加速度検出エレメント１０１は、マス１０２、固定部１０３、梁１０４、検出マス兼梁１０５、駆動電極１０６、モニタ電極１０７、共振周波数調整電極１０８を有する。マス１０２は、固定部１０３から梁１０４によって懸架されている。検出マス兼梁１０５は、マス１０２に繋がり、固定部１０３から懸架されている。この検出マス兼梁１０５は、加速度を検知する振動子である。駆動電極１０６は、検出マス兼梁１０５を振動させる静電容量型の電極である。モニタ電極１０７は、検出マス兼梁１０５の振動を検出する静電容量型の電極である。共振周波数調整電極１０８は、検出マス兼梁１０５の共振周波数を変化させる静電容量型の電極である。

角速度検出エレメント１１１は、検出マス１１２、固定部１１３、梁１１４、駆動電極１１６、モニタ電極１１７、検出電極１１８を有する。検出マス１１２は、固定部１１３から梁１１４によって懸架されている。この検出マス１１２は、角速度を検知する振動子である。駆動電極１１６は、検出マス１１２を振動させる静電容量型の電極である。モニタ電極１１７は、検出マス１１２の振動を検出する静電容量型の電極である。検出電極１１８は、角速度の印加を検出する静電容量型の電極である。

加速度検出エレメント１０１と角速度検出エレメント１１１をキャビティ１２１内に真空封止したチップ１３１の表面上には、外部との電気信号をやりとりするパッド１４１が設けられている。このパッド１４１は、加速度センサおよび角速度センサの検出回路（後述する図５に加速度センサの検出回路、図３に角速度センサの検出回路を図示）を形成したチップなどのパッドとボンディングワイヤを通じて電気的に接続される。

図２は、図１に示す慣性センサの検出エレメントの構成の一例を示す断面図である。図２では、図１の加速度検出エレメント１０１のマス１０２、角速度検出エレメント１１１の検出マス１１２の部分（Ａ−Ａ’線）を切断したチップ１３１の断面を示している。

チップ１３１は、ハンドル層１８１、絶縁層１７１、デバイス層１６１、および、キャップ層１９１から構成される。このチップ１３１は、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて作製される。ここでは、ハンドル層１８１と、絶縁層１７１と、デバイス層１６１がＳＯＩ基板であり、デバイス層１６１を加工することで加速度検出エレメント１０１と角速度検出エレメント１１１が作製される。

さらに、デバイス層１６１で作製される検出エレメント１０１，１１１と、外部との電気信号をやりとりするパッド１４１との間は、キャップ層１９１内に作製される貫通電極１５１によって導通する。また、キャップ層１９１は、デバイス層１６１と、絶縁層１７１と、ハンドル層１８１で、キャビティ１２１内を真空で封止する。このキャビティ１２１内において、加速度検出エレメント１０１のマス１０２、角速度検出エレメント１１１の検出マス１１２が振動可能となっている。

本実施の形態１においては、チップ１３１内に唯一作製されるキャビティ１２１の中に、加速度検出エレメント１０１と角速度検出エレメント１１１が作製されている。また、加速度検出エレメント１０１と角速度検出エレメント１１１は、キャビティ１２１内に真空で封止されている。

＜角速度センサ＞
図３は、本実施の形態における慣性センサにおいて、角速度検出エレメント１１１の検出回路の構成の一例を示すブロック図である。図３では、角速度検出エレメント１１１の角速度印加による変位を検出して、検知した角速度を外部に出力する検出回路の構成の一例を示している。

図３に示す検出回路は、角速度検出エレメント１１１が有する電極の静電容量の変化から角速度を検知するための振動子（検出マス１１２）の駆動や、角速度印加による振動子の振動を検出する機能を有する。図３では、検出回路の説明に関係する角速度検出エレメント１１１の構成要素（検出マス１１２、駆動電極１１６、モニタ電極１１７、検出電極１１８）も併せて図示している。

検出回路は、参照電位４０１、直流電圧生成部４０２、交流電圧生成部４０３、直流電圧生成部４０５、交流電圧生成部４０６、アンプ４０７、位相反転器４０８、ＣＶ（Capacitor to Voltage）変換部４０９、ＡＤＣ（Analogue to Digital Convertor）部４１０、同期検波部４１１、周波数制御部４１２、振幅制御部４１３、ＣＶ変換部４１４、ＡＤＣ部４１５、同期検波部４１６、分周器４１７、分周器４１８、共通ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）４１９、信号調整部４２０、共通診断部４３７を有する。

ここでは、これら全ての要素を含む回路として、角速度検出エレメント１１１の検出回路と称して説明するが、これに限られるものではなく、一部の機能を外部の回路に含めても良い。例えば、共通ＶＣＯ４１９や共通診断部４３７は、加速度検出エレメント１０１の検出回路と共通に有する構成であるため、これらの各部を含む共通回路として別個に設けても良い。

角速度検出エレメント１１１では、固定部１１３から梁１１４によって懸架された検出マス１１２を、駆動電極１１６に印加する交流信号によって、梁１１４と検出マス１１２、およびキャビティ１２１の封止圧力によって定まる共振周波数で、一定の振幅で駆動方向に振動させる。ここで駆動方向とは、駆動電極１１６によって変位が生じる方向であり、図１では上下方向である。

駆動方向に振動させる周波数は、必ずしも前記の共振周波数である必要はないが、電圧対振幅の効率を最大化させるという観点では、共振周波数での振動が望ましい。

ここで、駆動電極１１６に与える、振動を励起する駆動信号（電圧）は、参照電位４０１に対する直流電圧生成部４０５と、交流電圧生成部４０６と、アンプ４０７と、逆位相の電圧を生成する位相反転器４０８によって生成される、１８０度位相の異なる２つの駆動信号である。

また、交流電圧生成部４０６で生成される交流電圧の周波数は、後述の通り加速度検出エレメント１０１の検出回路に共通の共通ＶＣＯ４１９によって生成される発振信号を、分周器４１８によって周波数を分周ないしは逓倍した周波数である。無論、分周器４１８を経ずに、１倍の周波数であっても良く、また、共通ＶＣＯ４１９は電圧制御でなくても、周波数が制御できる発振回路であれば良い。

前記位相反転器４０８によって生成された交流の２つの駆動信号は、対向する駆動電極１１６にそれぞれ印加され、検出マス１１２に印加された、駆動信号の交流信号が有する周波数に従って、検出マス１１２が励振方向に振動する。

また、この振動によるモニタ電極１１７の容量変化が、ＣＶ変換部４０９で電圧に変換され、さらに、ＡＤＣ部４１０を経てデジタル値に変換され、デジタル領域にて信号処理が実施される。

ここで、ＣＶ変換部４０９でモニタ電極１１７の容量成分の変化を電圧に変換して検出する原理について述べる。ＣＶ変換部４０９では、前記モニタ電極１１７に限らず、静電容量の変化を検出するために、参照電位４０１に対する直流電圧生成部４０２と、交流電圧生成部４０３で生成するキャリア信号（電圧）を、角速度検出エレメント１１１の検出マス１１２に印加する。

このキャリア信号に同期したサンプリングによる電流電圧変換をＣＶ変換部４０９で実施することにより、キャリア成分を取り除いた容量成分が電圧信号として検出できる。

具体的には、ＣＶ変換部４０９は図４に示すＣＶ変換回路とする。図４は、スイッチトキャパシタ方式のＣＶ変換回路の一例を示す回路図である。ＣＶ変換回路は、基準電圧生成部Ｃ３、キャリア生成スイッチＣ７、帰還スイッチＣ９、帰還容量Ｃ１０、および、オペアンプＣ１１を有する。Ｃ８は検出すべき静電容量である。基準電圧生成部Ｃ３は、基準電圧Ｃ１と参照電圧Ｃ２を基準に、キャリアＨＩＧＨ信号Ｃ４（Ｖｈ）と、キャリアＬＯＷ信号Ｃ５（Ｖｌ）と、キャリア中点電圧Ｃ６（Ｖｂ）を出力する生成部である。

このＣＶ変換回路では、基準電圧生成部Ｃ３を有し、検出すべき静電容量Ｃ８（Ｃ）に対し、キャリア生成スイッチＣ７を切り替えることで、キャリアＨＩＧＨ信号Ｃ４とキャリアＬＯＷ信号Ｃ５からなる交流信号をキャリア信号として印加する。この動作により、検出すべき静電容量Ｃ８の容量Ｃに対し、Ｑ＝Ｃ（Ｖｈ−Ｖｌ）、で定義される電荷がＣ１０に保持される。

ここで、キャリア生成スイッチＣ７のクロックは、前記共通ＶＣＯ４１９に同期していても、いなくとも良いが、ＶＣＯを複数作製するコストを考慮すると、前記共通ＶＣＯ４１９からの分周や逓倍で生成することが望ましい。

次に、オペアンプＣ１１にキャリア中点電圧Ｃ６をバイアスとして与え、帰還容量Ｃ１０（Ｃｆ）と帰還スイッチＣ９を設ける回路を構成し、キャリア生成スイッチＣ７に同期してＯＮ・ＯＦＦ動作を行う。この動作により、出力部Ｃ１２には、Ｖ＝（Ｃ／Ｃｆ）×（Ｖｈ−Ｖｌ）＋Ｖｂ、で示される電圧が現れる。

このように、キャリア信号を用いて高周波信号帯域で静電容量Ｃ８を検出することは、低域に存在する１／Ｆノイズなどの雑音成分を避けた、高品質な容量検出を実現するものである。ただし、必ずしも本発明に必要の要件ではないため、スイッチトキャパシタ方式以外の検出回路で、容量成分を電圧に変換する回路を用いても良い。例えば、ＴＩＡ（Trans Impedance Amplifier）を用いた連続時間での検出方式がある。

次に、ＣＶ変換部４０９でのＣＶ変換処理を経た以降の信号処理について述べる。なお、以下に示す信号処理はＡＤＣ部４１０を経たデジタル信号領域で行われるが、ＡＤＣ部４１０を経る前にアナログ領域で行われても良い。また、ＡＤＣ部４１０の構成は、ΣΔ形やＳＡＲ（Successive Approximation Register）型等、任意の構成で本実施の形態は実現可能である。

ＡＤＣ部４１０を経たモニタ信号（モニタ電極１１７によって検知された検出マス１１２の変位量を示す電圧信号）は、同期検波部４１１にて同期検波処理を行う。

この同期検波部４１１にてモニタ信号の同期検波に用いる交流信号は、前記共通ＶＣＯ４１９で生成された発振信号を、分周器４１７によって周波数を分周ないしは逓倍した周波数である。

分周器４１７における分周比は、駆動信号の分周器４１８と同じであることが一般的である。このため、分周器４１８と分周器４１７は同一の回路ないしハードウエアであっても良い。

同期検波部４１１では、モニタ信号の位相成分と、モニタ信号の振幅成分を検出する。まず、位相成分は、検出マス１１２の駆動方向の共振周波数での振動を維持するための制御入力の元となる。

一般に、二次遅れ系で表される振動系（検出エレメント）は、共振周波数で振動すると、その変位は駆動信号に対して９０度遅れたものになる。すなわち、モニタ信号が駆動信号に対して９０度遅れている状態を維持するよう、共通ＶＣＯ４１９の制御を行うことで、共振周波数での振動を維持できる。

具体的には、モニタ信号に対して９０度位相がずれた検波信号を掛け合わせ、ＬＰＦ（Low Pass Filter）をかけることで、三角関数の積和公式から、モニタ信号の９０度位相遅れ信号からの位相ずれ成分を得る。同期検波部４１１で得た位相のずれ成分は、周波数制御部４１２の制御入力として与えられる。

周波数制御部４１２では、入力された位相のずれ成分から、駆動信号の周波数が検出マス１１２の駆動方向の共振周波数に対して高い場合は、共通ＶＣＯ４１９の発振周波数を下げる方向に共通ＶＣＯ４１９の制御入力を与え、逆の場合は、共通ＶＣＯ４１９の発振周波数を上げる方向に共通ＶＣＯ４１９の制御入力を与える。

また、同期検波部４１１の２つ目の検出成分であるモニタ信号の振幅成分は、駆動方向の振動の振幅を示している。角速度印加によって検出マス１１２に発生するコリオリの力（Ｆｃ）は、Ｆｃ＝２・ｍ・Ω・Ｖｘで定まる。ここで、ｍは検出マス１１２の質量、Ωは印加された角速度、Ｖｘは検出マス１１２の駆動方向への移動速度である。

振動の周波数が一定の場合、印加された角速度を反映するコリオリの力は、検出マス１１２の駆動方向の振幅に比例することが上式から示されるので、駆動方向の振動は一定の移動速度、すなわち一定振幅での振動でないと、角速度Ωによって得られるコリオリの力がばらついてしまう。このことは、角速度センサとしての感度がばらつくことを意味しているので、駆動方向の振幅は一定に保つ必要がある。

モニタ信号の振幅成分を得るためには、同期検波部４１１に入力されるモニタ信号と同位相の検波信号を掛け合わせ、ＬＰＦをかける必要がある。すなわち、先に示した位相成分を得るための検波信号とは位相が異なる。このため、同期検波部４１１では、振幅を得るための検波信号を内部で生成し（位相を遅延させ）、同期検波を行う。なお、この信号生成は検出回路内のいずれの場所で行われても良い。

同期検波部４１１にて得られた振幅成分は、振幅制御部４１３の制御入力に送られる。振幅制御部４１３では、予め与えられた目標振幅とモニタ信号の振幅成分から得られた現在の振幅とを比較し、現在の振幅が不足している場合は、アンプ４０７のゲインを上げ、逆の場合は、アンプ４０７のゲインを下げる制御を行う。

以上２つの制御を、検出マス１１２の駆動方向の振動を検知するモニタ信号によって行うことで、本実施の形態における角速度センサは、駆動方向の共振周波数での振動を維持し、さらに一定の振幅も維持することができる。

次に、角速度検出エレメント１１１で、印加された角速度を検知する手順を述べる。固定部１１３から梁１１４によって懸架された検出マス１１２は、梁１１４と検出マス１１２、およびキャビティ１２１の封止圧力によって定まる、検出方向への振動の共振周波数を持つ。ここで検出方向とは、駆動方向と直交する方向への振動であり、図１では左右方向となる。

ここで、駆動方向の共振周波数と、検出方向の共振周波数の関係は任意である。

次に、前述の通り、駆動方向に一定振幅かつ一定周波数で振動が生じている場合、印加された角速度によって、コリオリの力が駆動方向と直交方向に発生するので、検出マス１１２は駆動方向と直交する検出方向、すなわち検出電極１１８の静電容量を変化させる方向に振動する。

この検出方向への振動を検知する検出電極１１８に生じる静電容量の変化は、ＣＶ変換部４１４で電圧に変換され、ＡＤＣ部４１５を経てデジタル値に変換され、デジタル領域にて信号処理が実施される。

ここで、ＣＶ変換部４１４で検出電極１１８の容量成分の変化を電圧に変換して検出する原理は、前記モニタ電極１１７の容量成分検知の原理と同じである。また、前記モニタ電極１１７の容量の変化を検出するために検出マス１１２に印加した、参照電位４０１に対する直流電圧生成部４０２と、交流電圧生成部４０３で生成するキャリア信号は、検出電極１１８のＣＶ変換のためのキャリアとしても利用される。

次に、ＣＶ変換部４１４でのＣＶ変換処理を経た以降の信号処理について述べる。ＡＤＣ部４１５を経た検出信号は、同期検波部４１６にて検出信号の振幅成分を抽出する同期検波処理を行う。この同期検波部４１６にて検出信号の同期検波に用いる交流信号は、前記共通ＶＣＯ４１９で生成された発振信号を、分周器４１７によって周波数を分周ないしは逓倍した周波数の信号である。

同期検波処理で振幅が得られる原理は、前記駆動振幅制御のための同期検波に関する記述で示したものと同じであるため、説明は省略する。

同期検波部４１６で得られた検出電極１１８の振幅成分は、印加された角速度に比例した信号である。この信号成分をセンサの角速度出力として用いてもよいが、一般には、信号調整部４２０において、ゼロ点の補正や、感度の補正、ないしは温度によって生じるそれらの変動（温度特性）補正を行い、センサ外部へと出力される。

さらに、角速度センサでは、角速度検出エレメント１１１の機械部分の破損などによる共振周波数の変化や封止圧力の変化、検出回路の回路部分の電気的地絡や開放によるセンサとしての故障を検知するため、共通診断部４３７を有する。この共通診断部４３７の詳細な動作については後述する。

＜加速度センサ＞
図５は、本実施の形態における慣性センサにおいて、加速度検出エレメント１０１の検出回路の構成の一例を示すブロック図である。図５では、加速度検出エレメント１０１の加速度印加による変位を検出して、検知した加速度を外部に出力する検出回路の構成の一例を示している。

図５に示す検出回路では、加速度検出エレメント１０１が有する電極の静電容量の変化から加速度を検知するための振動子（検出マス兼梁１０５）の駆動や、加速度印加による振動子の振動変化を検出する機能を有する。図５では、検出回路の説明に関係する加速度検出エレメント１０１の構成要素（検出マス兼梁１０５、駆動電極１０６、モニタ電極１０７、共振周波数調整電極１０８）も併せて図示している。

検出回路は、参照電位４２１、直流電圧生成部４２２、交流電圧生成部４２３、交流電圧生成部４２４、アンプ４２５、位相反転器４２６、直流電圧生成部４２７、ＣＶ変換部４３０、ＡＤＣ部４３１、同期検波部４３２、周波数制御部４３３、振幅制御部４３４、信号調整部４３５、ＤＡＣ部４３６、共通診断部４３７、分周器４３８、共通ＶＣＯ４１９を有する。共通ＶＣＯ４１９および共通診断部４３７は、角速度検出エレメント１１１の検出回路と共通である。

加速度検出エレメント１０１では、固定部１０３から懸架された検出マス兼梁１０５を、駆動電極１０６に印加する交流信号によって、検出マス兼梁１０５とキャビティ１２１の封止圧力によって定まる共振周波数で、一定の振幅で駆動方向に振動させる。駆動方向に振動させる周波数の詳細については後述するが、必ずしも共振周波数である必要はない。

ここで、駆動電極１０６に与える振動を励起するための電圧は、参照電位４２１に対する直流電圧生成部４２７と、交流電圧生成部４２４と、アンプ４２５と、逆位相の電圧を生成する位相反転器４２６によって生成される、１８０度位相の異なる２つの駆動信号である。また、交流電圧生成部４２４で生成される交流電圧の周波数は、前記角速度検出エレメント１１１の検出回路に共通の共通ＶＣＯ４１９によって生成される発振信号を、分周器４３８によって周波数を分周ないしは逓倍した周波数である。

なお、前記交流電圧生成部４２４で生成される交流電圧の周波数は、分周器４３８を経ずに共通ＶＣＯ４１９の出力周波数の１倍の周波数であっても良い。

前記位相反転器４２６によって生成された交流の２つの駆動信号は、対向する駆動電極１０６にそれぞれ印加され、検出マス兼梁１０５に印加された、駆動信号の交流信号が有する周波数に従って、駆動方向に振動する。図１では、駆動方向は左右方向である。

また、この振動によるモニタ電極１０７の容量変化が、ＣＶ変換部４３０で電圧に変換され、ＡＤＣ部４３１を経てデジタル値に変換され、デジタル領域にて信号処理が実施される。

ここで、ＣＶ変換部４３０でモニタ電極１０７の容量成分の変化を電圧に変換して検出する原理は、前述のＣＶ変換部４０９での説明の通りである。ただし、参照電位４２１に対する直流電圧生成部４２２と、交流電圧生成部４２３で生成するキャリア信号は、必ずしも前記角速度検出エレメント１１１の検出回路で用いたものと同じである必要はなく、加速度検出エレメント１０１のために異なるキャリア信号やバイアス電圧を用いても良い。同様に、キャリアとして印加する交流電圧の周波数も、加速度検出エレメント１０１独自のものであっても良い。例えば、消費電力の低減のためにキャリア周波数を下げるべく、キャリア周波数を下げる回路構成が考えられる。

次に、ＣＶ変換部４３０でのＣＶ変換処理を経た以降の信号処理は、前記角速度検出エレメント１１１と同様に、ＡＤＣ部４３１を経たデジタル信号領域で行われるが、以下に示す信号処理はＡＤＣ部４３１を経る前にアナログ領域で行われても良い。

ＡＤＣ部４３１を経たモニタ信号（モニタ電極１０７によって検知された検出マス兼梁１０５の変位を示す電圧信号）は、同期検波部４３２にて同期検波処理を行う。この同期検波部４３２にてモニタ信号の同期検波に用いる交流信号は、前記角速度検出エレメント１１１の検出回路に共通の共通ＶＣＯ４１９で生成された発振信号を、分周器４３８によって周波数を分周ないしは逓倍した駆動信号と同じ周波数を持つ交流信号である。分周器４３８（図３の分周器４１７に対応）における分周比は、駆動信号の分周器４１８（図３）と同じである。このため、分周器４３８として、分周器４１８と分周器４１７は同一の回路ないしハードウエアで示しているが、異なる分周器であっても良い。例えば、交流電圧生成部４２４へはアナログ電圧を与え、同期検波部４３２にはデジタルの符号反転信号だけを与えるような同期検波構成を実現する場合は、分周器４３８は異なるハードウエアによって実装される。

同期検波部４３２では、モニタ信号の位相成分と、モニタ信号の振幅成分を検出する。それぞれの検出原理は、前記角速度検出エレメント１１１の検出回路の説明で述べたものと同じである。ただし、ここで行うモニタ信号の位相成分検出は、前記角速度検出エレメント１１１とは目的が異なる。

加速度検出エレメント１０１では、検出マス兼梁１０５の駆動方向の共振周波数の変化を検知し、これによって間接的に印加された加速度を得る。これは、マス１０２が、加速度の印加によって変位すると、検出マス兼梁１０５の変位方向の内部応力、すなわち梁１０４の垂直応力が変化する原理による。

図１に示す通り、マス１０２は、梁１０４によって懸架されており、梁１０４は、検出マス兼梁１０５の垂直応力方向（図１の上下方向＝検出方向）へはやわらかく、その直交方向へは硬く作られているので、検出マス兼梁１０５の垂直応力方向への加速度印加によってのみ変位を生じ、これによって検出マス兼梁１０５の垂直応力を変化させる。

具体的には、垂直応力を増す方向への変位の場合、検出マス兼梁１０５と封止圧力から決まる共振周波数を上げ、逆方向への変位の場合は、この共振周波数を下げる。すなわち、検出マス兼梁１０５の共振周波数変化を検知することで、マス１０２に印加されている加速度が間接的に検知できることになる。

ところが、振動系（検出エレメント）の共振周波数に駆動信号の周波数を追従すべく、前記角速度検出エレメント１１１の検出回路とは異なるＶＣＯを加速度検出エレメント１０１の検出回路に具備することは、発振器を１つの集積回路に複数設けることになり、検出回路のコストを上昇させるという課題を持つ。

そこで、本実施の形態では、検出マス兼梁１０５の共振周波数変化を検知するのではなく、検出マス兼梁１０５の共振周波数を常に一定に保つ制御を行い、この制御出力によって間接的に印加されている加速度を検知する。

上記の構成においては、前記角速度検出エレメント１１１の検出回路と同じ共通ＶＣＯ４１９から出力される交流信号を、検出マス兼梁１０５に印加される駆動信号に用いる。さらに具体的には、加速度検出エレメント１０１の発振周波数は、前記角速度検出エレメント１１１の、駆動方向の共振周波数に一致するか、その分周ないし逓倍周波数に一致したものとする。この構成によって、前記角速度検出エレメント１１１の検出回路と同じ共通ＶＣＯ４１９から出力される交流信号を、検出マス兼梁１０５に印加される駆動信号に用いることが可能となる。

前記検出マス兼梁１０５の共振周波数を一定に保つ制御を行うため、加速度検出エレメント１０１には、静電ばね効果による共振周波数調整電極１０８を設ける。共振周波数調整電極１０８に、直流電圧Ｖｓを印加することによって、Δｋ＝ε×Ｓ×Ｖｓ^２／ｇ^３、で示される、ばね定数の低下効果（ばねをやわらかくする）を得ることができる。ここで、εは誘電率、Ｓは平行平板型の電極の対向面積、ｇは平行平板型の電極の対向ギャップである。

上式から示されるように、静電ばね効果は電圧の正負に関わらず、ばね定数を低下させる方向にのみ働く。このため、静電ばね効果を与える共振周波数調整電極１０８には、加速度が印加されていない定常状態において、予めバイアス電圧として所定の直流電圧を与えておく。この場合に、その直流電圧を下げることで初期の状態よりもばねを硬くし（共振周波数を上げる）、その直流電圧を上げることで初期の状態よりもばねをやわらかくする（共振周波数を下げる）効果が得られるようになる。

また、共振周波数調整電極１０８は、モニタ電極１０７や、駆動電極１０６によって兼ねられていても良い。この場合は、モニタ電極１０７や駆動電極１０６に与えられる直流電圧がその共振周波数調整機能を司ることになる。このような構成とすることで、共振周波数調整電極１０８を設ける必要がなくなり、加速度検出エレメント１０１の面積縮小、すなわち低コスト化に寄与する。

前述の通り、検出マス兼梁１０５による振動系は、前記角速度検出エレメント１１１の振動系と同様に、共振周波数で振動すると、駆動信号に対して９０度遅れの変位を発生する。すなわち、モニタ信号が駆動信号に対して９０度遅れている状態を維持するように共振周波数調整電極１０８の電圧制御を行い、加速度検出エレメント１０１の共振周波数での振動を維持する。このため、同期検波部４３２で得た位相のずれ成分は、周波数制御部４３３の制御入力として与えられる。

周波数制御部４３３では、入力された位相の情報から、検出マス兼梁１０５による振動系の共振周波数が駆動信号の共振周波数よりも高い場合は、共振周波数調整電極１０８に与える直流電圧成分を上げることで検出マス兼梁１０５による振動系の共振周波数を下げる。逆の場合は、共振周波数調整電極１０８に与える直流電圧成分を下げることで、この共振周波数を上げる。このように、前記角速度検出エレメント１１１の検出回路と同じ共通ＶＣＯ４１９から出力される信号の周波数に、検出マス兼梁１０５の駆動信号の周波数が一致するように制御を行う。

これら共振周波数調整電極１０８に与える直流電圧成分は、ＤＡＣ部４３６によって印加される。すなわち、ＤＡＣ部４３６からは、検出マス兼梁１０５の共振周波数の変化を打ち消す方向に共振周波数を変化させる直流電圧成分が共振周波数調整電極１０８に印加される。ここで、直流電圧成分の印加は必ずしも、いわゆる直流電圧である必要はなく、ΣΔ型ＤＡＣのようにパルスの頻度等で平均的に直流として与えるものであっても良い。パルス幅による信号印加は、ＤＡＣ部４３６の構成をシンプルにできるほか、時間分解能で精度が決まるため、高精度化を実現しやすい。

また、この共振周波数調整電極１０８に与える直流電圧成分が、印加された加速度を間接的に示しているので、この制御出力を加速度センサの出力として外部に出力する。ただし、一般には、信号調整部４３５にてゼロ点の補正や、感度の補正、ないしは温度によって生じるそれらの変動（温度特性）補正を行った後に、センサ外部へと出力される。

さらに、同期検波部４３２では、モニタ信号と同位相の検波信号を掛け合わせることで、検出マス兼梁１０５の振動の振幅を得る。振幅情報は振幅制御部４３４に入力され、予め与えられた目標振幅とモニタ信号の振幅成分から得られた現在の振幅とを比較し、現在の振幅が不足している場合は、アンプ４２５のゲインを上げ、逆の場合は、アンプ４２５のゲインを下げる制御を行う。

本実施の形態の検出原理においては、駆動振幅を一定に保つことは加速度検知における必須の条件ではない。しかし、信号対雑音比（ＳＮＲ、Signal-to-Noise Ratio）の維持や後述の故障診断のために、一定の駆動振幅を保つことは重要であるため、本実施の形態においても振幅制御部４３４を導入し、定振幅制御を採用している。

＜実施の形態１の効果＞
以上のように、本実施の形態では、加速度の印加を振動子の共振周波数変化から検知し、かつ、静電ばね効果によって共振周波数を一定に保つ制御を行うことによって、以下の利点がある。

例えば、本実施の形態に対する前記特許文献１のような従来の慣性センサは、以下の通りである。すなわち、角速度検出エレメントと、静的な変位によって加速度を検知する原理を用いた加速度検出エレメントとからなる従来の慣性センサでは、キャビティ（チャンバー）を別々に作製して、角速度検出エレメントは真空封止し、加速度検出エレメントは大気圧封止して製造される。このような従来の慣性センサでは、キャビティを別々に作製すべく、それぞれのキャビティを分割するキャビティ分割部の作製プロセスや、それぞれのキャビティの封止圧力を異なるものにするためのプロセスが必要である。

これに対して、本実施の形態における慣性センサでは、１つのキャビティ１２１の中に、加速度検出エレメント１０１と、角速度検出エレメント１１１を作製し、真空の同一圧力で封止することで、キャビティを別々に作製する必要がない。これにより、本実施の形態では、従来のような、それぞれのキャビティを分割するキャビティ分割部の作製プロセスや、それぞれのキャビティの封止圧力を異なるものにするためのプロセスを省くことができる。

また、慣性センサにおけるそれぞれの検出エレメントの周波数応答については、以下の通りである。例えば、従来の慣性センサにおいては、静的な変位によって加速度を検知する原理を用いた加速度検出エレメントによる加速度検知には低域の周波数帯域を用いるのに対し、角速度検出エレメントによる角速度検知には高域の周波数帯域を用いている。

これに対して、本実施の形態における慣性センサにおいては、図６のような周波数応答になる。図６は、本実施の形態における慣性センサにおいて、加速度検出エレメント１０１の周波数応答と、角速度検出エレメント１１１の周波数応答の一例を示す説明図（横軸は周波数、縦軸はゲイン）である。

図６において、周波数応答５０１は、振動子の共振周波数を一定に保つ制御によって加速度を検知する原理を用いた加速度検出エレメント１０１の周波数応答であり、周波数応答５０２は角速度検出エレメント１１１の周波数応答である。

図６から分かるように、本実施の形態においては、加速度・角速度とも同一の周波数帯域に信号およびそのピークがあるので、検出回路のアナログ回路部の周波数特性や、ＡＤＣ部の周波数特性を、加速度の検出回路と、角速度の検出回路に、同一ないし類似の設計のものを利用でき、設計コストを下げる効果が期待できる。

さらに、慣性センサの信頼性の観点においても、同一の周波数帯を、加速度と角速度で用いることは、共通のアナログ検出回路を利用できるので有利である。例えば、優先度の高い検出軸（検出方向や検出対象を含む）の故障発生時には、優先度の低い検出軸の検出回路が、優先度の高い検出軸の検出回路として動作するために回路のパスをアナログスイッチで切り替える機能の適用が考えられる。さらに、冗長な検出回路を予め複数設けておき、故障発生時に角速度・加速度といった検出対象を問わずに、冗長回路を故障した検出回路のバックアップとして機能させたりする機能などの適用が考えられる。

さらに、角速度センサとの複合化において、角速度検出エレメント１１１の検出回路が持つ発振器を、加速度検出エレメント１０１の検出回路の発振器として兼ねることができ、検出回路全体の低コスト化にも貢献することができる。

また、本実施の形態においては、角速度検出エレメント１１１と、加速度検出エレメント１０１が、ほぼ同じ共振周波数を有しているという特徴と、同じ真空のキャビティ１２１内に作製されているという特徴から、互いの故障を検出できる。

図７は、本実施の形態における慣性センサにおいて、共通診断部４３７による診断機能（診断回路）の一例を示すブロック図である。図７に示すように、本実施の形態では、角速度検出エレメント１１１の検出回路から、周波数制御部４１２からの出力と、振幅制御部４１３からの出力と、検出側の同期検波部４１６からの出力が共通診断部４３７に入力される。また、加速度検出エレメント１０１の検出回路からは、周波数制御部４３３からの出力と、振幅制御部４３４からの出力が、共通診断部４３７に入力される。また、集積回路上に設けた温度センサ４７０からの出力が、共通診断部４３７に入力される。

ここで、周波数制御部４１２の出力（Ｆ＿ｇｙｒｏ）は、温度センサ４７０が出力する温度における、当該慣性センサが有する共通ＶＣＯ４１９の出力を角速度検出エレメント１１１の駆動側共振周波数に一致させるための指令値である。一方、周波数制御部４３３の出力（Ｆ＿ａｃｃｅｌ）は、温度センサ４７０が出力する温度における、加速度検出エレメント１０１の共振周波数を前記角速度検出エレメント１１１の駆動側共振周波数に一致させる指令値である。

この特性を用いると、Ｆ＿ｇｙｒｏと、Ｆ＿ａｃｃｅｌの値の変化から、故障の検知が可能である。例えば、Ｆ＿ｇｙｒｏと、Ｆ＿ａｃｃｅｌの値が、どちらも出荷後に大きく変化した場合は、共通ＶＣＯ４１９等の共通回路の故障を意味しているので、慣性センサの全ての機能を停止させる。また、Ｆ＿ａｃｃｅｌだけが変化した場合は、加速度センサに関する回路にのみ異常があるので、角速度センサの出力は維持する。このような故障モードは、例えば検出マスに異物が付着し、検出マスの質量を変化させた場合に起こる。振動系の共振周波数（振動数）は、ω＝√（ｋ／ｍ）、で決まるため、質量の変化が共振周波数の変化となって現れるのである。ここで、ωは角振動数、ｋはばね定数、ｍは検出マスの質量である。

また、Ｆ＿ｇｙｒｏと、Ｆ＿ａｃｃｅｌの値のいずれかの変化が、温度センサ４７０によって得られる温度の変化に伴う変化率（ヤング率によって定まる）を超えている場合は、該当する角速度センサまたは加速度センサの温度特性に異常が生じているので、該当するセンサのみ出力を止める。さらに、Ｆ＿ｇｙｒｏと、Ｆ＿ａｃｃｅｌの両方が温度センサ４７０に矛盾した変動を示しているときは、温度センサ４７０の故障と診断できる。

以上のように、共振周波数の変化が故障モードや周囲の温度等に追従するので、複数の周波数制御部４１２，４３３の出力であるＦ＿ｇｙｒｏと、Ｆ＿ａｃｃｅｌの値を組み合わせることで、従来の単体センサでは検出できなかった故障モードを検出したり、故障箇所を同定したりすることができる。

また、同様に、振幅制御部４１３の出力（Ａ＿ｇｙｒｏ）は、温度センサ４７０が出力する温度における、角速度検出エレメント１１１を駆動方向に振動させる電圧を定める指令値である。一方、振幅制御部４３４の出力（Ａ＿ａｃｃｅｌ）は、温度センサ４７０が出力する温度における、加速度検出エレメント１０１の振動振幅を所望のレベルに維持するための駆動信号を定める指令値である。

同様に、この特性を用いると、Ａ＿ｇｙｒｏと、Ａ＿ａｃｃｅｌの値の変化から、各機能の故障検知が可能である。例えば、Ａ＿ｇｙｒｏと、Ａ＿ａｃｃｅｌの値が同時に大きく変化した場合は、基準電圧の異常や、共通のキャビティ１２１の故障を意味しているので、慣性センサの全ての機能を停止させる。また、Ａ＿ａｃｃｅｌだけが変化した場合は、加速度センサに関する回路、例えば駆動信号を生成するＤＡＣ部４３６に異常があるので、角速度センサの出力は維持しつつ、加速度センサの出力は停止する。

また、真空のキャビティ１２１であっても、温度によって振動子のＱ値が変化するので、Ａ＿ｇｙｒｏと、Ａ＿ａｃｃｅｌの値のいずれかの変化が、温度センサ４７０によって得られる温度の変化に伴う変化率（温度−Ｑ値特性によって定まる）を超えている場合は、該当するセンサの出力を止める。さらに、Ａ＿ｇｙｒｏと、Ａ＿ａｃｃｅｌの両方が温度センサ４７０に矛盾した変動を示しているときは、温度センサ４７０の故障と診断するような機能を実現できる。

また、前記に示した診断機能（診断回路）は、加速度検出エレメント１０１の検出回路および角速度検出エレメント１１１の検出回路の、それぞれの周波数制御出力と、振幅制御出力それぞれを単体で監視し、事前に設定した閾値を元にそれぞれの機能を個別に診断する機能の上に存在可能であるので、各検出軸や機能単体での診断を妨げるものではない。

以上説明した本実施の形態における慣性センサによれば、加速度検出エレメント１０１と角速度検出エレメント１１１を真空の同一圧力で封止し、かつ、ＭＥＭＳデバイスの高いＱ値を生かした共振振動によって、高安定な慣性センサを簡易な構成で作製することができる。特に、加速度検出エレメント１０１については、真空で封止しても耐振性が劣化することなく、安定的な加速度検出を実現することができる。

［実施の形態２］
本実施の形態２における、加速度センサと角速度センサとからなる慣性センサについて、図８〜図１０を用いて説明する。本実施の形態２は、唯一のキャビティ（チャンバー）に、少なくとも１つの角速度検出エレメントと、少なくとも２つ以上の加速度検出エレメントを封止する慣性センサの構成例である。

図８は、本実施の形態２における慣性センサの検出エレメントの構成の一例を示す平面図である。本実施の形態２の慣性センサでは、一例として、３軸の加速度、すなわち加速度検出エレメント３１１，３１２，３１３と、１軸の角速度、すなわち角速度検出エレメント１１１を、１つのチップ３３１の、１つのキャビティ３２１内に真空封止する構成例としている。角速度検出エレメント１１１は、前記実施の形態１と同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。

加速度検出エレメントとして、本実施の形態２では３つの異なる検出軸方向を有する、加速度検出エレメント３１１、加速度検出エレメント３１２、加速度検出エレメント３１３を有する。

ここで、加速度検出エレメント３１１と、加速度検出エレメント３１２は、前記実施の形態１で示した検出原理で加速度を検知するので、詳細な説明は省略する。なお、加速度検出エレメント３１２は、図８に示すように、加速度検出エレメント３１１を９０度回転させて作製したものであり、図８における左右方向の加速度を検知するものである。加速度検出エレメント３１１の検出方向は、図８における上下方向である。

加速度検出エレメント３１３は、図８における奥行き方向（面外方向）の加速度を検知する。この加速度検出エレメント３１３は、第１の面外検出マス３１４、固定部３１５、回転梁３１６、第２の面外検出マス３１７、回転梁３１８、固定電極３１９を有する。

第１の面外検出マス３１４は、固定部３１５に回転梁３１６を通じて懸架される、シーソー型の検出マスである。第２の面外検出マス３１７は、第１の面外検出マス３１４に、回転梁３１８を通じてさらに第１の面外検出マス３１４から懸架される、面外方向へシーソー型に変位する検出マスである。第２の面外検出マス３１７は、回転梁３１６に対して対称に２つ有する。

図９は、図８に示す慣性センサの検出エレメントの構成の一例を示す断面図である。図９では、図８の加速度検出エレメント３１１のマス１０２、加速度検出エレメント３１３の面外検出マス３１４，３１７、角速度検出エレメント１１１の検出マス１１２の部分（Ｂ−Ｂ’線）を切断したチップ３３１の断面を示している。

チップ３３１は、ハンドル層１８１、絶縁層１７１、デバイス層１６１、および、キャップ層３２０から構成される。唯一のキャビティ３２１を構成するキャップ層３２０に、第２の面外検出マス３１７との間に電極を構築するための固定電極３１９を設ける。ここで、固定電極３１９は、ドープされたシリコンで作製するキャップ層３２０に、絶縁層を埋め込むことで電気的な分離を設ける方法や、ガラスなどで作製したキャップ層３２０に、金属の電極を作製する方法などで実現する。

加速度検出エレメント３１３では、固定電極３１９に、駆動電極、モニタ電極、共振周波数調整電極をそれぞれ作製する（詳細な配置は図示せず）。

ここで、加速度の印加されていない定常状態では、全ての共振周波数調整電極に所定の直流電圧が印加される。この状態で面外方向の加速度が印加されると、第１の面外検出マス３１４が回転するように変位し、第２の面外検出マス３１７の内、キャップ層３２０に近づく方の共振周波数調整電極では容量が増え（静電ばね効果が強くなる）、第２の面外検出マス３１７の共振周波数が下がる。一方、第２の面外検出マス３１７の内、キャップ層３２０から離れる方の共振周波数調整電極では容量が減り（静電ばね効果が弱くなる）、第２の面外検出マス３１７の共振周波数が上がる。

これらの共振周波数の変化を受け、前記実施の形態１で示した加速度検出エレメントの検出回路と同様に、共振周波数調整電極の電圧を制御し、静電ばね効果を制御することで、第２の面外検出マス３１７の共振周波数が一定に維持される。一方、静電ばね効果の制御量は、第１の面外検出マス３１４に印加された加速度を間接的に示しているので、この値を面外方向の加速度出力として出力する。

以上が、本実施の形態２おける面外方向の加速度検出エレメント３１３と、その検出回路の動作である。

本実施の形態２では、３軸の、すなわち３つの加速度検出エレメント３１１，３１２，３１３を有しているが、これら加速度検出エレメント３１１，３１２，３１３の共振周波数は、定常状態で全てが同一の共振周波数を維持するように、予め静電ばね効果をもたらす共振周波数調整電極の電圧が設定されている。

具体的には、角速度検出エレメント１１１の駆動方向の共振周波数に一致するように加速度検出エレメント３１１，３１２，３１３の共振周波数調整電極の電圧を制御する。このような構成とすることで、前記実施の形態１に示したように、共通ＶＣＯ４１９によって生成される発振信号を全ての検出エレメントの発振信号として利用できるので、センサ全体での発振回路が１つで済むというコスト面でのメリットがある。

また、図示しないが、角速度検出エレメント１１１を、唯一のキャビティ３２１の中に複数設け、多軸の角速度検出を実現する構成としても良い。例えば、第１の角速度検出エレメントと、第２の角速度検出エレメントの２つの角速度検出エレメントを有する場合は、例えば、第１の角速度検出エレメントの駆動方向の共振周波数に第２の角速度検出エレメントの駆動信号の周波数を用いることで、複数の発振回路を持たずとも多軸の検出ができる。なお、ここで、第２の角速度検出エレメントは、必ずしもその駆動方向の共振周波数で駆動させる必要はない。

一方、複数の加速度検出エレメントの共振周波数は、加速度検出エレメント自身のＱ値よりも高い外部の振動子の共振周波数ないしそのＮ逓倍・Ｎ分周に一致させても良い。このことは、外付けの振動子（水晶発振子など）のコストは必要となるが、極めて高いＱ値を有する振動子の周波数安定性を生かし、加速度センサの安定性向上を図ることができる。

図１０は、外部の発振器５００を適用した加速度検出エレメント３１１（加速度検出エレメント３１２，３１３も同様の構成）の検出回路の構成の一例を示すブロック図である。前述した図５との違いは、予め、静電ばね効果をもたらす共振周波数調整電極の電圧が、外部の発振器５００から分周器４６９で分周ないし逓倍した周波数成分に一致する制御を行う点と、故障の診断を行う診断部４６７が、角速度検出エレメントの故障診断部と独立している点である。

ただし、本実施の形態２では、少なくとも２つの加速度検出エレメントが、外部の発振器５００から得た安定度の高い発振周波数を元に共振周波数調整電極の電圧が加速度検出エレメントの共振周波数を制御しているため、故障を検知する機能は引き続き利用可能である。すなわち、診断部４６７では、加速度検出エレメント間での周波数制御部４３３からの出力や、振幅制御部４３４からの出力の矛盾によって、故障を診断することができる。

以上説明した本実施の形態２における慣性センサによれば、加速度検出エレメント３１１，３１２，３１３と角速度検出エレメント１１１を真空の同一圧力で封止し、かつ、外部の発振器５００を用いた極めて高いＱ値を生かした共振振動によって、高安定な慣性センサを簡易な構成で作製することができる。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

例えば、本発明は、加速度・角速度といったいわゆる慣性量を測る慣性センサや、複数軸の加速度検知する多軸加速度センサを、安価かつ高精度に実現する上で有益である。また、故障診断において、故障の検出可能性が高いため、車載応用など、信頼性が求められるアプリケーションへの適用も好適である。

また、本発明は、加速度検出エレメントのみを１つのチップの１つのキャビティ内に封止する慣性センサについても適用できるものであり、この場合に、加速度検出エレメントは、１つに限らず、２つ以上有するものについても適用可能である。また、本発明は、２つ以上の複数の加速度検出エレメントと、２つ以上の複数の角速度検出エレメントを、１つのチップの１つのキャビティ内に封止する慣性センサについても適用できるものであり、各検出エレメントの数に制限はない。また、本発明は、加速度検出エレメントと、他の物理量検出エレメントとの複合化も可能とするものである。

１０５ 検出マス兼梁
１０６ 駆動電極
１０８ 共振周波数調整電極
４３０ ＣＶ変換部
４３１ ＡＤＣ部
４３２ 同期検波部
４３３ 周波数制御部
４３５ 信号調整部
４３６ ＤＡＣ部

Claims (12)

1. 加速度を検知する第１振動子と、
   前記第１振動子を振動させる静電容量型の第１電極と、
   前記第１振動子の共振周波数を変化させる静電容量型の第２電極と、
   前記第１振動子への電圧印加で前記第１振動子が振動する間において前記第１振動子へ加速度が印加された際に、前記第１振動子の共振周波数の変化を打ち消す方向に前記共振周波数を変化させる電圧を前記第２電極に印加し、前記第２電極に印加する電圧の値に基づいて前記加速度を出力する検出回路と、
   を有する、慣性センサ。
2. 請求項１に記載の慣性センサにおいて、
   前記第２電極には、前記第１振動子へ加速度が印加されていない定常状態において、前記共振周波数を変化させるバイアス電圧が予め印加されており、
   前記第１振動子の共振周波数は、前記定常状態において、前記バイアス電圧が印加されていない状態よりも低い共振周波数である、慣性センサ。
3. 請求項１に記載の慣性センサにおいて、
   さらに角速度を検知する第２振動子を有し、
   前記角速度を検知する第２振動子と、前記加速度を検知する第１振動子とが同一のチャンバーに真空で封止されている、慣性センサ。
4. 請求項３に記載の慣性センサにおいて、
   前記検出回路は、前記加速度を検知する第１振動子の共振周波数を、前記角速度を検知する第２振動子の共振周波数に一致させる方向に、前記第２電極への印加電圧を制御する、慣性センサ。
5. 請求項２に記載の慣性センサにおいて、
   前記加速度を検知する第１振動子を複数有し、
   前記複数の第１振動子に対応させて、前記第１電極、前記第２電極、および、前記検出回路を複数有し、
   前記検出回路のそれぞれは、前記加速度を検知する第１振動子の共振周波数を、同一の周波数になる方向に、前記第２電極への印加電圧を制御する、慣性センサ。
6. 請求項５に記載の慣性センサにおいて、
   さらに角速度を検知する第２振動子を有し、
   前記検出回路のそれぞれは、前記加速度を検知する第１振動子の共振周波数を、前記角速度を検知する第２振動子の共振周波数に一致させる方向に、前記第２電極への印加電圧を制御する、慣性センサ。
7. 請求項５に記載の慣性センサにおいて、
   さらに角速度を検知する第２振動子を複数有し、
   前記検出回路のそれぞれは、前記加速度を検知する第１振動子の共振周波数を、前記角速度を検知する第２振動子のうちの１つの共振周波数に一致させる方向に、前記第２電極への印加電圧を制御する、慣性センサ。
8. 請求項５に記載の慣性センサにおいて、
   前記検出回路のそれぞれは、前記加速度を検知する第１振動子の共振周波数を、自身の第１振動子のＱ値よりも高いＱ値を有する外部振動子の共振周波数と比較し、前記高いＱ値を有する外部振動子との差を縮小するように共振周波数を制御する、慣性センサ。
9. 請求項３に記載の慣性センサにおいて、
   前記加速度を検知する第１振動子を少なくとも１つ以上有し、
   前記角速度を検知する第２振動子を少なくとも１つ以上有し、
   前記少なくとも１つ以上の第１振動子および前記少なくとも１つ以上の第２振動子を振動させるクロック信号を生成する１つの発振回路を有する、慣性センサ。
10. 請求項３に記載の慣性センサにおいて、
    前記加速度を検知する第１振動子を少なくとも１つ以上有し、
    前記角速度を検知する第２振動子を少なくとも１つ以上有し、
    前記少なくとも１つ以上の第１振動子および前記少なくとも１つ以上の第２振動子の共振周波数の比較に基づいて故障を診断する診断回路を有する、慣性センサ。
11. 請求項１０に記載の慣性センサにおいて、
    前記診断回路は、前記少なくとも１つ以上の第１振動子および前記少なくとも１つ以上の第２振動子を所定の振幅で振動させる電圧、または、所定の電圧での振動時に得られる振幅の比較に基づいて故障を診断する、慣性センサ。
12. 請求項１１に記載の慣性センサにおいて、
    前記診断回路は、前記慣性センサの集積回路上に設けられた温度センサによって得られる温度の変化に基づいて、前記共振周波数および前記振幅の比較による故障を診断する、慣性センサ。

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